JP4217001B2 - 流体機械のハウジング - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、流体機械における、特に軸封装置用の第１の鋳造金属材料から成る構成部分に関する。この構成部分は、機械軸線に沿って延び、少なくとも局部的に機械軸線に対して円周方向に延びる内側面、外部範囲に面している外側面並びに第２の金属材料から成る流体案内管を有している。
【０００２】
国際特許出願公開第ＷＯ９７／０４２１８号明細書に、流体機械、特に蒸気タービンにおける排気室に対する構成部分およびこの排気室内に配置された軸受に対する構成部分が記載されている。その構成部分は一体に鋳造され、排気室部分および／又は軸受を収容するための軸受部分並びに少なくとも１つの支持腕を備えた支持装置を有している。その構成部分は、排気室部分、支持腕および軸受部分を貫通して延び、構成部分に鋳造接合された配管を有している。その構成部分は鋳鉄材料、好適には球状黒鉛鋳鉄から成っている。その配管は、好適には、鋼で作られている。そこに記載された配管は、単一管から成る単純な配管、あるいは外側管とこの外側管内に置かれこの外側管に対して絶縁された内側管とから成る支持腕内における絶縁配管である。その絶縁配管は高温流体を軸封装置に導入するために、あるいは高温流体を軸封装置から排出するために使われる。その高温流体は、例えば密封目的で軸受に導入される封じ蒸気、あるいは軸受から漏れ、場合によっては空気および／又は油蒸気で汚染され、排出しなければならない漏れ蒸気である。国際特許出願公開第ＷＯ９７／０４２１８号明細書における構成部分は、軸受への流体の供給およびそこからの排出にとって必要な供給管および排出管に関して有用な空間を、流体機械の流れ媒体の流れがほとんど害されないようにするために、できるだけ良好に利用し尽すように、できるだけ安価に用意することを目的として形成されている。
【０００３】
米国特許第５３９２６０９号明細書に、高圧の可燃性ガスの圧力を減少する方法と装置が記載されている。その装置は軸に対する密封装置を有し、その密封装置に、周囲に連通した環状溝が設けられ、この環状溝を通して可燃性ガスが排出される。更にその密封装置には、軸を包囲し、空気あるいは不活性ガスを導入する空間範囲が接続されている。
【０００４】
ドイツ特許出願公開第１８１７０１２号明細書に、多数の隙間シール装置を備えた、圧縮性流体作動機械に対する軸封装置が記載されている。その軸封装置は封じ蒸気の導入管を利用している。その封じ蒸気は、高圧蒸気タービンに対する通常の絞り弁あるいは遮断弁の手前の場所で取り出される。
【０００５】
本発明の課題は、そこを通して外側範囲から内側面に向けて流体を導入できるか、あるいはその逆に内側面から外側範囲に流体を排出できるような、流体機械における、特に軸封装置用の構成部分を提供することにある。
【０００６】
本発明によれば、この課題は冒頭に述べた形式の構成部分において、第１の金属材料に、少なくとも局部的に円周方向に延びる流体ガイドが設けられ、この流体ガイドが内側面に向いて開き、流体的に流体案内管に接続され、その流体案内管が内側面を流体的に外側範囲に接続していることによって解決される。流体案内管は第１の金属材料に鋳造接合されていることが有利である。
【０００７】
この流体ガイドは、複数の開口あるいは特に１つのスリットを介して内側面に接続され、特に流体ガイドは、それ自体がスリット状あるいは溝状に形成され、例えば環状室として形成される。この流体ガイドは第１の金属材料に、好適には機械的な、例えばフライス加工、旋盤加工あるいは浸食加工によって、並びに場合によっては化学的な、例えばエッチングによって設けられる。内側面との流体的な接続を形成している少なくとも局部的に円周方向に延びる流体ガイドによって、流体を供給あるいは排出するために外側範囲に連通している環状室の一部が簡単な方法で形成される。円周方向に延びる流体ガイドは半リングを形成していることが有利であり、その場合、軸を包囲する２つの構成部分を組み合わせることによって、軸を完全に包囲するリングが形成される。
【０００８】
第１の金属材料に、機械的あるいは化学的方法で流体ガイドを形成することによって、この流体ガイドは鋳造接合された流体案内管に、流体的に直接接続される。従ってその流体案内管は、溶接継目なしに、幾何学的に簡単に且つ単一品で作れる。流体案内管を第１の金属材料に鋳造接合する際に、流体案内管に鋳物材料が侵入する恐れがあるが、これは、特に、流体案内管として継目なし管を利用することによって防止される。この流体ガイドを利用することによって、適当に湾曲した流体案内管、特に供給ないし排出にだけ使用され継目なしに作られる管を採用することができる。この場合、必要な流れ開口断面積に応じて、１本あるいは２本以上の流体案内管が利用される。流体案内管との流体的な接続は、第１の金属材料の鋳造後に、流体ガイドの加工によって直接行われる。
【０００９】
流体案内管が外側面から外側範囲に突出していることが有利である。これによって、構成部分の外で、流体案内管を流体の供給装置あるいは排出装置に簡単に接続することができる。このために、第２の金属材料は、好適には、良好に溶接可能であり、特に鋼から成っている。この結果、流体案内管を供給装置あるいは排出装置に溶接することによって、簡単に気密結合することができる。流体案内管は、構成部分の外側に、気密結合用のフランジなども有しているとよい。これに伴ない、例えば管の形をし、鋳造接合された流体案内管に直接溶接できるので、特に配管接続に対する機械加工が省かれ、かなりの経費節減が可能である。第２の金属材料から成る流体案内管を、球状黒鉛鋳鉄（ノジュラー鋳鉄とも呼ぶ）から成る第１の金属材料に鋳造接合することによって、外側範囲から内側面への流体の導入路およびその逆に内側面から外側範囲への流体の排出路が簡単に作れる。特にこれによって、一部不十分な強度を持つ球状黒鉛鋳鉄に配管を溶接するという問題は回避される。
【００１０】
ここで球状黒鉛鋳鉄とは、固体状態において金属母材内にほぼ球状の黒鉛析出物が存在すると言う特徴を持った鋳鉄材料を意味する。従ってこの鋳鉄材料は、片状黒鉛析出物を有する通常の鋳鉄と区別される。球状黒鉛鋳鉄は、特に鋳造性が良いという特徴を有する。また、球状黒鉛鋳鉄は安価に切削加工することができる。従って、構成部分と他の構成要素との接触面を所定の寸法精度に形成することができる。
【００１１】
第１の金属材料に鋳造接合すべき第２の金属材料は鋼であることが有利であり、即ち、鋳鉄材料に比べて炭素含有量がかなり少なく、これに伴って延性が大きく、高い融点を持つという特徴を有する鉄材料であることが有利である。一般に、鋼は鋳鉄材料より２００℃だけ高い温度ではじめて溶ける。これは、鋼管を構成部分に鋳造接合する際、即ち構成部分を鋳造するために用意された鋳型に組み込み、液状鋳鉄材料注型したときに、鋼管が溶けないことを意味する。この鋼管は、非常に高い温度に曝されるために、その形状安定性が害される恐れがある。しかしこれは、鋼管の中に砂あるいは他の適当な充填物、特に後で融解できる充填物を詰め込むことによって防止できる。構成部分の用途に応じて、鋳鉄材料および鋼の目的を考慮に入れて決められた元素が混ぜられ合金される。溶接可能な鋼として、例えばＳＴ３７鋼として知られている鋼が利用される。
【００１２】
流体案内管（配管セグメント）および／又は流体ガイドは、好適には、パイプであり、また５ｍｍを超える壁厚、特に８〜１２ｍｍの壁厚を有していることが有利である。流体案内管はこれが構成部分に鋳造接合される前に、その外周面にリブあるいは類似した隆起部を有しているとよい。このリブは高温溶融鋳鉄材料と接触した際に溶け、これによって流体案内管と第１の鋳造金属材料との良好な結合および気密性が保証される。このリブは、例えば２０ｍｍの高さを有している。
【００１３】
この構成部分は、好適には、半殻状タービン車室の構成要素、特に蒸気タービンの外部車室である。この構成部分は、タービン車室を組み合わせた後、軸封装置の範囲においてタービン軸を包囲する。その場合好適には、流体ガイドと流体案内管とを含む１つの流体案内装置が漏れ蒸気を排出するために使われ、もう１つの流体案内装置が封じ蒸気を導入するために使われる。封じ蒸気を導入するための流体案内装置には、約１０５０ｈＰａの圧力（軽い正圧）が形成され、漏れ蒸気を排出するための流体案内装置には、約１０００ｈＰａの僅かな負圧が形成される。これによって、軸封装置の気密性および漏れ蒸気の吸引性が保証される。
【００１４】
流体案内管は、好適には、流体を搬送するための単純な配管である。この流体は流体機械を貫流する流体とほぼ同じ温度を有しているので、これらの流体の温度差では、ほとんど熱応力は生じない。
【００１５】
好適には、冒頭に述べた形式の構成部分に対して、流体ガイドと配管セグメントとも呼ばれる流体案内管とを備えた流体案内装置が設けられている。この流体案内装置は内側面に流体的に接続され、その場合、流体ガイドは少なくとも局部的に円周方向に延び、内側面との流体的な接続を形成するために、少なくとも１つの開口、特にスリットを有している。
【００１６】
そのスリットは、好適には、鋳造後に機械的に例えば旋盤加工、フライス盤加工によって作られる。流体ガイドはパイプとして形成されていることが有利である。この流体ガイドは、好適には、第１の金属材料と異なり、必要に応じて流体案内管用の第２の材料と一致する材料によって形成されている。流体ガイドは第１の金属材料に鋳造接合されていることが有利である。
【００１７】
円周方向に延びる流体ガイドは、内側面との流体的な接続を形成している。この流体ガイドは簡単な様式で環状室の一部を形成し、他の機械加工を必要としない。従来と異なって、軸封装置に対する環状室は、軸を包囲するハウジングに直接鋳造接合して設けられるか、あるいは機械加工して設けられる。円周方向に延びる流体ガイドを備えた構成部分は、構造的に明らかに単純な形状をしている。これは、リングあるいはブッシュを組み込むことによって形成される環状室と比較するときにも当てはまる。円周方向に延びる流体ガイドは、好適には、半リングを形成し、軸を包囲する２つの構成部分を組み合わせることによって、軸を完全に包囲するリングが形成される。
【００１８】
以下図に示した実施例を参照して、本発明に基づく構成部分を詳細に説明する。各図において、同一部分には同一符号が付されている。
【００１９】
図１には流体機械１１、特に中圧蒸気タービンが示されている。この蒸気タービン１１は軸線８に沿って延びるタービン軸１５、このタービン軸１５を包囲する内部車室１４およびこの内部車室１４を包囲するタービン車室（外部車室）１０を有している。蒸気タービン１１は双流形に形成され、それに応じて蒸気入口、蒸気出口、タービン静翼およびタービン動翼は、当該技術者において周知のように構成されている。これらの構成要素について、ここでは詳述しない。タービン車室１０は、上下の車室半部を組み合わせることで形成されている。このタービン車室１０は軸線８の方向における両端に、それぞれ軸封装置９並びに封じ蒸気を導入するためおよび漏れ蒸気を排出するための構成部分１を有している。この構成部分１は鋳造タービン車室１０と一体の構造部品であり、タービン軸１５に接する内側面２と、外部車室１０の一部を成す外側範囲１６に隣接する外側面３とを有している。更にこの構成部分１は、半リング状室として形成された２つの流体ガイド４Ａ、４Ｂを有している。これらの流体ガイド４Ａ、４Ｂは互いに軸方向に間隔を隔てて、それぞれ半円形の溝として形成されている（第１の実施例を示した図２および図３、第２の実施例を示した図５〜図８参照）。
【００２０】
第１の実施例において、各流体ガイド４Ａ、４Ｂは、構成部分１の内側面２にスリット状に形成され、タービン軸１５に向いて開いている。各流体ガイド４Ａ、４Ｂは特に、構成部分１の鋳造後に、後から例えば旋盤加工あるいはフライス盤加工によって機械加工される。軸封装置９の範囲においてタービン車室１０とタービン軸１５との間に、流体ガイド４Ａを通して封じ蒸気が導入される。このために、流体ガイド４Ａは２本の流体案内管５に流体的に接続されている（図２および図３参照）。これらの流体案内管５は外側範囲１６の中に突出している。また流体ガイド４Ｂを通して漏れ蒸気が吸引して排出される。この場合、流体ガイド４Ｂは１本の流体案内管６を介して外側範囲１６に流体的に接続されている（図２および図３参照）。各流体ガイド４Ａ、４Ｂは、これらに流体的に接続されている流体案内管５、６と共に、流体をタービン軸１５に向けて導入するためないしは外側範囲１６から流体を排出するための流体案内装置を形成している。
【００２１】
更に、本発明に基づく構成部分１は、第２の実施例において、互いに軸方向に間隔を隔てて、それぞれ半円形の流体ガイド４Ａ、４Ｂを有している（図５参照）。円環状に形成された流体ガイド４Ａ、４Ｂは円周方向に延び、タービン軸１５に面するスリット７を有している。このスリット７は、好適には、鋳造後に機械加工される。一方の流体案内装置４Ａ、５のスリット７を通して、軸封装置９の範囲において、タービン車室１０とタービン軸１５との間に封じ蒸気が導入される。他方の流体案内装置４Ｂ、６のスリット７を通して、漏れ蒸気が吸引して排出される。
【００２２】
図２には、封じ蒸気を導入ないし排出するための流体ガイド４Ａと流体案内管５とから成る流体案内装置、並びに、漏れ蒸気を排出するための流体ガイド４Ｂと流体案内管６とから成る流体案内装置が、斜視図で示されている。それらの流体ガイド４Ａおよび流体案内管５、６は、長手方向に分割したタービン車室１０の上下車室半部の構成部分１に鋳造接合されている。流体案内管５、６は半径方向外側に向いて延び、供給装置あるいは排出装置（図示せず）との溶接結合が簡単にできる程度に、構成部分１から突出している。半リング状に溝として形成された流体ガイド４Ａ、４Ｂは、スリット状にタービン軸１５に面して開いている。
【００２３】
流体案内管６は両流体案内管５の間に配置されている。流体案内管５は、タービン車室１０の上下両半部の図示しない接合個所の範囲で、流体ガイド４Ａに流体的に接続されている。流体案内管６は、測地学的に流体ガイド４Ｂの最も低い部位で、この流体ガイド４Ｂに接続されている。これによって、漏れ蒸気は容易に排出される。流体案内管５はそれぞれ継目なし管として形成されている。これは流体案内管６にも当てはまる。流体案内管６は図２においては直管として形成され、図３においてはＵ形管として形成され、この場合、流体ガイド４Ｂとの流体的な接続は、Ｕ形管の頂点部位においてスリットによって行われている。
【００２４】
図４には、流体案内管５の一部が縦断面図で示されている。流体案内管５は単純な管部材として作られ、その外周面１２に円周方向に延びるリング（リブ）１３が溶接されている。このリング１３の外周縁は、構成部分１の鋳造すべき第１の金属材料と溶け合う、環状に延び、尖った部分となっている。流体案内管６も同様に作られる。
【００２５】
流体案内管５、６は、好適には、鋼から成っている。これらの流体案内管５、６は、構成部分１を製造する際、この構成部分１を鋳造する前にその鋳型の中に組み込まれ、鋳鉄材料の鋳物で包み込まれることによって、鋳造接合される。鋼の融点は通常鋳鉄の融点よりかなり高いので、この鋳造過程中に、流体案内管５、６は溶けない。流体案内管５、６が曲がったり、ゆがんだりすることを防止するために、流体案内管５、６の中には、鋳造前に適当な材料、特に砂が詰め込まれ、中子取に固定される。タービン車室１０の一体構造部品である構成部分１を鋳造するために、あらゆる公知の成形法および鋳造法が利用できる。砂型鋳造法で鋳造すること、即ち鋳型を砂で形成し、このように形成した鋳型の中に鋳鉄材料を注ぎ込む方法で製造することが、安価であり、従って有利である。
【００２６】
流体案内管５、６の鋳造接合後に、構成部分１に、それぞれ少なくとも１つの流体案内管５ないし流体案内管６に連通する半円形の溝（流体ガイド４Ａ、４Ｂ）が、機械的あるいは化学的に加工される。
【００２７】
図５には、封じ蒸気を導入ないし排出するための流体案内装置４Ａ、５および漏れ蒸気を排出するための流体案内装置４Ｂ、６が、斜視図で示されている。これらの流体案内装置も、長手方向に分割されているタービン車室１０の上下半部の構成部分１に鋳造接合されている。各流体案内装置は、それぞれ１つの配管セグメント６（漏れ蒸気の流体案内装置）ないし２つの配管セグメント５（封じ蒸気の流体案内装置）が接続された半リング状流体ガイド４Ａ、４Ｂから成っている。その配管セグメント５、６はそれぞれ半径方向に外側に延び、供給装置あるいは排出装置（図示せず）との溶接接続が簡単にできる程度に、構成部分１から突出している。半リング状流体ガイド４Ａ、４Ｂはそれぞれ円周方向に延び、タービン軸１５（図１参照）に面して向いているスリット７を有している。
【００２８】
図６には、図５における流体案内装置４Ａ、５；４Ｂ、６、詳しくはタービン車室１０の下側半部における流体案内装置４Ａ、５；４Ｂ、６が、軸方向における多層断面で示されている。配管セグメント５、６は垂線に対してそれぞれ鋭角を成して傾けられている。
【００２９】
図７には、構成部分１が、軸線８に対して平行で封じ蒸気を導入するための流体案内装置４Ａ、５を通る断面図で示されている。配管セグメント５は、これが漏れ蒸気の流体案内装置の配管セグメントと同じ軸線８に対して垂直な平面内において突出するように、僅かに湾曲して導かれている。また明らかに理解できるように、漏れ蒸気に対する流体案内装置の流体ガイド４Ｂは、断面円形の環状室を形成し、この環状室は開口７、即ちスリットを介して内側面２に通じている。
【００３０】
同じように図８には、漏れ蒸気に対する配管セグメント６を備えた流体案内装置が断面図で示されている。ここでも、流体ガイド４Ａによる流体案内装置が断面円形の室を形成していることが理解できる。配管セグメント５、６および流体ガイド４Ａ、４Ｂは１０ｃｍを超える直径を有する。
【００３１】
流体ガイド４Ａ、４Ｂおよび配管５、６は、好適には鋼から成っている。これは、既に上述したように鋳造接合されている。
【００３２】
本発明は、円周方向に湾曲した流体ガイドが、タービン軸に向けて開いて設けられているような、特に軸封装置用の構成部分における流体案内装置によって特徴づけられる。この流体ガイドに流体案内管が、好適には半径方向に延びて設けられている。この流体案内管は構成部分から突き出し、少なくともそこでは、良好に溶接できる材料、特に鋼から成っている。これに伴ない、溶接によって、供給装置あるいは排出装置に堅固で気密に結合することができる。流体案内管は、好適には、特に継目なし管であり、これによって、流体案内管への鋳造材料の侵入が防止される。好適には、この構成部分は、封じ蒸気を導入するためおよび漏れ蒸気を排出するために蒸気タービンにおいて利用される。また、例えば発電機およびポンプのような軸封装置を備えた全般的な回転機械でも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 中圧蒸気タービンの縦断面図。
【図２】 流体ガイドとそれに対応した流体案内管とから成る２つの流体案内装置を備えた本発明に基づく構成部分の斜視図。
【図３】 本発明に基づく構成部分の図２の実施例と異なった実施例の斜視図。
【図４】 流体案内管の部分縦断面図。
【図５】 流体案内装置の異なった実施例の斜視図。
【図６】 流体案内装置の図１における蒸気タービンの軸線に対して垂直な断面図。
【図７】 図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図。
【図８】 図６におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図。
【符号の説明】
１ 構成部分
２ 内側面
３ 外側面
４Ａ 流体ガイド
４Ｂ 流体ガイド
５ （封じ蒸気用）流体案内管
６ （漏れ蒸気用）流体案内管
７ スリット
８ 軸線
９ 軸封装置
１０ タービン車室（外部車室）
１２ 流体案内管の外周面
１３ リング（リブ）

Claims (15)

1. 第１の鋳造金属材料から成り、機械軸線（８）に沿って延びており、少なくとも局部的に機械軸線（８）に対して円周方向に延びる内側面（２）と、外側範囲（１６）に面している外側面（３）と、第２の金属材料から成る少なくとも１つの流体案内管（５、６）とを有する、流体機械（１１）の軸封装置（９）用の構成部分（１）において、第１の金属材料に、少なくとも局部的に、円周方向に延びる流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）が設けられ、この流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）が内側面（２）に向いて開き、流体的に前記流体案内管（５、６）に接続され、この流体案内管（５、６）が内側面（２）を流体的に外側範囲（１６）に接続しており、かつ前記流体案内管（５、６）が前記第１の金属材料に鋳造接合されていることを特徴とする流体機械における軸封装置用の構成部分。
2. 流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）が前記第１の金属材料と異なった材料から成っていることを特徴とする請求項１記載の構成部分。
3. 流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）が前記第１の金属材料に鋳造接合されていることを特徴とする請求項２記載の構成部分。
4. 流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）が管状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の構成部分。
5. 流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）が内側面（２）に向けてスリット（７）によって開いていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の構成部分。
6. 流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）が機械的および／又は化学的加工により、前記第１の金属材料に形成されていることを特徴とする請求項１記載の構成部分。
7. 流体ガイド（４）が溝状または環状室の形に形成されていることを特徴とする請求項１または６に記載の構成部分。
8. それぞれ少なくとも１つの流体案内管（５、６）に接続された２つの流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の構成部分。
9. 第１の金属材料が球状黒鉛鋳鉄であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の構成部分。
10. 第２の金属材料が鋼であり、溶接可能であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の構成部分。
11. 流体案内管（５、６）がパイプであることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の構成部分。
12. 流体案内管（５、６）および／又は流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）が、５ｍｍを超える壁厚を有していることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の構成部分。
13. 半殻状タービン車室（１０）に結合されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の構成部分。
14. 蒸気タービン（１１）において、一方の流体案内管（６）が漏れ蒸気を排出するために使われ、他方の流体案内管（５）が封じ蒸気を導入するために使われることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の構成部分。
15. 構成部分（１）を製造する際、流体案内管（５、６）および／又は流体ガイド（４Ａ、４Ｂ）として、外周面（１２）にリブ（１３）が配置された管が利用されることを特徴とする請求項１または２に記載の構成部分。

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