JP5947530B2 - 後装式組立体のための蒸気タービンシングレットノズル設計 - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、蒸気タービンに関し、より具体的には後装式組立体用のノズル組立体の構成に関する。

蒸気タービンは通常、ロータに接続された回転バケットに蒸気流を配向する静止ノズルセグメントを含む。蒸気タービンにおいては、翼形部又はブレード構造を含むノズルは通常、ノズル組立体又はダイアフラム段と呼ばれる。

従来のダイアフラム段は、２つの方法のうちの一方を用いて構成される。第１の方法は、バンド／リング構造を使用し、この場合、翼形部は、最初に約１８０°の周りに円周方向に延びる内側及び外側バンド間に溶接される。次いで、溶接された翼形部を備えるこうした弓形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及び外側リング間に溶接される。第２の方法は、接合部にフィレット溶接を用いて翼形部が内側及び外側リングに直接溶接されることからなる。この方法は、通常、溶接部の作製が利用しやすい大型の翼形部用に用いられる。

バンド／リング組立方法には本質的に限界がある。バンド／リング組立方法における原理上の限界は、流路すなわち隣接する翼形部と蒸気経路側壁との間の内在する溶接変形である。これらの組立に使用される溶接は、サイズ及び入熱が相当大きなものである。すなわち、或いは、溶接は、フィラー金属なしの極めて深いガス金属溶接（ＧＭＡＷ又はＭＩＧ）、又は電子ビーム溶接である。この材料又は入熱により流路の変形が生じ、例えば、材料の収縮により翼形部がその設計形状から流路内に湾曲するようになる。多くの場合、翼形部は、溶接後の調整及び応力緩和を必要とする。この蒸気経路の変形の結果、ステータ効率が低下する。ノズルをステータ組立体に溶接する結果として、内側及び外側バンドの表面輪郭もまた変化し、更に不規則な流路を生じさせる可能性がある。従って、ノズル及びバンドは、全体的に曲がり及び変形を生じる。このことは、ノズルを設計基準にするためにノズル形状に関してかなりの最終仕上げを必要とする。また、リングに溶接される単一ノズル構造を用いた組立方法は、確定した溶接深さを有しておらず、内側及び外側リング両方に組立整列特徴要素がなく、また、溶接障害が生じた場合の保持機構がない。

蒸気タービンノズルはシングレットとして提供することができる。Ｂｕｒｄｇｉｃｋ他（米国特許第７４２７１８７号）は、図１に示すように、一体化された内側側壁１１５と外側側壁１３５とを備えた翼形部１０６を有する蒸気タービンノズルシングレット１０５を導入している。シングレット（商標）ノズル組立体は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社の商標であり、本明細書では以下「シングレット翼形部」又は「シングレットノズル組立体」と呼ぶことにする。翼形部１０６及び側壁１１５、１３５は、例えば、ニアネット鍛造物、又は材料のブロックから機械加工することができる。内側リング１０２は、段部１３６を含むことができ、該段部は、内側側壁１１５の相補的な凹部１３８内に受けられる。外側側壁１３５は、段部１３６を含み、該段部は、外側リング１０４の相補的凹部１３８内に受けられる。段部及び凹部の代替の構成を側壁とリングとの間に形成することができる。側壁１１５と内側リング１０２との間の接合部１０１並びに側壁１３５と外側リング１０４との間の接合部１０３は、段部１３６の各側面によって止められ、溶接の長さを制限し、及び軸方向に短く低入熱の溶接（例えば、ｅビーム溶接）を可能にする。これらの相補的な段部１３６及び凹部１３８は、内側リング１０２と外側リング１０４との間のシングレット１０５を機械的に相互連結し、溶接障害が生じたときのシングレットの変位を阻止する。低入熱溶接は、ノズル流路の変形を最小限にし、又は排除する。

しかしながら、Ｂｕｒｄｇｉｃｋ他（米国特許第７４２７１８７号）の構成には幾つかの欠点がある。外側リング１０４との外側側壁１３５の接合部１０３、並びに内側側壁１１５と内側リング１０２の接合部１０１における前縁１１８及び後縁１１９の各々において、低入熱であっても溶接を実施しなければならない。溶接を行うためには、両方の接合部１０１、１０３の前縁１１８及び後縁１１９にアクセス可能でなければならない。内側リング及び外側リングの軸方向寸法に基づいて、内側側壁及び外側側壁の対応する軸方向寸法は、前縁及び後縁において両方の位置にて溶接をするためにアクセスできるような同等のサイズであることが必要となる場合がある。リングの大きな軸方向寸法は、シングレットに供給される材料の大きなブロックが必要となり、また所与のノズルサイズに相当な機械加工が行われる大型の軸方向側壁が決定づけられ、結果としてコスト及び時間が付加される。

Ｂｕｒｄｇｉｃｋ他（米国特許公開２０１０／０２５２９３４）では、図２に示すようなタービン用のシングレットノズル組立体２０５を開示している。シングレットノズル組立体２０５は、一体化された内側側壁２１５及び外側側壁２３５を備えたシングレット翼形部２０６と、内側リング２０２及び外側リング２０４とを含む。これらの側壁及びリングの各々は、一方端上の機械的相互連結と他端上での溶接との組み合わせによって、接合部にて互いに結合される。機械的相互連結は、側壁２１５、２３５又はリング２０２、２０４のいずれかを含み、一方が突起フック２２０を有し、他方が対応するフック凹部２２２を有する。図２において、フック２２０は、側壁２１５、２３５上に図示されている。接合部はまた、軸方向ストップ２５０と、半径方向機械的ストップ２３５とを含むことができる。この形状は更に、狭い溝（図示せず）を形成するために、リングと、接合部から離れて角度が付けられる側壁との間の接合部にて１つ又はそれ以上の表面を含むことができる。この形状は更に、消耗根元部分（図示せず）を備えたリングを含むことができる。

より具体的には、外側側壁２３５と関連の外側リング２０４との間の半径方向接合部上に軸方向位置決め及びフェールセーフストップ２５０と、各側壁と関連のリングとの間の接合部２０７上の後縁２１９において単一の溶接とが設けられる。軸方向位置決め及びフェールセーフストップは、外側リング２０４の半径方向突出桟部２５１により形成される。側壁における軸方向位置決め特徴要素は、接合部２０３に沿った後縁溶接の長さを確立する。外側リング２０４の同じ内向き突出桟部２５１は、後縁溶接の障害時に関連の下流側ロータブレード（図示せず）に向かうノズル翼形部２０６の軸方向下流側移動を阻止するフェールセーフ特徴要素として機能する。半径方向接合部は更に、接合部２０３の後縁２１９に近接して半径方向位置決め及び収縮ストップ２５５を含むことができる。リングの半径方向ストップ面は、外側リング２０４に対する側壁の半径方向位置決めを設定する。更に、半径方向ストップがリングに対して側壁を位置決めするので、収縮ストップにより位置決めが固定される理由から、後縁における半径方向溶接スペース内での溶接収縮は、リングに対する側壁の半径方向位置決めを変化させることができない。

上述の構成では、一体化された内側側壁２０２及び外側側壁２０４並びに内側側壁及び外側側壁上の上流側に面するフック２４５を含む翼形部２０６を備えたシングレットノズル組立体２０５の利用と、同時に外側及び内側リングへのシングレットノズル２２５の円周方向装荷とが必要となっている。内側リング及び外側リングは同心状に位置付けられ、該内側リングは、外側リングに対して対称的に固定して位置付けられる。シングレット翼形部は、連続して組立体内に円周方向に装荷され、内側側壁が内側リングの凹部内で滑動し、外側側壁が外側リングの凹部内で滑動する。内側側壁の半径方向面は、内側リングの半径方向面に対して円周方向に滑動しなくてはならず、同時に、外側側壁の半径方向面は、外側リングの半径方向面に対して円周方向に滑動しなければならないので、この構成は、リングとシングレット側壁との間に緊密な半径方向ギャップで設計することはできない。現在のところ、内側リング及び外側リングの両方のフック内に同時に円周方向でノズルを組み立てるために、これらの接合部において大きな半径方向ギャップを設けなければならない。これらのギャップは、０．０１インチよりも大きくすることが必要となる場合がある。

このようなサイズのギャップは、嵌合の完全性に関する問題を引き起こす。第１の問題は、組立体の緩みに関することである。ギャップにより溶接中にシングレットノズルの移動が可能となり、ノズルフックの全てを低温条件で接触可能にすることができない。ギャップは、設計上の応力集中につながる。また、ギャップは、フックとの接触が形成されるまで、ノズル組立体の下流側移動が可能となる場合がある。加えて、ノズルトルクは、フックが装荷されるまで、ノズルの捻れ及び円周方向移動を可能にする場合がある。これにより応力問題が引き起こされ、また、ノズルスロートが変化することができるときにはノズル空力性能の問題を引き起こす。

従って、一体化された内側及び外側側壁を備え、シングレットノズルがリング間に容易に装荷されると同時にリング接合部に対して側壁での緊密な半径方向クリアランスを維持することができるような、シングレットノズルのノズル組立体用の構成を提供することが望ましい。加えて、改善された翼形部公差及びスロート制御によりタービン性能を改善することが望ましい。

米国特許第７６５４７９４号明細書

要約すると、本発明の１つの態様によれば、タービンのノズル組立体が提供される。ノズル組立体は、一体化された内側側壁及び一体化された外側側壁を有する少なくとも１つの翼形部を含む。内側リングは、フック接合部及び溶接接合部のうちの一方を有する上流側接合部とフック接合部及び溶接接合部のうちの他方を有する下流側接合部とを含む接合部において内側側壁に機械的に結合される。外側リングは、フック接合部及び溶接接合部のうちの一方を有する上流側接合部と、フック接合部及び溶接接合部のうちの他方を有する下流側接合部とを含む接合部において外側側壁に機械的に結合される。

外側リング及び外側側壁間のフック接合部が、外側側壁の上流面上の突出部又は相補的凹部の一方で形成することができ、外側リングの下流面が突出部又は相補的凹部の他方を含む。内側リング及び内側側壁間のフック接合部が内側側壁の上流面上の突出部又は相補的凹部の一方で形成することができ、内側リングの下流面が突出部又は相補的凹部の他方を含む。外側側壁及び外側リングの接合部において、翼形部を適正な半径方向位置に維持するよう構成された機械的半径方向ストップが設けられる。外側側壁及び外側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上並びに内側側壁及び内側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上に準ライン間接触部が設けられる。

本発明の別の態様によれば、一体化された内側側壁及び外側側壁を含む翼形部を備えたノズル組立体を装荷する方法が提供され、内側側壁と内側リングとの間の接合部及び外側側壁と外側リングとの間の接合部の各々が、ノズル組立体の上流側に前方フック及び凹部を含む。本方法は、複数の翼形部の各々に対して外側側壁を受け入れるように外側リングを位置付けるステップを含む。次に、本方法は、複数の翼形部の各々の外側側壁と共に外側リングを円周方向に装荷するステップを含む。次いで、本方法は、複数の翼形部の各々の内側側壁と係合するよう内側リングを位置付けるステップを提供する。本方法は更に、複数の翼形部の各々の内側側壁の凹部を外側リングの突出部と係合するステップを含む。

本発明の別の態様は、蒸気タービン内で実質的に円周方向に延びるよう構成された半径方向外側リングと、蒸気タービン内で実質的に円周方向に延びるよう構成された半径方向内側リングと、
内側リング及び外側リング間に実質的に半径方向に延びる一体化された外側側壁及び一体化された内側側壁を有する少なくとも１つのノズル翼形部と、を含むノズル組立体を備えた蒸気タービンを提供する。内側リングは、フック接合部及び溶接接合部のうちの一方を有する上流側接合部とフック接合部及び溶接接合部のうちの他方を有する下流側接合部とを含む接合部において内側側壁に機械的に結合される。外側リングは、フック接合部及び溶接接合部のうちの一方を有する上流側接合部と、フック接合部及び溶接接合部のうちの他方を有する下流側接合部とを含む接合部において外側側壁に機械的に結合される。

外側リング及び外側側壁間のフックは、外側側壁上の突出部又は相補的凹部の一方で形成され、外側リングが突出部又は相補的凹部の他方を含む。内側リング及び内側側壁間のフックは、内側側壁上の突出部及び相補的凹部の一方で形成され、内側リングが突出部及び相補的凹部の他方を含む。機械的半径方向ストップが、内側リングを備えた内側側壁と外側側壁及び外側リングとの少なくとも一方の接合部に設けられる。機械的半径方向ストップは、翼形部を適正な半径方向位置に維持するよう構成される。準ライン間接触部が、外側側壁及び外側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上並びに内側側壁及び内側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上に設けられる。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

蒸気タービンの従来のシングレットノズル配置を示す図。 前方フックを有する内側及び外側翼形部側壁を内側及び外側リング内に円周方向に装荷した、蒸気タービンの従来のシングレットノズル配置を示す図。 例示的な対向流蒸気タービンの概略図。 図３に示す蒸気タービンと共に用いることができる例示的なノズル組立体の概略図。 内側側壁への内側リングの後装を可能にするノズル組立体の本発明の配置の１つの実施形態を示す図。 内側側壁への内側リングの後装を可能にするノズル組立体の本発明の配置の別の実施形態を示す図。 ノズル組立体の本発明の配置における外側側壁の拡大図。 ＭＩＧ溶接用の側壁及びリングの下流側接合部における狭溝を含むノズル組立体の本発明の配置の１つの実施形態を示す図。 組み立てに備えて配列された、組み立てに備えて配列された、外側リング、シングレットノズル、内側側壁並びに内側リングの軸方向図。 シングレットノズルの外側側壁が外側リング内にスイングされ、外側側壁の前方フックが相補的外側リング凹部と係合した状態を示す図。 シングレットノズルの内側側壁を係合するため装荷の位置に配置された内側リングを示す図。 内側リングの凹部内に挿入された内側側壁の前方フック突出部を示す図。 前方フック突出部を内側リングのフック凹部内に係合するため下方に移動された内側リングを示す図。 ノズル組立体の本発明の配置の後装の実施形態に関する方法のフローチャート。 蒸気タービンのシングレットノズル組立体の本発明の実施形態のハーフリングを示す図。

本発明の以下の実施形態は、側壁及びリングの下流側後縁接合部上にだけ溶接部が形成され、これにより溶接変形作用が低減される、低入熱溶接作業のみを必要とするシングレットノズルを備えたノズル組立体の装置及び製造方法を提供することを含む、多くの利点を有する。溶接形状が制限され且つ溶接後に調整する必要がなく、構造が簡素化されることで、ノズルのコストも低下する。この構成は、ノズル組立体を形成するための外側及び内側リング間のシングレットの後装を可能にする。シングレットの円周方向の同時装荷の必要性を排除することにより、側壁とリングとの間の半径方向接合面に極めて緊密な寸法上の制約をかけることができる。より緊密な寸法上の制約、位置ずれの低減、及び溶接変形作用の回避によって、ノズル形状及び流れクリアランスの設計公差に対する遵守を向上させ、ノズル性能の強化がもたらされる。

更に、個々のシングレットノズルから有意な材料を機械加工により除去する必要のない上首尾なフック及び溶接設計を導入することで、設計を安価に保つ助けとなる。更にまた、特別な固定具を必要とすることなく組み立てを行うことができ、組み立て時間及びコストが低減される。

図３は、本発明のノズル組立体形状を含むことができる例示的な対向流蒸気タービン１０の概略図である。タービン１０は、第１及び第２の低圧（ＬＰ）セクション１２、１４を含む。各タービンセクション１２、１４は、ノズル組立体の複数の段を含む（図１に示す）。ロータシャフト１６は、半径方向中心線１５に沿ってセクション１２及び１４を通って延びる。各ＬＰセクション１２、１４は、ノズル１８、２０を含む。単一の外側シェル又はケーシング２２は、水平面に沿って且つ軸方向で上側及び下側ハーフセクション２４及び２６にそれぞれ分割され、両方のＬＰセクション１２、１４にわたる。シェル２２の中央セクション２８は、低圧蒸気入口３０を含む。外側シェル又はケーシング２２内では、ＬＰセクション１２、１４がジャーナル軸受３２、３４によって支持される単一の軸受スパンで配列される。フロースプリッター４０は、第１及び第２のセクション１２、１４間に延びる。図１は、当業者には理解されるように複流低圧タービンを示しているが、本発明は、低圧タービンでの使用に限定されず、限定ではないが、中圧（ＩＰ）タービン又は高圧（ＨＰ）タービンを含む、あらゆる複流タービンで用いることができる。加えて、本発明は、複流タービンでの使用に限定されず、例えば、単一流蒸気タービンでも用いることができる。

運転中、低圧蒸気入口３０は、例えば、クロスオーバ管（図示せず）を通ってＨＰタービン又はＩＰタービンなどの供給源から低圧／中間温度の蒸気５０を受け取る。蒸気５０は、入口３０を通って送られ、ここではフロースプリッター４０が蒸気流を２つの対向する流路５２及び５４に分割する。より具体的には、蒸気５０は、ＬＰセクション１２及び１４を通って送られ、ここで蒸気から仕事が抽出されてロータシャフト１６を回転させる。蒸気流路における前述の段５２、５４は、マージン段と呼ばれ、本発明のノズル組立体（図示せず）を含むことができる。このような蒸気タービンは、本発明のノズル組立体（図示せず）を含むことができる。蒸気は、ＬＰセクション１２及び１４から流出し、例えば、凝縮器又は他のヒートシンク（図示せず）に送られる。

図４は、蒸気タービン１０（図１に示す）と共に用いることができる例示的なノズル組立体１００の拡大概略正面図である。１つの実施形態において、ノズル組立体１００は、蒸気タービン１０の最終段ノズル組立体とすることができる。ノズル組立体１００は、環状内側リング１０２と、環状外側リング１０４と、内側及び外側側壁（図示せず）がこれらの間を延びた複数のシングレットノズル翼形部１０６とを含む。外側リング１０４は、内側リング１０２の半径方向外向きにあり、これと実質的に同心状に整列されている。ノズル翼形部１６は、リング１０２とリング１０４との間で円周方向に間隔を置いて配置され、各々が内側及び外側リング１０２、１０４間をそれぞれ実質的に半径方向に延びている。内側リング１０２の半径方向外面１１０と外側リング１０４の半径方向内面１１２は、ノズル組立体１００を通って定められる蒸気流路の半径方向内側及び半径方向外側境界を定める。

図５は、本発明による、本発明のノズル組立体の１つの実施形態の機械的配置を示している。ノズル組立体の内側及び外側リングへの円周方向の同時装荷に依存する上述の従来のシングレットタイプの設計は、リングとシングレット組立体との間の小さな半径方向ギャップを有して組み立てることができない。本発明の後装式（軸方向組立）設計は、リングとシングレット接合部との間のフック上で準ライン間接触を可能にする。ここで、シングレットノズル３２５の外側側壁３３５は、組み立て中に外側リング３０４と係合して図示されている。外側側壁３３５の前方フック３３０は、外側リング３０４の相補的凹部３３２１内に挿入される。外側側壁３３５と外側リング３０４との間の接合部３０３は、シングレットノズル３２５の重量を受けて嵌合する。

内側リング３０２は、内側側壁３１５と嵌合するよう位置付けられて示されている。内側側壁３１５は、前方フック３４５を含む前方突出部３４０を含む。前方突出部３４０の長さは、長さ３４１である。内側側壁はまた、中央凹部３４２と、表面３４４を備えた端部突出部３４３とを含む。内側リング３０２は、部分的に囲まれたフック係合凹部３６１を備えた中央凹部３６０を含む。凹部３６０は、フック保持部３６４を有する内側リング突出部３６２と内側リング突出部３６３との間に設定される。凹部３６０への入口３６５は、前方突出部３４０の長さ３４１を受け入れるようなサイズにされる。内側リング３０２が内側側壁３１５と係合するため移動されるときには、前方突出部３４０が入口３６５を通って凹部３６０に挿入され、内側リング３０２上の突出部３６３が内側側壁の凹部３４２に入り、次いで、内側側壁上の表面３４４が内側リング上の表面３６６と接触する。内側リングのフック凹部３６１は、係合された内側リングが前方フックを挿入するよう移動されたときに内側側壁の前方フック３４５を受け入れるようなサイズにされる。上述の機械的配置によって、ハーフリングと関連付けられた全シングレットノズル３２５上への内側リングの同時後装が可能となる。

図６に示すような後装配置もまた利用可能であり、ここでは、前方フックは内側リング上に設けられ、フック凹部は内側側壁上に設けられる。ここで、シングレットノズル４２５の外側側壁４３５は、組立中に外側リング４０４と係合されて示される。外側リング４０４の前方フック４３０は、外側側壁４３５の相補的凹部４３１内に挿入される。外側側壁４３５と内側リング４０４との間の接合部４０３は、シングレットノズル４２５の重量を受けて嵌合する。

内側リング４０２は、内側側壁４１５と嵌合するよう位置付けられて示されている。内側リング４０２は、前方フック４４５を含む前方突出部４４０を含む。前方突出部４４０の長さは、長さ４４１である。内側リング４０２はまた、中央凹部４４２と、表面４４４を備えた端部突出部４４３とを含む。内側側壁４１５は、部分的に囲まれたフック係合凹部４６１を備えた中央凹部４６０を含む。凹部４６０は、フック保持部４６４を有する内側側壁突出部４６２と内側側壁突出部４６３との間に設定される。凹部４６０への入口４６５は、前方突出部４４０の長さ４４１を受け入れるようなサイズにされる。内側リング４０２が内側側壁４１５と係合するため移動されるときには、前方突出部４４０が入口４６５を通って凹部４６０に挿入され、内側側壁４１５上の突出部４６３が凹部４６０に入り、次いで、内側リング上の表面４４４が内側側壁上の表面４６６と接触する。内側側壁のフック凹部４６１は、係合された内側リングが前方フックを挿入するよう移動されたときに内側リングの前方フック４４５を受け入れるようなサイズにされる。上述の機械的配置によって、内側リング４０２上への全シングレットノズル３２５の同時後装が可能となる。外側リング及び内側リング内へのシングレットノズルの後装方法は、以下で詳細に説明する。

本発明の実施形態は、一体化された内側側壁及び外側側壁を有するシングレットノズル３２５の上述の接合部の有利な要素を保持する。図７は、外側側壁３２５から外側リング３０４への拡大図を示している。外側側壁の上流面は、前方フック３３０を含む。これらの特徴要素はまた、半径方向の機械的位置決め及び収縮ストップ３５５と、軸方向位置決め及びフェールセーフストップ３５７とを含む。このフック及び溶接配置は、種々の低入熱溶接技術を組み込むことができるので、選択される溶接形状に関係なく実施することができる。半径方向位置決め特徴要素は、溶接中に正確な半径方向位置で部品を正確に配置すると同時に、軸方向組み付け固定具を必要とすることなく正確な軸方向変位を可能にする。側壁における軸方向位置決め特徴要素は、接合部３０３に沿ったある長さの後縁溶接３１０を確立し、これにより軸方向溶接長さが決定される。この実施形態における後縁溶接３１０は、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）とすることができる。関連のリングの同じ内向き突出桟部３８０は、後縁溶接の障害時に関連の下流側ロータブレードに向かうノズル翼形部の軸方向の下流側移動を阻止するフェールセーフ特徴要素として機能する。リングの半径方向ストップは、リングに対する側壁の半径方向位置決めを設定する。更に、半径方向ストップがリングに対して側壁を位置決めするので、収縮ストップにより位置決めが固定される理由から、後縁における半径方向溶接スペース内での溶接収縮は、リングに対する側壁の半径方向位置決めを変化させることができない。従来技術の形状は、溶接の収縮及び凝固速度に基づき溶接中の半径方向の変形又は移動を引き起こす場合がある。従来技術の形状はまた、溶接中にノズルの前後の傾斜を引き起こす。

準ライン間接触部が、外側リング３０４の表面３３２とフック３３０における外側側壁３３５の表面３３３の内側半径方向接合部に設けられる。準ライン間接触部は、外側リング３０４の表面３５８及び外側側壁３３５の表面３５９の半径方向ストップ３５５の接合部にて設けられる。フックの対向する面間並びに半径方向ストップの対向する面間の準ライン間接触部は、対向する面の公称寸法が同じ出あることを意味するものと解釈することができる。準ライン間接触部はまた、内側側壁５０２のフック５４０の外面と内側リング５１５の対向する面５６４（図１２）との間の接合部５６５（図１３）に設けられる。内側側壁５１５と内側リング５０２との間の半径方向ストップ５７０（図１３）において対向する面に対して約０．００２の僅かなギャップが設けられる。

シングレットについての本発明の配置は、蒸気経路の各側部上にフック接合部及び溶接接合部を用いる。すなわち、フック及び溶接の両方は、外側リング接合部に対する外側側壁上及び内側リング接合部に対する内側側壁上にある。この配置は更に、シングレットノズル組立体の製造容易性を改善すると同時に、溶接中に部品にもたらされる変形量を最小限にするのを助ける。加えて、フック及び溶接配置は、溶接前に設計を構築するのに必要な固定具を低減することにより製品の組み付け性及びコストを改善する助けとなる。側壁の蒸気入口側（上流面）上のフックは、組み付けられたときにノズルを半径方向に位置決めした状態にし、溶接前にノズルが組立状態でスタックされている間圧力が印加されたときにノズルを収容する助けとなる。ノズル組立体の製造中、（下流側の）対向側部が溶接されると溶接が収縮する傾向となる。下流側での半径方向の収縮は、側壁の上流側をフックと共に半径方向に引き上げる傾向となる。しかしながら、フックは更に、下流側が溶接される間にノズルを所定位置に保持することによってノズル組立体の製造を支援する。更に、フックは、同じ接合部で溶接したときに生じる鋭い不連続点と比べて、より決定的な応力集中Ｋｔ係数を可能にする。ノズルにかかるモーメントは通常下流方向であり、溶接部に張力を生じさせる。本発明の配置は、応力集中係数が既知のフック（前方フック）を介して力を伝達可能にする。このことは、エンジニアリングサイクルを緩和し、部品の疲労寿命を延長する。下流側溶接は通常は圧縮状態にあり、溶接Ｋｔに関する問題があまり問題とはならないようにすることができる。

フック及び溶接配置は、例えば、電子ビーム溶接（ＥＢＷ）、レーザビーム溶接（ＬＢＷ）、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）（ＧＴＡＷ）溶接、又はガスメタル不活性（ＭＩＧ）（ＧＭＡＷ）など、低入熱とみなされる溶接プロセスと共に使用される傾向がある。ＴＩＧ溶接プロセスは、（１）片面又は両面Ｊ ｐｒｅｐ（準備）を用いた高温又は低温ワイヤ自動化フィードを利用した狭溝のＴＩＧ溶接プロセス、（２）根元部消耗可能溶接／固定ストップ、（３）溶接部に作用する力とインラインとなるはずの水平方向ではなく、垂直方向の溶接不連続性を含むことができる。

図８は、ＭＩＧ溶接において側壁及びリングの下流側接合部における片面狭溝溶接準備を含むノズル組立体の本発明の配置の１つの実施形態を示す。

軸方向機械的ストップの利点は、ＥＢＷ溶接用に組み込み溶接ストッパーを生成し、ＴＩＧ又はＭＩＧ設計の根元溶接における方向主要部歪みに対して非溶接接合部（亀裂発生部）９０を９０度移動させることである。設計では、リング上に示す雌嵌合で示されているが、当該嵌合部は、製造上の選好に応じてシングレット（雄嵌合）に移行することができる。ＭＩＧ形状は、依然として構造完全性を維持しながら溶接及び／又は入熱を最小限にする溶接準備を提供する。

図９から１３は、本発明による、ノズル組立体の内側及び外側リングにシングレットノズルを装荷する方法を示す。図１４は、本発明による、内側及び外側リングへのシングレットノズルの装荷に関するフローチャートを示す。

図９は、組み立てに備えて配列された、外側リング５０４、一体化された外側側壁５３５及び内側側壁５１５を備えた翼形部５０６を含むシングレットノズル５２５、並びに内側リング５０２の軸方向図を示している。外側リングの上流面５０８と翼形部５０６の前縁５１８とが上方にある。外側リング５０４は、組み立て中に向きを維持するために所定位置に固定される（５１０）。外側リング凹部５３８は、外側側壁５３５の前方フック５３０を受け入れるように水平面に向けられる。外側リングのフック凹部５３１は、下向きに位置付けられる。次いで、シングレットノズル５２５は、外側リング５０４の相補的凹部５３１への前方フック５２０の僅かなスイング挿入を容易にするよう僅かに傾斜される（５２５）。

図１０は、シングレットノズル５２５の外側側壁５３５が外側リング５０４内にスイングされ（５１２）、外側側壁の前方フック５３０が相補的外側リング凹部５３１と係合し、軸方向ストップ５５７を形成する外側側壁突出部５５６上で外側側壁凹部をシールした状態を示している。ここで、軸方向ストップ５５７は、装荷中及びその後の下流側接合部５０３の溶接中にシングレットノズルを支持する。シングレットノズルの外側側壁５３５は、続いて外側リング５０４の端部入口において装荷され、外側リングが完全に装荷された状態でノズルが適正位置になるまで円周方向に移動される。

図１１は、シングレットノズル５２５の内側側壁５１５を係合するため装荷の位置に配置された内側リング５０２を示す。内側リング５０２は、外側リング５０４に保持されたシングレットノズル５２５の内側側壁５１５の前方フック突出部５４０の垂直整列を確立するよう位置付けられる。次いで、内側リング５０２は、水平方向に並進されて内側側壁前方フック突出部５４０を内側リング凹部５６０に挿入する。図１２は、内側リング５０２の凹部５６０内に挿入された内側側壁５０２の前方フック突出部５４０を示している。内側リング５０２の突出部５６３は、内側側壁の凹部５４２内に挿入される。内側側壁５１５の半径方向溶接面５４４と外側リング５０２の接合面５６６とが整列される。図１３は、前方フック突出部５４０を内側リング５０２のフック凹部５６１内に係合するため下方に移動された（５１４）（図１２）内側リング５０２を示している。これにより、下流側接合部１０３の溶接の前後の部品の移動を無視できるほどにする極めて緊密な組立体が確保される。

図１４は、外側及び内側リングへの半径方向面上での準ライン間接触により、一体化された内側及び外側リングを有する後装式シングレットノズルのフローチャートを示している。ステップ６１０は、外側リングの凹状開口がシングレットノズルの相補的外側側壁に面するように外側リングを固定的に位置付ける。ステップ６２０は、外側リングの凹状開口に向けてシングレットノズルの外側側壁の前方フックを傾斜させる。ステップ６３０は、外側リングの凹部内にシングレットノズルの外側側壁をスイングさせる。ステップ６４０は、外側リングの凹部内の円周方向位置にシングレットノズルの外側側壁を円周方向に滑動させる。ステップ６５０は、他のシングレットノズルに関する外側側壁の装荷を繰り返す。ステップ６６０は、装荷されたシングレットノズルの側壁の前方フック突出部と中央凹部を垂直方向で整列させて内側リングを位置付ける。ステップ６７０は、装荷されたシングレットノズルの内側側壁の前方フック突出部が内側側壁の対向する中央凹部に入るように、内側側壁に向けて内側リングを並進させる。ステップ６８０は、装荷されたシングレットノズルの内側側壁の前方フック突出部が内側リングの相補的フック凹部に入るように内側リングを下方に移動させる。ステップ６９０は、低入熱技術を用いて、外側リングと内側側壁及び内側リングの下流側接合部面とに外側側壁の下流側接合面を溶接する。

図１５は、蒸気タービンのシングレットノズル組立体のハーフリングを示す。シングレットノズル組立体５９０は、一体化された内側側壁５１５及び外側側壁５３５を含むシングレットノズルが装荷された、内側リング５０２及び外側リング５０４を含む。

本発明の種々の実施形態について説明してきたが、要素の種々の組み合わせ、変型形態、又は改善形態を実施することができ、更にこれらが本発明の範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。

３０２ 内側リング
３０３ 接合部
３０４ 外側リング
３１５ 内側側壁
３２５ シングレットノズル
３３０ 前方フック
３３５ 外側側壁
３４０ 前方突出部
３４１ 長さ
３４２ 中央凹部
３４３ 端部突出部
３４４ 表面
３４５ 前方フック
３６０ 中央凹部
３６１ フック係合凹部
３６２ 内側リング突出部
３６３ 内側リング突出部
３６４ フック保持部
３６５ 入口
３６６ 内側リング上の表面

Claims (14)

1. タービン用のノズル組立体であって、
   一体化された内側側壁及び一体化された外側側壁を有する少なくとも１つの翼形部と、
   フック接合部及び溶接接合部のうちの一方を有する上流側接合部と前記フック接合部及び溶接接合部のうちの他方を有する下流側接合部とを含む接合部において前記内側側壁に機械的に結合された内側リングと、
   フック接合部及び溶接接合部のうちの一方を有する上流側接合部と、前記フック接合部及び溶接接合部のうちの他方を有する下流側接合部とを含む接合部において前記外側側壁に機械的に結合された外側リングと、
   を備え、
   前記外側リング及び前記外側側壁間の前記フック接合部が前記外側側壁の上流面上の突出部又は相補的凹部の一方で形成され、前記外側リングの下流面が前記突出部又は相補的凹部の他方を含み、前記内側リング及び前記内側側壁間の前記フック接合部が前記内側側壁の上流面上の突出部又は相補的凹部の一方で形成され、前記内側リングの下流面が前記突出部又は相補的凹部の他方を含み、
   前記ノズル組立体が更に、
   前記外側側壁及び前記外側リングの接合部において、前記翼形部を適正な半径方向位置に維持するよう構成された機械的半径方向ストップと、
   前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上並びに前記内側側壁及び前記内側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上にある準ライン間接触部と、
   を備え、
   前記外側リング及び前記外側側壁間の接合部のフック凹部接合部と、前記内側側壁及び前記内側リング間のフック接合部の各々が、中央凹部と複数の囲まれたフック係合凹部を備え、
   前記中央凹部の入口は、前方突出部の長さを受け入れるようなサイズとなるように、フック保持部と前記フック保持部の両端に配置されたリング突出部との間に設定される、
   ノズル組立体。
2. 前記接合部の少なくとも１つの半径方向面上にある前記準ライン間接触部が、前記外側リングの相補的面の公称寸法に等しい前記外側側壁の少なくとも１つの面の公称半径方向寸法と、前記内側リングの相補的面の公称寸法に等しい前記内側側壁の少なくとも１つの面の公称半径方向寸法とを含む、請求項１に記載のノズル組立体。
3. 前記外側側壁及び前記外側リング間の上流側接合部がフック及び凹部を含み、前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上の前記準ライン間接触部が、前記フック及び凹部間の内側半径方向接合部を含む、請求項２に記載のノズル組立体。
4. 前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部が少なくとも１つの半径方向面上に準ライン間接触部を含み、前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面が前記機械的半径方向ストップの半径方向接合部を含む、請求項３に記載のノズル組立体。
5. 前記内側側壁及び前記内側リング間の上流側接合部がフック及び凹部を含み、前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上の準ライン間接触部が、前記フック及び凹部間に外側半径方向接合部を含む、請求項４に記載のノズル組立体。
6. 前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部に機械的軸方向ストップを更に含む、請求項２から５のいずれかに記載のノズル組立体。
7. 前記機械的軸方向ストップが、前記翼形部を適正な軸方向位置に維持するよう構成される、請求項６に記載のノズル組立体。
8. 前記機械的軸方向ストップが、前記接合部での溶接障害時にフェールセーフストップを提供する、請求項６に記載のノズル組立体。
9. ノズル組立体を備えた蒸気タービンであって、前記ノズル組立体が、
   前記蒸気タービン内で実質的に円周方向に延びるよう構成された半径方向外側リングと、
   前記蒸気タービン内で実質的に円周方向に延びるよう構成された半径方向内側リングと、
   前記内側リング及び前記外側リング間に実質的に半径方向に延びる一体化された外側側壁及び一体化された内側側壁を有する少なくとも１つのノズル翼形部と、
   を備え、
   前記内側リングが、フック接合部及び溶接接合部のうちの一方を有する上流側接合部と前記フック接合部及び溶接接合部のうちの他方を有する下流側接合部とを含む接合部において前記内側側壁に機械的に結合され、
   前記ノズル組立体が更に、フック接合部及び溶接接合部のうちの一方を有する上流側接合部と、前記フック接合部及び溶接接合部のうちの他方を有する下流側接合部とを含む接合部において前記外側側壁に機械的に結合された外側リングを備え、前記外側リング及び前記外側側壁間の前記フックが前記外側側壁上の突出部又は相補的凹部の一方で形成され、前記外側リングが前記突出部又は相補的凹部の他方を含み、前記内側リング及び前記内側側壁間の前記フックが前記内側側壁上の突出部及び相補的凹部の一方で形成され、前記内側リングが前記突出部及び前記相補的凹部の他方を含み、
   前記ノズル組立体が更に、
   前記内側リングを備えた前記内側側壁と前記外側側壁及び前記外側リングとの少なくとも一方の接合部において、前記翼形部を適正な半径方向位置に維持するよう構成された機械的半径方向ストップと、
   前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上並びに前記内側側壁及び前記内側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上にある準ライン間接触部と、
   を備え、
   前記外側リング及び前記外側側壁間の接合部のフック凹部接合部と、前記内側側壁及び前記内側リング間のフック接合部の各々が、中央凹部と複数の囲まれたフック係合凹部を備え、
   前記中央凹部の入口は、前方突出部の長さを受け入れるようなサイズとなるように、フック保持部と前記フック保持部の両端に配置されたリング突出部との間に設定される、
   蒸気タービン。
10. 前記接合部の少なくとも１つの半径方向面上にある前記準ライン間接触部が、前記外側リングの相補的面の公称寸法に等しい前記外側側壁の少なくとも１つの面の公称半径方向寸法と、前記内側リングの相補的面の公称寸法に等しい前記内側側壁の少なくとも１つの面の公称半径方向寸法とを含む、請求項９に記載の蒸気タービン。
11. 前記外側側壁及び前記外側リング間の上流側接合部がフック及び凹部を含み、前記内側側壁及び前記内側リング間の上流側接合部がフック及び凹部を含み、前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部の少なくとも１つの半径方向面上の前記準ライン間接触部が、前記外側側壁及び外側リングの接合部において前記フック及び前記凹部間の内側半径方向接合部と、前記内側側壁及び内側リングの接合部において前記フック及び前記凹部間の外側半径方向接合部と、を含み、前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部の半径方向面が前記機械的半径方向ストップの半径方向接合部を含む、請求項１０に記載の蒸気タービン。
12. 前記外側側壁及び前記外側リング間の接合部に機械的軸方向ストップを更に含む、請求項１１に記載の蒸気タービン。
13. 前記機械的軸方向ストップが、前記翼形部を適正な軸方向位置に維持するよう構成される、請求項１２に記載の蒸気タービン。
14. 前記機械的軸方向ストップが、前記外側リング及び前記外側側壁間の前記接合部での溶接障害時にフェールセーフストップを提供する、請求項１３に記載の蒸気タービン。
    

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