JP5064570B2 - 動翼のエロージョン防護シールド板 - Google Patents

Description

本発明は、翼形部と翼脚とを含み前記翼形部が翼の背側面と翼の腹側面および入口縁と出口縁を有する動翼に関する。

流体機械では、他の部分と共に動翼と静翼が利用されている。ここで流体機械とは水力タービン、蒸気タービン、ガスタービン、風力タービン、回転ポンプ、回転圧縮機およびプロペラを総称している。これらの全ての機械は、流体からエネルギを取り出して他の機械を駆動する目的あるいは逆に流体にエネルギを供給してその流体の圧力を高める目的のために用いられる点で共通している。

流体機械の実施形態としての蒸気タービンでは流体として蒸気が利用される。この流体は流れ媒体とも呼ばれる。その蒸気は、通常、高圧部分タービンに流入し、この入口蒸気は６２０℃までの温度と３２０バールまでの圧力を有している。その流れ媒体は高圧部分タービンの貫流後に中圧部分タービンおよび最終的に低圧部分タービンを貫流する。蒸気の温度および圧力はそれらの部分タービンで低下する。低圧部分タービンでの蒸気の膨張時、自然凝縮によって一次液滴とも呼ばれる非常に小さな霧滴が生ずることがある。かかる一次液滴は約０．２μｍの直径に成長する。この一次液滴は静翼と動翼に徐々に集まり、水膜形成の結果として約４００μｍまでの直径を有する二次液滴を形成する。もっと大きな水滴はタービンへの流入時にこれが再び飛散されるために安定しない。

この液滴はいわゆる液滴衝突エロージョンを生じさせ、即ち、動翼への液滴の衝突時に動翼材料に損耗を生じさせることがある。

低圧部分タービンの種々の運転点において、例えば部分負荷運転時に、翼出口縁の部分に局所的に負の軸方向速度が生ずることがある。そこでの蒸気の動きは蒸気中に含まれる水滴を翼装置に逆流させる。その水滴はこれが翼の背側面において翼形部における出口縁に大きな相対速度で衝突するような僅かな周速成分を有し、このためにそこにかなりのエロージョン損傷を生じさせる。これは翼装置に大きな損傷を生じさせる。

かかる損傷を防止するために、一方では、蒸気に含まれる水滴を相応した運転範囲にわたり最小にすることが知られている。また翼出口縁の厚肉化が考慮される。翼出口縁部位におけるより大きなエロージョン損傷時には研削処理を施すことも知られている。さらに、翼の耐久性を高めるために翼出口縁を硬化処理することが知られている。さらにまた、吸込み装置および的確な軸方向の隙間設計によって二次液滴の発生を防止することも知られている。

部分負荷運転時に生ずる局所的な負の軸方向速度を有する液滴による動翼の負荷を防止する簡単な方策を得ることが望まれる。

本発明の課題は、部分負荷運転時に動翼出口縁の部分において局所的な負の軸方向速度を有し動翼出口縁に衝突する液滴によりもたらされる動翼の損傷を防止するための簡単な方策を提供することにある。

この課題は、翼形部と翼脚とを含み前記翼形部が翼の背側面と翼の腹側面および入口縁と出口縁を有する動翼において、液滴エロージョンから防止するためのエロージョン防護シールド板が出口縁の前方に配置され、前記エロージョン防護シールド板が、前記動翼の出口縁に対して間隔を隔てられており、さらに、断面ダブテール状の脚を有し、動翼の翼脚が前記断面ダブテール状脚を受けるべく形成されていることによって解決される。

本発明によってロータと動翼のほかにもう１つの部品を採用することを提案する。この部品はエロージョン防護シールド板であり、部分負荷運転時に生ずる水滴が動翼出口縁に衝突せず、このエロージョン防護シールド板に衝突するように動翼出口縁の前方に配置されている。それにより、水滴ははじめから動翼に衝突することが阻止され、エロージョン防護シールド板に衝突して減速され、ないし、なくなるので、その水滴がもはや動翼出口縁に損傷を引き起こすことはない。

本発明に基づく処置によって、水滴による損傷を防止するための従来公知の処置は不要となる。特に本発明は既存の動翼に殆ど変更が必要とされないという利点を有する。動翼における唯一の変更はエロージョン防護シールド板の取付けないし配置を可能とすることだけにある。この場合、エロージョン防護シールド板は、部分負荷運転時に生じ動翼出口縁の部分で局所的な負の軸方向速度を有する水滴が動翼出口縁に衝突しないように配置されている。これにより損傷ははじめから防止される。

エロージョン防護シールド板は翼脚の出口縁に対して間隔を隔てて配置されている。このエロージョン防護シールド板の翼脚出口縁に対する間隔は、蒸気の流れがタービン段における膨張時に損失を被らないように選定される。

本発明の有利な実施態様において、エロージョン防護シールド板は翼形部の長手方向に沿って延びている。損傷は主に翼脚の近くで現れ翼の長手方向に拡がる。従って、翼形部長手方向に沿ったエロージョン防護シールド板の向きは、損傷がそれ以上に拡がるのを防止する。

有利な実施態様において、動翼は長さＬを有し、エロージョン防護シールド板は動翼の長さＬの１％〜１００％に相当する長さに選定されている。

有利な実施態様において、翼形部は弦長Ｓを有し、エロージョン防護シールド板は翼形部の弦長Ｓの５％〜７５％に相当する幅ｂを有している。エロージョン防護シールド板の大きさの適切な選定によって、流体機械の運転条件への精確な適合が可能となる。

有利な発展形態において、翼形部が翼の腹側面と翼の背側面とを有し、エロージョン防護シールド板が翼の背側面の手前に配置されている。大抵の損傷は翼形部の背側面に生ずることが分かっている。従って目的に適って、エロージョン防護シールド板を翼の背側面の前方に配置することを提案する。

有利な発展形態において、エロージョン防護シールド板は翼脚に摩擦結合で結合されている。また、エロージョン防護シールド板が翼脚に材料結合あるいは摩擦結合で結合されていることも目的に適っている。

摩擦結合は適切なバイアス（予圧）で発生される力を利用することによって生ずる。例えば摩擦結合の保持は純粋に摩擦力によって保証される。これに対してかみ合い結合は互いにかみ合う少なくとも２つの結合パートナーによって生ずる。そのかみ合いは種々の運転条件で生ずる力によって引き起こされる。材料結合は原子間力あるいは分子間力により結合される結合パートナーで特徴づけられる。

有利な実施態様において、エロージョン防護シールド板と動翼は一体部品として形成されている。この処置によって、エロージョン防護シールド板は比較的大きな結合力ないし保持力によってタービン翼に結合される。

他の有利な実施態様において、エロージョン防護シールド板は前縁と後縁とを有し、その後縁が動翼の出口縁を越えて突出している。これはエロージョン防護シールド板がより大きな領域を覆う機能を生じさせ、これにより、液滴が後続配置された動翼に衝突することが防止される。これによって、翼輪全体にわたるエロージョン防護シールド板の数が減少できる。従って、エロージョン防護シールド板の個数を減少することができ、これにより、流体機械をより安価に製造することができる。

有利な発展形態において、エロージョン防護シールド板は背側面と腹側面とを備えたタービン翼の形をしている。これによりエロージョン防護シールド板は、動翼が蒸気の熱エネルギを運動エネルギに変換するのと同じ働きをする。

好適には、エロージョン防護シールド板は例えばステライト合金（登録商標）、Ultimet超合金（登録商標）、α・チタン合金あるいはβ・チタン合金あるいは硬化鋼のような耐浸食性材料で形成されている。

エロージョン防護シールド板は有利に断面がダブテール状の脚を有し、翼脚がその断面ダブテール状脚を受けるために形成されている。これによって、エロージョン防護シールド板をタービン翼脚に取り付けるために、正に簡単で安価な方式が得られる。

他の有利な実施態様において、エロージョン防護シールド板は翼形部の長手方向を中心として湾曲して形成されている。これにより流れ媒体の流れ状態に応じて効率を向上させることができる。

以下図を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号が付されている。各図は概略的に示され、実寸通りではない。

タービン段の一部の斜視図。 タービン段の図１とは異なった方向から見た斜視図。 エロージョン防護シールド板付き動翼の側面図。 翼脚付き動翼の一部の斜視図。 エロージョン防護シールド板の側面図。

図１にはタービン段１の一部が斜視図で示されている。タービン段１はロータ３に図１には示されていない共通回転軸線を中心として配置された複数の動翼２を有している。これらの動翼２は運転中に３６００ｒｐｍまでの回転速度で回転する。動翼２は翼形部（羽根部）４と翼脚５とを有している。翼形部４は羽根形状をし、翼の背側面と図１では見えていない翼の腹側面７とを有している。また動翼２は図１では見えていない入口縁８と出口縁９を有している。翼脚５は断面ラバル（Lavall）形、鞍（Reiter=rider）形、プラグ形、ハンマ形、鋸歯形ないしクリスマスツリー形の脚でロータ３に保持されている。図１および図２にはクリスマスツリー形脚が例示されている。

動翼２における翼脚５にエロージョン防護シールド板１０が配置されている。このエロージョン防護シールド板１０は例えばステライト合金、Ultimet超合金、α・チタン合金あるいはβ・チタン合金あるいは硬化鋼のような耐食性材料で形成され、そのエロージョン防護シールド板１０は液滴エロージョンを防止するために出口縁９の前方に配置されている。

動翼２は長手方向１１に沿って延び、エロージョン防護シールド板１０もその長手方向１１に沿って延びている。この長手方向１１は図示されていない回転軸線に垂直に延びる半径方向と一致している。

エロージョン防護シールド板１０は動翼２の出口縁９に対して間隔ｄを隔てられている。この間隔ｄは、タービン段１に僅かな流れ損失しか生じないように選定されている。

動翼２は長さＬを有している。エロージョン防護シールド板１０は動翼２の長さＬの１％〜１００％の長さを有している。

翼形部４は弦長Ｓを有し、エロージョン防護シールド板１０は翼形部４の弦長Ｓの５％〜７５％に相当する幅ｂを有している。

エロージョン防護シールド板１０は翼脚５に摩擦結合で結合されている。そのために翼脚５は断面がダブテール状の溝１２を有し、この溝１２にエロージョン防護シールド板１０の断面ダブテール状脚１３がはめ込まれる。

異なった実施態様において、エロージョン防護シールド板１０は翼脚５に材料結合あるいはかみ合い結合で結合されている。

図１、図２および図４から理解できるように、エロージョン防護シールド板１０は翼形部４の翼の背側面６の前方に配置されている。エロージョン防護シールド板１０の断面がダブテール状の脚１３は直線状に形成されている。その断面ダブテール状脚１３は異なった実施態様において湾曲して形成することができるが、これは図４に示されていない。図４でエロージョン防護シールド板の受容部１２は、断面ダブテール状脚１３に対して直線状に形成され、動翼２の出口縁９において翼の背側面６に対してほぼ平行に延びている。

エロージョン防護シールド板１０と動翼２とは異なった実施態様において一体部品として形成されている。これは精密仕上げ鍛造、精密鋳造、精密切削加工が続くエンベロープ鍛造、フライス加工、浸食加工あるいは他の公知の方法で実施することができる。

図２に図１のタービン段１が異なった方向から見た斜視図で示されている。エロージョン防護シールド板１０は組立状態で示されている。

図３にタービン段１が側面図で示されている。エロージョン防護シールド板１０は前縁１４と後縁１５とを有している。このエロージョン防護シールド板１０はその後縁１５が動翼２の出口縁９を越えて突出するように翼脚５上に配置されている。

図５はエロージョン防護シールド板１０を側面図で示している。エロージョン防護シールド板１０は翼形部４の長手方向１１において断面が矩形状あるいは三角形状に形成されている。異なった実施態様において、エロージョン防護シールド板１０は背側面と腹側面とを備えたタービン翼の形をしているが、これは図５に示されていない。エロージョン防護シールド板１０は翼形部４の長手方向１１を中心として湾曲して形成され、これはエロージョン防護シールド板１０に湾曲した断面ダブテール状脚１３を生じさせ、この脚１３は湾曲した溝１２に配置される。

エロージョン防護シールド板１０の後縁１５は動翼２の出口縁９から距離ｌだけ突出している。

エロージョン防護シールド板１０は異なった実施態様においてロータ３に直接配置することができるが、これは図１〜図５に示されていない。

エロージョン防護シールド板１０は異なった実施態様において支持翼が備えられている。この支持翼はこれが翼形部に当接支持されるように形成されている。これによってエロージョン防護シールド板１０の利用範囲が高められる。その支持翼は図に示されていない。

２ 動翼
４ 翼形部（羽根部）
５ 翼脚
６ 翼形部の背側面
７ 翼形部の腹側面
８ 動翼の入口縁
９ 動翼の出口縁
１０ エロージョン防護シールド板
１１ 翼形部長手方向
１３ 断面ダブテール溝
１４ エロージョン防護シールド板の前縁
１５ エロージョン防護シールド板の後縁
Ｌ 動翼長さ
Ｓ 動翼２の弦長

Claims (15)

1. 翼形部（４）と翼脚（５）とを含み前記翼形部（４）が翼の背側面（６）と翼の腹側面（７）および入口縁（８）と出口縁（９）を有し、液滴エロージョンから防止するためのエロージョン防護シールド板（１０）が、前記出口縁（９）の前方に配置されている動翼（２）であって、
   前記エロージョン防護シールド板（１０）が、前記動翼の出口縁（９）に対して間隔を隔てられており、さらに、断面ダブテール状の脚（１３）を有し、動翼（２）の翼脚（５）が前記断面ダブテール状脚（１３）を受けるべく形成されていることを特徴とする動翼。
2. エロージョン防護シールド板（１０）が翼形部（４）の長手方向（１１）に沿って延びていることを特徴とする請求項１に記載の動翼。
3. 動翼（２）が長さ（Ｌ）を有し、エロージョン防護シールド板（１０）が動翼（２）の長さ（Ｌ）の１％〜１００％に相当する長さを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の動翼。
4. 翼形部（４）が弦長（Ｓ）を有し、エロージョン防護シールド板（１０）が翼形部（４）の弦長（Ｓ）の５％〜７５％に相当する幅（ｂ）を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の動翼。
5. エロージョン防護シールド板（１０）が翼形部（４）の翼の背側面（６）の前方に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の動翼。
6. エロージョン防護シールド板（１０）が翼脚（５）に摩擦結合で結合されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の動翼。
7. エロージョン防護シールド板（１０）が翼脚（５）に材料結合で結合されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の動翼。
8. エロージョン防護シールド板（１０）が翼脚（５）にかみ合い結合で結合されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の動翼。
9. エロージョン防護シールド板（１０）と動翼（２）とが一体部品として形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の動翼。
10. エロージョン防護シールド板（１０）が前縁（１４）と後縁（１５）とを有し、該後縁（１５）が動翼出口縁（９）を越えて突出していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の動翼。
11. エロージョン防護シールド板（１０）が翼形部長手方向（１１）において断面が矩形状あるいは三角形状をしていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の動翼。
12. エロージョン防護シールド板（１０）が背側面と腹側面とを備えたタービン翼の形をしていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の動翼。
13. エロージョン防護シールド板（１０）がステライト合金（登録商標）、Ultimet超合金（登録商標）、α・チタン合金あるいはβ・チタン合金あるいは硬化鋼のような耐食性材料で形成されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の動翼。
14. エロージョン防護シールド板（１０）が翼形部長手方向（１１）を中心として湾曲して形成されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の動翼。
15. エロージョン防護シールド板（１０）が動翼（２）に当接支持するための支持翼を有していることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の動翼。

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