(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分割構造とされた蒸気タービンケーシングであって、
ケーシングに取り付けられたフランジ部と、
前記フランジ部に設けられた穴に通されたボルトと、
前記フランジ部に設けられた前記穴の内面に、前記ケーシングの合わせ面を合わせて取り付けられ前記フランジ部の線膨張係数よりも大きな材料で形成されたシールリングと、
前記ボルトの両端に取り付けられたナットと、を有し、
前記ボルトと前記ナットにより前記シールリングを締め付ける蒸気タービンケーシング。
【請求項２】
前記シールリングが、前記フランジ部の両側に突き抜ける貫通型のシールリングである請求項１記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項３】
前記シールリングが、前記フランジ部の片側のみに突き抜ける片側貫通のシールリングである請求項１記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項４】
前記シールリングが、前記フランジ部の内部に埋め込む内部挿入のシールリングである請求項１記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項５】
前記シールリングの材料が、前記フランジ部の熱伝導率よりも小さな材料である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項６】
前記シールリングの材料が、前記フランジ部の放射率よりも小さな材料である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項７】
前記シールリングの周囲流体と触れる面の熱伝達率が、前記フランジ部の材料よりも小さい請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項８】
分割構造とされた蒸気タービンケーシングであって、
ケーシングに取り付けられたフランジ部と、
前記フランジ部に設けられた穴に通されたボルトと、
前記フランジ部に設けられた前記穴の内面に、前記ケーシングの合わせ面を合わせて取り付けられ、厚みが同じまたは異なる複数の層から成る多層構造を有するシールリングと、
前記ボルトの両端に取り付けられたナットと、を有し、
前記ボルトと前記ナットにより前記シールリングを締め付ける蒸気タービンケーシング。
【請求項９】
前記シールリングが、前記フランジ部の材料の線膨張率よりも大きい材料である中間層をさらに備えている請求項８記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項１０】
前記シールリングが、前記フランジ部の材料の熱伝導率よりも小さい材料である中間層をさらに備えている請求項８記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項１１】
前記シールリングの前記中間層が、流体を通す流体流路をさらに備えている請求項１０記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項１２】
前記シールリングの最内層の放射率が、前記フランジ部の材料の放射率よりも小さい材料である請求項８記載の蒸気タービンケーシング。
【請求項１３】
前記ケーシングが、内部ケーシングと、外部ケーシングと、を有する請求項１乃至１２
のいずれか１項に記載の蒸気タービンケーシング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンケーシングに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境や経済性の観点から、プラント効率を向上させるために、主蒸気圧力を２５ＭＰａ以上、温度を６００℃以上とする検討が進められており、近年は飛躍的に、圧力温度を向上させたプラントの検討や開発も進められている。
【０００３】
ここで、蒸気タービンケーシングは、高温高圧蒸気を内部へ密閉する役割を持ち、密閉性が損なわれると内部蒸気が外部へ漏洩し、ロータに取り付けられた動翼で行う仕事量が減り、タービン性能が悪くなって、経済性上不利となる。また、高温高圧蒸気が大気へ漏洩すると、作業者の身の危険へもつながるため、ケーシングでは蒸気漏洩を起こさない設計が求められる。さらに、高圧高温化によりケーシングには、これまでよりも大きな応力が発生するため、高温化による材料強度低下も伴って、構造物としては更に強度が厳しくなる傾向にある。
【０００４】
蒸気タービンケーシングは、一般的に内部が高圧高温となり、ケーシングには内から外向きへの力（フープ応力と熱応力の合応力）が働き、ケーシングフランジ部でのボルトとナットによる締付力以上の外向きの力が働くと、フランジ面が接触しない現象が起こる。これを面開きと呼び、ケーシング内部から外部へ蒸気が漏洩する原因の１つとなっている。
【０００５】
ケーシングフランジ面の面開きを抑えるには、ボルト締付力を大きくする対策が採られる。具体的には、ボルトの初期締め代を増やす、或いは、ボルトサイズを大きくする方法があるが、前者はボルト強度が厳しくなり、設計上強度が持たない場合は更に高強度の材料を使用する。また、後者はボルトサイズアップに伴い、ケーシングフランジも大きくなるため、ケーシング重量増加につながり、両者ともにコストアップとなる。
【０００６】
さらに、蒸気条件の高圧高温化に伴い、使用する材料の素材単価が高くなってきている。また、加工性も悪くなるため、製造においてもコストが増加する傾向にある。そのため、蒸気条件の高圧高温化は、全体コストの増加と比例関係にある。また、近年開発が進む蒸気温度を７００℃超とした研究では、使用する材料が従来材に比べて５〜１０倍とも言われており、材料コストとプラント全体コストの関係は、材料コストが占める割合が非常に大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５９−５８２６５号公報
【特許文献２】特開２００２−３４９２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、蒸気条件を高圧高温化しても、ボルトやケーシングの材料の性能を上げないで、または、ボルトサイズを大きくすることなく、ケーシングのフランジ部からの蒸気漏洩を防ぐことを可能とする蒸気タービンケーシングを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の蒸気タービンケーシングは、分割構造とされた蒸気タービンケーシングであ
って、ケーシングに取り付けられたフランジ部と、当該フランジ部に設けられた穴に通さ
れたボルトと、当該フランジ部に設けられた当該穴の内面に、当該ケーシングの合わせ面
を合わせて取り付けられ、フランジ部の線膨張係数よりも大きい材料で形成されたシールリングと、当該ボルトの両端に取り付けられたナットと、を有している。さらに、当該ボルトと当該ナットにより前記シールリングを締め付ける。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の蒸気タービンケーシングの概略図。
【図２】図１の実施形態の蒸気タービンケーシングのロータ中心軸を縦方向に切断した断面図。
【図３】第１の実施形態の蒸気タービンケーシングの貫通型シールリングの断面図。
【図４】第１の実施形態の蒸気タービンケーシングのシールリングの軸方向の伸びを逃がす構造を示す断面図。
【図５】第２の実施形態の蒸気タービンケーシングの片側貫通型シールリングの断面図。
【図６】第３の実施形態の蒸気タービンケーシングの内部挿入型シールリングの断面図。
【図７】第４の実施形態の蒸気タービンケーシングの多層構造シールリングの断面図。
【図８】第４の実施形態の蒸気タービンケーシングの多層構造シールリングの中間層に流体流路を設けた断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
(第１の実施形態)
以下、第１の実施形態の蒸気タービンケーシングについて、図面を用いて説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。
【００１３】
まず、第１の実施形態の蒸気タービンケーシングの概略について説明する。図１は、第１の実施形態の蒸気タービンケーシングの概略図、図２は、図１の実施形態の蒸気タービンケーシングのロータ中心軸を縦方向に切断した断面図、図３は、第１の実施形態の蒸気タービンケーシングの貫通型シールリングの断面図である。図４は、第１の実施形態の蒸気タービンケーシングのシールリングの軸方向の伸びを逃がす構造を示す断面図である。
【００１４】
ここで、図１、図２に示すように、第１の実施形態の蒸気タービンケーシング５は、回転するロータ２２に蒸気から力を受ける羽根が取り付けられ、ロータ２２を覆い蒸気を内部へ密閉するための内部ケーシング２０を持っている。また、当該内部ケーシング２０には、羽根へ蒸気を導くためのノズルが直接または間接的に取り付けられている。さらに、当該内部ケーシング２０の外側には、全体を覆う外部ケーシング２１を有している。当該内部ケーシング２０及び当該外部ケーシング２１は、分割構造となっており、密閉容器にするために、図１に示すように、ケーシング本体に取り付けられたケーシングフランジ１において、ボルトとナットによる締付で一体化されている。
【００１５】
また、図１に示すように、ケーシング５は、蒸気タービンの径方向にて半分に上下分割されており、ケーシング５を併せるための合わせ面を備えている。また、図３に示すように、ケーシング５は、前述した合わせ面で分割したケーシング５の面合わせを行った後、ケーシングフランジ１を用いて、ボルト２とナット３による締め付めで、内部蒸気の漏洩を防いでいる。ケーシングフランジ１は、ケーシング５と一体となっている。なお、ケーシング５は、蒸気タービンの軸方向に分割されていてもよい。
【００１６】
ここで、図３に示すように、ケーシングフランジ１には、ボルト２を通すために、ボルト穴が設けられ、当該ボルト穴の内面に密着するように、円筒形状の貫通型シールリング４が取り付けられている。ここで、貫通型シールリング４とは、ケーシングフランジ１の両側に突き抜ける貫通型のシールリングである。また、ケーシング５の内部蒸気はケーシングフランジ１の合わせ面の面開き部から外側へ漏洩するため、貫通型シールリング４は、ケーシングフランジ１の合わせ面を塞ぐ範囲に取り付けられている。
【００１７】
さらに、図４に示すように、貫通型シールリング４の軸方向の上部に、スペース６が設けられている。スペース６を設けることにより、貫通型シールリング４は、軸方向に自由に動けるため、ケーシングフランジ１からの軸方向の圧縮応力を受けることがない。なお、スペース６は、ケーシングフランジ１とナット３のどちらに設けてもよい。
【００１８】
また、目的の使用温度において、貫通型シールリング４の材料を、ケーシングフランジ１の線膨張係数よりも大きな材料とすることで、ケーシングフランジ１と貫通型シールリング４の温度が上昇すると、貫通型シールリング４は、ケーシングフランジ１との線膨張差により、ケーシングフランジ１の当該ボルト穴の内面に押し付けられる。よって、ケーシングフランジ１の面開き部から、ケーシング５の内部蒸気の漏洩に対するシール性能がさらに向上する。
【００１９】
さらに、目的の使用温度において、貫通型シールリング４の材料を、ケーシングフランジ１の熱伝導率よりも小さな材料とすることで、貫通型シールリング４を使用しないときに、ケーシングフランジ１を伝わって当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量よりも、貫通型シールリング４からケーシングフランジ１の当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量を少なくすることができる。それにより、ボルト２の熱伸び、リラクゼーション、材料低下等を抑制することが可能となり、ケーシングフランジ１の面開き部から、ケーシング５の内部蒸気の漏洩に対するシール性能がさらに向上する。
【００２０】
また、目的の使用温度において、貫通型シールリング４の材料を、ケーシングフランジ１の放射率よりも小さな材料とすることで、貫通型シールリング４を使用しないときに、ケーシングフランジ１を伝わって当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量よりも、貫通型シールリング４からケーシングフランジ１の当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量を少なくすることができる。それにより、ボルト２の熱伸び、リラクゼーション、材料低下等を抑制することが可能となり、ケーシングフランジ１の面開き部から、ケーシング５の内部蒸気の漏洩に対するシール性能がさらに向上する。
【００２１】
さらに、目的の使用温度において、貫通型シールリング４の周囲流体と触れる面の熱伝達率を、ケーシングフランジ１の材質よりも低くすることで、貫通型シールリング４を使用しないときに、ケーシングフランジ１を伝わって当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量よりも、貫通型シールリング４からケーシングフランジ１の当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量を少なくすることができる。それにより、ボルト２の熱伸び、リラクゼーション、材料低下等を抑制することが可能となり、ケーシングフランジ１の面開き部から、ケーシング５の内部蒸気の漏洩に対するシール性能がさらに向上する。
【００２２】
なお、第１の実施形態では、貫通型シールリング４を、ボルト穴のような円形としたが、これに限定されることはなく、貫通型シールリング４の断面を多角形や自由断面形状のような多様な断面形状としてもよい。
【００２３】
(第２の実施形態)
以下、第２の実施形態の蒸気タービンケーシングについて、図面を用いて説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。
【００２４】
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、貫通型シールリング４に代えて、片側貫通型シールリング７としている点であり、この貫通型シールリング７の表記以外は第１の実施形態と同じであるので、同一部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２５】
図５は、第２の実施形態の蒸気タービンケーシングの片側貫通型シールリングの断面図である。
【００２６】
図５に示すように、第２の実施形態の蒸気タービンケーシングでは、図３における貫通型シールリング４に代えて、片側貫通型シールリング７を用いている。片側貫通型シールリング７とは、ケーシングフランジ１の片側のみに突き抜ける片側貫通型のシールリングである。片側貫通型シールリング７を使用することで、ケーシング５を組立または分解する際に、片側貫通型シールリング７を保持する作業を不要とすることができる。
【００２７】
なお、ケーシング５の内部蒸気は、ケーシングフランジ１の合わせ面の面開き部から外側へ漏洩するため、片側貫通型シールリング７は、ケーシングフランジ１の合わせ面を塞ぐ範囲に取り付けられる。
【００２８】
第２の実施形態の蒸気タービンケーシングでは、第１の実施形態と同等のシール性能を有するとともに、第１の実施形態よりも、シールリングの軽量化が可能となる。
【００２９】
(第３の実施形態)
以下、第３の実施形態の蒸気タービンケーシングについて、図面を用いて説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。
【００３０】
第３の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、貫通型シールリング４に代えて、内部挿入型シールリング８としている点であり、内部挿入型シールリング８の表記以外は第１の実施形態と同じであるので、同一部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３１】
図６は、第３の実施形態の蒸気タービンケーシングの内部挿入型シールリングの断面図である。
【００３２】
図６に示すように、第３の実施形態の蒸気タービンケーシングでは、図３における貫通型シールリング４に代えて、内部挿入型シールリング８を用いている。内部挿入型シールリング８とは、ケーシングフランジ１の内部に埋め込む内部挿入型のシールリングである。内部挿入型シールリング８を使用することで、ナット３とケーシングフランジ１との接地面を、第１の実施形態よりも大きくして、ボルト２とナット３によるケーシングフランジ１の締結力を大きくすることが可能となる。
【００３３】
さらに、ケーシング５の内部蒸気は、ケーシングフランジ１の合わせ面の面開き部から外側へ漏洩するため、内部挿入型シールリング８は、ケーシングフランジ１の合わせ面を塞ぐ範囲に取り付けられている。第３の実施形態の蒸気タービンケーシングでは、第１の実施形態及び第２の実施形態と同等のシール性能を有するとともに、第１の実施形態及び第２の実施形態よりも、シールリングの軽量化が可能となる。
【００３４】
(第４の実施形態)
以下、第４の実施形態の蒸気タービンケーシングについて、図面を用いて説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。
【００３５】
第４の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、貫通型シールリング４に代えて、多層構造シールリング９としている点であり、多層構造シールリング９の表記以外は第１の実施形態と同じであるので、同一部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３６】
図７は、第４の実施形態の蒸気タービンケーシングの多層構造シールリングの断面図であり、図８は、第４の実施形態の蒸気タービンケーシングの多層構造シールリングの中間層に流体流路を設けた断面図である。
【００３７】
図７に示すように、第４の実施形態の蒸気タービンケーシングでは、図３における貫通型シールリング４に代えて、多層構造シールリング９を用いている。多層構造シールリング９とは、シールリングを厚みが同じまたは異なる複数の層から成る多層構造としたものである。多層構造シールリング９を用いることで、種々の特性を持つ異なる材質を組み合わせることが可能となり、1種類の材料のみでは持ち得ない機能を持たせることが可能となる。
【００３８】
なお、目的の使用温度において、多層構造シールリング９として、線膨張係数がケーシングフランジ１よりも大きな材料を組み合わせることも可能である。図８に示すように、多層構造シールリング９は、中間層１０を備えている。ここでは、中間層１０の材料は、ケーシングフランジ１よりも大きな線膨張係数を有している。
【００３９】
ここで、ケーシングフランジ１と多層構造シールリング９の温度が上昇すると、多層構造シールリング９は、中間層１０とケーシングフランジ１との線膨張差により、当該ボルト穴内面に押し付けられる。よって、ケーシングフランジ１の面開き部からの蒸気漏洩に対するシール性能が向上する。なお、中間層１０の一部がケーシングフランジ１の線膨張率より小さくても、中間層１０全体での巨視的な線膨張率が、ケーシングフランジ１よりも大きければ、同様の機能は発揮される。
【００４０】
また、目的の使用温度において、多層構造シールリング９として、熱伝導率がケーシングフランジよりも小さな材料を組み合わせることも可能である。図８に示すように、多層構造シールリング９は、中間層１０を備えている。ここでは、中間層１０の材料は、ケーシングフランジ１よりも小さな熱伝導率を有している。
【００４１】
よって、多層構造シールリング９を使用しないときに、ケーシングフランジ１を伝わって当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量よりも、多層構造シールリング９から当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量を少なくすることができる。それにより、ボルト２の熱伸び、リラクゼーション、材料低下等を抑制することが可能となり、なお、各層ではなく、全体の巨視的な熱伝導率がケーシングフランジ１よりも低い熱伝導率を有することで、中間層１０の一部がケーシングフランジ１の熱伝導率より大きくても、多層構造シールリング９全体での巨視的な熱伝導率が、ケーシングフランジ１の熱伝導率よりも小さければ、同様の機能が発揮される。
【００４２】
さらに、目的の使用温度において、多層構造シールリング９として、当該ボルトに面する多層構造シールリングの最内層の放射率を、ケーシングフランジ１の材料よりも小さい材質とすることで、多層構造シールリング９を使用しないときに、ケーシングフランジ１を伝わって当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量よりも、多層構造シールリング９から当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量を少なくすることができる。それにより、ボルト２の熱伸び、リラクゼーション、材料低下等を抑制することが可能となり、ケーシングフランジ１の面開き部から、ケーシング５の内部蒸気の漏洩に対するシール性能がさらに向上する。
【００４３】
また、目的の使用温度において、多層構造シールリング９の周囲流体と触れる面の熱伝達率をケーシングフランジ１の材質よりも低くすることで、多層構造シールリング９を使用しないときに、ケーシングフランジ１を伝わって当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量よりも、多層構造シールリング９から当該ボルト穴の内部蒸気へ移動する熱量を少なくすることができる。それにより、ボルト２の熱伸び、リラクゼーション、材料低下等を抑制することが可能となる。
【００４４】
ここで、図８に示すように、中間層１０に、流体流路１１を切って流体を通す場合には、中間層１０をケーシングフランジ１よりも熱伝達率が小さい材料とすることで、同様の機能を発揮できる。
【００４５】
以上説明した少なくとも一つの実施形態の蒸気タービンケーシングによれば、蒸気条件を高圧高温化しても、ボルト２やケーシング５の材料スペックを上げないで、または、ボルト２のサイズを大きくすることなく、ケーシングフランジ１からの蒸気漏洩を防ぐことができる。さらに、ケーシングフランジ１からボルト２への熱移動量を小さくすることで、ボルト２の温度上昇を抑えて、ボルト２の強度低下を抑制すると共に、仕事をせずに外部に捨てられる熱エネルギー量を減らすことで、プラント効率向上も期待できる。
【００４６】
なお、本発明は、上記した各実施の形態には限定されず、種々変形して実施できることは言うまでもない。
【００４７】
要するに、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の形態を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を省略してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１…ケーシングフランジ
２…ボルト
３…ナット
４…貫通型シールリング
５…ケーシング
６…スペース
７…片側貫通型シールリング
８…内部挿入型シールリング
９…多層構造シールリング
１０…中間層
１１…流体流路
２０…内部ケーシング
２１…外部ケーシング
２２…ロータ 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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