(57)【要約】【課題】半径方向停止部及び狭幅溝を備えたタービンシングレットノズルアセンブリを提供する。【解決手段】翼形部（１０２）と、内側及び外側側壁（１０４，１０６）と、内側及び外側リング（１０８、１１０）とを含むタービン用のノズルアセンブリ（１００）を提供する。側壁（１０４、１０６）及びリング（１０８、１１０）は、溶接及び機械的相互接続を用いて互いに結合され、正確なアセンブリを可能にし、溶接作業中の部品の適正な半径方向及び軸方向位置を確保し、溶接収縮を最小にして、更に軸方向溶接長さを制御するための軸方向及び半径方向機械的停止部（１０７、１０９）を含む。本構成は、リング（１０８、１１０）と側壁（１０４、１０６）との間の境界面（８０）で、境界面（８０）から離れる方向に角度が付けられて狭幅溝（１２０）を形成する１以上の表面を更に含むことができる。本構成は、溶接を容易にし、更に部品が適正な位置に確実に留まるように固定停止部を提供する、消耗根元部分（１２２）を備えたリングを更に含むことができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン用のノズルアセンブリ（１００）であって、
外側側壁（１０６）を有する１以上の翼形部（１０２）と、
境界面（８０）で外側側壁（１０６）に機械的に結合された外側リング（１１０）と、
外側側壁（１０６）及び外側リング（１１０）の境界面（８０）で、１以上の翼形部（１０２）を適正な軸方向位置に維持するように構成された機械的軸方向停止部（１０７）と、
外側側壁（１０６）及び外側リング（１１０）の境界面（８０）で、１以上の翼形部（１０２）を適正な半径方向位置に維持するように構成された機械的半径方向停止部と
を備えており、（ａ）境界面（８０）における外側リング（１１０）の一部分（１０５、１１１）と（ｂ）境界面（８０）における外側側壁（１０６）の一部分（１０５、１１１）との少なくとも１つが、境界面（８０）から離れる方向に角度が付けられて、外側リング（１１０）と外側側壁（１０６）との間に狭幅溝（１２０）を形成する、ノズルアセンブリ（１００）。
【請求項２】
外側リング（１１０）が更に、外側側壁（１０６）及び外側リング（１１０）の境界面（８０）に向かって延びた突出する消耗根元部分（１２２）を含む、請求項１に記載のノズルアセンブリ。
【請求項３】
境界面（８０）における外側リング（１１０）の一部分（１０５、１１１）又は外側側壁（１０６）の一部分（１０５、１１１）が、約０°〜約１１°の範囲内の角度で境界面（８０）から離れる方向に角度が付けられる、
請求項１に記載のノズルアセンブリ。
【請求項４】
機械的軸方向停止部（１０７）が、（ａ）第１の雌段部（１１２）を有する外側リング（１１０）且つ対応する第１の雄段部（１１４）を有する外側側壁（１０６）、又は（ｂ）第１の雌段部（１１２）を有する外側側壁（１０６）且つ対応する第１の雄段部（１１４）を有する外側リング（１１０）を含み、機械的軸方向停止部（１０７）が、外側リング（１１０）と外側側壁（１０６）との間の相互連結係合を可能にする、請求項１に記載のノズルアセンブリ。
【請求項５】
機械的半径方向停止部が、（ａ）第１の雌段部（１１２）に隣接した第２の雌段部（１１６）を有する外側リング（１１０）且つ第１の雄段部（１１４）に隣接した対応する第２の雄段部（１１８）を有する外側側壁（１０６）、又は（ｂ）第１の雌段部（１１２）に隣接した第２の雌段部（１１６）を有する外側側壁（１０６）且つ第１の雄段部（１１４）に隣接した対応する第２の雄段部（１１８）を有する外側リング（１１０）を含み、機械的半径方向停止部がまた、外側リング（１１０）と外側側壁（１０６）との間の相互連結係合を可能にする、請求項４に記載のノズルアセンブリ。
【請求項６】
境界面（８０）における外側リング（１１０）の一部分（１０５、１１１）及び境界面（８０）における外側側壁（１０６）の一部分（１０５、１１１）の両方が、境界面（８０）から離れる方向に角度が付けられる、請求項１に記載のノズルアセンブリ。
【請求項７】
境界面（８０）における外側リング（１１０）の一部分（１０５、１１１）及び境界面（８０）における外側側壁（１０６）の一部分（１０５、１１１）が、約０°〜約１１°の範囲内の角度で境界面（８０）から離れる方向に角度が付けられる、請求項６に記載のノズルアセンブリ。
【請求項８】
外側リング（１１０）及び外側側壁（１０６）の一部分（１０５、１１１）が、通電フィラーワイヤを使用するガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、非通電フィラーワイヤを使用するＧＴＡＷ、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）、又は電子ビーム溶接（ＥＢＷ）の溶接技術の内の１つを含む、請求項１に記載のノズルアセンブリ。
【請求項９】
外側側壁（１０６）と外側リング（１１０）との間の溶接部への応力集中が実質的に垂直方向である、請求項８に記載のノズルアセンブリ。
【請求項１０】
溶接深さと溶接幅の比が、約３：１〜１０：１の範囲内にある、請求項８に記載のノズルアセンブリ。
【請求項１１】
タービン用のノズルアセンブリ（１００）であって、
内側側壁（１０４）を有する１以上の翼形部（１０２）と、
境界面（８０）で内側側壁（１０４）に機械的に結合された内側リングと、
内側側壁（１０４）及び内側リング（１０８）の境界面（８０）で、１以上の翼形部（１０２）を適正な軸方向位置に維持するように構成された機械的軸方向停止部（１０７）と、
内側側壁（１０４）及び内側リング（１０８）の境界面（８０）で、１以上の翼形部（１０２）を適正な半径方向位置に維持するように構成された機械的半径方向停止部と
を備えており、（ａ）境界面（８０）における内側リング（１０８）の一部分（１０５、１１１）と（ｂ）境界面（８０）における内側側壁（１０４）の一部分（１０５、１１１）の少なくとも１つが、境界面（８０）から離れる方向に角度が付けられて、内側リング（１０８）と内側側壁（１０４）との間に狭幅溝（１２０）を形成する、ノズルアセンブリ（１００）。
【請求項１２】
内側リングが更に、内側側壁（１０４）及び内側リング（１０８）の境界面（８０）に向かって延びた突出する消耗根元部分（１２２）を含む、請求項１１に記載のノズルアセンブリ。
【請求項１３】
境界面（８０）における内側リング（１０８）の一部分（１０５、１１１）又は境界面（８０）における内側側壁（１０４）の一部分（１０５、１１１）が、約０°〜約１１°の範囲内の角度で境界面（８０）から離れる方向に角度が付けられる、請求項１１に記載のノズルアセンブリ。
【請求項１４】
機械的軸方向停止部（１０７）が、（ａ）第１の雌段部（１１２）を有する内側リング（１０８）且つ対応する第１の雄段部（１１４）を有する内側側壁（１０４）、又は（ｂ）第１の雌段部（１１２）を有する内側側壁（１０４）且つ対応する第１の雄段部（１１４）を有する内側リング（１０８）を含み、機械的軸方向停止部（１０７）が、内側リング（１０８）と内側側壁（１０４）との間の相互連結係合を可能にする、請求項１１に記載のノズルアセンブリ。
【請求項１５】
機械的半径方向停止部が、（ａ）第１の雌段部（１１２）に隣接した第２の雌段部（１１６）を有する内側リング（１０８）且つ第１の雄段部（１１４）に隣接した対応する第２の雄段部（１１８）を有する内側側壁（１０４）、又は（ｂ）第１の雌段部（１１２）に隣接した第２の雌段部（１１６）を有する内側側壁（１０４）且つ第１の雄段部（１１４）に隣接した対応する第２の雄段部（１１８）を有する内側リング（１０８）を含み、機械的半径方向停止部（１０９）がまた、内側リング（１０８）と内側側壁（１０４）との間の相互連結係合を可能にする、請求項１４に記載のノズルアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義にはタービン技術に関する。具体的には、本発明は、溶接準備のための半径方向停止部及び狭幅溝を備えたタービンシングレットノズルアセンブリ設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス又は蒸気タービンを含むタービンは、蒸気又はガスの流れを回転ブレードに向けるノズルアセンブリを含み、回転ブレードは、回転シャフトに結合されて該回転シャフトを転回させるようにする。ノズルアセンブリの１つの構成は、ブレード又は翼形部を含めた、内側側壁と外側側壁との間のシングレット設計を含み、該側壁がそれぞれ内側及び外側リングに結合され、側壁とリングとの間の境界面に機械的軸方向停止部を備える。
【０００３】
これらのシングレットノズルアセンブリを製作する現在の方法は、側壁及びリングの境界面にわたって互いにノズルアセンブリの様々な部品を溶接することを必要とする。しかしながら、一部の溶接技術は、相当な量の溶加材と共に多大な熱量を導入する場合があり、溶接されるシングレットノズルの部品を変形させる恐れがある。従って、浅い電子ビーム溶接又は浅いレーザ溶接のような低熱溶接タイプが通常用いられ、一方、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）（タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接としても知られる）及びガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）（金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接としても知られる）のような高熱溶接タイプは、相当な溶加材及び／又は高入熱に起因して溶接される部品を変形させる可能性があるので好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７４２７１８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、タービン用のノズルアセンブリ含み、該ノズルアセンブリは、翼形部と、内側及び外側側壁と、内側及び外側リングとを含む。これらの内側リング及び内側側壁（同様に外側リング及び外側側壁）は、境界面で機械要素及び溶接を介して相互接続される。相互接続部は、軸方向及び半径方向機械的停止部を含み、正確なアセンブリを可能にし、溶接作業中の部品の適正な半径方向及び軸方向位置を確保し、溶接収縮を最小にして、更に軸方向溶接長さを制御する。本構成は、リングと側壁との間の境界面で、境界面から離れる方向に角度が付けられて狭幅溝を形成する１以上の表面を更に含むことができる。本構成は更に、消耗根元部分を有するリングを更に含み、溶接を容易にして、部品が適正な位置に確実に留まるように固定停止部を提供することができる。本構成は更に、溶接の根元への応力集中が実質的に垂直方向にあるように構成される。
【０００６】
本開示の第１の態様は、タービン用のノズルアセンブリを提供し、該ノズルアセンブリは、外側側壁を有する１以上の翼形部と、境界面で外側側壁に機械的に結合された外側リングと、外側側壁及び外側リングの境界面で、１以上の翼形部を適正な軸方向位置に維持するように構成された機械的軸方向停止部と、外側側壁及び外側リングの境界面で、１以上の翼形部を適正な半径方向位置に維持するように構成された機械的半径方向停止部とを含み、境界面における外側リングの一部分及び境界面における外側側壁の一部分の少なくとも１つが、境界面から離れる方向に角度が付けられて、外側リングと外側側壁との間に狭幅溝が形成される。
【０００７】
本開示の第２の態様は、タービン用のノズルアセンブリを提供し、該ノズルアセンブリは、内側側壁を有する１以上の翼形部と、境界面で内側側壁に機械的に結合された内側リングと、内側側壁及び内側リングの境界面で、１以上の翼形部を適正な軸方向位置に維持するように構成された機械的軸方向停止部と、内側側壁及び内側リングの境界面で、１以上の翼形部を適正な半径方向位置に維持するように構成された機械的半径方向停止部とを含み、境界面における内側リングの一部分及び境界面における内側側壁の一部分の少なくとも１つが、境界面から離れる方向に角度が付けられて、内側リングと内側側壁との間に狭幅溝を形成する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係るタービン用のノズルアセンブリの概略図。
【図１Ｂ】本発明の実施形態に係るタービン用のノズルアセンブリの三次元概略図。
【図２Ａ】本発明の実施形態に係るノズルアセンブリの側壁とリングとの間の境界面の分解組み立て断面図。
【図２Ｂ】本発明の実施形態に係るノズルアセンブリの側壁とリングとの間の境界面の分解組み立て断面図。
【図２Ｃ】本発明の実施形態に係るノズルアセンブリの側壁とリングとの間の境界面の分解組み立て断面図。
【図３】本発明の実施形態に係るノズルアセンブリの側壁とリングとの間の境界面の分解組み立て断面図。
【図４】本発明の実施形態に係るノズルアセンブリの側壁とリングとの間の境界面の分解組み立て断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照すると、図１Ａは、ガス又は蒸気タービン（図示せず）用のノズルアセンブリ１００の概略図を示し、図１Ｂは、ノズルアセンブリ１００の三次元概略図を示す。ノズルアセンブリ１００は、内側側壁１０４及び外側側壁１０６を有する１以上の翼形部１０２を含む。ノズルアセンブリ１００は更に、内側リング１０８及び外側リング１１０を含む。本明細書で用いられる場合、内側及び外側とは、ロータ（図示せず）に対する半径方向位置を意味し、該ロータは、翼形部１０２の内側端部が内側リング１０８を介して結合される。内側リング１０８及び内側側壁１０４は、境界面で機械的に及び溶接によって互いに結合され、同様に、外側リング１１０及び外側側壁１０６は、境界面８０で機械的に及び溶接によって互いに結合され、該境界面８０は、リング及び側壁が隣接し結合された区域全体を指すと理解される。内側リング１０８及び内側側壁１０４（同様に、外側リング１１０及び外側側壁１０６）は、境界面８０に沿った幾つかの点で互いに溶接される。互いに溶接された境界面８０の複数の溶接区域は、全体的に図１Ａに区域９０として示される。
【００１０】
リング１０８、１１０及び側壁１０４、１０６間の境界面８０は各々、溶接作業中に適正な半径方向位置にブレード１０２を維持して溶接収縮を阻止する機械的半径方向停止部１０９を含む。境界面８０は各々、適正な軸方向位置にブレード１０２を維持して溶接長さ及び深さを制御する機械的軸方向停止部１０７を更に含む。これらの機械的停止部１０７、１０９は、本明細書でより詳細に説明するように、相補的部品の対応する雌段部に係合する一連の雄段部からなる相互接続部を含む。従って、境界面８０は、溶接区域９０及び機械的相互接続部１０７、１０９の両方を含む。
【００１１】
外側リング１１０と外側側壁１０６との間の境界面８０の分解組み立て図が図２Ａ及び２Ｂに示される。図２Ａは、外側リング１１０及び外側側壁１０６が未だ接続されておらず、説明の目的で誇張された外側リング１１０及び外側側壁１０６の境界面８０の線画を示す。図２Ｂに示すように、外側リング１１０及び外側側壁１０６が互いに組み合わされると、側壁１０６とリング１１０との間の境界面８０は、機械的軸方向及び半径方向停止部１０７、１０９、すなわち、相補的部品の対応する雌段部に係合する一連の雄段部の相互接続部を含む。
【００１２】
例えば、図２Ａに示すように、機械的軸方向停止部１０７は、第１の雌段部１１２を含む外側リング１１０と、対応する第１の雄段部１１４を含む外側側壁１０６とによって形成することができる。機械的半径方向停止部１０９は、第１の雌段部１１２に隣接した第２の雌段部１１６を有する外側リング１１０と、第１の雄段部１１４に隣接した対応する第２の雄段部１１８を含む外側側壁１０６とによって形成することができる。図２Ｂは、機械的半径方向停止部１０９及び機械的軸方向停止部１０７を含む、結合後の外側リング１１０及び外側側壁１０６の境界面８０の分解組み立て図を示す。
【００１３】
或いは、図２Ｃに示すように、機械的軸方向停止部１０７及び機械的半径方向停止部１０９は、相補的部品の雌段部に係合する雄段部の相互接続部を逆にすることによって形成してもよい。言い換えると、別の図では、外側側壁１０６が中心雄段部を含み、外側リング１１０が中心雌段部を備えて示されているが、図２Ｃに示すように、その逆もまた開示される。その代わりに、外側側壁１０６が中心雌段部を含むことができ、一方、外側リング１１０が中心雄段部を含むことができる。メス及び雄段部は、二次元図で実質的に水平であるように示されているが、これらの部品はまた、ノズルアセンブリの部品の適切な配置の助けとなるように角度を付けることもできる点に留意されたい。
【００１４】
図３には、本発明の一実施形態に係るノズルアセンブリ１００の外側側壁１０６と外側リング１１０との間の境界面８０の別の実施形態が開示される。図３に示すように、外側側壁１０６は、上記で検討したように、雄段部の相互接続部を含む境界面８０を通って外側リング１１０に結合され、該雄段部は、相補的部品の対応する雌段部に係合して機械的軸方向停止部１０７及び機械的半径方向停止部１０９を形成する。加えて、境界面８０における１以上の表面は、境界面から離れる方向に角度が付けられ、狭幅溝１２０を形成することができる。図３に示す実施形態では、部分１１１として示した外側リング１１０の一部分には、境界面８０から離れる方向に角度が付けられて狭幅溝１２０を形成する。狭幅溝１２０は、外側リング１１０の一部分１１１を約０°〜約１１°の範囲の角度を付けることによって形成することができる。外側リング１１０は、境界面８０から離れる方向に角度が付けられた一部分１１１を有するように示されるが、外側側壁１０６は、或いは、境界面８０から離れる方向に角度が付けられた一部分を有することもできる。
【００１５】
同様に図３に示す実施形態に示すように、外側リング１１０は更に、外側側壁１０６と外側リング１１０との間の境界面８０に向かって延びた、突出する消耗根元部分１２２を含むことができる。消耗根元部分１２２は、外側リング１１０と外側側壁１０６との間の境界面８０で溶接を容易にするのに好適な何れかの形状及びサイズを有する材料を含むことができる。例えば、消耗根元部分１２２は、面取溝又は角底溝を含むことができる。消耗根元部分１２２は、ＴＩＧ溶接などの溶接用の消耗根元として機能することができ、或いは電子ビーム溶接（ＥＢＷ）などの溶接用の固定停止部として機能し、部品が適正位置に留まることを確実にすることができる。
【００１６】
外側リング１１０及び外側側壁１０６は、従来の低熱溶接技術を用いて互いに溶接することができるが、本開示のノズルアセンブリはまた、ＧＴＡＷ（通電又は非通電フィラーワイヤのいずれかを用いて）、ＧＭＡＷ又はＥＢＷのような高熱溶接を可能にする。ＧＴＡＷ（ＴＩＧとしても知られる）溶接を用いる場合、手動ＴＩＧ溶接又は完全自動ＴＩＧ溶接を用いることができる。
【００１７】
本発明の実施形態の構成を用いると、外側側壁１０６と外側リング１１０との間の溶接部の根元での応力集中は、実質的に垂直方向である。加えて、溶接深さと溶接部の幅との比は、好ましくは約３：１〜１０：１の範囲内である。
【００１８】
図４に示す本発明の別の実施形態では、部分１０５として示され、外側リング１１０に当接する外側側壁１０６の縁部はまた、境界面８０から離れる方向に角度が付けられる。リング／側壁境界面における１つの表面のみが境界面８０から離れる方向に角度が付けられた図３とは異なり、図４に示す実施形態は、境界面８０から離れる方向に角度が付けられて狭幅溝１２０を形成する表面１０５、１１１を含む。この場合もまた、部分１０５は、約０°〜約１１°の範囲の角度で境界面８０から離れる方向に角度を付けることができる。
【００１９】
また、本開示は、外側側壁１０６及び外側リング１１０に関して本発明の実施形態を検討したが、内側側壁１０４及び内側リング１０８についても同様の実施形態が開示される点に留意されたい。内側側壁１０４及び内側リング１０８に関して、相補的部品の対応する雌段部に係合する雄段部の形状は、外側側壁１０６及び外側リング１１０に用いるものと同一とすることができ、又はこの形状の鏡像とすることができる。
【００２０】
本明細書における用語「第１の」、「第２の」などは、どのような順序、数量、又は重要度を意味するものではなく、むしろ、１つの要素を別の要素と区別するために用いており、本明細書で数詞のない表現は、数量の限定を意味するものではなく、むしろ参照する要素の少なくとも１つが存在することを意味する。数量に関して使用する「約」という修飾語は、記載の数値を包含しており、前後関係によって決まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定値に付随するある程度の誤差を含む）本明細書で使用する場合における「１つ又は複数の」という前置表現は、この表現が前置する用語のものの単数及び複数の両方を含み、従ってその用語のものの１以上を含む（例えば、１つ又は複数の金属という表現は、１種以上の金属を含む）ことを意図している。本明細書に開示した範囲は、包括的でありかつ独立して組合せ可能である（例えば、「最大約２５重量％までの又はより具体的には約５重量％〜約２０重量％」の範囲というのは、「約５重量％〜約２５重量％」の範囲の端点及び全ての中間値などを含む）。
【００２１】
本明細書では様々な実施形態について説明してきたが、これらの実施形態における要素の様々な組合せ、変形又は改良を当業者が行なうことができ、これらもまた本発明の技術的範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実行するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は請求項の範囲に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【符号の説明】
【００２２】
８０  境界面
９０  溶接部
１００  ノズルアセンブリ
１０２  翼形部、ブレード
１０４  内側側壁
１０５、１１１  部分
１０６  外側側壁
１０７  機械的軸方向停止部
１０８  内側リング
１０９  機械的半径方向停止部
１１０  外側リング
１１２  第１の雌段部
１１４  第１の雄段部
１１６  第２の雌段部
１１８  第２の雄段部
１２０  溝
１２２  根元部分
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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