本発明は、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。
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。
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。
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。
特開平11−343807号公報(第2〜3頁、図1)
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。
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。
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、静翼を溶接せずに嵌合させて組み付けるときの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。
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の内輪側根元部同士だけを周方向に溶接結合したものである。静翼同士を溶接結合しても、静翼同士は周方向に強固に結合される。この場合、溶接の種類は不問であり、静翼の材料に応じてアーク溶接、ガス溶接、TIG溶接、レーザー溶接等の適当な方法が選択される。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。
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。
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。
また、請求項2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、前記内輪片同士の接合面において、両片にまたがり挿入される嵌合手段を有するようにしたものである。
この発明では、内輪片同士の接合面において、嵌合手段が両片にまたがり挿入される。これにより、単に上下を接合しただけの場合に比べて、内輪片同士の結合が強固になる。したがって、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。つまり端部効果が抑えられることになる。なお、嵌合手段としてはキーやピンが挙げられる。
また、請求項3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、前記嵌合手段が、キーであるようにしたものである。この発明では、内輪片同士の嵌合手段としてキーを用いるので、内輪片同士が強く結びつき、接合面付近でも変形しにくくなる。このため、静翼に伝わる荷重の分布も安定し、端部効果を抑制することができる。
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、前記嵌合手段が、ピンであるようにしたものである。この発明では、内輪片同士の嵌合手段としてピンを用いるので、内輪片同士が強く結びつき、接合面付近でも変形しにくくなる。このため、静翼に伝わる荷重の分布も安定し、端部効果を抑制することができる。ピンの長さはできるだけ長い方が内輪片同士の結びつきを強くできる。ピンとして線膨張係数の大きい材料のピンを用いれば、内輪の温度上昇に伴ってピンが膨張し、内輪片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。また、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同士の結びつきは強くなる。たとえば、高温でピン軸に直角となる方向に伸びるバネ形状をした形状記憶合金を用いることもできる。
また、請求項5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、前記嵌合手段の収まる空間の底部には、当該底部と前記内輪の外周面とを連通する孔を有するようにしたものである。
嵌合手段の収まる空間である溝や穴の底部から内輪外周面とを連通する孔があると、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同士がへばりつく場合がある。この場合に、上記孔からオイルを流し込めば、密着を和らげることができる。
また、請求項6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、前記孔が、前記底部からめねじが形成されるようにしたものである。
上記孔に底部めねじが形成されていれば、当該めねじ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嵌合手段を押し離すことができる。なお、めねじを形成するのは孔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、後から挿入する場合はめねじの谷径を孔の径よりも幾分小さくとるようにすればよい。
また、請求項7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、前記内輪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が前記内輪片の双方にまたがる位置に設けられるようにしたものである。
ラジアルサポートは、内輪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、静翼に嵌合することによって、内輪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は、他の部品とのかかわりで接合面から少し離れた箇所、たとえば内輪中心角度でいう5度〜20度程度の箇所に付設されるのが一般的である。この発明ではラジアルサポートを内輪片の双方にまたがる位置、すなわち接合面部分に設けるので、内輪片同士の接合面付近に並んでいる静翼に嵌合する。
また、請求項8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、前記内輪片同士をボルト結合したものである。
内輪片同士は接合面を強固に固定することにより、結果として静翼に伝わる荷重を軽減させる。しかし、内輪片同士を溶接等で固定すると、メンテナンス時に内輪を外すことができなくなるので、実用性に乏しい。そこで、この発明では、内輪片同士をボルト結合して、内輪片同士の結びつきを強固にした。それと共にメンテナンス時にも容易に外すことを可能にした。なお、ボルト結合の形態としては、内輪片同士を直接貫くようにしてもよいし、上下内輪片をまたぐ結合板等を内輪片にボルト結合してもよい。
また、請求項9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、前記ボルト結合は、上側内輪片と下側内輪片との接合面を直接ボルトで貫いた結合であるようにしたものである。
この発明では、上下内輪片の結合形態として上側内輪片と下側内輪片との接合面を直接ボルトで貫いた形態を採用したものである。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した。なお、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。
また、請求項10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、前記ボルト結合が、上側内輪片と下側内輪片との接合面をまたぐ結合部材を各内輪片にボルト結合するようにしたものである。
この発明では、上下内輪片の結合形態として上側内輪片と下側内輪片との接合面をまたぐ結合部材を各内輪片にボルト結合した。ボルトの挿入方向は、内輪の概半径方向または水平方向であることが好ましい。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ができるようにした。なお、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。
なお、前記蒸気タービン仕切板において、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、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に応じて変化させてもよい。すなわち、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。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。
また、請求項11にかかる蒸気タービンは、前記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。
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。
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。
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。
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上記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。
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、単純な溶接作業で、コストも最小限に抑えつつ上記効果をもたらすことができる。
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。
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において、両片にまたがり挿入される嵌合手段を有するので、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。これにより、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。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。
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において、両片にまたがりキーが挿入されるので、仕切板の上下流に生じる差圧に対し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。これにより、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。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。
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において、両片にまたがりピンが挿入されるので、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。これにより、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。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。
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、内輪片同士の嵌合手段の収まる空間底部に、内輪の外周面とを連通する孔を有するので、内輪外部からオイル等を流し込むことができる。これにより、内輪片同士や接合面の嵌合手段の密着を和らげることができる。したがって、メンテナンスにおいて内輪片同士を分離する作業が容易になる。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請求項1に係る発明と同様である。
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、内輪片同士の嵌合手段底部から内輪外部へ穿設される孔に、当該底部からめねじが形成されるので、対応したおねじを挿入することができる。おねじを回転させれば、嵌合手段を押し離すことができるので、メンテナンスにおいて内輪片同士を分離する作業が容易になる。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請求項1に係る発明と同様である。
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が内輪片の双方にまたがる位置に設けられるので、ラジアルサポートの付設に必要なボルト穴の存在が、キーやピン等の内輪片嵌合手段を設けることの障害とならない。したがって、内輪片嵌合手段の設計が楽になり、当該嵌合手段を可能な限り大きくとり、内輪片の結びつき強くすることができる。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。
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、内輪片同士をボルト結合したので、仕切板の上下流に生じる差圧に対し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。これにより、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。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。
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、内輪片同士をボルト結合したので、仕切板の上下流に生じる差圧に対し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。これにより、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。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。
また、この発明にかかる蒸気タービン仕切板によれば、上側内輪片と下側内輪片との接合面をまたぐ結合部材を各内輪片にボルト結合したので、仕切板の上下流に生じる差圧に対しも内輪が変形しにくく、結果として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。これにより、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。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。
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。
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。
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。
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。
図1は、実施例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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図2は、実施例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。
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。
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。
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。
図3は、実施例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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図5は、実施例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。
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。
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。
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。
図6は、実施例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。
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。
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。
図7は、実施例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。
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。
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。
図8は、実施例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。
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。
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。
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。
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。
以上のように、実施例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。
以上のように、本発明にかかる蒸気タービン仕切板は、蒸気タービンの生産、使用等に適している。
実施例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。
実施例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。
実施例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。
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。
実施例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。
実施例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。
実施例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。
実施例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。
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