JP2001012208A - タービン動翼とディスクの結合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】フォーク型翼植込部を有するタービン動翼とデ
ィスクの結合構造において、ピンの応力腐食割れの発生
を防止するとともに、定期検査においてピンの着脱を容
易にし、さらに翼フォーク、ディスクフォークの疲労強
度、フレッティングに対する疲労強度を向上させるター
ビン翼とディスクの結合構造を提供する。 【解決手段】主たる構成は、タービン動翼の植込部に軸
方向に複数並んだフォークと、ディスク側の軸方向に複
数並んだフォークを互いに係合させ、半径方向位置の異
なる複数のピンを軸方向に貫通させることにより結合し
ているタービン動翼とディスクの結合構造において、ピ
ンの一部または全面に、固体潤滑材を含む熱硬化性樹脂
からなる潤滑皮膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はタービン動翼とディ
スクの結合構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来のフォーク型翼植込部と呼ば
れる蒸気タービン翼とディスクの結合構造を示してい
る。タービン翼１の下部に位置する翼植込部は軸方向11
に配分された複数の翼フォーク２を有し、それらはディ
スク側に配分されたディスクフォーク３と交互に係合さ
れ、半径方向10位置の異なる複数のピン４を軸方向11に
貫通させることにより結合されている。

【０００３】翼の組み立て時には、翼をディスクの所定
の位置に植込んだ後に、あらかじめ所定の穴径よりも小
さく開けておいた下穴に対して、リーマ工具を用いて正
規の穴径となるように精密に加工を行う。その後、穴加
工時に生じた切り屑を取り除いた後に、ピンの周りに鉱
油を塗り付けてピンを挿入する。ここでピンの周りに鉱
油を塗るのは、フォーク穴とピンの潤滑を良くしてピン
の挿入の際に生じるかじりを防止し、フォーク穴の内面
およびピン外面に傷がつくのを防ぐためである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】タービン翼とディスク
の結合部には、翼の回転に伴って大きな遠心力が作用
し、かつ蒸気が隙間より結合部に入り込むことにより蒸
気中に含まれるNaやCl等の腐食生成物が蓄積されるた
め、結合部は強度的に非常に厳しい環境にある。ピン４
については、図３に示すように翼フォーク２から翼長方
向10（矢印６）に力を受け、またディスクフォーク３は
前記方向と反対方向（矢印７）に力を受けるため、ピン
４は図３に示すような変形を生じ、その結果フォーク内
の軸方向11中央部に位置する付近（図３に示すA点およ
びB点の位置）で高い引張の曲げ応力が発生する。この
曲げ応力に対して十分な強度を有するためにピン材料と
しては150kgf/mm2以上の引張強さを有した高強度鋼が採
用されている。しかしながら、引張強さが高い材料は応
力腐食割れに対する感受性が高いため、運転から10年近
く経過したプラントにおいてはピンの最大引張曲げ応力
が作用する点を起点として応力腐食割れが発見されるこ
とがあった。一般に応力腐食割れは、感受性が高い材料
が、腐食環境下で高い引張応力が作用する環境に長時間
さらされることにより生じる。従来技術では応力腐食割
れの発生を抑制するために、ピンの表面にショットピー
ニングを施して圧縮残留応力を与える方法やプラントの
水管理を厳しくして蒸気中に含まれる腐食生成物を低下
させる方法が試みられているが、必ずしも応力腐食割れ
の発生を防止するに至っていないのが現状である。

【０００５】また蒸気条件の悪いプラントにおいては、
蒸気中に含まれる腐食生成物がピンとピン穴の周りに蓄
積してピンとピン穴間に固着が生じることにより、数年
毎に実施される定期検査においてピンを抜くのが困難に
なるという問題があった。従来技術では、組み立て時に
おいてピンの周りに鉱油を塗ることによりピンの挿入を
容易にしていたが、高い面圧下で長期間にわたって運転
が継続されることにより潤滑皮膜が容易にはがれてしま
うため、鉱油などの液体潤滑材では長期間の潤滑の効果
は期待できなかった。

【０００６】近年蒸気タービンの効率を向上させるため
に、低圧最終段においては排気損失を低減させることを
目的として翼長の長いタービン翼が採用される傾向にあ
る。しかしながら翼長の増大に伴って翼に作用する遠心
力が増大するため、応力集中が高い翼とディスクの結合
部においては従来に増して強度信頼性の確保が厳しくな
るのが現状である。このような状況下で翼とディスクの
結合部においては、起動停止に伴う低サイクル疲労、高
い平均応力と腐食環境下での高サイクル疲労に対して十
分な強度を有した構造でなければならない。さらにピン
とフォークの接触部においては、運転中に生じる振動で
接触部がこすれることにより生じた摩耗粉がフレッティ
ング疲労を引き起こすことがあるため、フレッティング
疲労に対しても十分な強度を有していなければならな
い。

【０００７】そこで本発明は上述したように、ピンの応
力腐食割れの発生を防止するとともに、定期検査におい
てピンの着脱を容易にし、さらに翼フォーク、ディスク
フォークの疲労強度、フレッティングに対する疲労強度
を向上させるタービン翼とディスクの結合構造を提供す
るものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、フォーク型翼植込部を有するタービン
動翼とディスクの結合構造において、ピンの一部または
全面に、固体潤滑材を含む熱硬化性樹脂からなる潤滑皮
膜を形成することにより、高い面圧下においても長期間
にわたって高い潤滑性と対摩耗性を維持して、フォーク
穴とピンの摩擦係数を低下させることを特徴とする。フ
ォーク穴とピンの摩擦係数を低下させることにより翼フ
ォークとディスクフォークの円孔周りに発生する応力
（ひずみ）を低下し、疲労強度を高める。フォーク穴と
ピンの摩擦係数を低下させ、対摩耗性を高めることによ
り、接触部がこすれることにより生じる摩耗粉の発生量
を減少させ、フレッティング疲労に対する強度を高め
る。さらにピンの周りに施した潤滑皮膜により翼とディ
スクの結合部に濃縮した腐食生成物が直接ピンに触れる
のを防ぐことができ、腐食ピットの生成を遅らせ、ピン
の応力腐食割れを防止する効果がある。定期検査でピン
を離脱する場合に、ピン周りに施した潤滑皮膜がピンの
離脱を滑らかにすることにより、短時間、低コストでピ
ンの離脱を行うことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１を用いて本発明の第１実施例
を説明する。フォーク型翼植込部を有するタービン翼と
ディスクの結合部において、翼フォーク２とディスクフ
ォーク３を固定するピン４の全周にわたって固体潤滑材
を含む熱硬化性樹脂からなる潤滑皮膜５を形成してい
る。タービン翼として例えば12Cr鋼やチタン合金、ピン
材としては5CrMoV鋼、ディスク材として3.5%NiCrMoV鋼
が挙げられる。ピンとピン穴の交差としては、ピン径に
対して0.2〜0.6%が望ましい。前記交差が小さいとピン
とピン穴の固着が生じ易くなること、フレッティング疲
労に対する強度が低下する問題があり、逆に交差を大き
くするとピン穴周りの応力集中が増加して疲労強度が低
下すること、振動に対する応答が大きくなるという問題
がある。

【００１０】潤滑皮膜の固体潤滑材はPTFE（ポリテトラ
フルオロエチレン）であることが望ましい。固体潤滑材
をPTFEとすることにより、高い面圧下において潤滑膜が
容易にはがれることなく、長期間にわたって高い潤滑性
と対摩耗性を確保することができる。なおその他の固体
潤滑材として、二硫化モリブデン、二硫化タングステ
ン、黒鉛、窒化ホウ素等を用いても同様な効果が期待で
きると考えられる。

【００１１】熱硬化性樹脂としては、高面圧下において
も対摩耗性、潤滑性が高く、さらに対環境性が優れてい
るポリアミドイミド樹脂、もしくはポリイミド樹脂であ
ることが望ましい。その他の熱硬化性樹脂として、エポ
キシ樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂など耐熱
性、対摩耗性が比較的高い樹脂でも利用は可能である。

【００１２】次に本例で使用したピン材に固体潤滑膜を
コーティングする方法について述べる。ピン表面の粗さ
が小さいとコーティングの密着力が悪く剥離しやすいた
め、ピン表面にショットピーニングを施すことにより表
面の粗度を荒らすことが望ましい。またショットピーニ
ングを施すことによりピン表面に圧縮残留応力が与えら
れ、疲労強度を向上させる効果が期待できる。固体潤滑
材としてPTFE、熱硬化性樹脂としてポリアミドイミドを
混合した樹脂液をエアースプレーによりピン表面にコー
ティングし、180℃〜220℃の温度で30分から2時間硬化
させて潤滑膜を焼成する。PTFEの添加量は、10%〜70%の
間にあることが望ましい。硬化後ピン表面を研磨加工す
ることにより、最終的な潤滑膜の膜厚としては長期間の
使用により摩耗が進んでも十分な潤滑の効果を保つため
に5μm以上必要であり、さらに接触面圧による過度な塑
性変形および潤滑膜のへたりを防止するために30μm以
下であることが望ましい。

【００１３】図４は、ピンとピン穴の潤滑条件を変えた
場合のピンジョイント部の低サイクル疲労試験の結果を
表している。潤滑を全く施さない場合に対して、潤滑を
施した場合には低サイクル疲労強度が２倍以上に向上し
た。これは潤滑を施すことによりピンとピン穴の摩擦係
数が低下したことによりピン穴周りに発生する応力（ひ
ずみ）が低下したことが原因である。

【００１４】また潤滑を施すことにより摩擦係数が低下
し、対摩耗性が高くなるため接触部がこすれることによ
り生じる摩耗粉の発生量が減少し、フレッティング疲労
に対する強度が高くなる。さらにピンの周りに施した潤
滑皮膜によるコーティングが、翼とディスクの結合部に
濃縮した腐食生成物が直接ピンに触れるのを防ぐことに
より腐食ピットの生成を遅らせ、ピンの応力腐食割れを
防止することができる。

【００１５】一方、定期検査においてピンを離脱して検
査する場合において、ピン周りに施した潤滑皮膜がピン
の離脱を滑らかにするため、従来と比較して短時間、低
コストでピンの離脱を行うことができ、さらに離脱の際
にフォーク内部に傷がつくのを防止する効果が期待でき
る。

【００１６】図５は本発明の第２実施例である。図５に
示すようにピン４の両端部分、すなわち翼長方向10に対
しての角度θが±90°付近の位置において、第１実施例
と同様の固体潤滑材５を塗布している。ピン外表面にお
ける面圧分布は一般に図６に示すような分布をしてお
り、翼長方向からの角度θが小さい領域で面圧が高く、
同角度が90°の位置に近づくにつれて面圧が低下する。
ピンに作用する負荷が大きい場合には接触部に発生する
面圧が高くなるため、その値が固体潤滑膜の許容面圧を
超えないように注意する必要がある。特に低圧最終段の
ように非常に高い面圧が作用する場合には、翼長方向か
らの角度が小さい領域での面圧が固体潤滑皮膜の許容面
圧を超えることがあるので、その場合には翼長からの角
度が±90°の位置を中心として前後10°もしくは20°の
領域に固体潤滑材を塗布するのが望ましい。翼フォーク
２およびディスクフォーク３には、フォーク穴周りにお
いて翼長方向からの角度が±90°位置近傍において最大
応力が発生するため、その領域近傍を潤滑して摩擦係数
を低下することにより、発生する応力（ひずみ）を低下
させフォークの疲労強度を高めることができる。

【００１７】また、翼長からの角度が小さく接触面圧が
高い領域において、潤滑を施さないで摩擦係数を高くす
ることにより、ピンの曲げ変形量をピン全周にわたって
潤滑を施した場合と比較して小さくすることができる。
図７はピン全周にわたって潤滑を施した場合と翼長から
の角度が90°位置を中心として前後20°の範囲を部分的
に潤滑した場合に図７(a)に示すピン４の外表面A点から
B点上に発生する軸方向11の応力分布を示している。図
７(b)より部分的に潤滑を施した場合の方がピンに作用
する最大引張応力が小さくなるため、その結果としてピ
ンの疲労強度を向上させ、さらに応力腐食割れに対して
も寿命を延ばすことが可能となる。

【００１８】また図８に示すように、長年の使用により
摩耗が進むことにより翼長方向からの角度θが±90°付
近の領域において、真円を示す曲線13に対してδだけ潤
滑膜が減少した場合には、こすれにより摩耗が生じやす
いピン４とフォーク２接触端付近（A点）とフォーク２
に最大応力が発生する箇所（B点）の位置がずれること
により、フレッティング疲労に対して強度が高くなる効
果が期待できる。これは、ピンに固体潤滑膜５を塗布し
た後に研磨加工する際に、真円に加工するのではなく、
図８に示すように翼長方向に対して±90°付近の位置が
部分的に内側になるように加工しても、同様にフレッテ
ィング疲労に対して効果があると考えられる。

【００１９】図９は本発明の第３実施例である。翼フォ
ーク２と結合する領域とディスクフォーク３と結合する
領域とで、ピン４に施す潤滑皮膜５の形成する箇所を変
えたことが特徴である。すなわち図９に示すように翼側
フォーク２と結合する領域においては、翼長方向からの
角度θが0°の位置を中心として前後角度αの部分に潤
滑膜を形成し、またディスクフォーク３と結合する領域
においては、翼長方向からの角度θが180°の位置を中
心として前後角度αの部分に固体潤滑材を塗布してい
る。前述の角度αとしては、発生する最大面圧が固体潤
滑膜の許容面圧を超えないようにする必要があり、一般
的には90°以上から140°以下の範囲にある事が望まし
い。

【００２０】翼長からの角度が±90°付近の箇所の潤滑
は、その箇所での摩擦係数を低下させることによりフォ
ークに発生する応力（ひずみ）を低下させ、フォークの
疲労強度を高める効果、フォークとピンのこすれによっ
て生じた摩耗粉が引き起こすフレッティング疲労に対す
る強度を高める効果がある。そして、ピンに最大曲げ引
張応力が作用する部分、すなわち翼フォークと結合する
部分では翼長からの角度が180°付近、ディスクフォー
クと結合する部分では翼長からの角度が0°付近の箇所
を固体潤滑膜でコーティングするのは、蒸気中に含まれ
る腐食生成物が直接ピンと接触するのを防止して、ピン
の応力腐食割れに対する寿命を延長させる効果がある。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、フ
ォーク型翼植込部を有するタービン動翼とディスクの結
合構造において、ピンの一部または前面に、固体潤滑材
を含む熱硬化性樹脂からなる潤滑皮膜を形成することに
より、高い面圧下においても長期間にわたって高い潤滑
性と対摩耗性を維持して、摩擦係数を低下させることに
より、（１）翼フォークとディスクフォークの円孔周り
に発生する応力（ひずみ）を低下させて疲労強度を高め
る。（２）接触部がこすれることにより生じる摩耗粉の
発生量を減少させるため、フレッティング疲労に対する
強度が高くなる。（３）ピンの周りに施した潤滑皮膜が
翼とディスクの結合部に濃縮した腐食生成物が直接ピン
に触れるのを防ぐことにより腐食ピットの生成を遅ら
せ、ピンの応力腐食割れを防止する。（４）定期検査に
おいてピンを離脱して検査する場合において、ピン周り
に施した潤滑皮膜がピンの離脱を滑らかにすることによ
り、短時間、低コストでピンの離脱が行うことができる
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるタービン翼とディス
クの結合構造を示し、図１（a）は断面図、図１(b)は正
面図である。

【図２】一般的なフォーク型翼植込部を有するタービン
翼とディスクの結合構造を示す立体図である。

【図３】ピンの変形を模式的に示した断面図である。

【図４】ピンに潤滑を施した場合と無潤滑の場合の低サ
イクル疲労試験結果を示すグラフである。

【図５】本発明の第２実施例を示し、図５（a）は断面
図、図５(b)は正面図である。

【図６】翼長方向からの角度θと面圧分布の関係を示す
グラフである。

【図７】ピンに全面潤滑を施した場合と本発明の第２実
施例において部分的に潤滑を施した場合のピンに作用す
る応力の相違を示し、図７(a)は応力の比較を行った箇
所を示す断面図であり、図７(b)は応力の相違を示すグ
ラフである。

【図８】本発明の第２実施例において長年の使用の結果
を示す図であり、図８(a)は正面図、図８(b)は図８(a)
の長方形で囲った部分の拡大図である。

【図９】本発明の第３実施例を示し、図９（a）は断面
図、図９(b)はピンのA-A'矢視断面図、図９(c)はB-B'矢
視断面図である。

【符号の説明】

１…タービン動翼、２…翼フォーク、３…ディスクフォ
ーク、４…ピン、５…固体潤滑膜、６…翼フォークから
ピンに伝達される力の方向を示す矢印、７…ディスクフ
ォークからピンに伝達される力の方向を示す矢印、１０
…翼長方向を示す矢印、１１…軸方向を示す矢印、１２
…ピンの中心から翼長方向に対して角度θをなす方向を
示す矢印、１３…真円の形状を示す線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 茂雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Ｆターム(参考） 3G002 FA05 FA08 FA11 FB01 FB03 FB06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービン動翼の植込部に軸方向に複数並
   んだフォークと、ディスク側の軸方向に複数並んだフォ
   ークを互いに係合させ、半径方向位置の異なる複数のピ
   ンを軸方向に貫通させることにより結合しているタービ
   ン動翼とディスクの結合構造において、 ピンの一部または全面に、固体潤滑材を含む熱硬化性樹
   脂からなる潤滑皮膜を形成したことを特徴とするタービ
   ン動翼とディスクの結合構造。
2. 【請求項２】 前記潤滑皮膜の固体潤滑材としてPTFE
   （ポリテトラフルオロエチレン）を採用したことを特徴
   とする請求項１記載のタービン動翼とディスクの結合構
   造。