(57)【要約】【課題】翼本体と板状バネ部材との間に相対振動が生じた場合において、この振動を抑制する。【解決手段】内部に空洞部１８が形成された翼本体１４，１５と、空洞部１８の内面１４ａ，１５ａに当接するように配置された板状バネ部材２０と、翼本体１４，１５と板状バネ部材２０の当接箇所を磁力によって摺動可能に密着させる磁力発生部２７とを備え、磁力発生部２７は翼本体１４，１５と板状バネ部材２０のうち少なくとも一方に設けられている回転機械翼１０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】
内部に空洞部が形成された翼本体と、
前記空洞部の内面に当接するように配置された板状バネ部材と、
前記翼本体と前記板状バネ部材の当接箇所を磁力によって摺動可能に密着させる磁力発生部とを備え、前記磁力発生部は前記翼本体と前記板状バネ部材のうち少なくとも一方に設けられていることを特徴とする回転機械翼。
【請求項２】
前記翼本体は、前記空洞部より腹側の部分である腹側部と、前記空洞部よりも背側の部分である背側部と、を有し、
前記板状バネ部材は、翼高さ方向に延びる板状をなし、
撓みによる弾性力によって前記腹側部を押圧し、翼高さ方向に延びる少なくとも一つの第一当接部と、
撓みによる弾性力によって前記背側部を押圧し、翼高さ方向に延びる少なくとも一つの第二当接部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の回転機械翼。
【請求項３】
前記第一当接部と前記第二当接部のうち、少なくとも一つは前記翼本体に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の回転機械翼。
【請求項４】
前記板状バネ部材には、翼幅方向に延びる複数のスリットが形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の回転機械翼。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転機械翼を備えた回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械に用いられる回転機械翼、及びこの回転機械用翼を備えた回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気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が知られている。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板バネ部材等のダンパが用いられている（例えば、特許文献１など参照）。この場合、共振時に翼内部で翼と板バネ部材とが接触するため、双方に摩擦が生じることにより減衰効果が得られることになる。
【０００３】
特許文献１には、タービン翼の内部に形成される空洞部が内部に形成され、かつ空洞部と外部とを連通させるスリットが形成された静翼において、腹側部材と背側部材との間に、腹側部材と背側部材のうち少なくとも一方と摺接し、双方の少なくとも一方との間に摩擦を生じさせる波形板バネが設けられた構成について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３３８２５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、従来の蒸気タービンのタービン翼では、以下のような課題があった。
即ち、製造されたタービン翼における空洞部の形状のばらつきによって、翼と波形板バネとの接触領域、接触力が不安定となり、減衰効果（ダンパ性能）が安定しないという課題があった。そのため、翼によって減衰性能にばらつきが発生するとともに、接触領域が明確に確定できないため、減衰効果の予測が難しくなるという課題があった。
【０００６】
この発明は、翼本体と板状バネ部材との間に相対振動が生じた場合においても、この振動を抑制することができる回転機械翼を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の態様によれば、回転機械翼は、内部に空洞部が形成された翼本体と、前記空洞部の内面に当接するように配置された板状バネ部材と、前記翼本体と前記板状バネ部材の当接箇所を磁力によって摺動可能に密着させる磁力発生部とを備え、前記磁力発生部は前記翼本体と前記板状バネ部材のうち少なくとも一方に設けられていることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、翼本体と板状バネ部材との間に生じる摩擦が磁力によって強められるため、部材間の接触が強くなり、より密着する。これにより、翼本体と板状バネ部材との間に相対振動が生じた場合においても、この振動を抑制することができる。即ち、空洞部に翼本体に当接する板状バネ部材を設けることにしたので、翼本体が弾性変形すると、板状バネ部材は翼本体との間に摩擦を生じさせる。この摩擦により翼本体の弾性変形を減衰することで、翼本体に生じる自励振動を抑制することができる。この際、磁力により翼本体と板状バネ部材との間に生じる摩擦が強められるため、振動をより抑制することができる。
【０００９】
上記回転機械翼において、前記翼本体は、前記空洞部より腹側の部分である腹側部と、前記空洞部よりも背側の部分である背側部と、を有し、前記板状バネ部材は、翼高さ方向に延びる板状をなし、撓みによる弾性力によって前記腹側部を押圧し、翼高さ方向に延びる少なくとも一つの第一当接部と、撓みによる弾性力によって前記背側部を押圧し、翼高さ方向に延びる少なくとも一つの第二当接部と、を有する構成としてもよい。
【００１０】
上記構成によれば、板状バネ部材が翼本体の腹側部と背側部とを押圧することによって、より効果的に翼本体の振動を抑制することができる。
【００１１】
上記回転機械翼において、前記第一当接部と前記第二当接部のうち、少なくとも一つは前記翼本体に固定されてもよい。
【００１２】
上記構成によれば、板状バネ部材を空洞部の所望の位置に固定することができる。これにより、腹側部と背側部との間における位置変動の減衰特性にばらつきが生じることを抑制することができる。
【００１３】
上記回転機械翼において、前記板状バネ部材には、翼幅方向に延びる複数のスリットが形成されていてもよい。
【００１４】
上記構成によれば、翼本体と板状バネ部材とがより安定して接触するようになるため、翼本体に生じる自励振動をより抑制することができる。
【００１５】
また、本発明は、上記いずれかの回転機械翼を備えた回転機械を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、翼本体と板状バネ部材との間に生じる摩擦が磁力によって強められるため、部材間の接触が強くなり、より密着する。これにより、翼本体と板状バネ部材との間に相対振動が生じた場合においても、この振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る蒸気タービンの概略構成を模式的に示した図である。
【図２】図１に示す蒸気タービンを低圧最終段側から見た外観図である。
【図３】本発明の実施形態の静翼を背側から見た拡大図である。
【図４】本発明の実施形態の静翼の翼形を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態の板状バネ部材の斜視図である。
【図６】本発明の実施形態の静翼の背側部材を腹側から見た平面図である。
【図７】本発明の実施形態のガスタービンの概略構成を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態に係る回転機械である蒸気タービンについて図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の回転機械翼である静翼１０が適用される蒸気タービン１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２と、蒸気発生器２から高圧の蒸気が直接供給される高圧蒸気タービン３と、蒸気発生器２及び高圧蒸気タービン３からの蒸気の湿分を分離して加熱する湿分分離加熱器４と、湿分分離加熱器４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１という）が設けられている。
【００１９】
蒸気タービン１において、湿分分離加熱器４からの蒸気は、蒸気入口６に供給され、蒸気タービン１に形成されている蒸気通路７を、ロータ軸８の軸方向（図中、矢印Ａで示す）に沿って流れる。蒸気通路７には、動翼９と静翼１０が交互に配置されており、蒸気タービン１は、静翼１０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９によって回転トルクに変換している。
【００２０】
動翼９は、ロータ軸８に結合されており、これを回転駆動する。一方、静翼１０は、図１〜図３に示すように、ロータ軸８の径方向（図中、矢印Ｒで示す）内側の端がシュラウド１１に、径方向Ｒの外側の端が翼根リング１２に、それぞれ溶接により結合されている（図３に溶接部を符号Ｅで示す）。
【００２１】
動翼９と静翼１０は、一対となって一個の「段」を構成しており、蒸気タービン１には、多数の段が設けられている。これら段は、蒸気通路７を上流側から下流側に向かうに従って、動翼９及び静翼１０の翼高さ（ロータ軸８に略直交する方向の翼の長さ）が、長くなるよう構成されている。蒸気通路７の最も下流側にある段を「低圧最終段」という。
低圧最終段の静翼１０は、上流側の段にある静翼１０に比べて、特に翼高さが長いものとなっている。低圧最終段において、静翼１０は、図１に示すように、ロータ軸８の周方向（図中、矢印Ｐで示す）に所定の間隔で複数配列されており、翼群を形成している。
【００２２】
静翼１０は、図４に示すように、主に腹側を構成する腹側部材１４と、主に背側を構成する背側部材１５と、を有している。腹側部材１４と背側部材１５は、それぞれ金属製の板状部材を、互いに異なる反り方で湾曲させたものである。腹側部材１４は、その表面が静翼１０の腹面となるよう反りが形成されている。一方、背側部材１５は、その表面が静翼１０の背面となるよう反りが形成されている。
【００２３】
腹側部材１４と背側部材１５は、略同一の長さに亘って翼高さ方向に延びている。
なお、「翼高さ方向」とは、図４に示す翼形の断面に垂直な方向であり、静翼１０の平均反り線（骨格線ともいう、図中、一点鎖線Ｃで示す）に直交する方向である。
【００２４】
静翼１０は、腹側部材１４と背側部材１５を組み合わせ、前縁部１６と後縁部１７において溶接して結合することで、その外装形状が形成されている。これにより、静翼１０の内部、すなわち腹側部材１４の裏面１４ａと背側部材１５の裏面１５ａとの間には、翼高さ方向に沿って延びる空洞部１８が形成される。また、静翼１０の内部には、腹側部材１４の裏面１４ａと背側部材１５の裏面１５ａにより、翼内面１４ａ，１５ａが形成されることになる。
【００２５】
このように本実施形態の静翼１０においては、腹側部材１４が静翼１０の空洞部１８より腹側の部分となる腹側部を構成し、背側部材１５が、静翼１０の空洞部１８より背側の部分となる背側部を構成している。
また、本発明の翼本体は、腹側部材１４と背側部材１５との各裏面１４ａ、１５ａによって空洞部１８が画成されたものより構成されている。
【００２６】
内部に空洞部１８を有する中空の静翼１０は、内部に空洞部１８を有しない中実静翼に比べて固有振動数が比較的小さなものとなっており、蒸気タービン１の作動時において、自励振動（フラッタ）が生じ易くなっている。自励振動が生じると、静翼１０には弾性変形による撓みや捩れが生じ、静翼１０の腹側部材１４と背側部材１５との間には、相対的な位置変動が生じる。
【００２７】
この相対的な位置変動を減衰するため、本実施形態による静翼１０においては、空洞部１８から、翼内面１４ａ，１５ａに摺接可能な第一板状バネ部材２０が設けられており、静翼１０が弾性変形すると、この第一板状バネ部材２０は、翼内面１４ａ，１５ａとの間に摩擦が生じるようにしている。
【００２８】
本実施形態の静翼１０においては、第一板状バネ部材２０として、弓形板バネを用いており、第一板状バネ部材２０が腹側部材１４と背側部材１５の間に配置されている。第一板状バネ部材２０は長尺状をなし、第一板状バネ部材２０の長手方向に延在する位置決め部２１（第一当接部）と、一方向に延在する一対の弾性接触部２３，２４（第二当接部）と、位置決め部２１と弾性接触部２３，２４とを連結する一対の連結部２２と、を有している。換言すれば、第一板状バネ部材２０は、一対の弓形板バネを位置決め部２１で接続した形状を有している。第一板状バネ部材２０は、鉄などの磁性材料によって形成されている。
【００２９】
位置決め部２１は、第一板状バネ部材２０の略中央に板状バネ部材の長手方向に沿うように延在しており、静翼１０の腹側部材１４に例えば溶接によって接合されている。第一板状バネ部材２０は、位置決め部２１が腹側部材１４の翼幅方向の中央近傍に位置するように空洞部１８の内部に配置される。位置決め部２１は、腹側部材１４の裏面１４ａの曲率と略同じ曲率を有するように形成されている。
【００３０】
弾性接触部２３，２４は、第一板状バネ部材２０が空洞部１８の内部に配置されることにより、背側部材１５の裏面１５ａに自身の弾性力により面接触するように形成されている。弾性接触部２３，２４は、背側部材１５の裏面１５ａの曲率と略同じ曲率を有するように形成されている。第一板状バネ部材２０は、長手方向が静翼１０の翼高さ方向となるように位置決めされて、腹側部材１４と背側部材１５との間にある空洞部１８に挿入される。
【００３１】
図５に示すように、第一板状バネ部材２０の弾性接触部２３，２４には複数のスリット２６が形成されている。スリット２６は、第一板状バネ部材２０の弾性接触部２３，２４を長手方向（翼高さ方向）に複数に分割するように形成されている。
複数の分割された弾性接触部２３ａ，２４ａは、第一板状バネ部材２０の長手方向に沿う長さが略同一になるように形成されている。ただし、分割された弾性接触部２３ａ，２４ａの長さは略同一にする必要はなく、第一板状バネ部材２０と静翼１０との接触状態に応じて適宜変更することができる。
【００３２】
図６に示すように、背側部材１５の裏面１５ａには、各裏面１４ａ、１５ａと第一板状バネ部材２０の当接箇所を磁力によって摺動可能に密着させる磁力発生部として機能する複数の第一マグネットシート２７が貼り付けられている。第一マグネットシート２７は、磁場を発生させるシート状の部材である。第一マグネットシート２７が背側部材１５に貼り付けることによって、背側部材１５に磁性体を引き寄せる性質を与える。即ち、第一マグネットシート２７が背側部材１５に貼り付けられることによって、背側部材１５は磁場発生部として機能するようになる。
【００３３】
第一マグネットシート２７は、背側部材１５の裏面１５ａ上であって、第一板状バネ部材２０の弾性接触部２３，２４が接触する部位に、例えば高耐熱両面粘着テープを用いて貼り付けられている。第一マグネットシート２７は、第一板状バネ部材２０のスリット２６を避けるように配置されている。換言すれば、第一マグネットシート２７とスリット２６とは、平面視において重なってはいない。
【００３４】
第一板状バネ部材２０は、空洞部１８の内部に配置された状態（初期状態）において、撓みにより僅かに弾性変形するように形成されている。この弾性力により、第一板状バネ部材２０は、図４に示すように、弾性接触部２３，２４が背側部材１５を裏側から押圧するようになっている。即ち、第一板状バネ部材２０は、空洞部１８に配置すると、腹側部材１４と背側部材１５とを、それぞれ静翼１０の翼厚方向の外向きに付勢する（押し広げる）ように構成されている。なお、「翼厚方向」とは、図４に示す翼型の断面に平行な方向であり、翼の平均反り線Ｃと直交する方向を意味している。
【００３５】
次に、上述した構成の静翼１０の作用について、図面に基づいて具体的に説明する。
図１に示すように、本実施形態では、蒸気タービン１の作動時において、その運転条件によっては、静翼１０に自励振動が生じ、静翼１０が弾性変形することがある。例えば、腹側部材１４が後縁部１７側に弾性変形すると共に、背側部材１５が前縁部１６側に弾性変形するなどして、腹側部材１４の裏面１４ａと背側部材１５の裏面１５ａとの間には、相対的な位置変動が生じることがある。
【００３６】
このとき、第一板状バネ部材２０は、弾性接触部２３，２４と腹側部材１４の裏面１４ａの間において摺接しているので、腹側部材１４と背側部材１５の相対的な位置変動を抑制する方向に動摩擦力が生じる。この動摩擦力により、腹側部材１４と背側部材１５との間における相対的な位置変動が減衰され、静翼１０の弾性変形を減衰することで、静翼１０に生じる自励振動を抑制することができる。
【００３７】
また、第一板状バネ部材２０が静翼１０の腹側部材１４と背側部材１５とを押圧することによって、より効果的に静翼１０の振動を抑制することができる。
また、第一板状バネ部材２０の位置決め部２１が腹側部材１４に固定されていることによって、第一板状バネ部材２０を空洞部１８の所望の位置に固定することができる。これにより、腹側部と背側部との間における位置変動の減衰特性にばらつきが生じることを抑制することができる。
【００３８】
さらに、本実施形態では、静翼１０の背側部材１５に磁力発生部としての機能を与える第一マグネットシート２７が貼り付けられていることによって、第一板状バネ部材２０の弾性接触部２３，２４と背側部材１５との接触が強くなり、より密着する。これにより、静翼１０と第一板状バネ部材２０との間に生じる摩擦が強められるため、振動をより抑制することができる。
【００３９】
また、第一板状バネ部材２０の弾性接触部２３，２４にスリット２６が形成されていることによって、静翼１０と第一板状バネ部材２０とがより安定して接触するようになるため、静翼１０に生じる自励振動をより抑制することができる。
【００４０】
なお、上記実施形態においては、背側部材１５に第一マグネットシート２７を貼り付けることによって、翼本体に磁力を付与する構成としたが、磁力によって翼本体と第一板状バネ部材２０との接触を強固にすることができれば構成はこれに限ることはない。
例えば、第一板状バネ部材２０を磁化することによって、第一板状バネ部材２０に磁力発生部としての機能を付与するとともに、静翼１０を磁性材料によって形成してもよい。また、第一板状バネ部材２０と静翼１０の両方を磁化してもよい。
【００４１】
また、第一板状バネ部材２０の形状は、静翼１０の腹側部材１４と背側部材１５とに押圧力をかけることができれば図４に示すような形状に限ることはない。例えば、第一板状バネ部材２０を波形形状として、腹側部材１４と背側部材１５とに波形の頂部が接触するような構成としてもよい。
また、第一板状バネ部材２０の位置決め部２１は溶接によって静翼１０と接合される構成を示したが、これに限ることはなく、例えばボルトのような締結部材によって位置決め部２１を固定してもよい。
また、第一板状バネ部材２０の弾性力を所定の弾性力よりも強くすることができれば、位置決め部２１を固定する必要はない。即ち、板状バネ部材が有する弾性力によって、位置を固定してもよい。
【００４２】
また、上記実施形態の静翼１０は、蒸気タービンのみならず、図７に示すような、回転機械であるガスタービン５１に用いられる静翼に適用することも可能である。
図７に示すように、ガスタービン５１は、外気を圧縮して圧縮空気Ａを生成する圧縮機５２と、燃料を圧縮空気Ａ中で燃焼させて燃焼ガスＧを生成する燃焼器５３と、高温高圧の燃焼ガスＧにより駆動するタービン５４と、を備えている。
【００４３】
圧縮機５２は、圧縮機ロータ５５と、圧縮機ロータ５５を覆う圧縮機ケーシング５６と、を有している。圧縮機ロータ５５は、回転中心軸を中心として回転する圧縮機ロータ軸部５７と、圧縮機ロータ軸部５７の外周に固定されている複数の圧縮機動翼５８と、を有している。圧縮機ケーシング５６の内周側には、複数の圧縮機静翼５９が固定されている。
【００４４】
タービン５４は、タービンロータ６０と、タービンロータ６０を覆うタービンケーシング６１とを有している。タービンロータ６０は、回転中心軸を中心として回転するタービンロータ軸部６２と、タービンロータ軸部６２の外周に固定されている複数のタービン動翼６４と、を有している。タービンケーシング６１の内周側には、複数のタービン静翼６５が固定されている。
【００４５】
即ち、ガスタービン５１の圧縮機静翼５９、タービン静翼６５にも上記実施形態に示した静翼１０の構造を適用することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００４７】
１  蒸気タービン（回転機械）
２  蒸気発生器
３  高圧蒸気タービン
４  湿分分離加熱器
６  蒸気入口
７  蒸気通路
８  ロータ軸
９  動翼
１０  静翼（回転機械翼）
１１  シュラウド
１２  翼根リング
１４  腹側部材（翼本体、腹側部）
１５  背側部材（翼本体、背側部）
１６  前縁部
１７  後縁部
１８  空洞部
２０  第一板状バネ部材（板状バネ部材）
２１  位置決め部（第一当接部）
２２  連結部
２３，２４  弾性接触部（第二当接部）
２６  スリット
２７  第一マグネットシート（磁力発生部）
５１  ガスタービン（回転機械）
５２  圧縮機
５３  燃焼器
５４  タービン
５８  圧縮機動翼
５９  圧縮機静翼
６４  タービン動翼
６５  タービン静翼
【図１】
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【図２】
2015137634.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015137634.tif 000006
【図５】
2015137634.tif 000007
【図６】
2015137634.tif 000008
【図７】
2015137634.tif 000009