15
Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine Technology M. Boss T. Gadoury S. Feeny M. Montgomery GE Energy, Steam Turbine Technology 1 River Road, Schenectady, NY 12345 UnHak Nah Sung I. Cho Seong H. Yang Doosan Heavy Industries & Construction Co., Ltd. 555 GwigokDong, Changwon, Gyeongnam, Korea Abstract – With the continuing drive to reduce power plant emissions including green house gases, coal fired power plants have been moving to higher ultrasupercritical (USC) steam conditions in addition to advances in technology. GE Energy and Doosan Heavy Industries are designing the next generation USC power plant with a rating of 1000 MW to address the need for higher efficiency coal fired power plants. With inlet steam conditions of 260 bar and 610ºC / 621ºC (3770 psi and 1150°F/ 1180°F), the primary objective for the advanced technology USC 1000 MW steam turbine is high efficiency. To achieve this higher cycle efficiency, the design utilizes advanced steam turbine technology and system design, a longer last stage bucket design in addition to ultra supercritical steam conditions. Performance enhancing technology is being applied to turbine buckets, nozzles and seals. In addition to improvements to steam path components, performance gains are achieved by optimizing stationary components such as valves, inlets and exhausts using advanced CFD tools. This new USC project will illustrate the latest design and technology capabilities of GE Energy and Doosan Heavy Industries and will set the standard for future 1000 MW USC applications in Korea, as well as elsewhere in the world. 1. INTRODUCTION After more than 100 years of progressive invention and improvement, the steam turbine continues to be the most used prime mover of the world’s power generation industry. Innovations such as Edison’s light bulb and Tesla’s induction motor resulted in a phenomenal demand for electric power driven by steam turbines, which have exponentially grown to more than 56 GW of capacity in Korea and almost 3,000 GW worldwide. Steam turbines generate more than 80% of the total electric power throughout the world. 1

Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

Recent Advances in Ultra Super Critical 

Steam Turbine Technology 

 

M. Boss        T. Gadoury        S. Feeny       M. Montgomery 

GE Energy, Steam  Turbine  Technology 

1 River Road, Schenectady, NY 12345 

 

Un‐Hak Nah        Sung I. Cho        Seong H. Yang 

Doosan Heavy Industries & Construction Co., Ltd. 

555 Gwigok‐Dong, Changwon, Gyeongnam, Korea   

 

Abstract – With the continuing drive to reduce power plant emissions including green house 

gases, coal fired power plants have been moving to higher ultra‐supercritical (USC) steam conditions in 

addition  to  advances  in  technology. GE  Energy  and Doosan Heavy  Industries  are designing  the next 

generation USC power plant with a rating of 1000 MW to address the need  for higher efficiency coal 

fired power plants. With  inlet steam conditions of 260 bar and 610ºC / 621ºC (3770 psi and 1150°F / 

1180°F),  the  primary  objective  for  the  advanced  technology  USC  1000 MW  steam  turbine  is  high 

efficiency. To achieve this higher cycle efficiency, the design utilizes advanced steam turbine technology 

and system design, a longer last stage bucket design in addition to ultra supercritical steam conditions. 

 

Performance enhancing  technology  is being applied  to  turbine buckets, nozzles and seals.  In 

addition  to  improvements  to steam path components, performance gains are achieved by optimizing 

stationary components such as valves, inlets and exhausts using advanced CFD tools. 

 

This new USC project will illustrate the latest design and technology capabilities of GE Energy 

and Doosan Heavy Industries and will set the standard for future 1000 MW USC applications in Korea, 

as well as elsewhere in the world. 

 1. INTRODUCTION 

After  more  than  100  years  of  progressive  invention  and  improvement,  the  steam  turbine 

continues to be the most used prime mover of the world’s power generation industry. Innovations such 

as Edison’s light bulb and Tesla’s induction motor resulted in a phenomenal demand for electric power 

driven by steam turbines, which have exponentially grown to more than 56 GW of capacity in Korea and 

almost  3,000  GW worldwide.  Steam  turbines  generate more  than  80%  of  the  total  electric  power 

throughout the world. 

1

Page 2: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

 

GE Energy was an early entrant into USC steam turbine technology with the first unit shipped in 

1956 with  inlet steam conditions of 310 bar / 621°C  (4500 psi / 1150°F). Since  then, GE has shipped 

77GW of  steam  turbines  (125 units) with  supercritical  steam  conditions.    GE designed    the world’s 

most powerful USC  steam  turbine  rated 1050 MW operating at 250 bar  / 600°C / 610°C  (3626 psi / 

1112°F / 1130°F). Over the past five years, GE has co‐produced with Doosan Heavy Industries 16 units 

with USC steam conditions. The 1000 MW USC steam turbine design is a nature evolution of GE’s USC 

technology.    GE continues to develop and refine USC steam turbine technology. 

 

GE  Energy  has  licensed  its  technology  to  Doosan  Heavy  Industries  (formerly  Korea  Heavy 

Industries and Construction Company) resulting in the development and installation of GE Energy steam 

turbine  and  generator  technology  for  the  Korean  power  industry.  During  this  period,  the  two 

companies have designed, manufactured and installed: 

 

16.1 GW of coal‐fired steam turbine generating capacity 

2.4 GW of combined‐cycle steam turbine generating capacity 

10.4 GW of nuclear turbine generating capacity. 

 

To date, there are 70 GE Energy steam turbines and generators planned or installed for projects 

in  Korea,  including  combined‐cycle,  nuclear,  sub‐critical  coal‐fired  and  supercritical  coal‐fired  steam 

turbine applications. Fifty‐one of these steam turbines have been co‐produced with Doosan.    Current 

ongoing projects with planned commercial operation in 2006 thru 2008 include: 

 

• 2 x 550MW USC Korea East‐West Power Co. (KEWESPO) Tangjin #7 & #8 

• 2 x 550MW USC Korea Western Power Co. (KOWEPO) Taean #7 & #8 

• 2 x 550MW USC Korea Midland Power Co. (KOMIPO) Poryeong #7 & #8 

• 2 x 550MW USC Korea Southern Power Co. (KOSPO) Hadong #7 & #8   

 

In addition  to advanced  steam  turbine  technology operating at  steam  conditions of 241 bar  / 

566°C / 593°C  (3500 psi / 1050°F / 1100°F), these power plants also  feature the  latest technology  in 

once‐through  USC  boilers  supplied  by  Doosan.  These  boilers will  have  improved  heat  efficiency  to 

further increase the plant’s capability to compete in the new Korean power market environment.   

 

With  the emerging  interest  to  reduce emissions,  including green house gases,  from  coal  fired 

power  generation,  GE  Energy  and  Doosan  are  striving  to  increase  USC  PC  generation  output  and 

efficiency  in  its  co‐development  of  this  1000MW USC  PC  platform.  Every  1%  improvement  in  plant 

efficiency  results  in  approximately  2.5%  reduction  in  green  house  gas  emissions.    To  satisfy  this 

2

Page 3: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

objective, both GE Energy and Doosan’s  steam  turbine  technology and Doosan’s boiler  technology  is 

looking to achieve the following advances in PC generation technologies: 

 

MW rating: 1000MW MGR 

HP throttle pressure: 260 bar (3770 psi) 

HP throttle temperature: 610°C (1130°F) 

Reheat steam temperature: 621°C (1150°F) 

Condenser pressure: 1.5” Hg (NR Back Pressure: 2.5” Hg) 

4 flow, 45 inch Last Stage Blade 

Cycle: Single Reheat Regenerative 

 

2. TECHNOLOGY of USC STEAM TURBINE 

2.1 Cycle Overview 

In  the evaluation of steam conditions,  the potential cycle efficiency gain  from elevating steam 

pressures and temperatures must be considered. Starting with the traditional 165 bar / 538°C (2400 psi 

/ 1000°F) single reheat cycle, dramatic improvements in power plant performance can be achieved by 

raising inlet steam conditions to levels up to 310 bar (4500 psi) and temperatures to levels in excess of 

600°C (1112°F). Every 28°C (50°F) increase in throttle and reheat temperature results in approximately 

1.5% improvement in heat rate.   

The feedwater heater arrangement is designed to obtain the best heat rate for a given set of USC 

steam conditions. In general, the selection of higher steam conditions will result in additional feedwater 

heaters and a higher final feedwater temperature. The higher final feedwater temperature will have an 

impact  on  the  boiler  cost.  This  then  requires  a  system  level  optimization  to  determine  the  best 

economical solution for the  increase  in final feedwater temperature. In many cases, the selection of a 

heater above the reheat point (HARP) also is warranted. The use of a separate de‐superheater ahead of 

the top heater for units with a HARP can result in additional gains in unit performance. 

 

The  selection  of  the  cold  reheat  pressure  is  an  integral  part  of  any  power  plant  design,  but 

becomes even more important for plants with advanced steam conditions. Comparing the heat rate at 

the thermodynamic optimum, the  improvement resulting from the use of a HARP can be about 0.6%. 

However, economic considerations of the boiler design without a HARP tend to favor a lower reheater 

pressure at the expense of a slight decrease  in cycle performance. The resulting net heat rate gain  is 

usually  larger, approaching 0.6‐0.7%. Changing  the  final  feedwater  temperature, adding a HARP, and 

setting the reheater pressure obtain the best relative heat rate impact. 

3

Page 4: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

The use of advanced reheat steam conditions strongly affects the  inlet temperature to the  low‐

pressure  (LP)  turbine  section. An  increase  in hot  reheat  temperature  translates  into an almost equal 

increase in crossover temperature for a given crossover pressure. However, the maximum allowable LP 

inlet  temperature  is  limited by material considerations associated with  the rotor, crossover and hood 

stationary components. In addition, the selection of hot reheat temperature (and corresponding effect 

on LP  inlet  temperature)  impacts  the amount of moisture at  the L‐0 bucket which  factors  into stress 

corrosion cracking considerations. 

 

Once the reheat steam conditions are established (pressure and temperature) then the LP steam 

conditions  can  be  determined.  If  the  resulting  crossover  temperature  is  too  high,  the  energy  ratio 

between the IP and the LP can be changed to lower this temperature. Increasing the energy on the IP 

section will  lower the crossover temperature, but  it will also  impact the cycle efficiency,  increase the 

number of IP stages, or the loading of the IP stages, increase the height of the final IP bucket, increase 

the size of the crossover, or increase the pressure drop through the crossover. 

 

2.2 Steam Turbine Configuration 

The appropriate steam turbine configuration for a given USC application  is  largely a function of 

the number of reheats selected, the unit rating, the site back pressure characteristics and any special 

requirements such as district heating extractions. Specific design details will also determine the number 

of flows in a turbine section, the number of stages and the last stage bucket (LSB) length. 

 

In particular, the site ambient conditions and the condensing system will play a huge role in the 

selection of the LSB and the number of LP section flows. The 38.1 mmHgA (1.5” HgA) would be for a 

direct cooled condenser, or cooling towers  in a cold environment. The 88.9 mmHgA (3.5” HgA) would 

be for cooling towers in an area with warmer ambient temperatures. 

 

The expected exhaust pressure of the plant at the time of maximum expected power production 

should be considered in the design the LP section. At 1.5” HgA, and 1000 MW output, a 45” LSB and a 

6‐flow LP section would achieve the best heat rate. At 3.5”HgA, and an output of 1000 MW, the 40” LSB 

and a 4‐flow LP section would be the lowest heat rate choice. In either of these cases, the high pressure 

(HP) and intermediate pressure (IP) sections would be essentially the same. 

 

The  turbine  cost  increases and plant  cost  increases would  then be  compared  to  the expected 

kilowatt outputs  to optimize  the plant Cost of Electricity.  In  the case of the 3.5” HgA, the 4‐flow 40” 

would be higher cost than the 4‐flow 33.5”, and the footprint of the 40” LP section would be larger also. 

In the case of the 1.5” HgA chart, the 6‐flow LP section would require the additional LP turbine section, 

4

Page 5: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

and additional condenser, as well as a larger footprint for the 45” LP section.     

 

These  considerations  resulted  in  the  selection  of  a  4‐flow  45”  LP  section  design.  The  overall 

turbine configuration is shown in Figure 1.   

 © 2007, General Electric Company

Figure 1 ‐ 4‐casing, 4‐flow LP Configuration 

 

2.3 Evaluation of Ultra Super Critical Technology 

The  history  of  steam  turbine  development  is  basically  an  evolutionary  advancement  toward 

greater power density and efficiency. Improvements in the power density of steam turbines have been 

driven largely by the development of improved rotor and bucket alloys as well as improvements in the 

design and analysis of the attachment devices for the vanes. This has increased the allowable stresses 

and enabled the construction of longer last stage buckets for increased exhaust area per exhaust flow. 

 

Increases  in  efficiency  have  been  achieved  largely  through  two  kinds  of  advancements:  (1) 

improving  expansion  efficiency  by  reducing  aerodynamic  and  leakage  losses  as  the  steam  expands 

through  the  turbine; and  (2)  improving  the  thermodynamic efficiency by  increasing  the  temperature 

and pressure at which heat  is added  to  the power cycle. The  latter  improvement  is  the core of USC 

technology. 

 

The design of the Ultra Super Critical steam turbine for the present development will incorporate 

the new technologies, which consist of: 

 

i) Improvement of in the power density of steam turbines such as; 

Increased number of stages 

Decreased inner ring diameter 

Optimized stage reaction levels 

Optimized Stage energy levels 

5

Page 6: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

ii) Mechanical design elements including: 

Advanced sealing 

Integral cover bucket (ICB) 

Full Arc, hook diaphragm 1st stage 

Advanced cooling scheme 

iii) Improved HP/IP/LP shell design 

iv) Advanced LP design with 45 inch last stage blade 

 

3. HIGH/INTERMEDIATE PRESSURE TURBINE DESIGN 

3.1 High Pressure (HP) Section Design 

3.1.1 Section Design 

Figure 2 shows the HP cross‐section. The HP section is designed in a single flow configuration. 

This  modern  design  eliminated  the  partial  admission,  control  stage,  and  nozzle  box.  An  overload 

admission  was  added  for  frequency  control  and  capacity  margin.  Main  steam  enters  the  section 

through two pipes  (top and bottom.) A heater above reheat point extraction  is taken from the  lower 

half.    The HP exhaust uses two cold‐reheat  (CRH) pipes  from the  lower half arranged  in the pant  leg 

configuration. Elimination of the nozzle box required that two  inner shells be used. All shells are split 

and bolted at  their horizontal  joints  for ease of maintenance.  In  this arrangement,  the  inlet #1  inner 

shell  is  subject  to  adjacent  stage  steam  conditions  on  its’  inner  surfaces  and  a  downstream  stage’s 

steam pressure on its outer surface. The corresponding outer shell inner surface is subjected to steam 

conditions at  the  same downstream  steam pressure albeit with an enthalpy determined by  the  flow 

balance of  steam between  the packing  leakage  and  the  split  location.  The  exhaust  #2  inner  shell  is 

arranged  in  a manner  similar  to  that  for  the  full  inner  shell  described  above.  The  inner  shell  split 

location is judiciously chosen to optimize the horizontal joint and bolting design of the outer, #1 inner, 

and #2  inner  shells. The outer  and # 1  inner  shell  are  cast 10Cr material. The #2  inner  shell  is  cast 

CrMoV material. The mono‐block rotor material  is 12Cr. The Advancing steam conditions necessitated 

the addition of inlet cooling for the rotating parts to allow the rotor design to stay 12Cr materials. Full 

admission design alleviated the mechanical challenges associated with partial admission design and the 

control stage. Thrust is balanced using the pressure difference across the rotor at the generator end of 

the HP section.    The rotor is supported by bearings in the front and middle standards. Both standards 

slide in a manner conventional to GE 4 casing, 4‐flow turbine construction.   

6

Page 7: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

 © 2007, General Electric Company

Figure 2 ‐ HP Section Arrangement 

3.1.2 High Pressure Steam Path 

The  HP  steam  path  has  10  stages.  The  first  stage  is  full‐arc  admission.  The  HP  staging  is 

designed in a manner typical for GE’s proven designs using Dense PackTM steampath components. The 

buckets of the  first  four stages are made of nickel‐based material due to the high temperature creep 

requirements. The remaining buckets are conventional 12Cr materials. All 10 stages will utilize integral 

cover buckets (ICB) with advanced tip seals. Figure 3 shows a typical GE ICB design. The wheel spaces of 

the first two stages are cooled using external cooling steam. The first five stages of diaphragms utilize 

10Cr materials. The remaining five stages of diaphragms use 12Cr web and ring material. A combination 

of brush, variable clearance, and conventional shaft seals are used in the HP section.   

 

 © 2007, General Electric Company   

Figure 3 ‐ Typical GE ICB Design 

7

Page 8: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

3.2 Intermediate Pressure (IP) Section 

3.2.1 Section Design 

Figure 4 shows the intermediate‐pressure cross‐section. The IP section is designed in a double 

flow  configuration.  Steam  enters  the  section  through  two  pipes  in  the  lower half.    Two  feed water 

heater extractions are taken from the lower half. The IP exhaust uses two cross over connections from 

the upper half arranged in the manner conventional to GE 4 casing, 4‐flow turbine construction. Single 

shell construction  is used.    The shell  is split and bolted at  its horizontal  joint  to minimize clearances 

and reduce manufacturing cost. The shell is cast 10Cr material. The mono‐block rotor material is 12Cr. 

The advancing  steam conditions necessitated  the addition of  inlet cooling  for  the  rotating parts. The 

rotor  is  supported by bearings  in  the middle  standard  and  LPA  standards. Both  standards  slide  in  a 

manner conventional to GE 4 casing, 4‐flow turbine construction.   

 © 2007, General Electric Company   

Figure 4 ‐ IP Section Arrangement 

3.2.1 Steam Path Design 

The IP steam path has 8 stages. The IP staging is designed in a manner typical for GE’s proven 

designs using Dense PackTM components. The buckets of the first three stages are made of nickel‐based 

material due to high temperatures. The remaining buckets are conventional 12Cr materials. All 8 stages 

will utilize integral cover buckets (ICB) with advanced tip seals. The wheel spaces of the first two stages 

are  cooled  using  cooling  steam,  from  HP  section.  The  first  two  stages  of  diaphragms  utilize  10Cr 

materials. The  remaining six stages of diaphragms use 12Cr web and  ring material. A combination of 

variable clearance and conventional shaft seals are used in the IP section. 

 

3.3 Aerodynamic Design 

3.3.1 Advanced Aero Design 

The  biggest  advance  in  steam  turbines  in  recent  years  has  been  Aerodynamics.  GE  has 

continued  to develop  advance  aerodynamic  vane  shapes based on 100  years of  experience  coupled 

8

Page 9: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

with 3D CFD (computational fluid dynamics) and GE’s HP test facility. The addition of CFD in the last 10‐

15 years has resulted  in great strides  in steam turbine aerodynamics. Figure 5 shows the evolution of 

aerodynamic shapes over the years. 

Stea

m P

ath

Effic

ienc

y %

Free -Vortex• Uniform Radial

Controlled -Vortex• Non-Uniform Radial Flow• Straight Trailing Edge

Advanced -Vortex• Compound Lean • Bowed Nozzle

Partitions

1960’sFree -

VortexDesign

1970’sImproved

Vane Profiles

1980’sControlVortexDesign

1990’sAV1, adv

RTSS

Late 1990’sAV2, ICBs,

opt. clearance

2000’sDense Pack

2000’sDense Pack ™

w/adv sealing

Free -Vortex• Uniform Radial

Flow

Controlled- Vortex• Non Uniform Radial Flow• Straight Trailing Edge• Optim ized Reaction

Advanced - Vortex• Compound Lean • Bowed Nozzle

Partit ions

-

Stea

m P

ath

Effic

ienc

y %

Free -Vortex• Uniform Radial

Controlled -Vortex• Non-Uniform Radial Flow• Straight Trailing Edge

Advanced -Vortex• Compound Lean • Bowed Nozzle

Partitions

1960’sFree -

VortexDesign

1970’sImproved

Vane Profiles

1980’sControlVortexDesign

1990’sAV1, adv

RTSS

Late 1990’sAV2, ICBs,

opt. clearance

2000’sDense Pack

2000’sDense Pack ™

w/adv sealing

Free -Vortex• Uniform Radial

Flow

Controlled- Vortex• Non Uniform Radial Flow• Straight Trailing Edge• Optim ized Reaction

Advanced - Vortex• Compound Lean • Bowed Nozzle

Partit ions

- New Design

Adv Sealing

Stea

m P

ath

Effic

ienc

y %

Free -Vortex• Uniform Radial

Controlled -Vortex• Non-Uniform Radial Flow• Straight Trailing Edge

Advanced -Vortex• Compound Lean • Bowed Nozzle

Partitions

1960’sFree -

VortexDesign

1970’sImproved

Vane Profiles

1980’sControlVortexDesign

1990’sAV1, adv

RTSS

Late 1990’sAV2, ICBs,

opt. clearance

2000’sDense Pack

2000’sDense Pack ™

w/adv sealing

Free -Vortex• Uniform Radial

Flow

Controlled- Vortex• Non Uniform Radial Flow• Straight Trailing Edge• Optim ized Reaction

Advanced - Vortex• Compound Lean • Bowed Nozzle

Partit ions

-

Stea

m P

ath

Effic

ienc

y %

Free -Vortex• Uniform Radial

Controlled -Vortex• Non-Uniform Radial Flow• Straight Trailing Edge

Advanced -Vortex• Compound Lean • Bowed Nozzle

Partitions

1960’sFree -

VortexDesign

1970’sImproved

Vane Profiles

1980’sControlVortexDesign

1990’sAV1, adv

RTSS

Late 1990’sAV2, ICBs,

opt. clearance

2000’sDense Pack

2000’sDense Pack ™

w/adv sealing

Free -Vortex• Uniform Radial

Flow

Controlled- Vortex• Non Uniform Radial Flow• Straight Trailing Edge• Optim ized Reaction

Advanced - Vortex• Compound Lean • Bowed Nozzle

Partit ions

- New Design

Adv Sealing

 © 2007, General Electric Company

Figure 5 ‐ Evolution of Steam Turbine Aerodynamics 

GE’s designs using Dense PackTM components further improve efficiency by addressing the major 

sources or aerodynamic loss in impulse steam turbines.    This is achieved via: 

• Higher  bucket  reaction  ‐>  Decreased  nozzle  velocity/turning  ‐>Decreased  nozzle  profile  and 

secondary losses 

• Reduced nozzle and bucket counts ‐> Decreased friction loss 

• Decreased root diameter ‐> Increase bucket active length ‐> Improved bucket efficiency 

 

In  addition,  the higher  reaction  and decreased  root diameter  result  in  additional  stages  (in 

order to keep optimum wheel velocity ratio). These additional stages improved section efficiency. 

 

3.3.2 High Pressure Turbine 1st Stage   

Older  steam  turbine  designs  utilized  a  control  stage  to  control  pressure  and  load  during 

transient conditions. The mechanical design requirements of this stage, having to withstand partial arc 

stimulus, often result in a very large and in‐efficient 1st stage design that can be 5‐10% lower efficiency 

than  the other HP  stages. Although  there have been many  improvements  to  control  stage design  in 

recent  years  as  part  of GE’s  products  using Dense PackTM components,  the  efficiency  still  lags  other 

9

Page 10: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

group stages. Therefore, for the new Korea 1000 MW USC standard GE and Doosan chose to implement 

a full arc 1st stage design, which is much higher reaction and lower aspect ratio to a traditional control 

stage. This enables the first stage design to rival the efficiency of other stages. To allow this however, 

changes  need  to  be made  to  allow  the  turbine  to  quickly  and  efficiently  respond  to  load  swings. 

Therefore,  GE  and  Doosan  will  utilize  an  overload  valve  that  will  bypass  the  1st  stage  and  allow 

additional flow/load response. GE has utilized such a design previously and has a patent in this area. 

 

3.3.3 High Pressure and Intermediate Pressure Cooling 

As throttle temperatures increase, cooling becomes extremely important. For the new Korean 

1000 MW USC standard, GE utilizes traditional type IP Cooling, and also HP cooling, which was utilized 

on GE’s 1st USC machine in 1958. HP cooling takes lower enthalpy steam from the boiler and floods the 

HP 1st stage wheel and N2 packing areas. This method has minimal performance penalty since  lower 

enthalpy  steam  feeds  the  leakage  circuit  and  the  high  enthalpy  steam  stays  in  the  steampath.  In 

addition, the IP cooling steam is mixed from 2 different sources, allowing better control of temperature, 

minimizing flow and performance loss. 

   

4. LOW PRESSURE TURBINE DESIGN TECHNOLOGY 

4.1 Wheel and Diaphragm Configuration Structure   

 m© 2007, General Electric Co pany   

Figure 6 ‐ Wheel and Diaphragm Configuration 

As shown in Figure 6, the LP design for the 1000 MW consists of 5 stages with 4 extractions for 

the feed water cycle. The  last 3 stages (L‐0, L‐1, and L‐2) are designed as a system and the L‐0 utilizes 

the  new  GE  45”  Titanium  LSB  design.  This  provides  the  maximum  annulus  area  for  a  4‐flow 

configuration. Titanium material  is required due  to  the  large  load.  In addition, advanced curved axial 

entry dovetails have been developed  to minimize stresses. High strength LP rotor material, similar  to 

10

Page 11: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

that used on GE’s 40” steel bucket is also used to control stress. 

 

The  first 2 LP stages  (L‐3 and L‐4) utilize high  reaction stage design  for optimal efficiency.  In 

addition, advance brush seals are utilized to reduce leakage losses. 

 

4.2 Exhaust Hood Design 

The LP turbine section  is a complex system, which requires a careful optimization to get the 

proper balance of performance, cost, robust operability, and ease of maintenance. The elements of this 

LP  turbine section are:  the outer exhaust hood,  the  inner casing,  the stationary steam path, and  the 

rotor. 

 

As the steam paths get larger, with the introduction of longer last stage buckets, the challenges 

of  the  exhaust  hood  design  become  more  critical.  The  exhaust  hood  must  contain  the  vacuum 

established in the condenser, it must support the rotor bearings, as well as the inner casing, and it must 

have a design that allows for the proper diffusion of the steam leaving the last stage.   

 

Three‐dimensional (3D) solid models of all of the components of the LP turbine allow for state‐

of‐the‐art  analysis  techniques,  with  respect  to  finite  stress  calculations,  transient  heat  transfer 

calculations,  component  response  to  heating  and  loading,  and  Computational  Fluid  Dynamic  (CFD) 

Analysis. The critical movements of the interfaces of the various components need to be understood to 

be able to optimize the clearance calculation throughout the LP turbine. The required axial and radial 

clearances can be calculated with  the  transient  loading conditions  for start‐up and shut down of  the 

machine.  This  together  with  a  statistical  analysis  on  the  expected  variation  from  the  stack‐up, 

manufacturing tolerances, and calculation uncertainty, yields the clearances for the machines. Figure 7 

shows the exhaust hood outer model, which is a part of this analysis. 

 © 2007, General Electric Company

Figure 7 ‐ LP Exhaust Hood Model 

11

Page 12: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

The LP exhaust hood directs the flow from the last stage bucket exit annulus to the condenser. The high 

volumetric flows associated with the low exhaust pressure result in high exit Mach numbers making the 

recovery  of  this  exit  kinetic  energy  or  “Leaving  Loss”  an  important  feature  of  the  LP  turbine.  To 

maximize the recovery of the exit kinetic energy, the exhaust hood  is designed using an unstructured 

CFD mesh. Inlet boundary conditions are set to model the effects of the LSB exit flow profile.   

 

Results of  this model,  shown  in Figure 8, are used  to  refine  the geometric definition of  the 

exhaust hood  shape  such  that  the  flow  losses  are  reduced  and  the  leaving  loss  is  recovered  to  the 

maximum extent possible.  In  the exhaust,  the placement and  shapes of  the butterfly plates, Herzog 

plates  and  steam  guides  were  design  for  the  best  performance.  These  changes  reduced  the  high 

velocity  regions,  minimized  separations,  and  reduced  flow  turning  resulting  in  reduced  inlet  and 

exhaust pressure losses, contributing to the overall improved performance of the LP turbine. 

 

 © 2007, General Electric Company

Figure 8 ‐LP casing Model and CFD results 

The LP inner casing inlet duct transitions flow from the crossover pipe to the annular inlets of 

the steam path. 3D CFD analysis of the inlet region is employed to minimize the losses in this transition. 

Results from this analysis provided the inlet boundary condition for the turbine analysis including both 

radial and circumferential variation. 

 

4.3 LP Inlet Design   

In addition to the CFD work used to optimize LP Exhaust, similar methods are used for LP Inlets. 

Although the velocities are much lower in the inlets, meaning that less performance is lost than in the 

exhaust, some  improvements can be made. Aside from the basic area rules of crossover to LP  inlet to 

1st stage used to avoid acceleration, the LP inlet shape can be designed to reduce pressure drop. Figure 

9 shows a CFD analysis of an LP inlet before and after aerodynamic optimization. The colors represent 

areas of different velocity. (red is high, blue is low) 

12

Page 13: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

 © 2007, General Electric Company

Figure 9 ‐ LP Inlet Optimization 

5. ADVANCED SEAL DESIGN TECHNOLOGY 

One  of  the  biggest  issues with  increased  reaction  is  the  need  for  improved  seals  over  the 

bucket tips due to the higher pressure drops. In addition, to further efficiency improvements, improved 

seals  are  also  applied  to  diaphragms.  GE’s  wheel  and  diaphragm  construction  lends  itself  well  to 

application of a variety of advanced seals. 

 

5.1 Elliptical Clearance Packing 

The first, most basic advanced seal used is a standard hi‐lo or slant tooth packing with elliptical 

packing.  Elliptical  packing  has  been  shown  through  experience  to  be  the  best  solution  to minimize 

leakage  area  while  preventing most  rubs.  Clearances  tend  to  be  larger  at  the  vertical  position  as 

opposed to the horizontal position due to rotor and stationary part movements. Recent CFD analyses as 

well as component testing has shown that rubbed packing shapes have a much higher  leakage than a 

sharp toothed packing (see Figure 10). 

  © 2007, General Electric Company

Figure 10 ‐ Rubbed packing CFD 

13

Page 14: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

Elliptical clearances are used in conjunction with other advanced seals in most areas. 

 

5.2 Variable Clearance Positive Pressure Packing 

In  the  1990’s  GE  introduced  its  proprietary  variable  clearance  positive  pressure  packing 

(VCPPP). This design provides  improved  rub  resistance, as  the packing  is “open” while  the  turbine  is 

starting up. Unlike conventional packing where the spring pushes the packing ring toward the rotor, the 

spring  on  VCPPP  packing  pushed  the  ring  away  from  the  rotor  by  a  prescribed  amount. Once  the 

turbine  starts  to  increase  in  load, pressure builds up  and  “closes”  the  ring  against  the hook.  This  is 

beneficial as the rotor has already gone through  its critical speeds and much of the thermal transient 

conditions that lead to rubbing have passed. GE applies VCPPP where pressure drops are large enough 

to close the rings. 

 

5.3 Brush Seals 

Brush seals have been used in GE steam turbines since the 1990’s and have proven to be very 

beneficial. Brush seals, unlike traditional packing, are designed to contact during normal operation. The 

“bristle” material is designed for heavy wear, thus resulting in a minimal clearance during the life of the 

turbine. Brush seals are most effective where  there are  large pressure drops, however  there  is some 

limitations on pressure drop based on backplate stress. Brush seal usage is also limited based on rotor 

dynamics criteria. Since the seals are designed to rub, there is heat generation in the rotor locally to the 

rub.  This  rub  causes  a  thermal  bow  that  can  cause  the  rotor  instability.  Therefore,  brush  seals  are 

limited in number based on the rotor dynamics characteristics of a given rotor. 

 

 

 

6. CONCLUSIONS 

As global fuel prices are making coal‐fired fossil steam turbine generators  increasingly more 

attractive  in  the  world  generation  market,  the  increased  efficiency  /  reduction  in  emissions  is  of 

paramount importance to the environment.    USC steam conditions enable high efficiency designs that 

reduce the amount of fuel required for generation and help reduce green house gas emissions. 

 

GE Energy and Doosan are currently developing the next generation 1000 MW fossil PC steam 

turbine generator platform, a design that includes will set a new standard for power plant performance 

and economics, using state of the art analysis and technology. 

 

REFERENCES 

14

Page 15: Recent Advances in Ultra Super Critical Steam Turbine

1. J.  Michael  Hill,  Sanjay  Goel,  “Development  of  the  Dense  Pack  Steam  turbine:  A  New  Design 

Methodology  for  Increased Efficiency”, Proceedings of 2000  International  Joint Power Generation 

Conference, 2000 

 

2. Eichiro  Watanabe,  Yoshinori  Tanaka,  “Development  of  New  High  Efficiency  Steam  Turbine”, 

Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Technical Review Vol. 40 No.4., Aug. 2003 

 

3. Tom Logan, Un‐Hak Nah, James Donohue, “GE and Doosan bring Ultra Super Critical Steam Turbine 

Technology to Korea”, Proceedings of 2003 Power Gen Asia, 2003. 

 

4. Daniel Cornell, Klaus Retzlaff, Sean Talley, “DX2 (Dense Pack) Steam Turbines”, GER‐4202 GE Power 

Systems. 

 

5. Mujezinovic, A., Hofer, D., Barb, K., Kaneko, J, Tanuma, T. and Okuno, K, “Introduction of 40/48 Inch 

Steel Steam Turbine Low Pressure Section Stages”, Proceeding of the Power‐GEN Asia, (2002), CD‐

ROM. 

 

6. Hofer, D., Slepski, J., Tanuma, T. Shibagaki, T., Shibukawa, N., and Tashima, T., “Aerodynamic Design 

and Development  of  Steel  48/40  inch  Steam  Turbine  LP  End  Bucket  Series”,  Proceedings  of  the 

International Conference on Power Engineering‐03 (ICOPE‐03) November 9‐13, 2003, Kobe, Japan 

15