JP4284204B2 - タービン動翼組立体 - Google Patents

Description

本発明は、タービンロータに翼を植設する際、翼に改良を加えて植設作業を容易にするタービン動翼組立体に関する。

蒸気タービンの信頼向上技術には、寿命、振動、侵食等多くの技術課題を持っているが、その中でも振動がタービンの健全性を表わす重要な指標の一つになっており、振動を制するものは、タービンを制するとまで言われている。

蒸気タービンの振動には、軸受の油膜変動に伴う軸振動や蒸気量等の変動に伴う翼振動等がある。

従来、蒸気タービンは、翼振動防止対策として、例えば、タービン動翼の頂部に翼カバー（シュラウドカバー）を設け、数枚の翼を翼カバーで綴って一つの翼群として構成する方法や、翼と隣接する翼との高さ方向の中間位置に連結子を設け、互いの連結子の摩擦力を利用して制振効果を高める手法等が実施されていた。

しかし、最近では、翼カバーの側面で隣接する翼同士を摩擦接触させる、いわゆるスナッバータイプと称する摩擦接触型のタービン動翼が使用されている。

この摩擦接触型のタービン動翼は、例えば、特開平１０−１０３００３号公報に示されるように、タービン動翼の翼カバー（シュラウドカバー）と隣接するタービン動翼の翼カバーとがタービンロータ軸に直交する面で互いに接触させるものや、また、例えば、特開平１１−２００８０６号公報に示されるように、翼カバーにおいて、作製時の円周方向長さを組立時の円周方向長さより長くし、組立後、隣接する翼カバーを互いに押圧し合うものが開示されている。
特開平１０−１０３００３号公報 特開平１１−２００８０６号公報

上述特許文献１および特許文献２は、ともに翼カバーの端面相互間の摩擦力を利用するので、制振効果が高いものの、それでも幾つかの課題を抱えており、その一つに組立作業の容易化がある。

すなわち、特許文献１および２は、図１１に示すように、凹凸状に形成するディスク植込部１に比較的大きな切欠き溝２を加工し、加工した切欠き溝２に、翼カバー３、翼有効部４、凹凸状に形成する翼植込部５のそれぞれを備えたタービン動翼６を装着し、ここで翼植込部５の凹凸とディスク植込部１の凹凸とを嵌合させた後、周方向に向って順次摺動させて組み立てているので、一見、組立が容易に思えるものの、周方向に沿って環状列に配置したタービン動翼６の最後尾の位置に、切欠き溝２を利用して半径方向から止め翼（図示せず）を挿通し、タービン動翼６を群、すなわちタービン動翼組立体として維持させていた。

この場合、止め翼もタービン動翼の構成と同様に、翼先端部に翼カバーを備えているが、翼カバーの周方向の長さを組立時よりも作製時の方が長くなっているので、止め翼の挿入の際、両側のタービン動翼６，６を予め押し退ける等の作業が必要であり、組立員にとって多くの労力を強いられ、新たな作業の簡易化が求められていた。

なお、タービン動翼６は、翼植込部５を、図１１で示した翼を半径方向から挿入するタンジェンシャルエントリータイプの鞍形のほかに、翼をタービンロータの軸方向から挿入するアクシャルエントリータイプの逆クリスマスツリー形、フォーク形等数多くの型式にしたものがあるが、これらの型式の場合も最後尾のタービン動翼を挿入する場合、上述と同様の課題を持っていた。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、翼の先端部に設けた翼カバーの形状に改良を加えて組立作業をより一層簡易化させるタービン動翼組立体を提供することを目的とする。

本発明に係るタービン動翼組立体は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、翼カバーを翼先端部に有するタービン動翼を、タービンロータに予め組み立てられた互いに隣接するタービン動翼間に挿入する際、前記タービン動翼の翼カバーと前記隣接するタービン動翼の翼カバーとを互いに接触させる構成にしたタービン動翼組立体において、前記タービン動翼の翼カバーは、前記隣接するタービン動翼の翼カバーの側面との接触部分である側面と、前記隣接するタービン動翼間に挿入する際、前記隣接するタービン動翼の翼カバーを押し退ける傾斜面状の切欠きと、を備えたものである。

また、本発明に係るタービン動翼組立体は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記傾斜面状の切欠きは、前記翼カバーの裏面の隅部に備えたものである。

また、本発明に係るタービン動翼組立体は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記隣接するタービン動翼の翼カバーは、表面の隅部に他の傾斜面状の切欠きを備えたものである。

また、本発明に係るタービン動翼組立体は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記傾斜面状の切欠きは、傾斜角をθとするとき、ｔａｎθ＝（１／摩擦係数）に設定したものである。

また、本発明に係るタービン動翼組立体は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、傾斜面状の切欠きは、その表面にショットピーニング、焼入れ、表面改質処理、コーティングのうち、いずれか一つ以上の硬化処理層を備えたものである。

本発明に係るタービン動翼組立体は、隣接するタービン動翼の翼カバー間に別のタービン動翼の翼カバーを装着する際、各翼カバーの隅部に傾斜面状の切欠きを設け、この切欠きのクサビ効果を利用して隣接する翼カバーを押し退けて摩擦接触型の翼カバーを備えたタービン動翼をタービンディスクに装着させるので、運転中でも隣接する翼カバーとの接触を常に高く維持することができ、クサビ効果の利用に伴なう組立作業をより一層容易に行なうことができる。

以下、本発明に係るタービン動翼組立体の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１および図２は、本発明に係るタービン動翼組立体の第１実施形態を示す概念図である。

なお、図１は、例えばタンジェンシャルエントリー鞍形の翼植込部を備えたタービン動翼を後縁の斜め後方から見た斜視図である。また、図２は、図１の翼カバーの上方から見た展開図である。

全体を符号７で示すタービン動翼は、翼植込部８、翼有効部９、翼カバー１０で構成されている。

翼植込部８は、底部から翼台１１の頂部に向って徐々に絞り込まれるクリスマスツリー形状の鞍形空間１２を備え、この鞍形空間１２をタービンロータに一体成形加工のタービンディスク７に設けたディスク植込部（図示せず）に嵌装させ、タービン動翼７を固設、支持している。

また、翼有効部９は、タービンノズル（図示せず）から噴出する作動流体を次のタービン段落に案内するもので、一般的には作動流体の粘性を考慮した３次元翼設計になっている。

また、翼カバー１０は、隣接するタービン動翼の翼カバーと対峙する面が、タービンロータ軸と平行な面１３ａ、タービンロータ軸に直交する平面に沿う面１３ｂ、およびタービンロータ軸と平行な他の面１３ｃの３つの面を持ち、３つの面１３ａ，１３ｂ，１３ｃによって段状の側面を備える、いわゆる鉤状になっている。

また、いわゆる鉤状の翼カバー１０は、図２に示すように、面１３ａ，１３ｃの翼有効部９側の裏面（下面）のうち、隅部に傾斜面状の切欠き１５ａ，１５ｂを備える。なお、翼カバー１０は、面１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対向する面１４ａ，１４ｂ，１４ｃの翼有効部９側の裏面（下面）にも、上述と同様に傾斜面状の切欠き１６ａ，１６ｂを備えている。なお、傾斜面状の切欠き１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂは、タービン動翼の翼カバー１０に限らず、止め翼の翼カバーの面にも設けられている。

このような構成を備えるタービン動翼の組立方法を図３を引用して説明する。

図３は、両側に配置したタービン動翼７，７の間に止め翼１７を装着する際の挙動を説明する図である。

タービン動翼７，７は、翼有効部９，９に捩りを加えるため、翼カバー１０，１０がその作製時に較べてタービンロータ軸方向およびその周方向から偏位し、翼植込部８，８の翼台１１，１１に対しても偏位している。

このとき、両側のタービン動翼７，７の間に止め翼１７の翼カバー１８を矢印（紙面に向って垂直方向）ＡＲに沿って装着すると、接触部分ＣＯＮＴができる。

しかし、本実施形態では、止め翼１７の翼カバー１８の裏面に傾斜面状の切欠きを備えているので、両側のタービン動翼７，７の翼カバー１０，１０に対し、止め翼１７の翼カバー１８が途中まで摺動して止まる。

止め翼１７の翼カバー１８が、タービン動翼７，７の翼カバー１０，１０に対し、途中まで摺動して止まると、本実施形態は、移動が止まった止め翼１７の翼カバー１８に対し、例えば、ハンマーあるいはプレス機械等を用いて叩打し、あるいは押圧力を与えて装着させ、タービン動翼組立体を組み立てる。

叩打し、あるいは押圧力が与えられた止め翼１７の翼カバー１８は、切欠きの傾斜面におけるクサビ効果が利用できるので、両側に位置するタービン動翼７，７の翼カバー１０，１０を押し退け、破線Ｐで示す位置に装着され、両側に位置するタービン動翼７，７の翼カバー１０における面１３ａ，１３ｂ，１４ａ，…と止め翼１７の翼カバー１８における面との接触力を確実に確保することができる。

なお、くさび効果を充分に発揮させるには、摩擦力と両側に位置するタービン動翼７，７の翼カバー１０，１０との間に発生する面圧との関係から、クサビ角度θは、ｔａｎθ＞１／μの式を満たすことが必要である。ここで、μは摩擦係数である。通常、正常な金属面では、摩擦係数は０．１〜０．２である。

また、タービン動翼７および止め翼１７のそれぞれの翼カバー１０，１８に設けた傾斜面状の切欠き１３ａ，１３ｂ，…は、装着時、両側に位置するよくカバー１０，１０との接触が生じたときにおける接触角として考えることができるので、翼カバー１０，１８の隅部は、切欠き１３ａ，１３ｂ，…に限らず、例えば、球面状の面取りでもよい。

また、両側に位置するタービン動翼７，７の翼カバー１０，１０の間に止め翼１７の翼カバー１８を装着する際、叩打や押圧力で面圧上昇や片当りが発生した場合、接触面が荒れたり、カジリが発生する。この場合、摩擦係数が１以上になることがある。これを防ぐために、傾斜状の切欠き１３ａ，１３ｂ，…、あるいは球面状の面取りにはショットピーニング、焼入れ、表面改質、コーティング等の硬化処理を行うことが好ましい。

このように、本実施形態は、翼カバー１０，１８における裏面の隅部に傾斜面状の切欠き１５ａ，１５ｂ，…を設け、この切欠き１５ａ，１５ｂ，…のクサビ効果を利用して隣接する翼カバーを押し退けて摩擦接触型の翼カバーを備えたタービン動翼をタービンディスクに装着させるので、運転中でも隣接する翼カバーとの接触を常に高く維持することができ、クサビ効果の利用に伴なう組立作業をより一層容易に行うことができる。

図４および図５は、本発明に係るタービン動翼組立体の第２実施形態を示す概念図である。

なお、図４は、例えばフォーク形の翼植込部を備えたタービン動翼を後縁の斜め後方から見た斜視図である。また、図５は、図４の翼カバーの上方から見た展開図である。

翼台１１に複数の脚１９を設ける翼植込部８を備えたタービン動翼７は、脚１９に設けたピン孔２０にピンを挿通させてタービンディスク（図示せず）に固設している。

また、タービン動翼７は、翼有効部９の先端に翼カバー１０を備え、この翼カバー１０をタービンロータ軸に沿って長く延び、面２１ａ，２１ｂを形成する矩形状の平板で構成している。

また、翼カバー１０は、図４および図５に示すように、面２１ａ，２１ｂの翼有効部９側の裏面（下面）のうち、隅部に傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂを備え、傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂをタービンロータ軸に沿って中間位置まで延在させている。

このように、本実施形態は、フォークタイプの翼植込部を備えたタービン動翼の翼カバー１０における裏面の隅部に傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂを設け、この切欠き２２ａ，２２ｂを翼カバー１０の中間位置まで延在させ、延在させた切欠き２２ａ，２２ｂのクサビ効果をより一層有効に利用して隣接する翼カバーを押し退け、摩擦接触型の翼カバーを備えたタービン動翼をタービンディスクに装着させるので、運転中でも隣接する翼カバーとの接触力を常に高く維持させることができ、クサビ効果の利用に伴なう組立作業をより一層容易に行うことができる。

図６および図７は、本発明に係るタービン動翼組立体の第３実施形態を示す概念図である。

なお、図６は、タンジェンシャルエントリー鞍形、フォーク形に限らず、例えばクリスマスツリー形等、色々な種数のタイプの翼植込部を持つタービン動翼における翼カバーを示す展開図である。また、図７は、隣接する翼カバー間に別の翼カバーを装着する際の挙動を説明する図である。

本実施形態に係るタービン動翼７は、第２実施形態と同様に、翼有効部９の先端に備えた翼カバー１０をタービンロータ軸に沿って長く延在させ、面２１ａ，２１ｂを形成する矩形状の平板に構成するとともに、翼カバー１０における面２１ａ，２１ｂの翼有効部９側の裏面および表面のそれぞれの隅部に、傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄまたは球面状の面取り２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄのいずれかを備えている。

このような構成を備える翼カバー１０において、図７に示されるように、隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂの間に装着する際、一方の翼カバー１０は、裏面側に設けた傾斜面状の切欠き２２，２２ｂと隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂの表面側に設けた傾斜面状の切欠き２２ｃ，２２ｄとの間にクサビ効果が利用でき、中間位置まで摺動して止まる。

中間位置まで摺動して止まった一方の翼カバー１０は、例えば、ハンマーあるいはプレス機械等を用いて叩打または押圧力が与えられて隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂとの間に高い接触力を持つ。

なお、本実施形態は、翼カバー１０の裏面および表面における隅部に傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…を設けたが、この例に限らず、隅部に球面状の面取り２３ａ，２３ｂ，…を備えても隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂとの間に高い接触力を維持することができる。

このように、本実施形態は、装着する翼カバー１０および隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂのいずれの裏面および表面にも傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…または球面状の面取り２３ａ，２３ｂ，…のいずれかを備え、クサビ効果をより一層有効に利用して隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂを押し退け、摩擦接触型の翼カバーを備えたタービン動翼をタービンディスクに装着させるので、運転中でも隣接する翼カバーとの接触力を常に高く維持させることができ、クサビ効果の利用に伴なう組立作業をより一層容易に行うことができる。

なお、本実施形態は、装着する翼カバーおよび隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂのいずれの裏面および表面にも傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…または球面状の面取り２３ａ，２３ｂ，…のいずれかを備えたが、この例に限らず、止め翼の翼カバーの裏面および表面のそれぞれにも、上述と同様に、傾斜状の切欠き、または球面状の面取りを設けてもよい。

図８〜図１０は、本発明に係るタービン動翼組立体の第４実施形態を示す概念図である。

なお、図８は、隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂの間に他の別の翼カバー１０を装着する際、各翼カバー１０，１０ａ，１０ｂの隅部に備えた傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…の傾斜角αが大きい場合を示す図である。図９は、隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂの間に他の別の翼カバー１０を装着する際、各翼カバー１０，１０ａ，１０ｂの隅部に備えた傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…の傾斜角βが小さい場合を示す図である。また、図１０は、小さい傾斜角βの切欠２２ａ，２２ｂ，…を備えた翼カバー１０，１０ａ，１０ｂを装着後、機械加工を加えて最終形状の翼カバー１０，１０ａ，１０ｂを示す図である。

本実施形態は、各翼カバー１０，１０ａ，１０ｂの隅部に備えた傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…の傾斜角α，βのうち、傾斜角βの小さい方を選択し、より一層クサビ効果を有効に利用して組立作業の容易化を図ったものである。

クサビ効果をより一層有効に活用するには、傾斜角の小さい方が有利である。

しかし、傾斜角は、翼カバーの厚み、翼カバーの接触度合、翼カバーの装着時における叩打または押圧による荷重の大小、翼カバーの接触時における塑性変形のない板厚や幅等に左右されて制約を受ける。

図８では、翼カバー１０，１０ａ，１０ｂの隅部に設けた傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…の傾斜角αを大きくしたため、傾斜面の長さを長く確保できなくなり、クサビ効果を充分に活用できない。

これに対し、図９では、隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂの厚みＴを予め厚くし、隅部に設けた傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…の傾斜角βを小さくし、傾斜面の長さを長く確保させるので、クサビ効果をより一層有効に活用することができる。

本実施形態は、このような観点から傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…の傾斜角βを小さくし、傾斜面の長さを長く確保し、図９に示すように、隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂの間に他の別の翼カバー１０を装着後、例えば、ハンマーあるいはプレス機械等を用いて叩打または押圧力を与えて押し込み、図１０に示すように、隣接する厚みＴを厚くした翼カバー１０ａ，１０ｂの破線部分ＢＬを切削工具２４等を用いて機械加工を行い、翼カバー１０ａ，１０ｂを平坦加工するものである。

このように、本実施形態は、隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂ間に他の別の翼カバー１０を装着する際、隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂの厚みＴを厚くし、隅部に設けた傾斜面状の切欠き２２ａ，２２ｂ，…の傾斜角βを小さくし、傾斜面の長さを長く確保し、クサビ効果を充分に活用して他の別の翼カバー１０を装着し、他の別の翼カバー１０の装着後、隣接する翼カバー１０ａ，１０ｂに機械加工を行って平坦加工するので、タービン動翼の組立作業をより一層容易に行うことができる。

本発明に係るタービン動翼組立体の第１実施形態を示し、例えばタンジェンシャルエントリー鞍形の翼植込部を備えたタービン動翼を後縁の斜め後方から見た斜視図。 図１の翼カバーの上方から見た展開図。 本発明に係るタービン動翼組立体の第１実施形態を示し、両側に配置したタービン動翼の間に止め翼を装着する際の挙動を説明する図。 本発明に係るタービン動翼組立体の第２実施形態を示し、例えばフォーク形の翼植込部を備えたタービン動翼を後縁の斜め後方から見た斜視図。 図４の翼カバーの上方から見た展開図。 本発明に係るタービン動翼組立体の第３実施形態を示し、タービン動翼における翼カバーを示す展開図。 本発明に係るタービン動翼組立体の第３実施形態を示し、隣接する翼カバー間に別の翼カバーを装着する際の挙動を説明する図。 本発明に係るタービン動翼組立体の第４実施形態を示し、翼カバーの隅部に備えた傾斜面状の切欠きの傾斜角を大きくした場合を示す図。 本発明に係るタービン動翼組立体の第４実施形態を示し、翼カバーの隅部に備えた傾斜面状の切欠きの傾斜角を小さくした場合を示す図。 本発明に係るタービン動翼組立体の第４実施形態を示し、隣接する翼カバー間に別の翼カバーを装着後、機械加工を行って最終形状の翼カバーを示す図。 タービンディスク植込部に翼植込部を植設する従来のタービン動翼を示す斜視図。

符号の説明

１ ディスク植込部
２ 切欠き溝
３ 翼カバー
４ 翼有効部
５ 翼植込部
６ タービン動翼
７ タービン動翼
８ 翼植込部
９ 翼有効部
１０，１０ａ，１０ｂ 翼カバー
１１ 翼台
１２ 鞍形空間
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 面
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 面
１５ａ，１５ｂ 切欠き
１６ａ，１６ｂ 切欠き
１７ 止め翼
１８ 翼カバー
１９ 脚
２０ ピン孔
２１ａ，２１ｂ 面
２２ａ，２２ｂ 切欠き
２３ａ，２３ｂ 面取り
２４ 切削工具

Claims (5)

1. 翼カバーを翼先端部に有するタービン動翼を、タービンロータに予め組み立てられた互いに隣接するタービン動翼間に挿入する際、前記タービン動翼の翼カバーと前記隣接するタービン動翼の翼カバーとを互いに接触させる構成にしたタービン動翼組立体において、
   前記タービン動翼の翼カバーは、
   前記隣接するタービン動翼の翼カバーの側面との接触部分である側面と、
   前記隣接するタービン動翼間に挿入する際、前記隣接するタービン動翼の翼カバーを押し退ける傾斜面状の切欠きと、を備えたことを特徴とするタービン動翼組立体。
2. 前記傾斜面状の切欠きは、前記翼カバーの裏面の隅部に備えたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼組立体。
3. 前記隣接するタービン動翼の翼カバーは、表面の隅部に他の傾斜面状の切欠きを備えたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼組立体。
4. 前記傾斜面状の切欠きは、傾斜角をθとするとき、ｔａｎθ＝（１／摩擦係数）に設定したことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼組立体。
5. 傾斜面状の切欠きは、その表面にショットピーニング、焼入れ、表面改質処理、コーティングのうち、いずれか一つ以上の硬化処理層を備えたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼組立体。

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