JP6270531B2

JP6270531B2 - 動翼体及び回転機械

Info

Publication number: JP6270531B2
Application number: JP2014031555A
Authority: JP
Inventors: 隆一梅原; 大山　宏治; 宏治大山
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: JP2015155683A

Description

本発明は、例えば蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械に用いられる動翼体、及びこの動翼体を備えた回転機械に関する。

従来、蒸気タービン、ガスタービンにおいては、駆動時において翼に生じる振動を抑制する技術が知られている。ガスタービンでは、複数の円板が回転軸の軸方向に配置され、これらの円板の外周に、多数の動翼が円周方向に隣接して植え込まれる。軸方向の前後で隣接する動翼間には、動翼の外側を覆うケーシングに設けられた静翼が配置される。これら動翼及び静翼間を高温の燃焼ガスが流れることにより、動翼と共に回転軸が回転駆動され、例えば圧縮機の駆動及び発電機の駆動が行われる。

そして、ガスタービンの回転軸が回転駆動されると、回転軸に設けられた円板が回転駆動される。このとき、円板に設けられた複数の動翼は、回転軸の外側に配設されるケーシングに設けられた複数の静翼間を移動する。これら各翼間を高温の燃焼ガスが流動すると、各翼の後端に渦が発生する。この渦により、各翼にガスタービンの前側及び後側へ押す力が働いたり、隣接する翼方向へ押す力が働いたりすることになり、各翼に振動が生じる。そして、ケーシングに配設される静翼の周波数と動翼の固有の振動数とが一致し共振して各翼の振動が大きくなり、高サイクル疲労（ＨＣＦ）が発生するおそれがあった。

そこで、このようなタービン動翼では、動翼の振動の低減と、冷却空気の漏れを防ぐことを目的としたシールピンを隣接する動翼同士間に介在させた構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、回転軸の円周方向に沿い隣接して取り付けられたタービン動翼同士の間のシャンクにおける隙間に、翼根側の冷却空気が翼側に漏れ出さないようにするシールピンを介在させる一方、シャンクに円弧状の凹み部を形成し、シャンクをばね系、翼部、プラットホーム、シャンク及び翼根を質量系として、タービン動翼の振動を抑制させるようにした構成について記載されている。

特開２００５−２３３１４１号公報

また、従来のタービンでは、以下のような課題があった。
即ち、特許文献１では、タービンの実稼働時において、シールピンの位置や運動によって固有振動数にばらつきが生じ、タービン動翼が振動することになり、疲労破壊が生じるという問題があった。
そのため、振動強度に関する設計余裕を大きく設定する必要があり、タービンの設計の自由度が小さくなることから、その点で改善の余地があった。

この発明は、動翼の振動の抑制効果をより向上させることができる動翼体を提供する。

本発明の第一の態様によれば、動翼体は、主軸と一体に回転可能なロータディスクと、前記ロータディスクの外周部から放射状に延出するように装着される複数の動翼と、周方向に隣接する前記動翼のプラットホームと、前記プラットホーム同士の隙間に装着されるダンパ部材と、前記プラットホームと前記ダンパ部材の当接箇所を磁力によって摺動可能に密着させる磁力発生部と、を備え、前記磁力発生部は、前記プラットホームと前記ダンパ部材のうち少なくとも一方に設けられ、前記ダンパ部材は、周方向に隣接する前記プラットホームの対向する一対の側面に設けられた一対の凹溝によって形成された空間の内面に当接するように配置された板状バネ部材であり、各々の前記凹溝は、前記ロータディスクの径方向に対向する一対の第一壁を有し、前記ダンパ部材は、一対の前記凹溝の径方向内周側の前記第一壁の両方を押圧する基部と、前記基部に接続され、一対の前記凹溝の各々の径方向外周側の前記第一壁をそれぞれ押圧する一対の開端部と、を有し、前記磁力発生部は、前記開端部と前記第一壁との接触面に設けられていることを特徴とする。

上記構成によれば、プラットホームとダンパ部材の間に生じる摩擦が磁力によって強められるため、部材間の接触が強くなり、より密着する。これにより、プラットホームとダンパ部材との間に相対振動が生じた場合においても、この振動を抑制することができる。これにより、動翼の振動の抑制効果をより向上させることができる。

また、ロータディスクが回転することにより複数の動翼が回転する際に、複数の動翼が互いに離れる方向に振動したり、接触する方向に振動したりする。これにより、プラットホームとダンパ部材との接触部に摩擦力が発生する。その結果、プラットホームとダンパ部材との接触部に発生する摩擦力が動翼の励振力を減衰させることとなる。この際、磁力発生部が設けられていることにより、プラットホームとダンパ部材との間に生じる摩擦が強められるため、振動をより抑制することができる。

上記構成によれば、ダンパ部材を板状としたので、プレス成形などにより容易に製造することができる。

また、本発明は、上記いずれかの動翼体を備えた回転機械を提供する。

本発明によれば、一対の部材との間に生じる摩擦が磁力によって強められるため、一対の部材間の接触が強くなり、より密着する。これにより、一対の部材との間に相対振動が生じた場合においても、この振動を抑制することができる。

本発明の第一実施形態の蒸気タービンの概略構成を模式的に示した図である。本発明の第一実施形態及び第二実施形態に係るタービン動翼が隣接した状態を示す側面図である。本発明の第一実施形態の板状バネ部材を示す側面図である。本発明の第一実施形態の変形例の板状バネ部材を示す側面図である。本発明の第一実施形態の変形例の板状バネ部材を示す側面図である。本発明の第二実施形態に係るインテグラルシュラウドの拡大斜視図であって、第二板状バネ部材が外れた状態を示す図である。図６に示すＡ−Ａ線断面図である。本発明の第一実施形態及び第二実施形態の動翼体を適用可能なガスタービンの概略構成を模式的に示した図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態の動翼体について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の回転機械である蒸気タービン５１は、発電プラント等で用いられているものである。例えば、このような蒸気プラントとしては、高圧の蒸気を発生する蒸気発生器５２と、蒸気発生器５２から高圧の蒸気が直接供給される高圧蒸気タービン５３と、蒸気発生器５２及び高圧蒸気タービン５３からの蒸気の湿分を分離して加熱する湿分分離加熱器５４と、湿分分離加熱器５４から低圧の蒸気が供給される低圧蒸気タービン（以下、蒸気タービン５１という）が設けられている。

蒸気タービン５１において、湿分分離加熱器５４からの蒸気は、蒸気入口５６に供給され、蒸気タービン５１に形成されている蒸気通路５７を、ロータ軸５８の軸方向（図中、矢印Ａで示す）に沿って流れる。蒸気通路５７には、タービン動翼５９と静翼６０が交互に配置されており、蒸気タービン５１は、静翼６０での圧力降下によって運動エネルギーを生じさせ、これをタービン動翼５９によって回転トルクに変換している。

タービン動翼５９は、ロータ軸５８（主軸）に結合されており、これを回転駆動する。一方、静翼６０は、ロータ軸５８の径方向（図中、矢印Ｒで示す）内側の端がシュラウド６１に、径方向Ｒの外側の端が翼根リング６２に、それぞれ溶接により結合されている。

タービン動翼５９と静翼６０は、一対となって一個の「段」を構成しており、蒸気タービン５１には、多数の段が設けられている。これら段は、蒸気通路５７を上流側から下流側に向かうに従って、タービン動翼５９及び静翼６０の翼高さ（ロータ軸５８に略直交する方向の翼の長さ）が、長くなるよう構成されている。蒸気通路５７の最も下流側にある段を「低圧最終段」という。
低圧最終段の静翼６０は、上流側の段にある静翼６０に比べて、特に翼高さが長いものとなっている。低圧最終段において、静翼６０は、ロータ軸５８の周方向（図中、矢印Ｐで示す）に所定の間隔で複数配列されており、翼群を形成している。

このように構成された蒸気タービン５１にて、本実施形態の動翼体は、図２に示すように、ロータ軸５８と一体に回転可能なロータディスク４０と、このロータディスク４０の外周部から放射状に延出するように装着される複数のタービン動翼５９とを有している。

図２に示すように、タービン動翼５９はロータ軸５８と一体に回転可能なロータディスク４０側に保持されるクリスマスツリー型の翼根１２を有している。また、タービン動翼５９は、高温ガスに曝される翼部１３と、この翼部１３を支持するプラットホーム１５と、プラットホーム１５と翼根１２とを連結するシャンク１４と、を備えている。翼根１２は、ロータディスク４０に埋め込まれて、タービン動翼５９を支持している。

隙間Ｓをあけて隣接するタービン動翼５９の一方を第一タービン動翼５９Ａとし、もう一方を第二タービン動翼５９Ｂとする。タービン動翼５９のプラットホーム１５Ａ，１５Ｂの対向する一対の側面１６（ロータ軸５８の円周方向における両側面１６）には、ダンパ部材として機能する板状バネ部材１８（後述する）の一部を収容する凹溝１７が設けられている。

タービン動翼５９の凹溝１７は、側面視でプラットホーム１５の内部に切り込んで延びる一対の第一壁１９と、この第一壁１９に連続し、プラットホーム１５の側面１６と略平行に下方に延びる第二壁２０とからなる（図３参照）。このように凹溝１７が形成されていることによって第一タービン動翼５９Ａの凹溝１７と第二タービン動翼５９Ｂの凹溝１７とで断面矩形状の空間が形成される。

周方向に隣接するタービン動翼５９Ａ，５９Ｂのプラットホーム１５Ａ，１５Ｂ同士の隙間Ｓ１であって、向かい合う凹溝１７によって形成される空間には、板状バネ部材１８が配置されている。板状バネ部材１８は磁性材料によって形成されている。
図３に示すように、板状バネ部材１８は、断面Ｃ字形状をなしており、Ｃ字形の開端部２２と、Ｃ字形の基部２３とが、凹溝１７に密着するように配置されている。具体的には、板状バネ部材１８は、一対の開端部２２が凹溝１７の径方向外周側の第一壁１９を押圧するとともに、基部２３が凹溝１７の径方向内周側の第一壁１９を押圧するように配置される。

板状バネ部材１８は、凹溝１７によって形成される空間の内部に配置された状態（初期状態）において、撓みにより僅かに弾性変形するように形成されている。この弾性力により、板状バネ部材１８は、開端部２２と基部２３とがプラットホーム１５を押圧するようになっている。

また、凹溝１７の径方向外周側の第一壁１９には第一マグネットシート２４が貼り付けられている。即ち、凹溝１７における板状バネ部材１８の開端部２２の接触面には第一マグネットシート２４が貼り付けられている。これにより、この第一壁１９に磁性体を引き寄せる性質が付与される。即ち、第一マグネットシート２４はプラットホーム１５と板状バネ部材１８の当接箇所を磁力によって摺動可能に密着させる磁力発生部として機能するようになる。

蒸気タービン５１のロータ軸５８が回転しタービン動翼５９が駆動されているときは、凹溝１７に配置された板状バネ部材１８に遠心力、即ち翼部１３側への力が加わるとともに、このとき、タービン動翼５９が振動する。

具体的には、第一タービン動翼５９Ａと第二タービン動翼５９Ｂとが離れる方向に振動したり、接触する方向に振動したりしている。これにより、プラットホーム１５と板状バネ部材１８との接触部に摩擦力が発生する。その結果、プラットホーム１５と板状バネ部材１８との接触部に発生する摩擦力がタービン動翼５９の励振力を減衰させることとなる。

上記実施形態によれば、プラットホーム１５の凹溝１７に磁力発生部としての機能を与える第一マグネットシート２４が貼り付けられていることによって、板状バネ部材１８の第一壁１９との接触が強くなり、より密着する。これにより、凹溝１７と板状バネ部材１８との間に生じる摩擦が強められるため、振動をより抑制することができる。

なお、板状バネ部材１８の形状は、プラットホーム１５の凹溝１７に押圧力をかけることができれば上記実施形態に示したような形状に限ることはない。例えば、図４に示すように、板状バネ部材１８を断面Ｓ字形とし、両Ｓ字端部２６がそれぞれ径方向外周側の第一壁１９と径方向内周側の第一壁１９とを押圧するような構成としてもよい。

また、タービン動翼５９の励振力を減衰させるダンパ部材としては、板状バネ部材１８に限らず、図５に示すようなダンパピン２７を用いてもよい。第一マグネットシート２４は、プラットホーム１５のダンパピン２７との接触部に貼り付けられている。
蒸気タービン５１のロータ軸５８が回転しタービン動翼５９が駆動されているときは、ダンパピン２７に遠心力、即ち翼部１３側への力が加わるとともに、このとき、タービン動翼５９が振動する。この際、プラットホーム１５とダンパピン２７との接触部に摩擦力が発生する。その結果、プラットホーム１５とダンパピン２７との接触部に発生する摩擦力がタービン動翼５９の励振力を減衰させることとなる。

（第二実施形態）
図２に示すように、翼部１３（１３Ａ，１３Ｂ）の翼先端には、インテグラルシュラウド２９が設けられている。図６及び図７に示すように、第二実施形態による動翼体は、隣接する翼部１３Ａ，１３Ｂの翼先端に設けられるインテグラルシュラウド２９Ａ，２９Ｂ同士の間の接触面（側面１６ａ、１６ｂ）に第二板状バネ部材３１を設けた構成である。つまり、第二板状バネ部材３１は、一対のインテグラルシュラウド２９Ａ，２９Ｂに挟持されている。このインテグラルシュラウド２９Ａ，２９Ｂには、蒸気タービン５１の回転運動によって、タービン動翼５９とともに遠心力が作用している。

図７に示すように、隙間Ｓ２（図６参照）をあけて隣接する一方のインテグラルシュラウド２９Ａの一側面２９ａ（ロータ軸５８の円周方向における一側面）には、第二板状バネ部材３１を収容する第二凹溝３０が設けられている。そして、インテグラルシュラウド２９の他方の側面２９ｂは、第二凹溝３０のない平坦面に形成されている。
そして、第二板状バネ部材３１は、中央に位置する第一当接部３２と、この第一当接部３２の両端から延伸する一対の傾斜部３３と、この傾斜部３３の第一当接部３２の反対側に第一当接部３２と平行に延びる一対の第二当接部３４とからなり、断面がハット形状を呈している。

マグネットシートである第二マグネットシート３５は、とインテグラルシュラウド２９の側面２９ｂにおける第二板状バネ部材３１の第二当接部３４との当接箇所に貼り付けられている。
第二実施形態では、タービン動翼５９に変動力が作用した場合、第二板状バネ部材３１とインテグラルシュラウド２９との間で滑り摩擦が生じる。

そして、インテグラルシュラウド２９の側面２９ｂに磁力発生部としての機能を与える第二マグネットシート３５が貼り付けられていることによって、第二板状バネ部材３１の側面２９ｂとの接触が強くなり、より密着する。これにより、側面２９ｂと第二板状バネ部材３１との間に生じる摩擦が強められるため、振動をより抑制することができる。

また、上記実施形態の動翼体は、蒸気タービンのみならず、図８に示すような、ガスタービン１に用いられる静翼に適用することも可能である。
図８に示すように、ガスタービン１は、外気を圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機２と、燃料を圧縮空気Ａ中で燃焼させて燃焼ガスＧを生成する燃焼器３と、高温高圧の燃焼ガスＧにより駆動するタービン４と、を備えている。

圧縮機２は、圧縮機ロータ５と、圧縮機ロータ５を覆う圧縮機ケーシング６と、を有している。圧縮機ロータ５は、回転中心軸を中心として回転する圧縮機ロータ軸部７と、圧縮機ロータ軸部７の外周に固定されている複数の圧縮機動翼８と、を有している。圧縮機ケーシング６の内周側には、複数の圧縮機静翼９が固定されている。

タービン４は、タービンロータ１０と、タービンロータ１０を覆うタービンケーシング３６とを有している。タービンロータ１０は、回転中心軸を中心として回転するタービンロータ軸部３７と、タービンロータ軸部３７の外周に固定されている複数のタービン動翼１１と、を有している。タービンケーシング３６の内周側には、複数のタービン静翼３９が固定されている。

このように構成されたガスタービン１にて、動翼体は、タービン４に適用されたものであって、タービンロータ１０と一体に回転可能なロータディスクと、このロータディスクの外周部から放射状に延出するように装着される複数のタービン動翼１１とを有している。

即ち、ガスタービン１のタービン動翼１１、タービンロータ軸部３７を構成するロータディスクにも上記実施形態に示した動翼体の構造を適用することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

１ガスタービン
２圧縮機
３燃焼器
４タービン
５圧縮機ロータ
６圧縮機ケーシング
７圧縮機ロータ軸部
８圧縮機動翼
９圧縮機静翼
１０タービンロータ
１１タービン動翼
１２翼根
１３翼部
１４シャンク
１５プラットホーム
１６側面
１７凹溝
１８板状バネ部材（ダンパ部材）
１９第一壁
２０第二壁
２２開端部
２３基部
２４第一マグネットシート（磁力発生部）
２６Ｓ字端部
２７ダンパピン
２９インテグラルシュラウド
３０第二凹溝
３１第二板状バネ部材
３２第一当接部
３３傾斜部
３４第二当接部
３５第二マグネットシート
３６タービンケーシング
３７タービンロータ軸部
３８タービン動翼
３９タービン静翼
４０ロータディスク
５１蒸気タービン
５２蒸気発生器
５３高圧蒸気タービン
５４湿分分離加熱器
５６蒸気入口
５７蒸気通路
５８ロータ軸（主軸）
５９タービン動翼（動翼）
５９Ａ第一タービン動翼
５９Ｂ第二タービン動翼
６０静翼
６１シュラウド
６２翼根リング

Claims

主軸と一体に回転可能なロータディスクと、
前記ロータディスクの外周部から放射状に延出するように装着される複数の動翼と、
周方向に隣接する前記動翼のプラットホームと、
前記プラットホーム同士の隙間に装着されるダンパ部材と、
前記プラットホームと前記ダンパ部材の当接箇所を磁力によって摺動可能に密着させる磁力発生部と、を備え、
前記磁力発生部は、前記プラットホームと前記ダンパ部材のうち少なくとも一方に設けられ、
前記ダンパ部材は、周方向に隣接する前記プラットホームの対向する一対の側面に設けられた一対の凹溝によって形成された空間の内面に当接するように配置された板状バネ部材であり、
各々の前記凹溝は、前記ロータディスクの径方向に対向する一対の第一壁を有し、
前記ダンパ部材は、一対の前記凹溝の径方向内周側の前記第一壁の両方を押圧する基部と、前記基部に接続され、一対の前記凹溝の各々の径方向外周側の前記第一壁をそれぞれ押圧する一対の開端部と、を有し、
前記磁力発生部は、前記開端部と前記第一壁との接触面に設けられていることを特徴とする動翼体。
請求項１に記載の動翼体を備えた回転機械。