JP2012251503A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】応力腐食割れ、低サイクル疲労、及び高サイクル疲労に対する十分な強度を確保し、長期運用に耐え得る長寿命化したフォーク形の締結構造を備えた蒸気タービンを提供する。
【解決手段】軸方向に複数並んだロータ側フォーク４ａ〜４ｈを有するタービンロータ２と、前記タービンロータ２の軸方向に複数並び前記複数のロータ側フォーク４ａ〜４ｈと互いに係合する翼側フォーク３ａ〜３ｇを有するタービン動翼１と、それらを結合するために前記タービンロータ２の半径方向位置の異なる複数のピン孔６ａ，７ａに前記タービンロータ２の軸方向に挿入される複数のフォークピン５ａとを備えた蒸気タービンにおいて、前記翼側フォーク３ａ〜３ｇのピン孔６ａの内径と前記フォークピン５ａの直径とのギャップが前記タービンロータの軸方向位置により異なる。
【選択図】図２

Description

本発明は、フォーク型翼植込部を備えた蒸気タービンに関するものである。

タービン動翼とタービンロータとを結合する構造の１つとして、フォーク型翼植込部がある。このフォーク型翼植込部の構造は、タービン動翼の下部に形成された翼側フォークとタービンロータに形成されたロータフォークとを交互に組み合わせて、タービンロータの半径方向位置の異なる複数のフォークピンをタービンロータの軸方向に挿入して両者を結合している。従来技術においては、フォークピンの直径は軸方向に一定であり、またピン孔の内径も軸方向に一定である。

このフォーク型翼植込部の構造は、高遠心荷重を負担できる特徴があることから、蒸気タービン低圧最終段落、もしくは最終段落より１段高圧側の段落に採用されることが多い。これらの段落では、高い遠心荷重下で振動荷重が重畳し、さらに蒸気中に微量含まれている腐食媒が濃縮する腐食環境であるため、応力腐食割れや、起動停止による低サイクル疲労、高平均応力下における高サイクル疲労に対して十分な強度を確保しなければならない。

これらの強度を高めるための技術として、ピン孔にショットピーニングやレーザピーニングを施工して、圧縮残留応力を付与する施策（例えば、特許文献１，２参照）や、ピン孔に固体潤滑膜を施工して摩擦係数を低下させることにより、長寿命化を図る施策が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６３−２４８９０１号公報 特開２０１０−４３５９５号公報 特開２００１−１２２０８号公報

上述した施策は、施工直後には十分な効果が期待できるが、長期間運用時の効果の持続性について、必ずしも保障されていないという課題があった。例えば、１０年以上にわたる長期運用を考慮すると、付与した圧縮残留応力の絶対値が減少していく可能性や、潤滑被膜の耐用年数を超えてしまう可能性がある。

上述したように、蒸気タービン低圧最終段落、もしくは最終段落より１段高圧側の段落に採用されるフォーク型翼植込部は、応力腐食割れや、起動停止による低サイクル疲労や高平均応力下における高サイクル疲労に対する十分な強度の確保と共に、長期にわたる効果の持続を可能とする長寿命化が要求されている。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、応力腐食割れ、低サイクル疲労、及び高サイクル疲労に対する十分な強度を確保し、長期運用に耐え得る長寿命化したフォーク形の結合構造を備えた蒸気タービンを提供することである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、軸方向に複数並んだロータ側フォークを有するタービンロータと、前記タービンロータの軸方向に複数並び前記複数のロータ側フォークと互いに係合する翼側フォークを有するタービン動翼と、それらを結合するために前記タービンロータの半径方向位置の異なる複数のピン孔に前記タービンロータの軸方向に挿入される複数のフォークピンとを備えた蒸気タービンにおいて、前記翼側フォークのピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップが前記タービンロータの軸方向位置により異なるものとする。

また、第２の発明は、軸方向に複数並んだロータ側フォークを有するタービンロータと、前記タービンロータの軸方向に複数並び前記複数のロータ側フォークと互いに係合する翼側フォークを有するタービン動翼と、それらを結合するために前記タービンロータの半径方向位置の異なる複数のピン孔に前記タービンロータの軸方向に挿入される複数のフォークピンとを備えた蒸気タービンにおいて、前記フォークピンの直径が前記タービンロータの軸方向位置により異なるものとする。

更に、第３の発明は、第１の発明において、前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔は、前記翼側フォークの蒸気入口端におけるピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップが、前記翼側フォークの軸方向位置が異なる部位におけるピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップよりも大きくなるように形成することを特徴とする。

また、第４の発明は、第２の発明において、前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔に挿入されるフォークピンは、前記翼側フォークの蒸気入口端における前記フォークピンの直径が、前記翼側フォークの軸方向位置が異なる部位における前記フォークピンの直径よりも小さくなるように形成することを特徴とする。

更に、第５の発明は、第１の発明において、前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔は、前記翼側フォークの蒸気出口端におけるピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップが、前記翼側フォークの軸方向位置が異なる部位におけるピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップよりも大きくなるように形成することを特徴とする。

また、第６の発明は、第２の発明において、前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔に挿入されるフォークピンは、前記翼側フォークの蒸気出口端における前記フォークピンの直径が、前記翼側フォークの軸方向位置が異なる部位における前記フォークピンの直径よりも小さくなるように形成することを特徴とする。

更に、第７の発明は、第２の発明において、前記フォークピンは、ピン直径が小さい部位にピン直径を一定に軸方向に形成した平行部と、前記平行部からピン直径を軸方向に増加させて形成したテーパ部とを備え、前記平行部と前記テーパ部との交点は滑らかな円弧加工が施されていることを特徴とする。

また、第８の発明は、第１の発明において、前記翼側フォークのピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップを大きく形成した部位において、前記ギャップを前記フォークピンの最大直径で除した値が、０．９８４以上０．９９２以下であることを特徴とする。

更に、第９の発明は、第７の発明において、前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔に挿入されるフォークピンは、軸方向にピン直径が減少開始する開始点と前記翼側フォークの蒸気出口端との軸方向距離を前記翼側フォークの軸方向幅で除した値が、０．３以上０．６以下であることを特徴とする。

また、第１０の発明は、第７の発明において、前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔に挿入されるフォークピンは、軸方向にピン直径が減少開始する開始点と前記翼側フォークの蒸気入口端との軸方向距離を前記翼側フォークの軸方向幅で除した値が、０．３以上０．６以下であることを特徴とする。

更に、第１１の発明は、第７の発明において、前記タービン動翼がチタン合金製であることを特徴とする。

本発明によれば、蒸気入口端と軸方向中央部、および蒸気出口端と軸方向中央部の間でタービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークについて、前記翼側フォークの背側の周方向幅が腹側の幅よりも狭い部位における荷重分担を低下させて、ピン孔の局所応力を低減することができるので、低サイクル疲労や応力腐食割れに対する高信頼性を有し、長寿命化したフォーク型翼植込部を備えた蒸気タービンを提供することができる。

本発明の蒸気タービンの第１の実施の形態を構成するタービン動翼とタービンロータの結合構造を示す斜視図である。 本発明の蒸気タービンの第１の実施の形態を構成するタービン動翼とタービンロータの結合構造を示す横断面図である。 図２に示すタービン動翼とタービンロータの結合構造のＡ部を拡大して示す横断面図である。 図２に示すタービン動翼とタービンロータの結合構造のＢ部を拡大して示す横断面図である。 本発明の蒸気タービンの第１の実施の形態を構成するピン孔の低サイクル疲労寿命を解析評価した特性図である。 本発明の蒸気タービンの第１の実施の形態を構成するピン孔の荷重分担を解析評価した特性図である。 本発明の蒸気タービンの第２の実施の形態を構成するタービン動翼とタービンロータの結合構造を示す横断面図である。 図７に示すタービン動翼とタービンロータの結合構造のＡ部を拡大して示す横断面図である。 本発明の蒸気タービンの第３の実施の形態を構成するタービン動翼とタービンロータの結合構造を示す横断面図である。 図９に示すタービン動翼とタービンロータの結合構造のＡ部を拡大して示す横断面図である。

以下に、本発明の蒸気タービンの実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の蒸気タービンの第１の実施の形態を構成するタービン動翼とタービンロータの結合構造を示す斜視図、図２は本発明の蒸気タービンの第１の実施の形態を構成するタービン動翼とタービンロータの結合構造を示す横断面図、図３は図２に示すタービン動翼とタービンロータの結合構造のＡ部を拡大して示す横断面図、図４は図２に示すタービン動翼とタービンロータの結合構造のＢ部を拡大して示す横断面図である。

図１において、フォーク型翼植込部は、タービン動翼１の下部に設けた複数の翼側フォーク３と、タービンロータ２に形成され、翼側フォーク３が係合する複数のロータ側フォーク４とを備えている。翼側フォーク３とロータ側フォーク４は、それぞれピン孔６ａ〜６ｃ，７ａ〜７ｃを設けていて、これらのピン孔６ａ〜６ｃ，７ａ〜７ｃにフォークピン５ａ〜５ｃ（この例では６本のフォークピンを使用している）をタービンロータの軸方向４１にそれぞれ挿入させることで結合されている。６本のフォークピン５ａ〜５ｃの中心線８はタービンロータ２の中心線９を通る半径方向４０線上に間隔を持って配置されている。ここで、蒸気は矢印Ｘで示す方向から流入し、タービン動翼１とタービンロータ２とを矢印Ｙの方向に回転させている。

タービン動翼１の根元断面のプロファイル１０が円弧形状であるため、タービン動翼１のプラットフォーム（基端部）の軸方向中央部１１は、軸方向入口端１２、および軸方向出口端１３よりも周方向４２背側（タービン動翼１の回転方向を示す矢印７の先端側）に位置している。

図２のタービン動翼１とタービンロータ２の結合構造を示す横断面は、図１において、半径方向４０の最外周位置のフォークピン５ａ中心線上で半径方向４０に垂直な断面１４における形状を示している。図２において、周方向４２背側をＳ、周方向４２腹側をＰで表す。ここで、翼側フォーク３の本数をｎとすると、蒸気入口側の翼側フォーク３のフォーク番号#１として順に番号付けし、蒸気出口端のフォーク番号を#ｎと定義している。また、ロータ側フォーク４の本数をｍとすると、同様に蒸気入口側から順に番号付けし、蒸気出口端のフォーク番号を#ｍと定義している。図２では、一例として、翼側フォーク３がタービンロータ２の軸方向４１に７本、ロータ側フォーク４がタービンロータ２の軸方向４１に８本の場合を示している。

図２において、フォーク番号#１の翼側フォーク３ａとフォーク番号#ｎの翼側フォーク３ｇでは、背（Ｓ）側と腹（Ｐ）側の両端にフォークピン５ａ，５ａが配置されている。また、フォーク番号#３〜フォーク番号#（ｎ―２）の翼側フォーク３ｃ〜３ｅでは、フォークピン５ａが各々の翼側フォーク３ｃ〜３ｅの概ね周方向４２中央を貫通するように配置されている。

蒸気入口側から２本目のフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂは、軸方向入口端１２と軸方向中央部１１の間でタービン動翼１のプラットフォームの周方向４２位置が変化する領域に形成されている。この場合には、構造上の制約から、図２のＡ部詳細図（図３）に示すように、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂ蒸気入口端における背（Ｓ）側端面の周方向幅１５が腹（Ｐ）側端面の周方向幅１６よりも小さい。周方向幅１５が狭いと剛性が低いために、図３に示すピン孔６ａの端部側Ｃ点における応力集中係数が増加する傾向がある。

このような非対称な形状を有するフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口端におけるピン孔６ａの内径１７と、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口端におけるフォークピン５ａの直径Ｄ１とのギャップ（１７−Ｄ１）が、フォーク番号#２翼側フォーク３ｂの出口端におけるピン孔６ａの内径１８とフォークピン５ａの直径Ｄのギャップ（１８−Ｄ）よりも大きく形成されているのが本発明の特徴である。

本実施の形態においては、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口端のピン孔６ａの内径１７と蒸気出口端のピン孔６ａの内径１８が同じであるため、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口端のフォークピン５ａの直径Ｄ１が蒸気出口端の直径Ｄよりも小さい場合を示している。

フォークピン５ａにおいて、ピン直径が小さい領域は軸方向４１にある一定の長さの平行部１９ａが設けてあって、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂとフォーク番号#２のロータ側フォーク４ｂとの境界２７が、このピン直径を小さく形成した平行部１９ａ内に対向するように配置されている。フォークピン５ａには、平行部１９ａから軸方向４１に徐々にピン直径が増加するテーパ部２０ａ，２０ｂが形成されている。テーパ部２０ａ，２０ｂとピン直径が小さい領域の平行部１９ａとの間は、フォークピン５ａの応力集中係数を低下するために、滑らかな円弧加工が施されている。

このようなテーパピン構造をフォークピン５ａに採用することにより、ピン直径が軸方向４１に一定である従来技術と比較して、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口端における荷重分担を低下させて、周方向４２幅が狭いピン孔６ａのＣ点における局所応力を低下させる効果がある。局所応力を低減させることにより、応力腐食割れや起動停止による低サイクル疲労、高平均応力下における高サイクル疲労に対して長寿命化の効果を発生させる。また、ピン直径を小さく形成した平行部１９ａをフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂとフォーク番号#２のロータ側フォーク４ｂとの境界２７に対向する位置に設けることにより、平行部１９ａがない場合と比較して、より局所面圧を低下させる効果が期待できる。

図２に戻って、蒸気出口側から２本目のフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆは、軸方向出口端１３と軸方向中央部１１の間でタービン動翼１のプラットフォームの周方向４２位置が変化する領域に形成されている。図２のＢ部詳細を示した図４に示すように、構造上の制約から、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆの蒸気出口側端面の背（Ｓ）側の周方向幅２１が腹（Ｐ）側の周方向幅２２よりも狭く形成されている。そのため、図４示すピン孔６ａのＥ点の応力集中係数が増加する傾向がある。

このような非対称な形状を有するフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆの蒸気出口端におけるピン孔６ａの内径２３と、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆの蒸気出口端におけるフォークピン５ａの直径Ｄ１とのギャップ（２３−Ｄ１）が、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆの蒸気入口端におけるピン孔６ａの内径２４とフォークピン５ａの直径Ｄとのギャップ（２５−Ｄ）よりも大きく形成されているのが本発明の特徴である。

フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆのテーパピン形状については、上述したフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの形状を、軸方向４１に鏡対称な形状とすることが望ましい。すなわち、フォークピン５ａにおいて、ピン直径が小さい領域は軸方向４１にある一定の長さの平行部１９ｂが形成されていて、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆとフォーク番号#（ｍ−１）のロータ側フォーク４ｇとの境界２５が、このピン直径を小さく形成した平行部１９ｂ内に対向するように配置されている。フォークピン５ａには、平行部１９ｂから軸方向４１に徐々にピン直径が増加するテーパ部２０ｃ，２０ｄが形成されている。テーパ部２０ｃ，２０ｄとピン直径が小さい領域の平行部１９ｂとの間は、フォークピン５ａの応力集中係数を低下するために、滑らかな円弧加工が施されている。

このようなテーパピン構造を採用することにより、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの場合と同様の周方向４２幅が狭いピン孔６ａのＥ点における局所応力を低下させる効果がある。

フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの部分のみをテーパ形状としたフォークピン５ａを採用しても応力低減効果は得られるが、この場合にはフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆのピン孔６ａのＥ点において局所応力が増加する可能性がある。そのため、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂとフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆの両方の部分をテーパ形状としたフォークピン５ａを採用する方が望ましい。また、テーパピンの形状を上述したように軸方向４１に鏡対称の形状とすることにより、組み立て時にフォークピン５ａの入口端１２側と出口端１３側の向きを誤って挿入することを防止できる。

図３及び図４で示した、フォークピン５ａの直径を小さく形成した部位の直径Ｄ１と最大直径Ｄとの比であるＤ１／Ｄの値は、０．９８４以上０．９９２以下であるのが望ましい。Ｄ１／Ｄの値がこれらの値より小さい場合には、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂまたはフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆの周方向幅が狭いピン孔６ａのＣ点またはＥ点における応力集中部で、十分な応力低減効果が得られないという問題がある。一方、Ｄ１／Ｄの値がこれらの値より大きい場合には、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂのピン孔６ａとフォークピン５ａの軸方向４１の接触幅が狭くなるため、ピン孔６ａのＣ点の軸方向４１反対側の部位のＦ点における局所応力が増加するという問題がある。同様に、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆのピン孔６ａとフォークピン５ａの軸方向４１の接触幅が狭くなるため、ピン孔６ａのＥ点の軸方向４１反対側の部位のＧ点における局所応力が増加するという問題がある。

図３に示すフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂにおいて、フォークピン５ａのピン直径が軸方向に減少開始する点Ｈと、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気出口端までの軸方向４１の距離２６を寸法Ｗ１と定義し、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの軸方向４１の幅２７を寸法Ｗと定義したとき、これらの比であるＷ１／Ｗの値は、０．３以上０．６以下であるのが望ましい。同様に、図４に示すフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆにおけるフォークピン５ａのピン直径が軸方向に減少開始する点Ｉと、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆの蒸気出口端までの軸方向４１の距離２８を寸法Ｗ１と定義し、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆの軸方向４１の幅２９を寸法Ｗと定義したとき、これらの比であるＷ１／Ｗの値は、０．３以上０．６以下であるのが望ましい。Ｗ１／Ｗの値がこれらの値より小さいと、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂまたはフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆの周方向幅が狭いピン孔６ａのＣ点またはＥ点における応力集中部で、十分な応力低減効果が得られないという問題がある。一方、Ｗ１／Ｗの値がこれらの値より大きい場合には、軸方向４１中央付近に位置する、フォーク番号#３〜フォーク番号#５の翼側フォーク３ｃ〜３ｅの荷重分担が増加するという問題がある。Ｗ１／Ｗの値を上述した範囲内とすることで、各翼側フォークの局所応力の適正化を図ることができる。

次に、本発明の効果を確認するために、有限要素解析によりピン孔の低サイクル疲労寿命を評価した結果を図５及び図６を用いて以下に述べる。図５は本発明の蒸気タービンの第１の実施の形態を構成するピン孔の低サイクル疲労寿命を解析評価した特性図、図６は本発明の蒸気タービンの第１の実施の形態を構成するピン孔の荷重分担を解析評価した特性図である。図５及び図６において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

解析条件として、翼側フォーク３が７本の場合で、半径方向最外周のフォーク番号#２とフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォークにおけるフォークピン５ａをテーパピン形状に形成した場合を想定した。また、解析のパラメータとして、以下の２点を考察した。１点目は、フォーク番号#２とフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク背（Ｓ）側の周方向幅が狭い側の軸方向端部（フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂでは蒸気入口端、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆでは蒸気出口端）におけるフォークピン最小径Ｄ１とピン最大直径Ｄとの比（Ｄ１／Ｄ）である。２点目は、フォークピン５ａの直径が減少開始する開始点と、翼側フォーク背（Ｓ）側の周方向幅が狭い位置の反対側の軸方向端面（フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂでは蒸気出口端、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆでは蒸気入口端）との距離Ｗ１と翼側フォークの軸方向幅Ｗとの比（Ｗ１／W）である。

図５の縦軸は、従来技術であるピン直径が一様な場合のフォークピンによる低サイクル疲労寿命を１として、それに対するフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂピン孔６ａの寿命比を示している。図５に示すように、従来構造と比較して、本発明の実施の形態におけるテーパ部を有するフォークピン構造では長寿命化することが確認された。横軸のＷ１／Ｗの値が０．３以上、０．６以下の領域で、特に高い長寿命化の効果が得られていることがわかる。

また、フォークピン５ａの直径の比であるＤ１／Ｄの値は０．９８４以上、０．９９２以下の領域で、本発明による長寿命化の効果が高い。横軸のＷ１／Ｗの値が小さい場合には、周方向幅が狭い側のＣ点又はＥ点の局所応力が高く、一方、Ｗ１／Ｗの値が増加するとそれと反対側のＦ点又はＧ点の局所応力が増加する傾向がある。

次に、荷重分担の解析結果を図６に示す。図６は、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの半径方向４０の最外周ピン孔６ａの分担荷重とフォーク番号#２翼側フォーク３ｂ全体の分担荷重とを従来技術であるピン直径一定の場合の分担加重と比較した割合を示している。図６に示すように、寸法比Ｗ１／Ｗの値が減少するほど、フォーク番号#２翼側フォーク３ｂの荷重分担比が減少することが確認された。Ｗ１／Ｗの値が減少しすぎると、軸方向中央に位置するフォーク番号#３〜フォーク番号#５の翼側フォーク３ｃ〜３ｅの分担荷重が増加することを考慮して、テーパ部を有するフォークピン５ａを挿入した翼側フォークにおける軸方向の応力分布だけでなく、翼側フォーク全体の局所応力の適正化を図ることが望ましい。
一般に疲労き裂進展速度は、チタン合金の方が鋼よりも速い。したがって、タービン動翼が、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖなどのチタン合金の場合には、本発明をチタン合金翼に適用することにより、鋼翼よりも高い長寿命化の効果が期待できる。

上述した本発明の蒸気タービンの第１の実施の形態によれば、蒸気入口端と軸方向中央部、および蒸気出口端と軸方向中央部の間でタービン動翼１のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成されたフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂについて、前記翼側フォークの背側の周方向幅が腹側の幅よりも狭い部位Ｃにおける荷重分担を低下させて、ピン孔６ａの局所応力を低減することができるので、低サイクル疲労や応力腐食割れに対する高信頼性を有し、長寿命化したフォーク型翼植込部を備えた蒸気タービンを提供することができる。

なお、本実施の形態においては、半径方向４０の最外周のフォークピン５ａについてテーパピンを採用する場合について述べたが、これに限るものではない。例えば、半径方向中央５ｂ、および最内周のフォークピン５ｃについても、上述した形態のテーパ部を有するフォークピンを採用することにより、同様の応力低減効果を得ることができる。

以下、本発明の蒸気タービンの第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図７は本発明の蒸気タービンの第２の実施の形態を構成するタービン動翼とタービンロータの結合構造を示す横断面図、図８は図７に示すタービン動翼とタービンロータの結合構造のＡ部を拡大して示す横断面図である。図７及び図８において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態において、図７は、翼側フォーク３が軸方向４１に９本、ロータ側フォーク４が軸方向４１に１０本配置された場合を示す。本実施の形態においては、図７に示すように、蒸気入口側から３本目のフォーク番号#３の翼側フォーク３ｃが、軸方向入口端１２と軸方向中央部１１の間でタービン動翼１のプラットフォームの周方向４２位置が変化する領域に形成されている。また、出口側から３本目のフォーク番号#（ｎ−２）の翼側フォーク３ｇが軸方向出口端１３と軸方向中央部１１の間でタービン動翼１のプラットフォームの周方向４２位置が変化する領域に形成されている。このような構造は、翼長が長く、フォーク構造で負担する遠心力が大きい場合に採用されることがある。

図８に示すように、フォーク番号#３の翼側フォーク３ｃの蒸気入口端におけるピン孔６ａの内径１７と、フォーク番号#３の翼側フォーク３ｃの蒸気入口端におけるフォークピン５ａの直径Ｄ１とのギャップ（１７−Ｄ１）が、フォーク番号#３の翼側フォーク３ｃの出口端におけるピン孔６ａの内径１８とフォークピン５ａの直径Ｄとのギャップ（１８−Ｄ）よりも大きく形成されている。ここでは、フォーク番号#３の翼側フォーク３ｃの入口端のピン孔６ａの内径１７と出口端の内径１８が同じであるため、フォーク番号#３の翼側フォーク３ｃの入口端のフォークピン５ａの直径Ｄ１を出口端の直径Ｄよりも小さく形成した適用例を示している。蒸気出口側から３本目のフォーク番号#（ｎ−２）の翼側フォーク３ｇについても、フォーク番号#３の翼側フォーク３ｃと軸方向４１に鏡対称な形状としている。

本実施の形態の構造においても、第１実施例で述べたのと同様に、当該翼側フォークピン孔６ａで、周方向幅が狭い箇所における接触荷重を低減して、局所応力を低減することができる。

上述した本発明の蒸気タービンの第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

以下、本発明の蒸気タービンの第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図９は本発明の蒸気タービンの第３の実施の形態を構成するタービン動翼とタービンロータの結合構造を示す横断面図、図１０は図９に示すタービン動翼とタービンロータの結合構造のＡ部を拡大して示す横断面図である。図９及び図１０において、図１乃至図８に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

第３の実施の形態において、図９は、翼側フォーク３が軸方向４１に７本配置された場合を示す。本実施の形態においては、図９に示すように、蒸気入口側から２本目のフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂが、軸方向入口端１２と軸方向中央部１１の間でタービン動翼１のプラットフォームの周方向４２位置が変化する領域に形成されている。

図１０に示すように、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口端における背（Ｓ）側端面の周方向幅１５が腹（Ｐ）側端面の周方向幅１６よりも小さい。本実施の形態においては、フォークピン５ａの直径Ｄは、軸方向４１に一定であり、蒸気入口側から２本目のフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口端におけるピン孔６ａの内径３０を出口端におけるピン孔６ａの内径３１よりも大きく形成しているのが特徴である。換言すると、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口端におけるピン孔６ａの内径３０とフォークピン５ａの直径Ｄとのギャップ（３０−Ｄ）が、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気出口端におけるピン孔６ａの内径３１とフォークピン５ａの直径Ｄとのギャップ（３１−Ｄ）よりも大きく形成されている。

上記構造とすることにより、第１の実施の形態と同様に、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口側の接触面圧を低下させ、周方向４２の幅が狭い側のピン孔６ａのＣ点における局所応力を低減させる効果がある。

図１０に示すフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂにおいて、ピン孔６ａの内径が軸方向４１に増大開始する点Ｊと、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気出口端までの軸方向４１の距離３２と、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの軸方向４１の幅２９の寸法との比３２／２９の値は、０．３以上０．６以下であるのが望ましい。

また、フォーク番号#２翼側フォーク３ｂの蒸気入口端におけるピン孔６ａの内径３０とフォークピン５ａの直径Ｄとの比Ｄ／３０の値は、０．９８４以上、０．９９２以下であるのが望ましい。

ピン孔内径の拡大方法としては、局所的なバニシング施工を実施するのが望ましい。バニシング施工では、ピン孔に圧縮残留応力を付与できるため、付与した圧縮残留応力により低サイクル疲労や応力腐食割れに対する寿命を延ばす効果が期待できる。

また、蒸気出口側から２本目のフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォーク３ｆについても、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂと軸方向４１に鏡対称な形状とすることにより、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂと同様の応力低減効果を得すことができる。

上述した本発明の蒸気タービンの第３の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、上述した本発明の蒸気タービンの第３の実施の形態によれば、蒸気入口端と軸方向中央部、および蒸気出口端と軸方向中央部の間でタービン動翼１のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成されたフォーク番号#２の翼側フォーク３ｂにおいて、フォーク番号#２の翼側フォーク３ｂの蒸気入口端におけるピン孔６ａの内径３０と、とフォークピン５ａの直径Ｄとの比Ｄ／３０の値を０．９８４以上、０．９９２以下とすることにより、ピン孔６ａの軸方向位置における応力分布を適正化することができる。この結果、低サイクル疲労や応力腐食割れに対する高信頼性を有し、長寿命化したフォーク型翼植込部を備えた蒸気タービンを提供することができる。

なお、上述した本発明の実施の形態においては、テーパ部２０ａ，２０ｂとピン直径が小さい領域の平行部１９ａとの間の２箇所を滑らかな円弧加工で形成しているが、例えば、ピン直径が小さい領域を１箇所の円弧加工で形成してもよい。

また、上述した本発明の実施の形態においては、フォークピン５ａの外周全周にわたる平行部１９ａを形成しているが、例えば、翼側フォークの周方向幅の狭いピン孔６ａの端部側Ｃ点に対向するフォークピンの外周面に周方向に部分的なへこみ部を形成してもよい。

１ タービン動翼
２ タービンロータ
３ａ，３ｂ 翼側フォーク
４ａ，４ｂ ロータ側フォーク
５ａ，５ｂ フォークピン
６ａ，６ｂ 翼側フォークのピン孔
７ａ，７ｂ ロータ側フォークのピン孔
８ 半径方向位置の異なるフォークピンの中心を結んだ直線
９ ロータ中心線
１０ プロファイルの根本断面
１１ 軸方向中央部に位置するプラットフォーム
１２ 軸方向入口端に位置するプラットフォーム
１３ 軸方向出口端に位置するプラットフォーム
１４ 最外周のフォークピン中心線を通り、半径方向に垂直な断面
１５ フォーク番号#２の翼側フォークの蒸気入口側端面における背側の周方向幅
１６ フォーク番号#２の翼側フォークの蒸気入口側端面における腹側の周方向幅
１７ フォーク番号#２の翼側フォークの蒸気入口側端面におけるピン孔内径
１８ フォーク番号#２の翼側フォークの蒸気出口側端面におけるピン孔内径
１９ ピン直径を小さく形成した平行部長さ
２０ テーパ部
２１ フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォークの蒸気出口側端面における背側の周方向幅
２２ フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォークの蒸気出口側端面における腹側の周方向幅
２３ フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォークの蒸気出口側端面におけるピン孔内径
２４ フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォークの蒸気入口側端面におけるピン孔内径
２５ フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォークとフォーク番号#（ｍ−１）のロータ側フォークの境界
２６ フォーク番号#２の翼側フォークのテーパピン径が増加する開始点とフォーク番号#２の翼側フォークの出口端までの距離
２７ フォーク番号#２の翼側フォークとフォーク番号#２のロータ側フォークの境界
２８ フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォークのテーパピン径が増加する開始点とフォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォークの入口端までの距離
２９ フォーク番号#２の翼側フォーク、フォーク番号#（ｎ−１）の翼側フォークの軸方向幅
３０ フォーク番号#２の翼側フォークの蒸気入口側端面におけるピン孔内径
３１ フォーク番号#２の翼側フォークの蒸気出口側端面におけるピン孔内径
４０ 半径方向を示す矢印
４１ 軸方向を示す矢印
４２ 周方向を示す矢印
Ｘ 蒸気方向を示す矢印
Ｙ 回転方向を示す矢印

Claims (11)

1. 軸方向に複数並んだロータ側フォークを有するタービンロータと、前記タービンロータの軸方向に複数並び前記複数のロータ側フォークと互いに係合する翼側フォークを有するタービン動翼と、それらを結合するために前記タービンロータの半径方向位置の異なる複数のピン孔に前記タービンロータの軸方向に挿入される複数のフォークピンとを備えた蒸気タービンにおいて、
   前記翼側フォークのピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップが前記タービンロータの軸方向位置により異なる
   ことを特徴とする蒸気タービン。
2. 軸方向に複数並んだロータ側フォークを有するタービンロータと、前記タービンロータの軸方向に複数並び前記複数のロータ側フォークと互いに係合する翼側フォークを有するタービン動翼と、それらを結合するために前記タービンロータの半径方向位置の異なる複数のピン孔に前記タービンロータの軸方向に挿入される複数のフォークピンとを備えた蒸気タービンにおいて、
   前記フォークピンの直径が前記タービンロータの軸方向位置により異なる
   ことを特徴とする蒸気タービン。
3. 請求項１に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、
   前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、
   前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔は、前記翼側フォークの蒸気入口端におけるピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップが、前記翼側フォークの軸方向位置が異なる部位におけるピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップよりも大きくなるように形成する
   ことを特徴とする蒸気タービン。
4. 請求項２に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、
   前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、
   前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔に挿入されるフォークピンは、前記翼側フォークの蒸気入口端における前記フォークピンの直径が、前記翼側フォークの軸方向位置が異なる部位における前記フォークピンの直径よりも小さくなるように形成する
   ことを特徴とする蒸気タービン。
5. 請求項１に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、
   前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、
   前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔は、前記翼側フォークの蒸気出口端におけるピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップが、前記翼側フォークの軸方向位置が異なる部位におけるピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップよりも大きくなるように形成する
   ことを特徴とする蒸気タービン。
6. 請求項２に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、
   前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、
   前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔に挿入されるフォークピンは、前記翼側フォークの蒸気出口端における前記フォークピンの直径が、前記翼側フォークの軸方向位置が異なる部位における前記フォークピンの直径よりも小さくなるように形成する
   ことを特徴とする蒸気タービン。
7. 請求項２に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記フォークピンは、ピン直径が小さい部位にピン直径を一定に軸方向に形成した平行部と、前記平行部からピン直径を軸方向に増加させて形成したテーパ部とを備え、
   前記平行部と前記テーパ部との交点は滑らかな円弧加工が施されている
   ことを特徴とする蒸気タービン。
8. 請求項１に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記翼側フォークのピン孔の内径と前記フォークピンの直径とのギャップを大きく形成した部位において、前記ギャップを前記フォークピンの最大直径で除した値が、０．９８４以上０．９９２以下である
   ことを特徴とする蒸気タービン。
9. 請求項７に記載の蒸気タービンにおいて、
   前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、
   前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、
   前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔に挿入されるフォークピンは、軸方向にピン直径が減少開始する開始点と前記翼側フォークの蒸気出口端との軸方向距離を前記翼側フォークの軸方向幅で除した値が、０．３以上０．６以下である
   ことを特徴とする蒸気タービン。
10. 請求項７に記載の蒸気タービンにおいて、
    前記タービン動翼のプラットフォームは、軸方向中央部が軸方向蒸気入口端、および軸方向蒸気出口端よりも周方向背側に配置され、
    前記軸方向蒸気入口端と前記軸方向中央部の間であって、前記タービン動翼のプラットフォームの周方向位置が変化する領域に形成された翼側フォークを更に備え、
    前記翼側フォークの半径方向位置の異なる複数のピン孔のうち少なくとも１つのピン孔に挿入されるフォークピンは、軸方向にピン直径が減少開始する開始点と前記翼側フォークの蒸気入口端との軸方向距離を前記翼側フォークの軸方向幅で除した値が、０．３以上０．６以下である
    ことを特徴とする蒸気タービン。
11. 請求項７に記載の蒸気タービンにおいて、
    前記タービン動翼がチタン合金製である
    ことを特徴とする蒸気タービン。

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