JP2016070095A

JP2016070095A - タービン

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Publication number: JP2016070095A
Application number: JP2014197321A
Authority: JP
Inventors: 隆治枦; Ryuji Hashi; 裕敏末岡; Hirotoshi Sueoka
Original assignee: Shin Nippon Machinery Co Ltd
Current assignee: Shin Nippon Machinery Co Ltd
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-05-09
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: JP6329471B2

Abstract

【課題】動翼の組み付け作業および動翼の交換作業の作業効率が高いタービンを提供する。
【解決手段】翼根（６）の底面にはキー溝（７）が設けられており、キー溝（７）に嵌合する突起部（３１）を有しており、動翼（２０）をロータ（２０）の回転軸方向に固定する固定キー（３０）と、固定キー（３０）をロータ（２０）に着脱可能に固定するボルト（４０）と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明はタービンに関する。

逆クリスマスツリー形状の翼根を有する動翼によって構成される全周連結翼を有するタービンにおいて、動翼の組み付け作業時に翼根をロータの翼溝に容易に嵌め込むことができるように、翼溝は翼根の外形よりもやや大きめに設計される。そのため、動翼をロータに組み付けた状態において、翼根と翼溝との間には所定の隙間が生じる。

また、全周連結翼は、タービンの停止時にはシュラウド同士の間には隙間があり、タービンの回転時には、遠心力による捩り戻し作用を受けて隣接するシュラウド同士が接触することによって、共振等の振動応力に対して高い構造減衰効果を有する。

タービンの昇速に伴い、シュラウド同士が接触することによってシュラウドが摩耗し、また、遠心力を受けて翼根と翼溝とが接触することによって翼根と翼溝とが摩耗する。そのため、上記摩耗を抑制するために、タービン停止時におけるシュラウド同士の隙間、および翼根と翼溝との隙間を埋めた状態で動翼を固定する事が重要と考えられていた。

そこで、従来は、逆クリスマスツリー形状の翼根を有する動翼をロータに組み付ける際、翼根を翼溝に嵌め込み、テーパピンやキーなどを用いて、翼根を翼溝の内壁に密着させ、動翼をロータの回転軸方向および半径方向に固定していた。

図６は、従来の動翼の固定方法を説明するための図である。従来の固定方法では、まず、翼根の底面と翼溝との間にテーパピンを挿入し（図６の（ａ））、翼溝からはみ出すテーパピンの長さを調整する（図６の（ｂ））。これにより、翼根を押し上げ、翼根と翼溝とを密着させる。その後、打撃装置によりテーパピンの両端にカシメ処理を行い（図６の（ｃ））、旋盤にてテーパピンの両端の不要部分を除去する（図６の（ｄ））。

また、特許文献１のタービンは、タービン翼脚当接面を有するタービン翼と、タービン翼脚当接面に接しているキーと、キーを軸方向に移動させる引張り手段とを有している。タービン翼脚当接面に対するキーの変位によって、タービン翼に対して軸方向および半径方向の力が作用する。

図６に示す固定方法および特許文献１の固定方法によれば、動翼をロータの回転軸方向および半径方向に固定することができる。

特開２０１０−５０１７６５号公報（２０１０年１月２１日公開）

しかしながら、タービンを昇速し始めてから比較的低速の段階で遠心力により翼根と翼溝とが密着して動翼は固定されるため、翼根と翼溝とが互いに接触することによって生じる摩耗は非常に少なく、問題とならない。

また、シュラウドが摩耗することによって、タービン停止時のシュラウド同士の間隔が広がり、シュラウド同士が接触するのに必要なタービンの回転数（シュラウド接触回転数）が大きくなる。しかしながら、シュラウド接触回転数はタービンの定格回転数からみて裕度があるため、シュラウドの摩耗は問題とならない。

以上より、シュラウド、翼根、および翼溝の摩耗は問題とならないため、従来の固定方法のように、動翼を回転軸方向および半径方向に固定する必要性は低い。

一方で、従来のようにテーパピンを用いて動翼を固定する場合、カシメ処理を行う工程（図６の（ｃ））、および不要部分を除去する工程（図６の（ｄ））が必要となり、動翼の組み付け作業の作業効率が低い。

また、動翼は経年変化するため定期的に交換する必要があるが、図６に示すようにテーパピンにカシメ処理を施してしまうと、動翼をロータから取り外すためにテーパピンを機械加工しなければならず、動翼の交換作業には多くの工数が必要となる。また、特許文献１のタービンでは、固定キーが動翼とロータとの間に挟まれているため、固定キーを取り外すことは容易ではない。そのため、動翼をロータから取り出すことは容易ではなく、動翼の交換作業の作業効率が低い。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであって、その目的は、動翼のロータへの組み付け作業および動翼の交換作業の作業効率を向上させたタービンを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の態様１に係るタービンは、翼溝を有するロータと、上記翼溝に嵌合された翼根を有する動翼とを備えたタービンであって、上記翼根の底面には凹部が設けられており、上記動翼を上記ロータの回転軸方向に固定するために、上記翼根の凹部に嵌合する凸部が設けられている固定キーと、上記固定キーを上記ロータに着脱可能に固定する固定部材と、を備えていることを特徴とする。

上記の構成によれば、固定キーと固定部材という簡易な構成により、動翼をロータの軸方向に固定することができる。そのため、本発明のタービンにおける動翼の組み付け作業は、テーパピンを用いた従来の組み付け作業とは異なり、テーパピンの端部を加締める工程等が不要であり、作業効率が高い。

また、固定部材は、固定キーをロータに着脱可能に固定するものであるため、動翼の交換作業が必要な際には、固定キーをロータから取り外すことにより、動翼をロータから取り外すことができる。そのため、本発明のタービンは、従来のタービンに比べて、動翼の交換作業における作業効率が高い。

本発明の態様２に係るタービンは、上記態様１において、上記翼根と上記ロータとの間には、上記動翼を上記ロータの半径方向に押し上げる押し上げ部材が設けられており、上記固定キーは、上記押し上げ部材を上記翼根と上記ロータの間に保持する抜け止めとして機能する構成であってもよい。

上記の構成によれば、押し上げ部材が動翼をロータの半径方向に押し上げることにより、動翼をロータの半径方向に固定することができる。これにより、タービンの昇速に伴い、遠心力により翼根と翼溝とが互いに接触することによって生じる翼根および翼溝の摩耗を抑制することができる。

また、固定キーが押し上げ部材の抜け止めとして機能するため、押し上げ部材を翼根とロータの翼溝の間に保持するための部材を必要としない。

本発明の態様３に係るタービンは、上記態様１または２において、上記動翼を複数備えており、上記固定キーは、上記凸部を複数備えており、当該複数の凸部のそれぞれは、当該複数の動翼のそれぞれにおける翼根の底面の凹部に嵌合する構成であってもよい。

上記の構成によれば、１つの固定キーを用いて複数の動翼を固定することができる。これにより、１つの固定キーをロータに固定することによって、複数の動翼を軸方向に固定することができる。また、複数の動翼の交換作業を容易に行うことができる。そのため、動翼の組み付け時および交換時の作業効率が高い。

本発明の態様４に係るタービンは、上記態様１〜３の何れかにおいて、上記凹部に上記凸部を嵌合させたとき、上記固定キーと上記ロータとの間には、上記固定キーを上記ロータの回転軸に向けて移動可能とする隙間が形成されており、上記ロータの半径方向における上記隙間の幅は、上記凸部の長さよりも大きい構成であってもよい。

上記の構成によれば、固定部材を取り外した状態において、固定キーに対して、ロータの回転軸に向けた力を加えることにより、固定キーを回転軸に向けて移動させ、凸部を動翼の溝から抜くことができる。これにより、簡易な方法により、動翼をロータから取り外すことができる。

本発明によれば、動翼の組み付け作業および動翼の交換作業の作業効率が高いタービンを提供することができる。

本発明の実施形態１に係る蒸気タービンの構成の一部を示す図であり、（ａ）は蒸気タービンの一部の構成を示す図であり、（ｂ）は動翼の構造を示す斜視図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ部分の拡大図であり、（ｄ）は（ｃ）のＢ部分の拡大図である。動翼のロータへの組み付け部の断面構造を示す図である。本発明の実施形態２に係る蒸気タービンの動翼のロータへの組み付け部の断面を示す図である。本発明の実施形態３に係る蒸気タービンの概略図であり、（ａ）は動翼のロータへの組み付け部を示す図であり、（ｂ）は動翼のロータへの組み付け部の断面図である。従来の動翼の固定方法について説明するための図であり、（ａ）はセンターピンを挿入する様子を示し、（ｂ）は最終翼をネジ止めする様子を示す。逆クリスマスツリー型の翼根の場合における、テーパピンを用いた動翼の固定方法について説明するための図であり、（ａ）は、ピン打ちを行ったときの様子を示し、（ｂ）は、ピンの長さを調整するときの様子を示し、（ｃ）は、打撃装置でカシメ処理を行っているときの様子を示し、（ｄ）は、旋盤で不要部を除去しているときの様子を示す。

〔実施形態１〕
本発明の実施の形態について図１〜図２に基づいて説明すれば、次の通りである。以下、説明の便宜上、特定の項目にて説明した構成と同一の機能を有する構成については、同一の符号を付記し、その説明を省略する場合がある。

＜蒸気タービン＞
図１は、実施形態１に係る蒸気タービン１の構成の一部を示す図であり、（ａ）は蒸気タービン１の一部の構成を示す図であり、（ｂ）は動翼１０の構造を示す斜視図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ部分の拡大図であり、（ｄ）は（ｃ）のＢ部分の拡大図である。

図１の（ａ）に示すように、蒸気タービン１（タービン）は、ロータ２０と、ロータ２０の外周に沿って設けられた複数の動翼１０とを備えている。

図１の（ｂ）に示すように、動翼１０は、動翼１０の本体部である蒸気タービン動翼２と、ロータ２０に連結するための翼根６と、隣接する動翼１０に連結するためのシュラウド３およびスタブ５と、を備えている。

複数の動翼１０は、全周連結翼を構成している。全周連結翼は、蒸気タービン１の低圧段に用いられる翼長の長いねじれ翼で、遠心力による翼ねじり戻し効果を利用して、回転数の増加とともに、蒸気タービン動翼２と、翼頂部もしくはその近傍にあるシュラウド３とで隣接翼と接触し、その段の動翼１０全体が全周連結化して一体とみなせるようになり、共振等の振動応力に対し、高い構造減衰効果を得ることができる。

すなわち、低回転数のときには単独翼である動翼１０が、定格回転数付近では、隣接する動翼１０のシュラウド３同士が互いに接触することによって全周連結構造となり、高い耐振性を有する。

＜翼根と翼溝＞
図１（ｃ）に示すように、動翼１０は、いわゆる逆クリスマスツリー型の翼根６を有している。また、ロータ２０は、翼根６を嵌合させる翼溝２１を有している。ロータ２０の翼溝２１に対して、翼根６をロータ２０の回転軸方向（軸方向）にスライドさせて嵌合させる（サイドエントリーする）ことによって、動翼１０はロータ２０に組み付けられる。

翼根６および翼溝２１は、互いに嵌合し、動翼１０に加わる遠心力によって動翼１０がロータ２０から抜け落ちないようにするための抜け止めとして機能する。

なお、本実施形態の蒸気タービン１において、翼根６の形状は逆クリスマスツリー形状に限定されない。翼溝２１に対してサイドエントリーし、遠心力によって動翼１０がロータ２０から抜け落ちないようにするための抜け止めの機能を有するものであれば、如何なる形状であってもよい。

図１の（ｃ）に示すように、本実施形態の蒸気タービン１では、固定キー３０を用いて、動翼１０を軸方向に固定している。言い換えると、固定キー３０によって、軸方向における動翼１０の移動を制限している。以下、より詳細に説明する。

図２は、動翼１０のロータ２０への組み付け部の断面構造を示す図である。

図２に示すように、翼根６の底面（下部）には、キー溝７（凹部）が設けられている。また、固定キー３０は、ロータ２０の半径方向に向けて突出する突起部３１（凸部）を有しており、突起部３１はキー溝７に嵌合している。また、固定キー３０は、ボルト４０（固定部材）によってロータ２０に固定されている。ボルト４０の一例として、十字溝付きの六角穴ボルトを用いることができる。図１の（ｄ）に示すように、ポンチ箇所４１にポンチを打つことによって、ボルト４０に回り止めを施してもよい。

本実施形態の蒸気タービン１では、固定キー３０およびボルト４０により、動翼１０がロータ２０に固定されている。これにより、動翼１０を軸方向にのみ固定（ルーズ固定）することができ、動翼１０が軸方向に抜け出さないようにすることができる。上記の固定方法によれば、従来の固定方法におけるカシメ処理等の工程を必要とせず、簡易な方法で動翼１０をロータ２０に固定することができる。その結果、動翼１０のロータ２０への組み付け作業の作業効率を向上させ、製造コストを削減することができる。

さらに、ボルト４０は、固定キー３０をロータ２０に着脱可能に固定するものであり、ボルト４０を弛めることによって、固定キー３０をロータ２０から取り外すことができる。これにより、軸方向における動翼１０の固定を解除し、容易に動翼１０をロータ２０から取り外すことができる。

そのため、動翼１０の交換作業の作業効率を向上させ、動翼１０の交換のために蒸気タービン１を停止させておく期間を短縮することができる。

なお、本実施形態の動翼１０は、全周連結翼を構成するものに限らず、ロータ２０にサイドエントリーして組み付けるものであればよい。ロータ２０にサイドエントリーして組み付ける動翼１０であれば、上記の固定方法を好適に利用することができる。

＜固定キーの取り外し＞
図２に示すように、キー溝７に突起部３１を嵌合させた状態において、固定キー３０とロータ２０との間には、隙間３２が形成されている。ロータ２０の半径方向における隙間３２の幅は、キー溝７に嵌合する突起部３１の長さよりも長いことが好ましい。

これにより、固定キー３０は、蒸気タービン１の内側に向けて（ロータ２０の回転軸に向けて）移動可能となっている。

そのため、固定キー３０に対して、打撃などにより、ロータ２０の回転軸に向けた力を加えることにより、固定キー３０をロータ２０の回転軸に向けた方向に移動させ、突起部３１を動翼１０のキー溝７から抜くことができる。これにより、簡易な方法によって軸方向における動翼１０の固定を解除し、動翼１０をロータ２０から取り外すことができる。

＜比較例＞
図５は、従来の動翼の固定方法について説明するための図であり、（ａ）はセンターピンを挿入する様子を示し、（ｂ）は最終翼をネジ止めする様子を示す。

従来の固定方法では、まず、図５の（ａ）に示すように、１つの動翼の翼根をロータの翼溝にサイドエントリーして嵌合させる際に、ロータと動翼との間にセンターピンを挿入することによって、動翼をロータの半径方向に押し上げて固定する。そして、図５の（ｂ）に示すように、最後の動翼の翼根をロータの翼溝に嵌合させた後、翼根の底部をロータにネジ止めすることによって、最後の動翼をロータに固定する。

このような従来の固定方法では、センターピンは、隣接する翼溝の間の畝の部分に、隣接する動翼の下にまたがって挿入されるため、動翼を１つ１つロータに組み付ける必要がある。

しかしながら、シュラウドを有する動翼を１つ１つロータに組み付けた場合、隣接する動翼のシュラウドが邪魔になり、最後の１本の動翼の翼根を翼溝に嵌合させることが困難となる。そのため、シュラウドを有する動翼を組み付ける場合には、全周の動翼の翼根を同時に翼溝に嵌合させなければならず、センターピンを用いた従来の固定方法を適用することができない。

これに対して、本実施形態の蒸気タービン１は、翼根６の底面に設けられたキー溝７に固定キー３０の突起部３１を嵌合させ、固定キー３０をロータ２０に固定することによって、動翼１０を軸方向に固定しているため、全ての動翼１０の翼根６を同時に翼溝２１に嵌合させることができる。そのため、シュラウド３を備えた動翼１０をロータ２０に組み付け、固定することができる。

〔実施形態２〕
本発明の実施の形態について図３に基づいて説明すれば、次の通りである。以下、説明の便宜上、特定の項目にて説明した構成と同一の機能を有する構成については、同一の符号を付記し、その説明を省略する場合がある。

図３は、実施形態２に係る蒸気タービン１の動翼１０のロータ２０への組み付け部の断面を示す図である。

図３に示すように、本実施形態の蒸気タービン１では、翼根６の底面と翼溝２１との間に押し上げ部材５０が設けられている。押し上げ部材５０は、例えばテーパを有しており、翼根６の底面と翼溝２１との間に挿入することによって、動翼１０をロータ２０の半径方向に押し上げる部材である。

本実施形態の蒸気タービン１は、押し上げ部材５０が動翼１０をロータ２０の半径方向に押し上げることによって、押し上げ部材５０と、翼根６と、翼溝２１とにより、動翼１０をロータ２０の半径方向に固定することができる。これにより、動翼１０を、ルーズ固定ではなく、翼溝２１の内壁に密着した状態を保つ固定方式とすることができる。

これにより、蒸気タービン１の昇速に伴い、遠心力により翼根６と翼溝２１とが互いに接触することによって生じる翼根６および翼溝２１の摩耗を抑制することができる。

さらに、固定キー３０は、押し上げ部材５０が翼根６の底面と翼溝２１との間からロータ２０の軸方向に抜け落ちないように、押し上げ部材５０の抜け止めとして機能する。

このように、固定キー３０が押し上げ部材５０の抜け止めとして機能するため、押し上げ部材５０を翼根６と翼溝２１との間に保持するための部材を必要としない。

〔実施形態３〕
本発明の実施の形態について図４に基づいて説明すれば、次の通りである。以下、説明の便宜上、特定の項目にて説明した構成と同一の機能を有する構成については、同一の符号を付記し、その説明を省略する場合がある。

図４は、実施形態３に係る蒸気タービン１の概略図であり、（ａ）は動翼１０のロータ２０への組み付け部を示す図であり、（ｂ）は動翼１０のロータ２０への組み付け部の断面図である。

図４に示すように、本実施形態の蒸気タービン１は、固定キー３０に代えて固定プレート６０（固定キー）を備えている。固定プレート６０は、複数の突起部６１（凸部）を有しており、複数の突起部６１のそれぞれは、複数の動翼１０の各キー溝７に嵌合する。固定プレート６０が有する突起部６１の数は、複数であれば特に限定されない。

これにより、１つの固定プレート６０を用いて複数の動翼１０をまとめて固定することができる。また、動翼１０の交換作業時には、複数の動翼１０をまとめて取り外すことができる。そのため、動翼１０の組み付け作業および交換作業の作業効率が高い。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、全周連結翼の蒸気タービンに利用することができる。

１蒸気タービン（タービン）
６翼根
７キー溝（凹部）
１０動翼
２０ロータ
２１翼溝
３０固定キー
３１突起部（凸部）
３２隙間
４０ボルト（固定部材）
５０押し上げ部材
６０固定プレート（固定キー）
６１突起部（凸部）

Claims

翼溝を有するロータと、上記翼溝に嵌合された翼根を有する動翼とを備えたタービンであって、
上記翼根の底面には凹部が設けられており、
上記動翼を上記ロータの回転軸方向に固定するために、上記翼根の凹部に嵌合する凸部が設けられている固定キーと、
上記固定キーを上記ロータに着脱可能に固定する固定部材と、を備えていることを特徴とするタービン。
上記翼根と上記ロータとの間には、上記動翼を上記ロータの半径方向に押し上げる押し上げ部材が設けられており、
上記固定キーは、上記押し上げ部材を上記翼根と上記ロータの間に保持する抜け止めとして機能することを特徴とする請求項１に記載のタービン。
上記動翼を複数備えており、
上記固定キーは、上記凸部を複数備えており、
当該複数の凸部のそれぞれは、当該複数の動翼のそれぞれにおける翼根の底面の凹部に嵌合することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
上記凹部に上記凸部を嵌合させたとき、上記固定キーと上記ロータとの間には、上記固定キーを上記ロータの回転軸に向けて移動可能とする隙間が形成されており、
上記ロータの半径方向における上記隙間の幅は、上記凸部の長さよりも大きいことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のタービン。