(57)【要約】【課題】タングステン合金を用いた場合においても、タービンロータとの熱膨張差に起因する飛散、脱落事象が発生する可能性を低減させることのできるねじ型バランスウエイト及びフィールドバランス調整方法並びに蒸気タービンを提供する。【解決手段】タービンロータに取り付けられるねじ型バランスウエイトであって、タングステン合金からなる内側部と、前記タングステン合金より熱膨張率の高い材料からなり、前記内側部の周囲を囲むように配設され、外周部に前記タービンロータに取り付けるためのねじ部を有する外側部とを具備している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータに取り付けられるねじ型バランスウエイトであって、
タングステン合金からなる内側部と、
前記タングステン合金より熱膨張率の高い材料からなり、前記内側部の周囲を囲むように配設され、外周部に前記タービンロータに取り付けるためのねじ部を有する外側部と
を具備したことを特徴とするねじ型バランスウエイト。
【請求項２】
前記外側部を構成する材料は、前記タービンロータを構成する材料の熱膨張係数を１とした場合、０．８以上の比熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１に記載のねじ型バランスウエイト。
【請求項３】
前記外側部は、ステンレス鋼から構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のねじ型バランスウエイト。
【請求項４】
前記内側部は、円柱状に構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のねじ型バランスウエイト。
【請求項５】
前記外側部は、前記内側部の外側に、鋳包み、溶射、焼嵌めの何れかで配設されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のねじ型バランスウエイト。
【請求項６】
タービンプラントに設置されている蒸気タービンのロータを、当該蒸気タービンの設置場所においてバランス調整するフィールドバランス調整方法であって、
請求項１乃至５の何れか１項に記載のねじ型バランスウエイトを前記蒸気タービンのロータに取り付けることを特徴とするフィールドバランス調整方法。
【請求項７】
車室内に配設されたロータを有する蒸気タービンであって、
請求項１乃至５の何れか１項に記載のねじ型バランスウエイトを前記ロータに取り付けた
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】
本発明の実施形態は、ねじ型バランスウエイト及びフィールドバランス調整方法並びに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には、回転体としてのバランス保持、調整のために、バランスウエイトが取り付けられる。バランスウエイトの取り付け構造は、大別すると２種類有る。１つは、タービンロータに形成された溝に角型のバランスウエイトを挿入し、所定の位置でバランスウエイトを固定する構造である。他の１つは、タービンロータの外周上の所定の位置に形成されたねじ穴に、ねじ型のバランスウエイトを締め込んで固定する構造である。
【０００３】
また、バランスウエイトは、高温、腐食環境下に晒されることから、一般的にステンレス鋼が採用されている。しかし、必要に応じて、ステンレス鋼よりも比重の重いタングステン合金を採用することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６４−４８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
使用期間が長く、部品劣化や経年曲がり等を有する蒸気タービンロータは、残留アンバランスが大きいため、バランス調整のために、ステンレス鋼よりも比重の重いタングステン合金製のバランスウエイトを使用することがある。
【０００６】
しかし、タングステン合金は、タービンロータ材よりも熱膨張率が低いという特徴も有している。このため、タングステン合金製のねじ型バランスウエイトを用いた場合、ねじ型バランスウエイト取り付け時の温度から実運用時の温度までの温度差が大きくなる使用環境下では、タービンロータの方がより多く熱膨張する。その結果として、ねじ型バランスウエイトの固定力や締付力が著しく低下し、ねじ型バランスウエイトの飛散や脱落を引き起こす可能性がある。
【０００７】
一方、ステンレス鋼製のねじ型バランスウエイトの場合は、熱膨張率がタービンロータ材の熱膨張率とほぼ同じなので、上記のような温度差に起因する飛散、脱落事象が生じる可能性は低い。
【０００８】
ねじ型バランスウエイトの飛散、脱落予防策として、ねじ型バランスウエイト取り付け後に、ねじ型バランスウエイト周囲をポンチかしめして、ねじ穴の周囲を潰しておく策がとられる。このようなポンチかしめは、挿入型、ねじ型といったバランスウエイトの種類、ステンレス鋼、タングステン合金といったバランスウエイトの材質に限らず実施するのが一般的である。
【０００９】
しかし、ねじ型バランスウエイトでは、上記のポンチかしめが実施できない場合がある。ねじ型バランスウエイトは、タービンプラントに設置されたタービンの設置場所で定期点検時などに行うフィールドバランス調整時に主に使用されている。このフィールドバランス調整においては、タービンロータが車室と呼ばれる格納機器の中に組み込まれている状況下でねじ型バランスウエイトを取り付けなければならない場合が生じる。
【００１０】
この場合、機器の構造によっては、タービンロータ側のねじ穴に、ねじ型バランスウエイトを直接手で取り付けることができない。その場合は、例えば図７に示すような、長い棒状のバランスウエイト取り付け冶具１０１を使用する。バランスウエイト取り付け冶具１０１は、筒状の案内管部１０２と、この案内管部１０２の内側に設けられたねじ回し部１０３とを有し、ねじ回し部１０３の端部にはねじ回し部１０３を回転させるためのハンドル部１０４が設けられている。
【００１１】
そして、ねじ型バランスウエイト１０５を蒸気タービンロータ１１０に取り付ける場合、先ず図７（ａ）に示すように、ねじ回し部１０３の先端部にねじ型バランスウエイト１０５を取り付ける。
【００１２】
次に、図７（ｂ）に示すように、格納機器１１１に設けられた小窓１１２からバランスウエイト取り付け冶具１０１を挿入し、蒸気タービンロータ１１０の所定のねじ穴１１３にねじ型バランスウエイト１０５を挿入する。
【００１３】
しかる後、図７（ｃ）に示すように、バランスウエイト取り付け冶具１０１のハンドル部１０４を回転させることによって、ねじ型バランスウエイト１０５を蒸気タービンロータ１１０の所定のねじ穴１１３に締め付けて取り付ける。
【００１４】
上記のように、フィールドバランス調整においては、格納機器１１１に設けられた小窓１１２からねじ型バランスウエイト１０５を取り付けなければならない場合がある。この場合、構造的に非常に狭い作業スペース内での作業となり、ねじ型バランスウエイト１０５を蒸気タービンロータ１１０の所定のねじ穴１１３に締め付けた後、この状態のままねじ型バランスウエイト１０５の周囲をポンチかしめすることはできない。
【００１５】
もし、ポンチかしめを行うとしたら、蒸気タービンロータ１１０を格納する格納機器１１１本体、あるいはその一部を分解する必要がある。このような分解作業には、時間と費用がかかるとともに、プラント停止期間が長くなるためその停止期間中の発電ロスも伴う。こういった状況下で、ねじ型バランスウエイトが使用されるため、そのポンチかしめを行うことが困難となっている。
【００１６】
ポンチかしめを行わなくとも、ステンレス鋼製のねじ型バランスウエイトでは、飛散、脱落事象に対するリスクは小さい。しかし、タービンロータとの熱膨張差が大きいタングステン合金製のねじ型バランスウエイトでは、そのリスクが著しく高まるという課題があった。
【００１７】
本発明が解決しようとする課題は、タングステン合金を用いた場合においても、タービンロータとの熱膨張差に起因する飛散、脱落事象が発生する可能性を低減させることのできるねじ型バランスウエイト及びフィールドバランス調整方法並びに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】
【００１８】
実施形態のねじ型バランスウエイトは、タービンロータに取り付けられるねじ型バランスウエイトであって、タングステン合金からなる内側部と、前記タングステン合金より熱膨張率の高い材料からなり、前記内側部の周囲を囲むように配設され、外周部に前記タービンロータに取り付けるためのねじ部を有する外側部とを具備したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態のねじ型バランスウエイトの外観及び縦断面構成を模式的に示す図。
【図２】Ｍ２０、３０Ｎ・ｍ締付時の緩め時必要トルクを示すグラフ。
【図３】Ｍ２０、６０Ｎ・ｍ締付時の緩め時必要トルクを示すグラフ。
【図４】Ｍ２４、３０Ｎ・ｍ締付時の緩め時必要トルクを示すグラフ。
【図５】Ｍ２４、６０Ｎ・ｍ締付時の緩め時必要トルクを示すグラフ。
【図６】比較例のねじ型バランスウエイトの外観及び縦断面構成を模式的に示す図。
【図７】ねじ型バランスウエイトの取り付け方法を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、実施形態のねじ型バランスウエイトを、図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、実施形態に係るねじ型バランスウエイト１２０の構成を示す図であり、図１（ａ）は外観構成を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面構成を示している。このねじ型バランスウエイト１２０は、タービンプラントに設置されたタービンの設置場所で定期点検時などに行うフィールドバランス調整時にタービンロータに取り付けられるものである。
【００２２】
図１に示すように、ねじ型バランスウエイト１２０は、タングステン合金からなる内側部１２１と、タングステン合金より熱膨張率の高い材料からなり、内側部１２１の周囲を囲むように配設された外側部１２２とを具備している。外側部１２２の外周部には、タービンロータに取り付けるためのねじ部１２３を有する。また、ねじ型バランスウエイト１２０の頂部には、図７に示したバランスウエイト取り付け冶具１０１又はねじ回し等の工具を挿入して回転させるための溝１２４が形成されている。
【００２３】
内側部１２１は、タングステン合金によって、略円柱状に形成されている。また、外側部１２２は、内側部１２１の周囲を囲むように配設されており、この内側部１２１の周囲を囲む部分の横断面形状は、環状となっている。
【００２４】
外側部１２２を構成する材料としては、内側部１２１の構成材料であるタングステン合金より熱膨張係数の高い材料であればよく、例えば、ステンレス鋼やチタン合金等を用いることができる。外側部１２２を構成する材料の熱膨張係数は、蒸気タービンロータを構成する材料の熱膨張係数を１とした場合、０．６以上とすることが好ましく、０．８以上とすることが更に好ましい。
【００２５】
内側部１２１は、タングステン合金から構成されており、その比重は、外側部１２２を構成する材料より重く、また、蒸気タービンロータを構成する材料より重い。このタングステン合金の熱膨張係数は、蒸気タービンロータを構成する材料の熱膨張係数を１とした場合、例えば０．４程度である。
【００２６】
ねじ型バランスウエイト１２０の製造方法としては、円柱状の内側部１２１に対して、例えば、鋳包み、溶射、焼嵌め等によって外側部１２２を配設する方法等を用いることができる。また、ねじ部１２３については、上記の方法で形成した外側部１２２に対して削り出しにより形成することができる。また、他の製造方法としては、内側部１２１と外側部１２２とをそれぞれ別体で構成し、これらを組み立てて固定する製造方法を用いてもよい。
【００２７】
（実施例）
外側部１２２を構成する材料として、５種類の金属を選択し、タングステン合金製の円柱状の内側部１２１に対して、これらの５種類の金属製の外側部１２２を有するねじ型バランスウエイト１２０を、ねじサイズが、Ｍ２０のものと、Ｍ２４のものを、それぞれ５種類ずつ製作した。５種類の金属は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、フェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４０５、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４である。
【００２８】
（実施例１，６）
実施例１，６は、外側部１２２を、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４０３で鋳包みにより形成した。実施例１は、ねじサイズがＭ２０、実施例６は、ねじサイズがＭ２４である。ＳＵＳ４０３の蒸気タービンロータ材に対する比熱膨張係数は、０．８程度である。
【００２９】
（実施例２，７）
実施例２，７は、外側部１２２を、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４１０で鋳包みにより形成した。実施例２は、ねじサイズがＭ２０、実施例７は、ねじサイズがＭ２４である。ＳＵＳ４１０の蒸気タービンロータ材に対する比熱膨張係数は、０．８程度である。
【００３０】
（実施例３，８）
実施例３，８は、外側部１２２を、フェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４０５で鋳包みにより形成した。実施例３は、ねじサイズがＭ２０、実施例８は、ねじサイズがＭ２４である。ＳＵＳ４０５の蒸気タービンロータ材に対する比熱膨張係数は、０．９程度である。
【００３１】
（実施例４，９）
実施例４，９は、外側部１２２を、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４で焼嵌めにより形成した。実施例４は、ねじサイズがＭ２０、実施例９は、ねじサイズがＭ２４である。ＳＵＳ３０４の蒸気タービンロータ材に対する比熱膨張係数は、１．３程度である。
【００３２】
（実施例５，１０）
実施例５，１０は、外側部１２２を、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金で溶射により形成した。実施例５は、ねじサイズがＭ２０、実施例１０は、ねじサイズがＭ２４である。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の蒸気タービンロータ材に対する比熱膨張係数は、０．６程度である。
【００３３】
（比較例）
また、比較例として、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、１種類の金属によって構成されたねじ型バランスウエイト１３０を準備した。なお、図６において、図６（ａ）は外観構成を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ断面構成を示している。ねじ型バランスウエイト１３０は、外周部にねじ部１３３を有し、頂部に図７に示したバランスウエイト取り付け冶具１０１又はねじ回し等の工具を挿入して回転させるための溝１３４が形成されている。しかし、内側部と外側部との区別がなく、１種類の金属によって構成されている。
【００３４】
（比較例１，２）
比較例１，２は、タングステン合金単体から構成されており、比較例１は、ねじサイズがＭ２０、比較例２は、ねじサイズがＭ２４である。
【００３５】
（比較例３，４）
比較例３，４は、ステンレス鋼単体から構成されており、比較例３は、ねじサイズがＭ２０、比較例４は、ねじサイズがＭ２４である。
【００３６】
上記した各実施例１〜１０、及び、比較例１〜４の構成を一覧できるように示した表１を以下に示す。
【表１】
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【００３７】
次に、上記の各実施例について、温度を上昇させた際に発生する緩みについて測定した。この測定方法は、まず、タービンロータ材と同じ基本組成を有するブロックにねじ穴を形成し、各実施例のねじ型バランスウエイトを所定のトルク（３０Ｎ・ｍ、６０Ｎ・ｍ）で締め込み、室温、１００℃、２００℃、３００℃の各温度にて、ねじ型バランスウエイトを緩めるために必要とされたトルク（緩め時必要トルク（Ｎ・ｍ））を計測した。
【００３８】
ねじ型バランスウエイトの締め込みと緩めにはトルクレンチを使用し、各温度への加熱は、バランスウエイトを締め込んだブロックをブロックごと炉内へ投入することで行った。また、緩め時必要トルクの計測は、ブロックの温度が、計測温度＋約２０℃になったところで炉から取り出し、冷却過程において、各計測温度に到達した時点で行った。
【００３９】
上記の測定結果を以下の表２に示す。
【表２】
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【００４０】
室温でのねじ型バランスウエイトの緩め時必要トルクと、各温度でのねじ型バランスウエイトの緩め時必要トルクの差が、温度上昇に対する各ねじ型バランスウエイトの耐緩み特性である。表２中では、この耐緩み特性について、非常に良好なものを「Ａ」、良好なものを「Ｂ」、良くないものを「Ｃ」としてその評価結果を示してある。この耐緩み特性は、ねじ部１２３が形成されている外側部１２２を構成する金属材料の熱膨張特性に依存する。このため、表２には、外側部１２２に使用する金属材料の熱膨張係数と、蒸気タービンロータ材の熱膨張係数に対する比を、比熱膨張係数として示してある。
【００４１】
図２のグラフは、表２に示した計測結果のうち、ねじサイズがＭ２０である実施例１〜５、及び比較例１，３の各ねじ型バランスウエイトを、各々、３０Ｎ・ｍの締付トルクにてブロックに締め込んだ場合について、緩める時の温度と、緩め時必要トルクとの関係を示している。
【００４２】
図２のグラフに示されるように、タングステン合金単体から構成されている比較例１は、２００℃で緩め時必要トルクが略ゼロになってしまうが、何れの実施例１〜５においても、比較例１に比べて耐緩み特性が良好になっていることが分かった。また、比熱膨張係数が０．６の実施例５は、比熱膨張係数が０．８以上の他の実施例１〜４と比べると耐緩み特性が劣っている。このため、比熱膨張係数は０．６以上とすることが好ましく、０．８以上とすることが更に好ましい。比熱膨張係数を０．８程度とすることによって、ステンレス鋼単体から構成された比較例３と同様な結果となった。
【００４３】
図３のグラフは、表２に示した計測結果のうち、ねじサイズがＭ２０である実施例１〜５、及び比較例３の各ねじ型バランスウエイトを、各々、６０Ｎ・ｍの締付トルクにてブロックに締め込んだ場合について、緩める時の温度と、緩め時必要トルクとの関係を示している。図３のグラフに示されるように、６０Ｎ・ｍの締付トルクの場合も、３０Ｎ・ｍの締付トルクの場合と同様な結果となった。なお、比較例１については、測定を行っていない。
【００４４】
図４のグラフは、表２に示した計測結果のうち、ねじサイズがＭ２４である実施例６〜１０、及び比較例２，４の各ねじ型バランスウエイトを、各々、３０Ｎ・ｍの締付トルクにてブロックに締め込んだ場合について、緩める時の温度と、緩め時必要トルクとの関係を示している。
【００４５】
図４のグラフに示されるように、タングステン合金単体から構成されている比較例２は、３００℃で緩め時必要トルクが略ゼロになってしまうが、何れの実施例６〜１０においても、比較例２に比べて耐緩み特性が良好になっていることが分かった。また、比熱膨張係数が０．６の実施例１０は、比熱膨張係数が０．８以上の他の実施例６〜９と比べると耐緩み特性が劣っている。このため、比熱膨張係数は０．６以上とすることが好ましく、０．８以上とすることが更に好ましい。比熱膨張係数を０．８程度とすることによって、ステンレス鋼単体から構成された比較例４と同様な結果となった。
【００４６】
図５のグラフは、表２に示した計測結果のうち、ねじサイズがＭ２４である実施例６〜１０、及び比較例２，４の各ねじ型バランスウエイトを、各々、６０Ｎ・ｍの締付トルクにてブロックに締め込んだ場合について、緩める時の温度と、緩め時必要トルクとの関係を示している。図５のグラフに示されるように、６０Ｎ・ｍの締付トルクの場合も、３０Ｎ・ｍの締付トルクの場合と同様な結果となった。
【００４７】
以上の結果から、外側部の熱膨張機能をねじ型バランスウエイトの締付力維持に利用するためには、タービンロータ材に対する比熱膨張係数を０．６以上とすることが好ましく、０．８以上とすることが更に好ましい。これは、初期のねじ型バランスウエイト締付トルクや、ねじ型バランスウエイトのねじサイズに依存しないことも分かった。
【００４８】
以上のように実施形態によれば、タングステン合金を用いたねじ型バランスウエイトのねじ部が、タービンロータ側のねじ部の熱膨張に追従することができるので、ねじ型バランスウエイト取り付け時の温度から実運用時の温度までの温度差が大きくなる使用環境下においても、締付力維持が図れる。したがって、フィールドバランス調整時等で、最終的なポンチかしめによる脱落、飛散予防策を断念する場合であっても、ステンレス鋼製のねじ型バランスウエイト並みに信頼性を高めることができる。
【００４９】
以上、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】
【００５０】
１２０……ねじ型バランスウエイト、１２１……内側部、１２２……外側部、１２３……ねじ部、１２４……溝。
【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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【図７】
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