最後の長短

蒸気タービンの低圧 (LP) セクションの最終段ブレード (LSB) の列は、機械の全体的な性能、寸法、ケーシングの数を決定するため、タービン設計の重要な要素です。 歴史的に、タービン全体の効率を向上させる取り組みは、高圧および中圧 (HP および IP) セクションに重点が置かれてきました。 しかし、ここ数年、タービン メーカーは、タービンの総出力の最大 50% を生成する可能性がある LP セクションもターゲットにし始めています (図 1)。 特定の排気圧力値でそのセクションの効率を高める 1 つの方法は、その LSB を長くすることです。 そうすることで、必要な LP モジュールの数が減るか、同じモジュール数でより低い凝縮器圧力での出力が増加します。

1. 最大の貢献者。 低圧セクションは、実用規模の蒸気タービンによって生成される電力の最大 50% を占める可能性があります。 提供: Bechtel Power Corp.

LSB の延長を求める動きは、大規模な石炭火力発電所の設計者だけでなく、比較的小規模なコンバインド サイクル プラントの開発者からも来ています。 複合サイクル用に設計されたタービンと従来の蒸気プラント用に設計されたタービンの間には大きな違いがあります。 給水ヒーターは通常、ボトミングサイクルの熱設計では使用されないため、同じ HP 主蒸気流量の場合、ボトミングサイクルにおける LP 排気蒸気流量は、同等のサイズの従来のタービンよりも最大 35% 大きくなる可能性があります。 さらに、ボトミングプラント設計では、経済的に正当である場合、高い周囲温度でのガスタービン出力の低下やプラントのピーク負荷を補償するためにダクト点火を使用することがあります。 米国では、蒸気タービンの出力をほぼ 2 倍にするために大量の補助燃焼を使用することが非常に一般的になっています。

この記事では、ますます増大する複雑な数値流体力学 (CFD) 解析の役割を含め、最新の LSB 学際的 (空気力学および機械的) 設計の基本的な特徴を探ります。 私たちの目的は、LSB を長くする現在の傾向がタービンの性能と操作性にどのような影響を与えるかを調査することです。 この記事は、適切な LSB システムを選択する際に利用できる実際のオプションを説明するテスト ケースで終わります。

従来の LSB 設計 (回転ブレードの先端での亜音速流入) は、ブレードの機械的限界よりも早く空気力学的に許容可能な限界に達します。 この欠点に対処するために、タービンの相手先ブランド供給メーカー (OEM) は、固定ブレードと回転ブレードの設計を理解し改善することに多大な努力を費やしてきました。 回転ブレードの先端での超音速の相対流入など、既存の従来の設計境界からの変更は、ユーザーの受け入れを得るために広範な分析および実験試行中に評価されてきました。

完全に開発された 3D ステージ流れ解析だけが、超音速流れから生じる衝撃波による損失を最小限に抑えることができる最適なブレード プロファイルを提供できます。 予測ツールとしての最新の 3D 解析の精度は大幅に向上しており、さまざまな蒸気湿り条件や相変化の変動による非平衡凝縮流を考慮できるようになりました。

大型の LP LSB の場合、相対出口マッハ数は動作範囲と排気損失を評価するための重要な設計パラメータです。 ブレードが長くなるほど、主に中間段階の強い圧力勾配により、出口マッハ数は高くなります。

図 2 は、典型的な静圧とマッハ数の分布を示しています。 回転ブレード (Ps1) のハブでの圧力が低いため、根反力が低くなり、最終的には回転ブレード内で流れの剥離が発生します。 固定翼出口のマッハ数 (M1) は非常に強い勾配を持っており、回転翼のハブと先端の入口マッハ数 (Mw1) が上昇します。 先端での高圧により、固定翼のハブでの出口マッハ数の絶対値が高く、回転ブレードの先端とハブでの流入マッハ数の相対値が大きくなり、ローター通路内で衝撃が引き起こされます。