JP2013052624A

JP2013052624A - 回転機械翼

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Publication number: JP2013052624A
Application number: JP2011193239A
Authority: JP
Inventors: Toshio Watanabe; 敏生渡邉; Koji Oyama; 宏治大山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: JP5967883B2

Abstract

【課題】翼自体の強度を確保するとともに、軽量化することができる回転機械翼を提供する。
【解決手段】回転機械翼１は、ブレード状に延在する回転機械翼１であって、回転機械翼１の延在方向Ｐに延びるとともに板厚方向に貫通する複数の略円形の孔部１１１が形成された多孔鋼板からなる内部材１１と、複合材からなるとともに、前記内部材１１を内包して前記回転機械翼１の外面を形成する外部材２１とを備え、前記孔部１１１は、前記内部材１１の周縁部から内方に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転機械翼に関するものである。

近年、蒸気タービンやインペラーに用いられる鋼製の回転機械翼の開発分野においては、エネルギー効率の向上等の観点から長翼化に重点がおかれている。ここで、長翼化にともない回転機械翼の重量が大となるため、回転機械翼を支持する円盤状のディスクにかかる負荷が大きくなってきている。

そこで、ディスクにかかる負荷を低減するために、回転機械翼の重量を軽くするように、チタン材等の軽量鋼材から構成される回転機械翼が知られている。また、回転機械翼の厚みを薄肉とすることで、重量を軽量化した回転機械翼もある。

さらに、軽量化の一法として、翼の両外面を形成するテーパスキンの内部に、凹凸形状が形成された板状のディンプルコアを配した中空ブレードも知られている（下記特許文献１参照）。

特開２０００−２４８９０１号公報

しかしながら、前述の軽量鋼材から構成される回転機械翼は、軽量鋼材自体のコストが高いため、製造した回転機械翼がコスト高となってしまうという問題点があった。

また、薄肉の回転機械翼では、ディスクにかかる負荷は低減されるものの、翼自体の強度が不足するという問題点があった。
さらに、回転機械翼の形状が複雑なため、現場で図面通りに加工するのが非常に困難であった。

また、上記特許文献１に記載された中空ブレードでは、ディンプルコアの両側は空洞となっているため、回転機械翼として十分な強度を得ることができないという問題点もあった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、翼自体の強度を確保するとともに、軽量化することができる回転機械翼を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る回転機械翼は、ブレード状に延在する回転機械翼であって、
回転機械翼の延在方向に延びるとともに板厚方向に貫通する複数の孔部が形成された多孔鋼板からなる内部材と、複合材からなるとともに、前記内部材を内包して前記回転機械翼の外面を形成する外部材とを備えることを特徴とする。

このような回転機械翼では、内部材に複数の孔部が設けられているため、鋼板と複合材との接合面積となる鋼板の表面積部分を広く確保できる。また、孔部を通して鋼板の両側の外部材が、内部材と連結し一体となって接合する、よって、内部材と外部材とが強固に接合するため、回転機械翼自体の強度を確保することができる。
一方、外部材を軽量材料とすれば、回転機械翼の軽量化をはかることができる。

また、本発明に係る回転機械翼は、前記孔部は略円形であることを特徴とする。

これによって、応力を一部に集中させることなく、分散して負担することができる。また、内部材と外部材との間に生じる摩擦による減衰効果を期待することができる。

また、本発明に係る回転機械翼は、前記内部材の周縁部には、該周縁部を巡るように補強領域が形成され、該補強領域の内方に前記孔部が形成されていることを特徴とする。

このような回転機械翼では、周縁部を補強領域とすることで、周縁部の強度を確保することができ、内部材の剛性を強固にすることができる。

また、本発明に係る回転機械翼は、前記内部材は、高張力鋼からなり、前記外部材は、ポリイミド樹脂と炭素繊維樹脂とを含む複合材であることを特徴とする。

これによって、内部材で捩れに対する強度を確保するとともに、外部材で確実に軽量化を図ることができる。

本発明に係る回転機械翼によれば、翼自体の強度を確保するとともに、軽量化することができる。

本発明の一実施形態に係る回転機械翼の平面図である。本発明の一実施形態に係る回転機械翼の捩れを解いて示した模式縦断面図である。図２におけるＡ−Ａ断面図である。図２におけるＢ矢視図である。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態の回転機械翼として、蒸気タービン（不図示。以下同じ。）のタービンブレードに適用した場合を例に挙げて説明する。
蒸気タービンのタービンブレード（回転機械翼）は、例えば、ロータ（不図示。以下同じ。）に固定された円盤状のディスク（不図示。以下同じ。）に、放射線状に複数配列され、作動流体である蒸気を受けてロータを回転駆動させるものである。

図１乃至図３に示すように、タービンブレード（以下、ブレードと言う。）１は、基端となる翼根部Ｅ１と、該翼根部Ｅ１から延在方向Ｐに延びる翼部Ｅ２と、該翼部Ｅ２の先端に設けられたシュラウド部Ｅ３とを備える。そして、ブレード１は、翼根部Ｅ１側からシュラウド部Ｅ３側に向かうにしたがって幅が狭くなるように形成されるとともに、捩れた形状となるように形成されている。すなわち、図１に示すように、翼根部Ｅ１側からシュラウド部Ｅ３側に向かうにしたがって、反時計回りに捩れた形状となるように形成されている。
また、ブレード１は、図３に示すように、その断面輪郭形状が腹面部Ｄ１では凹面状に形成され、背面部Ｄ２では凸面状に形成されている。そして、翼入口部Ｄ３から該翼入口部Ｄ３と翼出口部Ｄ４との中間である中間部Ｄ５に向かうにしたがって板厚方向に厚くなるとともに、該中間部Ｄ５から翼出口部Ｄ４に向かうにしたがって板厚方向に薄くなるように所謂翼形状に形成されている。
また、このブレード１は、延在方向Ｐに延びて内側部分を構成する内部材１１と、該内部材１１を内包して外面を形成する外部材２１とを備えた構成とされている。

以下、ブレード１を構成する各部の詳細について詳細に説明する。
（内部材１１）
図２に示すように、内部材１１は、周縁部を巡るように補強領域Ｆが形成され、該補強領域Ｆの内方に板厚方向に貫通する複数の孔部１１１が形成された多孔鋼板である。また、翼根部Ｅ１側からシュラウド部Ｅ３側に向かうにしたがって幅が狭くなるように形成されている。また、内部材１１は、本実施形態では、一例として薄板高張力鋼で成形されている。

孔部１１１は、略円形状であり、補強領域Ｆの内方に、内部材１１の翼根部Ｅ１からシュラウド部Ｅ３まで、図１における上下方向、左右方向に等間隔に形成されている。
ここで、孔部１１１の直径は、内部材１１と外部材２１の結合を強化するために、例えば１０ｍｍ〜１５ｍｍが適している。内部材１１に孔部１１１が形成されていない補強領域Ｆとして端部から２５ｍｍ確保し、孔部１１１の隣接間隔が２５ｍｍ以内であるのが適している。

（外部材２１）
図３に示すように、外部材２１は、２以上の材料からなる複合材で、翼入口部Ｄ３から中間部Ｄ５に向かうにしたがって板厚方向に厚くなるとともに、該中間部Ｄ５から翼出口部Ｄ４に向かうにしたがって板厚方向に薄くなるように形成されている。また、外部材２１は、本実施形態では、一例としてポリイミド樹脂と炭素繊維樹脂を組み合わせた複合材で成形されている。

ここで、内部材１１と外部材２１とは、例えばレジントランスファー成型法により成形されるものであって、金型内の所定の位置に内部材１１を配置し、外部材２１を金型内に内部材１１を内包するようにして充填固化させる。このような方法により、内部材１１に形成された孔部１１１の内部に外部材２１の複合材が充填されて、内部材１１と外部材２１とは一体化される。

また、図４に示すように、外部材２１は、翼根部Ｅ１では、凸形状と凹形状とが連続して形成さている。すなわち、外部材２１は、図４における下方に設けられた板厚方向に凸形状の第一凸部３１と、該第一凸部３１に連続して設けられた板厚方向に凹形状の凹部３２と、該凹部３２に連続して設けられた板厚方向に凸形状の第二凸部３３とを備える。
第一凸部３１、凹部３２及び第二凸部３３は、ディスクに形成された凸形状及び凹形状に対応した形状であり、対応する凸形状と凹形状とが嵌合することにより、ディスクに固定されている。

また、図１に示すように、外部材２１のシュラウド部Ｅ３は、その両端部が接合部４１，４２とされ、これら接合部４１，４２が隣接するブレード１と接合されている。

このように構成されたブレード１では、内部材１１には孔部１１１が複数形成されているため外部材２１との接合面積を大きく確保でき、さらに孔部１１１を通して腹面部Ｄ１側の外部材２１と背面部Ｄ２側の外部材２１とが内部材１１と連結し一体となる。さらに、内部材１１の孔部１１１の内部には外部材２１を構成する複合材が充填固化されるため、内部材１１と外部材２１とは一体化される。よって、内部材１１が高張力鋼により形成されていること及びこの内部材１１と外部材２１とが強固に接合するため、ブレード１の強度を確保することができる。また、内部材１１が高張力鋼で形成されるため捩れに対する強度も確保することができる。
また、内部材１１の補強領域Ｆには孔部１１１が形成されていないため、補強領域Ｆである周縁部の強度を確保することができ、内部材１１の剛性を強固にすることが可能となる。

また、外部材２１は、ポリイミド樹脂と炭素繊維樹脂を組み合わせた複合材であるため、ブレード１を軽量化することができる。

具体的には、ブレード１全体と鋼製とした場合と比較すると、例えば本実施形態のように複合材としてポリイミド樹脂と炭素繊維樹脂とを選択すると、重量を４分の１と顕著に軽量化することができる。よって、ディスクに対する遠心荷重を低減できるため、過度に薄肉化する必要がなくなる。したがって、製作加工が容易となり製作誤差が減るとともに、製作コストを削減することができる。
さらには、現状のディスクで本実施形態のブレード１を支持することができることにより、高強度のディスクの開発が急務でないため、計画的に該開発を進めることができる。

また、ブレード１の厚みを厚くすることにより、共振を抑えるためのチューニング代を多く確保することができる。

また、孔部１１１は略円形状であるため、応力を一部に集中させることなく分散して負担することができる。よって、内部材１１と外部材２１との間に生じる摩擦による減衰効果を期待することができる。

また、内部に繊維類が設けられた型に樹脂液を注入し、繊維類を含浸し硬化させるレジントランスファー成型法によれば、短期間で製造することが可能となる。

なお、本発明は、蒸気タービンのみに適用され得るものではなく、インペラー等同様な構成を有する流体回転機械にも適用され得るものである。

また、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、孔部１１１の構成として、円形に限られず矩形又は矩形の端部に丸みをもたせた形状でもよく、孔部１１１の配列を密になるような構成としてもよい。

１…回転機械翼（タービンブレード）
１１…内部材
２１…外部材
１１１…孔部
Ｆ…補強領域

Claims

ブレード状に延在する回転機械翼であって、
回転機械翼の延在方向に延びるとともに板厚方向に貫通する複数の孔部が形成された多孔鋼板からなる内部材と、
複合材からなるとともに、前記内部材を内包して前記回転機械翼の外面を形成する外部材とを備えることを特徴とする回転機械翼。
請求項１に記載の回転機械翼において、
前記孔部は略円形であることを特徴とする回転機械翼。
請求項１又は請求項２に記載の回転機械翼において、
前記内部材の周縁部には、該周縁部を巡るように補強領域が形成され、
該補強領域の内方に前記孔部が形成されていることを特徴とする回転機械翼。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の回転機械翼において、
前記内部材は、高張力鋼からなり、
前記外部材は、ポリイミド樹脂と炭素繊維樹脂とを含む複合材であることを特徴とする回転機械翼。