JP2017166404A - タービン動翼組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】所望する傾き角でタービン動翼を組み立てるのが容易なタービン動翼組立体を提供すること。
【解決手段】本発明のタービン動翼組立体１は、それぞれのタービン動翼１０は、タービンディスクの３０外周面に設けられた翼溝３１に植え込まれる翼根１２を有するプラットフォーム１１と、プラットフォーム１１から立ち上がるプロファイル１３と、プロファイル１３の先端に設けられるシュラウド１４と、を備える。本発明のタービン動翼組立体１は、組み立て時において、プラットフォーム１１の特定の部位である先端が、タービンディスク３０の外周面３３に優先的に接触することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、タービン動翼組立体に関する。

従来から、例えば火力により発生する熱エネルギを、作動ガスを通じて機械的エネルギに変換する蒸気タービンが稼動されている。蒸気タービンは、車室内に静翼と動翼を備えており、この動翼として、ロータディスクの外周に複数設けられたＩＳＢ（Integral Shroud Blade）による翼の連成化が実施されている（例えば、特許文献１〜特許文献３）。このＩＳＢによる動翼（以下、ＩＳＢ動翼）は、翼の練成化により動翼の振動強度向上に寄与する。

ＩＳＢ翼は、プラットフォームと、プラットフォームからロータディスクの径方向の内側に延び、ロータディスクに埋め込まれることで固定される翼根と、プラットフォームから径方向の外側に延びるプロファイルと、プロファイルの先端に設けられるシュラウドと、を備えている。
ＩＳＢ翼は、蒸気タービンの運転時に負荷される遠心力を利用して練成を実現する。つまり、それぞれの動翼を組立時には所定の向きに傾けるが、運転時に負荷される遠心力により動翼が起き上がり、隣接するシュラウド同士が強固に接触することで生じる接触反力を利用してシュラウドを疑似的に一体構造とする。ＩＳＢ翼は、傾けた状態でのシュラウドの周方向のピッチを、起き上がった状態よりも大きく設定できる。したがって、この幾何学的に得られたピッチの増加量が、回転時に遠心力及び熱で接触面が離れる量よりも大きい場合、隣接するＩＳＢ翼のシュラウド同士の接触面が離れることなく、回転中も連成状態を維持する。

特開２００１−２００７０３号公報 特開２００２−３４９２０４号公報 特開２０１４−１０１８８０号公報

運転の最中に練成状態を確実に得るには、接触相手となる隣接するシュラウドの接触反力の確保が重要であり、そのためには、動翼をロータディスクに組み立てた状態での動翼の傾き量を適切な値とする必要がある。
この傾き量を傾き角度で見ると１ｄｅｇ以下と極微小である。一方で、シュラウドの翼根、及び、ロータディスクの翼溝を高い精度で加工するのは難しく、全てのタービン動翼を所望する傾き角で組み立てることは容易ではない。タービン動翼は、傾きが大きすぎても、または、傾きが小さすぎても、タービンの運転中の練成化に悪影響が及ぶことがある。
以上より、本発明は、所望する傾き角でタービン動翼を組み立てるのが容易なタービン動翼組立体を提供することを目的とする。

本発明は、複数のタービン動翼がタービンディスクの周方向に設けられ、組み立て時には複数のタービン動翼が所定の向きに傾いているが、回転動作すると複数のタービン動翼が起き上がるタービン動翼組立体に関するものである。
本発明のタービン動翼組立体は、それぞれのタービン動翼が、タービンディスクの外周面に設けられた翼溝に植え込まれる翼根を有するプラットフォームと、プラットフォームから立ち上がるプロファイルと、プロファイルの先端に設けられるシュラウドと、を備える。
そして、本発明のタービン動翼組立体は、組み立て時において、プラットフォームの特定の部位が、タービンディスクの外周面に優先的に接触する、ことを特徴とする。
本発明のタービン動翼組立体は、プラットフォームの特定の部位が、タービンディスクの外周面に優先的に接触する。そうすれば、組立時にタービン動翼を傾ける動作を行う際に、翼溝に植え込まれる翼根が、翼溝を区画する壁面に接するよりも先にプラットフォームがタービンディスクに接触する。こうして本発明によれば、プラットフォームとタービンディスクとの間だけで、傾き角が定まるので、所望する傾き角を得やすい。

本発明において、プラットフォームの特定の部位を、タービンディスクの外周面に優先的に接触させる形態として、以下の二つを含む。
一つ目の形態によるタービン動翼組立体は、プラットフォームの背側又は腹側のいずれか一方の長さを、他方に比べて長くするというものであり、これにより、プラットフォームの特定の部位としての先端が、タービンディスクの外周面に優先的に接触する。

二つ目の形態によるタービン動翼組立体は、プラットフォームの背側又は腹側のいずれか一方における外周面と対向する面に、外周面に向けて突き出る突起を設けるというものであり、これにより、プラットフォームの特定の部位である突起が、タービンディスクの外周面に優先的に接触する。

本発明のタービン動翼組立体によれば、プラットフォームの特定の部位が、タービンディスクの外周面に優先的に接触する。したがって、組立時にタービン動翼を傾ける動作を行う際に、翼溝に植え込まれる翼根が、翼溝を区画する壁面に接するよりも先にプラットフォームがタービンディスクに接触する。こうして本発明によれば、プラットフォームとタービンディスクとの間だけで、傾き角が定まるので、所望する傾き角を得やすい。

本発明の実施形態に係るタービン動翼組立体を示す部分断面図である。 本実施形態に係るタービン動翼であって、（ａ）は組立時を示し、（ｂ）は運転時を示す。 本実施形態に係るタービン動翼の翼根がロータディスクの翼溝に植え込まれた様子を示す斜視図である。 図３の状態から翼根をずらしてタービン動翼を傾けた様子を示す図である。 本実施形態に係るタービン動翼のプラットフォームを模式的に示す図であり、（ａ）は傾ける前を示し、（ｂ）は傾けた後を示す。 比較例に係るタービン動翼のプラットフォームを模式的に示す図であり、（ａ）は傾ける前を示し、（ｂ）は傾けた後を示す。 本発明の他の実施形態に係るタービン動翼を示す図であり、（ａ）は傾ける前を示し、（ｂ）は傾けた後を示す。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るタービン動翼組立体１は、外周面３３から掘り下げられた複数の翼溝３１が形成されたタービンディスク３０と、タービンディスク３０のそれぞれの翼溝３１を介して複数が保持されるタービン動翼１０と、を備えている。タービン動翼組立体１は、例えば火力により発生する熱エネルギを機械的エネルギに変換する蒸気タービンに用いられる。図１にはタービン動翼組立体１の一部だけを示しているが、タービンディスク３０は円板状の形態をなしており、複数のタービン動翼１０はタービンディスク３０の周方向Ｃの全域にわたって設けられる。
それぞれのタービン動翼１０は、タービンディスク３０の翼溝３１に挿入して固定される、翼根１２を有するプラットフォーム１１と、翼根１２が設けられる側と反対側のプラットフォーム１１から立ち上がるプロファイル１３と、プロファイル１３の先端に設けられるシュラウド１４と、を有する。タービン動翼１０は、プラットフォーム１１、翼根１２、プロファイル１３及びシュラウド１４を一体的に形成することができるし、例えば、一体に形成されたプラットフォーム１１、翼根１２及びプロファイル１３に、別途作製されたシュラウド１４を接合することで形成することもできる。

［プラットフォーム１１］
プラットフォーム１１は、平面視すると外形が概ね矩形の部材であり、タービン動翼１０がタービンディスク３０に組み付けられた状態で、プラットフォーム１１の裏面から翼根１２が径方向の中心に向けて延びている。本実施形態の翼根１２は、プラットフォーム１１に連なる根元から先端に向けて三段階の歯１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃが形成され、これら第一歯１２Ａ、第二歯１２Ｂ及び第三歯１２Ｃは、タービンディスク３０の周方向Ｃの両側に向けて突き出している。また、プラットフォーム１１と第一歯１２Ａの間には両者よりも窪んだ第一歯溝１２Ｄが、第一歯１２Ａと第二歯１２Ｂの間には両者よりも窪んだ第二歯溝１２Ｅが、また、第二歯１２Ｂと第三歯１２Ｃの間には両者よりも窪んだ第三歯溝１２Ｆが形成されている。タービンディスク３０の翼溝３１には、第一歯１２Ａ、第二歯１２Ｂ及び第三歯１２Ｃ、並びに、第一歯溝１２Ｄ、第二歯溝１２Ｅ及び第三歯溝１２Ｆに噛み合う形状に形成されている。
プロファイル１３は、腹側１３Ａと、腹側１３Ａと対向する背側１３Ｂと、を備え、腹側１３Ａは背側１３Ｂに向けて窪んでおり、これによりプロファイル１３は横断面が翼形状をなしている。タービン動翼１０は、腹側１３Ａの窪んだ部分で蒸気を受けて、タービンディスク３０の回転駆動力を得る。

プラットフォーム１１は、翼根１２の中心線Ｃ２から腹側１３Ａの端部までの寸法と、中心線Ｃ２から背側１３Ｂまでの寸法が相違しており、つまり、プラットフォーム１１は、中心線Ｃ２を中心にして周方向に非対称に形成されている。
タービン動翼１０の翼根１２をタービンディスク３０の翼溝３１に植え込む際に、図２（ａ）に示すように、タービン動翼１０を傾き角αだけ傾ける。傾き角αは、翼溝３１の中心線Ｃ１に対する翼根１２の中心線Ｃ２のなす角度であるが、複数のタービン動翼１０を傾き角αに正確に傾けることは容易ではない。このことについては、追って説明する。

［プロファイル１３］
プロファイル１３は、図１及び図２に示すように、腹側１３Ａと、腹側１３Ａと対向する背側１３Ｂと、を備え、腹側１３Ａは背側１３Ｂに向けて窪んだ横断面の形状をなしている。タービン動翼１０は、この窪んだ腹側１３Ａで蒸気を受けて、タービンディスク３０の回転駆動力を得る。

［シュラウド１４］
シュラウド１４は、プロファイル１３を挟んでプラットフォーム１１と対向するように設けられる、平面視すると概ね矩形の部材である。シュラウド１４は、運転時に、隣接するもの同士が強く接触することで生じる接触反力を利用して疑似的に一体構造とされる。それぞれのタービン動翼１０は、翼根１２がタービンディスク３０の翼溝３１に植え込まれると、プラットフォーム１１がタービンディスク３０の外縁に沿って周方向に配列され、プロファイル１３はタービンディスク３０の径方向に放射状に配列される。

［タービン動翼１０の動作］
タービン動翼組立体１を組み立てる際には、図２（ａ）に示すように、タービン動翼組立体１を所定の傾き角αだけ傾ける。本実施形態における傾き角αは、翼溝３１の中心線Ｃ１に対する翼根１２の中心線Ｃ２のなす角度で定義される。
タービン動翼組立体１が回転すると、タービン動翼組立体１に発生する遠心力により、タービン動翼１０には背側１３Ｂから腹側１３Ａに向けて回転モーメントＭが生じるので、タービン動翼組立体１は傾いた状態から図２（ｂ）の起き上がった状態に移行する。なお、図２（ａ），（ｂ）は、タービン動翼１０が傾いているのを明確に示すために、傾斜を誇張して示している。
ここで、タービン動翼１０は、シュラウド１４の周方向ＣのピッチＰ１（図２（ａ））が、運転時の起き上がった状態のピッチＰ２（図２（ｂ））よりも大きく設定されている。これにより、タービン動翼１０が起き上がると、隣接するシュラウド１４同士が強固に接触することで生じる接触反力Ｆを利用してシュラウド１４を疑似的に一体構造とし、回転中のタービン動翼１０の連成状態を維持できる。

運転の最中に練成状態を確実に得るには、所望する傾き角度でタービン動翼１０を組み立てることが望まれる。ところが、プラットフォーム１１の翼根１２、及び、タービンディスク３０の翼溝３１を高い精度で加工するのは難しく、所望する傾き角αで組み立てることは容易ではない。そこで、本実施形態のタービン動翼１０は、プラットフォーム１１の形態に手を加えることで、高い精度で傾き角αが得られる手法を提案する。

［翼根１２の植え込み］
翼根１２を翼溝３１に植え込むには、はじめは傾き角αだけ傾けることを意図せずに、図３に示すように、翼溝３１の中心線Ｃ１に翼根１２の中心線Ｃ２が一致するようにして翼根１２を翼溝３１に挿入する。翼根１２を翼溝３１に挿入したままで、傾けるまでの工程を挿入ステップと称する。図３は、挿入ステップの状態を示している。

タービン動翼組立体１を組み立てる際には、図２（ａ）に示すように、タービン動翼組立体１を所定の傾き角αだけ傾ける。傾き角αは、前述したように、翼溝３１の中心線Ｃ１に対する翼根１２の中心線Ｃ２のなす角度で定義される。
タービン動翼組立体１が回転すると、タービン動翼組立体１に発生する遠心力により、傾いていたタービン動翼１０は、図２（ｂ）に示すように、起き上がる。したがって、組立時の傾いたタービン動翼１０のシュラウド１４の周方向のピッチＰ１（周方向の長さ）を、運転時の起き上がった状態のピッチＰ２よりも大きく設定できる。このシュラウド１４の周長を長くできることにより、隣接するタービン動翼１０同士のシュラウド１４の接触面が離れることなく、回転中にタービン動翼１０の連成状態を保持させることができる。

挿入ステップで中心線Ｃ１に中心線Ｃ２が一致する直立の状態で翼根１２を翼溝３１に挿入した次に、タービン動翼１０を所望する向きに傾ける。この傾斜ステップは、図３及び図４に示すように、翼根１２の一方の側の第三歯１２Ｃとタービンディスク３０の翼溝３１を区画する壁面３５との接点Ｐｃを基準にして行われる。本実施形態は、図２（ａ）に示すように、タービン動翼１０をプロファイル１３の腹側１３Ａに向けて傾ける。具体的には、接点Ｐｃを中心にして、図中の反時計回りに回転させるとともに、第三歯１２Ｃを第三歯１２Ｃと壁面３５の隙間が小さくなるように、背側１３Ｂである図中の右側に向けて移動させる。この回転動作を矢印Ａで示し、移動動作を矢印Ｂで示している。この動作に伴って、第一歯１２Ａを基準にしてプラットフォーム１１寄りの第一歯溝１２Ｄの部分は腹側１３Ａである図中の左側に向けて移動し、プラットフォーム１１はタービンディスク３０の外周面３３に向けて移動する。第一歯溝１２Ｄの移動を矢印Ｃで示し、プラットフォーム１１の移動を矢印Ｄで示している。

ここで、翼根１２の傾き角αは、第一歯溝１２Ｄが対応する壁面３５に接触する傾き角α１と、プラットフォーム１１がタービンディスク３０の外周面３３に接触する傾き角α２と、を取り得る。そして、傾き角α１が傾き角α２よりも小さければ、第一歯溝１２Ｄが壁面３５に先に接触し、傾き角α２が傾き角α１よりも小さければ、プラットフォーム１１がタービンディスク３０の外周面３３に先に接触する。図４は、前者の例を示している。換言すると、挿入状態において、第一歯溝１２Ｄと壁面３５の間のギャップＧ１と、第一歯溝１２Ｄと壁面３５の間のギャップＧ２と、の狭い方で、タービン動翼１０の傾き角αが定まることになる。

ところが、本実施形態のタービン動翼１０は、図５（ａ）に示すように、プラットフォーム１１が背側１３Ｂに突き出す寸法が腹側１３Ａの寸法よりも長く設定されている。したがって、挿入状態から傾斜動作を行うと、図５（ｂ）に示すように、第一歯溝１２Ｄが壁面３５に接触するよりも先にプラットフォーム１１、特にプラットフォーム１１の特定の部位であるその先端をタービンディスク３０の壁面３５に接触させることができ。このように、本実施形態によれば、傾斜動作を行えば、他の部分よりも優先してプラットフォーム１１が壁面３５に接触するので、傾斜状態における傾き角は例外なく傾き角α１だけになる。
以上のように、本実施形態のタービン動翼１０によれば、プラットフォーム１１の特定の部位である先端が、タービンディスク３０の外周面３３に優先的に接触する。したがって、組立時にタービン動翼１０を傾ける動作を行う際に、翼溝３１に植え込まれる翼根１２が、翼溝３１を区画する壁面３５に接するよりも先にプラットフォーム１１の先端がタービンディスク３０に接触する。こうして、プラットフォーム１１とタービンディスク３０との間だけで、傾き角αが定まるので、所望する傾き角を得やすい。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態とは逆に、傾ける側に突き出す寸法を短くすると、プラットフォーム１１が外周面３３に接触するまでの傾き角は、本実施形態（図５（ｂ））に比べて大きくなる。

次に、本実施形態のタービン動翼組立体１が奏する効果について説明する。
タービン動翼組立体１は、タービン動翼１０の他の部位よりも優先してプラットフォーム１１がタービンディスク３０の外周面３３に接触するので、傾斜状態におけるタービン動翼１０の傾きは、傾き角α１のみとなる。したがって、本実施形態は、タービン動翼組立体１が備える全てのタービン動翼１０について、組立状態における傾き角αを揃えることができる。しかも、本実施形態は、プラットフォーム１１の背側１３Ｂの側の寸法を長くするだけで、組立状態における傾き角αを揃えることができるので、タービン動翼１０を作製するのに格別な工程を要しない。

以上では、傾ける側である腹側１３Ａの側のプラットフォーム１１の寸法を長くしたが、タービン動翼１０の他の部位よりも優先してプラットフォーム１１の先端をタービンディスク３０の外周面３３に接触させるための手段はこれに限定されない。例えば、図６に示すように、傾ける側のプラットフォーム１１の先端に外周面３３に対向する突起１１Ａを設けることにより、プラットフォーム１１の先端をタービンディスク３０の外周面３３に優先的に接触できる。この突起１１Ａは、プラットフォーム１１の幅方向の全域に設けることもできるが、幅方向の一部に設ければその目的を達成する。また、この突起１１Ａは、プラットフォーム１１ではなくて、タービンディスク３０の外周面３３に設けることもでき、これによっても、プラットフォーム１１を外周面３３に優先的に接触させることができる。

上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、以上の実施形態においては、組み立て時に腹側１３Ａの側にタービン動翼１０を傾けたが、これとは逆に背側１３Ｂの側にタービン動翼１０を傾けることもできる。
傾ける側のプラットフォーム１１の長さをどの程度にするかは、プラットフォーム１１の形状、寸法に加えて、翼根１２及び翼溝３１の形状、寸法、特に翼根１２と翼溝３１の隙間を考慮する必要がある。

１ タービン動翼組立体
１０ タービン動翼
１１ プラットフォーム
１１Ａ 突起
１２ 翼根
１２Ａ 第一歯
１２Ｂ 第二歯
１２Ｃ 第三歯
１２Ｄ 第一歯溝
１２Ｅ 第二歯溝
１２Ｆ 第三歯溝
１３ プロファイル
１３Ａ 腹側
１３Ｂ 背側
１４ シュラウド
３０ タービンディスク
３１ 翼溝
３３ 外周面
３５ 壁面

Claims (3)

1. 複数のタービン動翼がタービンディスクの周方向に設けられ、組み立て時には複数の前記タービン動翼が所定の向きに傾いているが、回転動作すると複数の前記タービン動翼が起き上がる前記タービン動翼組立体であって、
   それぞれの前記タービン動翼は、
   前記タービンディスクの外周面に設けられた翼溝に植え込まれる翼根を有するプラットフォームと、
   前記プラットフォームから立ち上がるプロファイルと、
   前記プロファイルの先端に設けられるシュラウドと、を備え、
   組み立て時において、前記プラットフォームの特定の部位が、前記タービンディスクの前記外周面に優先的に接触する、
   ことを特徴とするタービン動翼組立体。
2. 前記プラットフォームの背側又は腹側のいずれか一方の長さが他方に比べて長いことにより、
   前記プラットフォームの前記特定の部位としての先端が、前記タービンディスクの前記外周面に優先的に接触する、
   請求項１に記載のタービン動翼組立体。
3. 前記プラットフォームの背側又は腹側のいずれか一方における前記外周面と対向する面に、前記外周面に向けて突き出る突起を設けることにより、
   前記プラットフォームの特定の部位としての前記突起が、前記タービンディスクの前記外周面に優先的に接触する、
   請求項１に記載のタービン動翼組立体。

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