JP6134878B2 - タービンの静翼制振構造 - Google Patents

Description

本発明は、静翼に発生する振動を抑制することができるタービンの静翼制振構造に関する。

近年、蒸気タービンにおいては、高出力化及び高効率化を進めるのに伴って、低圧最終段の翼を通過する蒸気の流量が増加する傾向にある。一方、作動流体である蒸気を効率的に膨張させるためには、特に、低圧最終段における翼の長翼化を図ることにより、当該翼の環状面積を増加させる必要がある。

また、蒸気タービンに用いられる翼においては、翼の外装形状や質量、あるいは、翼を通過する蒸気の流速や質量に応じて、振動が発生することがある。特に、上述したような、長翼化を図った翼においては、振動が更に発生し易くなるおそれがあった。

そこで、従来から、翼に発生する振動を抑制するようにしたタービンの翼制振構造が、種々提供されており、このような、タービンの翼制振構造は、例えば、特許文献１，２に開示されている。

特開２０１１−１３７４２４号公報 特開昭６０−１１１００１号公報

上記従来のタービンの翼制振構造では、動翼の背面及び腹面から外側に向けて突出する連結部材を設け、ロータ回転時において動翼に作用する遠心力によって発生する当該動翼の捩じり戻りを利用して、隣接する動翼間の連結部材同士を係合させるようにしている。これにより、従来の翼制振構造においては、動翼に振動が発生すると、連結部材同士が接触して、これらの間に摩擦力が生じることになり、その摩擦力によって、その振動を減衰させることが可能となっている。

一方、タービンにおける静翼は、その両端部が固定支持されるものであるため、動翼のように、ロータの回転と共に回転することはない。よって、動翼に採用可能な上記従来の翼制振構造を、静翼に適用しても、当該静翼に発生する振動を抑制することは困難となる。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、静翼に発生する振動を抑制することができるタービンの静翼制振構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明に係るタービンの静翼制振構造は、
タービンのロータを回転可能に支持するケーシングと、
前記ケーシングの内周部に支持され、前記ロータの周方向に配列される複数の静翼とを備えたタービンの静翼制振構造であって、
前記静翼の背面から外側に向けて突出する背側連結部と、
前記静翼の腹面から外側に向けて突出する腹側連結部とを設け、
前記ロータの周方向において隣接した前記静翼同士を、前記背側連結部と前記腹側連結部とによって連結させる際に、
前記背側連結部の先端部に、円弧状に凹むように形成される背側凹部と、
前記腹側連結部の先端部に、円弧状に凹むように形成される腹側凹部と、
前記背側凹部と前記腹側凹部との間に挟持されるピンとを備える
ことを特徴とする。

従って、本発明に係るタービンの静翼制振構造によれば、隣接した静翼同士を、背側連結部と腹側連結部とによって連結することにより、静翼の剛性を向上させることができるので、当該静翼に発生する振動を抑制することができる。

本発明に係るタービンの静翼制振構造が適用される蒸気タービンの概略縦断面図である。 各段の静翼列を背面側から見た斜視図である。 隣接した静翼同士を連結したときの様子を内側端部側から見た平面図である。 本発明の第１実施例に係るタービンの静翼制振構造を示した斜視図である。 本発明の第２実施例に係るタービンの静翼制振構造を示した図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 本発明の第３実施例に係るタービンの静翼制振構造を示した図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 本発明の第４実施例に係るタービンの静翼制振構造を示した図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

以下、本発明に係るタービンの静翼制振構造について、図面を用いて詳細に説明する。

図１に示すように、蒸気タービン１は、その外殻をなすケーシング（車室）１１と、このケーシン１１内に回転可能に支持されるロータ１２と、ケーシング１１の内周部に支持される複数の静翼１３と、この静翼１３に隣接してロータ１２の外周部に支持される複数の動翼１４とを備えている。

更に、ケーシング１１の前端部には、蒸気を取り込むための蒸気取込口１５が設けられており、この蒸気取込口１５は、ケーシング１１内に形成される蒸気通路１６に連通している。そして、蒸気通路１６は、ロータ１２の軸方向に形成されており、この蒸気通路１６内には、静翼１３と動翼１４とが交互に配置されている。なお、図１に記載した２点鎖線は、蒸気の流れを示している。

静翼１３は、蒸気を下流側に隣接する動翼１４に案内するものであって、ロータ１２の周方向に等角度間隔で、且つ、ロータ１２を中心として放射状に配置されている。そして、図２に示すように、静翼１３におけるロータ１２の径方向内側の内側端部１３ａは、内側シュラウド２１に固定される一方、静翼１３におけるロータ１２の径方向外側の外側端部１３ｂは、環状部材２２に固定されている。

なお、内側シュラウド２１は、円筒状に形成されており、ロータ１２の径方向において、ケーシング１１とロータ１２との間に配置されている。一方、環状部材２２は、ケーシング１１の内周部に固定されている。

また、動翼１４は、蒸気の主流が有する運動エネルギを回転エネルギに変換するものであって、ロータ１２の周方向に等角度間隔で、且つ、ロータ１２を中心として放射状に配置されている。そして、動翼１４におけるロータ１２の径方向内側の内側端部は、ロータ１２の外周部に固定される一方、動翼１４におけるロータ１２の径方向外側の外側端部は、ケーシング１２の内周面との間で、所定量の隙間を有している。

ここで、蒸気タービン１では、ロータ１２の同一円周上において円形状に配列された静翼１３及び動翼１４のそれぞれの集合を、静翼１３列及び動翼１４列としている。そして、それら静翼１３列と動翼１４列とを、ロータ１２の軸方向において交互に配置している。

このとき、静翼１３列と、当該静翼１３列の下流側に隣接した動翼１４列とは、前後一対となって、１つの段を構成している。そして、蒸気タービン１は、その前後一対の静翼１３列及び動翼１４列から構成される段を、複数段（図１では５段）備えている。

また、複数段の静翼１３列及び動翼１４列においては、その翼長（ロータ１２の径方向の長さ、ロータ１２の軸方向と直交する方向の長さ）が、蒸気通路１６を上流側から下流側に向かうに従って、漸次長くなるように構成されている。

更に、蒸気通路１６内に配置される最下流側の段は、蒸気圧力を最も低圧にさせる段となることから、低圧最終段となっている。そして、その低圧最終段の静翼１３及び動翼１４は、蒸気タービン１の高出力化及び高効率化を図ることを目的として、その上流側に配置される他の段の静翼１３及び動翼１４と比べて、特に、翼長が長くなるように形成されている。

従って、蒸気タービン１の運転が開始されると、蒸気取込口１５に供給された蒸気は、各段の静翼１３列及び動翼１４列を順次通過しながら、蒸気通路１６内をロータ１２の軸方向に沿って流れる。このとき、蒸気が静翼１３列を通過することにより、蒸気の圧力が低下され、当該蒸気に運動エネルギが発生する。次いで、静翼１３列によって案内された蒸気が動翼１４列を通過することにより、蒸気の運動エネルギが回転エネルギに変換され、ロータ１２が回転される。そして、ロータ１２の回転に伴って発電機が駆動し、その発電機によって、ロータ１２の回転エネルギが電気エネルギに変換され、発電が行われる。

即ち、蒸気タービン１においては、取り込んだ蒸気を、静翼１３列及び動翼１４列から構成される各段に順次通過させることにより、その蒸気の圧力を、所定の吐出圧力に達するように徐々に低下させるようにしている。このとき、上述したように、低圧最終段の静翼１３は、その翼長が最も長いため、振動強度上、最も厳しい条件下に配置されている。

そこで、蒸気タービン１においては、複数段の静翼１３列の中でも、少なくとも、蒸気の通過によって振動が発生し易くなる最終段の静翼１３列に対して、本発明に係る静翼制振構造を採用している。

次に、本発明に係る静翼制振構造を静翼１３列に適用した場合について、図３乃至図７を用いて具体的に説明する。なお、図３に記載した２点鎖線は、蒸気の流れを示している。

先ず、第１実施例に係る静翼制振構造として、図３及び図４に示すように、静翼１３の背面１３ｃ及び腹面１３ｄには、背側連結部材３１及び腹側連結部材４１が設けられている。

背側連結部材３１は、背面１３ｃからロータ１２の周方向外側に向けて突出するような、先細り形状となっている。一方、腹側連結部材４１は、腹面１３ｄからロータ１２の周方向外側に向けて突出するような、先細り形状となっている。そして、背側連結部材３１の先端面３１ａと、腹側連結部材４１の先端面４１ａとは、溶接によって連結されている。

従って、静翼１３列をロータ１２の周方向において一体化させることができるので、静翼１３の剛性を向上させることができる。これにより、静翼１３に発生する振動を抑制することができる。

また、第２実施例に係る静翼制振構造として、図５に示すように、静翼１３の背面１３ｃ及び腹面１３ｄには、背側連結部材３２及び腹側連結部材４２が設けられている。

背側連結部材３２は、背面１３ｃからロータ１２の周方向外側に向けて突出するような、先細り形状となっており、その先端中央部には、半円状（円弧状）に凹んだ背側凹部３２ａが形成されている。一方、腹側連結部材４２は、腹面１３ｄからロータ１２の周方向外側に向けて突出するような、先細り形状となっており、その先端中央部には、半円状（円弧状）に凹んだ腹側凹部４２ａが形成されている。

そして、背側凹部３２ａと腹側凹部４２ａとの間には、円柱状のピン５２が挟持されている。即ち、背側連結部材３２と腹側連結部材４２とは、対向した凹部３２ａ，４２ａ間にピン５２を介在させることにより、連結されることになる。

従って、静翼１３列をロータ１２に周方向において一体化させることができるので、静翼１３の剛性を向上させることができる。このとき、静翼１３に振動が発生して、背側凹部３２ａ及び腹側凹部４２ａがピン５２に強く接触すると、これら背側凹部３２ａ及び腹側凹部４２ａに対して、ピン５２からの反力が作用することになる。この結果、そのような、ピン５２のダンパ作用によって、静翼１３の振動を減衰させることができる。これにより、静翼１３に発生する振動を抑制することができる。

更に、第３実施例に係る静翼制振構造として、図６に示すように、静翼１３の背面１３ｃ及び腹面１３ｄには、背側連結部材３３及び腹側連結部材４３が設けられている。

背側連結部材３３は、背面１３ｃからロータ１２の周方向外側に向けて突出するような、先細り形状となっており、その先端中央部には、円形状に開口した係合凹部３３ａが形成されている。一方、腹側連結部材４３は、腹面１３ｄからロータ１２の周方向外側に向けて突出するような、先細り形状となっており、その先端中央部には、円形状に膨出した係合凸部４３ａが形成されている。

そして、係合凹部３３ａと係合凸部４３ａとは、係合（嵌合）されている。即ち、背側連結部材３３と腹側連結部材４３とは、係合凹部３３ａと係合凸部４３ａとを係合させることにより、連結されることになる。

従って、静翼１３列をロータ１２に周方向において一体化させることができるので、静翼１３の剛性を向上させることができる。このとき、静翼１３に振動が発生すると、係合凹部３３ａと係合凸部４３ａとの間に摩擦力が生じることになり、この摩擦力によって、静翼１３の振動を減衰させることができる。これにより、静翼１３に発生した振動を抑制することができる。

また更に、第４実施例に係る静翼制振構造として、図７に示すように、静翼１３の背面１３ｃ及び腹面１３ｄには、背側連結部材３４及び腹側連結部材４４が設けられている。

背側連結部材３４は、背面１３ｃからロータ１２の周方向外側に向けて突出するような、先細り形状となっており、その先端中央部には、楔形状に開口した係合凹部３４ａが形成されている。一方、腹側連結部材４４は、腹面１３ｄからロータ１２の周方向外側に向けて突出するような、先細り形状となっており、その先端中央部には、楔形状に膨出した係合凸部４４ａが形成されている。

そして、係合凹部３４ａと係合凸部４４ａとは、係合（嵌合）されている。即ち、背側連結部材３４と腹側連結部材４４とは、係合凹部３４ａと係合凸部４４ａとを係合させることにより、連結されることになる。

従って、静翼１３列をロータ１２に周方向において一体化させることができるので、静翼１３の剛性を向上させることができる。このとき、静翼１３に振動が発生すると、係合凹部３４ａと係合凸部４４ａとの間に摩擦力が生じることになり、この摩擦力によって、静翼１３の振動を減衰させることができる。これにより、静翼１３に発生した振動を抑制することができる。

本発明は、静翼の組み付け精度を向上させることを目的としたタービンの静翼支持構造に適用可能である。

１ 蒸気タービン
１１ ケーシング
１２ ロータ
１３ 静翼
１３ｃ 背面
１３ｄ 腹面
１４ 動翼
１５ 蒸気取込口
１６ 蒸気通路
２１ 内側シュラウド
２２ 環状部材
３１〜３４ 背側連結部材
４１〜４４ 腹側連結部材

Claims (1)

1. タービンのロータを回転可能に支持するケーシングと、
   前記ケーシングの内周部に支持され、前記ロータの周方向に配列される複数の静翼とを備えたタービンの静翼制振構造であって、
   前記静翼の背面から外側に向けて突出する背側連結部と、
   前記静翼の腹面から外側に向けて突出する腹側連結部とを設け、
   前記ロータの周方向において隣接した前記静翼同士を、前記背側連結部と前記腹側連結部とによって連結させる際に、
   前記背側連結部の先端部に、円弧状に凹むように形成される背側凹部と、
   前記腹側連結部の先端部に、円弧状に凹むように形成される腹側凹部と、
   前記背側凹部と前記腹側凹部との間に挟持されるピンとを備える
   ことを特徴とするタービンの静翼制振構造。

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