JP2006112303A - タービンロータ及び蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】 動翼が遠心力および変動流体力に対して充分な強度を有してホイールに結合される信頼性の高いタービンロータを提供する。
【解決手段】 タービンロータ１はフォーク状の植込み部３１を有する動翼３と、植込み部３１に係合する植込み溝部１２を有するホイール１１とを備えている。タービンロータは動翼の植込み部とホイールの植込み溝部とを嵌合させて嵌合部分１０に止めピン４，５を貫通させることにより、１枚ずつ独立した動翼を周方向に配列してホイールに結合させるピンフォーク形の動翼植込み構造２を用いている。止めピンは半径方向の位置が異なる複数列上に配置され、最も内径側に位置する止めピン４は隣接する２枚の動翼の翼間に形成された止めピン孔４１を貫通し、最も外径側に位置する止めピンは１枚の動翼内に設けられた略真円状の止めピン孔５１を貫通する。
【選択図】 図１

Description

本発明は軸流タービン及び蒸気タービンに係り、特に動翼の植込み部およびホイールの植え込み溝をピンフォーク形の植込み構造とした軸流タービン及び蒸気タービンに関するものである。

軸流タービンは翼列をなすように周方向に配列された各動翼間を流れる流体によって駆動される。すなわち、原動力は上記流体によってタービン動翼を介してロータ軸に伝達される。近年、発電プラントの大容量化に伴うタービンの作動流体量の増大や高温高圧化によって作動条件は厳しくなっており、運転中に動翼に作用する種々の力は益々増大する傾向にある。これらの力は遠心応力、熱応力、曲げ応力及びねじり応力等の応力をタービン動翼内に生ぜしめ、これらの諸応力は共同して、あるいは個別に作用して大きな静応力や激しい振動応力を引き起すことがある。したがって、振動に対する配慮、すなわち動翼に如何に振動低減及び振動減衰効果をもたせるかが重要な課題となっている。

特にこれらの静応力や振動応力が最も厳しくなる部位の一つは通常、動翼の植込み構造部分であることが知られている。軸流タービンの動翼植込みの構造としては鞍形植込み構造やＴ形植込み構造、あるいは逆クリスマスツリー形植込み構造が多用されている。図７に鞍形植込み構造を、図８にＴ形植込み構造を、図９に逆クリスマスツリー形植込み構造の断面模式図を示す。

また、動翼の植込み部をコンパクトに構成することができる植込み構造として、ピンフォーク形の動翼植込み構造が知られている。なお、図１０（ａ）はピンフォーク形の動翼植込み構造における動翼の植込み部の側面図であり、図１０（ｂ）はその正面図である。この動翼植込み構造は、特に植込み構造部分の軸方向幅を、上述の鞍形植込み構造やＴ形植込み構造あるいは逆クリスマスツリー形植込み構造に比べて狭く形成できるという利点を有している。

一般に、ピンフォーク形の動翼植込み構造はタービンロータのホイールにおいて半径方向位置が異なる複数列上に配列された止めピンを有している。すなわち、止めピンは通常、半径の異なる２列ないし３列の円周上に沿って設けられている。その場合においては通常、各列の止めピンは図１１に示すようにタービンロータのラジアル線の線上に配列されるか、または図１２に示すようにラジアル線に平行な線上に配列される。

ピンフォーク形の動翼植込み構造は、図１３に示すような蒸気タービンの最終段動翼など翼長が長い動翼に適用されることがある。その場合、動翼の遠心力が巨大であって、その遠心力の大きさに比べると蒸気流によって動翼が受ける変動流体力は微少である。したがって、動翼は遠心力によって強固に固定され、特別な措置を施すことなく変動流体力に対する強度的信頼性を確保することができる。なお、図１３（ａ）は翼長が長い動翼の側面図であり、図１０（ｂ）はその正面図である。

また、動翼の翼頂部に翼有効部から連続して一体に形成されたインテグラルカバーであって、隣接するインテグラルカバー同士がタービン運転中のタービンロータ高速回転時に互いに接触するように構成されたインテグラルカバーを備えたタービンロータが知られている。このようなインテグラルカバーは、主にピンフォーク形植込み構造を有する翼長の長い動翼において用いられる。インテグラルカバー同士の接触は、タービンロータの高速回転時に動翼に負荷される膨大な遠心力に起因する翼有効部のねじり戻り変形によって生じるものであり、非回転状態であるところの動翼組み立て状態においてはインテグラルカバー間に間隙が存在している。またこの構造では、特許文献１等によって開示されているように、タービンロータの回転による遠心力の作用によって隣接する動翼のインテグラルカバー同士が互いに接触すると、図１４に示すように、その接触面はタービン軸方向に対して大きな角度を有しかつその接触面の動翼入口側が動翼出口側より回転方向後ろ側に位置するようになる。

ピンフォーク型の動翼植込み構造は図１５に示すように蒸気タービンの翼長の短い動翼に適用されることもある。その一例が特許文献２に開示されている。その場合の止めピンはやはり図１１に示すようにラジアル線の線上に配列されるか、または図１２に示すようにラジアル線に平行な直線の線上に配列される。また、翼頂部の連結構造は図１５に示すようなテノンシュラウド構造が一般的であるが、この特許文献２のようにインテグラルカバーを用い、タービンロータの回転中に隣接する動翼のインテグラルカバー同士を互いに接触させる構造を採用しているものも知られている。その場合、隣接する動翼のインテグラルカバー同士の接触面は図１６に示すようにタービン軸方向に対して４５度程度の大きな角度を有している。このように大きな角度ではインテグラルカバーの接触面を大きくすることができない。このため、インテグラルカバーの平面形状ならびに動翼植込み部の平面形状は特許文献２のFIG.3やFIG.4にも示されるように翼形を近似した図１６に示すような複雑な形状を有する入れ子構造となっている。
登録特許１６６７７０８号 特開昭６３−２４６４０２号公報

上述したように、動翼、特に静応力や振動応力が最も厳しくなる部位のひとつである動翼の植込み部に、如何にして振動低減及び振動減衰効果をもたせるかが重要な課題となっている。

動翼の植込み部の静応力や振動応力が厳しい場合、植込み部を大きくして応力を低減させる方法が一般的に採用されるが、その方法を適用した場合、植込み部の軸方向幅が広くなってホイール厚さが厚くなる。その結果として、タービンの軸長が長くなることにより危険速度が低下して軸振動が大きくなるなどの不都合が生じたり、あるいは設置可能な段落数が減少してタービンの性能が悪化するなどの不都合が生じたりすることが懸念される。特に蒸気タービンの高圧段落や中圧段落の動翼植込み構造として多用されている鞍形植込み構造、Ｔ形植込み構造、および逆クリスマスツリー形植込み構造においては、元々植込み部の軸方向幅が広いため、更なる応力低減を図るために植込み部を大きくすると上述の不都合がより顕著に生じてくるおそれがある。

一方、動翼の植込み構造として図１０に示すピンフォーク形の動翼植込み構造を用いた場合、止めピン列の半径方向の間隔を大きく設定することによって、流体力の変動等によって動翼植込み部に発生する変動応力を低減することができる。しかしながら、止めピンの半径方向の間隔を広くすると、動翼植込み部の半径方向長さが長くなって動翼の遠心力が増大し、静応力が増大してしまうという不都合が生じてしまう。

逆に、止めピン列の半径方向間隔を狭く設定して植込み部の半径方向長さを短くすると、動翼に働く遠心力を小さくすることができるが、止めピンが貫通する止めピン孔の近接による応力の集中によって静応力が増大するという不都合が生じてくる。また同時に、流体力の変動等によって動翼に生じる変動曲げモーメントを支える支持点、すなわち止めピン孔の配置位置が近接するので、止めピン孔の位置に作用する変動力が大きくなって動翼植込み構造部分に発生する変動応力が増大してしまうという不都合が生じる。動翼植込み構造部分はこのように相反する課題を抱えている。従って、動翼に作用する流体力の変動等によって動翼植込み構造部分に発生する変動応力を低減するには別の何らかの方法を考案する必要がある。

次に、ピンフォーク形の植込み構造でホイールに結合された動翼であって、翼長が短くて翼有効部のねじり戻りによる翼頂部接触の効果が期待できないような動翼の場合、翼頂部の連結構造は図１５に示すようなテノンシュラウド構造が一般的であるが、図１６に示すように、隣接する動翼のインテグラルカバー同士がタービン運転時のタービンロータ高速回転時に互いに接触する構造を採用しているものも知られている。この場合、動翼を組立てる際に動翼を予めねじって組立てることになるが、そのためにはインテグラルカバー同士が接触する接触面は図１６に示すようにタービン軸方向に対して４５度程度の大きな角度を有することが必要となる。このような大きな角度では、インテグラルカバーの接触面を大きく採ることができずにインテグラルカバーの形状は翼形を近似した図１６のような複雑な形状を有する入れ子構造となってしまう。

また、このように翼長が短い動翼において、ピンフォーク形の植込み構造を採用しかつ翼頂部の連結構造として図１６に示すようなインテグラルカバー同士を接触させる構造を採用している場合、一般に、動翼植込み部のフォーク状の構造部分をホイールに形成された植込み溝部のフォーク状の構造部分に対して平行に置いて挿入したときに間隙を持つような構造ならびに寸法に設計製作する。このようにすると、動翼植込み部のフォーク状の部分とホイール溝のフォーク状の部分とがタービン軸方向の間隙を持った状態で組立てることができる、翼頂部のインテグラルカバーが接触し始めると接触面間の距離を最短にしようとする回転モーメントがインテグラルカバーに発生し、これにより、動翼は回転して動翼植込み部のフォーク状の部分がホイールの植込み溝部の側面（のフォーク状の部分）に片当りしてしまう。

また、回転中におけるねじり戻りの少ない動翼においては、隣接する動翼同士のタービンロータ周方向間隙は、材料の熱膨張の影響や遠心力等の影響によってタービン運転時には広がろうとする傾向を一般に有している。このため、タービン運点中に隣接するインテグラルカバー同士が接触を保つようにするには、インテグラルカバーの接触面に大きな面圧が発生するように動翼をホイールに組み込まなければならない。この場合、動翼植込み部のフォーク状の部分はホイール側の植込み溝部の側面に強く片当りして損傷の原因になるなどの不都合が生じてしまう。また、動翼はねじられた状態で組み立てられることになるため、動翼植込み部の止めピン孔周りには予め静応力が発生することになる。この静応力が運転中の応力に加算されて損傷の危険性を高めてしまうという不都合もある。

翼長が短くて翼有効部のねじり戻りによる翼頂部接触の効果が期待できないような動翼においてピンフォーク形の植込み構造を有しかつ翼頂部の連結構造として図１６に示すようにインテグラルカバー同士を接触させる構造を採用している従来の動翼およびタービンロータはこのような課題を抱えている。

従って、本発明は、このような不都合を生じさせないピンフォーク形植込み構造を用いたタービンロータであって、遠心力および変動流体力に対して充分な強度を有する信頼性の高いタービンロータおよびこのようなタービンロータを用いた蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明は、フォーク状の植込み部を有する動翼と、動翼の植込み部に係合するフォーク状の植込み溝部を外周に有するホイールとを備え、動翼の植込み部とホイールの植込み溝部とを嵌合させて嵌合部分に止めピンを貫通させることにより、１枚ずつ独立した動翼を周方向に配列してホイールに結合させるピンフォーク形の動翼植込み構造を有するタービンロータであって、止めピンは半径方向の位置が異なる複数列上に配置され、最も内径側に位置する止めピンは隣接する２枚の動翼の翼間に形成された止めピン孔を貫通し、最も外径側に位置する止めピンは１枚の動翼内に設けられた略真円状の止めピン孔を貫通することを特徴としている。

また、本発明は、ホイールと、ホイールの外周部に翼列をなすように周方向に配列される動翼と、各動翼の翼頂部に動翼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ロータであって、インテグラルカバーは、タービンロータの高速回転時に、隣接するインテグラルカバーと接触するように構成され、ピンフォーク形の結合構造により止めピンを介して動翼がホイールに結合されるとともに、動翼の植込み部とホイールの植込み溝部とが締まり嵌めにより嵌合されることを特徴としている。

また、本発明は、止めピンがニッケルを重量比で５０％以上含有するＮｉ基合金またはコバルトを重量比で５０％以上含有するＣｏ基合金から形成されることを特徴としている。

また、本発明は、ピンフォーク形の結合構造により止めピンを介して動翼がホイールに結合されるタービンロータであって、止めピンがニッケルを重量比で５０％以上含有するＮｉ基合金、またはコバルトを重量比で５０％以上含有するＣｏ基合金から形成されることを特徴としている。

また、本発明は、動翼とホイールがフェライト系鋼から形成されることを特徴としている。

また、本発明は、室温から５００℃までにおける止めピン材料の線膨張率が、室温から５００℃までにおける動翼材料およびホイール材料の線膨張率よりも大きいことを特徴としている。

また、本発明は、室温から５００℃までにおける動翼材料の線膨張率あるいはホイール材料の線膨張率に対する室温から５００℃までにおける止めピン材料の線膨張率の比が１．２以下であることを特徴としている。

また、本発明は、動翼の植込み部の両端に位置するフォーク状の歯の外側面同士の面間距離が、動翼の翼有効部のルート断面のタービン軸方向幅に比べて同等以下であることを特徴としている。

本発明によれば、動翼が遠心力および変動流体力に対して充分な強度を有してホイールに結合されるピンフォーク形植込み構造を用いた信頼性の高いタービンロータを得ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明によるタービンロータ１の実施の形態を示す部分斜視図であり、図２は部分正面図であり、図３は部分断面図である。

図１乃至図３に示すように、タービンロータ１は、フォーク状の植込み部３１を有する動翼３と、動翼３の植込み部３１に係合するフォーク状の植込み溝部１２を外周に有するホイール１１とを備え、動翼３の植込み部３１とホイール１１の植込み溝部１２とを嵌合させて嵌合部分１０に止めピン４，５をタービンロータ１の軸方向に貫通させることにより、動翼３をホイール１１に結合させるピンフォーク形の動翼の植込み構造２を有している。このようにして１枚ずつ独立した動翼３は、ホイール１１の外周部に周方向に沿って順次隣接して配列固定され、タービンロータ１の翼列が構成されている。

このうち動翼３の植込み部３１と、これに係合するはホイール１１の植込み溝部１２とは、特に図３に示すように、歯と溝とをタービンロータ１の軸方向に沿って交互に有している。動翼３の植込み部３１の歯と、ホイール１１の植込み溝部１２の溝とを噛み合わせることにより、動翼３の植込み部３１とホイール１１の植込み溝部１２とが嵌合した状態となっている（図３）。

また、図２に示すように、動翼３とホイール１１との嵌合部分１０を貫通する止めピン４，５はタービンロータ１の正面視においてホイール１１の回転中心点からの半径方向の距離が異なる複数の円周上に沿って配置されている。

このように半径方向の位置が異なる複数列上に配置された止めピン４，５のうち、最も内径側に位置する止めピン４は動翼３の翼間１０１に位置するようになっている。この止めピン４はホイール１１と動翼３との嵌合部分１０であって、ホイール１１の植込み溝部１２と動翼３の植込み部３１とに設けられた止めピン孔４１を貫通している。なお、図２に示すように、この場合の動翼３の止めピン孔４１は２枚の動翼３の植込み部３１に跨って形成されており、１枚の動翼３の植込み部３１の縁部に設けられた半円状の切欠と、隣接する動翼３に同様にして設けられた半円状の切欠とを合わせることによって略真円状に形成されている。ホイール１１の止めピン孔４１は、動翼３とホイール１１とが嵌合された際に、このようにして形成された動翼３の止めピン孔４１と一直線上に揃うように略真円状に形成されている。

一方、最も外径側に位置する止めピン５は、動翼３の翼間１０１に位置することなく、１枚の動翼３を貫通するように配置されている（図３）。すなわち、この場合の動翼３の止めピン孔５１は１枚の動翼３の植込み部３１内に略真円状に形成されている。また、ホイール１１の止めピン孔５１は、動翼３とホイール１１とが嵌合された際に、動翼３の止めピン孔５１と一直線上に揃うように略真円状に形成されている。

このようなタービンロータ１によれば、図２に示すように、止めピン間の距離２０２を維持しつつ、半径方向の止めピン位置間距離２０１を短縮することができる。この場合、止めピン間距離２０２を充分に確保することにより、動翼３の植込み部３１内における応力の集中を回避（低減）することができる。その一方で、半径方向の止めピン位置間距離２０１を短縮することにより、動翼３の植込み部３１の半径方向長さを短くすることができ、これにより、タービンロータ１が回転した際に動翼３をホイール１１から引き離すように動翼３に働く遠心力を軽減させることができる。これらのことから、動翼植込み構造２の静応力に対する信頼性を高めることができる。

また、図１１に示すようにホイール１１中心Ｏからのラジアル線１０２の線上に止めピン孔４１，５１が２個形成されている従来の動翼植込み構造に比べ、本発明によるタービンロータ１の動翼植込み構造２を採用した場合には、図２に示されるように、流体力の変同等によって動翼３に生じる変動曲げモーメントを支える支持点、すなわち止めピン４，５と動翼３との接触箇所の数が１枚の動翼につき２個所から３個所に増える。また、それらの支持点が３角形を形成するために変動曲げモーメントが効果的に分散され、これにより、止めピン孔４，５の変動応力を大幅に減少させることができる。また、通常、最外径側に位置する止めピン５が動翼遠心力の最大割合を分担するが、その最外径側に位置する止めピン５を挿入する止めピン孔５１を略真円形状にしているので、応力集中は半円形状の切欠を組み合わせてなる止めピン孔とした場合に比べて小さくすることができる。このため、強度的に最も厳しくなる最外径側に位置する止めピン５を挿入する止めピン孔５１周辺での応力の上昇を抑制することができる。

なお、最内径側に位置する止めピン４を挿入する止めピン孔４１は、上述したように、略半円状の切欠を組み合わせて形成されている。このような止めピン孔４１は切欠に類似しているので特に曲げモーメントが作用したときの応力集中率が高くなる。しかしながら、遠心力に起因してこの止めピン孔４１に作用する曲げモーメントは小さい。また、流体力によって動翼に生じる曲げモーメントに関して言えば、この半円状の止めピン孔４１自体が曲げ最端部のモーメント作用点となるために半円状の切欠（止めピン孔４１）の内面に圧縮方向の荷重が作用する。しかしながら、半円状の切欠（止めピン孔）を起点に割れを発生させるような方向に作用する曲げモーメントは小さく、このため、動翼の植込み部に対して大きな強度低下をもたらすことはない。故に、止めピン４，５を本発明のように配置することによって、動翼３の植込み部３１の強度、特に変動流体力に対する強度も充分有しているといえる。

この結果、極めて大きな流体励振力を有する蒸気タービン調速段落に、このようにコンパクトな大きさのピンフォーク形植込み構造２を用いて段落数の増加を図ることが可能となり、これにより、蒸気タービン９の性能向上を実現することができるという極めて優れた効果が得られる。

次に、このような止めピン４，５、動翼３の植込み部３１、およびホイール１１の植込み溝部１２に用いられる材料について説明する。

本実施の形態によれば、ピンフォーク形の結合構造により止めピン４，５を介して動翼３がホイール１１に結合されるタービンロータ１において、ニッケルを重量比で５０％以上含有するＮｉ基合金またはコバルトを重量比で５０％以上含有するＣｏ基合金から止めピンを形成している。このような合金は一般に動翼３やタービンロータ１に通常使用される鉄鋼材料に比べて高温での強度が高い。したがって、充分な止めピン４，５の強度を確保することができ、これにより、動翼の植込み構造２の信頼性を高めることができる。

また、この場合、止めピン４，５以外の動翼３やホイール１１等を含むタービンロータ１の材料を、熱伝導率がＮｉ基合金やＣｏ基合金よりも高いフェライト系の鉄鋼材料によって形成することが好ましい。一般にフェライト系鋼はＮｉ基合金やＣｏ基合金に代表されるオーステナイト系金属材料に比べて熱伝導率が高い。したがって、動翼３およびホイール１１を含むタービンロータ１をフェライト系鋼で形成することにより、熱応力を小さくすることができるとともに、タービンロータ１（タービンロータを用いた蒸気タービン）の起動特性を向上させることができる。

さらに、室温から５００℃までにおける止めピン４，５の材料の線膨張率が、室温から５００℃までにおける止めピン４，５以外の動翼３やホイール１１等を含んだタービンロータ１の材料の線膨張率よりも大きくなるようにすることが好ましい。これにより、タービン９の運転によって、このような動翼の植込み構造２を有するタービンロータ１が高温状態になったとしても、止めピン４，５と止めピン孔４１，５１との間に間隙が生じることがなく、止めピン４，５と止めピン孔４１，５１とがタイトに結合した状態を保つことができる。これにより、植込み構造２内において応力の偏りを助長してしまうことを防止することができ、動翼の植込み構造２の強度面における信頼性を高めることができる。

さらにまた、室温から５００℃までにおける動翼３の材料の線膨張率あるいはホイール１１の材料の線膨張率のうちいずれか小さい方の線膨張率βに対する、室温から５００℃までにおける止めピン材料の線膨張率αの比α／βが１．２以下となるようにすることがさらに好ましい。この場合、タービン９の運転によって、このような動翼の植込み構造２を有するタービンロータ１が高温状態になったとしても、止めピン４，５が止めピン孔４１，５１に比べて過度に熱膨張してしまうことを防止することができる。これにより、止めピン孔４１，５１周りに過度な引張応力が生じてしまうことを防止することができ、動翼の植込み構造２の信頼性を高めることができる。

ところで、図１および図２に示すように、本実施の形態によるタービンロータ１は、上述したホイール１１とホイール１１の外周部に翼列をなすように周方向に配列される動翼３とに加え、さらに、各動翼３の翼頂部に動翼３と一体に形成されたインテグラルカバー３２を備えている。このインテグラルカバー３２は、タービンロータ１の高速回転時に、隣接するインテグラルカバー３２と接触するように構成されている。

このようなインテグラルカバー３２を備えたタービンロータ１においては、タービンロータ１の回転時に動翼３は植込み部３１と、翼頂部に設けられたインテグラルカバー３２とによって強固に拘束されるので、動翼３に生ずる振動応力を小さくすることができる。

また、本実施の形態においては、図５に示すように、隣接するインテグラルカバー３２に接触するインテグラルカバー３２の接触面７がタービンロータ１の軸方向に概略沿うようにしている。なお、図５はタービンロータ１を外方から見た場合のインテグラルカバー３２の外径表面展開図である。このようにインテグラルカバー３２を構成することにより、動翼３の植込み部３１がホイール１１の植込み溝部１２に対してねじれて組み立てられることがない。これにより、動翼３の植込み部３１の歯がホイール１１の翼植込み溝部１２の歯に片当りした状態で組み立てられることを防止することができる。さらに、動翼の植込み部２外方に位置して流体を受ける翼有効部３３が組み立て時にねじられることも防止することができる。これらにより、動翼植込み構造２部に生ずる応力を低応力にすることができ、動翼植込み構造２の信頼性を高めることができる。

以上のような本実施の形態によれば、遠心力および変動流体力に対して充分な強度を有した信頼性の高い蒸気タービンを供給することができると同時に、タービンの強度設計の裕度が増すため翼形や翼長の最適化ならびにタービン段落の増加等によるタービン性能の更なる向上を実現することが可能となる。

次に、動翼３の植込み部３１とホイール１１の植込み溝部１２との嵌合方法の変形例を説明する。

図４は本実施の形態の動翼３の植込み部３１とホイール１１の植込み溝部１２との嵌合方法の変形例を示す部分断面図である。この変形例においては、ホイール１１への動翼３の結合方法として、上述した実施の形態と同様に、ピンフォーク形の結合構造を採用し、止めピン４，５を介して動翼３がホイール１１に結合されている。ただし、図４に示すように、本変形例においては、動翼３の植込み部３１とホイール１１の植込み溝部１２とが面圧を持った締まり嵌めにより嵌合されている。その他の部分は、上述した本実施の形態と略同一であり、重複する詳細な説明は省略する。

本変形例による締まり嵌めにおいては、図４に示すように、動翼３の植込み部３１の軸方向両端の歯と、その軸方向両外方に位置するホイール１１の植込み溝部１２の軸方向両端の歯とが押圧し合いながら当接するようになっている。

このような動翼の植込み構造２を有するタービンロータ１においては、上述したようにタービンロータ１の回転時に動翼３は植込み部３１と、翼頂部に設けられたインテグラルカバー３２との２箇所で強固に確実に拘束されるとともに、動翼３が受ける変動流体力に対して動翼３の植込み部３１とホイール１１の植込み溝部１２との接触面６における構造減衰と、翼頂部のインテグラルカバー３２同士の接触面７とにおける構造減衰を確実に確保することができる。すなわち、動翼植込み構造２をコンパクトな大きさにすることができるとともに、動翼３に生ずる振動応力を小さくすることができる。また、動翼３の植込み部３１の歯がホイール１１の翼植込み溝部１２の歯に片当りしてしまうことも確実に防止することができる。これらにより、動翼の植込み構造２の信頼性をさらに高めることができる。

また、動翼３の植込み部３１とホイールの植込み溝部とが締まり嵌めにより嵌合する場合には、図６に示すように、タービン９の静止時において、隣接するインテグラルカバー３２に接触するインテグラルカバー３２の接触面７と、タービン９の軸方向とがなす角度θが２０度以下となるようにすることが好ましい。また、図６に示す例においては、インテグラルカバー３２の接触面７の動翼入口側が動翼出口側より回転方向前側に位置するようになっている。この場合、植込み構造部分が大きく捩じれてしまうことなく翼有効部３３が適度に捩じれて、翼頂部のインテグラルカバー３２が充分に接触する。したがって、ねじれを戻そうとする動翼３の復元力により隣接する動翼３同士がさらに確実に拘束され合う。その一方で、動翼３の植込み部３１とホイール１１の植込み溝部１２とは締まり嵌めにより互いに拘束し合いながら嵌合されている。そのため、インテグラルカバー３２同士の接触により動翼３にねじりモーメントが加えられたとしても、動翼３の植込み部３１の歯とホイール１１の植込み溝部１２の歯とが片当りしてしまうことは防止される。これらのことから、さらに動翼３に生ずる振動応力を小さくすることができる。

また、さらに、動翼３の植込み部３１の両端に位置するフォーク状の歯の外側面同士の面間距離が、動翼３の翼有効部３３のルート断面のタービン軸方向幅に比べて同等以下であることが好ましい。この場合、強度面において有利であるとともに、植込み部３１をコンパクトな大きさにすることができる。

本発明によるタービンロータの一実施の形態を示す部分斜視図。 タービンロータを示す部分正面図。 タービンロータの動翼とホイールとの嵌合部分を示す部分断面図。 動翼とホイールとの嵌合部分の変形例を示す部分断面図。 タービンロータをインテグラルカバー外径側表面から示す展開図。 インテグラルカバーの変形例であって、タービンロータをインテグラルカバー外径側表面から示す展開図。 鞍形植込み構造の断面模式図。 Ｔ形植込み構造の断面模式図。 逆クリスマスツリー形植込み構造の断面模式図。 ピンフォーク形植込み構造の模式図。 ラジアル線上に配置された止めピンを有する植込み部の模式図。 ラジアル線に平行な線上に配置された止めピンを有する植込み部の模式図。 ピンフォーク形植込み構造を有するタービンロータの長い動翼の模式図。 インテグラルカバー同士の接触面がタービン軸方向に対して大きな角度を有しているタービンロータをインテグラルカバー外径側表面から示す展開図。 テノンシュラウドを備えた、ピンフォーク形植込み構造を有するタービンロータを示す部分斜視図。 インテグラルカバーを備え、ピンフォーク形植込み構造を有した翼長の短い動翼の部分におけるタービンロータをインテグラルカバー外径側表面から示す展開図。

符号の説明

１ タービンロータ
２ 動翼植込み構造
３ 動翼
４ 最内径側に位置する止めピン
５ 最外径側に位置する止めピン
６ 動翼の植込み部とホイールの植込み溝部との接触面
７ インテグラルカバー同士の接触面
９ 蒸気タービン
１０ 嵌合部分
１１ ホイール
１２ 植込み溝部
３１ 植込み部
３２ インテグラルカバー
３３ 翼有効部
４１ 止めピン孔
５１ 止めピン孔
１０１ 翼間
１０２ ラジアル線
２０１ 半径方向の止めピン位置間距離
２０２ 止めピン間距離
θ インテグラルカバー同士の接触面とタービン軸方向とがなす角度

Claims (10)

1. フォーク状の植込み部を有する動翼と、動翼の植込み部に係合するフォーク状の植込み溝部を外周に有するホイールとを備え、動翼の植込み部とホイールの植込み溝部とを嵌合させて嵌合部分に止めピンを貫通させることにより、１枚ずつ独立した動翼を周方向に配列してホイールに結合させるピンフォーク形の動翼植込み構造を有するタービンロータであって、
   止めピンは半径方向の位置が異なる複数列上に配置され、最も内径側に位置する止めピンは隣接する２枚の動翼の翼間に形成された止めピン孔を貫通し、最も外径側に位置する止めピンは１枚の動翼内に設けられた略真円状の止めピン孔を貫通することを特徴とする軸流タービンのタービンロータ。
2. ホイールと、ホイールの外周部に翼列をなすように周方向に配列される動翼と、各動翼の翼頂部に動翼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ロータであって、
   インテグラルカバーは、タービンロータの高速回転時に、隣接するインテグラルカバーと接触するように構成され、
   ピンフォーク形の結合構造により止めピンを介して動翼がホイールに結合されるとともに、動翼の植込み部とホイールの植込み溝部とが締まり嵌めにより嵌合されることを特徴とする軸流タービンのタービンロータ。
3. 隣接するインテグラルカバーに接触するインテグラルカバーの接触面が軸方向に略沿っていることを特徴とする請求項２記載の軸流タービンのタービンロータ。
4. 隣接するインテグラルカバーに接触するインテグラルカバーの接触面と軸方向とがなす角度がタービン静止時において２０度以下であって、その接触面の動翼入口側が動翼出口側より回転方向前側に位置するようになっていることを特徴とする請求項２記載の軸流タービンのタービンロータ。
5. 止めピンがニッケルを重量比で５０％以上含有するＮｉ基合金またはコバルトを重量比で５０％以上含有するＣｏ基合金から形成されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の軸流タービンのタービンロータ。
6. ピンフォーク形の結合構造により止めピンを介して動翼がホイールに結合されるタービンロータであって、止めピンがニッケルを重量比で５０％以上含有するＮｉ基合金、またはコバルトを重量比で５０％以上含有するＣｏ基合金から形成されることを特徴とする軸流タービンのタービンロータ。
7. 動翼とホイールがフェライト系鋼から形成されることを特徴とする請求項６記載の軸流タービンのタービンロータ。
8. 室温から５００℃までにおける止めピン材料の線膨張率が、室温から５００℃までにおける動翼材料およびホイール材料の線膨張率よりも大きいことを特徴とする請求項５乃至７に記載の軸流タービンのタービンロータ。
9. 室温から５００℃までにおける動翼材料の線膨張率あるいはホイール材料の線膨張率に対する室温から５００℃までにおける止めピン材料の線膨張率の比が１．２以下であることを特徴とする請求項８記載の軸流タービンのタービンロータ。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のタービンロータを備えたことを特徴とする蒸気タービン。

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