(57)【要約】【課題】減衰力をさらに高めるとともに、減衰力を低コストかつ容易に調整する。【解決手段】静翼３３は、内部に空洞部３７が形成された翼本体３６と、翼本体３６において空洞部３７の臨む翼内周面３３ｎに摺接する摺接部４０ｂ，４０ｃを有した減衰力発生部材４０と、減衰力発生部材４０と翼内周面３３ｎとの間に介在し、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃ及び翼内周面３３ｎよりも摩擦係数の小さい材料からなる低摩擦層５０とを備える。【選択図】図３
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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、
前記翼本体において前記空洞部の臨む翼内周面に摺接する摺接部を有した摺接部材と、
前記摺接部材と前記翼内周面との間に介在し、前記摺接部材の表面及び前記翼内周面よりも摩擦係数の小さい材料からなる低摩擦層と
を備える回転機械翼。
【請求項２】
前記摺接部材は、前記翼本体の前記空洞部を挟んで対向する背側部材と腹側部材との間に設けられ、前記背側部材と前記腹側部材とを互いに離間する方向に押圧する弾性力を有している、
請求項１に記載の回転機械翼。
【請求項３】
前記摺接部材は、前記背側部材及び前記腹側部材の一方に固定された固定部と、前記背側部材及び前記腹側部材の他方において前記翼内周面に摺接する摺接部と、を有している、
請求項２に記載の回転機械翼。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の回転機械翼を備える回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械翼、回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンは、ケーシング内に、動翼と静翼とが交互に配列されている。動翼は回転軸と一体に設けられ、ケーシング内で旋回可能とされている。静翼は、ケーシングに固定されている。
【０００３】
ケーシング内に供給される蒸気は、ケーシング内で減圧膨張しながら静翼によって旋回流を生成する。この旋回流が動翼に当たることによって、動翼が回転軸と一体に回転し、蒸気タービンは、回転軸の回転力を出力する。
【０００４】
ところで、静翼は、自励振動（フラッタ）が生じることがある。
蒸気タービンの高効率化、および低コスト化を目的として、静翼は、静翼の基端部と先端部とを結ぶ翼長方向における長大化、およびケーシングの中心軸方向における軸受長さの短縮化が進んでいる。このようにして、静翼のアスペクト比が高くなると、自励振動が生じやすくなる。
【０００５】
これに対し、特許文献１には、空洞から翼内面に摺接可能な板状バネ部材からなる摺接部材を備えた構成が開示されている。このような構成によれば、摺接部材が、空洞から翼内面に摺接し、翼内面との間に摩擦力を生じさせる。この摩擦力により静翼の弾性変形を減衰することで、静翼に生じる自励振動を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４９３９３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、特許文献１に記載された構成においては、板状バネ部材からなる摺接部材が翼内周面との間で生じる摩擦力によって、自励振動を抑制している。すなわち、自励振動の減衰効果を調整する必要が生じた場合、摺接部材と翼内周面との間に生じる摩擦力を変更する必要がある。これには、摺接部材を翼内周面に押し付ける押付力を変更することが考えられ、具体的には、板状バネ部材からなる摺接部材のバネ形状、厚さ等を変更する必要がある。しかし、摺接部材のバネ形状、厚さ等を変更するには、摺接部材を製造する金型を変更しなければならず、コスト及び時間が掛かる。
また、摺接部材による減衰効果を、より一層高めることも求められている。
そこでなされた本発明の目的は、減衰力をさらに高めるとともに、減衰力を低コストかつ容易に調整することのできる回転機械翼、回転機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係る回転機械翼によれば、内部に空洞部が形成された翼本体と、前記翼本体において前記空洞部の臨む翼内周面に摺接する摺接部を有した摺接部材と、前記摺接部材と前記翼内周面との間に介在し、前記摺接部材の表面及び前記翼内周面よりも摩擦係数の小さい材料からなる低摩擦層とを備える。
【０００９】
このような構成によれば、翼本体が弾性変形すると、摺接部材の摺接部が翼本体の翼内周面に摺接し、動摩擦力を生じさせる。この動摩擦力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。
さらに、摺接部材と翼内周面との間に低摩擦層を備えることで、翼本体が弾性変形したときに、摺接部材と翼内周面との間で滑りが生じやすくなり、動摩擦力を早期に発生させることができる。したがって、翼本体に生じる自励振動を、より効果的に抑制することができる。
低摩擦層を備えていない回転機械翼において、このような低摩擦層を付加すれば、摺接部材で発生する減衰力を高めることができる。また、低摩擦層を形成する材料を変更すれば、摺接部材で発生する減衰力を調整することができる。このような低摩擦層を付加や変更するに際しては、摺接部材自体の形状や厚さ等については、変更する必要が無い。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る回転機械翼によれば、前記摺接部材が、前記翼本体の前記空洞部を挟んで対向する背側部材と腹側部材との間に設けられ、前記背側部材と前記腹側部材とを互いに離間する方向に押圧する弾性力を有しているようにしてもよい。
このように構成することで、摺接部材の摺接部は、弾性力によって翼内周面に押し付けられるため、動摩擦力を高めることができ、減衰力をより効果的に発揮することができる。
また、低摩擦層の厚み分だけ、摺接部材から翼内周面が受ける反力が大きくなるため、この点においても動摩擦力を高めることができる。
【００１１】
また、本発明の一態様に係る回転機械翼によれば、前記摺接部材は、前記背側部材及び前記腹側部材の一方に固定された固定部と、前記背側部材及び前記腹側部材の他方において前記翼内周面に摺接する摺接部と、を有しているようにしてもよい。
このように構成することで、摺接部材は、固定部が背側部材又は腹側部材に固定され、摺接部は、腹側部材又は背側部材に摺接する。これにより、摺接部材を、空洞部内に容易かつ確実に位置決めして設置することができる。
【００１２】
本発明の一態様に係る回転機械によれば、上記したような回転機械翼を備える。
このような構成によれば、摺接部材と翼内周面との間に低摩擦層を備えることで、翼本体に生じる自励振動を、より効果的に抑制することができる。
また、低摩擦層を付加したり、低摩擦層の材質を変更すれば、摺接部材で発生する減衰力を容易に調整することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る回転機械翼、回転機械によれば、減衰力をさらに高めるとともに、減衰力を低コストかつ容易に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施形態に係る回転機械の全体構成を示す模式図である。
【図２】静翼を備えた静翼環の一部を示す斜視図である。
【図３】スリットが形成されていない部位における、静翼の翼長方向に直交する方向の断面図である。
【図４】スリットが形成された部位における、静翼の翼長方向に直交する方向の断面図である。
【図５】摺接部と翼内周面との間に生じる摩擦力μＮと加振力Ｆとの比μＮ／Ｆと、静翼における減衰力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明による回転機械翼、回転機械を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。
【００１６】
図１は、この発明の第一実施形態に係るタービンの全体構成を示す模式図である。図２は、静翼を備えた静翼環の一部を示す斜視図である。
図１に示すように、蒸気タービン（回転機械）１０は、蒸気Ｓのエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられるものである。
【００１７】
蒸気タービン１０は、車室１１と、該車室１１を貫通するように軸線Ｏに沿って延びて軸線Ｏ回りに回転するロータ１２と、ロータ１２に設けられた動翼環２０と、車室１１に保持された静翼環３０とを備えている。
【００１８】
ロータ１２は、動翼環２０が設けられた中間部が車室１１内に収容されている。ロータ１２は、その両端部が、車室１１の軸線Ｏに沿った方向における両側の端部１１ｓから、車室１１の外部に突出している。ロータ１２は、車室１１から外方に突出した両端部が、軸受部１３により回転可能に支持されている。
【００１９】
軸受部１３は、ロータ１２の両端部にそれぞれ設けられたジャーナル軸受１４と、ロータ１２の一端側に設けられたスラスト軸受１５と、を備えている。
【００２０】
動翼環２０と静翼環３０とは、軸線Ｏに沿って交互に配列されている。
動翼環２０は、ロータ１２の周囲に、複数の動翼２１が放射状に取り付けられることで構成されている。これらの動翼２１は、ロータ１２の周方向に沿って等間隔に設置されている。
【００２１】
図２に示すように、静翼環３０は、リング状の内側シュラウド３１と外側シュラウド３２との間に、複数の静翼３３が放射状に配置されている。各静翼３３は、基端部３３ｓが内側シュラウド３１に固定され、先端部３３ｔが外側シュラウド３２に固定されている。これら複数の静翼３３は、静翼環３０の周方向に沿って等間隔に設置されている。
【００２２】
図３は、スリットが形成されていない部位における、静翼の翼長方向に直交する方向の断面図である。図４は、スリットが形成された部位における、静翼の翼長方向に直交する方向の断面図である。
図３に示すように、静翼３３は、翼断面形状を有している。静翼３３は、翼本体３６と、減衰力発生部材（摺接部材）４０と、低摩擦層５０と、を備えている。
【００２３】
翼本体３６は、腹側部材３４と、背側部材３５と、から形成されている。
腹側部材３４は、その表面が静翼３３の腹面３３ａを形成するよう、凹状に湾曲形成されている。背側部材３５は、その表面が静翼３３の背面３３ｂを形成するよう、凸状に湾曲形成されている。腹側部材３４と背側部材３５は、それぞれ金属製の板状部材を、所定の形状に湾曲させたものである。
【００２４】
静翼３３の翼本体３６は、腹側部材３４と背側部材３５とを互いに組み合わせ、前縁部３３ｆと後縁部３３ｒにおいて溶接して結合することで形成されている。これにより、静翼３３の内部、すなわち腹側部材３４の裏面３４ａと背側部材３５の裏面３５ａとの間には、空洞部３７が形成されている。また、静翼３３の内部には、腹側部材３４の裏面３４ａと背側部材３５の裏面３５ａとにより、空洞部３７に臨む翼内周面３３ｍ，３３ｎが形成されている。
【００２５】
図４に示すように、腹側部材３４には、静翼３３の外周側と空洞部３７とを連通する腹側スリット４１が形成されている。腹側スリット４１は、腹側部材３４の表面３４ｂから裏面３４ａに向かって、前縁部３３ｆ側から後縁部３３ｒ側に傾斜している。腹側スリット４１は、静翼３３の基端部３３ｓと先端部３３ｔとを結ぶ翼長方向に一定長連続して形成されている。この腹側スリット４１は、腹側部材３４に、静翼３３の翼長方向において間隔をあけて断続的に複数形成されている。
【００２６】
背側部材３５には、静翼３３の外周側と空洞部３７とを連通する背側スリット４２が形成されている。背側スリット４２は、背側部材３５の表面３５ｂから裏面３５ａに向かって、前縁部３３ｆ側から後縁部３３ｒ側に傾斜している。背側スリット４２は、静翼３３の翼長方向に一定長連続して形成されている。このような背側スリット４２は、背側部材３５に、静翼３３の翼長方向において間隔をあけて断続的に複数形成されている。
【００２７】
これらの腹側スリット４１および背側スリット４２により、静翼３３の内部に形成された空洞部３７は、静翼３３の外部と連通している。静翼３３において、腹面３３ａ、背面３３ｂに付着した水は、蒸気圧力を受けて腹面３３ａ、背面３３ｂを移動し、腹側スリット４１、背側スリット４２から空洞部３７に流入可能となっている。
空洞部３７に流入した水は、翼長方向に沿って静翼環３０の回転中心側に向けて流れ、静翼３３の内周側の内側シュラウド３１に形成された開口（図示無し）から排出可能となっている。
【００２８】
内部に空洞部３７を有する中空の静翼３３は、内部に空洞部３７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１０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３３には弾性変形による撓みや捩れが生じ、静翼３３の腹側部材３４と背側部材３５との間には、相対的な位置変動が生じる。
そこで、図３、図４に示すように、静翼３３においては、減衰力発生部材４０が空洞部３７に設けられている。減衰力発生部材４０は、静翼３３が弾性変形したときに翼内周面３３ｎとの間に摩擦力を発生させることで、静翼３３の腹側部材３４と背側部材３５との間に生じる位置変動を減衰する。
減衰力発生部材４０は、板状バネ部材からなり、固定部４０ａと、背側部材３５側の翼内周面３３ｎに摺接する摺接部４０ｂ，４０ｃと、固定部４０ａと摺接部４０ｂ、４０ｃとを連結する連結部４０ｄ，４０ｅと、を一体に有している。
【００２９】
固定部４０ａは、翼内周面３３ｍにおいて、前縁部３３ｆと後縁部３３ｒとの中間部に、溶接等によって接合されている。
固定部４０ａには、前縁部３３ｆ側に向かって背側部材３５に近づくように延びる連結部４０ｄと、後縁部３３ｒ側に向かって背側部材３５に近づくように延びる連結部４０ｅとが、一体に連続して形成されている。
【００３０】
摺接部４０ｂは、連結部４０ｄに連続して形成され、前縁部３３ｆ側で翼内周面３３ｎに沿って面接触するよう、弓形に湾曲して形成されている。摺接部４０ｃは、連結部４０ｅに連続して形成され、後縁部３３ｒ側で翼内周面３３ｎに沿って面接触するよう形成されている。
【００３１】
減衰力発生部材４０は、空洞部３７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、減衰力発生部材４０は、摺接部４０ｂ，４０ｃが背側部材３５を静翼３３の内側（空洞部３７側）から外側に向かって押圧する。即ち、減衰力発生部材４０は、空洞部３７に配置すると、腹側部材３４と背側部材３５とを、互いに離間する方向に付勢する（押し広げる）反発力Ｎを発生するように構成されている。
【００３２】
減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃと、翼内周面３３ｎとの間には、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃ、及び背側部材３５の裏面３５ａよりも摩擦係数の低い材料からなる低摩擦層５０が介在するよう設けられている。
低摩擦層５０を形成する材料としては、例えば、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、Ｃｒ（クロム）系コーティング、クロムカーバイトコーティング等を用いることができる。
【００３３】
このような低摩擦層５０は、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃ、及び翼内周面３３ｎの少なくとも一方に形成されていればよい。
すなわち、例えば、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃに低摩擦層５０を形成する場合、少なくとも、翼内周面３３ｎに対向する側の表面に低摩擦層５０が形成されていればよい。もちろん、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃにおいて翼内周面３３ｎに対向する側の表面に限らず、減衰力発生部材４０のそれ以外の部分に低摩擦層５０が形成されていてもよい。
また、背側部材３５側の翼内周面３３ｎに低摩擦層５０を形成する場合、少なくとも、翼内周面３３ｎにおいて、摺接部４０ｂ，４０ｃが摺接する領域に低摩擦層５０が形成されていればよい。もちろん、翼内周面３３ｎの全体、さらには翼内周面３３ｍ，３３ｎの全体に低摩擦層５０を形成することも可能である。
【００３４】
蒸気タービン１０の作動時において、その運転条件によっては、静翼３３に自励振動が生じ、静翼３３が弾性変形することがある。例えば、腹側部材３４が後縁部３３ｒ側に弾性変形すると共に、背側部材３５が前縁部３３ｆ側に弾性変形するなどして、腹側部材３４側の翼内周面３３ｍと背側部材３５側の翼内周面３３ｎとの間に、相対的な位置変動が生じることがある。
このとき、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃは、翼内周面３３ｎとの間で動摩擦力を生じる。この動摩擦力により、腹側部材３４と背側部材３５の相対的な位置変動が減衰される。この結果、静翼３３の弾性変形を減衰することで、静翼３３に生じる自励振動を抑制することができる。
【００３５】
さらに、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃと、翼内周面３３ｎとの間に設けられた低摩擦層５０により、静翼３３が弾性変形した場合に、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃは、翼内周面３３ｎに対して滑りやすく、より早期に動摩擦力を発揮することができる。
図５は、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃと翼内周面３３ｎとの間に生じる動摩擦力μＮ（Ｎ：摺接部４０ｂ，４０ｃと翼内周面３３ｎとの間に生じる反力）と実機から受ける加振力Ｆとの比μＮ／Ｆと、減衰力発生部材４０が設けられた静翼３３における減衰力との関係を示すグラフである。
低摩擦層５０を備えない場合における減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃと翼内周面３３ｎとの間に生じる動摩擦力をμ１Ｎとし、低摩擦層５０を備えた場合における減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃと翼内周面３３ｎとの間に生じる動摩擦力をμ２Ｎとする（μ１＞μ２）。すると、図５に示すように、低摩擦層５０を備えることで、動摩擦力がμ１Ｎからμ２Ｎに減少すると、減衰力が増大することが分かる。
【００３６】
加えて、減衰力発生部材４０が静翼３３の腹側部材３４と背側部材３５とを空洞部３７側から外側に向かって押圧することによって、摺接部４０ｂ，４０ｃと、翼内周面３３ｍ，３３ｎとの間で摩擦力が増大する。これによって、減衰力発生部材４０によって、より効果的に静翼３３の振動を抑制することができる。
【００３７】
以上に説明したように静翼３３、蒸気タービン１０では、空洞部３７内に減衰力発生部材４０が設けられている。静翼３３が弾性変形すると、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃが翼本体３６の翼内周面３３ｎに摺接し、動摩擦力を生じさせる。この動摩擦力により翼本体３６の弾性変形を減衰することで、翼本体３６に生じる自励振動を抑制することができる。
さらに、減衰力発生部材４０と翼内周面３３ｎとの間に低摩擦層５０を備えることで、翼本体３６が弾性変形したときに、減衰力発生部材４０と翼内周面３３ｎとの間で滑りが生じやすくなり、動摩擦力を早期に発生させることができる。したがって、翼本体３６に生じる自励振動を、より効果的に抑制することができる。
低摩擦層５０を備えていない静翼３３において、このような低摩擦層５０を付加すれば、減衰力発生部材４０で発生する減衰力を改善することができる。また、低摩擦層５０を形成する材料を変更することでも、減衰力発生部材４０で発生する減衰力を調整することができる。このような低摩擦層５０を付加するに際しては、減衰力発生部材４０自体の形状や厚さ等については、変更する必要が無い。
したがって、静翼３３、蒸気タービン１０によれば、減衰力をさらに高めるとともに、減衰力を低コストかつ容易に調整することができる。
【００３８】
また、減衰力発生部材４０は、背側部材３５と腹側部材３４とを互いに離間する方向に押圧する弾性力を有している。このように構成することで、減衰力発生部材４０の摺接部４０ｂ，４０ｃは、弾性力によって翼内周面３３ｎに押し付けられて反発力Ｎを生じるため、動摩擦力を高めることができ、減衰力をより効果的に発揮することができる。
また、低摩擦層５０の厚み分だけ、摺接部４０ｂ，４０ｃから翼内周面３３ｎが受ける反力Ｎが大きくなるため、この点においても動摩擦力を高めることができる。
【００３９】
また、減衰力発生部材４０は、固定部４０ａが背側部材３５又は腹側部材３４に固定され、摺接部４０ｂ，４０ｃは、腹側部材３４又は背側部材３５に摺接する。これにより、減衰力発生部材４０を、空洞部３７内に容易かつ確実に位置決めして設置することができる。
【００４０】
（その他の実施形態）
なお、本発明の回転機械翼、回転機械は、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、減衰力発生部材４０の形状の一例を示したが、その形状は、適宜他の形状とすることができる。例えば、減衰力発生部材４０は、固定部４０ａを翼内周面３３ｍに固定するようにしたが、これに限らず、翼内周面３３ｍに摺接するようにしてもよい。また、減衰力発生部材を、例えばＣ字状等の他の形状の板状バネ部材から構成してもよい。
【００４１】
また、例えば、静翼３３の断面形状は、図示したものに限らず、適宜他の形状とすることができる。また、腹側スリット４１，背側スリット４２の位置、形状、設置数等についても、何ら限るものではない。
さらに、上記実施形態では、蒸気タービン１０の静翼３３を例に挙げたが、同様の構成は、他の回転機械等にも適宜適用することが可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  蒸気タービン（回転機械）
１１  車室
１１ｓ  端部
１２  ロータ
１３  軸受部
１４  ジャーナル軸受
１５  スラスト軸受
２０  動翼環
２１  動翼
３０  静翼環
３１  内側シュラウド
３２  外側シュラウド
３３  静翼
３３  腹面
３３  静翼
３３ａ  腹面
３３ｂ  背面
３３ｆ  前縁部
３３ｍ，３３ｎ  翼内周面
３３ｒ  後縁部
３３ｓ  基端部
３３ｔ  先端部
３４  腹側部材
３４ａ  裏面
３４ｂ  表面
３５  背側部材
３５ａ  裏面
３５ｂ  表面
３６  翼本体
３７  空洞部
４０  減衰力発生部材（摺接部材）
４０ａ  固定部
４０ｂ，４０ｃ  摺接部
４０ｄ，４０ｅ  連結部
４１  腹側スリット
４２  背側スリット
５０  低摩擦層
Ｆ  加振力
Ｎ  反力（弾性力）
Ｓ  蒸気
【図１】
2017155738.tif 000003
【図２】
2017155738.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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