JP2009019628A - 蒸気タービン及び回転動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】ディスク（４４）に装着可能な動翼（２）を提供する。
【解決手段】本動翼は、動翼プラットフォーム（４２）と、該動翼プラットフォーム（４２）から延びる動翼根元（４）とを含む。動翼根元（４）は、第１、第２及び第３のフック（８，１２，１６）と第１、第２及び第３のネック（６，１０，１４）とを含む。各フックは、接触面（１８，２２，２６）と非接触面（２０，２４，２８）とを含み、各接触面及び各非接触面間の角度（８６）は、局所及び平均応力を低下させるように最適化される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、蒸気タービン用の回転動翼及びロータに関し、より具体的には、蒸気タービンの動翼をロータに装着するための植込み装置であって、局所及び平均応力を最小にする植込み装置に関する。

蒸気タービンの蒸気流路は、固定シリンダ及びロータによって形成される。複数の固定静翼が、円周方向配列としてシリンダに取付けられ、蒸気流路内に内向きに延びる。同様に、複数の回転動翼が、円周方向配列としてロータに取付けられ、蒸気流路内に外向きに延びる。固定静翼及び回転動翼は、交互配列として配置されて、静翼の列と直ぐ下流の動翼の列とが段を形成するようになる。静翼は、蒸気の流れが正しい角度で下流の動翼列に流入するように、蒸気の流れを方向付ける働きをする。動翼翼形部は、蒸気からエネルギーを抽出し、それによってロータ及び該ロータに取付けられた負荷を駆動するのに必要な動力を発生する。

動翼翼形部は、動翼をロータディスクに固定するために使用する動翼根元から延びる。従来から、これは、動翼根元の側面に沿ってほぼ軸方向に延びるタング及び溝を交互に形成することにより根元に樅の木形状を与えることによって達成される。ロータディスク内には、嵌合タング及び溝を有するスロットが形成される。ディスクスロット内に動翼根元を摺動嵌合させると、発電に使用する蒸気タービンの場合には一般的には３６００ｒｐｍほどであるロータの高い回転速度によって非常に高いものとなる動翼に加わる遠心荷重は、根元とディスクとがそれを介して接触するタングの部分に沿って分散される。高い遠心荷重の故に、動翼根元及びディスクスロットにおける応力は、非常に高くなる。従って、タング及び溝によって生じる応力集中を最小にし、かつ動翼根元及びディスクスロット間の接触力が発生する支持面積を最大にすることが望ましい。このことは、低圧蒸気タービンの後方列においては動翼の寸法及び重量が大きくまた蒸気流路内の水分による応力腐食が存在するから、これらの後方列において特に望ましい。後方段は、ロータ及び回転動翼の疲労寿命を低下させるおそれがある一層高い局所応力を受ける。より長い回転動翼に対する要求もますます増大してきており、このことは、ロータ及び動翼がさらに高い荷重の下で作動することを必要とする。

定常的な遠心荷重に加えて、動翼はまた、振動も受ける。
米国特許第５４８０２８５号明細書 米国特許第６５７５７００号明細書

従って、平均及び剪断応力を低く維持しながらロータ（ホイール）及び回転動翼のフィレットに加わる局所応力を低下させた状態で、遠心荷重を支える能力を有するロータ及び動翼取付け構成を提供することが望ましい。

本発明の１つの実施形態では、ディスクに装着可能な動翼は、動翼プラットフォームと、該動翼プラットフォームから延びる動翼根元とを含む。動翼根元は、第１、第２及び第３のフックと第１、第２及び第３のネックとを含む。各フックは、接触面と非接触面とを含み、各接触面及び各非接触面間の角度は、局所及び平均応力を低下させるように最適化される。

本発明の別の実施形態では、ディスクに装着可能な動翼は、動翼プラットフォームと、該動翼プラットフォームから延びる動翼根元とを含む。動翼根元は、第１、第２及び第３のフックと第１、第２及び第３のネックとを含む。各フックは、接触面と非接触面とを含み、各接触面及び各非接触面間の角度は、約７０．６°である。

本発明のさらに別の実施形態では、タービンは、動翼プラットフォームから延びる動翼根元を備えた動翼を含む。動翼根元は、第１、第２及び第３の動翼フックと第１、第２及び第３の動翼ネックとを含む。各動翼フックは、接触面及び非接触面と、各接触面及び各非接触面間の角度とを含む。タービンはさらに、スロットを備えたロータディスクを含む。スロットは、第１、第２及び第３のロータフックと第１、第２及び第３のロータネックとを含む。各ロータフックは、動翼の対応接触面と接触する接触面と、動翼の対応非接触面から離隔した非接触面とを含む。ロータ接触面は、動翼接触面及び動翼非接触面間の角度と同じ角度でロータ非接触面から傾斜している。角度は、接触面間の局所及び平均応力を低下させるように最適化される。

図１を参照すると、蒸気タービン回転動翼２は、動翼根元４を含む。動翼根元４はまた、雄ダブテール又はバケットダブテールと呼ぶこともできる。バケットダブテール４は、ダブテール中心線Ｙに関して対称である。バケットダブテール４は、上部ダブテールネック６、上部フック８、中間ダブテールネック１０、中間フック１２、下部ダブテールネック１４及び下部フック１６を含む。ネックはまた、溝と呼ぶこともでき、フックはまた、タングと呼ぶこともできる。

上部フック８は、上部傾斜接触又はクラッシュ面１８を含む。上部フック８はまた、上部非接触面２０を含む。中間フック１２は、中間傾斜接触又はクラッシュ面２２と中間非接触面２４とを含む。下部フック１６は、下部傾斜接触又はクラッシュ面２６と下部非接触面２８とを含む。

図２に示すように、ロータディスク４４は、スロットつまりロータダブテール４６を含む。ロータダブテール４６はまた、雌ダブテール又はホイールダブテールと呼ぶこともできる。ロータダブテール４６はまた、ダブテール中心線Ｙに関して対称である。ロータダブテール４６は、上部フック４８、上部ネック５０、中間フック５２、中間ネック５４、下部フック５６及び下部ネック５８を含む。

上部フック４８は、上部傾斜接触又はクラッシュ面７２と上部非接触面７４とを含む。中間フック５２は、中間傾斜接触又はクラッシュ面７６と中間非接触面７８とを含む。下部フック５６は、下部傾斜接触又はクラッシュ面８０と下部非接触面８２とを含む。

図３を参照すると、バケットダブテール４は、該バケットダブテール４をロータダブテール４６内に軸方向に、つまりダブテール中心線Ｙに対して垂直方向に図面の図の平面内の方向に摺動嵌合させることによってロータディスク４４に組立てられる。図３に示す組立て状態において、バケットダブテール４の上部傾斜クラッシュ面１８は、ロータダブテール４６の上部傾斜クラッシュ面７２と接触する。バケットダブテール４の中間傾斜クラッシュ面２２は、ロータダブテール４６の中間傾斜クラッシュ面７６と接触する。バケットダブテール４の下部傾斜クラッシュ面２６は、ロータダブテール４６の下部傾斜クラッシュ面８０と接触する。図３に示すように、バケットダブテール４の非接触面２０，２４，２８は、それぞれロータダブテール４６の非接触面７４，７８，８２と対向しているが接触していない。

図４及び図５を参照すると、バケットダブテール４の上部非接触面２０と中間傾斜クラッシュ面２２との間には、傾斜角８６が設けられる。傾斜角８６はまた、中間非接触面２４と下部傾斜クラッシュ面２６との間にも設けられる。同様に、図４に示すロータダブテール４６において、上部非接触面７４と中間傾斜クラッシュ面７６との間には、傾斜角８６が設けられる。傾斜角８６はまた、ロータダブテール４６の中間非接触面７８と下部傾斜クラッシュ面８０との間にも設けられる。

クラッシュ面は、該クラッシュ面と非接触面との間の移行角が約７０．６°であるように回転されるつまり配向される。傾斜角は一般的に、軸線Ｘに関して実質的に対称である。荷重経路の方向を強制的に変化させた時に、集中応力が生じる。傾斜クラッシュ面を設けることによって、方向の変化は、より急激でないものになり、応力集中が低下する。傾斜クラッシュ面はまた、移行距離内におけるより大きなフィレット半径を可能にする。より大きなフィレット半径もまた、集中応力をより低下させると同時に、クラッシュ接触面積を増大させる。

図１及び図５を参照すると、上部ダブテールネック６は、上部ネックフィレット３０を含み、中間ダブテールネック１０は、中間ネックフィレット３４を含み、また下部ダブテールネック１４は、下部ネックフィレット３８を含む。フック８，１２，１６間の傾斜角８６は、より大きなネックフィレット半径を可能にし、このことが、バケットダブテール４内の局所応力を低下させる。それぞれ中間ネックフィレット３４及び下部ネックフィレット３８の半径３４ｒ，３８ｒは、等しい。上部ネックフィレット３０の半径３０ｒは、半径３４ｒ，３８ｒよりも大きくて、バケットダブテールプラットフォーム４２への滑らかな移行を可能にする。半径３０ｒ，３４ｒ，３８ｒは、局所応力集中を低下させるように最適化される。

バケットダブテール４の上部フック８は、上部フックフィレット３２を含む。上部フックフィレット３２は、２つの半径３２ｒ１，３２ｒ２と平坦面３２ｆとを含む。バケットダブテール４の中間フック１２もまた、中間フックフィレット３６を含み、この中間フックフィレット３６は、平坦面３６ｆによって結合された第１の半径３６ｒ１と第２の半径３６ｒ２とを含む。バケットダブテール４の下部フック１６は、下部フックフィレット４０を含み、この下部フックフィレット４０は、バケットダブテール４の底面において平坦面４０ｆで終わる複合半径４０ｒを含む。

図２、図４及び図６〜図８を参照すると、ロータダブテール４６の上部ネック５０は、上部ネックフィレット６２を含み、また中間ネック５４は、中間ネックフィレット６６を含む。上部ネックフィレット６２は、単一の半径６２ｒを含み、また中間ネックフィレット６６は、単一の半径６６ｒを含む。半径６２ｒ及び６６ｒは、等しい。ロータダブテール４６の下部ネック５８は、下部ネックフィレット７０を含み、この下部ネックフィレット７０は、ロータダブテール４６の底面７０ｆに向かって滑らかに連続するように選択された複合半径７０ｒ１，７０ｒ２を含む。

ロータダブテール４６の上部フック４８は、上部フックフィレット６０を含む。上部フックフィレット６０は、単一の半径６０ｒを含む。中間フック５２は、中間フックフィレット６４を含み、また下部フック５６は、下部フックフィレット６８を含む。中間フックフィレット６４は、２つの半径６４ｒ１，６４ｒ２を含む。図７に示すように、第１の半径６４ｒ１は、第２の半径６４ｒ２よりも小さい。中間フックフィレット６４はまた、平坦面６４ｆを含む。

図８に示すように、下部フックフィレット６８は、２つの半径６８ｒ１，６８ｒ２を含む。第１の半径６８ｒ１は、第２の半径６８ｒ２よりも小さい。下部フックフィレット６８もまた、平坦面６８ｆを含む。

一方における上部フックフィレット６０また他方における中間及び下部フックフィレット６４、６８は、異なっており、荷重を等しく支持するように最適化される。上部フックフィレット６０は、ロータ上面８４との間で滑らかな移行を形成するような、中間フックフィレット６４及び下部フックフィレット６８よりも大きい半径６０ｒを有する。

フックの厚さ及びネックの長さは、フック間の荷重分担並びにフックにおける曲げ及び剪断剛性／応力を制御する。これら全ては、集中応力及び歪みの度合いの原因となる。フック厚さ及びネック長さは、局所及び平均応力を最小にするように最適化される。図面の図に示すように、フック厚さは、ダブテール中心線Ｙに沿ったＸ軸線からの寸法間で異なる。例えば、上部フック４８は、１４．４６６−８．８１７＝７．６４３の厚さを有する。

本明細書で説明したように、半径の位置、半径の値、並びにそれに限定されないが、フック厚さ及びネック長さを含むバケットダブテール及びロータダブテールの形状のその他の態様は、局所及び平均応力を最小にするように最適化される。図面に示すように、半径の位置の値、半径の値、フック厚さ及びネック長さは、ミリメートル単位で表され、これらに対応するインチ単位の寸法は、角括弧内に示している。しかしながら、バケットダブテール及びロータダブテールは、同じ形状を維持することを条件に、より大きい又はより小さい寸法に拡大縮小することができることを理解されたい。従って、図面の図に示した値は、無次元の値と見なすことができる。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

動翼根元を含む蒸気タービン回転動翼の側面図。 動翼根元のためのスロットを含む蒸気タービンのロータの側面図。 組立てた動翼及びロータの側面図。 スロットを含むロータの詳細側面図。 動翼根元を含む動翼の詳細側面図。 図４の鎖線サークル部分（Ｄ−４）を詳細に示す図。 図４の鎖線サークル部分（Ｃ−３）を詳細に示す図。 図４の鎖線サークル部分（Ｃ−１）を詳細に示す図。

Claims (10)

1. ディスク（４４）に装着可能な動翼（２）であって、当該動翼（２）が、
   動翼プラットフォーム（４２）と、
   動翼プラットフォーム（４２）から延びる動翼根元（４）であって、第１、第２及び第３のフック（８，１２，１６）と第１、第２及び第３のネック（６，１０，１４）とを含む動翼根元（４）と
   を含んでおり、各フックが接触面（１８，２２，２６）と非接触面（２０，２４，２８）とを含んでいて、各接触面（１８，２２，２６）と各非接触面（２０，２４，２８）との間の角度（８６）が局所及び平均応力を低下させるように最適化されている、動翼。
2. 第１及び第２のフック（８，１２）の各々がフィレット（３２，３６）を含んでいて、各フィレットが第１の半径（３２ｒ１，３６ｒ１）と第２の半径（３２ｒ２，３６ｒ２）とを有しており、フィレットが平坦面（３２ｆ，３６ｆ）でつながっている、請求項１記載の動翼。
3. 第２の半径（３２ｒ２，３６ｒ２）が第１の半径（３２ｒ１，３６ｒ１）よりも大きい、請求項２記載の動翼。
4. 第３のフック（１６）が第１の半径（４０ｒ１）と第２の半径（４０ｒ２）とを有していて、第２の半径（４０ｒ２）が動翼根元（４）の平坦底面（４０ｆ）に移行する、請求項１記載の動翼。
5. フック（８，１２，１６）の厚さ及びネック（６，１０，１４）の長さの少なくともいずれかが局所及び平均応力を最小にするように最適化されている、請求項１記載の動翼。
6. 前記角度（８６）が、動翼根元（４）の中心線（Ｙ）に垂直な軸線（Ｘ）に関して実質的に対称である、請求項１記載の動翼。
7. 各接触面と各非接触面との間の角度が約７０．６°である、請求項１記載の動翼。
8. 動翼（２）とロータディスク（４４）とを備えるタービンであって、
   動翼（２）が動翼プラットフォーム（４２）から延びる動翼根元（４）を備えており、動翼根元（４）が第１、第２及び第３の動翼フック（８，１２，１６）と第１、第２及び第３の動翼ネック（６，１０，１４）とを含んでおり、各動翼フック（８，１２，１６）が接触面（１８，２２，２６）と非接触面（２０，２４，２８）、及び各接触面（１８，２２，２６）と各非接触面（２０，２４，２８）との間の角度（８６）を含んでおり、
   ロータディスク（４４）が、第１、第２及び第３のロータフック（４８，５２，５６）と第１、第２及び第３のロータネック（５０，５４，５８）とを含むスロット（４６）を備えており、各ロータフック（４８，５２，５６）が、動翼（２）の対応接触面（１８，２２，２６）と接触した接触面（７２，７６，８０）と動翼（２）の対応非接触面（２０，２４，２８）から離隔した非接触面（７４，７８，８２）とを含んでおり、ロータ接触面（７２，７６，８０）がロータ非接触面（７４，７８，８２）に対して、動翼接触面（１８，２２，２６）と動翼非接触面（２０，２４，２８）との間の角度（８６）と同じ角度（８６）をなしており、角度（８６）が接触面間の局所及び平均応力を低下させるように最適化されている、タービン。
9. 第１のロータフックがロータディスクの上面に移行する半径を有しており、第２及び第３のロータフックの各々がフィレットを含んでいて、各フィレットが第１の半径と第２の半径とを有しており、フィレットが平坦面でつながっている、請求項８記載のタービン。
10. 前記角度が約７０．６°である、請求項８記載のタービン。

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