JP2016113992A

JP2016113992A - 圧力容器およびタービン

Info

Publication number: JP2016113992A
Application number: JP2014254453A
Authority: JP
Inventors: 浩平羽田野; Kohei Hatano
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2016-06-23
Also published as: KR20170083137A; EP3236024A1; US20170342861A1; US10400633B2; WO2016098393A1; CN107002505A

Abstract

【課題】真円度を向上すること。【解決手段】円筒形状が径方向で二分割され、両分割端１１Ａａ，１１Ｂａにおいて径方向外側に突出するフランジ１１Ｃを介して円筒形状に接合されるケーシング１１において、分割端１１Ａａ，１１Ｂａおよび当該分割端１１Ａａ，１１Ｂａから最も遠い円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂを除き分割端１１Ａａ，１１Ｂａと円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂとの間に、径方向の厚さを増加させる増厚部１が形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、圧力容器および当該圧力容器が適用されるタービンに関するものである。

従来、例えば、特許文献１には、蒸気タービンやガスタービンのケーシングについて示されている。このケーシングは、二分割構造で両端にフランジを設け、中央部に肉厚が大きく補強されたシェル上部を設け、フランジに近い位置のシェルの下部は、薄い肉厚のままとすることで、運転中は下部のみで変形し、他の大部分では変形が小さいようにしている。

米国特許第６３３６７８９号明細書

蒸気タービンやガスタービンのようなタービンにおいて、その外殻となるケーシングをなす圧力容器は、横置きの円筒状に形成されて上下に二分割とされて、それぞれの側部で径方向外側に延在する各フランジがボルトなどで締結されており、その内部中心において周囲に動翼が配置されたロータが配置される。このタービンの運転中、即ち、蒸気タービンの場合は圧力容器の内部に蒸気が供給されてロータが回転しているときであり、ガスタービンの場合は圧縮機により圧縮された空気を燃焼器により燃焼させた燃焼ガスによりタービンのロータが回転しているときに、圧力容器の内部は高温高圧となる。

圧力容器は、フランジ部分が側部に突出しているため、そこだけ厚さが厚くなっている。このため、フランジ部分において、内面側と外面側との熱膨張差が大きく外側に反ろうとする力が他と比較して大きいことから、圧力容器全体が左右で潰れて上下方向に長く縦長変形する。

上述した特許文献１のように、上部および下部の厚さを厚くすれば、上部および下部においてフランジ部分と同様に、内面側と外面側との熱膨張差が大きくなって外側に反ろうとする力が大きくなることから、縦長変形が抑制される。

しかし、タービンにおいては、ロータが延在する軸方向においてロータが熱延びする現象がある。この場合、圧力容器が上下で潰れて左右方向に長く横長変形する。この現象は、圧力容器の端部で発生する傾向にある。上述した特許文献１に記載の発明では、縦長変形を抑制するものであるため、横長変形に対してはより横長変形をさせるように作用してしまうことになる。

このような縦長変形および横長変形は、タービンにおいてロータに設けられた動翼とケーシングの内周面との隙間を大きくするため、タービンの効率を低下させる要因となる。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、縦長変形および横長変形に対してこれらを抑制して真円度を向上することのできる圧力容器およびタービンを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の圧力容器は、円筒形状が径方向で二分割され、両分割端において径方向外側に突出するフランジを介して円筒形状に接合される圧力容器において、前記分割端および当該分割端から最も遠い円弧の中央部を除き前記分割端と円弧の中央部との間に、径方向の厚さを増加させる増厚部が形成されることを特徴とする。

この圧力容器によれば、周方向の熱膨張差で円弧の中央部が径方向外側に、フランジにより接合された両分割端が径方向内側に変形する形態に対し、増厚部を設けた部分の内周面と外周面との熱膨張差により両分割端の反り量を低減するように作用し、かつ、円弧の中央部を基準とした対称位置の各増厚部における反り量の均衡により円弧の中央部の径方向外側への変形を抑制することで真円度が保たれる。一方、中心軸方向の熱膨張差でフランジにより接合された両分割端が径方向外側に、円弧の中央部が径方向内側に変形する形態に対し、増厚部を設けた部分の内周面と外周面との熱膨張差により円弧の中央部の反り量を低減するように作用し、かつ、両分割端を基準とした対称位置の各増厚部における反り量の均衡により両分割端の径方向外側への変形を抑制することで真円度が保たれる。この結果、真円度を向上することができる。

また、本発明の圧力容器では、前記増厚部は、前記分割端と円弧の中央部との間の真中位置を基準に対称に設けられていることを特徴とする。

この圧力容器によれば、増厚部を円筒形状の対称位置に配置することで、各増厚部における熱膨張差による反り量の均衡がより確保されるため、真円度を向上する効果を顕著に得ることができる。

また、本発明の圧力容器では、前記増厚部は、前記分割端と円弧の中央部との間の真中位置に向けて両端部が漸次厚さを増加させるように設けられていることを特徴とする。

この圧力容器によれば、各増厚部における熱膨張差による反り量を真中位置に向けて漸次大きくすることで、反り量の極端な差が生じる事態を防ぐため、真円度を向上する効果を顕著に得ることができる。

また、本発明の圧力容器では、前記増厚部は、前記円筒形状の中心軸方向に沿って連続して設けられていることを特徴とする。

この圧力容器によれば、真円度を向上する効果を円筒形状の中心軸方向に沿って連続して得ることができる。

上述の目的を達成するために、本発明のタービンは、ケーシングの内部にロータが回転可能に設けられたタービンにおいて、ケーシングに上述したいずれか１つの圧力容器が適用されることを特徴とする。

このタービンによれば、周方向の熱膨張差で円弧の中央部が径方向外側に、フランジにより接合された両分割端が径方向内側に変形する形態に対し、増厚部を設けた部分の内周面と外周面との熱膨張差により両分割端の反り量を低減するように作用し、かつ、円弧の中央部を基準とした対称位置の各増厚部における反り量の均衡により円弧の中央部の径方向外側への変形を抑制することで真円度が保たれる。一方、中心軸方向の熱膨張差でフランジにより接合された両分割端が径方向外側に、円弧の中央部が径方向内側に変形する形態に対し、増厚部を設けた部分の内周面と外周面との熱膨張差により円弧の中央部の反り量を低減するように作用し、かつ、両分割端を基準とした対称位置の各増厚部における反り量の均衡により両分割端の径方向外側への変形を抑制することで真円度が保たれる。この結果、真円度を向上することができる。そして、真円度の向上により、ロータに設けた動翼とケーシングの内周面との隙間が大きくなる事態を防ぎ、タービンの効率を向上することができる。

本発明によれば、真円度を向上することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る圧力容器が適用されるタービンの概略断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る圧力容器が適用されるタービンにおけるケーシングの断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る圧力容器の断面図である。図４は、本発明の実施形態に係る圧力容器の断面図である。図５は、本発明の実施形態が適用されていない圧力容器の作用の説明図である。図６は、比較例の圧力容器の作用の説明図である。図７は、本発明の実施形態に係る圧力容器の作用の説明図である。図８は、本発明の実施形態が適用されていない圧力容器の作用の説明図である。図９は、比較例の圧力容器の作用の説明図である。図１０は、本発明の実施形態に係る圧力容器の作用の説明図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係る圧力容器が適用されるタービンの概略断面図である。図２は、本実施形態に係る圧力容器が適用されるタービンにおけるケーシングの断面図である。

図１に示すタービンは、蒸気タービン１０を例示している。蒸気タービン１０は、ケーシング１１と、ロータ１２と、を有している。ケーシング１１は、本実施形態の圧力容器であり、円筒形状に形成されている。このケーシング１１は、図２に示すように径方向で二分割され、両分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂの分割端１１Ａａ，１１Ｂａに、径方向外側に突出するフランジ１１Ｃが設けられている。フランジ１１Ｃは、分割ケーシング１１Ａ側と分割ケーシング１１Ｂ側とで相互に突き合わされ、例えば、ボルト１１Ｄの締結により接合される。このフランジ１１Ｃの接合により、ケーシング１１が両分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂで円筒形状に構成される。なお、ケーシング１１は、ロータ１２を出し入れする際にクレーンでロータ１２を吊り下げるため、通常は、上半部が開放できるように分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂを上下に分割して構成されている。また、フランジ１１Ｃは、円筒形状の中心軸Ｓの延在方向である中心軸方向に沿って連続して形成されている。

ロータ１２は、ケーシング１１の内部に配置されている。ロータ１２は、ケーシング１１の円筒形状の中心軸Ｓの上に自身の軸心が配置されて当該軸心の廻りに回転可能に設けられている。また、ロータ１２は、ケーシング１１の内周面に向けて円筒形状の径方向に延出する動翼１３が、周方向に複数配列されている。一方、ケーシング１１側には、動翼１３と対をなす静翼１４がロータ１２に向けて内周面から径方向に延出し、周方向に複数配列されている。

なお、図１に示す蒸気タービン１０は、一例として、ケーシング１１の中心軸方向の中央から蒸気が供給され、ロータ１２の中央にシール部１５を介して隔てた両側に蒸気がそれぞれ供給される構造を示している。即ち、図１に示す蒸気タービン１０は、１つのケーシング１１および１つのロータ１２に第一タービン１０Ａと第二タービン１０Ｂとが一体に構成されたものである。各タービン１０Ａ，１０Ｂは、ケーシング１１に供給された蒸気が動翼１３と静翼１４との間を通過することで動翼１３によりロータ１２が回転することで動力が得られ、例えば、ロータ１２に接続された発電機（図示省略）により発電が行われる。

また、タービンとしては、図には明示しないが、ガスタービンがある。ガスタービンにおいても、ケーシングと、ロータと、を有し、ケーシングが本実施形態の圧力容器であり、円筒形状が径方向で二分割され、両分割ケーシングの分割端に径方向外側に突出するフランジが設けられ、このフランジの接合により両分割ケーシングで円筒形状に構成される。

図３および図４は、本実施形態に係る圧力容器の断面図である。

上述したケーシング１１は、増厚部１が形成されている。増厚部１は、フランジ１１Ｃが設けられる分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂの分割端１１Ａａ，１１Ｂａ、および分割端１１Ａａ，１１Ｂａから最も遠い円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂを除いて、分割端１１Ａａ，１１Ｂａと円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂとの間に設けられ、その部分の径方向の厚さを増加させるように、ケーシング１１の径方向外側に設けられている。この増厚部１は、ケーシング１１を形成する材料と同じものであっても異なっていてもよい。

また、増厚部１は、分割端１１Ａａ，１１Ｂａと円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂとの間の真中位置Ｃを基準に対称に設けられている。ケーシング１１は、円筒形状であり、分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂは、円筒形状を二分割するものであって１８０°に分割されている。そして、分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂの分割端１１Ａａ，１１Ｂａと円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂとの間は９０°であって、その真中位置Ｃは４５°位置になる。増厚部１は、この４５°位置の真中位置Ｃを基準として分割端１１Ａａ，１１Ｂａ側および円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂ側の各端部１ａまでの長さが均等に形成されている。

また、増厚部１は、真中位置Ｃから各端部１ａまでの径方向の厚さＴが均等に形成されている。また、増厚部１は、分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂの円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂを基準とした対称位置の２箇所に設けられ、ケーシング１１の円筒形状において、均等位置の４箇所に設けられている。

また、増厚部１は、図４に示すように、真中位置Ｃに向けて両端部１ａが漸次厚さを増加させるように設けられている。ここで、増厚部１は、図４に示すように、各端部１ａを除き径方向の厚さＴが均等に形成されている。あるいは、増厚部１は、図には明示しないが、両端部１ａから真中位置Ｃに至り漸次厚さを増加させるように設けられ、真中位置Ｃが最も厚くなるように形成されていてもよい。

この増厚部１は、ケーシング１１の円筒形状の中心軸方向に沿って連続して設けられている。

以下、増厚部１の作用について説明する。まず、縦長変形について説明する。図５は、本実施形態が適用されていない圧力容器の作用の説明図である。図６は、比較例の圧力容器の作用の説明図である。図７は、本発明の実施形態に係る圧力容器の作用の説明図である。

図５〜図７は、ケーシング１１に対して縦長変形が発生する場合を示している。図５に示すように、通常、ケーシング１１は、破線Ｇ１で示す真円であり、運転時に内部に高温の流体が供給されることで、内周面の温度が高くなり外周面とで温度差が生じる。温度差が生じ、フランジ１１Ｃがなければ、熱膨張差により外側に反る反り量が周方向で均等になるため、相互の反り量が均衡することから径方向外側に変形するものの真円度が保たれる。

しかし、ケーシング１１は、分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂに分割されて、これらを円筒形状に構成するため、分割端１１Ａａ，１１Ｂａに径方向外側に突出するフランジ１１Ｃが設けられている。このように、径方向外側に突出するフランジ１１Ｃが設けられていると、内周面の温度が高くなり外周面との温度差が生じた場合、フランジ１１Ｃの部分の内周面と外周面との間の厚さが大きいため、熱膨張差が大きくなり、外側に反る反り量が他の部分と比較して大きくなる。このため、反り量の均衡が崩れ、フランジ１１Ｃで接合された分割端１１Ａａ，１１Ｂａの部分が大きく外側に反ろうとすることから、周方向の熱膨張差により実線Ｇ２で示すように縦長変形が発生する。

このような、図５に示す縦長変形に対し、図６に示す比較例として、例えば、特許文献１に記載のように分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂの円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂを増厚させた場合、この円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂの内周面と外周面との間の厚さが大きいため、熱膨張差が大きくなり、外側に反る反り量がフランジ１１Ｃの部分と同等になったとする。すると、円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂとフランジ１１Ｃの部分とで相互の反り量が均衡することから、細破線Ｇ３で示すように径方向外側に縦長変形するものの真円度が保たれる。

一方、図７に示す本実施形態の圧力容器では、真中位置Ｃに増厚部１を設けている。従って、真中位置Ｃの内周面と外周面との間の厚さが大きいため、熱膨張差が大きくなり、外側に反る反り量がフランジ１１Ｃの部分と同等に近くなる。すると、真中位置Ｃの反りにより、フランジ１１Ｃの部分の反り量を低減するように作用し、かつ、各分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂにおいて、円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂを基準とした対称位置の各増厚部１における反り量が均衡することから、円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂの径方向外側への変形を抑制する。このため、比較例とは異なる作用により、細破線Ｇ４で示すように径方向外側に縦長変形するものの真円度が保たれる。

次に、横長変形について説明する。図８は、本実施形態が適用されていない圧力容器の作用の説明図である。図９は、比較例の圧力容器の作用の説明図である。図１０は、本実施形態に係る圧力容器の作用の説明図である。

図８〜図１０は、ケーシング１１に対して横長変形が発生する場合を示している。図８に示すように、通常、ケーシング１１は、破線Ｇ１で示す真円である。ここで、円筒形状の中心軸方向に熱延びが発生した場合、各分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂの円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂにおいて外側への反り量が他の部分と比較して大きくなり、中心軸方向の熱膨張差により実線Ｇ５で示すように、上下で潰れて左右方向に長く横長変形する。

このような、図８に示す横長変形に対し、図９に示す比較例として、例えば、特許文献１に記載のように分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂの円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂを増厚させた場合、この円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂの内周面と外周面との間の厚さが大きいため、熱膨張差が大きくなり、外側に反る反り量が他の部分と比較してさらに大きくなる。このため、細破線Ｇ６で示すように横長変形が大きくなってしまう。

一方、図１０に示す本実施形態の圧力容器では、真中位置Ｃに増厚部１を設けている。従って、真中位置Ｃの内周面と外周面との間の厚さが大きいため、熱膨張差が大きくなり、外側に反る反り量が円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂと同等に近くなる。すると、真中位置Ｃの反りにより、円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂの反り量を低減するように作用し、かつ、分割ケーシング１１Ａ，１１Ｂの相互において、フランジ１１Ｃで接合された分割端１１Ａａ，１１Ｂａを基準とした対称位置の各増厚部１における反り量が均衡することから、分割端１１Ａａ，１１Ｂａの径方向外側への変形を抑制する。このため、細破線Ｇ７で示すように径方向外側に横長変形するものの真円度が保たれる。

上述したように、本実施形態のケーシング（圧力容器）１１は、円筒形状が径方向で二分割され、両分割端１１Ａａ，１１Ｂａにおいて径方向外側に突出するフランジ１１Ｃを介して円筒形状に接合されるケーシング１１において、分割端１１Ａａ，１１Ｂａおよび当該分割端１１Ａａ，１１Ｂａから最も遠い円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂを除き分割端１１Ａａ，１１Ｂａと円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂとの間に、径方向の厚さを増加させる増厚部１が形成されている。

このケーシング１１によれば、周方向の熱膨張差で円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂが径方向外側に、フランジ１１Ｃにより接合された両分割端１１Ａａ，１１Ｂａが径方向内側に変形する形態に対し、増厚部１を設けた部分の内周面と外周面との熱膨張差により両分割端１１Ａａ，１１Ｂａの反り量を低減するように作用し、かつ、円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂを基準とした対称位置の各増厚部１における反り量の均衡により円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂの径方向外側への変形を抑制することで真円度が保たれる。一方、中心軸方向の熱膨張差でフランジ１１Ｃにより接合された両分割端１１Ａａ，１１Ｂａが径方向外側に、円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂが径方向内側に変形する形態に対し、増厚部１を設けた部分の内周面と外周面との熱膨張差により円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂの反り量を低減するように作用し、かつ、両分割端１１Ａａ，１１Ｂａを基準とした対称位置の各増厚部１における反り量の均衡により両分割端１１Ａａ，１１Ｂａの径方向外側への変形を抑制することで真円度が保たれる。この結果、真円度を向上することができる。

また、本実施形態のケーシング１１では、増厚部１は、分割端１１Ａａ，１１Ｂａと円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂとの間の真中位置Ｃを基準に対称に設けられている。

このケーシング１１によれば、増厚部１を円筒形状の対称位置に配置することで、各増厚部１における熱膨張差による反り量の均衡がより確保されるため、真円度を向上する効果を顕著に得ることができる。

また、本実施形態のケーシング１１では、増厚部１は、分割端１１Ａａ，１１Ｂａと円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂとの間の真中位置Ｃに向けて両端部１ａが漸次厚さを増加させるように設けられている。

このケーシング１１によれば、各増厚部１における熱膨張差による反り量を真中位置Ｃに向けて漸次大きくすることで、反り量の極端な差が生じる事態を防ぐため、真円度を向上する効果を顕著に得ることができる。

また、本実施形態のケーシング１１では、増厚部１は、円筒形状の中心軸方向に沿って連続して設けられている。

このケーシング１１によれば、真円度を向上する効果を円筒形状の中心軸方向に沿って連続して得ることができる。

また、本実施形態の蒸気タービン（タービン）１０は、ケーシング１１の内部にロータ１２が回転可能に設けられた蒸気タービン１０において、上述したケーシング１１が適用される。

この蒸気タービン１０によれば、周方向の熱膨張差で円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂが径方向外側に、フランジ１１Ｃにより接合された両分割端１１Ａａ，１１Ｂａが径方向内側に変形する形態に対し、増厚部１を設けた部分の内周面と外周面との熱膨張差により両分割端１１Ａａ，１１Ｂａの反り量を低減するように作用し、かつ、円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂを基準とした対称位置の各増厚部１における反り量の均衡により円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂの径方向外側への変形を抑制することで真円度が保たれる。一方、中心軸方向の熱膨張差でフランジ１１Ｃにより接合された両分割端１１Ａａ，１１Ｂａが径方向外側に、円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂが径方向内側に変形する形態に対し、増厚部１を設けた部分の内周面と外周面との熱膨張差により円弧の中央部１１Ａｂ，１１Ｂｂの反り量を低減するように作用し、かつ、両分割端１１Ａａ，１１Ｂａを基準とした対称位置の各増厚部１における反り量の均衡により両分割端１１Ａａ，１１Ｂａの径方向外側への変形を抑制することで真円度が保たれる。この結果、真円度を向上することができる。そして、真円度の向上により、ロータ１２に設けた動翼１３とケーシング１１の内周面との隙間が大きくなる事態を防ぎ、タービンの効率を向上することができる。

１増厚部
１ａ端部
１０，１０Ａ，１０Ｂ蒸気タービン（タービン）
１１ケーシング（圧力容器）
１１Ａ，１１Ｂ分割ケーシング
１１Ａａ，１１Ｂａ分割端
１１Ａｂ，１１Ｂｂ中央部
１１Ｃフランジ
１１Ｄボルト
１２ロータ
１３動翼
１４静翼
１５シール部
Ｃ真中位置
Ｓ中心軸

Claims

円筒形状が径方向で二分割され、両分割端において径方向外側に突出するフランジを介して円筒形状に接合される圧力容器において、
前記分割端および当該分割端から最も遠い円弧の中央部を除き前記分割端と円弧の中央部との間に、径方向の厚さを増加させる増厚部が形成されることを特徴とする圧力容器。
前記増厚部は、前記分割端と円弧の中央部との間の真中位置を基準に対称に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧力容器。
前記増厚部は、前記分割端と円弧の中央部との間の真中位置に向けて両端部が漸次厚さを増加させるように設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力容器。
前記増厚部は、前記円筒形状の中心軸方向に沿って連続して設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の圧力容器。
ケーシングの内部にロータが回転可能に設けられたタービンにおいて、
前記ケーシングに請求項１〜４のいずれか１つに記載の圧力容器が適用されることを特徴とするタービン。