静翼及び蒸気タービン
【課題】簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる静翼及び蒸気タービンを提供する。
【解決手段】本発明は、腹側部材２４と背側部材２５との各裏面２４ｃ，２５ａによって空洞部３０が画成され、空洞部３０に配置された板状バネ部材３２と、を備え、板状バネ部材３２は、一方の縁部に設けられて一方の裏面２４ｃに固定される固定部３２ａと、固定部３２ａから他方の縁部に連続する部分に設けられて他方の裏面２５ａに沿って延びると共に他方の裏面２５ａを摺接可能に押圧する押圧部３２ｂと、を備えている。
【解決手段】本発明は、腹側部材２４と背側部材２５との各裏面２４ｃ，２５ａによって空洞部３０が画成され、空洞部３０に配置された板状バネ部材３２と、を備え、板状バネ部材３２は、一方の縁部に設けられて一方の裏面２４ｃに固定される固定部３２ａと、固定部３２ａから他方の縁部に連続する部分に設けられて他方の裏面２５ａに沿って延びると共に他方の裏面２５ａを摺接可能に押圧する押圧部３２ｂと、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンに用いられる静翼、及びこの静翼を備えた蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、軽量化を図るために、内部を中空構造とした静翼を備えた蒸気タービンが知られている。
また、静翼の性能向上を図るために、静翼の内部と外部とを連通させるスリットを設け、静翼の表面に付着した水滴を内部に取り込んで除去する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このように内部に取り込まれた水は、静翼と結合されているシュラウドに向けて流されて排出される。
【０００３】
このような蒸気タービンの静翼には、その外装形状（幾何学的形状）や質量、タービン作動時における静翼周囲の環境（例えば、静翼を通過する蒸気の流速や質量等）に応じて、自励振動（フラッタ）が生じることがある。特に、静翼の質量が小さい場合や、翼高さが長い場合に、自励振動が生じ易くなってしまうことが知られている。
さらに、内部を中空構造とした静翼（以下、「中空静翼」と称する）は、内部を中実構造とした静翼（以下、「中実静翼」と称する）に比べて軽量なものとなる。よって、中空静翼には、中実静翼に比べて自励振動が生じ易いことから、これを抑制する必要が生じる。
【０００４】
このような自励振動を抑制するため、中空静翼の内部に減衰機構（ダンパ）を設けることで、静翼に生じた振動を減衰させる技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
図７は、このような減衰構造を設けた静翼の一例を示し、図７（Ａ）は静翼の要部の横断面図、図７（Ｂ）は静翼の要部の側面図である。
【０００６】
図において、静翼１は、主に腹側を構成する腹側部材２と、主に背側を構成する背側部材３とを有している。また、腹側部材２と背側部材３とは、それぞれ金属製の板状部材を湾曲することで構成されており、その両縁付近が互いに溶接により接合されている。腹側部材２は、表面側が静翼１の腹面４をとなるように反りが形成されている。また、背側部材３は、表面側が静翼１の背面５となるように反りが形成されている。さらに、腹側部材２と背側部材３とは、その反りを異ならせることによって内部を中空構造とし、その内部に空洞部６を形成している。
【０００７】
空洞部６には、その中央部分を基部７ａとして腹側部材２の裏面２ａに溶接固定された弓形板バネ７が設けられている。また、空洞部６は、例えば、腹側部材２に形成されたスリット２ｂ，２ｃによって、静翼１の内部（空洞部６）と外部とが連通され、静翼１の表面に付着した水滴を内部に取り込んで除去するようにしている。
【０００８】
弓形板バネ７は、基部７ａから端部７ｂ，７ｃとの間に、腹側部材２から背側部材３に向う傾斜接続部７ｄ，７ｅを形成し、端部７ｂ，７ｃを背側部材３の裏面３ｃに当接させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３３６５０３号公報
【特許文献２】特開２００８−１３３８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述のような弓形板バネ７を用いた静翼１にあっては、弓形板バネ７の中央部分を基部７ａとし、その両端を背側部材３の裏面３ｃに当接させていることから、そのバネ圧は静翼１の蒸気入口側（矢印Ｑで蒸気の流入方向を示す）と出口側の両方に加わるように設定されている。なお、蒸気入口側は静翼１の整流方向上流側、蒸気出口側は静翼１の整流方向下流側となる。
【００１１】
一方、蒸気タービンの運転時の静翼１は、蒸気出口側が捩れる振動モードとなるため、ダンパ機能はできるだけ蒸気出口側に集中することが望ましい。
【００１２】
しかしながら、上述した弓形板バネ７にあっては、静翼１の蒸気入口側と出口側の双方に略同じ面積で裏面３ｃに当接していることから、蒸気出口側に必要なだけのダンパ機能を十分に付与することができず、静翼１全体として十分な減衰性能を得ることができないという問題が生じていた。また、蒸気入口側と出口側との減衰機能がアンバランスとなると、不十分な減衰に伴う振動の発生によって両端７ｂ，７ｃと裏面３ｃとの当接状態が点接触や線接触となり易く、当接面積が確保されずにさらなる振動の発生要因となるという問題が生じていた。
【００１３】
しかも、弓形板バネ７にあっては、両端７ｂ，７ｃの二ヶ所を裏面３ｃに当接させていることから、板バネ全体が大型化するばかりでなく、中央部分の基部７ａを含む三ヶ所を裏面２ａ，３ａに面接触させる必要が生じることと相俟って、静翼１の外装形状や質量ごとにバネ圧や形状等を変更する専用品となってしまい、共用化が困難で汎用性に劣るという問題も生じていた。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上させることができる静翼及び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】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る静翼は、腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された静翼本体と、前記空洞部に配置された板状バネ部材とを備え、前記板状バネ部材が、前記腹側部と前記背側部との各裏面のうち一方の前記裏面に固定される固定部と、前記固定部における前記静翼本体の後縁側に接続され、他方の前記裏面に沿って延びると共に該他方の前記裏面を摺接可能に押圧する押圧部とを有していることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。
【００１７】
また、本発明に係る静翼においては、前記板状バネ部材が、前記固定部と前記押圧部とを接続するように、一方の前記裏面から他方の前記裏面に向かうに従って漸次前記後縁側に延在する接続部を有していることを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、板状バネ部材のバネ圧を容易に設定することができる。
【００１９】
さらに、本発明に係る静翼において、前記押圧部は、他方の前記裏面の前記後縁側の端部付近に至るまで該裏面に添って延びていることを特徴とする。
【００２０】
このような構成によれば、静翼本体の下流側の端部、即ち、静翼本体の整流方向下流側の自動振動抑制効果を容易に確保することができる。
【００２１】
また、本発明の蒸気タービンは、上記静翼が、ロータ軸の周方向に所定の間隔で配列されていることを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。
【００２３】
さらに、本発明に係る蒸気タービンにおいては、前記静翼本体に、表面側から前記空洞部の内部へと水滴を案内するスリットが形成されていることを特徴とする。
【００２４】
このような構成によれば、静翼本体の表面に付着した水滴を空洞部に取り込んで除去することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の静翼及び蒸気タービンによれば、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る静翼を搭載した蒸気タービンを示し、蒸気タービンの概略構成の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る蒸気タービンを示し、蒸気タービンを低圧最終段側から見た要部の外観斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る静翼を示し、静翼を背側から見た拡大図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る静翼を示し、（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、（Ｂ）は板状バネ部材の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る変形例１の静翼を示し、（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、（Ｂ）は板状バネ部材の断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る変形例２の静翼を示し、静翼の翼形を示す断面図である。
【図７】従来の静翼を示し、（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、（Ｂ）は静翼の要部の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明の一実施形態に係る静翼及び蒸気タービンについて、図面を参照して説明する。尚、以下に示す実施例は本発明の静翼及び蒸気タービンにおける好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００２８】
図１は本発明の一実施形態に係る静翼を搭載した蒸気タービンの概略構成を模式的に示す説明図、図２は本発明の一実施形態を示す蒸気タービンを低圧最終段側から見た要部の外観斜視図、図３は本発明の一実施形態を示す静翼を背側から見た拡大図、図４は本発明の静翼を示し、図４（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、図４（Ｂ）は板状バネ部材の断面図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施例に係る蒸気タービン１０は、例えば、原子力発電プラント等で用いられる低圧蒸気タービンであり、高圧の蒸気を発生する蒸気発生器１１と、蒸気発生器１１から高圧の蒸気が直接供給される高圧蒸気タービン１２と、蒸気発生器１１及び高圧蒸気タービン１２からの蒸気の湿分を分離して加熱する湿分分離加熱器１３と、湿分分離加熱器１３から低圧の蒸気が供給される蒸気タービン１０が設けられている。以降、本実施の形態では、蒸気タービン１０として湿分分離加熱器１３から蒸気の供給を受ける低圧蒸気タービンについて説明する。
【００３０】
蒸気タービン１０において、湿分分離加熱器１３からの蒸気は、蒸気入口１４に供給されて該蒸気タービン１０に形成されている蒸気通路１５をロータ軸１６の軸方向（図中、矢印Ａで示す）に沿って流通する。蒸気通路１５には、動翼１７と静翼１８が交互に配置されており、蒸気タービン１０は、静翼１８での圧力降下によって運動エネルギを生じさせ、これを動翼１７によって回転トルクに変換している。これにより、動翼１７を結合したロータ軸１６は、動翼１７で変換した回転トルクによって回転する。
【００３１】
静翼１８は、図１〜図３に示すように、ロータ軸１６の径方向（図中、矢印Ｒで示す）の内側端１８ａがシュラウド１９に、径方向の外側端１８ｂが翼根リング２０に、それぞれ溶接により結合されている（図３に溶接部を符号２１で示す）。
【００３２】
動翼１７と静翼１８とは、図１に示すように、一対となって一つの段２２が必要に応じた数だけ配置されている。また、段１８は、蒸気通路１５を上流側から下流側に向かうに従って、動翼１７及び静翼１８の翼高さが長くなるよう構成されている。蒸気通路１５の最も下流側にある段２２を「低圧最終段」という。低圧最終段２２の静翼１８は、上流側の段２２にある静翼１８に比べて、特に翼高さが長いものとなっている。低圧最終段２２において、静翼１８は、図２及び図３に示すように、ロータ軸１６の周方向（図中、矢印Ｑで示す）に所定の間隔で複数配列されており、翼群２３を形成している。
【００３３】
静翼１８は、図４（Ａ）に示すように、主に腹側を構成する腹側部材２４と、主に背側を構成する背側部材２５と、を備えている。腹側部材２４と背側部材２５とは、それぞれ金属製の板状部材を、互いに異なる反り方で湾曲させたもので、それぞれ金属製の板状部材を互いに異なる反り方で湾曲させ、その両縁付近を縁部に沿って互いに溶接により接合することで、その静翼本体としての外装形状が形成される。なお、本実施の形態においては、蒸気の入口側に位置する前縁部分（矢印Ｐで蒸気の流入方向を示す）はＴＩＧ溶接（符合２６）、蒸気の出口側に位置する後縁部分はレーザ溶接（符合２７）によって接合されている。腹側部材２４は、表面側が静翼１８の腹面２８をとなるように反りが形成されている。また、背側部材２５は、表面側が静翼１８の背面２９となるように反りが形成されている。さらに、腹側部材２４と背側部材２５とは、その反りの曲率を異ならせることによって内部を中空構造として空洞部３０を形成している。すなわち、腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとの間には、翼高さ方向（ロータ軸１６の径方向）に沿って延びる空洞部３０が形成される。また、静翼１８の内部には、腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとにより、翼内面が形成されることになる。なお、蒸気入口側は静翼１８の整流方向上流側、蒸気出口側は静翼１８の整流方向下流側となる。
【００３４】
腹側部材２４と背側部材２５とは、略同一の長さにわたって翼高さ方向に沿って延びている。また、腹側部材２４には、前縁側のスリット２４ａと後縁側のスリット２４ｂとが径方向Ｒに沿って複数形成されている。
なお、「翼高さ方向」とは、図４（Ａ）に示す翼形断面（ロータ軸１６の軸線と平行な横断面）に垂直な方向であり、静翼１８の翼型中心線Ｃに直交する方向である。また、スリット２４ａ，２４ｂと略同様のスリットを背側部材２５にも形成することができる。さらに、スリット２４ａ，２４ｂの形状や長さ等は任意である。
【００３５】
このように、本実施例の静翼１８においては、腹側部材２４が静翼１８の空洞部３０よりも腹側を構成し、背側部材２５が静翼１８の空洞部３０よりも背側を構成している。
【００３６】
静翼１８の内部に形成された空洞部３０は、腹側部材２４に形成されているスリット２４ａ，２４ｂを介して、静翼１８の外部と連通している。空洞部３０とスリット２４ａ，２４ｂが形成された静翼１８において、腹面２８に付着している水は、例えば、蒸気圧力を受けて腹面２８を移動し、図４（Ａ）に矢印Ｗで示すように、スリット２４ａ，２４ｂから空洞部３０に流入可能となっている。
【００３７】
空洞部３０に取り込まれた水は、シュラウド１９に向けて流れる。このシュラウド１９には、図３に示すように、静翼１８の空洞部３０と連通する開口３１が形成されており、空洞部３０の水は、矢印Ｅで示すように、この開口３１から排出可能となっている。
【００３８】
このように内部に空洞部３０を有する中空の静翼１８は、内部に空洞部３０を有しない中実静翼に比べて固有振動数が比較的小さなものとなっており、蒸気タービン１０の作動時において、自励振動（フラッタ）が生じ易くなっている。自励振動が生じると、静翼１８には弾性変形による撓みや捩れが生じ、静翼１８の腹側部材２４と背側部材２５との間には、相対的な位置変動が生じる。
【００３９】
この相対的な位置変動を減衰するため、本実施の形態に係る静翼１８においては、空洞部３０から、翼内面（裏面２４ｃ，裏面２５ａ）の一方に摺接可能な板状バネ部材３２が設けられており、静翼１８が弾性変形すると、この板状バネ部材３２は、翼内面（裏面２４ｃ，裏面２５ａ）の一方との間に摩擦が生じるようにしている。
【００４０】
具体的には、板状バネ部材３２は、翼高さ方向に沿って長さ（以下、板状バネ部材３２に関して「長さ方向」と称する）を有し、翼形中心線Ｃに沿って幅（以下、板状バネ部材３２に関して「幅方向」と称する）を有する板金部材のプレス成形品から形成されている。また、板状バネ部材３２は、長さ方向に沿う縁部のうち、前縁（蒸気の入口側）側を固定部３２ａとして害長さ方向に沿って溶接することによって腹側部材２４の裏面２４ｃに固定されている。さらに、板状バネ部材３２は、幅方向の中央付近から後縁（蒸気の出口側）にわたる範囲を押圧部３２ｂとして背側部材２５の裏面２５ａを摺接可能に押圧している。また、板状バネ部材３２の固定部３２ａと押圧部３２ｂとの間の部分は、裏面２４ｃと裏面２５ａとにわたるように傾斜して固定部３２ａと押圧部３２ｂとを接続する接続部３２ｃを構成しており、この接続部３２ｃの傾斜角度（接続部３２ｃと押圧部３２ｂとの境界部分の角部分の角度を含む）によって、図４（Ｂ）に示すように、押圧部３２ｂにバネ性を付与している。したがって、所定の長さ方向及び幅方向において裏面２４ｃに固定部３２ａを密着させると共に、所定の長さ方向及び幅方向において裏面２５ａに押圧部３２ｂを摺接可能な密着状態で押圧している。また、押圧部３２ｂは裏面２５ａに対して摺接可能となっている。しかも、本実施の形態においては、押圧部３２ｂは、翼型中心線Ｃの中央よりも前縁側から後縁付近にわたる範囲で裏面２５ａを押圧している。これにより、静翼１８の蒸気の出口側において広範囲の面積で静翼１８の自励振動を抑制する減衰作用を及ぼすことが可能となっている。
【００４１】
このような構成において、空洞部３０に配設された状態（初期状態）においては、板状バネ部材３２は、撓み（接続部３２ｃの傾斜角度）により、図４（Ｂ）に示すように、僅かに弾性変形するように形成されている。この弾性力により、板状バネ部材３２は、図４（Ａ）に示すように、押圧部３２ｂが背側部材２５を裏面２５ａから押圧するようになっている。つまり、板状バネ部材３２は、空洞部３０に配設すると、主として背側部材２５の裏面２５ａを、静翼１８の翼厚方向外向きに付勢するように構成されている。
【００４２】
なお、「翼厚方向」とは、図４（Ａ）に示す翼形断面において、翼型中心線Ｃと直交する静翼１８の厚さ方向を意味している。
【００４３】
板状バネ部材３２の弾性力により、主として静翼１８の蒸気の出口側が弾性変形して腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとの間に相対的な位置変動が生じると、この付勢力に応じた大きさの動摩擦力が作用可能となっている。
【００４４】
蒸気タービン１０の作動時において、その運転条件によっては、静翼１８に自励振動が生じ、静翼１８が弾性変形しようとすることがある。
【００４５】
このとき、板状バネ部材３２は、主として背側部材２５の裏面２５ａと広い範囲で押圧することにより、腹側部材２４と背側部材２５との相対的な位置変動を抑制する方向に動摩擦力が生じる。この動摩擦力により、腹側部材２４と背側部材２５との間における相対的な位置変動が減衰される。この結果、静翼１８に生じる自励振動を抑制することができる。
【００４６】
ところで、上記実施の形態においては、板状バネ部材３２は、固定部３２ａを腹側部材２４の裏面２４ｃに片持ち状態で接合し、押圧部３２ｂをへ側部材２５の裏面２５ａに広い範囲で押圧させる構成を開示したが、例えば、図５に示すように、板状バネ部材４２の前縁側の固定部４２ａを背側部材２５の蒸気の入口側付近の裏面２５ａに片持ち状態で接合し、板状バネ部材４２の後縁側の摺接部４２ｂを腹側部材２４の裏面２４ｃの蒸気の入口側付近から出口側付近に跨って当接させ、接続部４２ｃの傾斜角度によってバネ性（撓み）を持たせる構成としても良い。また、図６に示すように、板状バネ部材３２と板状バネ部材４２とを径方向Ｒに沿って（紙面奥行き方向に沿って）交互に配置しても良い。この際、板状バネ部材３２と板状バネ部材４２とは、各々１つ以上を用いるが、同数（対）とする必要はない。
【００４７】
このように、本発明の静翼及び蒸気タービンにあっては、片持ちの板状バネ部材３２，４２として蒸気の出口側を主として押圧するように構成し、そのバネ圧を一つの接続部３２ｃ，４２ｃで設定可能とすることができ、しかも、押圧部３２ｂ，４２ｂのみを裏面２５ａ（又は裏面２４ｃ）に沿うように形成することにより、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…蒸気タービン
１８…静翼
２４…腹側部材（腹側部）
２４ａ…スリット
２４ｂ…スリット
２４ｃ…裏面
２５…背側部材（背側部）
２５ａ…裏面
３０…空洞部
３２…板状バネ部材
３２ａ…固定部
３２ｂ…押圧部
３２ｃ…接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンに用いられる静翼、及びこの静翼を備えた蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、軽量化を図るために、内部を中空構造とした静翼を備えた蒸気タービンが知られている。
また、静翼の性能向上を図るために、静翼の内部と外部とを連通させるスリットを設け、静翼の表面に付着した水滴を内部に取り込んで除去する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このように内部に取り込まれた水は、静翼と結合されているシュラウドに向けて流されて排出される。
【０００３】
このような蒸気タービンの静翼には、その外装形状（幾何学的形状）や質量、タービン作動時における静翼周囲の環境（例えば、静翼を通過する蒸気の流速や質量等）に応じて、自励振動（フラッタ）が生じることがある。特に、静翼の質量が小さい場合や、翼高さが長い場合に、自励振動が生じ易くなってしまうことが知られている。
さらに、内部を中空構造とした静翼（以下、「中空静翼」と称する）は、内部を中実構造とした静翼（以下、「中実静翼」と称する）に比べて軽量なものとなる。よって、中空静翼には、中実静翼に比べて自励振動が生じ易いことから、これを抑制する必要が生じる。
【０００４】
このような自励振動を抑制するため、中空静翼の内部に減衰機構（ダンパ）を設けることで、静翼に生じた振動を減衰させる技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
図７は、このような減衰構造を設けた静翼の一例を示し、図７（Ａ）は静翼の要部の横断面図、図７（Ｂ）は静翼の要部の側面図である。
【０００６】
図において、静翼１は、主に腹側を構成する腹側部材２と、主に背側を構成する背側部材３とを有している。また、腹側部材２と背側部材３とは、それぞれ金属製の板状部材を湾曲することで構成されており、その両縁付近が互いに溶接により接合されている。腹側部材２は、表面側が静翼１の腹面４をとなるように反りが形成されている。また、背側部材３は、表面側が静翼１の背面５となるように反りが形成されている。さらに、腹側部材２と背側部材３とは、その反りを異ならせることによって内部を中空構造とし、その内部に空洞部６を形成している。
【０００７】
空洞部６には、その中央部分を基部７ａとして腹側部材２の裏面２ａに溶接固定された弓形板バネ７が設けられている。また、空洞部６は、例えば、腹側部材２に形成されたスリット２ｂ，２ｃによって、静翼１の内部（空洞部６）と外部とが連通され、静翼１の表面に付着した水滴を内部に取り込んで除去するようにしている。
【０００８】
弓形板バネ７は、基部７ａから端部７ｂ，７ｃとの間に、腹側部材２から背側部材３に向う傾斜接続部７ｄ，７ｅを形成し、端部７ｂ，７ｃを背側部材３の裏面３ｃに当接させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−３３６５０３号公報
【特許文献２】特開２００８−１３３８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述のような弓形板バネ７を用いた静翼１にあっては、弓形板バネ７の中央部分を基部７ａとし、その両端を背側部材３の裏面３ｃに当接させていることから、そのバネ圧は静翼１の蒸気入口側（矢印Ｑで蒸気の流入方向を示す）と出口側の両方に加わるように設定されている。なお、蒸気入口側は静翼１の整流方向上流側、蒸気出口側は静翼１の整流方向下流側となる。
【００１１】
一方、蒸気タービンの運転時の静翼１は、蒸気出口側が捩れる振動モードとなるため、ダンパ機能はできるだけ蒸気出口側に集中することが望ましい。
【００１２】
しかしながら、上述した弓形板バネ７にあっては、静翼１の蒸気入口側と出口側の双方に略同じ面積で裏面３ｃに当接していることから、蒸気出口側に必要なだけのダンパ機能を十分に付与することができず、静翼１全体として十分な減衰性能を得ることができないという問題が生じていた。また、蒸気入口側と出口側との減衰機能がアンバランスとなると、不十分な減衰に伴う振動の発生によって両端７ｂ，７ｃと裏面３ｃとの当接状態が点接触や線接触となり易く、当接面積が確保されずにさらなる振動の発生要因となるという問題が生じていた。
【００１３】
しかも、弓形板バネ７にあっては、両端７ｂ，７ｃの二ヶ所を裏面３ｃに当接させていることから、板バネ全体が大型化するばかりでなく、中央部分の基部７ａを含む三ヶ所を裏面２ａ，３ａに面接触させる必要が生じることと相俟って、静翼１の外装形状や質量ごとにバネ圧や形状等を変更する専用品となってしまい、共用化が困難で汎用性に劣るという問題も生じていた。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上させることができる静翼及び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】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る静翼は、腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された静翼本体と、前記空洞部に配置された板状バネ部材とを備え、前記板状バネ部材が、前記腹側部と前記背側部との各裏面のうち一方の前記裏面に固定される固定部と、前記固定部における前記静翼本体の後縁側に接続され、他方の前記裏面に沿って延びると共に該他方の前記裏面を摺接可能に押圧する押圧部とを有していることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。
【００１７】
また、本発明に係る静翼においては、前記板状バネ部材が、前記固定部と前記押圧部とを接続するように、一方の前記裏面から他方の前記裏面に向かうに従って漸次前記後縁側に延在する接続部を有していることを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、板状バネ部材のバネ圧を容易に設定することができる。
【００１９】
さらに、本発明に係る静翼において、前記押圧部は、他方の前記裏面の前記後縁側の端部付近に至るまで該裏面に添って延びていることを特徴とする。
【００２０】
このような構成によれば、静翼本体の下流側の端部、即ち、静翼本体の整流方向下流側の自動振動抑制効果を容易に確保することができる。
【００２１】
また、本発明の蒸気タービンは、上記静翼が、ロータ軸の周方向に所定の間隔で配列されていることを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。
【００２３】
さらに、本発明に係る蒸気タービンにおいては、前記静翼本体に、表面側から前記空洞部の内部へと水滴を案内するスリットが形成されていることを特徴とする。
【００２４】
このような構成によれば、静翼本体の表面に付着した水滴を空洞部に取り込んで除去することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の静翼及び蒸気タービンによれば、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る静翼を搭載した蒸気タービンを示し、蒸気タービンの概略構成の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る蒸気タービンを示し、蒸気タービンを低圧最終段側から見た要部の外観斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る静翼を示し、静翼を背側から見た拡大図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る静翼を示し、（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、（Ｂ）は板状バネ部材の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る変形例１の静翼を示し、（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、（Ｂ）は板状バネ部材の断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る変形例２の静翼を示し、静翼の翼形を示す断面図である。
【図７】従来の静翼を示し、（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、（Ｂ）は静翼の要部の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明の一実施形態に係る静翼及び蒸気タービンについて、図面を参照して説明する。尚、以下に示す実施例は本発明の静翼及び蒸気タービンにおける好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。
【００２８】
図１は本発明の一実施形態に係る静翼を搭載した蒸気タービンの概略構成を模式的に示す説明図、図２は本発明の一実施形態を示す蒸気タービンを低圧最終段側から見た要部の外観斜視図、図３は本発明の一実施形態を示す静翼を背側から見た拡大図、図４は本発明の静翼を示し、図４（Ａ）は静翼の翼形を示す断面図、図４（Ｂ）は板状バネ部材の断面図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施例に係る蒸気タービン１０は、例えば、原子力発電プラント等で用いられる低圧蒸気タービンであり、高圧の蒸気を発生する蒸気発生器１１と、蒸気発生器１１から高圧の蒸気が直接供給される高圧蒸気タービン１２と、蒸気発生器１１及び高圧蒸気タービン１２からの蒸気の湿分を分離して加熱する湿分分離加熱器１３と、湿分分離加熱器１３から低圧の蒸気が供給される蒸気タービン１０が設けられている。以降、本実施の形態では、蒸気タービン１０として湿分分離加熱器１３から蒸気の供給を受ける低圧蒸気タービンについて説明する。
【００３０】
蒸気タービン１０において、湿分分離加熱器１３からの蒸気は、蒸気入口１４に供給されて該蒸気タービン１０に形成されている蒸気通路１５をロータ軸１６の軸方向（図中、矢印Ａで示す）に沿って流通する。蒸気通路１５には、動翼１７と静翼１８が交互に配置されており、蒸気タービン１０は、静翼１８での圧力降下によって運動エネルギを生じさせ、これを動翼１７によって回転トルクに変換している。これにより、動翼１７を結合したロータ軸１６は、動翼１７で変換した回転トルクによって回転する。
【００３１】
静翼１８は、図１〜図３に示すように、ロータ軸１６の径方向（図中、矢印Ｒで示す）の内側端１８ａがシュラウド１９に、径方向の外側端１８ｂが翼根リング２０に、それぞれ溶接により結合されている（図３に溶接部を符号２１で示す）。
【００３２】
動翼１７と静翼１８とは、図１に示すように、一対となって一つの段２２が必要に応じた数だけ配置されている。また、段１８は、蒸気通路１５を上流側から下流側に向かうに従って、動翼１７及び静翼１８の翼高さが長くなるよう構成されている。蒸気通路１５の最も下流側にある段２２を「低圧最終段」という。低圧最終段２２の静翼１８は、上流側の段２２にある静翼１８に比べて、特に翼高さが長いものとなっている。低圧最終段２２において、静翼１８は、図２及び図３に示すように、ロータ軸１６の周方向（図中、矢印Ｑで示す）に所定の間隔で複数配列されており、翼群２３を形成している。
【００３３】
静翼１８は、図４（Ａ）に示すように、主に腹側を構成する腹側部材２４と、主に背側を構成する背側部材２５と、を備えている。腹側部材２４と背側部材２５とは、それぞれ金属製の板状部材を、互いに異なる反り方で湾曲させたもので、それぞれ金属製の板状部材を互いに異なる反り方で湾曲させ、その両縁付近を縁部に沿って互いに溶接により接合することで、その静翼本体としての外装形状が形成される。なお、本実施の形態においては、蒸気の入口側に位置する前縁部分（矢印Ｐで蒸気の流入方向を示す）はＴＩＧ溶接（符合２６）、蒸気の出口側に位置する後縁部分はレーザ溶接（符合２７）によって接合されている。腹側部材２４は、表面側が静翼１８の腹面２８をとなるように反りが形成されている。また、背側部材２５は、表面側が静翼１８の背面２９となるように反りが形成されている。さらに、腹側部材２４と背側部材２５とは、その反りの曲率を異ならせることによって内部を中空構造として空洞部３０を形成している。すなわち、腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとの間には、翼高さ方向（ロータ軸１６の径方向）に沿って延びる空洞部３０が形成される。また、静翼１８の内部には、腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとにより、翼内面が形成されることになる。なお、蒸気入口側は静翼１８の整流方向上流側、蒸気出口側は静翼１８の整流方向下流側となる。
【００３４】
腹側部材２４と背側部材２５とは、略同一の長さにわたって翼高さ方向に沿って延びている。また、腹側部材２４には、前縁側のスリット２４ａと後縁側のスリット２４ｂとが径方向Ｒに沿って複数形成されている。
なお、「翼高さ方向」とは、図４（Ａ）に示す翼形断面（ロータ軸１６の軸線と平行な横断面）に垂直な方向であり、静翼１８の翼型中心線Ｃに直交する方向である。また、スリット２４ａ，２４ｂと略同様のスリットを背側部材２５にも形成することができる。さらに、スリット２４ａ，２４ｂの形状や長さ等は任意である。
【００３５】
このように、本実施例の静翼１８においては、腹側部材２４が静翼１８の空洞部３０よりも腹側を構成し、背側部材２５が静翼１８の空洞部３０よりも背側を構成している。
【００３６】
静翼１８の内部に形成された空洞部３０は、腹側部材２４に形成されているスリット２４ａ，２４ｂを介して、静翼１８の外部と連通している。空洞部３０とスリット２４ａ，２４ｂが形成された静翼１８において、腹面２８に付着している水は、例えば、蒸気圧力を受けて腹面２８を移動し、図４（Ａ）に矢印Ｗで示すように、スリット２４ａ，２４ｂから空洞部３０に流入可能となっている。
【００３７】
空洞部３０に取り込まれた水は、シュラウド１９に向けて流れる。このシュラウド１９には、図３に示すように、静翼１８の空洞部３０と連通する開口３１が形成されており、空洞部３０の水は、矢印Ｅで示すように、この開口３１から排出可能となっている。
【００３８】
このように内部に空洞部３０を有する中空の静翼１８は、内部に空洞部３０を有しない中実静翼に比べて固有振動数が比較的小さなものとなっており、蒸気タービン１０の作動時において、自励振動（フラッタ）が生じ易くなっている。自励振動が生じると、静翼１８には弾性変形による撓みや捩れが生じ、静翼１８の腹側部材２４と背側部材２５との間には、相対的な位置変動が生じる。
【００３９】
この相対的な位置変動を減衰するため、本実施の形態に係る静翼１８においては、空洞部３０から、翼内面（裏面２４ｃ，裏面２５ａ）の一方に摺接可能な板状バネ部材３２が設けられており、静翼１８が弾性変形すると、この板状バネ部材３２は、翼内面（裏面２４ｃ，裏面２５ａ）の一方との間に摩擦が生じるようにしている。
【００４０】
具体的には、板状バネ部材３２は、翼高さ方向に沿って長さ（以下、板状バネ部材３２に関して「長さ方向」と称する）を有し、翼形中心線Ｃに沿って幅（以下、板状バネ部材３２に関して「幅方向」と称する）を有する板金部材のプレス成形品から形成されている。また、板状バネ部材３２は、長さ方向に沿う縁部のうち、前縁（蒸気の入口側）側を固定部３２ａとして害長さ方向に沿って溶接することによって腹側部材２４の裏面２４ｃに固定されている。さらに、板状バネ部材３２は、幅方向の中央付近から後縁（蒸気の出口側）にわたる範囲を押圧部３２ｂとして背側部材２５の裏面２５ａを摺接可能に押圧している。また、板状バネ部材３２の固定部３２ａと押圧部３２ｂとの間の部分は、裏面２４ｃと裏面２５ａとにわたるように傾斜して固定部３２ａと押圧部３２ｂとを接続する接続部３２ｃを構成しており、この接続部３２ｃの傾斜角度（接続部３２ｃと押圧部３２ｂとの境界部分の角部分の角度を含む）によって、図４（Ｂ）に示すように、押圧部３２ｂにバネ性を付与している。したがって、所定の長さ方向及び幅方向において裏面２４ｃに固定部３２ａを密着させると共に、所定の長さ方向及び幅方向において裏面２５ａに押圧部３２ｂを摺接可能な密着状態で押圧している。また、押圧部３２ｂは裏面２５ａに対して摺接可能となっている。しかも、本実施の形態においては、押圧部３２ｂは、翼型中心線Ｃの中央よりも前縁側から後縁付近にわたる範囲で裏面２５ａを押圧している。これにより、静翼１８の蒸気の出口側において広範囲の面積で静翼１８の自励振動を抑制する減衰作用を及ぼすことが可能となっている。
【００４１】
このような構成において、空洞部３０に配設された状態（初期状態）においては、板状バネ部材３２は、撓み（接続部３２ｃの傾斜角度）により、図４（Ｂ）に示すように、僅かに弾性変形するように形成されている。この弾性力により、板状バネ部材３２は、図４（Ａ）に示すように、押圧部３２ｂが背側部材２５を裏面２５ａから押圧するようになっている。つまり、板状バネ部材３２は、空洞部３０に配設すると、主として背側部材２５の裏面２５ａを、静翼１８の翼厚方向外向きに付勢するように構成されている。
【００４２】
なお、「翼厚方向」とは、図４（Ａ）に示す翼形断面において、翼型中心線Ｃと直交する静翼１８の厚さ方向を意味している。
【００４３】
板状バネ部材３２の弾性力により、主として静翼１８の蒸気の出口側が弾性変形して腹側部材２４の裏面２４ｃと背側部材２５の裏面２５ａとの間に相対的な位置変動が生じると、この付勢力に応じた大きさの動摩擦力が作用可能となっている。
【００４４】
蒸気タービン１０の作動時において、その運転条件によっては、静翼１８に自励振動が生じ、静翼１８が弾性変形しようとすることがある。
【００４５】
このとき、板状バネ部材３２は、主として背側部材２５の裏面２５ａと広い範囲で押圧することにより、腹側部材２４と背側部材２５との相対的な位置変動を抑制する方向に動摩擦力が生じる。この動摩擦力により、腹側部材２４と背側部材２５との間における相対的な位置変動が減衰される。この結果、静翼１８に生じる自励振動を抑制することができる。
【００４６】
ところで、上記実施の形態においては、板状バネ部材３２は、固定部３２ａを腹側部材２４の裏面２４ｃに片持ち状態で接合し、押圧部３２ｂをへ側部材２５の裏面２５ａに広い範囲で押圧させる構成を開示したが、例えば、図５に示すように、板状バネ部材４２の前縁側の固定部４２ａを背側部材２５の蒸気の入口側付近の裏面２５ａに片持ち状態で接合し、板状バネ部材４２の後縁側の摺接部４２ｂを腹側部材２４の裏面２４ｃの蒸気の入口側付近から出口側付近に跨って当接させ、接続部４２ｃの傾斜角度によってバネ性（撓み）を持たせる構成としても良い。また、図６に示すように、板状バネ部材３２と板状バネ部材４２とを径方向Ｒに沿って（紙面奥行き方向に沿って）交互に配置しても良い。この際、板状バネ部材３２と板状バネ部材４２とは、各々１つ以上を用いるが、同数（対）とする必要はない。
【００４７】
このように、本発明の静翼及び蒸気タービンにあっては、片持ちの板状バネ部材３２，４２として蒸気の出口側を主として押圧するように構成し、そのバネ圧を一つの接続部３２ｃ，４２ｃで設定可能とすることができ、しかも、押圧部３２ｂ，４２ｂのみを裏面２５ａ（又は裏面２４ｃ）に沿うように形成することにより、簡素な構成で自励振動抑制すると共に、その減衰機能を容易に確保することができ、しかも、汎用性を向上することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…蒸気タービン
１８…静翼
２４…腹側部材（腹側部）
２４ａ…スリット
２４ｂ…スリット
２４ｃ…裏面
２５…背側部材（背側部）
２５ａ…裏面
３０…空洞部
３２…板状バネ部材
３２ａ…固定部
３２ｂ…押圧部
３２ｃ…接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された静翼本体と、
前記空洞部に配置された板状バネ部材とを備え、
前記板状バネ部材が、
前記腹側部と前記背側部との各裏面のうち一方の前記裏面に固定される固定部と、
前記固定部における前記静翼本体の後縁側に接続され、他方の前記裏面に沿って延びると共に該他方の前記裏面を摺接可能に押圧する押圧部とを有していることを特徴とする静翼。
【請求項２】
前記板状バネ部材が、
前記固定部と前記押圧部とを接続するように、一方の前記裏面から他方の前記裏面に向かうに従って漸次前記後縁側に延在する接続部を有していることを特徴とする請求項１に記載の静翼。
【請求項３】
前記押圧部は、他方の前記裏面の前記後縁側の端部付近に至るまで該裏面に添って延びていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静翼。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の静翼が、ロータ軸の周方向に所定の間隔をあけて配列されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項５】
前記静翼本体に、表面側から前記空洞部の内部へと水滴を案内するスリットが形成されていることを特徴とする請求項４に記載の蒸気タービン。
【請求項１】
腹側部と背側部との各裏面によって空洞部が画成された静翼本体と、
前記空洞部に配置された板状バネ部材とを備え、
前記板状バネ部材が、
前記腹側部と前記背側部との各裏面のうち一方の前記裏面に固定される固定部と、
前記固定部における前記静翼本体の後縁側に接続され、他方の前記裏面に沿って延びると共に該他方の前記裏面を摺接可能に押圧する押圧部とを有していることを特徴とする静翼。
【請求項２】
前記板状バネ部材が、
前記固定部と前記押圧部とを接続するように、一方の前記裏面から他方の前記裏面に向かうに従って漸次前記後縁側に延在する接続部を有していることを特徴とする請求項１に記載の静翼。
【請求項３】
前記押圧部は、他方の前記裏面の前記後縁側の端部付近に至るまで該裏面に添って延びていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静翼。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の静翼が、ロータ軸の周方向に所定の間隔をあけて配列されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項５】
前記静翼本体に、表面側から前記空洞部の内部へと水滴を案内するスリットが形成されていることを特徴とする請求項４に記載の蒸気タービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７２３３３（Ｐ２０１３−７２３３３Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１１０４４（Ｐ２０１１−２１１０４４）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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