JPH09209704A - 蒸気タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、エロージョンによる浸食現象
や水分によるフレッティング磨耗の影響を受けることの
少ない、強度的に信頼性の高い動翼を備えた蒸気タービ
ンを提供することである。 【解決手段】動翼並びに静翼がタービン軸の円周方向に
構成されてなり、蒸気を駆動源とする蒸気タービンにお
いて、前記動翼は、翼部と前記翼部の先端に形成される
シュラウド部を備えたねじれ翼であって、翼背側シュラ
ウド部と隣り合う翼腹側シュラウド部との接触面を含む
任意の平面は、翼背側シュラウド部の翼先端と交差しな
いことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ねじれ翼の蒸気タ
ービン動翼を有する蒸気タービンに係り、シュラウドを
有するねじれ翼の蒸気タービン動翼を備えた蒸気タービ
ンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に動翼の断面形状が翼根元から翼先
端に向かってねじれているねじれ翼のタービン動翼は、
作動流体の流れ及びその乱れ成分によって、広範な周波
数範囲で絶えず励振されている。これらの励振力に対す
る翼構造の振動応答は、各振動モードにおける固有振動
数や減衰の大きさが関連する。そこで、共振応答の大き
い低次振動モードの共振は避ける一方、共振応答の小さ
い高次振動モードでは共振しても信頼性のおける翼構造
を設計するために、隣り合う翼をシュラウドなどで連結
する手段が数多く採用されている。隣り合う翼を連結す
れば、翼構造の剛性の増加と振動減衰の付加効果が期待
できるからである。

【０００３】例えば、特開平3−26801号公報や特開平4
−5402 号公報には、ねじれ翼である動翼先端部にシュ
ラウドとして備えた動翼カバーの形状が外周方向から見
てＳ字形状や逆Ｚ字形状を形成し、互いに隣り合う翼の
動翼カバーが互いにＳ字や逆Ｚ字の中央で相互に接触す
ることが記載されている。この構造は、隣り合う翼のシ
ュラウド部は接触面でねじり戻りを拘束し、互いの翼の
翼連結作用を高めている（このようなねじれ翼の翼部と
シュラウド部とが一体に形成された構造を持つ翼を以
降、インテグラルシュラウド翼と呼ぶ）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】タービン回転中では、
隣接するシュラウドに作用するねじり戻りを拘束するよ
うに接触面では互いに逆方向に力が作用されるため、ね
じり戻りを拘束する力により翼背側のシュラウド部に切
り欠き状の凹部があると応力集中部となり強度的に注意
が必要である。

【０００５】また、インテグラルシュラウド翼を蒸気タ
ービンに用いる場合は、蒸気タービン特有の問題とし
て、蒸気中の水滴による浸食現象、すなわちエロージョ
ン現象や、湿り蒸気にさらされた雰囲気の中での接触面
のフレッティング磨耗を生じ、最も応力が集中する箇所
が脆くなることがある。

【０００６】しかし、これらの問題について前記公知例
では、考慮がされていない。

【０００７】水蒸気雰囲気で運転される蒸気タービンに
おいて、かかるエロージョン現象やフレッティング磨耗
を緩和することは重要である。

【０００８】そこで、本発明の第１の目的は、応力集中
を緩和し、エロージョンによる浸食現象を抑制した蒸気
タービン動翼を備えた、信頼性の高い蒸気タービンを提
供することである。

【０００９】また、本発明の第２の目的は、応力集中を
緩和し、エロージョンによる浸食現象を抑制し、さらに
水分によるフレッティング磨耗の影響を緩和した蒸気タ
ービン動翼を備えた、信頼性の高い蒸気タービンを提供
することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明である蒸気タービ
ンに用いられる蒸気タービン動翼は、隣り合う翼を連結
するシュラウドの接触面の翼背側方向へ延長した平面
は、シュラウドの固定端となる翼背側にぶつからないた
めに、翼背側に応力の集中する度合いを低減でき、かつ
エロージョン浸食現象の起こりやすい場所と翼背側シュ
ラウド部の応力集中する場所をずらすことにより、強度
的に信頼性の高いインテグラルシュラウド翼構造となる
という着想に基づき発明されたものである。

【００１１】また、本発明である蒸気タービンに用いら
れる蒸気タービン動翼は、隣り合う翼を連結するシュラ
ウドの接触面の翼背側方向へ延長した平面は、シュラウ
ドの固定端となる翼背側にぶつからないために、翼背側
に応力の集中する度合いを低減でき、かつエロージョン
浸食現象の起こりやすい場所と翼背側シュラウド部の応
力集中する場所をずらすことにより、強度的に信頼性の
高いインテグラルシュラウド翼構造となるという着想に
基づき発明され、さらに翼背側シュラウド部の接触面
は、翼前縁よりも上流側に位置すれば、水滴による水膜
流にさらされる度合いが低減できるので、隣接するシュ
ラウドとの接触面のフレッティング磨耗の影響を低減で
きるという着想に基づき発明されたものである。

【００１２】前記本発明の第１の目的を解決するため、
第１番目の発明では、動翼は、翼部の断面形状が根元か
ら先端に向かってねじれているように形成されており、
前記翼部の先端に一体に形成されるシュラウドを備えた
ねじれ翼であって、一方の動翼の翼背側のシュラウド部
と隣り合う他方の動翼の翼腹側のシュラウド部との接触
面を含む平面が、該一方の動翼の翼先端部の翼キャンバ
線を翼前縁方向に延長した線と交わり、且つ前記平面と
前記一方の動翼の翼背側のシュラウド部の蒸気上流側の
端面とがなす角度が鈍角となるように前記接触面が配設
されるように構成したものである。

【００１３】本発明の第２の目的を解決するため、第２
番目の発明では、動翼は、翼部の断面形状が根元から先
端に向かってねじれているように形成されており、前記
翼部の先端に一体に形成されるシュラウドを備えたねじ
れ翼であって、一方の動翼の翼背側のシュラウド部と隣
接する他方の動翼の翼腹側のシュラウド部との間に形成
される相互の接触面が、前記一方の動翼の翼先端部の翼
前縁より上流側の領域に位置するように配設されるよう
構成したものである。

【００１４】本発明の第２の目的を解決するため、第３
番目の発明では、動翼は翼部の断面形状が根元から先端
に向かってねじれているように形成されており、前記翼
部の先端に一体に形成されるシュラウド部を備えたねじ
れ翼であって、前記動翼の外周側から見て、一方の動翼
の翼背側のシュラウド部と隣接する他方の動翼の翼腹側
のシュラウド部とが相互に接触する接触面が、該一方の
動翼の翼先端部の翼前縁と該他方の動翼の腹面との間を
結ぶ最短の直線より動翼の回転方向側に位置するように
配設されるよう構成したものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１，
図２及び図３を用いて詳細に説明する。

【００１６】図１は本発明を取り入れた蒸気タービン動
翼の全体図、図２は本発明を取り入れた蒸気タービン動
翼の外周側からみた構成図である。また、図３は本発明
を取り入れた蒸気タービン動翼の組立方の一例を示した
図である。図１及び図２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、
３ｘは後続翼の翼先端部の翼断面、３ｙは先行翼の翼先
端部の翼断面、４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、図３において、３は翼
部、１，２はシュラウド、６３は翼根元部、４はタービ
ンロータディスク部、６５はピンを各々示す。

【００１７】図２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２
ａ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、翼部３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。

【００１８】ここで、前記シュラウド部に関して具体的
に図１２により説明する。

【００１９】図１２にシュラウドに関する説明の概要図
を示す。

【００２０】３は翼部、１，２はシュラウドを示してい
る。これは、例えば動翼の進行方向から見たものであ
る。

【００２１】翼部３をシュラウド側１，２に延長してシ
ュラウド外面に投影される部分を翼先端部３ｂと称し、
図１２に示すようにアール部３ｃを有する場合は、アー
ル部３ｃを入れず翼部３をシュラウド側１，２に投影し
た部分を翼先端部３ｂとする。翼先端部３ｂにおける翼
断面を図２等で３ｘ，３ｙで示す。このシュラウド１，
２の前縁，後縁，翼キャンバ線とは、翼先端部３ｂでの
３ｘ，３ｙに示す翼形状における前縁，後縁，翼キャン
バ線に該当するものである。

【００２２】また、図１及び図２において、タービン動
翼の翼部３の先端部３ｂに設けられたシュラウド１，２
のうち、翼断面３ｘ，３ｙを通る翼キャンバ線３ｅ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における該翼キャンバ線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、該キャン
バ線より翼腹側が翼腹側シュラウド部１ｂ，２ｂとな
る。

【００２３】このタービン動翼はタービンロータのディ
スク外周部４に設けられた溝に植え込まれてピン６５に
より固定され、かつ動翼先端部３ｂに設けられたシュラ
ウド１，２により、隣り合う翼と周方向に接触する。こ
のタービン動翼は翼根元３ａから翼先端３ｂに向かって
翼断面形状がねじれて形成されたねじれ翼であることか
ら、タービン回転中に翼に作用する遠心力によって、図
中符号９で示す方向にねじり戻り（アンツイスト）が生
じる。

【００２４】次に、図１の矢印６６の方向、すなわち蒸
気タービンの外周側から見た構成図である図２を用い
て、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００２５】図２に本発明の蒸気タービン動翼のシュラ
ウド構成図において、ねじれ翼である蒸気タービン動翼
は、ねじり戻りのアンツイストに抗するように形成され
た各シュラウドの接触面５は、後続翼の翼背側シュラウ
ド部１ａとその翼に隣り合う先行翼の翼腹側シュラウド
部２ｂとの間によって構成されている。この接触面５の
傾きは、タービンロータの軸方向に対して反時計回りに
少しでも角度を持つ構造となり、鋭角が形成される。
尚、図２では、視点が接触面５を含む平面１０と平行に
成る場合があるので、前記平面１０は便宜上破線で表し
ている。

【００２６】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部２ｂとの接触面５の
配置位置は、この接触面５を含む平面１０が、該後続翼
の翼先端部における翼断面の翼キャンバ線３ｅを翼前縁
方向に延長した線分と交わり、且つ前記接触面を含む平
面５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。

【００２７】この鈍角の範囲は９０度より大きく１６０
度以下が実用的である。

【００２８】ここで、翼前縁より蒸気上流側、あるいは
翼前縁より蒸気下流側（以下場合によって単に上流側，
下流側という）という表現に関して、図１０を用いてそ
れらの言葉を説明する。

【００２９】図１０において、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を３ｙ，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３ｘとし
て表している。３ｅ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。垂
線４３は、翼キャンバ線３ｅに対して翼前縁４２の位置
における垂線を示す。この図中、先行翼と後続翼により
形成される翼間のうち、垂線４３の左上側のいわゆる動
翼の回転方向側であり、すなわち後続翼のない側を、翼
前縁より蒸気上流側といい、垂線４３の右下側、すなわ
ち後続翼のある側を、翼前縁より蒸気下流側という。

【００３０】この具体的構造を明確化した一例を図７に
示す。

【００３１】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部２ｂとの間に形成さ
れた接触面５を含む平面１０は、後続翼の翼先端部にお
ける翼断面３ｘとは交差しない位置であり、この平面１
０は後続翼の翼先端部の翼断面の翼キャンバ線３ｅを翼
前縁４２より翼前縁方向に延長した線分４６と交わるよ
うに配置されている。

【００３２】上記構造の蒸気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。

【００３３】この図では、シュラウドの形状として単純
な凹凸を有するシュラウドを示しているが、接触面５を
含む任意の面１０が翼キャンバ線３ｅの前縁側へ延長し
た線分４６と交差するという条件を満たしていれば、た
とえ、複数の凹凸を有するシュラウド形状の場合であっ
ても良い。

【００３４】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。

【００３５】また、図２では、後続翼の翼先端部の翼断
面３ｘの翼前縁近傍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。

【００３６】尚、具体的構成の一例としては、以下の形
態を取ることもできる。

【００３７】前記シュラウド１，２は、動翼外周方向か
ら見て（矢印６６方向に見て）、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腹側シュラウド
部２ｂと対向する面は動翼の回転方向４４に対して凸状
部を形成し、その凸状部の頂部４１は翼先端部の翼断面
の翼キャンバ線３ｅと前縁４２で直交する垂線４３より
動翼の回転方向４４側領域にあり、隣接する動翼の翼腹
側シュラウド部２ｂと接触する領域が前記前縁４２より
動翼の回転方向４４側にある。

【００３８】前記頂部４１は凸状部の動翼の回転方向４
４に対する極大部である。凸状部の頂点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４
２より回転方向側に形成される。凸状部の頂点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。

【００３９】図２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９の
方向に起こり、隣り合う動翼の各々の翼部３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、図２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、該後続翼の翼先端部の翼断面の翼キャンバ線３ｅ
を翼前縁４２方向に延長した線分と交わり、且つ前記平
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。

【００４０】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、図５において示した
エロージョン現象の発生しやすい翼背側部１９付近から
離れた位置にある。そのため、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。

【００４１】以上各々説明したシュラウド１，２では、
接触面５より後縁４７側では、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との間に間
隙を有する。翼背側のシュラウド部１ａのうち隣接する
先行翼の翼腹側のシュラウド部２ｂと対向する面が単純
な凸形状でなく、例えば、複数の凸状であっても、前記
接触面５より後縁４７側は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との間に間隙を
有する。

【００４２】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）とが図９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。また、
本発明を取り入れた蒸気タービン動翼の組立て方の一例
を、図３を用いて説明する。図３において、翼部３をタ
ービンロータディスク部４に取り付けるには、タービン
ロータディスク部４の外周から翼部３を図のように挿入
した後、ピン６５により固定する。この組立て方におい
て、翼部３やシュラウド１，２を予めねじってディスク
部に挿入する必要はない。先にも述べたとおり、本発明
を取り入れた蒸気タービン動翼は、タービンが回転する
と翼に作用する遠心力によってねじり戻りを生じ、その
力によって隣り合う動翼のシュラウド部と、例えば、図
２等の接触面５で接触するからである。また、図３の例
では、翼根元部６３の形状がフォーク型のものを一例と
してあげたが、鞍型やクリスマスツリー型などのその他
の翼根元部形状であっても構わない。

【００４３】次に、本発明の他の実施例を図４，図５及
び図６を用いて詳細に説明する。図４は本発明を取り入
れた蒸気タービン動翼の外周側から見た構成図である。
また、図５は蒸気タービン動翼の水膜流の挙動の模式図
である。

【００４４】図４において、図２に示す蒸気タービン動
翼と同一構成の部分については説明を省略する。図４で
接触面５は、後続翼の翼先端部の翼キャンバ線３ｅに対
して翼前縁４２の位置における垂線４３の左上側の領域
に位置する。この領域は、先に図１０を用いて定義した
翼前縁より蒸気上流側に相当する。また、先行翼の翼先
端部の翼断面３ｙは、後続翼の翼先端部の翼断面３ｘの
翼前縁４２より上流側に位置する。また、後続翼の翼キ
ャンバ線３ｅを翼前縁４２方向に延長した線４６と、接
触面５を含む平面１０よりなる翼背側の角度４５は鈍角
である。翼先端部の翼断面３ｘのタービンロータに対す
る傾きにも影響されるが、９０度より大きく１６０度以
下が実用的である。

【００４５】このように、本発明の実施例の蒸気タービ
ン動翼は、前記動翼の外周側から見て、後続翼の翼背側
のシュラウド部１ａと隣接する先行翼の翼腹側のシュラ
ウド部２ｂとが相互に接触する接触面５が、該後続翼の
翼先端部の翼前縁４２と該先行翼の腹面との間を結ぶ最
短の垂線４３より動翼の回転方向４４側に位置するよう
に配設されているため、翼先端近傍部８の形状は、切り
欠き部がなく、図のように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１９か
ら離れた位置にある。そのため、翼背側シュラウド部１
ａ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。

【００４６】ここで、後続翼の背側に影響を及ぼすエロ
ージョン現象による水滴１４の挙動について考えると、
後続翼の背側に付着する水滴１４は、図５に示すよう
に、遠心力によって翼面に沿って翼先端部方向に流れる
水膜流１５を形成する。また、この水膜流１５は、蒸気
流れ２４の影響で、翼前縁４２側から翼後縁４７側に向
かって流れる。そのため、水膜流が翼背側シュラウド１
の内周面に到達した際も、水膜流１５は下流方向に向か
って流れる。よって、翼背側部１９付近は水膜流１５の
影響を受けやすい部分となる。

【００４７】本発明の蒸気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磨耗を起き難くできる。

【００４８】次に、本発明の他の実施例を図６を用いて
詳細に説明する。図６は本発明を取り入れた蒸気タービ
ン動翼を外周側から見た構成図である。

【００４９】図６において、図４に示す蒸気タービン動
翼と同一構成の部分については説明を省略する。図６
で、直線２１は、後続翼の翼先端部の翼断面３ｘの翼前
縁４２から、先行翼の腹側に向かって引いた最短直線を
示す。また、接触面５は直線２１の左上側、すなわちタ
ービンの回転方向側に位置する。

【００５０】図４などに比べて、翼先端部の翼断面の翼
キャンバ線３ｅの曲率が大きい場合は、図６に示した構
成でも、図４と同様な効果が得られる。図６において、
後続翼の前縁４２から先行翼の腹側に向かって引いた最
短直線の回転方向側は、翼前縁４２近傍よりも蒸気流れ
の早い領域であり、その領域に存在する後続翼の接触面
５に向かって、エロージョン現象によって付着した水滴
が水膜流となって流れにくいからである。

【００５１】また、以上、図２，図４及び図６で示した
本発明の蒸気タービン動翼において付記すれば、後続翼
の翼背側シュラウド部１ａの接触面５は、タービン動翼
外周側から見て、翼前縁近傍まで凹凸などがない一定な
平面である方が望ましい。この理由は、凹部の存在は応
力集中を引き起こすからである。

【００５２】しかし、前記の図では接触面５を含む隣接
する先行翼の翼腹側シュラウド部２ｂと対向する面が単
純な凸状をしているが、図に規定する関係を満たしてい
れば複数の凸状を形成していてもよい。複数の凸状を形
成していても、翼背側シュラウド部１ａのうち隣接する
先行翼の翼腹側シュラウド部２ｂと対向する面のうち、
接触面５を含む平面より下流側（いわゆる回転方向４４
と反対側の領域）では間隙を有している構造であればよ
い。

【００５３】また、前記図における接触面５は湾曲して
いてもよい。この湾曲した接触面を含み、その接触面と
同様な曲率を持つ曲面は、翼部３の翼先端部の翼断面３
ｘと交差しない位置に配設される。

【００５４】接触面５が後続翼の翼先端部の翼断面３ｘ
の翼前縁４２より蒸気上流側の領域に位置するように配
設される。または、後続翼の翼先端部の翼断面３ｘの翼
前縁と先行翼の動翼の翼部３の腹面との間を結ぶ最短の
直線より動翼の回転方向側に位置するように配設する。

【００５５】このような構造であれば、接触面５が平面
でなくても、図２，図４及び図６に示した本発明の一実
施例と同様な効果が得られる。また、接触面５が曲面で
あることは、平面に比べて点接触に近い状態となり、互
いのシュラウド１，２が接触する度合いが緩く、ルース
度が増したことになるため、翼構造の振動減衰が高めら
れる付加効果がある。

【００５６】ここで、本発明の解決するエロージョン浸
食やフレッティング磨耗に関して、以下に説明する。

【００５７】はじめに、図９を用いてエロージョン現象
について説明する。図中、１１ａ〜１１ｄは静翼、１２
ａ〜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１３
ａ〜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Ｗ
ｓ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１２
ａ〜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。

【００５８】例えば、図２等に示すように、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３ｘ側方向に延長し、翼部の背側にある（特
に翼背側シュラウド部で翼先端の翼断面３ｘの翼前縁４
２より下流側）凹状の切り欠き部で生じる。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。

【００５９】本発明の実施例であるタービン動翼のシュ
ラウド部は、特開平4−5402 号公報の図３に記載の従来
のシュラウドに記載のように、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。よって図５に示したように水膜流１５の影
響を受けるおそれを抑制できる。また、前記凹状の切り
欠き部は、先に述べた図９の動翼背側部１８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、本発明ではかかる恐れはない。

【００６０】また、本発明の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３ｘ付近のシュラウドの付け根部分の翼背側部１９
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。

【００６１】さらに、同図９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
磨耗の危険性が増すことになる。

【００６２】一方、本発明の実施例であるタービン動翼
では、前記に述べたシュラウド１，２の構成をとること
により図４の実施例にて詳細に説明したように前記フレ
ッティング磨耗の危険性を抑制できる。

【００６３】次に、本発明の他の実施例を図８を用いて
説明する。

【００６４】蒸気供給部１２１と、その蒸気供給部１２
１から蒸気が供給されるタービン室１２９，該タービン
室１２９にはローターシャフト１２４及び該シャフト１
２４の周囲には、動翼１２６と静翼１２５からなる段落
を複数個備え、前記タービン室１２９を経た蒸気が排出
される排出部１２８を有している。

【００６５】ローターシャフト１２４は発電器１２７に
連結されている。蒸気は蒸気コントロールバルブ１２２
を通って蒸気供給部１２１より高圧蒸気を供給する。蒸
気は蒸気供給部から翼が設置されたタービン室１２９に
流入し、低圧側の最下流側の動翼を経て排出部１２８へ
と排出される。該排出部は、例えば、復水器に接続され
る。１２３はタービン室の周囲をカバーするケーシング
を示す。図ではシングルフローの蒸気タービンについて
示したが、ダブルフロータイプであっても適応できる。

【００６６】図中の蒸気タービン動翼は、以上説明した
本発明を取り入れた構造のいずれかを、少なくともひと
つ以上の段落で用いる。これにより、蒸気タービン全体
の信頼性に優れた蒸気タービンを提供できる。

【００６７】例えば、前記動翼を、最終段に配設でき
る。

【００６８】これにより、蒸気の湿り具合が大きく、遠
心力によるねじり戻りが大きい最終段の動翼において、
応力集中やエロージョン腐食、或いは更にフラッティン
グ磨耗を抑制できる。

【００６９】また、前記動翼を最終段より上流側の段落
に配設できる。

【００７０】これにより、例えば、蒸気雰囲気や遠心力
によるねじり戻りにより、応力集中やエロージョンの影
響或いは更にフラッティング磨耗等の影響を受けやすい
段落についてかかる恐れの少ない図２，図４、或いは図
６に示した動翼のシュラウド形状を選択できるので、安
定した強度の動翼を有する蒸気タービンを提供できる。

【００７１】また、図２，図４、或いは図６のシュラウ
ドを備えた動翼を翼部３の長さが２０から３０インチの
範囲のいずれかの段落の動翼に配設することができる。

【００７２】これにより、蒸気雰囲気や遠心力によるね
じり戻りにより、応力集中やエロージョンの影響或いは
更にフラッティング磨耗の影響を受けやすいと思われる
翼部長さを有する段落の動翼に、かかる恐れの少ないシ
ュラウド形状を有する動翼を選択して配置し、強度的に
安定した動翼を有する蒸気タービンを提供できる。

【００７３】例えば、３００から４００（ＭＷ）程度の
蒸気タービンで、蒸気条件，遠心力によるねじり戻りの
程度を考慮して、応力集中及びエロージョン、或いは更
にフラッティング磨耗を抑制すべく、低圧側から２段目
の２０.９ インチの動翼に適応できる。

【００７４】次に、本発明の他の実施例を図１１を用い
て説明する。図１１は、ガスタービン７１，燃焼器７
２，圧縮機７３，排気熱回収ボイラ７４，蒸気タービン
７５，発電機７６からなるコンバインドサイクルプラン
トを示す。

【００７５】本発明は、コンバインドサイクルで、前記
蒸気タービン７５は、図８のように動翼１２６並びに静
翼１１５からなる段落を複数個備え、前記動翼は、図
１，図３のように翼部３の断面形状が根元から先端に向
かってねじれているように形成されており、前記翼部の
先端に一体に形成されるシュラウドを備えたねじれ翼で
あって、図２のように後続翼の翼背側のシュラウド部１
ａと隣り合う先行翼の翼腹側のシュラウド部２ｂとの接
触面５を含む平面１０が、該後続翼の翼先端４２の翼キ
ャンバ線３ｅを翼前縁方向に延長した線４６と交わり、
且つ前記平面１０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とのなす角度が鈍角となる
ように前記接触面５が配設されている動翼を備えてい
る。

【００７６】これにより、コンバインドプラントの長寿
命化を図ることができ、安定した信頼性の高いコンバイ
ンドプラントを提供できる。

【００７７】発電設備を備えている場合には電力の安定
供給を維持できる。

【００７８】

【発明の効果】第１番目の発明によれば、応力集中を緩
和し、エロージョンによる浸食現象を抑制したタービン
動翼を備え、信頼性の高い蒸気タービンを提供できると
いう効果を有する。

【００７９】また、第２番目の発明によれば、応力集中
を緩和し、エロージョンによる浸食現象を抑制し、さら
に水分によるフレッティング磨耗の影響を緩和したター
ビン動翼を備えた、信頼性の高い蒸気タービンを提供で
きるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の蒸気タービン動翼の全体構
成図。

【図２】本発明の一実施例の蒸気タービン動翼のシュラ
ウド構成図。

【図３】本発明の一実施例の蒸気タービン動翼の組立
図。

【図４】本発明の一実施例の蒸気タービン動翼のシュラ
ウド構成図。

【図５】蒸気タービン動翼の水膜流模式図。

【図６】本発明の一実施例の蒸気タービン動翼のシュラ
ウド構成図。

【図７】本発明の一実施例の蒸気タービン動翼のシュラ
ウド構成図。

【図８】本発明の一実施例の蒸気タービン構成図。

【図９】タービン段落のエロージョン発生の説明図。

【図１０】翼先端部の蒸気の上流及び下流に関する説明
図。

【図１１】本発明の一実施例のコンバインドサイクルプ
ラント構成図。

【図１２】動翼のシュラウドに関する説明図。

【符号の説明】

１…後続翼のシュラウド、１ａ，２ａ…翼背側シュラウ
ド部、２…先行翼のシュラウド、１ｂ，２ｂ…翼腹側シ
ュラウド部、３…翼部、３ｅ…後続翼の翼キャンバ線、
３ｘ…後続翼の翼先端部の翼断面、３ｙ…先行翼の翼先
端部の翼断面、４…タービンロータのディスク外周部、
５…接触面、８…翼先端近傍部、９…ねじり戻り方向、
１０…接触面を含む平面、１１ａ〜１１ｄ…静翼、１２
ａ〜１２ｄ…動翼、１３ａ〜１３ｃ…蒸気流、１４…水
滴、１５…水膜流、１６…飛散水滴、１７…静翼後縁、
１８…動翼背側部、２１…直線、２４…蒸気流れ、４２
…後続翼の翼前縁、４３…垂線、４４…タービン動翼の
回転方向、６３…翼根元部、６５…ピン、６６…タービ
ン外周側から見る方向、７１…ガスタービン、７２…燃
焼器、７３…圧縮機、７４…排気熱回収ボイラ、７５…
蒸気タービン、７６…発電機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池内 和雄 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 片寄 益己 東京都中央区日本橋本町３丁目５番11号 三和工機株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タービンロータ軸の円周方向に沿って複数
   個配設され、蒸気により駆動する動翼を備えた蒸気ター
   ビンにおいて、 前記動翼は、翼部の断面形状が根元から先端に向かって
   ねじれているように形成されており、前記翼部の先端に
   一体に形成されるシュラウドを備えたねじれ翼であっ
   て、 一方の動翼の翼背側のシュラウド部と隣り合う他方の動
   翼の翼腹側のシュラウド部との接触面を含む平面が、該
   一方の動翼の翼先端部の翼断面の翼キャンバ線を翼前縁
   方向に延長した線と交わり、且つ前記平面と前記一方の
   動翼の翼背側のシュラウド部の蒸気上流側の端面とがな
   す角度が鈍角となるように前記接触面が配設されている
   ことを特徴とする蒸気タービン。
2. 【請求項２】タービンロータ軸の円周方向に沿って複数
   個配設され、蒸気により駆動する動翼を備えた蒸気ター
   ビンにおいて、 前記動翼は、翼部の断面形状が根元から先端に向かって
   ねじれているように形成されており、前記翼部の先端に
   一体に形成されるシュラウドを備えたねじれ翼であっ
   て、 一方の動翼の翼背側のシュラウド部と隣接する他方の動
   翼の翼腹側のシュラウド部との間に形成される相互の接
   触面が、前記一方の動翼の翼先端部の翼断面の翼前縁よ
   り蒸気上流側の領域に位置するように配設されているこ
   とを特徴とする蒸気タービン。
3. 【請求項３】タービンロータ軸の円周方向に沿って複数
   個配設され、蒸気により駆動する動翼を備えた蒸気ター
   ビンにおいて、 前記動翼は、翼部の断面形状が根元から先端に向かって
   ねじれているように形成されており、前記翼部の先端に
   一体に形成されるシュラウド部を備えたねじれ翼であっ
   て、 前記動翼の外周側から見て、一方の動翼の翼背側のシュ
   ラウド部と隣接する他方の動翼の翼腹側のシュラウド部
   とが相互に接触する接触面が、該一方の動翼の翼先端部
   の翼断面の翼前縁と該他方の動翼の腹面との間を結ぶ最
   短の直線より動翼の回転方向側に位置するように配設さ
   れていることを特徴とする蒸気タービン。
4. 【請求項４】請求項１の蒸気タービンにおいて、 前記動翼の外周方向から見て、前記接触面を含む前記一
   方の動翼の翼背側のシュラウド部のうち隣接する他方の
   動翼の翼背側のシュラウド部と対向する面は動翼の回転
   方向に対して略凸状部を形成し、 同じく前記接触面を含む前記他方の動翼の翼腹側のシュ
   ラウド部のうち隣接する一方の動翼の翼背側のシュラウ
   ド部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、 前記動翼の各シュラウド部は、前記接触面より翼後縁側
   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
   形成するようにしたことを特徴とする蒸気タービン。
5. 【請求項５】請求項３の蒸気タービンにおいて、前記シ
   ュラウド部の接触面は曲面から形成されることを特徴と
   する蒸気タービン。
6. 【請求項６】請求項１の蒸気タービンにおいて、 前記動翼が最終段に配設されたことを特徴とする蒸気タ
   ービン。
7. 【請求項７】請求項１の蒸気タービンにおいて、 前記動翼が最終段より上流側の段落に配設されたことを
   特徴とする蒸気タービン。
8. 【請求項８】請求項１の蒸気タービンにおいて、 前記動翼の翼部の長さが２０から３０インチの範囲のい
   ずれかの段落に配設されたことを特徴とする蒸気タービ
   ン。
9. 【請求項９】ガスタービン，ガスタービンからの排ガス
   を熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイラ，該排熱回
   収ボイラで発生した蒸気により駆動する蒸気タービンと
   を有するコンバインドサイクルにおいて、 前記蒸気タービンは、動翼並びに静翼からなる段落を複
   数個備え、 前記動翼は、翼部の断面形状が根元から先端に向かって
   ねじれているように形成されており、前記翼部の先端に
   一体に形成されるシュラウドを備えたねじれ翼であっ
   て、 一方の動翼の翼背側のシュラウド部と隣り合う他方の動
   翼の翼腹側のシュラウド部との接触面を含む平面が、該
   一方の動翼の翼先端部の翼断面の翼キャンバ線を翼前縁
   方向に延長した線と交わり、且つ前記平面と前記一方の
   動翼の翼背側のシュラウド部の蒸気上流側の端面とがな
   す角度が鈍角となるように前記接触面が配設されている
   動翼を備えていることを特徴とするコンバインドサイク
   ル。