JP6214272B2 - タービン開口のキャップシステム - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題は、タービンに関し、より具体的にはタービンの擾乱および風損の影響を低減するためのシステムおよび装置に関する。

例えば特定の原子力発電装置システム、単純サイクル発電装置システムおよび複合サイクル発電装置システムといったいくつかの発電装置システムは、設計および動作にタービンを使用する。これらのタービンのいくつか（例えば蒸気タービン、ガスタービンなど）は、動作中、作動流体の流れに晒される構成要素を含んでいる。作動流体がタービンを通って流れるとき、いくつかの構成要素（例えば開口、端ぐりなど）のフィーチャおよび／または中断された表面によって作動流体が妨害され、抵抗および雑音（すなわち風損の影響）が生じてタービン効率が低下し、構成要素の周囲の動作温度が上昇する可能性がある。いくつかのシステムは、端ぐりを埋めるのにロックナットを使用して構成要素の表面を流線形にし、したがって、これらのフィーチャが作動流体の流れに及ぼす影響を低減する。据付け中に、余分なねじを有するボルトがタービンの端ぐり穴に設置され、この余分なねじは、端ぐり孔の中の補間関係にあるロックナットに接続してこれを保持するように機械加工されている。一旦、ボルトが設置されると、ロックナットが、端ぐりの開口を埋めることによって、端ぐりに関連した擾乱、加熱、および電力損失を低減するように、ボルトの端部に余分なねじによって装着される。しかし、これらのロックナットのために、タービンの保守整備が複雑になる可能性があり、追加の治工具が必要とされ、余分な重量が付加され、動作中にボルトに対して応力が加わり、半恒久的な方法（かしめ）による回転防止が必要とされることも多い。

米国特許第７９４２６３５号明細書

動作中のタービンの擾乱および風損の影響を低減するように適合されたシステムおよび装置が開示される。一実施形態では、キャップは、タービンの構成要素の開口に対する相補形状を有する本体部分であって、開口を実質的に覆う外表面を含む本体部分と、本体部分の周面に形成されたキャップ溝であって、開口に形成された構成要素溝と実質的に整列するように構成されたキャップ溝とを含む。

本開示の第１の態様は、タービンの構成要素の開口に対する相補形状を有する本体部分であって、開口を実質的に覆う外表面を含む本体部分と、本体部分の周面に形成されたキャップ溝であって、開口に形成された構成要素溝と実質的に整列するように構成されたキャップ溝とを含むキャップを提供する。

第２の態様は、ステータと、ステータによって実質的に取り囲まれている作動流体の流路と、ステータの機体内に半径方向に構成され、作動流体の流路と接触する流面を有するタービン構成要素であって、流面が開口を画定し、開口の内部にキャップが配置され、このキャップに、タービンの構成要素の開口に対する相補形状を有する本体部分であって、開口を実質的に覆う外表面を含む本体部分と、本体部分の周面に形成されたキャップ溝であって、開口に形成された構成要素溝と実質的に整列するように構成されたキャップ溝とが含まれるタービン構成要素とを含むタービンを提供する。

第３の態様は、タービンの構成要素の開口に対する相補形状を有する本体部分であって、開口を実質的に覆う外表面を含む本体部分と、本体部分の周面に形成されたキャップ溝であって、開口に形成された構成要素溝と実質的に整列するように構成されたキャップ溝と、実質的に本体部分のまわりに配置され、キャップ溝の中に延在するリングとを含むキャップを含むシステムを提供する。

本発明のこれらおよび他の特徴は、本発明のさまざまな実施形態を示す添付図面とともに読めば、本発明のさまざまな態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されよう。

本発明の一実施形態によるタービンの一部分を示す３次元の斜視図である。 本発明の一実施形態によるキャップシステムの一部分を示す３次元の分解斜視図である。 本発明の一実施形態によるタービンの一部分を示す３次元の斜視図である。 本発明の一実施形態によるタービンの一部分を示す３次元の斜視図である。 本発明の一実施形態によるタービンの一部分を示す３次元の斜視図である。 本発明の一実施形態によるタービンの一部分を示す３次元の斜視図である。 本発明の一実施形態によるタービンの一部分を示す断面の斜視図である。 本発明の一実施形態によるタービンの一部分を示す３次元の斜視図である。 本発明の一実施形態によるタービンの一部分を示す３次元の斜視図である。 本発明の実施形態による複合サイクル発電装置システムの一部分を示す概略ブロック図である。 本発明の実施形態による単軸形複合サイクル発電装置システムの一部分を示す概略ブロック図である。

本開示の図面は、必ずしも原寸に比例しないことが注意される。これらの図面は、単に本開示の一般的な態様を示すように意図されており、したがって、本開示の範囲を限定するものと見なされるべきでない。各図の間で同様に番号付けされた要素は、互いを参照して説明されるように、実質的に類似であり得ることが理解される。さらに、図１〜図１１を参照しながら示されて説明される実施形態では、同じ番号は同じ要素を表し得る。これらの要素の冗長な説明は、明確にするために省略されている。最後に、図１〜図１１の構成要素およびそれらに付随する説明は、本明細書で説明されるあらゆる実施形態に適用され得ることが理解される。

本明細書に示されるように、本発明の態様は、動作中のタービンの擾乱および風損の影響を低減するように適合されたシステムおよび装置を提供する。これらのシステムのキャップは、タービンの内部の開口において、タービン構成要素の流面に対して実質的に平坦な位置に設置され、それによって、開口を覆い、実質的に整然とした流面を形成する。

（例えば原子炉、蒸気タービン、ガスタービンなどを含む）発電システムの技術分野では、高温流体（例えばガス、蒸気など）で駆動されたタービンが、システムの一部分として使用されることが多い。いくつかのタービンには、開口および端ぐりなどの中断された表面を有する構成要素が含まれ、これらは、作動流体の流れに晒されて、タービンにおける擾乱、電力損失、流体加熱、または他の望ましくない風損の影響をもたらす可能性がある。これらの擾乱および風損の影響により、タービンの効率が低下し、また、タービンの内部に熱勾配が生じてタービンの構成要素が損傷することがある。

本発明の実施形態は、タービンの構成要素の開口を実質的に覆う、かつ／または密封するためのキャップを使用することによってタービンの擾乱および風損の影響を低減するように適合されたシステムおよび装置を提供する。このキャップは、開口を覆い、構成要素の流面に対して平面を形成して、作動流体が開口の凹凸表面および／または開口の内部と接触するのを防ぐ。キャップは、リングによって開口の内部に保持され、リングは、キャップのキャップ溝と、開口を画定するタービンの構成要素の表面に形成された構成要素溝とに延在し、それによって、作動流体に対して、流路のより整然とした表面を形成する。動作中に、キャップが、作動流体の流れの風損を低減し、このことが、作動流体および作動流体と接触しているタービンの構成要素の不必要な加熱を防止する。

図に移って、キャップを含むシステムおよび装置の実施形態が示されており、キャップは、風損の影響を低減することにより、効率に影響を与え、タービンおよび全体の発電システムの期待寿命を向上し得る。図のそれぞれの構成要素は、例えば共通のコンジットまたは図１〜図１１に示されるような他の既知の手段といった通常の手段によって接続されてよい。具体的には、図１を参照すると、本発明の実施形態により、開口１１０を含むタービン１００の一部分の３次元斜視図が示されている。開口１１０が、タービン１００の流面１０２に形成され、ボルト、ナット、または類似の固定具を受けるように形成された端ぐり１０６を含んでよい。開口１１０の端ぐり１０６は、キャップシステム１１８（図２に示されている）と接続するように設計された構成要素溝１１２を画定し得る。タービン１００には、流面１０２に形成された（想像線で示されている）オフセットされたフィーチャ９８（例えば切抜き、円形の切抜き、隔室、ノッチなど）が含まれてよく、キャップシステム１１８のフィーチャ（例えばタブ１９８）を収容するように構成されている。

図２に移って、本発明の実施形態により、キャップ１２０およびリング１３０を含むキャップシステム１１８の３次元の分解斜視図が示されている。キャップ１２０は、リング１３０を補完するように形成されたキャップ溝１２４を画定する外表面１８２および周面１８０を有する本体部分１２２を含んでよい。キャップ溝１２４が、周面１８０に形成され、外表面１８２からオフセットされてよく、本体部分１２２の周辺のまわりで周方向に延在する。一実施形態では、キャップ溝１２４は、タービン１００の構成要素溝１１２（図１に示されている）と実質的に整列するように構成されてよく、それによって、外表面１８２を、タービン１００の流面１０２（図１に示されている）に対して実質的に面一に位置決めする。別の実施形態では、キャップ溝１２４が、構成要素溝１１２に対して１組のねじ山を画定してよく、それによって、キャップ１２０をタービン１００にねじ留めすることができる。一実施形態では、キャップ１２０は、タービン１００のオフセットされたフィーチャ９８（図１に想像線で示されている）を補完するように形成されたタブ１９８を含んでよく、それによって、キャップ１２０および／またはキャップシステム１１８の回転運動を制限する。タブ１９８は、オフセットされたフィーチャ９８と結合してよく、回転防止フィーチャを形成する。キャップ１２０は、実質的に円形でよく、外表面１８２に、スナップリング１３０の１組のフランジ１３２を収容するノッチ１８４を画定してよい。フランジ１３２の組は、ノッチ１２４の１組の表面１９０に接続してよく、それによって、スナップリング１３０をキャップ１２０に接続して、キャップ１２０のまわりのスナップリング１３０の回転を実質的に低減する。

図３に移って、本発明の実施形態により、開口１１０の中に配置されたキャップシステム１１８を含むタービン１００の一部分の３次元斜視図が示されている。この実施形態では、キャップシステム１１８は、キャップ１２０およびキャップ１２０のまわりで周方向に延在するリング１３０を含んでよい。キャップ溝１２４（図２に示されている）および構成要素溝１１２（図１に示されている）の少なくとも１つが、リング１３０をスライド移動させるように受けてよく、それによって、開口１１０の中でキャップ１２０の位置を確実にする。一実施形態では、リング１３０が、キャップ溝１２４（図２に示されている）および構成要素溝１１２（図１に示されている）の中に延在してよく、それによって、開口１１０の中でキャップ１２０を保持し、外表面１８２を流面１０２に対して実質的に平坦に位置決めする。キャップ１２０は、開口１１０の内部で周方向に回転するのを制限されてよい。一実施形態では、構成要素溝１１２の厚さは、キャップシステム１１８の回転運動を低減するように変化してよい。ノッチ１８４が、リング１３０上のフランジ１３２の組を露出してよく、それによって、フランジ１３２の組の位置および／またはリング１３０の形状を操作することにより、キャップ１２０およびリング１３０の取付けおよび取出しが可能になる。フランジ１３２の組が、ノッチ１８４の表面１９０の組に接触してよく、キャップシステム１１８の回転運動を拘束する。一実施形態では、フランジ１３２の組が、キャップ溝１２４を有する平面から出るように配向されてよく、キャップ１２０を表面１９０の組と接触させ、リング１３０の、キャップ１２０のまわりの周方向の運動を制限する。

図４に移って、タービン１００の一部分の概略の切開３次元斜視図が示されており、実施形態によって、キャップシステム１６８がボルト１４０の上の開口１１０の中に配置されている。この実施形態では、キャップ１８２は、本体部分１２２（図２に示されている）のまわりに延在する実質的に連続した周囲の隆起部１８６を含んでいる。周囲の隆起部１８６は、キャップ溝１２４（図２に示されている）を部分的に画定し、ボルト１４０を取り巻いてよい。

図５に移って、本発明の実施形態により、キャップ溝１２４よび構成要素溝１１２の中に配置されたリング１３０を含むタービン１００の一部分の３次元斜視図が示されている。この実施形態では、リング１３０は、構成要素溝１１２およびキャップ溝１２４の一部分の中に延在し、キャップ１２０をボルト１４０のまわりに固定し、外表面１８２を流面１０２に対して実質的に平坦に配向する。一実施形態では、リング１３０は、キャップ溝１２４の中に空洞１８８を部分的に画定してよい。空洞１８８により、リング１３０が、キャップ１２０に向かってキャップ溝１２４の中に圧縮され得て、それによって、リング１３０が構成要素溝１１２から取り外され、タービン１００からキャップシステム１１８および／またはリング１３０を取り出すことができる。空洞１８８は、構成要素溝１１２の深さ「ｃ」と実質的に等しい寸法「ｄ」を有してよい。一実施形態では、ボルト１４０およびキャップ１２０は、互いに対して物理的に分離されてよい（例えば接触しない）。一実施形態では、キャップ１２０の外側部分は、開口１１０（図４に示されている）の内側部分を寸法「ｏ」だけ越えて延在してよく、これによって、キャップ１２０と開口１１０の間に円形のオフセットが生じる。

図６に移って、本発明の実施形態により、キャップ溝１２４（想像線で示されている）の中に配置されたリング１３０を含むタービン１００の一部分の３次元斜視図が示されている。この実施形態では、リング１３０は、ノッチ１８４およびキャップ溝１２４の一部分の中に延在し、キャップ１２０をボルト１４０（図５に示されている）のまわりに固定し、外表面１８２を流面１０２に対して実質的に平坦に配向する。フランジ１３２がノッチ１８４の中に延在し、フランジ１３２により、リング１３０を調節する、かつ／または圧縮することができる。オペレータまたは装置が、取付け工程および取出し工程のために、フランジ１３２に力を加え、リング１３０がキャップ溝１２４に入るまで、両端をともに押してよい。一実施形態では、図７に示されるように、フランジ１３２は、キャップ溝１２４を有する平面から角度αで配向されてよく、それによって、キャップ溝１２４のまわりのリング１３０の回転が制限される。一実施形態では、フランジ１３２を角度αだけ変位させると、表面１９０の組との接触によって周方向の運動が制限される。フランジ１３２は、キャップ溝１２４のレベルで、またはほぼそのレベルで曲げられてよい。

図８に移って、タービン８００の開口８１０および流面８０２を覆う輪状のカバー８８０の一部分を含む、タービン８００の一部分の３次元斜視図が示されている。一実施形態では、輪状のカバー８８０は、流面８０２および／またはキャップ１２０の全体を覆う。輪状のカバー８８０は、軸対称でよく、タービン８００の一部分のまわりに完全な輪状のプレート（例えばタービン８００の周囲のまわりのプレート）を形成してよい。一実施形態では、輪状のカバー８８０の軸方向および／または周方向の運動を拘束するために、輪状のカバー８８０には、タービン８００に接続するように構成され、開口８１０に近接して配置された皿ボルトの組８３０（例えばねじ、段付きボルト、ピンなど）が含まれてよい。タービン８００には、輪状のカバー８８０のフランジ８８２をスライド移動させるように受けることにより、輪状のカバー８８０の半径方向の運動を制限するように構成されたさねはぎ８２０が含まれてよい。一実施形態では、輪状のカバー８８０は、１組の段付きボルトによってタービン８００の中に固定されてよい。輪状のカバー８８０は、流面８０２および／または開口８１０の上に、実質的に連続した表面を形成してよい。

図９に移って、タービン７００の開口７１０の中に配置されたねじ付きキャップ８９０を含むタービン７００の一部分の３次元斜視図が示されている。一実施形態では、ねじ付きキャップ８９０は、タービン７００の流面７０２に対して実質的に平坦に構成されてよい。一実施形態では、ねじ付きキャップ８９０は、ボルトシステム１４０に形成されたねじの第２の組を補完する／対になって受けるように構成されたねじ付きキャップ８９０のねじの第１の組によって、ボルトシステム１４０（図４〜図５に示されている）にねじ留めされてよい。一実施形態では、ねじ付きキャップ８９０をボルトシステム１４０にねじ留めするのに続いて、ねじ付きキャップ８９０がボルトシステム１４０のまわりで回転しないように、ねじ付きキャップ８９０の１組の賭け金部分８９２が、開口７１０および／またはボルトシステム１４０に固定されてよい。一実施形態では、ねじ付きキャップ８９０は、かしめ動作の結果として開口７１０の中に延在し得るタービン７００の一部分を受けるように構成された凹部８９８を含んでよい。

図１０に移って、多軸形複合サイクル発電装置９００の一部分の概略図が示されている。複合サイクル発電装置９００は、例えば、発電機９０８に動作可能に接続されたガスタービン９０２を含んでよい。発電機９０８とガスタービン９０２は、軸９０７によって機械的に結合されてよく、軸９０７は、ガスタービン９０２の駆動軸（図示せず）と発電機９０８と間でエネルギーを伝達し得る。図１０には、ガスタービン９０２と蒸気タービン９０６に動作可能に接続された熱交換器９０４も示されている。熱交換器９０４は、通常のコンジット（番号付けされていない）によってガスタービン９０２と蒸気タービン９０６の両方に流体連結されてよい。ガスタービン９０２および／または蒸気タービン９０６は、図２のキャップシステム１１８または本明細書で説明された他の実施形態を含んでよい。熱交換器９０４は、通常の複合サイクル電力システムで使用されるものなどの通常の排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）でよい。発電の技術分野で知られているように、ＨＲＳＧ ９０４は、蒸気タービン９０６に供給する蒸気を生成するために、給水と組み合わせて、ガスタービン９０２からの熱排気を利用してよい。蒸気タービン９０６は、第２の発電機システム９０８に（第２の軸９０７を介して）適宣結合されてよい。発電機９０８および軸９０７は、当技術分野で既知の任意のサイズまたはタイプでよく、それらの用途またはそれらが接続されるシステムに依拠して異なり得ることが理解される。発電機と軸の共通の番号付けは、明確にするためであり、必ずしもこれらの発電機または軸が同一であることを示唆するものではない。図１１に示される別の実施形態では、単軸形複合サイクル発電装置９９０は、単一の軸９０７によってガスタービン９０２と蒸気タービン９０６の両方に結合された単一発電機９０８を含んでよい。蒸気タービン９０６および／またはガスタービン９０２は、図２のキャップシステム１１８または本明細書で説明された他の実施形態を含んでよい。

本開示のキャップおよびシステムは、いかなる特定の１つのタービン、発電システムまたは他のシステムにも限定されるものではなく、他の発電システムおよび／またはシステム（例えば複合サイクルのシステム、単純サイクルのシステム、原子炉システムなど）とともに使用され得る。その上に、本発明のキャップおよびシステムは、シールド、効率、取付けの容易さ、および本明細書に説明された風損の影響の低減から利益を得る可能性がある、本明細書で説明されていない他のシステムとともに使用されてよい。

本明細書に用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、本開示を限定するようには意図されていない。本明細書に用いられる単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈上特別に明確に示さないかぎり、複数形も含むように意図される。用語「備える」および／または「備えている」は、本明細書で用いられたとき、明示された特徴、数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または付加を排除するものではないことがさらに理解されよう。

この書かれた説明は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また、あらゆる当業者が、あらゆる装置またはシステムを製作して使用すること、ならびにあらゆる具体化された方法を実行することを含めて本発明を実施することも可能にするために、実例を用いている。本発明が特許権を受けられる範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に想起される他の実例を含み得る。そのような他の実例は、それらが特許請求の範囲の文字どおりの言葉と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字どおりの言葉と実質的に異ならない同等な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲に入るように意図されている。

９８ オフセットされたフィーチャ
１００ タービン
１０２ 流面
１０６ 端ぐり
１１０ 開口
１１２ 構成要素溝
１１８ キャップシステム
１２０ キャップ
１２２ 本体部分
１２４ キャップ溝／ノッチ
１３０ リング
１３２ フランジの組
１４０ ボルト
１６８ キャップシステム
１８０ 周面
１８２ 外表面／キャップ
１８４ ノッチ
１８６ 周囲の隆起部
１８８ 空洞
１９０ 表面の組
１９８ タブ
７００ タービン
７０２ 流面
７１０ 開口
８００ タービン
８０２ 流面
８１０ 開口
８２０ さねはぎ
８３０ 皿ボルトの組（例えばねじ、段付きボルト、ピンなど）
８８０ 輪状のカバー
８８２ フランジ
８９０ ねじ付きキャップ
８９２ 賭け金部分の組
８９８ 凹部
９００ 多軸形複合サイクル発電装置
９０２ ガスタービン
９０４ 熱交換器（ＨＲＳＧ）
９０６ 蒸気タービン
９０７ 軸
９０８ 発電機
９９０ 単軸形複合サイクル発電装置
ｄ 寸法
ｃ 深さ
ｏ 寸法

Claims (18)

1. タービンの構成要素の開口に対する相補形状を有する本体部分であって、前記開口を実質的に覆う外表面を含む本体部分と、
   前記本体部分の周面に形成されたキャップ溝であって、前記開口に形成された構成要素溝と実質的に整列するように構成されたキャップ溝と、
   を備え、
   前記キャップ溝が、前記外表面を、前記タービンの構成要素の流面に対して実質的に面一に位置決めするようにさらに構成されている、
   キャップ。
2. 前記キャップ溝が、前記本体部分の周辺のまわりで周方向に延在する、請求項１に記載のキャップ。
3. 前記キャップが実質的に円形である、請求項１に記載のキャップ。
4. 前記外表面が実質的に平坦である、請求項１に記載のキャップ。
5. 前記外表面の一部分によって前記本体部分に画定されたノッチをさらに備える、請求項１に記載のキャップ。
6. 前記本体部分から延在するタブであって、前記タービンの構成要素のフィーチャを補完するように構成されたタブをさらに備える、請求項１に記載のキャップ。
7. ステータと、
   前記ステータによって実質的に取り囲まれている作動流体の流路と、
   前記ステータの機体内に半径方向に構成され、前記作動流体の流路と接触する流面を有するタービン構成要素であって、前記流面が開口を画定するタービン構成要素と、
   前記開口の中に配置されたキャップであって、
   前記タービンの構成要素の前記開口に対する相補形状を有する本体部分であって、前記開口を実質的に覆う外表面を含む本体部分と、
   前記本体部分の周面に形成されたキャップ溝であって、前記開口に形成された構成要素溝と実質的に整列するように構成されたキャップ溝と、
   を備えるキャップと、
   を備える、タービン。
8. 前記キャップ溝が、前記本体部分の周辺のまわりで周方向に延在する、請求項７に記載のタービン。
9. 前記キャップ溝が、前記外表面を、前記タービンの構成要素の前記流面に対して実質的に面一に位置決めするようにさらに構成されている、請求項７に記載のタービン。
10. 前記外表面の一部分によって前記本体部分に画定されたノッチをさらに備える、請求項７記載のタービン。
11. 前記本体部分が、前記本体部分から延在するタブをさらに含み、前記タブが、前記タービンの構成要素のフィーチャを補完するように構成されている、請求項７に記載のタービン。
12. 前記開口の中に形成された構成要素溝と、
    実質的に前記本体部分のまわりに配置され、前記キャップ溝および構成要素溝の中に延在するリングと、
    をさらに備える、請求項７に記載のタービン。
13. 前記リングが、前記外表面を、前記タービンの構成要素の前記流面に対して実質的に面一に位置決めするように構成されている、請求項１２に記載のタービン。
14. タービンの構成要素の開口に対する相補形状を有する本体部分であって、前記開口を実質的に覆う外表面を含む本体部分と、
    前記本体部分の周面に形成されたキャップ溝であって、前記開口に形成された構成要素溝と実質的に整列するように構成されたキャップ溝と、
    実質的に前記キャップ溝内で前記本体部分のまわりに配置されリングと、
    を含むキャップを備え、
    前記キャップ溝が、前記外表面を、前記タービンの構成要素の流面に対して実質的に面一に位置決めするようにさらに構成されている、
    システム。
15. 前記キャップ溝が、前記本体部分の周辺のまわりで周方向に延在する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記リングが、前記外表面を、前記タービンの構成要素の前記流面に対して実質的に面一に位置決めするように構成されている、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記外表面の一部分によって前記本体部分に画定されたノッチであって、軸方向に延在するノッチをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記外表面が実質的に平坦である、請求項１４に記載のシステム。