JP2011085136A - ターボ機械ロータ冷却 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機械ロータ及びその冷却方法を提供する。
【解決手段】本ターボ機械のロータ１２は、中心軸線１４に設置されたロータドラム６４と、ロータドラム６４に固定された複数のバケット１６とを含む。ロータシェル３８が、該複数のバケット１６に固定されかつ該複数のバケット１６によって支持されて、ロータドラム６４との間に冷却通路５０を形成する。低圧シンク５２が、ロータ１２の上流端部に設置されて、冷却通路５０を通して冷却媒体流を受ける。蒸気タービン１０のロータ１２を冷却する本方法は、ロータドラム６４の半径方向外側にロータシェル３８を設置して、それらの間に冷却通路５０を形成するステップを含む。蒸気流６０が、蒸気タービン１０の下流部分から冷却通路５０を通して該蒸気タービン１０の上流端部に設置された低圧シンク５２に向けて強制的に送られ、それによってロータ１２を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的にはターボ機械ロータに関する。より具体的には、本開示は、蒸気タービンロータの冷却に関する。

蒸気タービンシステムは、より高い蒸気温度に依存して効率が増大するので、蒸気タービン、特にドラムロータ構造を利用した蒸気タービンは、より高い蒸気温度に耐えることができて、ロータの有効寿命に悪影響を受けないようにしなければならない。ロータ構造では、より耐熱性がある材料を使用することができるが、そのような材料の使用は、多くの場合、ロータ構成要素のコストを大幅に上昇させる。ロータ用の冷却媒体として、高圧低温蒸気を使用することができるが、蒸気タービン外部の供給源からのそのような冷却媒体の使用は、単にそうしただけで、ロータのコストを大幅に上昇させかつロータ性能を著しく低下させるおそれがある。

米国特許第７４８８１５３号明細書

当技術分野では、ロータの性能に対する悪影響を最少にしながら、該ロータの耐熱性を向上させる低コストの解決策が待望されていると言える。

本発明の１つの態様によると、蒸気タービンのロータは、中心軸線に設置されたロータドラムと、ロータドラムに固定された複数のバケットとを含む。ロータシェルが、複数のバケットの軸方向に隣接するバケット間で延び、該複数のバケットに固定されかつ該複数のバケットによって支持されて、ロータドラムとの間に冷却通路を形成する。低圧シンクが、ロータの上流端部に設置されて、冷却通路を通して冷却媒体流を受ける。

本発明の別の態様によると、蒸気タービンは、中心軸線に配置されたステータと、ステータの半径方向内側に配置されたロータとを含む。ロータは、ロータドラムと、ロータドラムに固定された複数のバケットとを含む。ロータシェルが、複数のバケットの軸方向に隣接するバケット間で延び、該複数のバケットに固定されかつ該複数のバケットによって支持されて、ロータドラムとの間に冷却通路を形成する。低圧シンクが、ロータの上流端部に設置されて、冷却通路を通して冷却媒体流を受ける。

本発明のさらに別の態様によると、蒸気タービンのロータを冷却する方法は、ロータドラムの半径方向外側にロータシェルを設置して、それらの間に冷却通路を形成するステップを含む。ロータシェルは、複数のバケットの軸方向に隣接するバケット間で延び、該複数のバケットに固定されかつ該複数のバケットによって支持される。蒸気流が、蒸気タービンの下流部分から冷却通路を通して該蒸気タービンの上流端部に設置された低圧シンクに向けて強制的に送られ、それによってロータを冷却する。

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。

本発明は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の詳細な説明から明らかである。

蒸気タービンの実施形態の部分断面図。 図１の一部分の拡大図。 蒸気タービンにおけるロータシェルの実施形態の断面図。 蒸気タービンにおけるロータバケットの平面図。

詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

図１に示すのは、ターボ機械、例えば蒸気タービン１０の実施形態である。蒸気タービン１０は、該蒸気タービンの軸線１４に回転可能に配置されたロータ１２を含む。複数のバケット１６が、ロータドラム６４の複数のバケットスロット１８内に固定され、かつ一般的にロータ１２に沿った軸方向位置において該ロータ１２の周辺部の周りに延びる幾つかの列又は段として配置される。複数の固定ノズル２０が、蒸気タービン１０のステータ２４の複数のノズルスロット２２内に固定される。例えば、ノズルスロットは、ステータ２４の内側キャリア内に設置することができる。ノズル２０は、バケット１６の段間に設置された円周方向段として構成される。ロータ１２及びステータ２４は、それらの間に主流路２６を形成する。流体、例えば蒸気２８が、主流路２６に沿って導かれ、蒸気２８は、軸線１４の周りでロータ１２を強制的に回転させる。

次に図２を参照すると、各バケット１６は、該バケット１６のシャンク部を貫通する軸方向に延びる貫通孔３０を有する。孔３０は、半径方向外側ロータ表面３４の半径方向外側に位置しかつバケット１６のプラットフォーム３６の半径方向内側に位置するように構成される。シェル３８が、ロータ１２の連続した段のバケット１６のプラットフォーム３６間で軸方向に延びる。シェル３８は、あらゆる好適な手段の１つでプラットフォーム３６に取付けられかつ該プラットフォーム３６によって支持される。例えば、幾つかの実施形態では各プラットフォーム３６は、該プラットフォーム３６内に軸方向に延びるグルーブ４０を有することができる。シェル３８は、グルーブ４０内に挿入可能である相補形タブ４２を該シェル３８の軸方向端部に有する。図２では、各シェル３８端部に１つのグルーブ４０及び１つのタブ４２を示しているが、その他の個数、例えば２つ又は３つのタブ４２及びグルーブ４０も本発明の技術的範囲内にあると考えられることを理解されたい。さらに、幾つかの実施形態では、連結構成は実質的に逆にする、つまりグルーブ４０がシェルに設置されまたタブ４２がラットフォーム３６に設置されるようにする。次に図３を参照すると、シェル３８はロータ１２の円周部の周りで延びかつ複数のシェルセグメント４４、例えば２つ、４つ又は６つのシェルセグメント４４で形成することができる。幾つかの実施形態では、シェルセグメント４４は、該シェルセグメント４４間の漏洩を減少させる接合部４６構成を有することができる。例えば、図示するように、接合部４６はラップ継手とすることができる。

再び図２を参照すると、半径方向内側シェル表面４８及びロータ表面３４は、バケット１６段間にそれらの間の冷却通路５０を形成する。冷却通路５０は、貫通孔３０により各バケット１６段を貫通して連続している。再び図１を参照すると、冷却通路５０は、軸方向下流位置からロータ１２に沿って上流方向に低圧シンク５２に向けて延びる。幾つかの実施形態では、低圧シンク５２は、蒸気タービン１０の上流端部に設置される。軸方向に向いた貫通ロータ孔５４がロータ１２を貫通して第１のバケット１６段の上流に延びる。１つ又はそれ以上のシールリング５６がロータ孔５４の上流に配置されかつそれを通して冷却通路５０が低圧シンク５２に至る複数のシールリング孔５８を含む。

幾つかの実施形態では、少なくとも１つの下流バケット１６段からの蒸気流６０が、冷却通路５０内に導入される。図４を参照すると、プラットフォーム３６の１つ又はそれ以上は、主流路２６から該プラットフォーム３６を貫通して延びるスカラップ形冷却媒体開口部６２を含む。再び図１を参照すると、スカラップ形蒸気開口部内への蒸気流６０は、該スカラップ形冷却媒体開口部６２における主流路２６及び低圧シンク５２間の圧力差によって促進される。蒸気流６０は、比較的高い圧力位置である冷却媒体開口部６２に流入しかつ冷却通路５０を通って比較的低い圧力位置である低圧シンク５２に向けて流れる。蒸気流６０は、上流段を通って流れた後に冷却媒体開口部６２に到達するので、冷却媒体開口部６２に流入する蒸気流６０は上流段における蒸気流６０よりも低い温度になっている。冷却通路５０を通って流れるより低い温度の蒸気流６０は、ロータ１２から熱を除去する。

幾つかの実施形態では、冷却媒体開口部６２が省略され、単にシェル３８により、主流路２６内の蒸気流６０からロータ１２が隔離される。このロータ１２の隔離により、該ロータ１２及びステータ２４間のより厳密に一致した熱応答が得られ、それによってロータ１２及びステータ２４間の熱膨張差が減少してより緊密な軸方向間隙が可能になる。

限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１０ 蒸気タービン
１２ ロータ
１４ 軸線
１６ バケット
１８ バケットスロット
２０ ノズル
２２ ノズルスロット
２４ ステータ
２６ 流路
２８ 蒸気
３０ 孔
３２ シャンク部
３４ ロータ表面
３６ プラットフォーム
３８ シェル
４０ グルーブ
４２ タブ
４４ シェルセグメント
４６ 接合部
４８ シェル表面
５０ 冷却通路
５２ 低圧シンク
５４ ロータ孔
５６ シールリング
５８ リング孔
６０ 蒸気流
６２ 冷却媒体開口部
６４ ロータドラム

Claims (10)

1. ターボ機械のロータ（１２）であって、
   中心軸線（１４）に配置されたロータドラム（６４）と、
   前記ロータドラム（６４）に固定された複数のバケット（１６）と、
   前記複数のバケット（１６）の軸方向に隣接するバケット（１６）間で延び、該複数のバケット（１６）に固定されかつ該複数のバケット（１６）によって支持されて、前記ロータドラム（６４）との間に冷却通路（５０）を形成したロータシェル（３８）と、
   該ロータ（１２）の上流端部に配置されて、前記冷却通路（５０）を通して冷却媒体流を受ける低圧シンク（５２）と
   を含むロータ（１２）。
2. 該ロータ（１２）が、蒸気タービン（１０）のロータ（１２）である、請求項１記載のロータ（１２）。
3. 前記複数のバケット（１６）のうちのバケット（１６）のプラットフォーム（３６）を貫通して延びて、前記冷却通路（５０）内への前記冷却媒体流の流入を可能にする少なくとも１つの冷却媒体開口部（６２）を含む、請求項１記載のロータ（１２）。
4. 蒸気タービン（１０）であって、
   中心軸線（１４）に配置されたステータ（２４）と、
   前記ステータ（２４）の半径方向内側に配置されたロータ（１２）と
   を含み、前記ロータ（１２）が、
   ロータドラム（６４）と、
   前記ロータドラム（６４）に固定された複数のバケット（１６）と、
   前記複数のバケット（１６）の軸方向に隣接するバケット（１６）間で延び、該複数のバケット（１６）に固定されかつ該複数のバケット（１６）によって支持されて、前記ロータドラム（６４）との間に冷却通路（５０）を形成したロータシェル（３８）と、
   該ロータ（１２）の上流端部に配置されて、前記冷却通路（５０）を通して冷却媒体流を受ける低圧シンク（５２）と
   を含む、蒸気タービン（１０）。
5. 前記冷却媒体流が、該蒸気タービン（１０）の下流部分から前記冷却通路（５０）内に送られた蒸気（２８）を含む、請求項４記載の蒸気タービン（１０）。
6. 前記複数のバケット（１６）のうちのバケット（１６）のプラットフォームを貫通して延びて、前記冷却通路（５０）内への前記冷却媒体流の流入を可能にする少なくとも１つの蒸気開口部を含む、請求項４記載の蒸気タービン（１０）。
7. 蒸気タービン（１０）のロータ（１２）を冷却する方法であって、
   ロータドラム（６４）の半径方向外側にロータシェル（３８）を配置し、該ロータシェル（３８）が、複数のバケット（１６）の軸方向に隣接するバケット（１６）間で延び、該複数のバケット（１６）に固定されかつ該複数のバケット（１６）によって支持されて、前記ロータドラム（６４）との間に冷却通路（５０）を形成するステップと、
   前記蒸気タービン（１０）の下流部分から前記冷却通路（５０）を通して該蒸気タービン（１０）の上流端部に配置された低圧シンク（５２）に向けて蒸気流（６０）を強制的に送り、それによって前記ロータ（１２）を冷却するステップと
   を含む方法。
8. 前記下流部分及び低圧シンク（５２）間の圧力差により前記冷却通路（５０）を通して前記蒸気流（６０）を強制的に送るステップを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記複数のバケット（１６）のうちのバケット（１６）のプラットフォームを貫通して延びて前記冷却通路（５０）内への前記冷却媒体流の流入を可能にする少なくとも１つの蒸気開口部を通して該冷却通路（５０）内に前記蒸気流（６０）を強制的に送るステップを含む、請求項７記載の方法。
10. 前記冷却通路（５０）から延びる孔（３０）により少なくとも１つのロータ（１２）を貫通させて前記低圧シンク（５２）に前記蒸気流（６０）を流すステップを含む、請求項７記載の方法。

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