JP7483611B2 - タービン用の制御されたフローガイド - Google Patents

Description

本願および結果として得られる特許は、一般に、任意のタイプの軸流タービンに関し、より具体的には、制御流２次世代（ＣＦ２ＮＧ）ガイドなどの蒸気タービン用の制御されたフローガイドに関する。

一般的に説明すると、蒸気タービンなどは、蒸気入口、タービンセクション、および蒸気出口を含む画定された蒸気経路を有することができる。より高い圧力の領域からより低い圧力の領域へと蒸気経路から流れ出し、あるいは蒸気経路へと流れ込む蒸気の漏れが、蒸気タービンの運転効率に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、回転シャフトと周囲を囲むタービンケーシングとの間の蒸気タービン内の蒸気経路の漏れが、蒸気タービンの全体としての効率を低下させる可能性がある。

蒸気は一般に、通常、ガイドおよびランナー（またはノズルおよびバケット）などの第１段のブレードを通して直列に配置された多数のタービン段を通って流れ、その後、タービンの後段のガイドおよびランナーを通って流れることができる。このようにして、ガイドは蒸気をそれぞれのランナーに向かって導き、ランナーを回転させ、発電機などの負荷を駆動させることができる。蒸気は、ランナーを囲む円周方向シュラウドによって封じ込めることができ、これはまた、蒸気または燃焼ガスを経路に沿って導くのに役立ち得る。このようにして、タービンガイド、ランナー、およびシュラウドは、蒸気に起因する高温にさらされる可能性があり、その結果、これらの構成要素にホットスポットが形成され、高い熱応力が生じる可能性がある。蒸気タービンの効率はその動作温度に依存するため、蒸気または高温ガス経路に沿って配置された構成要素が、故障や耐用年数の低下なしに、より高い温度に耐えられるように継続的な要求がある。

特定のタービンブレードは、翼形形状で形成されてもよい。ブレードは、先端部と根元部に取り付けることができ、根元部は、ブレードをディスクまたはドラムに結合するために使用される。タービンブレードの形状と寸法により、特定のプロファイル損失、二次損失、漏れ損失、混合損失などが生じ、蒸気タービンの効率および／または性能に悪影響を及ぼす可能性がある。

場合によっては、例えば、加圧水型原子炉からの飽和ラインでの蒸気供給では、タービンは湿り蒸気流で動作することがある。そのような流れは、蒸気の非平衡膨張（微細な霧を生成する）と、その結果としての粗い水の損失により、さらなる湿り損失を引き起こす可能性がある。

米国特許出願公開第２０１６／０１４６０１３号明細書

本願およびその結果得られる特許は、蒸気タービンを提供する。蒸気タービンは、いくつかの制御されたフローランナーおよびいくつかの制御されたフローガイドを含むことができる。制御されたフローガイドは、０．４～０．７の上流流路比（Ｗ_ｕｐ／Ｗ）を含むことができる。

本願および結果として得られる特許のこれらの特徴および改良ならびに他の特徴および改良が、以下の詳細な説明を、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて検討することによって、当業者にとって明らかになるであろう。

蒸気タービンの概略図である。 いくつかのタービン段を示す蒸気タービンの一部の概略図である。 図２の蒸気タービンで使用され得るいくつかの制御されたフローガイドおよび制御されたフローランナーの平面図である。 本明細書に記載され、公知の制御されたフローガイドと比較したいくつかの制御されたフローガイドの平面図である。 マッハ数分布を示す図である。

ここで図面を参照すると、いくつかの図を通して類似の符号は類似の要素を指しており、図１は蒸気タービン１０の一例の概略図を示している。一般的に説明すると、蒸気タービン１０は、高圧セクション１５および中圧セクション２０を含むことができる。他のセクションにおける他の圧力も、本明細書において使用可能である。外側シェルまたはケーシング２５は、軸方向に上半分セクション３０および下半分セクション３５に分割することができる。ケーシング２５の中央セクション４０は、高圧蒸気入口４５および中圧蒸気入口５０を含むことができる。ケーシング２５内で、高圧セクション１５および中圧セクション２０は、ロータまたはディスク５５の周りに配置されてもよい。ディスク５５はいくつかのベアリング６０によって支持されてもよい。蒸気シールユニット６５を、各々のベアリング６０の内側に配置することができる。環状のセクション仕切り７０は、中央セクション４０からディスクに向かって半径方向内側に延在してもよい。仕切り７０は、いくつかのパッキングケーシング７５を含むことができる。他の構成要素および他の構成も、使用することが可能である。

動作時に、高圧蒸気入口４５は、蒸気源から高い圧力および蒸気を受け取る。蒸気は、ディスク５５の回転によって蒸気から仕事が抽出されるように、高圧セクション１５を通って導かれる。蒸気は、高圧セクション１５を出て、その後、再加熱のために蒸気源に戻されてもよい。次いで、再加熱された蒸気を、中圧セクションの入口５０に経路変更することができる。蒸気は、高圧セクション１５に入る蒸気と比較して低い圧力であるが高圧セクション１５に入る蒸気の温度にほぼ等しい温度で中圧セクション２０に戻すことができる。したがって、高圧セクション１５における動作圧力が中圧セクション２０における動作圧力よりも高くなる可能性があるため、高圧セクション１５内の蒸気は、高圧セクション１５と中圧セクション２０との間に生じ得る漏れ経路を通って、中圧セクション２０に向かって流れる傾向がある。そのような漏れ経路の１つは、ディスクシャフト５５の周りでパッキングケーシング７５を貫通して延在する可能性がある。他の漏れが、蒸気シールユニット６５および他の場所において生じる可能性がある。

図２および図３は、蒸気または高温ガス経路１２０内に配置されたいくつかの段１１０を含む蒸気タービン１００の一部の概略図を示す。第１段１３０は、いくつかの円周方向に離間された第１段の制御されたフローガイド１４０およびいくつかの円周方向に離間された第１段の制御されたフローランナー１５０を含むことができる。制御されたフローガイド１４０および制御されたフローランナー１５０は、ピッチ１６０、スロート１７０、および背面偏向角１８０を有することができ、ピッチ１６０は、隣接するガイド１４０および隣接するランナー１５０上の対応する点の間の円周方向の距離として定義され、スロート１７０は、隣接するガイド１４０の表面と隣接するランナー１５０の表面との間の最短距離として定義され、背面偏向角（ＢＳＤ）１８０は、「カバーされない転回」、すなわち、負圧面スロートポイントと負圧面後縁ブレンドポイントとの間の角度の変化として定義される。

第１段１３０は、円周方向に延在し、かつ第１段の制御されたフローランナー１５０を取り囲む第１段のシュラウド１９０を含むことができる。第１段のシュラウド１９０は、環状配置で互いに隣接して配置されたいくつかのシュラウドセグメントを含むことができる。同様に、第２段２００は、いくつかの第２段の制御されたフローガイド２１０、いくつかの第２段の制御されたフローランナー２２０、および第２段の制御されたフローランナー２２０を囲む第２段のシュラウド２３０を含むことができる。制御されたフローガイド１４０は、インパルス技術ブレーディング（ＩＴＢ）ガイド設計を有することができる。制御されたフローガイド１４０は、元の機器または改造品であってもよい。任意の数の段と、対応するガイドおよびランナーと、を含めることができる。他の実施形態は異なる構成を有してもよい。

図４を参照すると、本明細書で説明され得るような制御されたフローガイド１４０が、それとの比較のために、その上に公知のガイド２４０が破線で重ねられて示されている。分かるように、制御されたフローガイド１４０は、公知のガイド２４０と比較して約３０パーセント以上の幅の減少が与えられた場合、非常に高いピッチ対幅比を有することができる。面積の減少は、約２５パーセントから約５０パーセント程度になり得る。ピッチ対幅比は、約１．９を超える場合がある。そのような比は、全体的なプロファイル損失を減らすことができる。背面偏向角１８０は、約２５度を超えて約３８度までとすることができるが、約３０度が好ましい。高い前方前縁スイープにより、端壁セクションの負荷が軽減され、二次流れと損失が減少する。上流流路比（Ｗ_ｕｐ／Ｗ）２５０は、約０．４から０．７程度の範囲で比較的短くてもよいが、約０．６が好ましい。

この設計は、非常に高い負圧側加速率を提供する。図５に示すように、負圧側加速率（ｄｐ／ｄｓ）２６０は、－０．０５～－０．２５バール／ｍｍ程度の範囲であってもよいが、約－０．２バール／ｍｍが好ましい。負圧側加速２６０は、スロート１７０の上流でマッハ数分布（Ｍ_１／Ｍ_２）の驚くべき非直感的な上流「バンプ」２７０を有することができ、その分布は約１．０１から約１．２の範囲の分布であるが、１．０７が好ましい。

したがって、負圧面でのこの非常に高い初期加速により、液滴サイズが小さくなり、熱力学的湿り損失が減少し、結果として生じる湿り損失が減少する。従来の設計と比較して、乾燥した段の効率の向上は約０．２％で、湿り損失を約２０％低減することができる。全体的な設計は、従来の境界層の形状係数などに安全に近づくか、またはそれをいくらか超える場合さえある。

上記は、本願および結果として得られる特許の特定の実施形態のみに関するものであることは明らかである。当業者であれば、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される本発明の一般的な趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書において数多くの変更および修正を行うことができる。

１０ 蒸気タービン
１５ 高圧セクション
２０ 中圧セクション
２５ ケーシング
３０ 上半分セクション
３５ 下半分セクション
４０ 中央セクション
４５ 高圧蒸気入口
５０ 中圧蒸気入口、中圧セクションの入口
５５ ディスク、ディスクシャフト
６０ ベアリング
６５ 蒸気シールユニット
７０ 環状のセクション仕切り
７５ パッキングケーシング
１００ 蒸気タービン
１１０ 段
１２０ 高温ガス経路
１３０ 第１段
１４０ 第１段の制御されたフローガイド
１５０ 第１段の制御されたフローランナー
１６０ ピッチ
１７０ スロート
１８０ 背面偏向角
１９０ 第１段のシュラウド
２００ 第２段
２１０ 第２段の制御されたフローガイド
２２０ 第２段の制御されたフローランナー
２３０ 第２段のシュラウド
２４０ 公知のガイド
２６０ 負圧側加速率、負圧側加速

Claims (4)

1. 蒸気タービン（１００）であって、
   複数のフローランナー（１５０、２２０）と、
   複数のフローガイド（１４０、２１０）と、を含み、
   前記複数のフローガイド（１４０、２１０）は、０．４～０．７の上流流路比（Ｗｕｐ／Ｗ）を含み、
   前記複数のフローガイド（１４０、２１０）の各々の断面を平面直交座標系の第三象限のみに配置した場合であって、
   前記平面直交座標系のＸ軸が前記蒸気タービン（１００）の軸方向に沿って延び、
   前記平面直交座標系のＹ軸が前記蒸気タービン（１００）の円周方向に沿って延び、
   前記フローガイド（１４０、２１０）の後縁が前記Ｘ軸と前記Ｙ軸に接し、
   前記フローガイド（１４０、２１０）の負圧側表面の曲線が前記フローガイド（１４０、２１０）の正圧側表面の曲線よりも上に延びる場合において、
   前記フローガイド（１４０、２１０）の負圧側表面の曲線の曲率は、前記フローガイド（１４０、２１０）の背面偏向角（１８０）が２５度を超えて３８度までとなるように後縁から前縁に向かうに従って減少することなく次第に増大し、
   前記上流流路比（Ｗｕｐ／Ｗ）は、
   前記フローガイド（１４０、２１０）の前縁の最もＸ座標値が小さい最小Ｘ値点のＸ座標値の絶対値に対する前記最小Ｘ値点における所定のＸ軸方向の幅により定義され、
   前記所定のＸ軸方向の幅は、前記最小Ｘ値点を通り、前記Ｘ軸に平行な直線と前記負圧側表面の曲線との交点と前記最小Ｘ値点との距離で定義され、
   前記背面偏向角（１８０）は、前記平面直交座標系において、前記フローガイド（１４０、２１０）の負圧面スロートポイントにおけるスロートに垂直な方向と、前記負圧面スロートポイントから前記フローガイド（１４０、２１０）の負圧面後縁ブレンドポイントに向かう方向との間の角度として定義され、
   前記スロート（１７０）は、前記平面直交座標系において、前記フローガイド（１４０、２１０）と、前記フローガイド（１４０、２１０）の負圧側に隣接するフローガイド（１４０）の表面との間の最短距離として定義され、
   前記スロート（１７０）は、前記平面直交座標系において、前記負圧面スロートポイントと前記隣接するフローガイド（１４０）の後縁との間に延びる、
   蒸気タービン（１００）。
2. 前記上流流路比（Ｗｕｐ／Ｗ）は０．６である、請求項１に記載の蒸気タービン（１００）。
3. 前記複数のフローガイド（１４０、２１０）は、１．９を超えるピッチ／幅値を含む、請求項１または２に記載の蒸気タービン（１００）。
4. 前記複数のフローガイド（１４０、２１０）は、複数の第１段のフローガイド（１４０）または第２段のフローガイド（２１０）を含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の蒸気タービン（１００）。

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