WO2003104616A1 - タービン動翼組立体及びその組立方法 - Google Patents

Description

明細書

夕一ビン動翼組立体及びその組立方法 技術分野

本発明は、 夕ービン動翼組立体及びその組立方法に関する。

従来の技術

従来から、 火力或いは原子力等により発生する熱エネルギーを作動ガスを通 じて機械的エネルギーに変換する蒸気夕一ビンが稼動されている。

この蒸気夕一ビンの軸受けまわりの構造について説明すれば、 車室に、 その 長手方向に沿って設けられた複数の静翼と、 各静翼と長手方向に互い違いにな るように、 ロータに周方向に亘つて設けられた動翼とを有し、 各動翼が各静翼 に対して長手方向軸線を中心として回転するようになっている。

このとき、 従来の動翼の口一夕への固定構造について説明すれば、 動翼の先 端部にテノンを形成してこのテノンにシュラウドを揷入、 かしめてシュラウド を動翼に固定することにより、 ディスクの全周に植設された動翼間のピッチを 全周に亘つて固定し、 先端を連結して動翼の振動を防止するとともに、 動翼と ケーシングとの間の先端隙間を一定にして、 この先端隙間からの蒸気の散逸を 防止してきた。

しかしながら、 この方式では、 シュラウドのカシメは、 個人的な技能に依存 する要素が多いため、 人によりカシメのばらつきが生じ、 一方で強度上の信頼 性にも問題を有していた。

この問題を解決するために、 動翼のうち、 特にプロファイル高さが低い短翼 に対して、 ISB (Integral Shroud Blade) による翼の連成ィ匕が実施されている o

この ISB方式の夕一ビン動翼組立体を図 7ないし図 1 1に示す。 図 7によれ ば、 複数のタービン動翼のうちそれそれの夕一ビン動翼 120は、 ロー夕 170のデ イスク 160に揷入して固定される翼根 180を有するプラヅトフオーム 200と、 こ のプラヅトフオーム 200から半径方向外方に延びるプロファイル 220と、 このプ 口ファイル 220と一体の棚であって、 複数の夕一ビン動翼を周方向に束ねるた めに、 プロファイル 220の上部同士を固定するための棚 240とを有する。

図 8に示すように、 複数の夕一ビン動翼 120は、 口一夕 160の周方向に隣接し て設けられる。 棚は、 特に図 9に明瞭に示すように、 周方向に隣合う棚 240同 士の突き合わせ面を形成する端面 260を有し、 この端面 260は、 口一夕 170の中 心とプロフアイル 220の中心とを結ぶ、 プロフアイル 220の引付線 280と平行に 形成されている。

この ISB方式によれば、 ロータ 170のデイスク 160外周への翼根 180の揷入によ つて動翼を組立てる際、 周方向に隣接する動翼の棚 240の端面 260同士を突き合 わせることによって、 複数の動翼を周方向に連成させ、 それによつて、 シユラ ウドを力シメる場合と同様に、 運転時の振動応力を低減することが可能となる しかしながら、 このような ISB方式をそのまま夕一ビン動翼に適用すると、 棚の端面が引き付け線に対して略平行であることに起因して、 以下のような技 術的問題を生じる。

すなわち、 プロファイル高さが所定高さを越えると、 運転時の遠心力及び運 転に伴う温度上昇による熱膨張を通じて、 ディスクの周方向ピッチが顕著に増 大する。 このピッチの増大によって、 周方向に隣接する動翼のピッチもまた、 周方向に広がり、 隣り合う端面 260の間にクリアランスが形成される。運転時 に周方向の十分な連成を確保するために、 このようなクリアランスを考慮して 、 動翼を組み立てるとすれば、 図 1 0及び図 1 1に示すように、 隣接する動翼 同士が周方向に互いに重なり合ってしまい、 組立てが困難となる。 一方、 組立 て可能に動翼組立体を構成しても、 運転時に隣り合う端面の間にクリアラン スが生じ、 周方向の十分な連成を確保することができない。

そこで、 上記課題に鑑み、 本発明の目的は、 組立てが可能であるとともに、 運転時に、 周方向の十分な連成が確保可能な夕一ビン動翼組立体を提供するこ とにある。

本発明の別の目的は、 運転時に周方向の十分な連成が確保可能な夕一ビン動 翼組立体を容易に組立てることが可能な組立方法を提供することにある。 発明の開示

上記課題を解決すべく、 本発明の夕一ビン動翼組立体は、 複数の夕一ビン動 翼がロータの周方向に設けられるタービン動翼組立体であって、 それそれの夕 一ビン動翼は、 前記ロー夕のディスクに揷入して固定され、 半径方向外方に延 びるプロファイルと、 このプロファイルの外端部に該プロファイルと一体に固 定された棚であって、 複数の夕一ビン動翼を周方向に連成させるための棚とを 有するものにおいて、

周方向に隣合う棚同士の突き合わせ面を形成する端面が、 前記口一夕の中心 と前記プロファイルの中心とを結ぶプロフアイルの中心引付線に対して所定角 度傾斜している構成としてある。

このような構成の夕一ビン動翼組立体によれば、 複数の夕一ビン動翼を口一 夕の周方向に設けて組立てる際、 タービン動翼の棚の端面を隣接する夕一ビ ン動翼の棚の端面に密着させながら、 1本ずつ周方向に設けることにより、 夕

―ビン動翼,組立体として組み立てることが可能である。

一方、 運転時、 棚の端面をプロファイルの中心引付線に対して所定角度傾斜 させているので、 ロー夕の回転に伴うディスクに作用する遠心力及び温度上昇 に伴うディスクの熱膨張、 特に熱膨張によつて周方向ビッチが増大するとして も、 周方向に隣接する端面同士の間でクリアランスが生じないようにして周方 向に亘つて隣接するタービン動翼同士に端面を通じて押付力を及ぼし合うこと により、 運転時に周方向に十分な連成を確保して、 それにより運転時の振動応 力を低減することが可能となる。

また、 前記傾斜角度は、 約 5 ° ないし約 3 0 ° であるのが好ましい。

さらに、 前記複数のタービン動翼は、 前記棚の周方向長さが互いに異なる周 方向に隣接するタービン動翼を有するのが好ましい。

またさらに、 翼根を対応するディスクに挿入することにより、 タービン動翼 を一本ずつロータの周方向に組立る、 上記のタービン動翼組立体の組立方法に おいて、 前記ロータに既に組み込まれたタービン動翼に対して周方向に隣接さ せて、 次の夕一ビン動翼を組み込む際、 次の夕一ビン動翼のプラットフォーム と口一夕との間であって、 次の夕一ビン動翼の翼根をはさんで既設夕一ビン動 翼に遠い側に、 スぺーサを仮挿入することにより、 次のタービン動翼の棚の端 面を隣接する既設タービン動翼の棚の端面に密着させながら組み立てることを 特徴とする組立方法を採用するのがよい。

図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の実施形態に係わる夕一ビン動翼組立体の運転時の部分断面 図である。

図 2は、 図 1の II部の詳細図である。

図 3は、 本発明の実施形態に係わるタービン動翼組立体の組立時の部分断面 図である。

図 4は、 図 3の IV部の詳細図である。

図 5は、 周方向に隣り合うタービン動翼間のクリァランスの変化を数学的に 検討するための図である。

図 6は、 図 5に基づいて計算した、 端面の傾斜角度による夕一ビン動翼間の クリアランスの変化例を示すグラフである。

図 7は、 従来のタービン動翼の概略斜視図である。 図 8は、 従来の夕一ビン動翼組立体の運転時の部分断面図である。

図 9は、 図 8の IX部の詳細図である。

図 1 0は、 従来のタービン動翼組立体の組立時の部分断面図である。

図 1 1は、 図 10の XI部の詳細図である。

発明を実施するための形態

図 1は、 本発明の実施形態に係わる夕一ビン動翼組立体の運転時の部分断面 図である。 図 2は、 図 1の A部の詳細図である。 図 3は、 本発明の実施形態に係 わる夕一ビン動翼組立体の組立時の部分断面図である。 図 4は、 図 3の B部の 詳細図である。

夕一ビンの全体構造は、 従来のものと同様であるので、 その説明は省略し、 以下に、 夕一ビン動翼組立体について説明する。

タービン動翼組立体 10は、 従来と同様に、 複数の夕一ビン動翼 12が口一夕の 周方向に亘つて設けられている。 周方向に設置する夕一ビン動翼 12の本数は、 設計条件に応じて適宜定められる。 それそれの夕一ビン動翼 12は、 ロー夕のデ イスク 16に揷入して固定される、 翼根 18を有するプラットフォーム 20と、 この プラットフオーム 20から半径方向外方に延びるプロファイル 22と、 このプロフ アイルと一体の棚 24とを有する。棚 24は、 これらの複数の夕一ビン動翼 12を周 方向に束ねるために、 プロファイル 22の上部同士を固定するようにしている。 ブラットフオーム 20、 プロフアイル 22及び棚 24は、 削り出しにより一体的に形 成されてもよい。複数の夕一ビン動翼 12がロー夕の周方向に設けられる際に、 図 2に示すように、 周方向に隣合う棚 24同士の当接する端面 26が、 前記口一夕 の中心と前記プロフアイル 22の中心とを結ぶプロフアイル 22の引付線 28に対し て所定角度 α傾斜している。 この所定角度は、 例えば、 運転時の遠心力及び運 転に伴う温度上昇による熱膨張を通じて、 棚 24の隣り合う端面 26の間に形成さ れるクリアランスの寸法に応じて適宜設定されるが、 約 5 ° ないし約 3 0 ° の 範囲が好ましい。

周方向に設けられた複数のタービン動翼のうち、 棚の周方向長さが互いに異 なる隣接する夕一ビン動翼を有してもよい。 特に周方向長さの差を適当に設定 することにより、 運転の際、 棚に作用する遠心力に基づく棚の半径方向外方へ の浮き上がり量を調整し、 以つて周方向に隣接する端面同士に作用する押付力 を調整することが可能となる。

以上の構成を有するタービン動翼組立体 10について、 以下にその作用を説明 する。

図 3及び図 4に示すように、 組み込みの際、 夕一ビン動翼の棚 24の端面 26を 隣接するタービン動翼 12の棚 24の端面 26に突き合わせながら、 1本ずつ周方向 に設けることにより、 タービン動翼 12組立体として組み立てることが可能であ る。 その際、 ロー夕に既に組み込まれたタービン動翼 12に対して周方向に隣接 させて、 次のタービン動翼 12を組み込む際、 次のタービン動翼 12のプラット フォーム 20とロー夕との間であって、 次の夕一ビン動翼 12の翼根 18をはさんで 既設夕一ビン動翼 12に遠い側に、 スぺ一サを仮揷入することにより、 次の夕一 ビン動翼の棚の端面 26を隣接する既設タービン動翼の棚の端面 26に密着させな がら組み立てれば、 組み立てを容易にすることが可能となる。 以上の工程を周 方向に亘つて繰り返すことにより、 タービン動翼組立体 10として完成する。 な お、 スぺーサは組立後に除去する。

—方、 図 1及び図 2に示すように、 運転の際、 棚 24の端面 26をプロファイル の中心弓 I付線 28に対して所定角度傾斜させているので、 ロー夕の回転に伴うデ イスク 16に作用する遠心力及び温度上昇に伴うディスク 16の熱膨張、 特に周方 向への熱 i彭張によつて周方向に隣接するデイスク 16同士のピツチが増大すると しても、 周方向に隣接する端面 26同士の間にクリアランス Cが生じないように して、 隣接するタービン動翼 12同士で端面 26を通じて周方向に！:つて押付力 を及ぼし合うようにすることにより、 運転時に周方向に十分な連成を確保して 、 それにより運転時の振動応力を低減することが可能となる。

これにより、 テノンを設けて力シメを行うことなしに、 複数の夕一ビン動翼

12を互いに周方向に連成させることにより、 運転時の振動応力を低減し、 以っ てタービン動翼 12の製品寿命の短命化を防止することが可能となる。

以下に、 動翼の棚の端面を傾斜させた場合の効果について、 数学的なモデル を使って説明する。 図 5は、 周方向に隣り合うタービン動翼間のクリアランス の変化を数学的に検討するための図である。 図 6は、 図 5に基づいて計算した、 端面の傾斜角度によるタービン動翼間のクリァランスの変化例を示すグラフで める。

図 5において、 線分 A Cは A点を翼根の回転中心とした動翼の棚までを示し 、 線分 C Dは棚部を示す。線分 及び線分 E Fは隣接翼の同様部位を示す。 この状態は翼のプロファイルが、 回転中心 0から放射状に配置された回転中の ものであり、 各動翼の棚の端部 D及び Eは一致して回転中心と角度 α傾いた棚 端面上にある。 この時、 各々の翼を翼根の回転中心 Α及び Βで角度 ( 傾けた時 の棚部の端面の状態を以下に説明する。

0点から図中に示すように、 X , y軸をとつた時、 簡単のため、 棚長さ 1 2 ， 1 3を等しいとし、 n枚の動翼 12が全周等分に配置されていると仮定すると 、 棚端部と回転中心を結ぶ線 aは、 以下で示される。

X

(1)

tan (^)

2 n

また、 U =TJB"=R

~Κϋ=ΈΎ= 1 ! とすると、 0傾かせる前の

C、 D、 E、 Fの座標は各々以下で表示される。

C (x₀ ， y。 ） ； x。 = 0

D (X i , y₁ ) ； x！ =x₂ = 12

E (x₂ ， ₂ ) ； y i =y₂ =R+ 11

360

F (x₃ , y₃ ) x (R + 1 ! ) s i n

n

線分 0 Fと一致する直線 bは以下で表示される,

X

360 (2)

t a n- n

また、 棚部端面の線分 cが、 線分 bと角度ひをなすとき、

360

j3 = ~- とすると、 線分 cは以下となる <

2 n

x + X,

+ (3)

tan/? t an/? 隣接翼の棚 E Fの線分 dは以下で示される。 y =— y₃ (4)

ここで各動翼を A、 B回りに各々 0回転させた時の各点の座標を' を付けて 表示すると、 C'、 D'、 E'、 F' は以下のようになる。

8 差替え用紙（規則 26) C (x₀ ' , ₀ ' ) ; x_o ' = l ! s in0

y o ' ― 1 x c o s 0 +R

D ' (x i ' , y i 'ヽ ； x _x ' ― 1 ! s i n Θ + 12 c o s Θ

y ! ' = 1！ c o s Θ - 12 s i n 0 +R

E' (x₂ ' ， y₂ ' ) ；

, „ . 360 . - . .360 . ハ、 . .360 , _η、

χ₂ = sm +lj sin ( + )一 1， cos ( + ϋ)

η η η

, 360 . , , 360 ， 、」 . ,360 , _η、

y₂' = R₁cos—— cos(—— +θ)+1₇ sin (—— +θ)

η η η

F' (Χ₃ ' ， y₃ つ ；

, ₀ - 360 , . . .360 丄 ヽ

χ₃ = R_x sm +JL₁sm( +U)

n n

このとき （Xi ' , ' ） を通り、 cが 6>傾いた線 c' は以下となる。

|_ 人 1

" t an (/3-Θ) t an {β-θ) ^{¥l 1 }} 同様に （χ₂ ' , y₂ ' ) を通り、 cが 0傾いた線 は以下となる。 ^{y =}一 t an (/3-Θ) ⁺ t an (β-θ) ^{+ Ύ}'^{ζ (6)} ここで、 上記 c' 及び c〃間の距離 mは以下で表される。

₂」[ _Xl' + tan( ?— *y ]²— [x₂'+t_an ( — )*y₂' ]² |

m tan² - +1 ⁽⁷⁾ 式（7) より、 0=0.5とした場合の mと/?との関係をグラフにすると、 図 6 のようになる。 図 6が示すように、 端面間の距離 mは、 端面の傾斜角度/?につ いて略単調増加であり、 例えば、 =0及び/? =6の場合の mを比較すれば、 後 者は前者の略 2倍となっている。 このことは、 端面の傾斜角 (aor^) を適当

9 箬卷ぇ 用弒（幾則 26) に設定する場合、 組立時には動翼を 0傾けて組み込むことにより、 周方向に隣 接する端面同士に適当なクリアランスを確保しながら組み立て可能である一方 、 運転時には、 遠心力及び熱膨張による棚のピッチの広がりによって、 このよ うなクリアランスがなくなって、 隣合う端面同士に所望の押付力を発生し、 そ れにより周方向の連成を実現することが可能となることを示す。

本発明の実施の形態を詳細に説明したが、 請求の範囲に記載された本発明の 範囲内で種々の変更、 修正が可能である。

以上から明らかなように、 本発明の夕一ビン動翼組立体によれば、 組立てが 可能であるとともに、 運転時に、 周方向の十分な連成が確保可能である。 本発明の組立方法によれば、 運転時に周方向の十分な連成が確保可能な夕一 ビン動翼組立体を容易に組立てることが可能である。

0

Claims

請求の範囲

1 . 複数の夕一ビン動翼がロー夕の周方向に設けられる夕一ビン動翼組立体 であって、 それそれのタービン動翼は、 前記ロー夕のディスクに挿入して固定 され、 半径方向外方に延びるプロファイルと、 このプロファイルの外端部に該 プロファイルと一体に固定された棚であって、 複数のタービン動翼を周方向に 連成させるための棚とを有するものにおいて、

周方向に隣合う棚同士の突き合わせ面を形成する端面が、 前記口一夕の中心 と

前記プロファイルの中心とを結ぶ、 前記プロフアイルの中心引付線に対して 所定角度傾斜している、

ことを特徴とする夕一ビン動翼組立体。

2 . 前記傾斜角度は、 約 5 ° ないし約 30° である請求の範囲 1に記載の夕一 ビン動翼組立体。

3 . 前記複数の夕一ビン動翼は、 前記棚の周方向長さが互いに異なる周方向 に隣接する夕一ビン動翼を有する、 請求の範囲 1または請求の範囲 2に記載の 夕一ビン動翼組立体。

4 . 翼根を対応するディスクに挿入することにより、 夕一ビン動翼を一基ず つ口一夕の周方向に組立る、 請求の範囲 1に記載の夕一ビン動翼組立体の組立 方法において、

前記ロー夕に既に組み込まれたタービン動翼に対して周方向に隣接させて、 次の夕一ビン動翼を組み込む際、 次の夕一ビン動翼のプラットフオームとロー 夕との間であって、 次のタービン動翼の翼根をはさんで既設夕一ビン動翼に遠 い側に、 スぺーサを仮挿入することにより、 次のタービン動翼の棚の端面を隣 接する既設夕一ビン動翼の棚の端面に密着させながら組み立てることを特徴と する組立方法。