JP5064570B2 - Rotor erosion protection shield plate - Google Patents
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Description
本発明は、翼形部と翼脚とを含み前記翼形部が翼の背側面と翼の腹側面および入口縁と出口縁を有する動翼に関する。 The present invention relates to a moving blade that includes an airfoil portion and a blade leg, and the airfoil portion has a back surface of the blade, a ventral surface of the blade, an inlet edge, and an outlet edge.
流体機械では、他の部分と共に動翼と静翼が利用されている。ここで流体機械とは水力タービン、蒸気タービン、ガスタービン、風力タービン、回転ポンプ、回転圧縮機およびプロペラを総称している。これらの全ての機械は、流体からエネルギを取り出して他の機械を駆動する目的あるいは逆に流体にエネルギを供給してその流体の圧力を高める目的のために用いられる点で共通している。 In a fluid machine, a moving blade and a stationary blade are used together with other parts. Here, the fluid machine is a general term for a hydro turbine, a steam turbine, a gas turbine, a wind turbine, a rotary pump, a rotary compressor, and a propeller. All these machines are common in that they are used for the purpose of extracting energy from a fluid and driving other machines, or conversely for supplying energy to a fluid and increasing the pressure of that fluid.
流体機械の実施形態としての蒸気タービンでは流体として蒸気が利用される。この流体は流れ媒体とも呼ばれる。その蒸気は、通常、高圧部分タービンに流入し、この入口蒸気は６２０℃までの温度と３２０バールまでの圧力を有している。その流れ媒体は高圧部分タービンの貫流後に中圧部分タービンおよび最終的に低圧部分タービンを貫流する。蒸気の温度および圧力はそれらの部分タービンで低下する。低圧部分タービンでの蒸気の膨張時、自然凝縮によって一次液滴とも呼ばれる非常に小さな霧滴が生ずることがある。かかる一次液滴は約０．２μｍの直径に成長する。この一次液滴は静翼と動翼に徐々に集まり、水膜形成の結果として約４００μｍまでの直径を有する二次液滴を形成する。もっと大きな水滴はタービンへの流入時にこれが再び飛散されるために安定しない。 Steam is utilized as a fluid in a steam turbine as an embodiment of a fluid machine. This fluid is also called the flow medium. The steam usually flows into a high-pressure partial turbine, which inlet steam has a temperature up to 620 ° C. and a pressure up to 320 bar. The flow medium flows through the medium pressure partial turbine and finally the low pressure partial turbine after flowing through the high pressure partial turbine. Steam temperature and pressure drop in those partial turbines. During the expansion of steam in a low pressure partial turbine, spontaneous condensation can produce very small mist droplets, also called primary droplets. Such primary droplets grow to a diameter of about 0.2 μm. The primary droplets gradually gather on the stationary blades and the moving blades to form secondary droplets having a diameter of up to about 400 μm as a result of water film formation. Larger water droplets are not stable because they are splashed again when entering the turbine.
この液滴はいわゆる液滴衝突エロージョンを生じさせ、即ち、動翼への液滴の衝突時に動翼材料に損耗を生じさせることがある。 The droplets may cause so-called droplet impact erosion, i.e., the blade material may be worn during the impact of the droplets on the blade.
低圧部分タービンの種々の運転点において、例えば部分負荷運転時に、翼出口縁の部分に局所的に負の軸方向速度が生ずることがある。そこでの蒸気の動きは蒸気中に含まれる水滴を翼装置に逆流させる。その水滴はこれが翼の背側面において翼形部における出口縁に大きな相対速度で衝突するような僅かな周速成分を有し、このためにそこにかなりのエロージョン損傷を生じさせる。これは翼装置に大きな損傷を生じさせる。 At various operating points of the low-pressure partial turbine, for example during partial load operation, locally negative axial velocities may occur at the blade exit edge. The movement of the steam there causes water droplets contained in the steam to flow back to the wing device. The water droplet has a slight peripheral component that causes it to impinge on the back side of the wing at a large relative velocity with the outlet edge of the airfoil, which causes considerable erosion damage there. This causes significant damage to the wing device.
かかる損傷を防止するために、一方では、蒸気に含まれる水滴を相応した運転範囲にわたり最小にすることが知られている。また翼出口縁の厚肉化が考慮される。翼出口縁部位におけるより大きなエロージョン損傷時には研削処理を施すことも知られている。さらに、翼の耐久性を高めるために翼出口縁を硬化処理することが知られている。さらにまた、吸込み装置および的確な軸方向の隙間設計によって二次液滴の発生を防止することも知られている。 In order to prevent such damage, on the one hand, it is known to minimize water droplets contained in the steam over a corresponding operating range. In addition, thickening of the blade outlet edge is considered. It is also known to perform a grinding process in the event of greater erosion damage at the blade exit edge. Furthermore, it is known to harden the blade exit edge to increase the durability of the blade. Furthermore, it is also known to prevent the generation of secondary droplets by means of a suction device and a precise axial gap design.
部分負荷運転時に生ずる局所的な負の軸方向速度を有する液滴による動翼の負荷を防止する簡単な方策を得ることが望まれる。 It would be desirable to have a simple strategy to prevent blade loading from droplets having local negative axial velocities that occur during part load operation.
本発明の課題は、部分負荷運転時に動翼出口縁の部分において局所的な負の軸方向速度を有し動翼出口縁に衝突する液滴によりもたらされる動翼の損傷を防止するための簡単な方策を提供することにある。 The object of the present invention is to prevent damage to the blades caused by droplets having a local negative axial velocity at the blade exit edge part and impinging on the blade exit edge during part load operation. Is to provide a simple strategy.
この課題は、翼形部と翼脚とを含み前記翼形部が翼の背側面と翼の腹側面および入口縁と出口縁を有する動翼において、液滴エロージョンから防止するためのエロージョン防護シールド板が出口縁の前方に配置され、前記エロージョン防護シールド板が、前記動翼の出口縁に対して間隔を隔てられており、さらに、断面ダブテール状の脚を有し、動翼の翼脚が前記断面ダブテール状脚を受けるべく形成されていることによって解決される。
An object of the present invention is to provide an erosion protective shield for preventing droplet erosion in a moving blade including an airfoil portion and a wing leg, the airfoil portion having a back surface of the blade, a ventral surface of the blade, and an inlet edge and an outlet edge. A plate is disposed in front of the exit edge , the erosion protection shield plate is spaced from the exit edge of the blade, and further includes a dovetail-shaped leg in section, the blade leg of the blade being This is solved by being configured to receive the cross-sectional dovetail leg .
本発明によってロータと動翼のほかにもう１つの部品を採用することを提案する。この部品はエロージョン防護シールド板であり、部分負荷運転時に生ずる水滴が動翼出口縁に衝突せず、このエロージョン防護シールド板に衝突するように動翼出口縁の前方に配置されている。それにより、水滴ははじめから動翼に衝突することが阻止され、エロージョン防護シールド板に衝突して減速され、ないし、なくなるので、その水滴がもはや動翼出口縁に損傷を引き起こすことはない。 According to the present invention, it is proposed to adopt another component in addition to the rotor and the moving blade. This component is an erosion protection shield plate, and is arranged in front of the blade exit edge so that water droplets generated during partial load operation do not collide with the blade exit edge but collide with the erosion protection shield plate. As a result, the water droplets are prevented from colliding with the rotor blades from the beginning, and are collided with the erosion protection shield plate to be decelerated or eliminated, so that the water droplets no longer cause damage to the blade outlet edge.
本発明に基づく処置によって、水滴による損傷を防止するための従来公知の処置は不要となる。特に本発明は既存の動翼に殆ど変更が必要とされないという利点を有する。動翼における唯一の変更はエロージョン防護シールド板の取付けないし配置を可能とすることだけにある。この場合、エロージョン防護シールド板は、部分負荷運転時に生じ動翼出口縁の部分で局所的な負の軸方向速度を有する水滴が動翼出口縁に衝突しないように配置されている。これにより損傷ははじめから防止される。 The treatment according to the present invention eliminates the need for a conventionally known treatment for preventing damage caused by water droplets. In particular, the present invention has the advantage that little changes are required to existing blades. The only change in the blade is to allow installation or placement of an erosion protection shield plate. In this case, the erosion protection shield plate is arranged so that water droplets having a negative negative axial velocity generated at the time of partial load operation and having a local negative axial velocity do not collide with the blade exit edge. This prevents damage from the beginning.
エロージョン防護シールド板は翼脚の出口縁に対して間隔を隔てて配置されている。このエロージョン防護シールド板の翼脚出口縁に対する間隔は、蒸気の流れがタービン段における膨張時に損失を被らないように選定される。 The erosion protection shield plate is spaced from the exit edge of the wing leg. The spacing of the erosion protection shield plate with respect to the wing leg exit edge is selected so that the steam flow does not suffer losses during expansion in the turbine stage.
本発明の有利な実施態様において、エロージョン防護シールド板は翼形部の長手方向に沿って延びている。損傷は主に翼脚の近くで現れ翼の長手方向に拡がる。従って、翼形部長手方向に沿ったエロージョン防護シールド板の向きは、損傷がそれ以上に拡がるのを防止する。 In an advantageous embodiment of the invention, the erosion protection shield plate extends along the length of the airfoil. Damage appears primarily near the wing legs and spreads in the longitudinal direction of the wing. Thus, the orientation of the erosion protection shield plate along the airfoil longitudinal direction prevents further damage from spreading.
有利な実施態様において、動翼は長さＬを有し、エロージョン防護シールド板は動翼の長さＬの１％〜１００％に相当する長さに選定されている。 In a preferred embodiment, the blade has a length L, and the erosion protection shield plate is chosen to correspond to 1% to 100% of the blade length L.
有利な実施態様において、翼形部は弦長Ｓを有し、エロージョン防護シールド板は翼形部の弦長Ｓの５％〜７５％に相当する幅ｂを有している。エロージョン防護シールド板の大きさの適切な選定によって、流体機械の運転条件への精確な適合が可能となる。 In an advantageous embodiment, the airfoil has a chord length S and the erosion protection shield has a width b corresponding to 5% to 75% of the chord length S of the airfoil. Appropriate selection of the size of the erosion protection shield plate allows precise adaptation to the operating conditions of the fluid machine.
有利な発展形態において、翼形部が翼の腹側面と翼の背側面とを有し、エロージョン防護シールド板が翼の背側面の手前に配置されている。大抵の損傷は翼形部の背側面に生ずることが分かっている。従って目的に適って、エロージョン防護シールド板を翼の背側面の前方に配置することを提案する。 In an advantageous development, the airfoil has a flank side of the wing and a back side of the wing, and an erosion protection shield plate is arranged in front of the back side of the wing. It has been found that most damage occurs on the dorsal side of the airfoil. Therefore, it is proposed to arrange an erosion protection shield plate in front of the back side of the wing for the purpose.
有利な発展形態において、エロージョン防護シールド板は翼脚に摩擦結合で結合されている。また、エロージョン防護シールド板が翼脚に材料結合あるいは摩擦結合で結合されていることも目的に適っている。 In an advantageous development, the erosion protection shield plate is frictionally connected to the wing legs. It is also suitable for the purpose that the erosion protection shield plate is bonded to the wing leg by material bonding or friction bonding.
摩擦結合は適切なバイアス（予圧）で発生される力を利用することによって生ずる。例えば摩擦結合の保持は純粋に摩擦力によって保証される。これに対してかみ合い結合は互いにかみ合う少なくとも２つの結合パートナーによって生ずる。そのかみ合いは種々の運転条件で生ずる力によって引き起こされる。材料結合は原子間力あるいは分子間力により結合される結合パートナーで特徴づけられる。 Frictional coupling occurs by utilizing forces generated with an appropriate bias (preload). For example, the retention of frictional coupling is guaranteed purely by frictional forces. In contrast, meshing bonds are caused by at least two binding partners that mesh with each other. The engagement is caused by forces generated at various operating conditions. Material bonds are characterized by binding partners that are bonded by atomic or intermolecular forces.
有利な実施態様において、エロージョン防護シールド板と動翼は一体部品として形成されている。この処置によって、エロージョン防護シールド板は比較的大きな結合力ないし保持力によってタービン翼に結合される。 In an advantageous embodiment, the erosion protection shield plate and the rotor blade are formed as one piece. By this measure, the erosion protection shield plate is coupled to the turbine blade by a relatively large coupling force or holding force.
他の有利な実施態様において、エロージョン防護シールド板は前縁と後縁とを有し、その後縁が動翼の出口縁を越えて突出している。これはエロージョン防護シールド板がより大きな領域を覆う機能を生じさせ、これにより、液滴が後続配置された動翼に衝突することが防止される。これによって、翼輪全体にわたるエロージョン防護シールド板の数が減少できる。従って、エロージョン防護シールド板の個数を減少することができ、これにより、流体機械をより安価に製造することができる。 In another advantageous embodiment, the erosion protection shield plate has a leading edge and a trailing edge, the trailing edge protruding beyond the outlet edge of the blade. This creates the function of the erosion protection shield plate covering a larger area, thereby preventing the droplets from colliding with the subsequent blades. This reduces the number of erosion protection shield plates throughout the blade ring. Accordingly, the number of erosion protection shield plates can be reduced, and the fluid machine can be manufactured at a lower cost.
有利な発展形態において、エロージョン防護シールド板は背側面と腹側面とを備えたタービン翼の形をしている。これによりエロージョン防護シールド板は、動翼が蒸気の熱エネルギを運動エネルギに変換するのと同じ働きをする。 In an advantageous development, the erosion protection shield plate is in the form of a turbine blade with a dorsal side and a ventral side. As a result, the erosion protection shield plate functions in the same way as a moving blade converts the thermal energy of steam into kinetic energy.
好適には、エロージョン防護シールド板は例えばステライト合金（登録商標）、Ultimet超合金（登録商標）、α・チタン合金あるいはβ・チタン合金あるいは硬化鋼のような耐浸食性材料で形成されている。 Preferably, the erosion protection shield plate is formed of an erosion resistant material such as, for example, Stellite alloy (registered trademark), Ultimet superalloy (registered trademark), α-titanium alloy, β-titanium alloy or hardened steel.
エロージョン防護シールド板は有利に断面がダブテール状の脚を有し、翼脚がその断面ダブテール状脚を受けるために形成されている。これによって、エロージョン防護シールド板をタービン翼脚に取り付けるために、正に簡単で安価な方式が得られる。 The erosion protection shield plate preferably has a dovetail leg in cross section and the wing leg is configured to receive the cross dovetail leg. This provides a simple and inexpensive way to attach the erosion protection shield plate to the turbine blade legs.
他の有利な実施態様において、エロージョン防護シールド板は翼形部の長手方向を中心として湾曲して形成されている。これにより流れ媒体の流れ状態に応じて効率を向上させることができる。 In another advantageous embodiment, the erosion protection shield plate is formed curved around the longitudinal direction of the airfoil. Thereby, efficiency can be improved according to the flow state of the flow medium.
以下図を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号が付されている。各図は概略的に示され、実寸通りではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals. Each figure is shown schematically and not to scale.
図１にはタービン段１の一部が斜視図で示されている。タービン段１はロータ３に図１には示されていない共通回転軸線を中心として配置された複数の動翼２を有している。これらの動翼２は運転中に３６００ｒｐｍまでの回転速度で回転する。動翼２は翼形部（羽根部）４と翼脚５とを有している。翼形部４は羽根形状をし、翼の背側面と図１では見えていない翼の腹側面７とを有している。また動翼２は図１では見えていない入口縁８と出口縁９を有している。翼脚５は断面ラバル（Lavall）形、鞍（Reiter=rider）形、プラグ形、ハンマ形、鋸歯形ないしクリスマスツリー形の脚でロータ３に保持されている。図１および図２にはクリスマスツリー形脚が例示されている。
FIG. 1 shows a part of the turbine stage 1 in a perspective view. The turbine stage 1 has a plurality of
動翼２における翼脚５にエロージョン防護シールド板１０が配置されている。このエロージョン防護シールド板１０は例えばステライト合金、Ultimet超合金、α・チタン合金あるいはβ・チタン合金あるいは硬化鋼のような耐食性材料で形成され、そのエロージョン防護シールド板１０は液滴エロージョンを防止するために出口縁９の前方に配置されている。
An erosion
動翼２は長手方向１１に沿って延び、エロージョン防護シールド板１０もその長手方向１１に沿って延びている。この長手方向１１は図示されていない回転軸線に垂直に延びる半径方向と一致している。
The moving
エロージョン防護シールド板１０は動翼２の出口縁９に対して間隔ｄを隔てられている。この間隔ｄは、タービン段１に僅かな流れ損失しか生じないように選定されている。
The erosion
動翼２は長さＬを有している。エロージョン防護シールド板１０は動翼２の長さＬの１％〜１００％の長さを有している。
The moving
翼形部４は弦長Ｓを有し、エロージョン防護シールド板１０は翼形部４の弦長Ｓの５％〜７５％に相当する幅ｂを有している。
The
エロージョン防護シールド板１０は翼脚５に摩擦結合で結合されている。そのために翼脚５は断面がダブテール状の溝１２を有し、この溝１２にエロージョン防護シールド板１０の断面ダブテール状脚１３がはめ込まれる。
The erosion
異なった実施態様において、エロージョン防護シールド板１０は翼脚５に材料結合あるいはかみ合い結合で結合されている。
In a different embodiment, the erosion
図１、図２および図４から理解できるように、エロージョン防護シールド板１０は翼形部４の翼の背側面６の前方に配置されている。エロージョン防護シールド板１０の断面がダブテール状の脚１３は直線状に形成されている。その断面ダブテール状脚１３は異なった実施態様において湾曲して形成することができるが、これは図４に示されていない。図４でエロージョン防護シールド板の受容部１２は、断面ダブテール状脚１３に対して直線状に形成され、動翼２の出口縁９において翼の背側面６に対してほぼ平行に延びている。
As can be understood from FIGS. 1, 2, and 4, the erosion
エロージョン防護シールド板１０と動翼２とは異なった実施態様において一体部品として形成されている。これは精密仕上げ鍛造、精密鋳造、精密切削加工が続くエンベロープ鍛造、フライス加工、浸食加工あるいは他の公知の方法で実施することができる。
The erosion
図２に図１のタービン段１が異なった方向から見た斜視図で示されている。エロージョン防護シールド板１０は組立状態で示されている。
FIG. 2 is a perspective view of the turbine stage 1 of FIG. 1 viewed from different directions. The erosion
図３にタービン段１が側面図で示されている。エロージョン防護シールド板１０は前縁１４と後縁１５とを有している。このエロージョン防護シールド板１０はその後縁１５が動翼２の出口縁９を越えて突出するように翼脚５上に配置されている。
FIG. 3 shows the turbine stage 1 in a side view. The erosion
図５はエロージョン防護シールド板１０を側面図で示している。エロージョン防護シールド板１０は翼形部４の長手方向１１において断面が矩形状あるいは三角形状に形成されている。異なった実施態様において、エロージョン防護シールド板１０は背側面と腹側面とを備えたタービン翼の形をしているが、これは図５に示されていない。エロージョン防護シールド板１０は翼形部４の長手方向１１を中心として湾曲して形成され、これはエロージョン防護シールド板１０に湾曲した断面ダブテール状脚１３を生じさせ、この脚１３は湾曲した溝１２に配置される。
FIG. 5 shows the erosion
エロージョン防護シールド板１０の後縁１５は動翼２の出口縁９から距離ｌだけ突出している。
The
エロージョン防護シールド板１０は異なった実施態様においてロータ３に直接配置することができるが、これは図１〜図５に示されていない。
The erosion
エロージョン防護シールド板１０は異なった実施態様において支持翼が備えられている。この支持翼はこれが翼形部に当接支持されるように形成されている。これによってエロージョン防護シールド板１０の利用範囲が高められる。その支持翼は図に示されていない。
The erosion
２ 動翼
４ 翼形部（羽根部）
５ 翼脚
６ 翼形部の背側面
７ 翼形部の腹側面
８ 動翼の入口縁
９ 動翼の出口縁
１０ エロージョン防護シールド板
１１ 翼形部長手方向
１３ 断面ダブテール溝
１４ エロージョン防護シールド板の前縁
１５ エロージョン防護シールド板の後縁
Ｌ 動翼長さ
Ｓ 動翼２の弦長
2
5
Claims (15)
前記エロージョン防護シールド板（１０）が、前記動翼の出口縁（９）に対して間隔を隔てられており、さらに、断面ダブテール状の脚（１３）を有し、動翼（２）の翼脚（５）が前記断面ダブテール状脚（１３）を受けるべく形成されていることを特徴とする動翼。The airfoil (4) includes an airfoil (4) and a wing leg (5). An erosion protection shield plate (10) for preventing droplet erosion is a rotor blade (2) disposed in front of the outlet edge (9),
The erosion protection shield plate (10) is spaced from the rotor blade outlet edge (9), and further has a dovetail-shaped leg (13) in section, the blade of the blade (2) A rotor blade characterized in that a leg (5) is formed to receive the cross-sectional dovetail leg (13).
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