JP2007120462A - 蒸気タービンケーシング締結装置および蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンケーシングのボルト締結力の低減に応じてボルト締結力を回復できる蒸気タービンケーシング締結装置を提供することである。
【解決手段】ボルト３は、蒸気タービンの上半ケーシング１および下半ケーシング２のフランジ５に設けられたボルト穴６を貫通して配置される。ナット４はボルト３の両端に装着され、上半ケーシング１と下半ケーシング２とを締め付けるて固定する。また、ワッシャ７は、経年的に膨張する経年膨張材で形成され、ナット４とフランジ５との間に配置されて、ボルト３に生じている弾性ひずみを経年膨張材の体積膨張で補い、締め付け力の経年的な低下を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンの回転体と静止部との間の蒸気漏洩を防止するためのケーシングを締結する蒸気タービンケーシング締結装置および蒸気タービンに関する。

一般に、事業用大型蒸気タービンの高圧タービン、高中圧タービンもしくは中圧タービンのケーシングは、水平面で上下半に分割された構造であり分割面はフランジ構造となっている。フランジ面はボルトとナットにより締め付けられケーシング内部の高圧蒸気をシールしている。

このような高圧車室のシール性能を高めたものとしては、ラビリンスシールのうちの高圧側ラビリンスシールをタービン高圧車室の内壁面に直接固着し、シール性能の優れたタービン高圧車室としたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、タービンケーシングを水平継手面で二分割した上半ケーシングおよび下半ケーシングのうち、いずれか少なくとも一方のケーシングにおける上半部フランジまたは下半部フランジに、熱伸びの吸収手段および冷態起動時のシール手段を設け、上・下半部フランジの接触面圧を高く維持させて蒸気漏れを確実に防止するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

図５は蒸気タービンケーシングの斜視図、図６は蒸気タービンケーシングを図示しないロータ軸方向から見た正面図である。蒸気タービンケーシングの内部にはロータやノズルダイヤフラム等の部品が収納され、これらの部品の据付や点検を容易ならしめるために、蒸気タービンケーシングは上半ケーシング１と下半ケーシング２とに２分割されている。上半ケーシング１と下半ケーシング２との締付けはボルト３とナット４で行われる。すなわち、蒸気タービンケーシングは上半ケーシング１と下半ケーシング２とが水平フランジ５で２分割され、フランジ５には多数のボルト穴６が設けられ、各々のボルト穴６にボルト３を配置してナット４で締結される。

ボルト３による締結は、通常常温の状態でボルト３とナット４とを組み合わせた後、ボルト３に開けられた中心孔に電磁気的な手段を用いたヒータあるいはガスバーナにより加熱することにより、ボルト３にだけ熱伸びを生じさせて、ナット４を所定の位置までねじ込み、加熱を停止して常温まで放冷することで行われる。このようにケーシングを締結するボルト３の役割は運転中のケーシング内の高温高圧蒸気を保持するための水平フランジ５のシール性を確保するためのものである。
特開２００２−３４９２０８号公報 特開２００２−３８９０６号公報

しかし、蒸気タービンケーシングの締結ボルトにおいては、ケーシング内部の蒸気温度が最高６００℃前後であることから、運転中のボルトも蒸気温度に近い高温となる。高温下で高い締結力を持ったボルトは長時間タービンを運転継続していると、リラクセーションと呼ばれる経年的な応力緩和現象が生じて締結力が低下する。図７は、締結ボルトの経年的な応力緩和（リラクセーション）の特性図である。図７に示すように、一般に高温下のボルトはリラクセーションと呼ばれる経年的な応力緩和現象が生じて、その締結力は応力緩和曲線Ｓに従って低下する。

このため、タービンの継続運転時間に相当する長時間に渡ってケーシングフランジのシール性を確保するためには、初期のボルト締付け力を必要な蒸気シール力に比べて過大にしたり、フランジ部の寸法やボルト径を過大にしたり、ボルト材質をリラクセーションが生じにくい高価な材質にすることで対応している。また、そのほかの対策として、定期的に蒸気タービンを停止させてボルトの増し締めを実施することも行われている。

このような過大な構造や高価な材質は、素材の物量や価格を増大させ、原価の増加に結びつくことになり、製品の競争力の低下につながる。また、頻繁な増し締めは運用費用の増加となる。

本発明の目的は、蒸気タービンケーシングのボルト締結力の低減に応じてボルト締結力を回復できる蒸気タービンケーシング締結装置および蒸気タービンを提供することである。

本発明の蒸気タービンケーシング締結装置は、蒸気タービンの上半ケーシングおよび下半ケーシングのフランジに設けられたボルト穴を貫通して配置されるボルトと、前記ボルトの両端に装着され前記上半ケーシングと下半ケーシングとを締め付けるナットと、前記ナットと前記フランジとの間に配置され経年的に膨張する経年膨張材で形成されたワッシャとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ボルトに生じている弾性ひずみを経年膨張材の体積膨張で補うことができるので、締め付け力の経年的な低下を防止できる。従って、締付け初期にリラクセーションを見込んだ過大な応力をかけないで済み、ボルトのクリープ損傷を大幅に低減することができる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる蒸気タービンケーシング締結装置の一部切欠断面図である。蒸気タービンケーシングの上半ケーシング１のフランジ５に設けられたボルト穴６と、下半ケーシング２のフランジ５に設けられたボルト穴６とを貫通してボルト３が配置される。そして、ワッシャ７をボルト３に通しフランジ５に接触させナット４をねじ込む。すなわち、ワッシャ７をナット４とフランジ５との間に配置する。

ボルト３には中心孔８が設けられており、この中心孔８に対して電磁気的な手段を用いたヒータあるいはガスバーナにより加熱する。これにより、ボルト３にだけ熱伸びを生じさせて、ナット４を所定の位置までねじ込み加熱を停止して常温まで放冷しボルトを強固に締結する。

ワッシャ７の素材は高温下で運転中に徐々に体積膨張をする経年膨張材で形成され、例えば鋳鉄を用いる。また、膨張ひずみとボルトのクリープひずみとの関係で、図１のような薄肉のワッシャ７ではなく、必要に応じて図２に示すような厚肉のワッシャ７を用いる。

このように、体積膨張するワッシャ７は、一般に鋳鉄の成長として知られている体積膨張現象を利用したものである。その作用は、運転の繰り返し毎に体積が膨張し、ボルトの初期の弾性ひずみの一部が徐々にクリープひずみに置き換わることが原因であるリラクセーションにおいて、失った弾性ひずみ分を補償するだけワッシャ７の体積膨張による弾性ひずみの増加を図る。

第１の実施の形態によれば、ボルト３に生じている弾性ひずみ（締め付け力に比例する）が本来リラクセーションで低下するところを、ワッシャ７の体積膨張で補うことができるため、締め付け力の経年的な低下を防止することができる。このため、締付け初期にリラクセーションを見込んだ過大な応力をかけないで済み、ボルト３のクリープ損傷を大幅に低減することができ、ボルトの使用可能な時間を大幅に延長することができる。

また、蒸気タービンのシール状態が良好な時期を従来よりも延伸することができ、ボルト３の増し締め回数を大幅に低減することができる。さらに、従来であれば高価なリラクセーションを起こしにくい材質のボルト３を使用するところを安価なボルト３に置き換えることが可能となり、また、シール性を向上させるために大型の水平フランジとする必要がなくなり、よりコンパクトなフランジにすることが可能となる。このため、蒸気タービンのコスト低減が実現できる。

（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態に係わる蒸気タービンケーシング締結装置のボルトとナット部分の一部切欠断面図である。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態のワッシャ７に代えて、ナット４のネジ部とボルト３のネジ部との接触部に、経年的に膨張する経年膨張材で形成されたネジ介在物９を配置したものである。

図３において、ボルト３のネジ部とナット４のネジ部との接触部に、高温下で運転中に徐々に体積膨張をするネジ介在物９をらせん状にして設置する。経年的に膨張する経年膨張材としては、第１の実施の形態と同様に、例えば鋳鉄を使用する。

第２の実施の形態によれば、体積膨張するネジ介在物９は、第１の実施の形態と同様に鋳鉄の成長として知られている体積膨張現象により、ボルト３のクリープ伸び分に見合った体積膨張によりボルト３の弾性ひずみの減少を少なくすることができる。

（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態に係わる蒸気タービンケーシング締結装置の一部切欠断面図である。この第３の実施の形態は、第１の実施の形態のワッシャ７に代えて、上半ケーシング１と下半ケーシング２とが対面する側のフランジ面に経年的に膨張する経年膨張材で形成された介在板１０を配置したものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４において、フランジ５の合わせ面に、高温下で運転中に徐々に体積膨張をする鋳鉄製の介在板１０が配されている。体積膨張する合わせ面の介在板１０は、第１の実施の形態や第２の実施の形態と同様に鋳鉄の成長として知られている体積膨張現象により、ボルト３のクリープ伸び分に見合った体積膨張によりボルト３の弾性ひずみの減少を少なくすることができる。

第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。特に第１の実施の形態や第２の実施の形態の場合よりも受圧面積が広いため面圧が緩和され、より強度の低い材料でも適用することが可能となる。

以上の説明では、経年的に膨張する経年膨張材として鋳鉄を用いた場合について説明したが、鋳鉄に代えて、酸化して膨張されやすいシリコンを０．５％以上含有する鋼材、電圧を加えることによりひずみが変化する圧電素子、磁場を加えることによりひずみが変化する磁歪素子を用いてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係わる蒸気タービンケーシング締結装置の一部切欠断面図。 本発明の第１の実施の形態に係わる蒸気タービンケーシング締結装置のワッシャの他の一例を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態に係わる蒸気タービンケーシング締結装置のボルトとナット部分の一部切欠断面図。 本発明の第３の実施の形態に係わる蒸気タービンケーシング締結装置の一部切欠断面図。 蒸気タービンケーシングの斜視図。 蒸気タービンケーシングの正面図。 蒸気タービンケーシングを締結する締結ボルトの経年的な応力緩和（リラクセーション）の特性図。

符号の説明

１…上半ケーシング、２…下半ケーシング、３…ボルト、４…ナット、５…水平フランジ、６…ボルト穴、７…ワッシャ、８…中心孔、９…ネジ介在物、１０…介在板

Claims (8)

1. 蒸気タービンの上半ケーシングおよび下半ケーシングのフランジに設けられたボルト穴を貫通して配置されるボルトと、前記ボルトの両端に装着され前記上半ケーシングと下半ケーシングとを締め付けるナットと、前記ナットと前記フランジとの間に配置され経年的に膨張する経年膨張材で形成されたワッシャとを備えたことを特徴とする蒸気タービンケーシング締結装置。
2. 蒸気タービンの上半ケーシングおよび下半ケーシングのフランジに設けられたボルト穴を貫通して配置されるボルトと、前記ボルトの両端に装着され前記上半ケーシングと下半ケーシングとを締め付けるナットと、前記ナットのネジ部と前記ボルトのネジ部との接触部に配置され経年的に膨張する経年膨張材で形成されたネジ介在物とを備えたことを特徴とする蒸気タービンケーシング締結装置。
3. 蒸気タービンの上半ケーシングおよび下半ケーシングのフランジに設けられたボルト穴を貫通して配置されるボルトと、前記ボルトの両端に装着され前記上半ケーシングと下半ケーシングとを締め付けるナットと、前記上半ケーシングと前記下半ケーシングとが対面する側のフランジ面に配置され経年的に膨張する経年膨張材で形成された介在板とを備えたことを特徴とする蒸気タービンケーシング締結装置。
4. 前記経年膨張材は鋳鉄であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載の蒸気タービンケーシング締結装置。
5. 前記経年膨張材は酸化して膨張されやすいシリコンを０．５％以上含有する鋼材であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載の蒸気タービンケーシング締結装置。
6. 前記経年膨張材に代えて、電圧を加えることによりひずみが変化する圧電素子としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載の蒸気タービンケーシング締結装置。
7. 前記経年膨張材に代えて、磁場を加えることによりひずみが変化する磁歪素子としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載の蒸気タービンケーシング締結装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一の蒸気タービンケーシング締結装置を用いた蒸気タービン。
   

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