JP7352534B2 - 蒸気タービン動翼、蒸気タービン動翼の製造方法及び改造方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン動翼、蒸気タービン動翼の製造方法及び改造方法に関する。

蒸気タービンでは、高圧段から低圧段に流れる蒸気のエネルギーが機械仕事に変換される過程で蒸気が減温し、蒸気の一部が凝縮して微細水滴が発生する。そのため、蒸気タービンを駆動する蒸気には気相の他、液相つまり微細水滴が存在しており、低圧段ほど気相に同伴する微細水滴が増加する。低圧段においては微細水滴が静翼の翼面に付着し、これら微細水滴が気相に煽られて翼面を下流側に移動する過程で吸着し合って粗大化し、静翼後縁辺りに到達すると翼面から離脱して再び気相に同伴する。この静翼を離脱した水滴の一部が、下流側の動翼の翼面に付着する。動翼の翼面に付着した水滴は、動翼の回転に伴う遠心力を受けて動翼の翼面上を翼先端側に移動する過程で更に粗大化し、タービン効率を低下させたり飛散してエロージョンを発生させたりする。
水滴を下流側に逃がす、或いは途中で剥がすことでエロージョンを抑制したい。

それに対し、動翼の背側面及び腹側面にそれぞれ前縁付近から後縁付近まで延びる溝を設け、動翼翼面上を翼先端側に移動する水滴を溝によって翼後縁側に案内する構成が特許文献１に開示されている。

特開２０１６－１６６５６９号公報

近年は蒸気タービンの回転数が高速化しており、特に翼長の長い動翼の設計は極めてシビアになってきている。特許文献１では、溝の具体的構成は記載されていないが、動翼の翼面への溝の追加工は翼強度に与える影響が大きく、近年の動翼、特に翼長の長い動翼への適用は難しいのが実情である。

本発明の目的は、動翼の強度への影響を抑えつつ、動翼翼面上を移動する水滴を翼後縁に向かって効果的に導くことができる蒸気タービン動翼、蒸気タービン動翼の製造方法及び改造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、隣接翼と連結するためのタイボスを翼長方向の中間位置に持つ蒸気タービン動翼であって、タービンの回転中心線との直交面で切断した断面で見て部分的に翼面が凹んでおり、この凹んだ部分的翼面である凹状翼面が、少なくとも腹側の領域において前記タイボスの翼根元側を通って翼コード長方向に帯状に延びる翼型をしており、前記回転中心線との直交面で切断した断面において、前記凹状翼面の開口長をＬ、深さをＤ、アスペクト比をＬ／Ｄと定義した場合、２＜Ｌ／Ｄ＜１００であり、帯状に延びる前記凹状翼面の始端が背側面に、終端が腹側面にそれぞれ位置しており、前記凹状翼面が、前記始端から前記終端まで翼前縁を経由して連続し、前記始端から前記終端まで翼根元からの距離が単調増加するように延びていることを特徴とする蒸気タービン動翼を提供する。

本発明によれば、動翼の強度への影響を抑えつつ、動翼翼面上を移動する水滴を翼後縁に向かって効果的に導くことができる。

本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼が使用される蒸気タービン設備の一例を模式に表した図 本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼が使用される蒸気タービンの断面図であってタービンロータの回転中心線を通る平面で切断した断面図 本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼の単体の外観構成を表す斜視図 本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼が構成する翼列の一部を抜き出して表す斜視図 図２中の最終段の動翼の模式図 図５中のａ－ａ線、ｂ－ｂ線、ｃ－ｃ線、ｄ－ｄ線による動翼の断面（翼型）を一図に表した図 図５中のVII部の拡大図 図７中のVIII－VIII線による凹状翼面の断面図 第１変形例に係る蒸気タービン動翼の凹状翼面の断面図 第２変形例に係る蒸気タービン動翼の凹状翼面の断面図 第３変形例に係る蒸気タービン動翼の凹状翼面の断面図

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

－蒸気タービン発電設備－
図１は本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼が使用される蒸気タービン設備の一例を模式に表した図である。同図に示した蒸気タービン発電設備１００は、蒸気発生源１、高圧タービン３、中圧タービン６、低圧タービン９、復水器１１及び負荷機器１３を備えている。

蒸気発生源１はボイラであり、復水器１１から供給された水を加熱し、高温高圧の蒸気を発生させる。蒸気発生源１で発生した蒸気は、主蒸気管２を介して高圧タービン３に導かれ、高圧タービン３を駆動する。高圧タービン３を駆動して減温減圧した蒸気は、高圧タービン排気管４を介して蒸気発生源１に導かれ、再度加熱されて再熱蒸気となる。

蒸気発生源１で生成された再熱蒸気は、再熱蒸気管５を介して中圧タービン６に導かれ、中圧タービン６を駆動する。中圧タービン６を駆動して減温減圧した蒸気は、中圧タービン排気管７を介して低圧タービン９に導かれ、低圧タービン９を駆動する。低圧タービン９を駆動して更に減温減圧した蒸気は、ディフューザを介して復水器１１に導かれる。復水器１１は冷却水配管（不図示）を備えており、復水器１１に導かれた蒸気と冷却水配管内を流れる冷却水とを熱交換させて蒸気を凝縮する。復水器１１で凝縮された水は給水ポンプＰにより再び蒸気発生源１に送られる。

高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９のタービンロータ１２は同軸に連結されている。負荷機器１３は代表的には発電機であり、タービンロータ１２に連結されて、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９の回転出力により駆動される。

なお、負荷機器１３には、発電機に代えてポンプが採用される場合もある。また、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９を備えた構成を例示したが、例えば中圧タービン６を省略した構成としても良い。高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９で同一の負荷機器１３を駆動する構成を例示したが、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９でそれぞれ異なる負荷機器を駆動する構成であっても良い。高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９を２つのグループ（つまり２つのタービンと１つのタービン）に分け、グループ毎に各１つの負荷機器を駆動する構成としても良い。更に、蒸気発生源１としてボイラを備える構成を例示したが、ガスタービンの排熱を利用する廃熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を蒸気発生源１として採用する構成としても良い。つまりコンバインドサイクル発電設備にも後述する蒸気タービン動翼を用いることができる。地熱発電や原子力発電に用いる蒸気タービンにも後述する蒸気タービン動翼は適用できる。

－蒸気タービン－
図２はタービンロータ１２の回転中心線を通る平面で切断した低圧タービン９の断面図、つまり子午面による断面図である。同図に示したように、低圧タービン９は、上記タービンロータ１２と、これを覆う静止体１５とを備えている。静止体１５の出口にはディフューザが配置されている。なお、本願明細書では、タービンロータ１２の回転方向を「周方向」、タービンロータ１２の回転中心線Ｃの伸びる方向を「軸方向」、タービンロータ１２の半径方向を「径方向」と定義する。

タービンロータ１２は、ロータディスク１３ａ－１３ｄ及び動翼１４ａ－１４ｄを含んで構成されている。ロータディスク１３ａ－１３ｄは円盤状の部材であり、軸方向に重ねて配置されている。ロータディスク１３ａ－１３ｄはスペーサと交互に重ねて配置される場合もある。動翼１４ｄはロータディスク１３ｄの外周面に周方向に等間隔で複数設けられている。同様に動翼１４ａ－１４ｃはそれぞれロータディスク１３ａ－１３ｃの外周面に周方向に等間隔で複数設けられている。動翼１４ａ－１４ｄはロータディスク１３ａ－１３ｄの外周面から径方向外側に伸び、筒状の作動流体流路Ｆに臨んでいる。作動流体流路Ｆを流れる蒸気Ｓのエネルギーが動翼１４ａ－１４ｄにより機械仕事に変換され、回転中心線Ｃを中心にタービンロータ１２が一体に回転する。

静止体１５は、ケーシング１６及びダイヤフラム１７ａ－１７ｄを含んで構成されている。ケーシング１６は低圧タービン９の外周壁を形成する筒状の部材である。このケーシング１６の内周部にダイヤフラム１７ａ－１７ｄが取り付けられている。ダイヤフラム１７ａ－１７ｄは静翼の翼列を構成するセグメントであり、それぞれダイヤフラム外輪１８、ダイヤフラム内輪１９及び複数の静翼２０を含んで一体に形成されている。ダイヤフラム１７ａ－１７ｄがそれぞれ周方向に複数配置されて環状をなし、複数段（図２では４段）の静翼２０の翼列を構成する。

ダイヤフラム外輪１８はその内周面で作動流体流路Ｆの外周を画定する部材であり、ケーシング１６の内周面に支持されている。ダイヤフラム外輪１８は周方向に複数配置されてリングを形成する。本実施形態において、ダイヤフラム外輪１８の内周面は下流側（図２中の右方）に向かって径方向外側に傾斜している。ダイヤフラム内輪１９はその外周面で作動流体流路Ｆの内周を画定する部材であり、ダイヤフラム外輪１８に対して径方向内側に配置されている。ダイヤフラム内輪１９は周方向に複数配置されてリングを形成する。静翼２０は、各段落において周方向に複数並べて配置され、径方向に延びてダイヤフラム内輪１９及びダイヤフラム外輪１８を連結している。

なお、静翼２０とその下流側に隣接する動翼とで１つの段落を構成する。本実施形態では、ダイヤフラム１７ａの静翼２０と動翼１４ａとが第１段落（初段）を構成する。同様に、ダイヤフラム１７ｂの静翼２０と動翼１４ｂが第２段落、ダイヤフラム１７ｃの静翼２０と動翼１４ｃが第３段落、ダイヤフラム１７ｄの静翼２０と動翼１４ｄが第４段落（最終段）を構成する。

－蒸気タービン動翼－
図３は動翼単体の外観構成を表す斜視図、図４は複数の動翼が構成する翼列の一部を抜き出して表す斜視図である。これらの図に表した動翼はいわゆる長翼と呼ばれるもので、同様の構成の動翼が低圧タービン９の最終段若しくは最終の複数段で使用され得る。近年の長翼においては動翼先端周速マッハ数が１．０を超える場合が多い。図３及び図４に示した動翼は最終段の動翼１４ｄとして説明するが、他段落で使用する長翼も同様の構成である。

図３及び図４に示した動翼１４ｄは、プラットフォーム２５、翼型部（プロファイル部）２６、インテグラルカバー２７及びタイボス２８をそれぞれ備えている。

プラットフォーム２５は、翼型部２６の根元部（径方向内側の部分）２９を支持しており、図示していないが翼型部２６と反対側（つまり径方向の内側）に突出した植え込み部（不図示）を備えている。この植え込み部をロータディスク１３ｄ（図２）の外周面に形成された溝（不図示）に嵌め合わせることで、動翼１４ｄがロータディスク１３ｄに固定される。

翼型部２６は、蒸気のエネルギーを機械仕事に変換する部分であり、プラットフォーム２５の外周面から径方向外側に延びている。翼型部２６は、本実施形態では径方向外側から見て右回りに捩れているが、反対方向に捩れた構成とする場合もある。

インテグラルカバー２７は周方向に隣接する動翼１４ｄ同士の連結部の１つであり、翼型部２６の先端部（径方向外側の端部）３０に設けられている。インテグラルカバー２７の径方向内側を向いた面は作動流体流路Ｆの外周を画定している。動翼１４ｄが回転すると遠心力を受けて翼型部２６が捩れを戻す方向に捩れることから、周方向に隣接する動翼１４ｄのインテグラルカバー２７同士が翼型部２６の捩り戻りにより接触し、これにより隣接翼同士が連結する（図４）。

タイボス２８は周方向に隣接する動翼１４ｄ同士の連結部の１つであり、翼型部２６の根元部２９と先端部３０の間、本実施形態では翼型部２６の翼長方向（径方向）における中間部に設けられている。タイボス２８は、動翼１４ｄの背側面Ｓ１及び腹側面Ｓ２にそれぞれ翼面から突出して設けられている。インテグラルカバー２７と同じく、動翼１４ｄが回転すると周方向に隣接する動翼１４ｄの背腹のタイボス２８同士が翼型部２６の捩り戻りにより接触し、これにより隣接翼同士が連結する（図４）。図３及び図４ではタイボス２８が翼型部２６の翼長方向の中央部に設置された場合を例示したが、翼型部２６のねじり剛性等に応じてタイボス２８を翼長方向における位置は変更され得る。

－翼型－
図５は図２中の最終段の動翼の翼型部の模式図、図６は図５中のａ－ａ線、ｂ－ｂ線、ｃ－ｃ線、ｄ－ｄ線による動翼の断面（翼型）を一図に表した図である。図７は図５中のVII部の拡大図、図８は図７中のVIII－VIII線による凹状翼面の断面図である。これらの図では代表して動翼１４ｄを示しているが、最終段以外にも長翼が用いられる場合、最終段の動翼１４ｄに限らず、最終の複数段の動翼（長翼）にも同様の構成が適用され得る。

動翼１４ａ－１４ｄは、プレス成型又は鋳造成型した素材（不図示）から機械加工により削り出して高精度に製作される。従って、素材の翼型部には全面に数ｍｍの削り代が確保される。本実施形態において、最終段の動翼１４ｄ若しくは最終の複数段の動翼（長翼）は、図８に示したようにタービンロータ１２の回転中心線Ｃとの直交面で切断した断面で見て部分的に翼面が凹んだ翼型をしている。以下、この凹んだ部分的翼面を凹状翼面Ｓ３と称する。動翼１４ｄは凹状翼面Ｓ３を織り込んだ翼型、換言すれば翼長方向における位置との関係で翼面の曲率を部分的に変えて（或いは変曲させて）凹状翼面Ｓ３を形作った翼型をしている。

動翼１４ｄの翼型部は凹状翼面Ｓ３を含めて削り代の機械加工により素材から削り出される。つまり、背側面Ｓ１又は腹側面Ｓ２からの凹状翼面Ｓ３の最深部の深さは、機械加工による素材の削り代以下、例えば２ｍｍ程度に制限してある。言い換えれば、凹状翼面Ｓ３は翼型のプロファイル調整の範囲でデザインされている。凹状翼面Ｓ３を除く背側面Ｓ１及び腹側面Ｓ２（以下、背側面Ｓ１又は腹側面Ｓ２と記載した場合には凹状翼面Ｓ３を除く翼面を意図する）は、動翼の強度と質量分布のバランスを考慮しつつ空力性能を重視して設計されている。それに対し、凹状翼面Ｓ３は、翼面上の水滴の誘導機能を確保しつつ、動翼の強度、質量分布、空力性能のバランスを考慮して設計されている。

図５に示したように、凹状翼面Ｓ３は動翼における翼長方向（同図中の上下方向）の中間位置に位置しており、背側及び腹側のタイボス２８の翼根元側を通って動翼のコード長方向に帯状に延びている。同図に示した通り、凹状翼面Ｓ３の始端Ｅ１は動翼の背側面Ｓ１に、終端Ｅ２は動翼の腹側面Ｓ２に位置している。本例では、凹状翼面Ｓ３の始端Ｅ１は、動翼の背側面Ｓ１におけるコード長方向の中間位置に位置している。凹状翼面Ｓ３の終端Ｅ２は腹側面Ｓ２の後縁側の領域に位置し、動翼の後縁から一定距離だけ離れている。凹状翼面Ｓ３は、これら始端Ｅ１から終端Ｅ２まで動翼の翼前縁Ｅ３を経由して連続している。径方向から見て動翼の翼面に凹状翼面Ｓ３が形成されている範囲は始端Ｅ１から終端Ｅ２までの領域のみであり、背側面Ｓ１における始端Ｅ１よりも後縁側の領域、腹側面Ｓ２における終端Ｅ２よりも後縁側の領域に、凹状翼面は存在していない。

図５に示したように、凹状翼面Ｓ３は、始端Ｅ１から終端Ｅ２まで翼根元（言い換えればロータディスク１３ｄ（図２））からの距離が単調増加するように延びており、本実施形態では回転中心線Ｃに対して一様に傾斜している。従って、動翼の背側において凹状翼面Ｓ３は前縁に向かって径方向外側に傾斜しており（図５中の破線）、動翼の腹側において凹状翼面Ｓ３は後縁に向かって径方向外側に傾斜している（図５中の実線）。翼長方向の中間部において、腹側面Ｓ２のプロファイル形状は、図６に示したように、断面位置が翼先端に近付くにつれて凹状翼面Ｓ３の位置が翼前縁側から翼後縁側に連続的に移動するように設定されている。反対に、翼長方向の中間部において、背側面Ｓ１のプロファイル形状は、断面位置が翼先端に近付くにつれて凹状翼面Ｓ３の位置が翼後縁側から翼前縁側に連続的に移動するように設定されている。凹状翼面Ｓ３は一続きであるため、図５に示した通り、凹状翼面Ｓ３の背側部分の存在領域は凹状翼面Ｓ３の腹側部分の存在領域よりも翼根元側である。

また、図５に示したように、翼長方向にとった凹状翼面Ｓ３の開口長Ｌ（図８）は同方向に取ったタイボス２８の幅よりも小さく設定されている。凹状翼面Ｓ３は帯状の極浅いディンプルであり、翼面（背側面Ｓ１又は腹側面Ｓ２）の法線方向に取った凹状翼面Ｓ３の深さＤは凹状翼面Ｓ３の開口長Ｌよりも更に小さい（図８）。なお、本実施形態においては、凹状翼面Ｓ３の最深部は翼根元側にオフセットしており、凹状翼面Ｓ３における翼先端側の部分の平均曲率に対して翼根元側の部分の平均曲率が大きくしてある。

回転中心線Ｃとの特定の直交面で切断した動翼の断面において、凹状翼面Ｓ３の開口長Ｌと深さＤとのアスペクト比をＬ／Ｄと定義した場合、例えばＬ／Ｄ＞２、現実的には２＜Ｌ／Ｄ＜１００の範囲で凹状翼面Ｓ３の断面形状を設定することができる。「特定の直交面」は、凹状翼面Ｓ３の始端Ｅ１及び終端Ｅ２を除いて、例えば開口長Ｌが最小となる平面であるとする。一例として、深さＤが０．３ｍｍ程度でアスペクト比Ｌ／Ｄを１０以上（開口長Ｌは例えば３－１０ｍｍ程度）に設定することができる。

本実施形態において、凹状翼面Ｓ３に作用する応力の変化を抑えるため、図８に示したように回転中心線Ｃとの直交面で切断した断面で見て、凹状翼面Ｓ３は断面が緩やかな曲面で形成されて鋭角のエッジのない形状をしている。図８では凹状翼面Ｓ３は鈍角のエッジを持つが、全くエッジのない断面形状とすることもできる。ここで、凹状翼面Ｓ３の断面に鈍角のエッジを設ける場合、前述した特定の直交面で切断した断面において、凹状翼面Ｓ３のエッジ（開口長方向の端部）を跨いで近接する２点の法線ｌ１，ｌ２のなす角度をθと定義する。この場合、角度θの最大値（２点間の距離を０に近付ける場合の極限値）は１度から６０度の間に納まるように構成する。但し、このような鈍角のエッジであっても、応力集中を更に抑えるために面取りする場合がある。

－蒸気タービン動翼の製造－
前述した通り、最終段の動翼１４ｄ若しくは最終の複数段の動翼は、プレス加工或いは鋳造により成形した素材から機械加工（例えばエンドミル加工）により削り出して成形する。同一の機械加工工程において、背側面Ｓ１、腹側面Ｓ２及び凹状翼面Ｓ３がまとめて形成される。次に、機械加工により削り出した動翼の少なくとも翼型部にショットピーニングを施し、動翼の表面の加工硬化を図り、圧縮残留応力の付与により、疲労強度、耐摩耗性、耐応力腐食割れ性を向上させる。

－蒸気タービン動翼の改造－
本実施形態に係る凹状翼面Ｓ３を持った蒸気タービン動翼は、翼長方向の中間位置にタイボルトを持った既存の蒸気タービンをベースとして、この既存の蒸気タービン動翼に凹状翼面Ｓ３を機械加工で形成して改造することによっても製造できる。この場合においても、凹状翼面Ｓ３を追加工した後の動翼の少なくとも翼型部にショットピーニングを施すことができる。

－水滴の挙動－
低圧タービン９の最終段を例に挙げて説明すると、最終段の静翼２０の翼面で成長し静翼２０から離脱した粗大水滴の一部は、動翼１４ｄの背側面Ｓ１における前縁付近に付着する。また、こうした粗大水滴とは別に、静翼に付着することなく気相に同伴して隣接する静翼間を通過した微細水滴の一部が、動翼１４ｄの背側面Ｓ１及び腹側面Ｓ２に慣性衝突して付着する。腹側面Ｓ２に付着した水滴には、タービンロータ１２の回転に伴う慣性力が腹側面Ｓ２から引き離す向きに作用するが、表面張力により腹側面Ｓ２に張り付いて水滴は翼面上に止まる。タイボス２８よりも根元側で背側面Ｓ１又は腹側面Ｓ２に付着した水滴は、タービンロータ１２の回転に伴う遠心力を受けて翼先端に向かって移動し、翼長方向の中間部で凹状翼面Ｓ３に到達する。

ここで、翼面上の水滴には、蒸気Ｓの気相によるせん断力の他、タービンロータ１２の回転に伴う遠心力と表面張力との合力が作用する。動翼は金属製で翼面は親水性であるため、水滴には金属表面に対して大きな表面張力が作用する。凹状翼面Ｓ３は翼面の凹みであるため、凹状翼面Ｓ３に到達した水滴に作用する表面張力（翼面の法線方向に作用する力）には、翼根元側に向かう方向成分が生じる（図８）。加えて、凹状翼面Ｓ３は回転中心線Ｃに対して傾斜して帯状に延びるため、凹状翼面Ｓ３上で水滴に作用する表面張力には、凹状翼面Ｓ３の終端Ｅ２に向かう成分も含まれる（図７）。そのため、凹状翼面Ｓ３に到達した水滴に作用する表面張力と遠心力との合力に、凹状翼面Ｓ３に沿った方向成分が生じる（図７）。従って、翼根元側において動翼の翼面に付着した水滴は、凹状翼面Ｓ３に到達すると凹状翼面Ｓ３の延びる方向に転向し、凹状翼面Ｓ３に案内されて終端Ｅ２に誘導される。凹状翼面Ｓ３の終端Ｅ２に到達した水滴は蒸気Ｓの気相のせん断力により翼後縁付近で腹側面Ｓ２から離脱し、翼先端に到達することなく翼面から排除される。

なお、凹状翼面Ｓ３に到達しても一部の水滴は翼先端に向かう可能性がある。しかし、凹状翼面Ｓ３は図８に示したように曲面状の凹みであるため、凹状翼面Ｓ３の内部から翼先端に向かう際に翼断面の内側から外側（同図では右方向）に向かう速度成分が水滴に付与され、翼面から離脱（剥離）する。特に腹側においては、前述した通り、タービンロータ１２の回転に伴って腹側面Ｓ２から離れる方向の慣性力が水滴に作用するため、水滴が翼面からより離脱し易い。腹側では蒸気Ｓの気相が水滴を腹側面Ｓ２に押し付ける方向に作用するが、翼面から離脱した水滴は粗大であるため気相による押し付け効果の影響を受け難い。加えて、動翼は離脱した水滴から離れる方向に旋回するため、離脱した水滴が腹側面Ｓ２に再付着することはない。翼面から離脱した水滴は、気相により下流に押し流されて復水器１１（図１）に運ばれる。

－効果－
（１）動翼翼面上で翼先端に向かう水滴の移動には、動翼の回転エネルギーが消費される。特に動翼の根元側から先端まで水滴を運ぶのに消費されるエネルギーは大きく、動翼仕事の損失の大きな要因である。加えて、水滴は翼面を移動する過程で粗大化しながら加速し、動翼先端まで到達した水滴は動翼先端速度を超え、超音速で蒸気の流れに復帰してダイヤフラム外輪１８やシール等に衝突し、エロージョンの要因となる。

それに対し、本実施形態では凹状翼面Ｓ３を設けたので、前述したように遠心力と表面張力の合力によって、水滴を凹状翼面Ｓ３で捕集しつつ、捕集した水滴を翼長方向の中間位置において翼後縁に向かって誘導し翼面から排除することができる。また一部の水滴が凹状翼面Ｓ３を越えそうになっても、上記の通り翼面からの水滴の剥離が促され、水滴が翼先端に到達することを抑制できる。これによりタイボス２８よりも翼根元側から翼先端まで水滴を移送するのに無駄に消費される動翼の機械仕事を削減でき、蒸気タービンのエネルギー効率を向上させることができる。

また、凹状翼面Ｓ３は、一般的な溝ではなく翼型のプロファイル形状を一部変更して形作った極浅い凹状の翼面であり、凹状翼面Ｓ３の有無で生じる動翼の重量及び重量分布の変化は極めて小さい。従って、凹状翼面Ｓ３の存在が動翼の強度に与える影響は殆どなく、動翼の固有振動数の調整の困難化も避けられる。

以上のように、本実施形態によれば、動翼の強度への影響を抑えつつ、動翼翼面上を移動する水滴を翼後縁に向かって効果的に導くことができる。

（２）前述した通り、翼根元側から動翼先端に移送される水滴は、粗大化した状態で翼先端から離脱し、周囲の構造物に高速で衝突してエロージョンを発生させ得る。エロージョンは対象物に対する水滴の衝突速度の３乗で進展することが知られている。

本実施形態によれば、タイボス２８よりも根元側に付着した水滴を、翼先端に到達する前に翼先端よりも周速が遅い凹状翼面で離脱させることができる。凹状翼面の翼長方向における設置位置にもよるが、動翼先端から離脱する水滴量は凹状翼面の存在により半減する可能性があり、エロージョンの進行の大幅な抑制も期待できる。

（３）長翼である動翼１４ｄは図３に示した通り捻じれた形状をしていることから、翼長方向における根元寄りの部分において背側面Ｓ１に付着した水滴は、遠心力を受けて翼先端に向かって移動する際に前縁を経由して腹側面Ｓ２に回り込む。図３において背側面Ｓ１に付着した水滴の挙動を破線矢印で例示し、腹側面Ｓ２に回り込んだ後の水滴の挙動を実線矢印で例示した。

本実施形態では翼前縁Ｅ３を経由して背側面Ｓ１から腹側面Ｓ２に延びる凹状翼面Ｓ３を設けることで、上記のように翼前縁Ｅ３付近で背側面Ｓ１に付着した水滴を適所で捕集して合理的に翼面から離脱させることができる。

（４）また、凹状翼面Ｓ３は背側の始端Ｅ１から腹側の終端Ｅ２まで翼根元からの距離が単調増加するように延びており、背側では翼前縁Ｅ３に向かって翼先端側に傾斜している。このような凹状翼面の傾斜により、翼の背腹においても遠心力と表面張力の合力に凹状翼面Ｓ３の終端Ｅ２に向かう成分を与えることができる。これにより、背側において凹状翼面Ｓ３で捕集した水滴も、翼前縁Ｅ３を経由するルートで後縁に向かって無理なく円滑に誘導することができる。

（５）回転中心線Ｃとの直交面で切断した断面で見て、凹状翼面Ｓ３は鋭角のエッジを持たない形状をしている。これにより凹状翼面Ｓ３への応力集中を抑制できる。

（６）また、凹状翼面Ｓ３の終端Ｅ２が翼後縁から離れており、腹側面Ｓ２であっても後縁付近において凹状翼面は存在しない。翼後縁付近の水滴は、凹状翼面で誘導するまでもなく気相のせん断等の作用によって自ずと後縁まで到達して翼面から排除される。また、腹側面Ｓ２における後縁側の領域にも凹状翼面は存在しない。前述した通り背側面Ｓ１には前縁付近で粗大水滴が付着し得るが、これら粗大水滴は翼前縁Ｅ３を経由して腹側面Ｓ２に回り込むので、背側面Ｓ１における翼後縁側の領域に凹状翼面を形成する必要性は低い。このように水滴の動線を的確に把握し、凹状翼面の設置領域を適所のみに制限することで、凹状翼面の形成に伴う動翼の強度等への影響を合理的に抑えることができる。

（７）凹状翼面Ｓ３の開口長Ｌと深さＤのアスペクト比Ｌ／Ｄは、２＜Ｌ／Ｄ＜１００程度である。前述した通り凹状翼面Ｓ３は鋭角のエッジを持たず、凹状翼面Ｓ３にエッジを設けたとしても、そのエッジを跨いで近接する２点の法線のなす角度の最大値は１度から６０度の間に納まる程度である。凹状翼面Ｓ３は素材の削り代の範囲でプロファイル調整により形成される。

そのため、プレス加工又は鋳造の金型を新たに用意する必要がなく、凹状翼面を持つ動翼は既存の金型を流用して製造でき、製造コストの面でもメリットが大きい。

（８）また、上記の通り凹状翼面Ｓ３は極浅く、素材の削り代の範囲で形成できる程度である。そのため、凹状翼面Ｓ３には、背側面Ｓ１又は腹側面Ｓ２の法線方向から見えない部分がない。これにより、凹状翼面Ｓ３を含めて翼型の全面にショットピーニングを施工することができる。

（９）また、凹状翼面Ｓ３は水滴に作用する表面張力の方向に変化を与える程度の極浅い凹みで足りる。上記の通り凹状翼面Ｓ３の有無による重量等の変化も極めて小さいことから、追加工により既存の動翼を改造して製造することも容易である。

－変形例－
図９は第１変形例に係る蒸気タービン動翼の凹状翼面の断面図、図１０は第２変形例に係る蒸気タービン動翼の凹状翼面の断面図、図１１は第３変形例に係る蒸気タービン動翼の凹状翼面の断面図である。図９－図１１はいずれも前述した実施形態の図８に対応する図である。これらの図に示した通り、凹状翼面Ｓ３の断面形状は適宜設計変更可能である。図９に示したように、凹状翼面Ｓ３の最深部を翼先端側にオフセットさせ、凹状翼面Ｓ３における翼根元側の部分に対して翼先端側の部分の平均曲率が大きな形状としても良い。図１０に示したように、中央部を最深部とする断面形状の凹状翼面Ｓ３としても良い。図１１に示したように、凹状翼面Ｓ３を翼長方向に複数列設けても良い。

また、径方向から見て凹状翼面Ｓ３を動翼の周囲の一部に設けた構成を例に挙げて説明したが、動翼の全周に凹状翼面Ｓ３を設けた構成としても良い。背側から腹側にかけて凹状翼面Ｓ３を設けた構成を例に挙げて説明したが、腹側にのみ凹状翼面Ｓ３を設けた構成としても良い。

１４ａ－１４ｄ…蒸気タービン動翼、２８…タイボス、Ｃ…回転中心線、Ｄ…深さ、Ｅ１…始端、Ｅ２…終端、Ｅ３…翼前縁、ｌ１，ｌ２…法線、Ｌ…開口長、Ｌ／Ｄ…アスペクト比、Ｓ１…背側面、Ｓ２…腹側面、Ｓ３…凹状翼面、θ…法線のなす角度

Claims (6)

1. 隣接翼と連結するためのタイボスを翼長方向の中間位置に持つ蒸気タービン動翼であって、
   タービンの回転中心線との直交面で切断した断面で見て部分的に翼面が凹んでおり、この凹んだ部分的翼面である凹状翼面が、少なくとも腹側の領域において前記タイボスの翼根元側を通って翼コード長方向に帯状に延びる翼型をしており、
   前記回転中心線との直交面で切断した断面において、前記凹状翼面の開口長をＬ、深さをＤ、アスペクト比をＬ／Ｄと定義した場合、２＜Ｌ／Ｄ＜１００であり、
   帯状に延びる前記凹状翼面の始端が背側面に、終端が腹側面にそれぞれ位置しており、
   前記凹状翼面が、前記始端から前記終端まで翼前縁を経由して連続し、前記始端から前記終端まで翼根元からの距離が単調増加するように延びている
   ことを特徴とする蒸気タービン動翼。
2. 請求項１の蒸気タービン動翼において、前記回転中心線との直交面で切断した断面で見て、前記凹状翼面が鋭角のエッジを持たない形状をしていることを特徴とする蒸気タービン動翼。
3. 請求項１の蒸気タービン動翼において、前記回転中心線との直交面で切断した断面において、前記凹状翼面のエッジを跨いで近接する２点の法線のなす角度の最大値が１度から６０度の間であることを特徴とする蒸気タービン動翼。
4. 請求項１の蒸気タービン動翼において、機械加工で翼型部を削り出したものであり、前記凹状翼面の深さが前記機械加工による削り代以下であることを特徴とする蒸気タービン動翼。
5. 隣接翼と連結するためのタイボスを翼長方向の中間位置に持つ蒸気タービン動翼の製造方法であって、
   請求項１の凹状翼面を持つ蒸気タービン動翼を機械加工で削り出し、
   翼型部にショットピーニングを施す
   ことを特徴とする蒸気タービン動翼の製造方法。
6. 隣接翼と連結するためのタイボスを翼長方向の中間位置に持つ既存の蒸気タービン動翼の改造方法であって、
   前記蒸気タービン動翼に請求項１の凹状翼面を機械加工で形成することを特徴とする蒸気タービン動翼の改造方法。

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