JP2012132455A

JP2012132455A - 排出フードを有するタービン

Info

Publication number: JP2012132455A
Application number: JP2011279315A
Authority: JP
Inventors: Chaitanya Venkata Rama Krishna Ongole; チャイタンヤ・ベンカタ・ラマ・クリシュナ・オンゴレ; Subhrajit Dey; スブラジット・デイ; Dale William Ladoon; デール・ウィリアム・ラデューン; Maniselcaran Sunthanakrishnan; マニセルカラン・スンタナクリッシュナン; Hiteshkumar Rameshchandra Mistry; ヒテシュクマール・ラメッシュチャンドラ・ミストリー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2012-07-12
Also published as: US20120163969A1; FR2969692A1; DE102011056638A1; RU2011152290A

Abstract

【課題】蒸気タービンにおける性能の向上を実現する排出フードを提供する。
【解決手段】タービン１００は、内側ケーシング１０６、タービン１００の長手方向ＡＡ’に延在するロータ１０８、およびロータ１０８上に横方向に配置される複数の列のバケット１１２を含む。軸受コーン１２０は、ロータ１０８の一部を覆い、流れガイド１１８は内側ケーシング１０６から延在する。軸受コーン１２０および流れガイド１１８は、排出ガスの流れのための環状通路１１６を画成する。排出ガスを流れやすくするのにガイド流れ要素を使用する。ガイド流れ要素は、流れガイド１１８の下流方向に位置する流線形面１３０／エーロフォイル形状を有するガイドキャップ１２４のような要素を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンに関する。本発明は、より具体的には、蒸気タービンにおける排出フード性能の向上を実現する実施形態に関する。

蒸気タービンは、発電に幅広く使用されており、主に、ケーシング、蒸気タービンの長手方向軸に延在するロータ、およびロータ上に横方向に配置される複数の列のバケットを含む。動作中、排出ガスは、最終列のバケットから出て環状通路を通って流れる。一般的に、環状通路は、ケーシングから延在する蒸気ガイドおよびロータの一部を囲繞する軸受コーンによって画成される。蒸気タービンの様々な構成にもよるが、環状通路は、排出ガスを拡散させ凝縮器の方に向けさせる排出フードとして働く。

具体的には、下方排出フード構成では、排出ガスは、環状通路から出た後、凝縮器に達する前に１８０度曲がる必要がある。環状通路内で拡散および方向転換が同時に起こるため、高速の排出ガスは、環状通路の壁部で乱流になりかつ／または流れ剥離する。これによって、渦の形成が引き起こされ、環状通路内の圧力回収が減少し、蒸気タービン全体の性能が影響を受ける。

下方排出フード内の圧力回収を向上させる様々な従来技術の解決策が提案されている。例えば、排出ガスの案内のために１組の調節可能ガイドベーンを軸受コーン上に設けることができる。調節可能ガイドベーンは、環状通路の断面積を変え、環状通路内の圧力回収を向上させる。さらに、圧力回収を増大させるように、環状通路の幾何形状を変更することもできる。しかし、幾何形状に変更を加えることによって、排出フードが複雑になり凹凸構造になる。

以上を考慮に入れて、改良された排出フードが必要とされている。

本発明の一実施形態によれば、タービンは、内側ケーシングを囲繞する外側ケーシング、内側ケーシングで囲まれタービンの長手方向軸に沿って延在するロータ、およびロータ上に横方向に配置される多数の列のバケットを含む。タービンは、ロータの一部を囲繞する軸受コーン、および内側ケーシングから延在する流れガイドをさらに含み、したがって排出ガスの流れのための環状通路が流れガイドおよび軸受コーンによって画成される。軸受コーンおよび流れガイドは、環状通路の内壁および外壁をそれぞれ形成する。流線形面を有するガイドキャップは、流れガイドの下流方向に設けられる。

本発明の他の実施形態によれば、タービンは、流れガイドの内面で排出ガスを噴射する１つまたは複数の先端漏れ流れ噴射流路を含む。噴射流路は、環状通路内の排出ガスの流れを活発にし、流れガイドの内面における境界層剥離を防止するように設けられる。

本発明の他の実施形態によれば、最終段のバケットを囲繞するタービンのケーシングは、タービンの長手方向軸に対して傾けられる。傾斜の角度は、長手方向軸に対して約５度〜１５度の範囲内であってよい。

本発明のさらに他の実施形態によれば、環状通路の第１の部分の表面積は実質的に一定であり、その第２の部分の表面積は徐々に増大する。

本発明の一実施形態による、下方流排出フードを有するタービンの一部の縦断面図である。本発明の他の実施形態による、下方流排出フードを有するタービンの一部の縦断面図である。本発明のさらに他の実施形態による、下方流排出フードを有するタービンの一部の縦断面図である。本発明のさらに他の実施形態による、下方流排出フードを有するタービンの一部の縦断面図である。本発明のさらに他の実施形態による、下方流排出フードを有するタービンの一部の縦断面図である。

次に、本発明の例示的な実施形態を添付の図面を参照して以下により詳細に説明する。本発明は、多くの異なる形態で実施可能であり、本明細書で説明される実施形態に限定されると解釈されるべきでなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用法的要件を満たすようにするために示されるものである。全体を通して、同様の番号は同様の要素を示す。

本明細書で示される実施形態は、タービンの下方排出フード構成において排出ガスを案内することができる。

次に、図面に移り、はじめに図１を参照すると、本発明の特定の態様による例示的な一実施形態が示されている。図１は、下方流排出フード１０２を有するタービン１００の一部の縦断面図である。本発明の一実施形態では、タービン１００は蒸気タービンを含むことができ、その排出ガスは蒸気を含む。

一般的に、タービン１００は、外側ケーシング１０４が内側ケーシング１０６を囲むように、外側ケーシング１０４および内側ケーシング１０６を含む。ロータ１０８は、内側ケーシング１０６で囲まれ、タービン１００の長手方向軸ＡＡ’に沿って延在する。内側ケーシング１０６およびロータ１０８は、作動流体がタービン１００の高圧域から低圧域に流れるように、作動流体のための流路１１０を形成する。さらに、多数のバケット１１２は、長手方向軸ＡＡ’に対して横方向に配置され、ロータ１０８に機械的に結合される。より具体的には、バケット１１２は、ロータ１０８まわりに円周方向に配置される多数の列に配置される。さらに、多数のノズル１１４は、ロータ１０８を円周方向に囲繞するように内側ケーシング１０６から延在することができ、バケット１１２の隣接する列の間に軸方向に配置される。バケット１１２およびノズル１１４は、一緒に働き、多数のタービン段を形成し、したがって排出フード１０２に至る流路１１０の一部を画成する。

排出フード１０２は、環状通路１１６を含むことができ、したがって最終列のバケット１１２を出た排出ガスが環状通路１１６内で拡散される。本発明の一実施形態では、環状通路１１６は、流れガイド１１８および軸受コーン１２０によって画成され、そこにおいて、流れガイド１１８および軸受コーン１２０は環状通路１１６の外壁および内壁をそれぞれ形成することができる。図１に示されるように、流れガイド１１８は、内側ケーシング１０６から延在することができる。さらに、軸受コーン１２０は、ロータ１０８の一部を囲繞することができる。流れガイド１１８も軸受コーン１２０も、長手方向軸ＡＡ’のまわりに３６０度延在する。あるいは、流れガイド１１８および軸受コーン１２０は、２つの半分部分である上側半分部分および下側半分部分を含んでもよく、それらは長手方向軸ＡＡ’から延在する平面に沿って長手方向に位置するフランジで接合される。

本発明の一実施形態では、ガイドキャップ１２４は、流れガイド１１８の下流方向（つまり、排出ガスが、環状通路１１６を通ってタービン１００の出口１２２の方に向かう排出ガス経路を通過後、ガイドキャップ１２４上を通るような場所）に設けられる。本発明の一実施形態では、ガイドキャップ１２４は、流れガイド１１８と一体に形成されてよい。本発明の他の実施形態では、ガイドキャップ１２４は、例えば溶接、リベット締めまたは締結により流れガイド１１８に取り付けられる別個の構成要素であってもよい。本発明の一実施形態では、ガイドキャップ１２４は、エーロフォイル形状を有することができる。

タービン１００の動作中、排出ガスは、環状通路１１６を出た後１８０度よりも大きく曲がり、出口１２２を通って凝縮器（図示せず）の方に向けられる。特にタービン１００の上部において、排出ガスは、タービン１００の長手方向軸ＡＡ’に実質的に平行な軸方向に、最終段のタービンバケット１１２から出る。その後、排出ガスは、矢印１２６で示されるように、環状通路１１６内を径方向に約９０度曲がる。排出ガスは、環状通路１１６内で拡散することができ、圧力回収を生じさせる。その後、排出ガスは、矢印１２８で示されるように、ガイドキャップ１２４上でまた９０度曲がる。最後に、ガイドキャップ１２４によって排出ガスは凝縮器の方に向かって下流方向に曲げられる。ガイドキャップ１２４は、実質的に流線形の面１３０を有することができる。本明細書で使用する「流線形面」とは、流れガイド１１８を出た後の排出ガスの滑らかな流れを可能にするようなやり方で形作られる面である。したがって、矢印１２８で示される方向転換の間における排出フード１０２内の渦および再循環領域の形成が実質的に減少する。

図２は、本発明の他の実施形態による、下方流排出フード１０２を有するタービン１００の一部の縦断面図である。図２に示されるように、環状通路１１６は、表面積が実質的に一定な第１の部分２０２を有することができ、第１の部分２０２に続いて、表面積が徐々に増大する第２の部分２０４がある。本発明の一実施形態では、第１の部分２０２では、流れガイド１１８の曲率半径は、軸受コーン１２０のそれと実質的に等しい。一方、環状通路１１６の第２の部分２０４では、流れガイド１１８の曲率半径は、軸受コーン１２０のそれよりも小さい。その結果、排出ガスは、第１の部分２０２内で軸方向から径方向に滑らかに曲がり、次いで、環状通路１１６の第２の部分２０４内で拡散する。排出ガスが、第１の部分２０２内で最小限の拡散でまたは拡散せずに方向転換し、その後に第２の部分２０４内で拡散することを可能にすることによって、環状通路１１６内の流れ剥離が大幅に減少する。

図３は、本発明によるさらに他の実施形態による、下方流排出フード１０２を有するタービン１００の一部の縦断面図である。流れ剥離は、それでも、流れガイド１１８の内面３０２に作用する摩擦力によって排出ガスが減速されるときに発生することがある。さらに、排出ガスは、環状通路１１６内で、排出ガスの運動エネルギよりも強い逆圧力勾配に遭遇することもある。これらの状態は、結果的に、流れガイド１１８の内面３０２での境界層剥離につながり、主流に逆らう流れおよび渦を形成することになる。その結果、排出フード１０２の圧力回収がより低くなり、それによってタービン１００の全体効率が低下する。

排出ガスの境界層剥離は、実質的に、内面３０２近くに高運動量の排出ガスを噴射することによって防止することができる。これは、境界層流れを活発にし、流れ剥離を防止する。図３に示されるように、１つまたは複数のパイプ３０４のような先端漏れ流れ噴射流路は、流れガイド１１８の内面３０２で高運動量の排出ガスの流れを噴射するように構成される。あるいは、先端漏れ流れ噴射流路は、流れガイド１１８内に設けられる１つまたは複数のスロットを含んでもよい。本発明の一実施形態では、高運動量の排出ガスが、流れガイド１１８の肩部３０６で噴射されるように示されている。一実施形態では、高運動量の排出ガスは、タービン出力に直接的に寄与しない様々なタービン段からの排出ガスのバイパス流れを含む。

上述のように、タービン１００はバケット１１２を含む。バケット１１２は、ロータ１０８に機械的に結合され、タービン１００の長手方向軸ＡＡ’まわりに円周方向に配置され、１組の固定ノズル１１４と共に多数のタービン段を形成する。多数のタービン段は、任意の２つのタービン段間の軸方向クリアランスが予め決められた形で、ロータ１０８上に軸方向に配置される。さらに、図４に示されるように、最適な径方向クリアランスＣ１は、典型的には、バケット１１２の先端４０２と内側ケーシング１０６の間に設けられる。従来の実施形態では、最適な径方向クリアランスＣ１は、ベースラインクリアランスと実質的に等しく、それは、所与のタービン段のバケット長さの０．３％〜０．６％である。最適な径方向クリアランスＣ１についての実験結果および分析に基づいて、流れ剥離ポイントが流れガイド１１８の肩部４０４で起こり得ることが観察されている。本発明の一実施形態では、最適な径方向クリアランスＣ２は、バケット１１２の先端４０２’と内側ケーシング１０６の間に設けられる。本発明の一実施形態による最適な径方向クリアランスＣ２は、流れガイド１１８の肩部４０４での境界層流れを活発にするように増大される。本発明の一実施形態では、これによって、排出ガスが環状通路１１６を通りやすくなり、排出ガスからの圧力回収が向上し、それによってタービン１００の全体効率が増大する。最適な径方向クリアランスＣ２が最適な径方向クリアランスＣ１に比べて約８％〜１５％増大され図３の先端漏れ流れ噴射流路が使用される本発明の一実施形態では、タービン１００の全体効率は約１８％向上することが予想される。

図５は、本発明のさらに他の実施形態による、下方流排出フード１０２を有するタービン１００の一部の縦断面図である。図５に示されるように、タービン１００は、最終段のタービンバケット１１２を含む。本発明の一実施形態では、内側ケーシング１０６の最終段のタービンバケット１１２のための部分は、タービン１００の長手方向軸ＡＡ’に対して傾けられる。これによって、流れガイド１１８の曲率半径が減少し、その結果、点線で示されるようにタービンの全体の軸方向占有面積が約１ｆｔ〜２ｆｔ減少され得る。軸方向の占有面積の減少によって、タービン１００の排出フード１０２の材料および製造コストがさらに低減され得る。さらに、軸方向占有面積の減少によって、タービン１００の全重量が減少され得る。本発明のさらに特定の実施形態では、最終段のタービンバケット１１２のための内側ケーシング１０６の傾斜の角度αは、タービン１００の長手方向軸ＡＡ’に対して約５度〜１５度の範囲内である。本発明のさらに特定の実施形態では、傾斜の角度αは、タービン１００の長手方向軸ＡＡ’に対して約６度〜１０度の範囲内であってよい。

単に例示を目的として、いくつかの実施形態に関して本発明を述べてきた。本発明は、記載の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ限定される修正形態および代替形態で実行され得ることが、当業者ならこの説明から理解できるであろう。

１００タービン
１０２下方流排出フード
１０４外側ケーシング
１０６内側ケーシング
１０８ロータ
１１０流路
１１２バケット
１１４ノズル
１１６環状通路
１１８流れガイド
１２０軸受コーン
１２２出口
１２４ガイドキャップ
１２６流れ方向の矢印
１２８流れ方向の矢印
１３０流線形面
２０２環状通路の第１の部分
２０４環状通路の第２の部分
３０２内面
３０４噴射流路
３０６肩部
４０２先端
４０４肩部

Claims

タービン（１００）であって、
外側ケーシング（１０４）と、
前記外側ケーシング（１０４）で囲まれる内側ケーシング（１０６）と、
前記内側ケーシング（１０６）で囲まれ、前記タービン（１００）の長手方向軸（ＡＡ’）に沿って延在する、ロータ（１０８）と、
前記ロータ（１０８）上に横方向に配置される複数の列のバケット（１１２）と、
前記ロータ（１０８）の少なくとも一部を囲繞する軸受コーン（１２０）と、
前記内側ケーシング（１０６）から延在する流れガイド（１１８）と、
前記流れガイド（１１８）および前記軸受コーン（１２０）によって画成される、排出ガスの流れのための環状通路（１１６）であって、前記軸受コーン（１２０）および前記流れガイド（１１８）が前記環状通路（１１６）の内壁および外壁をそれぞれ形成する、環状通路（１１６）と、
前記流れガイド（１１８）の下流方向に設けられる流線形面（１３０）を有するガイドキャップ（１２４）と
を備える、タービン（１００）。
前記ガイドキャップ（１２４）が、エーロフォイル形状を備える、請求項１記載のタービン（１００）。
タービン（１００）であって、
外側ケーシング（１０４）と、
前記外側ケーシング（１０４）で囲まれる内側ケーシング（１０６）と、
前記内側ケーシング（１０６）で囲まれ、前記タービン（１００）の長手方向軸（ＡＡ’）に沿って延在する、ロータ（１０８）と、
前記ロータ（１０８）上に横方向に配置される複数の列のバケット（１１２）と、
前記ロータ（１０８）の少なくとも一部を囲繞する軸受コーン（１２０）と、
前記内側ケーシング（１０６）から延在する流れガイド（１１８）と、
前記流れガイド（１１８）および前記軸受コーン（１２０）によって画成される、排出ガスの流れのための環状通路（１１６）であって、前記軸受コーン（１２０）および前記流れガイド（１１８）が前記環状通路（１１６）の内壁および外壁をそれぞれ形成する、環状通路（１１６）と、
前記流れガイド（１１８）の内面（３０２）における排出ガスの境界層剥離を防止するように、前記流れガイド（１１８）の前記内面（３０２）で排出ガスの流れを噴射するように構成される、少なくとも１つの先端漏れ流れ噴射流路（３０４）と
を備える、タービン（１００）。
前記少なくとも１つの先端漏れ流れ噴射流路（３０４）が、少なくとも１つのパイプ（３０４）を備える、請求項３記載のタービン（１００）。
前記少なくとも１つの先端漏れ流れ噴射流路（３０４）が、前記流れガイド（１１８）内に少なくとも１つのスロットを備える、請求項３記載のタービン（１００）。
１つまたは複数の列のバケット（１１２）が、前記環状通路（１１６）内の排出ガスの流れを活発にするように、前記内側ケーシング（１０６）から適切な径方向クリアランスのところに設けられ、前記適切な径方向クリアランスが、ベースラインクリアランスに比べて約８％〜１５％増大される、請求項３記載のタービン（１００）。
タービン（１００）であって、
前記タービン（１００）の長手方向軸（ＡＡ’）に沿って延在するロータ（１０８）と、
前記ロータ（１０８）上に横方向に配置される複数の列のバケット（１１２）と、
前記複数の列のバケット（１１２）を囲繞するケーシング（１０６）と
を備え、
前記ケーシング（１０６）の最終列のバケット（１１２）のための部分が、前記長手方向軸（ＡＡ’）に対して５度〜１５度の範囲内の角度（α）傾いている、
タービン（１００）。
タービン（１００）であって、
外側ケーシング（１０４）と、
前記外側ケーシング（１０４）で囲まれる内側ケーシング（１０６）と、
前記内側ケーシング（１０６）で囲まれ、前記タービン（１００）の長手方向軸（ＡＡ’）に沿って延在する、ロータ（１０８）と、
前記ロータ（１０８）上に横方向に配置される複数の列のバケット（１１２）と、
前記ロータ（１０８）の少なくとも一部を囲繞する軸受コーン（１２０）と、
前記内側ケーシング（１０６）から延在する流れガイド（１１８）と、
前記流れガイド（１１８）および前記軸受コーン（１２０）によって画成される、排出ガスの流れのための環状通路（１１６）であって、前記軸受コーン（１２０）および前記流れガイド（１１８）が前記環状通路（１１６）の内壁および外壁をそれぞれ形成する、環状通路（１１６）と
を備え、
前記環状通路（１１６）の第１の部分（２０２）が、実質的に一定の表面積を有し、前記環状通路（１１６）の第２の部分（２０４）が、徐々に増大する表面積を有する、
タービン（１００）。
前記第１の部分（２０２）では、前記流れガイド（１１８）の曲率半径が前記軸受コーン（１２０）の曲率半径と実質的に等しい、請求項８記載のタービン（１００）。
前記第２の部分（２０４）では、前記流れガイド（１１８）の曲率半径が前記軸受コーン（１２０）の曲率半径よりも小さい、請求項８記載のタービン（１００）。