(57)【要約】【課題】簡便な組み立てでタービン動翼を全周一群構造にすることができ、疲労強度に対しても優れた構成を有するタービン動翼及びタービンを提供する。【解決手段】タービン動翼６の翼頂部側６ａに配したカバー１０は、平行な面として配した背側端面１１と腹側端面１２とを有し、それぞれの面は周方向ＤＣ及びロータ軸方向ＤＳに対して斜めに傾斜した配置構成になっている。タービンの運転中には、カバー１０の線膨張によって対向して配された背側端面１１と腹側端面１２との接触状態が高められ、背側端面１１と腹側端面１２との間で有効な反力が生じて、全周一群構造にすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンのロータあるいはタービンホイール外周部に形成した植込溝に、翼根元側に設けた植込部を嵌合させるタービン動翼であって、
前記各タービン動翼の翼頂部側には、翼背側の端面と翼腹側の端面とを平行に配したカバーがそれぞれ配され、
前記翼背側の端面と前記翼腹側の端面とは、前記植込溝に前記植込部を嵌合させたときに、ロータ軸方向に対して斜めに傾斜した面として配されていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項２】
前記植込部における線膨張量と前記翼有効部における線膨張量との総和よりも、前記カバーにおける線膨張量の方が大きく構成されていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項３】
前記植込部が、鞍形の前記植込溝に嵌合する構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記植込部が、逆Ｔ字形の前記植込溝に嵌合する構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン動翼。
【請求項５】
前記植込溝が逆クリスマスツリー形状に形成され、前記植込部が前記逆クリスマスツリー形状の植込溝に嵌合する構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン動翼。
【請求項６】
前記請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のタービン動翼を前記タービンホイールの周方向に複数配列したことを特徴とするタービン。
【請求項７】
前記タービンの駆動用作動流体よりも低温度の冷却流体を流す冷却通路が、前記ロータと前記タービンホイールと前記タービン動翼との間に構成されていることを特徴とする請求項６に記載のタービン。
【請求項８】
前記タービンホイールに形成したホイール冷却孔と、植込部と前記タービンホイールとの接触面に形成した植込部冷却通路とが、連通し、
前記カバーに、前記カバーの表裏方向に貫通する翼冷却孔が、形成され、
前記冷却通路が、前記ホイール冷却孔、前記植込部冷却通路、前記翼冷却孔を有していることを特徴とする請求項７に記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼及びタービン動翼を備えたタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からタービンでは、流体加振力によるタービン動翼の高サイクル疲労損傷を防止するため、複数のタービン動翼同士を連結する群翼化の構造や全ての動翼同士を連結して全周一群構造とする構成が採用されている。これらの構成を採用することによって、離調設計を容易にするとともに、１枚のタービン動翼に比べて制振効果を高めることができる。
【０００３】
蒸気タービン長翼やガスタービン翼などは、翼高さが高く構成されている。これらのタービン動翼では、遠心力によってタービン動翼自身がツイストすることを利用して、隣接するタービン動翼の翼頂部側に設けたカバーなどが、運転中に接触して全周一群構造をとらせることができる。翼頂部側にカバーを設けた構成としては、特許文献１におけるタービン動翼および蒸気タービンなどにおいて提案されている。
【０００４】
一方、翼高さが短い構成の場合は、遠心力によるツイストは僅かにしか生じないため、全周一群構造を構成することは困難であった。しかし、このような場合でも、隣接するカバー同士が干渉するようにタービン動翼を構成しておき、組み立て時にプレツイストさせた状態でタービン動翼をホイールに組み立てることにより、運転中に隣接するカバー同士が接触して、全周一群構造とすることができる。
【０００５】
全周一群構造に構成されたタービンとしては、例えば、タービン動翼５０を図６に示すように配設した構成が採用されている。図６には、組立て時に予めツイストを与えるタービン動翼５０の組立ての状況を示しており、紙面の左右方向であるタービンホイール６３の周方向ＤＣにタービン動翼５０を配列させている。即ち、タービンホイール６３の外周面上に形成した植込溝５３に、複数のタービン動翼５０に形成された翼台５４の植込部５９を順次嵌合させている。そして、タービン動翼５０の翼頂部側に設けたカバー５２には、周方向ＤＣにおいて隣接するカバー５２同士が接触する接触面５７、５８が設けられている。
【０００６】
この接触面５７、５８は通常、ほぼロータ軸方向ＤＳに対して直交した状態に配されており、即ち、接触する面は、周方向に沿って配されており、隣接して対向する接触面同志が互いに平行となるように配されている。そして、一方のカバー５２における腹側張出し部５５に形成した接触面５７と、対向する他方のカバー５２における背側張出し部５６に形成した接触面５８とは、寸法上は互いに緩衝するように作られている。接触面５７と接触面５８との当接時の圧接力を高めることにより、カバー５２に対して強制的にねじれを加えることができる。カバー５２のねじれは、タービンホイール６３に形成したねじり戻り拘束部６０によって保持することができる。
【０００７】
タービン動翼５０を周方向ＤＣに配列してゆくと、翼有効部５１などが弾性変形して、翼有効部５１をツイストさせた状態で組み立てることができる。この際、互いに緩衝する接触面５７と接触面５８との間では反力が生じ、この反力によって接触面５７と接触面５８との間には摩擦力が生じる。この摩擦力は、タービン動翼５０に発生する振動を抑制する制振力となっている。
【０００８】
タービンの運転中は昇温により、各部における線膨張のアンバランスやヤング率低下が起こるため、上述した接触面５７、５８間での摩擦力による反力は低減することになる。そのため、運転中でも振動に耐えることができる反力を備えた状態でタービン動翼を組立てることが必要となる。しかし、翼高さが短く、有効部の剛性が大きいタービン動翼では、組立て時に翼有効部をツイストさせた状態にすることが困難であるため、実際には、上述したような従来技術をそのまま適用することは難しいものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４６７３７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
タービンの高効率化に伴い、タービン温度の増加、圧力増加などが進む傾向にある。今後の傾向としては、タービンの構成として、翼高さが非常に短く、翼の断面剛性も大きなタービン動翼が用いられることが考えられる。このような構成のタービンでは、組み立て時にタービン動翼をプレツイストさせた状態で組み立てることは、以下の理由から非常に困難である。
【００１１】
即ち、１）翼長が短く、しかも断面剛性も大きく構成されるため、組立時にプレツイストを人力で与えながら作業することが難しくなる。２）組み立て時にプレツイストを与えることができたにしても、プレツイスト力に対抗できるねじり止めの構成が必要となる。３）複雑な形状のタービン動翼では、応力集中部に大荷重負荷が作用して破損リスクの生じる懼れがある。
【００１２】
組み立て時において、プレツイストを機械で与えることができる装置も提案されているが、簡便とはいえず、コスト面でも問題がある。また、上述した３）のリスクに対しては、機械組立てでの対応は困難である。  
即ち、翼高さが短く、翼の断面剛性が大きく構成されたタービン動翼が用いられるタービンでは、簡便な全周一群構造をとることのできる実用的な方法がないことが、問題になっている。
【００１３】
本発明の発明者は、鋭意研究を重ねた結果、翼高さが短く、翼の断面剛性が大きいタービン動翼が用いられる高温のタービンでは、カバー部の線膨張を利用すれば運転時にツイストを生じさせて、プレツイストさせながら組み立てたときと同様に、全周一群構造とすることができる条件を見出すことができた。
【００１４】
本発明は、この見出した条件を基にして発明されたものであり、上述した問題を解決することができ、特に、蒸気、燃焼ガス、二酸化炭素（ＣＯ２）などを作動流体とするタービンにおいて、簡便な組み立てでタービン動翼を全周一群構造にすることができ、疲労強度に対しても優れた構成を有するタービン動翼及びタービンを提供することを課題にしている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した課題を解決するため、本発明のタービン動翼は、タービンのロータあるいはタービンホイール外周部に形成した植込溝に、翼根元側に設けた植込部を嵌合させるタービン動翼であって、
前記各タービン動翼の翼頂部側には、翼背側の端面と翼腹側の端面とを平行に配したカバーがそれぞれ配され、前記翼背側の端面と前記翼腹側の端面とは、前記植込溝に前記植込部を嵌合させたときに、ロータ軸方向に対して斜めに傾斜した面として配されていることを最も主要な特徴としている。
【００１６】
本発明のタービンは、上述の構成を有するタービン動翼を周方向に複数配列したことを最も主要な特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の構成によって、組立て時に周方向に隣接するカバーの対向端面間に若干のギャップが生じていても、運転時にはカバーが大きく線膨張することになるので、カバーの対向端面同士が接触することになる。しかも、隣接するカバー間の対向端面は、それぞれロータ軸方向に対して斜めに傾斜した面として構成されているので、ロータあるいはタービンホイールに取り付けられたタービン動翼のカバーは、タービンの運転時には周方向における距離間隔を縮めようとして、ツイストを生じることになる。  
その結果、カバーとともに翼有効部を含む翼全体でツイストが生じて、周方向に隣接するカバー同士のカバー接触部では、運転中に有効な反力が生じて全周一群構造になることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】タービンホイール植込部に対する翼植込部の組み立て状態を示す斜視図である。（実施例１）
【図２】ロータ軸方向において隣接するカバーの配置状態と、カバーの線膨張状態を示す平面図である。（実施例１）
【図３】冷却通路の構成を示す斜視図である。（実施例２）
【図４】植込溝と植込部の変形例を示す要部断面図である。（実施例１及び２）
【図５】植込溝と植込部の他の変形例を示す要部断面図である。（実施例１及び２）
【図６】予めツイストを与えるタービン動翼の組立て状況を示す斜視図である。（従来例）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係るタービン動翼およびタービンの実施形態について、図面を用いて説明する。以下の説明では、翼高さが短い構成のタービン動翼を用いて説明を行うが、本願発明は、翼高さが短いタービン動翼に限定されるものではなく、翼高さが高いタービン動翼に対しても好適に適用することができる。
【実施例１】
【００２０】
図１に示すように、タービン１を構成するロータ２又はタービンホイール３の外周面には、タービンホイールの周方向ＤＣに沿った植込溝５が形成されており、植込溝５に複数のタービン動翼６が嵌合して配列されている。各タービン動翼６は、翼根元側６ｃに翼台４が形成され、翼頂部側６ａにはカバー１０が設けられている。カバー１０と翼台４との間には、翼有効部６ｂが形成されている。翼有効部６ｂは、その翼背側７ａが外方に突出した凸面形状に形成され、翼腹側７ｂが内側に窪んだ凹面形状に形成されている。そして、翼有効部６ｂの翼背側７ａ及び翼腹側７ｂは、流線形の曲面形状に形成されている。
【００２１】
翼台４の下方には、植込溝５に嵌合する植込部８が形成されている。植込部８として、一対の鞍形脚部８ａが形成されており、一対の鞍形（アウトサイドダブテール形）脚部８ａが植込溝５を形成したロータ２又はタービンホイール３の部位を跨ぐ形で植込部８の内面が、植込溝５の上面３ａや植込溝５の側面に嵌合している。そして隣接して配されたタービン動翼６の間は、互いの翼台４同士及びカバー１０の背側端面１１と腹側端面１２とがそれぞれ当接するように配列されている。
【００２２】
カバー１０にねじれが生じたとき、翼台４に対するねじり止めを行わせるため、タービンホイール３又はロータ２の外表面には、植込溝５に沿ったねじり戻し拘束部１４が周方向ＤＣに沿って山条に形成されている。一対の鞍形脚部８ａの下端側が、植込溝５の両側に形成された一対のねじり戻し拘束部１４に当接することによって、翼台４に対するねじり止めを行うことができる。
【００２３】
なお、タービンホイール３は、ロータ２の外周面側を一体削出し加工を行うことによって形成することができる。また、翼有効部６ｂ、カバー１０、翼台４、植込部８の間におけるそれぞれの接合は、一つの素材から削り出して構成することも、冶金的な接合によって構成することもできる。
【００２４】
冶金的な接合を行って構成するときには、少なくともカバー１０の材料を、翼有効部６ｂや植込部８における材料よりも熱膨張率の高い材料で構成しておくことができる。以下においては、タービンホイール３とロータ２とを区別せずに、タービンホイール３で両者を代表させて説明を行うことにする。
【００２５】
図１、図２に示すように、カバー１０の背側端面１１と腹側端面１２とは、互いに平行な面として構成されており、それぞれの面は周方向ＤＣ及びロータ軸方向ＤＳに対して斜めに傾斜した配置構成になっている。図２にカバー１０の平面図を示しているように、カバー１０は、平面視において平行四辺形の形状に形成されており、カバー１０の側端面１３ａ及び側端面１３ｂの面は、ロータ軸方向ＤＳに対して直交し、かつ周方向ＤＣに対して略平行な面として形成されている。
【００２６】
本発明に係るタービン動翼６を、例えば、蒸気、燃焼ガス、二酸化炭素（ＣＯ２）などを作動流体とするタービンのタービン動翼として用いた場合には、タービン１の運転中には、タービン動翼６を駆動させる作動流体等の影響によって、カバー１０は線膨張を行うことになる。
【００２７】
カバー１０が線膨張を行う前の状態を図２（ａ）に示し、線膨張を行った状態を図２（ｂ）に示している。そして、図２（ａ）で示したカバー１０は、タービンの運転中には、図２（ｂ）に示すように、背側端面１１及び腹側端面１２は、それぞれの長手方向に熱膨張することになる。
【００２８】
なお、図２（ｂ）では、図２（ａ）との相違を明確にするため、カバー１０の側端面１３ａと腹側端面１２の交点と、側端面１３ｂと背側端面１１の交点と、を図２（ａ）における位置と同じ位置となるように右方向にシフトした状態で記載している。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、タービンの運転中には、側端面１３ａ、１３ｂにおいても熱膨張が生じることになるが、側端面１３ａ、１３ｂにおけるそれぞれの熱膨張は、隣接して配されたカバー１０によって拘束され、結果的に両端部が自由端となっている背側端面１１及び腹側端面１２が、それぞれの長手方向に熱膨張することになる。
【００３０】
ここで、側端面１３ａと側端面１３ｂとの長さ寸法が一定に形成されている場合について、背側端面１１及び腹側端面１２の面形状について説明を行う。背側端面１１及び腹側端面１２の面形状として、ロータ軸方向ＤＳと略平行で周方向ＤＣに対して直交する方向に面が形成されている場合に比べて、本発明のように周方向ＤＣ及びロータ軸方向ＤＳに対して斜めに傾斜した面として形成されている方が、隣接して接触する背側端面１１と腹側端面１２との間での接触面積を広げることができる。
【００３１】
このように本発明では、背側端面１１と腹側端面１２とが、周方向ＤＣ及びロータ軸方向ＤＳに対して斜めに傾斜した配置構成になっているので、背側端面１１と腹側端面１２との接触面において、滑り方向の剪断力が発生し、剪断力によってカバー１０にはツイストが発生する。特に、隣接して接触する背側端面１１と腹側端面１２との間での接触面積を大きくすることができるので、接触面において生じる剪断力も大きくなり、カバー１０のツイストも大きくなる。
【００３２】
このように、カバー１０とともに、翼有効部６ｂを含む翼全体でツイストが生じることになり、側端面１３ａ、１３ｂにおける線膨張の影響も加わって、背側端面１１と腹側端面１２との間において有効な反力を生み、カバー１０によって全周一群構造とすることができる。
【００３３】
その結果、タービン動翼６を組立てた時に隣接するカバー１０間に若干のギャップが生じていても、タービンの運転時にはカバー１０が大きく線膨張するので、側端面１３ａ、１３ｂにおけるそれぞれの線膨張によって、ギャップを埋めた状態で隣接するカバー１０における背側端面１１と腹側端面１２とが当接することになる。  
なお、カバー１０における線膨張を考慮すると、上述したギャップの間隔としては、０．０２ｍｍ以下であることが望ましい構成になる。
【００３４】
本発明では、線膨張による背側端面１１及び腹側端面１２の長手方向における長さの伸びに着目している。そのため、植込部８における線膨張量と翼有効部６ｂにおける線膨張量との総和よりも、カバー１０における線膨張量が大きくなるように構成しておくことができる。カバー１０における線膨張量としては、植込部８における線膨張量と翼有効部６ｂにおける線膨張量との総和よりも０．０５ｍｍ以上大きくなることが望ましい構成になる。
【００３５】
ここで、植込部８における線膨張量Ｓ１は、次の式１により求めることができる。  
Ｓ１＝（植込部８の半径Ｒ）×（タービンホイール３を構成する材料の線膨張係数）×［（運転時における植込部８での温度）−（組立て時における植込部８での温度）］×２π／（植込溝５に組み立てたタービン動翼６の枚数）・・・式１
【００３６】
また、翼有効部６ｂにおける線膨張量Ｓ２は、次の式２により求めることができる。
Ｓ２＝（翼有効部６ｂの高さ寸法）×（タービン動翼を構成する材料の線膨張係数）×［（運転時における翼有効部６ｂでの温度）−（組立て時における翼有効部６ｂでの温度）］×２π／（植込溝５に組み立てたタービン動翼６の枚数）・・・式２
【００３７】
カバー１０における線膨張量Ｓ３は、次の式３により求めることができる。  
Ｓ３＝（カバー１０の周方向長さ、即ち、側端面１３ａ又は側端面１３ｂの長さ）×（タービン動翼を構成する材料の線膨張係数）×［（運転時におけるカバー１０の温度）−（組立て時におけるカバー１０の温度）］・・・式３
【００３８】
なお、上記式１、式２において、植込部８の線膨張量と翼有効部６ｂの線膨張量とを、カバー１０の１枚当たりの線膨張量（Ｓ１、Ｓ２）に換算するため、（２π／植込溝５に組み立てたタービン動翼６の枚数）を乗じている。
【００３９】
このようにして、線膨張量を異ならせることによって、背側端面１１と腹側端面１２との間において有効な反力を生じさせてカバー１０にツイストを起こすことができ、翼有効部６ｂを含む翼全体をツイストさせることができる。そして、カバー１０によって全周一群構造とすることができる。  
なお、カバー１０で生じたツイストは、鞍形脚部８ａの下端部とねじり戻り拘束部１４との当接によって維持されることになる。
【実施例２】
【００４０】
図３を用いて、本発明に係る実施例２の構成を説明する。実施例２では、実施例１の構成に冷却通路３０を設けたことを特徴としており、他の構成は、実施例１の構成と同様の構成を備えている。そのため、実施例１における構成と同様の構成については、実施例１で用いた部材符号を用いることで、その部材に関する重複した説明を省略する。
【００４１】
実施例２では、タービン１ａを構成する植込部８における線膨張量と翼有効部６ｂにおける線膨張量との総和よりも、カバー１０の線膨張量の方を大きく構成するため、タービンホイール３には、上面３ａに開口した冷却孔３１が、周方向ＤＣに沿って複数穿設されており、上面３ａに載置される一対の鞍形脚部８ａの交差部内面には、植込部冷却通路３２が周方向ＤＣに沿って形成されている。また、カバー１０には、表裏面間を貫通する翼冷却孔３３が複数穿設されている。冷却孔３１と植込部冷却通路３２と翼冷却孔３３とによって、冷却通路３０が構成されている。
【００４２】
なお、図示例では、植込部冷却通路３２を植込部８側に形成した構成を示しているが、植込部冷却通路３２を上面３ａ側に環状の凹部として形成しておくこともできる。上面３ａ側に環状の凹部を形成したときには、冷却孔３１を環状の凹部内に開口させた構成にしておくことが必要になる。
【００４３】
タービン動翼６の周囲に供給される作動流体の温度に比べて低温度の冷却流体を冷却孔から、上面３ａ上に流出させ、上面３ａ上に流出した冷却流体を植込部冷却通路３２内に流すことによって、植込部８の冷却を行うことができる。植込部冷却通路３２を流れた冷却流体は、隣接する翼台４間の隙間から翼有効部６ｂ側に流れ、翼有効部６ｂにおける冷却に供されることになる。その後、タービン１ａを運転させる作動流体と、翼有効部６ｂの温度を下げた冷却流体とは混合して、カバー１０に穿設した翼冷却孔３３内に流入することになる。
【００４４】
冷却流体は、植込部８から翼有効部６ｂを通りカバー１０の翼冷却孔３３に流れることになるが、冷却流体による冷却としては、植込部８に対しての冷却効果が一番高く、翼冷却孔３３まで流れる間に冷却効果が低くなっていく。これにより、タービンの運転中には、植込部８の温度や翼有効部６ｂでの温度をカバー１０における温度よりも効率的に低く抑えておくことができる。
【００４５】
そして、冷却通路３０に流す冷却流体量を調整することにより、カバー１０の温度に比べて、植込部８における温度を低く制御することができ、容易に植込部８における線膨張量と翼有効部６ｂにおける線膨張量との総和よりも、カバー１０における線膨張量を大きくすることができる。
【００４６】
実施例２の構成を採用することによって、実施例１における構成では十分なカバー１０の線膨張量が得られない場合でも、植込部８とカバー１０との間に温度差を持たせることができるので、タービンの運転中には接触状態になる背側端面１１と腹側端面１２との間で有効な反力を生じさせることができ、全周一群構造にすることができる。
【００４７】
実施例１、実施例２では、アウトサイドダブテール形（鞍形）の植込溝５及び同植込溝５に嵌合する植込部８の構成を用いて本発明の説明を行ったが、本発明に係る植込溝と植込部との構成は、アウトサイドダブテール形の植込溝５及び同植込溝５に嵌合する植込部８の構成に限定されるものではない。
【００４８】
図４に示すような逆Ｔ字形の植込溝２０とこの植込溝２０に嵌合する逆Ｔ字の植込部２２を備えた構成に対しても、また、図５に示すような逆クリスマスツリー形状の植込溝２５とこの植込溝２５に嵌合する逆クリスマスツリー形状の植込部２７を備えた構成に対しても、本発明を好適に適用することができる。また、従来から公知の植込溝形状とこの植込溝に嵌合する植込部の形状を備えた構成にしておくこともできる。
【００４９】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
３…タービンホイール、５…植込溝、６…タービン動翼、６ｂ…翼有効部、８…植込部、８ａ…鞍形脚部、１０…カバー、１１…背側端面、１２…腹側端面、１５…アウトサイドダブテール形の植込溝、１７…植込部、２０…Ｔ形の植込溝、２２…植込部、２５…逆クリスマスツリー形の植込溝、２７…植込部、３０…冷却通路、３１…ホイール冷却孔、３２…植込部冷却通路、３３…翼冷却孔、５０…タービン動翼、５１…翼有効部、５２…カバー、５３…翼植込溝、５７、５８…接触面、ＤＳ…ロータ軸方向、ＤＣ…タービンホイールの周方向。
【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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