JP5692994B2 - 動翼固定構造およびこれを備えた回転機械ならびに動翼着脱方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンや蒸気タービン等の回転機械に使用される動翼をロータディスクに固定する動翼固定構造およびこれを備えた回転機械ならびに動翼着脱方法に関する。

従来、発電等に用いられるガスタービン等の回転機械は、安定した稼働を継続するため、稼働時でない無負荷時においても、動翼がロータディスクの定位置に確実に固定されていることが重要となる。
動翼を回転機械のロータディスクに固定する方法としては、ロータディスクにあけられた穴にばねを介して格納された球または円柱を、ばねによって動翼プラットフォームの所定の位置に設けられた穴に付勢させて挿入し位置決めすることにより、ロータディスクの軸線方向にずれないよう動翼を固定する動翼固定構造が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）

また、動翼をロータディスクに固定する他の方法として、動翼翼根部に軸方向に延びる横穴と、これにつながり底面まで貫通した縦穴を設け、また、組立時にこの縦穴と同芯となる溝をロータディスクに設けて横穴から縦穴を介して溝に鋼球を挿入した後、さらにノックピンを横穴に挿入して動翼とロータディスクとを固定する動翼固定構造が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）

さらに他の動翼をロータディスクに固定する方法として、取付溝にばねを介して挿入された抜け止め板を、動翼翼根部に形成された穴に付勢させて挿入する動翼固定構造が提案されている。（例えば、特許文献３参照。）

実開昭５９−１７２２０２号公報 特開２０００−２９７６０５号公報 特開平１０−１８４３０８号公報

ところで、動翼の組み込み過程において、位置決めピン等の組み込み忘れがあると、稼働時でない無負荷時において、動翼がロータディスクの軸線方向に位置ずれを生じ、場合によっては稼働時に不具合が生じる恐れがある。しかし、通常の動翼固定構造では、ピン穴は翼溝の中央部に設けられており、また、外部からピン穴に連通する穴などもないため、動翼を組み込んだ後に外部から位置決めピン等が計画通り組み込まれているかどうかを目視で観察することが困難であり、位置決めピン等の組み込み漏れが生じる場合がある。その結果、動翼がロータディスクの軸線方向にずれてしまうという問題が生じる。

また、特許文献１から３に示すような動翼固定構造では、図９に示したガスタービンの圧縮機におけるロータディスク４から動翼１を取り外そうとする場合、位置決めピン９等を径方向内方（ロータディスク４）側に変位させて動翼１とロータディスク４の位置決め状態を解除する必要があるが、図１０に示すように、位置決めピン挿入穴７がロータディスク４の軸線方向においてほぼ中央部に設けられており、また、位置決めピン９等を変位させるための工具等を位置決めピン挿入穴７まで差し込む穴などもないため、位置決めピン９をいずれかの方向に変位させて動翼１を取り外す際の障害とならぬように退避させることができない。このため、動翼１を取り外したい場合には、図１１に示すように、動翼翼根部３をハンマー等を用いて打撃して位置決めピン９等を剪断し、動翼１を取り外さなければならない。この結果、位置決めピン９等が破壊されるため、再度動翼１をロータディスク４に固定する場合には、位置決めピン９等を新たに用意しなければならないという問題がある。また、動翼１取り外しの際には、破壊された位置決めピン９等の破片が脱落して車室内部に混入する可能性があるため、回転部に不具合を生じさせる恐れがある。さらに、動翼翼根部３を打撃することにより、動翼翼根部３が損傷する恐れもある。

また、例えば図１２に示すように、ガスタービン圧縮機における一段動翼のようなガスの流れ方向上流側（または下流側）に一段静翼Ａ１を取り付けた車室ケーシングＡや、吸気ケーシングＢ等の障害物がある場合には、この障害物となっている部品を取り除かなければ作業空間を確保できず、動翼１を着脱することができないという問題がある。また、障害物となる一段静翼Ａ１を含む車室ケーシングＡや、吸気ケーシングＢ等の部品の取り外し自体が不可能な場合には、動翼翼根部３を打撃して位置決めピン９等を剪断することもできず、動翼１の取り外しができないといった問題がある。例えば、一段静翼Ａ１を含む車室ケーシングＡを取り外すことにより、動翼翼根部３を流れ方向下流側から打撃することはできるが、反対側の吸気ケーシングＢも取り外さなければ動翼１の上流側への変位量が足りず、打撃したとしても位置決めピン９等を剪断破壊できないという問題が生じる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、位置決めピンを組み込んだ状態で目視観察でき、さらに、位置決めピンを破壊せずに動翼の着脱をすることが可能な動翼固定構造およびこれを備えた回転機械ならびに動翼着脱方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の動翼固定構造は、動翼と、動翼翼根部が挿入される動翼取付溝が略軸線方向にわたって外周面に形成されるとともに、該動翼取付溝の底部に開口する位置決めピン挿入穴が形成されたロータディスクと、前記位置決めピン挿入穴に基端部が挿入されるとともに、前記動翼翼根部に形成された凹部内に先端部が付勢された状態で、前記動翼と前記ロータディスクとの位置決めを行う位置決めピンと、を備えた動翼固定構造であって、前記ロータディスクには、前記位置決めピン挿入穴から前記ロータディスクの軸線方向における端部側の端面へと貫通するスリットが形成されていることを特徴とする動翼固定構造である。

このような動翼固定構造によれば、ロータディスクには、位置決めピン挿入穴からロータディスクの軸線方向における端部側、すなわち、上流側および下流側のうち少なくとも一方の端面へと貫通するスリットが形成されているため、動翼の組込み作業時に、スリットを介してロータディスク端部の外部から、位置決めピンが計画通り組み込まれているかどうかを目視確認することができる。これにより、動翼の組込み作業時における位置決めピンの組込み漏れの発生を防ぐことができる。

また、本発明によれば、スリットを介して位置決めピン挿入穴に工具を挿入し、位置決めピンを径方向内方（ロータディスク）側へ変位させて動翼を着脱する際の障害とならぬように退避させることにより、ロータディスクに対して動翼を着脱することができる。これにより、ロータディスクから動翼を取り外す場合であっても、動翼翼根部を打撃して動翼翼根部や位置決めピンを破壊することがない。また、位置決めピンの破片が車室内に脱落することがないので、不具合の発生を防ぐことができる。

また、ロータディスクから動翼を取り外した後、再度動翼をロータディスクに組み込む場合には、取り外したピンを再利用できるので、ピンを新調する必要がない。
さらには、ロータディスク周辺に、例えば車室ケーシング等の障害物となる部品が存在する場合であっても、位置決めピンまで工具を挿入するための僅かな作業スペースがあれば、これら障害物を移動させることなく容易に動翼を取り外すことができる。

上記発明においては、前記位置決めピン挿入穴は、前記ロータディスクの軸線方向における中央よりも端部側に設けられていることとしてもよい。

このような動翼固定構造によれば、位置決めピン挿入穴がロータディスクの軸線方向における中央よりも端部側に設けられているので、ロータディスク外部からの目視観察がより容易に行うことができる。また、ロータディスク外部からの工具のアプローチがより容易に行うことができる。さらにまた、ロータディスクの強度低下を抑制することができる。

上記発明においては、ピンの外周面には、位置決めピンを変位させる工具が係合する溝や段差が設けられていることとしてもよい。

このような動翼固定構造によれば、位置決めピンの外周面には溝や段差が設けられているため、スリットを介して挿入された工具を溝や段差に係合させることにより、容易にピンを径方向内方（ロータディスク）側へ変位させて退避させ、ロータディスクから動翼を取り外すことができる。また、位置決めピンに溝や段差を設ける加工は容易に施すことができ、位置決めピンの製造コストを削減し、作業工程を効率化することができる。

また、位置決めピンの外周面には、前記スリットに挿入可能であって、位置決めピンを変位させる工具が係合する凸形のキーが設けられていることとしてもよい。

このような動翼固定構造によれば、位置決めピンの外周面部にスリットに挿入可能な凸形のキーが設けられているので、外部からキーを押し下げるだけで容易にピンを径方向内方側へ変位させて退避させ、ロータディスクから動翼を取り外すことができる。

なお、キーがスリットを介してロータディスク端面から突出するように構成されている場合には、キーが外部から目視観察できるので、位置決めピンの挿入状況を容易に把握することができ、また工具を用いなくても指によってピンを変位させることもできる。また、キーがスリットを介してロータディスク端面から突出しないよう構成されている場合には、キーが稼働時におけるロータディスク回転時に流れ抵抗とならないので、撹拌損失や摩擦損失を低減することができる。

また、本発明の動翼着脱方法は、ロータディスクの略軸線方向にわたって外周面に形成された動翼取付溝に、動翼の動翼翼根部が挿入・抜去される動翼着脱方法であって、前記動翼取付溝の底部に開口する位置決めピン挿入穴に基端部が挿入された位置決めピンの先端部を、前記動翼翼根部に形成された凹部内に付勢させることで前記動翼と前記ロータディスクとの位置決めを行い、前記ロータディスクにおける前記位置決めピン挿入穴から前記ロータディスクの軸線方向における端部側の端面へと貫通するスリットを介して、工具により、前記位置決めピンを変位させて前記位置決めピン挿入穴内に退避させることにより、前記ロータディスクに対して前記動翼を着脱することを特徴とする動翼着脱方法である。

このような動翼着脱方法によれば、ロータディスクの端面から、スリットを介して工具により位置決めピンを径方向内方へ変位させて位置決めピン挿入穴内に退避させることにより、ロータディスクに対して動翼を容易に着脱することができる。

本発明の動翼固定構造およびこれを備えた回転機械ならびに動翼着脱方法によれば、位置決めピンを組み込んだ状態で外側から目視観察でき、さらに、位置決めピンを破壊せずに動翼の着脱をすることができるという効果を奏する。

本発明に係るガスタービン動翼固定構造を示し、動翼を回転軸線を含む面でみた部分断面側面図である。 本発明に係るガスタービン動翼固定構造におけるロータディスクの動翼取付溝の一部を示し、ロータディスク外周面側を見た図１中のＸ−Ｘ矢視図である。 図１のロータディスクの動翼取付溝を示す斜視図である。 本発明の動翼翼根部が翼溝に挿入された状態を示す図１中のＹ−Ｙ矢視図である。 本発明の一実施形態における位置決めピンを示す図４中のＺ−Ｚ断面図である。 図５の第１変形例を示す図４中のＺ−Ｚ断面図である。 図５の第２変形例を示し、（ａ）は位置決めピンとロータディスクを径方向外方から見た図、（ｂ）は図４中のＺ−Ｚ断面図である。 図５の第３変形例を示し、（ａ）は位置決めピンとロータディスクを径方向外方から見た図、（ｂ）は図４中のＺ−Ｚ断面図である。 従来技術に係るガスタービン動翼固定構造を示し、動翼を回転軸線を含む面でみた部分断面側面図である。 従来技術に係るガスタービン動翼固定構造におけるロータディスクの動翼取付溝の一部を示し、ロータディスクの外周面側を見た図９中のＸ’−Ｘ’矢視図である。 従来技術に係るガスタービン動翼固定構造において、動翼翼根部を打撃する状態を示す部分断面側面図である。 従来技術に係るガスタービン動翼固定構造において、障害物となる部品が配置された状態を示す部分断面側面図である。

以下に、本発明に係る動翼固定構造の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、ガスタービン動翼固定構造を示し、動翼を回転軸線を含む面でみた部分断面図である。同図において左右方向がロータディスク４の軸線方向となっている。
このガスタービン動翼１は、ガスタービン圧縮機に用いられ、翼部２と、動翼翼根部３とを備えている。また、ロータディスク４には、図２に示すように、その軸線方向にわたって外周面に形成され、動翼１の動翼翼根部３が挿入される動翼取付溝５が設けられている。そして複数枚の動翼１が、この動翼取付溝５に沿ってロータディスク４に対して立設した状態で挿入されている。

動翼取付溝５の底部５Ａには、ロータディスク４の軸線方向における中央よりも下流の端部側に円形状断面の位置決めピン挿入穴７が形成されている。この位置決めピン挿入穴７には、位置決めピン挿入穴７よりも小径の円形状断面に形成された位置決めピン９の基端部９Ａが挿入される。一方、動翼翼根部３の翼底部６の下流端部側に位置決めピン９の断面形状に対応するように形成された凹部１０内に位置決めピン９の先端部９Ｂが付勢されて収容される。このようにした状態で、動翼１がロータディスク４に対して所定の位置に固定（位置決め）されるようになっている。この際、位置決めピン９の先端部９Ｂには、凹部１０内に挿入されやすいように面取りが形成されていることが望ましい。

このガスタービン圧縮機における動翼１は、図示しないタービン部によって回転駆動されるロータディスク４に対して複数枚が周方向にわたって所定間隔にて固定されている。

また、動翼１の動翼翼根部３は、図４に示すように、ロータディスク４の動翼取付溝５の底に向かって広がるよう凸状に形成されており、ガスタービン稼働時においては、この動翼翼根部３の接触面３Ａは、動翼１に作用する遠心力（図４において上向き）により、ロータディスク４の動翼取付溝５の接触面５Ｂに対して径方向外方に押し付けられるようになっている。

さらに、本実施形態に係るガスタービン動翼固定構造は、図３に示すように、位置決めピン挿入穴７からロータディスク４の下流端部側の端面４Ａへと貫通するスリット８が形成されている。そして、このスリット８を介して、位置決めピン挿入穴７の内部が目視観察できるようになっている。

このため、スリット８を介して外部から位置決めピン９が組み込まれているかどうかを目視確認することができ、位置決めピン９の組込み漏れをなくすことができる。

位置決めピン挿入穴７には、例えばばね１２等の弾性材を介して位置決めピン９の基端部９Ａが挿入されている。ロータディスク４の動翼取付溝５に沿って動翼翼根部３が挿入されると、図４に示すように、位置決めピン９の先端部９Ｂは、位置決めピン挿入穴７と動翼翼根部３の翼底部６に形成された凹部１０が対向する位置において、ばね１２等の弾性材によって付勢された状態で動翼１の凹部１０内に押し上げられ、動翼１とロータディスク４とが位置決めされるようになっている。
このようにして、動翼１とロータディスク４が、位置決めピン９によってロータディスク４の軸線方向にずれないように固定される。
位置決めピン９のロータディスク４と動翼１との組み込み状態は、図４に示すように、スリット８を介して目視観察される。
なお、スリット８は位置決めピン７、および、ばね１２がスリット８を介してロータディスク４の外部に脱落しない程度の大きさにしておく必要がある。

図５は、本発明の一実施形態における位置決めピンを示す図４中のＺ−Ｚ断面図である。
図５に示すように、位置決めピン９の外周面には溝１１が設けられている。具体的には、位置決めピン９の中央部よりも基端部９Ａ側（同図において下側）の外周面が、中央部および基端部９Ａよりも小径とされた形状とする。
このため、ロータディスク４に対して動翼１を着脱したい場合には、外部からロータディスク４に設けられたスリット８を介して工具を差し込み、この溝１１に工具を係合させて位置決めピン９を径方向内方（ロータディスク４）側へ押し下げ、位置決めピン９を凹部１０から位置決めピン挿入穴７内に退避させることによって動翼１が着脱できるようになっている。

したがって、ロータディスク４から動翼１を取り外す際には、動翼翼根部３をハンマー等で打撃して動翼翼根部３や位置決めピン９を破壊する（従来技術で示した図１１参照）ことなくロータディスク４から動翼１を取り外すことができる。
また、ロータディスク４から動翼１を取り外した後、再度動翼１をロータディスク４に組み込む場合には、取り外した位置決めピン９を再利用できるという利点がある。
また、図１２に示すように、ロータディスク４および動翼１の周辺に、静翼Ａ１を取り付けた状態の車室ケーシングＡや吸気ケーシングＢ等の部品が存在する場合であっても、これら部品のいずれか一方を移動させることにより動翼１の着脱を行うことができる。

なお、本実施形態の第１変形例における位置決めピン９は、図６に示すように、その外周面に段差１３が設けられていることとしてもよい。具体的には、位置決めピン９の基端部９Ａ（同図において下端）が上方の部位よりも拡径された形状とする。

また、本実施形態の第２変形例および第３変形例における位置決めピン９は、図７（ａ），（ｂ）及び図８（ａ），（ｂ）に示すように、その外周面にスリット８に挿入可能な凸形のキー１４が設けられていることとしてもよい。具体的には、凸形のキー１４は、図７（ａ）または図８（ａ）に示すように、位置決めピン９の中央部よりも基端部９Ａ（同図（ｂ）において下端側）の一部に、スリット８に向かって延在されて設けられた平板形状とする。

このような構成によれば、凸形のキー１４は、位置決めピン９の外周面の基端部９Ａ側の一部に、スリット８に向かって延在するように設けられているので、外部から工具等でキー１４を押し下げるだけで容易にピンを径方向内方側へ変位させ退避させることができる。これにより、容易にロータディスク４から動翼１を取り外すことができる。

なお、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、キー１４がスリット８を介してロータディスク端面４Ａから突出するように構成されている場合には、工具を使用することなく突出したキー１４を指で押し下げるだけで、キー１４の位置を変位させ退避させることができる。
また、キー１４はロータディスク端面４Ａの外側にスリットを介して突出しているので、目視観察により、位置決めピン９の挿入状況を容易に把握することができる。

さらに、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、キー１４がスリット８を介してロータディスク端面４Ａから突出しないよう構成されている場合においても、ロータディスク端面４Ａの外側からスリット８の隙間に指を挿入してキー１４を押し下げるだけで、キー１４の位置を変位させ退避させることができる。
また、キー１４はロータディスク端面４Ａの外側に突出していないので、ガスタービン稼働時におけるロータディスク４の回転時にキー１４が流れ抵抗とならず、撹拌損失や摩擦損失を低減することができる。
なお、動翼１をロータディスク４の動翼取付溝５の所定の位置に挿入した状態において、位置決めピン９の先端部９Ｂが凹部１０内に付勢、収容されて確実に動翼１を固定できる位置に凸形のキー１４を設けることはいうまでもない。
また、動翼翼根部３の底面（翼底部）６と、キー１４の径方向外方側の端面１４Ａとの間に、工具を挿入して係合出来る程度の径方向間隙を設けておくことが望ましい。

なお、本実施形態の動翼翼根部３に形成された凹部１０は、位置決めピン９の断面形状に対応した形状として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、位置決めピン９が挿入可能であり、かつ、動翼１を軸線方法に固定できるような形状であれば、どのような形状でもよく、例えば直線状や曲線状に延在する溝であってもよい。ただし、ロータディスク４の軸線方向に延在する溝の場合には、動翼１を軸線方向に固定することができず、また、軸線方向における動翼翼根部３の両端面に貫通した溝の場合には、圧縮空気等の作動流体が動翼１の前後（作動流体の主流方向）に抜けてガスタービン圧縮機などの性能が落ちる可能性があるので、ロータディスクの回転方向に延在する溝とすることが望ましい。

また、本実施形態においては、位置決めピン９の断面形状は円形状としたが、動翼翼根部３の翼根部６に形成された凹部１０内に挿入可能で動翼１を位置決めされるものであればよく、たとえば楕円形や、矩形等の多角形であってもよい。同様に、位置決めピン挿入穴７の形状についても位置決めピン９の断面形状に対応し、位置決めピン９および、ばね１２を挿入可能であれば、どのような形状であってもよい。
また、本実施形態における位置決めピン挿入穴７およびスリット８は、ロータディスク４の動翼取付溝５の下流端部側に形成されることとしたが、これに限定されることはなく、上流端部側でもよいし、位置決めピン９およびスリット８のうちいずれか一方が下流端部側で他方が上流端部側でも構わない。あるいは、位置決めピン挿入穴７を軸線方向の中央に形成しても構わない。同様に、凹部１０についても、位置決めピン挿入穴７の位置に対応していれば、どの部分に形成しても構わない。
また、本実施形態における凸形のキー１４は平板形状としたが、これに限定されることはなく、スリット８に挿入可能で外部から押し下げることのできる形状であればよい。
また、本実施形態における動翼取付溝５は、ロータディスク４の外周面に軸線方向に形成されることとしたが、これに限定されることはなく、軸線方向に対してスキュー角と呼ばれる所定の角度をもって傾斜していてもよい。
また、本実施形態においては、ガスタービンの圧縮機に用いられる動翼１について説明したが、これに限定される必要はなく、ガスタービンのファンやタービン、または、蒸気タービン、ポンプ、水車、送風機などの回転機械に用いられる動翼に適用してもよい。

１ 動翼
２ 翼部
３ 動翼翼根部
４ ロータディスク
５ 動翼取付溝
６ 翼底部
７ 位置決めピン挿入穴
８ スリット
９ 位置決めピン
１０ 凹部
１１ 溝
１２ ばね
１３ 段差
１４ キー

Claims (7)

1. 動翼と、
   動翼翼根部が挿入される動翼取付溝が略軸線方向にわたって外周面に形成されるとともに、該動翼取付溝の底部に開口する位置決めピン挿入穴が形成されたロータディスクと、
   前記位置決めピン挿入穴に基端部が挿入されるとともに、前記動翼翼根部に形成された凹部内に先端部が付勢された状態で、前記動翼と前記ロータディスクとの位置決めを行う位置決めピンと、を備えた動翼固定構造であって、
   前記ロータディスクには、前記位置決めピン挿入穴から前記ロータディスクの軸線方向における端部側の端面へと貫通するスリットが形成されていることを特徴とする動翼固定構造。
2. 前記位置決めピン挿入穴は、前記ロータディスクの軸線方向における中央よりも端部側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の動翼固定構造。
3. 前記位置決めピンの外周面には、該位置決めピンを変位させる工具が係合する溝が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の動翼固定構造。
4. 前記位置決めピンの外周面には、該位置決めピンを変位させる工具が係合する段差が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の動翼固定構造。
5. 前記位置決めピンの外周面には、前記スリットに挿入可能であって、前記位置決めピンを変位させる工具が係合する凸形のキーが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の動翼固定構造。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の動翼固定構造を備えることを特徴とする回転機械。
7. ロータディスクの略軸線方向にわたって外周面に形成された動翼取付溝に、動翼の動翼翼根部が挿入・抜去される動翼着脱方法であって、
   前記動翼取付溝の底部に開口する位置決めピン挿入穴に基端部が挿入された位置決めピンの先端部を、前記動翼翼根部に形成された凹部内に付勢させることで前記動翼と前記ロータディスクとの位置決めを行い、
   前記ロータディスクにおける前記位置決めピン挿入穴から前記ロータディスクの軸線方向における端部側の端面へと貫通するスリットを介して、工具により、前記位置決めピンを変位させて前記位置決めピン挿入穴内に退避させることにより、前記ロータディスクに対して前記動翼を着脱することを特徴とする動翼着脱方法。

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