(57)【要約】【課題】シュラウドカバーの上面段差量の正常値を把握し、所定値への設計を可能とし、シュラウドカバーの上面段差量分布を含む最適化設計を行うことのできるくさび型スナッバ翼の設計方法および設計装置を提供する。【解決手段】翼有効部２の頭部に内側に凸の断面を有するシュラウドカバー３ａを備えた普通型の動翼２ａと翼有効部２の頭部に外側に凸の断面を有するシュラウドカバー３ｂを備えたオフセット型の動翼２ｂとをロータシャフトの周囲に交互に放射状に取り付けたくさび型スナッバ翼の設計方法において、シュラウドカバーの寸法変数と動翼の寸法変数とを入力する入力工程Ｓ１と、前記寸法変数および設計条件を基にシュラウドカバーの曲がり量を計算する曲がり量計算工程Ｓ２と、シュラウドカバーの前記曲がり量および前記設計条件から隣接するシュラウドカバー間の段差量を計算する段差量計算工程Ｓ３と、隣接するシュラウドカバー間の段差量の前記計算値が許容値内にあるか否かを判定する判定工程Ｓ４とを備えた構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼有効部の頭部に、内側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えた普通型の動翼と、翼有効部の頭部に、外側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えたオフセット型の動翼とをロータシャフトの周囲に交互に放射状に取り付けたくさび型スナッバ翼の設計方法において、シュラウドカバーの寸法変数と動翼の寸法変数とを入力する入力工程と、前記寸法変数および設計条件を基にシュラウドカバーの曲がり量を計算する曲がり量計算工程と、シュラウドカバーの前記曲がり量および前記設計条件から隣接するシュラウドカバー間の段差量を計算する段差量計算工程と、隣接するシュラウドカバー間の段差量の前記計算値が許容値内にあるか否かを判定する判定工程とを備えたことを特徴とするくさび型スナッバ翼の設計方法。
【請求項２】
シュラウドカバーの寸法変数は、少なくとも、シュラウドカバー厚さ、シュラウドカバー幅、シュラウドカバー背側長さ、シュラウドカバー腹側長さ、シュラウドカバー外側に形成されたリブ高さ、リブ幅およびリブ本数であることを特徴とする請求項１記載のくさび型スナッバ翼の設計方法。
【請求項３】
動翼の寸法変数は、シュラウドカバーと翼有効部とが接続する部分の動翼翼有効部断面形状を表す少なくとも６個の寸法であることを特徴とする請求項１記載のくさび型スナッバ翼の設計方法。
【請求項４】
曲がり量計算工程は、シュラウドカバーにかかる遠心力によるシュラウドカバーの径方向曲がり量を計算する工程と、シュラウドカバーにかかる接触反力によるシュラウドカバーの径方向曲がり量を計算する工程と、前記遠心力によるシュラウドカバーの径方向曲がり量と前記接触反力によるシュラウドカバーの径方向曲がり量とを加算する工程とを備えていることを特徴とする請求項１記載のくさび型スナッバ翼の設計方法。
【請求項５】
シュラウドカバーの径方向曲がり量は、数値実験計画法により求めた計算式によって計算されることを特徴とする請求項４記載のくさび型スナッバ翼の設計方法。
【請求項６】
シュラウドカバーの径方向曲がり量は、シュラウドカバー上面のリブを等価カバー厚さに換算して計算されることを特徴とする請求項４記載のくさび型スナッバ翼の設計方法。
【請求項７】
段差量計算工程においては、シュラウドカバーの腹側の径方向変形量と同位置におけるシュラウドカバーの背側の径方向変形量との差の最大値を求めることを特徴とする請求項１記載のくさび型スナッバ翼の設計方法。
【請求項８】
段差量計算工程においては、蒸気入口側端の腹側径方向変形量と背側径方向変形量との差を求めることを特徴とする請求項１記載のくさび型スナッバ翼の設計方法。
【請求項９】
翼有効部の頭部に、内側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えた普通型の動翼と、翼有効部の頭部に、外側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えたオフセット型の動翼とをロータシャフトの周囲に交互に放射状に取り付けたくさび型スナッバ翼の設計方法において、シュラウドカバーの寸法変数と動翼の寸法変数とを入力する入力工程と、前記寸法変数および設計条件を基にシュラウドカバーの曲がり量を計算する曲がり量計算工程と、シュラウドカバーの前記曲がり量および前記設計条件から隣接するシュラウドカバー間の段差量を計算する段差量計算工程と、隣接するシュラウドカバー間の段差量の最大値を最小にする前記シュラウドカバーの寸法変数と前記動翼の寸法変数を決定する決定工程とを備えたことを特徴とするくさび型スナッバ翼の設計方法。
【請求項１０】
翼有効部の頭部に、内側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えた普通型の動翼と、翼有効部の頭部に、外側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えたオフセット型の動翼とをロータシャフトの周囲に交互に放射状に取り付けたくさび型スナッバ翼の設計装置において、シュラウドカバーの寸法変数と動翼の寸法変数とを入力する入力手段と、前記寸法変数および設計条件を基にシュラウドカバーの曲がり量を計算する曲がり量計算手段と、シュラウドカバーの前記曲がり量および前記設計条件から隣接するシュラウドカバー間の段差量を計算する段差量計算手段と、隣接するシュラウドカバー間の段差量の前記計算値が許容値内にあるか否かを判定する判定手段とを備えたことを特徴とするくさび型スナッバ翼の設計装置。
【請求項１１】
請求項１または９記載の設計方法によって設計されたくさび型スナッバ翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気やガスなどの流体で駆動されるタービンに設けられるくさび型スナッバ翼およびその設計方法および設計装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンシャフトの外周上に複数個の動翼を嵌合してなるインテグラルシュラウド型のタービン動翼は、図９に示すように、タービンシャフトに嵌合されるフック部１と、このフック部１の上に形成された翼有効部２と、この翼有効部２の頭部に結合されリブ４を有するシュラウドカバー３とから構成されている。
【０００３】
このようにインテグラルシュラウド型タービン動翼は、複数の動翼同士をシュラウドカバー３で連結して、動翼の振動や流体漏れを防いでおり、一般的には、シュラウドカバー３同士をテノンカシメなどで剛結合する。
【０００４】
くさび型スナッバ翼では、断面が外径方向に凸型のシュラウドカバーを有する動翼（オフセット翼）と、内径方向に凸型のシュラウドカバーを有する動翼（普通翼）とをロータ同心円状に交互に配置し、ロータ回転時に作用する遠心力により隣接するシュラウドカバー間を接触させる。すなわち、くさび型スナッバ翼においては、遠心力によって生じた摩擦力で隣接するシュラウドカバー同士が連結される。
【０００５】
くさび型スナッバ翼では、オフセット翼のフック部のタービンシャフトとの隙間を普通翼の間隙より大きく取っている。このため、遠心力が作用するとオフセット翼が間隙の差だけ余計に外径側に引張られ、普通翼より多く浮上する。回転試験などにより、オフセット翼に遠心力が作用すると、外径方向に凸型のシュラウドカバーを有するオフセット翼が浮き上がり、隣接するシュラウドカバー同士が接触し、くさび型スナッバ翼は全周一群構造をとる。通常、くさび型スナッバ翼は、摩擦力により停止時もオフセット翼が浮き上がった状態、すなわち、全周一群構造を保った状態になるよう設計されている。
【０００６】
上述のようにくさび型スナッバ翼では、オフセット翼が全周で均一量だけ浮き上がるよう設計されている。しかし、くさび型スナッバ翼は必ずしも全周において均一の状態とはならず、停止時のオフセット翼の浮上がり量にバラツキが見られ、シュラウドカバー上面に段差が生じることがある。シュラウドカバー上面の段差量は、蒸気入口側と蒸気出口側で異なる場合があり、オフセット翼の浮き上がり量のバラツキだけでなく、シュラウドカバーそのものの曲がりが影響していると考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし従来のくさび型スナッバ翼では、シュラウドカバーの蒸気入口側と出口側で代表される３次元的曲げ分布は考慮していないため、シュラウドカバー間の上部段差がオフセット翼の浮き上がりの異常かどうかの区別がつかなかった。異常な場合は、くさび型スナッバ翼による振動抑制効果が期待できないため、蒸気タービンの強度信頼性を損うおそれがある。
【０００８】
また、シュラウドカバー上面とケーシングに取りつけられた蒸気漏れを防ぐためのスリーブとの間は、蒸気タービンの効率を上げるためにはできるだけ狭いことが望ましいが、上部段差が生じる場合には間隙を大きくとらざる得ないため、タービンの効率が低下する。
【０００９】
そこで本発明は、シュラウドカバーの上面段差量の正常値を把握し、所定値への設計を可能とし、シュラウドカバーの上面段差量分布を含む最適化設計を行うことのできるくさび型スナッバ翼およびその設計方法および設計装置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】
請求項１の発明は、翼有効部の頭部に、内側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えた普通型の動翼と、翼有効部の頭部に、外側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えたオフセット型の動翼とをロータシャフトの周囲に交互に放射状に取り付けたくさび型スナッバ翼の設計方法において、シュラウドカバーの寸法変数と動翼の寸法変数とを入力する入力工程と、前記寸法変数および設計条件を基にシュラウドカバーの曲がり量を計算する曲がり量計算工程と、シュラウドカバーの前記曲がり量および前記設計条件から隣接するシュラウドカバー間の段差量を計算する段差量計算工程と、隣接するシュラウドカバー間の段差量の前記計算値が許容値内にあるか否かを判定する判定工程とを備えた構成とする。
【００１１】
請求項９の発明は、翼有効部の頭部に、内側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えた普通型の動翼と、翼有効部の頭部に、外側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えたオフセット型の動翼とをロータシャフトの周囲に交互に放射状に取り付けたくさび型スナッバ翼の設計方法において、シュラウドカバーの寸法変数と動翼の寸法変数とを入力する入力工程と、前記寸法変数および設計条件を基にシュラウドカバーの曲がり量を計算する曲がり量計算工程と、シュラウドカバーの前記曲がり量および前記設計条件から隣接するシュラウドカバー間の段差量を計算する段差量計算工程と、隣接するシュラウドカバー間の段差量の最大値を最小にする前記シュラウドカバーの寸法変数と前記動翼の寸法変数を決定する決定工程とを備えた構成とする。
【００１２】
請求項１０の発明は、翼有効部の頭部に、内側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えた普通型の動翼と、翼有効部の頭部に、外側に凸の断面を有するシュラウドカバーを備えたオフセット型の動翼とをロータシャフトの周囲に交互に放射状に取り付けたくさび型スナッバ翼の設計装置において、シュラウドカバーの寸法変数と動翼の寸法変数とを入力する入力手段と、前記寸法変数および設計条件を基にシュラウドカバーの曲がり量を計算する曲がり量計算手段と、シュラウドカバーの前記曲がり量および前記設計条件から隣接するシュラウドカバー間の段差量を計算する段差量計算手段と、隣接するシュラウドカバー間の段差量の前記計算値が許容値内にあるか否かを判定する判定手段とを備えた構成とする。
【００１３】
請求項１１の発明は請求項１または９記載の設計方法によって設計されたくさび型スナッバ翼である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、タービンの信頼性および効率に影響を及ぼすシュラウドカバー上面段差について、その正常値を把握し、所定値への設計を可能とし、シュラウドカバー上面段差量分布を含むくさび型スナッバ翼の最適化設計を行うことのできるくさび型スナッバ翼の設計方法および設計装置および信頼性が高く高効率のタービンを実現するくさび型スナッバ翼を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図を通じて対応する部分には同一符号を付けて重複する説明は適宜省略する。
【００１６】
図１は本発明の第１の実施の形態のくさび型スナッバ翼の設計方法を説明する流れ図である。すなわち、ステップＳ１においてシュラウドカバー寸法変数と動翼寸法変数とからなるパラメータを入力する。シュラウドカバー寸法変数は、シュラウドカバー厚さ、シュラウドカバー幅、シュラウドカバー背側長さ、シュラウドカバー腹側長さ、リブ高さ、リブ幅およびリブ本数である。
【００１７】
動翼寸法変数は、図１（ｂ）に示すように、シュラウドカバーと翼有効部とが接続する部分の翼有効部断面形状を表す６パラメータであり、翼前縁部の位置を決定する(1)と(2)、翼後縁部の位置を決定する(3)と(4)、中心線における背と腹の位置を決める(5)と(6)である。もちろん、入力パラメータはこれらの位置を、計算により求めることができる別パラメータに置きかえてもよい。
【００１８】
これらパラメータ、および、遠心力、材料定数等のタービン設計条件から、ステップＳ２においてシュラウドカバーの各部位の曲がり量を計算する。次にステップＳ３において、隣接するシュラウドカバーの接触部、すなわち、オフセット翼腹側と普通翼背側、あるいは、オフセット翼背側と普通翼腹側間の径方向変形の差を取って、シュラウドカバー段差量の分布を計算する。
【００１９】
オフセット量をδ、オフセット翼の浮き上がり量をｖ、接触部ｘにおけるオフセット翼と普通翼の径方向曲げ変形量の差をΔR(ｘ)とすると、接触部ｘにおけるシュラウドカバー上面の段差量D(x)は次式で表される。
D(x)＝ΔR(x)＋ｖ−δ
【００２０】
つぎにステップＳ４において、上記の段差量D(x)が設計許容値Ｄ１の範囲にあるか否かを判定することで、実際のシュラウドカバー上面段差量を所定値に調整することが可能となる。
【００２１】
遠心力が作用した時のくさび型スナッバ翼の変形は図２に示すようになり、オフセット翼のシュラウドカバー３ｂの曲がり量はシュラウドカバーの剛性や翼有効部とシュラウドカバー接続部からの距離の影響を受ける。すなわち、図２に示すような形状のシュラウドカバー３ｂの場合、翼有効部との距離が大きい腹側の蒸気出口側では大きな曲げ変形が生じ、一方、蒸気入口側では小さい曲げ変形量となる。
【００２２】
シュラウドカバー上面の段差は、（１）オフセット翼２ｂの浮き上がり量が不均一、（２）オフセット翼２ｂの浮き上がり量の見込み違い、（３）蒸気入口側と出口側などのシュラウドカバーの剛性の差による曲げ変形量の違いにより生じると考えられる。通常のシュラウドカバーの変形とオフセット翼浮き上がり量の予測は、翼背腹側で対称な２次元モデルで予測するため、背、腹の違い、蒸気入口側、出口側の違いは考慮されない。このため、シュラウドカバー上面段差量は、前述（３）の曲げ変形量の差によるだけでなく、（２）のオフセット翼浮き上がり量の予想量のズレも、その要因となる。
【００２３】
すなわち、シュラウドカバー上面段差量を正確に予測するためには、図３に示すように、シュラウドカバーの曲がり量を計算することが必要である。シュラウドカバーに遠心力などの荷重が作用した場合のシュラウドカバーの曲がり量は有限要素解析などにより求めることができる。
【００２４】
シュラウドカバーの曲がり量を決定するのは、シュラウドカバーの形状・寸法、リブのサイズ、翼有効部の形状・寸法およびシュラウドカバーにかかる荷重である。これらを入力し、シュラウドカバーの曲がり量を予測することにより、個々のシュラウドカバーの曲げ変形量を計算し、その結果を基にシュラウドカバー上面段差量D(x)を計算することが可能となる。このシュラウドカバー段差量D(x)の計算値が許容値であるかを判定するようにルーチン計算・システム化することで、くさび型スナッバ翼の最適設計システムとすることができる。
【００２５】
本実施の形態の設計方法によれば、くさび型スナッバ翼のシュラウドカバーの上面段差量の正常値を把握し、所定値への設計を可能とし、シュラウドカバーの上面段差量分布を含む最適化設計を行うことができる。また、シュラウドカバーの変形量を正確に計算することができる。更に、シュラウドカバーの変形に対する翼有効部の影響を正確に計算することができる。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図４は第２の実施の形態を示す。この設計方法においては、ステップＳ２ａのシュラウドカバー曲がり量算出において、シュラウドカバーにかかる遠心力によるシュラウドカバーの径方向曲がり量δ１を計算し、また、シュラウドカバーにかかる接触反力によるシュラウドカバーの径方向曲がり量δ２を計算し、次に前記遠心力によるシュラウドカバーの径方向曲がり量δ１と前記接触反力によるシュラウドカバーの径方向曲がり量δ２とを加算する。
【００２７】
遠心力、および、接触反力によるシュラウドカバーの径方向曲がり量δ１，δ２を計算する方法としては、有限要素解析により計算する、あるいは、予め実験計画法、数値実験計画法により求めた式を用いて計算する。
【００２８】
このシュラウドカバー曲げ変形を求める場合には、シュラウドカバー上面リブの存在が計算においては問題となるが、図５に示すように、シュラウドカバー３の上面のリブ４を含めて等価カバー３ｅの厚さｔeqに換算して計算する。
【００２９】
本実施の形態によれば、遠心力と接触反力がシュラウドカバーの変形に及ぼす影響を反映することができる。
【００３０】
（第３の実施の形態）
図６は第３の実施の形態を示す。この設計方法においては、シュラウドカバー間の段差量を算出するステップＳ３ａにおいて、図６（ｂ）に示すように、翼腹側接触面の径方向変形量と同位置における翼背側接触面の径方向変形量との差をとり、その分布から段差量の最大値を求める。そしてこの最大値が許容値より小さいか否か次のステップＳ４ａで判定する。
【００３１】
シュラウドカバー段差量は、実機では翼の捻じれや組立て時のバラツキなどの要因が考えられるが、設計方法としては理想的な状態における段差を計算する。なお、これらのバラツキなどの要因については、この設計方法で得られた段差量の許容値を判定する際に組込むことが可能である。
【００３２】
本実施の形態によれば、シュラウドカバーの変形量の計算に実際の現象を反映することができる。
【００３３】
（第４の実施の形態）
つぎに図７を参照して本発明の第４の実施の形態を説明する。図７（ｂ），（ｃ）に示すように、シュラウドカバーが遠心力と接触反力を受けた場合の径方向曲げ変形量は、翼有効部の形状による影響を受け、部位により不均一な分布となる。すなわち、通常、背側と腹側を比較すると、腹側の方が背側よりカバー根元までの距離Lが長い。また、蒸気入口側と出口側で比較すると、蒸気入口側の翼腹側で最もカバー根元までの距離Lが長い。
【００３４】
このため、本実施形態の設計方法においては、シュラウドカバー間の段差量を算出するステップＳ３ｂにおいて、蒸気入口側端の翼腹側接触面の径方向変形量δ１と蒸気入口側端における翼背側接触面の径方向変形量δ２との差をとることで段差量の最大値Max(D)を算出する。
【００３５】
本実施の形態によれば、シュラウドカバーの段差量の計算に実際の現象を反映することができる。
【００３６】
（第５の実施の形態）
つぎに図８を参照して本発明の第５の実施の形態を説明する。
設計パラメータからシュラウドカバー段差量を算出する方法を用いると、くさび型スナッバ翼の最適化が可能になる。本実施の形態では、シュラウドカバー間の段差量を計算し、それをもとにシュラウドカバー間段差量の最小値を計算する目的関数を用いる。シュラウドカバー間の段差量の最小値を求めるには、感度解析、応答局面法近似、数値実験計画法、遺伝子的アルゴリズム法などによって、個々の条件における段差量の最大値Dmaxを求め（ステップＳ４ｃ）、Dmaxを集積して（ステップＳ４ｄ）、そこから最大値の最小値Min(Dmax)を計算する（ステップＳ４ｅ）。
【００３７】
以上の各実施の形態の設計方法は、各ステップＳ１〜Ｓ５を実行する手段を備えた設計装置によって実施することができる。
【００３８】
本実施の形態の設計方法によれば、くさび型スナッバ翼のシュラウドカバーの上面段差量の正常値を把握し、所定値への設計を可能とし、シュラウドカバーの寸法変数と動翼の寸法変数の最適化設計，シュラウドカバーの上面段差量分布を含む最適化設計を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態のくさび型スナッバ翼の設計方法を示し、（ａ）は流れ図、（ｂ）は翼有効部の断面形状を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の作用を説明するくさび型スナッバ翼の正面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の作用を説明するシュラウドカバーの斜視図。
【図４】本発明の第２の実施の形態のくさび型スナッバ翼の設計方法をす流れ図。
【図５】上記第２の実施の形態における計算方法を説明する図。
【図６】本発明の第３の実施の形態のくさび型スナッバ翼の設計方法を示し、（ａ）は流れ図、（ｂ）は計算方法を説明する図。
【図７】本発明の第４の実施の形態のくさび型スナッバ翼の設計方法を示し、（ａ）は流れ図、（ｂ）は翼有効部の断面形状を示す図、（ｃ）は計算方法を説明する図。
【図８】本発明の第５の実施の形態のくさび型スナッバ翼の設計方法を示す流れ図。
【図９】従来のくさび型スナッバ翼を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４０】
１…フック部、２…翼有効部、２ａ…普通翼、２ｂ…オフセット翼、３，３ａ，３ｂ…シュラウドカバー、３ｅ…等価カバー厚さモデル、４…リブ。
【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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【図８】
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【図９】
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