JP5627734B2 - タービンダイアフラム構成 - Google Patents

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Description

この開示は、タービン用のダイアフラムの構成、特に、軸流蒸気タービンにおけるダイアフラムのための新規の構造および組立て方法に関する。
蒸気タービンダイアフラムを構成する公知の方法は、固定案内ブレードの環を内側リングと外側リングとの間に取り付けることである。それぞれのこのようなブレードは、翼部分が内側プラットフォームと外側プラットフォームとの間に延びているブレードユニットを有し、ブレードユニットは単一の構成部材として機械加工される。これは、"プラットフォーム"形の構成として知られる。それぞれのプラットフォームは、円筒のセグメントの形状であり、これにより、ブレードユニットの環が組み立てられると、内側プラットフォームは結合して内側ポート壁部を形成し、外側プラットフォームは結合して外側ポート壁部を形成する。内側プラットフォームは、内側リングに溶接される。内側リングは、タービンブレードを保持し、内側リングとタービンのロータシャフトとの間に作用するラビリンスシールのようなシーリング配列のための取付部を提供する。外側プラットフォームは、ダイアフラムに支持および剛性を提供する外側リングに溶接される。内側および外側リングのそれぞれは、通常、2つの半円形の半部を含む。これらの半部は、ダイアフラムの主軸線を含みかつブレードユニットの間を通る平面に沿って接合され、これにより、ダイアフラム全体は、ターボ機械のロータの周囲への組み付けのために2つの部分に分離させることができる。
HPまたはIP蒸気タービンダイアフラム用の既存のプラットフォーム構成は、概して、厚い金属板から切断されるか、鍛造されるか、または棒材から形成された、中実の内側および外側のリングを含む。大型タービンにおけるこのようなリングは、タービンの軸方向および半径方向で実質的な寸法、例えば100mm〜200mmを有し、ダイアフラムの構成部材を溶接するコストは、大型蒸気タービンの工場渡し価格における大きな要因である。なぜならば、特に、必要な深溶け込み溶接が、ダイアフラムの製造のための最新式専門家溶接機器を必要とするからである。さらに、溶接は、ダイアフラムにおける冶金学的欠陥の原因となり得、溶接プロセスによって生じた応力を緩和するためにダイアフラムを熱処理することも必要である。
したがって、本発明の課題は、タービンダイアフラムの構成における溶接またはその他の金属接合技術の必要性を排除することである。
最も広い態様において、本開示は、ブレードユニットの環状配列を有する軸流タービンダイアフラムであって、それぞれのブレードユニットは、
翼と、
該翼と一体の半径方向内側および外側のプラットフォームとを備え、半径方向内側プラットフォームは、内側ダイアフラムリングのセグメントを含み、半径方向外側プラットフォームは、外側ダイアフラムリングのセグメントを含み、少なくとも外側リングセグメントは、ブレードユニットの環状配列における隣接する外側リングセグメントにおける相補的な係合手段と機械的に係合する係合手段を有し、該係合手段は、隣接し合う外側リングセグメントを連結しかつ自己支持タービンダイアフラムを提供するように作用する、軸流タービンダイアフラムを提供する。
上記概念は、ブレードユニットが完全に機械的手段によって組み立てられかつ保持されることを可能にし、これにより、ダイアフラムを、溶接またはその他の金属溶融または接着技術を用いることなくニアネットシェイプに構成することができる。
ダイアフラムを形成するためにブレードユニットを組み立てると、ダイアフラムの半径方向外側ポート壁部は、ブレードユニットの外側プラットフォームを形成する半径方向外側リングセグメントから成り、ダイアフラムの半径方向内側ポート壁部は、ブレードユニットの内側プラットフォームを形成する半径方向内側リングセグメントから成ることにも注意されたい。
明らかに、ブレードユニットの寸法および表面仕上げに関して、内側および外側リングセグメントを含むブレードユニットは、過剰な空力抵抗損失を回避するためにダイアフラムの内側および外側ポート壁部が十分に滑らかになるように、正確に製造されかつ互いに精密に合致させられるべきである。
ダイアフラムを軸方向に横切って作用する荷重、特に、ダイアフラムの外側リングに曲げ応力を生ぜしめる傾向がある、翼におけるタービン流体荷重に対してダイアフラム一体性を維持するために、それぞれのブレードユニットの外側リングセグメントにおける係合手段は、外側リングセグメントの周方向に面した両方の側におけるフック手段を有し、これらのフック手段は、隣接し合うブレードユニットの隣り合う外側リングセグメントにおける相補的な手段と係合し、フック手段は、隣接するブレードユニットに対するそれぞれのブレードユニットの軸方向位置を維持するように向けられている。
ダイアフラムを半径方向に横切って作用する荷重に対してダイアフラム一体性を維持するために、それぞれのブレードユニットの外側リングセグメントにおける係合手段は、隣接し合うブレードユニットの外側リングセグメントにおける相補的な手段と係合する舌片および溝手段を有し、舌片および溝手段は、隣接するブレードユニットに対するそれぞれのブレードユニットの半径方向位置を維持するように向けられている。
好適には、舌片および溝手段は、
(i)外側リングセグメントの周方向に面した第1の側における溝であって、該溝は、フックの半径方向外側部分と、外側リングセグメントの、半径方向外側の、周方向に突出したリップ部分との間のギャップとして形成されている、溝と、
(ii)周方向に面した第1の側における溝と正反対の、外側リングセグメントの周方向に面した第2の側から周方向に突出した舌片と、を有する。
ダイアフラムを横切るタービン流体荷重の間に生じる曲げ応力に抵抗するために要求される場合、それぞれのブレードユニットの内側リングセグメントは、ブレードユニットの環状配列における隣接し合う内側リングセグメントにおける相補的な手段と機械的に係合し、かつ外側リングセグメントにおける係合手段と協働して自己支持タービンダイアフラムを形成するように作用する係合手段をも含んでよい。それぞれのブレードユニットの内側リングセグメントにおけるこのような係合手段は、隣接するブレードユニットの隣接する内側リングセグメントにおける相補的なフック手段と係合するフック手段を有してよく、フック手段は、隣接するブレードユニットに対するそれぞれのブレードユニットの軸方向位置を維持するように向けられている。外側リングセグメントにおける係合手段が、それ自体で、ダイアフラムを横切るタービン流体荷重に十分に抵抗するために十分であるならば、内側リングセグメントにおけるこのような係合手段は省かれてよい。
それぞれのブレードの半径方向内側リングセグメントにおけるフック手段は、翼の圧力側の近くにおける半径方向に延びる溝によって形成された第1のフックと、翼の負圧面の近くにおける半径方向に延びる溝によって形成された第2のフックとを含んでよい。
上記概念によるダイアフラムを構成するのに適したブレードユニットの実施の形態も開示される。
さらに、タービンダイアフラムを組み立てる方法は、
(a)個々のブレードユニットを最終形状に製造するステップと、
(b)第1のブレードユニットを平らな面に配置して、別のブレードユニットと連結する準備を行うステップと、
(c)第2のブレードユニットの外側リングセグメントにおける係合手段が第1のブレードユニットの外側リングセグメントにおける相補的な係合手段と係合するように、第2のブレードユニットを、第1のブレードユニットおよび平らな面と係合するように軸方向に摺動させるステップと、
(d)ダイアフラムの環が完成するまで、互いにおよび平らな面と既に係合したブレードユニットと係合するように、別のブレードユニットを軸方向に次々に摺動させるステップとを含む。
係合手段がブレードユニットの内側リングセグメントにも設けられているならば、このような係合手段は、外側リングセグメントにおける係合手段に対して平行に互いに係合する。
本開示の別の態様は、以下の説明および添付の請求項を検討することから明らかになるであろう。
ここに開示された概念の実施の形態を、ここで、実寸ではない添付の図面を参照しながら説明する。
個々のブレードユニットから組み立てた後のHPまたはIP蒸気タービンダイアフラムを示す、本概念の実施の形態の蒸気入口側を示す図である。 図1Aのダイアフラムの蒸気出口側を示す図である。 Aは、図1の蒸気タービンダイアフラムに組み込む準備ができたブレードユニットの圧力面を示す三次元斜視図であり、Bは、図2Aのブレードユニットの負圧面の図である。 A〜Cは、ダイアフラムの組立て段階を示す図である。
図1Aおよび図1Bはそれぞれ、主軸線X−Xを有する高圧または中圧蒸気タービンダイアフラム10の前側もしくは入口側と、後側もしくは出口側とを示す。蒸気タービンダイアフラムは、通常、蒸気タービンダイアフラムの構成部材を互いに溶接することによって構成されるが、本開示によれば、ダイアフラム10は、溶接またはその他の溶融または接着金属接合技術を用いることなく構成されてよい。
簡単にいえば、本概念は、ダイアフラム10の全ての通常の特徴の部分、すなわち、翼18、外側リング16および内側リング14をそれぞれのブレードユニット12になるように一体化することである。これにより、全てのブレードユニットが機械的に接合されかつ取り付けられると、結果は、完成した物品を製造するために、溶接等を行うことなく形成された円形特徴部の最終的機械加工および/またはシールの取り付けのみを必要とする、完成したダイアフラムである。つまり、それぞれのブレードユニット12は、ダイアフラム10の環の完全なセグメントを形成する。図示された実施の形態では、50個のセグメントが設けられているが、セグメントの数は、例えばダイアフラムの直径および翼の翼弦寸法に応じて変化してよい。
タービンに取り付けられると、外側リング(ひいてはダイアフラム全体)は、技術分野において公知のクロスキー位置決め手段(図示せず)によって周囲のタービンケーシング(図示せず)内に支持されてよい。
さらに詳しく見ると、それぞれのブレードユニット12は、内側ダイアフラムリングのセグメント14として作用する半径方向内側プラットフォームと、外側ダイアフラムリングのセグメント16として作用する半径方向外側プラットフォームと、内側および外側ダイアフラムリング14,16の間に延びる翼18とを有する。例示された実施の形態は、大型蒸気タービンのために従来使用されている、より頑丈な構成形式と比較して、内側ダイアフラムリングの半径方向厚さが著しく減じられた、半径方向でコンパクトな構成形式を有するダイアフラムである。しかしながら、ここで説明される概念は、例示されたものよりも半径方向で厚い内側リングを有するダイアフラムにも適用可能である。
図1Aおよび図1Bに示されたダイアフラムの製造を可能にするために、ブレードユニットは、図2A〜図3Cの斜視図に示したように製造され、組み立てられる。
ここで図2Aおよび図2Bを参照すると、代表的なブレードユニット12は、ダイアフラムを形成するために、隣接する同じブレードユニットと連結されるように準備された状態で示されている。図2Aは、翼18の圧力面(凹面)を見た図であり、図2Bは、翼の負圧面(凸面)を見た図である。溶接またはその他の溶融または接着金属接合技術を用いることなくダイアフラムの構成部材を互いにロックすることを可能にするため、少なくとも外側リングセグメント16は、セグメントの、周方向に面した一方の側163における、フック161および舌片162の形式の係合手段を有するのに対し、セグメントの、周方向で反対側に面した側164は、フック165および溝166の形式の係合手段を有し、フック165および溝166は、それぞれフック161および舌片162に対して相補的な形状である。
フック161を形成するために、外側リングセグメント16の入口側168の大部分は、軸方向に深い凹部を形成するために、半径方向および周方向の厚さにわたって切除される。凹部は、翼18の圧力面の近くの位置まで軸方向に延び、フック161を形成する半径方向に延びる溝169において終わっている。フック165を形成するために、外側リングセグメント16の出口側170における凹部は、入口側168における凹部の周方向範囲と合致するが、半径方向により延びておりかつ軸方向でより浅くなっており、フック165を形成する半径方向に延びる溝171において終わっている。
例示した実施の形態において、外側リングセグメント16の側164における溝166は、好都合には、フック165の半径方向外側部分と、外側リングセグメントの、半径方向外側の、周方向に突出したリップ部167との間のギャップとして形成されている。周方向に突出した舌片162は、もちろん、側164における溝166と正反対に、外側リングセグメント16の側163から突出していなければならない。
ダイアフラムへ組み立てる際、外側リングセグメントの側163は、周方向で隣接する外側リングセグメントの側164に当接し、側163におけるフック161は側164におけるフック165と係合し、これにより、ダイアフラム内でのブレードユニット12の軸方向位置決めを提供し、側163における舌片162は側164における溝166と係合し、これにより、半径方向位置決めを提供する。完全に構成されたダイアフラムが、機能するタービンの部分であるとき、それぞれの翼18の縁部181は前縁となり、縁部182は後縁となり、翼18は蒸気の荷重を受ける。翼18の前縁181から後縁182まで、すなわちダイアフラムの入口面から出口面まで軸方向にダイアフラムを横切って圧力降下が生じ、結果的な曲げモーメントが生じる。フック165とのフック161の連結は、この軸方向力および曲げモーメントに抵抗する。実際には、軸方向位置決めのためのフックと、半径方向位置決めのための舌片および溝との組合せは、互いに対する外側リングセグメント16のクロスキー配置を提供し、これにより、ダイアフラム構造内でブレードユニット12を安定させる。
例示した実施の形態において、タービンの運転中に軸方向に作用する蒸気荷重の全てを支持するためには、フック161/165のみでは十分ではないと仮定されており、したがって、内側リングセグメント14にも、軸方向で連結するフック141および142の別の対の形式の、互いに相補的な係合手段が設けられている。
フック141を製造するためには、内側リングセグメント14の入口側143の大部分は、深い凹部144を形成するために半径方向厚さにわたって切り取られ、この凹部は、翼18の圧力面の近くの位置まで軸方向に延び、フック141を形成する半径方向に延びる浅い溝146において終わっている。しかしながら、フック142を製造するためには、翼18の負圧面の近くにおいて、内側リングセグメント14の出口側145に、半径方向に延びる浅い溝147を切り取ることだけが必要である。ダイアフラムへのブレードユニットの組立ての際、内側リングセグメント14の軸方向凹部144は、周方向で隣接する内側リングセグメントの、周方向に面した側148と対面し、フック141はフック142と係合し、これにより、ダイアフラムにおけるブレードユニット12の別の軸方向位置決めを提供する。
舌片162、溝166およびフック141,142,161,165の形状は、例示的である図面に示されたものとは異なることができる。例えば、舌片162およびスロット166は、T字形、鳩尾形またはその他のアンダカットまたは凹部形状であることができる。
ダイアフラム10の組立てを、ここで図3A〜図3Cを参照して説明する。図3Aは、図2Aおよび図2Bとの比較を可能にするために符号および引出し線が付されているが、図3Bおよび図3Cは、細部を不明確にすることを避けるために、そのような符号は付されていない。
まず、組立ての前に、ダイアフラムに組み込むための個々のブレードユニットが最終形状に製造される。図3Aは、平らな面に配置され、ダイアフラムを形成するために別のブレードユニットと連結する準備がなされた第1のブレードユニット12−1を示す。図3Bは、第2のブレードユニット12−2の外側および内側リングセグメントにおける係合手段が第1のブレードユニット12−1の外側および内側リングセグメントにおける相補的な係合手段と係合するように、第1のブレードユニットおよび平らな面と係合するように軸方向に摺動させられている第2のブレードユニット12−2を示す。特に、第2のブレードユニットの外側リングセグメント16の側163における舌片162は、第1のブレードユニットの外側リングセグメントの側164におけるスロット166と係合し、第2のブレードユニットの外側リングセグメントの側163におけるフック161は、第1のブレードユニットの外側リングセグメントの側164におけるフック165に係合し、第2のブレードユニットの内側リングセグメントにおけるフック141は、第1のブレードユニットの内側リングセグメントにおけるフック142に係合する。図3Cは、平らな面における最終的な係合および連結位置における第1および第2のブレードユニットと、第2のブレードユニットと係合するように軸方向に摺動させられている第3のブレードユニット12−3とを示す。
図示された半径方向でコンパクトな実施の形態において、半径方向内側リング12のそれぞれのセグメント14の半径方向内側は、ダイアフラムがタービンに組み付けられたときにロータに対して直接にシールするための別個のシール(図示せず)を保持するように構成された周方向に延びた凹所149を有する。シールは、ダイアフラムの比較的高圧の側と比較的低圧の側との間の漏れを制限するために必要である。このようなシールは、例えばラビリンスシール、ブラシシールまたはリーフシールを含んでよい。これに代えて、半径方向内側リング12のそれぞれのセグメント14の半径方向内側はラビリンスシールとして構成されてよく、シーリングフィン(図示せず)が、それぞれのセグメントの半径方向内側から直接に、対面するロータに向かって突出する。
蒸気タービンダイアフラムのための従来の形式のプラットフォーム構成において、ブレードユニットは、翼と、内側および外側プラットフォームとを備えて完成した1つの構成部材として機械加工され、これにより、プラットフォームがそれぞれの内側および外側のリングに溶接されると、内側および外側のプラットフォームは結合して、周方向に連続した内側および外側ポート壁部を形成する。内側および外側リングセグメントを連結することを含む本発明の概念も、周方向に連続した内側および外側ポート壁部を生じることが、図面および上記説明から認められるであろう。しかしながら、内側および外側ポート壁部は、過剰な空力抵抗損失を回避するために十分に滑らかでなければならず、このために、内側および外側リングセグメントの係合手段は、寸法および表面仕上げに関して、正確に製造され、互いに精密に合致させられるべきである。
ここに提案された概念の採用は以下の利点を提供する。
−シールまたは同様のものの可能な付加以外に、ダイアフラムが組み立てられた後、隣接するターボ機械に対するダイアフラムのシーリングのために、ダイアフラムの構成における溶接またはその他の金属接合技術の必要性が排除され、コストの結果的な節約および短縮された製造時間を伴う。
−溶接の排除は、ダイアフラムの構造における欠陥の可能な原因を排除する。
−ダイアフラムの構成において一般的に使用される溶接の形式は、通常、最新かつ高価なレーザまたは電子ビーム溶接機器を必要とする深溶け込み溶接を含む。したがって、溶接の排除は、タービンダイアフラムの構成のための製造設備の選択におけるより多くの選択肢を可能にする。
上記実施の形態は、単なる例として上述されているが、添付の請求項の範囲で変更を行うことができる。つまり、請求項の広さおよび範囲は、上述の例示的な実施の形態に限定されるべきではない。請求項および図面を含む明細書に開示された各特徴は、そうでないことが明示的に述べられない限り、同じ、均等または類似の目的を果たす択一的な特徴と置き換えられてよい。
文脈がそうでないことを明らかに要求しないかぎり、説明および請求項を通じて、"含む"、"含んでいる"という用語および同様のものは、排他的または網羅的な意味とは反対に包括的に、すなわち"含んでいるが、限定されない"という意味に解釈されるべきである。
10 タービンダイアフラム
12 ブレードユニット
12−1 アセンブリのための第1のブレードユニット
12−2 アセンブリのための第2のブレードユニット
12−3 アセンブリのための第3のブレードユニット
14 内側ダイアフラムリングセグメント
141 フック
142 フック
143 内側リングセグメント14の入口側
144 溝
146 フック141を形成する溝
147 フック142を形成する溝
148 内側リングセグメント14の周方向に面した側
149 内側リングセグメント14の半径方向内側/周方向に延びる凹所
16 外側ダイアフラムリングセグメント
161 フック
162 舌片
163 外側リングセグメント16の第1の周方向に面した側
164 外側リングセグメント16の第2の周方向に面した側
165 フック
166 溝
167 リップ
18 翼
181 翼18の前縁
182 翼18の後縁

Claims (7)

  1. 軸流タービンダイアフラム(10)であって、ブレードユニットの環状配列を備え、各ブレードユニット(12)は、
    翼(18)と、
    該翼と一体の半径方向内側プラットフォームおよび半径方向外側プラットフォームと、を備え、前記半径方向内側プラットフォームは、内側ダイアフラムリングのセグメント(14)から成り、前記半径方向外側プラットフォームは、外側ダイアフラムリングのセグメント(16)から成り、少なくとも外側リングセグメント(16)は、係合手段(161,162,165,166)を含み、該係合手段は、前記ブレードユニットの環状配列における隣接する外側リングセグメントにおける相補的な係合手段と機械的に係合し、前記係合手段は、隣接する外側リングセグメントを連結しかつ自己支持タービンダイアフラムを形成するように作用し、各ブレードユニット(12)の外側リングセグメント(16)における係合手段は、外側リングセグメントの周方向に面した両方の側(163,164)におけるフック手段(161,165)を有し、該フック手段は、隣接するブレードユニットの隣接する外側リングセグメントにおける相補的な手段と係合し、前記フック手段は、隣接するブレードユニットに対する各ブレードユニットの軸方向位置を維持するように向けられ
    各ブレードユニット(12)の外側リングセグメント(16)における係合手段は、隣接するブレードユニットの外側リングセグメントにおける相補的な手段と係合する舌片(162)および溝(166)手段を有し、該舌片および溝手段は、隣接するブレードユニットに対する各ブレードユニットの半径方向位置を維持するように向けられ、
    前記舌片および溝手段は、
    (i)外側リングセグメント(16)の、周方向に面した第1の側(164)における溝(166)であって、該溝は、フック(165)の半径方向外側部分と、外側リングセグメントの、半径方向外側の、周方向に突出したリップ部分(167)との間のギャップとして形成されている、溝(166)と、
    (ii)周方向に面した第1の側(164)における溝(166)と正反対に、外側リングセグメントの、周方向に面した第2の側(163)から周方向に突出した舌片(162)と、を含むことを特徴とする、軸流タービンダイアフラム(10)。
  2. 各ブレードユニット(12)の内側リングセグメント(14)も、係合手段(141,142)を有し、該係合手段(141,142)は、前記ブレードユニットの環状配列における隣接する内側リングセグメントにおける相補的な手段と機械的に係合し、かつ外側リングセグメントにおける係合手段と協働して自己支持タービンダイアフラムを形成するように働く、請求項1記載の軸流タービンダイアフラム。
  3. 各ブレードユニット(12)の内側リングセグメント(14)における係合手段は、フック手段(141,142)を含み、該フック手段は、隣接するブレードユニットの隣接する内側リングセグメントにおける相補的なフック手段と係合し、前記フック手段は、隣接するブレードユニットに対する各ブレードユニットの軸方向位置を維持するように向けられている、請求項記載の軸流タービンダイアフラム。
  4. 前記フック手段は、翼(18)の圧力面の近くにおいて半径方向に延びる溝(146)によって形成された第1のフック(141)、および翼の負圧面の近くにおいて半径方向に延びる溝(147)によって形成された第2のフック(142)である、請求項記載の軸流タービンダイアフラム。
  5. 半径方向内側リングセグメント(14)の半径方向内側(149)は、シールとして構成されているか、またはシールを保持するように構成されており、前記シールは、ダイアフラム(10)の比較的高圧の側と比較的低圧の側との間の漏れを制限するように働く、請求項1からまでのいずれか1項記載の軸流タービンダイアフラム。
  6. 請求項1からまでのいずれか1項記載の軸流タービンダイアフラム用のブレードユニット。
  7. 請求項1記載のタービンダイアフラムを組み立てる方法であって、
    (a)個々のブレードユニット(12)を最終形状に製造するステップと、
    (b)第1のブレードユニット(12−1)を平らな面に配置して、別のブレードユニットと連結させるために準備するステップと、
    (c)第2のブレードユニットの外側リングセグメント(16)の係合手段(161,162)が第1のブレードユニット(12−1)の外側リングセグメント(16)における相補的な係合手段(165,166)と係合するように、第2のブレードユニット(12−1)を、前記第1のブレードユニットおよび前記平らな面と係合するように、軸方向に摺動させるステップと、
    (d)ダイアフラムの環が完成するまで、互いにかつ前記平らな面と既に係合したブレードユニットと係合するように、別のブレードユニットを軸方向に次々に摺動させるステップと、を含むことを特徴とする、請求項1記載のタービンダイアフラムを組み立てる方法。
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