JP2015148287A - 液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼 - Google Patents

Abstract

【課題】ダンパの減衰を安定させることで、中空翼の安定的な稼働を行うことができるとともに、振動予測を容易に行うことができる。
【解決手段】中空翼１に用いられた筐体１１と、筐体１１内に収容される流動可能な粘性流体又は粘弾性流体１２とを有する液体ダンパ１０を備え、液体ダンパ１０の筐体１１内には、筐体１１の内面から突設する柔軟性を有する梁状突出片１３が設けられ、その梁状突出片１３には、微小な貫通孔からなる複数のオリフィス１３ａが形成された構成の回転機械翼を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼に関する。

従来、タービンにおいては、軽量化を図るため、腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された中空構造としたタービン翼を用いている。このようなタービン翼では、振動を抑制する技術として、タービン翼の振動応答レベルを低減するため、シュラウドダンパ、板バネダンパ、シールピンダンパが採用されている（例えば、特許文献１など参照）。これらのダンパでは、翼内部や翼間に設置されており、共振時にダンパと翼が接触することから、摩擦による減衰効果を有している。

特開２０１０−２０３４３５号公報

しかしながら、摩擦減衰を採用している従来のタービン翼では、翼とダンパとの間の接触面の状態が安定しないため、翼の振動特性が安定せず、振動を容易に予測することができなかった。そのため、タービン翼を備えたタービンの稼働が不安定になるという問題があった。
また、タービンを長時間稼働させた場合には、翼とダンパとの間で摩耗や凝着が生じることから、前述したように接触面の状態が安定しないことから、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ダンパの減衰を安定させることで、中空翼の安定的な稼働を行うことができるとともに、振動予測を容易に行うことができる液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る液体ダンパは、腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された中空翼に配置される液体ダンパであって、前記中空翼の前記空洞部に収容されて、流動可能な粘性流体又は粘弾性流体を有することを特徴としている。

また、本発明に係る液体ダンパを備えた回転機械翼は、上述の液体ダンパを備えた回転機械翼であって、前記液体ダンパは、前記中空翼の空洞部内で、前記裏面に接触して設けられていることを特徴としている。

本発明では、中空翼に生じる振動を粘性流体又は粘弾性流体を収容した液体ダンパによって減衰させることができ、振動応力の低減効果を得ることができる。つまり、共振によって中空翼同士が接触する際に、これら中空翼に設けられる液体ダンパにも衝撃力が加わり、内部の粘性流体又は粘弾性流体も励振される。このとき粘性流体又は粘弾性流体が励振されることで、その流体の運動エネルギーが熱エネルギーへと変換され、これにより中空翼の振動を低減することができ、減衰効果を発揮することになる。

このように、本発明では、中空翼の振動を抑制する液体ダンパの減衰にかかる振動特性が安定することから、振動予測が容易に、且つより精度よく行うことができ、摩耗などの経年劣化への対応が可能となり、中空翼を備えた発電プラント等を安定的に稼働させることができる。

また、本発明に係る液体ダンパでは、前記空洞部に収容可能で閉塞空間を形成する筐体と、該筐体内に収容される前記粘性流体又は粘弾性流体と、を備え、前記筐体の内面には、柔軟性を有する梁状突出片が突設されていることが好ましい。

この場合には、柔軟性を有する梁状突出片が粘性流体又は粘弾性流体の内部に配置され、振動によって梁状突出片が柔軟に振れることから、比較的、低周波領域で効果を発揮する粘性流体又は粘弾性流体のみが設けられる場合に比べて、高周波領域での振動低減効果を発揮させることができ、周波数領域を広げることができる。そのため、特に高周波領域となるガスタービンの使用に好適となる利点がある。
また、本発明では、液体ダンパを筐体型とすることが可能であり、着脱可能な構成とすることを容易に行うことができる。このように液体ダンパを着脱式とすることで、減衰効果を調整するときやメンテナンス時に適宜交換することができる利点がある。

また、本発明に係る液体ダンパでは、前記梁状突出片の固有振動数は、前記中空翼の固有振動数に合わせて設定されていることが好ましい。

この場合には、梁状突出片の共振点（固有振動数）を中空翼の共振点と一致させることで、液体ダンパを動吸振器として機能させることができ、中空翼の振動を効果的に低減することができる。

また、本発明に係る液体ダンパでは、前記梁状突出片は、複数設けられていることが好ましい。

この場合には、設計時に離調の対象となる振動モードは通常一つではないことから、それぞれの共振点にあった梁状突出片を複数設置することにより、中空翼の振動を広範な振動数領域で低減することができ、動吸振器の機能をより効果的に発揮させることができる。また、複数の梁状突出片のそれぞれの材料、厚さ寸法、長さ寸法などを変更することで減衰係数を変更することが可能となるので、固有振動数の異なる複数の梁状突出片を配置することができる。

また、本発明に係る液体ダンパでは、前記梁状突出片には、微小な貫通孔からなる複数のオリフィスが形成されていることが好ましい。

本発明では、粘性流体又は粘弾性流体が梁状突出片に形成された複数のオリフィスを通過することで、中空翼の振動エネルギーをオリフィスによる運動エネルギーに変換することができ、さらに高い減衰効果が得られることから、より広範な振動数領域を網羅した動吸振器の機能を発揮させることができる。

また、本発明に係る液体ダンパでは、前記複数のオリフィスは、前記中空翼の回転周方向に向けて貫通していることが好ましい。

この場合には、中空翼の回転に伴って生じ易い回転周方向の振動を、複数のオリフィスにより効果的に減衰することができる。

本発明の液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼によれば、ダンパの減衰を安定させることで、中空翼の安定的な稼働を行うことができるとともに、振動予測を容易に行うことができる効果を奏する。

本発明の第１の実施の形態による蒸気タービンの概略構成を模式的示した図である。 図１に示す蒸気タービンを低圧最終段側から見た外観図である。 中空翼を背側から見た拡大図である。 図３に示す中空翼の翼部の断面図である。 液体ダンパを一方向から見た断面図である。 図５に示す液体ダンパに設けられる梁状突出片を示す正面図である。 図５に示すＡ−Ａ線断面図であって、液体ダンパを他方向から見た断面図である。 液体ダンパにおける翼共振時の周波数応答曲線を示す図である。 第２の実施の形態による中空翼の構成を示す斜視図である。 第１変形例による液体ダンパの構成を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第２変形例による液体ダンパを示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態による液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本実施の形態の中空翼１（回転機械翼）が適用されるタービンは、発電プラント等で用いられているものである。例えば、このような蒸気プラントとしては、高圧の蒸気を発生する蒸気発生器３と、蒸気発生器３から高圧の蒸気が直接供給される高圧蒸気タービン４と、蒸気発生器３及び高圧蒸気タービン４からの蒸気の湿分を分離して加熱する湿分分離加熱器５と、湿分分離加熱器５から低圧の蒸気が供給される低圧蒸気タービン（以下、蒸気タービン６という）が設けられている。

蒸気タービン６において、湿分分離加熱器５からの蒸気は、蒸気入口６Ａに供給され、蒸気タービン６に形成されている蒸気通路６Ｂを、ロータ軸６１の軸方向（図中、矢印Ａで示す）に沿って流れる。蒸気通路６Ｂには、動翼７と静翼（以下、中空翼１という）が交互に配置されており、蒸気タービン６は、中空翼１での圧力降下によって運動エネルギーを生じさせ、これを動翼７によって回転トルクに変換している。

動翼７は、ロータ軸６１に結合されており、これを回転駆動する。一方、中空翼１は、図１〜図３に示すように、ロータ軸６１の径方向（図中、矢印Ｒで示す）内側の端がシュラウド６２に、径方向Ｒの外側の端が翼根リング６３に、それぞれ溶接により結合されている（図３に溶接部を符号Ｅで示す）。

中空翼１と動翼７は、一対となって一個の「段」を構成しており、蒸気タービン６には、多数の段が設けられている。これら段は、蒸気通路６Ｂを上流側から下流側に向かうに従って、中空翼１及び動翼７の翼幅（ロータ軸６１に略直交する方向の翼の長さ）が、長くなるよう構成されている。蒸気通路６Ｂの最も下流側にある低圧最終段の中空翼１は、上流側の段にある中空翼１に比べて、特に翼幅が長いものとなっている。低圧最終段において、中空翼１は、図１に示すように、ロータ軸６１の周方向（図中、矢印Ｐ）に所定の間隔で複数配列されており、翼群を形成している。

中空翼１は、図４に示すように、主に腹側を構成する腹側部材１Ａ（腹側部）と、主に背側を構成する背側部材１Ｂ（背側部）と、を有し、腹側部材１Ａと背側部材１Ｂを組み合わせた内部に空洞部１Ｃが形成されている。腹側部材１Ａと背側部材１Ｂは、それぞれ金属製の板状部材を、互いに異なる反り方で湾曲させたものである。腹側部材１Ａは、その表面が中空翼１の腹面１ａとなるよう反りが形成されている。一方、背側部材１Ｂは、その表面が中空翼１の背面１ｂとなるよう反りが形成されている。

中空翼１の翼部１６の内部には、液体ダンパ１０が着脱自在に内装されている。
液体ダンパ１０は、図５〜図７に示すように、空洞部１Ｃに収容可能で閉塞空間を形成する筐体１１と、この筐体１１の内部に収容される流動可能な粘性流体又は粘弾性流体１２と、を備えて構成されている。

筐体１１は、Ｎｉ合金やチタンなどの耐熱材料から構成され、６面からなる壁体によって液密な閉塞空間を形成し、翼部１６の径方向に沿って延びる形状をなしている。ここで、図５及び図７では、液体ダンパ１０に対して紙面の上側に向けて遠心力Ｆが作用している状態を示している。

筐体１１内に収容される粘性流体又は粘弾性流体１２としては、鉛（液体）や高分子液体等が挙げられ、液体ダンパ１０の取付け位置の温度から選択される。なお、図５及び図７は、粘性流体又は粘弾性流体１２として例えば３００℃程度の高温領域で液化する鉛を使用した一例を示している。この場合、常温時には固体で筐体１１内に満たされた状態（不図示）であっても、タービン運転時のような高温時には液化する。

筐体１１の一壁体（第１壁体１１ａ）の内面には、オリフィス構造を有するとともに、柔軟性を有する板状の梁状突出片１３が突設されている。梁状突出片１３は、例えばチタンやＮｉ合金等の材料から形成され、第１壁体１１ａの幅方向の中心位置において、その突設方向を遠心力Ｆが作用する方向（矢印Ｙ方向）に向けて設けられている。梁状突出片１３の高さ寸法Ｈ（径方向Ｒの長さ寸法）は、任意に設定することができるが、ここでは突出端１３ｂが筐体１１の第１壁体１１ａに対向する第２壁体１１ｂに近づく高さ寸法に設定されている。

梁状突出片１３には、微小な貫通孔からなる複数（図６で６個）のオリフィス１３ａが厚さ方向に貫通して形成され、これらオリフィス１３ａによって減衰機能を有するオリフィス構造が構成されている。オリフィス１３ａは、中空翼１の回転周方向に向けて貫通している。

このようなオリフィス１３ａを有する梁状突出片１３の固有振動数は、中空翼１の固有振動数に合わせて設定されている。つまり、梁状突出片１３の共振点を中空翼１の共振点に一致させることで、動吸振器として機能させることができ、振動低減効果が主に低周波数領域で発揮されることがなく、周波数領域を広げることができる。

次に、上述した構成の中空翼１の作用について、図面に基づいて具体的に説明する。
図４に示すように、本実施の形態のように内部に空洞部１Ｃを有する中空翼１は、内部に空洞部１Ｃを有しない中実翼に比べて固有振動数が比較的小さなものとなっており、図１に示す蒸気タービン６の作動時において、自励振動（フラッタ）が生じ易くなっている。自励振動が生じると、中空翼１には弾性変形による撓みや捩れが生じ、中空翼１の腹側部材１Ａと背側部材１Ｂとの間には、相対的な位置変動が生じる。

そして、相対的な位置変動が生じ、相対振動する中空翼１同士が共振によって接触する際には、これら中空翼１の空洞部１Ｃ内に設けられる液体ダンパ１０にも衝撃力が加わり、図５及び図７に示すように、内部の粘性流体又は粘弾性流体１２も励振される。このとき粘性流体又は粘弾性流体１２が励振されることで、その流体の運動エネルギーが熱エネルギーへと変換され、これにより中空翼１の振動を低減することができ、減衰効果を発揮することになる。つまり、中空翼１に生じる振動を粘性流体又は粘弾性流体１２を収容した液体ダンパ１０によって減衰させることができ、振動応力の低減効果を得ることができる。

このように、中空翼１の振動を抑制する液体ダンパ１０の減衰にかかる振動特性が安定することから、振動予測が容易に、且つより精度よく行うことができ、摩耗などの経年劣化への対応が可能となり、中空翼１備えた発電プラント等を安定的に稼働させることができる。

また、柔軟性を有する梁状突出片１３が粘性流体又は粘弾性流体１２の内部に配置され、振動によって梁状突出片１３が柔軟に振れることから、比較的、低周波領域で効果を発揮する粘性流体又は粘弾性流体１２のみが設けられる場合に比べて、高周波領域での振動低減効果を発揮させることができ、周波数領域を広げることができる。そのため、特に高周波領域となるガスタービンの使用に好適となる利点がある。

また、本実施の形態では、液体ダンパ１０が筐体１１を備えているので、インテグラルシュラウド２に対して容易に着脱可能となる。このように液体ダンパ１０を着脱式とすることで、減衰効果を調整するときやメンテナンス時に適宜交換することができる利点がある。

また、本実施の形態では、梁状突出片１３の共振点（固有振動数）を中空翼１の共振点と一致させることで、液体ダンパ１０を動吸振器として機能させることができ、中空翼１の振動を効果的に低減することができる。

さらに、本実施の形態では、梁状突出片１３にオリフィス１３ａが形成されているので、粘性流体又は粘弾性流体１２が梁状突出片１３に形成されたオリフィス１３ａを通過することで、中空翼１の振動エネルギーをオリフィス１３ａによる運動エネルギーに変換することができ、さらに高い減衰効果が得られることから、より広範な振動数領域を網羅した動吸振器の機能を発揮させることができる。

また、オリフィス１３ａが中空翼１の回転周方向に向けて貫通するように設けられているので、中空翼１の回転に伴って生じ易い回転周方向の振動を、オリフィス１３ａにより効果的に減衰することができる。なお、オリフィス１３ａの貫通方向は、回転周方向に限定されることはなく、径方向、あるいはロータ軸方向としてもよい。

ここで、本実施の形態の中空翼１の効果について、図８を用いて説明する。
図８に示す翼共振時の周波数応答曲線は、翼を梁モデルに置き換え、対象モードを曲げ１次として、液体ダンパを備えた場合と、備えていない場合についてそれぞれ解析した結果の一例である。液体ダンパには，鉛（液体）と梁構造（梁状突出片）のオリフィスを想定した。なお，液体ダンパの質量は翼に対して小さいため省略している。この結果、液体ダンパを備えた翼では、液体ダンパを備えていない翼に比べて、最大で４０％の振幅低減効果が得られることが確認できる。

上述した本実施の形態による液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼では、ダンパの減衰を安定させることで、中空翼１の安定的な稼働を行うことができるとともに、振動予測を容易に行うことができる効果を奏する。

次に、本発明の液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
例えば、上述した第１の実施の形態では、静翼の中空翼１を液体ダンパ１０の適用対象としているが、これに限定されることはなく、例えば動翼の中空翼を適用対象としてもかまわない。また、第１の実施の形態では、蒸気タービンを液体ダンパの適用対象とした一例を示しているが、ガスタービンを対象としてもかまわない。

図９に示す第２の実施の形態による中空翼８は、ガスタービンにおいて、図１に示すロータ軸６１に対して、このロータ軸６１方向に沿って多段にわたって設けられ、ロータ軸６１側に保持されるクリスマスツリー型の翼根８１を有する動翼である。また、この中空翼８は、高温ガスに曝される翼部８２と、この翼部８２を支持するプラットホーム８３と、プラットホーム８３と翼根８１とを連結するシャンク８４と、を備えている。翼根８１は、図示しない円板に埋め込まれて、中空翼８を支持している。

中空翼８のプラットホーム８３には、隙間をあけて隣接する他の中空翼側の一側面８３ａ（回転軸の円周方向における一側面）において、図示しない減衰材料が収容される凹溝８３ｂが設けられている。この凹溝８３ｂにより、中空翼８の翼部８２側を流動する高温の蒸気が翼根８１側へ流れ込むのを防いでいると共に、中空翼８の内部を通ってこれら中空翼８を冷却する冷却媒体である冷却空気が翼根８１側から翼部８２側へ漏れ出すのを防いでいる。

中空翼８の翼部８２の内部には、液体ダンパ１０が着脱自在に内装されている。液体ダンパ１０は、図４に示す上述した第１の実施の形態と同様に粘性流体又は粘弾性流体１２が収容された筐体１１であって、この筐体１１が翼部８２の径方向に沿って延びる形状となっている。なお、本実施の形態の液体ダンパ１０にも第１の実施の形態と同様に梁状突出片１３やオリフィス１３ａが設けられている。つまり、梁状突出片１３の共振点を翼部８２の共振点と一致させることで、動吸振器として機能し、翼振動を効果的に低減することができる。

以上、本発明による液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、液体ダンパとして、梁状突出片１３を省略してもよいし、オリフィス１３ａが形成されていない梁状突出片１３を用いることも可能である。

なお、液体ダンパ１０に設けられる梁状突出片１３の材料、厚さ寸法、長さ寸法、突設方向は、適宜変更することが可能である。
例えば、図１０に示す第１変形例の液体ダンパ１０Ｂように、高さＨの異なる３つの梁状突出片１３（１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ）を平行に互いに間隔をあけて突設させることも可能である。なお、図１０に示す梁状突出片のうち、高さＨが最も高い梁状突出片１３Ａと二番目に高い梁状突出片１３Ｂにはオリフィス１３ａが形成され、最も高さの低い梁状突出片１３Ｃにはオリフィスが設けられていない。このように複数の梁状突出片１３を液体ダンパに設ける場合、設計時に離調の対象となる振動モードは通常一つではないことから、それぞれの共振点にあった梁状突出片１３を複数設置することにより、中空翼の振動を広範な振動数領域で低減することができ、動吸振器の機能をより効果的に発揮させることができる。
また、複数の梁状突出片のそれぞれの材料、厚さ寸法、長さ寸法、突設方向などを変更することで減衰係数を変更することが可能となるので、固有振動数の異なる複数の梁状突出片を配置することができる。

また、図１１（ａ）〜（ｃ）に示す第２変形例の液体ダンパ１０Ｃように、突設方向が異なるように第１梁状突出片１３Ｄ、及び第２梁状突出片１３Ｅを設けるようにしてもよい。ここで、図１１（ａ）は、粘性流体又は粘弾性流体１２が省略されている。すなわち、第１梁状突出片１３Ｄは筐体１１の第１壁体１１ａに垂設され、第２梁状突出片１３Ｅは第１壁体１１ａに隣接する第３壁体１１ｃに垂設され、第１梁状突出片１３Ｄと第２梁状突出片１３Ｅとが互いに直交する方向に向けて突設されている。なお、図１１（ｂ）は、紙面の下側から上側に向けて遠心力Ｆが作用した図であり、図１１（ｃ）は、紙面の左側から右側に向けて遠心力Ｆが作用した図になっている。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。

１、８ 中空翼（回転機械翼）
１Ａ 腹側部材（腹側部）
１Ｂ 背側部材（背側部）
１Ｃ 空洞部
６ 蒸気タービン
７ 動翼
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 液体ダンパ
１１ 筐体
１２ 粘性流体又は粘弾性流体
１３、１３Ａ〜１３Ｅ 梁状突出片
１３ａ オリフィス
６１ ロータ軸

Claims (7)

1. 腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された中空翼に配置される液体ダンパであって、
   前記中空翼の前記空洞部に収容されて、流動可能な粘性流体又は粘弾性流体を有することを特徴とする液体ダンパ。
2. 前記空洞部に収容可能で閉塞空間を形成する筐体と、
   該筐体内に収容される前記粘性流体又は粘弾性流体と、
   を備え、
   前記筐体の内面には、柔軟性を有する梁状突出片が突設されていることを特徴とする請求項１に記載の液体ダンパ。
3. 前記梁状突出片の固有振動数は、前記中空翼の固有振動数に合わせて設定されていることを特徴とする請求項２に記載の液体ダンパ。
4. 前記梁状突出片は、複数設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の液体ダンパ。
5. 前記梁状突出片には、微小な貫通孔からなる複数のオリフィスが形成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の液体ダンパ。
6. 前記複数のオリフィスは、前記中空翼の回転周方向に向けて貫通していることを特徴とする請求項５に記載の液体ダンパ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体ダンパを備えた回転機械翼であって、
   前記液体ダンパは、前記中空翼の空洞部内で、前記裏面に接触して設けられていることを特徴とする液体ダンパを備えた回転機械翼。

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