JP5758243B2

JP5758243B2 - 静翼及び蒸気タービン

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Publication number: JP5758243B2
Application number: JP2011194850A
Authority: JP
Inventors: 森　一石; 一石森; 大山　宏治; 宏治大山
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2015-08-05
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: JP2013057258A

Description

本発明は、蒸気タービンに用いられる静翼、及びこの静翼を備えた蒸気タービンに関する。

近年、軽量化を図るため、内部を中空構造とした静翼を備えた蒸気タービンが知られている。また、静翼の性能向上を図るため、静翼の内部と外部とを連通させるスリットを設け、静翼の表面に付着した水滴を内部に取り込んで除去する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このように内部に取り込まれた水は、静翼と結合されているシュラウドに向けて流されて排出される。

このような蒸気タービンの静翼には、その外装形状（幾何学的形状）や質量、タービン作動時における静翼周囲の環境（例えば、静翼を通過する蒸気の流速や質量）に応じて、自励振動（フラッタ）が生じることがある。特に、静翼の質量が小さい場合や、翼高さ（翼の全長）が長い場合、自励振動が生じ易くなることが知られている。さらに、内部を中空構造とした静翼（以下、「中空静翼」と称する）は、内部を中実構造とした静翼（以下、「中実静翼」と称する）に比べて軽量なものとなる。よって、中空静翼には、中実静翼に比べて自励振動が生じ易いことから、これを抑制する必要が生じる。

このような自励振動を抑制するため、静翼とシュラウドとの結合部に減衰機構（ダンパ）を設けることで、静翼に生じた振動を減衰させる技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図８は、このような減衰構造を設けた静翼の一例を示し、図８（Ａ）は静翼の要部の横断面図、図８（Ｂ）は静翼の要部の側面図である。

図において、静翼１は、主に腹側を構成する腹側部材２と、主に背側を構成する背側部材３とを有している。また、腹側部材２と背側部材３とは、それぞれ金属製の板状部材を互いに異なる反り方で湾曲させ、その両縁付近を互いに溶接により接合したものである。腹側部材２は、表面側が静翼１の腹面４をとなるように反りが形成されている。また、背側部材３は、表面側が静翼１の背面５となるように反りが形成されている。さらに、腹側部材２と背側部材３とは、その反りを異ならせることによって内部を中空構造とし、その内部に空洞部６を形成している。

空洞部６には、その中央部分を基部７ａとして腹側部材２の裏面２ａに溶接固定された弓形板バネ７が設けられている。また、空洞部６は、例えば、腹側部材２に荷形成されたスリット２ｂ，２ｃによって、静翼１の内部（空洞部６）と外部とが連通され、静翼１の表面に付着した水滴を内部に取り込んで除去するようにしている。

弓形板バネ７は、基部７ａから端部７ｂ，７ｃとの間に、腹側部材２から背側部材３に向う傾斜接続部７ｄ，７ｅを形成し、端部７ｂ，７ｃを背側部材３の裏面３ｃに当接させている。

特開平１１−３３６５０３号公報特開２００８−１３３８２５号公報

ところで、上述のような弓形板バネ７を用いた静翼１にあっては、弓形板バネ７の中央部分を基部７ａとし、その両端を背側部材３の裏面３ｃに当接させていることから、そのバネ圧は静翼１の蒸気入口側（矢印Ｑで蒸気の流入方向を示す）と出口側の両方に加わるように設定されている。なお、蒸気入口側は静翼１の整流方向上流側、蒸気出口側は静翼１の整流方向下流側となる。

一方、蒸気の通過に伴って静翼１に加わる荷重は蒸気出口側の方が大きいことから、ダンパ機能はできるだけ出口側に集中するのが望ましい。

しかしながら、上述した弓形板バネ７にあっては、静翼１の蒸気入口側と出口側の双方に略同じ面積で裏面３ｃに当接していることから、蒸気出口側を十分に減衰させることができないという問題が生じていた。また、蒸気入口側と出口側との減衰機能がアンバランスとなると、不十分な減衰に伴う振動の発生によって両端７ｂ，７ｃと裏面３ｃとの当接状態が点接触や線接触となり易く、当接面積が確保されずにさらなる振動の発生要因となるという問題が生じていた。

しかも、弓形板バネ７にあっては、両端７ｂ，７ｃの二ヶ所を裏面３ｃに当接させていることから、板バネ全体が大型化するばかりでなく、中央部分の基部７ａを含む三ヶ所を裏面２ａ，３ａに面接触させる必要が生じることと相俟って、静翼１の外装形状や質量ごとにバネ圧や形状等を変更する専用品となってしまい、共用化が困難で汎用性に劣るという問題も生じていた。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に安定して確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる静翼及び蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る静翼は、腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された静翼本体と、前記空洞部に配置されて前記裏面に沿って延びる軸線回りに捩れることによって前記各裏面にそれぞれ押圧力を付与する捩れ板状バネ部材と、を備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に安定して確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。

前記捩れ板状バネ部材は、その捩れを戻した状態で前記空洞部に配置され、該捩れに基く復元力によって前記各裏面にそれぞれ押圧力を付与することを特徴とする。

このような構成によれば、簡素な構成でバネ圧を設定することができ、そのバネ圧設定のみによって静翼の外装形状や質量への対応を可能とすることができる。

前記捩れ板状バネ部材は、その面が前記裏面に沿うように前記空洞部に配置されていることを特徴とする。

このような構成によれば、バネ圧を均等に付与することができる。

前記捻れ板状バネ部材は、前記軸線が前記静翼本体の翼高さ方向又は翼高さ方向と交差する方向に沿って配置されていることを特徴とする。

このような構成によれば、静翼の外装形状や質量への対応をより一層容易とすることができる。

本発明に係る蒸気タービンは、上記静翼が、ロータ軸の周方向に所定の間隔で配列されていることを特徴とする。

前記静翼本体には、表面側から前記空洞部の内部へと水滴を案内するスリットが形成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、静翼本体の表面に付着した水滴を空洞部に取り込んで除去することができる。

本発明の静翼及び蒸気タービンは、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に安定して確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る静翼を搭載した蒸気タービンを示し、蒸気タービンの概略構成の説明図である。本発明の一実施形態に係る蒸気タービンを示し、蒸気タービンを低圧最終段側から見た要部の外観斜視図である。本発明の一実施形態に係る静翼を示し、静翼を背側から見た拡大図である。本発明の一実施形態に係る静翼を示し、（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、（Ｂ）は静翼の正面図である。本発明の一実施形態に係る静翼に用いられる捻り板状バネ部材を示し、（Ａ）は捩れ板状バネ部材の使用状態の斜視図、（Ｂ）は捩れ板状バネ部材の捩れ状態の斜視図である。本発明の一実施形態に係る静翼に用いられる捻り板状バネ部材を示し、（Ａ）は静翼の平均反り線に沿って捻り板状バネを配置した状態の説明図、（Ｂ）は静翼の平均反り線に交差させて捻り板状バネを配置した状態の説明図である。本発明の一実施形態に係る静翼に用いられる捻り板状バネ部材の他の配置例を示し、（Ａ）は横向き状態の配置例の説明図、（Ｂ）は傾斜状態の配置例の説明図、（Ｃ）は横向きの複数配置例の説明図、（Ｄ）は傾斜状態の複数配置例の説明図である。従来の静翼を示し、（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、（Ｂ）は静翼の要部の側面図である。

次に、本発明の一実施形態に係る静翼及び蒸気タービンについて、図面を参照して説明する。尚、以下に示す実施例は本発明の静翼及び蒸気タービンにおける好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は本発明の一実施形態に係る静翼を搭載した蒸気タービンの概略構成を模式的に示す説明図、図２は本発明の一実施形態を示す蒸気タービンを低圧最終段側から見た要部の外観斜視図、図３は本発明の一実施形態を示す静翼を背側から見た拡大図、図４は本発明の一実施形態に係る静翼を示し、図４（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、図４（Ｂ）は静翼の正面図、図５は本発明の一実施形態に係る静翼に用いられる捻り板状バネ部材を示し、図５（Ａ）は捩れ板状バネ部材の使用状態の斜視図、図５（Ｂ）は捩れ板状バネ部材の捩れ状態の斜視図、図６は本発明の一実施形態に係る静翼に用いられる捻り板状バネ部材を示し、図６（Ａ）は静翼の平均反り線に沿って捻り板状バネを配置した状態の説明図、図６（Ｂ）は静翼の平均反り線に交差させて捻り板状バネを配置した状態の説明図である。

図１に示すように、本実施例に係る蒸気タービン１０は、例えば、原子力発電プラント等で用いられる低圧蒸気タービンであり、高圧の蒸気を発生する蒸気発生器１１と、蒸気発生器１１から高圧の蒸気が直接供給される高圧蒸気タービン１２と、蒸気発生器１１及び高圧蒸気タービン１２からの蒸気の湿分を分離して加熱する湿分分離加熱器１３と、湿分分離加熱器１３から低圧の蒸気が供給される低圧蒸気タービン１０が設けられている。以降、本実施の形態では、蒸気タービン１０として湿分分離加熱器１３から蒸気の供給を受ける低圧蒸気タービン１０について説明する。

低圧蒸気タービン１０において、湿分分離加熱器１３からの蒸気は、蒸気入口１４に供給され、低圧蒸気タービン１０に形成されている蒸気通路１５を、ロータ軸１６の軸方向（図中、矢印Ａで示す）に沿って流れる。蒸気通路１５には、動翼１７と静翼１８が交互に配置されており、低圧蒸気タービン１０は、静翼１８での圧力降下によって運動エネルギを生じさせ、これを動翼１７によって回転トルクに変換している。これにより、動翼１７を結合したロータ軸１６は、動翼１７で変換した回転トルクによって回転する。

静翼１８は、図１〜図３に示すように、ロータ軸１６の径方向（図中、矢印Ｒで示す）の内側端１８ａがシュラウド１９に、径方向の外側端１８ｂが翼根リング２０に、それぞれ溶接により結合されている（図３に溶接部を符号２１で示す）。

動翼１７と静翼１８とは、図１に示すように、一対となって一つの段２２が必要に応じた数だけ配置されている。また、段１８は、蒸気通路１５を上流側から下流側に向かうに従って、動翼１７及び静翼１８の翼高さ（ロータ軸１６に略直交する方向の翼の長さ）が長くなるよう構成されている。蒸気通路１５の最も下流側にある段２２を「低圧最終段」という。低圧最終段２２の静翼１８は、上流側の段２２にある静翼１８に比べて、特に翼高さが長いものとなっている。低圧最終段２２において、静翼１８は、図２及び図３に示すように、ロータ軸１６の周方向（図中、矢印Ｑで示す）に所定の間隔で複数配列されており、翼群２３を形成している。

静翼１８は、図４（Ａ）に示すように、主に腹側を構成する腹側部材２４と、主に背側を構成する背側部材２５と、を備えている。腹側部材２４と背側部材２５とは、それぞれ金属製の板状部材を、互いに異なる反り方で湾曲させたもので、それぞれ金属製の板状部材を互いに異なる反り方で湾曲させ、その両縁付近を縁部に沿って互いに溶接により接合することで、その静翼本体としての外装形状が形成される。なお、本実施の形態においては、蒸気の入口側に位置する前縁部分（矢印Ｐで蒸気の流入方向を示す）はＴＩＧ溶接（符合２６）、蒸気の出口側に位置する後縁部分はレーザ溶接（符合２７）によって接合されている。腹側部材２４は、表面側が静翼１８の腹面２８をとなるように反りが形成されている。また、背側部材２５は、表面側が静翼１８の背面２９となるように反りが形成されている。さらに、腹側部材２４と背側部材２５とは、その反りの曲率を異ならせることによって内部を中空構造として空洞部３０を形成している。すなわち、腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとの間には、翼高さ方向に沿って延びる空洞部３０が形成される。また、静翼１８の内部には、腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとにより、翼内面が形成されることになる。なお、蒸気入口側は静翼１８の整流方向上流側、蒸気出口側は静翼１８の整流方向下流側となる。

腹側部材２４と背側部材２５とは、略同一の長さにわたって翼高さ方向に沿って延びている。また、腹側部材２４には、前縁側のスリット２４ａと後縁側のスリット２４ｂとが径方向Ｒに沿って複数形成されている。
なお、「翼高さ方向」とは、図４（Ａ）に示す翼形断面（ロータ軸１６の軸線と平行な横断面）方向に垂直な方向であり、翼型中心線Ｃに直交する方向である。また、スリット２４ａ，２４ｂと略同様のスリットを背側部材２５にも形成することができる。さらに、スリット２４ａ，２４ｂの形状や長さ等は任意である。

このように、本実施例の静翼１８においては、腹側部材２４が静翼１８の空洞部３０よりも腹側を構成し、背側部材２５が静翼１８の空洞部３０よりも背側を構成している。

静翼１８の内部に形成された空洞部３０は、腹側部材２４に形成されているスリット２４ａ，２４ｂを介して、静翼１８の外部と連通している。空洞部３０とスリット２４ａ，２４ｂが形成された静翼１８において、腹面２８に付着している水は、例えば、蒸気圧力を受けて腹面２８を移動し、図４（Ａ）に矢印Ｗで示すように、スリット２４ａ，２４ｂから空洞部３０に流入可能となっている。

空洞部３０に取り込まれた水は、シュラウド１９に向けて流れる。このシュラウド１９には、図３に示すように、静翼１８の空洞部３０と連通する開口３１が形成されており、空洞部３０の水は、矢印Ｅで示すように、この開口３１から排出可能となっている。

このように、内部に空洞部３０を有する中空の静翼１８は、内部に空洞部３０を有しない中実静翼に比べて固有振動数が比較的小さなものとなっており、低圧蒸気タービン１０の作動時において、自励振動（フラッタ）が生じ易くなっている。自励振動が生じると、静翼１８には弾性変形による撓みや捩れが生じ、静翼１８の腹側部材２４と背側部材２５との間には、相対的な位置変動が生じる。

この相対的な位置変動を減衰するため、本実施の形態に係る静翼１８においては、空洞部３０に捩れ板状バネ部材３２が設けられており、静翼１８が弾性変形すると、この捩れ板状バネ部材３２は、図４（Ａ）に示すように、翼高さ方向に沿って配置され、捩れ復帰力によるバネ圧によって自励振動を抑制する。

具体的には、捩れ板状バネ部材３２は、図５（Ａ）に示すように、金属板からなる板バネ本体３３と、板バネ本体３３の両端に設けられた被支持部３４，３５と、を備え、図５（Ｂ）に示すように、軸線回りに板バネ本体３３を捻り、その捻りよって発生したバネ圧に抗して捻り前の状態で空洞部３０に配置することにより、この捻り方向への復帰力（捻り復帰力）により静翼１８にバネ圧を付与することができる。

シュラウド１９及び翼根リング２０には、被支持部３４，３５を挟持する各一対の支持部３６，３７が設けられている。なお、支持部３６，３７は腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとに形成しても良い。

捩れ板状バネ部材３２のバネ圧により、静翼１８が弾性変形して腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとの間に相対的な位置変動が生じると、このバネ圧に応じた大きさの動摩擦力が作用可能となっている。

低圧蒸気タービン１０の作動時において、その運転条件によっては、静翼１８に自励振動が生じ、静翼１８が弾性変形しようとすることがある。

このとき、捩れ板状バネ部材３２は、腹側部材２４と背側部材２５との相対的な位置変動を抑制する方向にバネ圧が生じる。このバネ圧により、腹側部材２４と背側部材２５との間における相対的な位置変動が減衰される。この結果、静翼１８に生じる自励振動を抑制することができる。

ところで、上記実施の形態では、捩れ板状バネ部材３２は、図４（Ａ）及び図６（Ａ）に示すように、その板バネ本体３３を腹側部材２４（背側部材２５）の裏面２４ｃに沿うように（翼型中心線Ｃに沿うように）配置した例を示したが、例えば、図６（Ｂ）に示すように、翼型中心線Ｃと直交する方向に配置しても良い。また、図７（Ａ）に示すように、翼型中心線Ｃに沿う方向を長手方向とする横向き、図７（Ｂ）に示すように、傾斜状態に配置しても良い。さらに、図７（Ｃ）に示すように、横向き状態で上下二段として配置しても良いし、図７（Ｄ）に示すように、交差する方向に傾斜状態に複数配置しても良い。

このように、金属板からなる板バネ本体３３と、板バネ本体３３の両端に設けられた被支持部３４，３５と、を備え、図５（Ｂ）に示すように、軸線回りに板バネ本体３３を捻り、その捻りよって発生したバネ圧に抗して捻り前の状態で空洞部３０に配置することにより、この捻り方向への復帰力（捻り復帰力）により静翼１８にバネ圧を付与することができる。

また、腹側部材２４と背側部材２５との各裏面２４ｃ，２５ａによって空洞部３０が画成され、空洞部３０に配置されて裏面２４ｃ，２５ａに沿って延びる軸線回りに捩れることによって各裏面２４ｃ，２５ａにそれぞれ押圧力を付与する捻れ板状バネ部材３２と、を備えていることにより、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に安定して確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。

さらに、捻れ板状バネ部材３２は、その捩れを戻した状態で空洞部３０に配置され、その復帰力によって各裏面２４ｃ，２５ａにそれぞれ押圧力を付与することにより、簡素な構成でバネ圧を設定することができ、そのバネ圧設定のみによって静翼１８の外装形状や質量への対応を可能とすることができる。

また、捻れ板状バネ部材３２は、その板バネ本体３３の面が裏面２４ｃ，２５ａに沿うように空洞部３０に配置されていることにより、バネ圧を均等に付与することができる。

捻れ板状バネ部材３２は、軸線が静翼１８の翼高さ方向又は翼高さ方向と交差する方向に沿って配置されていることにより、静翼１８の外装形状や質量への対応をより一層容易とすることができる。

１０…蒸気タービン
１８…静翼
２４…腹側部材（腹側部）
２４ａ…スリット
２４ｂ…スリット
２４ｃ…裏面
２５…背側部材（背側部）
２５ａ…裏面
３０…空洞部
３２…捩れ板状バネ部材

Claims

腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された静翼本体と、
前記空洞部に配置されて前記裏面に沿って延びる軸線回りに捩れることによって前記各裏面にそれぞれ押圧力を付与する捩れ板状バネ部材とを備えていることを特徴とする静翼。
前記捩れ板状バネ部材は、その捩れを戻した状態で前記空洞部に配置され、該捩れに基く復元力によって前記各裏面にそれぞれ押圧力を付与することを特徴とする請求項１に記載の静翼。
前記捩れ板状バネ部材は、その面が前記裏面に沿うように前記空洞部に配置されている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静翼。
前記捻れ板状バネ部材は、前記軸線が前記静翼本体の翼高さ方向又は翼高さ方向と交差する方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の静翼。
請求項１から４のいずれか一項に記載の静翼が、ロータ軸の周方向に所定の間隔で配列されていることを特徴とする蒸気タービン。
前記静翼本体には、表面側から前記空洞部の内部へと水滴を案内するスリットが形成されていることを特徴とする請求項５に記載の蒸気タービン。