JP3836069B2 - 蒸気タービン仕切板および蒸気タービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蒸気タービン仕切板および蒸気タービンに関し、更に詳しくは、静翼と内外輪との結合手段を工夫すると共に、静翼に対する部分的な荷重集中を防止する蒸気タービン仕切板、および当該蒸気タービン仕切板を有する蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来の蒸気タービン仕切板を示すタービン断面図である。一般的にタービンの内部構造は、蒸気の通路に静翼１０１、１０２と動翼１０３、１０４、１０５を交互に複数段設けて構成される（たとえば、特許文献１参照。）。動翼１０３、１０４、１０５はロータ軸１０６と一体となっており、蒸気圧力を受けてロータ軸１０６を回転させる。動翼１０３（または１０４）と動翼１０４（または１０５）の間には、仕切板（ディスク）１０７が設けられ、蒸気を整流すると共に、動翼１０３、１０４、１０５間の機密性を保っている。なお、同図に示すように、仕切板１０７は複数段連結されて設けられる場合もある。
【０００３】
この仕切板１０７は、ノズルの役目を果たす静翼１０１、１０２と、動翼１０３、１０４、１０５間の機密性保持のためのシール１０８、１０９が付設される内輪１１０、１１１と、車室１１２に対して静翼を固定させる外輪１１３とで構成される。内輪１１０、１１１は、静翼１０１、１０２の静剛性、動剛性を確保するため等の理由で設けられるが、タービンの種類によっては設けられない場合もある。静翼１０１、１０２は、削り出しで形成され、その後に手作業による磨き工程に付されて製作されるものである。
【０００４】
これら、内輪１１０、１１１、静翼１０１、１０２、外輪１１３は、図中の溶接記号１１４の箇所で溶接されて結合される。また、溶接後には歪み除去のために焼鈍がされる。なお、仕切板１０７は、ロータ軸１０６を囲うようにドーナツ状に形成されるので、組み立て時を考慮し、１８０度ずつ二分割して製作される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３４３８０７号公報（第２〜３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の蒸気タービン仕切板１０７では、静翼１０１、１０２を何十枚も溶接して組み立てたり、メンテナンス時に仕切板１０７を一体として取り扱わなくてはならないので効率が悪かった。また、上述したように溶接後には歪み除去のための焼鈍工程が不可欠であり、この焼鈍工程は、磨いた静翼１０１、１０２の面粗度を悪化させてしまうという問題点があった。
【０００７】
静翼１０１、１０２の面粗度悪化を防止するために、静翼１０１、１０２と内輪１１０、１１１等とを溶接せずに嵌合させて組み付けることも考えられるが、それを実現するためには、端部効果を抑えなくてはならない。端部効果とは、上下二分割した内輪１１０、１１１や外輪の接合面付近において、静翼１０１、１０２にかかる荷重が他の部分に比べて大きくなることをいう。端部効果は、静翼１０１、１０２の強度上好ましくなく、強度確保のために静翼１０１、１０２のサイズを大きくしても却って仕切板の性能劣化につながる。
【０００８】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、端部効果を抑制することができる蒸気タービン仕切板および、当該蒸気タービン仕切板を有する蒸気タービンを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１にかかる蒸気タービン仕切板は、外周側が車室内壁に組み付けられ、内周側に嵌合部Ａを有する概ドーナツ状の外輪と、内周側にロータ軸との隙間を塞ぐシールが付設され、外周側に厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂを有し、上下二分割した内輪片同士を上下に接合させて概ドーナツ状に構成される内輪と、前記外輪の前記嵌合部Ａと、前記内輪の前記嵌合部Ｂとのそれぞれに嵌合する嵌合部Ｃ、Ｄをタービンに付設されたときの径方向両端に有する静翼と、を有し、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄとを溶接接合ではなく、嵌合するものであって、前記内輪片同士の接合面付近に並ぶ複数の前記静翼を周方向に結合する結合手段を有し、前記結合手段は、棒状部材で前記静翼の内輪側根元部を貫くようにしたものである。
【００１０】
この発明では、外輪と静翼、および静翼と内輪が溶接結合ではなく、嵌合部の嵌合で結合・組み立てが為される。特に静翼と内輪の嵌合部では、厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂと、それに合わせた凹形状の嵌合部Ｄが単純嵌合される。この嵌合により、内輪は半径方向にフリーとなり、熱膨張において静翼に拘束されることがない。また、タービン軸方向の拘束も嵌合部のみであるため、内輪の受ける荷重が静翼に伝わりにくくなる。
【００１１】
また、この発明は、内輪片同士の接合面付近に並ぶ複数の静翼を周方向に結合する結合手段を有する。これにより、接合面付近で並ぶ複数の静翼は、静翼に伝わる荷重に対して連携して耐えることができるようになる。静翼に伝わる荷重は、いわゆる端部効果で内輪片同士の接合面付近が最も大きくなるので、接合面付近の静翼を強固にすることが有効となる。なお、いくつの静翼を結合するかは、静翼に伝わる荷重の分布に応じて決定する。結合手段には、たとえばボルト貫通結合、ピン貫通結合、溶接結合等がある。
【００１３】
内輪側根元部とは、静翼の翼と嵌合部との間に存在する２つの根元部のうち、内輪が嵌合する側に存在する根元部をいう。この内輪側根元部を棒状部材で貫いても周方向に静翼を結合することができる。棒状部材の例としては、ボルトやピンが挙げられる。いくつの静翼を結合するかは、請求項１に記載の発明と同様である。
【００１５】
また、請求項２にかかる蒸気タービン仕切板は、外周側が車室内壁に組み付けられ、内周側に嵌合部Ａを有する概ドーナツ状の外輪と、内周側にロータ軸との隙間を塞ぐシールが付設され、外周側に厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂを有し、上下二分割した内輪片同士を上下に接合して概ドーナツ状に構成される内輪と、前記外輪の前記嵌合部Ａと、前記内輪の前記嵌合部Ｂとのそれぞれに嵌合する嵌合部Ｃ、Ｄをタービンに付設されたときの径方向両端に有する静翼と、を有し、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄとを溶接接合ではなく、嵌合するものであって、静翼に対して内輪から伝わる荷重が大きい内輪片同士の接合面付近における静翼の、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄのタービン軸方向クリアランスを、当該荷重が小さい他の部分の静翼の嵌合部よりも大きくとるようにしたものである。
【００１６】
一般に、内輪の嵌合部と静翼の嵌合部のタービン軸方向クリアランスは、内輪と静翼が蒸気圧力によって振動しない程度に設計される。この発明では、当該クリアランスを内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて変化させる。つまり、静翼列のうち、伝わる荷重が大きい静翼の嵌合部のクリアランスを当該荷重が小さい静翼の嵌合部よりも大きくとる。これにより、遊びの分だけ荷重が静翼に直接伝わりにくくなる。クリアランスのとり方としては、蒸気流れの上流側でも下流側でもよいが、できれば下流側が好ましい。
【００３４】
また、請求項３にかかる蒸気タービン仕切板は、外周側が車室内壁に組み付けられ、内周側に嵌合部Ａを有する概ドーナツ状の外輪と、内周側にロータ軸との隙間を塞ぐシールが付設され、外周側に厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂを有し、上下二分割した内輪片同士を上下に接合して概ドーナツ状に構成される内輪と、前記外輪の前記嵌合部Ａと、前記内輪の前記嵌合部Ｂとのそれぞれに嵌合する嵌合部Ｃ、Ｄをタービンに付設されたときの径方向両端に有する静翼と、を有し、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄとを溶接接合ではなく、嵌合するものであって、内輪から嵌合部を通じて静翼に大きな荷重がかかりやすい内輪片同士の接合面付近における前記内輪片のタービン軸方向の厚みを薄肉化するようにしたものである。
【００３５】
内輪片のタービン軸方向の厚みを薄肉化すると、内輪から嵌合部を通じて静翼に伝わる荷重は、当該薄肉部分で吸収される。したがって、大きな荷重がかかりやすい接合面付近の内輪片の厚みを調節することによって、静翼に伝わる荷重の増加を防止することができる。薄肉化の手法としては、くぼみを形成する手法等が挙げられる。なお、接合面付近は、静翼に伝わる荷重の分布に大きな変化が現れる範囲である。
【００３６】
また、請求項４にかかる蒸気タービン仕切板は、前記蒸気タービン仕切板において、前記蒸気タービン仕切板は、前記内輪片同士の接合面近傍における静翼に対する内輪からの荷重が大きい静翼の嵌合部の、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄのタービン軸方向クリアランスを当該荷重が小さい静翼の嵌合部よりも大きくとるようにしたものである。
【００３７】
この発明は、当該クリアランスを内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて変化させると共に、端部効果を抑制する種々の工夫を施すものである。静翼列のうち、伝わる荷重が大きい静翼の嵌合部のクリアランスを当該荷重が小さい静翼の嵌合部よりも大きくとると、遊びの分だけ荷重が静翼に直接伝わりにくくなる。クリアランスのとり方としては、蒸気流れの上流側でも下流側でもよいが、できれば下流側が好ましい。
【００３８】
また、請求項５にかかる蒸気タービンは、請求項１〜４のいずれか一つに記載の蒸気タービン仕切板をタービン室に有するようにしたものである。
【００３９】
蒸気タービンは、蒸気の熱エネルギーをタービンの機械的エネルギーに変換し、仕事として取り出す回転機である。したがって、タービンの効率は蒸気タービンにおいて極めて重要な性能評価基準となる。この発明では、端部効果を抑制し、仕切板を溶接なしで組み付けるから、溶接に付随する焼鈍で静翼の表面劣化がなく、タービン効率が向上する。
【００４０】
また、内輪が熱膨張フリーとなるので、運転開始時等の過渡運転時でもロータとラビングせず、シールを有効に機能させることができる。また、内輪片同士の接合面付近における端部効果を抑制できるので、強度的にも優れ、それによりサイズダウンも可能となる。また、サイズダウン以外にもコストダウンおよび蒸気タービン自体の性能向上が図れる。また、強度確保によって材料選択の余地がひろがることで、これもコストダウンにつながる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものを含む。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面および横断面図である。（ａ）の横断面図は、静翼のボルトが嵌合している部分をボルト軸に対して直角に切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。この実施の形態１で説明する蒸気タービン仕切板は、外輪１と静翼２と内輪３とで構成されるものであるが、外輪１と静翼２とは、嵌合部同士の単純な嵌合で結合されており、溶接で結合されるものではない。組み立ての際など嵌合させるときは、分割されている外輪の端部からスライドさせて嵌合し、コーキング等で周方向のずれを防止させておくことが好ましい。ここで単純な嵌合とは、複雑な係合を用いずに、上下に嵌め合わせることを意味する。
【００４３】
内輪片３ａ、３ｂ同士の接合面４付近には複数の静翼２ｓが周方向に並ぶ。ここでは、当該静翼２ｓを結合する結合手段としてボルト５を採用し、静翼２ｓを貫通結合する例を示す。ボルト５を貫通させる場所は、静翼２ｓの内輪側根元部である。ここで、内輪側根元部とは、静翼２ｓの翼２ｗと嵌合部６との間に存在する２つの根元部７（外輪側省略）のうち、内輪３が嵌合する側に有する根元部をいう。なお、内輪片３ａ、３ｂの接合面とは、接し合わされた面をいう。
【００４４】
ボルト５で静翼２ｓを内輪側根元部において結合すると、接合面４付近で並ぶ複数の静翼２ｓは、内輪３のたわみに起因して静翼２ｓに伝わる荷重に対して連携して耐えることができるようになる。また、静翼の微妙な倒れを平均化する作用もある。ボルト５の締め付けを調整すれば、静翼２ｓが荷重に対抗する力も調節することもできるというメリットがある。なお、内輪３は、その概ドーナツ形状の有する大きなねじれ剛性により、過剰に変形することはない。
【００４５】
静翼２ｓに伝わる荷重は、いわゆる端部効果で内輪片３ａ、３ｂ同士の接合面４付近で大きくなるので、接合面４付近の静翼２ｓを強固にすることが有効となる。いくつの静翼２ｓを結合するかは、静翼２ｓに伝わる荷重の分布に応じて決定する。同図では、静翼２ｓの数の例として４枚の場合を示すが、この場合は、接合面４から数えて４枚目までの翼の中心部で翼部効果を負担させることにより、静翼２ｓに伝わる荷重を平均化可能となる。
【００４６】
なお、結合手段としては、上記棒状部材であるボルト貫通結合の他、同じく棒状部材であるピンで貫通結合してもよいし、数枚分だけ翼同士を溶接するという部分的な溶接結合等でもよい。溶接結合の場合は、静翼２ｓに伝わる荷重分布から必要と考えられる枚数の静翼２ｓの内輪側根元部同士を溶接するのが好ましい。また、溶接結合と上記ボルト結合等とを併用すれば、さらなる端部効果の抑制が可能になる。
【００４７】
このような蒸気タービン仕切板を蒸気タービンのタービン室に有すると、外輪１と静翼２、および内輪３と静翼２を嵌合したことによる組み立て時の作業効率、およびメンテナンス効率の向上や、部分的溶接それに付随する焼鈍を省略したことによる静翼表面の粗度低下防止、延いてはタービン効率の向上といった効果を有する。また、静翼２ｓに伝わる荷重に応じて部分的に静翼２ｓ同士を結合することにより、全体として翼列性能が向上し、小型化も可能になり、さらなる効率向上も望める。
【００４８】
上記組み立て時の作業効率の向上や、部品加工の効率向上から生じるメリットを本願出願人のもとで調べた結果を具体的に説明する。この発明を実施したところ、工期に関しては外輪１、静翼２、および内輪３が溶接で結合する構造であった場合の半分程度に短縮できた。また、コスト的には、従来溶接式に比べて約２０〜３０％ものコスト削減が可能になった。また、翼列の効率は、約０．５〜２．０％の性能向上が得られ、タービン効率に至っては熱消費率にして従来より約０．５％以上の向上が見込める。タービン効率をほんの少しであっても向上させるために当業者が長年にわたり努力してきたことを考えると、上記値は優れた結果といえる。
【００４９】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面および横断面図である。（ａ）は横断面図であり、（ｂ）は正面図である。この実施の形態２にかかる発明では、内輪２１の嵌合部２２と静翼２３の嵌合部２４のタービン軸方向クリアランス２５を、内輪片２６、２７同士の接合面２８付近における静翼２３ｓに伝わる荷重に応じて変化させることを特徴とする。
【００５０】
一般に、上記タービン軸方向クリアランス２５は、内輪２１と静翼２３が蒸気圧によって振動しない程度に設計される。この発明では、当該クリアランス２５を内輪片２６、２７同士の接合面２８付近における静翼２３に伝わる荷重に応じて変化させる。つまり、静翼列のうち、受ける荷重が大きい静翼２３ｓの嵌合部２４のクリアランス２５を、同一内輪２１の周りに多数嵌合される静翼であって、当該荷重が小さい静翼（たとえば２９）の嵌合部２２のクリアランス２５よりも大きくとる。
【００５１】
これにより、クリアランス２５の分だけ荷重が静翼２３に直接伝わりにくくなる。クリアランス２５のとり方としては、蒸気流れ３０の上流側でも下流側でもよいが、蒸気差圧によって内輪２１の受ける力方向、およびモーメント力を考慮すれば、下流側が好ましい。
【００５２】
この発明によれば、結果的に静翼２３に伝わる荷重を調整することができる。したがって、内輪片２６、２７同士の接合面２８付近に生じる端部効果を回避することができ、静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。また、内輪２１と静翼２３の溶接を省略できること等に伴うコストダウン等の効果は実施の形態１に係る発明と同様である。なお、クリアランス２５の調整による端部効果抑制作用と、実施の形態１に記載の発明による端部効果抑制作用、たとえば部分的に溶接Ｗを施すことによる作用とを同一静翼に対して同時に営ませるようにしてもよい。また、後述する実施の形態３〜７に記載の発明による端部効果抑制作用と同時に営ませるようにしてもよい。
【００５３】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図と横断面図である。（ａ）の横断面図は、内輪を接合面で切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。この実施の形態３で説明する蒸気タービン仕切板３１は、従来技術と同様に外輪３２と静翼３３と内輪３４とで構成されるものである。外輪３２と静翼３３との関係に関しては、上記実施の形態１の場合と同様に嵌合関係を有する。ここでは静翼３３と内輪３４に関して説明する。
【００５４】
ここでの蒸気タービン仕切板３１は、内輪片同士３４ａ、３４ｂの接合面３５において、両片３４ａ、３４ｂにまたがり挿入される嵌合手段を有することを特徴とする。同図では嵌合手段としてキー３６が挿入されている。また、キー３６の収まる空間３７の底部３８には、内輪３４の外周面３９とを連通する孔４０を有する。また、孔４０は、底部３８からめねじ４１が形成されている。
【００５５】
これにより、単に上下を接合しただけの場合に比べて、内輪片同士３４ａ、３４ｂの結合が強固になる。換言すれば、内輪片同士３４ａ、３４ｂの不連続性が緩和される。したがって、仕切板３１の上下流に生じる蒸気差圧に対しても内輪３４が接合面付近で変形しにくく、静翼３３に伝わる荷重も抑えられる。つまり端部効果が抑えられることになる。なお、キーの大きさや形態は同図に示した程度のものに限らず、仕切板の厚み、大きさ、受ける蒸気圧によって適当な大きさ等が採用される。
【００５６】
キー３６の収まる空間３７である溝や穴の底部３８から内輪３４の外周面３９とを連通する孔４０があると、内輪外部からオイル等を流し込むことができる。これは、メンテナンスをする際に有効となる。すなわち、内輪３４は、高温で使用されるため、長時間使用後には、焼き付き等で内輪片３４ａ、３４ｂ同士が密着してしまう場合がある。この場合に、上記孔４０からオイルを流し込めば、密着を和らげることができる。
【００５７】
また、上記孔４０にめねじ４１が形成されていれば、当該めねじ４１に対応したおねじを挿入することができる。メンテナンスでは内輪片同士３４ａ、３４ｂを分離する必要があるが、当該おねじを回転させることによりキー３６等の嵌合手段を押し離すことができる。なお、めねじ４１を形成するのは孔４０全部にわたってでもいいし、一定距離だけでもいい。一定距離だけの場合は、組み付けの際におねじを挿入しておけばよいし、めねじ４１の谷径を孔４０の径よりも幾分小さくとるようにして後からおねじを挿入できるようにしてもよい。
【００５８】
図４は、内輪片同士の嵌合手段としてピンを用いた蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である（ａ）の横断面図は、内輪を接合面で切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。図３の場合と同様に、ピン４５が収まる穴４６には内輪４７の外周面に連通する孔４８が穿設される。また、孔４８の底部にめねじ４４が形成されるのも図３の場合と同様である。
【００５９】
このように、内輪片４７ａ、４７ｂ同士の嵌合手段としてピン４５を用いても内輪片４７ａ、４７ｂ同士の結びつきは強くなり、端部効果を抑制できる。これにより、外輪、静翼および内輪との嵌合で仕切板を形成することのメリットを最大限に活かすことができる。また、内輪４７と静翼４９の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は実施の形態１と同様である。
【００６０】
なお、ピン４５の長さはできるだけ長い方が内輪片４７ａ、４７ｂ同士の結びつきを強くできる。ピン４５として熱容量の小さい材料を用いれば、内輪４７の温度上昇に伴ってピン４５が膨張し、内輪片４７ａ、４７ｂ同士の結合効果も向上する。また、摩擦の大きいピンを用いても同様に結合効果が向上する。さらに、ピンの材料として形状記憶合金を用い、一定の高温になったときにピン孔に強く結合するようにしても内輪片４７ａ、４７ｂ同士の結びつきは強くなる。上記とは反対に、熱膨張することにより、焼き付き、割れ等が懸念される場合は、適当な線膨張係数の材料を用いたピンを用いることができる。
【００６１】
（実施の形態４）
図５は、実施の形態４にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面図および横断面図である。（ａ）の横断面図は、内輪片５０ａ、５０ｂ同士の接合面５１で内輪５０を切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。この発明では、内輪５０のタービン軸方向側面において径方向に突出して付設されるラジアルサポート５２が前記内輪片５０ａ、５０ｂの双方にまたがる位置に設けられる。当該ラジアルサポート５２を内輪５０側面に取り付けるボルトＢは、下側内輪片５０ｂに挿入しておく。
【００６２】
ラジアルサポート５２は、内輪５０のタービン軸方向側面において径方向に突出して付設され、静翼５３に嵌合することによって、内輪５０の周方向への回動を抑止するものである。このラジアルサポート５２は、通常接合面５１から少し離れた箇所、たとえば接合面５１から内輪中心角度でいう約５度〜２０度の箇所に付設されるが、この発明では、内輪片５０ａ、５０ｂの接合位置に設けられる。
【００６３】
これによれば、内輪５０の側面を利用して、ラジアルサポート５２を面接触させるために、静翼５３の剛性を高くすることができる。そのため、内輪片５０ａ、５０ｂ同士の接合面付近に並ぶ静翼には、溶接を施さなくてもよい。また、この蒸気タービン仕切板は、外輪、静翼、内輪とが段階的に分解できるため、焼き付きにより、ラジアルサポートを介して翼部を破壊してしまう心配もない。
【００６４】
なお、同図では、ラジアルサポート５２の近傍にキーまたはピン５４が挿入されている。また、オイルを注ぎ込むための孔５５も穿設されている。このように、実施の形態３で説明した内輪片嵌合手段等を併せて用いるようにして内輪５０側の剛性を高めてもよい。
【００６５】
（実施の形態５）
図６は、実施の形態５にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。この蒸気タービン仕切板６０は、内輪片６１ａ、６１ｂ同士の接合面を直接ボルト６２で貫通結合し、当該内輪片６１ａ、６１ｂ同士の結びつきを強固にした。このようにすれば、メンテナンス時には容易に外すこともできる。また、内輪片６１ａ、６１ｂの接合面６４は、溝６５を有している。なお、当然であるが、内輪片６１ａにはボルトを挿入するための孔６３が必要となる。ボルトの本数は、内輪の厚みに応じて適当な本数が採用される。
【００６６】
この蒸気タービン仕切板は、ボルト結合で上下の内輪片６１ａ、６１ｂを強固に結びつけ、運転中の内輪片６１ａ、６１ｂの剛性を向上させる。溝６５には実施の形態３で既に述べたようにキーを挿入するようにしてもよい。
【００６７】
以上のように、この蒸気タービン仕切板６０よれば、内輪片６１ａ、６１ｂ同士を直接ボルトで貫通結合したので、仕切板の上下流に生じる差圧に対しても内輪が変形しにくく、静翼に伝わる荷重も抑えられる。つまり、端部効果を抑えることが可能となる。また、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は実施の形態１に係る発明と同様である。
【００６８】
（実施の形態６）
図７は、実施の形態６にかかる蒸気タービン仕切板および結合板を示す正面図と側面図である。この蒸気タービン仕切板７０は、上側内輪片７１ａと下側内輪片７１ｂとの接合面７２をまたぐ結合部材７３を各内輪片７１ａ、７１ｂにボルト結合したものである。同図では、水平方向にボルト７４が挿入されているが、内輪７１の半径方向等であってもかまわない。これにより、内輪片同士の結びつきを強固にすると共に、メンテナンス時にも容易に外すことを可能になる。なお、ボルトの本数は、同図では２本であるが、内輪の厚みに応じて適当な本数が採用される。
【００６９】
また、内輪片７１ａ、７１ｂの接合面７２は、溝７５を有している。上述のように、この蒸気タービン仕切板７０は、上下の内輪片７１ａ、７１ｂの接合面をまたぐ結合部材７３をボルト７４で内輪に固定し、運転中の内輪片７１ａ、７１ｂの剛性を向上させる。一方、そのように高温下で長期間使用した後でも、内輪の分解は容易という性質を有する。溝７５には、実施の形態３および５で述べたたように、キーを挿入するようにしてもよい。
【００７０】
以上のように、この蒸気タービン仕切板７０によれば、仕切板７０の上下流に生じる差圧に対しも内輪７１ａ，７１ｂが変形しにくく、結果として静翼７６に伝わる荷重も抑えられる。つまり、端部効果を抑えることが可能となる。また、内輪７１ａ、７１ｂと静翼７６の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は実施の形態１にかかる発明と同様である。
【００７１】
（実施の形態７）
図８は、実施の形態７にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。（ａ）の横断面図は、空間８７で切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。この蒸気タービン仕切板８０は、内輪片８１ａ、８１ｂ同士の接合面８２付近における静翼８３に伝わる荷重に応じて内輪片８１ａ、８１ｂのタービン軸方向の厚み８４を薄肉化することを特徴とする。内輪片８１ａ、８１ｂのタービン軸方向の厚み８４を薄肉化すると、内輪片８１ａ、８１ｂは、当該薄肉化した部分で変形し、蒸気圧のエネルギーを吸収する。したがって、結果的に内輪８１から嵌合部８５を通じて静翼８３に伝わる荷重は減少する。なお、内輪片８１ａ、８１ｂの内部応力分布としては、当該薄肉化した周辺でいくらか応力が大きくなるが、静翼に伝わる荷重は減少する。
【００７２】
したがって、大きな荷重がかかりやすい接合面８２付近の内輪片８１ａ、８１ｂの厚み８４を調節することによって、間接的に静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。薄肉化の手法としては、同図に示すように空間８７を設けたり、くぼみを形成したり、段階的または徐々に厚み８４を小さくする手法等が挙げられる。空間８７やくぼみの深さ、形状は内輪片の剛性とのバランスで決定されるのが好ましい。
【００７３】
なお、接合面８２付近は、静翼８３に伝わる荷重の分布に大きな変化が現れる範囲である。具体例としては、上記接合面８２から内輪８１の中心角度Ａｎで約１５〜３０度まで、静翼８３の数でいうと、約３〜８枚程度が適当である。なお、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴う効果は実施の形態１に係る発明と同様である。
【００７４】
（実施の形態８）
蒸気タービンは、蒸気の熱エネルギーをタービンの機械的エネルギーに変換し、仕事として取り出す回転機である。したがって、タービンの効率は蒸気タービンにおいて極めて重要な性能評価基準となる。この発明は、蒸気タービンのタービン室に有する仕切板を溶接なしで組み付け可能となることから、溶接に付随する焼鈍で静翼の表面粗度劣化がなく、タービン効率を向上させることができる。
【００７５】
また、内輪が熱膨張フリーとなるので、運転開始時等の過渡運転時でもロータとラビングせず、シールを有効に機能させることができる。また、内輪片同士の接合面付近における端部効果を抑制できるので、強度的にも優れ、それによりサイズダウンも可能となり、材料選択の余地がひろがることによるコストダウンにもつながる。
【００７６】
以上のように、実施の形態１〜７に記載の蒸気タービン仕切板をタービン室に有する蒸気タービンによれば、タービン室に設けられる仕切板において、外輪と静翼、および内輪と静翼を嵌合したことによる組み立て時の作業効率、メンテナンス効率の向上や、溶接それに付随する焼鈍を省略したことによる静翼表面の粗度低下防止、延いてはタービン効率の向上といった効果を有するので、蒸気タービン全体としてのハイパフォーマンスに資する。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、外輪と静翼、および内輪と静翼を嵌合したことによる組み立て時の作業効率、メンテナンス効率の向上や、溶接それに付随する焼鈍を省略したことによる静翼表面の粗度低下防止、延いてはタービン効率の向上といった効果を有する。また、静翼に伝わる荷重に応じて部分的に静翼同士を結合することにより、静翼の強度が確保され、外輪、静翼、および内輪とを嵌合によって構成した効果を活かすことができる。
【００７８】
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、単純な構成で、コストも最小限に抑えつつ請求項１に係る発明と同一の効果をもたらすことができる。特に、組み立て時の作業効率、メンテナンス効率の向上に貢献する。
【００８０】
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば内輪の嵌合部と静翼の嵌合部のタービン軸方向クリアランスを、内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて変化させるので、静翼に伝わる荷重を調整できる。したがって、内輪片同士の接合面付近に生じる端部効果を回避することができ、静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。また、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は請求項１に係る発明と同様である。
【００９０】
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて、内輪片のタービン軸方向の厚みを薄肉化するので、静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。また、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は請求項１に係る発明と同様である。
【００９１】
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば内輪の嵌合部と静翼の嵌合部のタービン軸方向クリアランスを、内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて変化させると共に、端部効果を抑制する種々の工夫を施すため、静翼に伝わる荷重を調整できる。したがって、内輪片同士の接合面付近に生じる端部効果を容易に回避することができ、静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。また、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は請求項１に係る発明と同様である。
【００９２】
また、この発明にかかる蒸気タービンによれば、タービン室に設けられる仕切板において、端部効果を抑えられるので、外輪と静翼、および内輪と静翼を嵌合したことによる組み立て時の作業効率、メンテナンス効率の向上や、溶接それに付随する焼鈍を省略したことによる静翼表面の粗度低下防止、延いてはタービン効率の向上といった効果を有する。これにより、蒸気タービン全体としてのハイパフォーマンスに資する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面および横断面図である。
【図２】実施の形態２にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面および横断面図である。
【図３】実施の形態３にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図と横断面図である。
【図４】内輪片同士の嵌合手段としてピンを用いた蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。
【図５】実施の形態４にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。
【図６】実施の形態５にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。
【図７】実施の形態６にかかる蒸気タービン仕切板および結合板を示す正面図と側面図である。
【図８】実施の形態７にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。
【図９】従来技術にかかる蒸気タービンの内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１３、３２ 外輪
３、１４、２１、３４、４７、５０、 内輪
２、１２、２３、３３、４９、５３、７６、８３ 静翼
５、６２ ボルト
６、２２、２４、８５ 嵌合部
４、２７、２８、３５、５１、６４、７２、８２ 接合面
２５ クリアランス
３６ キー
４０、４８ 孔
４１、４４ めねじ
４５、ピン
５２ ラジアルサポート
６５ 溝
【発明の属する技術分野】
この発明は、蒸気タービン仕切板および蒸気タービンに関し、更に詳しくは、静翼と内外輪との結合手段を工夫すると共に、静翼に対する部分的な荷重集中を防止する蒸気タービン仕切板、および当該蒸気タービン仕切板を有する蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来の蒸気タービン仕切板を示すタービン断面図である。一般的にタービンの内部構造は、蒸気の通路に静翼１０１、１０２と動翼１０３、１０４、１０５を交互に複数段設けて構成される（たとえば、特許文献１参照。）。動翼１０３、１０４、１０５はロータ軸１０６と一体となっており、蒸気圧力を受けてロータ軸１０６を回転させる。動翼１０３（または１０４）と動翼１０４（または１０５）の間には、仕切板（ディスク）１０７が設けられ、蒸気を整流すると共に、動翼１０３、１０４、１０５間の機密性を保っている。なお、同図に示すように、仕切板１０７は複数段連結されて設けられる場合もある。
【０００３】
この仕切板１０７は、ノズルの役目を果たす静翼１０１、１０２と、動翼１０３、１０４、１０５間の機密性保持のためのシール１０８、１０９が付設される内輪１１０、１１１と、車室１１２に対して静翼を固定させる外輪１１３とで構成される。内輪１１０、１１１は、静翼１０１、１０２の静剛性、動剛性を確保するため等の理由で設けられるが、タービンの種類によっては設けられない場合もある。静翼１０１、１０２は、削り出しで形成され、その後に手作業による磨き工程に付されて製作されるものである。
【０００４】
これら、内輪１１０、１１１、静翼１０１、１０２、外輪１１３は、図中の溶接記号１１４の箇所で溶接されて結合される。また、溶接後には歪み除去のために焼鈍がされる。なお、仕切板１０７は、ロータ軸１０６を囲うようにドーナツ状に形成されるので、組み立て時を考慮し、１８０度ずつ二分割して製作される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３４３８０７号公報（第２〜３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の蒸気タービン仕切板１０７では、静翼１０１、１０２を何十枚も溶接して組み立てたり、メンテナンス時に仕切板１０７を一体として取り扱わなくてはならないので効率が悪かった。また、上述したように溶接後には歪み除去のための焼鈍工程が不可欠であり、この焼鈍工程は、磨いた静翼１０１、１０２の面粗度を悪化させてしまうという問題点があった。
【０００７】
静翼１０１、１０２の面粗度悪化を防止するために、静翼１０１、１０２と内輪１１０、１１１等とを溶接せずに嵌合させて組み付けることも考えられるが、それを実現するためには、端部効果を抑えなくてはならない。端部効果とは、上下二分割した内輪１１０、１１１や外輪の接合面付近において、静翼１０１、１０２にかかる荷重が他の部分に比べて大きくなることをいう。端部効果は、静翼１０１、１０２の強度上好ましくなく、強度確保のために静翼１０１、１０２のサイズを大きくしても却って仕切板の性能劣化につながる。
【０００８】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、端部効果を抑制することができる蒸気タービン仕切板および、当該蒸気タービン仕切板を有する蒸気タービンを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１にかかる蒸気タービン仕切板は、外周側が車室内壁に組み付けられ、内周側に嵌合部Ａを有する概ドーナツ状の外輪と、内周側にロータ軸との隙間を塞ぐシールが付設され、外周側に厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂを有し、上下二分割した内輪片同士を上下に接合させて概ドーナツ状に構成される内輪と、前記外輪の前記嵌合部Ａと、前記内輪の前記嵌合部Ｂとのそれぞれに嵌合する嵌合部Ｃ、Ｄをタービンに付設されたときの径方向両端に有する静翼と、を有し、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄとを溶接接合ではなく、嵌合するものであって、前記内輪片同士の接合面付近に並ぶ複数の前記静翼を周方向に結合する結合手段を有し、前記結合手段は、棒状部材で前記静翼の内輪側根元部を貫くようにしたものである。
【００１０】
この発明では、外輪と静翼、および静翼と内輪が溶接結合ではなく、嵌合部の嵌合で結合・組み立てが為される。特に静翼と内輪の嵌合部では、厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂと、それに合わせた凹形状の嵌合部Ｄが単純嵌合される。この嵌合により、内輪は半径方向にフリーとなり、熱膨張において静翼に拘束されることがない。また、タービン軸方向の拘束も嵌合部のみであるため、内輪の受ける荷重が静翼に伝わりにくくなる。
【００１１】
また、この発明は、内輪片同士の接合面付近に並ぶ複数の静翼を周方向に結合する結合手段を有する。これにより、接合面付近で並ぶ複数の静翼は、静翼に伝わる荷重に対して連携して耐えることができるようになる。静翼に伝わる荷重は、いわゆる端部効果で内輪片同士の接合面付近が最も大きくなるので、接合面付近の静翼を強固にすることが有効となる。なお、いくつの静翼を結合するかは、静翼に伝わる荷重の分布に応じて決定する。結合手段には、たとえばボルト貫通結合、ピン貫通結合、溶接結合等がある。
【００１３】
内輪側根元部とは、静翼の翼と嵌合部との間に存在する２つの根元部のうち、内輪が嵌合する側に存在する根元部をいう。この内輪側根元部を棒状部材で貫いても周方向に静翼を結合することができる。棒状部材の例としては、ボルトやピンが挙げられる。いくつの静翼を結合するかは、請求項１に記載の発明と同様である。
【００１５】
また、請求項２にかかる蒸気タービン仕切板は、外周側が車室内壁に組み付けられ、内周側に嵌合部Ａを有する概ドーナツ状の外輪と、内周側にロータ軸との隙間を塞ぐシールが付設され、外周側に厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂを有し、上下二分割した内輪片同士を上下に接合して概ドーナツ状に構成される内輪と、前記外輪の前記嵌合部Ａと、前記内輪の前記嵌合部Ｂとのそれぞれに嵌合する嵌合部Ｃ、Ｄをタービンに付設されたときの径方向両端に有する静翼と、を有し、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄとを溶接接合ではなく、嵌合するものであって、静翼に対して内輪から伝わる荷重が大きい内輪片同士の接合面付近における静翼の、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄのタービン軸方向クリアランスを、当該荷重が小さい他の部分の静翼の嵌合部よりも大きくとるようにしたものである。
【００１６】
一般に、内輪の嵌合部と静翼の嵌合部のタービン軸方向クリアランスは、内輪と静翼が蒸気圧力によって振動しない程度に設計される。この発明では、当該クリアランスを内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて変化させる。つまり、静翼列のうち、伝わる荷重が大きい静翼の嵌合部のクリアランスを当該荷重が小さい静翼の嵌合部よりも大きくとる。これにより、遊びの分だけ荷重が静翼に直接伝わりにくくなる。クリアランスのとり方としては、蒸気流れの上流側でも下流側でもよいが、できれば下流側が好ましい。
【００３４】
また、請求項３にかかる蒸気タービン仕切板は、外周側が車室内壁に組み付けられ、内周側に嵌合部Ａを有する概ドーナツ状の外輪と、内周側にロータ軸との隙間を塞ぐシールが付設され、外周側に厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂを有し、上下二分割した内輪片同士を上下に接合して概ドーナツ状に構成される内輪と、前記外輪の前記嵌合部Ａと、前記内輪の前記嵌合部Ｂとのそれぞれに嵌合する嵌合部Ｃ、Ｄをタービンに付設されたときの径方向両端に有する静翼と、を有し、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄとを溶接接合ではなく、嵌合するものであって、内輪から嵌合部を通じて静翼に大きな荷重がかかりやすい内輪片同士の接合面付近における前記内輪片のタービン軸方向の厚みを薄肉化するようにしたものである。
【００３５】
内輪片のタービン軸方向の厚みを薄肉化すると、内輪から嵌合部を通じて静翼に伝わる荷重は、当該薄肉部分で吸収される。したがって、大きな荷重がかかりやすい接合面付近の内輪片の厚みを調節することによって、静翼に伝わる荷重の増加を防止することができる。薄肉化の手法としては、くぼみを形成する手法等が挙げられる。なお、接合面付近は、静翼に伝わる荷重の分布に大きな変化が現れる範囲である。
【００３６】
また、請求項４にかかる蒸気タービン仕切板は、前記蒸気タービン仕切板において、前記蒸気タービン仕切板は、前記内輪片同士の接合面近傍における静翼に対する内輪からの荷重が大きい静翼の嵌合部の、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄのタービン軸方向クリアランスを当該荷重が小さい静翼の嵌合部よりも大きくとるようにしたものである。
【００３７】
この発明は、当該クリアランスを内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて変化させると共に、端部効果を抑制する種々の工夫を施すものである。静翼列のうち、伝わる荷重が大きい静翼の嵌合部のクリアランスを当該荷重が小さい静翼の嵌合部よりも大きくとると、遊びの分だけ荷重が静翼に直接伝わりにくくなる。クリアランスのとり方としては、蒸気流れの上流側でも下流側でもよいが、できれば下流側が好ましい。
【００３８】
また、請求項５にかかる蒸気タービンは、請求項１〜４のいずれか一つに記載の蒸気タービン仕切板をタービン室に有するようにしたものである。
【００３９】
蒸気タービンは、蒸気の熱エネルギーをタービンの機械的エネルギーに変換し、仕事として取り出す回転機である。したがって、タービンの効率は蒸気タービンにおいて極めて重要な性能評価基準となる。この発明では、端部効果を抑制し、仕切板を溶接なしで組み付けるから、溶接に付随する焼鈍で静翼の表面劣化がなく、タービン効率が向上する。
【００４０】
また、内輪が熱膨張フリーとなるので、運転開始時等の過渡運転時でもロータとラビングせず、シールを有効に機能させることができる。また、内輪片同士の接合面付近における端部効果を抑制できるので、強度的にも優れ、それによりサイズダウンも可能となる。また、サイズダウン以外にもコストダウンおよび蒸気タービン自体の性能向上が図れる。また、強度確保によって材料選択の余地がひろがることで、これもコストダウンにつながる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものを含む。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面および横断面図である。（ａ）の横断面図は、静翼のボルトが嵌合している部分をボルト軸に対して直角に切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。この実施の形態１で説明する蒸気タービン仕切板は、外輪１と静翼２と内輪３とで構成されるものであるが、外輪１と静翼２とは、嵌合部同士の単純な嵌合で結合されており、溶接で結合されるものではない。組み立ての際など嵌合させるときは、分割されている外輪の端部からスライドさせて嵌合し、コーキング等で周方向のずれを防止させておくことが好ましい。ここで単純な嵌合とは、複雑な係合を用いずに、上下に嵌め合わせることを意味する。
【００４３】
内輪片３ａ、３ｂ同士の接合面４付近には複数の静翼２ｓが周方向に並ぶ。ここでは、当該静翼２ｓを結合する結合手段としてボルト５を採用し、静翼２ｓを貫通結合する例を示す。ボルト５を貫通させる場所は、静翼２ｓの内輪側根元部である。ここで、内輪側根元部とは、静翼２ｓの翼２ｗと嵌合部６との間に存在する２つの根元部７（外輪側省略）のうち、内輪３が嵌合する側に有する根元部をいう。なお、内輪片３ａ、３ｂの接合面とは、接し合わされた面をいう。
【００４４】
ボルト５で静翼２ｓを内輪側根元部において結合すると、接合面４付近で並ぶ複数の静翼２ｓは、内輪３のたわみに起因して静翼２ｓに伝わる荷重に対して連携して耐えることができるようになる。また、静翼の微妙な倒れを平均化する作用もある。ボルト５の締め付けを調整すれば、静翼２ｓが荷重に対抗する力も調節することもできるというメリットがある。なお、内輪３は、その概ドーナツ形状の有する大きなねじれ剛性により、過剰に変形することはない。
【００４５】
静翼２ｓに伝わる荷重は、いわゆる端部効果で内輪片３ａ、３ｂ同士の接合面４付近で大きくなるので、接合面４付近の静翼２ｓを強固にすることが有効となる。いくつの静翼２ｓを結合するかは、静翼２ｓに伝わる荷重の分布に応じて決定する。同図では、静翼２ｓの数の例として４枚の場合を示すが、この場合は、接合面４から数えて４枚目までの翼の中心部で翼部効果を負担させることにより、静翼２ｓに伝わる荷重を平均化可能となる。
【００４６】
なお、結合手段としては、上記棒状部材であるボルト貫通結合の他、同じく棒状部材であるピンで貫通結合してもよいし、数枚分だけ翼同士を溶接するという部分的な溶接結合等でもよい。溶接結合の場合は、静翼２ｓに伝わる荷重分布から必要と考えられる枚数の静翼２ｓの内輪側根元部同士を溶接するのが好ましい。また、溶接結合と上記ボルト結合等とを併用すれば、さらなる端部効果の抑制が可能になる。
【００４７】
このような蒸気タービン仕切板を蒸気タービンのタービン室に有すると、外輪１と静翼２、および内輪３と静翼２を嵌合したことによる組み立て時の作業効率、およびメンテナンス効率の向上や、部分的溶接それに付随する焼鈍を省略したことによる静翼表面の粗度低下防止、延いてはタービン効率の向上といった効果を有する。また、静翼２ｓに伝わる荷重に応じて部分的に静翼２ｓ同士を結合することにより、全体として翼列性能が向上し、小型化も可能になり、さらなる効率向上も望める。
【００４８】
上記組み立て時の作業効率の向上や、部品加工の効率向上から生じるメリットを本願出願人のもとで調べた結果を具体的に説明する。この発明を実施したところ、工期に関しては外輪１、静翼２、および内輪３が溶接で結合する構造であった場合の半分程度に短縮できた。また、コスト的には、従来溶接式に比べて約２０〜３０％ものコスト削減が可能になった。また、翼列の効率は、約０．５〜２．０％の性能向上が得られ、タービン効率に至っては熱消費率にして従来より約０．５％以上の向上が見込める。タービン効率をほんの少しであっても向上させるために当業者が長年にわたり努力してきたことを考えると、上記値は優れた結果といえる。
【００４９】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面および横断面図である。（ａ）は横断面図であり、（ｂ）は正面図である。この実施の形態２にかかる発明では、内輪２１の嵌合部２２と静翼２３の嵌合部２４のタービン軸方向クリアランス２５を、内輪片２６、２７同士の接合面２８付近における静翼２３ｓに伝わる荷重に応じて変化させることを特徴とする。
【００５０】
一般に、上記タービン軸方向クリアランス２５は、内輪２１と静翼２３が蒸気圧によって振動しない程度に設計される。この発明では、当該クリアランス２５を内輪片２６、２７同士の接合面２８付近における静翼２３に伝わる荷重に応じて変化させる。つまり、静翼列のうち、受ける荷重が大きい静翼２３ｓの嵌合部２４のクリアランス２５を、同一内輪２１の周りに多数嵌合される静翼であって、当該荷重が小さい静翼（たとえば２９）の嵌合部２２のクリアランス２５よりも大きくとる。
【００５１】
これにより、クリアランス２５の分だけ荷重が静翼２３に直接伝わりにくくなる。クリアランス２５のとり方としては、蒸気流れ３０の上流側でも下流側でもよいが、蒸気差圧によって内輪２１の受ける力方向、およびモーメント力を考慮すれば、下流側が好ましい。
【００５２】
この発明によれば、結果的に静翼２３に伝わる荷重を調整することができる。したがって、内輪片２６、２７同士の接合面２８付近に生じる端部効果を回避することができ、静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。また、内輪２１と静翼２３の溶接を省略できること等に伴うコストダウン等の効果は実施の形態１に係る発明と同様である。なお、クリアランス２５の調整による端部効果抑制作用と、実施の形態１に記載の発明による端部効果抑制作用、たとえば部分的に溶接Ｗを施すことによる作用とを同一静翼に対して同時に営ませるようにしてもよい。また、後述する実施の形態３〜７に記載の発明による端部効果抑制作用と同時に営ませるようにしてもよい。
【００５３】
（実施の形態３）
図３は、実施の形態３にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図と横断面図である。（ａ）の横断面図は、内輪を接合面で切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。この実施の形態３で説明する蒸気タービン仕切板３１は、従来技術と同様に外輪３２と静翼３３と内輪３４とで構成されるものである。外輪３２と静翼３３との関係に関しては、上記実施の形態１の場合と同様に嵌合関係を有する。ここでは静翼３３と内輪３４に関して説明する。
【００５４】
ここでの蒸気タービン仕切板３１は、内輪片同士３４ａ、３４ｂの接合面３５において、両片３４ａ、３４ｂにまたがり挿入される嵌合手段を有することを特徴とする。同図では嵌合手段としてキー３６が挿入されている。また、キー３６の収まる空間３７の底部３８には、内輪３４の外周面３９とを連通する孔４０を有する。また、孔４０は、底部３８からめねじ４１が形成されている。
【００５５】
これにより、単に上下を接合しただけの場合に比べて、内輪片同士３４ａ、３４ｂの結合が強固になる。換言すれば、内輪片同士３４ａ、３４ｂの不連続性が緩和される。したがって、仕切板３１の上下流に生じる蒸気差圧に対しても内輪３４が接合面付近で変形しにくく、静翼３３に伝わる荷重も抑えられる。つまり端部効果が抑えられることになる。なお、キーの大きさや形態は同図に示した程度のものに限らず、仕切板の厚み、大きさ、受ける蒸気圧によって適当な大きさ等が採用される。
【００５６】
キー３６の収まる空間３７である溝や穴の底部３８から内輪３４の外周面３９とを連通する孔４０があると、内輪外部からオイル等を流し込むことができる。これは、メンテナンスをする際に有効となる。すなわち、内輪３４は、高温で使用されるため、長時間使用後には、焼き付き等で内輪片３４ａ、３４ｂ同士が密着してしまう場合がある。この場合に、上記孔４０からオイルを流し込めば、密着を和らげることができる。
【００５７】
また、上記孔４０にめねじ４１が形成されていれば、当該めねじ４１に対応したおねじを挿入することができる。メンテナンスでは内輪片同士３４ａ、３４ｂを分離する必要があるが、当該おねじを回転させることによりキー３６等の嵌合手段を押し離すことができる。なお、めねじ４１を形成するのは孔４０全部にわたってでもいいし、一定距離だけでもいい。一定距離だけの場合は、組み付けの際におねじを挿入しておけばよいし、めねじ４１の谷径を孔４０の径よりも幾分小さくとるようにして後からおねじを挿入できるようにしてもよい。
【００５８】
図４は、内輪片同士の嵌合手段としてピンを用いた蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である（ａ）の横断面図は、内輪を接合面で切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。図３の場合と同様に、ピン４５が収まる穴４６には内輪４７の外周面に連通する孔４８が穿設される。また、孔４８の底部にめねじ４４が形成されるのも図３の場合と同様である。
【００５９】
このように、内輪片４７ａ、４７ｂ同士の嵌合手段としてピン４５を用いても内輪片４７ａ、４７ｂ同士の結びつきは強くなり、端部効果を抑制できる。これにより、外輪、静翼および内輪との嵌合で仕切板を形成することのメリットを最大限に活かすことができる。また、内輪４７と静翼４９の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は実施の形態１と同様である。
【００６０】
なお、ピン４５の長さはできるだけ長い方が内輪片４７ａ、４７ｂ同士の結びつきを強くできる。ピン４５として熱容量の小さい材料を用いれば、内輪４７の温度上昇に伴ってピン４５が膨張し、内輪片４７ａ、４７ｂ同士の結合効果も向上する。また、摩擦の大きいピンを用いても同様に結合効果が向上する。さらに、ピンの材料として形状記憶合金を用い、一定の高温になったときにピン孔に強く結合するようにしても内輪片４７ａ、４７ｂ同士の結びつきは強くなる。上記とは反対に、熱膨張することにより、焼き付き、割れ等が懸念される場合は、適当な線膨張係数の材料を用いたピンを用いることができる。
【００６１】
（実施の形態４）
図５は、実施の形態４にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面図および横断面図である。（ａ）の横断面図は、内輪片５０ａ、５０ｂ同士の接合面５１で内輪５０を切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。この発明では、内輪５０のタービン軸方向側面において径方向に突出して付設されるラジアルサポート５２が前記内輪片５０ａ、５０ｂの双方にまたがる位置に設けられる。当該ラジアルサポート５２を内輪５０側面に取り付けるボルトＢは、下側内輪片５０ｂに挿入しておく。
【００６２】
ラジアルサポート５２は、内輪５０のタービン軸方向側面において径方向に突出して付設され、静翼５３に嵌合することによって、内輪５０の周方向への回動を抑止するものである。このラジアルサポート５２は、通常接合面５１から少し離れた箇所、たとえば接合面５１から内輪中心角度でいう約５度〜２０度の箇所に付設されるが、この発明では、内輪片５０ａ、５０ｂの接合位置に設けられる。
【００６３】
これによれば、内輪５０の側面を利用して、ラジアルサポート５２を面接触させるために、静翼５３の剛性を高くすることができる。そのため、内輪片５０ａ、５０ｂ同士の接合面付近に並ぶ静翼には、溶接を施さなくてもよい。また、この蒸気タービン仕切板は、外輪、静翼、内輪とが段階的に分解できるため、焼き付きにより、ラジアルサポートを介して翼部を破壊してしまう心配もない。
【００６４】
なお、同図では、ラジアルサポート５２の近傍にキーまたはピン５４が挿入されている。また、オイルを注ぎ込むための孔５５も穿設されている。このように、実施の形態３で説明した内輪片嵌合手段等を併せて用いるようにして内輪５０側の剛性を高めてもよい。
【００６５】
（実施の形態５）
図６は、実施の形態５にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。この蒸気タービン仕切板６０は、内輪片６１ａ、６１ｂ同士の接合面を直接ボルト６２で貫通結合し、当該内輪片６１ａ、６１ｂ同士の結びつきを強固にした。このようにすれば、メンテナンス時には容易に外すこともできる。また、内輪片６１ａ、６１ｂの接合面６４は、溝６５を有している。なお、当然であるが、内輪片６１ａにはボルトを挿入するための孔６３が必要となる。ボルトの本数は、内輪の厚みに応じて適当な本数が採用される。
【００６６】
この蒸気タービン仕切板は、ボルト結合で上下の内輪片６１ａ、６１ｂを強固に結びつけ、運転中の内輪片６１ａ、６１ｂの剛性を向上させる。溝６５には実施の形態３で既に述べたようにキーを挿入するようにしてもよい。
【００６７】
以上のように、この蒸気タービン仕切板６０よれば、内輪片６１ａ、６１ｂ同士を直接ボルトで貫通結合したので、仕切板の上下流に生じる差圧に対しても内輪が変形しにくく、静翼に伝わる荷重も抑えられる。つまり、端部効果を抑えることが可能となる。また、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は実施の形態１に係る発明と同様である。
【００６８】
（実施の形態６）
図７は、実施の形態６にかかる蒸気タービン仕切板および結合板を示す正面図と側面図である。この蒸気タービン仕切板７０は、上側内輪片７１ａと下側内輪片７１ｂとの接合面７２をまたぐ結合部材７３を各内輪片７１ａ、７１ｂにボルト結合したものである。同図では、水平方向にボルト７４が挿入されているが、内輪７１の半径方向等であってもかまわない。これにより、内輪片同士の結びつきを強固にすると共に、メンテナンス時にも容易に外すことを可能になる。なお、ボルトの本数は、同図では２本であるが、内輪の厚みに応じて適当な本数が採用される。
【００６９】
また、内輪片７１ａ、７１ｂの接合面７２は、溝７５を有している。上述のように、この蒸気タービン仕切板７０は、上下の内輪片７１ａ、７１ｂの接合面をまたぐ結合部材７３をボルト７４で内輪に固定し、運転中の内輪片７１ａ、７１ｂの剛性を向上させる。一方、そのように高温下で長期間使用した後でも、内輪の分解は容易という性質を有する。溝７５には、実施の形態３および５で述べたたように、キーを挿入するようにしてもよい。
【００７０】
以上のように、この蒸気タービン仕切板７０によれば、仕切板７０の上下流に生じる差圧に対しも内輪７１ａ，７１ｂが変形しにくく、結果として静翼７６に伝わる荷重も抑えられる。つまり、端部効果を抑えることが可能となる。また、内輪７１ａ、７１ｂと静翼７６の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は実施の形態１にかかる発明と同様である。
【００７１】
（実施の形態７）
図８は、実施の形態７にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。（ａ）の横断面図は、空間８７で切ったときの断面図であり、（ｂ）は正面図である。この蒸気タービン仕切板８０は、内輪片８１ａ、８１ｂ同士の接合面８２付近における静翼８３に伝わる荷重に応じて内輪片８１ａ、８１ｂのタービン軸方向の厚み８４を薄肉化することを特徴とする。内輪片８１ａ、８１ｂのタービン軸方向の厚み８４を薄肉化すると、内輪片８１ａ、８１ｂは、当該薄肉化した部分で変形し、蒸気圧のエネルギーを吸収する。したがって、結果的に内輪８１から嵌合部８５を通じて静翼８３に伝わる荷重は減少する。なお、内輪片８１ａ、８１ｂの内部応力分布としては、当該薄肉化した周辺でいくらか応力が大きくなるが、静翼に伝わる荷重は減少する。
【００７２】
したがって、大きな荷重がかかりやすい接合面８２付近の内輪片８１ａ、８１ｂの厚み８４を調節することによって、間接的に静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。薄肉化の手法としては、同図に示すように空間８７を設けたり、くぼみを形成したり、段階的または徐々に厚み８４を小さくする手法等が挙げられる。空間８７やくぼみの深さ、形状は内輪片の剛性とのバランスで決定されるのが好ましい。
【００７３】
なお、接合面８２付近は、静翼８３に伝わる荷重の分布に大きな変化が現れる範囲である。具体例としては、上記接合面８２から内輪８１の中心角度Ａｎで約１５〜３０度まで、静翼８３の数でいうと、約３〜８枚程度が適当である。なお、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴う効果は実施の形態１に係る発明と同様である。
【００７４】
（実施の形態８）
蒸気タービンは、蒸気の熱エネルギーをタービンの機械的エネルギーに変換し、仕事として取り出す回転機である。したがって、タービンの効率は蒸気タービンにおいて極めて重要な性能評価基準となる。この発明は、蒸気タービンのタービン室に有する仕切板を溶接なしで組み付け可能となることから、溶接に付随する焼鈍で静翼の表面粗度劣化がなく、タービン効率を向上させることができる。
【００７５】
また、内輪が熱膨張フリーとなるので、運転開始時等の過渡運転時でもロータとラビングせず、シールを有効に機能させることができる。また、内輪片同士の接合面付近における端部効果を抑制できるので、強度的にも優れ、それによりサイズダウンも可能となり、材料選択の余地がひろがることによるコストダウンにもつながる。
【００７６】
以上のように、実施の形態１〜７に記載の蒸気タービン仕切板をタービン室に有する蒸気タービンによれば、タービン室に設けられる仕切板において、外輪と静翼、および内輪と静翼を嵌合したことによる組み立て時の作業効率、メンテナンス効率の向上や、溶接それに付随する焼鈍を省略したことによる静翼表面の粗度低下防止、延いてはタービン効率の向上といった効果を有するので、蒸気タービン全体としてのハイパフォーマンスに資する。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、外輪と静翼、および内輪と静翼を嵌合したことによる組み立て時の作業効率、メンテナンス効率の向上や、溶接それに付随する焼鈍を省略したことによる静翼表面の粗度低下防止、延いてはタービン効率の向上といった効果を有する。また、静翼に伝わる荷重に応じて部分的に静翼同士を結合することにより、静翼の強度が確保され、外輪、静翼、および内輪とを嵌合によって構成した効果を活かすことができる。
【００７８】
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、単純な構成で、コストも最小限に抑えつつ請求項１に係る発明と同一の効果をもたらすことができる。特に、組み立て時の作業効率、メンテナンス効率の向上に貢献する。
【００８０】
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば内輪の嵌合部と静翼の嵌合部のタービン軸方向クリアランスを、内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて変化させるので、静翼に伝わる荷重を調整できる。したがって、内輪片同士の接合面付近に生じる端部効果を回避することができ、静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。また、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は請求項１に係る発明と同様である。
【００９０】
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて、内輪片のタービン軸方向の厚みを薄肉化するので、静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。また、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は請求項１に係る発明と同様である。
【００９１】
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば内輪の嵌合部と静翼の嵌合部のタービン軸方向クリアランスを、内輪片同士の接合面付近における静翼に伝わる荷重に応じて変化させると共に、端部効果を抑制する種々の工夫を施すため、静翼に伝わる荷重を調整できる。したがって、内輪片同士の接合面付近に生じる端部効果を容易に回避することができ、静翼にかかる過度の荷重集中を防止することができる。また、内輪と静翼の溶接を省略できること等に伴うタービン効率の向上等の効果は請求項１に係る発明と同様である。
【００９２】
また、この発明にかかる蒸気タービンによれば、タービン室に設けられる仕切板において、端部効果を抑えられるので、外輪と静翼、および内輪と静翼を嵌合したことによる組み立て時の作業効率、メンテナンス効率の向上や、溶接それに付随する焼鈍を省略したことによる静翼表面の粗度低下防止、延いてはタービン効率の向上といった効果を有する。これにより、蒸気タービン全体としてのハイパフォーマンスに資する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面および横断面図である。
【図２】実施の形態２にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面および横断面図である。
【図３】実施の形態３にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図と横断面図である。
【図４】内輪片同士の嵌合手段としてピンを用いた蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。
【図５】実施の形態４にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。
【図６】実施の形態５にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。
【図７】実施の形態６にかかる蒸気タービン仕切板および結合板を示す正面図と側面図である。
【図８】実施の形態７にかかる蒸気タービン仕切板を示す正面断面図および横断面図である。
【図９】従来技術にかかる蒸気タービンの内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１３、３２ 外輪
３、１４、２１、３４、４７、５０、 内輪
２、１２、２３、３３、４９、５３、７６、８３ 静翼
５、６２ ボルト
６、２２、２４、８５ 嵌合部
４、２７、２８、３５、５１、６４、７２、８２ 接合面
２５ クリアランス
３６ キー
４０、４８ 孔
４１、４４ めねじ
４５、ピン
５２ ラジアルサポート
６５ 溝
Claims (5)
- 外周側が車室内壁に組み付けられ、内周側に嵌合部Ａを有する概ドーナツ状の外輪と、
内周側にロータ軸との隙間を塞ぐシールが付設され、外周側に厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂを有し、上下二分割した内輪片同士を上下に接合させて概ドーナツ状に構成される内輪と、
前記外輪の前記嵌合部Ａと、前記内輪の前記嵌合部Ｂとのそれぞれに嵌合する嵌合部Ｃ、Ｄをタービンに付設されたときの径方向両端に有する静翼と、
を有し、
前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄとを溶接接合ではなく、嵌合するものであって、前記内輪片同士の接合面付近に並ぶ複数の前記静翼を周方向に結合する結合手段を有し、前記結合手段は、棒状部材で前記静翼の内輪側根元部を貫くことを特徴とする蒸気タービン仕切板。 - 外周側が車室内壁に組み付けられ、内周側に嵌合部Ａを有する概ドーナツ状の外輪と、
内周側にロータ軸との隙間を塞ぐシールが付設され、外周側に厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂを有し、上下二分割した内輪片同士を上下に接合して概ドーナツ状に構成される内輪と、
前記外輪の前記嵌合部Ａと、前記内輪の前記嵌合部Ｂとのそれぞれに嵌合する嵌合部Ｃ、Ｄをタービンに付設されたときの径方向両端に有する静翼と、
を有し、
前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄとを溶接接合ではなく、嵌合するものであって、静翼に対して内輪から伝わる荷重が大きい内輪片同士の接合面付近における静翼の、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄのタービン軸方向クリアランスを、当該荷重が小さい他の部分の静翼の嵌合部よりも大きくとることを特徴とする蒸気タービン仕切板。 - 外周側が車室内壁に組み付けられ、内周側に嵌合部Ａを有する概ドーナツ状の外輪と、
内周側にロータ軸との隙間を塞ぐシールが付設され、外周側に厚みの中心部で凸形状となる嵌合部Ｂを有し、上下二分割した内輪片同士を上下に接合して概ドーナツ状に構成される内輪と、
前記外輪の前記嵌合部Ａと、前記内輪の前記嵌合部Ｂとのそれぞれに嵌合する嵌合部Ｃ、Ｄをタービンに付設されたときの径方向両端に有する静翼と、
を有し、
前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄとを溶接接合ではなく、嵌合するものであって、内輪から嵌合部を通じて静翼に大きな荷重がかかりやすい内輪片同士の接合面付近における前記内輪片のタービン軸方向の厚みを薄肉化することを特徴とする蒸気タービン仕切板。 - 前記蒸気タービン仕切板は、前記内輪片同士の接合面近傍における静翼に対する内輪からの荷重が大きい静翼の嵌合部の、前記嵌合部Ｂと前記嵌合部Ｄのタービン軸方向クリアランスを当該荷重が小さい静翼の嵌合部よりも大きくとることを特徴とする請求項１又は３に記載の蒸気タービン仕切板。
- 請求項１〜４のいずれか一つに記載の蒸気タービン仕切板をタービン室に有することを特徴とする蒸気タービン。
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