JP2019056326A - タービン翼群及びこのタービン翼群を備える回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接する動翼の基部の間の隙間を埋めることができる、線膨張係数の大きな材料で形成されたシムを有するタービン翼群及び当該タービン翼群を備える回転機械を提供する。【解決手段】周方向にそれぞれ隙間を有して並んでいる複数のプラットフォーム41と、前記各プラットフォーム41から径方向外側にそれぞれ延びる複数の動翼4と、前記プラットフォーム41に比べて線膨張係数の大きな材料で形成され、各隙間に設けられた複数のシム60と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、タービン翼群及びこのタービン翼群を備える回転機械に関する。

近年、蒸気タービン又はガスタービンなどのタービン翼において、タービンの性能を向上させるために高アスペクト比化及び低剛性化が進んでいる。長いタービン翼では、タービンの運転時の遠心力による捩じり戻りを利用して、隣接するタービン翼の先端部におけるシュラウド同士を接触させることで振動強度を高めている。
一方、捩じり戻り量の小さい短いタービン翼では、短いタービン翼を支持部に固定させる際に、タービン翼に捩じりを予め加えて、隣接するタービン翼のシュラウド同士を接触させるプリツイスト構造が採用されている。
このように隣接するタービン翼において、互いに接触する部分の面積は、振動強度を向上させるために大きい方が有利であり、シュラウドだけではなく、タービン翼のプラットホーム及び翼根においても隣接するタービン翼と接触させることが望ましい。
しかしながら、運転時には、タービンの遠心力によりタービン翼が径方向外側へ伸びる。そのため、隣接するタービン翼のプラットホームにおいて隙間が生じる場合があり、所望された隣接するタービン翼同士の接触状態を保てない場合があった。
特許文献１には、翼根を備えるタービン翼において、隣接するタービン翼同士を接触させて隣接するタービン翼が振動するのを防止するために、タービン翼のプラットホームに楔状小片を配置する構成が開示されている。

特開平０２−１４０４０３号公報

しかしながら、この楔状小片は、一のタービン翼の基部の一部に形成された凹部内に配置されている。そのため、この楔状小片は、遠心力により隣接するタービン翼の基部に接するように径方向外側に向けて移動することができる。それ故に、一のタービン翼が隣接するタービン翼の基部全体と接触することができず、隣接するタービン翼の基部の間に予め隙間が存在してしまう。たとえ、楔状小片が遠心力により径方向外側に移動したとしても、一のタービン翼の基部と隣接するタービン翼の基部との間には隙間が存在してしまう。
また、この楔状小片は、タングステンなどの低い線膨張係数の材料から製造されている。そのため、タービンの運転時において、この楔状小片は、タービン翼の一般的な材料（例えば、鉄など）よりも伸びることができず、運転時におけるタービン翼の径方向外側への伸びによる隣接するタービン翼の基部の間の隙間を埋めることができない。
このような隙間により、隣接するタービン翼との接触面積が減少し、それにより振動強度が低下し、振動数の低下、摩擦減衰の低下、および接触部の面圧の増加を引き起こす場合がある。それ故に、このような隙間は、タービン翼の強度上好ましくはない。
また、このような隙間、特に基部における隙間は、蒸気等の漏れを引き起こし、それにより、このような漏れによる損失が発生するので、性能面においてこのような隙間は好ましくない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、隣接する動翼の基部の間の隙間を形成されてしまうことを抑制できるタービン翼群及び当該タービン翼群を備える回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明の一態様に係るタービン翼群は、周方向にそれぞれ隙間を有して並んでいる複数の基部と、前記各基部から径方向外側にそれぞれ延びる複数の翼部と、前記基部に比べて線膨張係数の大きな材料で形成され、各隙間に設けられた複数のシムと、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、回転による遠心力によりタービン翼が径方向外側に伸び、隙間が拡大した場合であっても、線膨張係数の大きな材料で形成されたシムが蒸気等の高温雰囲気により膨張し新たな隙間を埋める。そのため、タービン翼の基部の間やタービン翼の基部とシムとの間に新たな隙間が生じることを抑制できる。

また、上記のタービン翼群において、各シムが、前記隙間を埋めるように設けられてもよい。

この構成によれば、タービン翼の基部の間の隙間を埋めるように設けられるので、隣接するタービン翼の基部の間に隙間が生じてしまうことを抑制できる。

また、上記のタービン翼群において、前記隙間が、径方向内側に向かって広がっていてもよい。

この構成によれば、タービン翼群の回転時にシムが隣接するタービン翼の基部の間の隙間から脱落することを防止することができる。

また、上記のタービン翼群において、前記基部が、プラットホームと、前記プラットホームから径方向外側に延在する翼根と、を有してもよい。

この構成によれば、上記シムによってタービン翼のプラットホームの間やタービン翼のプラットホームとシムとの間に新たな隙間が生じることを抑制できる。

また、上記のタービン翼群において、前記シムが、前記プラットホーム及び前記翼根にかけて設けられてもよい。

この構成によれば、シムがプラットホーム及び翼根にかけて設けられるので、タービン翼のプラットホーム及び翼根とシムとの間の接触面積が拡大させることができる。

また、上記のタービン翼群において、前記シムが、樹脂であってもよい。

この構成によれば、シムが（タービン翼の基部に塗布された）樹脂であるので、組立時にシムをタービン翼の間に挿入するための工程数を削減することができる。

また、上記のタービン翼群において、前記シムの周方向の線膨張係数が、前記基部の周方向の線膨張係数よりも大きくてもよい。

この構成によれば、回転による遠心力によりタービン翼が径方向外側に伸びた場合に、基部の間に生じる周方向の隙間をより適切に埋めることができる。

さらに、本発明の一態様に係る回転機械は、上記のタービン翼群を有することを特徴とする。

本発明のタービン翼群及び回転機械によれば、隣接する動翼の基部の間に隙間が形成されてしまうことを抑制できる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る動翼の構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る動翼の回転軸への取付構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る動翼群の構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係るシムの構成を示す模式図である。 本発明の第二実施形態に係る動翼群の構成を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態に係る軸流回転機械及び動翼（タービン翼）を図面に基づいて説明する。
（第一実施形態）

図１は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン（軸流回転機械）１００は、回転軸１と、ケーシング２と、複数の静翼７を備える静翼群６と、複数の動翼４を備える動翼群３と、を備えている。

回転軸１は、中心軸Ａｃに沿って延びる円柱状をなしている。回転軸１は、中心軸Ａｃに沿った中心軸方向Ｄａの両端部が、軸受装置５によって中心軸Ａｃ回りに回転自在に支持されている。軸受装置５は、回転軸１の中心軸方向Ｄａ両側に１つずつ設けられたジャーナル軸受５Ａと、中心軸方向Ｄａの第一側のみに設けられたスラスト軸受５Ｂと、を有している。ジャーナル軸受５Ａは、回転軸１による径方向Ｄｒへの荷重を支持する。スラスト軸受５Ｂは、回転軸１による中心軸方向Ｄａへの荷重を支持する。

ケーシング２は、中心軸方向Ｄａに延びる筒状をなしている。ケーシング２は、回転軸１を外周側から覆う。
ケーシング２は、吸気口１０と、排気口１１と、を備えている。吸気口１０は、ケーシング２の中心軸方向Ｄａの第一側に形成され、外部からケーシング２内に蒸気（作動流体）を取り入れる。排気口１１は、ケーシング２の中心軸方向Ｄａの第二側に形成され、ケーシング２内を通過した蒸気を外部に排気する。
以降の説明では、排気口１１から見て吸気口１０が位置する側を上流側と呼び、吸気口１０から見て排気口１１が位置する側を下流側と呼ぶ。

静翼群６は、ケーシング２の内周面に、中心軸方向Ｄａに沿って間隔をあけて、複数段が設けられている。各静翼群６は、各動翼群３の上流側に配置されている。各静翼群６は、中心軸Ａｃ回りの周方向Ｄｃに間隔をあけて配列された複数の静翼７を有している。

静翼７は、静翼本体７０と、静翼シュラウド７１と、を備えている。
静翼本体７０は、ケーシング２の内周面２Ｓから径方向Ｄｒ内側に向かって延びるよう設けられている。静翼本体７０は、径方向Ｄｒから見て翼型の断面を有している。
静翼シュラウド７１は、静翼本体７０の径方向Ｄｒ内側の端部に取り付けられている。

回転軸１の径方向Ｄｒ外側を向く外周面１Ｓ上において、各動翼群３の上流側には、回転軸１の外周面１Ｓから径方向Ｄｒ内側に向かって窪み、中心軸Ａｃ回りの周方向Ｄｃに連続する溝状の静翼キャビティ８が形成されている。各静翼７の静翼シュラウド７１は、静翼キャビティ８内に収容されている。

動翼群（タービン翼群）３は、回転軸１の外周面１Ｓに、中心軸方向Ｄａの第一側から第二側に向かって間隔をあけて、複数段が設けられている。各動翼群３は、回転軸１の外周面１Ｓ上で、中心軸Ａｃ回りの周方向Ｄｃに間隔をあけて配列された複数の動翼（タービン翼）４を有している。

図１と共に図２を参照すると、動翼４は、動翼本体４０と、プラットホーム４１と、翼根４２と、外側シュラウド４３と、を有している。

動翼本体４０は、回転軸１から径方向Ｄｒ外側に向かって延びるよう形成されている。動翼本体４０は、径方向Ｄｒから見て翼型の断面を有している。
本実施形態では、動翼本体４０と静翼本体７０との径方向Ｄｒ寸法は互いに同一とされている。言い換えると、中心軸方向Ｄａから見た場合、動翼本体４０と静翼本体７０とは互いに重なるように配列されている。
プラットホーム４１は、動翼本体４０から径方向Ｄｒ内側に延在するように設けられている。プラットホーム４１は、周方向Ｄｃに沿って延在するように形成される。
翼根４２は、プラットホーム４１の径方向Ｄｒ内側に設けられている。プラットホーム４１及び翼根４２は、周方向Ｄｃから見ると、略Ｉ字状の単一の端面を有するように形成される。また、翼根４２は、回転軸１に動翼４を固定するために、図３に示されるように回転軸１のディスク２０の翼溝２１内に挿入される。
外側シュラウド４３は、動翼本体４０の径方向Ｄｒ外側に設けられている。外側シュラウド４３は、その温度が常温で回転軸１が停止している状態では、周方向Ｄｃで隣接する動翼４の外側シュラウド４３と非接触である。また、この外側シュラウド４３は、温度上昇に伴う熱膨張により周方向Ｄｃで隣接する動翼４の外側シュラウド４３の一部と接触するよう、その形状及びサイズが定められている。
図３を参照すると、回転軸１のディスク２０には、周方向Ｄｃの翼溝２１が形成されている。動翼４の翼根４２は、回転軸１のディスク２０の翼溝２１の内側面と接触するように、翼溝２１内に配置されることができる。

図４は、中心軸方向Ｄａから見た、複数の動翼（タービン翼）４と、これらの動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の間に配置されたシム６０と、を備える動翼群（タービン翼群）３を示す。
図４に示されるように、動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の周方向Ｄｃの端面は傾斜面であり、この傾斜面は、隣接する動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の端面との間の距離が径方向Ｄｒ内側に向かって広がるように傾斜している。
また、シム６０は、隣接する動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の周方向Ｄｃの端面の間に挟まれるように配置されおり、中心軸方向Ｄａから見ると略楔形状に形成される。この略楔形状は、動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の周方向Ｄｃの端面と接触するように形成される。
複数の動翼４及びシム６０を回転軸１に固定する場合、回転軸１のディスク２０における翼溝２１内に動翼４、シム６０、動翼４、シム６０…の順に挿入する。

図５は、中心軸方向Ｄａ及び周方向Ｄｃから見た、本発明のシム６０の構成を示す模式図を示す。
図５（ａ）に示されたシム６０は、周方向Ｄｃから見ると略Ｔ字形状を有しており、中心軸方向Ｄａに延在している第１部分６１と、第１部分６１の略中央から径方向Ｄｒ内側に延在し、第１部分６１と接続している第２部分６２と、を備えている。第１部分６１は、動翼４のプラットホーム４１の中心軸方向Ｄａの幅と略同一の中心軸方向Ｄａの幅を有しており、プラットホーム４１の径方向Ｄｒの高さと略同一の径方向Ｄｒの高さを有している。第２部分６２は、動翼の翼根４２の径方向Ｄｒの高さと略同一の径方向Ｄｒの高さを有している。
また、図５（ｂ）に示されたシム６０は、周方向Ｄｃから見ると略Ｉ字形状を有しており、中心軸方向Ｄａに延在している第１部分６１及び第３部分６３と、第１部分６１及び第３部分６３の略中央から径方向Ｄｒに延在し、第１部分６１及び第３部分６３と接続している第２部分６２と、を備えている。第１部分６１は、動翼４のプラットホーム４１の中心軸方向Ｄａの幅と略同一の中心軸方向Ｄａの幅を有しており、プラットホーム４１の径方向Ｄｒの高さと略同一の径方向Ｄｒの高さを有している。第２部分６２は、動翼４の翼根４２の径方向Ｄｒの高さと略同一の径方向Ｄｒの高さを有している。また、第３部分６３は、動翼４の翼根４２の中心軸方向Ｄａの幅と略同一の中心軸方向Ｄａの幅を有している。
さらに、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されたシムは、中心軸方向Ｄａから見た場合に、略楔形状を有する。この略楔形状は、動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の周方向Ｄｃの端面と接触するように形成され、且つ寸法決めされる。
そのため、シム６０は、動翼４を回転軸１に固定する際に、隣接する動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の間の隙間を埋めることができる。

また、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されたシム６０は、大きい線膨張係数を有する材料、例えば、動翼の一般的な材料（例えば、鉄など）より大きな線膨張係数を有する金属材料、より好ましくは、動翼の一般的な材料（例えば、鉄など）より大きな周方向Ｄｃの線膨張係数を有する金属材料から製造される。シム６０の具体的な材料としては、例えばアルミニウム系、銅系、及びニッケルクロム系である。
回転時に、動翼４が遠心力により径方向Ｄｒ外側に伸び、動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２とシム６０との間に新たな隙間が生じる。しかしながら、シム６０の材料は、動翼４の一般的な材料より大きな線形膨張係数を有するので、シム６０は、蒸気等の高温雰囲気により膨張し、新たに生じた隙間を埋めるように伸びることができる。

［作用］
動翼４を回転軸１に固定する場合に、シム６０が隣接する動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の間に配置され、シム６０の略楔形状が動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の周方向Ｄｃの端面と接触するように配置されるので、動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２とシム６０との間に隙間が生じない。
複数の動翼４と隣接する動翼４の間に配置されたシム６０とを備える動翼群３が回転している場合、遠心力により、各動翼４は径方向Ｄｒ外側に向けて伸びるので、動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２とシム６０との間には新たな隙間が生じる。しかしながら、シム６０が大きい線膨張係数を有する材料から製造されるので、シム６０は蒸気等の高温雰囲気により熱膨張し伸びることができ、隣接する動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２とシム６０との間の新たな隙間を埋めることができる。
隣接する動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の間の距離が径方向Ｄｒ内側に向かって広くなるように動翼４が形成されおり、且つシム６０が略楔形状を有するので、回転中にシム６０が隣接する動翼４の間の隙間から径方向Ｄｒ外側に向けて移動することを防止することができる。

［効果］
上記の構成により、隣接する動翼４のプラットホーム４１の間に隙間が生じず、且つ回転中においてもシム６０と動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２との間に新たな隙間が生じないので、シム６０と動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２との間の接触を確実にし、全ての動翼４において均一な接触状態を維持し、均一な振動特性を得ることができる。
また、隣接する動翼４のプラットホーム４１の間に隙間が生じず、且つ回転中においてもシム６０と動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２との間に新たな隙間が生じないので、シム６０と動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２との間の隙間から生じる漏れによる損失を低減することができ、蒸気タービン１００の性能を維持することができる。
動翼が振動している場合には、シム６０と動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２とが隙間なく接触しているので、シム６０と動翼４との間のより大きな接触面積を得ることができ、それによって、シム６０と動翼４との間の摩擦減衰を得ることができ、動翼４の振動を抑制することができる（振動応力を低減させることができる）。
回転中にシム６０が隣接する動翼４の間の隙間から径方向Ｄｒ外側に向けて移動することを防止することができることで、回転中にシム６０の脱落を防ぐことができる。

［第二実施形態］
図６は、本発明の第二実施形態による動翼群（タービン翼群）１０３を示しており、この動翼群１０３は、複数の動翼（タービン翼）１０４と、これらの動翼１０４の端面に塗布された樹脂からなるシム１６０と、を備える。
第二実施形態による動翼群１０３の構成は、塗布された樹脂からなるシム１６０及びプラットホーム１４１及び翼根１４２の端面が垂直面であり傾斜を有していない点を除いて、第一実施形態による動翼群３の構成と略同一である。
シム１６０の材料である樹脂は、動翼１０４を回転軸１に取り付ける前に、プラットホーム１４１及び翼根１４２の周方向Ｄｃの端面に塗布される。その後、樹脂が塗布された動翼１０４は、回転軸１のディスク２０の翼溝２１を通じて回転軸１に固定される。
この樹脂は熱膨張可能な耐高温樹脂であり、例えば、テフロン（登録商標）である。好ましくは、この樹脂は、動翼１０４の一般的な材料（例えば、鉄など）より大きな線膨張係数を有する耐高温樹脂、特に周方向Ｄｃの線膨張係数が大きい耐高温樹脂であってもよい。
動翼１０４のプラットホーム１４１及び翼根１４２の周方向Ｄｃの端面は、第一実施形態のような傾斜面ではなく、垂直面とされる。

［作用］
動翼１０４を回転軸１に固定する場合に、動翼１０４のプラットホーム１４１及び翼根１４２の周方向Ｄｃの端面に塗布された樹脂により隣接する動翼１０４のプラットホーム１４１及び翼根１４２の間に隙間が生じない。
樹脂が塗布された複数の動翼１０４を備える動翼群１０３が回転している場合、遠心力により、各動翼１０４は径方向Ｄｒ外側に向けて伸びるので、隣接する動翼１０４のプラットホーム１４１及び／又は翼根１４２の間には新たな隙間が生じる。しかしながら、動翼１０４のプラットホーム１４１及び翼根１４２の周方向Ｄｃの端面に塗布された樹脂が熱膨張可能な耐高温樹脂であるので、シム１６０は蒸気等の高温雰囲気により熱膨張し伸びることができ、隣接する動翼１０４のプラットホーム１４１及び／又は翼根１４２の間の新たな隙間を埋めることができる。
また、第一実施形態のシム６０のように動翼４のプラットホーム４１及び翼根４２の間にシム６０が挿入されず、第二実施形態のシム１６０が動翼１０４のプラットホーム１４１及び翼根１４２の周方向Ｄｃの端面に塗布された樹脂であるため、動翼１０４の回転時にシム１６０が脱落することがなく、脱落を防止するためにプラットホーム１４１及び翼根１４２の周方向Ｄｃの端面に傾斜を設ける必要がない。

［効果］
上記の構成により、隣接する動翼１０４のプラットホーム１４１の間に隙間が生じないので、隣接する動翼のプラットホーム１４１の間の接触を確実にし、全ての動翼１０４において均一な接触状態を維持することができる。
また、隣接する動翼１０４のプラットホーム１４１の間に隙間が生じないので、プラットホーム１４１間の隙間から生じる漏れによる損失を低減することができ、蒸気タービン１００の性能を維持することができる。
動翼１０４が振動している場合には、隣接する動翼１０４がシム１６０の樹脂を介して隙間なく接触しているので、より大きな接触面積を得ることができ、それによって、シム１６０と動翼１０４との間の摩擦減衰を得ることができ、動翼１０４の振動を抑制することができる（振動応力を低減させることができる）。
さらに、シム１６０の脱落を防止するために動翼１０４のプラットホーム１４１及び翼根１４２の端面に傾斜を設ける必要がないため、組立時における工程数を減らすことができ、それ故に、製造コスト及び労力を削減することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では回転機械を蒸気タービン１００としたが、これに限るものではなく、例えばガスタービンなどの他の回転機械にも本願発明を適用してもよい。
また、上記実施形態では、図５（ｂ）に示されたシムは、中心軸方向Ｄａから見た場合に略楔形状を有するが、周方向Ｄｃから見た場合に略I字形状を有する場合にはシムは中心軸方向Ｄａから見て平坦形状であってもよい。
さらに、動翼４及び１０４は、動翼本体４０及び１４０の略中央部に設けられたスタブを備えてもよい。このようなスタブは、その温度が常温で回転軸が停止している状態では、周方向Ｄｃで隣り合う動翼４及び１０４のスタブと非接触であり、このスタブは、温度上昇に伴う熱膨張により周方向Ｄｃで隣り合う動翼のスタブと接触するよう、その形状及びサイズが定められていてもよい。

１ 回転軸
２ ケーシング
３ 動翼群
４ 動翼（タービン翼）
５ 軸受装置
６ 静翼群
７ 静翼
８ 静翼キャビティ
１０ 吸気口
１１ 排気口
２０ ディスク
２１ 翼溝
４０ 動翼本体
４１ プラットホーム
４２ 翼根
４３ 外側シュラウド
６０ シム
６１ 第１部分
６２ 第２部分
６３ 第３部分
７０ 静翼本体
７１ 静翼シュラウド
１００ 蒸気タービン（軸流回転機械）
１０３ 動翼群
１０４ 動翼
１４０ 動翼本体
１４１ プラットホーム
１４２ 翼根
１６０ シム
Ｄａ 中心軸方向
Ｄｃ 周方向
Ｄｒ 径方向
Ｆ 遠心力

Claims (8)

1. 周方向にそれぞれ隙間を有して並んでいる複数の基部と、
   前記各基部から径方向外側にそれぞれ延びる複数の翼部と、
   前記基部に比べて線膨張係数の大きな材料で形成され、各隙間に設けられた複数のシムと、
   を備えるタービン翼群。
2. 各シムが、前記隙間を埋めるように設けられている、請求項１に記載のタービン翼群。
3. 前記隙間が、径方向内側に向かって広がっている、請求項１又は２に記載のタービン翼群。
4. 前記基部が、プラットホームと、前記プラットホームから径方向外側に延在する翼根と、を有する、請求項１又は２に記載のタービン翼群。
5. 前記シムが、前記プラットホーム及び前記翼根にわたって設けられている、請求項４に記載のタービン翼群。
6. 前記シムが、樹脂である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービン翼群。
7. 前記シムの周方向の線膨張係数が、前記基部の周方向の線膨張係数よりも大きい、請求項１〜６のいずれか一項に記載のタービン翼群。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のタービン翼群を有する回転機械。

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