JP6272044B2 - 動翼体のシール構造、動翼体及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン、ガスタービン及びジェットエンジン等に搭載される動翼体のシール構造、このシール構造を備えた動翼体及びこの動翼体を備えた回転機械に関する。

従来、ガスタービンのタービン部や空気圧縮機、蒸気タービン等のような回転機械においては、主軸と一体に回転するロータディスクを備えている。このロータディスクには、外周から放射状に延出するようにして複数の動翼が組み付けられることにより、ロータディスク及び動翼を具備して構成された動翼体となる。
蒸気タービンでは、車室内に導入した蒸気により動翼体を回転させて軸出力が得られ、発電等に使用されるガスタービンのタービン部では、車室内に導入した高温ガスにより動翼体を回転させて軸出力が得られる。一方、ガスタービンの空気圧縮機では、タービン部の軸出力により動翼体が回転して空気を圧縮する。

図４は、回転機械の一例としてタービンの動翼部を示す要部断面図である。
図示の動翼体１では、主軸（不図示）と一体に回転するロータディスク２の外周面に、複数の動翼（タービン翼）３が放射状に突出して取り付けられている。
各動翼３は、翼根部４と、プラットホーム５と、翼部６とにより構成されている。この動翼３は、いわゆるクリスマスツリー形状断面とした翼根部４を、同形状としたロータディスク２の嵌合溝２ａに対して板厚方向から嵌合させることで、固定可能となっている。

このような動翼体１は、周方向に隣接する動翼３のプラットホーム５どうしの隙間７に装着されるシールピンダンパ８を備えている。このシールピンダンパ８は、主軸の軸方向に沿って延在する円柱形状の部材であり、動翼体１の回転時に発生する遠心力を受けて隙間７の入口部に接触する。
このようなシールピンダンパ８は、共振時に動翼３が接触すると摩擦による減衰効果を生じるので、動翼３の振動応答レベルを低減する機能を有している。

すなわち、従来のタービン翼においては、タービン翼の振動応答レベルを低減する振動対策として、例えば下記の特許文献１〜５に開示されているように、板バネダンパやシールピンダンパを採用することが知られている。これらのダンパは、翼内部や翼間に設置されており、共振時にダンパと翼とが接触して生じる摩擦による減衰効果を有するものである。
また、下記の特許文献６には、翼形部の内部に画成された内部キャビティの少なくとも一つにポリマー材料を充填することが開示されている。

特開２００４−３４０１４４号公報 特開２００６−２１４３６７号公報 特開２０１１−３２９８５号公報 特開２０１１−２５２４６８号公報 特開２００７−３３２９６３号公報 特開２０１０−２０３４３５号公報

上述したように、シールピンダンパ８等の減衰効果を利用したダンパは、回転する動翼体を備えた流体機械を含む回転機械等の機械類において数多く利用されている。しかし、このようなダンパをタービンの動翼部に適用した場合、翼間のダンパが高温の燃焼ガスに晒されるため高温となり、接触面の凝着や摩耗が促進されて翼の振動特性が安定しないという問題を有している。また、諸条件に応じたダンパ特性の変更や、摩耗状況に応じたメンテナンスが困難であるという問題も指摘されている。

一方、発電プラントの安定的な稼働を目標としたとき、翼振動を抑制するダンパの剛性や減衰が安定し、振動予測が容易になるとともに、摩耗などの経年劣化への対応も可能なダンパ構造が望ましい。このような背景から、動翼体及びこの動翼体を備えた回転機械においては、ダンパ構造の耐久性や信頼性を向上させることが望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、耐久性や信頼性が高いダンパ構造を備えた動翼体のシール構造、このシール構造を備えた動翼体及びこの動翼体を備えた回転機械を提供することにある。また、本発明においては、経年変化への対応が容易なダンパ構造を備えた動翼体のシール構造、このシール構造を備えた動翼体及びこの動翼体を備えた回転機械を提供することも目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る動翼体のシール構造は、主軸と一体に回転するロータディスクと、該ロータディスクの外周から放射状に延出するよう組み付けられた複数の動翼と、を具備してなる動翼体のシール構造であって、周方向で互いに隣接する前記動翼のプラットホーム部どうしの隙間に設けられ、回転軸方向に沿って延在するシールピンダンパと、前記隙間に挟み込まれるように設けられるシール部材とを備え、前記シール部材が、粘弾性材料を有し、前記シールピンダンパより径外方向に配設されていることを特徴とするものである。

このような本発明の動翼体のシール構造は、周方向で互いに隣接する動翼のプラットホーム部どうしの隙間に、回転軸方向に沿って延在するシールピンダンパ及びシール部材を備え、一方のシール部材がシールピンダンパより径外方向に配設されているので、径外方向を流れる流体がシールピンダンパ側にリークすることを防止できる。この結果、シールピンダンパは、流体から高熱等の影響を受けにくくなる。

上記の発明において、前記シール部材は、前記粘弾性材料と、該粘弾性材料を保持するための収納空間を形成するとともに前記プラットホーム部に支持される高温部材よりなるフレームと、により構成される積層構造とすることが望ましい。このようなシール部材は粘弾性材料を備えているので、粘弾性材料によるシール機能に加えて、粘弾性材料によるダンパ機能も得ることができ、この結果、シールピンダンパを補助的に使用することが可能になる。
また、このような積層構造は、シール部材の取り外しが可能になるため、経年変化への対応を容易にし、さらに、粘弾性材料の補助的なダンパ機能を容易に調整できる。

本発明の動翼体は、請求項１または２のいずれか１項に記載の動翼体のシール構造を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の回転機械は、請求項３に記載の動翼体を備えることを特徴とするものである。

このような動翼体や回転機械によれば、請求項１または２のいずれか１項に記載の動翼体のシール構造を備えているので、径外方向を流れる流体がシールピンダンパ側にリークすることを防止でき、この結果、シールピンダンパが高温ガス等の流体に晒されることを防止できる。

上述した本発明によれば、シール部材のシール機能によりシールピンダンパの耐久性や信頼性が向上した動翼体のシール構造となり、このシール構造を備えた動翼体及びこの動翼体を備えた回転機械は、耐久性や信頼性の高いダンパ構造を備えたものとなる。
また、シール部材は取り外しが可能であるため、経年変化に対して容易に対応できるようになり、さらに、シールピンダンパと協働するシール部材の補助的なダンパ機能を適宜調整することにより、すなわち粘弾性材料のダンパ機能を適宜調整することにより、目的に応じたダンパ機能を容易に設計することができる。

本発明に係る動翼体のシール構造、動翼体及び回転機械の一実施形態としてタービンの動翼部を示す図であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）はシール部の拡大図である。 図１に示したシール部の構成例を示す斜視図である。 図１に示したシール部の変形例を示す要部断面図である。 従来例としてタービンの動翼部を示す要部断面図である。

以下、本発明に係る動翼体のシール構造、このシール構造を備えた動翼体及び回転機械の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態では、動翼体を備えた回転機械の一例として、タービンの動翼部について説明するが、ガスタービンの空気圧縮機、蒸気タービン及び圧縮機等のように、回転する動翼体を備えた他の回転機械にも適用可能である。
さて、図１に示すタービンの動翼部を構成する動翼体１Ａは、図示しない燃焼器から供給される高温高圧の燃焼ガスにより回転する。この動翼体１Ａは、図示しない主軸と一体に回転するロータディスク２と、ロータディスク２の外周から放射状に延出するよう組み付けられた複数の動翼３と、を具備して構成される。

図示の動翼３は、いわゆるクリスマスツリー形状断面とした翼根部４と、翼基端部となるプラットホーム５と、翼型断面形状を有してプラットホーム５から図示しない車室方向へ突出する翼部６とにより構成されている。この動翼３は、同じくクリスマスツリー形状としたロータディスク２の嵌合溝２ａに対し翼根部４を板厚方向から嵌合させることにより、ロータディスク２に固定されている。このような動翼３は、ロータディスク２の外周面から突出して全周にわたって設けられている。なお、動翼３を組み付けたロータディスク２は、主軸の軸方向に１または複数段取り付けられている。

上述した動翼３は、周方向で互いに隣接する動翼３のプラットホーム５，５間に隙間７が設けられている。そして、この隙間７には、主軸の軸方向（回転軸方向）に沿って延在するシールピンダンパ８とシール部材１０とが、半径方向に並んで設けられている。すなわち、本実施形態の動翼体１Ａは、従来から設けられているシールピンダンパ８にシール部材１０を追設したシール構造となっており、このシール部材１０は、シールピンダンパ８より径外方向となる車室側の隙間７に、換言すれば、シールピンダンパ８よりも動翼３の翼先端部３ａ側となる隙間７に配設されている。

シール部材１０は、図１（ｂ）及び図２に示すように、粘弾性材料１１と、断面コ字状とした左右一対のフレーム１２とにより構成され、フレーム１２，１２間に粘弾性材料１１を挟持した積層構造を有する棒状の部材である。本実施形態のようにタービンの動翼部に用いられる動翼体１Ａは、車室側を流れる高温の燃焼ガスに晒されるため、耐熱性を有する粘弾性材料１１と、高温部材のフレーム１２とが用いられる。
上述した粘弾性材料１１の具体例としては、炭素繊維、ニッケル合金繊維、セラミックス複合材料等がある。

そして、一対のフレーム１２は、不定形の粘弾性材料１１を保持するための収納空間を形成し、隙間７を形成するプラットホーム５の側壁面に設けた凹溝部５ａに各々嵌合して支持される。このようなフレーム１２に好適な高温部材としては、ニッケル合金等を例示できる。
なお、上述した実施形態では、シール部材１０のフレーム１２を断面コ字状としたが、例えば図３に示す変形例のように、略半円形状の断面を有するフレーム１２Ａ，１２Ａ間に不定形の粘弾性材料１１を挟持する構造のシール部材１０Ａとしてもよい。

また、本実施形態のシールピンダンパ８は、上述した従来構造と同様に、主軸の軸方向に沿って延在する円柱形状の部材である。なお、このシールピンダンパ８については、円柱形状に限定されることはなく、例えば円柱の軸中心部に貫通孔を設けたパイプ形状等のものを採用してもよい。

このように、動翼体１Ａの隙間７には、高温の燃焼ガスが流れる車室側から順にシール部材１０及びシールピンダンパ８が配設されているので、車室側を流れる燃焼ガスは、シール部材１０を通過してシールピンダンパ８に到達することはない。すなわち、シール部材１０が車室側を流れる燃焼ガス等の流体をシールするので、流体がシールピンダンパ８側にリークすることを防止できる。この結果、シールピンダンパ８は、流体の影響を受けにくくなり、タービンの動翼部においては、燃焼ガスから高熱の影響を受けにくくなる。

従って、共振時に動翼３が接触すると摩擦による減衰効果を生じるシールピンダンパ８は、タービンの動翼部において燃焼ガスの熱影響による温度上昇が緩和されるので、温度低下により接触面の凝着や摩耗が防止または抑制される。この結果、シールピンダンパ８は摺動面が安定化するので、動翼３の振動特性を安定させることができる。

また、上述した実施形態のシール部材１０は、粘弾性材料１１を備えた積層構造となっているので、粘弾性材料１１によるシール機能に加えて、粘弾性材料１１からダンパ機能も得ることができる。粘弾性材料１１のダンパ機能は、動翼３が励振力を受けて共振した際に、動翼３の変形に応じてシール部材１０の粘弾性材料１１が変形するので、粘弾性材料１１による内部減衰を得るものである。これにより、共振に伴う動翼３の運動エネルギーは、粘弾性材料１１の熱エネルギー（散逸エネルギー）に変換される。

このように、本実施形態のシール構造は、シール部材１０がダンパ機能を有するため、シール部材１０のダンパ機能及び併設するシールピンダンパ８のダンパ機能については、シール部材１０のダンパ機能を補助的に使用することが可能となる。なお、シール部材１０及びシールピンダンパ８のダンパ機能を併用することは、減衰効果の安定及び向上に貢献する。
この結果、シールピンダンパ８の摺動面においては、ダンパ機能の負担が低減されて摩耗量を低減できる。また、シール部材１０の劣化によりダンパ機能が低下した場合においても、シールピンダンパ８による従来のダンパ機能があるため、必要な翼振動の抑制効果は確保できる。

さらに、積層構造のシール部材１０は、動翼体１Ａからの取り外しが可能になるため、必要に応じて適宜交換することで経年変化への対応が容易になる。
そして、粘弾性材料１１を適宜選択すれば、シール部材１０のダンパ機能を容易に調整できることから、目的に応じたダンパ設計が可能になる。
また、上述したシール部材１０は、シールピンダンパ８の径外方向に追加して設けるだけであり、従って、実質的に現状の構造を変更することなく適用可能である。

上述したシール構造を備えた動翼体１Ａは、シール部材１０，１０Ａのシール機能によりシールピンダンパ８の耐久性や信頼性が向上するので、この動翼体１Ａ及びこの動翼体１Ａを備えた回転機械は、すなわち、蒸気タービン、ガスタービン及びジェットエンジン等のように回転する動翼体１Ａを備えた流体（回転）機械は、翼振動に対する耐久性や信頼性の高いダンパ構造を備えたものとなる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１，１Ａ 動翼体
２ ロータディスク
２ａ 嵌合溝
３ 動翼
４ 翼根部
５ プラットホーム
６ 翼部
７ 隙間
８ シールピンダンパ
１０，１０Ａ シール部材
１１ 粘弾性材料
１２，１２Ａ フレーム

Claims (4)

1. 主軸と一体に回転するロータディスクと、該ロータディスクの外周から放射状に延出するよう組み付けられた複数の動翼と、を具備してなる動翼体のシール構造であって、
   周方向で互いに隣接する前記動翼のプラットホーム部どうしの隙間に設けられ、回転軸方向に沿って延在するシールピンダンパと、
   前記隙間に挟み込まれるように設けられるシール部材とを備え、
   前記シール部材が、粘弾性材料を有し、前記シールピンダンパより径外方向に配設されていることを特徴とする動翼体のシール構造。
2. 前記シール部材は、前記粘弾性材料と、該粘弾性材料を保持するための収納空間を形成するとともに前記プラットホーム部に支持される高温部材よりなるフレームと、により構成されることを特徴とする請求項１に記載の動翼体のシール構造。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の動翼体のシール構造を備えることを特徴とする動翼体。
4. 請求項３に記載の動翼体を備えることを特徴とする回転機械。

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