(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービン用のノズル組立体であって、
一体式外側側壁を含む少なくとも１つのノズル翼形部と、
前記少なくとも１つのノズル翼形部が本質的に半径方向で間に延びた内側リング及び外側リングと
を備え、
前記外側リングの内面が、前記外側側壁の外面と機械嵌め接続を有して、前記少なくとも１つのノズル翼形部の軸方向移動を抑制し、前記外側リングが、前記外側側壁の上流面と機械嵌め接続を有して、前記少なくとも１つのノズル翼形部の半径方向移動を抑制し、前記少なくとも１つのノズル翼形部が複数の固定具により前記内側リングにピン留めされ、
前記外側リングと前記外側側壁との間の機械嵌め接続が、
前記外側側壁の外側半径方向外面上に配置された半径方向内向きに延びる雌型凹部に相補的な、前記外側リングの半径方向内面に沿って配置された半径方向内向きの雄型突起部と、
前記外側側壁の外面に沿って配置された半径方向外向きの雄型突起部に相補的な、前記外側リングの半径方向内面に沿って配置された半径方向外向きに延びる雌型凹部と
のうちの１つを含み、
前記外側リングと前記外側側壁との間の機械嵌め接続が更に、
前記外側リングの軸方向下流面上に配置された軸方向下流側に延びる雄型突起部、及び前記外側側壁の上流面上に配置された軸方向に延びる相補的な雌型凹部と、
前記外側リングの軸方向下流面上に配置された軸方向上流側に延びる雌型凹部、及び前記外側側壁の上流面上に配置された相補的な軸方向雄型突起部と
のうちの１つを含む、ノズル組立体。
【請求項２】
前記内側リングへの前記少なくとも１つのノズル翼形部のピン留めは、第１の複数の固定具を用いて前記翼形部が前記内側リングに回転可能に結合され、前記第１の複数の固定具が前記少なくとも１つのノズル翼形部を前記内側リングに対して配列するようにし、第２の複数の固定具を用いて前記少なくとも１つのノズル翼形部が前記内側リングに半径方向で結合されることを含む、請求項１記載のノズル組立体。
【請求項３】
前記内側リングが前記内側リングの周りに円周方向に配置された複数の半径方向外向きに向けられたボアを含み、前記複数のボアが皿穴構成を含む、請求項２記載のノズル組立体。
【請求項４】
前記第１の複数の固定具が少なくとも１つの整列ピンを含み、前記第２の複数の固定具が少なくとも１つのボルトを含む、請求項３記載のノズル組立体。
【請求項５】
前記内側リングが貫通する複数の開口を含み、該複数の開口により前記ノズル翼形部を前記内側リング上で整列できるようになる、請求項４記載のノズル組立体。
【請求項６】
前記少なくとも１つのノズル翼形部が、前記外側リングと前記内側リングとの間で接線方向に挿入される、請求項１乃至５のいずれかに記載のノズル組立体。
【請求項７】
前記少なくとも１つのノズル翼形部が、前記外側リングと前記内側リングとの間の所定位置に軸方向にスイングされる、請求項１乃至５のいずれかに記載のノズル組立体。
【請求項８】
前記外側側壁が、前記外側リングの半径方向内面と前記外側側壁の外側半径方向外面との間の下流側スペースにおいて溶接フィラー材料を加えることなく前記外側リングに溶接される、請求項１乃至７のいずれかに記載のノズル組立体。
【請求項９】
前記外側側壁が、
前記外側リングの半径方向内面と前記外側側壁の外側半径方向外面との間の下流側スペースと、
前記外側リングの半径方向内面と前記外側側壁の外側半径方向外面との間の上流側スペースと
のうちの少なくとも一方において溶接フィラー材料を加えることなく前記外側リングに溶接される、請求項１乃至７のいずれかに記載のノズル組立体。
【請求項１０】
蒸気タービンの組立方法であって、
半径方向内面及び接線方向下流面の各々上に雄型突起部及び雌型凹部の一方を含む環状外側リングと、環状内側リングとを提供する段階と、
半径方向外面及び接線方向上流面の各々上に雌型凹部及び雄型突起部の一方を含み、前記雌型凹部又は雄型突起部が前記外側リングの雄型突起部又は雌型凹部に相補的である一体式外側側壁を備えた少なくとも１つのノズル翼形部を提供する段階であって、
前記外側リングと前記外側側壁との間の機械嵌め接続が、
前記外側側壁の外側半径方向外面上に配置された半径方向内向きに延びる雌型凹部に相補的な、前記外側リングの半径方向内面に沿って配置された半径方向内向きの雄型突起部と、
前記外側側壁の外面に沿って配置された半径方向外向きの雄型突起部に相補的な、前記外側リングの半径方向内面に沿って配置された半径方向外向きに延びる雌型凹部と
のうちの１つを含み、
前記外側リングと前記外側側壁との間の機械嵌め接続が更に、
前記外側リングの軸方向下流面上に配置された軸方向下流側に延びる雄型突起部、及び前記外側側壁の上流面上に配置された軸方向に延びる相補的な雌型凹部と、
前記外側リングの軸方向下流面上に配置された軸方向上流側に延びる雌型凹部、及び前記外側側壁の上流面上に配置された相補的な軸方向雄型突起部と
のうちの１つを含む、前記段階と、
前記外側側壁の少なくとも１つの相補的な雌型凹部及び雄型突起部を前記外側リングの少なくとも１つの雄型突起部及び雌型凹部と係合することによって、接線方向挿入及び軸方向スイング挿入の一方で前記外側リングと前記内側リングとの間に一体式外側側壁を備えた前記少なくとも１つのノズル翼形部を設置する段階と、
前記少なくとも１つのノズル翼形部が前記内側リングから実質的に半径方向外向きに延びるように、前記内側リングを通って実質的に半径方向に延び且つ前記外側リングに向けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されるボアのうちの１つに各々が挿入される第１の複数の固定具を用いて前記内側リングに前記少なくとも１つのノズル翼形部を回転可能に結合する段階と、
前記少なくとも１つのノズル翼形部を最終ノズル翼形部位置に調整する段階と、
第２の複数の固定具を用いて、前記少なくとも１つのノズル翼形部の回転移動を制限し、前記複数の翼形部の各々を前記内側リングに結合する段階と
を含む、方法。
【請求項１１】
前記外側リングの半径方向内面と前記外側側壁の外側半径方向外面との間の接合部における下流面上で前記外側リングに前記外側側壁を溶接する段階と、
前記外側リングの接線方向下流面と前記外側側壁の接線方向上流面との間の接合部における上流面上で前記外側リングに前記外側側壁を溶接する段階と
のうちの少なくとも１つを更に含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
第１の複数の固定具を用いて前記内側リングに前記少なくとも１つのノズル翼形部を結合する段階が更に、少なくとも１つの整列ピンを前記少なくとも１つのノズル翼形部の各々にほぼ半径方向で挿入し、前記内側リングに対する前記少なくとも１つのノズル翼形部の整列を可能にする段階を含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
第２の複数の固定具を用いて前記少なくとも１つのノズル翼形部を前記内側リングに結合する段階が更に、少なくとも１つのボルトを用いて前記少なくとも１つのノズル翼形部の各々を前記内側リングに結合する段階を含む、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の円周方向に間隔を置いて配置されたボアの各々が、貫通する前記第１の複数の固定具の一部を受けて前記少なくとも１つのノズル翼形部を前記内側リングに固定できるようなサイズにされるように、前記ボアを前記内側リング内に形成する段階を更に含む、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
ノズル組立体を備えた蒸気タービンであって、該ノズル組立体が、
前記蒸気タービン内で実質的に円周方向に延びるよう構成された半径方向外側リングと、
前記蒸気タービン内で実質的に円周方向に延びるよう構成された半径方向内側リングと、
前記内側リングと前記外側リングとの間で実質的に半径方向に延びる一体式外側側壁を備えた少なくとも１つのノズル翼形部と
を備え、
前記内側リングが、該内側リングを通って前記外側リングに向けて実質的に半径方向に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたボアを含み、該複数のボアの一部が皿穴を各々含み、前記少なくとも１つのノズル翼形部が複数の固定具を用いて前記半径方向内側リングに回転可能に結合され、該第１の複数の固定具により前記内側リングに対して前記少なくとも１つのノズル翼形部を向けることが可能になり、前記少なくとも１つのノズル翼形部が第２の複数の固定具を用いて前記半径方向内側リングに結合され、
前記ノズル組立体が更に、前記ノズル翼形部の外側側壁と前記外側リングとの間で機械的に拘束される接合部を備え、
前記少なくとも１つのノズル翼形部の外側側壁と前記外側リングとの間で機械的に拘束される接合部が、
前記外側側壁の外側半径方向外面上に配置された半径方向内向きに延びる雌型凹部に相補的な、前記外側リングの半径方向内面に沿って配置された半径方向内向きの雄型突起部と、前記外側側壁の外面に沿って配置された半径方向外向きの雄型突起部に相補的な、前記外側リングの半径方向内面に沿って配置された半径方向外向きに延びる雌型凹部とのうちの１つと、
前記外側リングの軸方向下流面上に配置された軸方向下流側に延びる雄型突起部、及び前記外側側壁の上流面上に配置された軸方向に延びる相補的な雌型凹部と、前記外側リングの軸方向下流面上に配置された軸方向上流側に延びる雌型凹部、及び前記外側側壁の上流面上に配置された相補的な軸方向雄型突起部とのうちの１つと
を含む、蒸気タービン。
【請求項１６】
前記外側側壁が、
前記外側リングの半径方向内面と前記外側側壁の外側半径方向外面との間の下流側スペースと、
前記外側リングの半径方向内面と前記外側側壁の外側半径方向外面との間の上流側スペースと
のうちの少なくとも一方において溶接フィラー材料を加えることなく前記外側リングに溶接される、請求項１５記載の蒸気タービン。
【請求項１７】
前記複数の円周方向に間隔を置いて配置されるボアが、貫通する前記第２の複数の固定具の少なくとも一部を受けて前記ノズル組立体内に前記少なくとも１つのノズル翼形部を固定するようなサイズにされ、前記第１の複数の固定具が整列ピンを含み、前記第２の複数の固定具が少なくとも１つのボルトを含み、前記整列ピンにより前記少なくとも１つのノズル翼形部の各々を前記ノズル組立体内で整列可能になり、前記ボルトにより前記少なくとも１つのノズル翼形部の各々を前記ノズル組立体内に固定可能になる、請求項１５又は１６に記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、蒸気タービンに関し、より具体的には、シングレットノズル翼形部を備えた蒸気タービンにおけるノズル組立体の最終段の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンは通常、ロータに接続された回転バケットへの蒸気の流れを配向する静止ノズルセグメントを含む。蒸気タービンでは、翼形部構造物を含むノズルは通常、ノズル組立体又はダイアフラム段と呼ばれる。従来のダイアフラム段は、主に２つの方法のうちの一方を用いて構築される。第１の方法は、バンド／リング構造物を使用し、ここでは、最初に翼形部が円周方向に約１８０度延びた内側及び外側バンド間に溶接される。次いで、溶接された翼形部を備えたこれらの弓形のバンドが組み立てられ、すなわち、タービンのステータノズル組立体の内側及び外側リング間に溶接される。第２の方法は、多くの場合、翼形部が、接合部に対してフィレット溶接を用いて内側及び外側リングに直接溶接されることからなる。後者の方法は、通常、溶接部の作製が利用しやすく且つバンド構造物が実用可能ではない大型の翼形部用に用いられる。
【０００３】
バンド／リング組立方法には本質的に限界がある。バンド／リング組立方法における原理上の限界は、流路すなわち隣接する翼形部と蒸気経路側壁との間の内在する溶接変形である。これらの組立に使用される溶接は、サイズ及び入熱が相当大きなものである。すなわち、この溶接には、有意な量の金属フィラーを用いた高い入熱を必要とする。或いは、溶接は、フィラー金属なしの極めて深い電子ビーム溶接である。この材料又は入熱により流路の変形が生じ、例えば、材料の収縮により翼形部がその設計形状から流路内に湾曲するようになる。多くの場合、翼形部は、溶接後の調整及び応力緩和を必要とする。この蒸気経路の変形の結果、ステータ効率が低下する。ノズルをステータ組立体に溶接する結果として、内側及び外側バンドの表面輪郭もまた変化し、更に不規則な流路を生じさせる可能性がある。従って、ノズル及びバンドは、全体的に曲がり及び変形を生じる。このことは、ノズルを設計基準にするためにノズル形状に関してかなりの最終仕上げを必要とする。多くの場合、ノズル組立体の全体の構造物コストの約３０％は、溶接及び応力緩和後にノズル組立体をノズル組立体の変形からその設計形状にまで復元するためのものである。
【０００４】
また、リングに溶接されるシュラウドなしの単一の翼形部構造物を用いた組立方法は、確定した溶接深さを有しておらず、内側及び外側リング両方に組立整列特徴要素がなく、また、溶接障害が生じた場合の保持機構がない。これらのフィレット溶接翼形部はまた、バンド構造物について上述したような有意な変形問題がある。更に、現行のノズル組立体及び設計は、再現可能な固定プロセスを可能にするノズルサイズの間に共通の特徴要素を有していない。すなわち、ノズル組立体は、機械制御ツールが基準とするため全てのノズルサイズに共通の特徴要素を有しておらず、当該特徴要素がない場合、各ノズル組立体のサイズは、特定の設定、事前処理、及び特定の据え付けを必要とし、結果としてコストが増大する。従って、組立手順及び機械加工による固定を支援し、ステータにおけるノズル組立体の整列を促進し、及び溶接障害が生じたときにノズル組立体の下流側への移動を阻止する機械的ロックをもたらす特徴要素を加えることにより、溶接プロセスにより生じる蒸気経路の変形を最小限に抑え又は排除し、並びに製造及びサイクルコストを改善する低入熱の溶接部を含む静止ノズル用の改善された蒸気流路に対する必要性があることが立証された。
【０００５】
蒸気タービンにおけるダイアフラムの幾つかの最終段は通常、フィレット製造（ＦＦ）と呼ばれる。ＦＦ構造物は、外側及び内側リングに溶接されたシュラウドなし翼形部（ノズル）を含む。この組立は、高コストで複雑な固定具で行われるか、或いは、固定具を用いずにスクライブ線を用いて行われる場合がある。両方のケースでは、翼形部において側壁接合部に対して大型の溶接フィレットを用いて、必要な溶接強度を達成している。この型式の構造物に関する問題の１つは、製造中の溶接変形の量である。別の問題は、設定、溶接、及び製造後の可能性のある領域調整に必要なサイクル時間である。また、これらの最終段のほとんどは極めて大きく、翼形部の重量に起因して持ち上げの支援を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７６５４７９４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、フィレット構造ダイアフラム及びこのような部品をサイクル時間が短く及び溶接変形を低減して製造する技術を提供することが望ましいことになる。加えて、翼形部公差及びスロート制御を改善することによりタービン性能を向上させることが望ましいことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、タービン用ノズル組立体に関し、更に、ノズル組立体を内側及び外側リングに組み付ける装置及び方法に関する。要約すると、本発明の１つの態様によれば、タービン用のノズル組立体が提供される。ノズル組立体は、１以上のノズル翼形部を含み、各々が一体式外側側壁を備える。ノズル組立体はまた、内側リング及び外側リングを含み、ノズル翼形部が本質的に半径方向で内側リング及び外側リング間を延びる。外側リングの内面は、機械嵌め接続で外側側壁の外面と係合し、ノズル翼形部の軸方向移動を抑制する。外側リングは更に、外側側壁の上流面と機械嵌め接続で係合し、ノズル翼形部の半径方向移動を抑制する。ノズル翼形部は、少なくとも１つの固定具を用いて内側リングにピン留めされる。外側側壁と外側リングとの間の接合部は更に、下流側位置にて低エネルギー溶接部を含むことができる。
【０００９】
本発明の別の態様は、蒸気タービンの組立方法を提供する。本方法は、半径方向内面及び接線方向下流面の各々上に雄型突起部又は雌型凹部の一方を含む環状外側リングと、環状内側リングとを提供する段階を含む。また、一体式外側側壁を備えた少なくとも１つのノズル翼形部が提供され、ここで、外側側壁は、半径方向外面及び接線方向上流面の各々上に雌型凹部又は雄型突起部を含み、雌型凹部又は雄型突起部は、外側リングの雄型突起部又は雌型凹部に相補的であり且つ係合している。ノズル翼形部は、接線方向挿入及び軸方向スイング挿入の一方で外側リングと内側リングとの間に一体式外側側壁を備え、外側側壁の少なくとも１つの相補的な雌型凹部及び雄型突起部を外側リングの少なくとも１つの雄型突起部及び雌型凹部と係合して設置される。少なくとも１つのノズル翼形部は、内側リングを通って実質的に半径方向に延び且つ外側リングに向けられた複数の円周方向に間隔を置いて配置されるボアのうちの１つに各々が挿入される第１の複数の固定具を用いて内側リングに回転可能に結合され、少なくとも１つのノズル翼形部が内側リングから実質的に半径方向外向きに延びるようになる。少なくとも１つのノズル翼形部は、最終ノズル翼形部位置に調整され、回転方向の移動を制限する。少なくとも１つのノズル翼形部は、複数の固定具を用いて内側リングに結合される。
【００１０】
本発明の更に別の態様は、ノズル組立体を含む蒸気タービンを提供する。ノズル組立体は、蒸気タービン内で実質的に円周方向に延びるよう構成された半径方向外側リングと、蒸気タービン内で実質的に円周方向に延びるよう構成された半径方向内側リングと、を同心状に含む。ノズル組立体は、更に、内側リングと前記外側リングとの間で実質的に半径方向に延びる一体式外側側壁を備えた少なくとも１つのノズル翼形部を含む。内側リンは、該内側リングを通って外側リングに向けて実質的に半径方向に延びる複数の円周方向に間隔を置いて配置されたボアを含み、該複数のボアの一部が皿穴部を各々含む。少なくとも１つのノズルブレードが、少なくとも１つの固定具を用いて半径方向内側リングに回転可能に結合される。１つの固定具により、内側リングに対して少なくとも１つのブレードを向けることを可能にすることができる。少なくとも１つのノズル翼形部は、第２の固定具を用いて半径方向内側リングに結合することができる。ノズル翼形部の外側側壁と外側リングとの間で半径方向及び軸方向に機械的に拘束される接合部が提供される。機械的に拘束される接合部は、ノズル翼形部の外側側壁と外側リングとの間で低熱溶接により補完又は置き換えることができる。
【００１１】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】例示的な公知の対向流蒸気タービンの概略図。
【図２】図１に示す蒸気タービンと共に用いることができる例示的なノズル組立体の概略図。
【図３】蒸気タービンの段内のノズル組立体用の本発明の装置に関する一実施形態の図。
【図４】一体式外側側壁を備えた例示的なシングレットノズル翼形部の拡大図。
【図５】一体式外側側壁を備えた例示的なシングレットノズル翼形部の拡大図。
【図６】一体式外側側壁を備えた例示的なシングレットノズル翼形部の外側側壁及び外側リングの外側半径方向外面と上流面との間の機械的接合部の一実施形態の図。
【図７】一体式外側側壁を備えた例示的なシングレットノズル翼形部の外側側壁及び外側リングの外側半径方向外面と上流面との間の機械的接合部の別の実施形態の図。
【図８】一体式外側側壁を備えた例示的なシングレットノズル翼形部の外側側壁及び外側リングの外側半径方向外面と上流面との間の機械的接合部の更に別の実施形態の図。
【図９】一体式外側側壁を備えた例示的なシングレットノズル翼形部の外側側壁及び外側リングの外側半径方向外面と上流面との間の機械的接合部の更に別の実施形態の図。
【図１０】蒸気タービンの１つの段において一体式外側側壁を備えた例示的なシングレットノズル翼形部の外側側壁及び外側リングの接合部の一実施形態の拡大図。
【図１１】蒸気タービンの１つの段において一体式外側側壁を備えた例示的なシングレットノズル翼形部の外側側壁と外側リングの接合部の別の実施形態の拡大図。
【図１２】蒸気タービンの１つの段において一体式外側側壁を備えた例示的なシングレットノズル翼形部の外側側壁及び外側リングの接合部の更に別の実施形態の拡大図。
【図１３】ノズル組立体と外側リングとの間の接合部における機械式ロックに起因した信頼性の向上及びリスク低減をもたらす機械的機構を用いて一体式外側側壁を備えるシングレットノズル翼形部を含む、ノズル組立体の別の実施形態を示す図。
【図１４】内側リングに対するシングレットノズル翼形部及び一体式外側側壁の接合部の例示的な実施形態の図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の以下の実施形態は、溶接をほとんど又は全く必要とせず、これにより溶接変形作用が低減されるマージン段ノズル組立体の装置及び製造方法を提供することを含む、多くの利点を有する。溶接変形が低減又は回避されると、翼形部輪郭及びスロート領域制御が改善されることにより、タービン性能が向上する。本装置は更に、マージン段ノズルにおける構造物を簡素化し、サイクル時間を改善する。限定的な又は非溶接構成、溶接後の調整の必要がないこと、及び構造物が簡素化されることにより、ノズルにかかるコストも低減されることになる。
【００１４】
図１は、本発明のノズル組立体構成の例示的な対向流蒸気タービン１０の概略図である。タービン１０は、第１及び第２の低圧（ＬＰ）セクション１２、１４を含む。各タービンセクション１２、１４は、ノズル組立体複数の段を含む（図１に示す）。ロータシャフト１６は、半径方向中心線１５に沿ってセクション１２及び１４を通って延びる。各ＬＰセクション１２、１４は、ノズル１８、２０を含む。単一の外側シェル又はケーシング２２が、水平面に沿って且つ半径方向で上側及び下側ハーフセクション２４及び２６に分割され、両方のＬＰセクション１２、１４にわたって延びる。シェル２２の中央セクション２８は、低圧蒸気入口３０を含む。外側シェル又はケーシング２２内では、ＬＰセクション１２、１４がジャーナル軸受３２、３４によって支持される単一の軸受スパンで配列される。フロースプリッター４０は、第１及び第２のセクション１２、１４間に延びる。図１は、当業者には理解されるように複流低圧タービンを示しているが、本発明は、低圧タービンでの使用に限定されず、限定ではないが、中圧（ＩＰ）タービン又は高圧（ＨＰ）タービンを含む、あらゆる複流タービンで用いることができる。加えて、本発明は、複流タービンでの使用に限定されず、例えば、単一流蒸気タービンでも用いることができる。
【００１５】
運転中、低圧蒸気入口３０は、例えば、クロスオーバ管（図示せず）を通ってＨＰタービン又はＩＰタービンなどの供給源から低圧／中間温度の蒸気５０を受け取る。蒸気５０は、入口３０を通って送られ、ここではフロースプリッター４０が蒸気流を２つの対向する流路５２及び５４に分割する。より具体的には、蒸気５０は、ＬＰセクション１２及び１４を通り、ここで蒸気から仕事が抽出されてロータシャフト１６を回転させる。蒸気流路における前述の段５２、５４は、マージン段と呼ばれ、本発明のノズル組立体（図示せず）を含むことができる。蒸気はＬＰセクション１２及び１４から流出し、例えば、凝縮器又は他のヒートシンク（図示せず）を通る。
【００１６】
図２は、蒸気タービン１０（図１に示す）と共に用いることができる例示的なノズル組立体１００の拡大概略正面図である。一実施形態では、ノズル組立体１００は、タービン１０の最終段ノズル組立体である。ノズル組立体１００は、環状内側ウェブ又はリング１０２と、環状外側リング１０４と、これらの間を延びる複数のノズルブレード又は翼形部１０６とを含む。外側リング１０４は、内側リング１０２の半径方向外向きにあり、実質的に同心状に整列されている。ノズル１６は、リング１０２とリング１０４との間で円周方向に間隔を置いて配置され、各々が内側及び外側リング１０２、１０４間をそれぞれ実質的に半径方向に延びている。内側リング１０２の半径方向外面１１０と外側リング１０４の半径方向内面１１２とは、ノズル組立体１００を通って定められる流路の半径方向内側及び半径方向外側境界を定める。
【００１７】
本発明のノズル組立体装置の一実施形態の一態様によれば、一体式外側側壁を備えたノズル翼形部が提供される。ノズル翼形部は、一体式外側側壁と外側リングとの間にフック式機械嵌めを備える。ノズル翼形部は、内側リングへの半径方向のボルト留め及び／又はピン留めにより内側端部上に直接締結される。外側側壁と外側リングとの間の接合部は、機械嵌めのための前方フック及び軸方向フックを含むことができる。加えて、下流側接合部における溶接が機械嵌めを補完し、或いはこれと置き換えることもできる。ここでは、低入熱溶接が利用される結果、溶接後の変形は無視できる。
【００１８】
図３は、蒸気タービン１０の段１２３、１２４内のノズル組立体１００用の本発明の構成に関する一実施形態を提供する。蒸気タービン１０の２つの段の軸方向の図が示されており、ここで各段は、上流側スペース１１６から下流側スペース１１７までの蒸気流路を備えた、ノズル翼形部１２５及びロータブレード１２１を含む。ロータブレード１２１は、ロータホイール１２２（図示せず）に装着される。ノズル組立体１００は、一体式外側側壁１３５を備えたノズル翼形部１２５を含む。ＳＩＮＧＬＥＴ（登録）ノズル技術は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．の登録商標であり、本明細書では「シングレット」と呼ばれる。ＧＥ社のシングレットノズル技術は、機械嵌めによりノズル翼形部１２５の一体式外側側壁１３５を外側リングと装着するために外側側壁接合部上で利用され、内側リング上ではピン留めノズルブレード技術が使用される。外側側壁１３５は、外側リング１０４上の相補的構造体と接合する半径方向外面及び上流接面の各々上に、突起部と凹部とを含むことができる。内側リングの構成は、ノズル翼形部１２５を半径方向で内側リング１０２に取り付けるためのピン留め接合部１２０についての簡易表現のボルト及び／又はピンを提供している。翼形部を内側リングにピン留めすることで、翼形部の振動周波数を確定することによってノズルシステムの設計が向上する。内側リング１０２はまた、ロータ１２２においてシール１０９を含み、段間の蒸気漏洩を防ぐことができる。本発明のノズル組立体構成１００は、構築された段のサイクル時間を低減しながら、ノズルプロファイル（段性能）及び表面仕上げの改善を提供する。
【００１９】
図４は、例示的なシングレット１０５、すなわち、一体式外側側壁１３５を備えた単一ノズル翼形部１２５の拡大図を示す。一体式外側側壁１３５を備えた単一ノズル翼形部１２５は、ニアネット鍛造物、鋳造物、又は材料のブロックから機械加工することができる。外側側壁１３５の半径方向外面１３４は、機械的機構によって外側リング１０４に直接係合され、ノズルと外側リングとの間の接合部における機械的ロックに起因した信頼性及びリスク低減をもたらすことができる。図示のように、外側側壁１３５は、両端上の雌型凹部１３７間に外向き半径方向の雄型突起部１３６を含むことができる。外側側壁はまた、２つの凹部１３７が夾叉した中央雄型突起部１３６を含むことができる。図５は、例示的なシングレット１０５の拡大図を示している。ここで、シングレット１０５の外側側壁１３５の半径方向外面１３４は、半径方向外向きの雄型突起部１３９がその両側にある、又は夾叉した半径方向内向きの雌型凹部１３８を含む。外側側壁１３５の半径方向外面は、外側リング（図示せず）の半径方向内面上の相補的雌型凹部及び雄型突起部と係合し、ノズル翼形宇の軸方向支持を提供することができる。外側半径方向側壁もまた、上流面上に凹部１３８を含むことができる。
【００２０】
図５及び６において、シングレットノズル翼形部１２５の外側側壁１３５と外側リング（図示せず）との間の機械的接合部は更に、外側側壁１３５の上流接面１４０上で雌型凹部１３７により夾叉される雄型突起部１３６と、雄型突起部１３９により夾叉される雌型凹部１３８とを含み、該外側側壁１３５の上流接面１４０は、外側リング（図示せず）の下流接面上で雄型突起部により夾叉される相補的雌型凹部、又は雌型凹部により夾叉される雄型突起部と係合することができる。外側側壁と外側リングとの間の機械的接合部のこのような追加の組み合わせが図６から９に示される。
【００２１】
図６は、外側側壁１３５の半径方向外面１３０上での雌型凹部１３７により夾叉される雄型突起部１３６と、外側リング１０４の内面１１２上での雄型突起部１３９により夾叉される相補的雌型凹部１３８との係合を示している。雌型凹部１３８は、外側リング１０４の下流接面１４１上で雄型突起部１３９によって夾叉され、相補的雄型突起部１３６は、外側側壁１３５の上流接面１４０上で雌型凹部１３７により夾叉される。図７は、外側側壁１３５の外側半径方向外面１３０上での雄型突起部１３９により夾叉される中央雌型凹部１３８と、外側リング１０４の内面１１２上での雌型凹部１３７により夾叉される相補的雄型突起部１３６との係合を示している。雄型突起部１３６は、外側側壁１３５の上流接面１４０上で雌型凹部１３７により夾叉され、相補的雌型凹部１３８は、外側リング１０４の下流接面１４１上で雄型突起部１３９により夾叉される。図８は、外側側壁１３５上の外面１３０上で雌型凹部１３７が夾叉した雄型突起部１３６と、外側リング１０４の内面１１２上で相補的雌型凹部１３８及び夾叉している雄型突起部１３９との係合を示している。雌型凹部１３８及び夾叉している雄型突起部１３９は、外側側壁１３５の上流接面１４０上に配置され、相補的中央雄型突起部１３６及び夾叉している雌型凹部１３７は外側リング１０４の下流接面１４１上にある。図９は、外側側壁１３５の外側半径方向外面１３０上で雄型突起部１３９が夾叉した中央雌型凹部１３８と、外側リング１０４の内面１１２上の相補的中央雄型突起部１３６及び夾叉している雌型凹部１３７との係合を示している。中央雌型凹部１３８及び夾叉している雄型突起部１３９は、外側側壁１３５の上流接面１４０上に配置され、相補的中央雄型突起部１３６及び夾叉している雌型凹部１３７は外側リング１０４の下流接面１４１上にある。
【００２２】
図１０は、蒸気タービン１０の１つの段の例示的なシングレットノズル１０５における外側側壁１３５と外側リング１０４との接合部についての一実施形態の拡大図を示す。段１４９は、一体式外側側壁１３５を備えたシングレットノズル翼形部１２５と、ロータブレード１２１とを含む。外側リング１０４は、タービンケーシング１０８に固定される。外側側壁１３５は、外側リング１０４の下流面１４１において凹部１４８と係合する外側側壁１３５の上流面上の前方フック１４５を含む。外側側壁１３５の軸方向フック１４６が凹部１３２と係合し、軸方向ストップ１５５を提供する。シングレットノズル１０５の軸方向移動を抑えるために、外側リング１０４の下流面と外側側壁１３５の下流面との間に低エネルギー溶接部１６０を利用することもできる。溶接部１６０の障害時には、シングレットノズル１０５が下流側に放出されないようにするために、軸方向ストップ１５５が利用される。例えば、低入熱型溶接は、突き合わせ溶接接合を使用し、浅い電子ビーム溶接又は浅いレーザ溶接、もしくは浅いフラックスＴＩＧ（タングステン不活性ガス）、或いはＡ−ＴＩＧ溶接プロセスを利用するのが好ましい。これらの溶接プロセス及び溶接型式を用いることにより、溶接が、側壁と該側壁の段部に隣接したリングとの間の区域に限定される。従って、短い軸方向距離にだけ溶接作業が行われ、好ましくは、側壁の対向する軸方向端部に沿った段部の軸方向範囲を超えず、フィラー溶接材料を使用することもない。
【００２３】
図１１は、蒸気タービン１０の１つの段の例示的なシングレット１０５における外側側壁１３５と外側リング１０４との接合部についての別の実施形態の拡大図を示す。段１４９は、一体式外側側壁１３５を備えたシングレットノズル１２５と、ロータブレード１２１とを含む。外側リング１０４は、タービンケーシング１０８に固定される。外側側壁１３５は、外側リング１０４の下流面１４１において凹部１４８と係合する外側側壁１３５の上流面上の前方フック１４５を含む。外側側壁１３５の軸方向フック１４６が凹部１３２と係合し、軸方向ストップ１５５を提供する。この構成における軸方向フック１５６は、図１０の軸方向フック１４６よりも大きい。そのため、軸方向フック１５６は、軸方向ストップ１５５とのより大きな係合を提供し、これ自体で外側側壁１３５に対する十分な軸方向拘束をもたらすことになり、従って、外側側壁の外面と外側リングの内面との間の下流側溶接を必要としない。この溶接は、例えば、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）又はガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）などの低入熱溶接であったものである。
【００２４】
図１２は、蒸気タービン１０の１つの段の例示的なシングレット１０５における外側側壁１３５と外側リング１０４との接合部についての更に別の実施形態の拡大図を示す。段１４９は、一体式外側側壁１３５を備えたシングレットノズル１２５と、ロータブレード１２１とを含む。外側リング１０４は、タービンケーシング１０８に固定される。外側側壁１３５は、外側リング１０４の下流面１４１において凹部１４８と係合する外側側壁１３５の上流面上の前方フック１４５を含む。外側側壁１３５の外面１３４と外側リング１０４の内面１３０との間には軸方向フックは設けられていない。以下でより詳細に説明するように、下流側方向の力に抗してシングレットノズルを保持するための十分な軸方向支持は、内側リングとの翼形部１２５の接合部によって提供される。
【００２５】
図１３は、低入熱溶接により外側リングに直接溶接された側壁を備えたシングレット翼形部を利用し、また、ノズル組立体と外側リングとの間の接合部における機械式ロックに起因して信頼性の向上及びリスク低減をもたらす機械的機構を有する本発明によるノズル組立体の別の実施形態を示している。ノズル組立体は、一体的に形成されたシングレット１０５を含むことができる。各シングレットは、シングレット翼形部１２５を含み、翼形部及び側壁がニアネット鍛造物又は材料のブロックから機械加工される。外側側壁１３５は、雄型突起部１３９により夾叉される中央雌型凹部１３８を含み、ここで対向する外側リング１０４は相補的構造を含む。或いは、外側側壁１３５は、外側側壁の前縁及び後縁に沿って半径方向内向きに延びる雌型凹部が両側に配置された中央雄型突起部を有することができる。
【００２６】
ノズルシングレット１０５は、低入熱型溶接を用いて外側リング１０４に組み付けられる。例えば、低入熱型溶接は、突き合わせ溶接接合を使用し、浅い電子ビーム溶接又は浅いレーザ溶接、もしくは同様の溶接プロセスを利用するのが好ましい。これらの溶接プロセス及び溶接型式を用いることにより、溶接は、側壁と該側壁の段部に隣接したリングとの間の区域、又は、構成が図１３に示すものから接合部において反転されている場合には、外側リングの段部の領域に限定される。従って、短い軸方向距離にだけ溶接作業が行われ、好ましくは、側壁の対向する軸方向端部に沿った段部の軸方向範囲を超えず、フィラー溶接材料を使用することもない。
【００２７】
図１４は、内側リングに対するノズル翼形部及び一体式外側側壁の接合部の例示的な実施形態を示している。ノズル組立体の内側リング１０２は、圧延又は鍛造リング又はバレルから、或いは、本明細書で説明されるようにリングが機能することを可能にするあらゆる手段によって製作することができる。リング１０２は、複数の整列開口１５１及び複数のカップリング開口１５２を含む。例示的な実施形態では、開口１５１はピン開口とすることができ、開口１５２はボルト開口とすることができ、これら開口は、流路表面１１０と内側リング１０２の半径方向内面１１３との間で内側リング１０２を通ってほぼ半径方向に延びる。
【００２８】
開口１５１及び１５２は各々、内側リング１０２の周りで円周方向に間隔を置いて配置される。例示的な実施形態では、開口１５１は、開口１５２から下流側軸方向に間隔を置いて配置されるが、開口１５１は、開口１５２に対して、本明細書で説明されるノズル組立体１００の組立を容易にするあらゆる位置にて形成することができる。例示的な実施形態では、整列開口１５１及びカップリング開口１５２は、精密機械加工プロセス又は本明細書で説明されるように開口１５１が機能することができるあらゆるプロセスを用いて孔加工される。開口１５１の位置により、内側流路に沿って円周方向に隣接する翼形部１２５間の円周方向間隔を決定することが可能になる。その上、開口１５１の位置により、各翼形部１２５を内側リング１０２に対して、より具体的には流路表面１１０に対して軸方向に整列させることが可能になる。開口１５２の位置により、円周方向に隣接する翼形部１２５間に定められるスロート区域を決定することが可能になる。例示的な実施形態では、開口１５２は、個々のスロート区域を設定する間の僅かな整列の修正に対応できるように僅かに大きく形成することができる。ノズル組立体１５２の製作中、初期開口１１１及び１１２は、内側リング１０２内でほぼ半径方向に形成される。次いで、第１の翼形部１２５が内側リング流路表面１１０に対して位置付けられ、整列ピン１５３が、それぞれの整列開口１１１内で滑動可能に受けられる。より具体的には、整列ピン１５３は、内面１１４からほぼ半径方向で内側リング１０２を通り、流路表面１１０に対して位置付けられた翼形部１２５内に挿入される。各ピン１５３は、それぞれの開口１１１内に摩擦嵌合で受けられる。ピン１５３は、互いに対して円周方向と、内側リング流路表面１１０に対して軸方向の両方で翼形部１２５の位置付けを可能にする。或いは、複数のピン１５３を用いて、各翼形部１２５を他の全ての翼形部に対して整列させることを可能にする。
【００２９】
次いで、翼形部１２５は、ノズル組立体１００の方向に向けられ、カップリング開口１１２は、内側リング１０２内及び翼形部１２５内で形成される。例示的な実施形態では、翼形部１２５内に定められる開口１１２の一部はネジ付きにされる。次いで、各カップリングボルト１５４が各開口１５２内に挿入され、内側リング１０２に各翼形部１２５を固定することができる。より具体的には、ボルト１５４が各翼形部１２５内で螺着結合されたときでも、翼形部１２５の向きは、依然として個々のノズルスロート区域を調整するよう僅かに回転することができる。代替の実施形態では、複数のボルト１５４を用いて各翼形部１２５を内側リング１０２に固定することができる。内側リングのボルト留め及び／又はピン留めの後、ボルト又はピンを保持する保持手段１７０が提供される。保持手段１７０は、孔内でのボルト及び／又はピンの「仮止め」溶接又はかしめを含むことができる。
【００３０】
内側リング１０２への翼形部１２５の上述のカップリングは、シングレット１０５の外側側壁１３５の外側リング１０４との機械的接合（図１０から図１３）の何れかで利用することができる。
【００３１】
本発明の種々の実施形態について説明してきたが、要素の種々の組み合わせ、変型形態、又は改善形態を実施することができ、更にこれらが本発明の範囲内にあることは、本明細書から理解されるであろう。
【符号の説明】
【００３２】
１０  蒸気タービン
１００  ノズル組立体
１０４  外側リング
１０５  シングレット
１０９  シール
上流側スペース１１６
１１７  下流側スペース
１２０  ピン留め接合部
１２１  ロータブレード
１２２  ロータホイール
１２３、１２４  段ノ
１２５  ズル翼形部
１３４  半径方向外面
１３５  一体式外側側壁
１３６  雄型突起部
１３７  雌型凹部
１３８  雌型凹部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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