JP2009250217A - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】
蒸気入口背側のカバーひさし付根コーナ部は、エロージョンを受けやすく、かつ高応力が発生する部位であるため、本部位でのエロージョン量の低減と発生応力の低減を両立させるものである。
【解決手段】
蒸気出口腹側のカバーひさしに半径方向内周側に張り出したリブを有し、動翼プロファイルと連結する側と反対側のリブ端が、カバーひさしと接触連結する隣接翼の蒸気入口側背側に位置するカバー接触面の延長線と翼プロファイル外形線を結ぶ交点よりも蒸気入口側に位置することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、翼先端に翼と一体に形成された連結部材を有するタービン動翼に関するものである。

近年、蒸気タービンの高効率化と大容量化のために、低圧最終段翼の長翼化が要求されている。長翼化に伴って、カバーひさしに作用する遠心力が増加し、さらに翼先端の周速が大きくなるために、エロージョン量が増大する傾向がある。このため、長翼設計において、高応力が発生するカバーひさし付根コーナ部１３の疲労強度を高めることが重要な課題である。

エロージョン量を低減するために、特許文献１にあるように、出口側ひさしの厚みを入口側厚みよりも厚く形成する施策や、カバー接触面付近の厚みを他の部位よりも厚く形成する施策が知られている。

しかし、カバー厚みの増加、およびカバー接触面付近の厚みを増加することに伴って、カバーに作用する遠心力が増加し、カバー付根の応力が増加する問題があった。

特開平１１−３３６５０１号公報

近年の蒸気タービン翼の長翼化に伴って、カバーひさしの遠心力が増加して、カバーひさし付根コーナ部の応力が増加する。

また、長翼化に伴い、カバー先端の周速が増加してエロージョン量が増加する問題がある。特に、蒸気入口背側のカバーひさし付根コーナ部は、エロージョンを受けやすく、かつ高応力が発生する部位であるため、本部位での疲労強度の向上が長翼における重要な課題である。

本発明は、カバーひさし付根コーナ部のエロージョン量の低減と発生応力の低減を両立させることにより、信頼性を高めたタービン動翼を提供するものである。

本発明のタービン動翼は、タービン動翼の先端に動翼と一体に形成されたカバーを有するものであって、蒸気出口腹側に位置するカバーひさしに半径方向内周側に張り出したリブを有し、前記リブの片端が、動翼プロファイルと連結されており、前記カバー接触面の延長線と前記動翼プロファイル外形線とを結ぶ円弧と離れた位置に前記リブが配置され、前記リブの動翼プロファイルと連結する側と反対側のリブ端が、前記蒸気出口腹側に位置するカバーひさしと接触連結する隣接翼の蒸気入口背側に位置するカバーひさしのカバー接触面の延長線と動翼プロファイル外形線とを結ぶ交点よりも軸方向蒸気入口側に位置することを特徴とする。

また、蒸気入口背側に位置するカバーひさしに半径方向内周側に張り出したリブを有し、前記リブの片端が動翼プロファイルと連結されており、前記カバー接触面の延長線と動翼プロファイル外形線とを結ぶ円弧と離れた位置にリブが配置されたことが好ましい。

また、カバー接触面の延長線と動翼プロファイル外形線とを結ぶ円弧とリブの距離が、カバー厚みの０.８以上，１.８以下であり、リブの半径方向高さが、カバー厚の０.３以上，０.８以下であることが好ましい。

また、蒸気出口腹側に位置するカバーひさしに設けられたリブの半径方向高さが、蒸気入口背側に位置するカバーひさしに設けられたリブの半径方向高さよりも大きく形成され、蒸気出口腹側のカバー接触面の延長線と動翼プロファイル外形線とを結ぶ円弧とリブの距離が、蒸気入口背側の前記距離よりも大きく形成されることが好ましい。

また、リブとカバーひさしの付根部のリブ厚みよりも、半径方向内周側のリブ厚みの方が小さく形成されることが好ましい。

また、蒸気出口腹側に位置するカバーひさしに設けられたリブのカバー平面内のリブ長さが、蒸気入口背側に位置するカバーひさしに設けられたリブのカバー平面内のリブ長さよりも大きいことが好ましい。

本発明により、カバーひさし付根コーナ部のエロージョン量の低減と発生応力の低減を両立させることができ、信頼性を高めたタービン動翼を提供することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

図１〜図３を用いて、本発明の第１実施例を説明する。

図３に示すように、タービン動翼１の先端に、タービン翼１と一体に形成されたカバー２を備えている。カバー連結部の詳細図である図１（ａ）（図３のＡ部）に示すように、カバー２には２箇所のひさし４が形成されている。ここで、蒸気流入方向２０に対して出口側に位置し、タービン回転方向２１を示す矢印の根本側の翼面に配置されたひさしを蒸気出口腹側のカバーひさし４ａと定義する。

一方、蒸気流入方向２０に対して入口側に位置し、タービン回転方向２１を示す矢印の先端側の翼面に配置されたひさしを蒸気入口背側のカバーひさし４ｂと定義する。

回転時の遠心力によるねじり戻り力５により、隣合う翼同士の蒸気出口腹側のカバーひさし４ａと蒸気入口背側のカバーひさし４ｂが接触面６で連結する構造である。

図１（ｂ）に示すように、カバーひさしの接触面６の延長線７と翼プロファイルの出口腹側の蒸気出口腹側８ａは、応力集中を低減するために蒸気出口腹側９ａにより連結されている。

一方、接触面６の延長線７と翼プロファイルの入口背側の蒸気入口背側８ｂは、蒸気入口背側９ｂにより連結されている。また、図２（ａ）に示すように、蒸気出口腹側のカバーひさし４ａと翼プロファイル３は、曲率半径１２ａにより連結されている。

同様に、図２（ｂ）に示すように、蒸気入口背側のカバーひさし４ｂと翼プロファイル３は、曲率半径１２ｂにより連結されている。

このため、２つの曲率半径９，１２の交点に位置するカバーひさし付根コーナ部１３では、応力集中係数が高くなる。

タービン翼の回転時には、カバーひさし４に半径方向外周方向に遠心力１４が作用することにより、カバーひさし付根コーナ部１３に曲げ応力が発生する。また、回転時に隣接翼と接触することにより、カバー接触面６に接触反力１５が作用する。これら遠心力１４と接触反力１５により、カバーひさし付根コーナ部１３に高応力が発生する。

さらに、蒸気入口側に位置するカバーひさし付根蒸気入口背側１３ｂは、水滴によるエロージョンを受けやすい部位であるため、エロージョンによる疲労強度の低下が懸念される。

図１（ａ）に示すように、蒸気出口腹側のカバーひさし４ａ、および蒸気入口背側のカバーひさし４ｂに、それぞれ半径方向内周側に張り出した蒸気出口腹側２２ａ，蒸気入口背側２２ｂを設けた点が、本実施例の特徴である。

リブ２２の導入により、カバーひさし４の重量増加を最小限に抑えて、カバーひさしの剛性を高めることができる。これにより、カバーひさし４のカバー平面内の曲率半径９とプロファイルを連結するカバーのひさし付根コーナ部１３の応力を低減する効果がある。

図１（ｂ）に示すように、リブ２２の幅３２は、カバー厚み１６の１／３〜１／２であることが望ましい。リブ幅３２が小さすぎると、リブの剛性が低下する問題があり、一方、リブ幅３２が増加するとカバーひさし４の重量が増加して、リブとプロファイル付根部２６の応力が増加する問題がある。

リブ２２と翼プロファイル３は、応力集係数を低下するために、曲率半径３０により連結されている。また、リブ２２とカバーひさし４についても、図１（ｃ）に示すように曲率半径３１により連結されている。これらの曲率半径３０，３１は、リブ幅３２の１／２程度が望ましい。

蒸気出口腹側のカバーひさし４ａに設けた蒸気出口腹側２２ａの、翼プロファイル３と連結する側と反対側のリブ端２３ａが、前記蒸気出口腹側のカバーひさし４ａと接触連結する隣接翼の蒸気入口側背側に位置するカバーひさし４ｂのカバー接触面の延長線７と翼プロファイル蒸気入口背側８ｂを結ぶ交点２４よりも、軸方向蒸気入口側に位置している。

本構造とすることにより、蒸気入口側に浸入する水滴の一部を出口背側の蒸気出口腹側２２ａで除去することにより、蒸気入口背側のカバーひさしの付根コーナ部１３のエロージョンを抑制する効果がある。

図１（ｃ）に示すように、蒸気出口腹側に位置するカバーひさし４ａに設けた蒸気出口腹側２２ａの半径方向高さ２５ａを、蒸気入口背側に位置するカバーひさし４ｂに設けた蒸気入口背側２２ｂの半径方向高さ２５ｂよりも大きく形成している。

本構造により、蒸気入口側に浸入する水滴の一部を蒸気出口腹側２２ａで除去することにより、蒸気入口背側のカバーひさし４ｂに設けた蒸気入口背側２２ｂと翼プロファイルの付根部２６ｂにおけるエロージョンを低減する効果がある。エロージョンの抑制効果を得るために、蒸気出口側カバーひさしのリブ高さ２５ａは、蒸気入口側カバーひさしのリブ高さ２５ｂの１.２倍以上確保するのが望ましい。

カバー接触面の延長線７と翼プロファイル外形線８を連結する曲率半径９とリブ２２の距離２７は、カバー厚み１６の０.８以上，１.８以下であるのが望ましい。

前記距離が小さすぎると、リブと翼プロファイルの付根部２６の応力が増加する問題がある。一方、前記距離が大きすぎると、リブ導入によるカバーひさし付根コーナ部１３の応力低減量が小さくなる。

リブの半径方向高さ２５は、カバー厚１６の０.３以上，０.８以下であることが望ましい。リブ高さ２５が小さすぎると、十分なエロージョン低減効果が得られないことや、カバーひさし付根コーナ部１３の応力低減効果がほとんど得られない。

一方、リブ高さ２５が大きくなりすぎると、リブとプロファイルの付根部２６の応力が増加し、またリブが蒸気の流れを乱すことによる性能低下の問題がある。これらを勘案して、蒸気出口腹側と蒸気入口背側のリブの高さ２５、およびリブ２２と曲率半径９の距離２７を適正化するのが望ましい。

また、蒸気入口背側のカバーひさし４ｂに設けた蒸気入口背側２２ｂの端部２３ｂを、リブ延長線とカバーひさし端部の交点２８よりも翼プロファイル３側に形成している。蒸気入口背側のカバーひさしの蒸気入口背側２２ｂに対しては、出口腹側カバーひさしの蒸気出口腹側２２ａのように、エロージョンを抑制する効果を付与しなくてよいため、リブによるカバーひさしの重量増加を最小限にして応力低減を図る効果がある。

一方、蒸気出口腹側リブは、最大限にエロージョン抑制効果を得るために、カバーひさし端部まで拡張させるのが望ましい。

図１（ｃ）に示すように、本発明では、カバーひさし４ｂとプロファイルの付根部２６ｂのエロージョンを抑制するために、出口側リブ高さ２５ａを入口側リブ高さ２５ｂよりも大きく形成している。それに伴い、蒸気出口腹側のカバー接触面の延長線７と翼プロファイル蒸気出口腹側８ａを結ぶ蒸気出口腹側９ａと蒸気出口腹側２２ａの距離２７ａは、蒸気入口背側の前記距離２７ｂよりも大きく形成している。後述する応力解析で述べるように、リブ高さを増加するほど、リブとひさしコーナ円弧部の距離２７を大きく確保することが応力低減に好ましいためである。

本実施例による効果を確認するために、リブ形状をパラメータとして、遠心応力解析を実施した。リブを導入した本発明構造（図４（ｄ））では、カバーひさしコーナ円弧とリブの距離Ｌ、およびリブ高さｈをパラメータとして検討した。

比較のために、リブがない従来構造の場合（図４（ｃ））についても検討した。応力の評価位置は、カバーひさし付根コーナ部（Ａ点）と、リブと翼プロファイルの連結部（Ｂ点）の２箇所である。

一例として、Ｌ／ｔ＝１.２の条件で、ｈ／ｔをパラメータとした場合の応力解析結果を図４（ａ）に示す。図４（ａ）の縦軸は、リブがない場合のＡ点の応力を１で規格化して表記している。

本解析より、リブ高さｈを増加するほど、カバーひさし付根コーナ部（Ａ点）の応力が低下する結果が得られ、本発明による応力低減効果が確認された。一方、ｈ／ｔを増加するほど、リブと翼プロファイルの連結部（Ｂ点）の応力が増加する傾向があり、リブ高さｈを適正な値に設計する必要があることが分かる。

次に、ｈ／ｔとＬ／ｔをパラメータとして、Ａ点とＢ点の最大応力を示した等応力線図を図４（ｂ）に示す。本図で、ｈ／ｔ＝０のときがリブなしの場合に相当する。本図より、リブ高さｈを増加する場合には、それに伴いひさしコーナとリブの距離Ｌを増加することが、応力低減に効果があることが分かる。

このことは、本発明でエロージョンを抑制するために出口腹側のリブ高さを入口背側のリブ高さより大きく形成し、それに伴い出口腹側のリブ距離を入口背側のリブ距離よりも大きく確保することの裏づけになる。

Ａ点とＢ点の最大応力をリブがない場合の応力の０.９５以下とするためには、ひさしコーナとリブの距離Ｌをカバー厚みｔの０.８以上，１.８以下、リブの半径方向高さｈをカバー厚ｔの０.３以上，０.８以下にすることが理想である。

また、上記範囲に設定することにより、リブ導入による蒸気流れの乱れ増加を問題が生じない範囲に抑制することも期待できる。

次に、リブ長さｄをパラメータとして、遠心応力解析を実施した。カバーひさし付根コーナ部（Ａ点）の応力算出結果を図５に示す。図５（ａ）より、リブ長さ／全長が約０.７以上になると、Ａ点での応力低減効果がほぼ飽和する傾向がある。このことから、応力を最適にするためには、リブ長さ／全長を約０.７に設定するのが望ましい。

図６を用いて、本発明の第２実施例を示す。リブとカバーひさし４の付根部のリブ厚み３４よりも、半径方向内周側のリブ先端のリブ厚み３３を小さく形成し、リブの先端に位置するほどリブの厚みが薄くなるようにテーパ形状に形成している。本形状とすることにより、リブの厚みが付根から先端にかけて一定の場合と比較して、蒸気流入方向に投影した面積が同じ条件で、リブによるカバーひさしの重量増加を小さくすることができる。

これにより、リブの厚みが一定の場合と比較して、リブによるエロージョン抑制効果が同じ条件で、リブとプロファイルの付根部２６の応力増加量をさらに低減する効果が得られる。なお、リブ先端の厚みが薄くなりすぎると、リブ自体のエロージョンの問題が生じるため、リブ先端の厚み３３と付根の厚み３４の比としては、０.５程度が望ましい。

以上のように、本実施例では、蒸気出口腹側のカバーひさしに半径方向内周側に張り出したリブを有し、動翼プロファイルと連結する側と反対側のリブ端が、前記カバーひさしと接触連結する隣接翼の蒸気入口側背側に位置するカバー接触面の延長線と翼プロファイル外形線を結ぶ交点よりも蒸気入口側に位置することにより、蒸気入口側に侵入する蒸気の一部を蒸気出口側のリブで除去して、蒸気入口背側のカバーひさし付根コーナ部のエロージョンを低減する効果がある。

また、蒸気出口腹側のカバーひさし、および蒸気入口背側に位置するカバーひさしに半径方向内周側に張り出したリブを有し、リブの片端が動翼プロファイルと連結されており、カバー接触面の延長線と翼プロファイル外形線を結ぶ円弧とリブの距離が、カバー厚みの０.８以上，１.８以下であり、リブの半径方向高さが、カバー厚の０.３以上，０.８以下であることにより、カバーひさしの重量増加を最小限に抑えて剛性を高めて、カバーひさし付根コーナ部の応力、およびリブとプロファイル付根部の応力を低減する効果がある。

更には、蒸気出口腹側に位置するカバーひさしに設けたリブの半径方向高さが、蒸気入口背側に位置するカバーひさしに設けたリブの半径方向高さよりも大きく形成され、蒸気出口腹側のカバー接触面の延長線と翼プロファイル外形線を結ぶ円弧とリブの距離が、蒸気入口背側の前記距離よりも大きく形成することにより、蒸気入口背側のカバーひさしに設けたリブと翼プロファイル付根部のエロージョンを低減する効果と、前記付根部の応力を低減する効果がある。

また、リブとカバーひさしの付根部のリブ厚みよりも、半径方向内周側のリブ厚みを小さく形成することにより、リブとプロファイル付根部の応力を低減する効果がある。

本発明は、翼先端に翼と一体に形成された連結部材を有するタービン動翼に関するものであり、蒸気タービンに利用することができる。

本発明の第１実施例を示した図。（ａ）は蒸気入口側からみた鳥瞰図（図３内のＡ部詳細図）、（ｂ）は半径方向外周側からみた平面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図。 本発明第１実施例を示した図。（ａ）は蒸気出口腹側のカバーひさしの鳥瞰図、（ｂ）は蒸気入口背側のカバーひさしの鳥瞰図。 本発明の第１実施例を示したタービン動翼の鳥瞰図。 本発明の効果を示した解析条件と結果の図。（ａ）はＬ／ｔ＝１.２の条件におけるＡ点とＢ点の応力を示した解析結果の図、（ｂ）はｈ／ｔとＬ／ｔをパラメータとして、Ａ点とＢ点の最大応力の等応力線図を示した解析結果の図、（ｃ），（ｄ）は解析モデルを示しており、（ｃ）はリブなし（従来構造）、（ｄ）はリブを設けた本発明構造。 本発明の効果を示した解析条件と結果の図。（ａ）は解析結果の図、（ｂ）は解析モデル。 本発明の第２実施例を示した鳥瞰図。

符号の説明

１ タービン動翼
２ カバー
３ 翼プロファイル
４ カバーひさし
４ａ 蒸気出口腹側のカバーひさし
４ｂ 蒸気入口背側のカバーひさし
５ 遠心力によるねじり戻り力
６ カバー接触面
７ カバー接触面のカバー平面内での延長線
８ プロファイル先端の外形線
８ａ，９ａ，１３ａ，２２ａ 蒸気出口腹側
８ｂ，９ｂ，１３ｂ，２２ｂ 蒸気入口背側
９ カバー接触面のカバー平面内の延長線と翼先端プロファイルを連結する曲率半径
１０ カバー平面
１２ カバー平面と垂直な平面内の曲率半径
１３ カバーひさし付根コーナ部
１４ カバーひさしに作用する遠心力
１５ カバー接触面に作用する接触反力
１６ カバー厚
２０ 蒸気流入方向
２１ 回転方向
２２ カバーひさしに設けたリブ
２３ リブの先端
２４ カバー接触面のカバー平面内の延長線と翼プロファイル先端の外形線の交点
２５ リブの半径方向高さ
２６ リブとプロファイルの付根部
２７ リブとカバーひさし付根円弧９部の距離
２８ 入口側カバーひさしのリブの延長線とカバーひさし端の交点
３０ リブと翼プロファイルを連結する曲率半径
３１ リブとカバーひさしを連結する曲率半径
３２ リブの幅
３３ リブの内周側先端の幅
３４ リブの付根部の幅

Claims (6)

1. タービン動翼の先端に動翼と一体に形成されたカバーを有するタービン動翼において、
   蒸気出口腹側に位置するカバーひさしに半径方向内周側に張り出したリブを有し、
   前記リブの片端が、動翼プロファイルと連結されており、前記カバー接触面の延長線と前記動翼プロファイル外形線とを結ぶ円弧と離れた位置に前記リブが配置され、
   前記リブの動翼プロファイルと連結する側と反対側のリブ端が、前記蒸気出口腹側に位置するカバーひさしと接触連結する隣接翼の蒸気入口背側に位置するカバーひさしのカバー接触面の延長線と動翼プロファイル外形線とを結ぶ交点よりも軸方向蒸気入口側に位置することを特徴とするタービン動翼。
2. タービン動翼の先端に動翼と一体に形成されたカバーを有するタービン動翼において、
   蒸気入口背側に位置するカバーひさしに半径方向内周側に張り出したリブを有し、前記リブの片端が動翼プロファイルと連結されており、前記カバー接触面の延長線と動翼プロファイル外形線とを結ぶ円弧と離れた位置にリブが配置されたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
3. カバー接触面の延長線と動翼プロファイル外形線とを結ぶ円弧とリブの距離が、カバー厚みの０.８以上，１.８以下であり、リブの半径方向高さが、カバー厚の０.３以上，０.８以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン動翼。
4. 蒸気出口腹側に位置するカバーひさしに設けられたリブの半径方向高さが、蒸気入口背側に位置するカバーひさしに設けられたリブの半径方向高さよりも大きく形成され、
   蒸気出口腹側のカバー接触面の延長線と動翼プロファイル外形線とを結ぶ円弧とリブの距離が、蒸気入口背側の前記距離よりも大きく形成されたことを特徴とする請求項２に記載のタービン動翼。
5. リブとカバーひさしの付根部のリブ厚みよりも、半径方向内周側のリブ厚みの方が小さく形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のタービン動翼。
6. 蒸気出口腹側に位置するカバーひさしに設けられたリブのカバー平面内のリブ長さが、蒸気入口背側に位置するカバーひさしに設けられたリブのカバー平面内のリブ長さよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のタービン動翼。

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