JP2002106302A

JP2002106302A - タービンロータ

Info

Publication number: JP2002106302A
Application number: JP2000295815A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Saito; 和宏齊藤; Hiroshige Itou; 洋茂伊藤; Itaru Murakami; 格村上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2002-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】動翼植込部のフレッティング疲労に優れたター
ビンロータを提供する。【解決手段】ロータシャフト２とこのロータシャフト２
の外周に円周方向に沿って取付けられた動翼１とを備
え、前記ロータシャフト２と前記動翼１の結合が、動翼
１の翼植込部３に設けられロータシャフト中心へ向って
張出しが小さくなるように配列された複数のフック４に
よる凹凸嵌合によって行われているタービンロータにお
いて、前記翼植込部３のネック部５の応力集中部と前記
ロータシャフト２の表面に最も近い第１フック上ロータ
シャフトとの接触端８の位置をずらし、そのずらし距離
を0.2mmないし2.0mmとした構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水蒸気や燃焼ガス
で駆動されるタービンロータに係り、動翼とロータシャ
フトとを嵌合により結合する構造を持ち、その結合部の
形状が、クリスマスツリー形の翼植込部に代表されるよ
うに、翼植込部において動翼の翼有効部と動翼のロータ
シャフトとの嵌合部の間に翼有効部に比べ幅が小さくな
ったネック部を有したタービンロータにおいて、翼植込
部のフレッティング疲労強度を向上させた構成を有する
タービンロータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図14に動翼１とロータシャフト２を従来
のクリスマスツリー形の翼植込部３により結合した蒸気
タービンロータの一例を示す。ロータの外周部は複数の
動翼１により囲まれている。動翼１とロータシャフト２
との結合は嵌合構造により、数段（図中では４段）のフ
ック４で、動翼１に作用する遠心力および動翼翼有効部
に作用する繰返し負荷を支えている。クリスマスツリー
形の翼植込部３では、動翼１の翼有効部と動翼１のロー
タシャフト２との嵌合部の間に翼有効部に比べ幅が小さ
くなったネック部５が存在する。

【０００３】動翼１に作用する遠心力ＣＦにより、この
ネック部５を中心として大きな応力が生じるため、応力
を軽減する翼植込部３の形状について検討されている。
特開平５−86805号公報および特開平10−141002号公報
は翼植込部３の断面形状について、また、特開平８−10
5301号公報は植込部３の軸方向のギャップについて新し
い工夫を開示しているが、いずれも遠心力に対する応力
分布の均一化を図っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、タービン動翼
の植込部３のような嵌合構造部では、動翼１側を絶対的
に最適化するだけでは、フレッティング疲労に対して強
度が不十分となりがちである。

【０００５】フレッティング疲労は、数μｍ〜数100μ
ｍ程度の微小な繰返し相対すべり下にある接触部におい
て発生する疲労現象である。接触部においては面圧が作
用しているので、相対すべりが生じると摩擦力が表面に
作用する。繰返しの相対すべりが生じることにより、接
触部表面においては、この摩擦力により、繰返し応力が
部材に働くことになる。接触部端部などでは、接触面圧
が集中するため、および、接触開口などによる面圧の変
動が大きいため，特に高い変動応力が表面に発生する。
フレッティング疲労では、見かけ上、比較的小さい負荷
応力しか作用しない部位でも、この高い変動応力により
き裂が発生する。

【０００６】タービンのロータシャフトへの動翼の植込
部はフレッティング疲労によるき裂が発生する部位であ
る。図14に示したクリスマスツリー形の翼植込部３のよ
うに、動翼１の翼有効部と動翼のロータシャフト２との
嵌合部の間に翼有効部に比べ幅が小さくなったネック部
５を有する場合、ネック部５の断面積の減少および形状
効果により、ネックコーナー部６は応力集中部となる。
このため、ネック部５に近い第１フック４では、ネック
コーナー部６における応力集中とフレッティングによる
動翼表面の繰返し応力が重畳するため、フレッティング
疲労き裂が生じやすい環境にある。

【０００７】すなわち、ロータ回転時には動翼１に作用
する遠心力ＣＦにより、ロータシャフト２と動翼１を結
合する植込部３の接触部７には高い接触面圧が作用す
る。同時に、繰返し負荷９や励振により動翼１が振動す
るため、翼植込部３における動翼側とロータシャフト側
の接触部７で微小な繰返し相対すべりが生じる。この微
小相対すべりの際に接触部７に生じる応力変動により、
フレッティング疲労き裂10がロータシャフト２への動翼
１の植込部に発生する。これらタービンロータ動翼植込
部で発生するフレッティング疲労き裂10は、タービンの
構造信頼性を著しく損なうものである。

【０００８】特開昭59−113206号公報、特開平３−1826
03号公報および特開平11−101102号公報は、フレッティ
ング疲労に対する強度改善を目的として、動翼側とロー
タシャフト側の形状について工夫を施している。特開昭
59−113206号公報はガスタービンによく見られるダブテ
ール植込部を対象とし、動翼の植込部の定性的なフレッ
ティング疲労強度改善方法を述べている。特開平11−10
1102号公報では蒸気タービンロータシャフト側のフレッ
ティング疲労対策を目的として、隣接する動翼同士の干
渉を抑える手法がとられている。

【０００９】このように、フレッティング疲労について
はメカニズムについて明らかになっていないところが多
く、その対象物が変わると対策も異なる。また、その対
策をとることにより、通常疲労強度や静的強度の低下が
生じることがあり、定量的な手段を含んだ対策が望まれ
る。そこで本発明は、動翼植込部のフレッティング疲労
に優れたタービンロータを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】フレッティング発生等価
応力は、応力振幅と平均応力により決定される。通常、
ネック部には遠心力の負荷により、大きな平均応力が作
用するが、運転中の負荷による応力振幅は小さい。一
方、接触により発生する応力成分は応力振幅が大きい。
これらが重畳することにより、ネック部の応力集中によ
る平均応力が増大し、等価応力がフレッティング疲労発
生応力に達する。すなわち、ネック部に発生する静的な
平均応力と接触端部に発生する動的な応力振幅の重ね合
わせを防ぐことにより、フレッティング疲労を防ぐこと
ができる。

【００１１】そこで請求項１の発明は、ロータシャフト
とこのロータシャフトの外周に円周方向に沿って取付け
られた動翼とを備え、前記ロータシャフトと前記動翼の
結合が、動翼の翼植込部に設けられロータシャフト中心
へ向って張出しが小さくなるように配列された複数のフ
ックによる凹凸嵌合によって行われているタービンロー
タにおいて、前記翼植込部のネック部の応力集中部と前
記ロータシャフトの表面に最も近い第１フック上ロータ
シャフトとの接触端の位置をずらし、そのずらし距離を
0.2mmないし2.0mmとした構成とする。

【００１２】この発明によれば、ネックコーナー部の静
的な応力集中と接触端部の動的な応力の重畳を低減し、
フレッティング疲労き裂発生部位の等価応力を小さくす
ることができる。この作用により，タービン動翼植込部
のフレッティング疲労強度を向上したタービンロータを
提供することができる。

【００１３】請求項２の発明は、上記請求項１のタービ
ンロータにおいて翼植込部ネック部のコーナー曲率半径
をロータシャフトの端部コーナー曲率半径より大きくし
た構成とする。

【００１４】請求項３の発明は、上記請求項２のタービ
ンロータにおいて翼植込部ネック部のコーナー曲率半径
をロータシャフトの端部コーナー曲率半径の３倍以下と
した構成とする。

【００１５】請求項４の発明は、上記請求項１のタービ
ンロータにおいて翼植込部ネック部とロータシャフトと
の接触部の間に曲率半径の異なる複数のコーナー部を設
け、接触部に最も近いコーナー部の曲率半径を他のコー
ナー部の曲率半径より大きくした構成とする。

【００１６】請求項５の発明は、上記請求項４のタービ
ンロータにおいて翼植込部ネック部の接触部に最も近い
コーナー曲率半径をロータシャフトの端部コーナー曲率
半径の３倍以下とした構成とする。

【００１７】請求項６の発明は、上記請求項１のタービ
ンロータにおいて翼植込部ネック部とロータシャフトと
の接触端部の間に直線部を設けた構成とする。これら請
求項２ないし請求項６の発明によれば、ロータシャフト
の端部コーナーと翼植込部ネック部コーナーとのあいだ
のギャップが、接触端から離れるにしたがって適正な変
化率で大きくなる。そのため翼植込部ネック部コーナー
における応力集中を防ぎフレッティング疲労を防ぐこと
ができる。

【００１８】請求項７の発明は、上記請求項１のタービ
ンロータにおいて翼植込部はロータシャフトの軸方向に
沿い、この翼植込部の両端部の接触剛性を低くするフッ
ク部がロータシャフトまたは翼植込部に設けられている
構成とする。

【００１９】この発明は、翼植込部の３次元的な応力分
布、すなわち、応力の軸方向分布の差に着目し、これを
均一化したものである。その効果により遠心力によるフ
ック部の荷重分担が平均化され、ネック部応力集中と接
触端の負荷応力が低下する。そのため、両者を重畳した
等価応力が低減し、フレッティング疲労を低減すること
ができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
を説明する図であり、クリスマスツリー形の翼植込部３
により動翼１とロータシャフト２を結合したタービンロ
ータの要部断面を示す。

【００２１】すなわち、動翼１に作用する遠心力ＣＦお
よび動翼翼有効部に作用する繰返し負荷９を翼植込部３
でフック４により支えている。翼植込部３には、動翼１
の翼有効部とロータシャフト２に係合するフック４の間
に翼有効部に比べ幅が小さくなったネック部５が存在す
る。このネック部５がある場合、ネック部５の断面積の
減少および形状効果により、ネックコーナー部６は応力
集中部となる。また、フレッティング疲労き裂発生の主
因となる接線応力振幅は通常接触端８で最大となる。こ
のとき、接触端８がネックコーナー部６における応力集
中範囲内にあると、フレッティングによる動翼表面の繰
返し応力が重畳するため、フレッティング疲労き裂発生
の原因となる。

【００２２】そこで本実施の形態においては、フック４
のネックコーナー部６の曲率を変えることにより、接触
端８の位置を応力の集中するネックコーナー部６からず
らす。こうすることによって、ネックコーナー部６にお
ける静的応力集中とフレッティングによる動翼表面の繰
返し応力の重畳を防ぐことになり、接線応力を低減しフ
レッティング疲労き裂発生を防ぐことができる。

【００２３】ここで、接触端８とネックコーナー部６と
の距離について説明する。図２は、ＦＥＭ（有限要素
法）解析により求めた接触端部強度とネックコーナー部
強度の関係を示す。接触端８とネックコーナー部６の位
置を大きく離すことにより、応力の重畳を完全になくす
ことは可能である。しかし、接触端８とネックコーナー
部６の位置を離すことにより、結果的にネック部５の断
面寸法が低減し、あるいはコーナー曲率半径が小さくな
るために、ネックコーナー部６の応力の絶対値とその範
囲が増加する。図２に示されるように、接触端８とネッ
クコーナー部６の距離には最適解ＯＰＳが存在する。こ
の距離を0.2mm〜２mmの適正範囲ＯＰＲとすることで、
最適解ＯＰＳと比べて実用上十分な強度の翼植込部３を
得ることができる。

【００２４】接触端８とネックコーナー部６のあいだの
距離を上記適正範囲ＯＰＲにするための嵌合部の形状の
４つの実施例について、次に図３ないし図７を参照して
説明する。図３は、ロータシャフト２の第１のフック４
に近いあご部の曲率半径Ｒ₂を動翼の第１のフック４部
の曲率半径Ｒ₁より小さくし、接触端８の位置を応力の
集中するネックコーナー部６からずらしたものである。

【００２５】図４は、動翼の第１のフック４のネック部
５とロータシャフト２との接触端８のあいだに直線部11
を設けることにより、接触端８の位置をネックコーナー
部６からずらしたものである。

【００２６】図５は、動翼の第１のフック４のネック部
５とロータシャフト２との接触端８のあいだに２つ以上
のコーナー部、すなわち曲率半径Ｒ₃のコーナーＡと曲
率半径Ｒ₄のコーナーＢを設けることにより、接触端８
の位置をネックコーナー部６からずらしたものである。

【００２７】ここで、コーナーＡの曲率半径Ｒ₃より大
きい曲率半径Ｒ₄のコーナーＢを動翼第１フック４のネ
ック部５とロータシャフト２との接触端８のあいだに設
ける。このように接触部７に近いコーナーの曲率半径を
大きくすることによって接触端８の接触応力が小さくな
り、高いフレッティング疲労強度が得られる。

【００２８】次に、動翼植込部３のネックコーナー部６
の曲率半径Ｒと、前記ネックコーナー部６に対向するロ
ータシャフト側のあご部の曲率半径Ｒ₀の関係について
ＦＥＭ解析によって検討したところを図６を参照して説
明する。ここで、コーナー部６の曲率半径Ｒは、図３に
おけるＲ₁、または、図５におけるＲ₄と同じであり、あ
ご部の曲率半径Ｒ₀は、図３におけるＲ₂と同じである。
図６においてＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、Ｒ／Ｒ₀の値が小、
中、大のときの接触端８の強度を表わし、Ｃ１，Ｃ２，
Ｃ３は、Ｒ／Ｒ₀の値が同様に小、中、大のときのネッ
クコーナー部６の強度を表わす。

【００２９】Ｒ／Ｒ₀の値が変わると、接触端部の強度
を示す曲線Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３とコーナー部の強度を示す
曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３も図に示すように変わる。各々の
Ｒ／Ｒ₀において、植込部の強度が最適となるのは、接
触端部の強度を示す曲線とコーナー部を示す曲線との交
点ＯＰＳ１，ＯＰＳ２である。この交点によって、接触
端とネックコーナー部間の距離の値が決められるが、植
込部の強度を高く保つためには、この値が0.2ないし２m
mの範囲にあることが望ましい。例えば、Ｔ３とＣ３の
組合わせでは、Ｒ／Ｒ₀の値が大きく、交点が存在しな
い（0.2〜２mmの範囲にない）。この範囲にあるために
はＲ／Ｒ₀の値は３以下であることが必要であること
が、ＦＥＭ解析から判明している。このため、動翼第１
フック４部のネック部５とロータシャフトとの接触部７
の間に設けるネックコーナー部６の曲率半径Ｒは、ロー
タシャフトあご部の曲率半径Ｒ₀の３倍以下にするのが
よい。

【００３０】さらに図７に示すように、接触端８に隣接
して、ロータシャフト２との接触面と離れる反対向きの
コーナー部12を設けてもよい。このようにすると接触端
８をネックコーナー部６の応力集中部から外すことがで
きる。ここで、動翼および翼植込部の材質は、チタン合
金またはスチールとするのがよい。そうすると上記のＦ
ＥＭによる検討がよく当てはまる。

【００３１】また、動翼有効部の長さは10インチ〜60イ
ンチとするのがよい。この範囲外では上記のＦＥＭによ
る検討結果がよく当てはまらなくなる。ここまでは、翼
植込部３の断面形状に着目してきたが、実際には翼植込
部３は３次元形状を持つ。このため３次元的な応力分
布、すなわち、軸方向の応力分布にも着目し、これを均
一化すると植込部の強度増加に有効である。

【００３２】すなわち、図８（ａ）にモデル的に示すよ
うに、動翼とロータシャフトとの嵌合部の接触は押付け
片13とベース14の接触と考えることができる。一様な形
状においては、押付け片13とベース14の剛性の差や、押
付け荷重ＰＦの分布の差から接触面圧ＳＰは（ｂ）のよ
うに不均一な分布となる。この不均一な面圧分布を、
（ｃ）のように面圧が高い部分に低剛性部15を設けるこ
とによって低減し、全体的なフレッティング疲労に対す
る強度を上げることができる。接触剛性を低下させるに
は、押付け片13とベース14のあいだの隙間や硬さを変え
たりすることが有効である。

【００３３】タービンロータの翼植込部がロータ軸方向
に直線的な形状を有する場合には、図８（ｂ）に示すよ
うに、両端で接触面圧ＳＰが高くなるため、図８（ｃ）
に示すように、両端に低剛性部15を設けるのがよい。す
なわち、図９（ａ）または（ｂ）に示すように、接触面
圧ＳＰが高くなる両端部においてロータフック16、また
は動翼フック17の端部に傾斜部18を設け、ギャップ19を
作る。これにより、両端部の接触剛性が低下するため、
面圧分布が均一化し、タービンロータの翼植込部のフレ
ッティング疲労強度が増大する。

【００３４】また、図10（ａ）に示すように、翼植込部
の直線からなるフックにおいて高面圧部20となる部分
は、荷重が多く働いていると考えられる。そこで、図10
（ｂ）に示すように、高面圧部のフック長さＬ１を中央
部のフック長さＬ２と比べて長くすることによって、局
所的に面圧の均一化を図る。

【００３５】次に、ロータシャフトの軸方向に曲線の翼
植込部を有する図11（ａ）のようなカーブドエントリー
型のタービンロータにおいては、直線の翼植込部を持つ
タービンロータと違い、図11（ｂ）に示すように翼植込
部のロータ軸方向の中央部にて接触面圧ＳＰが最大とな
る。そこで、接触剛性を低くしたフック部を、ロータシ
ャフトまたは動翼植込部に設けることにより、面圧分布
を最適化する。

【００３６】図12（ａ）に示すように、翼植込部の高面
圧部となるロータシャフト軸方向の中央部に、ロータシ
ャフトと動翼の第１フック間のギャップを大きくした後
退部21をロータフック１６に設ける。あるいはまた図12
（ｂ）に示すように、翼植込部の高面圧部となるロータ
シャフト軸方向の中央部に、ロータシャフトと動翼の第
１フック間のギャップを大きくした後退部21を動翼フッ
ク17に設ける。これにより、ロータフック16と動翼フッ
ク17の中央部の接触剛性が低下し、面圧が均一化する。

【００３７】また、図13に示すように、高面圧となる翼
植込部のロータシャフト軸方向の中央部のフック長さＬ
２を端部のフック長さＬ１と比べて長くすることで、接
触面圧の均一化を図ることができる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、ロータシャフトへの動
翼のクリスマスツリー形の植込部において、ネック部コ
ーナー部の静的な応力と接触端の動的な応力の重畳を低
減し、フレッティング疲労等価応力を小さくすることが
できるため、翼植込部のフレッティング疲労に対する信
頼性の高いタービンロータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態のタービンロータを
示し、（ａ）は要部断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ部拡大
図。

【図２】上記第１の実施の形態の作用を説明する図。

【図３】上記第１の実施の形態の第１の実施例を示す
図。

【図４】上記第１の実施の形態の第２の実施例を示す
図。

【図５】上記第１の実施の形態の第３の実施例を示す
図。

【図６】上記第１〜第３の実施例の作用を説明する図。

【図７】上記第１の実施の形態の第４の実施例を示す
図。

【図８】本発明の第２の実施の形態の原理を説明する
図。

【図９】上記第２の実施の形態の第１の実施例を示す
図。

【図１０】上記第２の実施の形態の第２の実施例を示す
図。

【図１１】本発明の第３の実施の形態を説明する図。

【図１２】上記第３の実施の形態の第１の実施例を示す
図。

【図１３】上記第３の実施の形態の第２の実施例を示す
図。

【図１４】従来のタービンロータの動翼植込部構造を示
す図。

【符号の説明】

１…動翼、２…ロータシャフト、３…翼植込部、４…フ
ック、５…ネック部、６…ネックコーナー部、７…接触
部、８…接触端、９…繰返し負荷、10…き裂、11…直線
部、12…反対向きコーナー部、13…押付け片、14…ベー
ス、15…低剛性部、16…ロータフック、17…動翼フッ
ク、18…傾斜部、19…ギャップ、20…高面圧部、21…後
退部、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…ネックコーナー部強度曲線、
ＣＦ…遠心力、Ｌ１…端部フック長さ、Ｌ２…中央部フ
ック長さ、ＬＭ…限界点、ＯＰＲ…適正範囲、ＯＰＳ，
ＯＰＳ１，ＯＰＳ２…最適解、ＰＦ…押付け荷重、Ｒ₁
…ネックコーナー部曲率半径、Ｒ₂…ロータシャフト側
曲率半径、Ｒ₃…コーナーＡの曲率半径、Ｒ₄…コーナー
Ｂの曲率半径、ＳＰ…接触面圧、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３…接
触端部強度曲線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村上格神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内Ｆターム(参考） 3G002 FA04 FB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータシャフトとこのロータシャフトの
外周に円周方向に沿って取付けられた動翼とを備え、前
記ロータシャフトと前記動翼の結合が、動翼の翼植込部
に設けられロータシャフト中心へ向って張出しが小さく
なるように配列された複数のフックによる凹凸嵌合によ
って行われているタービンロータにおいて、前記翼植込
部のネック部の応力集中部と前記ロータシャフトの表面
に最も近い第１フック上ロータシャフトとの接触端の位
置をずらし、そのずらし距離を0.2mmないし2.0mmとした
ことを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】翼植込部ネック部のコーナー曲率半径を
ロータシャフトの端部コーナー曲率半径より大きくした
ことを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項３】翼植込部ネック部のコーナー曲率半径を
ロータシャフトの端部コーナー曲率半径の３倍以下とし
たことを特徴とする請求項２記載のタービンロータ。
【請求項４】翼植込部ネック部とロータシャフトとの
接触部の間に曲率半径の異なる複数のコーナー部を設
け、接触部に最も近いコーナー部の曲率半径を他のコー
ナー部の曲率半径より大きくしたことを特徴とする請求
項１記載のタービンロータ。
【請求項５】翼植込部ネック部の接触部に最も近いコ
ーナー曲率半径をロータシャフトの端部コーナー曲率半
径の３倍以下としたことを特徴とする請求項４記載のタ
ービンロータ。
【請求項６】翼植込部ネック部とロータシャフトとの
接触端部の間に直線部を設けたことを特徴とする請求項
１記載のタービンロータ。
【請求項７】翼植込部はロータシャフトの軸方向に沿
い、この翼植込部の両端部の接触剛性を低くするフック
部がロータシャフトまたは翼植込部に設けられているこ
とを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。