JP2005291208A - 取付け式オーバカバーを有する一体形カバー付きノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ステータによって支持された複数のブレード（１０４）を有するタービン（１０）用の等価な一体形カバー付きブレードを製造する方法を提供する。
【解決手段】 本システムは、複数のブレード翼形部を含み、複数のそれぞれのカバー部（１０６）が、複数の隣接ブレード（１０４）の先端（１１１）にわたって該隣接ブレード（１０４）の先端部位間で延び、それによって隣接ブレード（１０４）のためのカバー部（１０６）の各部分を形成するように構成された第１の面を形成し、また各それぞれの隣接ブレード（１０４）と関連したカバー部（１０６）は、隣接ブレード（１０４）の隣接カバー部（１０６）における対向面（１１８）を含み、オーバカバー（１１０）が、それぞれのカバー部（１０６）の第１の面と反対側の第２の面に結合される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、蒸気タービンに関し、より具体的には、蒸気を配向しかつ加速して蒸気タービンのバケット上に衝突させるようになったノズルブレードを含む固定キャリアすなわち内部シェルに関する。

蒸気タービンは通常、蒸気を受け、該蒸気を所望の方向に円滑に方向転換させかつ該蒸気を加速してタービンバケット上に衝突させるようになった空気力学的な形状をした、蒸気流路内の複数の固定ブレードによって形成されたノズルを使用する。蒸気流路における精度は、タービン効率にとって重要である。蒸気は、出力を消耗する乱流又はオフデザイン流れ特性を回避するように正確に構成されかつ安定的に支持されたダイアフラムすなわちノズルブレードを使用して正確に配向されなければならない。

幾つかの蒸気タービン設計概念では、通常、スペーサとして知られる半円形バンドの切欠き部内にブレードの両端部を挿入することによって形成されたダイアフラムを使用する。ブレードの端部はスペーサに仮付け溶接され、外側及び内側半円形リングは、スペーサ及びブレードに対して溶込み溶接される。ブレードのリングに対する十分な取付けを得るためには、リングとスペーサとの間において、溶接部がこの接合面内でブレードとさらに接触しかつブレードを取付けるのに十分なほど遠くまで溶込むような非常に深溶込みの溶接が必要である。

特許文献１に記載されているように、溶接欠陥は、溶接深さが増すにつれて増加する。このような溶接欠陥には、例えば割れ、スラグ巻込み、十分な溶込みの不足などが含まれ、これらの欠陥によりノズルブレードの破損又は不安定性を招くおそれがある。さらに、このような深溶込み溶接は、蒸気流路を変形させ、それによって該蒸気流路を空気力学的設計特性から逸脱させ、従って装置の全体効率を低下させる傾向がある。

スペーサは、一般的に例えば４分の１インチ以下のような比較的薄い厚さであったが、その理由は、通常の穴あけ法が適応しうる最大値がこの厚さがであったからである。この薄い厚さのため、スペーサ自体は、それら自体の上にブレードを支持することができる構造部材ではなく内側及び外側リングに対して溶接する前に溶接材を位置決めするものとして、より有効であった。

変形の別の原因は、スペーサ及びブレードの半円形組立体内への組立てにより発生していた。加熱及び溶接収縮、材料応力除去及び焼戻しによる変形は、内側及び外側半円形リングに係合させる前及び係合させた時の両方においてこの部分組立体を変形させる傾向があった。この変形は、少なくとも部分的に、半円形組立体における応力を変化させると半円の変形が生じることになるという事実に由来していた。

従来の組立技術は、ダイアフラムの２つの半体を合わせるための半径方向合せ面を用いてきた。このことは通例、ノズルブレードの接線方向の重なりのため、半円形組立体の各々の各端部においてノズルブレードを切断することが必要であった。これは、蒸気流路内に比較的撓みやすいブレード部分を生じる結果となり、この蒸気流路が変形しまた振動して蒸気流の空気力学的効率を低下させるおそれがあった。

第２の一般的な蒸気タービン概念では、内側シェル又はキャリアの円周方向スロット内に挿入した個々のノズルを使用する。この概念は、２つの異なる内径先端構成、すなわち、１）カバー上にピーニングした構成と、２）一体形カバー付きノズル構成とにさらに分けることができる。カバー上にピーニングした構成は、テノンをカバー上に機械的にピーニング止めすることによってノズルを一まとめにする。機械的には機能するが、この設計は、翼形部とカバーとの間及び円周方向に隣接したもの同士間の両方に多数の漏れ通路を形成する。それに代えて、一体形カバー付きノズルは、この漏れ通路を著しく減少させるか又は排除する。このことは、シール作用が蒸気タービン性能の重要な部分であるので非常に好ましい。

しかしながら、空気力学的高サイクル疲労（ＨＣＦ）の回避及び安定性は、蒸気流路内の回転及び非回転構成部品の両方にとって同様に重要である。組立保持及び荷重保持限界のため、一体形カバー付きノズルは、確定的境界条件を常に保証することができるとは限らない。
特公平５９−０１２３９０号公報 特開２００４−０２８０９４号公報

従って、公知の一体形カバーブレードとは異なりかつ他のブレードカバー技術に優る利点をもたらすことができる、タービン用の一体形カバーブレードを形成するための方法及び製品を提供することが望ましい。

上述した及び他の欠点及び不具合は、複数のブレード翼形部と、複数のそれぞれのカバー部と、オーバカバーとによる例示的な実施形態において克服又は緩和され、ここで、複数のそれぞれのカバー部は、複数の隣接ブレードの先端にわたって該隣接ブレードの先端部位間で延び、それによって隣接ブレードのためのカバー部の各部分を形成するように構成された第１の面を形成し、各それぞれの隣接ブレードと関連したカバー部は、隣接ブレードの隣接カバー部における対向面を含み、またオーバカバーは、それぞれのカバー部の第１の面と反対側の第２の面に結合され、該オーバカバーは、先端部の確定的拘束に剛性を与えることと隣接カバー部における対向面を通り抜ける漏れをシールすることとのうちの少なくとも１つを行うように構成されている。

別の実施形態では、ステータによって支持された複数のブレードを有するタービン用の等価な一体形カバー付きブレードを製造する方法を開示する。本方法は、複数のそれぞれのカバー部にその第１の面上において複数のブレード翼形部を取付ける段階を含み、第１の面は、複数の隣接ブレードの先端にわたって該隣接ブレードの先端部位間で延びるように構成され、また各それぞれの隣接ブレードと関連したカバー部は、隣接ブレードの隣接カバー部における対向面を含み、また本方法はさらに、それぞれのカバー部の第１の面と反対側の第２の面にオーバカバーを結合する段階を含み、オーバカバーは、先端部の確定的拘束に剛性を与えることと隣接カバー部における対向面を通り抜ける漏れをシールすることとのうちの少なくとも１つを行うように構成されている。

本発明の上述した及び他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から当業者には明らかになりかつ理解されるであろう。

次に、幾つかの図において同じ要素には同様の符号を付けた図面を参照する。

ここで、図１を参照すると、ケーシング１２及び回転可能なシャフト１４を含む軸流蒸気タービン１０の断面を示している。複数のタービンバケット１６が、それと共に回転するように通常の方法でシャフト１４に取付けられる。入口ダイアフラム１８が環状列のブレード２０を含み、これらのブレードは、蒸気チェスト２２からの流入蒸気をタービンバケットの第１の列２４に向けて加速しかつ配向する。

タービンバケット１６の後続段の対間に、別のダイアフラム２６を配置して、上流段から来た蒸気を配向し直しかつ加速し、その蒸気をそれぞれの下流段に対して最適な角度及び速度で衝突させるようになっている。

各ダイアフラム２６は、外側スペーサ２８と内側スペーサ３０との間にブレード２０を含む。外側リング３２は、外側スペーサ２８に取付けられ、通常の方法でケーシング１２と係合する。内側リング３４は、内側スペーサ３０に対して取付けられ、シャフト１４と間隔を置いた状態で吊り下げられる。従来の方法と同様に、内側リング３４の内側端におけるシール領域３６にシャフトシール（図示せず）を用いて、回転シャフトに沿った軸方向の蒸気漏れをシールしながらシャフト１４をダイアフラム２６に対して回転可能にすることができる。

次に、図２を参照すると、一体形カバー付きノズル（ＩＣＮ）１００を示している。ノズル１００は、内側キャリアの溝内に作動可能に取付けられるように構成されたダブテールセグメント１０２を含む。翼形部又はノズルブレード１０４は、一端部においてダブテールセグメント１０２に取付けられ、また反対側端部においてカバー部１０６に取付けられる。テノン１０８は、図３及び図５に関して後でより十分に説明するオーバカバー１１０と作動可能に結合するようにカバー部１０６から延びる。テノン１０８は、例示的な実施形態では、カバー部１０６に対してリベット止めされるのが好ましいが、これに限定されない。

次に図３を参照すると、対向面１１８を介して互いに結合した３つのＩＣＮ１００を示しており、３つのＩＣＮ１００は、カバー部１０６の各々を覆って配置された１つ又はそれ以上のオーバカバー１１０を含む。オーバカバー１１０は複数のＩＣＮ１００上に配置され、この場合、複数というのは、２つ又はそれ以上のＩＣＮ１００を含む１つ以上を意味することを意図している。オーバカバー１１０は、各それぞれのカバー部１０６よりも薄い厚さを有するように構成するのが好ましい。オーバカバー１１０は、各カバー部１０６から延びるテノン１０８と整列するように該オーバカバー内に位置決めされた孔を含む。各テノン１０８は、図示した３つのノズル１００全体にわたって延びるオーバカバー１１０を保持するように、ピーニング止めされる。しかしながら、２つのノズル１００からシャフト１４の周りにリングを完成させる数までを含む任意の数が考えられる。各テノン１０８は、任意の形状及び大きさとすることができ、図５にその全体を示した翼形部先端の形状に限定されるものではないが、これらテノンには、一般的にそれを取付ける翼形部先端の幾何学的形状の範囲内にあるという制約条件がある。ろう付け又は溶接のような、オーバカバー１１０を保持する他の方法もまた、使用することができる。オーバカバー１１０をカバー部１０６に対して取付けるのにろう付け又は溶接を使用する場合、このプロセスを可能にするために、カバー部１０６上のテノン１０８を使用しても使用しなくてもよい。

例示的な実施形態において、また再び図２を参照すると、溶接肉盛、或いはそれに代えて、ろう付け、メッキ、溶射又は他の機械的手段又は冶金学的手段の形態の材料肉盛が、カバー部の各部分１０６の対向面１１８の各面に施工される。材料肉盛部１１９は、図２において仮想線で示している。肉盛部１１９から過剰な材料１２０を除去するために機械加工が行われ、それによって隣接するカバー部の各部分１０６（図５参照）間に不要物のない接触接合面１２１が得られる。過剰な材料１２０は、カバー部１０６の外周面部分１２２上とさらに各カバー部１０６の内周面部分１２３上とに存在する。

接合面１２１は、様々な噛合い形状を有することができる。図４の（Ａ）では、接合面１２１は、Ｚカットとして示されている。図４の（Ｂ）では、接合面１２１は、タービンブレード配列に対して直角に向きかつロータの回転軸線に対して平行な直線である。図４の（Ｃ）では、接合面１２１は、ダブルウィング又は入れ子式構造である。これは、タービンブレードの後縁１２４及び前縁１２５の両方の方向に向いた曲線を有する構造である。図４の（Ｄ）では、接合面１２１が後縁１２４の方向に向いた単一の曲線のみを有するようなシングルウィング設計を示している。図４の（Ｅ）では、接合面１２１は、対角線方向に向いた直線である。この接合面は、隣接カバー部の各部分１０６間でスナグ嵌合を達成することができるような構造である。この方式では、隣り合うブレード又はノズル１００間の接合線１２１での接触が生じ、いかなるブレード１０４も振動しようとしても、その動きが隣接ブレード１０４によって弱められるようになる。図４の（Ｂ）の実施例は同様に、ブレードがノズルウェーク振動のため捻れようとすると、これらの矩形形状カバー部の各部分は振動の増大につれてピッチが増大することになるので、最も有効な構造である。

図５を参照すると、個々のカバー部の各部分１０６は、ブレード１０４上に組立てられ、次に符号１３２の位置においてタック溶接されて、カバー部の各部分１０６が動かない状態でテノン１０８をリベット止めることが可能になる。テノン１０８のカバー部の各部分１０６に対するリベット止めを行った後に、各カバー部１０６の端縁に沿って延びた過剰な延出材料１３３が除去される。この方式では、タック溶接部１３２は、一体形カバー部の各部分１０６を各ブレード１０４に取付けたままの状態で反対側の面（図５に示す一つの面のみ）上をトリム仕上げされる。

本発明の様々な実施形態において、一体形カバー付きブレードは、最初にこのようにして製作することができる。従って、カバー部の各部分１０６は、適当な溶接又はろう付けによって各ブレード１０４の先端１１１に対して取付けることができる。その後、各ブレード構造は、等価の一体形カバー付きノズルを構成する。

一体形カバー付きノズル（ＩＣＮ）の頂部にオーバカバーを使用することは、２つの目的に役立つ。このオーバカバーは、ノズルを一まとめにして確定的先端拘束に剛性を与えかつその拘束を維持するだけでなく、該オーバカバーはさらに、隣接した一体形カバー付きノズル間で接合面１２１にわたって発生するおそれがあるあらゆる漏れもシールする。

例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の要素に対して様々な変更を加えることでき、またそれら要素を均等物で置き換えることができることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は実体を本発明の教示に適合させるように多くの改良を加えることができる。特許請求の範囲に記載した参照符号は、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。

一般的なダイアフラム構造蒸気タービンの軸方向断面図。 例示的な実施形態による一体形カバー付きノズル（ＩＮＳ）の側面斜視図。 例示的な実施形態によるオーバカバーを使用して互いに結合した、図２の３つのＩＣＮの底面斜視図。 （Ａ）は、Ｚカット形の接合面になった代表的な接合面を示す図。（Ｂ）は、矩形直線カット形の接合面になった代表的な接合面を示す図。（Ｃ）は、入れ子式ダブルウィング形の接合面になった代表的な接合面を示す図。（Ｄ）は、シングルウィング形の接合面になった代表的な接合面を示す図。（Ｅ）は、ブレードの全てをタービンのシャフトから見てカバー部の底面を示した、対角線形の接合面になった代表的な接合面を示す図。 対応するカバー部間の接合面を示す、接合した３つの図３のＩＣＮの上面斜視図。

符号の説明

１０２ ダブテールセグメント
１０４ 翼形部
１０６ カバー部
１０８ テノン
１１０ オーバカバー
１１１ ブレード先端
１１６ 対向面
１１９ 材料肉盛部
１２１ 接合面
１３２ タック溶接部

Claims (9)

1. タービン（１０）の一体形カバー付きノズル（１００）用の複数グループのブレード（２０）であって、
   複数のブレード翼形部を含み、
   複数のそれぞれのカバー部（１０６）が、複数の隣接ブレード（１０４）の先端（１１１）にわたって該隣接ブレード（１０４）の先端部位間で延び、それによって隣接ブレード（１０４）のためのカバー部（１０６）の各部分を形成するように構成された第１の面を形成し、また各それぞれの隣接ブレード（１０４）と関連した前記カバー部（１０６）が、該隣接ブレード（１０４）の隣接カバー部（１０６）における対向面（１１８）を含み、
   オーバカバー（１１０）が、前記それぞれのカバー部（１０６）の第１の面と反対側の第２の面に結合され、前記オーバカバー（１１０）が、前記先端部（１１１）の確定的拘束に剛性を与えることと前記隣接カバー部（１０６）における対向面（１１８）を通り抜ける漏れをシールすることとのうちの少なくとも１つを行うように構成されている、
   ブレード（２０）。
2. 前記複数のそれぞれのカバー部（１０６）の各々が、該カバー部から延びかつ前記オーバカバー（１１０）に形成した孔を貫通するテノン（１０８）を含む、請求項１記載のブレード（１０４）。
3. 前記テノン（１０８）が、前記オーバカバー（１１０）に対してピーニング、溶接及びろう付けのうちの１つを行われている、請求項２記載のブレード（１０４）。
4. 前記オーバカバー（１１０）が、前記複数のそれぞれのカバー部（１０６）の各々よりも薄い厚さを有するように構成されている、請求項１記載のブレード（１０４）。
5. 前記オーバカバー（１１０）が、前記複数のそれぞれのカバー部（１０６）の第２の面に対して溶接及びろう付けのうちの１つを行われている、請求項１記載のブレード（１０４）。
6. 前記カバー部（１０６）の少なくとも１つの対向面上に材料肉盛部（１１９）をさらに含み、前記材料肉盛部（１１９）が、前記隣接ブレード（１０４）の隣接カバー部（１０６）間に接合面（１２１）を形成するように機械加工されている、請求項５記載のブレード（１０４）。
7. 前記材料肉盛部（１１９）が、選択した機械的又は冶金的処理によって前記カバー部の両対向面（１１８）上に施工されている、請求項６記載のブレード（１０４）。
8. 前記材料肉盛部（１１９）が、全ての隣接ブレード（１０４）上で前記カバー部（１０６）間に施工され、それによって一体形カバー付きブレード配列を形成している、請求項７記載のブレード（１０４）。
9. 前記カバー部（１０６）と前記ブレード先端間に選択的に施工した溶込み溶接部又は溶込みろう付け部を含み、それによって前記カバー部（１０６）を前記ブレード（１０４）に対して有効に固定している、請求項６記載のブレード（１０４）。

Images