(57)【要約】【課題】蒸気タービン用のブリングノズル／キャリア接合部設計を提供する。【解決手段】本設計では、キャリア（ケーシング、シェル）（２３４、３３４）間に、組立を容易にするのを可能にする限定接触部（２４４、３４４；２５０、３５０）が設けられる。また、内側部分の転動つまり下流方向の撓みを減少させるのと腐食が発生する可能性がある区域内における接触を制限することにより分解を改善するのとの両方を行う限定接触部（２４４、３４４；２５０、３５０）が、戦略的位置に設けられる。【選択図】      図３
2008196488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのステータ翼形部（２１２、３１２）を有しかつ前記ステータ翼形部の半径方向内側端部における内側側壁（２１４、３１４）及び前記ステータ翼形部の半径方向外側端部における外側側壁構造（２１６、３１６、３５８）を含むタービンノズル組立体（２１０、３１０）と、
半径方向内向きに開いた溝（２４６、３４６）を有する外側リングキャリア（２３４、３３４）と、を含み、
前記外側側壁構造が、前記溝と半径方向に摺動可能に係合すると共に該溝に対して軸方向に移動するのを制限されるように構成され、
前記外側側壁構造（２１６、３１６、３５８）及び外側リングキャリア（２３４、３３４）間の前方接触区域が、前記溝の後向き表面及び前記外側側壁構造の軸方向上流面のうちの１つ上に形成された前方円周方向ランド（２４４、３４４）を含み、前記前方円周方向ランドが、前記溝の半径方向寸法よりも実質的に小さい半径方向寸法を有し、
前記外側側壁構造及び外側リングキャリア間の後方接触区域が、前記溝の前向き表面及び外側側壁構造の軸方向下流面のうちの１つ上に形成された後方円周方向ランド（２５０、３５０）を含み、前記後方円周方向ランドが、前記溝の半径方向寸法よりも実質的に小さい半径方向寸法を有する、
タービン。
【請求項２】
前記前方円周方向ランド（２４４、３４４）が、前記溝（２４６、３４６）の後向き表面上に形成される、請求項１記載のタービン。
【請求項３】
前記前方円周方向ランド（２４４、３４４）が、前記外側ケーシング内に形成された凹部（２５２、３５２）によって形成される、請求項２記載のタービン。
【請求項４】
前記前方円周方向ランド（２４４、３４４）が、前記溝（２４６、３４６）の半径方向外側端部壁（２４８）に隣接して形成される、請求項３記載のタービン。
【請求項５】
前記後方円周方向ランド（２５０、３５０）が、前記外側側壁構造（２１６、３１６、２５８）の軸方向下流面上に形成される、請求項１記載のタービン。
【請求項６】
前記後方円周方向ランド（２５０、３５０）が、前記外側側壁構造内に機械加工された凹部（２５４、３５４）によって形成される、請求項５記載のタービン。
【請求項７】
前記後方円周方向ランド（２５０、３５０）が、前記溝（２４６、３４６）の半径方向外側端部壁（２４８）から遠方に位置する該溝の半径方向内側部分と係合するように配置される、請求項６記載のタービン。
【請求項８】
前記外側側壁構造が、外側リング（３５８）に溶接された外側側壁セグメント（３１６）を含み、
前記外側側壁セグメント（３１６）が、前記外側側壁と共に前記溝（３４６）内に受けられる、
請求項１記載のタービン。
【請求項９】
前記外側リング（３５８）が、円周方向に部分的に延びかつ複数の前記外側側壁セグメント（３１６）に溶接される、請求項８記載のタービン。
【請求項１０】
前記溝（２４６）の後向き表面と前記外側側壁構造（２１６）の上流面との間にシール構成要素（２５６）をさらに含む、請求項１記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン用のブリングノズル／キャリア接合部の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン設計は、ロータに連結された回転バケット内に蒸気流を導く固定ノズルセグメントで構成される。蒸気タービンでは、ノズル構造は一般的に、ダイアフラム段と呼ばれる。典型的なダイアフラム段は、２つの方法うちの１つを用いて製作される。第1の方法は、「バンド／リング」法であり、この方法は、内側及び外側バンド内に収容された複数の翼形部を含む組立体を使用し、次に組立てた翼形部組立体を内側（ウエブ）及び外側リング内に溶接する。第２の方法は、接合部において隅肉溶接を使用して、翼形部を内側及び外側リングに直接溶接することを含む。第２の方法は一般的に、溶接部を形成するためのアクセスが可能な大型の翼形部に対して用いられる。
【０００３】
しかしながら、これらの方法を使用することには欠点がある。１つの欠点は、流路及び蒸気通路側壁の両方における固有の溶接歪みである。この点に関して、蒸気タービンノズル製作の現在の方法は、大量の金属充填材を使用する高い入熱溶接又は深い電子ビーム溶接からなる。この材料及び入熱により、流路は歪みを生じ、翼形部は、しばしば溶接及び応力除去後に修正される必要がある。歪みの結果、蒸気タービン流路内でのタービン効率損失が生じる。
【０００４】
リング内への単一のノズル構造体を使用するその他の方法も、モデル化及び分析することが難しい溶接部及び機械的接合部を有する。これらの方法もまた、ノズル間の１つ又は複数の溶接接合部のために応力レベルに対してそれほど堅牢ではない。別の方法は、ノズル上に「フック」を取り付け、各ノズルをキャリア内の円周溝内に摺動させて挿入することである。この方法もまた、有限要素法を用いて応力を分析することが難しくまた時間が掛かる。さらに、周波数分析は、ノズル及びキャリア間の決定的及び変動的境界条件のために、それほど正確なものではない。
【０００５】
従って、一般的に、ノズルダイアフラムを製作する現在の方法は、工学設計する上で及び製造する上での両方において費用が掛かりかつ時間が掛かり、また現在の方法の全てにおいて、ノズル及びリング間に何らかの溶接又は機械的接合部が形成される。
【０００６】
蒸気タービン設計では、現在、「ブリング」設計ノズルは殆ど使用されていない。ブリング（BLING: Bladed Ring）は基本的には、何らの溶接又は組立特徴形状部も有しない２つの半リングから機械加工されたノズル流路全体である。ブリングは、多くの有益な設計品質を有する。第１に、ブリングは、荷重経路内に溶接接合部又は機械的不連続部がないので、非常に低い応力レベルを有する。第２に、溶接方法よりも大幅に、翼形部許容差を改善することができる。第３に、ブリングは、設計するのが容易であり、またより決定的な周波数特性を有する。この点に関して、設計が単純であることにより、応力及び周波数の三次元モデリング及び有限要素分析は、より単純、迅速かつより正確である。
【０００７】
現在のブリング構造に関わる問題点は、キャリア及びブリング間の接合部である。殆どのダイアフラム設計では、ダイアフラム及びケーシング間での軸方向の厳密な許容差を保つために、「クラッシュピン」又は小型スペーサが設けられる。これらのスペーサは、蒸気面に当接させてダイアフラムを後方方向に押し付けた状態に保持する働きをする。このことは、組立を助け、また何年かの運転の後にダイアフラムを取り外す際の助けとなる。この点に関して、何年かの運転の後に表面上に腐食が発生し、ケーシングに対するダイアフラムの接合部が両方の軸方向面上で緊密になった場合には、腐食によりダイアフラムがその位置に固着される傾向になるので、ダイアフラムを取り出すことが非常に困難になる。ブリングはまた、転動し、つまりノズル設計における摺動状態よりも多く下流方向に撓む。多くのダイアフラムは、下半部分上にのみクラッシュピン（通常３個）を使用し、上半部分は、前面に対してより大きなギャップを有する。このことは、時として、ダイアフラム上半部分が背面から浮き上がるのを許し、デブリが面の背後に入り込むのを許し、また漏れ通路を生じさせる。
【非特許文献１】U.S.Application of Burdgick; Appln, No. 11/508, 170 filed August 23, 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ブリングの装着、密封及び分解を改善すると同時に下流方向への撓みを減少させる、ブリング及びキャリア間の接合部の改良に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従って、本発明は、タービンとして具体化することができ、本タービンは、少なくとも１つのステータ翼形部を有しかつステータ翼形部の半径方向内側端部における内側側壁及びステータ翼形部の半径方向外側端部における外側側壁構造を含むタービンノズル組立体と、半径方向内向きに開いた溝を有する外側リングキャリアとを含み、外側側壁構造は、溝と半径方向に摺動可能に係合すると同時に該溝に対して軸方向に移動するのを制限されるように構成され、外側側壁構造及び外側リングキャリア間の前方接触区域は、溝の後向き表面及び外側側壁構造の軸方向上流面のうちの１つ上に形成された前方円周方向ランドを含み、前方円周方向ランドは、溝の半径方向寸法よりも実質的に小さい半径方向寸法を有し、外側側壁構造及び外側リングキャリア間の後方接触区域は、溝の前向き表面及び外側側壁構造の軸方向下流面のうちの１つ上に形成された後方円周方向ランドを含み、後方円周方向ランドは、溝の半径方向寸法よりも実質的に小さい半径方向寸法を有する。
【００１０】
本発明はまた、タービンとして具体化することができ、本タービンは、少なくとも１つのステータ翼形部を有しかつステータ翼形部の半径方向内側端部における内側側壁及びステータ翼形部の半径方向外側端部における外側側壁構造を含むタービンノズル組立体と、半径方向内向きに開いた溝を有する外側リングキャリアとを含み、外側側壁構造は、溝と半径方向に摺動可能に係合すると同時に該溝に対して軸方向に移動するのを制限されるように構成され、溝及び外側側壁構造間の前方接合部は、該溝の半径方向外側端部壁に隣接した位置においてのみ両者間が接触するように製作されかつ配置され、溝及び外側側壁構造間の後方接合部は、該溝の半径方向外側端部壁から遠方に位置する該溝の半径方向内側部分に隣接した位置においてのみ接触するように製作されかつ配置され、それによって外側リングキャリアとの間でのノズル組立体の装着、密封及び分解を改善すると同時にノズル組立体の下流方向への撓みを減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のこれら及びその他の目的及び利点は、添付図面と関連させて行った本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態の以下の一層詳細な説明を注意深く検討することによって、一層完全に理解されかつ評価されるであろう。
【００１２】
ブリングノズル設計に関して上述したように、翼形部形状は、ブリング段を形成する２つの１８０°リングに切断される。このことは、製作における機械的嵌合及び溶接部分を排除して、上述した問題を解決する。本発明は、特にブリング外側リング及びキャリア間の接合部設計の改良に関する。この設計は、幾つかの目的に役立つ。この設計は、ケーシング内へのブリングの配置を助ける適当な区域における逃げを可能にすることによって組立を改善する。さらに、この設計は、ブリング及びケーシング間の接合部に腐食が発生した何年かの後における将来の分解を改善する。この設計はまた、戦略的に設けた接触区域によりブリングが下流方向に撓む可能性を減少させる。さらに、この設計は、ブリング及びケーシング間の接触圧力を改善し、従って蒸気面の密封作用を高める。
【００１３】
図１は、溶接されて組立体を形成した隔壁、バンド及びリングを使用したインパルス型タービン段の伝統的構造を示している。より具体的には、この伝統的構造は、参照符号１８、２０、２２及び２４において溶接されて内側リング（ウエブ）２６及び外側リング２８を形成した内側及び外側バンド１４、１６内に収容された複数の翼形部１２を含むダイアフラム組立体１０を使用している。
【００１４】
図２は、伝統的なブリング構造を示している。より具体的には、この伝統的ブリング構造は、蒸気面つまり軸方向接触面１３６において示しているようなダイアフラム１３２及びケーシング１３４間の軸方向における厳密な許容差を維持するために、クラッシュピン又は小型スペーサ１３０を使用している。上述したように、これは、組立を助け、また何年かの運転後におけるダイアフラムの取り外しを助ける。水平接合ボルト孔１３８、並びにブリング１１０及びロータ１４２間の接合部に配置されたパッキン間シール１４０も図示している。
【００１５】
上述したように、本発明は、全体的には一体に組み立てられるブリング型ノズル及びキャリア（シェル又はケーシング）間の機械的接合部の特徴形状部に関する。この設計にとって重要なことは、シェルとの間に接合特徴形状部を戦略的に配置したこと及びこの設計から「クラッシュピン」を排除したことである。第1の接合特徴形状部は、例えばケーシング側面上のアンダカット（逃げ）によって形成された前方（つまり上流側）外側接触区域である。ケーシング側面上のこの逃げは、ブリングが殆ど何処であれケーシング溝内にある時だけ係合する小さい接触面積を可能にする。この逃げは、組立を容易にするのを可能にする。また、接触部が非常に小さくかつブリングを僅かに持ち上げると直ちに離脱するので、分解も改善される。
【００１６】
後面つまり蒸気接触面もまた、非常に小さい接触面積を有する。このようにブリング上に凹部を設けることにより、ハードウエアを分解する時に、ケーシング溝からの迅速な離脱が可能になる。このことはまた、腐食の問題を小さい円周方向ランドのみに縮小して、数年後にハードウエアを分解する時における「焼付き」又は固着接合の可能性を減少させる。この小さい円周方向後方ランドの１つのその他の主要な利点は、その円周方向後方ランドが、ブリングの軸方向荷重を小さい面積内に集中させるのを助けることである。
【００１７】
典型的な直線壁、クラッシュピン及びより大きい前面ギャップに優るこの設計のもう１つの主要な利点つまり改良点は、ブリングの撓みを制限するこの構成の能力である。ブリングを蒸気通路に装着した場合に、ブリングは、翼形部に加わる空気力学的荷重（圧力）により内側リング区域において下流方向に撓もうとする。ノズル上にフックを使用した設計は、ノズルをキャリア溝内に摺動させて挿入した場合に、フック接合により非常に限定された下流方向への撓みを有する。ブリングを溝内に配置すると、大きな影響をもつ荷重経路の一部が消滅して撓みを減少させる。図示した例示的な実施形態では、この設計の構成は、外側寄り前方ランドと内側寄り内側ランドとを有する。前方接合部に比較的狭いギャップを有するこの組合せは、溝内で部品が転動する可能性を制限する。これら２つの面を分離することにより、この荷重偶力がブリングの下流方向への撓みの部分を相互作用して取り除くことが可能になる。
【００１８】
面全体が狭いギャップ状態で直線的である場合には、部品をその位置において「固着」させ、ハードウエアを破壊せずに分解することを、それが不可能ではないにしろ困難にする重大な腐食の問題が生じるおそれがある。図２に示す構造におけるように、面全体が直線的でありかつ前面が大きいギャップ及びクラッシュピンを有する場合には、ブリングの撓み（転動）を制限する能力は皆無である。
【００１９】
図３及び図４は、本発明の例示的な実施形態を示しており、この実施形態では、ブリング２１０及びケーシング又はシェル２３４間に配置されたクラッシュピンを設けるのではなく、キャリア内に小さい円周方向ランド２４４が形成される。より具体的には、ブリングは、翼形部２１２と内側及び外側側壁２１４、２１６とを含む。図３及び図４の実施形態では、外側側壁は、ケーシング又はシェル２３４の円周方向に延びる溝２４６内に受けられる。小さい円周方向ランド２４４は、溝の端部壁２４８に隣接して溝２４６の上流側面に沿った軸方向接触面として形成され、従ってキャリア２３４（ケーシング、シェル）との間に限定された接触をもたらして、該円周方向ランド２４４が局所的なスタンドオフ又はクラッシュピン１３０の代わりに設けられているので、下流方向への撓み（転動）を減少させると共に組立を容易にする。
【００２０】
蒸気面２３６もまた、例えば図２のブリング構造と比較して、限定された接触をもたらす。より具体的には、図示するように、ケーシング又はシェル２３４と係合させるための小さな円周方向ランド２５０が、外側側壁２１６の軸方向下流面上に設けられる。この例示的な実施形態では、ケーシング溝２４６の小さい円周方向ランド２４４及び小さい円周方向蒸気面ランド２５０は、ケーシング又はシェル２３４内に円周方向凹部２５２を形成することによって、またブリング２１０を機械加工して蒸気面ランド２５０の半径方向外側に円周方向凹部２５４を形成することによって形成される。
【００２１】
図５は、図４と同様な概略図であるが、ノズルキャリア２３４及びブリング外側リング２１６間へのV又はW字形シール２５６の組込みを示している。「C字形」シールもまた、使用することができる。伝統的設計では、ダイアフラムがケーシングと出会う該ダイアフラムの前方部分は、クラッシュピンを設けたことにより大きなギャップを有しまたより大きな許容差のものであるので、大半の場合にシールは可能ではない。今やギャップがより狭い許容差に保持されかつ連続表面であるので、ブリング設計を使用しながら、圧力作動又はスプリング付勢になったシールを組込むことが可能である。
【００２２】
図３〜図５の実施形態において提案しているリングキャリア接合部はまた、図６に示すような「シングレット」構造に対しても適用することができる。図６に示すのは、その機械加工した内側及び外側側壁３１４、３１６と翼形部３１２とを備えた単一のノズル３１０である。シングレットノズル外壁３１６は次に、低入熱溶接部としての小さい軸方向前方溶接部３６０及び軸方向後方溶接部３６２を使用して中実外側リング３５８に溶接されて、ブリング構成に似た構成になる。シングレットノズル及び外側リングの組立体は次に、ノズルキャリア３３４の対応する溝３４６内に嵌挿される。ノズル組立体（外側リング３５８及びこれに溶接されたノズル）は、キャリアに対しては溶接されない。ノズル組立体は、キャリア溝内で半径方向に移動することができる。図３及び図４の実施形態におけるのと同様に、小さい円周方向ランド３４４が、ノズル組立体の上流側で参照符号３５２で示すようにケーシング溝３４６を円周方向に陥凹させることによって形成され、また小さな円周方向蒸気面ランド３５０が、ノズル組立体の下流側で中実リング３５８を陥凹機械加工する３５４ことによって形成される。
【００２３】
シングレット及び外側リング間の接合部の機械的特徴形状部は、組立及び整列特徴形状部として使用され、信頼性を高めかつリスク軽減を改善するのを可能にする。この点に関して、リング３５８及びノズル３１０間の機械的固定は、翼形部の損傷時に組立体が圧力によって脱落するのを防止する機械的接合部を設けているので、リング及びノズルが下流方向に移動してしまうことがありえないことを意図している。加えて、機械的固定は、所定のかつ反復可能な溶接停止部の目的を果たす。この点に関して、溶接ビーム（電子ビーム溶接の場合に）は、それが半径方向相互固定接合部に当たった時に、停止することになる。図６の実施形態の更なる利点は、ノズル外側側壁３１６の半径方向外面が、より高価な円周方向切断端部の代わりに平坦端部として構成されていることである。図６の例示的な実施形態は、ノズル内側側壁３１４に対して、機械的に固定されかつロウ付けされた、或いは溶接された、或いはノズルに対して単に機械的に固定された内側リング３６４を有する。
【００２４】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に属する様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】バンド／リング法を使用して形成されたノズルダイアフラムを有する従来型の段の概略側面図。
【図２】ブリング型構造を使用して形成されたノズルダイアフラムを有する従来型の段の概略側面図。
【図３】本発明の第１の例示的な実施形態によるブリングノズル／キャリア接合部の概略側面図。
【図４】図３のブリング／キャリア接合部の面の拡大概略側面図。
【図５】本発明の別の例示的な実施形態による、前方シールを有するブリング／キャリア接合部の拡大概略側面図。
【図６】本発明のさらに別の例示的な実施形態によるシングレット構造の概略側面図。
【符号の説明】
【００２６】
１０  ダイアフラム組立体
１２  翼形部
１４、１６  内側及び外側バンド
１８、２０、２２、２４  溶接部
２６  内側リング（ウエブ）
２８  外側リング
１１０  ブリング
１３０  クラッシュピン又は小型スペーサ
１３２  ダイアフラム
１３４  ケーシング
１３６  蒸気面又は軸方向接触面
１３８  接合ボルト孔
１４０  パッキン間シール
１４２  ロータ
２１０  ブリング
２１２  翼形部
２１４、２１６  内側及び外側側壁
２３４  キャリア（ケーシング、シェル）
２３６  蒸気面
２４４  円周方向ランド
２４６  円周方向に延びる溝
２４８  端部壁
２５０  円周方向ランド
２５２  円周方向凹部
２５４  円周方向凹部
２５６  Ｖ又はＷ字形シール
３１０  単一ノズル
３１２  翼形部
３１４、３１６  内側及び外側側壁
３３４  ノズルキャリア
３４４  円周方向ランド
３４６  溝
３５０  円周方向ランド
３５２  凹部
３５４  凹部
３５８  中実外側リング
３６０、３６２  軸方向前方及び後方溶接部
３６４  内側リング
【図１】
2008196488.tif 000003
【図２】
2008196488.tif 000004
【図３】
2008196488.tif 000005
【図４】
2008196488.tif 000006
【図５】
2008196488.tif 000007
【図６】
2008196488.tif 000008