JP6877867B2 - タービンアッセンブリ - Google Patents

Description

本開示は、概して蒸気タービン及びガスタービンを含む多段タービンに関し、特にシュラウドを備えた回転ブレードのシール部を通る漏れ流により生じる効率損失を減じる手段に関する。

軸流タービン、例えば蒸気タービンは、ケーシングと、該ケーシング内に回転可能に支持されているロータとを有している。ロータは、軸と、この軸に相前後して取り付けられる複数のロータブレードリングとを有している。タービンの作動中、作動流体は、軸を駆動するためにブレードリングによって徐々に膨張される。

各ロータブレードリングは、周方向に配置された複数のロータブレードによって形成されていて、この場合、隣接する２つのロータブレードが１つのブレード通路を形成する。ロータブレードは、作動流体がブレード通路を通過する際に、流れが変向され、これによりロータブレードにおいて周方向の力が発生させられるように、空気力学的に成形されている。ロータブレードリングの各ブレードにかかる周方向の力は、ロータを変向させ、これにより軸動力を発生させるように作用する。

ロータブレードは軸に固定されていて、軸からケーシングに向かって延在している。ケーシングのところでロータブレードの横方向端部はブレード先端を成すように形成されていて、このブレード先端でロータブレードリングはシュラウドによって取り囲まれている。シュラウドはブレード先端に固定されていて、ケーシングから間隔を置いており、これにより先端間隙が形成される。先端間隙の高さは、タービンの作動中にシュラウドがケーシングで擦られるのを防止するように設計されている。ロータブレードリングの上流側の流れの静圧は、ロータブレードリングの下流側の流れの静圧よりも高いという事実に基づき、タービンの作動中に漏れ流が先端間隙を通過する。

主流は、軸動力発生のためにブレード通路を通過し、漏れ流は先端間隙を経由してロータブレードリングを迂回する。従って、漏れ流は軸動力発生には関与せず、ブレード通路を通って流れない。さらに漏れ流は、主流路に再び入った後は主流に干渉する。従って、主流は局所的に不均一となり結果として不均衡な流れが生じる。さらに先端間隙流は主流と混合され、不利な散逸をもたらす。この結果として、先端間隙流の存在は、タービン効率に影響を与える。

特に、低アスペクト比のブレードを有する高圧タービンでは、先端間隙流により生じる損失は、タービンの総損失と比較して明らかに高い。

タービンの空気力学的効率に対する先端間隙流による悪影響を減じる手段は、先端間隙流を減じる対策を講じることである。１つの対策は例えば、先端間隙内のシュラウドの外周にラビリンスシールを設けることであり、これにより先端間隙流の質量流を減じることができる。選択的には、シール部材が先端間隙内でケーシングに固定されている。シール部材をケーシングに固定するために、ケーシング内には周方向の溝が設けられていて、この溝内にシール部材が固定される。

いずれの解決法も先端漏れを減じるが、流れをなくすものではない。従って、ブレード先端漏れに起因するタービンの効率損失に継続的に対処する必要がある。

主作動流体流路内に乱流を生成することにより、タービン効率を下げる回転ブレード漏れ流の問題に対処するように構成されたタービンを開示することである。

この問題は、独立請求項の主題である手段によって対処される。好適な実施態様は従属請求項に記載されている。

この開示は、シュラウドを有する回転ブレード先端とケーシングとの間を通る漏れ流体の再流入を少なくとも減じるために、固定ベーンの周りにバイパスを設けるという概念に基づくものである。

１つの一般的な態様は、回転軸線を備えたロータと、該ロータを取り囲むケーシングであって、前記ロータと前記ケーシングとの間に流路を形成していて、第１のシール手段及び第２のシール手段を備えたケーシングとを有しているタービンを含む。このタービンはさらに、周方向に分配された複数の第１の回転ブレードを有する前記流路内の第１の回転ブレード列であって、前記第１の回転ブレードはそれぞれ、前記ロータに結合された第１の根元部と、前記第１のシール手段に隣接する第１のシュラウドとを有している、第１の回転ブレード列を含む。このタービンはさらに固定ベーン列を有していて、固定ベーンはそれぞれ流路内へと延在しているベーン翼を有している。この固定ベーン列は、周方向で分配された複数の固定ベーンを備え、前記第１の回転ブレード列に下流側で軸方向に隣接している。固定ベーンはそれぞれ、ケーシングに接続されたベース部材を有している。第２の回転ブレード列は、流路内で前記固定ベーン列に下流側で軸方向に隣接して位置している。第２の回転ブレード列は、周方向に分配された複数の第２の回転ブレードを有していて、この第２の回転ブレードはそれぞれ、前記ロータに結合された第２の根元部と、前記第２のシール手段に隣接する第２のシュラウドとを有している。第１のキャビティは、第１のシュラウドと第１のシール手段とベース部材とによって形成されており、第２のキャビティは、第２のシュラウドとベース部材と第２のシール部材とによって形成されている。

さらなる態様は、以下の特徴の１つ以上を含む。固定ベーンがそれぞれ前縁を有しており、前記バイパス通路の第１の端部は、第１のキャビティ内の、周方向で隣接する２つの固定ベーンの前記前縁の周方向で見て間にある一点に位置している、タービン。前記バイパス通路は、ロータ回転軸線から半径方向でずらされている、タービン。前記バイパス通路はロータ回転軸線に対して平行である、タービン。前記バイパス通路は、前記ロータの通常作動回転のための方向で前記回転軸線に対して−３０°〜３０°の角度を成している、好適には０°〜１０°の角度を成している、タービン。バイパス通路はその長さに沿って同じ横断面積を有している、タービン。ガスタービン又は衝動式蒸気タービンとして形成されているタービン。ベース部材が蒸気タービンダイアフラムであるタービン。

一般的な態様では、請求の範囲のタービンは複数のバイパス通路を有している。

本開示の別の態様及び利点は、本発明の実施態様を例として示した添付の図面に関する以下の記載により明らかとなろう。

以下に、一例として、本開示の実施態様を添付の図面につきさらに詳しく説明する。

本開示の好適な実施態様によるバイパス通路を有したタービン部分を示す斜視図である。 図１のタービン部分の上面断面図である。 ダイアフラムと、このダイアフラムの周りのバイパス通路とを有する実施態様の蒸気タービンを示す断面図である。 一様でない横断面積を有するバイパス通路を有した、図１のベース部材の拡大図である。

詳細な説明
本開示の典型的な実施の形態を図面につき説明するが、この場合、全体にわたって同じ参照符号は同じ要素を示すために使用されている。以下の記載では、説明の目的で、幾つかの特定の詳細が、本開示の完全な理解を提供するために説明されている。しかしながら本開示は、これらの特定の詳細なしでも実施されてよく、ここに記載した典型的な実施の形態に限定されるものではない。

ピッチとは、隣接するブレードにおける対応するポイント間の回転方向での間隔である。この記載では、前記ポイントは、周方向で隣接する静止したブレードの前縁に相当し、この場合、０％のピッチとは、タービンの回転ブレードの回転周方向で見て、上流ブレードの前縁に対応し、１００％のピッチとは、タービンの回転ブレードの回転周方向で見て、下流ブレードの前縁に対応している。

図１に示したタービンの実施態様は、ロータ１０と、ロータ１０を取り囲むケーシング１５とを有していて、これらの間には流路１９が形成されている。周方向で分配された回転ブレード２０と固定ベーン３０の複数の翼２０ａ，３０ａが流路１９内に配置されている。回転ブレード２０と固定ベーン３０とは、回転ブレード２０の上流側の列が固定ベーン３０の下流側の列に隣接していて、これらの固定ベーン３０は順々に、別の列の回転ブレード２１に隣接するように配置されている。図１に示した回転ブレード２０と固定ベーン３０の数は実施態様を説明するためだけのものであり、従って、この開示の実施態様を適用することができるタービンの例を限定するものではない。

タービンはシール手段１６，１７を有している。シール手段１６，１７は、定置のケーシング１５と回転ブレード２０，２１のシュラウド２２，２３との間をシールする。タービンの構造に応じて、シール手段１６，１７は、各シール手段１６，１７が、流路１９の外側に位置する第１のキャビティ４０と第２のキャビティ４２とにそれぞれ配置されるように、図２に示したようにケーシング１５に取り付けることができ、又はそうでなければ、拡張リング１８ａ，１８ｂに取り付けることができる。図３に示した実施態様において、拡張リング１８ａ，１８ｂは下流のベース部材３２に取り付けられている。図３に示した実施態様において、拡張リング１８ａはベース部材３２に取り付けられていて、拡張リング１８ｂは下流のベース部材３２に取り付けられている。図示されていない実施態様において、拡張リング１８ａは上流のベース部材３２に取り付けられている。

各回転ブレード２０，２１は、ロータ１０に回転ブレード２０，２１を固定している回転ブレード根元部２４を有している。各回転ブレード２０，２１の遠位端部で、即ち、ケーシング１５に最も近い端部で、回転ブレード２０，２１はシュラウド２２，２３を有している。シュラウド２２，２３は、シュラウド２２，２３とケーシング１５との間を通る作動流体の漏れ流が生じるように形成されている。典型的にはケーシング１５とシュラウド２２，２３との間に配置されたシール手段はこの漏れ流を制限する。

回転ブレード２０，２１の列の間に位置する固定ベーン３０はそれぞれ、ベース部材３２を有していて、このベース部材３２は固定ベーン３０をケーシング１５に対して支持する又は接続する。ベース部材３２の形状は、タービンの構成に応じたものである。例えば、衝動式蒸気タービンに適用される実施態様では、ベース部材３２は、固定ベーン列の固定ベーン３０を支持するためのリングとして形成されたダイアフラム３２である。図示していない別の実施態様では、ベース部材３２は、各固定ベーン３０をケーシング１５に結合させるベーン根元部３２である。図示していない別の実施態様では、ベース部材は、ケーシング１５とベーン取り付け手段との組み合わせ体である。

第１のキャビティ４０は、第１のシュラウド２２と第１のシール手段１６とベース部材３２とによって形成されており、第２のキャビティ４２は、第２のシュラウド２３とベース部材３２と第２のシール部材１７とによって形成されている。

図１に示した実施態様はさらに第１のキャビティ４０における第１端部からベース部材３２を通って第２のキャビティ４２における第２端部へと延在しているバイパス通路４４を有している。この場合、この第１の端部と第２の端部とは両方とも流路１９の外側に位置している。バイパス通路４４の目的は、上流の回転ブレード２０のシュラウド２２上方を流れる漏れ流を、流路１９を全て一緒にバイパスすることによって下流の列の回転ブレード２１へと方向付けて、これにより固定ベーン３０の翼３０ａをバイパスすることである。第１のキャビティ４０からの漏れ流体は流路１９へと戻らない又は殆ど戻らないので、流路１９内の乱流の原因、従って効率損失はなくなる、又は少なくとも減じられる。

実施態様では、バイパス通路４４は、周方向で隣接する２つの固定ベーン３０の前縁３４の周方向で見て間で第１のキャビティ４０の一点に位置する第１の端部を有している。この実施態様では、周方向で見て間で、とは周方向で隣接する２つの固定ベーン３０の前縁３４の間に投影した１つの線上の点から軸方向かつ／又は半径方向でずらされた点を含む。即ち、バイパス通路４４の第１の端部は、投影線の上流の第１のキャビティにおける任意の点であって良い。

バイパス通路４４の構成は、タービンの形式や、バイパス通路４４がタービンに後付けされるものであるかどうか、又はオリジナル設計の一部として形成されたものであるかどうかに依存している。このようなバイパス通路４４としては、直線状のもの、又は、曲線や角のような少なくとも１つの非直線部分を含む別のものであって良い。

図３に示した実施態様では、タービンは衝動式蒸気タービンであって、固定ベーン列の固定ベーン３０を取り囲み支持するためのリングとして形成されたダイアフラム３２を備えている。この実施態様では、バイパス通路４４はダイアフラム３２を貫通するように形成されている。

図４に示した実施態様では、バイパス通路４４はその長さ方向に沿って異なる横断面積を有している。第１の部分ではバイパス通路４４は比較的大きな横断面積を有しているが、終端領域ではバイパス通路４４は減じられた横断面積を有している。この実施態様は後付けのために適用することができ、この場合、比較的大きなドリルビットによって長い通路を穿孔するのが比較的簡単となり得る。これは、バイパス通路４４の小さい方の横断面積によって形成された比較的小さいパイロット孔が設けられていることにより可能であり、小さい横断面積はバイパス通路４４の流量を決定する。

図１に示した実施態様では、流路１９は、好適には流路１９の拡張に追従するために回転軸線１２から斜行している。図示していない実施態様では、流路１９は回転軸線１２に対して平行である。

図２に示された実施態様では、バイパス通路４４は、回転軸線１２に対して角度４６を成している。この角度はバイパス通路４４を回転ブレード２０の回転方向１４に向けている。図２に示した実施態様では、バイパス通路４４の第１端部は、固定ベーン３０のピッチに沿って配置されている。

図３に示した実施態様では、タービンは衝動式蒸気タービンであって、固定ベーン列の固定ベーン３０を支持するためのリングとして形成されたダイアフラム３２を備えている。この実施態様では、バイパス通路４４はダイアフラム３２を取り囲むように形成されている。この実施態様が蒸気タービンに後付けされる場合、蒸気がさらにシール手段をバイパスしないことを保証する必要がある。シール手段が拡張リング１８ａ，１８ｂを含んでおり、各拡張リング１８ａ，１８ｂがそれ自体、固定ベーン３０のこの列の又は隣接する列のダイアフラム３２に取り付けられている場合には、拡張リング１８ａ，１８ｂの一方又は両方とケーシング１５との間に張設される付加的なケーシングシール４８が必要となるだろう。

本開示は、最も実用的な実施態様であると考えられるものを本明細書に示し説明してきたが、他の特定の形態で実施することができる。例えば、実施態様はガスタービンにも、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、反動式蒸気タービン、衝動式蒸気タービンを含むあらゆるタイプの蒸気タービンにも同様に適用することができる。従って、ここに開示された実施態様は従って、全ての点で一例であり、限定するものではないと考えられる。本開示の範囲は、添付の請求項に示されていて、請求項の意味と範囲と等価のもののうちにある前記説明と全ての変化形は、本発明に含まれる。

１０ ロータ
１２ 回転軸線
１４ 通常の回転方向
１５ ケーシング
１６，１７ シール手段
１８ 拡張リング
１９ 流路
２０，２１ 回転ブレード
２０ａ 翼（回転ブレード）
２２，２３ シュラウド
２４ 回転ブレード根元部
３０ 固定ベーン
３０ａ 翼（固定ベーン）
３２ ベース部材／ベーン根元部／ダイアフラム
３４ 前縁
３６ ピッチ
４０ キャビティ
４２ キャビティ
４４ バイパス通路
４６ 角度
４８ ケーシングシール

Claims (11)

1. タービンアッセンブリであって、
   回転軸線（１２）を有するロータ（１０）と、
   前記ロータ（１０）を取り囲むケーシング（１５）であって、前記ロータ（１０）と前記ケーシング（１５）との間に流路（１９）を形成するケーシング（１５）と、
   周方向に隣接する複数の第１の回転ブレード（２０）を有する第１の回転ブレード列であって、該第１の回転ブレード（２０）の各々が、前記ロータ（１０）から遠位側の第１の回転ブレード端部における第１のシュラウド（２２）と、前記流路（１９）内に延在しているブレード翼（２０ａ）とを備えている、第１の回転ブレード列と、
   前記ケーシング（１５）と第１のシュラウド（２２）との間に位置する第１のシール手段（１６）と、
   周方向に隣接する複数の固定ベーン（３０）を有し、かつ軸方向に第１の回転ブレード列の下流側に隣接する固定ベーン列であって、該固定ベーン（３０）の各々が、ベース部材（３２）と、前記流路（１９）内に延在するベーン翼（３０ａ）とを備えている、固定ベーン列と、
   周方向に隣接する複数の第２の回転ブレード（２１）を有し、かつ軸方向に前記流路（１９）内で前記固定ベーン列の下流側に隣接する第２の回転ブレード列であって、該第２の回転ブレード（２１）の各々が、前記ロータ（１０）から遠位側の第２の回転ブレード端部に第２のシュラウド（２３）を備えている、第２の回転ブレード列と、
   前記ケーシング（１５）と第２のシュラウド（２３）との間に位置する第２のシール手段（１７）と
   を備えており、
   第１のシュラウド（２２）と第１のシール手段（１６）と前記ベース部材（３２）とによって第１のキャビティ（４０）が形成され、第２のシュラウド（２３）と前記ベース部材（３２）と第２のシール手段（１７）とによって第２のキャビティ（４２）が形成されており、
   当該タービンアッセンブリが、前記流路（１９）と前記ベーン翼（３０ａ）とを迂回するように、第１のキャビティ（４０）における第１の端部から第２のキャビティ（４２）における第２の端部まで延在するバイパス通路（４４）をさらに備えており、
   当該タービンアッセンブリが、蒸気タービンとして形成されていて、前記ベース部材（３２）が、前記固定ベーン列の前記固定ベーン（３０）用の支持リングとして形成及び配置されたダイアフラム（３２）を有していて、前記バイパス通路（４４）が前記ダイアフラムの周囲に延在している、タービンアッセンブリ。
2. 前記ベーン翼（３０ａ）の各々が前縁（３４）を有しており、前記バイパス通路（４４）の第１の端部の、第１のキャビティ（４０）における位置が、周方向に隣接する２つのベーン翼（３０ａ）の前縁（３４）の周方向に見て間にある一点にある、請求項１に記載のタービンアッセンブリ。
3. 前記バイパス通路（４４）が、前記回転軸線（１２）に対して平行である、請求項１又は請求項２に記載のタービンアッセンブリ。
4. 前記バイパス通路（４４）が、前記ロータ（１０）の通常の回転方向（１４）において前記回転軸線（１２）に対して−３０°〜３０°の角度をなしている、請求項１又は請求項２に記載のタービンアッセンブリ。
5. 前記バイパス通路（４４）が、前記ロータ（１０）の通常の回転方向（１４）において前記回転軸線（１２）に対して０°〜１０°の角度をなしている、請求項１又は請求項２に記載のタービンアッセンブリ。
6. 前記バイパス通路（４４）の第１の端部が、前記バイパス通路（４４）の第２の端部よりも大きな断面積を有している、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のタービンアッセンブリ。
7. 前記バイパス通路（４４）が少なくとも１つの非直線部分を有している、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のタービンアッセンブリ。
8. 複数のバイパス通路（４４）を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のタービンアッセンブリ。
9. 衝動式蒸気タービンとして形成されている、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のタービンアッセンブリ。
10. 当該タービンアッセンブリが、
    第１のシュラウド（２２）と前記ケーシング（１５）との間に延在する第１の拡張リング（１８ａ）であって、第１のシール手段（１６）が、前記拡張リング（１８ａ）と第１のシュラウド（２２）との間で前記拡張リング（１８ａ）に取り付けられている、第１の拡張リング（１８ａ）と、
    第２のシュラウド（２３）と前記ケーシング（１５）との間に延在する第２の拡張リング（１８ｂ）であって、第２のシール手段（１７）が、第２の拡張リング（１８ｂ）と第２のシュラウド（２３）との間で第２の拡張リング（１８ｂ）に取り付けられている、第２の拡張リング（１８ｂ）と
    を含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のタービンアッセンブリ。
11. 前記第１及び第２の拡張リング（１８ａ，１８ｂ）の少なくとも一方が前記ダイアフラム（３２）に取り付けられ、当該タービンアッセンブリが、前記拡張リング（１８ａ，１８ｂ）の少なくとも一方と前記ケーシング（１５）との間に張設される付加的なケーシングシール（４８）をさらに含む、請求項１０に記載のタービンアッセンブリ。

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