JPWO2004022923A1 - タービン動翼 - Google Patents
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Abstract
Description
翼の先端にインテグラルカバーを備えたタービン動翼の従来技術としては、例えば特開平5−98906号公報に記載のものがある。この特開平5−98906号公報には、インテグラルカバーに、タービン回転軸方向に対して傾斜した一対の背側,腹側側面を設け、翼の背側,腹側側面の円周方向ピッチを、そのカバーの取り付け半径位置における円周を全周翼本数で除したピッチ(以下、幾何学的ピッチと称する)より大きく形成し、翼をタービン円周方向に押し付けて組み立てることで翼をねじれ変形させ、その反力を拘束して隣接翼同士を強く連結するようにした構成が記載されている。
これらインテグラルカバーを備えた翼を円周方向に押し付けて組み立てる際、カバーの円周方向ピッチが幾何学ピッチよりも大きく製作されているため、必然的にカバーに反力が生じる。このため、組み立て中の端に位置する翼(以下端翼と呼ぶ)には、背側の傾斜面もしくは腹側傾斜面のどちらかにのみ反力を受けるため、隣接する翼から離れる方向、すなわち接触面に働く反力の円周方向成分が弱くなるように離れようとするため、翼の組み立てを困難なものにしてしまう。特に翼の剛性の高い翼長の短い翼に関しては、円周方向に働く反力が大きく、翼根部フックとディスク溝間の摩擦により翼根部のみが固定された場合、隣接翼の腹側,背側にある端翼のインテグラルカバーのそれぞれ背側・腹側の傾斜面に強制変位が与えられ、翼は曲げ変形をする。そのため、カバー部と翼部の付け根部に高い応力が作用する。さらに、その曲げ変形の円周方向分力により、翼を組み立てる方向とは逆の方向に翼は曲げ変形し、翼の組み立てが困難になるばかりでなく、翼根部フックとディスク溝に片あたりが生じ高い応力が発生してしまう。翼根部フックやディスク溝は、タービン回転時に翼に作用する大きな遠心力を支えている。したがって、組み立て時に高い応力を作用させた状態でタービンを高速回転させると、強度上の問題が発生する虞があった。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、組み立てを容易にし、インテグラルカバー部と翼部との付け根部に生じる応力を低減すると共に、翼根部とディスクの係合部の片あたりを抑制するタービン動翼を提供することにある。
具体的には、その根元から先端にかけて延伸する翼部と、該翼部の根元部に形成され、タービンロータのディスク溝に順次係合される翼根部と、前記翼部の先端部に該翼部と一体に形成されたインテグラルカバーとを備え、該インテグラルカバーは動翼の取り付け時にねじり変形させた翼の弾性復元力を、隣接する翼とのインテグラルカバー同士を接触させて拘束するように、タービン回転軸方向に対して傾斜した少なくとも一対の背側,腹側傾斜面を有するタービン動翼において、前記インテグラルカバーは、半径方向から見て前記背側傾斜面上における隣接翼と接触する接触面の、傾斜面方向の中点を通り該背側傾斜面に直交する法線が、前記翼部と交差しないように形成されていることを特徴とする。
第2図は、1本の翼カバーを半径方向から見た平面図。
第3図は、従来の翼カバーを変形方向から見た平面図。
第4図は、従来の隣接翼の、隣接翼腹側端翼の曲げ変形状態を表す模式図。
第5図は、本発明の第1の実施例となる複数本の翼カバーを半径方向から見た平面図。
第6図は、本発明の第2の実施例となる複数本の翼カバーを半径方向から見た平面図。
第7図は、本発明の第4の実施例となる翼構造を示す部分の斜視図。
第8図は、本発明の第4の実施例となる複数本の翼根部分の平面図。
第9図は、本発明の第5の実施例となる翼構造を示す部分の斜視図。
第10図は、本発明の第5の実施例となる複数本の翼根部分の平面図。
第11図は、本発明の第3の実施例となる複数本の翼カバーを半径方向から見た平面図。
第12図は、本発明の翼及び翼構造を採用した蒸気タービンの平面図。
第13図は、本発明の翼及び翼構造を採用したコンバインドサイクル発電プラントの構成図。
第14図は、本発明の第6の実施例となる翼構造を示す部分の斜視図
第1図は、本発明の第1の実施例を表す翼構造を示す斜視図、第2図はインテグラルカバーを半径方向外周側から見た平面図である。タービン動翼は、翼プロファイル部1,翼プロファイル部1の根元部に形成される翼根部2,翼先端部に翼プロファイル部と一体形に形成されたインテグラルカバー3から構成されている。このように構成されたタービン動翼は、タービンロータのディスク4の外周に設けられたディスク溝5のノッチ部33に半径方向から挿入され、翼根部2に形成された翼根部フック6を係合して、順次円周方向に摺動することにより組み立てられる。
次に、インテグラルカバー3の形状について第2図を用いて説明する。第2図では、インテグラルカバー3は円周方向30に区切られ、円周方向30から時計回りに測って正の鋭角である傾斜角7に形成された背側傾斜面8と腹側傾斜面9をもち、背側傾斜面8と腹側傾斜面9の円周方向ピッチ10は、幾何学ピッチよりもやや大きく形成され、隣り合う翼同士は、互いの背側傾斜面8と腹側傾斜面9で接触する構成を示している。また、傾斜角7はインテグラルカバー3を半径方向外周側から見て背側傾斜面上における接触面の中点を通り傾斜面に直交する垂線14が、傾斜面8,9を有する翼プロファイル部1と交差しないように設定される。
すなわち、インテグラルカバー3の表面外側に延長させた法線を外法線、表面内部に延長させた法線を内法線とすると、図示する本実施例では背側傾斜面8上における接触面の中点を通る背側傾斜面8の垂線14上を、インテグラルカバー3の内側で、タービン軸方向31上流側へ延長させた内法線が翼プロファイル部1と非交差となるように、隣接翼のインテグラルシュラウド部との接触面となる背側傾斜面8を形成している。
このようなインテグラルカバーを有する動翼のカバー部に発生する力、及びモーメントについて第2図を用いて説明する。動翼を順次ディスク溝に係合し、円周方向に摺動して組み立てた場合、インテグラルカバーの円周方向ピッチ10が幾何学的ピッチより大きく形成されているため、翼を円周方向に押し付ける事によって背側傾斜面8と腹側傾斜面9が隣接翼の傾斜面と接触する。それぞれのインテグラルカバー3には、背側傾斜面に対する垂直方向力11と、腹側傾斜面に対する垂直方向力12が作用する。そして、これらの偶力によってインテグラルカバー3にねじりモーメント13が作用し、翼部はねじり変形をする。このような翼のねじり変形により生ずる弾性復元力により、翼1の背側傾斜面8と腹側傾斜面9の接触面に反力を発生させ、隣接翼間の連結を達成できる。
ここで、第3図を用いて従来のインテグラルカバーについて説明する。第3図は、インテグラルカバーを半径方向外周側から見た平面図である。第3図の構造は、半径方向外周側から見て背側傾斜面8上における接触面の中点を通り傾斜面に直交する内法線が、傾斜面を有する翼1のプロファイルと交差するように形成されたものである。タービン翼を順次円周方向に摺動して組み立てていく際、組み立て中の隣接翼腹側にある端翼1′のインテグラルカバー3には、背側傾斜面8に傾斜面に対して垂直方向に強制変位が与えられ、翼は曲げ変形しようとする。しかし、翼の弾性復元力に対応して発生する傾斜面に対する垂直方向力11の延長線、つまり半径方向から見て傾斜面上における接触面の中点を通る垂線14が翼プロファイル部と交差するため、端翼1′が大きく曲げ変形し、その成分として円周方向にも曲げ変形する。
第4図は、端翼1′の曲げ変形を第3図中矢印A方向から見た模式図である。組み立て時に翼が円周方向に曲げ変形した場合には、翼の挿入方向とは逆の方向に力が働くため、組み立ての妨げとなるばがりか、インテグラルカバー3と端翼の付け根部に高い応力16が発生し、またディスク溝5と翼根部フック6の係合部に片当たりが生じ高い応力発生する虞がある。端翼1′に曲げ変形が生じた状態で、次の翼を順次円周方向に挿入した場合には、端翼1′以降挿入した翼にも、曲げ変形が生じたまま組み立てられる虞がある。ディスク溝5と翼根部フック6はタービン回転中に、翼に作用する遠心力を支えている。したがって、組み立て時にディスク溝5と翼根部フック6の係合部に高い応力が作用した状態でタービンを拘束回転させると、回転中にさらに応力が増大し、強度上問題となる虞があった。
第5図に、本発明を適用したタービン動翼のインテグラルカバーを半径方向外周側から見た図を示す。タービン翼を順次円周方向に摺動して組み立てていく場合、組み立て中の隣接翼腹側にある端翼1′のインテグラルカバー3には、背側傾斜面8に傾斜面に対して垂直方向に強制変位が与えられ、翼は曲げ変形しようとする。しかし、本実施例では翼の弾性復元力に対応して発生する傾斜面に対する垂直方向力12の延長線、つまり半径方向から見て、背側傾斜面8上における接触面の中点を通り傾斜面に直交する垂線14が翼プロファイル部と交差していないために、傾斜面に対する垂直方向力と翼の弾性復元力17によりインテグラルカバー3には偶力13が作用し端翼1′はねじり変形をする。
つまり、背側傾斜面8に傾斜面に対して垂直方向に与えられた強制変位は、翼のねじり変形と曲げ変形に分解され、端翼1′の曲げ変形は小さくなる。従って、組み立て時に翼に生じる円周方向曲げを小さくすることができ、組み立て中に翼根部フック6とディスク溝5に片あたりが生じることを抑制し大きな応力は発生しない。この結果、組み立てが容易で信頼性の高いタービンの翼を提供することができる。
隣接翼背側にある端翼1″のインテグラルカバーには、腹側傾斜面9に傾斜面に対して垂直方向に強制変位が与えられるが、翼後縁部は曲げ剛性が低く、翼にはねじり変形が生じるため問題とならない。
タービン動翼の回転方向が第2図に記載のタービン動翼と逆の方向である場合、つまり半径方向外周側から見てタービン動翼プロファイル部が、タービン軸方向31に対して左右反転した形状である場合には、第2図に記載のインテグラルカバー形状を、同様にタービン軸方向に対して左右反転した形状とすればよい。
第6図に本発明の他の実施例を示す。第6図は、インテグラルカバーを半径方向外周側から見た図である。本実施例のインテグラルカバー3は、円周方向30から反時計回りに測って正の鋭角である傾斜角7で加工された背側傾斜面8と腹側傾斜面9をもち、隣り合う翼同士は、互いの背側傾斜面8と腹側傾斜面9が接触する構造になっている。
また、背側傾斜面8は、インテグラルカバー3を半径方向外周側から見て背側傾斜面8上における接触面の中点を通り傾斜面に直交する内法線14が、傾斜面を有する端翼1′の翼背側部の翼プロファイル部と交差しないように設定される。また、腹側傾斜面9は、腹側傾斜面9上における接触面の中点を通り傾斜面に直交する内法線14が、傾斜面を有する端翼1″の翼腹側の翼プロファイル部と交差しないように設定される。
すなわち、図示する本実施例では背側傾斜面8上における接触面の中点を通り背側傾斜面8に直交する垂線14上の、インテグラルカバー3′の内法線11が翼1′のプロファイル部と非交差となるように、隣接翼のインテグラルシュラウド部との接触面となる背側傾斜面8を形成している。また、この背側傾斜面8と対を成す翼腹側傾斜面9は、腹側傾斜面9上における接触面の中点を通り腹側傾斜面9の垂線14′上の、インテグラルカバー3″の内法線12が、翼1″のプロファイル部と非交差となるように形成されている。そのため、組み立て時に翼に生じる円周方向曲げを小さくすることができ、ディスク溝5と翼根部フック6の係合部に大きな応力は発生せず、組み立て容易で信頼性の高いタービンの翼を提供することができる。
タービン動翼の回転方向が第6図記載のタービン動翼と逆の方向である場合、つまり半径方向外周側から見てタービン動翼プロファイルが、タービン軸方向31に対して左右反転した形状である場合には、第6図記載のインテグラルカバー形状を、同様にタービン軸方向に対して左右反転した形状とすればよい。
本発明の他の実施例であるタービン翼構造を、第11図を用いて説明する。第11図は半径方向外周側から見た平面図である。本実施例では、インテグラルカバー3の傾斜角7を円周30方向から時計回りにもしくは反時計回りに測った鋭角が6〜12度であるように形成したものである。第11図には時計回りに測って6〜12度である例を示している。
タービン翼を順次円周方向に摺動して組み立てていく際、カバー部に円周方向荷重を作用させた状態では、組み立て中の隣接翼腹側にある端翼1′のインテグラルカバー3には、背側傾斜面8にタービン軸方向に強制変位が与えられ、そして翼の弾性復元力に対応して発生する軸方向力22が作用する。軸方向力22は傾斜面方向分力23と傾斜面垂直方向分力24に分解される。傾斜面方向分力23に対し、傾斜面垂直方向分力24と静摩擦係数により表される摩擦力25が上回る場合には、組み立て時に作用させた円周方向荷重を解放しても翼の円周方向曲げを押さえることができ、容易にタービン翼を組み立てることができる。組み立て中の隣接翼背側にある端翼1″についても同様のことがいえる。このような角度を摩擦角という。傾斜面の角度が摩擦角以下となるようにインテグラルカバーを形成することにより、組み立て時に翼に生じる円周方向曲げを小さくすることができ、ディスク溝5と翼根部フック6の係合部に大きな応力は発生せず、組み立て容易で信頼性の高いタービンの翼を提供することができる。
ここで静止摩擦係数0.1を仮定すると、摩擦角6度、また静止摩擦係数0.2を仮定すると摩擦角12度となる。静止摩擦係数0.1,0.2は材料の摩擦係数として一般的なものである。傾斜面角度が小さくなりすぎると、インテグラルカバーのコーナー部35に生じる応力集中が大きくなるため、摩擦角以下の範囲でできるだけ傾斜面角度が大きくなるようにすべきである。したがって、材料の静止摩擦係数により、傾斜面の角度を6度から12度することで、翼に生じる円周方向曲げを小さくすることができ、組み立て容易で信頼性の高いタービンの翼を提供できる。
本発明の他の実施例を、第7図,第8図を用いて説明する。第7図は本実施例の翼構造を示す斜視図、第8図は第7図中A−A′矢視図である。
前述したインテグラルカバーを採用したタービン動翼に関しては、組み立て中の隣接翼腹側にある端翼、及び隣接翼背側にある端翼1′,1″のインテグラルカバー3には、第5図に示すように背側・腹側それぞれの傾斜面に対する垂直方向力8,9のみが作用する。したがって端翼1′,1″は曲げ変形をし、そして翼の復元力が作用して翼はねじり変形をする。この場合、翼が曲げ・ねじり変形をして、ディスク4の外周に設けられたディスク溝5と翼根部フック6にその反力が発生する。したがって、組み立て時に応力が作用したままタービンを高速回転させるため強度上の不具合が発生する虞がある。
これに対して本実施例では、第7図,第8図に示すように、翼根部2の翼背側の側面には軸方向幅の中間部において翼の背側に突き出し、かつ、翼プロファイル部の根元から半径方向内側に延びる凸部18を設け、一方翼腹側の側面には軸方向幅の中間部において、翼の腹側に窪み、かつ、翼プロファイル部の根元から半径方向内周側に延びる凹部19を設けている。そして凸部と凹部にはタービン軸方向に垂直な面に平行な2つの面を設け、これらの面によって隣接する翼根の凸部と凹部が互いに係合するようにしている。これにより、ディスク4の外周に設けられたディスク溝5と翼根部フック6に過大な応力がかかることを防止することができる。したがって、組み立て容易で信頼性の高いタービンの翼を組み立てることができる。
第9図,第10図に本発明の他の実施例を示す。第9図は、本実施例の翼構造を示す斜視図、第10図は第9図中A−A′矢視図である。翼の背側,腹側に設ける凸部18,凹部19は半径方向に突き抜けない構造でも良い。
第14図に、本発明の他の実施例を示す。第1図から周方向挿入型である鞍型翼根部を持つ翼に関して示しているが、第14図に示されるような逆クリスマスツリー型翼根部51や、Tルート型翼根部52,フォーク型翼根部53を持つ翼に適用でき、組み立て時に作用する翼の円周方向曲げを押さえることにより、逆クリスマスツリー型翼根部51やTルート型翼根部52を有する翼では、ディスク溝54と翼根部フック55の片当たりを抑制し、フォーク型翼根部53を有する翼では、フォークピン56とフォークピン穴57の片当たりを抑制し、組み立て容易で、信頼性の高いタービン構造とすることができる。
第12図は、上述したタービン動翼を蒸気タービンに適用した場合のタービン構造例の一部を示すものである。第12図に示す本実施例では、動翼20と静翼21の組み合わせからなる段落が形成されている。図に示すように、前述したタービン動翼を複数段に適用することによって、組み立て容易でタービン全体の信頼性に優れたタービンを提供することができる。
次に、本発明の他の実施例を第13図を用いて説明する。第13図は、ガスタービン41,燃焼器42,圧縮機43,排気熱回収ボイラ44,蒸気タービン45,発電機46によって構成されるコンバインドサイクル発電プラントを示す。本発明のタービン動翼は、これらガスタービン、ガスタービンからの排ガス熱源として蒸気を発生させる排熱回収ボイラ、排熱回収ボイラで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービン等を備えたコンバインドサイクル発電プラントの蒸気タービンに適用することも可能である。
図示するコンバインドサイクルでは、蒸気タービン45は、第12図のように動翼並びに静翼からなる段落を複数個備え、動翼は、第2図,第5図〜第11図に示した動翼を適用することができる。これにより、安定した信頼性の高いコンバインドプラントを提供できる。
以上説明したように、タービン動翼を採用することによって、タービン組み立て中、運転中を通じて全周すべての翼について隣接翼との連結状態を保つとともに、組み立てを容易に行うことができ、組み立て時に、翼根部フックとディスク溝の係合部の片あたりを抑制することで、係合部に生じる応力を低減し、信頼性が高いタービン動翼構造とすることができる。
のねじり変形により生ずる弾性復元力により、翼1の背側傾斜面8と腹側傾斜面9の接触面に反力を発生させ、隣接翼間の連結を達成できる。
ここで、第3図を用いて従来のインテグラルカバーについて説明する。第3図は、インテグラルカバーを半径方向外周側から見た平面図である。第3図の構造は、半径方向外周側から見て背側傾斜面8上における接触面の中点を通り傾斜面に直交する内法線が、傾斜面を有する翼1のプロファイルと交差するように形成されたものである。タービン翼を順次円周方向に摺動して組み立てていく際、組み立て中の隣接翼腹側にある端翼1′のインテグラルカバー3には、背側傾斜面8に傾斜面に対して垂直方向に強制変位が与えられ、翼は曲げ変形しようとする。しかし、翼の弾性復元力に対応して発生する傾斜面に対する垂直方向力11の延長線、つまり半径方向から見て傾斜面上における接触面の中点を通る垂線14が翼プロファイル部と交差するため、端翼1′が大きく曲げ変形し、その成分として円周方向にも曲げ変形する。
第4図は、端翼1′の曲げ変形を第3図中矢印A方向から見た模式図である。組み立て時に翼が円周方向に曲げ変形した場合には、翼の挿入方向とは逆の方向に力が働くため、組み立ての妨げとなるばかりか、インテグラルカバー3と端翼の付け根部に高い応力16が発生し、またディスク溝5と翼根部フック6の係合部に片当たりが生じ高い応力発生する虞がある。端翼1′に曲げ変形が生じた状態で、次の翼を順次円周方向に挿入した場合には、端翼1′以降挿入した翼にも、曲げ変形が生じたまま組み立てられる虞がある。ディスク溝5と翼根部フック6はタービン回転中に、翼に作用する遠心力を支えている。したがって、組み立て時にディスク溝5と翼根部フック6の係合部に高い応力が作用した状態でタービンを高速回転させると、回転中にさらに応力が増大し、強度
Claims (8)
- その根元から先端にかけて延伸する翼部と、該翼部の根元部に形成され、タービンロータのディスク溝に順次係合される翼根部と、前記翼部の先端部に該翼部と一体に形成されたインテグラルカバーとを備え、該インテグラルカバーは動翼の取り付け時にねじり変形させた翼の弾性復元力を、隣接する翼とのインテグラルカバー同士を接触させて拘束するように、タービン回転軸方向に対して傾斜した少なくとも一対の背側,腹側傾斜面を有するタービン動翼において、
前記インテグラルカバーは、半径方向から見て前記背側傾斜面上における接触する面の傾斜面方向の中点を通る該背側傾斜面の法線が、前記翼部と交差しないように形成されていることを特徴とするタービン動翼。 - 前記インテグラルカバーは、半径方向から見て前記背側傾斜面における接触する面の傾斜面方向の中点を通り、前記背側傾斜面の内側に延長させた該背側傾斜面の法線が、前記翼部と交差しないように形成されていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のタービン動翼。
- 前記インテグラルカバーは、半径方向から見て前記背側傾斜面における接触する面の傾斜面方向の中点を通り、前記背側傾斜面の内側でタービン軸方向上流側に延長させた該背側傾斜面の法線が、前記翼部と交差しないように形成されていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のタービン動翼。
- その根元から先端にかけて延伸する翼部と、該翼部の根元部に形成され、タービンロータのディスク溝に順次係合される翼根部と、前記翼部の先端部に該翼部と一体に形成されたインテグラルカバーとを備え、該インテグラルカバーは動翼の取り付け時にねじり変形させた翼の弾性復元力を、隣接する翼とのインテグラルカバー同士を接触させて拘束するように、タービン回転軸方向に対して傾斜した少なくとも一対の背側,腹側傾斜面を有するタービン動翼において、
前記インテグラルカバーは、半径方向から見て前記腹側傾斜面における接触する面の傾斜面方向の中点を通り、前記腹側傾斜面の内側で上流側に延長させた該腹側傾斜面の法線が、前記翼部と交差しないように形成されていることを特徴とするタービン動翼。 - 前記インテグラルカバーの背側傾斜面および腹側傾斜面の角度を、円周方向から測った鋭角が6〜12度となるように形成したことを特徴とする請求の範囲第1項もしくは第4項記載のタービン動翼。
- 前記翼根部は前記ディスク溝の円周方向に沿って配置された隣接する一方の動翼の翼根部に面した側面に凸部を形成し、前記ディスク溝の円周方向に沿って隣接する他方の動翼の翼根部に面した側面に凹部を形成し、隣接する複数の動翼の翼根部の前記凸部と凹部とが互いに係合するように構成されたことを特徴と請求の範囲第1項もしくは第4項記載のタービン動翼。
- 複数の静翼と動翼がタービンロータの周方向に配置され、前記静翼と動翼の翼列によって段落を形成するように構成されたタービンにおいて、
前記動翼は、その根元から先端にかけて延伸する翼部と、該翼部の根元部に形成され、タービンロータのディスク溝に順次係合される翼根部と、前記翼部の先端部に該翼部と一体に形成されたインテグラルカバーとを備え、
該インテグラルカバーは、動翼の取り付け時にねじり変形させた翼の弾性復元力を、隣接する翼とのインテグラルカバー同士を接触させて拘束するように、タービン回転軸方向に対して傾斜した少なくとも一対の背側,腹側傾斜面を有し、半径方向から見て前記背側傾斜面における接触する面の傾斜面方向の中点を通る該背側傾斜面の内側に延長させた法線が、前記翼部と交差しないように形成されていることを特徴とするタービン。 - ガスタービンと、該ガスタービンからの排ガス熱源として蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、該排熱回収ボイラで発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンとを備えたコンバインドサイクル発電プラントにおいて、
前記蒸気タービンは、その根元から先端にかけて延伸する翼部と、該翼部の根元部に形成され、タービンロータのディスク溝に順次係合される翼根部と、前記翼部の先端部に該翼部と一体に形成されたインテグラルカバーとを備えたタービン動翼を有し、
前記インテグラルカバーは、動翼の取り付け時にねじり変形させた翼の弾性復元力を、隣接する翼とのインテグラルカバー同士を接触させて拘束するように、タービン回転軸方向に対して傾斜した少なくとも一対の背側,腹側傾斜面を有し、半径方向から見て前記背側傾斜面における接触する面の傾斜面方向の中点を通る該背側傾斜面の内側に延長させた法線が、前記翼部と交差しないように形成されていることを特徴とするコンバインドサイクル発電プラント。
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