JP5743369B2 - 蒸気タービン用の溶接されたノズル組立体 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン用のノズル組立体に関し、詳細には、蒸気流路を改良するための溶接されたノズル組立体およびそのノズルの組立て方法に関する。

蒸気タービンは、通常、蒸気流をロータに連結された回転バケット中へと方向づける静止ノズルセグメントを備える。蒸気タービンでは、通常、エーロフォイル構造またはブレード構造を含むノズルは、ダイヤフラム段と呼ばれている。従来型のダイヤフラム段は、主に２つある方法のうちの一方を使用して構築される。第１の方法は、バンド／リング構造を用いるもので、まず約１８０°に延びる内側バンドと外側バンドの間にエーロフォイルが溶接される。次いで、エーロフォイルが溶接されたこれら弓状のバンドが組み立てられ、すなわちタービンのステータの内側リングと外側リングの間に溶接される。第２の方法は、しばしば、境界面における隅肉溶接を用いて内側リングおよび外側リングに直接溶接されたエーロフォイルからなる。後者の方法は、通常、溶接部を作り出すためのアクセスが可能な、大きめのエーロフォイルに使用される。

バンド／リング組立て方法を用いることには固有の制限がある。バンド／リング組立て方法の主な制限は、流路の、すなわち隣り合ったブレードと蒸気流路の側壁との間の固有の溶接ひずみである。これらの組立てに使用される溶接部はかなり大きく、かなりの入熱を有する。すなわち、この溶接は多量の入熱を必要とし、かなりの量の溶加材を使用する。あるいは、この溶接は、溶加材を用いない非常に深い電子ビーム溶接である。この材料または入熱によって流路がゆがみ、例えば材料の収縮によってエーロフォイルが流路内で湾曲してその設計形状からずれてしまう。多くの場合、エーロフォイルは溶接および応力緩和後に調整が必要である。この蒸気流路のゆがみの結果、ステータの効率が低下する。ノズルをステータアセンブリ中に溶接した結果、内側バンドおよび外側バンドの表面形状も変化し、さらにそれによって流路がゆがむことがある。したがって、ノズルおよびバンドが一般に屈曲しゆがむ。このため、ノズル形状を設計基準に合うようにするのに大幅な最終仕上げが必要となる。多くの場合、ノズル組立体の全体的組立てのコストの約３０％が、溶接および応力緩和後のノズル組立体の変形を設計形状へ戻すのにかかる。

また、リング中に溶接された単一のノズル構造を用いる組立て方法は、溶接深さが決められておらず、内側リングおよび外側リングの両方に組立て位置合せ機構をもたず、また溶接部に不具合が生じた場合の保持機構ももたない。さらに、現在のノズル組立体および設計には、ノズルのサイズ間に、反復可能な取付けプロセスを可能にする共通の機構がない。すなわち、これらのノズル組立体は、機械加工制御用具が基準とするための、全ノズルサイズに共通の機構をもたず、このような機構がないため、ノズル組立体のサイズごとに特有の準備、前処理、および特有の工具類が必要になり、その結果コストが上昇する。

したがって、組立て手順、機械加工による取付けを助け、ステータ内のノズル組立体の位置合せを容易にし、かつ溶接部に不具合が生じた場合にノズル組立体が下流側に移動するのを防ぐメカニカルロックを生み出す機構を追加することによって、溶接プロセスの結果として生じる蒸気流路のひずみを最小限に抑えまたは解消しかつ製造コストおよびサイクルコストを改善する低入熱溶接部を含む、ステータノズル用の改良された蒸気流路が必要なことが実証されている。

好ましい一実施形態では、内側壁および外側壁を有し、タービンに組み込まれたとき流路を部分的に規定する少なくとも１つのノズルブレードと、外側リングおよび内側リングとを備えるタービン用のノズル組立体であって、外側リングは（ｉ）径方向外側に延びる１対の雌形凹部を両側に備える雄形突起、または（ｉｉ）径方向内側に延びる１対の雄形突起を両側に備える雌形凹部の一方を有し、外側壁は（ｉ）径方向外側に延びる１対の雄形突起を両側に備える雌形凹部、または（ｉｉ）径方向内側に延びる１対の雌形凹部を両側に備える雄形突起の他方を有し、それによって外側リングと外側壁の間で、軸方向の相対変位を抑えるインターロック係合が可能になり、また外側リングと外側壁が互いに溶接され、内側リングと内側壁が互いに溶接されたノズル組立体が提供される。

別の好ましい一実施形態では、内側壁および外側壁を有し、タービンに組み込まれたときに流路を部分的に規定する少なくとも１つのノズルブレードと、外側リングおよび内側リングとを備えるタービン用のノズル組立体であって、内側リングは（ｉ）径方向内側に延びる１対の雌型凹部を両側に備える雄型突起、または（ｉｉ）径方向外側に延びる１対の雄型突起を両側に備える雌型凹部のうちの一方を有し、内側壁は（ｉ）径方向内側に延びる１対の雄型突起を両側に備える雌型凹部、または（ｉｉ）径方向外側に延びる１対の雌型凹部を両側に備える雄型突起のうちの他方を有し、それによって内側リングと内側壁の間で、軸方向の相対変位を抑えるインターロック係合が可能になり、また外側リングと外側壁が互いに溶接され、内側リングと内側壁が互いに溶接されたノズル組立体が提供される。

図１を参照すると、全体を１０で示す従来技術のノズル組立体が示されている。組立体１０は、両端がそれぞれ内側バンド１４と外側バンド１６の間に溶接されている、周方向に離間された複数のエーロフォイルまたはブレード１２を含む。内側バンドおよび外側バンドは、それぞれ内側リング１８と外側リング２０の間に溶接されている。また、ロータ２４上に取り付けられた複数のバケット２２も図示されている。ノズル組立体１０はバケット２２と一緒に１つの蒸気タービン段を形成することが理解されよう。

図１をさらに参照すると、エーロフォイル１２が、内側バンド１４および外側バンド１６の概ねそれに対応する形状の孔（図示せず）内に個々に溶接されている。内側バンド１４および外側バンド１６は通常、それぞれ約１８０°の２つのセグメントとして延びている。エーロフォイルが内側バンドと外側バンドの間に溶接された後、次いでこのサブアセンブリは、非常に多量の入熱および深い溶接を使用して内側リング１８と外側リング２０の間に溶接される。例えば、内側バンド１４は、溶接部２６によって内側リング１８に溶接され、それには多量の溶加材を使用しあるいは非常に深い電子ビーム溶接を必要とする。さらに、内側バンドと内側リングの間の溶接部の裏側、すなわち下流側には多量入熱の溶接部２８が必要である。同様に、図示のように軸方向に対向する位置で外側リング２０に外側バンド１６を溶接するには、多量の溶加材を含む多量入熱の溶接部３０、３２または非常に深い電子ビーム溶接が必要とされる。したがって、まずエーロフォイル１２が内側バンド１４および外側バンド１６に溶接され、続いて内側リング１８および外側リング２０に溶接されるとき、これらの溶接部が大きいので、多量の入熱および金属材料の収縮の結果流路が大きくゆがみ、それによってエーロフォイルがその設計形状から変形する。また、内側バンド１４および外側バンド１６がその設計形状からずれて形状が不整形になり、それによってさらに流路がゆがむことがある。その結果、ノズル組立体は溶接および応力緩和の後その設計形状に戻さなければならず、これは、上述したように、ノズル組立体の総組立てコストの２５〜３０％かかる結果になることがある。最後に、電子ビ−ム溶接（ＥＢＷ）が使用される場合、この溶接は一方の側から反対側に至るまで全体に使用してもよい（上限は１０．１６ｃｍ（４インチ）厚さまで）。

また、決まった溶接深さをもたず、したがって様々な溶接深さを使用して内側リングと外側リングの間でシングレットをノズル組立体中に溶接する、現在のシングレット型ノズル組立体も存在する。すなわち、ノズルシングレットの側壁とリングの間の空隙が一貫していないので、溶接深さが変わることがある。機械加工公差によりこの空隙が大きくなると、溶接部の溶接深さおよび特性が変化する。溶接空隙が狭いと、所望の溶接部よりも短い溶接部が生じることがある。溶接部の空隙が大きくなるほど、溶接またはビームが深くなることがあり、溶接部に望ましくない空洞が生じることがある。現在のシングレットノズルの設計ではまた、境界面で溶接前処理を使用するが、それには望ましくない多量入熱の隅肉溶接法が使用される必要がある。

ここで図２を参照すると、ノズル組立体と内側リングおよび外側リングの間の境界面のメカニカルロックにより信頼性の向上およびリスクの軽減をもたらす機械的機構、ならびに位置合せ機構を有し、側壁が低入熱溶接部を用いて内側リングおよび外側リングに直接溶接された、シングレットすなわち単一のエーロフォイルを使用する、本発明によるノズル組立体の好ましい実施形態が図示されている。具体的には、本明細書の好ましい実施形態のノズル組立体は、全体を４０で示す一体に形成されたシングレットサブアセンブリを含む。各サブアセンブリ４０は、それぞれ内側壁４４と外側壁４６の間に単一のエーロフォイルまたはブレード４２を含み、ブレードおよび側壁は、ニアネット鍛造物または材料の塊から機械加工される。図示するように、内側壁４４は、内側壁４４の前縁および後縁に沿って径方向内側に突出する雄形段またはフランジ５０および５２が側面に位置するまたはこれらを両側に備える雌形凹部４８を含む。あるいは、内側壁４４は、内側壁の前縁および後縁に隣接して径方向外側に延びる雌形凹部が側面に位置する中央雄形突起をもたらすように構築してもよい。同様に、図示するように外側壁４６は、外側壁４６の前縁および後縁に隣接して径方向外側に延びる１対の雄形段またはフランジ５６、５８が側面に位置するまたはこれらを両側に備える雌形凹部５４を含む。あるいは、外側壁４６は、外側壁の前縁および後縁に沿って径方向内側に延びる雌形凹部が側面に位置する中央雄形突起を有してもよい。

次いで、低入熱型溶接を用いてそれぞれ内側リング６０と外側リング６２の間にノズルシングレット４０を組み込む。例えば、低入熱型溶接で、突合せ溶接境界面を利用し、好ましくは浅い電子ビーム溶接または浅いレーザ溶接あるいは浅いフラックスＴＩＧまたはＡ−ＴＩＧ溶接プロセスを利用する。これらの溶接プロセスおよびこれらの溶接型式を使用することによって、溶接部が、側壁と側壁の段に隣接するリングとの間の領域に限定され、あるいは境界面における形状が図２に示すものと逆である場合は内側リングおよび外側リングの段の領域内に限定される。したがって、溶接は、好ましくは側壁の軸方向の両方の端部に沿った段の軸方向範囲を超えない、短い軸方向距離だけで、溶加材を使用せずに行われる。具体的には、内側壁および外側壁の軸方向距離の１／２未満の距離を使用して、内側リングと外側リングの間にシングレットノズルを溶接する。例えば、軸方向に、側壁とリングの間の境界面の前縁側と後縁側の両方から電子ビーム溶接を使用することにより、側壁およびリングの材料が溶着する溶接部の軸方向範囲が、軸方向境界面の範囲の１／２未満になる。上記で指摘したように、ＥＢＷ溶接を使用する場合、溶接部は側壁とリングの突合せ部分の軸方向の全範囲にわたって延びてよい。

組立て方法が図４に最適に示され、図示された組立てプロセスは、リングおよびシングレットが水平の向きにあるときに内側リング６０と外側リング６２の間にシングレット４０を配設することを含む。したがって、この組立体を固定されたｅビーム溶接機に対して、あるいはｅビーム溶接機を固定された組立体に対して周方向に回転させ、次いでこの組立体を逆にし、反対の軸方向からの溶接を完了することにより、ノズル組立体が多量の入熱なしでまたは溶加材を使用せずに周方向の列として内側リングおよび外側リングに溶接される。

図２に明確に示すように、シングレット４０の部品５０、５２、５６、５８とリング６０、６２の間にはまた機械的境界面も存在する。この境界面は、相手側の凹部に係合する段またはフランジを含む。この段および凹部形状は、製造中に溶接深さを制御し、それを決定的なものにしノズルシングレット間で首尾一貫したものにするために使用される。このインターロックはまた、ノズルシングレットを内側リングと外側リングの間で軸方向に位置合せするために使用される。このインターロックは、内側リングと外側リングの間へのノズルシングレットの組込みおよびその溶接中にノズルを所定の位置に保持する。すなわち、ノズルシンングレットを、リングによって拘束されたまま、互いに隣接して、内側リングと外側リングの間に耐密に詰め込むことができる。さらに、この機械的インターロックは、溶接部に不具合が生じた場合、蒸気タービン運転中にシングレットを軸方向位置に保持する、すなわちシングレットが下流側に動いてロータと接触するのを防ぐ。

特に図５、６および７を参照すると、ノズルシングレットがフライス加工プロセスを経る間、ノズルシングレットを取り付ける助けとなるシングレット設計に追加される機構がさらに示されている。これらの機構は、機械加工シングレット供給者に一貫したインターフェースを与えるために、ノズルシングレット設計に追加される。例えば、図５では、これらの機構の１つは、リブまたはレール７０を頂部側壁または底部側壁上に含む。外側壁４６に沿って前方に延びたリブ７２を含む別の取付け機構が図７に示されている。リブ７２は内側壁４４に沿って設けてもよく、いずれの場合もこれらの側壁の後縁面に隣接して設けてよいことが理解されよう。図６では、外側壁の外面上に平坦部７４を、内側壁の外面上に平坦部７６を設けてよい。これらの平坦部７４および７６は、機械加工プロセス中に取付けを容易にするための機械加工基準として働く。現在の設計は、機械加工がより複雑かつコスト高であり、コンポーネントの機械加工のための取付けが難しい径方向表面を有する。

図８では、外側壁の前部または後部に、あるいは内側壁の前部または後部に１対の穴を設けてよい。これらの穴は、機械加工目的の取付けを容易にするために、複数のノズル設計間およびサイズ間で一貫して、マシニングセンタによってつまむことができる。したがって、これらの機構を追加することによって、シングレットを機械加工するための工具類、前処理、および機械加工サイクルを低減させるように働く、機械加工供給者への一貫したインターフェースが提供される。これらの取付け機構は、数値制御工作機械が全てのノズルに共通する機構の位置を識別することができるように基準点を与える必要を満たす。例えば、図８に示す２つの穴７８は、取付具上の２つの位置を与え、機械加工中にノズルの全体姿勢を制御する２つの平面を確定し、それによって機械がどのようなサイズの一体型ノズルシングレットでも形成できるようにする。

各ノズルシングレットの取付具はシングレット上に残しても、シングレットから取り除いてもよいことが理解されよう。例えば、図５に示すノズルシングレットのリブ７０を、関連する内側または外側リング内に形成された相補形の溝で受けてもよい。図７では、シングレットの形成後、組立て用機構７２を切除することが好ましい。また図６では、組立て中、平坦部を内側リングおよび外側リングに沿った弓状の表面に正確に突き合わす必要がないことも理解されよう。溶接は、シングレットの前縁および後縁に沿ってのみ、すなわち段またはフランジ５０、５２，５６、および５８と内側および外側リングに沿ってのみ行うことが好ましい。その結果、段間またはフランジ間に軸方向空間ができ、それをリングの内側面と径方向に位置合せすることにより、溶接または溶加材をなくすことができ、これらの表面は互いに接触しても接触しなくてもよい。

本発明を、最も実用的かつ好ましい実施形態であると現在考えられているものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、それとは逆に添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な変更形態および等価な構成を包含するものであることを理解されたい。

従来技術による蒸気タービンノズルのダイヤフラム段の断面を示す概略線図である。 本発明の好ましい実施形態によるノズル組立体および溶接用機構を組み込んだ蒸気タービン段の線図である。 シングレットノズル組立体の斜視図である。 ステータの内側リングと外側リングの間にある図３のシングレットノズル組立体の概略図である。 位置合せ機構を組み込んだシングレットノズルの拡大斜視図である。 基準機構を組み込んだシングレットノズルの拡大斜視図である。 本明細書の位置合せ機構の別の実施形態を図示するノズル組立体の部分斜視図である。 本明細書の基準機構の別の実施形態を図示するノズル組立体の部分斜視図である。

符号の説明

１０ ノズル組立体
１２ 離間されたエーロフォイルまたはブレード
１４ 内側バンド
１６ 外側バンド
１８ 内側リング
２０ 外側リング
２２ バケット
２４ ロータ
２６ 溶接部
２８ （別の）溶接部
３０、３２ 多量入熱の溶接部
４０ サブアセンブリ（ノズルシングレット）
４２ 単一のエーロフォイルまたはブレード
４４ 内側壁
４６ 外側壁
４８ 雌形凹部
５０、５２ 雄形段またはフランジ（内側）
５４ 雌形凹部
５６、５８ 雄形段またはフランジ（外側）
６０ 内側リング
６２ 外側リング
７０ リブまたはレール
７２ 延在リブ（組立て機構）
７４ 平坦部
７６ 平坦部
７８ 穴

Claims (9)

1. タービン用のノズル組立体（４０）であって、
   内側壁および外側壁（４４、４６）を有し、タービンに組み込まれたとき流路を部分的に規定する少なくとも１つのノズルブレード（４２）と、
   外側リング（６２）および内側リング（６０）とを備え、
   前記外側リングが、（ｉ）径方向外側に延びる１対の雌形凹部を両側に備える雄形突起、または（ｉｉ）径方向内側に延びる１対の雄形突起を両側に備える雌形凹部の一方を有し、
   前記外側壁が、（ｉ）径方向外側に延びる１対の雄形突起（５６、５８）を両側に備える雌形凹部（５４）、または（ｉｉ）径方向に内側に延びる１対の雌形凹部を両側に備える雄形突起の他方を有し、それによって前記外側リング（６２）と前記外側壁（４６）の間で、軸方向の相対変位を抑えるインターロック係合が可能になり、
   前記外側リング（６２）と前記外側壁（４６）が互いに溶接され、前記内側リング（６０）と前記内側壁（４４）が互いに溶接され、前記外側リング（６２）と前記外側壁（４６）の間の前記溶接部の軸方向範囲が、前記外側リングと前記外側壁の間の突合せ部の軸方向範囲の１／２未満であり、
   前記ノズルブレード（４２）が、前記内側壁（４４）と外側壁（４６）の間に単一のブレード（４２）を含むシングレットサブアセンブリ（４０）であって、前記シングレットサブアセンブリ（４０）のノズルブレード（４２）、前記内側壁（４４）及び外側壁（４６）が、ニアネット鍛造物又は材料の塊から機械加工されたものであり、
   前記外側壁（４６）が、該外側壁（４６）から半径方向に突出したリブ又はレール（７０）、該外側壁（４６）の外面上に設けられた平坦部（７４）、該外側壁（４６）の前縁面又は後縁面から軸方向に突出したリブ（７２）、及び外側壁（４６）の前縁面又は後縁面に設けられた１対の穴（７８）の少なくともいずれかを、取付具として含む、ノズル組立体。
2. 互いに連結された、前記１対の雄形突起（５６，５８）の一方および前記１対の雌形凹部の一方が、前記外側リング（６２）および前記外側壁（４６）の上流側部分に沿って位置し、溶接溶加材の追加なしに互いに溶接される、請求項１記載のノズル組立体。
3. 互いに連結された、前記１対の雄形突起（５６，５８）の一方および前記１対の雌形凹部の一方が、前記外側リング（６２）および前記外側壁（４６）の下流側部分に沿って位置し、溶加材の追加なしに互いに溶接される、請求項１又は請求項２記載のノズル組立体。
4. 前記１つの雄形突起と前記１つの雌型凹部の間の溶接部の軸方向の範囲が、ほぼ前記１つの雄形突起と前記１つの雌形凹部の間の係合の軸方向範囲に限定される、請求項２又は請求項３記載のノズル組立体。
5. 前記１対の雄形突起（５６）、（５８）が、前記外側壁（４６）上に外側壁（４６）のそれぞれ上流部および下流部に隣接して位置し且つ概ね径方向外側に突き出し、前記外側リング上の前記雌型凹部が、前記外側壁の雄形突起（５６、５８）を受け、前記溶接が、局所的にほぼ前記外側壁の雄形突起と前記外側リングの凹部の突合せ面同士の間だけで行われる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のノズル組立体。
6. 前記内側リング（６０）が、（ｉ）径方向外側に延びる１対の雄型突起を両側に備える雌型凹部、または（ｉｉ）径方向内側に延びる１対の雌型凹部を両側に備える雄型突起のうちの一方を有し、
   前記内側壁（４４）が、（ｉ）径方向内側に延びる１対の雄型突起（５０，５２）を両側に備える雌型凹部（４８）、または（ｉｉ）径方向外側に延びる１対の雌型凹部を両側に備える雄型突起のうちの他方を有し、前記内側リング（６０）および前記内側壁（４４）が互いに溶接される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のノズル組立体。
7. 互いに連結された、前記１対の雄形突起（５０、５２）の一方および前記１対の雌形凹部の一方が、前記内側リング（６０）および前記内側壁（４４）の上流側部分に沿って位置し、互いに溶接される、請求項６記載のノズル組立体。
8. 前記内側壁（４４）と前記内側リング（６０）の間の溶接の軸方向の範囲が、前記内側壁と内側リングの間の突合せ部の軸方向範囲の１／２未満である、請求項７記載のノズル組立体。
9. 前記内側壁（４４）が、該内側壁（４４）から半径方向に突出したリブ又はレール、該内側壁（４４）の外面上に設けられた平坦部（７６）、該内側壁（４４）の前縁面又は後縁面から軸方向に突出したリブ、及び内側壁（４４）の前縁面又は後縁面に設けられた１対の穴の少なくともいずれかを、取付具として含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のノズル組立体。
   

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