(57)【要約】【課題】  ターンダウン状態でＦＩＶを最小にすることが望ましい。【解決手段】  タービンバケットは、翼形断面を有するバケット翼形を含む。タービンバケットは、根元端部から先端端部まで捻られている。捻り角は、接線方向に対して１０〜１５度の範囲の先端端部蓄積角度オフセットを規定し、結果的に過度の負の入射角を接線方向に対して１５〜２０度だけ低減する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
根元端部から先端端部まで捻られている翼形の断面を有するバケット翼形を含むタービンバケットにおいて、捻り角は、接線方向に対して１０〜１５度の範囲の先端端部蓄積角度オフセットを規定し、結果的に過度の負の入射角を接線方向に対して１５〜２０度だけ低減する、タービンバケット。
【請求項２】
前記捻り角は、１３度の先端端部蓄積角度オフセットを規定し、結果的に過度の負の入射角を１７度だけ低減する、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項３】
前縁を備え、該前縁には、正の入射性能感度を低減させるために丸みが与えられる、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項４】
高さ寸法は、前記根元端部において０％高さに規定され、前記先端端部で１００％高さに規定され、前記タービンバケットは、３０〜６０％高さのセクションにおいて、前記タービンバケットの他のセクションよりも大きな角度で捻られている、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項５】
前記タービンバケットは、前記根元端部において、前記タービンバケットの他のセクションよりも大きな角度得で捻られている、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項６】
前記タービンバケットは、タービンの最終段バケットである、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項７】
運転速度３，６００ＲＰＭにおいて、前記タービンバケットの最大高さは３５インチである、請求項６記載のタービンバケット。
【請求項８】
運転速度Ｘ  ＲＰＭにおいて、前記タービンバケットの最大高さは３６００／Ｘ＊３５インチである、請求項６記載のタービンバケット。
【請求項９】
ロータと、
前記ロータと一緒に回転する回転軸と
を備えるタービンであって、
前記タービンは前記回転軸及び前記ロータに結合され、前記タービンは、複数の軸方向に離間したロータホイールを含み、複数のバケットは、ロータホイールの各々に結合し、前記バケットの各々は、翼形断面を有し、最終段バケットは、根元端部から先端端部まで捻られており、捻り角は、接線方向に対して１０〜１５度の範囲の先端端部蓄積角度オフセットを規定し、結果的に過度の負の入射角を接線方向に対して１５〜２０度だけ低減する、タービン。
【請求項１０】
前記捻り角は、１３度の先端端部蓄積角度オフセットを規定し、結果的に過度の負の入射角を１７度だけ低減する、請求項９記載のタービン。
【請求項１１】
前縁を備え、該前縁には、正の入射性能感度を低減させるために丸みが与えられる、請求項９記載のタービン。
【請求項１２】
高さ寸法は、前記根元端部において０％高さに規定され、前記先端端部で１００％高さに規定され、前記タービンバケットは、３０〜６０％高さのセクションにおいて、前記タービンバケットの他のセクションよりも大きな角度で捻られている、請求項９記載のタービン。
【請求項１３】
前記タービンバケットは、前記根元端部において、前記タービンバケットの他のセクションよりも大きな角度得で捻られている、請求項９記載のタービン。
【請求項１４】
運転速度３，６００ＲＰＭにおいて、前記タービンバケットの最大高さは３５インチである、請求項９記載のタービン。
【請求項１５】
運転速度Ｘ  ＲＰＭにおいて、前記タービンバケットの最大高さは３６００／Ｘ＊３５インチである、請求項９記載のタービン。
【請求項１６】
根元端部から先端端部まで捻られている最終段タービンバケットの流動誘起振動を低減する方法であって、本方法は、前記タービンバケットを捻って、接線方向に対して１０〜１５度の範囲の先端端部蓄積角度オフセットを規定する段階を含み、結果的に過度の負の入射角を接線方向に対して１５〜２０度だけ低減する方法。
【請求項１７】
前記捻る段階は、１３度の先端端部蓄積角度オフセットを規定するように実行され、結果的に過度の負の入射角を１７度だけ低減する、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記タービンバケットの前縁に丸みを与えて正の入射性能感度を低減させる、請求項１６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的にはタービンに関し、詳細には蒸気タービンの最終段ブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンの最終段ブレード又は「バケット」（ＬＳＢ）は、平板に類似の先端部を考慮して設計される。先端部の方向は、回転速度及び半径比に応じて、外側の流れフィラメント半径方向位置の流れ方向に一致する接線方向にほぼ厳密に位置合わせされている。先端部の正確な方向は、流れ解析によって決まる。しかしながら、蒸気タービンは、設計点に対して非常に低流量かつ高い排気圧で作動して、負荷需要及び大気条件にそれぞれ対応する必要がある。これはバケット先端の流れ方向及び速度の著しい偏差を引き起こし、負の入射角の閾値を超えると損傷を与えて運転柔軟性を制限する可能性がある、流動誘起振動（ＦＩＶ）につながる。
【０００３】
図２は、一般的な蒸気タービン最終段の先端の幾何学的形状を流速ベクトルと共に示し、図３は、先端から半径方向内向きに見た最終段ブレードセクションの詳細図を示す。軽負荷及び／又は高い排気圧に関連する蒸気タービンのターンダウン状態で、ブレード又はバケット先端の流れは、大きさ及び方向の両方で設計点から著しく逸脱する。大きさが増加して、流れが無い限界においてホイール速度ベクトルＷに達し、他方で、方向は、設計の最適入射角からブレード回転と反対の接線方向へ変位する。ターンダウンが大きな影響を与える場合、最適入射角と実際の流れ方向の偏差として定義される流れ入射角は１５度を超える場合があり、翼形凹面又は圧力側の流れ剥離又はストールに関連する高いＦＩＶにつながる。
【０００４】
図４は、ブレード又はバケット先端流れ入射角に対する出口アニュラスの平均流速（Ｖａｎ）を示すグラフである。このグラフは、構造的減衰性が低い場合、約１５度の入射角においてＦＩＶ、フラッター、詳細にはストールフラッターが起こることを示す。ストールフラッターは、ブレードの短期間破壊につながる場合がある。ストールフラッターが発生するターンダウン形態を防止するための運転指針は、産業分野では標準的技法である。やや穏やかなＦＩＶ挙動、バフェッティング、別名「ランダム共振応答」は、同じ入射角閾値で生じる場合があり、長期の運転にわたるブレード破損及び／又はブレード結合破壊に関連する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６３９８５０４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ターンダウン状態でＦＩＶを最小にすることが望ましく、半径比及び速度の適用範囲を得るために先端設計を変更することで実現可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
タービンバケットは、翼形の断面を有するバケット翼形部を含む。タービンバケットは、根元端部から先端端部まで捻られている。捻り角は、接線方向に対して１０〜１５度の範囲の先端端部蓄積角度オフセットを規定し、結果的に過度の負の入射角を接線方向に対して１５〜２０度だけ低減する。
【０００８】
他の例示的な実施形態では、タービンは、ロータと、ロータと一緒に回転する回転軸とを備える。タービンは回転軸及びロータに結合される。タービンは、複数の軸方向に離間したロータホイールを含む。複数のバケットは、ロータホイールの各々に結合し、バケットの各々は、翼形断面を有する。最終段バケットは、根元端部から先端端部まで捻られており、捻り角は、接線方向に対して１０〜１５度の範囲の先端端部蓄積角度オフセットを規定し、結果的に過度の負の入射角を接線方向に対して１５〜２０度だけ低減する。
【０００９】
更に他の例示的な実施形態では、根元端部から先端端部まで捻られている最終段タービンバケットの流動誘起振動を低減する方法は、タービンバケットを捻って、接線方向に対して１０〜１５度の範囲の先端端部蓄積角度オフセットを規定する段階を含み、結果的に過度の負の入射角を接線方向に対して１５〜２０度だけ低減する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】凝縮蒸気タービンの低圧セクション、つまり準大気排気圧力をもつ蒸気タービンセクションの一部を切り取った斜視図。
【図２】設計内及び設計外のバケット先端入口速度を示す、一般的な蒸気タービン最終段の先端での幾何学的形状を示す図。
【図３】先端から半径方向内向きに見た最終段ブレードセクションの詳細図。
【図４】ブレード先端の流れ入射角に対する出口アニュラスでの平均流速のグラフ。
【図５】最終段バケットの既存の設計の図。
【図６】最終段バケットの説明される実施形態の設計の図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、軸１４及び最終段バケット（ＬＳＢ）列１６を含むロータ１２を備える低圧（ＬＰ）蒸気タービンセクション１０の一部を切り取った斜視図である。ＬＰタービン１０は、軸方向に離間した複数のロータホイール１８を含む。複数のバケット２０は、各ロータホイール１８に機械的に連結されている。詳細には、バケット２０は、何列にも配列され、各ロータホイール１８の周りを円周方向に延びる。複数の固定ノズル２２は、ロータ１２の周りを円周方向に延び、バケット２０の隣接する列の間で軸方向に配置されている。ノズル２２は、バケット２０と協働してタービン段を形成して、タービン１０を通る蒸気流経路の一部を定める。
【００１２】
作動時、蒸気２４は、タービン１０の入口２６に入り、ノズル２２を流れる。ノズル２２は、蒸気２４をバケット２０に対して下流に向ける。蒸気２４は、残りの段を流れてバケット２０に力を与えてロータ１２を回転させる。少なくともタービン１０の一端は、ロータ１２から離れて軸方向に延びることができ、限定されるものではないが、発電機及び／又は他のタービン等の負荷又は機械装置（図示せず）に取り付けることができる。従って、大型蒸気タービンユニットは、実際には全て同じ軸１４に同軸に結合される複数の低圧タービンを含むことができる。例えば、このユニットは、低圧タービンに結合する中圧タービンに結合される高圧タービンを含むことができる。
【００１３】
ターンダウンＦＩＶ領域の有意性は、低流量で高い排圧の状態において、ＬＳＢ通路を通る流れがハブで分かれて、約８０及び１００％の半径高さのフィラメントに閉じ込められることである（半径高さは、バケットの根元端部２０１で０％、バケットの先端端部２０２で１００％と定める）。従って、ターンダウンＦＩＶ流れ入射角が意味をもつのは主としてこの領域である。限界流れ角は、実現できる流れ角の最大値である。有意なＦＩＶを引き起こすために、半径方向高さの２０％を超える平均分布と見なされることが多いＬＳＢ先端の最適入射角（ＯＥＡ）と、１８０度との偏差が、マイナス側で１５度を超える必要がある。従って、先端ＯＥＡが１６５又はそれ以上のＬＳＢ設計は、ターンダウンＦＩＶを生じないはずである。３６００ｒｐｍの用途の４０インチＬＳＢはこの基準に近づくが、３３．５インチ、３０インチ、及び２６インチでは、同じ回転速度では負の入射角が漸次的に増える状態になり、ターンダウン時においてＦＩＶの可能性が高くなる。歪みゲージを用いてデータを取得すると、ターンダウン運転の同じ条件において、３０インチＬＳＢ振動の振幅は、３３．５インチのものよりも非常に大きいことが実証され、この理論を確認できる。
【００１４】
前述の半径方向が約４０インチで３６００ｒｐｍの設計において、バケット設計に関して、従来の翼形設計方法では、ＬＳＢが１６５度よりも大きな先端ＯＥＡを有するので、所要の１５度の負の入射角を実現できないことが予期される。フルスピード又はハーフスピードのバケットに関しても同じであり、有効長は速度に基づいて３６００ｒｐｍの設計から拡大縮小できる。例えば、３０００ｒｐｍにおいてバケットの半径高さ＝（３６００／３０００）Ｘ３５インチ＝４２インチであり、ターンダウン時のＦＩＶ可能性が低下するはずである。
【００１５】
図５及び６は、３０インチの設計（図５）、及び提案された設計を反映した３０インチの設計（図６）を示す。提案された設計では、３０％〜６０％の間の高さ範囲のセクションでベーンの捻りが増加しており、結果的に先端部の累積角度オフセットが約１３度である。このことは１７度の過度の負の入射角の低減を達成するので、ＦＩＶの可能性が低下する。同じ先端の再配向の結果を得る他の方法は、所要のセクションの捻りを根元の近くに組み込み、先端の近傍のセクションでの捻りを比較的小さくする方法である。性能解析は、先端での過度の負の入射角を最小にする目標を保証しながら、設計点性能に関する最適入射角の最良の分布を決定するための何らかの最終設計を同時に生じる。最終結果は、図６に示す先端の方向のＬＳＢ設計であろう。性能及びＦＩＶ低減目的に最適な入射角分布の最適化に加えて、ブレードの前縁には、正の入射性能感度を低減するために丸みを与えることができる。
【００１６】
本設計は、ピン及びフィンガ、ダブテール、湾曲又は真っ直ぐな軸方向挿入ダブテール又は接線方向挿入ダブテール（組み立てを可能にするためにホイールに半径方向ノッチを含む）、及び完全にホイールに収容されるピンブロック又はノッチブレードを含む。本設計は、「自立」型（つまり、隣接の翼形部の間が結合されない）ＬＳＢ、並びにミッドスパン及び／又は先端シュラウド結合を備えるＬＳＢに適用可能である。更に、最終段ノズルは、従来の根元から先端までの捻りセクションのＬＳＢと同じ設計のままとすること、又は低い根元反動度を保つために根元から適度に取り除かれた（〜２５％）位置で調節されたスロート開口を有することができる。調節は、ＬＳＢ入口流れ角度が、全ての半径方向位置でＬＳＢの金属セクションの好ましい入射角にできるだけ近くなることを保証する必要がある。もしくは、完全に再設計したノズルを適用できる。ノズルの調節又は再設計は、最大の段効率を保証する。本明細書に記載のＬＳＢ設計手法は、従来の設計、並びに高い排気圧設計に適用でき、後者は、高温状態で作動する空冷式凝縮器を備える発電プラントの蒸気タービンに必要なより高い排気圧限界を有する。
【００１７】
本実施形態は、翼形部の再設計によって、設計外の振動を引き起こす流動誘起力の低減につながる。翼形部の先端部は、ターンダウン状態でのストール流が大幅に抑制されるように設計される。特に、このことは先端部の接線方向に対する入射角を特定の角度に規定することで実現される。その結果、安全な運転領域が拡大して、顧客は、特に暑い天気での負荷要求に自在に対応することができる。更に、最終段バケットの信頼性は、特に顧客が製造業者の推奨限界を超えてタービンを運転する場合に高くなる。
【００１８】
現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００１９】
１０  低圧（ＬＰ）蒸気タービンセクション
１２  ロータ
１４  軸
１６  最終段バケット（ＬＳＢ）列
１８  ロータホイール
２０  バケット
２２  固定ノズル
２４  蒸気
２６  入口
２０１  根元端部
２０２  先端端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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