JP2018096363A - タービン翼、タービン機器およびタービン - Google Patents

Abstract

【課題】引張強度の弱い方向の応力を緩和し、翼の長さを長く設計できるタービン翼、タービン機器およびタービンを提供することである。【解決手段】本発明の実施形態によれば、複数の動翼と、円板形状であって、前記円板の外周面から半径方向外側に複数の前記動翼が延びる中央部と、を備えるタービン翼である。このタービン翼は、複数の前記動翼と前記中央部とが一体に形成され、前記タービン翼の重心がタービンの回転軸の中心と一致する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、タービン翼、タービン機器およびタービンに関する。

タービンには、高温高圧の水蒸気を用いる蒸気タービンや、圧縮空気を用いるガスタービンなどがある。特に蒸気タービンは、タービンロータ、タービンロータの周方向に配置された動翼、動翼へ蒸気を噴出するノズル、ノズルを支持するダイヤフラムなどから構成される。動翼は、動翼に設けられた凹部をタービンロータ外周面に設けられた凸部に嵌め合わせ、導入された作動蒸気によってタービンロータと共に回転する。中でもタービン最終段の動翼は、タービンの高効率化のために翼の長さを長く設計する必要があり、初段と比べて大きな遠心応力を受ける。そこで、主にタービン最終段において、繊維強化プラスチックを用いた動翼の製造が検討されている。繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）は、金属材料の１／５程度の比重であって、繊維方向に強い引張強度を有する。一方、繊維強化プラスチックは、繊維方向と垂直な向きでの引張強度が弱い。そのために、動翼とタービンロータとの嵌合部分に繊維方向と垂直な向きの応力が生じることが懸念される。

上記の懸念に対して、従来のＦＲＰを材料とする動翼は、動翼本体部と動翼根元部から構成され、動翼根元部の周りを動翼本体部のループが覆う構造を有する。動翼本体部は、繊維強化プラスチックを積層した層状ウェブを折り曲げて製造され、折り曲げ領域には保持用のループが形成される。動翼根元部は、金属材料を用いて製造され、タービンロータの凹部で保持される。しかしながら、上記の構造は、タービンロータの凹部と層状ウェブとの接触面において局所的に繊維の長手方向と垂直な方向に応力が発生する。さらに、保持用ループには曲げ変形が生じるため、曲げ変形による応力が保持用ループ近傍に発生する。従って、引張強度の弱い方向の応力および遠心応力を緩和し、翼の長さを長く設計できるタービン翼、タービン機器およびタービンが求められている。

特表２０１３−５１０９９４号公報 米国特許第４０９８５５９号 特許第５９７０５５７号

本発明が解決しようとする課題は、引張強度の弱い方向の応力および遠心応力を緩和し、翼の長さを長く設計できるタービン翼、タービン機器およびタービンを提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の実施形態によれば、複数の動翼と、円板形状であって、前記円板の外周面から半径方向外側に複数の前記動翼が延びる中央部と、を備えるタービン翼であって、複数の前記動翼と前記中央部とが一体に形成され、前記タービン翼の重心がタービンの回転軸の中心と一致する。

第一の実施形態に係るタービン機器１の図であって、（ａ）タービン機器１を蒸気タービン最終段として搭載した場合の軸方向から見た断面図を、（ｂ）図１（ａ）におけるタービン機器１のＢ−Ｂ断面図を、（ｃ）動翼嵌合部材２１の斜視図を示している。 第一の実施形態に係るタービン機器の図であって、（ａ）Ｎ＝６の場合におけるタービン翼１０を表す斜視図を、（ｂ）図２（ａ）において、中央部１２を当接させて並べた場合の斜視図を示している。 第一の実施形態に係るタービン機器１を搭載した蒸気タービン最終段の図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面で見た子午断面図である。 第二の実施形態に係るタービン機器２を軸方向から見た断面図である。 第三の実施形態に係るタービン機器３を軸方向から見た断面図である。 第三の実施形態に係るタービン機器３を搭載した蒸気タービン最終段のＡ−Ａ断面で見た子午断面図である。

以下、実施形態に係るタービン翼、タービン機器およびタービン機器を備えた蒸気タービンについて説明する。

（第一の実施形態）
第一の実施形態について、図１から図３を用いて説明する。図１は、第一の実施形態に係るタービン機器１の図であって、（ａ）タービン機器１を蒸気タービン最終段として搭載した場合の軸方向から見た断面図を、（ｂ）図１（ａ）におけるタービン機器１のＢ−Ｂ断面図を、（ｃ）動翼嵌合部材２１の斜視図を示す。図２は、第一の実施形態に係るタービン機器１の図であって、（ａ）Ｎ＝６の場合におけるタービン翼１０を表す斜視図を、（ｂ）図２（ａ）において、中央部１２を当接させて並べた場合の斜視図を示す。図３は、第一の実施形態に係るタービン機器１を搭載した蒸気タービン最終段の図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面で見た子午断面図である。

まず、第一の実施形態に係るタービン機器１の構成について説明する。図１（ａ）に示すように、第一の実施形態に係るタービン機器１は、タービン翼１０と、ロータ２０から構成され、蒸気タービンの一段に対応する。タービン機器１は、少なくとも蒸気タービンの最終段に搭載される。

タービン翼１０は、動翼部１１と、中央部１２から構成され、動翼部１１および中央部１２が一体に形成された構造を有する。動翼部１１および中央部１２は、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）を材料として一体に形成される。ＦＲＰは、例えば炭素繊維やガラス繊維のような繊維をプラスチックに入れた材料である。繊維を特定の方向に配置することで、配置した向きの引張強度が向上する。ＦＲＰは、作動蒸気の温度に耐えうる程度の耐熱性を有することが好ましい。また、動翼部１１および中央部１２は、中央部１２の重心から動翼部１１の長手方向に繊維を配置し、中央部１２の外周面から半径方向外側に動翼部１１が延びて一体に形成される。ここで、一体に形成とは、同一の部材を加工して形成する場合を示し、例えば、中央部と動翼とを嵌合すること、結合部材を用いて結合することは含まれない。

図２（ａ）に示すように、中央部１２は、円断面および外周面からなる円板形状である。動翼部１１は、中央部１２の円板外周上で互いに対向する位置から延びる。タービン翼１０は、タービン翼１０の重心を回転軸の中心と一致させる。一段につきロータ外周上に合計Ｎ枚（通常は１２〜１４枚程度）の動翼を有する蒸気タービンにおいて、タービン翼１０は、Ｎ／２個用意される（Ｎ／２は自然数）。図２（ｂ）に示すように、Ｎ／２個のタービン翼１０は、隣り合う中央部１２の円断面を当接させ、ロータ２０の軸方向に配列される。それぞれのタービン翼１０の動翼部１１は、他の中央部１２の外周方向に広がり、かつロータ２０の外周に一列に並ぶ。

図１（ｂ）に示すように、ロータ２０は、動翼嵌合部材２１と、動翼嵌合部材２２と、結合部材２３から構成される。ロータ２０は、円板形状であって、内側が中空の構造を有する。また、図１（ｃ）に示すように、動翼嵌合部材２１は、動翼部１１を半径方向へ突出させるための複数の溝部２４と、中央部１２を内部に収納するためのロータ中空部２５と、結合部材２３で結合するための穴を有する。動翼嵌合部材２２は、動翼嵌合部材２１と同一の形状であることが好ましいが、溝部２４は、少なくとも動翼嵌合部材２１に設けられればよい。また、溝部２４は、動翼嵌合部材２１の周方向に等間隔で設けられる。溝部２４を有する軸方向の端面が、図１（ｂ）に示す動翼嵌合部材２１および動翼嵌合部材２２の接合面となる。

動翼嵌合部材２１（および動翼嵌合部材２２）は、それぞれ前後からロータ中空部２５内に複数のタービン翼１０の中央部１２を収納させ、溝部２４から動翼部１１を突出させるように設置される。すなわち、動翼部１１は動翼嵌合部材２２の溝部２４に挿入され、溝部２４から半径方向外側に突出する。動翼嵌合部材２１と動翼嵌合部材２２は、溝部２４を有する軸方向の端面が互いに接する状態で、結合部材２３によって結合される。なお、ロータ中空部２５は、軸方向に並べられた複数の中央部１２が内部に嵌合されるが、遠心応力による複数のタービン翼１０の変形に耐えうるだけの間隙を有することが好ましい。

次に、図３を用いて第一の実施形態に係るタービン機器１を搭載した蒸気タービンについて説明する。第一の実施形態に係るタービン機器１を搭載した蒸気タービンは、第一の実施形態に係るタービン機器１のほかに、ノズルダイヤフラム外輪１００と、ノズルダイヤフラム内輪１０１と、ノズル１０２と、タービンロータ１０３と、動翼１０４と、ケーシング１０５から構成される。

ノズルダイヤフラム外輪１００とノズルダイヤフラム内輪１０１は、ノズル１０２を適切な位置に配置し、タービン段落間の圧力差を一定に保つ。ノズル１０２により、蒸気を動翼１０４に導入する。

タービンロータ１０３は、外周面の周方向に複数の動翼１０４を設け、ノズル１０２により導入された蒸気によって動翼１０４を回転駆動させる。また、タービンロータ１０３は、最終段を除くタービン段落のロータを指す。

第一の実施形態に係るタービン機器１は、タービン最終段に設置される。ロータ２０の一方の端面は、溶接やボルトなどの結合部材を用いてタービンロータ１０３と結合される。また、ロータ２０のもう一方の端面は、溶接やボルトなどの結合部材を用いて、図示していない発電機の回転軸と結合される。蒸気タービンに蒸気を導入して動翼１０４およびタービン翼１０を回転駆動させることで、タービンロータ１０３およびロータ２０が連動して回転し、図示していない発電機で発電を行う。

ここで、タービン翼１０が回転駆動すると、動翼部１１は、半径方向外側に遠心応力を受ける。その場合には、動翼部１１および中央部１２が遠心応力によって引っ張られ、ロータ２０から半径方向内側（繊維を配置した方向）に応力を受ける。しかしながら、中央部１２の外周面はロータ２０に覆われ、引張強度の弱い方向の応力が生じにくい。

上述した第一の実施形態によれば、動翼部１１と中央部１２を一体に形成することで、中央部１２にかかる遠心応力が緩和される。また、タービン翼１０の重心と回転軸の中心さらに、中央部１２の外周面でタービン翼１０を固定できるため、動翼部１１および中央部１２は、繊維を配置した方向に応力を受け、強い引張強度を有する。従って、強い引張強度を活かして翼の長さを長く設計できる。よって、第一の実施形態に係るタービン機器１を蒸気タービンの最終段に適用した場合、タービンの高効率化が期待できる。

なお、第一の実施形態において、動翼部１１の位置は、互いに対向する位置に限らず、タービン翼１０の重心と回転軸の中心とを一致できればよい。また、動翼嵌合部材２１および動翼嵌合部材２２は結合部材２３を用いて結合されたが、溶接によって結合してもよい。

（第二の実施形態）
第二の実施形態について、図４を用いて説明する。図４は、第二の実施形態に係るタービン機器２を軸方向から見た断面図である。第一の実施形態と類似する箇所については、説明を省略する。

タービン翼２１０は、動翼部２１１と、中央部２１２から構成される。第二の実施形態において、タービン翼２１０は、動翼部２１１を中央部２１２の外周上に３枚以上有する。つまり、一段につき外周上に合計Ｎ枚の動翼を有する蒸気タービンにおいて、Ｍ（Ｎ≧Ｍ）枚の動翼部２１１を有するタービン翼２１０はＮ／Ｍ個用意される（Ｎ／Ｍは自然数）。動翼部２１１は、中央部２１２の外周上であって、互いに対称な位置から半径方向外側に延びて一体に形成される。また、Ｎ＝Ｍの場合には、円板形状の中央部２１２の外周にＭ枚の動翼部２１１を有するタービン翼２１０が１個用意される。

Ｎ／Ｍ個のタービン翼２１０は、Ｍ枚の動翼部２１１がロータ２０の外周に一列に並ぶように隣り合う中央部２１２を当接させ、ロータ２０の軸方向に配列される。

ここで、図４では、例として中央部２１２の外周上に３枚（Ｍ＝３）の動翼部２１１を有する場合を図示しているが、この場合の合計枚数Ｎは、タービン翼２１０の個数Ｎ／Ｍが自然数となるように設計される。その場合には、溝部２４は、動翼部２１１の合計枚数Ｎに一致するように動翼嵌合部材２１および動翼嵌合部材２２の外周上に設けられる。

上述した第二の実施形態によれば、第一の実施形態と同様の効果が得られる。また、１個のタービン翼２１０が有する動翼部２１１の数を増やすことにより、軸方向に並べるタービン翼２１０の個数を減らすことができ、タービン機器の構造を簡易にできる。また、タービン翼２１０の個数が少なくなるため、タービン翼２１０の取替えが容易になる。

なお、第二の実施形態においては、第一の実施形態と同様に中央部の材料を繊維だけとしてもよい。また、動翼嵌合部材２１および動翼嵌合部材２２は、溶接によって結合してもよい。さらに、中央部２１２の形状は円板であることが好ましいが、動翼部２１１と一体に形成しやすく、かつ動翼嵌合部材２１、２２に嵌合できればよい。

（第三の実施形態）
第三の実施形態について、図５および図６を用いて説明する。図５は、第三の実施形態に係るタービン機器３を軸方向から見た断面図であり、図６は、第三の実施形態に係るタービン機器３を搭載した蒸気タービン最終段のＡ−Ａ断面で見た子午断面図である。なお、地第一および第二の実施形態と類似する箇所については、説明を省略する。

まず、第三の実施形態に係るタービン機器３の構成について説明する。図５に示すように、第三の実施形態に係るタービン機器３は、タービン翼３１０と、金属環３２０から構成され、一軸のタービンロータ３０３に設置される。一軸のタービンロータ３０３の外周上にタービン翼１０を固定するために、ロータ２０の代わりに金属環３２０を用いる。

タービン翼３１０は、動翼部３１１と、中空軸３１２から構成される。

中空軸３１２は円筒形状であって、タービンロータ３０３の外周面に外嵌可能な形状である。動翼部３１１は、中空軸３１２の円筒形状外周面上において、互いに対向する位置に配置される。動翼部３１１および中空軸３１２は、中空軸３１２の中心から動翼部３１１の長手方向に向かって繊維を配置し、一体に形成される。なお、動翼部３１１は、第二の実施形態と同様に、中空軸３１２の外周上に３枚以上配置されてもよい。その場合には、一段につき外周上に合計Ｎ枚の動翼を有する蒸気タービンにおいて、Ｍ（Ｎ≧Ｍ）枚の動翼を有するタービン翼３１０はＮ／Ｍ個用意される。

金属環３２０は、タービンロータ３０３に結合され、タービンロータ３０３の外周上にタービン翼３１０を固定する。金属環３２０は、中空軸３１２の外周面に当接し、動翼部を外部に突出させるための複数の溝部を有する。また、金属環３２０は、第一および第二の実施例と同様に、軸方向に前後２つの嵌合部材へ分割可能であって、２つの嵌合部材は結合部材によって結合される。

次に、図６を用いて第三の実施形態に係るタービン機器３を搭載した蒸気タービンについて説明する。第三の実施形態に係るタービン機器３を搭載した蒸気タービンは、第三の実施形態に係るタービン機器３のほかに、ノズルダイヤフラム外輪１００と、ノズルダイヤフラム内輪１０１と、ノズル１０２と、タービンロータ３０３と、動翼１０４と、ケーシング１０５から構成される。第一の実施形態に係るタービン機器３を搭載した蒸気タービンとは異なり、タービンロータ３０３は、従来のタービンロータでもよい。

第三の実施形態に係るタービン機器３は、タービン最終段に設置される。その際に、中空軸３１２の内周面と、タービンロータ３０３の外周面とが当接される。また、複数のタービン翼３１０は、隣り合うタービン翼３１０を当接させ、複数の動翼部３１１が中空軸３１２の円筒外周面上で一列に並ぶように、タービンロータ３０３の軸方向に配列される。金属環３２０によって、複数の動翼部３１１をタービンロータ３０３上に固定する。

上述した第三の実施形態によれば、タービン翼の中央を中空構造とすることで、第一および第二の実施形態の効果に加えて、既設の蒸気タービンにも設置できる。

なお、中空軸３１２は、従来のタービンロータ外周面に設けられた動翼繋ぎ合わせ用の凸部と嵌合するように、中空軸３１２の内周面からタービンロータの半径方向内側に向かう複数の凸部を備えてもよい。

また、上述した第一から第三の実施形態においては、タービン翼の個数および動翼部の配置は限定されない。さらに、第一から第三の実施形態に係るタービン機器は、少なくとも蒸気タービンの最終段に設置されていればよい。

加えて、上述した第一から第三の実施形態では、タービン機器への適用例として蒸気タービンを用いて説明したが、第一から第三の実施形態に係るタービン機器は、ガスタービンに適用することもできる。また、材料にはＦＲＰを用いて説明したが、例えばセラミックス基複合材料（ＣＭＣ）を用いてもよい。その場合には、ＣＭＣの耐熱性を活かし、結合部材による結合を溶接で行うことも可能である。ＣＭＣの耐熱性を活かすことで、ＣＭＣを用いたタービン機器は、蒸気タービンやガスタービンの他に、航空機にも適用できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，２，３．タービン機器、１０．タービン翼、１１．動翼部、１２．中央部、２０．ロータ、２１、２２．動翼嵌合部材、２３．接合部材、２４．溝部、２５．ロータ中空部、１００．ノズルダイヤフラム外輪、１０１．ノズルダイヤフラム内輪、１０２．ノズル、１０３．タービンロータ、１０４．動翼、１０５．ケーシング、２１０．タービン翼、２１１．動翼部、２１２．中央部、３０３．タービンロータ、３１０．タービン翼、３１１．動翼部、３１２．中空軸、３２０．金属環

Claims (7)

1. 複数の動翼と、
   円板形状であって、前記円板の外周面から半径方向外側に複数の前記動翼が延びる中央部と、
   を備えるタービン翼であって、
   複数の前記動翼と前記中央部とが一体に形成され、前記タービン翼の重心がタービンの回転軸の中心と一致するタービン翼。
2. 前記中央部は、内部にタービンロータを貫通させる中空部を有する請求項１に記載のタービン翼。
3. 前記動翼および前記中央部は繊維強化材料で形成され、
   前記繊維強化材料は、繊維方向を前記動翼の長手方向とする請求項１または２に記載のタービン翼。
4. 請求項１から３に記載の複数のタービン翼と、
   前記中央部を収納する孔部および複数の前記動翼を外周上に嵌合させる溝部を備える動翼嵌合部材と、
   を具備し、
   複数の前記中央部は、互いに円断面を隣り合わせて配置され、複数の前記中央部の外周上にタービン一段に搭載される全ての動翼が配列されるタービン機器。
5. 動翼と、
   円板形状であって、タービン一段に搭載される全ての前記動翼が前記円板の外周面から半径方向外側に延びる中央部と、
   前記中央部を収納する孔部および複数の前記動翼を外周上に嵌合させる溝部を備える動翼嵌合部材と、
   を備えるタービン機器であって、
   タービン一段に搭載される全ての前記動翼と前記中央部とが一体に形成され、前記タービン機器の重心がタービンの回転軸の中心と一致するタービン機器。
6. 前記中央部は、内部にタービンロータを貫通させる中空部を有する請求項５に記載のタービン機器。
7. 請求項４から６のいずれかに記載のタービン機器を少なくともタービン最終段に搭載したタービン。

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