JPH0586805A - タービン羽根 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 許容し得ない支承応力を発生する程に幅を減
少することなく、遠心力荷重に起因する根元部／取付溝
のピーク応力を最適化することが可能なタービン羽根を
提供する。 【構成】 タービン羽根１０は、翼状部１２と、該翼状
部が上向きに延びる台部１４と、台部から下向きに延び
る根元部１６とを含む。根元部は、上から順に、最上位
根元首部２２、中間根元首部２４、最下位根元首部２６
を含み、最上位根元首部の下側には最上位張出部２８が
形成され、中間根元首部の下側には中間張出部３０が形
成され、最下位根元首部の下側には最下位張出部３２が
形成される。最上位根元首部２２は第１の上側半径Ｒ１
と第２の下側半径Ｒ２を有し、半径Ｒ１の長さはＲ２の
長さよりも約３０％大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

【発明の分野】本発明は、一般に、ターボ機械の羽根構
造に関し、特に、局所ピーク応力を軽減するように最適
化された羽根根元部の取付形状に関するものである。

【０００２】

【関連技術の説明】タービンは、複数の静止羽根列（静
翼列）及び回転羽根列（動翼列）を有している。１つの
羽根列内の羽根は通常互いに同じであって、翼状部及び
根元部を備えている。該根元部は、動翼の場合にはロー
タに、また静翼の場合にはケーシングに設けられている
取付溝に羽根を取り付けるのに用いられている。

【０００３】動翼の一般的な根元部形状は、複数個の半
径方向に突出する張出部を画成する複数個の首部（縊れ
部）が存在することから、いわゆる“樅の木形”輪郭も
しくは形状として知られている。

【０００４】従来、樅の木形の羽根の根元部形状は、根
元部の中心線の両側に配置された２つの対称な曲面であ
って、底部では根元部底部により結合され、頂部では羽
根台部の下側部により結合されている上記対称な曲面を
有することを特徴としている。

【０００５】米国特許第４,１９１,５０５号明細書に
は、羽根の根元部の各首部が２つの異なった半径を有
し、大きい半径を首部の上側部分に設け、小さい半径を
首部の下側部分に対して設けている。曲げ荷重及び剪断
荷重が協調して作用し羽根材料に由々しい張力が加わる
領域における首部のこのような複合形状によれば、低サ
イクル疲労寿命が改善され、従って、第１番目に述べた
半径を増加し第２番目の半径を減少することにより、根
元部の深さを相応に増加する必要なく、最大応力の減少
が可能になることが述べられている。

【０００６】蒸気タービンにおける最終羽根列のような
大きい動翼は、根元部／取付溝において、遠心力荷重に
起因する比較的高いピーク応力を受ける。従って、支承
応力を増すことなく上記のピーク応力を最小にする必要
性が依然として存在している。

【０００７】

【発明の概要】本発明の１つの目的は、許容し得ない支
承応力を発生する程に支承部のランド幅を減少すること
なく、蒸気タービンの大きな最終翼列の羽根の遠心力荷
重に起因する根元部／取付溝のピーク応力を最適化する
ことが可能なタービン羽根の根元部の輪郭構造を提供す
ることにある。

【０００８】本発明の他の目的は、局所ピーク応力を軽
減するように、最上位根元首部の複合関係と根元首部の
面積との間に最適化された関係を有するタービン羽根の
根元部の輪郭構造を提供することにある。

【０００９】本発明の更に他の目的は、支承応力を減少
するのに充分な大きさの支承面積を有するタービン羽根
の根元部の構造を提供することにある。

【００１０】本発明の上述及び他の目的は、翼状部と、
該翼状部が上向きに延びている台部と、該台部から下向
きに延びる根元部とを備え、上記根元部が、上から下に
順に、最上位首部と、少なくとも１つの中間首部と、最
下位首部とを備え、上記最上位首部の下側に最上位張出
部を形成し、上記少なくとも１つの中間首部の下側に少
なくとも１つの中間張出部を形成し、上記最下位首部の
下側に最下位張出部を形成し、全ての首部領域が複合半
径を有するタービン羽根を提供することにより達成され
る。

【００１１】本発明により最適化した羽根輪郭の上述及
び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しての以下の
詳細な説明から一層明らかになるであろう。

【００１２】

【好適な実施例の詳細な説明】図１〜図３を参照する
と、本発明によるタービン羽根は、参照数字１０で総括
的に示されており、特定的には、大きな最終列の蒸気タ
ービン羽根である。羽根は、翼状部１２及び台部１４を
備えているが、これ等の２つの部分の詳細な図示は省略
してある。根元部１６は、台部１４から下向きに延在
し、ロータ２０の対応の取付溝１８内に嵌着されてい
る。

【００１３】根元部１６は、上から下に向かい、最上位
根元首部２２（縊れ部）、少なくとも１つの中間根元首
部２４及び最下位根元首部２６を備えている。各首部
は、下に詳細に説明する独特な形状を有する一対の鏡像
曲面により根元の中心線ＲＣＬを中心に対称に形成され
ている。

【００１４】各首部は、それぞれ最上位、中間及び最下
位根元首部毎に、水平線Ｄｕ、Ｄｍ及びＤＬにより示さ
れている幅を有している（図３）。

【００１５】最上位張出部２８は、最上位根元首部２２
の下側に形成されており、やはり中心線ＲＣＬを中心に
対称に配置されている。中間張出部３０は中間根元首部
２４の下側に配置され、そして最下位張出部３２は最下
位根元首部２６の下側に配置されている。

【００１６】中心線ＲＣＬの各側で最上位根元首部２２
は複合半径を有しており、第１の半径Ｒ１は、台部１４
から遷移点３４に延在する表面を画成するように、回転
中心Ｒ１Ｃを有している。遷移点３４で回転中心Ｒ１Ｃ
の内側に離間している回転中心Ｒ２Ｃから曲線を引くこ
とにより首部表面を完結するのに第２の半径Ｒ２が用い
られている。好適な実施例においては、最適な首部半径
比は、上側の半径Ｒ１がＲ２よりも約３０％大きく(Ｒ
１＝０.３００ｉｎでＲ２＝０.２３０ｉｎ)、半径Ｒ２
が最上位の根元首部の幅Ｄｕの３０％よりも大きい(Ｒ
２＝０.２３０ｉｎでＤｕ＝０.７３６９ｉｎ)場合に達
成されることが判明した。この好適な実施例によれば、
最上位根元首部２２に最小のピーク応力を維持しつつ、
この輪郭の根元部に遠心力による高い荷重を受けさせる
ことができる。即ち、この根元郭には低サイクル疲労に
対し卓越した抵抗が付与される。

【００１７】回転中心Ｒ１Ｃは、根元張出部２８、３０
及び３２の放射状の外面に対し接線関係にある線ＴＮ上
に位置する。第１の半径から第２の半径への遷移点３４
は、接線ＴＮから根元中心線上の交点ＰＩを通るように
垂直線ＰＬを引くことにより選択され、その場合、最上
位張出部の支承表面を含む平面ＰＢは互いに且つ中心線
ＲＣＬと交差する。

【００１８】各張出部は平坦な上部支承面を有してい
る。例えば、最上位張出部２８は支承面２８ａを有し、
中間張出部３０は支承面３０ａを有し、最下位張出部３
２は支承面３２ａを有する。最上位張出部２８におい
て、根元中心線ＲＣＬの両側の支承面は、該根元中心線
ＲＣＬで交差し、それにより、最上位根元首部２２の第
１の半径と第２の半径との間の遷移点３４を定める垂直
線ＰＬに対する基準点が得られる。

【００１９】従来においては、上述のように大きくはな
くまた上述のような比関係にない首部の半径は、支承面
突出部Ｗｔ、Ｗｍ、Ｗｂを減少することにより達成され
ており、従って、従前の支承応力よりも高い応力を受け
る根元輪郭が生成されていた。本発明の好適な実施例に
おいては、上部支承面突出部Ｗｔは上部根元首部の幅Ｄ
ｕの１２.５％より小さくはなく(Ｗｔ＝０.０９２７ｉ
ｎでＤｕ＝０.７３６９ｉｎ）、そして中央の支承面突
出部Ｗｍ(＝０.０７５８ｉｎ）は、上部支承面突出部Ｗ
ｔの８０％より小さくなく、そして下部支承面突出部Ｗ
ｂ(＝０.０６７４ｉｎ）は上部支承面突出部Ｗｔの７０
％よりも小さくはない。この好適な形態は、許容可能な
従来の支承面応力を維持しつつ、根元輪郭に遠心力によ
る高い荷重が加わることを可能にする。

【００２０】残余の張出部及び首部に対しては、食違い
位置関係にある回転中心で単一の半径が用いられる。例
えば、最上位張出部２８の放射状張出面は、半径Ｒ３及
びＲ４の２つの半径線分によって形成され、ここで、半
径Ｒ３及びＲ４は互いに等しく、好ましくは０.０７２
１ｉｎ（１.８３１３４ｍｍ）であるが、回転中心Ｒ３
Ｃ及びＲ４Ｃは垂直方向に整列しておらず、それによ
り、等しい長さの２つの半径により形成される２つの半
径部分間に平坦な面部分が形成されている。

【００２１】平坦な面２８ｂは接線ＴＮから４０．６３
２１２°の角度で延び、張出部２８から中間首部２４に
延びている。好ましくは、０.１０８３ｉｎ（２.７５１
ｍｍ）の半径Ｒ５及びＲ６は、垂直方向に整列していな
い（食違い関係にある）２つの異なった回転中心Ｒ５Ｃ
及びＲ６Ｃから引かれて、中間首部２４の平坦な表面を
生成している。

【００２２】中間張出部３０の支承面３０ａも、接線Ｔ
Ｎから６６．７５°の角度で配置されており、従って、
支承面２８ａに対して平行な関係にある。

【００２３】中間張出部３０は、２つの食違い位置関係
にある回転中心Ｒ７Ｃ及びＲ８Ｃから引かれた単一の半
径Ｒ７及びＲ８により形成されている。半径Ｒ７及びＲ
８は、双方共に０.０７３７ｉｎ（１.８７１９８ｍｍ）
とするのが好ましい。平行な面３０ｂも、接線ＴＮから
４０．６３２１°の角度で配置されており、従って、面
２８ｂに対して平行である。

【００２４】最下位首部２６は２つの垂直方向に食い違
った位置の回転中心Ｒ９Ｃ及びＲ１０Ｃから引かれた単
一の半径Ｒ９及びＲ１０により形成されている。半径Ｒ
９及びＲ１０は双方共に０.０８５ｉｎ（２.１５９ｍ
ｍ）とするのが好ましい。支承面３２ａは接線ＴＮに対
し６６．７５°の角度で配置され、従って、支承面２８
ａ及び３０ａに対し平行である。

【００２５】最下位張出部３２は、第１の半径Ｒ１１及
び第２の半径Ｒ１２により形成されている。この場合、
半径Ｒ１１は半径Ｒ１２よりも小さく、そして半径Ｒ１
１は０.０９４５ｉｎ（２.４００３ｍｍ）とするのが好
ましく、他方、半径Ｒ１２は０.１０８ｉｎ（２.７４３
２ｍｍ）とするのが好ましい。回転子中心Ｒ１１は、回
転中心Ｒ１２Ｃから垂直方向にずれており、しかも水平
方向にも若干ずれている。

【００２６】上の説明から明らかなように、最上位根元
首部及び最下位張出部は複合半径を有しており、その場
合、最上位根元首部においては、第１の半径は第２の半
径よりも大きく、他方、最下位張出部３２においては第
１の半径は第２の半径よりも小さい。首部の半径は上か
ら下に順に小さくなっており、他方、張出部の半径は上
から下に順に大きくなっている。

【００２７】根元部１６の全長は１.９８９ｉｎ（５０.
５２０６ｍｍ）である。接線ＴＮは、根元中心線ＲＣＬ
に対し１５．７５°の角度で位置し、垂直線ＰＬも同じ
角度（１５.７５°）で位置している。

【００２８】２つの根元首部２４及び２６に対して接線
関係にある接線ＴＮは、最上位根元首部２２に対する接
線から約０.０７８２ｉｎ(１.９８６２８ｍｍ)だけ離間
している。回転中心Ｒ１Ｃは、台部１４の下面から０.
２３４２ｉｎ（５.９４８６８ｍｍ）だけ離間している
のが有利である。また、支承面２８ａは、支承面３０ａ
からは０.５００６ｉｎ（１２.７１５２４ｍｍ）だけ離
間し、支承面３２ａからは０.９６３２ｉｎ（２４.４６
５２８ｍｍ）だけ離間している。交点ＰＩは、台部１４
の下面から０.０３７７ｉｎ（０.９５７５８ｍｍ）だけ
離間している。最上位根元首部２２は、０.７３６９ｉ
ｎ（１８.７１７２６ｍｍ）の幅を有している。

【００２９】コンピュータ・シミュレーションの結果、
上に述べたタービン羽根に対する最適化根元輪郭によれ
ば、従来のものと比較し、支承応力を増加しないように
充分な大きさの支承面積を確保しつつ、局所ピーク応力
減少面積に相当の改善が達成されることが推定された。

【００３０】当業者には、本発明の種々の変形及び適応
が明らかであろうところから、本発明の範囲に含まれる
限りにおいて、このような変形及び適応は全て本発明に
より包含されるものであることを付記する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるタービン羽根の根元部を詳細に示
す端面図。

【図２】数値例を示す図１に類似の図。

【図３】取付溝対根元部の支承面接触における数値例を
示す端面図。

【符号の説明】

１０ タービン羽根 １２ 翼状部 １４ 台部 １６ 根元部 ２２ 最上位根元首部 ２４ 中間根元首部 ２６ 最下位根元首部 ２８ 最上位張出部 ３０ 中間張出部 ３２ 最下位張出部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 翼状部と、該翼状部が上向きに延びてい
   る台部と、該台部から下向きに延びる根元部とを含み、
   該根元部は、上から下に順次、最上位根元首部と、中間
   根元首部と、最下位根元首部とを含み、前記最上位根元
   首部の下側に最上位張出部が形成され、前記中間根元首
   部の下側に中間張出部が形成され、前記最下位根元首部
   の下側に最下位張出部が形成されていて、前記最上位根
   元首部、中間根元首部及び最下位根元首部は複合半径を
   有し、前記最上位根元首部は、第１の上部半径Ｒ１と第
   ２の下部半径Ｒ２を有し、該第１の上部半径Ｒ１の長さ
   は第２の下部半径Ｒ２の長さよりも約３０％大きい、タ
   ービン羽根。