JP6190622B2

JP6190622B2 - タービン

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Publication number: JP6190622B2
Application number: JP2013102805A
Authority: JP
Inventors: 智美田中; 穣山下; 磯部　展宏; 展宏磯部
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: JP2014224463A

Description

本発明はドラムロータおよび動翼を備えるタービンに関する。

軸流タービンは、ケーシング内に、ロータと複数の動翼及び静翼とを備えている。軸流タービンにおけるタービン動翼同士の連結構造は、性能向上と振動応答低減のため、翼先端に翼部と一体に設けられたカバーを介して隣接翼同士を連結する全周連結翼構造を利用することが多い。

軸流タービンのロータ形状は、ドラムロータとディスクロータの２種類に大きく分類されるが、本発明はドラムロータを対象とする。ディスクロータでは、ディスクに圧力が作用するのでスラスト軸受の負荷が大きくなる傾向があり、また、ディスクの寸法分だけタービンがロータ径方向に大きくなり出力・効率の面で相対的に不利になる傾向があるが、ドラムロータにはこの種の事情は存在しない。ドラムロータには、Ｔ型溝付きタービン動翼がよく採用される。当該タービン動翼は、翼部と、当該翼部と一体に設けられたカバー部および根元部（溝部）とを備えている。当該根元部は、動翼をドラムロータに固定するためのフック部およびネック部と、翼部とネック部をつなぐプラットフォーム部（根上部）を備えている。ドラムロータは、動翼前後の圧力差が大きい条件で採用する構造であることから、動翼の根元部をロータの凹部（ロータ溝）に挿入し、ロータに作用するスラスト力を低下させる効果が得られる。

ドラムロータを有するタービンの組み立て方法としては、ロータ溝に動翼を挿入して周方向に移動することを繰り返して組み立てていくものがあり、最後に挿入する翼（以下、最終翼と称することがある）では、当該最終翼がロータ回転時の遠心力でロータ溝から脱落しないように、各種方法で固定している。この種の組み立て方法はディスクロータにも見られる。

ドラムロータおよびディスクロータの最終翼の固定方法としては、例えば、（１）ディスクおよび最終翼にキーを嵌め込んで最終翼を固定するもの（例えば、特許第４９２９３１６号公報、米国特許出願公開第２００４−１１５０５２号明細書）、（２）最終翼とともにドラムに挿入したキーやピンを最終翼の挿入後に回転し固定するもの（特開２００７−１７７７７５号公報、特開２０１２−１０２７３０号公報）、（３）最終翼をねじでロータに固定するもの（英国特許出願公開第７０４８８２号明細書）、（４）隣接翼の翼根元間の隙間に最終翼の代わりにくさび（スペーサー）を挿入するもの（米国特許第６９２９４５３号明細書、米国特許第６２９９４１１号明細書）、（５）隣接翼の翼根元間の隙間に最終翼の代わりにくさび（キー）を挿入し、さらに隣接翼のカバー間に生じる隙間を部材（接続片）で埋めるもの（実公平７−２４５６３号公報）がある。

特許第４９２９３１６号公報米国特許出願公開第２００４−１１５０５２号明細書特開２００７−１７７７７５号公報特開２０１２−１０２７３０号公報英国特許出願公開第７０４８８２号明細書米国特許第６９２９４５３号明細書米国特許第６２９９４１１号明細書実公平７−２４５６３号公報

ところが、上記（１）から（５）の方法では次のような課題が生じる。まず、（１）の方法では、ディスク部に半径方向の段差が必要であるため、動翼間に作用するスラスト力が増し、さらにディスク径の小型化を図る場合にはロータ強度が低下するおそれがある。（２）の方法では、翼挿入部において、軸方向にキーやピンの固定場所を長くとる必要がある場合が多く、ロータ部の強度低下またはロータ軸長が長くなる問題がある。一般的に、ロータ軸長の増加は、剛性の低下や振動の発生の原因となる。また、内周側エンドウォールにおいてキーやピンの固定場所に相当する部分にはシールを設けることができなくなるので、効率低下の原因となる場合がある。（３）の方法では、組立や分解が困難になる場合や、ねじ挿入部の強度確保が容易ではない場合がある。（４）の方法では、（１）から（３）の方法のようなデメリットは生じないが、動翼先端の翼カバーを介した全周連結翼構造を採用することができなくなるため、翼の振動応答が増大するおそれがある。（５）の方法では、翼カバーと部材を溶接などで固定するため手間がかかる。以上をまとめると、ロータに対する最終翼の固定方法は各種あるものの、それぞれの手法は一長一短であることが指摘できる。

そこで、本発明の目的は、ドラムロータを有し、翼カバーを介した全周連結翼構造のタービンにおいて、組み立て・分解が容易で、動翼固定に起因したロータの軸方向長さの増加を抑制できるタービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、凹状に形成されたロータ溝を周方向に備えるドラムロータと、ロータ軸方向の両側に向かって突出するフックが設けられた根元部、当該根元部から突出した翼部、および当該翼部の先端に設けられたカバー部を有し、当該根元部を介して前記ロータ溝に固定される動翼とを備え、前記根元部は、当該根元部をロータ軸方向に３分割することで得られる、ロータ軸方向の一方側の端部に位置し前記フックの一方を有する第１フック部と、ロータ軸方向の他方側の端部に位置し前記フックの他方を有する第２フック部と、当該第１フック部および当該第２フック部の間に位置し前記翼部と一体になった中央部とを備えており、前記中央部は、ロータ径方向に移動不能に前記第１フック部および前記第２フック部に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、動翼固定に起因したロータの軸方向長さの増加を抑制できる組み立て・分解が容易なタービンを提供できる。

Ｔ型溝付きタービン動翼の一例を示す図。本発明が適用されるドラムロータの一例を示す図。ドラムロータに加工されるロータ溝６の断面形状の一例を示す図。動翼を植え込みが完了したロータ５上の根上部２ｍをロータ径方向上から見たタービンの断面図。本発明におけるＮｂ−２本目までの動翼の挿入方法の一例を示す図。本発明におけるＮｂ−１本目の動翼の挿入方法の一例を示す図。Ｎｂ−１本目に挿入する翼において、干渉部Ｋに相当する部分に切り欠き部を設けた場合の斜視図。本発明の第１の実施の形態に係る最終翼の概略を示す斜視図。本発明の第１の実施の形態に係る最終翼の中央部２ｂの断面図。図９中のX-X面における最終翼の断面図（ロックピン回転前）。本発明の第１の実施の形態に係るロックピンの概略図。本発明の第１の実施の形態に係るロックピンの概略図。本発明の第１の実施の形態におけるフック部２ａ１，２ａ２の挿入方法の一例を示す図。本発明の第１の実施の形態における中央部２ｂの挿入方法の一例を示す図。図９中のX-X面における最終翼の断面図（ロックピン回転後）。４つのロックピンを利用した場合の最終翼の断面図（ロックピン回転前）。４つのロックピンを利用した場合の最終翼の断面図（ロックピン回転後）。本発明の第２の実施の形態に係る最終翼以外の動翼の概略構成図。本発明の第２の実施の形態に係る最終翼の概略構成図。本発明の第２の実施の形態に係るロックピンの概略図。本発明の第３の実施の形態に係る最終翼の概略構成図。本発明の第３の実施の形態の比較例に係る最終翼の概略構成図。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、以下では、蒸気タービンに関して説明を行うが、ガスタービンを含む他のターボ機械等にも本発明は適用できる場合がある。

熱条件の違いによって、蒸気タービンのロータ形状は大きく二種類に分けられる。本発明はそのうちの一つ、ドラムロータによく採用されるＴ型溝付きタービン動翼に関するものである。図１はＴ型溝付きタービン動翼の一例を示す図であり、特に、ドラムロータの同一のロータ溝に固定される全動翼から最後に固定される翼（最終翼）を除いた動翼（以下、一般翼と称することがある）に採用されている形状を示す。この図に示すタービン動翼は、ロータ軸方向の両側に向かって突出するフックが設けられた根元部（溝部）２と、根元部２から突出した翼部３と、翼部３の先端に翼部３と一体に設けられたカバー部４を備えている。根元部２は、ロータ軸方向の側面に設けられたフック（凸部）２ｆおよびネック（凹部）２ｎと、翼部２とネック２ｎをつなぐ根上部（プラットフォーム部）２mを備えている。ドラムロータは動翼前後の圧力差が大きい条件で採用する構造であることから、ロータの外周に設けた凹状のロータ溝に根元部２を挿入し、ロータに作用するスラスト力を低下させている。

図２に本発明が適用されるドラムロータの一例を示す。図２はドラムロータ５の概略断面図である。この図に示すロータ５は、シャフトの周囲に円筒状に形成されたロータ本体を有するドラムロータであり、ロータ本体の外周にはロータ周方向に設けられた凹状の溝であるロータ溝６が設けられている。ロータ溝６は、ロータ軸方向に所定の間隔を介して複数設けられている。

図３はドラムロータに加工されるロータ溝６の断面形状の一例を示す図である。この図において、ロータ溝６には、動翼の根元部２のフック２ｆに嵌め合わされるフック６ｆが設けられている。フック６ｆは、ロータ溝６においてロータ径方向（Ｚ方向）に延びる２つの平面上からロータ軸方向（Ｘ方向）に突出した凸部であり、ロータ周方向に形成されている。図中の符号Ｗ_Ｒｆは、ロータ軸方向におけるロータ溝６の長さ（ネック幅）を示している。図に示したロータ溝６の断面形状はロータ周方向にわたって同一である。フック６ｆは、根元部２のフック２ｆと接触することで、ロータ回転時に動翼が遠心力によって脱落しない仕組みとなっている。

なお、Ｚ方向に対してフックが左右に１つずつあるとき、ロータ溝６はＴ字型に見えるため、このような溝形状は一般的にＴ字型、またはＴルート、Ｔルート型と称される。また、高温部など、フックが左右１つずつでは強度が成立しない段落では、フック数を半径方向に複数備える場合もある。

動翼の植え込みが完了したロータ５上の根上部２ｍをロータ径方向上から見たタービンの断面図を図４に示す。図中の符号Ｓは、動翼の根元部２におけるロータ周方向端部を示し、符号Ｊは、根元部２におけるロータ軸方向端部を示す。この図に示すように、翼部根元３ｒを根上部２mに配置するため、根上部２mを含む根元部２は、ロータ径方向からみて鋭角αの頂点を有する平行四辺形の形状とすることが多い。なお、ロータ径方向からみた根元部２は、図４に示した平行四辺形以外の形状でも良く、例えば長方形としても良い。

次に、ドラムロータにおけるタービン動翼の組立方法について説明する。ここでは、同一のロータ溝６に、合計でＮｂ本の動翼が埋め込まれる場合を例に挙げて説明する。

まず、動翼Ｎｂ本のうち、Ｎｂ−２本目までをロータ溝６に挿入する。図５は本発明におけるＮｂ−２本目までの動翼の挿入方法の一例を示す図である。この図に示すように、Ｎｂ−２本目までの動翼は、まず、図４に示した姿勢（ロータ５への植え込み完了時の姿勢）から時計回りに約９０度回転させた姿勢でロータ溝６内に挿入する。図５の例では、動翼の根元部２におけるロータ周方向端部Ｓが、ロータ周方向に対してほぼ水平となる姿勢で動翼をロータ溝６内に挿入にすることで、根元部２のフック２ｆとロータ溝６のフック６ｆを干渉させることなく動翼を挿入している。このように動翼をロータ溝６内に挿入したら、当該動翼を反時計回りに回転させて、根元部２のフック２ｆをロータ溝６のフック６ｆに係合させる。具体的には、動翼をロータ溝６内に挿入したら、当該動翼を反時計回りに約９０度回転して、根元部２のロータ軸方向端部Ｊをロータ周方向とほぼ水平にすることで、図４に示したように、動翼を植え込み時の姿勢にすることができる。

なお、図中の符号Ｗ_Ｂｆは、ネック２ｎにおける根元部２のロータ軸方向の長さを示している。また、動翼を反時計回りに回転するのは、ロータ溝６のロータ軸方向長さＷ_Ｒｆを根元部２のロータ軸方向長さ以上まで確保しなくても、ロータ溝６内で動翼を回転可能とするためである。

Ｎｂ−２本目までの動翼の挿入が完了したら、次に、最終翼の１本前、つまりＮｂ−１本目の動翼を挿入する。図６は本発明におけるＮｂ−１本目の動翼の挿入方法の一例を示す図である。

Ｎｂ−１本目の動翼を挿入する際、ロータ溝６において、翼が挿入されていないスペースのロータ周方向長さは、Ｎｂ−１本目のピッチＰと最終翼のピッチＰＬの合計ＰＬ＋Ｐしかない。そのため、図６に示したように、Ｎｂ−１本目の翼の根元部２のロータ軸方向長さがＰＬ＋Ｐより長いときは、斜線で示した干渉部Ｋによって当該Ｎｂ−１本目の翼をロータ溝６に挿入できないおそれがある。これは、図６のように、根元部２の平行四辺形の鋭角αが小さいときほど起こりやすく、かつ鋭角αが小さいほど干渉部Ｋが大きくなりやすい。そのため、必要に応じて、Ｎｂ−１本目に挿入する翼の翼根部２からは、干渉部Ｋに相当する部分を予め削ぎ落としておき、ロータ溝６に挿入できるようにする必要がある。

図７は、Ｎｂ−１本目に挿入する翼において、干渉部Ｋに相当する部分に切り欠き部を設けた場合の斜視図である。この図に示した動翼の根元部２は、干渉部Ｋに相当する部分に設けられた切り欠き部２ｇを備えている。切り欠き部２ｇは、四角形状の根元部２をロータ径方向からみて対角線上に位置する２つの角部を削ぎ落としたもので、図７の例では図４の鋭角αの部分を平らに加工して形成されている。なお、根元部２と同様にカバー部４の端部が隣接する他の翼のカバー部４と干渉する場合には、当該カバー部４に同様の切り欠き部を設けて干渉を回避しても良い。また、図６，７に示した例では、四角形状からなる根元部２の２つの頂点に切り欠き部２ｇを設ける場合について説明したが、場合によっては残りの２つの頂点にも切り欠き部２ｇを設けても良い。

以上の作業により、Ｎｂ−１本目に挿入する翼についても、他の翼と同様にロータ溝６に挿入可能となり、反時計回りに回転することで隣接翼と接触した状態で配列することができる。なお、Ｎｂ本の動翼に係る翼ピッチ（ロータ周方向における動翼の長さ）は、最終翼を含め全翼で同一ピッチとしてもいいし、Ｎｂ−１本目の翼の挿入を容易にするため、最終翼のピッチＰＬを他の翼よりも大きくとってもよい。

Ｎｂ−１本目までの動翼の挿入が完了したら、次に、Ｎｂ本目の動翼、つまり最終翼を挿入する。図８は本発明の第１の実施の形態に係る最終翼の概略を示す斜視図である。この図に示す最終翼の根元部２は、図１に示したタイプの動翼の根元部２をロータ軸方向に３分割して得られる第１フック部２ａ１、第２フック部２ａ２および中央部２ｂを備えている。

第１フック部２ａ１は、根元部２においてロータ軸方向の一方側（上流側）に位置する部分であり、１組のフック２ｆおよびネック２ｎの一方を有している。第２フック部２ａ２は、根元部２においてロータ軸方向の他方側（下流側）に位置する部分であり、１組のフック２ｆおよびネック２ｎの他方を有している。中央部２ｂは、第１フック部２ａ１と第２フック部２ａ２の間に位置する部分であり、翼部３、根上部２ｍおよびカバー部４と一体に成形されている。

図９は中央部２ｂの断面図であり、図１０は図９中のX-X面における動翼の断面図である。図８および図１０が示すように、第１フック部２ａ１および第２フック部２ａ２は、それぞれ、中央部２ｂとの対向面に凹状に形成された溝である空洞部（第１溝、第２溝）１０ａを有している（図８中には第２フック部２ａ２の空洞部１０ａのみ示す）。図１０に示した例における空洞部１０ｂの断面形状は、扇形の一部で形成されている。

図９および図１０に示すように、中央部２ｂは、中央部２ｂを第１フック部２ａ１に固定するための第１ロックピンＲと、中央部２ｂを第２フック部２ａ２に固定するための第２ロックピンＲを備えている。第１ロックピンＲは、第１フック部２ａ１との対向面に凹状に設けられた空洞部１０ｂに収納されており、第２ロックピンＲは、第２フック部２ａ２との対向面に凹状に設けられた空洞部１０ｂに収納されている。図示した例における各空洞部１０ｂの断面形状は、扇形の一部で形成されており、空洞部１０ｂは、フック部２ａ１，２ａ２の空洞部１０ａと一体となって略扇形の断面を形成している。なお、中央部２ｂのロータ５への挿入時にロックピンＲの全体が収納され、中央部２ｂのロータ５への挿入後にロックピンＲの回転が可能であれば空洞部１０ｂの形状に限定はない。

各空洞部１０ｂには、円柱形状の孔部１０ｃが連結している。孔部１０ｃは、根上部２ｍの上面と空洞部１０ｂを連通する貫通孔であり、ロックピンＲを回動する際に利用される回転軸Ｒｅが挿入される。次にロックピンＲについて詳しく説明する。

図１１は本発明の第１の実施の形態に係るロックピンＲの概略図である。この図に示したロックピンＲは、略直方体状に形成されたキー部Ｒｃと、キー部Ｒｃの上面から突出した円柱状の回転軸Ｒｅと、回転軸Ｒｅの天面に設けられた切欠きＲｓを備えている。

キー部Ｒｃは、２つのフック部２ａ１，２ａ２と中央部２ｂをつなげる役目を有しており、ロックピンＲに必要不可欠な構成体となっている。また、キー部Ｒｃは、回転軸Ｒｅを中心にしてキー部Ｒｃを回転させると、フック部２ａ１，２ａ２の空洞部１０ａ内に移動して収納されるように構成されている。そのため、キー部Ｒｃにおいて回転軸Ｒｅの中心軸と交差する面は当該回転軸Ｒｅと直交するように形成されている。本実施の形態では、キー部Ｒｃは直方体で形成されており、また回転軸Ｒｅはロータ径方向に延びているので、回転軸Ｒｅの中心軸と交差するキー部Ｒｃの上面と下面は水平面で構成されている。図１０に示した例のように、キー部Ｒｃには、スムーズな回動を実現する観点から面取りを施しても良い。

回転軸Ｒｅは、キー部Ｒｃの回転を容易にするためのものであり、中央部２ｂの孔部１０ｃに挿入される。中央部２ｂと同時に挿入されたキー部Ｒｃを、回転軸Ｒｅを介して回転さると、フック部２ａ１，２ａ２に形成された空洞部１０ａ内にキー部Ｒｃを移動させることができる。

回転軸Ｒｅの軸方向長さには特に限定はない。但し、長くしたほうが孔部１０ｃへの蒸気の流入を塞ぐことができるため、損失を低減できる効果がある。例えば、回転軸Ｒｅの上面が根上部２ｍの上面に到達するまで回転軸Ｒeを長くした場合、根上部２ｍ上に表れる孔部１０ｃの開口を塞ぐことができる。また、回転軸Ｒｅの頭頂部を根上部２ｍ上でかしめることが容易になるので、キー部Ｒｃを介してフック部２ａと中央部２ｂを結合させた状態で回転軸Ｒｅおよびキー部Ｒｃを固定することも容易となる。

なお、回転軸Ｒｅの上面を根上部２ｍの上面まで延長する場合には、キー部Ｒｃと回転軸Ｒｅは別体で形成する必要があるが、この場合には、回転軸Ｒｅの下端（ロータ径方向内側の端部）に、キー部Ｒｃと接続するための構造を設ければ良い。例えば、図９に示した例のように回転軸Ｒｅの下端にねじ部Ｒｅ１を設けた場合には、これに対応するナット部をキー部Ｒｃに設け、空洞部１０ｂにキー部Ｒｃを挿入した後に、ロータ径方向から回転軸Ｒｅを孔部１０ｃに挿入し、ねじＲｅ１を介して回転軸Ｒｅとキー部Ｒｃを事後的に合体させればよい。

また、回転軸Ｒｅは、図１１に示した例のようにキー部Ｒｃと一体成形しても良いし、キー部Ｒｃと別体としても良い。

切欠き部Ｒｓは、回転軸Ｒｅの上端面に設けられている。例えば、図１１に示した例のように、切り欠き部Ｒｓをマイナスドライバーと係合可能に設ければ、孔部１０ｃにマイナスドライバーを挿入して切り欠き部Ｒｓに係合させた状態で当該マイナスドライバーを回転させれば、キー部Ｒｃに容易にトルクを与えることができる。なお、切欠き部Ｒｓは、キー部Ｒｃを回転できる構成であればどのような形状であってもかまわない。

また、上記では、回転軸Ｒｅを備えるロックピンＲについて説明したが、回転軸Ｒｅは省略することができる。例えば、図１２に示したようにキー部Ｒｃの上面に切り欠き部Ｒｓを設ければ、孔部１０ｃにマイナスドライバーを挿入することで切り欠き部Ｒｓを介してキー部Ｒｃを回転させることができる。

次に、上記のように構成される最終翼をロータ溝６に固定する場合の手順について説明する。図１３は本発明の第１の実施の形態におけるフック部２ａ１，２ａ２の挿入方法の一例を示す図である。この図に示すように、まず、２つのフック部２ａ１，２ａ２をロータ溝６内に挿入し、ロータ溝６におけるロータ軸方向の両側に位置する面にそれぞれ当接される。これにより、最終翼の根元部２のフック部２ｆとロータ溝６のフック部６ｆがロータ軸方向に配置された面を介して接触する。

次に、ロータ溝６内に挿入された２つのフック部２ａ１，２ａ２の間に、２つの空洞部１０ｂにロックピンＲが格納された中央部２ｂを挿入する。図１４は本発明の第１の実施の形態における中央部２ｂの挿入方法の一例を示す図である。このとき、中央部２ｂとともに、２つの空洞部１０ｂ内にそれぞれ収納されたロックピンＲがロータ溝６内に挿入される。このときロックピンＲは回転前であるため、図１０に示したようにロックピンＲのキー部Ｒｃはロータ周方向Ｙに平行に配置されている。そのため、ロックピンＲのキー部Ｒｃを２つのフック部２ａ１，２ａ２と干渉させることなく中央部２ｂとともにロータ５内に挿入できる。

中央部２ｂを挿入したら、回転軸Ｒｅを利用してロックピンＲを回転し、フック部２ａ１，２ａ２の空洞部１０ａ内にキー部Ｒｃの一部を収納させることで、キー部Ｒｃを空洞部１０ａと空洞部１０ｂに架け渡し、フック部２ａ１，２ａ２に対して中央部２ｂをロータ径方向に移動不能に固定する。

図１５は図９中のX-X面における動翼の断面図であって、ロックピンＲを回転させた後の状態を示す図である。図１０の状態から、図１５のようにロックピンＲを回転すると、キー部Ｒｃにおけるロータ径方向外側の面（キー部Ｒｃの上面）は、フック部２ａ１，２ａ２と中央部２ｂの両方に接触可能となる。このようにロックピンＲを介して第１フック部２ａ１および第２フック部２ａ２を中央部２ｂに固定すると、第１フック部２ａ１および第２フック部２ａ２に対する中央部２ｂのロータ径方向の相対移動を不可能にできる。なお、ロックピンＲを回転させた後は、キー部Ｒｃの回転を防止するためにロックピンＲを固定する必要があるが、前述したかしめの他、スポット溶接などで固定しても良い。

上記のように構成した最終翼において、ロックピンＲのキー部Ｒｃは、中央部２ｂ、翼部３およびカバー部４に作用する遠心力を受け持つことになる。そして、フック部２ａ１，２ａ２は、中央部２ｂ、翼部３、カバー部４に加えて、フック部２ａ１，２ａ２とロックピンＲに作用する遠心力をフック２ｆを介して受け持つことになる。したがって、本実施の形態によれば、簡易な構造でドラムロータに動翼を固定できるので、動翼固定に起因したロータの軸方向長さの増加が抑制され、剛性の低下や振動の発生を抑制できる。

ところで、フック部２ａ１，２ａ２におけるフック２ｆは、最終翼のピッチＰＬが大きくなった分だけ増加した遠心力に耐えられるのであれば、最終翼以外の根元部２のフックと同形状にすることが好ましい。このとき、ロータ溝６の断面形状を、ロータ周方向のすべてにわたって同一にできるので、ロータ溝６の加工が容易になる。また、上記の文献（特開２００７−１７７７７５号公報、特開２０１２−１０２７３０号公報）のタービンのように、ロータ溝６のうち最終翼が固定される部分のみに特別な加工を施したり、強度確保の観点から最終翼に係るフック２ｆの突出量を他のものより大きくすることでロータ軸長が大きくなったりするおそれも無い。また、同一の軸方向長さを有するロータに対してより多くの動翼を設置することができる。

なお、同一の形状のフック部２ａ１，２ａ２に設ける空洞部１０ａの大きさには限界があるため、ロックピンＲの大きさにも上限が存在する。そのため、ロックピンＲで遠心力に耐えられない場合には、翼部３、根元部２およびカバー部４の軽量化や、ロックピンの材質変更、またはフック２ｆの突出量を他の翼より大きくすることによるロックピンＲの巨大化などの手段を講じる必要が生じる場合がある。フック２ｆの突出量の増大を図る場合には、ロータ溝６のうち最終翼が固定される部分のみに特殊な加工が必要となり、当該部分のロータ軸長が他の部分よりも長くなる。しかし、その場合でも、本発明に係るロータ軸長の増長量は、上記文献（特開２００７−１７７７７５号公報、特開２０１２−１０２７３０号公報）のタービンに比べれば、増長量は少なく済む。

ところで、図１０の例では１つの動翼に対して合計２つのロックピンＲを利用する場合について説明したが、中央部２ｂに対して２つのフック部２ａ１，２ａ２が固定できればロックピンＲの個数は３つ以上でも良い。図１６および図１７には各フック部２ａ１，２ａ２をそれぞれ２つのロックピンＲで固定する場合の動翼の断面図を示した。ロックピンＲは、設置数を増やすことで、より大きな遠心力が発生する動翼を固定することができ、また、より高温で強度が厳しい条件で耐えることができる。

第１の実施の形態では、根元部２に、フック２ｆを径方向に１つだけ備える動翼（Ｔ型溝付きタービン動翼）について説明したが、フック２ｆの数は２以上でも良い。その一例として、次に、フック２ｆが２つ備わる場合について説明する。

図１８は本発明の第２の実施の形態に係る最終翼以外の動翼の概略構成図であり、図１９は本発明の第２の実施の形態に係る最終翼の概略構成図である。これらの図に示すように、本実施の形態に係る動翼は、ロータ径方向に間隔を介して配置された２つのフック２ｆを備えている。図１９において、中央部２ｂは、ロータ径方向に間隔を介して設けられた２つの空洞部１０ｂと、２つの空洞部１０ｂと根上部２ｍの上面を連通する孔部１０ｃを備えている。また、第１フック部２ａ１および第２フック部２ａ２は、それぞれ、２つの空洞部１０ｂに対応する位置に２つの空洞部１０ａを備えている（図１９では、第１フック部２ａ１に係る空洞部１０ａの図示は省略している）。

図２０は本発明の第２の実施の形態に係るロックピンＲの概略図である。この図に示したロックピンＲは、２つのキー部Ｒｃと、当該２つのキー部Ｒｃを連結する連結軸Ｒｄを備えている。このように２つのキー部Ｒｃを連結軸Ｒｄで連結すると、ロータ径方向の外側に位置するキー部Ｒｃを回転させるだけでロータ径方向の内側のキー部Ｒｃも回転させることができる。

なお、図に示した例では、２つの空洞部１０ｂを１つの孔部１０ｃで連結したが、２つの空洞部１０ｂに対して別々の孔部１０ｃを設け、図１１に示したものと同様のロックピンＲでフック部２ａ１，２ａ２と中央部２ｂを連結しても良い。

図２１は本発明の第３の実施の形態に係る最終翼の概略構成図である。なお、図２１では翼部３およびカバー部４の図示は省略している（図２２も同様とする）。本実施の形態に係る根元部２ｂでは、根上部２ｍの下面の両端に凸部２ｔが表れるように、第１フック部２ａ１および第２フック部２ａ２を分割しており、根元部２ｂを組み立てた際には、第１フック部２ａ１および第２フック部２ａ２におけるロータ径方向の外側端部が凸部２ｔと中央部２ｂの間に組み込まれる構成となっている。

ここで本実施の形態の効果の理解を容易にするために本実施の形態の比較例の動翼について説明する。図２２は根上部２ｍに凸部２ｔを備えない比較例の動翼の概略構成図である。タービン運転時には、翼部３が備わる根元部２ｂは遠心力によってロータ径方向の外側に引っ張られ、根元部２ｂとロックピンＲのキー部Ｒｃを介して繋がっているフック部２ａ１，２ａ２も同様にロータ径方向に引っ張られる。このとき図２２に示した例のように根元部２ｂに凸部２ｔが備わっていない場合には、フック部２ａ１，２ａ２はロータ径方向の内側でロックピンＲのキー部Ｒｃとロータ溝６のフック６ｆとによって接触するだけであるため、ロータ径方向の外側では、図２２に示したようにフック部２ａ１，２ａ２は中央部２ｂからロータ周方向に離れてしまうおそれがある。このとき、フック部２ａ１，２ａ２は中央部２ｂの遠心力をバランスよく負担することができない。

これに対して、本実施の形態に係るフック部２ａ１，２ａ２は、ロータ径方向の外側において、凸部２ｔと中央部２ｂの間に挟まれる構成となっている。そのため、中央部２ｂに遠心力が作用してもフック部２ａ１，２ａ２がロータ周方向に離れることが防止でき、中央部２ｂの遠心力をバランスよく負担することができる。

以上において説明したように、ドラムロータおよび動翼を備えるタービンにおいて、最後にロータ溝に挿入する動翼に本発明を適用すれば、ロータ溝のロータ軸長を不必要に増加させることなく、容易に組立・分解が可能な方法で動翼を固定することができる。そして、本発明に係る固定方法を採用したタービンを製造することにより、ロータ軸長を短くしたタービンを実現することができる。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加又は置換することが可能である。

Ｊ…根元部のロータ軸方向端部、Ｋ…隣接する根元部との干渉域、Ｐ…根元部ピッチ、ＰＬ…最終翼の根元部ピッチ、Ｒ…ロックピン、Ｒｃ…ロックピンのキー部、Ｒｄ…連結軸、Ｒｅ…ロックピンのキー回転軸、Ｒｅ１…ロックピンのキー回転軸に備わるねじ部、Ｒｓ…ロックピンのキー回転用切欠き、Ｓ…根元部のロータ周方向端部、Ｗ_Ｂｆ…根元部フック幅、Ｗ_Ｒｆ…ロータ溝フック幅、Ｘ…ロータ軸方向、Ｙ…ロータ周方向、Ｚ…ロータ径方向、１…動翼、２…根元部（翼溝部）、２ａ１…第１フック部、２ａ２…第２フック部、２ｂ…中央部、２ｆ…フック、２ｇ…切り欠き部、２ｍ…根上部、２ｎ…ネック部、２ｔ…凸部、３…翼部、３ｒ…翼部の根元、４…カバー部、５…ロータ、６…ロータ溝、６ｆ…フック、１０ａ…フック部２ａの空洞部、１０ｂ…中央部２ｂの空洞部、１０ｃ…孔部

Claims

凹状に形成されたロータ溝を周方向に備えるドラムロータと、
ロータ軸方向の両側に向かって突出するフックが設けられた根元部、当該根元部から突出した翼部、および当該翼部の先端に設けられたカバー部を有し、当該根元部を介して前記ロータ溝に固定される動翼とを備え、
前記ロータ溝の断面形状は、ロータ周方向にわたって同一であり、
前記根元部は、当該根元部をロータ軸方向に３分割することで得られる、ロータ軸方向の一方側の端部に位置し前記フックの一方を有する第１フック部と、ロータ軸方向の他方側の端部に位置し前記フックの他方を有する第２フック部と、当該第１フック部および当該第２フック部の間に位置し前記翼部と一体になった中央部とを備えており、
前記中央部は、ロータ径方向に移動不能に前記第１フック部および前記第２フック部に固定されていることを特徴とするタービン。
ロータ軸方向の両側に向かって突出するフックが設けられた根元部、当該根元部から突出した翼部、および当該翼部の先端に設けられたカバー部を有し、当該根元部を介してロータの凹状に形成されたロータ溝に固定されるタービン動翼であって、
前記根元部は、当該根元部をロータ軸方向に３分割することで得られる、ロータ軸方向の一方側の端部に位置し前記フックの一方を有する第１フック部と、ロータ軸方向の他方側の端部に位置し前記フックの他方を有する第２フック部と、当該第１フック部および当該第２フック部の間に位置し前記翼部と一体になった中央部とを備えており、
前記第１フック部は、前記中央部と対向する第１面に凹状に形成された第１溝を備え、
前記第２フック部は、前記中央部と対向する第２面に凹状に形成された第２溝を備え、
前記中央部は、
前記第１フック部の前記第１面との対向面に凹状に設けられ、前記第１溝とともに空洞を形成する第１空洞部と、
前記第１空洞部に全体が収納される第１ロックピンと、
前記第２フック部の前記第２面との対向面に凹状に設けられ、前記第２溝とともに空洞を形成する第２空洞部と、
前記第２空洞部に全体が収納される第２ロックピンとを備え、
前記第１ロックピンは、回転して前記第１溝に一部が収納されることで前記第１溝と前記第１空洞部に架け渡され、ロータ径方向に移動不能に前記中央部を前記第１フック部に固定し、
前記第２ロックピンは、回転して前記第２溝に一部が収納されることで前記第２溝と前記第２空洞部に架け渡され、ロータ径方向に移動不能に前記中央部を前記第２フック部に固定することを特徴とするタービン動翼。
凹状に形成されたロータ溝を周方向に備えるドラムロータと、
ロータ軸方向の両側に向かって突出するフックが設けられた根元部、当該根元部から突出した翼部、および当該翼部の先端に設けられたカバー部を有し、当該根元部を介して前記ロータ溝に固定される動翼とを備え、
前記根元部は、当該根元部をロータ軸方向に３分割することで得られる、ロータ軸方向の一方側の端部に位置し前記フックの一方を有する第１フック部と、ロータ軸方向の他方側の端部に位置し前記フックの他方を有する第２フック部と、当該第１フック部および当該第２フック部の間に位置し前記翼部と一体になった中央部とを備えており、
前記中央部は、ロータ径方向に移動不能に前記第１フック部および前記第２フック部に固定されており、
前記動翼は、前記ロータ溝に固定される複数の動翼のうち最後に固定される最終翼であり、
前記複数の動翼のうち前記最終翼の１つ前に前記ロータ溝に固定される動翼は、当該動翼をロータ径方向からみて対角線上に位置する２つの角部を削ぎ落とした切り欠き部を少なくとも１つ備えることを特徴とするタービン。
凹状に形成されたロータ溝を周方向に備えるドラムロータと、
ロータ軸方向の両側に向かって突出するフックが設けられた根元部、当該根元部から突出した翼部、および当該翼部の先端に設けられたカバー部を有し、当該根元部を介して前記ロータ溝に固定される動翼とを備え、
前記根元部は、当該根元部をロータ軸方向に３分割することで得られる、ロータ軸方向の一方側の端部に位置し前記フックの一方を有する第１フック部と、ロータ軸方向の他方側の端部に位置し前記フックの他方を有する第２フック部と、当該第１フック部および当該第２フック部の間に位置し前記翼部と一体になった中央部とを備えており、
前記中央部は、ロータ径方向に移動不能に前記第１フック部および前記第２フック部に固定されており、
前記動翼は、前記ロータ溝に固定される複数の動翼のうち最後に固定される最終翼であり、
ロータ周方向における当該最終翼の長さは、前記複数の動翼から前記最終翼を除いた他の動翼のロータ周方向長さよりも長いことを特徴とするタービン。
請求項１に記載のタービンにおいて、
前記動翼は、前記ロータ溝に固定される複数の動翼のうち最後に固定される最終翼であり、
当該最終翼における前記フックの突出量は、前記複数の動翼から前記最終翼を除いた他の動翼におけるフックの突出量よりも大きいことを特徴とするタービン。
凹状に形成されたロータ溝を周方向に備えるドラムロータと、ロータ軸方向の両側に向かって突出するフックが設けられた根元部、及び当該根元部から突出した翼部を有し、当該根元部を介して前記ロータ溝に固定される動翼とを備えるタービンの組み立て方法において、
前記根元部をロータ軸方向に３分割して、ロータ軸方向の一方側の端部に位置し前記フックの一方を有する第１フック部と、ロータ軸方向の他方側の端部に位置し前記フックの他方を有する第２フック部と、当該第１フック部および当該第２フック部の間に位置し前記翼部と一体となった中央部とにし、
前記第１フック部および前記第２フック部を前記ロータ溝内に挿入し、
前記ロータ溝内に挿入された当該第１フック部および当該第２フック部の間に、第１ロックピンおよび第２ロックピンが格納された前記中央部を挿入し、
前記第１フック部に設けられた溝に前記第１ロックピンを回転させて収納させつつ、前記第２フック部に設けられた溝に前記第２ロックピンを回転させて収納させることで、前記第１フック部および前記第２フック部に対して前記中央部をロータ径方向に移動不能に固定し、
前記動翼は、前記ロータ溝に固定される複数の動翼のうち最後に固定される最終翼であり、前記複数の動翼から前記最終翼を除いた他の複数の動翼の根元部は３分割されておらず、
前記最終翼を前記ロータ溝に固定する手順の前に、前記他の複数の動翼の根元部のフックが前記ロータ溝と干渉しないように当該動翼を前記ロータ溝内に挿入し、
当該動翼を反時計回りに回転させて当該動翼のフックを前記ロータ溝に係合させることで当該動翼を前記ロータ溝に固定することを特徴とするタービンの組み立て方法。