蒸気タービンロータ及びその製造方法
【課題】本発明は、高圧側ロータと低圧側ロータの中間の特性を有する金属を高圧側ロータの端部に肉盛溶接することなく溶接部の強度を確保できると共に残留応力を低減できる蒸気タービンロータを提供することにある。
【解決手段】本発明は、溶接時における低圧側ロータ３の熱容量を高圧側ロータ２の熱容量よりも大きくした状態で、両者を溶接接合したのである。
これにより、溶接時に低圧側ロータ３が高温で焼鈍されることがなくなり、その結果、溶接部の強度確保と残留応力の低減を両立させるのである。
【解決手段】本発明は、溶接時における低圧側ロータ３の熱容量を高圧側ロータ２の熱容量よりも大きくした状態で、両者を溶接接合したのである。
これにより、溶接時に低圧側ロータ３が高温で焼鈍されることがなくなり、その結果、溶接部の強度確保と残留応力の低減を両立させるのである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気タービンロータ及びその製造方法に係り、特に、低圧側ロータと高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、大型蒸気タービンのロータは、軸長が長大になりしかも高圧側ロータには高温クリープ破断強度が要求され、低圧側ロータには引張強度と靭性とが要求されるので、一部材で蒸気タービンロータを形成した場合、各特性を満足させることができなかった。そこで、高圧側ロータを高温クリープ破断強度に優れた材料で形成し、低圧側ロータを引張強度と靭性に優れた材料で形成し、その後、これらを溶接によって一体化している。
【０００３】
しかしながら、高圧側ロータと低圧側ロータとを溶接した場合、溶接部近傍に材料の違いに基づく熱応力が発生する。そこで、この熱応力を除去するために焼鈍作業を行なう必要があるが、この焼鈍作業によって材料の異なる高圧側ロータと低圧側ロータとの熱応力を同じように除去することはできなかった。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１に示すように、高圧側ロータと低圧側ロータの中間の特性を有する金属を高圧側ロータの端部に肉盛溶接、所謂バタリング層を形成して焼鈍作業を来ない、その後、この肉盛溶接した部分に低圧側ロータを溶接して焼鈍作業を行なっていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−６４８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記バタリング層を形成して高圧側ロータと低圧側ロータを溶接により一体化する技術は、高圧側ロータの端部へのバタリング層の溶接と、高圧側ロータに適した焼鈍作業と、バタリング層の端面への開先加工と、バタリング層と低圧側ロータとの溶接と、低圧側ロータに適した焼鈍作業とを必要とするために、多大な作業と労力を必要としていた。
【０００７】
本発明の目的は、バタリング層を必要とせずに溶接部の強度を確保できると共に残留応力を低減できる蒸気タービンロータ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明者等は、バタリング層及びその開先加工を必要とせず、しかも必要最小限の焼鈍作業を行なうことで、溶接部の強度を確保できると共に残留応力を低減できる蒸気タービンロータの溶接部の構造を検証した。
【０００９】
図７は、製造時の最終焼き戻し温度が６６０℃のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材を含む高圧側ロータと、製造時の最終焼き戻し温度が６００℃のＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材を含む低圧側ロータとを直接溶接したときの溶接部近傍の温度分布図である。尚、図７中、ＴＨは高圧側ロータの最終焼き戻し温度、ＴＬは低圧側ロータの最終焼き戻し温度、Ｗ０は溶接材の巾、ＷＨＡＺは高圧側及び低圧側ロータの溶接による熱影響部を示す。
【００１０】
そして、残留応力を除去するための焼鈍作業は、最終焼き戻し温度から夫々３０℃〜４０℃低い温度によって行った。したがって、高圧側ロータと低圧側ロータに対しての焼鈍温度は６６０℃−（３０〜４０）℃と６００℃−（３０〜４０）℃であり、両者の間には６０℃の温度差がある。
【００１１】
これらを前提に、高圧側ロータと低圧側ロータとを一体に溶接後、一体化した蒸気タービンロータを熱処理炉に入れ、全体を高圧側ロータの焼鈍温度で熱処理したところ、高温側ロータの溶接部近傍の残留応力は除去できたが、低温側ロータの強度が低下して実機負荷応力に耐えられない結果となった。一方、全体を低圧側ロータの焼鈍温度で熱処理したところ、低圧側ロータの強度は維持されて実機負荷応力耐えられるもであったが、残留応力は十分に除去できないことが判明した。
【００１２】
その要因は、図７に示す温度分布から明らかなように、低圧側ロータの熱容量が高圧側ロータの熱容量に比べて小さいことにより、低圧側ロータが高温で焼鈍されるものと判断し、本発明は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材を含む低圧側ロータの熱容量をＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材を含む高圧側ロータの熱容量よりも大きくして上記目的を達成したのである。
【００１３】
具体的には、低圧側ロータの体積をＶＬ、高圧側ロータの体積をＶＨとしたとき、（１）式の関係にして低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたのである。
ＶＬ＞ＶＨ （１）式
このように熱容量を違えることで、低圧側ロータも高温での焼鈍が可能となり、その結果、溶接部の強度確保と残留応力の低減を両立させることができた。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、バタリング層を必要とせずに溶接部の強度を確保できると共に残留応力を低減できる蒸気タービンロータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下本発明による蒸気タービンロータの第１の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【００１６】
図１に示すように、蒸気タービンロータ１は、軸方向に複数のディスク２Ｄを形成した高圧側ロータ２と、軸方向に複数のディスク３Ｄを形成した低圧側ロータ３とで構成されており、これらは溶接部４で一体に連結されている。高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の溶接部４の内径側には中空部５が形成され、軽量化及び溶接面積の低減が図られている。
【００１７】
高圧側ロータ２は、１％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材で形成され、低圧側ロータ３は、３〜４％Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材で形成されており、溶接部４は、表１に示す鋼材が用いられる。尚、表１において残部はＦｅである。
【００１８】
【表１】
【００１９】
表１から明らかなように、高圧側ロータ２の鋼材はＣｒ含有量が１．１３％で、低圧側ロータ３の鋼材はＣｒ含有量が１．８３％であるので、この組成だけに着眼すると、溶接部４となる溶接ワイヤは、両ロータの中間となるＣｒ含有量とすべきである。しかし、溶接後の焼鈍作業を考慮すると、両ロータの最終焼き戻し温度以上の熱処理でも溶接部４の強度低下を起こさないように、Ｃｒ含有量が１．２２％の溶接ワイヤを用いた。
【００２０】
図２は、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の溶接部４の拡大図で、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の開先部の内径側には、中空部５が形成され、その外径側に位置合わせのための突合せ部６Ａ，６Ｂが形成されている。突合せ部６Ａ，６Ｂの外径側に形成された開先に溶接ワイヤを溶融させて充填することで溶接部４を形成し、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３を一体に溶融接合している。高圧側ロータ２と低圧側ロータ３には、前記中空部５に連なる大径中空部７Ａ，７Ｂが形成され、実機負荷応力が突合せ部６Ａ，６Ｂに集中するのを回避している。
【００２１】
図３は、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３を溶接するためのタングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置８であり、支持台９に軸支されたアーム１０と、このアーム１０の先端に支持され電極１１を有するトーチ１２と、電極１１近傍に溶接ワイヤ１３を送り出す溶接ワイヤ供給装置１３Ａと、電極１１に電力線１４を介して所定値の電流を供給する溶接電源１５と、溶接部の酸化を防止するためにガスホース１６を介して電極１１周囲から噴出させる不活性ガスを供給するガスボンベ１７と、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３とを支持して回転させるロータ回転装置１８とを備えている。
【００２２】
前記溶接電源１５からは、電極１１と高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３との間で電気アークを発生させるために、高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３に電流を供給する電力線１９が接続されており、また、ロータ回転装置１８に回転速度や回転方向を指示する回転信号線２０が接続されている。さらに、溶接電源１５からは、溶接ワイヤ供給装置１３Ａに対して溶接ワイヤ１３の供給速度を制御する送給信号線２１が接続されている。
【００２３】
ところで、図３は、タングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置８であるが、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）装置、被覆アーク溶接装置、金属・不活性ガス（ＭＩＧ）溶接装置、さらにはこれらを組合せて用いてもよい。
【００２４】
図４は、上記タングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置８によって高圧側ロータ２と低圧側ロータ３とを溶接する際のフロー図である。
【００２５】
ステップ１で溶接行程を開始する指示がでると、ステップ２で溶接前に高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の溶接箇所を加熱するために予熱される。そしてステップ３で溶接が行われ、その後、ステップ４で溶接によって溶接部４に入った熱を均一化するために残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理が行われる。次に、ステップ５で、溶接部に欠陥が存在するか否かを確認するための検査が行われ、ステップ６で欠陥が検出されなかった場合には、ステップ７で接合行程を終了する。しかし、ステップ６で、欠陥が検出された場合には、ステップ８に進み、その欠陥が許容できる欠陥と判断された場合にはステップ７に進んで接合行程を終了する。しかしながら、ステップ８で許容できない欠陥が存在すると判断された場合には、ステップ９に進み、欠陥部の除去が行われ、その後、ステップ３の本溶接を改めて行い、その後は上述の行程で作業を進める。
【００２６】
以上が高圧側ロータ２と低圧側ロータ３とを直接溶接する際のフローチャートであるが、仮に、バタリング層を介して高圧側ロータ２と低圧側ロータ３とを溶接する場合には、ステップ２とステップ３との間にステップ３０、４０，５０，６０，８０，９０，１００の多大な作業が必要となる。
【００２７】
次に、残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理後の残留応力測定結果を図５に基づいて説明する。
【００２８】
残留応力は、引張応力でも圧縮応力でも許容範囲内になければならない。焼鈍処理前には、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３における溶接による熱影響部（ＨＡＺ）には、許容範囲を超える残留応力を含んでいた。そこで、焼鈍処理をＴＬ−３０℃で行った場合、低圧側ロータ３の熱影響部（ＨＡＺ）では許容範囲内に残留応力を低減させることができた。しかしながら、高圧側ロータ２の熱影響部（ＨＡＺ）においては残留応力が十分に除去できず許容範囲外であった。さらに、焼鈍処理をＴＨ−３０℃で行った場合、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３における溶接による熱影響部（ＨＡＺ）において残留応力は十分に低減でき、許容範囲内に収まることができた。
【００２９】
以上から、残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理は、ＴＨ−３０℃で行なうべきであることが明らかになった。しかしながら、実際に残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理を行なう場合には、測定及び温度制御の誤差等を考慮すると、最適焼鈍温度はＴＨ−（３０〜４０℃）で行なうべきである。
【００３０】
図６は、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３及び溶接部４の３部材の引張試験の結果を示すものである。横軸は熱処理（焼鈍）温度で、縦軸は耐力（引張強度）である。いずれの部材も熱処理温度を高く、例えばＴＨ（６６０℃）方向にすると、耐力は低下する傾向にある。溶接部の残留応力を許容範囲内に除去するに必要なＴＨ−３０℃で行った場合には、溶接部の耐力は低圧側ロータ３に必要な耐力σＬは満足しないが、高圧側ロータ２に必要な耐力σＨは満足する。
【００３１】
溶接部４を中心とした高圧側ロータ２と低圧側ロータ３を電気炉などに入れて、ＴＨ−３０℃で熱処理した場合には、図５に示すように、残留応力は十分に低減できるが、上述のように、低圧側ロータ３に必要な耐力σＬを満足することができない。また、溶接部をＴＬ−３０℃で熱処理した場合には、溶接部４、高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３の耐力は満足させることができるが、図５に示すように、高圧側ロータ２の残留応力を許容範囲内に低減することができない。
【００３２】
本実施の形態においては、これらの矛盾を解消するために、溶接部を含む高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の熱影響部（ＨＡＺ）を熱処理する際に、溶接部近傍を高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３に適した温度分布となるように、高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３の形状を工夫したのである。
【００３３】
即ち、図７に示す温度分布で熱処理ができるように、図４に示すステップ４の残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理時に、図８に示す局所熱処理装置２２を用いて熱処理すると共に、溶接部近傍の高圧側ロータ２と低圧側ロータ３との熱容量を変えたのである。
【００３４】
図８において、局所熱処理装置２２は、被加熱部の形状に合わせて任意に変形できる局所加熱器２３と、溶接部４近傍の高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の外周を保温する複数の保温材２４Ａ〜２４Ｄと、冷却装置２５と、熱処理時の高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の温度を測定する温度測定器２６Ａ，２６Ｂと、温度制御装置２７とを備え、温度制御装置２７からは前記局所加熱器２３及び冷却装置２５へ電力を供給する電力線が接続され、温度測定器２６Ａ，２６Ｂとは信号線で接続されている。
【００３５】
温度制御装置２７は、温度測定器２６Ａ，２６Ｂからの温度信号に基づいて局所加熱器２３及び冷却装置２５の出力を制御している。
【００３６】
一方、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３は、回転起動及び停止時の応力を低減するために、接続部近傍には半径Ｒの中空部５が形成されている。そして、この半径Ｒは応力が溶接部４に集中しないように設定されている。この半径Ｒの中空部５に隣接して高圧側ロータ２には、半径Ｒ＋ｈＨ、軸方向の幅ＷＨの中空部５Ａを形成し、低圧側ロータ３には、半径Ｒ＋ｈＬ、軸方向の幅ＷＬの中空部５Ａを形成している。そして、これら中空部５Ａ，５Ｂは、溶接部４の軸方向中心を基点として軸方向に溶接部４の肉厚（反径方向の寸法）ｔと同じ寸法内に重複するように形成し、溶接部４の肉厚（反径方向の寸法）ｔと同じ寸法内における高圧側ロータ２の体積よりも低圧側ロータ３の体積を大きくして低圧側ロータ３の熱容量を高圧側ロータ２の熱容量よりも大きくしている。さらに、保温材２４Ａ〜２４Ｄも、高圧側ロータ２には溶接部４の肉厚（反径方向の寸法）ｔと同じ寸法内に同じ厚さとなるように被覆し、低圧側ロータ３には溶接部４から離れるにしたがい厚さを薄くし、加えて、低圧側ロータ３の保温材２４Ｄの外側には冷却装置２５を設置して冷却することで、図７に示す温度分布を保持するようにしている。
【００３７】
ここで、溶接部４の外周部から内周部に至る範囲の温度を均一にする場合、軸方向に対して溶接部４の中心から溶接部４の肉厚ｔにほぼ等しい距離の範囲内の温度も均一になる等方伝熱モデルを想定する。尚、中空部５Ａ，５Ｂの外周角部は応力の集中を避けるために実際は円弧状に加工されているが、ここでは計算を簡略化するために、直角になっていると仮定する。また、添字Ｈを高圧側ロータ２、添字Ｌを低圧側ロータ３、溶接部４の肉厚ｔにほぼ等しい軸方向の距離をｘ（低圧側ロータ３の側が正、高圧側ロータ２の側が負）とする。
【００３８】
上記仮定の下に算出すると、溶接部４から距離ｘ（−ｔ≦ｘ≦ｔ）の範囲内の高圧側ロータ２の体積ＶＨと低圧側ロータ３の体積ＶＬは、（２）式、（３）式となる。
【００３９】
ＶＨ＝２πＲ（ｔ２−ｈＨＷＨ） （−ｔ≦ｘ＜０） （２）式
ＶＬ＝２πＲ（ｔ２−ｈＬＷＬ） （０＜ｘ≦ｔ） （３）式
また、溶接部４から距離ｘ（−ｔ≦ｘ≦ｔ）の範囲内の高圧側ロータ２の温度上昇率ΔＴＨと低圧側ロータ３の温度上昇率ΔＴＬは、（４）式、（５）式となる。
【００４０】
ΔＴＨ＝（ＴＨ−４０℃）−ｒｔ （−ｔ≦ｘ＜０） （４）式
ΔＴＬ＝ΔＴＨ−（ＴＨ−ＴＬ）／２ （−ｔ≦ｘ＜０） （５）式
尚、ｒｔは室温である。
【００４１】
一方、溶接部４の外周部中心部（ｘ＝０）に取付けた局所加熱器２３から伝達される高圧側ロータ２の熱量ＨＨと低圧側ロータ３の熱量ＨＬは、（６）式、（７）式となる。
【００４２】
ＨＨ＝ＣＰＨＶＨΔＴＨ （−ｔ≦ｘ＜０） （６）式
ＨＬ＝ＣＰＬＶＬΔＴＬ （−ｔ≦ｘ＜０） （７）式
尚、ＣＰは各ロータの比熱である。
【００４３】
ここで、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の比熱ＣＰを同等と仮定すると、熱量ＨＨと熱量ＨＬは同じとなるので、（８）式が成立する。
【００４４】
ΔＴＨＶＨ＝ΔＴＬＶＬ→ＶＬ＝ΔＴＨＶＨ／ΔＴＬ （８）式
また、（３）式を変形すると、（９）式となる。
【００４５】
ｈＬＷＬ＝ｔ２−ＶＬ／２πＲ （９）式
そして、（９）式に（２）式と（７）式を代入すると、（１０）式が成立する。
【００４６】
ｈＬＷＬ＝ｔ２−ΔＴＨＶＨ／ΔＴＬ／２πＲ＝ｔ２−ΔＴＨ／ΔＴＬ（ｔ２−ｈＨＷＨ）＝ΔＴＨｈＨＷＨ／ΔＴＬ−ｔ２（ΔＴＨ／ΔＴＬ−１） （１０）式
（１０）式により、ΔＴＨ，ΔＴＬ，ｈＨＷＨが決まれば、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬを求めることができる。
【００４７】
ここで、（９）式の左辺が０以上となるためには、（１１）式が成立しなければならない。
【００４８】
２πＲｔ２−ＶＬ＞０ （１１）式
この（１１）式に、（２）式と（７）式を代入して整理すると、（１２）式が得られる。
【００４９】
ｈＨＷＨ＞（１−ΔＴＬ／ΔＴＨ） （１２）式
この(１２)式により、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３との間の熱処理温度に温度分布をつけるために必要な高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを求めることができる。
【００５０】
図９は、中空部５Ａ，５Ｂの断面積の計算例を示し、横軸は高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを溶接部４の肉厚ｔの２乗ｔ２で除した無次元数で、縦軸は低圧側ロータ３のｈＬＷＬを溶接部４の肉厚ｔの２乗ｔ２で除した無次元数である。高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨと低圧側ロータ３のｈＬＷＬのいずれか一方側を決めることにより他方側の断面積が求まる。
【００５１】
本実施の形態では、溶接部４の肉厚ｔ＝８０ｍｍの場合、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１５とすると、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬは１０．２となり、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１２とすると、低圧側ロータ３のｈＬＷＬは７．５となる。
【００５２】
さらに、溶接部４の肉厚ｔ＝１００ｍｍの場合や肉厚ｔ＝１２０ｍｍの場合には、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１５とすると、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬは８．８，６．４となる。
【００５３】
このように、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨと低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬのいずれか一方側を変化させると他方側の断面積も変化する。
【００５４】
尚、本実施の形態における中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨと中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬは、中空部５Ａ，５Ｂの形状によって計算仮定が異なるので、（１０）式や（１２）式によって規定されるとは限らず、中空部５Ａ，５Ｂの形状としての必要条件としては、（１３）式を仮定すれば（７）式から（１４）式及び（１５）式が規定される。
【００５５】
ΔＴＨ＞ΔＴＬ （１３）式
ＶＬ＞ＶＨ （１４）式
ｈＨＷＨ＞ｈＬＷＬ （１５）式
さらに、以上の計算仮定によらず、図７に示した温度分布で残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理を達成できれば、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の中空部５近傍の形状は自由である。
【００５６】
以上の説明は、溶接部４の肉厚ｔを、変えることで低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積、云い代えれば、中空部５Ｂ外周の体積を変化させて熱容量を変え、これによって高圧側ロータ２の中空部５Ａ外周の熱容量よりも大きくしたものであるが、溶接部４の肉厚ｔを変化させずに、最終焼き戻し温度の設定を変えることでも中空部５Ａ，５Ｂの断面積を変えることができる。
【００５７】
図１０を用いて溶接部４の肉厚ｔを変化させずに、最終焼き戻し温度の設定を変えることで中空部５Ａ，５Ｂの断面積を変化させる計算例を説明する。
【００５８】
高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の最終焼き戻し温度ＴＨ，ＴＬが前記実施の形態と同じ６６０℃，６００℃に加え、６１０℃，５５０℃及び５６０℃，５００℃とした場合の計算例を示している。最終焼き戻し温度ＴＨ，ＴＬを６１０℃，５５０℃とした場合、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１５とすると、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬは９．９となり、最終焼き戻し温度ＴＨ，ＴＬを５６０℃，５００℃とした場合、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１５とすると、低圧側ロータ３のｈＬＷＬは９．５となる。
【００５９】
このように、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の最終焼き戻し温度ＴＨ，ＴＬを変化させることで、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬを変えることができ、断面積ｈＬＷＬを調整することで図７に示し温度分布で残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理を行なうことができる。
【００６０】
図１１〜図１３は、蒸気タービンロータ１の溶接位置の変形例を示すもので、図１１に示す蒸気タービンロータ１は、図１に比べて溶接位置が高圧側ロータ２側寄りに位置し、溶接部２８Ａの内側には中空部２９Ａが構成され、さらに、図示は省略するが、この中空部２９Ａに連なって上記実施の形態と同じような中空部５Ａ，５Ｂが形成されているのは云うまでもない。図１２に示す蒸気タービンロータ１は、溶接位置が低圧側ロータ３の軸端寄りに位置し、溶接部２８Ｂの内側には中空部２９Ｂが構成され、さらに、図示は省略するが、この中空部２９Ｂに連なって上記実施の形態と同じような中空部５Ａ，５Ｂが形成されているのは云うまでもない。図１３は、図１１と図１２との組合せて２箇所に溶接位置が存在するものである。
【００６１】
図１１〜図１３に示すように、蒸気タービンロータ１に要求される圧力や温度、さらには設置場所や高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の母材価格に見合って最適な接合位置を選択することが望ましい。
【００６２】
図１４は、本発明による蒸気タービンロータの第２の実施の形態を示すもので、図８と同符号は同一部品を示すので再度の詳細な説明は省略する。
【００６３】
本実施の形態において、図８に示す第１の実施の形態と異なる構成は、低圧側ロータ３に、高圧側ロータ２の直径ＤＨよりも大きな直径ＤＬの大径部３０を形成して蓄熱部を形成したのである。この大径部３０は、低圧側ロータ３の熱容量を残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理時に一時的に高圧側ロータ２よりも大きくするためのものである。
【００６４】
このように、本実施の形態は、中空部５Ａ，５Ｂの断面積ｈＨＷＨ，ｈＬＷＬを変化させることに加え、低圧側ロータ３側に蓄熱部となる大径部３０を形成することで、温度上昇率が前記（１３）式を満たすようにしたのである。前記（１３）式を満たす条件としては、（１６）式が挙げられる。
【００６５】
ＤＨ＜ＤＬ （１６）式
ただ、前記（１６）式の関係は、残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理時に成立していればよく、例えば熱処理後に低圧側ロータ３の直径ＤＬ部を切削して高圧側ロータ２の直径ＤＨと同じにしてもよい。
【００６６】
このように、本実施の形態は、中空部５Ａ，５Ｂを形成した上で、低圧側ロータ３の外径を大径に調整することで、図７に示す温度分布によって熱処理を行なうことができる。尚、低圧側ロータ３の外径を大径にすることで、図７に示す温度分布によって熱処理を行なうことができるのであれば、前記中空部５Ａ，５Ｂは必ずしも必要とするものではない。
【００６７】
図１５は、本発明による蒸気タービンロータの第３の実施の形態を示すもので、図１４と同符号は同一部品を示すので再度の詳細な説明は省略する。
【００６８】
本実施の形態は、図１４に示す第２の実施の形態と異なる構成は、低圧側ロータ３の外周に、熱放散部となる直径ＤＬの放熱フィン３１を複数設けて、低圧側ロータ３の熱容量を高圧側ロータ２の熱容量よりも大きくしたのである。
【００６９】
このように構成することで、放熱フィン３１の放熱効果と熱容量の相乗効果により低圧側ロータ３への伝熱を制御することができ、その結果、図７に示す温度分布で残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理を行なうことができる。
【００７０】
尚、本実施の形態においても、残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理後に、放熱フィン３１を切削して低圧側ロータ３と高圧側ロータ２との直径を同じにしてもよく、また、本実施の形態においても、放熱フィン３１のみで図７に示す温度分布での熱処理ができるのであれば、前記中空部５Ａ，５Ｂは必ずしも必要とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明による蒸気タービンロータの第１の実施の形態を示す一部破断側面図。
【図２】本発明による蒸気タービンロータの高圧側ロータと低圧側ロータとの連結部を示す縦断拡大側面図。
【図３】高圧側ロータと低圧側ロータを溶接するためのタングステン・不活性ガス溶接装置を示す概略側面図。
【図４】本発明による蒸気タービンロータの高圧側ロータと低圧側ロータの溶接工程を示すフロー図。
【図５】残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理後の残留応力測定結果図。
【図６】高圧側ロータと低圧側ロータ及び溶接部の引張強さの測定結果図。
【図７】残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理時の高圧側ロータと低圧側ロータの温度分布図。
【図８】第１の実施の形態による高圧側ロータと低圧側ロータとの溶接後における残留応力除去焼鈍処理を行なう局所熱処理装置を示す模式図。
【図９】第１の実施の形態による高圧側ロータと低圧側ロータの中空部の断面積の計算結果を示す図。
【図１０】第１の実施の形態による高圧側ロータと低圧側ロータの溶接部の残留応力除去焼鈍処理結果を示す図。
【図１１】蒸気タービンロータの溶接位置の第１の変形例を示す図１相当図。
【図１２】蒸気タービンロータの溶接位置の第２の変形例を示す図１相当図。
【図１３】蒸気タービンロータの溶接位置の第３の変形例を示す図１相当図。
【図１４】本発明による蒸気タービンロータの第２の実施の形態を示す図８相当図。
【図１５】本発明による蒸気タービンロータの第２３実施の形態を示す図８相当図。
【符号の説明】
【００７２】
１…蒸気タービンロータ、２…高圧側ロータ、２Ｄ…ディスクと、３…低圧側ロータ、３Ｄ…ディスク、４…溶接部、５，５Ａ，５Ｂ…中空部、６Ａ，６Ｂ…突合せ部、７Ａ，７Ｂ…大径中空部、８…タングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置、９…支持台、１０…アーム、１１…電極、１２…トーチ、１３…溶接ワイヤ、１３Ａ…溶接ワイヤ供給装置、１４…電力線、１５…溶接電源、１６…ガスホース、１７…ガスボンベ、１８…ロータ回転装置、１９…電力線、２０…回転信号線、２１…送給信号線、２２…局所熱処理装置、２３…局所加熱器、２４Ａ〜２４Ｄ…保温材、２５…冷却装置、２６Ａ，２６Ｂ…温度測定器、２７…温度制御装置、２８Ａ，２８Ｂ…溶接部、２９Ａ，２９Ｂ…中空部、３０…大径部、３１…放熱フィン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気タービンロータ及びその製造方法に係り、特に、低圧側ロータと高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、大型蒸気タービンのロータは、軸長が長大になりしかも高圧側ロータには高温クリープ破断強度が要求され、低圧側ロータには引張強度と靭性とが要求されるので、一部材で蒸気タービンロータを形成した場合、各特性を満足させることができなかった。そこで、高圧側ロータを高温クリープ破断強度に優れた材料で形成し、低圧側ロータを引張強度と靭性に優れた材料で形成し、その後、これらを溶接によって一体化している。
【０００３】
しかしながら、高圧側ロータと低圧側ロータとを溶接した場合、溶接部近傍に材料の違いに基づく熱応力が発生する。そこで、この熱応力を除去するために焼鈍作業を行なう必要があるが、この焼鈍作業によって材料の異なる高圧側ロータと低圧側ロータとの熱応力を同じように除去することはできなかった。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１に示すように、高圧側ロータと低圧側ロータの中間の特性を有する金属を高圧側ロータの端部に肉盛溶接、所謂バタリング層を形成して焼鈍作業を来ない、その後、この肉盛溶接した部分に低圧側ロータを溶接して焼鈍作業を行なっていた。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−６４８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記バタリング層を形成して高圧側ロータと低圧側ロータを溶接により一体化する技術は、高圧側ロータの端部へのバタリング層の溶接と、高圧側ロータに適した焼鈍作業と、バタリング層の端面への開先加工と、バタリング層と低圧側ロータとの溶接と、低圧側ロータに適した焼鈍作業とを必要とするために、多大な作業と労力を必要としていた。
【０００７】
本発明の目的は、バタリング層を必要とせずに溶接部の強度を確保できると共に残留応力を低減できる蒸気タービンロータ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明者等は、バタリング層及びその開先加工を必要とせず、しかも必要最小限の焼鈍作業を行なうことで、溶接部の強度を確保できると共に残留応力を低減できる蒸気タービンロータの溶接部の構造を検証した。
【０００９】
図７は、製造時の最終焼き戻し温度が６６０℃のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材を含む高圧側ロータと、製造時の最終焼き戻し温度が６００℃のＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材を含む低圧側ロータとを直接溶接したときの溶接部近傍の温度分布図である。尚、図７中、ＴＨは高圧側ロータの最終焼き戻し温度、ＴＬは低圧側ロータの最終焼き戻し温度、Ｗ０は溶接材の巾、ＷＨＡＺは高圧側及び低圧側ロータの溶接による熱影響部を示す。
【００１０】
そして、残留応力を除去するための焼鈍作業は、最終焼き戻し温度から夫々３０℃〜４０℃低い温度によって行った。したがって、高圧側ロータと低圧側ロータに対しての焼鈍温度は６６０℃−（３０〜４０）℃と６００℃−（３０〜４０）℃であり、両者の間には６０℃の温度差がある。
【００１１】
これらを前提に、高圧側ロータと低圧側ロータとを一体に溶接後、一体化した蒸気タービンロータを熱処理炉に入れ、全体を高圧側ロータの焼鈍温度で熱処理したところ、高温側ロータの溶接部近傍の残留応力は除去できたが、低温側ロータの強度が低下して実機負荷応力に耐えられない結果となった。一方、全体を低圧側ロータの焼鈍温度で熱処理したところ、低圧側ロータの強度は維持されて実機負荷応力耐えられるもであったが、残留応力は十分に除去できないことが判明した。
【００１２】
その要因は、図７に示す温度分布から明らかなように、低圧側ロータの熱容量が高圧側ロータの熱容量に比べて小さいことにより、低圧側ロータが高温で焼鈍されるものと判断し、本発明は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材を含む低圧側ロータの熱容量をＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材を含む高圧側ロータの熱容量よりも大きくして上記目的を達成したのである。
【００１３】
具体的には、低圧側ロータの体積をＶＬ、高圧側ロータの体積をＶＨとしたとき、（１）式の関係にして低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたのである。
ＶＬ＞ＶＨ （１）式
このように熱容量を違えることで、低圧側ロータも高温での焼鈍が可能となり、その結果、溶接部の強度確保と残留応力の低減を両立させることができた。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、バタリング層を必要とせずに溶接部の強度を確保できると共に残留応力を低減できる蒸気タービンロータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下本発明による蒸気タービンロータの第１の実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。
【００１６】
図１に示すように、蒸気タービンロータ１は、軸方向に複数のディスク２Ｄを形成した高圧側ロータ２と、軸方向に複数のディスク３Ｄを形成した低圧側ロータ３とで構成されており、これらは溶接部４で一体に連結されている。高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の溶接部４の内径側には中空部５が形成され、軽量化及び溶接面積の低減が図られている。
【００１７】
高圧側ロータ２は、１％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材で形成され、低圧側ロータ３は、３〜４％Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材で形成されており、溶接部４は、表１に示す鋼材が用いられる。尚、表１において残部はＦｅである。
【００１８】
【表１】
【００１９】
表１から明らかなように、高圧側ロータ２の鋼材はＣｒ含有量が１．１３％で、低圧側ロータ３の鋼材はＣｒ含有量が１．８３％であるので、この組成だけに着眼すると、溶接部４となる溶接ワイヤは、両ロータの中間となるＣｒ含有量とすべきである。しかし、溶接後の焼鈍作業を考慮すると、両ロータの最終焼き戻し温度以上の熱処理でも溶接部４の強度低下を起こさないように、Ｃｒ含有量が１．２２％の溶接ワイヤを用いた。
【００２０】
図２は、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の溶接部４の拡大図で、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の開先部の内径側には、中空部５が形成され、その外径側に位置合わせのための突合せ部６Ａ，６Ｂが形成されている。突合せ部６Ａ，６Ｂの外径側に形成された開先に溶接ワイヤを溶融させて充填することで溶接部４を形成し、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３を一体に溶融接合している。高圧側ロータ２と低圧側ロータ３には、前記中空部５に連なる大径中空部７Ａ，７Ｂが形成され、実機負荷応力が突合せ部６Ａ，６Ｂに集中するのを回避している。
【００２１】
図３は、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３を溶接するためのタングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置８であり、支持台９に軸支されたアーム１０と、このアーム１０の先端に支持され電極１１を有するトーチ１２と、電極１１近傍に溶接ワイヤ１３を送り出す溶接ワイヤ供給装置１３Ａと、電極１１に電力線１４を介して所定値の電流を供給する溶接電源１５と、溶接部の酸化を防止するためにガスホース１６を介して電極１１周囲から噴出させる不活性ガスを供給するガスボンベ１７と、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３とを支持して回転させるロータ回転装置１８とを備えている。
【００２２】
前記溶接電源１５からは、電極１１と高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３との間で電気アークを発生させるために、高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３に電流を供給する電力線１９が接続されており、また、ロータ回転装置１８に回転速度や回転方向を指示する回転信号線２０が接続されている。さらに、溶接電源１５からは、溶接ワイヤ供給装置１３Ａに対して溶接ワイヤ１３の供給速度を制御する送給信号線２１が接続されている。
【００２３】
ところで、図３は、タングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置８であるが、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）装置、被覆アーク溶接装置、金属・不活性ガス（ＭＩＧ）溶接装置、さらにはこれらを組合せて用いてもよい。
【００２４】
図４は、上記タングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置８によって高圧側ロータ２と低圧側ロータ３とを溶接する際のフロー図である。
【００２５】
ステップ１で溶接行程を開始する指示がでると、ステップ２で溶接前に高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の溶接箇所を加熱するために予熱される。そしてステップ３で溶接が行われ、その後、ステップ４で溶接によって溶接部４に入った熱を均一化するために残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理が行われる。次に、ステップ５で、溶接部に欠陥が存在するか否かを確認するための検査が行われ、ステップ６で欠陥が検出されなかった場合には、ステップ７で接合行程を終了する。しかし、ステップ６で、欠陥が検出された場合には、ステップ８に進み、その欠陥が許容できる欠陥と判断された場合にはステップ７に進んで接合行程を終了する。しかしながら、ステップ８で許容できない欠陥が存在すると判断された場合には、ステップ９に進み、欠陥部の除去が行われ、その後、ステップ３の本溶接を改めて行い、その後は上述の行程で作業を進める。
【００２６】
以上が高圧側ロータ２と低圧側ロータ３とを直接溶接する際のフローチャートであるが、仮に、バタリング層を介して高圧側ロータ２と低圧側ロータ３とを溶接する場合には、ステップ２とステップ３との間にステップ３０、４０，５０，６０，８０，９０，１００の多大な作業が必要となる。
【００２７】
次に、残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理後の残留応力測定結果を図５に基づいて説明する。
【００２８】
残留応力は、引張応力でも圧縮応力でも許容範囲内になければならない。焼鈍処理前には、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３における溶接による熱影響部（ＨＡＺ）には、許容範囲を超える残留応力を含んでいた。そこで、焼鈍処理をＴＬ−３０℃で行った場合、低圧側ロータ３の熱影響部（ＨＡＺ）では許容範囲内に残留応力を低減させることができた。しかしながら、高圧側ロータ２の熱影響部（ＨＡＺ）においては残留応力が十分に除去できず許容範囲外であった。さらに、焼鈍処理をＴＨ−３０℃で行った場合、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３における溶接による熱影響部（ＨＡＺ）において残留応力は十分に低減でき、許容範囲内に収まることができた。
【００２９】
以上から、残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理は、ＴＨ−３０℃で行なうべきであることが明らかになった。しかしながら、実際に残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理を行なう場合には、測定及び温度制御の誤差等を考慮すると、最適焼鈍温度はＴＨ−（３０〜４０℃）で行なうべきである。
【００３０】
図６は、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３及び溶接部４の３部材の引張試験の結果を示すものである。横軸は熱処理（焼鈍）温度で、縦軸は耐力（引張強度）である。いずれの部材も熱処理温度を高く、例えばＴＨ（６６０℃）方向にすると、耐力は低下する傾向にある。溶接部の残留応力を許容範囲内に除去するに必要なＴＨ−３０℃で行った場合には、溶接部の耐力は低圧側ロータ３に必要な耐力σＬは満足しないが、高圧側ロータ２に必要な耐力σＨは満足する。
【００３１】
溶接部４を中心とした高圧側ロータ２と低圧側ロータ３を電気炉などに入れて、ＴＨ−３０℃で熱処理した場合には、図５に示すように、残留応力は十分に低減できるが、上述のように、低圧側ロータ３に必要な耐力σＬを満足することができない。また、溶接部をＴＬ−３０℃で熱処理した場合には、溶接部４、高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３の耐力は満足させることができるが、図５に示すように、高圧側ロータ２の残留応力を許容範囲内に低減することができない。
【００３２】
本実施の形態においては、これらの矛盾を解消するために、溶接部を含む高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の熱影響部（ＨＡＺ）を熱処理する際に、溶接部近傍を高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３に適した温度分布となるように、高圧側ロータ２及び低圧側ロータ３の形状を工夫したのである。
【００３３】
即ち、図７に示す温度分布で熱処理ができるように、図４に示すステップ４の残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理時に、図８に示す局所熱処理装置２２を用いて熱処理すると共に、溶接部近傍の高圧側ロータ２と低圧側ロータ３との熱容量を変えたのである。
【００３４】
図８において、局所熱処理装置２２は、被加熱部の形状に合わせて任意に変形できる局所加熱器２３と、溶接部４近傍の高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の外周を保温する複数の保温材２４Ａ〜２４Ｄと、冷却装置２５と、熱処理時の高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の温度を測定する温度測定器２６Ａ，２６Ｂと、温度制御装置２７とを備え、温度制御装置２７からは前記局所加熱器２３及び冷却装置２５へ電力を供給する電力線が接続され、温度測定器２６Ａ，２６Ｂとは信号線で接続されている。
【００３５】
温度制御装置２７は、温度測定器２６Ａ，２６Ｂからの温度信号に基づいて局所加熱器２３及び冷却装置２５の出力を制御している。
【００３６】
一方、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３は、回転起動及び停止時の応力を低減するために、接続部近傍には半径Ｒの中空部５が形成されている。そして、この半径Ｒは応力が溶接部４に集中しないように設定されている。この半径Ｒの中空部５に隣接して高圧側ロータ２には、半径Ｒ＋ｈＨ、軸方向の幅ＷＨの中空部５Ａを形成し、低圧側ロータ３には、半径Ｒ＋ｈＬ、軸方向の幅ＷＬの中空部５Ａを形成している。そして、これら中空部５Ａ，５Ｂは、溶接部４の軸方向中心を基点として軸方向に溶接部４の肉厚（反径方向の寸法）ｔと同じ寸法内に重複するように形成し、溶接部４の肉厚（反径方向の寸法）ｔと同じ寸法内における高圧側ロータ２の体積よりも低圧側ロータ３の体積を大きくして低圧側ロータ３の熱容量を高圧側ロータ２の熱容量よりも大きくしている。さらに、保温材２４Ａ〜２４Ｄも、高圧側ロータ２には溶接部４の肉厚（反径方向の寸法）ｔと同じ寸法内に同じ厚さとなるように被覆し、低圧側ロータ３には溶接部４から離れるにしたがい厚さを薄くし、加えて、低圧側ロータ３の保温材２４Ｄの外側には冷却装置２５を設置して冷却することで、図７に示す温度分布を保持するようにしている。
【００３７】
ここで、溶接部４の外周部から内周部に至る範囲の温度を均一にする場合、軸方向に対して溶接部４の中心から溶接部４の肉厚ｔにほぼ等しい距離の範囲内の温度も均一になる等方伝熱モデルを想定する。尚、中空部５Ａ，５Ｂの外周角部は応力の集中を避けるために実際は円弧状に加工されているが、ここでは計算を簡略化するために、直角になっていると仮定する。また、添字Ｈを高圧側ロータ２、添字Ｌを低圧側ロータ３、溶接部４の肉厚ｔにほぼ等しい軸方向の距離をｘ（低圧側ロータ３の側が正、高圧側ロータ２の側が負）とする。
【００３８】
上記仮定の下に算出すると、溶接部４から距離ｘ（−ｔ≦ｘ≦ｔ）の範囲内の高圧側ロータ２の体積ＶＨと低圧側ロータ３の体積ＶＬは、（２）式、（３）式となる。
【００３９】
ＶＨ＝２πＲ（ｔ２−ｈＨＷＨ） （−ｔ≦ｘ＜０） （２）式
ＶＬ＝２πＲ（ｔ２−ｈＬＷＬ） （０＜ｘ≦ｔ） （３）式
また、溶接部４から距離ｘ（−ｔ≦ｘ≦ｔ）の範囲内の高圧側ロータ２の温度上昇率ΔＴＨと低圧側ロータ３の温度上昇率ΔＴＬは、（４）式、（５）式となる。
【００４０】
ΔＴＨ＝（ＴＨ−４０℃）−ｒｔ （−ｔ≦ｘ＜０） （４）式
ΔＴＬ＝ΔＴＨ−（ＴＨ−ＴＬ）／２ （−ｔ≦ｘ＜０） （５）式
尚、ｒｔは室温である。
【００４１】
一方、溶接部４の外周部中心部（ｘ＝０）に取付けた局所加熱器２３から伝達される高圧側ロータ２の熱量ＨＨと低圧側ロータ３の熱量ＨＬは、（６）式、（７）式となる。
【００４２】
ＨＨ＝ＣＰＨＶＨΔＴＨ （−ｔ≦ｘ＜０） （６）式
ＨＬ＝ＣＰＬＶＬΔＴＬ （−ｔ≦ｘ＜０） （７）式
尚、ＣＰは各ロータの比熱である。
【００４３】
ここで、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の比熱ＣＰを同等と仮定すると、熱量ＨＨと熱量ＨＬは同じとなるので、（８）式が成立する。
【００４４】
ΔＴＨＶＨ＝ΔＴＬＶＬ→ＶＬ＝ΔＴＨＶＨ／ΔＴＬ （８）式
また、（３）式を変形すると、（９）式となる。
【００４５】
ｈＬＷＬ＝ｔ２−ＶＬ／２πＲ （９）式
そして、（９）式に（２）式と（７）式を代入すると、（１０）式が成立する。
【００４６】
ｈＬＷＬ＝ｔ２−ΔＴＨＶＨ／ΔＴＬ／２πＲ＝ｔ２−ΔＴＨ／ΔＴＬ（ｔ２−ｈＨＷＨ）＝ΔＴＨｈＨＷＨ／ΔＴＬ−ｔ２（ΔＴＨ／ΔＴＬ−１） （１０）式
（１０）式により、ΔＴＨ，ΔＴＬ，ｈＨＷＨが決まれば、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬを求めることができる。
【００４７】
ここで、（９）式の左辺が０以上となるためには、（１１）式が成立しなければならない。
【００４８】
２πＲｔ２−ＶＬ＞０ （１１）式
この（１１）式に、（２）式と（７）式を代入して整理すると、（１２）式が得られる。
【００４９】
ｈＨＷＨ＞（１−ΔＴＬ／ΔＴＨ） （１２）式
この(１２)式により、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３との間の熱処理温度に温度分布をつけるために必要な高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを求めることができる。
【００５０】
図９は、中空部５Ａ，５Ｂの断面積の計算例を示し、横軸は高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを溶接部４の肉厚ｔの２乗ｔ２で除した無次元数で、縦軸は低圧側ロータ３のｈＬＷＬを溶接部４の肉厚ｔの２乗ｔ２で除した無次元数である。高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨと低圧側ロータ３のｈＬＷＬのいずれか一方側を決めることにより他方側の断面積が求まる。
【００５１】
本実施の形態では、溶接部４の肉厚ｔ＝８０ｍｍの場合、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１５とすると、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬは１０．２となり、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１２とすると、低圧側ロータ３のｈＬＷＬは７．５となる。
【００５２】
さらに、溶接部４の肉厚ｔ＝１００ｍｍの場合や肉厚ｔ＝１２０ｍｍの場合には、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１５とすると、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬは８．８，６．４となる。
【００５３】
このように、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨと低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬのいずれか一方側を変化させると他方側の断面積も変化する。
【００５４】
尚、本実施の形態における中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨと中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬは、中空部５Ａ，５Ｂの形状によって計算仮定が異なるので、（１０）式や（１２）式によって規定されるとは限らず、中空部５Ａ，５Ｂの形状としての必要条件としては、（１３）式を仮定すれば（７）式から（１４）式及び（１５）式が規定される。
【００５５】
ΔＴＨ＞ΔＴＬ （１３）式
ＶＬ＞ＶＨ （１４）式
ｈＨＷＨ＞ｈＬＷＬ （１５）式
さらに、以上の計算仮定によらず、図７に示した温度分布で残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理を達成できれば、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の中空部５近傍の形状は自由である。
【００５６】
以上の説明は、溶接部４の肉厚ｔを、変えることで低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積、云い代えれば、中空部５Ｂ外周の体積を変化させて熱容量を変え、これによって高圧側ロータ２の中空部５Ａ外周の熱容量よりも大きくしたものであるが、溶接部４の肉厚ｔを変化させずに、最終焼き戻し温度の設定を変えることでも中空部５Ａ，５Ｂの断面積を変えることができる。
【００５７】
図１０を用いて溶接部４の肉厚ｔを変化させずに、最終焼き戻し温度の設定を変えることで中空部５Ａ，５Ｂの断面積を変化させる計算例を説明する。
【００５８】
高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の最終焼き戻し温度ＴＨ，ＴＬが前記実施の形態と同じ６６０℃，６００℃に加え、６１０℃，５５０℃及び５６０℃，５００℃とした場合の計算例を示している。最終焼き戻し温度ＴＨ，ＴＬを６１０℃，５５０℃とした場合、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１５とすると、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬは９．９となり、最終焼き戻し温度ＴＨ，ＴＬを５６０℃，５００℃とした場合、高圧側ロータ２の中空部５Ａの断面積ｈＨＷＨを１５とすると、低圧側ロータ３のｈＬＷＬは９．５となる。
【００５９】
このように、高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の最終焼き戻し温度ＴＨ，ＴＬを変化させることで、低圧側ロータ３の中空部５Ｂの断面積ｈＬＷＬを変えることができ、断面積ｈＬＷＬを調整することで図７に示し温度分布で残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理を行なうことができる。
【００６０】
図１１〜図１３は、蒸気タービンロータ１の溶接位置の変形例を示すもので、図１１に示す蒸気タービンロータ１は、図１に比べて溶接位置が高圧側ロータ２側寄りに位置し、溶接部２８Ａの内側には中空部２９Ａが構成され、さらに、図示は省略するが、この中空部２９Ａに連なって上記実施の形態と同じような中空部５Ａ，５Ｂが形成されているのは云うまでもない。図１２に示す蒸気タービンロータ１は、溶接位置が低圧側ロータ３の軸端寄りに位置し、溶接部２８Ｂの内側には中空部２９Ｂが構成され、さらに、図示は省略するが、この中空部２９Ｂに連なって上記実施の形態と同じような中空部５Ａ，５Ｂが形成されているのは云うまでもない。図１３は、図１１と図１２との組合せて２箇所に溶接位置が存在するものである。
【００６１】
図１１〜図１３に示すように、蒸気タービンロータ１に要求される圧力や温度、さらには設置場所や高圧側ロータ２と低圧側ロータ３の母材価格に見合って最適な接合位置を選択することが望ましい。
【００６２】
図１４は、本発明による蒸気タービンロータの第２の実施の形態を示すもので、図８と同符号は同一部品を示すので再度の詳細な説明は省略する。
【００６３】
本実施の形態において、図８に示す第１の実施の形態と異なる構成は、低圧側ロータ３に、高圧側ロータ２の直径ＤＨよりも大きな直径ＤＬの大径部３０を形成して蓄熱部を形成したのである。この大径部３０は、低圧側ロータ３の熱容量を残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理時に一時的に高圧側ロータ２よりも大きくするためのものである。
【００６４】
このように、本実施の形態は、中空部５Ａ，５Ｂの断面積ｈＨＷＨ，ｈＬＷＬを変化させることに加え、低圧側ロータ３側に蓄熱部となる大径部３０を形成することで、温度上昇率が前記（１３）式を満たすようにしたのである。前記（１３）式を満たす条件としては、（１６）式が挙げられる。
【００６５】
ＤＨ＜ＤＬ （１６）式
ただ、前記（１６）式の関係は、残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理時に成立していればよく、例えば熱処理後に低圧側ロータ３の直径ＤＬ部を切削して高圧側ロータ２の直径ＤＨと同じにしてもよい。
【００６６】
このように、本実施の形態は、中空部５Ａ，５Ｂを形成した上で、低圧側ロータ３の外径を大径に調整することで、図７に示す温度分布によって熱処理を行なうことができる。尚、低圧側ロータ３の外径を大径にすることで、図７に示す温度分布によって熱処理を行なうことができるのであれば、前記中空部５Ａ，５Ｂは必ずしも必要とするものではない。
【００６７】
図１５は、本発明による蒸気タービンロータの第３の実施の形態を示すもので、図１４と同符号は同一部品を示すので再度の詳細な説明は省略する。
【００６８】
本実施の形態は、図１４に示す第２の実施の形態と異なる構成は、低圧側ロータ３の外周に、熱放散部となる直径ＤＬの放熱フィン３１を複数設けて、低圧側ロータ３の熱容量を高圧側ロータ２の熱容量よりも大きくしたのである。
【００６９】
このように構成することで、放熱フィン３１の放熱効果と熱容量の相乗効果により低圧側ロータ３への伝熱を制御することができ、その結果、図７に示す温度分布で残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理を行なうことができる。
【００７０】
尚、本実施の形態においても、残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理後に、放熱フィン３１を切削して低圧側ロータ３と高圧側ロータ２との直径を同じにしてもよく、また、本実施の形態においても、放熱フィン３１のみで図７に示す温度分布での熱処理ができるのであれば、前記中空部５Ａ，５Ｂは必ずしも必要とするものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明による蒸気タービンロータの第１の実施の形態を示す一部破断側面図。
【図２】本発明による蒸気タービンロータの高圧側ロータと低圧側ロータとの連結部を示す縦断拡大側面図。
【図３】高圧側ロータと低圧側ロータを溶接するためのタングステン・不活性ガス溶接装置を示す概略側面図。
【図４】本発明による蒸気タービンロータの高圧側ロータと低圧側ロータの溶接工程を示すフロー図。
【図５】残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理後の残留応力測定結果図。
【図６】高圧側ロータと低圧側ロータ及び溶接部の引張強さの測定結果図。
【図７】残留応力除去焼鈍（ＳＲ）処理時の高圧側ロータと低圧側ロータの温度分布図。
【図８】第１の実施の形態による高圧側ロータと低圧側ロータとの溶接後における残留応力除去焼鈍処理を行なう局所熱処理装置を示す模式図。
【図９】第１の実施の形態による高圧側ロータと低圧側ロータの中空部の断面積の計算結果を示す図。
【図１０】第１の実施の形態による高圧側ロータと低圧側ロータの溶接部の残留応力除去焼鈍処理結果を示す図。
【図１１】蒸気タービンロータの溶接位置の第１の変形例を示す図１相当図。
【図１２】蒸気タービンロータの溶接位置の第２の変形例を示す図１相当図。
【図１３】蒸気タービンロータの溶接位置の第３の変形例を示す図１相当図。
【図１４】本発明による蒸気タービンロータの第２の実施の形態を示す図８相当図。
【図１５】本発明による蒸気タービンロータの第２３実施の形態を示す図８相当図。
【符号の説明】
【００７２】
１…蒸気タービンロータ、２…高圧側ロータ、２Ｄ…ディスクと、３…低圧側ロータ、３Ｄ…ディスク、４…溶接部、５，５Ａ，５Ｂ…中空部、６Ａ，６Ｂ…突合せ部、７Ａ，７Ｂ…大径中空部、８…タングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置、９…支持台、１０…アーム、１１…電極、１２…トーチ、１３…溶接ワイヤ、１３Ａ…溶接ワイヤ供給装置、１４…電力線、１５…溶接電源、１６…ガスホース、１７…ガスボンベ、１８…ロータ回転装置、１９…電力線、２０…回転信号線、２１…送給信号線、２２…局所熱処理装置、２３…局所加熱器、２４Ａ〜２４Ｄ…保温材、２５…冷却装置、２６Ａ，２６Ｂ…温度測定器、２７…温度制御装置、２８Ａ，２８Ｂ…溶接部、２９Ａ，２９Ｂ…中空部、３０…大径部、３１…放熱フィン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項２】
前記熱容量は、溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内の熱容量であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンロータ。
【請求項３】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内の前記低圧側ロータの体積を高圧側ロータの体積よりも大きく形成して前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項４】
前記熱容量は、溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内の熱容量であることを特徴とする請求項３記載の蒸気タービンロータ。
【請求項５】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータと高圧側ロータの溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内に夫々中空部を形成すると共に、低圧側ロータの中空部を高圧側ロータの中空部よりも小さく形成して前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項６】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータに蓄熱部を設けたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項７】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータに熱放散部を設けたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項８】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータと高圧側ロータの溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内に夫々中空部を形成すると共に、低圧側ロータの中空部を高圧側ロータの中空部よりも小さく形成し、かつ、前記低圧側ロータに蓄熱部を設けて前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項９】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータと高圧側ロータの溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内に夫々中空部を形成すると共に、低圧側ロータの中空部を高圧側ロータの中空部よりも小さく形成し、かつ、前記低圧側ロータに熱放散部を設けて前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項１０】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータの製造方法において、前記低圧側ロータに蓄熱部を設けた状態で前記低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接を行なうことを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【請求項１１】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータの製造方法において、前記低圧側ロータに熱放散部を設けた状態で前記低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接を行なうことを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【請求項１】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項２】
前記熱容量は、溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内の熱容量であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンロータ。
【請求項３】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内の前記低圧側ロータの体積を高圧側ロータの体積よりも大きく形成して前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項４】
前記熱容量は、溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内の熱容量であることを特徴とする請求項３記載の蒸気タービンロータ。
【請求項５】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータと高圧側ロータの溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内に夫々中空部を形成すると共に、低圧側ロータの中空部を高圧側ロータの中空部よりも小さく形成して前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項６】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータに蓄熱部を設けたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項７】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータに熱放散部を設けたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項８】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータと高圧側ロータの溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内に夫々中空部を形成すると共に、低圧側ロータの中空部を高圧側ロータの中空部よりも小さく形成し、かつ、前記低圧側ロータに蓄熱部を設けて前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項９】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータにおいて、低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接時に、前記低圧側ロータと高圧側ロータの溶接部の中心から溶接部の肉厚にほぼ等しい範囲内に夫々中空部を形成すると共に、低圧側ロータの中空部を高圧側ロータの中空部よりも小さく形成し、かつ、前記低圧側ロータに熱放散部を設けて前記低圧側ロータの熱容量を高圧側ロータの熱容量よりも大きくしたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項１０】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータの製造方法において、前記低圧側ロータに蓄熱部を設けた状態で前記低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接を行なうことを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【請求項１１】
軸方向に複数のディスクを形成したＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む低圧側ロータと軸方向に複数のディスクを形成したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼材を含む高圧側ロータとを溶接して一体化した蒸気タービンロータの製造方法において、前記低圧側ロータに熱放散部を設けた状態で前記低圧側ロータと高圧側ロータとの溶接を行なうことを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【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１５】
【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１５】
【公開番号】特開２００９−１４４６５０（Ｐ２００９−１４４６５０Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２４７４１（Ｐ２００７−３２４７４１）
【出願日】平成１９年１２月１７日（２００７．１２．１７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１７日（２００７．１２．１７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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