JP2017120046A - ダブテールジョイント - Google Patents

Abstract

【課題】ホイールダブテールの外側フィレットにおける応力腐食割れを抑制できるダブテールジョイントを提供する。【解決手段】実施形態のダブテールジョイントは、ロータホイールにバケットを取り付けるためのダブテールジョイントである。ダブテールジョイントは、雄形のホイールダブテールと、雌形のバケットダブテールとを有する。雄形のホイールダブテールは、ロータホイールに設けられる。雌形のバケットダブテールは、バケットに設けられ、ホイールダブテールに取り付けられる。ホイールダブテールは、フック、ネック、および外側フィレットを有する。フックは、ロータホイールの径方向に対して略水平方向に延びる。ネックは、フックに対して径方向の内側に設けられる。外側フィレットは、ネックにおける径方向の外側部分に設けられ、曲率半径が連続的に変化する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、ダブテールジョイントに関する。

タービンにおいて、ロータホイールにバケット（動翼）を取り付けるためにダブテールジョイントが使用されている。ダブテールジョイントは、例えば、ロータホイールに設けられる雄形のホイールダブテールと、バケットに設けられる雌形のバケットダブテールとからなる。雄形のホイールダブテールと雌形のバケットダブテールとは相補的形状を有し、これによりホイールダブテールにバケットダブテールが嵌め合わされて取り付けられる。以下、ロータホイールの径方向を単に径方向と記し、この径方向に対して垂直な方向を水平方向と記して説明する。

雄形のホイールダブテールは、略水平方向に延びるフックを有する。フックは、径方向の外側および内側にそれぞれ外面および内面を有し、このうち内面がバケットダブテールのフックが係合する係合部となる。このようなフックは、径方向に複数が設けられるとともに、雄形のホイールダブテールの水平方向における中心に対して対称に設けられる。

各フックに対して径方向の内側には、各フックを径方向に接続するネックが設けられる。各ネックにおける径方向の外側部分には、応力の集中による応力腐食割れを抑制するための外側フィレットが設けられる。外側フィレットは、例えば、単一の円弧、曲率半径が異なる複数の円弧などからなる。

特開２００２−２４２６０８号公報 特許第４００８０１５号公報

近年、外側フィレットにおける応力腐食割れをさらに抑制することが求められている。本発明が解決しようとする課題は、ホイールダブテールの外側フィレットにおける応力腐食割れを抑制できるダブテールジョイントを提供することである。

実施形態のダブテールジョイントは、ロータホイールにバケットを取り付けるためのダブテールジョイントである。ダブテールジョイントは、雄形のホイールダブテールと、雌形のバケットダブテールとを有する。雄形のホイールダブテールは、ロータホイールに設けられる。雌形のバケットダブテールは、バケットに設けられ、ホイールダブテールに取り付けられる。ホイールダブテールは、フック、ネック、および外側フィレットを有する。フックは、ロータホイールの径方向に対して略垂直な方向に延びる。ネックは、フックに対して径方向の内側に設けられる。外側フィレットは、ネックにおける径方向の外側部分に設けられ、曲率半径が連続的に変化する。

第１の実施形態に係る蒸気タービンを示す側面図である。 第１の実施形態に係るホイールダブテールを示す断面図である。 第１の実施形態に係る外側フィレットを示す断面図である。 第２の実施形態に係る外側フィレットを示す断面図である。 例１の評価用ホイールダブテールを示す断面図である。 例２の評価用ホイールダブテールを示す断面図である。 例３の評価用ホイールダブテールを示す断面図である。 例４の評価用ホイールダブテールを示す断面図である。 例１〜例４に係る外側フィレットの形状を示す図である。 例１〜例４に係る外側フィレットの曲率半径を示す図である。 例１、例３、例４のフォンミーゼス応力を示す図である。 例２、例３、例４のフォンミーゼス応力を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る蒸気タービンを示す断面図である。図２は、第１の実施形態に係るホイールダブテールを示す断面図である。ここで、図２には、ホイールダブテールのうち、ロータホイールの径方向に対して垂直な方向における中心から右側の部分のみを示す。図３は、第１の実施形態に係る外側フィレットを示す断面図である。なお、図１〜図３においては、ダブテールジョイントの挿入方向から見た状態を示す。また、以下では、ロータホイールの径方向（図中、上下方向）を単に径方向と記し、この径方向に対して垂直な方向（図中、左右方向）を水平方向と記して説明する。

図１に示すように、蒸気タービン１０は、ロータ１１、このロータ１１に設けられるロータホイール１２、およびこのロータホイール１２に取り付けられるバケット（動翼）１３を有する。バケット１３は、図示しないボイラにおいて発生した蒸気の運動エネルギーを吸収して、ロータホイール１２を介してロータ１１を回転させる。これにより、蒸気のエネルギーがロータ１１の回転エネルギーに変換される。

ロータホイール１２とバケット１３とはダブテールジョイント２０を介して取り付けられる。ダブテールジョイント２０は、ロータホイール１２に設けられる雄形のホイールダブテール２１と、バケット１３に設けられる雌形のバケットダブテール２２とを有する。ホイールダブテール２１とバケットダブテール２２とは、実質的に相補的形状を有する。ここで、図１に示されるダブテールジョイント２０は、ホイールダブテール２１にバケットダブテール２２が接線方向から挿入される接線方向挿入式である。

図２に示すように、ホイールダブテール２１は、略水平方向に延びるフック３１、３２、３３を有する。フック３１、３２、３３に対して径方向の内側には、これらを径方向に接続するためのネック４１、４２、４３が設けられる。ネック４１、４２、４３は、これらに対して径方向の外側に設けられるフック３１、３２、３３の水平方向の長さよりも自身の水平方向の長さが短くなるように設けられる。ここで、フック３１、３２、３３の長さ、ネック４１、４２、４３の長さは、いずれもホイールダブテール２１の水平方向における中心からそれらの側面までの水平方向における長さである。

ホイールダブテール２１とバケットダブテール２２とは、ホイールダブテール２１におけるフック３１とフック３２との間、フック３２とフック３３との間、およびフック３３とロータホイール本体２１ａとの間に、バケットダブテール２２のそれぞれのフックが嵌め込まれて取り付けられる。

なお、図示しないが、ホイールダブテール２１の水平方向における中心から左側の部分についても、上記中心に対して対称にフック３１、３２、３３およびネック４１、４２、４３が設けられる。

図３に示すように、フック３１は、径方向の外側および内側にそれぞれ外面３１ａおよび内面３１ｂを有する。フック３１の内面３１ｂは、バケットダブテール２２のフックが係合する係合部となる。内面３１ｂは、通常、平面状に設けられている。

ネック４１における径方向の外側部分には、外側フィレット４１ａが設けられる。また、ネック４１における径方向の内側部分には、内側フィレット４１ｂが設けられる。また、ネック４１における外側フィレット４１ａと内側フィレット４１ｂとの間には、例えば、平面部４１ｃが設けられる。

なお、フック３２、３３についても、フック３１と同様に径方向の径方向の外側および内側に外面および内面を有する。また、ネック４２、４３における径方向の外側部分には外側フィレットが設けられ、ネック４２、４３における径方向の内側部分には内側フィレットが設けられる。これらの外側フィレットや内側フィレットについても、外側フィレット４１ａや内側フィレット４１ｂと基本的に同様の形状とすることができる。

外側フィレット４１ａは、例えば、全体がインボリュート曲線（IVC : involute of circle）からなる。このインボリュート曲線は、曲率半径の小さい端部側が曲率半径の大きい端部側よりも径方向の外側に配置される。

このように、外側フィレット４１ａの全体がインボリュート曲線からなり、かつその曲率半径の小さい端部側が曲率半径の大きい端部側よりも径方向の外側に配置されることにより、内面３１ｂの長さ（Ｌ_１）やネック４１の長さ（Ｌ_２）を確保しつつ、外側フィレット４１ａにおける応力の集中を抑制して応力腐食割れを抑制できる。

例えば、従来の単一の円弧からなる外側フィレットの場合、応力の集中による応力腐食割れを抑制するには曲率半径を大きくする必要がある。しかし、フックやネックの側面の位置を移動させずに曲率半径を大きくしようとすると、フックの内面の長さ（Ｌ_１）が短くなるためにフックが損傷しやすくなる。また、曲率半径を大きくする際、フックの側面の位置を移動せずにネックの位置だけを移動させてフックの内面の長さ（Ｌ_１）を確保しようとすると、ネックの長さ（Ｌ_２）が短くなるためにネックが損傷しやすくなる。

また、従来の複数の円弧からなる外側フィレットの場合、単一の円弧からなる外側フィレットに比べて、曲率半径を大きくしてもフックの内面の長さ（Ｌ_１）やネックの長さ（Ｌ_２）を確保できる。しかし、複数の円弧からなる外側フィレットの場合、円弧どうしの接続部に応力が集中して損傷しやすい。インボリュート曲線からなる外側フィレットの場合、曲率半径が連続的に変化することから、このような接続部における応力の集中が抑制され、その損傷が抑制される。

インボリュート曲線の基礎円半径は、１〜６ｍｍが好ましい。基礎円半径が１ｍｍ以上の場合、応力腐食割れが効果的に抑制される。また、基礎円半径が６ｍｍ以下の場合、内面３１ｂの長さ（Ｌ_１）やネック４１の長さ（Ｌ_２）を確保しやすい。

内面３１ｂの長さ（Ｌ_１）は、３ｍｍ以上が好ましい。なお、内面３１ｂの長さ（Ｌ_１）は、内面３１ｂと外側フィレット４１ａとの境界からフック３１、３２、３３の側面までの表面に沿った長さである。

ネック４１の長さ（Ｌ_２）は、４ｍｍ以上が好ましい。なお、ネック４１の長さ（Ｌ_２）は、ホイールダブテール２１の水平方向における中心からネック４１、４２、４３の側面までの最小の長さである。

内側フィレット４１ｂの形状は、特に制限されない。例えば、内側フィレット４１ｂは、単一の円弧からなるものでもよいし、複数の円弧からなるものでもよい。また、内側フィレット４１ｂは、インボリュート曲線などの曲率半径が連続的に変化する曲線からなるものでもよい。

以上、第１の実施形態に係る外側フィレット４１ａについて説明したが、インボリュート曲線は曲率半径の大きい端部側が曲率半径の小さい端部側よりも径方向の外側に配置されてもよい。このような場合についても、外側フィレット４１ａにおける応力の集中を抑制して応力腐食割れを抑制できる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る外側フィレット４１ａを示す断面図である。
第２の実施形態に係る外側フィレット４１ａは、半径固定部４１ｄ、半径変化部４１ｅ、および半径変化部４１ｆを有する。半径変化部４１ｅは、半径固定部４１ｄに対して径方向の内側に配置される。半径変化部４１ｆは、半径固定部４１ｄに対して径方向の外側に配置される。

半径固定部４１ｄは、曲率半径が変化しない円弧からなる。半径変化部４１ｅは、例えば、インボリュート曲線からなる。半径変化部４１ｅのインボリュート曲線は、曲率半径の大きい端部側が曲率半径の小さい端部側よりも半径固定部４１ｄに近い側に配置される。半径変化部４１ｆは、例えば、インボリュート曲線からなる。半径変化部４１ｆのインボリュート曲線は、曲率半径の大きい端部側が曲率半径の小さい端部側よりも半径固定部４１ｄに近い側に配置される。

このように、外側フィレット４１ａが、半径固定部４１ｄ、半径変化部４１ｅ、および半径変化部４１ｆからなる場合についても、内面３１ｂの長さ（Ｌ_１）やネック４１の長さ（Ｌ_２）を確保しつつ、外側フィレット４１ａにおける応力の集中を抑制して応力腐食割れを抑制できる。

半径固定部４１ｄの曲率半径は、０．５〜４ｍｍが好ましい。半径固定部４１ｄの曲率半径が０．５ｍｍ以上の場合、応力腐食割れが効果的に抑制される。半径固定部４１ｄの曲率半径が４ｍｍ以下の場合、内面３１ｂの長さ（Ｌ_１）やネック４１の長さ（Ｌ_２）を確保しやすい。

半径変化部４１ｅおよび半径変化部４１ｆに適用されるインボリュート曲線の基礎円半径は、いずれも１〜６ｍｍが好ましい。基礎円半径が１ｍｍ以上の場合、応力腐食割れが効果的に抑制される。基礎円半径が６ｍｍ以下の場合、内面３１ｂの長さ（Ｌ_１）やネック４１の長さ（Ｌ_２）を確保しやすい。なお、半径変化部４１ｅと半径変化部４１ｆとに適用されるインボリュート曲線の基礎円半径は、互いに異なっていてもよいが、通常は同じが好ましい。

内面３１ｂの長さ（Ｌ_１）は、３ｍｍ以上が好ましい。ネック４１の長さ（Ｌ_２）は、４ｍｍ以上が好ましい。

以上、第１、第２の実施形態のダブテールジョイント２０について説明したが、実施形態のダブテールジョイント２０は、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、低圧蒸気タービン等の蒸気タービン１０への適用に限られない。例えば、実施形態のダブテールジョイント２０は、ガスタービンにも適用できる。実施形態のダブテールジョイント２０は、応力腐食割れが発生しやすいタービンに適用されることが好ましく、このようなものとしては、低圧蒸気タービン、地熱発電に使用される蒸気タービンが挙げられる。

また、ダブテールジョイント２０は、ロータホイール１２における接線方向からホイールダブテール２１にバケットダブテール２２が挿入される接線方向挿入式に限られず、ロータホイール１２における軸方向からホイールダブテール２１にバケットダブテール２２が挿入される軸方向挿入式でもよい。また、ホイールダブテール２１における片側のフックの個数は、３個に限られず、２個でもよいし、４個でもよい。

また、第１の実施形態に係る外側フィレット４１ａは、曲率半径が連続的に変化していればよい。すなわち、第１の実施形態に係る外側フィレット４１ａは、インボリュート曲線からなるものに限られず、例えば、サイクロイド曲線、クロソイド曲線からなるものでもよい。

また、第２の実施形態に係る半径変化部４１ｅおよび半径変化部４１ｆについても、曲率半径が連続的に変化していればよい。すなわち、第２の実施形態に係る半径変化部４１ｅおよび半径変化部４１ｆは、インボリュート曲線からなるものに限られず、例えば、サイクロイド曲線、クロソイド曲線からなるものでもよい。

以下、実施例を参照してより具体的に説明する。
なお、例１、例２が本発明の実施例であり、例３、例４が本発明の比較例である。

（例１）
図５に、例１の評価用ホイールダブテールを示す。
例１の評価用ホイールダブテールは、フック１３１、１３２、およびネック１４１を有する。フック１３１、１３２の外面１３１ａ、１３２ａ、内面１３１ｂ、１３２ｂは、いずれも水平方向に延びる平面状である。ネック１４１は、外側フィレット１４１ａ、内側フィレット１４１ｂ、および平面部１４１ｃを有する。

外側フィレット１４１ａは、インボリュート曲線からなる。このインボリュート曲線は、曲率半径の小さい端部側が曲率半径の大きい端部側よりも径方向の外側に配置される。内側フィレット１４１ｂは、曲率半径の変化しない円弧からなる。

内面１３１ｂの長さ（Ｌ_１）は５．１３ｍｍ、ネック１４１の長さ（Ｌ_２）は１３．７２ｍｍ、外側フィレット１４１ａの長さ（Ｌ_３）は２．２９ｍｍ、フック１３１の長さ（Ｌ_４）は２１．１４ｍｍ、フック１３２の長さ（Ｌ_５）は３２．６９ｍｍ、フック１３１の高さ（Ｌ_６）は１２．０９ｍｍ、フック１３２の高さ（Ｌ_７）は１１．１８ｍｍ、ネック１４１の高さ（Ｌ_８）は１３．３６ｍｍ、外側フィレット１４１ａの高さ（Ｌ_９）は４．０１２ｍｍである。外側フィレット１４１ａのインボリュート曲線の基礎円半径は４．０１２ｍｍ、内側フィレット１４１ｂの円弧の曲率半径は３．１８ｍｍである。

（例２）
図６に、例２の評価用ホイールダブテールを示す。
例２の評価用ホイールダブテールは、外側フィレット１４１ａの構成が異なることを除いて、実質的に例１の評価用ホイールダブテールと同一の構成を有する。外側フィレット１４１ａは、半径固定部１４１ｄ、半径変化部１４１ｅ、および半径変化部１４１ｆを有する。半径変化部１４１ｅは、半径固定部１４１ｄに対して径方向の内側に配置される。半径変化部１５２ｆは、半径固定部１４１ｄに対して径方向の外側に配置される。

半径固定部１４１ｄは、曲率半径が５ｍｍの円弧からなる。半径変化部１４１ｅは、基礎円半径が４．０１２ｍｍのインボリュート曲線からなる。半径変化部１４１ｅのインボリュート曲線は、曲率半径の大きい端部側が曲率半径の小さい端部側よりも半径固定部１４１ｄに近い側に配置される。半径変化部１４１ｆは、基礎円半径が４．０１２ｍｍのインボリュート曲線からなる。半径変化部１４１ｆのインボリュート曲線は、曲率半径の大きい端部側が曲率半径の小さい端部側よりも半径固定部１４１ｄに近い側に配置される。なお、寸法（Ｌ_１〜Ｌ_８）は例１と同様であり、外側フィレット１４１ａの高さ（Ｌ_９）は２．２９ｍｍである。

（例３）
図７に、例３の評価用ホイールダブテールを示す。
例３の評価用ホイールダブテールは、外側フィレット１４１ａが曲率半径２．２９ｍｍの単一の円弧からなることを除いて、実質的に例１の評価用ホイールダブテールと同一の構成を有するものであり、例１と同様の寸法（Ｌ_１〜Ｌ_８）を有する。

（例４）
図８に、例４の評価用ホイールダブテールを示す。
例４の評価用ホイールダブテールは、外側フィレット１４１ａが、円弧１４１ｇ（曲率半径１ｍｍ）、円弧１４１ｈ（曲率半径３．５ｍｍ）、および円弧１４１ｉ（曲率半径１ｍｍ）の３個の円弧からなることを除いて、実質的に例１の評価用ホイールダブテールと同一の構成を有するものであり、例１と同様の寸法（Ｌ_１〜Ｌ_８）を有する。

図９に、例１〜例４に係る外側フィレット１４１ａの形状をまとめて示す。ここで、径方向距離は、図５〜図８の内面１３１ｂの位置を基準とし、これよりも径方向の内側（図５〜図８、下側）が負の値となる。また、水平方向距離は、図５〜図８のネック１４１の平面部１４１ｃの位置を基準とし、これよりも水平方向における外側（図５〜図８、右側）が正の値となる。

また、図１０に、例１〜例４に係る外側フィレット１４１ａの曲率半径をまとめて示す。ここで、径方向距離は、図５〜図８の内面１３１ｂの位置を基準とし、これよりも径方向の内側（図５〜図８、下側）が負の値となる。

図１０から明らかなように、例３、例４の外側フィレット１４１ａのように円弧のみからなるものに比べて、例１、例２の外側フィレット１４１ａのように少なくとも一部がインボリュート曲線からなるものは全体的に曲率半径が大きくなる。なお、インボリュート曲線の場合、一方の端部の曲率半径が非常に小さくなるが、このような曲率半径が非常に小さい部分はわずかであることから、実質的に直線状とみなして無視できる。

次に、例１〜例４の評価用ホイールダブテールについて、内面１３１ｂに径方向の外側に１Ｎの力を加えたときの応力解析を行って、外側フィレット１４１ａにおけるフォンミーゼス応力を求めた。結果を、図１１（例１、例３、例４）、図１２（例２、例３、例４）に示す。

例１、例２のように外側フィレット１４１ａの少なくとも一部がインボリュート曲線からなる場合、例３、例４のように外側フィレット１４１ａが円弧のみからなる場合に比べて応力の大きい部分が少なくなる。また、例１のように外側フィレット１４１ａの全体がインボリュート曲線からなる場合、例３、例４のように外側フィレット１４１ａが円弧のみからなる場合に比べて最大応力が低下する。

例えば、例３の最大応力を１００％としたとき、例４の最大応力は９５．８８％、例１の最大応力は９３．６９％となる。すなわち、例１のように外側フィレット１４１ａの全体がインボリュート曲線からなる場合、例３のように外側フィレット１４１ａが単一の円弧からなる場合に比べて６．５％程度、例４のように外側フィレット１４１ａが複数の円弧からなる場合に比べて２．３％程度、最大応力が低下する。

以上、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、発明の要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。

１０…蒸気タービン、１１…ロータ、１２…ロータホイール、１３…バケット、２０…ダブテールジョイント、２１…ホイールダブテール、２２…バケットダブテール、３１…フック、３１ａ…外面、３１ｂ…内面、３２…フック、３３…フック、４１…ネック、４１ａ…外側フィレット、４１ｂ…内側フィレット、４１ｃ…平面部、４２…ネック、４３…ネック。

Claims (6)

1. ロータホイールにバケットを取り付けるためのダブテールジョイントであって、
   前記ロータホイールに設けられる雄形のホイールダブテールと、前記バケットに設けられ、前記ホイールダブテールに取り付けられる雌形のバケットダブテールと、を有し、
   前記ホイールダブテールは、前記ロータホイールの径方向に対して略垂直な方向に延びるフックと、前記フックに対して前記径方向の内側に設けられるネックと、前記ネックにおける前記径方向の外側部分に設けられ、曲率半径が連続的に変化する外側フィレットと、を有することを特徴とするダブテールジョイント。
2. 前記外側フィレットは、全体において曲率半径が連続的に変化することを特徴とする請求項１記載のダブテールジョイント。
3. 前記外側フィレットは、一部において曲率半径が連続的に変化することを特徴とする請求項１記載のダブテールジョイント。
4. 前記外側フィレットは、曲率半径が連続的に変化する半径変化部と、曲率半径が変化しない半径固定部とを有することを特徴とする請求項３記載のダブテールジョイント。
5. 前記外側フィレットは、前記半径固定部の両側に前記半径変化部を有することを特徴とする請求項４記載のダブテールジョイント。
6. 前記外側フィレットは、インボリュート曲線を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のダブテールジョイント。

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