JPH0772485B2 - ロータへの羽根の装着方法並びにロータ及び羽根組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

【発明の分野】本発明は、タービン羽根の根元部の構造
に関し、特に、ロータの側入用溝内へのタービン羽根の
装着及び該側入用溝を形成する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【関連技術の説明】蒸気タービンは、単一の動力出力を
発生するように連結された低圧蒸気タービン、中間圧蒸
気タービン及び（又は）高圧蒸気タービン等の要素の組
み合わせから構成することができる。各蒸気タービン
は、溝内に装着された複数の回転羽根もしくは動翼を有
するロータを備えている。通常、所定の翼列の動翼は互
いに同一である。１つの翼列の動翼は、ロータの外表面
から半径方向外向きに延び、各翼列は互いに離間されて
いる。１つの翼列の動翼の形状は他の翼列の動翼の形状
とは異なる。最も著しいのは、各翼列の動翼の長さが、
ロータに沿う位置に依存して変化することである。

【０００３】各動翼は、どの翼列においても、ロータか
ら半径方向外向きに延びる翼状部と、動翼をロータに装
着するための基体部とを有している。基体部は、翼列の
各動翼毎に設けられている装着溝内に嵌合する根元部を
備えており、また、翼状部の基端部に一体的に形成され
た台部を備えることができる。翼状部は、末端部に先端
を有し、基端部から末端部に捩れた形状を有することも
できるし、また平行側面とすることもできる。更に、翼
状部の先端には、個別に付加されるか又は一体的に形成
された要素として囲い板もしくはシュラウドが設けられ
る場合が屡々ある。

【０００４】ロータの周囲には同軸関係で固定ケーシン
グが支持されており、この固定ケーシングは、その内面
に装着された複数の静翼を有している。静翼も列状に配
列され、この静翼列は、ケーシングをロータと共に組み
立てる際に、動翼列と交互する位置を占める。全ての静
翼は翼状部を有しているが、１つの翼列の静翼は他の翼
列の静翼とは異なった形状に形成されている。幾つかの
静翼は、根元部及び台部を備える基体部を有している。
他の静翼は、根元部或は台部を有さずに羽根リングに直
接溶接された翼状部を有している。

【０００５】動翼を装着するためにロータに設けられる
溝は、通常、静翼に対して設けられる装着溝よりも幾何
学的に複雑である。更に、動翼の根元部及びロータは、
静翼の対応の根元部よりも相当大きな応力を受ける。

【０００６】タービンには、ロータに設けられる謂わゆ
る“側入式”溝と称するものの中にに装着された動翼を
有するタービンがある。装着状態では、動翼は、ロータ
を円周方向に取り巻いて配置されている列状の形態で、
ロータから半径方向外向きに延びる。１つの列を構成す
る複数の動翼を装着するために単一の環状溝を設ける代
わりに、側入用溝構造は、所定の列に対し、それぞれが
当該列の各動翼に対し設けられる一連の離間した側入用
溝を備える。

【０００７】典型的な側入用溝は、溝の底部に向かい内
向きに先細になる開口としてロータの外表面から出発し
ている。この開口と溝の底部との間に、同溝の対向側壁
に対称的に一連の凹凸もしくは起伏が設けられる。対応
のタービン羽根の典型的な根元部は、上記溝の形状に実
質的に相応する形状を有している。溝及び根元部の凹凸
が嵌合部となる。

【０００８】このようにして得られるロータ溝及び羽根
根元部の形状は、時として、クリスマスツリーもしくは
樅の木形と呼称されている。

【０００９】側入用溝においては、根元部は、タービン
ロータの半径方向に対して垂直な平面内に位置する経路
に沿い溝内に押し込まれ、それにより、嵌合を実現する
ことができる。根元部及び溝に対する公差は非常に厳格
である。根元部及び溝の輪郭公差包絡線は、典型的に、
非接触面に沿い０.００６ｉｎ（０.１５２４ｍｍ）の変
動を許容するが、接触面に対しては遥かに小さい変動し
か許容しない。基本的には、根元部と溝との間の最大隙
間が極めて小さくなるような根元部及び溝間の精密な嵌
合が要求される。

【００１０】一旦特定の構造が開発されると、動翼の根
元部及び溝の形態を変更することには一般に抵抗があ
る。その理由は、特定の構造に到達するのに何箇月も或
は幾年にも及ぶ細心な計算が要求されることがあるから
である。動翼の根元部及び溝の輪郭における僅かな変動
でも、時として、羽根或はロータの機能又は性能に許容
し得ない程の低下がもたらされることがある。このよう
に、根元部と溝との間の公差が臨界的な程に重要である
とするれば、根元部及び溝のいずれか或は両者の輪郭の
変更は一般には賢明ではないとするのも無理からぬこと
である。

【００１１】通常、側入式動翼の根元部は、該根元部の
形状と近似的に同じ形状を有する溝内に嵌め込まれる。
これは、作動流体の漏洩に起因する損失を最小限度にす
るためである。しかし、根元部の底部と溝の底部との間
に隙間が生じて、冷却媒体が通流できる通路が形成され
るような高温用途においては上記の慣行にも場合により
例外が生ずる。

【００１２】クリスマスツリー形状の羽根の根元部及び
それに対応する装着溝は、それぞれ、翼状部及びロータ
本体に最も近い箇所で最も幅広く、対向端側で最も狭く
なっている。これは、羽根からロータに負荷を伝達する
材料を最も効果的に利用するため及び応力集中作用を最
小にする緩やかな面取り曲率を可能にするためである。

【００１３】羽根の根元部の側面は製造中覆われてはい
ないので、根元部を製作するのに使用される機械加工装
置（工作機械、研削砥石或はブローチ）は、任意の大き
さ及び剛性のものに構成することができる。しかし、溝
の切削は、比較的に非常に困難である。このような溝の
切削と関連する１つの問題は、切削工具もしくはバイト
の寸法が、切削されつつある溝の大きさに必然的に制限
される点にある。

【００１４】溝底部のネック部が充分に大きくない場合
には、溝カッタの最下部は軟弱で可撓性を有することに
なろう。起こり得る望ましくない結果の中でも、特に下
記の問題が注目される。

【００１５】（１）溝カッタが切削動作中に折れる可能
性があり、その場合、加工中のロータが使用不能になる
可能性がある。（２）カッタの撓みで、溝の底部接触表
面から余分の材料が除去される可能性がある。羽根をこ
のような溝に組み込んだ場合、底部側の突起部が、全負
荷のうちの所定の割合を分担することができない。その
場合には、残りの突起部がそれぞれに予定されている負
荷より大きい負荷を分担するように強制されることにな
り、羽根の装着構造の信頼性及び寿命に悪影響がある。

【００１６】上述のような望ましくない結果を回避する
ために、溝の底部側ネック部を理想的な幅よりも幅広に
形成することにより、羽根装着構造の強度を相応に犠牲
にするという妥協が往々にして必要となる。

【００１７】

【発明の概要】本発明の１つの目的は、ロータ溝を形成
するのに大きな強度を有する大きい切削工具もしくはバ
イトを使用することができるターボ機械用ロータ羽根の
改良された装着方法を提供することにある。

【００１８】本発明の他の目的は、溝の底部側ネック部
を根元部の底部側ネック部よりも相当に大きくした改良
されたターボ機械用ロータ及び羽根組立体を提供するこ
とにある。

【００１９】本発明の上述の目的及び他の目的は、頂部
から底部に向かって幅が減少する複数のネック部を含む
クリスマスツリー形状の根元部を有する側入式羽根をロ
ータに装着する方法であって、頂部から底部に向かうに
従い幅が減少する複数のネック部を備えるように羽根の
根元部の形状に実質的に相応する形状でロータに溝を切
り、該溝の最下部のネック部の幅を羽根の根元部の最下
部のネック部の幅に比較し大きくし、溝及びロータの最
下部ネック部の箇所を除き全ての箇所においては小さい
隙間で、そして根元部の両側においては溝及び根元部の
対向表面間にスペースが形成されるように羽根の根元部
をロータ溝に滑入させる、ロータへの羽根の装着方法を
提供することにより達成される。

【００２０】本発明の他の側面によれば、それぞれが、
頂部から底部に向かい幅が減少する複数のネック部を備
えるクリスマスツリー形状の根元部を有する複数の側入
式回転羽根と、ロータに形成されて、対応の羽根の対応
の根元部を受け入れ、それぞれが、羽根の根元部の形状
に実質的に相応する形状を有し、頂部から底部に向かい
幅が減少する複数のネック部を有する複数の溝から構成
されるロータ及び羽根組立体が提供される。各溝の最下
部のネック部は、羽根の根元部の最下部のネック部に対
し大きい幅を有し、羽根を対応の溝内に嵌め込んだ場合
に、根元部の両側で、根元部と溝の対向表面間にスペー
スもしくは間隔が形成される。

【００２１】本発明による回転機械の動翼の装着に関す
る改良についての上述及び他の特徴や利点は、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。

【００２２】

【好適な実施例の詳細な説明】回転機械のロータ及び羽
根は一般に知られており、従って、ロータの構成要素及
び羽根の構成要素の詳細な説明に付いては省略する。

【００２３】図１を参照するに、参照数字１０で全体的
に示してある“側入式”回転羽根即ち動翼は、翼状部１
２（部分的にのみ示す）と、台部１４と、根元部１６と
を備える。

【００２４】根元部１６は、クリスマスツリー形状の輪
郭を有しており、この輪郭は、根元部１６の厚さが減少
している領域を表す複数のネック部１８、２０及び２２
を含む。各ネック部は、根元部の対向する側壁が互いに
収斂することにより形成される。従って、根元部１６の
Ｙ軸方向に見て、根元部の頂部から始まって、根元部の
対向側面はＹ軸に向かい連続的に収斂してネック部１８
を形成し、次いでＹ軸から発散して、Ｙ軸を中心に対象
的に配置される第１組の突起部２４及び２６を形成して
いる。再び側面がＹ軸に向かって収斂して、第２のネッ
ク部２０が形成される。このようにして、突起部２４、
２６は基本的にネック部１８及び２０間における突出し
た領域である。ネック部２０から、根元部１６の対向側
面は発散し、しかる後に再び収斂して第２組の突起部２
８、３０を形成している。更に、側部表面は収斂し、次
いで再び発散して、最下部のネック部２２が形成され、
それにより、ネック部２０と２２との間には突起部２
８、３０が形成される。

【００２５】最下部の突起部３２は、側面が再びネック
部２２から発散して、次いで漸次Ｙ軸に収斂し、根元部
の底部３４で終端している。

【００２６】図３を参照するに、溝３６がロータ３８に
形成されており、この溝３６は、羽根の根元部の形状に
実質的に相応する形状を有している。溝は対向側面を有
し、これ等の側面は、溝の頂部即ちロータの外面４６か
らＹ軸線に向かって内向きに収斂し第１のネック部４０
を形成し、次いでＹ軸線から発散して、第１組の突起部
４８、５０を形成している。次に、側面は、Ｙ軸に向か
い収斂し、しかる後に再び発散して第２のネック部４２
を形成している。対向側面が再び発散し、それにより、
第２組の突起部５２、５４が形成される。次いで、対向
側面は再びＹ軸に向かって収斂し、そして通常要求され
るよりも広幅のネック部４４を形成する実質的に垂直な
線形部分５６及び５８を含むように研削されている。広
幅のネック部４４は、頑丈で撓みの少ない切削バイトに
対し溝底部へのアクセスを許容する。

【００２７】対向側面は、線形部分５６、５８から再び
Ｙ軸線に対し発散し、それにより第３組の突起部６０、
６２を形成する。次いで、表面はＹ軸線に向かい僅かに
収斂し次いで底部６４に至る。

【００２８】溝及び根元部のネック部は、上述のよう
に、頂部から底部に向かい幅が減少し、それにより図面
に示すようなクリスマスツリー形状の輪郭を画成してい
る。根元部１６をロータ溝３６内に滑入させると、非常
に小さい寸法公差が保たれているので、図１において、
根元部及び溝の輪郭双方を形成する重要な線は、念入り
に観察しなければ隙間を検出することができなくなる程
に根元部及び溝の２つの表面が非常に接近する、ことを
示している。このように小さい公差は、一般に、作動流
体の漏洩と関連する損失を最小にし且つ不均等な負荷分
布に起因する応力集中を最小にする。

【００２９】図１において、根元部１６の負荷支承面
は、ネック部１８、２０及び２２の直ぐ下側に存在する
表面である。同様に、溝３６の負荷支承面もしくは負荷
支承領域は、溝のネック部４０、４２及び４４の直ぐ下
側に形成され、図３に参照数字６６、６８及び７０で総
括的に示してある。

【００３０】図２は、根元部及び溝の最下部ネック部領
域の拡大図である。溝の負荷支承面７０は、根元部１６
の最下部の突起部３２の負荷支承面に稠密に嵌合され
る。突起部６０、６２の上側部分においては、溝と根元
部との間の公差は、僅かに大きくすることができる。と
言うのは、これ等の表面は負荷を支承しないからであ
る。

【００３１】溝の線形部分５６と根元部１６のネック部
２２との間にはスペース７４が形成される。このスペー
スもしくは間隔は、負荷支承面７０及び７２から離れて
設けられており、これは、溝３６の最下部のネック部の
付加的な研削もしくは切削の結果として生ずる。このス
ペースは、ネック部２２の両側に設けられ、それによ
り、大径で、従って大きい強度を有する切削バイトの挿
入を可能にする。

【００３２】本発明は、４７ｉｎ(１１９.３８ｃｍ）の
羽根を有し１８００ｒｐｍ（毎分回転数）で回転する低
圧蒸気タービンの最終列に特に適している。この型の羽
根は、タービン内の他の羽根よりも小さい圧力降下を与
える。他の適用例は、３６００ｒｐｍのタービンにおけ
る３２ｉｎ(８１.２８ｃｍ）の羽根である。

【００３３】溝底部のネック部と根元部底部のネック部
との間における比較的大きなスペースは幾つかの利点を
有する。例えば、溝が根元部の形状に一致するようにし
たとすれば、溝底部のネック部は大きさが減少するであ
ろう。これにより、対応の溝の切削バイトの強度が減少
しその可撓性が増す。と言うのは、バイトを通すことが
できる隙間が小さくなるからである。また、根元部を溝
の形状と一致するようにするとした場合には、根元部底
部の面取り曲率が相当に減少することになり、そのた
め、根元部底部のネック部における応力集中が増し、そ
れにより、低サイクル疲労、高サイクル疲労及び／又は
応力腐食割れを受け易くなる。

【００３４】本発明に特に良く適している１つの用途
は、既に述べたように、低圧蒸気タービンにおける最終
動翼列である。この箇所においては、ロータ軸線を中心
とするタービン羽根の回転により生ぜしめされる遠心荷
重が特に大きい。このように大きな遠心荷重に対処する
ために、利用可能な荷重支持材料を効果的に開発する必
要性が特に強調されている。更にまた、最終動翼列は、
比較的大きな環状面積及び動翼列における比較的小さい
圧力降下を特徴とする。これは、根元部と溝との間に生
ずる隙間による漏洩が比較的に少ないことを意味する。

【００３５】本発明の幾多の変形及び適応例は当業者に
は明らかであろう。従って、本発明は、かかる変形及び
適応例を全てその範囲内に包含するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ロータの溝内に装着された側入式動翼の端面
図。

【図２】図１の根元部及び溝の最下部のネック部の拡大
図。

【図３】図１の側入式動翼を有するロータ溝の端面図。

【符号の説明】

１０ 回転羽根（動翼） １６ 根元部 １８ 根元部のネック部 ２０ 根元部のネック部 ２２ 根元部のネック部 ３４ 根元部の底部 ３６ ロータの溝 ３８ ロータ ４０ 溝のネック部 ４２ 溝のネック部 ４４ 溝のネック部（最下部のネック部） ７４ スペース

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】頂部から底部に向かって幅が減少する複数
   のネック部を含むクリスマスツリー形状の根元部を有す
   る側入式羽根をロータに装着する方法であって、頂部か
   ら底部に向かって幅が減少する複数のネック部を含むよ
   うに、前記羽根の根元部の形状に実質的に相応する形状
   に、前記ロータに溝を切り、前記溝の最下部のネック部
   の幅を前記根元部の最下部のネック部の幅に比較して大
   きく形成し、前記溝及び前記根元部の最下部のネック部
   の箇所を除き全ての箇所において小さい隙間で、前記根
   元部を前記溝内に滑入させ、前記根元部の両側において
   前記溝及び前記根元部の対向表面間にスペースが形成さ
   れるようにした、ロータへの羽根の装着方法。
2. 【請求項２】ロータ及び羽根組立体であって、それぞれ
   が、頂部から底部に向かい幅が減少する複数のネック部
   を含むクリスマスツリー形状の根元部を有する、複数の
   側入式回転羽根と、前記ロータに形成されて、対応の回
   転羽根の対応の根元部を受け入れ、それぞれが、頂部か
   ら底部に向かい幅が減少する複数のネック部を含むよう
   に、前記根元部の形状に実質的に相応する形状を有する
   複数の溝とを含み、前記溝の最下部のネック部は、前記
   根元部の最下部のネック部に対し大きい幅を有し、羽根
   を対応の溝内に嵌め込んだ場合に、前記根元部の両側
   で、前記根元部と前記溝の対向表面間にスペースが形成
   されるようにした、ロータ及び羽根組立体。