WO1999013200A1 - Turbine a vapeur - Google Patents

Description

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明 細 書

蒸気タービン 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、 翼先端部にィ ンテグラルカバー或いはィ 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 リ戻リ （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 、 タ一ビン （ 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一 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、 蒸気タ一ビンの低圧段の最終段の動翼のよ う に、 翼長が 3 2 ィ 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 イボス或いはィ ンテグラルスナツパーと称する連結部材を設け、 上述同様アンツ イ ス 卜 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 一 540 2 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、 前記ィ 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 を有するィ ンテグラルスナツパーを設け、 回転時の遠心力による振り も ど り変形 (アンツ イ ス ト） によ って、 瞵接する翼の前記イ ンテグラルスナ ツパ一 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 リ 、 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、 口 —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 リ 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 の発明の蒸気タ一ビンは、 口 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口 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。 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、 本発明の蒸気タ一ピ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、 本発明の蒸気ターピ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 1 0 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 1 1 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 1 2 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 1 3 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 1 4図は、 本発明の蒸気タービンの機械構成図を示す。 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 なつている 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 リ モ一メ 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 卜が、 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 卜を拘束するために必要なモーメ ン 卜が、 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一メ 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 とカ 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 リ 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 グラルカバ一 （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、 4 3 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 リ 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 イ スク 、 9 はディ スク 8 に設けられるディ スク溝、 1 0 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 1 0 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 つて形成し、 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 1 1 ， 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 卜の向き を矢符号 1 2 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 1 3 ， 動翼 1 ' の翼中間部に作用するアンッ イ ス トモーメ ン トの向き を矢符号 1 4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 ンテグラルカバ一及びタ イボスで各々拘束し た場合、 アンツイ ス トモ一メ 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 リ モ一メ 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 1 5， 1 6 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、 1 7 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 ルカバ一 3 に対向する端面、 1 8 は動翼 1 ' のイ ンテグラルカバー 3 の う ち動翼 1 のイ ンテグラルカバ一 4 に対向する端面、 1 9 は端面 1 7 と 端面 1 8 との間の垂直距離を示すギャ ッ プ、 2 0 はロータ の円周方向線 (回転方向線） 、 2 1 は端面 1 7 と端面 1 8 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 2 0 と接触面 2 1 との挟角を示す。 口 —タの回転静止時に、 端面 1 7 と端面 1 8 との間にギャ ップ 1 9 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 1 9 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 1 7 と端面 1 8 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 1 7 と端面 1 8 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 1 9 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 1 1 が作用 し、 動翼 1 ' にアンツイ ス トモーメ ン ト 1 2 が作用 し、 動翼 1 のイ ンテグラルカバー 4 の端面 1 7 と動翼 1 ' のイ ンテグラルカバー 3 の端面 1 8 とが接触し て接触面 2 1 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 ラルカバ一同士を接触させる。 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、 2 2 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、 2 3 は動翼 1 ' のタ イポ ス 5 のう ち動翼 1 のタ イボス 6 に対向する端面、 2 4 は端面 2 2 と端面 2 3 との間の垂直距離を示すギャ ップ、 2 5 は端面 2 2 と端面 2 3 との 接触によ り形成される接触面、 /3 はロータ の円周方向線 2 0 と接触面 2 5 との挟角を示す。 ロータ の回転静止時に、 端面 2 2 と端面 2 3 との 間にギャ ップ 2 4 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 1 3 が作用 し、 動翼 1 ' にアンツイ ス トモーメ ン ト 1 4 が作用 し、 動翼 1 のタ イボス 6 の端面 2 2 と動翼 1 ' のタ イボス 5 の端面 2 3 とが接触して接触面 2 5 を形成 し、 翼中間部のア ンツイ ス 卜 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 卜によ 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 2 1 及び接触面 2 5 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 ルカバ一 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 ンテグラルカバ一の 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 5 0 H z のと こ ろでは、 3 0 0 0 rpmであ り 、 周波数が 6 0 H z のと こ ろでは、 3 6 0 0 r pm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 ンテグラル力 バー同士の端面間にギャ ップ 1 9 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、 隣接するィ ンテグラルカバ一同士の端面間に 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 1 9 を設けない場合は、 口 —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 1 9 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 1 9 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 1 0 図に、 イ ンテグラルカバ一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ポ 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 1 0 図に、 イ ンテグラルカバーとタ イボスと を備え、 タ イポ ス部を口一タ の回転開始とほぼ同時に接触させ、 ィ ンテグラルカバー部 を定格回転数の 3 0 %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 1 0 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 リ 、 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 1 0 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、 口一 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 ンテグラルカバ一部を接触させて、 その後タイボス 部を接触させ、 定格回転数時においてィ 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 1 1 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 3 0 %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 1 1 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 3 0 %よ り も高回転側、 例えば定格回転数の 7 0 %となる よ う に、 隣接するタイボス間のギヤ ップを調整する。

第 1 2 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 7 0 %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 1 2 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 — 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 1 3 図に、 ィ ンテグラルカバ一部を ロータ の回転開始とほぼ同時に接触させ、 タ イポ ス部を定格回転数の 7 0 %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 1 3 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 1 3 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、 蒸気ターピ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 5 0 H z と仮定する と、 1 倍時の励振周波数は 5 0 H z とな り 、 2倍時の励振周波数は、 1 0 0 H z となる。 この太線と細線との交点が、 翼振動数と蒸気タ一ビ 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 1 3 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、 タイポ ス部が接触を開始するロータ 回転数は、 定格回転数の 7 0 %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 3 2 ィ 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 5 5 %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 —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 一ビンの 製作上或いは蒸気タ一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 8 5 %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、 口一タ 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 ンテグラルカバ一同士の端部間のギャ ップ 1 9 、 及び角度 によ つ 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間のギャ ップ 2 4、 及 び角度 によ って調整する こ とが可能である。

ィ 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、 隣接する動翼のィ ンテグラルカバー同士の端面間のギヤ ップ 1 9 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 2 4 を、 イ ンテグラルカバーの端部間のギ ヤ ップ 1 9 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 /3 に依存する。 即ち、 各翼断面がアンツイ ス トによつ 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、 ギヤ ッ プが閉 じる ま での回転角力 小さい く なる。 したがって、 タイボス部の接触面の角度 ^ を、 イ ンテグ ラルカバ一部の接触面の角度 α よ り 大き く する。 ィ ンテグラルカバー部 の角度 は、 設計上 2 5度から 5 0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 /9 ： 9 0度） に近い方が望ま しい。 このため、 タイボス部の角度 9 は、 4 5度から 9 0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 1 5 ， 1 6 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 スマスッ リ 一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 発明の蒸気ターピンにおいては、 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 1 0 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 と力、' 可能となる。 第 1 4 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 1 4図中、 2 6 はロー タ、 2 7 は静翼（ノ ズル）、 2 8 は外部ケーシング、 2 9 は主蒸気を示す。 ロータ 2 6 の同一円周上に、 数十枚の動翼 1 を設ける。 以下、 ロータ 2 6 の同一円周上における動翼の集合を、 「段」 と称す。 この段を、 口 ータ 2 6 の軸方向に、 数段設ける。 蒸気発生装置からの主蒸気 2 9 が、 動翼 1 に対応して外部ケ一シング 2 8 に設けた静翼 2 7 によ って、 ロー タ 2 6 に設けた動翼 1 に導かれ、 ロータ 2 6 を回転させる。 口一タ 2 6 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 —を電気エネルギーに変換し、 発電を行う 。 本蒸気タ一ビンにおいては、 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 力 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、 3 2 イ ンチから 5 0イ ンチ程度である。 そこで、 本蒸気タ一ビ ンでは、 最終段の動翼 1 及び最終段の前段の動翼 1 に、 イ ンテグラル力 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 ンテグラルカバ一のみを設ける。

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、 口一タ 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 リ 、 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 イポ 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 ンテグラルカバ一部を接触させて、 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 ンテグラルカバ一を接触さ せておけば、 複数組のタ イボス部の接触を開始する 口一タ 回転数を、 特 に定めな く ても よい場合もある。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 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 る蒸気タ一ビン。

2 . 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。

3 . 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 翼の背側に伸延 した第一の連結部材のう ち隣接する翼の第一の連結部材 に対向する端面と前記ロータの回転方向線との挟角が、 前記翼の背側の 第二の連結部材のう ち隣接する翼の第二の連結部材に対向する端面と前 記ロータ の回転方向線との挟角よ リ 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。

4 . 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 翼の腹側に伸延 した第一の連結部材のう ち隣接する翼の第一の連結部材 に対向する端面と前記ロータ の回転方向線との挟角が、 前記翼の腹側の 第二の連結部材のう ち隣接する翼の第二の連結部材に対向する端面と前 記ロータの回転方向線との挟角 よ リ 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。

5 . 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同士の接触面と前記口 —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。

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。

7 . 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ピンにおいて、 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。

8 . 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 向に沿つ 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。

9 . 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、 かつ、 前記ロータ の回転に伴い固有振動を生じる動翼を 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、 前記固有振動数が変化する 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 を形成したこ と を特徴とする蒸気ター ビン。

1 0 . 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、 かつ、 前記ロータ の回転に伴い固有振動を生じる動翼 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、 固有振動モー ドが変化する 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 を形成したこ と を特徴とする蒸気タ一 ピン。