WO2003102378A1

WO2003102378A1 - Aube mobile de turbine

Info

Publication number: WO2003102378A1
Application number: PCT/JP2003/006879
Authority: WO
Inventors: Yasushi Ooishi; Joji Kaneko; Kenichi Okuno; Shinya Fujitsuka
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2003-12-11
Also published as: EP1512837A1; JP2004052757A; US20060002798A1; AU2003241680B2; EP1512837A4; EP1512837B1; CN1659361A; CN100414075C; AU2003241680A1

Description

明細書タービン動翼技術分野

本発明は、夕一ビン動翼に係り、特に翼頂部を翼有効部から一体削り出し製作もしくは冶金的な方法により翼有効部の先端部に一体的に接合したスナツバカバー（ィンテグラルカバ一）を備えたタ一ビン動翼に関する。背景技術

例えば、蒸気タービンに適用するタービン動翼では、運転中に翼有効部を流れる蒸気噴流に基づく励振力や、翼頂部からの蒸気漏洩に基づく翼効率の低下を防止するために、翼頂部にスナツバカバー（インテグラルカバ一）を備えることがある。

すなわち、動翼が単独で自立している場合、翼自身が持つ固有振動に外からの力が加わって共振を誘起し、翼には思わぬ応力が負荷されることとなる。そして、この応力（振動応力）は、場合により翼を破損に至らしめることもある。特にターピンブラントの場合には、ターピンロータが 3 , 0 0 0回転分や 3 , 6 0 0回転/分という所定の回転数に達するまでには、ロータ自体の振動や前記蒸気噴流による力、等により数々の外力が働くため、これらの力によって誘起する共振を避ける必要がある。そこで、このような不都合を避けるために、タービン動翼を 1枚 1枚単独で自立している構造から、動翼を数枚ずつ連結して群翼構造としたり、全周の動翼を全て連結した全周一群構造にすることが行われている。そして、このような構造にすることにより、設計時において、群翼構造または全周一群構造が持つ固有振動数と外力との共振点を離調させ、前記各種の外力による共振から動翼を守ることが可能となる。

このような、群翼構造や全周一群構造とするために翼頂部に設けられた構造がスナツバ力パー（インテグラルカバー）と呼ばれるものである。なかでも、スナツバカバ —の動翼の背側および腹側に位置する部分に当たり面を設け、一方の翼のスナツバ力バーの当たり面が隣接する他方の翼のスナツバカバーの当たり面とが接触するよう組み立てる構造のものは、この当たり面での摩擦による制振効果が高い。さらに、スナツバカバーが全て同一の形状（構造）に出来るため、全ての翼における応力が均一になる、設計時に発生する振動モードの限定がし易いなどのメリットがある。そして、そのような構成として第 7図に示すものがある。

タービン動翼は、蒸気の流れを次の段落に向って転向させる翼有効部 1と、この翼有効部 1の根元側に設けられ、ロータホイール 4に植設する翼植込み部 2と、翼有効部 1の頂部に設けられたスナツバカバ一（インテグラルカバー） 3とを備えた構成になっている。

さらに、夕一ビン動翼は、翼素体から翼有効部 1、翼植込み部 2およびスナツバ力バ一 3を削り出して一体製作するか、もしくは翼素体から翼有効部 1、翼植込み部 2 が削り出されたものに、別途製作されたスナツバカバ一 3をこの翼有効部 1の先端部に溶接等の冶金的な方法により一体的に接合して製作されている。このような動翼本体を、その翼植込み部 2をターピン口一夕（図示せず）に設けられたロータホイール 4の周方向に向って列状に植設して、タービン動翼構造としている。

スナツバカバー 3は、翼有効部 1の翼背側および翼腹側に位置するそれぞれの面を、クランク状の切り欠き面 7 aと 2つの突き合せ面 6 a 1 , 6 a 2から形成されている。そして、互いに隣接する翼の切り欠き面 7 aと 7 b、突き合せ面 6 a 1、 6 b l、 6 a 2、 6 b 2とを互いに接触させることにより、その摩擦力を利用して制振力を高めている。

このような、スナツバ構造のターピン動翼では、翼有効部 1の腹側、背側のいずれにも切り欠き面 7 aを有するため、その摩擦力を有効に利用でき、しかもロータホイール 4の周方向に列状に植設された全周群翼にいずれも同じ効果が得られるため、制振の減衰効果が一層高いものとなる。

特に、このようなクランク状のスナツバカバ一では、接触面圧の大小が制振効果に影響を及ぼすため、運転中にねじり戻りのある長翼には有効である（例えば、特公平

6— 6 0 5 6 3号公報）。また、構造が簡単な割に制振効果が高いため、ガスターピン翼にも用いられている（例えば、米国特許第 5， 2 1 1 , 5 4 0号明細書）。

しかしながら、振動の減衰効果が高いと評価されているタ一ビン動翼であっても、幾つかの問題が残されている。

スナツバ構造のタービン動翼は、組立て当初、一方のスナツバカバ一 3 aと隣接する他方のスナツバカバ一 3 b , 3 bとを密に当接させていても、運転中に発生する遠心力により一方のスナツバカバ一 3 aが浮き上がったり、あるいは遠心力や材料の熱膨張差による切り欠き面 7 a， 7 bに隙間ができ、スナツバカバ一 3 b , 3 a , 3 b 間にクリアランスができ、摩擦力が充分に活用できない等の問題があった。

このような問題に対処して、例えば、第 8図に示すような別のスナツバ構造の夕一ビン動翼がある。このタービン動翼では、一方のスナツバカバ一 3 aと隣接するスナツバカバー 3 b、 3 bとの突き合せ面 6 a 1 ( 6 a 2 ) 、 6 b 1 ( 6 b 2 ) の断面形状を、ターピンロータ軸方向から見たときに、ハ字状に形成される先細形状と逆ハ字状形成される先太形状を交互に配置した、いわゆるクサビ形状に形成することが提案されている。このような構成にすることにより、例えば運転中にスナツバカバ一 3 a が遠心力等により浮き上がろうとすると、その両側のスナツバカバー 3 b、 3 とのクサピ効果により、その浮き上がりが抑制されることになる。

しかし、突き合せ面 6 a 1 ( 6 a 2 ) 、 6 b 1 ( 6 b 2 ) をクサビ形状に形成したスナツバカバー 3 a , 3 b , 3 bは、加工および組立て作業に多くの時間を要するとともに、運転中に発生する遠心力等の一部がそれが作用しているスナツバカバー 3 a だけでなくこれに隣接するスナツバカバー 3 b， 3 bにも作用し、これに基づいて隣接する翼植込み部に発生する遠心応力も高くなる等の不都合があった。

また、運転中の浮き上がり防止等を考慮して、さらに別のスナツバ構造のタービン動翼は、例えば、第 9図に示すように、一方のスナツバカバー 3 aと隣接するスナツバカバー 3 bとの切り欠き面 7 a , 7 bを翼有効部 1の回転方向と平行にしたものが提案されている。

このようなスナツパ構造を持つタービン動翼は、遠心力によるスナツバカバー 3 a の浮き上がりもなく、また遠心力や材料の熱膨張差による切り欠き面 7 a， 7 bのクリアランスもないため、振動の減衰効果が一見高いかのように思われている。

しかし、このタイプのタービン動翼は、一方のスナツバカバー 3 aと隣接するスナツバカバ一 3 bとの切欠部 5の切り欠き面 7 a , 7 bが翼有効部 1の回転方向と平行であるが故に、運転中の制振効果は回転方向とは異なる方向の振動に対しては有効であるが、回転方向と平行に発生する振動の抑制には、この平行面に作用する摩擦力で制限されるため、摩擦力を十分に確保することができず、その分、制振効果が低くなる欠点があった。

また、このタイプのものは、組立て時、切り欠き面 7 a， 7 bのそれぞれに与えられた面圧 Pおよび運転中に発生する熱伸び等により生じた面圧 Δ Pが運転時の面圧 ( Ρ + Δ Ρ ) となる。すなわち、運転時に必要な面圧は、組立て時の面圧 Pでほとんど支配されるため、その圧を確保するために組立て上かなりの困難を要していた。特に、翼長の短い翼ではその度合いが顕著であった。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、構造の簡素化の下、一方のスナツバカバ一と隣接する両側のスナツバカバーとの突き合せ面が、運転中、常に当接状態を維持し続け、かつ翼有効部の回転方向の振動も充分に制振させることのできる夕一ビン動翼を提供することを目的とする。発明の開示

本発明に係るタービン動翼は、上述の目的を達成するために、一方の翼有効部の翼頂部に設けたスナッバカバーと隣接する翼有効部の翼頂部に設けたスナッバカバーの少なくとも 1つの端面を互いに接触させたターピン動翼において、前記端面は前記翼有効部の回転方向に対して予め決められた傾斜角度を有するものである。

さらに本発明に係るタービン動翼は、前記スナツバカバーの前記翼有効部回転方向の前後端面をそれぞれ 2つの突き合せ面と 1つの接触端面から構成されるクランク状に形成するものである。

さらに本発明に係るタービン動翼は、前記接触端面は前記翼有効部の回転方向に形成するとともに、この回転方向と予め決められた傾斜角度を形成するものである。

また、さらに詳細な実施例おいては、本発明に係るタービン動翼は、上述の目的を達成するために、植込部と、この植込部に連続する翼有効部と、この翼有効部の先端に一体的に配設されるスナツバカバ一と、を有する夕一ビン動翼の前記スナッバカバ —を、この夕一ピン動翼が植設されるターピン口一夕の径方向から見たときに、前記タービン動翼の回転方向に対してほぼ垂直にかつ前記翼有効部の背側とこれに対向する翼有効部腹側の位置にそれぞれ形成され、隣接する動翼と接触する、接触面と、前記接触面に対してほぼ直角もしくは前記タービン動翼の回転方向とほぼ平行にかつ前記翼有効部の前縁側および後縁側にそれぞれに形成される流体端面と、から構成され、さらに、前記接触面は予め決められた距離を有して互いを平行にする接触先行面および接触後行面とこれら 2つの面を結ぶ 1つの接触摩擦面からなる連続する 3つ面でも構成されるものである。

さらに本発明に係るタービン動翼は、前記接触摩擦面は前記タービン動翼の回転方向に対して予め決められた正の角度を有しているものである。

また、このような実施例において、本発明に係るターピン動翼は、前記タービン動翼のうち、一方のタ一ビン動翼の翼有効部背側の接触摩擦面とこのタ一ビン動翼の回転方向側に隣接する他方のタービン動翼の翼有効部腹側の接触摩擦面とが嵌合するとともに、前記一方のタ一ビン動翼の翼有効部腹側の接触摩擦面とこのターピン動翼の反回転方向側に隣接する他方のタービン動翼の翼有効部背側の接触摩擦面とが嵌合して、前記夕一ビン口一夕に植設されているターピン動翼全周を連結しているものである。図面の簡単な説明第 1図は、本発明に係るタービン動翼を示す一部切欠斜視図である。

第 2図は、本発明に係るタービン動翼の翼頂部に設けたスナツバカバ一を示す平面図である。

第 3図は、本発明に係るタ一ピン動翼の回転時の挙動をタ一ビン軸方向から見た図である。

第 4図は、本発明に係るタービン動翼の翼頂部に設けたスナッバカバーの一部を拡大して静止時と回転時の挙動を示した平面図である。

第 5図は、本発明に係るタービン動翼の翼頂部に設けたスナツバカバーの運転前の組立状態を示す平面図である。 '

第 6図は、本発明に係る夕一ピン動翼の翼頂部に設けたスナツバカバーの運転中の組立て状態を示す平面図である。

第 7図は、従来のターピン動翼を示す斜視図である。

第 8図は、一方のスナツバカバ一と隣接するスナツバカバ一との突き合せ面を傾斜状に形成した従来のタービン動翼を示す側面図である。

第 9図は、従来のスナツバカバ一の運転前の組立て状態を示す平面図である。発明を実施するため最良の形態

以下、本発明に係るタービン動翼の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

第 1図は、本発明に係るタービン動翼の実施形態を示す一部切欠斜視図である。

本実施形態に係るタービン動翼は、ロータホイール 1 0に植設される翼植込み部 1 1と、作動流体としての、例えば、蒸気を転向させて次段落に案内する翼有効部 1 2 と、この翼有効部 1 2 ( 1 2 a, 1 2 b, 1 2 c) に設けたスナツバカバ一 1 3 ( 1 3 a, 1 3 b、 1 3 c) とを備えている。翼植込み部 1 1、翼有効部 1 2およびスナツバカバ一 1 3は、翼素体から削り出す一体構造、あるいは翼素体から削り出した翼植込み部 1 1、翼有効部 1 2に別途製作されたスナツバカバ一 1 3を翼有効部 1 2の先端部に溶接等により冶金的な方法により接合した一体構造として構成されている。

一方の翼有効部 12 bの翼頂部に設けたスナツバカバー 13 bは、この翼の回転方向にほぼ垂直方向で、かつ翼の背側方向および腹側方向の位置に接触面 14 b F、 1

4 bBがそれぞれ形成されている。そして、これらの接触面 14b F、 14bBは、翼の回転方向にほぼ垂直で互いに予め決められた距離を有した位置関係にあり略平行する 2つの面、接触先行面 15bF l (15 bB 1) 、接触後行面 15 b F 2 (15 b B 2) とこれら 2つの面をむすぶ接触摩擦面 16 b F (16 bB) の 3つの面から構成され、全体でクランク状の面を構成している。

さらに、スナツバカバ一 13 bは、翼先端部方向の位置に設けられるとともにその回転方向とほぼ平行で、前記接触先行面 15 b F 1と 15 b B 1とを結ぶ流体入口端面 17 bLと、翼後緣部方向の位置に設けられるとともにその回転方向とほぼ平行で、前記接触後行面 1 5 bF2と 15 bB2とを結ぶ流体出口端面 17 b Tとで構成されている。

そして、このように構成されたスナツバカバ一 13 bでは、接触面 14b Fの内、接触先行面 15 b F 1と接触後行面 15 b F 2は、隣接する他方の翼有効部 12 cの翼頂部に設けられたスナツバカバー 13 cの接触面 14 c Bを構成する接触先行面 1

5 c B 1と接触後行面 15 c B 2と当接、もしくは微小な間隙を有して対峙している。一方、接触摩擦面 16 bFは、他方の接触摩擦面 16 c Bとある圧力を持って接触している。そして、これらの接触摩擦面 16 aFと 16 bB、 16 bFと 16 c B、 …が互いに接触して全周または数枚を群翼として翼有効部 12 a, 12 b, 12 c,

…を綴る構成になっている。

また、スナツパカバーは、第 2図に示すように、一方のスナツパカバー 13 aに設けられた接触摩擦面 16 aF (16 aB) は翼有効部 12 aの回転方向に対して予め決められた正の角度 αを有するように形成されている。

一方、この接触摩擦面 16 aFとある圧力をもって接触する他の接触摩擦面 16 b

Bも翼有効部 12 bの回転方向に対して予め決められた正の角度ひを有するように形成されている。

一方、接触面 14 aF (14 aB) を形成する残りの面である接触先行面 1 5 a F 1 ( 15 a B 1 ) および接触後行面 15 aF2 (15 aB 2) については、隣接する他の接触面 14bF (14bB) の接触先行面 15 bF l (15 bB 1) および接触後行面 15 bF2 (15 bB 2) と必ずしも当接している必要は無く、微小な間隙 A, Bを有して対峙していてもよい。

このように接触面 14 aF (14 a B) 、 14 b F (14 bB) を構成する各面のうち、接触摩擦面 16 aF (16 aB) および接触摩擦面 16 bF (16 bB) に翼の回転方向に対して正の角度 αを有して互いに接触させたことにより、たとえ翼有効部 12 a, 12 bに回転方向と同一方向の振動モードが発生し、その相対距離が近付いたり離れたりした場合でも、接触部 Cでは常にその接触が保たれる。その結果、この接触部 Cに働く摩擦力によりその振動を効果的に減衰することができる。

この理由を第 3図および第 4図を用いて説明する。

第 3図は、動翼をタービン口一夕軸方向から見た図である。実線は動翼静止時の位置を示しており、各動翼先端部においてピッチ Pでロータホイール 10にその植込み部 11を介して植設されている。一方、破線部はこの動翼が回転することによる遠心力や蒸気の熱膨張により、翼長手方向に AL伸びた部分を示している。この時、動翼先端部のピッチに注目すると、 △ Lの影響により静止時のピッチ Pから△ P増加したピッチ P 'に変わることになる。

第 4図は、本発明のスナツバカバー 13 aと 13 bの接触面 14 a Fおよび 14 b Bのうち、接触摩擦面 16 aFと 16 b Bの部分を拡大したものである。

この図において（a) に示すように静止時には、一方の接触先行面 15 aF 1と他方の接触後行面 15 bB 1とはある間隙 Bを有して対峙し、一方の接触先行面 15 a F 2と他方の接触後行面 15 bB 2とはある間隙 Aを有して対峙し、さらに一方の接触摩擦面 16 a Fと他方の接触摩擦面 16 b Bとがある角度 αである面圧を有して接触している。そして、（b ) に示すように回転時に、第 3図で示したピッチ Pが P 'に変化した時には、それぞれのスナツバカバ一 1 3 a、 1 3 bは動翼回転方向に広がるため、一方の接触先行面 1 5 a F 1と他方の接触後行面 1 5 b B 1とはある間隙 Bに加え間隙 △ Pを有して対峙し、一方の接触先行面 1 5 a F 2と他方の接触後行面 1 5 b B 2とはある間隙 Aに加え Δ Ρを有して対峙することになる.。さらにこの時、接触摩擦面 1 6 a Fと他方の接触摩擦面 1 6 b Bとは、角度 ο;を有するが故に、その面は、図中斜線部のように重なりあうことになる。実際には、この重なり部分が弾性変形することにより接触面圧としてそれぞれの面に作用することになる。すなわち、本発明の接触摩擦面では、翼のピツチは広がれば接触摩擦面の面圧が上がることになり、より振動を減衰する方向に働くことになる。

第 5図および第 6図は、本発明に係るスナツバカバ一をタービン動翼に適用するの平面図である。なお、第 5図は、スナツバカバーの組立て時（または静止時）における翼頂部から見た平面図であり、第 6図は、スナツバカバーの運転時（回転時）における翼頂部から見た平面図である。

スナツバカバー 1 3は、第 5図に示すように、組立て時（静止時）は一方のスナツバカバー 1 3 aと互いに隣接するスナツバカバ一 1 3 bとの接触先行面 1 5 a F 1と接触後行面 1 5 b B 1との隙間 A、および接触先行面 1 5 a F 2と接触後行面 1 5 b B 2との隙間 Bを少なくさせ、接触摩擦面 1 6 a Fと 1 6 b Bをある面圧 Pで密に当接しておく。そして、蓮転（回転）を開始すると第 6図に示すように、動翼の回転に伴う遠心力、等により翼有効部 1 2 a , 1 2 bが正規位置から浮き上がる。すなわち、これは翼有効部 1 2 a , 1 2 b自身の遠心力および高温蒸気による熱膨張（伸び）、あるいはロータ（図示せず）の高温蒸気による径方向の伸び等によるもので、一方の翼有効部 1 2 aと隣りの翼有効咅 1 2 bとのピッチが第 5図に示す組立て時のピッチ Pから第 6図に示す運転時のピッチ（Ρ + Δ Ρ) に増加する。

一方の翼有効部 1 2 aと隣接する翼有効部 1 2 bとのピッチ Pからピッチ（Ρ + Δ P ) に増加することに伴って一方のスナツバカバー 1 3 aと隣接するスナツバカバ一 13 bとの接触先行面 15 a F 1と接触後行面 15 b B 1との隙間 A、および接触先行面 15 a F 2と接触後行面 15 b B 2との隙間 Bもそれぞれピッチ△ P分大きくなる。

従来の構造の翼有効部 12 a, 12 bの回転方向と平行に振動が発生した場合には、スナツバカバー 13 (13 a, 13 b) における接触摩擦面 16 a F, 16 bB間に隙間ができ、このために摩擦力が低くもしくはゼロになり、振動を十分に減衰させることができなかった。

しかし、本実施形態では、第 5図に示すように、互いの接触面 14 a F、 14 b B のうち、接触摩擦面 16 a F、 16 b Bに翼有効部 12 a, 12bの回転方向に対し、予め決められた正の角度 αの傾斜角を形成されており、このような構造にすることにより運転中、翼有効部 12 a、 12 b間のピッチが Δ P分大きくなり、接触先行面 1 5 a F 1と接触後行面 15 b B 1との隙間 A、および接触先行面 15 a F 2と接触後行面 15 bB 2との隙間 Bもそれぞれピッチ ΔΡ分大きくなつても、接触摩擦面 16 a F、 16 bB間は常に接触部分の確保が出来るので、翼有効部 12 a、 12 bの回転方向と同一方向に振動が発生しても、相手側の端面 Cとの接触面が揺動するときの摩擦力およびそれに必要な接触面圧を十分に確保することができる。

したがって、本実施形態によれば、翼有効部 12 a， 12 bの回転方向と同一方向の振動が発生しても十分に振動を抑制することができ、タービン動翼を安定状態で運転させることができる。

なお、本実施形態に係るタービン動翼に適用するスナツバカバー 13 (13 a, 1 3 b) は、タービンの高圧部、中圧部および低圧部のいずれにも適用できるが、特に夕一ビンの高圧部、中圧部に適用すると、制振効果が著しく高く、好適である。産業上の利用可能性

本発明に係るターピン動翼は、一方の翼有効部の頂部に設けたスナツバカバーと、隣りの翼有効部の頂部に設けたスナッバカバーをそれぞれ複数の端面からなる略クランク状の接触面で構成して、クランク状の接触面を構成する 1つの面である接触摩擦面に、翼有効部の回転方向に対し正の角度 0!の傾斜角を持たせた。従って、たとえ運転中、翼有効部間のピッチ等が大きくなつても常に接触部分が確保でき、翼有効部の回転方向と同一方向に振動が発生しても充分に対処することができ、十分な制振効果を有して、ターピンの安定した運転状態を確保することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 一方の翼有効部の翼頂部に設けたスナツバカバ一と隣接する翼有効部の翼頂部に設けたスナツバカバーの少なくとも 1つの端面を互いに接触させたタービン動翼において、前記端面は前記翼有効部の回転方向に対して予め決められた傾斜角度を有することを特徴とするタービン動翼。

2 . 前記スナツバカバーの前記翼有効部回転方向の前後端面をそれぞれ 2つの突き合せ面と 1つの接触端面から構成されるクランク状に形成することを特徴とする請求の範囲 1記載のターピン動翼。

3 . 前記接触端面は前記翼有効部の回転方向に形成するとともに、この回転方向と予め決められた傾斜角度を形成することを特徴とする請求の範囲 2記載のタービン動翼。 '

4 . 植込部と、この植込部に連続する翼有効部と、この翼有効部の先端に一体的に配設されるスナツバカバーと、を有するタービン動翼において、

前記ターピン動翼は、前記スナツバカバーを、この夕一ピン動翼が植設されるタービンロータの径方向から見たときに、前記夕一ビン動翼の回転方向に対してほぼ垂直にかつ前記翼有効部の背側とこれに対向する翼有効部腹側の位置にそれぞれ形成され、隣接する動翼と接触する、接触面と、前記接触面に対してほぼ直角もしくは前記タービン動翼の回転方向とほぼ平行にかつ前記翼有効部の前縁側および後縁側にそれぞれに形成される流体端面と、から構成され、

さらに、前記接触面は予め決められた距離を有して互いを平行にする接触先行面および接触後行面とこれら 2つの面を結ぶ 1つの接触摩擦面からなる連続する 3つ面で構成されることを特徴とするタービン動翼。

. 前記接触摩擦面は前記夕一ビン動翼の回転方向に対して予め決められた正の角度を有していることを特徴とする請求の範囲 4記載のターピン動翼。 . 前記タービン動翼のうち、一方の夕一ピン動翼の翼有効部背側の接触摩擦面とこのターピン動翼の回転方向側に隣接する他方のタービン動翼の翼有効部腹側の接触摩擦面とが嵌合するとともに、前記一方のタービン動翼の翼有効部腹側の接触摩擦面とこのタービン動翼の反回転方向側に隣接する他方のタ一ビン動翼の翼有効部背側の接触摩擦面とが嵌合して、前記タービンロータに植設されているタービン動翼全周を連結していることを特徴とする請求の範囲 5記載のタービン動翼。