(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
毎秒６０ヘルツの定格回転数の条件下で用いられる蒸気タービンの低圧最終段に備えられるタービン動翼であって、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成され、かつ、前記翼先端部に動翼の背側及び腹側にそれぞれ延伸して形成されるシュラウドを備えたタービン動翼において、
前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、
前記タービン動翼の翼根元部における翼断面が、
【表１】
0003982261.tif 000026
前記タービン動翼の翼根元部から１０６mmの高さにおける翼断面が、
【表４】
0003982261.tif 000027
前記タービン動翼の翼根元部から２１５mmの高さにおける翼断面が、
【表７】
0003982261.tif 000028
前記タービン動翼の翼根元部から３４０mmの高さにおける翼断面が、
【表１０】
0003982261.tif 000029
前記タービン動翼の翼根元部から４７０mmの高さにおける翼断面が、
【表１３】
0003982261.tif 000030
前記タービン動翼の翼根元部から５８９mmの高さにおける翼断面が、
【表１６】
0003982261.tif 000031
前記タービン動翼の翼根元部から６６０.４mmの高さにおける翼断面が、
【表１８】
0003982261.tif 000032
の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０.３mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項２】
毎秒６０ヘルツの定格回転数の条件下で用いられる蒸気タービンの低圧最終段に備えられるタービン動翼であって、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成され、かつ、前記翼先端部に動翼の背側及び腹側にそれぞれ延伸して形成されるシュラウドを備えたタービン動翼において、
前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、
前記タービン動翼の翼根元部から０mmの高さにおける翼断面が、
【表１】
0003982261.tif 000033
前記タービン動翼の翼根元部から７０mmの高さにおける翼断面が、
【表３】
0003982261.tif 000034
前記タービン動翼の翼根元部から１３８mmの高さにおける翼断面が、
【表５】
0003982261.tif 000035
前記タービン動翼の翼根元部から２１５mmの高さにおける翼断面が、
【表７】
0003982261.tif 000036
前記タービン動翼の翼根元部から３００mmの高さにおける翼断面が、
【表９】
0003982261.tif 000037
前記タービン動翼の翼根元部から３８０mmの高さにおける翼断面が、
【表１１】
0003982261.tif 000038
前記タービン動翼の翼根元部から４７０mmの高さにおける翼断面が、
【表１３】
0003982261.tif 000039
前記タービン動翼の翼根元部から５５０mmの高さにおける翼断面が、
【表１５】
0003982261.tif 000040
前記タービン動翼の翼根元部から６２５mmの高さにおける翼断面が、
【表１７】
0003982261.tif 000041
の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０.３mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項３】
毎秒６０ヘルツの定格回転数の条件下で用いられる蒸気タービンの低圧最終段に備えられるタービン動翼であって、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成され、かつ、前記翼先端部に動翼の背側及び腹側にそれぞれ延伸して形成されるシュラウドを備えたタービン動翼において、
前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、
前記タービン動翼の翼根元部から３８mmの高さにおける翼断面が、
【表２】
0003982261.tif 000042
前記タービン動翼の翼根元部から１０６mmの高さにおける翼断面が、
【表４】
0003982261.tif 000043
前記タービン動翼の翼根元部から１７０mmの高さにおける翼断面が、
【表６】
0003982261.tif 000044
前記タービン動翼の翼根元部から２５５mmの高さにおける翼断面が、
【表８】
0003982261.tif 000045
前記タービン動翼の翼根元部から３４０mmの高さにおける翼断面が、
【表１０】
0003982261.tif 000046
前記タービン動翼の翼根元部から４２５mmの高さにおける翼断面が、
【表１２】
0003982261.tif 000047
前記タービン動翼の翼根元部から５１０mmの高さにおける翼断面が、
【表１４】
0003982261.tif 000048
前記タービン動翼の翼根元部から５８９mmの高さにおける翼断面が、
【表１６】
0003982261.tif 000049
前記タービン動翼の翼根元部から６６０.４mmの高さにおける翼断面が、
【表１８】
0003982261.tif 000050
の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０.３mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項４】
毎秒６０ヘルツの定格回転数の条件下で用いられる蒸気タービンの低圧最終段に備えられるタービン動翼であって、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成され、かつ、前記翼先端部に動翼の背側及び腹側にそれぞれ延伸して形成されるシュラウドを備えたタービン動翼において、
前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、
前記タービン動翼の翼根元部における翼断面が、
【表１】
0003982261.tif 000051
前記タービン動翼の翼根元部から３８mmの高さにおける翼断面が、
【表２】
0003982261.tif 000052
前記タービン動翼の翼根元部から７０mmの高さにおける翼断面が、
【表３】
0003982261.tif 000053
前記タービン動翼の翼根元部から１０６mmの高さにおける翼断面が、
【表４】
0003982261.tif 000054
前記タービン動翼の翼根元部から１３８mmの高さにおける翼断面が、
【表５】
0003982261.tif 000055
前記タービン動翼の翼根元部から１７０mmの高さにおける翼断面が、
【表６】
0003982261.tif 000056
前記タービン動翼の翼根元部から２１５mmの高さにおける翼断面が、
【表７】
0003982261.tif 000057
前記タービン動翼の翼根元部から２５５mmの高さにおける翼断面が、
【表８】
0003982261.tif 000058
前記タービン動翼の翼根元部から３００mmの高さにおける翼断面が、
【表９】
0003982261.tif 000059
前記タービン動翼の翼根元部から３４０mmの高さにおける翼断面が、
【表１０】
0003982261.tif 000060
前記タービン動翼の翼根元部から３８０mmの高さにおける翼断面が、
【表１１】
0003982261.tif 000061
前記タービン動翼の翼根元部から４２５mmの高さにおける翼断面が、
【表１２】
0003982261.tif 000062
前記タービン動翼の翼根元部から４７０mmの高さにおける翼断面が、
【表１３】
0003982261.tif 000063
前記タービン動翼の翼根元部から５１０mmの高さにおける翼断面が、
【表１４】
0003982261.tif 000064
前記タービン動翼の翼根元部から５５０mmの高さにおける翼断面が、
【表１５】
0003982261.tif 000065
前記タービン動翼の翼根元部から５８９mmの高さにおける翼断面が、
【表１６】
0003982261.tif 000066
前記タービン動翼の翼根元部から６２５mmの高さにおける翼断面が、
【表１７】
0003982261.tif 000067
前記タービン動翼の翼根元部から６６０.４mmの高さにおける翼断面が、
【表１８】
0003982261.tif 000068
の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０.３mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項５】
請求項１において、前記タービン動翼は、前記翼断面形状を規定する連続した各点から±０.１５mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項６】
請求項４において、前記タービン動翼は、前記翼断面形状を規定する連続した各点から±０.１５mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項７】
毎秒６０ヘルツの定格回転数の条件下で用いられる蒸気タービンの低圧最終段に備えられるタービン動翼であって、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成され、かつ、前記翼先端部に動翼の背側及び腹側にそれぞれ延伸して形成されるシュラウドを備えたタービン動翼において、
前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、
前記タービン動翼の翼根元部における翼断面が、
【表１９】
0003982261.tif 000069
前記タービン動翼の翼根元部から１０６mmの高さにおける翼断面が、
【表２２】
0003982261.tif 000070
前記タービン動翼の翼根元部から１７０mmの高さにおける翼断面が、
【表２４】
0003982261.tif 000071
前記タービン動翼の翼根元部から３００mmの高さにおける翼断面が、
【表９】
0003982261.tif 000072
前記タービン動翼の翼根元部から４２５mmの高さにおける翼断面が、
【表１２】
0003982261.tif 000073
前記タービン動翼の翼根元部から５５０mmの高さにおける翼断面が、
【表１５】
0003982261.tif 000074
前記タービン動翼の翼根元部から６６０.４mmの高さにおける翼断面が、
【表１８】
0003982261.tif 000075
の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０.３mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項８】
毎秒６０ヘルツの定格回転数の条件下で用いられる蒸気タービンの低圧最終段に備えられるタービン動翼であって、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成され、かつ、前記翼先端部に動翼の背側及び腹側にそれぞれ延伸して形成されるシュラウドを備えたタービン動翼において、
前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、
前記タービン動翼の翼根元部から０mmの高さにおける翼断面が、
【表１９】
0003982261.tif 000076
前記タービン動翼の翼根元部から７０mmの高さにおける翼断面が、
【表２１】
0003982261.tif 000077
前記タービン動翼の翼根元部から１３８mmの高さにおける翼断面が、
【表２３】
0003982261.tif 000078
前記タービン動翼の翼根元部から２１５mmの高さにおける翼断面が、
【表７】
0003982261.tif 000079
前記タービン動翼の翼根元部から３００mmの高さにおける翼断面が、
【表９】
0003982261.tif 000080
前記タービン動翼の翼根元部から３８０mmの高さにおける翼断面が、
【表１１】
0003982261.tif 000081
前記タービン動翼の翼根元部から４７０mmの高さにおける翼断面が、
【表１３】
0003982261.tif 000082
前記タービン動翼の翼根元部から６２５mmの高さにおける翼断面が、
【表１７】
0003982261.tif 000083
の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０.３mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項９】
毎秒６０ヘルツの定格回転数の条件下で用いられる蒸気タービンの低圧最終段に備えられるタービン動翼であって、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成され、かつ、前記翼先端部に動翼の背側及び腹側にそれぞれ延伸して形成されるシュラウドを備えたタービン動翼において、
前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、
前記タービン動翼の翼根元部から３８mmの高さにおける翼断面が、
【表２０】
0003982261.tif 000084
前記タービン動翼の翼根元部から１０６mmの高さにおける翼断面が、
【表２２】
0003982261.tif 000085
前記タービン動翼の翼根元部から１７０mmの高さにおける翼断面が、
【表２４】
0003982261.tif 000086
前記タービン動翼の翼根元部から２５５mmの高さにおける翼断面が、
【表８】
0003982261.tif 000087
前記タービン動翼の翼根元部から３４０mmの高さにおける翼断面が、
【表１０】
0003982261.tif 000088
前記タービン動翼の翼根元部から４２５mmの高さにおける翼断面が、
【表１２】
0003982261.tif 000089
前記タービン動翼の翼根元部から５１０mmの高さにおける翼断面が、
【表１４】
0003982261.tif 000090
前記タービン動翼の翼根元部から５８９mmの高さにおける翼断面が、
【表１６】
0003982261.tif 000091
前記タービン動翼の翼根元部から６６０.４mmの高さにおける翼断面が、
【表１８】
0003982261.tif 000092
の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０.３mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項１０】
毎秒６０ヘルツの定格回転数の条件下で用いられる蒸気タービンの低圧最終段に備えられるタービン動翼であって、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成され、かつ、前記翼先端部に動翼の背側及び腹側にそれぞれ延伸して形成されるシュラウドを備えたタービン動翼において、
前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、
前記タービン動翼の翼根元部における翼断面が、
【表１９】
0003982261.tif 000093
前記タービン動翼の翼根元部から３８mmの高さにおける翼断面が、
【表２０】
0003982261.tif 000094
前記タービン動翼の翼根元部から７０mmの高さにおける翼断面が、
【表２１】
0003982261.tif 000095
前記タービン動翼の翼根元部から１０６mmの高さにおける翼断面が、
【表２２】
0003982261.tif 000096
前記タービン動翼の翼根元部から１３８mmの高さにおける翼断面が、
【表２３】
0003982261.tif 000097
前記タービン動翼の翼根元部から１７０mmの高さにおける翼断面が、
【表２４】
0003982261.tif 000098
前記タービン動翼の翼根元部から２１５mmの高さにおける翼断面が、
【表７】
0003982261.tif 000099
前記タービン動翼の翼根元部から２５５mmの高さにおける翼断面が、
【表８】
0003982261.tif 000100
前記タービン動翼の翼根元部から３００mmの高さにおける翼断面が、
【表９】
0003982261.tif 000101
前記タービン動翼の翼根元部から３４０mmの高さにおける翼断面が、
【表１０】
0003982261.tif 000102
前記タービン動翼の翼根元部から３８０mmの高さにおける翼断面が、
【表１１】
0003982261.tif 000103
前記タービン動翼の翼根元部から４２５mmの高さにおける翼断面が、
【表１２】
0003982261.tif 000104
前記タービン動翼の翼根元部から４７０mmの高さにおける翼断面が、
【表１３】
0003982261.tif 000105
前記タービン動翼の翼根元部から５１０mmの高さにおける翼断面が、
【表１４】
0003982261.tif 000106
前記タービン動翼の翼根元部から５５０mmの高さにおける翼断面が、
【表１５】
0003982261.tif 000107
前記タービン動翼の翼根元部から５８９mmの高さにおける翼断面が、
【表１６】
0003982261.tif 000108
前記タービン動翼の翼根元部から６２５mmの高さにおける翼断面が、
【表１７】
0003982261.tif 000109
前記タービン動翼の翼根元部から６６０.４mmの高さにおける翼断面が、
【表１８】
0003982261.tif 000110
の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０.３mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項１１】
請求項７において、前記タービン動翼は、前記翼断面形状を規定する連続した各点から±０.１５mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項１２】
請求項１０において、前記タービン動翼は、前記翼断面形状を規定する連続した各点から±０.１５mmの範囲内に形成されたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項１３】
前記タービン動翼は、タービンロータのディスク外周部に順次係合し、一方の動翼の翼腹側のシュラウドと、隣り合う他方の動翼の翼背側のシュラウドが互いに接触するように配置されるものであって、
前記シュラウドは、一方の動翼の翼背側のシュラウドと、隣接する他方の動翼の翼腹側シュラウドとの間に形成される相互の接触面が、前記一方のタービン動翼の翼先端部の翼断面の翼前縁より上流側の領域に設置されるように形成されていることを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載タービン動翼。
【請求項１４】
前記タービン動翼は、タービンロータのディスク外周部に順次係合させ設置するものであって、前記タービンロータの軸方向をＸ軸、タービンロータの周方向をＹ軸に規定したことを特徴とする請求項１〜１２の何れかに記載タービン動翼。
【請求項１５】
前記タービン動翼は、全周１１４から１２０本までの翼本数がタービンロータのディスク外周にされることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のタービン動翼。
【請求項１６】
前記タービン動翼は、全周１２０から１２７本までの翼本数がタービンロータのディスク外周にされることを特徴とする請求項７〜１３の何れかに記載のタービン動翼。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、蒸気タービンの低圧最終段に備えるタービン動翼に関する。
背景技術
一般にタービン動翼は、熱流体の持つエネルギーを回転エネルギーにほどよく置換することを目的として設置されるものである。このタービン動翼を設計する際には、熱流体による負荷力と高遠心力に耐えうる強度を持ち、定格回転時に共振のない振動特性である機械的特性を満足する必要がある。また、熱流体のエネルギーを回転エネルギーに置換するためには、エネルギー損失の低減された空力学的特性も満足する必要がある。従って、これら機械的特性と空力学的特性の両者を同時に満足するためには、互いに相反した構造上の問題を克服する必要がある。
タービン動翼のある箇所に応力集中があり強度上の問題がある場合は、たとえ流れ性能を反映した流線形を持つ翼プロフィルであっても、翼剛性を増すために翼断面厚さを増やす必要がある。また、定格回転時に避けるべき共振を持つような振動特性であれば、やはり翼プロフィルを変更する必要がある。特に蒸気タービン用のタービン動翼では、翼性能の高効率化を追求すると翼１本の剛性が小さくなるため、翼構造全体の剛性を増すために隣り合う翼をシュラウドやワイヤ等で連結する翼連結構造が採用される。この翼連結構造は、流れ性能の面からみれば、流れを阻害することにもなるので必ずしもタービン動翼全体にとっては最適であるとは言い難い。
これらの問題を克服するためには、機械的特性に基づく信頼性はもとより、空力学的特性も充分満足するために、翼長などの限定条件ごとに翼プロフィルを一意的に定める必要がある。例えば、米国特許第５，２６７，８３４号公報では、翼長が約６６０ｍｍの場合で強度・振動・性能をほどよく満足した翼プロフィルを定め、翼先端部にカバーピースを、翼中間部にスリーブを備え、半径方向２ヶ所に隣り合う翼を連結する部材を設けて隣り合う翼を連結した構造のものが開示されている。
前述した米国特許第５，２６７，８３４号公報に記載された従来技術においては、翼長が約６６０ｍｍの場合の翼プロフィルとその翼構造は、翼連結部材を半径方向に２ヶ所設けて翼構造全体の剛性を高めることが定義されている。しかしながら、翼連結部材を半径方向に２ヶ所設けることは、翼連結部材が翼中間部に存在し、翼間のほぼ中間で流れを阻害することになり、その部分の空力学的特性である流れ性能を著しく低下させてしまうことになる。
本発明は上記問題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、翼中間部に連結部材を用いずに隣り合う翼を連結するタービン動翼を提供することにある。
発明の開示
上記目的を達成するために、本発明のタービン動翼は、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成されるタービン動翼において、前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、前記タービン動翼の翼根元部から所定の高さにおける翼断面が、第１表，第４表，第７表，第１０表，第１３表，第１６表，第１８表の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０．３ｍｍの範囲内に形成されたものである。
また、上記目的を達成するために、本発明のタービン動翼は、翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成されるタービン動翼において、前記動翼の水平面の翼断面を２軸方向にとり、一方の軸方向をＸ軸、該Ｘ軸に直交する他方の軸方向をＹ軸と規定したとき、前記タービン動翼の翼根元部から所定の高さにおける翼断面が、第１９表，第２２表，第２４表，第９表，第１２表，第１５表，第１８表の夫々で翼断面形状を規定する連続した各点から±０．３ｍｍの範囲内に形成されたものである。
以上、本発明によれば、翼中間部に連結部材を用いずに隣り合う翼同士を連結するタービン動翼を提供できるという効果を奏する。また、翼中間に連結部材を持たなくても、高遠心力や蒸気負荷力に耐えうる強度を持ち、定格回転時に共振することのない振動特性をもち、蒸気エネルギーを回転エネルギーにほどよく変換できる損失の少ない流れ性能をもつタービン動翼を提供できる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施例を第１図から第４図を用いて詳細に説明する。第１図は本発明の一実施例を示すタービン動翼の外観図、第２図はタービン動翼の翼プロフィル断面図、第３図はタービン動翼を周方向からみた外観図、第４図はタービン動翼の翼先端部に備えたカバーの外観図である。なお、以下の説明としては、翼長が約６６０ｍｍのタービン動翼について述べるものである。
第１図に示すように本実施例のタービン動翼は、翼プロフィル２０，シュラウド３０，プラットフォーム部４０、及び翼根部５０から構成されている。翼プロフィル２０は翼根元部から翼先端側にかけてその翼断面形状がねじれて形成され、そして翼プロフィル２０の翼先端部には動翼の背側及び腹側にそれぞれ伸延して形成されるシュラウド３０が翼プロフィル２０と一体に形成されている。また、翼プロフィル２０の翼根元部には、プラットホーム部４０と接続した際に翼根元部に発生する応力の集中を抑制するために翼根元部フィレット２５が備えられている。これは、翼プロフィル２０とプラットホーム部４０との接続において、角度が鋭角な部分があれば応力の集中が発生し、機械的強度が低下してしまうためである。同様の理由で、翼プロフィル１０とシュラウド３０との接続部にもフィレット２５を備えることが望ましい。以上のように構成されたタービン動翼は、翼根部５０が図示しないタービンロータに形成された溝に順次挿入されて組み立てられる。
また、前述したように翼プロフィル２０の先端部には、カバーであるシュラウド３０（インテグラルシュラウドカバー）が翼と一体に成形されている。このシュラウド３０は、第４図に示すように翼背側シュラウド部３１および翼腹側シュラウド部３２に一対存在し、隣接するシュラウドとの接触面３３をそれぞれ持っている。このような形状をしたシュラウド３０を翼先端に備えることで、タービン動翼の回転中、一般的に良く知られた翼のねじり戻り現象が生じ、翼先端のシュラウド３０には、第１図の３４に示す方向にねじれる力が作用する。そのため、隣り合う翼の背側シュラウドと腹側シュラウドが互いの接触面で接触連結する。よって、翼構造全体でみれば、タービン動翼の全周の翼が翼先端でひとつの輪を形成する構造となり、翼１本の単独な翼構造に比べて、翼構造全体としての剛性が高くなり、共振が少ない振動特性を達成できる。
また、隣り合う翼がシュラウド３０による接触連結をするため、接触による減衰効果が発生し、振動の応答が低減された翼構造となる。そのため、非定常な流体力によるバフェッティングやフラッターなどの流体連成振動においても、タービン翼１本の単独な翼構造に比べて、シュラウドの接触連結による減衰効果により振動応答は小さいため、安全である翼構造を実現できる。なお、シュラウドの厚さは、タービン動翼の機械的性質の中で、剛性と質量の両者に寄与するものであるが、厚さが厚い場合は高遠心力を増長するほどの質量となり、逆にシュラウドの厚さが薄いと剛性が弱い傾向になり翼連結剛性が期待できなくなる。そのため、最適なシュラウドの厚さは４．５ｍｍから６ｍｍ程度にすることが望ましい。次に本発明の翼根元部の実施例について述べる。
第７図は、本実施例によるタービン動翼をタービンロータに備える組み立ての模式図を示したものである。本実施例のタービン動翼は、第７図に示す翼根部５０のように６本のフィンガー構造であり、３本のピン７０によりタービンロータ部６０と翼根部５０が固定される構造であることが望ましい。その理由は、このようなフィンガー構造であれば、タービン動翼とタービンロータ部が、６本のフィンガーによる互い違いの組み合わせだけでなく、さらに３本のピンにより堅牢に結合するので、翼根元部の固定条件がリジッドな連結となり、特に円周方向に翼が振動した場合植え込み部の平面で荷重を受けるため、応力集中の度合いが少ない利点があるからである。
次に、本実施例の翼プロフィルの詳細について説明する。第２図に示すように、タービン動翼を翼根元部から半径方向の翼先端側に対して垂直にスライスした翼断面高さをＡからＲまで規定する。このとき、翼根元部の翼断面Ａを半径方向座標Ｚ軸の原点高さ０とし、翼断面Ｂ以降の高さは翼断面Ａから翼先端にかけて測定した高さとする。第３図は、前述した翼断面をＸ−Ｙ座標軸で表したものである。このとき、座標の数値の単位はｍｍ、タービン動翼の軸方向をＸ軸、タービン動翼の周方向をＹ軸と規定する。また、翼前縁２３がＸ軸の正側、翼後縁２４がＸ軸の負側に位置し、タービン動翼の回転方向とＹ軸の向きは一致する。また、第３図に図示する各翼断面を半径方向にスタックする中心座標は、半径方向のＺ軸に一致する。以上のように定義されたＸＹＺの座標系において、翼断面の翼前縁２３から翼後縁２４に向かって１から１７番まで、翼背側部２１および翼腹側部２２それぞれに区別して番号付ける。
後述する第１表から第１８表は、第２図の翼断面Ａから翼断面Ｒまでの各断面高さにおける翼プロフィルの点列座標を示したものである。これらの点列間は、隣り合う点列間で滑らかな曲線で結ばれることにより翼プロフィル全体を形成するものである。例えば、翼断面Ａを例に挙げると、断面の翼背側部２１の点列番号を１から１７まで滑らかな曲線でつなぎ、同様に翼腹側部２２も点列番号１から１７を曲線でつなぐ。また、翼前縁２３においては、翼背側部２１の点列番号１と翼腹側部２２の点列番号１とを円弧で滑らかな曲線でつなぐものとする。同様に、翼後縁２４についても点列番号１７同士を滑らかな曲線でつなぐ。以上により、翼断面Ａが形成されるものであり、翼断面ＢからＲについても同様に形成される。
なお、上述したように点列をつないで形成された翼断面は、製作誤差として±０．３ｍｍ以内であれば後述する本実施例の効果を達成するものである。さらに望ましくは、前述した製作誤差は±０．１５ｍｍの範囲内にすることで、より翼性能を向上させることが可能となる。しかし、製作誤差として±０．３ｍｍ以上の場合は、性能を損ねたり、定格回転時に共振するなどの不具合を生じてしまう。
なお、本実施例のタービン動翼においては、翼プロフィルを構成する各翼断面の形状が、少なくとも第１表，第４表，第７表，第１０表，第１３表，第１６表，第１８表に示す点の±０．３ｍｍの範囲内に形成し構成されたものである。好ましくは、第１表，第３表，第５表，第７表，第９表，第１１表，第１３表，第１５表，第１７表、あるいは第２表，第４表，第６表，第８表，第１０表，第１２表，第１４表，第１６表，第１８表に示す点によって形成される。最も望ましい実施形態としては、第１表から第１８表に示す翼断面によって構成された翼プロフィルであることが好ましい。
一般的に、タービン動翼は低次の振動モードが定格回転時に共振することはなく、高次の振動モードはたとえ共振しても高い剛性や減衰効果により共振応答が小さい構造に設計される。従来、翼長が約６６０ｍｍのタービン動翼では、それよりも翼長が短い翼に比べて翼単体の剛性が低いため、連結構造を半径方向に２つ設けてタービン動翼全体としての剛性を高めていた。剛性が高いと、固有振動数が上がり、共振を回避すべき対象となる低次のモードが少なくなり、また高次の振動モードでも共振に耐えうるからである。
これに対して、以上述べた様に翼プロフィルを形成して、翼先端にシュラウドを備えることによって、タービン翼の中間に連結部材を持たなくとも、タービンに作用する遠心力や作動熱流体力に充分耐えられる強度を備え、毎秒６０サイクルの定格回転数の使用条件下で共振のない振動特性を持つ機械的特性上好ましい翼構造が実現できる。従って、タービン翼構造の半径方向中間部に連結構造のない、すなわちタービン段落の翼間流れ場において阻害する構造物のない、空力学的特性上好ましい性能の良いタービン翼となる。
次に本実施例のタービン動翼について、第５図と第６図を用いて説明を加える。
第５図は本実施例によるタービン動翼の翼先端部の翼間流路の断面図、第６図は本実施例によるタービン動翼を含むタービンロータの構成図を示す。第５図において、１８は翼間のピッチ、１９は翼コードを示す。また第６図において、２８はタービンロータ中心、２９はタービンロータ中心からタービン動翼の翼根元断面までの高さ、６０はタービンロータを示す。
第５図に示したような翼間ピッチ３５と翼コード３６の比は、翼性能にとって重要なパラメータとして知られている。この翼間ピッチと翼コードの比が大きすぎる場合は、全周の翼本数が少ないために翼間の流路が広がり過ぎて流れの剥離を生じる問題が起こる。その逆に、翼間ピッチと翼コードの比が小さすぎる場合は、全周の翼本数が多くなりすぎて翼表面に摩擦を多く生じることになり性能を低下する。このため、ある翼プロフィルを持つタービン動翼には、最適な翼間ピッチと翼コードの比が存在する。
本実施例による第１表から第１８表の翼プロフィルを持つタービン動翼においては、翼先端における翼間ピッチと翼コードの比は、１．３〜１．４の範囲にすれば最適な翼性能が達成できる。そのため、第６図に示したタービンロータ中心からタービン動翼の翼根元断面までの高さ２９が約１１６８ｍｍである場合、全周の翼本数が１１４本から１２０本であれば、最適な翼間ピッチと翼コードの比が実現できることになる。
第８図は、本実施例によるタービン動翼のマッハ数性能特性線図である。なお、第８図は第７表〜第１８表の翼断面によって構成された翼プロフィルによる結果を示すものである。なお、第８図に示すグラフでは、運動エネルギー損失の最小値を１とした相対エネルギー損失分布８２と、一般的なタービン動翼の相対エネルギー損失分布８１を流出マッハ数に対して比較したものである。
一般に、タービン動翼の性能設計を行う場合、通常の発電設備に用いられる蒸気タービンでの運転条件はほぼ一定であるため、汎用的な運転条件に基づき、その運転条件で最も良い性能となるような設計を行ってきた。しかしながら、その運転条件を外れた場合、すなわち第８図に示す流出マッハ数が設計マッハ数に至らない場合、相対エネルギー損失が大きくなり性能が損なわれることが多かった。
特に、翼長が約６６０ｍｍのタービン動翼を低圧最終段に組み込んだ蒸気タービンは、蒸気タービン単体で稼動するだけでなく、ガスタービンなどと一体になりコンバインドサイクルシステムとして稼動することが多い。従来の翼型性能は、蒸気タービン単体で扱う場合は特に問題ないが、コンバイドサイクルシステムを組む場合では、蒸気タービンは頻繁に部分負荷運転が行われるため、常に蒸気一定の運転条件とはならず蒸気タービン単体での使用と比べて熱負荷条件が流動的となってしまう。
これに対して、本実施例の翼プロフィルを持つタービン動翼は、第８図に示すように流出マッハ数が設計マッハ数時に最も相対エネルギー損失が小さく性能の良いことは勿論、部分負荷時である流出マッハ数が設計マッハ数に到達しない場合も相対エネルギー損失を従来より大幅に低減することができるようになった。したがって、従来と比べて広範囲な熱負荷条件下で高性能を上げることが可能となる。
この理由としては、本実施例の翼プロフィルをもつタービン動翼は、翼列流路のスロート部以降で末広流路を形成しており、その間を流れる熱流体の速度を亜音速から超音速に効率よく遷移させることができるためである。また、比較的低マッハ数の遷音速流れに適した形状として良く知られたスロート部以降の翼型背側の面を直線としたストレートバック翼型という、二つの特徴をあわせ持つ翼プロフィルに形成しているからである。
以上述べたように、本実施例によれば、翼中間部に連結部材を用いずに隣り合う翼同士を連結するタービン動翼を提供できるという効果を奏する。また、翼中間に連結部材を持たなくても、高遠心力や蒸気負荷力に耐えうる強度を持ち、定格回転時に共振することのない振動特性をもち、蒸気エネルギーを回転エネルギーにほどよく変換できる損失の少ない流れ性能をもつタービン動翼を提供できる。
なお、本実施例のタービン動翼は、前述したように翼長が約６６０ｍｍのもので、またタービンロータ中心から動翼の翼根元断面までの高さが約１１６８ｍｍのタービン動翼に実施されるものについて説明しているが、第１表から第１８表に示す翼断面座標点の相似縮小あるいは相似拡大した翼断面座標点を持つように翼プロフィル部を形成することによって、本実施例と異なる大きさのタービン動翼にも適用することが可能である。
次に本発明の他の実施例について述べる。
本実施例のタービン動翼は、第２図に示す翼断面Ａから翼断面Ｆの８断面の各断面高さにおける翼プロフィルの各翼断面毎の点列座標が、後述する第１９表から第２４表で示した翼点列座標を持ち、翼断面Ｇから翼断面Ｒの各断面高さにおける翼プロフィルの各翼断面毎の点列座標は、第７表から第１８表で示した翼点列座標を持つものである。また、タービン動翼の先端部には、第４図で示すような翼と一体成形したインテグラルシュラウドカバーを備える。なお、本実施例によるタービン動翼は、先に述べたタービン動翼と異なるタービンロータでの使用を考慮したものである。すなわち、翼長が約６６０ｍｍのタービン動翼で、第６図に示したタービンロータ中心からタービン動翼の翼根元断面までの高さ２９が、現在において広く使用されている約１２７０ｍｍである場合のリプレース品として好適なものである。
本実施例によるタービン動翼は、先に述べた実施例と同様、タービン翼の中間に連結部材を持たなくとも、タービンに作用する遠心力や作動熱流体力に充分耐えられる強度を備え、毎秒６０サイクルの定格回転数の使用条件下で共振のない振動特性を持つ機械的特性上好ましい翼構造が実現できる。よって、タービン翼構造の半径方向中間部に連結構造のない、すなわちタービン段落の翼間流れ場において阻害する構造物のない、空力学的特性上好ましい性能の良いタービン翼となる。また、本実施例の翼プロフィルを持つタービン動翼は、第８図に示すように、流出マッハ数が設計マッハ数時に最も相対エネルギー損失が小さく性能の良いことは勿論、部分負荷時である流出マッハ数が設計マッハ数に到達しない場合も相対エネルギー損失を従来より大幅に低減することができるようになった。したがって、従来と比べて広範囲な熱負荷条件下で高性能を上げることが可能となる。
なお、上述したように点列をつないで形成された翼断面は、製作誤差として±０．３ｍｍ以内であれば前述した本実施例の効果を達成するものである。さらに望ましくは、前述した製作誤差は±０．１５ｍｍの範囲内にすることで、より翼性能を向上させることが可能となる。しかし、製作誤差として±０．３ｍｍ以上の場合は、性能を損ねたり、定格回転時に共振するなどの不具合を生じてしまう。
また、本実施例のタービン動翼においては、翼プロフィルを構成する各翼断面の形状が、少なくとも第１９表，第２２表，第２４表，第９表，第１２表，第１５表，第１８表に示す点の±０．３ｍｍの範囲内に形成し構成されたものである。好ましくは、第１９表，第２１表，第２３表，第７表，第９表，第１１表，第１３表，第１５表，第１７表、あるいは第１８表，第２０表，第２２表，第２４表，第１０表，第１２表，第１４表，第１６表，第１８表に示す点によって形成される。最も望ましい実施形態としては、第１８表から第２４表および、第７表から第１８表に示す翼断面によって構成された翼プロフィルであることが好ましい。
また、最適な翼性能が達成できる翼先端における翼間ピッチと翼コードの比は、先に述べた例と同様、１．３〜１．４の範囲であるので、タービンロータ中心からタービン動翼の翼根元断面までの高さが約１２７０ｍｍである場合、全周の翼本数は１２０〜１２７本の範囲とすることが望ましい。
また、第１表から第１８表に示した翼プロフィル座標点列を持つタービン動翼や第１９表から第２４表と第７表から第１８表に示した翼プロフィル座標点列を持つタービン動翼において、翼先端における翼間ピッチと翼コードの比が１．３〜１．４の範囲であるように相似縮小、あるいは相似拡大すれば、タービンロータ中心からタービン動翼の翼断面までの高さに関わらず、本実施例による効果が達成できる。
次に、シュラウドの変形例について第９図，第１０図および第１１図を用いて説明する。
第９図は、本発明の他の実施例であるタービン動翼の全体図、第１０図は第９図に示すシュラウドの詳細図を示す。第９図及び第１０図において、１は後続翼のシュラウド、２は先行翼のシュラウドであり、１ａ，２ａは翼背側シュラウド部、１ｂ，２ｂは翼腹側シュラウド部、２０ｘは後続翼の翼先端部の翼断面、２０ｙは先行翼の翼先端部の翼断面、４０はタービンロータディスク部である。５は前記後続翼の翼背側シュラウド部１ａと先行翼の翼背側シュラウド部２ａとが相互に接続する接触面、８はシュラウドの翼先端の翼断面の翼前縁近傍部、１０は前記接触面５を含む平面、５１は各シュラウド１，２の上流側の端面を各々示す。
また、矢印４４は動翼の回転方向を示し、ひとつの翼間流路を形成する二つの動翼のうち、回転方向の前側に位置する動翼を先行翼といい、その翼先端部の翼断面２０ｙ，回転方向の後側に位置する動翼を後続翼といい、その翼先端部の翼断面を２０ｘとして表している。２０ｅは後続翼の翼キャンバ線、４２は後続翼の翼前縁であり、４７は後続翼の翼後縁を示す。
第１０図において、シュラウド１，２の相互の接触面５は、ある翼の翼背側シュラウド部１ａ或いは２ａとその翼に隣り合う翼の翼腹側シュラウド部２ｂ或いは１ｂとの間によって構成され、前記接触面５を含む平面１０は、図中、翼プロフィル２０の翼先端部の翼断面部分とは交差しない位置に配設されるものとする。また、第９図及び第１０図において、タービン動翼の翼プロフィル２０の先端部３ｂに設けられたシュラウド１，２のうち、後続翼の翼先端部の翼断面２０ｘおよび、先行翼の翼先端部の２０ｙを通る翼キャンバ線２０ｅを夫々翼前縁側及び後縁側に延長したとき、各シュラウド１，２における翼キャンバ線２０ｅより翼背側の領域にあるシュラウドが翼背側シュラウド部１ａ，２ａ、翼キャンバ線２０ｅより翼腹側が翼腹側シュラウド部１ｂ，２ｂとなる。
上記構造のタービン動翼において、前記動翼の外周方向から見て、前記接触面５を含む前記後続翼の翼背側のシュラウド部１ａのうち隣接する先行翼の翼背側のシュラウド部２ｂと対向する面は、動翼の回転方向４４に対して略凸状部を形成し、同じく前記接触面５を含む前記先行翼の翼腹側のシュラウド部２ｂのうち隣接する後続翼の翼背側のシュラウド部１ａと対向する面は動翼の回転方向に対して略凹状部を形成し、前記動翼の相対抗する各シュラウド部の領域には、前記接触面５より翼後縁４７側の領域で隣接する動翼の各シュラウド部との間に間隙を形成するように構成されている。
また、翼背側シュラウド部１ａ，２ａのうち隣接する動翼の翼腹側シュラウド部１ｂ，２ｂと対向する面のうち、接触面５を含む任意の平面１０より回転方向４４と反対側の領域では相互に間隙を有するように形成しておく。また、後続翼の翼先端部の翼断面２０ｘの翼先端近傍部８（特に背側シュラウド部のうち翼前縁４２近傍より背側）には、蒸気タービンの外周側から見て、一種切り欠きのようなくぼんだ曲面を構成しない構造とする。
凸状部の頂部４１は動翼の回転方向４４に対する極大部である。凸状部の頂部４１から前記接触面５を含む翼前縁４２付近までの領域は前記翼前縁４２より回転方向側に形成される。凸状部の頂部４１から翼後縁４７側では隣接する動翼の翼腹シュラウド部２ｂとの間に間隙を有する。
第２図において、蒸気タービン動翼が回転すると翼に作用する遠心力によってねじり戻りが符号３４の方向に起こり、隣り合う動翼の各々の翼プロフィル２０先端部についているシュラウド１，２の後続翼の翼背側シュラウド部１ａと先行翼の翼腹側シュラウド部２ｂは、互いに翼のねじり戻りを拘束するように接触面５で連結する。この時接触面に作用する力は、面に直角方向に作用する力だけでなく、タービンロータの半径方向のうち外周側に向かう遠心力などにより、接触面に沿ったせん断力が作用する。また、翼振動などにより、前記後続翼の翼背側シュラウド部１ａと先行翼の翼腹側シュラウド部２ｂの接触面５が擦れ合うなどの現象からも、接触面５に沿ったせん断力が作用する。これらせん断力の影響で、翼背側シュラウド部の力の流れの終端は、接触面５から前記翼背側シュラウド部１ａを固定している翼の翼先端近傍部８に向かっていくことになる。そのため、前記翼背側シュラウド部１ａで最も応力が集中する箇所は、第１０図の翼先端近傍部８となる。本発明の実施例の蒸気タービン動翼は、後続翼の翼背側のシュラウド部１ａと隣り合う先行翼の翼腹側のシュラウド２ｂとの接触面５を含む平面が、後続翼の翼先端部の翼断面の翼キャンバ線２０ｅを翼前縁４２方向に延長した線分と交わり、かつ前記平面と前記後続翼の翼背側のシュラウド部１ａの蒸気上流側の端面５１とがなす角度が鈍角となるように前記接触面５が配設されている。
よって、翼先端近傍部８の形状は、図では凸型の曲面であるので、応力の集中する度合いが形状的に低減できる。また、この場所はエロージョン現象の発生しやすい翼背側部付近から離れた位置にあるため、翼背側シュラウド部１ａにおいて、最も応力の大きな箇所にエロージョン現象が作用した場合の相乗効果が著しく緩和できる。
以上のように、例えば、外周側から見て（矢印６６方向に見て）、翼部３が先端部３ｂ付近で先行翼（他方の翼）と後続翼（一方の翼）とが第９図のようにオーバーラップしているような構成をとる動翼においても、隣接する先行翼の翼腹側シュラウド部２ｂとの接触面５を広範囲に確保できるので、遠心力に伴う翼のねじれ戻りにより、前記接触領域に応力が生じても、安定な接触状態を維持できる。よって、強度的に問題のない安定した蒸気タービンを提供することができる。
ここで、本実施例のシュラウドが解決するエロージョン浸食やフレッティング摩耗に関して、第１１図を用いて以下説明する。
はじめに、エロージョン現象について説明する。第１１図では、１１ａ〜１１ｄは静翼、１２ａ〜１２ｄは動翼、１３ａ〜１３ｃは蒸気流、１４は水滴、１５は水膜流、１６は飛散水滴、１７は静翼後縁、１８は動翼背側部を各々示す。このように構成された蒸気タービン段落において、静翼１１ａ〜１１ｄによる翼列に流入する湿り蒸気流の中で、微小水滴は蒸気流１３ａ〜１３ｃと同一の軌跡をたどって流動する。例えば、１１ｂにおいて、比較的大きな水滴１４はその慣性効果のために蒸気流から逸脱して静翼１１ａ〜１１ｄの翼表面に衝突，付着して水膜流１５を形成する。水膜流は静翼後縁１７に達すると、蒸気流１３ａ〜１３ｃによって加速されて、静翼後縁端から離脱し飛散水滴１６となる。この飛散水滴の流速は、初期の水滴よりもさらに水滴径が増大し質量が増すために、蒸気流の流速Ｖｓに比べて著しく遅い流速Ｖｄとなる。一方、動翼は速度Ｕで回転しているので、速度三角形上で蒸気流は相対速度Ｗｓであるのに対し、飛散水滴は相対速度Ｗｄとなる。このため、蒸気流がほとんど迎え角のない状態で動翼１２ａ〜１２ｄに入るのに対し、飛散水滴は動翼の背側に大きく迎え角を持って衝突するので、動翼背側部１８は水滴による浸食現象を避けられない部位となる。この現象に対しては、従来より様々な対策が考案されているが、完全に除去するには至らない。すなわち、蒸気タービンでは回避できない問題のひとつである。
例えば、第１０図に示すように、タービン回転中では、翼背側シュラウド部１ａと翼腹側シュラウド部２ｂは、動翼に作用するねじり戻りを拘束するように接触面５で互いに逆方向に力を作用する。このとき、接触面５に作用するねじり戻りを拘束する力が及ぼすシュラウドの最大曲げ応力は、シュラウドの付け根である翼面が固定端となるので、接触面５から点線で示す翼先端部の翼断面２０ｘ側方向に延長し、翼部の背側にある凹状の切り欠き部、特に、翼背側シュラウド部で翼先端の翼断面２０ｘの翼前縁部２３より下流側で生じる。そのため、この場所は強度的に最も注意すべき場所として、設計上細心の注意を払うべき箇所である。
これに対して、本実施例で述べたタービン動翼のシュラウド部は、特開平４−５４０２号公報の第３図に記載の従来のシュラウドに記載のような、接触面から点線で示す翼断面方向に延長し、翼部の背側にある凹状の切り欠き形状部がないものである。よって、水膜流の影響を受けるおそれを抑制できる。また、凹状の切り欠き部は、先に述べた動翼背側部とほぼ近傍に位置するので、直接飛散水滴が当たる可能性があるのに対し、本実施例ではかかる恐れはない。
また、本実施例のタービン動翼では、シュラウドのうち前記公知例のように翼先端部の翼断面２０ｘ付近のシュラウドの付け根部分の翼背側部辺りがエロージョンによる浸食現象により強度的に脆くなることを抑制できる。翼背側シュラウド部１ａにおいて、シュラウド１を支えている付け根部分辺りに大きな曲げ応力が作用した場合にもエロージョンの浸食による影響が避けられるので、強度的に安定した状態を得ることができる。
さらに、第１１図で説明した飛散水滴は、前記公知例では、前記の凹状の切り欠き部から左上方向に伸びる端面と隣接するシュラウド部との間にできる間隙があるため、水分となって間隙に停留する。この時、シュラウドの接触面が翼前縁よりも下流側に位置すれば、間隙にある水は水膜流となって下流側に流れ、隣接するシュラウドを連結する接触面を濡らす可能性がより高くなる。このような状況で、翼が振動すると隣接するシュラウド部を連結する接触面も微少振動が発生するため、シュラウドの接触面は水分を多く含んだフレッティング摩耗の危険性が増すことになる。
これに対して、本実施例で示したタービン動翼の接触面は、前記のように後続翼の翼先端部の翼断面３ｘの翼前縁より上流側にあるので、これら水膜流の影響は極めて少ない。すなわち、本発明の蒸気タービン動翼は、応力集中やエロージョン腐食を緩和するだけでなく、タービン動翼の振動により接触面が微小振動し、水滴を伴って擦りあうことによるフレッティング摩耗の発生を抑制することができる。
以上述べたように、本実施例によれば、応力集中を緩和し、エロージョンによる侵食現象を抑制し、さらに水分によるフレッティング摩耗の影響を緩和したタービン動翼、またはそれを用いた信頼性の高い蒸気タービンを提供することができる。
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産業上の利用可能性
本発明のタービン動翼は、電力を生産する発電分野に使用する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例を示すタービン動翼の外観図。
第２図は、第１図に示すタービン動翼の断面図。
第３図は、本発明の一実施例を示すタービン動翼の外観図。
第４図は、本発明の一実施例を示すシュラウドの外観図。
第５図は、本発明の一実施例を示すタービン動翼の翼間模式図。
第６図は、タービンの構成図。
第７図は、タービン動翼の組み立て構成図。
第８図は、本発明の一実施例を示すタービン動翼のマッハ数性能特性線図。
第９図は、本発明の他の実施例を示す蒸気タービン動翼の全体構成図。
第１０図は、蒸気タービン動翼のシュラウド構成図。
第１１図は、タービン段落のエロージョン発生の説明図。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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