JP6151932B2

JP6151932B2 - 回転機械用減衰部材

Info

Publication number: JP6151932B2
Application number: JP2013038697A
Authority: JP
Inventors: 直樹小野里; 大山　宏治; 宏治大山
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP2014167263A

Description

本発明は、例えばガスタービン等に用いられる回転機械用減衰部材に関する。

従来、ガスタービンでは、複数の円板が回転軸の軸方向に配置され、これらの円板の外周に、多数の動翼が円周方向に隣接して植え込まれる。軸方向の前後で隣接する動翼間には、動翼の外側を覆うケーシングに設けられた静翼が配置される。これら動翼及び静翼間を高温の燃焼ガスが流れることにより、動翼と共に回転軸が回転駆動され、例えば圧縮機の駆動及び発電機の駆動が行われる。

そして、ガスタービンの回転軸が回転駆動されると、回転軸に設けられた円板が回転駆動される。このとき、円板に設けられた複数の動翼は、回転軸の外側に配設されるケーシングに設けられた複数の静翼間を移動する。これら各翼間を高温の燃焼ガスが流動すると、各翼の後端に渦が発生する。この渦により、各翼にガスタービンの前側及び後側へ押す力が働いたり、隣接する翼方向へ押す力が働いたりすることになり、各翼に振動が生じる。そして、ケーシングに配設される静翼の周波数と動翼の固有の振動数（以下、単に固有振動数という）とが一致し共振して各翼の振動が大きくなり、高サイクル疲労（ＨＣＦ）が発生するおそれがあった。

そこで、このようなガスタービンでは、動翼の振動の低減と、冷却空気の漏れを防ぐことを目的としたシールピンを隣接する動翼同士間に介在させた構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、回転軸の円周方向に沿い隣接して取り付けられたガスタービン動翼同士の間のシャンクにおける隙間に、翼根側の冷却空気が翼側に漏れ出さないようにするシールピンを介在させる一方、シャンクに円弧状の凹み部を形成し、シャンクをばね系、翼部、プラットホーム、シャンク及び翼根を質量系として、ガスタービン動翼の振動を抑制させるようにした構成について記載されている。

特開２００５−２３３１４１号公報

しかしながら、従来のガスタービンでは、以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１では、ガスタービンの実稼働時において、シールピンの位置や運動によって固有振動数にばらつきが生じ、ガスタービン動翼が振動することになり、疲労破壊が生じるという問題があった。
そのため、振動強度に関する設計余裕を大きく設定する必要があり、タービンの設計の自由度が小さくなることから、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、シール機能を確保しつつ、減衰性能を向上させることができ、回転用機械部材の振動を抑制することができる回転機械用減衰部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る回転機械用減衰部材では、相対振動する一対の回転機械用部材の間に配置される減衰部材本体を備え、該減衰部材本体は、一方の前記回転機械用部材に当接する第１板部と、他方の前記回転機械用部材に当接する第２板部と、これら第１板部及び第２板部の間に介在する粘弾性部材と、を備え、前記一対の回転機械用部材のうちいずれか一方には、前記減衰部材本体側の側面に凹溝が設けられ、前記減衰部材本体は、その一部が前記凹溝に沿ってハット形状に折り曲げられた突形状をなし、折り曲げた突形状部が前記凹溝に嵌合していることを特徴としている。

本発明では、回転機械用部材の回転運動によって共振し、その共振によって一対の回転機械用部材同士の間の距離が変動するときに、減衰部材本体には第１板部及び第２板部と回転機械用部材との間で摩擦減衰が生じる。これに加えて、第１板部及び第２板部との間にこれらよりも剛性の低い粘弾性部材が介在しているので、その粘弾性部材が摩擦力によってせん断変形し、粘弾性部材自体に内部減衰が生じることから、回転機械用部材の振動応答レベルを低減させることができる。つまり、減衰部材本体自体の変形に伴い内部減衰が生じるので、運動エネルギーが内部の熱エネルギーに変換されることになる。

また、本発明の回転機械用減衰部材では、回転機械用部材に遠心力が作用したり、回転機械用部材が変形したりする場合であっても、減衰部材本体が一定の形状を保持し、動的特性のばらつきを小さくすることができる。
このように、本発明では、効果的に減衰効果を発揮することができるので、回転機械用部材の振動強度に設計余裕を大きく取る必要がなくなるという利点がある。

さらに、一対の回転機械用部材同士の間の距離が変動しても、粘弾性部材が弾性変形することにより、その距離の変動に追従し、第１板部及び第２板部と回転機械用部材との当接状態を保持することができるので、シール機能も確保することができる。

また、本発明では、減衰部材本体の突形状部分が一方の回転機械用部材の凹溝に係合して設けられ、減衰部材本体が少なくとも凹溝が形成されている側の回転機械用部材に対して拘束されるので、減衰部材本体の位置のずれを防止することができる。

本発明の回転機械用減衰部材によれば、シール機能を確保しつつ、減衰性能を向上させることができ、回転用機械部材の振動を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態によるガスタービン動翼を前縁側から見た斜視図である。図１に示すガスタービン動翼を後縁側から見た斜視図である。ガスタービン動翼が隣接した状態を示す側面図である。図３に示す粘弾性ダンパの拡大図である。第２の実施の形態によるガスタービン動翼の概略構成を示す側面図である。図５のインテグラルシュラウドの拡大斜視図であって、粘弾性ダンパが外れた状態を示す図である。隣接する一対のインテグラルシュラウドを径方向の外側から見た図である。図７に示すＡ−Ａ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態による回転機械用減衰部材について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本実施の形態のガスタービン動翼１（回転機械用部材）が適用されるガスタービンは、発電プラント等で用いられているものである。例えば、このようなガスタービンは、圧縮機、燃焼器及びタービンにより構成され、圧縮機で圧縮された圧縮空気が燃焼器で燃料とともに燃焼され、燃焼ガスがタービンに導入されてタービンが駆動される。タービンの動力により圧縮機を作動させ、発電機で発電される。

図１及び図２に示すように、タービンの回転軸側には、ガスタービン動翼１が軸方向（タービンの回転軸方向）に沿って多段にわたって設けられる。ガスタービン動翼１は回転軸側に保持されるクリスマスツリー型の翼根２を有している。また、ガスタービン動翼１は、高温ガスに曝される翼部５と、この翼部５を支持するプラットホーム４と、プラットホーム４と翼根２とを連結するシャンク３と、を備えている。翼根２は、図示しない円板に埋め込まれて、ガスタービン動翼１を支持している。

図３に示すように、隙間Ｓをあけて隣接するガスタービン動翼１の一方を第１ガスタービン動翼１Ａとし、もう一方を第２ガスタービン動翼１Ｂとする。ガスタービン動翼１Ａ、１Ｂのプラットホーム４Ａ、４Ｂのそれぞれの一側面４ａ（回転軸の円周方向における一側面）には、後述する粘弾性ダンパ１０の一部を収容する凹溝４１が設けられている。

この凹溝４１により、ガスタービン動翼１の翼部５側を流動する高温の燃焼ガスが翼根２側へ流れ込むのを防いでいると共に、ガスタービン動翼１の内部を通ってこれらガスタービン動翼１を冷却する冷却媒体である冷却空気が翼根２側から翼部５側へ漏れ出すのを防いでいる。

第１ガスタービン動翼１Ａの凹溝４１は、側面視で翼部５Ａ側から翼根２側に向ってプラットホーム４Ａの内部に切り込んで延びる一対の第１壁４１ａと、この第１壁４１ａに連続し、プラットホーム４Ａの側面４ａと略平行に下方に延びる第２壁４１ｂとからなる（図４参照）。
ただし、この凹溝４１内に配設される粘弾性ダンパ１０が翼根２側に配置されたときでも、粘弾性ダンパ１０が凹溝４１内の各壁４１ａ，４１ｂ、及び隣接する第２ガスタービン動翼１Ｂのプラットホーム４Ｂの側面４ｂに接する。そのため、隣接する第１ガスタービン動翼１Ａと第２ガスタービン動翼１Ｂとが直接接触することが無く隙間Ｓが形成され、第１ガスタービン動翼１Ａの振動が粘弾性ダンパ１０を介して隣接する第２ガスタービン動翼１Ｂに伝搬したり、逆に、第２ガスタービン１Ｂの振動が粘弾性ダンパ１０を介して第１ガスタービン動翼１Ａに伝搬したりする。

タービンの回転軸が回転し第１ガスタービン動翼１Ａ及び第２ガスタービン動翼１Ｂが駆動されているときは、凹溝４１に設けられた粘弾性ダンパ１０に遠心力、即ち翼部５Ａ側への力が加わるとともに、このとき、これら第１ガスタービン動翼１Ａ及び第２ガスタービン動翼１Ｂは振動している。

具体的には、第１ガスタービン動翼１Ａと第２ガスタービン動翼１Ｂとが離れる方向に振動したり、接触する方向に振動したりしている。
図４に示すように、隣接する第１ガスタービン動翼１Ａと第２ガスタービン動翼１Ｂとが離れる方向に振動するときには、粘弾性ダンパ１０が変形する。この際に、粘弾性ダンパ１０の端部の位置が高さ方向Ｈの内側に向かう方向（図４の矢印Ｅ２方向）にずれて、動翼１Ａ、１Ｂと粘弾性ダンパ１０との間で摩擦減衰が作用する。さらに、粘弾性ダンパ１０そのものが変形するので、内部減衰も得られる。

また、隣接する第１ガスタービン動翼１Ａと第２ガスタービン動翼１Ｂとが近接する方向に振動するときには、粘弾性ダンパ１０が変形する。この際に、粘弾性ダンパ１０の端部の位置が高さ方向Ｈの外側に向かう方向（図４の矢印Ｅ１方向）にずれて、動翼１Ａ、１Ｂと粘弾性ダンパ１０との間で摩擦減衰が作用する。さらに、粘弾性ダンパ１０そのものが変形するので、内部減衰も得られる。よって、第１ガスタービン動翼１Ａは翼根２で図示しない円板に支持される一方、隣接する第２ガスタービン動翼１Ｂとの間に介在する粘弾性ダンパ１０でも支持される。

図２及び図４に示すように、相対振動する一対のガスタービン動翼１Ａ、１Ｂの間に配置される粘弾性ダンパ１０（減衰部材本体）は、一方の第１ガスタービン動翼１Ａに当接する第１板部１１と、他方の第２ガスタービン動翼１Ｂに当接する第２板部１２と、これら第１板部１１及び第２板部１２との間に介在する粘弾性部材１３と、を備えている。

粘弾性ダンパ１０は、高さ方向Ｈの中央に位置する第１当接部１０ａと、この第１当接部１０ａの両端から延伸する一対の傾斜部１０ｂと、この傾斜部１０ｂの第１当接部１０ａの反対側に前記第１当接部１０ａと平行に延びる先端に一対の第２当接部１０ｃと、からなり、断面がハット形状を呈している。第１当接部１０ａと第２当接部１０ｃは、前記隙間Ｓを形成するプラットホーム４の側面４ａ、４ｂに沿うように形成されている。

粘弾性ダンパ１０は、第１当接部１０ａと一対の傾斜部１０ｂにより形成される突形状部Ｔが第１ガスタービン動翼１Ａのプラットホーム４Ａの凹溝４１内に係合することで位置決めされて、一対の第２当接部１０ｃが第１ガスタービン動翼１Ａのプラットホーム４Ａと第２ガスタービン動翼１Ｂのプラットホーム４Ｂとの間の隙間Ｓに挟持された状態で介在されている。

第１板部１１と第２板部１２は、金属製の平らな板状の部材を高さ方向（図２及び図４で矢印Ｈで示す）に沿って前記ハット形状に折り曲げられて形成されたものである。

粘弾性部材１３は、例えば、フッ素ゴム、シリコンゲル、グラファイトファイバー等の第１板部１１及び第２板部１２の部材よりも剛性が小さく、柔らかい材質のものが用いられている。なお、粘弾性部材１３は、固着されることに制限されず、固着されなくても良い。

次に、上述した構成のガスタービン動翼１の作用について、図面に基づいて具体的に説明する。
図１に示すように、本実施の形態では、タービンの回転軸が回転し第１ガスタービン動翼１Ａ及び第２ガスタービン動翼１Ｂが駆動されているときは、凹溝４１に係合される粘弾性ダンパ１０に遠心力、即ち翼部５Ａ側への力が加わり、凹溝４１内で翼部５Ａ側に張り付いている。このとき、これら第１ガスタービン動翼１Ａ及び第２ガスタービン動翼１Ｂは振動している。詳しくは、第１ガスタービン動翼１Ａと第２ガスタービン動翼１Ｂとが離れる方向に振動したり、接触する方向に振動したりしている。

このとき、ガスタービンの回転運動によって共振し、その共振によって一対のガスタービン動翼１Ａ、１Ｂ同士の間の距離が変動するときに、粘弾性ダンパ１０には第１板部１１及び第２板部１２とガスタービン動翼１Ａ、１Ｂとの間で摩擦減衰が生じる。

これに加えて、第１板部１１及び第２板部１２との間にこれらよりも剛性の低い粘弾性部材１３が介在しているので、その粘弾性部材１３が摩擦力によってせん断変形し、粘弾性部材１３自体に内部減衰が生じることから、ガスタービン動翼１の振動応答レベルを低減させることができるという効果が得られる。つまり、粘弾性ダンパ１０自体の変形に伴い内部減衰が生じるので、運動エネルギーが内部の熱エネルギーに変換されることになる。

また、本実施の形態のタービンでは、ガスタービン動翼１に遠心力が作用したり、ガスタービン動翼１が変形したりする場合であっても、粘弾性ダンパ１０が一定の形状を保持し、動的特性のばらつきを小さくすることができる。
このように、本実施の形態では、効果的に減衰効果を発揮することができるので、ガスタービン動翼１の振動強度に設計余裕を大きく取る必要がなくなるという利点がある。

さらに、一対のガスタービン動翼１Ａ、１Ｂ同士の間の距離が変動しても、粘弾性ダンパ１０の粘弾性部材１３が弾性変形することにより、その距離の変動に追従し、第１板部１１及び第２板部１２とガスタービン動翼１Ａ、１Ｂとの当接した状態を保持することができるので、シール機能も確保することができる。

また、ガスタービン動翼１のプラットホーム４の一方の側面４ａの凹溝４１には、粘弾性ダンパ１０の突形状部Ｔが係合し、粘弾性ダンパ１０がガスタービン動翼１に対して拘束されるので、粘弾性ダンパ１０の位置のずれを防止することができる。

上述した本実施の形態による回転機械用減衰部材では、シール機能を確保しつつ、減衰性能を向上させることができ、ガスタービン動翼１Ａ、１Ｂの振動を抑制することができる。

次に、本発明の回転機械用減衰部材による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
図５乃至図７の符号６（６Ａ、６Ｂ）は翼部５（５Ａ、５Ｂ）の翼先端５ａに設けられるインテグラルシュラウド（回転機械用部材）を示している。第２の実施の形態による回転機械用減衰部材は、隣接する翼部５Ａ、５Ｂの翼先端５ａに設けられるインテグラルシュラウド６Ａ、６Ｂ同士の間の接触面（側面６ａ、６ｂ）に粘弾性ダンパ３０（減衰部材本体）を設けた構成である。つまり、粘弾性ダンパ３０は、一対のインテグラルシュラウド６Ａ、６Ｂに挟持されている。このインテグラルシュラウド６Ａ、６Ｂは、ガスタービンの回転運動によって、ガスタービン動翼１とともに遠心力が作用している。

図６及び図８に示すように、隙間Ｓ（図７参照）をあけて隣接する一方のインテグラルシュラウド６Ａの一側面６ａ（回転軸の円周方向における一側面）には、粘弾性ダンパ３０を収容する凹溝６１が設けられている。この凹溝６１は、上述した第１の実施の形態のプラットホーム４に設けられる凹溝４１と寸法は異なるものの同様の形状であるので、詳しい説明は省略する。そして、インテグラルシュラウド６Ａの他方の側面６ｂは、凹溝のない平坦面に形成されている。そして、粘弾性ダンパ３０は、図８に示す上述した第１の実施の形態の粘弾性ダンパ１０と同様であり、一対の第１板部３１、第２板部３２同士の間に粘弾性部材３３が挟持された構成をなし、その形状は、前記凹溝６１に係合可能な突形状（突形状部Ｔ）をなしている。

第２の実施の形態では、タービン翼に変動力が作用した場合、粘弾性ダンパ３０とインテグラルシュラウド６との間で滑り摩擦が生じる。さらに、上述した第１の実施の形態と同様に粘弾性ダンパ３０の変形に伴い、粘弾性ダンパ３０内の粘弾性部材１３で内部減衰が生じ、運動エネルギーが内部の熱エネルギーに変換されることになる。
また、粘弾性ダンパ３０を組み替えることで、減衰性能を調整することも可能である。

以上、本発明による回転機械用減衰部材の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施の形態では、回転機械用部材としてガスタービン動翼１やインテグラルシュラウド６を適用対象としているが、これに限定されることはなく、回転機械用部材であれば他の対象に適用することも可能である。

また、第１板部１１（３１）及び第２板部１２（３２）のうち少なくとも一方と、回転機械用部材との間に上述した粘弾性部材とは別で粘弾性材料を設ける構成とすることも可能である、この場合、さらに減衰効果を高めることができる。

さらに、上述した実施の形態の粘弾性ダンパ１０、３０では、一層の粘弾性部材１３、３３が一対の第１板部１１（３１）、第２板部１２（３２）同士の間に挟持されているが、このような積層構造に制限されることはなく、例えば複数の粘弾性部材１３と板部とが交互に積層された構造とすることも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。

１、１Ａ、１Ｂガスタービン動翼（回転機械用部材）
２翼根
３シャンク
４、４Ａ、４Ｂプラットホーム
４ａ、４ｂ側面
５、５Ａ、５Ｂ翼部
６、６Ａ、６Ｂインテグラルシュラウド（回転機械用部材）
６ａ、６ｂ側面
１０、３０粘弾性ダンパ（減衰部材本体）
１１、３１第１板部
１２、３２第２板部
１３、３３粘弾性部材
Ｓ隙間
Ｔ突形状部

Claims

相対振動する一対の回転機械用部材の間に配置される減衰部材本体を備え、
該減衰部材本体は、
一方の前記回転機械用部材に当接する第１板部と、
他方の前記回転機械用部材に当接する第２板部と、
これら第１板部及び第２板部の間に介在する粘弾性部材と、
を備え、
前記一対の回転機械用部材のうちいずれか一方には、前記減衰部材本体側の側面に凹溝が設けられ、
前記減衰部材本体は、その一部が前記凹溝に沿ってハット形状に折り曲げられた突形状をなし、折り曲げた突形状部が前記凹溝に嵌合していることを特徴とする回転機械用減衰部材。