JPS6229704A - タ−ビンの固体粒子侵食を減らすための装置と方法 - Google Patents
タ−ビンの固体粒子侵食を減らすための装置と方法Info
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- JPS6229704A JPS6229704A JP60195017A JP19501785A JPS6229704A JP S6229704 A JPS6229704 A JP S6229704A JP 60195017 A JP60195017 A JP 60195017A JP 19501785 A JP19501785 A JP 19501785A JP S6229704 A JPS6229704 A JP S6229704A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
発明の前日
この発明は蒸気タービンの様な軸流流体タービンに於け
る固体粒子侵食（以下ＳＰＥと呼ぶ）を減らすこと、更
に具体的にいえば、複数個の回転自在のタービン羽根に
蒸気の流れを差向けるための通路又はノズルをその間に
構成するために使われる相隔たる不動のノズル隔壁＄
（ｎｏｚｚｌｅ ｐａｒｔｉ口ｏｎ）後縁又は下流側の
縁の侵食を減らすことに△ 関する。 一般的に、蒸気タービンは外部ボイラーから得られるよ
うな高圧高温蒸気に貯蔵されているエネルギを機械的な
回転運動に変換するために運転される。電力会社が発電
するために発電機に対する原動機として用いる蒸気ター
ビンは、タービン羽根車を形成する様に回転子軸の周縁
に円周方向に装着されて半径方向に伸びる複数個のター
ビン羽根（ブレード又はパケット）で構成されるのが典
型的である。一般的に、蒸気タービンは’Ｉ（１１方向
に相隔たる複数個の羽根車を持っている。回転子軸はそ
れに関連した羽根車と共に軸受に駅前され、羽根車が内
側殻体の内側に配置される。この内側殻体が相隔たる外
側殻体によって取囲まれていることがある。この２重膜
体が加圧し得るハウジングを形成し、その中で羽根車が
回転する。このハウジングが損傷の惧れのある温度勾配
を防止する。 ン五 羽根車は対応する不動のノズル・ダイヤフラム（ｄｉａ
ｐｈｒａｇｍ ）の間に配置される。このダイヤフラム
は、回転子を円周方向に取囲む１対の同心ダイヤフラム
・リングの間に略半径方向に配置されていて且つそれに
よって固定された空気力学的ｔ
る固体粒子侵食（以下ＳＰＥと呼ぶ）を減らすこと、更
に具体的にいえば、複数個の回転自在のタービン羽根に
蒸気の流れを差向けるための通路又はノズルをその間に
構成するために使われる相隔たる不動のノズル隔壁＄
（ｎｏｚｚｌｅ ｐａｒｔｉ口ｏｎ）後縁又は下流側の
縁の侵食を減らすことに△ 関する。 一般的に、蒸気タービンは外部ボイラーから得られるよ
うな高圧高温蒸気に貯蔵されているエネルギを機械的な
回転運動に変換するために運転される。電力会社が発電
するために発電機に対する原動機として用いる蒸気ター
ビンは、タービン羽根車を形成する様に回転子軸の周縁
に円周方向に装着されて半径方向に伸びる複数個のター
ビン羽根（ブレード又はパケット）で構成されるのが典
型的である。一般的に、蒸気タービンは’Ｉ（１１方向
に相隔たる複数個の羽根車を持っている。回転子軸はそ
れに関連した羽根車と共に軸受に駅前され、羽根車が内
側殻体の内側に配置される。この内側殻体が相隔たる外
側殻体によって取囲まれていることがある。この２重膜
体が加圧し得るハウジングを形成し、その中で羽根車が
回転する。このハウジングが損傷の惧れのある温度勾配
を防止する。 ン五 羽根車は対応する不動のノズル・ダイヤフラム（ｄｉａ
ｐｈｒａｇｍ ）の間に配置される。このダイヤフラム
は、回転子を円周方向に取囲む１対の同心ダイヤフラム
・リングの間に略半径方向に配置されていて且つそれに
よって固定された空気力学的ｔ
【形を持つ不動の隔！ｖ
（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）の配列によって形成される。こ
れらの隔壁が典型的にはノズル隔壁と呼ばれ、隔壁の間
の空間がノズルと呼ばれる。加圧し得る内側殻体の内部
空所に蒸気が流れると、それが交互に配置された不動の
ノズル隔壁 ぐ及び回転自在のタービン羽根車の中を
通過して、それらと協働して、回転子軸の回転運動を発
生する。１対のダイヤフラム・リングとそれに関連した
隔壁及びそれと協働する１列の下流側の羽根との組合せ
が一般的に１段と呼ばれる。各段は、蒸気入口ｇＡＩａ
から始まって、蒸気の流れの方向に順次に番号が付けら
れる。こういう考えは基本であり、一般的にタービンの
分野で周知である。 今日の大形蒸気タービンは一般的に例えば高圧（ＨＰ）
、中圧（ＩＰ）及び低圧（ＬＰ）の様な幾つかのター
ビン部分で構成されており、これらを機械的に結合して
発電機を駆動する。勿論、高圧、第１再熱（ＩＰ）、第
２再熱（低い圧力のＩＰ）及び低圧タービン部分を含む
２重再熱タービンの様なこの他の形式のタービンも可能
である。 一般的に、タービンの再熱タービン部分は全ての中圧及
び低圧タービン部分を含むものとして、即ら、高圧ター
ビン部分と第１中圧タービン部分の間に結合された蒸気
再熱器の出口から、生成された水を蒸気発生器に循環さ
せる前に蒸気を凝縮する復水器の入口までを含むものと
して定義される。 こういうタービン部分は、夫々のタービン部分に於ける
蒸気の膨張によって最適エネルギ済を抽出することが出
来る様に、種々の設計特性を持っており、こうして全体
的なタービン効率を最適にする。これらのタービン部分
の内の１つ又は更に多くを複流形式に構成し、そのター
ビン部分の中間部又はタブに入った蒸気を分流させるの
が常套手段である。１つのタービン部分のこの中間部に
入った後、蒸気は互に略反対向きに流れ、この反対向き
の蒸気の流れを使ってタービン軸に同じ向きの回転を与
える。この複流形式は機械の全体的な効率に有利に寄与
する。然し、この発明は、蒸気の流れを分流】るかどう
かに関係なく、あらゆる軸流流体タービンに全体的に適
用することが出来る。 蒸気がボイラーから高圧タービンに流れ、その後中圧及
び低圧タービンに相次いで流れる様に構成された装置で
は、ノズル隔壁の後縁部分、特に再熱部分の第１段のノ
ズル隔壁の後縁部分がＳＰＥを受けることが認められる
。Ｓ Ｉ） Ｅは、ボイラー管及び蒸気導管の蒸気側か
ら、主にマグネタイト（Ｆｅ ３０４）からなる酸化物
被膜が剥離することによるものであると考えられる。出
願人が、タービンの再熱タービン部分の第１段に於ける
ノズル隔壁の後縁のＳＰＥの実際のメツＪニズムを詳細
な研究によって確認するまでは、蒸気の流れの中に巻込
まれた汚染粒子がノズル隔壁の圧力側に直接的に当たる
ことによってＳＰＥが起こると考えられていた。然し、
驚くべきことに、この発明では、ノズルを通る蒸気の流
れの中に巻込まれた粒子の速度は比較的一定であり、ノ
ズルののど領［（即も隣り合ったノズル隔壁の間の流れ
の面積が最小である所）に近付いた時に急速に増加する
蒸気速度によって実質的に影響を受けないことが判った
。更に、大多数の粒子は、ＳＰＥを最大率で発生するの
に必要とされる比較的浅い角度とは対照的に、比較釣魚
な角度でノズル隔壁の圧力面の後縁領域に当たることが
判った。更に、圧力側に当たった粒子は運動量を失い、
従って、羽根に接近する時の角度及び速度が、羽根に衝
突した後で、蒸気の全体的に軸方向の流れに逆らって上
流側へ跳返りを生じ、ノズル隔壁の吸込み面にぶつかる
様に４１っていることが認められた。 Ｓ ｒ ＩＥを起こし易い環境内でタービンを連続運転
すると、配線的には、ノズル隔壁の後縁部分に沿って金
属の損失が生じ、このためノズル隔壁の設計された通り
の翼形が変ってしまうことがある。 この結果、そのタービン段の効率、従ってタービン全体
の効率が低下する。ＳＰＥは強制的な運転停止、保守の
ための長期間の運転停止、計画通りの検査間隔の短縮、
保守費の増加に通ずる要因にもなり１！するが、これら
全てはタービンのＵ済的な運転に悪影響を与える。 タービンのＳＰＥの問題を生ずる疑いのある源を除くた
め、ボイラーからタービンに蒸気を供給する時の望まし
くない材料を減少することに研究が進められている。然
し、現存のボイラーのボイラー管の然気側を−［事し直
したり或いは管全体を交換するのは費用がかかるし、こ
の様な変更をし ゛ても依然としてボイラーはある程
度の剥離が起こるから、タービンに於けるＳＰＨの問題
に対する解決策を見付けることが依然として望ましい。 タービン部分を通る蒸気の流れのモデルを計算機による
モデル方式で作成することにより、この発明では、高圧
タービンの第１段に対する入力蒸気圧力レベルに比べて
蒸気圧力レベルが比較的低い再熱タービンの第１段及び
他の段に於て特に作用するＳＰＥの予想外のメカニズム
が判った。即ち、ノズル隔壁、特にタービンの再熱ター
ビン部分の第１段のノズル隔壁の後縁に対するＳＰＥの
メカニズムの主要な成分は、第１段のノズル通路を出て
行く粒子が、第１段の下流側の回転する羽根の前縁部分
に当たることであることが判った。 羽根に当たった後、粒子は羽根から跳返り、ノズル隔壁
のＳＰＥを生じさせるのに十分な速度で且つそれに適切
な角度で、第１段のノズル隔壁の吸込み面に当たる。こ
のため、従来考えられていたのとは対照的に、再熱ター
ビン部分の第１段のノズル隔壁の後縁のＳＰＥのおもな
原因は、この発明では、タービン段を通る蒸気の流れと
は反対向きにノズル隔壁の後縁部分の吸込み側に粒子が
衝突することによることであると判定された。 従って、この発明の目的は、ノズル隔壁の吸込み側の後
縁部分に衝突する粒子によるノズル隔壁の後縁部分の固
体粒子侵食を防止することである。 この発明の別の目的は、グイレフラム・リングの端壁の
固体粒子侵食を防止することである。 発明の要約 この発明では、軸流流体タービンのノズル隔壁が、ノズ
ル隔壁の吸込み側の少なくとも一部分の上に、好ましく
はノズルののどから後縁までの部分上に配置されていて
、ノズル隔壁の固体粒子侵食を防止する保護手段を含ん
でいる。 この発明の新規と考えられる特徴は、特許請求の範囲に
具体的に記載しであるが、この発明自体の構成、作用及
びその他の目的並びに利点は、以下図面について詳しく
説明するところから最も良く理解されよう。 詳しい説明 第１図には、軸流再熱蒸気タービンの第１段が示されて
いる。第１図に示す段は代表に過ぎず、この発明が任意
の軸流流体タービンに適用し１ｑることを承知されたい
。この段は、回転子１０を円周方向に取囲む内側ダイヤ
フラム・リング又はウェブ１７と、外側ダイヤフラム・
リング１９との間に全体的に半径方向に配置された複数
個のノズル隔壁２０と、回転軸線１５を持つ回転子１０
に固定されていて、それと共に回転し得る複数個のター
ビン羽根（ブレード又はパケット）３０とで構成されて
いる。回転軸線１５は、一般的には回転子１０の中心に
ある只の回転軸線と平行な基準として示されている。第
１図に示すように、羽根３０は、回転子１０の半径方向
に伸びるその一部分であっても良いホイール１４に固着
し得る。蒸気の洩れを減少するためのラビリンス封じの
様な封じ手段１６が、内側のダイヤフラム・リング１７
の半径方向内側部分と回転子１０の周縁との間に配置さ
れている。固体粒子侵食を防止するための被覆材料の層
の様な侵食阻止手段２５が外側のダイヤフラム・リング
１９の端壁２９の上に円周方向に配置されて、軸方向に
はノズル隔壁２０の後縁２４と羽根先端スピル・ストリ
ップ満３５との間に伸びている。この満３５の中にスピ
ル・ストリップ３７が配置されている。典型的にはター
ビン部分は複数個の段で構成されていて、これらの段が
互いに協動して蒸気からエネルギを抽出する。架橋隔壁
２７がノズル隔壁２０の上流側に配置されていて、内側
のダイヤフラム・リング１７と外側のダイヤフラム・リ
ング１９の問を半径方向に伸び、内側のダイヤフラム・
リング１７を外側のダイヤフラム・リング１９と同心に
なるように支持し且つ保持する。外側のダイヤフラム・
リング１９は全体的にケーシング又はハウジング（図に
示してない）の内壁に固定されている。複数個の架橋隔
壁が回転子１０の周りに円周方向に一様な間隔で設【ノ
られている。 第２図には、第１図の線２−２の矢印の方向に見た図が
示されている。複数個のノズル隔壁２０（第１図）の内
の３つのノズル隔壁２０ａ 、２０ 。 ｂ、２０ｃが見易い様に示されている。複数個のノズル
隔壁２０が全般的にタービン部分の回転子１０（第１図
）を一様に円周方向に取囲んでいることを承知されたい
。同様に、複数個のタービン羽根３０（第１図）の内の
３個が示されている。 タービン羽根３０が全体的に回転子１０を一様に円周方
向に取囲んでいることを承知されたい。 説明の便宜のため並びに繰返しを避【ノるため、１個の
ノズル隔壁２０ａ及び１個のタービン羽根３０ａについ
て詳しく説明するが、複数個のノズル隔壁２０の残りの
ノズル隔壁と複数個のタービン羽根３０の残りのタービ
ン羽根が同様に作られていることはいうまでもない。 ノズル隔壁２０ａが前縁２２及び空気力学的な形をした
圧力面又は圧力側２６を持っている。この圧力側は前縁
２２から伸びていて、空気力学的な形を持つ吸込み面又
は吸込み側２８とノズル隔壁２０ａの後縁２４で交差す
る。吸込み側も前縁２２から伸びている。ノズル隔壁２
０ａがノズル隔壁２０ｂから隔たって、その間に通路又
はノズル２１を形成する。ノズル隔壁２０ａの後縁２４
を基準として、通路２１の内の最も小さな流れの面積の
のどを線２３で示してあり、これがノズル隔壁２０ａの
後縁２４と、ノズル隔壁２０ｂの吸込み面の点４２（第
１図に示す線４２を表す）との間を伸びている。このた
め、通路２１に入った流体の流れが収斂し、のど２３に
達するまで加速され、次いでのど２３の下流側で発散す
る。タービン羽根３０ａが前縁３２）及び空気力学的な
形をした圧力側３６を持ち、この圧力側が前縁３２から
伸びて空気力学的な形をした吸込み側３８と羽根３０ａ
の後縁３４で交差する。吸込み側も前縁３２から伸びて
いる。 ノズル隔壁２０ａを形成する金属よりもＳＰＥに対する
抵抗力が一層大きい金属のシート又は被覆の様な保護手
段４０が、ノズル隔壁２０ａの吸込み側２８の少なくと
も一部分の上に広がっている。保護手段４０は吸込み側
２８の全体の上に伸びでいてもよいが、空気力学的な流
れを保つために滑らかな外面を持ち且つ厚さが後縁２４
から徐々に変化してのどの点４２で終端する様にして、
この保護手段４０がのど２３の上流側のノズル２１の空
気力学的な形状と干渉しない様にすることが好ましい。 保護手段４０は、タービンに起こると予想される様なＳ
ＰＥに対する抵抗力があり、ノズル隔壁２０ａのり材の
組成と適合し得る任意の材料で構成することが出来る。 例えば、典型的には蒸気タービンの蒸気通路の部品に対
する構成材料として、クロム１２％のステンレス鋼のマ
ルテンサイト群が使われる。保護手段４０が被覆を含む
時、それはプラズマ吹き付は及び拡散被覆の様な方法に
より、ノズル隔壁２０ａの吸込み側２８の少なくとも一
部分の上に適用することが出来る。ノズル隔壁２０ａを
形成する材料よりも侵食に対する抵抗力が一層大きい任
意の材料を保護手段４０に使うことが出来るが、ノズル
隔壁の圧力側の被覆に典型的に使われる様な炭化タング
ステン又は炭化クロムをベースとした材料を使うことが
出来る。この変りに、保護手段４０は、ノズル隔壁２０
ａを構成する材料のＳＰＥ抵抗力よりも大ぎなＳＰＥ抵
抗力を持つシート材料を含んでいて良い。シート材料は
、溶接等により、ノズル隔壁２０ａの吸込み側２８の所
望の部分の上に固着することが出来る。ノズル隔壁２０
ａの吸込み側２８の材料の一部分は、シート材料を適用
する前に除去して、より多くのＳＰＥ抵抗力を持つ材料
を使うことが出来る様にしながら、吸込み側２８の空気
力学的な輪郭を実質的に保つことが出来る。 拡散被覆として保護手段４０を適用する１つの方法は、
バック接着（ｐａｃｋ ｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）方法
である。この場合、被覆しようとする部品、例えばノズ
ル隔壁２０を、不活性粉末と、表面に拡散しようとする
元素の源と、ハロゲン化物塩の様な活性剤とを含む混合
物の中に詰める。詰めた部品を数時間の間約１６５０”
Ｆ乃至約２０００”Ｆの温度に加熱し、その後冷却して
、パックを取出す。パック拡散温度からの冷却速度は比
較的遅く、所望の機械的な性質を得るには部品を熱処理
することが必要である。 この発明に従って、タービン部品を後からはめ込む際、
現存のタービン部品の過度の加熱によって問題が起こる
のを避けるために、内側及び外側のダイヤフラム・リン
グ１７．１９（第１図）は、その間に相隔たる複数個の
ノズル隔壁２０を持つ２個の１８０”のセグメントとし
て製造することが出来る。現存の内側及び外側のダイヤ
フラム・リング及びノズル隔壁を取外し、内側及び外側
のダイヤフラム・リング１７．１９と、所望の保護手段
４０を含むノズル隔壁２０とをタービン蒸気通路内の所
定位置に溶接することが出来る。 第２図には、ノズル２１に入ってノズル隔壁２０ａ 、
２０ｂの間を流れる流体に巻込まれた粒子５５について
の、発明者が決定した典型的な予測軌跡パターン５０も
示されている。粒子は、ノズル２１を出た侵、タービン
が運転されている時の羽根３０とノズル隔壁２０との間
の相対運動のため、矢印５３．５７で図式的に示すよう
に流れる。 軌跡パターン５０が、タービンの負荷、粒子の寸法、流
体密度及び流体の通路の形状の様な運転条件に従って変
化し得ること、並びに粒子５５が最終的にはノズル隔壁
２０の間の全てのノズル２１に入ることを承知されたい
。若干の粒子５５がノズル隔壁２０ａ 、２０ｂの前縁
２２の領域に衝突し、大抵の粒子５５は、もし最初に圧
力面２６にぶつからなければ、粒子５５がノズル２１か
ら出て行くのに必要な曲りがとれないために、ノズル隔
壁２０ａの圧力面２６に最終的に衝突する。粒子５５は
比較的低い速度及び急な角度で、後縁２４の近くの領域
で圧力面２６に衝突するが、これは最大率のＳＰＥを生
ずるのに必要な比較的高い速度及び浅い衝突角度に比べ
て、ＳＰＥを最小限に抑える。 粒子５５は、ノズル２１を出た復、回転する羽根３０に
対して矢印５３で示す方向に、羽根３０ｂの吸込み側３
８に衝突し、ノズル隔壁２０ｂに対し矢印５７で示す方
向に上流側へ跳返り、ノズル隔壁２０ｂの吸込み側２８
の保護手段４０にぶつかる。タービンの運転中、羽根３
０が回転しており、従って、ノズル２１からの粒子は羽
根３０ａ又はその他のある羽根３０の吸込み而３８にぶ
つかり、跳返って、ノズル隔壁２０ｂ又はノズル隔壁２
０ｂから羽根３０の回転方向に見て円周方向にずれた別
のノズル隔壁２０の保護手段４０にぶつかることがある
ことを承知されたい。然し、ノズル隔壁２０及び羽根３
０が全体的に一様に回転子１０（第１図）を取囲んでお
り、更に流体が隔壁２０より上流側の領域に、円周方向
には全体的に一様に導入されるから、各々のノズル２１
は一般的にその中を流れる粒子５５を持ち、このため、
吸込み面２８の各々の保護手段４０には、軸方向下流側
の方向から粒子５５が衝突する。ノズル２１を出た粒子
５５がぶつかる実際の羽根は、粒子５５の軸方向の速度
成分、羽根３０の角速度及び粒子５５がノズル２１を出
て行く時のノズル隔壁２０ａと羽根３０ａの間の空間関
係に関係する。従って、この発明で判った様に粒子５５
の跳返りのメカニズムによって発生されるＳＰＥの影響
を少なくする別の方法は、１段のノズルＩＩ！壁２０と
その関連した羽根３０の間の軸方向の間隔６０を増加す
ることである。こうすれば、ノズル隔壁２０にぶつかる
跳返り粒子５５の運Ｉ７１組が減少するからである。ノ
ズル隔壁２０及び羽根３０の間の軸方向の寸法を増加す
ることは、単独に用いてもよいし、又は保護手段５０と
組合せて用いてもよい。 以上、ノズル隔壁の吸込み側の後縁部分に衝突する粒子
によるノズル隔壁の後縁部分の固体粒子侵食を防止する
と共に、ダイヘアフラム・リングの端壁の固体粒子侵食
を防止する手段を例示し且つ説明した。 例として、この発明の成る好ましい特徴だけを示したが
、当業考には種々の変更が考えられよう。 特許請求の範囲は、この発明の範囲内で可能なこの様ｉ
全での変更を包括するものである。
（ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）の配列によって形成される。こ
れらの隔壁が典型的にはノズル隔壁と呼ばれ、隔壁の間
の空間がノズルと呼ばれる。加圧し得る内側殻体の内部
空所に蒸気が流れると、それが交互に配置された不動の
ノズル隔壁 ぐ及び回転自在のタービン羽根車の中を
通過して、それらと協働して、回転子軸の回転運動を発
生する。１対のダイヤフラム・リングとそれに関連した
隔壁及びそれと協働する１列の下流側の羽根との組合せ
が一般的に１段と呼ばれる。各段は、蒸気入口ｇＡＩａ
から始まって、蒸気の流れの方向に順次に番号が付けら
れる。こういう考えは基本であり、一般的にタービンの
分野で周知である。 今日の大形蒸気タービンは一般的に例えば高圧（ＨＰ）
、中圧（ＩＰ）及び低圧（ＬＰ）の様な幾つかのター
ビン部分で構成されており、これらを機械的に結合して
発電機を駆動する。勿論、高圧、第１再熱（ＩＰ）、第
２再熱（低い圧力のＩＰ）及び低圧タービン部分を含む
２重再熱タービンの様なこの他の形式のタービンも可能
である。 一般的に、タービンの再熱タービン部分は全ての中圧及
び低圧タービン部分を含むものとして、即ら、高圧ター
ビン部分と第１中圧タービン部分の間に結合された蒸気
再熱器の出口から、生成された水を蒸気発生器に循環さ
せる前に蒸気を凝縮する復水器の入口までを含むものと
して定義される。 こういうタービン部分は、夫々のタービン部分に於ける
蒸気の膨張によって最適エネルギ済を抽出することが出
来る様に、種々の設計特性を持っており、こうして全体
的なタービン効率を最適にする。これらのタービン部分
の内の１つ又は更に多くを複流形式に構成し、そのター
ビン部分の中間部又はタブに入った蒸気を分流させるの
が常套手段である。１つのタービン部分のこの中間部に
入った後、蒸気は互に略反対向きに流れ、この反対向き
の蒸気の流れを使ってタービン軸に同じ向きの回転を与
える。この複流形式は機械の全体的な効率に有利に寄与
する。然し、この発明は、蒸気の流れを分流】るかどう
かに関係なく、あらゆる軸流流体タービンに全体的に適
用することが出来る。 蒸気がボイラーから高圧タービンに流れ、その後中圧及
び低圧タービンに相次いで流れる様に構成された装置で
は、ノズル隔壁の後縁部分、特に再熱部分の第１段のノ
ズル隔壁の後縁部分がＳＰＥを受けることが認められる
。Ｓ Ｉ） Ｅは、ボイラー管及び蒸気導管の蒸気側か
ら、主にマグネタイト（Ｆｅ ３０４）からなる酸化物
被膜が剥離することによるものであると考えられる。出
願人が、タービンの再熱タービン部分の第１段に於ける
ノズル隔壁の後縁のＳＰＥの実際のメツＪニズムを詳細
な研究によって確認するまでは、蒸気の流れの中に巻込
まれた汚染粒子がノズル隔壁の圧力側に直接的に当たる
ことによってＳＰＥが起こると考えられていた。然し、
驚くべきことに、この発明では、ノズルを通る蒸気の流
れの中に巻込まれた粒子の速度は比較的一定であり、ノ
ズルののど領［（即も隣り合ったノズル隔壁の間の流れ
の面積が最小である所）に近付いた時に急速に増加する
蒸気速度によって実質的に影響を受けないことが判った
。更に、大多数の粒子は、ＳＰＥを最大率で発生するの
に必要とされる比較的浅い角度とは対照的に、比較釣魚
な角度でノズル隔壁の圧力面の後縁領域に当たることが
判った。更に、圧力側に当たった粒子は運動量を失い、
従って、羽根に接近する時の角度及び速度が、羽根に衝
突した後で、蒸気の全体的に軸方向の流れに逆らって上
流側へ跳返りを生じ、ノズル隔壁の吸込み面にぶつかる
様に４１っていることが認められた。 Ｓ ｒ ＩＥを起こし易い環境内でタービンを連続運転
すると、配線的には、ノズル隔壁の後縁部分に沿って金
属の損失が生じ、このためノズル隔壁の設計された通り
の翼形が変ってしまうことがある。 この結果、そのタービン段の効率、従ってタービン全体
の効率が低下する。ＳＰＥは強制的な運転停止、保守の
ための長期間の運転停止、計画通りの検査間隔の短縮、
保守費の増加に通ずる要因にもなり１！するが、これら
全てはタービンのＵ済的な運転に悪影響を与える。 タービンのＳＰＥの問題を生ずる疑いのある源を除くた
め、ボイラーからタービンに蒸気を供給する時の望まし
くない材料を減少することに研究が進められている。然
し、現存のボイラーのボイラー管の然気側を−［事し直
したり或いは管全体を交換するのは費用がかかるし、こ
の様な変更をし ゛ても依然としてボイラーはある程
度の剥離が起こるから、タービンに於けるＳＰＨの問題
に対する解決策を見付けることが依然として望ましい。 タービン部分を通る蒸気の流れのモデルを計算機による
モデル方式で作成することにより、この発明では、高圧
タービンの第１段に対する入力蒸気圧力レベルに比べて
蒸気圧力レベルが比較的低い再熱タービンの第１段及び
他の段に於て特に作用するＳＰＥの予想外のメカニズム
が判った。即ち、ノズル隔壁、特にタービンの再熱ター
ビン部分の第１段のノズル隔壁の後縁に対するＳＰＥの
メカニズムの主要な成分は、第１段のノズル通路を出て
行く粒子が、第１段の下流側の回転する羽根の前縁部分
に当たることであることが判った。 羽根に当たった後、粒子は羽根から跳返り、ノズル隔壁
のＳＰＥを生じさせるのに十分な速度で且つそれに適切
な角度で、第１段のノズル隔壁の吸込み面に当たる。こ
のため、従来考えられていたのとは対照的に、再熱ター
ビン部分の第１段のノズル隔壁の後縁のＳＰＥのおもな
原因は、この発明では、タービン段を通る蒸気の流れと
は反対向きにノズル隔壁の後縁部分の吸込み側に粒子が
衝突することによることであると判定された。 従って、この発明の目的は、ノズル隔壁の吸込み側の後
縁部分に衝突する粒子によるノズル隔壁の後縁部分の固
体粒子侵食を防止することである。 この発明の別の目的は、グイレフラム・リングの端壁の
固体粒子侵食を防止することである。 発明の要約 この発明では、軸流流体タービンのノズル隔壁が、ノズ
ル隔壁の吸込み側の少なくとも一部分の上に、好ましく
はノズルののどから後縁までの部分上に配置されていて
、ノズル隔壁の固体粒子侵食を防止する保護手段を含ん
でいる。 この発明の新規と考えられる特徴は、特許請求の範囲に
具体的に記載しであるが、この発明自体の構成、作用及
びその他の目的並びに利点は、以下図面について詳しく
説明するところから最も良く理解されよう。 詳しい説明 第１図には、軸流再熱蒸気タービンの第１段が示されて
いる。第１図に示す段は代表に過ぎず、この発明が任意
の軸流流体タービンに適用し１ｑることを承知されたい
。この段は、回転子１０を円周方向に取囲む内側ダイヤ
フラム・リング又はウェブ１７と、外側ダイヤフラム・
リング１９との間に全体的に半径方向に配置された複数
個のノズル隔壁２０と、回転軸線１５を持つ回転子１０
に固定されていて、それと共に回転し得る複数個のター
ビン羽根（ブレード又はパケット）３０とで構成されて
いる。回転軸線１５は、一般的には回転子１０の中心に
ある只の回転軸線と平行な基準として示されている。第
１図に示すように、羽根３０は、回転子１０の半径方向
に伸びるその一部分であっても良いホイール１４に固着
し得る。蒸気の洩れを減少するためのラビリンス封じの
様な封じ手段１６が、内側のダイヤフラム・リング１７
の半径方向内側部分と回転子１０の周縁との間に配置さ
れている。固体粒子侵食を防止するための被覆材料の層
の様な侵食阻止手段２５が外側のダイヤフラム・リング
１９の端壁２９の上に円周方向に配置されて、軸方向に
はノズル隔壁２０の後縁２４と羽根先端スピル・ストリ
ップ満３５との間に伸びている。この満３５の中にスピ
ル・ストリップ３７が配置されている。典型的にはター
ビン部分は複数個の段で構成されていて、これらの段が
互いに協動して蒸気からエネルギを抽出する。架橋隔壁
２７がノズル隔壁２０の上流側に配置されていて、内側
のダイヤフラム・リング１７と外側のダイヤフラム・リ
ング１９の問を半径方向に伸び、内側のダイヤフラム・
リング１７を外側のダイヤフラム・リング１９と同心に
なるように支持し且つ保持する。外側のダイヤフラム・
リング１９は全体的にケーシング又はハウジング（図に
示してない）の内壁に固定されている。複数個の架橋隔
壁が回転子１０の周りに円周方向に一様な間隔で設【ノ
られている。 第２図には、第１図の線２−２の矢印の方向に見た図が
示されている。複数個のノズル隔壁２０（第１図）の内
の３つのノズル隔壁２０ａ 、２０ 。 ｂ、２０ｃが見易い様に示されている。複数個のノズル
隔壁２０が全般的にタービン部分の回転子１０（第１図
）を一様に円周方向に取囲んでいることを承知されたい
。同様に、複数個のタービン羽根３０（第１図）の内の
３個が示されている。 タービン羽根３０が全体的に回転子１０を一様に円周方
向に取囲んでいることを承知されたい。 説明の便宜のため並びに繰返しを避【ノるため、１個の
ノズル隔壁２０ａ及び１個のタービン羽根３０ａについ
て詳しく説明するが、複数個のノズル隔壁２０の残りの
ノズル隔壁と複数個のタービン羽根３０の残りのタービ
ン羽根が同様に作られていることはいうまでもない。 ノズル隔壁２０ａが前縁２２及び空気力学的な形をした
圧力面又は圧力側２６を持っている。この圧力側は前縁
２２から伸びていて、空気力学的な形を持つ吸込み面又
は吸込み側２８とノズル隔壁２０ａの後縁２４で交差す
る。吸込み側も前縁２２から伸びている。ノズル隔壁２
０ａがノズル隔壁２０ｂから隔たって、その間に通路又
はノズル２１を形成する。ノズル隔壁２０ａの後縁２４
を基準として、通路２１の内の最も小さな流れの面積の
のどを線２３で示してあり、これがノズル隔壁２０ａの
後縁２４と、ノズル隔壁２０ｂの吸込み面の点４２（第
１図に示す線４２を表す）との間を伸びている。このた
め、通路２１に入った流体の流れが収斂し、のど２３に
達するまで加速され、次いでのど２３の下流側で発散す
る。タービン羽根３０ａが前縁３２）及び空気力学的な
形をした圧力側３６を持ち、この圧力側が前縁３２から
伸びて空気力学的な形をした吸込み側３８と羽根３０ａ
の後縁３４で交差する。吸込み側も前縁３２から伸びて
いる。 ノズル隔壁２０ａを形成する金属よりもＳＰＥに対する
抵抗力が一層大きい金属のシート又は被覆の様な保護手
段４０が、ノズル隔壁２０ａの吸込み側２８の少なくと
も一部分の上に広がっている。保護手段４０は吸込み側
２８の全体の上に伸びでいてもよいが、空気力学的な流
れを保つために滑らかな外面を持ち且つ厚さが後縁２４
から徐々に変化してのどの点４２で終端する様にして、
この保護手段４０がのど２３の上流側のノズル２１の空
気力学的な形状と干渉しない様にすることが好ましい。 保護手段４０は、タービンに起こると予想される様なＳ
ＰＥに対する抵抗力があり、ノズル隔壁２０ａのり材の
組成と適合し得る任意の材料で構成することが出来る。 例えば、典型的には蒸気タービンの蒸気通路の部品に対
する構成材料として、クロム１２％のステンレス鋼のマ
ルテンサイト群が使われる。保護手段４０が被覆を含む
時、それはプラズマ吹き付は及び拡散被覆の様な方法に
より、ノズル隔壁２０ａの吸込み側２８の少なくとも一
部分の上に適用することが出来る。ノズル隔壁２０ａを
形成する材料よりも侵食に対する抵抗力が一層大きい任
意の材料を保護手段４０に使うことが出来るが、ノズル
隔壁の圧力側の被覆に典型的に使われる様な炭化タング
ステン又は炭化クロムをベースとした材料を使うことが
出来る。この変りに、保護手段４０は、ノズル隔壁２０
ａを構成する材料のＳＰＥ抵抗力よりも大ぎなＳＰＥ抵
抗力を持つシート材料を含んでいて良い。シート材料は
、溶接等により、ノズル隔壁２０ａの吸込み側２８の所
望の部分の上に固着することが出来る。ノズル隔壁２０
ａの吸込み側２８の材料の一部分は、シート材料を適用
する前に除去して、より多くのＳＰＥ抵抗力を持つ材料
を使うことが出来る様にしながら、吸込み側２８の空気
力学的な輪郭を実質的に保つことが出来る。 拡散被覆として保護手段４０を適用する１つの方法は、
バック接着（ｐａｃｋ ｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）方法
である。この場合、被覆しようとする部品、例えばノズ
ル隔壁２０を、不活性粉末と、表面に拡散しようとする
元素の源と、ハロゲン化物塩の様な活性剤とを含む混合
物の中に詰める。詰めた部品を数時間の間約１６５０”
Ｆ乃至約２０００”Ｆの温度に加熱し、その後冷却して
、パックを取出す。パック拡散温度からの冷却速度は比
較的遅く、所望の機械的な性質を得るには部品を熱処理
することが必要である。 この発明に従って、タービン部品を後からはめ込む際、
現存のタービン部品の過度の加熱によって問題が起こる
のを避けるために、内側及び外側のダイヤフラム・リン
グ１７．１９（第１図）は、その間に相隔たる複数個の
ノズル隔壁２０を持つ２個の１８０”のセグメントとし
て製造することが出来る。現存の内側及び外側のダイヤ
フラム・リング及びノズル隔壁を取外し、内側及び外側
のダイヤフラム・リング１７．１９と、所望の保護手段
４０を含むノズル隔壁２０とをタービン蒸気通路内の所
定位置に溶接することが出来る。 第２図には、ノズル２１に入ってノズル隔壁２０ａ 、
２０ｂの間を流れる流体に巻込まれた粒子５５について
の、発明者が決定した典型的な予測軌跡パターン５０も
示されている。粒子は、ノズル２１を出た侵、タービン
が運転されている時の羽根３０とノズル隔壁２０との間
の相対運動のため、矢印５３．５７で図式的に示すよう
に流れる。 軌跡パターン５０が、タービンの負荷、粒子の寸法、流
体密度及び流体の通路の形状の様な運転条件に従って変
化し得ること、並びに粒子５５が最終的にはノズル隔壁
２０の間の全てのノズル２１に入ることを承知されたい
。若干の粒子５５がノズル隔壁２０ａ 、２０ｂの前縁
２２の領域に衝突し、大抵の粒子５５は、もし最初に圧
力面２６にぶつからなければ、粒子５５がノズル２１か
ら出て行くのに必要な曲りがとれないために、ノズル隔
壁２０ａの圧力面２６に最終的に衝突する。粒子５５は
比較的低い速度及び急な角度で、後縁２４の近くの領域
で圧力面２６に衝突するが、これは最大率のＳＰＥを生
ずるのに必要な比較的高い速度及び浅い衝突角度に比べ
て、ＳＰＥを最小限に抑える。 粒子５５は、ノズル２１を出た復、回転する羽根３０に
対して矢印５３で示す方向に、羽根３０ｂの吸込み側３
８に衝突し、ノズル隔壁２０ｂに対し矢印５７で示す方
向に上流側へ跳返り、ノズル隔壁２０ｂの吸込み側２８
の保護手段４０にぶつかる。タービンの運転中、羽根３
０が回転しており、従って、ノズル２１からの粒子は羽
根３０ａ又はその他のある羽根３０の吸込み而３８にぶ
つかり、跳返って、ノズル隔壁２０ｂ又はノズル隔壁２
０ｂから羽根３０の回転方向に見て円周方向にずれた別
のノズル隔壁２０の保護手段４０にぶつかることがある
ことを承知されたい。然し、ノズル隔壁２０及び羽根３
０が全体的に一様に回転子１０（第１図）を取囲んでお
り、更に流体が隔壁２０より上流側の領域に、円周方向
には全体的に一様に導入されるから、各々のノズル２１
は一般的にその中を流れる粒子５５を持ち、このため、
吸込み面２８の各々の保護手段４０には、軸方向下流側
の方向から粒子５５が衝突する。ノズル２１を出た粒子
５５がぶつかる実際の羽根は、粒子５５の軸方向の速度
成分、羽根３０の角速度及び粒子５５がノズル２１を出
て行く時のノズル隔壁２０ａと羽根３０ａの間の空間関
係に関係する。従って、この発明で判った様に粒子５５
の跳返りのメカニズムによって発生されるＳＰＥの影響
を少なくする別の方法は、１段のノズルＩＩ！壁２０と
その関連した羽根３０の間の軸方向の間隔６０を増加す
ることである。こうすれば、ノズル隔壁２０にぶつかる
跳返り粒子５５の運Ｉ７１組が減少するからである。ノ
ズル隔壁２０及び羽根３０の間の軸方向の寸法を増加す
ることは、単独に用いてもよいし、又は保護手段５０と
組合せて用いてもよい。 以上、ノズル隔壁の吸込み側の後縁部分に衝突する粒子
によるノズル隔壁の後縁部分の固体粒子侵食を防止する
と共に、ダイヘアフラム・リングの端壁の固体粒子侵食
を防止する手段を例示し且つ説明した。 例として、この発明の成る好ましい特徴だけを示したが
、当業考には種々の変更が考えられよう。 特許請求の範囲は、この発明の範囲内で可能なこの様ｉ
全での変更を包括するものである。
第１図はこの発明の再熱タービンの第１段の側面図、第
２図は第１図の線２−２から見た図である。 （主な符号の説明） １０：回転子 １７：内側ダイヤフラム・リング １９：外側ダイヤフラム・リング ２０：ノズル隔壁 ２２：前 縁 ２３：の ど ２４：後 縁 ２５：侵食阻止手段 ２６：圧力面 ２８：吸込み面 ２９；端 壁 ３０：タービンの羽根 ４ｏ・得講与段
２図は第１図の線２−２から見た図である。 （主な符号の説明） １０：回転子 １７：内側ダイヤフラム・リング １９：外側ダイヤフラム・リング ２０：ノズル隔壁 ２２：前 縁 ２３：の ど ２４：後 縁 ２５：侵食阻止手段 ２６：圧力面 ２８：吸込み面 ２９；端 壁 ３０：タービンの羽根 ４ｏ・得講与段
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）軸流流体タービンのノズル隔壁に於て、空気力学的
な形をした吸込み面を持つと共に、該吸込み面の少なく
とも一部分の上に配置された、ノズル隔壁の固体粒子侵
食を防止する保護手段を持つノズル隔壁。 ２）特許請求の範囲１）に記載したノズル隔壁に於て、
空気力学的な形をした圧力面を持ち、該圧力面は後縁で
前記吸込み面と交差し、前記保護手段が前記後縁まで配
置されているノズル隔壁。 ３）特許請求の範囲２）に記載したノズル隔壁に於て、
前記保護手段が、ノズル隔壁の吸込み面と空気力学的に
同形の面を持っているノズル隔壁。 ４）特許請求の範囲１）に記載したノズル隔壁に於て、
前記保護手段が吸込み側全体の上に配置されているノズ
ル隔壁。 ５）特許請求の範囲１）に記載したノズル隔壁に於て、
ノズル隔壁がクロム１２％のステンレス鋼のマルテンサ
イト群から選ばれた第１の材料で構成され、前記保護手
段が炭化クロム及び炭化タングステンからなる群から選
ばれた第２の材料で構成されるノズル隔壁。 ６）特許請求の範囲１）に記載したノズル隔壁に於て、
前記保護手段が被覆を有するノズル隔壁。 ７）特許請求の範囲５）に記載したノズル隔壁に於て、
前記保護手段が被覆を有するノズル隔壁。 ８）特許請求の範囲１）に記載したノズル隔壁に於て、
前記保護手段がシート材料で構成されているノズル隔壁
。 ９）特許請求の範囲６）に記載したノズル隔壁に於て、
前記被覆が、ノズル隔壁を構成する材料よりも固体粒子
の侵食に対する抵抗力が一層大きいノズル隔壁。 １０）軸流流体タービン用の１対のノズル隔壁に於て、
該１対の内の一方のノズル隔壁は空気力学的な形をした
吸込み面を持つと共に、該吸込み面の少なくとも一部分
の上に配置された、前記一方のノズル隔壁の固体粒子侵
食を防止する保護手段を含んでおり、他方のノズル隔壁
は前記一方のノズル隔壁から隔たっていて、前記吸込み
面と向かい合う空気力学的な形をした圧力面を持ち、前
記吸込み面及び圧力面が１対のノズル隔壁の間にノズル
通路を構成するようになっている１対のノズル隔壁。 １１）特許請求の範囲１０）に記載した１対のノズル隔
壁に於て、前記一方のノズル隔壁が後縁を持ち、前記保
護手段が該後縁に接している１対のノズル隔壁。 １２）特許請求の範囲１１）に記載した１対のノズル隔
壁に於て、前記他方のノズル隔壁が前記ノズル通路内に
のどを形成するように、前記一方のノズル隔壁から更に
隔たっており、該のどの縁の一部分が前記圧力面及び吸
込み面の予定の部分によって構成され、前記保護手段が
前記後縁と前記のどの一部分を構成する吸込み側の部分
との間の吸込み面の上に伸びている一対のノズル隔壁。 １３）特許請求の範囲１２）に記載した１対のノズル隔
壁に於て、前記保護手段の厚さが前記後縁から前記吸込
み側の内の前記のどの一部分を構成する部分まで変化し
ている１対のノズル隔壁。 １４）特許請求の範囲１３）に記載した１対のノズル隔
壁に於て、前記保護手段が前記ノズル通路内に配置され
た面を持ち、この面が空気力学的な輪郭になっている１
対のノズル隔壁。 １５）特許請求の範囲１２）に記載した１対のノズル隔
壁に於て、各々のノズル隔壁がクロム１２％のステンレ
ス鋼のマルテンサイト群から独立に夫々選ばれた第１の
材料で構成され、前記保護手段が炭化クロム及び炭化タ
ングステンからなる群から夫々独立に選ばれた第２の材
料で構成されている１対のノズル隔壁。 １６）特許請求の範囲１５）に記載した１対のノズル隔
壁に於て、前記保護手段が被覆を持つ１対のノズル隔壁
。 １７）特許請求の範囲１０）に記載した１対のノズル隔
壁に於て、前記保護手段が被覆を持つ１対のノズル隔壁
。 １８）回転子を持つ蒸気タービンの段に於て、前記回転
子を円周方向に取囲む空気力学的な形をした相隔たる複
数個のノズル隔壁を持ち、該複数個のノズル隔壁の内の
少なくとも１つは後縁で交差する圧力面及び吸込み面を
持ち、前記複数個のノズル隔壁の内の前記少なくとも１
つは、前記吸込み面の少なくとも一部分の上に配置され
ていて、前記複数個のノズル隔壁の内の前記少なくとも
１つの固体粒子侵食を防止する保護手段を持っている段
。 １９）特許請求の範囲１８）に記載した段に於て、各々
のノズル隔壁が後縁で交差する圧力面及び吸込み面を持
ち、各々のノズル隔壁は夫々の吸込み面の少なくとも一
部分の上に配置されていて、前記複数個のノズル隔壁の
各々の固体粒子侵食を防止する保護手段を夫々持ってい
る段。 ２０）特許請求の範囲１９）に記載した段に於て、複数
個の羽根と、前記複数個のノズル隔壁を円周方向に取囲
むダイヤフラム・リングとを有し、該ダイヤフラム・リ
ングの内側端壁は前記複数個のノズル隔壁の各々とその
後縁で交差し且つ前記複数個のノズル隔壁を越えて伸び
て、前記複数個の羽根を円周方向に取囲む端壁面を持ち
、前記内側端壁が前記端壁面の上に配置された侵食阻止
手段を持っている段。 ２１）後縁で交差する吸込み面及び圧力面を持つノズル
隔壁が流体の軸流通路内に配置される様になっていて、
前記ノズル隔壁の下流側の前記流路内の領域から前記吸
込み面に衝突する侵食剤の作用を受ける様なノズル隔壁
の固体粒子侵食を防止する方法に於て、前記吸込み面の
少なくとも一部分の上に保護手段を固着する工程を含む
方法。 ２２）特許請求の範囲２１）に記載した方法に於て、前
記ノズル隔壁が複数個の回転自在の羽根より軸方向上流
側に配置されていて、前記侵食剤は少なくとも１つの回
転自在の羽根に当たった後に前記吸込み面に衝突するも
のであり、更に、前記侵食剤が少なくとも１つの回転自
在の羽根に当たった後に前記吸込み面に衝突しないよう
に所定の距離だけ、前記ノズル隔壁及び複数個の羽根を
軸方向に隔てる工程を含む方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/760,214 US4776765A (en) | 1985-07-29 | 1985-07-29 | Means and method for reducing solid particle erosion in turbines |
| US760214 | 1985-07-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=25058443
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4776765A (ja) |
| JP (1) | JPS6229704A (ja) |
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