(57)【要約】【課題】タービン動翼のフレッティング疲労を抑制する【解決手段】ネック部２１１と、ネック部２１１から左右方向に拡がる拡大部２１２とを有する略Ｔ字形の翼根２１０を備え、翼根２１０をロータ１０に形成された溝部１１に挿入することによってロータ１０に支持されるタービン動翼２００の構造であって、拡大部２１２におけるネック部２１１との境界部に、この境界部の長手方向に沿う凹溝２１３を形成している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネック部と、このネック部から左右方向に拡がる拡大部とを有する略Ｔ字形の翼根を備え、この翼根をロータに形成された溝部に挿入することによって前記ロータに支持されるタービン動翼であって、
前記拡大部における前記ネック部との境界部に、該境界部の長手方向に沿う凹溝を形成したことを特徴とするタービン動翼。
【請求項２】
前記凹溝は、前記ネック部から前記拡大部のベアリング面の該ネック部側の端に至る区間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
【請求項３】
前記凹溝は、その断面ラインの前記ネック部側の端部と前記ベアリング面側の端部がそれぞれ第１および第２の円弧を含むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記第１の円弧は、前記凹溝の底面に接する水平ラインと前記ネック部２１１の側面の延長線である垂直ラインとの交点を原点とする座標系において（１．５，１．５）〜（２．５，２．５）の範囲にその中心位置が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のタービン動翼。
【請求項５】
前記第２の円弧は、前記水平ラインと前記ベアリング面のネック部側の端において該水平ラインに直行する垂直ラインとの交点を原点とする座標系において（０．６，０．８）〜（０．８，１．４）の範囲にその中心位置が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のタービン動翼。
【請求項６】
前記凹溝の長手方向端部の弧状周縁部にアール形状を持たせたことを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
【請求項７】
前記拡大部のベアリング面と前記ロータとの間にシムを介在させたことを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
【請求項８】
前記拡大部のベアリング面に該ベアリング面の接触長を低減するための１〜複数の凹溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン等のロータの翼溝に翼根を埋め込むことによって該ロータに取付けられるタービン動翼に関し、特に、フレッティング疲労を抑制するための応力低減構造を施したタービン動翼に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、接触結合を行っている部材は、その面圧作用部位に荷重変動に起因するすべりが発生すると、その接触境界部にフレッティング疲労を発生し易い。蒸気タービン等のロータ翼溝と翼根との接触結合箇所においても、このフレッティング疲労による損傷が懸念される。
【０００３】
図８は、蒸気タービンのロータ１０に該タービンの高圧側の動翼２０を組み付けた状態を示している。動翼２０は、略Ｔ型の断面を有する翼根２１をロータ１０に形成された溝部１１に埋め込むことによって該ロータ１０に取付けられている。
ロータ１０と翼根２１との接触部であるベアリング面４０には、翼根２１の底部と溝部１１間に打ち込まれたシム３０による押圧力とタービン運転時の遠心力とに基づく高い面圧が作用することになる。また、タービンは起動・停止を繰り返すので、ロータ１０と翼２０との間にそれらの材料の違いによる熱膨張差が生じ、このため、両者間に矢印で示す相対すべり５０が発生する。なお、図におけるベアリング面４０の左右方向の長さは、例えば数ｍｍ程度である。
【０００４】
この結果、ロータ１０および翼根２１は、互いの接触部にいわゆるフレッティング疲労が発生することになる。そして、このフレッティング疲労は、ロータ１０および動翼２０にき裂を生じさせる要因になる。
そこで、翼根２１の左右の縁端近傍に位置したロータ溝部１１に曲面からなる凹溝１３を形成することが提案されている。このような凹溝１３を設ければ、ロータ１０への応力の集中を緩和して、該ロータ１０のフレッティング疲労を抑制することができる。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３４９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来技術は、ロータ１０のフレッティング疲労の抑制には有効であるものの、動翼２０（翼根２１）のフレッティング疲労の抑制には寄与しない。このため、翼根２１のピーク応力作用位置であるベアリング面４０の左端位置、つまり、該ネック部２１１側に張り出したロータ１０の角部１０ａが翼根２１の面に接触を開始する位置にき裂２１ａを発生することがあった。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、タービン動翼のフレッティング疲労を抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ネック部と、このネック部から左右方向に拡がる拡大部とを有する略Ｔ字形の翼根を備え、この翼根をロータに形成された溝部に挿入することによって前記ロータに支持されるタービン動翼であって、前記拡大部における前記ネック部との境界部に、該境界部の長手方向に沿う凹溝を形成している。
【０００７】
前記凹溝は、前記ネック部から前記拡大部のベアリング面の該ネック部側の端に至る区間に形成することができる。この凹溝は、その断面ラインの前記ネック部側の端部と前記ベアリング面側の端部がそれぞれ第１および第２の円弧を含むように形成されることが望ましい。
【０００８】
前記第１の円弧は、前記凹溝の底面に接する水平ラインと前記ネック部２１１の側面の延長線である垂直ラインとの交点を原点とする座標系において（１．５，１．５）〜（２．５，２．５）の範囲にその中心位置を設定することができ、また、前記第２の円弧は、前記水平ラインと前記ベアリング面のネック部側の端において該水平ラインに直行する垂直ラインとの交点を原点とする座標系において（０．６，０．８）〜（０．８，１．４）の範囲にその中心位置を設定することができる。
【０００９】
前記凹溝の長手方向端部の弧状周縁部には、アール形状を持たせることが望ましい。
また、前記拡大部のベアリング面と前記ロータとの間にシムを介在させても良く、さらに、前記拡大部のベアリング面に該ベアリング面の接触長を低減するための１〜複数の凹溝を形成しても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るタービン動翼によれば、動翼の翼根の拡大部におけるネック部との境界部に、該境界部の長手方向に沿う凹溝を形成しているので、該凹溝によって応力が分散されるとともに、その応力のピーク点が上記境界部から離れる側にシフトされる。したがって、翼根のフレッティング疲労を軽減して、この翼根にき裂が発生することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において用いる図においては、図８に示した要素と同一の要素に共通の符号を付してある。
【００１２】
図１は、本発明に係る応力低減機構を施したタービン動翼の実施の形態を示している。この図１に示すタービン動翼２００は、図８に示したタービン動翼２０に対応するものであり、例えば蒸気タービンの高圧側に設けられる。この動翼２００は、略Ｔ型の翼根２１０を備え、この翼根２１０をロータ１０の溝部１１に挿入することによって該ロータ１０に支持される。翼根２１０は、ネック部２１１とロータ１０の溝部１１に係合する拡大部２１２とによって構成されている。
【００１３】
翼根２１０の拡大部２１２におけるネック部２１１が設けられた側の面には、ネック部２１１を挟む形態で一対の凹溝２１３が形成されている。各凹溝２１３は、拡大部２１２におけるネック部２１１との境界部に、該境界部の長手方向に沿って、つまり、ロータ１０の接線方向Ｙに沿って設けられている。なお、Ｘはロータ１０の回転中心軸線の方向を示している。
【００１４】
翼根２１０の拡大部分断面図である図２に示すように、上記凹溝２１３は、曲面をなすように形成されている。図３は、この凹溝２１３の形状を説明するための拡大図である。凹溝２１３を構成する曲面は、局部的な応力の集中を回避するために、できるだけ滑らかな形状にすることが望ましい。そこで、凹溝２１３は、その断面ラインの前記ネック部２１１側の端部と前記ベアリング面４０側の端部がそれぞれ円弧を含むように形成されている。
【００１５】
すなわち、１つの例では、円弧Ｃa1，Ｃb1を含む曲面によって凹溝２１３を形成し、他の例では、円弧Ｃa2，Ｃb2を含む曲面によって凹溝２１３を形成している。ここで、凹溝２１３の底面に接する水平ラインと翼根２１０のネック部２１１の側面の延長線である垂直ラインとの交点を基準点ＰAとすると、円弧Ｃa1の中心点Ｐa1は、基準点ＰAから水平および垂直方向にそれぞれ例えば１．５ｍｍだけ離れた位置に設定され、また円弧Ｃa2の中心点Ｐa2は、基準点ＰAから水平および垂直方向にそれぞれ例えば２．５ｍｍだけ離れた位置に設定される。つまり、上記円弧Ｃa1，Ｃa2は、いずれも前記水平ラインおよび垂直ラインを接線とするものである。
【００１６】
一方、上記水平ラインと、上記ベアリング面４０のネック部２１１側の端において該水平ラインに直行する垂直ラインとの交点を基準点ＰBとすると、円弧Ｃb1の中心点Ｐb1は、基準点ＰBから水平方向および垂直方向にそれぞれ例えば０．６ｍｍおよび０．８ｍｍだけ離れた位置に設定され、また円弧Ｃb2の中心点Ｐb2は、基準点ＰBから水平方向および垂直方向にそれぞれ例えば０．８ｍｍおよび１．４ｍｍだけ離れた位置に設定される。なお、ベアリング面４０のネック部２１１側の端位置は、ネック部２１１側に張り出したロータ１０の角部１０ａが上記拡大部２１２への接触を開始する位置を意味している。
基準点ＰAと基準点ＰB間の長さｌは、この実施の形態において３．２ｍｍである。また、凹溝２１３の断面ラインは、一部に直線（水平ライン上の直線）を含むことができる。
【００１７】
上記に例示した凹溝２１３は、前記ベアリング面４０を基準とする凹溝２１３の深さｔ（以下、すき量という）がｔ1（例えば、０．２ｍｍ）の場合に適するものである。
すき量ｔを例えばｔ2＝２×ｔ1にする場合には、凹溝２１３を円弧Ｃa1と点線で示す円弧Ｃb1'とを含む曲面によって、あるいは、円弧Ｃa2と点線で示す円弧Ｃb2'とを含む曲面によって形成することができる。
この場合、円弧Ｃb1'の中心点Ｐb1'は、基準点ＰBから水平方向および垂直方向にそれぞれ例えば０．７５ｍｍおよび０．８ｍｍだけ離れた位置に設定され、また円弧Ｃb2'の中心点Ｐb2'は、基準点ＰBから水平方向および垂直方向にそれぞれ例えば０．８ｍｍおよび１．４ｍｍだけ離れた位置に設定される。
【００１８】
上記凹溝２１３の形状を規定する円弧Ｃaは、円弧Ｃa1の半径よりも大きくて円弧Ｃa2の半径よりも小さな半径を持たせても良い。換言すれば、円弧Ｃaの中心位置は、前記基準点ＰAを原点とする座標系において（１．５，１．５）〜（２．５，２．５）の範囲に設定すれば良い。
また、すき量ｔをｔ1に設定した場合の円弧Ｃbは、円弧Ｃb1の半径よりも大きくて円弧Ｃb2の半径よりも小さな半径を持たせても良い。要するに、円弧Ｃbの中心位置は、前記基準点ＰBを原点とする座標系において（０．６，０．８）〜（０．８，１．４）の範囲に設定すれば良い。
さらに、すき量ｔをｔ2に設定した場合の円弧Ｃbは、円弧Ｃb1'の半径よりも大きくて円弧Ｃb2'の半径よりも小さな半径を持たせることも可能である。つまり、円弧Ｃbの中心位置は、前記基準点ＰBを原点とする座標系において（０．７５，０．８）〜（１．０，１．４）の範囲に設定すれば良い。
【００１９】
翼根２１０に上記凹溝２１３を設けなかった場合には、図３におけるベアリング面４０の左端位置（前記ロータ１０の角部１０ａが拡大部２１２に接触を開始する位置）に大きなピーク応力が作用することになる。しかし、上記実施の形態によれば、上記凹溝２１３によって応力が分散されるとともに、その応力のピーク点が上記ベアリング面４０の左端位置よりも右方側にシフトされるので、フレッティング疲労を軽減して、この翼根２１０にき裂が発生することを抑制することができる。
【００２０】
図４は、上記すき量ｔとフレッティング疲労に伴って発生するき裂長さとの関係を例示した実験結果をしている。この図４から明らかなように、すき量ｔは、０．１５ｍｍ〜０．４５ｍｍ、好ましくは、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍに設定することによってき裂の長さをゼロもしくは無視し得る大きさに抑制することができる。すき量ｔを０．４５ｍｍよりも大きく設定すると、図３に示す円弧Ｃaと円弧Ｃbの境界部が応力の集中を招きやすい折れ線形状を呈することになる。
なお、すき量ｔとき裂長さの関係は、上記円弧Ｃa，円弧Ｃbの中心位置が上記した範囲のいずれの値をとった場合でも、同様の傾向を示す。
【００２１】
ところで、翼根２１０の応力の一部は上記凹溝２１３にも作用し、この応力は、フレッティング疲労とは異なる高サイクル疲労をもたらす。この高サイクル疲労を発生させる応力は、角形状部分に集中する傾向を示す。そこで、この実施の形態においては、図１のＡ−Ａ断面図である図５に示すように、上記凹溝２１３の両端部の弧状周縁部に面取り加工を施して該周縁部にアール形状を持たせ、これによって該周縁部への応力の集中を回避するようにしている。
【００２２】
翼根２１０のフレッティング疲労を軽減する手段として、図６に示すように、該翼根２１０の拡大部２１２のベアリング面とロータ１０との間にシム６０を介在させてもよい。このシム６０は、拡大部２１２とロータ１０間に作用する摩擦力を低減して、フレッティング疲労を抑制する。シム６０の材料としては、５００℃以上の高温に耐え得るステンレススチール等が適用される。
【００２３】
翼根２１０のフレッティング疲労を軽減する更に別の手段として、図７に示すように、翼根２１０の拡大部２１２におけるロータ１０との接触部（ベアリング面）に１ないし複数のスリット７０を設けてもよい。このスリット７０は、拡大部２１２とネック部２１１の境界に沿った方向に設けられており、拡大部２１２とロータ１０の接触長さを減少させて、該ベアリング面４０の応力を低減する。したがって、このスリット７０を設けることによって動翼２００のフレッティング疲労が軽減される。
【００２４】
このように、上記シム６０およびスリット７０はいずれもフレッティング疲労を軽減する作用をなすので、これらを前記凹部２１３と併用することにより、翼根２１０のフレッティング疲労をより一層低減することができる。
なお、本発明は、ガスタービン、ガスタービンコンプレッサ等の他の回転機械の動翼にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係るタービン動翼の実施形態を示す斜視図である。
【図２】翼根の拡大部分断面図である。
【図３】凹溝の形状を説明するための拡大図である。
【図４】すき量とフレッティング疲労に伴って発生するき裂長さとの関係を例示したグラフである。
【図５】図１のＡ−Ａ線による銃断面図である。
【図６】翼根の拡大部とロータとの間に介在させたシムを示す拡大部分断面図である。
【図７】翼根のロータとの接触部に設けたスリットを示す拡大部分断面図である。
【図８】蒸気タービンにおけるロータへの動翼の取付け形態を示す断面図ある。
【符号の説明】
【００２６】
１０  ロータ
１０ａ  角部
１１  溝部２
３０  シム
４０  ベアリング面
６０  シム
７０  スリット
２００  動翼
２１０  翼根
２１１  ネック部
２１２  拡大部
２１３  凹溝
【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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