JP2009216089A - Low pressure section steam turbine bucket - Google Patents
Low pressure section steam turbine bucket Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009216089A JP2009216089A JP2009038781A JP2009038781A JP2009216089A JP 2009216089 A JP2009216089 A JP 2009216089A JP 2009038781 A JP2009038781 A JP 2009038781A JP 2009038781 A JP2009038781 A JP 2009038781A JP 2009216089 A JP2009216089 A JP 2009216089A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- bucket
- steam turbine
- turbine
- buckets
- last stage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2220/00—Application
- F05D2220/30—Application in turbines
- F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
- F05D2300/11—Iron
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
- F05D2300/12—Light metals
- F05D2300/121—Aluminium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
- F05D2300/13—Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
- F05D2300/13—Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
- F05D2300/131—Molybdenum
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
- F05D2300/13—Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
- F05D2300/132—Chromium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2300/00—Materials; Properties thereof
- F05D2300/10—Metals, alloys or intermetallic compounds
- F05D2300/16—Other metals not provided for in groups F05D2300/11 - F05D2300/15
- F05D2300/1614—Tin
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
本発明は、蒸気タービンエンジンの最終段に用いられる高強度バケットに関する。特に、本発明は、翼長が約45インチ以上である高強度最終段タービンバケットを製造するのにチタン基合金を用いることに関する。 The present invention relates to a high-strength bucket used in the final stage of a steam turbine engine. In particular, the present invention relates to the use of a titanium-based alloy to produce a high strength last stage turbine bucket having a blade length of about 45 inches or greater.
一般に、蒸気タービンの性能は、減少した蒸気圧力で作動する後段のバケットの設計及び性能から大きな影響を受けることが知られている。理想的には、最終段バケットは、タービン排気圧に低下するまで蒸気の膨張を有効に利用するとともに、最終段を出る蒸気流の運動エネルギーを出来るだけ小さくすることが必要である。 In general, it is known that the performance of a steam turbine is greatly influenced by the design and performance of a subsequent bucket operating at reduced steam pressure. Ideally, the last stage bucket should effectively utilize the expansion of the steam until it is reduced to the turbine exhaust pressure, and the kinetic energy of the steam flow exiting the last stage should be as small as possible.
蒸気タービンバケットの使用上の要求は複雑で厳しい。特に、最終段バケットは、高い湿度やボイラーからのキャリーオーバーによって生じる腐食環境などの種々の過酷な運転条件に常にさらされる。特に翼長が40インチ以上の長い最終段タービンバケットでは、このような条件がバケット材料に深刻な腐食及び孔食の問題を引き起こすおそれがある。したがって、これまでタービン用の最終段バケットについては、厳しい運転条件下での効率を向上するために研究開発が継続されてきた。バケットの効率及び耐久年数の僅かな増加であっても、蒸気タービンエンジンの寿命全体にわたって著しい経済効果をもたらすことができるからである。 The requirements for using steam turbine buckets are complex and demanding. In particular, the last stage bucket is constantly exposed to various harsh operating conditions such as high humidity and a corrosive environment caused by carryover from the boiler. Such conditions can cause serious corrosion and pitting problems in the bucket material, especially for long last stage turbine buckets with blade lengths of 40 inches or longer. Therefore, research and development have been continued for the last stage bucket for turbines in order to improve the efficiency under severe operating conditions. This is because even a slight increase in the efficiency and durability of the bucket can have significant economic benefits over the life of the steam turbine engine.
最終段タービンバケットは広範な流れ、負荷及び大きな動的力にさらされる。したがって、機械的強度及び耐久性の観点から、バケットプロファイルの最終設計に影響を与える主な要因には、バケットの有効長、ピッチ直径及び運転時の流れ領域での作動速度が挙げられる。構成材料の最大予測運転条件での減衰性、バケット疲労及び耐食性も最終バケット設計及び製造法において重要な役割を果たす。 The final stage turbine bucket is exposed to a wide range of flows, loads and large dynamic forces. Therefore, from the standpoint of mechanical strength and durability, the main factors affecting the final design of the bucket profile include the effective length of the bucket, the pitch diameter and the operating speed in the flow region during operation. Damping, bucket fatigue and corrosion resistance at the maximum predicted operating conditions of the constituent materials also play an important role in the final bucket design and manufacturing process.
一層大きな最終段タービンバケット、例えば翼長が約40インチ以上のバケットの開発では、慣性負荷がしばしばTi6Al4Vや鉄基合金などの従来のバケット材料の強度性能を上回るため、別の設計問題が課される。蒸気タービンバケット、特に長い翼を有する最終段バケットは、大きな引張荷重を受け、繰り返し応力にさらされ、この周期的応力が腐食環境と組み合わさると、長期の使用期間中にバケットに損傷を与えるおそれが大きい。さらに最終段の蒸気は通常「湿って」おり、即ちより多量の飽和蒸気を含む。その結果、最終段でバケット材料の水滴衝突浸食がしばしば発生する。このような浸食はバケットの有効寿命を短くし、蒸気タービン全体としての効率を下げる。 In the development of larger last stage turbine buckets, for example buckets with a blade length of about 40 inches or more, the inertial load often exceeds the strength performance of conventional bucket materials such as Ti 6 Al 4 V and iron-based alloys, so another design Problems are imposed. Steam turbine buckets, especially last stage buckets with long blades, are subject to large tensile loads and are subject to repeated stresses that, when combined with a corrosive environment, can damage the buckets during long periods of use. Is big. Furthermore, the last stage steam is usually "wet", i.e. contains more saturated steam. As a result, water droplet impact erosion of the bucket material often occurs at the final stage. Such erosion shortens the useful life of the bucket and reduces the overall efficiency of the steam turbine.
これまで、様々な最終用途、特に長い翼のバケット、即ち、翼長が約40インチ以上のバケットを用いる機械設計の機械的要求をすべて満たすことができるバケット材料を見出すことは困難であった。長いバケットは必然的に、高い強度を必要とし、前述したように浸食及び孔食を起こす可能性が高いという問題を抱えている。長翼設計に固有な高い応力により、高い運転温度での応力腐食割れが発生するおそれも高まる。バケット材料に要求される高い強度は、400°F程度の運転温度で応力割れを発生しやすくする傾向があるからである。孔食及び腐食疲労の影響は、翼長が長い最終段バケットにかかる応力が高いほど増加する。単に別のタービン段の基本機械設計要求を満たすように選択された合金は、最終段バケットの最小機械的強度及び耐浸食性の要求を満たさないことが多い。 Heretofore, it has been difficult to find bucket materials that can meet all the mechanical requirements of various end uses, especially mechanical designs that use long wing buckets, i.e., buckets with wing lengths of about 40 inches or more. Long buckets inevitably require high strength and have the potential to cause erosion and pitting as described above. The high stress inherent in long blade design also increases the risk of stress corrosion cracking at high operating temperatures. This is because the high strength required for the bucket material tends to easily cause stress cracking at an operating temperature of about 400 ° F. The effects of pitting corrosion and corrosion fatigue increase as the stress applied to the last stage bucket having a long blade length increases. Alloys selected to simply meet the basic mechanical design requirements of another turbine stage often do not meet the minimum mechanical strength and erosion resistance requirements of the final stage bucket.
最終段タービンバケットの翼長が長いことに伴う問題を解決するために、従来から最終用途の要求に応じて様々なアプローチがとられている。使用上の要求がそれほど厳しくない場合には、単一のバケット材料が妥当なこともある。しかし耐浸食性を高めるために、通常バケットは、局部的熱処理による硬化(例えば、炎焼入又は高周波焼入)を前縁で行って、十分な耐浸食性を付与する必要がある。或いは、耐浸食性シールド材料(ステライトなど)をろう付け、ガス・タングステンアーク溶接又は電子ビーム溶接によりバケットに付着することができる。これらの従来の物理的付着法は、ほとんどと言ってよいほど、時間の経過とともに溶接熱影響部にある程度の劣化をもたらし、バケットは最終的にその個所で破損する。さらに、溶接不良のリスクが常にあり、そのため場合によってはバケットアセンブリ全体のスクラップ化という被害を招くことがある。 In order to solve the problems associated with the long blade length of the final stage turbine bucket, various approaches have been conventionally taken depending on the end use requirements. A single bucket material may be appropriate if the usage requirements are less stringent. However, in order to increase erosion resistance, the bucket usually needs to be cured by local heat treatment (for example, flame quenching or induction quenching) at the leading edge to provide sufficient erosion resistance. Alternatively, an erosion resistant shield material (such as stellite) can be brazed and attached to the bucket by gas-tungsten arc welding or electron beam welding. Most of these conventional physical deposition methods cause some degradation in the weld heat affected zone over time, and the bucket eventually breaks in place. In addition, there is always a risk of poor welding, which in some cases can result in scrapping the entire bucket assembly.
蒸気タービンバケットの他の公知の製造方法又は修理方法では、バケットブレードの前縁にインサートを溶接し、次いでインサートの一部を硬化して、前縁外部に硬化表面を設ける。しかし、この場合も、硬化工程は通常インサートとブレード自体の接合部まで波及しない。したがって、インサートの一部分は未硬化のままであり、厳しい運転条件下で早期破損又は浸食を受けやすい。 In other known manufacturing or repair methods for steam turbine buckets, the insert is welded to the leading edge of the bucket blade, and then a portion of the insert is cured to provide a hardened surface outside the leading edge. However, in this case as well, the curing process does not normally extend to the joint between the insert and the blade itself. Thus, a portion of the insert remains uncured and is subject to premature failure or erosion under severe operating conditions.
蒸気タービンに使用する高応力の最終段バケットの多くの要求を満たすバイメタル構造を形成する方法が、本出願人に譲渡されたCrawmerらの米国特許第5351395号(特許文献1)に開示されている。特許文献1に記載された方法ではバケットとインサート材料の両方がほぼ最適な溶接性を有する状態にある間に耐浸食性インサート材料を取付ける。溶接後にバイメタルアセンブリを熱処理し、ほどんど歪ませることなくバケット特性を最適化する。インサート材料を機械加工後に(炎焼入などの普通の方法で)硬化させ、耐浸食性を向上することもできる。しかし、特許文献1に開示されたバイメタル構造は最終段タービンバケット、特に翼長が約40インチ以上のバケットに固有な孔食及び腐食問題をすべては解決しないことを確認した。 A method of forming a bimetallic structure that satisfies many requirements of high stress last stage buckets for use in steam turbines is disclosed in US Pat. No. 5,351,395 to Crawmer et al. . In the method described in Patent Document 1, the erosion-resistant insert material is attached while both the bucket and the insert material are in a state having substantially optimum weldability. After welding, the bimetal assembly is heat treated to optimize the bucket characteristics with little distortion. The insert material can also be hardened after machining (by conventional methods such as flame quenching) to improve erosion resistance. However, it has been confirmed that the bimetal structure disclosed in Patent Document 1 does not solve all the pitting corrosion and corrosion problems inherent in the final stage turbine bucket, particularly a bucket having a blade length of about 40 inches or more.
したがって、翼長が長い、優れた剛性、優れた減衰特性及び低振動応力を有する最終段バケットが当業界で必要とされている。 Accordingly, there is a need in the industry for a last stage bucket having a long blade length, excellent stiffness, excellent damping characteristics and low vibration stress.
本発明の1観点では、蒸気タービンの低圧セクションに使用するバケットが提供される。バケットは翼長が約45インチ以上となるように形成される。バケットは、バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部と、バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウドと、バケットの半径方向の内側位置と外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウドとを含む。バケットは、約2重量%〜約6.25重量%のアルミニウム、約3.5重量%以下のバナジウム、約2.25重量%以下のスズ、約2.25重量%以下のジルコニウム、約1.75重量%〜約5.0重量%のモリブデン、約2.25重量%以下のクロム、約0.7重量%以下のケイ素、約2.3重量%以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成される。 In one aspect of the invention, a bucket for use in a low pressure section of a steam turbine is provided. The bucket is formed so that the blade length is about 45 inches or more. The bucket has a dovetail portion disposed near the radially inner position of the bucket, a tip shroud disposed near the radially outer position of the bucket, and a radius between the radially inner position and the outer position of the bucket. An intermediate span shroud disposed at an intermediate position in the direction. The bucket is about 2 wt.% To about 6.25 wt.% Aluminum, about 3.5 wt.% Or less vanadium, about 2.25 wt.% Or less tin, about 2.25 wt.% Or less zirconium, about 1. Titanium base consisting of 75 wt% to about 5.0 wt% molybdenum, up to about 2.25 wt% chromium, up to about 0.7 wt% silicon, up to about 2.3 wt% iron and the balance titanium Made of alloy.
別の観点では、タービンホイールの周りに配置された複数の最終段バケットを有する低圧タービンセクションを含む蒸気タービンが提供される。最終段バケットは翼長が約45インチ以上である。少なくとも1つの最終段バケットは、バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部と、バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウドと、バケットの半径方向の内側位置と外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウドとを含む。最終段バケットは、約2重量%〜約6.25重量%のアルミニウム、約3.5重量%以下のバナジウム、約2.25重量%以下のスズ、約2.25重量%以下のジルコニウム、約1.75重量%〜約5.0重量%のモリブデン、約2.25重量%以下のクロム、約0.7重量%以下のケイ素、約2.3重量%以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成される。 In another aspect, a steam turbine is provided that includes a low pressure turbine section having a plurality of final stage buckets disposed about a turbine wheel. The last stage bucket has a blade length of about 45 inches or more. The at least one final stage bucket includes a dovetail portion disposed near a radially inner position of the bucket, a tip shroud disposed near a radially outer position of the bucket, and a radially inner position and an outer position of the bucket. And an intermediate span shroud disposed at a radially intermediate position between the two. The final stage bucket comprises about 2% to about 6.25% aluminum, about 3.5% or less vanadium, about 2.25% or less tin, about 2.25% or less zirconium, 1.75% to about 5.0% by weight molybdenum, about 2.25% or less chromium, about 0.7% or less silicon, about 2.3% or less iron and the balance titanium It is made of a titanium-based alloy.
図1は、シャフト14と低圧(LP)タービン16とを備えるロータ12を含む蒸気タービン10の一部破断斜視図である。LPタービン16は軸線方向に離間された複数のロータホイール18を含む。複数のバケット20が各ロータホイール18に機械的に連結される。さらに具体的には、バケット20は各ロータホイール18の周りで円周方向に延在する複数の列として配置される。複数の固定ノズル22はシャフト14の周りで円周方向に延在し、軸線方向では隣接するバケット(20)列間に位置する。ノズル22は、バケット20と協働してタービン段を形成し、かつタービン10を通る蒸気流路の一部分を画定する。
FIG. 1 is a partially broken perspective view of a
運転中、蒸気24は、タービン10の入口26に流入し、ノズル22に導かれる。ノズル22は、蒸気24を下流に向けバケット20に当てる。蒸気24は、残りの段を通過し、力をバケット20に与えてロータ12を回転させる。タービン10の少なくとも一端は、ロータ12から先に軸線方向に延在し、負荷又は機械(図示せず)、例えば発電機及び/又は別のタービンに取付けることができる。従って、大型の蒸気タービン装置は、実際には全て同じシャフト14に同軸連結された複数のタービンを含むことができる。このような装置は、例えば、高圧タービンを中圧タービンに連結し、中圧タービンを低圧タービンに連結した構成とすることができる。
During operation, the
図1では、1実施形態として、低圧タービンを5段で示してある。5段をL0、L1、L2、L3及びL4と呼ぶ。L4は、第1段であり、5段の中で最小(半径方向)である。L3は、第2段であり、軸線方向で次の段である。L2は、第3段であり、5段の真ん中に示される。L1は、第4の、最終の1つ前の段である。L0は最終段であり、最大(半径方向)である。なお、5段は1例にすぎず、低圧タービンは5段より多くても少なくてもよい。 In FIG. 1, as an embodiment, the low-pressure turbine is shown in five stages. The five stages are called L0, L1, L2, L3, and L4. L4 is the first stage and is the smallest (radial direction) of the five stages. L3 is the second stage and is the next stage in the axial direction. L2 is the third stage and is shown in the middle of the fifth stage. L1 is the fourth and last previous stage. L0 is the last stage and is the maximum (radial direction). Note that the fifth stage is only an example, and the number of low-pressure turbines may be more or less than five.
図2は、タービン10に用いることができるタービンバケット20の斜視図である。バケット20は、後縁104と前縁106とを含むブレード部分102を含み、蒸気はほぼ前縁106から後縁104に流れる。バケット20はまた、第1の凹面側壁108と第2の凸面側壁110とを含む。第1の側壁108及び第2の側壁110は、後縁104及び前縁106で軸線方向に連結され、かつロータブレードルート112とロータブレード先端114間で半径方向に延在する。ブレード弦距離は、ブレード102の半径方向長さ118に沿った任意の点において後縁104から前縁106まで測定した距離である。1実施形態では、半径方向長さ118、即ち翼長は、約45インチである。別の実施形態では、半径方向長さ118は約40〜約50インチ又はそれ以上である。本明細書では、半径方向長さ118は、約45インチに等しいものと記載しているが、半径方向長さ118は、特定の用途に応じて任意適当な長さにすることができる。ルート112は、バケット20をシャフト14に沿ったロータディスクに組込むのに用いられるダブテイル121を含む。
FIG. 2 is a perspective view of a
図3はダブテール121の拡大図である。1実施形態では、ダブテール121はロータディスクに形成された嵌合スロットに係合する軸挿入曲面ダブテールである。1実施形態では、ダブテール121は4つの凸状突出部302を有する。別の実施形態では、ダブテール121の凸状突出部は4つより多くても少なくてもよい。平均応力及び局部応力の適当な分布、速度超過状態時の保護及び適切な低サイクル疲労(LCF)マージンを得るためには軸挿入曲面ダブテールが好ましい。
FIG. 3 is an enlarged view of the
図4は1実施形態の一体型先端シュラウド410を有するバケット先端4の拡大図である。先端シュラウド410はバケット20の剛性及び減衰特性を向上する。先端シュラウドの外面上にシールリブ420を配置することができる。リブ420はバケット20の外側部分を越える蒸気流れを制限する封止手段として機能する。リブ420は、単一のリブとするか、複数のリブ、複数のまっすぐなもしくは山型の歯、又は異なる寸法の1つ以上の歯(例えば、ラビリンス型シール)で構成することができる。
FIG. 4 is an enlarged view of bucket tip 4 having an
図5は先端シュラウド410の最初に組立てた状態の図である。先端シュラウド410は最初の組立時及び/又は速度ゼロ状態で隣接先端シュラウド間にギャップ510を有するように設計されている。図から明らかなように、リブ420は、また無回転状態で互いにわずかにずれている。タービンホイールが回転すると、バケット20のねじれが戻り始める。回転数が運転レベル(例えば、約1800〜約3600RPM)に近づくと、バケットのねじれが遠心力によって戻り、ギャップ510が閉じ、リブ420が互いに一直線に並ぶ。シュラウドがぴったり噛み合うことにより、バケット剛性の向上、バケット減衰性の向上、バケット20の半径方向の外側位置でのシール性の向上が得られる。
FIG. 5 shows the
図6及び図7は先端シュラウド410とルート部112の間に位置する中間スパンシュラウド610を示す。中間スパンシュラウド610はバケット20の凸面側壁と凹面側壁とに位置する。速度ゼロ状態時、隣り合うバケットの隣接中間スパンシュラウド間にギャップが存在する。タービンホイールが回転し始め、運転速度に近づくにつれてバケットのねじれが戻ると、このギャップは閉じる。中間スパンシュラウドは、風損を低減しかつ全体効率を向上するような空気力学的形状とする。バケットのねじれが戻る間に中間スパンシュラウドが互いに接触すると、バケットの剛性及び減衰特性も向上する。バケットがねじれを戻すと、先端シュラウド410及び中間スパンシュラウド610がそれぞれの隣接シュラウドに接触する。複数のバケット20は、1つの次々とつながった構造として作動し、ばらばらのつながっていない設計に比べて優れた剛性及び減衰特性を示す。別の利点として、ロータの振動応力が低減する。
6 and 7 show an
本発明のバケットは1例として表1に示した割合(重量%)のチタン合金で形成することができる。 As an example, the bucket of the present invention can be formed of a titanium alloy having a ratio (% by weight) shown in Table 1.
上記のチタン合金組成範囲を用いて本発明に従って翼長が約45インチの種々の蒸気タービンバケットを形成した。前述したように、最終バケットプロファイル及び用いる特定な合金は、バケットの有効長、ピッチ直径及び運転時の流れ領域でのバケットの作動速度などの多数の設計要素によって左右される。最高予測運転条件での減衰性、バケット疲労性及び合金の耐食性も、上記の好ましい組成範囲内に入るチタン基合金を用いたバケットの最終設計において重要な役割を果たす。本発明に従ってチタン合金で形成することができるより長翼の最終段バケットのプロファイルの例は、本出願人に譲渡された米国特許第5393200号(特許文献6)「タービンの最終段用バケット」に記載されている。 Various steam turbine buckets having a blade length of about 45 inches were formed in accordance with the present invention using the above titanium alloy composition ranges. As previously mentioned, the final bucket profile and the particular alloy used will depend on a number of design factors such as the effective length of the bucket, the pitch diameter and the operating speed of the bucket in the flow region during operation. Damping, bucket fatigue, and alloy corrosion resistance at the highest predicted operating conditions also play an important role in the final design of the bucket using a titanium-based alloy that falls within the preferred composition range described above. An example of a profile of a longer blade last stage bucket that can be formed of a titanium alloy in accordance with the present invention is shown in US Pat. No. 5,393,200, “Patent for turbine last stage” assigned to the present applicant. Are listed.
形成後、本発明の実施形態による各バケットを応力緩和し、普通の仕上げ工程及び熱処理工程を用いてバケットの表面を最終プロファイルに機械加工した。翼長が約45インチ以上の種々のバケットに、最終段蒸気タービンの公称運転温度〜最高予測運転温度の範囲内で通常の機械的強度試験及び耐食性試験を行った。本発明によるバケットに用いたチタン基合金材料は優れた耐食性及び平均以上の強度特性を示した。 After formation, each bucket according to an embodiment of the invention was stress relieved and the bucket surface was machined to a final profile using normal finishing and heat treatment steps. Conventional mechanical strength tests and corrosion resistance tests were performed on various buckets with blade lengths of about 45 inches or more within the range of the nominal operating temperature of the last stage steam turbine to the highest predicted operating temperature. The titanium-based alloy material used in the bucket according to the present invention exhibited excellent corrosion resistance and above-average strength characteristics.
本発明に従ったチタン基蒸気タービンバケットの代表的な製造法は以下の工程を含む。最初、上記の合金組成物からなるチタンビレットを従来のねじプレス、ハンマー鍛造及び/又は油圧プレスを用いてバケットに成形、鍛造する。所望に応じて、鍛造バケットを熱処理し、急冷し、これにより応力を緩和するとともに機械的強度特性を発現させることができる。特定の最終用途に応じて、通常の手段を用いてバケットを時効処理し、運転可能な最終形状に機械加工する(通常、機械加工は全側面、即ち360°に行う)ことができる。 A typical method for manufacturing a titanium-based steam turbine bucket according to the present invention includes the following steps. First, a titanium billet made of the above alloy composition is formed into a bucket and forged using a conventional screw press, hammer forging and / or hydraulic press. If desired, the forged buckets can be heat treated and quenched to relieve stress and develop mechanical strength characteristics. Depending on the specific end use, the bucket can be aged using conventional means and machined to a final operable shape (usually machining is done on all sides, ie 360 °).
上記方法は、比較的長いバケット、例えば翼長が約45インチ以上の最終段蒸気タービンバケット用に開発したが、特定のバケット設計及び最終用途の条件に応じて、チタン合金組成を上記の組成範囲内で変えることにより本方法を調整することができる。 Although the above method was developed for relatively long buckets, such as last stage steam turbine buckets with blade lengths of about 45 inches or more, depending on the specific bucket design and end use conditions, the titanium alloy composition is within the above composition range. The method can be adjusted by changing within.
本発明の実施形態のバケットは、好ましくは蒸気タービンの低圧セクションの最終段に用いられる。しかし、バケットを別の段又は別のセクション(例えば、高圧又は中圧セクション)に使用することもできる。バケット20の好ましいスパン長さは約45インチであり、この半径方向長さは約112ft2(約10.4m2)の最終段排気環状面積を与えることができる。この拡大(改良)した排気環状面積は、蒸気が最終段バケットを出るときに受ける運動エネルギーの損失を低減することができる。この損失の低減によりタービン効率が良くなる。
The bucket of the embodiment of the present invention is preferably used in the final stage of the low pressure section of the steam turbine. However, the bucket can also be used for another stage or another section (eg, a high or medium pressure section). The preferred span length of
本発明によれば、蒸気タービン用の優れたバケットが提供される。本発明のバケットは好ましくは蒸気タービンの低圧セクションの最終段に用いられる。バケットの一体型先端シュラウド及び中間スパンダンパーは優れた剛性及び減衰特性を与える。また軸挿入曲面ダブテールはダブテール境界での平均応力及び局部応力の分布を改善する。 According to the present invention, an excellent bucket for a steam turbine is provided. The bucket of the present invention is preferably used in the final stage of the low pressure section of the steam turbine. The bucket's integral tip shroud and intermediate span damper provide excellent stiffness and damping characteristics. The shaft insertion curved dovetail also improves the distribution of mean stress and local stress at the dovetail boundary.
以上、本発明を種々の特定の実施形態について説明したが、特許請求の範囲内で変更を行っても本発明を実施できることが当業者に明らかである。 While the invention has been described in terms of various specific embodiments, those skilled in the art will recognize that the invention can be practiced with modification within the scope of the claims.
10 蒸気タービン
12 ロータ
14 シャフト
16 低圧タービン
18 ロータホイール
20 バケット
22 ノズル
24 蒸気
26 入口
102 ブレード
104 後縁
106 前縁
108 凹面側壁
110 凸面側壁
112 ロータブレードルート
114 ロータブレード先端
118 半径方向長さ
121 ダブテール
302 凸状突出部
410 先端シュラウド
420 シールリブ
510 ギャップ
610 中間スパンシュラウド
DESCRIPTION OF
Claims (9)
バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部(121)と、
バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウド(410)と、
半径方向の前記内側位置と前記外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウド(610)とを含み、
バケット(20)が、約2重量%〜約6.25重量%のアルミニウム、約3.5重量%以下のバナジウム、約2.25重量%以下のスズ、約2.25重量%以下のジルコニウム、約1.75重量%〜約5.0重量%のモリブデン、約2.25重量%以下のクロム、約0.7重量%以下のケイ素、約2.3重量%以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成された、
バケット(20)。 In the bucket (20) used in the low pressure section of the steam turbine (10), the bucket (20) is formed such that the blade length (118) is about 45 inches or greater,
A dovetail portion (121) disposed near the radially inner position of the bucket;
A tip shroud (410) disposed near a radially outer position of the bucket;
An intermediate span shroud (610) disposed at a radially intermediate position between the radially inner and outer positions;
The bucket (20) is about 2% to about 6.25% aluminum, about 3.5% or less vanadium, about 2.25% or less tin, about 2.25% or less zirconium, From about 1.75 wt% to about 5.0 wt% molybdenum, up to about 2.25 wt% chromium, up to about 0.7 wt% silicon, up to about 2.3 wt% iron and the balance titanium. Formed of titanium-based alloy
Bucket (20).
最終段バケットの少なくとも1つが、
最終段バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部(121)と、
最終段バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウド(410)と、
半径方向の前記内側位置と前記外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウド(610)とを含み、
各最終段バケットが、約2重量%〜約6.25重量%のアルミニウム、約3.5重量%以下のバナジウム、約2.25重量%以下のスズ、約2.25重量%以下のジルコニウム、約1.75重量%〜約5.0重量%のモリブデン、約2.25重量%以下のクロム、約0.7重量%以下のケイ素、約2.3重量%以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成された、
蒸気タービン。 In a steam turbine including a low pressure turbine section, the low pressure turbine section includes a plurality of final stage buckets (20) having a blade length of about 45 inches or more disposed about the turbine wheel;
At least one of the last stage buckets
A dovetail portion (121) disposed near the radially inner position of the last stage bucket;
A tip shroud (410) disposed near the radially outer position of the last stage bucket;
An intermediate span shroud (610) disposed at a radially intermediate position between the radially inner and outer positions;
Each final stage bucket comprises from about 2% to about 6.25% aluminum, up to about 3.5% vanadium, up to about 2.25% tin, up to about 2.25% zirconium; From about 1.75 wt% to about 5.0 wt% molybdenum, up to about 2.25 wt% chromium, up to about 0.7 wt% silicon, up to about 2.3 wt% iron and the balance titanium. Formed of titanium-based alloy
Steam turbine.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US12/037,346 US20090214345A1 (en) | 2008-02-26 | 2008-02-26 | Low pressure section steam turbine bucket |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009216089A true JP2009216089A (en) | 2009-09-24 |
Family
ID=40896887
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009038781A Withdrawn JP2009216089A (en) | 2008-02-26 | 2009-02-23 | Low pressure section steam turbine bucket |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20090214345A1 (en) |
JP (1) | JP2009216089A (en) |
DE (1) | DE102009003523A1 (en) |
FR (1) | FR2927941A1 (en) |
RU (1) | RU2009106608A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012107617A (en) * | 2010-11-16 | 2012-06-07 | General Electric Co <Ge> | Low pressure exhaust gas diffuser for steam turbine |
KR101336938B1 (en) * | 2011-11-03 | 2013-12-04 | 한국기계연구원 | A Titanium alloy with high formability |
JP2014163371A (en) * | 2013-02-28 | 2014-09-08 | Hitachi Ltd | Turbine rotor blade |
RU2701779C2 (en) * | 2014-10-31 | 2019-10-01 | Сафран Эркрафт Энджинз | Gas turbine engine part containing titanium-based alloy |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8100657B2 (en) * | 2008-09-08 | 2012-01-24 | General Electric Company | Steam turbine rotating blade for a low pressure section of a steam turbine engine |
US8096775B2 (en) * | 2008-09-08 | 2012-01-17 | General Electric Company | Steam turbine rotating blade for a low pressure section of a steam turbine engine |
US8075272B2 (en) * | 2008-10-14 | 2011-12-13 | General Electric Company | Steam turbine rotating blade for a low pressure section of a steam turbine engine |
JP5558095B2 (en) * | 2009-12-28 | 2014-07-23 | 株式会社東芝 | Turbine blade cascade and steam turbine |
US8708639B2 (en) | 2010-10-11 | 2014-04-29 | The Coca-Cola Company | Turbine bucket shroud tail |
US9267218B2 (en) | 2011-09-02 | 2016-02-23 | General Electric Company | Protective coating for titanium last stage buckets |
US10215032B2 (en) | 2012-10-29 | 2019-02-26 | General Electric Company | Blade having a hollow part span shroud |
US9328619B2 (en) | 2012-10-29 | 2016-05-03 | General Electric Company | Blade having a hollow part span shroud |
US10221699B2 (en) * | 2015-12-28 | 2019-03-05 | General Electric Company | Shrouded turbine rotor blades |
EP3269924A1 (en) * | 2016-07-14 | 2018-01-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Rotating shaft and method for producing a rotating shaft |
Family Cites Families (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2278041A (en) * | 1939-10-23 | 1942-03-31 | Allis Chalmers Mfg Co | Turbine blade shroud |
US3527544A (en) * | 1968-12-12 | 1970-09-08 | Gen Motors Corp | Cooled blade shroud |
US3588278A (en) * | 1969-03-21 | 1971-06-28 | Westinghouse Electric Corp | Blade structure for an axial flow elastic fluid utilizing machine |
US4451205A (en) * | 1982-02-22 | 1984-05-29 | United Technologies Corporation | Rotor blade assembly |
US4643645A (en) * | 1984-07-30 | 1987-02-17 | General Electric Company | Stage for a steam turbine |
US5257908A (en) * | 1991-11-15 | 1993-11-02 | Ortolano Ralph J | Turbine lashing structure |
US5351395A (en) | 1992-12-30 | 1994-10-04 | General Electric Company | Process for producing turbine bucket with water droplet erosion protection |
JP3034417B2 (en) * | 1994-02-18 | 2000-04-17 | 株式会社東芝 | Rotor blade control device for axial flow turbine |
JP3315800B2 (en) * | 1994-02-22 | 2002-08-19 | 株式会社日立製作所 | Steam turbine power plant and steam turbine |
US5393200A (en) | 1994-04-04 | 1995-02-28 | General Electric Co. | Bucket for the last stage of turbine |
DE69529178T2 (en) * | 1995-09-13 | 2003-10-02 | Boehler Schmiedetechnik Ges.M.B.H. & Co. Kg, Kapfenberg | METHOD FOR PRODUCING A TITANIUM ALLOY TURBINE BLADE AND TITANIUM ALLOY TURBINE BLADE |
US6341941B1 (en) * | 1997-09-05 | 2002-01-29 | Hitachi, Ltd. | Steam turbine |
JP2000045704A (en) * | 1998-07-31 | 2000-02-15 | Toshiba Corp | Steam turbine |
US6030178A (en) * | 1998-09-14 | 2000-02-29 | General Electric Co. | Axial entry dovetail segment for securing a closure bucket to a turbine wheel and methods of installation |
JP4316168B2 (en) * | 2001-08-30 | 2009-08-19 | 株式会社東芝 | Method for selecting blade material and shape of steam turbine blade and steam turbine |
US6739837B2 (en) * | 2002-04-16 | 2004-05-25 | United Technologies Corporation | Bladed rotor with a tiered blade to hub interface |
US7195455B2 (en) * | 2004-08-17 | 2007-03-27 | General Electric Company | Application of high strength titanium alloys in last stage turbine buckets having longer vane lengths |
US7758311B2 (en) * | 2006-10-12 | 2010-07-20 | General Electric Company | Part span shrouded fan blisk |
US7753652B2 (en) * | 2006-12-15 | 2010-07-13 | Siemens Energy, Inc. | Aero-mixing of rotating blade structures |
JP4713509B2 (en) * | 2007-01-26 | 2011-06-29 | 株式会社日立製作所 | Turbine blade |
US8118557B2 (en) * | 2009-03-25 | 2012-02-21 | General Electric Company | Steam turbine rotating blade of 52 inch active length for steam turbine low pressure application |
-
2008
- 2008-02-26 US US12/037,346 patent/US20090214345A1/en not_active Abandoned
-
2009
- 2009-02-19 FR FR0951093A patent/FR2927941A1/en not_active Withdrawn
- 2009-02-23 JP JP2009038781A patent/JP2009216089A/en not_active Withdrawn
- 2009-02-23 DE DE102009003523A patent/DE102009003523A1/en not_active Withdrawn
- 2009-02-25 RU RU2009106608/06A patent/RU2009106608A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012107617A (en) * | 2010-11-16 | 2012-06-07 | General Electric Co <Ge> | Low pressure exhaust gas diffuser for steam turbine |
KR101336938B1 (en) * | 2011-11-03 | 2013-12-04 | 한국기계연구원 | A Titanium alloy with high formability |
JP2014163371A (en) * | 2013-02-28 | 2014-09-08 | Hitachi Ltd | Turbine rotor blade |
RU2701779C2 (en) * | 2014-10-31 | 2019-10-01 | Сафран Эркрафт Энджинз | Gas turbine engine part containing titanium-based alloy |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2927941A1 (en) | 2009-08-28 |
RU2009106608A (en) | 2010-08-27 |
DE102009003523A1 (en) | 2009-08-27 |
US20090214345A1 (en) | 2009-08-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2009216089A (en) | Low pressure section steam turbine bucket | |
JP6692609B2 (en) | Turbine bucket assembly and turbine system | |
KR101044422B1 (en) | Turbine rotor and counter chrismas tree type turbine rotor blade | |
US8118557B2 (en) | Steam turbine rotating blade of 52 inch active length for steam turbine low pressure application | |
CN1737339B (en) | Application of high strength titanium alloys in last stage turbine buckets having longer vane lengths | |
JP5236263B2 (en) | Rotating assembly parts and parts manufacturing method | |
JP2010096180A (en) | Steam turbine rotor blade for low pressure section of steam turbine engine | |
US11788415B2 (en) | Shroudless blade for a high-speed turbine stage | |
CN102947548B (en) | For the light weight shroud fin of rotor blade | |
JP2001020704A (en) | Steam turbine utilizing steam turbine blade, and steam turbine power generation plant utilizing the same | |
US7946823B2 (en) | Steam turbine rotating blade | |
JP2016000994A (en) | Turbine bucket assembly and turbine system | |
US20150345309A1 (en) | Turbine bucket assembly and turbine system | |
JP5610445B2 (en) | Turbine blade, turbine rotor and steam turbine using the same | |
JP2010230006A (en) | High efficiency last stage bucket for steam turbine | |
JP5653486B2 (en) | Fixed vane assembly for axial turbines | |
JP2005315122A (en) | Steam turbine | |
JP7434199B2 (en) | turbine rotor blade | |
US7066714B2 (en) | High speed rotor assembly shroud | |
EP3338938A1 (en) | Method for modifying a shroud and blade | |
JP2010515849A (en) | High corrosion resistant fixed blade assembly for steam turbines, especially geothermal impulse turbines | |
JP7213878B2 (en) | Rotor blade for turbomachinery and method for manufacturing rotor blade | |
JP2000161006A (en) | Steam turbine blade, steam turbine using it, steam turbine power generating plant, and high strength martensite steel | |
JP2015224635A (en) | Turbine bucket assembly and turbine system | |
JP2005016523A (en) | Method for improving wear resistance of support region between turbine outer case and supporting type turbine vane |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20110218 |
|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20120501 |