(57)【要約】【課題】６００℃以上の高温で稼働される蒸気タービンであって、組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供すること。【解決手段】ロータ１と、ロータ１の外周側に間隔を介して設置された内ケーシング２と、内ケーシング２に固定された静翼４と、ロータ１の外周に設けられたディスク部１１と、ディスク部１１の外周に取り付けられた動翼２と、動翼３のプラットフォーム部３２からロータ軸方向の上流側及び下流側に突出したフィン３３，３４とを備え、フィン３３，３４は、ロータ軸方向及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィン３３，３４と接触し、ロータの外周面を蒸気流路から遮断している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、
前記ロータの外周側に間隔を介して設置された内ケーシングと、
前記内ケーシングに固定された静翼と、
前記ロータの外周に設けられたディスク部と、
前記ディスク部の外周に取り付けられた動翼と、
前記動翼のプラットフォーム部からロータ軸方向の上流側及び下流側に突出したフィンとを備え、
前記フィンは、ロータ軸方向及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィンと接触し、前記ロータの外周面を蒸気流路から遮断していることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
ロータと、
前記ロータの外周側に間隔を介して設置された内ケーシングと、
前記内ケーシングに固定された静翼と、
前記ロータの外周に設けられたディスク部と、
前記ディスク部の外周に取り付けられた動翼と、
前記動翼のプラットフォーム部からロータ軸方向の上流側又は下流側に突出したフィンとを備え、
前記フィンは、ロータ軸方向において隣り合う他の動翼のプラットフォーム部及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィンと接触し、前記ロータの外周面を蒸気流路から遮断していることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項３】
請求項１又は２記載の蒸気タービンにおいて、
前記動翼のプラットフォーム部と、当該プラットフォーム部とロータ周方向において隣り合う他の動翼のプラットフォーム部との間にロータ軸方向から挿入されたピンをさらに備えることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項４】
請求項１から３いずれかに記載の蒸気タービンにおいて、
前記フィンがロータ軸方向において前記他の動翼のフィン又は前記他の動翼のプラットフォーム部と接触する部分に取り付けられた接触介在部材をさらに備えることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項５】
請求項１から３いずれかに記載の蒸気タービンにおいて、
前記動翼及び前記静翼は、Ｎｉ基合金で製造されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項６】
請求項１から３いずれかに記載の蒸気タービンにおいて、
前記動翼のプラットフォーム部の内部には、中空部が設けられていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項７】
ロータと、
前記ロータの外周側に間隔を介して設置された内ケーシングと、
前記内ケーシングに固定された複数の静翼と、
前記ロータの外周に設けられ、ロータ軸方向に間隔を介して配置された複数のディスク部と、
前記複数のディスク部のそれぞれの外周に放射状に取り付けられた複数の動翼と、
前記複数の動翼のうち６００℃以上の蒸気が流通するもののプラットフォーム部から、ロータ軸方向の一方又は両方に突出したフィンとを備え、
前記フィンは、ロータ軸方向及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィンと接触し、前記ロータの外周面を蒸気流路から遮断してい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６００℃を超える高温の雰囲気にさらされる蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に蒸気タービンは、さらされる蒸気の圧力及び温度に応じて、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンの３種に大別される。そのうち、超々臨界圧条件で用いられる高圧タービンでは、最も高温高圧の２５ＭＰａ，６００℃程度の蒸気がボイラから流入し、そのほぼ半分の圧力で４００℃程度の蒸気が当該高圧タービンの出口から流出する。一般に、動翼がはめ込まれるロータ外周は、蒸気雰囲気にむき出しにさらされるので、動翼とほぼ同じ温度の蒸気にさらされる。そのため、ロータ外周は高温に対するクリープ強度が設計上重要となる。そのため、超々臨界圧条件で用いられる高圧タービンのロータには、４００℃から６００℃の高温クリープに耐え得る材料を採用する必要がある。
【０００３】
このような高温クリープに耐え得るロータを安価に製造する技術としては、例えば、（１）異種材料で製造された複数のロータを溶接で接合して１本のロータとするもの（特開２０００−６４８０５号公報参照）や、（２）軸方向に間隔を介して設置された複数の動翼の間にロータと同心の円筒状部材を設置し、当該円筒状部材でロータを外周から覆ったものがある（特開昭６０−９３１０１号公報参照）。
【０００４】
前者の技術のような溶接ロータ構造を採用すると、クリープ強度を考慮しなければならない高温領域には高強度Ｃｒ鋼等の高温用の素材を用いることができ、また、クリープ強度を考慮しなくても良い低温領域には比較的安価なＣｒＭｏＶ鋼等を用いることができる。したがって、温度に応じた異種材料を用いることができるので、クリープ強度を考慮しなければならない部分にのみ高価な材料を用いることができ、ロータ全体の製造コストを抑制することが可能となる。一方、後者の技術のように円筒状部材を設置すると、ロータ外周面が高温蒸気から遮蔽されるのでロータ外周面の温度上昇を抑制することができ、安価な素材をロータに利用できたりロータ径を小さくしたりすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−６４８０５号公報
【特許文献２】特開昭６０−９３１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、先述のような４００℃から６００℃程度までの超々臨界圧条件では、ロータの素材としてフェライト鋼を適用すればクリープ強度が充分耐えられるものであったが、６００℃を超える７００℃級の蒸気を利用する先進超々臨界圧条件では、必要とされるクリープ強度は１０万時間で１００ＭＰａにも及ぶ。そのため、先進超々臨界圧条件で利用される蒸気タービンでは、従来のフェライト鋼に比べてクリープ強度が高いニッケル基合金（Ｎｉ基合金）によってロータを製造することが考えられている。しかし、Ｎｉ基合金は、フェライト鋼に比べて大型鋼隗製造性に乏しく、高々１０トン程度のロータしか製造することができない。そのため、例えば、シャフト部がφ８００ｍｍのロータを製造するとすれば、その軸長は２．５ｍ程度しか確保できない。
【０００７】
この場合、先述の前者の技術を利用して、Ｎｉ基合金とフェライト鋼という異種材料からなる溶接ロータを適用することも考えられる。しかし、Ｎｉ基合金素材やフェライト鋼素材は、ロータの基本機械特性を維持するためにハンマーやプレスで鍛造され靭性が高められているのに対し、溶接部は高温熱処理された無垢の状態であるので、靭性に乏しく、著しく強度が低下するおそれがある。そのため、先進超々臨界圧条件で用いられるロータを構成するにあたり、信頼性に問題がある。
【０００８】
また、超々臨界圧条件で用いられる蒸気タービンでは、ロータの外周に設けられる部分であって動翼が取り付けられるディスク（車盤）は、軸方向の複数段落に亘って一体削りだし成型されることがある。そのため、先述の後者の技術に係る円筒状部材を適用する場合には、当該円筒状部材はディスクが一体成型された後に取り付けることになる。この点に関し、当該技術には、円筒状部材を、ａ）一体の環状のもの、ｂ）上下に２分割したもの、ｃ）複数の素片からなるもので形成する旨が開示されているが、上記ａ）及びｂ）の方法で形成した場合には、一体成型したディスク間には円筒状部材を架け渡すことができないので、適用することができない。また、ｃ）の方法で形成した場合には、素片挿入溝（素片をディスク間に挿入する際に利用する溝）やボルト孔（素片挿入孔を塞ぐ部材を固定するためのボルト孔）を設けた場所に応力集中が発生するので、信頼性が著しく劣る構造になる。
【０００９】
本発明の目的は、６００℃以上の高温で稼働される蒸気タービンであって、組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、ロータと、前記ロータの外周側に間隔を介して設置された内ケーシングと、前記内ケーシングに固定された静翼と、前記ロータの外周に設けられたディスク部と、前記ディスク部の外周に取り付けられた動翼と、ロータ軸方向の上流側及び下流側の少なくとも一方に向かって前記動翼のプラットフォーム部から突出したフィンとを備え、前記フィンは、ロータ軸方向及びロータ周方向において隣り合う他の動翼のフィンと接触し、前記ロータの外周面を蒸気流路から遮断しているものとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、６００℃以上の高温で稼働される場合にも組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの概略構成図。
【図２】図１に示した蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図。
【図４】図３に示した動翼をロータ周方向に複数取り付けた状態の斜視図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図。
【図７】本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービンの概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。  
図１は本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの概略構成図であり、図２は図１に示した蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図である。これらの図に示す蒸気タービンは、６００℃以上の高温で稼働されるもので、ロータ１と、内ケーシング２と、動翼３と、静翼４を主に備えている。また、蒸気タービン段落は、性能の向上を図るため、軸方向に多数形成されている。これを蒸気タービンの多段落構造という。
【００１４】
ロータ１は、シャフト部１１と、シャフト部１１の外周に設けられたディスク部１２を備えている。ディスク部１２は、ロータ軸方向に間隔を介して複数配置されている。ロータ１の外周側には、ロータ１と間隔を介して内ケーシング２が設置されている。
【００１５】
動翼３は、翼部３１と、プラットフォーム部３２と、上流側フィン３３と、下流側フィン３４と、翼根元部３５（図２参照）と、カバー部３６を備えており、翼根元部３５を介してディスク部１２の外周に放射状に複数取り付けられている。また、動翼３のカバー部３６と外輪４１（後述）の間には、水蒸気の漏洩を抑制する動翼先端漏洩シール５１が設置されている。
【００１６】
上流側フィン３３は、ロータ軸方向における蒸気流通方向の上流側（以下において、ロータ軸方向の上流側と称することがある）に向かってプラットフォーム部３２から庇状に突出しており、下流側フィン３４は、ロータ軸方向における蒸気流通方向の下流側（以下において、ロータ軸方向の下流側と称することがある）に向かってプラットフォーム部３２から庇状に突出している。例えば、ロータ軸方向に並んで配置される２つのディスク部１２によって形成される間隙の距離が４０〜６０ｍｍ程度であれば、上流側フィン３３及び下流側フィン３４をそれぞれ２０〜３０ｍｍ程度突出させれば良い。
【００１７】
各動翼３における上流側フィン３３は、そのロータ軸方向の上流側に位置する他の動翼３の下流側フィン３４と接触しつつ（図１参照）、そのロータ周方向の両側に位置する２つの動翼３の上流側フィン３３と接触している（後の図４参照）。また、これと同様にして、各動翼３における下流側フィン３４は、そのロータ軸方向の下流側に位置する他の動翼３の上流側フィン３３と接触しつつ、そのロータ周方向の両側に位置する２つの動翼３の下流側フィン３４と接触している。これにより、ロータ１の外周面は複数の上流側フィン３３及び下流側フィン３４によって覆われ、ロータ１の外周面とフィン３３，３４との間には環状の空隙５が形成される。すなわち、上流側フィン３３及び下流側フィン３４は、ロータ１の外周面を蒸気（主蒸気）から完全に遮断している。
【００１８】
なお、動翼３は、６００℃を超える７００℃級の先進超々臨界圧条件で用いられる点を鑑みて、Ｎｉ基合金で製造することが好ましい。このように動翼３をＮｉ基合金とする場合には、Ｎｉ基合金の使用量を抑制する観点等から、プラットフォーム部３２の内部に中空部３７（図１参照）を設けることが好ましい。また、本実施の形態におけるディスク１２の翼溝構造は、図２に示すように、ロータ軸方向から動翼３を挿入して固定するタイプ（アキシャルエントリー型翼溝構造）であるが、ロータ周方向から動翼３を挿入して固定するタイプ（例えば、鞍型翼溝構造）を利用しても同様の発明の効果を期待できる。
【００１９】
静翼４は、そのロータ径方向外側に位置する外輪４１を介して内ケーシング２に固定されている。静翼４は、外輪４１の内側に設置された内輪４２と外輪４１との間に架け渡されており、ロータ周方向に間隔を介して複数設置されている。また、内輪４２とフィン３３，３４の間には、水蒸気の漏洩を抑制する静翼先端漏洩シール５２が設置されている。なお、静翼４も、動翼３と同様の観点からＮｉ基合金で製造することが好ましく、さらには、静翼４と同様に蒸気にさらされる内輪４２及び外輪４１もＮｉ基合金で製造することが好ましい。
【００２０】
上記の蒸気タービンは、ロータに比べて小さな部材である動翼の一部を拡大し、６００℃以上の高温蒸気にロータをさらすことなく完全に覆うことにより、Ｎｉ基合金を用いたロータの製造上の限界を克服するという着想に基づき創作されたものである。そこで、本実施の形態では、この着想に基づき、動翼３のプラットフォーム部３２から上流側フィン３３及び下流側フィン３４を突出させ、これらを隣接する他の動翼３のフィン３３，３４と接触させることでロータ１の外周にカバーを形成している。
【００２１】
このようにロータ１の外周にフィン３３，３４によるカバーを形成すると、ロータ１の周囲に形成された蒸気流路を流通する蒸気からロータ１を完全に遮断することができるので、先進超々臨界圧条件で使用されるロータのシャフト部及びディスク部をＮｉ基合金で製造する必要性を著しく低減することができる。しかも、このとき、フィン３３，３４とロータ１の間に形成される空隙５は断熱作用を発揮する。また、本実施の形態によれば、特許文献２記載の技術における円筒状部材のように、ロータ外周面を蒸気から遮断する部材を別途取り付ける必要も無いので、タービンの組立も容易で、組立に伴う信頼性の低下の心配も無い。したがって、本実施の形態によれば、６００℃以上の高温で稼働される場合にも組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供することができる。
【００２２】
また、本実施の形態によれば、フィン３３，３４の外周面を一般的なロータにおけるシャフト部の外周面とすることができるので、ロータ１のシャフト部１１の直径を一般的なものよりも小さくすることができる。例えば、シャフト部がφ８００ｍｍの一般的なロータに相当するものを製造することを想定した場合、本実施の形態において、シャフト部１１の外周面からフィン３３，３４の外周面までの距離が１００ｍｍであれば、そのシャフト部１１はφ６００ｍｍで足りる。なお、シャフト部１１の直径を小さくするには、シャフト部１１の外周面からフィン３３，３４の外周面までの距離を大きくすることが有効であり、当該距離を大きくするには、プラットフォーム部３２のロータ径方向における長さを大きくすることが有効である。また、このようにプラットフォーム部３２のロータ径方向における長さを大きくする場合には、プラットフォーム部３２の内部に中空部３７を設けることが好ましい。
【００２３】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図であり、図４は図３に示した動翼をロータ周方向に複数取り付けた状態の斜視図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。
【００２４】
図３に示す動翼３Ａのプラットフォーム部３２にはピン溝６が穿たれている。ピン溝６は、ロータ軸方向に沿って穿たれており、プラットフォーム部３２上の側面のうちロータ周方向に位置する２つの側面に設けられている。この動翼３Ａを図４に示すようにロータ周方向に複数配置すると、ロータ周方向において隣り合う２つのプラットフォーム部３２によってピン７を挿入するための貫通孔がピン溝６によって形成される。すなわち、図４に示す蒸気タービンは、ロータ周方向において隣り合う２つのプラットフォーム部３２の間にロータ軸方向から挿入されたピン７を備えている。
【００２５】
このようにロータ周方向において隣り合う２つのプラットフォーム部３２の間にピン７を挿入することで、当該２つのプラットフォーム部３２をピン７を介して接触連結させると、動翼３Ａの減衰効果を向上させることができる。特に、Ｎｉ基合金は、高温クリープ強度が高い利点がある反面、減衰効果は動翼の素材として従来から適用されてきた高Ｃｒ鋼に比べて小さい。そのため、動翼３ＡをＮｉ基合金で製造したときには、蒸気変動流れによる励振力によって動翼３Ａがランダムな励振を受けた場合、振動応答が大きくなって疲労強度が設計上の課題となることがある。しかし、本実施の形態のようにピン７を挿入すれば、たとえ動翼３ＡにＮｉ基合金を適用しても動翼間に減衰効果が高まる構造となるので、動翼３Ａに作用する蒸気変動流れによるランダムな励振による疲労問題を回避することができる。
【００２６】
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００２７】
図５は本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図である。この図に示す動翼３Ｂのプラットフォーム部３２には、パッキン固定溝８が設けられている。パッキン固定溝８は、ロータ周方向に沿って設けられた溝であり、プラットフォーム部３２上の側面のうちロータ軸方向に位置する２つの側面に設けられている。この動翼３Ｂをロータ軸方向に複数配置すると、ロータ軸方向において隣り合う上流側フィン３３及び下流側フィン３４によってリング状のパッキン（接触介在部材）９を挿入するための環状溝がパッキン固定溝８によって形成される。すなわち、図５に示す蒸気タービンは、ロータ軸方向において隣り合う２つのフィン３３，３４が接触する部分に取り付けられたパッキン９を備えている。
【００２８】
このように２つのフィン３３，３４がロータ軸方向で接触する部分にパッキン９を挿入すると、段落間の動翼３Ｂ同士の接触面間の減衰効果を向上させることができる。さらに、パッキン９により段落間の接触が密になるので、高温蒸気流れが空隙５に漏洩することが抑制され、ロータ１が高温にさらされることを防止できる。
【００２９】
なお、本実施の形態のように段落間にパッキン９を取り付ける場合の動翼とロータの接合構造は、その組立性を向上させる観点から、図５に示すようなアキシャルエントリー型翼溝構造を採用することが好ましい。
【００３０】
次に本発明の第４の実施の形態について説明する。
【００３１】
図６は本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービンにおける動翼付近の斜視図である。この図に示す動翼３Ｃは、プラットフォーム部３２からロータ軸方向の上流側に突出した上流側フィン３３のみを備えている点で第１の実施の形態のものと異なる。この上流側フィン３３は、ロータ軸方向の上流側に位置する他の動翼のプラットフォーム部３２及びロータ周方向において隣り合う他の動翼の上流側フィン３３と接触し、ロータ１の外周面を蒸気流路から遮断している。
【００３２】
また、図６に示した例では、上流側フィン３３のみをプラットフォーム部３２に設けた場合について説明したが、これに代えて、下流側フィン３４のみを設けても良い。この場合には、当該下流側フィン３４は、ロータ軸方向の下流側に位置する他の動翼のプラットフォーム部３２及びロータ周方向において隣り合う他の動翼の下流側フィン３４と接触し、ロータ１の外周面を蒸気流路から遮断する。
【００３３】
上記のようにプラットフォーム部３２にフィンを、ロータ軸方向の上流側だけ又は下流側だけに備えても、ロータ１の外周面を蒸気流路から遮断することができるので、第１の実施の形態と同様に、６００℃以上の高温で稼働される場合にも組立が容易で信頼性の高い蒸気タービンを提供することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態で示した動翼３Ｃにも、第２の実施の形態で説明したピン７や、第３の実施の形態で説明したパッキン９を取り付けても良いことは言うまでもない。また、後者の場合のパッキン９は、上流側フィン３３（又は下流側フィン３４）がロータ軸方向において隣り合う他の動翼のプラットフォーム部３２と接触する部分に取り付けられることとなる。
【００３５】
次に本発明の第５の実施の形態について説明する。
【００３６】
図７は本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービンの概略構成図である。この図に示す蒸気タービンは、フィン３３，３４を備える動翼を部分的に備えている点にその特徴を有する。すなわち、図７に示す蒸気タービンのタービン段落は１４段で構成されているが、このうち、６００℃以上の蒸気が流通する初段から５段までの動翼にフィン３３，３４を設けている。なお、初段及び５段には、ロータ軸方向の一方に突出したフィン（上流側フィン３３又はかりゅうが）を有する動翼３Ｃが利用されており、２段から４段には、ロータ軸方向の両方に突出したフィン（上流側フィン３３及び下流側フィン３４）を有する動翼３が利用されている。
【００３７】
タービン段落は、入り口が最も蒸気温度が高く、下流になるほど蒸気温度が低くなる。このため、７００℃級の蒸気タービンを構成する場合、入り口温度が７００℃であっても、タービン出口は５００℃以下になる。このため、６００℃以上の蒸気が流通する上流側の段落（本実施の形態における初段から５段）にのみＮｉ基合金を適用し、下流側の段落には従来と同様にフェライト鋼を適用することができる。これにより、すべてのタービン段落をＮｉ基合金で製造する必要がなくなるので、蒸気タービンの製造コストを抑制することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１      ロータ
２      内ケーシング
３      動翼
４      静翼
５      空隙
６      ピン溝
７      ピン
８      パッキン固定溝
９      パッキン
１１      シャフト部
１２      ディスク部
３１      翼部
３２      プラットフォーム部
３３      上流側フィン
３４      下流側フィン
３７      中空部
４１      外輪
４２      内輪
５１      動翼先端漏洩シール
５２      静翼先端漏洩シール
【図１】
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【図２】
2011038420.tif 000004
【図３】
2011038420.tif 000005
【図４】
2011038420.tif 000006
【図５】
2011038420.tif 000007
【図６】
2011038420.tif 000008
【図７】
2011038420.tif 000009