JP7106552B2 - 背面のそりを有する翼形部（８２）を備える蒸気タービン - Google Patents

Description

本出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、蒸気タービン用の制御されたフローランナーに関する。

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所定の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洩が、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洩が、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、概して直列に配置されたいくつかのタービン段を流れ、最初の段のガイドとブレード（またはノズルとバケット）を通過し、その後タービンの後段のガイドとブレードを通過する。このようにして、ガイドは蒸気をそれぞれのブレードに向け、ブレードを回転させ、発電機などの負荷を駆動させることができる。蒸気は、ブレードを囲む円周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、ブレード、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には、故障や耐用年数の減少なしにますます高くなる温度に耐えることができるという継続的な要求がある。

特定のタービンブレードは、翼形部形状で形成されてもよい。ブレードは、先端とルートに取り付けることができ、ルートは、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。

米国特許出願公開第２０１６／０２３７８３３号明細書

この出願および結果として得られる特許は、蒸気タービンで使用するための制御されたフローランナーを提供する。制御されたフローランナーの例には、先端シュラウドと、先端シュラウドに隣接しており、上部幅、中間幅、および底部幅を有し、中間幅が上部幅および底部幅より小さいブレードと、ブレードの下のルートアタッチメントとが含まれてもよい。

この出願および結果として得られる特許はさらに、蒸気タービンで制御されたフローランナーを使用する方法を提供する。この方法は、制御されたフローランナー用のルートを提供するステップ、制御されたフローランナー用のブレードをルートに結合するステップを含むことができ、ブレードは上部幅、中間幅、および底部幅を含むことができ、中間幅は上部幅および底部幅より小さく、そして方法は先端をブレードに結合するステップを含む。

この出願および結果として得られる特許は、制御されたフローランナーを備えた蒸気タービンをさらに提供する。蒸気タービンは、ディスク、内側ケーシングに取り付けられた第１の制御されたフローガイド、および第１の制御されたフローガイドに隣接するディスクに結合された第１の制御されたフローランナーを含むことができる。第１の制御されたフローランナーは、第１のブレードを含むことができる。第１のブレードは、ディスクから第１の半径方向距離にある上部幅、ディスクから第２の半径方向距離にある中間幅、およびディスクから第３の半径方向距離にある底部幅を有し得る。中間幅は、上部幅および底部幅より小さくてもよく、第２の半径方向距離は、第１の半径方向距離より大きく、第３の半径方向距離より小さくてもよい。

本出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。 図１の蒸気タービンで使用できるタービンの一部の概略図であり、いくつかのタービン段を示している。 図２のタービンで使用できるタービンブレードの正面図である。 本明細書に記載の制御されたフローランナーを備えた蒸気タービンの一部の断面側面図である。 本明細書に記載の制御されたフローランナーの様々な斜視図および側面図を示す。 本開示の一実施形態による、タービンの一部および背面偏向角の例示的な図を概略的に示す。

ここで図面を参照すると、いくつかの図を通して類似の数字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。外殻またはケーシング２５を、上半分３０および下半分３５へと軸方向に分割することができる。ケーシング２５の中央部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を、ロータまたはディスク５５を中心にして配置することができる。ディスク５５を、いくつかのベアリング６０によって支持することができる。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を、中央部４０からディスクに向かって半径方向内側に延ばすことができる。仕切り７０は、いくつかのパッキンケーシング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可能である。

動作時に、高圧蒸気入口４５は、蒸気源から高圧蒸気を受け取る。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。蒸気を、高圧セクション１５を出た後に、再加熱のために蒸気源へと戻すことができる。次いで、再加熱後の蒸気を、中圧セクションの入口５０へと再び導くことができる。蒸気を、高圧セクション１５に進入する蒸気と比べて低い圧力および高圧セクション１５に進入する蒸気の温度にほぼ等しい温度で、中圧セクション２０へと戻すことができる。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内の蒸気が、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洩経路を通って、中圧セクション２０に向かって流れる傾向にある。そのような漏洩経路の１つは、ディスクシャフト５５の周囲でパッキンケーシング７５を通って延びる可能性がある。他の漏洩が、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は、蒸気タービン１０の蒸気または高温ガス経路５４に配置されたいくつかの段５２を含む蒸気タービン１０の一部の概略図を示す。第１の段５６は、円周方向に間隔を置いた複数の第１の段ガイド５８と、円周方向に間隔を置いたいくつかの第１の段ブレード６０とを含むことができる。第１の段５６はまた、円周方向に延びて第１の段ブレード６０を囲む第１の段シュラウド６２を含むことができる。第１の段シュラウド６２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の段６４は、いくつかの第２の段ガイド６６、いくつかの第２の段ブレード６８、および第２の段ブレード６８を囲む第２の段シュラウド７０を含むことができる。任意の数の段と、対応するガイドと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３は、タービン１０の段５２の１つで使用できるタービンバケット８０を示している。例えば、バケット８０は、タービン１０の第２の段６４または後段で使用することができる。一般的に説明すると、タービンバケット８０は、ブレード８２、ダブテールまたはルート８４、およびブレード８２とルート８４との間に配置されたプラットフォーム８６を含むことができる。上述のように、タービン１０の段５２内にいくつかのブレードまたはバケット８０を円周方向に配置することができる。このようにして、各バケット８０のブレード８２は、タービン１０の中心軸に対して半径方向に延びることができ、各バケット８０のプラットフォーム８６は、タービン１０の中心軸に対して円周方向に延びる。

ブレード８２は、ルート８４からバケット８０の先端端部９０の周りに配置された任意の先端シュラウド８８まで半径方向外向きに延びることができる。一部の実施形態では、先端シュラウド８８は、ブレード８２と一体的に形成されてもよい。ルート８４は、プラットフォーム８６からバケット８０のルート端部９２まで半径方向内向きに延びて、プラットフォーム８６が概してブレード８２とルート８４との間の界面を画定するようにしてもよい。示されるように、プラットフォーム８６は、その動作中にタービン１０の中心軸にほぼ平行に延びるように形成されてもよい。ルート８４は、バケット８０をタービン１０のタービンディスクまたはドラムに固定するように構成されたダブテールなどのルート構造を画定するように形成することができる。タービン１０の運転中、蒸気または燃焼ガス３５の流れは、蒸気または高温ガス経路５４に沿ってプラットフォーム８６上を移動し、プラットフォーム８６は、タービンディスクの外周とともに、蒸気または高温ガス経路５４の半径方向内側境界を形成する。したがって、蒸気または燃焼ガス３５の流れはバケット８０のブレード８２に向けられるので、ブレード８２の表面は非常に高い温度にさらされる。

図４および５を参照すると、本明細書に記載のガイドおよびランナーを備えた蒸気タービン１００が一実施形態に示されている。蒸気タービン１００は、第１の段用の第１の制御されたフローガイド１２０と、第１の段用の第１の制御されたフローランナー１３０とを含むことができる。第１の制御されたフローランナー１３０は、第１の制御されたフローガイド１２０に隣接して配置されてもよい。第１の制御されたフローガイド１２０および第１の制御されたフローランナー１３０は、ディスクまたはドラム１１０に結合され得る。蒸気タービンのガイドは制御されたフローガイドであってもよく、ランナーは制御されたフローランナーであってもよい。蒸気タービン１００は、第２の段用の第２の制御されたフローガイド１４０と、第２の段用の第２の制御されたフローランナー１５０とを含むことができる。第２の制御されたフローガイド１４０は制御されたフローガイドであってもよく、第２の制御されたフローランナー１５０は制御されたフローランナーであってもよい。任意の数の段および／または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を含めることができる。

制御されたフローランナーのうちの１つ以上、具体的には、第１の制御されたフローランナー１３０および第２の制御されたフローランナー１５０は、先端、ブレード、およびルートを含み得る。ルートは、ランナーをディスク１１０に結合するように構成できる。ブレードは、ルートと先端との間に配置することができる。一部の実施形態では、先端シュラウドが先端に結合されてもよい。

第１の制御されたフローランナー１３０のブレードは、湾曲構成１３２を有し得る。具体的には、第１の制御されたフローランナー１３０のブレードは、第１の制御されたフローランナー１３０の中央部の周りに減少した軸方向幅を有し得る。図４に示すように、第１の制御されたフローランナー１３０のブレードは、上部幅１３４、中間幅１３６、および底部幅１３８を含むことができる。幅は軸方向の幅であってもよい。上部幅１３４は、第１の制御されたフローランナー１３０の上部の軸方向幅であってもよい。上部幅１３４は、ディスク１１０から半径方向外側にある、第１の制御されたフローランナー１３０の一部、より具体的にはブレードの幅であってもよい。中間幅１３６は、第１の制御されたフローランナー１３０、または第１の制御されたフローランナー１３０のブレードの中央部の周りで決定または測定されるブレードの軸方向幅であってもよい。底部幅１３８は、ブレード、あるいはディスクまたはドラム１１０に隣接し得る底部における第１の制御されたフローランナー１３０の軸方向幅であってもよい。

第２の制御されたフローランナー１５０はまた、第２の制御されたフローランナー１５０またはタービンディスクのルートから測定された異なる距離で変化する軸方向幅を有してもよい。例えば、第２の制御されたフローランナー１５０は、上部軸方向幅１５２、中間軸方向幅１５４、および底部軸方向幅１５６を有することができる。底部軸方向幅１５６は、ディスク１１０から第１の半径方向距離１５８で測定される第２の制御されたフローランナー１５０の軸方向幅であってもよい。中間軸方向幅１５４は、ディスク１１０から第２の半径方向距離１６０で測定される第２の制御されたフローランナー１５０の軸方向幅であってもよい。第２の半径方向距離１６０は、第１の半径方向距離１５８より大きくてもよい。上部軸方向幅１５２は、ディスク１１０から第３の半径方向距離１６２で測定される第２の制御されたフローランナー１５０の軸方向幅であってもよい。第３の半径方向距離１６２は、第１の半径方向距離１５８および第２の半径方向距離１６０より大きくてもよい。第２の制御されたフローランナー１５０の中間軸方向幅１５４は、プロファイル損失を低減するために、上部軸方向幅１５２および底部軸方向幅１５６に対して低減され得る。図４に示すように、第２の制御されたフローランナー１５０は、第１の制御されたフローランナー１３０の高さよりも高い高さを有してもよい。

一部の実施形態では、第１の制御されたフローランナー１３０および第２の制御されたフローランナー１５０などの蒸気タービン１００のランナーの１つ以上またはすべての中間幅は、それぞれの上部幅および底部幅より小さくてもよい。そのため、ランナーは湾曲構成になる場合がある。蒸気タービン１００のランナーの中間幅は、プロファイル損失を低減するように寸法決めすることができる。例えば、上部幅および／または底部幅よりも小さくなるように中間幅を寸法決めすることにより、蒸気タービン１００のプロファイル損失を低減することができる。一部の実施形態では、それぞれのランナーの底部幅は、上部幅より大きくてもよい。したがって、制御されたフローランナーは、ガイドウェイクを加速し、蒸気タービン１００の混合損失を低減するように構成されてもよい。一部の実施形態では、蒸気タービンは、それぞれのタービン段に対応する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それぞれの対を備えた複数の段を含むことができる。

図５では、本明細書に記載の制御されたフローランナーのブレード部分１６４が斜視図で示されている。ブレード部分１６４は、後縁に湾曲構成１６０を備えた翼形部形状１６２を有してもよい。ブレード部分１６４の底部１６６は、ブレード部分１６４の上部または中間部とは異なる重心を有してもよい。

制御されたフローランナーは、先端、ブレード、およびルートが重心をずらして積み重ねられた湾曲スタック構成１６０を有してもよい。具体的には、ランナーの先端の第１の重心は、ブレードの第２の重心からずれていてもよい。ブレードの第２の重心は、ルートの第３の重心からずれていてもよい。ブレードの湾曲した後縁および／または開口／ピッチ分布は、ガスが制御されたフローランナーを通過するときに制御フロー渦分布を生成する場合がある。図５は、上面斜視図１７０、正面図１８０、および、ブレードの湾曲した中央部１９２を示す側面図１９０でブレードをさらに示している。

図６は、タービン２００の一部の一例示的実施形態を概略的に示す。タービン２００は、互いに隣接して配置されて段を形成するいくつかのブレード２０２を含むことができる。場合によっては、ブレード２０２はタービン２００の最終段を形成することがある。本明細書では、任意の数のブレード２０２を使用して、タービン２００の任意の段を形成することができる。例えば、ブレード２０２は、最初の段、最後の段、またはそれらの間の任意の段を形成してもよい。ブレード２０２は、ディスクに取り付けられ、円周方向に互いに間隔を空けて配置されてもよい。ブレード２０２のそれぞれは、前縁２０８、後縁２１０、正圧面２１２、および負圧面２１４を含むことができる。通路２１６は、隣接するブレード２０２間に形成され得る。通路２１６は、スロート領域２１８を含むことができる。スロート領域２１８は、後縁２１０から隣接するブレード２０２の負圧面２１４までの最短距離である。ブレードの背面のそりが非常に大きい場合がある。一部の実施形態では、背面のそりは、約１０度、または約５度から約２５度の間など、閾値より大きくてもよい。

図６は、本明細書に記載の制御されたフローランナーと別のランナー（破線で示す）との間の平均断面の違いをさらに概略的に示している。形状の違いは、それぞれの負圧面２２０、２２２および正圧面２２８、２３０の位置の変化、ならびに前縁間の間隔２２６および後縁間の間隔２２４によって示される。

本明細書に記載の制御されたフローランナーと別のランナー（破線で示す）との間の先端部の違いも図６に示されている。示されるように、負圧面２４０、２４２、および２４６、２４８の配置の違い、ならびに間隔の違い（これは最小であり得る）は、強度の増加および損失の減少をもたらし得る。図６はさらに、δで表される背面のそりの例を示しており、これは、負圧面で向きを変える制御されていない流れを示し、スロートポイントでの負圧面の接線と、負圧面の後縁サークルブレンドポイントで引かれた接線との間の角度である。

本明細書に記載の制御されたフローランナーを使用する方法は、蒸気タービンの制御されたフローランナーのルートを提供するステップ、制御されたフローランナーのブレードをルートに結合するステップを含むことができ、ブレードは上部幅、中間幅、底部幅を有し、中間幅は上部幅および底部幅よりも小さい。この方法は、先端をブレードに結合するステップを含むことができる。

本明細書に記載の制御されたフローランナーの結果、蒸気タービンの段効率の向上は約０．２０％であってもよく、制御されたフローランナーにおけるプロファイル損失が低減され、二次損失が低減され、正入射が改善される。特定の実施形態を使用して、既存の蒸気タービンを改造することができる。特定の実施形態は、コストを維持しながら、一貫した機械的信頼性を備えた軽量ランナーを提供し得る。したがって、制御されたフローランナーは、蒸気タービンのコストや複雑さを増やすことなく、機械的信頼性を維持または改善しながら、段効率を向上させることができる。排出量が削減される場合がある。

上記は、本出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めら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可能である。

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
３５ 下半分、燃焼ガス
４０ 中央部
４５ 高圧蒸気入口
５０ 中圧蒸気入口、中圧セクションの入口
５２ 段
５４ 高温ガス経路
５５ ディスク、ディスクシャフト
５６ 第１の段
５８ 第１の段ガイド
６０ ベアリング、第１の段ブレード
６２ 第１の段シュラウド
６４ 第２の段
６５ 蒸気シールユニット
６６ 第２の段ガイド
６８ 第２の段ブレード
７０ セクション仕切り、第２の段シュラウド
７５ パッキンケーシング
８０ タービンバケット
８２ ブレード
８４ ルート
８６ プラットフォーム
８８ 先端シュラウド
９０ 先端端部
９２ ルート端部
１００ 蒸気タービン
１１０ ディスクまたはドラム
１２０ 第１の制御されたフローガイド
１３０ 第１の制御されたフローランナー
１３２ 湾曲構成
１３４ 上部幅
１３６ 中間幅
１３８ 底部幅
１４０ 第２の制御されたフローガイド
１５０ 第２の制御されたフローランナー
１５２ 上部軸方向幅
１５４ 中間軸方向幅
１５６ 底部軸方向幅
１５８ 第１の半径方向距離
１６０ 第２の半径方向距離、湾曲スタック構成
１６２ 第３の半径方向距離、翼形部形状
１６４ ブレード部分
１６６ 底部
１７０ 上面斜視図
１８０ 正面図
１９０ 側面図
１９２ 中央部
２００ タービン
２０２ ブレード
２０８ 前縁
２１０ 後縁
２１２ 正圧面
２１４ 負圧面
２１６ 通路
２１８ スロート領域
２２０ 負圧面
２２２ 負圧面
２２４ 間隔
２２６ 間隔
２２８ 正圧面
２３０ 正圧面
２４０ 負圧面
２４２ 負圧面

Claims (10)

1. 高圧セクション（１５）と中圧セクション（２０）とを含む蒸気タービン（１０、１００）であって、
   前記高圧セクション（１５）及び前記中圧セクション（２０）の少なくとも一方は、複数のロータブレードを含み、
   前記複数のロータブレードの各々が、前縁（２０８）、後縁（２１０）、正圧面（２１２）、および負圧面（２１４）を含み、
   通路（２１６）が、隣接するロータブレードの間に形成され、前記後縁（２１０）から隣接するロータブレードの前記負圧面（２１４）までの最短距離であるスロート領域（２１８）を含み、
   前記複数のロータブレードの各々が、さらに、
   先端、
   前記先端に隣接しており、上部幅（１３４）、中間幅（１３６）、および底部幅（１３８）を有し、前記中間幅（１３６）が前記上部幅（１３４）および前記底部幅（１３８）より小さい翼形部（８２）、および
   前記翼形部（８２）に隣接するルート（８４）
   を含み、
   前記翼形部（８２）が、背面のそり（δ）を有し、
   前記背面のそり（δ）は、スロートポイントでの前記負圧面（２１４）の接線と、前記負圧面（２１４）の後縁サークルブレンドポイントで引かれた接線との間の角度であり、
   前記背面のそり（δ）は、１０度よりも大きい、蒸気タービン（１０、１００）。
2. 前記背面のそり（δ）は、１０度から２５度の間である、請求項１に記載の蒸気タービン（１０、１００）。
3. 前記ブレード（８２）が湾曲スタック構成（１３２）を含む、請求項１に記載の蒸気タービン（１０、１００）。
4. 前記ブレード（８２）の第１の重心が前記ルート（８４）の第２の重心からずれている、請求項１乃至３のいずれかに記載の蒸気タービン（１０、１００）。
5. 前記第１の重心が前記先端の第３の重心からずれている、請求項４に記載の蒸気タービン（１０、１００）。
6. 前記ブレード（８２）の後縁（２１０）が湾曲構成（１３２）を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の蒸気タービン（１０、１００）。
7. 前記底部幅（１３８）が前記上部幅（１３４）より大きい、請求項１乃至６のいずれかに記載の蒸気タービン（１０、１００）。
8. 前記先端に結合された先端シュラウド（８８）をさらに備え、前記上部幅（１３４）が前記先端シュラウド（８８）に隣接する、請求項１乃至７のいずれかに記載の蒸気タービン（１０、１００）。
9. 前記ルート（８４）がディスク（１１０）に結合され、前記底部幅（１３８）が前記ルート（８４）に隣接する、請求項１乃至８のいずれかに記載の蒸気タービン（１０、１００）。
10. 前記複数のロータブレードが、複数のフローガイド（１２０、１４０）に隣接して配置される、請求項１乃至９のいずれかに記載の蒸気タービン（１０、１００）。

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