JP6755650B2

JP6755650B2 - 蒸気タービンロータ

Info

Publication number: JP6755650B2
Application number: JP2015212755A
Authority: JP
Inventors: ラメシュマゲシュワラン; シュライアートーマス; キューンインゴ; エティエンヌヴィッツグレゴワール
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2035-10-29
Also published as: US11053799B2; JP2016089833A; US10533421B2; EP3015644A1; US20160123151A1; CN105569738A; EP3015644B1; US20200109633A1; CN105569738B

Description

技術分野
本開示は、概して、蒸気タービン用のロータに関し、特に、そのようなロータの低サイクル疲労抵抗を改善するロータ構造に関する。

背景情報
米国特許出願公開第２０１１／０１０３９７０号明細書に記載されたような蒸気タービンは、応力緩和ピストンを備えるロータを有してよい。応力緩和ピストンは、熱応力を緩和するための緩和溝を有する。緩和溝は、生蒸気流路の領域の外側にあり、生蒸気流路は、翼列流路を通る作用蒸気流れの方向とは軸方向反対側に配置されている。

再生可能な電力の使用が増加されるとともに、増加されたサイクルで運転するために電気回路ネットワーク運転の必要性が増加されている。この運転融通性の増加は、通常、蒸気タービン寿命により制限され得る。なぜならば、ますます頻繁に熱過渡に曝されることにより、冷間、温間および熱間始動中にならびに休止中に熱疲労亀裂発生が生じる危険性が増加するからである。この問題は、靱性および延性が改善された高品質ロータ鍛造により部分的に解決できるが、しかし、これらの手段は、ロータの低サイクル疲労寿命をともなう熱過渡の不都合な作用を解消しない。

追加的な問題は、複数の蒸気タービン、例えば高圧タービンおよび中圧タービンを有する蒸気タービンにおいて、それぞれの蒸気タービンの異なる熱状況がそれぞれの蒸気タービンのロータ部分の異なる低サイクル疲労寿命を生じさせることである。その結果、それぞれの蒸気タービンの保守日程要求が同時に起こらない可能性があり、その結果、保守停止が増大し得る。ロータ材料の選択によりロータ部分の低サイクル疲労寿命を平均化できる可能性があるが、ロータ材料選択だけでは課題を解決するには実際上制限がある。

したがって、蒸気タービンロータ部分の低サイクル疲労寿命を改善すると同時にロータ部分保守サイクルが同期化されるように異なる部分の低サイクル疲労寿命を調整する両方の要求がある。

米国特許出願公開第２０１１／０１０３９７０号明細書

概要
ロータ寿命に対する熱過渡の不都合な影響を少なくとも部分的に解消できる蒸気タービンロータが開示されている。

一般的な１つの態様は、蒸気タービンロータであって、軸方向に配列された、翼ルートを保持するための複数の翼溝を有する翼間領域ロータ表面と、上流側の翼溝から延在する、翼間領域ロータ表面に隣接する供給領域ロータ表面と、供給領域ロータ表面に隣接するピストン領域ロータ表面であって、供給領域ロータ表面が翼間領域ロータ表面とピストン領域ロータ表面との間にある、ピストン領域ロータ表面と、を備える蒸気タービンロータを含む。蒸気タービンロータは、ピストン領域ロータ表面を通って延在する応力緩和溝ロータ表面をも有する。翼間領域ロータ表面、供給領域ロータ表面、ピストン領域ロータ表面および応力緩和溝ロータ表面は、蒸気タービンロータの通常運転中に蒸気に曝される表面として構成されかつ配置されている。熱遮蔽コーティングが、少なくともピストン領域ロータ表面上で延在している。

さらなる態様は、１つまたは２つ以上の以下の特徴を含んでよい。供給領域ロータ表面上に熱遮蔽コーティングが設けられている。翼間領域ロータ表面上に熱遮蔽コーティングが設けられている。供給領域ロータ表面が半径方向−軸方向蒸気供給領域を形成する蒸気タービンロータが設けられている。ピストン領域ロータ表面上に熱遮蔽コーティングが設けられている。蒸気タービンロータは、中圧蒸気タービンロータとして、高圧蒸気タービンロータとして、または高圧蒸気タービンロータおよび中圧蒸気タービンロータとして構成されている。高圧蒸気タービンロータの低サイクル疲労抵抗が中圧蒸気タービンロータの低サイクル疲労抵抗と同一であるように、熱遮蔽コーティングの半径方向厚さが構成されている。

発明のさらなる課題は、従来技術の不都合な点および欠点を解消するかもしくは少なくとも改善すること、または有用で代替的な構成を提供することである。

本開示の別の態様及び利点は、本発明の典型的な実施の形態を例示している添付の図面に関する以下の説明から明らかになる。

図面の簡単な説明
例として、添付の図面を参照して、以下に、本開示の１つの実施の形態をより詳しく説明する。

開示の例示的な１つの実施の形態による熱遮蔽コーティングを有する高圧蒸気タービンロータの断面図である。開示の例示的な１つの実施の形態による熱遮蔽コーティングを有する中圧蒸気タービンロータの断面図である。図１および図２による、組み合わされた、熱遮蔽コーティングを有する高圧蒸気タービンロータおよび中圧蒸気タービンロータの断面図である。

詳細な説明
ここに本開示の例示的な実施の形態を、図面を参照して説明する。図面において、同一の参照符号が全体を通じて同一の要素を示すために使用されている。以下の説明において、説明の目的で、開示の完全な理解を与えるために、多数の特定の細部が示されている。しかし、本開示は、この特定の細部なしに実施してよく、ここに開示された例示的な実施の形態に制限されるものではない。

典型的には内側ケーシング１１に収容される高圧蒸気タービンロータ１０の例示的な実施の形態が図１に示されている。高圧蒸気タービンロータ１０は、翼間領域ロータ表面１２と、供給領域ロータ表面１４と、ピストン領域ロータ表面１６とを有する。

翼間領域ロータ表面１２は、軸方向に配列された回転翼が周方向で高圧蒸気タービンロータ１０周りに延在する領域である。これらの翼は、翼間領域ロータ表面１２を通って延在する翼溝１３により高圧蒸気タービンロータ１０に取り付けられている。したがって、翼間領域ロータ表面１２は、翼溝１３が配置された、高圧蒸気タービンロータ１０の表面領域と規定されていてよい。

供給領域ロータ表面１４は、翼間領域ロータ表面１２の上流でこれに直に隣接する領域である。ロータのこの領域は、運転時に、蒸気が蒸気タービンに供給されるときに蒸気に曝される領域である。典型的には、この領域は、第１の上流の翼溝１３まで延在する半径方向から軸方向への過渡面を有することにより、半径方向に供給される蒸気を軸方向に方向付けるように成形されている。

ピストン領域ロータ表面１６は、供給領域ロータ表面１４がピストン領域ロータ表面１６と翼間領域ロータ表面１２との間に配置されるように、供給領域ロータ表面１４に直に隣接して配置されている。ピストン領域の目的は、通例では反動式蒸気タービンの翼配列の軸端スラストに対抗し、ひいては全ての運転状況下で機械の高圧端部に向かうロータのスラストを発生させることである。ピストンは、中実なロータと一体的に成形されているか、または収縮嵌めされて所定の位置に固定されてよい。

例示的な１つの実施の形態では、ピストン領域ロータ表面１６は、ピストン領域ロータ表面１６を通る開口を備える応力緩和溝を有する。応力緩和溝は、応力緩和溝ロータ表面１８を有する。

例示的な実施の形態では、翼間領域ロータ表面１２、供給領域ロータ表面１４、ピストン領域ロータ表面１６および／または応力緩和溝ロータ表面１８のそれぞれは、熱遮蔽コーティング１９を装着しており、熱遮蔽コーティング１９は、それぞれの表面に接合されている。熱遮蔽コーティング１９を備えるそれぞれの表面１２，１４，１６，１８は、部分的にまたは完全に表面１２，１４，１６，１８を覆う熱遮蔽コーティング１９を有してよく、熱遮蔽コーティング１９の半径方向厚さは、一定であってまたは変化してよい。

好適には、少なくとも応力緩和溝ロータ表面１８は、熱遮蔽コーティング１９を有する。

図２に示された中圧蒸気タービンロータ２０の例示的な１つの実施の形態は、翼間領域ロータ表面２２と、供給領域ロータ表面２４と、ピストン領域ロータ表面２６とを有する。

翼間領域ロータ表面２２は、軸方向で回転翼の間の領域であり、回転翼は、中圧蒸気タービンロータ２０上で周方向に分配されていて、これにより、ロータ表面を通って延在している。

供給領域ロータ表面２４は、翼間領域ロータ表面２２の上流でこれに直に隣接する領域である。ロータのこの領域は、運転時に、蒸気が蒸気タービンに供給されるときに蒸気に曝される領域である。典型的には、この領域は、第１の上流翼溝２３まで延在する半径方向から軸方向への過渡面を有することにより、半径方向に供給される蒸気を軸方向に方向付けるように成形されている。

ピストン領域ロータ表面２６は、供給領域ロータ表面２４がピストン領域ロータ表面２６と翼間領域ロータ表面２２との間に配置されるように、供給領域ロータ表面２４に直に隣接して配置されている。ピストン領域の目的は、通例では単流反動式蒸気タービンの翼配列の軸端スラストに対抗し、ひいては全ての運転状況下で機械の高圧端部に向かうロータのスラストを発生させることである。ピストンは、中実なロータと一体的に成形されているか、または収縮嵌めされて所定の位置に固定されてよい。

例示的な１つの実施の形態では、ピストン領域ロータ表面２６は、ピストン領域ロータ表面２６を通る開口を備える応力緩和溝を有する。応力緩和溝は、応力緩和溝ロータ表面２８を有する。

例示的な実施の形態では、翼間領域ロータ表面２２、供給領域ロータ表面２４、ピストン領域ロータ表面２６および／または応力緩和溝ロータ表面２８のそれぞれは、熱遮蔽コーティング２９を装着しており、熱遮蔽コーティング２９は、それぞれの表面に接合されている。熱遮蔽コーティング２９を備えるそれぞれの表面２２，２４，２６，２８は、部分的にまたは完全に表面２２，２４，２６，２８を覆う熱遮蔽コーティング２９を有してよく、熱遮蔽コーティング２９の半径方向厚さは、一定であってよくまたは変化可能であってよい。

例示的な実施の形態では、応力緩和溝ロータ表面２８だけが、熱遮蔽コーティング２９を有する。

図３に示された例示的な１つの実施の形態では、蒸気タービンロータは、高圧蒸気タービンロータ１０と中圧蒸気タービンロータ２０とを有する。異なる例示的な実施の形態で記載された、高圧蒸気タービンロータ１０および中圧蒸気タービンロータ２０の両方のロータ表面１２，１４，１６，１８，２２，２４，２６，２８の熱遮蔽コーティング２９の半径方向厚さは、高圧蒸気タービンロータ部分の低サイクル疲労抵抗が、ロータ１０，２０の予測される作動状況に基づいて、中圧蒸気タービンの低サイクル疲労抵抗と同じになるように構成されている。例示的な実施の形態では、ロータ１０，２０は、単一のロータ１０，２０であってよく、または例えばフランジ、継手またはクラッチにより接合された、接合されたロータ１０，２０であってよい。

本明細書において、開示が、最も実用的で例示的な実施の形態であると考えられたもので図示され、説明されているが、本開示は、別の特定の構成で具体化することができる。ゆえに、本開示の実施の形態は、あらゆる点で例示的であり、これに制限されるものではないとみなされる。開示の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲により表され、その意味及び範囲内で生じるあらゆる変更及びその等価物が、開示の範囲に含まれるものとする。

１０高圧蒸気タービンロータ
１１内側ケーシング
１２翼間領域ロータ表面
１３翼溝
１４供給領域ロータ表面
１６ピストン領域ロータ表面
１８応力緩和溝ロータ表面
１９熱遮蔽コーティング
２０中圧蒸気タービンロータ
２２翼間領域ロータ表面
２３翼溝
２４供給領域ロータ表面
２６ピストン領域ロータ表面
２８応力緩和溝ロータ表面
２９熱遮蔽コーティング

Claims

蒸気タービンロータ（１０，２０）であって、当該蒸気タービンロータ（１０，２０）が、
軸方向に配置された、翼ルートを保持するための複数の翼溝（１３，２３）を有するロータ（１０，２０）と、
軸方向に各翼溝（１３，２３）の間に位置する翼間領域ロータ表面（１２，２２）と、
前記翼間領域ロータ表面（１２，２２）に隣接し、上流側の翼溝から延在する供給領域ロータ表面（１４，２４）と、
前記供給領域ロータ表面（１４，２４）に隣接するピストン領域ロータ表面（１６，２６）であって、前記供給領域ロータ表面（１４，２４）が前記翼間領域ロータ表面（１２，２２）と該ピストン領域ロータ表面（１６，２６）との間に位置する、ピストン領域ロータ表面（１６，２６）と
を備えており、
前記ピストン領域ロータ表面（１６，２６）が、開口を有する応力緩和溝をさらに含んでいて、該応力緩和溝が応力緩和溝ロータ表面（１８，２８）を含んでおり、
前記翼間領域ロータ表面（１２，２２）、前記供給領域ロータ表面（１４，２４）、前記応力緩和溝ロータ表面（１８，２８）及び前記ピストン領域ロータ表面（１６，２６）の各々が、前記蒸気タービンロータ（１０，２０）の通常運転中に蒸気に曝されるように構成されており、
前記ピストン領域ロータ表面（１６，２６）、前記供給領域ロータ表面（１４，２４）、前記応力緩和溝ロータ表面（１８，２８）及び前記翼間領域ロータ表面（１２，２２）の各々が、該表面を部分的又は完全に覆う熱遮蔽コーティング（１９，２９）を含んでいる、蒸気タービンロータ。
前記供給領域ロータ表面（１４，２４）が、半径方向−軸方向蒸気供給領域を形成している、請求項１記載の蒸気タービンロータ（１０，２０）。
中圧蒸気タービンロータ（２０）として構成された、請求項１又は請求項２記載の蒸気タービンロータ（１０，２０）。
高圧蒸気タービンロータ（１０）として構成された、請求項１又は請求項２記載の蒸気タービンロータ（１０，２０）。
高圧蒸気タービンロータ（１０）及び中圧蒸気タービンロータ（２０）として構成された、請求項１又は請求項２記載の蒸気タービンロータ（１０，２０）。
前記高圧蒸気タービンロータ（１０）の低サイクル疲労抵抗が前記中圧蒸気タービンロータ（２０）の低サイクル疲労抵抗と同じになるように、前記熱遮蔽コーティング（１９，２９）の半径方向厚さが構成されている、請求項５記載の蒸気タービンロータ（１０，２０）。
前記ピストン領域ロータ表面（１６，２６）、前記供給領域ロータ表面（１４，２４）、前記応力緩和溝ロータ表面（１８，２８）及び前記翼間領域ロータ表面（１２，２２）の１以上で前記熱遮蔽コーティング（１９，２９）の半径方向厚さが変化する、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータ（１０，２０）。