JP2010096180A

JP2010096180A - 蒸気タービンエンジンの低圧セクション用の蒸気タービン動翼

Info

Publication number: JP2010096180A
Application number: JP2009236757A
Authority: JP
Inventors: Muhammad Saqib Riaz; ムハンマド・サキブ・リアズ; Dimitrios Stathopoulos; ドミトリオス・スタソポウロス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2010-04-30
Also published as: EP2177714A3; RU2009137887A; EP2177714A2; US8075272B2; US20100092295A1; RU2515582C2

Abstract

【課題】蒸気タービンエンジン（１０）の低圧セクション用の蒸気タービン動翼（２０）を開示する。
【解決手段】本蒸気タービン動翼（２０）は、翼形部（４２）を含む。根元部（４４）が、翼形部（４２）の一端に付随している。ダブテール部（４０）が、根元部（４４）から突出しかつ斜め軸方向挿入式ダブテールを含む。先端部（４６）が、根元部（４４）と反対側の端部で翼形部（４２）に付随している。カバー（４８）が、先端部（４６）の一部として一体形に形成される。部分スパンシュラウド（５０）が、翼形部（４２）の端部間で該翼形部の中間部に付随している。本動翼（２０）は、約４７．７平方フィート（４．４３ｍ²）以上の出口環状空間面積を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、総括的には蒸気タービン用の動翼に関し、具体的には、蒸気タービンの低圧セクションの後段で使用する高作動速度が可能な最適ジオメトリを備えた動翼に関する。

蒸気タービンの蒸気流路は一般的に、固定ケーシング及びロータによって形成される。このような構成では、幾つかの静翼が、円周方向列の形態でケーシングに取付けられかつ蒸気流路内に内向きに延びる。同様に、幾つかの動翼が、円周方向列の形態でロータに取付けられかつ蒸気流路内に外向きに延びる。静翼及び動翼は、静翼の列及び直ぐ下流の動翼の列が段を形成するように、交互列の形態で配置される。静翼は、蒸気が正確な角度で下流の動翼列に流入するように、蒸気の流れを導く働きをする。動翼の翼形部は、蒸気からエネルギーを取出し、それによりロータ及びロータに取付けられた負荷を駆動するのに必要な動力を発生させる。

蒸気が蒸気タービンを通って流れると、所望の吐出圧力に達するまで、各後続段によりその圧力が低下する。従って、温度、圧力、速度及び水分含有量のような蒸気特性は、蒸気が流路を通って膨張する時の列ごとで変化する。その結果、各動翼列は、その列と関連した蒸気条件に対して最適になった翼形形状を有する動翼を用いている。

蒸気条件に加えて、動翼はまた、作動時に受ける遠心荷重を考慮するように設計される。具体的には、動翼には、ロータの高回転速度により高遠心荷重が作用し、これが次に、動翼に応力を生じさせる。動翼上への応力集中を減少させることは、特に動翼が大きな寸法に起因してより大型かつ高重量になりまた蒸気流内の水分に起因して応力腐食を受けるような蒸気タービンの低圧セクションの後列の動翼において設計課題となる。

タービンの低圧セクション用の動翼を設計することに関連したこのような課題は、動翼上に加わる力、動翼の機械的強度、動翼の共振振動数及び動翼の熱力学的性能が一般的に動翼の翼形形状で決まるという事実によって、一層困難になる。これらの考慮事項は、動翼の翼形形状の選択に制約条件を加える。従って、所定の列用の動翼の最適翼形形状は、その形状に関連した機械的及び空気力学的特性間の妥協によるものとなる。

米国特許第４２６０３３１号明細書米国特許第５０６７８７６号明細書米国特許第５１７４７２０号明細書米国特許第５２６７８３４号明細書米国特許第５２７７５４９号明細書米国特許第５２９９９１５号明細書米国特許第５３９３２００号明細書米国特許第５４８０２８５号明細書米国特許第５４９４４０８号明細書米国特許第５５３１５６９号明細書米国特許第５８２９９５５号明細書米国特許第６１４２７３７号明細書米国特許第６４３５８３３号明細書米国特許第６４３５８３４号明細書米国特許第６５６８９０８号明細書米国特許第６５７５７００号明細書米国特許第６６５２２３７号明細書米国特許第６６８２３０６号明細書米国特許第６８１４５４３号明細書米国特許第６８４６１６０号明細書米国特許第６８９３２１６号明細書米国特許第７０９７４２８号明細書米国特許第７１９５４５５号明細書米国特許出願公開第２００７／０２９２２６５号明細書

AMIR MUJEZINOVIC, "Bigger Blades Cut Costs", Modern Power Systems, Feb. 2003, p.25, 27. MICHAEL BOSS, "Steam Turbine Technology Heats Up", PEI Magazine, April 2003, p.77, 79, 81.

本発明の１つの態様では、蒸気タービン動翼を提供する。本動翼は、翼形部を含む。根元部が、翼形部の一端に付随している。ダブテール部が、根元部から突出しかつ斜め軸方向挿入式ダブテールを含む。先端部が、根元部と反対側の端部で翼形部に付随している。カバーが、先端部の一部として一体形に形成される。部分スパンシュラウドが、翼形部の端部間で翼形部の中間部に付随している。動翼は、約４７．７平方フィート（４．４３ｍ²）以上の出口環状空間面積を含む。

本発明の別の態様では、蒸気タービンの低圧タービンセクションを提供する。本発明のこの態様では、複数の後段蒸気タービン動翼が、タービンロータホイールの周りに配置される。複数の後段蒸気タービン動翼の各々は、約２６．８インチ（６８．１ｃｍ）以上の長さを有する翼形部を含む。根元部が、翼形部の一端に付随している。ダブテール部が、根元部から突出しかつ斜め軸方向挿入式ダブテールを含む。先端部が、根元部と反対側の端部で翼形部に付随している。カバーが、先端部の一部として一体形に形成される。部分スパンシュラウドが、翼形部の端部間で翼形部の中間部に付随している。複数の後段蒸気タービン動翼は、約４７．７平方フィート（４．４３ｍ²）以上の出口環状空間面積を含む。

蒸気タービンの一部切欠き斜視図。本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼の斜視図。本発明の一実施形態に係る、図２の動翼に示した軸方向挿入式ダブテールの拡大斜視図。本発明の一実施形態に係る、図２の動翼で使用するカバーの斜視図。本発明の一実施形態に係る隣接カバーの相互関係を示す斜視図。本発明の一実施形態に係る、図２の動翼で使用する部分スパンシュラウドの斜視図。本発明の一実施形態に係る隣接部分スパンシュラウドの相互関係を示す斜視図。

蒸気タービンエンジンと関連させたその用途及び作動に関して、本発明の少なくとも一実施形態について以下に説明する。さらに、公称規模に関してかつ公称寸法の組を含む状態で、本発明の少なくとも一実施形態について以下に説明する。しかしながら、本発明があらゆる好適なタービン及び／又はエンジンにも同様に適用可能であることは、当技術分野に精通しかつ本明細書における教示に関心がある当業者には当然明らかな筈である。さらに、当技術分野に精通しかつ本明細書における教示に関心がある当業者には、本発明が様々なスケールの公称規模及び／又は公称寸法に同様に適用可能であることも理解されたい。

図面を参照すると、図１は、蒸気タービン１０の一部切欠き斜視図を示している。蒸気タービン１０は、シャフト１４及び複数の軸方向に間隔を置いて配置されたロータホイール１８を備えたロータ１２を含む。複数の動翼２０が、各ロータホイール１８に対して機械的に結合される。より具体的には、動翼２０は、各ロータホイール１８の円周方向周りで延びる列の形態で配置される。複数の静翼２２が、シャフト１４の円周方向周りで延びかつ隣接動翼２０列の軸方向間に配置される。静翼２２は、動翼２０と協働してタービン段を形成しかつタービン１０を通る蒸気流路の一部分を形成する。

作動中に、蒸気２４は、タービン１０の入口２６に流入しかつ固定タービン２２を通して送られる。静翼２２は、下流方向に動翼２０に対して蒸気２４を導く。蒸気２４は、残りの段を通って流れ、動翼２０に力を与えてシャフト１４を回転させる。タービン１０の少なくとも一端は、ロータ１２から離れるように軸方向に延びることができかつそれに限定されないが、発電機及び／又は他のタービンのような負荷又は機械（図示せず）に取付けることができる。従って、大型の蒸気タービン装置は実際には、その全てが同一のシャフト１４に同軸に結合された幾つかのタービンを含むことができる。そのような装置は、例えば中圧タービンに結合された高圧タービンを含み、中圧タービンは、低圧タービンに結合することができる。

本発明のまた図１に示す一実施形態では、タービン１０は、５つの段を含む。５つの段は、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と呼ぶ。段Ｌ４は第１段でありかつ５つの段のうちで最小のもの（半径方向において）である。段Ｌ３は、第２段でありかつ軸方向における次の段である。段Ｌ２は、第３段でありかつ５つの段のうちの中央に位置したものとして示している。段Ｌ１は、第４段でありかつ最後から２番目の段である。段Ｌ０は、最終段でありかつ最大のもの（半径方向において）である。５つの段は、専ら１つの実施例として示しており、また低圧タービンは、５つよりも多い又は少ない段を有することができることを理解されたい。

図２は、本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼２０の斜視図である。動翼２０は、前縁３４及び後縁３６において互いに連結された正圧側面３０及び負圧側面３２を含む。動翼翼弦距離は、半径方向長さ３８に沿った任意のポイントにおいて後縁３６から前縁３４まで測定した距離である。例示的な実施形態では、半径方向長さ３８つまり動翼長さは、約２６．８インチ（６８．１ｃｍ）である。この例示的な実施形態における動翼長さは、約２６．８インチ（６８．１ｃｍ）であるが、本明細書における教示はこの公称寸法の様々なスケールに適用可能であることが当業者には解るであろう。例えば、当業者は、１．２、２及び２．４のようなスケール係数によって動翼２０を拡大して、それぞれ３２．２２インチ（８１．８ｃｍ）、５３．７インチ（１３６．４ｃｍ）及び６４．４４インチ（１６３．７ｃｍ）の動翼長さを形成することができる。

動翼２０には、ダブテール部４０、翼形部４２、及びそれらの間で延びる根元部４４が形成される。翼形部４２は、根元部４４から先端部４６まで半径方向外向きに延びる。カバー４８が、先端部４６の一部として一体形に形成される。部分スパンシュラウド５０が、根元部４４及び先端部４６間で翼形部４２の中間部に付随している。例示的な実施形態では、ダブテール部４０、翼形部４２、根元部４４、先端部４６、カバー４８及び部分スパンシュラウド５０は、１２％クロムステンレス鋼材料で全て一体構造構成部品として製作される。この例示的な実施形態では、動翼２０は、ダブテール部４０を介してタービンロータホイール１８（図１に示す）に結合されかつロータホイール１８から半径方向外向きに延びる。

図３は、本発明の一実施形態に係る、図２の動翼に示したダブテール部４０の拡大斜視図である。この実施形態では、ダブテール部４０は、約１９°のスキュー角度を有する斜め軸方向挿入式ダブテールを含み、このダブテールが、タービンロータホイール１８（図１に示す）内に形成された噛合いスロットと係合する。一実施形態では、この斜め軸方向挿入式ダブテールは、タービンロータホイール１８（図１に示す）と係合するように構成された６つの接触面を有する３フック設計を含む。斜め軸方向挿入式ダブテールは、平均及び局所応力の分布、過速度状態時における保護、並びに適切な低サイクル疲労（ＬＣＦ）マージンが得られると共に翼形根元部４４に適合するようにするのが好ましい。図３はまた、ダブテール部４０が、動翼２０の軸方向移動を防止する軸方向保持フック４１を含む。斜め軸方向挿入式ダブテールは、３つよりも多い又は少ないフックを有することができることは、当業者には分かるであろう。本出願と同一の出願人による、「タービン組立体で使用するためのダブテール取付け部及びタービン組立体を組立てる方法」という名称の米国特許出願番号第１１／９４１、７５１号（ＧＥドケット番号第２２６００２号）には、斜め軸方向挿入式ダブテールのより詳細な説明が行なわれている。

ダブテール部４０のさらなる細部を示すことに加えて、図３はまた、そこでダブテール部４０が根元部４４から突出している移行部領域の拡大図を示している。具体的には、図３は、根元部４４がダブテール部のプラットフォーム５４に移行する位置におけるフィレット半径５２を示している。例示的な実施形態では、フィレット半径５２は、翼形部４２をプラットフォーム５４と滑らかに結合する複数半径を含む。

図４は、本発明の一実施形態に係る、先端部４６及びカバー４８の斜視図である。カバー４８は、動翼２０の剛性及び振動減衰特性を改善する。シール歯５６は、カバー４８の外表面上に配置することができる。シール歯５６は、動翼２０の外側部分を越えて流れる蒸気を制限するためのシール手段として機能する。シール歯５６は、単一のリブとすることができ、若しくは複数リブ、複数のストレート又は傾斜歯、或いは１以上の異なる寸法の歯で形成することができる（ラビリンスタイプのシール）。

図４に示すように、カバー４８は、前縁３４からの所定の距離において前縁３４から離れる方向に後縁３６まで延びる平坦部を含む。カバー４８は、前縁３４から離れて所定の距離に位置したほぼ端部から、後縁３６及び前縁３４に対してほぼ中間位置５８の位置まで狭くなった幅を有する。カバー４８の幅は、中間位置５８から後縁３６まで増大する。前縁３４から離れて所定の距離に位置した端部におけるカバー４８の幅と後縁３６におけるカバー４８の幅とは、ほぼ同じである。図4はさらに、シール歯５６がカバー４８から上向きに突出しており、また前縁３４から離れて所定の距離に位置した端部からほぼ中間位置５８を通って後縁３６まで延びていることを示している。図4はまた、カバー４８が、前縁３４から離れて所定の距離に位置した端部からほぼ中間位置５８まで負圧側面３２の上方を覆って延びており、また中間位置５８から後縁３６まで正圧側面３０の上方を覆って延びていることを示している。

図5は、本発明の一実施形態に係る隣接カバー４８の相互関係を示す斜視図である。具体的には、図5は、カバー４８の初期組立図を示している。カバー４８は、初期組立時に及び／又はゼロ速度状態において隣接カバー４８間にギャップ６０を有するように設計される。図から分かるようにシール歯５６はまた、ゼロ回転状態において僅かに不整列になっている。タービンロータホイール１８（図１に示す）が回転すると動翼２０は捩れが小さくなり（捩れが解け）はじめる。動翼２０の毎分回転数（ＲＰＭ）が作動レベルに近づくと動翼は遠心力により捩れが小さくなり、ギャップ６０が閉じ、かつシール歯５６は互いに整列した状態になって隣接カバー間に公称ギャップが存在しまた動翼２０が単一の連続結合構造体を形成するようになる。相互連結したカバーにより、動翼剛性の向上、動翼振動減衰性の向上、及び動翼２０の外側半径方向位置におけるシール性の向上が得られる。

例示的な実施形態では、動翼２０における作動レベルは３６００ＲＰＭであるが、本明細書における教示はこの公称規模の様々なスケールに対して適用可能であることが当業者には分かるであろう。例えば、当業者は、１．２、２及び２．４のようなスケール係数によって作動レベルを拡大して、それぞれ３０００ＲＰＭ、１８００ＲＰＭ及び１５００ＲＰＭで作動する動翼を製作することができる。

図６は、本発明の一実施形態により使用する部分スパンシュラウド５０の斜視図である。図６に示すように、部分スパンシュラウド５０は、動翼２０の正圧側面３０及び負圧側面３２上に設置される。この実施形態では、部分スパンシュラウド５０は、その形状が三角形であり、かつ正圧側面３０及び負圧側面３２から外向きに突出している。

図７は、本発明の一実施形態に係る隣接部分スパンシュラウド５０の相互関係を示す斜視図である。ゼロ速度状態時には、隣接動翼の隣接部分スパンシュラウド５０間に、ギャップ６２が存在する。このギャップ６２は、タービンロータホイール１８（図１に示す）が回転しながら作動速度に近づき始めかつ動翼の捩れが小さくなると、閉じる。部分スパンシュラウド５０は、風損を減少させかつ全体効率を向上させるような空気力学的形状にされる。動翼剛性及び振動減衰特性はまた、動翼の捩れが小さくなった時に部分スパンシュラウド５０が互いに接触するので改善される。動翼の捩れが小さくなった時にカバー４８及び部分スパンシュラウド５０は、それらのそれぞれの隣接カバー及び隣接部分スパンシュラウドと接触する。複数の動翼２０は、分離しかつ未結合の設計と比較すると剛性及び振動減衰特性の向上を示す単一の連続結合構造体として機能する。付加的な利点は、動翼２０が振動応力の減少を示すことである。

本発明の態様による動翼は、蒸気タービンの低圧セクションの最終つまりＬ０段で使用するのが好ましい。しかしながら、この動翼はまた、その他の段又はその他のセクション（例えば、高圧又は中圧）でも同様に使用することができる。上述のように、動翼２０における１つの好ましい動翼長さは、約２６．８インチ（６８．１ｃｍ）である。この動翼長さは、約４７．７平方フィート（４．４３ｍ²）の最終段出口環状空間面積をもたらすことができる。この拡大かつ改良型の出口環状空間面積は、蒸気が最終Ｌ０段動翼から出る時に蒸気が受ける運動エネルギー損失を減少させることができる。このより少ない損失により、タービン効率の向上が得られる。

上記のように、動翼長さを別の動翼長さに拡大した場合には、この拡大により、これもまた拡大した出口環状空間面積が形成されることになることが、当業者には分かるであろう。例えば、１．２、２及び２．４のようなスケール係数を使用して、それぞれ３２．２２インチ（８１．８ｃｍ）、５３．７インチ（１３６．４ｃｍ）及び６４．４４インチ（１６３．７ｃｍ）の動翼長さを形成した場合には、それぞれ約６８．６平方フィート（６．４ｍ²）、１９０．６平方フィート（１７．７ｍ²）及び２７４．５平方フィート（２５．５ｍ²）の出口環状空間面積が得られることになる。

本開示はその好ましい実施形態と関連させて具体的に示しかつ説明してきたが、当業者には変更及び改良が想到されることになることが分かるであろう。従って、特許請求の範囲は本開示の技術思想の範囲内に属する全てのそのような改良及び変更を保護することを意図していることを理解されたい。

１０蒸気タービン
１２ロータ
１４シャフト
１８ロータホイール
２０動翼
２２静翼
２４蒸気
２６入口
３０正圧側面
３２負圧側面
３４前縁
３６後縁
３８半径方向長さ
４０ダブテール部
４１軸方向保持フック
４２翼形部
４４根元部
４６先端部
４８カバー
５０部分スパンシュラウド
５２フィレット半径
５４プラットフォーム
５６シール歯
５８カバーの中間位置
６０隣接カバー間のギャップ
６２隣接部分スパンシュラウド間のギャップ

Claims

蒸気タービン動翼（２０）であって、
翼形部（４２）と、
翼形部（４２）の一端に付随した根元部（４４）と、
根元部（４４）から突出しかつ斜め軸方向挿入式ダブテールを含むダブテール部（４０）と、
根元部（４４）と反対側の端部で翼形部（４２）に付随した先端部（４６）と、
先端部（４６）の一部として一体形に形成されたカバー（４８）と、
翼形部（４２）の端部間で翼形部の中間部に付随した部分スパンシュラウド（５０）と
を含み、当該動翼（２０）が、約４７．７平方フィート（４．４３ｍ²）以上の出口環状空間面積を含む、蒸気タービン動翼（２０）。
斜め軸方向挿入式ダブテール（４０）が１９°のスキュー角度を含む、請求項１記載の蒸気タービン動翼（２０）。
翼形部（４２）が約２６．８インチ（６８．１ｃｍ）以上の長さを含む、請求項１記載の蒸気タービン動翼（２０）。
カバー（４８）が翼形部（４２）の前縁（３４）からの所定の距離において該前縁（３４）から離れる方向に該翼形部（４２）の後縁（３６）まで延びる平坦部を含み、
カバー（４８）が、前縁（３４）から離れて所定の距離に位置したほぼ端部から、後縁（３６）及び前縁（３４）に対してほぼ中間位置（５８）の位置まで狭くなった幅を有し、
カバー（４８）の幅が、中間位置（５８）から後縁（３６）まで増大し、
前縁（３４）から離れて所定の距離に位置した端部におけるカバー（４８）の幅及び後縁（３６）における該カバー（４８）の幅が、ほぼ同じである、
請求項１記載の蒸気タービン動翼（２０）。
カバー（４８）から上向きに突出したシール歯（５６）をさらに含み、シール歯（５６）が、前縁（３４）から離れて所定の距離に位置した端部からほぼ中間位置（５８）を通って後縁（３６）まで延びる、請求項４記載の蒸気タービン動翼（２０）。
カバー（４８）が、前縁（３４）から離れて所定の距離に位置した端部からほぼ中間位置（５８）まで翼形部（４２）の負圧側面（３２）の上方を覆って延び、カバー（４８）が、中間位置（５８）から後縁（３６）まで翼形部（４２）の正圧側面（３０）の上方を覆って延びる、請求項４記載の蒸気タービン動翼（２０）。
蒸気タービン（１０）の低圧タービンセクションであって、
タービンロータホイール（１８）の周りに配置された複数の後段蒸気タービン動翼（２０）、
を含み、複数の後段蒸気タービン動翼（２０）の各々が、
約２６．８インチ（６８．１ｃｍ）以上の長さを有する翼形部（４２）と、
翼形部（４２）の一端に付随した根元部（４４）と、
根元部（４４）から突出しかつ斜め軸方向挿入式ダブテール（４０）を含むダブテール部（４０）と、
根元部（４４）と反対側の端部で翼形部（４２）に付随した先端部（４６）と、
先端部（４６）の一部として一体形に形成されたカバー（４８）と、
翼形部（４２）の端部間で該翼形部の中間部に付随した部分スパンシュラウド（５０）と
を含み、複数の後段蒸気タービン動翼（２０）が、約４７．７平方フィート（４．４３ｍ²）以上の出口環状空間面積を含む、低圧タービンセクション。
複数の後段蒸気タービン動翼（２０）が、約１５００回転／分〜約３６００回転／分の範囲にある速度で作動する、請求項７記載の低圧タービンセクション。
複数の後段蒸気タービン動翼（２０）のカバー（４８）が、隣接カバー（４８）間に公称ギャップ（６０）を有する状態で組立てられる、請求項７記載の低圧タービンセクション。
複数の後段蒸気タービン動翼（２０）の各々における部分スパンシュラウド（５０）が、それらの間にギャップ（６２）有するように構成され、ギャップ（６２）が、複数の後段蒸気タービン動翼（２０）が所定の作動速度に達すると閉じる、請求項７記載の低圧タービンセクション。