JP6239474B2 - 動翼隙間検査方法および蒸気タービンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、全周連結翼（または低圧段長翼）の動翼間の隙間を検査する動翼隙間検査方法、および蒸気タービンの製造方法に関する。

蒸気タービンの低圧段に、遠心力による捩り戻し作用を利用した全周連結翼を用いる場合、蒸気タービンの昇速時または降速時のシュラウド接触回転数の管理が安全上重要となる。例えば、蒸気タービンの長期運転において、シュラウド隙間の拡がりは、湿り蒸気によるドレンアタック等、経年変化の影響で拡大する恐れがある。また、シュラウド隙間の拡がりが拡大すると、シュラウド接触回転数が上昇し、単独翼の状態で高回転数まで運転することとなる。このため、構造減衰効果の無い単独翼の状態で、高回転数まで運転し、翼が共振すると、振動発生応力が過大となり、翼が損傷する危険性がある。また、シュラウド接触回転数は、翼頂部のシュラウド隙間の拡がりで調整するため、長期運転における信頼性維持のため、シュラウド隙間の拡がりが適正範囲内であることを定期的に測定し確認する必要がある。

以上のようなシュラウド隙間の管理に係る技術の一例として、特許文献１に開示されたシュラウド隙間計測装置がある。この装置では、シュラウド隙間に光を透過させて受光部で画像として取り込み、該画像を解析することで、シュラウド隙間の隙間値を導出するようになっている。次に、別の一例として、特許文献２に開示されたシュラウド間隙判定装置がある。この装置では、シュラウド間の間隙に、レーザ光を照射し、その反射光を検知することで、シュラウド間隙の拡がりの適または不適を判定するようになっている。

特開平４−２５０３０４号公報（１９９２年９月７日公開） 実開平５−０２３０１４号公報（１９９３年３月２６日公開）

ところで、従来の全周連結翼における動翼の固定方法では、翼根を蒸気タービンロータ（以下、単に「ロータ」と呼ぶ）の翼溝に固定する方法として、フォーク型の翼根の場合には、ピン打ちによる固定方式を採用していた。一方、逆クリスマスツリー型の翼根の場合には、テーパピンによるカシメ方式による固定方法が採用されていた。このテーパピンによるカシメ方式による固定方法では、まず、図４の（ａ）に示すようにピン打ちを行い、図４の（ｂ）に示すようにピンの長さを調整する。その後、図４の（ｃ）に示すように打撃装置によりカシメ処理を行い、図４の（ｄ）に示すように旋盤にて不要部分を除去する。以上のようなピン打ちによる固定方式、またはカシメ方式による固定方法が適用された全周連結翼では、蒸気タービン停止時にも、翼はロータにしっかりと固定されている。このため、上記の従来の全周連結翼では、例えば、隙間ゲージや、上記特許文献１および２に開示された技術を用いて、シュラウド隙間を１本毎に正確に測定することが可能であった。

しかしながら、翼根に逆クリスマスツリー型の翼根を用い、軸方向の動きのみキーやピンを用いて固定する方式（以下、「翼根固定ルーズ方式」と呼ぶ）を採用した場合、停止時には翼が完全に固定されていないために、１本毎の隙間を正確に測定することに種々の問題点が生じる。例えば、複数種類の厚みのゲージがセットになった隙間ゲージを用いてシュラウド間の隙間を検査する場合、不適切な厚みのゲージがシュラウド間の隙間に挿入されると翼が軸直角方向に動きシュラウド隙間が拡がってしまい、シュラウド隙間を正確に測定することができない。また、上記特許文献１および２に開示された技術では、光学的に検査するので検査装置作成のための相応のコストが必要になってしまう。このため、これらの従来技術では、コストを抑えつつ、シュラウド隙間の拡がりを正確に測定することが難しいという問題点があった。

本発明は、以上の問題点に鑑みて為されたものであって、その目的は、簡単な手法でコストを抑えつつ、動翼間の隙間の拡がりを正確に測定することができる動翼隙間検査方法などを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の態様１に係る動翼隙間検査方法は、全周連結翼の隣接する動翼間の隙間を検査する動翼隙間検査方法であって、動翼間の隙間に関する適正値に基づき同一の厚みに設定された複数の測定部材を上記動翼間の隙間に一様に挿入することで、上記動翼間の隙間の拡がりを検査することを特徴としている。

上記方法では、動翼間の隙間に関する適正値に基づき同一の厚みに設定された複数の測定部材を測定対象となる段に植翼されている全ての動翼間の隙間に一様に挿入することで、動翼間の隙間の拡がりを検査するという簡単な手法を採用している。このため、測定部材の厚みを動翼間の隙間に応じて適正に設定することで、例えば、隙間ゲージでシュラウド間の隙間の拡がりを直接測定する手法や、隙間に対する透過光あるいは反射光を用いてシュラウド間の隙間の隙間値を測定するという従来の手法と比較して、簡単な手法でコストを抑えつつ、動翼間の隙間の拡がりを正確に測定することができる。

また、本発明の態様２に係る動翼隙間検査方法は、上記態様１において、上記測定部材として、厚みの異なる複数種類の測定部材を使用することが好ましい。

上記方法によれば、例えば、薄い方の厚みとしてシュラウド接触回転数の計画上の上限値を採用し、厚い方の測定部材の厚みとして、シュラウド接触回転数の増加に伴う強度上の上限値を採用することで、動翼間の隙間の拡がりが、全周連結翼の全交換が、即必要な状態ではないが、注意が必要な微妙な状態であることを確認することが可能になる。このため、全周連結翼の全交換が必要な状態であることが判明する前に、上記の微妙な状態であることが確認された時点で、予め交換する全周連結翼の製作を進めておくことができる。これにより、蒸気タービンの停止期間を最小化することが可能になる。

また、本発明の態様３に係る動翼隙間検査方法は、上記態様１または２において、上記全周連結翼の回転軸の延在方向が水平方向に沿っている場合に、複数の上記動翼間の隙間のうちの最下端の隙間から上記隙間の拡がりの検査を始めることが好ましい。

全周連結翼の動翼間の隙間は、動翼に働く重力により、最下端の隙間に近くなる程、拡がりが小さくなり、逆に最上端の隙間に近くなる程、拡がりが大きくなる。このため、最下端の隙間から隙間の検査を始めることにより、上述のような動翼の自重による張りの影響を小さくすることができ、動翼間の隙間の拡がりの検査を効率良く適切に行うことができる。

また、本発明の態様４に係る動翼隙間検査方法は、上記態様３において、上記全周連結翼のすべての上記動翼間の隙間を、上記全周連結翼の最下端の位置で検査するよう、上記全周連結翼を回転させながら検査することが好ましい。

上述したように、全周連結翼の動翼間の隙間は、動翼に働く重力により、最下端の隙間に近くなる程、拡がりが小さくなり、逆に最上端の隙間に近くなる程、拡がりが大きくなる。このため、全周連結翼を回転させながら、動翼間の隙間を全周連結翼の最下端の位置で検査するようにすれば、上述のような動翼の自重による張りの影響を最小限にすることができ、動翼間の隙間の拡がりの検査をより効率良く適切に行うことができる。

また、本発明の態様５に係る蒸気タービンの製造方法は、上記態様１〜４のいずれかの動翼隙間検査方法を含んでいることが好ましい。上記方法によれば、簡単な手法でコストを抑えつつ、動翼間の隙間の拡がりを適切に管理しながら蒸気タービンを製造することができる。

本発明の一態様によれば、簡単な手法でコストを抑えつつ、動翼間の隙間の拡がりを正確に測定することができるという効果を奏する。

本発明の実施の一形態に係る動翼間の隙間に測定部材（以下、「シム」を一例として説明する）を挿入して隙間の拡がりを検査する検査方法について説明するための図であり、（ａ）は、蒸気タービンの構成の一部を示す斜視図であり、（ｂ）は、シム挿入前のシュラウド間の隙間の状態を示し、（ｃ）は、シム挿入後のシュラウド間の状態を示す。 上記検査方法について説明するための図であり、（ａ）は、上記蒸気タービンに関し、全周連結翼をタービン排気側から見たときの構造を示し、（ｂ）は、シム挿入後のシュラウド間の状態を示す図であり、（ｃ）は、２種類の厚みを有するシムのそれぞれのシム厚さ、および必要枚数の例について説明するための図である。 上記検査方法の手順について説明するための図であり、（ａ）は、シュラウド間の隙間にシムを挿入する際の手順を示す図であり、（ｂ）は、上記検査方法に関し、動翼の全体構造を説明するための図である。 逆クリスマスツリー型の翼根の場合における、テーパピンによるカシメ方式による動翼の固定方法について説明するための図であり、（ａ）は、ピン打ちを行ったときの様子を示し、（ｂ）は、ピンの長さを調整するときの様子を示し、（ｃ）は、打撃装置でカシメ処理を行っているときの様子を示し、（ｄ）は、旋盤で不要部を除去しているときの様子を示す。

本発明の実施の形態について図１〜図３に基づいて説明すれば、次の通りである。以下、説明の便宜上、特定の項目にて説明した構成と同一の機能を有する構成については、同一の符号を付記し、その説明を省略する場合がある。

〔動翼隙間検査方法〕
図１は、本発明の実施の一形態に係る、動翼間の隙間に測定部材を挿入して隙間の拡がりを検査する検査方法（動翼隙間検査方法）について説明するための図である。図１の（ａ）は、蒸気タービン１の構成の一部（特に蒸気タービン１の最終段）を示す斜視図である。同図は、蒸気タービン１の回転軸に沿う方向（軸方向）のタービン排気側から見たときの様子を示している。

同図に示されるように、蒸気タービン１の最終段には、蒸気タービンロータ（以下、単に「ロータ」という）に対して径方向に拡がるように取付けられた全周連結翼が搭載されている。全周連結翼とは、蒸気タービン１の低圧段に用いられる翼長の長いねじれ翼で、遠心力による翼ねじり戻し効果を利用して、回転数の増加と共に、図１の（ｂ）に示す隣接する蒸気タービン動翼（動翼）２と、翼頂部もしくはその近傍にあるシュラウド（動翼）３とで隣接翼と接触し、その段の翼全体が全周連結化して一体とみなせるようになり、共振等の振動応力に対し、高い構造減衰効果を得ることのできる動翼である。

すなわち、この全周連結翼の特徴は、蒸気タービン動翼２、および翼頂部のシュラウド３を隣接翼どうしで一体化させ、低回転数のときには、単独翼である動翼が、定格回転数付近では、それぞれの動翼がシュラウド３の部分で隣接翼と接触して全周連結構造となり、高い耐振性を有する点である。

また、本実施形態の全周連結翼は、いわゆる逆クリスマスツリー型の翼根を採用し、翼溝への取り付けがルーズとなる方式（以下、「翼根固定ルーズ方式」と呼ぶ）を用いた全周連結翼である。以下で説明する本実施形態の動翼隙間検査方法は、翼根の固定方法として上述した翼根固定ルーズ方式が適用された全周連結翼における動翼間の隙間の管理に好適な手法である。

蒸気タービン１は、高い耐振性が常に維持されることを前提として設計・製作されており、この耐振性維持が長期にわたるタービン運転中において常に維持されるために、翼頂部のシュラウド３間の隙間３ａ（以下、適宜「シュラウドクリアランス」と呼ぶ）は適切に管理される必要がある。従って、定期検査時には必ず、後述する要領に従ってシュラウドクリアランスの検査（または計測）を実施し、記録に残すようにすることが好ましい。

本実施形態のシュラウドクリアランスの検査（または判定もしくは測定）は、グリーン（良好な状態）、イエロー（注意が必要な状態）、レッド（全周連結翼の全交換が必要な状態）の３種類の状態の判定を含む。レッド判定になれば、全周連結翼の全交換が必要となるが、取り換え翼の準備（製作）には、ある程度時間が必要になるので、定期的なクリアランス測定（シュラウド間の隙間の拡がりの検査）の確実な実施が必要である。

より具体的には、図１の（ｃ）に示すように、複数枚のシム（測定部材）４を、図１の（ｂ）に示す測定対象となる段に植翼されている全てのシュラウド３間の隙間３ａに一様に挿入することで、隙間３ａの拡がりの検査（または測定）を行う。シム４は、後述するように動翼間の隙間に関する適正値に基づき同一の厚みに設定された複数枚の板状の部材である。なお、本実施形態では、隙間３ａの拡がりの検査に使用する測定部材としてシム４を使用しているが、これに限定されず、測定部材は、厚みが同一の複数枚の部材であり検査に使用可能な部材であれば、どのような部材を使用しても良い。例えば、測定部材は、シム４のような板状の部材に限定されず、丸棒状や多角柱（例えば、三角柱）状の部材を採用しても良い。

以下、本実施形態の動翼隙間検査方法の具体的な手順について詳細に説明する。図２は、動翼隙間検査方法の手順について説明するための図である。図２の（ａ）は、蒸気タービン１に関し、全周連結翼をタービン排気側から見たときの構造を示している。また、同図では、すべてのシュラウド３間の隙間に一様にシム４が挿入されている様子が示されている。図２の（ｂ）は、シム４挿入後のシュラウド３間の隙間の状態を示す。

図２の（ｃ）は、２種類の厚みを有するシム４のそれぞれのシム厚さと必要枚数とを示す。同図に示すように、互いに厚みの異なる２種類（複数種類）のシム４を用意する。具体的には、厚みがａ（ｍｍ）であるグリーン判定用のシム４と、厚みがｂ（ｍｍ）であるレッド判定用のシム４とを用意する。

厚みａは、シュラウド接触回転数の計画上の上限値、例えば、１．４ｍｍに設定される。また、厚みｂ（ａ＜ｂ）は、シュラウド接触回転数の増加に伴う強度上の上限値、例えば、１．８ｍｍに設定される。これにより、後述するように、シュラウド３間の隙間が、全周連結翼の全交換が、即必要な状態ではないが、注意が必要な微妙な状態であることを確認することが可能になる。このため、全周連結翼の全交換が必要な状態であることが判明する前に、上記の微妙な状態であることが確認された時点で、予め交換する全周連結翼の製作を進めておくことができる。これにより、蒸気タービン１の停止期間を最小化することが可能になる。

なお、本実施形態では、検査に使用するシム４の厚みの種類を２種類としたが、シム４の厚みの種類は、これに限定されず、例えば、厚みが３種類以上のシム４を検査に用いても良い。なお、グリーン判定用およびレッド判定用のいずれのシム４も、動翼の本数分だけ用意する。

次に、シュラウドクリアランスの検査は、まずは、グリーン判定用のシム４を使用して実施する。１回の測定ですべてのシュラウド３間の隙間に同じ厚みのシム４を挿入し、グリーン判定用のシム４で不合格になった場合には、次にレッド判定用のシム４を使用して測定する。なお、グリーン判定用のシム４で合格になった場合には、レッド判定用のシム４での測定は不要である。

次に、図３の（ａ）は、シュラウド３間の隙間にシム４を挿入する際の手順について説明するための図である。同図に示すように選択したシム４は、全周連結翼の回転軸の延在方向が水平方向に沿っている場合に、複数のシュラウド３間の隙間のうちの最下端の隙間から順番に、その上側の隙間に向って挿入していくことが好ましい。全周連結翼のシュラウド３間の隙間は、動翼に働く重力により、最下端の隙間に近くなる程、拡がりが小さくなり、逆に最上端の隙間に近くなる程、拡がりが大きくなる。このため、最下端の隙間から隙間の検査を始めることにより、上述した動翼の自重による張りの影響を小さくすることができ、シュラウド３間の隙間の拡がりの検査を効率良く適切に行うことができる。

なお、図３の（ａ）に示す例では、最下端の隙間にシム４を挿入した後、左右交互に順番に最上端（最後）の隙間までシム４を挿入していく形態を示しているが、これに限定されず、最終的にすべての隙間にシム４が一様に挿入されるのであれば、特にその挿入順序は問わない。

また、全周連結翼のすべてのシュラウド３間の隙間を、全周連結翼の最下端の位置で検査するよう、全周連結翼を時計まわりまたは反時計まわりに回転させながら検査しても良い。上述したように、全周連結翼のシュラウド３間の隙間は、動翼に働く重力により、最下端の隙間に近くなる程、拡がりが小さくなり、逆に最上端の隙間に近くなる程、拡がりが大きくなる。このため、全周連結翼を回転させながら、シュラウド３間の隙間を全周連結翼の最下端の位置で検査するようにすれば、上述した動翼の自重による張りの影響を最小限にすることができ、シュラウド３間の隙間の拡がりの検査をより効率良く適切に行うことができる。

〔シム挿入判定〕
シム４の挿入状態を確認することで、合否判定を行い、その判定結果を記録する。シム４のシュラウド３間の隙間への挿入状態は、以下の（ａ）〜（ｃ）の３種類の状態に分類される。
（ａ）すべての隙間にシム４を挿入できない状態。シム４をすべての隙間に挿入できない場合、シュラウド３間の隙間（平均）は、シム４の厚みより狭いと判断できる。
（ｂ）すべての隙間にシム４を確実に挿入でき、適度な摩擦力を有してすべてのシム４が保持されている状態。シム４をすべての隙間に挿入することができ、そのまま自然落下しなければ、シュラウド３間の隙間（平均）は、シム４の厚みと同等かそれよりも狭いと判断できる。
（ｃ）挿入したシム４のいくつかは緩く、少なくとも１枚のシム４が自然落下する状態。シム４をすべて挿入した後、シム４が１枚でも自然落下すれば、シュラウド３間の隙間（平均）は、シム４の厚みより広いと判断できる。

上記において、（ａ）または（ｂ）の状態であれば検査は合格であると判定する。一方、上記において、（ｃ）の状態であれば検査は不合格であると判定する。

〔クリアランス状態の判定〕
次に、以下の基準１〜３に従って、クリアランス状態を判定する。

基準１（グリーン）：グリーン判定用のシム４で合格と判定。この場合、クリアランスの状態は良好であることが確認できる。

基準２（イエロー）：グリーン判定用のシム４で不合格、レッド判定用のシム４で合格と判定。この場合、クリアランスが若干拡がっており、シュラウド３間の隙間３ａの拡がりが、全周連結翼の全交換が、即必要な状態ではないが、注意が必要な微妙な状態であることを確認できる。

基準３（レッド）：レッド判定用のシム４で不合格と判定。この場合、クリアランスが許容値を超えているため、全周連結翼の全交換が必要であることが確認できる。

上記のクリアランス状態の判定で、グリーンの場合には、蒸気タービン１は問題無く運転継続可能である。また、イエローの場合には、クリアランスが若干広がっており、注意が必要な状態である。従って、このイエロー判定が出た時点で、代替翼の製作を開始する。レッドの場合には、クリアランスが許容値を超えており、全周連結翼の全交換が必要である。

〔動翼隙間検査方法の効果〕
上記の方法では、動翼間の隙間に関する適正値に基づき同一の厚みに設定された複数枚の板状のシム４を測定対象となる段に植翼されている全てのシュラウド３間の隙間に一様に挿入することで、シュラウド３間の隙間の拡がりを検査するという簡単な手法を採用している。このため、シム４の厚みを動翼間の隙間に応じて適正に設定することで、例えば、隙間ゲージでシュラウド間の隙間の拡がりを直接測定する手法や、隙間に対する透過光あるいは反射光を用いてシュラウド間の隙間の隙間値を測定するという従来の手法と比較して、簡単な手法でコストを抑えつつ、動翼間の隙間の拡がりを正確に測定することができる。

また、上記の方法では、シュラウド３間の隙間に挿入するシム４として、グリーン判定用と、レッド判定用と、の複数種類の厚みを有するシムを使用している。このため、シュラウド３間の隙間の拡がりが、全周連結翼の全交換が、即必要な状態ではないが、注意が必要な微妙な状態であることを確認することが可能になる。よって、全周連結翼の全交換が必要な状態であることが判明する前に、上記の微妙な状態であることが確認された時点で、予め交換する全周連結翼（代替翼）の製作を進めておくことができる。これにより、蒸気タービン１の停止期間を最小化することが可能になる。

また、上記の方法によれば、以下の効果が得られる。
（１）全周連結翼を備えた蒸気タービンの長期における信頼性確保（翼損傷の未然防止）を図ることができる。
（２）シュラウド３間の隙間の経年変化のデータを蓄積することができる。
（３）シュラウド３間の隙間の拡大傾向データの事前取得により、代替翼を事前に準備すること（代替翼の製作期間を確保できること）でタービン停止期間を最小化することができる。

（変形例）
図３の（ｂ）は、１本の動翼全体の構造を示している。同図に示すように、動翼は、蒸気タービン動翼（動翼）２、シュラウド（動翼）３、スタブ（動翼）５および翼根６を備える。翼根６は、いわゆる逆クリスマスツリー型の翼根である。上述した形態では、動翼間の隙間の一例として、シュラウド３間の隙間を検査する例について説明したが、検査が行われる動翼間の隙間は、シュラウド３間の隙間に限定されず、動翼間の隙間であれば、どの位置の隙間でも検査可能である。

特に、上述したシム４などの同一の厚みに設定された複数枚の測定部材を測定対象となる段に植翼されている全ての動翼間の隙間に一様に挿入する手法は、シュラウド３間の隙間の管理だけでなく、翼プロフィールの中間部で、隣接翼との接触を行うスタブ５間の隙間の管理にも適用することが可能である。通常、翼プロフィールの中間部に位置するスタブ５間の隙間は非常に検査が困難であるが、本手法によれば、簡単にスタブ５間の隙間の拡がりの検査を行うことができる。

（蒸気タービンの製造方法への適用）
また、上述した動翼隙間検査方法を、蒸気タービンの製造方法中に含めても良い。このような製造方法によれば、簡単な手法でコストを抑えつつ、動翼間の隙間の拡がりを適切に管理しながら蒸気タービンを製造することができる。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、翼根の固定方法として翼根固定ルーズ方式が適用された全周連結翼を備えた蒸気タービンであって、隣接動翼間の隙間管理を必要とするものに利用することができる。

１ 蒸気タービン
２ 蒸気タービン動翼（動翼）
３ シュラウド（動翼）
３ａ 隙間
４ シム（測定部材）
５ スタブ（動翼）
６ 翼根

Claims (5)

1. 低回転数のときには単独翼である動翼が、定格回転数付近では複数の動翼のそれぞれがシュラウドの部分で隣接翼と接触して全周連結構造となる全周連結翼について、隣接する動翼間の隙間を検査する動翼隙間検査方法であって、
   動翼間の隙間に関する適正値に基づき同一の厚みに設定された複数の測定部材を用意し、複数の上記動翼間の隙間に、複数の上記測定部材を挿入した状態で、上記動翼間の隙間の拡がりを検査することを特徴とする動翼隙間検査方法。
2. 上記測定部材として、厚みの異なる複数種類の測定部材を使用することを特徴とする請求項１に記載の動翼隙間検査方法。
3. 全周連結翼の隣接する動翼間の隙間を検査する動翼隙間検査方法であって、
   動翼間の隙間に関する適正値に基づき同一の厚みに設定された複数の測定部材を上記動翼間の隙間に一様に挿入することで、上記動翼間の隙間の拡がりを検査し、
   上記全周連結翼の回転軸の延在方向が水平方向に沿っている場合に、複数の上記動翼間の隙間のうちの最下端の隙間から上記隙間の拡がりの検査を始めることを特徴とする動翼隙間検査方法。
4. 上記全周連結翼のすべての上記動翼間の隙間を、上記全周連結翼の最下端の位置で検査するよう、上記全周連結翼を回転させながら検査することを特徴とする請求項３に記載の動翼隙間検査方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の動翼隙間検査方法を含んでいることを特徴とする蒸気タービンの製造方法。

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