JP5247366B2 - タービンケーシングを製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造工程によって製造される回転機械用のタービンケーシングを製造するための方法であって、タービンケーシングが、それを軸方向に通過する分割面によって分割可能な２つのケーシング半部に別個に鋳造され、そして２つのケーシング半部が少なくとも２つの別個のケーシング区分からなる方法に関する。

流路を半径方向に囲む回転機械用のタービンケーシングであって、前記流路に沿って作動媒体が軸方向に膨張し、膨張エネルギーを発生させ、この結果、タービンケーシングによって囲まれかつロータブレードが設けられるロータ装置が配置されるタービンケーシングは、ロータ側に取り付けられるステータブレード列の間の空間内に突出するステータブレード用の支持構造として機能する。組立および設置のために、タービンケーシングは、均一なタービンケーシングを形成するために、軸方向に延びる分割面をそれぞれ介して互いに接合される少なくとも２つのケーシング半部からなる。いわゆる上方タービンケーシング半部および下方タービンケーシング半部のそれぞれが分割構造であることにより、２つのタービンケーシング半部が互いに接合される前に、タービンケーシング内壁におよびそれに沿っておよびその周囲に円周方向に設けられるステータブレードルート凹部へのタービンステータブレードの設置の容易な取付けが可能である。

さらに、設置のために上方タービンケーシング半部と下方タービンケーシング半部とからなるだけでなく、タービンケーシング半部毎に少なくとも２つのケーシング区分からなるタービンケーシングが特に重要である。このような構造は、例えば、組み合わされたサイクル発電プラントに使用されるような、低圧蒸気タービン段の例に基づく別のタービンケーシング構造の代表としてより詳細に説明され得る。組み合わされたサイクル発電プラントは、組み合わされたガスタービンおよび蒸気タービンサイクルを提供する発電プラントであり、すなわち、ガスタービンユニットから流出する高温の排気ガスは蒸気発生のために使用され、またその工程で発生される蒸気は、適切な蒸気タービン段を作動させるために、例えばこのようにして低圧蒸気タービン段を作動させるために使用される。上記の一般的な種類の組み合わされたサイクル発電プラントは、例えば、（特許文献１）または（特許文献２）から理解することができる。

典型的な低圧蒸気タービンのタービンケーシングの断面図は、３つの部品からなるものが２つあるタービンケーシングを有する（特許文献３）の図１に記載されている。このようにして、上方タービンケーシング半部および下方タービンケーシング半部の両方は、それぞれ軸方向に互いに接合される３つのケーシング区分からなり、内部に配置されたロータ装置を伴う前記３つのケーシング区分の中央ケーシング区分は、両側で軸方向に円錐状に広がる流路を含む。ケーシング端部区分は両側で中央ケーシング区分の端部にそれぞれ軸方向に接続され、前記ケーシング端部区分は、ブレードキャリア、特に、これにそれぞれ固定されるステータブレード列と呼ばれる。面端部によって中央ケーシング区分にそれぞれ軸方向に接続される２つのケーシング端部区分は、対応する接続構造によって中央ケーシング区分に固定接続される。個々の各構成要素が、互いに独立した別個の鋳造工程でそれぞれ使用される別個の鋳型をそれぞれ必要とするように、別個の鋳造工程の範囲内において、上記タービンケーシングからなる全ての個々の部品の製造がそれぞれ行われる。このような手順は、時間集約的、したがってコスト集約的であるだけでなく、正確にフィットするように個々のケーシング区分を互いに接合して、均一なタービンケーシングを形成するために、前記個々のケーシング区分の高精度の再加工も必要とすることが明らかである。低圧蒸気タービンのタービンケーシングは、典型的に、別のケーシングによって、すなわち、いわゆる外部ケーシングによって囲まれる。このことは、例えば（特許文献４）に記載されている。

米国特許第５，１９９，２５６号明細書 米国特許第４，５１９，２０７号明細書 独国特許出願公開第２５０３４９３号明細書 独国特許第３８３７５１０号明細書 独国特許出願公開第１７５１０５５号明細書

本発明は、上記タービンケーシングの製造および設置をより簡単に、より迅速にまたより費用効果的に実現できるように、鋳造工程によって製造される回転機械用のタービンケーシングを製造するための方法であって、タービンケーシングが、それを軸方向に通過する分割面によって分割可能な２つのケーシング半部に別個に鋳造され、２つのケーシング半部が少なくとも２つの別個のケーシング区分からなる方法を発展させることを課題とする。さらに、個々のケーシング区分が組み立てられる製造精度を向上させることができる措置を用いるべきである。

本発明の目的の達成が請求項１に開示される。本発明の概念を有利に発展させる特徴は、従属請求項の主題であり、さらに、特に模範的な実施形態を参照して発明の詳細な説明から理解されたい。

鋳造工程によって製造される回転機械用のタービンケーシングを製造するための解決策による方法は、請求項１の上位概念の特徴によれば、以下の方法ステップの組み合わせ、すなわち、タービンケーシングの上方ケーシング半部および下方ケーシング半部のそれぞれが単一の鋳造工程の範囲内でそれぞれ互いに別個に鋳造されるが、それら自体が一体のケーシング半部としてそれぞれ一体に鋳造されることによって特徴付けられる。例えば、上方ケーシング半部および下方ケーシング半部が、それぞれ３つに分割すべきケーシング区分を備えている場合、３つの全てのケーシング区分は単一の鋳造工程で連続的に製造される。

鋳造工程が終了すると、上方ケーシング半部および下方ケーシング半部は、少なくとも２つにそれぞれ分割されるか、または上記例に沿って、３つの異なるケーシング区分に分割される。

さらに、互いに分割されるケーシング区分は、組み立てられたケーシング半部をそれぞれ形成するために互いに接合される。それに応じて、それぞれのケーシング区分をそれぞれ接続する前に、例えば、意図的な材料の除去により、分割中に形成される分割縁部を再加工する必要があり得る。

個々のケーシング区分からそれぞれ組み立てられる上方ケーシング半部および下方ケーシング半部が関連している場合、完全なタービンケーシングを形成するために、前記上方ケーシング半部および前記下方ケーシング半部をそれらの軸方向の分割面に沿って従来の方法で接続できる。

さらに、上方ケーシング半部および下方ケーシング半部のそれぞれの均一な製造に対する、タービンケーシングの完全な組立に必要な全ての個々のケーシング区分の別個の製造の発展形態は、本発明の解決策によれば、タービンケーシング半部のそれぞれにつき単一の鋳造工程で済む利点に加えて、いくつかの利点を挙げると、鋳造部のより迅速で均一な品質検査、個々のケーシング区分に分割するまでの均一に利用可能な鋳造部のさらなる加工処理に関するコスト低減、および均一な品位および品質の材料で鋳造工程が行われるが故の均一な製造品質のより優れた保証等の別の利点をもたらす。

個々のタービンケーシング区分は、それらの意図された使用中に、高い機械的応力および熱応力にさらされるので、個々のケーシング区分を固定して相互接続するに足らず、タービンケーシング内部における材料の熱誘発膨張を補償し、このようにしてタービンケーシング内部の機械的歪みを回避できるように、個々のケーシング区分を好ましくは緩く摺動して相互接続する。

このために、特に有利な実施形態では、上方タービンケーシング半部または下方タービンケーシング半部のそれぞれの製造用の鋳型は、それぞれのケーシング区分の分割が意図される輪郭領域で別個に形成される。このようにして、例えば意図されたブレークポイントの形態の、低減された壁厚を有する接続リブまたはケーシング壁区分のみをこの場合設けることができ、この結果、例えば機械的に補助された分割による引き続く分割はより容易になり、したがって意図的に行うことができる。

さらに、鋳型を形成した場合、それぞれ分割すべきケーシング区分の、分割によって形成される分割縁部に沿った領域には、接合輪郭が既に設けられている。例えば、凹凸接合は、溝状の凹部が一方のケーシング部の分割縁部の領域に設けられかつリブ状の突出部が他方のケーシング部の分割縁部の領域に設けられる上記接合輪郭の可能な構造を表す。それぞれのケーシング部の分割縁部、ならびにそれらに関連する接合輪郭は、それぞれのタービンケーシング半部のそれぞれのハーフシェル状の構造であるので、半円状に延びる。鋳造工程によって既に形成されている接合輪郭は、できるだけ流体密封し、さらには、材料の熱膨張の場合の補償のため、相互接続すべきケーシング区分のできるだけ緩い取付けを可能にするモールドフロー接続に従って形成されるべきである。

本発明の概念に関して、模範的な一実施形態に基づき、解決策による方法が非限定的に示される。

低圧蒸気タービンの内部ケーシングの縦断面図である。 内部ケーシングの接続点の詳細図である。 図１ｂによる組立直前の詳細図である。

図１ａは、上方タービンケーシング半部Ｔ_ｕｐと下方タービンケーシング半部Ｔ_ｄｏｗｎとからなる低圧蒸気タービンの内部ケーシングの縦断面図を示している。ターボ機械用の２つのケーシング半部、特に、例えば高温タービンの軸方向に分割されたケーシングを接続するための接合技術を提供する例えば（特許文献５）から理解されるように、２つのタービンケーシング半部Ｔ_ｕｐとＴ_ｄｏｗｎが、軸方向の分割面１に沿って流体密封して機械的に固定されるように互いに接合されることを想定し得る。

図１ａの概略図に示したタービンケーシングは、蒸気吸気が供給室２から作動通路内に半径方向内側に向かって中央で行われる二重フロー低圧蒸気タービンの内部ケーシングに対応し、前記作動通路において、蒸気が、それぞれ円錐状に広がるタービンケーシング内側輪郭に沿って両側で軸方向に膨張でき、膨張作用が生じ、この結果、図示していないロータユニットが回転される。

軸方向の分割面１に対して本質的に対称的な上方タービンケーシング半部Ｔ_ｕｐおよび下方タービンケーシング半部Ｔ_ｄｏｗｎの構造により、さらなる説明は、以下の実施形態も下方タービンケーシング半部Ｔ_ｄｏｗｎの構成要素の部品に等しく転用できることを考慮しつつ、上方タービンケーシング半部に傾注される。

図１ａに示した上方タービンケーシング半部Ｔ_ｕｐは、単一の鋳造工程で製造されており、一体の構成要素を表す。また、上方タービンケーシング半部Ｔ_ｕｐは、３つの区分、具体的には、中央ケーシング区分３と側面ケーシング端部区分４および５とに分割できる。上方タービンケーシング半部をさらに組み立てるために、上記区分３、４、５を組み合わせる必要がある。このために、例えば、ケーシング端部区分４は、ソーイング工程または切断工程により、特定の分割線６に沿って中央ケーシング区分３から分割される。中央ケーシング区分３と右側ケーシング端部区分５との対応する分割は分割線７に沿って行われる。

分割中に形成される２つのケーシング区分３、４および５の分割縁部をより綿密に考察すると、例えば、溝状の凹部８がケーシング端部区分４に設けられ、それに応じて、リブ状の突出部９が中央ケーシング区分３の分割縁部の領域に設けられ、この場合、図１ｂにおいて、上方タービンケーシング半部Ｔ_ｕｐのケーシング区分４のおよびそれに隣接するケーシング区分３の詳細図に示したように、溝状の凹部８が、突出部９に対応する逆の輪郭を有するように形成されることが理解される。対応する接合輪郭は、ケーシング端部区分５に関する分割縁部に、またこれと軸方向反対側の中央ケーシング区分３の分割縁部に設けられる。このことについては、図１ａに示した溝状の凹部８’とリブ状の突出部９’とを参照されたい。

ケーシング端部区分４が中央ケーシング区分３に接続されるか、またはケーシング端部区分５が中央ケーシング区分３に接続される接続領域１０、１０’の構造形態に応じて、分割後に形成される分割縁部の機械的再加工が必要となる。例えば、図示した模範的な実施形態において、詳細図１ｃによれば、中央ケーシング区分３の分割縁部に沿ったリブ状の突出部９をケーシング端部区分４の分割縁部に沿って溝状の凹部８に挿入できる状態が生じるように、分割線６に沿ってケーシング端部区分４と中央ケーシング区分３とを分割した後に接続領域１０を機械的にミリングするようにする。詳細図１ｃには、ケーシング端部区分４と中央ケーシング区分３との間の緩いが形状的に噛合ってロックする継手接続の形成が、リブ状の突出部９によりケーシング端部区分４の溝状の凹部８に形状的に噛合ってロックするように嵌め込まれる中央ケーシング区分３によって示されている。凹凸接合の形態に形成されるサスペンションとも呼ばれる継手接続により、生じ得る材料の熱膨張に応じてケーシング内部の機械的な内部応力の回避に寄与する２つのケーシング部の間の半径方向および軸方向の補償が可能になる。勿論、それぞれの分割ケーシング区分の間の形状的に噛合ったロックまたは形状的に噛合わないロックの継手接続に関する構造的な代替解決策が可能である。

１ 軸方向の分割面
２ 蒸気供給室
３ 中央ケーシング区分
４、５ ケーシング端部区分
６、７ 半径方向の分割面
８、８’ 溝状の凹部
９、９’ リブ状の突出部
１０、１０’ 接続領域
Ｔ_ｕｐ、Ｔ_ｄｏｗｎ 上方ケーシング半部および下方ケーシング半部

Claims (10)

1. 鋳造工程によって製造される回転機械用のタービンケーシングを製造するための方法であって、前記タービンケーシングが、前記タービンケーシングを軸方向に通過する分割面によって分割可能な２つのケーシング半部（Ｔ_ｕｐ、Ｔ_ｄｏｗｎ）に別個に鋳造され、該２つのケーシング半部（Ｔ_ｕｐ、Ｔ_ｄｏｗｎ）が少なくとも２つの別個のケーシング区分（３、４、５）からなる方法において、
   各ケーシング半部（Ｔ_ｕｐ、Ｔ_ｄｏｗｎ）がそれぞれ一体に鋳造されることと、
   各ケーシング半部（Ｔ_ｕｐ、Ｔ_ｄｏｗｎ）が少なくとも２つのケーシング区分（３、４、５）に分割されることと、
   前記分割されたケーシング区分（３、４、５）が、ケーシング半部（Ｔ_ｕｐ、Ｔ_ｄｏｗｎ）をそれぞれ形成するために互いに接合されることと、
   前記のように接合された前記２つのケーシング半部（Ｔ_ｕｐ、Ｔ_ｄｏｗｎ）が、前記タービンケーシングを形成するために前記軸方向の分割面に沿って互いに接合されることを特徴とする方法。
2. 前記２つのケーシング半部（Ｔ_ｕｐ、Ｔ_ｄｏｗｎ）を鋳造するために各々一つの鋳型が準備されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 軸方向に分割された２つのケーシング区分（３、４、５）がそれぞれ軸方向に対向する分割縁部を有するように、半径方向に延びる分割面（６、７）に沿ってケーシング半部（Ｔ_ｕｐ、Ｔ_ｄｏｗｎ）をそれぞれ分割することによって、分割が行われることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 分割後、少なくとも１つのケーシング区分（３、４、５）が前記分割縁部に沿って再加工されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記再加工が材料の除去によって行われることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記分割された少なくとも２つのケーシング区分（３、４、５）が、形状的に噛合ってロックするかまたは形状的に噛合わないでロックするようにそして互いに摺動可能に接触するように接合されることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 半径方向または軸方向に対向し、逆の輪郭を有するようにそれぞれ形成される接合輪郭（８、８’、９、９’）が、分割によって形成される前記ケーシング区分（３、４、５）の前記分割縁部の領域にそれぞれ設けられるように、前記鋳型が形成されて利用可能になることを特徴とする請求項３〜６のいずれか一つに記載の方法。
8. 前記接合輪郭（８、８’、９、９’）が、緩い凹凸接合部として形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記タービンケーシングが蒸気タービン段の内部ケーシングとして形成され、該内部ケーシングが、３つのケーシング区分（３、４、５）に分割可能であり、また中央区分（３）と、該中央区分の両側に軸方向に取り付けることができる２つの端部区分（４、５）とを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
10. 前記タービンケーシングが低圧蒸気タービン段の内部ケーシングに対応することを特徴とする請求項９に記載の方法。

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