JP7021027B2 - タービン動翼 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タービン動翼に関する。

一般に、タービン動翼では振動特性の改善や剛性を確保するために、先端綴り構造が採用されている。先端綴り構造としては、古くはシュラウドと呼ばれる板をテノンかしめするテノンシュラウド構造であったが、近年では加工技術の発達などにより先端部を一体で削り出すスナッバ構造が主流となってきている。

スナッバ構造では、翼先端の形状が比較的自由に形成できるので、図６に示すようなハイロー形状２０３、図７に示すようなチップフィン２０８などの複雑形状を採用して、漏洩蒸気のシール効率を向上しタービン効率を上げることが可能になる。なお、図６、図７に記すように、スナッバ２０２は、翼有効部２０１の先端部分に、翼有効部２０１と一体に形成されている。また、図６、図７において２１０はタービンの静止部を示しており、図６において２１１は静止部フィンを示している。

スナッバ構造では、図８に示すように、スナッバ２０２の一部を隣接翼のスナッバ２０２と接触させることにより綴り構造を成立させる。その接触する部位に接触反力を生じさせるメカニズムとしては種々の方法が考案されている。

例えば、図９に示すタービン動翼２００では、翼有効部２０１の先端側に配設されたスナッバ２０２に、タービン軸方向に垂直なスナッバ当り面２０６ａ，２０６ｂを形成している。このような構造において、タービン組立時のばらつきや、運転中の翼変形や熱伸びなどが生じても確実にスナッバ当り面２０６ａ，２０６ｂ同士の接触状態を保つために、予めスナッバ当り面２０６ａ，２０６ｂを干渉するように製造し、接触反力を生じさせておく必要がある。このとき、図１０に示すように、タービン動翼２００には、スナッバ当り面２０６ａ，２０６ｂで生じる接触反力により、図中に矢印で示すようなねじりモーメントが作用する。このため、タービン動翼２００は、スナッバ２０２の前縁側の面２０４が反翼回転方向に、スナッバ２０２の後縁側の面２０５が翼回転方向にねじられた状態で運用に供されることになる。

したがって、図１１に示すように、スナッバ２０２は、製造時より傾いた状態で運用に供される。また、スナッバ２０２にハイロー形状２０３やチップフィン等のシール構造が設けられている場合、シール構造も翼回転方向から傾いた状態で運転されることになり、作動流体の擾乱を誘起して性能低下の要因となる。

さらに、蒸気入口側であるスナッバ２０２の前縁側の面２０４や、蒸気出口側であるスナッバ２０２の後縁側の面２０５に関しても、スナッバ２０２の傾きにより、隣接する翼との間で段差２４０が生じ滑らかな円筒面を形成しなくなるため、この段差２４０の部分においても作動流体の擾乱が生じる。また、図１２に示すように、タービン据え付け時に、スナッバ２０２の前縁側の面２０４等とタービンの静止部２１０との軸方向間隙を計測し、軸方向の位置調整を行うことがあるが、滑らかな円筒面が形成されないと正確な計測が困難になる。

別のスナッバ反力を得るメカニズムとして、図１３に示すタービン動翼２２０のように、翼のアンツイストを利用する構造のものもある。なお、図１３（ａ）は、製造時及び組立時のタービン動翼２２０の状態を示しており、図１３（ｂ）は、運転時のタービン動翼２２０の状態を示している。タービン動翼２２０は、翼有効部２２１を有し、翼有効部２２１の先端にスナッバ２２２を有している。

タービン動翼２２０、特に翼長の大きいものは、翼根元と翼先端で回転速度に差が生じる。このため、翼前縁部は、作動流体の流入角に合わせて相対的に、翼根元部では翼回転方向とは反対方向、翼先端部では翼回転方向に向くような捩れ形状となっていることが多い。

このようなタービン動翼２２０では、運転時には、ロータ回転に伴う遠心力によって捩れ戻りが生じる。通常、翼根元部は比較的剛にロータに植込まれているため、ねじり戻りは翼先端部において、翼前縁側が翼回転方向とは反対方向、翼後縁側が翼回転方向への回転変形となる。つまり、図１３（ｂ）に矢印で示すように、翼先端部に設けられたスナッバ２２２の前縁側の面２２４が翼回転方向とは反対方向に向くように、後縁側の面２２５が翼回転方向に向くように回転変形が生じる。このねじり戻りのモーメントを利用して、スナッバ当り面２２６ａ，２２６ｂを接触させ、スナッバ接触反力を生じさせる構造がアンツイストスナッバ構造と呼ばれる。

アンツイストスナッバ構造においては、スナッバ反力が過大になりすぎないよう、図１３（ａ）に示すように、予めスナッバ当り面２２６ａ，２２６ｂに間隙（スナッバ間隙）を設けておく場合がある。したがって、運転時には、スナッバ間隙に応じてスナッバ２２２の前縁側の面２２４が翼回転方向とは反対方向に、後縁側の面２２５が翼回転方向に捩れる方向に変形し、前述の軸方向接触型スナッバと同様にねじられた状態で運用されることになる。

また、スナッバ間隙を設けずに組立てられた場合でも、運転時には遠心力による翼・ロータの伸びなどにより隣接翼間のピッチが大きくなるため、スナッバ間隙が生じて組立時にスナッバ間隙を設けた場合と同様の捩れが生じることになる。また、このようにタービン組立時においてすでに捩れ状態が発生するアンツイストスナッバ構造の場合は、静止部との正確な軸方向間隙計測が困難となる場合がある。

特許第３６８２１３１号公報 特開２００７－７７８３３号公報

上述したように従来のスナッバ構造を有するタービン動翼は、スナッバ部が動翼製造時からねじられた状態で運用されるので、動翼の回転により作動流体の擾乱を巻き起こし、性能低下の要因となっていた。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、タービン動翼回転に伴う作動流体の擾乱を抑制することができ、性能の向上を図ることのできるタービン動翼を提供することを目的とする。

実施形態のタービン動翼は、翼有効部と、前記翼有効部の先端に設けられたスナッバとを有し、運転時において隣接する前記スナッバ同士が接触するスナッバ当り面を有するタービン動翼であって、製造時において、前記スナッバの前縁側の面が、翼回転方向に捩れる方向に、翼回転方向に対して軸方向に傾斜するオフセット角を有する。

第１実施形態に係るタービン動翼の構成を模式的に示す図。 図１のタービン動翼の運転中の状態を模式的に示す図。 図１のタービン動翼の変形例の構成を模式的に示す図。 第２実施形態に係るタービン動翼の構成を模式的に示す図。 図４のタービン動翼の運転中の状態を模式的に示す図。 ハイロー形状を有するスナッバ構造のタービン動翼の構成を模式的に示す図。 チップフィンを有するスナッバ構造のタービン動翼の構成を模式的に示す図。 スナッバ構造のタービン動翼の構成を模式的に示す図。 軸方向接触型スナッバを有するタービン動翼の構成を模式的に示す図。 図９のタービン動翼に加わる捩りモーメントを説明するための図。 図９のタービン動翼の運転中の状態を模式的に示す図。 軸方向間隔を説明するための図。 アンツイストスナッバ構造のタービン動翼の構成を模式的に示す図。

以下、実施形態のタービン動翼を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るタービン動翼１００の構成（製造時における構成）を模式的に示すものであり、図１（ａ）は、タービン動翼１００を上側（先端側）から見た構成を示しており、図１（ｂ）は、タービン動翼１００を横側（側面側）から見た構成を示している。図１（ａ）には、タービン動翼１００に対して、翼回転方向と、これと直行する軸方向とが図示されている。また、図１（ｂ）には、タービン動翼１００に対して、翼半径方向と、これと直行する軸方向とが図示されている。

図１に示すように、タービン動翼１００は、翼有効部１０１の先端に、翼有効部１０１と一体で形成されたスナッバ１０２を有している。また、スナッバ１０２の上側の面には、シール構造としてのハイロー形状１０３が設けられている。ハイロー形状１０３を構成するために翼半径方向へ突出する凸部を備える。タービン動翼１００は、タービンとして組み立てられる際に、図示しないタービンローターの周囲に配設され、図１（ａ）に示す翼回転方向に沿って複数配列される。なお、図１において１０６（１０６ａ，１０６ｂ）は、スナッバ１０２同士が接触するスナッバ当り面を示し、１０７は接触しないスナッバ逃げ面を示している。

スナッバ１０２の前縁側の面１０４には、製造時において翼回転方向に対して軸方向に傾斜するオフセット角θ１が設けられている。このオフセット角θ１は、スナッバ１０２の前縁側の面１０４が、翼回転方向に捩れる向きとなっている。換言すれば、スナッバ１０２の前縁側の面１０４は、回転方向後方側（図１中下側）の端部１０４ａから回転方向前方側（図１中上側）の端部１０４ｂに至る前縁側の面１０４が軸方向（図１中右方向）にオフセット角θ１傾斜した状態とされている。

また、スナッバ１０２の後縁側の面１０５には、製造時において翼回転方向に対して軸方向に傾斜するオフセット角θ２が設けられている。このオフセット角θ２は、スナッバ１０２の後縁側の面１０５が反翼回転方向に捩れる向きとなっている。換言すれば、スナッバ１０２の後縁側の面１０５は、回転方向前方側（図１中上側）の端部１０５ｂから回転方向後方側（図１中下側）の端部１０５ａに至る後縁側の面１０５が反軸方向（図１中左方向）にオフセット角θ２傾斜した状態とされている。

さらに、タービン動翼１００では、ハイロー形状１０３についても、上記したオフセット角θ１と同様に、翼回転方向に対してオフセット角θ３傾斜した状態とされている。

タービン動翼１００では、上記のオフセット角θ１，θ２，θ３は、同じ角度とされており、スナッバ１０２の全体がオフセット角の分捩れた状態となるよう設定されている。したがって、スナッバ当り面１０６（１０６ａ，１０６ｂ）、逃げ面１０７についても同様にオフセットされた状態となっている。

このオフセット角θ１，θ２，θ３を、タービン動翼１００の運用時（組立てて運転される時）に生じる捩れの角度に合わせて設定することにより、第２図に示すようにタービン運用時において、スナッバ１０２の前縁側の面１０４、スナッバ１０２の後縁側の面１０５、ハイロー形状１０３の向きを翼回転方向と一致させることができる。これによって、タービン動翼１００の回転に伴う作動流体の擾乱を防止することができ、性能を向上させることができる。なお、運用時に生じる捩れの角度は、翼の種類や翼長によって異なるが、例えば、０．５～３度程度である。

上記第１実施形態では、シール構造としてハイロー形状１０３が設けられている場合について説明したが、図３に示すように、チップフィン１０８を有するタービン動翼１００ａの場合についても同様にして適用することができ、同様な効果を得ることができる。

図３に示すタービン動翼１００ａは、図１に示したタービン動翼１００のハイロー形状１０３を、チップフィン１０８とした点のみが相違しているので、図１に対応する部分には、同一の符号を付して、重複する説明は省略する。図３に示すタービン動翼１００ａでは、スナッバ１０２の前縁側の面１０４及び後縁側の面１０５とともに、チップフィン１０８も同様なオフセット角を有している。

なお、上記の実施形態では、スナッバ当り面１０６及び逃げ面１０７も上記したオフセット角θ１，θ２，θ３と同様なオフセット角を有している場合について示しているが、係る構成は必ずしも必要としない。ただし、加工性の面からは、スナッバ１０２の前縁側の面１０４、後縁側の面１０５、ハイロー形状１０３等のシール構造と同様に、スナッバ当り面１０６及び逃げ面１０７もオフセット角を有する構成とすることが好ましい。

以上のように、第１実施形態のタービン動翼１００によれば、運転中におけるスナッバ入口面や出口面およびシール構造の翼回転方向からの捩れによる作動流体の擾乱を抑制し、高性能化を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して第２実施形態のタービン動翼１２０について説明する。図４は、第２実施形態に係るタービン動翼１２０の構成を模式的に示すものであり、図４（ａ）は、タービン動翼１２０を上側（先端側）から見た構成を示しており、図４（ｂ）は、タービン動翼１２０を横側（側面側）から見た構成を示している。図４（ａ）には、タービン動翼１２０に対して、翼回転方向と、これと直行する軸方向とが図示されている。また、図４（ｂ）には、タービン動翼１２０に対して、翼半径方向と、これと直行する軸方向とが図示されている。なお、図４は、タービン動翼１２０の製造時及び組立時の状態を示している。

タービン動翼１２０は、翼有効部１２１の先端に、翼有効部１２１と一体で形成されたスナッバ１２２を有している。また、スナッバ１２２の上側の面には、シール構造としてのハイロー形状１２３が設けられている。タービン動翼１２０は、タービンとして組み立てられる際に、図示しないタービンローターの周囲に配設され、図４（ａ）に示す翼回転方向に沿って複数配列される。

第１実施形態と同様に、シール構造としてのハイロー形状１２３が、翼回転方向に対して軸方向に傾斜するオフセット角θ６を有する。また、スナッバ１２２の前縁側の面は、その翼回転方向前方側（図４（ａ）中上側）の部分に、翼回転方向に対して軸方向に傾斜するオフセット角θ４を有するオフセット面１２４ｃとされており、前縁側の面の翼回転方向後方側の部分にオフセット角を有しない（翼回転方向に沿った）組立基準面１２４ｄを有する。

オフセット角θ４は、前述した第１実施形態におけるオフセット角θ１と同様に、スナッバ１２２の前縁側のオフセット面１２４ｃが翼回転方向に捩れる向きとなっている。

また、スナッバ１２２の後縁側の面１２５には、前述した第１実施形態におけるオフセット角θ２と同様に、翼回転方向に対して軸方向に傾斜するオフセット角θ５が設けられている。このオフセット角θ５は、スナッバ１２２の後縁側の面１２５が反翼回転方向に捩れる向きとなっている。なお、図４に示す例では、後縁側の面１２５全体がオフセット角θ５を有するようになっているが、前縁側と同様に、オフセット角のない組立基準面を設けてもよい。

上記構成のタービン動翼１２０において、組立基準面１２４ｄは、タービン組立時に翼回転方向と一致するようになっている。したがって、この組立基準面１２４ｄの部分で、静止部との正確な軸方向間隙を計測することができる。

タービン動翼１２０は、アンツイストスナッバ構造であり、組立時にはスナッバ１２２が相互に接触しないため、タービン組立て時の組立基準面１２４ｄが製造時においても翼回転方向と一致している。

しかし、例えば、組立時にはスナッバ逃げ面が接触し、運転時にはスナッバ当り面が接触し、ねじりモーメントが発生するプレツイスト構造と呼ばれる構造の翼では、翼製造時の組立基準面は翼回転方向とは一致しない。この場合、翼製造時には、組み立て時の捩りモーメントによる変形（プレツイスト）に応じて、組立基準面にはシール構造とは異なった角度となるようオフセット角を設定し、組み立て変形（プレツイスト）が加わった状態で組立基準面が翼回転方向と一致するように構成する必要がある。

なお、図４では、スナッバ１２２の前縁側に組立基準面１２４ｄを設けた例について示したが、組立基準面はスナッバ１２２の前縁側、後縁側のいずれかもしくは両方に設けてもよい。しかし通常は、タービン組立時にタービン入口側の静止部と前縁側との間隙を管理するため、本実施例ではスナッバ１２２の前縁側に組立基準面１２４ｄを設けた例について説明した。

また、図４では、組立基準面１２４ｄを、スナッバ１２２の前縁側の翼回転方向後方側に設けた例について説明したが、翼回転方向前方側に設けてもよい。ただし、スナッバ１２２の前縁側における作動流体の擾乱を低減させるためには、組立基準面１２４ｄを、スナッバ１２２の前縁側の翼回転方向後方側に設けることが好ましい。

上記構成のタービン動翼１２０において、オフセット角θ４，θ５，θ６は、第１実施形態と同様に、大きさが同じで、前縁側が翼回転方向に、後縁側が反翼回転方向に捩れる向きとなっている。また、オフセット角の大きさは、タービン動翼１２０の運転時に生じる捩れの角度に合わせて設定する。このように構成することで、第５図に示すようにタービン運転中においてシール構造であるスナッバ１２２のハイロー形状１２３、オフセット面１２４ｃ、後縁側の面１２５の向きが翼回転方向と一致する。これにより、タービン動翼回転に伴う作動流体の擾乱を抑制することができ、より性能を向上させることができる。また、組立時においては、翼回転方向に平行な組立基準面１２４ｄを有することにより、軸方向間隙の正確な計測が可能になる。なお、運転時（運用時）に生じる捩れの角度は、翼の種類や翼長によって異なるが、例えば、０．５～３度程度である。

以上のように、第２実施形態のタービン動翼１２０によれば、運転中におけるスナッバ１２２の前縁側のオフセット面１２４ｃ、後縁側の面１２５およびシール構造であるハイロー形状１２３の翼回転方向からの捩れによる作動流体の擾乱を抑制することができ、かつ、タービン動翼と静止部の軸方向間隙を正確に計測できる高性能なタービン動翼を提供することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００，１２０……タービン動翼、１０１，１２１……翼有効部、１０２，１２２……スナッバ、１０３，１２３……ハイロー形状、１０４，１２４……前縁側の面、１０５，１２５……後縁側の面、１０６，１２６……スナッバ当り面、１０７，１２７……スナッバ逃げ面、１０８……チップフィン、１２４ｃ……オフセット面、１２４ｄ……組立基準面。

Claims (5)

1. 翼有効部と、前記翼有効部の先端に設けられたスナッバとを有し、運転時において隣接する前記スナッバ同士が接触するスナッバ当り面を有するタービン動翼であって、
   製造時において、前記スナッバの前縁側の面が、翼回転方向に捩れる方向に、翼回転方向に対して軸方向に傾斜するオフセット角を有する
   ことを特徴とするタービン動翼。
2. 請求項１記載のタービン動翼であって、
   製造時において、前記スナッバの後縁側の面が、反翼回転方向に捩れる方向に、翼回転方向に対して軸方向に傾斜するオフセット角を有する
   ことを特徴とするタービン動翼。
3. 請求項１又は２記載のタービン動翼であって、
   前記スナッバの頂部に向かい合うケーシングと、前記スナッバの頂部との間からの作動蒸気もれを防ぐためのシール構造として、前記スナッバの頂部にハイロー形状を有し、前記ハイロー形状は、製造時において、翼回転方向に対して軸方向に傾斜するオフセット角を有する
   ことを特徴とするタービン動翼。
4. 請求項１乃至３何れか１項記載のタービン動翼であって、
   前記スナッバ当り面は、運転停止時において隣接する前記スナッバの前記スナッバ当り面とは接触せず、運転時にのみ接触するよう構成され、
   前記スナッバの前縁側の面と後縁側の面の少なくとも一方の一部に、運転停止時において、翼回転方向に対して平行となる組立基準面を有する
   ことを特徴とするタービン動翼。
5. 請求項４に記載のタービン動翼であって、
   前記組立基準面が、前記スナッバの前縁側の面の、翼回転方向後方側に形成されている
   ことを特徴とするタービン動翼。

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