特許 6239908 タービンで使用されるための排気システム並びにその組立方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6239908

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】タービンで使用されるための排気システム並びにその組立方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/30 20060101AFI20171120BHJP

【ＦＩ】

   F01D25/30 A

   F01D25/30 B

【請求項の数】10

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-190434(P2013-190434)

(22)【出願日】2013年9月13日

(65)【公開番号】特開2015-55229(P2015-55229A)

(43)【公開日】2015年3月23日

【審査請求日】2016年9月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】プラカッシュ・バヴァンジバイ・ダルサニア

(72)【発明者】

【氏名】アンタヌ・サデュ

【審査官】 松永 謙一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０５６０３６０５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０１９２１２７８（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 欧州特許出願公開第０１５６１９０９（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１４８０８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１０７６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５５−０２０６０７（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ２５／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービン（１００）で使用される排気システム（２００）を組み立てる方法であって、
入力（２０２）及び出力（２０４）を含む排気フード（１１０）をタービンに結合して、タービンから吐出された流体を排気フードに流入させる段階であって、排気フードが、入力から出力に延在する少なくとも第１の側壁（６０２）によって画成され、第１の側壁（６０２）に１以上の開口（６１２）が画成されている、段階と、
多段エジェクタ（５００）を排気フードに結合し、排気フード内を流れる流体の流れ剥離を低減させる段階であって、多段エジェクタ（５００）がハウジング（５０２）を含んでいて、前記ハウジング（５０２）が、第１の端部（５２０）と、第２の端部（５２４）と、第１の端部から第２の端部に延在する中間セクション（５２２）とを有しているとともに、前記ハウジングが、複数の入口（５０６、５０８、５１２）及び１以上の出口（５１０）を含んでいる、段階と、
前記１以上の開口（６１２）を介して排気フードから吐出される流体を受けるように前記複数の入口の少なくとも１つを排気フード（１１０）に結合する段階と
を含む方法。

【請求項2】

多段エジェクタを排気フードに結合する段階がさらに、１以上のポート（６１４）を１以上の出口に結合する段階を含み、１以上のポートが、排気フードの入力と出力の間に延在する第２の側壁（６０４）に画成される、請求項１記載の方法。

【請求項3】

当該方法がさらに、前記複数の入口の少なくとも１つを１以上の開口と流体連通して結合し、流体が１以上の開口から前記複数の入口の少なくとも１つに送られるようにする段階を含む、請求項１又は請求項２記載の方法。

【請求項4】

当該方法がさらに、排気フードを復水器（１１４）に結合し、復水器が排気フードから吐出された流体を受け入れる段階を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。

【請求項5】

当該方法がさらに、ヘッダ（１１６）を前記複数の入口の少なくとも１つと流体連通して結合し、高圧蒸気がヘッダから前記複数の入口の少なくとも１つに送られるようにする段階を含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。

【請求項6】

タービン（１００）で使用されるための排気システム（２００）であって、
タービンから吐出された流体を受けるように配置された入力（２０２）と、出力（２０４）とを含む排気フード（１１０）であって、入力と出力の間に延在する第１の側壁（６０２）にして１以上の開口（６１２）が画成された第１の側壁（６０２）を含む排気フード（１１０）と、
排気フードに結合された多段エジェクタ（５００）であって、多段エジェクタ（５００）がハウジング（５０２）を含んでいて、前記ハウジング（５０２）が、第１の端部（５２０）と、第２の端部（５２４）と、第１の端部から第２の端部に延在する中間セクション（５２２）とを有しているとともに、前記ハウジングが、複数の入口（５０６、５０８、５１２）と１以上の出口（５１０）を含んでおり、複数の入口の少なくとも１つが、排気フードに流体連通して結合されて、１以上の開口を介して排気フードから吐出された流体を受け入れる、多段エジェクタ（５００）と
を備える、排気システム。

【請求項7】

排気フードがさらに、排気フードの入力と出力の間に延在する第２の側壁（６０４）を含み、第２の側壁が１以上のポート（６１４）が画成され、該ポートが多段エジェクタから吐出された流体を受けるように構成される、請求項６記載の排気システム。

【請求項8】

複数の入口のうちの１つが、開口を介して排気フードから吸い込まれた流体を受け、該流体が、複数の入口のうちの別の入口に流入する流体によって発生される真空により吸い込まれる、請求項７記載の排気システム。

【請求項9】

排気フードが復水器（１１４）と流体連通している、請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の排気システム。

【請求項10】

中間セクション入口（５１２）を含む多段エジェクタの複数の入口の少なくとも２つの各々が、ヘッダ（１１６）から流体を受け取る、請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の排気システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示される主題は、全体的に、タービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンで使用されるための排気システムに関する。

【背景技術】

【0002】

蒸気タービンのような回転機械は、発電機への動力を生成するのに用いることができる。公知の蒸気タービンは、シェル内に画成される蒸気経路を有し、該シェルは、直列流れ関係で、入口と、１以上のタービンと、出口とを含む。公知のタービンは、円周方向に離間した回転バケット又はブレードの１以上の列を含む。

【0003】

低負荷及び／又は始動状態の間、流入する蒸気が高圧であることに起因して、入口付近で蒸気の漏洩が生じる場合がある。その上、これらの作動状態の間、タービンの低圧（ＬＰ）セクションが真空下にあるので、望ましくない量の大気空気がタービンシステムに引き込まれる可能性がある。少なくとも一部の公知のタービン構成は、低負荷及び／又は始動状態の間の蒸気漏洩を低減することができる冗長的な蒸気シールシステムを含む。例えば、少なくとも一部の公知の蒸気シールシステムは、所定の作動状態中に蒸気シールに低圧蒸気を供給する。低圧蒸気は、大気空気が蒸気タービンのＬＰセクションに侵入するのを防ぎ、蒸気タービンの高圧（ＨＰ）セクションにて正圧を維持するのを助ける。タービン負荷が増大すると、蒸気シールヘッダから配向された高圧及び／又は高温の蒸気の一部だけがシール目的で使用され、残りの蒸気は復水器に送られる。少なくとも一部の公知の蒸気タービンはまた、タービンの最終段から下流側に排気フードを含む。公知の排気フードは、蒸気の静圧を取り戻すのを助け、また、タービンの最終段から復水器に蒸気を誘導する。しかしながら、少なくとも一部の公知の排気フードは、蒸気を復水器に向けて約９０°転回させる必要がある。蒸気流の方向の急激な変化は、フード内で蒸気の流れを分離させる可能性がある。この流れ剥離は、静圧回復を低下させ、タービン効率を低下させる可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１２／０１２１４０４号明細書

【発明の概要】

【0005】

一実施形態では、タービンで使用される排気システムを組み立てる方法が提供される。本方法は、入力及び出力を含む排気フードをタービンに結合して、タービンから吐出された流体を排気フードに流入させる段階を含む。排気フードは、入力から出力に延在する第１の側壁によって画成される。第１の側壁には、１以上の開口が画成される。本方法はさらに、エジェクタを排気フードに結合し、排気フード内を流れる流体の流れ剥離を低減させる段階を含む。エジェクタは、複数の入口と１以上の出口とを含む。入口の少なくとも１つは、開口を介して排気フードからの流体を受ける。

【0006】

別の実施形態では、蒸気タービンで使用されるための排気システムが提供される。排気システムは、入力及び出力を有する排気フードを含む。入力は、蒸気タービンから吐出された流体を受けるよう構成される。排気フードはさらに、入力と出力との間に延在する第１の側壁を含む。第１の側壁には、１以上の開口が画成される。排気システムはまた、排気フードに結合されたエジェクタを含み、該エジェクタは、複数の入口と１以上の出口とを含む。入口の少なくとも１つは、１以上の開口を介して排気フードから流体を受けるように配置される。

【0007】

さらに別の実施形態では、蒸気タービン組立体が提供される。蒸気タービン組立体は、ヘッダと排気システムとを有する蒸気タービンを含む。排気システムは、入力及び出力を有する排気フードを含む。入力は、蒸気タービンから吐出された流体を受けるように構成される。排気フードはさらに、入力と出力との間に延在する第１の側壁を含む。第１の側壁には、１以上の開口が画成される。排気システムはまた、排気フードに結合されたエジェクタを含み、該エジェクタは、複数の入口と１以上の出口とを含む。入口の少なくとも１つは、１以上の開口を介して排気フードから流体を受けるように配置される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】例示的な公知の蒸気タービン組立体の概略図。

【図2】図１に示す蒸気タービン組立体と共に用いることができる例示的な排気システムの概略図。

【図3】図２に示す例示的な排気システムの概略図。

【図4】図３に示す排気システムと共に用いることができる例示的な単一段エジェクタの概略図。

【図5】図３に示す排気システムと共に用いることができる例示的な多段エジェクタの概略図。

【図6】図３に示す排気システムと共に用いることができる例示的な排気フードの斜視図。

【図7A】流体入力／出力の無い排気フード内の例示的な流体ダイナミックスの概略図。

【図7B】蒸気ガイド吸引のみを有する排気フード内の例示的な流体ダイナミックスの概略図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本明細書で記載される方法及び装置は、タービン組立体と共に使用できる排気システムに関する。排気システムは、排気フード及びエジェクタを含み、これらを組み合わせて機能させ、拡散性能の改善及び静圧回復の改善を可能にする。より具体的には、例示的な実施形態では、エジェクタは、単一段又は多段のエジェクタであり、排気フード内の流れ剥離を低減することができる。流れ剥離は、排気フードに対して吸引効果及びブロー効果の何れかを誘起することにより低減される。従って、蒸気タービンの効率を改善することが可能となり、タービン組立体に関連する費用が低減される。

【0010】

図１及び２は、例示的な蒸気タービン組立体１００及び例示的な排気システム２００の概略図である。例示的な実施形態では、タービン組立体１００は、高圧（ＨＰ）セクション１０４及び低圧（ＬＰ）セクション１０６を有する蒸気タービン１０２を含む。ロータシャフト１０８は、タービンセクション１０４及び１０６を通って延在して、軸受１１２を含む。軸受１１２は、シャフト１０８を支持し、ＬＰセクション１０６に隣接している。排気フード１１０は、ＬＰセクション１０６から下流側に位置付けられ、蒸気タービン１０２から吐出される流体を受けるように配置される。排気フード１１０は、蒸気タービン１０２から吐出される流体１６４ａ、１６４ｂを復水器１１４に向けて送る。

【0011】

例示的な実施形態では、排気システム２００は、排気フード１１０、蒸気シールヘッダ１１６、及びエジェクタ１１８を含む。例示的な実施形態では、蒸気シールヘッダ１１６は、蒸気などの流体１５４の加圧流をシールの目的でＬＰセクション１０６に提供する。シール目的で使用されない蒸気シールヘッダ１１６からの蒸気１５６は、エジェクタ１１８に向けて送られる。さらに、例示的な実施形態では、エジェクタ１１８は、排気フード１１０から配向される流体を受け取り、また、排気フード１１０及び／又は復水器１１４に流体を送る。従って、エジェクタ１１８は、通常は復水器１１４に送られる蒸気１５６を使用する。さらに、例示的な実施形態では、排気フード１１０は、２つの拡散通路（図示せず）を含む。しかしながら、排気フード１１０が本明細書で記載される機能を果たすような任意の好適な数の拡散通路を含むことができる点は理解されたい。従って、例示的な実施形態では、蒸気１６０ａ、１６０ｂは、排気フード１１０から吸い込まれ、蒸気１６２ａ、１６２ｂは、排気フード１１０にて受け取られる。

【0012】

図３は、蒸気タービン組立体１００（図１に示す）と共に用いることができる例示的な排気システム３００の概略図である。排気システム３００は、排気フード１１０と、エジェクタ１１８とを含む。排気フード１１０は、蒸気タービン１０２（図２に示す）から吐出される流体を受けるようなサイズ及び向きにされた入力３０２を含む。排気フード１１０はまた、タービン組立体１００から吐出される蒸気１６４ａ、１６４ｂがフード１００を通って復水器１１４に送られるように復水器１１４（図２に示す）と流体連通して結合された出力３０４を含む。

【0013】

さらに、例示的な実施形態では、エジェクタ１１８は、排気フード１１０と流体連通して結合される。例えば、例示的な実施形態では、エジェクタ１１８は、単一段エジェクタ４００（図４に示す）又は多段エジェクタ５００（図５に示す）の何れかを含む。例示的な実施形態では、エジェクタ１１８は、第１の入口３０６、第２の入口３０８、及び出口３１０を含む。第１の入口３０６は、ヘッド１１６（図２に示す）から蒸気１５６を受け取り、第２の入口３０８は、排気フード１１０から吐出される蒸気１６０を受け取る。エジェクタ１１８はまた、復水器１１４への吐出蒸気１６６用及び／又は排気フード１１０への吐出蒸気１６２用の１以上の出口３１０を含む。

【0014】

図４は、単一段エジェクタ４００の概略図であり、図５は、排気システム３００（図３に示す）と共に使用できる多段エジェクタ５００の概略図である。例示的な実施形態では、エジェクタ４００は、第１の入口４０６、第２の入口４０８、例えば、出口４１０を含む。入口４０６は、ヘッダ１１６からの蒸気１５６を受け取り、第２の入口４０８は、排気フード１１０から吐出された蒸気１６０を受け取る。より具体的には、例示的な実施形態では、入口４０６に流入する蒸気１５６は、蒸気１６０が排気フード１１０から入口４０８に吸い込まれるようにハウジング４０２内に真空を発生させる。さらに、例示的な実施形態では、単一段エジェクタ４００は、蒸気１６６を復水器１１４に向けて吐出する。

【0015】

多段エジェクタ５００は、第１の端部５２０、第２の端部５２４、及び第１及び第２の端部５２０、５２４間を延在する中間セクション５２２を有するハウジング５０２を含む。ハウジング５０２は、第１の端部５２０を収容するのに画成される複数の入口と、第２の端部５２４を収容するのに画成される出口５１０とを含む。例えば、例示的な実施形態では、ハウジング５０２は、第１の入口５０６及び第２の入口５０８を含む。従って、第１の入口５０６は、ヘッダ１１６から吐出された蒸気１５６を受け取り、入口５０８は、排気フード１１０から吐出された蒸気１６０を受け取り、出口５１０は、流体を復水器１１４及び排気フード１１０の一方に吐出する。さらに、例示的な実施形態では、多段エジェクタ５００は、ヘッダ１１６から吐出される蒸気１５６を受ける中間セクション５２２に画成される第３の入口５１２を含む。従って、蒸気１５６は、入口５０６、５１２に流入し、蒸気１６０が排気フード１１０から入口５０８に吸い込まれるようにハウジング５０２内に真空を発生させる。

【0016】

さらに、例示的な実施形態では、多段エジェクタ５００は、単一段エジェクタ４００の流出流１６６と比べて、エジェクタ流出流１６２の圧力を増大させることができる。多段エジェクタ５００は、入口５０６、５１２を介してヘッダ１１６から蒸気１５６を受け取り、多段エジェクタ５００内を流れる流体の作動圧力を増大させることができる。例示的な実施形態では、蒸気１６２は、同じ作動条件下で単一段エジェクタ出口４１０から出る蒸気１６６よりも高圧で出口５１０から流出する。従って、多段エジェクタ５００は、ヘッダ１１６から利用可能な駆動流体蒸気１５６が排気フード１１０における十分なブロー又は複合ブロー及び吸引源を提供するのに十分な圧力又は流量でない状況で用いることができる。

【0017】

従って、多段エジェクタ５００により、ヘッダ１１６から受け取った蒸気１５６をタービン組立体１００で使用することができる。一般に、蒸気１５６の高温は、タービン組立体１００の蒸気経路（図示せず）に沿って混合する能力が制限される。多段エジェクタ５００は、駆動流源として蒸気１５６を使用して、ハウジング５０２内に真空を発生させ、蒸気１６０を入口５０８に吸い込むことができるようにする。蒸気１６２は、多段エジェクタ５００に流入する蒸気１５６よりも低温低圧で多段エジェクタ５００から流出する。従って、出口５１０から吐出される蒸気１６２は、排気フード１１０に対するブロー源として用いることができる。

【0018】

図６は、排気フード１１０の概略図である。例示的な実施形態では、排気フード１１０は、入力２０２と出力２０４とを含む。入力２０２は、蒸気タービン１０２から吐出された蒸気（図示せず）を受け取り、出力２０４は、蒸気１６４ａ及び１６４ｂ（図２に示す）を復水器１１４（図２に示す）に吐出する。さらに、例示的な実施形態では、排気フード１１０は、蒸気ガイド６０２及び軸受コーン６０４を含む。蒸気ガイド６０２は、入口２０２と出力２０４との間に延在して、１以上の開口６１２が形成された第１の内側側壁である。各開口６１２は、排気フード１１０からエジェクタ１１８（図２に示す）に蒸気１６４ａ及び１６４ｂ（図２に示す）を吐出する。開口６１２から吐出される蒸気１６４ａ及び１６４ｂは、第１の入口４０６及び５０６（図４及び５に示す）に流入する蒸気１５６によって生成される真空により、排気フード１１０から吸い込まれる。軸受コーン６０４は、入力２０２と出力２０４との間に延在して１以上のポート６１４が画成された半径方向外側の第２の側壁である。ポート６１４は、出口３１０と流体連通して結合され、ポート６１４がエジェクタ１１８から吐出される蒸気１６２を受け入れる。従って、蒸気１６２は、排気フード１１０のブロー源として機能を果たす。

【0019】

第１の入口４０６、５０６に流入する蒸気１６０によって発生する真空により生成される蒸気ガイド６０２の吸引は、該蒸気ガイド６０２での流れ剥離を阻止することにより、排気フード１１０内の拡散性能を改善することができる。さらに、ブロー源として軸受コーン６０４に蒸気１６２（図３に示す）を付加することにより、軸受コーン６０４の境界層が励起することにより排気フード１１０内の拡散性能を改善することができる。従って、ブロー源としての蒸気１６２の使用は、部分負荷状態中の性能を改善するのに利用することができる。

【0020】

図７Ａは、流体入力／出力のない排気フード１１０内の流体ダイナミックスの概略図であり、図７Ｂは、蒸気ガイド吸引のみを有する排気フード１１０内の流体ダイナミックスの概略図である。例示的な実施形態では、正常運転中、排気フード１１０が流体入力及び／又は出力を含まない場合には蒸気ガイド６０２において流体剥離７０２が生じる。部７Ｂにおいて蒸気ガイド吸引の付加及び／又は軸受コーンブローによって、排気フード１１０内の拡散性能を向上させ、排気フード１１０内の流れ剥離を低減又は排除することができる。さらに、軸受コーンブローによって、特に軸受コーン６０４の境界層にて排気フード１１０内を流れる流体速度を増大させることができる。本明細書で記載される実施形態では、蒸気ガイド吸引が、単一段エジェクタ４００又は多段エジェクタ５００により可能にされ、軸受コーンブローは、多段エジェクタ５００により可能にされる。従って、軸受コーンブローと組み合わせた蒸気ガイド吸引の付加により、蒸気ガイド吸引の適用のみ又は軸受コーンブローのみの場合と比べて、拡散性能をより効率的に改善することができる。

【0021】

拡散性能の改善に加えて、蒸気ガイド吸引及び軸受コーンブローは、排気フード内の静圧回復を向上させる。より具体的には、蒸気ガイド吸引及び軸受コーンブローによって可能にされる排気フードを通じた圧力増大は、静圧回復を増大させる。静圧回復の増大により、排気損失が低減され、これによりタービン効率が増大する。

【0022】

その上、公知の蒸気タービン組立体において、蒸気シールヘッダからの蒸気流の一部だけが、タービンの低圧端部にてシール目的で使用される。一般に、シール目的で使用されない蒸気流の一部は、復水器に配向され、ここではそれ以上利用されない。復水器に蒸気を配向するのではなく、本明細書で記載される例示的な実施形態は、蒸気流を用いて拡散性能を改善し、公知の排気フード組立体における静圧回復を増大させる。従って、全体のタービン効率が改善され、タービン組立作業に伴うコストが低減される。

【0023】

本明細書で記載される排気システムの方法及び装置は、蒸気タービンエンジンの作動を向上させることができる。より具体的には、本明細書で記載される排気システムは、排気フードにおける拡散性能を向上させる。本明細書で記載され例示された方法、装置、又はシステムの実施は、排気システム、蒸気タービンエンジン全体、又は複流蒸気タービンのいずれにも限定されない。むしろ、本明細書で記載され例示された方法、装置、又はシステムは、本明細書で記載される他の構成要素及び／又はステップから独立して別個に利用することができる。

【0024】

本発明の種々の実施形態の特定の特徴要素は、一部の図面において図示され、他の図面では示されていない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。本発明の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面の特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。

【0025】

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

【符号の説明】

【0026】

１００ タービン組立体
１０２ 蒸気タービン
１０４ 高圧セクション
１０６ 低圧セクション
１０８ ロータシャフト
１１０ 排気フード
１１２ 軸受
１１４ 復水器
１１６ ヘッダ
１１８ エジェクタ
１５４ 流体
１５６ 蒸気
１６０ 蒸気
１６２ 蒸気
１６６ 蒸気
２００ 排気システム
２０２ 入力
２０４ 出力
３００ 排気システム
３０２ 入力
３０４ 出力
３０６ 第１の入口
３０８ 第２の入口
３１０ 出口
４００ エジェクタ
４０２ ハウジング
４０６ 第１の入口
４０８ 第２の入口
４１０ 出口
５００ 多段エジェクタ
５０２ ハウジング
５０６ 第１の入口
５０８ 第２の入口
５１０ 出口
５１２ 第３の入口
５２０ 第１の端部
５２２ 中間セクション
５２４ 第２の端部
６０２ 蒸気ガイド
６０４ 軸受コーン
６１２ 開口
６１４ ポート
７０２ 流れ剥離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】