JP4912840B2 - 蒸気タービン用のダイアフラム及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、総括的には蒸気タービンに関し、より具体的には蒸気タービン用のダイアフラム及び蒸気タービンに関する。

少なくとも幾つかの公知の蒸気タービンは、複数の段のダイアフラムを備えたタービン構成を含む。少なくとも幾つかの公知のタービンでは、最終の数段のダイアフラムは、フィレット組立品と呼ばれ、これらのフィレット組立品は、環状の外側リングと、環状の内側リングと、それらのリング間で延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置された翼形部、パーティション及び／又はノズルとで構成されている。そのようなダイアフラムの構造一体性を高めるのを可能にするために、翼形部は内側及び外側リングに溶接される。より具体的には、所定の溶接強度を達成するのを可能にするために、公知のフィレット組立品は、翼形部とリングとの間に形成される接合部に大きな溶接フィレットを含む。

少なくとも幾つかの公知のフィレット組立品の製作時には、内側リング及び外側リングの流路面は、個々の翼形部を所定の位置に溶接するのに先だって最初にけがきされる。しかしながら、公知の翼形部は一般的に重くかつ取り扱うのが困難であるので、溶接作業は、時間が掛かりかつ労力を要する仕事となる可能性がある。他の公知の製作方法では、溶接時に翼形部を位置合わせしかつ保持するのを可能にするために複雑な固定治具を使用している。しかしながら、公知の固定治具は高価である。さらに、各製作方法では、ダイアフラムの製作時における溶接材料の局所的加熱及び収縮に起因して溶接歪みが発生する可能性がある。その結果、多くの場合に、円周方向に隣接する翼形部間において規定した所定の公差及びスロート限界値を満たすことを保証にするために、組立て済みのダイアフラムの多大な人手による調整及び／又は機械加工が必要となる。加えて、歪んだ翼形部又はリングでは一般的に、所望の公差を完全には得ることができず、段性能を損なうことになる。

１つの態様では、蒸気タービン用のダイアフラムを提供する。本ダイアフラムは、蒸気タービン内でほぼ円周方向に延びるように構成された半径方向外側及び半径方向内側部材と、外側及び内側部材間でほぼ半径方向に延びる少なくとも１つの翼形部とを含む。少なくとも１つの翼形部は、ファスナ組立体により半径方向外側及び半径方向内側部材の１つに結合される。

別の態様では、蒸気タービンを提供する。本蒸気タービンは、蒸気タービン内でほぼ円周方向に延びるように構成された半径方向外側及び半径方向内側部材と、外側及び内側部材間で延びる複数の翼形部とを備えた少なくとも１つのダイアフラムを含む。複数の翼形部は、互いに円周方向に間隔を置いて配置されかつファスナ組立体によって外側及び内側部材の１つに結合される。

さらに別の態様では、蒸気タービンを組み立てる方法を開示する。本方法は、環状の外側部材を準備する段階と、環状の内側部材を準備する段階と、複数の翼形部が内側部材からほぼ半径方向外向きに延びるように複数のファスナ組立体により該複数の翼形部を内側部材に結合する段階と、複数の翼形部の各々を外側部材に結合する段階とを含む。

図１は、例示的な公知の対向流蒸気タービン１０の概略図である。タービン１０は、第１及び第２の低圧（ＬＰ）セクション１２及び１４を含む。当技術分野では公知のように、各タービンセクション１２及び１４は、複数の段のダイアフラム（図１には図示せず）を含む。ロータシャフト１６が、セクション１２及び１４を貫通して延びる。各ＬＰセクション１２及び１４は、ノズル１８及び２０を含む。単一の外側シェル又はケーシング２２が、水平面に沿ってかつ軸方向にそれぞれ上部及び下部半体セクション２４及び２６に分割され、ＬＰセクション１２及び１４の両方にわたって延びる。シェル２２の中央セクション２８は、低圧蒸気入口３０を含む。外側シェル又はケーシング２２の内部には、ＬＰセクション１２及び１４が、ジャーナル軸受３２及び３４によって支持された状態で単一軸受スパンの形態で配置される。第１及び第２のタービンセクション１２及び１４間において、流れスプリッタ４０が延びる。

図１は複流低圧タービンを示しているが、当業者には分かるように、本発明は、低圧タービンで使用することに限定されるものではなく、それに限定されないが中圧（ＩＰ）タービン又は高圧（ＨＰ）タービンを含むあらゆる複流タービンで使用することができる。加えて、本発明は、複流タービンで使用することに限定されるものではなく、むしろ、例えば単流蒸気タービンで同様に使用することができる。

運転時、低圧蒸気入口３０は、供給源、例えばＨＰタービン又はＩＰタービンからクロスオーバ管（図示せず）を介して低圧／中温蒸気５０を受ける。蒸気５０は、入口３０を通って導かれ、そこで流れスプリッタ４０によって蒸気流は２つの対向流経路５２及び５４に分割される。より具体的には、蒸気５０は、ＬＰセクション１２及び１４を通して送られ、ＬＰセクション１２及び１４において、蒸気から仕事が取り出されてロータシャフト１６を回転させる。蒸気は、ＬＰセクション１２及び１４から流出し、例えば中圧タービン（図示せず）に送られる。

図２は、蒸気タービン１０（図１に示す）で使用することができる例示的なダイアフラム１００の拡大概略図である。１つの実施形態では、ダイアフラム１００は、タービン１０の最終段ダイアフラム１００である。ダイアフラム１００は、環状の内側ウエブ又はリング１０２と、環状の外側リング１０４と、それらリング間で延びる複数のノズル又は翼形部１０６とを含む。外側リング１０４は、内側リング１０２の半径方向外側に位置しかつ該内側リングとほぼ同心に位置合わせされる。ノズル１０６は、リング１０２及び１０４間で円周方向に間隔を置いて配置されかつその各々はそれぞれ内側及び外側リング１０２及び１０４間でほぼ半径方向に延びる。

内側リング１０２の半径方向外面１１０及び外側リング１０４の半径方向内面１１２は、ダイアフラム１００内に形成された流路の半径方向内側及び半径方向外側境界面を形成する。

図３は、ダイアフラム１００の一部分の拡大概略図である。図４は、領域４に沿って取ったダイアフラム１００の一部分の拡大図である。この例示的な実施形態では、ダイアフラム内側リング１０２は、材料の圧延又は鍛造リングで製作される。それに代えて、ダイアフラム内側リング１０２は、該リング１０２を本明細書で説明するように機能させるのを可能にするあらゆる手段で製作することができる。リング１０２は、複数の位置合わせ開口部１１１及び複数の結合開口部１１２を含む。この例示的な実施形態では、開口部１１１はピン用開口部であり、開口部１１２はボルト用開口部である。開口部１１１及び１１２は各々、内側リング１０２の流路面１１０と半径方向内面１１４との間で該内側リングを貫通してほぼ半径方向に延びる。

開口部１１１及び１１２は各々、内側リング１０２の周りで円周方向に間隔を置いて配置される。より具体的には、この例示的な実施形態では、開口部１１１は、開口部１１２から下流方向に距離Ｄだけ間隔を置いて配置される。それに代えて、開口部１１１は、本明細書で説明するようにダイアフラム１００を組み立てるのを可能にする、開口部１１２に対するあらゆる位置に形成することができる。さらに、この例示的な実施形態では、開口部１１１は、各開口部１１２の直径ｄｏよりも小さい直径ｄａを有する。それに代えて、開口部直径ｄａは、結合開口部直径ｄｏとほぼ同一寸法にするか又はそれよりも大きくすることができる。より具体的には、この例示的な実施形態では、各開口部直径ｄａは、その中に挿入される各位置合わせピン１３０の直径ｄｐとほぼ同一寸法である。

この例示的な実施形態では、位置合わせ開口部１１１は、精密機械加工法を使用して穿孔される。それに代えて、開口部１１１は、該開口部１１１を本明細書で説明するように機能させるのを可能にするあらゆる方法を使用して形成することができる。具体的には、開口部１１１の位置は、内側流路に沿って円周方向に隣接する翼形部１０６間の円周方向間隔を決定するのを可能にする。さらに、開口部１１１の位置はまた、各翼形部１０６を内側リング１０２に対して、より具体的には流路面１１０に対して軸方向に位置合わせするのを可能にする。例えば、別の実施形態では、開口部１１１は、開口部１１２の前方に位置する。

開口部１１２は、内側リング１０２の周りで円周方向に間隔を置いて配置されかつその各々は半径方向内面１１４から流路面１１０に向かって内側に延びる陥凹又は座ぐり部分１４０を含む。座ぐり部分１４０と流路面１１０との間では、開口部１１２は、座ぐり部分１４０の直径ｄ_ｃｓよりも小さい直径ｄｏを有する。この例示的な実施形態では、座ぐり部分の直径ｄ_ｃｓは、その中に受ける各結合ボルト１５０の直径ｄ_ｂｈよりも大きく、また開口部直径ｄｏは、各結合ボルト軸部１５２の対応する直径ｄ_ｂｂよりも大きい。

この例示的な実施形態では、結合開口部１１２は、精密機械加工法を使用して穿孔される。それに代えて、開口部１１２は、該開口部１１２を本明細書で説明するように機能させるのを可能にするあらゆる方法を使用して形成することができる。具体的には、開口部１１２の位置は、円周方向に隣接する翼形部１０６間に形成されるスロート面積を決定するのを可能にする。この例示的な実施形態では、開口部１１２は、僅かにオーバサイズにされており、個々のスロート面積を設定する間に僅かな位置合わせ修正に適応するのを可能にする。

ダイアフラム１００の組立時には、最初に、内側リング１０２内にほぼ半径方向に、開口部１１１及び１１２が形成される。次に、内側リング流路面１１０に対して、第１の翼形部１０６が位置決めされ、それぞれの位置合わせ開口部１１１内に、位置合わせピン１３０が摺動可能に受けられる。より具体的には、位置合わせピン１３０が、内面１１４から内側リング１０２を貫通して、流路面１１０に対して位置決めした翼形部１０６内にほぼ半径方向に挿入される。各ピン１３０は、摩擦嵌めとしてそれぞれの開口部１１１内に受けられる。ピン１３０は、翼形部１０６を互いに対して円周方向及び内側リング流路面１１０に対して軸方向の両方向に位置決めするのを可能にする。それに代えて、複数のピン１３０を使用して、各翼形部１０６をあらゆる他の翼形部に対して位置決めするのを可能にすることができる。

次に、翼形部１０６は、ダイアフラム１００に対して向きを合わされ、次に結合開口部１１２が、内側リング１０２内及び翼形部１０６内に形成される。この例示的な実施形態では、翼形部１１２内に形成された開口部１１２の一部分１４０には、ねじ山が付けられる。次に、各結合ボルト１５０が各開口部１１２内に挿入されて、各翼形部１０６を内側リング１０２に固定するのを可能にする。より具体的には、たとえボルト１５０が各翼形部１０６内に螺合可能に結合された場合でも、依然として翼形部１０６の向きを僅かに回転させて個々のノズルスロート面積を調整することができる。別の実施形態では、複数のボルト１５０を使用して、各翼形部１０６を内側リング１０２に固定するのを可能にする。

各それぞれのスロート面積が定められた後に、各翼形部１０６は、外側リング１０４にタック溶接されて、他の翼形部１０６がダイアフラム１００内に結合された時に各翼形部１０６の向きを維持するのを可能にする。各スロート面積が設定された後に、結合ボルト１５０を開口部１１２内にしっかりと固定して、各ボルト１５０の頭部１７０が、各それぞれの開口部座ぐり部分内に受けられるようにする。従って、ボルト１５０は、ダイアフラム１００を通る流体流に悪影響を与える可能性がある如何なる付加的リング、出張り又は突起も形成しない。

翼形部１０６が、内側リング１０２の周りで円周方向に間隔を置いて配置されかつ外側リング１０４が、ダイアフラム１００内に含まれる各翼形部１０６に対してタック溶接された後に、翼形部１０６は次に、外側リング１０４に対して固定溶接される。１つの実施形態では、各翼形部１０６をその最終的向きに固定するのを可能にするために、複数の付加的位置合わせ開口部（図示せず）が形成される。より具体的には、翼形部１０６は、ダイアフラム１００の周りで円周方向に連続して順序正しく溶接さるのではなく、むしろ均等に溶接しかつ溶接歪み及び変形を減少させるのを可能にするパターンで溶接される。

従って、ダイアフラムは、公知のダイアフラムよりも費用効果がありかつ時間が掛からない方法で形成される。具体的には、ダイアフラム１００は、製作時において、ボルト止め内側リング１０２を含むので、ダイアフラムに対してより少ない溶接が行われ、ダイアフラム１００を製作するのに必要なサイクル時間が、公知のダイアフラムと比較して短縮されるようになる。さらに、内側リング結合開口部１１２が僅かにオーバサイズにされているので、開口部１１２は、より正確なスロート面積の確定を公知のダイアフラムで可能であるよりも費用効果がある方法で行うのを可能にする。その結果、タービン性能及び効率を高めることが可能になる。加えて、ダイアフラム１００は、公知のダイアフラムよりもはるかに少ない溶接しか必要としないので、ダイアフラム１００内部の溶接歪みが減少してタービン性能を向上させることが可能になる。

以上、ダイアフラム及び蒸気タービンの例示的な実施形態を詳細に説明している。本明細書では、上記の蒸気タービンに関連させてダイアフラムを説明しかつ図示しているが、本発明はあらゆる蒸気タービン構成で使用することができることを理解されたい。より具体的には、ダイアフラムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各ダイアフラムの態様は、本明細書に記載したその他のタービン又はダイアフラムから独立してかつ別個に利用することができる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には明らかであろう。

例示的な公知の対向流又は複流蒸気タービンの概略図。 図１に示す蒸気タービンで使用することができる例示的なダイアフラムの拡大概略図。 図２に示すダイアフラムの一部分の拡大概略図。 領域４に沿って取った、図３に示すダイアフラムの一部分の拡大図。

符号の説明

１０ 蒸気タービン
１２ タービンセクション
１４ タービンセクション
１６ ロータシャフト
１８ ノズル
２０ ノズル
２２ 外側シェル又はケーシング
２４ 下部半体セクション
２６ 半体セクション
２８ 中央セクション
３０ 低圧蒸気入口
３２ ジャーナル軸受
３４ ジャーナル軸受
４０ 流れスプリッタ
５０ 蒸気
５２ 流れ経路
５４ 流れ経路
１００ ダイアフラム
１０２ 内側リング
１０４ 外側リング
１０６ 翼形部
１１０ 流路面
１１１ 開口部
１１２ 開口部
１１４ 内面
１３０ ピン
１４０ 座ぐり部分
１５０ ボルト
１５２ ボルト軸部
１７０ ヘッド部

Claims (9)

1. 蒸気タービン用のダイアフラム（１００）であって、
   前記蒸気タービン（１０）内でほぼ円周方向に延びるように構成された半径方向外側部材（１０４）と、
   前記蒸気タービン内でほぼ円周方向に延びるように構成された半径方向内側部材（１０２）と、
   前記外側及び内側部材間でほぼ半径方向に延びる少なくとも１つの翼形部（１０６）と、
   を含み、
   前記内側部材（１０２）は、円周方向に間隔を置いて配置され、該内側部材（１０２）を前記外側部材（１０４）に向けてほぼ半径方向に貫通する第１の開口部（１１１）及び第２の開口部（１１２）を含み、
   前記第２の開口部（１１２）は座ぐり部分（１４０）を備え、
   前記少なくとも１つの翼形部（１０６）は、第１のファスナ部材（１３０）により前記内側部材（１０２）に回転可能に結合され、
   前記第１のファスナ部材（１３０）は、前記内側部材に対する前記少なくとも１つの翼形部（１０６）の位置合わせを可能とし、
   前記少なくとも１つの翼形部（１０６）は、第２のファスナ部材（１５０）により前記内側部材に結合され、
   前記少なくとも１つの翼形部（１０６）は、前記外側部材に溶接された
   ことを特徴とする、ダイアフラム。
2. 前記第１のファスナ部材（１３０）が挿入される前記第１の開口部（１１１）が、前記第２のファスナ部材（１５０）が挿入される前記第２の開口部（１１２）より下流に間隔を置いて配置される、請求項１に記載のダイアフラム（１０）。
3. 前記第１のファスナ部材が位置合わせピン（１３０）であり、前記第２のファスナ部材がボルト（１５０）である、請求項１又は２記載のダイアフラム（１００）。
4. 前記第１のファスナ部材（１３０）が挿入される前記第１の開口部（１１１）の直径（Ｄａ）が、前記第２のファスナ部材（１５０）が挿入される前記第２の開口部（１１２）の直径（Ｄｏ）より小さい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のダイアフラム（１０）。
5. 前記第１及び第２のファスナ部材が、前記ダイアフラム内での溶接歪みを減少させるのを可能にする、請求項１記載のダイアフラム。
6. 前記第１及び第２のファスナ部材が、前記ダイアフラムの組立時間を短縮するのを可能にする、請求項１記載のダイアフラム（１００）。
7. 前記第１及び第２のファスナ部材が、タービン性能を向上させるのを可能にする、請求項１記載のダイアフラム（１００）。
8. 記第２のファスナ部材（１５０）が挿入される前記第２の開口部（１１２）が、該第２のファスナ部材（１５０）よりオーバーサイズにされている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のダイアフラム（１０）。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のダイアフラム（１００）を少なくとも１つ含む、蒸気タービン（１０）。
   

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