JP2010242759A - 排出損失を減少させるための冷却式排出フードプレート - Google Patents

Abstract

【課題】排出損失を減少させるための冷却式排出フードプレートを提供する。
【解決手段】本冷却式排出フードプレート（２００）は、蒸気タービン（１０）の排出フード（１１０）の排出蒸気流（３５）内における高速度蒸気流の区域内に設けられる。冷却媒体は、二重壁排出フードプレート（２０５）内の内部チャネル（２１５）内に導かれて、高速度排出蒸気流（１５０）に隣接したプレート表面（２６０）を冷却する。本冷却式排出フードプレート（２００）は、近傍の排出蒸気流（３５）を冷却しかつ凝縮させる。この凝縮は、冷却式排出フードプレート（２００）近くの低速度区域内で生じて、境界層を減少させかつフードを通る流れを改善して、タービン性能全体を向上させる。
【選択図】 図４

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、蒸気タービン用の排出フードに関する。

軸流タービンからの排出蒸気の放出、例えばこの排出蒸気の復水器への放出では、可能な限り滑らかな蒸気の流れを形成しかつそのような流れ内における渦及び乱流の集積並びに不均一性によるエネルギー損失を最少にすることが望ましい。通常、タービンからの排出は、排出フード内に導かれ、そこからフード内の放出開口部を通してタービンの軸線と本質的に垂直な方向に復水器内に導かれる。タービンの排出口における軸方向流から排出フード内の半径方向流への滑らかな移行を達成し、それ故にこの排出フードの放出開口部における復水器内への滑らかな流れを得ることが望ましい。

そのような軸流タービンで使用する有効な排出フードを構成する際に、その中で用いるあらゆる案内手段内での加速損失を回避すること、及び排出フードの放出開口部において実質的に均一な流れ分布を達成してタービンにおける最も効率的なエネルギーの変換とタービンが結合されている復水器に対する排出蒸気の有効な供給とを得ることが望ましい。

タービンからの排出に先立って、最終段バケットの出口平面内における実質的に均一な円周方向及び半径方向圧力分布を達成することによって、タービンの最終段バケットにおいて最適な効率を得ることもまた望ましい。最後に、可能な限り短い軸方向長さを有するフードを用いながら、これらの結果を達成することが望ましい。

先行技術では、蒸気タービンの排出フード内において、タービンからの蒸気の軸方向流をほぼ半径方向流に変化させる滑らかな湾曲表面を有するベーンが用いられてきた。タービンからの排出の軸方向流を半径方向流に変換するためのそのような構成の実例が、Ｃｈｒｉｓｔ他による米国特許第３５５２８７７号に示されている。Ｈｅｒｚｏｇによる米国特許第４０１３３７８号のような、軸流タービン用の先行技術による排出フードにおける更なる発展形態は、流れをさらに滑らかにするための複数組のベーンを組込んでいる。

しかしながら、加速損失を減少させかつ排出蒸気の流れ内におけるエネルギー消費渦の形成によって生じる損失を減少させた状態で、完全には排出蒸気を排出フードの放出開口部に効果的に導くようにはなっていない。さらに、そのような構成は、最終段タービンバケットの出口平面における実質的に均一な円周方向及び半径方向圧力分布を完全には達成しておらず、この観点は、高い先端速度及び高い出口マッハ数を有するバケットにとって益々重要なものになってきている。

蒸気タービン内では、一般的にディフューザが用いられている。有効なディフューザは、タービンの効率及び出力を向上させることできる。残念ながら、そのようなタービン内に存在する複雑な流れパターン並びに空間が限られていることによって生じる設計上の問題により、完全に有効なディフューザを設計することが殆ど不可能になっている。しばしば生じるのは、流れ剥離であり、この流れ剥離は、流れ面積が増大することによって蒸気速度が低下した時に静圧を上昇させるディフューザの能力を完全に又は部分的に無効にする。これは、ディフューザ表面に沿って流れの方向に次第に厚くなって、最終的には上述の流れ剥離を許す蒸気境界層によって引き起こされることが多い。

Ｄｏｎａｌｄ Ｅ．Ｂｒａｎｄｏｎによる米国特許第５１６７１２３号には、ディフューザ壁からの流れ剥離を防止することによって蒸気タービンディフューザの性能を改善するための方法及び装置が記載されている。本明細書では、ディフューザ壁からのそのような剥離は、ディフューザ壁を飽和温度以下の低温に冷却して、幾分かの凝縮（復水）を発生させかつ壁に向かっての蒸気流を保証して拡散蒸気通路内における自然な剥離傾向を排除することによって減少又は排除される。

流れベーンを使用することにより、タービンの最終段から復水器への蒸気の流れを滑らかにすることができ、またディフューザ壁を冷却することにより、該ディフューザ壁からの流れ剥離を防止することによって蒸気タービンディフューザの性能を改善することができるが、排出フードには依然として、その他の高速度蒸気流区域が残存している。

米国特許第６９７１８４２号明細書

従って、排出フード内の高い流れ速度区域を減少させる更なる方策を得ることが望ましいと言える。

本発明は、蒸気タービンと復水器との間の排出通路内で飽和蒸気流の速度を低下させ、それによって排出損失を減少させることに関する。排出流路内には、高速度流の区域において１つ又はそれ以上の冷却式排出フードプレートを設けて、飽和蒸気を凝縮（復水）させることができる。

簡潔に述べると、１つの態様によると、蒸気タービン用の排出システムを提供する。本排出システムは、蒸気タービンのケーシングに結合された排出フードと、蒸気タービンのケーシングの排出出口から排出蒸気流を受けかつこの排出蒸気流を放出するための該排出フード内のディフューザとを含む。復水器は、排出フードから排出蒸気流を受けるようになっている。排出蒸気流は、ディフューザの出口から復水器に導かれる。排出フード内の少なくとも１つの排出フードプレートは、排出蒸気の実質的に均一な分布をもたらすようになっている。少なくとも１つの排出フードプレート内に供給された冷却流は、構造要素の近傍で排出蒸気を凝縮させるようになっている。

本発明の第２の態様によると、ディフューザ及び該ディフューザの出口から復水器までの排出通路を備えた蒸気タービンの排出フードにおける排出損失を減少させる方法を提供する。本方法は、蒸気タービンの最終段の蒸気出口と復水器の間の排出蒸気流をマッピングするステップと、次に排出蒸気流の高速度領域を判定するステップとを含む。排出蒸気流内には、少なくとも１つの案内ベーンが配置され、少なくとも１つの案内ベーンは、冷却される。案内ベーンの近傍の排出蒸気流は、冷却されかつ凝縮される。

本発明のさらに別の態様によると、蒸気タービンを提供し、本蒸気タービンは、該蒸気タービンのケーシングに結合された排出フードと該蒸気タービンのケーシングの排出出口から排出蒸気流を受けかつこの排出蒸気流を放出するための排出フード内におけるディフューザとを備えた排出システムを含む。排出フードから排出蒸気流を受けるようになった復水器が設けられる。排出蒸気流は、ディフューザの出口から復水器に導かれる。排出蒸気の実質的に均一な分布を送給するための少なくとも１つの排出フードプレートが、排出フード内に設けられる。冷却流が、少なくとも１つの排出フードプレートの内部に導かれかつその近傍の排出蒸気を凝縮させるようなっている。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部分を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読む時、一層良好に理解されるようになるであろう。

蒸気タービンの部分切欠き斜視図。 排出流路を備えた蒸気タービンの一部分を示す図。 蒸気タービンの排出フードの下半分内における例示的な排出蒸気流パターンを示す図。 排出フードの下半分内の蒸気流を冷却するように配置された例示的な排出フードプレートを示す図。

本発明の以下の実施形態は、蒸気タービンからの排出蒸気流内の高速度の区域を減少させ、それによって排出流損失を減少させることを含む多くの利点を有する。

蒸気タービン排出フードについての現在の技術は、主として、タービンの固定及び回転部材を支持しかつ排出区域を大気からシールした組立て鋼構造である。蒸気タービンの排出は、高い真空状態つまり大気圧よりもかなり低い状態にある。従って、排出フード構造体は、大気の圧力に耐えるのに十分ほど剛性があり、それでもなお蒸気がその内部全体にわたって膨張しかつ拡散するのを可能にするのに十分ほど大きくなくてはならない。本発明では、排出蒸気流内に排出フードプレートを設け、排出フードプレートは、その中を循環する冷却媒体を有する。冷却式プレートは、該プレート近くの蒸気を凝縮（復水）させ、かつこの凝縮作用により排出フードを通る流れを改善する。排出フードプレートは、排出フード内に設けられかつ排出フード構造体の一体性を促進するように設計された構造部材とすることができる。排出フードプレートはまた、タービンから排出フードを通して該排出フードに連結された復水器に排出蒸気の流れを滑らかに導くのを支援するように配置された流れベーン又は流れガイドとして作用することができる。

排出フード損失は、蒸気タービン性能に非常に大きな影響を有する可能性がある。排出フードは、最終段から流出した蒸気を拡散させ、それによりその排出フード損失を減少させることができるように設計することができる。流路内における排出フードプレートを通して循環する冷却媒体を有することによって、冷却式プレートに隣接した蒸気は、冷却されることになりかつ冷却式プレート上で凝縮されることになる。この凝縮は、プレート近くの低速度流領域内で発生し、またこの凝縮は、境界層を減少させかつフードを通る流れを改善することになる。この凝縮作用はまた、排出蒸気流がフードに付着した状態を保つのを支援しかつ流れ剥離に抗することになる。

図１は、蒸気タービンの一部分の部分切欠き斜視図を示している。図２は、排出流路を備えた蒸気タービンの一部分を示している。その全体を参照符号１０で示した蒸気タービンは、複数のタービンバケット１４を取付けたロータ１２を含む。複数のダイアフラム１８を取付けた内側ケーシング１６もまた、示されている。中央に配置したほぼ半径方向蒸気入口２０は、タービンの軸方向両側にあるタービンバケット及びステータブレードの各々に蒸気を供給してロータを駆動する。ダイアフラム１８のステータベーン及び軸方向に隣接したバケット１４は、流路を形成したタービンの様々な段を形成し、また蒸気は、タービンの最終段から排出されて、図示していない復水器内に流入するようになることが分かるであろう。

さらに示しているのは、外側排出フード２２であり、外側排出フード２２は、タービンの内側ケーシング並びに軸受のようなその他の部品を囲みかつ支持している。タービンは、該タービンから排出された蒸気を出口２６内に案内して１つ又はそれ以上の復水器に流すようになった蒸気ガイド２４を含む。タービン、軸受及び付属部品を支持した排出フードの使用により、排出蒸気通路は、蛇行しかつ圧力損失を受けて、その結果性能及び効率の低下を生じる。排出フード２２内に複数の支持構造体を設けて、該排出フードを補強しかつ蒸気排出流を案内するのを支援することができる。例示的な支持構造体３０は、蒸気タービン１０からの蒸気排出流３５を受けかつ導くように配置される。支持構造体３０については、図４において一層詳しく説明する。

図３は、排出フード１１０の下半分１０５を通って流出する、蒸気タービンにおける例示的な蒸気排出流パターン１００を示している。タービンからの蒸気排出流１２０は、フード外側シェル１２５及び構造部材（排出フードプレート）１３０によって下向きに導かれる。蒸気排出流パターンの矢印１４０は、蒸気排出流１２０の速度プロフィールを表している。速度プロフィールは、解析法によって又は流量測定によって取得することができる。流路内の速度は、矢印の密度によって表され、より高密度の矢印は、より高い流れ速度を表している。流れ場内における最高速度の領域１５０は、構造部材１３０の表面１６０に隣接した矢印の密度によって示されている。解析又は測定はさらに、表面１６０に隣接した低速度蒸気層を予測することができ、この低速度蒸気層は、流れを抑圧しかつ強制的により高い速度が残りの空間を通る可能性がある。

本発明の実施形態では、そのような高速度の領域内に位置した排出フードプレートは、冷却することができる。この例示的な図では、表面１６０を冷却して蒸気を凝縮させて、境界層を減少させかつ排出フードを通る流れを改善することが望ましい。蒸気流路内におけるその他の排出フードプレートもまた、冷却することができる。

図４は、下方排出フード１０５内における蒸気流を冷却するための排出フードプレート２００の実施形態を示している。下方排出フード１０５は、両側面２３０（その１つを図示している）及び端部構造体１８０を境界とすることができる。図示するように、排出フードプレート２００は、構造部材とすることができる。構造部材は一般的に、ほぼ垂直方向平面内において下方排出フードの側部フレーム（図１における参照符号４０）からロータ１２に向かって延びることができる。構造部材２００の底部２１０は、下方排出フード１０５のベース部（底面）１７０上に取付けることができる。構造部材２００はさらに、排出シェルの側部フレームから排出フードの端部フレームまで延びかつ排出フードのベース部から上向きに延びる支柱（図示せず）と結合させることができる。その他の構造部材２５０を下方排出フード内に配置することができるが、それらの構造体は、高温度の排出蒸気流の区域内にはなく、従って排出蒸気流を増強するために冷却する必要はない。

排出フードプレート２００はさらに、排出フード内において排出流を初期の軸方向から半径方向に導くのを支援する排出流ガイドとして作用することができる。これらの排出フードプレートは、排出フードの上半分及び下半分の両方内に設けることができる。しかしながら、排出フードのそれぞれの上半分及び下半分内の流れ速度の解析によると、下半分排出フード内でより高い排出蒸気速度を示して、下半分の構造体に対する冷却の適用を経済的により望ましいものとすることができる。

冷却するように配置された排出フードプレート２００は、構造プレート間に内部チャネル２１５を形成して冷却媒体を流すようになった二重壁構造プレート２０５を含むことができる。構造プレート２０５間の内部バッフルはさらに、冷却媒体の流れを導くことができる。冷却媒体は特に、構造プレートの特定の表面２６０を冷却して該表面に沿って凝縮させるように導くことができる。冷却することにより表面に隣接した蒸気のボリュームを減少させることによって、残りの排出蒸気が通過するために一層多くの空間を使用可能にし、それによって構造プレートの表面の周りの高い蒸気速度区域を減少させることができる。排出フード蒸気の凝縮は、拡散のために必要な面積を減少させることになる。蒸気流の境界層内における局所的凝縮は、境界層を減少させることになる。蒸気流の境界層内における局所的凝縮はまた、流れ剥離を減少させることになる。

冷却システムは、下方排出フード１０５の側部表面２３０から入口ポート２２５を通してプレート２０５間のチャネル２１５に冷却媒体を供給することができる。冷却ポートは、下方排出フード１０５の両側面上に設けることができる。冷却システムは、下方排出フードの底面１７０を含むことができる好都合な位置における放出ポート２３５から冷却媒体を放出することができる。冷却媒体には、冷却復水、低温水又は水以外の冷却媒体を含むことができる。冷却システムはさらに、入口弁、出口弁、流量計及びその他の公知の流体構成要素を含むことができる。

冷却表面を備えた排出フードプレートは、将来の蒸気タービン排出フード上に設けるか又は既存の蒸気タービン排出フードに対して改造することができる。既存の蒸気タービン排出フードへの改造は、その性能向上改造ユニットのより高い定格が排出フードプレートに衝突するより高い排出蒸気排出速度を生じさせかつ本発明の凝縮作用がない状態ではより高い圧力低下及び効率損失を引き起こす可能性があるようになる性能向上改造蒸気タービンの場合に特に望ましいものとなる。

本明細書では様々な実施形態について説明しているが、ここに説明した要素の様々な組合せ、変形又は改良を行なうことができまたそれらは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。

１０ 蒸気タービン
１２ ロータ
１４ バケット
１６ 内側ケーシング
１８ ダイアフラム
２０ 半径方向蒸気入口
２２ 排出フード
２４ 蒸気ガイド
２６ 復水器入口
３０ 支持構造体
３５ 排出蒸気流
４０ 側部フレーム
１００ 蒸気排出流パターン
１０５ 排出フードの下半分
１１０ 排出フード
１２０ 蒸気排出流
１２５ フードの外側シェル
１３０ 構造部材
１５０ 最高速度の領域
１６０ プレート表面
１７０ ベース部
２００ 構造部材
２０５ 二重壁構造プレート
２１０ 底部
２１５ 内部チャネル
２２５ 入口ポート
２３０ 側部表面
２３５ 放出ポート
２５０ その他の構造部材
２６０ 冷却表面

Claims (10)

1. 蒸気タービン（１０）用の排出フード（１１０）であって、
   下方排出フード（１０５）を備えかつ前記蒸気タービン（１０）に結合された排出フード（１１０）と、
   前記下方排出フード（１０５）内に配置されかつ前記蒸気タービン（１０）のケーシングの複数の最終段バケット（１４）から排出蒸気流（３５）を導く蒸気ガイド（２４）と、
   前記下方排出フード（１０５）の下方に配置されかつ該下方排出フード（１０５）から前記排出蒸気流（３５）を受ける復水器開口部（２６）と、
   前記下方排出フード（１０５）内に取付けられかつ前記排出蒸気流（３５）の流通を前記復水器開口部（２６）に向かって導く少なくとも１つの構造部材（２００）と、
   前記少なくとも１つの構造部材（２００）内に配置されかつ該少なくとも１つの排出フード構造部材（２００）内に冷却媒体流を導き、該少なくとも１つの排出フード構造部材（２００）の近傍で前記排出蒸気流（３５）を冷却しかつ凝縮させる内部チャネル（２１５）と
   を備える排出フード（１１０）。
2. 前記少なくとも１つの構造部材（２００）が、前記蒸気ガイド（２４）と前記復水器開口部（２６）との間で前記排出蒸気流（３５）内に配置される、請求項１記載の排出フード（１１０）。
3. 前記少なくとも１つの構造部材（２００）が、前記排出蒸気流（３５）を軸方向流から半径方向流に方向付ける、請求項１記載の排出フード（１１０）。
4. 前記少なくとも１つの構造部材（２００）が、二重壁構造プレート（２０５）を含み、
   前記冷却媒体流が、前記内部チャネル（２１５）内において前記二重壁構造プレート（２０５）を通して導かれて、前記排出蒸気流（３５）を冷却しかつ凝縮させる、請求項１記載の排出フード（１１０）。
5. 前記内部チャネル内の前記冷却媒体流が、冷却表面（２６０）に対して好ましい冷却を与えるように導かれる、請求項４記載の排出フード（１１０）。
6. 前記内部チャネル内の前記冷却媒体流が、前記排出蒸気流（３５）の局所的状態に基づいて前記冷却表面（２６０）に対して好ましい冷却を与えるように導かれる、請求項５記載の排出フード（１１０）。
7. 前記冷却媒体流が、前記復水器からの復水を含む、請求項４記載の排出フード（１１０）。
8. 前記冷却媒体流が、低温冷却媒体を含む、請求項４記載の排出フード（１１０）。
9. 前記冷却媒体流が、水以外の冷却媒体を含む、請求項４記載の排出フード（１１０）。
10. 下方排出フード（１０５）を備えかつ蒸気タービン（１０）から復水器入口（２６）への排出蒸気流（３５）を含む該蒸気タービン（１０）の排出フード（１１０）における排出損失を減少させる方法であって、
    前記蒸気タービン（１０）の最終段バケット（１４）と前記復水器入口（２６）との間の前記下方排出フード（１０５）内における前記排出蒸気流（３５）をマッピングするステップと、
    前記下方排出フード（１０５）の構造部材（２００）の近傍における前記排出蒸気流（３５）の高速度領域（１５０）を判定するステップと、
    前記排出蒸気流（３５）の高速度領域（１５０）の近傍で前記下方排出フード（１０５）の構造部材（２００）に内部チャネル（２１５）を設けるステップと、
    前記構造部材（２００）の内部チャネル（２１５）の方向を反らして、前記排出蒸気流（３５）の高速度領域（１５０）の近傍の該構造部材（２００）の表面（２６０）を冷却するように該内部チャネル（２１５）を通して冷却媒体流を選択的に導くステップと
    を含む方法。

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