JP2022136620A - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】翼先端における負圧面側突出部の根元部の浸食を抑制しつつ使用寿命を延ばせるタービン動翼を提供する。【解決手段】実施形態の動翼１０は、翼有効部２０と、翼有効部２０の翼先端２２における前縁側の負圧面２４から突出する負圧面側突出部７０と、翼有効部２０の翼先端２２における後縁側の圧力面２３から突出する圧力面側突出部６０とを備える。負圧面側突出部７０は、前縁側に備えられ、回転する際に、隣接する動翼１０の圧力面側突出部６０と接触する接触面７２および接触しない非接触面７３を有する前縁側端面７１と、非接触面７３から後縁側に向かって形成されるとともに翼高さ方向に貫通し、後縁側に行くに伴って突出方向における幅が狭くなる溝部８０と、溝部８０に嵌合する形状を有し動翼１０を構成する材料よりも耐浸食性に優れた材料で構成され、溝部８０に接合された接合部材９０とを備える。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、タービン動翼に関する。

蒸気タービンを備える火力発電設備において、高効率化の一対策として、低圧タービンの最終段落に１ｍ以上の長翼が適用されている。最終段落における長翼からなる動翼には、大きな遠心力がかかる。このような最終段落の動翼は、強度および靭性に優れた鋼種で形成されている。

低圧タービンの最終段落の動翼は、作動流体である湿り蒸気によって高速で回動駆動される。そのため、液滴が高速で動翼に繰返し衝突し、動翼の表面を浸食するドロップレット・エロ―ジョンが発生する。

動翼の前縁部において、液滴の衝突による顕著な浸食が想定される。そのため、従来の動翼において、例えば、焼入れによって前縁部を高硬度化する施策が適用されている。また、従来の動翼において、動翼を構成する材料よりも耐エロ―ジョン性（耐浸食性）に優れた材料で構成された部材を前縁部に接合する施策が適用されている。

ここで、図１４は、従来の低圧タービンにおける最終段落の動翼３００の先端の一部を外周側から見たときの平面図である。

長翼の動翼３００として、ねじれ翼が使用される。ねじれ翼の翼有効部は、翼根元から翼先端に亘ってねじれている。

図１４に示すように、動翼３００の先端は、負圧面から突出する負圧面側突出部３１０と、圧力面から突出する圧力面側突出部３２０を有する。負圧面側突出部３１０は、動翼３００の前縁側に位置し、圧力面側突出部３２０は、動翼３００の後縁側に位置する。なお、図１４には、動翼３００の前縁３０１および後縁３０２も示されている。

動翼３００をタービンロータの周方向に植設した際、負圧面側突出部３１０は、隣接する動翼３００の圧力面側突出部３２０と周方向に隣接する。

そして、回転時には、動翼３００の捻れ戻り（アンツイスト）が生じて、図１４に示すように、互いに隣接する動翼３００における負圧面側突出部３１０の接触面３１１と、圧力面側突出部３２０の接触面３２１とが接触する。これによって、全周一群の連結構造が構成される。

近年、このような構成の動翼３００において、前縁３０１以外にも、負圧面側突出部３１０の前縁側の端面のうち、接触面３１１以外の端面３１２が浸食されることが報告されている。この端面３１２は、負圧面側突出部３１０における負圧面側の根元部３１３に位置する。

回転時において、この端面３１２は、圧力面側突出部３２０と接触せずに露出しているため、液滴を含む作動流体と直接衝突する。これによって、端面３１２にドロップレット・エロ―ジョンが発生する。

なお、図１４には、端面３１２の浸食状態を模式的に示している。浸食３３０は、端面３１２から後縁側に向かって進行する。この複数の楔状の浸食３３０は、端面３１２全体に生じる。そのため、翼高さ方向（半径方向）にこの浸食３３０を見た場合、浸食３３０は、負圧面側突出部３１０を貫通するように形成されている。

浸食３３０の幅Ｗｅは、露出する端面３１２の幅と一致している。この浸食３３０の幅Ｗｅは、使用年数が長期化しても大きく変化することはない。一方、楔状の浸食の深さＤｅは、使用年数に伴い増加する。根元部３１３には、隣接する動翼３００の圧力面側突出部３２０からの接触反力が作用するため、浸食が進行するに伴って負圧面側突出部３１０が飛散する可能性が高まる。

ここで、浸食３３０の幅Ｗｅは、接触面３１１の仮想延長線上における浸食３３０の幅である。浸食３３０の深さＤｅは、接触面３１１の仮想延長線と、この仮想延長線に垂直な方向における浸食３３０の最先端との距離である。

従来、負圧面側突出部３１０の根元部３１３において浸食が進行した動翼３００は、新しい翼（新翼）に交換される。

一方、このような負圧面側突出部３１０の根元部３１３における浸食を抑制する技術も検討されている。従来の動翼における浸食抑制技術では、例えば、鋳造工程において浸食が生じる翼本体の表面に段部が形成され、この段部に耐エロ―ジョン性に優れた板状部材が嵌合されている。この浸食抑制技術は、新翼に対して適用されている。

特許第６６１４４６７号公報

負圧面側突出部３１０の根元部３１３において浸食が進行した動翼３００に対して、機械加工によって浸食部を除去した後、除去部に肉盛溶接を行う手法が考えられる。

しかしながら、肉盛溶接の際、負圧面側突出部３１０への入熱量が大きいため、肉盛部近傍が大きく変形する。そのため、負圧面側突出部３１０に機能上要求されている寸法管理基準を逸脱する。これによって、回転時において、負圧面側突出部３１０は、隣接する動翼３００の圧力面側突出部３２０と適正に接触することができない。

このようなことから、従来、負圧面側突出部３１０の根元部３１３において浸食が進行した動翼３００は、新翼に交換される。この際、新翼は、鋳造素材から再製作されるため、長期間の製作期間が必要となる。また、浸食が発生した根元部３１３以外の部分は継続して使用可能な状態ではあるが、この動翼３００は廃棄される。このような浸食が進行した動翼３００に対する従来の対応は、経済的な観点から好ましくない。

また、上記した動翼の表面の段部に板状部材を嵌合する従来の浸食抑制技術を適用しても、時間の経過とともに浸食は進行する。浸食が段部まで浸食した動翼では、再度段部を形成することができないため、補修して再利用することは困難である。

本発明が解決しようとする課題は、翼先端における負圧面側突出部の根元部の浸食を抑制しつつ、使用寿命を延ばすことができるタービン動翼を提供するものである。

実施形態のタービン動翼は、負圧面および圧力面を有し、前記負圧面と前記圧力面との境界に前縁および後縁を備える翼有効部と、前記翼有効部の先端における前縁側の前記負圧面から突出する負圧面側突出部と、前記翼有効部の先端における後縁側の前記圧力面から突出する圧力面側突出部とを備える。

前記負圧面側突出部は、前縁側に備えられ、回転する際に、隣接するタービン動翼の前記圧力面側突出部と接触する接触面および隣接するタービン動翼の前記圧力面側突出部と接触しない非接触面を有する前縁側端面と、前記非接触面から後縁側に向かって形成されるとともに翼高さ方向に貫通し、後縁側に行くに伴って突出方向における幅が狭くなる溝部と、前記溝部に嵌合する形状を有するとともにタービン動翼を構成する材料よりも耐エロ―ジョン性に優れた材料で構成され、前記溝部に接合された接合部材とを備える。

実施の形態の動翼を備えた蒸気タービンの鉛直方向の子午断面を示す図である。 実施の形態の動翼の斜視図である。 実施の形態の複数の動翼が周方向に亘ってロータホイールに植設された状態を示す斜視図である。 実施の形態の動翼の翼先端を外周側から見たときの平面図である。 実施の形態の動翼における前縁側の翼先端を軸方向の下流側から見たときの平面図である。 実施の形態の動翼における前縁側の翼先端を回転方向の上流側から見たときの平面図である。 実施の形態の動翼における接合部材を接合していない状態の前縁側の翼先端を回転方向の上流側から見たときの平面図である。 図６のＡ－Ａ断面が示された図である。 図７のＢ－Ｂ断面が示された図である。 回転時における実施の形態の動翼の翼先端を外周側から見たときの平面図である。 組立時における実施の形態の動翼の翼先端を外周側から見たときの平面図である。 実施の形態の動翼が備える接合部材の斜視図である。 実施の形態の動翼における前縁側の翼先端を回転方向の上流側における斜め下方から見たときの斜視図である。 従来の低圧タービンにおける最終段落の動翼の先端の一部を外周側から見たときの平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態の動翼１０を備えた蒸気タービン２００の鉛直方向の子午断面を示す図である。なお、蒸気タービン２００は、タービン段落の最終段である最終段落などに長翼を備える低圧タービンである。

実施の形態の動翼１０は、例えば、最終段落などに備えられる。なお、実施の形態の動翼１０は、最終段落に限らず、作動流体に含まれる液滴が高速で動翼に衝突するタービン段落に使用することができる。実施の形態の動翼１０が備えられたタービン段落以外のタービン段落には、蒸気タービンの動翼として一般に使用されている仕様の動翼が使用される。

図１に示すように、蒸気タービン２００は、ケーシング２１０を備える。このケーシング２１０内には、タービンロータ２２０が貫設されている。このタービンロータ２２０には、ロータホイール２２１が形成されている。なお、タービンロータ２２０は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。

ロータホイール２２１は、周方向Ｄｃに亘って、タービンロータ２２０の外周面から半径方向外側Ｄｒｏに突出している。ロータホイール２２１は、タービンロータ２２０の中心軸方向に沿って複数段形成されている。

ここで、タービンロータ２２０の中心軸方向を以下において単に軸方向Ｄａという。半径方向外側Ｄｒｏとは、半径方向Ｄｒにおけるタービンロータ２２０の中心軸Ｏから遠ざかる側である。半径方向内側Ｄｒｉとは、半径方向Ｄｒにおける中心軸Ｏに近づく側（中心軸側）である。半径方向Ｄｒは、中心軸Ｏを基点とする、中心軸Ｏに垂直な方向である。周方向Ｄｃとは、タービンロータ２２０の中心軸Ｏを中心とする周方向、すなわち、中心軸Ｏの軸周りである。

このロータホイール２２１には、例えば、軸方向Ｄａから動翼１０が挿入される。そして、ロータホイール２２１の周方向Ｄｃには、複数の動翼１０が設けられ、動翼翼列を構成する。動翼翼列は、軸方向Ｄａに複数段構成されている。

ケーシング２１０の内周には、ダイアフラム外輪２３０が設置され、このダイアフラム外輪２３０の内側（半径方向内側Ｄｒｉ）には、ダイアフラム内輪２３１が設置されている。ダイアフラム外輪２３０とダイアフラム内輪２３１との間には、周方向Ｄｃに複数の静翼２３２が配置され、静翼翼列を構成している。

この静翼翼列は、軸方向Ｄａに動翼翼列と交互に複数段備えられている。そして、静翼翼列と、その直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。

ここで、下流側とは、軸方向Ｄａにおいて作動流体の主流の流れ方向の下流側を意味する。上流側とは、軸方向Ｄａにおいて作動流体の主流の流れ方向の上流側を意味する。

ダイアフラム外輪２３０とダイアフラム内輪２３１との間には、主蒸気が流れる環状の蒸気通路２３３が形成されている。

タービンロータ２２０とケーシング２１０との間には、蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部２４０が設けられている。また、タービンロータ２２０とダイアフラム内輪２３１との間には、この間を蒸気が下流側へ通過するのを防止するために、シール部２４１が設けられている。

また、蒸気タービン２００には、クロスオーバ管２５０からの蒸気を蒸気タービン２００の内部に蒸気を導入するための蒸気入口管（図示しない）がケーシング２１０を貫通して設けられている。最終段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気通路（図示しない）が設けられている。この排気通路は、復水器（図示しない）に連通されている。

次に、実施の形態の動翼１０の構成について説明する。

図２は、実施の形態の動翼１０の斜視図である。図３は、実施の形態の複数の動翼１０が周方向Ｄｃに亘ってロータホイール２２１間に植設された状態を示す斜視図である。

なお、図３には、タービンロータ２２０の回転方向Ｄｃｒを矢印で示している。回転方向Ｄｃｒは、周方向Ｄｃの一方向である。また、動翼１０の翼先端２２の半径方向外側Ｄｒｏの外周面には、翼先端２２とダイアフラム外輪２３０との間からの蒸気の漏洩を防止するシール部材が備えられているが、本実施の形態に示される図においては、シール部材は省略されている。

実施の形態の動翼１０は、例えば、１ｍ以上の長翼である。ここでは、動翼１０として、最終段落の動翼を例示して説明する。

図２に示すように、動翼１０は、翼有効部２０と、翼植込部４０と、突出部５０とを備える。

翼有効部２０は、翼根元２１から翼先端２２に亘る翼部分である。翼有効部２０は、翼根元２１から翼先端２２に亘ってねじれている。翼有効部２０は、半径方向外側Ｄｒｏに向かって延びている。ここでは、この動翼１０の延びる方向を翼高さ方向Ｄｈとする。なお、翼高さ方向Ｄｈは、動翼１０がロータホイール２２１間に植設された状態における半径方向Ｄｒと同義である。

翼先端２２とは、翼有効部２０の翼高さ方向Ｄｈの先端部である。翼根元２１とは、翼有効部２０の翼高さ方向Ｄｈの根元部である。

翼有効部２０は、翼根元２１から翼先端２２に亘って、凹形状の圧力面２３および凸形状の負圧面２４を備える。翼有効部２０の上流側の端部には、前縁２５が形成されている。翼有効部２０の下流側の端部には、後縁２６が形成されている。

前縁２５は、翼高さ方向Ｄｈと直交する断面において、軸方向Ｄａの上流側において圧力面２３と負圧面２４とが接続される部分である。すなわち、前縁２５は、軸方向Ｄａの上流側における圧力面２３と負圧面２４との境界に翼高さ方向Ｄｈに亘って形成される。

後縁２６は、翼高さ方向Ｄｈと直交する断面において、軸方向Ｄａの下流側において圧力面２３と負圧面２４とが接続される部分である。すなわち、後縁２６は、軸方向Ｄａの下流側における圧力面２３と負圧面２４との境界に翼高さ方向Ｄｈに亘って形成される。

図３に示す複数の動翼１０を周方向に備えた動翼翼列において、隣接する動翼１０の翼有効部２０間を蒸気が通過する。

動翼１０において、図２および図３に示すように、翼有効部２０の翼高さ方向Ｄｈ（半径方向Ｄｒ）の所定の高さ位置に中間連結部材３０が備えられていてもよい。中間連結部材３０は、例えば、翼高さ方向Ｄｈにおける翼根元２１と翼先端２２との中間位置に備えられる。中間連結部材３０は、翼有効部２０の負圧面２４から突出する負圧面連結部材３１と、翼有効部２０の圧力面２３から突出する圧力面側連結部材３２とを備える。

中間連結部材３０は、例えば、翼有効部２０と一体的に形成される。なお、中間連結部材３０の構造は、特に限定されるものではない。中間連結部材３０の構造は、ねじれ翼の連結部として広く採用されている構造を適用することができる。

タービンロータ２２０を回転した際、翼有効部２０には捻れ戻り（アンツイスト）が発生する。このアンツイストによって、図３に示すように、動翼１０の負圧面連結部材３１の接触面３１ａと、この動翼１０の負圧面側に隣接する動翼１０の圧力面側連結部材３２の接触面３２ａとが接触する。

翼植込部４０は、図２および図３に示すように、翼有効部２０の半径方向内側Ｄｒｉに形成される。翼植込部４０は、プラットフォーム４１と、翼根部４５とを備える。

プラットフォーム４１は、翼有効部２０と翼根部４５との間に形成されている。なお、翼有効部２０の翼根元２１は、プラットフォーム４１の半径方向外側Ｄｒｏの外周面４２に位置している。プラットフォーム４１は、例えば、板状に構成されている。

翼根部４５は、プラットフォーム４１の半径方向内側Ｄｒｉに形成される。翼根部４５は、例えば、軸方向Ｄａに植え込む軸方向挿入式（アキシャルエントリー式）のクリスマスツリー型に形成される。翼根部４５は、図３に示すように、ロータホイール２２１の植込溝２２３に軸方向Ｄａから挿入され、固定される。

なお、このような軸方向挿入式のクリスマスツリー型の翼根部４５は、大きな遠心力がかかる長翼に好適である。

次に、突出部５０の構成について説明する。

図４は、実施の形態の動翼１０の翼先端２２を外周側から見たときの平面図である。図５は、実施の形態の動翼１０における前縁側の翼先端２２を軸方向Ｄａの下流側から見たときの平面図である。図６は、実施の形態の動翼１０における前縁側の翼先端２２を回転方向Ｄｃｒの上流側から見たときの平面図である。図７は、実施の形態の動翼１０における接合部材９０を接合していない状態の前縁側の翼先端２２を回転方向Ｄｃｒの上流側から見たときの平面図である。なお、図５～図７には、動翼１０の一部の構成が示されている。

図８は、図６のＡ－Ａ断面が示された図である。図９は、図７のＢ－Ｂ断面が示された図である。なお、図８および図９は、翼有効部２０の翼先端２２における翼高さ方向Ｄｈに垂直な断面が示されている。

図１０は、回転時における実施の形態の動翼１０の翼先端２２を外周側から見たときの平面図である。図１１は、組立時における実施の形態の動翼１０の翼先端２２を外周側から見たときの平面図である。図１２は、実施の形態の動翼１０が備える接合部材９０の斜視図である。なお、図１０には、作動流体ＷＦの流れを矢印で示している。

図２～図４に示すように、突出部５０は、翼有効部２０の翼先端２２に形成され、圧力面側突出部６０と、負圧面側突出部７０とを備える。ここで、突出部５０は、スナッバなどと称されることもある。突出部５０は、例えば、翼有効部２０に一体的に形成される。

圧力面側突出部６０は、図４に示すように、翼有効部２０の翼先端２２における後縁側の圧力面２３から突出する。具体的には、圧力面側突出部６０は、後縁側の圧力面２３から後縁側に行くに伴って軸方向Ｄａの上流側に徐々に広がりながら突出している。

圧力面側突出部６０において、圧力面２３から上流側への突出高さは、後縁２６の位置で最大となる。圧力面側突出部６０は、翼先端２２の圧力面２３のうちの後縁側の一部に備えられている。

また、圧力面側突出部６０の後縁側の後縁側端面６１は、平面で構成される。この後縁側端面６１の一部は、動翼１０が回転する際、負圧面側突出部７０の前縁側の前縁側端面７１の一部（接触面７２）と接触する。

負圧面側突出部７０は、図４に示すように、翼有効部２０の翼先端２２における前縁側の負圧面２４から突出する。具体的には、負圧面側突出部７０は、前縁側の負圧面２４から前縁側に行くに伴って軸方向Ｄａの下流側に徐々に広がりながら突出している。

負圧面側突出部７０において、負圧面２４から下流側への突出高さは、最も前縁側の位置で最大となる。負圧面側突出部７０は、翼先端２２の負圧面２４のうちの前縁側の一部に備えられている。

また、負圧面側突出部７０は、図５に示すように、前縁側に行くに伴って、翼有効部２０の翼根元側に広がる部分を有する。すなわち、この部分の負圧面側突出部７０は、前縁側に行くに伴って、翼根元側に翼高さ方向Ｄｈの厚さを増加している。

さらに、負圧面側突出部７０は、図５および図７に示すように、負圧面側に行くに伴って、翼有効部２０の翼根元側に広がる部分を有する。すなわち、この部分の負圧面側突出部７０は、負圧面側に行くに伴って、翼根元側に翼高さ方向Ｄｈの厚さを増加している。

すなわち、負圧面側突出部７０は、前縁側に行くに伴って、翼有効部２０の翼根元側に広がるとともに、負圧面側に行くに伴って、翼有効部２０の翼根元側に広がる部分を有する。

図６～図９に示すように、負圧面側突出部７０は、前縁側に前縁側端面７１を備える。前縁側端面７１は、作動流体と衝突する方向に対向する上流側の端面である。

前縁側端面７１は、動翼１０が回転する際に隣接する動翼１０の圧力面側突出部６０と接触する接触面７２と、動翼１０が回転する際に隣接する動翼１０の圧力面側突出部６０と接触しない非接触面７３とを備える。なお、図６および図７において前縁側端面７１に示された破線は、接触面７２と非接触面７３の仮想境界線Ｌｖである。また、前縁側端面７１において、非接触面７３は、仮想境界線Ｌｖよりも負圧面側の面である。

なお、動翼１０の回転時において、図１０に示すように、負圧面側突出部７０の接触面７２と、隣接する動翼１０の圧力面側突出部６０の後縁側端面６１の一部とが接触することで、動翼１０を備える動翼翼列は、全周一群の連結構造となる。

図６および図７に示すように、翼高さ方向Ｄｈにおける接触面７２の厚さＬ０は、突出方向に亘ってほぼ一定である。一方、非接触面７３は、負圧面側に行くに伴って、翼根元側に徐々に広がっている。この非接触面７３を有する負圧面側突出部７０は、前述したように、負圧面側に行くに伴って翼有効部２０の翼根元側に広がる部分である。

すなわち、非接触面７３において、翼高さ方向Ｄｈの厚さは、接触面側から負圧面側に行くに伴って増加する。そのため、非接触面７３において、負圧面側の翼高さ方向Ｄｈの厚さは、接触面側の翼高さ方向Ｄｈの厚さよりも厚い。

ここで、負圧面側突出部７０の前縁側において、非接触面７３を有する負圧面側の突出部分を根元部７４という。

また、図５～図９に示すように、負圧面側突出部７０は、溝部８０を備える。また、図７および図９に示すように、溝部８０は、非接触面７３から後縁側に向かって形成されるとともに翼高さ方向Ｄｈに負圧面側突出部７０を貫通している。また、溝部８０は、後縁側に行くに伴って突出方向（軸方向Ｄａ）における幅が狭くなる先細りの形状の窪みである。

溝部８０は、負圧面側突出部７０における、前縁側に行くに伴って翼有効部２０の翼根元側に広がるとともに負圧面側に行くに伴って翼有効部２０の翼根元側に広がる部分に形成される。そのため、溝部８０は、前縁側に行くに伴って、翼有効部２０の翼根元側に広がるとともに、負圧面側に行くに伴って、翼有効部２０の翼根元側に広がる形状を有する。

図９に示すように、溝部８０の両側面８３、８４は平面で形成され、先端部８５は曲面で形成されている。ここで、溝部８０の先端部８５の曲面の曲率半径をＲ０とする。

溝部８０の開口８１は、非接触面７３に形成されている。そのため、図１０に示すように、動翼１０の回転時において、隣接する動翼１０の圧力面側突出部６０が開口８１に至ることはない。

ここで、後縁側への溝部８０の深さＤｇおよび溝部８０の開先角度θ０について、図９を参照して説明する。

溝部８０の最も後縁側の先端部８２を通り接触面７２に平行な直線を仮想線Ｌ１とする。接触面７２の延長線を仮想線Ｌ２とする。ここで、溝部８０の深さＤｇは、仮想線Ｌ１と仮想線Ｌ２との間の距離で定義される。

溝部８０の一方の側面８３の延長線を仮想線Ｌ３とする。溝部８０の他方の側面８４の延長線を仮想線Ｌ４とする。仮想線Ｌ３と仮想線Ｌ４とが交わった点を点Ｐとする。ここで、溝部８０の開先角度θ０は、点Ｐを中心する側面８３と側面８４との間の角度で定義される。

上記した溝部８０には、図６および図８に示すように、接合部材９０が接合されている。接合部材９０は、溝部８０に嵌合する形状を有し、接合部材９０の形状は、溝部８０の形状に対応して設定される。接合部材９０の形状も、溝部８０の形状と同様に、後縁側に行くに伴って突出方向における幅が狭くなる先細りの形状である。

図８に示すように、接合部材９０の両側面９３、９４は平面で形成され、先端部９５は曲面で形成されている。ここで、接合部材９０の先端部９５の曲面の曲率半径をＲ１とする。

接合部材９０の前縁側の端面９６は、例えば、図８に示すように、中央が凹んだ形状を有する。この端面９６は、溝部８０の開口面よりも後縁側に位置するように設定されている。すなわち、接合部材９０は、溝部８０の開口面よりも前縁側へ突出することはない。換言すると、接合部材９０は、前縁側端面７１や非接触面７３よりも前縁側へ突出することはない。

ここで、後縁側への接合部材９０の長さ（接合部材９０の後縁側長さＤｃ）および接合部材９０の先細り角度（テーパ角度θ１）について、図８を参照して説明する。

接合部材９０の最も後縁側の先端を先端部９１とする。接合部材９０の前縁側の端面９６において、中央の最も後縁側へ凹んだ端面位置を凹み部９２とする。ここで、接合部材９０の後縁側長さＤｃは、先端部９１と凹み部９２との間の距離で定義される。

接合部材９０の一方の側面９３の延長線を仮想線Ｌ５とする。接合部材９０の他方の側面９４の延長線を仮想線Ｌ６とする。仮想線Ｌ５と仮想線Ｌ６とが交わった点を点Ｑとする。ここで、接合部材９０のテーパ角度θ１は、点Ｑを中心する側面９３と側面９４との間の角度で定義される。

また、接合部材９０は、動翼１０を構成する材料よりも耐エロ―ジョン性に優れた材料で構成される。接合部材９０は、動翼１０を構成する材料よりも硬度の高い材料で構成される。具体的には、接合部材９０は、例えば、Ｃｏ基合金であるステライト（登録商標）などで形成される。

接合部材９０は、ロウ付けまたはＴＩＧ溶接によって溝部８０に接合されている。ロウ付けに使用されるロウ材として、例えば、銀ロウなどが挙げられる。

負圧面側突出部７０における半径方向外側Ｄｒｏの外周面において、図６に示すように、負圧面側突出部７０の面と接合部材９０の面は同一面上に位置している。すなわち、溝部８０に接合部材９０を接合した際、接合部材９０は、溝部８０から翼高さ方向Ｄｈの外側（半径方向外側Ｄｒｏ）に突出しない。

ここで、接合部材９０の材料としてステライトを使用した場合、ステライトは、動翼１０を構成する材料よりも、硬度が高く、摺動摩耗特性に優れている。そのため、動翼１０の回転時において、例えば、接合部材９０が隣接する動翼１０の圧力面側突出部６０と接触したときには、圧力面側突出部６０が摩耗される。

しかしながら、上記したように、溝部８０の開口８１は、非接触面７３に形成されている。そのため、動翼１０の回転時において、図１０に示すように、隣接する動翼１０の圧力面側突出部６０が開口８１に至ることはない。さらに、接合部材９０の端面９６は、溝部８０の開口８１よりも後縁側に位置している。上記したことから、動翼１０において、接合部材９０が隣接する動翼１０の圧力面側突出部６０を摩耗することはない。

ここで、接合部材９０の後縁側長さＤｃは、溝部８０の深さＤｇ以下に設定される。

なお、接合部材９０の後縁側長さＤｃは、端面９６において中央の最も後縁側へ凹んだ凹み部９２に基づいて定義されている。この場合であっても、側面側の接合部材９０の端面９６が溝部８０の開口面よりも前縁側へ突出することはない。

また、遠心応力が作用していない組立時において、図１１に示すように、隣接する動翼１０の圧力面側突出部６０は、溝部８０の開口８１の一部を覆う状態となる。

しかしながら、接合部材９０の後縁側長さＤｃを溝部８０の深さＤｇ以下にすることで、接合部材９０が圧力面側突出部６０と接触することはない。そのため、組立作業性を効率よく進行することができる。

前述したように、接合部材９０の形状は、溝部８０の形状に対応して先細りの形状（テーパ形状）に形成される。接合部材９０の形状を溝部８０の形状に対応させることで、溝部８０に嵌合された接合部材９０は、接合時の入熱に伴う溝部８０の収縮変形を抑制する。そのため、溝部８０が形成された負圧面側突出部７０の変形は抑制される。

さらに、接合部材９０のテーパ角度θ１は、溝部８０の開先角度θ０と等しく設定されることが好ましい。これによって、接合部材９０の側面９３、９４と、溝部８０の側面８３、８４との間隙（以下、側面間間隙という。）を等しくすることができる。

ここで、側面間間隙は、０．２ｍｍ以下に設定されることが好ましい。

ロウ付けによって接合部材９０を溝部８０に接合する場合において、側面間間隙を０．２ｍｍ以下とすることで、溶融したロウ材（例えば、銀ロウ材）が毛細管現象によって適切に拡散する。なお、ロウ付けによって接合部材９０を溝部８０に接合する場合において、側面間間隙を０．１０～０．１５とすることがより好ましい。

ＴＩＧ溶接によって接合部材９０を溝部８０に接合する場合において、側面間間隙を０．２ｍｍ以下とすることで、溶接作業性を向上することができる。なお、ＴＩＧ溶接によって接合部材９０を溝部８０に接合する場合において、側面間間隙はできる限り小さいことが好ましい。すなわち、側面間間隙は「０」とされてもよい。

上記したように、接合部材９０のテーパ角度θ１を溝部８０の開先角度θ０と等しく設定し、側面間間隙を上記した範囲とすることで接合性が向上する以外にも、接合部材９０が接合時の入熱に伴う溝部８０の収縮変形を抑制する効果が向上する。

また、溝部８０の先端部８５における曲面の曲率半径Ｒ０と接合部材９０の先端部９５における曲面の曲率半径Ｒ１とが以下の関係式（１）を満たすことが好ましい。
（Ｒ０－Ｒ１） ≦ ０．２０ … 式（１）

ロウ付けによって接合部材９０を溝部８０に接合する場合において、上記式（１）を満たすことで、溶融したロウ材（例えば、銀ロウ材）が毛細管現象によって適切に拡散する。なお、ロウ付けによって接合部材９０を溝部８０に接合する場合において、（Ｒ０－Ｒ１）を０．１０～０．１５とすることがより好ましい。

ＴＩＧ溶接によって接合部材９０を溝部８０に接合する場合において、上記式（１）を満たすことで、溶接作業性を向上することができる。なお、ＴＩＧ溶接によって接合部材９０を溝部８０に接合する場合において、（Ｒ０－Ｒ１）は、できる限り小さいことが好ましい。すなわち、（Ｒ０－Ｒ１）は「０」とされてもよい。

なお、上記式（１）を満たすことで、接合性が向上する以外にも、接合部材９０が接合時の入熱に伴う溝部８０の収縮変形を抑制する効果の向上も得られる。

前述したように、接合部材９０の形状は、溝部８０の形状に対応して設定される。そこで、接合部材９０は、図６に示すように、接触面側から負圧面側に行くに伴って翼有効部２０の根元側に翼高さ方向Ｄｈの厚さが増加するように形成されることが好ましい。すなわち、接合部材９０の下面（翼高さ方向Ｄｈの下面）は、接触面側から負圧面側に行くに伴って翼有効部２０の根元側に傾斜して広がるように形成されることが好ましい。

また、接合部材９０は、後縁側に行くに伴って、翼有効部２０の根元側に翼高さ方向Ｄｈの厚さが増加するように形成されることが好ましい。すなわち、接合部材９０の下面（翼高さ方向Ｄｈの下面）は、後縁側に行くに伴って、翼有効部２０の根元側に傾斜して広がるように形成されることが好ましい。

すなわち、接合部材９０は、後縁側に行くに伴って翼有効部２０の翼根元側に広がるとともに負圧面側に行くに伴って翼有効部２０の翼根元側に広がる形状を備えることが好ましい。

上記したことから、図１２に示すように、例えば、接合部材９０の前縁側の端面９６において、翼高さ方向Ｄｈにおける負圧面側の接合部材９０の厚さＴ２は、翼高さ方向Ｄｈにおける接触面側の接合部材９０の厚さＴ１よりも厚い。後縁側の溝部８０の先端における接合部材９０の厚さＴ０は、厚さＴ１よりも厚い。また、厚さＴ２は、厚さＴ０以上の厚さである。ここで、厚さＴ０は、溝部８０の後縁側の先端における翼高さ方向Ｄｈの溝深さ以下に設定される。厚さＴ２は、溝部８０の最も前縁側でかつ最も負圧面側における翼高さ方向Ｄｈの溝深さ以下に設定される。

また、図６に示すように、厚さＴ１および厚さＴ２は、翼高さ方向Ｄｈにおける接触面７２の厚さＬ０よりも厚い。なお、厚さＴ０は、翼高さ方向Ｄｈにおける接触面７２の厚さＬ０よりも厚い。

ここで、動翼１０が回転する際、接合部材９０と溝部８０との接合部には、圧力面側突出部６０からの接触反力に加えて、負圧面側突出部７０の遠心応力に起因するモーメント荷重が作用する。モーメント荷重は、負圧面側突出部７０における翼高さ方向Ｄｈの下部領域において接合部材９０を剥離する方向に作用する。

そこで、接合部材９０の形状を接触面側から負圧面側に行くに伴って翼有効部２０の根元側に翼高さ方向Ｄｈの厚さが増加する形状とすることで、負圧面側突出部７０の下部領域における応力集中が緩和される。

また、翼高さ方向Ｄｈにおいて、接合部材９０の厚さを接触面７２の厚さＬ０よりも厚くすることで、圧力面側突出部６０からの接触反力に対しての強度を向上させることができる。

なお、接合部材９０の形状を接触面側から負圧面側に行くに伴って翼高さ方向Ｄｈの厚さが一定の形状とすることもできるが、上記理由から、接合部材９０の形状を接触面側から負圧面側に行くに伴って翼有効部２０の根元側に翼高さ方向Ｄｈの厚さが増加する形状とすることが好ましい。

ここで、図１３は、実施の形態の動翼１０における前縁側の翼先端２２を回転方向Ｄｃｒの上流側における斜め下方から見たときの斜視図である。

上記した接合部材９０を溝部８０に接合した場合、図１３に示すように、溝部８０の翼高さ方向Ｄｈの下方側において、溝部８０が接合部材９０によって充填されてない空間領域８６が存在する。すなわち、溝部８０の翼高さ方向Ｄｈの下方側において、接合部材９０で埋められていない空間領域８６が存在する。

そこで、翼高さ方向Ｄｈの下方側における接合部材９０の形状を空間領域８６を充填する形状に構成してもよい。これによって、負圧面側突出部７０の根元部７４の形状は、溝部８０が形成されていない状態の根元部７４の形状とほぼ同じ形状となる。接合部材９０をこの形状にすることで、負圧面側突出部７０の下部領域における応力集中をさらに緩和することができる。

ここで、上記した実施の形態の動翼１０の構成は、新しい動翼（新翼）および使用された動翼（使用翼）に対して適用することができる。使用翼としては、例えば、負圧面側突出部７０の根元部７４が浸食された動翼などが挙げられる。

ここで、実施の形態の動翼１０の構成を新翼に対して適用する場合、まず、翼有効部２０、翼植込部４０および突出部５０を備える翼本体を鋳造によって形成する。

この際、突出部５０の負圧面側突出部７０における溝部８０は、鋳造時に形成されてもよい。また、負圧面側突出部７０に溝部８０は、翼本体を鋳造後、機械加工によって形成されてもよい。

続いて、接合部材９０を鋳造または機械加工によって形成する。機械加工では、ブロック状の材料を切削して接合部材９０を形成する。

続いて、負圧面側突出部７０の溝部８０に接合部材９０を嵌合して接合する。接合部材９０は、ロウ付けまたはＴＩＧ溶接によって溝部８０に接合される。なお、接合の際、接合部材９０は、接合時の入熱に伴う溝部８０の収縮変形を抑制する。

一方、実施の形態の動翼１０の構成を使用翼に対して適用する場合、まず、負圧面側突出部７０の根元部７４の浸食部を機械加工によって除去する。これによって、根元部７４には、溝部８０が形成される。

続いて、接合部材９０を鋳造または機械加工によって形成する。なお、接合部材９０は、切削加工された溝部８０の形状に対応して形成される。

続いて、新翼の場合と同様に、負圧面側突出部７０の溝部８０に接合部材９０を嵌合して接合する。

このようにして、実施の形態の動翼１０は製造される。

上記した動翼１０において、図１０に示すように、回転時に突出部５０が全周一群の連結構造になった際、負圧面側突出部７０の前縁側端面７１において液滴を含む作動流体ＷＦに衝突するのは、接合部材９０の端面９６である。

このように、上記した実施の形態の動翼１０では、作動流体ＷＦに衝突する負圧面側突出部７０の根元部７４に耐エロ―ジョン性に優れた接合部材９０を設けることで、根元部７４におけるドロップレット・エロ―ジョンによる浸食を抑制できる。

また、動翼１０は、負圧面側突出部７０の根元部７４において浸食を受ける部分を接合部材９０で置き換える構成を備える。これによって、根元部７４において、接合部材９０を除く負圧面側突出部７０自体の浸食は、ほぼ生じない。

そのため、例えば、長年の使用によって接合部材９０が浸食された場合には、接合部材９０のみを交換することができる。これによって、動翼１０の使用寿命を延ばすことができるため、動翼１０を使用することは経済的である。また、接合部材９０の交換は、容易に行うことができる。

実施の形態の構成を新翼に適用した場合には、負圧面側突出部７０の根元部７４におけるドロップレット・エロ―ジョンによる浸食を抑制できる動翼１０を提供できる。

実施の形態の構成を使用翼に適用した場合には、浸食が発生した負圧面側突出部７０の根元部７４のみを接合部材９０に置き換えることで、根元部７４以外の使用可能な部分を継続して使用することができる。すなわち、新翼に交換するとなく、使用翼を補修して使用することができる。これによって、動翼１０のメンテナンス作業時間を短縮することができる。さらに、補修された使用翼は、根元部７４における浸食を抑制する機能を備える。

以上説明した実施形態によれば、翼先端における負圧面側突出部の根元部７４の浸食を抑制しつつ、使用寿命を延ばすことが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…動翼、２０…翼有効部、２１…翼根元、２２…翼先端、２３…圧力面、２４…負圧面、２５…前縁、２６…後縁、３０…中間連結部材、３１…負圧面連結部材、３１ａ、３２ａ、７２…接触面、３２…圧力面側連結部材、４０…翼植込部、４１…プラットフォーム、４２…外周面、４５…翼根部、５０…突出部、６０…圧力面側突出部、６１…後縁側端面、７０…負圧面側突出部、７１…前縁側端面、７３…非接触面、７４…根元部、８０…溝部、８１…開口、８２、９５…先端部、８３、８４、９３、９４…側面、８５、９１…先端部、８６…空間領域、９０…接合部材、９２…凹み部、９６…端面、２００…蒸気タービン、２１０…ケーシング、２２０…タービンロータ、２２１…ロータホイール、２２３…植込溝、２３０…ダイアフラム外輪、２３１…ダイアフラム内輪、２３２…静翼、２３３…蒸気通路、２４０…グランドシール部、２４１…シール部、２５０…クロスオーバ管、Ｄａ…軸方向、Ｄｃ…周方向、Ｄｃｒ…回転方向、Ｄｈ…翼高さ方向、Ｄｒ…半径方向、Ｄｒｉ…半径方向内側、Ｄｒｏ…半径方向外側、Ｒ０、Ｒ１…曲率半径、θ０…開先角度、θ１…テーパ角度。

Claims (9)

1. 負圧面および圧力面を有し、前記負圧面と前記圧力面との境界に前縁および後縁を備える翼有効部と、
   前記翼有効部の先端における前縁側の前記負圧面から突出する負圧面側突出部と、
   前記翼有効部の先端における後縁側の前記圧力面から突出する圧力面側突出部と
   を備えるタービン動翼であって、
   前記負圧面側突出部は、
   前縁側に備えられ、回転する際に、隣接するタービン動翼の前記圧力面側突出部と接触する接触面および隣接するタービン動翼の前記圧力面側突出部と接触しない非接触面を有する前縁側端面と、
   前記非接触面から後縁側に向かって形成されるとともに翼高さ方向に貫通し、後縁側に行くに伴って突出方向における幅が狭くなる溝部と、
   前記溝部に嵌合する形状を有するとともにタービン動翼を構成する材料よりも耐エロ―ジョン性に優れた材料で構成され、前記溝部に接合された接合部材と
   を具備することを特徴とするタービン動翼。
2. 前記非接触面は、前記接触面との境界から負圧面側に行くに伴って前記翼有効部の根元側に翼高さ方向の厚さを増していることを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
3. 前記接合部材の前縁側の端面が、前記前縁側端面よりも後縁側に位置していることを特徴とする請求項１または２記載のタービン動翼。
4. 前記接合部材は、接触面側から負圧面側に行くに伴って前記翼有効部の根元側に翼高さ方向の厚さを増していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のタービン動翼。
5. 前記接合部材は、後縁側に行くに伴って前記翼有効部の根元側に翼高さ方向の厚さを増していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のタービン動翼。
6. 前記接合部材の前縁側の端面における接触面側の翼高さ方向の厚さは、前記接触面の翼高さ方向の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のタービン動翼。
7. 前記翼有効部の先端における翼高さ方向に垂直な断面において、
   前記溝部の両側面の仮想延長線が交わる点を中心とする前記溝部の両側面間の角度は、前記接合部材の両側面の仮想延長線が交わる点を中心とする前記接合部材の両側面間の角度と等しいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のタービン動翼。
8. 前記翼有効部の先端における翼高さ方向に垂直な断面において、
   前記溝部の後縁側の先端部が曲面で形成され、
   前記接合部材の後縁側の先端部が曲面で構成され、
   前記接合部材の先端部における曲面の曲率半径Ｒ１は、前記溝部の先端部における曲面の曲率半径Ｒ０よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載のタービン動翼。
9. 前記曲率半径Ｒ０と前記曲率半径Ｒ１は、
   （Ｒ０－Ｒ１）≦０．２０を満たすことを特徴とする請求項８記載のタービン動翼。

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