JP2007085351A - 反動蒸気タービン固定構成部品用の統合型ノズル及びバケットホイール及びその関連する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンステータ及びロータ構成部品用の統合型ノズル及びバケットホイールを提供する。
【解決手段】本統合型ノズル及びバケットホイール（１０、４４）は、それぞれ単一片の素形材料から形成された３６０°ホイールを含む。本ノズルホイール（１０）は、複数の翼形部（１６）を含むように形成された半径方向内側部分を含み、一方バケットホイールは各々、複数のバケット（５４）を含むように形成される。ノズル及びバケットホイールは、複数の円弧状セグメントに分割することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には蒸気タービン構造に関し、より具体的には、反動蒸気タービン用の統合型ノズル及びバケットホイール構造に関する。

現在の一体形カバー反動ノズル段は、機械加工したステータ鋳造品又はノズルキャリヤ内に組立てられた多数の個別反動ノズルで構成される。より具体的には、個別ノズルは、ダブテール溝内に装荷され、個別の半径方向挿入ピンを用いてキャリヤ内に固定される。各ノズル先端は、タービンロータと相互作用して高温ガス通路に沿った漏洩を最少するようになった特殊な先端シール構成として機械加工される。

同様に、現在の一体形カバー反動バケット段はまた、個別の半径方向挿入ピンを用いて機械加工したロータ鍛造品内に組立てられた多数の個別反動ノズルで構成される。組立後に、バケットは、保持ハードウエアで固定され、バケット先端は、特殊な先端シール構成に機械加工される。

ステータ鋳造品の製造、ステータの機械加工、ノズルの素形材料とノズルの機械加工及びステータの組立と共に、ロータの鍛造、ロータの機械加工、バケットの素形材料、バケットの機械加工及び組立に関係した時間及びコストは、反動蒸気通路の全コストを著しく高いものにする。
米国特許第６，０９５，７５０号公報

本発明の例示的な実施形態によると、ノズル及びバケット製作／組立工程が単純化されて、反動蒸気通路の全コストが、反動蒸気タービン設計全体の一体性に影響を与えずに低減される。

例示的な実施形態では、反動ノズルの全列は、平坦な素形材料の３６０°片に機械加工される。素形材料は、鍛造圧延リング又はプレート素形材とすることができることを理解されたい。３６０°リングは、マシニングセンタ内に配置され、そこで、内径（ＩＤ）、外径（ＯＤ）、入口ブレンド、翼形部、翼形部半径、カバーシュラウドシール構成、保持機構及び標準的ノズル形状部の残余部分が機械加工される。その後、統合型ノズルホイールは、最終蒸気通路組立工程の前段階として１つ又はそれ以上の円弧状セグメントに分割することができ、或いは分割しなくてもよい。

同様に、反動翼形部の単一段は、これもまた鍛造圧延リング又はプレート素形材とすることができる平坦な素形材料の３６０°片に機械加工することができる。バケットシール先端ジオメトリ、噛合い軸方向面ラベット嵌合及び保持機構もまた、統合型バケットホイール内に機械加工することができる。

また、それぞれノズル及び／又はバケット翼形部の前方及び／又は後方に位置しかつ複数のノズルホイールをそれぞれのバケットホイールとの交互配置の形態で軸方向に積み重ねるのを可能にするように利用されるステータ及びロータ表面に隣接させて、統合型ノズルホイールを形成するように組み込むことも可能である。

従って、１つの態様では、本発明は、タービンロータ構成部品用の統合型バケットホイールに関し、本統合型バケットホイールは、単一片の素形材料から形成された３６０°ホイールを含み、ホイールの半径方向外側部分は、翼形部分と半径方向外側先端シュラウド部分とを各々が有する複数のバケットを含むように製作され、またバケットの半径方向内側部分は、１つ又はそれ以上の組立機構を含むように製作される。

別の態様では、本発明は、反動タービンのロータ構成部材用の統合型バケットホイールに関し、統合型バケットホイールは、翼形部分と半径方向外側先端シュラウド部分とを各々が有する複数のバケットを含むように機械加工された半径方向外側部分と、その周りで円周方向に間隔を置いて配置された複数のタイロッド又はボルト孔を含むように機械加工された半径方向内側部分とを有する単体構造の３６０°素形材料片を含む。

さらに別の態様では、本発明は、タービンバケットホイールを製作する方法に関し、本方法は、平坦な素形材料を環状リングに成形する段階と、環状リングの半径方向外側部分を、翼形部分を各々が備えた複数のバケットを含むように機械加工する段階と、環状リングの半径方向内側部分を、組立機構を含むように機械加工する段階とを含む。

次に、図面に関連させて、本発明を詳しく説明する。

初めに図１を参照すると、上部及び下部１８０°セグメント又は半部分１２、１４に分割された統合型ノズルホイール１０を示している。ホイールを分割することにより、ノズルホイールセグメントがロータを囲んだ状態での上部及び下部タービンケーシング構成部品又はセクション内への組立が可能になることが分かるであろう。

この例示的な実施形態では、ホイール１０は、平坦な素形材料の単一の３６０°片から製作され、平坦な素形材料は、鍛造圧延リング又はプレート素形材とすることができる。その後、環状リングは、ホイールの半径方向内側部分における円周方向アレイの形態になった複数の翼形部１６を含むように機械加工される。翼形部１６の半径方向内端部もまた、ホイールのＩＤを定める一体形カバーシュラウドシール構成１８を含むように機械加工される。ホイールの残余部分、特に半径方向外側部分２０は、組立ボルト又はタイロッド孔２２と何らかのその他のリム又はラベット構成とを含むように形成されて、同様なホイールを使用した又はそれらの間の別個のスペーサリングを使用した、ロータ上の回転段に適応する軸方向の積み重ねを可能にする。

図２は、別の統合型ノズルホイール２４を示しており、この統合型ノズルホイール２４では、ホイールの一側面２６は、統合型ノズル３０の軸方向上流に延びるブレンド型トロイダル形状入口２８を含むように機械加工される。この場合もまた、半径方向外側領域３４内にボルト又はタイロッド孔３２を設けて、軸方向の積み重ねを可能にする。

図３は、複数のタイロッド又はボルト３８が、孔２２を貫通して延びかつナット４０又はこれに類したものによって固定されて、複数のノズルホイールの軸方向の積み重ねを可能にした状態で下部タービンケーシング構成部品３６内に設置された、図１のノズルホイール１０を示す。

図４は、図３の構成であるが、上部タービンケーシング構成部品４２が下部ケーシング構成部品３６を覆って組立てられた状態での構成を示す。上部及び下部ノズルホイールセグメント１２、１４並びに上部及び下部ケーシング構成部品３６、４２が、それぞれ従来型の保持／固定ハードウエア構成（図示せず）を用いて、互いに固定されることになることが分かるであろう。ノズルホイールセグメントの場合には、保持／固定機構は、本明細書に記載した本発明に合わせてセグメント内に機械加工されることになる。

図５に移ると、反動タービンロータバケットホイール４４は、素形材料（鍛造圧延リング又はプレート素形材）の平坦な円形単一プレートから形成される。ホイール４４には、中央ボア４６、半径方向内側部分４８及び半径方向外側部分５０が形成される。ボア４６は、関係するロータ寸法、構成、その他に応じて所望のジオメトリに機械加工することができることが分かるであろう。

半径方向内側部分４８には、図示した実施例では該半径方向内側部分の周りで円周方向に間隔を置いて配置された複数のボルト又はタイロッド孔５２を含む締結機構が設けられる。半径方向外側部分５０は、複数のバケット５４を含むように機械加工され、各バケットは、翼形部分５６と該翼形部分５６の半径方向外側先端の全体を覆って３６０°延びる一体形シュラウド又は先端カバー５８とを含む。

図１に示すタービンノズルホイールの場合と同様に、バケットホイール４４は、１対の１８０°の円弧状セグメントに分割して、特に単一ホイールの現場での交換における組立を可能にすることができる。他の場合には、バケットホイール４４は、そのままとし、単体構造の統合型３６０°バケットホイールとして組立てることができる。

翼形部分５６及びシュラウド又は先端カバー５８に加えて、機械加工はまた、ホイールのＯＤ、ＩＤ、入口ブレンド、翼形部半径及びその他あらゆる標準的バケット形状部の仕上げ加工を含むことができる。

バケット翼形部分の前方及び後方に位置する隣接するロータ表面はまた、バケットホイールに統合することができる。例えば、単一の隣接するロータ表面（前方又は後方の）はバケットホイール内に組み込むことができ、また翼形部を機械加工した後に一体形にするか又は付加することができる。それに代えて、２つの隣接するロータ表面（前方及び後方の）はバケットホイール内に組み込むことができ、また翼形部を機械加工した後に一体形にするか又は付加することができる。幾つかの用途では、付加した隣接するロータ表面を何ら必要としないものとすることができる。

以上に開示した方式で翼形部を機械加工することによって、現在の反動バケット設計に関係する下記の障害を排除することができる。
・カバーシュラウドの干渉、
・作動時におけるカバーシュラウドのアンツイスト（解捻）、
・各段の多数の個別バケット／ピンを組立てるためのアンツイストに関連する軸方向隙間の問題、
・工程中にツイスト（捻り）、シングリング及びスロート面積測定のような組立チェックを行う必要性、
・組立模型テストを行う必要性及び各テストに関係したコスト、及び
・個別バケットのために個別の挿入ピンを組立てることに関連する人間工学的懸念事項。

上記の項目を排除することに加えて、統合型バケットホイールは、下記の事項も達成することができる。
・バケット列を保守／修理する能力を増大させること、
・既知の／反復可能な境界条件を作り出すこと、
・段当たりの部品数を減少させること、
・組立段内における変動量を減少させること、
・バケット及びロータ製作工程から未使用（廃棄）材料の量を減少させること、
・ロータ鍛造品の寸法、重量及びコストを低減すること、
・誤った位置及び／又は方向での組立を防止すること、
・製造工程、治具、オペレータ、検査、プログラム及びエラー発生の機会がより少ない製作を支えるために必要な手段の数を減少させること、及び
・必要な材料の量対個別部品を大きく減少させること。

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関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、むしろ特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護することを意図していることを理解されたい。

本発明の例示的な実施形態による統合型ノズルホイールの斜視図。 本発明による別の統合型ノズルホイールの斜視図。 下部タービンケーシング構成部品内に組立てた状態での、図１のノズルホイールの斜視図。 図３と同様であるが、上部タービンケーシング構成部品が上部ノズルホイールセグメントを覆って設置された状態での斜視図。 本発明の別の実施形態による統合型タービンロータバケットホイールの斜視図。

符号の説明

１０ ノズルホイール
１６ 翼形部
１８ カバーシュラウドシール構成
２２ 孔
２４ 統合型ノズルホイール
２６ 一側面
１２、１４ 上部及び下部ノズルホイールセグメント
３２ ボルト又はタイロッド孔
３４ 外側領域
３６ 下部タービンケーシング構成部品
４０ ナット
４２ 上部ケーシング構成部品
４４ バケットホイール
４６ 中央ボア
４８ 半径方向内側部分
５０ 半径方向外側部分
５２ ボルト又はタイロッド孔
５４ バケット
５６ 翼形部分
５８ シュラウド又は先端カバー

Claims (10)

1. タービンロータ構成部品用の統合型バケットホイール（４４）であって、
   単一片の素形材料から形成された３６０°ホイールを含み、
   前記ホイールの半径方向外側部分（５０）が、翼形部分（５６）と半径方向外側先端シュラウド部分（５８）とを各々が有する複数のバケット（５４）を含むように製作され、
   前記バケットホイールの半径方向内側部分（４８）が、１つ又はそれ以上の組立機構（５２）を含むように作製される、
   統合型バケットホイール。
2. 前記組立機構が、前記翼形部分の半径方向内側に複数のタイロッド又はボルト孔（５２）を含む、請求項１記載の統合型バケットホイール。
3. 前記タイロッド又はボルト孔（５２）が、前記半径方向内側部分（４８）の周りで円周方向に間隔を置いて配置される、請求項２記載の統合型バケットホイール。
4. 該バケットホイール（４４）が、２つ又はそれ以上の円弧状セグメントに分割される、請求項１記載の統合型バケットホイール。
5. 前記素形材料が、鍛造素形材を含む、請求項１記載の統合型バケットホイール。
6. 前記素形材料が、圧延リング素形材を含む、請求項１記載の統合型バケットホイール。
7. 前記素形材料が、ほぼ平坦なプレート素形材を含む、請求項１記載の統合型バケットホイール。
8. タービンロータを受けるようになった中央開口（４６）を含む、請求項１記載の統合型バケットホイール。
9. 反動タービンのロータ構成部品用の統合型バケットホイール（４４）であって、
   翼形部分（５６）と半径方向外側先端シュラウド部分（５８）とを各々が有する複数のバケット（５４）を含むように機械加工された半径方向外側部分（５０）と、その周りで円周方向に間隔を置いて配置された複数のタイロッド又はボルト孔（５２）を含むように機械加工された半径方向内側部分（４８）とを有する単体構造の３６０°素形材料片を含む、
   統合型バケットホイール。
10. タービンバケットホイール（４４）を製造する方法であって、
    平坦な素形材料を環状リングに成形する段階と、
    前記環状リングの半径方向外側部分を、翼形部分（５６）を各々が備えた複数のバケット（５４）を含むように機械加工する段階と、
    前記環状リングの半径方向内側部分（４８）を、組立機構（５２）を含むように機械加工する段階と、
    を含む方法。

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