JPS63154036A - 回転機械のロ−タ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、くさび状溝を外周に形成してなるロータ部材
と、このロータ部材のくさび状溝に係合されて取付けら
れる埋込部材とを有する回転機械のロータの改良に関し
、特にタービン発電機のロータ、あるいは軸流圧縮機や
タービンなどの軸流形流体機械のロータに適用して好適
なものである。

〔従来の技術〕

従来のタービン発電機のロータは第２図〜第４図に示す
ように、軸１と一体に形成されたロータ鉄心部２にスロ
ット３を軸方向に多数設け、これらのスロット３内の下
部にコイル４を挿入すると共に、このコイル４上にスペ
ーサ６を介して任意数のウェッジ５Ａが位置するように
スロット３内の上部に挿入した構造からなり、前記ウェ
ッジ５Ａよりコイル４がロータの回転による遠心力によ
ってスロット３内から脱出するのを防止している。

上記ウェッジ５Ａは種々の形状に形成されるが、一般に
は第３図、第４図に示すようなダブテールの形溝に形成
されており、その他にＴ字型、クリスマスツリー形など
の形状のものが用いられる。

これらのウェッジ５Ａはスロット３内に任意数挿入され
ているので、ウェッジ５Ａとスロット３との接触面７′
には、相隣るウェッジ５Ａの端面どうしの接する接触端
部８が必ずできる。この接触端部８には、遠心力による
面圧が集中するばかりでなく、第５図に示すようにロー
タ鉄心部２が自重または曲げ振動により曲率ｒで曲って
回転している時のスロット３（ロータ鉄心部２）とウェ
ッジ５Ａとの間に相対すべりが発生する。この相対すベ
リ量±δは、ロータの半径をｒｏ、ウェッジ５Ａの長さ
をＱとすると、ロータ鉄心２は上点Ａおよび下点Ｂに至
るとき、ウェッジ端部に相当すｒ ツジ５Ａは長手方向に分断されているから伸縮しない、
したがって、ロータの一回転ごとにウェッジ５Ａとロー
タ鉄心２との接触端部８で相対すべＯ す２δ　（＝−□Ｉｌ）を発生する、このため、接触端
部８のロータ鉄心２側にすベリ方向に引張、圧縮応力が
集中し、前述の面圧の集中も重畳して５この部分のフレ
ッティング損傷を生じ、疲労き裂が発生しやすくなる欠
点があった。これを避けるために、特開昭５９−２１３
２４９号公報記載のように、ｉ）ウェッジの接触端近傍
にスリットを設ける。

あるいは。

ｉｉ　）ロータ鉄心の接触端部に応力緩和溝を設け、そ
れぞれ、接触端部での面圧集中を緩和する。

あるいは、すべり方向の引張、圧縮応力の集中を緩和す
る などの対策がとられてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、例えば上記ｊ）の場合、スリットの位
置、深さなどの寸法が適切でないと逆に強度低下の原因
ともなり、ウェッジの形状９寸法が変わる毎に最適なス
リットの位置、深さを解析的に求める必要があった。ま
た、上記５５　）の場合、ロータ鉄心のスロワ１−内面
に溝を設けるということで作業性が非常に悪いという問
題があった。

また、軸流圧縮機やタービンなどのターボ機械のロータ
では、従来、ブレード取付部はブレードの遠心力に対す
る保持が目的とされていた。しかし、ａ近、ターボ機械
の高圧力比化に伴い、ブレードに加わる加振力が増大し
つつあり、そのためブレード取付部に加わる繰り返し曲
げモーメントが増大し、ダブテール接触端部でのフレッ
ティング疲労の問題が生じてきた。このフレッティング
疲労強度は接触端部の面圧の集中緩和によって向上する
ため、ダブテールの接触端部にスリットを設け、この部
分の剛性を下げ、接触面圧の集中を緩和する対策が講じ
られたが、この場合、スリットの位置、深さなどの寸法
が適切でないと逆に強度低下の原因ともなり、ダブテー
ルの形状９寸法が変わる毎に最適なスリットの位置、深
さを解析的に求める必要があった。

本発明の目的は、ウェッジやダブテールなどのくさび状
溝の形状９寸法に左右されることなく、どのような接触
部でも簡便かつ汎用的に利用できる耐フレッティング構
造を備えた回転機械のロータを得ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、くさび状溝を外周に
形成してなるロータ部材と、このロータ部材の前記くさ
び状溝に係合されて取付けられる埋込部材とを有する回
転機械のロータにおいて。

前記ロータ部材の外周に形成したくさび状溝とこの溝に
係合される埋込部材との接触面にその接触面強度を低下
させる細かい凹凸を形成したものである。

〔作用〕

上記捕成とすることにより、ロータ部材のくさび状溝と
埋込部材との接触面の接触端部における面圧を緩和する
ことができる。この接触端部が相対すべりを起こすとロ
ータには引張応力または圧縮応力が発生するが、本発明
ではその接触端部の面圧集中を緩和しているので、フレ
ッティング疲労強度を大幅に向上することができる。

〔実施例〕

本発明は、ウェッジまたはスロットの接触面、あるいは
ダブテール部の接触面にローレット、ディンプルなどの
密な凹凸を施すことにより、接触面そのものの剛性を低
下するようにしたものである。この場合、ローレットの
深さ、ピッチなどは、通常の機械加工に使われているも
ので充分であり、ダブテールの形状２寸法により変える
必要はない。

第６図は、ロータ鉄心２とウェッジ５Ａの接触面７′上
に凹凸を形成しない場合の面圧分布を示す、この図から
、接触端部８で面圧が急激に上昇していることがわかる
。この高面圧端が相対すべりをすれば、第７図に示すよ
うにロータ鉄心２側の接触端８には、ウェッジ５Ａの相
対すべりが起こるごとに大きな引張または、圧縮応力の
集中することがわかる。そこで、前述の面圧の大きさと
フレッティング疲労強度の関係を第８図に示すが。

面圧が２０〜２５ｋＨｆ／鵬２を境としてフレッティン
グ疲労強度が変化することがわかる。そこで、このウェ
ッジあるいはスロットの接触面上にローレットあるいは
ディンプルなどを施し、接触面のマクロ的な剛性を下げ
、接触端部での面圧熱中を緩和すれば、フレッティング
疲労強度を大幅に向上することができる。このローレッ
トの効果を実際に試験片を用いて疲労試験によって確認
したのでそれについて述べる。第９図は実験に用いたモ
デルで、試験片１０を２個のパッド１１ではさみ面圧Ｐ
ｏ　（１０ｋｆ／ｍ”）を加え、繰り返し軸方向応力（
応力振幅σ＆）を加えて疲労試験を行い。

その応力振幅σａと破断に至った繰り返し数Ｎｐの関係
をプロットすると第１０図のようになる。

この図で○印はパッド側接触面にローレットが施されて
いないもの、Δ印は、パッド側面接触面にローレットを
施した場合であり、この結果より、接触面１２のローレ
ットを施すことにより疲労限（これ以下の応力振幅では
永久に疲労破断しない限界応力振幅）ｇｔ１６ｋｇｆ／
ａｍ”　から２８ｋｇｆ／１ｍ１ｚと７５％も向上する
ことがわかる。なお、第９図において、面圧Ｐａを２０
ｋｇｆ／ｍ”とした場合には、疲労限が１１．４　ｋｇ
　ｆ　／＋＋ｗ＋＋”　（接触面にローレット加工なし
の場合）から２０ｋｇｆ／ｍ”（接触面にローレット加
工を施した場合）に向上した。

上記本実験データにおけるローレットの寸法は、ピッチ
１．２ｎ＊、深さ０．３膣の場合であるが、これ以外の
寸法の場合でも疲労強度に大差ないことを実験で確認し
ている。この実験結果につき第１１図〜第１５図を用い
て以下説明する。

上記実験は、第１１図に示す母材１０１の剛性ＥＢと、
加工Ｉ４（凹凸を形成した部分）１０２の剛性ＥＳの比
を種々変えて疲労試験を実施した。

その実験結果を第１２図に示す、このことから、剛性比
ＥＳ／Ｅａが０．０２〜０．６７となる範囲で疲労強度
の向上が著しいことがわかった。なお、剛性比Ｅａ／Ｅ
ａ０．０２〜０．６７を満足させるべき表面加工形状は
、第１１図において、表面加工層の深さｈが０．１〜２
．０ａｗ＊、表面加工層１０２における削除体積（中間
部体積）Ｖｃと残留体積（山部体積）　ＶＲ（７）比が
、ＶＲ／（ＶＣ＋ＶＲ）が０．１５〜０．６の範囲とす
ることにより達成できる。第１３図〜第１５図は上記実
験に使用したパッド表面におけるローレット加工部１０
２ａ詳細形状を示している。

以下、本発明の具体的実験例について説明する。

第１図は、タービン発電機のロータに本発明を適用した
場合の実施例で、ウェッジの斜視図を示す図である０図
において、１２は６エツジ接触而７に設けたローレット
状細溝であり、これにより。

ウェッジ接触端の接触剛性が下げられる。この実施例の
場合のウェッジ接触端部の面圧分布は第１６図に示すよ
うに、ローレット状細溝１２による接触剛性低下のため
、接触端８の面圧集中がかなり緩和され１図の如く最大
面圧１２Ｓｃｇｆ／■２に抑えられ、前述の第８図から
、フレッティング疲労強度が大きく向上することがオ）
かる。

第１７図は、ウェッジ接触面上に、交差するローレット
状細溝を設けた場合の実施例である。

第１８は、ウェッジ接触面上に、ローレットの代りに細
密なディンプルを設けたもので、同様なや果が得られる
。なお、ローレットとディンプルの代りに細密な凸起を
設けても同様な効゛果が得られる。

第１９図は、スロット３側の接触面７にローレット状補
溝１２を設けたもので、このように、ロータ部材のくさ
び状溝側の接触面に凹凸、を形成しても同様に接触端で
の面圧集中緩和、疲労強度向上が達成できる。

上述した実施例はいずれもタービン発電機のロータに本
発明を適用した場合について説明したが。

軸流圧縮機やタービンなどの軸流形流体機械のロータに
本発明を実施した場合の実施例について以下説明する。

なお、以下説明する実施例において上記実施例と同一符
号を用いた場合は上記実施例と同一または相当する部分
を示している。

第２０図は、一般のダブテール部の接触面７上の面圧分
布を示すが、この図のように、遠心力と流体加振力が矢
印の方向に働いた場合、特にその右側接触端部８で著し
く面圧が集中していることがわかる。そこで、このダブ
テールの接触面にローレットあるいはディンプルなどの
凹凸加工を施し、接触面のマクロ的な剛性を下げ、接触
端部での面圧集中を緩和し、フレッティング疲労強度を
向上した。なお、第２０図において、２１はブレード、
２２はブレード２１のダブテール、２３はロータ部材で
ある。

第２１図はブレード取付部の斜視図を示すもので、１２
はダブテール接触面の下端部分に設けたローレット状細
溝であり、これにより、ダブテール接触面下端の接触剛
性が下げられる。この実施例につき、ダブテール部２２
に遠心力と流体加振力が働いた場合のフレッティング疲
労強度の向上を説明する。第２２図は本実施例のダブテ
ール部に遠心力と流体加振力が矢印の方向に働いた場合
の右側接触面の面圧分布の解析結果を示すもので。

ローレット状細溝１２による接触面圧剛性低下のため、
右下接触端部における面圧集中がかなり緩和され１図に
示すように最大面圧を１５ｋＨｆ／ｍ”に抑えられた。

この結果、フレッティング疲労強度を大きく向上できた
。

第２３図は上記第２１図に示した実施例における接触面
下端部分のみに設けたローレット状細溝１２の代りに接
触面全面にローレット状細溝１２を設けたもので、前記
実施例と同様接触端部の面圧集中を下げることができ、
同様の作用、効果が得られる。

第２４図は、接触面上端部の面圧集中を避けるためにダ
ブテール固定用溝２４の接触面上端部にローレット状細
溝１２を設けたもので、接触面上端部のフレッティング
疲労強度を向上することができる。

第２５図及び第２６図は、それぞれ接触面の下端部ダブ
テール側、あるいは接触面上端部ダブテール溝側に、交
差するローレット状細溝１２を設けたものである。

なお、このようなローレット状細溝１２の代りに、ディ
ンプル状の測置な凹みや細密な突起を設けても同様な効
果が得られる。

以上述べた本実施例によれば、ブレード根元とそれの固
定用溝間の接触端部の剛性を下げることにより、ブレー
ド根本部に遠心力、流体加振力が負荷された場合の接触
端部の面圧集中を緩和することができる。そのために、
過大の流体加振力が加わり相対すべりが発生してもフレ
ッティング損傷を防止できるので、このブレード取付部
の疲労強度を向上することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ロータに設けたくさび状溝内に係合し
て設けた埋込部材と前記くさび状溝との接触面における
面圧集中を緩和できるから、ロータの曲げたわみによる
フレッティング損傷の発生を防＋ｈＬで、疲労強度を向
上させることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転機械のロータの一実施例を示すも
ので、ウェッジ部を一部拡大して示す斜視図、第２図は
タービン発電機ロータを一部断面にして示す正面図、第
１１図は、第２図に示すロータを一部断面にて示す側面
図、第４図は第３図のスロットとウェッジの組立状態を
示す斜視図、第５図はロータの変形状況を説明する図、
第６図は従来のロータの接触端部の断面とその面圧分布
を説明する図、第７図は同じく接触端部の引張又は圧縮
応力の分布を説明する図、第８図は接触面圧とフレッテ
ィング疲労強度との関係を示す線図、第９図は疲労試験
に用いた試験片の斜視図、第１０図はその疲労試験の結
果を示す線図、第１１図〜第１５図はローレットの形状
とフレッティング疲労強度との関係について実験した結
果を説明する図で、第１１図は試験片の形状を示す要部
の断面図、第１２図は剛性比とフレッティング疲労強度
との関係の実験結果を示す線図、第１３図はパッド表面
を示す平面図、第１４図は第１３図の要部を拡大して示
す詳細平面図、第１５図は第１４図のＡ−Ａ線断面図、
第１６図は第１図に示す実施例のスロットとウェッジ端
との接触端部の断面における面圧分布を説明する図、第
１７図〜第１９図はそれぞれ本発明における他の実施例
を示す要部斜視図、第２０図〜第２６図は本発明を軸流
形流体機械のロータに適用した場合の実施例を説明する
もので、第２０図は従来の一般的なロータのダブテール
部における接触面上の面圧分布を説明する図、第２１図
は本発明の他の実施例を示しブレード取付部の構造を一
部拡大して示す斜視図、第２２図は第２１図の実施例に
おける接触面での面圧分布を説明する図、第２３図〜第
２６図はそれ゛ぞれ本発明のさらに他の実施例を示す要
部の斜視“、興である。 ２・・・ロータ鉄心、５．５Ａ・・・ウェッジ、７・・
・接触面、８・・・接触色部、１２・・・ローレット又
はローレット状細溝、１３・・・ディンプル、２１・・
・ブレード、２２・・・ダブテール、２３・・・ロータ
部材、２４・・・ダブテール固定用溝。 ｆＪＺ　　図 ｆＪ　３　図 ３−−−スロット ４・−コイル ５Ａ・−クエッ、パ Ｚ　４　層 ４−ｖ４）１．　　　　８−−−）を角火ｌ５Ｒ５−−
−クエッン ￥：Ｊ　　５　　図 第　２　　図 藁　　７　　団 画風 ￥；３図 □　オ李角火ｉ、圧、（１干／７７７７７ピノ■　ｑ　
　図 ７−−−跨触面 Ｈ 品 Ａ、５　　、ｔＡ　φフ乙　　６７−μ　　（Ｋぴ干、
４ガクζす遁　ＩＺ　　図 剛・庄Ｒ＋　　ＥＳ／Ｅβ ＶＪ！３　　国 Ｚ　１４　図 茅　！５　　図 １０２久−ローレプトｊσ工音Ｐ ％　　ｔ６　　国 ５Ａ ？−ロー７全知（ ＩＺ−−・ローし−ｙト ￥：Ｊ　１７　図 １３・−デ′４シフＱル 罵　１９　　　口 １２−叶しットイに来日Ｊ１ 茅　２θ　区 ２１・−−）゛し−ド゛ ２２−７７’フ゛テール ２３−−一ロータ音Ｐオ父 嘉ＺＺ図 ／Ｚ−Ｄ−Ｌ　−ｙＦ扶ボー溝 ２１−−フ゛Ｌ−ド′ ２２−−一タ゛フ゛テール ２３−　　ローフ舒桟 冨　２３　　図 襦 四 板 日 Δ ト へ へ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、くさび状溝を外周に形成してなるロータ部材と、こ
   のロータ部材の前記くさび状溝に係合されて取付けられ
   る埋込部材とを有する回転機械のロータにおいて、前記
   ロータ部材の外周に形成したくさび状溝とこの溝に係合
   される埋込部材との接触面にその接触面強度を低下させ
   る細かい凹凸を形成したことを特徴とする回転機械のロ
   ータ。 ２、特許請求の範囲第１項において、細かい凹凸はロー
   レット状細溝であることを特徴とする回転機械のロータ
   。 ３、特許請求の範囲第１項において、細かい凹凸はデイ
   ンプルであることを特徴とする回転機械のロータ。 ４、特許請求の範囲第１項において、細かい凹凸は埋込
   部材に形成したことを特徴とする回転機械のロータ。 ５、特許請求の範囲第１項または第４項において、細か
   い凹凸はくさび状溝に形成したことを特徴とする回転機
   械のロータ。 ６、特許請求の範囲第１項において、接触面に形成した
   細かい凹凸を形成した部分の剛性をＥ＿Ｓ、前記凹凸を
   形成した母材の剛性をＥ＿Ｂとしたとき、それらの剛性
   比Ｅ＿Ｓ／Ｅ＿Ｂを０．０２〜０．６７の範囲としたこ
   とを特徴する回転機械のロータ。 ７、特許請求の範囲第６項において、細かい凹凸を形成
   した表面加工層の深さを０．１〜２．０ｍｍとし、かつ
   前記表面加工層における削除体積（空間部体積）をＶ＿
   Ｃ、残留体積（山部体積）をＶ＿Ｒとしたとき、それら
   の体積比Ｖ＿Ｒ／（Ｖ＿Ｃ＋Ｖ＿Ｒ）が０．１５〜０．
   ６の範囲になるように構成したことを特徴とする回転機
   械のロータ。 ８、特許請求の範囲第２項において、ローレット状細溝
   は交差するローレット状細溝であることを特徴とする回
   転機械のロータ。 ９、特許請求の範囲第１項において、回転機械はタービ
   ン発電機であることを特徴とする回転機械のロータ。 １０、特許請求の範囲第１項において、回転機械は軸流
   形流体機械であることを特徴とする回転機械のロータ。 １１、特許請求の範囲第６項において、剛性比Ｅ＿Ｓ／
   Ｅ＿Ｂを０．０５〜０．３の範囲としたことを特徴する
   回転機械のロータ。