JP2009052559A - 蒸気タービン用の溶接ノズルアセンブリ及びそれに関連する組立固定具 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルブレードを提供する。
【解決手段】本ノズルブレード（９０）は、それらの間で翼形部分が延びる半径方向内側及び外側壁（８８、９５）を含み、内側及び外側壁には、該ノズルブレードを通る長手方向中心軸線と整列したアライメント機構（８６、９２及び９３）がそれぞれの対面表面上に形成される。
【選択図】 図９

Description

本発明は、総括的には蒸気タービン用のノズルアセンブリに関し、より具体的には、溶接ノズルアセンブリ並びにノズルの整列及び製造を可能にする固定具に関する。

蒸気タービンは一般的に、ロータに連結された回転バケット内に蒸気の流れを導く固定ノズルセグメントを含む。蒸気タービンでは、その各々が翼形部又はブレード構造を含むノズルの列は一般的に、ダイアフラム段と呼ばれる。従来型のダイアフラム段は、主として２つの方法の１つを使用して構成される。第１の方法は、バンド／リング構造を使用して、最初に約１８０°にわたって延びる内側及び外側バンド間に翼形部を溶接する。次に、溶接翼形部を備えたそれらの円弧状バンドを組立てる、つまりタービンのステータの内側及び外側リング間に溶接する。第２の方法は、多くの場合に、リング接合部においてフィレット溶接を用いて内側及び外側リングに対して翼形部を直接溶接することから成る。後者の方法は一般的に、溶接部を形成するためのアクセスが可能である大型翼形部において使用される。

最初に述べたバンド／リング組立方法の使用には、本来的な限界がある。バンド／リング組立方法の主たる限界は、流路の、つまり隣接するブレードと蒸気通路側壁との間の固有の溶接変形である。これらの組立てに使用する溶接部は、大きな寸法及び入熱のものである。つまり、溶接部は、大量の溶加材を使用する状態で高い入熱を必要とする。それに代えて、溶接部は、溶加材を使用しない状態での非常に深い電子ビーム溶接（ＥＢＷ）である。この材料又は入熱は、流路を変形させ、例えば材料の収縮が、翼形部の流路をそれらの設計形状から外れて湾曲させる。多くの場合に、翼形部は、溶接及び応力除去後に調整を必要とする。この通路変形の結果、ステータ効率が低下する。ステータアセンブリ内にノズルを溶接した結果として内側及び外側バンドの表面輪郭もまた変化して、不規則な流路をさらに生じさせるおそれがある。従って、ノズル及びバンドは、全体的に屈曲しかつ変形する。このことは、ノズル構成を十分に最終仕上げ処理してそのノズル構成を設計基準内に戻すことを必要とする。多くの場合に、ノズルアセンブリの製作全体のコストの約３０％が、溶接及び応力除去後にノズルアセンブリの変形をその設計構成に戻すためのものである。

また、リング内に溶接される単一のノズル構造を使用する組立方法は、所定の溶接深さを有しておらず、内側及び外側リングの両方上に組立て用アライメント（位置合せ又は整列）機構（特徴形状部）を有しておらず、また溶接破損時における保持特徴形状部も有していない。さらに、現行のノズルアセンブリ及び設計は、様々なノズル寸法間で反復可能な取付け作業を可能にする共通の機構を有していない。すなわち、ノズルアセンブリは、全てのノズル寸法に共通した、機械制御ツール用の基準となる機構を有しておらず、そのような機構がない状態では、各ノズルアセンブリ寸法は、特殊な設定、事前処理及び特殊な工具を必要とし、コストを増大させる結果となる。
米国特許第６８８８０９０号明細書 米国特許第６７５４９５６号明細書 米国特許第６７０５８２９号明細書 米国特許第６４３５８２５号明細書 米国特許第６１９６７９３号明細書 米国特許第５８０７０７４号明細書 米国特許第５７４３７１１号明細書 米国特許第５５９３２７３号明細書 米国特許第５５８６８６４号明細書

従って、溶接作業により生じる蒸気通路変形を最少にするか又は排除すると共に、組立作業及び機械加工用の固定作業を助ける機構（特徴形状部）を付加することによって生産及びサイクルコストを改善し、ステータ内におけるノズルアセンブリの整列を可能にし、また溶接破損時にノズルアセンブリの下流方向への移動を防止する機械的固定を形成する低入熱溶接部を含む改善型のステータノズル用の蒸気流路が必要なことが証明された。

１つの例示的な非限定的実施形態によると、本発明はノズルブレードに関し、本ノズルブレードは、それらの間で翼形部分が延びる半径方向内側及び外側壁を含み、内側及び外側壁には、該ノズルブレードを通る長手方向中心軸線と整列したアライメント機構がそれぞれの対面表面上に形成される。

別の非限定的態様では、本発明はノズルブレードに関し、本ノズルブレードは、機械加工固定具と組合され、本ノズルブレードは、それらの間で翼形部分が延びる半径方向内側及び外側壁を含み、内側壁には、該ノズルブレードを通る長手方向中心軸線と整列したアライメント機構がその表面上に形成され、機械加工固定具は、アライメント機構と係合した第１の回転可能固定具構成要素を含む。

さらに別の非限定的な態様では、本発明はノズルブレードに関し、本ノズルブレードは、機械加工固定具と組合され、本ノズルブレードは、それらの間で翼形部分が延びる半径方向内側及び外側壁と、該ノズルブレード及び機械加工固定具上のユニバーサル（普遍的）アライメント機構とを含み、ブレード上のアライメント機構は、該ブレード上のアライメント機構が機械加工固定具上のアライメント機構と係合した時に、ブレードを、機械加工の間に該ブレードをその周りで回転させる機械中心軸線と整列させるように設置される。

図１を参照すると、その全体を参照符号１０で表した先行技術のノズルアセンブリを示している。アセンブリ１０は、それぞれ内側及び外側バンド１４及び１６間にその両端部において溶接された複数の円周方向に間隔を置いて配置された翼形部又はブレード１２を含む。内側及び外側バンドは、それぞれ内側及び外側リング１８及び２０間に溶接される。ロータ２４上に取付けられた複数のバケット２２も示している。ノズルアセンブリ１０は、バケット２２と共に蒸気タービンの段を形成することが分かるであろう。

図１をさらに参照すると、翼形部１２は、それぞれ内側及び外側バンド１４及び１６内のほぼ対応する形状の孔（図示せず）内に個々に溶接される。内側及び外側バンド１４及び１６は一般的に、その各々が約１８０°の２つのセグメントとして延びる。内側及び外側バンド間に翼形部を溶接した後に、この部分アセンブリは次に、非常に高い入熱かつ深い溶接を使用して内側及び外側リング１８及び２０間に溶接される。例えば、内側バンド１４は、多量の溶加材を使用するか又は非常に深い電子ビーム溶接を必要とする溶接部２６によって内側リング１８に溶接される。加えて、内側バンド及び内側リング間の溶接部の後部側つまり下流側は、高い入熱の別の溶接部２８を必要とする。同様に、図示するように、対向する両軸方向位置には、外側バンド１６を外側リング２０に溶接するために多量の溶加材又は非常に深い電子ビーム溶接を含む高い入熱溶接部３０、３２が必要となる。従って、翼形部１２が始めに内側及び外側バンド１４、１６に溶接され、その後内側及び外側リング１８及び２０に溶接される場合に、それらの大きな溶接部が、高い入熱と金属材料の収縮の結果として流路の大きな変形を引き起こし、またそのことが、翼形部をそれらの設計構成から変形させる。また、内側及び外側バンド１４、１６は、その形状がそれらの設計形状から不規則なものになって、流路をさらに変形させる可能性がある。その結果、ノズルアセンブリは、溶接及び応力除去後に、それらの設計構成に戻るように矯正しなくてはならず、これが、上述したように、ノズルアセンブリの製作全体のコストの２５〜３０％にもなる可能性がある。最後に、ＥＢＷ法を使用する場合には、この方法を使用して、一つの方向から完全に反対側まで（最大４インチ厚さまで）溶接することができる。

決定溶接深さを有しておらず、従って変動する溶接深さを採用して内側及び外側リング間でシングレットをノズルアセンブリ内に溶接する現行のシングレットタイプのノズルアセンブリもある。つまり、ノズルシングレットの側壁とリングとの間のギャップが一定でないので、溶接深さは、変化する可能性がある。ギャップがより大きくなると、機械加工公差により、溶接深さ及び溶接部の特性が変化する。狭い溶接ギャップは、所望の溶接部よりも短い溶接部を生成する可能性がある。より大きな溶接ギャップは、溶接部又はビームをより深くする可能性があり、また溶接部内に望ましくない空隙を生じさせる可能性がある。現行のシングレットノズル設計はまた、その接合面において溶接前処理（ｗｅｌｄ ｐｒｅｐ）を使用しており、このことは、望ましくないより高い入熱溶加材溶接法を使用することを必要とする。

次に図２を参照すると、本発明によるノズルアセンブリの好ましい実施形態を示しており、本ノズルアセンブリは、低入熱溶接を用いて内側及び外側リングに直接溶接されたシングレットつまり側壁を備えた単一の翼形部を利用しており、また本ノズルアセンブリは、該ノズルアセンブリと内側及び外側リングとの間の接合面における機械的固定による信頼性の改善及びリスクの軽減をもたらす機械的特徴形状部（機構）並びにアライメント機構を有する。具体的には、本発明の好ましい実施形態におけるノズルアセンブリは、その全体を参照符号４０で表した一体形に形成したシングレット部分アセンブリを含む。各部分アセンブリ４０は、それぞれ内側及び外側側壁４４及び４６間に単一の翼形部又はブレード４２を含み、ブレード及び両側壁は、ニヤネット鍛造品又は材料ブロックから機械加工される。図示するように、内側側壁４４は、該内側側壁４４の前縁及び後縁に沿った半径方向内向きに突出する雄段部又はフランジ５０及び５２が両側に位置するか又は跨った雌凹部４８を含む。それに代えて、内側側壁４４は、該内側側壁４４の前縁及び後縁に隣接した半径方向外向きに延びる雌凹部が両側に位置する中央雄突起を形成するように構成することができる。同様に、図示するように、外側側壁４６は、該外側側壁４６の前縁及び後縁に隣接した１対の半径方向外向きに延びる雄段部又はフランジ５６、５８が両側に位置するか又は跨った雌凹部５４を含む。それに代えて、外側側壁４６は、該外側側壁４６の前縁及び後縁に沿った半径方向内向きに延びる雌凹部が両側に位置する中央雄突起を有することができる。

ノズルシングレット４０は次に、低入熱タイプの溶接を用いて、それぞれ内側及び外側リング６０及び６２間に組立てられる。例えば、低入熱タイプの溶接は、突合せ溶接接合面を使用し、浅い電子ビーム溶接法、浅いレーザ溶接法又は浅いフラックスＴＩＧ又はＡ−ＴＩＧ溶接法を採用するのが好ましい。これらの溶接法及び溶接部タイプを使用することにより、溶接部は、側壁と側壁段部に隣接したリングとの間の区域、又は接合面において構成が図２に示すのと逆の場合には、内側及び外側リングの段部の領域内に限定される。従って、溶接は、好ましくは側壁の軸方向両端部に沿った段部の軸方向範囲を超えない短い軸方向距離においてのみかつ溶接溶加材を使用せずに行われる。具体的には、内側及び外側リング間にシングレットノズルを溶接するために、内側及び外側側壁の範囲にわたる軸方向距離の１／２よりも小さい距離が使用される。例えば、側壁及びリング間の接合面の前縁側及び後縁側の両方側から軸方向に電子ビーム溶接を使用することによって、側壁及びリングの材料が融合する溶接部の軸方向範囲は、軸方向接合面の範囲の１／２よりも小さくなる。前述したように、ＥＢＷ溶接法を使用する場合には、溶接部は、側壁及びリングの重なりの軸方向範囲全体にわたって延びることができる。

組立方法は、図４に最もよく示しており、図示した組立法は、リング及びシングレットが水平方向に配向されている時に、内側及び外側リング６０、６２間にシングレット４０を配置するステップを含む。従って、固定した電子ビーム溶接機に対してこのアセンブリを円周方向に回転させるか又はその逆にし、次にアセンブリを反転させ、また軸方向反対側から溶接を行うことによって、ノズルアセンブリは、高い入熱がない状態で又は溶加材を使用せずに、該ノズルアセンブリの円周方向列の形態で内側及び外側リングに溶接される。

図２に明瞭に示すように、シングレット４０、５０、５２、５６、５８とリング６０、６２との間には、機械的接合面が存在する。この接合面は、相補形の部品の凹部内に係合する段部又はフランジを含む。この段部及び凹部の構成は、溶接深さを制御するために使用され、製造時にノズルシングレット間の溶接深さを確定しかつ一定にする。この相互連結はまた、ノズルシングレットを内側及び外側リング間で軸方向に整列させるためにも使用される。相互連結は、内側及び外側リング間へのノズルシングレットの組立て並びに溶接の間に、ノズルを所定の位置に保持する。つまり、ノズルシングレットは、リングよって拘束した状態に維持しながら、互いに緊密に隣接させてかつ内側及び外側リング間に組立てることができる。さらに、この機械的相互連結は、蒸気タービン運転中に溶接破損が発生した時に、シングレットをその軸方向位置に保持する、つまりシングレットが下流方向に移動してロータと接触するのを防止する。

具体的には、図５、図６及び図７を参照すると、ノズルシングレットをフライス加工している間にその固定を助ける、シングレット設計に付加した特徴形状部をさらに示している。これらの特徴形状部は、被加工シングレット供給装置に対する一定したインタフェースを与えるためにノズルシングレット設計に付加される。例えば、図５において、これらの特徴形状部の１つには、頂部又は底部側壁上のリブ又はレール７０が含まれる。図７には、別の固定用特徴形状部を示しており、この固定用特徴形状部には、外側側壁４６に沿った前方に延びるリブ７２が含まれる。リブ７２は、内側側壁４４に沿って設けることもでき、いずれの場合にもそれらの側壁の後縁表面に隣接して設けることができることが分かるであろう。図６では、外側側壁の外表面上に平坦部７４を、また内側側壁の外表面上に平坦部７６を設けることができる。これらの平坦部７４、７６は、機械加工作業の間に固定するのを可能にする機械加工基準面として働く。現行の設計は、半径方向表面を有しているが、これは、一層複雑かつ機械加工するのにコストがかかるだけでなく、構成部品の加工のために固定することが困難である。

図８では、外側側壁の前方又は後方部上に或いは内側側壁の前方又は後方部上に１対の孔を設けることができる。それらの孔は、幾つかのノズル設計間において及び幾つかのノズル寸法間においてもマシニングセンタによって常に捕捉されて、機械加工のために固定するのを可能にすることができる。従って、これらの特徴形状部を付加することによって、被加工品供給装置に対する一定したインタフェースが得られ、これが、シングレットに対する機械加工における工具の段取り、前処理及び機械加工サイクルの低減に役立つ。これらの固定用特徴形状部は、数値制御工作機械が全てのノズルに共通した特徴形状部の位置を識別することができるような基準点を設ける必要性を満たす。例えば、図８に示す２つの孔７８は、固定具に対する２つの点を構成しかつ２つの平面を確定し、それによって機械加工の間におけるノズルの全ての姿勢を制御して、工作機械があらゆる寸法の一体形ノズルシングレットを形成するのを可能にする。

次に図９、図１０及び図１１に移ると、機械中心軸線Ａの周りで回転可能なテーブル（図示せず）上に取付けられた機械加工固定具８２を含む治具アセンブリ８０を示している。固定具８２には、シングレット９０の内側側壁８８を横切って延びる頂部レール又は突条部８６（図５のレール７０と同様な）の形態をした別のアライメント機構を受けるスロット８４（つまり、アライメント機構）が設けられる。固定具８２の壁部分８３（図１２では省略している）は、ノズルレール８６をスロット８４内に固定するのを可能にするように摺動可能に取付けることができることに注目されたい。従って、側壁８３の下部表面は、スロット８４の上部表面を定める。図１１において最もよく見られるように、レール８６の中央にはノッチ９２が形成される。ノッチ９２は、スロット８４内に設けられたタブ９４と係合するようになっている。頂部レール８６及びスロット８４は、機械中心軸線Aと交差し、ノッチ９２及びタブ９４は、ノズルの翼形部分の中心を軸線Aと整列させる働きをし、またシングレットの横方向運動を防止する働きをする。中心軸線A上に位置する支持ロッド９６は、機械加工の間にシングレットノズル９０の外側側壁９５内に形成された凹部９３内に係合する。これに関して、治具アセンブリ８０は、翼形部をその仕上げ仕様に機械加工する工具（図示せず）に対してシングレットノズル９０を軸線Aの周りで回転させる。

様々なノズルに対して同一のレール幅及び厚さを使用してまたレールが機械中心を通過又は横断するようにすることによって、それぞれのアライメント機構は、上記のような適切に設置した頂部レール及びノッチを備えた全てのノズル設計に対する固定具８２の普遍的な適用を可能にする。

各ノズルシングレット上の固定用レール８６は、翼形部の機械加工が完了した後に、シングレット上に残しておくこともできるし或いはシングレットから取り除くこともできることが分かるであろう。レールを残しておく場合には、レールは、内側又は外側リング内の適正な寸法の溝内に受けることができる。

図１３及び図１４は、それぞれノズル９６、９８を示しており、それらは、図９〜図１２に示したものと同様であるが、それぞれのレール１００、１０２が、ノズル設計の違いによりそれぞれの外側側壁１０４、１０６及び翼形部１０８、１１０に対して配向し直されている。例えば、図１３では、レール１００は、外側リングの側壁端縁部１１２に対して垂直に延び、またノッチ１１４は、レール１００に沿ってその中央に位置している。図１４では、レール１０２は、側壁端縁部１１６に平行に延び、またノッチ１１８は、レールの長さに沿って非対称位置に設置されている。しかしながら、全ての場合において、レールは、翼形部分の中央を通り、タブ／ノッチ構成を用いて同一の固定具８２で使用して、翼形部を機械加工するためにシングレットを機械中心軸線Aと整列させることができる。

内側及び外側壁に関連させて上記したような固定用特徴形状部の設置位置は、逆にすることもでき、またタブ及びノッチ構成は、所望の整列機能を果たすその他の適当な形状を有することもできることが分かるであろう。

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属す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。

先行技術による蒸気タービンノズルのダイアフラム段の断面を示す概略線図。 本発明の好ましい実施形態によるノズルアセンブリ及び溶接特徴形状部を組み込んだ蒸気タービン段の線図。 シングレットノズルアセンブリの斜視図。 ステータの内側及び外側リング間に配置された、図３のシングレットノズルアセンブリの概略図。 アライメント及び基準機構を組み込んだシングレットノズルの拡大斜視図。 アライメント及び基準機構を組み込んだシングレットノズルの拡大斜視図。 そのアライメント及び基準機構の別の実施形態を示すノズルアセンブリの部分斜視図。 そのアライメント及び基準機構の別の実施形態を示すノズルアセンブリの部分斜視図。 機械加工治具内に保持されたシングレットノズルの斜視図。 図９のノズル及び治具の側面図。 図９及び図１０に示すシングレットノズルの斜視図。 図９及び図１０に示すノズル及び治具装置の分解図。 他の例示的な実施形態によるアライメント及び基準機構を示す、シングレットノズルの斜視図。 他の例示的な実施形態によるアライメント及び基準機構を示す、シングレットノズルの斜視図。

符号の説明

１０ ノズルアセンブリ
１２ 翼形部又はブレード
１４、１６ 内側及び外側バンド
１８、２０ 内側及び外側リング
２２ バケット
２４ ロータ
２６、２８、３０、３２ 溶接部
４０ シングレット部分アセンブリ
４２ 翼形部又はブレード
４４、４６ 内側及び外側側壁
４８、５４ 雌凹部
５０、５２、５６、５８ 雄段部又は雄フランジ
６０、６２ 外側リング
７０ リブ又はレール
７２ リブ
７４、７６ 平坦部
７８ 孔
８０ 治具アセンブリ
８２ 固定具
８３ 壁部分
８４ スロット
８６ 頂部レール又は突条部
８８ 内側側壁
９０ シングレットノズルブレード
９２ ノッチ
９３ 凹部
９４ タブ
９５ 外側側壁
９６ 支持ロッド
９６、９８ ノズル
１００、１０２ レール
１０４、１０６ 側壁
１０８、１１０ 翼形部
１１２ 側壁端縁部
１１４、１１８ ノッチ
１１６ 側壁端縁部

Claims (10)

1. ノズルブレード（９０）であって、
   それらの間で翼形部分が延びる半径方向内側及び外側壁（８８、９５）を含み、
   前記内側及び外側壁には、該ノズルブレードを通る長手方向中心軸線と整列したアライメント機構（８６、９２及び９３）がそれぞれの対面表面上に形成される、
   ノズルブレード（９０）。
2. 前記アライメント機構の１つが、支持ロッドを受けるようになった凹部（９３）を含む、請求項１記載のノズルブレード。
3. 前記アライメント機構の１つが、その中にノッチ（９２）が形成された細長いレール（８６）を含む、請求項１記載のノズルブレード。
4. 前記アライメント機構の別の１つが、その中にノッチ（９２）が形成された細長いレール（８６）を含む、請求項２記載のノズルブレード。
5. 前記レール（８６）が、前記内側又は外側壁の端縁部にほぼ平行に延びる、請求項３記載のノズルブレード。
6. 前記レール（８６）が、前記内側又は外側壁の端縁部に対してほぼ垂直に延びる、請求項３記載のノズルブレード。
7. 前記ノッチ（９２）が、前記レールに沿ってほぼ中央に位置する、請求項３記載のノズルブレード。
8. 前記ノッチ（９２）が、前記レールに沿って非対称位置に設置される、請求項３記載のノズルブレード。
9. 前記レール（８６）が、前記半径方向内側又は外側壁と一体形に形成される、請求項３記載のノズルブレード。
10. ノズルブレード（９０）であって、
    機械加工固定具（８２）と組合され
    該ノズルブレードが、それらの間で翼形部分が延びる半径方向内側及び外側壁（８８、９５）を含み、
    前記内側壁には、該ノズルブレードを通る長手方向中心軸線と整列したアライメント機構（８６）がその表面上に形成され、
    前記機械加工固定具（８２）が、前記アライメント機構（８６）と係合した第１の回転可能固定具構成要素を含む、
    ノズルブレード（９０）。

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