JP6247682B2 - 静翼ダイヤフラムリング、ターボ機械、および方法 - Google Patents

静翼ダイヤフラムリング、ターボ機械、および方法 Download PDF

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Description

本発明は、一般に、ターボ機械、特に蒸気タービンに関し、より具体的には、静翼ダイヤフラムおよび静翼ダイヤフラムの製造方法に関する。
蒸気タービンは、蒸気の熱および圧力エネルギーを回転運動に変換し、これを用いて仕事を行うことができるターボ機械である。蒸気タービンは、例えば、発電機または圧縮機を駆動するために使用することができる。
蒸気タービンの効率を高めるために、蒸気は、多くの場合、多数の段を通して膨張させる。各段は、静翼ダイヤフラムと、少なくとも1つの羽根車を含む軸受装着ロータアセンブリとを含み得る。
最新の蒸気タービンにおいて、静翼ダイヤフラムの製造は、特に各段が1つまたは複数の別個の静翼ダイヤフラムを含み得る3つ以上の段を有する多段蒸気タービンにおいてかなりのコストになる。
かかる製造プロセスの1つでは、多数の個々の静翼およびスペーサが加工される。次いで、翼の一端およびスペーサが、ステータリングの円周の周りに設けられる。各翼の自由端は、一端から延びる柱を含む。次に、柱が帯状のシュラウド(shroud strip)の裏側から外に延出するまで、孔を有する帯状のシュラウドが、翼の緩い自由端に打ち付けられる。このプロセスは、時間がかかり、労働集約的であり、かつステータダイヤフラム部全てに損傷を及ぼす可能性がある。例えば、打設中に、1つまたは複数の静翼が湾曲するかまたは別の形で変形する場合がある。静翼が変形しないにしても、不正確となる可能性のあるハンマー打撃に起因して、翼および/またはダイヤフラムの他の部分が、不適切に角度付けされおよび/または隔置される可能性が残る。
米国特許出願公開第2007/110575号明細書
よって、必要とされるのは、より低コストで、設計仕様に適合する可能性が高く、製造にあまり時間のかからない静翼ダイヤフラムである。
例示的な実施形態によれば、静翼ダイヤフラムリングは、各々根元部と径方向ピン受けとを有する複数の静翼を含む。ダイヤフラムリングは更に、各スロットが複数の静翼の1つの静翼の根元部と係合する、複数のスロットを有する第1のリングと、各径方向貫通通路が複数の静翼の1つの静翼の径方向ピン受けと整列する、複数の径方向貫通通路を有する第2のリングとを含む。ダイヤフラムはまた、各ピンが径方向貫通通路の1つから複数の静翼の1つの静翼の径方向ピン受け内に延びる、複数のピンを含む。
別の例示的な実施形態によれば、ターボ機械は、少なくとも1つの羽根車を含むロータアセンブリと、ロータアセンブリに連結されかつロータアセンブリを回転可能に支持するための軸受と、セグメント化されたステータダイヤフラムリングを含むステータアセンブリとを含む。ステータダイヤフラムリングの各セグメントは、各々少なくとも1つのピン受けを備えた第1の端部と第2の端部とを有する静翼と、少なくとも1つの径方向貫通通路の各々が静翼の第1の端部における少なくとも1つのピン受けの対応する1つと整列する、少なくとも1つの径方向貫通通路を有する第1のリングセグメントと、少なくとも1つの径方向貫通通路の各々が静翼の第2の端部における少なくとも1つのピン受けの対応する1つと整列する、少なくとも1つの径方向貫通通路を有する第2のリングセグメントとを備える。ターボ機械は更に、第1および第2のリングセグメントの径方向貫通通路から静翼ピン受け内に延びる複数のピンを含む。
別の例示的な実施形態によれば、複数の静翼と、第1のリングと、第2のリングとを備えるステータダイヤフラムの製造方法は、複数の静翼の各静翼の根元部を第1のリングにおける複数の根元部受けの対応する1つに挿入するステップと、第2のリングにおける複数の径方向貫通通路が複数の静翼における複数のピン受けと整列するように、第2のリングを複数の静翼の周りに位置決めするステップと、複数のピンの各々が複数の径方向貫通通路の対応する1つから複数のピン受けの対応する1つ内に延びるように、複数のピンを複数の通路に挿通するステップと、複数のピンを複数の径方向通路の少なくとも1つおよび複数のピン受けの少なくとも1つに真空ろう付けするステップとを含み得る。
本明細書に組み込まれかつその一部を構成する添付図面は、1つまたは複数の実施形態を例示し、本明細書の記載と共にこれらの実施形態を説明する。
図1は、例示的な実施形態による静翼ダイヤフラムリングの斜視図を示す。 図2は、図1の例示的な実施形態の静翼を示す。 図3は、図1に示す例示的な実施形態の断面図を示す。 図4は、例示的な実施形態による別の静翼ダイヤフラムリングを示す。 図5は、例示的な実施形態による、ピンで内側リングに取り付けられた静翼を示す。 図6は、例示的な実施形態による、2つの部分から構成された内側リングに取り付けられた静翼を示す。 図7は、例示的な実施形態による、一体ピンを有する静翼を示す。 図8は、例示的な実施形態による、複数のピンで取り付けられた静翼を示す。 図9は、例示的な実施形態によるダイヤフラムリングの製造方法を図示するフローチャートである。 図10は、蒸気タービンを表す。
例示的な実施形態の以下の説明では、添付図面を参照する。異なる図面における同じ参照符号は、同じかまたは類似の要素を示す。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により定義される。以下の実施形態は、簡潔にするために、ステータとロータとを有するターボ機械の用語および構造に関して述べられる。しかしながら、次に述べる実施形態は、これらの例示的なシステムに限定されるものではなく、他のシステムに適用してもよい。
本明細書全体を通して、「一実施形態」または「実施形態」という場合、実施形態に関連して記載する特定の特徴、構造、または特性が、開示された主題の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して種々の箇所で「一実施形態において」または「実施形態において」という表現が見られるが、必ずしも同じ実施形態について言及しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、または特性は、1つまたは複数の実施形態においてあらゆる好適な態様で組み合わせてもよい。
図1〜図3は、本発明の例示的な実施形態による静翼ダイヤフラムリング14を示している。静翼ダイヤフラムリング14は、ステータアセンブリ、例えば、後述する蒸気タービン500に使用することができる。図1〜図3に示すように、静翼ダイヤフラムリング14は、複数の静翼16を含み、静翼の各々が、円筒形の根元部18(図2)と円筒形の径方向ピン受け22(図2)とを含む。
静翼ダイヤフラムリング14は更に、複数の円筒形の径方向スロット28を有する内側リング24と、複数の円筒形の径方向貫通通路32を有する外側リング26とを含む。図1〜図3の実施形態において、径方向スロット28は、内側リング24を貫通して延び、それにより孔を形成する。各径方向スロット28が、例えば、先述のように、チャネルを通して摺動させるかまたは隣接する翼をスペーサで離間させる必要なしに、各根元部18を径方向スロット28に直接挿入できるように構成されることに留意されたい。更なる組立ステップ中に各静翼16が適所に留まるように、各根元部18と各径方向スロット28との係合は、僅かな締まり嵌めまたは摩擦嵌めをもたらすように構成することができる。
図3に示すように、円筒形のピン34は、各径方向貫通通路32から各径方向ピン受け22内に延び、それにより、内側リング24と外側リング26との間の各静翼16を固定する。組立中に、外側リング26は、静翼16が内側リング24と外側リング26との間に配置されるように位置決めされる。内側リング24上の径方向スロット28は、外側リング26を静翼16の上に設けるときに、径方向貫通通路32の各々をそれぞれの静翼の径方向ピン受け22に自動的に位置合わせさせるかまたは整列させ、それにより、組立プロセスがより簡単になるように構成することができる。次に、各ピン34が径方向貫通通路32の1つに挿入され、それぞれの径方向ピン受け22内にピンの一部が着座するまで各ピン34を前進させる。開口した径方向スロット28、径方向ピン受け22、ピン34、および径方向貫通通路32が、静翼ダイヤフラムリング14の径方向軸線36上に位置することに留意されたい。
更なる組立ステップ中に各静翼16が適所に留まるように、各径方向ピン受け22は、各ピン34との締まり嵌めまたは摩擦嵌めをもたらすように構成することができる。代替的に、ピン34、径方向貫通通路32、および径方向ピン受け22は、各ピン34を各径方向ピン受け22内に着座させた時点で、各静翼16を内側リング24と外側リング26との間に十分に固定して、静翼ダイヤフラムリング14の組立を完成させることができるように構成することができる。
外側リング26における1つまたは複数の径方向貫通通路32は、第1の断面積を有する第1の部分38と、第1の断面積よりも大きい第2の断面積を有する第2の部分42とを含み得る。例えば、第1の部分38は、ピン34に対応する円筒形断面積を有し得、第2の部分42は、例えば、工具が径方向貫通通路32内に簡単に届くようにするために、アクセスを改善するように構成された第2の断面積を有し得る。更に、図3に示すように、ピン34の部分44は、ピン34を径方向ピン受け22内に着座させたときに、径方向貫通通路32の第2の部分42内に延びることができる。
図3の有利な実施形態では、静翼16が外側リング26内に延びず、その結果、外側リング26が単一部品であるか少数の部品に分割されているかに関わらず、外側リング26を静翼16の上に設けることができることに留意すべきである。このことは、図4の実施形態にも当てはまる。特に、静翼16の外端面は、外側リング26の内面と整合する。
図1〜図3の実施形態では、各ピン34を、径方向貫通通路32の対応する1つに、かつ各ピン34を着座させる径方向ピン受け22に、真空ろう付けすることができる。更に、各根元部18を対応する径方向スロット28に真空ろう付けすることができる。真空ろう付けプロセスにより、各静翼16が内側リング24、外側リング26、および各ピン34に更に固定され、この真空ろう付けプロセスは、静翼ダイヤフラムリング14の単一の均一な加熱および冷却サイクルで行うことができる。静翼ダイヤフラムリング14の真空ろう付けを行うために用いられる真空ろう付け装置は、例えば、開示内容が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第4,874,918号明細書および米国特許第4,401,254号明細書に開示されるような、標準的な真空ろう付け装置とすることができる。
ろう付けプロセスのために、ろう付けペーストを使用することが好ましい。ろう付けペーストは、好ましくはニッケル系ろう付けペースト、より好ましくはニッケル−リンろう付けペーストである。
図3の実施形態において、一部のろう付けペーストは、各根元部18を挿入する前に、各径方向スロット28に挿入され、一部のろう付けペーストは、各ピン34を挿入した後に、各径方向貫通通路32に挿入される。静翼16と内側リング24と外側リング26とピン34との間の隙間は、ろう付けプロセス中に、ろう付けペーストが溶融し、毛管現象により、径方向スロット28に沿って内側リング24の上面まで上昇して、ピン34に沿って移動するような寸法とされる。このようにして、静翼16とリング24、26との間に完全なシールが得られる。
更に図1および図3に示すように、内側リング24および外側リング26は、静翼ダイヤフラムリング14の円周に沿った第1の位置46と第2の位置48のろう付け接合部で切断することができる。結果として得られるセグメント化されたダイヤフラムは、蒸気タービン500内などのステータアセンブリに対してより簡単に設置することができる。その上、その切れ目が、真空ろう付けされた接合部を含む連続したリングに関連する制約を緩和するので、セグメント化された静翼ダイヤフラムリング14は、静翼ダイヤフラムリング14が内部に設置される蒸気タービンの起動中または運転停止中に起こり得る急激なおよび/または局所的な熱膨張および熱収縮により良く対応することができる。図1および図3の実施形態において、静翼ダイヤフラムリング14の切れ目の第1の位置46および第2の位置48は、長さの等しい第1のステータダイヤフラムセグメント25と第2のステータダイヤフラムセグメント27(すなわち、静翼ダイヤフラムリング14の半円環セグメント)を提供するように選択される。
図4は、静翼根元部118の各々および内側リングスロット128の各々が各静翼116と内側リング124との間の相対的な軸回転を防止するために楕円形断面を備える、静翼ダイヤフラムリング114の代替的な実施形態を示している。代替的に、根元部118の1つまたは複数、および1つまたは複数のそれぞれのスロット128は、他の対応する非円形断面形状を備え得る。同様に、ピン134の1つまたは複数、および1つまたは複数のそれぞれのピン受け(図4には図示せず)または径方向通路132は、静翼116の軸回転を更に防止するために、対応する非円形断面形状を備え得る。
図1〜図3に示す実施形態において、静翼16は、ピン受けが外側リング26における径方向通路と整列したままで、根元部18が内側リング24に係合するように構成される。しかしながら、当業者であれば、他の構成も可能である(例えば、図5に示すように、静翼116が、外側リング126におけるスロット128に係合する根元部118と、内側リング124における径方向通路132から延びるピン134を受け入れるピン受け122とを含み得る)ことを理解するであろう。運転時に、根元部118と外側リング126におけるスロット128の非円形の外形は、静翼116の軸回転を防止するのを補助することができる。
図6に示す別の代替的な実施形態において、翼216は、第1の端部から延びる一体ピン234と、翼216の第2の端部から延びる根元部218とを含む。一体ピン234が外側リング226の径方向通路232に受け入れられた後に、根元部218を内側リング224に固定することができる。具体的には、図6に示す実施形態の内側リング224は、円周境界面220に沿って互いに係合した第1のリング部分224aと第2のリング部分224bとを含む。この特徴は、リング部分224a、224bを互いに係合させるだけで、各根元部218が各対応するスロット228と係合できるようにする。図6に示すように、円周境界面220は、複数のスロット228の各々を2分する、より具体的には、2等分することができる。
次いで、例えば、各根元部218と内側リング部分224a、224bとの間の真空ろう付け、および/または円周境界面220に沿った内側リング部分224a、224b間の真空ろう付けにより、各翼216を内側リング部分224a、224bに固定することができる。同様に、一体ピン234を含む翼216を外側リング226に固定することができる。更に図6に示すように、内側リング224に代えてまたは加えて、外側リング226もまた、円周境界面230に沿って互いに係合した第1のリング部分226aと第2のリング部分226bとを備え得る。更に、円周境界面230は、複数の径方向通路232の各々を2分することができる。
図7は、別の代替的な実施形態を示している。翼316は翼216に類似しているが、根元部318は、外側リング326におけるスロット328内に延び、一体ピン334が、内側リング324により形成された径方向通路332内に延びる。内側リング324は、円周境界面320に沿って互いに係合したリング部分324a、324bを備え得る。代替的に、または内側リング324に加えて、外側リング326は、円周境界面330に沿って互いに係合した第1のリング部分326aと第2のリング部分326bとを備え得る。
図8に示す別の例示的な実施形態において、各翼416の第1の端部は、内側リング424における径方向通路432aから延びるピン434と係合するピン受け422aを備える。各翼の第2の端部は、外側リング426における径方向通路432bから延びるピン434と係合する少なくとも2つのピン受け422bを備える。図8の実施形態において、ピン受け422b内に延びるピン434は、翼416の軸回転を防止するのを補助することができる。ピン434、ピン受け422a、422b、および径方向通路432a、432bが各々、翼416と内側リング424と外側リング426との間の動きを防止するのを更に補助するために、対応する非円形断面を備え得ることに留意されたい。更に、真空ろう付けにより、ピン434を内側リング424、外側リング426、および/または翼416に固定できることに留意されたい。したがって、本発明の一態様において、内側リングと外側リングのいずれかまたは両方が、スロットおよび/または径方向通路の組み合わせを備え得、更に、翼各々が対応する根元部、ピン受け、および/または一体ピンの同一または異なる組み合わせ備え得ることは明らかであろう。
図9に示す例示的な実施形態によれば、本発明によるステータダイヤフラムの製造方法(1000)は、複数の静翼の各静翼の根元部を第1のリングにおける複数の根元部受けの対応する1つに挿入するステップ(1002)と、第2のリングにおける複数の通路が複数の静翼における複数のピン受けと整列するように、第2のリングを複数の静翼の周りに位置決めするステップ(1004)と、複数のピンの各々が、複数の通路の対応する1つから複数のピン受けの対応する1つ内に延びるように、複数のピンを複数の通路に挿通するステップ(1006)と、複数のピンを複数の径方向通路の少なくとも1つおよび複数のピン受けの少なくとも1つに真空ろう付けするステップ(1008)とを含み得る。
上述の新規な静翼ダイヤフラムは、例えば、蒸気タービンに組み入れることができる。この点に関して、図10は、多段蒸気タービン500を概略的に図示している。この図において、蒸気タービン500は、複数の羽根車ロータ540を備えたロータシャフト550と共に多数の静翼ダイヤフラム530が内部に配置されるハウジング(ステータ)520を含む。ロータシャフト550は、軸受580を介して径方向および軸方向に支持される。
運転中、蒸気タービンは、入口560から入力され、種々の膨張段を通って、復水器に通じる出口570に至る蒸気を取り込む。各タービン段では、蒸気が静翼ダイヤフラム530により羽根車ロータ540上に導かれ、これにより、蒸気の温度および圧力エネルギーを、ロータシャフト550での仕事に利用できる回転エネルギーに変換する。
上記の例示的な実施形態は、限定するのではなく、あらゆる点で本発明を例示するように意図されている。したがって、本発明は、当業者により本明細書に含まれる記載から導き出すことができる詳細な実施態様において多くの変形を行うことができる。このような全ての変形および修正は、以下の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲および精神に含まれると見なされる。本出願の記載に使用される要素、行為、または指示は、明示的にそのように記載されない限り、本発明にとって重要または不可欠なものと解釈されるべきではない。また、本明細書で使用する場合、冠詞「a」は、1つまたは複数のアイテムを含むよう意図されている。
14 静翼ダイヤフラムリング
16 静翼
18 根元部
22 径方向ピン受け
24 内側リング
25 第1のステータダイヤフラムセグメント
26 外側リング
27 第2のステータダイヤフラムセグメント
28 径方向スロット
32 径方向貫通通路
34 ピン
36 径方向軸線
38 第1の部分
42 第2の部分
44 部分
46 第1の位置
48 第2の位置
114 静翼ダイヤフラムリング
116 静翼
118 根元部
122 ピン受け
124 内側リング
126 外側リング
128 スロット
132 径方向通路
134 ピン
214 ダイヤフラムリング
216 翼
218 根元部
220 円周境界面
224 内側リング
224a 第1のリング部分
224b 第2のリング部分
226 外側リング
226a 第1のリング部分
226b 第2のリング部分
228 スロット
230 円周境界面
232 径方向通路
234 一体ピン
316 翼
318 根元部
320 円周境界面
324 内側リング
324a リング部分
324b リング部分
326 外側リング
326a 第1のリング部分
326b 第2のリング部分
328 スロット
330 円周境界面
332 径方向通路
334 一体ピン
416 翼
422a ピン受け
422b ピン受け
424 内側リング
426 外側リング
432a 径方向通路
432b 径方向通路
434 ピン
500 蒸気タービン
520 ハウジング
530 静翼ダイヤフラム
540 羽根車ロータ
550 ロータシャフト
560 入口
570 出口
580 軸受

Claims (13)

  1. 各々根元部(18)と径方向ピン受け(22)とを有する複数の静翼(16)と、
    各スロットが前記複数の静翼(16)の1つの静翼(16)の前記根元部(18)と係合する、複数のスロットを有する第1のリングと、
    各径方向貫通通路が前記複数の静翼(16)の1つの静翼(16)の前記径方向ピン受け(22)と整列する、複数の径方向貫通通路を有する第2のリングと、
    各ピン(34)が前記径方向貫通通路の1つから前記複数の静翼(16)の1つの静翼(16)の径方向ピン受け(22)内に延びる、複数のピン(34)と、
    を備え、
    前記径方向貫通通路の断面が、前記ピン(34)の通過を可能にしかつ前記ピン(34)が前記径方向ピン受け(22)内に延びるときの前記ピン(34)との整合を可能にするような大きさとされ、
    少なくとも1つの前記静翼(16)の前記ピン受け(22)、前記複数のピン(34)の少なくとも1つ、および前記径方向通路の少なくとも1つが対応する非円形断面形状を有し、それにより、前記少なくとも1つの前記静翼(16)と前記第2のリングとの間の相対的な軸回転を防止する、
    静翼ダイヤフラムリング(14)。
  2. 前記静翼(16)が前記第2のリング内に延びない、請求項1に記載の静翼ダイヤフラムリング(14)。
  3. 前記静翼(16)の外端面が前記第2のリングの内面と整合する、請求項1または2に記載の静翼ダイヤフラムリング(14)。
  4. 前記複数のピン(34)の少なくとも1つが、前記複数の第2のリング通路の1つにろう付けされる、請求項1から3のいずれかに記載の静翼ダイヤフラムリング(14)。
  5. 前記複数のピン(34)の少なくとも1つが、前記複数の静翼(16)の1つ静翼(16)の前記径方向ピン受け(22)にろう付けされる、請求項1から4のいずれかに記載の静翼ダイヤフラムリング(14)。
  6. 前記複数の静翼(16)の少なくとも1つの静翼(16)の前記根元部(18)が、前記スロットの1つにろう付けされる、請求項1から5のいずれかに記載の静翼ダイヤフラムリング(14)。
  7. 前記第1のリングおよび前記第2のリングが、前記ろう付け部で径方向に切断され、それにより、セグメント化された静翼ダイヤフラムリング(14)を形成する、請求項1から6のいずれかに記載の静翼ダイヤフラムリング(14)。
  8. 前記複数の静翼(16)の少なくとも1つの静翼(16)の前記根元部(18)および前記少なくとも1つのスロットが対応する非円形断面形状を有し、それにより、前記少なくとも1つの静翼(16)と前記第1のリングとの間の相対的な軸回転を防止する、請求項1から7のいずれかに記載の静翼ダイヤフラムリング(14)。
  9. 少なくとも1つの羽根車を含むロータアセンブリと、
    ロータアセンブリに連結されかつロータアセンブリを回転可能に支持するための軸受と、
    請求項1から8のいずれかに記載のセグメント化された静翼ダイヤフラムリング(14)を備えるステータアセンブリと、
    を備えるターボ機械。
  10. 複数の静翼(16)と、第1のリングと、第2のリングとを備える静翼ダイヤフラムリング(14)の製造方法であって、
    前記複数の静翼(16)の各静翼(16)の根元部(18)を前記第1のリングにおける複数の根元部受けの対応する1つに挿入するステップと、
    前記第2のリングにおける複数の貫通通路が前記複数の静翼(16)における複数のピン受け(22)と整列するように、前記第2のリングを前記複数の静翼(16)の周りに位置決めするステップと、
    複数のピン(34)の各々が前記複数の貫通通路の対応する1つから前記複数のピン受け(22)の対応する1つ内に延びるように、前記複数のピン(34)を前記複数の通路に挿通するステップと、
    前記複数のピン(34)を前記複数の径方向通路の少なくとも1つおよび前記複数のピン受け(22)の少なくとも1つに真空ろう付けするステップと、
    を含み、
    少なくとも1つの前記静翼(16)の前記ピン受け(22)、前記複数のピン(34)の少なくとも1つ、および前記径方向通路の少なくとも1つが対応する非円形断面形状を有し、それにより、前記少なくとも1つの前記静翼(16)と前記第2のリングとの間の相対的な軸回転を防止する、
    製造方法。
  11. 一部のろう付けペーストが、前記静翼(16)の前記根元部(18)を挿入する前に、前記第1のリングの前記根元部受けに挿入される、請求項10に記載の静翼ダイヤフラムリング(14)の製造方法。
  12. 一部のろう付けペーストが、前記ピン(34)を挿入した後に、前記第2のリングの前記貫通通路に挿入される、請求項10または11に記載の静翼ダイヤフラムリング(14)の製造方法。
  13. 前記ろう付けペーストが、ニッケル系ろう付けペースト、好ましくはニッケル−リンろう付けペーストである、請求項10から12のいずれかに記載の静翼ダイヤフラムリング(14)の製造方法。
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