JP2005127264A - 機械駆動用タービンの動翼群および機械駆動用タービン - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、広い使用回転数範囲で安定した振動特性を有する機械駆動用タービンの動翼群および機械駆動用タービンを提供することを目的とする。
【解決手段】 翼頂部に設けられたシュラウド３１と翼スパン３９に少なくとも１ヶ所設けられたスタブ４１，４３とを有する動翼２４を放射状に複数配置し、隣合う動翼２４のシュラウド３１同士およびスタブ４１，４３同士が接触することによって複数ヶ所連成して回転する機械駆動用タービンの動翼群において、停止時に隣合う動翼２４のスタブ４１，４３間に隙間が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機械駆動用タービンの動翼群および機械駆動用タービンに関するものである。

従来、圧縮機等を駆動する機械駆動用タービンには、大型のものがなく、動翼は一ヶ所の連成構造で十分な振動特性を得られていた。機械駆動用タービンは、使用回転数の範囲が広いが、剛性の低い翼頂部に連成構造を設ければ十分に対応できていた。
一方、発電用タービンは、大型のものが多く、翼長が２０インチ（＝５０８ｍｍ）を超える動翼では、例えば特許文献１に示すように練成構造を二ヶ所に設けたものが使われている。

特開平１１−５０８０４号公報（段落［０００２］及び図３〜図４）

ところで、最近、機械駆動用タービンにおいても大出力を求められて来た。そのため、機械駆動用タービンが大型になり、翼長が２０インチを超える動翼が検討されている。この動翼では、振動特性を考慮すると連成構造を二ヶ所に設けることが求められている。しかし、使用回転数が広い機械駆動用タービンでは、ねじり剛性が大きい翼中間部に連成構造を設けて、使用回転数の全範囲で安定した振動特性を得ることは、困難である。
一方、発電用タービンでは、特許文献１に示すように二ヶ所の連成構造を設けた動翼が多用されている。これは、タービンの使用回転数が定格回転数の１点のみであるので、実現できたものである。しかし、この発電用タービンの動翼を機械駆動用タービンに転用することは、機械駆動用タービンの広い使用回転数を考慮すると容易ではない。

本発明は、上記問題点に鑑み、広い使用回転数範囲で安定した振動特性を有する機械駆動用タービンの動翼群および機械駆動用タービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の機械駆動用タービンの動翼群では、翼頂部に設けられたシュラウドと翼スパンに少なくとも１ヶ所設けられたスタブとを有する動翼を放射状に複数配置し、隣合う動翼のシュラウド同士およびスタブ同士が接触することによって複数ヶ所連成して回転する機械駆動用タービンの動翼群において、停止時に隣合う動翼のスタブ間に隙間が設けられていることを特徴とする。

圧縮機、ポンプ、送風機等を駆動する機械駆動用タービンでは、負荷時に回転数を変える必要が多い。そのため、動翼群は、広い回転数範囲にて、安定した振動特性を有することを求められている。
動翼群は、回転に伴う遠心力により、ねじり戻りが発生する。このねじり戻りにより隣合う動翼のシュラウド間およびスタブ間が所定値以上の接触反力で接触することで、連成効果を発生する。なお、シュラウドの連成は、翼頂部でのねじり剛性が小さく変形量が大きいので、元々広い回転数範囲で連成させることができる。
停止時に隣合う動翼のスタブ間に隙間を持たせているので、隣合う動翼のスタブは、運転開始後回転数の増加に伴う遠心力の増加により序々に接近して、所定回転数に至りようやく当接する。回転数がさらに増加して隣合う動翼のスタブ間の接触反力が所要の大きさになると、スタブ間で連成され、動翼群は安定した振動特性を得ることになる。さらに、回転数が増加すると、隣合う動翼のスタブ間の接触反力は、ねじり剛性に比例して増加する。したがって、接触反力の大きさが動翼の強度に見合う大きさになる回転数までは、動翼を破壊させることなく連成を維持できるので、広い回転数範囲にて、安定した振動特性を有することができる。

また、本発明の機械駆動用タービンの動翼群では、翼頂部に設けられたシュラウドと翼スパンに少なくとも１ヶ所設けられたスタブとを有する動翼を放射状に複数配置し、隣合う動翼のシュラウド同士およびスタブ同士が接触することによって複数ヶ所連成して回転する機械駆動用タービンの動翼群において、隣合う動翼のシュラウド間と隣合う動翼のスタブ間の各接触反力が、機械駆動用タービンの使用回転数範囲の最高回転数時に、所定閾値以下であり、使用回転数範囲の最低回転数時に、連成に必要な大きさ以上となるように形状が決定されたことを特徴とする。

このように、隣合う動翼のシュラウド間と隣合う動翼のスタブ間の各接触反力が、機械駆動用タービンの使用回転数範囲の最高回転数時に、所定閾値以下であり、使用回転数範囲の最低回転数時に、連成に必要な大きさ以上となるように動翼の形状が決定されているので、動翼群は、使用回転数範囲でシュラウドとスタブとで連成が達成され、安定した振動特性を有することができる。
なお、所定閾値とは、例えば、接触反力により生じる応力が加わっても動翼の各部が破壊されない程度の接触反力の大きさである。通常は、安全度を勘案して、所定閾値は前記大きさから相当の余裕を見て決定される。

また、本発明の機械駆動用タービンは、請求項１または２に記載の動翼群を備えたことを特徴とする。

このように、広い回転数範囲で、安定した振動特性を有する動翼群を備えたので、機械駆動用タービンは、駆動するポンプ、送風機等の所要運転状況に応じた負荷変動に対応できる。

請求項１に記載の発明によれば、停止時に隣合う動翼のスタブ間に隙間を持たせているので、運転開始後、回転数が増加して隣合う動翼のスタブ間の接触反力が所要の大きさになると、スタブ間で連成され、動翼群は安定した振動特性を得ることになる。さらに、回転数が増加して、隣合う動翼のスタブ間の接触反力の大きさが動翼の強度に見合う大きさになる回転数までは、動翼を破壊させることなく連成を維持できるので、広い回転数範囲にて、安定した振動特性を有することができる。

請求項２に記載の発明によれば、隣合う動翼のシュラウド間と隣合う動翼のスタブ間の各接触反力が、機械駆動用タービンの使用回転数範囲の最高回転数時に、所定閾値以下であり、使用回転数範囲の最低回転数時に、連成に必要な大きさ以上となるように動翼の形状が決定されているので、動翼群は、使用回転数範囲でシュラウドとスタブとで連成が達成され、安定した振動特性を有することができる。

請求項３に記載の発明によれば、広い回転数範囲で、安定した振動特性を有する動翼群を備えたので、機械駆動用タービンは、駆動するポンプ、送風機等の所要運転状況に応じた負荷変動に対応できる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図１０を用いて説明する。
図７には、一実施形態にかかるコンプレッサーを駆動する蒸気タービン（機械駆動用タービン）１が示されている。蒸気タービン１は、蒸気タービン１に流入する蒸気の量と圧力を調整する調整弁３と、圧力を保持するケーシング５と、動力を発生する動力発生部７と、動力をコンプレッサー等の機械に伝達するロータ９とを主たる構成としている。

調整弁３は、ケーシング５の内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気が流入する調整弁室１１と、弁体１３と、弁座１５とを備えている。
弁座１５は、略円筒形状をし、その軸心はロータ９の軸心と直交している。弁座１５の内径は、ロータ９に向か方向に序々に拡大し、先端部は蒸気室１７に連通している。弁座１５の蒸気室１７に対して反対側端部の内面は内側に凸な曲率を持つ曲面１９を形成している。
弁体１３の下部形状は、球体の一部分を形成しており、弁座１５の曲面１９に接離可能に設けられている。弁体１３が、弁座１５から離れると蒸気流路が開き、弁座１５に接触すると蒸気流路が閉じられることになる。
調整弁３は、弁体１３の開け閉めにより蒸気流量を制御する。さらに、複数の調整弁３の開閉タイミングを調整して蒸気タービンの出力を制御する。

蒸気室１７は、調整弁３から流入する蒸気を動力発生部７に案内するものであり、略ドーナツ型形状をしている。蒸気室１７の蒸気流路は内側に向かって行くにしたがって狭くなり、かつロータ９の軸心と平行する向きに偏向する。

動力発生部７は、ケーシング５に固定されたノズル２１と、ロータ９に取り付けられた動翼２３，２４とを備えている。ノズル２１と動翼２３，２４との１組を段落といい、本実施形態では６段落備えている。動翼２４は、最終段（第六段落）に備えられた動翼である。
ノズル２１は、蒸気通路内で蒸気を膨張させて速度エネルギーを生み、流れの向きを変えて軸の回転方向の運動量を作る作用をする。動翼２３，２４は、ノズル２１で速度エネルギーに変換された蒸気のエネルギーを吸収して、ロータ９の回転エネルギーに変換する作用をする。

ノズル２１は、放射状に多数配置され、ケーシング５に強固に固定されたリング状の仕切板外輪２５と、リング状の仕切板内輪２７とで保持されている。仕切板内輪２７のロータ９側端部とロータ９との間には、蒸気漏れを防止するシール構造が設けられている。蒸気圧力の高い段落では、シール構造としてラビリンス構造を採用している。

動翼２３，２４は、放射状に多数配置され、ロータ９に突出して円筒状に設けられたディスク２９の外周部に強固に取り付けられている。これらの放射状に多数配置された動翼２３，２４が、段落毎に、動翼群を構成している。
動翼２３，２４の先端には、シュラウド３１が取り付けられている。動翼２３，２４の回転により、隣合う動翼２３，２４のシュラウド３１が接触することにより連成し、多数の動翼２３，２４が一体的に構成されるので、剛性が高くなり、振動に対する強度が増加する。また、シュラウド３１は、動翼２３，２４の先端からの蒸気漏れを減少する役目を有している。第一段落から第四段落までの動翼２３においては、仕切板外輪２５側のシュラウド３１に対向する位置に、フィンが取り付けられており、蒸気漏れを防止している。

ロータ９は、図示しない軸受により回転自在に支持されている。ロータ９は、動力発生部７で発生した動力をコンプレッサーに伝達する作用をする。ロータ９とケーシング５の間には、蒸気等の漏れを防止するシール構造が設けられている。

蒸気タービン１を作動させて仕事を終えた排気蒸気は、排気室３３を通って図示しない復水器に送られる。

次に、図１〜図６により、最終段（第六段落）に採用されている本発明にかかる動翼２４の構造について説明する。図１は動翼２４の正面図を、図２は動翼２４の側面図を示している。図３は、図２のＸ━Ｘ断面を示している。図４は、動翼２４の上面を示す平面図を示している。図５は、隣合うスタブ間の連成状態を示し、図６は、隣合うシュラウド間の連成状態を示している。

動翼２４は、最終段で、蒸気の比体積が大きくなるので長さの長いものとなる。本実施形態では、動翼２４は、根元から先端までの翼長が５００ｍｍである。このように、５００ｍｍを超える長さの動翼２４では、蒸気の相対流入角が、根元から先端にかけて大きく変化するので、動翼２４はこの変化に対応するように大きなねじれを設けている。この動翼２４は三次元長翼と言われている。

動翼２４の先端部には、シュラウド３１が動翼２４と一体に設けられている。シュラウド３１は、動翼２４の先端部に沿って大きな曲率を有する板状をしている（図１参照）。図４に示す平面を見ると、中央部は細く、両端部に行くにしたがい幅が広くなるとともに、二股に分かれている。両端部の二股を角とみた時、二股の一方を結ぶ対角線が動翼２４の先端に沿って配置されている。従って、二股の他方が動翼２４の両側に突出して、シュラウド連成部３５，３７を構成する。
隣合う動翼２４のシュラウド連成部３５と、シュラウド連成部３７とが接触して連成構造を形成する（図６参照）。この隣合う動翼２４のシュラウド連成部３５と、シュラウド連成部３７とは、停止時にも接触するように組立てられている。

動翼２４の両面で、かつ翼スパン３９の中央より少し先端側にスタブ４１，４３が溶接にて取り付けられている（図１および図３参照）。スタブ４１，４３は、切り株が折れ曲がった形状をしており、その先端部にスタブ連成部４２，４４が形成されている。
図５に示すように、隣合う動翼２４のスタブ連成部４２と、スタブ連成部４４とが接触して連成構造を形成する。この隣合う動翼２４のスタブ連成部４２と、スタブ連成部４４とは、停止時には接触しないよう間隔を設けて組立てられている。

動翼２４の下部には、図１に示すようにディスク２９に強固に取り付けるため、植込部４５が設けられている。植込部４５は、側面形状が、クリスマスツリーに似ていることから、クリスマスツリー形と呼ばれている。

以上説明した本実施形態にかかる蒸気タービンは、以下のように運転される。
ボイラから送られる蒸気は、複数設けられた調整弁３の各調整弁室１１に流入する。複数ある調整弁３の弁体１３を所要タイミングで開け閉めして、所要のタービン出力を得るのに必要な蒸気量を蒸気室１７に流入させる。
蒸気室１７にて、流入した蒸気は、動力発生部７へと導かれる。

動力発生部７では、ノズル２１において、蒸気を膨張させて速度エネルギーを生み、流れの向きを変えて軸の回転方向の運動量を作る。ノズル２１で速度エネルギーに変換された蒸気のエネルギーを動翼２３，２４が吸収して、動翼２３，２４は回転する。この動翼２３，２４の回転により、ロータ９が回転する。
ロータ９の回転が、コンプレッサーに伝達される。
蒸気タービン１を作動させて仕事を終えた排気蒸気は、排気室３３を通って図示しない復水器に送られ、復水器で凝縮されて水に戻る。

動翼２４は大きくねじられているので、蒸気タービン１の運転中に蒸気の動圧、加熱、および遠心力が作用してねじり戻りが発生する。このねじり戻りにより、動翼２３は、アキシャル方向およびラジアル方向に変形する。変形に主として影響するのは遠心力である。動翼２３の重心は回転中心線より上流側に設定しているので、動翼２３は遠心力を受けて蒸気流れ方向下流側に変形する。

この変形により、隣合う動翼２４のスタブ４１，４３間と、シュラウド３１間とが連成する。
この状況を図８〜図１０により説明する。図８は、蒸気タービン１の回転数と、スタブ４１，４３部分とシュラウド３１部分でのねじれ角の変化を示している。図９は、蒸気タービン１の回転数と、スタブ４１，４３部分とシュラウド３１部分での接触反力の変化を示している。図１０は、蒸気タービン１の回転数と、スタブ４１，４３部分とシュラウド３１部分での接触応力の変化を示している。

蒸気タービン１は、駆動するコンプレッサーの負荷変動を考慮すると、使用回転数の範囲（運転範囲）は、３６００ｒｐｍ〜４８００ｒｐｍである。
図８により、ねじり角の変化をみると、隣合う動翼２４のシュラウド連成部３５と、シュラウド連成部３７とは、停止時にも接触するように組立てられているので、シュラウド３１部分では、ねじれ角は回転数が増加しても変化しない。隣合う動翼２４のスタブ連成部４２と、スタブ連成部４４とは、停止時には接触しないよう間隔を設けて組立てられているので、スタブ４１，４３部分では、回転数が増加するにしたがってねじれ角も増加する。回転数が３０００ｒｐｍ付近になると、隣合う動翼２４のスタブ連成部４２と、スタブ連成部４４とは、接触する。これにより、回転数が増加してもスタブ４１，４３部分では、ねじれ角は変化しなくなる。

図９により、接触反力の変化をみると、シュラウド３１部分では、隣合う動翼２４のシュラウド連成部３５と、シュラウド連成部３７とは、停止時にも接触しているので、回転数の増加とともに接触反力は、増加する。しかし、シュラウド３１部分は、ねじり剛性が小さいので接触反力の増加する割合は少ない。回転数が２６００ｒｐｍ程度になった時点で、シュラウド必要反力を超えて、連成の効果が得られる状態となる。その後も接触反力は回転数の増加に伴い増加するが、増加割合が少ないので、使用回転数の範囲で、閾値を越えることはない。

シュラウド３１部分では、隣合う動翼２４のスタブ連成部４２と、スタブ連成部４４とが、接触するまでは接触反力は発生しない。回転数が３０００ｒｐｍ付近になり、隣合う動翼２４のスタブ連成部４２と、スタブ連成部４４とが接触すると、それ以後回転数の増加とともに接触反力は増加する。スタブ４１，４３部分は、ねじり剛性が大きいので、接触反力の増加する割合は、シュラウド３１部分に比較して相当大きい。したがって、隣合う動翼２４のスタブ連成部４２と、スタブ連成部４４とが接触をして間をおかないで、スタブ必要反力を超えて、連成の効果が得られる状態となる。しかし、最高使用回転数のところでの接触応力は、閾値を越えてはいない。

図１０は、接触反力を、接触応力に変換したものであり、接触反力と同じ傾向にある。したがって、本実施形態の蒸気タービンはその使用回転数の範囲で、連成効果が得られるので、安定した振動特性を有することとなる。

以下、本実施形態の作用・効果を説明する。
停止時に隣合う動翼２４のスタブ連成部４２と、スタブ連成部４４とは、停止時には接触しないよう間隔を設けて組立てられているので、隣合う動翼２４のスタブ４１，４３は、運転開始後回転数の増加に伴う遠心力の増加により序々に接近する。回転数が３０００ｒｐｍ近傍に至るとようやく当接する。回転数がさらに増加して隣合う動翼２４のスタブ連成部４２とスタブ連成部４４間の接触反力がスタブ必要反力を超えると、スタブ間で連成され、動翼２４群は安定した振動特性を得ることになる。さらに、回転数が増加すると、隣合う動翼２４のスタブ連成部４２とスタブ連成部４４間の接触反力は、ねじり剛性に比例して増加する。したがって、接触反力の大きさが動翼の強度に見合う大きさになる回転数までは、動翼２４を破壊させることなく連成を維持できるので、広い回転数範囲にて、安定した振動特性を有することができる。

また、隣合う動翼２４のシュラウド３１間と隣合う動翼２４のスタブ４１，４３間の各接触反力が、機械駆動用タービンの使用回転数範囲の最高回転数時に、所定閾値以下であり、使用回転数範囲の最低回転数時に、連成に必要な大きさ以上となるように動翼２４の形状が決定されているので、動翼群は、使用回転数範囲でシュラウド３１部分とスタブ４１，４３部分とで連成が達成され、安定した振動特性を有することができる。

さらに、広い回転数範囲で、安定した振動特性を有する動翼群を備えたので、蒸気タービンは、駆動するコンプレッサーの所要運転状況に応じた負荷変動に対応できる。

本発明の一実施形態の動翼の正面図である。 本発明の一実施形態の動翼の側面図である。 図２のＸ━Ｘ断面を示す説明図である。 本発明の一実施形態の動翼の上面を示す平面図である。 本発明の一実施形態の隣合う動翼のスタブ間の連成状態を示す説明図である。 本発明の一実施形態の隣合う動翼のシュラウド間の連成状態を示す説明図である。 本発明の一実施形態の蒸気タービンの構造を示す説明図である。 本発明の一実施形態の蒸気タービンの回転数と、スタブ部分とシュラウド部分でのねじれ角の変化を示す説明図である。 本発明の一実施形態の蒸気タービンの回転数と、スタブ部分とシュラウド部分での接触反力の変化を示す説明図である。 本発明の一実施形態の蒸気タービンの回転数と、スタブ部分とシュラウド部分での接触応力の変化を示す説明図である。

符号の説明

１ 蒸気タービン
２４ 動翼
３１ シュラウド
３９ 翼スパン
４１，４３ スタブ

Claims (3)

1. 翼頂部に設けられたシュラウドと翼スパンに少なくとも１ヶ所設けられたスタブとを有する動翼を放射状に複数配置し、隣合う動翼のシュラウド同士およびスタブ同士が接触することによって複数ヶ所連成して回転する機械駆動用タービンの動翼群において、
   停止時に隣合う動翼のスタブ間に隙間が設けられていることを特徴とする機械駆動用タービンの動翼群。
2. 翼頂部に設けられたシュラウドと翼スパンに少なくとも１ヶ所設けられたスタブとを有する動翼を放射状に複数配置し、隣合う動翼のシュラウド同士およびスタブ同士が接触することによって複数ヶ所連成して回転する機械駆動用タービンの動翼群において、
   隣合う動翼のシュラウド間と隣合う動翼のスタブ間の各接触反力が、機械駆動用タービンの使用回転数範囲の最高回転数時に、所定閾値以下であり、使用回転数範囲の最低回転数時に、連成に必要な大きさ以上となるように形状が決定されたことを特徴とする機械駆動用タービンの動翼群。
3. 請求項１または２に記載の動翼群を備えたことを特徴とする機械駆動用タービン。

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