JPH0220802B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は蒸気タービンに関するもので、更に詳
しく言えば、蒸気タービンの動翼を衝撃するため
の蒸気の案内および加速用の羽根を含んだ仕切板
に関する。

従来、蒸気タービンでは蒸気通路内に配置され
た複数の固定羽根によつて形成されるノズルが使
用されるが、かかるノズルは流入した蒸気の方向
を円滑に所望の方向に変えかつ加速してタービン
動翼を衝撃させるよう空気力学的に設計されてい
る。蒸気通路内における精度はタービン動翼にと
つて重要である。すなわち、動力を浪費する乱流
や設計はずれの流れ特性を回避するよう正確に成
形されかつ安定に支持された仕切板の羽根を用い
て高い精度で蒸気を案内しなければならないので
ある。

蒸気タービンの仕切板は、従来、スペーサとし
て知られる半円形の帯金に設けられた切抜き穴の
中に羽根の両端を挿入することによつて形成され
てきた。かかる羽根の両端がスペーサに仮着け溶
接された後、外側および内側の半円形リングがス
ペーサおよび羽根に本溶接される。羽根とリング
との満足すべき接合を達成するためには、リング
とスペーサとの間に極めて深い溶接を施し、それ
によつて溶接部が両者の界面に十分に深く溶込ん
で羽根にも接触結合するようにすることが必要で
ある。

米国特許第4288677号明細書中に記載のごとく、
溶込みの深さが増加するに従つて溶接欠陥も増加
する。かかる溶接欠陥としては、たとえば割れ、
スラグ巻込み、不完全な溶込みなどが挙げられる
が、これらはノズル羽根の破損や不安定化をもた
らすことがある。その上、このように深い溶接は
蒸気通路のゆがみを生じて設計上の空気力学的特
性からの逸脱をもたらし、それによつて装置の総
合効率を低下させる傾向がある。

スペーサの厚さは、比較的小さい（たとえば
１／４インチ未満）のが通例であつた。その理由
は、従来の打抜き技術によつて加工するにはそれ
が限度だつたからである。このように厚さが小さ
いため、スペーサはそれ自体で羽根を支持し得る
構造部材としてよりも内側および外側リングへの
溶接に先立つ位置決め部材として有効であつた。

ゆがみを引起こすもう１つの原因は、スペーサ
および羽根を半円形のサブアセンブリに組立てる
ことにあつた。加熱や溶接時の収縮、材料の応力
除去処理および焼戻しに由来するゆがみは、内側
および外側リングとの接合前および接合後のいず
れにおいてもサブアセンブリのゆがみを引起こす
傾向があつた。このようなゆがみの原因は、少な
くとも部分的には、半円形サブアセンブリ中にお
ける応力の変動が半円のゆがみを引起こすことに
あると考えられる。

従来の製造技術によれば、仕切板のサブアセン
ブリ同士を結合するために平坦な半径方向合せ面
が使用されてきた。その結果、接線方向に沿つて
ノズル羽根同士が重なり合うため、各々の半円形
サブアセンブリの各端にあるノズル羽根を切断す
ることが通例必要とされてきた。この場合、蒸気
通路中に比較的柔軟な羽根断片が存在することに
なり、それらがゆがみや振動を生じて蒸気の流れ
の空気力学的効率を低下させることがあつた。

発明の目的 本発明の目的の１つは、先行技術の欠点を排除
するような蒸気タービン用の仕切板を提供するこ
とにある。

また、改良された空気力学的ノズルを有する蒸
気タービン用の仕切板を提供することも本発明の
目的の１つである。

更にまた、ノズル羽根が帯金に対し構造的に固
定されかつ帯金が360度の環状構造を有する結果、
組立て時の偏差、熱応力および収縮応力に原因す
るゆがみが低減しかつ一層厳格な許容差を保持す
ることができるような蒸気タービン用の仕切板を
提供することも本発明の目的の１つである。

更にまた、蒸気通路の180度扇形部分間の分離
が互いに隣接する羽根間の切断面に沿つて行われ
るような蒸気タービン用の仕切板を提供すること
も本発明の目的の１つである。

更にまた、羽根の両端に位置する帯金が互いに
隣接した羽根間の湾曲した切断面に沿つて切断さ
れておりかつ内側および外側リングの合せ面が平
面であるような蒸気タービン用の仕切板を提供す
ることも本発明の目的の１つである。

本発明の一側面に従えば、半円形の内側帯金、
前記内側帯金と同心的に配置された半円形の外側
帯金、および前記内側帯金と前記外側帯金との間
に配置された複数の羽根によつて蒸気通路が形成
され、前記羽根の内端および外端は前記内側帯金
および前記外側帯金に設けられた溝穴に嵌入し、
前記羽根の前記内端および外端は構造溶接部によ
つて前記内側帯金および前記外側帯金に固定さ
れ、前記内側帯金の内面には上流側および下流側
の界面に位置する溶接部によつて半円形の内側リ
ングが固定され、前記外側帯金の外面には上流側
および下流側の界面に位置する溶接部によつて半
円形の外側リングが固定され、かつ前記内側帯
金、前記外側帯金および前記構造溶接部は前記羽
根と前記内側リングおよび前記外側リングとの間
の溶接を必要としなくても前記羽根を支持するの
に有効であることを特徴とするタービン用の180
度半仕切板が提供される。

本発明の別の側面に従えば、(a)360度の内側帯
金を形成し、(b)360度の外側帯金を形成し、(c)羽
根の内端および外端を収容するための複数の溝穴
を前記内側帯金および前記外側帯金に設け、(d)前
記内側帯金および前記外側帯金を同軸的に保持
し、(e)複数の前記羽根を前記溝穴に挿入し、(f)前
記羽根の前記内端および外端を前記内側帯金およ
び前記外側帯金に仮着け溶接し、(g)形成される蒸
気通路のゆがみを最小限に抑えるのに有効な溶接
手順に従つて前記羽根の前記内端および外端を前
記内側帯金および前記外側帯金に対し構造的に溶
接し、(h)前記蒸気通路に応力除去処理および焼戻
しを施し、次いで(i)互いに隣接した羽根の中間に
位置する第１および第２の切断面に沿いながら約
180度だけ離隔した２つの箇所において前記内側
帯金および前記外側帯金を切断する諸工程から成
ることを特徴とする、蒸気タービン用仕切板中に
蒸気通路を形成する方法が提供される。

本発明の更に別の側面に従えば、(a)360度の内
側帯金を形成し、(b)360度の外側帯金を形成し、
(c)羽根の内端および外端を収容するための複数の
溝穴を前記内側帯金および前記外側帯金に設け、
(d)前記内側帯金および前記外側帯金を同軸的に保
持し、(e)複数の前記羽根を前記溝穴に挿入し、(f)
前記羽根の前記内端および外端を前記内側帯金お
よび前記外側帯金を仮着け溶接し、(g)形成される
蒸気通路のゆがみを最小限に抑えるのに有効な溶
接手順に従つて前記羽根の前記内端および外端を
前記内側帯金および前記外側帯金に対し構造的に
溶接し、(h)前記蒸気通路に応力除去処理および焼
戻しを施し、(i)互いに隣接した羽根の中間に位置
する第１および第２の切断面に沿いながら約180
度だけ離隔した２つの箇所において前記内側帯金
および前記外側帯金を切断して第１および第２の
蒸気通路部分を作製し、(j)両端に概して平坦な合
せ面を有する１対の180度内面半リングを形成し、
(k)上流側および下流側の界面に位置する溶接部を
用いて前記内側半リングを各々の前記蒸気通路部
分の前記内側帯金に固定し、(l)両端に概して平坦
な合せ面を有する１対の180度外側半リングを形
成し、次いで（ｍ）上流側および下流側の界面に
位置する溶接部を用いて前記外側半リングを各々
の前記蒸気通路部分の前記外側帯金に固定する諸
工程から成ることを特徴とするタービン用仕切板
の製造方法が提供される。

本発明の上記およびその他の目的、特徴並びに
利点は、添付の図面を参照しながら以下の説明を
読むことによつて自ら明らかとなろう。なお、図
面中では同じ構成要素は同じ参照番号によつて示
されている。

実施例の説明 先ず第１図を見ると、車室１２および回転軸１
４を含む軸流蒸気タービン１０の断面図が示され
ている。複数のタービン動翼１６は、常法に従
い、軸１４と共に回転し得るよう軸１４に固定さ
れている。入口の仕切板１８は環状に並んだ羽根
２０を含んでいて、それにより蒸気室２２から導
入された蒸気は案内加速されて第１のタービン動
翼列２４を衝撃する。

後続の仕切板２６は各対のタービン動翼列１６
の間に配置されていて、上流側から流入した蒸気
を再び案内加速し、そして最適の角度および流速
で下流側のタービン動翼列を衝撃させるために役
立つ。

各々の仕切板２６は、外側スペーサ２８および
内側スペーサ３０の間に羽根２０を含んでいる。
外側スペーサ２８には外側リング３２が固定され
ていて、これは常法に従つて車室１２と係合して
いる。内側スペーサ３０には内側リング３４が固
定されていて、これは軸１４から離隔した状態で
懸垂されている。通常のごとく、回転する軸１４
に沿つての軸方向蒸気漏れを防止しながら仕切板
２６に対して軸１４を回転させるため、内側リン
グ３４の内端に位置する封止部３６に軸封止手段
（図示せず）を設けることもできる。

次に第２図を見ると、先行技術に従つて製造さ
れた仕切板の軸方向断面図が示されている。先
ず、羽根２０が外側スペーサ２８および内側スペ
ーサ３０に仮着け溶接される。次いで、羽根２０
はそれぞれ位置４０および４２において外側およ
び内側スペーサに漏止め溶接される。この結果、
外側スペーサ２８、内側スペーサ３０および羽根
２０は半円形の集合体を成して保持されるが、か
かる集合体は溶込み深さの大きい溶接部４４，４
６，４８および５０によつて半円形の外側リング
３２および内側リング３４に溶接される。なお、
溶接部４４〜５０の各々はスペーサとリングとの
界面の奥深くまで溶込んで羽根２０の未端に接触
し、それによつて羽根２０をリング３２および３
４に対し強固に固定していることに注目すべきで
ある。すなわち、スペーサ２８および３０は主と
して羽根２０の位置決めのために使用されている
のであつて、構造支持体を成す外側リング３２お
よび内側リング３４に溶接されて初めて羽根２０
は強固に固定されるのである。

次に第３図を見ると、本発明に基づく仕切板の
断面図が示されている。この場合、外側帯金５２
および内側帯金５４はそれぞれ溝穴５６および５
８を有していて、それらの中に羽根２０の末端６
０および６２が嵌入している。末端６０および６
２は、外側リング３２および内側リング３４との
組立てに先立ち、６４および６６に示されるごと
く外側帯金５２および内側帯金５４に対してそれ
ぞれ強固に溶接されている。後述の通り、６４お
よび６６における溶接は帯金５２および５４が
360度の完全な環状構造溶を有している間に実施
される。帯金５２および５４の厚さおよび強度
は、外側リング３２および内側リング３４への直
接溶接を必要としなくても羽根２０に対する完全
な構造支持体として役立つのに十分なものであ
る。その結果、外側帯金５２は最小の溶接部６８
および７０によつて外側リング３２に溶接され
る。すなわち、それらの溶接部は帯金５２の上流
端および下流端をリング３２に対して強固に固定
しさえすればよいのであつて、羽根２０の末端６
０に接触する必要はないのである。同様に、帯金
５４の上流端および下流端は最小の溶接部７２お
よび７４によつて内側リング３４に固定されるの
であつて、それらの溶接部は羽根２０の末端６２
に接触する必要はないのである。

場合によつては、蒸気の膨脹を可能にするた
め、図示のごとくに外側帯金５２が広がつている
こともある。

次に第４図を見ると、内側帯金５４、外側帯金
５２および羽根２０から成る予備集合体が示され
ている。内側帯金５４および外側帯金５２を形成
するには、帯板を曲げて輪を作り、帯板の両端同
士を適当に溶接し、次いで常法に従つて輪に応力
除去処理および焼戻しを施すことにより、図示の
ごとき360度の環状構造物を得ればよい。外側帯
金５２の溝穴５６および内側帯金５４の溝穴５８
は放電加工のごとき任意適宜の方法によつて形成
し得るが、好適な実施例に従えば溝穴５６および
５８はレーザ切断によつて形成される。外側帯金
５２および内側帯金５４は羽根２０に対する実質
的な支持体として働かなければならないから本発
明においては比較的厚い材料が必要とされるが、
かかる材料に溝穴を設けるためには上記の切断技
術のいずれを用いても満足すべき結果が得られ
る。

適正な同軸的相対位置を占めるようにして外側
帯金５２および内側帯金５４を表面（図示せず）
上にしつかりと保持した後、たとえば羽根２０を
外側帯金５２の溝穴５６から内側帯金５４の溝穴
５８の中へ滑り込ませることによつて羽根２０が
設置される。本発明のある実施例に従えば、溝穴
５６および５８はそれぞれの帯金５２および５４
を貫通している。しかるに、一方の溝穴５６また
は５８がたとえば放電加工によつて形成された盲
穴でありかつ他方が帯金の材料を貫通していても
よいことは当業者にとつて自明であろう。所要数
の羽根２０を設置して360度集合体を形成した後、
羽根２０が帯金５２および５４に溶接される。か
かる溶接に際しては、この段階における熱的ゆが
みを最小限に抑えるため、内側帯金５４および外
側帯金５２並びに羽根２０の加熱をできるだけ抑
制するようにすることが好ましい。

次に第５図も参照しながら説明すれば、仮着け
溶接の後、たとえばガスタングステンアーク溶接
法および（または）ガス金属アーク溶接法を用い
た構造的な溶接が実施される。こうして得られた
溶接部６４および６６（図示せず）は羽根２０を
内側帯金５４および外側帯金５２に対して構造的
に結合するが、この場合の帯金はまだ360度の環
状構造を成している。なお、溶接の手順は溶接に
原因するゆがみが最小限に抑えられるように選定
することができる。たとえば、集合体の反対側に
位置する各対の羽根を順次に溶接することによつ
てゆがみを消去または低減させることができる。
この工程に際して内側帯金５４および外側帯金５
２に360度の環状構造を保持させることにより、
帯金に固有の幾何学的剛性を利用して熱的ゆがみ
がもたらす力を分散させ、それによつて互いに隣
接した羽根が構成するノズル内の蒸気通路を設計
パラメータの範囲内に保つことが可能となる。

全ての羽根２０の両端を確実に溶接した後、得
られた集合体に対して通常の保護雰囲気熱処理技
術を用いた応力除去処理および焼戻しを施すこと
により、溶接完了後にも集合体中に存続すること
のある残留応力が除去され、かつ溶接熱の影響を
受けた区域の焼戻しが行われる。応力除去処理の
後、内側帯金５４および外側帯金５２は互いに隣
接した羽根２０間の切断面に沿いながら180度だ
け離隔した２つの箇所において切断される。たと
えば、第５図に点線７６で示されるような湾曲し
た切断面を使用することにより、集合体を２つの
180度扇形部分に分割することができる。なお、
羽根の配列に応じ、直線や線分の組合せに沿つて
形成されるような切断面を使用することもでき
る。後にタービン内において末端同士を係合させ
る時、真円からのずれをできるだけ小さくするた
め、切断面７６に沿つて切断を行う際に除去され
る材料の量は最小限に抑えることが好ましい。切
断面７６に沿つての切断はたとえば通常の移動電
線電極式放電加工技術を用いて行うことができる
が、その場合にはたとえば0.012インチ分の材料
が除去される。仕切板の半径と比較すれば、この
程度の材料除去量は問題とならない。次いで、別
個に作製された外側リング３２および内側リング
３４（第３図）の180度断片が上記の180度扇形部
分に接合される。その際には、最小の溶接部６８
〜７４の使用によつて外側帯金５２が外側リング
３２に固定されかつ内側帯金５４が内側リング３
４に固定される。

次に第６図を見ると、仕切板の一方の組立済み
半円形部分の合せ面が示されている。外側リング
３２上には、相手方の部材の対応する合せ面と接
触するための平坦な半径方向合せ面７８が設けら
れていることが認められよう。合せピン（図示せ
ず）を具備した相手方の外側リングの位置決めお
よび保持を行うため、合せ穴８０を設けることも
できる。

内側リング３４上には、相手方の部材の対応す
る合せ面と接触するための平坦な半径方向合せ面
８２が設けられている。通常のごとく、合せ面８
２から突出しかつ相手方の合せ面のほぞ穴（図示
せず）と係合するほぞ８４を設けることもでき
る。また、相手方の合せ面の合せ穴（図示せず）
に嵌入することによつて組立て時の案内用として
役立つ合せピン８６を設けることもできる。な
お、切断面７６は湾曲していると同時に仕切板２
６の平面に対し傾斜している一方、合せ面７８お
よび８２は好ましくは延長すれば中心軸と交わる
ような半径方向の平面であることに注目すべきで
ある。内側帯金５４および外側帯金５２を合せ面
７８および８２に平面に沿つて切断したならば軸
方向に切断面によつて羽根が２つの部分に分割さ
れることが避けられないが、湾曲した切断面７６
を使用することによつて全ての羽根２０を完全な
ものとすることができる。また、合せ面７８およ
び８２が平面であることにより、２つの半円形部
分の位置決めおよび係合は容易なものとなるので
ある。

このように、本発明に基づく仕切板において
は、360度の内側帯金５４および外側帯金５２を
用いて蒸気通路を形成しながらそれらに固有の幾
何学的剛性を利用して応力を分散させると共に最
小の溶接部を用いて帯金をリングに固定すること
により、製造中に生じる応力に原因するゆがみが
抑制されかつ低減される。また、互いに隣接した
羽根２０の中間に位置する湾曲した切断面７６の
使用により、支持強度の劣る羽根断片がもたらす
乱流が排除される。羽根２０の構造支持体を成す
のは内側帯金５４および外側帯金５２であるか
ら、内側帯金５４および外側帯金５２を内側リン
グ３４および外側リング３２に固定する際には両
者の界面に最小限度の溶接を施せばよいのであつ
て、溶込みの深さが羽根の末端にまで達するほど
大きいかどうか配慮する必要はない。

本発明に基づく仕切板においてはリング３２お
よび（または）３４と羽根２０との間の直接溶接
は不要であるが、このことが溶接部の重なり合い
を排除すると考えるべきではない。ある種の仕切
板においては、羽根２０が仕切板の上流端または
下流端に近接して位置するため、帯金とリングと
の界面に最小の溶接部を設けただけでも直接に羽
根と接触してしまうことがある。かかる偶発的な
接触が起こつたからと言つてて、その仕切板が本
発明の範囲から除外されると考えるべきではな
い。

以上、添付の図面に関連して本発明の好適な実
施の態様を記載したが、本発明がそれらの特定の
実施の態様によつて制限されないことは言うまで
もない。すなわち、前記特許請求の範囲によつて
定義された本発明の精神および範囲から逸脱する
ことなしに様々な変更や改変を加え得ることは当
業者にとつて自明であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的な蒸気タービンの軸方向断面
図、第２図は先行技術に基づく蒸気タービン用仕
切板の一部の拡大断面図、第３図は本発明に基づ
く蒸気タービン用仕切板の一部の拡大断面図、第
４図は仕切板の蒸気通路を組立てる際の一工程を
示す斜視図、第５図は第４図の蒸気通路の拡大
図、そして第６図は本発明に基づく組立済み仕切
板の一方の半円形部分の合せ面領域の拡大図であ
る。 主な符号の説明図中、２０は羽根、２６は仕切
板、３２は外側リング、３４は内側リング、５２
は外側帯金、５４は内側帯金、５６および５８は
溝穴、６０および６２は羽根の末端、６４および
６６は構造溶接部、６８，７０，７２および７４
は最小の溶接部、７６は切断面、そして７８およ
び８２は合せ面を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タービン用仕切板の製造方法が、 異なる直径の２つの360度の帯金を形成し、 羽根の両端を収容するための複数個の溝穴を
   各々の前記帯金に形成し、 前記帯金を相互に同心的整合状態に配置して内
   側帯金と外側帯金に定め、該内側帯金と外側帯金
   に通された前記羽根の内側及び外側末端を夫々溶
   接し、 互いに隣接した羽根の中間に位置する第１およ
   び第２の切断面に沿いながら約180゜だけ離隔した
   ２つの箇所において前記内側帯金および前記外側
   帯金の両方を切断し、 両端に概して平坦な合せ面を有する１対の180゜
   の内側半リングと外側半リングを形成し、 前記内側半リングおよび前記外側半リングを前
   記内側帯金および前記外側帯金に夫々溶接する諸
   工程からなり、隣接した羽根の中間に位置する切
   断部は前記内側及び外側半リングの合せ面とは同
   一の半径方向平面内に存在しない方法。 ２ 特許請求の範囲第１に記載の方法に於て、前
   記内側帯金および前記外側帯金の両方を切断する
   工程が、隣接する羽根の間を湾曲した面を切断し
   て第１及び第２の半蒸気通路を作成する方法。