JP5922370B2

JP5922370B2 - 動翼支持構造

Info

Publication number: JP5922370B2
Application number: JP2011230293A
Authority: JP
Inventors: 智之平田; 永護加藤; 秀勝渥美
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: EP2752556B1; KR20140068040A; CN103890319B; WO2013058220A1; CN103890319A; EP2752556A4; EP2752556A1; KR101634464B1; US9677406B2; JP2013087714A; US20140219806A1

Description

本発明は、動翼支持構造に関し、詳細には、動翼が埋め込まれるロータ翼溝への応力集中を低減した動翼支持構造に関する。

産業用タービンおよび蒸気タービンは、ケーシングと、ケーシングに回転可能に支持されるロータとを備え、前記ロータにロータ軸方向にて多段でロータディスクが組み付けられると共に、当該ロータディスクの周面に設けられた複数のロータ翼溝のそれぞれに動翼が埋め込まれた構造となっている。

ここで、従来の動翼支持構造におけるロータディスクの要部を拡大した斜視図である図９（ａ）を参照して、ロータ翼溝について説明する。この図９（ａ）に示すように、ロータ１０１の周面には、一方の端面部１０１ｂとこれに対向する他方の端面部（図示せず）を貫通するロータ翼溝１１０が設けられている。ロータ翼溝１１０は、底部１１３にて、その上方側よりもロータ周方向へ延在しその先端が円弧状をなす周方向溝部１１２，１１２を備えている。

特開２００８−０６９７８１号公報特開昭６２−０６１７６１号公報

ところで、上述のタービンは、例えば、起動時や停止時において、ロータディスクの内部と外部との温度差が大きくなる。このため、ロータ翼溝の周方向溝部近傍に対し、過渡的な熱応力によって応力集中が発生する。例えば、上述した形状のロータ翼溝を有するロータディスクに対して応力集中係数をシミュレーションしたところ、図９（ｂ）に示すように、ロータ翼溝の周方向溝部近傍に集中し、この箇所にて応力集中係数Ｋｔが２．６７となることを確認した。なお、図９（ｂ）において、応力集中係数が１のときをハッチング無しで示し、応力集中係数が小のときを間隔の大きいハッチングで示し、応力集中係数が大きくなるにしたがい間隔を小さくしたハッチングで示した。この応力集中が大きくなると、例えば、前記ロータ翼溝の周方向溝部近傍に対し低サイクル疲労が生じ、その寿命が短くなるおそれがある。このような問題に対して、ゆっくり起動するなど動作を制限してタービンを運用するなどの対処を行うことで、前記応力集中を緩和することができる。しかしながら、タービンとして、急速に起動する急速起動型タービンが求められており、前述した対処を行ったタービンでは、急速に起動する運転を行うことができなかった。また、ロータディスク自体を高強度の材料で作製することが考えられるが、その分製造コストが増加してしまうという問題があった。

以上のことから、本発明は前述した課題を解決するために為されたものであって、製造コスト増を抑制しつつ、動翼が埋め込まれるロータ翼溝近傍への応力集中を抑制した動翼支持構造を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する本発明に係る動翼支持構造は、
ロータディスクに設けられたロータ翼溝に動翼が埋め込まれた動翼支持構造であって、
前記ロータ翼溝は、底部にてその上方よりもロータディスク周方向へ延在する周方向溝部と、前記周方向溝部とによって過渡的な熱応力で生じる応力が分散されるように、前記ロータディスクの端面部であって前記底部におけるロータディスク周方向中央部に設けられ、ロータディスク径方向へ延在し、先端で円弧状をなす径方向溝部とを備える
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する本発明に係る動翼支持構造は、
前述した発明に係る動翼支持構造であって、
前記ロータ翼溝の底部におけるロータディスク周方向の大きさを２Ｗとし、前記径方向溝部におけるロータディスク周方向の大きさを２ｗ’としたときに、ｗ’／Ｗが０．４９〜１．０の範囲にある
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する本発明に係る動翼支持構造は、
前述した発明に係る動翼支持構造であって、
前記径方向溝部における前記ロータ翼溝の底部に対する角度は、２０度〜５０度の範囲にある
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する本発明に係る動翼支持構造は、
前述した発明に係る動翼支持構造であって、
前記径方向溝部のロータディスク径方向の大きさをｄとしたときに、ｄ／ｗ’が１．０〜１．４の範囲にある
ことを特徴とする。

本発明に係る動翼支持構造によれば、ロータディスクの端面部であってロータ翼溝の底部におけるロータディスク周方向中央部に軸心方向溝部を設けたことで、過渡的な熱応力が生じたときに、応力集中係数がロータ翼溝における周方向溝部と軸心方向溝部とに分散されることになる。その結果、ロータ翼溝における周方向溝部への応力集中が抑制される。ロータ翼溝に軸心方向溝部を設けただけであり、製造コスト増を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る動翼支持構造を説明するための図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面を説明するための図であって、図３（ａ）にその斜視を示し、図３（ｂ）にその断面を示す。本発明の一実施形態に係る動翼支持構造におけるロータ翼溝の寸法を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る動翼支持構造におけるロータ翼溝に対する軸心方向溝部（ぬすみ溝部）の大きさ（ｗ’／Ｗ）と応力集中係数Ｋｔとの関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る動翼支持構造における軸心方向溝部（ぬすみ溝部）のぬすみ角と応力集中係数Ｋｔとの関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る動翼支持構造における軸心方向溝部（ぬすみ溝部）のロータディスク周方向の大きさに対するその軸心方向の大きさ（ｄ／ｗ’）と応力集中係数Ｋｔとの関係を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る動翼支持構造における軸心方向溝部（ぬすみ溝部）のぬすみ角を３０度とした場合の応力集中係数をシミュレーションした結果を示す図である。従来の動翼支持構造の一例を説明するための図であって、図９（ａ）にそれのロータディスクの要部を拡大した斜視を示し、図９（ｂ）にその応力集中係数をシミュレーションした結果を示す。

本発明に係る動翼支持構造を実施するための一形態について、図１〜図４を参照して以下に説明する。

本実施形態に係る動翼支持構造では、図１〜図４に示すように、ロータディスク１の周面に複数（図示例では２つ）のロータ翼溝１０が設けられ、ロータ翼溝１０に動翼３０がそれぞれ埋め込まれている。動翼３０は、翼根３１が設けられたプラットフォーム３２と、プラットフォーム３２上に設けられた翼部３３とを備える。なお、図１においては、動翼３０の翼根３１およびプラットフォーム３２がロータ翼溝１０に埋め込まれている。

ロータ翼溝１０は、ロータディスク１の一方の端面部１ｂとこれに対向する他方の端面部１ａを貫通し、ロータディスク１の周方向に対し傾斜方向へ延在している。ロータ翼溝１０は、動翼３０のプラットフォーム３２に沿う溝部１１と、動翼３０の翼根３１に沿う溝部１２とを備える形状をなしている。ロータ翼溝１０は、底部１４にてその上方よりもロータディスク周方向へ延在しその先端が円弧状をなす周方向溝部１３，１３を備える。

上述のロータ翼溝１０は、ロータディスク１の端面部１ａ，１ｂであって、底部１４におけるロータディスク周方向中央部に形成された軸心方向溝部（ぬすみ溝部）１５をさらに備える。軸心方向溝部１５は、ロータディスク１の軸心方向へ延在しその先端が円弧状をなしている。このように軸心方向溝部１５を設けたことで、過渡的な熱応力によって、ロータディスク周方向への引張り応力がロータディスク１で層状に生じ、従来、ロータ翼溝の周方向溝部に集中していたロータ周方向応力の流れが、ロータ翼溝１０の周方向溝部１３，１３と軸心方向溝部１５とに分散すると共に、緩やかになる。よって、ロータ翼溝１０における周方向溝部１３，１３への応力集中を抑制することができる。軸心方向溝部１５のぬすみ角θは、図３（ｂ）に示すように、ロータ翼溝１０の底部１４に対する軸心方向溝部１５の延在方向である。

ここで、上述した動翼支持構造において、ぬすみ角θを３０度とし、軸心方向溝部１５のロータディスク周方向の大きさに対してその軸心方向の大きさ（ｄ／ｗ’）を１．２としたときの、ロータ翼溝１０に対する軸心方向溝部１５の大きさｗ’／Ｗと応力係数集中係数Ｋｔとの関係について、図４および図５を参照して説明する。なお、図５において、白抜き四角印は、Ａ部（ロータ翼溝の周方向溝部）における応力集係数Ｋｔを示し、白抜き三角印は、Ｂ部（ロータ翼溝の軸心方向溝部）の応力集中係数Ｋｔを示す。

図５に示すように、Ａ部（ロータ翼溝の周方向溝部）およびＢ部（ロータ翼溝の軸心方向溝部）の何れにおいても、応力集中係数Ｋｔが、ｗ’／Ｗを０．４弱とした場合と比べて０．４９とした場合の方が小さくなることが確認された。Ｂ部（ロータ翼溝の軸心方向溝部）において、ｗ’／Ｗが０．４９から０．６弱とした範囲にて、応力集中係数Ｋｔがほぼ一定となることが確認された。よって、Ｂ部（ロータ翼溝の軸心方向溝部）において、ロータ翼溝１０に対して軸心方向溝部１５が漸増しても応力集中係数Ｋｔが一定となることから、軸心方向溝部１５のロータディスク周方向の大きさを大きくして、ロータ翼溝１０のロータディスク周方向の大きさと同じとしたｗ’／Ｗ＝１．０としても、応力集中係数Ｋｔがｗ’／Ｗを０．４９としたときとほぼ同じ値になると推察される。

したがって、ロータ翼溝１０に対する軸心方向溝部１５の大きさ（ｗ’／Ｗ）を０．４９〜１．０の範囲としたときに、過渡的な熱応力によって生じる応力をロータ翼溝１０の周方向溝部１３，１３と軸心方向溝部１５とに分散すると共に、緩和することができることが確認された。

上述した動翼支持構造において、ｗ’／Ｗを０．５とし、ｄ／ｗ’を１．２としたときの、軸心方向溝部のぬすみ角θと応力係数集中係数Ｋｔとの関係について、図４および図６を参照して説明する。なお、図６において、白抜き四角印は、Ａ部（ロータ翼溝の周方向溝部）における応力集係数Ｋｔを示し、白抜き三角印は、Ｂ部（ロータ翼溝の軸心方向溝部）の応力集中係数Ｋｔを示す。なお、Ａ部およびＢ部の応力集中係数Ｋｔは、ぬすみ角が３０．０および４０．０であるときに同じ値を示している。

図６に示すように、Ａ部（ロータ翼溝の周方向溝部）およびＢ部（ロータ翼溝の軸心方向溝部）の何れにおいても、応力集中係数Ｋｔが、ぬすみ角が２０．０度以上５０．０度以下の範囲にてほぼ同じ値となることが確認された。

したがって、軸心方向溝部１５におけるぬすみ角の大きさを３０．０度〜５０．０度の範囲にしたときに、過渡的な熱応力によって生じる応力をロータ翼溝１０の周方向溝部１３，１３と軸心方向溝部１５とに分散すると共に、緩和することができることが確認された。

上述した動翼支持構造において、ｗ’／Ｗを０．５とし、ぬすみ角θを３０度としたときの、軸心方向溝部のロータディスク周方向の大きさに対するその軸心方向の大きさ（ｄ／ｗ’）と応力係数集中係数Ｋｔとの関係について、図４および図７を参照して説明する。なお、図７において、白抜き四角印は、Ａ部（ロータ翼溝の周方向溝部）における応力集係数Ｋｔを示し、白抜き三角印は、Ｂ部（ロータ翼溝の軸心方向溝部）の応力集中係数Ｋｔを示す。

図７に示すように、軸心方向溝部１５のロータディスク周方向の大きさに対するその軸心方向の大きさ（ｄ／ｗ’）を１．０〜１．４の範囲にしたときに、Ａ部（ロータ翼溝の周方向溝部）の応力集中係数ＫｔとＢ部（ロータ翼溝の軸心方向溝部）の応力集中係数Ｋｔとがほぼ同じ値になることが確認された。

したがって、軸心方向溝部１５におけるロータディスク周方向に対するその軸方向の大きさ（ｄ／ｗ’）を１．０〜１．４の範囲にしたときに、過渡的な熱応力によって生じる応力をロータ翼溝１０の周方向溝部１３，１３と軸心方向溝部１５とに分散すると共に、緩和することができることが確認された。

ここで、上述した形状のロータ翼溝がロータディスクに設けられた動翼支持構造について、軸心方向溝部（ぬすみ溝部）の角度を３０度とした場合の応力集中係数をシミュレーションした結果を示す図８を参照して説明する。なお、図８において、応力集中係数が１のときをハッチング無しで示し、応力集中係数が小のときを間隔の大きいハッチングで示し、応力集中係数が大きくなるにしたがい間隔を小さくしたハッチングで示している。

図８に示すように、応力集中係数Ｋｔがロータ翼溝の周方向溝部と軸心方向溝部とが他の箇所と比べて高く、ロータ翼溝の周方向溝部にて応力集中係数Ｋｔが２．１７となり、ロータ翼溝の軸心方向溝部にて応力集中係数Ｋｔが２．０３となることが確認された。また、従来の動翼支持構造のロータ翼溝に対して応力集中係数をシミュレーションした場合を示す図９（ｂ）と比べた場合、応力集中係数Ｋｔがロータ翼溝の周方向溝部にて小さくなることが確認された。

このようなことから、ロータ翼溝１０に軸心方向溝部１５を設けたことで、従来、ロータ翼溝の周方向溝部へ集中していたロータ周方向応力の流れを、ロータ翼溝１０の周方向溝部１３，１３と軸心方向溝部１５とに分散することができると共に、緩やかにすることができた。

以上説明したように、本実施形態に係る動翼支持構造によれば、ロータ翼溝１０におけるロータディスク１の端面部１ａ，１ｂであって、その底部１４におけるロータディスク周方向中央部に軸心方向溝部１５を設けたことで、過渡的な熱応力によって、ロータディスク周方向への引張り応力がロータディスク１で層状に生じ、従来、ロータ翼溝の周方向溝部に集中していたロータ周方向応力の流れが、ロータ翼溝１０の周方向溝部１３，１３と軸心方向溝部１５とに分散すると共に、緩やかにすることができる。よって、ロータ翼溝１０における周方向溝部１３，１３への応力集中が抑制される。また、ロータ翼溝１０に軸心方向溝部１５を設けただけであり、この軸心方向溝部１５が機械加工により容易に作製でき、ロータ翼溝における周方向溝部の形状を変更する必要がないため、製造コスト増を抑制できる。さらに、タービンを新規に設置するときに限らず、保守メンテナンス時においても軸心方向溝部をロータディスクのロータ翼溝に設けることができる。

本発明は動翼支持構造であり、製造コスト増を抑制しつつ、動翼が埋め込まれるロータ翼溝における周方向溝部への応力集中を抑制することができるため、タービンを利用する発電産業などで有益に利用することができる。

１ロータディスク
１ａ，１ｂ端面部
１０ロータ翼溝
１３周方向溝部
１４底部
１５軸心方向溝部（ぬすみ溝部）
３０動翼
３１翼根
３２プラットフォーム
３３翼部
ｄ軸心方向溝部（ぬすみ溝部）の軸心方向の大きさ
２Ｗロータ翼溝のロータディスク周方向の大きさ
２ｗ’ 軸心方向溝部（ぬすみ溝部）のロータディスク周方向の大きさ
θ ぬすみ角

Claims

ロータディスクに設けられたロータ翼溝に動翼が埋め込まれた動翼支持構造であって、
前記ロータ翼溝は、底部にてその上方よりもロータディスク周方向へ延在する周方向溝部と、前記周方向溝部とによって過渡的な熱応力で生じる応力が分散されるように、前記ロータディスクの端面部であって前記底部におけるロータディスク周方向中央部に設けられ、ロータディスク径方向へ延在し、先端で円弧状をなす径方向溝部とを備える
ことを特徴とする動翼支持構造。
請求項１に記載された動翼支持構造であって、
前記ロータ翼溝の底部におけるロータディスク周方向の大きさを２Ｗとし、前記径方向溝部におけるロータディスク周方向の大きさを２ｗ’としたときに、ｗ’／Ｗが０．４９〜１．０の範囲にある
ことを特徴とする動翼支持構造。
請求項２に記載された動翼支持構造であって、
前記径方向溝部における前記ロータ翼溝の底部に対する角度は、２０度〜５０度の範囲にある
ことを特徴とする動翼支持構造。
請求項３に記載された動翼支持構造であって、
前記径方向溝部のロータディスク径方向の大きさをｄとしたときに、ｄ／ｗ’が１．０〜１．４の範囲にある
ことを特徴とする動翼支持構造。