JP4496650B2

JP4496650B2 - 蒸気タービン

Info

Publication number: JP4496650B2
Application number: JP2001002806A
Authority: JP
Inventors: 大内田
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-01-10
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: JP2002206405A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、静翼を保持すると共に動翼の外周部との対向部に蒸気用のシール体を取り付けた静翼ホルダを備える蒸気タービンに係わり、静翼ホルダの保守間隔の延長に好適な構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンは高温・高圧の蒸気を静翼で膨張させて得られた高速の蒸気流を動翼に通流させることでタービンロータを回転させ動力を発生する装置であり、発電機の駆動源などとして使用されている。そうして、静翼と動翼とが組み合わされてなる翼段落を多段に備える蒸気タービンでは、少なくとも蒸気入口付近に位置して直径が相対的に短い静翼・動翼が用いられる高圧の翼段落部では、静翼は静翼ホルダに保持されることが一般である。このような蒸気タービンが備える高圧の翼段落部の従来例を、図２，図３を用いて説明する。ここで図２は従来例の蒸気タービンの蒸気入口付近の要部を示す側面断面図であり、図３は図２におけるＰ部の詳細断面図である。
【０００３】
図２，図３において、９は、初段の翼段落５Ａ，２段目の翼段落５Ｂおよび３段目の翼段落５Ｃのそれぞれの静翼７１が環状翼列をなして取り付けられた静翼ホルダ８と、それぞれの静翼７１と組み合わされ蒸気９９の通流方向に関して静翼７１の下流側に環状翼列をなして配設された動翼６１と、ケーシング９１とを備えた蒸気タービンである。動翼６１はタービンロータ（図示せず）にその基部（図示せず）で取り付けられ、その外周部には凸条６２が円弧状に形成されている。そうして、同一の翼段落５（以降、翼段落５Ａ〜５Ｃを総称する場合にはこのように言う）に属して環状翼列をなす動翼６１がそれぞれに持つ凸条６２は、それぞれ毎に同一の円環の一部をなす関係で形成されている。また、動翼６１の外周部の凸条６２の両側の部分は、凸条６２よりも凹んだ平坦部６３，６３となっている。
【０００４】
静翼ホルダ８はその内周部に、それぞれの翼段落５の静翼７１をその基部７２で取り付けると共に、それぞれの翼段落５の動翼６１の凸条６２が形成されている外周部と対向し合う部位には、矩形状の断面形状を持つ凹溝８１の複数がタービンロータの回転中心軸と同心の円環状に形成されている。シール体４は薄い（例えば、０．３ｍｍ前後程度）厚さでＬ字状の断面形状を持つ円環状に形成され、矩形状断面で円環状に形成された金属製のシール体用の押圧体（図示せず）を用いて凹溝８１に押圧・装着されている。すなわちシール体４の基部はＬ字の横辺に対応する部位が押圧体により凹溝８１の底部に押し当てられ、Ｌ字の横辺に対応する部位と連なるＬ字の縦辺に対応する部位は押圧体と共に凹溝８１に埋設されている。
【０００５】
それぞれの翼段落５の動翼６１の外周部と対向し合って形成される凹溝８１の個数はこの事例の場合には５個で、凸条６２と対峙し合う部位に１個が、また、それぞれの平坦部６３と対峙し合う部位には２個ずつが配設されている。そうして、凸条６２と対峙し合う部位の凹溝８１に取り付けられるシール体４の凹溝８１からの突出長は、平坦部６３と対峙し合う部位の凹溝８１に取り付けられるシール体４の突出長よりも短い。すなわち、シール体４の先端部と凸条６２およびシール体４の先端部と平坦部６３との間隔長はほぼ同等に設定されている。このような構造により、シール体４は動翼６１の外周部（凸条６２，平坦部６３が形成されている）との間で一種のラビリンスを形成し、この部位に、蒸気９９の通流を抑制する流体抵抗部であるシール部を形成する。
【０００６】
なお、静翼ホルダ８はシール体４や押圧体も含めて、蒸気タービン９の組み立て作業の必要から、半円状に２分割されている。そうして従来例の静翼ホルダ８およびシール体４の使用材料の一事例は、前者では一般的構造材である炭素鋳鋼材であり、後者ではステンレス鋼材である。なおまた、蒸気タービン９に対する前記説明において、それぞれの動翼６１の外周部に形成する凸条６２の個数は１個であり、また、シール体４の個数は凸条６２と対峙し合う個数は１個で，平坦部６３と対峙し合う個数は２個であるとしたが、これ等の個数は、適用される蒸気タービンの仕様が異なれば、その仕様に対応した最適な個数が選択されることを付言しておく。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術による蒸気タービン９は、静翼ホルダ８の内周部と動翼６１の外周部との間に蒸気９９に対するシール部を備えているので、この部位からの蒸気９９のバイパスを防止することができている。しかしながら近年になり次記することが問題点として浮上するようになり、その解決が望まれている。すなわち、
（１）静翼ホルダ８は蒸気タービン９が発電機用などの大容量機である場合にはかなり大形になり、ステンレス鋼材などの耐食性金属材を用いては製造原価が高価になり過ぎることで、一般的構造材（炭素鋳鋼材など）を用いざるを得ない。一方、蒸気タービン９の構造上、静翼ホルダ８の内周部やシール体４には蒸気９９が直接触れて通流する。これ等のため、蒸気９９が硫黄などの腐食性成分や岩石の粒子を含む地熱蒸気の場合には、静翼ホルダ８の内周部やシール体４は地熱蒸気による腐食やエロージョンを受けてしだいに損傷し、前記シール部のシール機能がしだいに低下する。シール機能がある程度低下した場合には、静翼ホルダ８とシール体４に次記する処置を行ってシール機能を再生させる必要がある。
【０００８】
すなわち、静翼ホルダ８に関しては５回前後程度まではその内周部を機械切削するなどによって補修し、この回数を越えると補修が限界になるので新品への交換を行う。また、シール体４は薄板製のためステンレス鋼材製であっても相対的に早く新品への交換時期を迎えるので、静翼ホルダ８の補修および交換毎に新品への交換を行うのが一般である。そうして、この蒸気９９のシール部のシール機能の再生処置に伴う修理作業を行う毎に蒸気タービン９の運転を停止しなければならないことが、蒸気タービン９の連続運転の可能性に限界を与えることになるので大きな問題になっている。
【０００９】
（２）前記（１）項の問題への対処策とし、一般的構造材製の静翼ホルダ８を用いて凹溝８１を形成した後に、静翼ホルダ８の凹溝８１を含む内周部の全面に溶射法により耐食性金属層を形成することが検討されている。しかし、この方法では耐食性金属層の可能な層厚がせいぜい１〔ｍｍ〕程度であるので、▲１▼シール体４の交換に伴い凹溝８１部の追加加工が必要．▲２▼蒸気９９からのエロージョン対する応分の膜強度をが必要．との要件を満足することができず、まだ実用化には成功していない。
【００１０】
この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑みなされ、その目的は、静翼ホルダの保守間隔を延長できる蒸気タービンを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明では、前述の目的は、
１）環状翼列をなす静翼とこの静翼と組み合わされ蒸気の通流方向に関して静翼の下流側に環状翼列をなして配設された動翼とでなる翼段落が、蒸気の通流方向に沿って多段に備えられた蒸気タービンであって、翼段落の前記静翼をその基部で保持すると共に，この翼段落に属する前記動翼の外周部と対向し合う部位に蒸気に対するシール体が取り付けられた静翼ホルダーを備える蒸気タービンにおいて、前記静翼ホルダーは、前記シール体が取り付けられる部位に切削加工により形成される断面形状がＵ字状の開先部と、前記開先部に耐食性金属層用の溶加材を用いて肉盛り溶接することで形成される耐食性金属材を用いた耐食性金属層と、前記耐食性金属層の形成後、該耐食性金属層を含む静翼ホルダーの内周部に切削加工を施す際に形成される前記シール体埋設用の凹溝と、を有し、前記溶加材は、棒状の形状を持つ溶接棒であり、前記開先部は、Ｕ字の両辺に対応するその両端部の少なくとも一方の端部が、前記肉盛り溶接時の溶接棒の保持角度に対応した傾斜角を有し、前記耐食性金属層は、前記シール体の前記静翼ホルダーに固定する部位を前記凹溝に埋設するのに充分で，しかも均等な厚さの層厚を持つこと
により達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお以下の説明では、図２，図３に示した従来例の蒸気タービンと同一部分には同じ符号を付しその説明を省略する。また以後の説明に用いる図中には、図２，図３で付した符号については、極力代表的な符号のみを記すようにしている。図１は、この発明の実施の形態の一例による蒸気タービンの図３と同等部位の詳細断面図である。
【００１３】
図１において、１は、図２，図３に示した従来例による蒸気タービン９に対して、静翼ホルダ８に代えて静翼ホルダ２を用いるようにした蒸気タービンである。静翼ホルダ２は動翼６１の外周部と対向し合っていて蒸気９９のシール部が形成されるその内周部に、耐食性金属層３を形成していることが特長であり、耐食性金属層３を形成する部位には開先部２１を形成する。開先部２１は後記凹溝３１を形成する部位の深さ（耐食性金属層３の層厚に相当）が一様なほぼＵ字状の断面形状を有し、このＵ字の両辺に対応するその両端部のそれぞれは外側に開く傾斜角を持つ。また、開先部２１の深さ寸法は、シール体４の前記基部を埋設するのに充分な寸法に設定している。
【００１４】
静翼ホルダ２の使用材料は従来例の静翼ホルダ８と同様に炭素鋳鋼であり、鋳造された静翼ホルダ２はまず荒引き加工を施したうえで、切削加工で開先部２１を形成する。この開先部２１には、耐食性金属材（例えば、ステンレス鋼材）を用いた耐食性金属層３を、溶加材として耐食性金属層用の溶接棒を用いた肉盛り溶接（盛り金溶接とも呼ばれる）法により形成する。そうして、この肉盛り溶接を行う場合には、多層溶接（オーバーレイ溶接とも呼ばれる）法を適用することが緻密で高品質な耐食性金属層３が得られることで好ましい。
【００１５】
発明者らの検討によれば、開先部２１の両端部の傾斜角度は、耐食性金属層３の形成時の溶接棒の保持角度に対応した角度、例えば、溶接棒の保持角度と同一値に設定することが、開先部２１の前記両端部に接する部位（開先部２１のＵ字状断面の底部の隅部を含む）にも良質な耐食性金属層を形成する上で重要である。このようにすることで、開先部２１の前記両端部に接する部位であっても良質な耐食性金属層３が得られ、また、この部位から耐食性金属層３が剥離する問題も解消された。
【００１６】
耐食性金属層３の形成後、耐食性金属層３を含む静翼ホルダ２の内周部に切削加工を施し、その際、耐食性金属層３の内周部側に凹溝３１を、従来例の蒸気タービン９の凹溝８１と同一の断面形状・寸法・個数とタービンロータの軸長方向の間隔とによって形成する。なお、凹溝３１の深さ寸法は一事例によれば２ｍｍ前後である。これ等の凹溝３１のそれぞれには、従来例の場合と全く同一にシール体４が装着される。なおまた、静翼ホルダ２が、蒸気タービン１の組み立て作業の必要から半円状に２分割されていることは、従来例の静翼ホルダ８と同様である。
【００１７】
図１に示すこの発明の実施の形態の一例による蒸気タービン１では前述の構成としたので、蒸気９９のシール部が形成される静翼ホルダ２の内周部は、耐食性金属層３によって蒸気９９による腐食・エロージョンから保護される。したがって、シール部のシール機能の低下度合は従来例の場合と対比して大幅に緩和され、静翼ホルダ２の補修間隔が大幅に延長される。また、静翼ホルダ２が新品の交換に至るまでの補修回数は、従来例の場合に５回前後程度までであったものが、耐食性金属層３の層厚さ（一事例によれば、凹溝３１の深さ寸法が２ｍｍ前後の場合に、１０ｍｍ程度である）が十分に厚いことで格段に増加できる。なお、静翼ホルダ２の補修間隔が大幅に延長されても、シール体４がステンレス鋼材製のためにその新品への交換時期を静翼ホルダ２の補修時期に合わせることができる。
【００１８】
この結果、この発明の蒸気タービン１では、蒸気９９のシール部のシール機能の再生処置に伴う修理作業を行うための蒸気タービン１の運転停止の間隔を大幅に延長でき、また、静翼ホルダ２を新品に交換する大修理作業の頻度が格段に低減される。ところで、蒸気９９の腐食・エロージョンに対する耐性の高い耐食性金属層３を得るには、耐食性金属層３の肉盛り溶接時に多層溶接法を適用することが必要であるが、それと共に、耐食性金属層３の層厚さをある程度厚く設定することが肝要である。耐食性金属層３ではその層厚をシール体４の前記基部を埋設するのに充分な寸法に設定していることが、腐食・エロージョンに対する高い耐性を得るのに役立っているものと考えられる。
【００１９】
前述の説明では、静翼ホルダ２のＵ字状の断面形状を有する開先部２１の、Ｕ字の両辺に対応するその両端部のそれぞれは外側に開く傾斜角（前記肉盛り溶接時の溶接棒の保持角度に対応した傾斜角）を持つとしてきた。しかしこの発明ではこれに限定されるものではなく、例えば、前記両端部の一方の端部のみに前記傾斜角を持たせることでもよい。この傾斜角を持たせる目的は、耐食性金属層３の肉盛り溶接法による形成時に、開先部２１のＵ字状断面の底部の隅部にも良質な耐食性金属層を形成するためであるので、一方の端部のみに傾斜角を持たせてもこの目的を達成することができる。
【００２０】
【発明の効果】
この発明による蒸気タービンでは、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることで、次記する効果を得られる。
▲１▼前記課題を解決するための手段の項の第（１）項，第（２）項による構成とすることで、蒸気のシール部が形成される静翼ホルダ２の内周部は、耐食性金属層３によって蒸気による腐食・エロージョンから保護され、静翼ホルダ２の保守間隔の大幅な延長が可能になる。また、
▲２▼前記課題を解決するための手段の項の第（３）項による構成とすることで、開先部２１の両端部に接する部位の耐食性金属層３の品質が向上され、また、この部位での耐食性金属層３の剥離発生の問題が解消される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の一例による蒸気タービンの図３と同等部位の詳細断面図
【図２】従来例の蒸気タービンの蒸気入口付近の要部を示す側面断面図
【図３】図３は図２におけるＰ部の詳細断面図
【符号の説明】
１蒸気タービン
２静翼ホルダ
２１開先部
３耐食性金属層
３１凹溝
４シール体
６１動翼
９９蒸気

Claims

環状翼列をなす静翼とこの静翼と組み合わされ蒸気の通流方向に関して静翼の下流側に環状翼列をなして配設された動翼とでなる翼段落が、蒸気の通流方向に沿って多段に備えられた蒸気タービンであって、翼段落の前記静翼をその基部で保持すると共に，この翼段落に属する前記動翼の外周部と対向し合う部位に蒸気に対するシール体が取り付けられた静翼ホルダーを備える蒸気タービンにおいて、
前記静翼ホルダーは、
前記シール体が取り付けられる部位に切削加工により形成される断面形状がＵ字状の開先部と、
前記開先部に耐食性金属層用の溶加材を用いて肉盛り溶接することで形成される耐食性金属材を用いた耐食性金属層と、
前記耐食性金属層の形成後、該耐食性金属層を含む静翼ホルダーの内周部に切削加工を施す際に形成される前記シール体埋設用の凹溝と、を有し、
前記溶加材は、棒状の形状を持つ溶接棒であり、
前記開先部は、Ｕ字の両辺に対応するその両端部の少なくとも一方の端部が、前記肉盛り溶接時の溶接棒の保持角度に対応した傾斜角を有し、
前記耐食性金属層は、前記シール体の前記静翼ホルダーに固定する部位を前記凹溝に埋設するのに充分で，しかも均等な厚さの層厚を持つ
ことを特徴とする蒸気タービン。