JP2008051101A - 蒸気タービン用のロータ及びタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】タービン（１００）用のロータ（２００）を提供する。
【解決手段】本ロータは、複数のほぼ円筒形のディスク（２２０）を含み、各ディスクは、それを貫通してほぼ同心に延びるボア（２３０）を有するほぼ円筒形の本体を含み、ディスクの少なくとも２つは、ボアが該ロータを貫通してほぼ軸方向に延びるように互いに結合される。またタービンエンジンは、タービン（１００）と、前記タービンを貫通して軸方向に延びるロータ（２００）と、を含み、前記ロータが、複数のほぼ円筒形のディスク（２２０）を含み、各ディスクが、それを貫通してほぼ同心に延びるボア（２３０）を有するほぼ円筒形の本体（２３２）を含み、前記ディスクの少なくとも２つが、前記ボアが該ロータを貫通してほぼ軸方向に延びるように互いに結合される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的には蒸気タービンに関し、より具体的には、蒸気タービン用のロータを製作するための方法及びシステムに関する。

少なくとも幾つかの公知のロータは、ロータ両端部、軸受領域、パッキン領域及び蒸気通路セクションを含む単一の鍛造品として製作される。一般的に、そのようなロータの重量により、ロータは作動中に第１の危険速度を通過するようになる。具体的には、第１の危険速度は、ロータ重量で除算したロータ剛性の平方根に等しい。より具体的には、第１の危険速度は、数学的に次式のように表すことができ、

式中、ｋはロータの剛性を表し、ｗはロータの重量を表す。従って、ロータ重量が増大すると危険速度は低い速度になる。危険速度において、ロータは該ロータの固有振動数にほぼ等しい振動数で回転するので、ロータの振動が不安定になる可能性がある。ロータ及び／又はエンジンに対する損傷を回避するために、ロータは、第１の危険速度よりも低い速度で作動させるようにしなくてはならないか、或いは第１の危険速度よりも高い作動速度まで迅速に加速させるようにしなくてはならない。

その他の公知のロータは、より小さな重量を有するように設計して、第１の危険速度が高い速度になるようにされる。少なくともそのような幾つかのロータは、ロータシャフトを貫通してほぼ同心に延びるボアを含む。しかしながら、構造上の要求を満たすために、そのような公知のロータは一般的に、ボア外径とロータ外径との間で測定した壁厚さが大きくなるように製作される。従って、そのようなロータの剛率は一般的に、ロータが第１の危険速度よりも低い速度で作動するのを可能にするのに十分なほどには低くならない。

１つの態様では、タービン用のロータを提供する。本ロータは、複数のほぼ円筒形のディスクを含む。各ディスクは、それを貫通してほぼ同心に延びるボアを有するほぼ円筒形の本体を含む。ロータはまた、ボアが該ロータを貫通してほぼ軸方向に延びるように互いに結合されたディスクの少なくとも２つを含む。

別の態様では、タービンエンジンを提供する。本タービンエンジンは、タービンと、該タービンを貫通して軸方向に延びるロータとを含む。ロータは、複数のほぼ円筒形のディスクを含む。各ディスクは、それを貫通してほぼ同心に延びるボアを有するほぼ円筒形の本体を含む。ロータはまた、ボアが該ロータを貫通してほぼ軸方向に延びるように互いに結合されたディスクの少なくとも２つを含む。

またここでは、タービンロータを製作する方法を開示する。この方法は、複数のほぼ円筒形のディスクを製作する段階を含む。各ディスクを製作する段階は、ほぼ円筒形の本体を製作する段階と、本体を貫通してほぼ同心にボアが延びるようにする段階とを含む。本方法はまた、複数のディスクの少なくとも２つを結合させて、それを貫通して軸方向に延びるボアを有するロータを形成する段階を含む。

図１は、高圧（ＨＰ）セクション１０２と中圧（ＩＰ）セクション１０４とを含む例示的な対向流蒸気タービンエンジン１００の概略断面図である。ＨＰシェルすなわちケーシング１０６は、それぞれ上半分及び下半分セクション１０８及び１１０に軸方向に分割される。同様に、ＩＰシェル１１２は、それぞれ上半分及び下半分セクション１１４及び１１６に軸方向に分割される。この例示的な実施形態では、シェル１０６及び１１２は、内側ケーシングである。それに代えて、シェル１０６及び１１２は、外側ケーシングである。ＨＰセクション１０２及びＩＰセクション１０４間に配置された中央セクション１１８は、高圧蒸気入口１２０と中圧蒸気入口１２２とを含む。ケーシング１０６及び１１２内で、ＨＰセクション１０２及びＩＰセクション１０４はそれぞれ、ジャーナル軸受１２６及び１２８によって支持された単一の軸受スパンとして構成される。各ジャーナル軸受１２６及び１２８の内側寄りには、それぞれ蒸気シール装置１３０及び１３２が設置される。この例示的な実施形態では、シェル１０６及び１１２は、外側ケーシングである。それに代えて、シェル１０６及び１１２は、内側ケーシングである。

環状セクション仕切壁１３４が、ＨＰセクション１０２及びＩＰセクション１０４間で延びるロータシャフト１４０に向って、中央セクション１１８から半径方向内向きに延びる。より具体的には、仕切壁１３４は、第１のＨＰセクション入口ノズル１３６と第１のＩＰセクション入口ノズル１３８との間でロータシャフト１４０の一部分の周りに円周方向に延びる。仕切壁１３４は、パッキンケーシング１４４内に形成されたチャネル１４２内に受けられる。より具体的には、チャネル１４２は、パッキンケーシング１４４の外周部の周りでかつ該パッキンケーシング１４４内に半径方向に延びて、該チャネル１４２の中央開口が半径方向外側に向くようになったＣ字形状チャネルである。

作動時に、高圧蒸気入口１２０は、例えば発電ボイラ（図１には図示せず）などの蒸気源から高圧／高温蒸気を受ける。蒸気は、入口ノズル１３８からＨＰセクション１０２を通って送られ、ＨＰセクション１０２において、ロータシャフト１４０に結合された複数のタービンブレードすなわちバケット（図１には図示せず）により蒸気から仕事が抽出されて、ロータシャフト１４０を回転させる。各バケットの組は、関連するバケットに蒸気を送るのを可能にする対応するステータ組立体（図１には図示せず）を含む。蒸気は、ＨＰセクション１０２から流出してボイラに戻され、ボイラにおいて再熱される。再熱蒸気は次に、中圧蒸気入口１２２に送られ、ＨＰセクション１０２に流入する蒸気よりも低い圧力であるがＨＰセクション１０２に流入する蒸気の温度とほぼ等しい温度で、入口ノズル１３８を介してＩＰセクション１０４に戻される。ＩＰセクション１０４内において、ＨＰセクション１０２で使用した方式と実質的に同様な方式で回転及び固定構成部品から成るシステムを用いて、蒸気から仕事が抽出される。従って、ＨＰセクション１０２内の作動圧力はＩＰセクション１０４内の作動圧力よりも高く、ＨＰセクション１０２内の蒸気は、該ＨＰセクション１０２とＩＰセクション１０４との間に生じる可能性がある漏洩通路を通してＩＰセクション１０４に向って流れる傾向を持つようになる。

この例示的な実施形態では、蒸気タービン１００は、対向流型高圧及び中圧蒸気タービン複合装置である。それに代えて、蒸気タービン１００は、それに限定されないが、低圧タービンを含むあらゆる個別のタービンで使用することができる。さらに、本発明は、対向流蒸気タービンでの使用に限定されるものではなくて、それに限定されないが、単流及び複流蒸気タービンを含む蒸気タービン構成でも使用することができる。さらに、本発明は、蒸気タービンに限定されるものではなくて、ガスタービンでも使用することができる。

図２は、蒸気タービン１００（図１に示す）で使用することができる例示的なロータ２００の概略図である。具体的には、この例示的な実施形態では、ロータ２００は、ＩＰセクション１０４を貫通して延びるロータ１４０（図１に示す）のその部分である。この例示的な実施形態では、同様なロータ部分が、ロータ２００からＨＰセクション１０２を貫通して延びる。別の実施形態では、ロータ２００は、単流蒸気タービンで独立して使用される。さらに別の実施形態では、ロータ２００は、複流蒸気タービンで使用される。ロータ２００は、第１の軸受セクション２０４に結合された第１の端部セクション２０２と、第２の軸受セクション２１０に結合された第２の端部セクション２０８とを含む。第１の軸受セクション２０４は、第１の端部セクション２０２と第１のパッキンセクション２０６との間で延びる。第２の軸受セクション２１０は、第２の端部セクション２０８と第２のパッキンセクション２１２との間で延びる。蒸気通路セクション２１４が、第１のパッキンセクション２０６と第２のパッキンセクション２１２との間で延びる。

この例示的な実施形態では、第１の端部セクション２０２、第１の軸受セクション２０４及び第１のパッキンセクション２０６は、蒸気タービン内での使用に適した鋼合金又はあらゆるその他の材料の単一片から鍛造される。別の実施形態では、第１の端部セクション２０２、第１の軸受セクション２０４及び第１のパッキンセクション２０６は、個別に鍛造され、かつそれに限定されないが、ボルト結合、ねじ結合、溶接、ろう付け、摩擦嵌め及び／又は焼嵌めのようなあらゆる適当な結合方法を使用して互いに結合される。同様に、この例示的な実施形態では、第２の端部セクション２０８、第２の軸受セクション２１０及び第２のパッキンセクション２１２は、蒸気タービン内での使用に適した鋼合金又はあらゆるその他の材料の単一片から鍛造される。別の実施形態では、第２の端部セクション２０８、第２の軸受セクション２１０及び第２のパッキンセクション２１２は、個別に鍛造され、かつそれに限定されないが、ボルト結合、ねじ結合、溶接、ろう付け、摩擦嵌め及び／又は焼嵌めのようなあらゆる適当な結合方法を使用して互いに結合される。さらに、この例示的な実施形態では、蒸気通路セクション２１４は、それに限定されないが、ボルト結合、ねじ結合、溶接、ろう付け、摩擦嵌め及び／又は焼嵌めのようなあらゆる適当な結合方法を使用して、第１のパッキンセクション２０６及び第２のパッキンセクション２１２に結合される。

蒸気通路セクション２１４は、互いに結合された複数の円周方向ディスク２２０を含む。ディスク２２０は、蒸気タービン内での使用に適した鋼合金又はあらゆるその他の材料から個別に鍛造される。この例示的な実施形態では、１２個のディスク２２０を示している。しかしながら、別の実施形態では、蒸気通路セクション２１４は、あらゆる適当な数のディスク２２０を含む。具体的には、この例示的な実施形態では、各ディスク２２０は、蒸気通路セクション２１４の段を表している。別の実施形態では、蒸気通路セクション２１４の各段は、ディスク２２０の群を含む。そのような実施形態では、ディスク２２０の各群は、あらゆる適当な数のディスク２２０を含む。各ディスク２２０は、上流部材２２２と下流部材２２４とを含む。具体的には、上流部材２２２は、複数の翼形部（図示せず）を含み、下流部材２２４は、その中でステータ組立体が延びる空間を翼形部間に形成する。

この例示的な実施形態では、各ディスク２２０の下流部材２２４は、隣接するディスク２２０の上流部材２２２に対して結合される。別の実施形態では、円周方向シール、円周方向スペーサ及び／又はバランスホイールの少なくとも１つが、部材２２２と隣接するディスク２２０との間に結合される。それに代えて、バランスホイールは、ロータ２００のあらゆる部分に結合することができる。さらに、この例示的な実施形態では、各後続ディスク２２０は、直ぐ上流に配置されたディスク２２０よりも大きな外周を有する。別の実施形態では、各ディスク２２０は各々、ほぼ同一の直径Ｄ_１を有する。ディスク２２０が段として互いに群を成している実施形態では、それぞれの段内の各ディスク２２０は、ほぼ同一の直径Ｄ_１を有し、ディスク２２０の各後続段は、直ぐ上流の段内のディスク２２０よりも大きい直径Ｄ_１を有する。

図３は、ディスク２２０の前方斜視図である。図４は、ディスク２２０の後方斜視図である。具体的には、図３は下流端部２２４の図であり、図４は上流端部２２２の図である。ディスク２２０は、ほぼ環状形であり、該ディスク２２０を貫通してほぼ軸方向に延びるボア２３０を含み、ディスク本体２３２が、ボア２３０から半径方向外向きに延びるようになる。具体的には、本体２３２は、半径方向内縁部２３４から半径方向外縁部２３６まで延びる。この例示的な実施形態では、各ディスク本体２３２は、隣接するディスク本体２３２と結合するように構成されて、ボア２３０が、蒸気通路セクション２１４の全長を貫通して延びるようになる。この例示的な実施形態では、半径方向内縁部２３４の下流端部２２４は、それからほぼ軸方向に延びかつ本体２３２の周りでほぼ円周方向に延びる突出部２３８を含む。さらに、この例示的な実施形態では、半径方向内縁部２３４の上流端部２２２は、本体２３２の周りでほぼ円周方向に延びるノッチ２４０を含む。この例示的な実施形態では、突出部２３８は、隣接するディスク２２０内に形成されたノッチ２４０内に受けられる寸法にされて、各ディスク２２０が、ほぼ同心に整列するようになる。別の実施形態では、突出部２３８は、円周方向シール、円周方向スペーサ及び／又はバランスホイールの少なくとも１つに形成されたノッチ内に受けられる寸法にされる。

ディスク本体２３２はまた、円周方向に間隔を置いて配置されかつ該ディスク本体２３２を貫通して延びる複数の開口２４２を含む。この例示的な実施形態では、ディスク本体２３２は、１８個の開口２４２を含む。それに代えて、ディスク本体２３２は、あらゆる適当な数の開口２４２を含むことができる。各隣接するディスク２２０の開口２４２は、ほぼ同心に整列されて、ディスク２２０を互いに結合するのを可能にする。具体的には、ディスク２２０は、各開口２４２を貫通して延びる軸方向ボルト、スタッド、ネジ付きロッド又はあらゆるその他の適当な結合機構の少なくとも１つを使用して結合される。それに代えて、ディスク２２０は、溶接法、ろう付け法又はあらゆるその他の適当な保持法の少なくとも１つによって結合される。

ディスク上流端部２２２に結合された複数の翼形部２４４は、本体２３２から半径方向外向きに延びる。翼形部２４４は、ディスク２２０が互いに結合された時に、下流端部２２４において各隣接ディスク２２０の複数の翼形部２４４間にギャップが形成されるように配向される。さらに、ギャップは、その中をステータ組立体が延びるのを可能にする。この例示的な実施形態では、翼形部２４４は、本体２３２と単体構造に製作される。別の実施形態では、本体２３２は、その各々が翼形部２４４を受けかつ保持するような寸法にされた複数のダブテールスロットを含む。さらに、この例示的な実施形態では、ディスク２２０は、各翼形部２４４に結合されかつディスク２２０の周りで延びる一体形のシールチップ２４６を含む。別の実施形態では、シールチップ２４６は、互いに結合されて単体構造の円周方向シールチップを形成する複数のセクションから製作される。さらに別の実施形態では、ディスク２２０は、シールチップ２４６を含まない。

ロータ２００の製作時に、ディスク２２０は、上述のように、互いに結合されて、該ディスク２２０を貫通して延びるほぼ同心のボア２３０を有するロータ２００を形成する。この例示的な実施形態では、ボア２３０は、蒸気通路セクション２１４を貫通して延びる。別の実施形態では、ロータ２００のその他のセクションは、ボア２３０がロータ２００のほぼ全長を貫通して延びるように製作される。ボア２３０は、ロータ２００の重量を軽減して、タービン１００の作動時に第１の危険速度を高い速度にするようにする。従って、タービン１００は、第１の危険速度に達することなく正常作動状態で作動可能である。従って、タービン１００内の振動は、低下させることが可能になる。さらに、ボア２３０は、タービンの効率及び寿命を高めながら、タービン１００に関連する保守作業を減少させるのを可能にする。

さらに、ボア２３０は、タービンロータに関連するコストを実質的に低減する。具体的には、ディスク２２０の設計は、製造コストを低減し、またロータが第１の危険速度を通過することが必要な作動速度を有する公知のロータに関連した支持装置のコストを低減する。さらに、ロータ２００の設計により、ロータの重量を軽減しかつその寸法を縮小して、ロータの鍛造に関連する時間及びコストが低減されるようにすることが可能になる。さらに、ロータの寸法を縮小しかつその重量を軽減することは、ロータを製作するのに利用可能な原材料業者の数を増加させる。これに加えて、ロータ２００の設計は、ロータ鍛造品及びバケット材料における未利用及び廃棄材料の量を減少させる。

この例示的な実施形態では、タービンロータを製作する方法を提供する。本方法は、複数のほぼ円筒形のディスクを製作する段階を含む。各ディスクを製作する段階は、ほぼ円筒形の本体を製作する段階と、本体を貫通してボアがほぼ同心に延びるようにする段階とを含む。本方法はまた、複数のディスクの少なくとも２つを互いに結合させて、ディスクを貫通して軸方向に延びるボアを有するロータを形成する段階を含む。

本明細書で使用する場合、単数表現でなくかつ数詞のない表現で記載した要素又は段階は、そのような排除を明確に示していない限り、複数のそのような要素又は段階を排除するものではないことを理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴にさらに組み入れた付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものでない。

本明細書に記載した装置及び方法は、蒸気タービン用のロータを製作することに関して説明しているが、本装置及び方法は、ロータ又は蒸気タービンに限定されるものではないことを理解されたい。同様に、例示したロータ構成部品は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、ロータの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の改良で実施することができることは当業者には分かるであろう。

例示的な対向流蒸気タービンエンジンの概略断面図。 図１に示す蒸気タービンで使用することができる例示的なロータの概略図。 図２に示すロータの一部分の前方斜視図。 図３に示すロータの部分の後方斜視図。

符号の説明

１００ 対向流蒸気タービンエンジン
１０２ 高圧（ＨＰ）セクション
１０４ 中圧（ＩＰ）セクション
１０６ ＨＰシェル又はケーシング
１０８ ＨＰシェル上半分セクション
１１０ ＨＰシェル下半分セクション
１１２ ＩＰシェル
１１４ ＩＰシェル上半分セクション
１１６ ＩＰシェル下半分セクション
１１８ 中央セクション
１２０ 高圧蒸気入口
１２２ 中圧蒸気入口
１２６ ＨＰセクション支持用ジャーナル軸受
１２８ ＩＰセクション支持用ジャーナル軸受
１３０ ＨＰジャーナル軸受用蒸気シール装置
１３２ ＩＰジャーナル軸受用シール装置
１３４ 環状セクション仕切壁
１３６ ＨＰセクション入口ノズル
１３８ ＩＰセクション入口ノズル
１４０ ロータシャフト
１４２ チャネル
１４４ パッキンケーシング
２００ ロータ
２０２ 第１の端部セクション
２０４ 第１の軸受セクション
２０６ 第１のパッキンセクション
２０８ 第２の端部セクション
２１０ 第２の軸受セクション
２１２ 第２のパッキンセクション
２１４ 蒸気通路セクション
２２０ ディスク
２２２ ディスク上流端部又は上流部材
２２４ ディスク下流端部又は下流部材
２３０ ボア
２３２ ディスク本体
２３４ 半径方向内縁部
２３６ 半径方向外縁部
２３８ 突出部
２４０ ノッチ
２４２ 開口
２４４ 翼形部
２４６ シールチップ

Claims (10)

1. タービン（１００）用のロータ（２００）であって、
   複数のほぼ円筒形のディスク（２２０）を含み、
   各ディスクが、それを貫通してほぼ同心に延びるボア（２３０）を有するほぼ円筒形の本体（２３２）を含み、
   前記ディスクの少なくとも２つが、前記ボアが該ロータを貫通してほぼ軸方向に延びるように互いに結合される、
   ロータ（２００）。
2. 各前記ディスク（２２０）が、前記複数のディスクを結合するためのラベットをさらに含む、請求項１記載のロータ（２００）。
3. 各前記ディスク（２２０）の本体（２３２）の周りに円周方向に形成された複数の開口（２４２）と、
   前記複数の開口を貫通して延びて前記少なくとも２つのディスクを互いに結合する複数の結合装置と、
   をさらに含む、請求項１記載のロータ（２００）。
4. 前記互いに結合された少なくとも２つの隣接するディスク（２２０）間に結合された円周方向シール、円周方向スペーサ及びバランスホイールの少なくとも１つをさらに含む、請求項３記載のロータ（２００）。
5. 各前記ディスク（２２０）が、前記本体（２３２）の周りに円周方向に間隔を置いて配置された複数の翼形部（２４４）をさらに含み、
   前記翼形部の各々が、前記本体から半径方向外向きに延びる、
   請求項１記載のロータ（２００）。
6. 前記複数の翼形部（２４４）が各々、前記互いに結合された隣接する少なくとも２つのディスク（２２０）間にギャップが形成されるように配向される、請求項５記載のロータ（２００）。
7. 前記本体（２３２）内に形成された複数のダブテールスロットをさらに含み、
   前記複数の翼形部（２４４）の各々が、前記複数のダブテールスロットの１つ内に結合される、
   請求項５記載のロータ（２００）。
8. タービン（１００）と、
   前記タービンを貫通して軸方向に延びるロータ（２００）と、を含み、
   前記ロータが、複数のほぼ円筒形のディスク（２２０）を含み、
   各ディスクが、それを貫通してほぼ同心に延びるボア（２３０）を有するほぼ円筒形の本体（２３２）を含み、
   前記ディスクの少なくとも２つが、前記ボアが該ロータを貫通してほぼ軸方向に延びるように互いに結合される、
   タービンエンジン。
9. 各前記ディスク（２２０）が、前記複数のディスクを結合するためのラベットをさらに含む、請求項８記載のタービンエンジン。
10. 各前記ディスク（２２０）の本体（２３２）の周りに円周方向に形成された複数の開口（２４２）と、
    前記複数の開口を貫通して延びて前記少なくとも２つのディスクを互いに結合する複数の結合装置と、
    をさらに含む、請求項８記載のタービンエンジン。

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