JP2007263108A - タービンブレードとダイアフラム構造 - Google Patents

Abstract

【課題】
プラットホームタイプの構造の良い性能特性を有するのに、製造することがさらに経済的であるダイアフラム構造のタイプを提供すること。
【解決手段】
軸方向流タービンブレードダイアフラム構造は、静止タービンブレード２０の環とブレードの内外プラットホーム２２、２３を収容するように形成された穿孔４１，４３を有する内外スペーサリング４０，４２とから成り、それによりプラットホームとスペーサリングは一緒にタービンダイアフラムの内外ポート壁を形成する。ブレードの特別な特徴は、内外プラットホーム２２、２３が、平面図で翼２１の先縁２６の領域において隅肉２４の縁に追従する形状を有する彎曲した先縁２２Ｄ、２３Ｄにより互いに結合される直線側縁２２Ｂ、２２Ｃと２３Ｂ、２３Ｃ）を有することである。
【選択図】 図４

Description

この発明は軸流タービンに使用する静止ブレードのリング用の新しい構造に関する。特に、しかし独占的ではなく、蒸気タービンダイアフラムに関連する。

この発明は「スペーサバンド」と「 プラットホーム」と呼ばれた二つの公知のタイプの構造に関する。図１Ａで示されたスペーサバンドタイプの構造では、ブレード翼（エアロホイル）１は平らなストリップから圧延される内外環状「バンド」４，５によって半径方向内外構造部材２，３に付着されている。穴６はバンド４，５に（例えばレーザーにより）切削されて翼形状の横断面に適合し、翼の端部が穴に挿入されて、隅肉が適当な場所に溶接される。バンドは順に内外部材２，３に溶接されて蒸気通過壁、 或いは所謂「ポート壁」を形成する。

スペーサバンド構造の利点は、蒸気タービンに使用された幾つかの他のタイプの構造に比較してブレードの比較的少ない量の機械加工ですむことである。例えば、所謂「プラットホーム」タイプのダイアフラム構造では、図１Ｂを参照、 翼７の端部は半径方向内外「プラットホーム」８，９と一体であり、翼とプラットホームとは固体から機械加工される。完全環の静止ブレードは内外リングの間に連続的組合せ翼／プラットホーム成分１０を組立ててリングにプラットホームを溶接することによって形成される。組立て処理を例示するために、隣接ブレード形状が点線で示されている。組立てが仕上がると、内外プラットホーム８，９がダイアフラムの内外ポート壁を形成する。

この形状の構造は、スペーサバンドタイプと比較して性能利点を有するが、しかし組合せ翼／プラットホーム成分１０を製造する際に含まれる余分材料や機械加工による非常に高い製造費がかかる。しかしながら、幾つかのタイプの使用のために、特に現存タービンの改造のために、プラットホームタイプの構造の性能利点は余分な費用にもかかわらず最も経済的解決をもたらす。この性能利点は、プラットホーム構造が翼とポート壁の間の隅における空動的有益隅肉半径１１をタービンの作動中にスムーズなポート壁にでき、ポート壁内の循環性のより良い維持をできることから生じる。
英国特許出願公開第２３５３８２６号明細書 米国特許出願公開２００５−１０６０２５号明細書 特開２００４―１９７６２２号公報 米国特許出願公開２００５−１２９５１９号明細書

この発明の目的は、前記プラットホームタイプの構造の良い性能特性を有するのに、製造することがさらに経済的であるダイアフラム構造のタイプを提供することである。

「定義」：
この明細書に使用されたある種の用語は以下に記載された意味を有する。
翼弦線とは：二次元ブレード部分の前後部が表面凸状側面に置かれるならば、平らな面に接触した点間のラインである。
隅肉とは：翼部分がプラットホーム部分と出会って翼部分とプラットホーム部分の間に空動的にスムーズな移行部を形成する丸まった隅である。
圧力側面とは：最高圧を得る翼部分の凹面である。
吸引側面とは：最低圧を得る翼部分の凸面である。
先縁とは：作動流体に最初に出会う翼部分或いはプラットホーム部分の前部或いは突起である。
後縁とは：作動流体が出る翼部分或いはプラットホーム部分の後部或いは尾部である。

「発明の要約」
この発明によると、軸流タービン用の静止ブレードは：
ａ）先縁、後縁、圧力側面、吸引側面と翼弦線を有する翼部分と；
ｂ）翼部分と一体である半径方向内外プラットホームと；
ｃ）翼部分が各プラットホームと出会って翼部分と各プラットホームの間のスムーズな移行部を形成する隅肉と；
ｄ）プラットホームが平面図で：
ｉ）タービン軸線の周辺方向に延びるように形成された後縁と、
ｉｉ）翼部分の圧力側面と吸引側面の各々上の直線側縁と、
ｉｉｉ）側縁を互いに結合し且つ平面図で翼部分の先縁の領域において隅肉の縁に追従する形状を有する彎曲した先縁とから成る。

組立て中にダイアフラムにブレードを容易に取り付けるために、各プラットホーム部分の側縁は実質的に互いに平行であり、翼部分の翼弦線に平行である。この関連コードは翼部分の平均翼弦線であるけれども、好ましくは関連プラットホーム部分に出会う翼部分の翼弦線である。

プラットホーム部分における材料の量を最小にするために、翼部分の圧力側面における各プラットホーム部分の側縁は翼部分の先後縁における隅肉に正接され、即ち平面図で見られる如く、翼部分の圧力側面におけるプラットホーム部分の側縁は隅肉の幅だけ翼弦線から離れて間隔を置かれるべきである。

同様に、翼部分の吸引側面では、少なくとも内プラットホーム部分の側縁は隅リボンに正接されていることが好ましい。さらに、プラットホーム部分の湾曲先縁は翼の先縁と翼の吸引側面における側縁が隅肉に正接される点の間の隅肉の縁に追従する形状を有することが好ましい。実際には、ブレードの吸引側における外プラットホーム部分の側縁と湾曲先縁が隅肉から離れて間隔を置かれる必要がある。

この発明の第二態様は、 前記静止タービンブレードの環状アレイ或いは環と、内外プラットホーム部分をそれぞれに収容するように形成された穿孔を有する内外スペーサリングとから成る軸流タービンダイアフラムを提供し、それによってプラットホーム部分とスペーサリングは一緒にタービンダイアフラムの内外ポート壁を形成する。

以下に記載の如く、内外プラットホーム部分は内外スペーサリングに設けた適合穿孔に溶接される。

この発明の第三態様は、 前記軸流タービンダイアフラム構造を製造する方法を提供し、 ａ）プラットホーム部分をスペーサリング内の穿孔へ摺動させることにより静止ブレードをダイアフラム内に組立て、
ｂ）環状カバー板を静止タービンブレードの環上でそのブレードの各側面に位置決めし、このカバー板はカバー板の内外縁が部分的に内外プラットホーム部分の先縁と後縁に重なるような寸法であり、
ｃ）各カバー板の内外縁を内外プラットホーム部分の先縁と後縁に且つ内外スペーサリングの介在部分に溶接させ、
ｄ）内外プラットホーム部分の先縁と後縁と内外内外スペーサリングの介在部分がアンダーカットされるように各カバー板の内外縁の周りのダイアフラム内に溶接準備スロットを機械加工し、
ｅ）溶接準備スロット内に溶接処理を施してそのスロットを充填し、内外プラットホーム部分を内外スペーサリングに固定し、
ｆ）カバー板の内外縁を機械加工してその内外縁をダイアフラムから取り出す
工程から成る。

上記方法は一般化された手順であって、更に詳細に、工程ｂとｃは便宜的に連続して実施され、ｉ）第一環状カバー板を静止タービンブレードの環上でそのブレードの第一側面に位置決めして第一環状カバー板に溶接作用を実行し；そして ｉｉ）第二環状カバー板を静止タービンブレードの環上でそのブレードの第二側面に位置決めして第二環状カバー板に溶接作用を実行することから成る。

さらに、工程ｄとｅが連続して実施され、ｉ）第一カバー板の内外縁の一方の周りのダイアフラム内に第一溶接準備スロットを機械加工して第一溶接準備スロットに溶接作用を実行し；ｉｉ）第一カバー板の内外縁の他の一方の周りのダイアフラム内に第二溶接準備スロットを機械加工して第二溶接準備スロットに溶接作用を実行し；ｉｉｉ）第二カバー板の内外縁の一方の周りのダイアフラム内に第三溶接準備スロットを機械加工して第三溶接準備スロットに溶接作用を実行し；そしてｉｖ）第二カバー板の内外縁の他の一方の周りのダイアフラム内に第四溶接準備スロットを機械加工して第四溶接準備スロットに溶接作用を実行することことから成る。

この発明の例示的実施態様は、添付図面を参照しながら記載される。

図２はこの発明によるダイアフラム構造に使用する静止ブレード２０を示す。その静止ブレードは図１Ｂにおける静止ブレード１０の翼７と同様な翼部分２１を有する。しかしながら、静止ブレードはそれぞれに一体の内外プラットホーム部分２２，２３を有するけれども、それらはブレード１０の対応するプラットホーム部分８，９よりかなり小さい。 事実、プラットホーム部分２２，２３の対向側縁２２Ａ，２２Ｂと２３Ａ、２３Ｂは実質的に互いに平行に且つ翼部分の翼弦線に平行に延びており、少なくとも内プラットホーム２２のために、側縁間の距離は隅肉２４と一緒に翼部分の横断面を包含するのに十分である。

図３をみると、図３Ａと３Ｂはプラットホーム部分の平面図である。図３Ａは半径方向内方プラットホーム部分２２を半径方向内方に見た図であり、ハッチされた領域で示された翼２１の横断面と外部点線で示された翼隅肉２４の範囲を備える。図３Ｂは半径方向外方プラットホーム部分２３を半径方向外方に見た図であり、再び翼２１の横断面と翼隅肉２４の範囲を示す。特に、翼２１の先縁２６に且つ先縁の付近にプラットホーム部分の先縁２２Ｄ，２３Ｄは翼の形状に閉鎖的に追従することが注目される。隅肉２４を収容するプラットホーム部分の形成は、 再び図３Ｃと図３Ｄにおいて明らかであり、ブレード２０の両側面における等大図である。

各プラットホーム部分２２，２３はタービン軸線の周辺方向に延びるよう形成された先縁２２Ａ，２３Ａと；翼の圧力側面における長い直線側縁２２Ｂ，２３Ｂと翼の吸引側面における短い直線側縁２２Ｃ，２３Ｃと；側縁を互いに結合し且つ平面図で少なくとも翼２１の先縁２６の領域において隅肉２４の縁に追従する形状を有する湾曲した先縁２２Ｄ，２３Ｄとから成ることが図の点検により認識される。両内外プラットホーム部分のために、翼部分の圧力側面における各プラットホーム部分２２Ｂ，２３Ｂが翼の先縁２６とその後縁２７の両方で隅肉２４に正接されている。内方プラットホーム部分２２のみのために、翼の吸引側面における短い側縁２２Ｃは隅肉２４に正接に延びており、その湾曲した先縁２２Ｄは翼の先縁２６と翼の吸引側面におけるプラットホーム部分の短い側縁２２Ｃが隅肉２４に正接している点２８との間の隅肉の縁に追従する形状を有する。外方プラットホーム部分２３内の材料量を最小にするために、内方プラットホーム部分２２とブレードの吸引側面において同じ構成を有するならば、好ましかった。しかしながら、翼のデザインや外方プラットホーム部分２３が内方プラットホーム部分２２より大きい直径である事実によって、ブレードの吸引側面における外方プラットホーム部分の側縁２３Ｃと湾曲した先縁２３Ｄが僅かな量だけ隅肉から離れて間隔を置かれることが必要である。

図１Ｂに示された「プラットホーム構造」と比較して、熟練者は、この発明によるブレードが周辺方向にほんの僅かな間隔をとるから、この発明の実施では、
・材料注文や原料必要条件を簡略化するブレードが特殊なバー寸法の代わりに合金スラブ或いはプレートから製造され得て、 ・機械加工によって除去される材料量を減少させ、
・機械加工時間を減少させることを認識する。

今、 ダイアフラム初期組立て処理を例示する図４を参照すると、半径方向内外スペーサリング４０，４２はそれぞれにスロット４１，４３を形成している。このスロット４１，４３は、 減少寸法プラットホーム部分２２，２３が接近するが、しかしスロット内にすべりばめするように、プラットホーム雄形状に適合する雌形状としたスペーサリングに機械加工される。内外スペーサリング４０，４２はジグ（図示なし）内に互いに同心円に保持され、 そして内外プラットホーム部分２２，２３は図示される如く、それら適合スロット４１，４３内にすべり込む。スロット４１，４３が一端４５，４７で開放されてプラットホーム部分を受けるのに対して、それらが閉じられる、 或いはその他の端４９，５１で少なくとも狭くなってスペーサリング内にプラットホーム部分の端停止正位置を提供する。既に述べたように、翼の先縁２６で且つ先縁付近でのプラットホームの形状は翼１の形状に接近するので、スロットの対応端４９，５１は同様に形成されている。

ブレード２０をスペーサリング４０，４２に組立てると、スムーズなポート壁が完成される、というのは、それらが適合する半径方向厚さをもつことを保証するようにスロットとプラットホーム部分の機械加工中に配慮されるからである。それ故に、ポート壁はプラットホーム部分２２，２３とスロット４１，４３間のスペーサリングの充填材部分４４，４６とから成る。

すべてのブレード２０が一度スペーサリング４０，４２に組立てられたならば、それらがしっかりと適切な位置に溶接されなければならない。翼の損傷の危険なしにこれを達成するためには、一時的カバー板４８は図５Ａに示される如く使用される。これは内外ポート壁の縁に位置決めして部分的に重ねるような寸法とされる。このとき、カバー板４８の半径方向内外縁は隅肉溶接部５０，５２によってプラットホーム部分２２，２３の先縁面２２Ｄ，２３Ｄとスペーサリング４０，４２の介在充填材部分４４，４６に固定されている。隅肉溶接部５２は図５Ｂに更に明らかに示されている。同様なカバー板（図示なし）は同じ位置でダイアフラムの他の側面に溶接される。これは継続機械加工用のプラットホーム部分と充填材セグメントを固定して支持し、その機械加工は内外スペーサリングにプラットホーム部分を固定溶接できることが必要である。

一度、カバー板が適切な位置に溶接されたならば、機械加工作用はダイアフラムの蒸気出口側においてカバー板４８の外周にて外プラットホーム部分２３と充填材部分４６をアンダーカットする。その結果の溶接準備スロット５６は図６に示されている。スロット５６の機械加工が完了した後に、 サブアーク溶接作用がスロットに実施されて、スロットを充填し、 外プラットホーム２３を外スペーサリング４２に固定する。カバー板４８が溶接処理中にアンダーカットスペーサリング充填材部分の運動を阻止することを注意下さい。次に、同様なスロット５４はカバー板の内周に機械加工され、溶接作用が内プラットホーム部分２２を内スペーサリング４０に固定するように繰り返される。最終的に、同じ機械加工と溶接処理はダイアフラムの他の（蒸気入口）側面にて実施される。このとき、カバー板はその縁で機械加工作用によって取り除かれ得て、このとき、ダイアフラムはタービンに組立てるためにスペーサリングに機械加工されるのに必要であるフランジのような任意の特徴事項を除いて、 図７に示される如く完成される。

この発明は例として純粋に上述されており、 修正態様が請求項に記載されたこの発明の範囲内で形成され得る。この発明は、更にこの明細書に記載された或いは暗示された、 又は図面に或いは任意のそのような特徴の任意の組合せ、 或いは等価物となる任意のそのような特徴或いは組合せの任意の一般化に示された或いは暗示された任意の個々の特徴にある。それ故に、 この発明の幅と範囲は前記例示的実施態様によって限定されるべきではない。請求項及び図面を含めて明細書に開示された各特徴は、 表現的にほかに述べられない限り、同じ、等価な或いは同様な目的に役立つ代用特徴により交換され得る。

明細書全体にわたる先行技術の議論は、そのような先行技術が幅広く知られる、 或いはこの分野における普通の一般知識の一部を形成することを自認していない。

内容は明らかに詳細な記載や請求項にわたり他に必要としない限り、用語「成り」、 「成る」などは、排他的或いは徹底感覚と対照的に包含するものに構成され、即ち包含するが、しかし限定されていないという感覚である。

公知のスペーサバンドタイプのタービン構造を例示する。 既に公知の如く、プラットホームタイプの構造に使用する一体プラットホームを備える固定ブレードを例示する。 この発明による単一固定ブレードを例示する。 図２のブレードの内方プラットホーム部分を半径方向内方に見た平面図である。 図２のブレードの外方プラットホーム部分を半径方向外方に見た平面図である。 図２のブレードの一方の側面の等大図である。 図２のブレードの他方の側面の等大図である。 この発明による蒸気タービンダイアフラムの組立てを例示する。 ブレードとスペーサリングが一緒に固定される主溶接作用に先立つ処理を例示する。 図５Ａの点線長方形内の拡大部分である。 主溶接作用に先立つ機械加工作用の結果を例示する。 主溶接作用の完了後のダイアフラム内のブレードのグループを例示する。

符号の説明

１．．．．．ブレード翼
２，３．．．内外構造部材
４，５．．．バンド
６．．．．．穴
７．．．．．翼
８，９．．．プラットホーム部分
１０．．．．静止ブレード
２０．．．．ブレード
２１．．．．翼部分
２２，２３．．．プラットホーム部分
２４．．．．隅肉
２６．．．．先縁
２７．．．．後縁
４０，４２．．．スペーサリング
４１，４３．．．スロット
４４，４６．．．充填材部分
４８．．．．カバー板
５０，５２．．．隅肉溶接部

Claims (11)

1. 軸流タービン用の静止ブレードにおいて、
   ａ）先縁（２６）、後縁（２７）、圧力側面、吸引側面と翼弦線を有する翼部分（２１）と；
   ｂ）翼部分（２１）と一体である半径方向内外プラットホーム（２２、２３）と；
   ｃ）翼部分（２１）が各プラットホーム（２２、２３）と出会って翼部分と各プラットホームの間のスムーズな移行部を形成する隅肉（２４）と；
   ｄ）プラットホーム（２２、２３）が平面図で：
   ｉ）タービン軸線の周辺方向に延びるように形成された後縁（２２Ａ，２３Ａ）と、 ｉｉ）翼部分の圧力側面と吸引側面の各々上の直線側縁（２２Ｂ、２３Ｂ、２２Ｃ、２３Ｃ）と、
   ｉｉｉ）側縁（２２Ｂ、２３Ｂ、２２Ｃ、２３Ｃ）を互いに結合し且つ平面図で翼部分の先縁（２６）の領域において隅肉の縁に追従する形状を有する彎曲した先縁（２２Ｄ、２３Ｄ）とから成ることを特徴とする静止ブレード。
2. 各プラットホーム（２２、２３）の側縁（２２Ｂ、２３Ｂ、２２Ｃ、２３Ｃ）は互いに且つ翼部分（２１）のコードラインに実質的に平行であることを特徴とする請求項１に記載の静止ブレード。
3. 翼部分（２１）の圧力側における各プラットホーム（２２、２３）の側縁（２２Ｂ、２３Ｂ、２２Ｃ、２３Ｃ）は翼部分の先縁（２６）と後縁（２７）で隅肉（２４）に正接することを特徴とする請求項１或いは請求項２に記載の静止ブレード。
4. 少なくとも内部プラットホーム部分（２２）の側縁（２２Ｃ）は翼部分（２１）の吸引側の隅肉（２４）に正接することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の静止ブレード。
5. プラットホーム部分（２２）の彎曲した先縁（２２Ｄ）は翼部分（２１）の先縁（２６）と翼部分の吸引側面のプラットホーム部分の側縁（２２Ｃ）が隅肉に正接する点（２８）との間で隅肉（２４）の縁に追従する形状を有することを特徴とする請求項４に記載の静止ブレード。
6. プラットホーム部分は内部プラットホーム部分（２２）であることを特徴とする請求項４或いは請求項５に記載の静止ブレード。
7. ブレードの吸引側面における外部プラットホーム部分（２３）の側縁（２３Ｃ）と彎曲した先縁（２３Ｄ）は隅肉（２４）から離れて間隔を置いていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の静止ブレード。
8. 任意の先行請求項による静止タービンブレード（２０）の環と内外プラットホーム部分（２２、２３）をそれぞれに収容するように形成された穿孔（４１、４３）を有する内外スペーサリング（４０、４２）とから成り、それによりプラットホーム部分とスペーサリングが一緒にタービンダイアフラムの内外ポート壁を形成することを特徴とする軸方向流タービンダイアフラム構造（図４）。
9. 請求項８の軸方向流タービンダイアフラム構造を製造する方法において、
   ａ）プラットホーム部分（２２、２３）をスペーサリング（４０、４２）内の穿孔（４１、４３）へ摺動させることにより静止ブレード（２０）をダイアフラム内に組立て、
   ｂ）環状カバー板（４８）を静止タービンブレード（２０）の環上でそのブレードの各側面に位置決めし、このカバー板はカバー板の内外縁が部分的に内外プラットホーム部分（２２、２３）の先縁と後縁（２２Ｄ、２２Ａ，２３Ｄ、２３Ａ）に重なるような寸法であり、
   ｃ）各カバー板（４８）の内外縁を内外プラットホーム部分（２２、２３）の先縁と後縁（２２Ｄ、２２Ａ，２３Ｄ、２３Ａ）に且つ内外スペーサリング（４０、４２）の介在部分（４４，４６）に溶接させ、
   ｄ）内外プラットホーム部分（２２、２３）の先縁と後縁（２２Ｄ、２２Ａ，２３Ｄ、２３Ａ）と内外スペーサリング（４０、４２）の介在部分（４４，４６）がアンダーカットされるように各カバー板（４８）の内外縁の周りのダイアフラム内に溶接準備スロット（５４，５６）を機械加工し、
   ｅ）溶接準備スロット（５４，５６）内に溶接処理を施してそのスロットを充填し、内外プラットホーム部分（２２、２３）を内外スペーサリング（４０、４２）に固定し、
   ｆ）カバー板（４８）の内外縁を機械加工してその内外縁をダイアフラムから取り出す工程から成ることを特徴とする方法。
10. 工程ｂとｃが連続して実施され、ｉ）第一環状カバー板を静止タービンブレードの環上でそのブレードの第一側面に位置決めして第一環状カバー板に溶接作用を実行し；そして ｉｉ）第二環状カバー板を静止タービンブレードの環上でそのブレードの第二側面に位置決めして第二環状カバー板に溶接作用を実行すること
    から成ることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 工程ｄとｅが連続して実施され、ｉ）第一カバー板の内外縁の一方の周りのダイアフラム内に第一溶接準備スロットを機械加工して第一溶接準備スロットに溶接作用を実行し； ｉｉ）第一カバー板の内外縁の他の一方の周りのダイアフラム内に第二溶接準備スロットを機械加工して第二溶接準備スロットに溶接作用を実行し；
    ｉｉｉ）第二カバー板の内外縁の一方の周りのダイアフラム内に第三溶接準備スロットを機械加工して第三溶接準備スロットに溶接作用を実行し；そして
    ｉｖ）第二カバー板の内外縁の他の一方の周りのダイアフラム内に第四溶接準備スロットを機械加工して第四溶接準備スロットに溶接作用を実行すること
    から成ることを特徴とする請求項９或いは請求項１０に記載の方法。

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