JP2010133410A

JP2010133410A - 流体機械

Info

Publication number: JP2010133410A
Application number: JP2009273116A
Authority: JP
Inventors: Pierre-Alain Masserey; マセリーピエール−アレン; Rolf Hunziker; フンツィカーロルフ; Benedikt Wanner; ヴァナーベネディクト; Christoph Gerber; ゲルバークリストフ
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2010-06-17
Also published as: CN101761361A; CN101761361B; DE102008059836A1; US8636475B2; US20100135775A1

Abstract

【課題】個々のタービン翼の翼先端部が間接的な結合エレメントを介して流体機械の増速運転時に生じるタービン翼のねじりをも吸収することができるように互いに連結されているような流体機械を提供する。
【解決手段】翼１，１´が運転状態でその半径方向の長手方向軸線を中心にしてねじられるように翼が形成されており、それぞれ２つの隣接した翼が、その各翼先端部２の範囲で結合エレメント４を介して周方向で互いに連結されており、翼１，１´が、非運転状態でそのねじり方向に予めねじれていて、しかも該翼の予ねじりが維持されるように該翼が結合エレメント４を介して互いに結合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の翼を備えたタービン段を有する流体機械、特に蒸気タービンであって、翼が運転状態でその半径方向の長手方向軸線を中心にしてねじられるように翼が形成されており、それぞれ２つの隣接した翼が、その各翼先端部の範囲で１つの結合エレメントを介して周方向で互いに連結されている形式のものに関する。

さらに本発明は、このような形式の流体機械のタービン段の２つの隣接した翼の結合を形成するための方法に関する。

慣用の流体機械のタービン段、特に最終段は、自由起立式に形成されるか、または連結されて形成される。この場合、振動減衰のために、付加的な摩擦エレメントまたは摩擦エレメントを介して行われる間接的な連結なしに、個々のタービン翼の間の直接的な連結が可能となる。

直接的な連結の場合には、通常、隣接し合う翼の間に直接的な接触が生じる。これに該当するのは、たとえばサポートウイング結合およびカバープレート（抑え板）結合である。直接的な連結により、一方では翼クラウンの高度の補剛が生ぜしめられ、たいては低いミスチューニング効果が生ぜしめられるが、他方では直接的な連結を用いると、小さな減衰効果しか達成され得ない。

間接的な連結には、翼クラウンの弱い連結もしくは低度の補剛しか生ぜしめない全ての結合エレメントが包含される。

長尺なタービン翼のための、特に長尺の最終段翼において現在汎用的に使用されている結合コンセプトでは、多かれ少なかれ直接的な連結が行われる。直接的に連結された結合システムの欠点は、冒頭で述べたように減衰特性にある。なぜならば、直接的な連結は運転中に各翼の間の相対運動を制限し、これにより摩擦減衰を介して僅かなエネルギしか分散され得ないからである。別の問題は、長尺の最終段翼が増速運転時に大きなねじりを受け、これにより翼先端部に大きなずれが発生し、このずれが結合エレメントの取付け部に問題を招く恐れがあるという事実にある。

米国特許第４４０１４１１号明細書に基づき、２つのタービン翼の翼先端部を結合するための結合エレメントが公知である。タービン翼はこのために、翼長手方向延在長さに対してほぼ直角に配置されたそれぞれ１つのカバープレート（抑え板）を有している。このカバープレートは翼長手方向に対してほぼ平行に一貫して延びる孔を備えている。結合エレメントはこの孔に対して相補的に形成されたピンを有している。このピンによって結合エレメントは２つの隣接したタービン翼の結合時に前記孔内に係合する。結合エレメントはこの場合、減衰作用を有すると同時に、タービンの運転時における翼長手方向軸線を中心としたタービン翼のねじりを減少させることが望まれる。

米国特許第４２５７７４３号明細書に基づき、隣接した２つのタービン翼を結合するための連結エレメントが公知である。各連結エレメントは、ほぼ半球形のネガティブな切欠きを有しており、この切欠き内には隣接したタービン翼の連結エレメントに加工成形された、前記切欠きに対して相補的に形成された半球形のポジティブな凸状加工成形部が係合する。

隣接したタービン翼のための類似の結合エレメントは、特開平１１−０１３４０１号公報および特開平１０−１７６５０１号公報に基づき公知である。特開平１１−０１３４０１号公報および特開平１０−１７６５０１号公報に基づき公知の結合エレメントは係止輪郭もしくは該係止輪郭に対して相補的に形成された対応係止輪郭を有しており、この係止輪郭もしくは対応係止輪郭はそれぞれ各タービン翼の翼先端部に設けられた１つの閉鎖エレメントに配置されている。したがって、これらの閉鎖エレメントは隣接した一方のタービン翼に対して係止輪郭を有しており、隣接した他方のタービン翼に対して対応係止輪郭を有しているので、タービン翼のほぼ同一構造に形成されたこれらの閉鎖エレメントは問題なく互いに内外に係合し合う。

米国特許第４４０１４１１号明細書米国特許第４２５７７４３号明細書特開平１１−０１３４０１号公報特開平１０−１７６５０１号公報

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の流体機械を改良して、個々のタービン翼の翼先端部が間接的な結合エレメントを介して特に、当該流体機械の増速運転時に生じるタービン翼のねじりをも吸収することができるように互いに連結されているような流体機械を提供することである。

さらに本発明の課題は、このような流体機械のタービン段の２つの隣接した翼の結合を形成するための有利な方法を提供することである。

この課題を解決するために本発明の流体機械の構成では、翼が、非運転状態でそのねじり方向に予めねじれていて、しかも該翼の予ねじりが維持されるように該翼（が前記結合エレメントを介して互いに結合されているようにした。

上記課題を解決するために本発明の方法では、翼を、非運転状態でそのねじり方向に予めねじり、しかも該翼の予ねじりが維持されるように該翼を、前記結合エレメントを介して互いに結合するようにした。

本発明は、タービン翼の半径方向の長手方向軸線を中心としたタービン翼の、場合によっては生じるねじりを、それぞれ２つの隣接した翼を翼先端部の範囲において周方向で互いに連結する結合エレメントの組付けの前に先取りするという一般的な思想に基づいている。この場合、翼は既に非運転状態においてそのねじり方向に予めねじられていて、この予めねじられた位置に結合エレメントを介して位置固定されている。したがって、翼は組付け時に既に特定の角度だけ予めねじられ、そして結合エレメントを用いてこの位置に保持されるか、もしくは互いに支持される。流体機械が増速運転されると、さしあたりこのプリロードもしくは予荷重は減少し、非運転状態と運転状態との間での全ねじり差は、予ねじりなしの場合よりも著しく小さくなる。なぜならば、発生したねじりの少なくとも一部は既に予ねじりによって先取りされているからである。これにより、結合エレメントが、予ねじりによって予め付与されていなかったねじりの部分にしかさらされなくなることが達成される。このことは、発生する全ねじりの減少をもたらし、ひいては結合エレメントを介して間接的に互いに連結されている個々のタービン翼の間の改善された連結もしくは改善された結合をもたらす。

本発明の有利な実施態様では、各結合エレメントが１つの連結エレメントを有しており、該連結エレメントが、２つの隣接した２つの翼の間で両翼のオーバラップ範囲に配置されている。したがって、連結エレメントは、周方向で互いにオーバラップした２つの翼の間の緩衝体として働き、両翼の間接的な連結を生ぜしめる。この場合、一方の翼は連結エレメントの一方の側に位置しており、隣接した他方の翼は連結エレメントの他方の側に位置している。連結エレメントの各側に対する両翼の当付けは、緊張力（Spannung）を受けて行われるので、連結エレメントは２つの隣接したタ―ビン翼の間で少なくとも非運転状態においてクランプされている。翼から伝達された緊張力は翼の弾性的な予ねじりから生ぜしめられる。タービンが増速運転されると、つまり回転数が増大するにつれて、ねじり力は増大するので、連結エレメントに加えられたクランプ力は徐々に減少する。結合エレメントの連結範囲によって、２つの隣接したタ―ビン翼の間接的な連結が提供される。このような間接的な連結は一方では、非運転状態もしくは運転状態に生じるタービン翼のねじれ発生時における信頼性の良い連結を保証すると同時に、減衰機能をも満たす。このことは、流体機械、特に蒸気タービンの運転安定性もしくは運転静寂性に好都合に作用する。

本発明の別の有利な実施態様では、各結合エレメントが１つの摩擦・減衰エレメントを有しており、該摩擦・減衰エレメントが、２つの隣接した翼と係合している。この係合は、たとえば摩擦・減衰エレメントが、互いに逆方向に向けられた２つのピン状のアームを有していて、両アームが、２つの隣接した翼に該アームに対して相補的に形成された切欠き内に係合することによって実現されていてよい。この場合、結合エレメントは前記摩擦・減衰エレメントを介して、もしくは該摩擦・減衰エレメントのピン状のアームを介して、隣接し合った翼の前記切欠き内に移動可能もしくは摺動可能に支承されている。このことは次のような大きな利点をもたらす。すなわち、結合エレメントもしくはその連結エレメントが、２つの隣接したタービン翼によってもはやクランプされていない場合でも、２つの隣接した翼の連結がなお保証されている。特に翼ねじりが予ねじりに相当する、より高い回転数においては、連結エレメントが、隣接した両翼から解離し始めるので、最終的に流体機械の公称回転数が到達されると、連結エレメントは有利には２つの隣接したタ―ビン翼の間に自由に可動に位置している。

結合エレメントは単一部分から一体に形成されているか、またはそれぞれ１つの連結エレメントと１つの摩擦・減衰エレメントとから組み立てられていると有利である。結合エレメントの一体の構成は、ロジスティックスコストを減少させて、製造プロセスを簡単にする。それに対して、連結エレメントと摩擦・減衰エレメントとから組み立てられた結合エレメントには、次のような利点がある。すなわち、連結エレメントは摩擦・減衰エレメントとは異なる材料特性を有することができ、これにより特別な要求に対する個々の適合が可能となる。

本発明の対象の別の重要な特徴および利点は、請求項２以下、図面および対応する図面の説明から明らかである。

本発明による結合エレメントを介して互いに結合された２つの隣接した翼、たとえばタービン翼を示す斜視図である。結合エレメントの細部を示す斜視図である。結合エレメントと２つの異なる構成（ａ，ｂ）の翼との配置関係を示す概略図である。本発明による結合エレメントの別の実施例を示す概略図である。図４に示した結合エレメントの断面図である。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

図面中、実質的にまたは機能的に同一または類似の構成要素には、同じ符号が付されている。

図１には、２つの隣接し合った翼１，１´が図示されている。これらの翼１，１´は、たとえば１つのタービン段（図示しない）、特にタービン最終段の一部である。翼１，１´はタービン最終翼である。両翼１，１´は半径方向外側の端部側に、つまり翼先端部２；２´の範囲に、それぞれ１つの密閉エレメントもしくは閉鎖エレメント３；３´を有している。当然ながら、図１〜図５に示した閉鎖エレメント３は可能となる１実施例を成しているに過ぎないので、閉鎖エレメント３が別の形状、たとえばカバープレートの形を有していることも考えられる。

図１に示したように、両翼１，１´は周方向で範囲Ａにおいて互いにオーバラップしている。このオーバラップ範囲Ａでは、両翼１，１´の間に１つの結合エレメント４が配置されている。この結合エレメント４は図２に示したように、連結エレメント５と摩擦・減衰エレメント６とを有している。組み立てられた状態において、一方の閉鎖エレメント３は図１に示したように、連結エレメント５の一方の側に接触しており、それに対して隣接した翼１´の他方の閉鎖エレメント３´は連結エレメント５の反対の側に接触している。摩擦・減衰エレメント６は隣接し合う両翼１，１´と係合しており、この場合、この係合は、摩擦・減衰エレメント６が一方では第１の翼１に設けられた相補的な切欠き７、たとえば孔内に係合し、他方では隣接した第２の翼１´に設けられた相補的な切欠き７´内に係合することにより実現される。結合エレメント４は隣接し合う両翼１，１´に設けられた切欠き７，７´内に摺動可能に支承されていると有利である。すなわち、結合エレメント４は、図１および図２に示したように、たとえばピン状に形成されていてかつ有利には円形の横断面を有している摩擦・減衰エレメント６を介して、この摩擦・減衰エレメント６の軸方向に摺動可能に支承されている。当然ながら、摩擦・減衰エレメント６は別の横断面、特に楕円形または多角形の横断面を有していてもよい。それに対して、結合エレメント４の連結エレメント５は図１および図２に示したように、直方体の形状を有していてよい。この場合、連結エレメント５が円筒状の形状を有することも考えられる。

摩擦・減衰エレメント６は流体機械の運転中に遠心力によって切欠き７，７´の壁に押圧されるので、摩擦・減衰エレメント６もしくは結合エレメント４全体の質量を用いて最適な減衰作用を制御することができる。なぜならば、この質量は発生する接触力に直接に作用するからである。念のため付言しておくと、連結エレメント５の構成も、摩擦・減衰エレメント６の構成も、図１〜図５には単に例示的に図示されているに過ぎず、一般的に別の形状もしくは別の横断面も本発明により包含されるものである。

本発明の構成は、流体機械の非運転状態では翼１，１´をそのねじり方向に予めねじり、そしてこの予めねじられた位置が維持されるように結合エレメント４を介して翼１，１´を位置固定するか、もしくは互いに結合することにある。流体機械が増速運転されると、まず遠心力増大に基づいて前記ねじり力が減少するので、結合エレメント４の連結エレメント５と、それぞれ連結エレメント５に接触している翼１，１´との間の接触力は減少し、その結果、規定の回転数において翼ねじりが前記予ねじりに相当し、これによって両翼１，１´が互いに逆向きの方向で連結エレメント５から解離されるので、最終的には、たとえば流体機械の公称回転数への到達時に、連結エレメント５は一方の翼１にも他方の翼１´にも接触しなくなる。その場合、各翼１，１´の対応する切欠き７，７´内に係合している摩擦・減衰エレメント６のピン状の両アームを介してのみ結合が存在している。一般的には、これにより、従来慣用の構成ではタービンの増速運転時に出現する恐れのある大きなねじりが減じられ、連結エレメント５が、予ねじりによって予め付与されていなかったねじりの部分にしかさらさらされなくなることが達成される。

流体機械の翼１，１´の本発明による予ねじりにより、タービンの公称回転数への到達時に翼１と翼１´との間に直接的な連結が与えられなくなるので、両翼１，１´が互いに相対的に可動となり、それにもかかわらず結合エレメント４を介して間接的な結合が、ひいては減衰が与えられることが達成される。予ねじりには次のような利点がある。すなわち、タービンの増速運転時に、発生したねじり力が、予め付与された予ねじりのための力よりも大きくなる程度の高さにタービンの回転数がなるまで、さしあたり両翼１，１´はねじりを受けない。これにより、タービンの運転状態と非運転状態との間に生じるねじり効果を著しく減少させることができる。流体機械の非使用状態では、結合エレメント４の連結エレメント５が、オーバラップ範囲Ａにおいて隣接した２つの翼１，１´の間に締付けられており、この場合、結合エレメント４に作用するプリロード力もしくは予荷重力は翼１，１´の予ねじりによって形成される。このときにできるだけ良好な減衰特性を得ることができるようにするために、結合エレメント４は弾性的に形成されている。すなわち、結合エレメント４はタービンの通常運転時に発生する負荷を弾性的に吸収することができる。

図３ａには、結合エレメント４の摩擦・減衰エレメント６が、翼１，１´の向きに対してほぼ直角に延びていることが示されている。このときに、各翼１；１´は接触面８；８´によって連結エレメント５に接触しており、この接触面８；８´は図３ａに示したように、互いに対して平行でかつ翼１に対して平行である。しかし、減衰振動方向に影響を与えることができるようにするためには、図３ｂに示したような構成も考えられる。すなわち、この場合、接触面８；８´は翼１に対して所定の角度αだけ傾けられて延びている。図３ａもしくは図３ｂに示した選択された実施態様とは無関係に、両実施態様において同一構造の結合エレメント４を使用することができる。

図１〜図３に示した実施例とは異なり、結合エレメント４は、図４および図５に図示したようなＨ字形の形状を有することもできる。このＨ字形の結合エレメント４´はＨ字体を形成する１つのセンタ部分９と２つのウェブ１０とを有している。Ｈ字形の結合エレメント４´のセンタ部分９は連結エレメント５として形成されており、Ｈ字形の結合エレメント４´のウェブ１０は摩擦・減衰エレメント６として形成されている。Ｈ字形の結合エレメント４´の配置は、図１〜図３につき説明した結合エレメント４の配置に相当しているので、この実施例の場合にも、隣接した両翼１，１´は、その半径方向の長手方向軸線を中心にして予めねじられており、この場合、両翼１，１´はオーバラップ範囲Ａにおいて結合エレメント４´を互いの間にクランプしている。

図５に示したように、Ｈ字形の結合エレメント４´の両ウェブ１０は、翼先端部２に配置されたキー１２のための溝１１を形成していて、このキー１２をＵ字形に取り囲んで把持している。減衰機能はこの場合、溝１１とキー１２との間の協働を介して生ぜしめられ、両翼１，１´の、予めねじられた位置における位置固定はセンタ部分９によって、つまり連結エレメント５によって引き受けられる。

図１〜図５に示した結合エレメント４の選択された実施態様とは無関係に、結合エレメント４は一体に、つまり単一ピースから形成されているか、またはそれぞれ連結エレメント５と摩擦・減衰エレメント６とから組み立てられていてよい。単一ピースから形成された一体の結合エレメント４は、保管・ロジスティックスコストが減じられ、かつあとから行われる連結エレメント５と摩擦・減衰エレメント６との組立てが不要となるという利点を提供する。２つの部分から形成された結合エレメント４の場合には、たとえば互いに異なる材料を使用することができるので、連結エレメント５は摩擦・減衰エレメント６に対して異なる材料特性を有することができる。

１つのタービン段の隣接した２つの翼１，１´の結合を形成するためには、まず隣接した両翼１，１´が、その運転状態の際に生じるねじり方向に予めねじられ、引き続き、この予ねじりが維持されるように結合エレメント４がオーバラップ範囲Ａに組み付けられる。

１，１´ 翼
２，２´ 翼先端部
３，３´ 閉鎖エレメント
４，４´ 結合エレメント
５連結エレメント
６摩擦・減衰エレメント
７，７´ 切欠き
８，８´ 接触面
９センタ部分
１０ウェブ
１１溝
１２キー
Ａオーバラップ範囲

Claims

複数の翼（１，１´）を備えたタービン段を有する流体機械、特に蒸気タービンであって、
−翼（１，１´）が運転状態でその半径方向の長手方向軸線を中心にしてねじられるように翼（１，１´）が形成されており、
−それぞれ２つの隣接した翼（１，１´）が、その各翼先端部（２）の範囲で１つの結合エレメント（４，４´）を介して周方向で互いに連結されている
形式のものにおいて、
翼（１，１´）が、非運転状態でそのねじり方向に予めねじれていて、しかも該翼（１，１´）の予ねじりが維持されるように該翼（１，１´）が前記結合エレメント（４，４´）を介して互いに結合されていることを特徴とする流体機械。
−翼（１，１´）が周方向で互いにオーバラップしており、かつ／または
−各結合エレメント（４，４´）が１つの連結エレメント（５）を有しており、該連結エレメント（５）が、２つの隣接した２つの翼（１，１´）の間のオーバラップ範囲（Ａ）に配置されている、
請求項１記載の流体機械。
−各結合エレメント（４，４´）が１つの摩擦・減衰エレメント（６）を有しており、該摩擦・減衰エレメント（６）が、２つの隣接した翼（１，１´）と係合しており、かつ／または
−該摩擦・減衰エレメント（６）が、一方では第１の翼（１）に設けられた相補的な切欠き（７）内に係合していて、他方では隣接した第２の翼（１´）に設けられた相補的な切欠き（７´）内に係合しており、かつ／または
−結合エレメント（４）が、前記摩擦・減衰エレメント（６）を介して、２つの隣接した翼（１，１´）に設けられた前記切欠き（７，７´）内に摺動可能に支承されている、
請求項１または２記載の流体機械。
−連結エレメント（５）が直方体形に形成されており、かつ／または
−連結エレメント（５）の形状が、翼（１，１´）のそれぞれ隣接した範囲に適合されており、かつ／または
−摩擦・減衰エレメント（６）がピン状に形成されていて、円形または楕円形の横断面を有している、
請求項３記載の流体機械。
少なくとも１つの結合エレメント（４´）が、Ｈ字形の形状を有している、請求項１または２記載の流体機械。
−Ｈ字形の結合エレメント（４´）のセンタ部分（９）が、連結エレメント（５）として形成されており、かつ／または
−Ｈ字形の結合エレメント（４´）のウェブ（１０）が、摩擦・減衰エレメント（６）として形成されており、かつ／または
−Ｈ字形の結合エレメント（４´）のそれぞれ２つのウェブ（１０）が、翼先端部（２）に配置されたキー（１２）のための溝（１１）を形成していて、該キー（１２）を取り囲んで把持している、
請求項５記載の流体機械。
結合エレメント（４，４´）の連結エレメント（５）が、当該流体機械の非使用状態においてオーバラップ範囲（Ａ）で２つの隣接した翼（１，１´）の間に締付けられており、かつ／または
−結合エレメント（４，４´）が弾性的に形成されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の流体機械。
−結合エレメント（４，４´）が一体に形成されているか、または
−結合エレメント（４，４´）が、それぞれ１つの連結エレメント（５）と１つの摩擦・減衰エレメント（６）とから組み立てられている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の流体機械。
タービン段がタービン最終段である、請求項１から８までのいずれか１項記載の流体機械。
翼（１，１´）の翼先端部（２）が、閉鎖エレメント（３）、特にカバープレートを有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の流体機械。
請求項１から１０までのいずれか１項記載の流体機械に用いられる結合エレメント。
流体機械、特に蒸気タービンであって、
−翼（１，１´）が運転状態でその半径方向の長手方向軸線を中心にしてねじられ、
−それぞれ２つの隣接した翼（１，１´）が、その各翼先端部（２）の範囲で１つの結合エレメント（４，４´）を介して周方向で互いに連結されている
形式の流体機械のタービン段の２つの隣接した翼（１，１´）の結合を形成するための方法において、翼（１，１´）を、非運転状態でそのねじり方向に予めねじり、しかも該翼（１，１´）の予ねじりが維持されるように該翼（１，１´）を、前記結合エレメント（４，４´）を介して互いに結合することを特徴とする、流体機械のタービン段の２つの隣接した翼の結合を形成するための方法。