JPH04228804A - タービン羽根及びその亀裂軽減方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

【発明の分野】本発明は、タービン羽根に関し、特に、
改善された機械的信頼性を有する自立式の改良型タービ
ン羽根に関するものである。

【０００２】

【関連技術の説明】蒸気タービンは、単一の出力を発生
するように一緒に結合された低圧、中圧及び（又は）高
圧蒸気タービン要素の組み合わせから構成することがで
きる。各蒸気タービン要素は、溝内に取り付けられた複
数個の回転羽根もしくは動翼を有するロータを備える。 通常、所定の１列の羽根は互いに同じである。１つの翼
列の動翼は、ロータの外面から半径方向外向きに延在し
、各翼列は互いに離間している。１つの翼列の動翼は、
他の翼列の動翼とは形状が異なる。最も容易に気付くこ
とは、各翼列もしくは段の動翼の長さがロータに沿う位
置に依存して変動することである。

【０００３】各動翼は、翼列に関係なく、ロータから半
径方向外向きに延びる翼状部と、動翼をロータに取り付
けるための基部とを有している。基部は、翼列の各動翼
毎に設けられている取付溝内に装着される根元と、翼状
部の基端部に一体的に形成された台部とを備えている。 翼状部は、末端部に先端を有し、基端部から末端部にか
けて捩れた翼型を有することもできるし、また、平行な
側面を有するように形成することもできる。翼状部の先
端には、別個の付加された構成要素或は一体的に形成さ
れた構成要素としてシュラウドが設けられる場合がある
。

【０００４】ロータの周囲には、同軸関係で固定のケー
シングが支持されており、この固定のケーシングは、そ
の内面に取り付けられた複数個の静翼を有している。静
翼は列状に配設され、この場合、該静翼列は、ケーシン
グにロータを組み込む際に動翼列と交互に位置する。全
ての静翼は翼状部を有するが、１つの翼列の静翼は他の
翼列の静翼とは異なった翼型に形成されている。静翼の
中には、根部及び台部を有する基部を有するものも有れ
ば、また、根部や台部を有しないで羽根リングに直接溶
接された翼状部を有するものもある。

【０００５】各静翼の根部には、溝に根部を装着した場
合に環状の凹部と整列する側部切欠きを設けることがで
きる。側部切欠き及び環状凹部は、相俟って、ケーシン
グ及び根部双方に対して共通の空間を画成する。この空
間にコーキング材を充填することにより、ケーシングと
根部は相互に接続される。

【０００６】動翼を取り付けるためにロータに設けられ
ている動翼溝は、通常、静翼用に設けられている取付溝
よりも幾何学的に一層複雑である。更に、動翼の根部及
びロータは、静翼の対応の根部よりも相当に大きな応力
を受ける。

【０００７】タービンの中には、ロータに設けられたい
わゆる“側入溝”に動翼が取り付けられたタービンがあ
る。この場合、動翼を取り付けると、動翼は、ロータを
取り巻き円周方向に配置された翼列の形態でロータから
半径方向外向きに延びる。１つの翼列を構成する複数個
の動翼を取り付けるための単一の環状溝を設ける代わり
に、“側入溝”構造は、所定の翼列に対し、一連の等間
隔に離間した側入溝を備えており、その場合、各側入溝
は、当該翼列の各動翼毎に設けられる。側入溝は通常等
間隔で離間して設けられるが、クローズド羽根の組み立
てを容易にするために、時としてこの間隔を変える場合
もある。

【０００８】典型的な側入溝は、ロータの外面において
、側入溝の底部に向かい内向きに先細となる開口として
始まる。側入溝の開口と底部との間で、側入溝の対向す
る側壁には対称的に一連の凹凸が設けられる。対応のタ
ービン羽根の典型的な根部は、側入溝の形状に実質的に
相応する形状を有する。上記凹凸は、一連のかみ合い段
部を構成する。また、凹凸のある側壁は、根部をロータ
に対し半径方向に側入溝内に挿入することも可能にする
。ロータ溝及び羽根の根部の合成形状は、時として、ク
リスマスツリー形又は逆尖塔形とも称される。

【０００９】側入溝においては、根部は、ロータ軸に対
し実質的に平行な側入溝内に押し込められて、それによ
り、かみ合い固定が実現される。根部及び側入溝の双方
に対する公差は非常に厳しい。接触面に対する根部輪郭
の公差包絡線は、根部の輪郭に沿って典型的には１００
００分の１ｉｎ（約２．５４μ）から５００００分の１
ｉｎ（約０．５０８μ）に変化する。また、接触面に対
する側入溝輪郭の公差包絡線は、側入溝の輪郭に沿って
典型的には約６００００分の１ｉｎ（約０．４２３３μ
）から８００００分の１ｉｎ（約０．３１７５μ）に変
動する。基本的には、根部と側入溝との間の最大隙間が
極めて小さくなるように、根部と側入溝との間の正確な
はめ合いが要求される。

【００１０】一般に、特定の構造が一旦決められたなら
ば、動翼の根部及び側入溝の形状を変更することには抵
抗がある。その理由は、特定の構造に達するのに細心の
注意を払った計算を数箇月或は数年に亙って行わなけれ
ばならない場合があり得るからである。動翼の根部及び
側入溝の輪郭における僅かな変更で、羽根或はロータの
機能又は性能が許容し得ない程に低減することがある。 このように、根部と側入溝との間の公差が非常に厳しい
ことから、根部及び側入溝のいずれか或は両者の輪郭の
変更は一般に賢明でないとされている。

【００１１】通常、側入ロータ羽根の根部は、該根部の
形状と近似的に同じ形状を有する側入溝内に嵌合される
。これは、作動流体の漏洩と関連する損失を最小にする
ために行われる。しかし、高温用途においては時として
この慣行に例外がある。即ち、冷却媒体が通流すること
ができる通路を設けるために、根部の底部と側入溝の底
部との間に隙間が設けられる場合がある。

【００１２】クリスマスツリー形の根部及びそれに対応
の取付溝は、それぞれ、翼状部及びロータ本体に最も近
い箇所において最も幅広であり、反対の端側で最狭であ
る。このようにするのは、羽根からロータに負荷を伝達
するのに利用可能な材料を最も効率良く利用し、しかも
応力集中の影響を最小にするのに役立つような余裕のあ
るすみ肉の丸みを得るためである。

【００１３】発電装置は、時間の経過に伴い、タービン
の羽根の交換を必要とする。その場合、発注事業所は、
往々にして、高性能特性を有する羽根で改装することに
より性能の面で発電装置の品質改良を要求する。現状で
は、使用寿命を延ばし、改良された熱性能という利益を
受け、更には信頼性を改善するために、運転中の発電装
置に対する交換用羽根に重点が置かれている。更に、現
在のタービン構造の信頼性及び性能を改善することによ
るグレードアップが要求されている。

【００１４】現在使用されている自立形羽根においては
、反復使用中、根部のネック部に亀裂が発生するとこが
観察されている。これ等の根部の亀裂は、起動及び停止
反復サイクルにより招来されるものである。根部又は尖
塔部における亀裂の発生の主たる原因の１つは、根部の
ネック部に対する後縁の“張出し（オーバーハング）”
である。この後縁のオーバーハングは、図１に示すよう
に、羽根の基部における後縁１０と最上位のネック部に
より画定される根部の領域の輪郭１２との間における距
離Ａとして定義される。また、上記領域は、断面図及び
側立面図からなる複合図である図２にも示してある。図
２において、参照数字１４は根部を指し、参照数字１６
で最上位のネック部が示してある。図２は、図１とは若
干異なった形態の羽根についての図であり、後縁のオー
バーハングが図１の場合よりも若干誇張して示してある
。

【００１５】図３は、羽根断面Ａ−Ａ、Ｅ−Ｅ、Ｊ−Ｊ
及びＭ−Ｍ並びに上記特定断面に対する台部１８の関係
を示す基部断面Ｑ−Ｑを示す複合図である。

【００１６】上記の種々の断面は、基部断面（Ｑ−Ｑ）
から先端部断面（Ａ−Ａ）に進むのに伴い羽根の輪郭が
どのように変化するかを示す。各断面は、前縁２０と、
後縁２２と、凸状の吸込側表面２４と、凹状の圧力側表
面２６とを含む羽根の基本的構成要素を示している。根
部２８は、断面Ｑ−Ｑの左側に示してあり、図示の目的
から、垂直対称平面を中心に根部２８を二分する根部中
心線を有するものとして示してある。また、図３におい
て、後縁２２は、台部１８の縁から離れていないように
示してあるが、最上位のネック部３０に対する後縁２２
の相対位置は本発明にとって重要であると考えられる。

【００１７】

【発明の概要】本発明の１つの目的は、改良された熱性
能及び信頼性を有するタービン羽根構造を提供すること
にある。

【００１８】本発明の他の目的は、タービン羽根、特に
、反復起動及び停止サイクルを経験するタービン羽根の
根部断面のネック部における亀裂の形成を阻止すること
にある。

【００１９】本発明の他の目的は、タービン羽根の翼状
部に設けられる押え金の亀裂を阻止することにある。

【００２０】本発明の更に他の目的は、ネック部の亀裂
に至り得る接触応力を減少することにある。

【００２１】本発明によると、タービン羽根は、前縁、
後縁、吸込側表面、圧力側表面、一端に設けられた先端
断面及び反対の他端側に設けられた基部断面を有する翼
状部と、該翼状部が延びる台部と、翼状部とは反対側の
方向に上記台部から延び、最上位のネック部を含め複数
個のネック部を有する根部とを備え、基部断面おける翼
状部の後縁は、該後縁のオーバーハングもしくは張出し
を最小にするように上記最上位のネック部に垂直方向に
近接していることを特徴とする。

【００２２】また、本発明によると、タービン羽根の根
部における亀裂の形成を阻止する方法は、翼状部の基部
断面において根部の最上位のネック部に対し垂直方向に
近接関係で翼状部の後縁を配置し、それにより後縁のオ
ーバーハングを最小にすることを含む。

【００２３】本発明による改良型のタービン羽根構造の
上述の特徴及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照
しての以下の詳細な説明から一層明確になるであろう。

【００２４】

【好適な実施例の詳細な説明】

図４〜図９を参照するに、本発明によるタービン羽根３
２は、前縁３６、後縁３８、吸込側表面４０、圧力側表
面４２、先端断面Ａ−Ａ及び基部断面Ｑ−Ｑを有する翼
状部３４を備える。他の種々の断面Ｄ−Ｄ、Ｇ−Ｇ、Ｋ
−Ｋ、Ｌ−Ｌ及びＮ−Ｎは、半径方向に進むに連れ変化
する翼状部３４の形状を説明するために図６に示してあ
る。

【００２５】台部４４は、そこから翼状部３４が延びる
基部もしくはベース部分となっている。根部４６は、翼
状部３４とは反対の方向に台部４４から延びており、最
上位のネック部４８ａを含め複数個のネック部４８を有
している。

【００２６】図９に示すように、最上位のネック部は、
円弧状領域５０を画成しており、該領域５０の円弧状側
部は、ネック部の各側部を形成する曲線の頂点により画
成され、他方、円弧状領域５０の直線状の側部は根部４
６の端面により画成されている。基部断面Ｑ−Ｑにおけ
る翼状部の後縁３８は、同後縁のオーバーハングを最小
にするように、最上位のネック部４８ａに対し垂直方向
に近接するように入念に配設される。特に、後縁３８は
、図９に示すように、円弧状領域５０の円弧状側辺５０
ａの上方に位置する。図９は、従来技術による後縁が領
域１２の円弧状の側辺を越えて延びている図１及び図２
に対応する図である。

【００２７】図４〜図９に示してあるタービン羽根は、
３２ｉｎ（８１２．８ｍｍ）の翼状部を有し、現存の２
８．５ｉｎ（７２３．９ｍｍ）の押え金で固定された羽
根と置換されるべく設計したものである。本発明による
羽根は、自立形羽根、即ち押え金もしくはシュラウドで
固定されていない羽根であって、類似構造の他の羽根よ
りも広幅の根部により支持されている。最上位のネック
部の幅は約１．５６ｉｎ（３９．６２４ｍｍ）である。 羽根の大きな根部寸法で接触応力が軽減されて亀裂発生
が阻止される。また、大きな長さ、大きな角度及び幾何
学的形態により熱動力学的性能が顕著に改善される。

【００２８】羽根の機械的信頼性は、全ての非同調振動
モードに対する計算強度が、図３に示した従前の羽根よ
りも高くなるように羽根断面が設計されるという点で改
良される。更に、羽根は、支承面を増大する最も広幅で
深い根部により支持されているので、接触応力が減少す
る。尚、高い接触応力が生ずる反復運転では、支承面が
損傷を受けて亀裂発生に至る。

【００２９】本発明の実施例による羽根は、現存の２８
．５ｉｎの押え金もしくはシュラウドで固定された羽根
よりも約３．５４５ｉｎ（９０．０４３ｍｍ）だけ長い
ので、漏洩損失は減少し、同時に羽根性能は高められる
。

【００３０】図６には、本発明の別の特徴が示してある
。図６において、羽根の種々の断面は平坦もしくは真っ
すぐな背面輪郭を有している。言い換えるならば、背部
表面は、後縁３８から吸込側表面４０に沿ってＸ座標ま
で比較的平坦である。この真っすぐな背面輪郭により、
遷音速での作動中に流量損失が減少し、元の湾曲背面構
造に対し改良がなされる。

【００３１】図１０は、本発明のタービン羽根の翼状部
の典型的な断面に関する基準点を示す基準表定ダイヤグ
ラムである。数字を付した基準点は、吸込側及び圧力側
表面に沿う点並びに前縁及び後縁に対する点を示す。基
準点２は、後縁における平坦部分の開始点である基準点
１に対する吸込側表面の平坦な部分の終点を示す。距離
“ＬＦ　ＲＥＦ”は、基準点１と２の間における平坦な
部分における長さを表す。この長さは、後記の表に示す
ように基部断面から先端断面に向かい定常的に増加する
。

【００３２】符号“ＮＡ　ＡＮＧＬＥ　ＲＥＦ”は、吸
込側表面の平坦な部分と、後縁に対して接線方向に且つ
Ｙ軸に対し平行に引いた垂直な直線との間の角度を表す
。ＮＡ　ＡＮＧＬＥ（角）の値は後記の表に示すように
、基部断面から先端断面に向かって定常的に減少し、先
端断面は約４０°の非常に小さい角度を有する。

【００３３】参照符号“ＰＡ（ＭＡＸ．　ＴＨＫＳ）”
は、各羽根断面の最大厚さを表す。後記の表から明らか
なように、この最大厚さは、基部断面から次の隣接断面
に移行する時には増加するが、先端断面に移行する時に
は減少する。

【００３４】参照符号“ＴＥ　ＤＩＡ．”及び“ＬＥ　
ＤＩＡ．”は、後縁直径及び前縁直径をそれぞれ表す。 後記の表から明らかなように、後縁の厚さは基部断面か
ら先端断面に向かい減少する。同じことが前縁の直径に
対しても該当する。

【００３５】ＳＡ測定値は、次表に示すように、基部断
面からＬ−Ｌ断面に遷移する際には増加し、次いでＬ−
Ｌ断面から先端断面に移行する際には減少する。

【００３６】本発明の数多の変更及び応用は、当業者に
は容易に想到し得るであろうところから、このような全
ての変更及び応用例は、本発明の範囲により包含される
ものである。

【００３７】

【表１】 　　　　　　　　ＳＡ　　　　　　　ＡＮＧＬＥ　　　
　　　ＰＡ　ＭＡＸ．　　　ＴＥ　　　　　　　ＬＥ　
　　　　平坦　　　　Ｌ−Ｆ断面　　測定値　　　　　
（ＲＥＦ）　　　　　　　ＴＨＫＳ．　　　　ＤＩＡ．
　　　　　ＤＩＡ．　　　部分　　　（ＲＥＦ）　　　
　　　　（ｍｍ）　　　　　　　　　　　　　　　　　
　（ｍｍ）　　　　　（ｍｍ）　　　　　（ｍｍ）　　
　終点　　　　（ｍｍ）　　　　Ａ−Ａ│　１２．１９
２　　　　　４°００’５７”　　　　８．６１０６　
　　３．０２２６　　　　８．３８２　　　　２　　　
１５５．６７６Ｂ−Ｂ│　１４．７５７４　　　　５°
４２’５４”　　　　８．６６１４　　　３．０２２６
　　　　８．４０７４　　　２　　　１５２．４５０Ｃ
−Ｃ│　２５．０６９８　　　　９°１５’１４”　　
　１０．４６４８　　　３．３０２　　　　　８．７１
２２　　　２　　　１４３．５３５４Ｄ−Ｄ│　３１．
４９６　　　　１２°０５’５８”　　　１１．４５５
４　　　３．４５４４　　　　８．９６６２　　　２　
　　１３６．９８２２Ｅ−Ｅ│　３７．３８８８　　　
１４°５１’１４”　　　１２．９２８６　　　３．５
８１４　　　　９．０９３２　　　２　　　１３０．５
０５２Ｆ−Ｆ│　４０．８１７８　　　１６°３５’４
８”　　　１５．３６７　　　　３．５８１４　　　　
９．０６７８　　　２　　　１２５．７３Ｇ−Ｇ│　４
４．２４６８　　　１９°３９’１５”　　　１８．９
２３　　　　４．１０２　　　　　９．７２８２　　　
２　　　１２５．１９６６Ｈ−Ｈ│　４６．５３２８　
　　２１°５５’４４”　　　２１．８４４　　　　４
．５７４　　　　１０．４３９４　　　２　　　１２３
．９７７４Ｊ−Ｊ│　４８．１３３　　　　２３°２８
’１３”　　　２５．０６９８　　　４．９９　　　　
　１０．５４１　　　　２　　　１１８．８２１２Ｋ−
Ｋ│　５０．３１７４　　　２６°０９’０５”　　　
２９．１０８４　　　４．９７８４　　　１１．２７７
６　　　２　　　１１０．２３６Ｌ−Ｌ│　５４．６３
５４　　　３１°４７’００”　　　３１．６９９２　
　　５．４３５６　　　１８．８２１４　　　２　　　
　９５．２５Ｍ−Ｍ│　５１．０２８６　　　３２°３
９’５２”　　　３３．５５３４　　　５．９２８　　
　　１２．８５２４　　　２　　　　８７．８３３２Ｎ
−Ｎ│　５０．７７４６　　　３５°３９’５２”　　
　３４．０８６８　　　６．０７０６　　　１３．６３
９８　　　２　　　　７８．１５５８Ｐ−Ｐ│　４６．
８３７６　　　３９°０４’１３”　　　３５．１７９
　　　　８．８６４６　　　１３．８４３　　　　２　
　　　５９．３０９Ｑ−Ｑ│　４４．０１８２　　　４
３°３８’５４”　　　３３．７０５８　　１２．５２
２２　　　１５．０３６８　　　２　　　　５９．３０
９

【図面の簡単な説明】

【図１】公知のタービン羽根における後縁のオーバーハ
ングを示す基部断面図。

【図２】別の公知のタービン羽根における根部の端部を
示す基部断面図。

【図３】公知のタービン羽根の種々の断面を、該羽根の
根部の端面と共に示す複合断面図。

【図４】本発明によるタービン羽根及びその根部の側立
面図。

【図５】図４のタービン羽根の端面図。

【図６】図４のタービン羽根の断面図。

【図７】図６の左側から見た根部の端面図。

【図８】図４のタービン羽根の根部断面図。

【図９】図４の羽根の後縁及びネック部領域の相対位置
を示す基部断面図。

【図１０】図４のタービン羽根の典型的な断面の基準点
を示す基準表定ダイヤグラム。

【符号の説明】

３２　　　　　　　　タービン羽根 ３４　　　　　　　　翼状部 ３６　　　　　　　　前縁 ３８　　　　　　　　後縁 ４０　　　　　　　　吸込側表面 ４２　　　　　　　　圧力側表面 ４４　　　　　　　　台部 ４６　　　　　　　　根部 ４８　　　　　　　　複数個のネック部４８ａ　　　　
　　最上位のネック部 Ａ−Ａ　　　　　　先端断面 Ｑ−Ｑ　　　　　　基部断面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】翼状部と、台部と、最上位のネック部を含
   め複数個のネック部を有する根部とを備えるタービン羽
   根の根部亀裂を軽減する方法であって、羽根の押え金を
   除去して該羽根を自立させ、前記羽根の根部の大きさを
   増加し、前記翼状部の後縁を、該翼状部の基部断面にお
   いて前記最上位のネック部に対し垂直方向に近接して配
   置する、タービン羽根の亀裂軽減方法。
2. 【請求項２】前縁、後縁、吸込側表面、圧力側表面、一
   端にある先端断面及び反対側の他端にある基部断面を有
   する翼状部と、該翼状部が延びる台部と、前記翼状部と
   は反対の方向に前記台部から延び最上位のネック部を含
   め複数個のネック部を有する根部と、を含み、前記基部
   断面において前記翼状部の後縁を、前記最上位のネック
   部に垂直方向に近接し、前記後縁の張出しを最小にした
   タービン羽根。