JP2007023895A - 蒸気タービン、タービンノズルダイアフラム、及びこれらに用いられるノズル翼、並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部に中空室を持つノズル翼を機械加工によって製造し、精度の高い翼面形状をもった中空のノズル翼を得ること。
【解決手段】 型鍛造により製造され、外表面に凹部２３が形成された翼本体２２と、上記翼本体の凹部２３を覆うように翼本体２２に装着された板材２４とを有しているノズル翼であって、上記板材２４によって覆われた凹部２３により中空室２５を形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気タービンにおける蒸気中のドレンが動翼の先端に衝突することによって発生する動翼の浸食や性能の低下を防止するようにしたノズルダイアフラムを有する蒸気タービンに関する。

一般に、原子力タービンや地熱タービンの大部分の段落や、火力タービンの低圧段落部では、作動流体である蒸気の一部分が凝縮してドレンとなり、遠心力によって外周側に集まり、主にノズル翼表面の外周側とノズルダイアフラム外輪の内周面上を流れ、これが下流の動翼に衝突し、この動翼の先端部分を浸食したり、段落の効率を低下させたりする原因となっている。

図７は蒸気タービンの子午面におけるドレン流線Ｎを示しており、蒸気流路のノズル外周壁面１を構成するノズルダイアフラム外輪２と、流路内周壁面を構成するノズルダイアフラム内輪３との間に、複数のノズル翼４が周方向に配列固定されてノズルダイアフラム５が構成されており、そのノズルダイアフラム５の下流側に動翼６が配設されている。

湿り蒸気が流れる蒸気タービンの流路において、湿り蒸気が膨張して発生した微小ドレンは、ノズル翼４とその上流段の動翼７及び下流段の動翼６とに衝突しながら集合して大きなドレンになっていく。ノズル翼４の上流段動翼７に衝突したドレンは、その動翼７に振り切られてノズル外周壁面１に衝突し、このノズル外周壁面１上のドレン流れとなる。すなわち、ノズル部でのドレン流れは大きく分けると、ノズル翼４の表面を流れるドレン流れと、ノズル外周壁面１上を流れるドレン流れの２つになる。そして、このようなドレン流れが下流側の動翼６に衝突してその動翼６の先端部分を浸食する。

そこで、上述のようなドレンを蒸気通路から分離して除去するようにしたドレン除去装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、図８は上記ドレン除去装置を備えたノズル翼の子午面内での断面図、図９は図８のＡ−Ａ断面図であり、ノズル翼４と、このノズル翼４を保持するノズルダイアフラム外輪２と、ノズルダイアフラム内輪３とが全て中空となっており、その各中空部４ａ、２ａ、３ａが互いに連通している。そして、ノズル腹面８とノズル背面９とに径方向に沿うスリット状のドレン吸い込み口１０、１１がそれぞれ穿設されるとともに、ノズル外周壁面１にも互いに隣接する一のノズル翼４のノズル腹面８と他のノズル翼４のノズル背面９との間に位置してスリット状のドレン吸い込み口１２が穿設されている。

ノズルダイアフラム外輪２側の中空部２ａは図示しない復水器等の低圧源に連通しており、ドレン吸い込み口１０、１１、１２からドレンの吸引が行われるようになっている。しかして、ノズル腹面８を伝わったドレンは、そのノズル腹面８のドレン吸い込み口１０から、またノズル背面９を伝わったドレンはそのノズル背面９のドレン吸い込み口１１からそれぞれノズル翼４の中空部４ａに吸い込まれ、さらにノズルダイアフラム外輪２の中空部２ａを経て復水器に流入する。また、ノズル外周壁面１を伝わったドレンは、そのノズル外周壁面１のドレン吸い込み口１２からノズルダイアフラム外輪２の中空部２ａに吸引され、これも同様に復水器に流入する。

このように、蒸気とともに流れてきたドレンは翼表面に設けられたドレン吸い込み口１０、１１からノズル翼４の中空部４ａ内に吸い込まれ、またノズル外周壁面１を伝わったドレンはドレン吸い込み口１２からノズルダイアフラム外輪２の中空部２ａ内に吸い込まれ、ドレンが動翼に衝突する前に蒸気から分離除去される。ところで、上記ドレンは遠心力によって外周側に集まるために、上記スリット状のドレン吸い込み口はノズル翼４の外周側に設置することにより効率的にドレンを除去することができる。
特開平８−２３２６０４号公報

ところが、一般に蒸気タービンノズル翼は、角材から削り出し、もしくは型鍛造からの機械加工、または、精密鋳造などの手段により製造されるが、内部に中空室を持つノズル翼は精密鋳造、もしくは２枚の薄板をプレス加工して２枚貝のように張り合わせる板張り製造によってのみ製造可能であった。しかし、これらの製造方法では型鍛造からの機械加工などの製造方法と比較すると、ノズル翼の翼面形状の精度が得られない等の問題がある。

本発明は、このような点に鑑み、内部に中空室を持つノズル翼を型鍛造や切削加工といった機械加工によって製造し、精度の高い翼面形状をもった中空のノズル翼を得ること、及びそのノズル翼を使用したタービンノズル、或いはタービンを得ること、さらにはそれらの製造方法を得ることを目的とする。

第１の発明は、蒸気タービンのノズル翼において、型鍛造或いは切削加工等の機械加工により製造され、外表面に凹部が形成された翼本体と、上記翼本体の凹部を覆うように翼本体に装着された板材とを有し、上記板材によって覆われた凹部により中空室を形成したことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記凹部は翼本体の長手方向の外周側端部に設けられていることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記翼本体には、前記凹部に接続され翼本体の長手方向に延びるドレン溝が形成されるとともに、上記ドレン溝も板材からなる蓋体により被覆されていることを特徴とする。

第４の発明は、タービンのノズルダイアフラムにおいて、第１乃至第３のいずれかのノズル翼が周方向に複数配列され、そのタービンノズル翼の外周側端部が中空状のノズルダイアフラム外輪に固着され、タービンノズル翼の内周側端部が中空状のノズルダイアフラム内輪に固着されていることを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明において、上半部のノズルダイアフラム外輪及びノズルダイアフラム内輪に固定されるノズル翼は前記ドレン溝を有するノズル翼とし、下半部のノズルダイアフラム外輪及びノズルダイアフラム内輪に固定されるノズル翼は前記ドレン溝を有していないノズル翼としたことを特徴とする。

第６の発明は、蒸気タービンにおいて、第４または第５の発明のノズルダイアフラムを備えることをことを特徴とする。

第７の発明は、凸部を有する金型による型鍛造、或いは切削加工により表面に凹部を備えるように翼素材を機械加工し、上記機械加工により形成された翼素材の凹部を板材により覆って当該凹部を中空に形成することを特徴とする。

本発明は、蒸気タービンの中空ノズル翼を、型鍛造或いは切削加工といった機械加工により製造され、外表面に凹部が形成された翼本体と、上記翼本体の凹部を覆うように翼本体に装着された板材とにより構成され、上記板材によって覆われた凹部により中空室を形成するようにしたので、翼面プロファイルを精度良く形成することができ、機械加工量も最小限に抑えることができ、しかも上記中空室やその中空室につながるドレン溝をノズル翼の腹側から加工することができ、ノズル翼に重要なスロートを形成する背側への影響もないようにすることができる。

以下添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明における第１の形態のノズル翼２１を示す図であり、型鍛造により製造された翼本体２２の外周側の外表面に凹部２３が形成され、その凹部２３を板材２４により覆うことによりノズル翼２１が形成されている。そして、上記板材２４によって覆われた凹部２３により中空室２５が形成されており、上記ノズル翼２１の表面から上記中空室２５に貫通するスリット状の開口２６が穿設されている。ここで、凹部２３の一端はノズル翼２１の外周端まで連続するように設けられており、スリット状の開口２６は、翼の長手方向（高さ方向）に設けられている。

また、図２は、本発明における第２の形態のノズル翼２７を示す図であり、第１の形態のノズル翼において、さらに上記凹部２３からノズル翼の内周側端部まで延びるドレン溝（図示せず）が切削加工されており、そのドレン溝も板材からなる蓋体２８により被覆されている。

ところで、一般に型鍛造から製造されるノズル翼は必要とする翼形状に研磨代及び加工代を付加した状態で鍛造し製造されるが、この時上金型と下金型とで翼素材を挟み込んで製造するため、そのままでは内部に中空室をを作ることは困難である。そこで、本発明においては、上述のように、型鍛造により製造された翼本体の外周側の外表面に凹部を形成し、その凹部を板材により覆うことによりノズル翼を形成し、上記板材によって覆われた凹部により中空室を形成する。

すなわち、下金型と中空部形成用の凸部を設けた上金型とにより、必要とする翼形状に対して研磨代及び加工代を付加した形状に翼素材を鍛造することにより、図３に示すように、外周側外表面に凹部２３が形成された翼本体２９を形成し、その後ノズル翼面形状を切削加工する。そして翼表面を研磨し必要なプロファイル精度を確保した後、図１に示すように、翼面形状に機械加工された板材２４を上記翼本体２９に対して溶接により固着することにより上記凹部２３を覆い、板材２４により覆われた凹部２３により中空室２５を形成する。その後、中空状のノズルダイアフラム外輪２及びノズルダイアフラム内輪３に固着するための合わせ面を形成するために外周側端面及び内周側端面を切削加工する。本実施の形態においては、この際に凹部２３の端部が翼の外周側端面となるように加工し、中空室２５が翼外周側端部に開口する構成としている。しかる後、上記板材２４及びこの板材２４と反対側の翼表面から上記中空室２５に貫通するスリット状の開口２６を穿設する。このようにして、図１に示すノズル翼２１を製作することができる。

一方、図２に示すようなドレン溝を有するノズル翼２７は、ノズル翼２１と同様にノズル翼面形状を切削加工した後、図４に示すように、上記凹部２３から内周側端面まで延びるドレン溝３０を切削加工し、その後上記ドレン溝３０を板材からなる蓋体２８により被覆することにより製作される。

上述のようにして形成されたノズル翼２１或いは２７は、図５に示すように、その外周側端面が中空状のノズルダイアフラム外輪２の内周面に固着され、内周側端面が中空状のノズルダイアフラム内輪３の外周面に固着される。このようにしてノズルダイアフラム外輪２とノズルダイアフラム内輪３の間に複数のノズル翼２１或いは２７が保持され、ノズルダイアフラムが形成される。この場合、前述のように、ドレンは遠心力によりタービンノズルの外周側に集まるためスリット状の開口２６もノズル翼の外周側に設置することが効果的であり、そのためノズル翼内の中空室もノズル翼の外周側に存在するのが好ましい。したがって、上記ノズル翼２１、２７の中空室２５はノズルダイアフラム外輪２の中空部に開口するような構成となっている。

しかして、上記ノズル翼２１、２７を取り付けたタービンノズルにおいても、図７等に示したものと同様に、翼面に沿って流れるドレンはスリット状の開口２６を経てノズル翼２１或いは２７内に流入し、さらにノズルダイアフラム外輪２を経て復水器等に導かれる。

ところで、ノズルダイアフラムは、上記ノズル翼２１、２７をノズルダイアフラム外輪２とノズルダイアフラム内輪３との間に放射状に配設している。このため、上半部のノズルダイアフラム外輪２及びノズルダイアフラム内輪３の間に装着されているノズル翼はその外周側が上方に位置することとなり、外周側に設けられた中空室２５からノズルダイアフラム外輪２の中空部へはドレンが排出されづらい。そこで、上半部のノズルダイアフラム外輪２及びノズルダイアフラム内輪３に装着されるノズル翼としては、図６に示すように、図２に示すドレン溝３０を備えたノズル翼２７を使用し、ドレン溝３０がノズルダイアフラム内輪３の中空部３ａに開口されるようにすることが好ましい。したがって、この場合にはノズル翼２７の中空室２５内に吸い込まれたドレンは重力によって中空室２５からドレン溝３０を通ってノズルダイアフラム内輪３の中空部３ａ内にスムースに流入する。そして、ノズルダイアフラム内輪３の中空部３ａ内に流入したドレンは、上下半の継手水平面に設けられた連結管３２を経てノズルダイアフラム内輪３の下半部の中空部内へ排出される。

一方、上記ノズルダイアフラム外輪２及びノズルダイアフラム内輪３の下半部に装着されるノズル翼では、外周側が上方に位置することはないので、中空室２５内に吸い込まれたドレンは上記中空室２５からノズルダイアフラム外輪２の中空部２ａ内に導かれる。したがって、下半部のノズルダイアフラム外輪２及びノズルダイアフラム内輪３に装着されるノズル翼としては図１に示すようなドレン溝３０を有しないノズル翼２１を使用することができ、コストの軽減を図ることもできる。

また、図６に示した本実施の形態では、下半部のノズルダイアフラム外輪２及びノズルダイアフラム内輪３の間に装着されるノズル翼の内最下方のノズル翼にはドレン溝３０を有する前記ノズル翼２７を使用することにより、ノズルダイアフラム外輪２の中空部２ａとノズルダイアフラム内輪３の中空部３ａを上記ノズル翼２７のドレン溝３０及び中空室２５を介して連通させている。上述のように、ノズルダイアフラム内輪３の中空部３ａ内に流入したドレンは上下半の継手水平面に設けられた連結管３２を経てノズルダイアフラム内輪３の中空部３ａの下部に流れる。ここで図６に示したように、最下方にドレン溝３０を有する前記ノズル翼２７を配置すれば、ドレンはこのノズル翼２７のドレン溝３０及び中空室２５を介してノズルダイアフラム内輪３の中空部３ａからノズルダイアフラム外輪２の中空部２ａに導かれ、ノズルダイアフラム外輪２の下半部真下に設けられた排出口３３から復水器へ排出させることができる。

また、ノズルダイアフラム外輪２の上半部の中空部２ａ内に吸い込まれたドレンはノズルダイアフラム外輪２の上下半の継手水平面に設けられた連結管３４を経てノズルダイアフラム外輪２の下半部の中空部２ａ内に流入し、ノズルダイアフラム外輪２の下半部真下に設けられた排出口３３から復水器へ排出されるように構成されている。

このように、型鍛造後に機械加工することによって翼面プロファイルを精度よく形成することができ、且つ必要な中空室の大部分は型鍛造によって形成し、機械加工を最小限に抑えることができ、コストを抑えることもできる。また、中空室やドレン溝はノズル翼の腹側から加工することができ、ノズル翼に重要なスロートを形成する背側への影響がない。また、板材の溶接には入熱の少ないレーザーによる溶接を用いることにより溶接変形を極力抑え、翼面プロファイル精度を維持することができる。

なお、翼本体に型鍛造によって形成する凹部２３、ドレン溝３０は、これらによって最終的にノズル翼の内部に中空部２５が形成され、この中空部２５からノズル翼の外周側或いは内周側にドレンが排出できる構成となっていれば十分である。したがって、凹部２３を型鍛造によってノズル翼の長手方向（高さ方向）全体に亘って形成したり、凹部２３を型鍛造により翼中央部などに設け、この凹部２３に連通し外周側或いは内周側の翼端部まで延びるドレン溝３０を形成したり、種々変形して実施することができる。

さらに、上述した実施の形態以外に、凹部２３を型鍛造ではなく切削加工により形成することも可能である。この場合であってもさらにドレン溝３０はいずれも翼本体２２に機械加工によって形成された窪みであって、いずれも板材２４（或いは蓋体２８）等に設けられたスリット状の開口２６から流入したドレンを流通させるものであって本質的な差異はなく、型鍛造或いは切削加工といった機械加工により形成されていれば本願特有の作用効果を十分に奏することができる。

本発明における第１の形態のノズル翼を示す斜視図。 本発明における第２の形態のノズル翼を示す斜視図。 第１の形態のノズル翼製造過程における鍛造後のノズル翼を示す図。 第２の形態のノズル翼製造過程における鍛造後のノズル翼を示す図。 本発明のノズル翼を使用したノズルダイアフラムを備えた蒸気タービンの部分断面図。 本発明におけるノズルダイアフラム全体を模式的に示す図。 蒸気タービンの子午面におけるドレン流線Ｎを示す図。 ドレン除去装置を備えた従来のノズル翼の説明図。 図８のＡ−Ａ線断面図。

符号の説明

１ ノズル外周壁面
２ ノズルダイアフラム外輪
３ ノズルダイアフラム内輪
４ ノズル翼
５ タービンノズル
６、７ 動翼
２１、２７ ノズル翼
２２ 翼本体
２３ 凹部
２４ 板材
２５ 中空室
２６ スリット状の開口
２８ 板材からなる蓋体
２９ 翼本体
３０ ドレン溝
３３ 排出口

Claims (21)

1. 機械加工によって外表面に凹部が形成された翼本体と、上記翼本体の凹部を覆うように翼本体に装着された板材とを有し、上記板材によって覆われた凹部により中空室を形成したことを特徴とする、蒸気タービンノズル翼。
2. 上記機械加工は型鍛造であることを特徴とする、請求項１記載の蒸気タービンノズル翼。
3. 上記機械加工は切削加工であることを特徴とする、請求項１記載の蒸気タービンノズル翼。
4. 上記板材の外面は翼面形状を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の蒸気タービンノズル翼。
5. 上記板材は翼本体に対して溶接により固着されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の蒸気タービンノズル翼。
6. 上記板材にはスリット状の開口部が形成されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の蒸気タービンノズル翼。
7. 前記凹部は翼本体の外周側端部に設けられていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の蒸気タービンノズル翼。
8. 前記翼本体には、前記凹部に接続され翼本体の長手方向に延びるドレン溝が形成されるとともに、上記ドレン溝も板材からなる蓋体により被覆されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の蒸気タービンノズル翼。
9. 上記ドレン溝は、上記凹部から上記翼本体の内周側端部まで連続して設けられていることを特徴とする、請求項８記載の蒸気タービンノズル翼。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のノズル翼が周方向に複数配列され、そのノズル翼の外周側端部が中空状のノズルダイアフラム外輪に固着され、ノズル翼の内周側端部が中空状のノズルダイアフラム内輪に固着されていることを特徴とする、蒸気タービンのノズルダイアフラム。
11. ノズル翼に形成されている凹部がノズルダイアフラム外輪の中空部に開口し、ノズル翼に形成されたドレン溝がノズルダイアフラム内輪の中空部に開口していることを特徴とする、請求項１０記載のノズルダイアフラム。
12. 上半部のノズルダイアフラム外輪及びノズルダイアフラム内輪に固定されるノズル翼は前記ドレン溝を有するノズル翼とし、下半部のノズルダイアフラム外輪及びノズルダイアフラム内輪に固定されるノズル翼は前記ドレン溝を有していないノズル翼としたことを特徴とする、請求項１０または１１記載のノズルダイアフラム。
13. 下半部のノズルダイアフラム外輪及びノズルダイアフラム内輪に固定されるノズル翼の内、最下方のノズル翼のみは前記ドレン溝を有するノズル翼としたことを特徴とする、請求項１１記載のノズルダイアフラム。
14. 請求項１０乃至１３のいずれかに記載のノズルダイアフラムを備えることをことを特徴とする、蒸気タービン。
15. 機械加工により、表面に凹部を形成するように翼素材を加工し、上記機械加工により形成された翼素材の凹部を板材により覆って当該凹部を中空に形成することを特徴とする、蒸気タービンノズル翼の製造方法。
16. 翼素材の表面に凹部を形成する上記機械加工は、凸部を有する金型を用いた型鍛造によること特徴とする、請求項１５記載の蒸気タービンノズル翼の製造方法。
17. 翼素材の表面に凹部を形成する上記機械加工は、切削加工によること特徴とする、請求項１５記載の蒸気タービンノズル翼の製造方法。
18. 上記凹部から上記翼素材長手方向端部とを連通するドレン溝を切削加工し、その切削加工後に、前記凹部とドレン溝を板材により覆うことを特徴とする、請求項１５記載の蒸気タービンノズル翼の製造方法。
19. 前記板材の外表面を翼面形状に加工し、その後上記板材により凹部を覆うことを特徴とする、請求項１５乃至１８のいずれかに記載の蒸気タービンノズル翼の製造方法。
20. 前記翼素材は、必要とする翼形状に対して研磨代および加工代を付加した形状で型鍛造され、前記必要とされる翼形状に対する予め定められた加工精度となるように研磨し、その後前記板材により覆うことを特徴とする、請求項１５乃至１９のいずれかに記載の蒸気タービンノズル翼の製造方法。
21. 前記凹部を覆う板材にスリット状の開口部を加工することを特徴とする、請求項１５乃至２０のいずれかに記載の蒸気タービンノズル翼の製造方法。

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