(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に延在する動翼本体と、
前記動翼本体の前記長手方向の先端側に設けられるシュラウドと、
前記シュラウドに形成され、振動数を調整するための振動調整孔と、
前記振動調整孔に充填される充填材と、を備え、
前記シュラウドは、ロータの軸方向において作動流体が流入する上流側の面となる高圧面と、前記高圧面の反対側に設けられると共に前記作動流体が流出する下流側の面となる低圧面と、を有し、
前記振動調整孔は、前記高圧面及び前記低圧面の少なくとも一方側の面に対して窪んで形成される有底の孔であり、
前記動翼本体の前記長手方向から見た面内において、前記シュラウドの前記高圧面と前記低圧面とが対向する方向を奥行き方向とし、前記奥行き方向に直交する方向を幅方向とすると、
前記振動調整孔は、前記高圧面の前記幅方向における一方側に形成されると共に、前記低圧面の前記幅方向における他方側に形成されることを特徴とする動翼。
【請求項２】
請求項１に記載の動翼と、
前記動翼が周方向に並べて複数設けられる回転軸と、を備えることを特徴とする回転機械。
【請求項３】
動翼の振動数を調整する動翼の振動数調整方法において、
前記動翼は、
長手方向に延在する動翼本体と、
前記動翼本体の前記長手方向の先端側に設けられるシュラウドと、
前記シュラウドに形成され、振動数を調整するための振動調整孔と、
前記振動調整孔に充填される充填材と、を備え、
前記シュラウドは、ロータの軸方向において作動流体が流入する上流側となる高圧面と、前記高圧面の反対側に設けられると共に前記作動流体が流出する下流側の面となる低圧面と、を有し、
前記振動調整孔は、前記高圧面及び前記低圧面の少なくとも一方側の面に対して窪んで形成される有底の孔であり、
前記動翼本体の前記長手方向から見た面内において、前記シュラウドの前記高圧面と前記低圧面とが対向する方向を奥行き方向とし、前記奥行き方向に直交する方向を幅方向とすると、
前記振動調整孔は、前記高圧面の前記幅方向における一方側に形成されると共に、前記低圧面の前記幅方向における他方側に形成されており、
前記振動調整孔に前記充填材を充填して前記シュラウドの質量及び剛性の少なくとも一方を調整して、前記動翼の振動数を調整することを特徴とする動翼の振動数調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械に設けられる動翼、回転機械及び動翼の振動数調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、タービン動翼の空洞内にリブを付け加えることで、タービン動翼の固有振動数を変化させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２０１９０４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、特許文献１の方法において、タービン動翼の固有振動数を調整するためには、タービン動翼の空洞内のリブを付け加える必要があることから、動翼内部の加工を行うことになる。ここで、タービン動翼がタービンの回転軸に組み付けられている場合、タービン動翼を取り外す必要があるため、固有振動数の調整作業が煩雑なものとなる。
【０００５】
そこで、本発明は、振動数を簡易に調整することができる動翼、回転機械及び動翼の振動数調整方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の動翼は、長手方向に延在する動翼本体と、前記動翼本体の前記長手方向の先端側に設けられるシュラウドと、前記シュラウドに形成され、振動数を調整するための振動調整孔と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、シュラウドに振動調整孔が形成されることで、固有振動数等の振動数を調整可能な動翼とすることができる。このため、シュラウドに振動調整孔を予め形成することで、動翼の振動数を簡易に調整することができる。
【０００８】
また、前記振動調整孔に充填される充填材を、さらに備えることが、好ましい。
【０００９】
この構成によれば、振動調整孔に充填材を充填したり、振動調整孔から充填材を取り除いたりすることで、動翼本体及びシュラウドの形状を変更することなく、動翼の振動数を調整することができる。また、動翼が振動する場合、振動調整孔と充填材とが擦れ合うことで、動翼の振動エネルギを摩擦エネルギとして発散させることにより、減衰効果を発揮させることができる。
【００１０】
また、前記シュラウドは、高圧側となる高圧面と、前記高圧面の反対側に設けられると共に低圧側となる低圧面と、を有し、前記振動調整孔は、前記シュラウドの前記高圧面から前記低圧面に向かって貫通して形成される貫通孔であることが、好ましい。
【００１１】
この構成によれば、貫通孔となる振動調整孔により、動翼の振動数を調整することができる。
【００１２】
また、前記振動調整孔には、前記充填材を係止する抜け止め部が設けられていることが、好ましい。
【００１３】
この構成によれば、抜け止め部によって充填材が振動調整孔に係止されるため、充填材が振動調整孔から逸脱することを抑制することができる。なお、抜け止め部は、雄ねじとなる充填材が回転して結合する雌ねじであってもよいし、振動調整孔の一部が拡径する拡径部であってもよいし、振動調整孔の内周が高圧側から低圧側に向かって先細りとなるテーパ部であってもよい。
【００１４】
また、前記振動調整孔を閉塞する閉塞蓋を、さらに備えることを特徴とすることが、好ましい。
【００１５】
この構成によれば、閉塞蓋で振動調整孔を閉塞することにより、高圧側から低圧側に向かって流れる作動流体の振動調整孔からの漏出を抑制することができる。
【００１６】
また、前記シュラウドは、高圧側となる高圧面と、前記高圧面の反対側に設けられると共に低圧側となる低圧面と、を有し、前記振動調整孔は、前記高圧面及び前記低圧面の少なくとも一方側の面に対して窪んで形成される有底の孔であることが、好ましい。
【００１７】
この構成によれば、有底の孔となる振動調整孔により、動翼の振動数を調整することができる。
【００１８】
また、前記動翼本体の前記長手方向から見た面内において、前記シュラウドの前記高圧面と前記低圧面とが対向する方向を奥行き方向とし、前記奥行き方向に直交する方向を幅方向とすると、前記振動調整孔は、前記高圧面の前記幅方向における一方側に形成されると共に、前記低圧面の前記幅方向における他方側に形成されることが、好ましい。
【００１９】
この構成によれば、動翼の長手方向に沿った方向を軸方向として、周方向にねじれが発生して振動が生じる場合、高圧面の幅方向の一方側の振動調整孔と、低圧面の幅方向の他方側の振動調整孔とに、充填材を適宜充填することで、ねじれによる振動数を調整することができる。
【００２０】
本発明の回転機械は、上記の動翼と、前記動翼が周方向に並べて複数設けられる回転軸と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、回転軸を中心に回転する動翼の共振を抑制することができる。このため、共振によって動翼に与えられる影響を軽減することができる。
【００２２】
また、本発明の動翼の振動数調整方法は、動翼の振動数を調整する動翼の振動数調整方法において、前記動翼は、長手方向に延在する動翼本体と、前記動翼本体の前記長手方向の先端側に設けられるシュラウドと、前記シュラウドに形成され、振動数を調整するための振動調整孔と、前記振動調整孔に充填される充填材と、を備え、前記振動調整孔に前記充填材を充填して前記シュラウドの質量及び剛性の少なくとも一方を調整して、前記動翼の振動数を調整することを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、振動調整孔に充填材を充填したり、振動調整孔から充填材を取り除いたりすることで、動翼本体及びシュラウドの形状を変更することなく、動翼の振動数を調整することができる。また、動翼が振動する場合、振動調整孔と充填材とが擦れ合うことで、動翼の振動エネルギを摩擦エネルギとして発散させることにより、減衰効果を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、実施形態１に係る蒸気タービンを表す概略構成図である。
【図２】図２は、実施形態１に係る蒸気タービンの動翼を示す斜視図である。
【図３】図３は、実施形態１に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す斜視図である。
【図４】図４は、実施形態１に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す一例の断面図である。
【図５】図５は、実施形態１に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す一例の断面図である。
【図６】図６は、変形例に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す一例の断面図である。
【図７】図７は、実施形態２に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す斜視図である。
【図８】図８は、実施形態２に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す一例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
【００２６】
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る蒸気タービンを表す概略構成図である。図２は、実施形態１に係る蒸気タービンの動翼を示す斜視図である。図３は、実施形態１に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す斜視図である。図４は、実施形態１に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す一例の断面図である。図５は、実施形態１に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す一例の断面図である。
【００２７】
実施形態１に係る動翼が適用される回転機械としては、例えば、蒸気タービン１が適用されている。先ず、図１を参照して、蒸気タービン１について説明する。なお、実施形態１では動翼を蒸気タービン１に適用して説明するが、例えば、ガスタービンに適用してもよく、特に限定されない。
【００２８】
蒸気タービン１は、図１に示すように、ケーシング１０と、ケーシング１０内に設けられる回転軸としてのロータ１２と、ロータ１２に設けられる複数段の動翼１３と、ケーシング１０に設けられる複数段の静翼１４とを備えている。
【００２９】
ケーシング１０は、ロータ１２の径方向から蒸気が流入する流入口２２と、ロータ１２の軸方向から蒸気が流出する流出口２３とが形成されている。そして、ケーシング１０には、流入口２２から流出口２３に向かって、その内部に蒸気が流通する蒸気通路２１が形成されている。つまり、蒸気通路２１は、ロータ１２の一方側の径方向から蒸気が流入し、ロータ１２の他方側に向かって軸方向に蒸気が流通し、この後、ロータ１２の他方側から蒸気が流出するように形成されている。
【００３０】
ロータ１２は、ケーシング１０に対して回転自在に支持されている。複数段の動翼１３は、ロータ１２の外周部に固定され、蒸気通路２１内に設けられると共に、ロータ１２の軸方向に所定の間隔を空けて配置されている。複数段の静翼１４は、ケーシング１０の内周部に固定され、蒸気通路２１内に設けられると共に、ロータ１２の軸方向に所定の間隔を空けて配置されている。そして、複数段の動翼１３と複数段の静翼１４とは、ロータ１２の軸方向に交互に配設されている。
【００３１】
従って、蒸気が流入口２２から供給されると、蒸気は、蒸気通路２１を流通して、複数段の動翼１３と静翼１４とを通過することで、各動翼１３を介してロータ１２を駆動回転し、このロータ１２に連結された図示しない発電機を駆動する。そして、複数段の動翼１３と静翼１４とを通過した蒸気は、蒸気通路２１の流出口２３から排出される。
【００３２】
このように構成された蒸気タービン１の動翼１３は、回転による振動によって共振が発生しないように、動翼１３の固有振動数が調整されている。次に、図２を参照して、動翼１３について説明する。
【００３３】
図２に示すように、動翼１３は、基端側となるロータ１２側から順に、翼根部２５と、翼形部（動翼本体）２６と、シュラウド２７とを含んで構成されている。翼根部２５は、例えば、ツリー形状となっており、ロータ１２に取り付けられる部位となっている。翼形部２６は、翼根部２５の先端側に設けられており、翼根部２５から先端側へ向かって長手方向（ロータ１２の径方向）に延びて形成されている。翼形部２６は、その周面が翼面となっており、この翼面に、蒸気が吹き当たる。シュラウド２７は、翼形部２６の先端側に設けられ、蒸気が流通するケーシング１０の内周面に対向して設けられている。シュラウド２７は、ロータ１２の回転方向（周方向）に延びて形成されており、隣接する他の動翼１３のシュラウド２７に連結可能となっている。
【００３４】
図３に示すように、シュラウド２７には、動翼１３の固有振動数を調整するための振動調整孔３１が形成されている。シュラウド２７は、ロータ１２の軸方向において、蒸気（作動流体）が流入する上流側の面が高圧側の面（高圧面）となっており、蒸気が流出する下流側の面が低圧側の面（低圧面）となっている。そして、振動調整孔３１は、シュラウド２７の高圧面から低圧面に向かって貫通して形成される中空円柱形状の貫通孔となっている。つまり、振動調整孔３１は、その内径が、高圧面から低圧面に向かって同径となる貫通孔となっている。また、振動調整孔３１は、ロータ１２の回転方向において、複数並べて設けられている。
【００３５】
この振動調整孔３１には、充填材３４が充填可能となっている。充填材３４は、例えば、複合材、金属または樹脂等の材料が用いられ、耐熱性を有するものとなっている。動翼１３の固有振動数を調整する場合、複数の振動調整孔３１に充填材３４を充填し、シュラウド２７の質量及び剛性を適宜調整することで、動翼１３の固有振動数を調整している。具体的に、動翼１３の固有振動数を大きくする場合、軽量で高剛性となる充填材３４を充填し、シュラウド２７の質量の増加を抑制しつつ、シュラウド２７の剛性を高めることで、動翼１３の固有振動数を大きくする。一方で、動翼１３の固有振動数を小さくする場合、重量で低剛性となる充填材３４を充填し、シュラウド２７の剛性の増加を抑制しつつ、シュラウド２７の質量を増大させることで、動翼１３の固有振動数を小さくする。
【００３６】
図４は、動翼１３の固有振動数の調整後、振動調整孔３１に充填材３４が充填された場合を示している。図４に示すように、振動調整孔３１に充填材３４が充填された場合、充填材３４は、その端面が、シュラウド２７の高圧面及び低圧面と同一面となるように仕上げ加工されることで、シュラウド２７の高圧面及び低圧面を平坦としている。
【００３７】
また、振動調整孔３１には、充填材３４を係止する抜け止め部が設けられており、抜け止め部としては、例えば、振動調整孔３１の内周面に形成される雌ねじ部となっている。この場合、充填材３４の外周面には雄ねじ部が形成され、充填材３４が振動調整孔３１に回転して結合する。
【００３８】
図５は、動翼１３の固有振動数の調整後、振動調整孔３１に充填材３４が充填されない場合を示している。図５に示すように、振動調整孔３１に充填材３４が充填されない場合、振動調整孔３１には、閉塞蓋３５が配置される。この閉塞蓋３５は、振動調整孔３１の両端部に設けられ、高圧面から低圧面に向かう蒸気の漏出を抑制している。
【００３９】
上記のように構成された動翼１３は、ロータ１２に組み付けられた状態で、固有振動数を調整することが可能となっている。具体的に、動翼１３の固有振動数を調整する方法として、作業者は、ロータ１２に取り付けられた動翼１３のシュラウド２７にアクセスし、シュラウド２７に形成された複数の振動調整孔３１に充填材３４を適宜充填する。作業者は、複数の振動調整孔３１に充填材３４を充填することで、シュラウド２７の質量及び剛性の少なくとも一方を調整し、動翼１３の固有振動数を調整する。また、作業者は、ロータ１２に取り付けられた動翼１３のシュラウド２７にアクセスし、シュラウド２７に形成された複数の振動調整孔３１に既に充填された充填材３４を取り除くことで、シュラウド２７の質量及び剛性の少なくとも一方を調整し、動翼１３の固有振動数を調整する。
【００４０】
このため、固有振動数が調整された後の動翼１３は、全ての振動調整孔３１に充填材３４が充填されたもの、一部の振動調整孔３１に充填材３４が充填されたもの、全ての振動調整孔３１に充填材３４が充填されていないものを含むこととなる。
【００４１】
以上のように、実施形態１によれば、シュラウド２７に振動調整孔３１が形成されることで、固有振動数を調整可能な動翼１３とすることができる。このため、シュラウド２７に振動調整孔３１を予め形成することで、動翼１３の固有振動数を簡易に調整することが可能となる。
【００４２】
また、実施形態１によれば、振動調整孔３１に充填材３４を充填したり、振動調整孔３１から充填材３４を取り除いたりすることで、翼形部２６及びシュラウド２７の形状を変更することなく、動翼１３の固有振動数を調整することができる。また、動翼１３が振動する場合、振動調整孔３１と充填材３４とが擦れ合うことで、動翼１３の振動エネルギを摩擦エネルギとして発散させることにより、減衰効果を発揮させることができる。
【００４３】
また、実施形態１によれば、抜け止め部によって充填材３４が振動調整孔３１に係止されるため、充填材３４が振動調整孔３１から逸脱することを抑制することができる。
【００４４】
また、実施形態１によれば、閉塞蓋３５で振動調整孔３１を閉塞することにより、高圧側から低圧側に向かって流れる蒸気の振動調整孔３１からの漏出を抑制することができる。
【００４５】
また、実施形態１によれば、ロータ１２を中心に回転する動翼１３の共振を抑制することができるため、共振によって動翼１３に与えられる影響を軽減することができる。
【００４６】
なお、実施形態１では、振動調整孔３１の抜け止め部として、振動調整孔３１の内周面に形成される雌ねじ部としたが、図６に示す変形例であってもよい。図６は、変形例に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す一例の断面図である。図６に示すように、変形例の振動調整孔３１ａは、その内径が、高圧面側から低圧面側に向かって小さくなる、先細りのテーパ部であってもよい。この場合、振動調整孔３１ａに充填される充填材３４ａも、その直径が、高圧面側から低圧面側に向かって小さくなる、先細りのテーパ形状となる。
【００４７】
［実施形態２］
次に、図７及び図８を参照して、実施形態２に係る動翼４０について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図７は、実施形態２に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す斜視図である。図８は、実施形態２に係る蒸気タービンの動翼のシュラウドを模式的に示す一例の断面図である。
【００４８】
実施形態２の動翼４０は、シュラウド２７に形成される振動調整孔４１が、高圧面及び低圧面から窪んで形成される有底の孔となっている。つまり、振動調整孔４１は、シュラウド２７の高圧面に形成されると共に、シュラウド２７の低圧面に形成されている。シュラウド２７の高圧面に形成される振動調整孔４１は、その内径が、高圧面から低圧面に向かって同径となる有底の孔となっている。また、シュラウド２７の低圧面に形成される振動調整孔４１は、その内径が、低圧面から高圧面に向かって同径となる有底の孔となっている。
【００４９】
また、高圧面及び低圧面に形成される振動調整孔４１は、ロータ１２の回転方向において、複数並べて設けられている。具体的に、高圧面に形成される複数の振動調整孔４１は、ロータ１２の回転方向（幅方向）の一方側に設けられ、低圧面に形成される振動調整孔４１は、ロータ１２の回転方向（幅方向）の他方側に設けられている。このため、高圧面の複数の振動調整孔４１と、低圧面の複数の振動調整孔４１とは、動翼４０の長手方向から見た面内において、シュラウド２７の対角に配置されている。
【００５０】
この振動調整孔４１には、充填材４４が充填可能となっている。なお、充填材４４は、実施形態１と同様に、動翼４０の固有振動数を調整するために充填されることから、充填材４４の説明については一部省略する。
【００５１】
ここで、複数の振動調整孔４１は、シュラウド２７の対角に配置されていることから、充填材４４を充填することで、動翼４０の長手方向を軸方向とする、周方向のねじれによる振動数を調整可能となっている。
【００５２】
なお、実施形態２の動翼４０においても、実施形態１の閉塞蓋３５、実施形態１の振動調整孔３１の抜け止め部を設けてもよい。
【００５３】
以上のように、実施形態２によれば、動翼４０の長手方向に沿った方向を軸方向として、周方向にねじれが発生して振動が生じる場合、回転方向の一方側に設けられる高圧面の振動調整孔４１と、回転方向の他方側に設けられる低圧面の振動調整孔４１とに、充填材４４を適宜充填することで、ねじれによる振動数を調整することができる。
【００５４】
また、実施形態２によれば、振動調整孔４１を有底の孔とすることで、シュラウド２７の高圧面側から低圧面側に蒸気が漏出することを抑制することができる。
【００５５】
なお、実施形態２では、複数の振動調整孔４１をシュラウド２７の対角に配置したが、振動数を調整したい振動モードに応じて、複数の振動調整孔４１を配置してもよい。
【００５６】
また、実施形態１及び２では、振動調整孔３１，４１に充填材３４，４４を充填することで、振動数を調整したが、例えば、シュラウド２７を切削加工して振動数を調整する方法と組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  蒸気タービン
１０  ケーシング
１２  ロータ
１３  動翼
１４  静翼
２１  蒸気通路
２２  流入口
２３  流出口
２５  翼根部
２６  翼形部
２７  シュラウド
３１  振動調整孔
３４  充填材
３５  閉塞蓋
４０  動翼（実施形態２）
４１  振動調整孔（実施形態２）
４４  充填材（実施形態２）
【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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