(57)【要約】【課題】固有振動数の調整を容易に行うことができるとともに強度向上を図ることができる静翼を提供する。【解決手段】鋼材から形成されるとともに、内側に翼高さ方向に延びる中空部１００ｂが形成された翼本体１００と、中空部１００ｂに充填され、基材に繊維を一体的に組み合わせた複合材料からなる充填材１３０と、から静翼６０を構成する。翼本体１００における中空部１００ｂを画成する内壁面に、該内壁面から突出するリブ１０５を形成してもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材から形成されるとともに、内側に翼高さ方向に延びる中空部が形成された翼本体と、
前記中空部に充填され、基材に繊維を一体的に組み合わせた複合材料からなる充填材と、
を備えることを特徴とする静翼。
【請求項２】
前記翼本体は、腹側部材と背側部材とを有し、
前記中空部は、これら背側部材及び背側部材によって画成された空間であって、
前記翼本体が、該翼本体における前記中空部を画成する内壁面に、該内壁面から突出するリブを有することを特徴とする請求項１に記載の静翼。
【請求項３】
前記リブが、翼高さ方向に間隔をあけて、かつ、翼幅方向に間隔をあけて複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静翼。
【請求項４】
前記翼本体の内側に設けられて、前記中空部内を翼幅方向に区画することにより複数の区画室を形成する隔壁を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の静翼。
【請求項５】
各前記区画室内に、それぞれ前記リブが形成されていることを特徴とする請求項４に記載の静翼。
【請求項６】
前記中空部は、
前記翼本体を翼高さ方向に貫通するように形成され、翼幅方向に間隔をあけて配置された複数の孔部であることを特徴とする請求項１に記載の静翼。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の静翼を備えることを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静翼及び該静翼を備えた回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、軽量化を図るため、内部を中空構造とした静翼を備えた蒸気タービンが知られている。
このような蒸気タービンの静翼には、その外形（幾何学的形状）や質量、タービン作動時における静翼周囲の環境（例えば、静翼を通過する蒸気の流速や質量）に応じて、自励振動（フラッタ）が生じることがある。
特に、静翼の質量が小さい場合や、翼高さ（翼の全長）が長大の場合、自励振動が生じ易くなることが知られている。さらに、内部を中空構造とした静翼（以下、「中空静翼」と称する）は、内部を中実構造とした静翼（以下、「中実静翼」と称する）に比べて軽量なものとなる。よって、中空静翼には、中実静翼に比べて自励振動が生じ易いことから、これを抑制する必要が生じる。
【０００３】
このような自励振動を抑制するため、例えば特許文献１には、中空静翼の内側にディンプルコアを設け、該ディンプルコアの形状を適宜変更することにより、静翼の固有振動数を調整して自動励振を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２４８９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術では、固有振動を調整するために各静翼ごとに適した形状のディンプルコアを作成する必要があるため、手間がかかってしまう。
一方、静翼の長翼化、薄肉化及び高アスペクト化に対応すべく、静翼の強度をより向上させる技術の導入が望まれている。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、固有振動数の調整を容易に行うことができるとともに強度向上を図ることができる静翼、及び、該静翼を備える回転機械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】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る静翼は、鋼材から形成されるとともに、内側に翼高さ方向に延びる中空部が形成された翼本体と、前記中空部に充填され、基材に繊維を一体的に組み合わせた複合材料からなる充填材と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような特徴の静翼によれば、中空部に充填する充填材の種類を選択することによって、静翼の固有振動数を該充填材の種類に応じた値とすることができる。また、充填材における繊維の向きを変化させることでも固有振動数を容易に変化させることができる。
さらに、このように中空部に充填材が充填されることで、内部を中実にした場合に比べて軽量化を図りつつ強度を向上させることができる。
【０００９】
さらに、本発明に係る静翼の前記翼本体は、腹側部材と背側部材とを有し、前記中空部は、これら背側部材及び背側部材によって画成された空間であって、前記翼本体が、該翼本体における前記中空部を画成する内壁面に、該内壁面から突出するリブを有することが好ましい。
【００１０】
充填材が、翼本体の内面である腹側部材及び背側部材の内面に加えて、リブと接触することになるため、翼本体と充填材との結合性を高めることができる。また、充填材と翼本体との内面との間、充填材とリブとの間それぞれにおいて、振動減衰効果を得ることができる。
【００１１】
さらに、本発明に係る静翼は、前記リブが、翼高さ方向に間隔をあけて、かつ、翼幅方向に間隔をあけて複数形成されていることが好ましい。
【００１２】
これによって、複数のリブと充填材との間でそれぞれ減衰効果を得ることができるため、静翼全体としてより大きな振動減衰効果を得ることができる。また、リブの位置を変化させることによって、固有振動数を調整することもできる。
【００１３】
また、本発明に係る静翼は、前記翼本体の内側に設けられて前記中空部内を翼幅方向に区画することにより複数の区画室を形成する隔壁を備えていてもよい。
【００１４】
隔壁によって静翼の翼厚方向の強度を向上させることができるため、静翼全体としての強度向上を図ることができる。
また、区画室ごとに異なる種類の充填材を充填することができるとともに、区画室ごとに充填材の遷移の向きを変化させることができるため、より自由度高く固有振動数を調整することができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る静翼は、各前記区画室内に、前記リブが形成されていることが好ましい。
【００１６】
これによって、各区画室において、充填材とリブとの間での振動減衰効果を得ることができる。
【００１７】
さらに、本発明に係る静翼の前記中空部は、翼本体を高さ方向に貫通するように形成され、翼幅方向に間隔をあけて配置された複数の孔部であってもよい。
【００１８】
孔部が翼幅方向に間隔をあけて配置されているため、これら孔部に充填材が充填されていることで高次の振動モードまでの固有振動数の調整が可能となる。また、孔部ごとに異なる種類の充填材を充填することができ、さらに、孔部ごとに充填材の遷移の向きを変化させることができるため、より自由度高く固有振動数を調整することができる。
【００１９】
本発明に係る回転機械は、上記いずれかの静翼を備えることを特徴とする。
このような特徴の回転機械によれば、静翼の強度向上や固有振動数の調整を図ることができるため、静翼のメンテナンス頻度を下げることができるとともに、静翼の長寿命化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の静翼及び回転機械によれば、静翼本体の内側に複合材料からなる充填材を充填することにより、固有振動数の調整を容易に行うことができるとともに強度向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第一実施形態に係る蒸気タービン（回転機械）の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】第一実施形態に係る蒸気タービンの静翼の斜視図である。
【図３】第一実施形態に係る蒸気タービンの静翼の翼高さ方向に直交する断面図である。
【図４】第二実施形態に係る静翼の斜視図である。
【図５】第二実施形態に係る蒸気タービンの静翼の翼高さ方向に直交する断面図である。
【図６】第三実施形態に係る蒸気タービンの静翼の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の蒸気タービンの実施の形態について図１から図３を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１は、ケーシング１０と、ケーシング１０内に流入する蒸気Ｓの量と圧力を調整する調整弁２０と、ケーシング１０の内側に回転自在に設けられ、動力を発電機等の機械（図示省略）に伝達する回転軸３０と、該回転軸３０を支持する軸受部４０と、ケーシング１０の内面に固定された外側シュラウド５０と、該外側シュラウド５０に保持された静翼６０と、該静翼６０に固定された内側シュラウド７０と、静翼６０の下流側において回転軸３０に設けられた動翼８０とを備えている。
【００２３】
ケーシング１０は、その内側に空間を形成するように構成をされており、当該内側の空間を気密に封止している。
調整弁２０は、ケーシング１０の内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気Ｓが流入する調整弁室２１と、弁体２２と、弁座２３と、蒸気室２４とを備えている。この調整弁２０では、弁体２２が弁座２３から離間することで蒸気流路が開き、蒸気Ｓが蒸気室２４を介してケーシング１０の内部空間に流入するようになっている。
【００２４】
回転軸３０は、軸本体３１と、軸本体３１の外周から径方向外側に環状に張り出すように設けられた複数のディスク３２とを備えている。この回転軸３０は、回転エネルギーを発電機等の機械（図示省略）に伝達するようになっている。
軸受部４０は、ジャーナル軸受４１及びスラスト軸受４２を備えており、ケーシング１０内部に挿通された回転軸３０をケーシング１０の外側において回転可能に支持している。
【００２５】
外側シュラウド５０は、ケーシング１０の内壁面に固定されており、回転軸３０の軸線を中心としたリング状をなしている。この外側シュラウド５０は、軸線方向に間隔をあけて複数（本実施形態では６つ）が設けられている。
【００２６】
静翼６０は、径方向外側の端部となる基端部が外側シュラウド５０に取り付けられており、該外側シュラウド５０から径方向内側に向かって延出する翼形状をなしている。
この静翼６０は、回転軸３０及び外側シュラウド５０の周方向に間隔をあけて複数が設けられており、即ち、静翼６０は放射状に複数配置されている。これによって、周方向に配列された静翼６０の基端部同市は外側シュラウド５０によって連結されている。
【００２７】
このように周方向に配列された複数の静翼６０によって、回転軸３０を外周側から囲うように放射状をなす環状静翼群が構成されている。この環状静翼群は、複数の外側シュラウド５０にそれぞれ固定されており、軸線方向に離間して外側シュラウド５０と同数（本実施形態では６つ）が設けられている。
【００２８】
内側シュラウド７０は、外側シュラウド５０と同様に軸線を中心とした環状をなす部材であって、静翼６０における外側シュラウド５０からの延出方向の先端、即ち、静翼６０の径方向内側の端部に固定されている。即ち、この内側シュラウド７０は、周方向に配列された静翼６０の径方向内側の端部である先端同士を周方向に連結している。
なお、内側シュラウド７０の内側には回転軸３０が挿通されており、これら内側シュラウド７０と回転軸３０との間には隙間が形成されている。これによって、回転軸３０は内側シュラウド７０に干渉されることなく軸線回りに回転するようになっている。
【００２９】
動翼８０はその基端部が回転軸３０のディスク３２の外周部に取り付けられており、ディスク３２から径方向外側に延出している。この動翼８０は、径方向外側に向かうに従って回転軸３０の軸線方向の寸法が小さくなるように形成されている。また、動翼８０は、回転軸３０の周方向に間隔をあけて複数がディスク３２の外周部に取り付けられており、即ち、放射状に複数配置されている。これによって、動翼８０は、回転軸３０を取り巻くように環状動翼群を構成している。
【００３０】
この環状動翼群は、環状静翼群と対をなすように各環状静翼群の下流側にそれぞれ設けられており、即ち、環状静翼群と同数（本実施形態では６つ）が配置されている。即ち、本実施形態の蒸気タービン１は、環状静翼群及び環状動翼群からなる段が６つ配置された６段の蒸気タービン１とされている。
【００３１】
次に上述した静翼６０の詳細について、図２及び図３を参照して説明する。
本実施形態の静翼６０は、翼本体１００及び充填材１３０を備えている。
翼本体１００は、静翼６０の外形をなす部材であって、腹側部材１０１と、背側部材１０２と、リブ１０５とを有している。
腹側部材１０１及び背側部材１０２は、例えば鋼材からなる板状部材を互いに異なる反り方で湾曲させた部材である。より詳細には、これら腹側部材１０１及び背側部材１０２は、それぞれ翼高さ方向にわたって回転軸の回転方向一方側に凸状に湾曲している。
【００３２】
このような腹側部材１０１及び背側部材１０２は、翼幅方向の両端側が互いに接合されている。本実施形態では、腹側部材１０１及び背側部材１０２の翼幅方向の両端側が互いに溶接部１０３を介して接合されることで、これら腹側部材１０１及び背側部材１０２が一体に固定されている。
即ち、腹側部材１０１の凸側の面に覆い被さるように背側部材１０２の凹側の面が配置された状態で、腹側部材１０１の凸側の面の翼幅方向両端部に背側部材１０２の凹側の面の両端部が積層されるように接合されている。
【００３３】
これによって、腹側部材１０１及び背側部材１０２によって囲まれる領域に中空部１００ｂが形成されている。換言すれば、腹側部材１０１の凸側の面及び背側部材１０２の凹側の面からなる翼本体１００の内壁面１００ａによって、中空部１００ｂが画成されている。この中空部１００ｂは腹側部材１０１及び背側部材１０２の延在方向である翼高さ方向にわたって延在している。
【００３４】
リブ１０５は、翼本体１００における中空部１００ｂを画成する内壁面１００ａに該内壁面１００ａから突出するように設けられている。このリブ１０５は、その突出方向に直交する断面形状が円形状をなしており、即ち、リブ１０５は内壁面１００ａに直交する方向を軸線方向とする円柱状をなしている。
【００３５】
このようなリブ１０５は、翼本体１００の内壁面１００ａに翼高さ方向に間隔をあけて、かつ、翼幅方向に間隔をあけて複数形成されている。
より詳細にはリブ１０５は、翼本体１００の内壁面１００ａのうち、腹側部材１０１の凸側の面及び背側部材１０２の凹側の面のそれぞれに、翼高さ方向に間隔をあけて、かつ、翼幅方向に間隔をあけて複数形成されている。本実施形態では、腹側部材１０１の凸側の面及び背側部材１０２の凹側の面のそれぞれに、翼高さ方向に間隔をあけて配置された３つのリブ１０５が配置されており、これら３つのリブ１０５からなるリブ１０５の列が、翼幅方向に間隔あけて４列配置されている。これによって、腹側部材１０１の凸側の面及び背側部材１０２の凹側の面それぞれに１２個のリブ１０５が配置されている。
このようなリブ１０５は例えば腹側部材１０１及び背側部材１０２に該リブ１０５を溶接することによって取り付けられる。なお、リブ１０５を腹側部材１０１及び背側部材１０２に、一体に形成してもよいし、溶接以外の手法で取り付けてもよい。
【００３６】
充填材１３０は、上記構成の翼本体１００の中空部１００ｂに充填されている。この充填材１３０は、基材に繊維を一体的に組み合わせた複合材料から構成されている。複合材料としては、例えば基材としてエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂、メチルメタアクリルレート等の樹脂を用いるとともに、繊維として炭素繊維、ガラス繊維、樹脂繊維等のいずれかを用いたものを採用することができる。また、充填材１３０の母材としては、樹脂のみならず、例えば金属等の他の材料を採用してもよい。
【００３７】
このような組成からなる充填材１３０は、中空部１００ｂの全領域を充填するように、翼本体１００の内壁面１００ａ及び該内壁面１００ａから突出するリブ１０５に密着するように設けられている。これによって、翼本体１００の内側には、隙間なく充填材１３０が設けられている。
この充填材１３０は、例えば翼本体１００を形成した後に、中空部１００ｂに充填材１３０を注入することによって設けられる。
【００３８】
以上のような構成の静翼６０によれば、中空部１００ｂに充填する充填材１３０の種類を選択することによって、静翼６０の固有振動数を該充填材１３０の種類に応じた値とすることができる。即ち、充填する充填材１３０の種類を選択することによって、静翼６０自体の固有振動数を容易に調整することができる。
【００３９】
また、充填材１３０を充填する際に、例えば当該充填材１３０に分散配置された繊維の向きを変化させることでも固有振動数を容易に変化させることができる。即ち、例えば繊維の向きを翼高さ方向や翼幅方向等の特定の方向に一致させたりすることによって、容易に固有振動数を調整することが可能となる。
【００４０】
さらに、このように中空部１００ｂに充填材１３０が充填されることで、内部を中実にした場合に比べて軽量化を図りつつ強度を向上させることができる。
したがって、本実施形態によれば、固有振動数の調整を容易にしながら、軽量化及び強度向上を同時に図ることが可能となる。
【００４１】
また、本実施形態では、充填材１３０が、翼本体１００の内壁面１００ａである腹側部材１０１の凸側の面及び背側部材１０２の凹側の面に加えてリブ１０５と接触することになるため、翼本体１００と充填材１３０との結合性を高めることができる。また、充填材１３０と翼本体１００との内壁面１００ａとの間、充填材１３０とリブ１０５との間それぞれにおいて、振動減衰効果を得ることも可能となる。
【００４２】
さらに、複数のリブ１０５と充填材１３０との間でそれぞれ減衰効果を得ることができるため、静翼６０全体としてより大きな振動減衰効果を得ることができる。また、リブ１０５の位置を変化させることによって、固有振動数を調整することもできる。
【００４３】
そして、このような静翼６０を備えた蒸気タービンによれば、静翼６０の固有振動数を容易に行うことができるため、静翼６０に自励振動が生じてしまうことを抑制することができ、より円滑な運転を行うことが可能となる。
【００４４】
次に第二実施形態の静翼６０について図４及び図５を参照して説明する。第二実施形態については第一実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
第二実施形態の静翼６０は、第一実施形態の構成要素に加えて複数の隔壁１１０を有している。この隔壁１１０は、それぞれ翼本体１００の内側に設けられて、中空部１００ｂ内を翼幅方向に区画することにより複数の区画室１１１を形成している。
【００４５】
これら隔壁１１０は、腹側部材１０１の凸側の面と背側部材１０２の凹側の面とにわたるようにして翼高さ方向に延在する板状の部材であって、翼幅方向に間隔をあけて複数（本実施形態では４つ）設けられている。この隔壁１１０によって、中空部１００ｂ内は翼幅方向に複数配列（本実施形態では５つ）された区画室１１１に分離されている。
そして、上記リブ１０５は、各区画室１１１に存在するように配置されている。また、各区画室１１１内にそれぞれ該区画室１１１を満たすようにして充填材１３０が設けられている。
【００４６】
このような第二実施形態の静翼６０によれば、隔壁１１０が腹側部材１０１と背側部材１０２とにわたって配置されることで、静翼６０の翼厚方向の強度を向上させることができる。これによって、静翼６０全体としての強度向上を図ることができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、区画室１１１ごとに異なる種類の充填材１３０を充填することができるため、例えば隣り合う区画室１１１の充填材１３０の種類を変えることで、静翼６０全体としての固有振動数を任意に調整することができる。さらに、静翼６０の翼幅方向の部位に応じて固有振動数の微調整を図ることができるため、より柔軟に自動励振を抑制することが可能となる。
さらに、区画室１１１ごとに充填材１３０の遷移の向きを変化させることでも固有振動数を変化させることができるため、より自由度高く固有振動数を調整することができる。
【００４８】
また、各区画室１１１にリブ１０５が存在するため、これら各区画室１１１において確実に充填材１３０とリブ１０５との間での振動減衰効果を得ることができる。
なお、第二実施形態では、隔壁１１０の表面にリブ１０５を設けてもよい。これによって、充填材１３０とリブ１０５との間での振動減衰効果をより大きくことができる。
【００４９】
次に第三実施形態の静翼６０について図６を参照して詳細に説明する。
この第三実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
第三実施形態の静翼６０は、翼本体１２０と充填材１３０とを備えている。
翼本体１００は、翼高さ方向に延在する翼形状をなしており、その内部には、翼高さ方向に延在する孔部１２１（中空部）が形成されている。この孔部１２１は、翼本体１２０を翼高さ方向に貫通するように形成されており、該孔部１２１の延在方向に直交する断面形状は円形状とされている。また、本実施形態の静翼６０には複数（本実施形態では３つ）の孔部１２１が形成されており、翼幅方向に間隔あけて配置されている。
このような翼本体１２０は、例えば鋳造によって一体的に形成される。
【００５０】
そして、このような孔部１２１内に充填材１３０が充填されている。この充填材１３０は、孔部１２１内の全領域にわたって配置されている。
【００５１】
このような第三実施形態の静翼６０によれば、孔部１２１が翼幅方向に間隔をあけて配置されているため、これら孔部１２１の充填材１３０が充填されていることで高次の振動モードまでの固有振動数の調整が可能となる。
また、孔部１２１ごとに異なる種類の充填材１３０を充填することができ、さらに、孔部１２１ごとに充填材１３０の遷移の向きを変化させることができるため、より自由度高く固有振動数を調整することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、実施形態では、静翼６０を蒸気タービンに適用した例について説明したが、蒸気タービンに限られず、例えばガスタービンやポンプ、送風機等の他の回転機械の静翼６０に本発明を適用してもよい。
また、リブ１０５の断面形状は円形状に限られず、多角形状やその他の形状であってもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１    蒸気タービン
１０  ケーシング
２０  調整弁
２１  調整弁室
２２  弁体
２３  弁座
２４  蒸気室
３０  回転軸
３１  軸本体
３２  ディスク
４０  軸受部
４１  ジャーナル軸受
４２  スラスト軸受
５０  外側シュラウド
６０  静翼
７０  内側シュラウド
８０  動翼
１００       翼本体
１００ａ     内壁面
１００ｂ     中空部
１０１       腹側部材
１０２       背側部材
１０３       溶接部
１０５       リブ
１１０       隔壁
１１１       区画室
１２０       翼本体
１２１       孔部（中空部）
１３０       充填材
【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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