JPH0491302A - 軸流タービンの翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は軸流タービンの翼に係わり、特に振動低減およ
び減衰効果を持つ軸流タービンの翼構造に関するもので
ある。

（従来の技術） 軸流タービンはおもに発電プラントに使用される蒸気タ
ービンなどに用いられるが、近年の発電プラント大容量
化にともない、軸流タービンの作動流体量（蒸気タービ
ンでは蒸気量）も増大しており、タービンの翼（動翼）
にとっては振動力も増大し、翼長も増加する傾向にある
。したがって振動に対する配慮すなわち翼にいかに振動
低減および振動減衰効果を持たせるかが重要な課題とな
ってきている。

翼の振動低減および減衰効果を持つ構造としてよく知ら
れているものに翼頂部あるいは真中間部に設置される、
スナッバ構造がある。またこれに似た構造で一般に翼先
端部に設置されるカバーセグメント構造とよばれるもの
がある。

スナッバ構造の代表的な一例を第１２図に示す。

第１２図は翼１を車軸２に組込んだ状態を示す。翼の先
端部には隣接する翼どうしの突起３が回転中に接触する
ように設置されている。この隣接する突起３どうしは通
常組立時には微小な間隙（この間隙をスナッバ間隙とよ
ぶ）を持って組立てられ、回転中には遠心力によって翼
のねじれが戻る現象によって間隙がなくなり隣接する突
起どうしが接触し、この接触による制振効果によって振
動を抑えるものである。

この場合型が振動しようとしてもスナッバ構造の接触面
で振幅自体が抑えられるほか、振動しても接触面が擦れ
て振動のエネルギを吸収するため、振動低減および減衰
効果が生じるのである。

このように翼の先端部あるいは中間部に突起あるいは棚
状の構造を設け、この接触によって振動低減および減衰
効果を持たせる構造をスナッバ構造と称する。

このスナッバ構造についてさらに説明する。

第１３図は第１２図の翼を翼先端側より見おろした図で
ある。破線が組立時であり、実線が回転中の状態を示す
。組立時には隣接する突起３どうしにスナッバ間隙があ
るが、回転中には遠心力によって翼のねしわが戻る現象
によってこの間隙がなくなって接触する。

次に、翼が回転中にねじりが戻る理由を第１４図により
説明する。

翼を単純化してねじれた板で示すと実線１のようになる
。このようにねじれた板を矢印４のように両端から引張
ると破線のようにねじりが戻る。

翼は回転中には矢印と同じ方向に遠心力で引張られるた
め、この板と同じようにねじりが戻るものである。

スナッバ構造では、このようなねじりが戻る現象を利用
して組立時に微小な間隙を有していたものを、回転中に
接触させ振動低減および減衰効果を持たせるのが特徴で
ある。

またカバーセグメント構造とよばれるものも従来からよ
く使用されている。第１５図にはカバーセグメント構造
を持つ翼を示す。翼１の先端には穴５があり、この穴５
に突起６を持ったカバーセグメント７と呼ばれる部材が
組込まれ隣接する翼ど一 うしを接続する。翼が振動しようとしても、カバーセグ
メント７によって拘束されているため振幅は抑えられる
ばか振動しても穴と突起のあいだの摩擦によって振動エ
ネルギが吸収されるため、この構造によっても振動低減
および減衰効果が得られる。

スナッバ構造およびカバーセグメント構造が有効な振動
低減および減衰効果を持つ理由には以上に述べたほかに
、全周の翼を連結構造で一群にできることがあげられる
。

第１６図（ａ）のように翼１の先端に突起８を設けこれ
にシュラウドとよばれる板９をはめ隣接する翼の突起ど
うしを結合する方法では板を全周でいくつかに分割して
いるため結合されている翼群が一体となってゆれる振動
モードがあり、同図（ｂ）に示すように特に破線で示し
た接線方向振動モードは防止しにくい。このモードは比
較的低次であるため翼としては注意しなければならない
モードである。

全周の翼を連結構造で一群にした場合はこのモ一 一ドに対しても抑制効果が太きいた、め、スナッバ構造
およびカバーセグメント構造は翼の防振構造としてきわ
めて有効なものといえる。

（発明が解決しようとする課題） このようにスナッバ構造およびカバーセグメント構造は
翼の防振構造としてきわめて有効なものではあるが、そ
れぞれ未だ解決すべき問題がある。

まず従来のスナッバ構造についてその問題点を説明する
。

従来のスナッバ構造では回転が低い状態では遠心力が小
さく翼のねじりの戻りが小さいためスナッバの突起どう
しが接触していないため、振動低減および減衰効果は期
待できないという問題がある。

翼は通常定格回転数で固有振動数と回転数の倍周波成分
を離調するように設計する。これは翼にかかる励振力の
ほとんどが回転数の倍周波成分を持つためである。

よって起動時の回転上昇あるいは停止時の回転降下にお
いては固有振動数と回転数の倍周波成分の合致は避けら
れず、このような状況で突起どうしが接触していない場
合、翼が大きく振動し最悪の場合には翼が破損する可能
性がある。

翼の理想的な状態は回転上昇、回転降下、定格回転数な
どのすべての運転状況下でつねに振動低減および減衰効
果を有していることであり、このためにはスナッバ間隙
を常にＯとし、どのような運転状況下にあっても隣接す
る翼どうしが接触している・必要がある。

そのためには組立時からスナッバ間隙をＯとすることが
必要であるが、これが以下の点で非常に困難である。

まず翼と車軸の間の植込部には必ずガタがあるため、回
転が上がり始める時にはその遠心力でそのガタの分翼が
外周側へ移行するほか、遠心力によって翼が伸び、両者
の結果としてスナッバ部の径が組立時（静止時）より大
きくなる。

つまり組立時のスナッバ接触部のピッチ（以下これを幾
何学的ピッチと称す）、 π×（静止時のスナッバ部の直径）÷（翼の′全周枚数
）どおりに精度よくスナッバ部の加工を行い組立時にス
ナッバ間隙を０とするようにしても、回転中のスナッバ
接触部のピッチは π×（回転中のスナッバ部の直径）÷（翼の全周枚数）
となるが、 （回転中のスナッバ部の直径）〉（組立時のスナッバ部
の直径）であるため、スナッバ部の回転中のピッチは幾
何学的ピッチより大きくなる。

スナッバ間隙の変化を第１７図を用いて説明する。

図の横軸は回転数ｒ、縦軸はスナッバ間隙ｄを示し、上
方向を間隙の広がる方向、下方向を間隙のせばまる方向
を示す。組立時間隙が０として設定された翼のスナッバ
部の直径が大きくなることによる間隙の広がりｄ工は、
回転上昇とともにガタの分で急激に広がり、その後遠心
力によるスナッバ部の直径の増大で間隙はなだらかに増
大しようとする。これにたいして遠心力によって翼のね
じれが戻る現象による間隙のせばまりｄ２は回転上昇と
ともにしだいに間隙をせばめようとする。この間隙の広
がりｄｌとせばまりｄ２の合計が実際のスナッバ間隙ｄ
３である。スナッバ間隙ｄ３は組立時にＯとしても、ガ
タの分の影響に支配されて広がり、接触回転数ｒ１で再
びＯとなる。接触回転数ｒ１以下の回転数ではスナッバ
間隔ｄ３は開いておりスナッバによる振動抑制の効果は
期待できない。

接触回転数ｒ０以上の高い回転数ではスナッバは接触し
ておりこの領域では翼のねじれが戻る現象による間隙の
せばまりｄ２は一点鎖線ｄｚａのようにせばまろうとす
るが接、触によってそれ以上せばまることができないの
でｄｚｂのように変化する。この−点鎖線ｄＺａと実線
ｄ２ｂの差は接触部の面圧すなわち接触部から翼が受け
る反力の高まり、翼のねじれの戻りが拘束されているこ
とを示す。この分を斜線でハツチングしているが、この
部分では回転上昇により次第に接触面圧が上昇している
。

この図でわかるように、組立時にスナッバ間隔をＯとし
ても、ガタの影善や遠心力によるスナッバ部の直径の増
大に伴うスナッバ間隔の広がりが翼のねじれ戻る現象に
よる間隙のせばまりより先行して、結局接触回転数まで
はスナッバ間隙が生じてしまうことになることがわかる
。

また振動の減衰効果に着目すれば、振動エネルギを接触
面の摩擦のエネルギに変換することが有効であるので、
ある程度接触面圧は大きいほうが摩擦のエネルギへの変
換効率は良くなり、減衰効果は大きくなる。すなわち接
触面はただ当たっているだけではなく、ある程度の面圧
をもっていたほうが減衰効果は大きくなる。しかしなが
ら、あまり大きな面圧となると、振動が起きた場合に接
触面は擦り合うことなくあたかも一体の部材のように固
着して動かないため減衰効果は接触していない場合より
はあるものの、適正な面圧の場合よりは劣ってくる。

従来のスナッバ構造では、接触回転数で接触を開始しく
面圧Ｏ）回転をあげるにしたがい面圧はしだいに上がっ
てくる。従って定格回転数にて適正な面圧となるように
設定していた。そのため遠心力による翼のねじれの戻り
の大きい翼では、組立時にはスナッバ間隙を大きくとっ
ておく必要があり、結果として接触回転数が高い回転数
になってしまうことがある。つまり接触回転数は低けれ
ば低いほどよいが接触面圧を考慮するとそれができない
場合がでてくる。

さらにスナッバ部には、遠心力によるものと接触の反力
によるものの合計の応力が加わるため、当部の応力が厳
しい場合、定格回転数においてあまり面圧を高くするこ
とができない場合がある。

この場合は定格回転数において面圧を応力的に許容され
る値以下にするため、組立時にはスナッバ間隙を大きく
とり接触回転数が高い回転数になってしまうことがある
。

以上により従来のスナッバ構造の問題点が明確になった
。これから、スナッバ構造において翼に理想的な振動低
減および減衰効果を実現するため、および応力面からも
問題ない翼とするには、以下を実現できればよいことが
分かる。

・組立時から回転上昇、回転降下、定格回転数などのす
べての運転状況下でつねにスナッバが接触していること
。

・その接触面圧が回転数によらずほぼ一定で適正な範囲
にあること ・とくに応力の厳しい場合は定格回転数においてあまり
面圧が高くならないこと 次に、従来のカバーセグメント構造についてその問題点
を説明する。

第１８図に組立時のカバーセグメント構造の状態を実線
で示し、回転中の状態を破線で示す。回転中には翼のね
じれが戻る現象によって翼１とセグメント７の間には隙
間があく。このため、翼の振動低減効果が小さくなって
くる問題がある。すなわち翼はこの隙間分の大きさの振
幅が生じ得るわけである。

振動減衰効果については常にセグメントの突起６と翼の
穴５の間の摩擦によって充分にあると考えられるが、振
幅の抑制の面で問題がある。

また回転中にはこの隙間を通過して作動流体（蒸気等）
が漏洩するため、漏洩損失が生じ性能面でも好ましくな
い。

よってカバーセグメント構造については回転中にも隙間
が生じない構造を実現する必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は
スナッバ構造においては、組立時から回転上昇、回転降
下、定格回転数などのすべての運転状況下でつねにスナ
ッバが接触し、かつその接触面圧が回転数によらずほぼ
一定で適正な範囲にあるとともにスナッバ部の応力が厳
しい場合、その接触面圧が回転が上昇するに従いしだい
に小さくなり、回転中に接触部付近の応力が厳しくなる
ことを防止するような翼構造を提供することであり、ま
たカバーセグメント構造においては、回転中にも隙間が
生じない翼構造を提供することである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために軸流タービンの翼先
端あるいは真中央部にスナッバを設け、このスナッバを
回転中に隣接する翼どうしで接触させるように構成した
軸流タービンの翼において、スナッバの接触面をタービ
ンの軸方向に対してある角度を持たせ、その角度は翼先
端における翼断面の翼弦がタービンの軸方向に対してな
す角度と逆方向にとると同時に、接触部間のピッチをこ
のスナッバの接触部の直径および翼枚数より算出される
幾何学的ピッチより大きくし、さらに翼の根元部からス
ナッバまでの間にねじりを与え、スナッバの接触部のピ
ッチを幾何学的ピッチに合わせるように構成したことを
特徴とするものである。

（作用） 本発明は上記のように構成されているので回転上昇、回
転降下、定格回転数などのすべての運転状況下でつねに
翼の先端あるいは中間部に設けられたスナッバ構造の接
触面は常に接触しているため、すべての運転状況下にて
振動低減および減衰効果を翼に持たせることができる。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例であり、翼先端部より翼を見
た図である。図はスナッバ部の組立ての様子を示したも
のである。翼１のスナッパビッチ１０は組立時のスナッ
バ直径から求まる幾何学的ピッチ、すなわち π×（組立時のスナッバ部の直径）÷（翼の全周枚数）
より大きく作られている。このためそのまま組立ててい
くと、まず実線のように隣接する翼ｌどうしが当たって
しまう。これをさらに組込むとスナッバどうしがより強
く接触し翼１がねじれて破線のようになって組立てられ
る。これが正規組立て状態である。

この関係をスナッバ形状を単純化して分かり易く説明す
る。第１図のスナッバ構造は第２図のように単純化でき
る。すなわち突起３どうしの接触状況を第２図では翼１
の先端部につけた菱形の棚１１に置き換えて示している
。第２図（ａ）では翼を組立しようとしたときにスナッ
バピッチ１０が大きすぎ翼１ａのスナッバの棚１１ａと
翼１ｂのスナッバの棚１１ｂとが接触した状況を示す、
翼１ａと翼１ｂを無理やり近づけると同図（ｂ）のよう
に翼が組立時のスナッバねじり角度θ１だけねじられる
ことで組立時のスナッバ部のピッチ１２（ピッチ１２は
ピッチ１０より小さい）すなわち幾何学的ピッチとなり
正規組立て状態となる。

第１図の場合は組立時のねじり方向と遠心力での翼のね
じれの戻り方向が逆のため接触面圧は回転によらずほぼ
一定にできる。これを第３図によって説明する。図の横
軸に回転数ｒ、縦軸に接触面圧Ｐを示している。Ｐｏは
組立時の接触面圧を示し、Ｐ、は回転を上昇させ始めた
時に翼の植込部のガタがなくなる等によってスナッバ部
の直径が大きくなることによる接触面圧のもどりを示す
。遠心力によって翼が伸びこれによってスナッバ部の直
径が大きくなりスナッバ間隙が広がろうとする度合い（
接触面圧の低下度合い）と遠心力によって翼のねじれが
戻ろうとする度合い（接触面圧の増大度合い）をほぼ同
一とできれば定格回転数までにこの差Ｐｆだけ接触面圧
の変化が生じる。この接触面圧の変化の度合いは第２図
の接触面傾き角θ２によりいかようにも調整できる。こ
れについて以下詳細に述べる。

接触面の傾き角度θ２の向きは翼先端部の翼弦の方向が
軸方向に対してなす角度θ３と逆としである角度を持た
せている。ここで、組立時のねじり角度θ１は角度θ、
と逆であるため、遠心力によって翼のねじれが戻ろうと
する向きは翼弦の方向が軸方向に対してなす角度θ３と
逆で、角度θ２と同じ向きとなり、角度θ１と逆となる
。よって、遠心力によって翼のねじれが戻る現象は接触
面圧の上昇につながる。ここで、角度θ２が小さいとこ
れを小さくできる。角度θ２の大きさを調整すれば、遠
心力による翼のねじれの戻りに伴う接触面圧の増大度合
いと遠心力によって翼が伸びこれによってスナッバ部の
直径が大きくなりスナッバ間隙が広がることによる接触
面圧の低下度合いをほぼ等しくやき、第３図の接触面圧
の変化ｐｆをほとんどなくすことができる。これによっ
てすべての回転数範囲でスナッバは接触しており、その
接触面圧は回転数によらずほぼ一定とすることができる
ため、減衰特性面からも良好な面圧範囲に設定できる。

これにより、あらゆる運転状況下で良好な振動低減およ
び減衰効果を期待できる。

しかしスナッバ部の応力が厳しく接触面圧による応力を
定格回転数では小さくしたい場合がある。

この場合は回転数によって接触面圧を下げるように設定
する。以下にかかる実施例について説明する。

第４図は本発明の他の実施例であり、翼先端側より翼を
見た図である。図はスナッバ部の組立ての様子を示した
ものであり、翼１のスナッバピッチＩＯは組立時のスナ
ッバ部のピッチより大きく作られている。このためその
まま組立てていくと、まず実線のように隣接する翼どう
しが当たってしまう、これをさらに組込むとスナッバど
うしがより強く接触し翼がねじれて破線のようになって
組立てられる。これが正規組立て状態であり、これは第
１図と同じである。

この関係をスナッバ形状を単純化してＷｉ、５図に示す
。第５図（ａ）では翼を組立ようとしたときにスナッバ
ピッチ１０が大きすぎ翼１ａのスナッバの棚１．１ａと
翼１ｂのスナッバの棚１１ｂとが接触した状況を示す。

翼１ａと翼１ｂを無理やり近づけると同図（ｂ）のよう
に翼が組立時のスナッバねじり角度θ１だけねじらおる
ことで組立時のスナッバ部のピッチ１６（ピッチ１２は
ピッチ１０より小さい）となり正規組立て状態となる。

ここで本実施例では接触面の傾き角度０２の向きは翼先
端部の翼弦の方向が軸方向に対してなす角度θ、と同一
としである角度を持たせている。すると１組立時のねじ
り角度Ｏ□は０２と逆であるため、遠心力によって翼の
ねじれが戻ろうとする向きは翼弦の方向が軸方向に対し
てなす角度θ３と逆で、θ２と逆向きとなり、角度θ、
と同一の向きとなる。よって、遠心力によって翼のねじ
れが戻る現象は接触面圧の低下につながる。そのため接
触面圧は第６図のように（縦軸、横軸のとりがたは第３
図と同じ）変化する。ここでは組立時接触面圧Ｐ。から
回転上昇にしたがい、まずガタの分、接触面圧の戻りＰ
工があり、その後遠心力によって翼のねじれが戻る現象
による接触面圧の低下分と遠心力によって翼が伸びこれ
によってスナッバ部の直径が大きくなりスナッバ間隙が
広がることにともなう接触面圧の低下分によって、接触
面圧の低下ｐｄが生じる。この低下Ｐｄの度合いは接触
面の傾き角度θ２が小さいほど少なくなり定格回転数に
おいてもある程度の面圧があるよう調整できる。これに
は、組立て時のねじりは少なくとも定格回転における翼
のねじれの戻りより大きくすることが必要である。

これにより回転が上がるにつれ接触面圧は組立時より次
第に小さくでき、かつ定格回転数においても応力的に許
容できる程度の接触面圧を持つ状態が実現でき、高回転
数でのスナッバ部の応力が過大になることを防止でき、
応力的に厳しい翼について有効である。

この場合にも、スナッバ部はすべての運転範囲で接触し
ているため、振動低減および減衰効果を期待することが
できる。

第７図はさらに他の実施例であり、翼のスナッバ形状を
単純化した図である。図では翼１の棚１１は隣接する翼
どうしの接触面の角度が異なる形状をしており、第７図
（ａ）では翼を組立ようとしたときにスナッバ構造の棚
が接触した状況を示す。

翼どうしを無理やり近づけると同図（ｂ）のように翼が
ねじられることで近づき正規組立て状態となる。これに
よりスナッバは組立時およびすべての運転状況下で接触
した状況にでき、振動低減および減衰効果が期待できる
。

第８図は本発明の別の実施例であり、翼の先端側より翼
を見た図である。同図（ａ）は翼を無理にねじることな
くカバーセグメント無しで単独で組立てた場合である。

カバーセグメント７の幅１３は翼のカバーセグメント取
付部の翼の間の幅１４より大きく作っであるため、これ
を入れるためには翼は組立時から遠心力によって翼のね
じれの戻る方向に無理にねじり、同図（ｂ）のように組
立られる。

この場合組立て時にねじる景を回転によって翼のねじれ
の戻る量と同等かそれ以上にしておけば定格回転におい
ても隙間が生じることがない。隙間がないため、翼の振
幅は制限され従来より振動抑制効果の高い翼とすること
ができる他、この部分からの作動流体の漏洩がなく効率
のよい翼とすることができる。

上記各実施例では接触面が直線の例を説明したが、接触
面は円弧状そのほかの曲線の場合、接触面が数箇所にわ
たる場合も考えられ、それらについてもスナッバ部の幾
何学的ピッチより大きい寸法でスナッバピッチが設定さ
れれば同じ効果がもたされる。

第９図乃至第１１図はそれぞれさらに別の実施例の翼の
スナッバ部の組立状態を示す図であり、第９図は接触面
１５が円弧状の場合の正規組立て状態を示している。第
１０図は接触面１５が組立てていく段階ではまず１カ所
接触するが、第４２図のように正規組立て状態では接触
面Ｉ５が２カ所となる例を示した。

なお実施例のすべては翼先端に設置するだけでなく、重
電間部に設置してもよく、翼長方向に数箇所設置しても
同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば回転上昇、回転降
下、定格回転数などのすべての運転状況下でつねに翼の
先端あるいは中間部に設けられたスナッバ構造の接触面
は常に接触しているため、すべての運転状況下にて振動
低減および減衰効果を翼に持たせることができる。また
カバーセグメント構造ではより振動抑制効果を高めるこ
とができる。これによって翼が過大な振動を起こすこと
がなくなり、翼の信頼性を大幅に向上させることができ
、その結果プラントの信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の翼の組立ての様子を説明す
るための図、第２図は第１図を簡略化して示した図、第
３図は第１図の接触面圧の変化を示す図、第４図は本発
明の他の実施例の翼の組立ての様子を説明するための図
、第５図は第４図を簡略化して示した図、第６図は第４
図の接触面圧の変化を示す図、第７図はさらに他の実施
例の翼の組立ての様子を説明するための図、第８図は本
発明の別の実施例の翼の組立ての様子を説明するための
図、第９図乃至第１１図はそれぞれさらに別の実施例の
翼の組立ての様子を説明するための図、第１２図は従来
の翼を車軸に組込んだ斜視図。 第１３図は第１２図のスナッバ構造を説明するための図
、第１４図は遠心力により翼のねじれが戻る現象を説明
するための図、第１５図はカバーセグメント構造を持つ
従来の翼の斜視図、第１６図は全周一群構造でないシュ
ラウドを使用する翼とその低次振動モードを説明するた
めの図、第１７図は従来のスナッバ構造のスナッバ間隙
の変化を説明するための図、第１８図は従来のカバーセ
グメント構造の組立時と回転中の変化を説明するための
図である。 ｌａｗ　ｌｂ・・・翼　　　　　２・・・車軸３・・・
突起　　　　　　４・・・引張力５・・・穴　　　　　
　　６・・・突起７・・・セグメント　　　８・・・突
起９・・・板　　　　　　　１０．１２・・・スナッバ
ピッチ１１、ｌｌａ、１１ｂ＝・棚　　　１３．１４・
・・棚１５・・・接触面 （８７３３）代理人弁理士　猪　股　祥　晃（ほか１名
）（ｂ） 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 軸流タービンの翼先端あるいは翼中央部にスナッバを設
   け、このスナッバを回転中に隣接する翼どうしで接触さ
   せるように構成した軸流タービンの翼において、スナッ
   バの接触面をタービンの軸方向に対してある角度を持た
   せ、その角度は翼先端における翼断面の翼弦がタービン
   の軸方向に対してなす角度と逆方向にとると同時に、接
   触部間のピッチをこのスナッバの接触部の直径および翼
   枚数より算出される幾何学的ピッチより大きくし、さら
   に翼の根元部からスナッバまでの間にねじりを与え、ス
   ナッバの接触部のピッチを幾何学的ピッチに合わせるよ
   うに構成したことを特徴とする軸流タービンの翼。