タービンロータ及びタービンロータの製造方法
【課題】本発明は、ロータ同士の接続を精度よく効率よく行うことができるタービンロータ及びタービンロータの製造方法を提供する。
【解決手段】
本発明の一態様によれば、複数のロータが接続されるタービンロータにおいて、第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と、第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部と、組み合わされた前記凹部と前記凸部に温度を加えた後に溶接接続される接続部とを有することを特徴とするタービンロータ、また複数のロータを接続するために溶接を用いるタービンロータの製造方法において、第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部とを組み合わせて位置合わせをするステップと、前記第１のロータと前記第２のロータとの接続部に温度を加えるステップと、前記組み合わせ部を溶接接続するステップと、を含むことを特徴とするタービンロータの製造方法が提供される。
【解決手段】
本発明の一態様によれば、複数のロータが接続されるタービンロータにおいて、第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と、第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部と、組み合わされた前記凹部と前記凸部に温度を加えた後に溶接接続される接続部とを有することを特徴とするタービンロータ、また複数のロータを接続するために溶接を用いるタービンロータの製造方法において、第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部とを組み合わせて位置合わせをするステップと、前記第１のロータと前記第２のロータとの接続部に温度を加えるステップと、前記組み合わせ部を溶接接続するステップと、を含むことを特徴とするタービンロータの製造方法が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に蒸気タービンに用いるタービンロータ及びタービンロータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の蒸気タービンは、タービンケーシングを高圧タービンケーシング、中圧タービンケーシング、低圧タービンケーシングと異なる圧力を扱うケーシングに区分けし、各ケーシング内にタービンノズルとタービン動翼を組み合わせたタービン段落を備えるタービンロータを収容して各タービンロータの軸を互いに直結させていた。しかしながら圧力によってケーシングを分けるとタービンが大きくなり、コストがかかるため、近年では複数の異なる圧力下で用いるタービンを組み合わせて１つのタービンケーシング内に収容することによるコンパクト化が必要となっている。この場合、異なった材質のタービンロータを溶接で接合する必要がある。高圧部においては高温強度に優れた特性を持った材質でタービンロータを製造しているが、高温強度に優れる材質ほど、コストがかかってしまう。したがって、高温強度を要する高圧部と高温強度ほどの強度が不要な中圧部、低圧部では高圧部のタービンロータとは異なった材質でタービンロータを製造している。
【０００３】
異種材料の溶接方法に関しては、溶接の際にバタリング及び２回の熱処理をおこなう方法（特許文献１）、溶接後の熱処理に注目し開先部を凹凸にして行う方法（特許文献２）が挙げられる。
【特許文献１】特開２００１−１２３８０１号公報
【特許文献２】特開２００１−３１７３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示がされているタービン用ロータの製造方法は工程数が増えてしまうこと、特許文献２に開示されている蒸気タービンロータの製造方法は開先部を締結するための技術が必要となるがこれには多くの手間と時間が必要なることから技術コスト面や生産性の面で不利である。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は工程数を抑えながらも高い精度及び強度で溶接可能なタービン用ロータ及びタービン用ロータの製造方法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】
【０００６】
本発明の一態様によれば、複数のロータが接続されるタービンロータにおいて、第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と、第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部と、組み合わされた前記凹部と前記凸部に温度を加えた後に溶接接続される接続部とを有することを特徴とするタービンロータ、また複数のロータを接続するために溶接を用いるタービンロータの製造方法において、第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部とを組み合わせて位置合わせをするステップと、前記第１のロータと前記第２のロータとの接続部に温度を加えるステップと、前記組み合わせ部を溶接接続するステップと、を含むことを特徴とするタービンロータの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、異なる材質の接触部を凹凸形状によって組み合わせて溶接することで熱膨張率の差を利用して精度と強度が高いタービン用ロータ及びタービン用ロータの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの部分断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの製造方法のフローである。
【図４】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの部分断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。尚、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１０】
本発明の第１の実施の形態について図１、図２を用いて説明をする。図１は本実施の形態に係るタービンロータの断面図である。ここでは一例として高圧タービン、中圧タービンを組み合わせた高中圧一体型タービンロータ１を挙げる。このうち、中央部に位置するのが第１のロータ２、両端に位置するのが第２のロータ３である。これらのロータは２箇所の接続部４で接合されている。接続部４付近にはその接続面のロータの軸中心に円筒形にくり抜いた中空部５が設けられており、中空部５は第２のロータ３の軸心を通る中心孔６に通じている。第１のロータ２は高圧下、つまり高温状態に耐えうる材質を用いる。また、第２のロータ３は中圧下、つまり高圧下での高温ほどの耐熱温度は必要ない材質を用いることができる。高温状態に耐えうる材質ほど高価であるため、大抵の場合は第２のロータ３は第１のロータ２よりも安い材質を用いる場合がほとんどである。したがって、異なる材質を用いる場合が多い。もちろん同一の材質を用いることもできる。本実施例では一例として第１のロータ２に１％CｒMoV系鋼、第２のロータ３に１２％Cｒ系鋼を用いている。
【００１１】
図２は図１中の接続部４付近の拡大図である。第１のロータ２と第２のロータ３との接続部４において中空部５の周囲に開先部７が設けられている。開先部７は空洞になっており、溶接をする際に溶接材料が充填される。開先部７と中空部５との間に組み合わせ部９を設ける。組み合わせ部９の第２のロータ３側は凹部９a、第１のロータ２側は凸部９bとする。接続部４付近に熱を加えることにより、第１のロータ２、第２のロータ３の組み合わせ部９が熱膨張する。このとき、第１のロータ２と第２のロータ３とは材質が異なるため、熱膨張係数も異なる。本実施例の場合、前述の熱は５０度〜３５０度、また熱を加える時間は１０分以上が望ましい。
【００１２】
この場合、第１のロータ２に使用する材質は熱膨張係数が高いものを使用する。その結果、第２のロータ３の凹部９aにおいて第１のロータ２側の凸部９bが膨らむことになり、第２のロータ３と第１のロータ２との位置合わせを精度よく強固にすることができる。さらにこの状態で溶接を行い、ロータの軸芯ずれを抑制する。また、凹部９aまたは凸部９bのみに温度を加えることで効果を得ることができる。凹部９aのみに熱を加えるときは常温より低温度を、凸部９bのみに熱を加えるときは常温よりも高い温度を加える。また、熱源は高周波、ヒーター、ガスバーナー等、様々なものが利用可能である。
【００１３】
また、第１のロータ２と第２のロータ３の材質が同一の場合でも、前述のように凹部９aまたは凸部９bのみに温度を加えることで効果を得ることができる。凹部９aのみに温度を加えるときは常温より低温度（例えば０度以下）を、凸部９bのみに温度を加えるときは常温よりも高い温度（例えば５０度以上）を加える。
【００１４】
次にこれらの手順について図３を用いて説明をする。まず、常温で凹部９aと凸部９bとを組み合わせて第１のロータ２と第２のロータ３との位置合わせをする（Ｓ１）。その後、凹部９aと凸部９bとの接続部に熱を加える（Ｓ２Ａ）。すると凹部９aと凸部９bとの熱膨張率の差により締め付け固定される。また凹部９aを冷やす（Ｓ２Ｂ）、凸部９bを温める（Ｓ２Ｃ）ことでも締め付け固定が可能である。Ｓ２Ｂ、Ｓ２Ｃは凹部９aと凸部９bとが同一の材質、つまり熱膨張率の差を有しないときにも有効である。次に、締め付け固定された状態で溶接をして固定をする（Ｓ３）。
【００１５】
本発明の第２の実施の形態について図４、図５を用いて説明をする。図５は本実施の形態に係るタービンロータの断面図である。第１の実施の形態と同様に高圧タービン、中圧タービンを組み合わせた高中圧一体型タービンロータ１１を挙げる。中央部に位置するのが第１のロータ１２、両端に位置するのが第２のロータ１３である。これらのロータは２箇所の接続部１４で接合されている。接続部４の接続面には第１のロータ１２，第２のロータ１３の軸心を中心としたリング状にくり抜いた中空部１５が設けられている。第１のロータ１２と第２のロータ１３の材質の関係は第１の実施の形態における第１のロータ２と第２のロータ３と同様とする。
【００１６】
図５は図４中の接続部１４付近の拡大図である。第１のロータ１２と第２のロータ１３との接続部１４において中空部１５が設けられており、その外側に開先部１７が設けられている。開先部１７は空洞になっており、溶接をする際に溶接材料が充填される。中空部１５の内側には組み合わせ部１９を設ける。組み合わせ部１９の第２のロータ３側は凹部１９a、第１のロータ２側は凸部１９bとする。接続部１４付近に温度を加えることにより、第１のロータ１２、第２のロータ１３の組み合わせ部１９が熱膨張する。このとき、第１のロータ１２と第２のロータ１３とは材質が異なるため、熱膨張係数も異なる。その他、第１のロータ１２と第２のロータ１３との材質の関係については、第１の実施の形態と同様であるため省略する。
【００１７】
第１の実施の形態は凹部９aと凸部９bとが中空部１５の周囲に分割する配置されている。一方で第２の実施の形態では凹部１９aと凸部１９bとはタービンの中心軸を含んで一体に形成されている。
【００１８】
以上、本発明の実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
【００１９】
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【００２０】
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００２１】
２，１２ 第１のロータ、３，１３ 第２のロータ、４，１４ 接続部、
５，１５ 中空部、９，１９ 組み合わせ部
９a，１９a 凹部 ９b，１９b 凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に蒸気タービンに用いるタービンロータ及びタービンロータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の蒸気タービンは、タービンケーシングを高圧タービンケーシング、中圧タービンケーシング、低圧タービンケーシングと異なる圧力を扱うケーシングに区分けし、各ケーシング内にタービンノズルとタービン動翼を組み合わせたタービン段落を備えるタービンロータを収容して各タービンロータの軸を互いに直結させていた。しかしながら圧力によってケーシングを分けるとタービンが大きくなり、コストがかかるため、近年では複数の異なる圧力下で用いるタービンを組み合わせて１つのタービンケーシング内に収容することによるコンパクト化が必要となっている。この場合、異なった材質のタービンロータを溶接で接合する必要がある。高圧部においては高温強度に優れた特性を持った材質でタービンロータを製造しているが、高温強度に優れる材質ほど、コストがかかってしまう。したがって、高温強度を要する高圧部と高温強度ほどの強度が不要な中圧部、低圧部では高圧部のタービンロータとは異なった材質でタービンロータを製造している。
【０００３】
異種材料の溶接方法に関しては、溶接の際にバタリング及び２回の熱処理をおこなう方法（特許文献１）、溶接後の熱処理に注目し開先部を凹凸にして行う方法（特許文献２）が挙げられる。
【特許文献１】特開２００１−１２３８０１号公報
【特許文献２】特開２００１−３１７３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示がされているタービン用ロータの製造方法は工程数が増えてしまうこと、特許文献２に開示されている蒸気タービンロータの製造方法は開先部を締結するための技術が必要となるがこれには多くの手間と時間が必要なることから技術コスト面や生産性の面で不利である。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は工程数を抑えながらも高い精度及び強度で溶接可能なタービン用ロータ及びタービン用ロータの製造方法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】
【０００６】
本発明の一態様によれば、複数のロータが接続されるタービンロータにおいて、第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と、第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部と、組み合わされた前記凹部と前記凸部に温度を加えた後に溶接接続される接続部とを有することを特徴とするタービンロータ、また複数のロータを接続するために溶接を用いるタービンロータの製造方法において、第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部とを組み合わせて位置合わせをするステップと、前記第１のロータと前記第２のロータとの接続部に温度を加えるステップと、前記組み合わせ部を溶接接続するステップと、を含むことを特徴とするタービンロータの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、異なる材質の接触部を凹凸形状によって組み合わせて溶接することで熱膨張率の差を利用して精度と強度が高いタービン用ロータ及びタービン用ロータの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの部分断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの製造方法のフローである。
【図４】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る一体型タービンロータの部分断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。尚、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１０】
本発明の第１の実施の形態について図１、図２を用いて説明をする。図１は本実施の形態に係るタービンロータの断面図である。ここでは一例として高圧タービン、中圧タービンを組み合わせた高中圧一体型タービンロータ１を挙げる。このうち、中央部に位置するのが第１のロータ２、両端に位置するのが第２のロータ３である。これらのロータは２箇所の接続部４で接合されている。接続部４付近にはその接続面のロータの軸中心に円筒形にくり抜いた中空部５が設けられており、中空部５は第２のロータ３の軸心を通る中心孔６に通じている。第１のロータ２は高圧下、つまり高温状態に耐えうる材質を用いる。また、第２のロータ３は中圧下、つまり高圧下での高温ほどの耐熱温度は必要ない材質を用いることができる。高温状態に耐えうる材質ほど高価であるため、大抵の場合は第２のロータ３は第１のロータ２よりも安い材質を用いる場合がほとんどである。したがって、異なる材質を用いる場合が多い。もちろん同一の材質を用いることもできる。本実施例では一例として第１のロータ２に１％CｒMoV系鋼、第２のロータ３に１２％Cｒ系鋼を用いている。
【００１１】
図２は図１中の接続部４付近の拡大図である。第１のロータ２と第２のロータ３との接続部４において中空部５の周囲に開先部７が設けられている。開先部７は空洞になっており、溶接をする際に溶接材料が充填される。開先部７と中空部５との間に組み合わせ部９を設ける。組み合わせ部９の第２のロータ３側は凹部９a、第１のロータ２側は凸部９bとする。接続部４付近に熱を加えることにより、第１のロータ２、第２のロータ３の組み合わせ部９が熱膨張する。このとき、第１のロータ２と第２のロータ３とは材質が異なるため、熱膨張係数も異なる。本実施例の場合、前述の熱は５０度〜３５０度、また熱を加える時間は１０分以上が望ましい。
【００１２】
この場合、第１のロータ２に使用する材質は熱膨張係数が高いものを使用する。その結果、第２のロータ３の凹部９aにおいて第１のロータ２側の凸部９bが膨らむことになり、第２のロータ３と第１のロータ２との位置合わせを精度よく強固にすることができる。さらにこの状態で溶接を行い、ロータの軸芯ずれを抑制する。また、凹部９aまたは凸部９bのみに温度を加えることで効果を得ることができる。凹部９aのみに熱を加えるときは常温より低温度を、凸部９bのみに熱を加えるときは常温よりも高い温度を加える。また、熱源は高周波、ヒーター、ガスバーナー等、様々なものが利用可能である。
【００１３】
また、第１のロータ２と第２のロータ３の材質が同一の場合でも、前述のように凹部９aまたは凸部９bのみに温度を加えることで効果を得ることができる。凹部９aのみに温度を加えるときは常温より低温度（例えば０度以下）を、凸部９bのみに温度を加えるときは常温よりも高い温度（例えば５０度以上）を加える。
【００１４】
次にこれらの手順について図３を用いて説明をする。まず、常温で凹部９aと凸部９bとを組み合わせて第１のロータ２と第２のロータ３との位置合わせをする（Ｓ１）。その後、凹部９aと凸部９bとの接続部に熱を加える（Ｓ２Ａ）。すると凹部９aと凸部９bとの熱膨張率の差により締め付け固定される。また凹部９aを冷やす（Ｓ２Ｂ）、凸部９bを温める（Ｓ２Ｃ）ことでも締め付け固定が可能である。Ｓ２Ｂ、Ｓ２Ｃは凹部９aと凸部９bとが同一の材質、つまり熱膨張率の差を有しないときにも有効である。次に、締め付け固定された状態で溶接をして固定をする（Ｓ３）。
【００１５】
本発明の第２の実施の形態について図４、図５を用いて説明をする。図５は本実施の形態に係るタービンロータの断面図である。第１の実施の形態と同様に高圧タービン、中圧タービンを組み合わせた高中圧一体型タービンロータ１１を挙げる。中央部に位置するのが第１のロータ１２、両端に位置するのが第２のロータ１３である。これらのロータは２箇所の接続部１４で接合されている。接続部４の接続面には第１のロータ１２，第２のロータ１３の軸心を中心としたリング状にくり抜いた中空部１５が設けられている。第１のロータ１２と第２のロータ１３の材質の関係は第１の実施の形態における第１のロータ２と第２のロータ３と同様とする。
【００１６】
図５は図４中の接続部１４付近の拡大図である。第１のロータ１２と第２のロータ１３との接続部１４において中空部１５が設けられており、その外側に開先部１７が設けられている。開先部１７は空洞になっており、溶接をする際に溶接材料が充填される。中空部１５の内側には組み合わせ部１９を設ける。組み合わせ部１９の第２のロータ３側は凹部１９a、第１のロータ２側は凸部１９bとする。接続部１４付近に温度を加えることにより、第１のロータ１２、第２のロータ１３の組み合わせ部１９が熱膨張する。このとき、第１のロータ１２と第２のロータ１３とは材質が異なるため、熱膨張係数も異なる。その他、第１のロータ１２と第２のロータ１３との材質の関係については、第１の実施の形態と同様であるため省略する。
【００１７】
第１の実施の形態は凹部９aと凸部９bとが中空部１５の周囲に分割する配置されている。一方で第２の実施の形態では凹部１９aと凸部１９bとはタービンの中心軸を含んで一体に形成されている。
【００１８】
以上、本発明の実施の形態について例示をした。しかし、本発明はこれらの記述に限定されるものではない。
【００１９】
前述の実施の形態に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
【００２０】
また、前述した各実施の形態が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００２１】
２，１２ 第１のロータ、３，１３ 第２のロータ、４，１４ 接続部、
５，１５ 中空部、９，１９ 組み合わせ部
９a，１９a 凹部 ９b，１９b 凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のロータが接続されるタービンロータにおいて、
第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と、
第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部と、
組み合わされた前記凹部と前記凸部に温度を加えた後に溶接接続される接続部とを有することを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
前記組み合わせ部は前記ロータ内の中空部の内側に設置されることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項３】
前記組み合わせ部は前記ロータ内の中空部の外側に設置されることを特徴とする請求項２記載のタービンロータ。
【請求項４】
複数のロータを接続するために溶接を用いるタービンロータの製造方法において、
第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部とを組み合わせて位置合わせをするステップと、
前記第１のロータと前記第２のロータとの接続部に温度を加えるステップと、
前記組み合わせ部を溶接接続するステップと、
を含むことを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項５】
前記温度を加えるステップは、前記凹部及び前記凸部の両方に加えることを特徴とする請求項４記載のタービンロータの製造方法。
【請求項６】
前記温度を加えるステップは前記凹部のみ、または前記凸部のみに加えることを特徴とする請求項４記載のタービンロータの製造方法。
【請求項１】
複数のロータが接続されるタービンロータにおいて、
第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と、
第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部と、
組み合わされた前記凹部と前記凸部に温度を加えた後に溶接接続される接続部とを有することを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
前記組み合わせ部は前記ロータ内の中空部の内側に設置されることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項３】
前記組み合わせ部は前記ロータ内の中空部の外側に設置されることを特徴とする請求項２記載のタービンロータ。
【請求項４】
複数のロータを接続するために溶接を用いるタービンロータの製造方法において、
第１のロータの組み合わせ部に設けられた凹部と第２のロータの前記組み合わせ部に設けられた凸部とを組み合わせて位置合わせをするステップと、
前記第１のロータと前記第２のロータとの接続部に温度を加えるステップと、
前記組み合わせ部を溶接接続するステップと、
を含むことを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項５】
前記温度を加えるステップは、前記凹部及び前記凸部の両方に加えることを特徴とする請求項４記載のタービンロータの製造方法。
【請求項６】
前記温度を加えるステップは前記凹部のみ、または前記凸部のみに加えることを特徴とする請求項４記載のタービンロータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２３６５１８（Ｐ２０１０−２３６５１８Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８８０１０（Ｐ２００９−８８０１０）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【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１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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