JP2015197082A - 動翼及び回転機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】動翼及び回転機械において、翼の振動を効果的に減衰可能とする。【解決手段】プラットフォーム22の一端部に翼根部21か設けられると共に他端部に翼部23が設けられる動翼15において、プラットフォーム22は、翼根部21と翼部23を連結する本体31と、本体31の周囲に連結される複数の分割体としての組立体32,33を有している。【選択図】図4

Description

本発明は、蒸気タービンやガスタービンなどに適用される動翼、また、この動翼が適用される回転機械に関するものである。
一般的な蒸気タービンは、ケーシングに回転軸であるロータが回転自在に支持され、このロータの外周部に動翼が設けられると共に、ケーシングに静翼が設けられ、蒸気通路にこの動翼と静翼が交互に複数配設されて構成されている。従って、この動翼及び静翼を流れる蒸気により、動翼を介してロータが回転駆動することができる。
このような蒸気タービンにて、動翼は、ロータディスクに固定される翼根部と、この翼根部に一体に形成されるプラットフォームと、基端部がこのプラットフォームに接合されて先端部側に延出する翼部と、この翼部の先端部に連結されるシュラウド(インテグラルシュラウド)とから構成されている。そして、この動翼は、基端部がロータ(ロータディスク)の外周部に周方向に沿って複数並設されるように固定され、先端部のシュラウド同士が接触するように環状に組み付けられている。
上述した動翼は、蒸気通路における下流側(高段−低圧)ほど径方向に長くなり、所定角度だけ捻られている。そのため、蒸気タービンでは、運転が開始されて回転数が増加すると、各動翼に遠心力が作用し、翼部に予め形成されている捩れをなくす方向の捩りモーメントが作用することから、隣接するシュラウドが回動して互いに押圧し、この押圧面にシュラウド反力が生じる。一方、蒸気タービンの運転中は、各動翼に流体からの励振力が作用するため、この動翼は振動することとなり、シュラウド同士の接触面に摩擦力が発生する。この摩擦力は、動翼の励振力を減衰させる作用があることから、従来は、この摩擦力により動翼の振動を減衰させていた。
近年、蒸気タービンの高出力化や高性能化を図る目的で、蒸気通路における上流側(低段−高圧)の動翼であっても、その長さを長くする傾向にある。しかし、上流側(低段−高圧)の動翼は、捻られていないことから、シュラウド同士の接触面に発生する摩擦力により動翼の振動を減衰させることはできない。そのため、動翼の振動を減衰させるものとして、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。特許文献1に記載されたタービン動翼組立体は、隣り合う翼の相対するプラットフォーム部の面間に形成される孔内に棒状の部材を挿入したものである。また、特許文献2に記載された回転機械翼の防振構造は、プラットフォームの間にダンパピースを設け、このダンパピースに凸部を設けるものである。
特許第5272094号公報 特開2006−125372号公報
上述した各特許文献に記載された技術は、いずれも隣り合うプラットフォーム間に別部材(棒状の部材、ダンパピース及び凸部)を設けるものである。蒸気タービンなどの回転機械にて、動翼などの回転部分に別部材を設ける場合、作用する遠心力による離脱を確実に防止しなければならない。そのため、構造が複雑化してしまうという問題がある。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、振動を効果的に減衰可能とする動翼及び回転機械を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の動翼は、プラットフォームの一端部に翼根部が設けられると共に他端部に翼部が設けられる動翼において、前記プラットフォームは、前記翼根部と前記翼部を連結する本体と、前記本体の周囲に連結される複数の分割体とを有することを特徴とするものである。
従って、プラットフォームが本体とその周囲に連結される複数の分割体とから構成されることで、プラットフォームの本体を回転体に組付けた後、本体に複数の分割体を組付けることができる。そのため、隣接する動翼のプラットフォーム同士を接触状態に維持することができ、プラットフォームの接触面の間に摩擦力が発生し、動翼の励振力を減衰させることができる。その結果、動翼の形態に拘わらず、この動翼の振動を効果的に減衰することができる。
本発明の動翼では、前記分割体は、前記本体の外周部に連結されることを特徴としている。
従って、本体の外周部に分割体を連結することで、小型のプラットフォームの本体を回転体に容易に組付けることができる。
本発明の動翼では、前記本体に第1係止部が形成される一方、前記分割体に第2係止部が形成され、前記第1係止部と前記第2係止部が係止した位置で前記複数の分割体同士が結合されるとしている。
従って、前記本体と分割体を各係止部により係止し、この状態で各分割体同士を結合するため、本体に分割体を適正に係合することができると共に、本体と分割体が各係止部により係止しているため、本体と分割体の接触面の間に摩擦力が発生し、動翼の励振力を減衰させることができる。
本発明の動翼では、前記複数の分割体は、前記本体における前記動翼の回転方向の前部及び後部に前記回転方向に対する径方向から組付可能である一対の第1組立体と、前記本体における前記動翼の回転軸心方向の前部及び後部に前記回転軸心方向から組付可能である一対の第2組立体とを有することを特徴としている。
従って、本体における動翼の回転方向の前部及び後部に第1組立体を径方向から組付け、本体における動翼の回転軸心方向の前部及び後部に第2組立体を回転軸心方向から組付けることから、隣接する動翼のプラットフォーム同士が接触するように各組立体を組付けることができる。
本発明の動翼では、前記第1組立体は、平面視がI字形状をなし、前記第2組立体は、U字形状をなすことを特徴としている。
従って、第1組立体と第2組立体を適正形状とすることで、本体に対する分割体の組付性を向上することができる。
本発明の動翼では、前記第1組立体と前記第2組立体が加熱接合されることを特徴としている。
従って、第1組立体と第2組立体を加熱接合という簡単な方法により接合することができる。
本発明の動翼では、前記分割体は、前記本体における前記動翼の回転方向の前部及び後部に接触面が形成されることを特徴としている。
従って、隣接するプラットフォームは、分割体の接触面同士が接触することから、この接触面の間に摩擦力が発生し、動翼の励振力を減衰させることができる。
本発明の動翼では、前記分割体は、少なくともセラミック材料と弾性材料が含有される複合材料により構成されることを特徴としている。
従って、セラミック材料により隣接するプラットフォーム同士の接触面の摩擦減衰を十分に確保することができ、弾性材料によりプラットフォームの十分な弾性変形量を確保することができる。
また、本発明の回転機械は、ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に支持されたロータと、翼部の基端部が前記ロータに支持されて前記ロータの周方向に所定間隔で複数配置される複数段の前記動翼と、基端部と先端部が前記ケーシングに固定されて前記動翼と交互に配設される複数段の静翼と、を有することを特徴とするものである。
従って、動翼のプラットフォームが本体とその周囲に連結される複数の分割体とから構成されることで、プラットフォームの本体を回転体に組付けた後、本体に複数の分割体を組付けることができる。そのため、隣接する動翼のプラットフォーム同士を接触状態に維持することができ、プラットフォームの接触面の間に摩擦力が発生し、動翼の励振力を減衰させることができる。その結果、動翼の形態に拘わらず、この動翼の振動を効果的に減衰することができる。
本発明の動翼及び回転機械によれば、プラットフォームが翼根部と翼部を連結する本体とこの本体の周囲に連結される複数の分割体とから構成するので、隣接する動翼のプラットフォーム同士を接触状態に維持することができ、プラットフォームの接触面の間に摩擦力が発生し、動翼の励振力を減衰させることができ、その結果、動翼の形態に拘わらず、この動翼の振動を効果的に減衰することができる。
図1は、本実施形態の動翼の正面図である。 図2は、動翼の側面図である。 図3は、動翼の配列状態を表す概略図である。 図4は、プラットフォームの平面図である。 図5は、図4のV−V断面図である。 図6は、図4のVI−VI断面図である。 図7は、動翼の分解斜視図である。 図8は、本実施形態のプラットフォーム変形例を表す平面図である。 図9は、本実施形態のプラットフォーム変形例を表す平面図である。 図10は、本実施形態の蒸気タービンを表す概略構成図である。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る動翼及び回転機械の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
図10は、本実施形態の蒸気タービンを表す概略構成図である。
本実施形態では、本発明の回転機械として、蒸気タービンを例に挙げて説明する。この蒸気タービンにおいて、図10に示すように、ケーシング11は、中空形状をなし、回転軸としてのロータ12が複数の軸受13により回転自在に支持されている。このロータ12は、ケーシング11の内部にて、外周部にロータディスク14を介して動翼15が固定されている。この場合、動翼15は、ロータ12における軸方向に所定間隔で複数段にわたって設けられている。また、ケーシング11は、この複数段の動翼15の間に位置して、複数段の静翼16が固定されている。そして、ケーシング11は、この動翼15及び静翼16が配設される通路に蒸気通路17が形成されており、蒸気供給口18と蒸気排出口19が設けられ、蒸気通路17に連通している。
従って、蒸気がこの蒸気供給口18から蒸気通路17に供給されると、この蒸気が複数の動翼15と静翼16を通過することで、各動翼15を介してロータ12が駆動回転し、このロータ12に連結された図示しない発電機を駆動する一方、動翼15を駆動した蒸気は、排気ディフューザ(図示略)で静圧に変換されてから蒸気排出口19から大気に放出される。
ここで、このように構成された蒸気タービンの動翼15について詳細に説明する。図1は、本実施形態の動翼の正面図、図2は、動翼の側面図、図3は、動翼の配列状態を表す概略図、図4は、プラットフォームの平面図、図5は、図4のV−V断面図、図6は、図4のVI−VI断面図、図7は、動翼の分解斜視図である。
蒸気タービンにて、図1及び図2に示すように、動翼15は、翼根部21と、プラットフォーム22と、翼部23と、シュラウド(インテグラルシュラウド)24と、スタブ25とから構成されている。翼根部21は、ロータディスク14(図10参照)に板厚方向から嵌合して固定可能となっている。プラットフォーム22は、翼根部21と一体となる湾曲したプレート形状をなしている。翼部23は、基端部がこのプラットフォーム22に固定されて先端部がケーシング11(図10参照)の内壁面側に延出している。シュラウド24は、この翼部23の先端部に固定されている。スタブ25は、翼部23の中間部に固定されている。なお、翼部23は、蒸気通路17における上流側(低段−高圧)で直線状をなし、蒸気通路17における下流側(高段−低圧)で所定角度(例えば、90度程度)捩じられている。
ここで、本実施形態の動翼15におけるプラットフォーム22の構成について詳細に説明する。図3から図7に示すように、プラットフォーム22は、下端部(一端部)に翼根部21が設けられると共に、上端部(他端部)に翼部23が設けられている。このプラットフォーム22は、翼根部21と翼部23を連結する本体31と、本体31の周囲に連結される複数の分割体としての第1組立体32(32a,32b)及び第2組立体33(33a,33b)とを有している。この第1組立体32及び第2組立体33は、本体31の外周部に連結されるものである。
本体31は、平面視(図4参照)が矩形状(平行四辺形状)をなし、この本体31における動翼15の回転方向Yの前部側と後部側に取付面41a,41bが形成されると共に、本体31における動翼15の回転軸心方向Xの前部側と後部側に取付面42a,42bが形成されている。取付面41a,41bは、回転軸心方向Xに対して所定角度傾斜し、取付面42a,42bは、回転方向Yと平行をなしている。
本体31は、取付面41a,41bに第1係止部としての突起部43a,43bが形成され、取付面42a,42bに第1係止部としての突起部44a,44bが形成されている。突起部43a,43bは、それぞれ取付面41a,41bに複数(本実施形態では、2個)所定間隔を空けて設けられている。また、突起部44a,44bは、それぞれ取付面42a,42bの中央部に1個だけ設けられている。
一方、第1組立体32a,32bは、一方側に取付面51a,51bが形成され、この取付面51a,51bに第2係止部としての溝部53a,53bが形成され、溝部53a,53bは、それぞれ取付面51a,51bに複数(本実施形態では、2個)所定間隔を空けて設けられている。第2組立体33a,33bは、一方側に取付面52a,52bが形成され、この取付面52a,52bに第2係止部としての凹部54a,54bが形成され、凹部54a,54bは、中央部に1個だけ設けられている。
溝部53a,53bは、下方側が開口しており、突起部43a,43bが係止可能となっている。凹部54a,54bは、突起部44a,44bが係止可能となっている。
第1組立体32a,32bは、平面視がI字形状をなし、長手方向における各端部に上接合部61a,61bが形成され、前記第2組立体は、U字形状をなし、長手方向における各端部に下接合部62a,62bが形成されている。また、第1組立体32aは、他方、つまり、回転方向Yの前部側と後部側にそれぞれ接触面63a,63bが形成されている。
そして、第1組立体32a,32bと第2組立体33a,33bは、少なくともセラミック材料と弾性材料が含有される複合材料により構成されている。具体的には、炭素繊維樹脂、エポキシ樹脂、セラミック樹脂などが使用される。また、セラミック基をベースとしたチタン酸塩やカーボンナノチューブを配合したセラミック材とアルミナとの複合材が挙げられる。
ここで、タービンディスク14への動翼15の組付方法について説明する。まず、動翼15における翼根部21を回転軸心方向Xに沿って移動し、タービンディスク14に回転軸心方向Xに沿って形成された連結溝14aに嵌合する。次に、第1組立体32a,32bをA1,A2方向(回転軸心方向X)に移動することで、翼部23同士の空間部に挿入し、B1,B2方向(回転方向Y)に移動すると共にC1,C2方向(径方向)に移動することで、本体31に組付ける。このとき、第1組立体32a,32bは、溝部53a,53bが突起部43a,43bに係止する。続いて、第2組立体33a,33bをD1,D2方向(回転軸心方向X)に移動することで、凹部54a,54bが突起部44a,44bに係止する。
すると、第1組立体32a,32bは、取付面51a,51bが本体31の取付面41a,41bに密着し、第2組立体33a,33bは、取付面52a,52bが本体31の取付面42a,42bに密着する。また、第1組立体32a,32bの上接合部61a,61bと、第2組立体33a,33bの下接合部62a,62bが密着する。この組付状態で第1組立体32a,32bと第2組立体33a,33bを加熱接合する。この場合、上接合部61a,61bと下接合部62a,62bを加熱することで、第1組立体32a,32bと第2組立体33a,33bを接合する。
このようにタービンディスク14への全ての動翼15を組付けると、隣接する各動翼15は、プラットフォーム22を構成する第1組立体32aの接触面63a,63b同士が接触状態に維持される。そのため、ロータ12が回転し、ロータディスク14に固定された各動翼15が回転すると、第1組立体32a,32bの接触面63a,63bとの間に摩擦力が発生し、動翼15の励振力が減衰される。
なお、複数の分割体として、2個の第1組立体32a,32bと2個の第2組立体33a,33bとを設け、4分割構成としたが、この構成に限定されるものではない。図8及び図9は、本実施形態のプラットフォーム変形例を表す平面図である。
図8に示すように、動翼70は、プラットフォーム71を有し、このプラットフォーム71は、本体31と、複数の分割体としての第1組立体72と第2組立体73とから構成されている。第1組立体72と第2組立体73は、平面視がU字形状をなし、本体31の突起部43a,43bに係止可能な第2係止部としての溝部72a,73aが形成されている。第1組立体72と第2組立体73は、回転軸心方向Xに移動した後、回転方向Y及び径方向に移動することで、本体31に組付ける。その後、本体31と第1組立体72と第2組立体73を加熱接合する。
また、図9に示すように、動翼80は、プラットフォーム81を有し、このプラットフォーム81は、本体31と、複数の分割体としての第1組立体82と第2組立体83とから構成されている。第1組立体82と第2組立体83は、平面視がU字形状をなし、本体31の突起部43a,43bに係止可能な第2係止部としての溝部82a,83aが形成されている。第1組立体82と第2組立体83は、回転軸心方向Xに移動することで、本体31に組付ける。その後、本体31と第1組立体82と第2組立体83を加熱接合する。
このように本実施形態の動翼にあっては、プラットフォーム22の一端部に翼根部21が設けられると共に他端部に翼部23が設けられる動翼15において、プラットフォーム22は、翼根部21と翼部23を連結する本体31と、本体31の周囲に連結される複数の分割体としての組立体32,33を有している。
従って、プラットフォーム22が本体31とその周囲に連結される複数の組立体32,33から構成されることで、プラットフォーム22の本体31をタービンロータ14に組付けた後、本体31に複数の組立体32,33を組付けることができる。そのため、隣接する動翼15のプラットフォーム22同士を接触状態に維持することができ、プラットフォーム22の接触面の間に摩擦力が発生し、動翼15の励振力を減衰させることができる。その結果、動翼15の形態に拘わらず、この動翼15の振動を効果的に減衰することができる。
そして、プラットフォーム22を本体31と複数の組立体32,33とからなる分割構造とすることで、動翼15をタービンロータ14に組付けるとき、あとから組立体32,33を組付けることで、プラットフォーム22同士を容易に接触状態とすることができ、励振力を減衰させる部材を別途設ける必要はなく、構造の複雑化を防止することができる。
本実施形態の動翼では、複数の組立体32,33が本体31の外周部に連結される。従って、本体31の外周部に複数の組立体32,33を連結することで、小型のプラットフォーム22の本体31をタービンロータ14に容易に組付けることができる。
本実施形態の動翼では、本体31に突起部43a,43b,44a,44bを形成する一方、各組立体32,33に溝部53a,53b及び凹部54a,54bを形成し、突起部43a,43b,44a,44bに溝部53a,53b及び凹部54a,54bを係止した位置で、各組立体32,33同士を結合している。従って、本体31と各組立体32,33を係止し、この状態で各組立体32,33同士を結合するため、本体31に各組立体32,33を適正に係合することができると共に、本体31と各組立体32,33が係止しているだけであるため、本体31と各組立体32,33の接触面の間に摩擦力が発生し、動翼15の励振力を減衰させることができる。
本実施形態の動翼では、各組立体32,33に本体31における動翼15の回転方向Yの前部及び後部に回転方向Yに対する径方向から組付可能である一対の第1組立体32a,32bと、本体31における動翼15の回転軸心方向Xの前部及び後部に回転軸心方向Xから組付可能である一対の第2組立体33a,33bとを設けている。従って、本体31における動翼15の回転方向Yの前部及び後部に第1組立体32a,32bを径方向から組付け、本体31における動翼15の回転軸心方向Xの前部及び後部に第2組立体33a,33bを回転軸心方向Xから組付けることから、隣接する動翼15のプラットフォーム22同士が接触するように各組立体32a,32b,33a,33bを組付けることができる。
本実施形態の動翼では、第1組立体32a,32bは、平面視がI字形状をなし、第2組立体33a,33bは、U字形状をなしている。従って、第1組立体32a,32bと第2組立体33a,33bを適正形状とすることで、本体31に対する各組立体32a,32b,33a,33bの組付性を向上することができる。
本実施形態の動翼では、第1組立体32a,32bと第2組立体33a,33bを加熱接合している。従って加熱接合という簡単な方法により第1組立体32a,32bと第2組立体33a,33bを容易に接合することができる。
本実施形態の動翼では、第1組立体32a,32bは、本体31における動翼15の回転方向Yの前部及び後部に接触面63a,63bを形成している。従って、隣接するプラットフォーム22は、第1組立体32a,32bの接触面63a,63b同士が接触することから、この接触面63a,63bの間に摩擦力が発生し、動翼15の励振力を減衰させることができる。
本実施形態の動翼では、第1組立体32a,32bと第2組立体33a,33bをセラミック材料と弾性材料が含有される複合材料により構成している。従って、セラミック材料により隣接するプラットフォーム22同士の接触面の摩擦減衰を十分に確保することができ、弾性材料によりプラットフォーム22の十分な弾性変形量を確保することができる。
また、本実施形態の回転機械にあっては、ケーシング11と、ケーシング11内に回転自在に支持されたロータ12と、翼部23の基端部がロータ12に支持されてロータ12の周方向に所定間隔で複数配置される複数段の動翼15と、基端部と先端部がケーシング11に固定されて動翼15と交互に配設される複数段の静翼16とを設け、動翼15のプラットフォーム22は、翼根部21と翼部23を連結する本体31と、本体31の周囲に連結される複数の分割体としての組立体32,33を有している。
従って、隣接する動翼15のプラットフォーム22同士を接触状態に維持することができ、プラットフォーム22の接触面の間に摩擦力が発生し、動翼15の励振力を減衰させることができる。その結果、動翼15の形態に拘わらず、この動翼15の振動を効果的に減衰することができる。
なお、上述した実施形態にて、翼根部21、プラットフォーム22、翼部23、シュラウド24により動翼15を構成したが、本発明は、その形状や製造方法(一体構造または別体構造)などについて限定されるものではない。
また、上述した実施形態では、本発明の動翼を蒸気タービンに適用して説明したが、ガスタービンや圧縮機などのいずれの回転機械にも適用することができる。
11 ケーシング
12 ロータ(回転軸)
13 軸受
14 ロータディスク(回転体)
15,70,80 動翼
16 静翼
17 蒸気通路
18 蒸気供給口
19 蒸気排出口
21 翼根部
22,71,81 プラットフォーム
23 翼部
24 シュラウド
25 スタブ
31 本体
32,32a,32b,72,82 第1組立体(分割体)
33,33a,33b,73,83 第2組立体(分割体)
41a,41b,42a,42b 取付面
43a,43b,44a,44b 突起部(第1係止部)
51a,51b,52a,52b 取付面
53a,53b,72a,83a 溝部(第2係止部)
54a,54b 凹部(第2係止部)
61a,61b 上接合部
62a,62b 下接合部
63a,63b 接触面

Claims (9)

  1. プラットフォームの一端部に翼根部が設けられると共に他端部に翼部が設けられる動翼において、
    前記プラットフォームは、
    前記翼根部と前記翼部を連結する本体と、
    前記本体の周囲に連結される複数の分割体と
    を有することを特徴とする動翼。
  2. 前記分割体は、前記本体の外周部に連結されることを特徴とする請求項1に記載の動翼。
  3. 前記本体に第1係止部が形成される一方、前記分割体に第2係止部が形成され、前記第1係止部と前記第2係止部が係止した位置で前記複数の分割体同士が結合されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の動翼。
  4. 前記複数の分割体は、前記本体における前記動翼の回転方向の前部及び後部に前記回転方向に対する径方向から組付可能である一対の第1組立体と、前記本体における前記動翼の回転軸心方向の前部及び後部に前記回転軸心方向から組付可能である一対の第2組立体とを有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の動翼。
  5. 前記第1組立体は、平面視がI字形状をなし、前記第2組立体は、U字形状をなすことを特徴とする請求項4に記載の動翼。
  6. 前記第1組立体と前記第2組立体が加熱接合されることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の動翼。
  7. 前記分割体は、前記本体における前記動翼の回転方向の前部及び後部に接触面が形成されることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の動翼。
  8. 前記分割体は、少なくともセラミック材料と弾性材料が含有される複合材料により構成されることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の動翼。
  9. ケーシングと、
    該ケーシング内に回転自在に支持されたロータと、
    翼部の基端部が前記ロータに支持されて前記ロータの周方向に所定間隔で複数配置される複数段の請求項1から請求項8のいずれか一項の動翼と、
    基端部と先端部が前記ケーシングに固定されて前記動翼と交互に配設される複数段の静翼と、
    を有することを特徴とする回転機械。
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