JP4507877B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンに係り、特に、新規な蒸気タービンケーシングの構造を有する蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、タービン内に引き込んだ蒸気を静翼にて膨張・高速化させた後、動翼部に流入させることによりロータの回転運動としている。その回転運動を実現するために、静翼を保持する仕切板とロータとの間に間隙が設けられている。この間隙は、定常運転時に翼先端からの蒸気漏洩損失を低減するためにはできるだけ小さい方が良い。仕切板とロータとの間隙を狭くする方法として、従来、特許文献１に記載のように、中心面で上下に二分割された仕切板を用いる方法がある。仕切板は、外部ケーシング又は内部ケーシングに嵌め込まれたものとなっている。

特許第３２３８２６７号公報

特許文献１では、明確に記載されていないが、通常、外部ケーシング又は内部ケーシングは、組立の都合上、水平面で２分割構造となっており、分割された外部ケーシング又は内部ケーシングは、フランジ（または水平フランジとも呼ばれる）を介して固定されるようになっている。フランジがあると、ケーシングの円周方向に沿って熱容量に差が生じてしまう。このため、タービン運転時の熱負荷がかかった場合、フランジに起因する熱容量の差に基づき、円周方向の熱変形が異なるようになる(円周方向の熱膨張分布が異なる。)。その結果、内部ケーシングに保持される仕切板の円周方向位置も影響を受けて、仕切板（又は仕切板に保持される静翼）とロータとの間隙も円周方向に均一とならないおそれがある。同様なことが、仕切板間に設けられたスペーサと動翼との間隙についても言える。このため、仕切板（又は静翼）とロータの間隙又はスペーサと動翼との間の間隙調整は、タービン運転時に、間隙が円周方向において不均一になる点も考慮する必要があり、間隙を狭く調整するには限界があると考えられる。その結果、蒸気漏洩損失の低減にも限界あると考えられる。

本発明の目的は、ノズルダイヤフラム（上記仕切板に相当。本発明ではノズルダイヤフラムという。）とロータの間隙、又は、スペーサ（ノズルダイヤフラムに一体に形成する場合にはノズルダイヤフラム）と動翼との間の間隙に起因する蒸気漏洩損失を低減することが可能な蒸気タービンケーシング構造を有する蒸気タービンを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、静翼を保持するノズルダイヤフラムを周方向において分割するとともに、この分割されたノズルダイヤフラムを、ロータ軸方向に沿って段落（動翼と静翼で形成される段落）毎に分割されたリング状の内部ケーシングにより保持するようにし、この分割された内部ケーシング同士を固定するようにしたものである。

本発明によれば、ノズルダイヤフラムを保持する内部ケーシングがリング状であり、フランジ部が形成されていないため、フランジを有する場合に比べて円周方向の熱変形が均一化され、その結果、ノズルダイヤフラムとロータの間隙又はスペーサと動翼との間の間隙も、フランジを有する場合に比べて均一化される。従って、ノズルダイヤフラムとロータの間隙又はスペーサと動翼との間の間隙をより狭く調整することが可能となり、間隙に起因する蒸気漏洩損失を低減することが可能となる。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施例である蒸気タービンの構成図を示す。図１において、１はロータ、２はロータに取付けられた動翼、５は動翼と共に段落を形成する静翼、７は外部ケーシング、８および８′は分割型ノズルダイヤフラム、９，９′，９″および９′′′は分割型ノズルダイヤフラムを保持するリング状の内部ケーシング、１０は内部ケーシング同士を固定するためのスタックボルト、１１は内部ケーシングの外周部に設けたスタックボルト１０が挿入される孔、１２はタービン最終段動翼、１３はタービン最終段の前段動翼、１４は内部ケーシングに形成された外部ケーシングとの係合用リング、１５は係合用リング１４と嵌合する外部ケーシングに形成された係合用凹部、１６は蒸気入口部位、１７は蒸気入口部シールを各々示す。

外部ケーシング７は、係合用凹部１５を介して内部ケーシングを保持し、内部ケーシングを収容するように構成されている。分割型ノズルダイヤフラムは、周方向において分割されている。本実施例では、図２及び図３に示すように２分割されている（半割型）。また、後述の図９の実施例と異なり、スペーサに相当する箇所が分割型ノズルダイヤフラムに一体に形成されている。内部ケーシングは、段落毎に分割されているが、円周方向では分割されておらず、リング状に形成されている。本実施例では、図２及び図３に示すように、円筒型の形をしている。スタックボルト１０は、ロータ軸方向と略平行な方向に貫通する内部ケーシングの孔１１に挿入され、両端にナットが締結され内部ケーシング全体を固定するようになっている。スタックボルト１０，孔１１は複数設けられる。複数のスタックボルト１０により全体が固定された内部ケーシングは、内部ケーシングの外周に形成した係合用リング１４を介して外部ケーシング７に保持されるようになっている。

尚、分割型ノズルダイヤフラムには、漏洩蒸気を抑えるために、ロータ及び動翼先端との間でシールを形成するようにラビリンス（図示省略、図１以降も同じ。）が設けられている（図９の実施例の場合には、分割型スペーサ２６にもラビリンスが形成され、動翼との間にシールを形成する。）。

図２は図１のＡＡ矢視断面図を示す。図２中、図１に示す部品と同じ構成部品には同符号を付している。段落毎に分割された内部ケーシングの一つである内部ケーシング
９′′′は、その内部に分割型ノズルダイヤフラム８′を保持している。

図３は、図１及び図２で示した内部ケーシング構造を有する蒸気タービンの組立方法を示す。図３中、図１に示す部品と同じ構成部品には同符号を付している。図３に示すように、リング状の内部ケーシング９′には、分割型ノズルダイヤフラム８の保持が可能なように、分割型ノズルダイヤフラム係合溝１８が設けられている。

組立は、ロータに取付けられた動翼最終段または初段側から、リング状の内部ケーシング，動翼，分割型ノズルダイヤフラム，リング状の内部ケーシングの順番となるよう順次配置し、配置が完了した時点で、内部ケーシングの外周部に設けられたスタックボルト挿入用の孔にスタックボルトを挿入して両端をナット等の締結手段で固定することにより、内部ケーシングの構造体を得る。この内部ケーシングの構造体を半割型の外部ケーシングに取付けることにより蒸気タービンが組立てられる。

組立方法の一例について図３に基づき詳細に説明する。

先ず、重力が作用する方向に回転中心軸が向くようロータ１を設置する。次に、ロータ１に取付けられているタービン最終段動翼１２の周囲を取り囲むよう、リング状の内部ケーシング９を配置する。その後、分割型ノズルダイヤフラム８を、最終段動翼１２とその前段動翼１３の間にくるようロータ軸方向に対して垂直の方向から取付ける。この段階で、分割型ノズルダイヤフラム８は、図１から分かるように、リング状の内部ケーシング９に係合している。この後、内部ケーシング９′を取付ける。内部ケーシング９′に設けられた分割型ノズルダイヤフラム係合溝１８に分割型ノズルダイヤフラム８が位置するように配置する。図１から分かるように、内部ケーシング９，９′同士が接するようになっており、内部ケーシング９と９′と間に分割型ノズルダイヤフラム８が位置し、固定されるようになっている。このように組立てることにより、タービン一段落分の内部ケーシング構造体が形成される。以上の組立操作を、タービンを形成する段落数分繰返した後、タービン初段上部にリング状の内部ケーシング９″を配置する。内部ケーシング構成部品の配置完了後、各内部ケーシング９，９′および９″の外周部にあらかじめ設けられたスタックボルト挿入用の孔１１にスタックボルト１０を挿入しその端部をナットなどにより固定することによって内部ケーシング構造体の組立を完了する。このように内部ケーシング構成部品を構成して組立てることにより、フラム式ロータで円筒型内部ケーシング構造を実現できる。

上述のケーシング組立方法では、内部ケーシング構成部品の配置完了後にスタックボルトを挿入・固定したが、最終段動翼１２の周囲に内部ケーシング９を配置した後にスタックボルト１０を内部ケーシング９の孔１１に挿入・配置し、この配置したスタックボルト１０に、順次、分割型ダイヤフラム，動翼，内部ケーシングを組み込む形で各段落を形成しても良い。

即ち、ロータに取付けられた動翼最終段または初段に内部ケーシングを配置するとともに、リング状の内部ケーシングの外周部に設けられた孔にスタックボルトを挿入して一端にナット等を締結して固定した後に、ロータおよびスタックボルトに順次挿入する形で内部ケーシング，動翼，分割型ノズルダイヤフラム，内部ケーシングの順番で配置し、配置が完了した時点で、スタックボルトの多端をナット等の締結手段で固定することにより、内部ケーシングの構造体を得るようにしても良い。

また上述の組立方法では、ロータ１を重力が作用する方向に回転中心軸が向くように設置して組立てたが、ロータ１の回転中心軸が重力の作用する方向と垂直方向に向くようにロータ１を固定した後、同様な組立操作を行ってもよい。

図４は内部ケーシング構造体を外部ケーシングに組み込む方法を示す。図４中、図１に示す部品と同じ構成部品には同符号を付している。図４において、３は分割型ノズルダイヤフラムとリング状の内部ケーシングを上述のように複数段組立てた内部ケーシング構造体を示す。外部ケーシング７内面には内部ケーシング構造体３を保持するための係合用凹部１５が設けられている。一方、内部ケーシングの所定の外周面には外部ケーシングの係合用凹部１５に嵌合する係合用リング１４が設けられている。

内部ケーシング構造体３を半割型の外部ケーシング７内に配置し、内部ケーシングの係合用リング１４を外部ケーシング７の係合用凹部１５に嵌合することで内部ケーシング３の固定を行う。この作業は、図４に示したように内部ケーシングの組立完了後、内部ケーシング構造体を寝かせて行うようにしている。図５（ａ）は、上述の実施例で組立てられた内部ケーシング構造体のロータ径方向から見た図を示している。この図５（ａ）は、タービン運転時のケーシング熱膨張円周方向分布を示すためにスタックボルト等の構成は図示省略した概念的な図である。

タービン運転時のケーシング熱膨張円周方向分布を点線で示す。本構造では図５（ｂ）に示すように水平フランジ６を有するものと比べて、円周方向に沿って均一な熱容量分布となり、運転による熱負荷がかかった場合でも、上下及び左右非対称の熱膨張は発生しない。従って、円周方向に沿ってノズルダイヤフラムとロータの間隙（又は動翼とノズルダイヤフラムとの間隙）を均一にでき、その結果、間隙を小さく調整することが可能となり、蒸気漏れ損失を従来よりも低減可能である。

上述の実施例は蒸気タービンを新規に製造する場合について述べたが、既存の蒸気タービンの静翼あるいはノズルダイヤフラム等のリプレース時にも、外部ケーシングの一部
（内部ケーシング構造体との係合部）を加工すれば本発明を適用することができる。

図６に本発明の第２の実施例を示す。図６において、図１に示す部品と同じ構成部品には同符号を付している。

本実施例の概念は、分割型ノズルダイヤフラムと、隣接する他の段落の分割型ノズルダイヤフラムを保持する内部ケーシングには、相互の接触箇所において、一方には凹又は凸が形成され、他方には一方に形成された凹又は凸に嵌合する凸又は凹が形成されるようにして、位置合わせを容易にするとともに、固定を確実にするようにしたものである。

図６はその一例で、分割型ノズルダイヤフラムには凹部１９が、リング状の内部ケーシングには凸部２０が形成されている例を示す。即ち、分割型ノズルダイヤフラムとリング状の内部ケーシングの接触面には、ロータ回転軸方向に沿ってそれぞれに固定するための凹部１９および凸部２０が設けられている。内部ケーシング９，９′および分割型ノズルダイヤフラム８を段ごとに配置していく際、凹部１９と凸部２０を合わせることによりケーシング各段を組立てる。この際、凹部１９と凸部２０を嵌合させるようにすれば固定が確実となる。但し、必ずしも嵌合させなくても良い。

上述の実施例と同様にして、内部ケーシング構成部品の配置が完了した後、内部ケーシングの外周に設けた孔１１にスタックボルト１０を挿入し両端を固定することに内部ケーシング構造体を形成する。尚、スタックボルト１０の挿入は複数段の内部ケーシングおよび分割型ノズルダイヤフラム配置が完了した時点で行うようにしても良い。

本実施例２においても、上述の実施例と同様な効果を得ることができるとともに、組立の際の位置合わせが容易となり、固定も確実にすることができる。

図７に本発明の第３の実施例を示す。

本実施例の概念は、内部ケーシング同士を固定するためのスタックボルト１０と、スタックボルト１０を貫通させるために内部ケーシングの外周部に設けている孔１１の替わりに、リング状の内部ケーシングに固定用のフランジを設け、隣接する内部ケーシングのフランジ同士をボルト等で締結するようにしたものである。

図７はその一例を示すもので、内部ケーシング９，９′および９″にはあらかじめ、その外周部には固定用フランジ２１が設けられており、この固定用フランジ２１にはフランジ固定用孔２３が設けられている。複数段の内部ケーシングおよび分割型ノズルダイヤフラムの配置が完了した時点で、フランジ固定用孔２３にフランジ固定用ボルト２２を挿入し締結することにより内部ケーシング同士を固定し内部ケーシング各段を形成する。

本実施例３においても、上述の実施例と同様な効果を得ることができる。尚、各段におけるノズルダイヤフラムとロータとの間隙調整においては、固定用フランジ部２１およびケーシングの係合用リング１４が存在する部分から熱が移動することを考慮（この部分から熱が奪われ、他の部分に比べ分割型ノズルダイヤフラムの熱膨張が少ない）ことを考慮に入れて各段の間隙を調整するようにした方がよい。

図８に本発明の第４の実施例を示す。

本実施例の概念は、隣接する内部ケーシング同士の相互の接触箇所で、一方には凹又は凸を形成し、他方には一方に形成された凹又は凸に嵌合する凸又は凹を形成し、位置合わせを容易にするとともに、固定を確実にするようにしたものである。

図８はその一例を示すもので、図１と違う点は、内部ケーシング同士を固定するためのスタックボルト１０とスタックボルト１０の挿入のための孔１１を設ける替わりに、内部ケーシング同士の接触面に、内部ケーシング同士を固定するための凹部２４，凸部２５をロータ回転軸方向に沿って設けた点にある。内部ケーシング９，９′および分割型ノズルダイヤフラム８を段ごとに配置してゆく際、内部ケーシングの凹部２４と凸部２５を接合することによりケーシング各段を形成する。なお、凹部と凸部の接合に関しては、例えば焼き嵌めによる接合が用いられる。また凹部と凸部を形成する替わりに、内部ケーシング同士の接触面の両側に凹部を設け、同部位間に金属ピンを挿入することにより内部ケーシング同士を接合しても良い。

本実施例においても、上述の実施例と同様な効果を得ることができるとともに、組立の際の位置合わせが容易となり、固定も確実にすることができる。

図９に本発明の第５の実施例を示す。

本実施例は、分割型ノズルダイヤフラムの構造を、単純化するとともに、隣の分割型ノズルダイヤフラム同士の間に分割型ノズルダイヤフラムと同じように周方向で分割したスペーサを設けたものである。

図９はその一例を示すもので、実施例１との違いは、形状を単純化した分割型ノズルダイヤフラム８および８′と分割型スペーサ２６を用いる点である。分割型ノズルダイヤフラム８および８′間と分割型スペーサ２６とは溶接（あるいは、凹凸による嵌合）による一体構造とした方が望ましい。また、分割型ノズルダイヤフラム８あるいは８′と分割型スペーサ２６の材質は同じ材質を用いることにより、円周方向に沿って均一な熱容量分布となり、運転による熱負荷がかかった場合でも、上下及び左右非対称の熱膨張を抑制できる。そのため円周方向に沿ってノズルダイヤフラムとロータの間隙を均一にでき、その結果、蒸気漏れ損失を従来よりも低減できる。

本実施例においても、上述の実施例と同様な効果を得ることができるとともに、分割型ノズルダイヤフラム８あるいは８′の構造が簡単になり、製作が容易となる。

本発明の実施例１における蒸気タービン構成図。 図１のＡＡ矢視図。 本発明の実施例１における内部ケーシング組立方法の説明図。 本発明の実施例１における内部ケーシングの外部ケーシング組込み方法説明図。 本発明の実施例１における蒸気タービンのロータ径方向断面図（ａ）と比較例のロータ径方向断面図（ｂ）。 本発明の実施例２における蒸気タービン構成図。 本発明の実施例３における蒸気タービン構成図。 本発明の実施例４における蒸気タービン構成図。 本発明の実施例５における蒸気タービン構成図。

符号の説明

１…ロータ、２…動翼、３…内部ケーシング構造体、５…静翼、６…水平フランジ、７…外部ケーシング、８，８′…分割型ノズルダイヤフラム、９，９′，９″，９′′′…内部ケーシング、１０…スタックボルト、１１…孔、１２…タービン最終段動翼、１３…タービン最終段の前段動翼、１４…係合用リング、１５…係合用凹部、１６…蒸気入口部位、１７…蒸気入口部シール、１８…分割型ノズルダイヤフラム係合溝、１９，２４…凹部、２０，２５…凸部、２１…固定用フランジ、２２…フランジ固定用ボルト、２３…フランジ固定用孔、２６…分割型スペーサ。

Claims (6)

1. 動翼が設けられたロータと、
   前記動翼と段落を形成する静翼を保持するノズルダイヤフラムであって、周方向で分割されたノズルダイヤフラムと、
   前記ノズルダイヤフラムを保持する内部ケーシングと、
   前記内部ケーシングを収容する外部ケーシングとを有する蒸気タービンにおいて、
   前記内部ケーシングは前記ロータ軸方向に沿って前記段落毎に分割され、
   該段落毎に分割された内部ケーシングはそれぞれリング状に形成され、
   前記周方向に分割されたノズルダイヤフラム同士は、前記リング状の内部ケーシングにより固定されており、
   段落毎に分割された複数の前記リング状の内部ケーシングを固定する手段を有することを特徴とする蒸気タービン。
2. 請求項１において、前記リング状の内部ケーシングは、前記ロータ軸方向と略平行な方向に貫通する孔を有し、
   前記内部ケーシングを固定する手段は、該孔を貫通するように設けられたスタックボルトであることを特徴とする蒸気タービン。
3. 請求項１において、前記リング状の内部ケーシングは、フランジを有し、
   前記内部ケーシングを固定する手段は、隣接する内部ケーシングのフランジ同士を締結する手段であることを特徴とする蒸気タービン。
4. 請求項１から３の何れかにおいて、前記ノズルダイヤフラムと、隣接する他の段落のノズルダイヤフラムを保持する内部ケーシングとは、相互の接触箇所で、一方には凹又は凸が形成され、他方には前記一方に形成された凹又は凸に嵌合する凸又は凹が形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
5. 請求項１から３の何れかにおいて、前記内部ケーシングは、隣接する内部ケーシングとの相互の接触箇所で、一方には凹又は凸が形成され、他方には前記一方に形成された凹又は凸に嵌合する凸又は凹が形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
6. 請求項１〜５の何れかにおいて、前記ノズルダイヤフラムは、隣のノズルダイヤフラムとの間に、周方向に分割されたスペーサが設けられていることを特徴とする蒸気タービン。
   
   

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