JP2017106414A - ノズルダイヤフラム、タービンおよびノズルダイヤフラムの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】品質を向上させるとともに製造時間を短縮させることができるノズルダイヤフラムを提供する。【解決手段】実施の形態によるノズルダイヤフラム１０は、ノズル外輪１１と、ノズル外輪１１より内周側に設けられたノズル内輪１２と、ノズル外輪１１とノズル内輪１２との間に設けられたノズル１３と、を備えている。ノズル１３は、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２の少なくとも一方にシームレスで一体に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、ノズルダイヤフラム、タービンおよびノズルダイヤフラムの製造方法に関する。

火力発電などの発電プラントに設置されるタービンは、蒸気を整流するノズル（静翼）と、蒸気の膨張仕事を受けて回転する動翼とが交互に並んだ構造となっている。このうちノズルは、図４に示すようなノズルダイヤフラムの一部を構成している。

より具体的には、ノズルダイヤフラム５０は、ノズル外輪５１と、ノズル外輪５１より内周側に設けられたノズル内輪５２と、を備えている。ノズル外輪５１とノズル内輪５２との間に、周方向に所定の間隔で配置された複数のノズル５３が設けられている。各ノズル５３は、ノズル外輪５１およびノズル内輪５２に溶接で接合されている。このため、ノズル外輪５１とノズル５３との間には溶接部５４が設けられている。また、溶接部５４の内周側には、ノズル５３の位置決めのための当て板５５が設けられている。同様に、ノズル内輪５２とノズル５３との間には溶接部５６が設けられており、溶接部５６の外周側には、ノズル５３の位置決めのための当て板５７が設けられている。

このようなノズルダイヤフラム５０のうちノズル外輪５１がケーシングに溶接されて、ノズルダイヤフラム５０がケーシングに固定されている。そして、ノズルダイヤフラム５０は、回転する動翼に対して上流側の所定の位置に配置されて、動翼に向かう蒸気を整流する。

特開２０１５−６７９０２号公報

ところで、上述したようなノズルダイヤフラム５０の構造では、ノズル内輪５２はノズル５３によって支持され、ノズル５３はノズル外輪５１によって支持される。このため、ノズル外輪５１とノズル５３との間の溶接部５４、およびノズル内輪５２とノズル５３との間の溶接部５６に、蒸気の流れによって大きな力がかかり、溶接品質の確保が重要となっている。

しかしながら、ノズル５３の溶接は、ノズル外輪５１およびノズル内輪５２にノズル５３の端面を突き合わせて、各端面の全周にわたって行われる。このため、ノズル５３の突き合わせ面の全周を欠陥なく溶接することは難しくなり得る。溶接欠陥が生じた場合には、溶接部５４、５６の機械的強度が低下し、品質の確保が困難になるという問題が生じ得る。また、複数のノズル５３がノズル外輪５１およびノズル内輪５２に溶接されるため、溶接作業に多くの時間が費やされるという問題もある。さらに、溶接部５４、５６の検査を行う際には、ノズルダイヤフラム５０の構造が複雑であるために、溶接欠陥の検出も困難になり、品質の確保が困難になり得る。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、品質を向上させるとともに製造時間を短縮させることができるノズルダイヤフラム、タービンおよびノズルダイヤフラムの製造方法を提供することである。

実施の形態によるノズルダイヤフラムは、ノズル外輪と、ノズル外輪より内周側に設けられたノズル内輪と、ノズル外輪とノズル内輪との間に設けられたノズルと、を備えている。ノズルは、ノズル外輪およびノズル内輪の少なくとも一方にシームレスで一体に形成されている。

実施の形態によるタービンは、上述したノズルダイヤフラムを備えている。

実施の形態によるノズルダイヤフラムの製造方法は、上述したノズルダイヤフラムを製造するノズルダイヤフラムの製造方法である。このノズルダイヤフラムの製造方法は、ノズルダイヤフラムを、三次元積層造形技術を用いて製造する。

本発明によれば、品質を向上させるとともに製造時間を短縮させることができる。

図１は、実施の形態における蒸気タービンの一例を示す断面構造図である。 図２は、図１の蒸気タービンにおけるノズルダイヤフラムの一例を示す子午面断面図である。 図３（ａ）〜（ｆ）は、各々ノズルダイヤフラムの製造方法の一例を説明するための工程図である。 図４は、一般的なノズルダイヤフラムの一例を示す子午面断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態におけるノズルダイヤフラム、タービンおよびノズルダイヤフラムの製造方法について説明する。

ここでは、まず、タービンの一例として、蒸気タービンについて図１を用いて説明する。図１は、蒸気の圧力が比較的低い低圧蒸気タービンの例を示す。

図１に示すように、蒸気タービン１は、ケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に設けられたタービンロータ３と、タービンロータ３に取り付けられた複数の動翼翼列４と、を備えている。各動翼翼列４は、周方向に所定の間隔で配置された複数の動翼により構成されている。一方、ケーシング２には、動翼翼列４と交互に配置された複数のノズル翼列５が取り付けられている。各ノズル翼列５は、周方向に所定の間隔で配置された複数のノズル１３（静翼、図２参照）により構成されている。各ノズル翼列５は、対応する動翼翼列４と共にタービン段落を構成している。複数のタービン段落のうち最も高圧側（上流側）のタービン段落は第１段落６といい、最も低圧側（下流側）のタービン段落は、最終段落７という。

ケーシング２には、図示しないボイラ等において生成された蒸気を作動流体としてタービン段落に供給する蒸気管８が連結されている。この蒸気管８により供給された蒸気は、第１段落６に入り、各タービン段落を通って下流側に流れて、最終段落７から抜けていくようになっている。この間、蒸気がノズル１３により整流されて動翼に案内され、この蒸気の膨張仕事を動翼が受けてタービンロータ３が回転する。このことにより、タービンロータ３に連結された発電機（図示せず）において発電が行われる。また、最終段落７から抜けた蒸気は、ケーシング２外の復水器（図示せず）に送られて復水が生成され、生成された復水は、上述したボイラに供給される。

以下に、本実施の形態によるノズルダイヤフラム１０について説明する。

図２に示すように、ノズルダイヤフラム１０は、ケーシング２に支持されたノズル外輪１１と、ノズル外輪１１より内周側に設けられたノズル内輪１２と、を備えている。ノズル外輪１１とノズル内輪１２との間に、板状に形成された、上述した複数のノズル１３が設けられている。複数のノズル１３は、上述したように、周方向に所定の間隔で配置されており、互いに隣り合うノズル１３の間の開口を蒸気が通過するようになっている。なお、ノズル１３は、中実状に形成されている場合もあるが、ノズル１３を冷却するための冷却媒体を流すために中空状に形成されている場合もある。

ノズル１３は、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２の少なくとも一方にシームレスで一体に形成されている。なお、本実施の形態によるノズル１３は、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２にシームレスで一体に形成されている。すなわち、本実施の形態においては、三次元積層造形技術を用いて、ノズル外輪１１、ノズル内輪１２およびノズル１３が、一体に、一部品として形成されている。例えば、ノズル外輪１１、ノズル内輪１２およびノズル１３を、それぞれ別々の部品として形成して溶接等で接合した場合、各部品の境界部にシーム（継ぎ目）が形成され得るが、本実施の形態によるノズルダイヤフラム１０においては、このようなシームが形成されていない。すなわち、本実施の形態におけるシームレスとは、ノズル外輪１１、ノズル内輪１２およびノズル１３が別々に形成されてこれらを溶接等で接合した場合に形成されるシームが無いという意味で用いている。このようなシームレスのノズルダイヤフラム１０は、例えば三次元積層造形機（３Ｄプリンター）を用いて、ノズル外輪１１、ノズル内輪１２およびノズル１３を一部品として一体に形成することにより、製造することができる。

また、本実施の形態によるノズルダイヤフラム１０のノズル外輪１１、ノズル内輪１２およびノズル１３は、同一の材料によって形成されている。ノズル外輪１１、ノズル内輪１２およびノズル１３は、例えば耐熱合金鋼により形成されることができるが、とりわけ高Ｃｒ耐熱合金鋼により形成されていることが好適である。このことにより、ノズルダイヤフラム１０に一般に用いられる耐熱合金鋼を用いてノズルダイヤフラム１０を製造することができ、ノズルダイヤフラム１０の強度、耐熱性などの性能を確保することができる。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用、すなわち、ノズルダイヤフラム１０の製造方法について図３を用いて説明する。本実施の形態によるノズルダイヤフラム１０は、三次元積層造形技術を用いて形成される。

まず、１層目として、三次元積層造形装置３０のノズル３１から高Ｃｒ耐熱合金鋼などの金属粉末が吐出され、ステージ３２上に第１金属層４１が形成される（図３（ａ）参照）。

続いて、第１金属層４１に、レーザ光Ｌ（または電子ビーム）が照射される（図３（ｂ）参照）。レーザ光Ｌは、ノズルダイヤフラム１０の３次元ＣＡＤデータに基づいて、第１金属層４１においてノズルダイヤフラム１０の形状に対応する領域に照射される。第１金属層４１のうちレーザ光Ｌが照射された部分は、溶融して凝固し、一体化された凝固部分４１ａが形成される。

次に、２層目として、ノズル３１から金属粉末が吐出され、第１金属層４１上に第２金属層４２が形成される（図３（ｃ）参照）。

続いて、第２金属層４２に、当該第２金属層４２においてノズルダイヤフラム１０の形状に対応する領域にレーザ光Ｌが照射される（図３（ｄ）参照）。このことにより、第２金属層４２のうちレーザ光Ｌが照射された部分が、溶融して凝固し、一体化された凝固部分４２ａが形成される。この際、第２金属層４２の凝固部分４２ａは、第１金属層４１の凝固部分４１ａにも一体化される。

このような処理を繰り返すことにより、金属粉末の凝固部分が積層され、各層の凝固部分が一体化されてノズルダイヤフラム１０の形状に形成される（図３（ｅ）参照）。この時点では、凝固部分の周囲に、各層の凝固していない金属粉末が残存している。

その後、金属粉末の凝固していない部分が除去されて、ノズルダイヤフラム１０が得られる（図３（ｆ）参照）。

なお、上述した処理は、各層の厚さを薄くして、きめ細かく積層することにより、ＣＡＤデータに即した所望の形状で凝固部分を形成することができる。また、図３においては、積層方向が半径方向（図２における上下方向）である例について示しているが、ノズルダイヤフラム１０を好適に製造することができれば、これに限られることはない。積層方向は、例えば、タービンロータ３の軸方向（図２における左右方向）にしてもよい。

得られたノズルダイヤフラム１０は、ケーシング２に取り付けられて、図１に示すような蒸気タービン１が得られる。

このように本実施の形態によれば、ノズル１３が、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２にシームレスで一体に形成されているため、ノズル１３とノズル外輪１１との間、およびノズル１３とノズル内輪１２との間にシームが形成されることを回避できる。このため、ノズルダイヤフラム１０の機械的強度を向上させることができ、品質を向上させることができる。

また本実施の形態によれば、ノズルダイヤフラム１０が三次元積層造形技術を用いて製造され、ノズル１３が、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２にシームレスで一体に形成されている。このことにより、複雑な構造のノズルダイヤフラム１０であっても、溶接等によって各部を接合することが不要となり、ノズルダイヤフラム１０の製造時間を短縮させることができる。また、ノズル１３をノズル外輪１１およびノズル内輪１２に溶接した場合に使用していた当て板（図４に示す符号５５、５７参照）を不要とすることができ、ノズルダイヤフラム１０の製造効率を向上させて、製造時間を短縮することができる。さらに、溶接等によって各部を接合した場合に行っていた溶接検査を不要とすることができ、この点においても、ノズルダイヤフラム１０の製造効率を向上させて、製造時間を短縮することができる。

ここで、ノズルダイヤフラム１０は、構造が複雑であるとともに、所定の機械的性質が求められている。このため、鋳造によりノズルダイヤフラム１０を製造することは困難であると考えられる。例えば、厚肉なノズル外輪１１およびノズル内輪１２に対して、薄肉かつ流線型であって、ねじれた形状のノズル１３を鋳造により一体で形成しようとした場合、熱応力によりノズル１３にねじれ変形が生じ得る。この場合、高度に最適化されるべきノズル１３の形状を設計通りに実現することができず、設計時に予定していたタービン効率が発揮されない可能性がある。

これに対して本実施の形態によれば、ノズルダイヤフラム１０が三次元積層造形技術により製造されるため、高品質で、短時間でノズルダイヤフラム１０を製造することができる。また、三次元積層造形技術を用いることにより、鋳造により製造する場合に比べて、より複雑な形状を有するノズルダイヤフラム１０を短時間で容易に製造することができる。さらに言えば、三次元積層造形技術を用いることにより、より一層複雑な構造を有するノズルダイヤフラム１０を製造することができる。このため、ノズルダイヤフラム１０の形状や構造を、鋳造により製造する場合に比べて最適化させることができ、強度等の点で優れたノズルダイヤフラム１０を製造することが可能となる。

また本実施の形態によれば、ノズル外輪１１、ノズル内輪１２およびノズル１３が、同一の材料によって形成され、ノズル１３が、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２にシームレスで一体に形成されている。ここで、ノズル１３とノズル外輪１１、およびノズル１３とノズル内輪１２が異なった材料で形成されて、ノズル１３が、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２に溶接される場合には、溶接部のクリープ強度が低下する可能性が考えられる。これに対して本実施の形態によれば、ノズル外輪１１、ノズル内輪１２およびノズル１３が同一材料で一体に形成されているため、ノズル外輪１１とノズル１３との境界部、ノズル内輪１２とノズル１３との境界部におけるクリープ強度を向上させることができる。このため、ノズルダイヤフラム１０の機械的強度をより一層向上させることができ、品質を向上させることができる。また、三次元積層造形機で製造する場合には、ノズルダイヤフラム１０の製造中に材料を変えることを不要にでき、効率良くノズルダイヤフラム１０を製造することが可能となる。

以上述べた本実施の形態によれば、品質を向上させるとともに製造時間を短縮させることができる。

本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述した本実施の形態においては、低圧蒸気タービンのノズルを例にとって説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、さらにガスタービンのノズルにも、上述の実施の形態によるノズルを適用することができる。

また、上述した本実施の形態においては、ノズル１３が、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２の両方にシームレスで一体に形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ノズル１３は、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２のいずれか一方にシームレスで一体に形成され、他方には、溶接等で接合されるようにしてもよい。この場合においても、ノズル１３を、ノズル外輪１１およびノズル内輪１２の両方に溶接で接合する場合に比べて、品質を向上させることができるとともに、製造時間を短縮させることができる。

上述した実施の形態に基づいて、ノズルダイヤフラム１０の縮小モデルを、三次元積層造形技術を用いて製造した。

具体的には、高Ｃｒ耐熱合金鋼の粉末を用いて、三次元積層造形機により、３分の１サイズのノズルダイヤフラム１０を製造した。

製造されたノズルダイヤフラム１０には、外見上の欠陥は認められなかった。また、ノズル外輪１１、ノズル内輪１２およびノズル１３の機械的特性試験を行い、各部で所定の基準を満たしていることが確認できた。この結果、三次元積層造形技術を用いてノズルダイヤフラム１０を健全に製造可能であることが確認できた。

１ 蒸気タービン
１０ ノズルダイヤフラム
１１ ノズル外輪
１２ ノズル内輪
１３ ノズル

Claims (8)

1. ノズル外輪と、
   前記ノズル外輪より内周側に設けられたノズル内輪と、
   前記ノズル外輪と前記ノズル内輪との間に設けられたノズルと、を備え、
   前記ノズルは、前記ノズル外輪および前記ノズル内輪の少なくとも一方にシームレスで一体に形成されていることを特徴とするノズルダイヤフラム。
2. 前記ノズルは、前記ノズル外輪および前記ノズル内輪にシームレスで一体に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のノズルダイヤフラム。
3. 前記ノズル外輪、前記ノズル内輪および前記ノズルは、同一の材料によって形成されていることを特徴とする請求項２に記載のノズルダイヤフラム。
4. 前記ノズル外輪、前記ノズル内輪および前記ノズルは、耐熱合金鋼によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のノズルダイヤフラム。
5. 前記ノズル外輪、前記ノズル内輪および前記ノズルは、高Ｃｒ耐熱合金鋼によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のノズルダイヤフラム。
6. 前記ノズル、前記ノズル外輪および前記ノズル内輪は、三次元積層造形技術を用いて形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のノズルダイヤフラム。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の前記ノズルダイヤフラムを備えたことを特徴とするタービン。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の前記ノズルダイヤフラムを製造するノズルダイヤフラムの製造方法であって、
   三次元積層造形技術を用いて製造することを特徴とするノズルダイヤフラムの製造方法。

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