(57)【要約】【課題】  テノンとシュラウドとの接触端における発生応力を低減させ、さらに腐食生成物の濃縮を抑制することにより、テノンとシュラウドとの構造信頼性を高める。【解決手段】  テノン周りにおいて、シュラウドの内周側端面の少なくとも一部と翼肩とを接触させることにより、翼振動により伝達される振動荷重の一部を翼肩に分散させて、テノンに伝達される振動荷重を低減させる。そして、テノンの付け根部への蒸気の流入を抑制することにより、腐食生成物の濃縮を低減する効果が期待できる。【選択図】図１
2006063894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン動翼の先端に設けられたテノンをシュラウドのテノン穴に通し、前記テノンをかしめることによって前記タービン動翼と前記シュラウドとを連結するタービン動翼群において、
前記テノンの周りであって、前記シュラウドの半径方向内周側端面の少なくとも一部が、前記タービン動翼の翼肩と接触するように形成されていることを特徴とするタービン動翼群。
【請求項２】
前記タービン動翼の一本の先端には複数のテノンが設けられることを特徴とする請求項１記載のタービン動翼群。
【請求項３】
前記シュラウドの半径方向内周側チャンハの高さ（ｈ）が、前記テノンと前記シュラウドとの接触位置である平行部から内周側チャンハ端までの距離（ｄ）よりも大きく形成されたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼群。
【請求項４】
タービン動翼の先端に設けられたテノンをシュラウドのテノン穴に通し、前記テノンを変形させることによって前記タービン動翼と前記シュラウドとを連結するタービン動翼群において、
前記テノンの周りであって、前記シュラウドに形成されるテノン穴の内周側端面の少なくとも一部が、前記タービン動翼の翼肩と接触するように形成されていることを特徴とするタービン動翼群。
【請求項５】
請求項１記載のタービン動翼を有した蒸気タービン。
【請求項６】
タービン動翼の先端に設けられたテノンをシュラウドのテノン穴に通し、前記テノンを変形させることによって前記タービン動翼と前記シュラウドとを連結するタービン動翼群において、
前記シュラウドに形成されたテノン穴の最大口径部分より、前記タービン動翼の回転方向の翼肩幅が大きく形成されたことを特徴とするタービン動翼群。
【請求項７】
前記シュラウドに形成されたテノン穴と前記シュラウドの半径方向内周側端面で接触する前記タービン動翼の翼肩は、タービン動翼の回転方向の翼肩であることを特徴とする請求項１記載のタービン動翼群。
【請求項８】
前記タービン動翼が、その回転方向について、前記テノンと前記シュラウドとの接触位置である平行部から内周側チャンハ端までの距離（ｄ）よりも大きく形成されたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼群。
【請求項９】
前記シュラウドの半径方向内周側チャンハの高さ（ｈ）が、前記テノンの内周側局率半径（Ｒ）よりも大きく形成されたことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼群。
【請求項１０】
前記シュラウドの半径方向内周側端面の少なくとも一部が、前記タービン動翼の翼肩と前記テノンの周り全周で接触するように形成されていることを特徴とする請求項１記載のタービン動翼群。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はテノンとシュラウドとの結合構造を有したタービン動翼群に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、テノンとシュラウドとの結合構造を有したタービン動翼群に関する技術については、特許文献１に記載されているように、安定した品質を維持することを目的として、動翼のテノン整形方法を提供したものや、特許文献２に記載されているように、シュラウド及びテノンの応力を適正値に保持しつつテノンのかしめ工数を低減するようなタービン動翼のシュラウド固定構造を提供したものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−９３４０１号公報
【特許文献２】特開平１１−２８０４０５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
テノンとシュラウドとの結合構造では、テノンのかしめによる高い接触面圧により、テノンの付け根部分における局率半径底のシュラウドとの接触端近傍では、遠心負荷や翼振動負荷により高い局所応力が作用する可能性があることがわかってきている。
【０００５】
さらに、タービン動翼の長期間の運転により蒸気中に含まれる微量腐食生成物が濃縮して、腐食環境条件が厳しくなった場合には、前述した位置に疲労き裂が発生する可能性があることがわかってきている。
【０００６】
しかしながら、従来技術においては、こうした技術課題に関する言及はない。
【０００７】
そこで、本発明では、タービン動翼の振動に対して、前述した接触端近傍における振動応力を低減させ、腐食生成物の濃縮を抑制することにより、テノンとシュラウドとの結合構造の信頼性を高めたタービン動翼を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態であるタービン動翼群は、タービン動翼の先端に設けられたテノンをシュラウドのテノン穴に通し、テノンをかしめることによってタービン動翼とシュラウドとを連結するものである。そして、テノンの周りであって、シュラウドの半径方向内周側端面の少なくとも一部が、タービン動翼の翼肩と接触するように形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、タービン動翼の一本の先端には複数のテノンが設けられる。
【００１０】
シュラウドの半径方向内周側チャンハの高さ（ｈ）が、テノンとシュラウドとの接触位置である平行部から内周側チャンハ端までの距離（ｄ）よりも大きく形成される。
【００１１】
さらに、タービン動翼が、その回転方向について、テノンとシュラウドとの接触位置である平行部から内周側チャンハ端までの距離（ｄ）よりも大きく形成される。シュラウドの半径方向内周側チャンハの高さ（ｈ）が、テノンの内周側局率半径（Ｒ）よりも大きく形成される。
【００１２】
さらに、本発明の一実施形態であるタービン動翼群は、タービン動翼の先端に設けられたテノンをシュラウドのテノン穴に通し、テノンを変形させることによってタービン動翼とシュラウドとを連結するものであって、テノンの周りで、シュラウドに形成されるテノン穴の内周側端面の少なくとも一部が、タービン動翼の翼肩と接触するように形成されている。
【００１３】
また、シュラウドに形成されたテノン穴の最大口径部分より、タービン動翼の回転方向の翼肩幅が大きく形成されることが好ましい。
【００１４】
また、シュラウドに形成されたテノン穴とシュラウドの半径方向内周側端面で接触するタービン動翼の翼肩は、タービン動翼の回転方向の翼肩である。
【００１５】
また、シュラウドの半径方向内周側端面の少なくとも一部が、タービン動翼の翼肩とテノンの周り全周で接触するように形成されていることが好ましい。
【００１６】
なお、以上のようなタービン動翼は、蒸気タービンに用いられることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の一実施形態であるタービン動翼に接触されるように形成されるシュラウドは、テノンの周りで、シュラウドの半径方向内周側端面の少なくとも一部が、タービン動翼の翼肩と接触するように形成されている。つまり、タービン動翼群の少なくとも一つのタービン動翼に、こうした工夫を施すことも可能であるし、一つのタービン動翼に複数あるテノンの内、少なくとも一つにこうした工夫を施すことも可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、タービン動翼の振動に対して、前述した接触端近傍における振動応力を低減させ、腐食生成物の濃縮を抑制することにより、テノンとシュラウドとの結合構造の信頼性を高めたタービン動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】
【００１９】
図１を用いて本発明の実施例を説明する。
【００２０】
タービン動翼１の先端には、蒸気の流入方向に対して、蒸気入口側と蒸気出口側との２箇所のテノン２ａ，２ｂが、タービン動翼１と一体に形成される。各々のテノン２ａ，
２ｂをシュラウド３に設けられたテノン穴に通してかしめられることにより変形し、テノン２ａ，２ｂとシュラウド３との間に所定の面圧を負荷して連結している。こうして、タービン動翼１とシュラウド３とが連結される。なお、本実施例ではテノンが２つの場合を示しているが、３つであってもよい。
【００２１】
図１（ｂ）に、蒸気出口側のテノン２ｂの翼厚み方向（図１（ａ）中におけるＢ−Ｂ断面）における形状を示す。
【００２２】
タービン動翼１におけるテノン２の付け根は、応力集中を低下させるため、所定の曲率半径（Ｒ）を有するような円弧４が設けられている。
【００２３】
シュラウド３のテノン穴は、シュラウド３の半径方向に対して、外周側チャンハ５，平行部６，内周側チャンハ７から構成されており、テノン２とシュラウド３との間の面圧は、外周側チャンハ５と平行部６とにより伝達されている。
【００２４】
シュラウド３の内周側端面１２と翼肩１３との間に接触領域（幅）ｅが確保されているのが、本構造の特徴である。なお、シュラウド内周側端面１２と翼肩１３との間に接触領域を確保する位置は、本断面位置に限定せず、テノン周り全周において適用されていることが好ましい。
【００２５】
シュラウド３の内周側端面１２と翼肩１３との接触領域ｅとしては、テノン２をかしめ変形によるシュラウド３の内周側コーナＳの変形量や、初期のテノン穴とテノン２の組立公差を考慮して、本実施例の効果を得るためには０.５mm 以上確保することが望ましい。ただし、この幅が大きすぎるとタービン動翼１の重量も重くなるため、他の特性にも影響を及ぼす。よって、１.５mm 以下であることが好ましい。
【００２６】
シュラウド３の内周側チャンハ７の形状として、図１（ｂ）に示すように、シュラウド３の内周側チャンハ高さ（ｈ）を、テノン２との接触位置である平行部６から内周側チャンハコーナ（Ｓ）までの長さ（ｄ）よりも大きく形成している。
【００２７】
本構造により、この長さ（ｄ）を同じにした条件下で、テノン２とシュラウド３との接触端である応力集中部において、テノン２の付け根の局率半径底（Ｑ）とシュラウド３とテノン２との接触端（Ｐ）との距離を離すことにより、遠心力および翼振動に対する応力集中を低下させることができる。
【００２８】
この長さ（ｄ）とテノン２の曲率半径（Ｒ）とが等しい条件下で、シュラウド３の内周側チャンハ高さ（ｈ）と、タービン動翼１の付け根における曲率半径（Ｒ）との比に対するテノン２とシュラウド３との接触端（近傍）１５における局所最大応力の関係を図４に示す。
【００２９】
図４では、ｈ／Ｒ＝１における局所最大応力を１として規格化して示している。図４に示すように、ｈ／Ｒを１.２ 以上確保することにより、テノン２とシュラウド３との接触端１５における局所応力を約５％低減させる効果が見込める。ただし、ｈ／Ｒを増加しすぎると、テノン２とシュラウド３との間の面圧を受け持つ領域である平行部６と外周側チャンハ５とが小さくなり、接触面圧が過度に高くなる可能性があるため、ｈ／Ｒは１.５ 以下であるのが望ましい。
【００３０】
また、長さ（ｄ）の寸法としては、テノン２の付け根の曲率半径（Ｒ）と干渉しないために、１.０Ｒ 以上を確保しておくことが望ましい。
【００３１】
また、例えば、内周側チャンハ７の高さ（ｈ）と平行部６から内周側チャンハコーナ
（Ｓ）までの距離（ｄ）を等しく形成した構造では、テノン２の全周において翼肩１３とシュラウド３の内周側端面１２に接触領域ｅを確保しようとすると、特に、蒸気出口側のテノン２ｂの翼厚み方向断面から見た場合、タービン動翼１の翼幅を過度に大きく形成する必要が生じる場合がある。
【００３２】
その場合には、タービン動翼１の重量増加による遠心力の増加や性能低下の問題が発生することが想定される。
【００３３】
そこで、本実施例のように長さ（ｄ）を内周側チャンハ高さ（ｈ）よりも小さく形成することにより、テノン２の周り全周において翼肩１３とシュラウド３の内周側端面１２の一部を接触させた本実施例を適用することで、生じるタービン動翼１の重量増加を最小限に抑制する効果が得られる。
【００３４】
一般に、タービン動翼１の長さが長いほど、固有振動数が低下して励振次数が低くなるため、翼振動による振動応答が大きくなる。また、段落温度が５０℃〜２００℃の範囲では、蒸気中に微量含まれる腐食生成物の濃縮が進行することが知られている。
【００３５】
そこで、翼振動と腐食環境との両方の因子が厳しくなる条件として、翼長が２００mm以上、段落温度が５０℃〜２００℃の範囲に対して適用するのが望ましい。
【００３６】
テノン２の周りにおいて、シュラウド３の内周側端面の少なくとも一部と翼肩１３とを接触させることにより、翼振動により伝達される荷重の一部を翼肩１３に分散させる。これにより、テノン２に伝達される振動荷重を低減させる効果が得られる。
【００３７】
さらに、高い応力集中部であるテノン２の付け根部への蒸気の流入を抑制することにより、腐食生成物の濃縮を低減する効果が期待できる。
【００３８】
また、シュラウド３の半径方向における内周側チャンハ高さをテノン２とシュラウド３との接触位置からチャンハ端までの距離よりも大きく形成することにより、テノン２の付け根の曲率半径底とシュラウド３との接触端の応力集中を低減させる効果がある。また、テノン２の周りにおいて、シュラウド３の内周側端面と翼肩１３とを接触させる際に、タービン動翼１の重量増加に伴う遠心力増加を最小限に抑制する効果も得られる。
【００３９】
図２を用いて、本実施例の比較例を説明する。
【００４０】
比較例に示したテノンとシュラウドとの結合構造は、タービン動翼１の先端に、タービン動翼１と一体に形成されたテノン２をシュラウド３のテノン穴に通し、テノン２をかしめて塑性変形させることにより、テノン２とシュラウド３との間に所定の面圧を負荷して結合する構造である。
【００４１】
シュラウド３とテノン２との接触部では、発生応力の低減やかしめによる割れ発生防止を考慮して、以下のことが配慮されている。
【００４２】
シュラウド３のテノン穴は、シュラウド３の半径方向に、外周側チャンハ５，平行部６，内周側チャンハ７から形成されている。外周側チャンハ５は、テノン２のかしめ時のひずみ集中によるかしめ割れ発生を防止するために適切な寸法が設けられている。
【００４３】
テノン２とシュラウド３との接触面において、適正な面圧を負荷するために、接触面圧を受け持つ領域であるシュラウド３の平行部６と外周側チャンハ５との寸法が定められている。テノン２の付け根部には、応力集中を緩和させるために適切な曲率半径４が設けられており、シュラウド３の内周側チャンハ７は、テノン２の付け根の曲率半径４と干渉しないように形成されている。
【００４４】
比較例の構造では、内周側チャンハ７の高さ（ｈ）と、テノン２とシュラウド３との接触位置である平行部６からシュラウド３の内周側チャンハ端（Ｓ）までの距離（ｄ）がほぼ等しく形成されている。
【００４５】
また、一般にタービン動翼１の蒸気出口側に位置するほど翼の厚みが減少するため、テノン２の翼厚み方向の断面では、シュラウド３の内周側端面１２と翼肩１３とが接触しない領域が存在していた。
【００４６】
テノン２とシュラウド３との接触部では、材料の降伏応力に近い高い面圧が作用しており、テノン２の付け根における曲率半径底のシュラウド３との接触端近傍１５では、遠心負荷や翼振動負荷に対して高い局所応力が発生する場合がある。さらに、長期間の運転により蒸気中に微量含まれる腐食生成物がテノン２とシュラウド３との応力集中部に濃縮した場合には、腐食環境による疲労強度低下により、テノン２とシュラウド３との接触端近傍１５から疲労き裂が発生する可能性があった。
【００４７】
翼振動に対する模式的な変形図と荷重の流れを図３に示すと共に、本実施例による効果を説明する。
【００４８】
図３（ｂ）及び（ｃ）に、蒸気出口側のテノン２ｂの翼厚み方向（図３（ａ）中におけるＢ−Ｂ断面）における形状を示す。なお、符号２ａは、蒸気入口側のテノンである。
【００４９】
翼厚み方向の断面でシュラウド３の内周側端面１２が翼肩１３と接触していない比較例の場合には、図３（ｂ）に示すように、シュラウド３からの翼振動による荷重流れ線で示される振動荷重２０が直接テノン２に伝達される。
【００５０】
一方、図３（ｃ）に示すように、本実施例の場合には、テノン２の周り全周において、シュラウド３の内周側端面１２の一部と翼肩１３とを接触させた構造を採用するため、シュラウド３と翼肩１３とを接触させる拘束により、翼振動による変形量を低減し、かつ、シュラウド３から伝達される振動荷重２０の一部を翼肩１３へ伝達させることにより、テノン２に作用する荷重を低減することができる。
【００５１】
その結果、図３（ｂ）に示す場合に比較して図３（ｃ）に示す場合のほうが、テノン２とシュラウド３との接触端近傍１５の高応力集中部における発生応力を低減させる効果が得られる。
【００５２】
なお、かしめによる翼肩１３の接触面圧のばらつきが存在し、またシュラウド３の遠心力によりシュラウド３の内周側端面１２と翼肩１３との隙間が増加する方向に変形して、接触面圧が低下する傾向があるため、応力低減効果にはばらつきが生じることが想定される。
【００５３】
テノン２の構造を模擬した試験と解析による評価によると、比較例の構造と比較して、本実施例に示した構造は、約２０〜５０％の振動応力低減効果が期待できる。
【００５４】
比較例の構造では、図３（ｂ）に示すように、シュラウド３の内周側端面１２と翼肩
１３との隙間から蒸気２１が進入して、テノン２とシュラウド３との接触端の応力集中部で腐食生成物が濃縮して疲労強度が低下することが想定される。しかし、本実施例の構造では、図３（ｃ）に示すように、テノン２の周り全周において、シュラウド３の内周側端面１２と翼肩１３との隙間をふさぐことができ、テノン２の付け根部への蒸気の流入を抑制して腐食生成物の濃縮を低減する効果も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施例を示した図である。（ａ）は鳥瞰図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図２】比較例の構造によるテノンとシュラウドとの構造を説明した図である。
【図３】本発明による効果を定性的に示した模式図である。（ａ）は鳥瞰図、（ｂ）は比較例の構造による（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は本実施例による（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図４】本実施例の効果を示した説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…タービン動翼、２…テノン、３…シュラウド、４…円弧、５…外周側チャンハ、６…平行部、７…内周側チャンハ、１２…シュラウド内周側端面、１３…翼肩、１５…テノンとシュラウドとの接触端（近傍）、２０…翼振動による荷重流れ線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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