JP5380412B2 - タービン動翼 - Google Patents

Description

本発明は、水蒸気や燃焼ガスで駆動される発電用及び産業用のガスタービンおよび蒸気タービンのタービン動翼に関するものである。

タービン動翼の信頼性を向上するには、減衰比を高めて振動応力を低減することが重要である。減衰を高める施策として、例えば特開平７−１１９０４号公報のように、回転中に隣接するタービン動翼のシュラウドを接触させ、摩擦による減衰を積極的に利用する構造が採用されている。

また、タービン動翼におけるシュラウド以外の部分で減衰を稼ぐ方法として、特開２００６−１４４７８７号公報のように、ガスタービン動翼のプラットフォームにダンパーピンを挿入する構造が知られている。しかし、蒸気タービン動翼では、翼長が長く遠心力が増加するため、プラットフォームの重量をできるだけ軽減するために厚みの薄いプラットフォームを採用する必要がある。そのため、ダンパーピンによる減衰構造では、厚み方向の面積が小さくなり剛性低下に繋がることが考えられる。

それに対し、特公昭６１−１２０８３号公報のように、タービン動翼のプラットフォームの蒸気入口側および出口側の翼背側に切欠き部を、翼腹側の対応する位置に棚状突起部を設けて、それぞれの面を隣接翼と接触係合させることで減衰比を向上させることが可能となる。

特開平７−１１９０４号公報 特開２００６−１４４７８７号公報 特公昭６１−１２０８３号公報

しかし、上記特許文献３では、翼長さ方向下側に位置する翼背側切欠き部が、外周側に位置する隣接翼の棚状突起部を押し上げるため、タービン動翼の蒸気入口側および出口側の翼溝で局所応力が大きくなる可能性が懸念される。

そこで本発明は、タービン動翼の蒸気入口側および出口側の翼溝で発生する局所応力を大きくすることなく、タービン動翼のプラットフォームでも減衰比を向上させることが可能なタービン動翼を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかるタービン動翼は、ブレードと、タービンロータの外周部に植え込まれる翼溝と、前記ブレードと前記翼溝の間に形成されるプラットフォームとを備え、プラットフォームの翼腹側のタービン半径方向への変形が、翼背側のタービン半径方向への変形よりも大きいタービン動翼において、前記プラットフォームの翼背側の周方向側面の上面側領域に、タービン軸方向に連続して形成された上面側フック部と、前記プラットフォームの翼腹側の周方向側面の下面側領域に、タービン軸方向にその前縁側と後縁側のみに形成された下面側フック部とを有し、前記上面側及び下面側フック部を相互に対応する形状に構成したことを特徴とする。

本発明によれば、翼の減衰比を向上させると共に、プラットフォームにおけるタービンロータ半径方向への変形を抑制することで、翼溝に発生する局所応力を低減した信頼性の高いタービン動翼を提供することができる。

本発明の実施例１のタービン動翼の構造説明図であり、（ａ）はタービン軸方向からの図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図である。 本発明の実施例１のタービン動翼におけるプラットフォームの変形の模式図である。 本発明の実施例１のタービン動翼を、タービンロータに挿入した状態および隣接翼との連結状況を示す模式図である。 本発明の実施例２のタービン動翼の構造説明図であり、（ａ）はタービン軸方向からの図で、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図である。 本発明の実施例２のタービン動翼を、タービンロータに挿入した状態および隣接翼との連結状況を示す模式図である。 本発明の実施例２のタービン動翼を、タービンロータに挿入した状態および隣接翼との連結状況を示す模式図である。 本発明の実施例３のタービン動翼の構造説明図である。 本発明の実施例４のタービン動翼の構造説明図である。 本発明の実施例５のタービン動翼の構造説明図であり、（ａ）はタービン軸方向からの図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図である。 本発明の実施例５のタービン動翼におけるプラットフォームの変形の模式図である。 本発明の実施例５のタービン動翼を、タービンロータに挿入した状態および隣接翼との連結状況を示す模式図である。 本発明の実施例６のタービン動翼の構造説明図であり、（ａ）はタービン軸方向からの図を示し、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視方向からの側面図である。 本発明の実施例７のタービン動翼の構造説明図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施の一形態について図１〜図３に基づいて説明する。

図１（ａ）は、実施例１のタービン動翼の構造説明図を、タービン軸方向５ａの蒸気入口側１２ａから見た図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ矢視図である。図１に示すように、タービン動翼１は、翼部を形成するブレード２，ブレード２の先端側に形成されるシュラウド１３，ブレード２の根元側に形成されるプラットフォーム３，図示しないロータのディスク溝に挿入される翼溝４によって構成される。そして、本実施例によれば、プラットフォーム３の翼背側６ｂの端面の上面側にフック部７を形成している。また、プラットフォーム３の翼腹側６ａの端面には、翼プロファイル前縁２ａと後縁２ｂ付近のみの下面側にフック部８を形成している。具体的には、プラットフォーム３の翼背側６ｂの端面の上部領域には、翼前縁から翼後縁にかけて連続するフック部７が形成され、これとは反対側の翼腹側６ａの端面の下部領域には、翼前縁と翼後縁側のみに独立したフック部８が形成される。すなわち、プラットフォーム３の翼腹側６ａの端面は、前縁側フック部８ａ，非フック部８ｃ，後縁側フック部８ｂによって構成される。そして、隣接するタービン動翼１と対応するフック部７，８が相互にかみ合い、連結される構造となっている。但し、プラットフォーム３の翼腹側６ａの端面の中央部にはフック部８が存在しないため、つまり非フック部８ｃの領域はフック部７とは係合しない。

次に、タービン回転時におけるタービン動翼の変形について、図２を用いて説明する。タービン動翼は、タービンが回転すると、遠心力や蒸気力を受けることにより、タービン半径方向５ｃへの変形を生じる。このとき、図２に示すように、プラットフォーム３でもタービン半径方向５ｃへの変形を生じるが、ブレード２の翼プロファイル前縁２ａおよび翼プロファイル後縁２ｂの翼腹側６ａへの張り出しが大きいため、翼背側６ｂの変形１４ｂよりも翼腹側６ａのタービン半径方向５ｃへの変形１４ａが大きくなる。本実施例は、プラットフォーム３の翼腹側６ａのタービン半径方向５ｃへの変形１４ａが、翼背側６ｂのタービン半径方向５ｃへの変形１４ｂよりも大きい場合に適用したものである。

本実施例によれば、図３に示すように、一方のタービン動翼１のフック部８（下段フック）と隣接翼のフック部７（上段フック）を、先述のプラットフォーム３に発生する変位差を利用してかみ合う構造となっている。このフック部では、フック部同士がタービン半径方向５ｃに押し付け合うため、接触面１５の法線方向へ荷重が発生する。その荷重と、タービン動翼１の材質と表面特性により生じる摩擦力が、タービン動翼１の振動を低減する方向に作用し、タービン動翼１の減衰比が向上される。

さらに、本実施例によれば、隣接翼とプラットフォーム３で連結され、隣接翼のプラットフォーム３の変形を拘束するため、翼溝４の翼腹側６ａ蒸気入口側１２ａおよび出口側１２ｂに発生する局所応力を低減することが可能となり、疲労に対する信頼性も向上する。

また、プラットフォーム３の翼腹側６ａのフック部８は、翼プロファイル前縁２ａと後縁２ｂ付近のみに形成されるため、翼溝４の翼背側６ｂで比較的局所応力が大きくなるブレード２が最もプラットフォーム３の翼背側６ｂ側面に突出している位置付近への影響は少なく、翼溝４で発生する局所応力を低減し均一化させやすい。

図４，図５は本発明の実施例２に係るプラットフォーム３構造の説明図である。

これは、実施例１におけるプラットフォーム３の翼背側６ｂの上面側に加工したフック部７（第１のフック部）と、翼腹側６ａの翼プロファイル前縁２ａと後縁２ｂ付近の下面側に加工したフック部８（第２のフック部）を、それぞれ隣接翼のプラットフォーム３に対応した凹状フック９および凸状フック１０形状とし、図５に示すように隣接翼の対応する凸状フック１０もしくは凹状フック９と嵌合され連結するものである。

なお、本実施例によれば、図６に示すように、プラットフォーム３に加工する突起部の凹凸を翼腹側６ａ，翼背側６ｂで入れ替えることも可能であり、隣接翼の形状と対応したプラットフォーム３の突起部により連結される構造で有れば、種々の形状を採用することが可能である。

図７は本発明の実施例３に係るプラットフォーム３構造の説明図であり、実施例１におけるプラットフォーム３の翼背側６ｂの上面側に加工したフック部７と、翼腹側６ａの翼プロファイル前縁２ａと後縁２ｂ付近の下面側に加工したフック部８の付け根にぬすみ溝１１を加工した例である。

これによれば、タービン動翼１の振動により発生すると考えられるフック部７，８でのフレッティング疲労の発生を回避することができる。なお、ぬすみ溝１１の加工において、その形状に合わせたローラを押し付けることによる塑性加工や、ショットピーニング等を施すことにより、ぬすみ溝１１部に圧縮の残留応力を発生させることで、フック部７，８の疲労に対する信頼性を向上させることができる。

図８は本発明の実施例４に係るプラットフォーム構造の説明図であり、実施例２におけるプラットフォームの凸フック９の付け根および凹フック１０の底にぬすみ溝１１を加工した例である。

本実施例によれば、実施例３と同様の作用・効果が得られる。

図９〜図１１は本発明の実施例５に係るプラットフォーム３構造の説明図である。

実施例５は、ブレード２が翼背側６ｂにオフセットされた場合など、プラットフォーム３の翼背側６ｂのタービン半径方向５ｃへの変形が翼腹側６ａのタービン半径方向５ｃへの変形よりも大きくなる場合に適用した例である。本実施例では、プラットフォーム３の翼背側６ｂ側面に突出した位置付近のプラットフォーム３の下面側（ブレードの根元部における翼背側への最突出部を含む所定領域）にのみにフック部８が形成され、翼腹側６ａに対応するフック７がプラットフォーム３の上面側に形成される構造となっており、タービンが回転することにより発生する遠心力でプラットフォーム３が変形し、隣接するタービン動翼１の対応するフック部がかみ合い、連結される。

これによれば、図１１に示すように、タービン動翼１の上段フック７と隣接翼の下段フック８を、先述のプラットフォーム３に発生する変位差を利用してかみ合う構造となっており、プラットフォーム３の外周方向への変形を抑制することができる。それにより、翼溝４の翼背側６ｂで発生する局所応力を低減することが可能となり、疲労に対する信頼性も向上する。また、翼プロファイル前縁２ａと後縁２ｂ付近のみにフック部が形成されるため、翼溝４の翼腹側６ａで比較的局所応力が大きくなる翼腹側６ａの翼プロファイル前縁２ａと後縁２ｂ付近への影響は少なく、翼溝で発生する局所応力を均一化することができる。

図１２は本発明の実施例６に係るプラットフォーム３構造の説明図である。

実施例６は、先述の実施例１のタービン動翼１のフック部７，８に、タービン動翼の挿入方向１７に対して傾斜角１８を設けた例である。図１２（ｂ）の本実施例では、タービン動翼１のプラットフォーム３側面に形成されるフック部８において、前縁側のフック部高さ１９ａよりも後縁側のフック部高さ１９ｂを大きくすることで接触面を傾斜させ、反対側のプラットフォーム３側面には同形状に対応する形状のフック部７を設けた構造となっている。

これによれば、先述の実施例１のタービン動翼１と同様に、タービンの回転によりフック部７，８が接触し連結されることにより、減衰比の向上と局所応力の均一化が可能になると共に、タービン翼挿入方向１７に対して傾斜させることにより、隣接翼の抜け止効果も得られる。

図１３は本発明の実施例７に係るプラットフォーム３構造の説明図である。

実施例７は、先述の実施例６のタービン動翼１のフック部８と、隣接翼とのフック部８間に、間隙調整用のパッド２０を挿入した例である。

これによれば、隣接翼との接触するフック部７，８で、公差などの影響により発生する間隙に対して、翼挿入時に厚さを調整したパッド２０を配置することにより、フック部７，８での片当りや接触不良をなくし、接触圧力を調整することができる。特に、調整パッド２０に、銅やアルミなどの変形しやすい金属や樹脂を用いれば、接触面での片当りや接触不良の対策として効果的であり、フレッティング疲労の発生も抑制できると共に、減衰比の向上も期待できる。なお、設計段階から隣接翼とのフック部７，８間に任意の間隙を設定し、積極的に調整パッド２０により接触させて連結することも、先述の接触不良やフレッティング疲労，減衰対策として有効である。

１ タービン動翼
２ ブレード
２ａ 翼プロファイル前縁
２ｂ 翼プロファイル後縁
３ プラットフォーム
４ 翼溝
５ａ タービン軸方向
５ｂ 回転方向
５ｃ タービン半径方向
６ａ 翼腹側
６ｂ 翼背側
７，８ フック部
９ 凸状フック
１０ 凹状フック
１１ ぬすみ溝
１２ａ 蒸気入口側
１２ｂ 蒸気出口側
１３ シュラウド
１４ 変形
１５ 接触面
１６ タービンロータ
１７ 翼挿入方向
１８ 傾斜角
１９ａ 前縁側フック部高さ
１９ｂ 後縁側フック部高さ
２０ 調整パッド

Claims (4)

1. ブレードと、タービンロータの外周部に植え込まれる翼溝と、前記ブレードと前記翼溝の間に形成されるプラットフォームとを備え、プラットフォームの翼腹側のタービン半径方向への変形が、翼背側のタービン半径方向への変形よりも大きいタービン動翼において、
   前記プラットフォームの翼背側の周方向側面の上面側領域に、タービン軸方向に連続して形成された上面側フック部と、
   前記プラットフォームの翼腹側の周方向側面の下面側領域に、タービン軸方向にその前縁側と後縁側のみに形成された下面側フック部とを有し、
   前記上面側及び下面側フック部を相互に対応する形状に構成したことを特徴とするタービン動翼。
2. 請求項１に記載のタービン動翼において、前記下面側フック部の付け根にぬすみ形状を有することを特徴とするタービン動翼。
3. 請求項１に記載のタービン動翼において、前記タービンロータの植込み部に対するタービン動翼の挿入方向に対して、前記上面側及び下面側フック部の接触面を傾斜させたことを特徴とするタービン動翼。
4. 請求項３に記載のタービン動翼において、隣接翼と接触する前記上面側及び下面側フック部の接触面間に、板状もしくは棒状のパッドを挿入し、該パッドを介して隣接翼と連結されることを特徴とするタービン動翼。

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