JP2008051105A - タービン用のシングレット溶接式ノズルハイブリッド設計 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン用のシングレット溶接式ノズルハイブリッド設計を提供する。
【解決手段】本設計は、シングレット、すなわちそれぞれの内側及び外側側壁構成要素を備えた単一の翼形部を含む。外側側壁構成要素は、外側支持体の半径方向及び円周方向溝内に受けられる。内側側壁の結合は、シール支持体又は小リングのいずれかに対して内側側壁を機械的に取り付けまた溶接することによって達成することができ、或いは小さな半径方向溶接部を円周方向に隣接するシングレットの側壁端面間に設けることができる。
【選択図】 図３

Description

本出願は、タービン用のシングレット溶接式ノズルハイブリッド設計に関する。

蒸気タービン設計は、ロータに結合された回転バケット内に蒸気流を向ける固定ノズルセグメントで構成される。蒸気タービンでは、ノズル構造体は一般的に、ダイアフラム段と呼ばれる。一般的なダイアフラム段は、２つの方法の1つを使用して構成される。第１の方法は、内側及び外側バンド内に収容された複数の翼形部を含む組立体を使用し、次にバンド内に収容した翼形部組立体を溶接して内側（ウエブ）及び外側リングを形成する「バンド／リング」法である。第２の方法は、接合部においてフィレット溶接を使用して、翼形部を内側及び外側リングに対して直接溶接することを含む。第２の方法は一般的に、溶接部を形成すためのアクセスが可能であるような大型の翼形部に対して使用される。しかしながら、小さな段においてバンド構造体を使用することに対してはまた、限界が存在する。１つの欠点は、流路及び蒸気通路側壁の両方の固有の溶接歪みである。この点に関して、組立てに使用される溶接部は、大きなサイズ及び入熱のものである。この材料及び入熱により、流路が歪むことになり、また翼形部は、しばしば溶接及び応力除去後に調整する必要がある。歪みの結果、段効率が低下することになる。

タービンでは、熱で生じた応力は、タービンノズル内に常に割れ発生を生じさせてきた。厳しい環境のために、これまでの本技術分野の歴史は、ノズル翼形部のエンジン軸方向（翼弦方向）に沿った割れ発生を示してきた。翼形部が潰滅的に破損するように割れが翼形部の全長にわたって伝播した場合には、ノズルの大きな部片が外れて下流方向にタービンの回転ハードウエア内に移動することになる。その後のタービンハードウエア（回転及び固定ハードウエアの両方）に対する損傷は、極端に激しいものとなると共に費用のかかるものになるおそれがある。

ダブレット又はトリプレットノズル設計（それぞれノズルセグメント当たり２つ又は３つの翼形部）では、増大した翼形部の数により、複数の荷重経路の冗長度により潰滅的破損に対するある程度の保証が得られる。しかしながら、シングレット設計（ノズルセグメント当たり１つの翼形部）では、両プラットフォームにおいて保持されていない場合には、万一翼形部が完全に２つに割れた場合に、ノズルの大きなセクション（翼形部及び／又はプラットフォーム）が外れて流路内に入るおそれがある。
米国特許出願公開第２００６／００６２６７３号公報

本発明は、とりわけ上述した歪みの問題に対処するシングレット溶接式ノズルハイブリッド設計を提供する。より具体的には、本発明の例示的な実施形態では、シングレット（側壁を備えた単一の翼形部）が、外側支持体の半径方向及び円周方向溝内に直接嵌挿させられるか、又は外側リングに溶接されて外側支持体の溝内に共に嵌挿されるような構造を提供する。内側結合は、独特の内側側壁構造によって行われる。１つの例示的な実施形態では、内側側壁は、円周方向に延びるリングに対して機械的に取り付けられかつ溶接されるか又は内側側壁端面（スラッシュ面）間の小さな半径方向溶接部によって互いに溶接される。

従って、本発明は、タービンとして具現化することができ、本タービンは、少なくとも１つのステータ翼形部、ステータ翼形部の半径方向内端部における内側側壁及びステータ翼形部の半径方向外端部における外側側壁構造体を有するタービンノズルセグメントと、その中に形成された円周方向溝を有する内側側壁の半径方向内表面と、円周方向溝内に受けられるようになったキー部分を有する相補形リング構成要素とを含み、リング構成要素は、タービンの軸線の円周方向に少なくとも部分的に延びて、少なくとも２つのそれぞれ隣接するノズル内側側壁のうちの内側側壁に係合し、リング構成要素は、ノズル内側側壁に対して機械的に固定される。

本発明はまた、タービンとして具現化することができ、本タービンは、少なくとも１つのステータ翼形部を有しかつステータ翼形部の半径方向内端部に内側側壁をまたステータ翼形部の半径方向外端部に外側側壁構造体を備えたタービンノズルセグメントと、半径方向内向きに開口した溝を有する外側リング支持体とを含み、外側側壁は、半径方向において溝に摺動可能に係合するが該溝に対して軸方向に移動するのを制約されるように構成され、内側側壁は、円周方向に隣接したタービンノズルセグメントに対して機械的に結合される。

本発明はまた、タービンとして具現化することができ、本タービンは、少なくとも１つのステータ翼形部を有しかつステータ翼形部の半径方向内端部に内側側壁をまたステータ翼形部の半径方向外端部に外側側壁構造体を備えたタービンノズルセグメントを含み、それぞれ隣接するノズル内側側壁端面は、互いに溶接又はろう付けされる。

図１は、組立体に溶接された隔壁、バンド及びリングを使用した衝動型タービンの伝統的な構造を示している。より具体的には、この伝統的な構造は、複数の翼形部１２を含むダイアフラム組立体１０を使用しており、複数の翼形部１２は、符号１８、２０、２２、２４において溶接されて内側リング（ウエブ）２６及び外側リング２８を形成した内側及び外側バンド１４、１６内に収容される。

上述のように、単一のノズル構造体をリング内に組み込んだ構造の現行方法は、決定的な溶接深さを有しておらず、組立て位置合わせ用の特徴形状部を欠いており、また溶接破損時における保持用の特徴形状部を欠いている。それに加えて、ダイアフラム構造の現行方法が有する１つの重大な問題点は、それらの方法が、大きな流路歪みを引き起こす可能性があることである。事実、伝統的なシングレットノズル組立体は、望ましくない流路歪みを引き起こす高入熱溶接法を使用する場合がある。

本発明は、ステータノズル（ダイアフラム）構成要素の蒸気流路パスを改善する。それは、例えば以下に説明するように、溶接端部壁、機械的固定部を有する低入熱シール溶接部、又は内側側壁に対して溶接した小リングキーのような内側側壁結合部において新しい方法を使用する、簡素化した、決定的なかつ低入熱のシングレット溶接式組立体によって達成される。本発明はまた、組立工程において役立ちかつ機械加工固定具取付けにおいて役立つ特徴形状部を付加することによって生産コスト及びサイクルを向上させる。さらに、本発明は、ハードウエア溶接部破損による予期せぬタービン停止の危険性を低下させる特徴形状部を付加する。

本発明の例示的な実施形態により提供するシングレット溶接式ノズルハイブリッド設計は、それぞれの内側及び外側側壁構成要素を備えたシングレット、すなわち単一の翼形部を含む構造を作り出す。外側側壁構成要素は、外側リング支持体に対して機械的に取り付けられ、かつ次に該外側リング支持体に対して溶接される。

内側側壁の結合は、幾つかの方法で達成することができる。以下の様々な実施形態において説明するように、ダイアフラムのシングレットの内側側壁は、シール支持体又は小リングのいずれかに対して機械的に取り付けかつ溶接することができ、或いは円周方向に隣接するシングレットの側壁端面（スラッシュ面）間に小さな半径方向溶接部を設けることができる。この構造は、主として、段の軸方向間隔がより小さいことまた一般的に数段が多いことに特徴がある反動型タービン又は「ドラム」構造タービンのセクションに考えられるノズル構造体に適している。

図２は、支持体内にシングレットノズルを滑入させる本発明の例示的な実施形態を示している。シングレットは、翼形部３０と内側及び外側側壁３２、３４とを含む。図２の実施形態では、外側リング支持体４０は、外側側壁３４と摺動可能に係合し、かつ外側側壁３４に対して半径方向及び軸方向に機械的に固定されるように構成される。この目的のために、この図示した実施形態では、外側側壁３４は、半径方向に延びるように形成されて、外側リング支持体４０の円周方向に延びる溝４２内に受けられるようになる。この図示した例示的な実施形態では、外側側壁３４の軸方向両端面は、第１及び第２の溝４４、４６を形成し、これら第１及び第２の溝は、円周方向に延びてリング支持体溝４２内の対応する軸方向突出部４８、５０を受けるようになる。シングレット外側プラットフォーム３４と支持体４０との間には、何らの溶接部もない。これらのノズルは、一層詳しく後述するように、円周方向に支持体内に滑入され、内側側壁においてのみ内側リングに対して溶接されることになる。これらのノズルは、溝４２内に滑入されたシングレット、ダブレット、又はその他のあらゆる数のものとすることができる。ノズルがダブレット又はそれより多い数のものである場合には、（ダブレット又はそれより多い数のサブ組立体を形成するために）その中に支持体接合溝を有する部分的外側リングに対してシングレットを溶接することができる（ハイブリッド設計）。

例示的な実施形態によると、円周方向に隣接したシングレットの半径方向内側側壁３２は、結合される。特定の例示的な実施形態によると、内側リング５２は、構造体に対してキー嵌めしかつ溶接する５４、５６ことができる。キー嵌めした内側リングは、シール支持体を形成することができる。さらに別の例示的な実施形態では、シングレット内側側壁３２は、それらの当接端面において互いに溶接される。上記の組立体の実施例については、図３〜図６及び図９を参照して一層詳しく後述する。これらの例示的な実施形態では、同じ参照符号（図２に関して使用したのと）の幾つかを使用してまた幾つかの対応する参照符号（ただし、適宜に１００の倍数だけ増分させたもの）を使用して説明する。

図３は、ロータの円周方向に少なくとも部分的に延び、それによって円周方向に隣接するシングレットを結合するように配置された例示的な内側リング１５２を示している。内側側壁１３２との位置合わせ／フェールセーフ接合部を形成するために、内側リング１５２は、内側側壁１３２の対応する切込み１６０と係合するキー形突出部１５８を含む。より具体的には、シングレットは、内側側壁のキー形切込み１６０と整合する内側リングによって軸方向に保持される。図示するように、（各）ノズル内側側壁とシール支持体との間には、低温リング溶接部（シール溶接部）１５４、１５６が設けられる。この溶接部は、半径方向外側端部における機械的連結部（図２）によりノズル端部が下流方向に移動しないように保持されるので、重要な構造的溶接部であることを必ずしも意図していない。この点に関して、ここに述べるような機械的設計は、非常に低入熱である溶接部により、翼形部及び蒸気通路表面の歪みを最小にするのを可能にする。

この例示的な実施形態では、内側リング１５２はまた、シール支持体を含むように構成される。シール支持体は、その設計が非常に小さなものであり、ドラム構造タービン型の典型的に小さな軸方向及び半径方向空間内にそれを嵌め込むことができるようになる。このことが一般的に、ロータ境界面において伝統的なパッキンセグメントを保持するためには大きな空間が必要となることと異なる。従って、提案した支持体は、より最新式のシール、すなわちブラシシール、単一型シール又はアブレイダブルシールを可能にすることになる。この支持体はまた、組立ての前にアブレイダブル溶射で被覆することができ、また小さなシール溶接部は、補修（再被覆）が必要な時にリングの取り外しのために機械加工して除去することができる。図３の例示的な実施形態では、内側シール支持体リング１５２は、ブラシ型シール構造体１６２を支持する。

図４は、ラミネート型シール２６２を有する別の内側シール支持体リング２５２を示している。この場合もまた、シール支持体リング２５２と内側側壁２３２との間に、キー形接合部２５８／２６０が設けられる。また、内側シール支持体リング２５２をそれぞれの一連のシングレットノズルの内側側壁２３２に固定するために、低温リング溶接部（シール溶接部）２５４、２５６が、図示するように上流側及び下流側に設けられる。

図５は、図３及び図４の実施形態におけるのと同様に、内側シール支持体リング３５２の内側側壁３３２のキー形切込み３６０との嵌合によって軸方向に保持された内側支持体リング３５２のさらに別の実施形態を示している。図示するように、この実施形態では、図２、図３及び図４の実施形態に関して説明したようにリング溶接部５４、５６を設けるのではなく、シール支持体リング３５２は、該シール支持体リング３５２をシングレットノズルに対して所定の位置に保持するように内側側壁３３２及び翼形部３３０内に螺入された半径方向ボルト３６４を有する。この実施例では、シール支持体リング３５２は、ブラシ型シール３６２を組み込んでいるが、図示した半径方向の締結は、本発明から逸脱せずに、他の内側リング構造体内に組み込むこともできる。

図６は、キーリング４５２は設けているが、シール支持体の形態を完全に省略した本発明のさらに別の実施形態を示している。従って、この実施形態では、ノズル内側側壁は各々、それを貫通して円周方向に形成されたキーノッチ又は溝４６０を有し、キーリング４５２は、円周方向溝４６０内に嵌挿されかつ低温リング溶接部（シール溶接部）４５４、４５６で所定の位置に溶接される。従って、溶接したキーリングは、溶接による連結部及び機械的連結部の両方によってノズルシングレットを円周方向に一体化する。

図３に関して上述したように、第１の例示的な実施形態では、ノズル、或いはより具体的にはノズル外側側壁は、それぞれ支持体内に滑入され、それによってノズルの外側端部における半径方向及び軸方向固定部を形成する。図７は、シングレットノズル外側側壁５３４が、小さな軸方向前方及び後方溶接部５６６、５６８を使用して中実外側リング５３８に溶接されたさらに別の実施形態を示している。シングレットノズルと外側リングとの組立体は次に、ノズル支持体５４０の円周方向溝５４２内に嵌挿される。ノズル組立体（外側リング５３８及びそれに溶接されたノズル）は、支持体に対しては溶接されず、ノズル組立体は、支持体溝５４２内で半径方向に移動することができる。従って、この実施形態では、支持体５４０は、滑入型ノズルを使用する反動タービン設計において一般的であるような円周方向溝を有しない。

シングレットと外側リング５３８との間の接合部の機械的特徴形状部は、組立て及び位置合わせ特徴形状部として使用され、また信頼性及び危険性排除の向上を可能にする。この点に関して、リングとノズルとの間の機械的固定部は、圧力による破損から組立体を護る機械的干渉が存在するので、たとえ翼形部の破損が生じたとしても、リング及びノズルは下流方向に移動することができないことを意味する。さらに、この機械的固定部は、所定のかつ反復可能な溶接停止の目的に役立つ。この点に関して、溶接ビーム（ＥＢ溶接の場合）は、それが半径方向連結接合部に当たった時に停止することになる。図７の実施形態のさらに別の利点は、ノズル外側側壁の半径方向外側面が、図２の実施形態におけるようなより費用のかかる円周方向切断端部の代わりに、平坦端部として構成されることである。

図７の例示的な実施形態は、図２〜図４及び図６の実施形態におけるのと同様にノズル内側側壁５３２に対して機械的に固定されかつろう付け又は溶接されるか、或いは図５の実施形態におけるのと同様にノズルに対してただ機械的に固定された内側リング５５２を有する。

図８及び図９は、本発明のさらに別の例示的な実施形態を示している。より具体的には、図８は、図７の実施形態におけるのと同様に半径方向外側側壁５３４において外側リング５３８に対して溶接されたシングレットノズルの側面図を示している。しかしながら、半径方向内側端部については、図７の実施形態におけるようにリングシール５５２を設けるのではなく、内側側壁６３２の端面６７０は、互いに溶接される。従って、図９は、互いに溶接されたそれぞれ内側側壁端／スラッシュ面を軸方向の図で示している。この溶接は、レーザ溶接又は電子ビーム溶接（ＥＢＷ）で行なわれる突合せ溶接と同様な低入熱溶接とすることになると考えられる。この接合部はまた、より経済的にしたい場合には、ろう付け継手とすることも考えられる。この半径方向溶接の狙いは、内側側壁の連続的な結合を形成することである。この溶接部は、必ずしも構造的溶接部である必要はなく、ノズルセグメントの内側側壁（端面）間のギャップをゼロにすることがより必要である。

上述のように、典型的なシングレットノズル外側壁境界面は、円周方向切断端部であるが、別の形態としてシングレットノズル外側側壁境界面は、円周方向切断端部よりも安価な平坦端部として機械加工することができることを理解されたい。

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、逆に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しようとするものであることを理解されたい。

バンド／リング法を使用して形成されたノズルダイアフラムを有する従来型の段の概略側面図。 本発明の例示的な実施形態によるシングレット構造体の概略側面図。 本発明の例示的な実施形態による、ブラシ型シールを有するシングレット構造体の半径方向内側端部の略側面図。 本発明の別の例示的な実施形態による、ラミネート型シールを有するシングレット構造体の半径方向内側端部の概略側面図。 本発明のさらに別の例示的な実施形態による、ブラシ型シールを有するシングレット構造体の半径方向内側端部の概略側面図。 本発明のさらに別の例示的な実施形態によるシングレット構造体の半径方向内側端部の概略側面図。 本発明のさらに別の例示的な実施形態によるシングレット構造体の概略側面図。 本発明のさらに別の例示的な実施形態によるシングレット構造体の概略側面図。 本発明のさらに別の例示的な実施形態による、内側側壁端面において溶接された隣接するシングレットノズルを示す軸方向図。

符号の説明

１０ ダイアフラム組立体
１２ 翼形部
１４、１６ 内側及び外側バンド
１８、２０、２２、２４ 溶接部
２６ 内側リング（ウエブ）
２８ 外側リング
３０ 翼形部
３２、３４ 内側及び外側側壁
４０ 外側リング支持体
４２ 円周方向に延びる溝
４４、４６ 第１及び第２の溝
４８、５０ 軸方向突出部
５２ 内側リング
５４、５６ 溶接部
１３２ 内側側壁
１５２ 内側リング
１５４、１５６ 低温リング溶接部（シール溶接部）
１５８ キー形突出部
１６０ 切込み
１６２ ブラシ型シール構造体
２３２ 内側側壁
２５２ 内側シール支持体リング
２５４、２５６ 低温リング溶接部（シール溶接部）
２５８、２６０ キー形接合部
２６２ ラミネート型シール
３３０ 翼形部
３３２ 内側側壁
３５２ 内側支持体リング
３６０ キー形切込み
３６２ ブラシ型シール
３６４ 半径方向ボルト
４５２ キーリング
４５４、４５６ 低温リング溶接部（シール溶接部）
４６０ キーノッチ又は溝
５３２ 内側側壁
５３４ 外側側壁
５３８ 外側リング
５４０ ノズル支持体
５４２ 溝
５５２ 内側リング
５６６、５６８ 軸方向溶接部
６３２ 内側側壁
６７０ 端面

Claims (10)

1. 少なくとも１つのステータ翼形部（３０）を有しかつ前記ステータ翼形部の半径方向内端部に内側側壁（３２、１３２、２３２、３３２、４３２、５３２、６３２）をまた前記ステータ翼形部の半径方向外端部に外側側壁構造体（３４、５３４）を備えたタービンノズルセグメントと、
   半径方向内向きに開口した溝（４２、５４２）を有する外側リング支持体（４０、５４０）と、を含み、
   前記外側側壁（３４、５３４）が、円周方向及び半径方向の少なくとも１つの方向において前記溝（４２、５４２）に係合するが該溝に対して軸方向に移動するのを制約されるように構成され、
   前記内側側壁（３２、１３２、２３２、３３２、４３２、５３２、６３２）が、円周方向に隣接したタービンノズルセグメントに対して機械的に結合される（５２、１５２、２５２、３５２、４５２、５５２、６７０）、
   タービン。
2. 前記内側側壁（３２、１３２、２３２）の半径方向内表面が、その中に形成された円周方向溝（１６０、２６０、３６０、４６０）を有し、
   相補形リング構成要素（５２、１５２、２５２、３５２、４５２、５５２）の少なくとも一部分（１５８、２５８）が、前記円周方向溝内に受けられ、
   前記リング構成要素が、該タービンの軸線の円周方向に少なくとも部分的に延びて、少なくとも２つのそれぞれ隣接するノズル内側側壁のうちの内側側壁に係合し、
   前記リング構成要素が、前記ノズル内側側壁に対して機械的に固定される（５４、５６；１５４、１５６；２５４、２５６；３６４；４５４、４５６）、
   請求項１記載のタービン。
3. 前記リング構成要素が、前記ノズル内側側壁に対して溶接される（５４、５６；１５４、１５６；２５４、２５６；４５４、４５６）、請求項２記載のタービン。
4. 前記リング構成要素が、シール支持体（５２、１５２、２５２、３５２、５５２）を含む、請求項２記載のタービン。
5. 前記シール支持体が、ブラシ型シール支持体（１５２、３５２）である、請求項４記載のタービン。
6. 前記シール支持体が、ラミネート型シール支持体（２５２）である、請求項４記載のタービン。
7. 前記シール支持体（５２、１５２、２５２）が、前記ノズル内側側壁に対して溶接される（５４、５６；１５４、１５６；２５４、２５６）、請求項４記載のタービン。
8. 半径方向ボルト（３６４）が、前記リング構成要素（３５２）を貫通しかつ前記ノズル内側側壁（３３２）内に延びるように配置される、請求項２記載のタービン。
9. 前記外側側壁（５３４）が、該外側側壁と共に前記溝内に受けられた外側リング（５３８）に対して溶接される、請求項１記載のタービン。
10. 前記円周方向に隣接するタービンノズルセグメントのそれぞれ隣接するノズル内側側壁（６３２）端面が、互いに溶接又はろう付けされる（６７０）、請求項１記載のタービン。

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