蒸気タービンのタービンロータおよび蒸気タービン
【課題】タービンロータ構成部材どうしを接合する溶接部およびその近傍に生じる熱応力を低減することができる蒸気タービンのタービンロータ、およびこのタービンロータを備えた蒸気タービンを提供する。
【解決手段】
タービンロータ１０は、高温側タービンロータ構成部材２０と低温側タービンロータ構成部材３０をタービンロータ軸方向に接合して構成される。これらのタービンロータ構成部材２０、３０は、ロータ胴部２１、３１と、ロータ胴部２１、３１から半径方向外側に突出するように周方向に設けられ、動翼７０が植設されるホイール部２２、３２と、ホイール部２２、３２で構成された接合端部と、接合端部の接合面２３、３３よりも中心側に形成された凹部２４、３４とを備える。接合面２３、３３どうしが溶接されて、高温側タービンロータ構成部材２０と低温側タービンロータ構成部材３０とが一体化されている。
【解決手段】
タービンロータ１０は、高温側タービンロータ構成部材２０と低温側タービンロータ構成部材３０をタービンロータ軸方向に接合して構成される。これらのタービンロータ構成部材２０、３０は、ロータ胴部２１、３１と、ロータ胴部２１、３１から半径方向外側に突出するように周方向に設けられ、動翼７０が植設されるホイール部２２、３２と、ホイール部２２、３２で構成された接合端部と、接合端部の接合面２３、３３よりも中心側に形成された凹部２４、３４とを備える。接合面２３、３３どうしが溶接されて、高温側タービンロータ構成部材２０と低温側タービンロータ構成部材３０とが一体化されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンに備えられるタービンロータおよび蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンのタービンロータとして、複数のタービンロータ構成部材を軸方向に溶接により接合して構成されたものが使用されている。複数のタービンロータ構成部材を溶接して構成された溶接タービンロータを使用することによって、起動停止時の熱応力の低減や、上流段落と下流段落で強度特性が異なるタービンロータを実現することができる。これによって、蒸気タービンの性能向上や製造コストの低減を図ることができる。
【０００３】
図１２は、従来の蒸気タービンのタービンロータ２００の一部を子午断面で示した図である。図１２に示すように、タービンロータ２００では、高温側となる高温側タービンロータ構成部材２０１と低温側となる低温側タービンロータ構成部材２０２とが、隣接するホイール部２０３間のロータ胴部２０４に形成された接合部２０５において接合されている。接合部２０５の半径方向の厚さ（接合部の半径方向の長さ）は、タービンロータ２００に必要な剛性、すなわちトルク伝達に対して必要となるねじり断面係数や回転同期に伴うロータ曲げに対して必要となる断面係数によって決められる。これらの断面係数は、中実断面と中空断面での差が小さいことから、溶接施工と機械加工の工数を考慮し、溶接を外表面から一定の深さまでの範囲とし、それよりも中心側には中空部２０６が形成されている。また、タービンロータ２００の中心軸に沿って中心孔２０７が形成されている。
【０００４】
図１３は、図１２に示したタービンロータ２００における起動停止時などの非定常熱応力の発生メカニズムを示すための、タービンロータ２００の子午断面を示す図である。蒸気Ｓは、タービンロータ２００の外表面に沿って、上流側から下流側へ流れる。蒸気タービンの起動時において、外表面を流れる蒸気の温度は、時間とともに上昇するが、大きな熱容量を有するタービンロータ２００の温度上昇は、蒸気Ｓの温度上昇に対して遅れる。そのため、タービンロータ２００の外表面と内部との間で温度差が生じ、熱応力が発生する。一方、蒸気タービンの停止時は、蒸気Ｓの温度低下に対してタービンロータ２００の温度低下が遅れる。そのため、タービンロータ２００の外表面と内部との間で温度差が生じ、熱応力が発生する。すなわち、蒸気タービンの起動時には、タービンロータ２００の外表面の温度がタービンロータ２００の内部に比べて高くなり、タービンロータ２００の表面には圧縮熱応力が生じる。一方、蒸気タービンの停止時には、タービンロータ２００の外表面の温度がタービンロータ２００の内部に比べて低くなり、タービンロータ２００の表面には引張り熱応力が生じる。
【０００５】
ここで、接合部２０５近傍の平均熱応力を検討するため、接合部２０５の外表面を点Ｐ１、接合部２０５の内周面（接合部２０５の初層部の内周面）を点Ｐ２とする。非定常熱応力は、タービンロータ２００の外表面と内部との間の熱伝導による温度差に起因するため、熱伝達条件が同じなら点Ｐ１と点Ｐ２との間の距離Ｌａが長くなると大きくなる。この距離Ｌａは、上記した接合部２０５の半径方向の厚さに相当し、タービンロータ２００におけるトルク伝達に対して必要となるねじり断面係数や回転同期に伴うロータ曲げに対して必要となる断面係数によって決められるものである。なお、距離Ｌａは、ロータ胴部２０４の外径（Ｄａ）から中空部２０６の外径（Ｄｂ）を減じて「２」で除すことで求められる。
【０００６】
また、タービンロータは、異材からなるタービンロータ構成部材どうしを接合して構成されることがある。図１４は、図１２に示したタービンロータ２００が異材からなるタービンロータ構成部材から構成された場合の熱応力について説明するための、タービンロータ２００の子午断面を示す図である。
【０００７】
高温側タービンロータ構成部材２０１と低温側タービンロータ構成部材２０２とを構成する材料の組み合わせとして、例えば、高Ｃｒ鋼と低合金鋼、Ｎｉ基超合金と高Ｃｒ鋼、Ｎｉ基超合金と低合金鋼などが考えられる。これらの材料の組合せでは、両材料の線膨張係数の差により熱応力が発生する。図１４では、線膨張係数が、高温側タービンロータ構成部材２０１よりも低温側タービンロータ構成部材２０２の方が大きい場合の熱応力分布が示されている。ここで、σ＋は、引張り応力、σ−は、圧縮応力を示す。また、点Ｐ１および点Ｐ２は、図１３で示した点Ｐ１および点Ｐ２と同じである。
【０００８】
線膨張係数が大きい低温側タービンロータ構成部材２０２の方が高温側タービンロータ構成部材２０１よりも熱伸びは大きくなり、それぞれの伸び差によって熱応力が生じる。例えば、ホイール部の根部などでは剛性が大きく変わるため、応力集中により、熱応力は高くなる。そして、接合部２０５の周辺の高い熱応力により、接合部２０５の熱応力は高くなる。
【０００９】
蒸気タービンの起動時と停止時の熱応力のピークは定格時の応力に比べて高く、非定常熱応力は、タービンロータ２００の熱疲労の原因となる。接合部２０５近傍の熱応力は、温度差によって生じる平均熱応力と、端部や接合界面などの応力集中によって支配される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−５０００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記したように、大型で厚肉構造物であるタービンロータでは、起動時や停止時にタービンロータの表面と内部との間に生じる温度差によって、非定常熱応力が高くなることある。また、異材からなるタービンロータ構成部材どうしを接合して構成されたタービンロータでは、材料の線膨張係数、熱伝導率、比熱など熱特性の違いによる熱応力も発生する。特に、高Ｃｒ鋼からなるタービンロータ構成部材と、低合金鋼からなるタービンロータ構成部材とを接合して構成されたタービンロータ、あるいは、高Ｃｒ鋼からなるタービンロータ構成部材と、Ｎｉ基超合金からなるタービンロータ構成部材とを接合して構成されたタービンロータでは、上記したように、両材料の線膨張係数の違いにより、溶接部およびその近傍に高い熱応力が生じ、非定常熱応力を増加させる。
【００１２】
また、タービンロータ構成部材どうしを接合して構成されたタービンロータでは、高い熱応力が溶接部近傍に生じることで、タービンロータ全体としての強度や信頼性が問題となる。特に、中、高温域で使用される高圧タービンや中圧タービンのタービンロータとして使用するときには、これらの問題の解決が重要となり、溶接部における熱応力の低減が重要な課題となる。
【００１３】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、タービンロータ構成部材どうしをタービンロータ軸方向に接合する溶接部およびその近傍に生じる熱応力を低減することができる蒸気タービンのタービンロータ、およびこのタービンロータを備えた蒸気タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態の蒸気タービンのタービンロータは、タービンロータ構成部材どうしをタービンロータ軸方向に接合して構成されている。前記タービンロータ構成部材は、円柱状のロータ胴部と、前記ロータ胴部の周方向に半径方向外側に突出するように形成され、かつタービンロータ軸方向に少なくとも一段形成され、動翼が植設されるホイール部と、前記ホイール部で構成された、前記タービンロータ構成部材どうしを接合するための接合端部と、前記接合端部の接合面よりも中心側に形成された、前記接合面よりも窪んだ凹部とを備えている。また、前記タービンロータ構成部材の接合端部の接合面どうしが溶接により接合されて一体化され、前記接合面よりも中心側に前記凹部による中空部が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の、蒸気タービンにおけるタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図２】図１に示したタービンロータにおける起動停止時などの非定常熱応力の発生メカニズムを示すための、タービンロータの子午断面を示す図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態のタービンロータの熱応力について説明するための、タービンロータの子午断面を示す図である。
【図４】本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの接合部を有するホイール部に動翼を植設する様子を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの接合部を有するホイール部に植設される動翼の他の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの接合部を有するホイール部が周方向挿入型であるときの、ホイール部の断面を示す図である。
【図７】本発明に係る第３の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの接合端部の他の構成を説明するための、蒸気タービンのタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図８】本発明に係る第４の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの、接合部の検査用孔を説明するための、蒸気タービンのタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図９】本発明に係る第４の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの、接合部の検査用孔を説明するための、蒸気タービンのタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図１０】本発明に係る第５の実施の形態の、蒸気タービンにおけるタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図１１】本発明に係る第５の実施の形態のタービンロータの他の構成を説明するための、タービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図１２】従来の蒸気タービンのタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図１３】図１２に示したタービンロータにおける起動停止時などの非定常熱応力の発生メカニズムを示すための、タービンロータの子午断面を示す図である。
【図１４】図１２に示したタービンロータが異材からなるタービンロータ構成部材から構成された場合の熱応力について説明するための、タービンロータの子午断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の、蒸気タービンにおけるタービンロータ１０の一部を子午断面で示した図である。
【００１８】
図１に示すように、タービンロータ１０は、高温側となる高温側タービンロータ構成部材２０と低温側となる低温側タービンロータ構成部材３０とをタービンロータ軸方向に接合して一体化することで構成されている。
【００１９】
高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０は、円柱状のロータ胴部２１、３１と、このロータ胴部２１、３１から半径方向外側に突出するように、ロータ胴部２１、３１の周方向に形成されたホイール部２２、３２とを備えている。このホイール部２２、３２は、タービンロータ軸方向に複数段設けられ、これらのホイール部２２、３２には、動翼が植設される。なお、ホイール部２２、３２は、タービンロータ軸方向に少なくとも一段設けられていればよい。
【００２０】
高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０の接合端部は、それぞれホイール部２２、３２で構成されている。なお、接合端部を構成するホイール部２２、３２のタービンロータ軸方向の幅は、他の位置のホイール部２２、３２のタービンロータ軸方向の幅よりも薄く形成されている。そして、双方の接合端部の幅および接合部４０のタービンロータ軸方向の幅を合計した幅が、他の位置のホイール部２２、３２のタービンロータ軸方向の幅とほぼ等しくなるように構成されている。
【００２１】
また、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０の接合端部の外側面に構成される接合面２３、３３よりも中心側には、接合面２３、３３よりもタービンロータ軸方向に窪んだ凹部２４、３４が形成されている。この凹部２４、３４の深さは、遠心力による凹部の曲げ応力の増加を抑える理由から、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０の接合端部のタービンロータ軸方向の厚さとほぼ同程度またはそれ以下とすることが好ましい。
【００２２】
そして、このような構成の、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０の接合端部の接合面２３、３３どうしを、それぞれの中心軸が同軸となるように、溶接により接合して、タービンロータ軸方向に一体化することでタービンロータ１０が構成される。接合面２３、３３よりも中心側には、凹部２４と凹部３４とから構成される中空部５０が形成される。なお、タービンロータ１０の中心軸に沿って中心孔６０が形成されており、中空部５０は、この中心孔６０に直交するように連通している。
【００２３】
なお、溶接は、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０を回転させながら、接合面２３、３３の内周側から外周側に向かって行われる。
【００２４】
ここで、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０は、それぞれ異なる材料で構成することができる。高温側タービンロータ構成部材２０と低温側タービンロータ構成部材３０とを構成する材料の組み合わせとして、例えば、高Ｃｒ鋼と低合金鋼、Ｎｉ基超合金と高Ｃｒ鋼、Ｎｉ基超合金と低合金鋼などが例示できる。
【００２５】
図２は、図１に示したタービンロータ１０における起動停止時などの非定常熱応力の発生メカニズムを示すための、タービンロータ１０の子午断面を示す図である。図２では、接合部４０の外表面を点Ｐ３、接合部４０の内周面（接合部４０の初層部の内周面）を点Ｐ４、ロータ胴部２１、３１の外径に対応する位置を点Ｐ５とする。
【００２６】
蒸気Ｓは、図２に示すように、タービンロータ１０の外表面に沿って、上流側から下流側へ流れる。前述したように、蒸気タービンの起動時には、タービンロータ１０の外表面の温度がタービンロータ１０の内部に比べて高くなり、タービンロータ１０の表面には圧縮熱応力が生じる。一方、蒸気タービンの停止時には、タービンロータ１０の外表面の温度がタービンロータ１０の内部に比べて低くなり、タービンロータ１０の表面には引張り熱応力が生じる。
【００２７】
ここで、ロータ胴部２１、３１の外径Ｄ１およびホイール部２２、３２の外径Ｄ２は、タービンロータ１０の設計仕様によって決まる。また、接合部４０のトルク伝達、ねじり、曲げに必要な剛性は、点Ｐ３および点Ｐ４の位置によって決まる。例えば、点Ｐ３と点Ｐ４との間の距離（ホイール部２２、３２の外径Ｄ２から中空部５０の外径Ｄ３を減じて「２」で除したもの）は、ロータ胴部、溶接部の強度、植込部の加工などにより影響を受けるが、最もタービンロータ構造への影響が高いねじりについては、断面二次極モーメントが外径の４乗と内径の４乗の差に比例することから、前述した従来のタービンロータ２００における点Ｐ１と点Ｐ２との間の距離Ｌａ（図１３参照）とほぼ等しくすることで、同等以上のねじり剛性が確保できることになる。
【００２８】
一方、図２に示すように、接合端部を構成するホイール部２２、３２の周囲には蒸気Ｓが流れ、ホイール部２２、３２の周囲において蒸気Ｓとの熱伝達が行われる。そのため、点Ｐ３と点Ｐ５との間においては、ほぼ均等な温度となり、温度差が大きくなるのは、点Ｐ５と点Ｐ４との間（距離Ｌ１）のみとなる。なお、この距離Ｌ１は、従来のタービンロータ２００の温度差が大きくなる距離Ｌａに比べて小さい。
【００２９】
このように第１の実施の形態のタービンロータ１０では、温度差が大きくなる領域をＰ５と点Ｐ４との間（距離Ｌ１）に縮小することができるため、温度差が小さくなり、熱応力を低減することができる。
【００３０】
図３は、本発明に係る第１の実施の形態のタービンロータ１０の熱応力について説明するための、タービンロータ１０の子午断面を示す図である。図３には、線膨張係数が、高温側タービンロータ構成部材２０よりも低温側タービンロータ構成部材３０の方が大きい場合の熱応力分布が示されている。ここで、σ＋は、引張り応力、σ−は、圧縮応力を示す。また、点Ｐ３および点Ｐ４は、図２で示した点Ｐ３および点Ｐ４と同じである。
【００３１】
前述した従来のタービンロータの場合と同様に、線膨張係数が大きい低温側タービンロータ構成部材３０の方が高温側タービンロータ構成部材２０よりも熱伸びは大きくなり、それぞれの伸び差によって熱応力が生じる。しかしながら、第１の実施の形態のタービンロータ１０においては、ホイール部２２、３２どうしを接合するため、剛性の不連続により熱応力が緩和される。そのため、特に、点Ｐ３およびその近傍に生じる引張り応力および圧縮応力を低減することができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合部４０を有するホイール部２２、３２に動翼７０を植設する様子を示す斜視図である。図５は、本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合部４０を有するホイール部２２、３２に植設される動翼７０の他の構成を示す斜視図である。図６は、本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合部４０を有するホイール部２２、３２が周方向挿入型であるときの、ホイール部２２、３２の断面を示す図である。
【００３３】
図４には、ホイール部２２とホイール部３２との間に接合部４０を有する軸方向挿入型のホイール部２２、３２が示されている。このホイール部２２、３２を構成する接合部４０には、ホイール部２２およびホイール部３２と同様に、固定溝が形成されている。
【００３４】
動翼７０の植込部７１には、ホイール部２２、３２の固定溝に対応した溝が形成されているが、図４に示すように、植設後、接合部４０に対向する位置となる部分には、接合部４０の固定溝と嵌合する溝は形成されていない。このように、動翼７０の植込部７１を構成することで、ホイール部２２やホイール部３２に比べて強度の小さな接合部４０に、動翼７０からの荷重が直接作用しないようにすることができる。これによって、接合部４０の損傷を防止することができる。
【００３５】
また、図５に示すように、動翼７０の植込部７１を挿入方向に対して前方側と後方側に２分割した構成とし、植設後、接合部４０に対向する位置となる部分に植込部７１を有しない（植込部７１が切り欠かれた）構成としてもよい。
【００３６】
なお、図６に示すように、接合端部を構成するホイール部２２、３２は、軸方向挿入型に形成されてもよい。このホイール部２２、３２に植設される動翼７２は、アウトサイド型の植込部７３を有している。この植込部７３は、蒸気入口側と蒸気出口側に分岐されているため、接合部４０の熱応力を低減することができる。また、動翼７２の植込部７３が嵌合されたときでも、接合部４０の損傷を防止することができる。
【００３７】
上記したように、第１または第２の実施の形態のタービンロータ１０によれば、高温側タービンロータ構成部材２０と低温側タービンロータ構成部材３０とが、それぞれ異なる材料で構成され、例えば、それぞれを構成する材料の線膨張係数が異なる場合においても、ホイール部を溶接して接合することで、接合部４０およびその近傍の熱応力を低減することができる。
【００３８】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明に係る第３の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合端部の他の構成を説明するための、蒸気タービンのタービンロータ１０の一部を子午断面で示した図である。
【００３９】
図７に示すように、接合端部を構成するホイール部２２、３２の、接合面２３、３３を構成する側とは異なる側の根部が、直線的にロータ胴部２１、３１に向かってタービンロータ軸方向に広がる傾斜面２５、３５を備えるように構成されてもよい。例えば、超音波探傷試験などにより初層４０ａなどの接合部４０の状態を外部側から検査する際、接合端部を構成するホイール部２２、３２の根部に、曲面ではなく、上記した平面状の傾斜面２５、３５を備えることで、高い検出能で溶接欠陥の検査を行うことができる。さらに、例えば、超音波探傷試験などにより初層４０ａなどの接合部４０の状態を外部側から検査する際、接合部４０の初層４０ａ（接合部４０の最も内周に存在するビード層）と、ロータ胴部２１、３１との距離は、前述した従来のようにロータ胴部どうしを接合する場合に比べて短くなるため、高い検出能で溶接欠陥の検査を行うことができる。
【００４０】
（第４の実施の形態）
図８および図９は、本発明に係る第４の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の、接合部４０の検査用孔を説明するための、蒸気タービンのタービンロータ１０の一部を子午断面で示した子午断面を示す図である。
【００４１】
図８に示すように、接合端部を構成するホイール部３２に隣接するロータ胴部３１から中心孔６０に連通する検査用連通孔８０を設けてもよい。検査用連通孔８０のロータ胴部３１側の端部は、検査を行う以外のときには、封止部材８１によって封止されている。この検査用連通孔８０は、中心孔６０を介して間接的に中空部５０に連通している。例えば、ファイバースコープなどの先端を、検査用連通孔８０、中心孔６０および中空部５０を介して接合部４０の初層４０ａの近傍に挿入することで、初層４０ａの状態を観察することができる。なお、ここでは、ロータ胴部３１に検査用連通孔８０を設けた一例を示したが、検査用連通孔８０は、ロータ胴部２１に設けられてもよい。
【００４２】
また、図９に示すように、低温側タービンロータ構成部材３０の凹部３４の外縁部に、さらに円環状に凹部９０を設け、この凹部９０に連通するように、接合端部を構成するホイール部３２に隣接するロータ胴部３１から検査用連通孔８５を設けてもよい。凹部９０は、中空部５０を構成する一空間を構成している。検査用連通孔８５のロータ胴部３１側の端部は、検査を行う以外のときには、封止部材８６によって封止されている。この検査用連通孔８５は、直接的に中空部５０に連通している。この場合、ロータ胴部３１と凹部９０までの距離が短いため、容易に検査用連通孔８５を形成することができる。
【００４３】
なお、凹部９０を設けずに、接合端部を構成するホイール部３２に隣接するロータ胴部３１から中空部５０に連通する検査用連通孔８５を設けてもよい。また、検査用連通孔８５は、ロータ胴部２１に設けられてもよい。
【００４４】
（第５の実施の形態）
図１０は、本発明に係る第５の実施の形態の、蒸気タービンにおけるタービンロータ１１の一部を子午断面で示した図である。図１１は、本発明に係る第５の実施の形態のタービンロータ１１の他の構成を説明するための、タービンロータ１１の一部を子午断面で示した図である。なお、前述した実施の形態のタービンロータ１０と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。
【００４５】
図１０に示すように、タービンロータ１１は、高温側となる高温側タービンロータ構成部材１００と低温側となる低温側タービンロータ構成部材１１０とをタービンロータ軸方向に接合して一体化することで構成されている。
【００４６】
高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０は、円柱状のロータ胴部１０１、１１１と、このロータ胴部１０１、１１１から半径方向外側に突出するようにロータ胴部１０１、１１１の周方向に形成されたホイール部１０２、１１２とを備えている。このホイール部１０２、１１２は、タービンロータ軸方向に複数段設けられ、これらのホイール部１０２、１１２には、動翼が植設される。なお、ホイール部１０２、１１２は、タービンロータ軸方向に少なくとも一段設けられていればよい。
【００４７】
高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０の接合端部は、それぞれロータ胴部１０１、１１１で構成されている。
【００４８】
また、図１０に示すように、接合端部の近傍のロータ胴部１０１ａ、１１１ａの外径Ｄ４が、他の位置のロータ胴部１０１、１１１の外径Ｄ５よりも小さくなるように、接合端部の近傍のロータ胴部１０１ａ、１１１ａの周方向に亘って周方向凹部１０３、１１３が形成されている。すなわち、接合端部は、他の位置のロータ胴部１０１、１１１の外径Ｄ５と同じ外径を有し、この接合端部の近傍から隣接するホイール部１０２、１１２まので間に周方向凹部１０３、１１３が形成されている。そのため、周方向凹部１０３、１１３が形成されている部分のロータ胴部１０１ａ、１１１ａの外径Ｄ４は、他の位置のロータ胴部１０１、１１１の外径Ｄ５よりも小さくなる。
【００４９】
なお、周方向凹部１０３、１１３は、図１１に示すように、隣接するホイール部１０２、１１２の根部に至らないように構成されてもよい。
【００５０】
また、高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０の接合端部の外側面に構成される接合面１０４、１１４よりも中心側には、接合面１０４、１１４よりもタービンロータ軸方向に窪んだ凹部１０５、１１５が形成されている。この凹部１０５、１１５の深さは、遠心力による凹部の曲げ応力の増加を抑える理由から、高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０の接合端部のタービンロータ軸方向の厚さとほぼ同程度またはそれ以下とすることが好ましい。
【００５１】
そして、このような構成の、高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０の接合端部の接合面１０４、１１４どうしを、それぞれの中心軸が同軸となるように、溶接により接合して、タービンロータ軸方向に一体化することでタービンロータ１１が構成される。接合面１０４、１１４よりも中心側には、凹部１０５と凹部１１５とから構成される中空部１２０が形成される。なお、中空部１２０は、中心孔６０に直交するように連通している。また、接合部１３０の半径方向の長さ（ロータ胴部１０１、１１１の外径Ｄ５から中空部１２０の外径を減じて「２」で除したもの）は、ロータ胴部１０１、１１１、接合部１３０の強度、植込部の加工などにより影響を受けるが、第１の実施の形態と同等以上のねじり剛性を確保する理由から、第１の実施の形態のタービンロータ１０における接合部４０の半径方向の長さ（ホイール部２２、３２の外径Ｄ２から中空部５０の外径Ｄ３を減じて「２」で除したもの）（図２参照）とほぼ等しくなる。
【００５２】
高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０は、前述した第１の実施の形態の高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０と同様の材料で構成され、その組み合わせも第１の実施の形態の場合と同様である。
【００５３】
第５の実施の形態のタービンロータ１１によれば、接合端部の周縁部がその周囲のロータ胴部１０１ａ、１１１ａよりも半径方向外側に突出した形状を有することで、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合端部を設けたときと同様の作用効果が得られる。具体的には、半径方向外側に突出した接合端部の周縁部の周囲には蒸気が流れ、周縁部の周囲において蒸気との熱伝達が行われる。そのため、周縁部においては、ほぼ均等な温度となり、温度差が大きくなるのは、周縁部よりも内部側（接合端部の近傍のロータ胴部１０１ａ、１１１ａの外径Ｄ４よりも内側）の接合部１３０およびその近傍のみとなる。なお、この温度差が大きくなる内部側の半径方向の長さは、前述した従来のタービンロータ２００の温度差が大きくなる距離Ｌａに比べて短い。
【００５４】
このように、第５の実施の形態のタービンロータ１１では、温度差が大きくなる領域を縮小することができるため、熱応力を低減することができる。
【００５５】
上記した第１〜第５の実施の形態のタービンロータ１０、１１は、例えば、高圧タービン、中圧タービンまたは低圧タービンなどに適用される。この際、タービンロータ１０、１１は、高温側タービンロータ構成部材２０、１００が高温側、低温側タービンロータ構成部材３０、１１０が低温側となるように構成される。また、高温側タービンロータ構成部材２０、１００と低温側タービンロータ構成部材３０、１１０の組み合わせは、適用される蒸気タービンの運転条件などに基づいて決定される。
【００５６】
以上説明したこれらの実施の形態によれば、異材からなるタービンロータどうしを溶接した場合においても、タービンロータに発生する熱応力を低減することができる。
【００５７】
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。
【符号の説明】
【００５８】
１０、１１…タービンロータ、２０、１００…高温側タービンロータ構成部材、２１、３１、１０１、１０１ａ、１１１、１１１ａ…ロータ胴部、２２、３２、１０２、１１２…ホイール部、２３、３３、１０４、１１４…接合面、２４、３４、９０、１０５、１１５…凹部、２５…傾斜面、３０、１１０…低温側タービンロータ構成部材、４０、１３０…接合部、４０ａ…初層、５０、１２０…中空部、６０…中心孔、７０、７２…動翼、７１、７３…植込部、８０、８５…検査用連通孔、８１、８６…封止部材、１０３…周方向凹部。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンに備えられるタービンロータおよび蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンのタービンロータとして、複数のタービンロータ構成部材を軸方向に溶接により接合して構成されたものが使用されている。複数のタービンロータ構成部材を溶接して構成された溶接タービンロータを使用することによって、起動停止時の熱応力の低減や、上流段落と下流段落で強度特性が異なるタービンロータを実現することができる。これによって、蒸気タービンの性能向上や製造コストの低減を図ることができる。
【０００３】
図１２は、従来の蒸気タービンのタービンロータ２００の一部を子午断面で示した図である。図１２に示すように、タービンロータ２００では、高温側となる高温側タービンロータ構成部材２０１と低温側となる低温側タービンロータ構成部材２０２とが、隣接するホイール部２０３間のロータ胴部２０４に形成された接合部２０５において接合されている。接合部２０５の半径方向の厚さ（接合部の半径方向の長さ）は、タービンロータ２００に必要な剛性、すなわちトルク伝達に対して必要となるねじり断面係数や回転同期に伴うロータ曲げに対して必要となる断面係数によって決められる。これらの断面係数は、中実断面と中空断面での差が小さいことから、溶接施工と機械加工の工数を考慮し、溶接を外表面から一定の深さまでの範囲とし、それよりも中心側には中空部２０６が形成されている。また、タービンロータ２００の中心軸に沿って中心孔２０７が形成されている。
【０００４】
図１３は、図１２に示したタービンロータ２００における起動停止時などの非定常熱応力の発生メカニズムを示すための、タービンロータ２００の子午断面を示す図である。蒸気Ｓは、タービンロータ２００の外表面に沿って、上流側から下流側へ流れる。蒸気タービンの起動時において、外表面を流れる蒸気の温度は、時間とともに上昇するが、大きな熱容量を有するタービンロータ２００の温度上昇は、蒸気Ｓの温度上昇に対して遅れる。そのため、タービンロータ２００の外表面と内部との間で温度差が生じ、熱応力が発生する。一方、蒸気タービンの停止時は、蒸気Ｓの温度低下に対してタービンロータ２００の温度低下が遅れる。そのため、タービンロータ２００の外表面と内部との間で温度差が生じ、熱応力が発生する。すなわち、蒸気タービンの起動時には、タービンロータ２００の外表面の温度がタービンロータ２００の内部に比べて高くなり、タービンロータ２００の表面には圧縮熱応力が生じる。一方、蒸気タービンの停止時には、タービンロータ２００の外表面の温度がタービンロータ２００の内部に比べて低くなり、タービンロータ２００の表面には引張り熱応力が生じる。
【０００５】
ここで、接合部２０５近傍の平均熱応力を検討するため、接合部２０５の外表面を点Ｐ１、接合部２０５の内周面（接合部２０５の初層部の内周面）を点Ｐ２とする。非定常熱応力は、タービンロータ２００の外表面と内部との間の熱伝導による温度差に起因するため、熱伝達条件が同じなら点Ｐ１と点Ｐ２との間の距離Ｌａが長くなると大きくなる。この距離Ｌａは、上記した接合部２０５の半径方向の厚さに相当し、タービンロータ２００におけるトルク伝達に対して必要となるねじり断面係数や回転同期に伴うロータ曲げに対して必要となる断面係数によって決められるものである。なお、距離Ｌａは、ロータ胴部２０４の外径（Ｄａ）から中空部２０６の外径（Ｄｂ）を減じて「２」で除すことで求められる。
【０００６】
また、タービンロータは、異材からなるタービンロータ構成部材どうしを接合して構成されることがある。図１４は、図１２に示したタービンロータ２００が異材からなるタービンロータ構成部材から構成された場合の熱応力について説明するための、タービンロータ２００の子午断面を示す図である。
【０００７】
高温側タービンロータ構成部材２０１と低温側タービンロータ構成部材２０２とを構成する材料の組み合わせとして、例えば、高Ｃｒ鋼と低合金鋼、Ｎｉ基超合金と高Ｃｒ鋼、Ｎｉ基超合金と低合金鋼などが考えられる。これらの材料の組合せでは、両材料の線膨張係数の差により熱応力が発生する。図１４では、線膨張係数が、高温側タービンロータ構成部材２０１よりも低温側タービンロータ構成部材２０２の方が大きい場合の熱応力分布が示されている。ここで、σ＋は、引張り応力、σ−は、圧縮応力を示す。また、点Ｐ１および点Ｐ２は、図１３で示した点Ｐ１および点Ｐ２と同じである。
【０００８】
線膨張係数が大きい低温側タービンロータ構成部材２０２の方が高温側タービンロータ構成部材２０１よりも熱伸びは大きくなり、それぞれの伸び差によって熱応力が生じる。例えば、ホイール部の根部などでは剛性が大きく変わるため、応力集中により、熱応力は高くなる。そして、接合部２０５の周辺の高い熱応力により、接合部２０５の熱応力は高くなる。
【０００９】
蒸気タービンの起動時と停止時の熱応力のピークは定格時の応力に比べて高く、非定常熱応力は、タービンロータ２００の熱疲労の原因となる。接合部２０５近傍の熱応力は、温度差によって生じる平均熱応力と、端部や接合界面などの応力集中によって支配される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−５０００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記したように、大型で厚肉構造物であるタービンロータでは、起動時や停止時にタービンロータの表面と内部との間に生じる温度差によって、非定常熱応力が高くなることある。また、異材からなるタービンロータ構成部材どうしを接合して構成されたタービンロータでは、材料の線膨張係数、熱伝導率、比熱など熱特性の違いによる熱応力も発生する。特に、高Ｃｒ鋼からなるタービンロータ構成部材と、低合金鋼からなるタービンロータ構成部材とを接合して構成されたタービンロータ、あるいは、高Ｃｒ鋼からなるタービンロータ構成部材と、Ｎｉ基超合金からなるタービンロータ構成部材とを接合して構成されたタービンロータでは、上記したように、両材料の線膨張係数の違いにより、溶接部およびその近傍に高い熱応力が生じ、非定常熱応力を増加させる。
【００１２】
また、タービンロータ構成部材どうしを接合して構成されたタービンロータでは、高い熱応力が溶接部近傍に生じることで、タービンロータ全体としての強度や信頼性が問題となる。特に、中、高温域で使用される高圧タービンや中圧タービンのタービンロータとして使用するときには、これらの問題の解決が重要となり、溶接部における熱応力の低減が重要な課題となる。
【００１３】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、タービンロータ構成部材どうしをタービンロータ軸方向に接合する溶接部およびその近傍に生じる熱応力を低減することができる蒸気タービンのタービンロータ、およびこのタービンロータを備えた蒸気タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態の蒸気タービンのタービンロータは、タービンロータ構成部材どうしをタービンロータ軸方向に接合して構成されている。前記タービンロータ構成部材は、円柱状のロータ胴部と、前記ロータ胴部の周方向に半径方向外側に突出するように形成され、かつタービンロータ軸方向に少なくとも一段形成され、動翼が植設されるホイール部と、前記ホイール部で構成された、前記タービンロータ構成部材どうしを接合するための接合端部と、前記接合端部の接合面よりも中心側に形成された、前記接合面よりも窪んだ凹部とを備えている。また、前記タービンロータ構成部材の接合端部の接合面どうしが溶接により接合されて一体化され、前記接合面よりも中心側に前記凹部による中空部が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の、蒸気タービンにおけるタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図２】図１に示したタービンロータにおける起動停止時などの非定常熱応力の発生メカニズムを示すための、タービンロータの子午断面を示す図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態のタービンロータの熱応力について説明するための、タービンロータの子午断面を示す図である。
【図４】本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの接合部を有するホイール部に動翼を植設する様子を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの接合部を有するホイール部に植設される動翼の他の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの接合部を有するホイール部が周方向挿入型であるときの、ホイール部の断面を示す図である。
【図７】本発明に係る第３の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの接合端部の他の構成を説明するための、蒸気タービンのタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図８】本発明に係る第４の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの、接合部の検査用孔を説明するための、蒸気タービンのタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図９】本発明に係る第４の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータの、接合部の検査用孔を説明するための、蒸気タービンのタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図１０】本発明に係る第５の実施の形態の、蒸気タービンにおけるタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図１１】本発明に係る第５の実施の形態のタービンロータの他の構成を説明するための、タービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図１２】従来の蒸気タービンのタービンロータの一部を子午断面で示した図である。
【図１３】図１２に示したタービンロータにおける起動停止時などの非定常熱応力の発生メカニズムを示すための、タービンロータの子午断面を示す図である。
【図１４】図１２に示したタービンロータが異材からなるタービンロータ構成部材から構成された場合の熱応力について説明するための、タービンロータの子午断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の、蒸気タービンにおけるタービンロータ１０の一部を子午断面で示した図である。
【００１８】
図１に示すように、タービンロータ１０は、高温側となる高温側タービンロータ構成部材２０と低温側となる低温側タービンロータ構成部材３０とをタービンロータ軸方向に接合して一体化することで構成されている。
【００１９】
高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０は、円柱状のロータ胴部２１、３１と、このロータ胴部２１、３１から半径方向外側に突出するように、ロータ胴部２１、３１の周方向に形成されたホイール部２２、３２とを備えている。このホイール部２２、３２は、タービンロータ軸方向に複数段設けられ、これらのホイール部２２、３２には、動翼が植設される。なお、ホイール部２２、３２は、タービンロータ軸方向に少なくとも一段設けられていればよい。
【００２０】
高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０の接合端部は、それぞれホイール部２２、３２で構成されている。なお、接合端部を構成するホイール部２２、３２のタービンロータ軸方向の幅は、他の位置のホイール部２２、３２のタービンロータ軸方向の幅よりも薄く形成されている。そして、双方の接合端部の幅および接合部４０のタービンロータ軸方向の幅を合計した幅が、他の位置のホイール部２２、３２のタービンロータ軸方向の幅とほぼ等しくなるように構成されている。
【００２１】
また、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０の接合端部の外側面に構成される接合面２３、３３よりも中心側には、接合面２３、３３よりもタービンロータ軸方向に窪んだ凹部２４、３４が形成されている。この凹部２４、３４の深さは、遠心力による凹部の曲げ応力の増加を抑える理由から、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０の接合端部のタービンロータ軸方向の厚さとほぼ同程度またはそれ以下とすることが好ましい。
【００２２】
そして、このような構成の、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０の接合端部の接合面２３、３３どうしを、それぞれの中心軸が同軸となるように、溶接により接合して、タービンロータ軸方向に一体化することでタービンロータ１０が構成される。接合面２３、３３よりも中心側には、凹部２４と凹部３４とから構成される中空部５０が形成される。なお、タービンロータ１０の中心軸に沿って中心孔６０が形成されており、中空部５０は、この中心孔６０に直交するように連通している。
【００２３】
なお、溶接は、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０を回転させながら、接合面２３、３３の内周側から外周側に向かって行われる。
【００２４】
ここで、高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０は、それぞれ異なる材料で構成することができる。高温側タービンロータ構成部材２０と低温側タービンロータ構成部材３０とを構成する材料の組み合わせとして、例えば、高Ｃｒ鋼と低合金鋼、Ｎｉ基超合金と高Ｃｒ鋼、Ｎｉ基超合金と低合金鋼などが例示できる。
【００２５】
図２は、図１に示したタービンロータ１０における起動停止時などの非定常熱応力の発生メカニズムを示すための、タービンロータ１０の子午断面を示す図である。図２では、接合部４０の外表面を点Ｐ３、接合部４０の内周面（接合部４０の初層部の内周面）を点Ｐ４、ロータ胴部２１、３１の外径に対応する位置を点Ｐ５とする。
【００２６】
蒸気Ｓは、図２に示すように、タービンロータ１０の外表面に沿って、上流側から下流側へ流れる。前述したように、蒸気タービンの起動時には、タービンロータ１０の外表面の温度がタービンロータ１０の内部に比べて高くなり、タービンロータ１０の表面には圧縮熱応力が生じる。一方、蒸気タービンの停止時には、タービンロータ１０の外表面の温度がタービンロータ１０の内部に比べて低くなり、タービンロータ１０の表面には引張り熱応力が生じる。
【００２７】
ここで、ロータ胴部２１、３１の外径Ｄ１およびホイール部２２、３２の外径Ｄ２は、タービンロータ１０の設計仕様によって決まる。また、接合部４０のトルク伝達、ねじり、曲げに必要な剛性は、点Ｐ３および点Ｐ４の位置によって決まる。例えば、点Ｐ３と点Ｐ４との間の距離（ホイール部２２、３２の外径Ｄ２から中空部５０の外径Ｄ３を減じて「２」で除したもの）は、ロータ胴部、溶接部の強度、植込部の加工などにより影響を受けるが、最もタービンロータ構造への影響が高いねじりについては、断面二次極モーメントが外径の４乗と内径の４乗の差に比例することから、前述した従来のタービンロータ２００における点Ｐ１と点Ｐ２との間の距離Ｌａ（図１３参照）とほぼ等しくすることで、同等以上のねじり剛性が確保できることになる。
【００２８】
一方、図２に示すように、接合端部を構成するホイール部２２、３２の周囲には蒸気Ｓが流れ、ホイール部２２、３２の周囲において蒸気Ｓとの熱伝達が行われる。そのため、点Ｐ３と点Ｐ５との間においては、ほぼ均等な温度となり、温度差が大きくなるのは、点Ｐ５と点Ｐ４との間（距離Ｌ１）のみとなる。なお、この距離Ｌ１は、従来のタービンロータ２００の温度差が大きくなる距離Ｌａに比べて小さい。
【００２９】
このように第１の実施の形態のタービンロータ１０では、温度差が大きくなる領域をＰ５と点Ｐ４との間（距離Ｌ１）に縮小することができるため、温度差が小さくなり、熱応力を低減することができる。
【００３０】
図３は、本発明に係る第１の実施の形態のタービンロータ１０の熱応力について説明するための、タービンロータ１０の子午断面を示す図である。図３には、線膨張係数が、高温側タービンロータ構成部材２０よりも低温側タービンロータ構成部材３０の方が大きい場合の熱応力分布が示されている。ここで、σ＋は、引張り応力、σ−は、圧縮応力を示す。また、点Ｐ３および点Ｐ４は、図２で示した点Ｐ３および点Ｐ４と同じである。
【００３１】
前述した従来のタービンロータの場合と同様に、線膨張係数が大きい低温側タービンロータ構成部材３０の方が高温側タービンロータ構成部材２０よりも熱伸びは大きくなり、それぞれの伸び差によって熱応力が生じる。しかしながら、第１の実施の形態のタービンロータ１０においては、ホイール部２２、３２どうしを接合するため、剛性の不連続により熱応力が緩和される。そのため、特に、点Ｐ３およびその近傍に生じる引張り応力および圧縮応力を低減することができる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合部４０を有するホイール部２２、３２に動翼７０を植設する様子を示す斜視図である。図５は、本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合部４０を有するホイール部２２、３２に植設される動翼７０の他の構成を示す斜視図である。図６は、本発明に係る第２の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合部４０を有するホイール部２２、３２が周方向挿入型であるときの、ホイール部２２、３２の断面を示す図である。
【００３３】
図４には、ホイール部２２とホイール部３２との間に接合部４０を有する軸方向挿入型のホイール部２２、３２が示されている。このホイール部２２、３２を構成する接合部４０には、ホイール部２２およびホイール部３２と同様に、固定溝が形成されている。
【００３４】
動翼７０の植込部７１には、ホイール部２２、３２の固定溝に対応した溝が形成されているが、図４に示すように、植設後、接合部４０に対向する位置となる部分には、接合部４０の固定溝と嵌合する溝は形成されていない。このように、動翼７０の植込部７１を構成することで、ホイール部２２やホイール部３２に比べて強度の小さな接合部４０に、動翼７０からの荷重が直接作用しないようにすることができる。これによって、接合部４０の損傷を防止することができる。
【００３５】
また、図５に示すように、動翼７０の植込部７１を挿入方向に対して前方側と後方側に２分割した構成とし、植設後、接合部４０に対向する位置となる部分に植込部７１を有しない（植込部７１が切り欠かれた）構成としてもよい。
【００３６】
なお、図６に示すように、接合端部を構成するホイール部２２、３２は、軸方向挿入型に形成されてもよい。このホイール部２２、３２に植設される動翼７２は、アウトサイド型の植込部７３を有している。この植込部７３は、蒸気入口側と蒸気出口側に分岐されているため、接合部４０の熱応力を低減することができる。また、動翼７２の植込部７３が嵌合されたときでも、接合部４０の損傷を防止することができる。
【００３７】
上記したように、第１または第２の実施の形態のタービンロータ１０によれば、高温側タービンロータ構成部材２０と低温側タービンロータ構成部材３０とが、それぞれ異なる材料で構成され、例えば、それぞれを構成する材料の線膨張係数が異なる場合においても、ホイール部を溶接して接合することで、接合部４０およびその近傍の熱応力を低減することができる。
【００３８】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明に係る第３の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合端部の他の構成を説明するための、蒸気タービンのタービンロータ１０の一部を子午断面で示した図である。
【００３９】
図７に示すように、接合端部を構成するホイール部２２、３２の、接合面２３、３３を構成する側とは異なる側の根部が、直線的にロータ胴部２１、３１に向かってタービンロータ軸方向に広がる傾斜面２５、３５を備えるように構成されてもよい。例えば、超音波探傷試験などにより初層４０ａなどの接合部４０の状態を外部側から検査する際、接合端部を構成するホイール部２２、３２の根部に、曲面ではなく、上記した平面状の傾斜面２５、３５を備えることで、高い検出能で溶接欠陥の検査を行うことができる。さらに、例えば、超音波探傷試験などにより初層４０ａなどの接合部４０の状態を外部側から検査する際、接合部４０の初層４０ａ（接合部４０の最も内周に存在するビード層）と、ロータ胴部２１、３１との距離は、前述した従来のようにロータ胴部どうしを接合する場合に比べて短くなるため、高い検出能で溶接欠陥の検査を行うことができる。
【００４０】
（第４の実施の形態）
図８および図９は、本発明に係る第４の実施の形態を示し、第１の実施の形態のタービンロータ１０の、接合部４０の検査用孔を説明するための、蒸気タービンのタービンロータ１０の一部を子午断面で示した子午断面を示す図である。
【００４１】
図８に示すように、接合端部を構成するホイール部３２に隣接するロータ胴部３１から中心孔６０に連通する検査用連通孔８０を設けてもよい。検査用連通孔８０のロータ胴部３１側の端部は、検査を行う以外のときには、封止部材８１によって封止されている。この検査用連通孔８０は、中心孔６０を介して間接的に中空部５０に連通している。例えば、ファイバースコープなどの先端を、検査用連通孔８０、中心孔６０および中空部５０を介して接合部４０の初層４０ａの近傍に挿入することで、初層４０ａの状態を観察することができる。なお、ここでは、ロータ胴部３１に検査用連通孔８０を設けた一例を示したが、検査用連通孔８０は、ロータ胴部２１に設けられてもよい。
【００４２】
また、図９に示すように、低温側タービンロータ構成部材３０の凹部３４の外縁部に、さらに円環状に凹部９０を設け、この凹部９０に連通するように、接合端部を構成するホイール部３２に隣接するロータ胴部３１から検査用連通孔８５を設けてもよい。凹部９０は、中空部５０を構成する一空間を構成している。検査用連通孔８５のロータ胴部３１側の端部は、検査を行う以外のときには、封止部材８６によって封止されている。この検査用連通孔８５は、直接的に中空部５０に連通している。この場合、ロータ胴部３１と凹部９０までの距離が短いため、容易に検査用連通孔８５を形成することができる。
【００４３】
なお、凹部９０を設けずに、接合端部を構成するホイール部３２に隣接するロータ胴部３１から中空部５０に連通する検査用連通孔８５を設けてもよい。また、検査用連通孔８５は、ロータ胴部２１に設けられてもよい。
【００４４】
（第５の実施の形態）
図１０は、本発明に係る第５の実施の形態の、蒸気タービンにおけるタービンロータ１１の一部を子午断面で示した図である。図１１は、本発明に係る第５の実施の形態のタービンロータ１１の他の構成を説明するための、タービンロータ１１の一部を子午断面で示した図である。なお、前述した実施の形態のタービンロータ１０と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。
【００４５】
図１０に示すように、タービンロータ１１は、高温側となる高温側タービンロータ構成部材１００と低温側となる低温側タービンロータ構成部材１１０とをタービンロータ軸方向に接合して一体化することで構成されている。
【００４６】
高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０は、円柱状のロータ胴部１０１、１１１と、このロータ胴部１０１、１１１から半径方向外側に突出するようにロータ胴部１０１、１１１の周方向に形成されたホイール部１０２、１１２とを備えている。このホイール部１０２、１１２は、タービンロータ軸方向に複数段設けられ、これらのホイール部１０２、１１２には、動翼が植設される。なお、ホイール部１０２、１１２は、タービンロータ軸方向に少なくとも一段設けられていればよい。
【００４７】
高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０の接合端部は、それぞれロータ胴部１０１、１１１で構成されている。
【００４８】
また、図１０に示すように、接合端部の近傍のロータ胴部１０１ａ、１１１ａの外径Ｄ４が、他の位置のロータ胴部１０１、１１１の外径Ｄ５よりも小さくなるように、接合端部の近傍のロータ胴部１０１ａ、１１１ａの周方向に亘って周方向凹部１０３、１１３が形成されている。すなわち、接合端部は、他の位置のロータ胴部１０１、１１１の外径Ｄ５と同じ外径を有し、この接合端部の近傍から隣接するホイール部１０２、１１２まので間に周方向凹部１０３、１１３が形成されている。そのため、周方向凹部１０３、１１３が形成されている部分のロータ胴部１０１ａ、１１１ａの外径Ｄ４は、他の位置のロータ胴部１０１、１１１の外径Ｄ５よりも小さくなる。
【００４９】
なお、周方向凹部１０３、１１３は、図１１に示すように、隣接するホイール部１０２、１１２の根部に至らないように構成されてもよい。
【００５０】
また、高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０の接合端部の外側面に構成される接合面１０４、１１４よりも中心側には、接合面１０４、１１４よりもタービンロータ軸方向に窪んだ凹部１０５、１１５が形成されている。この凹部１０５、１１５の深さは、遠心力による凹部の曲げ応力の増加を抑える理由から、高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０の接合端部のタービンロータ軸方向の厚さとほぼ同程度またはそれ以下とすることが好ましい。
【００５１】
そして、このような構成の、高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０の接合端部の接合面１０４、１１４どうしを、それぞれの中心軸が同軸となるように、溶接により接合して、タービンロータ軸方向に一体化することでタービンロータ１１が構成される。接合面１０４、１１４よりも中心側には、凹部１０５と凹部１１５とから構成される中空部１２０が形成される。なお、中空部１２０は、中心孔６０に直交するように連通している。また、接合部１３０の半径方向の長さ（ロータ胴部１０１、１１１の外径Ｄ５から中空部１２０の外径を減じて「２」で除したもの）は、ロータ胴部１０１、１１１、接合部１３０の強度、植込部の加工などにより影響を受けるが、第１の実施の形態と同等以上のねじり剛性を確保する理由から、第１の実施の形態のタービンロータ１０における接合部４０の半径方向の長さ（ホイール部２２、３２の外径Ｄ２から中空部５０の外径Ｄ３を減じて「２」で除したもの）（図２参照）とほぼ等しくなる。
【００５２】
高温側タービンロータ構成部材１００および低温側タービンロータ構成部材１１０は、前述した第１の実施の形態の高温側タービンロータ構成部材２０および低温側タービンロータ構成部材３０と同様の材料で構成され、その組み合わせも第１の実施の形態の場合と同様である。
【００５３】
第５の実施の形態のタービンロータ１１によれば、接合端部の周縁部がその周囲のロータ胴部１０１ａ、１１１ａよりも半径方向外側に突出した形状を有することで、第１の実施の形態のタービンロータ１０の接合端部を設けたときと同様の作用効果が得られる。具体的には、半径方向外側に突出した接合端部の周縁部の周囲には蒸気が流れ、周縁部の周囲において蒸気との熱伝達が行われる。そのため、周縁部においては、ほぼ均等な温度となり、温度差が大きくなるのは、周縁部よりも内部側（接合端部の近傍のロータ胴部１０１ａ、１１１ａの外径Ｄ４よりも内側）の接合部１３０およびその近傍のみとなる。なお、この温度差が大きくなる内部側の半径方向の長さは、前述した従来のタービンロータ２００の温度差が大きくなる距離Ｌａに比べて短い。
【００５４】
このように、第５の実施の形態のタービンロータ１１では、温度差が大きくなる領域を縮小することができるため、熱応力を低減することができる。
【００５５】
上記した第１〜第５の実施の形態のタービンロータ１０、１１は、例えば、高圧タービン、中圧タービンまたは低圧タービンなどに適用される。この際、タービンロータ１０、１１は、高温側タービンロータ構成部材２０、１００が高温側、低温側タービンロータ構成部材３０、１１０が低温側となるように構成される。また、高温側タービンロータ構成部材２０、１００と低温側タービンロータ構成部材３０、１１０の組み合わせは、適用される蒸気タービンの運転条件などに基づいて決定される。
【００５６】
以上説明したこれらの実施の形態によれば、異材からなるタービンロータどうしを溶接した場合においても、タービンロータに発生する熱応力を低減することができる。
【００５７】
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。
【符号の説明】
【００５８】
１０、１１…タービンロータ、２０、１００…高温側タービンロータ構成部材、２１、３１、１０１、１０１ａ、１１１、１１１ａ…ロータ胴部、２２、３２、１０２、１１２…ホイール部、２３、３３、１０４、１１４…接合面、２４、３４、９０、１０５、１１５…凹部、２５…傾斜面、３０、１１０…低温側タービンロータ構成部材、４０、１３０…接合部、４０ａ…初層、５０、１２０…中空部、６０…中心孔、７０、７２…動翼、７１、７３…植込部、８０、８５…検査用連通孔、８１、８６…封止部材、１０３…周方向凹部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのタービンロータ構成部材をタービンロータ軸方向に接合して構成されたタービンロータにおいて、
前記タービンロータ構成部材が、
円柱状のロータ胴部と、
前記ロータ胴部の周方向に半径方向外側に突出するように形成され、かつタービンロータ軸方向に少なくとも一段形成され、動翼が植設されるホイール部と、
前記ホイール部で構成された、前記タービンロータ構成部材どうしを接合するための接合端部と、
前記接合端部の接合面よりも中心側に形成された、前記接合面よりも窪んだ凹部と
を備え、
前記タービンロータ構成部材の接合端部の接合面どうしが溶接により接合されて一体化され、前記接合面よりも中心側に前記凹部による中空部が形成されていることを特徴とする蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項２】
少なくとも２つのタービンロータ構成部材をタービンロータ軸方向に接合して構成されたタービンロータにおいて、
前記タービンロータ構成部材が、
円柱状のロータ胴部と、
前記ロータ胴部の周方向に半径方向外側に突出するように形成され、かつタービンロータ軸方向に少なくとも一段形成され、動翼が植設されるホイール部と、
前記ロータ胴部で構成された、前記タービンロータ構成部材どうしを接合するための接合端部と、
前記接合端部の近傍のロータ胴部の外径が、他の位置のロータ胴部の外径よりも小さくなるように、前記接合端部の近傍のロータ胴部の周方向に亘って形成された周方向凹部と、
前記接合端部の接合面よりも中心側に形成された、前記接合面よりも窪んだ凹部と
を備え、
前記タービンロータ構成部材の接合端部の接合面どうしが溶接により接合されて一体化され、前記接合面よりも中心側に前記凹部による中空部が形成されていることを特徴とする蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項３】
接合される前記タービンロータ構成部材が、それぞれ異なる材料で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項４】
接合される前記タービンロータ構成部材のうち、高温側に配置される前記タービンロータ構成部材が高Ｃｒ鋼で構成され、低温側に配置される前記タービンロータ構成部材が低合金鋼で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項５】
接合される前記タービンロータ構成部材のうち、高温側に配置される前記タービンロータ構成部材がＮｉ基超合金で構成され、低温側に配置される前記タービンロータ構成部材が高Ｃｒ鋼または低合金鋼で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項６】
前記接合端部を構成するホイール部の、前記接合面を構成する側とは異なる側の根部が、直線的に前記ロータ胴部に向かってタービンロータ軸方向に広がる傾斜面を備えていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項７】
前記接合端部を構成するホイール部に隣接するロータ胴部に、直接的または間接的に前記中空部に連通する連通孔が形成されていることを特徴とする請求項１または６記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項記載の蒸気タービンのタービンロータを備えたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項９】
前記蒸気タービンが、請求項１、６または７のいずれか１項記載のタービンロータを備える場合において、前記接合端部どうしを接合する接合部に動翼の植込部が係合することなく、前記動翼が植設されていることを特徴とする請求項８記載の蒸気タービン。
【請求項１】
少なくとも２つのタービンロータ構成部材をタービンロータ軸方向に接合して構成されたタービンロータにおいて、
前記タービンロータ構成部材が、
円柱状のロータ胴部と、
前記ロータ胴部の周方向に半径方向外側に突出するように形成され、かつタービンロータ軸方向に少なくとも一段形成され、動翼が植設されるホイール部と、
前記ホイール部で構成された、前記タービンロータ構成部材どうしを接合するための接合端部と、
前記接合端部の接合面よりも中心側に形成された、前記接合面よりも窪んだ凹部と
を備え、
前記タービンロータ構成部材の接合端部の接合面どうしが溶接により接合されて一体化され、前記接合面よりも中心側に前記凹部による中空部が形成されていることを特徴とする蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項２】
少なくとも２つのタービンロータ構成部材をタービンロータ軸方向に接合して構成されたタービンロータにおいて、
前記タービンロータ構成部材が、
円柱状のロータ胴部と、
前記ロータ胴部の周方向に半径方向外側に突出するように形成され、かつタービンロータ軸方向に少なくとも一段形成され、動翼が植設されるホイール部と、
前記ロータ胴部で構成された、前記タービンロータ構成部材どうしを接合するための接合端部と、
前記接合端部の近傍のロータ胴部の外径が、他の位置のロータ胴部の外径よりも小さくなるように、前記接合端部の近傍のロータ胴部の周方向に亘って形成された周方向凹部と、
前記接合端部の接合面よりも中心側に形成された、前記接合面よりも窪んだ凹部と
を備え、
前記タービンロータ構成部材の接合端部の接合面どうしが溶接により接合されて一体化され、前記接合面よりも中心側に前記凹部による中空部が形成されていることを特徴とする蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項３】
接合される前記タービンロータ構成部材が、それぞれ異なる材料で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項４】
接合される前記タービンロータ構成部材のうち、高温側に配置される前記タービンロータ構成部材が高Ｃｒ鋼で構成され、低温側に配置される前記タービンロータ構成部材が低合金鋼で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項５】
接合される前記タービンロータ構成部材のうち、高温側に配置される前記タービンロータ構成部材がＮｉ基超合金で構成され、低温側に配置される前記タービンロータ構成部材が高Ｃｒ鋼または低合金鋼で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項６】
前記接合端部を構成するホイール部の、前記接合面を構成する側とは異なる側の根部が、直線的に前記ロータ胴部に向かってタービンロータ軸方向に広がる傾斜面を備えていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項７】
前記接合端部を構成するホイール部に隣接するロータ胴部に、直接的または間接的に前記中空部に連通する連通孔が形成されていることを特徴とする請求項１または６記載の蒸気タービンのタービンロータ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項記載の蒸気タービンのタービンロータを備えたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項９】
前記蒸気タービンが、請求項１、６または７のいずれか１項記載のタービンロータを備える場合において、前記接合端部どうしを接合する接合部に動翼の植込部が係合することなく、前記動翼が植設されていることを特徴とする請求項８記載の蒸気タービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−４７０６２（Ｐ２０１２−４７０６２Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８７３５７（Ｐ２０１０−１８７３５７）
【出願日】平成２２年８月２４日（２０１０．８．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２４日（２０１０．８．２４）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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