JP4058906B2 - 蒸気タービン - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、その根元から先端にわたってねじれた翼を有する動翼を備えた蒸気タービンに係り、特に、火力或いは原子力発電所等で使用する蒸気タービンに関する。
背景技術
一般に、蒸気タービンの動翼は、作動流体（蒸気）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する。これらの励振力に対する翼構造の振動応答には、各振動モードにおける固有振動数や減衰力の大きさが関連する。
そこで、翼先端部にインテグラルカバー或いはインテグラルシュラウドと称する連結部材を設け、タービンの回動時に動翼に作用する遠心力により発生するねじり戻り（以下、「アンツイスト」と称す。）を利用して、隣接する翼先端部の連結部材を連結し、動翼の先端部を拘束する。これは、動翼の先端部を拘束することにより、タービン（ロータ）の回転時の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。これにより、共振応答の大きい低次振動モードの共振を抑制すると共に、共振応答の小さい高次振動モードにおける共振に対する信頼性を向上することができる。
しかし、蒸気タービンの低圧段の最終段の動翼のように、翼長が３２インチ以上と長くなると、振動振幅が大きくなり、翼先端部の連結部付近或いは翼根元部等に局所的な過大応力が発生し、当該箇所に損傷が発生する。そこで、翼中間部の腹側と背側との夫々に、タイボス或いはインテグラルスナッパーと称する連結部材を設け、上述同様アンツィストを利用して、隣接する翼中間部の連結部材を連結し、翼先端部に加え翼中間部を拘束し、応力集中を緩和し、過大応力の発生を抑制している。
従来の技術として、特開平４−５４０２号公報には、翼先端にインテグラルシュラウドを設け、隣接する翼の前記インテグラルシュラウドを面接触させると共に、翼長方向のほぼ中間部の翼の腹側及び背側に、前記インテグラルシュラウドの接触面の切り角とほぼ同一の切り角を有するインテグラルスナッパーを設け、回転時の遠心力による振りもどり変形（アンツィスト）によって、隣接する翼の前記インテグラルスナッパーを接触させる動翼が記載されている。
翼先端部と翼中間部との夫々に連結部材を備えた動翼において、翼先端部の連結部材の接触面に作用する反力或いは面圧（単位面積当たりの反力）と、翼中間部の連結部材の接触面との反力或いは面圧とは、ロータ回転数に対して各々独立に決定されるのではなく、相互に関係し合う。つまり、両者の反力或いは面圧を共に許容値以下とするためには、翼先端部の接触状態と翼中間部の接触状態との相関関係、例えば、翼先端部の接触面と翼中間部の接触面との形状或いは構造の相関関係、翼先端部が接触する時点と翼中間部が接触する時点との時間的な相関関係等を考慮する必要がある。
しかしながら、上記特開平４−５４０２号公報に記載された発明においては、翼先端部の接触状態と翼中間部の接触状態との相関関係について考慮されていない。これは、同文献に記載された発明が、単に２次モードの振動を消滅させることを目的とするからであると考えられる。
本発明の目的は、翼先端部の接触状態と翼中間部の接触状態との相関関係を考慮して、連結部材と翼部との結合部に過大応力が発生するのを抑制することにより、タービンの起動から定格運転に至るまでの運転範囲において強度振動的に信頼性を向上した動翼を備えた蒸気タービンを提供することにある。
発明の開示
上記目的を達成するために、第１の発明の蒸気タービンは、ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有し、隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔が、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔よりも小さくなるように形成された動翼を備える。
また、上記目的を達成するために、第２の発明の蒸気タービンは、ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有し、隣接して配置された翼間における前記第一の連結部材が接触を開始する前記ロータの回転数よりも、前記隣接して配置された翼間における前記第二の連結部材が接触を開始する前記ロータの回転数の方が高くなるように、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔と、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔とが形成された動翼を備える。
また、上記目的を達成するために、第３の発明の蒸気タービンは、ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有し、前記ロータの回転静止と定格回転との範囲内にある回転数で、前記ロータの回転に伴い生じる固有振動の振動数が変化するように、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔と、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔とが形成された動翼を備える。
発明を実施するための最良の形態
火力或いは原子力発電所で使用する蒸気タービンの動翼は、翼根元から翼先端にわたってねじれている。蒸気タービンのロータの回転に伴いロータの円周上に固定した動翼の翼部に、翼根元から翼先端に向かって遠心力が作用する。翼部がねじれているため、この遠心力によって、翼部にアンツイストが発生する。また、翼根元から翼先端に向かって翼断面積が小さくなっていることから、同一の材質であれば、翼根元から翼先端に向かうほど、翼断面に対するねじり剛性が低くなる。
かかる動翼においては、以下に示す特徴がある。
第一に、翼先端部にねじりモーメントを加えて該翼先端部断面を一定の角度だけねじるために必要なねじりモーメントが、翼根元と翼先端との間（以下、「翼中間部」と称す。）にねじりモーメントを加えて該翼中間部断面を同じ角度だけねじるために必要なねじりモーメントに比較して、非常に小さい点である。即ち、ロータの回転上昇に伴って生じるアンツイスト角を、翼先端部付近に設けた連結部材或いは翼中間部に設けた連結部材により一定の角度に拘束する場合に、翼先端部のアンツイストを拘束するために必要なモーメントが、翼中間部のアンツイストを拘束するために必要なモーメントに比較して、非常に小さくなる。このアンツイストを拘束するために必要なモーメントは、連結部材の接触面に作用する反力と、その反力の作用点間の腕の長さとの積で示すことができる。よって、翼先端部付近の連結部材の接触面に作用する反力が、翼中間部の連結部材の接触面に作用する反力に比較して、非常に小さくなる。換言すると、所定のアンツイスト角を拘束する場合、翼先端部よりも、翼中間部の方が、大きな反力が作用する。
第二に、ロータの回転上昇に伴い、翼先端部或いは翼中間部の何れか一方を接触させた後に、他方を接触させることにより、先に接触させた連結部材の接触面に作用する反力の増加割合を軽減できる点である。
以上のことを考慮して、翼先端部が連結するロータ回転数と、翼中間部が連結するロータ回転数とを適切に調整することにより、強度振動的に信頼性の高い蒸気タービンを実現することができる。
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
第１図に、本発明の蒸気タービンの動翼の斜視図を示す。第１図中、１は動翼（ブレード）、２は翼根元から翼先端にわたってねじれた翼部、３は翼先端部に設けられ翼背側に伸延するインテグラルカバー（翼背側の第一の連結部材）、４は翼先端部に設けられ翼腹側に伸延するインテグラルカバー（翼腹側の第一の連結部材）、５は翼中間部の翼背側に突出するタイボス（翼背側の第二の連結部材）、６は翼中間部の翼腹側に突出するタイボス（翼腹側の第二の連結部材）、７はフォーク型の翼植え込み部を示す。インテグラルカバー３，４及びタイボス５，６は何れも、翼部２と一体形に形成される。尚、翼部２の翼長は、４３インチである。また、タイボス５，６は、翼長方向の翼のほぼ中央部（翼長の１／２）に設けることが多いが、翼部のねじり剛性等に対応して、翼長方向の中央部よりも翼先端側或いは翼根元側に設けることもある。また、タイボス５，６は、ロータの軸方向線上の翼の前縁と後縁との間のほぼ中央部に設けることが多い。
第２図に、本発明の蒸気タービンの動翼をロータへ取り付けた場合の斜視図を示す。第２図中、８はロータの外周上に設けられる円筒状のディスク、９はディスク８に設けられるディスク溝、１０は翼植え込み部７とディスク８とを係合するピンを示す。動翼１の翼植え込み部７を、ディスク溝９にはめ込み、ピン１０によって係合し、動翼１をロータに固定する。そして、ディスク８を、ロータの円周方向（回転方向）に沿って形成し、ロータの円周上に数十枚の動翼１を形成する。ロータの回転上昇に伴い、翼部２には、翼根元から翼先端に向かって遠心力が作用する。翼部２がねじれているため、遠心力によって、翼部２にアンツイストが発生する。第２図中に、動翼１の翼先端部に作用するアンツイストモーメントの向きを矢符号１１，ロータの円周方向に対して動翼１に隣接する動翼１′の翼先端部に作用するアンツイストモーメントの向きを矢符号１２で示す。また、動翼１の翼中間部に作用するアンツイストモーメントの向きを矢符号１３，動翼１′の翼中間部に作用するアンツイストモーメントの向きを矢符号１４で示す。動翼１の翼先端部及び翼中間部に作用するアンツイスト、動翼１′の翼先端部及び翼中間部に作用するアンツイストを、インテグラルカバー及びタイボスで各々拘束した場合、アンツイストモーメントの反作用としてアンツイストモーメントと逆向きのねじりモーメントが翼植え込み部７に作用する。このねじりモーメントの向きを各々矢符号１５，１６で示す。
第３図に、本発明の蒸気タービンの隣接する動翼の翼先端部の斜視図を示す、第４図，第５図に、第３図中の動翼の翼先端部をロータの半径方向から見た平面図を示す。尚、第４図はロータの回転静止時を示す。第５図は蒸気タービンの定格運転時（ロータの定格回転時）を示す。図中、１７は動翼１のインテグラルカバー４のうち動翼１′のインテグラルカバー３に対向する端面、１８は動翼１′のインテグラルカバー３のうち動翼１のインテグラルカバー４に対向する端面、１９は端面１７と端面１８との間の垂直距離を示すギャップ、２０はロータの円周方向線（回転方向線）、２１は端面１７と端面１８との接触により形成される接触面、αはロータの円周方向線２０と接触面２１との挟角を示す。ロータの回転静止時に、端面１７と端面１８との間にギャップ１９を形成する。翼先端部の剛性を向上する観点から、ギャップ１９は、０に近い方が望ましい。即ち、ロータの回転静止時に、端面１７と端面１８とが点接触する状態が望ましい。或いは、ロータの回転開始直後の低いロータ回転数で、端面１７と端面１８とが接触を開始するように、ロータの回転静止時において、ギャップ１９は数ミリ程度とする。ロータの回転上昇に伴い、動翼１にアンツイストモーメント１１が作用し、動翼１′にアンツイストモーメント１２が作用し、動翼１のインテグラルカバー４の端面１７と動翼１′のインテグラルカバー３の端面１８とが接触して接触面２１を形成し、翼先端部のアンツイストを拘束する。即ち、翼先端部では、ロータが回転を開始するのと同時に、或いはロータの極低回転（数十ｒｐｍ）で、ロータの周方向に対して隣接する動翼のインテグラルカバー同士を接触させる。この接触は、翼車の全周の全ての動翼にわたって行われ、全ての動翼が相互に連結する状態になる。
第６図に、本発明の蒸気タービンの隣接する動翼の翼中間部の斜視図を示す、第７図，第８図に、第６図中の動翼の翼中間部をロータの半径方向から見た平面図を示す。尚、第７図はロータの回転静止時を示す。第８図はロータの定格回転時を示す。図中、２２は動翼１のタイボス６のうち動翼１′のタイボス５に対向する端面、２３は動翼１′のタイボス５のうち動翼１のタイボス６に対向する端面、２４は端面２２と端面２３との間の垂直距離を示すギャップ、２５は端面２２と端面２３との接触により形成される接触面、βはロータの円周方向線２０と接触面２５との挟角を示す。ロータの回転静止時に、端面２２と端面２３との間にギャップ２４を形成する。ロータの回転上昇に伴い、動翼１にアンツイストモーメント１３が作用し、動翼１′にアンツイストモーメント１４が作用し、動翼１のタイボス６の端面２２と動翼１′のタイボス５の端面２３とが接触して接触面２５を形成し、翼中間部のアンツイストを拘束する。
ロータの回転上昇に伴い翼に作用するアンツイストによって、翼先端部（インテグラルカバー部）及び翼中間部（タイボス部）が夫々接触し、連結する。接触後は、翼先端部のアンツイスト及び翼中間部のアンツイストが夫々拘束されるため、接触面２１及び接触面２５に、反力が作用し、ロータの回転上昇に伴い反力が増加する。これは、接触面に作用する面圧（単位面積当たりの反力）についても同様である。そして、この反力或いは面圧が過大となり、許容値を超えると、翼部２とインテグラルカバー３或いはインテグラルカバー４との結合部、翼部２とタイボス５或いはタイボス６との結合部、或いは翼植え込み部７に、過大な応力が発生し、その応力が許容値を超え、該結合部に損傷等を生じる。したがって、インテグラルカバー，タイボスが夫々接触し、アンツイストを拘束開始するロータ回転数を予め適切に調整することが重要となる。
第９図に、タイボスを備えない場合において、インテグラルカバーの接触面に作用する先端部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。第９図は、先端部拘束反力と、翼が損傷を生じない先端部の反力の許容値（以下、「先端部許容反力」と称す。）との比により、反力を無次元化してある。また、同様に、ロータ回転数とロータの定格回転数との比により、ロータ回転数を無次元化してある。尚、火力発電所における蒸気タービンの定格回転数は、周波数が５０Ｈｚのところでは、３０００ｒｐｍであり、周波数が６０Ｈｚのところでは、３６００ｒｐｍである。第９図中、実線は、ロータの回転静止時において、隣接するインテグラルカバー同士の端面間にギャップ１９を設けない場合を示し、破線は、ロータの回転静止時において、隣接するインテグラルカバー同士の端面間に数十ミリ程度のギャップを設けた場合を示す。同９によれば、隣接するインテグラルカバー同士の端面間にギャップ１９を設けない場合は、ロータの回転開始と同時に先端部拘束反力が発生し、ロータの回転上昇に伴って先端部拘束反力が増加し、定格回転数に到達する前に先端部拘束反力が先端部許容反力を超える。一方、隣接するインテグラルカバー同士の端面間に数十ミリ程度のギャップ１９を設けた場合は、あるロータ回転数に至るまでは先端部拘束反力が発生しないため、ロータの回転上昇に伴って先端部拘束反力が増加しても、定格回転数において、先端部拘束反力が先端部許容反力を超えない。ただし、隣接するインテグラルカバー同士の端面間のギャップ１９を過大にすると、隣接する翼が連結されない単独翼の状態の運転域が広くなり、翼先端部を拘束することによる振動減衰効果が期待できず、振動応力が大きくなる等の問題が発生する。
第１０図に、インテグラルカバーを備えない場合においてタイボスの接触面に作用する中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。前述したように、動翼１は翼根元部のねじり剛性が、翼先端部のねじり剛性に比較して大きいことから、インテグラルカバーを備えないタイボスのみの場合の中間連結部拘束反力の増加率は、タイボスを備えない場合の先端部拘束反力の増加率に比較して、非常に大きくなる。このため、隣接するタイボス同士を、ロータの回転開始とほぼ同時に接触させた場合は、定格回転数よりも遥かに低いロータ回転数において、中間連結部拘束反力が中間連結部許容反力を超えてしまう。
また、第１０図に、インテグラルカバーとタイボスとを備え、タイボス部をロータの回転開始とほぼ同時に接触させ、インテグラルカバー部を定格回転数の３０％のロータ回転数で接触させた場合の、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。第１０図中、破線は、インテグラルカバー部を接触させた後の中間連結部拘束反力の変化を示す。前述したように、ロータの回転上昇に伴い、インテグラルカバー部或いはタイボス部の何れか一方を接触させた後に、他方を接触させることにより、先に接触させた連結部材の接触面に作用する反力の増加割合を軽減できる。しかしながら、中間連結部拘束反力の増加割合が、先端部拘束反力の増加割合に比較して、非常に大きいため、第１０図から明らかなように、インテグラルカバー部の接触後も中間連結部拘束反力の増加割合がほとんど低下せず、定格回転数に到達するまでに、中間連結部拘束反力が中間連結部許容反力を超えてしまう。
以上のことから、動翼は、単独翼状態にあるロータ回転数の範囲が狭いほどインテグラルカバーによる振動減衰効果が期待できるため、ロータの回転静止時にインテグラルカバー部を接触させておく或いはロータの回転開始直後にインテグラルカバー部を接触させて、その後タイボス部を接触させ、定格回転数時においてインテグラルカバー部とタイボス部との何れもが接触状態にあり、翼先端部及び翼中間部が連結していることが望ましいと考えられる。
以下に、タイボス部を接触させるロータ回転数について言及する。
第１１図に、インテグラルカバー部をロータの回転開始とほぼ同時に接触させ、タイボス部を定格回転数の３０％程度のロータ回転数時点で接触させた場合の、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。第１１図によれば、タイボス部が接触する以前の先端部拘束反力の増加割合に比較して、タイボス部が接触した後の先端部拘束反力の増加割合が低下するため、定格回転数、さらにはオーバスピード運転域においても、先端部拘束反力が先端部許容反力を超えない。しかしながら、中間連結部拘束反力の増加割合が大きいため、定格回転数に到達する以前に、中間連結部拘束反力が中間連結部許容反力を超えてしまう。そこで、タイボス部を接触させるロータ回転数を、定格回転数の３０％よりも高回転側、例えば定格回転数の７０％となるように、隣接するタイボス間のギャップを調整する。
第１２図に、インテグラルカバー部をロータの回転開始とほぼ同時に接触させ、タイボス部を定格回転数の７０％のロータ回転数時点で接触させた場合の、先端部拘束反力或いは中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。第１２図によれば、タイボス部が接触する以前の先端部拘束反力の増加割合に比較して、タイボス部が接触した後の先端部拘束反力の増加割合が低下するため、定格回転数、さらにはオーバスピード運転域においても、先端部拘束反力が先端部許容反力を超えない。また、中間連結部拘束反力が作用し始めるロータ回転数が高回転であるため、定格回転数、さらにはオーバスピード運転域においても、中間連結部拘束反力が中間連結部許容反力を超えない。
本発明の作用を、翼の振動特性の観点から説明する。第１３図に、インテグラルカバー部をロータの回転開始とほぼ同時に接触させ、タイボス部を定格回転数の７０％のロータ回転数時点で接触させた場合の、翼車の全周にわたる全ての翼の固有振動数（以下、「翼振動数」と称す。）とロータ回転数との関係を示す。第１３図は、いわゆるキャンベル線図と称されるものである。また、第１３図中、実線の太線は、１次モード，２次モード，３次モードの例の翼の振動特性を示す。そして、太線上の点線は、翼の振動特性の過渡領域を示す。かかる過渡領域とは、翼車の全周にわたって、接触したタイボス部と非接触のタイボス部が混在する状態をいう。実線の細線は、ロータの回転周波数の整数倍（１，２，３…）の、蒸気タービンの励振力の周波数（以下、「励振周波数」と称す。）を示す。よって、定格回転数時のロータの周波数を５０Ｈｚと仮定すると、１倍時の励振周波数は５０Ｈｚとなり、２倍時の励振周波数は、１００Ｈｚとなる。この太線と細線との交点が、翼振動数と蒸気タービンの励振周波数との共振点を意味する。かかる共振点では、共振により翼の振動振幅が顕著に増幅するため、定格回転数において共振点が生じていないように蒸気タービンを設計する。また、この翼の振動振幅の増幅割合は、ロータの回転周波数に対する励振周波数の倍率が低いほど（励振周波数が低いほど）大きくなる。第１３図によれば、タイボス部が接触するロータ回転数の前後で、翼の振動特性が急激に変化することが明らかである。即ち、タイボス部が接触した直後に、翼振動数が急激に増加する。これは、タイボス部が接触し、翼中間部が連結するため、翼構造全体のねじり剛性が大幅に向上することによる。このように、ある時点（ロータ回転数）から突然外力（反力）が作用する現象を、過渡現象という。そして、このようにロータ回転数に対する翼振動数を高くすることにより、共振点における励振周波数が高くなるため、動翼の振動に対する強度，信頼性を向上する。例えば、定格回転数時に、共振が発生した場合にも、励振周波数が高いため、翼の振動振幅が顕著に増幅されることがない。
尚、定格回転数においても、インテグラルカバー部の接触面の反力及びタイボス部の接触面の反力を各々の許容値以下にするための、タイボス部が接触を開始するロータ回転数は、定格回転数の７０％に固定されるものではない。一般的に、翼長が長いほど、翼部２のねじり剛性が低いほど、ロータ回転数が高いほど、反力が大きくなる。例えば、中，大容量比の蒸気タービンに使用する翼長３２インチ以上の長翼においては、タイボス部が接触を開始するロータ回転数が定格回転数の約５５％以上であれば、タイボス部の接触面の反力を許容値以下に抑制することが可能である。
一方、タイボス部が接触を開始しなければならない上限のロータ回転数は、基本的に定格回転数以下であればよい。即ち、少なくとも蒸気タービンの定格運転時に、翼車の全周にわたる全ての翼のタイボス部が接触状態にあればよい。しかし、前述したように、隣接する翼同士が接触を開始するロータ回転数は、翼車の全周にわたって同一とならず、第１番目の翼が接触してから全ての翼が接触状態に至るまでには、ある程度のロータ回転数の範囲にわたる（過渡領域）。これは、蒸気タービンの製作上或いは蒸気タービンの組立て上の避け難いばらつきに起因する。また、タイボス部が接触する際、翼中間部での剛性が急激に変化するため、翼の固有振動数及び振動モードが大きく変化する。そして、翼に発生した過渡的な振動特性が安定するまでに、ある程度の時間を要する。以上の点を考慮すると、ロータが定格回転数に至る以前に、翼車の全周にわたる全ての翼のタイボス部が接触を完了し、振動特性的に安定するには、少なくとも定格回転数の８５％以前のロータ回転数で、タイボス部が接触を開始することが望ましい。
翼部２のアンツイスト角度は、▲１▼翼長、▲２▼翼部２のねじり剛性、▲３▼ロータ回転数等に依存する。即ち、翼長が長いほど、翼部２のねじり剛性が低いほど、ロータ回転数が高いほど、アンツイスト角度が大きくなる。よって、連結部材が接触を開始するロータ回転数は、例えば、動翼１の腹側の連結部材と動翼１′の背側の連結部材との間のロータの円周方向線（回転方向線）上の距離によって、調整することが可能である。即ち、インテグラルカバー部が接触を開始するロータ回転数は、隣接する動翼のインテグラルカバー同士の端部間のギャップ１９、及び角度αによって調整することが可能である。また、タイボス部が接触を開始するロータ回転数は、隣接する動翼のタイボス同士の端部門のギャップ２４、及び角度βによって調整することが可能である。
インテグラルカバー部を、ロータの回転開始とほぼ同時に接触させるためには、隣接する動翼のインテグラルカバー同士の端面間のギャップ１９を零又は数ミリ程度の微小値にする。一方、インテグラルカバー部を接触させた後に、タイボス部を接触させるため、隣接する動翼のタイボス同士の端面間のギャップ２４を、インテグラルカバーの端部間のギャップ１９よりも大きくする。
また、端面間のギャップが完全に閉じるまでのアンツイスト角度は、連結部材の接触面とロータの円周方向線（円周方向線）との挟角、即ち、角度α或いは角度βに依存する。即ち、各翼断面がアンツイストによって断面のねじり中心まわりに回転した場合、連結部材の接触面とロータの円周方向線との挟角が小さいほど、ギャップが閉じるまでの回転角が小さいくなる。したがって、タイボス部の接触面の角度βを、インテグラルカバー部の接触面の角度αより大きくする。インテグラルカバー部の角度αは、設計上２５度から５０度の範囲とするのが望ましい。一方、タイボス部の接触面には、強度上、曲げ応力よりも圧縮応力を作用させた方が望ましい。即ち、反力の作用方向を、ロータの円周方向（角度β：９０度）に近い方が望ましい。このため、タイボス部の角度βは、４５度から９０度の範囲にするのが望ましい。
次に、動翼１とディスク８との結合部の構造について説明する。
第２図に示すように、連結部材で翼部のアンツイストを拘束した結果として、翼植え込み部７にねじりモーメント１５，１６が作用する。例えば、特開平４−５４０２号公報に記載されているような逆クリスマスツリー型の翼植え込み構造では、ねじりモーメントにより、翼植え込み部とディスク溝との係合部に片あたりを生じ、ロータの回転上昇に伴い植え込み部或いはディスク溝に局所的に過大な応力が発生する。そこで、本発明の蒸気タービンにおいては、翼植え込み部７をフォーク型として、翼植え込み部７とディスク溝９とをロータの円周方向と平行な面で係合し、かつ、両者をピン１０で緊密に固定する。これにより、翼根元部にねじりモーメントが作用しても、片あたりを防止することができ、動翼１とディスク８との結合部に局所的な過大応力の発生を抑制することが可能となる。
第１４図に、本発明の蒸気タービンの機械構成図を示す。本蒸気タービンは、火力発電所で使用されるものである。第１４図中、２６はロータ、２７は静翼（ノズル）、２８は外部ケーシング、２９は主蒸気を示す。ロータ２６の同一円周上に、数十枚の動翼１を設ける。以下、ロータ２６の同一円周上における動翼の集合を、「段」と称す。この段を、ロータ２６の軸方向に、数段設ける。蒸気発生装置からの主蒸気２９が、動翼１に対応して外部ケーシング２８に設けた静翼２７によって、ロータ２６に設けた動翼１に導かれ、ロータ２６を回転させる。ロータ２６の一端部に発電機を設け、その発電機において、ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電を行う。本蒸気タービンにおいては、蒸気の下流段へ向かうほど、動翼の翼長が長い。即ち、復水器に最も近い最終段の動翼１が、最も翼長が長いため、強度振動上最も厳しい条件下にある。火力発電所に使用される低圧蒸気タービンの最終段の動翼の翼長は、３２インチから５０インチ程度である。そこで、本蒸気タービンでは、最終段の動翼１及び最終段の前段の動翼１に、インテグラルカバー及びタイボスを設ける。また、他段の動翼１には、タイボスを設けず、インテグラルカバーのみを設ける。
以上、本発明の蒸気タービンによれば、翼部に連結部材を備え、ロータの回転上昇に伴い発生するアンツイストを利用して、ロータ回転時に隣接する翼を連結するため、翼部の剛性を向上すると共に、翼部に発生する振動を減衰という効果を奏す。さらに、連結部材を、翼先端部付近と翼中間部とに設けることにより、アンツイストを拘束することにより連結部材の接触面に作用する反力を分散することができ、連結部材と翼部との結合部に過大応力が発生するのを抑制するという効果を奏す。さらに、翼先端部を連結した後、翼先端部を連結するロータ回転数よりも高いロータ回転数において翼中間部を連結し、即ち、ロータ回転数に対する反力の増加割合が大きい翼中間部を後で連結するため、翼先端部の接触面に作用する反力と翼中間部に作用する反力との何れも、許容値以下に抑制することができ、翼長が長くなり、ロータ回転数が高くなるといったより悪条件下においても、連結部材と翼部との結合部に過大応力が発生するのを抑制するという効果を奏す。
また、本発明の蒸気タービンにおいては、翼植え込み部をフォーク型として、翼植え込み部とロータのディスク溝とをロータの円周方向と平行な面で結合するため、翼根元部にねじりモーメントが作用しても、片あたりを防止することができ、局所的な過大応力の発生を抑制することが可能という効果を奏す。
以上示した本発明の蒸気タービンの実施例においては、動翼の翼中間部にタイボスを１組（背側と腹側）だけ設けた場合を示したが、タイボスの数を複数組（２組，３組…）としても、同様の効果を得る。この場合、最初に、インテグラルカバー部を接触させて、その後、タイボス部をインテグラルカバー部に近い方から順次接触させる。この場合、各々のタイボスを接触させるロータ回転数は、翼長方向に対するタイボスの位置、及びその位置における翼のねじり剛性等によって決定する。尚、強度上、翼先端側に位置するインテグラルカバー或いはタイボスと、翼根元側に位置するタイボスとを同時（同一のロータ回転数）に接触させることが可能なこともある。また、最初にインテグラルカバーを接触させておけば、複数組のタイボス部の接触を開始するロータ回転数を、特に定めなくてもよい場合もある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の蒸気タービンの動翼の斜視図を示す。
第２図は、本発明の蒸気タービンの動翼をロータへの取り付けた場合の斜視図を示す。
第３図は、本発明の蒸気タービンの隣接する動翼の翼先端部の斜視図を示す。
第４図，第５図は、第３図中の動翼の翼先端部をロータの半径方向から見た平面図を示す。
第６図は、本発明の蒸気タービンの隣接する動翼の翼中間部の斜視図を示す。
第７図，第８図は、第６図中の動翼の翼中間部をロータの半径方向から見た平面図を示す。
第９図は、中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す図である。
第１０図は、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す図である。
第１１図は、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す図である。
第１２図は、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す図である。
第１３図は、翼振動数とロータ回転数との関係を示す図である。
第１４図は、本発明の蒸気タービンの機械構成図を示す。
本発明は、その根元から先端にわたってねじれた翼を有する動翼を備えた蒸気タービンに係り、特に、火力或いは原子力発電所等で使用する蒸気タービンに関する。
背景技術
一般に、蒸気タービンの動翼は、作動流体（蒸気）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する。これらの励振力に対する翼構造の振動応答には、各振動モードにおける固有振動数や減衰力の大きさが関連する。
そこで、翼先端部にインテグラルカバー或いはインテグラルシュラウドと称する連結部材を設け、タービンの回動時に動翼に作用する遠心力により発生するねじり戻り（以下、「アンツイスト」と称す。）を利用して、隣接する翼先端部の連結部材を連結し、動翼の先端部を拘束する。これは、動翼の先端部を拘束することにより、タービン（ロータ）の回転時の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。これにより、共振応答の大きい低次振動モードの共振を抑制すると共に、共振応答の小さい高次振動モードにおける共振に対する信頼性を向上することができる。
しかし、蒸気タービンの低圧段の最終段の動翼のように、翼長が３２インチ以上と長くなると、振動振幅が大きくなり、翼先端部の連結部付近或いは翼根元部等に局所的な過大応力が発生し、当該箇所に損傷が発生する。そこで、翼中間部の腹側と背側との夫々に、タイボス或いはインテグラルスナッパーと称する連結部材を設け、上述同様アンツィストを利用して、隣接する翼中間部の連結部材を連結し、翼先端部に加え翼中間部を拘束し、応力集中を緩和し、過大応力の発生を抑制している。
従来の技術として、特開平４−５４０２号公報には、翼先端にインテグラルシュラウドを設け、隣接する翼の前記インテグラルシュラウドを面接触させると共に、翼長方向のほぼ中間部の翼の腹側及び背側に、前記インテグラルシュラウドの接触面の切り角とほぼ同一の切り角を有するインテグラルスナッパーを設け、回転時の遠心力による振りもどり変形（アンツィスト）によって、隣接する翼の前記インテグラルスナッパーを接触させる動翼が記載されている。
翼先端部と翼中間部との夫々に連結部材を備えた動翼において、翼先端部の連結部材の接触面に作用する反力或いは面圧（単位面積当たりの反力）と、翼中間部の連結部材の接触面との反力或いは面圧とは、ロータ回転数に対して各々独立に決定されるのではなく、相互に関係し合う。つまり、両者の反力或いは面圧を共に許容値以下とするためには、翼先端部の接触状態と翼中間部の接触状態との相関関係、例えば、翼先端部の接触面と翼中間部の接触面との形状或いは構造の相関関係、翼先端部が接触する時点と翼中間部が接触する時点との時間的な相関関係等を考慮する必要がある。
しかしながら、上記特開平４−５４０２号公報に記載された発明においては、翼先端部の接触状態と翼中間部の接触状態との相関関係について考慮されていない。これは、同文献に記載された発明が、単に２次モードの振動を消滅させることを目的とするからであると考えられる。
本発明の目的は、翼先端部の接触状態と翼中間部の接触状態との相関関係を考慮して、連結部材と翼部との結合部に過大応力が発生するのを抑制することにより、タービンの起動から定格運転に至るまでの運転範囲において強度振動的に信頼性を向上した動翼を備えた蒸気タービンを提供することにある。
発明の開示
上記目的を達成するために、第１の発明の蒸気タービンは、ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有し、隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔が、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔よりも小さくなるように形成された動翼を備える。
また、上記目的を達成するために、第２の発明の蒸気タービンは、ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有し、隣接して配置された翼間における前記第一の連結部材が接触を開始する前記ロータの回転数よりも、前記隣接して配置された翼間における前記第二の連結部材が接触を開始する前記ロータの回転数の方が高くなるように、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔と、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔とが形成された動翼を備える。
また、上記目的を達成するために、第３の発明の蒸気タービンは、ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有し、前記ロータの回転静止と定格回転との範囲内にある回転数で、前記ロータの回転に伴い生じる固有振動の振動数が変化するように、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔と、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔とが形成された動翼を備える。
発明を実施するための最良の形態
火力或いは原子力発電所で使用する蒸気タービンの動翼は、翼根元から翼先端にわたってねじれている。蒸気タービンのロータの回転に伴いロータの円周上に固定した動翼の翼部に、翼根元から翼先端に向かって遠心力が作用する。翼部がねじれているため、この遠心力によって、翼部にアンツイストが発生する。また、翼根元から翼先端に向かって翼断面積が小さくなっていることから、同一の材質であれば、翼根元から翼先端に向かうほど、翼断面に対するねじり剛性が低くなる。
かかる動翼においては、以下に示す特徴がある。
第一に、翼先端部にねじりモーメントを加えて該翼先端部断面を一定の角度だけねじるために必要なねじりモーメントが、翼根元と翼先端との間（以下、「翼中間部」と称す。）にねじりモーメントを加えて該翼中間部断面を同じ角度だけねじるために必要なねじりモーメントに比較して、非常に小さい点である。即ち、ロータの回転上昇に伴って生じるアンツイスト角を、翼先端部付近に設けた連結部材或いは翼中間部に設けた連結部材により一定の角度に拘束する場合に、翼先端部のアンツイストを拘束するために必要なモーメントが、翼中間部のアンツイストを拘束するために必要なモーメントに比較して、非常に小さくなる。このアンツイストを拘束するために必要なモーメントは、連結部材の接触面に作用する反力と、その反力の作用点間の腕の長さとの積で示すことができる。よって、翼先端部付近の連結部材の接触面に作用する反力が、翼中間部の連結部材の接触面に作用する反力に比較して、非常に小さくなる。換言すると、所定のアンツイスト角を拘束する場合、翼先端部よりも、翼中間部の方が、大きな反力が作用する。
第二に、ロータの回転上昇に伴い、翼先端部或いは翼中間部の何れか一方を接触させた後に、他方を接触させることにより、先に接触させた連結部材の接触面に作用する反力の増加割合を軽減できる点である。
以上のことを考慮して、翼先端部が連結するロータ回転数と、翼中間部が連結するロータ回転数とを適切に調整することにより、強度振動的に信頼性の高い蒸気タービンを実現することができる。
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
第１図に、本発明の蒸気タービンの動翼の斜視図を示す。第１図中、１は動翼（ブレード）、２は翼根元から翼先端にわたってねじれた翼部、３は翼先端部に設けられ翼背側に伸延するインテグラルカバー（翼背側の第一の連結部材）、４は翼先端部に設けられ翼腹側に伸延するインテグラルカバー（翼腹側の第一の連結部材）、５は翼中間部の翼背側に突出するタイボス（翼背側の第二の連結部材）、６は翼中間部の翼腹側に突出するタイボス（翼腹側の第二の連結部材）、７はフォーク型の翼植え込み部を示す。インテグラルカバー３，４及びタイボス５，６は何れも、翼部２と一体形に形成される。尚、翼部２の翼長は、４３インチである。また、タイボス５，６は、翼長方向の翼のほぼ中央部（翼長の１／２）に設けることが多いが、翼部のねじり剛性等に対応して、翼長方向の中央部よりも翼先端側或いは翼根元側に設けることもある。また、タイボス５，６は、ロータの軸方向線上の翼の前縁と後縁との間のほぼ中央部に設けることが多い。
第２図に、本発明の蒸気タービンの動翼をロータへ取り付けた場合の斜視図を示す。第２図中、８はロータの外周上に設けられる円筒状のディスク、９はディスク８に設けられるディスク溝、１０は翼植え込み部７とディスク８とを係合するピンを示す。動翼１の翼植え込み部７を、ディスク溝９にはめ込み、ピン１０によって係合し、動翼１をロータに固定する。そして、ディスク８を、ロータの円周方向（回転方向）に沿って形成し、ロータの円周上に数十枚の動翼１を形成する。ロータの回転上昇に伴い、翼部２には、翼根元から翼先端に向かって遠心力が作用する。翼部２がねじれているため、遠心力によって、翼部２にアンツイストが発生する。第２図中に、動翼１の翼先端部に作用するアンツイストモーメントの向きを矢符号１１，ロータの円周方向に対して動翼１に隣接する動翼１′の翼先端部に作用するアンツイストモーメントの向きを矢符号１２で示す。また、動翼１の翼中間部に作用するアンツイストモーメントの向きを矢符号１３，動翼１′の翼中間部に作用するアンツイストモーメントの向きを矢符号１４で示す。動翼１の翼先端部及び翼中間部に作用するアンツイスト、動翼１′の翼先端部及び翼中間部に作用するアンツイストを、インテグラルカバー及びタイボスで各々拘束した場合、アンツイストモーメントの反作用としてアンツイストモーメントと逆向きのねじりモーメントが翼植え込み部７に作用する。このねじりモーメントの向きを各々矢符号１５，１６で示す。
第３図に、本発明の蒸気タービンの隣接する動翼の翼先端部の斜視図を示す、第４図，第５図に、第３図中の動翼の翼先端部をロータの半径方向から見た平面図を示す。尚、第４図はロータの回転静止時を示す。第５図は蒸気タービンの定格運転時（ロータの定格回転時）を示す。図中、１７は動翼１のインテグラルカバー４のうち動翼１′のインテグラルカバー３に対向する端面、１８は動翼１′のインテグラルカバー３のうち動翼１のインテグラルカバー４に対向する端面、１９は端面１７と端面１８との間の垂直距離を示すギャップ、２０はロータの円周方向線（回転方向線）、２１は端面１７と端面１８との接触により形成される接触面、αはロータの円周方向線２０と接触面２１との挟角を示す。ロータの回転静止時に、端面１７と端面１８との間にギャップ１９を形成する。翼先端部の剛性を向上する観点から、ギャップ１９は、０に近い方が望ましい。即ち、ロータの回転静止時に、端面１７と端面１８とが点接触する状態が望ましい。或いは、ロータの回転開始直後の低いロータ回転数で、端面１７と端面１８とが接触を開始するように、ロータの回転静止時において、ギャップ１９は数ミリ程度とする。ロータの回転上昇に伴い、動翼１にアンツイストモーメント１１が作用し、動翼１′にアンツイストモーメント１２が作用し、動翼１のインテグラルカバー４の端面１７と動翼１′のインテグラルカバー３の端面１８とが接触して接触面２１を形成し、翼先端部のアンツイストを拘束する。即ち、翼先端部では、ロータが回転を開始するのと同時に、或いはロータの極低回転（数十ｒｐｍ）で、ロータの周方向に対して隣接する動翼のインテグラルカバー同士を接触させる。この接触は、翼車の全周の全ての動翼にわたって行われ、全ての動翼が相互に連結する状態になる。
第６図に、本発明の蒸気タービンの隣接する動翼の翼中間部の斜視図を示す、第７図，第８図に、第６図中の動翼の翼中間部をロータの半径方向から見た平面図を示す。尚、第７図はロータの回転静止時を示す。第８図はロータの定格回転時を示す。図中、２２は動翼１のタイボス６のうち動翼１′のタイボス５に対向する端面、２３は動翼１′のタイボス５のうち動翼１のタイボス６に対向する端面、２４は端面２２と端面２３との間の垂直距離を示すギャップ、２５は端面２２と端面２３との接触により形成される接触面、βはロータの円周方向線２０と接触面２５との挟角を示す。ロータの回転静止時に、端面２２と端面２３との間にギャップ２４を形成する。ロータの回転上昇に伴い、動翼１にアンツイストモーメント１３が作用し、動翼１′にアンツイストモーメント１４が作用し、動翼１のタイボス６の端面２２と動翼１′のタイボス５の端面２３とが接触して接触面２５を形成し、翼中間部のアンツイストを拘束する。
ロータの回転上昇に伴い翼に作用するアンツイストによって、翼先端部（インテグラルカバー部）及び翼中間部（タイボス部）が夫々接触し、連結する。接触後は、翼先端部のアンツイスト及び翼中間部のアンツイストが夫々拘束されるため、接触面２１及び接触面２５に、反力が作用し、ロータの回転上昇に伴い反力が増加する。これは、接触面に作用する面圧（単位面積当たりの反力）についても同様である。そして、この反力或いは面圧が過大となり、許容値を超えると、翼部２とインテグラルカバー３或いはインテグラルカバー４との結合部、翼部２とタイボス５或いはタイボス６との結合部、或いは翼植え込み部７に、過大な応力が発生し、その応力が許容値を超え、該結合部に損傷等を生じる。したがって、インテグラルカバー，タイボスが夫々接触し、アンツイストを拘束開始するロータ回転数を予め適切に調整することが重要となる。
第９図に、タイボスを備えない場合において、インテグラルカバーの接触面に作用する先端部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。第９図は、先端部拘束反力と、翼が損傷を生じない先端部の反力の許容値（以下、「先端部許容反力」と称す。）との比により、反力を無次元化してある。また、同様に、ロータ回転数とロータの定格回転数との比により、ロータ回転数を無次元化してある。尚、火力発電所における蒸気タービンの定格回転数は、周波数が５０Ｈｚのところでは、３０００ｒｐｍであり、周波数が６０Ｈｚのところでは、３６００ｒｐｍである。第９図中、実線は、ロータの回転静止時において、隣接するインテグラルカバー同士の端面間にギャップ１９を設けない場合を示し、破線は、ロータの回転静止時において、隣接するインテグラルカバー同士の端面間に数十ミリ程度のギャップを設けた場合を示す。同９によれば、隣接するインテグラルカバー同士の端面間にギャップ１９を設けない場合は、ロータの回転開始と同時に先端部拘束反力が発生し、ロータの回転上昇に伴って先端部拘束反力が増加し、定格回転数に到達する前に先端部拘束反力が先端部許容反力を超える。一方、隣接するインテグラルカバー同士の端面間に数十ミリ程度のギャップ１９を設けた場合は、あるロータ回転数に至るまでは先端部拘束反力が発生しないため、ロータの回転上昇に伴って先端部拘束反力が増加しても、定格回転数において、先端部拘束反力が先端部許容反力を超えない。ただし、隣接するインテグラルカバー同士の端面間のギャップ１９を過大にすると、隣接する翼が連結されない単独翼の状態の運転域が広くなり、翼先端部を拘束することによる振動減衰効果が期待できず、振動応力が大きくなる等の問題が発生する。
第１０図に、インテグラルカバーを備えない場合においてタイボスの接触面に作用する中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。前述したように、動翼１は翼根元部のねじり剛性が、翼先端部のねじり剛性に比較して大きいことから、インテグラルカバーを備えないタイボスのみの場合の中間連結部拘束反力の増加率は、タイボスを備えない場合の先端部拘束反力の増加率に比較して、非常に大きくなる。このため、隣接するタイボス同士を、ロータの回転開始とほぼ同時に接触させた場合は、定格回転数よりも遥かに低いロータ回転数において、中間連結部拘束反力が中間連結部許容反力を超えてしまう。
また、第１０図に、インテグラルカバーとタイボスとを備え、タイボス部をロータの回転開始とほぼ同時に接触させ、インテグラルカバー部を定格回転数の３０％のロータ回転数で接触させた場合の、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。第１０図中、破線は、インテグラルカバー部を接触させた後の中間連結部拘束反力の変化を示す。前述したように、ロータの回転上昇に伴い、インテグラルカバー部或いはタイボス部の何れか一方を接触させた後に、他方を接触させることにより、先に接触させた連結部材の接触面に作用する反力の増加割合を軽減できる。しかしながら、中間連結部拘束反力の増加割合が、先端部拘束反力の増加割合に比較して、非常に大きいため、第１０図から明らかなように、インテグラルカバー部の接触後も中間連結部拘束反力の増加割合がほとんど低下せず、定格回転数に到達するまでに、中間連結部拘束反力が中間連結部許容反力を超えてしまう。
以上のことから、動翼は、単独翼状態にあるロータ回転数の範囲が狭いほどインテグラルカバーによる振動減衰効果が期待できるため、ロータの回転静止時にインテグラルカバー部を接触させておく或いはロータの回転開始直後にインテグラルカバー部を接触させて、その後タイボス部を接触させ、定格回転数時においてインテグラルカバー部とタイボス部との何れもが接触状態にあり、翼先端部及び翼中間部が連結していることが望ましいと考えられる。
以下に、タイボス部を接触させるロータ回転数について言及する。
第１１図に、インテグラルカバー部をロータの回転開始とほぼ同時に接触させ、タイボス部を定格回転数の３０％程度のロータ回転数時点で接触させた場合の、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。第１１図によれば、タイボス部が接触する以前の先端部拘束反力の増加割合に比較して、タイボス部が接触した後の先端部拘束反力の増加割合が低下するため、定格回転数、さらにはオーバスピード運転域においても、先端部拘束反力が先端部許容反力を超えない。しかしながら、中間連結部拘束反力の増加割合が大きいため、定格回転数に到達する以前に、中間連結部拘束反力が中間連結部許容反力を超えてしまう。そこで、タイボス部を接触させるロータ回転数を、定格回転数の３０％よりも高回転側、例えば定格回転数の７０％となるように、隣接するタイボス間のギャップを調整する。
第１２図に、インテグラルカバー部をロータの回転開始とほぼ同時に接触させ、タイボス部を定格回転数の７０％のロータ回転数時点で接触させた場合の、先端部拘束反力或いは中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す。第１２図によれば、タイボス部が接触する以前の先端部拘束反力の増加割合に比較して、タイボス部が接触した後の先端部拘束反力の増加割合が低下するため、定格回転数、さらにはオーバスピード運転域においても、先端部拘束反力が先端部許容反力を超えない。また、中間連結部拘束反力が作用し始めるロータ回転数が高回転であるため、定格回転数、さらにはオーバスピード運転域においても、中間連結部拘束反力が中間連結部許容反力を超えない。
本発明の作用を、翼の振動特性の観点から説明する。第１３図に、インテグラルカバー部をロータの回転開始とほぼ同時に接触させ、タイボス部を定格回転数の７０％のロータ回転数時点で接触させた場合の、翼車の全周にわたる全ての翼の固有振動数（以下、「翼振動数」と称す。）とロータ回転数との関係を示す。第１３図は、いわゆるキャンベル線図と称されるものである。また、第１３図中、実線の太線は、１次モード，２次モード，３次モードの例の翼の振動特性を示す。そして、太線上の点線は、翼の振動特性の過渡領域を示す。かかる過渡領域とは、翼車の全周にわたって、接触したタイボス部と非接触のタイボス部が混在する状態をいう。実線の細線は、ロータの回転周波数の整数倍（１，２，３…）の、蒸気タービンの励振力の周波数（以下、「励振周波数」と称す。）を示す。よって、定格回転数時のロータの周波数を５０Ｈｚと仮定すると、１倍時の励振周波数は５０Ｈｚとなり、２倍時の励振周波数は、１００Ｈｚとなる。この太線と細線との交点が、翼振動数と蒸気タービンの励振周波数との共振点を意味する。かかる共振点では、共振により翼の振動振幅が顕著に増幅するため、定格回転数において共振点が生じていないように蒸気タービンを設計する。また、この翼の振動振幅の増幅割合は、ロータの回転周波数に対する励振周波数の倍率が低いほど（励振周波数が低いほど）大きくなる。第１３図によれば、タイボス部が接触するロータ回転数の前後で、翼の振動特性が急激に変化することが明らかである。即ち、タイボス部が接触した直後に、翼振動数が急激に増加する。これは、タイボス部が接触し、翼中間部が連結するため、翼構造全体のねじり剛性が大幅に向上することによる。このように、ある時点（ロータ回転数）から突然外力（反力）が作用する現象を、過渡現象という。そして、このようにロータ回転数に対する翼振動数を高くすることにより、共振点における励振周波数が高くなるため、動翼の振動に対する強度，信頼性を向上する。例えば、定格回転数時に、共振が発生した場合にも、励振周波数が高いため、翼の振動振幅が顕著に増幅されることがない。
尚、定格回転数においても、インテグラルカバー部の接触面の反力及びタイボス部の接触面の反力を各々の許容値以下にするための、タイボス部が接触を開始するロータ回転数は、定格回転数の７０％に固定されるものではない。一般的に、翼長が長いほど、翼部２のねじり剛性が低いほど、ロータ回転数が高いほど、反力が大きくなる。例えば、中，大容量比の蒸気タービンに使用する翼長３２インチ以上の長翼においては、タイボス部が接触を開始するロータ回転数が定格回転数の約５５％以上であれば、タイボス部の接触面の反力を許容値以下に抑制することが可能である。
一方、タイボス部が接触を開始しなければならない上限のロータ回転数は、基本的に定格回転数以下であればよい。即ち、少なくとも蒸気タービンの定格運転時に、翼車の全周にわたる全ての翼のタイボス部が接触状態にあればよい。しかし、前述したように、隣接する翼同士が接触を開始するロータ回転数は、翼車の全周にわたって同一とならず、第１番目の翼が接触してから全ての翼が接触状態に至るまでには、ある程度のロータ回転数の範囲にわたる（過渡領域）。これは、蒸気タービンの製作上或いは蒸気タービンの組立て上の避け難いばらつきに起因する。また、タイボス部が接触する際、翼中間部での剛性が急激に変化するため、翼の固有振動数及び振動モードが大きく変化する。そして、翼に発生した過渡的な振動特性が安定するまでに、ある程度の時間を要する。以上の点を考慮すると、ロータが定格回転数に至る以前に、翼車の全周にわたる全ての翼のタイボス部が接触を完了し、振動特性的に安定するには、少なくとも定格回転数の８５％以前のロータ回転数で、タイボス部が接触を開始することが望ましい。
翼部２のアンツイスト角度は、▲１▼翼長、▲２▼翼部２のねじり剛性、▲３▼ロータ回転数等に依存する。即ち、翼長が長いほど、翼部２のねじり剛性が低いほど、ロータ回転数が高いほど、アンツイスト角度が大きくなる。よって、連結部材が接触を開始するロータ回転数は、例えば、動翼１の腹側の連結部材と動翼１′の背側の連結部材との間のロータの円周方向線（回転方向線）上の距離によって、調整することが可能である。即ち、インテグラルカバー部が接触を開始するロータ回転数は、隣接する動翼のインテグラルカバー同士の端部間のギャップ１９、及び角度αによって調整することが可能である。また、タイボス部が接触を開始するロータ回転数は、隣接する動翼のタイボス同士の端部門のギャップ２４、及び角度βによって調整することが可能である。
インテグラルカバー部を、ロータの回転開始とほぼ同時に接触させるためには、隣接する動翼のインテグラルカバー同士の端面間のギャップ１９を零又は数ミリ程度の微小値にする。一方、インテグラルカバー部を接触させた後に、タイボス部を接触させるため、隣接する動翼のタイボス同士の端面間のギャップ２４を、インテグラルカバーの端部間のギャップ１９よりも大きくする。
また、端面間のギャップが完全に閉じるまでのアンツイスト角度は、連結部材の接触面とロータの円周方向線（円周方向線）との挟角、即ち、角度α或いは角度βに依存する。即ち、各翼断面がアンツイストによって断面のねじり中心まわりに回転した場合、連結部材の接触面とロータの円周方向線との挟角が小さいほど、ギャップが閉じるまでの回転角が小さいくなる。したがって、タイボス部の接触面の角度βを、インテグラルカバー部の接触面の角度αより大きくする。インテグラルカバー部の角度αは、設計上２５度から５０度の範囲とするのが望ましい。一方、タイボス部の接触面には、強度上、曲げ応力よりも圧縮応力を作用させた方が望ましい。即ち、反力の作用方向を、ロータの円周方向（角度β：９０度）に近い方が望ましい。このため、タイボス部の角度βは、４５度から９０度の範囲にするのが望ましい。
次に、動翼１とディスク８との結合部の構造について説明する。
第２図に示すように、連結部材で翼部のアンツイストを拘束した結果として、翼植え込み部７にねじりモーメント１５，１６が作用する。例えば、特開平４−５４０２号公報に記載されているような逆クリスマスツリー型の翼植え込み構造では、ねじりモーメントにより、翼植え込み部とディスク溝との係合部に片あたりを生じ、ロータの回転上昇に伴い植え込み部或いはディスク溝に局所的に過大な応力が発生する。そこで、本発明の蒸気タービンにおいては、翼植え込み部７をフォーク型として、翼植え込み部７とディスク溝９とをロータの円周方向と平行な面で係合し、かつ、両者をピン１０で緊密に固定する。これにより、翼根元部にねじりモーメントが作用しても、片あたりを防止することができ、動翼１とディスク８との結合部に局所的な過大応力の発生を抑制することが可能となる。
第１４図に、本発明の蒸気タービンの機械構成図を示す。本蒸気タービンは、火力発電所で使用されるものである。第１４図中、２６はロータ、２７は静翼（ノズル）、２８は外部ケーシング、２９は主蒸気を示す。ロータ２６の同一円周上に、数十枚の動翼１を設ける。以下、ロータ２６の同一円周上における動翼の集合を、「段」と称す。この段を、ロータ２６の軸方向に、数段設ける。蒸気発生装置からの主蒸気２９が、動翼１に対応して外部ケーシング２８に設けた静翼２７によって、ロータ２６に設けた動翼１に導かれ、ロータ２６を回転させる。ロータ２６の一端部に発電機を設け、その発電機において、ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電を行う。本蒸気タービンにおいては、蒸気の下流段へ向かうほど、動翼の翼長が長い。即ち、復水器に最も近い最終段の動翼１が、最も翼長が長いため、強度振動上最も厳しい条件下にある。火力発電所に使用される低圧蒸気タービンの最終段の動翼の翼長は、３２インチから５０インチ程度である。そこで、本蒸気タービンでは、最終段の動翼１及び最終段の前段の動翼１に、インテグラルカバー及びタイボスを設ける。また、他段の動翼１には、タイボスを設けず、インテグラルカバーのみを設ける。
以上、本発明の蒸気タービンによれば、翼部に連結部材を備え、ロータの回転上昇に伴い発生するアンツイストを利用して、ロータ回転時に隣接する翼を連結するため、翼部の剛性を向上すると共に、翼部に発生する振動を減衰という効果を奏す。さらに、連結部材を、翼先端部付近と翼中間部とに設けることにより、アンツイストを拘束することにより連結部材の接触面に作用する反力を分散することができ、連結部材と翼部との結合部に過大応力が発生するのを抑制するという効果を奏す。さらに、翼先端部を連結した後、翼先端部を連結するロータ回転数よりも高いロータ回転数において翼中間部を連結し、即ち、ロータ回転数に対する反力の増加割合が大きい翼中間部を後で連結するため、翼先端部の接触面に作用する反力と翼中間部に作用する反力との何れも、許容値以下に抑制することができ、翼長が長くなり、ロータ回転数が高くなるといったより悪条件下においても、連結部材と翼部との結合部に過大応力が発生するのを抑制するという効果を奏す。
また、本発明の蒸気タービンにおいては、翼植え込み部をフォーク型として、翼植え込み部とロータのディスク溝とをロータの円周方向と平行な面で結合するため、翼根元部にねじりモーメントが作用しても、片あたりを防止することができ、局所的な過大応力の発生を抑制することが可能という効果を奏す。
以上示した本発明の蒸気タービンの実施例においては、動翼の翼中間部にタイボスを１組（背側と腹側）だけ設けた場合を示したが、タイボスの数を複数組（２組，３組…）としても、同様の効果を得る。この場合、最初に、インテグラルカバー部を接触させて、その後、タイボス部をインテグラルカバー部に近い方から順次接触させる。この場合、各々のタイボスを接触させるロータ回転数は、翼長方向に対するタイボスの位置、及びその位置における翼のねじり剛性等によって決定する。尚、強度上、翼先端側に位置するインテグラルカバー或いはタイボスと、翼根元側に位置するタイボスとを同時（同一のロータ回転数）に接触させることが可能なこともある。また、最初にインテグラルカバーを接触させておけば、複数組のタイボス部の接触を開始するロータ回転数を、特に定めなくてもよい場合もある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の蒸気タービンの動翼の斜視図を示す。
第２図は、本発明の蒸気タービンの動翼をロータへの取り付けた場合の斜視図を示す。
第３図は、本発明の蒸気タービンの隣接する動翼の翼先端部の斜視図を示す。
第４図，第５図は、第３図中の動翼の翼先端部をロータの半径方向から見た平面図を示す。
第６図は、本発明の蒸気タービンの隣接する動翼の翼中間部の斜視図を示す。
第７図，第８図は、第６図中の動翼の翼中間部をロータの半径方向から見た平面図を示す。
第９図は、中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す図である。
第１０図は、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す図である。
第１１図は、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す図である。
第１２図は、先端部拘束反力及び中間連結部拘束反力とロータ回転数との関係を示す図である。
第１３図は、翼振動数とロータ回転数との関係を示す図である。
第１４図は、本発明の蒸気タービンの機械構成図を示す。
Claims (6)
- ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有する動翼を備えた蒸気タービンにおいて、前記ロータの回転静止時、全周の全ての動翼にわたって、前記動翼は、隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔が、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔よりも小さくなるように形成したことを特徴とする蒸気タービン。
- ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有する動翼を備えた蒸気タービンにおいて、前記ロータの回転静止時、全周の全ての動翼にわたって、前記動翼は、隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の垂直距離が、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の垂直距離よりも小さくなるように形成したことを特徴とする蒸気タービン。
- 請求項１又は２において、前記動翼は、隣接して配置された翼間における前記第一の連結部材同士の接触面と前記ロータの回転方向線との挟角が、前記隣接して配置された翼間における前記第二の連結部材同士の接触面と前記ロータの回転方向線との挟角よりも小さくなるように形成したことを特徴とする蒸気タービン。
- ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有する動翼を備えた蒸気タービンにおいて、前記動翼は、隣接して配置された翼間における前記第一の連結部材が接触を開始する前記ロータの回転数よりも、前記隣接して配置された翼間における前記第二の連結部材が接触を開始する前記ロータの回転数の方が高くなるように、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔と、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔とを形成したことを特徴とする蒸気タービン。
- ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有する動翼を備えた蒸気タービンにおいて、前記動翼は、前記ロータの回転静止と定格回転との範囲内にある回転数で、隣接して配置された翼間における前記第一の連結部材同士が接触状態になり、前記隣接して配置された翼間における前記第二の連結部材同士が非接触状態になり、かつ、前記ロータの定格回転数で、前記隣接して配置された翼間における前記第一の連結部材同士が接触状態になり、前記隣接して配置された翼間における前記第二の連結部材同士が接触状態になるように、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔と、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔とを形成したことを特徴とする蒸気タービン。
- ロータの回転方向に沿って複数個形成され、その根元から先端にわたってねじれた翼と、前記翼の先端部に形成され、前記翼の背側と腹側とに夫々伸延した第一の連結部材と、前記翼の根元と前記第一の連結部材との間に位置し、前記翼の背側と腹側とに夫々設けられた第二の連結部材とを有する動翼を備えた蒸気タービンにおいて、前記動翼は、前記ロータの回転静止時に、隣接して配置された翼間における前記第一の連結部材同士が接触状態になり、前記隣接して配置された翼間における前記第二の連結部材同士が非接触状態になり、かつ、前記ロータの定格回転数で、前記隣接して配置された翼間における前記第一の連結部材同士が接触状態になり、前記隣接して配置された翼間における前記第二の連結部材同士が接触状態になるように、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第一の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔と、前記隣接して配置された翼間における相互に対向する前記第二の連結部材の端面間の前記ロータの回転方向に沿った間隔とを形成したことを特徴とする蒸気タービン。
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