JP2005076638A - 蒸気タービンまたはガスタービンのロータ - Google Patents

Abstract

【課題】 僅かな費用で簡単に製造することのできる確実に作用する減衰部をタービンロータの動翼に備えることである。また、高回転数のタービン内に組付けられる動翼や、短い全長と小さな頂板部高さとを有する動翼にも応用可能でなければならない。
【解決手段】 蒸気タービンまたはガスタービンのロータが動翼を備えており、動翼は複数の半径方向列でロータ（６）内で保持され、かつ、それぞれ、ロータ（６）内に組付けられた翼根元（１）と翼幹部（２）と頂板部（３）とからなる。１つの動翼列の頂板部（３）の相向き合う傾斜面に開口凹部（５）が設けられている。２つの隣接する頂板部（３）の凹部（５）が、実質的に閉じた空洞を両方で形成し、この空洞がロータ（６）の半径方向で広がっている。各空洞内にピン（４）が自由に移動可能に挿入されており、このピンの最大横断面は空洞の最大横断面よりも小さいが、しかし空洞の最小横断面よりも大きい。
【選択図】 図５

Description

本発明は、動翼を備えた蒸気タービン又はガスタービンのロータであって、動翼が複数の半径方向列でロータ内に保持され、かつ、それぞれ、ロータ内に組み付けられた翼根元と、翼幹部と、頂板部とからなるロータに関するものである。

次に、本発明の蒸気タービンにおける適用に関連させて蒸気タービンの背景技術に関して説明するが、この説明はガスタービンについてもあてはまる。

蒸気タービンは主として、発電するための発電用タービンとして、また発電機、ポンプ、送風機および圧縮機を駆動するための工業用タービンとして利用される。蒸気タービンは回転する回転部を備えた熱機関であり、そのなかで、絶えず流れる蒸気のエンタルピー落差が単段または複数段で機械的仕事に変換される。
タービンの回転する回転部の翼配列は蒸気の熱関数を極力損失なしに速度エネルギーに変換し、その際に発生する力をタービンの軸およびケーシングに伝達しなければならない。蒸気は高圧室からノズルを通して低圧室に流入する。圧力差が大きければ大きいほど、達成される蒸気速度は一層速くなる。ノズルから流出後、蒸気は第１動翼段、いわゆる制御段の湾曲プロフィルに衝突する。引き続き固定静翼段において方向転換が起き、次に再び次の動翼段内を流れる。この過程はタービンの型式および寸法に応じて数回繰り返される。動翼および静翼のプロフィル長さは流れ方向で増加する。これにより貫流室が拡大し、その結果、蒸気の圧力と温度が低下することになる。大型タービンは高圧部と中圧部と低圧部とに区分されている。

各翼のプロフィルは流体工学・強度・振動工学的要求と経済的要求との間の妥協の産物である。翼プロフィルは、大抵幾何学的に段階付けられた弦長を備えている。タービン内の翼は多面的に応力および荷重を受ける。長い運転時間を保証しかつ破損事態を避けるために、翼は相応に確実に造形し設計しなければならない。動翼は、例えば、発生する遠心力と伝達されるべきトルクに基づく曲げとによって荷重を吸収するために十分な強度を有しなければならない。他の荷重要因は最大５３０℃までの入口温度と、低圧領域では蒸気水分によってプロフィル入口側に現れる侵食腐食である。
遠心力、温度および侵食腐食による応力を補足して、動翼の振動応力がなお加わる。動翼は、作用する別の力と合わせて、流れる蒸気によって振動を励起される。振動応力は長期的には翼材料の組織変化を生じる。まず、表面近傍領域に超顕微鏡的寸法の亀裂が生じ、時間の経過につれてこれが統合する。亀裂統合の破損段階後、結局技術的亀裂が形成され、これは最大主法線応力に垂直に走り、亀裂先端に顕著な過剰応力を引き起こす。亀裂が検知されずまたは翼が取り替えられないと、この過程の最後に疲労破壊が生じる。素材工学の点で振動応力による破損は最も頻繁な破損原因に属す。というのも、一方で実際の応力群が未知でなく、他方で素材技術的影響要因の数が多いので完結した理論を打ち立てることができないからである。

蒸気タービン動翼の振動を減衰させるために、なかんずく、以下の解決策が応用される。タービン低圧領域の最終段翼が比較的大きい場合、穴のなかでプロフィル領域内を回転するワイヤが振動を減衰させる。動翼が僅かな周速度で負荷されるだけの場合、頂帯はリベットピンによって、タービンロータに組付けられた翼のプロフィル末端にセグメントごとにリベット止めされる。このやり方は比較的古いタービンにしばしば応用された。周速度の大きい今日のタービンではリベット継手の強度が十分でない。ここではリベット式実施は問題にならない。
タービンの高圧・中圧領域では今日ほとんど専ら、良好な強度特性と高い効率とを結び付ける頂板部を有する動翼が使用される。この場合には、翼とこれに付属するシュラウド（頂板部）が１つのユニットを形成する。個々の動翼の頂板部はそれをタービン翼車内に組付け後、輪を形成する。そこでは個々の翼の間の接触面で振動減衰が行われる。リベット継手の強度が小さいという欠点はこうして避けられる。
しかし頂板部を備えた動翼の実施は以下の弱点を有する。例えば１００の動翼を有する１つの段において各動翼に異なる公差が存在するので、動翼を互いに遊隙なしに組付けることは実務において必ずしも可能でない。他の理由は、タービンの運転状態のとき個々の各動翼に作用する遠心力が大きいことである。遠心力のゆえに翼は多少外側にずれることになる。各動翼がその根元面および頂板部面とでくさびを形成するので、外方への翼の前記ずれ運動によって個々の動翼の間で頂板部面に隙間が形成されることになる。隙間が形成される結果、振動はもはや希望するようには減衰されない。

動翼の頂板部の間に隙間が形成することによる前記欠点を防止するためには、幾つかの公知解決策が利用可能である。
タービンのロータ内に動翼を組付け後、頂板部の両方の平坦面に各１つの平坦溝が旋削され、次にこの溝内に回転ワイヤが挿入される。ワイヤによって翼は互いに結合されており、振動が減衰される。この解決策では欠点として、ワイヤを組付けることができるのに十分な頂板部高さを用意しなければならない。大きな頂板部の重量は、強度計算時に考慮しなければならない諸結果のゆえに、可能なタービン回転数の低下をもたらす。
他の解決策では、翼根元に対して僅かな角度変位で頂板部が製造される。タービンロータ内に頂板部を組付け後、動翼は一定の捩り応力を受けており、これが隙間の形成を補償し、またそのことによって振動減衰を保証する。しかしこの解決策は製造技術的に高価であり、設計するのが困難である。
さらに動翼はその応用のために一定の最低長さを有して、そもそも捩り応力を生成できるようにしなければならない。長期的にはこの応力は接触面の摩耗と材料疲労とによって減退する。その場合、振動減衰はもはや起きない。

本発明の課題は、僅かな費用で簡単に製造することのできる確実に作用する減衰部を前記タービンロータの動翼に備えることである。本発明は、高回転数のタービン内に組付けられる動翼や、短い全長と小さな頂板部高さとを有する動翼にも応用可能とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るロータは、動翼を備えた蒸気タービンまたはガスタービンのロータであって、動翼が複数の半径方向列でロータ内で保持されかつそれぞれ、ロータ内に組付けられた翼根元と翼幹部と頂板部とからなるものにおいて、１つの動翼列の頂板部の相向き合う傾斜面に開口凹部が設けられており、２つの隣接する頂板部の凹部が実質的に閉じた空洞を両方で形成し、この空洞がロータの半径方向で広がっており、各空洞内にピンが自由に移動可能に挿入されており、このピンの最大横断面が空洞の最大横断面よりも小さくかつ空洞の最小横断面よりも大きいことを特徴とするものである。

また、本発明に係るロータは、請求項１に記載のものにおいて、空洞がロータの半径方向でまず最大横断面に広がり、次に再び狭まっていることを特徴とする。

また、本発明に係るロータは、請求項１に記載のものにおいて、２つの凹部で形成される空洞が滴形状に構成されていることを特徴とする。

さらに、本発明に係るロータは、請求項１に記載のものにおいて、２つの隣接する頂板部の凹部が互いに鏡像対称に構成されていることを特徴とする。

さらにまた、本発明に係るロータは、請求項１に記載のものにおいて、２つの隣接する頂板部の凹部が互いに非対称に構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係るロータは、請求項１〜５のいずれか１項に記載のものにおいて、ピンの形状が空洞の形状に適合されていることを特徴とする。

そしてまた、本発明に係るロータは、請求項１〜５のいずれか１項に記載のものにおいて、ピンが円筒状であることを特徴とする。

また、本発明に係るロータは、請求項１〜７のいずれか１項に記載のものにおいて、空洞の凹部の内面が互いに形成するくさび角は空洞内でピンのセルフロックが現れることになる角度よりも大きいことを特徴とするものである。

本発明では、頂板部の両方の傾斜面に各１つの開口凹部が設けられる。動翼を組付けると、頂板部接触面の各２つの凹部が、実質的に全方向で閉じられた空洞を形成し、この空洞が滴もしくは洋梨の形状を有する。ロータに動翼を組付けるとき各空洞内にピンが挿入され、このピンはその形状およびその寸法が空洞に適合されている。ピンは円筒形状とすることができ、または凹部と同様に異形化形状とすることもできる。重要なのは、ピンの横断面および長さが自由に空洞に適合することである。つまり、動翼の組付け時に動翼の分割面が当接するように、ピンは全方向で隙間を有しなければならない。
タービンの運転状態のとき遊合ピンが空洞内で遠心力によって外方に押し付けられる。こうしてピンは、頂板部面の間に場合によって存在する隙間の寸法にかかわりなく、動翼の間に結合を生じる。動翼とピンとの間の接触面によって、動翼段の内部で振動は減衰される。空洞内のくさび角はピン用セルフロックの外側になければならない。空洞内の両方の正面とピンの正面は、ピンが挟まって動かなくなることのないように互いに調整されていなければならない。
動翼とピンとの材料対偶は、摩耗が少ないことを基準に選択される。

本発明は以下の利点を有する。各ピンは一層均一な押付け力で、熱膨張と遠心力とによって動翼の間に発生する隙間に個々に適合される。停止時、段は自由に弛緩できる。本発明の作用態様は組付けられた動翼段の運転期間全体にわたって確実に維持される。製造は簡単であり、僅かな費用で実施することができる。

以下、本発明の実施態様につき、その実施例を示した図面を参照して詳細に説明する。

主にタービンの高圧部または中圧部において利用される動翼は、円錐形状を有し、かつ図示例の場合、差込み根元として構成される翼根元１と、流線形の翼幹部２と、翼幹部２のプロフィル末端に配置される頂板部３とからなり、この頂板部はその両方の分割面が、両方の傾斜根元面と同じ半径方向平面にある。翼根元１および頂板部３の横断面が図３に長方形として図示されている。しかし、本発明は偏菱形の横断面を有する動翼にも同様に応用可能である。
翼根元１は、タービンロータ６の適合した周方向溝に半径方向で嵌挿され、図４の図示例では、各２つの円錐ピン７によってロータ６内で保持されている。翼根元１の形状は、図示から離れて、例えば単Ｔまたは複Ｔ頭部として構成しておくこともできる。１列に配置される動翼の翼根元１と頂板部３は、図５の組付け状態のとき、互いに密に隣り合い、僅かな幅の隙間Ａが生じる（図９）。

２つの隣接する動翼の頂板部３の相向き合う傾斜面には、エンドミル８を利用してフライス加工によって開口凹部５が形成され、この凹部５は、その中央領域において頂板部の左右方向に延びている。フライスの直径に応じて頂板部３の傾斜面に異なる異形化が得られる。エンドミル８とその動作方式が図７に示唆されている。
２つの隣接する頂板部３の凹部５は、図示例の場合、互いに鏡像対称に構成されており、実質的に閉じた空洞を両方で形成する。しかし、両方の隣接する凹部５が図示とは異なった非対称な空洞を形成する場合にも本発明の機能は維持される。非対称性は凹部５の高さおよび深さの製造公差によって生成することができる。しかし、両方の隣接する凹部５に異なるくさび角を選択することもできる。最後の動翼（最終翼）を段に組付けるには、隣接翼の両方の挿入されたピン４との衝突を避けるために両方の凹部をこの翼の翼プロフィル側に向かって開口構成しなければならないことが必要となることがある。これによっても非対称な空洞が生じる。
凹部５によって形成される空洞はロータ６の半径方向でくさび状に先細となっている。図１１と図１２に認めることができるように、空洞は滴状に構成されており、空洞の横断面はまず最大横断面に広がり、次に再びくさび状に交わる。
凹部５によって形成される空洞内にピン４が自由に移動可能に挿入されており、ピンの最大横断面は空洞の最大横断面よりも小さいが、しかし空洞の最小横断面よりも大きい。ピン４は、縦方向において空洞内で意図することなく挟まって動かなくなるのを避けるために両方の末端が面取りされている。ピンの形状は円筒形（図１２）とし、または異形化（図１１）し、凹部５の形状に適合させておくことができる。

図８と図９に本発明の機能が図示されている。機械停止時（図８）、空洞内でのピン４の位置は重力によって決まり、ピン４は空洞の底にある。運転状態のとき（図９）、空洞内のすべてのピン４はピン４に作用する遠心力によって外方に押し付けられる。２つの隣接する動翼の頂板部３の間にある隙間Ａはピン４によって橋絡され、動翼の振動は頂板部３とピン４との間の接触面または摩擦面によって減衰される。

図１０には、くさび角αに依存した遠心力［Ｆｚ］による力分布が示してある。比較的小さなくさび角が法線力［Ｆｎ］および周方向力［Ｆｕ］を高めることになる。

空洞の高さは、凹部５が相互に形成するくさび角によって決まる。図１２に示してある凹部５では両方のくさび面が互いに９０°よりも小さく配置されている。凹部の高さがこれによって最小となる。この実施形態は頂板部の高さが小さい場合に利用することができる。

上述した如く、本発明に係るロータは、動翼を備えた蒸気タービンまたはガスタービンのロータであって、動翼が複数の半径方向列でロータ内で保持されかつそれぞれ、ロータ内に組付けられた翼根元と翼幹部と頂板部とからなるものにおいて、１つの動翼列の頂板部の相向き合う傾斜面に開口凹部が設けられており、２つの隣接する頂板部の凹部が実質的に閉じた空洞を両方で形成し、この空洞がロータの半径方向で広がっており、各空洞内にピンが自由に移動可能に挿入されており、このピンの最大横断面が空洞の最大横断面よりも小さくかつ空洞の最小横断面よりも大きいことを特徴とするものであって、上記の如き課題を解決し得るものであるから、産業上の利用可能性を格段と高めることが可能となる。

動翼の正面図である。 図１の側面図である。 図１の平面図である。 ロータに組付けられた動翼の図５の軸線方向ＩＶ‐ＩＶ断面図である。 図４の半径方向Ｖ‐Ｖ断面図である。 ピンを挿入した頂板部の凹部の拡大正面図である。 エンドミルを示唆した図６のＶＩＩ‐ＶＩＩ断面図である。 タービン停止時における図５の細部Ｘの拡大図である。 タービン運転状態における図５の細部Ｘの拡大図である。 ピンの遠心力に関する力の三角形を示す。 異形化ピンの例を示す。 最小の頂板部高さ用に高さを最小にされた凹部の特殊例を示す。

符号の説明

１ 翼根元
２ 翼幹部
３ 頂板部
４ ピン
５ 凹部
６ ロータ

Claims (8)

1. 動翼を備えた蒸気タービンまたはガスタービンのロータであって、動翼が複数の半径方向列でロータ（６）内で保持されかつそれぞれ、ロータ（６）内に組付けられた翼根元（１）と翼幹部（２）と頂板部（３）とからなるものにおいて、１つの動翼列の頂板部（３）の相向き合う傾斜面に開口凹部（５）が設けられており、２つの隣接する頂板部（３）の凹部（５）が実質的に閉じた空洞を両方で形成し、この空洞がロータ（６）の半径方向で広がっており、各空洞内にピン（４）が自由に移動可能に挿入されており、このピンの最大横断面が空洞の最大横断面よりも小さくかつ空洞の最小横断面よりも大きいことを特徴とするロータ。
2. 空洞がロータ（６）の半径方向でまず最大横断面に広がり、次に再び狭まっていることを特徴とする請求項１記載のロータ。
3. ２つの凹部（５）で形成される空洞が滴形状に構成されていることを特徴とする請求項１記載のロータ。
4. ２つの隣接する頂板部（３）の凹部（５）が互いに鏡像対称に構成されていることを特徴とする請求項１記載のロータ。
5. ２つの隣接する頂板部（３）の凹部（５）が互いに非対称に構成されていることを特徴とする請求項１記載のロータ。
6. ピン（４）の形状が空洞の形状に適合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のロータ
7. ピン（４）が円筒状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のロータ。
8. 空洞の凹部（５）の内面が互いに形成するくさび角は空洞内でピン（４）のセルフロックが現れることになる角度よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載のロータ。
   
   

Images