JP2004108290A - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】止め翼とその隣接動翼の間に挿入固定する止めキーの抜け出し損傷を防止し、蒸気タービンを安全に運転できるようにしたタービン動翼を提供することである。
【解決手段】群翼構造を形成する止め翼１５およびその両隣接動翼２０、２１における翼間の境界部に挿入配置される止めキー１６〜１９の直径の太さを、蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成する。これにより、止めキー１６が第１段動翼の上流側へ抜け出すことを防止する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンの高圧初段落におけるタービン動翼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、蒸気タービンの高圧初段落（第１段落）は、蒸気の圧力温度が他の段落よりも高く、負荷変化率に伴う圧力差の変化も大きいので、苛酷な運転条件に耐え得るノズルボックスとアウトサイド植込部形動翼とを組合わせた構造が採用されている。このノズルボックスとアウトサイド植込部形動翼とを組合わせた構造による蒸気タービンは、図４に示すように構成されている。
【０００３】
図４は、ノズルボックスとアウトサイド植込部形動翼とを組合わせた蒸気タービンの高圧初段落（第１段）廻りの縦断面図である。図示省略のボイラで発生した高温高圧蒸気は、入口管１を経て、入口と出口以外は密閉された容器状のノズルボックス２内の蒸気室３に流入する。そして、ノズルボックス２の出口であるノズル口４の第１段ノズル５で加速されて第１段動翼６に流出され、第１段動翼６が蒸気の速度エネルギーを有効に吸収してロータ７を駆動する。
【０００４】
図５は、ノズルボックス２の蒸気室を示す横断面概略図である。図５に示すように、ノズルボックス２は、４つの蒸気室３ａ〜３ｄを備え、蒸気は、まず第１蒸気室３ａに流入し、第１段ノズル５で加速されて第１段動翼６に流出される。タービン負荷が大きくなると蒸気は、第２蒸気室３ｂ、第３蒸気室３ｃ、第４蒸気室３ｄに順次流入し、各々の蒸気室から同様に第１段ノズル５を経て第１段動翼６に流出されるようになっている。
【０００５】
この場合、第１段動翼６には遠心力が作用するので、ロータ７に第１段動翼６を固定保持するためにアウトサイド型植込部８を有する構造となっており、また、第１段動翼６には第１段ノズル５を流出した高温高圧の蒸気が作用するので、通常、翼間ピッチを保持するために翼先端にシュラウドが取り付けられた、いわゆる群翼構造になっている。
【０００６】
図６は第１段動翼６にアウトサイド型植込部８を用いた動翼構造の断面図である。アウトサイド型植込部８の外方の羽根有効部９の先端にインテグラルカバー１０を翼と一体的に削り出し、このインテグラルカバー１０の外表面にテノン１１を突設し、このテノン１１に薄板状のシュラウド１２を装着してテノン１１をかしめることによりインテグラルカバー１０とシュラウド１２とが接合した群翼構造１３が得られる。
【０００７】
図７は、第１段動翼６とシュラウド１２の組立て状態の鳥瞰図であり、図８は第１段動翼６のロータ７への組み込みと止めキー１６、１７、１８、１９の固定方法を説明する鳥瞰図である。図８では、第１段動翼６や止め翼１５を４本の止めキー１６、１７、１８、１９で固定しコーキング２６するまでの状態を鳥瞰図で示したものである。
【０００８】
ロータ７にはアウトサイド型植込部８を有する第１段動翼６が組み込めるように切り欠き溝１４があり、この切り欠き溝１４より、第１段動翼６は一つ一つ周方向にスライドさせ、アウトサイド型植込部８に係合させて組み込められるようになっている。順次、組み込まれて行く第１段動翼６の最後は、ロータ７の切り欠き溝１４に嵌合する形状した止め翼１５が組み込まれる。そして、４本の止めキー１６、１７、１８、１９が止め翼１５の両隣接動翼２０、２１との境界部２２、２３、２４、２５に軸方向に挿入固定されることによって、止め翼１５に作用する遠心力に対して、ロータ７からの固定保持がなされるようになっている。止めキー１６、１７、１８、１９は、動翼の入口側と出口側を２箇所ずつコーキング２６して、抜け出し防止を計っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年のタービンの大容量化によって、第１段動翼６には止め翼１５の固定保持のために重要な働きをする止めキー１６、１７、１８、１９が抜け出し損傷するという現象が生じることが明らかになってきた。以下、この抜け出し損傷原因について説明する。
【００１０】
図９は負荷と第１段動翼に作用する蒸気力との関係を示す特性図である。第１段動翼６に作用する蒸気力を負荷毎に示したもので、ノズルボックス２の第１蒸気室３ａに蒸気を流入させる蒸気加減弁（図示せず）の第１弁開時２７の蒸気力が最も大きくなり、第２蒸気室３ｂに蒸気を流入させる第２弁開時２８、上記第３蒸気室３ｃに蒸気を流入させる第３弁開時２９、第４蒸気室３ｄに蒸気を流入させる第４弁開時３０と順次負荷が増加するにつれて動翼に作用する蒸気力が小さくなる。この蒸気力ＰＵ（ｋｇ）は、下記の（１）式で示される。
【００１１】
ＰＵ＝Ｋ・（ＫＷ／Ｄ・ｎ・θ・Ｎ）　…（１）
ここで、Ｋは出力換算係数、ＫＷは段落出力、Ｄは動翼のピッチ径、ｎは動翼枚数、θはノズル開度角、Ｎはロータ回転数である。出力換算係数Ｋ、動翼のピッチ径Ｄ、動翼枚数ｎ、ロータ回転数Ｎは負荷にかかわらず一定となるものである。従って、（１）式より蒸気力ＰＵは段落出力ＫＷとノズル開度角θの影響を受けることがわかり、また段落出力ＫＷはそれほど変化しないことがわかっているので、ノズル開度角θが９０°と一番小さい第１弁開時２７の蒸気力が最大となる。この状態で長時間タービンの運転を行なうと強度的には厳しい条件となる。
【００１２】
また、図１０は部分負荷時、例えば第１弁開時２７における第１段ノズル５と第１段動翼６内の蒸気流れを示したものである。第１段動翼６には、第１段ノズル５の蒸気流路を通過した蒸気の蒸気力ＰＵが動翼の回転により間欠的に作用するので、その結果、第１段動翼６は振動を発生し、その振幅の大きさは図示のように蒸気力ＰＵによる曲げ力のＱ＝ＹＤＹ／ＹＳＴ倍にも達する。
【００１３】
また、タービンの段落の蒸気状態を示す設計パラメータに反動度があるが、第１段落の反動度は、図１１に示すように、負荷によって変化し、第４弁開時３０における反動度は正となっているが、順次各弁を閉じるにしたがって反動度は負方向に変化していく。すなわち、第１弁開時２７においては、反動度は負となっている。
【００１４】
このように、蒸気力ＰＵが厳しい条件下でタービンの運転を行うと、第１段動翼６には蒸気力ＰＵによる曲げ力が間欠的にかつ変動して作用する。
【００１５】
図１２は動翼に作用する蒸気力による曲げ力の分布状態を示す特性図であり、図１２の矢印で示すように、各々の動翼には曲げ力が発生するので、止め翼１５やその両隣接動翼２０、２１の境界部２２、２３、２４、２５に挿入固定されている止めキー１６、１７、１８、１９は、その固定が緩みがちになる。特に、止め翼１５を含む第１段動翼６を群翼を構成するシュラウド１２の切れ目となる境界部２２を挟む動翼２０は蒸気力ＰＵの間欠的でかつ変動する作用力によって、相互の曲げによる動きが隣接と同一でなくなるので、止めキー１６は固定が緩む傾向が大きくなる。
【００１６】
さらに、第１弁開時２７における第１段落の反動度は負となり、第１段動翼６を通過する蒸気流れは整流されたものでなくなり、第１段動翼６の入口圧力と出口圧力は前後圧力差が逆転した圧力場となる。この圧力差も作用して、前述の固定が緩み傾向となった止めキー１６は、第１段動翼６の上流側へ抜け出そうとする。
【００１７】
そして、さらに蒸気タービンの総運転時間が長くなると、第１段ノズル５の出口端が侵食等を受けて蒸気通路面積が設計値から変化し、第１段落の蒸気力ＰＵが増大して上記曲げ応力が大きくなる傾向があり、また第１段ノズル５の出口端の侵食は必ずしもノズル口全周均等に生じるわけではないので、図１２に示す曲げ力は、第１段ノズル５の出口端が侵食等を受けていない状態よりもさらに、間欠的に変動して作用する。従って、止め翼１５とその両隣接動翼２０、２１の境界部２２、２３、２４、２５に挿入固定されている止めキー１６、１７、１８、１９は、なお一層、緩みがちになる。
【００１８】
以上のような状況で作用力が重畳すると、群翼を構成するシュラウド１２の切れ目となる境界部２２を挟む動翼２０によって固定されていた止めキー１６は、緩みが増大し、結局、第１段動翼６の上流側へ抜け出し損傷を発生するという問題が生じる。
【００１９】
そこで、本発明は、上述の従来技術が有する課題を解消し、止め翼とその隣接動翼の間に挿入固定する止めキーの抜け出し損傷を防止し、蒸気タービンを安全に運転できるようにしたタービン動翼を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係るタービン動翼は、蒸気タービンの高圧初段落に設けられ、ロータの周方向に翼列をなすように配置された動翼の頂部をシュラウドにて綴り群翼構造を形成したタービン動翼において、前記群翼構造を形成する止め翼およびその両隣接動翼における翼間の境界部に挿入配置される止めキーの直径の太さを、蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成したことを特徴とする。
【００２１】
請求項１の発明に係るタービン動翼においては、群翼構造を形成する止め翼１５およびその両隣接動翼２０、２１における翼間の境界部に挿入配置される止めキー１６〜１９の直径の太さを、蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成する。これにより、止めキー１６が第１段動翼の上流側へ抜け出すことを防止する。
【００２２】
請求項２の発明に係るタービン動翼は、蒸気タービンの高圧初段落に設けられ、ロータの周方向に翼列をなすように配置された動翼の頂部をシュラウドにて綴り群翼構造を形成したタービン動翼において、前記シュラウドの切れ目に位置する動翼における翼間の境界部に挿入配置される止めキーの直径の太さは、蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成し、それ以外の動翼における翼間の境界部に挿入配置される止めキーの直径の太さは、蒸気の入口側および出口側共に同一太さで形成したことを特徴とする。
【００２３】
請求項２の発明に係るタービン動翼においては、シュラウドの切れ目に位置する動翼における翼間の境界部に挿入配置される止めキーの直径の太さは、蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成し、それ以外の動翼における翼間の境界部に挿入配置される止めキーの直径の太さは、蒸気の入口側および出口側共に同一太さで形成する。これにより、固定が緩む傾向が大きいシュラウドの切れ目となる境界部の止めキーの第１段動翼の上流側へ抜け出すことを防止する。
【００２４】
請求項３の発明に係るタービン動翼は、請求項１または請求項２の発明において、蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成した止めキーは、径の途中に段差を有することを特徴とする。
【００２５】
請求項３の発明に係るタービン動翼においては、請求項１または請求項２の発明の作用に加え、径の途中に設けた段差により、第１段動翼の上流側へ抜け出すことを防止する。
【００２６】
請求項４の発明に係るタービン動翼は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明において、前記動翼における翼間の境界部に挿入配置された止めキーの周囲に、複数箇所のコーキングを施したことを特徴とする。
【００２７】
請求項４の発明に係るタービン動翼においては、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明の作用に加え、複数箇所のコーキングにより、止めキーの固定をより確実なものとする。
【００２８】
請求項５の発明に係るタービン動翼は、請求項４の発明において、前記シュラウドの切れ目に位置する動翼における翼間の境界部に挿入配置された止めキーのコーキング数は、それ以外の止めキーのコーキング数より多くしたことを特徴とする。
【００２９】
請求項５の発明に係るタービン動翼においては、請求項４の発明の作用に加え、シュラウドの切れ目に位置する動翼における翼間の境界部に挿入配置された止めキーの固定をより確実なものとする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るタービン動翼の正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線での断面図および止めキー１６の斜視図である。図４乃至図１２に示した従来例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。
【００３１】
図１に示すように、第１段動翼６はロータ７の円周方向に複数枚配設されている。また、第１段動翼６を形成する各々の動翼は、蒸気タービンの第１段落の第１段ノズルと軸方向に所定間隔離れて設けられる。そして、各々の動翼の羽根有効部９の先端には、インテグラルカバー１０が一体的に削り出され、このインテグラルカバー１０の外表面にはテノン１１が突設されている。このテノン１１には動翼を数枚を一組として連結する薄板状のシュラウド１２が装着される。そして、テノン１１をかしめることによってシュラウド１２がインテグラルカバー１０の外周端部に固定され、第１段動翼６の群翼構造１３が形成される。
【００３２】
また、第１段動翼６には、ロータ７への組み立てのために１個の止め翼１５が含まれる。この止め翼１５に作用する遠心力に対して、止め翼１５を固定保持するために、止め翼１５およびその両隣接動翼２０、２１における動翼の翼間に、それぞれ止めキー１６、１７、１８、１９が挿入配置される。
【００３３】
止めキー１７、１８、１９の周囲には、４箇所ずつのコーキング３１がなされている。また、シュラウド１２の切れ目の動翼の境界部２２を挟む動翼２０との間に挿入される止めキー１６は、特に抜け出しが発生し易い傾向があるので、止めキー１６の周囲には、８箇所ずつのコーキング３２がなされている。これにより、シュラウド１２の切れ目の動翼の境界部２２を挟む動翼２０に挿入される止めキー１６の抜け出しをより確実に防止している。なお、コーキング数は４個または８個に限ることなく複数箇所であればよい。また、シュラウド１２の切れ目の動翼に挿入される止めキー１６と同じコーキング数であっても良い。
【００３４】
図２（ａ）は、図１におけるＡ−Ａ線での断面図であり、図２（ｂ）は止めキー１６の斜視図である。図２（ｂ）に示すように、止めキー１６は、その直径の太さが蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成されている。すなわち、蒸気の入口側と蒸気の出口側とで径が異なり、太径部１６ａと細径部１６ｂとから構成され、止めキー１６の径の途中に段差３３が形成されている。この段差３３により、止めキー１６が第１段動翼６の上流側へ抜け出さないようになっている。
【００３５】
前述したように、第１弁開時２７においては蒸気力ＰＵが最大となり、第１段動翼６へ作用する曲げ力は最大になるとともに変動力も最大となるが、このとき、第１弁開時２７においては負反動度となることから、第１段動翼６の入口圧力と出口圧力とは前後圧力差が逆転する。従って、止めキー１６には第１段動翼６の上流側に圧力差が作用することになるので、止めキー１６は蒸気の入口側よりも蒸気の出口側の径を太く形成している。これにより、止めキー１６が第１段動翼６の上流側へ抜け出す現象を防止できる。
【００３６】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るタービン動翼の断面図および止めキー１６の斜視図である。この第２の実施の形態は、図２に示した第１の実施の形態に対し、止めキー１６の太径部１６ａの長さを長くしたものである。図３（ｂ）に示すように、止めキー１６の径は、蒸気の入口側よりも蒸気の出口側の径が太く形成され、出口側の太径部１６ａが入口側の細径部１６ｂの部分よりも長く形成されている。このようにしても第１の実施の形態と同様な作用効果が得られる。この第２の実施の形態の場合には、図３（ａ）に示す第１段動翼６における止めキー１６の上部スペース３４の強度レベルがそれ程厳しくない動翼に用いるのが好ましい。
【００３７】
以上の説明では、止めキー１６の径に段差を設けるようにしたが、止めキー１６を円錐状に形成し、一方端から他方端に徐々に細くするように形成しても良い。この場合、他方端を尖らせる必要はない。また、シュラウド１２の切れ目に位置する動翼２０における翼間の境界部２２に挿入配置される止めキー１６について、その直径の太さを蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成する場合について説明したが、それ以外の動翼における翼間の境界部２３、２４、２５に挿入配置される止めキー１６の直径の太さについても同様に、蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成するようにしてもよいし、それ以外の動翼における翼間の境界部２３、２４、２５に挿入配置される止めキー１６の直径の太さは、蒸気の入口側および出口側共に同一太さで形成するようにしても良い。
【００３８】
また、以上の説明では大容量タービンについて説明したが、大容量タービンだけでなく中小容量タービンの第１段動翼にも適用可能である。図示は省略するが、中小容量タービンの第１段動翼には、インテグラルカバー１０が設けられない場合がある点で相違するが、その他は図１に示す構成と同一であり、止めキー１６、１７、１８、１９の構成も同一であるので、中小容量タービンにも適用可能である。さらに、タービン動翼が高圧第１段落のような部分噴射にてタービン出力調整する調速段落に適用する場合について説明したが、それ以外の部分で適用することも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、動翼に使用される止めキーを蒸気の入口側よりも蒸気の出口側の径が太くなるように形成したので、止めキーの抜け出しが防止できる。また、かつ止めキーの周囲に複数のコーキングを施したので、止めキーの緩みが抑制されより確実に固定できる。従って、動翼の止めキーの抜け出し損傷が防止でき、タービンを安全に運転することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るタービン動翼の正面図。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態における止めキー部分の説明図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線での断面図、図２（ｂ）は止めキーの斜視図。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態における止めキー部分の説明図であり、図３（ａ）は断面図、図２（ｂ）は止めキーの斜視図。
【図４】図４は、ノズルボックス構造とアウトサイド植込部形動翼を組合わせた蒸気タービンの高圧初段落（第１段）廻りの縦断面図。
【図５】図５は、ノズルボックスの蒸気室を示す横断面概略図。
【図６】図６は、従来例の第１段動翼の縦断面図。
【図７】図７は、第１段動翼の組み込み状態を示す鳥瞰図。
【図８】図８は、第１段動翼のロータへの組み込みと止めキーの固定方法を示す鳥瞰図。
【図９】図９は、負荷と第１段動翼に作用する蒸気力との関係を示す特性図。
【図１０】図１０は、蒸気力による第１段動翼の振動状態を示す説明図。
【図１１】図１１は、負荷と第１段落の反動度の関係を示す特性図。
【図１２】図１２は、動翼に作用する蒸気力による曲げ力の分布状態を示す説明図。
【符号の説明】
１…入口管、２…ノズルボックス、３…蒸気室、４…ノズル口、５…第１段ノズル、６…第１段動翼、７…ロータ、８…アウトサイド型植込部、９…羽根有効部、１０…インテグラルカバー、１１…テノン、１２…シュラウド、１３…群翼構造、１４…切り欠き溝、１５…止め翼、１６、１７、１８、１９…止めキー、２０、２１…隣接動翼、２２、２３、２４、２５…境界部、３３…段差、３４…上部スペース

Claims (5)

1. 蒸気タービンの高圧初段落に設けられ、ロータの周方向に翼列をなすように配置された動翼の頂部をシュラウドにて綴り群翼構造を形成したタービン動翼において、前記群翼構造を形成する止め翼およびその両隣接動翼における翼間の境界部に挿入配置される止めキーの直径の太さを、蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成したことを特徴とするタービン動翼。
2. 蒸気タービンの高圧初段落に設けられ、ロータの周方向に翼列をなすように配置された動翼の頂部をシュラウドにて綴り群翼構造を形成したタービン動翼において、前記シュラウドの切れ目に位置する動翼における翼間の境界部に挿入配置される止めキーの直径の太さは、蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成し、それ以外の動翼における翼間の境界部に挿入配置される止めキーの直径の太さは、蒸気の入口側および出口側共に同一太さで形成したことを特徴とするタービン動翼。
3. 蒸気の入口側に位置する径より出口側に位置する径の方が太くなるように形成した止めキーは、径の途中に段差を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載のタービン動翼。
4. 前記動翼における翼間の境界部に挿入配置された止めキーの周囲に、複数箇所のコーキングを施したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のタービン動翼。
5. 前記シュラウドの切れ目に位置する動翼における翼間の境界部に挿入配置された止めキーのコーキング数は、それ以外の止めキーのコーキング数より多くしたことを特徴とする請求項４記載のタービン動翼。

Images