JPH0635808B2

JPH0635808B2 - タ−ビン動翼

Info

Publication number: JPH0635808B2
Application number: JP61049162A
Authority: JP
Inventors: 章佐久間
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-03-06
Filing date: 1986-03-06
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPS62206201A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明はタービン動翼に係り、特に動翼とシュラウドの
接合面の摩耗を抑え、シュラウドの破損を防止するよう
にしたタービン動翼に関する。

（従来の技術）一般に、蒸気タービンの第１段落は、圧力、温度が他の
段落よりも高く、負荷変化率に伴う温度変化率も大きい
ので、苛酷な運転条件に耐え得るノズルボックス構造が
採用されている。このノズルボックス構造による蒸気タ
ービンは、第４図に示すように、ボイラ（図示せず）で
発生した高温、高圧蒸気が入口管１を経て入口と出口以
外は密閉された容器状のノズルボックス２内の蒸気室３
に流入し、ノズルボックスの出口であるノズル口４の第
１段ノズル５で加速されて第１段動翼６に流出され、第
１段動翼６が蒸気の速度エネルギを有効に吸収してロー
タ７を駆動するものである。上記ノズルボックス２は、
第５図に示すように、４つの蒸気室３ａ乃至３ｄを備
え、蒸気は、まず第１蒸気室３ａに流入し、上記第１段
ノズル５で加速されて第１段動翼６に流出される。ター
ビン負荷が大きくなると蒸気は、第２蒸気室３ｂ、第３
蒸気室３ｃ、第４蒸気室３ｄに順次流入し、各々の蒸気
室から同様に第１段ノズル５を経て第１段動翼６に流出
されるようになっている。

このように、上記第１段動翼６には、第１段ノズル５を
流出した高温、高圧の蒸気が作用するので、通常、翼間
ピッチを保持するために翼先端に取り付けられるシュラ
ウドは、高温、高圧に対抗できるように二重シュラウド
構造になっている。第６図は第１段動翼６にクリスマス
ツリー型動翼を用いた場合の二重シュラウド構造を示し
たもので、植え込み部８外方の羽根有効部９先端に内側
シュラウド１０を翼と一体的に削り出し、この内側シュ
ラウド１０の外表面にテノン１１を突設し、このテノン
１１に薄板状の外側シュラウド１２を装着してテノン１
１をかしめることにより内側シュラウド１０と外側シュ
ラウド１２が接合した二重シュラウド１３が得られる。

ところが、近年のタービンの大容量化は、上記二重構造
のシュラウド１３にも変形を生じさせることが明らかに
なってきた。以下、この変形原因について説明する。第
７図は第１段動翼６作用する蒸気力を負荷ごとに示した
もので、上記ノズルボックス２の第１蒸気室３ａに蒸気
を流入させる蒸気加減弁（図示せず）の第１弁開時１４
の蒸気力が最も大きくなり、上記第２蒸気室３ｂに蒸気
を流入させる第２弁開時１５、上記第３蒸気室３ｃに蒸
気を流入させる第３弁開時１６、上記第４蒸気室３ｄに
蒸気を流入させる第４弁開時１７と順次負荷が増加する
につれて動翼に使用する蒸気力が小さくなることを示し
ている。この蒸気力Ｐ_U （Kg）は、で求められる。ここで、Ｋは出力換算係数、ＫＷは段落
出力、Ｄは動翼のピッチ径、ｎは動翼枚数、θはノズル
開度角、Ｎはロータ回転数を示し、Ｋ，Ｄ，ｎ，Ｎは負
荷にかかわらず一定となるものである。従って、上記
（１）式より蒸気力Ｐ_U は段落出力ＫＷとノズル開度角
θの影響を受けることがわかり、また段落出力ＫＷはそ
れほど変化しないことがわかっているので、ノズル開度
角θが９０゜と一番小さい第１弁開時１４の蒸気力が最
大となり、この状態で長時間タービンの運転を行なうと
強度的には厳しい条件となる。

また、第８図は部分負荷時、例えば第１弁開時１４にお
ける第１段ノズル５と第１段動翼６内の蒸気流れを示し
たものである。第１段動翼６には、第１段ノズル５の蒸
気流路を通過した蒸気の蒸気力Ｐ_U が動翼の回転により
間欠的に作用するので、その結果、第１段動翼６は振動
を発生し、その振動の大きさは図示のように蒸気力Ｐ_U
による曲げ力のＱ＝Ｙ_DY／Ｙ_ST倍にも達する。

また、タービンの第１段落の蒸気温度は、第９図に示す
ように、負荷によって変化し、第１弁開時１４から順次
各弁を開くにしたがって高温になる。しかしながら、温
度の絶対値は第１弁開時１４と第４弁開時１７とではそ
れほど大差ないので、第１弁開時１４は高温の厳しい条
件下にあるといえる。

このように、上述のような材料強度的に厳しい条件下で
タービンの運転を行なうと、第１段動翼６の二重シュラ
ウド１３、特に外側シュラウド１２には、第１０図に示
すような蒸気蒸気力Ｐ_U による曲げ力と、第１１図に示
すようなロータの回転による遠心力が同時に作用するの
で、外側シュラウド１２が外方にまくれ上ったり、破損
を生じたりする恐れがあり、従来、上記二重シュラウド
１３はこれらの厳しい条件に十分耐え得るような構造と
して設計していた。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、蒸気タービンの総運転時間が長くなる
と、第１段ノズル５の出口端が侵食等を受けて蒸気通路
面積が設計値から変化し、段落前後の圧力差が増大して
上記曲げ応力が大きくなる傾向があり、また上記ノズル
の出口端の侵食は必ずしもノズル口全周均等に生じるわ
けではないので、第１０図に示す曲げ応力の方向がテノ
ン１１を中心として上向きから下向きに、また下向きか
ら上向きにと交互に変動を繰り返すことがあった。そし
て、このような動翼の翼腹側縁部および翼背側縁部に応
力が集中する状況下において、上記二重シュラウド１３
は内側シュラウド１０と外側シュラウド１２が接合した
状態で相対的に微小振幅の繰り返し運動（以下フレッテ
ィングという）を行ない、内側シュラウド１０と外側シ
ュラウド１２の接合面にフレッティング摩耗が生じ、こ
のフレッティング摩耗力や外力に起因する繰り返し応力
によりフレッティング疲労が蓄積し、シュラウドを十分
な安全率をもった二重シュラウド構造として設計しても
内側シュラウド１０と外側シュラウド１２の接合面にク
ラックが発生するという問題があった。

そこで本発明は、上記従来技術が有する問題点を解消
し、動翼特に動翼と一体に削り出された内側シュラウド
と外側シュラウドの接合面のフレッティングを抑えてシ
ュラウドの破損を防止し、蒸気タービンを安全に運転で
きるようにしたタービン動翼を提供することを目的とす
る。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明は、動翼の羽根有効
部の先端に内側シュラウドを形成し、この内側シュラウ
ドの外周端部に外側シュラウドを装着するようにしたタ
ービン動翼において、翼の先端部であって、上記内側シ
ュラウドと外側シュラウドとの中央接合部を除いてその
両側の翼腹側縁部および翼背側縁部に非干渉域を形成し
たものである。

（作用）非干渉域形成部分が二重構造のシュラウドの応力集中箇
所とフレッティングの発生部位とを隔離するので、非干
渉域は内側シュラウドと外側シュラウドとの接触による
フレッティングの発生を抑制し、また、応力集中部位か
らの繰り返し応力がフレッテイング発生部位に作用する
のを減少させる空間として働く結果、フレッティング疲
労の蓄積が抑制される。

（実施例）以下、本発明によるタービン動翼の実施例を第１図乃至
第３図を参照して説明する。なお、従来と同一部分には
同一符号を用いる。

蒸気タービンの第１段落の第１段ノズルと軸方向に所定
間隔離れて設けられる第１段動翼６は、第１図に示すよ
うに、ロータ７の円周方向に複数枚配設されている。各
動翼の羽根有効部９の先端には、内側シュラウド１０が
一体的に削り出されている。また、上記内側シュラウド
１０外表面には、テノン１１が突設され、このテノン１
１には動翼数枚を一組として連結する薄板状の外側シュ
ラウド１２が装着される。そして、上記テノン１１をか
しめることによって外側シュラウド１２が内側シュラウ
ド１０の外周端部に固定され、バンド状の二重構造のシ
ュラウド１３が形成される。また、上記内側シュラウド
１０と外側シュラウド１２の間には、テノン１１による
中央接合部を除いてその両側すなわち翼腹側縁部および
翼背側縁部に非干渉域としての楔状の間隙１８が形成さ
れ、上記間隙１８形成部分の内側シュラウド１０の外径
Ｒ₁ が外側シュラウド１２の内径Ｒ₀ より小さくなって
いる。

第２図は上記間隙１８を形成する方法を示したもので、
翼からの削り出し時は外側シュラウド１２とほぼ接合す
るように形成される内側シュラウド１０の中心Ｏ₁ を外
側シュラウド１２の中心Ｏ₀ からｘ₁ だけオフセットさ
せ、テノン１１周辺の中央接合部を除いてその両側、す
なわち翼腹側と翼背側の内側シュラウド１０外表面を半
径Ｒ₁ でもって中央から翼腹および翼背に向けて円弧加
工を施す。

しかして、本発明によるタービン動翼によれば、蒸気力
による曲げ応力と遠心力が重なり合い特に応力が集中す
る翼腹側縁部および翼背側縁部の応力集中箇所に、内側
シュラウド１０と外側シュラウド１２の間隙１８が形成
されるので、この間隙１８は応力集中部位とフレッティ
ング発生部位とを隔てる非干渉域として働き、応力によ
る内側シュラウド１０と外側シュラウド１２の接合面で
の相対的な滑りが少なくなり、相対的に微小振幅で内側
シュラウド１０と外側シュラウド１２が触れ合う部位に
繰返し応力が作用することによるフレッティング疲労の
蓄積を抑制することができる。このため、フレッティン
グ疲労により内側シュラウド１０と外側シュラウド１２
の接合面に発生するクラックを防止することができ、タ
ービンを安全に運転することができる。

第３図は本発明によるタービン動翼の他の実施例を示し
たもので、外側シュラウド１２側に向いた内側シュラウ
ド１０の翼腹側縁部および翼背側端部に曲面加工が施さ
れ間隙１９が形成されている。これは、特に応力が集中
する必要最低限の箇所に非干渉域としての間隙１９を形
成するもので、上記実施例と比較してフレッティング抑
制効果はやや劣るが加工が簡単である。このため、本実
施例は応力レベルがそれ程厳しくない箇所に用いるのが
好ましい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明は、翼の先端部
であって、内側シュラウドと外側シュラウドとの中央接
合部を除いてその両側の翼腹側縁部および翼背側縁部に
非干渉域を形成したので、応力が集中する部位とフレッ
ティング発生部位とが隔てられ、接合面でのフレッティ
ング疲労の蓄積を抑えることができ、フレッティング疲
労によるシュラウドの破損を防止しタービンを安全に運
転することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるタービン動翼の実施例を示す正面
図、第２図は第１図の一部拡大正面図、第３図は本発明
によるタービン動翼の他の実施例を示す正面図、第４図
はノズルボックス構造による蒸気タービンを示す縦断面
概略図、第５図はノズルボックスの蒸気室を示す横断面
概略図、第６図は動翼先端部の二重シュラウドを示す縦
断面概略図、第７図は負荷と動翼に作用する蒸気力の関
係を示す図、第８図は蒸気力による動翼の振動状態を示
す図、第９図は負荷と蒸気温度の関係を示す図、第１０
図は外側シュラウドに作用する蒸気力による曲げ応力の
分布状態を示す図、第１１図は外側シュラウドに作用す
る遠心力による応力の分布状態を示す図である。２……ノズルボックス、３……蒸気室、５……第１段ノ
ズル、６……第１段動翼、７……ロータ、９……羽根有
効部、１０……内側シュラウド、１１……テノン、１２
……外側シュラウド、１３……二重シュラウド、１４…
…第１弁開時、１５……第２弁開時、１６……第３弁開
時、１７……第４弁開時、１８，１９……間隙。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】動翼の羽根有効部の先端に内側シュラウド
を形成し、この内側シュラウドの外周端部に外側シュラ
ウドを装着するようにしたタービン動翼において、翼の
先端部であって、上記内側シュラウドと外側シュラウド
との中央接合部を除いてその両側の翼腹側縁部および翼
背側縁部に非干渉域を形成したことを特徴とするタービ
ン動翼。
【請求項２】上記非干渉域は、翼腹側縁部および翼背側
縁部に円弧加工を施して形成したことを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載のタービン動翼。
【請求項３】上記非干渉域は、翼腹側縁部および翼背側
端部に曲面加工を施して形成したことを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載のタービン動翼。