(57)【要約】【課題】  高強度のＮｉ基超合金のリングとシャフトとを溶接により固定したリング溶接型ロータシャフトを使用する蒸気タービンでは、リングの変形などが生じやすく、また各リングが近接しているために溶接する際に作業性がよくないという問題があった。【解決手段】  ロータシャフトと、前記ロータシャフトにはめ込まれ、動翼を固定するためのリングと、前記リングに固定されたブレードとを有する蒸気タービンロータであって、リング１枚当たりの厚さを薄くし、動翼１段当たりに２枚以上のリングを使用し、片側溶接を実施して、前記動翼を少なくとも二つのリングに固定することにより、信頼性が高く、作業性に優れる蒸気タービンロータを提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータシャフトと、前記ロータシャフトにはめ込まれ、動翼を固定するためのリングと、前記リングに固定されたブレードとを有する蒸気タービンロータであって、前記動翼は、少なくとも二つのリングに固定されることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項２】
請求項１に記載された蒸気タービンロータであって、前記リングは前記ロータシャフトの軸方向の片側より溶接されており、かつ、複数のリングが同じ方向より溶接されていることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項３】
請求項１に記載された蒸気タービンロータであって、前記リングの軸方向の厚さは５０mm以下であることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項４】
請求項１に記載された蒸気タービンロータであって、前記少なくとも二つのリングは、互いに接触してロータに固定されていることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項５】
ロータシャフトに対応する内口径を有するリングを、ロータシャフトにはめ込み、前記リングとロータシャフトとを溶接接合し、前記リングに動翼を固定することを特徴とするリング溶接型ロータの製造方法であって、前記動翼は、少なくとも二つのリングに固定されていることを特徴とするリング溶接型ロータの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載されたリング溶接型ロータの製造方法であって、前記リングを片側より、かつ、複数のリングを同じ方向より溶接することを特徴とするリング溶接型ロータの製造方法。
【請求項７】
ロータシャフトと、前記ロータシャフトにはめ込まれたリングとよりなるタービンロータと、前記タービンロータを覆うケーシングと、前記リングに固定された動翼と、前記ケーシングの内側に設けられた静翼とよりなる蒸気タービンであって、前記動翼は複数のリングより構成される溝にはめ込まれ、固定されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項８】
請求項７に記載された蒸気タービンにおいて、前記リングと前記ロータシャフトとが溶接されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項９】
請求項７に記載された蒸気タービンにおいて、前記リングは、前記ロータシャフトの軸方向のいずれか一方より溶接されており、かつ、複数のリングが同方向より溶接されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１０】
請求項７に記載された蒸気タービンにおいて、前記リングは、前記ロータシャフトに溶接された内周側の厚さが７０mm以下であることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１１】
請求項７に記載された蒸気タービンにおいて、前記リングは、Ｎｉ基合金よりなることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１２】
前記動翼を固定する複数のリングは、間隙を空けて前記ロータシャフトに溶接されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１３】
請求項７に記載された蒸気タービンにおいて、前記ロータシャフトが鋼材よりなり、前記リングがＮｉ基合金よりなり、前記ロータシャフトと前記リングとを溶接する溶接金属がＮｉ基合金よりなることを特徴とする蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンに関し、特にタービンリングをロータシャフトに溶接して構成されるリング溶接型のタービンロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
埋蔵量が豊富である石炭は安価であり、エネルギーセキュリティーの観点からも重要なエネルギー源の一つである。またそれを利用した石炭火力発電プラントは今後も必要不可欠な発電機器である。しかし、天然ガスや原油を用いたガスタービンと比較すると蒸気タービンの発電端効率は低く、さらなる高効率化が必要である。
【０００３】
これまでの蒸気タービンの高温部材には１２Ｃｒ鋼など、Ｆｅ基合金の材料が主に用いられてきた。蒸気タービンの高効率化を目指して、欧州を中心に６５０℃級，７００℃級の蒸気タービンの開発が進められ、主蒸気温度の高温化がされている。主蒸気温度が６５０℃以上の蒸気タービンでは、高温強度に優れたＮｉ基超合金を使用する必要がある。
【０００４】
Ｎｉ基超合金では、凝固の際の偏析，大型鍛造品の製造、またＦｅ基合金のロータに比べて非常に高価であるなどの問題があり、２０トンを超えるロータ製造では一体型の製造が難しいため、複数のＮｉ基合金の鍛造品を組み合わせた溶接構造のロータが不可欠となる。
【０００５】
特開２００５−１２１０２３号公報（特許文献１）には、複数の鍛造品を組み合わせた構造のロータとしてリング型溶接ロータが開示されている。これは鋼とＮｉ基合金の異材を溶接し、高温側の部分にＮｉ基合金を用いることで、強度を高めることを特徴としたロータである。
【０００６】
特開２００７−３３２８６６号公報（特許文献２）では、高温側でＮｉ基合金の動翼とリングを一体型とした動翼一体型リングを、シャフトにはめ込んだロータが開示されている。
【０００７】
特開２００３−２６９１０６号公報（特許文献３）では、１２Ｃｒ鋼のようなフェライト鋼の翼を全周一群構造とし、ロータのディスクにその構造体に直接溶接する構造のロータが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１２１０２３号公報
【特許文献２】特開２００７−３３２８６６号公報
【特許文献３】特開２００３−２６９１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
鋼よりも高強度のＮｉ基材料のリングを焼き嵌めによってシャフトに取り付ける場合、常時リングに大きな応力がかかるため、亀裂が入った時に一気に進展しやすい。また、このような製造方法は、溶接よりも信頼性が低い。
【００１０】
高強度のＮｉ基材料のリングを溶接によって取り付ける場合、信頼性は焼き嵌めより高い。しかし、例えば高温部の初段動翼など、強度を確保するため、リングのロータシャフトの軸方向の幅を大きくする必要がある。幅の大きいリングの片側からの溶接では、開先を大きくとる必要があり、このために溶接後、大きな残留応力のためにリングが変形する恐れがある。また、両側から溶接する場合、第１段目のリングは溶接可能であるが、２段目以降のリングでは前段のリングと溶接装置が干渉して、２段目以降のリングの溶接が困難である。
【００１１】
本願発明の課題は、上記のような問題を解決し、信頼性が高く、製造の容易な蒸気タービンロータを提供することにある。また、Ｎｉ基合金リングをシャフトに溶接接合する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を達成するための本願発明の特徴は、ロータシャフトと、複数のリングよりなり、１段分の動翼を固定するための翼溝を有する蒸気タービンロータである。蒸気タービンロータに設けられた翼溝には、複数の動翼が取り付けられる。動翼には、翼溝に固定するための翼ルート部を有する。
【００１３】
また、上記技術課題を解決するための本発明の特徴は、１段分の動翼を取り付けるために、２枚以上のリングを使用したことにある。また、２枚以上のリングで１段分の動翼を固定する翼溝を構成し、かつ片側からのみの溶接でリングをロータに取り付けるため、１枚あたりのリングの厚さを５０mm以内としたことにある。本発明は、特に主蒸気温度６５０℃以上の蒸気タービンロータに好適である。
【００１４】
従来の１段分の動翼を固定するための翼溝を、２枚以上のリングで構成することによって、１枚あたりのリングの厚さが薄くなるために片側からの溶接が可能となる。従って、これまで前段のリングなど、他のリングが干渉して、２段目以降のリングの溶接を困難となっていた課題を解消し、容易に２段目以降のリングの溶接が可能となる。
【００１５】
さらに、１段分の動翼を固定するためのリングが細分化されるために、パーツ一つあたりの大きさは小さくなり、加工性，鍛造性が向上する。タービンロータ製造時も、リングの厚さを薄くすることで、溶接に要する入熱を低減でき、溶接後の欠陥検出も容易である。さらにリングの変形も抑制できる。また、Ｎｉ基合金を使用し、タービンロータを作成することができるため、蒸気タービンの高温化，高強度化を図ることが可能である。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成によれば、信頼性高く製造の容易な蒸気タービンロータを提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本願発明者らは、ロータシャフトと、前記ロータシャフトにはめ込まれ、動翼を固定するためのリングと、前記リングに固定された動翼とを有する蒸気タービンロータであって、リング１枚当たりの厚さを薄くし、動翼１段当たりに２枚以上のリングを使用し、片側溶接を実施して、前記動翼を少なくとも二つのリングに固定することにより、信頼性が高く、作業性に優れる蒸気タービンロータを提供することを検討した。さらに、上記構成とすることにより、１段分の動翼を複数のリングで固定するため、動翼より係る力を分散することが可能である。
【００１８】
図１には、本発明による蒸気タービンロータの必要構成部品を示す。タービンロータには、シャフト１と、翼を植えるためのリング２，３を用いる。なお、シャフト，リング及びシャフトとリングを溶接する溶接金属の材料は、使用温度，要求強度に応じて適宜選択できる。シャフト１は、これまでロータ材料として一般的に用いられている材料を使用できる。例えば、１２Ｃｒ鋼がよい。また、図１では、リング材は２枚で組となり、間に翼が固定される。翼を植えるためのリング２，３を、５０mm以下の厚さとすることで、片側からの溶接を可能とすることができる。リングには、予め翼を植えるための翼ルート部と嵌合する溝を切削加工しておいてもよい。リング材はＮｉ基合金が好ましい。これまでの鋼よりも高強度の、析出強化型Ｎｉ基合金である。この析出強化型Ｎｉ基合金としては、例えば、Waspaloy，ＩＮ７１８，ＩＮ６１７，ＦＥＮＩＸ７００，ＵＳＣ１４１といったＮｉ基合金がよい。シャフトとリングの溶接には、溶接金属を用いる。溶接金属としては、Ｎｉ基合金が望ましく、ＩＮ６１７やＩＮ８２が例示される。
【００１９】
リングの溶接は、片側から行う。図２に示すように、第一の工程において、２ａのリングが片側から溶接され、第二の工程として２ｂが、２ａが接合されているのと反対側から片側溶接される。すなわち矢印の溶接方向１０が示すように、全リングが同じ側から溶接される。こうすることで前段のリングが干渉して、溶接が困難になることはない。溶接は、ＴＩＧ溶接で実施する。ＭＩＧ，レーザ溶接，電子ビーム溶接，サブマージアーク溶接であってもよい。
【００２０】
図３は、翼を植える手段の部分断面図を示す。リングには、翼を溝に入れるために、翼ルート部が入る大きさの切れ目を開けておき、そこから溝を通して、矢印の翼植え方向６が示すように、ロータの円周方向に翼を１本ずつ通して嵌め、１段分の動翼を形成していく。溶接されたリングで作られた溝の形状に対して、翼には適当な形状にルート部が加工されている。
【００２１】
図４は、図３の翼溝の断面７におけるリング及び翼ルート部の断面図を示す。動翼には、リングに固定するための翼ルート部を有する。図４Ａのように、翼ルート部の先端に翼の溝形状については、最も容易な例としては、図４Ａに示すようなＴルート型の溝・翼溝形状がある。また、図４Ｂに示すダブルＴルート型、図４Ｃに示すモミの木型でもよい。特に、このような複雑な翼ルート部の加工は、翼が大きく、加工しやすいタービンの後段側で使用しやすい。
【００２２】
さらに、リングを動翼１段当たり３枚以上入れることによって、図４Ｄに示すようなフォーク型の翼溝を有する翼でもよい。複数本の翼ルート部をそれぞれのリングで形成される翼溝に合わせて固定する。さらに、動翼の翼ルート部とリングの全体を貫通するピンを設け、動翼を固定することも可能である。本発明の複数のディスクを用いた動翼の固定は、特に動翼の大きいタービンの後段側で使用することが有効である。
【実施例１】
【００２３】
本実施例では、二つのリングをシャフトに溶接し、翼を固定したタービンロータの実施例を示す。シャフトには、直径５００mmの１２Ｃｒ鋼を使用した。リングには、Ｎｉ基超合金を使用した。リング材の寸法は、内径が５２０mmで、外径が１０００mmとした。リングには溶接用の開先（１０mm）を設けた。リング及び翼には、予め切削加工によって図４Ａで示す溝，翼ルート部を設けた。リングは、幅を５０mmと１００mmの２種類のものを用意した。用意したリングを、ＴＩＧ溶接によってシャフトに溶接した。
【００２４】
上記方法により動翼１段当たり、２リングを使用し、５０mmのリングを４枚溶接して、動翼を２段分植えつけられるタービンロータサンプルを作成した。１枚目と２枚目のリングの間隙、３枚目と４枚目のリングの間隙は１０mm、２枚目と３枚目のリングの間隙は１００mmとした。シャフトとリングの間の溶接幅は１０mmとした。リングの素材は、表１に記載の合金Ａ，合金Ｂ，合金Ｃ，合金Ｄ及び合金Ｅを用いた。表１に合金Ａ〜ＥのＮｉ基超合金の組成及び時効熱処理後のクリープ特性、７００℃における０.２％耐力を示す。また、溶接金属にはＮｉ基合金Ｃを用いた。
【００２５】
２段目以降も溶接で接合することを考慮して、いずれの幅のリングでも片側からの溶接を実施した。表１のＮｉ基超合金のスペックを満たすように、タービンロータに時効熱処理を施した。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
また、比較例として、合金Ａ〜Ｅで１００mmのリングを使用し、動翼１段当たり１リング、計２リングを固定したロータを作成した。リングの間の間隙は１００mmとした。
【００２８】
リングとシャフトを溶接した後、応力除去焼鈍のためタービンロータを６５０℃で熱処理した。その結果を表２に示す。１００mm幅のリングを使用した比較例では、いずれのＮｉ基材においても大きく変形、もしくは割れが生じた。５０mmのリングを使用した実施例では、いずれの材料においても比較例の１００mm幅のリングに見られた変形，割れは発生しなかった。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
上記のとおり、２段で翼を固定することにより、翼の溶接が可能となり、高度が高く、加工しにくいＮｉ基合金を使用することができる。また、一つの翼の重量を二箇所で分離して保持することとなるため、翼固定部の劣化が低減される。
【実施例２】
【００３１】
実施例２では、実施例１のリング厚さを変更したロータシャフトを作成した例について説明する。シャフト材には直径５００mmの１２Ｃｒ鋼を使用した。リング材には、内径が５２０mm（シャフト直径＋開先分）で、外径が１０００mmのＮｉ基の合金Ｄを用意した。溶接金属には合金Ｃを用いた。リングの厚さを５０mm，５５mm，６０mm，６５mm，７０mm，８０mmと変えたリングを用意し、シャフト材に各リングを片側ＴＩＧ溶接した。リング幅を変えたときの溶接結果を表３に示す。５０mmのリングでは、変形や割れは生じなかった。５５mm，６０mmのリングを溶接すると、わずかにリングが変形し、７０mm以上では、割れが生じてしまった。従って、本実施例の合金の組み合わせでロータシャフトを作成する場合には、リング形状は、６０mm以下とすることが好ましい。
【００３２】
【表３】
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【実施例３】
【００３３】
実施例３では、本発明のリングを溶接したシャフト材を用いて、タービンを構成した例について説明する。シャフト材には直径５００mmの１２Ｃｒ鋼を使用した。リング材には、内径が５２０mm（シャフト直径＋開先分）で、外径が１０００mmのＮｉ基の合金Ｄを用意した。溶接金属には合金Ｃを用いた。リングの厚さは５０mmとして、１段当たりのリング枚数を２枚とした。リングには、予めＴルート型の溝を切削加工により切っておいた。シャフト材にＴＩＧ溶接にて片側溶接で動翼２段分のリングを溶接した。その後、溶接部の熱応力を除去するため、応力除去焼鈍のため、６５０℃で熱処理を実施した。本実施例では、割れや変形は生じなかった。
【００３４】
上記のリングを固定したロータシャフトを、蒸気タービンに使用した。蒸気タービンは、ロータシャフトと、ロータシャフトに固定された動翼と、動翼と相対する位置に設けられた静翼と、これらを覆うケーシングとを有し、一般に高圧車室，低圧車室から構成され、タービンによっては中圧車室を有するものもある。図５に高・中圧一体型の蒸気タービンの構成図、図６に蒸気タービンの全体図の一例を示す。蒸気は高圧車室を出たあと、再熱され中圧車室へ送られる。その後ダブルフローの低圧タービンへ送られる。この高・中圧車室では蒸気温度は蒸気タービンの中で最も高くなるため、材料は耐熱材料が用いられる。蒸気条件が厳しくなるにつれ、この高・中圧部の材料にとって厳しい環境に置かれることになる。タービン翼についてはそれぞれの温度に応じた材料を使用できるが、ロータ軸については、１本の軸で使われるため、そのような温度域による使い分けができない。これまでの蒸気温度では１２Ｃｒ鋼など、Ｆｅ系の材料が用いられてきたが、主蒸気温度が６５０℃を超えるようなタービンであるとＦｅ系の材料では対応しきれず、Ｎｉ基超合金を用いる必要が出てくる。しかしＮｉ基超合金は、大型鋼塊を作製する際の凝固偏析，大型品の鍛造性，コスト等の理由から、２０トンを超えるロータの製造では、一体型の構造が難しい。本実施例によれば、ロータシャフトの製造が容易であって、信頼性の高い蒸気タービンを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明における蒸気タービンロータで使用する部品の模式図を示す。
【図２】図１に示した部品の組み立てた模式図を示す。
【図３】本発明における翼を植える手段の部分図を示す。
【図４】本発明におけるリング及び翼ルート部の形状を示す。
【図５】蒸気タービンの構造例を示す。
【図６】蒸気タービンの構造例を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１  シャフト
２，３  リング
４  動翼
５  翼ルート部
６  翼植え方向
７  翼溝の断面図
８  溶接装置
９  溶接部
１０  溶接方向
１１  高圧車室
１２  中圧車室
１３  低圧車室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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