JP2010249073A - タービンロータ、タービン動翼結合構造、蒸気タービンおよび発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】疲労強度を低下させることなくフレッティング疲労強度を改善できるタービン動翼の結合構造を提供すること。
【解決手段】シャフト１と、シャフトの軸方向に複数取り付けられ、翼溝５を有するディスク２と、翼溝に嵌め合わされる翼植込み部７を有するタービン動翼３と、翼溝と翼植え込み部との双方に凸部及び凹部が設けられた嵌め合い構造と、翼植込み部及び翼溝における凹凸部がタービンロータ回転時に互いに接触する接触部３０とを備えるタービンロータに対して、接触部の端部に対応する翼植込み部の凸部に翼側ぬすみ形状４１と、翼溝の凸部に溝側ぬすみ形状４２とを設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は水蒸気や燃焼ガスで回転されるタービンロータに関する。

軸流型タービンのタービンロータ（ロータ）には、作動流体（水蒸気や燃焼ガス）の流れを回転力に変換するために、シャフトに取り付けられたディスクの外周に複数枚のタービン動翼が植え込まれている。この種のタービンロータにおける動翼の結合構造としては、様々な構造が現在までに開発され使用されてきた。

その中の１つとして、いわゆる逆クリスマスツリー型の嵌め合い構造でディスクに動翼を結合させたものがある。この結合構造は、互いに対応した形状の複数段の凹凸部（フック部及びネック部）をディスクと動翼に設け、その凹凸部を互いに接触させ嵌め合わせることでディスクに動翼を結合している。この種の結合構造では、タービン稼働時にタービンロータが回転して動翼に遠心力が作用し、その遠心力によってディスクと動翼の接触部に高い面圧が負荷される。そして、このような接触部を持つ嵌合構造では、タービンの起動・停止や振動に起因する荷重変動やすべりによって、その接触部の端部にフレッティング疲労が発生することがある。

このようなフレッティング疲労対策としては、接触部の端部と隣接する動翼及びディスクの凹部に対して、ぬすみ形状を形成する方法が提案されている（特開２００２−１０６３０２号公報等参照）。

特開２００２−１０６３０２号公報

しかし、上記のように接触部の端部と隣接する凹部にぬすみ形状を加工する方法では、元の形状と比較して凹部の曲率半径が小さくなる傾向が強く、応力集中が大きくなるおそれがある。また、ネック部幅が小さくなる傾向も強いので、ディスクや動翼の最小断面積が減少して公称応力が大きくなるおそれもある。つまり、上記のように凹部にぬすみ形状を設けると、接触部でのフレッティング疲労には強くなるが、反対に凹部での疲労強度が低下する可能性が懸念される。

本発明は疲労強度を低下させることなくフレッティング疲労強度を改善できるタービン動翼の結合構造を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、シャフトと、このシャフトの軸方向に複数取り付けられ、翼溝を有するディスクと、前記翼溝に嵌め合わされる翼植込み部を有するタービン動翼と、前記翼溝と前記翼植え込み部との双方に凸部及び凹部が設けられた嵌め合い構造と、前記翼植込み部及び前記翼溝における凹凸部がタービンロータ回転時に互いに接触する接触部とを備えるタービンロータに対して、前記接触部の端部に対応する前記翼植込み部の凸部に翼側ぬすみ形状と、前記接触部の端部に対応する前記翼溝の凸部に溝側ぬすみ形状とを設けるものとする。

本発明によれば、接触部の端部近傍における局所応力及び接触面圧の変化を低減できるので、疲労強度を低下させることなくフレッティング疲労強度を改善できる。

本発明の実施の形態に係る発電設備におけるタービンロータ付近の概略図。 本発明の第１の実施の形態に係るタービン動翼の翼植込み部近傍の拡大図。 本発明の第１の実施の形態に係るタービンロータ回転時における翼植込み部と翼溝の接触部付近の拡大図。 本発明の第１の実施の形態に係るタービンロータにおけるぬすみ形状近傍の拡大図。 従来のタービン動翼の連結構造を示す図。 ぬすみ形状の接触端部角度θを変化させたときの接触部における接触面圧の分布図。 本発明の第１の実施の形態に係るタービンロータにおける接触端部角度θ及びぬすみ円弧半径Ｒの最適範囲を示す図。 本発明の第２の実施の形態に係るタービン動翼の翼植込み部近傍の拡大図。 本発明の第２の実施の形態に係るタービンロータ回転時における翼植込み部と翼溝の接触部付近の拡大図。 本発明の第３の実施の形態に係るタービンロータにおけるぬすみ形状近傍の拡大図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る発電設備におけるタービンロータ付近の概略図である。
図１に示す発電設備は、蒸気タービンを利用して電力を発生させるもので、蒸気によって回転される蒸気タービンロータを備えている。このタービンロータは、シャフト１と、シャフト１の軸方向に複数取り付けられたディスク２と、ディスク２の周方向に複数固定されたタービン動翼３を備えている。

図２は本発明の第１の実施の形態に係るタービン動翼３の翼植込み部７近傍の拡大図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。
図２に示す動翼３は、翼植込み部７と、翼部８を備えている。翼植込み部７は、いわゆる逆クリスマスツリー型に形成されており、タービンロータの径方向に沿って翼フック部（凸部）１０及び翼ネック部（凹部）１１が交互に複数設けられている。各翼フック部１０は翼植込み部７から概ねタービンロータの周方向に向かって突出しており、タービンロータの径方向に沿って複数の凹凸部が形成されている。

翼溝５は、動翼３の翼植込み部７を嵌め合わせるためにタービンロータの軸方向に穿たれた溝であり、ディスク２の外周に所定の間隔を介して複数配列されている。各翼溝５には、翼植込み部７の形状に対応して、ロータフック部（凸部）２０及びロータネック部（凹部）２１が複数設けられている。すなわち、ロータフック部（凸部）２０は翼ネック部１１と係合し、ロータネック部（凹部）２１は翼フック部１０と係合する。これにより、動翼３は、翼植込み部７を翼溝５に嵌め合わせることでディスク２に固定されている。

図３はタービンロータ回転時における翼植込み部７と翼溝５の接触部３０付近（図２中のIIIの領域）の拡大図である。

この図に示すように、タービンロータ回転時において、翼植込み部７は接触部３０において翼溝５と面状に接触する。より具体的には、接触部３０において、翼植込み部７上の面であってタービンロータの径方向における外側の面が、翼溝５上の面であってタービンロータの径方向における内側の面と接触する。これは、上記のように嵌め合い構造で固定された動翼３は、タービンロータ回転時に発生する遠心力によってタービンロータの径方向における外側に移動するからである。なお、図３に示すように、タービンロータ回転時において、翼植込み部７上の面であってタービンロータの径方向における内側の面は、翼溝５上の面であってタービンロータの径方向における外側の面と離れている。

翼植込み部７及び翼溝５において接触部３０の端部と隣接する部分には、翼植込み部７と翼溝５の隙間を確保するためのぬすみ形状４１，４２が設けられている。

翼植込み部７側のぬすみ形状（翼側ぬすみ形状）４１は、接触部３０の端部（接触端部）３１と隣接する部分であって、翼植込み部７における翼フック部（凸部）１０側の部分に設けられている。翼溝５側のぬすみ形状（溝側ぬすみ形状）４２は、接触部３０の端部（接触端部）３２と隣接する部分であって、翼溝５におけるロータフック部（凸部）２０側の部分に設けられている。

図４は図３におけるぬすみ形状４１近傍（図３中のIVの領域）の拡大図である。

この図に示すように、本実施の形態における翼側ぬすみ形状４１は円弧状に形成されている。接触端部３１において当該円弧部分が開始する方向は、接触端部３１におけるぬすみ形状４１の接平面Ｓと、接触部３０とが成す角である接触端部角度θによって決定されている。すなわち、接触端部角度θはぬすみ形状の凹み具合を示す指標となっており、接触端部角度θが大きくなるほどぬすみ形状の凹み具合は小さくなる。図４に示したぬすみ形状４１の例では、接触端部３１における接平面Ｓは、紙面と垂直に交差し略水平方向に延びていることになる。なお、溝側ぬすみ形状４２については拡大図を用いて説明しないが、上記の翼側ぬすみ形状４１と同様に、接触端部角度θで始まる円弧状に形成されているものとする（図３参照）。

次に、上記のような結合構造で構成されるタービンロータの効果について説明する。ここでは、本実施の形態が発揮する効果の理解を容易にするために、まず、従来形状の結合構造を有するタービンロータについて説明する。

図５は従来のタービン動翼の連結構造を示す図である。図５（ａ）は従来の翼植込み部近傍の拡大図であり、図５（ｂ）は第１の従来例におけるタービンロータ回転時の翼植込み部と翼溝の接触部付近（図５（ａ）中のVの領域）の拡大図であり、図５（ｃ）は第２の従来例におけるタービンロータ回転時の翼植込み部と翼溝の接触部付近（図５（ａ）中のVの領域）の拡大図である。

図５（ｂ）に示す第１の従来例のようにタービンロータを設けると、接触部３０に高い面圧が負荷されるため、タービンの起動・停止や振動に起因する荷重変動やすべりによって、その接触部３０の端部にフレッティング疲労が発生することがある。そのため、図５（ｃ）に示す第２の従来例では、接触部３０の接触端部と隣接する部分であって、翼植込み部７における翼ネック部（凹部）１１側の部分に翼側ぬすみ形状１４１を設け、フレッティング疲労の低減を図っている。

このように接触部３０の端部と隣接する凹部にぬすみ形状を設けると、ぬすみ形状を設けない場合と比較して凹部の曲率半径が小さくなる傾向が強く、応力集中が大きくなるおそれがある。また、ネック部幅が小さくなる傾向も強いので、シャフトや動翼の最小断面積が減少して公称応力が大きくなるおそれもある。つまり、上記のように凹部にぬすみ形状を設けると、接触部でのフレッティング疲労には強くなるが、反対に凹部での疲労強度が低下する可能性が懸念される。

ところで、図６は、ぬすみ形状における接触端部角度θを変化させたときの接触部３０における接触面圧の分布図である。より具体的には、この図は、（１）円弧半径（ぬすみ円弧半径Ｒ）を２ｍｍに固定し接触端部角度θを４５度、６７．５度、９０度に変化させたぬすみ形状を有するタービンロータと（２）図５に示した従来形状を有するタービンロータについて有限要素モデルにおける弾性解析を行い、これにより得られた翼溝５側の接触部３０での接触面圧分布を示している。

この図の接触面圧分布において、図５に示した従来形状では、接触端部３１，３２近傍で接触面圧が急激に高くなり局所応力（ピーク応力）が発生している。これに対して、本実施の形態に係るモデルでは、接触端部３１，３２に隣接してぬすみ形状４１，４２を設けたことにより、接触端部３１，３２近傍の剛性を低減させている。これにより、本実施の形態に係る結合構造を有するタービンロータでは、従来形状で接触端部３１，３２に集中していた翼溝５側の接触部３０での接触面圧を均一化することができる。すなわち、接触端部３１，３２と隣接する凸部１０，２０にぬすみ形状４１，４２を設けた本実施の形態によれば、接触端部３１，３２の近傍における局所応力を低減することができ、接触部３０における接触面圧の変化を低減できるので、疲労強度を低下させることなくフレッティング疲労強度を改善することができる。したがって、本実施の形態によれば、フレッティング疲労に対する信頼性の高いタービンロータを提供することができる。

ところで、上記解析では図６に示すように、円弧半径２ｍｍのぬすみ形状４１，４２を設けた場合でも、接触端部角度θが４５度になると接触端部３１，３２で接触面圧が０になることが知見された。これは接触端部３１，３２の剛性が低下し過ぎたため、荷重により接触端部３１，３２が変形して接触部３０から浮上りを生じたことに起因すると解される。すなわち、このように接触端部３１，３２で浮上りが生じてしまうと、接触部３０の面積が減少して接触面圧が上昇してしまう。このような接触面圧の上昇は、接触端部３１，３２での局所応力の上昇につながることから、フレッティング疲労強度の低下につながるおそれがある。したがって、円弧半径２ｍｍのぬすみ形状４１，４２を形成したときは、接触端部角度θは４５度以上であることが好ましいことが分かった。

そこで上記を踏まえ、発明者等は、本実施の形態にかかる結合構造を有するタービンロータに対して、ぬすみ形状４１，４２の円弧半径Ｒおよび接触端部角度θをパラメータにして有限要素解析を実施した。その結果、接触部３０における接触面圧の分布が従来形状よりも小さくかつ接触面積が減少しないためには、ぬすみ円弧半径Ｒを１〜５ｍｍに設定し、接触部角度θを５０〜９０度に設定することが必要であると知見された。そしてさらに、接触端部角度θ及びぬすみ円弧半径Ｒは、図７に示す領域５０内に含まれることがさらに好ましいと知見された。

図７は本実施の形態に係るタービンロータにおける接触端部角度θ及びぬすみ円弧半径Ｒの最適範囲を示す図である。領域５０は、具体的には、下記各式（１）〜（３）が同時に満たされる部分である。

このように接触端部角度θ及びぬすみ円弧半径Ｒを設定すると、接触端部３１，３２が変形して浮き上がりが生じることを防止できるので、疲労強度を低下させることなくフレッティング疲労強度を改善することができる。

図８は本発明の第２の実施の形態に係るタービン動翼３の翼植込み部近傍の拡大図であり、図９はタービンロータ回転時における翼植込み部７と翼溝５の接触部３０付近（図８中のIXの領域）の拡大図である。

本実施の形態に係るタービンロータは、円弧と直線を組み合わせた形状で形成されたぬすみ形状４１Ａ，４２Ａを備えている点で第１の実施の形態のものと異なる。図９において、翼側ぬすみ形状４１Ａは、接触端部３１側に設けられた円弧部４３と、円弧部４３の終点からぬすみ形状４１Ａの終点に至るまでの範囲に設けられた直線部４４とから形成されている。すなわち、ぬすみ形状４１Ａは、円弧状に形成された後に直線状に形成されている。また、溝側ぬすみ形状４２Ａも同様に、接触端部３２側に位置する円弧部４３と、円弧部４３と隣接して設けられた直線部４４とから形成されている。

このように円弧と直線を組み合わせてぬすみ形状４１Ａ，４２Ａを形成しても、第１の実施の形態同様に、疲労強度を低下させることなくフレッティング疲労強度を改善することができる。

なお、図９に示した例では、接触端部３１，３２側に円弧部４３を位置させ、円弧部４３に直線部４４を接続させることでぬすみ形状４１Ａ，４２Ａを形成したが、円弧部４３と直線部４４の位置関係を逆転させても良い。すなわち、接触部端部３１，３２側に直線部４４を位置させ、直線部４４に円弧部４３を接続させても良い。

また、第１の実施の形態では、すべての接触部３０の両端３１，３２にぬすみ形状４１，４２を設けたが、少なくとも１つの接触部３０の両端３１，３２にぬすみ形状４１，４２を設ければ本発明の効果は発揮される。このように１部の接触部３０に対してぬすみ形状４１，４２を設ける場合には、他と比較して疲労強度的に厳しくなると予想される部分（例えば、タービンロータの径方向における最も外側に位置し、他の部分と比較して大きな遠心力が作用する接触部３０）にぬすみ形状４１，４２を設けることが好ましい。本実施の形態では、この観点に基づいて、図８に示すように、タービンロータの径方向における最も外側に位置する２つの接触部３０だけにぬすみ形状４１Ａ，４２Ａを設けている。

図１０は本発明の第３の実施の形態におけるぬすみ形状近傍の拡大図である。

この図に示すぬすみ形状は、第１の実施の形態に係るぬすみ形状４１，４２における接触端部３１，３２側に面取り部４５を設けたものに相当する。面取り部４５は翼長さ方向に面取りされている。

このように面取り部４５を設けると、第１の実施の形態と比較して、接触端部３１，３２の応力低減効果は減少してしまうが、翼溝５の加工時の溝幅の寸法管理が容易となる。また、接触端部３１，３２の欠損を防止することができる。

なお、以上では、嵌め合い構造でタービン動翼を結合させるタービンロータとして、逆クリスマスツリー型の結合構造を利用しているものを例に挙げて説明したが、凸部及び凹部が設けられた翼植込み部と、当該凸部及び凹部が嵌め合わされる凸部及び凹部が設けられた翼溝を有するタービンロータであれば本発明は適用可能である。この種のタービンロータの具体例としては、いわゆる鞍型やＴルート型のものがある。

また、以上では、蒸気タービンに用いられるタービンロータを例に挙げて説明したが、本発明はガスタービンに用いられるタービンロータにも使用可能である。そしてさらに、上記のようなタービンロータを複数配置して構成した蒸気タービン又はガスタービンや、これらの蒸気タービン又はガスタービンを備える発電設備でも利用可能なことは言うまでも無い。

１ シャフト
２ ディスク
３ タービン動翼
５ 翼溝
７ 翼植込み部
１０ 翼フック部（凸部）
１１ 翼ネック部（凹部）
２０ ロータフック部（凸部）
２１ ロータネック部（凹部）
３０ 接触部
３１ 接触端部（翼フック部側）
３２ 接触端部（ロータフック部側）
４１ 翼側ぬすみ形状
４２ 溝側ぬすみ形状
４３ 円弧部
４４ 直線部
４５ 面取り部
５０ 接触端部の浮き上がりが生じない領域
Ｒ 円弧半径
Ｓ 接平面
θ 接触端部角度

Claims (14)

1. シャフトと、シャフトの軸方向に複数取り付けられ、翼溝を有するディスクと、前記翼溝に嵌め合わされる翼植込み部を有するタービン動翼と、を有するタービンロータであって、
   前記翼溝と前記翼植え込み部との双方に凸部及び凹部が設けられた嵌め合い構造を有し、前記翼植込み部及び前記翼溝における凹凸部がタービンロータ回転時に互いに接触する接触部を有し、
   前記接触部の端部に対応する前記翼植込み部の凸部に翼側ぬすみ形状を備え、かつ前記翼溝の凸部に溝側ぬすみ形状を備えることを特徴とするタービンロータ。
2. 請求項１記載のタービンロータにおいて、
   前記翼植え込み部は、翼フック部及び翼ネック部が設けられた逆クリスマスツリー型の翼植込み部形状を有し、
   前記翼溝は、ロータフック部及びロータネック部を有し、前記翼フック部及び翼ネック部が嵌め合わされる翼溝形状を有することを特徴とするタービンロータ。
3. 請求項１記載のタービンロータにおいて、
   前記翼側ぬすみ形状及び前記溝側ぬすみ形状は、円弧状に形成されていることを特徴とするタービンロータ。
4. 請求項１記載のタービンロータにおいて、
   前記翼側ぬすみ形状及び前記溝側ぬすみ形状は、円弧と直線を組み合わせて形成されていることを特徴とするタービンロータ。
5. 請求項４記載のタービンロータにおいて、
   前記翼側ぬすみ形状及び前記溝側ぬすみ形状は、前記接触部側に設けられた円弧部と、その円弧部の終点からぬすみ形状の終点に至るまでの範囲に設けられた直線部とから形成されていることを特徴とするタービンロータ。
6. 請求項３記載のタービンロータにおいて、
   前記翼側ぬすみ形状及び前記溝側ぬすみ形状における円弧部分の半径は、それぞれ、１〜５ｍｍであることを特徴とするタービンロータ。
7. 請求項６記載のタービンロータにおいて、
   前記接触部側の端部における前記翼側ぬすみ形状及び前記溝側ぬすみ形状の接平面と前記接触部とが成す角が、それぞれ、５０〜９０度となるように、前記翼側ぬすみ形状及び前記溝側ぬすみ形状は形成されていることを特徴とするタービンロータ。
8. 請求項１記載のタービンロータにおいて、
   前記翼側ぬすみ形状及び前記溝側ぬすみ形状における前記接触部側の端部は、面取りされていることを特徴とするタービンロータ。
9. 請求項１記載のタービンロータにおいて、
   前記翼側ぬすみ形状及び前記溝側ぬすみ形状は、タービンロータの径方向における最も外側に位置する接触部に設けられていることを特徴とするタービンロータ。
10. 嵌め合い構造でタービンロータにタービン動翼を結合させるタービン動翼の結合構造において、
    凸部及び凹部が設けられた翼植込み部を有するタービン動翼と、
    前記翼植込み部における前記凸部及び凹部が嵌め合わされる凸部及び凹部が設けられた翼溝と、
    タービンロータ回転時に、前記翼植込み部及び前記翼溝における凹凸部が互いに接触する接触部と、
    前記接触部の端部と隣接する前記翼植込み部上の部分であって、前記翼植込み部における凸部側の部分に設けられた翼側ぬすみ形状と、
    前記接触部の端部と隣接する前記翼溝上の部分であって、前記翼溝における凸部側の部分に設けられた溝側ぬすみ形状とを備えることを特徴とするタービン動翼の結合構造。
11. 嵌め合い構造でタービンロータにタービン動翼を結合させるタービン動翼の結合構造において、
    翼フック部及び翼ネック部が設けられた逆クリスマスツリー型の翼植込み部を有するタービン動翼と、
    前記翼フック部及び前記翼ネック部が嵌め合わされるロータフック部及びロータネック部が設けられた翼溝と、
    タービンロータ回転時に発生する遠心力によって前記翼植込み部がタービンロータの径方向における外側に移動することで、前記翼植込み部及び前記翼溝が互いに接触する接触部と、
    前記接触部の端部と隣接する前記翼植込み部上の部分であって、前記翼フック部側の部分に設けられた翼側ぬすみ形状と、
    前記接触部の端部と隣接する前記翼溝上の部分であって、前記ロータフック部側の部分に設けられた溝側ぬすみ形状とを備えることを特徴とするタービン動翼の結合構造。
12. 嵌め合い構造でタービン動翼を結合させたタービンロータにおいて、
    凸部及び凹部が設けられた翼植込み部を有するタービン動翼と、
    前記翼植込み部における前記凸部及び凹部が嵌め合わされる凸部及び凹部が設けられた翼溝を有するディスクと、
    タービンロータ回転時に、前記翼植込み部及び前記翼溝における凹凸部が互いに接触する接触部と、
    前記接触部の端部と隣接する前記翼植込み部上の部分であって、前記翼植込み部における凸部側の部分に設けられた翼側ぬすみ形状と、
    前記接触部の端部と隣接する前記翼溝上の部分であって、前記翼溝における凸部側の部分に設けられた溝側ぬすみ形状とを備えることを特徴とするタービンロータ。
13. 請求項１２記載のタービンロータを複数配置して構成したことを特徴とする蒸気タービン。
14. 請求項１２記載のタービンロータを備えることを特徴とする発電設備。

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