JP6076888B2 - タービンロータ組立体およびそれを備えたタービン - Google Patents

Description

本発明は、タービンロータ組立体およびそれを備えたタービンに関し、特に翼根を有する動翼を固定する翼止板の構造の適正化を図った、タービンロータ組立体およびそれを備えたタービンに関する。

軸流ターボ機械の動翼１は、例えば図６に示すように、個々の動翼１がロータディスク２の全周に亘って設けられた複数の軸方向溝３に、それぞれ植設される。この場合、動翼１は、軸方向溝３に嵌合可能に形成された翼根４と翼部台部５と翼部６とで構成される。翼根４は、軸方向溝３に嵌合するように、段差状、且つ先細状に形成されている。一方、軸方向溝３は、Ｖ字状に多段的に掘り込まれた段差壁を有する溝で、底部からロータディスク２外周部に向けて拡開している。また、軸方向溝３は、ロータディスク２の軸方向に所定角度をもって貫通している。

かかる動翼１が配設された軸流ターボ機械において、運転中、ロータディスク２の回転によって、動翼１に及ぼされる推力などに対抗するため、翼止板７を介して、軸方向溝３に動翼１の翼根４を嵌合し、固定している。
翼止板７を用いることにより、動翼１がロータディスク２の軸方向のずれを防止するという機能がもたらされる。
翼止板７は、薄い板厚の板体であり、軸方向溝３内、底部側の溝部に嵌合する基部８と、基部８の両端にあって、軸方向溝３から軸方向に突出した端部には、ロータディスク２の径方向、すなわち半径方向の外側に折り曲げられてロータディスク２の軸方向端面に当接する折り曲げ部９、９を有する。折り曲げ部９、９は、基部８の幅寸法に比較して、基部８の軸を横切る幅方向の寸法を大としている。

しかしながら、組立後、翼根４側の段差溝と、ロータディスク２側の軸方向溝３とが嵌合しても、どうしても隙間Ａが生じることは避けられないのが現状である（図７参照）。
かかる隙間Ａを通じて、タービンロータ上流側から下流側に流れるガス流の主流Ｂに対して、漏れ流Ｃが生じるため、タービン性能低下の一因となっている（図８参照）。
以上のことから、高効率なタービンの実現には、漏れ低減が不可避の課題であることがわかる。

ところで、例えば特許文献１では、ロータディスクの軸方向溝と動翼の翼根との嵌合部は、隙間がある状態で保持されている構造が開示されている。
すなわち、特許文献１では、下流に配置された端部から、半径方向に配設された軸方向溝の部分にわたって延在する翼止板である。これらの翼止板は、一般的に、上流に配設された突出部を備え、この突出部は、翼根の付属の溝内へと係合する。下流に位置する端部領域は、軸方向溝を越えて突出し、かつ動翼の軸方向の固定をするために、この端部領域が折り曲げられる。

特許第４３１５８０１号

しかしながら、特許文献１では、ロータディスクの軸方向溝と動翼の翼根との嵌合部は、隙間がある状態で保持されており、作動流体であるガスがロータディスク上流側から下流側に漏れてしまい、タービン性能低下の一因となっている。
従って、タービンの高効率化には、ガスの漏れを低減することが重要な要件となっている。
本発明は、以上のような背景から提案されたものであって、翼根を有する動翼を固定する翼止板の構造の適正化を図った、タービンロータ組立体およびそれを備えたタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ロータディスクと、ロータディスクの外周に形成される複数の軸方向溝と、軸方向溝内にロータディスクの周方向に沿って、翼止板を介して軸方向溝に翼根を嵌合して固定してなる動翼群と、を具備するタービンロータ組立体であって、翼止板は、軸方向溝内に嵌合する基部と、基部の両端にあって、軸方向溝から突出する端部と、端部がロータディスクの径方向に折り曲げられて、翼根と軸方向溝との間に生ずる隙間を塞ぐ折り曲げ部と、を有し、折り曲げ部は、翼根と軸方向溝との嵌合部位を略全体的に覆うことを特徴とする。

これにより、動翼群における翼根と軸方向溝との嵌合部位を全体的に覆うことで、ロータディスクと動翼翼根との隙間を塞ぐことができるので、作動流体の漏れ流れを抑制し、タービン性能低下を抑制することができる。

また、本発明における一実施形態では、ロータディスクの軸方向端面と折り曲げ部の外側面とが面一となる、ことを特徴とする。

これにより、ロータディスクと動翼翼根との隙間を塞ぐ折り曲げ部が、ロータディスクの軸方向端面と折り曲げ部の外側面とが面一となるようにしたので、板段差（突起）をなくすことによる、風損いわゆるウィンデージロスを解消することができる。しかも、ロータディスクと動翼翼根との隙間からの作動流体の漏れ流れを封止することができる。

また、本発明における一実施形態では、隣接する折り曲げ部同士の外側面が面一となるようにそれぞれの折り曲げ部の外形形状が形成される、ことを特徴とする。

これにより、隣接する折り曲げ部同士の外側面が面一となるようにそれぞれの嵌合部位を挟持するため、ロータディスク軸方向端面の嵌合部近傍は、平坦化し、いわゆるウィンデージロスを解消することができる。また、折り曲げ部同士が段差なく接触した状態で動翼群を強固に保持することができ、しかも、折り曲げ部同士の間からの作動流体の漏れ流れを封止することができる。

さらに、請求項１から３のいずれか１に記載のタービンロータ組立体を備えたことを特徴とする。

これにより、作動流体の漏れ流れを抑制することができる、高効率のタービンロータ組立体を実現することができる。

本発明によれば、ロータディスクと動翼翼根との間に生じる隙間を、翼根と軸方向溝との嵌合部位の略全体的に覆って塞ぐことによって、作動流体の漏れ流れを抑制することができ、高効率なタービンを提供することができる。

本発明にかかるタービンロータ組立体の一実施形態を示す、一部外観斜視図である。 （ａ）図１に示すタービンロータ組立体の一例の模式的な要部拡大図、（ｂ）タービンロータ組立体の別例の模式的な要部拡大図、（ｃ）タービンロータ組立体のさらなる別例の模式的な要部拡大図である。 図２の模式的な拡大断面図である。 図２に対応する変形例である。 図３に対応する変形例である。 従来の翼止板を用いた動翼の取付構造を示す、概略的な分解斜視図である。 動翼を組付けたときの模式的な要部拡大図である。 従来の動翼の取付構造による、課題を説明するための要部拡大図である。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１に、本発明にかかるタービンロータ組立体１０の一実施形態を示す。
タービンロータ組立体１０は、例えば軸流タービンに搭載されるもので、ロータディスク１１と、ロータディスク１１の外周に形成される複数の軸方向溝１２と、軸方向溝１２内にロータディスク１１の周方向に沿って、翼止板１３を介して植設してなる動翼群１４ｎと、を具備する。

ロータディスク１１は、所定径の回転ディスクで軸流タービンの軸周りに回転する。かかるロータディスク１１の外周には、軸方向に所定角度なすように形成された軸方向溝１２が所定間隔ごとに全周に亘って設けられている。軸方向溝１２は、ロータディスク１１の軸方向の端面から見ると、Ｖ字状に多段的に掘り込まれた段差壁を有する溝で、底部からロータディスク１１外周部に向けて拡開している。また、軸方向溝１２は、ロータディスク１１の軸方向に所定角度をもって貫通している。

動翼群１４ｎは、個々の動翼１４がロータディスク１１の全周に亘って設けられた軸方向溝１２に、それぞれ一定間隔ごとに列設される。動翼１４は、実質的には、軸方向溝１２に嵌合可能に形成された翼根１４ａと翼部台部１４ｂと翼部１４ｃとで構成される。翼根１４ａは、軸方向溝１２に嵌合するように、段差状、且つ先細状に形成されている。

そして、翼止板１３は、薄い板厚の板体であり、軸方向溝１２内、底部側の溝部に嵌合する基部１３ａと、基部１３ａの両端にあって、軸方向溝１２から軸方向に突出した端部には、ロータディスク１１の径方向、すなわち半径方向の外側に折り曲げられてロータディスク１１の軸方向端面に当接する折り曲げ部１３ｂ、１３ｂを有する。折り曲げ部１３ｂ、１３ｂは、基部１３ａの幅寸法に比較して大きい寸法の略台形状の端部としている。

基部１３ａは、ロータディスク１１に形成された軸方向溝１２の軸方向の寸法と略同一寸法を有し、かかる基部１３ａと両端の折り曲げ部１３ｂ、１３ｂとは、軸方向溝３の軸方向に対する形成角度と同一の角度に偏向している。

また、折り曲げ部１３ｂ、１３ｂは、折り曲げ部１３ｂと基部１３ａとの境の折り曲げ線を介して、半径方向の外側に折り曲げられて、翼根１４ａと軸方向溝１２との嵌合部位に当接した際に、嵌合部位を略全体的に覆い、翼根１４ａと軸方向溝１２との間に生ずる隙間を塞ぐようになっている（図２ａ、図２ｂ、図２ｃ参照）。

また、図３に示すように、ロータディスク１１の軸方向端面Ｄと折り曲げ部１３ｂの外側面Ｅとが面一となるようになっている。すなわち、動翼１４の翼根１４ａが、軸方向溝１２に嵌合した状態において、翼部台部１４ｂの下縁部１４ｂｅが軸方向溝１２の頂部に当接すると共に、翼部台部１４ｂの下縁部１４ｂｅ側を、ロータディスク１１の軸方向端面側に突出させ、さらに、折り曲げ部１３ｂの外側縁部１３ｂｅが翼部台部１４ｂの下縁部に密接させることで、ロータディスク１２の軸方向端面と折り曲げ部１３ｂの外側縁部１３ｂｅとが面一となるようになっている。さらに、ロータディスク１１の軸方向端面Ｄの折り曲げ部１３ｂと重なる部分が、折り曲げ部１３ｂの板厚ｔ分だけ凹状に形成されている。

さらに、折り曲げ部１３ｂは、隣接する折り曲げ部１３ｂ同士が面一となるようにそれぞれの外形形状が形成されている。この場合、それぞれの折り曲げ部１３ｂと基部１３ａとの境の折り曲げ線１３ｌは、好ましくは略円孤を描くように連なっている。隣接する折り曲げ部１３ｂ同士が面一となることで、凹凸の存在により生じる、高速回転時のいわゆるウィンデージロス（風損）を解消するためであり、さらには、折り曲げ部１３ｂ同士の間からの作動流体の漏れ流れを封止するためである。
なお、折り曲げ部１３ｂの外形形状によっては、それぞれの折り曲げ部１３ｂと基部１３ａとの境の折り曲げ線１３ｌは、それぞれが直線で連なるようにしてもよいし（図２ｂ参照）、また、基部１３ａのみがロータディスク１１側に突出するようにしてもよい（図２ｃ参照）。

次に、以上のように構成されるタービンロータ組立体１について、組み立て手順を説明しながら翼止板１３の作用を説明する。
先ず、ロータディスク１１に動翼１４を組み付けるのに先立って、ロータディスク１１の外周に列設された軸方向溝１２に翼止板１３を装着する。
翼止板１３は、各軸方向溝１２に対して装着する際、基部１３ａの折り曲げ部１３ｂの一方を、折り曲げ部１３ｂと基部１３ａとの境の折り曲げ線を介して半径方向の外側に折り曲げる。

次いで、翼止板１３における基部１３ａを軸方向溝１２内に、上方から装入し、基部１３ａを嵌め込む。この場合、基部１３ａと軸方向溝３の長さ寸法は略同一であり、軸方向溝１２はＶ字状に多段的に掘り込まれた段差壁を有する溝で構成されているので、基部１３ａの幅寸法と軸方向溝３の溝幅とが略同一の位置の軸方向溝１２に基部１３ａを嵌合することができる。
軸方向溝１２に基部１３ａを嵌合すると、これにより、折り曲げ部１３ｂは、半径方向外側に突出する状態でロータディスク１１の軸方向端面側に当接する。
なお、このとき、翼止板１３におけるもう一方の折り曲げ部１３ｂは、折り曲げられていない状態にある。

次に、動翼１４の翼根１４ａを軸方向溝１２に、翼止板１３の折り曲げられていない方の端部側から装入する。これにより、翼根１４ａは、段差状に先細状に形成されている軸方向溝１２に嵌合することができる。このとき、翼根１４ａは、ロータディスク１１の軸方向端面側において半径外側に突出した翼止板１３の折り曲げ部１３ｂに当接する。
そうすると、翼部台部１４ｂの下縁部１４ｂｅが軸方向溝１２の頂部に当接すると共に、翼部台部１４ｂの下縁部１４ｂｅ側が、ロータディスク１１の軸方向端面側に突出して、折り曲げ部１３ｂの外側縁部１３ｂｅが翼部台部１４ｂの下縁部１４ｂｅに密接して、ロータディスク１２の軸方向端面と折り曲げ部１３ｂの外側縁部１３ｂｅとが面一となる（図３参照）。
このようにして、折り曲げ部１３ｂは、翼根１４ａと軸方向溝１２との嵌合部位に当接し、嵌合部位を略全体的に覆う。これにより、翼根１４ａと軸方向溝１２との間に生ずる隙間を塞ぐことができる。

そして、最終的に翼止板１３の折り曲げられていない方の折り曲げ部１３ｂを、径方向外側に折り曲げることで、動翼１４の翼根１４ａと軸方向溝１２との嵌合部位が翼止板１３の双方の折り曲げ部１３ｂ、１３ｂによって挟持された状態となる。

以上のようにして、ロータディスク１１に全ての動翼１４の組み付けが完了すると、隣接する翼止板１３の折り曲げ部１３ｂ同士は、面一状態で、翼根１４ａと軸方向溝１２との嵌合部位に当接し、嵌合部位を略全体的に覆う。これにより、翼根１４ａと軸方向溝１２との間に生ずる隙間を塞ぐことができる（図１参照）。

このように、このタービンロータ組立体１０では、動翼群１４ｎ、すなわち全ての動翼１４を、翼根１４ａと軸方向溝１２との嵌合部位を略全体的に覆うことで、ロータディスク１１と動翼１４の翼根１４ａとの隙間からの作動流体の漏れ流れを封止することができ、折り曲げ部１３ｂによって強固に支えることができる。
加えて、翼部台部１４ｂの下縁部１４ｂｅが軸方向溝１２の頂部に当接すると共に、翼部台部１４ｂの下縁部１４ｂｅ側が、ロータディスク１１の軸方向端面側に突出して、折り曲げ部１３ｂの外側縁部１３ｂｅが翼部台部１４ｂの下縁部１４ｂｅに密接して、ロータディスク１２の軸方向端面と折り曲げ部１３ｂの外側縁部１３ｂｅとが面一となるので、高速回転によるウィンデージロスを解消することができる。
しかも、全ての動翼１４を支える、隣接する翼止板１３の折り曲げ部１３ｂ同士は、面一状態で、翼根１４ａと軸方向溝１２との嵌合部位に当接し、嵌合部位を略全体的に覆うので、折り曲げ部１３ｂ同士の間からの作動流体の漏れ流れを封止することができ、高速回転によるウィンデージロスを解消することができる。

以上、本発明について一実施形態を挙げ、説明した。
本発明は、以下のように構成して、実施することもできる。
ここでは、一実施形態で説明したように、翼止板１３の折り曲げ部１３ｂ'は必ずしも翼根１４ａと軸方向溝１２との嵌合部位を全体的に、且つ隣り合う折り曲げ部１３ｂ'と接して接合していなくてもよい。
図４、５に示すように、ロータディスク１１の外周部近傍にある主たる隙間Ａまで覆うとともに、隙間Ａの形成される領域部分だけを覆うように、幅を小さくしてもよい。
図４、５は、折り曲げ部１３ｂ'の高さが、図２、３よりも低くなっており、さらに、折り曲げ部１３ｂ'の幅を狭めて両側の辺部は、隣り合う折り曲げ部１３ｂ'の両側の辺部とは接していない。その他は、図２、３と同様の構成であり、折り曲げ部１３ｂ'の外側面Ｅ'とロータディスク１１の軸方向端面Ｄとが面一となり、高速回転によるウィンデージロスをなくすことができる。

本発明は、軸流タービンのタービンロータ組立体のみならず、あらゆる回転機械のブレード固定用として適用可能である。

１０ タービンロータ組立体
１１ ロータディスク
１２ 軸方向溝
１３ 翼止板
１３ａ 基部
１３ｂ 折り曲げ部
１３ｂｅ 外側縁部
１３ｌ 折り曲げ線
１４ｎ 動翼群
１４ 動翼
１４ａ 翼根
１４ｂ 翼部台部
１４ｂｅ 下縁部
１４ｃ 翼部

Claims (3)

1. ロータディスクと、該ロータディスクの外周に形成される複数の軸方向溝と、該軸方向溝内に前記ロータディスクの周方向に沿って、翼止板を介して植設される複数の動翼からなる動翼群と、を具備するタービンロータ組立体であって、
   前記動翼は、
   前記軸方向溝に嵌合可能な翼根と、
   前記翼根の上部に形成される翼部台部と、
   前記翼部台部の上面に支持される翼部と、を有し、
   前記翼止板は、
   前記軸方向溝内に嵌合する基部と、
   該基部の両端にあって、前記軸方向溝から突出する端部と、
   該端部が前記ロータディスクの径方向に折り曲げられて、前記翼根と前記軸方向溝との間に生ずる隙間を塞ぐ折り曲げ部と、を有し、
   前記折り曲げ部は、前記翼根と前記軸方向溝との嵌合部位を略全体的に覆うように構成され、
   前記翼部台部は、前記翼根の端面から前記ロータディスクの軸方向端面側に突出する下縁部（１４ｂｅ）を有するとともに、
   前記折り曲げ部の外側縁部（１３ｂｅ）が前記翼部台部の前記下縁部（１４ｂｅ）に密接することで、前記ロータディスクの軸方向端面と前記折り曲げ部の外側面と前記翼部台部の端面とが面一となる、ように構成される
   ことを特徴とするタービンロータ組立体。
2. 隣接する前記折り曲げ部同士の外側面が面一となるようにそれぞれの前記折り曲げ部の外形形状が形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のタービンロータ組立体。
3. 請求項１又は２に記載のタービンロータ組立体を備えたことを特徴とするタービン。

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