JP5524242B2 - タービンブレード装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに隣接して配置され第１タービンブレード及び第２タービンブレードを備えたタービンブレード装置に関する。本発明はさらに、蒸気タービン及びガスタービンに関する。

タービンは流体からエネルギーを取り出す回転エンジンである。最も簡単なタービンは一つの移動部、すなわちシャフトとその周縁に沿って取り付けられた複数のブレードを備えてなる一つのロータ組立体を有したものである。移動する流体がそられブレードに作用し、あるいはブレードがその流れに反応して、ブレードが回転し、ローターにエネルギーを与える。

発電プラントは一般に、発電のためのジェネレーターに接続された蒸気タービン又はガスタービンを用いる。ガスタービンは通常、下流のタービンに接続された上流の燃焼器、及び両者間に位置する燃焼室を有する。燃焼器内でガス流にエネルギーが付与され、そこで圧縮空気が燃料と混合され、そして点火される。燃焼によりガス流の温度、速度及び体積が上昇し、続いてガス流はタービンのブレード群に向けられ、タービンを回転させかつ前記燃焼器及び接続されたその他の機器にパワーを付与する。

蒸気タービンは、作動流体として、例えば蒸気発生器からの加圧蒸気を使用する。熱効率を向上させるため、蒸気は複数のタービン段において膨張可能である。ここで、蒸気流は、タービンの高圧セクションを出てボイラーへと戻り、そこで追加過熱を受ける。その後蒸気はタービンの中間圧力部に戻り、膨張を続ける。

とりわけタービンの低圧セクションでは、大きい後端ブレードが振動励起の影響を受けやすい。種々の条件において生ずる振幅を制限するために、かつ強い振動によるダメージを防ぐために、振動ダンパーが設けられた構成のものもある。これは例えば、タービンブレード間に、上述の振動を規制する中実な摩擦緩衝材 (solid body frictional damping) を配置することで達成可能である。しかしながら、振動の減衰に摩擦を用いることは、隣接するタービンブレードに比較的ルーズに接触することが必要であり、タービンブレード装置の安定性を低下させることとなる。

従って、本発明の課題は、タービンを特に安定した状態でかつ高い信頼性で動作をさせることの可能な上記タイプのタービンブレード装置を提供することである。

この課題は、それぞれがシュラウドバンドを有している隣接したタービンブレードによって、本発明により解決される。これらシュラウドバンドは、該シュラウドバンドの第１面領域において接触し、かつ該シュラウドバンドの第２面領域では互いに離れている。第１タービンブレードは、前記シュラウドバンドの前記第２面領域内に、緩衝部材又は緩衝片を収容するポケットを備えている。

本発明は、タービンの特に安定した信頼性の高い運転は、タービンブレード装置のアッセンブリを安定した堅固なものとし、かつ同時に、中実物体による摩擦 (solid body friction) を介して振動励起の減衰を可能とするアッセンブリが実現されたならば達成できるという考えに基づいている。しかしながら、連接するブレードが頂部、中間高さ、及びその双方で隣接するよう全ブレードを列に接続するという設計的特徴を利用する解決法は、相反する二つの目的を掲げることになる。すなわち、アッセンブリに剛性を持たせることと、振動エネルギーを接触部位における摩擦によって消滅すること、である。剛性を持たせるには、がたつきや微細な滑りが生じないように面同士を大きな押圧力で正しく係合させる必要がある。振動を減衰させるためには、低押圧力による比較的ルーズな接触が要求されるが、そうすると、ブレード組立体には制御されない固有周波数が生ずる。

これら相反する二つの副機能を満たすために、双方の機能をブレード面の異なる領域に振り分けることが示唆される。それはすなわち、組立体の剛性化を確実にすべく近接し、正確に係合された接触となる第１面領域 (first surface area) と、摩擦による振動減衰を許容する緩い接触となる第２面領域 (second surface area) である。これを実現するため、タービンブレードは第２面領域にて互いに分離され、第１タービンブレードは、緩衝部材を収容するためのポケットを備えている。緩衝部材は、機械的減衰をもたらす摩擦を許容するよう適正に配設されている。

有利な実施形態においては、第１面領域は第２面領域に対して傾斜している。従って、各面領域に対する押圧力は、互いに平行とはならず、独立して調整することができる。これにより、各面領域に対する押圧力を極めて正確に調節することができ、安定性確保と振動減衰との分離が容易になる。

緩衝片又は緩衝部材 (damping piece) が隣接のタービンブレードの方に動くことができるように、有利なことに緩衝部材はシリンダの形態をしている。このシリンダの断面形状としては、あらゆる幾何学的形状、例えば緩衝部材として製造容易な円形、あるいは、緩衝部材を前記ポケット内に正確に取り付けて安定させることのできる多角形とすることができる。シリンダ形状は緩衝部材を前記面の内部及び外部での移動を可能とする。ブレード組立体の振動は、緩衝部材と隣接ブレードとの間の相対移動に、またポケット内での緩衝部材の可動性によって該緩衝部材とポケット壁部との間の相対移動につながり、結果、振動エネルギーが摩擦によって非常に良好に消滅する。

別の実施形態では、前記シリンダ形状の軸線がポケットの領域における前記面と直交する方向に対して傾いている。この傾きの角度及び方向をローターの動きに対して適正に選択することにより、緩衝部材を遠心力の作用によりポケットから半径方向外方にスライドさせることができる。これにより、緩衝部材は隣接のタービンブレードに接触し、押圧力として作用する遠心力により振動減衰のための摩擦面を形成する。押圧力の強さは上記の傾き角度の選択により容易に調節可能である。また、振動の励起は、緩衝部材と前縁との間の摩擦、及び緩衝部材とポケット壁部との間の摩擦によって減衰する。

ポケット壁部に対する緩衝部材の摩擦を増加させるために、ポケットの内側形状は、緩衝部材の外側形状に適合したものとなっていると有利である。またこの構成により、緩衝部材が面領域と平行となる方向に正しく保持され、かつ、特に緩衝部材がシリンダ状のものである場合にはシリンダ軸線の方向への移動も許容される。

ポケット内の緩衝部材の保持及び安定を向上させ、かつ緩衝部材がポケットから抜け落ちるのを防止するために、ポケットの領域の前記面と直交する方向における緩衝部材のサイズは、有利には、当該領域におけるタービンブレードの分離部よりも大きいと有利である。

特に有利な実施形態では、タービンブレードのブレード列の、タービンブレードの隣接する各対が上述したように配設されている。すなわち、隣接する各対は、第１面領域と接触し、２面領域では互いに分離し、かつ一方のタービンブレードは第２面領域内に緩衝部材を含んだポケットを備えている。これにより、タービン内のブレード列全体に特に良好な振動減衰及び安定をもたらすことができる。

上記の種類のタービンブレード装置が、蒸気タービン及び／又はガスタービンの一部であると有利である。タービンブレード装置における安定化と振動減衰との組合せが、タービンの運転を特に安全で信頼性の高いものとする。

蒸気タービン及び又はガスタービンを備えた複合サイクル発電プラントが当該タービンブレード装置を備えればさらに有利である。

本発明の優位点は、特に、タービンブレード装置の二つのタービンブレードが、第一面領域において接しかつ第二面領域において互いに離れるように配置され、第１タービンブレードは第２面領域に緩衝部材を収納したポケットを備えることにより、安定化及び振動減衰の双方が達成され、タービンの特に安全で信頼の置ける作動がもらされる点である。ポケットを適正な角度に傾けることにより、緩衝部材が遠心力の作用によって隣接のタービンブレードに対してスライドし、緩衝部材と隣接ブレードとポケット壁部との間の摩擦を介して機械的減衰をもたらす。ここで、緩衝部材の材料は摩耗ないし摩滅が極力生じないものから選択できる。必要な剛性は、隣接ブレードと接触している第一面領域によって確保される。また、緩衝部材の特性は、インターロックされた独立型ブレード等の種々のタービンブレードに用いることができる。

以下の図面には本発明の一実施形態が詳細に示されている。

本発明の一実施例によるタービンブレードを径方向で示す図である。 本発明の一実施例によるタービンブレードを周接線方向で示す図である。

両図面において、同一構成要素には同一符号を付してある。

図１に示したタービンブレード装置１は、互いに隣り合うように配設された第１タービンブレード２及び第２タービンブレード４を備えている。図１は、タービン軸線の方向に向く径方向で見たタービンブレード２，４の断面を示したものである。図１は第１タービンブレード２及び第２タービンブレード４のシュラウドバンドの部位を示している。

タービンの作動中における該タービンブレード装置１の安定性を確実なものとするため、タービンブレード２，４のシュラウドバンドは第１面領域６に近接配置されている。ここで、面領域６には比較的大きな押圧力が付与されており、これによりタービンブレード２，４の適正な係合を確実にすると共に該タービンブレード装置１の剛性を高めて、タービン作動中の揺れ及び滑りが防止されている。

第１面領域６においてタービンブレード２，４が近接していることにより、タービンブレード装置１には制御されない振動励起が生ずるおそれがある。これを防ぐため、タービンブレード２，４は第２面領域８において互いに分離しており、かつ、第１タービンブレードはポケット１０を備えている。ポケット１０は緩衝部材１２を収納している。緩衝部材１２はポケット１０の壁部１４と適合するシリンダ形をしており、該ポケット１０内で移動可能である。ただし、緩衝部材１２の長さは、該緩衝部材１２がポケット１０内でしっかりと保持されるに十分なものとされる。該緩衝部材１２の材料は摩耗ないし摩滅防止の観点から選択される。

緩衝部材１２は第２タービンブレード４に接触するが、該緩衝部材１２が可動であるが故に、その接触は比較的ルーズである。タービンブレード装置１の振動励起は、緩衝部材１２及び第２タービンブレード４の接触面１６、及び、緩衝部材１２と前記ポケット壁部１４との相対運動をもたらす。その結果生ずる摩擦によって振動エネルギーがが消滅し、よって振動は減衰する。

前記面６，８は互いに傾斜している。これにより、面領域６に対し直交する力と必ずしも同じ力が面領域８に付与されないようになっている。従って、両面領域６，８に対する押圧力は別々に選択可能である。

図２は第１タービンブレード２の周接線方向における図で、面領域６，８、ポケット１０、及びシリンダ形の緩衝部材１２を示している。シリンダ形の緩衝部材１２の軸線１８は、ポケット１０の領域においてタービンブレード２の面と直交する方向に対して傾斜している。従って、タービンの作動中には、緩衝部材が遠心力の作用によってポケット１０から外方にスライドする。前記遠心力は、緩衝部材１２を第２タービンブレード４に押し当てる。前記傾斜の角度は、接触面１６に所望の力が作用するよう選択できる。

上述したタービンブレード装置１において、安定化機能と振動抑制機能とは異なる面領域６，８で分離されている。これにより、タービンブレード装置１は剛性により優れ、同時に中実部材の摩擦による振動減衰を可能とし、タービンのより安全で信頼性の高い運転を実現している。

１ タービンブレード装置
２ 第１タービンブレード
４ 第２タービンブレード
６ 第１面領域
８ 第２面領域
１０ ポケット
１２ 緩衝部材
１４ 壁部
１６ 接触面
１８ （緩衝部材の）軸線

Claims (8)

1. シュラウドバンドをそれぞれ有した第１タービンブレード（２）及び第２タービンブレード（４）を備え、各シュラウドバンドは、互いに隣接配置され、該シュラウドバンドの第１面領域（６）で接触しかつ第２面領域（８）で互いに分離してなるタービンブレード装置（１）であって、
   前記第１タービンブレード（２）が、前記第２面領域（８）に緩衝部材（１２）を収納したポケット（１０）を備えており、
   前記緩衝部材（１２）はシリンダ形をしており、
   前記シリンダ形の軸線（１８）は、前記ポケット（１０）の領域において前記第２面領域の面と直交する方向に対して傾いており、
   前記軸線（１８）は、前記第１タービンブレード（２）の半径方向軸線及び前記第１タービンブレード（２）の軸方向軸線に対して傾いている
   いることを特徴とするタービンブレード装置。
2. 請求項１記載のタービンブレード装置において、
   前記第１面領域（６）が前記第２面領域（８）に対して傾いていることを特徴とするタービンブレード装置。
3. 請求項１又は２記載のタービンブレード装置において、
   前記ポケット（１０）の内部形状は前記緩衝部材（１２）の外面形状に適合することを特徴とするタービンブレード装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項記載のタービンブレード装置において、
   前記緩衝部材（１２）の、前記ポケット（１０）の領域における前記第２面領域の面と直交する方向におけるサイズは、該領域における前記タービンブレード（２，４）の分離間隔よりも大きいことを特徴とするタービンブレード装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項記載のタービンブレード装置において、
   一のブレード列の隣接した各タービンブレードは第１面領域（６）で接触するとともに、第２面領域（８）において互いに分離し、かつ、一方のタービンブレード（２）が、前記第２面領域（８）に緩衝部材（１２）を収納したポケット（１０）を備えていることを特徴とするタービンブレード装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項記載のタービンブレード装置を備えた蒸気タービン。
7. 請求項１ないし５の何れか一項記載のタービンブレード装置を備えたガスタービン。
8. 請求項６記載の蒸気タービン及び／又は請求項７記載のガスタービンを備えた複合サイクル発電プラント。

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