JP6856741B2 - 水平方向接合面で２つの半部に分割されたダイヤフラムを有する軸流タービン - Google Patents

Description

本発明は、軸流タービン用のダイヤフラムに関し、特に蒸気タービン、特に原子力分野における蒸気タービンに関する。

特に、本発明は、内側リングおよび外側リングと、それらの間に取り付けられた複数の静止ブレードと、を含むダイヤフラムに関する。各内側リングおよび外側リングは、一般に、タービンのロータの周りに組み立てるために、タービンの接合面に沿って２つの半部に分割されている。本発明は特に各リングの上半部と下半部との間、特にダイヤフラムの外側リングとの間の結合に関する。

蒸気タービンは、オルタネータ、ポンプまたは他の任意の回転式機械的受動機を駆動するために蒸気の熱を機械的エネルギーに変換することを目的とした回転機械である。一般に、蒸気タービンは、高圧モジュール、中圧モジュール、および低圧モジュールを含む。

これらのモジュールは、一般に、可動ブレードを備えるロータを囲み、前記内側ケーシング内に懸架されたダイヤフラムを形成する固定または静止ブレードを支持する、対称または非対称の単一流または二重流の内側ケーシングを含む。ダイヤフラムは、ロータの可動ブレードに向かって特定の方向に蒸気の流れを案内し、それによって蒸気の流れを加速する。

原子炉出力が増大するにつれて、蒸気タービンのサイズも増大し、巨大な寸法のケーシングをもたらす。そのサイズに依存するケーシングの柔軟性もまた増大する。一般に、ケーシングは平面継手に沿って分割された２つの半部で作られているので、タービンは上半部と下半部とを含む。その巨大なサイズのために、組み立てられた後にケーシングの２つの半部の間のずれを観察するのが一般的である。このようなずれは、ダイヤフラムの上半部および下半部とケーシングとの間の上下の接触面間に軸方向クリアランスをもたらす。ダイヤフラムの２つの半部が、例えばボルト締め手段によって互いに強固に接続されているので、これはケーシングとダイヤフラムとの間に隙間を生じさせ、この隙間を通して蒸気の漏れをもたらす。蒸気はこのような隙間を通って流れ、蒸気は蒸気経路を通過しない、すなわちダイヤフラムのブレードを通過しないので、浸食およびタービンの性能低下を招く可能性がある。

米国特許出願公開第２０１３／０２２４５３号明細書

本発明の目的は、上記の欠点を改善することである。

本発明の特定の目的は、いずれにせよダイヤフラムとケーシングとの間の適切な軸方向接触を確実にすることによってタービン内側の蒸気漏れを減少させることである。

一実施形態では、軸流タービンは、ケーシングと、軸方向回転軸を有し、前記ケーシング内に回転可能に取り付けられたロータと、前記ロータによって支持された少なくとも一組の複数の可動ブレードと、外側リングと、外側リングと同心の内側リングと、それらの間に取り付けられた複数の静止ブレードと、を有する少なくとも１つのダイヤフラムと、を含む。少なくとも前記ダイヤフラムは水平方向接合面に沿って上半部と下半部とに分割されている。

前記タービンダイヤフラムは、上半部および下半部が互いに対して軸方向に移動することを可能にしながら、上半部を下半部に組み立てるための組立システムを含む。

ダイヤフラムの下半部と上半部の軸方向の自由度のおかげで、ダイヤフラムとケーシングとの間の軸方向の接触が確保され、蒸気の漏れを防止する。

有利には、組立システムは、上半部および下半部を軸方向に案内するための案内要素と、半部の互いに対する相対的な軸方向の移動を可能にしながら、各側面に上半部および下半部を互いに締結するための少なくとも１つの締結要素と、を含み、前記締結要素は水平方向接合面に対して垂直である。

一実施形態では、締結要素は、ねじ頭と、平滑収縮部分と、ねじ部分と、を有する。

ダイヤフラム上半部には、垂直軸に沿って作られ、かつ収縮平滑部分の直径よりも大きい直径を有する穿孔が形成されてもよく、下半部には、上半部の穿孔と同軸であり、締結要素のねじ部分を受け入れるように適合されたねじ付きボルト穴が形成されてもよい。

一実施形態では、組立システムは、前記ねじ頭の下方のクリアランスを制御するために、締結要素のねじ頭の下方に設けられたスペーシング要素を含む。

一実施形態では、組立システムの案内要素は、２つのねじによって上半部にしっかりと締め付けられたフェザーキーと、下半部の接合面に機械加工され、前記フェザーキーを受け入れるように適合された軸方向溝と、を含み、フェザーキーが前記軸方向溝の内側を摺動できるように、フェザーキーの各側面と前記軸方向溝の各軸方向縁部との間には軸方向クリアランスが設定される。したがって、２つの半部は互いに対して軸方向の自由度を有する。

一実施形態では、組立システムの案内要素は、ダイヤフラムの上半部と下半部の両方に設けられた軸方向穿孔内に配置された少なくとも１つのシリンダを含み、シリンダの外径は軸方向穿孔の内径よりも小さい。

有利には、ねじ頭とダイヤフラム上半部との間にクリアランスが観察される。

本発明は、完全に非限定的な例として考慮され、添付の図面によって示されるいくつかの実施形態の詳細な説明を検討することからよりよく理解されるであろう。

本発明の一実施形態による蒸気タービンの一部の概略図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。 本発明の別の実施形態による蒸気タービンダイヤフラムの一部の概略三次元斜視図である。

さらなる説明では、「水平」、「垂直」、「前」、「後」、「左」、および「右」という用語は、図面に示され、以下を含むタービンの通常の直交ベンチマークに従って定義される。

ロータが回転しているタービン軸Ｚ、
Ｚ軸に垂直な、半接合面内の水平軸Ｘ、
水平軸Ｘおよび回転軸Ｚに垂直な垂直軸Ｙ。

例示的な実施形態についての以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。異なる図面における同じ符号は、同一または類似の要素を示す。さらに、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない。

図１に示すように、軸流蒸気タービン１０の一部、例えばタービンの低圧、中圧または高圧モジュールは、軸方向回転軸Ｚを有し、ケーシング１４内に回転可能に取り付けられ、複数の可動ブレード１６を支持するロータ１２と、複数のダイヤフラム１８と、を含む。図１には１つのダイヤフラムだけが示されている。しかしながら、共に組み立てられた３つ以上のダイヤフラムを提供することは可能であり得る。

可動ブレード１６は、ロータディスク２０に固定されたブレード根元部によってロータ１２に支持されている。可動ブレードは当業者には公知であるのでこれ以上説明しない。

図示するように、ダイヤフラム１８は、外側リング２２と、外側リングと同心の内側リング２４と、それらの間に取り付けられた複数の静止ブレードまたはベーン２６と、を含む。

図２に見られるように、ダイヤフラム１８の外側リング２２は、水平方向接合面Ｐに沿って、上半部２２ａと下半部２２ｂの２つの半部に分割されている。２つの半部２２ａ、２２ｂはそれぞれ一対の対向する接合面２２ｃ、２２ｄを有する。（図２では、各対のうち１つのみが示されている）
タービンのケーシング１４もまた、ダイヤフラムの外側リング２２の下半部２２ｂを囲む下半部１４ａと、ダイヤフラムの外側リング２２の上半部２２ａを囲む上半部（図示せず）と、に分割されている。ケーシングの下半部および上半部は、同じ水平方向接合面Ｐに沿って分割されている。

外側リング２２のダイヤフラムの上半部２２ａ、および下半部２２ｂは、組立システム３０によって互いに接続され、上半部２２ａおよび下半部２２ｂが水平方向接合面Ｐに沿って互いに対して摺動することができ、ダイヤフラムの外側リングはケーシングの半径方向面１５と軸方向に接触している。このように、ダイヤフラムは軸方向の自由度を与えられ、ダイヤフラムとケーシングとの間の軸方向の接触を確実にし、蒸気の漏れを防止する。

組立システム３０は、上半部２２ａおよび下半部２２ｂを軸方向に案内するための案内要素３２と、半部の互いに対する相対的な軸方向の移動を可能にしながら、上半部２２ａおよび下半部２２ｂを互いに締結するように適合された締結要素３４と、を含む。

図１および図２の実施形態から分かるように、案内要素３２は、２つのねじ３８ａ、３８ｂによって上半部２２ａにしっかりと締め付けられたフェザーキー３６と、下半部２２ｂの接合面２２ｄに機械加工され、前記フェザーキー３６を受け入れるように適合された軸方向溝４０と、を含む。

フェザーキー３６が前記軸方向溝の内側で摺動できるようにするために、フェザーキー３６の各側面と軸方向溝４０の各軸方向縁部との間に軸方向クリアランスΔＺが観察される。したがって、２つの半部２２ａ、２２ｂは、互いに対して軸方向の自由度を有する。

図１の実施形態から分かるように、締結要素３４は、ねじ頭３４ａ、平滑収縮部分３４ｂ、およびねじ部分３４ｃを有する接合ねじである。平滑収縮部分３４ｂは、ねじ部分３４ｃよりも長い。

したがって、ダイヤフラム上半部２２ａには、ダイヤフラム上半部２２ａに機械加工されたカウンタボアまたはノッチ領域４４によってアクセスされる、垂直軸Ｙに沿って作られた穴または穿孔４２が形成されている。穿孔４２の穴は滑らかであり、収縮平滑部分３４ｂの直径よりも大きい直径を有する。

ダイヤフラムの下半部２２ｂには、上半部２２ａの穿孔４２と同軸であり、締結要素３４のねじ部分３４ｃを受け入れるように適合されたねじ付きボルト穴４６が形成されている。ダイヤフラムの下半部２２ｂには、ねじ付きボルト穴４６の直径よりも大きい直径のアンダーカット４８がさらに設けられている。

ダイヤフラムにトルクが加えられたときに良好な機械的強度を確保するために接合ねじ３４が下半部２２ｂにトルクで締め付けられ、それによってダイヤフラムが接合面で開くのを防止する。したがって、接合ねじ３４を下半部に締め付けると、平滑収縮部分３４ｂの端部３４ｄが下半部、より正確にはアンダーカット４８の底部４８ａを圧迫する。

図２に示すように、前記ねじ頭３４ａの下方のクリアランスを制御するために、スペーシング要素５０が接合ねじ３４のねじ頭３４ａの下方に設けられる。ねじ頭３４ａとスペーシング要素５０との間にクリアランスΔＹが観察される。図示するスペーシング要素５０は座金である。代替として、例えば皿ばね座金などの他の任意のスペーシング要素を使用することができる。

接合ねじのそのような特定の構造は、互いの間の相対的な軸方向の移動を可能にしながら、ダイヤフラムの外側リング１８の２つの半部２２ａ、２２ｂを互いに組み立てることを可能にする。

図３の実施形態は、同一の要素に同一の符号を付しているが、ダイヤフラム１８の外側リング２２の上半部および下半部２２ａ、２２ｂの組立システムの構造において図１および図２の実施形態とは異なる。

図３に示すように、組立システム１００は、ダイヤフラム１８の上半部２２ａおよび下半部２２ｂを軸方向に案内するための案内要素１０２と、半部の互いに対する相対的な軸方向の移動を可能にしながら、上半部２２ａおよび下半部２２ｂを互いにそれぞれ締結するように適合された締結要素１０４と、を含む。図３の実施形態から分かるように、案内要素１０２は、ダイヤフラム１８の上半部２２ａと下半部２２ｂの両方に設けられた軸方向穿孔１０８内に配置されたシリンダ１０６を含む。シリンダ１０６の外径は、軸方向穿孔１０８の内径よりも小さいので、半部は互いに対して軸方向に摺動することができる。摺動を確実にするために、窒化座金をシリンダの周りに追加することができる。代替案として、窒化処理をシリンダ自体に直接行うことができる。

別の代替案として、ダイヤフラム２２の上半部２２ａおよび下半部２２ｂの両方に第１のシリンダを設けることが可能である。

図１および図２の実施形態では、締結要素３４は下部に締め付けられているが、締結要素１０４がカウンタボア穴に接触している円筒状のスペーサに締め付けられている点で、締結要素１０４は、図１および図２の実施形態の締結要素３４とは異なる。前記締結要素１０４は、ねじ頭１０４ａ、平滑収縮部分（図示せず）およびねじ部分（図示せず）を含む。平滑収縮部分はねじ部分よりも長い。

上半部２２ａには、上半部２２ａに機械加工されたカウンタボアまたはノッチ領域６２ｂによってアクセスされる、垂直軸Ｙに沿って作られた穴または穿孔６２ａが形成されている。穿孔６２ａの孔は滑らかであり、収縮平滑部分の直径よりも大きい直径を有する。収縮部分の外面と穿孔６２ａの内面との間には、円筒状スペーサ１１０が設けられている。スペーサ１１０の内径は、締結要素１０４の収縮平滑部分の外径よりも大きい。ねじ頭１０４ａとスペーサ１１０との間には、クリアランスΔＹ２が観察される。

下半部２２ｂには、対応する穿孔６２ａと同軸であり、締結要素１０４のねじ部分を受け入れるように適合されたねじ付きボルト穴（図示せず）が形成されている。下半部２２ｂには、ねじ付きボルト穴の直径よりも大きい直径のアンダーカット（図示せず）がさらに設けられている。この実施形態では、接合ねじ１０４を対応する半部に締め付けると、スペーサ１１０の端部１１０ａがアンダーカットの底部を圧迫する。

本発明のおかげで、ダイヤフラムとケーシングとの間の接触面における封止が改善され、したがって電力出力が増加する。さらに、それ以上の再機械加工作業が不要になり、タービンの時間と組立コストが削減される。

１０ 軸流蒸気タービン
１２ ロータ
１４ ケーシング
１４ａ 下半部
１５ 半径方向面
１６ 可動ブレード
１８ ダイヤフラム
２０ ロータディスク
２２ 外側リング
２２ａ 上半部
２２ｂ 下半部
２２ｃ 接合面
２２ｄ 接合面
２４ 内側リング
２６ 静止ブレードまたはベーン
３０ 組立システム
３２ 案内要素
３４ 接合ねじ、締結要素
３４ａ ねじ頭
３４ｂ 平滑収縮部分、収縮平滑部分
３４ｃ ねじ部分
３４ｄ 端部
３６ フェザーキー
３８ａ ねじ
３８ｂ ねじ
４０ 軸方向溝
４２ 穿孔
４４ ノッチ領域
４６ ねじ付きボルト穴
４８ アンダーカット
４８ａ 底部
５０ スペーシング要素
６２ａ 穿孔
６２ｂ ノッチ領域
１００ 組立システム
１０２ 案内要素
１０４ 接合ねじ、締結要素
１０４ａ ねじ頭
１０６ シリンダ
１０８ 軸方向穿孔
１１０ 円筒状スペーサ
１１０ａ 端部
Ｐ 水平方向接合面
Ｘ 水平軸
Ｙ 垂直軸
Ｚ 回転軸、タービン軸
ΔＹ クリアランス
ΔＹ２ クリアランス
ΔＺ 軸方向クリアランス

Claims (9)

1. 軸流タービン（１０）であって、
   ケーシング（１４）と、
   回転軸（Ｚ）を有し、前記ケーシング（１４）内に回転可能に取り付けられたロータ（１２）と、
   前記ロータ（１２）によって支持された少なくとも一組の複数の可動ブレード（１６）と、
   外側リング（２２）と、前記外側リング（２２）と同心の内側リング（２４）と、それらの間に取り付けられた複数の静止ブレード（２６）と、を有する少なくとも１つのダイヤフラム（１８）であって、水平方向接合面（Ｐ）に沿って上半部（２２ａ）と下半部（２２ｂ）に分割された少なくとも１つのダイヤフラム（１８）と
   を含み、
   前記タービンダイヤフラム（１８）は、案内要素（３２、１０２）の案内に従って前記上半部（２２ａ）および前記下半部（２２ｂ）が互いに対して前記水平方向接合面（Ｐ）に沿って軸方向に移動することを可能にしながら、前記上半部（２２ａ）を前記下半部（２２ｂ）に組み立てるための組立システム（３０、１００）を含む、軸流タービン（１０）。
2. 前記組立システム（３０、１００）は、前記水平方向接合面（Ｐ）に配置され、前記上半部（２２ａ）および前記下半部（２２ｂ）を軸方向に案内するための前記案内要素（３２、１０２）と、前記半部（２２ａ、２２ｂ）の互いに対する前記水平方向接合面（Ｐ）に沿った相対的な軸方向の移動を可能にしながら、前記上半部（２２ａ）および下半部（２２ｂ）を互いに締結するための少なくとも１つの締結要素（３４、１０４）と、を含み、前記締結要素（３４、１０４）は前記水平方向接合面（Ｐ）に対して垂直である、請求項１に記載のタービン（１０）。
3. 軸流タービン（１０）であって、
   ケーシング（１４）と、
   回転軸（Ｚ）を有し、前記ケーシング（１４）内に回転可能に取り付けられたロータ（１２）と、
   前記ロータ（１２）によって支持された少なくとも一組の複数の可動ブレード（１６）と、
   外側リング（２２）と、前記外側リング（２２）と同心の内側リング（２４）と、それらの間に取り付けられた複数の静止ブレード（２６）と、を有する少なくとも１つのダイヤフラム（１８）であって、水平方向接合面（Ｐ）に沿って上半部（２２ａ）と下半部（２２ｂ）に分割された少なくとも１つのダイヤフラム（１８）と
   を含み、
   前記タービンダイヤフラム（１８）は、前記上半部（２２ａ）および前記下半部（２２ｂ）が互いに対して軸方向に移動することを可能にしながら、前記上半部（２２ａ）を前記下半部（２２ｂ）に組み立てるための組立システム（３０、１００）を含み、
   前記組立システム（３０、１００）は、前記上半部（２２ａ）および前記下半部（２２ｂ）を軸方向に案内するための案内要素（３２、１０２）と、前記半部（２２ａ、２２ｂ）の互いに対する相対的な軸方向の移動を可能にしながら、前記上半部（２２ａ）および下半部（２２ｂ）を互いに締結するための少なくとも１つの締結要素（３４、１０４）と、を含み、前記締結要素（３４、１０４）は前記水平方向接合面（Ｐ）に対して垂直であり、
   前記組立システム（３０）の前記案内要素（３２）は、２つのねじ（３８ａ、３８ｂ）によって前記上半部（２２ａ）にしっかりと締め付けられたフェザーキー（３６）と、前記下半部（２２ｂ）の接合面（２２ｄ）に機械加工され、前記フェザーキー（３６）を受け入れるように適合された軸方向溝（４０）と、を含み、前記フェザーキー（３６）が前記軸方向溝（４０）の内側を摺動できるように、前記フェザーキー（３６）の各側面と前記軸方向溝（４０）の各軸方向縁部との間には軸方向クリアランス（ΔＺ）が設定される、タービン（１０）。
4. 軸流タービン（１０）であって、
   ケーシング（１４）と、
   回転軸（Ｚ）を有し、前記ケーシング（１４）内に回転可能に取り付けられたロータ（１２）と、
   前記ロータ（１２）によって支持された少なくとも一組の複数の可動ブレード（１６）と、
   外側リング（２２）と、前記外側リング（２２）と同心の内側リング（２４）と、それらの間に取り付けられた複数の静止ブレード（２６）と、を有する少なくとも１つのダイヤフラム（１８）であって、水平方向接合面（Ｐ）に沿って上半部（２２ａ）と下半部（２２ｂ）に分割された少なくとも１つのダイヤフラム（１８）と
   を含み、
   前記タービンダイヤフラム（１８）は、前記上半部（２２ａ）および前記下半部（２２ｂ）が互いに対して軸方向に移動することを可能にしながら、前記上半部（２２ａ）を前記下半部（２２ｂ）に組み立てるための組立システム（３０、１００）を含み、
   前記組立システム（３０、１００）は、前記上半部（２２ａ）および前記下半部（２２ｂ）を軸方向に案内するための案内要素（３２、１０２）と、前記半部（２２ａ、２２ｂ）の互いに対する相対的な軸方向の移動を可能にしながら、前記上半部（２２ａ）および下半部（２２ｂ）を互いに締結するための少なくとも１つの締結要素（３４、１０４）と、を含み、前記締結要素（３４、１０４）は前記水平方向接合面（Ｐ）に対して垂直であり、
   前記組立システム（１００）の前記案内要素（１０２）は、前記ダイヤフラム（１８）の前記上半部（２２ａ）と前記下半部（２２ｂ）の両方に設けられた軸方向穿孔（１０８
   ）内に配置された少なくとも１つのシリンダ（１０６）を含み、前記シリンダ（１０６）の外径は、前記軸方向穿孔（１０８）の内径よりも小さい、タービン（１０）。
5. 前記締結要素（３４、１０４）は、ねじ頭（３４ａ、１０４ａ）、平滑収縮部分（３４ｂ）、およびねじ部分（３４ｃ）を有する、請求項２乃至４のいずれかに記載のタービン（１０）。
6. 前記ねじ頭（１０４ａ）と前記上半部（２２ａ）との間にクリアランス（ΔＹ２）が観察される、請求項５に記載のタービン（１０）。
7. 前記上半部（２２ａ）には、前記垂直軸（Ｙ）に沿って作られ、かつ前記収縮平滑部分（３４ｂ）の直径よりも大きい直径を有する穿孔（４２、６２ａ）が形成されている、請求項６に記載のタービン（１０）。
8. 前記下半部（２２ｂ）には、前記上半部（２２ａ）の前記穿孔（４２、６２ａ）と同軸であり、前記締結要素（３４、１０４）の前記ねじ部分（３４ｃ）を受け入れるように適合されたねじ付きボルト穴（４６）が形成されている、請求項７に記載のタービン。
9. 前記組立システム（３０、１００）は、前記締結要素（３４、１０４）の前記ねじ頭（３４ａ、１０４ａ）の下方に設けられたスペーシング要素（５０、１１０）を含む、請求項６乃至８のいずれか一項に記載のタービン（１０）。

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