JP4445155B2 - タービン動翼 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン動翼に係り、特に、翼植込み部の応力の低減化を図ったタービン動翼に関する。
【0002】
【従来の技術】
軸流タービンは、タービンロータ(タービン軸)の周方向にタービン動翼を多数植設するとともにタービンノズルとタービン動翼とを1組として1段のタービン段落を構成し、このタービン段落をタービンロータの軸方向に向って複数段配置する構成になっている。
【0003】
このような構成の軸流タービンは、高出力化に適しているので、実用機として数多く発電プラント等に適用されている。
【0004】
ところで、流体に蒸気を用いた軸流タービンでは、大容量化に伴って蒸気の圧力、温度がより高圧化、高温化し、運転中、タービン動翼に作用する種々の力によりますます厳しさを増している。これらの力は、遠心応力、熱応力、曲げ応力およびねじり応力としてタービン動翼に生じ、強度の低下、ひいては長翼化に基づく高出力化を阻害する要因の一つにもなっている。
【0005】
したがって、タービン動翼に作用する応力の低減は、長翼化に基づく高出力化を前進させる重要な設計課題の一つになっている。
【0006】
タービン動翼では、一般に設計時の応力を評価する際の領域区分として、翼植込み部、翼有効部(蒸気通路部)、翼先端連結構造部に分けられている。さらに、翼植込み部の構造には、鞍形、クリスマスツリー形、T形およびフォーク形などが用いられている。この中でも、鞍形の翼植え込み部は、加工および組立が比較的容易になるのでタービン段落に数多く適用されている。具体的な構造として図5に示す。
【0007】
図5は、1本のタービン動翼1を取り出し、タービンロータ2から一体削り出しにして形成したもので、ホイール2aの周方向から見ており、斜線で示す部分がホイール2aの断面形状である。
【0008】
タービン動翼1は、ホイール2aに植設される翼植え込み部3、蒸気の通路となる翼有効部4、隣接するタービン動翼と連結される翼先端連結部5を備えている。
【0009】
また、図中、翼先端連結部5は、テノン5aを一例として示しているが、インテグラルカバーやスナッバカバーを使用する場合もある。
【0010】
一方、タービン動翼1を植設するホイール2aは、フック部6aを頂部から底部に向って末広がり状に形成するホイール植込み部6を備え、このホイール植込み部6に跨ぐようにタービン動翼1の翼植込み部3を装着させている。そして、翼植込み部3をホイール植込み部6の欠き部(図示せず)から挿通し、タービンロータ2の周方向に沿って移動させた後、ホイール植込み部6に装着させる。この種の構造を鞍形の翼植込み部と称している。なお、符号1Aは、蒸気STの流れ方向に臨む翼植込み部蒸気入口側を、また符号1Bは、蒸気STの出口方向に向う翼植込み部蒸気出口側をそれぞれ示す。
【0011】
このように、従来のタービン動翼は、運転中に発生する各種力を翼植込み部3とホイール植込み部6とで支持していた。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
図5に示した従来のタービン動翼1は、翼有効部4の重心を通る翼有効部重心中心線C1とホイール植込み部6の重心を通るホイール植込み部重心中心線C2とを特に意識することなく設計を行っていた。すなわち、一般的にタービン動翼1は、その翼根元部の一部を抜き出して断面であらわすと、図6に示すように、翼横断面9の翼軸方向幅をWとし、翼有効部中心線C1から前縁7までの距離をXi、翼有効部中心線C1から後縁8までの距離をXoとするとき、翼有効部中心線C1から前縁7までの距離Xiと翼有効部中心線C1から後縁8までの距離Xoとが、Xi<Xoの関係になっている。これは、同一の翼においても前縁7側の翼厚と後縁8側の翼厚とが異なっていることに起因している。このため、運転中、翼有効部4に発生する遠心力F2を基に翼植込み部蒸気入口側1Aおよび翼植込み部蒸気出口側1Bのそれぞれに発生する遠心分力F1A,F1Bは次式で表わすことができる。
【0013】
【数2】
【0014】
(1)式と(2)式およびXi<Xoの関係を用いると、翼植込み部蒸気入口側1Aに発生する遠心分力F1Aと翼植込み部蒸気出口側1Bに発生する遠心分力F1Bとを較べると、翼植込み部蒸気入口側1Aの方が翼植込み部蒸気出口側1BよりもF1A>F1Bと大きくなっている。さらに、運転中、翼有効部4に蒸気STによる噴流力Fs等が加わると、その差はますます拡がる。
【0015】
このように、従来のタービン動翼は、翼植込み部3を鞍形にした場合、翼植込み部蒸気入口側1Aの方が翼植込み部蒸気出口側1Bに較べて厳しい条件にさらされている。もっとも、現行の設計は、安全係数を比較的高く採っているので、遠心分力F1A,F1Bのアンバランスに基づく不具合・不都合が発生しているわけではない。
【0016】
しかし、蒸気の圧力、温度をより一層高くし、高出力化を志向すると、タービン動翼1を長翼化する必要がある。しかし、このとき、翼植込み部蒸気入口側1Aの遠心分力F1Aと翼植込み部蒸気出口側1Bの遠心分力F1Bを均等にしておかないと、強度保証の観点から長翼化に限界が生じ、目標とする高出力が得られないこととなり、何らかの新たな改善が求められていた。
【0017】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、翼有効部の重心中心線とホイール植込み部重心中心線とが一致するように改善を加えてより長翼化にも耐え得る強度を確保したタービン動翼を提供することを目的とする。
【0018】
また、本発明による別の目的は、翼植込み部蒸気入口側と翼植込み部蒸気出口側のそれぞれの遠心力の分担を従来のままにして、受圧面積を調整することにより発生する応力を均等にし、強度を確保したタービン動翼を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
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、請求項1に記載したように、翼有効部、翼植込み部を備えるとともに、前記翼植込み部をタービンロータに設けられたホイールのホイール植込み部に跨って装着させたタービン動翼において、前記翼有効部の翼横断面の重心を翼長手方向に順次結んだ翼有効部重心中心線と前記ホイール植込み部の重心を通るラジアル線であるホイール植込み部重心中心線とを一致させたものである。
【0020】
また、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、請求項2に記載したように、前記翼有効部の下端部と前記翼植込み部の頂部との間に、周方向から見て蒸気出口側への段差部が形成されたものである。
【0021】
また、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、請求項3に記載したように、周方向から見て、前記段差部は滑らかな曲線で形成されてなるものである。
【0022】
また、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、請求項4に記載したように、翼有効部、翼植込み部を備えるとともに、前記翼植込み部をタービンロータに設けられたホイールのホイール植込み部に跨って装着させたタービン動翼において、前記翼植込み部における翼植込み部蒸気入口側の周方向から見た最狭部の厚みをTaとし、前記翼植込み部における翼植込み部蒸気出口側の周方向から見た最狭部の厚みをTbとすると、厚み比Ta/Tbを
【数3】
Ta/Tb>1
の範囲に設定したものである。
【0023】
また、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、請求項5に記載したように、翼有効部、翼植込み部を備えるとともに、前記翼植込み部をタービンロータに設けられたホイールのホイール植込み部に跨って装着させたタービン動翼において、前記翼植込み部における翼植込み部蒸気入口側フックの付け根円弧の曲率半径を、前記翼植込み部における翼植込み部蒸気出口側フックの付け根円弧の曲率半径よりも大きく設定したものである。
【0024】
また、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、請求項6に記載したように、翼有効部、翼植込み部を備えるとともに、前記翼植込み部をタービンロータに設けられたホイールのホイール植込み部に跨って装着させたタービン動翼において、前記ホイール植込み部におけるホイール植込み部蒸気入口側フックの付け根円弧の曲率半径を、前記ホイール植込み部におけるホイール植込み部蒸気出口側フックの付け根円弧の曲率半径よりも大きく設定したものである。
【0025】
【発明の実施の形態】
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。
【0026】
図1は、1本のタービン動翼10を取り出し、ホイール11の周方向から見た本発明に係るタービン動翼10の第1実施形態を示す一部切欠き概念図である。
【0027】
本実施形態に係るタービン動翼10は、蒸気の通路となる翼有効部12とホイール11に植設される翼植込み部13とを備えるとともに、翼植込み部13をホイール11に跨がせる、いわゆる鞍形の翼植込み部に形成している。そして、翼植込み部13は、ホイール11の一部を切欠いた空間部分(図示せず)に挿通し、ここからホイール11の周方向に沿って移動させた後装着するようになっている。
【0028】
一方、ホイール11は、タービンロータ14から一体に削り出してフック部15とともに形成される。そして、このフック部15は頂部から底部に向って凹凸部を設けて末広がり状に形成し、翼植込み部13を装着させるべくホイール植込み部16を備えている。
【0029】
このような構成を備えたタービン動翼10において、本実施形態では、翼有効部12の翼横断面の重心を翼長手方向に順次結んだ翼有効部重心中心線C1とホイール植込み部16の重心を通るタービンロータ14のラジアル線であるホイール植込み部中心線C2とを同一線上に一致させたものである。
【0030】
すなわち、本実施形態は、翼植込み部は従来のまま、翼有効部12のみを翼植込み部蒸気出口側に矢印Eに示すように移動して設置することにより、翼有効部重心中心線C1とホイール植込み部重心中心線C2とを同一線上に一致させたものである。そして、その移動量は、翼有効部12下端部と翼植込み部13頂部との境界部に矢印E分だけ段差が生じるため、その部分での応力集中を避けるべく滑らかな曲線Rで形成する、その曲率半径に設定したものである。
【0031】
そして、このように翼有効部重心中心線C1とホイール植込み部重心中心線C2とを同一線上に一致させることにより、翼有効部12の遠心力F2が、翼植込み部13の蒸気入口側1Aと蒸気出口側1Bに均等に、すなわち遠心分力F1A=遠心分力F2Bのように分布されることになる。したがって、翼植込み部13蒸気入口側1Aの最狭部(ネック部)S1Aに働く応力と翼植込み部13蒸気入口側1Bの最狭部(ネック部)S1Bに働く応力とは等しくなる。
【0032】
このことは、従来、翼植込み部13の応力の高い側(一般に蒸気入口側)で制限されていた翼の設計が、さらに高い応力(遠心力)が生じる新しい翼の採用も可能になることを示すもので、より長翼化への対応も十分可能である。また同じ翼であれば、翼植込み部13の強度を低く設計、例えば低強度の材料の採用や、最狭部を薄く設計することが可能になるもので、軽量化、低コスト化を可能とする。
【0033】
図2は、本発明に係るタービン動翼の第2実施形態を示す一部切欠き概念図である。
【0034】
本実施形態に係るタービン動翼は、翼有効部重心中心線C1とホイール植込み部重心中心線C2とは従来どおりのままにし、翼植え込み部蒸気入口側1Aに作用する遠心分力F1Aに基づく最狭部S1Aの応力と翼植込み部蒸気出口側1Bに作用する遠心分力F1Bに基づく最狭部S1Bの応力とを均等にさせるために一般的に応力が高くなる翼植込み部13の最狭部S1Aを一点鎖線Qで示す翼植込み部蒸気入口側1Aから蒸気上流側に向って延長させ、広くしたものである。
【0035】
今、翼植込み部13において、翼全体に作用する遠心力をF2、翼植込み部蒸気入口側1Aの最狭部S1Aの厚みをTa、翼植込み部蒸気出口側1Bの最狭部S1Bの厚みをTb、翼有効部12の蒸気流方向の幅をW、翼有効部12の重心を通る翼有効部重心中心線C1から前縁17までの距離をXi、翼有効部重心中心線C1から後縁18までの距離をXoとすると、各最狭部S1A,S1Bに作用する遠心分力F1A,F1Bは次式で与えられる。
【0036】
【数4】
【0037】
上式(1),(2)から、翼植込み部蒸気入口側1Aの最狭部S1Aに作用する応力と、翼植込み部蒸気出口側1BのS1Bに作用する応力とを等しくさせるには、距離TaとTbとの関係は次式を満たすことが必要である。
【0038】
【数5】
Ta/Tb=F1A/F1B>1 ……(3)
【0039】
このように、本実施形態は、翼有効部重心中心線C1とホイール11のホイール植込み部重心中心線C2とは従来のままとし翼植込み部13における翼植込み部蒸気入口側1Aの最狭部S1Aの厚みTaと翼植込み部蒸気出口側1Bの最狭部S1Bの厚みTbとの関係式をTa/Tb>1の範囲に設定して応力を均等にしたので、従来、翼植込み部13の応力の高い側(一般に蒸気入口側)で制限されていた翼の設計が、さらに高い応力(遠心力)が生じる新しい翼の採用も可能になり、長翼化への対応も十分可能である。また同じ翼であれば、翼植込み部13の強度を低く設計、例えば低強度の材料の採用や、最狭部を薄く設計することが可能になるもので、軽量化、低コスト化が実現できる。
【0040】
図3は、本発明に係るタービン動翼に適用する翼植込み部の実施形態を示す概念図である。
【0041】
一般に、タービン動翼は、前述したように、蒸気入口側の方が蒸気出口側よりもより大きな遠心力が負荷されるためホイール植込み部(図示せず)に装着する翼植込み部13における翼植込み部蒸気入口側フック1Ahの付け根円弧Rahの方が翼植込み部蒸気出口側フック1Bhの付け根円弧Rbhより片当りになり易く、応力集中が発生し、亀裂発生要因の一つになっていた。
【0042】
本実施形態は、このような点に着目したもので、翼植込み部蒸気入口側フック1Ahの付け根円弧Rahの曲率半径を、翼植込み部蒸気出口側フック1Bhの付け根円弧Rbhの曲率半径よりも大きく設定したものである。
【0043】
このように、本実施形態は、翼植込み部蒸気入口側フック1Ahの付け根円弧Rahの曲率半径を、翼植込み部蒸気出口側フック1Bhの付け根円弧Rbhの曲率半径よりも大きく設定して応力集中の影響を低くさせるので、翼植込み部の局所応力を低くさせて安定運転を行わせることができる。
【0044】
図4は、本発明に係るタービン動翼に適用するホイール植え込み部の実施形態を示す概念図である。
【0045】
従来、タービン動翼は、上述と同様に、遠心力等により翼植込み部(図示せず)を装着するホイール植込み部16におけるホイール植込み部蒸気入口側フック1SAの付け根円弧Sahの方がホイール植込み部蒸気出口側フック1SBの付け根円弧Sbhより片当りになり易く、集中応力が発生し、亀裂発生の要因になっていた。
【0046】
本実施形態は、この点を考慮したもので、ホイール植込み部蒸気入口側フック1SAの付け根円弧Sahの曲率半径を、ホイール植込み部蒸気出口側フック1SBの付け根円弧Sbhの曲率半径よりも大きく設定したものである。
【0047】
このように、本実施形態は、ホイール植込み部蒸気入口側フック1SAの付け根円弧Sahの曲率半径を、ホイール植込み部蒸気出口側フック1SBの付け根円弧Sbhの曲率半径よりも大きく設定して応力集中の影響を低くさせるので、ホイール植込み部16の局所応力を低くさせて安定運転を行わせることができる。
【0048】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るタービン動翼は、運転中に発生する遠心力等を均等に受け持つ手段を翼植込み部およびホイール植込み部のそれぞれに設けたので、従来、翼植込み部の応力の高い側(一般に蒸気入口側)で制限されていた翼の設計が、さらに高い応力(遠心力)が生じる新しい翼の採用も可能になり、長翼化への対応も十分可能である。また同じ翼であれば、翼植込み部の強度を低く設計、例えば低強度の材料の採用や、最狭部を薄く設計することが可能になるもので、軽量化、低コスト化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るタービン動翼の第1実施形態を示す一部切欠き概念図。
【図2】本発明に係るタービン動翼の第2実施形態を示す一部切欠き概念図。
【図3】本発明に係るタービン動翼に適用する翼植え込み部の実施形態を示す概念図。
【図4】本発明に係るタービン動翼に適用するホイール植え込み部の実施形態を示す概念図。
【図5】従来のタービン動翼を示す一部切欠き概念図。
【図6】図5のA−A矢視方向から切断した切断断面図。
【符号の説明】
1 タービン動翼
2 タービンロータ
2a ホイール
3 翼植込み部
4 翼有効部
5 翼先端連結部
6 ホイール植込み部
6a フック部
7 前縁
8 後縁
9 翼横断面
10 タービン動翼
11 ホイール
12 翼有効部
13 翼植込み部
14 タービンロータ
15 フック部
16 ホイール植込み部
17 前縁
18 後縁
Claims (6)
- 翼有効部、翼植込み部を備えるとともに、前記翼植込み部をタービンロータに設けられたホイールのホイール植込み部に跨って装着させたタービン動翼において、前記翼有効部の翼横断面の重心を翼長手方向に順次結んだ翼有効部重心中心線と前記ホイール植込み部の重心を通るラジアル線であるホイール植込み部重心中心線とを一致させたことを特徴とするタービン動翼。
- 前記翼有効部の下端部と前記翼植込み部の頂部との間に、周方向から見て蒸気出口側への段差部が形成されたことを特徴とする請求項1記載のタービン動翼。
- 周方向から見て、前記段差部は滑らかな曲線で形成されてなることを特徴とする請求項2記載のタービン動翼。
- 翼有効部、翼植込み部を備えるとともに、前記翼植込み部をタービンロータに設けられたホイールのホイール植込み部に跨って装着させたタービン動翼において、前記翼植込み部における翼植込み部蒸気入口側の周方向から見た最狭部の厚みをTaとし、前記翼植込み部における翼植込み部蒸気出口側の周方向から見た最狭部の厚みをTbとすると、厚み比Ta/Tbを
【数1】
Ta/Tb>1
の範囲に設定したことを特徴とするタービン動翼。 - 翼有効部、翼植込み部を備えるとともに、前記翼植込み部をタービンロータに設けられたホイールのホイール植込み部に跨って装着させたタービン動翼において、前記翼植込み部における翼植込み部蒸気入口側フックの付け根円弧の曲率半径を、前記翼植込み部における翼植込み部蒸気出口側フックの付け根円弧の曲率半径よりも大きく設定したことを特徴とするタービン動翼。
- 翼有効部、翼植込み部を備えるとともに、前記翼植込み部をタービンロータに設けられたホイールのホイール植込み部に跨って装着させたタービン動翼において、前記ホイール植込み部におけるホイール植込み部蒸気入口側フックの付け根円弧の曲率半径を、前記ホイール植込み部におけるホイール植込み部蒸気出口側フックの付け根円弧の曲率半径よりも大きく設定したことを特徴とするタービン動翼。
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