JP5579112B2 - タービン動翼の固定構造及び翼根バネの脱着方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン動翼の翼根部が嵌合される翼溝に当該翼根部を付勢して固定するタービン動翼の固定構造及び翼根部を付勢して前記翼溝に押し付ける翼根バネの脱着方法に関する。

回転機械である蒸気タービンやガスタービンのタービン動翼は、ロータの翼溝にタービン動翼の翼根部を嵌め合わせることによりロータに固定されている。この嵌合構造では、翼溝と翼根部との間に、製造公差等による隙間が存在する。このような隙間があっても、ロータが高速で回転しているときには、タービン動翼に作用する遠心力によってタービン動翼がロータに固定されるので、タービン動翼が振動することはない。しかし、遠心力が低下するロータの低速回転時又は停止時にはタービン動翼が径方向に振動して、翼根部や翼溝の表面に傷をつけるおそれがある。また、この振動はタービン動翼の先端に取り付けられているシュラウドを介して伝達されて隣接するタービン動翼を損傷させる場合もある。そして、これらの損傷が著しい場合には、タービン動翼やロータの交換が必要となる場合もある。

そこで、例えば、特許文献１には、タービン動翼の振動防止を目的として、複数の湾曲部を有する翼根バネが開示されている。図９は、翼根バネを、翼根部の翼溝側先端面と翼溝の底面との間の隙間（以下、溝隙間という）内に設置した状態を示す図である。
図９に示すように、翼根バネ３１は、中間部３３と、端部３２Ａ、３２Ｂと、から構成されており、この中間部３３が翼根部２１に密着するように設けられている。そして、翼根バネ３１の強力な押付力を利用して翼根部２１を翼溝１１に押し付けることによって、タービン動翼２０をタービンロータ１０に固定して振動を防止している。

また、タービン動翼の振動防止を目的とするものではないが、特許文献２には、タービン静止時のタービン動翼の固有振動数を測定する際に、タービン動翼の固定状態のばらつきを小さくする目的で押上バネによって、タービン動翼を押し上げて固定することが開示されている。この押上バネは、形状記憶合金製のコイルスプリングからなり、高温時（４０℃〜５０℃）には長さが短くなり、常温時には元の状態に戻る性質を有している。
押上バネを溝隙間内に挿入する際には、まず、押上バネを高温状態にして短くする。続いて、短い状態の押上バネを溝隙間内に挿入し、所定の位置に設置する。その後、押上バネの温度が低下して常温になると押上バネが元の状態に戻り、すなわち長くなり、タービン動翼を押し上げて固定する。このように押上バネによってタービン動翼を押し上げて固定することで、タービン動翼の固定状態のばらつきが小さくなるので、静止時のタービン動翼の固定振動数を正確に計測することができる。

特開２００５−２７３６４６号公報 特開平１−２３７３０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の翼根バネは、繰り返し荷重によるへたりや経年的使用による変形によって押付力が低下するおそれがあるため、タービンの定期点検時に適宜交換される。
交換作業では、棒状の治具を溝隙間内に挿入して翼根バネの端面に当接させ、そのまま治具を溝隙間の長手方向に沿って押し込むことにより、翼根バネを溝隙間の外へ押し出している。ところが、翼根バネの押付力は強力なので、翼根バネを治具で押し出すのに非常に大きな力が必要になり、時には、治具をハンマーで叩いたり、油圧ジャッキで押し出したりして翼根バネを溝隙間の外へ押し出すこともある。
また、点検後に、新たな翼根バネを溝隙間内に取り付ける際も、翼根バネの押付力が作用するので、取り外す際と同様に、翼根バネの端面に治具を当接させ、治具をハンマーで叩いたり、油圧ジャッキで押したりしながら翼根バネを溝隙間内に挿入する場合がある。
したがって、翼根バネを脱着する作業は、手間がかかるうえに困難なので長い作業時間を要する。
また、翼根バネにハンマーで衝撃を加えたり、油圧ジャッキで強大な荷重を付与したりすると、翼根バネに接している翼根部や翼溝に傷をつけてしまうおそれがある。

なお、特許文献２に記載の押上バネは、そもそもタービン静止時の固定振動数の測定を目的としており、タービン静止時のみに装着されるものであって、タービン運転中にタービン動翼の振動を防止する、いわゆる翼根バネではない。

そこで、本発明は、タービン動翼の翼根部及びロータの翼溝を傷つけることなく、短時間で翼根バネを交換可能なタービン動翼の固定構造及び翼根バネの脱着方法を提供することを目的とするものである。

上述した課題を解決する本発明に係るタービン動翼の固定構造は、タービン動翼の翼根部を翼溝に嵌合して固定するタービン動翼の固定構造であって、
線状部材をコイル状に巻いて形成され、前記翼根部と前記翼溝との間の隙間内に設けられる翼根バネを備え、
前記翼根バネは、外周面が前記翼根部の先端面と前記翼溝の底面とに接触するように、前記隙間の長手方向に沿って配置され、
前記翼根バネの径方向の自然長は、前記翼根部と前記翼溝との間の隙間よりも長いことを特徴とする。
上記タービン動翼の固定構造によれば、線状部材をコイル状に巻いた翼根バネが隙間内に設けられているので、翼根バネをその長手方向に引っ張ることで、翼根バネが縮径して隙間の長さよりも短くした後に、タービン動翼及び翼根バネをそれぞれ翼溝に対して脱着するので、翼根部や翼溝に傷をつけることなく、短時間で容易に翼根バネの脱着作業を実施できる。
なお、本明細書では、翼根バネの径方向の自然長とは、荷重がかかっていないときの翼根バネの外径を意味する。

また、前記翼根バネの長手方向における中央部と該中央部の両端に位置する両端部とは、前記両端部の径方向の自然長が前記中央部の径方向の自然長よりも小さくなるように構成されていてもよい。
上記翼根バネによれば、両端部の径方向の自然長が中央部の径方向の自然長よりも小さいため、径方向の自然長の長さが長手方向の全長にわたって一様な翼根バネよりも、端部を隙間の外に取り出し易く、翼根バネを引っ張る作業を容易に実施することができる。
また、上記翼根バネによれば、両端部の径方向の自然長が中央部の径方向の自然長よりも小さいので、径方向の自然長の長さが長手方向の全長にわたって一様な翼根バネを用いた場合よりも容易に隙間内へ挿入することができる。

また、前記線状部材は、複数の線状体を撚って形成されていてもよい。
上記線状部材によれば、複数の線状体から形成されているので、線状体の撚りをほぐして線状部材をばらばらにし、翼根バネのコイル形状を変形させて翼根バネの復元力を無くすことにより、翼根バネを隙間内から引き出す際に翼根部や翼溝に傷をつけない。

また、本発明に係る翼根バネの脱着方法は、タービン動翼の翼根部と該翼根部が嵌合される翼溝との間に形成された隙間に設けられ、前記翼根部を付勢して前記翼溝に押し付ける翼根バネの脱着方法であって、
前記隙間の長手方向に沿って前記翼根バネに引張荷重を作用させて、前記長手方向と直交する方向の前記翼根バネの長さを縮径させる縮径工程と、
前記翼根バネが縮径された状態で、前記タービン動翼を前記翼溝に対して脱着するタービン動翼脱着工程と、
前記タービン動翼が取り外された状態で、前記翼根バネを前記翼溝に対して脱着する翼根バネ脱着工程と、
を備えることを特徴とする。
上記翼根バネの脱着方法によれば、隙間内に設けられている翼根バネを隙間の長手方向に引っ張ることで、隙間の長手方向と直交する方向の翼根バネの長さを縮径して隙間の長さよりも短くした後に、タービン動翼及び翼根バネをそれぞれ翼溝に対して脱着するので、翼根部や翼溝に傷をつけることなく、短時間で容易に翼根バネの脱着作業を実施できる。

また、前記タービン動翼を前記翼溝に対して脱着した後に、前記縮径された前記翼根バネに作用している前記引張荷重を解放してもよい。
上記タービン動翼を翼溝に対して脱着した後に、引張荷重を解放すると翼根バネが拡径し、タービン動翼の翼根部を付勢して翼溝に押し付けることができる。

また、本発明に係る翼根バネの脱着方法は、タービン動翼の翼根部と該翼根部が嵌合される翼溝との間に形成された隙間に設けられ、前記翼根部を付勢して前記翼溝に押し付ける翼根バネの脱着方法であって、
前記隙間の長手方向に沿って前記翼根バネに引張荷重を作用させて、前記長手方向と直交する方向の前記翼根バネの長さを縮径させる第２縮径工程と、
前記タービン動翼が前記翼溝に取り付けられた状態で、前記縮径された前記翼根バネを前記隙間に対して脱着する第２翼根バネ脱着工程と、
を備えることを特徴とする。
上記翼根バネの脱着方法によれば、隙間内に設けられている翼根バネを隙間の長手方向に引っ張ることで、隙間の長手方向と直交する方向の翼根バネの長さを縮径して隙間の長さよりも短くした後に、翼根バネを隙間に対して脱着するので、翼根部や翼溝に傷をつけることなく、短時間で容易に翼根バネの脱着作業を実施できる。

本発明によれば、タービン動翼の翼根部や翼溝を傷つけることなく翼根バネを短時間で脱着することができる。

本発明の実施形態に係るタービン動翼をタービンロータに接続した状態を示す斜視図である。 翼根バネの側面図である。 図２のＡ矢視図である。 翼根部の翼溝側先端面と翼溝の底面との間の溝隙間に翼根バネを設けた状態を示す拡大断面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 翼根バネを溝隙間内から取り外している状態を示す概略図である。 図６のＣ−Ｃ断面図である。 翼根バネを溝隙間内に取り付けている状態を示す概略図である。 タービンロータの翼溝とタービン動翼の翼根部との溝隙間に従来の翼根バネを設けた状態を示す断面図である。

以下、本発明に係る回転機械の翼根バネの実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明では、翼根バネをガスタービンに適用した場合について説明するが、これに限定されるものではなく、蒸気タービンやジェットエンジン等のタービンにも適用することができる。加えて、ガスタービンやジェットエンジンの空気圧縮機等にも適用することができる。
また、以下の実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の実施形態に係るタービン動翼をタービンロータに接続した状態を示す斜視図である。
図１に示すように、ガスタービン１のタービン動翼２０は、翼根部２１がタービンロータ１０に形成された翼溝１１に嵌合することにより、タービンロータ１０に固定されている。
タービンロータ１０の外周部には、周方向に所定の間隔で複数の翼溝１１が設けられている。各翼溝１１は、タービンロータ１０の軸方向に沿って開口されている。加えて、各翼溝１１には、タービンロータ１０の径方向に沿って凸部１２及び凹部１３が交互に複数設けられている。また、タービン動翼２０の翼根部２１には、凹部１３と係合する凸部２２と、凸部１２と係合する凹部２３とが交互に複数設けられている。
そして、翼溝１１の凸部１２に翼根部２１の凹部２３が嵌合するとともに、翼溝１１の凹部１３に翼根部２１の凸部２２が嵌合してタービン動翼２０がタービンロータ１０に接続される。
また、翼根部２１の翼溝側先端面２４と翼溝１１の底面１４との間の溝隙間には翼根バネが設けられており、この翼根バネによって翼根部２１は翼溝１１に押し付けられている。

図２は、翼根バネの側面図である。また、図３は、図２のＡ矢視図である。
図２及び図３に示すように、翼根バネ３は、線状部材をコイル状（螺旋状）に巻いて形成され、本体部１５と、端部１６Ａ、１６Ｂを有している。
本体部１５は、その径方向の自然長Ｄ_０が翼根部２１の翼溝側先端面２４と翼溝１１の底面１４との間の溝隙間の高さよりも大きくなるように形成されている。
端部１６Ａ、１６Ｂは、本体部１５の両側に延在するように設けられている。また、端部１６Ａ、１６Ｂは、その径方向の自然長Ｍ_０が本体部１５の自然長Ｄ_０よりも短くて、かつ、溝隙間の高さよりも短くなるように形成されている。
翼根バネ３の線状部材は、耐摩耗性及び耐熱性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、鋼線、銅線、チタン線等を用いることができる。
翼根バネ３の一端３４を固定して他端３５を引っ張ると、翼根バネ３はその長手方向に伸張するとともに径方向の長さが縮径する性質を有している。

図４は、翼根部２１の翼溝側先端面２４と翼溝１１の底面１４との間の溝隙間に翼根バネ３を設けた状態を示す拡大断面図である。また、図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。
図４及び図５に示すように、翼根バネ３は、溝隙間２内の長手方向に沿って設けられている。
本体部１５の径方向の自然長Ｄ_０は溝隙間の高さＨよりも長いので、本体部１５は翼根部２１の翼溝側先端面２４及び翼溝１１の底面１４に密着している。また、端部１６Ａ、１６Ｂの径方向の自然長Ｍ_０は溝隙間の高さＨよりも短いので、端部１６Ａ、１６Ｂと翼根部２１の翼溝側先端面２４との間には隙間が形成されている。このとき、翼根バネ３の本体部１５の押付力によって、翼根部２１はタービンロータ１０の径方向外方に付勢され、翼溝１１に押し付けられている。
溝隙間２の両端には、翼根バネ３の抜け出しを防止するためのキャップ４Ａ、４Ｂがそれぞれ設けられている。

次に、翼根バネ３を翼溝１１内から取り外す方法について説明する。

図６は、翼根バネ３を翼溝１１内から取り外している状態を示す概略図である。また、図７は、図６のＣ−Ｃ断面図である。
図６及び図７に示すように、まず、溝隙間２の両端に設けられているキャップ４Ａ、４Ｂを取り外す。
次に、溝隙間２内に設けられている翼根バネ３の両端３４、３５にそれぞれ治具５を掛け、両端３４、３５を引張方向（図６中の矢印方向）に引っ張る。両端３４、３５を引っ張ると、端部１６Ａ、１６Ｂが引張方向へ伸長しながらその径方向の長さＭ_１が縮径し、続いて、本体部１５が伸長しながらその径方向の長さＤ_１が縮径する。このとき、本体部１５の径方向の長さＤ_１が溝隙間の高さＨよりも短くなるまで、すなわち、翼根バネ３が翼溝側先端面２４から離間するまで翼根バネ３の両端３４、３５を引っ張る。
そして、翼根バネ３を縮径させた状態のままで、タービン動翼２０の翼根部２１を溝隙間２の長手方向へ移動させて引き抜く。
翼根部２１を移動させても、翼根バネ３の本体部１５の径方向の長さＤ_１は溝隙間２の高さＨよりも短いので、翼根バネ３に接触することはない。
その後、翼根バネ３を縮径させた状態のまま、翼根部２１が取り外された翼溝１１内から翼根バネ３を取り外す。なお、翼根バネ３の引張荷重を解放して翼根バネ３の長さを元の状態に戻し、その後、翼溝１１内から翼根バネ３を取り外してもよい。
これによって、翼根部２１及び翼溝１１を傷つけることなく、翼根バネ３を容易に取り外すことができる。

次に、翼根バネ３を翼溝１１内に取り付ける方法について説明する。

図８は、翼根バネ３を溝隙間２内に取り付けている状態を示す概略図である。
図８に示すように、まず、翼根バネ３の両端３４、３５に治具５を掛け、両端３４、３５をそれぞれ引張方向に引っ張って、翼根バネ３を縮径させる。このとき、本体部１５の径方向の長さＤ_１が溝隙間の高さＨよりも短くなるまで、両端３４、３５を引っ張る。
次に、縮径させた状態の翼根バネ３の本体部１５を翼溝１１内に設ける。また、両端３４、３５をそれぞれ翼溝１１の外に配置して、両端３４、３５間の翼根バネ３の長さが変わらないように保持する。翼溝１１内にタービン動翼２０の翼根部２１が無いので、翼根バネ３を容易に翼溝１１内に取り付けることができる。
次に、タービン動翼２０の翼根部２１を翼溝１１内に挿入して嵌合する。翼根部２１を翼溝１１内に挿入しても、翼根バネ３の径方向の長さＤ_１は溝隙間２の高さＨよりも短いので、翼根バネ３に接触することはない。
その後、翼根バネ３の引っ張り力を徐々に解放し、翼根バネ３の長手方向の長さを収縮させる。翼根バネ３が収縮すると、翼根バネ３の径方向の長さＤ_１が次第に長くなり、翼根部２１の翼溝側先端面２４をタービンロータ１０の径方向外方に付勢して翼溝１１に押し付けて固定する。
最後に、溝隙間２の両端にキャップ４Ａ、４Ｂを取り付ける。
したがって、翼根部２１及び翼溝１１を傷つけることなく、翼根バネ３を短時間で取り付けることができる。

上述したように、本実施形態における翼根バネ３の脱着方法によれば、溝隙間２内に設けられている翼根バネ３を長手方向に引っ張ることで、翼根バネ３を縮径して溝隙間２の高さＨよりも短くした後に、タービン動翼２０及び翼根バネ３をそれぞれ翼溝１１に対して脱着するので、翼根部２１や翼溝１１に傷をつけることがなく、短時間で容易に翼根バネ３の脱着作業を実施できる。

また、端部１６Ａ、１６Ｂと翼根部２１の翼溝側先端面２４との間には隙間が形成されているため、端部１６Ａ、１６Ｂをそれぞれ溝隙間２の外に取り出し易く、翼根バネ３を引っ張る作業を容易に実施することができる。

なお、本実施形態では、タービン動翼２０を嵌合していない翼溝１１に対して縮径された状態の翼根バネ３を脱着する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、タービン動翼２０を嵌合している翼溝１１の溝隙間２に対して縮径された状態の翼根バネ３を脱着してもよい。具体的には、溝隙間２内に設けられている翼根バネ３を引張方向に引っ張って径方向の長さＤ_１を縮径させて、タービン動翼２０が翼溝１１に嵌合した状態のままの溝隙間２内から翼根バネ３を引き抜いたり、溝隙間２内に翼根バネ３を挿入したりしてもよい。かかる場合によれば、翼根バネ３の本体部１５の径方向の長さＤ_１よりも端部１６Ａ、１６Ｂの径方向の長さＭ_１が短いので、翼根バネ３を溝隙間２内へ容易に挿入することができる。

なお、翼根バネ３として、１本の線状部材をコイル状に巻いたものを用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、線状部材を複数の線状体を撚り合わせて形成してもよい。線状体として、耐摩耗性及び耐熱性を有する金属線を用いるのが好ましく、例えば、鋼線、銅線、チタン線等を用いる。複数の線状体から形成された翼根バネの一端を固定して他端を引っ張ると、翼根バネはその長手方向に伸張するとともに径方向の長さＤ_１、Ｍ_１が縮径する性質を有しているため、上述した翼根バネ３と同様の脱着方法で翼溝１１内に脱着することができる。
特に、複数の線状体からなる翼根バネを翼溝１１内から取り外す場合においては、線状体の撚りをほぐして線状部材をばらばらにし、翼根バネのコイル形状を変形させて翼根バネの復元力を無くすことにより、翼根バネを翼溝１１内から取り外すことができる。

１ ガスタービン
２ 溝隙間
３ 翼根バネ
４Ａ、４Ｂ キャップ
５ 治具
１０ タービンロータ
１１ 翼溝
１２ 凸部
１３ 凹部
１４ 底面
１５ 本体部
１６Ａ 端部
１６Ｂ 端部
２０ タービン動翼
２１ 翼根部
２２ 凸部
２３ 凹部
２４ 翼溝側先端面
３１ 翼根バネ
３２Ａ 端部
３２Ｂ 端部
３３ 中間部
３４ 一端
３５ 他端
Ｈ 溝隙間の高さ
Ｄ_０ 本体部の径方向の自然長
Ｄ_１ 本体部の径方向の長さ
Ｍ_０ 端部の径方向の自然長
Ｍ_１ 端部の径方向の長さ

Claims (6)

1. タービン動翼の翼根部を翼溝に嵌合して固定するタービン動翼の固定構造であって、
   線状部材をコイル状に巻いて形成され、前記翼根部と前記翼溝との間の隙間内に設けられる翼根バネを備え、
   前記翼根バネは、外周面が前記翼根部の先端面と前記翼溝の底面とに接触するように、前記隙間の長手方向に沿って配置され、
   前記翼根バネの径方向の自然長は、前記翼根部と前記翼溝との間の隙間よりも長いことを特徴とするタービン動翼の固定構造。
2. 前記翼根バネの長手方向における中央部と該中央部の両端に位置する両端部とは、前記両端部の径方向の自然長が前記中央部の径方向の自然長よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼の固定構造。
3. 前記線状部材は、複数の線状体を撚って形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼の固定構造。
4. タービン動翼の翼根部と該翼根部が嵌合される翼溝との間に形成された隙間に設けられ、前記翼根部を付勢して前記翼溝に押し付ける翼根バネの脱着方法であって、
   前記隙間の長手方向に沿って前記翼根バネに引張荷重を作用させて、前記長手方向と直交する方向の前記翼根バネの長さを縮径させる第１縮径工程と、
   前記翼根バネが縮径された状態で、前記タービン動翼を前記翼溝に対して脱着するタービン動翼脱着工程と、
   前記タービン動翼が取り外された状態で、前記翼根バネを前記翼溝に対して脱着する第１翼根バネ脱着工程と、
   を備えることを特徴とする翼根バネの脱着方法。
5. 前記タービン動翼を前記翼溝に対して脱着した後に、前記縮径された前記翼根バネに作用している前記引張荷重を解放することを特徴とする請求項４に記載の翼根バネの脱着方法。
6. タービン動翼の翼根部と該翼根部が嵌合される翼溝との間に形成された隙間に設けられ、前記翼根部を付勢して前記翼溝に押し付ける翼根バネの脱着方法であって、
   前記隙間の長手方向に沿って前記翼根バネに引張荷重を作用させて、前記長手方向と直交する方向の前記翼根バネの長さを縮径させる第２縮径工程と、
   前記タービン動翼が前記翼溝に取り付けられた状態で、前記縮径された前記翼根バネを前記隙間に対して脱着する第２翼根バネ脱着工程と、
   を備えることを特徴とする翼根バネの脱着方法。

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