(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の圧縮媒体（Ｄ）で貫流される配管（６）、特に蒸気貫流配管の部分配管（６ａ、６ｂ）を接続するための継手装置であって、外部フランジ（２）と内部フランジ（３）との間に冷却材（Ｋ）で貫流される中間室（４）を形成された二重壁構造フランジ継手（１）が設けられ、前記外部フランジ（２）が中間室（４）に開口している少なくとも２つの貫通孔（７ａ、７ｂ）を有し、前記部分配管（６ａ、６ｂ）に接続された部分フランジ（１ａ、１ｂ）が、部分外部フランジ（２ａ、２ｂ）と部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）とを備えた断面Ｕ形カラーを有し、かつ前記内部フランジ（３）が、両部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）間に配置されたリング継手（１２、１２′、１２″、１２″′）によって熱膨張運動可能に形成されている部分配管の継手装置において、
前記部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）における第１の部分内部フランジ（３ａ）が、断面Ｌ形シールリング（１２）の第１の脚（１２ａ）を収容するための軸線方向溝（１５）を、第２の部分内部フランジ（３ｂ）がその第２の脚（１２ｂ）を収容するための半径方向溝（１６）を有していることを特徴とする部分配管の継手装置。
【請求項２】
第２の部分内部フランジ（３ｂ）が、調整可能な半径方向溝（１６）を形成するために、断面Ｌ形ねじ付きリング（１７）を支持していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
高温の圧縮媒体（Ｄ）で貫流される配管（６）、特に蒸気貫流配管の部分配管（６ａ、６ｂ）を接続するための継手装置であって、外部フランジ（２）と内部フランジ（３）との間に冷却材（Ｋ）で貫流される中間室（４）を形成された二重壁構造フランジ継手（１）が設けられ、前記外部フランジ（２）が中間室（４）に開口している少なくとも２つの貫通孔（７ａ、７ｂ）を有し、前記部分配管（６ａ、６ｂ）に接続された部分フランジ（１ａ、１ｂ）が、部分外部フランジ（２ａ、２ｂ）と部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）とを備えた断面Ｕ形カラーを有し、かつ前記内部フランジ（３）が、両部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）間に配置されたリング継手（１２、１２′、１２″、１２″′）によって熱膨張運動可能に形成されている部分配管の継手装置において、
前記内部フランジ（３）の部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）が断面Ｉ形シールリング（１２′）を収容するために形成された軸線方向溝（１５ａ′，１５ｂ′）を有していることを特徴とする部分配管の継手装置。
【請求項４】
高温の圧縮媒体（Ｄ）で貫流される配管（６）、特に蒸気貫流配管の部分配管（６ａ、６ｂ）を接続するための継手装置であって、外部フランジ（２）と内部フランジ（３）との間に冷却材（Ｋ）で貫流される中間室（４）を形成された二重壁構造フランジ継手（１）が設けられ、前記外部フランジ（２）が中間室（４）に開口している少なくとも２つの貫通孔（７ａ、７ｂ）を有し、前記部分配管（６ａ、６ｂ）に接続された部分フランジ（１ａ、１ｂ）が、部分外部フランジ（２ａ、２ｂ）と部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）とを備えた断面Ｕ形カラーを有し、かつ前記内部フランジ（３）が、両部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）間に配置されたリング継手（１２、１２′、１２″、１２″′）によって熱膨張運動可能に形成されている部分配管の継手装置において、
前記内部フランジ（３）の部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）が断面Ｕ形シールリング（１２″）を収容するために前記部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）の端面に形成された凹所（１５ａ″，１５ｂ″）を有していることを特徴とする部分配管の継手装置。
【請求項５】
高温の圧縮媒体（Ｄ）で貫流される配管（６）、特に蒸気貫流配管の部分配管（６ａ、６ｂ）を接続するための継手装置であって、外部フランジ（２）と内部フランジ（３）との間に冷却材（Ｋ）で貫流される中間室（４）を形成された二重壁構造フランジ継手（１）が設けられ、前記外部フランジ（２）が中間室（４）に開口している少なくとも２つの貫通孔（７ａ、７ｂ）を有し、前記部分配管（６ａ、６ｂ）に接続された部分フランジ（１ａ、１ｂ）が、部分外部フランジ（２ａ、２ｂ）と部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）とを備えた断面Ｕ形カラーを有し、かつ前記内部フランジ（３）が、両部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）間に配置されたリング継手（１２、１２′、１２″、１２″′）によって熱膨張運動可能に形成されている部分配管の継手装置において、
前記部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）における第１の部分内部フランジ（３ａ）が第２の部分内部フランジ（３ｂ）の中に隙間を形成した状態でもぐり込み、両部分内部フランジ（３ａ、３ｂ）間に少なくとも１つのシールリング（１２″′）が配置されていることを特徴とする部分配管の継手装置。
【請求項６】
外部フランジ（２）がフランジボルト（５）によってボルト結合されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の装置。
【請求項７】
外部フランジ（２）の両部分外部フランジ（２ａ、２ｂ）が互いに対向する端面に係合段部（８）を有している請求項１ないし６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１つに記載の装置を備えた蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
本発明は、高温の圧縮媒体で貫流される配管、特に蒸気貫流配管の部分配管を接続するための継手装置に関する。
蒸気タービンにおける蒸気入口管は通常、５００℃より高い蒸気温度および３００バールより高い蒸気圧に対して設計されている。このような蒸気入口管において、蒸気導入配管と蒸気入口弁との継手は、一般に溶接構造で形成されている。例えば蒸気タービンにおける組立および点検を行うためにこの継手を切り離す際、配管を機械的に分離しなければならない。これは、ケーシングの接合面の上方に蒸気入口が配置されている蒸気タービンの場合、蒸気タービンの点検にかなりの経費がかかることを意味する。その組立の際、継手の溶接および焼なましに対する作業時間が必要であるという問題に加えて、配管が切断によって短くなり、新たに継手を取付ける際に配管に望ましくない機械的応力が持ち込まれるという問題が生ずる。
この継手に通常のフランジ継手を使用した場合、そのフランジに高温媒体から非常に多量の熱が入り込むために、フランジの内部および特にフランジボルトの範囲に、許容できない熱応力が生じてしまう。フランジボルトが熱的に極めて大きく負荷されるために、これが大きく緩むことがある。更にこのフランジボルトの緩みは、接合面における接合力を不利に失わせてしまい、このために、この接合面はしばしば、配管内を貫流する媒体の高い圧力に抗してもはや密閉できなくなってしまう。
本発明の課題は、高温の圧縮媒体で貫流される配管、特に蒸気貫流配管の部分配管を接続するために特に適し、上述の欠点が除去されている継手装置を提供することにある。
この課題は本発明に基づいて、請求の範囲の請求項１に記載の手段によって解決される。その場合、外部フランジと内部フランジとを備え、その両者間に中間室が形成されている二重壁構造フランジ継手が設けられている。外部フランジを冷却するために、その中間室は冷却材で貫流される。
中間室に冷却材、例えば空気、水あるいは蒸気を供給することによって、事実上、フランジ継手の内部に断熱クッションが形成される。その冷却材に対して用意される配管系は、このような蒸気入口管にしばしば設けられている中間吸出し装置に対しても利用できる。また既存の蒸気タービン設備において、その中間吸出し装置をフランジの冷却に利用することもできる。
端面で互いに接続すべき両部分フランジは、各部分配管の断面Ｕ形カラー（つば）によって形成されている。フランジ継手のフランジ外側壁あるいは外部フランジはただ、かみ合い結合および摩擦結合のために、フランジ円周に分布して配置された多数のフランジボルトによってボルト結合しかされていない。対向位置する両部分外部フランジに、両部分フランジが常に互いにぴったり整合するように、それぞれの端面に互いに係合する係合段部が設けられていると有利である。これによって部分フランジの結合が相当簡単になる。
これに対して、フランジ内側壁あるいは内部フランジは熱膨張運動可能に形成されていると有利である。両部分内部フランジの熱膨張運動可能な継手は、例えばキー・キー溝かみ合い継手として単純な形状に形成される。その場合、部分内部フランジの軸線方向溝にはめ込まれた断面Ｉ形シールリングあるいは補償リングを備えた断面Ｉ形リング継手、あるいは、一方の部分内部フランジが他方の部分内部フランジにもぐり込み、両部分内部フランジ間にピストンリング形シールリングが配置されたピストンリング形継手が、特に有効である。
しかし、両部分内部フランジの異なった運動方向における相対運動を可能にする断面角形リング継手が設けられていると有利である。このために、ひずみを吸収し且つシール作用をする断面Ｌ形シールリングないし補償リングが設けられていると有効である。このシールリングは、対向位置する両部分内部フランジの配管長手方向並びに配管長手軸線に対して直角方向における相対運動を可能にしている。
そのシールリングがねじ付きリングによって一方の部分内部フランジに保持されていると有効である。このために、ねじ付きリングがねじ込まれた状態において、部分内部フランジとねじ付きリングの肩部との間に、シールリングの一方の脚を収容するための半径方向の環状溝が形成される。対向位置する部分内部フランジの軸線方向溝は、シールリングの他方の脚を収容するために使われる。この互いに直角に延びるひずみ吸収接合面あるいはひずみ吸収溝によって、互いに直角に延びる２つの方向において、両部分内部フランジは相対運動できる。そのシールリングは滑り運動のために溝の中に僅かな遊びをもって保持されている。この断面Ｌ形リング継手による継手様式あるいはシール様式は、特に両部分内部フランジ間のひずみ差が大きい場合および半径方向における相対運動が大きい場合に有利である。
あるいはまた、部分内部フランジの肩状凹所にはめ込まれた断面Ｕ形シールリングあるいは補償リングを備えた断面Ｕ形リング継手も利用できる。この断面Ｕ形リング継手の採用は特に、部分内部フランジが短い場合およびスケールが形成される危険がある場合に適している。
本発明によって得られる利点は特に、外部フランジと内部フランジとの間に冷却材で貫流される中間室の形をした冷却系統を備えた二重壁構造フランジ継手によって、それで接続されている配管が簡単に何度も分離し再接続することができるという点にある。これによって、配管を最大蒸気状態（３００バール／６００℃）に対して設計することができる。好適にはフランジ外側壁に設けられた貫通孔を通して供給及び排出される冷却材で中間室を洗流することによって、フランジ継手から熱を簡単且つ確実に放出することができる。これによって、フランジボルトの許容できない高い熱負荷及び／又は機械的負荷は確実に防止される。
以下において図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は断面Ｌ形リング継手を備えた二重壁構造フランジ継手の縦断面図、
図２ないし図４はそれぞれ、断面Ｉ形リング継手、断面Ｕ形リング継手もしくはピストンリング形継手を備えた二重壁構造フランジ継手、
図５および図６はそれぞれ、ラジアル流入形およびうず巻き流入形蒸気タービンの蒸気入口管のフランジ継手を示す。
各図において同一部分には同一符号が付されている。
図１には、外部フランジ２と内部フランジ３とを備え、内外両フランジ３、２間に中間室あるいは冷却室４が形成されている二重壁構造フランジ継手１が示されている。外部フランジ２はフランジボルトによってボルト結合されている。ここではその１本のフランジボルト５しか示されていない。配管６の第１の部分配管６ａに一体成形された部分フランジ１ａおよび第２の部分配管６ｂに一体成形された部分フランジ１ｂは、部分外部フランジ２ａ、２ｂおよび部分内部フランジ３ａ、３ｂを備えた断面Ｕ形カラー（つば）を有している。フランジ継手１を製造する際に両部分フランジ１ａ、１ｂを互いにぴったり整合できるようにするために、両部分外部フランジ２ａ、２ｂはそれぞれの端面に、互いにかみ合う係合段部８を有している。
外部フランジ２の各部分外部フランジ２ａ、２ｂには、中間室４に連通している貫通孔７ａ、７ｂを備えた通路孔が設けられている。外部フランジ２を冷却するために、冷却材入口として使用される貫通孔７ａを通して中間室４内に冷却材Ｋ、特に蒸気が導入される。この冷却材Ｋはそこで内部フランジ３のところで配管６内を導かれる高温蒸気Ｄと間接的に熱交換して加熱され、この加熱された冷却材Ｋ′が冷却材出口として使用する貫通孔７ｂを通って中間室４から出る。これによって形成されたクッションによって、フランジボルト５の緩みは簡単に確実に防止される。
製造技術上の理由から、内部フランジ３の部分内部フランジ３ａ、３ｂが溶接継手９ａ、９ｂを介して部分配管６ａ、６ｂに接続されていると有効である。しかしこれらは部分配管と一体に形成することもできる。部分内部フランジ３ａ、３ｂの反溶接継手９ａ、９ｂ側自由端面１０ａ、１０ｂは、互いに環状隙間１１を形成した状態で対向位置している。
部分内部フランジ３ａ、３ｂの自由端面１０ａ、１０ｂによって形成された内部フランジ３の接続範囲は、リング継手を採用することによって熱膨張運動可能に形成されている。そのために図１における実施例では、断面角形リング継手の様式で、端面が対向位置する両部分内部フランジ３ａ、３ｂの間の環状隙間１１を蒸気密に閉鎖する断面Ｌ形シールリング１２が設けられている。この断面Ｌ形のシールリングあるいは補償リング１２は、その特殊な配置によって、対向位置する部分内部フランジ３ａ、３ｂの半径方向の運動方向１３並びに軸線方向の運動方向１４における相対移動を可能にしている。そのシールリング１２の一方の脚１２ａは部分内部フランジ３ａの軸線方向溝１５の中に軸線方向へ移動可能に保持され、シールリング１２の他方の脚１２ｂは部分内部フランジ３ｂの半径方向溝１６の中に半径方向へ移動可能に保持されている。
シールリング１２は部分内部フランジ３ｂにねじ付きリング１７によって保持されている。そのために断面Ｌ形ねじ付きリング１７は、部分内部フランジ３ｂの内周面にある雌ねじ部分１９にねじ込まれる雄ねじ１８を備えている。このねじ付きリング１７をねじ１８、１９に沿ってねじ込むことによって、環状溝１６における隙間が調整される。
これによってシールリング１２は、対向位置する両部分内部フランジ３ａ、３ｂを、配管長手軸線２０の方向並びに配管長手軸線２０に対して直角方向に運動自由度をもって熱膨張運動可能に接続することを保証する。そのためにシールリング１２は、互いに直角を成して配置された溝１５、１６内に、半径方向の運動方向１３並びに軸線方向の運動方向１４における滑り運動が可能であるように、僅かな遊びをもって保持されている。
両部分内部フランジ３ａ、３ｂの相応した熱膨張移動可能な接続は、図２ないし図４におけるリング継手によっても行える。そのために図２には、両部分内部フランジ３ａ、３ｂの端面にある軸線方向溝１５ａ′、１５ｂ′にはめ込まれた断面Ｉ形シールリングあるいは補償リング１２′を備えた断面Ｉ形リング継手が示されている。この実施例は製造技術的に特に簡単である。
図３には、断面Ｕ形リング継手で両部分内部フランジ３ａ、３ｂを熱膨張運動可能に接続している製造技術的に特に簡単に製造できる実施例が示されている。その断面Ｕ形シールリングないし補償リング１２″は、部分内部フランジ３ａ、３ｂの端面に形成された凹所１５ａ″、１５ｂ″にはめ込まれている。この実施例は、図１の実施例の場合に比べて短い部分内部フランジ３ａ、３ｂにおいて特に有効である。
図４には、部分内部フランジ３ａ、３ｂの配置について図１〜図３における実施例と異なっている実施例が示されている。そこではこの実施例において左側の部分内部フランジ３ａはそれを右側の部分内部フランジ３ｂの中にもぐり込ませるために比較的長く形成されている。その左側部分内部フランジ３ａは右側部分内部フランジ３ｂと隙間を形成した状態で重なり合っているので、この実施例では２つのシールリング１２″′、１２″′と組み合わせて、ピストンリング様式の継手が形成されている。図１〜図３の実施例と異なったこの非対称的なフランジ継手１の形状は、同様に製造技術的に非常に簡単に製造できる。
図５には、第１の蒸気入口弁２１と蒸気タービン２３の接合面２２の上方に設けられている半径方向流入部２４との間を延びる配管６に存在する上述のフランジ継手１の位置が示されている。接合面２２の下方に設けられている別の半径方向流入部２５は第２の蒸気入口弁２６に結合されている。これらの両蒸気入口弁２１、２６は共通の蒸気配管２７に存在している。
蒸気タービン２３の接合面２１の上方におけるフランジ継手１の位置あるいは配置は、組立および又は点検のために、蒸気タービン２３の上部タービンケーシング２８を、接合面２２の上方に位置する配管６の部分配管６ａと共に簡単に持ち上げることを可能にしている。このような組立時に、蒸気タービン２３の下部タービンケーシング２９は、接合面２１の下方に位置する配管６の部分配管６ｂと共に据え置かれている。そのためにはただフランジ継手１を緩めて分離するだけでよく、このフランジ継手１は、蒸気タービンあるいは部分蒸気タービン２３の組立作業に続いて、簡単にあらためて取付けることができる。
図６には、うず巻き流入形蒸気タービン２３におけるフランジ継手１の位置が示されている。この場合も、上部タービンケーシング２８の横に配置された流入部２４は、接合面２２の上方に位置する配管６の部分配管６ａと一緒に、フランジ継手１を緩めて分離した後、取り外すことができる。上部タービンケーシング２８を蒸気入口弁２１と一緒に持ち上げる間、蒸気タービン２３の下部タービンケーシング２９は、同様に横に配置された下部流入部２５及び蒸気入口弁２６と一緒に、蒸気タービン２３を支持する基礎３０上に据え置かれている。
二重壁構造フランジ継手１は、配管６を貫流する高温の圧縮蒸気Ｄを、堅固であるが分解可能な継手を形成する外部フランジ２から分離することを保証し、一方で、熱膨張運動可能に形成された内部フランジ３は蒸気Ｄで直接洗流される。その場合、外部フランジ２およびフランジボルト５への熱の流入は、中間室４に冷却材あるいは絶縁媒体Ｋを供給することによって相当減少される。熱膨張運動可能な継手によって外部フランジ２が内部フランジ３から空間的に分離されていることによって、フランジ継手１の外部フランジ２へ半径方向に圧縮力が導入されることが防止される。更に、外部フランジ２、従ってフランジボルト５の熱負荷が減少される。
これによって、部分配管６ａ、６ｂと部分フランジ１ａ、１ｂとの熱膨張が異なることによって、接合面２２に隙間が発生することが確実に防止され、また多量の熱の流入によってフランジボルト５が大きく緩むことも確実に防止される。更に、その継手、即ち配管６の部分配管６ａ、６ｂ間の継手は、簡単に繰り返して分離し、再接続することができる。これによって、継手の溶接および焼なましが省かれるので、点検費用は節減できる。また配管６の部分配管６ａ、６ｂを多数回にわたって安全に且つ確実に分離および再接続することができる。
【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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