JP4436661B2 - 蒸気タービンのノズルボックスアセンブリを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は蒸気タービンのノズルボックスアセンブリを製造する方法に関し、特に、サイクル時間を短縮し且つ製造コストを低減するという結果を得るようにノズルボックスアセンブリの構成部品を互いに溶接する方法に関する。

蒸気タービンのノズルボックスアセンブリは本質的にトーラス、ブリッジリング及びノズルという３つの部品から構成されている。これらの主要な部品は高強度・高耐熱性の鍛造品である。各々の部品は、当初、１８０°のセグメントとして形成される。２つの（上下の）同一形状の１８０°ノズルボックス半体を形成するために部品が組み立てられた（溶接された）後、蒸気タービンの環状ノズルボックスアセンブリ完成品を形成するために半体は水平中央線に沿って互いに接合される。完成した各々のノズルボックス半体は、トーラスと一体に形成された１つ以上、好ましくは２つの蒸気入口を含む。それらの入口はトーラスからタービンの回転軸に対して垂直な平面で延出し、従って、トーラス自体の平面に近接して位置している。完成したタービンにおいては、入口は適切な蒸気供給源から蒸気を受け入れ、蒸気はトーラス内部に流入する。蒸気はほぼ軸方向の流れとなるように方向を変えて、ブリッジリングの環状開口部を通って流れ、後続するバケットへ蒸気の流れを誘導するためのエーロフォイルベーンを含むノズルプレートのノズルへと流れる。ブリッジリングは、以下に説明するように、トーラスの半径方向内側及び外側の縁部に沿ってトーラスに溶接されることが理解されるであろう。ブリッジリングは、それらの縁部を互いに引き離そうとする蒸気の非常に高い圧力に抗してトーラスの縁部を互いに一体に保持するためのバットレスとして機能する。ノズルプレートはブリッジリングのトーラスとは反対の側に溶接される。

従来のノズルボックスアセンブリを形成する製造方法では、４ヶ所の主な溶接部が必要であった。第１及び第２の溶接部は、トーラスとブリッジリングを互いに固着するために、それらの部品の縁部の間の内側半径及び外側半径に形成される。第３及び第４の溶接部も、ブリッジリングとノズルプレートを互いに固着するために、ブリッジリングとノズルプレートの間にそれぞれの内側半径及び外側半径に沿って形成される。ブリッジリングのトーラスとは反対の側には、元々、余分な金属部分が設けられている。この余分な金属部分は鍛造トーラスの開口部をふさいでいるだけでなく、溶接工程の間の熱歪みを最小にするために余剰塊としても機能する。この金属の余剰塊は後にブリッジリングの開口部から機械加工されて、トーラスからブリッジリングを貫通する半円形の開口部があけられる。

最初に、余分な金属塊を付けたブリッジリングは、トーラスに対してブリッジリングを位置合わせするテーパ面でトーラスに嵌合される。しかし、嵌合前に、ブリッジリング及びトーラスの縁部の各々で内側半径及び外側半径に沿って溶接準備が実行され、その溶接準備部分が平坦で、水平且つ正確であり、溶接の条件に適合していることを保証するために検査が行われる。ブリッジリングとトーラスが組み立てられ、互いにクランプされると、このサブアセンブリは約４５０〜５００°Ｆまで予熱される。部品が所望の温度を確実に得るように、予熱温度は監視される。溶接準備部分の妥当性検査が実行され、トーラス及びブリッジリングが予熱された後、ルートパスにおいてブリッジリング及びトーラスの突き合わせ部分を消耗するために、小径電極ＴＩＧ溶接方法が使用される。すなわち、第１のルートパスは、それら２つの部品が分離線を形成することなく一体になり、均質な１つの構造を形成するように、隣接する金属を溶融させる。手持ちＴＩＧ溶接トーチによる追加のパスは、最終溶接の母材を成す材料を更に追加する。溶接材料が大きく盛り上げられると、溶接方法は溶接材料の盛り上げが急速に行われる、大量の溶接材料を付着させるためのサブマージアーク溶接に切り替えられる。この溶接方法を通して、予熱温度は維持される。溶接が終了したアセンブリは、材料を冷却させることなく直ちに所定の時間フレームにわたり応力除去オーブン内に挿入される。特に、溶接されたトーラスとブリッジリングは不活性ガス炉内に挿入され、温度は１２００°Ｆ以上に上げられ、その後の冷却速度は制御される。このようにして完成し、冷却されたサブアセンブリは、次に、溶接部の一体性を確認するためにＸ線を照射される。

溶接部がＸ線試験に合格したと想定すると、ブリッジリングの余分な金属塊は、その後、機械加工され、それにより、ヒートシンクが除去され、トーラスに開口部が形成される。次に、トーラス−ブリッジリングサブアセンブリと、ノズルプレートは同様の手順を利用して内側半径及び外側半径に沿って互いに溶接される。例えば、ブリッジリング及びノズルプレートの溶接準備が実行され、その妥当性が検査され、部品は互いに整列され、クランプされる。クランプされたアセンブリは約４５０°Ｆに予熱され、ルートを消耗して、均質のアセンブリを形成するために、ＴＩＧ溶接により第１のルートパスが実行される。手持ちＴＩＧトーチを使用する追加の３回又は４回のパスは母材を盛り上げ、その溶接工程に続いて、溶接材料を更に急速に追加するサブマージアーク溶接が実行される。アセンブリは応力除去され、Ｘ線を照射され、機械仕上げされる。

時間及び人件費の問題を別として、以上説明した方法には、溶接準備及びトーラスとブリッジリングを接合するための溶接機械の使用に関連する独自の問題がある。トーラスにある入口スナウトは、通常は溶接工程の妨げとなる突起部分を含む。特に、それらの突起部分はブリッジリングとトーラスの間の半径方向外側の溶接部への溶接工具の侵入を許さない。工具の操作を可能にするために、ブリッジリングとトーラスの溶接が可能になるように、入口スナウト材料の一部が除去される。溶接が完了すると、先に取り除かれていたスナウト材料を溶接によりトーラスに復元する。このような材料の除去と、その後の材料の復元のために、相当の時間と人件費が必要とされていた。
米国特許 ５３９２５１３号明細書 米国特許 ６１９６７９３号明細書 米国特許 ６６３１８５８号明細書

従って、蒸気タービンのノズルボックスアセンブリを形成するための上述の溶接手順は長く、時間がかかり、非常にコスト高であった。トーラスとブリッジリングの溶接及びノズルプレートとブリッジリングの溶接は必然的に異なる時点で実行されることになり、ノズルプレートとブリッジリングの溶接はトーラスとブリッジリングの溶接が終了した後でなければ行えない。そのため、従来の組み立て手順は、最終的に完成したノズルボックスアセンブリを製造するために、４回の溶接準備、２回の予熱、４回の溶接、２回の応力除去、２回のＸ線照射及び２回のヘビーデューティ機械加工を必要としていた。その結果、ノズルボックスアセンブリの製造には約１年の時間を要し、極めて熟練した溶接工及び機械工を採用する場合が多かった。

本発明の好ましい一実施例によれば、トーラス、ブリッジリング及びノズルを組み立てて、最終的なノズルボックスアセンブリを形成するために、主要な溶接部を２ヶ所しか利用せず、２回の溶接準備、１回の予熱、１回の応力除去、１回のＸ線照射及び１回のヘビーデューティ機械加工のみで済むようにしたことにより、相当に大きな時間の節約、従って、コストの節減が実現される。２ヶ所の主要な溶接部は内側半径及び外側半径にそれぞれ沿って存在し、トーラス、ブリッジリング及びノズルプレートを直接に接合して、一定で均質なアセンブリを形成する。更に、ブリッジリングをトーラスに溶接した後、それらをノズルプレートに固着する前に実行されていた、ブリッジリングから余分な金属の塊を除去する工程は完全に排除されている。また、トーラスの内側半径及び外側半径の各々に内側に向いた面又は折り返しを形成するように、トーラスはその内側半径及び外側半径の縁部で変形されている。従って、トーラスの溶接準備領域は縁部に沿ってトーラス開口部に向かって内側にテーパしている。ブリッジリングの厚さは減少され、以前に採用されていた余分な金属材料の塊は完全に排除されている。ブリッジリングには、トーラス及びノズルプレートとそれぞれ嵌合するために、対向する環状縁部に沿って頑丈な位置決め嵌合部が設けられている。更に、トーラスのスナウトに隣接する単一の外側溶接準備領域で溶接工具の操作を更に容易にするために、ブリッジリングに隣接するノズルプレートの外側半径のテーパは相当に大きくなっている。これにより、溶接準備領域への溶接工具の侵入を可能にするためにスナウト材料を除去し、溶接が完了した後に材料を復元していた従来の作業は不要になる。

本発明の好ましい一実施例に従ってノズルボックスアセンブリを製造するために、ノズルプレート及びトーラスの縁部で溶接準備が実行される。ブリッジリングはトーラスの開口部の周囲に嵌合され、ノズルプレートは精密嵌合によってブリッジリングに嵌合される。次に、アセンブリは溶接準備のために互いに密接にクランプされる。溶接手順は、従来の４ヶ所ではなく、わずか２ヶ所で主要な溶接が必要であるという点を除いて、先に従来のノズルボックスアセンブリに関して説明した溶接手順と同様である。従って、クランプが完了すると、組み立てられた３つの部品は約４５０°Ｆに予熱され、嵌合部分で金属を接合するためにルート溶接パスが実行され、溶接材料を盛り上げるために追加のパスが実行される。溶接材料が大きく盛り上げられると、急速に溶接材料を付着させることができるように、サブマージアークＴＩＧ溶接方法が採用される。溶接が完了した後、アセンブリは最初に冷却されることなく応力除去され、続いて、Ｘ線検査及び最終機械加工が実行される。

本発明による好ましい一実施例では、タービンのノズルボックスアセンブリ半体を製造する方法であって、（ａ）トーラス、ブリッジリング及びノズルプレートの弓形セグメントを用意する工程と、 （ｂ）ブリッジリングセグメントがトーラスセグメントとノズルプレートセグメントの間に位置するように、トーラスセグメントとブリッジリングセグメントを互いにクランプし且つブリッジリングセグメントとノズルプレートセグメントを互いにクランプする工程と、（ｃ）ノズルプレートセグメント、ブリッジリングセグメント及びトーラスセグメントをブリッジリングセグメントを間に挟むように互いに直接に接合するために、アセンブリの内側半径及び外側半径に沿って、ブリッジリングセグメントの上に重なるように溶接する工程から成る方法が提供される。

本発明による別の好ましい実施例においては、タービンのノズルボックスアセンブリ半体を製造する方法であって、（ａ）トーラス、ブリッジリング及びノズルプレートの半円形セグメントを用意する工程と、（ｂ）ブリッジリングセグメントがトーラスセグメントとノズルプレートセグメントの間に位置するようにトーラスセグメントとブリッジリングセグメントを互いに嵌合し且つブリッジリングセグメントとノズルプレートセグメントを互いに嵌合する工程と、（ｃ）ノズルプレートセグメント、ブリッジリングセグメント及びトーラスセグメントをブリッジリングセグメントを間に挟むように直接に接合するために、アセンブリの内側半径及び外側半径に沿って、ブリッジリングセグメントの上に重なるように溶接材料を塗布する工程から成る方法が提供される。

そこで図面、特に図１を参照すると、全体を図中符号１０で示されるノズルボックスアセンブリの一方の半体が示されている。この半体は上部半体１１又は下部半体１３のいずれであっても良い。図示されているように、各ノズルボックス半体はトーラス１２、ブリッジリング１４及びノズル１６それぞれの部分を含む。完成したノズルボックスアセンブリにおいては、ノズルボックスアセンブリ半体ごとにトーラス、ブリッジリング及びノズルの各部分は互いに溶接されて、本質的に一体構造を形成している。トーラス１２と一体の鍛造物の一部を形成する複数の蒸気入口１８も示されている。図示されているノズルボックスアセンブリ半体１１は水平中央線に沿って同様のノズルボックスアセンブリ半体と接合されることにより、それら２つのノズルボックスアセンブリ半体は４つの蒸気入口と、トーラスと、ノズルと、ブリッジリングが完全な３６０°を成す完成したノズルボックスアセンブリを形成することが理解されるであろう。

先に述べたように、図２を参照すると、ノズルボックスアセンブリを組み立てる従来の方法はトーラス半体及びブリッジリング半体を半円形構成で嵌合することを含み、図２に示すように、ブリッジリングは、溶接後に除去されるが、溶接工程の間はヒートシンクを形成する別の金属の塊２０を有する。ブリッジリング半体とトーラス半体はテーパ形状の面で互いに嵌合される。図２を検討するとわかるように、トーラス半体１２とブリッジリング半体１４の、内側半径２２及び外側半径２４に沿った面で、溶接準備２５及び２７が実行されている。クランプが終了した後、トーラス半体とブリッジリング半体のアセンブリは約４５０〜５００°Ｆまで予熱され、ルートパスにおいてブリッジリング半体とトーラス半体の突き合わせ部分の金属を消耗するために小径電極ＴＩＧ溶接方法が使用される。手持ちＴＩＧ溶接トーチによる追加のパスは更に溶接材料を追加し、内側半径２２及び外側半径２４に沿って２つの溶接部を完成するように溶接材料を大量に付着させるために、サブマージアーク溶接が使用される。その後、溶接部は応力除去され、冷却され、溶接部の一体性を確認するためにＸ線を照射される。その後、図３に示すように、ブリッジリング半体の余分の材料２０が除去され、ブリッジリング半体１４の、内側溶接部２６及び外側溶接部２８によりトーラス１２に溶接された部分が残される。図示の便宜上、図２から図７においてはトーラス、ブリッジリング及びノズルの半体、並びにそれらの間の溶接部は横断面で示されている。しかし、従来の技術によるアセンブリ半体及び本発明による完成後のアセンブリは当初の材料及び溶接部に差異のない全く一体の構造であることが理解されるであろう。

次に、図４に示すように、ノズル半体１６はブリッジリング半体１４に嵌合される。この場合にも、ブリッジリング半体１４及びノズル半体１６の、内側半径及び外側半径に沿った半径方向内側の面及び半径方向外側の面で、溶接準備が実行される。従って、ノズル半体の面３０及び３２と、ブリッジリング半体の面３４及び３６で溶接の準備がなされる。準備が完了すると、ノズル半体とブリッジリング半体を互いに溶接するために、トーラス半体とブリッジリング半体を互いに溶接した手順と同様の手順が実行される。ノズルボックスの内側半径及び外側変形に沿って溶接部３８及び４０を形成するために、まず、ルートパスが実行され、その後、手持ちＴＩＧトーチにより数回の溶接パスが実行され、最後に、溶接材料を急速に付着させるためのサブマージアーク溶接が実行される。更に、予熱工程、応力除去工程及び冷却工程も同様に実行される。

次に図５を参照すると、本発明の好ましい一実施例に従って、溶接前の組み立ての際に互いに嵌合されたトーラス４０、ブリッジリング４２及びノズル４４の半体から構成されるノズルボックスアセンブリが示されている。従来のノズルボックスアセンブリの場合と同様に、トーラスセグメント、ブリッジリングセグメント及びノズルセグメント、すなわち、それらの半体４０、４２及び４４の各々は強度の高い鋼鍛造品から形成されている。しかし、この形態では、トーラス半体４０の縁部４６はトーラス半体４０の内部に向かって傾斜する半環形の面を形成するように鍛造されている。ブリッジリング半体４２は従来必要とされていた重い金属の塊を含んでおらず、従って、半径方向内側と外側の傾斜した側壁の間に半円形の開口部を有する、半円形の形状である。ノズル半体４８は、外側半径に沿った半円形の内側縁部４８が以下に説明する理由により比較的鋭角の半環形の面に形成されていることを除いて、従来のノズル半体１６に類似している。トーラス半体、ブリッジリング半体及びノズル半体は互いに嵌合され、クランプされるので、完成形のノズルボックスアセンブリを製造するために要求される主な溶接部はわずか２つであることが図５を見ることにより理解されるであろう。一方の溶接部は内側半径５０に沿っており、他方の溶接部は外側半径５２に沿っている。従って、従来のノズルボックス構造で必要とされていた４ヶ所の溶接準備と比較して、必要な溶接準備はわずか２ヶ所であることが理解されるであろう。また、ブリッジリング半体は以前必要とされていた追加の金属材料の塊なしに鍛造されているため、ブリッジリング半体を更に機械加工する必要はないことも理解されるであろう。ノズル半体の縁部４８も急な傾斜を成して曲がっている。外側半径に沿って縁部４８を急角度で形成することにより、溶接工具をより容易に操作することが可能になる。以前は、突き出た材料を溶接前に取り除いておき、溶接後に再び付け足さなければならなかったことが思い起こされるであろう。この材料除去は溶接工具を操作するために必要であった。溶接前にトーラス半体から材料を取り除き、溶接後にはノズルに材料を付け足す必要をなくしたことにより、時間と費用の相当に大きな節約が実現された。更に、トーラス半体、ブリッジリング半体及びノズル半体は、アセンブリを互いにかみ合わせる精密機械円形嵌合によって図５に示すように嵌合される。それらの精密嵌合は溶接時に上記の構成要素を整列させ、位置決めする。図５に示すように、嵌合後、３つの部品は溶接のために適切な取り付け具（図示せず）を使用して互いにクランプされる。

トーラス半体、ブリッジリング半体及びノズル半体を互いに溶接するために、まず、クランプされたアセンブリは約４５０〜５００°Ｆに予熱される。金属が予熱温度まで加熱されると、金属を消耗して、トーラス半体とブリッジリング半体の間、並びに同様にブリッジリング半体とノズル半体の間に均質な接合部を形成するために、第１のルートパスがＴＩＧ溶接により実行される。好ましくは手持ちＴＩＧトーチを使用して、更に溶接材料を付着させるための追加のパスが実行される。十分な材料が盛り上げられると、溶接方法は更に多くの溶接材料を付着させる方法に切り替えられ、サブマージタングステンアーク溶接が使用されるのが好ましい。その結果、トーラス半体と、ブリッジリング半体と、ノズル半体の間の内側半径間隙及び外側半径間隙に溶接材料が盛り上げられる。内側半径５０及び外側半径５２に沿った２つの溶接部の各々に沿って溶接材料６０が完全に付着されると、アセンブリは応力除去され、Ｘ線を照射され、機械仕上げされる。図６及び図７の横断面の斜線は単なる図示の便宜上示されているにすぎず、最終的に完成したノズルボックスアセンブリ半体は以上説明し且つ図示した形状の金属の均質な塊であることが理解されるであろう。

図７を参照すると、トーラス７０、ブリッジリング７２及びノズル７４の半体の同様の嵌合状態が示されている。図６との相違点は、ブリッジリング及びノズルの半体の形態が異なるところにある。しかし、溶接手順は先に図５及び図６に示される実施例に関して説明した溶接手順と同じである。この場合にも、アセンブリの様々な部品を識別するために斜線が使用されているが、最終的に完成したアセンブリは金属から成る全く一体の均質な塊である。

本発明を最も実用的で好ましい実施例であると現時点で考えられるものに関連して説明したが、本発明は開示された実施例に限定されず、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の好ましい一実施例に従って構成された蒸気タービンのノズルボックスアセンブリの一方の半体の斜視図。 溶接のための従来のトーラス及びブリッジリングの嵌合状態の概略図。 従来のトーラスとブリッジリングを溶接する方法における別の工程を示す図２に類似する図。 従来のノズルとブリッジリングを互いに溶接する別の工程を示す図２に類似する図。 溶接前の本発明によるトーラス、ブリッジリング及びノズルの嵌合状態を示す概略図。 溶接完了後の図５に類似する図。 図５の場合と同様の嵌合及び溶接手順を採用する異なる形態のブリッジリング及びノズルを示す図５に類似する図。

符号の説明

４０…トーラス半体、４２…ブリッジリング半体、４４…ノズル半体、５０…内側半径、５２…外側半径、６０…溶接材料、７０…トーラス、７２…ブリッジリング、７４…ノズル

Claims (10)

1. タービンのノズルボックスアセンブリ半体を製造する方法において、
   トーラス（４０）、ブリッジリング（４２）及びノズルプレート（４４）の弓形セグメントを用意する工程（ａ）と、
   前記ブリッジリングセグメントが前記トーラスセグメントと前記ノズルプレートセグメントの間に位置するように、前記トーラスセグメントと前記ブリッジリングセグメントを互いにクランプし且つ前記ブリッジリングセグメントと前記ノズルプレートセグメントを互いにクランプする工程（ｂ）と、
   前記ブリッジリングセグメントを間に挟むように互いに直接に接合するために、前記ノズルプレートセグメント、前記ブリッジリングセグメント及び前記トーラスセグメントをアセンブリの内側半径及び外側半径（５０、５２）に沿って、前記ブリッジリングセグメントの上に重なるように溶接（６０）する工程（ｃ）と
   から成る方法。
2. 前記クランプする工程（ｂ）は、前記ブリッジリングセグメントを面取り嵌合部に沿って前記トーラスセグメント及び前記ノズルプレートセグメントに嵌合することを含む請求項１記載の方法。
3. 前記溶接する工程（ｃ）の前に前記トーラスセグメント、前記ブリッジリングセグメント及び前記ノズルプレートセグメントを一体にクランプし、クランプされたセグメントを予熱することを含む請求項１記載の方法。
4. 前記溶接する工程（ｃ）の前に前記トーラスセグメント及び前記ノズルプレートセグメントの縁部で溶接準備を実行することを含む請求項１記載の方法。
5. 前記溶接する工程（ｃ）の前に前記トーラスセグメント、前記ブリッジリングセグメント及び前記ノズルプレートセグメントの接合部でそれらのセグメントの材料を消耗するために初期ルートパス溶接を実行することを含む請求項１記載の方法。
6. 前記溶接する工程（ｃ）の前にクランプされたセグメントを予熱することと、前記溶接する工程（ｃ）の前に前記トーラスセグメント及び前記ノズルプレートセグメントの縁部で溶接準備を実行することを含む請求項１記載の方法。
7. 前記トーラスセグメントに沿って、前記トーラスセグメントの内部に向かって内側へ傾斜する縁部を形成することを含む請求項１記載の方法。
8. タービンのノズルボックスアセンブリ半体を製造する方法において、
   トーラス（４０）、ブリッジリング（４２）及びノズルプレート（４４）の半円形セグメントを用意する工程（ａ）と、
   前記ブリッジリングセグメントが前記トーラスセグメントと前記ノズルプレートセグメントの間に位置するように前記トーラスセグメントと前記ブリッジリングセグメントを互いに嵌合し且つ前記ブリッジリングセグメントと前記ノズルプレートセグメントを互いに嵌合する工程（ｂ）と、
   前記ノズルプレートセグメント、前記ブリッジリングセグメント及び前記トーラスセグメントを前記ブリッジリングセグメントを間に挟むように直接に接合するために、アセンブリの内側半径及び外側半径（５０、５２）に沿って、前記ブリッジリングセグメントの上に重なるように溶接材料（６０）を塗布する工程（ｃ）と
   から成る方法。
9. 前記溶接材料を塗布する工程（ｃ）の前に前記トーラスセグメント、前記ブリッジリングセグメント及び前記ノズルプレートセグメントを互いにクランプし、クランプされたセグメントを予熱することと、前記溶接材料を塗布する工程（ｃ）の前に前記トーラスセグメント及び前記ノズルプレートセグメントの縁部で溶接準備を実行することを含む請求項８記載の方法。
10. 前記トーラスセグメントに沿って、前記トーラスセグメントの内部に向かって内側へ傾斜する縁部を形成することを含む請求項８記載の方法。

Images