特許 5863894 動翼体及び回転機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5863894

(24)【登録日】2016年1月8日

(45)【発行日】2016年2月17日

(54)【発明の名称】動翼体及び回転機械

(51)【国際特許分類】

   F01D 5/10 20060101AFI20160204BHJP

   F01D 5/16 20060101ALI20160204BHJP

   F01D 5/22 20060101ALI20160204BHJP

   F01D 25/06 20060101ALI20160204BHJP

   F01D 11/00 20060101ALI20160204BHJP

   F04D 29/34 20060101ALI20160204BHJP

   F04D 29/66 20060101ALI20160204BHJP

   F04D 29/64 20060101ALI20160204BHJP

   F01D 5/30 20060101ALI20160204BHJP

【ＦＩ】

   F01D5/10

   F01D5/16

   F01D5/22

   F01D25/06

   F01D11/00

   F04D29/34 C

   F04D29/66 M

   F04D29/64 F

   F01D5/30

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-141659(P2014-141659)

(22)【出願日】2014年7月9日

(62)【分割の表示】特願2010-251315(P2010-251315)の分割

【原出願日】2010年11月9日

(65)【公開番号】特開2014-185646(P2014-185646A)

(43)【公開日】2014年10月2日

【審査請求日】2014年7月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】森 一石

(72)【発明者】

【氏名】大山 宏治

【審査官】 佐藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００１／００３８７９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５３０２０８５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０３０９０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ５／１２−５／１６，

５／２２，５／２６，

５／３０−５／３２，

１１／００−１１／１０，

２５／００，２５／０６

Ｆ０４Ｄ ２９／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主軸と一体に回転可能なロータディスクと、
該ロータディスクの外周部から放射状に延出するように装着される複数の動翼と、
周方向に隣接する前記動翼のプラットホーム同士の隙間に装着されるダンパ部材と、
前記プラットホームと前記ダンパ部材との間に介装されて該ダンパ部材に対する接触角度を調整可能な調整部材と、
を備え、
周方向に隣接する前記プラットホーム同士の対向面のうちの一方に前記ダンパピンが接触する前記ロータディスクの放射方向に平行な側面が設けられ、前記プラットホーム同士の対向面のうちの他方に前記調整部材が装着される前記ロータディスクの放射方向に対して前記主軸の中心側が拡大するような傾斜面が設けられる、
ことを特徴とする動翼体。

【請求項2】

前記傾斜面に前記調整部材を位置決め可能な取付凹部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の動翼体。

【請求項3】

前記調整部材は、前記プラットホーム及び前記ダンパ部材より軟質材料により構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の動翼体。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一つに記載の動翼体を有することを特徴とする回転機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、ジェットエンジンなどに搭載される回転機械を構成する動翼体、この回転機械に関するものである。

【背景技術】

【0002】

一般的なガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。そして、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）を得て、この燃焼ガスによりタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。

【0003】

このようなガスタービンの圧縮機やタービンで使用される動翼体は、主軸と一体で回転するロータディスクと、このロータディスクの外周部から放射状に延出するように組み付けられる複数の動翼から構成される。この場合、複数の動翼は、各翼根部がロータディスクの外周部に形成された溝にそれぞれ係合しており、隣接するプラットホーム同士の間にシールピンが接触するように配置されている。このシールピンは、回転軸方向に沿って延在しており、燃焼ガスの漏出を防止するシール機能を果たすと共に、動翼の振動を減衰させる減衰機能を果たしている。

【0004】

このような従来の動翼体としては、下記特許文献１、２に記載されたものがある。特許文献１に記載されたブレードダンパは、ブレードの隣接するプラットホーム間に形成される間隙内に受入れられ、プラットホームと摩擦係合することでブレードの振動を減衰させ、且つ、空気が対応する間隙を通過するのを防止するものである。また、特許文献２に記載された動翼体は、周方向で互いに隣接する動翼のプラットホーム部同士の隙間に、回転軸方向に沿って延在するシールピンを設け、このシールピンに同軸状に貫通する貫通穴を設けている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００２−０３０９０２号公報

【特許文献2】特開２００６−２１４３６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した従来の動翼体では、隣接する動翼の間にブレードダンパやシールピンを介装することで、燃焼ガスの漏出を防止すると共に、動翼の振動を減衰させるようにしている。この場合、動翼体が回転すると、ブレードダンパ（シールピン）に遠心力が作用し、接触する動翼から反力を受け、この動翼とブレードダンパとの接触面に摩擦力が発生することとなり、この摩擦力により動翼の励振力を減衰させることができる。

【0007】

ところが、動翼体は、ロータディスクや動翼の形状、定常回転数などにより発生する動翼の励振力が異なるものであり、単に、隣接する動翼の間にブレードダンパやシールピンを介装しただけでは、動翼に発生する励振力を適正に減衰させることが困難である。

【0008】

本発明は、上述した課題を解決するものであり、動翼に発生する振動を適正に抑制可能とする動翼体及び回転機械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】

上記の目的を達成するための本発明の動翼体は、主軸と一体に回転可能なロータディスクと、該ロータディスクの外周部から放射状に延出するように装着される複数の動翼と、周方向に隣接する前記動翼のプラットホーム同士の隙間に装着されるダンパ部材と、前記プラットホームと前記ダンパ部材との間に介装されて該ダンパ部材に対する接触角度を調整可能な調整部材と、を備え、周方向に隣接する前記プラットホーム同士の対向面のうちの一方に前記ロータディスクの放射方向に平行な側面が設けられ、前記プラットホーム同士の対向面のうちの他方に前記ロータディスクの放射方向に対して前記主軸の中心側が拡大するような傾斜面が設けられる、ことを特徴とするものである。

【0010】

従って、プラットホームとダンパ部材との間にこのダンパ部材に対する接触角度を調整可能な調整部材を介装しており、この接触角度を調整すると、動翼体の回転時にプラットホームから調整部材を介してダンパ部材に入力する反力が増減することとなる。そのため、動翼体の形状や回転数などに応じて最適な接触角度を選定することができ、動翼に発生する振動を適正に抑制することができる。

【0011】

本発明の動翼体では、前記傾斜面に前記調整部材を位置決め可能な取付凹部が設けられることを特徴としている。

【0012】

従って、調整部材を取付凹部に装着することで、この調整部材を容易に、且つ、安定して位置決めすることができ、適正に動翼に発生する振動を抑制することができる。

【0013】

本発明の動翼体では、前記調整部材は、前記プラットホーム及び前記ダンパ部材より軟質材料により構成されることを特徴としている。

【0014】

従って、長期の使用により軟質な調整部材が磨耗することとなり、変更が困難な動翼やダンパ部材を変更不要とし、磨耗した調整部材を交換するだけで長期的に安定した減衰機能を維持することができる。

【0015】

また、本発明の回転機械は、前記動翼体を有することを特徴とするものである。

【0016】

従って、動翼に発生する振動を適正に抑制することができる。

【発明の効果】

【0017】

本発明の動翼体及び回転機械によれば、プラットホームとダンパ部材との間にこのダンパ部材に対する接触角度を調整可能な調整部材を介装するので、動翼に発生する振動を適正に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明の一実施例に係る動翼体を搭載したガスタービンを表す概略構成図である。

【図2】図２は、ガスタービンにおける動翼を表す概略図である。

【図3】図３は、動翼の取付状態を表す動翼体の腰部断面図である。

【図4】図４は、ダンパピンが装着された動翼体の要部断面図である。

【図5】図５は、ダンパピン及び調整ピースが装着された動翼体の要部断面図である。

【図6】図６は、ダンパピン及び調整ピースが装着された動翼体の要部断面図である。

【図7】図７は、調整ピースの角度に対する反力／遠心力を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に添付図面を参照して、本発明に係る動翼体及び回転機械の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

【実施例】

【0020】

図１は、本発明の一実施例に係る動翼体を搭載したガスタービンを表す概略構成図、図２は、ガスタービンにおける動翼を表す概略図、図３は、動翼の取付状態を表す動翼体の腰部断面図、図４は、ダンパピンが装着された動翼体の要部断面図、図５及び図６は、ダンパピン及び調整ピースが装着された動翼体の要部断面図、図７は、調整ピースの角度に対する反力／遠心力を表すグラフである。

【0021】

ガスタービンは、図１に示すように、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３により構成されている。このガスタービンには、図示しない発電機が連結されており、発電可能となっている。

【0022】

圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２０を有し、圧縮機車室２１内に入口案内翼（ＩＧＶ）２２が配設されると共に、複数の静翼２３と動翼２４が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されてなり、その外側に抽気室２５が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と動翼２８が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。このタービン車室２６の下流側には、排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に連続する排気ディフューザ３１を有している。

【0023】

また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（主軸）３２が位置している。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持される一方、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持されている。そして、このロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたロータディスク３５が複数重ねられて固定され、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたロータディスク３６が複数重ねられて固定されており、排気室３０側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。

【0024】

そして、このガスタービンは、圧縮機１１の圧縮機車室２１が脚部３７に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３８により支持され、排気室３０が脚部３９により支持されている。

【0025】

従って、圧縮機１１の空気取入口２０から取り込まれた空気が、入口案内翼２２、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）が、タービン１３を構成する複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、このロータ３２に連結された発電機を駆動する。一方、排気ガス（燃焼ガス）のエネルギは、排気室３０の排気ディフューザ３１により圧力に変換され減速されてから大気に放出される。

【0026】

このように構成されたガスタービンにて、本実施例の動翼体は、タービン１３に適用されたものであって、図２及び図３に示すように、ロータ３２と一体に回転可能なロータディスク３６と、このロータディスク３６の外周部から放射状に延出するように装着される複数の動翼２８とを有している。

【0027】

動翼２８は、翼根部４１と、プラットホーム４２と、翼部４３とから構成されている。翼根部４１は、ロータ３２の軸心方向視の断面形状が、所謂、クリスマスツリー形状に形成され、ロータディスク３６に板厚方向から嵌合して固定可能となっている。プラットホーム４２は、翼根部４１と翼部４３とをつなぐ台座形状をなし、ロータディスク３６の外周を覆うように、翼根部４１と一体となる湾曲したプレート形状をなしている。翼部４３は、横断面形状が流線形をなし、この形状を確保しながら徐々に捩られながら延出しており、基端部がプラットホーム４２に固定されて先端部がケーシング（図示略）の内壁面側に延出しており、燃焼ガスを円滑に流動させるべく機能する。

【0028】

一方、ロータディスク３６は、外周部に動翼２８の翼根部４１の断面形状とほぼ同じ形状をなす嵌合溝５１が、周方向に等間隔で軸方向に沿って形成されている。この各嵌合溝５１は、動翼２８の翼根部４１が軸方向から挿入されて固定される。そして、複数の動翼２８がロータディスク３６に組み付けられることで、ロータディスク３６の外周から複数の動翼２８における翼部４３が放射状に延出した動翼体が構成される。

【0029】

このように構成された本実施例の動翼体は、周方向に隣接する動翼２８のプラットホーム４２同士の隙間に装着されるダンパピン（ダンパ部材）６１と、プラットホーム４２とダンパピン６１との間に介装されてこのダンパピン６１に対する接触角度を調整可能な調整ピース（調整部材）６２とが設けられている。この場合、周方向に隣接するプラットホーム４２同士の対向面のうちの少なくともいずれか一方に、ロータディスク３６の放射方向に対してロータ３２の中心側が拡大するような傾斜面が設けられ、この傾斜面に調整ピース６２を位置決め可能な取付凹部が設けられている。

【0030】

即ち、図４に示すように、隣接する動翼２８の各プラットホーム４２のうち、一方のプラットホーム４２ａは、ロータディスク３６の放射方向に平行な側面７１ａを有し、他方のプラットホーム４２ｂは、ロータディスク３６の放射方向に対してロータ３２の中心側が拡大するような側面となる傾斜面７１ｂを有している。そして、プラットホーム４２ｂは、この傾斜面７１ｂに取付凹部７２が形成されており、この取付凹部７２はロータ３２の軸方向に沿った溝となっている。本実施例にて、傾斜面７１ｂ（取付凹部７２）は、ロータ３２の径方向、つまり、ロータディスク３６の放射方向に対する角度がθ_０に設定されている。

【0031】

そして、プラットホーム４２ａの側面７１ａと、プラットホーム４２ｂの傾斜面７１ｂ（取付凹部７２）との間に、ダンパピン６１が介装されている。この場合、ダンパピン６１は、取付凹部７２内に配置されており、端部が図示しない支持部材により支持されることが好ましい。

【0032】

また、本実施例では、ダンパピン６１に対するプラットホーム４２ｂの接触角度が調整可能となっている。即ち、図５に示すように、調整ピース６２ａは、上端部が薄くて下端部が厚い板厚を有し、ロータディスク３６の軸方向に長い板部材であって、プラットホーム４２ｂの傾斜面７１ｂに形成された取付凹部７２に嵌合している。そのため、ダンパピン６１は、プラットホーム４２ａの側面７１ａと、プラットホーム４２ｂにおける傾斜面７１ｂの取付凹部７２に支持された調整ピース６２ａとの間に介装されることとなる。この場合、調整ピース６２ａは、ロータ３２の径方向、つまり、ロータディスク３６の放射方向に対する角度がθ_１（θ_１＜θ_０）に設定されている。

【0033】

また、図６に示すように、調整ピース６２ｂは、上端部が厚くて下端部が薄い板厚を有し、ロータディスク３６の軸方向に長い板部材であって、プラットホーム４２ｂの傾斜面７１ｂに形成された取付凹部７２に嵌合している。そのため、ダンパピン６１は、プラットホーム４２ａの側面７１ａと、プラットホーム４２ｂにおける傾斜面７１ｂの取付凹部７２に支持された調整ピース６２ｂとの間に介装されることとなる。この場合、調整ピース６２ｂは、ロータ３２の径方向、つまり、ロータディスク３６の放射方向に対する角度がθ_２（θ_１＜θ_０＜θ_２）に設定されている。

【0034】

ここで、各調整ピース６２（６２ａ，６２ｂ）は、プラットホーム４２（４２ａ，４２ｂ）及びダンパピン６１よりも軟質材料により構成されている。

【0035】

従って、図４に示すように、ロータ３２と共にロータディスク３６が回転し、各動翼２８が回転すると、ダンパピン６１に遠心力ＣＦが作用することから、一方のプラットホーム４２ａの側面７１ａからダンパピン６１に反力Ｎａが作用し、他方のプラットホーム４２ｂの傾斜面７１ｂからダンパピン６１に反力Ｎｂが作用する。一方、ガスタービンの運転中は、各動翼２８に燃焼ガスからの励振力が作用するため、各動翼２８は振動することとなり、プラットホーム４２ａ，４２ｂとダンパピン６１との接触部に摩擦力が発生する。その結果、プラットホーム４２ａ，４２ｂとダンパピン６１との接触部に発生する摩擦力が動翼２８の励振力を減衰させることとなる。

【0036】

しかし、ガスタービンは、その機種により定格回転数が相違するものであり、このときの周波数（励振力）に応じた固有の振動数を有している。そのため、いずれの機種のガスタービンであっても、このダンパピン６１により動翼２８の励振力を減衰させることができるものでもない。

【0037】

そこで、図５及び図６に示すように、プラットホーム４２ｂの傾斜面７１ｂに形成された取付凹部７２に形状の異なる調整ピース６２ａ，６２ｂを装着することで、ダンパピン６１に対するプラットホーム４２ｂ（調整ピース６２ａ，６２ｂ）の接触角度を変更する。そのため、ダンパピン６１とプラットホーム４２ｂ（調整ピース６２ａ，６２ｂ）との間に発生する摩擦力が変わり、特定のガスタービンの固有振動数に対応した摩擦力に調整することが可能となる。

【0038】

即ち、ダンパピン６１に作用する遠心力をＣＦ、一方のプラットホーム４２ａの側面７１ａからダンパピン６１に作用する反力をＮａ、他方のプラットホーム４２ｂ（傾斜面７１ｂ、調整ピース６２ａ，６２ｂ）からダンパピン６１に作用する反力をＮｂとする。また、ダンパピン６１に対するプラットホーム４２ｂ（傾斜面７１ｂ、調整ピース６２ａ，６２ｂ）の傾斜角度をθとする。このとき、傾斜角度θに対する反力Ｎａ，Ｎｂ／遠心力ＣＦは、図７に示すグラフに表すものとなる。ここで、Ｎ／ＣＦは、Ｎａ／ＣＦとＮｂ／ＣＦの合計である。

【0039】

このグラフからもわかるように、傾斜角度θが大きくなると、反力／遠心力Ｎ／ＣＦが減少することとなり、プラットホーム４２ｂ（傾斜面７１ｂ、調整ピース６２ａ，６２ｂ）とダンパピン６１との間で発生する摩擦力も小さくなる。つまり、適正な調整ピース６２ａ，６２ｂを用いることで、ダンパピン６１との摩擦力を調整することで、特定のガスタービンに対する最適な摩擦力とし、十分なダンピングを付与して適正に動翼２８の振動の発生を抑制することができる。

【0040】

なお、本実施例のようにガスタービンのタービン１３に搭載される動翼体の場合、翼部４３が高温の燃焼ガスにより高温雰囲気にさらされることから、これにより生じる動翼２８そのものの過剰な温度上昇を抑える必要がある。そのため、ロータディスク３６の外周面と、周方向で隣接する動翼２８におけるプラットホーム４２から翼根部４１にあたる部分とにより、冷却空気を流通させるための隙間が設けられている。その結果、この隙間に冷却空気が流通することで、動翼２８との間で直接的に熱交換がなされ、動翼２８を冷却して温度上昇を抑止することができる。但し、隣接する動翼２８におけるプラットホーム４２同士の隙間から燃焼ガスが過剰に漏れ出すと、タービン効率が低下してしまう。そのため、上述したダンパピン６１がその燃焼ガスの過剰な漏出を防止するシールピンとして機能する。

【0041】

このように本実施例の動翼体にあっては、ロータ３２と一体に回転可能なロータディスク３６と、このロータディスク３６の外周部から放射状に延出するように装着される複数の動翼２８と、周方向に隣接する動翼２８のプラットホーム４２同士の隙間に装着されるダンパピン６１と、プラットホーム４２とダンパピン６１との間に介装されてダンパピン６１に対する接触角度を調整可能な調整ピース６２とを設けている。

【0042】

従って、プラットホーム４２とダンパピン６１との間にこのダンパピン６１に対する接触角度を調整可能な調整ピース６２を介装しており、この接触角度を調整すると、動翼２８の回転時にプラットホーム４２から調整ピース６２を介してダンパピン６１に入力する反力が増減することとなる。そのため、動翼２８の形状や回転数などに応じて最適な接触角度を選定することができ、動翼２８に発生する振動を適正に抑制することができる。

【0043】

また、本実施例の動翼体では、周方向に隣接するプラットホーム４２同士の対向面のうちの少なくともいずれか一方に、ロータディスク３６の放射方向に対してロータ３２の中心側が拡大するような傾斜面７１ｂを設け、この傾斜面７１ｂに調整ピース６２を位置決め可能な取付凹部７２を設けている。従って、調整ピース６２を取付凹部７２に装着することで、この調整ピース６２を容易に、且つ、安定して位置決めすることができ、適正に動翼２８に発生する振動を抑制することができる。

【0044】

また、本実施例の動翼体では、調整ピース６２を、プラットホーム４２及びダンパピン６１より軟質材料により構成している。従って、長期の使用により軟質な調整ピース６２が磨耗することとなり、変更が困難な動翼２８やダンパピン６１を変更不要とし、磨耗した調整ピース６２を交換するだけで長期的に安定した減衰機能を維持することができる。

【0045】

なお、上述した実施例では、プラットホーム４２ｂとダンパピン６１との間に調整ピース６２を介装したが、プラットホーム４２ａとダンパピン６１との間に調整ピースを介装してもよく、両方に介装してもよい。

【0046】

また、上述した実施例にて、本発明に係る動翼体をガスタービンのタービン１３に適用して説明したが、圧縮機１１に適用してもよく、また、ガスタービンに限らず、蒸気タービンなどその他の回転機械に適用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0047】

本発明に係る動翼体及び回転機械は、動翼のプラットホームとダンパ部材との間にダンパ部材に対する接触角度を調整可能な調整部材を介装することで、動翼に発生する振動を適正に抑制可能とするものであり、いずれの回転機械にも適用することができる。

【符号の説明】

【0048】

１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２８ 動翼
３２ ロータ（主軸）
３６ ロータディスク
４１ 翼根部
４２，４２ａ，４２ｂ プラットホーム
４３ 翼部
６１ ダンパピン（ダンパ部材）
６２，６２ａ，６２ｂ 調整ピース（調整部材）
７１ｂ 傾斜面
７２ 取付凹部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】