タービン動翼および蒸気タービン
【課題】翼先端に設けられたインテグラルカバーと翼有効部との境界に発生する応力を低減することができ、前縁の耐エロージョン性を向上させることができるタービン動翼およびこのタービン動翼を備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。
【解決手段】タービン動翼１０の先端部のインテグラルカバー４０は、前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された背側カバー４１と、前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された腹側カバー４２とを備える。背側カバー４１と腹側カバー４２とが凹凸連結構造を有して少なくとも１つの接触面で接触し、接触面における上流側を向く法線方向Ｎ１と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角が９０〜１５０度である。
【解決手段】タービン動翼１０の先端部のインテグラルカバー４０は、前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された背側カバー４１と、前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された腹側カバー４２とを備える。背側カバー４１と腹側カバー４２とが凹凸連結構造を有して少なくとも１つの接触面で接触し、接触面における上流側を向く法線方向Ｎ１と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角が９０〜１５０度である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼に係り、翼先端に設けられたインテグラルカバーと翼有効部との境界に発生する応力を低減し、前縁の耐エロージョン性を向上させたタービン動翼およびこのタービン動翼を備える蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気タービンの低圧段におけるタービン動翼の振動特性を改善するために、遠心力によるタービン動翼の捻り戻り（以下、アンツイストという）の作用を利用して、タービン動翼の相互間を連結するインテグラルカバーを有するタービン動翼が使用されている。この動翼振動抑制機能を備えたタービン動翼について、様々な形状が提案されている（例えば、特許文献１−２参照。）。
【０００３】
また、蒸気タービンの低圧段の最終段付近の蒸気は、水分を多く含んだ湿り蒸気となる。また、最終段に近い段落におけるタービン動翼の長翼化にともない、タービン動翼の先端部の周速度は増加し、水滴がタービン動翼に衝突し、タービン動翼がエロージョンによる非常に激しい損傷を受けることがある。このエロージョンによるタービン動翼の損傷は、タービン動翼の信頼性および耐久性を、遠心力や振動応力と相乗して低下させる原因となることがある。そのためエロージョンによるタービン動翼の損傷を防止するための手段として、タービン動翼の前縁に水分排出用の溝を設け、静翼から飛散してきた水分が後段のタービン動翼へ飛散するのを抑制する技術が開示されている（例えば、特許文献１−３参照。）。
【０００４】
また、タービン動翼の耐エロージョン性を向上させるその他の手段として焼入れがある。エロージョンによる損傷が激しいタービン動翼の先端付近の前縁部に焼入れを施すことにより、ステライト等のエロージョンシールド板と同等の硬度をタービン動翼の前縁部に持たせることができる。これによって、タービン動翼の前縁部に耐エロージョン性を付与することができる。この焼入れ技術では、タービン動翼本体の先端の前縁部を焼入れするため、溶接などで問題となる溶接欠陥、異種金属間の剥離、繰り返しエロージョンシールド板を張り替えることによるタービン動翼母材の疲労限界の低下等が抑制される。そのため、タービン動翼の信頼性および品質の安定性が向上する（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２６９４０１号明細書
【特許文献２】特開平１１−１５９３０２号公報
【特許文献３】米国特許第５２６１７８５号明細書
【特許文献４】特開平１１−１８２２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献１および特許文献２記載のタービン動翼では、インテグラルカバーがタービン動翼本体と一体的に形成され、翼入口から翼出口までを覆う構造を有する。そのため、遠心力によるタービン動翼のアンツイストが生じる際、インテグラルカバーの変位量が増加し、インテグラルカバーとタービン動翼との境界に過大な応力が発生する。
【０００６】
また、一般的に、蒸気の湿り度の高い段落のタービン動翼では、静翼から飛散してくる水滴の衝突による損傷が発生する。特に、特許文献３記載のタービン動翼のように、タービン動翼本体とインテグラルカバーとの間に段差を有する場合には、静翼から飛散した水滴が翼半径方向の外周に排出される際にインテグラルカバーの側面に衝突して損傷を与えることがある。
【０００７】
また、エロージョンによる損傷を防止するためにタービン動翼の先端付近の前縁部に焼入れを施す場合、特許文献１および特許文献２記載のタービン動翼では、前縁までインテグラルカバーで覆われているので、焼き入れの際に、インテグラルカバーまで熱が伝わる。そのため、インテグラルカバーが熱変形したり、インテグラルカバーに残留応力が生じるなどの問題があった。特にタービン動翼の材質によっては、タービン動翼の焼入れを施した部分と焼入れを施していない母材との間の引張残留応力により、応力腐食割れおよび疲労による割れを生じ、タービン動翼の信頼性および耐久性を著しく低下させることがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、翼先端に設けられたインテグラルカバーと翼有効部との境界に発生する応力を低減することができ、前縁の耐エロージョン性を向上させることができるとともに、前縁に付着した水分を所定の方向に排出することができるタービン動翼およびこのタービン動翼を備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、翼本体と、前記翼本体の前縁部を除いて、前記翼本体の先端の背側面に沿って後縁端まで前記翼本体と一体的に形成された板状の背側カバーと、前記翼本体の前縁部を除いて、前記翼本体の先端の腹側面に沿って後縁端まで前記翼本体と一体的に形成された板状の腹側カバーとを備え、前記背側カバーと隣接するタービン動翼の腹側カバー、および前記腹側カバーと隣接するタービン動翼の背側カバーを接触させて連結させるようにしたタービン動翼であって、前記翼本体の前記前縁部、前記背側カバーおよび前記腹側カバーの半径方向外側の端面が同一面上に形成され、かつ、前記背側カバーと前記腹側カバーとが凹凸連結構造を有して少なくとも１つの接触面で接触し、前記接触面における上流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角が９０〜１５０度であることを特徴とするタービン動翼が提供される。
【００１０】
また、本発明の一態様によれば、ケーシングと、前記ケーシング内に貫設されたタービンロータと、前記タービンロータに植設された複数段のタービン動翼と、前記ケーシングに、前記タービンロータの軸方向に前記タービン動翼と交互に配設された複数段の静翼とを備える蒸気タービンであって、前記タービン動翼が上記したタービン動翼であることを特徴とする蒸気タービンが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のタービン動翼およびこのタービン動翼を備える蒸気タービンによれば、翼先端に設けられたインテグラルカバーと翼有効部との境界に発生する応力を低減することができ、前縁の耐エロージョン性を向上させることができるとともに、前縁に付着した水分を所定の方向に排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態を図を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０を備えた蒸気タービン２００の上半ケーシング部の断面を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、蒸気タービン２００は、例えば、内部ケーシング２１０とその外側に設けられた外部ケーシング２１１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２１０内にタービンロータ２１２が貫設されている。このタービンロータ２１２には、周方向に並んで複数のタービン動翼１０が植設され、タービンロータ２１２の軸方向に複数段設けられている。また、内部ケーシング２１０の内側面には、タービンロータ２１２の軸方向にタービン動翼１０と交互になるようにノズル２１３が配設されている。タービンロータ２１２と各ケーシングとの間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドラビリンス部２１５が設けられている。さらに、蒸気タービン２００には、蒸気入口管２１４が、外部ケーシング２１１および内部ケーシング２１０を貫通して設けられ、さらに蒸気入口管２１４の端部が、タービン動翼１０側に向けて蒸気を導出するノズルボックス２１６に連通して接続されている。
【００１５】
蒸気入口管２１４を経て、ノズルボックス２１６内に流入した蒸気は、タービン動翼１０に向けて噴出される。噴出された蒸気は、各段落のノズル２１３とタービン動翼１０との間の蒸気通路を通り、タービンロータ２１２を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気され、例えば、低温再熱管（図示しない）を通りボイラ（図示しない）に流入する。また、膨張仕事をした蒸気の一部は、冷却用蒸気として内部ケーシング２１０と外部ケーシング２１１との間に導かれ、グランドラビリンス部２１５または膨張仕事をした蒸気の大部分が排気される排気経路から排気される。なお、蒸気タービン２００の構成は、上記した構成に限定されるものではない。
【００１６】
次に、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０の構成について説明する。
【００１７】
図２は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０を背側から見たときの平面図である。図３は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０の先端部を示す斜視図である。図４は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０ａ、１０ｂ、１０ｃを上方から見たときの平面図である。図５は、参考例として示すタービン動翼を上方から見たときの平面図である。
【００１８】
図２に示すように、タービン動翼１０は、翼高さ方向に沿って順に翼根部２０、翼有効部３０およびインテグラルカバー４０を備えている。ここでは、タービン動翼１０として、タービンロータ２１２の周方向に並んで複数形成され、かつロータ翼車の凹状の翼溝に、タービンロータ２１２の軸方向に挿入される、いわゆる軸方向挿入翼根部形式のタービン動翼を一例として示している。なお、タービン動翼１０は、軸方向挿入翼根部形式のタービン動翼に限られるものではなく、例えば、タービンロータの周方向に加工された凹凸にタービン動翼を挿入し、タービン動翼側からロータ翼車を抱え込む鞍形翼根部形式のタービン動翼であってもよく、またこの他、フォーク形の植込みであってもよい。
【００１９】
翼根部２０は、タービンロータ２１２の翼溝に挿入される植込部２１と、この植込部２１と翼有効部３０との間に形成されるシャンク部２２とを備えている。
【００２０】
植込部２１は、軸方向挿入翼根部形式の嵌め合い凹凸形状を有し、その凹凸形状は、タービンロータ２１２の翼溝の形状に対応している。この嵌め合い凹凸形状によって、タービン動翼１０が、タービンロータ２１２の半径方向へ抜けることを防止している。
【００２１】
タービン動翼１０の先端部に設けられたインテグラルカバー４０は、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された板状の背側カバー４１と、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された板状の腹側カバー４２とを備えている。ここで、翼有効部３０と一体的に形成されるとは、例えば、切削加工などによって、１つの母材から、翼有効部３０、背側カバー４１および腹側カバー４２が一体的に形成されることを意味する。したがって、本実施の形態においては、前縁部３１を含む翼有効部３０の半径方向外側（先端部）端面と背側カバー４１の半径方向外側端面、および腹側カバー４２の半径方向外側端面が同一面と形成している。
【００２２】
ここで、前縁部３１とは、前縁端から翼型中心線に沿って後縁方向に、最も後縁に位置する水分排出用溝から数ｍｍ程度の範囲をいう。また、翼型中心線とは、翼型の上面と下面との中点を順々に結んで得られる曲線、いわゆるキャンバーラインである。また、前縁部３１に表面硬質処理を施してもよい。表面硬質処理として、例えば、材料に熱処理を施し硬度を上げる火炎焼入れ等や、材料表面に物理的圧縮残留応力を発生させるショットピーニング等の方法が挙げられる。
【００２３】
なお、上記したように、前縁部３１を前縁端から翼型中心線に沿って後縁方向に、最も後縁に位置する水分排出用溝から数ｍｍ程度に設定することで、インテグラルカバー４０が表面硬質処理による熱の影響を受けることを防止することができる。これによって、前縁部３１に表面硬質処理を施す際、インテグラルカバー４０が熱変形したり、インテグラルカバー４０に残留応力が発生したりするのを防止することができる。さらに、引張残留応力によるインテグラルカバー４０内の不均一な応力分布の発生を抑制することができる。特に、タービン動翼１０は、回転時に遠心力による翼のアンツイストが生じ、隣接するタービン動翼１０との接触により、インテグラルカバー４０とタービン動翼１０との境界で応力集中が生じるが、残留応力の発生が抑制されることで、この境界での応力集中が低減される。また、前縁部３１に表面硬質処理を施すことで、エロージョンによる損傷を防止することができる。
【００２４】
さらに、図２および図３に示すように、前縁部３１の背側に翼高さ方向に翼先端（すなわち、インテグラルカバー４０の外周側端面と同じ高さ）まで達する水分排出用の溝３２を設けてもよい。この溝３２は、少なくとも１つ設けられていればよく、複数設けられてもよい。ここで、例えば、ノズル２１３中を通過してきた水滴には、小さな粒径の水滴から比較的大きな粒径の水滴まで存在し、これらがタービン動翼１０の前縁部３１の背側に衝突して付着する。そこで、上記した溝３２を設けることで、タービン動翼１０の前縁部３１の背側に付着した水分を遠心力を利用して速やかにタービン動翼半径方向外周部へ排出することが可能となる。これによって、タービン動翼１０の前縁部３１の背側に付着した水分がさらにタービン動翼１０の下流側へ流れることを防ぐことができる。なお、前縁部３１は、後述するインテグラルカバー４０の流体入口側端面４５よりも上流側に突出して設けられている。
【００２５】
また、図４に示すように、インテグラルカバー４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、タービン動翼１０ｂの背側カバー４１ｂと、このタービン動翼１０ｂに隣接するタービン動翼１０ａの腹側カバー４２ａ、およびタービン動翼１０ｂの腹側カバー４２ｂと、このタービン動翼１０ｂに隣接するタービン動翼１０ｃの背側カバー４１ｃを接触させて連結させるように構成されている。また、背側カバー４１ａ、４１ｂ、４１ｃと腹側カバー４２ａ、４２ｂ、４２ｃとが凹凸連結構造を有している。
【００２６】
図４に示すように、インテグラルカバー４０ｂには、タービン動翼１０ｂの背側および腹側に、隣接するインテグラルカバー４０ａ、４０ｃと連結する連結面４３、４４が形成されている。そして、これらの連結面４３、４４は、タービン動翼１０ｂの回転方向に対して所定の角度を有し、互いに予め決められた距離を有した位置関係にあり略平行する２つの傾斜面４３Ａ１（４４Ａ１）、傾斜面４３Ｂ１（４４Ｂ１）と、これら２つの傾斜面を結ぶ接触面４３Ｃ１（４４Ｃ１）の３つの面から構成され、全体でクランク状の面を構成している。さらに、インテグラルカバー４０ｂは、タービン動翼１０ｂの回転方向とほぼ平行で、前縁部３１の下流側端部と上記した傾斜面４４Ｂ１とを結ぶ流体入口側端面４５と、タービン動翼１０ｂの後縁端部に設けられるとともに、タービン動翼１０ｂの回転方向とほぼ平行で、上記した傾斜面４３Ａ１と傾斜面４４Ａ１とを結ぶ流体出口側端面４６とで構成されている。
【００２７】
このように構成されたインテグラルカバー４０ｂでは、傾斜面４３Ａ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの傾斜面４３Ａ２と当接または微小な間隙を有して対峙され、傾斜面４４Ａ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの傾斜面４４Ａ２と当接または微小な間隙を有して対峙される。このように、傾斜面４３Ａ１は、必ずしも傾斜面４３Ａ２と当接する必要はなく、また、傾斜面４４Ａ１は、必ずしも傾斜面４４Ａ２と当接する必要はない。
【００２８】
また、傾斜面４３Ｂ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの傾斜面４３Ａ２と微小な間隙を有して対峙され、傾斜面４４Ｂ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの傾斜面４４Ｂ２と微小な間隙を有して対峙される。
【００２９】
また、接触面４３Ｃ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの接触面４３Ｃ２と当接し、接触面４４Ｃ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの接触面４４Ｃ２と当接する。
【００３０】
上記したように、タービン動翼１０のインテグラルカバー４０において、隣接するタービン動翼１０のインテグラルカバー４０と少なくとも１つの接触面を有して接触する構成を備えている。
【００３１】
ここで、図４に示すように、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２は、これらの接触面における上流側（流体入口側）を向く法線方向Ｎ１と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度θ１が９０〜１５０度となるように構成されている。この角度θ１の範囲が好ましいのは、角度θ１が９０度より小さい場合には、タービン動翼が遠心力による翼のねじり戻り、いわゆるアンツイストを生じた際に、接触面がそれぞれ離れる方向に作用して連結構造として機能しなくなることがあるためである。一方、角度θ１が１５０度より大きい場合には、接触面４３Ｃ２（接触面４３Ｃ１）と、傾斜面４３Ｂ１とがなす角度γが小さくなり、この角度γを形成する部分の幅が狭くなり、この部分に発生する応力が高くなるからである。なお、角度θ１は、接触面の反力を確保する観点から、１２０〜１５０度となるように構成されることがさらに好ましい。なお、タービンロータ軸方向は、蒸気の流入方向と同じである。
【００３２】
また、図４に示すように、傾斜面４３Ａ１および傾斜面４３Ａ２は、これらの傾斜面における下流側（流体入口側）を向く法線方向Ｎ２と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度θ２が「α」〜「α＋３０」度となるように構成されている。ここで、αは、タービン動翼１０ａの後縁側への翼型中心線の延長線Ｒと、隣接するタービン動翼１０ｂの背側カバー４１ｂの下流側の端面、すなわち前述した流体出口側端面４６とがなす角である。この角度θ２の範囲が好ましいのは以下の理由による。
【００３３】
すなわち、傾斜面４３Ａ１および傾斜面４３Ａ２の流体流出側の端部は動翼１０ａの後縁近傍とするのが通常である。この条件の下、角度θ２を小さくすると接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２の長さを長く取ることができるので好ましいが、角度θ２が「α」度より小さい場合には、接触面４３Ｃ２の延長線が翼断面の内側に入る形状となるという問題が生じる。一方、角度θ２が、「α＋３０」度より大きい場合には、接触面４３Ｃ２の延長線が翼断面の内側に入る形状とはならないものの、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２の長さを十分に取ることができなくなる。したがって、カバーの形状と、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２における運転時の十分な接触力を確保するためには角度θ２は上述の範囲とするのが好ましい。
【００３４】
なお、インテグラルカバー４０ｃの背側カバー４１ｃと、インテグラルカバー４０ｂの腹側カバー４２ｂとにおける連結面４４における構成は、上記したインテグラルカバー４０ｂの背側カバー４１ｂと、インテグラルカバー４０ａの腹側カバー４２ａとにおける連結面４３における構成と同じである。すなわち、接触面４４Ｃ１および接触面４４Ｃ２は、これらの接触面における上流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度が９０〜１５０度となるように構成されている。また、傾斜面４４Ａ１および傾斜面４４Ａ２は、これらの傾斜面における下流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度が「α」〜「α＋３０」度となるように構成されている。ここで、αは、タービン動翼１０ｂの後縁側への翼型中心線の延長線と、隣接するタービン動翼１０ｃの背側カバー４１ｃの下流側の端面、すなわち流体出口側端面４６とがなす角である。
【００３５】
上記したように、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０によれば、前縁部３１をインテグラルカバー４０の流体入口側端面４５よりも上流側に突出して設け、上記した範囲に角度θ１および角度θ２を設定することで、図４に示す、翼理論断面の主軸Ｍと、この主軸Ｍに平行で、背側カバー４１ｂの外側に最も突出した端部を通る直線Ｌとの距離Ｓを短くすることができる。
【００３６】
ここで、比較のため、図５に示す参考例としてのタービン動翼１００における距離Ｓについて説明する。図５に示すタービン動翼１００は、翼有効部１１０上に、平行四辺形の板状のインテグラルカバー１１１が備えられている。インテグラルカバー１１１の流体入口側端面１１２は、前縁部１１４の下流側端部からタービン動翼１００の回転方向とほぼ平行となる面で構成される。一方、インテグラルカバー１１１の流体出口側端面１１３は、後縁端部からタービン動翼１００の回転方向とほぼ平行となる面で構成される。なお、前縁部１１４は、インテグラルカバー１１１の流体入口側端面１１２よりも上流側に突出して設けられている。この図５に示したタービン動翼１００における場合、インテグラルカバー１１１の背側の外側に最も突出した端部は、隣接する翼有効部１１０を超えた位置に存在するため、翼理論断面の主軸Ｍに平行で、この端部を通る直線Ｌと主軸Ｍとの距離Ｓは、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０における距離Ｓよりも長くなる。
【００３７】
ここで、翼理論断面とは、翼断面であり、翼理論断面の主軸Ｍとは、翼断面の図心を通る直交２軸のうち、その軸に対する断面２次モーメントが最小の軸のことである。
【００３８】
このように、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０では、上記した距離Ｓを短くすることができるので、遠心力による翼のアンツイストが生じる際、インテグラルカバー４０の端部の変位量が抑制され、インテグラルカバー４０と翼有効部３０との境界に発生する応力を低減することが可能となる。
【００３９】
また、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０によれば、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に背側カバー４１が設けられ、かつ翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に腹側カバー４２が設けられているため、効率よく蒸気が膨張仕事をすることができ、タービン効率を向上させることができる。
【００４０】
なお、タービン動翼１０の構成は、上記した構成に限られるものではない。図６は、本発明に係る一実施の形態の他の構成を備えるタービン動翼１０ａ、１０ｂ、１０ｃを上方から見たときの平面図である。
【００４１】
タービン動翼１０ａ、１０ｂ、１０ｃの先端部に設けられたインテグラルカバー４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された板状の背側カバー４１ａ、４１ｂ、４１ｃと、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された板状の腹側カバー４２ａ、４２ｂ、４２ｃとを備えている。ここで、翼有効部３０と一体的に形成されるとは、例えば、切削加工などによって、１つの母材から、翼有効部３０、背側カバー４１ａ、４１ｂ、４１ｃおよび腹側カバー４２ａ、４２ｂ、４２ｃが一体的に形成されることを意味する。
【００４２】
ここで、前縁部３１は、タービンロータ軸方向に沿う方向にオーバハング状に屈曲している。なお、前縁部３１とは、前縁端から翼型中心線に沿って後縁方向に３ｍｍ程度の範囲をいう。また、前縁部３１に、前述した表面硬質処理と同様の表面硬質処理を施してもよい。また、前縁部３１の背側に前述した溝３２と同様の溝３２を設けてもよい。なお、前縁部３１は、後述するインテグラルカバー４０の流体入口側端面４５よりも上流側に突出して設けられている。
【００４３】
また、図６に示すように、インテグラルカバー４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、タービン動翼１０ｂの背側カバー４１ｂと、このタービン動翼１０ｂに隣接するタービン動翼１０ａの腹側カバー４２ａ、およびタービン動翼１０ｂの腹側カバー４２ｂと、このタービン動翼１０ｂに隣接するタービン動翼１０ｃの背側カバー４１ｃを接触させて連結させるように構成されている。また、背側カバー４１ａ、４１ｂ、４１ｃと腹側カバー４２ａ、４２ｂ、４２ｃとが凹凸連結構造を有している。
【００４４】
図６に示すように、インテグラルカバー４０ｂには、タービン動翼１０ｂの背側および腹側に、隣接するインテグラルカバー４０ａ、４０ｃと連結する連結面４３、４４が形成されている。そして、これらの連結面４３、４４は、タービン動翼１０ｂの回転方向に対して所定の角度を有する傾斜面４３Ａ１（４４Ａ１）と、この傾斜面４３Ａ１（４４Ａ１）とＶ字状の凹凸連結構造を構成する接触面４３Ｃ１（４４Ｃ１）の２つの面から構成されている。さらに、インテグラルカバー４０ｂは、タービン動翼１０ｂの回転方向とほぼ平行で、前縁部３１の下流側端部と上記した接触面４４Ｃ１とを結ぶ流体入口側端面４５と、タービン動翼１０ｂの後縁端部に設けられるとともに、タービン動翼１０ｂの回転方向とほぼ平行で、上記した傾斜面４３Ａ１と傾斜面４４Ａ１とを結ぶ流体出口側端面４６とで構成されている。
【００４５】
このように構成されたインテグラルカバー４０ｂでは、傾斜面４３Ａ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの傾斜面４３Ａ２と当接または微小な間隙を有して対峙され、傾斜面４４Ａ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの傾斜面４４Ａ２と当接または微小な間隙を有して対峙される。このように、傾斜面４３Ａ１は、必ずしも傾斜面４３Ａ２と当接する必要はなく、また、傾斜面４４Ａ１は、必ずしも傾斜面４４Ａ２と当接する必要はない。
【００４６】
また、接触面４３Ｃ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの接触面４３Ｃ２と当接し、接触面４４Ｃ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの接触面４４Ｃ２と当接する。
【００４７】
上記したように、タービン動翼１０のインテグラルカバー４０において、隣接するタービン動翼１０のインテグラルカバー４０と少なくとも１つの接触面を有して接触する構成を備えている。
【００４８】
ここで、図６に示すように、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２は、これらの接触面における上流側（流体入口側）を向く法線方向Ｎ１と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度θ１が９０〜１５０度となるように構成されている。この角度θ１の範囲が好ましいのは、角度θ１が９０度より小さい場合には、タービン動翼が遠心力による翼のねじり戻り、いわゆるアンツイストを生じた際に、接触面がそれぞれ離れる方向に作用して連結構造として機能しなくなることがあるためである。一方、角度θ１が１５０度より大きい場合には、接触面４３Ｃ２（接触面４３Ｃ１）と、流体入口側端面４５とがなす角度γが小さくなり、この角度γを形成する部分の幅が狭くなり、この部分に発生する応力が高くなるからである。なお、角度θ１は、接触面の反力を確保する観点から、１２０〜１５０度となるように構成されることがさらに好ましい。
【００４９】
また、図６に示すように、傾斜面４３Ａ１および傾斜面４３Ａ２は、これらの傾斜面における下流側（流体出口側）を向く法線方向Ｎ２と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度θ２が「α」〜「α＋３０」度となるように構成されている。ここで、αは、タービン動翼１０ａの後縁側への翼型中心線の延長線Ｒと、隣接するタービン動翼１０ｂの背側カバー４１ｂの下流側の端面、すなわち前述した流体出口側端面４６とがなす角である。この角度θ２の範囲が好ましいのは以下の理由による。
【００５０】
すなわち、傾斜面４３Ａ１および傾斜面４３Ａ２の流体流出側の端部は動翼１０ａの後縁近傍とするのが通常である。この条件の下、角度θ２を小さくすると接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２の長さを長く取ることができるので好ましいが、角度θ２が「α」度より小さい場合には、傾斜面４３Ａ２の延長線が翼断面の内側に入る形状となるという問題が生じる。一方、角度θ２が、「α＋３０」度より大きい場合には、傾斜面４３Ａ２の延長線が翼断面の内側に入る形状とはならないものの、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２の長さを十分に取ることができなくなる。したがって、カバーの形状と、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２における運転時の十分な接触力を確保するためには角度θ２は上述の範囲とするのが好ましい。
【００５１】
なお、インテグラルカバー４０ｃの背側カバー４１ｃと、インテグラルカバー４０ｂの腹側カバー４２ｂとにおける連結面４４における構成は、上記したインテグラルカバー４０ｂの背側カバー４１ｂと、インテグラルカバー４０ａの腹側カバー４２ａとにおける連結面４３における構成と同じである。すなわち、接触面４４Ｃ１および接触面４４Ｃ２は、これらの接触面における上流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度が９０〜１５０度となるように構成されている。また、傾斜面４４Ａ１および傾斜面４４Ａ２は、これらの傾斜面における下流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度が「α」〜「α＋３０」度となるように構成されている。ここで、αは、タービン動翼１０ｂの後縁側への翼型中心線の延長線と、隣接するタービン動翼１０ｃの背側カバー４１ｃの下流側の端面、すなわち流体出口側端面４６とがなす角である。
【００５２】
この他の構成のタービン動翼１０においても、前述した一実施の形態のタービン動翼１０と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、前縁部３１をインテグラルカバー４０の流体入口側端面４５よりも上流側に突出して設け、上記した範囲に角度θ１および角度θ２を設定することで、図６に示す、翼理論断面の主軸Ｍと、この主軸Ｍに平行で、背側カバー４１ｂの外側に最も突出した端部を通る直線Ｌとの距離Ｓを短くすることができる。このように、距離Ｓを短くすることができることによって、遠心力による翼のアンツイストが生じる際、インテグラルカバー４０の端部の変位量が抑制され、インテグラルカバー４０と翼有効部３０との境界に発生する応力を低減することが可能となる。
【００５３】
また、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に背側カバー４１が設けられ、かつ翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に腹側カバー４２が設けられているため、効率よく蒸気が膨張仕事をすることができ、タービン効率を向上させることができる。
【００５４】
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る一実施の形態のタービン動翼を備えた蒸気タービンの上半ケーシング部の断面を示す図。
【図２】本発明に係る一実施の形態のタービン動翼を背側から見たときの平面図。
【図３】本発明に係る一実施の形態のタービン動翼の先端部を示す斜視図。
【図４】本発明に係る一実施の形態のタービン動翼を上方から見たときの平面図。
【図５】参考例としてのタービン動翼を上方から見たときの平面図。
【図６】本発明に係る一実施の形態の他の構成を備えるタービン動翼を上方から見たときの平面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…タービン動翼、２０…翼根部、２１…植込部、２２…シャンク部、３０…翼有効部、３１…前縁部、３２…溝、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ…インテグラルカバー、４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ…背側カバー、４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ…腹側カバー、４３…連結面、４３Ａ１，４３Ａ２，４３Ｂ１，４３Ｂ２，４４Ａ１，４４Ａ２，４４Ｂ１，４４Ｂ２…傾斜面、４３Ｃ１，４３Ｃ２，４４Ｃ１，４４Ｃ２…接触面、４５…流体入口側端面、４６…流体出口側端面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン動翼に係り、翼先端に設けられたインテグラルカバーと翼有効部との境界に発生する応力を低減し、前縁の耐エロージョン性を向上させたタービン動翼およびこのタービン動翼を備える蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気タービンの低圧段におけるタービン動翼の振動特性を改善するために、遠心力によるタービン動翼の捻り戻り（以下、アンツイストという）の作用を利用して、タービン動翼の相互間を連結するインテグラルカバーを有するタービン動翼が使用されている。この動翼振動抑制機能を備えたタービン動翼について、様々な形状が提案されている（例えば、特許文献１−２参照。）。
【０００３】
また、蒸気タービンの低圧段の最終段付近の蒸気は、水分を多く含んだ湿り蒸気となる。また、最終段に近い段落におけるタービン動翼の長翼化にともない、タービン動翼の先端部の周速度は増加し、水滴がタービン動翼に衝突し、タービン動翼がエロージョンによる非常に激しい損傷を受けることがある。このエロージョンによるタービン動翼の損傷は、タービン動翼の信頼性および耐久性を、遠心力や振動応力と相乗して低下させる原因となることがある。そのためエロージョンによるタービン動翼の損傷を防止するための手段として、タービン動翼の前縁に水分排出用の溝を設け、静翼から飛散してきた水分が後段のタービン動翼へ飛散するのを抑制する技術が開示されている（例えば、特許文献１−３参照。）。
【０００４】
また、タービン動翼の耐エロージョン性を向上させるその他の手段として焼入れがある。エロージョンによる損傷が激しいタービン動翼の先端付近の前縁部に焼入れを施すことにより、ステライト等のエロージョンシールド板と同等の硬度をタービン動翼の前縁部に持たせることができる。これによって、タービン動翼の前縁部に耐エロージョン性を付与することができる。この焼入れ技術では、タービン動翼本体の先端の前縁部を焼入れするため、溶接などで問題となる溶接欠陥、異種金属間の剥離、繰り返しエロージョンシールド板を張り替えることによるタービン動翼母材の疲労限界の低下等が抑制される。そのため、タービン動翼の信頼性および品質の安定性が向上する（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２６９４０１号明細書
【特許文献２】特開平１１−１５９３０２号公報
【特許文献３】米国特許第５２６１７８５号明細書
【特許文献４】特開平１１−１８２２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した特許文献１および特許文献２記載のタービン動翼では、インテグラルカバーがタービン動翼本体と一体的に形成され、翼入口から翼出口までを覆う構造を有する。そのため、遠心力によるタービン動翼のアンツイストが生じる際、インテグラルカバーの変位量が増加し、インテグラルカバーとタービン動翼との境界に過大な応力が発生する。
【０００６】
また、一般的に、蒸気の湿り度の高い段落のタービン動翼では、静翼から飛散してくる水滴の衝突による損傷が発生する。特に、特許文献３記載のタービン動翼のように、タービン動翼本体とインテグラルカバーとの間に段差を有する場合には、静翼から飛散した水滴が翼半径方向の外周に排出される際にインテグラルカバーの側面に衝突して損傷を与えることがある。
【０００７】
また、エロージョンによる損傷を防止するためにタービン動翼の先端付近の前縁部に焼入れを施す場合、特許文献１および特許文献２記載のタービン動翼では、前縁までインテグラルカバーで覆われているので、焼き入れの際に、インテグラルカバーまで熱が伝わる。そのため、インテグラルカバーが熱変形したり、インテグラルカバーに残留応力が生じるなどの問題があった。特にタービン動翼の材質によっては、タービン動翼の焼入れを施した部分と焼入れを施していない母材との間の引張残留応力により、応力腐食割れおよび疲労による割れを生じ、タービン動翼の信頼性および耐久性を著しく低下させることがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、翼先端に設けられたインテグラルカバーと翼有効部との境界に発生する応力を低減することができ、前縁の耐エロージョン性を向上させることができるとともに、前縁に付着した水分を所定の方向に排出することができるタービン動翼およびこのタービン動翼を備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、翼本体と、前記翼本体の前縁部を除いて、前記翼本体の先端の背側面に沿って後縁端まで前記翼本体と一体的に形成された板状の背側カバーと、前記翼本体の前縁部を除いて、前記翼本体の先端の腹側面に沿って後縁端まで前記翼本体と一体的に形成された板状の腹側カバーとを備え、前記背側カバーと隣接するタービン動翼の腹側カバー、および前記腹側カバーと隣接するタービン動翼の背側カバーを接触させて連結させるようにしたタービン動翼であって、前記翼本体の前記前縁部、前記背側カバーおよび前記腹側カバーの半径方向外側の端面が同一面上に形成され、かつ、前記背側カバーと前記腹側カバーとが凹凸連結構造を有して少なくとも１つの接触面で接触し、前記接触面における上流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角が９０〜１５０度であることを特徴とするタービン動翼が提供される。
【００１０】
また、本発明の一態様によれば、ケーシングと、前記ケーシング内に貫設されたタービンロータと、前記タービンロータに植設された複数段のタービン動翼と、前記ケーシングに、前記タービンロータの軸方向に前記タービン動翼と交互に配設された複数段の静翼とを備える蒸気タービンであって、前記タービン動翼が上記したタービン動翼であることを特徴とする蒸気タービンが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のタービン動翼およびこのタービン動翼を備える蒸気タービンによれば、翼先端に設けられたインテグラルカバーと翼有効部との境界に発生する応力を低減することができ、前縁の耐エロージョン性を向上させることができるとともに、前縁に付着した水分を所定の方向に排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態を図を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０を備えた蒸気タービン２００の上半ケーシング部の断面を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、蒸気タービン２００は、例えば、内部ケーシング２１０とその外側に設けられた外部ケーシング２１１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２１０内にタービンロータ２１２が貫設されている。このタービンロータ２１２には、周方向に並んで複数のタービン動翼１０が植設され、タービンロータ２１２の軸方向に複数段設けられている。また、内部ケーシング２１０の内側面には、タービンロータ２１２の軸方向にタービン動翼１０と交互になるようにノズル２１３が配設されている。タービンロータ２１２と各ケーシングとの間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドラビリンス部２１５が設けられている。さらに、蒸気タービン２００には、蒸気入口管２１４が、外部ケーシング２１１および内部ケーシング２１０を貫通して設けられ、さらに蒸気入口管２１４の端部が、タービン動翼１０側に向けて蒸気を導出するノズルボックス２１６に連通して接続されている。
【００１５】
蒸気入口管２１４を経て、ノズルボックス２１６内に流入した蒸気は、タービン動翼１０に向けて噴出される。噴出された蒸気は、各段落のノズル２１３とタービン動翼１０との間の蒸気通路を通り、タービンロータ２１２を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気され、例えば、低温再熱管（図示しない）を通りボイラ（図示しない）に流入する。また、膨張仕事をした蒸気の一部は、冷却用蒸気として内部ケーシング２１０と外部ケーシング２１１との間に導かれ、グランドラビリンス部２１５または膨張仕事をした蒸気の大部分が排気される排気経路から排気される。なお、蒸気タービン２００の構成は、上記した構成に限定されるものではない。
【００１６】
次に、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０の構成について説明する。
【００１７】
図２は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０を背側から見たときの平面図である。図３は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０の先端部を示す斜視図である。図４は、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０ａ、１０ｂ、１０ｃを上方から見たときの平面図である。図５は、参考例として示すタービン動翼を上方から見たときの平面図である。
【００１８】
図２に示すように、タービン動翼１０は、翼高さ方向に沿って順に翼根部２０、翼有効部３０およびインテグラルカバー４０を備えている。ここでは、タービン動翼１０として、タービンロータ２１２の周方向に並んで複数形成され、かつロータ翼車の凹状の翼溝に、タービンロータ２１２の軸方向に挿入される、いわゆる軸方向挿入翼根部形式のタービン動翼を一例として示している。なお、タービン動翼１０は、軸方向挿入翼根部形式のタービン動翼に限られるものではなく、例えば、タービンロータの周方向に加工された凹凸にタービン動翼を挿入し、タービン動翼側からロータ翼車を抱え込む鞍形翼根部形式のタービン動翼であってもよく、またこの他、フォーク形の植込みであってもよい。
【００１９】
翼根部２０は、タービンロータ２１２の翼溝に挿入される植込部２１と、この植込部２１と翼有効部３０との間に形成されるシャンク部２２とを備えている。
【００２０】
植込部２１は、軸方向挿入翼根部形式の嵌め合い凹凸形状を有し、その凹凸形状は、タービンロータ２１２の翼溝の形状に対応している。この嵌め合い凹凸形状によって、タービン動翼１０が、タービンロータ２１２の半径方向へ抜けることを防止している。
【００２１】
タービン動翼１０の先端部に設けられたインテグラルカバー４０は、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された板状の背側カバー４１と、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された板状の腹側カバー４２とを備えている。ここで、翼有効部３０と一体的に形成されるとは、例えば、切削加工などによって、１つの母材から、翼有効部３０、背側カバー４１および腹側カバー４２が一体的に形成されることを意味する。したがって、本実施の形態においては、前縁部３１を含む翼有効部３０の半径方向外側（先端部）端面と背側カバー４１の半径方向外側端面、および腹側カバー４２の半径方向外側端面が同一面と形成している。
【００２２】
ここで、前縁部３１とは、前縁端から翼型中心線に沿って後縁方向に、最も後縁に位置する水分排出用溝から数ｍｍ程度の範囲をいう。また、翼型中心線とは、翼型の上面と下面との中点を順々に結んで得られる曲線、いわゆるキャンバーラインである。また、前縁部３１に表面硬質処理を施してもよい。表面硬質処理として、例えば、材料に熱処理を施し硬度を上げる火炎焼入れ等や、材料表面に物理的圧縮残留応力を発生させるショットピーニング等の方法が挙げられる。
【００２３】
なお、上記したように、前縁部３１を前縁端から翼型中心線に沿って後縁方向に、最も後縁に位置する水分排出用溝から数ｍｍ程度に設定することで、インテグラルカバー４０が表面硬質処理による熱の影響を受けることを防止することができる。これによって、前縁部３１に表面硬質処理を施す際、インテグラルカバー４０が熱変形したり、インテグラルカバー４０に残留応力が発生したりするのを防止することができる。さらに、引張残留応力によるインテグラルカバー４０内の不均一な応力分布の発生を抑制することができる。特に、タービン動翼１０は、回転時に遠心力による翼のアンツイストが生じ、隣接するタービン動翼１０との接触により、インテグラルカバー４０とタービン動翼１０との境界で応力集中が生じるが、残留応力の発生が抑制されることで、この境界での応力集中が低減される。また、前縁部３１に表面硬質処理を施すことで、エロージョンによる損傷を防止することができる。
【００２４】
さらに、図２および図３に示すように、前縁部３１の背側に翼高さ方向に翼先端（すなわち、インテグラルカバー４０の外周側端面と同じ高さ）まで達する水分排出用の溝３２を設けてもよい。この溝３２は、少なくとも１つ設けられていればよく、複数設けられてもよい。ここで、例えば、ノズル２１３中を通過してきた水滴には、小さな粒径の水滴から比較的大きな粒径の水滴まで存在し、これらがタービン動翼１０の前縁部３１の背側に衝突して付着する。そこで、上記した溝３２を設けることで、タービン動翼１０の前縁部３１の背側に付着した水分を遠心力を利用して速やかにタービン動翼半径方向外周部へ排出することが可能となる。これによって、タービン動翼１０の前縁部３１の背側に付着した水分がさらにタービン動翼１０の下流側へ流れることを防ぐことができる。なお、前縁部３１は、後述するインテグラルカバー４０の流体入口側端面４５よりも上流側に突出して設けられている。
【００２５】
また、図４に示すように、インテグラルカバー４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、タービン動翼１０ｂの背側カバー４１ｂと、このタービン動翼１０ｂに隣接するタービン動翼１０ａの腹側カバー４２ａ、およびタービン動翼１０ｂの腹側カバー４２ｂと、このタービン動翼１０ｂに隣接するタービン動翼１０ｃの背側カバー４１ｃを接触させて連結させるように構成されている。また、背側カバー４１ａ、４１ｂ、４１ｃと腹側カバー４２ａ、４２ｂ、４２ｃとが凹凸連結構造を有している。
【００２６】
図４に示すように、インテグラルカバー４０ｂには、タービン動翼１０ｂの背側および腹側に、隣接するインテグラルカバー４０ａ、４０ｃと連結する連結面４３、４４が形成されている。そして、これらの連結面４３、４４は、タービン動翼１０ｂの回転方向に対して所定の角度を有し、互いに予め決められた距離を有した位置関係にあり略平行する２つの傾斜面４３Ａ１（４４Ａ１）、傾斜面４３Ｂ１（４４Ｂ１）と、これら２つの傾斜面を結ぶ接触面４３Ｃ１（４４Ｃ１）の３つの面から構成され、全体でクランク状の面を構成している。さらに、インテグラルカバー４０ｂは、タービン動翼１０ｂの回転方向とほぼ平行で、前縁部３１の下流側端部と上記した傾斜面４４Ｂ１とを結ぶ流体入口側端面４５と、タービン動翼１０ｂの後縁端部に設けられるとともに、タービン動翼１０ｂの回転方向とほぼ平行で、上記した傾斜面４３Ａ１と傾斜面４４Ａ１とを結ぶ流体出口側端面４６とで構成されている。
【００２７】
このように構成されたインテグラルカバー４０ｂでは、傾斜面４３Ａ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの傾斜面４３Ａ２と当接または微小な間隙を有して対峙され、傾斜面４４Ａ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの傾斜面４４Ａ２と当接または微小な間隙を有して対峙される。このように、傾斜面４３Ａ１は、必ずしも傾斜面４３Ａ２と当接する必要はなく、また、傾斜面４４Ａ１は、必ずしも傾斜面４４Ａ２と当接する必要はない。
【００２８】
また、傾斜面４３Ｂ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの傾斜面４３Ａ２と微小な間隙を有して対峙され、傾斜面４４Ｂ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの傾斜面４４Ｂ２と微小な間隙を有して対峙される。
【００２９】
また、接触面４３Ｃ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの接触面４３Ｃ２と当接し、接触面４４Ｃ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの接触面４４Ｃ２と当接する。
【００３０】
上記したように、タービン動翼１０のインテグラルカバー４０において、隣接するタービン動翼１０のインテグラルカバー４０と少なくとも１つの接触面を有して接触する構成を備えている。
【００３１】
ここで、図４に示すように、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２は、これらの接触面における上流側（流体入口側）を向く法線方向Ｎ１と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度θ１が９０〜１５０度となるように構成されている。この角度θ１の範囲が好ましいのは、角度θ１が９０度より小さい場合には、タービン動翼が遠心力による翼のねじり戻り、いわゆるアンツイストを生じた際に、接触面がそれぞれ離れる方向に作用して連結構造として機能しなくなることがあるためである。一方、角度θ１が１５０度より大きい場合には、接触面４３Ｃ２（接触面４３Ｃ１）と、傾斜面４３Ｂ１とがなす角度γが小さくなり、この角度γを形成する部分の幅が狭くなり、この部分に発生する応力が高くなるからである。なお、角度θ１は、接触面の反力を確保する観点から、１２０〜１５０度となるように構成されることがさらに好ましい。なお、タービンロータ軸方向は、蒸気の流入方向と同じである。
【００３２】
また、図４に示すように、傾斜面４３Ａ１および傾斜面４３Ａ２は、これらの傾斜面における下流側（流体入口側）を向く法線方向Ｎ２と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度θ２が「α」〜「α＋３０」度となるように構成されている。ここで、αは、タービン動翼１０ａの後縁側への翼型中心線の延長線Ｒと、隣接するタービン動翼１０ｂの背側カバー４１ｂの下流側の端面、すなわち前述した流体出口側端面４６とがなす角である。この角度θ２の範囲が好ましいのは以下の理由による。
【００３３】
すなわち、傾斜面４３Ａ１および傾斜面４３Ａ２の流体流出側の端部は動翼１０ａの後縁近傍とするのが通常である。この条件の下、角度θ２を小さくすると接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２の長さを長く取ることができるので好ましいが、角度θ２が「α」度より小さい場合には、接触面４３Ｃ２の延長線が翼断面の内側に入る形状となるという問題が生じる。一方、角度θ２が、「α＋３０」度より大きい場合には、接触面４３Ｃ２の延長線が翼断面の内側に入る形状とはならないものの、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２の長さを十分に取ることができなくなる。したがって、カバーの形状と、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２における運転時の十分な接触力を確保するためには角度θ２は上述の範囲とするのが好ましい。
【００３４】
なお、インテグラルカバー４０ｃの背側カバー４１ｃと、インテグラルカバー４０ｂの腹側カバー４２ｂとにおける連結面４４における構成は、上記したインテグラルカバー４０ｂの背側カバー４１ｂと、インテグラルカバー４０ａの腹側カバー４２ａとにおける連結面４３における構成と同じである。すなわち、接触面４４Ｃ１および接触面４４Ｃ２は、これらの接触面における上流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度が９０〜１５０度となるように構成されている。また、傾斜面４４Ａ１および傾斜面４４Ａ２は、これらの傾斜面における下流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度が「α」〜「α＋３０」度となるように構成されている。ここで、αは、タービン動翼１０ｂの後縁側への翼型中心線の延長線と、隣接するタービン動翼１０ｃの背側カバー４１ｃの下流側の端面、すなわち流体出口側端面４６とがなす角である。
【００３５】
上記したように、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０によれば、前縁部３１をインテグラルカバー４０の流体入口側端面４５よりも上流側に突出して設け、上記した範囲に角度θ１および角度θ２を設定することで、図４に示す、翼理論断面の主軸Ｍと、この主軸Ｍに平行で、背側カバー４１ｂの外側に最も突出した端部を通る直線Ｌとの距離Ｓを短くすることができる。
【００３６】
ここで、比較のため、図５に示す参考例としてのタービン動翼１００における距離Ｓについて説明する。図５に示すタービン動翼１００は、翼有効部１１０上に、平行四辺形の板状のインテグラルカバー１１１が備えられている。インテグラルカバー１１１の流体入口側端面１１２は、前縁部１１４の下流側端部からタービン動翼１００の回転方向とほぼ平行となる面で構成される。一方、インテグラルカバー１１１の流体出口側端面１１３は、後縁端部からタービン動翼１００の回転方向とほぼ平行となる面で構成される。なお、前縁部１１４は、インテグラルカバー１１１の流体入口側端面１１２よりも上流側に突出して設けられている。この図５に示したタービン動翼１００における場合、インテグラルカバー１１１の背側の外側に最も突出した端部は、隣接する翼有効部１１０を超えた位置に存在するため、翼理論断面の主軸Ｍに平行で、この端部を通る直線Ｌと主軸Ｍとの距離Ｓは、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０における距離Ｓよりも長くなる。
【００３７】
ここで、翼理論断面とは、翼断面であり、翼理論断面の主軸Ｍとは、翼断面の図心を通る直交２軸のうち、その軸に対する断面２次モーメントが最小の軸のことである。
【００３８】
このように、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０では、上記した距離Ｓを短くすることができるので、遠心力による翼のアンツイストが生じる際、インテグラルカバー４０の端部の変位量が抑制され、インテグラルカバー４０と翼有効部３０との境界に発生する応力を低減することが可能となる。
【００３９】
また、本発明に係る一実施の形態のタービン動翼１０によれば、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に背側カバー４１が設けられ、かつ翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に腹側カバー４２が設けられているため、効率よく蒸気が膨張仕事をすることができ、タービン効率を向上させることができる。
【００４０】
なお、タービン動翼１０の構成は、上記した構成に限られるものではない。図６は、本発明に係る一実施の形態の他の構成を備えるタービン動翼１０ａ、１０ｂ、１０ｃを上方から見たときの平面図である。
【００４１】
タービン動翼１０ａ、１０ｂ、１０ｃの先端部に設けられたインテグラルカバー４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された板状の背側カバー４１ａ、４１ｂ、４１ｃと、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に形成された板状の腹側カバー４２ａ、４２ｂ、４２ｃとを備えている。ここで、翼有効部３０と一体的に形成されるとは、例えば、切削加工などによって、１つの母材から、翼有効部３０、背側カバー４１ａ、４１ｂ、４１ｃおよび腹側カバー４２ａ、４２ｂ、４２ｃが一体的に形成されることを意味する。
【００４２】
ここで、前縁部３１は、タービンロータ軸方向に沿う方向にオーバハング状に屈曲している。なお、前縁部３１とは、前縁端から翼型中心線に沿って後縁方向に３ｍｍ程度の範囲をいう。また、前縁部３１に、前述した表面硬質処理と同様の表面硬質処理を施してもよい。また、前縁部３１の背側に前述した溝３２と同様の溝３２を設けてもよい。なお、前縁部３１は、後述するインテグラルカバー４０の流体入口側端面４５よりも上流側に突出して設けられている。
【００４３】
また、図６に示すように、インテグラルカバー４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、タービン動翼１０ｂの背側カバー４１ｂと、このタービン動翼１０ｂに隣接するタービン動翼１０ａの腹側カバー４２ａ、およびタービン動翼１０ｂの腹側カバー４２ｂと、このタービン動翼１０ｂに隣接するタービン動翼１０ｃの背側カバー４１ｃを接触させて連結させるように構成されている。また、背側カバー４１ａ、４１ｂ、４１ｃと腹側カバー４２ａ、４２ｂ、４２ｃとが凹凸連結構造を有している。
【００４４】
図６に示すように、インテグラルカバー４０ｂには、タービン動翼１０ｂの背側および腹側に、隣接するインテグラルカバー４０ａ、４０ｃと連結する連結面４３、４４が形成されている。そして、これらの連結面４３、４４は、タービン動翼１０ｂの回転方向に対して所定の角度を有する傾斜面４３Ａ１（４４Ａ１）と、この傾斜面４３Ａ１（４４Ａ１）とＶ字状の凹凸連結構造を構成する接触面４３Ｃ１（４４Ｃ１）の２つの面から構成されている。さらに、インテグラルカバー４０ｂは、タービン動翼１０ｂの回転方向とほぼ平行で、前縁部３１の下流側端部と上記した接触面４４Ｃ１とを結ぶ流体入口側端面４５と、タービン動翼１０ｂの後縁端部に設けられるとともに、タービン動翼１０ｂの回転方向とほぼ平行で、上記した傾斜面４３Ａ１と傾斜面４４Ａ１とを結ぶ流体出口側端面４６とで構成されている。
【００４５】
このように構成されたインテグラルカバー４０ｂでは、傾斜面４３Ａ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの傾斜面４３Ａ２と当接または微小な間隙を有して対峙され、傾斜面４４Ａ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの傾斜面４４Ａ２と当接または微小な間隙を有して対峙される。このように、傾斜面４３Ａ１は、必ずしも傾斜面４３Ａ２と当接する必要はなく、また、傾斜面４４Ａ１は、必ずしも傾斜面４４Ａ２と当接する必要はない。
【００４６】
また、接触面４３Ｃ１は、隣接する他のタービン動翼１０ａのインテグラルカバー４０ａの接触面４３Ｃ２と当接し、接触面４４Ｃ１は、隣接する他のタービン動翼１０ｃのインテグラルカバー４０ｃの接触面４４Ｃ２と当接する。
【００４７】
上記したように、タービン動翼１０のインテグラルカバー４０において、隣接するタービン動翼１０のインテグラルカバー４０と少なくとも１つの接触面を有して接触する構成を備えている。
【００４８】
ここで、図６に示すように、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２は、これらの接触面における上流側（流体入口側）を向く法線方向Ｎ１と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度θ１が９０〜１５０度となるように構成されている。この角度θ１の範囲が好ましいのは、角度θ１が９０度より小さい場合には、タービン動翼が遠心力による翼のねじり戻り、いわゆるアンツイストを生じた際に、接触面がそれぞれ離れる方向に作用して連結構造として機能しなくなることがあるためである。一方、角度θ１が１５０度より大きい場合には、接触面４３Ｃ２（接触面４３Ｃ１）と、流体入口側端面４５とがなす角度γが小さくなり、この角度γを形成する部分の幅が狭くなり、この部分に発生する応力が高くなるからである。なお、角度θ１は、接触面の反力を確保する観点から、１２０〜１５０度となるように構成されることがさらに好ましい。
【００４９】
また、図６に示すように、傾斜面４３Ａ１および傾斜面４３Ａ２は、これらの傾斜面における下流側（流体出口側）を向く法線方向Ｎ２と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度θ２が「α」〜「α＋３０」度となるように構成されている。ここで、αは、タービン動翼１０ａの後縁側への翼型中心線の延長線Ｒと、隣接するタービン動翼１０ｂの背側カバー４１ｂの下流側の端面、すなわち前述した流体出口側端面４６とがなす角である。この角度θ２の範囲が好ましいのは以下の理由による。
【００５０】
すなわち、傾斜面４３Ａ１および傾斜面４３Ａ２の流体流出側の端部は動翼１０ａの後縁近傍とするのが通常である。この条件の下、角度θ２を小さくすると接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２の長さを長く取ることができるので好ましいが、角度θ２が「α」度より小さい場合には、傾斜面４３Ａ２の延長線が翼断面の内側に入る形状となるという問題が生じる。一方、角度θ２が、「α＋３０」度より大きい場合には、傾斜面４３Ａ２の延長線が翼断面の内側に入る形状とはならないものの、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２の長さを十分に取ることができなくなる。したがって、カバーの形状と、接触面４３Ｃ１および接触面４３Ｃ２における運転時の十分な接触力を確保するためには角度θ２は上述の範囲とするのが好ましい。
【００５１】
なお、インテグラルカバー４０ｃの背側カバー４１ｃと、インテグラルカバー４０ｂの腹側カバー４２ｂとにおける連結面４４における構成は、上記したインテグラルカバー４０ｂの背側カバー４１ｂと、インテグラルカバー４０ａの腹側カバー４２ａとにおける連結面４３における構成と同じである。すなわち、接触面４４Ｃ１および接触面４４Ｃ２は、これらの接触面における上流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度が９０〜１５０度となるように構成されている。また、傾斜面４４Ａ１および傾斜面４４Ａ２は、これらの傾斜面における下流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角度が「α」〜「α＋３０」度となるように構成されている。ここで、αは、タービン動翼１０ｂの後縁側への翼型中心線の延長線と、隣接するタービン動翼１０ｃの背側カバー４１ｃの下流側の端面、すなわち流体出口側端面４６とがなす角である。
【００５２】
この他の構成のタービン動翼１０においても、前述した一実施の形態のタービン動翼１０と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、前縁部３１をインテグラルカバー４０の流体入口側端面４５よりも上流側に突出して設け、上記した範囲に角度θ１および角度θ２を設定することで、図６に示す、翼理論断面の主軸Ｍと、この主軸Ｍに平行で、背側カバー４１ｂの外側に最も突出した端部を通る直線Ｌとの距離Ｓを短くすることができる。このように、距離Ｓを短くすることができることによって、遠心力による翼のアンツイストが生じる際、インテグラルカバー４０の端部の変位量が抑制され、インテグラルカバー４０と翼有効部３０との境界に発生する応力を低減することが可能となる。
【００５３】
また、翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の背側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に背側カバー４１が設けられ、かつ翼有効部３０の前縁部３１を除いて、翼有効部３０の先端の腹側面に沿って後縁端まで翼有効部３０と一体的に腹側カバー４２が設けられているため、効率よく蒸気が膨張仕事をすることができ、タービン効率を向上させることができる。
【００５４】
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る一実施の形態のタービン動翼を備えた蒸気タービンの上半ケーシング部の断面を示す図。
【図２】本発明に係る一実施の形態のタービン動翼を背側から見たときの平面図。
【図３】本発明に係る一実施の形態のタービン動翼の先端部を示す斜視図。
【図４】本発明に係る一実施の形態のタービン動翼を上方から見たときの平面図。
【図５】参考例としてのタービン動翼を上方から見たときの平面図。
【図６】本発明に係る一実施の形態の他の構成を備えるタービン動翼を上方から見たときの平面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…タービン動翼、２０…翼根部、２１…植込部、２２…シャンク部、３０…翼有効部、３１…前縁部、３２…溝、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ…インテグラルカバー、４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ…背側カバー、４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ…腹側カバー、４３…連結面、４３Ａ１，４３Ａ２，４３Ｂ１，４３Ｂ２，４４Ａ１，４４Ａ２，４４Ｂ１，４４Ｂ２…傾斜面、４３Ｃ１，４３Ｃ２，４４Ｃ１，４４Ｃ２…接触面、４５…流体入口側端面、４６…流体出口側端面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼本体と、
前記翼本体の前縁部を除いて、前記翼本体の先端の背側面に沿って後縁端まで前記翼本体と一体的に形成された板状の背側カバーと、
前記翼本体の前縁部を除いて、前記翼本体の先端の腹側面に沿って後縁端まで前記翼本体と一体的に形成された板状の腹側カバーと
を備え、前記背側カバーと隣接するタービン動翼の腹側カバー、および前記腹側カバーと隣接するタービン動翼の背側カバーを接触させて連結させるようにしたタービン動翼であって、
前記翼本体の前記前縁部、前記背側カバーおよび前記腹側カバーの半径方向外側の端面が同一面上に形成され、かつ、
前記背側カバーと前記腹側カバーとが凹凸連結構造を有して少なくとも１つの接触面で接触し、前記接触面における上流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角が９０〜１５０度であることを特徴とするタービン動翼。
【請求項２】
前記凹凸連結構造を構成する前記接触面よりも後縁側の傾斜面における下流側を向く法線方向と、前記タービンロータ軸方向とのなす角θが以下の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
α≦θ≦α＋３０
（ただし、αは、後縁側への翼型中心線の延長線と、隣接する翼の前記背側カバーの下流側の端面とがなす角）
【請求項３】
前記前縁部の背側に翼高さ方向に向かって翼先端まで達する少なくとも１つの水分排出用の溝が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記前縁部は、表面硬質処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のタービン動翼。
【請求項５】
ケーシングと、
前記ケーシング内に貫設されたタービンロータと、
前記タービンロータに植設された複数段のタービン動翼と、
前記ケーシングに、前記タービンロータの軸方向に前記タービン動翼と交互に配設された複数段の静翼と
を備える蒸気タービンであって、
前記タービン動翼が請求項１乃至４のいずれか１項記載のタービン動翼であることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１】
翼本体と、
前記翼本体の前縁部を除いて、前記翼本体の先端の背側面に沿って後縁端まで前記翼本体と一体的に形成された板状の背側カバーと、
前記翼本体の前縁部を除いて、前記翼本体の先端の腹側面に沿って後縁端まで前記翼本体と一体的に形成された板状の腹側カバーと
を備え、前記背側カバーと隣接するタービン動翼の腹側カバー、および前記腹側カバーと隣接するタービン動翼の背側カバーを接触させて連結させるようにしたタービン動翼であって、
前記翼本体の前記前縁部、前記背側カバーおよび前記腹側カバーの半径方向外側の端面が同一面上に形成され、かつ、
前記背側カバーと前記腹側カバーとが凹凸連結構造を有して少なくとも１つの接触面で接触し、前記接触面における上流側を向く法線方向と、上流側から下流側へ向かうタービンロータ軸方向とのなす角が９０〜１５０度であることを特徴とするタービン動翼。
【請求項２】
前記凹凸連結構造を構成する前記接触面よりも後縁側の傾斜面における下流側を向く法線方向と、前記タービンロータ軸方向とのなす角θが以下の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
α≦θ≦α＋３０
（ただし、αは、後縁側への翼型中心線の延長線と、隣接する翼の前記背側カバーの下流側の端面とがなす角）
【請求項３】
前記前縁部の背側に翼高さ方向に向かって翼先端まで達する少なくとも１つの水分排出用の溝が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記前縁部は、表面硬質処理が施されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のタービン動翼。
【請求項５】
ケーシングと、
前記ケーシング内に貫設されたタービンロータと、
前記タービンロータに植設された複数段のタービン動翼と、
前記ケーシングに、前記タービンロータの軸方向に前記タービン動翼と交互に配設された複数段の静翼と
を備える蒸気タービンであって、
前記タービン動翼が請求項１乃至４のいずれか１項記載のタービン動翼であることを特徴とする蒸気タービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−５３８２２（Ｐ２０１０−５３８２２Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２１６１６（Ｐ２００８−２２１６１６）
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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