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JP4765882B2 - 蒸気タービン動翼 - Google Patents
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JP4765882B2 - 蒸気タービン動翼 - Google Patents

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Description

本発明は、翼部の先端に形成されたカバーによって連結する蒸気タービン動翼に関するものである。
近年、蒸気タービンの高効率化と大容量化の実現のために、蒸気タービンの低圧最終段では、長翼化が要求されている。長翼化に伴って、カバーに要求される仕様が厳しくなる傾向にある。
まず、長翼化に伴って、翼部(以下、「プロファイル」と呼称する場合がある)のねじれ量が増加することにより、プロファイルのキャンバ線と周方向とのなす角度12が小さくなる傾向にある。
この角度が小さくなると、カバーのひさしを形成する領域が狭くなるため、十分な接触長さや剛性を確保することが困難になるという問題が生じる。
また、長翼化に伴って、遠心力による変形量が増加することにより、カバーギャップのばらつきが増加し、カバーギャップの大きな部分も増加する傾向にある。カバーギャップが大きくなると、接触長さが短くなり、振動特性が悪化するという問題が生じ、最悪の場合には、カバーの連結が外れてしまうことも考えられる。
なお、特許文献1に記載の技術は、水分のトラッピングポッケトを実質的に排除することにより、水分の集積を防止するため、翼形部の前縁に半径方向の段部を形成しているものである。
特開2006−009801号公報
近年の蒸気タービン動翼の長翼化に伴って、カバーに要求される仕様が、今後、益々、厳しくなる。
従来の技術では、こうした蒸気タービン動翼の長翼化に伴って生じる課題に対しては、必ずしも十分であったとはいえないと考えた。
そこで、本発明は、こうした蒸気タービン動翼の長翼化に伴って生じる、代表的な課題である剛性と振動特性とに関して検討するものであり、剛性の減少を防止し、振動特性の悪化を防ぐものである。
本発明の目的は、これらの課題を克服した蒸気タービン動翼を提供するものである。
本発明の蒸気タービン動翼は、翼部と、翼部と一体に形成され翼部の先端に形成されたカバーと、を有し、隣接する翼部の前縁部のカバーと翼部の後縁部のカバーとが回転時のねじり戻り力により接触連結するものである。
そして、翼部の後縁部のカバーであって、半径方向に段差部を設け、段差部の高さがカバー厚みより大きいことを特徴とする。
また、翼部の後縁部のカバーに形成された段差部に、隣接する翼部の前縁部の背側に張り出したひさしを位置させることが好ましい。
また、隣接するカバーとカバーとが接触する接触面が形成する接触線と、隣接するカバーとカバーとが連結する方向である周方向線と、のなす角度が、30°〜50°であることが好ましい。
また、翼部の前縁部のカバーの先端部とこの翼部のキャンバ線との交点をP、隣接する翼部の後縁部の翼部の先端部とこの翼部のキャンバ線との交点をQ、とし、PとQとを通る直線と前記接触線との交点をRとするとき、線分の距離比PR/PQが0.6〜0.8であることが好ましい。
また、翼部が、48インチ以上、更には52インチ以上の長さを有することが好ましい。
また、翼部が、低圧蒸気タービンの最終段に用いられることが好ましい。
さらに、本発明の蒸気タービン動翼は、翼部と、翼部に形成され前記翼部の先端に形成されたカバーと、を有し、隣接するカバーとカバーとが回転時のねじり戻り力により接触し、隣接するカバーとカバーとが接触する接触面が形成する接触線と、隣接するカバーとカバーとが連結する方向である周方向線と、のなす角度が、30°〜50°であり、翼部に対する蒸気の出口側に配置されたカバーの半径方向に段差部を設け、段差部の高さが前記カバー厚みより大きいことを特徴とする。
また、こうした蒸気タービン動翼において、翼部に対する蒸気の出口側に配置されたカバーに形成された段差部に、隣接する前記翼部に対する蒸気の入口側の背側に張り出したひさしを位置させることが好ましい。
本発明によって、こうした蒸気タービン動翼の長翼化に伴って生じる剛性の減少を防止し、振動特性の悪化を防ぐことができる。
まず、図2(a)〜(c)を用いて、比較例の蒸気タービン動翼のカバー構造を説明する。
図2(a)において、カバー2には、動翼の先端のプロファイル3の形状に対して、背側と腹側とに張り出したひさし6が形成されている。
回転時の遠心力によるねじり戻り力7により、隣接する動翼の背側のひさし6aと腹側のひさし6bとの接触面8が接触連結する構造である。
また、プロファイル3のキャンバ線11と周方向13とのなす角度が12である。
隣接する動翼の接触面8の間隔は、図2(b)に示すように、法線方向にカバーギャップ9が設けられており、適切なギャップ量を定めることにより、回転時に必要なカバーの接触力を確保している。
また、適切なギャップ量を定めることにより、図2(c)に示すように、回転時に接触する接触長さ10を確保している。また、16は、接触端である。
ここで、蒸気タービン動翼の長翼化に伴って、例えば、52インチ以上の動翼においては、翼部のねじれ量が増加することにより、プロファイル3のキャンバ線11と周方向
13とのなす角度12が小さくなる傾向にある。この角度12が小さくなると、カバー2のひさし6を形成する領域が狭くなるため、十分な接触長さ10や剛性を確保することが困難になるという問題が生じる。
また、遠心力による変形量が増加することにより、カバーギャップ9のばらつきが増加し、カバーギャップ9の大きな部分も増加する傾向にある。カバーギャップ9が大きくなると、接触長さ10が短くなり、振動特性が悪化するという問題が生じる。つまり、カバーギャップ9が大きな部分が形成されても、回転時に十分な接触長さ10を確保して、回転方向5における全周連結を維持する必要がある。
接触面8のフレッティング疲労強度や摩耗強度を高めるために、カバー2の厚みや剛性を増加して対応することも考えられるが、カバー2の厚みの増加に伴い、動翼の遠心力が増加し、長翼化に伴う限界強度設計では、許容できるカバー2の厚みに限界があった。
また、蒸気タービン動翼には、遠心力に加えて振動力が作用する。近年の高出力化に伴って、蒸気タービン動翼に作用する振動力が増加する傾向があるため、カバー2は振動力に対して十分な強度裕度を有していなければならない。カバー2の接触面8では、遠心力による面圧が作用した条件で、振動による微小な変動応力が作用するため、接触端16におけるフレッティング疲労や摩耗が懸念される。
このように高出力化に伴って、カバー2に作用する振動力が増加する傾向にあるため、振動力によるカバー2の接触端16のフレッティング疲労強度と摩耗強度とを高める必要がある。更に、想定以上の振動力が作用した場合には、カバー2の接触面8で全面すべりを発生させて、十分なダンピング効果を付与させた構造が必要となる。
また、蒸気タービン動翼の蒸気入口側の蒸気流入方向4では、長翼化に伴い、エロージョン量が増加することが想定されるため、エロージョンに対する高サイクル疲労強度を確保する必要がある。
本実施形態では、蒸気タービン動翼の低圧最終段動翼の長翼化と高出力化とに伴って生じるこうした技術課題を解決した蒸気タービン動翼を、以下、実施例として紹介する。
図1を用いて、実施例を説明する。
図1(a)に示すように、蒸気タービン動翼(以下「動翼」と呼称する)100の先端には、翼部1と一体に形成されたカバー2が備えられている。
動翼100の根元部は、動翼100をロータシャフトに植え込むための植込部101が形成され、また、翼部1の中央部には、周方向に複数の動翼を連結するための連結部材であるタイボス102が形成されている。
なお、動翼100は、蒸気流入方向4より、蒸気が流入することにより、回転方向5の方向に回転する。
図1(b)は、動翼100のカバー2を半径方向の外周から見た図である。
動翼100の先端には、カバー2が、翼部1と一体に形成されている。図1(b)は、回転時の状態を示しており、回転時には、図1(b)に示すように、ねじり戻り力7が作用する。これにより、隣り合う動翼100のカバー2が、接触面8で連結する。
なお、隣接する動翼の背側のひさし6aと腹側のひさし6bとは、接触面8が接触連結する構造である。
また、図1(c)は図1(b)の連結部Aの拡大図であり、図1(c)に示すように、接触面8の蒸気流入側は、応力集中を低下させるために滑らかな曲率半径14により連結されている。
また、図1(d)は図1(c)のB方向から見た斜視図である。
蒸気入口側である蒸気流入方向4に対して蒸気出口側に位置する動翼の先端に段差部
20を設けている点が、本実施例の特徴である。段差部20の高さ21は、カバー厚み
22より大きく形成されている。
つまり、このような動翼100は、翼部1と、翼部1と一体に形成され翼部1の先端に形成されたカバー2とを有し、隣接する翼部1の前縁部のカバー2と翼部1の後縁部のカバー2とが回転時のねじり戻り力7により接触連結され、翼部1の後縁部のカバー2であって、半径方向に段差部20を設けている。そして、段差部20の高さがカバー2の厚みより大きい。
そして、段差部20の段差面の半径方向の外周側に、隣接する動翼100のカバー2の背側のひさし6aが配置されている。つまり、翼部1の後縁部のカバー2に形成された段差部20に、隣接する翼部1の前縁部の背側に張り出したひさし6aが位置する。
本実施例で示す構造を採用することにより、蒸気出口側に段差部を設けていない構造と比較して、回転時の接触長さ10(図1(c)参照)を大きく確保することができ、長翼化、例えば、52インチ以上の動翼100においては、カバー2のカバーギャップ9(図2(b)参照)が増加しても、周方向である回転方向5の全周連結の確保を容易にすることができる。
段差部20の段差面と接触面8との間には、応力集中を低減するために、曲率半径24を設けて滑らかに連結している。
また、図1(c)に示すように、半径方向の外周側から見たカバー2の平面内においても、接触面8と動翼の先端部(蒸気出口側)のプロファイル3を滑らかに結ぶように曲率半径23が設けられている。
本実施例では、カバー2の接触面8と周方向13である周方向線とのなす角度θを45°に形成している。
この角度θは、カバー2の形状を設計する上で重要な指標であり、接触面におけるフレッティング疲労強度や摩耗強度,接触面8のすべり発生によるダンピング効果を考慮して、決定しなければならない。
長翼化や高出力化に対応した低圧最終段動翼のカバーの角度θとしては、30°〜50°であることが望ましい。つまり、隣接するカバー2とカバー2とが接触する接触面8が形成する接触線と、隣接するカバー2とカバー2とが連結する方向である周方向13の周方向線と、のなす角度が、30°〜50°である。
この角度θと接触面8との間で全面すべりが発生する振動力、および、接触端16(図2(c)参照)の局所応力の関係を以下の条件で算出した。
荷重条件として、遠心力によるねじり戻り力7を負荷した後、周方向13に交番荷重として振動力を負荷して、角度θと接触面8とおける振動力、および、接触端16における局所応力を算出した。なお、遠心力によるねじり戻り力7は、動翼100の体格に支配されると考え、カバー2における角度θによらず一定とみなして算出した。
低圧最終段動翼では、最も低次の振動モードによる振動力は、周方向13が支配的であることを考慮して、ここでは周方向13の振動力に対して評価を行った。
接触面8におけるすべりが発生する振動力(すべり発生荷重比)と角度θ(接触面角度θ)との関係を図3に示す。
図3は、角度θが45°のときの振動力を1として、縦軸を規格化して表記している。
図3に示すように、角度θが小さくなると、接触面8にすべりが発生する振動力が低下する傾向がある。すべりが発生する振動力が小さくなりすぎると、低い振動力で接触面8にすべりが生じて、接触面8における摩耗の進行速度が著しく速くなる可能性がある。
一方、角度θが大きくなると、すべりが発生する振動力が増加し、角度θが約50°付近から急激に増加する傾向がある。すべりが発生する振動力が大きくなりすぎると、動翼100に想定以上の振動力が作用した場合には、接触面8でのすべり発生が困難になり、十分なダンピング効果が得られない可能性が生じる。
すなわち、カバー2には、通常運転時の小さい振動力に対しては、接触面8ですべりを発生させず、一方、想定以上の大きな振動力が作用した場合には、接触面8ですべりを発生させて、ダンピングによる減衰効果を確保することが要求される。これらの特性を満足するためには、角度θとして30°〜50°であるのが望ましい。
次に、接触端16における局所部の振動応力(局所応力比)と角度θ(接触面角度θ)との関係を図4に示す。
図4に示すように、角度θが増加するほど局所応力が低減して、接触端16におけるフレッティング疲労強度が向上する傾向がある。十分なフレッティング疲労強度を確保するためには、角度θを30°以上とすることが望ましい。
前述したように、長翼化に伴って、プロファイル3のキャンバ線11と周方向13とのなす角度12が小さくなり、カバーひさし6を形成する領域が狭くなるため、十分な接触長さ10や剛性を確保するのが困難になる問題がある。
角度θが小さい場合(30°より小さい場合)や、大きい場合(50°より大きい場合)には、それぞれ図5(a),図5(b)に示すような形状を採用することにより、蒸気出口側に段差部20を設けた構造を採用しなくても、十分な接触長さ10を確保することが可能となる。
角度θが大きい場合(50°より大きい場合)には、図5(b)に示すように、プロファイル3の蒸気出口端17からひさしを確保することにより、接触長さ10を大きく確保することができる。
しかし、接触端16でのフレッティング疲労やダンピング効果を考慮して、角度θを
30°〜50°とする場合には、本実施例で示す構造のように蒸気出口側に段差部20を設けない場合には、図5(c)に示すように、十分な接触長さ10を確保することが困難になる傾向にある。
この傾向は、動翼100が長翼化して、プロファイル3のキャンバ線11と周方向13とのなす角度12が小さくなるほど顕著であり、特に、3600rpm 仕様の45インチ以上の長翼になると、本実施例で示す構造の採用が不可欠となる。
なお、角度θが大きい場合(図5(b)参照)にならって、プロファイル3の蒸気出口端17からひさしを確保した場合には、図5(d)に示すように、接触長さ10を大きく確保することができるが、プロファイル3の蒸気入口端からひさし付け根19までの距離18が増加して、ひさし付け根19の応力集中が増加するという問題が生じるため、現実的ではない。
したがって、長翼化や高出力化に対応した低圧最終段動翼(低圧蒸気タービンの最終段動翼)のカバーの角度θとしては、30°〜50°とし、段差部20を形成することが望ましい。
また、図1(c)に示すように、翼部1におけるプロファイル3の蒸気入口側の先端とキャンバ線11との交点をP、隣接する翼部1におけるプロファイル3の蒸気出口側の先端とキャンバ線11との交点をQとし、PとQとを結ぶ直線と接触面8との交点をRとした場合、本実施例では、線分比PR/PQが0.7 になるように形成されている。
線分比PR/PQは、比較例の構造では約0.5 であったが、本実施例で示す構造のように、角度θを45°とし、蒸気出口側に段差部20を設けた構造では、線分比PR/
PQは0.6〜0.8にあることが望ましい。
線分比PR/PQの適切な値を評価するために、角度θを45°に固定した条件で、種々のPR/PQの値に対して解析を行った結果について図6を用いて説明する。線分比
PR/PQを決定するにあたり、以下に示す3点を考慮しなければならない。
第1は、蒸気出口側に設けた段差部20において、キャンバ線11と接触面8の延長線との交点Tにおける振動応力である。
線分比PR/PQとT点の局所応力(交点Tにおける振動応力)との関係を示した図6(e)に示すように、線分比PR/PQを小さくするほど、位置Tにおける局所応力が増加する傾向にある。これは、線分比PR/PQが小さくなるほど段差部20の切欠き深さ15が増加することが理由である。位置Tにおける局所応力の増加を抑制するために、線分比PR/PQは0.6以上であることが望ましい。
第2は、カバー2の下に位置するプロファイル3の振動応力である。カバー2の接触面8の延長線とプロファイル3の延長線との交点をS0とすると、図6(b)に示すように、S0から半径方向の内周側に引いた直線上のカバー2が形成される根元近傍のS点で、高い振動応力が発生する。
S点の振動応力は、線分比PR/PQとS点の振動応力との関係を示した図6(d)に示すように、線分比PR/PQが増加するほど、振動応力が増加するため、線分比PR/PQは0.8以下であることが望ましい。
第3は、高い振動応力が発生するS点でのエロージョン量である。S点では、動翼100の後縁端から飛散する水滴によるエロージョン量が大きくなることが想定される。
エロージョン底を基点とした動翼100の振動による高サイクル疲労を防止するためには、エロージョン想定部とカバー2に形成されるひさし6の根元位置とをずらす必要がある。線分比PR/PQとS点の相対エロージョン深さとの関係を図6(c)に示す。
縦軸は、蒸気入口側の端部(PR/PQが0のとき)のエロージョン量を1として、規格化して表記している。
長翼化に伴って、動翼の先端部の周速が増加するため、大きなエロージョンを受ける領域が増加する傾向にある。大きなエロージョン量が想定される領域と高い振動応力が発生するS点との位置をずらすためには、PR/PQを0.6以上とすることが望ましい。
したがって、翼部1の前縁部のカバー2の先端部とこの翼部1のキャンバ線11との交点をP、隣接する翼部1の後縁部の翼部1の先端部とこの翼部1のキャンバ線11との交点をQ、とし、PとQとを通る直線と接触線との交点をRとするとき、線分の距離比(線分比)PR/PQが0.6〜0.8であることが好ましいことがわかる。
このように蒸気タービン動翼の先端の蒸気出口側に半径方向に段差部を設けて、その段差部の段差面の半径方向の外周側に隣接する動翼のカバーひさしを配置することにより、カバーの接触長さを大きく確保することができ、長翼化することにより想定されるカバーギャップのばらつきが増加しても、全周連結の確保を容易にすることができる。
また、特に、カバー接触面と周方向とのなす角度を30°〜50°とすることにより、接触端におけるフレッティング疲労強度と摩耗強度とを高め、かつ、過大な振動力が作用した場合にも、カバー接触面で全面すべりを発生させて、ダンピング効果を高めることができる。
さらに、動翼の蒸気入口側の翼先端とキャンバ線との交点をP、隣接する動翼の蒸気出口側の翼先端とキャンバ線との交点をQ、P点とQ点を通る直線と接触面との交点をRとしたとき、線分の距離比PR/PQを0.6〜0.8とすることにより、蒸気出口側の段差部における応力集中を低減し、さらに、高い振動応力が発生する位置とエロージョン想定部の位置とをずらすことにより、高サイクル疲労強度を高める効果が得られる。
本発明は、翼部の先端に形成されたカバーによって連結する蒸気タービン動翼に関するものであり、こうした蒸気タービン動翼を用いた蒸気タービン、更には蒸気タービンプラントに利用できる。
本発明の実施例を示した図である。(a)は蒸気タービン動翼の鳥瞰図、 (b)は半径方向の外周側から見た平面図、(c)は(b)におけるA部の詳細図、(d)は(c)におけるB方向から見た矢視図。 本発明の比較例を示した図である。(a)は半径方向の外周側から見た平面図、(b)は(a)におけるB部の詳細図で組立時の状態を示した図、(c)は(a)におけるB部の詳細図で回転時の状態を示した図。 接触面角度とすべり発生荷重比との関係を示した説明図。 接触面角度と局所応力比との関係を示した説明図。 種々のカバーが接触する角度θに対して、翼先端プロファイル形状を固定した条件で、カバー形状とカバー接触長さとの関係を説明した図。(a)はθが小さい場合(θが30°より小さい)、(b)はθが大きい場合(θが50°より大きい)、(c)はθが本実施例の接触角である30°〜50°の場合、(d)はθが30°〜50°の条件で、(b)と同様に蒸気出口端からカバーひさしを形成した場合。 線分比PR/PQと種々の考慮すべき評価項目との関係を示した説明図。 (a)は算出にあたっての各部の定義を示した図、(b)は高い振動応力が発生する位置を示した鳥瞰図、(c)は線分比PR/PQとS点の相対エロージョン深さとの関係を示した図、(d)は線分比PR/PQとS点の振動応力との関係を示した図、(e)は線分比PR/PQとT点の局所応力との関係を示した図。
符号の説明
1 翼部
2 カバー
3 翼先端プロファイル形状(プロファイル)
4 蒸気流入方向
5 回転方向
6 カバーひさし(ひさし)
6a 翼背側のひさし
6b 翼腹側のひさし
7 遠心力によるねじり戻り力
8 カバー接触面(接触面)
9 カバーギャップ(法線方向のカバーギャップ)
10 接触長さ
11 キャンバ線(翼先端プロファイルのキャンバ線)
12 翼先端プロファイルのキャンバ線と周方向とのなす角度
13 周方向
14 接触面と翼先端プロファイル外形線とを結ぶ曲率半径
15 蒸気出口側に設けた段差部における蒸気出口端と接触面との間の距離
16 カバー接触面の接触端
17 翼先端プロファイルの蒸気出口端
18 翼先端プロファイルの蒸気入口端とカバーひさし付け根までの距離
19 カバーひさし付け根
20 カバー段差部
21 カバー段差部の高さ
22 カバー厚み
23 接触面と翼先端プロファイル外径線とを結ぶ曲率半径
24 接触面と段差面とを結ぶ曲率半径


Claims (6)

  1. 翼部と、前記翼部と一体に形成され前記翼部の先端に形成されたカバーと、を有し、前記翼部の後縁部の腹側に張り出したカバーひさしと隣接する翼部の前縁部の背側に張り出したカバーひさしとが回転時のねじり戻り力により接触連結し、前記前縁部の背側に張り出したカバーひさしの接触面が前記前縁部より下流側にある蒸気タービン動翼において、 前記翼部の後縁部のカバーであって、半径方向に段差部を設け、前記段差部の高さが前記翼部の後縁部のカバー厚みより大きく、
    前記翼部の後縁部のカバーに形成された段差部に、前記隣接する翼部の前縁部の背側に張り出したカバーひさしが位置することを特徴とする蒸気タービン動翼。
  2. 隣接するカバーとカバーとが接触する接触面が形成する接触線と、隣接するカバーとカバーとが連結する方向である周方向線と、のなす角度が、30°〜50°であることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン動翼。
  3. 翼部の前縁部のカバーの先端部とこの翼部のキャンバ線との交点をP、隣接する翼部の後縁部の翼部の先端部とこの翼部のキャンバ線との交点をQ、とし、PとQとを通る直線と前記接触線との交点をRとするとき、
    線分の距離比PR/PQが0.6〜0.8であることを特徴とする請求項2に記載の蒸気タービン動翼。
  4. 前記翼部が、48インチ以上の長さを有することを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン動翼。
  5. 前記翼部が、低圧蒸気タービンの最終段に用いられることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン動翼。
  6. 翼部と、前記翼部に一体に形成され前記翼部の先端に形成されたカバーと、を有し、前記翼部に対する蒸気の出口側の腹側に張り出したカバーひさしと隣接する翼部に対する蒸気入口側の背側に張り出したカバーひさしとが回転時のねじり戻り力により接触し、前記カバーと前記隣接する翼部のカバーとが接触する接触面が形成する接触線と、前記カバーと隣接する翼部のカバーとが連結する方向である周方向線と、のなす角度が、30°〜50°であり、前記前縁部の背側に張り出したカバーひさしの接触面が前記前縁部より下流側にある蒸気タービン動翼であって、
    前記翼部に対する蒸気の出口側に配置されたカバーの半径方向に段差部を設け、前記段差部の高さが前記カバー厚みより大きく、
    前記段差部に、前記隣接する翼部に対する蒸気の入口側の背側に張り出したカバーひさしが位置することを特徴とする蒸気タービン動翼。
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