JPH074203A - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】励振力から受ける負荷荷重による翼の疲労を緩
和する連結部材を持つタービン動翼を提供する。 【構成】タービン動翼１が回転体のロータ４にディスク
３を介して備えられている構造において、タービン動翼
１は半径方向の少なくとも一カ所の半径位置にワイヤあ
るいはシュラウド２などの周方向に延びる連結部材を備
え、全周にわたる全てのタービン動翼１を周方向に連結
し、連結部材の全周にわたる周方向にある等間隔なピッ
チで突起物５、あるいは溝６を設けたタービン動翼。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸気タービン，ガスタ
ービンなどのタービン全般に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術として、蒸気タービンのター
ビン動翼を例にあげて説明する。

【０００３】蒸気タービンの翼車に備えられたタービン
動翼は、例えば作動流体である蒸気等の流れ及び乱れ成
分によって、広範な周波数範囲で絶えず励振されている
ので、動翼の持つ数多くの固有振動数で振動が発生して
いる。しかし、翼の信頼性問題において全ての振動が問
題になるのではなく、翼を破損させるほど大きな励振力
と同じ周波数成分を持つ固有振動については、タービン
稼働時での共振を避ける必要がある。一方、翼を破損さ
せるには至らないほど小さい励振力と同じ周波数成分を
持つ翼の固有振動については、設計上考慮に入れない場
合も多い。

【０００４】これらの様々な励振力に対する翼構造の振
動応答は、各振動モードにおける固有振動数や、減衰の
大きさが関連する。そこで、共振応答の大きい低次振動
モードの共振は避ける一方、共振応答の小さい高次振動
モードでは共振しても信頼性のおける翼構造を設計する
ために、隣り合う翼をタイワイヤや帯状のシュラウド等
で連結する手段が多く採用されている。隣り合う翼を連
結すれば、翼構造の剛性の増加と振動減衰の付加効果が
期待できるからである。

【０００５】そこで、翼を連結した翼連結構造を大別す
ると、タービン動翼を構成する全周の翼のうち、数本ず
つの翼を一つのグループとして連結する、いわゆる群翼
構造、またタービン動翼を構成する翼車全周の全ての翼
を周方向に一まとめに連結する全周一リング翼構造等が
ある。このうち全周一リング翼構造は、図５に示すよう
に、円板の振動モードと類似した固有な振動モード、す
なわち円板の振動モードと同様に全周の周方向にわたっ
て一波長，二波長…となる、いくつかの直径位置に節が
存在する節直径モードを持つ。一方、群翼構造は、図７
に示すように、連結された数本の翼が一つの単位となっ
て振動モードを形成する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の方
法では、次のような課題がある。

【０００７】タービン翼車において翼を支えるディスク
の剛性が小さい場合は、ディスクと翼は連成振動する。
そのため、先に述べた全周一リング翼構造がディスクと
連成振動した場合は、図５と同様な周方向に正弦波状の
振動モードが、翼車全体に現れ、固有振動数が翼単体に
比べて低い値になる。また、群翼構造とディスクが連成
振動した場合は、全周一リング翼構造の正弦波状の振動
モードよりも複雑ではあるが、それに類似した節直径振
動モードを翼車全体に発生し、固有振動数が翼単体に比
べて低い値になる。

【０００８】一方、タービン動翼に作用する励振力とし
ては、作動流体の流れが、翼車周方向に不均一分布であ
ることから生じる流体励振力があげられる。この流体励
振力は、翼車の周方向における流れの不均一分布中を回
転する翼に対して、回転数の整数倍（以下本発明では、
これを励振次数と呼ぶことにする。）の周波数成分を持
つ励振力として作用する。これに対して、翼とディスク
が連成振動する場合の振動モードは、先に述べた通り節
直径振動モードを形成するので、節直径数と回転数の整
数倍である励振次数が一致したときにタービン動翼は共
振を起こす。特に翼車全体で単一の正弦波状に現れる節
直径振動モードのうち、低次の振動モードにおいて翼が
共振すれば、破損事故をもたらす程危険な場合が多い。
最終的には、タービン稼働時において、このような節直
径数と励振次数が一致する共振振動モードが発生しない
ように設計する必要がある。しかし、翼とディスクが連
成振動する場合は、固有振動数が翼単体に比べて低い値
になるので、設計段階で翼車全体の固有振動数の値がど
の程度になり、共振を回避できるかどうか予測が立てに
くいという問題がある。

【０００９】また、群翼構造とディスクが連成振動する
場合は、群翼のグループ数の公約数と一致した節直径数
の振動モードで、翼車全体で単一の正弦波状になり、励
振次数と一致する共振が生じるので、翼の振幅は大きく
なり、翼が疲労しやすくなるという問題がある。

【００１０】また、翼連結構造のうち群翼構造におい
て、隣り合う翼が連結されていない翼は連結されている
翼に比べて振動モードの振幅が大きくなることが多い。
従って、隣り合う翼が連結されていない翼は、励振力に
対する翼振幅も大きくなるので、疲労の面から他の翼に
比べて、破損しやすいという問題がある。

【００１１】本発明の目的は、タービン翼車において、
共振回避設計をすべき振動モードの単一な正弦波状の節
直径振動モードの発生を防ぎ、翼の振幅を小さくするこ
とにより、励振力から受ける負荷荷重による翼の疲労を
緩和する連結部材を持つタービン動翼を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のタービン動翼は、連結部材の全周にわたる周方
向に、ある等間隔なピッチで突起物、あるいは孔や溝を
形成する。

【００１３】すなわち、 （１）本発明は、タービン動翼が回転体のロータにディ
スクを介して備えられている構造において、前記タービ
ン動翼は半径方向の少なくとも一カ所の半径位置にワイ
ヤあるいはシュラウドなどの周方向に延びる連結部材を
備え、全周にわたる全ての前記タービン動翼を周方向に
連結し、前記連結部材の全周にわたる周方向にある等間
隔なピッチで突起物、あるいは孔や溝を設けた。

【００１４】（２）本発明は、タービン動翼が回転体の
ロータにディスクを介して備えられている構造におい
て、前記タービン動翼は半径方向の少なくとも一カ所の
半径位置にワイヤあるいはシュラウドなどの周方向に延
びる連結部材を備え、前記タービン動翼は半径方向の少
なくとも一カ所の半径位置にワイヤあるいはシュラウド
などの周方向に延びる連結部材を備え、隣り合う前記タ
ービン動翼をある有限本数ごとに周方向に連結し、前記
連結部材の全周にわたる周方向には、ある等間隔なピッ
チで突起物、あるいは孔や溝を設け、前記タービン動翼
が連結部材によって周方向に連結されたことにより形成
する構造の全周のグループ数の公約数と前記連結部材に
設けた突起物あるいは孔や溝の数は異なる。

【００１５】（３）本発明は、（１）または（２）にお
いて、周方向に設けた前記突起物、あるいは前記孔や溝
の替わりに、材質の異なる連結部材を全周にわたる周方
向にある等間隔で配置する。

【００１６】

【作用】本発明によるタービン動翼を用いれば、連結部
材に設けた突起物あるいは孔や溝によって、翼車全体の
節直径振動モードは限定される。すなわち、連結部材に
設けた突起物あるいは孔や溝の位置が、ディスクの節直
径振動モードにおける節あるいは腹部となるので、突起
物あるいは孔や溝の全周の個数の公約数に一致した節直
径振動モードの振幅が大きくなり、その他の節直径振動
モードは振幅が小さく、励振力に対する振動応答も小さ
くなる。従って、あらかじめ回避すべき節直径振動モー
ドが判明した際に、その節直径数を公約数に持たない数
の突起物あるいは、孔や溝を連結部材の全周にわたって
設置すれば、回避すべき節直径数の振動モードの翼振幅
は小さくなる。そのため、励振力の負荷荷重による翼の
疲労は緩和される。

【００１７】また、群翼構造とディスクが連成振動する
場合は、群翼のグループ数の公約数と異なる個数の突起
物あるいは孔や溝を連結部材の全周にわたって設置すれ
ば、翼車全体の振動モードは単一の正弦波状にはならず
複雑になるので、単一の正弦波状の節直径振動モードに
比べて、励振力に対する翼の振幅が小さくなる。

【００１８】また、群翼構造の隣り合う翼が連結されて
いない二本の翼の間に相当するディスクの位置で、突起
物を設置すれば翼根元が補強され、隣り合う翼を連結さ
れた翼に比べて振幅の大きい翼の疲労による破損が回避
できる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図５を用
いて詳細に説明する。

【００２０】図１は、本発明を取り入れたタービン動翼
の正面図であり、図５は、図１のタービン動翼のうち、
翼部分のみを考えた場合の軸方向変位による典型的な振
動モードを示す図である。

【００２１】第一実施例である図１において、１は翼、
２はシュラウド、３はディスク、４はロータ、そして５
は突起物を示す。図中の翼本数は、全部で３６本とし、
翼１はシュラウド２によって全周にわたり全ての翼が連
結される、いわゆる、全周一リング翼構造の構成であ
る。また、シュラウド２には、突起物５を周方向に同じ
ピッチで五つ備える。

【００２２】さて、最初に図１に示す突起物５がシュラ
ウド２に存在しないタービン翼車の振動モードについて
考える。突起物５がシュラウド２に存在しない場合は、
翼１とディスク３が連成振動すれば、翼１はシュラウド
２によって全周が一まとめに連結されているので、図５
に示すような周方向に均一な正弦波形状の節直径振動モ
ードを形成する。そこで、突起物５がシュラウド２に存
在しないタービン翼車で、実際の稼働回転数の振動特性
を調査したところ、節直径数３の振動モード（図５のモ
ード４）の固有振動数値が励振次数と近い値であったと
する。この場合、タービン翼車は節直径数３の振動モー
ドで共振になり、励振力に対する翼の振幅は著しく大き
くなる。

【００２３】そこで、図１に示すように、シュラウド２
に突起物５を周方向に同じピッチで五つ備える。本発明
による図１の構造によれば、突起物５が全周のシュラウ
ドにおいて付加ウエイトとなるので、シュラウドの部分
では全周を五分割した振動モードいわゆる節直径数５の
振動モードが支配的になる。そのため、突起物５がシュ
ラウド２に存在しない場合に問題となった節直径数３の
振動モードは、全周を五分割した振動モードと連成振動
するので、図５に示すような周方向に均一な正弦波形状
の節直径振動モードを形成することはなくなる。また、
翼１とディスク３の連成振動は、突起物５の影響のため
節直径数５の振動モードがその他のモードと比べて支配
的になるので、節直径数３の振動モードにおける翼の振
幅は小さくなり、励振力による翼の疲労が緩和される。

【００２４】すなわち、本発明を用いる場合は、予めタ
ービン翼車の振動モード特性を調査し、共振する恐れの
ある節直径数とは相いれない数の突起物をディスクに取
り付けるという手順を踏めば、実際の稼働回転数中の励
振力に対して問題となる振動モードの翼振幅が小さくで
きる。

【００２５】また、本発明における突起物５の替わり
に、シュラウド２に孔や溝を備えても同等の効果が期待
できる。

【００２６】また、本発明によれば、突起物あるいは孔
や溝をシュラウドに備えることによってシュラウド２の
剛性が変えられるので、タービン翼車の固有振動数が励
振次数と合致しないように、固有振動数のチューニング
効果も期待できる。

【００２７】次に本発明の第二実施例について、図２，
図５及び、図６を用いて、詳細に述べる。

【００２８】図２は、本発明を取り入れたタービン動翼
の正面図であり、図６は、図２のタービン翼車のうち、
翼部分のみを考えた場合の軸方向変位による一連の振動
を示す図である。

【００２９】第二実施例である図２において、１は翼、
２はシュラウド、３はディスク、４はロータ、そして５
は突起物を示す。タービン翼車を構成する全ての翼本数
は、３６本とし、翼１はシュラウド２によって三本ずつ
の翼が周方向に連結される、いわゆる群翼構造の構成で
ある。また、シュラウド２には突起物５を周方向に同じ
ピッチで五つ備える。

【００３０】さて、第一実施例と同様に、まず最初に図
２に示す突起物５がシュラウド２に存在しないタービン
翼車の振動モードについて考える。突起物５がシュラウ
ド２に存在しない場合は、翼部分は３本綴りの群翼構造
なので、図６で示した一連の振動モードを形成する。す
なわち、翼車全体の翼本数３６本に対して、３本綴りの
群翼のグループ数は１２あるので、群翼構造だけの振動
モードが節を持つ毎に、翼車全体で、０波長，６波長，
１２波長の節直径振動モードが形成される。従って、節
直径数０，６，１２の振動モードは、図５に示すような
周方向に単一な正弦波形状の節直径振動モードを形成す
るので、励振力に対する翼の振幅が著しく大きくなる。

【００３１】そこで、図２に示すように、シュラウド２
に突起物５を周方向に同じピッチで五つ備える。本発明
による図２の構造によれば、突起物５が全周のシュラウ
ドにおいて付加ウエイトとなるので、シュラウドの部分
では全周を五分割した振動モードいわゆる節直径数５の
振動モードが支配的になる。そのため、突起物５がシュ
ラウド２に存在しない場合に問題となった節直径数０，
６，１２の振動モードは、図５に示すような周方向に単
一な正弦波形状の節直径振動モードを形成することはな
い。また、翼１とディスク３の連成振動は、シュラウド
に備えた突起物５の影響で節直径数５の振動モードがそ
の他のモードと比べて支配的になるので、節直径数３の
振動モードは、翼の振幅が小さくなり、励振力による翼
の疲労が緩和される。

【００３２】また、本発明を実施するにあたっては、先
に述べた本発明の第一実施例と同様に、突起物５がシュ
ラウド２に存在しないタービン翼車で、稼働回転数の振
動特性を予め調べた後に、励振次数と共振しない節直径
数の中から突起物の個数を決定することが望ましい。

【００３３】また、その際の突起物の数は、全周にわた
った群翼のグループ数の公約数と異なる数を選定する。
なぜならば、図２の本発明の実施例で示したように、突
起物の数は、全周にわたった群翼のグループ数の公約数
と異なる数であれば、群翼とディスクの連成振動モード
は、単一な正弦波状の節直径振動モードにならないの
で、翼の振幅が小さくなることが期待できるからであ
る。

【００３４】また、本発明の効果は、第一実施例と同様
に突起物５の替わりにシュラウド２に図４に示すような
孔や溝を備えても同等の効果が期待できる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、タービン翼車におい
て、共振回避設計をすべき振動モードの単一な正弦波状
の節直径振動モードの発生を防ぎ、翼の振幅を小さくす
ることにより、励振力から受ける負荷荷重による翼の疲
労を緩和する連結部材を持つタービン翼車が構成でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す正面図。

【図２】本発明の第二の実施例を示す正面図。

【図３】本発明の第二の実施例を示す部分斜視図。

【図４】本発明の第二の実施例を示す部分斜視図。

【図５】本発明の第一の実施例の振動モードを示した説
明図。

【図６】本発明の第二の実施例の振動モードを示した説
明図。

【図７】本発明の第二の実施例の振動モードの説明図。

【符号の説明】

１…翼、２…シュラウド、３…ディスク、４…ロータ、
５…突起物、６…溝。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タービン動翼が回転体のロータにディスク
   を介して備えられている構造において、前記タービン動
   翼は半径方向の少なくとも一カ所の半径位置にワイヤあ
   るいはシュラウドなどの周方向に延びる連結部材を備
   え、全周にわたる全ての前記タービン動翼を周方向に連
   結し、前記連結部材の全周にわたる周方向にある等間隔
   なピッチで突起物、あるいは孔や溝を設けたことを特徴
   とするタービン動翼。
2. 【請求項２】タービン動翼が回転体のロータにディスク
   を介して備えられている構造において、前記タービン動
   翼は半径方向の少なくとも一カ所の半径位置にワイヤあ
   るいはシュラウドなどの周方向に延びる連結部材を備
   え、隣り合う前記タービン動翼をある有限本数ごとに周
   方向に連結し、前記連結部材の全周にわたる周方向に
   は、ある等間隔なピッチで突起物、あるいは孔や溝を設
   け、前記タービン動翼が連結部材によって周方向に連結
   されたことにより形成する構造の全周のグループ数の公
   約数と前記連結部材に設けた突起物あるいは孔や溝の数
   は異なることを特徴とするタービン動翼。
3. 【請求項３】請求項１または２において、周方向に設け
   た前記突起物、あるいは前記孔や前記溝の替わりに、材
   質の異なる連結部材を、全周にわたる周方向にある等間
   隔で配置したタービン動翼。