JP2005188463A - タービン動翼の連結構造及び連結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タイワイヤと連結部材の連結部において発生する面圧を軽減させることができるタービン動翼の連結構造及び連結方法を提供する。
【解決手段】複数のタービン動翼１を連結するタービン動翼の連結構造において、少なくとも両端部に中空部１０を有するタイワイヤ２を、複数のタービン動翼１にそれぞれ設けた貫通孔３に挿通した後、連結部材４の両側外周部に形成した湾曲面部６を、対向するタイワイヤ２の中空部１０にそれぞれ挿入し、これら中空部１０の端部１１を連結部材４の湾曲面部６に係合するように絞り成形することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば蒸気タービンあるいはガスタービン等のタービン動翼の連結構造及び連結方法に関する。

例えば、蒸気タービン等のタービン動翼は、運転中、作動流体の不均一流れによる励振力を受けており、その固有振動数が回転数の整数倍と一致するか、もしくはそれに近くなると、振動応力が増大し強度信頼性が低下する。そのためタービン動翼の設計では、一般に、タービン動翼の固有振動数が定格回転数の整数倍と十分離調するように配慮する必要がある。

それに対し、近年の火力発電所及び原子力発電所等で用いられる蒸気タービンでは、低圧段の動翼を長翼化することによりプラントの効率向上や出力増大を図る傾向にある。しかし、動翼が長翼化するほどその固有振動数が低下し、共振を回避すべき振動モードが多数存在するため、それだけ設計が難しくなる。

そこで、動翼の形状や体格を変えずに優れた振動特性を確保することができる方策として、複数の動翼を連結部材にて運結し１つの翼群とする構造が既に知られている。この種の構造の一例として、タービンの動翼に貫通孔を設け、その貫通孔に挿通したタイワイヤにより、タービン動翼同士を周方向に連結するいわゆるルースタイワイヤ運結方式の構造がある（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００１−３５５４０６号公報

前述したルースタイワイヤ連結方式では、従来、タービン動翼に挿通したタイワイヤ自体は、端部が中空のスリーブ状の連結部材に挿入されこの連結部材を介して連結されていた。しかしながら、タービン動翼は、運転中、高速回転するため、連結部材に作用する遠心力とタービン動翼のねじれ戻り力により、タイワイヤ外周部の連結部材端部との接触部分に集中的に荷重が作用し、これによりタイワイヤや連結部材が破損する可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたもので、その目的は、タイワイヤと連結部材の連結部において発生する面圧を軽減させることができるタービン動翼の連結構造及び連結方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、複数のタービン動翼を連結するタービン動翼の連結構造において、少なくとも両端部に中空部を有するタイワイヤを、複数のタービン動翼にそれぞれ設けた貫通孔に挿通した後、連結部材の両側外周部に形成した湾曲面部を、対向する前記タイワイヤの中空部にそれぞれ挿入し、これら中空部の端部を前記連結部材の湾曲面部に係合するように絞り成形することを特徴とする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記タイワイヤは、中空であることを特徴とする。

（３）上記（１）において、また好ましくは、前記タイワイヤは、その端部に中空の部材を有していることを特徴とする。

（４）上記目的を達成するために、また本発明は、複数のタービン動翼を連結するタービン動翼の連結方法において、少なくとも両端部に中空部を有するタイワイヤを、複数のタービン動翼にそれぞれ設けた貫通孔に挿通した後、連結部材の両側外周部に形成した湾曲面部を、対向する前記タイワイヤの中空部にそれぞれ挿入し、これら中空部の端部を前記連結部材の湾曲面部に係合するように絞り成形することを特徴とする。

本発明によれば、両側に湾曲面部を有する連結部材を介してタイワイヤの端部を連結することにより、運転中の遠心力等によってタイワイヤが変形しても、タイワイヤの端部を常に連結部材の湾曲面部に面で接触させ、タイワイヤと連結部材との連結部において発生する面圧を軽減することができるので、フレッティング疲労に対し、タイワイヤ及び連結部材の強度信頼性を高めることができる。

以下、本発明のタービン動翼の連結構造及び連結方法の一実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明のタービン動翼の連結構造の一実施の形態を表す図である。
この図１に示すように、本実施形態は、複数のタービン動翼１をタイワイヤ２で連結する構造であり、また、本実施形態においては、中空のタイワイヤ２を用いる例を図示説明するが、タイワイヤ２は、必ずしも中空のものに限らず、少なくとも両端部に中空部を有していれば良く、例えば、中空部を有するスリーブ状の部材を両端部に取り付けたもの等であっても構わない。このタイワイヤ２は、複数のタービン動翼１にそれぞれ設けた貫通孔３に挿通された後、その一端が、他端又は他のタイワイヤ２の端部と連結部材４を介して連結される。

連結部材４は、タイワイヤ２とほぼ同径の中央部５と、この中央部５の両側に設けられ、外周部に少なくとも部分的に湾曲面部６が形成されたジョイント部７とを備えており、本実施形態においては、さらなる軽量化のために、その中心軸部に空洞部８を設けてある。但し、中央部５の形状や寸法には特に限定はなく、必ずしも図示した態様に限られない。また、ジョイント部７は、図１では中心軸部を通る断面で見た場合、その断面形状が概略楕円形となるように形成されているが、必ずしもこれに限られず、例えば断面が円形となるようにしても良いし、中央部５の両側に位置する湾曲面部６よりも軸方向外側の部分９を省略して断面が概略扇形となるように形成しても良い。

上記連結部材４の両側外周部に形成した先の湾曲面部６は、対向するタイワイヤ２の中空部１０にそれぞれ挿入され、これにより、対向するタイワイヤ２の端部１１同士の間が、連結部材４を介して連結される。そして、運転中、振動やタービン動翼１のねじれ戻り力によりタイワイヤ２が周方向に動いたり、連結部材４に遠心力が作用してタイワイヤ２の端部が引っ張られたりすることがあるので、図１に示したように、中空部１０の端部１１を連結部材４の湾曲面部６に係合するように絞り成形し、タイワイヤ２の動きに対する連結部材４の離脱を防止している。また、本実施形態においては、運転中のタイワイヤ２熱伸び等を考慮に入れて、連結時にタイワイヤ２の長さを調整し、連結部材４の中央部５とタイワイヤ２の端部との間に所定の間隙αを確保している。

以上のように、タービン動翼１の貫通孔３にタイワイヤ２を挿通し複数のタービン動翼１を連結することにより、タイワイヤ２の外周面と貫通孔３の内壁面に発生する面間摩擦力により、運転中のタービン動翼１の振動が抑制される。

ここで、ルースタイワイヤ連結方式による従来のタービン動翼の連結構造を比較例として図２及び図３に表す。これら図２及び図３において、図１と同様の部分には同符号を付し説明を省略する。
図２及び図３に示すように、本比較例においては、複数のタービン動翼１を連結したタイワイヤ２０の端部が、中空のスリーブ状の連結部材２１に挿入され、この連結部材２１によってタイワイヤ２０の端部が連結されている。そして、前述したように、運転中の振動やタービン動翼１のねじれ戻り力により、タイワイヤ２０に周方向へのずれや動きが生じることがあるため、それらのずれや動きに対し連結部材２１が離脱しないように、連結部材２１の側面のほぼ中央部にリベット挿入用の孔を設け、この孔にリベット２２を挿通しリベット締めしてある。そして、本比較例においては、連結部材２１の内壁面及びタイワイヤ２の外周面に、例えば表面硬化処理等といった耐フレッティング特性のコーティング部２３が設けられている。

この比較例では、図４に示すように、タービン運転中に連結部材２１に作用する遠心力Ｆと翼のねじれ戻り力により、タイワイヤ２０の外周部における連結部材２１の端部との接触部分２４に集中的に高い面圧が発生し、それに加えてタービン動翼１の振動により連結部材２１の内壁面若しくはタイワイヤ２０の外周面にフレッティング疲労き裂が発生する可能性がある。本比較例においては、前述したコーティング部２３を設けたことにより、耐フレッティング特性が向上しているが、上記接触部分２４に生じる高い面圧自体が軽減されるわけではなく、破損の抑制効果にも限界があった。

それに対し、本実施形態のタービン動翼の連結構造によれば、前述したようにタイワイヤ２の端部同士を連結することにより、例えば図５に示したように、運転中の遠心力Ｆによってタイワイヤ２が変形しても、タイワイヤ２の端部１１が常に連結部材４の湾曲面部６と面接触する。このように、運転中のタイワイヤ２と連結部材４との間に生じる面圧を湾曲面部６の比較的大きな面で受けて低減させることにより、フレッティング疲労に対し、タイワイヤ２及び連結部材４の強度信頼性を高めることができる。

また、上記比較例のように、スリーブ状の連結部材にタイワイヤの端部を挿入してタイワイヤを連結する従来の構造と異なり、本実施形態ではタイワイヤ２に連結部材４を挿入する構造であるため、タイワイヤ２を連結する連結部材４を、従来のスリーブ状の連結部材に比して小型化、軽量化することができ、連結部材４に作用する遠心力を低減させることができる。特に、本実施形態においては、連結部材４に空洞部８を設けているため、連結部材４の更なる軽量化が図られており、運転中に作用する遠心力Ｆを図２乃至図４の比較例に比して一層低減することができ、これによってもタイワイヤ２及び連結部材４の強度信頼性を向上させることができる。

更に、従来のスリーブ状の連結部材を用いた連結構造にあっては、例えば先の図４に示したように、単にリベット２２によって連結部材２１の周方向への動きを拘束する構成であって、タイワイヤ２１と連結部材２１とが係止されていないため、仮にタイワイヤ２０又は連結部材２１が破断した場合、タイワイヤ２０又は連結部材２１の破片が飛散してしまう。それに対しても、本実施形態では、連結部材４の湾曲面部６がタイワイヤ２の端部１１に係合しているため、仮にタイワイヤ２又は連結部材４が破断したとしても、タイワイヤ２や連結部材４の破片が飛散することがない。また、従来のようにリベットを必要としないので、部品点数を削減することができる点も、大きなメリットである。

また、前述したように、図１におけるタイワイヤ２と連結部材４との間隙αは、運転中のタイワイヤ２の熱伸びを吸収するためにある程度余裕を持って設計されている。このとき、本実施形態では、この間隙αを目視にて計測でき、なおかつ、連結作業時におけるタイワイヤ２の長さ調節の際、タイワイヤ２の端部の切断及び仕上げもタイワイヤ２をタービン動翼１から抜き取ることなく行うことができるので、作業性を著しく向上させることができる。

ここで、従来のタイワイヤ連結作業として、先の図２及び図３に示した比較例のタイワイヤの連結作業を説明する。
図６は、その比較例のタービン動翼連結作業の作業手順の一例を表すフローチャートである。
図６において、まず、ステップ１でタービン動翼１をロータ（図示せず）に植え込んだ後、ステップ２において、仮ピンに固定して位置決めした状態で連結部材２１長さの合せ加工を行う。続いて、ステップ３でタービン動翼１にタイワイヤ２０を挿通し、その一方側の先端部を連結部材２１に挿入した後、ステップ４に移って、連結部材２１にリベット２２を挿入する。

続くステップ５では、既にタービン動翼１に挿入してある連結部材２１の他方側の先端部に２つ目の連結部材２１を緩嵌し、このときの連結部材２１の位置やタイワイヤ２０の熱伸び量等を考慮しつつ、タイワイヤ２０の長さ調節のためにリベット２２挿入用の孔から連結部材２１内でのタイワイヤ２０の長さを確認した上で、ステップ６において、適宜タイワイヤ２を抜き取ってタイワイヤ２の端部に切断用のケガキ線をつけ、続くステップ７にて、タイワイヤ２０の端部を切断して仕上げる。

次に、ステップ８に移って、抜き取った連結部材２１を端部切断、仕上げしたタイワイヤ２０に緩嵌し、ステップ９にて、その連結部材２１にリベット２２を挿入する。そして、ステップ１０として、当該リベット２２を挿入した連結部材２２の他方側に２本目のタイワイヤ２０を挿入し、この２本目以降のタイワイヤ２０及びその連結に用いる連結部材２１について、上記ステップ３〜８の手順を繰り返す（ステップ１１）。

続いて、以上の手順を終了し全タイワイヤ２０の長さが確定し環状に連結されたら（ステップ１２）、ステップ１３で全ての連結部材２１を一端取り外し、場合によってはタイワイヤ２０をタービン動翼１から抜き取ってから、再度タイワイヤ２０をタービン動翼１に挿通していき、タイワイヤ２０とリベット２２との間の間隙を確認しながら、ステップ１４において、１つずつ連結部材２１を取り付けリベット締めしていく。そして、ステップ１５に移って、最後の連結部分において、リベット２２を連結部材２１に仮組みし、リベット２２とタイワイヤ２０との間の間隙を測定し、ステップ１６において、その間隙の測定結果が許容範囲内であることを確認して最後のリベット締めを行い、以上の手順を終了する。

一方、図７は、本実施形態のタービン動翼連結作業の作業手順の一例を表すフローチャートである。
図７に示したように、本実施形態においてタービン動翼１を連結する際には、まず、ステップ２０として、タービン動翼１をロータ（図示せず）に植え込んだ後、ステップ２１に移って１本目のタイワイヤ２をタービン動翼１に挿通する。ステップ２２に移り、連結部材４をタイワイヤ２に挿入し、ステップ２３で、連結部材４の位置を考慮しながらタイワイヤ２の端部に切断・仕上げ用のケガキ線をつける。続くステップ２４では、連結部材４を抜き取った後、タイワイヤ２端部の余剰長さ分を切断して仕上げ、ステップ２５において、端部を切断したタイワイヤ２に再び抜き取った連結部材４を挿入する。

そして、ステップ２６として、２つ目以降のタイワイヤ２及び連結部材４について、上記ステップ２１〜２５を繰り返して複数のタイワイヤ２を環状に連結したら、ステップ２７に移って、全タイワイヤ２を挿入した状態で、各タイワイヤ２と連結部材４（中間部５）との間隙αを測定し、その間隙αの測定結果が許容範囲内であることを確認し、ステップ２８として、各タイワイヤ２の端部を絞り成形し、連結部材２の湾曲面部６と係合させ、以上の手順を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、従来のルースタイワイヤ連結方式に比しても、作業工数が大幅に削減され、作業性を大きく向上させることができる。

また、従来のスリーブ状の連結部材を用いた連結方式では、連結部材にタイワイヤを挿入する構造であったため、タイワイヤ同士の連結部分は連結部材に覆い隠され、リベットとタイワイヤとの間隙を計測するのに手間がかかり、実際に運転中のタイワイヤの熱伸びの吸収代が十分に確保されているかどうかも、間隙の測定やケガキ、切断、仕上げ等の各工程の精度にある程度依存していた。
それに対して、本実施形態では、タイワイヤ２に連結部材４を挿入する構造であるため、仮組みした常態でタイワイヤ２と連結部材４の中間部５との間隙αが目視でき、タイワイヤ２の長さ調整も従来に比してより容易に行うことができる。このことによっても、連結作業の作業性を飛躍的に向上させることができる。また、前述の通り、一端タービン動翼１に挿通したタイワイヤ２を、仮組みの段階で抜き取る必要がないことも、作業性の面において大きなメリットである。

さらには、従来のルースタイワイヤ方式を採用していた既設のタービン設備に対し、改修を加えることなくそのまま適用できることも大きなメリットであり、また、タービン翼の連結構造としてだけでなく、複数個の管を繋ぎ合わせる手法としても本発明の技術的思想は有効であると考えられる。

なお、以上において、連結部材４の湾曲面部６が凸状に湾曲している場合を図示説明したが、例えば、タイワイヤ２の内周面側に断面が円形、楕円形、若しくは半円形の部分を設ける等、その構成を適宜工夫すれば、断面が円形、楕円形、若しくは半円形の部分と接触し受圧面積が大きくなるように、湾曲面部６を凹状に湾曲させても良い。

本発明のタービン動翼の連結構造の一実施形態を表す図である。 ルースタイワイヤ連結方式による従来のタービン動翼の連結構造を表す図である。 ルースタイワイヤ連結方式による従来のタービン動翼の連結構造を表す図である。 ルースタイワイヤ連結方式による従来のタービン動翼の連結構造における、タービン運転中の様子を表す図である。 本発明のタービン動翼の連結構造の一実施形態における、タービン運転中の様子を表す図である。 ルースタイワイヤ連結方式による従来のタービン動翼の連結構造におけるタービン動翼連結作業の作業手順の一例を表すフローチャートである。 本発明のタービン動翼の連結構造の一実施形態におけるタービン動翼連結作業の作業手順の一例を表すフローチャートである。

符号の説明

１ タービン動翼
２ タイワイヤ
３ 貫通孔
４ 連結部材
６ 湾曲面部
１０ 中空部
１１ 端部

Claims (4)

1. 複数のタービン動翼を連結するタービン動翼の連結構造において、
   少なくとも両端部に中空部を有するタイワイヤを、複数のタービン動翼にそれぞれ設けた貫通孔に挿通した後、連結部材の両側外周部に形成した湾曲面部を、対向する前記タイワイヤの中空部にそれぞれ挿入し、これら中空部の端部を前記連結部材の湾曲面部に係合するように絞り成形することを特徴とするタービン動翼の連結構造。
2. 請求項１に記載のタービン動翼の連結構造において、前記タイワイヤは、中空であることを特徴とするタービン動翼の連結構造。
3. 請求項１に記載のタービン動翼の連結構造において、前記タイワイヤは、その端部に中空の部材を有していることを特徴とするタービン動翼の連結構造。
4. 複数のタービン動翼を連結するタービン動翼の連結方法において、
   少なくとも両端部に中空部を有するタイワイヤを、複数のタービン動翼にそれぞれ設けた貫通孔に挿通した後、連結部材の両側外周部に形成した湾曲面部を、対向する前記タイワイヤの中空部にそれぞれ挿入し、これら中空部の端部を前記連結部材の湾曲面部に係合するように絞り成形することを特徴とするタービン動翼の連結方法。
   

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