JP2014058972A - ロータアッセンブリ及び改装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】危険速度による故障のリスクを低減することができるロータカップリング及び方法を提供する。
【解決手段】ロータの通常作動速度から離れるようロータの危険振動モードをシフトする方法が、ロータに、２つのロータ区分（１１，１２）の接触面を連結するカップリングを設けるステップと、前記２つのロータ区分が連結された状態で前記ロータ区分の専ら内部に位置する領域から、質量を除去するステップとを有する。ロータの少なくとも２つのロータ区分（１１，１２）が、該ロータ区分の公称直径を越える直径を有したカップリング（１１１，１１２）によって連結されており、前記ロータ区分のうちの少なくとも１つは、端部及び前記カップリングの近傍に、１つ以上のキャビティを有しており、前記キャビティの境界部は全て、前記ロータ区分が連結された状態で内部の面となっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、概してロータアッセンブリ、並びに大型ロータ、特に低圧蒸気タービンのようなタービンのための大型ロータの改装方法に関する。

例えば米国特許第６８３７６８５号明細書に記載されているように、少なくとも幾つかの公知のタービンロータアッセンブリは、複数のブレードが結合されている１つのロータホイールを含んでいる。ロータは典型的には、いくつかの大型の円筒鍛造品又は機械加工された部分から構成されている。これらの部分は、溶接されるか、ボルト連結されるか、又は熱収縮プロセスによって結合される。

ロータは、端部又はその長さに沿った中間位置でベアリングによって支持されている。高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンを含む大型多段式蒸気タービンの場合、通常、ロータを端部及び段の間で支持するためのベアリングが設けられている。

重量が１５５トン又はそれ以上の大型タービン用のロータは、この相当な重量にも関わらず、典型的には、例えば５０Hz又は６０Hzの電力網周波数で、又はその半分の周波数で回転しなければならないことに留意すべきである。高回転速度という観点では、ロータの不均衡な質量がロータの曲がり又は屈折をひき起こす。回転速度が増加するにつれ、このような振動の振幅はしばしば、危険速度（臨界速度）と言われる最大値を越える。厳しい公差で製造される現代のタービンでは、このような所定の位置からずれた動きは、タービンの損傷や故障を招く恐れがある。

米国特許第６８３７６８５号明細書

そこで本発明の課題は、ロータカップリング及び、例えばロータの修理又は改造の部分としての、ロータ区分を連結する方法を提供することである。本発明の課題は特に、危険速度による故障のリスクを低減することができるロータカップリング及び方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、公共電力網用の電力を発生させるためのタービンの回転部分を支持するロータであって、該ロータは少なくとも２つの区分を有しており、これらの区分は、ロータの公称直径を越える増大された直径を有したカップリングによって連結されており、前記ロータ区分のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのロータ区分の端部及び前記カップリングの近傍に、１つ以上のキャビティを有しており、前記ロータ区分が連結されているときには、前記１つ以上のキャビティの境界部は全て、内部の面となっている。

好ましい構成では、少なくとも１つの前記ロータ区分の端部における、および前記カップリングの近傍における、前記１つ以上のキャビティは、前記ロータの壁から、前記ロータの公称直径を越えて延びる前記カップリングの部分内へと延びているか、又は前記ロータの壁から、前記ロータの公称直径を越えて延びる前記カップリングの部分内へと延びる領域内に配置されている。

好ましい変化態様では、前記ロータ区分のうちの少なくとも１つは、回転ブレード若しくは翼、及びその各プラットフォームのような、低圧蒸気タービンの回転部分を支持している。

本発明の別の態様によれば、公共の電力網用の電力を発生させるタービンの回転部分を支持するロータの２つの区分において、該ロータの公称直径を越えた増大した直径を有するカップリングによって連結する方法であって、前記２つのロータ区分が連結されたときに、完全に前記ロータ区分の専ら内部に位置する領域から質量を除去するステップを含む方法が提供されている。

上記方法の好ましい変化態様では、連結されたロータ区分の横方向危険速度を高めるために質量が除去され、それにより、平らな端部において連結されたロータ区分と比べて、作動速度と横方向危険速度との差が拡大される。

本発明の上記態様及びその他の態様は、以下の詳細な説明及び以下に挙げる図面に記載されている。

以下に、本発明の実施例を添付の図面につき説明する。

公知の方法による、修正後の２つのロータ区分の間におけるカップリングを示す図である。 本発明の一実施例を示す２つのロータ区分の間のカップリングを示す図である。 本発明の実施例を示す２つのロータ区分の間のカップリングを示す図である。 本発明の実施例による改良の効果を示すロータ振動の励起スペクトルの２つのプロットを示す図である。

本発明の態様及び実施例の詳細を以下にさらに詳しく説明する。本発明の典型的な実施の形態を図面につき説明するが、この場合、全体にわたって同じ参照符号は同じ要素を示すために使用されている。以下の記載では、説明の目的で、幾つかの特定の詳細が、本発明の完全な理解を提供するために説明されている。しかしながら本発明は、これらの特定の詳細なしでも実施されてよく、ここに記載した典型的な実施の形態に限定されるものではない。

図１には、カップリング１１１，１１２によって連結された２つのロータ区分１１，１２の概略図が示されている。これらのロータ区分は例えば、低圧蒸気タービン用の１つのロータの２つの区分であって良い。このようなロータ区分は典型的には中実であるか、又は、厚い壁を有した円筒形状を有している。カップリング区域１１１，１１２では、ロータの壁の厚さ、ひいてはロータの外径は、ボルト又はねじ用の開口を提供するためにロータの公称外側半径を超えている。公称半径とは、カップリング区分の手前のロータの半径をロータ区分の端部まで直線外挿することにより導き出されたカップリング区域におけるロータの半径であるとみなすことができる。

ロータは提供される際に、できるだけ低重量、低使用材料で完全なものとするために、または、スペアの数を最小にする目的で構成部品の互換性を保証するために、最適化されることがある。しかしながら改造の際には、元のロータを改良されたロータと置き換えることができるとしても、ロータの全体寸法を変更するための自由度はある程度制限されたままである。

図１では、点線で示された元のカップリング１１１，１１２の材料１５が除去されて、実線で示されたより小さなカップリング１１１ａ，１１１ｂとすることができると仮定されている。通常、このような質量の減少は、カップリング又はオーバーハングモードの横方向危険速度を、通常作動速度から十分に離れたものとするのには十分である。

原則的には、オーバーハングモードの横方向危険速度を、通常作動速度よりも十分低いものとするために質量を増大させることも可能である。しかしながらこのような変化態様は、より高価なものとなり得るし、カップリングガード及び／又はタービンケーシングの改良にコストと時間がかかるだろう。また、アンバランスに対する感度が高まることも予想される。即ち、カップリングモードのねじり固有振動数が電力網周波数に又は電力網周波数の２倍に近づくかもしれない。

しかしながら、カップリング寸法の減少により、カップリングの機械的強度は許容できないほど失われる恐れがある。そのような場合、又は、例えば外側のロータ寸法が固定されているその他の場合、カップリングからのカップリング材料１５の除去は不可能である。

このような問題を考慮し、図２には、カップリング又はオーバーハングモードの横方向危険速度を、通常作動速度から十分に離れたものとするための選択的構成が示されている。

図２には、左側に元のロータ区分を有し、右側に変更された区分を備えたカップリングが示されており、本発明の例による変更が示されている。この例のカップリング１１１，１１２は実際のロータ上に焼きばめされている。元のロータ区分１１は、他方の区分に面したほぼ平らな面１３を有している。この面は、他方の区分との接触面積を制限するように、この面に機械加工された極めて浅い凹部（図示せず）を有している。本発明の例により改良されるならば、ロータ区分１２の壁の一部を除去することにより、もともとは平らな面１３にキャビティ１４が機械加工される。図示された例では、キャビティ１４が、カップリング区域又は、ロータの公称半径の外側における領域内に半径方向でさらに延びていることが示されている。再度、公称半径とは、カップリング区分の手前のロータの半径をロータ区分の端部に到るまで直線外挿することにより導き出されたカップリング区域におけるロータの半径であると規定する。

これらの区分が連結される場合、キャビティ１４は、ロータの内部に完全に閉じ込められることに留意されたい。従って、キャビティ１４の壁は、ロータの外側に沿った空気流にさらされない。キャビティ１４は、ロータの平衡化を容易にするために回転対称的である。

別の例が図３に示されている。ロータは、ロータ区分１１，１２の両端部に、鍛造された中実のカップリング１１１，１１２を有している。キャビティ１４は、ロータの壁及びカップリングの一部分に機械加工されている。さらに、環状のカップリング材料１５が、カップリングの外側から除去されている。

図示されたキャビティの正確な寸法は、組み立てられたロータの機械的な一体性が危機的に弱められることがないように、ＦＥ解析を用いて計算される。パラメータを考慮しつつ、できるだけ多くの材料を取り除き、これによりカップリング又はオーバーハングモードの横方向危険速度と正常作動速度とのより大きな差を得ることが有利であるとみなされている。

図４のプロットは、カップリングにキャビティを形成する前（上のグラフ）及び形成した後（下のグラフ）のロータの振動周波数のシフトを示している。上のグラフと下のグラフのスペクトルは基本的に同じであるが、僅かに右側にずれている。キャビティを設けることにより、横方向危険速度は、ロータの作動速度から離されるように動かされる。より正確な測定によると、横方向危険速度は１８４０ｒｐｍから１８７０ｒｐｍにシフトされるとともに、対応して１８００ｒｐｍ（正常作動速度）における振動振幅はピーク・トゥ・ピークで２０μｍだけ減少する（ゼロ・トゥ・ピークでは４５μｍから３５μｍに減少）。

上記説明した本発明は単に例であり、特に、キャビティ１４の所望のジオメトリ又はキャビティ１４の配置に関しては、本発明の範囲内で変更可能である。本発明は、ここで説明された又は暗示された全ての個々の特徴、又は図面に示された又は暗示された全ての個々の特徴、又はこれらの特徴の組み合わせ、又はその均等物にまで拡張される、これらの特徴又は組み合わせの一般化を含む。本発明の広さ及び範囲は上記典型的な実施の形態のいずれによっても限定されるべきではない。

図面を含む明細書に開示された各特徴は、そうでないことが明示的に述べられない限りは、同じ又は均等の又は類似の目的を果たす選択的な特徴と置き換えることができる。

明確に規定されていない限りは、明細書中の従来技術のいかなる議論も、このような従来技術が広く公知であるということを、又は当業者の一般的な知識の一部を成すということを容認するものではない。

１１，１２ ロータ区分
１１１，１１２ カップリング
１３ 面
１４ キャビティ
１５ カップリング材料

Claims (5)

1. ロータに、２つのロータ区分の接触面を連結するカップリングを設けるステップと、
   前記２つのロータ区分（１１，１２）が連結されたときに完全に前記ロータ区分（１１，１２）の内部に位置する領域から質量を除去するステップとを有することを特徴とする、ロータの通常作動速度から離れるようロータの危険振動モードをシフトする方法。
2. 前記質量を除去するステップは、カップリングの接触面から質量を除去し、少なくとも１つのロータ区分のカップリング端部にキャビティを形成することを含む、請求項１記載の方法。
3. 公共電力網用の電力を発生させるタービンの回転部分を支持するロータであって、該ロータは少なくとも２つのロータ区分（１１，１２）を有しており、これらのロータ区分は、該ロータ区分（１１，１２）の公称直径を越える直径を有したカップリング（１１１，１１２）によって連結されており、前記ロータ区分のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのロータ区分（１１，１２）の端部及び前記カップリング（１１１，１１２）の近傍に、１つ以上のキャビティを有しており、該１つ以上のキャビティ（１４）の境界部は全て、前記ロータ区分（１１，１２）が連結されたときには内部の面であることを特徴とする、タービンの回転部分を支持するロータ。
4. 前記１つ以上のキャビティ（１４）は、少なくとも１つの前記ロータ区分（１１，１２）の端部及び前記カップリング（１１１，１１２）の近傍で、前記ロータの壁から、前記ロータ区分（１１，１２）の公称直径を越えて延びる前記カップリング（１１１，１１２）の一部分内へと延びているか、又は前記ロータ区分（１１，１２）の壁から、ロータ区分（１１，１２）の公称直径を越えて延びる前記カップリング（１１１，１１２）の部分内へと延びる領域内に配置されている、請求項３記載のロータ。
5. 少なくとも１つの前記ロータ区分（１１，１２）は、回転ブレード若しくは翼、及びその各プラットフォームのような、低圧蒸気タービンの回転部分を支持している、請求項３記載のロータ。