JP2015110906A - 蒸気タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービン動翼の動翼カバー部フィン（チップフィン）の溝部における熱応力を低減し、高い信頼性を有する蒸気タービン動翼を提供する。【解決手段】蒸気タービン動翼の動翼カバー部フィンに発生する熱応力を低減するための構造を備える。熱応力を低減するための構造例としては、蒸気タービン動翼の動翼カバー部フィンの溝部の溝加工における隅部の加工Ｒを、従来の設計基準で決定されるＲよりも大きくする。また、他の構造例としては、動翼カバー部が、最も前縁側の動翼カバー部フィンのさらに前縁側と、最も後縁側の動翼カバー部フィンのさらに後縁側に円弧状の盗み溝を備える。【選択図】 図５

Description

本発明は蒸気タービン動翼に係り、特に、火力及び原子力発電用の高温高圧蒸気によりタービンを起動する大型高出力タービンに用いられる蒸気タービン動翼の動翼カバー部フィン（チップフィン）の溝部熱応力低減構造に関する。

蒸気タービン動翼では、共振応力が低減され振動の抑制効果が大きいCCB（Continuous Cover Blade）方式の動翼が用いられている。CCB方式の動翼は、タービンの遠心力により翼先端のカバー部が接触連結することで全周１リングを形成する構造で、接触連結による振動減衰効果が大きい。また、一般に、CCB方式の蒸気タービン動翼のカバー部は、低圧タービン動翼の一部を除いてチップフィンと呼称される凹凸構造を保持している。その中でも一部のタービンは車室側の凹凸構造（フィン）と合わせ、動翼先端部からの蒸気のリーク量を低減する構造となっている。

カバーの厚みや、チップフィンの数と位置は、ロータの熱伸び量や動翼カバーの強度条件などの設計要因との関係で適宜設計される（定位置や定数は無い）。一方、チップフィンの溝部（凹部）の加工Ｒ（溝部の隅部の加工Ｒ）は、現状、製造・加工上、望ましい最小Ｒとなっている。これはチップフィンの枚数を最大化し、リーク量低減を向上することを目的にしている。すなわち、チップフィンの枚数は、動翼が連結されたロータがタービン駆動時に熱伸びした際に車室側のフィンと干渉しないよう設計しなければならないため、溝加工Ｒは小さい方が当然フィンの枚数は多く出来るためである。

なお、動翼カバー部にチップフィンが形成されているものとして、例えば、特許文献１に記載のものがある。

特開2013-130189号公報

現在、蒸気タービンの蒸気温度・圧力は上昇の一途をたどっており、これは温度・圧力が高い方が基本的にはタービン性能が上昇するからである。このことから今後も基本的には高温・高圧化が継続する傾向である。

蒸気温度・圧力の過酷な高圧・中圧ロータに用いられる蒸気タービン動翼における動翼カバーのチップフィンが形成される箇所は高い圧力が作用する部位であり、温度が上昇することにより熱応力による金属疲労が問題となる可能性がある。また、従来、チップフィンの溝部の加工Ｒは性能上の理由のみで決定される製造・加工上の最小の値であり、チップフィンの溝部の応力集中係数が高くなる。本発明者等の検討によれば、この課題は、蒸気温度・圧力の高温・高圧化により大きな課題となる。

なお、従来、蒸気タービン動翼においては、ロータの応力集中を低減するため、例えば、特許文献１に記載のように、遠心力がかかるロータへの取り付け部である動翼根元部の構造について工夫されているが、動翼カバー部のチップフィンについては、リーク量低減などの性能上の工夫が専らなされており、チップフィン溝部の熱応力や応力集中については全く考慮されていない。

本発明の目的は、蒸気タービン動翼の動翼カバー部フィン（チップフィン）の溝部における熱応力を低減し、高い信頼性を有する蒸気タービン動翼を提供することにある。

本発明は、蒸気タービン動翼の動翼カバー部フィンに発生する熱応力を低減するための構造を備えたことを特徴とする。

熱応力を低減するための構造例としては、蒸気タービン動翼の動翼カバー部フィンの溝部の溝加工における隅部の加工Ｒを、従来の設計基準で決定されるＲよりも大きくする。また、他の構造例としては、動翼カバー部が、最も前縁側の動翼カバー部フィンのさらに前縁側と、最も後縁側の動翼カバー部フィンのさらに後縁側に円弧状の盗み溝を備える。

本発明によれば、蒸気タービン動翼の動翼カバー部フィンの溝部における熱応力を低減し、高い信頼性を有する蒸気タービン動翼を実現することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明が適用される蒸気タービン動翼を含む蒸気タービンの一部の断面を示す図。 本発明が適用される蒸気タービン動翼のチップフィン部を含む蒸気タービン動翼の一例を示す図。 従来における蒸気タービン動翼の先端部を示す図。 本発明の一実施例における蒸気タービン動翼の先端部を示す図。 本発明の他の実施例における蒸気タービン動翼の先端部を示す図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は、蒸気タービンの一部の断面図を示す。ロータ10の周方向に複数のタービン動翼11が固定されている。ロータ10には、鞍型ないし逆クリスマスツリー型溝などのタービン翼溝（図示省略）が形成され、タービン動翼11の根元部はこれらのタービン翼溝に機械的に組み合わされている。ロータ10が回転しタービン動翼11に遠心力が生まれることによりロータ10とタービン動翼11が連結される。タービン動翼11の上流側には静翼12が設けられている。静翼12は周方向に複数設けられており、静翼12の内周にはダイヤフラム内輪13が、外周にはダイヤフラム外輪14が設けられている。ダイヤフラム外輪14は車室の一部を構成する。タービン動翼11と静翼12とでタービン段落が形成され、蒸気タービンには、複数のタービン段落が形成されている。

図２は、動翼カバー部フィン（チップフィン）の部位と形状を説明するタービン動翼全体断面図である。本発明のタービン動翼は、CCB（Continuous Cover Blade）方式の動翼が用いられている。タービン動翼は、翼部と、ロータに取り付けられる翼根元部と、翼先端部に設けられた動翼カバーから構成される。タービン動翼11の先端部に設けられた動翼カバーの外周側にチップフィン15が設けられている。タービン動翼のカバー部と対向する外周側には車室の一部を構成するダイヤフラム外輪14の下流側に延びた箇所に車室側埋め込みフィンが設けられている。このような凹凸構造を回転体側及び静止体側に設けることによりタービン動翼先端部から蒸気のリークを阻止する構造となっている。

図３に従来のタービン動翼11の先端部の拡大図を示す。タービン動翼先端部の動翼カバー18には複数のチップフィン15が設けられている。チップフィン15は動翼カバー18を加工することにより形成される。従来、チップフィン15の枚数と位置は、リーク量低減を主たる観点として設計される。凹凸が多い方が蒸気リーク低減効果は基本的には大きいため、リーク量を低減するために、チップフィンの枚数をロータの熱伸びを考慮（タービン動翼が連結されたロータがタービン駆動時に熱伸びした際にチップフィン15と車室側の埋め込みフィンが干渉しないように考慮）して最大化するように設計される。このため、チップフィン溝部（凹部）の隅部16の加工Ｒは、性能上、要求されるチップフィンの枚数を実現するために、コストを含めて製造・加工上、許容できる最小Ｒで設計されている。本願明細書において、従来の設計基準で決定される動翼カバー部フィンの溝部の溝加工における隅部の加工Ｒとは、このように、性能上の理由で決定されるチップフィンの枚数を実現する実現するために、コストを含めて製造・加工上、許容できる最小Ｒを意味する。一般的には、底面から実質的に垂直になる程度にＲが小さい。

このような最少Ｒでチップフィン溝部が構成されている場合、蒸気温度が高温化した際の動翼カバーに生じる熱伸びに起因する熱応力の増大によって、チップフィン溝部の隅部16に生じるピーク応力により、動翼カバーに損傷が生じる可能性がある。

そこで、本発明では、チップフィンの溝部（特に溝部の隅部16）に発生する熱応力を低減するための構造を備えたものである。従来、チップフィンの溝部を設計する場合には、このような熱応力低減という設計思想はなく、本発明で初めて提案するものである。

図４に本発明の実施例の熱応力低減構造を備えた蒸気タービン動翼の先端部を示す。本実施例は、チップフィン溝部の応力集中係数が高くなりやすい構造を改善させることにある。すなわち、本実施例では、動翼カバー18に設けられたチップフィン15の溝部（凹部）の隅部の加工Ｒを、従来の設計基準で決定される最少Ｒ（性能上の理由による加工上の最小Ｒ）よりも大きくする。チップフィン溝部の隅部の加工Ｒは特に値を指定するものではなく、低減したい熱応力との兼ね合いで決定してよい。加工技術上Ｒは基本的に大きい方が加工容易ではある。例えば、Ｒは、有意な応力低減効果を得るために、従来の設計基準で決定される最少Ｒの1.5倍〜数倍程度にする。

図５に本発明の他の実施例の熱応力低減構造を備えた蒸気タービン動翼の先端部を示す。本実施例は、図４の構成に加えて、さらに、最も前縁側（蒸気流から見て上流側）のチップフィン15のさらに前縁側（上流側）と、最も後縁側（蒸気流から見て下流側）のチップフィンのさらに後縁側（下流側）に、円弧状の盗み溝17を動翼カバー18に周方向に形成したものである。このような盗み溝17は本発明のような応力低減という考えがない従来においては設けられていない。

なお、動翼カバーの形状やチップフィンの位置により前後両方に盗み溝17を設けることが困難な場合はどちらか片方だけ盗み溝17を設けることでも効果は十分に期待できる。

また、盗み溝17については位置や盗み溝のＲの値は特に値を指定するものではない。盗み溝17の位置や大きさは、ロータの熱伸び差により影響される要因は無く、蒸気リーク量にも影響しないため性能上のロスもない。隣接するタービン動翼間の動翼カバー接触面形状にも影響しないため、タービン動翼カバーの連結に関する問題や、その他固有振動数などのタービン動翼設計固有の問題に関しても影響は小さい。このため、盗み溝のＲの値は熱応力低減のみの観点から決定できる。

本発明の実施例によれば、高温蒸気にさらされるタービン動翼に関し、チップフィン溝部に発生する熱応力を従来のタービン動翼よりも低減することができる。この熱応力低減の効果を以下に説明する。

すなわち、蒸気タービンの稼動時、タービン動翼部は高温の蒸気にさらされる。動翼カバー部に関しても同じく高温となり、温度の上昇に伴い動翼を構成する鋼鉄材が膨張し熱応力が発生する。蒸気タービンの出力が高く、蒸気の温度が高いほど当然熱応力の値は大きい。動翼カバーのチップフィンの溝部の隅部のようなＲの小さい部位は応力集中係数が高く、高い熱応力が発生する。本実施例では上述した熱応力低減構造を備えている。盗み溝構造は、図からも明らかなように、チップフィン溝部のロータ軸方向の拘束を緩和することとなり実際に高温の蒸気が流されタービン動翼を構成する鋼鉄材が膨張した際の熱応力を緩和する働きを持つ。このため、蒸気タービン稼動時において、チップフィン溝部に高い熱応力が発生しても、盗み溝17によるロータ軸方向の拘束の緩和による熱応力自体を低減することができる。さらに、チップフィン溝部の隅部の加工Ｒの拡大による応力集中係数の低減により、チップフィン溝部に発生するピーク応力を低減することができる。そして、これらによって、翼の疲労などによる損傷に対する耐性を向上させることが可能となる。

なお、隅部の加工Ｒが大きい場合、ロータの熱伸びによる動翼の軸方向の位置変位によりチップフィン15の根元部が車室側の埋め込みフィンと接触する可能性が増大し、Ｒ拡大前と同じチップフィン枚数は確保できない場合も想定されるが、チップフィン溝部の隅部の信頼性は向上する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

例えば、図５に示す実施例において、加工Ｒを従来の設計基準で決定し、盗み溝17のみを設けるようにしても良い。

10・・・ロータ、11・・・タービン動翼、12・・・静翼、13・・・ダイヤフラム内輪、14・・・ダイヤフラム外輪、15・・・チップフィン、16・・・チップフィン溝部の隅部、17・・・盗み溝、18・・・動翼カバー。

Claims (3)

1. 動翼先端部に動翼カバーが設けられ、前記動翼カバーの外周側に凹凸を形成することにより複数のフィンが形成された蒸気タービン動翼であって、
   前記動翼カバーの前記フィンの凹部に発生する熱応力を低減する構造を備えたことを特徴とする蒸気タービン動翼。
2. 請求項１に記載の蒸気タービン動翼において、
   前記動翼カバーの前記フィンの凹部の隅部の加工Ｒを、従来の設計基準で決定されるＲよりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービン動翼。
3. 請求項１または２に記載の蒸気タービン動翼において、
   前記動翼カバー部が、最も前縁側の前記フィンのさらに前縁側と、最も後縁側の前記フィンのさらに後縁側に、円弧状の盗み溝を備えることを特徴とする蒸気タービン動翼。

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