JP2011099438A

JP2011099438A - 蒸気通路流れ剥離低減システム

Info

Publication number: JP2011099438A
Application number: JP2010245759A
Authority: JP
Inventors: Nestor Hernandez Sanchez; ネスター・ヘルナンデス・サンチェ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2011-05-19
Also published as: US8322972B2; EP2320028A2; US20110103944A1; EP2320028A3; RU2010144991A

Abstract

【課題】ターボ機械において流れ剥離を低減するためのシステムを提供する。
【解決手段】本システムは、静止ベーン支持体（３２）に結合された静止ベーン（２２）と、静止ベーン又は静止ベーン支持体（３２）の中に配置されかつターボ機械を通る作動流体流れ（１２８）に近接した第１の側面を有する少なくとも１つの円周方向抽出バンド（１０７）と、円周方向抽出バンド（１０７）の第１の側面内に配置された少なくとも１つの開口部（１０８）と、円周方向抽出バンド（１０７）と流体連通した第１の端部及び静止ベーン支持体（３２）を貫通して延びる第２の端部を有するチャネル（１１０）とを含み、ターボ機械を通る作動流体流れ（１２８）が、抽出開口部（１０８）を通して円周方向抽出バンド（１０７）内にかつチャネル（１１０）を通して回転ブレード（２０）に向けて配向し直される。
【選択図】図３

Description

本発明は、総括的にはターボ機械に関する。より具体的には、本発明は、蒸気タービン用の蒸気通路流れ剥離低減システムに関する。

蒸気タービンにおける蒸気通路効率は、複数の損失パラメータ及びそれらの相互作用の結果であり、これらのパラメータは空気力学及び流体流れ損失と関連している。これまで、これらの損失を理解し、かつブレード輪郭を改良し、壁損失及びギャップ損失を減少させ、また半径方向及び円周方向効率変動を最少化すると同時に流れ剥離を防止することによって、これらの損失を減少させるための努力がなされてきた。

一般的に、例えば安価な蒸気タービンを開発しかつ蒸気タービンを収容するのに必要な床空間の量を最小にするためには、蒸気タービンの全体設置面積を減少させるのが望ましい。しかしながら、蒸気タービンの設置面積を減少させると、蒸気タービン内の段が互いに移動させられかつ段間の壁角度がより急勾配になる。壁角度が増大すると、タービン通って、具体的には壁角度が最も大きい低圧セクション内を流れる蒸気は、ギャップ及び渦のためにかき混ぜられた状態になり、また流れ剥離が発生する。流れ剥離は、大きな蒸気通路効率損失を発生させる可能性がある。従って、最新のシステムは、特に低圧セクションにおいて壁角度を４５〜５０度に制限して、流れ剥離を防止する傾向になっている。Ｌ０ハンプの使用のようなブレード輪郭の改良及びノズル根元領域の修正を含む、流れ剥離を低減するための蒸気通路の再設計の様々な試みが行われてきた。

米国特許出願公開第２００６／０２０２０８２号明細書

ターボ機械において流れ剥離を低減するためのシステムを提供し、本システムは、静止ベーン支持体に結合された静止ベーンと、静止ベーン又は静止ベーン支持体の中に配置されかつターボ機械を通る作動流体流れに近接した第１の側面を有する少なくとも１つの円周方向抽出バンドと、円周方向抽出バンド内に配置された少なくとも１つの開口部と、円周方向抽出バンドと流体連通した第１の端部及び静止ベーン支持体を貫通して延びる第２の端部を有するチャネルとを含み、ターボ機械を通る作動流体流れが、抽出開口部を通して円周方向抽出バンド内にかつチャネルを通して回転ブレードに向けて配向し直される。

本発明の第１の態様は、静止ベーンに結合された、ターボ機械用の静止ベーン支持体を提供し、本静止ベーン支持体は、該静止ベーン支持体内に配置されかつターボ機械を通る作動流体流れに近接した第１の側面を有する円周方向抽出バンドと、円周方向抽出バンドの第１の側面内に配置された開口部と、該静止ベーン支持体を貫通しかつ円周方向抽出バンドと流体連通した第１の端部及び下流回転ブレード付近の先端領域に近接した第２の端部を有するチャネルとを含み、チャネル及び円周方向抽出バンドは、ターボ機械を通る作動流体流れの一部分を抽出開口部を通して該円周方向抽出バンド内にかつ該チャネルを通して下流回転ブレードに向けて配向し直すように構成される。

本発明の第２の態様は、静止ベーンに結合された、ターボ機械用の静止ベーン支持体を提供し、本静止ベーン支持体は、該静止ベーン支持体から上流回転バケットに向けて延びる突出部と、突出部内に配置されかつターボ機械を通る作動流体流れに近接した第１の側面を有する円周方向抽出バンドと、円周方向抽出バンドの第１の側面内に配置された少なくとも１つの開口部と、該静止ベーン支持体を貫通しかつ円周方向抽出バンドと流体連通した第１の端部及び下流回転ブレード付近の先端領域に近接した第２の端部を有するチャネルとを含み、チャネル及び円周方向抽出バンドは、ターボ機械を通る作動流体流れの一部分を抽出開口部を通して該円周方向抽出バンド内にかつ該チャネルを通して下流回転ブレードに向けて配向し直すように構成される。

本発明の第３の態様は、ターボ機械において流れ剥離を低減するためのシステムを提供し、本システムは、第１の回転ブレードと、第２の回転ブレードと、第１の回転ブレード及び第２の回転ブレード間に配置されかつ静止ベーン支持体に結合された静止ベーンと、静止ベーンから第１の回転ブレードに向けて延びる突出部と、突出部及び静止ベーン支持体の１つ内に配置されかつターボ機械を通る作動流体流れに近接した第１の側面を有する円周方向抽出バンドと、円周方向抽出バンドの第１の側面内に配置された少なくとも１つの開口部と、突出部及び静止ベーン支持体の１つを貫通しかつ円周方向抽出バンドと流体連通した第１の端部並びに第２の回転ブレード付近の先端領域に近接した第２の端部を有するチャネルとを含み、チャネル及び円周方向抽出バンドは、ターボ機械を通る作動流体流れの一部分を抽出開口部を通して該円周方向抽出バンド内にかつ該チャネルを通して第２の回転ブレードに向けて配向し直すように構成される。

本発明のこれらの及びその他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるであろう。

従来型の蒸気タービンの一部切取り斜視図。従来型の蒸気タービンの例示的段の断面図。本発明の実施形態による蒸気タービンの例示的段の断面図。本発明の実施形態による蒸気タービンの段で使用する抽出バンドの三次元図。

図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本発明の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。

蒸気タービンの形態でのターボ機械と関連するその用途及び該ターボ機械の運転に関して、本発明の少なくとも１つの実施形態を以下に説明する。しかしながら、本発明があらゆる好適なタービン及び／又はエンジンに同様に適用可能であることは、当業者には明らかでありまた本明細書における教示によって導かれる筈である。さらに、本発明の実施形態は蒸気タービンにおける蒸気流れの再配向に関連しているが、本発明が好適なタービン及び／又はエンジンで使用されるあらゆる作動流体の再配向に適用可能であることを理解されたい。

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、回転シャフト１４と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とを備えたロータ１２を含む。複数の回転翼形部２０（ブレード２０とも呼ばれる）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、ブレード２０は、各ロータホイール１８の周りで円周方向に延びる列の形態で配置される。複数の静止ベーン２２が、シャフト１４の周りで円周方向に延び、かつこれらベーンは、隣接するブレード２０列の軸方向間に配置される。静止ベーン２２は、ブレード２０と協働してタービン段を形成しかつタービン１０を通る作動流体流路の一部分を形成する。

作動中に、蒸気のような作動流体２４は、タービン１０の入口２６に流入しかつ静止タービン２２を通して送られる。ベーン２２は、下流方向にブレード２０に対して作動流体２４を導く。作動流体２４は、残りの段を通って流れ、ブレード２０に力を与えてシャフト１４を回転させる。タービン１０の少なくとも一端部は、ロータ１２から離れるように軸方向に延びることができ、またそれに限定されないが、発電機及び／又は別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。

図１に示すように、タービン１０は、少なくとも１つの段（図１には５つの段を示している）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する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。作動流体が様々な段を通って移動すると、圧力が低下する、つまり作動流体は、段Ｌ０におけるよりも段Ｌ４においてより高い圧力になっている。５つの段は、単に１つの実施例として示しておりまた各タービンは、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、タービン１０の複数段の断面図を示している。段Ｌ０及びＬ１に焦点を当てると、回転ブレード２０及び静止ベーン２２を示しており、静止ベーン２２は、その一部を静止ベーン支持体３２によって支持されている。静止ベーン支持体３２はさらに、ノズルノーズとも呼ばれる突出部３４を含むことができ、突出部３４は、静止ベーン支持体３２からタービンの前段に向けて、例えば段Ｌ０における静止ベーン支持体３２から段Ｌ１に向けて延びる。静止ベーン支持体３２及び突出部３４に沿った領域は一般的に、図２において線Ｔで示した段の先端領域Ｔと呼ばれ、一方、静止ベーン２２の反対側端部に沿った領域は、図２において線Ｒで示した段の根元領域Ｒと呼ばれる。

図２で示すように、段間の、具体的には段Ｌ０及び段Ｌ１間の壁角度は、急勾配である。従って、矢印２８で示すタービン１０を通る蒸気の流れは、特にタービンの低圧セクションにおいて先端領域Ｔ（図２ではその全体を領域３０として示す）付近の矢印２８の上方の領域内に本来存在することになるギャップ／渦内に該蒸気の流れが捕捉されると、かき混ぜられた状態になることになる。説明を容易にするために、図２には、領域３０は、３つの領域、つまり先端領域Ｔ及び突出部３４付近の領域３０ａ、先端領域Ｔ及び静止ベーン２２付近の領域３０ｂ、並びに先端領域Ｔ及び回転ブレード２０付近の領域３０ｃとして示している。しかしながら、実際の実施では、領域３０ａ、３０ｂ及び３０ｃは、必ずしも３つの明確な領域ではなく、本明細書ではまとめて領域３０と呼ぶ。図２に示すように、Ｌ０段の静止ベーン２２の根元領域Ｒ付近に、Ｌ０ハンプ３１を備えることができる。ハンプ３１は、蒸気の流れ２８を段の根元領域Ｒから押し上げるように作用して、領域３０におけるギャップ／渦内に強制的に蒸気を満たすことによって流れ剥離を低減しようするものである。しかしながら、ハンプ３１だけの使用では、流れ剥離を適切に低減することができない。

図３には、本発明の実施形態による蒸気流れ剥離低減システム１００を備えた蒸気タービンの例示的段を示している。具体的には、図３は、図２における鎖線内の拡大図を示しており、本発明の実施形態による段Ｌ０及びＬ１を示している。図３に示すように、システム１００の段Ｌ０は、回転ブレード２０及び静止ベーン２２を含み、静止ベーン２２は、その一部を静止ベーン支持体３２によって支持されている。静止ベーン支持体３２はさらに、該静止ベーン支持体３２から前段（図３では段Ｌ１）の回転バケットに向けて外方に延びる突出部３４を含む。

本発明の実施形態によると、図３及び図４に示すように、少なくとも１つの抽出バンド１０７が、タービンの段の周りに円周方向に設けられる。（図３には、３つの抽出バンド１０７ａ、１０７ｂ及び１０７ｃを示しており、かつ本明細書で「抽出バンド１０７」という表現は、バンド１０７ａ、１０７ｂ及び／又は１０７ｃの１つ又はそれ以上を意味することを理解されたい）。図４は、１つの例示的抽出バンド１０７の三次元図を示している。図３及び図４に示すように、各抽出バンド１０７は、流体を収容することができる内部空洞１０９を有する。各抽出バンド１０７はさらに、段の作動流体通路に隣接して該抽出バンド１０７の内側面１１１に沿って複数の抽出開口部１０８（図３には、開口部１０８ａ、１０８ｂ及び１０８ｃとして示す）を含み、作動流体１２８が空洞１０９に流入するのを可能にする。このようにして、作動流体１２８は、矢印１２８（図３）で示すように配向し直される。

図３及び図４に示すように、各抽出バンド１０７はさらに、少なくとも１つのチャネル１１０と流体連通状態にすることができる。図３に示すように、チャネル１１０は、抽出バンド１０７の外側面１１２に連結して、作動流体流れ１２８を該抽出バンド１０７の内部空洞１０９から静止ベーン２２を貫通して回転ブレード２０に向けて配向することができる。従って、チャネル１１０は各々、抽出バンド１０７と流体連通した１つの端部及び先端領域Ｔ付近の領域３０に開口した別の端部を有する。

抽出バンド１０７は、必要に応じて静止ベーン２２の先端領域Ｔ付近に設置することができ、例えば抽出バンド１０７は、静止ベーン２２に隣接した静止ベーン支持体３２内に及び／又は突出部／ノズルノーズ３４内に設置することができる。図３には３つの抽出バンド１０７ａ、１０７ｂ及び１０７ｃ（静止ベーン支持体３２内における１０７ａ及び１０７ｃ並びに突出部／ノズルノーズ３４内における１０７Ｃ）を示しているが、本発明の実施形態によりあらゆる数の抽出バンド１０７及び開口部１０８を備えるようにして、必要に応じてチャネル１１０を介してより多くの作動流体流れ１２８を領域３０に配向し直すことができる。図３に示すように、抽出開口部１０８を通して蒸気流れ１２８を引込む作用は、蒸気流れ１２８を先端領域Ｔに向けて、従って突出部３４に最も近い領域３０ａ及び静止ベーン２２に最も近い領域３０ｂ内に引上げる。図２及び図３を比較すると、配向し直された蒸気流れ１２８（図３）は自然な蒸気流れ２８（図２）よりも先端領域Ｔにより近いことを理解されたい。

抽出開口部１０８は、抽出バンド１０７の全ての周りに配置し、従ってほぼ３６０度流れ抽出を可能にすることができる。流れが抽出バンド１０７の内部空洞１０９に流入すると、チャネル１１０の１つを通って配向されることになる。一定の間隔で配置された矩形開口部として図示しているが、抽出開口部１０８は、あらゆる所望の形状又は寸法のものとすることができ、かつ必要に応じて抽出バンド１０７に沿って配置することができる。抽出開口部１０７はさらに、単一の環状開口部を含むことができ、或いは一連の分離開口部とすることができる。

図４には４つのチャネル１１０を示しているが、あらゆる数のチャネル１１０を利用して、蒸気流れ１２８を配向し直すことができる。さらに、チャネル１１０は、抽出開口部１０８を通して蒸気流れ１２８を領域３０に移動させるのに必要なあらゆる形状又は寸法とすることができる。例えば、図３に示すように、チャネル１１０は、静止ベーン２２内に全体的に又は該静止ベーン２２内に部分的にまた静止ベーン支持体３２内に部分的に又は突出部３４内に部分的に配置することができる。チャネル１１０は、一連の連結チャネル又は単一機械加工チャネルとすることができる。さらに、チャネル１１０は、曲線状又は直線状、或いは曲線状及び直線状の両方の組合せとすることができる。それらの位置、形状又は寸法に関係なく、チャネル１１０は、抽出バンド１０７と流体連通して、蒸気流れ１２８の一部分を静止ベーン２２の上流から該静止ベーン２２の下流に、つまり抽出開口部１０８を通して抽出バンド１０７内にかつチャネル１１０を通して回転ブレード２０に向けて配向し直すことになる。

上記のように、段Ｌ１付近の圧力は、段Ｌ０付近よりも高く、従ってこの圧力差を利用して、抽出開口部１０８を通して抽出バンド１０７内にかつチャネル１１０を通して回転ブレード２０に向けて蒸気を引寄せるようにする。このようにして、自然な蒸気流れ（図２に矢印２８で示す）の少なくとも一部は、上向きに引寄せられかつ配向し直される（図３に矢印１２８で示すように）て、段Ｌ０及び段Ｌ１間での大きな壁角度のために領域３０内に存在する可能性があるギャップ／渦内を満たす。この蒸気の配向し直しにより、領域３０内における再循環及び乱流が減少し、それにより、蒸気流路効率が向上しかつより急勾配の壁角度が可能になることになる。

本明細書における「第１の」、「第２の」などの用語は、何らの順序、数量又は重要度を表すものではなく、むしろ１つの要素を別の要素から区別するために使用しており、また本明細書における数詞を付していない表現は、数量の限定を表すものではなく、むしろ記載した事項の少なくとも１つが存在することを表している。数量と関連して使用する「約」と言う修飾語は、記述した数値を包含しかつ文脈によって決まる意図的意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関連する誤差の程度を含む）。本明細書で使用する場合における「１つ又は複数の」という前置表現は、この表現が前置する用語のものの単数及び複数の両方を含み、従ってその用語のものの１つ又はそれ以上を含む（例えば、１つ又は複数の金属という表現は、１つ又はそれ以上の金属を含む）ことを意図している。本明細書に開示した範囲は、包括的でありかつ独立して組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％までの又はより具体的には約５重量％〜約２０重量％」の範囲というのは、「約５重量％〜約２５重量％」の範囲の端点及び全ての中間値などを含む）。

本明細書では様々な実施形態について説明してきたが、それら実施形態における要素の様々な組合せ、変更又は改良を当業者が行なうことができ、またそれらも本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から分かるであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合させるように、多くの変更を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになることを意図している。

１０蒸気タービン
１２ロータ
１４回転シャフト
１８ロータホイール
２０回転翼形部、ブレード
２２静止ベーン
２４作動流体
２６入口
Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４５つの段
Ｌ４第１段
Ｌ３第２段
Ｌ２第３段
Ｌ１第４段
Ｌ０最終段
３２静止ベーン支持体
３４突出部、ノズルノーズ
Ｔ先端領域
Ｒ根元領域
２８蒸気流れ
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ領域
３１ハンプ
１００蒸気流れ剥離低減システム
１０７、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ抽出バンド
１０８、１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ抽出開口部
１０９内部空洞
１１０チャネル
１１１抽出バンドの内側面
１２８配向し直された作動流体流れ
１１２抽出バンドの外側面

Claims

静止ベーン（２２）に結合された、ターボ機械用の静止ベーン支持体（３２）であって、
該静止ベーン支持体（３２）内に配置されかつ前記ターボ機械を通る作動流体流れ（１２８）に近接した第１の側面を有する円周方向抽出バンド（１０７）と、
前記円周方向抽出バンド（１０７）の第１の側面内に配置された開口部（１０８）と、
該静止ベーン支持体（３２）を貫通しかつ前記円周方向抽出バンド（１０７）と流体連通した第１の端部及び下流回転ブレード（２０）付近の先端領域（Ｔ）に近接した第２の端部を有するチャネル（１１０）と、を含み、
前記チャネル（１１０）及び円周方向抽出バンド（１０７）が、前記ターボ機械を通る前記作動流体流れ（１２８）の一部分を前記抽出開口部（１０８）を通して該円周方向抽出バンド（１０７）内にかつ該チャネル（１１０）を通して前記下流回転ブレード（２０）に向けて配向し直すように構成される、
静止ベーン支持体。
前記円周方向抽出バンド（１０７）が、複数の円周方向抽出バンド（１０７）を含む、請求項１記載の静止ベーン支持体。
前記チャネル（１１０）が、複数のチャネル（１１０）を含む、請求項１記載の静止ベーン支持体。
前記静止ベーンの根元領域（Ｒ）に近接して配置されて前記作動流体流れ（１２８）を該静止ベーン支持体（３２）に向けて外向きに移動させるハンプ（３１）をさらに含む、請求項１記載の静止ベーン支持体。
静止ベーン（２２）に結合された、ターボ機械用の静止ベーン支持体（３２）であって、
該静止ベーン支持体（３２）から上流回転ブレード（２０）に向けて延びる突出部（３４）と、
前記突出部（３４）内に配置されかつ前記ターボ機械を通る作動流体流れ（１２８）に近接した第１の側面を有する円周方向抽出バンド（１０７）と、
前記円周方向抽出バンド（１０７）の第１の側面内に配置された少なくとも１つの開口部（１０８）と、
該静止ベーン支持体（３２）を貫通しかつ前記円周方向抽出バンド（１０７）と流体連通した第１の端部及び下流回転ブレード（２０）付近の先端領域（Ｔ）に近接した第２の端部を有するチャネル（１１０）と、を含み、
前記チャネル（１１０）及び円周方向抽出バンド（１０７）が、前記ターボ機械を通る前記作動流体流れ（１２８）の一部分を前記抽出開口部（１０８）を通して該円周方向抽出バンド（１０７）内にかつ該チャネル（１１０）を通して前記下流回転ブレード（２０）に向けて配向し直すように構成される、
静止ベーン支持体。
前記円周方向抽出バンド（１０７）が、複数の円周方向抽出バンド（１０７）を含む、請求項５記載の静止ベーン支持体。
前記チャネル（１１０）が、複数のチャネル（１１０）を含む、請求項５記載の静止ベーン支持体。
ターボ機械において流れ剥離を低減するためのシステムであって、
第１の回転ブレード（２０）と、
第２の回転ブレード（２０）と、
前記第１の回転ブレード（２０）及び第２の回転ブレード（２０）間に配置されかつ静止ベーン支持体（３２）に結合された静止ベーン（２２）と、
前記静止ベーン（２２）から前記第１の回転ブレード（２０）に向けて延びる突出部（３４）と、
前記突出部（３４）及び静止ベーン支持体（３２）の１つ内に配置されかつ前記ターボ機械を通る作動流体流れ（１２８）に近接した第１の側面を有する円周方向抽出バンド（１０７）と、
前記円周方向抽出バンド（１０７）の第１の側面内に配置された少なくとも１つの開口部（１０８）と、
前記突出部（３４）及び静止ベーン支持体（３２）の１つを貫通しかつ前記円周方向抽出バンド（１０７）と流体連通した第１の端部並びに前記第２の回転ブレード（２０）付近の先端領域（Ｔ）に近接した第２の端部を有するチャネル（１１０）と、を含み、
前記チャネル（１１０）及び円周方向抽出バンド（１０７）が、前記ターボ機械を通る前記作動流体流れ（１２８）の一部分を前記抽出開口部（１０８）を通して該円周方向抽出バンド（１０７）内にかつ該チャネル（１１０）を通して前記第２の回転ブレード（２０）に向けて配向し直すように構成される、
システム。
前記円周方向抽出バンド（１０７）が複数の円周方向抽出バンド（１０７）を含む、請求項８記載のシステム。
前記チャネル（１１０）が、複数のチャネル（１１０）を含む、請求項８記載のシステム。