JP4991663B2

JP4991663B2 - 蒸気タービン動翼組立体

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Publication number: JP4991663B2
Application number: JP2008231617A
Authority: JP
Inventors: 靖早坂; 初鳥谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: US20090097980A1; KR20120005420A; JP2009085214A; JP5272094B2; JP2012140971A; KR101120578B1; US8591194B2; US20120301311A1; US8257044B2; KR101199553B1; KR20090027165A

Description

本発明は、蒸気タービン動翼及びそれを用いた組立体に関する。

蒸気タービン動翼は、ロータの回転に伴って大きな遠心力が作用し、かつ、蒸気による振動荷重が作用するため、構造、特に、翼の植え込み部と翼の先端部のシュラウドにはさまざまな工夫がなされている。

すなわち、蒸気振動荷重による応答応力を低減するために、翼の先端に隣接する翼同志が接触するインテグラルシュラウド構造が提案されている。また、インテグラルシュラウドの隣接面に接続板やピンを挿入する構造が提案されている。例示的に、特許文献１を示す。

実開昭６３−１５０００２号公報

ところが、従来例のタービン翼では、シュラウド面に設けた接続板とシュラウドの接触面の確保に関する考慮がない。すなわち、接続板とシュラウドの間の構造減衰を確保するためには、シュラウド面と接続板のギャップ公差を制御し、シュラウドと接続板を確実に接触させる必要がある。

本発明の目的は、シュラウド面間に接続板やピン等の棒状の部材を挿入する構造において、シュラウド面と棒状の部材のギャップ公差を制御し、棒状の部材とシュラウドの間の構造減衰を確保し、振動応力を低減する蒸気タービン動翼組立体を提供することにある。

本発明は、羽根部と、羽根部の先端に設けられたシュラウドと、タービンロータの外周部に設けられた翼溝と嵌合するタービンロータの径方向内周側に突出した翼根元部（タブテール）と、羽根部と翼根元部との間に設けられたプラットフォーム部と、翼根元部と翼溝との間に設けられたピンと、隣り合う翼の相対するシュラウドの面間に形成される孔と、孔の内に、前記孔との間に間隙を有して設けられた棒状の部材とを有する蒸気タービン動翼組立体である。

シュラウドの先端にフィンシールが形成されていることが好ましい。

また、孔と棒状の部材との間隙を、翼根元部及び翼溝とピンとの間隙以上とすることが好ましい。

また、孔がタービンロータの軸方向に貫通していないことが好ましい。

また、孔の貫通していない部位が、シュラウドの左右で、蒸気の流れ方向に対して、前後相対する位置にあることが好ましい。

また、隣り合うシュラウドと周方向にオーバーラップする部位を有することが好ましい。

また、オーバーラップする部位が蒸気の流れ方向に対して下流側に位置するシュラウドに、棒状の部材が挿入される穴が穿孔されていることが好ましい。

また、棒状部材はシュラウドを構成する翼材よりも比重が軽いことが好ましい。

また、棒状部材はシュラウドを構成する翼材よりも磨耗しやすい材料とすることが好ましい。

また、孔と棒状の部材の組立時における間隙を、タービン回転時の隣り合うシュラウド面の孔の変位差より小さくすることが好ましい。

また、棒状の部材は、孔に挿設後、前記孔の端部におけるシュラウド部をかしめて、孔内に封入されていることが好ましい。

本発明によれば、翼根元部と翼溝との間にピンを設けたので、翼とロータの位置決めの精度が高くなり、これにより、シュラウド面と棒状の部材とのギャップ公差を制御し、シュラウド面と棒状の部材を確実に接触させることができる。

この結果として、シュラウドと棒状部材の接触面積が拡大し、構造減衰を高め、振動負荷に対する応力を低減することができる。

以下、発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明する。

図１および図２は、それぞれ本発明に関わる蒸気タービン動翼を示す図で、図１はタービンロータ軸方向から見た正面図、図２は斜視図である。

本実施例における蒸気タービン動翼１９は、羽根部３と、羽根部の先端に設けられたシュラウド１と、シュラウドの先端のラビリンスシール１ａと、タービンロータの外周部に設けられた翼溝６と嵌合するタービンロータの径方向内周側に突出した翼根元部５と、羽根部３と翼根元部５との間に設けられたプラットフォーム部４とを有し、翼溝６に対してタービンロータ軸方向に植え込まれる。

翼根元部５は翼根元部フック７を有し、また、タービンロータの翼溝６は翼溝フック１３を有する。翼根元部５の翼根元部フック７とタービンロータの翼溝６の翼溝フック１３との接触部位には、タービンロータ軸方向に向かって挿設される固定ピン９を翼根元部フック７および翼溝フック１３に跨って嵌合するための孔部が設けられる。

これにより、蒸気タービン動翼１９はタービンロータの翼溝６に植え込まれた後、固定ピン９を挿設することによりタービンロータ周方向および半径方向に精度よく固定することができる。

本発明のタービン動翼１９は、隣接する翼と相対するシュラウド面２０，２０間に孔２１が形成される。この孔内に棒状の部材２２を有する。この棒状の部材２２と孔２１は間隙を有するはめあいとする。この棒状の部材２２は、タービンロータが回転することにより蒸気タービン動翼１９に発生する遠心力により、孔２１の上面に押し付けられる。

これにより、蒸気タービン動翼１９は隣り合う翼とシュラウド面の孔２１において、棒状の部材２２を介して連結されることになる。シュラウド面の孔２１における、棒状の部材２２を介した連結は、翼の周方向とタービンの軸方向については、孔２１と棒状の部材２２間にはたらく摩擦力によるものである。

このため、蒸気による振動荷重が作用し、タービン動翼１９が振動した際に、シュラウド面の孔２１と棒状の部材２２の接触面においてすべりが発生し、構造減衰を発生し、翼に発生する振動応力を低減する。

この構造減衰を向上させるためには、孔２１と棒状の部材２２の接触状態が重要である。すなわち、孔２１と棒状の部材２２の接触面積が大きくなることにより、振動荷重によるタービン動翼１９の振動エネルギを散逸させ、振動応力を低減させる効果が高くなると考えられる。

このため、本発明では、蒸気タービン動翼１９はタービンロータの翼溝６に植え込まれた後、固定ピン９を挿設することによりタービンロータの周方向および半径方向に精度よく固定することができ、その状態で、隣り合う翼とシュラウド面の孔２１において、棒状の部材２２を介して連結するため、隣り合う翼の孔２１と棒状の部材２２の間隙公差を制御することができ、孔２１と棒状の部材２２の接触面積を大きくすることができる。

これにより、隣り合う翼の孔２１と棒状の部材２２の構造減衰を向上させ、振動荷重に対する振動応力を低減することができる。

また、シュラウド面２０の孔２１と棒状の部材２２の間隙を、翼根元部及び翼溝と固定ピン９との間隙以上とすることにより、シュラウド面２０の孔２１と棒状の部材２２が、かみ合い、隣り合うシュラウド１が剛な連結となることによる構造減衰の低下や隣り合う翼の変形差を拘束することにより発生するシュラウド１や孔２１の高応力を防止することができる。

図１，図２では、孔２１に設けた棒状の部材２２が、孔２１から飛び出すことが無いように、シュラウドに設けた孔がロータ軸方向に貫通しないように孔封止２３を設けている。孔封止２３を、シュラウドの左右で、蒸気の流れ方向に対して、前後相対する位置に設けることにより、蒸気タービン動翼１９と棒状の部材２２を順次組立ていくことにより、棒状の部材２２をシュラウド面２０に設けた孔２１に封入することができる。

ただし、翼リングを形成する最後の翼については、貫通孔とし、穴の封止が必要である。穴の封止は、溶接やねじや、かしめなどでよい。

シュラウド面２０の孔２１は、貫通孔でもよく、この場合、棒状の部材２２の抜け防止は、孔２１や部材２２のかしめや孔２１を溶接やねじなどで封止する。

また、構造減衰を高めるために、蒸気タービン動翼１９をタービンロータの翼溝６に植え込んだ後、固定ピン９を挿設し、蒸気タービン動翼１９をタービンロータの周方向および半径方向に固定した後に、シュラウド面２０の孔２１の加工を行っても良い。

これにより、孔２１や部材２２の接触面積を高め、構造減衰を向上させる接触状態がなされることになる。

図３は本発明の他の実施例である。隣り合うシュラウド１と周方向にオーバーラップする部位２４を設けている。これにより、オーバーラップする部位２４を設けることで、棒状の部材２２の蒸気下流への抜け防止を行うことができる。

オーバーラップする部位２４に設けた孔２５は、円孔とする。

これにより、棒状の部材２２を隣り合うシュラウド１間に挿入する際に、あらかじめ、棒状の部材２２を円孔２５に挿入し、保持しておき、そののち隣り合う翼のシュラウド１ｂを設置することができ、組立性も向上することができる。

図４は、図３を矢印Ａから見たものである。棒状の部材２２は、図１，図２の発明と同様に孔封止２３により、脱落が防止されるようになっている。

図５は本発明の一実施例である。隣り合うシュラウドと周方向にオーバーラップする部位２４を設けた上で、孔２１を隣接するシュラウド面２０に開口する部位を有しない円孔２６としている。これにより、棒状の部材２２を封入する円孔２６を円孔とすることができ、遠心力や棒状の部材２２から伝達される力により、シュラウド１の孔回りに発生する応力を低減することができる。

本発明は、シュラウド１に設けた棒状の部材２２と同等の効果を得る目的で、プラットフォーム４の隣り合う面３０，３０間に孔３１を設け、この中に棒状の部材３２を封入してもよい。この棒状の部材３２は、封止部３３により、脱落を防止することも同じ構成である。

図１から図５に示した実施例において、孔２１，円孔２６の内面の硬度を棒状の部材２２よりも高めておくことにより以下の効果が得られる。

即ち、孔２１，円孔２６の内面が棒状の部材２２により磨耗し、棒状の部材２２が脱落することを防止することができる。孔２１，円孔２６の内面の硬度を高める方法としては、硬質Ｃｒのめっきなどの処理や窒化，浸炭，高周波焼入れなどの処理が考えられる。

また、棒状の部材２２の材質を軽い金属、たとえば、Ｔｉ合金やＡｌ合金とすることにより、孔２１，円孔２６の内面に発生する応力を低減することができる。

図６および図７は、本発明の他の実施例を示す説明図である。図６は、タービン回転時における、隣接する翼の相対するシュラウド面２０ａ，２０ｂの孔２１ａ，２１ｂと棒状の部材２２の位置関係を示した説明図である。

本実施例では、隣接する翼の相対するシュラウド面２０ａ，２０ｂの孔２１ａ，２１ｂと棒状の部材２２の間隙をタービン回転時の隣り合う該シュラウド面２０ａ，２０ｂの孔２１ａ，２１ｂの変位差より小さくしている。これにより、タービン運転時においては、図６に示したように、タービンの回転時は、棒状の部材２２はシュラウド面２０ａの孔２１ａの上側と接触し、同時に、棒状の部材２２はシュラウド面２０ｂの孔２１ｂの下側と接触することになる。この結果、タービン動翼１９は、隣り合う翼とシュラウド面の孔２１ａ，２１ｂにおいて、棒状の部材２２を介して連結されることになる。シュラウド面の孔２１ａ，２１ｂにおける、棒状の部材２２を介した連結は、翼の周方向とタービンの軸方向については、孔２１ａ，２１ｂと棒状の部材２２間にはたらく摩擦力によるものである。

図６においては、シュラウド１の方が、シュラウド１ｂよりもタービン径方向の変形が小さい。一般的には、翼の背側（吸い込み側）に位置するシュラウドの方が、変形が小さく、翼の腹側（圧力側）に位置するシュラウドの方が変形が大きい。

図７は回転停止時や組立時における、隣接する翼の相対するシュラウド面２０ａ，２０ｂの孔２１ａ，２１ｂと棒状の部材２２の位置関係を示した説明図である。組立時や回転停止時は、隣り合う翼のシュラウド面の孔２１ａ，２１ｂにおいて、棒状の部材２２とシュラウド面の孔２１ａ，２１ｂの間に隙間がある。このため、棒状の部材２２は孔２１ａ，２１ｂ内を自由に動くことができ、翼を機械的な剛性のある構造物として連結しない。この様な形態であれば、シュラウド面２１ａ，２１ｂに孔２１ａ，２１ｂを設けた後に、棒状の部材２２を挿入することが容易である。

図８にシュラウド面の孔と棒状の部材２２の組立時における設定について詳細を示す。はじめに、シュラウド面２０ａの孔４２ａの内周における翼の外周に位置する点４３ａと、棒状の部材２２の翼外周に位置し、孔４２ａの内周の点４３ａに相対し、運転時に点４３ａと接触すると考えられる点４４ａの距離をＧａとする。同様に、シュラウド面２０ｂの孔４２ｂの内周における翼の外周に位置する点４３ｂと、棒状の部材２２の翼外周に位置し、孔４２ｂの内周の点４３ｂに相対し、運転時に点４３ｂと接触すると考えられる点４４ｂの距離をＧｂとする。

タービン運転時においては、シュラウド４１ａとシュラウド４１ｂには、遠心力による変形量のちがいや熱変形のちがいにより、タービンロータ径方向の変位に差が生じる。この結果、点４３ａと点４３ｂにおいてもタービン径方向の変位に差が生じ、この差をＵ４３とする。同様に、シュラウド４１ａに設けられた孔４２ａの内周の点４５ａとシュラウド４１ｂに設けられた孔４２ｂの内周の点４５ｂにおいてもタービン径方向の変位に差が生じ、この差をＵ４５とする。このとき、下式のように、隣り合うシュラウド面２０ａ，２０ｂの孔４２ａ，４２ｂと棒状の部材２２の間隙（Ｇａ，Ｇｂ）をタービン回転時の隣り合う該シュラウド面の孔の変位差より小さくしている。

｜Ｇａ｜＜｜Ｕ４３｜
｜Ｇｂ｜＜｜Ｕ４３｜
｜Ｇａ｜＜｜Ｕ４５｜
｜Ｇｂ｜＜｜Ｕ４５｜
この結果、タービン運転時において、シュラウド４１ａよりもシュラウド４１ｂの変位が大きい場合、タービンの回転時は、棒状の部材２２はシュラウド４１ａの孔４２ａの上側と接触し、同時に、棒状の部材２２はシュラウド４１ｂの孔４２ｂの下側と接触することになる。

産業に用いられるタービンにおいて、遠心力による隣り合うシュラウドの変位差Ｕ４３やＵ４５は、約数百μｍのオーダーであると考えられる。孔４２ａ，４２ｂと棒状の部材２２の間隙は、棒状の部材２２の断面を円形とした場合は、数μｍ〜数十μｍ程度まで小さくすることができる。このため、上記の式のように、シュラウド面に設けた孔４２ａ，４２ｂと棒状の部材２２の間隙Ｇａ，Ｇｂを、隣り合うシュラウドの運転時の変位差Ｕ４３，Ｕ４５より小さくすることは十分可能である。

シュラウドの運転時の変位差Ｕ４３，Ｕ４５は、回転数の二乗に比例して大きくなると考えられる。本発明において、孔４２ａ，４２ｂと棒状の部材２２は、定格回転数においては接触し、シュラウドが連結することは当然であるが、定格回転数の１０〜２０％回転数で孔４２ａ，４２ｂと棒状の部材２２が接触し、シュラウドが連結するようにＧａ，Ｇｂを設定することが望ましい。このとき、隣り合うシュラウドの運転時の変位差Ｕ４３，Ｕ４５は、有限要素法解析により精度良く求められるので、求められた変位差にいくらかの安全率を見込んだ数値以下に孔４２ａ，４２ｂと棒状の部材２２の間隙Ｇａ，Ｇｂを設定すればよい。

棒状の部材２２の孔４２ａ，４２ｂ内への封止は、図９に示したように、部材２２を挿入した後に、孔の端面をローラやポンチなどによりかしめ、塑性変形部５０を形成し、部材２２の抜けを防止する。

図１に示した、プラットフォーム４の隣り合う面３０に孔３１を設け、この中に棒状の部材３２を封入した場合も、シュラウドの孔２１と部材２２と同様に間隙を設定し、プラットフォーム４を連結させると本発明の効果がさらに向上する。

図６〜図９の実施例においては、タービン翼の翼根元部と翼溝との間にピンを設けたものについて記載したが、翼溝部にピンを有しない、クリスマスツリー型のダブテールを有するタービン翼に本実施例を適用しても良い。

また、本発明は、蒸気タービン，ガスタービン，圧縮機，送付機に用いるタービン翼に適用することができる。

本発明に関わる蒸気タービン動翼を示すタービンロータ軸方向から見た正面図。本発明に関わる蒸気タービン動翼を示す斜視図。本発明に関わる蒸気タービン動翼のシュラウドの例を示す図。本発明に関わる蒸気タービン動翼のシュラウドの例を示す図。本発明に関わる蒸気タービン動翼のシュラウドの例を示す図。本発明に関わる蒸気タービン動翼のシュラウドの例を示す図。本発明に関わる蒸気タービン動翼のシュラウドの例を示す図。本発明に関わる蒸気タービン動翼のシュラウドの例を示す図。本発明に関わる蒸気タービン動翼を示す斜視図。

符号の説明

１，１ｂシュラウド
３羽根部
４プラットフォーム部
５翼根元部
６翼溝
８タービンロータ
９固定ピン
１９蒸気タービン動翼
２１，２１ａ，２１ｂ，３１，４２ａ，４２ｂ孔
２２，３２棒状の部材

Claims

羽根部と、前記羽根部の先端に設けられたシュラウドと、
タービンロータの外周部に設けられた翼溝と嵌合するタービンロータの径方向内周側に突出した翼根元部と、
前記羽根部と前記翼根元部との間に設けられたプラットフォーム部と、
前記翼根元部と前記翼溝との間に設けられたピンと、
隣り合う翼の相対する前記シュラウドの面間に形成される孔と、
前記孔の内に、前記孔との間に間隙を有して設けられた棒状の部材とを有し、
前記孔と前記棒状の部材の組立時における間隙を、タービン回転時の隣り合う前記シュラウド面の孔の変位差より小さくした蒸気タービン動翼組立体。
請求項１において、前記シュラウドの先端にフィンシールが形成されている蒸気タービン動翼組立体。
請求項１において、前記孔と前記棒状の部材との間隙を、前記翼根元部及び前記翼溝と前記ピンとの間隙以上とした蒸気タービン動翼組立体。
請求項１において、前記孔が前記タービンロータの軸方向に貫通していない蒸気タービン動翼組立体。
請求項４において、前記孔の貫通していない部位が、前記シュラウドの左右で、蒸気の流れ方向に対して、前後相対する位置にある蒸気タービン動翼組立体。
請求項１において、隣り合う前記シュラウドと周方向にオーバーラップする部位を有する蒸気タービン動翼組立体。
請求項６において、前記オーバーラップする部位が蒸気の流れ方向に対して下流側に位置する前記シュラウドに、前記棒状の部材が挿入される穴が穿孔されている蒸気タービン動翼組立体。
請求項１において、前記棒状部材は前記シュラウドを構成する翼材よりも比重が軽い蒸気タービン動翼組立体。
請求項１において、前記棒状部材は前記シュラウドを構成する翼材よりも磨耗しやすい材料とした蒸気タービン動翼組立体。
羽根部と、前記羽根部の先端に設けられたシュラウドと、
タービンロータの外周部に設けられた翼溝と嵌合するタービンロータの径方向内周側に突出した翼根元部と、
前記羽根部と前記翼根元部との間に設けられたプラットフォーム部と、
隣り合う翼の相対する前記シュラウドの面間に形成される孔と、
前記孔の内に、前記孔との間に間隙を有して設けられた棒状の部材とを有し、
前記孔と前記棒状の部材の組立時における間隙を、タービン回転時の隣り合う前記シュラウド面の孔の変位差より小さくした蒸気タービン動翼組立体。
請求項１０において、前記棒状の部材は、前記孔に挿設後、前記孔の端部におけるシュラウド部をかしめて、前記孔内に封入されている蒸気タービン動翼組立体。