(57)【要約】【課題】ダンパの減衰を安定させることで、回転機械用部材の安定的な稼働を行うことができるとともに、振動予測を容易に行うことができる。【解決手段】インテグラルシュラウドに用いられて、その内部に収容空間が形成された筐体１１と、収容空間に収容されて、流動可能な粘性流体又は粘弾性流体１２を有する液体ダンパ１０とを備え、液体ダンパ１０の筐体１１内には、筐体１１の内面から突設する柔軟性を有する梁状突出片１３が設けられ、その梁状突出片１３には、微小な貫通孔からなる複数のオリフィス１３ａが形成された構成の回転機械翼を提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対振動する一対の回転機械用部材の間に配置される液体ダンパであって、
前記回転機械用部材の内部に形成された収容空間に収容されて、流動可能な粘性流体又は粘弾性流体を有することを特徴とする液体ダンパ。
【請求項２】
前記収容空間に収容可能で閉塞空間を形成する筐体と、
該筐体内に収容される前記粘性流体又は粘弾性流体と、
を備え、
前記筐体の内面には、柔軟性を有する梁状突出片が突設されていることを特徴とする請求項１に記載の液体ダンパ。
【請求項３】
前記梁状突出片の固有振動数は、前記回転機械用部材の固有振動数に合わせて設定されていることを特徴とする請求項２に記載の液体ダンパ。
【請求項４】
前記梁状突出片は、複数設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の液体ダンパ。
【請求項５】
前記梁状突出片には、微小な貫通孔からなる複数のオリフィスが形成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の液体ダンパ。
【請求項６】
前記複数のオリフィスは、前記回転機械用部材の回転周方向に向けて貫通していることを特徴とする請求項５に記載の液体ダンパ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体ダンパを備えた回転機械翼であって、
前記回転機械用部材が翼先端に設けられるシュラウドであり、
前記液体ダンパは、隣り合う前記シュラウドの間の接触面に設けられていることを特徴とする液体ダンパを備えた回転機械翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、タービンにおいては、軽量化を図るため、腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された中空構造としたタービン翼を用いている。このようなタービン翼では、振動を抑制する技術として、タービン翼の振動応答レベルを低減するため、シュラウドダンパ、板バネダンパ、シールピンダンパが採用されている（例えば、特許文献１など参照）。これらのダンパでは、翼内部や翼間に設置されており、共振時にダンパと翼が接触することから、摩擦による減衰効果を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２０３４３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、摩擦減衰を採用している従来のタービン翼では、翼とダンパとの間の接触面の状態が安定しないため、翼の振動特性が安定せず、振動を容易に予測することができなかった。そのため、タービン翼を備えたタービンの稼働が不安定になるという問題があった。
また、タービンを長時間稼働させた場合には、翼とダンパとの間で摩耗や凝着が生じることから、前述したように接触面の状態が安定しないことから、その点で改善の余地があった。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ダンパの減衰を安定させることで、回転機械用部材の安定的な稼働を行うことができるとともに、振動予測を容易に行うことができる液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る液体ダンパは、相対振動する一対の回転機械用部材の間に配置される液体ダンパであって、前記回転機械用部材の内部に形成された収容空間に収容されて、流動可能な粘性流体又は粘弾性流体を有することを特徴としている。
【０００７】
また、本発明に係る液体ダンパを備えた回転機械翼は、上述した液体ダンパを備えた回転機械翼であって、前記回転機械用部材が翼先端に設けられるシュラウドであり、前記液体ダンパは、隣り合う前記シュラウドの間の接触面に設けられていることを特徴としている。
【０００８】
本発明では、シュラウドなどの回転機械用部材に生じる振動を粘性流体又は粘弾性流体を収容した液体ダンパによって減衰させることができ、振動応力の低減効果を得ることができる。つまり、相対振動する一対の回転機械用部材が共振によって接触する際に、これら回転機械用部材に設けられる液体ダンパにも衝撃力が加わり、内部の粘性流体又は粘弾性流体も励振される。このとき粘性流体又は粘弾性流体が励振されることで、その流体の運動エネルギーが熱エネルギーへと変換され、これにより回転機械用部材の振動を低減することができ、減衰効果を発揮することになる。
【０００９】
このように、本発明では、回転機械用部材の振動を抑制する液体ダンパの減衰にかかる振動特性が安定することから、振動予測が容易に、且つより精度よく行うことができ、摩耗などの経年劣化への対応が可能となり、回転機械用部材を備えた発電プラント等を安定的に稼働させることができる。
【００１０】
また、本発明に係る液体ダンパでは、前記収容空間に収容可能で閉塞空間を形成する筐体と、該筐体内に収容される前記粘性流体又は粘弾性流体と、を備え、前記筐体の内面には、柔軟性を有する梁状突出片が突設されていることが好ましい。
【００１１】
この場合には、柔軟性を有する梁状突出片が粘性流体又は粘弾性流体の内部に配置され、振動によって梁状突出片が柔軟に振れることから、比較的、低周波領域で効果を発揮する粘性流体又は粘弾性流体のみが設けられる場合に比べて、高周波領域での振動低減効果を発揮させることができ、周波数領域を広げることができる。そのため、特に高周波領域となるガスタービンの使用に好適となる利点がある。
また、本発明では、液体ダンパを筐体型とすることが可能であり、着脱可能な構成とすることを容易に行うことができる。このように液体ダンパを着脱式とすることで、減衰効果を調整するときやメンテナンス時に適宜交換することができる利点がある。
【００１２】
また、本発明に係る液体ダンパでは、前記梁状突出片の固有振動数は、前記回転機械用部材の固有振動数に合わせて設定されていることが好ましい。
【００１３】
この場合には、梁状突出片の共振点（固有振動数）をシュラウドなどの回転機械用部材の共振点と一致させることで、液体ダンパを動吸振器として機能させることができ、回転機械用部材の振動を効果的に低減することができる。
【００１４】
また、本発明に係る液体ダンパでは、前記梁状突出片は、複数設けられていることが好ましい。
【００１５】
この場合には、設計時に離調の対象となる振動モードは通常一つではないことから、それぞれの共振点にあった梁状突出片を複数設置することにより、回転機械用部材の振動を広範な振動数領域で低減することができ、動吸振器の機能をより効果的に発揮させることができる。また、複数の梁状突出片のそれぞれの材料、厚さ寸法、長さ寸法などを変更することで減衰係数を変更することが可能となるので、固有振動数の異なる複数の梁状突出片を配置することができる。
【００１６】
また、本発明に係る液体ダンパでは、前記梁状突出片には、微小な貫通孔からなる複数のオリフィスが形成されていることが好ましい。
【００１７】
本発明では、粘性流体又は粘弾性流体が梁状突出片に形成された複数のオリフィスを通過することで、回転機械用部材の振動エネルギーをオリフィスによる運動エネルギーに変換することができ、さらに高い減衰効果が得られることから、より広範な振動数領域を網羅した動吸振器の機能を発揮させることができる。
【００１８】
また、本発明に係る液体ダンパでは、前記複数のオリフィスは、前記回転機械用部材の回転周方向に向けて貫通していることが好ましい。
【００１９】
この場合には、回転機械用部材の回転に伴って生じ易い回転周方向の振動を、複数のオリフィスにより効果的に減衰することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼によれば、ダンパの減衰を安定させることで、回転機械用部材の安定的な稼働を行うことができるとともに、振動予測を容易に行うことができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態によるタービン動翼の概略構成を示す側面図である。
【図２】隣接する一対のインテグラルシュラウドを径方向の外側から見た図である。
【図３】インテグラルシュラウドの拡大斜視図であって、液体ダンパが外れた状態を示す図である。
【図４】液体ダンパを一方向から見た断面図である。
【図５】図４に示す液体ダンパに設けられる梁を示す正面図である。
【図６】図４に示すＡ−Ａ線断面図であって、液体ダンパを他方向から見た断面図である。
【図７】液体ダンパにおける翼共振時の周波数応答曲線を示す図である。
【図８】第１変形例による液体ダンパの構成を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、第２変形例による液体ダンパを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態による液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
【００２３】
図１に示すように、本実施の形態の動翼１（回転機械翼）が適用されるタービンは、発電プラント等で用いられているものである。例えば、このような蒸気プラントとしては、高圧の蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器から高圧の蒸気が直接供給される高圧蒸気タービンと、蒸気発生器及び蒸気タービンからの蒸気の湿分を分離して加熱する湿分分離加熱器と、湿分分離加熱器から低圧の蒸気が供給される低圧蒸気タービン（以下、蒸気タービンという）が設けられている。
【００２４】
上記の蒸気タービンにおいて、湿分分離加熱器からの蒸気は、蒸気入口に供給され、蒸気タービンに形成されている蒸気通路を、ロータ軸の軸方向に沿って流れる。蒸気通路には、回転機械翼である動翼１と静翼が交互に配置されており、蒸気タービンは、静翼での圧力降下によって運動エネルギーを生じさせ、これを動翼１によって回転トルクに変換している。ここで、ロータの回転軸の径方向を矢印Ｒで示し、回転軸回りの周回方向（円周方向）を矢印Ｘで示す。
【００２５】
図１及び図２の符号２（２Ａ、２Ｂ）は、動翼１における翼部３（３Ａ、３Ｂ）の翼先端３ａに設けられるインテグラルシュラウド（回転機械用部材、シュラウド）を示している。このインテグラルシュラウド２Ａ、２Ｂは、蒸気タービンの回転運動によって、動翼１とともに遠心力Ｆが作用している。
【００２６】
隣接する翼部３Ａ、３Ｂの翼先端３ａに設けられる隣り合うインテグラルシュラウド２Ａ、２Ｂの間の接触面（側面２ａ、２ｂ）には、それぞれ液体ダンパ１０が設けられている。
図２及び図３に示すように、インテグラルシュラウド２Ａ、２Ｂの一方の第１側面２ａ（回転軸の円周方向Ｘにおける一側面）および他方の第２側面２ｂ（回転軸の円周方向Ｘで前記第１側面２ａとは反対側を向く側面）には、それぞれに対応する位置に液体ダンパ１０を収容する箱状の第１凹部２１、第２凹部２２（収容空間）が形成されている。
【００２７】
液体ダンパ１０は、図４〜図６に示すように、第１凹部２１及び第２凹部２２に着脱可能に装着される筐体１１と、この筐体１１の内部に収容される流動可能な粘性流体又は粘弾性流体１２と、を備えて構成されている。
【００２８】
筐体１１は、Ｎｉ合金やチタンなどの耐熱材料から構成され、６面からなる壁体によって液密な閉塞空間を形成している。ここで、図４及び図６では、液体ダンパ１０に対して紙面の上側に向けて遠心力Ｆが作用している状態を示している。
【００２９】
筐体１１内に収容される粘性流体又は粘弾性流体１２としては、鉛（液体）や高分子液体等が挙げられ、液体ダンパ１０の取付け位置の温度から選択される。なお、図４及び図６は、粘性流体又は粘弾性流体１２として例えば３００℃程度の高温領域で液化する鉛を使用した一例を示している。この場合、常温時には固体で筐体１１内に満たされた状態（不図示）であっても、タービン運転時のような高温時には液化する。
【００３０】
筐体１１の一壁体（第１壁体１１ａ）の内面には、オリフィス構造を有するとともに、柔軟性を有する板状の梁状突出片１３が突設されている。梁状突出片１３は、例えばチタンやＮｉ合金等の材料から形成され、第１壁体１１ａの幅方向の中心位置において、その突設方向を遠心力Ｆが作用する方向（矢印Ｙ方向）に向けて設けられている。梁状突出片１３の高さ寸法Ｈ（径方向Ｒの長さ寸法）は、任意に設定することができるが、ここでは突出端１３ｂが筐体１１の第１壁体１１ａに対向する第２壁体１１ｂに近づく高さ寸法に設定されている。
【００３１】
梁状突出片１３には、微小な貫通孔からなる複数（図５で６個）のオリフィス１３ａが厚さ方向に貫通して形成され、これらオリフィス１３ａによって減衰機能を有するオリフィス構造が構成されている。オリフィス１３ａは、インテグラルシュラウド２の円周方向Ｘに向けて貫通している。
【００３２】
このようなオリフィス１３ａを有する梁状突出片１３の固有振動数は、インテグラルシュラウド２の固有振動数に合わせて設定されている。つまり、梁状突出片１３の共振点をインテグラルシュラウド２の共振点に一致させることで、動吸振器として機能させることができ、振動低減効果が主に低周波数領域で発揮されることがなく、周波数領域を広げることができる。
【００３３】
次に、上述した構成の動翼１の作用について、図面に基づいて具体的に説明する。
図２及び図３に示すように、本実施の形態では、インテグラルシュラウド２に生じる振動を粘性流体又は粘弾性流体１２を収容した液体ダンパ１０によって減衰させることができ、振動応力の低減効果を得ることができる。つまり、相対振動する一対のインテグラルシュラウド２Ａ、２Ｂが共振によって接触する際に、これらインテグラルシュラウド２Ａ、２Ｂに設けられる液体ダンパ１０にも衝撃力が加わり、図４及び図６に示すように、内部の粘性流体又は粘弾性流体１２も励振される。このとき粘性流体又は粘弾性流体１２が励振されることで、その流体の運動エネルギーが熱エネルギーへと変換され、これによりインテグラルシュラウド２の振動を低減することができ、減衰効果を発揮することになる。
【００３４】
このように、インテグラルシュラウド２の振動を抑制する液体ダンパ１０の減衰にかかる振動特性が安定することから、振動予測が容易に、且つより精度よく行うことができ、摩耗などの経年劣化への対応が可能となり、インテグラルシュラウド２を備えた発電プラント等を安定的に稼働させることができる。
【００３５】
また、柔軟性を有する梁状突出片１３が粘性流体又は粘弾性流体１２の内部に配置され、振動によって梁状突出片１３が柔軟に振れることから、比較的、低周波領域で効果を発揮する粘性流体又は粘弾性流体１２のみが設けられる場合に比べて、高周波領域での振動低減効果を発揮させることができ、周波数領域を広げることができる。そのため、特に高周波領域となるガスタービンの使用に好適となる利点がある。
【００３６】
また、本実施の形態では、液体ダンパ１０が筐体１１を備えているので、インテグラルシュラウド２に対して容易に着脱可能となる。このように液体ダンパ１０を着脱式とすることで、減衰効果を調整するときやメンテナンス時に適宜交換することができる利点がある。
【００３７】
また、本実施の形態では、梁状突出片１３の共振点（固有振動数）をインテグラルシュラウド２の共振点と一致させることで、液体ダンパ１０を動吸振器として機能させることができ、インテグラルシュラウド２の振動を効果的に低減することができる。
【００３８】
さらに、本実施の形態では、梁状突出片１３にオリフィス１３ａが形成されているので、粘性流体又は粘弾性流体１２が梁状突出片１３に形成されたオリフィス１３ａを通過することで、インテグラルシュラウド２の振動エネルギーをオリフィス１３ａによる運動エネルギーに変換することができ、さらに高い減衰効果が得られることから、より広範な振動数領域を網羅した動吸振器の機能を発揮させることができる。
【００３９】
また、オリフィス１３ａがインテグラルシュラウド２の円周方向Ｘに向けて貫通するように設けることで、インテグラルシュラウド２の回転に伴って生じ易い円周方向Ｘの振動を、オリフィス１３ａにより効果的に減衰することができる。なお、オリフィス１３ａの貫通方向は、円周方向Ｘに限定されることはなく、径方向、あるいはロータ軸方向としてもよい。
【００４０】
ここで、本実施の形態の動翼１の効果について、図７を用いて説明する。
図７に示す翼共振時の周波数応答曲線は、翼を梁モデルに置き換え、対象モードを曲げ１次として、液体ダンパを備えた場合と、備えていない場合についてそれぞれ解析した結果の一例である。液体ダンパには，鉛（液体）と梁構造（梁状突出片）のオリフィスを想定した。なお，液体ダンパの質量は翼に対して小さいため省略している。この結果、液体ダンパを備えた翼では、液体ダンパを備えていない翼に比べて、最大で４０％の振幅低減効果が得られることが確認できる。
【００４１】
上述した本実施の形態による液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼では、ダンパの減衰を安定させることで、インテグラルシュラウド２の安定的な稼働を行うことができるとともに、振動予測を容易に行うことができる効果を奏する。
【００４２】
以上、本発明による液体ダンパ、及びこれを備えた回転機械翼の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４３】
例えば、本実施の形態では、動翼１のインテグラルシュラウド２を液体ダンパ１３の適用対象としているが、これに限定されることはなく、他の回転機械用部材を適用対象としてもかまわない。
また、本実施の形態では、蒸気タービンを液体ダンパの適用対象とした一例を示しているが、ガスタービンを対象としてもかまわない。
【００４４】
また、液体ダンパとして、梁状突出片１３を省略してもよいし、オリフィス１３ａが形成されていない梁状突出片１３を用いることも可能である。
【００４５】
なお、液体ダンパ１０に設けられる梁状突出片１３の材料、厚さ寸法、長さ寸法、突設方向は、適宜変更することが可能である。
例えば、図８に示す第１変形例の液体ダンパ１０Ｂように、高さＨの異なる３つの梁状突出片１３（１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ）を平行に互いに間隔をあけて突設させることも可能である。なお、図８示す梁状突出片のうち、高さＨが最も高い梁状突出片１３Ａと二番目に高い梁状突出片１３Ｂにはオリフィス１３ａが形成され、最も高さの低い梁状突出片１３Ｃにはオリフィスが設けられていない。このように複数の梁状突出片１３を液体ダンパに設ける場合、設計時に離調の対象となる振動モードは通常一つではないことから、それぞれの共振点にあった梁状突出片１３を複数設置することにより、回転機械用部材の振動を広範な振動数領域で低減することができ、動吸振器の機能をより効果的に発揮させることができる。
また、複数の梁状突出片のそれぞれの材料、厚さ寸法、長さ寸法、突設方向などを変更することで減衰係数を変更することが可能となるので、固有振動数の異なる複数の梁状突出片を配置することができる。
【００４６】
また、図９（ａ）〜（ｃ）に示す第２変形例の液体ダンパ１０Ｃように、突設方向が異なるように第１梁状突出片１３Ｄ、及び第２梁状突出片１３Ｅを設けるようにしてもよい。ここで、図９（ａ）は、粘性流体又は粘弾性流体１２が省略されている。すなわち、第１梁状突出片１３Ｄは筐体１１の第１壁体１１ａに垂設され、第２梁状突出片１３Ｅは第１壁体１１ａに隣接する第３壁体１１ｃに垂設され、第１梁状突出片１３Ｄと第２梁状突出片１３Ｅとが互いに直交する方向に向けて突設されている。なお、図９（ｂ）は、紙面の下側から上側に向けて遠心力Ｆが作用した図であり、図９（ｃ）は、紙面の左側から右側に向けて遠心力Ｆが作用した図になっている。
【００４７】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１、１Ａ、１Ｂ  動翼（回転機械翼）
２、２Ａ、２Ｂ  インテグラルシュラウド（回転機械用部材、シュラウド）
３、３Ａ、３Ｂ  翼部
３ａ  翼先端
４  プラットホーム
５  翼根
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  液体ダンパ
１１  筐体
１２  粘性流体又は粘弾性流体
１３、１３Ａ〜１３Ｅ  梁状突出片
１３ａ  オリフィス
２１  第１凹部
２２  第２凹部
Ｘ  円周方向
【図１】
2015148284.tif 000003
【図２】
2015148284.tif 000004
【図３】
2015148284.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015148284.tif 000009
【図８】
2015148284.tif 000010
【図９】
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