JP2020172900A - 蒸気タービンロータ及び蒸気タービン - Google Patents

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Abstract

【課題】蒸気温度の高温化やロータシャフトの大径化などに対応する、優れた引抜強さを有する植え込みフィンを有する蒸気タービンロータ及び蒸気タービンを提供する。【解決手段】蒸気タービンロータ０２は、曲げ加工された底部とフィン先端部０１ａ及びフィン根元部０１ｂを有する立部とからなる植え込みフィン０１が、固定用溝に挿入され、植え込みフィンが、ロッキングストリップ０３により、固定用溝に固定され、固定用溝の側面とフィン根元部の側面との静止摩擦係数、ロッキングストリップの側面とフィン根元部の側面との静止摩擦係数、固定用溝の側面とロッキングストリップの側面との静止摩擦係数、を増加させたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、植え込みフィンを有する蒸気タービンロータ及び蒸気タービンに関する。
蒸気タービンは、静止体の内周面と回転体（ロータ）の外周面との間に形成される隙間(クリアランス)から蒸気（作動流体）が漏洩することを防止するため、シールフィンを設置する。
特に、ロータ側に設置されるシールフィンには、ロータを加工して形成する削り出しフィンと、ロータに形成される溝にフィンを固定する植え込みフィンとの２種類がある。
この内、植え込みフィンは、交換可能な構造であるため、植え込みフィンの先端が損傷した場合には、新しい植え込みフィンに交換することができ、シール性能を回復することができる。しかし、植え込みフィンは、ロータと一体構造ではないため、植え込みフィンの引抜強さが、ロータの遠心力を下回った場合には、植え込みフィンが飛散する可能性がある。つまり、蒸気タービンの信頼性を向上させるためには、植込みフィンの引抜強さを向上させる必要がある。
こうした本技術分野の背景技術として、特開２０１７−１１５９１７号公報（特許文献１）がある。この特許文献１には、シールフィンを、固定用溝の溝幅方向に伸びるように固定用溝の内部に配置される基部と、基部の溝幅方向の一端側から固定用溝の開口へと起立して作動流体の流通を抑制するフィン部とを備えて構成し、基部の付根側には、一端側に膨出するように湾曲する湾曲部を形成し、基部の他端側には、固定用溝の内部に配置した際に固定用溝の開口に向くように傾斜した第１傾斜面を形成し、湾曲部が固定用溝のアリ溝部に係止され、第１傾斜面がロッキングピースに係止されることが記載されている。そして、この特許文献１には、シールフィンが固定用溝から離脱することを抑制することができることが記載されている。
特開２０１７−１１５９１７号公報
特許文献１には、シールフィンが固定用溝から離脱することを抑制することが記載されている。
しかし、蒸気タービンの蒸気温度の高温化やロータシャフトの大径化などにより、植え込みフィンには、従来よりも、さらに優れた引抜強さが要求される。
そこで、本発明は、例えば、蒸気温度の高温化やロータシャフトの大径化などに対応する、優れた引抜強さを有する植え込みフィンを有する蒸気タービンロータ及び蒸気タービンを提供する。
上記課題を解決するため、本発明の蒸気タービンロータは、曲げ加工された底部とフィン先端部及びフィン根元部を有する立部とからなる植え込みフィンが、固定用溝に挿入され、植え込みフィンが、ロッキングストリップにより、固定用溝に固定され、固定用溝の側面とフィン根元部の側面との静止摩擦係数、ロッキングストリップの側面とフィン根元部の側面との静止摩擦係数、固定用溝の側面とロッキングストリップの側面との静止摩擦係数、を増加させたことを特徴とする。
また、本発明の蒸気タービンは、こうした蒸気タービンロータを有するものである。
本発明によれば、例えば、蒸気温度の高温化やロータシャフトの大径化などに対応する、優れた引抜強さを有する植え込みフィンを有する蒸気タービンロータ及び蒸気タービンを提供することができる。
なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、下記する実施例の説明により明らかにされる。
本実施例に記載するアリ溝を有さない植え込みフィンを説明する模式図である。 本実施例に記載するあり溝を有する植え込みフィンを説明する模式図である。 本実施例に記載する蒸気タービンを説明する模式図である。
以下、図面を使用して、本発明の実施例を説明する。なお、同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。
図１は、本実施例に記載するアリ溝を有さない植え込みフィンを説明する模式図であり、断面図である。
蒸気タービンは、静止体の内周面（図示せず）と回転体（蒸気タービンロータ）（以下「ロータ」と称する）０２の外周面との間に形成される隙間(クリアランス)から蒸気（作動流体）が漏洩することを防止するため、シールフィンが設置される。
特に、ロータ側に設置されるシールフィンには、ロータを加工して形成する削り出しフィンと、ロータに形成される溝にフィンを固定する植え込みフィンと、の２種類がある。
本実施例に記載するシールフィンは、植え込みフィンである。植え込みフィン０１は、交換可能な構造であるため、その先端が損傷した場合には、新しい植え込みフィン０１に交換することができ、シール性能を回復することができる。
本実施例に記載する植え込みフィン０１は、板厚が0.5〜1.0ｍｍ程度の長手方向と短手方向とを有する金属帯板の、長手方向の一端をＬ字型に曲げ加工したもの（断面がＬ字型のもの）であり、この断面がＬ字型のものを、長手方向に円弧状に加工したものである。なお、この長手方向に円弧状に加工する場合、最終的にロータ０２の外周曲面に合わせて、円弧曲げ加工を使用し、リング状に加工する。
なお、Ｌ字型への曲げ加工は、板材を曲げて加工する曲げ加工やへら絞り加工などにより、Ｌ字型を形成することができる。このＬ字型への加工には、原材料から削り出す削り出し加工を使用することもできる。
そして、この植え込みフィン０１が、ロータ０２に設置される際には、ロータ０２の周方向に分割されたリング構造を有する。なお、この分割は、２分割〜４分割程度の等分割が好ましい。植え込みフィン０１と植え込みフィン０１との間の数が少ないほうが、蒸気の漏洩を抑制することができるためである。また、等分割とすることにより、植え込みフィン０１の加工性が向上する。
また、植え込みフィン０１は、ロータ０２の軸方向にも複数段（例えば、２段から１０段）に亘って、設置される。これにより、動翼（回転体）と静翼（静止体）との間に形成される間隙から蒸気が漏洩することを抑制する。
つまり、本実施例に記載する植え込みフィン０１は、その断面において、曲げ加工された底部と立部（外周方向に伸設される部分）とを有し、断面がＬ字型（底部と立部）の形状を有する。
そして、本実施例に記載する植え込みフィン０１は、シール性能の向上の観点から、その断面において、フィン先端部０１ａ側の板厚はフィン根元部０１ｂ側の板厚よりも薄い。なお、フィン先端部０１ａの薄肉部分は、圧延プレス加工、削り出し加工により形成することができる。
このように、植え込みフィン０１の立部は、フィン先端部０１ａとフィン根元部０１ｂとを有する。
また、植え込みフィン０１は、ロータ０２に設置された後、その先端が所定の外径になるように、旋盤などで加工される。このために、植え込みフィン０１の先端部には余肉が形成される。なお、植込みフィン０１の断面は、Ｌ字型以外に、Ｉ字型やＵ字型などでもよい。
一方、ロータ０２の外周面には、全周に亘って、植え込みフィン０１を固定する固定用溝０４が形成される。この固定用溝０４は、幅（ロータ０２の軸方向の幅）と深さとの比が、１：２以上１：４以下であることが好ましい。これにより、優れた引抜強さを有する。
なお、植え込みフィン０１のフィン先端部０１ａは、固定用溝０４の深さより長い部分であり、植え込みフィン０１のフィン根元部０１ｂは、固定用溝０４の深さより短い部分である。また、固定用溝０４の幅よりも、植え込みフィン０１の底部のほうが短いことが好ましい。
そして、植え込みフィン０１のフィン根元部０１ｂが、固定用溝０４に挿入され、植え込みフィン０１の上から（外周側から）、ロッキングストリップ０３を挿入して、ロッキングストリップ０３をかしめることにより、植え込みフィン０１を固定用溝０４に固定する。なお、ロッキングストリップ０３のかしめは、ロータ０２の表面からのロッキングストリップ０３の沈み込み量が所定の範囲になるまで実施される。
かしめ方法としては、例えば、エアハンマやローラを使用することができるが、ロッキングストリップ０３を十分に塑性変形させることができる方法であればよい。
植え込みフィン０１やロッキングストリップ０３の材質は、使用環境により相違するが、一般的には、炭素鋼やステンレス鋼が使用される。
本実施例に記載するロータ０２は、曲げ加工された底部とフィン先端部０１ａ及びフィン根元部０１ｂを有する立部とからなる植え込みフィン０１が、固定用溝０４に挿入され、植え込みフィン０１が、ロッキングストリップ０３により、固定用溝０４に固定される。
植え込みフィン０１の引抜き強さは、それぞれが接触する、ロッキングストリップ０３、固定用溝０４が形成されるロータ０２、植え込みフィン０１のそれぞれの間の静止摩擦力に大きく依存する。
本実施例では、特に、固定用溝０４の側面とフィン根元部０１ｂの側面（立部の外側）との静止摩擦係数（Ａ）、ロッキングストリップ０３の側面とフィン根元部０１ｂの側面（立部の内側）との静止摩擦係数（Ｂ）、固定用溝０４の側面とロッキングストリップ０３の側面との静止摩擦係数（Ｃ）、を増加させる。これにより、植え込みフィン０１の引抜強さを向上させる。
静止摩擦係数の増加方法として、例えば、ブラスト処理がある。鋼球、ガラス玉、砂などの硬質材料を、フィン根元部０１ｂの側面、固定用溝０４の側面、ロッキングストリップ０３の側面に射出することにより、表面を粗くすることができ、静止摩擦係数を増加させることができる。静止摩擦係数の増加方法として、また、例えば、ローレット加工がある。
フィン根元部０１ｂの側面へのブラスト処理は、どのタイミングで実施されてもよいが、フィン根元部０１ｂ以外の個所（例えば、フィン先端部０１ａ）の表面粗さが増加すると、疲労強度やシール性能が低下する恐れがあるため、これら箇所をマスキングして、ブラスト処理を実施する。
同様に、ロッキングストリップ０３の側面へも、ブラスト処理を実施することにより、フィン根元部０１ｂの側面や固定用溝０４の側面との接触部分の静止摩擦係数を増加することができ、植え込みフィン０１の引抜強さを向上させることができる。
本実施例により、表面を粗くしない場合（例えば、フィン根元部０１ｂの側面と固定用溝０４の側面との静止摩擦係数は0.4〜0.5）と比較して、大きくする（0.5以上にする）ことができ、植え込みフィン０１の引抜強さを向上させることができる。
また、特に、これら静止摩擦係数Ａ、Ｂ、Ｃの内、Ａを最も大きくすることが好ましい。これにより、植え込みフィン０１の引抜強さを、さらに向上させることができる。
また、本実施例では、固定用溝０４の側面よりもフィン根元部０１ｂの側面（立部の外側）のほうが、表面粗さが大きい。また、固定用溝０４の側面よりもロッキングストリップ０３の側面のほうが、表面粗さが大きい。これにより、植え込みフィン０１の引抜強さを、さらに向上させることができる。
本実施例によれば、例えば、蒸気温度の高温化やロータシャフトの大径化などに対応する、優れた引抜強さを有する（高強度化された）植え込みフィンを有する蒸気タービンロータを提供することができる。そして、こうした蒸気タービンロータを使用する蒸気タービンの信頼性を向上させることができる。
図２は本実施例に記載するあり溝を有する植え込みフィンを説明する模式図であり、断面図である。
本実施例は、固定用溝０４にアリ溝０２ａを有する点で、実施例１と相違する。つまり、本実施例に記載するロータ０２は、固定用溝０４にアリ溝０２ａを有する点で、実施例１と相違する。
このように、本実施例は、固定用溝０４にアリ溝０２ａを有することにより、ロッキングストリップ０３が、このアリ溝０２ａに入り込むことのより、更に、植え込みフィン０１の引抜強さを、向上させることができる。
図３は、本実施例に記載する蒸気タービンを説明する模式図である。
本実施例に記載する蒸気タービンは、ロータ０２と、ロータ０２に設置される動翼０６と、静翼０５と、植え込みシールフィン部０４と、を有する。
静翼０５は、蒸気を膨張させて、蒸気に速度エネルギーを付与すると共に、蒸気の流れの向きを変化させ、回転方向の運動量を作り出す働きをする。
植え込みシールフィン部０４には、植え込みシールフィン０１が設置され、植え込みシールフィン０１は、静翼０５の先端とロータ０２との間から蒸気が漏洩しないように設置される。
動翼０６は、ロータ０２に設置されるものであり、蒸気が保有する熱エネルギーをロータ０２の回転エネルギーに変換する。
こうした蒸気タービンのロータ０２に、実施例１又は実施例２に記載する植え込みフィン０１を設置することにより、信頼性の向上する蒸気タービンを提供することができる。つまり、本実施例に記載する蒸気タービンは、実施例１又は実施例２に記載するロータ０２を有する。
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、本発明を分かり易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有するものに限定されるものではない。
01 植え込みフィン
01a フィン先端部
01b フィン根元部
02 ロータ
02a アリ溝
03 ロッキングストリップ
04 植え込みシールフィン部
05 静翼
06 動翼

Claims (7)

  1. 曲げ加工された底部とフィン先端部及びフィン根元部を有する立部とからなる植え込みフィンが、固定用溝に挿入され、前記植え込みフィンが、ロッキングストリップにより、前記固定用溝に固定された蒸気タービンロータであって、
    前記固定用溝の側面と前記フィン根元部の側面との静止摩擦係数、前記ロッキングストリップの側面と前記フィン根元部の側面との静止摩擦係数、前記固定用溝の側面と前記ロッキングストリップの側面との静止摩擦係数、を増加させたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
  2. 前記固定用溝の側面と前記フィン根元部の側面との静止摩擦係数、前記ロッキングストリップの側面と前記フィン根元部の側面との静止摩擦係数、前記固定用溝の側面と前記ロッキングストリップの側面との静止摩擦係数、の内、前記固定用溝の側面と前記フィン根元部の側面との静止摩擦係数が最も大きいことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンロータ。
  3. 前記固定用溝は、幅と深さとの比が１：２以上１：４以下であること特徴とする請求項２に記載の蒸気タービンロータ。
  4. 前記固定用溝の側面よりも前記フィン根元部の側面のほうが、表面粗さが大きいこと特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンロータ。
  5. 前記固定用溝の側面よりも前記ロッキングストリップの側面のほうが、表面粗さが大きいこと特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンロータ。
  6. 前記固定用溝にアリ溝を有すること特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンロータ。
  7. 請求項１に記載の蒸気タービンロータを有する蒸気タービン。
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