JP2005195021A - 高温蒸気タービン用の低重量コントロール段 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、蒸気タービン用のコントロール段バケットを提供する。
【解決手段】 バケット（１４）は、くり抜かれてその内部に内部空洞（２６）を形成した翼形部（２４）を有する。空洞は、バケットの半径方向内側プラットフォーム（１８）を貫通して開口し、バケットの先端の手前で終端する。従って、バケットは、低重量になっている。こうした低重量により、ロータリムに沿った軸方向に延びるダブテールのクリープ損傷が軽減されることになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温蒸気タービン用のコントロール段に関し、具体的には、バケットの重量を低減してタービンロータにおけるクリープ損傷を軽減するための内部空洞をバケットの翼形部内部に有する、コントロール段のバケットに関する。

蒸気タービンのコントロール段、すなわち制御弁及び蒸気入口下流のタービンの第１段では、コントロール段バケット上に特有の負荷形態が形成される。一般的には、コントロール段に蒸気を導入するための４つの入口があり、各入口には制御弁が設けられる。これらの入口は、一般的に四分円部位の形態で配置される。その結果、蒸気は、弓形のセグメント上に放出され、従って第１段バケット翼形部上に一様には作用しない。このような特有の非一様流、つまりコントロール段への一様でない負荷形態と、高温での長期にわたる運転とのために、タービンロータ、特にバケットとロータとの間の継手には、クリープ損傷が発生するおそれがあり、また実際に発生している。

一般的に、バケットはダブテールによってロータに固定される。例えば、バケットは、軸方向に延びる第１及び第２のダブテールを有することができる。ロータ上の１つおきのダブテールは、第１及び第２のバケットダブテール間に受けられる。残りのロータダブテールは、次の隣接するバケットのバケットダブテール間に受けられる。ロータは、一般的にバケットのクリープ又は破断強度のような高いクリープ又は破断強度特性を持たない材質で作られ、従って、ロータダブテールの周りにはクリープ損傷が発生するおそれがあり、また実際に発生している。従来の方法では、バケット及びロータのダブテールは、バケット及びロータのダブテールの両方に形成した穴内に軸方向に延びるクラッシュピンを挿入することによって互いに固定される。ダブテールのピン穴の周り、特にロータダブテールのネック部領域内のクリープひずみが、確認されている。

従って、これらの領域内における荷重又は応力を制御してクリープひずみによりロータダブテール内に割れが発生するのを防止する必要性が存在する。

本発明の好ましい態様によると、各バケットの翼形部には、それによってバケットの重量及びその結果生じる運転時におけるロータへの遠心荷重を低減する内部空洞が設けられる。より具体的には、バケットの重量を低減することにより、タービンロータへの長期にわたる遠心荷重及び高温負荷の間にロータダブテールに作用するクリープひずみを低減する。具体的には、バケットの内部空洞は、バケットプラットフォームを貫通してほぼ翼形部の全長にわたって延び、翼形部先端近傍で終端する。空洞は、翼形部の先端近傍で閉じられ、プラットフォームにおいては開口したままになっている。空洞は、必要な翼形部の強度を十分に配慮した状態で翼形部の外部輪郭にほぼ対応するほぼ翼形形状の内部表面を有することができる。しかしながら、空洞は、その他の形状とすることができる。バケットの重量を低減することによって、長期にわたるクリープによるロータダブテールへの損傷が最小になるか又は排除される。

本発明による好ましい実施形態では、蒸気タービン用の低重量コントロール段を提供し、本低重量コントロール段は、翼形部と、プラットフォームと、第１のダブテールとを有する蒸気タービンバケットを含み、蒸気タービンバケットは、第１のダブテールによってほぼ対応した形状のロータダブテールに取付けられ、翼形部は、バケットの重量を低減してロータダブテールに沿ったクリープ損傷を軽減するのを可能にする、プラットフォームから翼形部の先端近傍の位置までの間で延びる内部空洞を有する。

本発明による別の好ましい実施形態では、蒸気タービン用の低重量コントロール段を提供し、本低重量コントロール段は、そのリムから半径方向外向きに突出しかつほぼ軸方向に延びる複数のダブテールを有するロータと、その各々が翼形部と、プラットフォームと、プラットフォームから半径方向内向きに突出しかつロータダブテールの１つを受けるためのほぼ軸方向に延びる空間をその間に形成した第１及び第２のダブテールとを有する複数のバケットとを含み、各翼形部が、バケットの重量を低減して第１及び第２のバケットダブテール間のロータダブテールに沿ったクリープ損傷を軽減するのを可能にする、プラットフォームを貫通して翼形部の先端近傍の位置まで延びる内部空洞を有する。

次ぎに、図面、特に図１を参照すると、ロータ１２と複数のバケット１４とを備えた、全体を符号１０で示した蒸気タービン用のコントロール段の一部が示されている。各バケット１４は、外側バンド１６と、内側バンドすなわちプラットフォーム１８と、１つ又はそれ以上の、好ましくは一対の半径方向内向きに延びるダブテール２０と、翼形部２４とを含む。ダブテール２０は、軸方向に延びかつ円周方向に互いに間隔をおいて配置される。ロータ１２は、同様に軸方向に延びる複数のほぼ対応した形状のダブテール２２を含む。バケット１４の軸方向に延びるダブテール２０は、該ダブテール２０がロータ１２の１つおきのダブテール２２を跨いだ状態で、ロータのリム上に軸方向に挿入される。隣接するバケットの円周方向に隣接したダブテール２０は、同様にロータの隣接するダブテール２２を跨ぐ。ロータを形成する材料は、一般的にバケットを形成する材料に比較して低いクリープ又は破断強度を有することが分かるであろう。例えば、ロータは、クローム・モリブデン・バナジウムで作られ、一方、バケットは、１２クロームで作られる。その結果、クリープ損傷は、ロータダブテール２２、特にダブテール２２のネック部内に発生することになる。このクリープ損傷は、ロータダブテール内に割れ発生を招くことになる。

高温及び遠心荷重の下での長期にわたる運転時におけるタービンロータのクリープ損傷を最小にするか又は排除するために、蒸気タービンバケット１４は、その翼形部２４が低重量に形成される。それを達成するために、翼形部２４の内部には空洞が形成される。例えば、図４及び図５を参照すると、空洞２６は翼形部２４内部に形成される。図示するように、空洞２６は、プラットフォーム１８に形成した開口部２８で開口し、翼形部２４の先端３０の手前で終端している。空洞２６は、如何なる特別の形状も有する必要はないが、図４に最もよく示すように、空洞は、翼形部２４の外部輪郭にほぼ対応した翼形形状を有することができる。

翼形部の内部に空洞２６を形成するために、翼形部は、放電加工（ＥＤＭ）法又は電解加工（ＥＣＭ）法を使用してくり抜かれる。例えば、バケットダブテール２０間でプラットフォーム１８の下面に対してＥＤＭツール３２（図２）を使用して、プラットフォーム１８を貫通する開口部２８を形成することができる。ＥＤＭツールをプラットフォームの開口部２８を通してさらに挿入するように使用して、翼形部２４の内部をくり抜くことができる。翼形部内部に内部空洞を形成した結果として、バケットの重量が著しく低減される。勿論、翼形部の所定の壁厚さは翼形部に適切な強度を与えるように維持されることが分かるであろう。

図１を参照すると、バケットは、従来の方式でロータに固定される。つまり、バケットは、ロータリム上の１つおきのダブテール２２と係合しかつ該ダブテール２２を跨ぐように軸方向に摺動可能である。残りのロータダブテールは、隣接するバケットの隣接するダブテール間に配置される。ロータ及びバケットダブテールを互いに固定するために、バケットが軸方向にロータ上に挿入された後のバケット及びロータの隣接するダブテール間に、例えばリーマ加工によって円筒形の穴が形成される。次に、リーマ加工した穴内に極めて精密な又は緊密な公差でピン３６を挿入して穴との間でぴったり合った嵌合を形成する。従って、バケットは、バケットとロータホイールと間での相対運動がほとんどないか又は全くない状態で、本質的にホイール内にピン止めされる。部分的弓形負荷形態の場合、ピン継手は、バケット及びロータ間の摩耗及びフレッチングのあらゆる可能性を低下させる。このような構造では、プラットフォーム１８を貫通する開口部２８は、ロータホイールリムの１つおきのダブテール２２と向かい合って位置することが分かるであろう。このような構成では、蒸気は空洞に流入させることができる。しかしながら、各空洞からの蒸気の出口がないので、空洞に流入した蒸気は、タービンの作動に対しては重要なものではない。

以上の説明から、バケットの各々が材料の大きな質量を除去されすなわちくり抜かれて、各バケットの翼形部及びプラットフォーム内部に空洞が形成された状態になり、バケットは重量が低減することが分かるであろう。このことにより、ロータのリム、特にロータリムダブテール２２の縮小したネック部に作用する遠心荷重が低減される。その結果、ロータダブテール２２のネック部付近のクリープ荷重は最小になる。好ましい具体的な実施形態では、蒸気タービン用の各コントロール段バケットは、本発明におけるような内部空洞がその内部に形成されていない同一のバケットと比較して重量及び体積の両方が低減する。具体的には、コントロール段バケットの重量は、約１０％だけ低減する。この重量の低減により、ロータへの遠心荷重が著しく低減することになる。各コントロール段バケットの体積も同様に約１０％だけ低減する。このことは、非一様流すなわち部分弓形流が第１段バケット上に発生するような蒸気タービンのコントロール段において、特に重要なものとなる。このような本質的な脈動流は、クリープひずみを大きくする傾向を増大させるが、この大きなクリープひずみは、バケットの重量の低減によって余りある程に相殺されてクリープひずみ損傷の軽減又は排除を可能にする。

本発明を現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また特許請求の範囲に示した参照符号は本発明の技術的範囲を狭めるのではなくそれらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。

それに固定したバケットを有するロータの一部の斜視図。 バケットの翼形部内部に空洞を形成するためのツールの挿入を示す、バケットの下面の斜視図。 空洞を形成した後のプラットフォーム内の開口部を示す、図２と同様の図。 蒸気タービン翼形部内部の内部空洞を示す、翼形部の中間位置での断面図。 翼形部内部の空洞の範囲を示す、バケットの翼形部の側面図。

符号の説明

１０ コントロール段
１２ ロータ
１４ バケット
１６ 外側バンド
１８ プラットフォーム
２０ バケットダブテール
２２ ロータダブテール
２４ 翼形部
２６ 内部空洞
２８ 開口部
３０ 翼形部先端
３６ ピン

Claims (10)

1. 翼形部（２４）と、プラットフォーム（１８）と、第１のダブテール（２０）とを有する蒸気タービンバケット（１４）を含み、
   前記蒸気タービンバケットが、前記第１のダブテール（２０）によってほぼ対応した形状のロータダブテール（２２）に取付けられ、
   前記翼形部が、前記バケットの重量を低減して前記ロータダブテールに沿ったクリープ損傷を軽減するのを可能にする、前記プラットフォームから前記翼形部の先端近傍の位置までの間で延びる内部空洞（２６）を有する、
   蒸気タービ用の低重量コントロール段。
2. 前記空洞（２６）が前記プラットフォーム（１８）を貫通して開口している、請求項１記載のコントロール段。
3. 前記空洞（２６）が前記翼形部の先端の手前で終端している、請求項１記載のコントロール段。
4. 前記空洞（２６）が前記プラットフォーム（１８）を貫通して開口している、請求項３記載のコントロール段。
5. 前記バケットによって支持されかつ前記第１のダブテール（２０）から円周方向に間隔をおいて配置された第２のダブテール（２０）を含み、前記空洞（２６）が前記ダブテール間で前記プラットフォームを貫通して開口している、請求項４記載のコントロール段。
6. 前記空洞（２６）が前記翼形部の外部輪郭にほぼ対応したほぼ翼形形状を有する、請求項１記載のコントロール段。
7. そのリムから半径方向外向きに突出しかつほぼ軸方向に延びる複数のダブテール（２２）を有するロータ（１２）と、
   その各々が、翼形部（２４）と、プラットフォーム（１８）と、前記プラットフォームから半径方向内向きに突出しかつ前記ロータダブテールの１つを受けるためのほぼ軸方向に延びる空間をその間に形成した第１及び第２のダブテール（２０）とを有する複数のバケット（１４）と、を含み、
   各前記翼形部（２４）が、前記バケットの重量を低減して前記第１及び第２のバケットダブテール間のロータダブテールに沿ったクリープ損傷を軽減するのを可能にする、前記プラットフォームを貫通して前記翼形部の先端近傍の位置まで延びる内部空洞（２６）を有する、
   蒸気タービン用の低重量コントロール段。
8. 各前記翼形部の空洞（２６）が前記プラットフォームを貫通して開口している、請求項７記載のコントロール段。
9. 各前記翼形部の空洞（２６）が前記翼形部先端の手前で終端している、請求項７記載のコントロール段。
10. 各前記翼形部の空洞（２６）が前記プラットフォームを貫通して開口している、請求項９記載のコントロール段。

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