JP6864596B2 - タービン組立支援プログラム、タービン組立支援システム及びタービンの組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン組立支援プログラム、タービン組立支援システム及びタービンの組立方法に関する。

一般にタービンの車室は上下に二分割され、上半部及び下半部のフランジをボルトで締結する構造である。車室の内部には、静翼列を含む静止体や動翼列を含む回転体が収容される。回転体と静止体との間には隙間があるが、タービン性能の向上のためにはこの隙間は極力狭いことが望ましい。

車室の上半部及び下半部は、ボルトで締結されていない状態では自重で僅かに撓み、ボルトで締結すると、多くの場合互いのフランジ面が全体として上昇する傾向にある。このことを考慮せずにタービンを組み立てると、回転体に対して車室と共に静止体が上昇して下半部側で静止体と回転体との間の隙間が狭まり、著しい場合には静止体が回転体に接触する場合がある。そのため、タービンの組立作業には静止体と回転体の隙間管理を厳格にすべく多くの工程が存在する（特許文献１，２等参照）。

特開平３−６７００２号公報 特開２００７−３２５０４号公報

車室の上半部及び下半部のフランジ面の変位量は、実際に上半部と下半部を仮組し計測により確認する。その際の仮組は、最終組立時と同様に焼き締めを行う。焼き締めとは、加熱して伸長した状態のボルトにナットをねじ込み、ボルトの収縮を利用して締め付け力を増加させる締結方法である。一般的に焼き締めにはボルトの加熱と自然冷却の工程を要するが、車室の上半部及び下半部を締結するボルトは数が多く、しかも大型で冷め難い。そのため、車室の上半部と下半部の仮組の工程には多大な労力と時間を要し、この仮組工程がタービンの組立作業に長時間を要する一因となっている。また、実際の車室には形状や材料の個体差によってボルト締結時の変形量にばらつきがあり、実績データによる評価では必ずしも精度が確保できない。

本発明の目的は、車室の仮組工程を省略して高精度に短期間でタービンを組み立てられるタービン組立支援プログラム、タービン組立支援システム及びタービンの組立方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ボルトで締結した上半部と下半部からなる車室と、複数の静翼列を含み上記車室に収容されて上記下半部に支持された上下二分割構造の静止体と、複数の動翼列を含み上記静止体の内側に位置するように複数の軸受で支持された回転体とを備えたタービンの組立において、開放状態の上記車室の上半部と下半部の三次元形状を実測し、上記タービンの有限要素モデルに上記車室の特定の一部である評価部位の実測情報を反映させ、上記有限要素モデルを補正した補正モデルを生成し、上記補正モデルを用いたシミュレーションにより、実測した上記車室の上半部及び下半部を上記ボルトで締結した場合に生じる上記評価部位の移動量を推定し、車室の下半部に上記静止体の下半部を設置して上記移動量の推定値を基に上記静止体の下半部の位置を調整し、上記回転体、上記静止体の上半部、及び上記車室の上半部を順次組み付ける。

本発明によれば、実機の実測情報を反映した補正モデルを用いた解析により評価部位の変形量が算出されるので、静止体の位置調整量を精度良く評価でき、高精度にタービンを組み立てることができる。また車室の仮組工程が省略されて短期間でタービンを組み立てられる。

本発明の適用対象の一例である蒸気タービンの下半側の構造を示す斜視図 図１に示した蒸気タービンの組立完成品の構成図であってタービン中心軸を含む鉛直面で切断した断面図 図２に示した蒸気タービンの車室を抜き出して外観を模式的に表した側面図 図３の矢印IV−IV線による矢視断面図 本発明の一実施形態に係るタービン組立支援システムの模式図 本発明の一実施形態に係るタービン組立支援プログラムの概念図 図１に示した蒸気タービンの長期稼働により変形した車室を模式的に示す側面図 図７のVIII−VIII線による矢視断面図 タービンの有限要素モデルの評価部位付近を拡大して表す図 タービンの補正モデルの評価部位付近を拡大して表す図 タービンの有限要素モデルを構成するメッシュの補正概念を表す図 タービンの補正モデルの模式図 本発明の一実施形態に係るタービンの組立方法の手順を表すフローチャート 従来のタービンの組立方法の手順を表すフローチャート

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

−タービン−
図１は本発明の適用対象の一例である蒸気タービンの下半側の構造を示す斜視図である。図２は図１に示した蒸気タービンの組立完成品の構成図であってタービン中心軸を含む鉛直面で切断した断面図、図３は図２に示した蒸気タービンの車室を抜き出して外観を模式的に表した側面図、図４は図３の矢印IV−IV線による矢視断面図である。なお、本実施形態では蒸気タービンを適用対象とした場合を例に挙げて説明するが、ガスタービン（一軸式、二軸式を含む）の組立作業にも本発明は適用可能である。図示した蒸気タービン１は、主な構成要素として、車室１０、静止体２０及び回転体３０（図２）を備えている。

・車室
車室１０は静止体２０及び回転体３０の外周を覆うケーシングであり、外車室１１と内車室１２の二重構造をしている。内車室１２は静止体２０及び回転体３０の周囲を覆う内郭であり、外車室１１は内車室１２の周囲を覆う外郭である。外車室１１及び内車室１２は共に上下二分割構造である。以下、外車室１１の下半部を下半外車室１１ａ、外車室１１の上半部を上半外車室１１ｂ、内車室１２の下半部を下半内車室１２ａ、内車室１２の上半部を上半内車室１２ｂと記載する。このように車室１０は、下半外車室１１ａ及び下半内車室１２ａからなる下半部と、上半外車室１１ｂ及び上半内車室１２ｂからなる上半部で構成されている。

下半外車室１１ａのタービン軸方向の両側は架台２に支持されている。下半外車室１１ａの支持構造部１１ａａと架台２との間にはシム等の位置調整部材（不図示）が介在している。位置調整部材により架台２に対する下半外車室１１ａの高さが調整できる。下半外車室１１ａ及び上半外車室１１ｂは互いの対向部に厚肉のフランジ１３ａ，１３ｂを有している。下半外車室１１ａと上半外車室１１ｂは、互いのフランジ１３ａ，１３ｂを複数のボルト１４及びナット１５で強固に締結することで結合されている。フランジ１３ａ，１３ｂの互いに対向する接触面であるフランジ面１６ａ，１６ｂは水平方向に延びている。下半外車室１１ａの内壁面には、フランジ面１６ａに近い位置に複数の支持部１７（図１）が設けられている。支持部位１７は内車室１２を支持する部位である。

下半内車室１２ａ及び上半内車室１２ｂも互いの対向部に厚肉のフランジ（下半内車室１２ａのフランジ１８ａのみ図１に図示）を有している。下半内車室１２ａと上半内車室１２ｂは、互いのフランジを複数のボルト及びナット（不図示）で強固に締結することで結合されている。下半内車室１２ａ及び上半内車室１２ｂのフランジ面（接触面）は水平方向に延びる。下半内車室１２ａの外壁面には、フランジ１８ａのフランジ面に近い位置に複数の凸部１９（図１）が設けられている。支持部１７で凸部１９を受けることで内車室１２が外車室１１に支持される。支持部１７と凸部１９との間にはシム等の位置調整部材（不図示）が介在している。位置調整部材により支持部１７に対する凸部１９の高さを調整することで、外車室１１の内部における内車室１２の位置が高さ方向に調整できる構造である。

・静止体
静止体２０はタービン軸方向に間隔をもって配置された複数の静翼列２１を含む環状（筒状）の部材であり、内車室１２に収容されている。また静止体２０は下半部２０ａ及び上半部２０ｂからなる上下二分割構造をしている。下半部２０ａ及び上半部２０ｂの接触面は水平方向に延びる。静止体２０の下半部２０ａと上半部２０ｂはボルト及びナット（不図示）で強固に締結されている。静止体２０の支持構造は内車室１２の支持構造と同様であり、詳しく図示していないが、下半部２０ａの外壁面に設けた複数の凸部を下半内車室１２ａの内周部に設けた支持部で受ける構造である。静止体２０の下半部２０ａの凸部と下半内車室１２ａの支持部との間には介在するシム等の位置調整部材により、内車室１２の内部における静止体２０の位置が高さ方向に調整できる構造である。

各静翼列２１は、ダイヤフラム外輪２２、複数の静翼２３及びダイヤフラム内輪２４を備えており、環状に配置した複数の静翼２３の外周部をダイヤフラム外輪２２で連結し、内周部をダイヤフラム内輪２４で連結して構成されている。

・回転体
回転体３０（図２）は静止体２０の内側に位置するタービンロータである。回転体３０は、シャフト３１と複数の動翼列３２を含んでいる。シャフト３１の両側は車室１０から突き出しており、それぞれ軸受３３により架台２に対して支持されている。動翼列３２はシャフト３１の外周部に環状に配置した複数の動翼３４で構成され、タービン軸方向に間隔をもって複数配置されている。動翼列３２はタービン軸方向に静翼列２１と交互に配置されている。回転体３０と静止体２０との間の隙間にはラビリンスシール等のシール（不図示）が設けられる。シールは回転体３０、静止体２０又は両方に設けられる。

−タービン組立支援システム−
図５は本発明の一実施形態に係るタービン組立支援システムの模式図である。図５に示したタービン組立支援システムはタービンの組立作業を支援するシステムであり、コンピュータ４０が利用される。コンピュータ４０は、ＣＰＵ４１、ＨＤＤ４２、ＲＡＭ４３、ＲＯＭ（例えばＥＰＲＯＭ）４４、Ｉ／Ｏポート４５を備えている。

Ｉ／Ｏポート４５には、入力装置４６、記録媒体４７、出力装置４８、ネットワーク４９等が適宜接続される。入力装置４６には、代表的にはキーボードやマウス、タッチパネル等を用いることができる。出力装置４８がタッチパネルである場合は出力装置４８が入力装置４６も兼ねる場合もある。記録媒体４７としては、磁気テープ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の各種記録媒体が適用可能である。出力装置４８はモニタ等の表示装置の他、プリンタも適用可能である。スピーカ等の音声出力をする装置も出力装置４８として適用可能である。またコンピュータ４０は、入力装置４６や出力装置４８と一体構成のものでも良く、デスクトップ型、ノート型、タブレット型等、コンピュータ４０の形態は限定されない。ネットワーク４９にはインターネットのみならずＬＡＮ等も含まれ、ネットワーク４９を介してコンピュータ４０は別の端末やデータベース、サーバ等に接続可能である。

ＲＯＭ４４には、タービン組立支援プログラムを含む各種プログラム等が格納されており、これらプログラムがＣＰＵ４１によりＲＯＭ４４から読み出され、例えばＲＡＭ４３にロードされて実行される。タービン組立支援プログラムは記録媒体４７又はネットワーク４９からＩ／Ｏポート４５を介して入力され、ＲＯＭ４４に格納することもできる。タービン組立支援プログラムをＣＰＵ４１により記録媒体４７又はネットワーク４９からＩ／Ｏポート４５を介して読み出し、ＲＯＭ４４に格納することなくＲＡＭ４３に直接ロードして実行するようにすることもできる。プログラムの実行により得られたデータ等は、ＨＤＤ４２、ＲＯＭ４４、ＲＡＭ４３、記録媒体４７の１つ以上のメモリに記憶され、入力装置４６の操作により出力装置４８に出力される。以下、単に「メモリ」と記載した場合には、本願明細書では、ＲＡＭ４３、ＲＯＭ４４、ＨＤＤ４２、記録媒体４７及びネットワーク４９を介して接続された記憶装置等の少なくとも１つを指すこととする。

−タービン組立支援プログラム−
図６は本発明の一実施形態に係るタービン組立支援プログラムの概念図である。タービン組立支援プログラムはタービンの組立作業を支援するプログラムであり、コンピュータ（例えばコンピュータ５０）に実行させる手順として、大きくは解析条件設定手順５０ａと解析実行手順５０ｂを含んでいる。解析条件設定手順５０ａは、タービンの現地組立に先行して予め解析条件を設定しておく手順である。解析実行手順５０ｂは、組立に伴うタービン部品の変形を解析する手順であり、例えばタービン組立現場で、タービン組立作業と並行して実行することが想定される手順である。解析条件設定手順５０ａと解析実行手順５０ｂは異なる端末で実行されても良い。解析条件設定手順５０ａには、評価部位抽出手順５１、有限要素モデル作成手順５２及び出力手順５３が含まれる。評価部位抽出手順５１と有限要素モデル作成手順５２は異なる端末で実行されても良い。解析実行手順５０ｂには、実測情報読込手順５４、有限要素モデル読込手順５５、モデル補正手順５６、変形量推定手順５７及び出力手順５８が含まれる。モデル補正手順５６と変形量推定手順５７は異なる端末で実行されても良い。以下、上記の蒸気タービン１を適用対象とした場合を例に挙げて、各手順について説明する。

・評価部位抽出手順
評価部位抽出手順５１は、変形に対して感受性が高い車室１０の特定の一部を評価部位として予め抽出しておく手順である。車室１０は運用に伴って高温の作動流体に晒されることにより図７及び図８に示したようにフランジが波打つような非弾性変形（主にクリープ変形）を受ける。図７及び図８では変形を誇張して表示してある。評価部位は、例えば下半内車室１２ａに対する静止体２０の位置を調整する上記の位置調整部材の位置の変形に対して影響の大きい部位である。評価部位の抽出は、例えばＦＥ解析（有限要素解析）、実績データの解析、又はこれらの組み合わせにより行われる。ＦＥ解析は、例えば蒸気タービン１の設計情報（三次元ＣＡＤデータ、材質、運転条件）や運転期間等を基礎情報として実行される。蒸気タービン１の三次元ＣＡＤデータの代わりに製造時に三次元計測器等で実測した蒸気タービン１の三次元形状の実測情報を用いることもできる。実績データの解析は、例えば同型又は形状の近い機種の分解組立時に車室の形状を測定して得られた実績データのデータベースを基礎情報として実行される。基礎情報は、タービン組立支援プログラムを実行するコンピュータに内蔵又は接続されたメモリや入力装置４６から入力される。実績データの解析とＦＥ解析を併用して解析する場合、種々の形状をパラメータとしてパラメトリックに感受性を分析するロバスト設計等の設計計画法を用いることが推奨される。本実施形態では、外車室１１のフランジ面１６ａ，１６ｂが評価部位として抽出された場合を例に挙げて説明する。評価部位の代表例としては、外車室１１のフランジ面１６ａ，１６ｂの他、内車室１２のフランジ面、外車室１１又は内車室１２の外周壁の厚肉部等が挙げられる。評価部位が実績その他から特定の部位に限定される場合は、評価部位抽出手順５１は必ずしも実行する必要はなく、特定の部位を評価部位として設定しても良い。

・有限要素モデル作成手順
有限要素モデル作成手順５２は、解析実行手順５０ｂで車室の変形のＦＥ解析に用いる蒸気タービン１の三次元有限要素モデル（ＦＥモデル）を作成する手順である。但し、同型で別個体のタービンのＦＥモデルが過去に作成されている場合等、改めて作成する必要がないとき、有限要素モデル作成手順５２は必ずしも実行する必要はなく、過去に作成したＦＥモデルを用いても良い。ＦＥモデルは、例えばボルト締結時（図１３の最終組立工程Ｓ２２）における評価部位の移動量の最大想定値（設定値）よりも一辺（頂点間距離）の長さを大きく設定した複数のメッシュ（ソリッド）からなる蒸気タービン１のモデルである。例えば対象となる蒸気タービン１の設計データ（三次元ＣＡＤデータ）又は三次元スキャン等による実物の三次元形状の実測情報を複数のメッシュに要素分割することで得られる。評価部位の移動量の最大想定値が例えば数ｍｍ程度であるとすると、メッシュの一片の長さは例えば３０ｍｍ程度に設定することができる。車室１０は径方向の寸法が数百ｍｍ、軸方向の寸法が３０００ｍｍ以上あるため、この程度の要素分割数でも十分な精度が得られる。

本実施形態においては、図９に示したようにメッシュ５９の形状を上下が水平な立方体（又は三角柱形状）とした場合を例示する。同図では下半外車室１１ａと上半外車室１１ｂのフランジ面１６ａ，１６ｂ付近のみのメッシュ５９を表示している。メッシュ５９は頂点のみを節点とするものに限らず、頂点及び頂点間に接点を有するものでも良い。設計ではフランジ面１６ａ，１６ｂは水平面であるため、この付近（フランジ１３ａ，１３ｂ）ではメッシュ５９を水平方向に並べた層が上下に積み重なった要素分割構造となっている。ＦＥモデルは、例えば各メッシュの節点の三次元座標データや材質等を含む情報として作成される。なお、内車室１２のフランジ面、外車室１１又は内車室１２の外周壁の厚肉部等にも同様の手法が適用できる。

・出力手順
出力手順５３は、評価部位抽出手順５１で抽出された評価部位の情報や有限要素モデル作成手順５２で作成されたＦＥモデルをそれぞれメモリに出力（記録）したり出力装置４８に出力したりする手順である。オペレータは、ＦＥモデルや評価部位の情報を例えばモニタで確認することができる。

・実測情報読込手順
実測情報読込手順５４は、開放状態の車室１０の三次元形状の実測情報をメモリから読み込む手順である。車室１０の三次元形状の実測情報は、例えば外車室１１を開放した際に下半部と上半部をそれぞれ例えば三次元スキャンにより読み取ったデータである。下半部（下半外車室１１ａ及び下半内車室１２ａ）の実測情報を読み込む手順が実測情報読込手順５４ａである。上半部（上半外車室１１ｂ及び上半内車室１２ｂ）の実測情報を読み込む手順が実測情報読込手順５４ｂである。

・有限要素モデル読込手順
有限要素モデル読込手順５５は、車室１０の上半部と下半部の三次元形状のＦＥモデルをメモリから読み込み、例えばＲＡＭ４３にロードする手順である。ＦＥモデルは有限要素モデル作成手順５２で作成されたものである。読み込むのは蒸気タービン１の全体のＦＥモデルでも良いし評価部位のみのＦＥモデルでも良い。

・モデル補正手順
モデル補正手順５６は、評価部位の実測情報をＦＥモデルに反映させ、ＦＥモデルを補正した補正モデルを生成する手順である。補正モデルは実測したタービン（実物）を模擬したモデルに相当する。前述した通りＦＥモデルのメッシュ５９は評価部位の移動量の最大想定値よりも頂点間距離が大きく設定してある。本実施形態では評価部位がフランジ面１６ａ，１６ｂであるため、車室１０の変形によるフランジ面１６ａ，１６ｂの移動量は図１０に示したようにメッシュ５９の１つの層の厚みの範囲に収まる。これを踏まえ、ＦＥモデルの評価部位のメッシュ５９のフランジ面１６ａ，１６ｂ上の節点のみのデータを実測情報に合わせる修正をする。例えば下半外車室１１ａのフランジ１３ａのＦＥモデルにおいては、最上段のメッシュ５９の上面がフランジ面１６ａを構成している。このうちの１つのメッシュ５９に着目すると、補正モデルのメッシュ５９’は図１１に示したようにＦＥモデルのメッシュ５９の上部を実測情報のフランジ面１６ａ（二点鎖線）で切断したような形状となる。実測情報のフランジ面は、下半外車室１１ａのフランジ面１６ａの三次元スキャン情報を面データ化したものである。従って、ＦＥモデルの情報のうち評価面の各メッシュ５９の８つの節点（頂点）ａ−ｈのうち上段の節点ａ−ｄの座標（例えばｚ座標）の情報のみを変更することで、図１２に示したような補正モデルを作成することができる。図１１では節点ａ（ｘ１，ｙ１，ｚ１）を節点ａ’（ｘ１，ｙ１，ｚ１’）に修正した例を表している。座標は図示していないが、補正モデルの作成に当たって節点ｂ−ｄについても同様の修正が実行される。

・変形量推定手順
変形量推定手順５７は、補正モデルを用いたシミュレーション（ボルト締結解析）により、実測した車室１０の上半部及び下半部をボルト１４で締結した場合に生じる評価部位（本例ではフランジ面１６ａ，１６ｂ）の移動量を推定する手順である。ここで実行するシミュレーションは、モデル補正手順５６で作成された補正モデルを用いて車室開放とボルト締結との間の工程を再現してフランジ面１６ａ，１６ｂの移動量が算出される。またこの移動量を基に下半内車室１２ａに対する静止体２０の位置調整量も算出できる。

・出力手順
出力手順５８は、モデル補正手順５６で作成された補正モデルの情報、変形量推定手順５７で算出した評価部位の移動量の推定値や静止体２０の位置調整量をそれぞれメモリに出力（記録）したり出力装置４８に出力したりする手順である。オペレータは、補正モデルや評価部位の移動量や静止体２０の位置調整量を例えばモニタで確認することができる。

−タービンの組立方法−
図１３は本実施形態に係る組立方法の手順を表すフローチャートである。本実施形態では、タービンの定期検査のように一定期間実働したタービンを作業者が分解して再度組み立てる場合を例に挙げて説明する。但し、後述するステップＳ１１を省略し、ステップＳ１２，Ｓ２３で製造時の車室１０の三次元形状を実測すれば、蒸気タービン１の新規製造段階の組立作業にも以下の工程は適用可能である。本実施形態に係るタービンの組立方法には、蒸気タービン１の据え付け位置で行われる本流工程、及び本流工程とは別の場所で行われる支流工程を含む。本流工程はステップＳ１１−Ｓ２２からなる。支流工程はステップＳ２３，Ｓ２４からなり、本流工程と並行して実施可能である。以下、各工程について説明する。

（本流工程）
・ステップＳ１１
始めに蒸気タービン１の稼働現場で車室１０の下半部から上半部を取り外し、外車室１１と内車室１２を開放する。具体的には、まずボルト１４及びナット１５を外し、下半外車室１１ａから上半外車室１１ｂを取り外す。次に図示しないボルト及びナットを取り外し、下半内車室１２ａから上半内車室１２ｂを取り外す。その後、静止体２０の上半部２０ｂ、回転体３０、静止体２０の下半部２０ａを車室１０の下半部から順次取り外す。車室１０の下半部は架台２で支持された状態のままとし、取り外した各パーツは別の場所にそれぞれ仮置きする。

・ステップＳ１２
続くステップＳ１２では、上半部が取り外された下半外車室１１ａ及び下半内車室１２ａの三次元形状の実測情報を取得する。三次元形状の実測には、例えば三次元レーザ計測器を用いることができる。この場合、まず下半外車室１１ａ及び下半内車室１２ａの表面形状を三次元レーザ計測器で計測し、表面形状の点群データを取得する。点群データは多数点の空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の集まりである。そしてノイズを除去した上で点群データを面データ（ＳＴＬ）化し、これを下半外車室１１ａ及び下半内車室１２ａの三次元形状の実測情報として得る。三次元レーザ計測器を用いることで、例えば水平器を用いて作業者が手作業で実測する場合に比べて短時間で正確な計測結果が得られる。

なお、諸事情で下半外車室１１ａの外周面の保温材や下半内車室１２ａの取り外しが困難で、下半外車室１１ａ及び下半内車室１２ａの全体の形状の計測が難しい場合がある。この場合には少なくとも評価部位を含め可能な範囲で下半外車室１１ａ及び下半内車室１２ａの形状を計測する。また、一台の三次元レーザ計測器で一度スキャンするだけでは車室１０の全体形状を正確に計測することは難しい。従って、計測対象に対する三次元レーザ計測器の設置位置を変えて複数回スキャンした方が全体形状を計測する上では有利である。ただ、各位置で取得したスキャンデータの合成が首尾よく進まない場合もある。そのため、複数の三次元レーザ計測器を複数台設置してスキャン動作を連動させる計測方法や、ポータブルな三次元計測器を用いたフレキシブルな計測方法が実用的である。計測のために下半内車室１２ａを取り外した場合、下半外車室１１ａに組み付けておく。

・ステップＳ１３−Ｓ１７
その後、回転体３０の軸芯の計測（ステップＳ１３）、架台２に対する軸受３３及び回転体３０の仮組（ステップＳ１４）、回転体３０のセンタリング（ステップＳ１５）を順次実施する。回転体３０を軸受３３から取り出して静止体２０の下半部２０ａを下半内車室１２ａに組み付け（ステップＳ１６）、静止体２０の下半部２０ａのアライメント調整を実施する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７では、支流工程で得られた位置調整量に基づき、位置調整部材により下半内車室１２ａに対する静止体２０の設置位置を調整する。具体的には、後の最終組立（ステップＳ２２）で車室１０をボルト締結した際に車室１０が移動する向き（通常は上向き）とは逆向きに下半内車室１２ａに対する静止体２０の下半部２０ａの設置位置を調整する。つまりボルト締結により回転体３０に対して静止体２０が上昇する場合、その上昇量を加味して予め静止体２０の位置を下げておくことで、最終組立後の静止体２０と回転体３０の中心が合うようにする。

・ステップＳ１８，Ｓ１９
その後、軸受３３に対する回転体３０の設置と静止体２０の下半部２０ａに対する上半部２０ｂの設置を順次実施し（ステップＳ１８）、静止体２０と回転体３０の間の隙間の寸法を計測する（ステップＳ１９）。静止体２０と回転体３０の隙間寸法は、例えば予め静止体２０の内周部に鉛線を這わせた状態で回転体３０を組み付け、静止体２０と回転体３０に挟まれて潰れた鉛線の厚みを計測することで確認できる。なお、隙間測定に際して静止体２０の上半部２０ｂを下半部２０ａに取り付けた場合を例に挙げたが、この工程における静止体２０の上半部２０ｂの組み付けが不要であれば省略して良い。

・ステップＳ２０−Ｓ２２
その後、静止体２０の上半部２０ｂ、回転体３０、静止体２０の下半部２０ａを順次取り（ステップＳ２０）、ステップＳ１９の測定結果に基づいて静止体２０と回転体３０の隙間寸法を微調整する（ステップＳ２１）。静止体２０と回転体３０の隙間寸法の微調整は、例えば静止体２０と回転体３０の間のシール（例えばシールフィン）の高さ調整により行われる。最後に、ステップＳ２２で蒸気タービン１の最終組立を実施する。つまり、静止体２０の下半部２０ａ、回転体３０、静止体２０の上半部２０ｂ、上半内車室１２ｂ、上半外車室１１ｂを順次設置しつつボルト締結していく。

（支流工程）
まずステップＳ２３で、下半部から取り外された上半外車室１１ｂ及び上半内車室１２ｂの三次元形状の実測情報を取得する。三次元形状の実測方法は、ステップＳ１２で説明した方法と同様である。続くステップＳ２４では、先に説明したタービン組立支援システムを用いて解析を実行し、三次元計測で実測した車室１０の上半部及び下半部（つまり実物）をボルト締結した場合に生じる評価部位の移動量の推定値を導き出す。この手順で実行される処理は、先にしたタービン組立支援プログラムの説明の通りである。つまりステップＳ１２，Ｓ２３で得られた車室１０の実測情報で予め用意されたＦＥモデルを補正し、補正モデルを用いてボルト締結シミュレーションを実行する。これにより最終組立の工程（ステップＳ２２）における評価部位の移動量が推定され、静止体２０の設置位置の調整量が導き出せる。上記の通り、ここで求められた静止体２０の設置位置の調整量は、ステップＳ１６の工程で活用される。

−従来のタービン組立方法−
図１４は従来の組立方法の手順を示すフローチャートである。従来の組立手順は、ステップＳ１１，Ｓ１３，Ｐ１１−Ｐ１４，Ｓ１４−Ｓ２２からなる。これら全ての工程は、タービンの据え付け位置で行われる。ステップＳ１１，Ｓ１３−Ｓ２２は図１３の同符号のステップと対応する工程である。図１３の手順との相違点は、ステップＳ１２，Ｓ２３，Ｓ２４の手順がない代わりに、ステップＰ１１−Ｐ１４の手順がステップＳ１３，Ｓ１４の手順の間に介在している点である。以下、ステップＰ１１−Ｐ１４について簡単に説明する。

従来は、取り外した回転体の軸心を計測した後、回転体を組み付ける前に、回転体のない状態で静止体、内車室及び外車室を仮組し、タービンの組立状態を模擬する（ステップＰ１１）。その際、静止体、内車室及び外車室のそれぞれについて下半部及び上半部を最終組立と同様にボルト締結する。その後、静止体のアライメント調整用の計測を実施する（ステップＰ１２）。例えば、軸受間に回転体の軸心に一致するようにピアノ線又はレーザで仮想軸心を形成し、仮想軸心と静止体の評価点との距離をマイクロメータやレーザ計測器等で計測する。静止体の評価点は、代表的には静止体の内周面の左右両側部分や下側部分である。この工程の計測により、現状のまま最終組立をした後の静止体の位置が推定される。

次いで内車室及び外車室を開放し（ステップＰ１３）、下半内車室に静止体を組み付けた状態で静止体のアラインメント調整用の計測を実施した上、静止体を取り外す（ステップＰ１４）。計測方法はステップＰ１２と同様である。この計測により車室の上半部を取り外した状態の静止体の位置を知ることができる。ステップＰ１２，Ｐ１４で得られた静止体の位置の差分が、車室のボルト締結前後の静止体の変位量と推定される。

−効果−
（１）上記の通り、従来のタービンの組立手順は、ボルト締結による静止体の変位量を知るために、車室の仮組工程を含んでいた。車室の仮組工程には最終組立工程と同様のボルト締結、つまりボルトの加熱冷却に時間を要する焼き締めを伴い、ボルトの本数の多さと相俟って長時間を要していた。それに対し、本実施形態によれば、実機の実測情報を反映した補正モデルを用いた解析により静止体の変位に影響の大きな評価部位の変形量を精度良く推定できるので、車室の仮組に伴う工程（図１４のステップＰ１１−Ｐ１４）が省略できる。従来にないステップＳ１２，Ｓ２３，Ｓ２４の工程が加わるが、ステップＳ１２の工程の所要時間は従来のステップＰ１１−Ｐ１４の工程の所要時間に比べて極めて短く、またステップＳ２３，Ｓ２４の工程は本流工程と並行して実施できる。従って、ステップＰ１１−Ｐ１４の工程の所要時間とステップＳ１２の工程の所要時間の差分だけタービンの組立工期を短縮することができる。また、シミュレーションにより精度良く静止体の変位量が推定できるので、高精度にタービンを組み立てることができる。

（２）前述した通り、本実施形態においては予め用意されたタービンのＦＥモデルにおける評価部位のメッシュ５９のみのデータを実測情報に応じて修正することにより、実測したタービンを模擬した補正モデルを作成する。これにより補正モデルの作成に要する演算量が抑えられる。個々のメッシュ５９も想定される評価部位の変形量の最大値よりも一辺が大きなソリッドであることも演算量の抑制に寄与する。従って、図６のモデル補正手順５６や変形量推定手順５７に要する時間を抑えることができ、短時間で解析実行工程（ステップＳ２４）が実施できる。支流工程に過度に時間を要するようでは本流工程の工期の短縮の効果の恩恵が十分に得られなくなる可能性があるが、本実施形態では支流工程の工期が本流工程の進捗に与える影響をなくす、又は抑えることができる。

但し、本流工程との関係ではモデル補正手順５６の所要時間が多少延びても、基本的効果（１）を得る上で大きな影響はない。従って、モデル補正手順５６には図９−図１１で説明した方法に代え、他の方法を適用することもできる。例えば実測情報に基づいてモーフィングツールでＦＥモデルのメッシュを変形させて補正モデルを作成することもできる。この場合でも補正を評価部位のみに限定することで、演算量が抑えられ、所要時間も抑えられる。また、評価部位の実測情報をデータ化したもの、又は実測情報をタービンの設計データ（三次元ＣＡＤデータ）に反映させたものを要素分割して補正モデルを作成することも考えられる。

１…蒸気タービン（タービン）、１０…車室、１１ａ…下半外車室（下半部）、１１ｂ…上半外車室（上半部）、１２ａ…下半内車室（下半部）、１２ｂ…上半内車室（上半部）、１４…ボルト、１６ａ，１６ｂ…フランジ面、２０…静止体、２１…静翼列、３０…回転体、３２…動翼列、３３…軸受、４１…ＣＰＵ、４２…ＨＤＤ（メモリ）、４３…ＲＡＭ（メモリ）、４４…ＲＯＭ（メモリ）、４７…記録媒体（メモリ）、５４…実測情報読込手順、５５…有限要素モデル読込手順、５６…モデル補正手順、５７…変形量推定手順、５８…出力手順、５９…メッシュ

Claims (7)

1. ボルトで締結した上半部と下半部からなる車室と、複数の静翼列を含み前記車室に収容されて前記下半部に支持された上下二分割構造の静止体と、複数の動翼列を含み前記静止体の内側に位置するように複数の軸受で支持された回転体とを備えたタービンの組立作業を支援するタービン組立支援プログラムであって、
   前記タービンの三次元形状の有限要素モデルを読み込む手順と、
   開放状態の前記車室の上半部と下半部の三次元形状の実測情報を読み込む手順と、
   前記車室の特定の一部である評価部位の実測情報を前記有限要素モデルに反映させ、前記有限要素モデルを補正した補正モデルを生成する手順と、
   前記補正モデルを用いたシミュレーションにより、前記車室の上半部及び下半部を前記ボルトで締結した場合に生じる前記評価部位の移動量を推定する手順と、
   前記移動量の推定値を出力装置に出力する手順をコンピュータに実行させるタービン組立支援プログラム。
2. 前記評価部位が、前記車室の上半部及び下半部の互いのフランジ面である請求項１のタービン組立支援プログラム。
3. 前記有限要素モデルが、前記評価部位の移動量の最大想定値よりも一辺の長さを大きく設定した複数のメッシュからなる請求項２のタービン組立支援プログラム。
4. 実測した前記フランジ面と交わる前記メッシュのみの形状を前記フランジ面で切断された形状に変更することにより、前記補正モデルを作成する請求項３のタービン組立支援プログラム。
5. 請求項１のタービン組立支援プログラムを記憶した記録媒体。
6. 請求項１のタービン組立支援プログラム、前記有限要素モデル、前記実測情報及び前記評価部位の情報を記憶した少なくとも１つのメモリと、
   前記タービン組立支援プログラムを読み込んで実行するＣＰＵを備えたことを特徴とするタービン組立支援システム。
7. ボルトで締結した上半部と下半部からなる車室と、複数の静翼列を含み前記車室に収容されて前記下半部に支持された上下二分割構造の静止体と、複数の動翼列を含み前記静止体の内側に位置するように複数の軸受で支持された回転体とを備えたタービンの組立方法であって、
   開放状態の前記車室の上半部と下半部の三次元形状を実測する手順と、
   前記タービンの有限要素モデルに前記車室の特定の一部である評価部位の実測情報を反映させ、前記有限要素モデルを補正した補正モデルを生成する手順と、
   前記補正モデルを用いたシミュレーションにより、実測した前記車室の上半部及び下半部を前記ボルトで締結した場合に生じる前記評価部位の移動量を推定する手順と、
   前記車室の下半部に前記静止体の下半部を設置して前記移動量の推定値を基に前記静止体の下半部の位置を調整する手順と、
   前記回転体、前記静止体の上半部、及び前記車室の上半部を順次組み付ける手順を有する組立方法。

Images