JPWO2017179711A1 - 蒸気タービン動翼、蒸気タービン、及び、蒸気タービン動翼の製造方法 - Google Patents

Abstract

蒸気タービン動翼は、前縁部（６１ａ）が形成された翼本体（６１）の前記翼高さ方向の先端部分に設けられて、負圧面（６１２）から前縁部側（６１ａ）に向かうように突出する突出部（７）と、突出部（７）の基端側の面の少なくとも一部と、突出部（７）と負圧面（６１２）との接続部分のうち、前縁部（６１ａ）側を向く前縁側遷移領域と、を覆うように設けられて、翼本体（６１）よりも硬度の高い材料から形成された遷移領域シール部材と、を備える。前記遷移領域シール部材は、表面が翼本体（６１）の表面と面一となる前側シール部（８１）と、前側シール部（８１）と一体に形成されて、表面が前記基端側の面よりも突出する基端側シール部（８２）とを有する。

Description

この発明は、蒸気タービン動翼、蒸気タービン、及び、蒸気タービン動翼の製造方法に関する。
本願は、２０１６年４月１４日に出願された特願２０１６−０８０９９４号及び２０１６年１０月２８日に出願された特願２０１６−２１２０３４号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

蒸気タービンは、機械駆動用などに用いられ、回転可能に支持されたロータと、ロータを覆うケーシングとを有している。蒸気タービンは、ロータに対して作動流体としての蒸気が供給されることによって回転駆動される。蒸気タービンは、ロータに動翼が設けられ、ロータを覆うケーシングに静翼が設けられている。蒸気タービンの蒸気流路には、動翼と静翼とが交互に複数段配設されて構成されている。蒸気流路に蒸気が流れることで、静翼により蒸気の流れが整流され、動翼を介してロータが回転駆動される。

このような蒸気タービンにおいて、蒸気流路を流れている蒸気中に水滴（ドレン）が発生する。この水滴を含む蒸気が蒸気流路を流れて、高速で回転している動翼に水滴が衝突すると、翼表面を侵食するエロージョンが発生する。

そのため、エロージョンが発生しやすい動翼の前縁部には、エロージョンを防ぐための保護部材が設けられている。例えば、特許文献１には、保護部材として、ステライト板からなるエロージョンシールドを有する動翼が記載されている。

特開２０１３−８７７１２号公報

ところで、近年、蒸気タービンの大型化に伴い、動翼の長大化が進んでいる。その一方で、動翼の軽量化のために、動翼の先端部分は肉厚が薄くなっている。このような動翼では、周方向に隣接する他の動翼との間隔を調整するために、先端部分に翼面から周方向に突出する構造を動翼に設ける場合がある。

長大化した動翼では、水滴と衝突する速度が先端に向かうにつれて高くなる。このため、長大化して先端部分の肉厚を薄くした動翼では、この先端部分におけるエロージョンによる減肉の影響が他の部分より大きくなる。特に、肉厚が薄い状態で突出部を設けることで先端部分が複雑な形状となる動翼では、さらにこの影響が大きくなる。このような動翼に対して、先端部分でのエロージョンの影響を特に抑えたいという要望がある。

本発明は、突出部が形成された先端部分でのエロージョンの影響を抑えることが可能な蒸気タービン動翼、蒸気タービン、及び蒸気タービン動翼の製造方法を提供する。

本発明の第一の態様に係る蒸気タービン動翼は、翼高さ方向に延びる圧力面及び負圧面を有し、前記圧力面と前記負圧面とによって前記翼高さ方向に延びる前縁部が形成された翼本体と、前記翼本体の前記翼高さ方向の先端部分に設けられて、前記負圧面から前記前縁部側に向かうように突出する突出部と、前記突出部の前記翼高さ方向で先端と反対側の基端側を向く基端側の面の少なくとも一部と、前記突出部と前記負圧面との接続部分のうち、前記前縁部側を向く前縁側遷移領域と、を覆うように設けられて、前記翼本体よりも硬度の高い材料から形成された遷移領域シール部材と、を備え、前記前縁側遷移領域には、前記負圧面から窪む第一凹部が形成され、前記遷移領域シール部材は、表面が前記翼本体の表面と面一となるように前記第一凹部内に配置された前側シール部と、前記前側シール部と一体に形成されて、表面が前記基端側の面よりも突出するように前記基端側の面上に配置された基端側シール部とを有する。

このような構成によれば、基端側シール部の表面が基端側の面よりも突出するように、基端側シール部が基端側の面上に載った状態で配置されている。そのため、基端側の面において、遷移領域シール部材を配置するための凹部を形成する必要が無い。したがって、負圧面と大きく異なる角度で延びる基端側の面を加工するコストや時間を抑えることができる。これにより、コストを抑えて製造された遷移領域シール部材によって、突出部が形成された先端部分でのエロージョンの影響を抑制できる。また、突出部の基端側の面に遷移領域シール部材を配置するための凹部を形成する必要が無いため、隣接する翼と接触して力を受ける突出部の強度確保に有利である。さらに、エロージョンシールドを配置していないタイプの翼に対しても、前側シール部に対応する凹部を形成するだけでエロージョンシールドを配置することが可能となり、エロージョンシールド未装着の既存の翼に対するエロージョン耐性向上を簡便に実現することができる。

本発明の第二の態様における蒸気タービン動翼では、第一の態様において、前記遷移領域シール部材は、前記突出部の前縁側を向く前縁側の面と前記基端側の面とが接続する境界線を、前記境界線と前記負圧面との接続点から所定の長さまで覆っており、前記所定の長さは、前記接続点から前記突出部の先端部までの前記境界線の長さをＬとした場合に、前記接続点から０．９Ｌ以下の長さであってもよい。

このような構成によれば、境界線の先端を部分的に覆わないことで、突出部の先端部の狭い領域に対応させて精度の高い遷移領域シール部材を形成する必要がない。また、接続点から境界線を覆うことで、エロージョンの生じやすい部分を確実に保護することができる。これにより、エロージョンの影響を抑制しつつ、遷移領域シール部材の製造コストを抑えることができる。

本発明の第三の態様における蒸気タービン動翼では、第一または第二の態様において、前記前縁部を覆うように設けられて、前記翼本体よりも硬度の高い材料から形成された前縁部シール部材を備え、前記翼本体は、前記前縁部で表面から窪む第二凹部を有し、前記前縁部シール部材は、表面が前記翼本体の表面と面一となるように前記第二凹部内に配置されていてもよい。

このような構成によれば、前縁部でのエロージョンの発生を抑制することができる。また、前縁部では、前縁部シール部材が翼本体の表面から突出していないことで、流路内での蒸気の流れを阻害してしまうことが抑えられる。

本発明の第四の態様における蒸気タービン動翼では、第三の態様において、記遷移領域シール部材と、前記前縁部シール部材とが一体に形成され、前記第一凹部と前記第二凹部とが同じ深さで繋がって形成されていてもよい。

このような構成によれば、遷移領域シール部材と前縁部シール部材とを少ない工程で翼本体に接合させることができる。また、第一凹部と第二凹部とが同じ深さであることで、遷移領域シール部材と前縁部シール部材とを同じ厚みの板材として形成することができる。したがって、れにより、遷移領域シール部材及び前縁部シール部材の製造コストを抑えることができる。

本発明の第五の態様に係る蒸気タービンは、第一から第四の態様のいずれか一つの蒸気タービン動翼を有するロータと、前記ロータを覆うケーシングとを備える。

このような構成によれば、蒸気タービン動翼でのエロージョンの影響を抑えることができ、蒸気タービン動翼の長寿命化を図ることができる。

本発明の第六の態様における蒸気タービン動翼の製造方法は、高さ方向に延びる圧力面及び負圧面を有し、前記圧力面と前記負圧面とによって前記翼高さ方向に延びる前縁部が形成された翼本体と、前記翼本体の前記翼高さ方向の先端部分に設けられて、前記負圧面から前記前縁部側に向かうように突出する突出部と、を一体に形成する翼本体形成工程と、前記突出部の前記翼高さ方向で先端と反対側の基端側を向く基端側の面の少なくとも一部と、前記突出部と前記負圧面との接続部分のうち、前記前縁部側を向く前縁側遷移領域と、を覆うような形状をなし、前記翼本体よりも硬度の高い材料から形成された遷移領域シール部材を金属射出成形で形成するシール部材形成工程と、前記遷移領域シール部材を前記基端側の面の少なくとも一部及び前記前縁側遷移領域に接合する接合工程とを含み、前記翼本体形成工程は、前記前縁側遷移領域に前記負圧面から窪む第一凹部を形成し、前記遷移領域シール部材は、表面が前記翼本体の表面と面一となるように前記第一凹部内に配置可能とされた前側シール部と、前記前側シール部と一体に形成されて、表面が前記基端側の面よりも突出するように前記基端側の面上に配置可能とされた基端側シール部とを有する。

本発明の第七の態様における蒸気タービン動翼の製造方法では、第六の態様において、前記接合工程は、前記遷移領域シール部材を前記翼本体及び前記突出部にろう付けしてもよい。

本発明によれば、突出部が形成された先端部分でのエロージョンの影響を抑えることができる。

本発明の実施形態における蒸気タービンの構成を示す模式図である 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の側面図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の内側から示す斜視図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の外側から示す斜視図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の内側から見た要部拡大図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の先端部分を前縁部側から見た要部拡大図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の製造方法を示す斜視図である。 本発明の変形例における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の内側から示す斜視図である。 本発明の変形例における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の外側から示す斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態について図を参照して説明する。
蒸気タービン１００は、蒸気Ｓのエネルギーを回転動力として取り出す回転機械である。本実施形態の蒸気タービン１００は、図１に示すように、ケーシング１と、静翼２と、ロータ３と、軸受部４と、を備えている。

なお、以下では、ロータ３の軸線Ａｃが延びている方向を軸方向Ｄａ、軸線Ａｃに対する周方向を単に周方向Ｄｃ、軸線Ａｃに対する径方向を単に径方向Ｄｒとする。また、軸方向Ｄａの一方側を上流側、軸方向Ｄａの他方側を下流側とする。

ケーシング１は、内部の空間が気密に封止されているとともに、蒸気Ｓの流路が内部に形成されている。ケーシング１は、径方向Ｄｒの外側からロータ３を覆っている。ケーシング１には、上流側部分にケーシング１内に蒸気Ｓを導く蒸気入口１１が形成されている。ケーシング１には、下流側部分にケーシング１内を通った蒸気Ｓを外部に排出する蒸気出口１２が形成されている。

静翼２は、ロータ３の周方向Ｄｃに沿って並んでケーシング１の内側を向く面に複数設けられている。静翼２は、ロータ３に対して径方向Ｄｒに間隔を空けて配置されている。静翼２は、後述する動翼６と軸方向Ｄａに間隔を空けて配置されている。

ロータ３は、軸線Ａｃを中心として回転する。ロータ３は、ロータ本体５と、動翼（蒸気タービン動翼）６とを有する。

ロータ本体５は、ケーシング１を貫通するように軸方向Ｄａに延びている。ロータ本体５は、動翼６が設けられた中間部分がケーシング１の内部に収容されている。ロータ本体５の両端部は、ケーシング１の外部に突出している。ロータ本体５の両端部は、軸受部４により回転可能に支持されている。

軸受部４は、ロータ３を軸線Ａｃ回りに回転可能に支持している。軸受部４は、ロータ本体５の両端部にそれぞれ設けられたジャーナル軸受４１と、ロータ本体５の一端側に設けられたスラスト軸受４２と、を備えている。

動翼６は、ロータ本体５の周方向Ｄｃに複数並んで配置されている。複数の動翼６は、環状をなしてロータ本体５の外周面に配置されている。動翼６は、ロータ３の軸方向Ｄａに流れる蒸気Ｓを受けて軸線Ａｃ回りにロータ本体５を回転させる。本実施形態の動翼６は、図２に示すように、翼本体６１と、プラットフォーム６２と、翼根部６３と、突出部７と、シール部材１０とを有する。

翼本体６１は、径方向Ｄｒに延びている。本実施形態における動翼６では、翼本体６１の延びる方向を翼高さ方向Ｄｈとする。つまり、本実施形態における翼高さ方向Ｄｈとは径方向Ｄｒである。翼本体６１は、翼形をなしている。翼本体６１は、翼高さ方向Ｄｈの基端から翼高さ方向Ｄｈの先端に向かうにしたがって、軸方向Ｄａの長さが短く、且つ、周方向Ｄｃの肉厚が薄くなるように形成されている。つまり、翼本体６１は、翼高さ方向Ｄｈで先端と反対側の基端から先端に向かうにしたがって細くなるように形成されている。本実施形態の翼本体６１における翼高さ方向Ｄｈの先端とは、翼本体６１の翼高さ方向Ｄｈの一方の端部である。翼本体６１は、周方向Ｄｃを向く表面として、翼高さ方向Ｄｈに延びる圧力面６１１及び負圧面６１２を有している。負圧面６１２は、凸状をなして下流側を向く面である。圧力面６１１は、凹状をなして上流側を向く面である。翼本体６１は、これら圧力面６１１と負圧面６１２とによって翼高さ方向Ｄｈに延びる前縁部６１ａ及び後縁部６１ｂが形成されている。

なお、本実施形態の翼本体６１における翼高さ方向Ｄｈの基端側は径方向Ｄｒの内側である。また、翼本体６１における翼高さ方向Ｄｈの先端側は径方向Ｄｒの外側である。つまり、翼本体６１の基端は、翼本体６１の先端に対して翼高さ方向Ｄｈの反対側である。

前縁部６１ａは、翼本体６１の上流側の端部である。前縁部６１ａは、翼高さ方向Ｄｈと直交する断面において、圧力面６１１と負圧面６１２とが接続される部分である。

後縁部６１ｂは、翼本体６１の下流側の端部である。後縁部６１ｂは、翼高さ方向Ｄｈと直交する断面において、前縁部６１ａに対して軸方向Ｄａの反対側で圧力面６１１と負圧面６１２とが接続される部分である。

プラットフォーム６２は、翼本体６１の翼高さ方向Ｄｈの基端部分に設けられている。つまり、プラットフォーム６２は、翼本体６１の径方向Ｄｒの内側に設けられている。なお、本実施形態の翼本体６１における翼高さ方向Ｄｈの基端とは、翼本体６１の翼高さ方向Ｄｈの他方の端部である。プラットフォーム６２は、翼本体６１の翼高さ方向Ｄｈの基端部分に接続され、翼高さ方向Ｄｈに対して垂直な成分を有する方向に広がる板状の部材である。

翼根部６３は、プラットフォーム６２から翼本体６１と翼高さ方向Ｄｈの反対側に延びている。翼根部６３は、プラットフォーム６２の径方向Ｄｒの内側に設けられている。翼根部６３は、ロータ本体５に嵌め込まれている。

突出部７は、翼本体６１の翼高さ方向Ｄｈの先端部分に設けられている。突出部７は、負圧面６１２から前縁部６１ａ側に向かうように突出している。突出部７は、翼本体６１の翼高さ方向Ｄｈの先端に設けられた端板ではなく、負圧面６１２から部分的に突出している。つまり、突出部７は、翼本体６１の先端部分の全域に設けられているわけではなく、翼本体６１の先端部分の一部を形成している。突出部７は、図３及び図４に示すように、前縁部６１ａから離れた位置に形成されている。突出部７は、翼高さ方向Ｄｈから見た際に、負圧面６１２から離れるとともに前縁部６１ａ側に向かうにしたがって、次第に細くなるように形成されている。本実施形態の突出部７は、前縁側遷移領域ＴＡに後縁部６１ｂ側に向かって窪む溝部７０が形成されている。突出部７は、翼本体６１の前縁部６１ａから後縁部６１ｂまでの長さである翼コード長さＹに対して、前縁部６１ａ側の付け根の位置が前縁部６１ａから０．１５Ｙ以下の位置に形成されている。なお、突出部７の付け根の位置は、前縁部６１ａから０．１Ｙ以下の位置であることがより好ましい。突出部７の付け根の位置は、先端側から見た際に後述する第三面７３を延長した場合に負圧面６１２と合流する位置である。

ここで、前縁側遷移領域ＴＡとは、突出部７と負圧面６１２との接続部分のうち、後縁部６１ｂ側ではなく、前縁部６１ａ側を向く領域である。本実施形態の前縁側遷移領域ＴＡは、溝部７０と、溝部７０と連続している負圧面６１２の一部である。したがって、突出部７と負圧面６１２との接続部分は、翼高さ方向Ｄｈから見た際に、溝部７０によって前縁部６１ａ側が欠けるように窪んでいる。

また、本実施形態では、突出部７と負圧面６１２との接続部分のうち、翼高さ方向Ｄｈで先端と反対側である基端側を向く領域を基端側遷移領域ＴＢと称する。つまり、基端側遷移領域ＴＢは、突出部７と負圧面６１２との接続する領域の中で、翼高さ方向Ｄｈの基端側に形成された領域である。基端側遷移領域ＴＢは、突出部７に対して翼高さ方向Ｄｈのプラットフォーム６２側（径方向Ｄｒの内側）に形成されている。本実施形態の基端側遷移領域ＴＢは、突出部７のプラットフォーム６２側を向く面の一部と、負圧面６１２の一部で形成されている。

また、本実施形態では、基端側遷移領域ＴＢのうち、前縁側遷移領域ＴＡと接続される領域を交差領域ＴＣと称する。交差領域ＴＣは、基端側遷移領域ＴＢの中で前縁部６１ａ側に形成された領域である。交差領域ＴＣは、突出部７において、翼高さ方向Ｄｈの基端側かつ前縁部６１ａ側での負圧面６１２と接続する領域である。交差領域ＴＣは、溝部７０の径方向Ｄｒの内側に面している。

突出部７には、プラットフォーム６２側を向く第一面（基端側の面）７１と、第一面７１と反対側を向く第二面７２と、上流側を向く第三面（前縁側の面）７３と、負圧面６１２と第三面７３とを繋ぐ第四面７４と、下流側を向く第五面７５と、第一面７１と負圧面６１２とを接続する接続面７６とが形成されている。

第一面７１は、基端側を向いている。第一面７１は、径方向Ｄｒの内側を向いている。第一面７１は、翼高さ方向Ｄｈに対して垂直な成分を有する方向に広がる平面である。つまり、第一面７１は、負圧面６１２に対して垂直な成分を有する方向に広がっている。本実施形態の第一面７１は、三角形状をなしている。

第二面７２は、径方向Ｄｒの外側を向いている。第二面７２は、翼高さ方向Ｄｈに対して垂直な成分を有する方向に広がる平面である。第二面７２は、第一面７１と平行に形成されている。第二面７２は、翼本体６１の翼高さ方向Ｄｈの先端面と同一面として形成されている。本実施形態の第二面７２は、第一面７１と同じ大きさの三角形状をなしている。

第三面７３は、前縁部６１ａ側を向いている。第三面７３は、第一面７１及び第二面７２に対して垂直に接続されている。第三面７３は、軸方向Ｄａの上流側に対して傾斜する成分を有する方向及び翼高さ方向Ｄｈに広がる平面である。本実施形態の第三面７３は、矩形状をなしている。

第四面７４は、前縁部６１ａ側を向いている。第四面７４は、溝部７０を形成する面である。第四面７４は、前縁部６１ａ側から後縁部６１ｂ側に向かって凹む凹状の曲面である。第四面７４は、負圧面６１２と第三面７３とを繋いでいる。第四面７４は、第一面７１及び第二面７２に対して垂直に接続されている。第四面７４は、負圧面６１２の一部とともに前縁側遷移領域ＴＡを構成している。本実施形態の第四面７４は、負圧面６１２の一部、第一面７１の一部、及び接続面７６とともに、交差領域ＴＣを構成している。

第五面７５は、後縁部６１ｂ側を向いて負圧面６１２と繋がっている。第五面７５は、第一面７１及び第二面７２に対して垂直に接続されている。第五面７５は、第三面７３に対して鋭角をなして接続されている。第五面７５は、軸方向Ｄａの下流側に対して傾斜する成分を有する方向及び翼高さ方向Ｄｈに広がる平面である。本実施形態の第五面７５は、矩形状をなしている。

接続面７６は、翼本体６１と突出部７とを接続する曲面である。接続面７６は、負圧面６１２と第一面７１との略垂直に配置された面同士をなだらかに接続している。接続面７６は、負圧面６１２と第一面７１とに連続する曲面を有している。接続面７６では、負圧面６１２に対して、曲面の曲率半径が不連続に変化する。つまり、接続面７６は、仮に負圧面６１２が複雑な三次元曲面によって形成されていた場合であっても、負圧面６１２の端部から大きく曲率半径を変化させて第一面７１の表面に接続されている。接続面７６は、負圧面６１２の一部及び第一面７１の一部とともに、基端側遷移領域ＴＢを構成している。

前縁側遷移領域ＴＡには、負圧面６１２、第三面７３、及び第四面７４から窪む第一凹部６１３が形成されている。第一凹部６１３は、全域にわたって同じ深さで凹んでいる。

翼本体６１は、前縁部６１ａで表面から窪む第二凹部６１４を有している。第二凹部６１４は、全域にわたって同じ深さで凹んでいる。本実施形態の第二凹部６１４は、第一凹部６１３と一体となって窪み部６１５を形成している。したがって、第一凹部６１３と第二凹部６１４とが同じ深さで繋がって形成されている。窪み部６１５は、シール部材１０の厚みと略同一の深さで負圧面６１２及び突出部７から窪んでいる。

シール部材１０は、第一面７１の少なくとも一部と、前縁側遷移領域ＴＡと、前縁部６１ａとを覆うように設けられている。シール部材１０は、基端側遷移領域ＴＢから前縁側遷移領域ＴＡを介して前縁部６１ａにわたって同じ厚さで形成されている。シール部材１０は、翼本体６１よりも硬度の高い材料から形成されている。シール部材１０は、ステライトを金属射出成形によって成形することで形成されている。シール部材１０は、銀ロウを用いてろう付けによって翼本体６１の窪み部６１５に固定される。つまり、窪み部６１５は、シール部材１０の形状を合わせて、シール部材１０と厚みと略同一の深さで負圧面６１２から窪んでいる。シール部材１０は、第一シール部材（遷移領域シール部材）８と、第二シール部材（前縁部シール部材）９とを有している。シール部材１０では、第一シール部材８と第二シール部材９とが一体的に繋がって形成されている。

第一シール部材８は、第一面７１の少なくとも一部と、前縁側遷移領域ＴＡとを覆うように設けられている。本実施形態の第一シール部材８は、第四面７４の全域を覆うとともに、第四面７４と接続された負圧面６１２の一部と、第四面７４と接続された第一面７１の一部と、第四面７４と接続された第三面７３の一部と、接続面７６の一部とを覆っている。第一シール部材８は、突出部７の第三面７３と第一面７１とが接続する境界線Ｍ１を覆っている。第一シール部材８は、図５に示すように、境界線Ｍ１と負圧面６１２との接続点Ｐ１から所定の長さまで境界線Ｍ１を覆っている。

ここで、境界線Ｍ１は、平面である第一面７１と第三面７３とが直接接続されている場合には、実際に面同士が接続する辺である。一方、第一面７１と第三面７３とが曲面を介して接続されている場合には、境界線Ｍ１は、第一面７１と第三面７３とをそれぞれ延ばした際に形成される仮想線である。また、第一面７１及び第三面７３の一方または両方が曲面の場合には、境界線Ｍ１は、径方向の内側から見た際に、第一面７１と第三面７３とが交差する稜線である。

また、所定の長さは、接続点Ｐ１から突出部７の先端部までの境界線Ｍ１の長さをＬとした場合に、接続点から０．９Ｌ以下の長さである。

本実施形態の第一シール部材８は、前側シール部８１と、基端側シール部８２とを有している。第一シール部材８では、前側シール部８１と、基端側シール部８２とが一体に形成されている。

前側シール部８１は、表面が翼本体６１の表面と面一となるように第一凹部６１３内に配置可能とされている。前側シール部８１は、前縁側遷移領域ＴＡ及び交差領域ＴＣとのみを覆っている。本実施形態の前側シール部８１は、第四面７４の全域を覆うとともに、第四面７４と接続された負圧面６１２の一部と、第四面７４と接続された第三面７３の一部と、接続面７６の一部とを覆っている。したがって、これらの領域では、前側シール部８１の表面が負圧面６１２や突出部７の面と同じ位置（面一）となるように連続する面を形成している。

基端側シール部８２は、図６に示すように、表面が第一面７１よりも突出するように第一面７１上に配置可能とされている。基端側シール部８２は、前側シール部８１と連続するように一体的に形成されている。基端側シール部８２は、第四面７４と接続された第一面７１の一部のみを覆っている。本実施形態の基端側シール部８２は、第一面７１の中で、前縁部６１ａ側の先端部分と、接続面７６と接続される領域の中で後縁部６１ｂ側を覆っていない。基端側シール部８２は、第一面７１上に隙間なく載るように形成されている。したがって、第一面７１上の基端側シール部８２の端部には第一面７１に対して段差が形成されている。基端側シール部８２は、一定の厚さで形成されている。

第二シール部材９は、図３及び図４に示すように、前縁部６１ａを覆うように設けられている。本実施形態の第二シール部材９は、前縁部６１ａのうち翼高さ方向Ｄｈの先端から所定の領域を覆うように、前縁部６１ａの一部に対して設けられている。ここで、所定の領域とは、例えば、前縁部６１ａのうちで付着する水滴の量が多い部分が挙げられる。第二シール部材９は、負圧面６１２と圧力面６１１とに沿って湾曲した板状の部材である。第二シール部材９は、第二凹部６１４内に配置されている。第二シール部材９は、表面が圧力面６１１及び負圧面６１２と同じ位置（面一）となるように形成されている。第二シール部材９は、第一シール部材８と同じ厚さで形成されている。

次に、以上で説明した動翼６（蒸気タービン動翼）の製造方法について、図７に示すフローチャートに従って説明する。

本実施形態の動翼の製造方法Ｓ１００は、翼本体形成工程Ｓ１と、シール部材形成工程Ｓ２と、接合工程Ｓ３とを含む。

動翼の製造方法Ｓ１００では、第一に、翼本体形成工程Ｓ１を実施する。翼本体形成工程Ｓ１では、動翼６の翼本体６１と突出部７とを一体に形成する。翼本体形成工程Ｓ１では、例えば鋳造によって翼本体６１と突出部７とを一体に形成する。本実施形態の翼本体形成工程Ｓ１では、オーステナイト系のステンレスによって鋳造を行う。翼本体形成工程Ｓ１は、前縁側遷移領域ＴＡに負圧面６１２、第三面７３、及び第四面７４から窪む第一凹部６１３を形成する。また、翼本体形成工程Ｓ１は、前縁部６１ａに圧力面６１１及び負圧面６１２から窪む第二凹部６１４を形成する。本実施形態の翼本体形成工程Ｓ１では、シール部材１０が翼本体６１の表面から突出しないように、翼本体６１にシール部材１０の形状に対応した第一凹部６１３及び第二凹部６１４として窪み部６１５を形成する。

なお、翼本体形成工程Ｓ１では、翼本体６１と突出部７とを含む中間品を形成してから、機械加工によって溝部７０を設けることで、翼本体６１と突出部７とを形成してもよい。

動翼の製造方法Ｓ１００では、第二に、シール部材形成工程Ｓ２を実施する。本実施形態のシール部材形成工程Ｓ２では、第一シール部材８及び第二シール部材９を一体のシール部材１０として形成する。シール部材形成工程Ｓ２は、シール部材１０を金属射出成形（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄ）で形成する。シール部材形成工程Ｓ２では、前側シール部８１と、基端側シール部８２と、第二シール部材９とが一体になるようにシール部材１０を形成する。

動翼の製造方法Ｓ１００では、第三に、接合工程Ｓ３を実施する。接合工程Ｓ３では、シール部材１０を翼本体６１に接合する。接合工程Ｓ３は、シール部材１０を第一面７１の少なくとも一部及び前縁側遷移領域ＴＡに接合する。接合工程Ｓ３では、シール部材１０が翼本体６１の表面から突出しないように、窪み部６１５にシール部材１０を接合する。この際、シール部材１０は、第二シール部材９及び前側シール部８１の表面が負圧面６１２や突出部７の面と同じ位置になるように窪み部６１５に隙間なく接合される。まだ、シール部材１０は、基端側シール部８２の表面が第一面７１から突出するように、第一面７１上に基端側シール部８２が隙間なく接触した状態で接合される。接合工程Ｓ３では、銀ロウを用いてろう付けによって、シール部材１０を翼本体６１及び突出部７に固定する。

なお、本実施形態では、翼本体６１と突出部７と窪み部６１５とを備え、シール部材１０が取り付けられる前の状態の動翼を翼体と称する。

上記のような蒸気タービン１００では、動翼６は、軸方向Ｄａの上流側から下流側に向かって蒸気Ｓが流通する流路内に配置されている。この蒸気Ｓ中では、圧力低下とともに水滴（ドレン）が発生する。これにより、蒸気Ｓは、水滴を含んだ状態で流路内を流通している。

この水滴の径は、動翼６を抜けた後の排気圧力が高くなるほど大きくなる。また、水滴の発生量は、流路内の蒸気Ｓの湿り度が高くなるほど多くなる。そのため、特に最も下流側の最終段付近では、エロージョンを生じ易くなる粒径を有する水滴が発生し易くなる。具体的には、最終段付近では、１００μｍ〜２００μｍ程度の粒径の水滴が多くなる。さらに、特に最終段の中でも突出部７に到達する水滴は、１４０μｍ〜１５０μｍ程度の粒径の水滴が多くなる。

動翼６が流路内で高速で回転することで遠心力の影響を受けた水滴は、上流側に隣接する静翼２を通過した後に、軸方向Ｄａの上流側から下流側に向かうとともに、径方向Ｄｒの内側から外側に向かって流れる。その結果、動翼６の先端の突出部７には、蒸気Ｓとともに水滴が衝突してエロージョンが発生する。

特に、翼本体６１の翼高さ方向Ｄｈの長さが長くなることで長大化した動翼６では、水滴と衝突する速度が先端部分に向かうにつれて高くなる。これにより、先端部分におけるエロージョンによる減肉の影響が他の部分より大きくなる。そして、本実施形態のように翼本体６１の先端部分に突出部７が設けられている場合、翼本体６１と突出部７との接続部分のうち、基端側を向く基端側遷移領域ＴＢでのエロージョンによる減肉の影響が大きくなる。

ところが、上記のような動翼の製造方法Ｓ１００で製造された動翼６によれば、第一シール部材８によって基端側遷移領域ＴＢを覆うことができる。第一シール部材８が翼本体６１よりも硬い材料で形成されていることで耐エロージョン性を向上させることができる。これにより、径方向Ｄｒの内側（翼高さ方向Ｄｈの基端側）から外側（先端側）に流れる水滴が基端側遷移領域ＴＢに衝突しても、基端側遷移領域ＴＢでのエロージョンを抑制することができる。その結果、突出部７との接続部分でエロージョンによる減肉が進み、突出部７が翼本体６１から脱落してしまう事態を避けることができる。したがって、例えば、設計上、翼本体６１の翼高さ方向Ｄｈの長さが長くなることで大きくなる突出部７の遠心力を下げるために突出部７を薄くし、翼本体６１と突出部７との接続部分の強度が弱い場合でも、突出部７が翼本体６１から脱落してしまうことを抑制することができる。これにより、突出部７が設けられた動翼６に対して、先端部分でのエロージョンの影響を抑えることができる。

また、基端側シール部８２の表面が第一面７１よりも突出するように、基端側シール部８２が第一面７１上に載った状態で配置されている。そのため、第一面７１において、第一シール部材８を内部に配置するための凹部を形成する必要が無い。したがって、負圧面６１２と大きく異なる角度で延びる第一面７１を加工するコストや時間を抑えることができる。これにより、コストを抑えて製造された第一シール部材８によって、突出部７が形成された先端部分でのエロージョンの影響を抑制できる。

また、突出部７の第一面７１に第一シール部材８を配置するための凹部を形成する必要が無いため、隣接する他の翼と接触して力を受ける突出部７の強度確保に有利である。さらに、エロージョンシールドを配置していないタイプの翼に対しても、前側シール部８１に対応する凹部を形成するだけでエロージョンシールドを配置することが可能となる。したがって、エロージョンシールド未装着の既存の翼に対するエロージョン耐性向上を簡便に実現することができる。

また、境界線Ｍ１の先端を部分的に覆わないことで、突出部７の先端部の狭い領域に対応させた第一シール部材８を形成する必要がない。また、接続点Ｐ１から境界線Ｍ１を覆うことで、エロージョンの生じやすい部分を確実に保護することができる。これにより、エロージョンの影響を抑制しつつ、第一シール部材８を有するシール部材１０の製造コストを抑えることができる。

また、第二シール部材９が前縁部６１ａのうち翼高さ方向Ｄｈの先端部分から所定の領域を覆っている。そのため、前縁部６１ａのうち、特に水滴に衝突される翼高さ方向Ｄｈの先端部分付近での耐エロージョン性を向上させることができ、エロージョンを抑制することができる。また、前縁部６１ａでは、第二シール部材９が圧力面６１１や負圧面６１２から突出していないことで、流路内での蒸気の流れを阻害してしまうことが抑えられる。これにより、蒸気の流れを阻害することなく、前縁部６１ａでのエロージョンの影響を抑えることができる。

また、上記のような蒸気タービン１００によれば、動翼６でのエロージョンを抑えることができ、動翼６の長寿命化を図ることができる。したがって、動翼６をメンテナンスする頻度を低減させて、蒸気タービン１００を効率的に運転させることができる。また、動翼６の突出部７の形状のスリム化を図ることができ、動翼６の長大化が可能となる。

次に、図８及び図９を参照して動翼の変形例について説明する。
変形例においては実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この変形例の動翼は、遷移領域シール部材と前縁部シール部材とが別部材となっている構成について実施形態と相違する。

変形例の動翼６Ａは、図８及び図９に示すように、第一シール部材８Ａと第二シール部材９Ａとが別部材に形成されている。第一シール部材８Ａと第二シール部材９Ａとは、離れて配置されている。この際、第一凹部６１３Ａと第二凹部６１４Ａとは、離れて配置されている。第一シール部材８Ａは、第一凹部６１３Ａ内に配置されている。第二シール部材９Ａは、第二凹部６１４Ａ内に配置されている。このような構成としても、突出部７を覆う第一シール部材８Ａを低コストで形成することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、突出部７を有する動翼６、６Ａは、例えば、軸方向Ｄａに並ぶ複数の動翼のうち、下流側の動翼列を構成する動翼のみに採用されてもよい。

また、本実施形態では、第一シール部材８やシール部材１０は、前縁側遷移領域ＴＡとして、第四面７４及び第四面７４と連続する負圧面６１２の一部を覆うように設けられていたが、これに限定されるものではない。例えば、第一シール部材８は、第四面７４と連続する負圧面６１２の一部を覆っておらず、前縁側遷移領域ＴＡとして、第四面７４のみを覆う形状をなしていてもよい。また、第一シール部材８やシール部材１０は、前縁側遷移領域ＴＡとして、第四面７４と連続する第三面７３まで覆う形状をなしていてもよい。

また、第二シール部材９やシール部材１０は、前縁部６１ａの一部のみに設けられていることに限定されるものではなく、前縁部６１ａの翼高さ方向Ｄｈの全域にわたって設けられていてもよい。

また、本実施形態の突出部７は、溝部７０を有していたが、このような形状に限定されるものではない。例えば、突出部７は、溝部７０を有しておらず、第三面７３が負圧面６１２と直接接続されていてもよい。このような形状の場合、前縁側遷移領域ＴＡは、例えば、第三面７３及び第三面７３と連続する負圧面６１２の一部となる。また、交差領域ＴＣは、例えば、第一面７１と、第三面７３と、第三面７３と連続する負圧面６１２の一部とが交差する点を中心とする領域となる。

また、シール部材形成工程Ｓ２では、第一シール部材８や第二シール部材９を精密鋳造や機械加工によって形成してもよい。

上記した蒸気タービン動翼、蒸気タービン、及び蒸気タービン動翼の製造方法によれば、突出部が形成された先端部分でのエロージョンの影響を抑えることができる。

１００ 蒸気タービン
Ｓ 蒸気
Ａｃ 軸線
Ｄａ 軸方向
Ｄｃ 周方向
Ｄｒ 径方向
１ ケーシング
１１ 蒸気入口
１２ 蒸気出口
２ 静翼
３ ロータ
５ ロータ本体
６、６Ａ 動翼
Ｄｈ 翼高さ方向
６１ 翼本体
６１１ 圧力面
６１２ 負圧面
６１３，６１３Ａ 第一凹部
６１４，６１４Ａ 第二凹部
６１５ 窪み部
６１ａ 前縁部
６１ｂ 後縁部
６２ プラットフォーム
６３ 翼根部
７ 突出部
７０ 溝部
７１ 第一面
７２ 第二面
７３ 第三面
７４ 第四面
７５ 第五面
７６ 接続面
ＴＡ 前縁側遷移領域
ＴＢ 基端側遷移領域
ＴＣ 交差領域
８、８Ａ 第一シール部材
８１ 前側シール部
８２ 基端側シール部
９、９Ａ 第二シール部材
１０ シール部材
４ 軸受部
４１ ジャーナル軸受
４２ スラスト軸受
Ｓ１００ 動翼の製造方法
Ｓ１ 翼本体形成工程
Ｓ２ シール部材形成工程
Ｓ３ 接合工程

本発明の実施形態における蒸気タービンの構成を示す模式図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の側面図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の内側から示す斜視図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の外側から示す斜視図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の内側から見た要部拡大図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の先端部分を前縁部側から見た要部拡大図である。 本発明の実施形態における蒸気タービン動翼の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の変形例における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の内側から示す斜視図である。 本発明の変形例における蒸気タービン動翼の先端部分を径方向の外側から示す斜視図である。

Claims (7)

1. 翼高さ方向に延びる圧力面及び負圧面を有し、前記圧力面と前記負圧面とによって前記翼高さ方向に延びる前縁部が形成された翼本体と、
   前記翼本体の前記翼高さ方向の先端部分に設けられて、前記負圧面から前記前縁部側に向かうように突出する突出部と、
   前記突出部の前記翼高さ方向で先端と反対側の基端側を向く基端側の面の少なくとも一部と、前記突出部と前記負圧面との接続部分のうち、前記前縁部側を向く前縁側遷移領域と、を覆うように設けられて、前記翼本体よりも硬度の高い材料から形成された遷移領域シール部材と、を備え、
   前記前縁側遷移領域には、前記負圧面から窪む第一凹部が形成され、
   前記遷移領域シール部材は、
   表面が前記翼本体の表面と面一となるように前記第一凹部内に配置された前側シール部と、
   前記前側シール部と一体に形成されて、表面が前記基端側の面よりも突出するように前記基端側の面上に配置された基端側シール部とを有する蒸気タービン動翼。
2. 前記遷移領域シール部材は、前記突出部の前縁側を向く前縁側の面と前記基端側の面とが接続する境界線を、前記境界線と前記負圧面との接続点から所定の長さまで覆っており、
   前記所定の長さは、前記接続点から前記突出部の先端部までの前記境界線の長さをＬとした場合に、前記接続点から０．９Ｌ以下の長さである請求項１に記載の蒸気タービン動翼。
3. 前記前縁部を覆うように設けられて、前記翼本体よりも硬度の高い材料から形成された前縁部シール部材を備え、
   前記翼本体は、前記前縁部で表面から窪む第二凹部を有し、
   前記前縁部シール部材は、表面が前記翼本体の表面と面一となるように前記第二凹部内に配置されている請求項１または請求項２に記載の蒸気タービン動翼。
4. 前記遷移領域シール部材と、前記前縁部シール部材とが一体に形成され、
   前記第一凹部と前記第二凹部とが同じ深さで繋がって形成されている請求項３に記載の蒸気タービン動翼。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の蒸気タービン動翼を有するロータと、
   前記ロータを覆うケーシングとを備える蒸気タービン。
6. 翼高さ方向に延びる圧力面及び負圧面を有し、前記圧力面と前記負圧面とによって前記翼高さ方向に延びる前縁部が形成された翼本体と、前記翼本体の前記翼高さ方向の先端部分に設けられて、前記負圧面から前記前縁部側に向かうように突出する突出部と、を一体に形成する翼本体形成工程と、
   前記突出部の前記翼高さ方向で先端と反対側の基端側を向く基端側の面の少なくとも一部と、前記突出部と前記負圧面との接続部分のうち、前記前縁部側を向く前縁側遷移領域と、を覆うような形状をなし、前記翼本体よりも硬度の高い材料から形成された遷移領域シール部材を金属射出成形で形成するシール部材形成工程と、
   前記遷移領域シール部材を前記基端側の面の少なくとも一部及び前記前縁側遷移領域に接合する接合工程とを含み、
   前記翼本体形成工程は、前記前縁側遷移領域に前記負圧面から窪む第一凹部を形成し、
   前記遷移領域シール部材は、
   表面が前記翼本体の表面と面一となるように前記第一凹部内に配置可能とされた前側シール部と、
   前記前側シール部と一体に形成されて、表面が前記基端側の面よりも突出するように前記基端側の面上に配置可能とされた基端側シール部とを有する蒸気タービン動翼の製造方法。
7. 前記接合工程は、前記遷移領域シール部材を前記翼本体及び前記突出部にろう付けする請求項６に記載の蒸気タービン動翼の製造方法。

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