JP6150548B2 - 回転機械翼 - Google Patents

Description

本発明は、例えば蒸気タービン等に用いられる回転機械翼に関する。

従来、蒸気タービンにおいては、軽量化を図るため、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中空構造としたタービン翼が知られている。このようなタービン翼では、振動を抑制する技術として、タービン翼の振動応答レベルを低減するため板バネ部材等のダンパが用いられている（例えば、特許文献１など参照）。この場合、共振時に翼内部で翼と板バネ部材とが接触するため、双方に摩擦が生じることにより減衰効果が得られることになる。

特許文献１には、タービン翼の内部に形成される空洞部が内部に形成され、かつ空洞部と外部とを連通させるスリットが形成された静翼において、腹側部材と背側部材との間に、腹側部材と背側部材のうち少なくとも一方と摺接し、双方の少なくとも一方との間に摩擦を生じさせる波形板バネが設けられた構成について記載されている。

特開２００８−１３３８２５号公報

しかしながら、従来のタービン翼では、以下のような問題があった。
すなわち、タービンの実稼働時において、板バネ形状の初期不整によって固有振動数のばらつきが生じ、タービン翼が振動することになり、疲労破壊につながるという問題があった。
また、タービン翼の空洞部の中で、翼と板バネとが接触することにより減衰効果をもたせているが、この摩擦によって翼本体が摩耗して、その厚みが薄くなることで、振動に対する強度不足やタービン翼の固有振動数が次第に変化することによりばらつきが生じる。そのため、翼の振動応答レベルの低減効果が小さくなり、結果的に前述した減衰効果が低減することから、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、固有振動数のばらつきを低減し、且つ減衰効果を向上させることができ、翼の振動を抑制することができる回転機械翼を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る回転機械翼では、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翼本体と、前記空洞部内に配置された板バネ部材と、前記板バネ部材と各前記裏面との接触部の少なくとも一部に介在された粘弾性部材と、を備え、前記粘弾性部材は、前記板ばね部材と前記翼本体の裏面との接触部のみに部分的に配置されていることを特徴としている。

本発明では、腹側部と背側部との間に、腹側部と背側部と少なくとも一部が摺接する板バネ部材が配置されているので、翼本体が弾性変形すると、板バネ部材が腹側部と背側部のうち少なくとも一方との間で摩擦を生じることになる。この摩擦により、腹側部と背側部の間における相対的な位置変動を減衰することができる。
さらに、この摩擦減衰に加えて、腹側部と背側部の各裏面との接触部の少なくとも一部に剛性の低い粘弾性部材が介在されているので、その粘弾性部材が前記摩擦力によってせん断変形し、粘弾性部材自体に内部減衰が生じることから、固有振動数のばらつきを低減する効果が得られ、減衰効果を向上させることができる。
このように、本発明では、効果的に減衰効果を発揮することができるので、翼本体の振動強度に設計余裕を大きく取る必要がなくなるという利点がある。

また、板バネ部材と翼本体（腹側部と背側部）との接触面圧を低下させることができるので、翼本体の減肉を防ぐとともに、翼の振動特性を保持することができる。
また、粘弾性部材が摩耗した場合であっても、板バネ部材を交換する場合に比べて容易に且つ低コストで補修・交換を行うことができる。

また、本発明に係る回転機械翼では、前記板バネ部材は、粘弾性材料を挟んだ積層構造をなしていることが好ましい。

この場合には、翼本体が振動して翼の内部形状が変化したときに、板バネ部材には翼との間の摩擦減衰と、粘弾性材料による内部減衰が生じ、翼の振動応答レベルを低減させることができる。つまり、板バネ部材自体の変形に伴う内部減衰を有するので、前述した翼の減衰効果をより向上させることができる。

本発明の回転機械翼によれば、板バネ部材と翼本体との接触部の少なくとも一部に内部減衰し得る粘弾性部材を介在させて、固有振動数のばらつきを低減し、且つ減衰効果を向上させることができ、翼の振動を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態による蒸気タービンの概略構成を模式的示した図である。 図１に示す蒸気タービンを低圧最終段側から見た外観図である。 静翼（タービン翼）を背側から見た拡大図である。 タービン翼の翼形を示す断面図である。 第２の実施の形態によるタービン翼の翼形を示す断面図であって、図４に対応する図である。

以下、本発明の実施の形態による回転機械翼について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本実施の形態のタービン翼１０（回転機械翼）が適用される蒸気タービンは、発電プラント等で用いられているものである。例えば、このような蒸気プラントとしては、高圧の蒸気を発生する蒸気発生器２と、蒸気発生器２から高圧の蒸気が直接供給される高圧蒸気タービン３と、蒸気発生器２及び高圧蒸気タービン３からの蒸気の湿分を分離して加熱する湿分分離加熱器４と、湿分分離加熱器４から低圧の蒸気が供給される低圧蒸気タービン（以下、蒸気タービン１という）が設けられている。

蒸気タービン１において、湿分分離加熱器４からの蒸気は、蒸気入口１Ａに供給され、蒸気タービン１に形成されている蒸気通路１Ｂを、ロータ軸５の軸方向（図中、矢印Ａで示す）に沿って流れる。蒸気通路１Ｂには、動翼６と静翼１０（タービン翼１０）が交互に配置されており、蒸気タービン１は、静翼１０での圧力降下によって運動エネルギーを生じさせ、これを動翼６によって回転トルクに変換している。

動翼６は、ロータ軸５に結合されており、これを回転駆動する。一方、静翼１０は、図１〜図３に示すように、ロータ軸５の径方向（図中、矢印Ｒで示す）内側の端がシュラウド７に、径方向Ｒの外側の端が翼根リング８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Ｅで示す）。

動翼６と静翼１０は、一対となって一個の「段」を構成しており、蒸気タービン１には、多数の段が設けられている。これら段は、蒸気通路１Ｂを上流側から下流側に向かうに従って、動翼６及び静翼１０の翼幅（ロータ軸５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１Ｂの最も下流側にある段を「低圧最終段」という。低圧最終段の静翼１０は、上流側の段にある静翼１０に比べて、特に翼幅が長いものとなっている。低圧最終段において、静翼１０は、図１に示すように、ロータ軸５の周方向（図中、矢印Ｐ）に所定の間隔で複数配列されており、翼群を形成している。
なお、以下の説明では、静翼１０を「タービン翼１０」として説明する。

タービン翼１０は、図４に示すように、主に腹側を構成する腹側部材１１と、主に背側を構成する背側部材１２と、を有している。腹側部材１１と背側部材１２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ある。腹側部材１１は、その表面がタービン翼１０の腹面１０ａとなるよう反りが形成されている。一方、背側部材１２は、その表面がタービン翼１０の背面１０ｂとなるよう反りが形成されている。

腹側部材１１と背側部材１２は、略同一の長さに亘って翼幅方向に延びている。
なお、「翼幅方向」とは、図４に示す翼形の断面に垂直な方向であり、タービン翼１０の平均反り線（骨格線ともいう、図中、一点鎖線Ｃで示す）に直交する方向である。本実施例において「翼幅方向」は、図１に示すロータ軸５の径方向と略同一のものとなっている。

タービン翼１０は、腹側部材１１と背側部材１２を組み合わせ、前縁部１０ｃと後縁部１０ｄにおいて溶接して結合することで、その外装形状が形成されている。これにより、タービン翼１０の内部、すなわち腹側部材１１の裏面１１ａと背側部材１２の裏面１２ａとの間には、翼幅方向に沿って延びる空洞部１３が形成される。また、タービン翼１０の内部には、腹側部材１１の裏面１１ａと背側部材１２の裏面１２ａにより、翼内面（１１ａ，１２ａ）が形成されることになる。

このように本実施の形態のタービン翼１０においては、腹側部材１１が、タービン翼１０の空洞部１３より腹側の部分となる本発明の腹側部を構成し、背側部材１２が、タービン翼１０の空洞部１３より背側の部分となる本発明の背側部を構成している。
また、本発明の翼本体は、腹側部材１１と背側部材１２との各裏面１１ａ、１２ａによって空洞部１３が画成されたものより構成されている。

内部に空洞部１３を有する中空のタービン翼１０は、内部に空洞部１３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、蒸気タービン１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、タービン翼１０には弾性変形による撓みや捩れが生じ、タービン翼１０の腹側部材１１と背側部材１２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、本実施の形態によるタービン翼１０においては、空洞部１３から、翼内面（１１ａ，１２ａ）に摺接可能な摺接部材が設けられており、タービン翼１０が弾性変形すると、この摺接部材は、翼内面（１１ａ，１２ａ）との間に摩擦が生じるようにしており、以下に詳細を説明する。

本実施の形態のタービン翼１０においては、図４に示すように、上記摺接部材として、断面が波形状を呈する波形板バネ２０（板バネ部材）が、腹側部材１１と背側部材１２の間に粘弾性部材３０を介して設けられている。

波形板バネ２０は、表側の頂部２０ａ（以下、表側頂部と記す）が腹側部材１１の裏面１１ａに対して粘弾性部材３０を介在させて接している。また波形板バネ２０は、裏側の頂部２０ｂ（以下、裏側頂部と記す）が背側部材１２の裏面１２ａに対して粘弾性部材３０を介して接している。

波形板バネ２０は、長手方向（図４で紙面に直交するする方向）に延びる金属製の平らな板状の部材を、幅方向（図４で矢印Ｗで示す）に沿って山折りと谷折りが交互に連続するよう湾曲させたものである。波形板バネ２０は、複数（ここでは２箇所）の表側頂部２０ａを結ぶ包絡線が、腹側部材１１を裏面１１ａに沿うように形成されており、複数（ここでは、３箇所）の裏側頂部２０ｂを結ぶ包絡線が、背側部材１２の裏面１２ａに沿うように形成されている。波形板バネ２０は、前記長手方向が、タービン翼１０の翼幅方向となるように位置決めされて、腹側部材１１と背側部材１２との間にある空洞部１３に挿入される。

このように空洞部１３に配設された状態（初期状態）において、波形板バネ２０は、撓みにより僅かに弾性変形するように形成されている。この弾性力により、波形板バネ２０は、図４に示すように、表側頂部２０ａが腹側部材１１を裏面１１ａから押圧すると共に、裏側頂部２０ｂが背側部材１２を裏面１２ａから押圧するようになっている。つまり、波形板バネ２０は、空洞部１３に配設すると、腹側部材１１と背側部材１２とを、それぞれタービン翼１０の翼厚方向の外向きに付勢する（押し広げる）ように構成されている。

なお、「翼厚方向」とは、図４に示す翼形の断面に平行な方向であり、翼の平均反り線
（図中、一点鎖線Ｃで示す）と直交する方向を意味している。

粘弾性部材３０は、例えば、フッ素ゴム、シリコンゲル、グラファイトファイバー等の波形板バネ２０の部材よりも剛性が小さく、柔らかい材質のものが用いられており、腹側部材１１又は背側部材１２、及び波形板バネ２０のうち少なくとも一方に固着されている。なお、粘弾性部材３０は、固着されることに制限されず、固着されなくても良い。

以上のように構成されたタービン翼１０において、波形板バネ２０の表側頂部２０ａと腹側部材１１との裏面１１ａとの間、および波形板バネの裏側頂部２０ｂと背側部材１２の裏面１２ａとの間には、波形板バネ２０の撓みによる付勢力（押圧力）が作用しており、タービン翼１０が弾性変形して腹側部材１１と背側部材１２との間に相対的な位置変動が生じると、この付勢力に応じた大きさの動摩擦力が作用可能となっている。

次に、上述した構成のタービン翼１０の作用について、図面に基づいて具体的に説明する。
図１に示すように、本実施の形態では、蒸気タービン１の作動時において、その運転条件によっては、タービン翼１０（静翼）に自励振動が生じ、タービン翼１０が弾性変形することがある。例えば、腹側部材１１が後縁部１０ｄ側に弾性変形すると共に、背側部材１２が前縁部１０ｃ側に弾性変形するなどして、腹側部材１１の裏面１１ａと背側部材１２の裏面１２ａとの間には、相対的な位置変動が生じることがある。

このとき、波形板バネ２０は、表側頂部２０ａと腹側部材１１の裏面１１ａの間、および裏側頂部２０ｂと背側部材１２の裏面１２ａとの間のうち少なくとも一方との間において摺接しているので、腹側部材１１と背側部材１２の相対的な位置変動を抑制する方向に動摩擦力が生じる。この動摩擦力により、腹側部材１１と背側部材１２との間における相対的な位置変動が減衰され、タービン翼１０の弾性変形を減衰することで、タービン翼１０に生じる自励振動を抑制することができる。

さらに、本実施の形態では、この摩擦減衰に加えて、腹側部材１１と背側部材１２の各裏面との接触部の少なくとも一部に剛性の低い粘弾性部材３０が介在されているので、その粘弾性部材３０が前記摩擦力によってせん断変形し、粘弾性部材３０自体に内部減衰が生じることから、固有振動数のばらつきを低減する効果が得られ、減衰効果を向上させることができる。
このように、効果的に減衰効果を発揮することができるので、翼本体の振動強度に設計余裕を大きく取る必要がなくなるという利点がある。

また、波形板バネ２０と翼本体（腹側部材１１と背側部材１２）との接触面圧を低下させることができるので、翼本体の減肉を防ぐとともに、タービン翼１０の振動特性を保持することができる。

また、粘弾性部材３０が摩耗した場合であっても、波形板バネ２０を交換する場合に比べて容易に且つ低コストで補修・交換を行うことができる。

また、付勢部材としての波形板バネ２０の剛性の選定や、空洞部に配設した状態（初期状態）における付勢力を調節することで、腹側部材１１と背側部材１２との間における位置変動の減衰特性を、所望の特性に設定することができる。

また、本実施の形態のタービン翼１０では、翼幅方向に沿って延びる板状を呈し、撓みによる弾性力によって腹側部材１１と背側部材１２を押圧する板状バネ部材として波形板バネ２０が設けられており、この波形板バネ２０は矩形状の板状部材をプレス成形等により幅方向に湾曲させるだけで、板状部材の長手方向すなわちタービン翼１０の翼幅方向に延びる付勢部材を容易に実現することができる。

また、本実施の形態のタービン翼１０において、波形板バネ２０は、断面が波形状を呈しており、腹側部材１１と背側部材１２には、波形の頂部２０ａ、２０ｂが接している。そのため、板状バネ部材をこのような波形状とすることで、腹側部材１１と背側部材１２の双方に複数の頂部で摺接することができる。これにより、波形板バネ２０は、腹側部材１１及び／又は背側部材１２との間に良好に摩擦を生じさせることができる。

上述した本実施の形態による回転機械翼では、波形板バネ２０と翼本体（腹側部材１１背側部材１２）との接触部の少なくとも一部に内部減衰し得る粘弾性部材３０を介在させて、固有振動数のばらつきを低減し、且つ減衰効果を向上させることができ、タービン翼１０の振動を抑制することができる。

次に、本発明の回転機械翼による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
図５に示すように、第２の実施の形態によるタービン翼１０Ａ（回転機械翼）は、波形板バネ２０Ａ（板バネ部材）が粘弾性材料を挟んだ積層構造をなしている。つまり、波形板バネ２０Ａは、一対の高剛性材料層２１の間に粘弾性材料層２２が挟持され、上述の第１の実施の形態と同様に翼内面（１１ａ，１２ａ）の曲面に粘弾性部材３０を介して摺接する折り曲り構造となっている。

第２の実施の形態では、翼本体（腹側部材１１背側部材１２）が振動して翼の内部形状が変化したときに、波形板バネ２０Ａには翼との間の摩擦減衰と、粘弾性材料層２２による内部減衰が生じ、翼の振動応答レベルを低減させることができる。つまり、波形板バネ２０Ａ自体の変形に伴う内部減衰を有するので、前述した第１の実施の形態による翼の減衰効果をより向上させることができる。

以上、本発明による回転機械翼の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施の形態では、波形板バネ２０の表側頂部２０ａと裏側頂部２０ｂのすべてが粘弾性部材３０を介して内面に接するように構成されているが、これに限定されることはなく、表側頂部２０ａと裏側頂部２０ｂのうち振動が大きい必要な箇所のみに粘弾性部材３０を設けるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、蒸気タービン１の静翼（タービン翼１０）を適用対象としているが、これに限定されることはなく、回転機械翼であれば他の対象に適用することも可能である。

さらに、上述した第２の実施の形態のタービン翼１０Ａでは、一層の粘弾性材料層２２が一対の高剛性材料層２１同士の間に挟持されているが、このような積層構造に制限されることはなく、例えば複数の粘弾性材料層２２と高剛性材料層２１とが交互に積層された構造とすることも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。

１ 蒸気タービン
２ 蒸気発生器
５ ロータ軸
６ 動翼
１０、１０Ａ タービン翼、静翼（回転機械翼）
１１ 腹側部材
１１ａ 裏面
１２ 背側部材
１２ａ 裏面
１３ 空洞部
２０、２０Ａ 波形板バネ（板バネ部材）
２０ａ 表側頂部
２０ｂ 裏側頂部
２１ 高剛性材料層
２２ 粘弾性材料層
３０ 粘弾性部材

Claims (2)

1. 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翼本体と、
   前記空洞部内に配置された板バネ部材と、
   前記板バネ部材と各前記裏面との接触部の少なくとも一部に介在された粘弾性部材と、
   を備え、
   前記粘弾性部材は、前記板ばね部材と前記翼本体の裏面との接触部のみに部分的に配置されていることを特徴とする回転機械翼。
2. 前記板バネ部材は、粘弾性材料を挟んだ積層構造をなしていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械翼。

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