(57)【要約】  【課題】  動翼の振動抑制を効果的に行える動翼体を提供する。  【解決手段】  動翼体は、ロータディスク２と、このロータディスク２の外周から放射状に延出するように組み付けられる複数の動翼１と、周方向で互いに隣接する動翼１，１のプラットホーム部１１，１１同士の隙間に回転軸方向に沿って延在するシールピン３を備えて成る。シールピン３には、一端面から他端面まで同軸状に貫通する貫通穴３ａが設けられている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸と一体で回転するロータディスクと、このロータディスクの外周から放射状に延出するように組み付けられた複数の動翼と、より成る動翼体において、
周方向で互いに隣接する動翼のプラットホーム部同士の隙間に、回転軸方向に沿って延在する円柱状のシールピンを備え、このシールピンに穴を設けていることを特徴とする動翼体。
【請求項２】
前記穴が無いシールピンの重量に対する、前記穴が設けられた前記シールピンの重量の比率が、４０％〜９０％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の動翼体。
【請求項３】
前記穴が前記シールピンの一端面から他端面まで軸方向に貫通することを特徴とする請求項１又は２に記載の動翼体。
【請求項４】
前記穴の両端のうちの少なくとも一端に栓をしたことを特徴とする請求項３に記載の動翼体。
【請求項５】
前記穴が前記シールピンの周面を複数個所で径方向に貫通することを特徴とする請求項１又は２に記載の動翼体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンや蒸気タービンやジェットエンジン等におけるタービン部に搭載されたり、ガスタービンやジェットエンジンにおける空気圧縮機に搭載されたりして、主軸と一体的に回転する動翼体に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービン等のタービン部や空気圧縮機においては、外形を構成するケーシング内にこれに対して軸回転可能に主軸が設けられている。この主軸には、これと同軸上で複数段に亘ってロータディスクが設けられ、各ロータディスクの外周からは複数の動翼が放射状に延出している。このロータディスクと動翼とで動翼体が構成され、主軸と共に一体的に回転する。また、ケーシングには、主軸に沿って動翼と交互に配置される態様で静翼が設けられている。
【０００３】
このようなタービン部では、ガスタービンの場合、燃焼器から高温高圧の燃焼ガスが作動流体として送り込まれ、これが動翼と静翼とを交互に経て流動することにより、動翼すなわち動翼体と共に主軸が回転駆動される。そして、主軸の先端に発電機が接続されていると、その主軸の回転力が発電源として活用される。一方、タービン部の先端に燃焼ガス排気用の噴射口が配設されていると、ジェットエンジンとして活用される。また、蒸気タービンの場合は、高圧蒸気が作動流体として動翼と静翼とを交互に経て流動することによって主軸が回転駆動され、この主軸の回転力が発電機の発電源として活用される。
【０００４】
他方、ガスタービンの空気圧縮機では、主軸の回転によってこれと共に動翼体が回転し、これにより、外部から空気が作動流体として吸入され、これが動翼と静翼とを交互に経て圧縮されながら燃焼器へと送り込まれる。燃焼器へ導入された圧縮空気は、ここで供給された燃料と共に燃焼して高温高圧の燃焼ガスとなり、上記したガスタービンのタービン部へ送り込まれる。
【０００５】
ここでの動翼体は、互いに個別に製作されたロータディスクと動翼から構成され、ロータディスクに動翼が組み付けられて成る。例えば図６に示すように、動翼１は、大きくは、動翼体の回転軸心側から順に、翼根部１０、プラットホーム部１１、及び翼部１２を有する。
【０００６】
翼根部１０は、回転軸方向視の断面形状が丁度クリスマスツリー状に形成された部分であって、ロータディスク２における後述の受入れ溝２０に係合し、ロータディスク２に対し動翼１全体を支持すべく機能する。プラットホーム部１１は、翼根部１０と翼部１２とをつなぐ台座の部分であって、ロータディスク２の外周を覆っている。翼部１２は、横断面形状が流線形でこの形状を確保しながら徐々に捩られつつ延出する部分であって、燃焼ガスや高圧蒸気や空気といった流体を円滑に流動させるべく機能する。
【０００７】
他方、ロータディスク２の外周縁部には、動翼１の翼根部１０の断面形状とほぼ同じ形状の受入れ溝２０が円周方向に等間隔ずつ回転軸に沿って形成されている。これらの受入れ溝２０各々には、動翼１の翼根部１０が回転軸方向から挿入されて係合する。こうしてロータディスク２に各動翼１が組み付けられ、ロータディスク２の外周から複数の動翼１が放射状に延出した動翼体が得られる。
【０００８】
ここで、特にガスタービン等のタービン部に搭載される動翼体の場合、翼部１２が高温の作動流体によって高温雰囲気にさらされることから、これにより生じる動翼１そのものの過剰な温度上昇を抑える工夫が施されている（例えば特許文献１参照）。具体的には、ロータディスク２の外周面と、周方向で互いに隣接する動翼１，１のプラットホーム部１１，１１から翼根部１０，１０の根元にあたる部分と、により、冷却流体（例えば空気）を流通させるための流通空間５が回転軸方向に沿って形成されている。この流通空間５に冷却流体が流通することにより、動翼１との間で直接的に熱交換がなされ、その結果として動翼１そのものが冷却されてその温度上昇を抑止するようになっている。
【０００９】
但し、互いに隣接するプラットホーム部１１，１１同士の隙間から流通空間５内へ燃焼ガスが過剰に漏れ出すと、タービン部で得られるべき出力が著しく低下するため、その燃焼ガスの過剰な漏出を防止するシール構造を備える。具体的には、図６及び図７に示すように、周方向で隙間をあけて互いに対向するプラットホーム部１１，１１の端面のうちの一方のプラットホーム部１１の端面に、回転軸方向に沿うシール用溝１１ａが形成されており、このシール用溝１１ａには、円柱状の中実軸であるシールピン３が嵌め込まれている。このシールピン３は、回転軸方向に沿って延在しつつ、他方のプラットホーム部１１の端面に接触した状態におかれており、燃焼ガスの漏出を防止するシール機能を果たす。
【００１０】
なお、ロータディスク２の受入れ溝２０は、底にあたる部分のみが動翼１の翼根部１０における先端部分に対して大きく広げられており、この翼根部１０の先端部分と受入れ溝２０の底部分とにより、上記の冷却流体とは異なる冷却流体を流通させるための流通空間６が回転軸方向に沿って形成されている。これは動翼１が中空の動翼である場合、すなわち動翼１の内部に翼根部１０の先端から翼部１２の側面や先端にかけて流路が形成されている場合に用いられる。流通空間６に流通する冷却流体は、翼根部１０の先端に開口した導入口から動翼１内の流路に導かれ、その流路を流通する際に動翼１との間で熱交換をし、その後翼部１２の側面や先端に開口した排出口から排出される。こうして動翼１を内部から冷却するようになっている。ちなみに、翼部１２の側面から排出された冷却流体は、翼部１２の表面を覆いながら流れるフィルム流体となり、このフィルム流体が作動流体からの断熱作用を与える。
【特許文献１】特開平７−３０５６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記したシールピン３には、周方向で互いに隣接する動翼１，１で形成された流通空間５への燃焼ガスの漏出を防止するというシール機能に加え、定かではないが、動翼１に生じた振動を減衰させるというダンピング機能が期待される。つまり、各動翼１は、ロータディスク２の受入れ溝２０に翼根部１０が挿入されて係合することでロータディスク２に対して支持されているため、運転の際における主軸と共にこの回転中、個々に翼根部１０を支点としてプラットホーム部１１及び翼部１２が周方向へ振動する様相になるが、互いに隣接する動翼１がプラットホーム部１１でシールピン３を介在して拘束されていることから、動翼１にはシールピン３の存在による減衰力が作用して振動が減衰されていくようになる。
【００１２】
しかし、上記した一般の中実軸のシールピン３には、ダンピング効果が期待されるが、その反面、動翼１そのものの固有振動数の上昇、定常運転時に動翼１に生じ得る振動、及び共振などから、結果として動翼１の振動抑制には逆効果となってしまうこともあって、正確な判断ができなかった。
【００１３】
そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、動翼の振動抑制を効果的に行える動翼体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明による動翼体は、主軸と一体で回転するロータディスクと、このロータディスクの外周から放射状に延出するように組み付けられた複数の動翼と、より成る動翼体において、周方向で互いに隣接する動翼のプラットホーム部同士の隙間に、回転軸方向に沿って延在する円柱状のシールピンを備え、このシールピンに穴を設けている。これにより、互いに隣接する動翼のプラットホーム部同士の隙間に対してシール機能を果たすとともに、その動翼に対してダンピング機能を果たすシールピンの重量が穴の体積分軽減されることになる。その結果として、動翼そのものの固有振動数を共振域をはるかに越える程度まで上昇させることができるため、動翼の共振を防止できる。特に、前記穴が無いシールピンの重量に対する、前記穴が設けられた前記シールピンの重量の比率が、４０％〜９０％の範囲内であることが好ましい。
【００１５】
ここで、実用性を踏まえると、前記穴が前記シールピンの一端面から他端面まで軸方向に貫通するものがよい。この場合、シールピンの剛性を確保する観点から、前記穴の両端のうちの少なくとも一端に栓をするものであってもよい。
【００１６】
また、前記穴が前記シールピンの周面を複数個所で径方向に貫通するものであってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の動翼体によれば、シールピンによってシール機能及びダンピング機能が実現される上、動翼そのものの固有振動数を共振域をはるかに越える程度まで上昇させることができるため、動翼の共振を防止でき、効果的な振動抑制が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。先ず、本発明の第１実施形態の動翼体について説明する。図１は第１実施形態の動翼体の回転軸方向視の要部断面図、図２はその動翼体におけるシールピンの外観図であって、図２（ａ）は端面方向視での平面図、図２（ｂ）は側面方向視での断面を一部含む平面図を示している。なお、これらの図中で図６及び図７と同じ名称の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。後述する第２、第３実施形態においても同様とする。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の動翼体は、互いに個別に製作されたロータディスク２と、動翼１と、シールピン３から構成される。各動翼１のプラットホーム部１１のシール用溝１１ａにシールピン３が嵌め込まれ、これらの各動翼１の翼根部１０がロータディスク２の受入れ溝２０に挿入されて係合することで、全体が組み付けられる。
【００２０】
ここで、本実施形態のシールピン３は、図１及び図２に示すように、互いに隣接する動翼１，１のプラットホーム部１１同士の隙間に動翼体の回転軸方向に沿って延在する円柱状のものであって、一端面から他端面まで同軸状に貫通する貫通穴３ａが設けられている。つまり、本実施形態のシールピン３は実質的に管状となっている。このような貫通穴３ａを有するシールピン３の製作については、例えば、素材となる管材から所定長さ切り出した素管を中ぐり加工することで簡単に得られる。
【００２１】
シールピン３の材質としては、動翼体がガスタービンのタービン部に搭載される場合、動翼１の材質と同様、例えばＮｉ（ニッケル）基合金やＣｏ（コバルト）基合金が好適である。但し、動翼体が搭載される対象次第で、その材質は適宜選定すればよい。
【００２２】
このような構成の動翼体によれば、シールピン３の重量が貫通穴３ａの体積分軽減されることになり、その結果として、動翼１そのものの固有振動数を共振域をはるかに越える程度まで上昇させることができる。これは、動翼１そのものの固有振動数がシールピン３の重量の平方根に反比例する関係にあることから、シールピン３の重量が小さいほど動翼１の固有振動数が高くなるためである。従って、動翼１の共振を防止でき、効果的な振動抑制が可能になる。勿論、このような貫通穴３ａを有するシールピン３であっても剛性を十分に確保できるため、互いに隣接する動翼１，１のプラットホーム部１１，１１同士の隙間に対してシール機能が実現されるとともに、その動翼１に対してダンピング機能が実現される。
【００２３】
もっとも、シールピン３によるシール機能及びダンピング機能を確保しつつ、動翼１の固有振動数が共振域から外れるように、シールピン３の径に対して貫通穴３ａの径を選定することが重要である。
【００２４】
即ち、図３に示すように、シールピン３の重量軽減（貫通穴３ａの形成）による振動への影響を見たところ、同じ外形寸法のシールピン３でも重量を減らす（図３中の横軸「１」の点（貫通穴３ａの無い基準となる中実軸を示す点）から右方へ移動する状況）ことにより、動翼１への振動の影響があることを見出した。シールピン３は動翼１の大きさ、シール用溝１１ａとの関係から、耐強度が求められるので、極度な細さにできない。しかし、同じ外形寸法のシールピン３の場合、重量を軽減させると動翼振動数の固有値が上昇し、シールピン３の重量軽減を適正に選択することにより共振を生じない領域に持ってくることができるようになった（図３（ａ）参照）。しかも、シールピン３の重量軽減によって動翼振動のダンピング効果の範囲が精度よく把握できるようになった（図３（ｂ）参照）。これらのことから、本発明の実施に移行できることをシミュレーションによって、裏付けることができた。また、このような図３に示す関係と、シールピン３の強度と、を考慮すると、貫通穴３ａの無い基準となる中実軸のシールピン３の重量に対する、貫通穴３ａが形成されたシールピン３の重量の比率が、４０％〜９０％の範囲内であることが好ましい。
【００２５】
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照しながら説明する。図４は第２実施形態の動翼体におけるシールピンの外観図であって、同図（ａ）は端面方向視での平面図、同図（ｂ）は側面方向視での断面を一部含む平面図を示している。本第２実施形態の特徴は、第１実施形態でのシールピン３の剛性を効果的に高める工夫を施して、シール機能及びダンピング機能の確実な確保を図った点にある。
【００２６】
つまり、本実施形態のシールピン３では、図４に示すように、上記した第１実施形態のシールピン３と同様に貫通穴３ａが設けられているが、その貫通穴３ａの両端が栓部材４で埋められている。このようにすれば、シールピン３の径方向の変形が栓部材４で抑えられるため、シールピン３の剛性が高まり、その結果シールピン３によるシール機能及びダンピング機能が確実に確保される。
【００２７】
このような貫通穴３ａの両端への栓部材４の取付けについては、カシメやねじ込みや溶接で簡単に行える。
【００２８】
なお、栓部材４の取付けは、貫通穴３ａの両端のうちの一端のみであっても構わない。一端のみであっても、シールピン３の剛性向上が期待できるからである。
【００２９】
次に、本発明の第３実施形態について図５を参照しながら説明する。図５は第３実施形態の動翼体におけるシールピンの外観図であって、同図（ａ）は端面方向視での平面図、同図（ｂ）は側面方向視での断面を一部含む平面図を示している。本第３実施形態の特徴は、第１実施形態でのシールピン３における貫通穴３ａの配設態様を変形した点にある。
【００３０】
つまり、本実施形態のシールピン３では、図５に示すように、第１実施形態の貫通穴３ａに代え、一端から他端にかけての軸方向に所定間隔をあけて、周面を複数個所で径方向に貫通する貫通穴３ｂが設けられている。ここでの各貫通穴３ｂは、軸方向視で周方向に９０度ずつ順にずれた配置態様で設けられている。このような貫通穴３ｂを有するシールピン３の製作については、例えば、素材となる軸材から所定長さ切り出した素軸を穴あけ加工することで簡単に得られる。
【００３１】
このような構成にしても、シールピン３の重量が貫通穴３ｂの体積分軽減されることになり、その結果として、動翼１そのものの固有振動数を共振域をはるかに越える程度まで上昇させることができるため、動翼１の共振を防止でき、効果的な振動抑制が可能になる。特に、このような貫通穴３ｂを有するシールピン３では、シールピン３の剛性にほとんど変化が無いため、互いに隣接する動翼１，１のプラットホーム部１１，１１同士の隙間に対してシール機能、及び、その動翼１に対してダンピング機能が有効に実現される。
【００３２】
もっとも、シールピン３によるシール機能及びダンピング機能を確保しつつ、動翼１の固有振動数が共振域から外れるように、貫通穴３ｂの径や個数を選定することが重要である。
【００３３】
なお、貫通穴３ｂの軸方向視での配置態様は、周方向に例えば３０度ずつ順にずれたものであっても構わない。勿論、不規則な角度でずれたものであってもよいし、まったくずれの無いものであってもよい。また、周面に対して斜めに貫通するものであってもよい。
【００３４】
その他本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、第１、第３実施形態ではシールピン３に貫通穴３ａ，３ｂが貫通しているが、シールピン３の重量を軽減できる限り、貫通までせずに途中で止まった中どまりの穴であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ガスタービン等のタービン部やその空気圧縮機に搭載されて、主軸と一体的に回転する動翼体に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態の動翼体の回転軸方向視の要部断面図である。
【図２】第１実施形態の動翼体におけるシールピンの外観図である。
【図３】第１実施形態でのシールピンの重量軽減による振動影響の一例を示す相関図である。
【図４】本発明の第２実施形態の動翼体におけるシールピンの外観図である。
【図５】本発明の第３実施形態の動翼体におけるシールピンの外観図である。
【図６】従来一般の動翼体の回転軸方向視の要部断面図である。
【図７】従来の動翼体におけるシールピンの外観図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    動翼
２    ロータディスク
３    シールピン
３ａ，３ｂ    貫通穴
４    栓部材
５    冷却流体の流通空間
１０    翼根部
１１    プラットホーム部
１１ａ    シール用溝
１２    翼部
２０    受入れ溝
【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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