JP2007297937A - 動翼及び蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】動翼及び蒸気タービンにおいて、性能を向上すると共に耐久性の向上を図る。
【解決手段】ケーシング１１にロータ１２を回転自在に支持し、このロータ１２の外周部に複数段にわたって動翼１３を固定する一方、ケーシング１１にこの各動翼１３の間に位置して交互に複数段の静翼１４を設け、この動翼１３を、ロータディスクに固定される翼根２１と、基端部がこの翼根２１に接合されてほぼ９０度ねじられた翼部２２と、この翼部２２の先端部に連結されるシュラウド２３とから構成し、環状に隣接するシュラウド２３同士をロータ１２の軸方向に対して周方向に傾斜する接触面３３ａ，３３ｂにより接触可能とし、この接触面３３ａ，３３ｂの反対側の端面に凹部３４ａ，３４ｂを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、動翼及びこの動翼を有する蒸気タービンに関し、特に、動翼の外周端部に装着されるシュラウドの構造に関するものである。

一般的な蒸気タービンは、ケーシングに回転軸であるロータが回転自在に支持され、このロータの外周部に動翼が設けられると共に、ケーシングに静翼が設けられ、蒸気通路にこの動翼と静翼が交互に複数配設されて構成され、各動翼及び静翼の間を流れる蒸気により動翼を介してロータが回転駆動されるようになっている。

このような蒸気タービンでは、動翼を３次元設計し、ねじれ形状とすると共に外周側端部にシュラウドを装着し、隣接するシュラウド同士を面接触させている。そして、ロータと共に動翼が回転するとき、発生する遠心力により動翼のツイストバック、つまり、ねじれ形状の戻り変形が発生することで、シュラウドに接触反力を生じさせて摩擦力を高め、動翼の振動を減衰させるようにしている。

このような蒸気タービンとしては、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開平０５−１０６４０３号公報

ところで、近年、蒸気タービンの高出力化が図られるようになってきており、そのためには、タービン回転数を上昇する一方で、動翼の耐久性を十分に確保する必要がある。しかし、上述した従来の動翼を有する蒸気タービンでは、ロータが回転すると動翼に遠心力が作用し、この遠心力により動翼にねじれモーメントが作用して隣接するシュラウド同士が押し付けられ、その接触面に応力が発生して摩擦力が高められるが、この応力が高すぎると、シュラウドに亀裂が発生して動翼が破損してしまうおそれがある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、性能を向上すると共に耐久性の向上を図った動翼及び蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明の動翼は、基端部が回転軸の外周面に支持されると共に先端部にシュラウドが装着され、前記回転軸の周方向に複数並設されることで前記シュラウドが環状に組み付けられる動翼において、前記シュラウドは、環状に隣接するシュラウド同士と前記回転軸の軸方向に対して周方向に傾斜する接触面により接触可能であり、該接触面の反対側の端面に凹部が設けられたことを特徴とするものである。

請求項２の発明の動翼では、前記シュラウドの接触面に対する垂線上において、前記接触面から前記シュラウドの反対側の平坦な仮想端面までの距離に対する、前記接触面から前記凹部の底面までの距離の比が０．５〜０．８に設定されたことを特徴としている。

請求項３の発明の動翼では、前記垂線は、前記シュラウドの接触面における長手方向の中間点に対して交差することを特徴としている。

請求項４の発明の動翼では、前記凹部は、円弧形状に形成されたことを特徴としている。

請求項５の発明の動翼では、前記シュラウドにおける周方向の端部が二股形状をなし、該二股形状の内側に前記接触面が形成されたことを特徴としている。

請求項６の発明の蒸気タービンは、ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に支持されたロータと、基端部が該ロータの外周面に支持されると共に先端部にシュラウドが装着された複数段の動翼と、前記ケーシングに該動翼と交互に配設された複数段の静翼とを有する蒸気タービンにおいて、前記動翼のシュラウドは、環状に隣接するシュラウド同士と前記回転軸の軸方向に対して周方向に傾斜した接触面により接触可能であり、該接触面の反対側の端面に凹部が設けられたことを特徴とするものである。

請求項１の発明の動翼によれば、基端部を回転軸の外周面に支持すると共に先端部にシュラウドを装着し、回転軸の周方向に複数並設してシュラウドを環状となる動翼を構成し、隣接するシュラウド同士を回転軸の軸方向に対して周方向に傾斜する接触面により接触可能とし、この接触面の反対側の端面に凹部を設けたので、シュラウド接触面に作用する応力を低減して耐久性を向上することができると共に、性能の向上を可能とすることができる。

請求項２の発明の動翼によれば、シュラウドの接触面に対する垂線上において、接触面からシュラウドの反対側の平坦な仮想端面までの距離に対する、接触面から凹部の底面までの距離の比を０．５〜０．８に設定したので、シュラウドの接触面と凹部の底面との振動応力を低減することができる。

請求項３の発明の動翼によれば、垂線をシュラウドの接触面における長手方向の中間点に対して交差するので、凹部の形成位置を適正位置に形成することで、接触面に作用する応力を確実に低減することができる。

請求項４の発明の動翼によれば、凹部を円弧形状に形成したので、凹部への応力集中を抑制することができる。

請求項５の発明の動翼によれば、シュラウドにおける周方向の端部を二股形状とし、この二股形状の内側に接触面を形成したので、シュラウド同士を容易に接触することができ、組付性を向上することができる。

請求項６の発明の蒸気タービンによれば、ケーシング内にロータを回転自在に支持し、基端部をこのロータの外周面に支持シテ先端部にシュラウドを装着して複数段の動翼を組付けると共に、ケーシングにコノ動翼と交互に複数段の静翼を配設して構成し、隣接するシュラウド同士を回転軸の軸方向に対して周方向に傾斜する接触面により接触可能とし、この接触面の反対側の端面に凹部を設けたので、シュラウド接触面に作用する応力を低減して耐久性を向上することができると共に、タービン性能の向上を可能とすることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る動翼及び蒸気タービンの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係る動翼におけるシュラウドを表す要部概略図、図２は、本実施例の動翼を表す斜視図、図３は、凹部の比率に対する応力を表すグラフ、図４は、本実施例の動翼が適用された蒸気タービンの概略構成図である。

本実施例の動翼が適用された蒸気タービンにおいて、図４に示すように、ケーシング１１には、回転軸としてのロータ１２が回転自在に支持されており、このロータ１２の外周部に複数段にわたって動翼１３が固定される一方、ケーシング１１にこの各動翼１３の間に位置して交互に複数段の静翼１４が設けられている。そして、この動翼１３及び静翼１４が配設される通路が蒸気通路１５となっている。

従って、蒸気がこの蒸気通路１５に供給されると、この蒸気が複数の動翼１３と静翼１４を通過することで、各動翼１３を介してロータ１２を駆動回転し、このロータ１２に連結された図示しない発電機を駆動する一方、排気ガスは排気ディフューザで静圧に変換されてから大気に放出される。

このように構成された蒸気タービンにて、動翼１３は、図２に示すように、ロータディスクに固定される翼根２１と、基端部がこの翼根２１に接合される翼部２２と、この翼部２２の先端部に連結されるシュラウド２３とから構成されており、翼部２２はほぼ９０度ねじられている。そして、この動翼１３がロータ１２の外周部に周方向に沿って複数並設されることで、各動翼１３のシュラウド同士が接触して環状に組み付けられる。

そして、本実施例の動翼１３にあっては、環状に隣接するシュラウド２３同士がロータ１２の軸方向に対して周方向に傾斜する接触面により接触可能であり、この接触面の反対側の端面に凹部が設けられている。

即ち、図１に示すように、隣接する動翼１３ａ，１３ｂのシュラウド２３ａ，２３ｂは、端部が二股形状をなし、２つの三角形状をなす凸部３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂを有している。そして、二股形状における一方の凸部３１ａ，３１ｂの内側に互い接触する接触面３３ａ，３３ｂが形成され、この接触面３３ａ，３３ｂの反対側の外側端面に凹部３４ａ，３４ｂが形成されており、接触面３３ａ，３３ｂは、ロータ１２の軸方向Ｓに対して周方向（図１にて上下方向）に所定角度θだけ傾斜している。なお、シュラウド２３ａ，２３ｂにおける他方の凸部３２ａ，３２ｂ側に各翼部２２ａ，２２ｂが支持されている。

ここで、上述したシュラウド２３ａ，２３ｂにおける凹部３４ａ，３４ｂの形状の設定方法について説明するが、各凹部３４ａ，３４ｂの形状の設定方法は、ほぼ同様であるため、一方の凹部３４ａについてのみ説明する。

まず、シュラウド２３ａの接触面３３ａにて、その長さＭの中間点Ｏ（Ｍａ＝Ｍｂ）を規定し、この中間点Ｏで接触面３３ａに直行するように交差する垂線Ｔを引く。次に、この垂線Ｔとシュラウド２３ａの反対側の平坦な仮想端面Ｋとの交点をＷとし、垂線Ｔとシュラウド２３ａの凹部３４ａの底面との交点をＱとする。続いて、接触面３３ａ上の中間点Ｏから仮想端面Ｋ上の交点Ｗまでの距離Ｌに対する、接触面３３ａから凹部３４ａの底面の交点Ｑまでの距離ΔＬの比、つまり、ΔＬ／Ｌが所定値となるように交点Ｑの位置を設定する。そして、交点Ｑを通って仮想端面Ｋと平行な補助線Ｈを引き、この補助線Ｈに交点Ｑで接すると共に、凸部３１ｂの先端形状Ｒと滑らかに連続する円弧Ｃを求めることで、凹部３４Ａの形状が規定される。なお、円弧Ｃの他方の端部は、この円弧Ｃと逆円弧によりシュラウド２３ａの平坦な端面と滑らかに連続させる。なお、シュラウド２３ｂの凹部３４ａ，３４ｂも同様の形状となっている。

この場合、凹部３４ａ，３４ｂの形状は、上述したΔＬ／Ｌが、０．５〜０．８の範囲に設定することが望ましい。即ち、図１乃至図３に示すように、動翼１３（１３ａ，１３ｂ）の翼部２２（２２ａ，２２ｂ）は、ほぼ９０度ねじられており、ロータ１２の回転時に遠心力が作用するため、翼部２２（２２ａ，２２ｂ）は、このねじれが戻る方向の回転力が作用する。すると、翼部２２（２２ａ，２２ｂ）が固定されたシュラウド２３（２３ａ，２３ｂ）に、図１に矢印で表す旋回力が作用し、隣接するシュラウド２３ａ，２３ｂの接触面３３ａ，３３ｂ同士が押し付けられて応力が作用する。

そして、シュラウド２３ａ，２３ｂの接触面３３ａ，３３ｂに作用する応力が過大である場合には、シュラウド２３ａ，２３ｂに亀裂が発生するおそれがあるが、本実施例では、シュラウド２３ａ，２３ｂにて、接触面３３ａ，３３ｂと反対側の端面に所定の大きさの凹部３４ａ，３４ｂを形成しており、シュラウド２３ａ，２３ｂの接触面３３ａ，３３ｂに作用する応力を緩和することで応力集中を防止することができる。

シュラウド２３ａにて、凹部３４ａの大きさ、つまり、ΔＬ／Ｌの変化に対する接触面３３ａの点Ａに作用する応力と、凹部３４ａの点Ｂに作用する応力を計測すると、図３に表すグラフのようになる。この図３のグラフに示すように、ΔＬ／Ｌが大きくなる（つまり、凹部３４ａが小さくなる）と、接触面３３ａの点Ａに作用する応力は小さくなる。一方、ΔＬ／Ｌが所定値より大きくなる（つまり、凹部３４ａが小さくなる）と、凹部３４ａの点Ｂに作用する応力が大きくなり、ΔＬ／Ｌが所定値より小さくなる（つまり、凹部３４ａが大きくなる）と、凹部３４ａの点Ｂに作用する応力が大きくなる。即ち、点Ａ，Ｂに作用する応力が、動翼１３が耐えることができる最大応力Ｆ１以下となるように、ΔＬ／Ｌを設定すると、その範囲Ｇは、０．５〜０．８となる。

なお、上述の説明では、動翼１３（１３ａ，１３ｂ）におけるシュラウド２３（２３ａ，２３ｂ）の一端部に接触面３３ａ，３３ｂと凹部３４ａ，３４ｂを形成したが、他端部も同様の形状となっている。また、動翼１３（１３ａ，１３ｂ）は、金属製であって、鋳造成形した後、凹部３４ａ，３４ｂを切削により形成すればよい。また、シュラウド２３（２３ａ，２３ｂ）の凹部３４ａ，３４ｂの形状を設定する場合、シュラウド２３ａの接触面３３ａにて、その中間点Ｏで直行するように交差する垂線Ｔを引いたが、中間点Ｏでなくても接触面３３ａ上であればよい。

このように本実施例の動翼及び蒸気タービンにあっては、ケーシング１１にロータ１２を回転自在に支持し、このロータ１２の外周部に複数段にわたって動翼１３を固定する一方、ケーシング１１にこの各動翼１３の間に位置して交互に複数段の静翼１４を設け、この動翼１３を、ロータディスクに固定される翼根２１と、基端部がこの翼根２１に接合されてほぼ９０度ねじられた翼部２２と、この翼部２２の先端部に連結されるシュラウド２３とから構成し、環状に隣接するシュラウド２３同士をロータ１２の軸方向に対して周方向に傾斜する接触面３３ａ，３３ｂにより接触可能とし、この接触面３３ａ，３３ｂの反対側の端面に凹部３４ａ，３４ｂを設けている。

従って、動翼１３の回転時に、シュラウド２３の接触面に作用する応力を低減することで、動翼１３の耐久性を向上することができると共に、タービン性能の向上を可能とすることができる。

また、シュラウド２３ａの接触面３３ａ，３３ｂにその中間点Ｏで直行するように交差する垂線Ｔを引き、この垂線Ｔとシュラウド２３ａ，２３ｂの反対側の平坦な仮想端面Ｋとの交点をＷ、凹部３４ａ，３４ｂの底面との交点をＱとし、接触面３３ａ，３３ｂ上の中間点Ｏから仮想端面Ｋ上の交点Ｗまでの距離Ｌに対する、接触面３３ａ，３３ｂから凹部３４ａ，３４ｂの底面の交点Ｑまでの距離ΔＬの比（ΔＬ／Ｌ＝０．５〜０．８）が所定値となるように交点Ｑの位置を設定し、交点Ｑを通って仮想端面Ｋと平行な補助線Ｈに交点Ｑで接する円弧Ｃを求めて滑らかに連続させるようにしている。

従って、凹部３４ａ，３４ｂの形状を最適化することで、シュラウド２２の接触面３３ａ，３３ｂと凹部３４ａ，３４ｂの振動応力を確実に低減することができる。

また、シュラウド２２の凹部３４ａ，３４ｂを円弧形状に形成して端部を滑らかに連続させたことで、凹部３４ａ，３４ｂへの応力集中を抑制することができる。

なお、上述した実施例では、シュラウド２２，２３ａ，２３ｂの端部を二股形状として組付性を考慮したが、凸部３２ａ，３２ｂをなくして凸部３１ａ，３１ｂだけの形状としてもよい。

本発明に係る動翼及び蒸気タービンは、シュラウドの接触面の反対側に凹部を設けることで、シュラウドに作用する応力を低減するものであり、いずれの種類の動翼や蒸気タービンにも適用することができる。

本発明の一実施例に係る動翼におけるシュラウドを表す要部概略図である。 本実施例の動翼を表す斜視図である。 凹部の比率に対する応力を表すグラフである。 本実施例の動翼が適用された蒸気タービンの概略構成図である。

符号の説明

１１ ケーシング
１２ ロータ（回転軸）
１３，１３ａ，１３ｂ 動翼
１４ 静翼
２１ 翼根
２２，２２ａ，２２ｂ 翼部
２３，２３ａ，２３ｂ シュラウド
３３ａ，３３ｂ 接触面
３４ａ，３４ｂ 凹部

Claims (6)

1. 基端部が回転軸の外周面に支持されると共に先端部にシュラウドが装着され、前記回転軸の周方向に複数並設されることで前記シュラウドが環状に組み付けられる動翼において、前記シュラウドは、環状に隣接するシュラウド同士と前記回転軸の軸方向に対して周方向に傾斜する接触面により接触可能であり、該接触面の反対側の端面に凹部が設けられたことを特徴とする動翼。
2. 請求項１に記載の動翼において、前記シュラウドの接触面に対する垂線上において、前記接触面から前記シュラウドの反対側の平坦な仮想端面までの距離に対する、前記接触面から前記凹部の底面までの距離の比が０．５〜０．８に設定されたことを特徴とする動翼。
3. 請求項２に記載の動翼において、前記垂線は、前記シュラウドの接触面における長手方向の中間点に対して交差することを特徴とする動翼。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の動翼において、前記凹部は、円弧形状に形成されたことを特徴とする動翼。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の動翼において、前記シュラウドにおける周方向の端部が二股形状をなし、該二股形状の内側に前記接触面が形成されたことを特徴とする動翼。
6. ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に支持されたロータと、基端部が該ロータの外周面に支持されると共に先端部にシュラウドが装着された複数段の動翼と、前記ケーシングに該動翼と交互に配設された複数段の静翼とを有する蒸気タービンにおいて、前記動翼のシュラウドは、環状に隣接するシュラウド同士と前記回転軸の軸方向に対して周方向に傾斜した接触面により接触可能であり、該接触面の反対側の端面に凹部が設けられたことを特徴とする蒸気タービン。

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