(57)【要約】【課題】シュラウドにおける接触相手との接触反力の均一性を向上できるタービン動翼組立体を提供する。【解決手段】本発明のタービン動翼組立体１は、タービン動翼１０が、タービンディスク３０に固定される翼根１２を有するプラットフォーム１１と、プラットフォーム１１から立ち上がるプロファイル１３と、プロファイル１３の先端に設けられるシュラウド１４と、を備える。本発明のシュラウド１４は、隣接するシュラウドと周方向の一端側において接触する第一接触端部１５と、隣接するシュラウド１４と周方向の他端側において接触する第二接触端部１６と、第一接触端部１５と第二接触端部１６の間に配置される本体部と、を備える。第一接触端部１５及び第二接触端部１６の一方又は双方が、本体部よりも剛性が低い。【選択図】図３
2017160808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンディスクの周方向に複数のタービン動翼が設けられるタービン動翼組立体であって、
それぞれのタービン動翼は、
前記タービンディスクに埋め込まれる翼根を有するプラットフォームと、
前記プラットフォームから立ち上がるプロファイルと、
前記プロファイルの先端に設けられるシュラウドと、を備え、
前記シュラウドは、
前記周方向の一端側に隣接する前記シュラウドと接触する第一接触端部と、
前記周方向の他端側に隣接する前記シュラウドと接触する第二接触端部と、
前記第一接触端部と前記第二接触端部の間に配置される本体部と、を備え、
前記第一接触端部及び前記第二接触端部の一方又は双方が、前記本体部よりも剛性が低い、
ことを特徴とするタービン動翼組立体。
【請求項２】
前記第一接触端部及び前記第二接触端部の一方又は双方は、
前記本体部から前記周方向に向けて突出し、隣接する前記シュラウドと接触する接触面を備え、
前記接触面の面積が、前記本体部の横断面の面積より小さい、
請求項１に記載のタービン動翼組立体。
【請求項３】
前記第一接触端部及び前記第二接触端部の一方又は双方は、減肉部を介して前記本体部と連なる、
請求項１に記載のタービン動翼組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば火力により発生する熱エネルギを、作動ガスを通じて機械的エネルギに変換する蒸気タービンが稼動されている。蒸気タービンは、車室内に静翼と動翼を備えており、この動翼として、ロータディスクの外周に複数設けられたＩＳＢ（Integral Shroud Blade）による翼の連成化が実施されている（例えば、特許文献１〜特許文献３）。このＩＳＢによる動翼（以下、ＩＳＢ動翼）は、翼の練成化により動翼の振動強度向上に寄与する。
【０００３】
ＩＳＢ翼は、プラットフォームと、プラットフォームからロータディスクの径方向の内側に延び、ロータディスクに埋め込まれることで固定される翼根と、プラットフォームから径方向の外側に延びるプロファイルと、プロファイルの先端に設けられるシュラウドと、を備えている。
ＩＳＢ翼は、蒸気タービンの運転時に負荷される遠心力を利用して練成を実現する。つまり、それぞれの動翼を組立時には所定の向きに傾けるが、運転時に負荷される遠心力により動翼が起き上がり、隣接するシュラウド同士が強固に接触することで生じる接触反力を利用してシュラウドを疑似的に一体構造とする。ＩＳＢ翼は、傾けた状態でのシュラウドの周方向のピッチを、起き上がった状態よりも大きく設定できる。したがって、この幾何学的に得られたピッチの増加量が、回転時に遠心力及び熱で接触面が離れる量よりも大きい場合、隣接するＩＳＢ翼のシュラウド同士の接触面が離れることなく、回転中も連成状態を維持する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２００７０３号公報
【特許文献２】特開２００２−３４９２０４号公報
【特許文献３】特開２０１４−１０１８８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
運転の最中に練成状態を確実に得るには、接触相手となる隣接するシュラウドの接触反力の確保が重要である。ところが、ＩＳＢ翼の翼形状、組立状態及び形状誤差などの要因により、接触相手の接触面同士が部分的にしか接触できない不均一な当たりが生じることがある。そうすると、動翼全体として、接触反力が不均一になり、振動強度を確保するのが難しくなる。
【０００６】
以上より、本発明は、それぞれのシュラウドと接触相手のシュラウドとの接触反力の均一性を向上できるタービン動翼組立体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、タービンディスクの周方向に複数のタービン動翼が設けられるタービン動翼組立体であって、それぞれのタービン動翼は、タービンディスクに埋め込まれる翼根を有するプラットフォームと、プラットフォームから立ち上がるプロファイルと、プロファイルの先端に設けられるシュラウドと、を備える。
本発明のシュラウドは、周方向の一端側に隣接するシュラウドと接触する第一接触端部と、周方向の他端側に隣接するシュラウドと接触する第二接触端部と、第一接触端部と第二接触端部の間に配置される本体部と、を備え、第一接触端部及び第二接触端部の一方又は双方が、本体部よりも剛性が低い、ことを特徴とする。
【０００８】
本発明において、第一接触端部及び第二接触端部の一方又は双方が本体部よりも剛性が低くなる形態として、少なくとも以下の二つの形態を含む。
一つ目の形態は、第一接触端部及び第二接触端部の一方又は双方は、本体部から周方向に向けて突出し、かつ、隣接するシュラウドと接触する接触面を備え、この接触面の面積が、本体部の横断面の面積より小さい、というものである。
【０００９】
二つ目の形態は、第一接触端部及び第二接触端部の一方又は双方が備える減肉部を介して本体部と連なる、というものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第一接触端部及び二接触端部の一方又は双方が、本体部よりも剛性が低いので、相手となるシュラウドと接触すると、相手のシュラウドの表面形状に倣うように弾性変位するので、不均一な当たりを抑制できる。したがって、本発明によれば、それぞれのシュラウドと接触相手のシュラウドとの接触反力の均一性を向上できる。一方で、当たりの均一性向上に寄与する部分は、シュラウドのごく一部で足りるので、シュラウド１４として要求される剛性を確保できる。その結果、隣接するシュラウドとの接触により必要な接触反力を得ることができる。
また、本発明の一つ目の形態によれば、相手のシュラウドに接触する領域を特定できるので、不均一な当たりをより確実に抑制できる。しかも、一つ目の形態によれば、接触面の面積が本体部の横断面の面積より小さいので、接触面の表面精度を高くできるので、不均一な当たりの抑制に寄与する。
また、二つ目の形態によれば、減肉部の剛性が本体部よりも低いために、減肉部よりも先端側に位置する第一接触端部が、隣接するシュラウドと接触すると、隣接するシュラウドの接触面に倣って容易に弾性変位することにより、不均一な当たりをより確実に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るタービン動翼組立体を示す部分断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るタービン動翼組立体であって、（ａ）は組立時を示し、（ｂ）は運転時を示す。
【図３】本発明の実施形態に係るタービン動翼の単体を示す斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るタービン動翼の単体を示す斜視図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るタービン動翼を示す部分平面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係るタービン動翼を示し、（ａ）は平面図、（ｂ），（ｃ），（ｄ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係るタービン動翼を示す平面図であり、（ａ），（ｂ），（ｃ）は異なる実施形態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るタービン動翼組立体１は、外周に複数の翼溝３１が形成されたタービンディスク３０と、タービンディスク３０のそれぞれの翼溝３１に複数が保持されることタービンディスク３０の周方向Ｃに沿って設けられるタービン動翼１０と、を備えている。タービン動翼組立体１は、例えば火力により発生する熱エネルギを機械的エネルギに変換する蒸気タービンに用いられる。図１にはタービン動翼組立体１の一部だけを示しているが、タービンディスク３０は円板状の形態をなしており、複数のタービン動翼１０はタービンディスク３０の周方向の全域にわたって設けられる。
それぞれのタービン動翼１０は、タービンディスク３０の翼溝３１に挿入して固定される、翼根１２を有するプラットフォーム１１と、翼根１２が設けられる側と反対側のプラットフォーム１１から立ち上がるプロファイル１３と、プロファイル１３の先端に設けられるシュラウド１４と、を有する。タービン動翼１０は、プラットフォーム１１、翼根１２、プロファイル１３及びシュラウド１４が一体的に形成することができるし、例えば、一体に形成されたプラットフォーム１１、翼根１２及びプロファイル１３に、別体として作製されたシュラウド１４を接合することで形成することもできる。
【００１３】
プラットフォーム１１は、平面視すると外形が概ね矩形の部材であり、タービン動翼１０がタービンディスク３０に組み付けられた状態で、プラットフォーム１１の裏面から翼根１２が径方向の中心に向けて延びている。本実施形態の翼根１２は、プラットフォーム１１に連なる根元から先端に向けて三段階の歯１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃが形成され、これら歯１２Ａ、１２Ｂ及び１２Ｃは、タービンディスク３０の周方向Ｃの両側に向けて突き出している。また、プラットフォーム１１と歯１２Ａの間には両者よりも窪んだ歯溝１２Ｄが、歯１２Ａと歯１２Ｂの間には両者よりも窪んだ歯溝１２Ｅが、また、歯１２Ｂと歯１２Ｃの間には両者よりも窪んだ歯溝１２Ｆが形成されている。タービンディスク３０の翼溝３１には、歯１２Ａ、歯１２Ｂ及び歯１２Ｃ、並びに、歯溝１２Ｄ、歯溝１２Ｅ及び歯溝１２Ｆに噛み合う形状に形成されている。
プロファイル１３は、腹側１３Ａと、腹側１３Ａと対向する背側１３Ｂと、を備え、腹側１３Ａは背側１３Ｂに向けて窪んでおり、これによりプロファイル１３は横断面が翼形状をなしている（図５参照）。タービン動翼１０は、腹側１３Ａの窪んだ部分で蒸気を受けて、タービンディスク３０の回転駆動力を得る。
シュラウド１４は、プロファイル１３を挟んでプラットフォーム１１と対向するように設けられる、平面視すると概ね矩形の部材である。シュラウド１４は、運転時に、隣接するもの同士が強固に接触することで生じる接触反力を利用して疑似的に一体構造とされる。それぞれのタービン動翼１０は、翼根１２がタービンディスク３０の翼溝３１に埋め込まれると、プラットフォーム１１がタービンディスク３０の外周に沿って周方向Ｃに配列され、プロファイル１３はタービンディスク３０の径方向に放射状に配列される。
【００１４】
タービン動翼組立体１を組み立てる際には、図２（ａ）に示すように、タービン動翼組立体１を所定の傾斜角度αだけ傾ける。本実施形態における傾斜角度αは、翼溝３１の中心線Ｃ１に対する翼根１２の中心線Ｃ２のなす角度で定義される。
タービン動翼組立体１が回転すると、タービン動翼組立体１に発生する遠心力により、タービン動翼１０には背側１３Ｂから腹側１３Ａに向けて回転モーメントＭが生じるので、タービン動翼組立体１は傾いた状態から図２（ｂ）の起き上がった状態に移行する。なお、図２（ａ），（ｂ）は、タービン動翼１０が傾いているのを明確に示すために、傾斜を誇張して示している。
ここで、タービン動翼１０は、シュラウド１４の周方向ＣのピッチＰ１（図２（ａ））が、運転時の起き上がった状態のピッチＰ２（図２（ｂ））よりも大きく設定されている。これにより、タービン動翼１０が起き上がると、隣接するシュラウド１４同士が強固に接触することで生じる接触反力Ｆを利用してシュラウド１４を疑似的に一体構造とし、回転中のタービン動翼１０の連成状態を維持できる。
【００１５】
運転の最中に練成状態を確実に得るには、隣接するシュラウド１４の接触反力の確保が重要である。隣接するシュラウド１４の接触面同士が部分的にしか接触できない場合には、必要な接触圧力が得られない。しかも、多数の接触面同士の中で、接触する部位がまちまちだとすれば、接触反力は不均一になりやすい。そこで、本実施形態のタービン動翼１０は、接触反力の均一性を向上する。以下、図３を参照して説明する。
【００１６】
図３は、本実施形態のタービン動翼１０の一例を示している。
このタービン動翼１０のシュラウド１４は、概ね矩形の平板状の形態を有し、タービン動翼組立体１の長さ方向Ｌに互いに所定の間隔を隔て配置される第一接触端部１５と第二接触端部１６を備え、また、タービン動翼組立体１の周方向Ｃに沿って互いに所定の間隔を隔てて配置される第一側部１７と第二側部１８を備える。第一接触端部１５と第二接触端部１６の間は、タービン動翼１０の本体部をなしている。第一接触端部１５と第二接触端部１６の一方の側を第一側部１７が繋ぎ、第一接触端部１５と第二接触端部１６の他方の側を第二側部１８が繋いでいる。
【００１７】
シュラウド１４は、第一接触端部１５に、運転時に一端側に隣接するシュラウド１４と接触する第一接触面２１が設けられている。第一接触端部１５は、第一接触面２１を挟んで幅方向Ｗの一方の側に凹部１９が設けられ、また、他方の側に第一接触面２１よりも後退する凹部２２が設けられることにより、第一接触端部１５において他の領域よりも突出している。凹部１９，２２は、高さ方向Ｈにわたって形成される。第一接触面２１は平坦な面で構成されており、第一接触面２１の面積は、本体部の横断面の面積より小さい。
一方、第二接触端部１６の側は、平坦な面をなしている。第二接触端部１６における、他端側に隣接する相手側のシュラウド１４の第一接触端部１５と接触する面を第二接触面２３と称する。
【００１８】
次に、本実施形態のタービン動翼組立体１が奏する効果について説明する。
タービン動翼組立体１は、傾いていたシュラウド１４が運転時に起き上がると、隣接しようとするシュラウド１４，１４は、一方の第一接触端部１５と他方の第二接触端部１６が対向し、接触する。ここで、第一接触端部１５には突出する第一接触面２１が設けられており、また、第一接触面２１に対応する第二接触端部１６の部分は平坦な面をなしている。これにより、第一接触端部１５の中で第一接触面２１が他の部分よりも優先して第二接触端部１６の第二接触面２３に接触することになる。
このように、シュラウド１４を用いれば、いつでも第一接触端部１５の中で特定の領域だけが他の領域に優先して相手側の第二接触端部１６に接触するので、複数のシュラウド１４における接触領域を同じにできるので、不均一な当たりを解消できる。しかも、第一接触面２１の面積は、シュラウド１４の本体部の横断面の面積より小さいので、表面精度を高くできる。したがって、第一接触面２１の範囲内における不均一な当たりを抑制できる。さらに、第一接触面２１が先端に設けられる突出部分は、これに連なる本体部分に比べて剛性が低いので、相手側のシュラウド１４に接触すると、相手側の第二接触端部１６の第二接触面２３の表面性状に追従して弾性変位することによっても、当たりの均一性を向上できる。
【００１９】
一方で、当たりの均一性向上に寄与する領域はシュラウド１４の一部に限られる。したがって、シュラウド１４の全体としての剛性を確保できる結果、隣接するシュラウド１４との接触により必要な接触反力を得ることができる。また、タービン動翼１０を鋳造により一体的に成形するのであれば、突出する第一接触面２１を設けるのに、格別に製造工程を増やす必要がない。
【００２０】
本発明において、隣接するシュラウド１４と接触する領域を、第一接触端部１５の一部の領域に限定する手段は図３に示す形態に限らず、他の例として、図４（ａ）〜（ｃ）に示す形態が掲げられる。
図４（ａ）〜（ｃ）は、いずれも平面形状が矩形のシュラウド１４を示しており、その中で図４（ａ）は、第一接触端部１５の高さ方向Ｈの所定の領域に控え２５が設けられることで、第一接触面２１が他の領域よりも突出する例を示している。さらに、図４（ｂ）は、第一接触端部１５にストライプ状に複数の控え２６が形成されることで、複数に区分された第一接触面２１が他の領域よりも突出する例を示し、図４（ｃ）は、第一接触端部１５に格子状の控え２７が形成されることで、複数に区分された第一接触面２１が他の領域よりも突出する例を示している。
図４（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、隣接するシュラウド１４と接触する面が特定されるとともに、突出する部分は他の領域よりも剛性が低いので、前述と同様の作用及び効果を奏する。
【００２１】
また、以上で説明した実施形態は、図５（ａ）に示すように、第一接触端部１５の第一接触面２１だけに、隣接するシュラウド１４と接触する面が特定される領域を設けているが、図５（ｂ）に示すように、第一接触端部１５及び第二接触端部１６の双方に、隣接するシュラウド１４と接触する面を特定することもできる。
【００２２】
次に、隣接するシュラウド１４と接触する部位の剛性を下げる他の例を図６及び図７を参照して説明する。
図６に示す例は、シュラウド１４の幅方向Ｗに延びる空隙を形成することにより、空隙を形成した部分の肉厚を薄くした減肉部を設けることで当該部分の剛性を下げ、それよりも先端側の弾性変位を容易にする。
その中で、図６（ｂ）は、シュラウド１４のおもて面１４Ｆとうら面１４Ｂのそれぞれに、幅方向Ｗに連なる凹溝２８Ａ，２８Ａを形成して、当該部分の剛性を下げる。これにより、凹溝２８Ａ，２８Ａが形成された部分よりも先端側は、隣接するシュラウド１４と接触すると相手側の形状に追従して弾性変位することができる。
同様に、図６（ｃ）は幅方向Ｗに貫通する肉抜き２８Ｂを設けることにより、図６（ｂ）と同様の作用及び効果を奏する。肉抜き２８Ｂは一体である必要はなく、図６（ｄ）に示すように複数に分散させて設けることもできる。
【００２３】
図７に示す例は、シュラウド１４の高さ方向Ｈに延びる空隙を形成することにより、空隙を形成した部分の肉厚を薄くして剛性を下げ、それよりも先端側の弾性変位を容易にする。
その中で、図７（ａ）は、シュラウド１４の幅方向Ｗの両端に厚さ方向Ｈに貫通する凹溝２９Ａ，２９Ａを形成して、当該部分の剛性を下げる。これにより、凹溝２９Ａ，２９Ａが形成された部分よりも先端側は、隣接するシュラウド１４と接触すると、相手側の表面性状に倣って弾性変位する。
同様に、図７（ｂ）は、シュラウド１４の幅方向の両端を除く領域に亘り、高さ方向Ｈに貫通する貫通孔２９Ｂを形成して、当該部分の剛性を下げる。また、貫通孔は、図７（ｃ）に示すように、複数の貫通孔２９Ｂに分けてもよい。
このように、第一接触端部１５が減肉部を介して本体部と連なることにより、減肉部よりも先端側の弾性変位を容易にする。
【００２４】
以上説明したように、図６及び図７に示すシュラウド１４においても、第一接触端部１５は相手側となる第二接触端部１６の性状に応じて弾性変位することにより、当たりの均一性を向上できる。
【００２５】
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施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】
【００２６】
１      タービン動翼組立体
１０    タービン動翼
１１    プラットフォーム
１２    翼根
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ  歯
１２Ｄ，１２Ｅ，１２Ｆ  歯溝
１３    プロファイル
１３Ａ  腹側
１３Ｂ  背側
１４    シュラウド
１４Ｂ  うら面
１４Ｆ  おもて面
１５    第一接触端部
１６    第二接触端部
１７    第一側部
１８    第二側部
１９    凹部
２１    第一接触面
２２    凹部
２３    第二接触面
２４，２５，２６，２７  控え
２８Ａ，２９Ａ  凹溝
２９Ｂ  貫通孔
３０    タービンディスク
３１    翼溝
【図１】
2017160808.tif 000003
【図２】
2017160808.tif 000004
【図３】
2017160808.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2017160808.tif 000008
【図７】
2017160808.tif 000009