JP2013213427A

JP2013213427A - 中空ノズルおよびその製造方法

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Publication number: JP2013213427A
Application number: JP2012083884A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Hyodo; 義浩兵藤; Akira Tanaka; 明田中; Naoki Shibukawa; 直紀渋川; Takashi Harakawa; 崇原川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】繊維強化プラスチックにより翼状の中空ノズルを形成し、このノズルの前縁部位を耐エロージョンに優れた材料で製作することによって、軽量化と耐エロージョン特性の向上との両立を図る。
【解決手段】繊維強化プラスチックによって型成形され、かつ、前縁部位を備えていない中空状のノズル板２の前縁部位側端部に対し、このノズル板の他の部位よりも耐エロージョン特性の高い材料によって別途形成された前縁部材５の端部を接合することにより翼状のノズル板２を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、軽量化と耐エロージョン特性の向上を図った中空ノズルおよびその製造方法に関する。

従来、蒸気タービンやガスタービンなどに用いられるノズルは高クロム鋼製が一般的である。高クロム鋼製ノズルの場合、高クロム鋼のブロックから切削して形成しているために切削の工程が多く、また重量が極めて重い。このためノズルの加工に要するコストや輸送コストが大きいという課題があった。

この課題を解決するために、近年、金属またはセラミックス材料で翼のコアを形成し、このコアを包み込むようにプラスチック翼形部を成形した複合翼も開発されている。この複合翼では重量を削減できる反面、低圧蒸気タービンのノズルに適用した場合、従来の高クロム鋼製ノズルよりも、液滴などの微粒子の衝突によるエロージョン損傷が生じ易く、そのため、短寿命化の要因となっている。したがって、この複合翼の場合、耐エロージョン特性を向上させる対策が必要である。

この対策の一つとして、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）複合材により形成したノズルの前縁部位に金属薄板を設けた複合翼も開発されている。

特開２００４−８４５２４号公報特開２００９−７４５４６号公報

しかし、上記の複合翼はいずれも中実構造を採用しているため、重量はさほど軽減されず、かつ、生産や輸送に占めるコストを軽減できないという欠点がある。
そこで、本発明は繊維強化プラスチックにより翼状の中空ノズルを形成し、このノズルの前縁部位を耐エロージョンに優れた材料で補強することによって、軽量化と耐エロージョン特性の向上との両立を図った中空ノズルおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明による中空ノズルは、繊維強化プラスチックによって型成形され、かつ、前縁部位を備えていない中空状のノズル板の前縁部位側端部に対し、このノズル板の他の部位よりも耐エロージョン特性の高い材料によって別途形成された前縁部材の端部を接合することにより翼状のノズル板を形成したことを特徴とする。

また、本発明による中空ノズルの製造方法は、前縁部位を除いた部位を繊維強化プラスチックによって中空状のノズル板を型成形し、前記ノズル板の前縁部位側端部にこのノズル板の他の部位よりも耐エロージョン特性の高い材料によって別途製作された前縁部材の端部を接合することにより翼状のノズル板を形成したことを特徴とする。

本発明による中空ノズルは、ノズルの全表面を繊維強化プラスチックで形成したノズルに比べてエロージョンによる侵食を緩和することができ、その緩和できる分ノズルの長寿命化を実現することができる。

本発明の実施形態１に係る中空ノズルの全体像を示す側面図。図１をII−II線に沿って切断した状態の中空ノズルの斜視図。図１をII−II線に沿って切断した中空ノズルの拡大断面図。他の実施例を示す図３相当の中空ノズルの拡大断面図。ノズル板と別途製作された前縁部材との接合部の拡大断面図であり、（ａ）、（ｂ）はノズル板と前縁部材との異なる接合部の拡大断面図。本発明の実施形態２に係る中空ノズルの全体像を示す側面図。図６をVII−VII線に沿って切断した中空ノズルの断面図。

以下、本発明に係る中空ノズルおよびその製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図を通して共通する部品については同一符号を付与することにより重複する説明は適宜省略する。

［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１に係る中空ノズルの全体像を示す側面図であり、図２は図１をII−II線に沿って切断した中空ノズルの斜視図である。また、図３、図４はそれぞれ異なるノズル板で構成した中空ノズルのII−II線に沿って切断した断面図である。図５（ａ）、（ｂ）はノズル板と前縁部材との異なる接合部を示す拡大断面図である。

図１、２において、１は中空ノズルであり、作動流体に対する整流機能を発揮するために複雑な曲面を有しており、全体形状としては翼状に形成されているが前縁部位を備えていないノズル板２と、このノズル板２の内径側に設けられたノズル内輪３と、ノズル板２の外径側に設けられたノズル外輪４とから構成されている。この中空ノズル１のうち、ノズル板２とノズル内輪３とは炭素繊維強化プラスチック（CFRP）を型成形することによって一体に形成されている。

なお、ノズル板２を炭素繊維強化プラスチックで型成形する際に、前縁部位を除いた翼部位だけを金型で一体的に成形する方法と、前縁部位を含めて翼を一体に金型で成形し、その後に前縁部位を切除する方法とがあるが、本実施形態ではどちらの製造方法にも対応できる。前者の方が後者に比べて製造工程が少ないという長所はある。

そして、このようにして型成形されたノズル板２の前縁部位側端面に対して、別途製作された前縁部材５の端部を接合することによって全体として翼状をしたノズル板２を形成する。

この別途製作された前縁部材５とは、例えば、ノズル板２の他の部位よりも耐熱性に富む材料である金属製薄板を概ねＵ字型に成形したものである。６はノズル板２の腹側ノズル板２ａ（凹面）に数条並べて設けたスリットであり、蒸気中の水滴をノズル内部に誘導するために設けられている。腹側ノズル板２ａの表面に沿って流れてきた蒸気中の水滴は、スリット６からノズル内部に誘導されるので、後方の低圧段落に配置される動翼やノズルのエロージョンを軽減することができる。

なお、前述したノズル板２の型成形の方法とは、熱硬化性樹脂を予め含浸している炭素繊維強化プラスチックを金型に入れて加熱成形する方法と、熱硬化性樹脂を含浸していない炭素繊維強化プラスチックを金型に入れて成形した状態で金型を真空引きし、金型内の繊維の隙間に熱硬化性樹脂を含浸させたあと加熱硬化させて成形する方法とを含むが、本実施形態では何れの型成形方法であってもよい。
以上のように形成された中空ノズル１は、図示しないタービンケーシングなどの静止部の内周面に円周方向に複数個配置され、隣接するノズル内輪３同士およびノズル外輪４同士が互いに嵌合し合うことによって、円環状のノズルを形成する。

なお、ノズル板２およびノズル内輪３を型成形する炭素繊維強化プラスチック材としては、織物積層材のみを複数層積層した構成、一方向積層材のみを複数層積層した構成、あるいは織物積層材と一方向積層材の両方用いた積層構成などが考えられるが、最後の織物積層材と一方向積層材の両方用いた積層構成が最適である。

また、炭素繊維強化プラスチック材の積層厚みは均一である必要はなく、ノズル板２の各箇所に発生する応力に応じて積層厚みを増減させればよい。

さらに、ノズル板２に用いる材料は、前述した炭素繊維強化プラスチック材（CFRP）に替えて、ガラス繊維強化樹脂（GFRP）を採用することも可能である。このガラス繊維はEガラス（E-glass）でも良いし、高耐食性を有するCガラス（C-glass）でも良いが、弾性率の高いTガラス（T-glass）が最適である。ガラス繊維の場合、材料コストが炭素繊維強化プラスチック（CFRP）よりも低いため、中空ノズル１のコスト低減を実現できる。

またさらに、ノズル板２は図３のように、腹側ノズル板２ａと背側ノズル板２ｂを金型で一体成形するようにしてもよいが、腹側ノズル板２ａと背側ノズル板２ｂとを別個の金型で成形し、腹側ノズル板２ａの後縁部位と背側ノズル板２ｂの後縁部位とを図４のように重ね合わせて接合して一体化にすることも可能である。図４の場合、後縁部位の接合方法としては接着剤によるもの、ネジ、リベットあるいはピンなどのような機械的接合部材で機械的に拘束するようにしても良い。勿論、接着剤と機械的接合部材を併用することも可能である。

図４の場合、腹側ノズル板２ａと背側ノズル板２ｂとを別個に型成形することにより、図３の場合よりも後縁部位のエッジの曲率を小さくすることが可能になるほか、腹側ノズル板２ａと背側ノズル板２ｂがそれぞれ板状の部品になることから、型成形が容易になり、その分、加工時間や型作成コストの低減が図れるという長所がある。

さらにまた、前縁部材５の端面と、炭素繊維強化プラスチック製ノズル板２の端面との接合方法としては、接着剤による方法、ネジやリベットのような機械的接合部材で機械的に拘束する方法、または、接着剤と機械的接合部材の両方を併用した方法が適用できる。

図５（ａ）、（ｂ）は図３および図４中にそれぞれ破線円Ａ，Ｂで示した、前縁部材５の端面とノズル板２の前縁部位側端面との接合状態を示したものであり、図５（ａ）のように凹凸部を嵌合させて接合しても良いし、図５（ｂ）で示すように両端面に逆向きの傾斜面をそれぞれ形成し、接合部の接触面積を大きくするようにしても良い。図５（ａ）、（ｂ）いずれの場合も、端面の単なる突き合わせ接合に比べて接触面積が大きくなるため、前縁部材５とノズル板２との接着強度は増大する。なお、両端部の接合に際し、ノズル板の腹側面および背側面が滑らかになるように接着剤やパテなどで間隙を埋めることは当然である。これにより通過する蒸気に発生するロスを軽減し、かつ、運転時に微粒子がノズル内部へ侵入することを防止できる。

また、前縁部材５は１枚構成に限定されるものではなく、ノズル板２の高さ方向（すなわち、ノズル内輪３〜ノズル外輪４方向）に複数個に分割し、各々の分割片を隣接する部分が一部重なるように取り付けることも可能であるし、各々が独立して接続させることも可能である。

さらに、前縁部材５の材料は金属に限らず、セラミックスを用いたものを適用することが可能である。セラミックスを用いた前縁部材５は耐エロージョン特性に優れ、金属よりも密度が小さいために軽量化が実現でき、また、耐エロージョン対策としても有効である。このセラミックスを用いた前縁部材５は、全てをセラミックスで構成することも可能であるが、表面のみをセラミックスとし、内部を金属または樹脂などのセラミックス以外の材料とすることも可能である。表面をセラミックスとする場合は、前縁部材５の表面を滑らかに加工した後にセラミックスを接着またはセラミックスを含んだ材料を塗布することも可能である。このうち、セラミックスを含んだ材料を塗布する方法が製造上簡便であり好適である。

以上述べたように、本実施形態１による中空ノズル１は、繊維強化プラスチックによって型成形され、かつ、前縁部位を備えていない中空ノズル板２の前縁部位に対し、この中空ノズル板２の他の部位よりも耐エロージョン特性に優れた材料で別途製作された前縁部材５を接合して全体として翼状のノズル板を形成するようにしたので、ノズル板の全表面を繊維強化プラスチックで形成したノズルに比べて、エロージョンによる侵食を緩和することができ、その緩和できる分ノズルの長寿命化を実現することができる。

また、本実施形態１による中空ノズル１は、繊維強化プラスチック（FRP）を型成形してなる中空ノズルなので、内部にコアを有する複合翼や、翼全体を繊維強化プラスチックで製作した中実構造のノズルに比べて軽量である。このため、タービンケーシングの内周面に円環状にノズルを配置固定する際の組立作業が容易になる。この結果、組立てに要する時間を短縮することが可能となり、製作コストの低減を図ることができる。因みに、蒸気タービンの低圧段落に設けるノズルは、高圧段落より大径であり、しかも本数が１００〜２００本と多いので、軽量な中空ノズルほど組立て時の作業性が良く、重量物運搬時などに安全であり、また運送コストを低減できる等の長所を備えている。

［実施形態２］
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施形態２について説明する。
図６は本発明の実施形態２に係る中空ノズルの全体像を示す側面図であり、図７は図６をVII−VII線に沿って切断した状態のノズルの断面図である。

本実施形態２に係る中空ノズル１が、実施形態２に係る中空ノズル１と相違する点は、前縁部位と同様に後縁部位についても繊維強化プラスチックでノズル板２と一体的に型成形せずに、別途製作された後縁部材７を接合して全体形状が翼状のノズル板となるように構成したものである。

この後縁部材７とは、ノズル板の他の部位よりも鋭いエッジの加工に向いている金属材料あるいはセラミック材料によって製作されるものである。その他の部品は実施形態１と同様なので、重複する説明は省略する。

前述した実施形態１で形成された中空ノズル１の場合、後縁部位も炭素繊維強化プラスチック（CFRP）あるいはガラス繊維強化プラスチック（GFRP）で型成形するため、成形性には優れているが、後縁部位の曲率をより小さくして鋭いエッジを形成するのには向いていない。

これに対して、本実施形態２は、前縁部位と後縁部位を除いた腹側ノズル板２ａおよび背側ノズル板２ｂを炭素繊維強化プラスチック（CFRP）で一体に型成形し、前縁部位には実施形態１と同様に別途製作された前縁部材５を接合し、さらに、後縁部位には曲率が小さく鋭いエッジに別途製作された後縁部材７を接合することにより中空ノズル２を構成したものである。

なお、本実施形態２の場合も、前縁部位および後縁部位も含めてノズル板を繊維強化プラスチックで一体に型成形したあと、前縁部位および後縁部位を切除し、その切除した部位に別途製作された前縁部材５、後縁部材７をそれぞれ接合して全体として翼状の中空ノズル１を形成するようにしてもよい。

以上述べたように、本実施形態２による中空ノズルは、実施形態１の中空ノズルが有する特長に加えて、より鋭いエッジを有する翼形の中空ノズルを製作することが可能となり、設計裕度の増大を図ることができる。

以上では、本発明の二つの実施形態について説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…中空ノズル、２…ノズル板、２ａ…腹側ノズル板、２ｂ…背側ノズル板、３…ノズル内輪、４…ノズル外輪、５…前縁部材、６…スリット、７…後縁部材。

Claims

繊維強化プラスチックによって型成形され、かつ、前縁部位を備えていない中空状のノズル板の前縁部位側端部に対し、このノズル板の他の部位よりも耐エロージョン特性の高い材料によって別途形成された前縁部材の端部を接合することにより翼状のノズル板を形成したことを特徴とする中空ノズル。
繊維強化プラスチックによって型成形され、かつ、後縁部位を備えていない中空状のノズル板の後縁部位側端部に対し、このノズル板の他の部位よりもエッジ加工の容易な材料によって別途製作された後縁部材の端部を接合することにより翼状のノズル板を形成したことを特徴とする中空ノズル。
前記繊維強化プラスチックとして、炭素繊維強化プラスチックあるいはガラス繊維強化プラスチックを用いたことを特徴とする請求項１または２記載の中空ノズル。
前記前縁部材または前記後縁部材を金属製の板あるいはセラミックスのいずれかで形成したことを特徴とする請求項１または２記載の中空ノズル。
前縁部位を除いた部位を繊維強化プラスチックによって中空状のノズル板を型成形し、前記ノズル板の前縁部位側端部にこのノズル板の他の部位よりも耐エロージョン特性の高い材料によって別途製作された前縁部材の端部を接合することにより翼状のノズル板を形成したことを特徴とする中空ノズルの製造方法。
全体形状が翼状に型成形された繊維強化プラスチック製中空状のノズル板から前縁部位を切除し、前記ノズル板の切除した部位にこのノズル板の他の部位よりも耐エロージョン特性の高い材料によって別途製作された前縁部材を接合して翼状のノズル板を形成したことを特徴とする中空ノズルの製造方法。
全体形状が翼状に型成形された繊維強化プラスチック製中空状のノズル板から前縁部位および後縁部位を切除し、前記ノズル板の前縁部位側切除部位にこのノズル板の他の部位よりも耐エロージョン特性の高い材料によって別途製作された前縁部材を接合し、前記ノズル板の後縁部位側切除部位にこのノズル板の他の部位よりもエッジ加工が容易な材料によって別途製作された後縁部材を接合して翼状のノズル板を形成したことを特徴とする中空ノズルの製造方法。