JP5495211B2 - タービンロータ - Google Patents

Description

本発明は、タービン設備に備えられたタービンロータに関する。

火力・原子力発電所等で使用する蒸気タービンやガスタービンの回転体であるタービンロータは、軸方向に複数段積層した各ディスクの外周部に動翼を取り付けて構成されている。動翼は、フォーク型、逆クリスマスツリー型、鞍型、Ｔルート型等と呼ばれる各種植込み構造によってディスクと連結されている。この中で、いわゆる逆クリスマスツリー型植込み構造は、ディスク側の嵌合溝に動翼側の翼植込み部を軸方向から嵌め合わせるもので、当該植込み構造においては、タービンロータの回転に伴って作用する遠心力によって動翼が径方向外側に力を受けることで、動翼側の翼植込み部がディスク側の嵌合溝に係り合って固定される。

しかし、この逆クリスマスツリー型植込み構造では、動翼をディスクに嵌め込むための隙間が翼植込み部と嵌合溝との間に存在するため、タービンロータの回転が停止又は減速する際及び起動又は増速する際に翼植込み部が嵌合溝中で繰り返し摺動することにより、翼植込み部と嵌合溝との接触面が摩耗し得る。また、このように動翼が動くと、隣接翼同士を接触連結するために動翼の先端に取り付けたインテグラルカバーの接触面の摩耗も発生させ得る。そして、これらの摩耗が著しい場合には、動翼やディスクを新製又は交換する必要が生じ得る。

この種の課題の解決を試みた技術の１つに、翼植込み部の先端部（タービンロータ径方向の内側の端部）と嵌合溝の底部（同）の間に皿バネを挿入し、動翼をタービンロータの径方向外側に押し上げて翼植込み部を嵌合溝に対して固定したものがある（特許文献１等参照）。

特開平０７−１６６８０４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された技術においては、構造上、皿バネが繰り返し荷重によってへたったり（バネ高さが当初よりも低くなったり）経年的使用によって変形したりすることによって、皿バネによる動翼の押し上げ力が低下する恐れがある。そのため、動翼の押上げ力を維持し長期的な信頼性を確保するためには皿バネを定期的に保守点検したり交換したりしなければならない。

本発明の目的は、逆クリスマスツリー型植込み構造におけるタービン動翼の押し上げ力の持続性を向上させ、メンテナンスの負担を軽減するとともに動翼やディスクの摩耗を抑制することができるタービンロータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、外周部に嵌合溝を有するディスクと、上記嵌合溝に係合する逆クリスマスツリー型の翼植込み部を有するタービン動翼と、上記翼植込み部及び上記ディスクをロータ回転方向に貫通した固定溝と、複数のタービン動翼の前記翼植込み部を跨いで上記固定溝に挿入した緩衝部材と、上記固定溝における上記緩衝部材のロータ径方向の内側に挿入され、上記緩衝部材を押し上げて、当該緩衝部材を介してタービン動翼をロータ径方向外側に押し上げることで上記翼植込み部を上記嵌合溝に固定する固定ブロックとを備える。

本発明によれば、逆クリスマスツリー型植込み構造におけるタービン動翼の押し上げ力の持続性を向上させ、メンテナンスの負担を軽減するとともに動翼やディスクの摩耗を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るタービンロータを適用したタービン設備を一部破断して表した概略図である。 本発明の一実施形態に係るタービンロータを構成するタービン動翼を抜き出してディスクの連結部と併せて表した斜視図である。 本発明の一実施形態に係るタービンロータの要部であるタービン動翼の翼植込み部をロータ軸方向から見た図である。 図３中のIV−IV線による断面図である。 比較例に係る翼植込み部近傍の拡大図である。 比較例に用いられた板バネの平面図を正面図とともに表した図である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るタービンロータを適用したタービン設備を一部破断して表した概略図である。

図１に示したタービン設備は、静止体２００と、この静止体２００に対して回転する回転体であるタービンロータ１００とを備えており、ボイラ等の作動流体の発生手段からの作動流体のエネルギーをタービンロータ１００の回転動力に変換し、その回転動力で発電機等の負荷機器を駆動する。

タービンロータ１００は、シャフト１と、シャフト１の軸方向に複数段積層したディスク２と、各段のディスク２の外周部に取り付けたタービン動翼３とを備えている。タービン動翼３は、各段のディスク２に放射状に複数取り付けられており、各段において動翼翼列を構成している。

静止体２００は、筒状のケーシング２０１と、ケーシング２０１の内周部に取り付けた静翼２０２とを備えている。静翼２０２は、各段落の動翼翼列の上流においてロータ回転方向に複数取り付けられていて、各段において静翼翼列を構成している。各段の静翼翼列とその作動流体（蒸気等）の流れ方向の直ぐ下流側の動翼翼列とで１つの段落を構成する。

図２はタービン動翼３を抜き出してディスク２の連結部と併せて表した斜視図である。なお、この図において、図１と同様の部分には図１と同符号を付して説明を省略する。また図２では、後述する固定溝６、緩衝部材１３及び固定ブロック１４を図示省略している。

図２において、ディスク２の外周部には、タービンロータ軸方向に穿たれた複数の嵌合溝５がロータ回転方向に所定の間隔で設けられている。各嵌合溝５のロータ回転方向両側の壁面には、ディスクネック部（凹部）２１、及びディスクネック部２１に対してロータ回転方向に（嵌合溝５の中心側に）突出したディスクフック部（凸部）２０が、ロータ径方向に交互に複数設けられている。

タービン動翼３は、嵌合溝５にロータ軸方向から嵌め入れる翼植込み部７と、翼植込み部７からロータ径方向外側に延びる翼部（プロフィル部）８と、同一段落でロータ回転方向に隣接する翼部８同士を連結するカバー（インテグラルカバー）９とを備えている。タービン動翼３は、翼植込み部７を嵌合溝５に嵌合させることによってディスク２に固定されている。カバー９は、翼部８の先端に取り付けられており、隣り合う翼部８の２つのカバー９が連結し、ひいては翼列を環状に連結することで翼列の剛性を高めている。ここで言う「連結」とは、翼部８のいわゆるアンツイスト又はプリツイストによる接触係合を言う。

図３はタービン動翼３の翼植込み部７をロータ軸方向から見た図、図４は図３中のIV−IV線による断面図である。これらの図において、既出図面と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

図３において、翼植込み部７は、ディスクネック部２１と係合する翼フック部（凸部）１０と、ディスクフック部２０と係合する翼ネック部（凹部）１１とをロータ径方向に交互に有するいわゆる逆クリスマスツリー型に形成されている。

このとき、タービンロータ１００には、タービン動翼３をディスク２に押し付けて固定する緩衝部材１３及び固定ブロック１４を挿入するための固定溝６が設けられている。この固定溝６は、嵌合溝５を画定するディスク２及びタービン動翼３の翼植込み部７をロータ回転方向に貫通していて、ロータ軸を中心として環状に形成されている。すなわち、固定溝６は、ディスク２に設けられた部分と翼植込み部７に設けられた部分とからなり、翼植込み部７が嵌合溝５に嵌合した際に両者が連続するものである。また、この固定溝６は、ロータ軸を含む断面で見て（図４で見て）、ロータ軸方向に延びる軸方向溝６ａ、及びこの軸方向溝６ａからロータ径方向外側に延びる径方向溝６ｂを有し、これら軸方向溝６ａと径方向溝６ｂとでＬ字状に形成されている。

上記の緩衝部材１３は、複数のタービン動翼３の翼植込み部７に接触するように固定溝６の径方向溝６ｂに挿入される。本実施形態では、緩衝部材１３は半円状（１８０度）であるものとし、２本の緩衝部材が連続することで環状（３６０度）になる。また、緩衝部材１３は例えばワイヤーで形成されており、その断面の直径は、固定溝６の軸方向溝６ａに挿入された固定ブロック１４のロータ径方向外側の面（図４において上を向いた面）から径方向溝６ｂのロータ径方向外側の面（図４において下を向いた面）までの寸法と同等又はそれよりも僅かに大きく設定されている。また、図４に示したように、緩衝部材１３は、固定溝６の径方向溝６ｂの壁面によってロータ軸方向の両側を囲われている。

上記の固定ブロック１４は、固定溝６の軸方向溝６ａに挿入され、固定溝６内において緩衝部材１３のロータ径方向の内側に挿し込まれている。固定ブロック１４は楔のような役割をするものであって、そのロータ径方向外側の面における軸方向溝６ａの入口と反対側の縁部には、当該固定ブロック１４を軸方向溝６ａに挿入する際に緩衝部材１３をロータ径方向外側に押し上げるテーパ６ａａ（図４参照）が形成されている。そして、図４のように固定ブロック１４が軸方向溝６ａの所定位置まで挿し込まれることで、固定ブロック１４が緩衝部材１３をロータ径方向外側に押し付け、ひいては緩衝部材１３がタービン動翼３の翼植込み部７をロータ径方向外側に押し上げることによって、翼植込み部７が嵌合溝５に固定される。

なお、図３は模式的に表しているが、固定溝６に緩衝部材１３及び固定ブロック１４を挿入した状態においては、ディスク２側及び翼植込み部７側の両径方向溝６ｂのロータ径方向外側の面（ロータ径方向内側を向いた面）がロータ回転方向にほぼ面一となって連続し、この状態において翼植込み部７がロータ径方向内側から嵌合溝５に押し付けられた状態となるように、翼植込み部７、嵌合溝５及び固定溝６は形成されている。

ここで、タービン動翼を板バネによって押し上げて嵌合溝に固定する構成と本実施形態の構成を比較する。

図５は比較例に係る翼植込み部近傍の拡大図、図６は板バネの平面図（ロータ径方向外側から見た図）を正面図（ロータ軸方向から見た図）とともに表した図である。なお、これらの図において、既出図面で説明した部材と同様の部分には既出図面と同符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、翼植込み部７の先端部１２（すなわち、翼植込み部７が嵌合溝５の底部２２と対向する部分）にはスロット（隙間）１５が設けられている。

図６に示すように、板バネ５０は中央部分で湾曲しており、その高さＨはスロット１５の高さｈより高くなっている。この板バネ５０は、高さＨからスロット１５の高さｈまで上下方向に圧縮された状態でスロット１５内に挿入され、スロット１５内で伸長方向に復元力を作用させることによって、嵌合溝５の底部２２から翼植込み部７をロータ径方向外側（図５では上側）に押し上げてディスク２に対して固定することができる。

しかし、板バネ５０はその構造上、繰り返し荷重によるいわゆるへたりや経年的使用による変形によって押し上げ力が低下する恐れがある。そのため、長期的な信頼性を確保するために板バネ５０を定期的に保守点検、又は交換することが必要となる。

それに対し本実施形態においては、固定溝６内において固定ブロック１４に押し上げられた緩衝部材１３がタービン動翼３を押し上げ、翼植込み部７を嵌合溝５に対して押し付けることで、タービン動翼３をディスク２に固定する。したがって、伸縮する板バネを用いた固定構造に比べて、繰り返し荷重や経年始用による緩衝部材１３や固定ブロック１４のへたりや変形が小さく、タービン動翼３を持続的に押し上げることができる。加えて、緩衝部材１３が翼植込み部７とディスク２に跨っていて、タービン動翼３を押し上げた状態で緩衝部材１３が複数の翼植込み部７を押し上げているので、これら翼植込み部７が共通の緩衝部材１３を介して接触連結するため、動翼翼列の剛性の向上、ひいてはダンピング効果の向上につながり、タービン動翼３のガタツキによる摩耗をより効果的に抑制することができる。したがって、メンテナンスの負担を軽減するとともに、タービン動翼３やディスク２の摩耗を抑制することができ、長期的な信頼性を確保することができる。

また、緩衝部材１３のロータ軸方向の動きを翼植込み部７及びディスク２の径方向溝６ｂで拘束しているので、言い換えれば翼植込み部７が緩衝部材１３を介してディスク２に拘束されていることになる。このように翼植え込み部７のロータ軸方向の動きを拘束することで、ディスク２に対するタービン動翼３の抜け止めの効果もある。

２ ディスク
３ タービン動翼
５ 嵌合溝
６ 固定溝
６ａ 軸方向溝
６ｂ 径方向溝
６ａａ テーパ
７ 翼植込み部
１０ 翼フック部
１１ 翼ネック部
１３ 緩衝部材
１４ 固定ブロック
２０ ディスクフック部
２１ ディスクネック部
１００ タービンロータ

Claims (4)

1. 外周部に嵌合溝を有するディスクと、
   前記嵌合溝に係合する翼植込み部を有し、当該翼植込み部を前記嵌合溝にロータ軸方向に嵌め入れることで前記ディスクに取り付けたタービン動翼と、
   前記タービン動翼の翼植込み部及び前記ディスクをロータ回転方向に貫通した固定溝と、
   複数のタービン動翼の前記翼植込み部に跨ってこれら翼植込み部に接触するように前記固定溝に挿入された緩衝部材と、
   前記固定溝における前記緩衝部材のロータ径方向の内側に挿入され、前記緩衝部材を押し上げて、当該緩衝部材を介して前記タービン動翼をロータ径方向外側に押し上げることで前記翼植込み部を前記嵌合溝に固定する固定ブロックと
   を備えたことを特徴とするタービンロータ。
2. 請求項１のタービンロータにおいて、
   前記固定溝は、ロータ軸を含む断面で見たとき、前記固定ブロックを挿入するロータ軸方向に延びる軸方向溝、及びこの軸方向溝からロータ径方向外側に延びる径方向溝を有しており、
   前記緩衝部材は、前記径方向溝の壁面によってロータ軸方向の両側を囲われた状態で収容されていて、前記ディスクに対する前記タービン動翼のロータ軸方向の動きを拘束している
   ことを特徴とするタービンロータ。
3. 請求項２のタービンロータにおいて、前記緩衝部材の断面の径は、前記固定ブロックのロータ径方向外側の面から前記径方向溝のロータ径方向外側の面までの寸法と同等又はそれよりも僅かに大きく設定されていることを特徴とするタービンロータ。
4. 請求項２又は３のタービンロータにおいて、前記固定ブロックのロータ径方向外側の面の前記軸方向溝の入口と反対側の縁部には、当該固定ブロックを前記軸方向溝に挿入する際に前記緩衝部材をロータ径方向外側に押し上げるテーパが形成されていることを特徴とするタービンロータ。

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