(57)【要約】【課題】  高圧タービン初段動翼のように、高圧・高温の蒸気にさらされても隣り合う翼との連結構造を保ち、かつ高減衰効果が得られる信頼性の高いタービン動翼構造を提供する。【解決手段】  翼プロフィル部１と、カバー部２と、プラットフォーム部３と、２つ以上の翼溝部４とを有するタービン動翼を、タービンロータのディスク部５に形成された翼溝にタービン軸方向から挿入して組み立てられるタービン動翼構造であって、翼プロフィル部１が翼根元から翼先端にかけて捩れた翼プロフィルを有し、外周から見てカバー部２が１つの輪を形成するように、プラットフォーム部３の周方向面とカバー部２の周方向面で隣り合う翼間が接触連結されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼プロフィル部と、前記翼プロフィル部の外周側に設けられたカバー部と、前記翼プロフィル部の内周側に設けられたプラットフォーム部と、前記プラットフォーム部の内周側に設けられた２つ以上の翼溝部とを有するタービン動翼を複数備え、前記各タービン動翼の前記翼溝部をタービンロータのディスク部に形成された翼溝にタービン軸方向から挿入して組み立てられるタービン動翼構造であって、
前記タービン動翼は、前記翼プロフィル部が翼根元から翼先端にかけて捩れた翼プロフィルを有し、
隣り合う前記タービン動翼は、外周から見て前記カバー部が１つの輪を形成するように、前記プラットフォーム部の周方向面と前記カバー部の周方向面で隣り合う翼間が接触連結されていることを特徴とするタービン動翼構造。
【請求項２】
請求項１において、
前記翼溝部と前記ディスク部の翼溝が接触する周方向面、隣り合う前記プラットフォーム部の周方向面及び前記カバー部の周方向面は、前記タービン軸方向に対して傾斜した角度を持つことを特徴としたタービン動翼構造。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記翼溝部と前記ディスク部の翼溝が接触する周方向面の間と、隣り合う前記プラットフォーム部の周方向面及び前記カバー部の周方向面の間には、それぞれピンが挿入され、
前記ピンによりそれぞれ接触連結されていることを特徴とするタービン動翼構造。
【請求項４】
請求項３において、
前記カバー部の周方向面の間のピンと前記翼溝部の周方向面の間の前記ピンは平行であることを特徴とするタービン動翼構造。
【請求項５】
請求項３又は４において、
前記カバー部の周方向面の間に挿入する前記ピンは、
tanα＝１／２０〜１／４０のテーパ角度を持つことを特徴とするタービン動翼構造。
【請求項６】
請求項３から５の何れかにおいて、
前記カバー部及び前記翼溝部に挿入される前記ピンの素材は、前記タービン動翼の素材に比べて線膨張係数が高く鋳造された材料であることを特徴とするタービン動翼構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼構造に係り、特に、２５ＭＰａ以上の高圧，６００℃以上高温の雰囲気にさらされる高圧タービンの初段動翼や中圧タービンの初段動翼の翼構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に蒸気タービンの高圧初段動翼では、ボイラから流入する高温高圧蒸気にさらされ、かつ大きな変動や脈動流を伴うので、タービン動翼とディスクにおいては剛健な連結構造が望まれている。
【０００３】
蒸気タービン動翼構造の１つに、特許文献１に開示された翼構造がある。特許文献１に示された翼構造は、翼根元から翼先端にかけて同一な形状を保った翼プロフィルを有し、翼溝構造の剛性を高めるために、タービンロータのディスク部に軸方向に挿入される翼溝構造が１つの動翼に２つ備えられている。
【０００４】
本翼構造では、一般的に、翼先端にひさしとその上部にテノンが設けられ、テノンをかしめることによって、シュラウドカバーと翼が連結されている。この翼連結では、概ね４本程度の群翼構造を構成するようにしている。本翼構造は、遠心方向や周方向に作用する力に対する強度は十分確保された構造となっている。
【０００５】
一方、タービン出力が大きくなるほど、タービンは環帯面積を増やさなければならないので、翼長を長くする必要がある。しかし、翼長が長くなれば翼剛性は低下し、高圧蒸気に耐える強度を確保することが難しくなる。そのため、従来では、蒸気入り口を軸方向に２つに分流させた構造を採用し、初段の段落を２個構成することにより、初段動翼の翼長を長くすること無くタービン出力が大きい場合に対処するようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特公昭６１−４８６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
シュラウドカバー部とテノンをかしめたタービン翼構造は、シュラウドカバー部の拘束力が強い反面、ボイラから流入する高温高圧蒸気にさらされ、かつ大きな変動や脈動流を伴う過渡的な流体力による励振力に対して、減衰効果が少なく、過大な応答を示す場合がある。そして、タービン出力が大きい場合、蒸気入り口を軸方向に２つに分流させたタービン構造を採用しない場合には、初段動翼も長翼化する必要があり、長翼化すれば翼剛性は低下するので、高温高圧蒸気に耐える強度を確保することが難しくなる。
【０００８】
また、蒸気入り口を軸方向に２つに分流させたタービン構造を採用した場合、タービンの軸長が長くなりタービン構造全体の軸スパンが拡大するので、初段動翼のみならずタービン建物の構造そのものを大きくする必要がある。また、２つに分流させることによって流れが複雑になるという課題もある。
【０００９】
本発明は、高圧・高温の蒸気にさらされても隣り合う翼との連結構造を保ち、かつ高減衰効果が得られる信頼性の高いタービン動翼構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明では、タービン動翼の翼プロフィルを翼根元から翼先端にかけて、三次元的な流れを考慮したねじれ翼にするとともに、外周から見て翼先端のカバー部が１つの輪を形成するように、カバー部とプラットフォーム部の周方向面を接触連結させるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
翼溝部とディスク部の翼溝が接触する周方向面，隣り合うプラットフォーム部の周方向面及びカバー部の周方向面は、タービン軸方向に対して傾斜した角度を持つことが望ましい。
【００１２】
また、翼溝部とディスク部の翼溝が接触する周方向面と、隣り合うプラットフォーム部の周方向面及びカバー部の周方向面に、ピンを挿入し、ピンによりそれぞれを接触連結させることが望ましい。
【００１３】
また、カバー部のピンと翼溝部のピンは平行であることが望ましい。
【００１４】
また、カバー部の周方向面の間（カバー部の周方向両端部）に挿入するピンは、tanα＝１／２０〜１／４０のテーパ角度を持つことが望ましい。
【００１５】
また、カバー部及び翼溝部に挿入されるピンの素材は、タービン動翼の素材に比べて線膨張係数が高く、鋳造された材料であることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、翼剛性を高めることができ、高圧・高温（例えば、２５ＭＰａ，６００℃以上）の蒸気にさらされても隣り合う翼との連結構造を保ち、かつ高減衰効果が得られ、信頼性の高いタービン動翼が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明のタービン動翼の構成図を示す。タービン動翼は、動翼プロフィル部１，カバー部２，プラットフォーム部３，翼溝部４から構成される。
【００１９】
タービン動翼の動翼プロフィル部１は、高圧タービン初段翼の長翼化に対応し、翼長が最低５０mm以上はあり、流れの３次元性を考慮されて、図２に示すような翼プロフィルの外形を有する。即ち、動翼プロフィル部１は、ねじれた翼で構成されている。また、ねじれ以外は翼根元部と翼先端部の形状や大きさは略同一となっている。プラットフォーム部３には翼溝部４が２つ設けられており、この翼溝部４をタービンロータのディスク部５に形成された翼溝に対してタービンの軸方向に挿入することにより、タービン動翼がタービンロータに組み込まれる。
【００２０】
また、翼溝が存在するプラットフォーム部の周方向面とカバー部の周方向面が互いに隣り合う翼のそれらと接触することにより、ディスク部とタービン動翼，隣り合うタービン動翼間がそれぞれ連結された構造となる。
【００２１】
本発明の翼構造（連結構造）を外周から見たものを図３に示す。翼先端のカバー部２が接触連結されたことにより、外周から見てカバー部２は１つの輪を構成している。なお、図３において１０はタービンロータを示す。
【００２２】
本発明の翼構造において、プラットフォーム部とカバー部の周方向面で、ある程度の接触力を保持した接触連結を構成する場合は、全周の翼のうち、最後に挿入する翼のカバーの周方向ピッチを図面上のピッチより、やや広く設計し、既にディスクに組み込まれた翼のカバーを押し広げ、すり合わせて連結する方が望ましい。
【００２３】
本発明の翼構造では、カバー部とプラットフォーム部の双方で接触連結し、全周で１つの輪のように構成されるので、従来以上に高剛性でかつ高減衰効果が得られる。また、従来のテノン−シュラウドカバー連結による群翼構造特有な周方向１次曲げ振動モードが発生する振動特性に対して、全周１リング翼構造が達成されたことにより、周方向１次曲げ振動モードの固有振動数が桁違いに高い値となり、かつ周方向の曲げに対するカバーの抗力が増加したことにより、周方向１次曲げ振動モードの共振応力が著しく低下される。
【００２４】
また、従来のような群翼構造に較べて、本発明の翼構造が形成する全周１リング翼構造は、振動モードが単純化され、静翼の翼本数と回転数の掛け算で定義されるノズル共振周波数を回避しやすくなる利点がある。また、テノンをかしめる構造では、テノン部の周囲は応力集中部となり、強度的に特別の配慮が必要であるが、本発明の翼構造ではそのような配慮は必要なく、強度的に損傷しにくい構造である。
【００２５】
図４は本発明のタービン動翼が適用される大出力型高圧タービンの蒸気入り口部の概要図を示す。１１は外ケーシング、１２は主蒸気管、１３はノズルボックス、１４は内ケーシング、１５は静翼、３１は第２段落の動翼、３５は第２段落の静翼を示す。従来では、蒸気入り口を軸方向に２つに分流させた構造を採用し、初段の段落を２個構成することにより、初段動翼の翼長を長くすること無くタービン出力が大きい場合に対処するようにしているが、本発明の蒸気タービン動翼を適用した大出力型高圧タービンでは、長翼化されたタービン動翼が用いられており、蒸気入り口は軸方向に１つである。即ち、本発明の翼構造を用いれば、翼長が長くても高剛性・高減衰構造が得られるので、図４に示すように、大出力型高圧タービンにおいても、初段段落は１つで構成され、その下流側に第２段落を構成する通常の高圧蒸気タービン構造が形成できる。
【００２６】
次に、図５を用いて本発明の他の実施例を詳細に説明する。
【００２７】
本実施例では、接触用ピン６が用いられており、図５に示すように、接触用ピン６は、翼溝部４とディスク部５の翼溝との間、隣り合う翼間のプラットフォーム部３とカバー部２のそれぞれ接触すべき面（周方向面）間に介在している。接触用ピン６は、ボイラから流入する高温高圧蒸気にさらされ、かつ大きな変動や脈動流を伴う過渡的な流体力による励振力に対して、せん断力に対する摩擦や、接触面圧に対するすべりを生じる作用で、過度な力の作用に対するショックアブソーバーとしての働きが期待される。
【００２８】
接触用ピン６による隣り合う翼の接触連結力は、例えば、ピン材の比重と翼材の比重を変えることにより、遠心力の相対差により向上することが期待される。
【００２９】
本実施例によれば、図１に示す実施例の効果が同様に得られる他、強制的な接触連結力を与えて全周１リング翼を実現した構造に比べて、高温クリープによる接触力の弛緩の問題がなくなる利点がある。
【００３０】
なお、本実施例では、接触用ピン６を、翼溝部４とディスク部５の翼溝との間、隣り合う翼間のプラットフォーム部３とカバー部２のそれぞれ接触すべき面（周方向面）間に介在させているが、接触用ピンを何れかの箇所に限定して用い、接触用ピン６を用いない箇所は図１の実施例のように強制的に接触連結力を与えて接触連結させるようにすることも考えられる。
【００３１】
次に、図６を用いて接触用ピン６を詳細に説明する。
【００３２】
接触用ピン６は、図６に示すようにテーパが付けられている。２３はテーパ角度を示す。本実施例のように、ピンにテーパを付けて、より連結効果を高める場合には、テーパ角度２３を次のように設定する。即ち、一般に潤滑剤の無い場合の嵌めあいに関する摩擦角は、０.２〜０.４と考えられ、テーパの勾配αについては、半永久的な取り付けを考えた場合、tanα＝１／２０〜１／４０を用いる。ここで、摩擦角を潤滑材の無い場合の嵌めあいについて想定した理由は、組み立て時に例え潤滑剤を用いることができても、６００℃以上の高圧初段翼を想定した場合、潤滑油が存在する温度環境に無いためである。
【００３３】
次に、接触用ピン６の材料について説明する。
【００３４】
本発明における接触用ピン６は、連結効果と減衰効果の２つの効果を期待して取り付けるものである。連結効果としては、上述のように、翼材と違う比重を持つ材料とした遠心力の相対差により接触連結を高めるもの、テーパにより接触連結を高めるものがある。そして、この他に、６００℃以上の高温にさらされることを利用して、線膨張係数（熱膨張係数）を翼材と異なる材料にすることにより接触連結を増加させる効果が期待できる。
【００３５】
線膨張係数の違いについては、例えばタービン動翼が１２Ｃｒ鋼などで製造された場合においても、タービン動翼やディスク部が１２Ｃｒ鋼などほぼ線膨張係数が同じ材料で、かつ６００℃以内で使用される場合、Ｎｉ基合金材は１２Ｃｒ鋼よりも線膨張係数が高いので、ピン材に使用すれば、翼間のカバー接触力や、翼溝部とディスク翼溝との間の接触力を高める効果が期待できる。また、６００℃以上の高温でタービン動翼にＮｉ基合金材の使用を考えた場合、ピン材はオーステナイト鋼にて製造すれば、線膨張係数の違いにより、上述と同様の効果が期待できる。また、接触用ピンは接触連結力を高めるためだけでなく、ショックアブソーバーとして減衰効果を高める作用も期待するところが大きい。そのため、接触用ピンの製造に当たっては、耐摩耗性に優れ、減衰効果が高い鋳造によって製造されることが望ましい。
【００３６】
次に、図７を用いて本発明の他の実施例を説明する。
【００３７】
本実施例では、プラットフォーム部３及びカバー部２の接触面が、タービンの軸方向線２１に対して斜めの角度２２を持つように構成されている。このように、軸方向線２１に対して斜めの角度２２を持つことにより、周方向のみならず、軸方向に対する過渡的な流体力による励振力に対しても、接触面のすべりや摩擦効果によって、ショックアブソーバーとしての働きが期待される。また、カバー部２とプラットフォーム部３の接触面が平行に配置されていることにより、タービン翼に作用する減衰効果は、カバー部２とプラットフォーム部３で同じ方向に作用しながら減衰するので、捩れた動翼プロフィル部１に対し、過度な捩れ変形を抑制し、翼溝部４とカバー部２で片当たりなどを生じる可能性を低減できる。
【００３８】
なお、図５及び図７に示す実施例は、組み合わせることができ、この組み合わせにより、より信頼性の高いタービン動翼を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例であるタービン動翼の構成図。
【図２】本発明の実施例であるタービン動翼の翼プロフィル外形図。
【図３】本発明の実施例であるタービン動翼の斜視図（概要図）。
【図４】本発明の実施例であるタービン動翼を初段段落に適用した大出力型高圧タービンの蒸気入り口部の概要図。
【図５】本発明の他の実施例であるタービン動翼の構成図。
【図６】本発明の他の実施例であるタービン動翼に用いられる接触用ピンのピン形状の概要図。
【図７】本発明の他の実施例であるタービン動翼を外周から見た図。
【符号の説明】
【００４０】
１  動翼プロフィル部
２  カバー部
３  プラットフォーム部
４  翼溝部
５  ディスク部
６  接触用ピン
１０  タービンロータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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