(57)【要約】【課題】溶接接合されたタービンロータにおける接合部を的確に冷却し、接合部の温度上昇を抑制することができる蒸気タービンを提供する。【解決手段】実施形態の蒸気タービン１０は、円筒状のロータ胴部４０と円筒状のロータ胴部５０と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２４を備える。ロータ胴部４０は、ロータ胴部４０の軸中心に形成された中心貫通孔４３と、ロータ胴部４０の外周面に開口４４ａを有し、中心貫通孔４３に連通する冷却蒸気導入孔４４と、冷却蒸気導入孔４４と、ロータ胴部４０とロータ胴部５０との接合部６０との間に形成され、接合部６０の近傍の、ロータ胴部４０の外周面に開口４５ａを有し、中心貫通孔４３に連通する冷却蒸気噴出孔４５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、円筒状の第１のロータ胴部と円筒状の第２のロータ胴部と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を備えた蒸気タービンであって、
前記第１のロータ胴部が、
前記第１のロータ胴部の軸中心に形成された中心貫通孔と、
前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記中心貫通孔に連通する冷却蒸気導入孔と、
前記冷却蒸気導入孔と、前記第１のロータ胴部と前記第２のロータ胴部との接合部との間に形成され、当該接合部の近傍の、前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記中心貫通孔に連通する冷却蒸気噴出孔と
を備えることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記冷却蒸気噴出孔が、タービンロータ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項３】
少なくとも、円筒状の第１のロータ胴部と円筒状の第２のロータ胴部と円筒状の第３のロータ胴部とをこの順に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を備えた蒸気タービンであって、
前記第１のロータ胴部が、
前記第１のロータ胴部の軸中心に形成された第１の中心貫通孔と、
前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記第１の中心貫通孔に連通する冷却蒸気導入孔と
を備え、
前記第２のロータ胴部が、
前記第２のロータ胴部の軸中心に形成され、前記第１の中心貫通孔と連通する第２の中心貫通孔と、
前記第２のロータ胴部と前記第３のロータ胴部との接合部の近傍の、前記第２のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記第２の中心貫通孔に連通する冷却蒸気噴出孔と
を備えることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項４】
前記冷却蒸気噴出孔が、タービンロータ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン。
【請求項５】
前記冷却蒸気導入孔と、前記第１のロータ胴部と前記第２のロータ胴部との接合部との間に形成され、当該接合部の近傍の、前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記第１の中心貫通孔に連通する第２の冷却蒸気噴出孔をさらに備えることを特徴とする請求項３または４記載の蒸気タービン。
【請求項６】
前記第２の冷却蒸気噴出孔が、タービンロータ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項５記載の蒸気タービン。
【請求項７】
冷却蒸気の流れにおいて、前記第２の冷却蒸気噴出孔における圧力損失が、前記冷却蒸気噴出孔における圧力損失よりも小さいことを特徴とする請求項５または６記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記冷却蒸気導入孔の開口に対向するケーシングの内壁に、周方向に亘って形成された溝部と、
タービンロータ軸方向に前記溝部を挟むように、前記ケーシングの内壁に設けられた蒸気シール部と、
前記ケーシングに形成され、外部から導入された冷却蒸気を前記溝部に導く冷却蒸気供給流路と
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【請求項９】
前記第１のロータ胴部と前記第２のロータ胴部が、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乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンの効率向上の観点から、現在、温度が６００℃程度の主流蒸気を用いた蒸気タービンが実用化されている。蒸気タービンの効率をさらに向上させるため、主流蒸気の温度を７００〜７５０℃程度にすることが検討され、開発が進められている。
【０００３】
このような蒸気タービンにおいては、主流蒸気が高温であるため、構成部品によっては耐熱合金で構成することが必要となる。しかしながら、耐熱合金は、高価である。そのため、例えば、タービンロータにおいては、温度が比較的低くなる部分を従来材料で構成し、温度が高くなる部分を耐熱合金で構成し、従来材料と耐熱合金とを溶接によって接続する構成が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４４６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来材料と耐熱合金との接合部の強度は、従来材料と同程度か、従来材料よりも少し劣る。そのため、接合部は、強度が維持できる温度領域となる位置に構成しなければならない。この場合、蒸気温度の高温化が図られる蒸気タービンにおいて、耐熱合金で構成される部分が多くなる。溶接にかかるコストを考慮すると、従来材料と耐熱合金とを溶接したタービンロータを使用することが、かえってコストアップとなることがある。
【０００６】
また、何らかのトラブルなどで、接合部が高温の蒸気に曝された場合、強度不足となる危険性がある。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、溶接接合されたタービンロータにおける接合部を的確に冷却し、接合部の温度上昇を抑制することができる蒸気タービンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の蒸気タービンは、円筒状の第１のロータ胴部と円筒状の第２のロータ胴部と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を備える。そして、前記第１のロータ胴部は、前記第１のロータ胴部の軸中心に形成された中心貫通孔と、前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記中心貫通孔に連通する冷却蒸気導入孔と、前記冷却蒸気導入孔と、前記第１のロータ胴部と前記第２のロータ胴部との接合部との間に形成され、当該接合部の近傍の、前記第１のロータ胴部の外周面に開口を有し、前記中心貫通孔に連通する冷却蒸気噴出孔とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む縦断面（子午断面）を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の蒸気タービンのタービンロータにおける冷却蒸気噴出孔の構成を説明するための、拡大断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面を示した図である。
【図４】第１の実施の形態の蒸気タービンの一部を示した図３の断面に対応する断面であり、冷却蒸気噴出孔の中心軸に沿った断面を示した図である。
【図５】第２の実施の形態の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む縦断面（子午断面）を示す図である。
【図６】第２の実施の形態における他の構成の蒸気タービンの、タービンロータの中心軸を含む縦断面（子午断面）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の、タービンロータ２４の中心軸を含む断面（子午断面）を示す図である。図２は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０のタービンロータ２４における冷却蒸気噴出孔４５の構成を説明するための、拡大断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面を示した図である。
【００１２】
また、以下において、蒸気タービン１０として、中圧タービンを例示して説明するが、高温高圧の蒸気が供給される、高圧タービン、さらには超高圧タービンにも本実施の形態の構成を適用することができる。
【００１３】
図１に示すように、ケーシング２０内には、タービンロータ２４が貫設されている。タービンロータ２４のホイール部５３には、動翼２５が周方向に亘って植設され、動翼翼列を構成している。
【００１４】
ケーシング２０の内周には、ダイアフラム外輪２１が周方向に沿って設けられている。このダイアフラム外輪２１の内側には、ダイアフラム内輪２２が周方向に沿って設けられている。そして、ダイアフラム外輪２１とダイアフラム内輪２２との間には、周方向に複数の静翼２３が支持され、静翼翼列を構成している。静翼翼列は、動翼翼列と交互にタービンロータ２４の軸方向に設けられている。そして、静翼翼列と動翼翼列とからなる複数のタービン段落を構成している。
【００１５】
ダイアフラム内輪２２の内周には、ラビリンスシール３３が設けられ、ダイアフラム内輪２２とタービンロータ２４との間からの蒸気の漏洩を抑制している。また、第１段の動翼２５が備えられる位置よりも外部側（図１では左側）のケーシング２０の内周には、タービンロータ軸方向に沿って、複数のグランドラビリンスシール２６が設けられ、ケーシング２０とタービンロータ２４との間における、蒸気の外部への漏洩を防止している。
【００１６】
また、蒸気タービン１０には、ケーシング２０を連通するように、蒸気入口管３０が備えられている。外部からの蒸気が、この蒸気入口管３０によって蒸気タービン１０内に導入され、主蒸気として蒸気流路３１に導入される。
【００１７】
次に、タービンロータ２４の構成について説明する。
【００１８】
図１に示すように、タービンロータ２４は、２つのロータ胴部４０、５０をタービンロータ軸方向に、例えば溶接などにより接合して構成されている。
【００１９】
ロータ胴部４０は、図１に示すように、例えば、第１段の静翼翼列の位置よりも外部側（図１では左側）のタービンロータ２４を構成している。そのため、ロータ胴部４０は、高温の蒸気に曝されることがなく、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼などの従来鋼で構成することができる。なお、ロータ胴部４０は、第１のロータ胴部として機能する。
【００２０】
ロータ胴部４０は、円柱形状を有している。このロータ胴部４０の接合端面４１の中心部には、窪み部４２が形成されている。この窪み部４２は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じになるように、窪み部４２を形成することができる。すなわち、窪み部４２は、例えば、断面直径が一定の円柱状の空洞部となる。
【００２１】
ロータ胴部４０の軸中心には、一端が窪み部４２に連通する中心貫通孔４３が軸方向に亘って形成されている。この中心貫通孔４３の他端は、この中心貫通孔４３に導入された冷却蒸気が外部に流出するのを防止するため、封止可能に構成されている。中心貫通孔４３の他端は、例えば、フランジを介して固定された封止板などによって封止される。
【００２２】
ロータ胴部４０には、外周面に開口４４ａを有し、中心貫通孔４３に連通する冷却蒸気導入孔４４が形成されている。この冷却蒸気導入孔４４は、例えば、ロータ胴部４０の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成され、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気導入孔４４を介して中心貫通孔４３に冷却蒸気が導入される。
【００２３】
冷却蒸気導入孔４４と、ロータ胴部４０とロータ胴部５０との接合部６０との間には、冷却蒸気噴出孔４５が形成されている。冷却蒸気噴出孔４５は、ロータ胴部４０の外周面に開口４５ａを有し、中心貫通孔４３に連通している。開口４５ａは、接合部６０の近傍に位置している。
【００２４】
ここで、開口４５ａが位置する接合部６０の近傍について説明する。図２に示すように、接合部６０の周囲には、溶接における熱の影響を受けた熱影響部６１が存在する。この熱影響部６１は、溶接による熱で組織に変化を生じた部分である。そのため、熱影響部６１と母材における機械的強度などの特性が異なる。このような熱影響部６１に冷却蒸気噴出孔４５の一部が形成されることは、例えば強度などを維持するために、避けることが好ましい。
【００２５】
そこで、開口４５ａが位置する接合部６０の近傍とは、図２に示すように、熱影響部６１を避けた、接合部６０の近傍を意味する。具体的には、ロータ胴部４０の外周面において、開口４５ａの熱影響部６１側の端部と、熱影響部６１の開口４５ａ側の端部との間の距離は５ｍｍ〜２０ｍｍであることが好ましい。なお、開口４５ａは、ラビリンスシール３３や後述するグランドラビリンスシール２６に対向する位置、またはラビリンスシール３３やグランドラビリンスシール２６に対向しない位置に形成される。
【００２６】
また、冷却蒸気噴出孔４５は、図１や図２に示す断面において、タービンロータ軸方向に傾斜している。冷却蒸気噴出孔４５は、例えば、図３に示すように、放射状に貫通する貫通孔で構成され、周方向に亘って複数箇所に形成される。なお、ここでは、冷却蒸気噴出孔４５は、周方向には傾かない一例を示している。この冷却蒸気噴出孔４５を通って開口４５ａから接合部６０の近傍に冷却蒸気が噴出され、接合部６０が冷却される。
【００２７】
冷却蒸気の噴出流量は、例えば、冷却蒸気噴出孔４５の数や孔径などによって調整される。また、タービンロータ軸方向の傾斜角度によって冷却蒸気噴出孔４５の長さを変えることで、冷却蒸気噴出孔４５における圧力損失を変えることができる。これによって、冷却蒸気の噴出流量を調整することもできる。
【００２８】
ロータ胴部５０は、図１に示すように、第１段の静翼翼列の位置よりも内部側（図１では右側）のタービンロータ２４を構成している。これにより、ロータ胴部５０は、高温の蒸気に曝されて高温となるため、例えば、１２Ｃｒ鋼などの耐熱鋼やＮｉ基合金などの耐熱合金で構成される。なお、ロータ胴部５０は、第２のロータ胴部として機能する。
【００２９】
ロータ胴部５０は、円柱形状を有している。このロータ胴部５０の接合端面５１の中心部には、窪み部５２が形成されている。この窪み部５２は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じになるように、窪み部５２を形成することができる。すなわち、窪み部５２は、例えば、断面直径が一定の円柱状の空洞部となる。なお、接合端面４１と接合端面５１とを接合することで、窪み部４２と窪み部５２とからなる中空部が構成される。
【００３０】
ロータ胴部５０の接合端面５１は、ロータ胴部４０の接合端面４１に対応する形状に構成され、例えば、双方の接合端面４１、５１の形状が同一となるように構成されることが好ましい。
【００３１】
ロータ胴部５０は、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成されたホイール部５３を備えている。このホイール部５３は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。なお、前述したようにホイール部５３には動翼２５が植設されている。
【００３２】
ロータ胴部４０に形成された冷却蒸気導入孔４４の開口４４ａに対向するケーシング２０の内壁（内面）には、図１に示すように、周方向に亘って凹状の溝部２７が形成されている。溝部２７よりも外部側（図１では左側）および内部側（図１では右側）には、グランドラビリンスシール２６が備えられている。すなわち、グランドラビリンスシール２６は、タービンロータ軸方向に溝部２７を挟むように、ケーシング２０の内壁に設けられている。この溝部２７を挟むグランドラビリンスシール２６は、蒸気の外部への漏洩を防止するとともに、溝部２７に導入された冷却蒸気が周囲へ漏洩するのを抑制している。なお、グランドラビリンスシール２６は、蒸気シール部として機能する。
【００３３】
ケーシング２０には、冷却蒸気を供給する冷却蒸気供給管２８と連通し、溝部２７に冷却蒸気を導く連通孔２９が形成されている。連通孔２９は、周方向に亘って溝部２７に冷却蒸気を均等に供給するために、例えば、周方向に複数箇所形成されることが好ましい。なお、連通孔２９は、冷却蒸気供給流路として機能する。
【００３４】
冷却蒸気としては、他の蒸気タービンから抽気された蒸気、他の蒸気タービンから排気された蒸気、ボイラから抽気された蒸気などを使用することができる。蒸気タービン１０が、中圧タービンである場合は、冷却蒸気として、例えば高圧タービンから抽気された蒸気を使用することができる。また、蒸気タービン１０が、高圧タービンである場合は、冷却蒸気として、例えばボイラから抽気された蒸気を使用することができる。
【００３５】
なお、冷却蒸気の温度は、冷却するタービンロータ２４などの構成部品に大きな熱応力が発生しない程度の温度に設定されることが好ましい。冷却蒸気の温度としては、冷却蒸気を供給する蒸気タービンの仕様によって変更可能であり、例えば、３００℃程度に設定することができる。
【００３６】
また、冷却蒸気の供給圧力は、冷却蒸気噴出孔４５の開口４５ａにおける冷却蒸気の圧力が、冷却蒸気が噴出される接合部６０の近傍における空間の圧力よりも高くなるように設定される。すなわち、冷却蒸気の供給圧力は、冷却蒸気噴出孔４５から接合部６０の近傍における空間に、確実に冷却蒸気を噴出することができる程度に設定される。
【００３７】
次に、上記したような冷却構造を備える蒸気タービン１０の作用について説明する。
【００３８】
図１に示すように、蒸気入口管３０から蒸気タービン１０内に導入された蒸気は、第１段の静翼２３に導かれ、第１段の動翼２５に向けて噴出される。そして、蒸気は、静翼２３と動翼２５を備える蒸気流路３１を流動し、膨張仕事をしながらタービンロータ２４を回転させる。最終段の動翼２５を通過した蒸気は、排気流路（図示しない）を通り蒸気タービン１０から排気される。
【００３９】
なお、ここでは、中圧タービンを例示しているため、蒸気タービン１０から排気された蒸気は、低圧タービンに導入される。例えば、蒸気タービン１０が高圧タービンの場合には、蒸気は再熱ボイラを通り、中圧タービンに導入される。
【００４０】
冷却蒸気供給管２８から連通孔２９を介して溝部２７に導入された冷却蒸気は、冷却蒸気導入孔４４を通り、中心貫通孔４３に導かれる。この際、中心貫通孔４３の他端側は、封止部材（図示しない）によって封止されているため、冷却蒸気が中心貫通孔４３の他端から外部に流出することはない。
【００４１】
中心貫通孔４３に導かれた冷却蒸気は、冷却蒸気噴出孔４５に流入する。冷却蒸気噴出孔４５に流入した冷却蒸気は、開口４５ａから接合部６０の近傍に噴出される。噴出された冷却蒸気は、接合部６０の近傍および接合部６０を冷却しながら、ラビリンスシール３３とタービンロータ２４との間を下流に向かって流れる。
【００４２】
この際、冷却蒸気は、接合部６０の表面に接触して、接合部６０を直接冷却する。また、冷却蒸気が冷却蒸気噴出孔４５を通過することによっても、接合部６０は冷却される。なお、冷却蒸気が、冷却蒸気導入孔４４、中心貫通孔４３、冷却蒸気噴出孔４５を通過する際、タービンロータ２４も冷却される。
【００４３】
ラビリンスシール３３とタービンロータ２４との間を下流に向かって流れた冷却蒸気は、タービンロータ２４やホイール部５３の表面に沿って流れる。これによって、タービンロータ２４やホイール部５３が冷却される。そして、ホイール部５３の表面に沿って流れた冷却蒸気は、ダイアフラム内輪２２と動翼２５との間から蒸気流路３１に流れ込む。
【００４４】
上記したように、第１の実施の形態の蒸気タービン１０によれば、タービンロータ２４の内部に冷却蒸気を一旦導入し、冷却蒸気噴出孔４５から接合部６０の近傍に冷却蒸気を噴出することができる。そのため、接合部６０の近傍および接合部６０を的確に冷却することができ、接合部６０の温度上昇を抑制することができる。
【００４５】
また、接合部６０を的確に冷却することで、例えば、接合部６０を従来よりも高温側に設けることができる。これによって、高価な耐熱合金で構成される部分を減少させることができる。
【００４６】
ここで、前述した冷却蒸気噴出孔４５の構成は、上記した構成に限られるものではない。図４は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の一部を示した図３の断面に対応する断面であり、冷却蒸気噴出孔４５の中心軸に沿った断面を示した図である。
【００４７】
冷却蒸気噴出孔４５をタービンロータ軸方向に傾斜するとともに、図４に示すように、周方向に傾かせてもよい。この場合、冷却蒸気噴出孔４５は、タービンロータ２４の回転方向（図４の矢印方向）に傾けられることが好ましいが、タービンロータ２４の回転方向とは逆方向に傾けられてもよい。
【００４８】
また、タービンロータ軸方向や周方向の傾斜角度によって冷却蒸気噴出孔４５の長さを変えることで、冷却蒸気噴出孔４５における圧力損失を変えることができる。これによって、冷却蒸気の噴出流量を調整することもできる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の、タービンロータ２４の中心軸を含む縦断面（子午断面）を示す図である。なお、第１の実施の形態の蒸気タービン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。
【００５０】
第２の実施の形態の蒸気タービン１１においては、第１の実施の形態の蒸気タービン１０とタービンロータ２４の構成が異なる。そのため、ここでは、その異なるタービンロータ２４の構成について主に説明する。
【００５１】
タービンロータ２４は、３つのロータ胴部７０、８０、９０をこの順にタービンロータ軸方向に、例えば溶接などにより接合して構成されている。
【００５２】
ロータ胴部７０は、図５に示すように、例えば、第１段の静翼翼列の位置よりも外部側（図５では左側）のタービンロータ２４を構成している。そのため、ロータ胴部７０は、高温の蒸気に曝されることがなく、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼などの従来鋼で構成することができる。なお、ロータ胴部７０は、第１のロータ胴部として機能する。
【００５３】
ロータ胴部７０は、円柱形状を有している。このロータ胴部７０の接合端面７１の中心部には、窪み部７２が形成されている。この窪み部７２は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じになるように、窪み部７２を形成することができる。すなわち、窪み部７２は、例えば、断面直径が一定の円柱状の空洞部となる。
【００５４】
ロータ胴部７０の軸中心には、一端が窪み部７２に連通する中心貫通孔７３が軸方向に亘って形成されている。この中心貫通孔７３の他端は、この中心貫通孔７３に導入された冷却蒸気が外部に流出するのを防止するため、封止可能に構成されている。中心貫通孔７３の他端は、例えば、フランジを介して固定された封止板などによって封止される。なお、中心貫通孔７３は、第１の中心貫通孔として機能する。
【００５５】
ロータ胴部７０には、外周面に開口７４ａを有し、中心貫通孔７３に連通する冷却蒸気導入孔７４が形成されている。この冷却蒸気導入孔７４は、例えば、ロータ胴部７０の半径方向に、放射状に貫通する貫通孔で構成され、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気導入孔７４を介して中心貫通孔７３に冷却蒸気が導入される。
【００５６】
ロータ胴部８０は、図５に示すように、第１段の静翼翼列の位置よりも内部側（図５では右側）のタービンロータ２４を構成している。これにより、ロータ胴部８０は、高温の蒸気に曝されて高温となるため、例えば、１２Ｃｒ鋼などの耐熱鋼やＮｉ基合金などの耐熱合金で構成される。なお、ロータ胴部８０は、第２のロータ胴部として機能する。
【００５７】
ロータ胴部８０は、円柱形状を有している。このロータ胴部８０の一方の接合端面８１の中心部には、窪み部８２が形成されている。また、ロータ胴部８０の他方の接合端面８３の中心部には、窪み部８４が形成されている。これらの窪み部８２、８４は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じになるように、窪み部８２、８４を形成することができる。すなわち、窪み部８２、８４は、例えば、断面直径が一定の円柱状の空洞部となる。
【００５８】
ロータ胴部８０の接合端面８１は、ロータ胴部７０の接合端面７１に対応する形状に構成され、例えば、双方の接合端面７１、８１の形状が同一となるように構成されることが好ましい。また、ロータ胴部８０の接合端面８３は、後述するロータ胴部９０の接合端面９１に対応する形状に構成され、例えば、双方の接合端面８３、９１の形状が同一となるように構成されることが好ましい。
【００５９】
ロータ胴部７０とロータ胴部８０とが溶接などにより接合され接合部１００を構成する。なお、これらを接合することで、窪み部７２と窪み部８２とからなる中空部を構成する。また、ロータ胴部８０とロータ胴部９０とが溶接などにより接合され接合部１０１を構成する。なお、これらを接合することで、窪み部８４と後述する窪み部９２とからなる中空部を構成する。
【００６０】
ロータ胴部８０の軸中心には、一端が窪み部８２に連通し、他端が窪み部８４に連通する中心貫通孔８５が形成されている。なお、中心貫通孔８５は、第２の中心貫通孔として機能する。
【００６１】
ロータ胴部８０は、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成されたホイール部８６を備えている。このホイール部８６は、タービンロータ軸方向に複数段形成されている。このホイール部８６の先端部には、動翼２５が周方向に亘って植設され、動翼翼列を構成している。
【００６２】
また、ロータ胴部８０には、冷却蒸気噴出孔８７が形成されている。冷却蒸気噴出孔８７は、ロータ胴部８０の外周面に開口８７ａを有し、中心貫通孔８５に連通している。開口８７ａは、接合部１０１の近傍に位置している。なお、開口８７ａが形成される接合部１０１の近傍とは、第１の実施の形態における、開口４５ａが形成される接合部６０の近傍と同義である。
【００６３】
ここで、開口８７ａは、ホイール部８６間のロータ胴部８０の外周面に形成される。なお、開口８７ａは、ラビリンスシール３３に対向する位置でも、対向しない位置であってもよい。
【００６４】
冷却蒸気噴出孔８７は、図５に示す断面において、タービンロータ軸方向に傾斜している。なお、ここでは、冷却蒸気噴出孔８７は、周方向には傾かない一例を示している。なお、第１の実施の形態の図４に示したように、冷却蒸気噴出孔８７をタービンロータ軸方向に傾斜するとともに、周方向に傾かせてもよい。
【００６５】
冷却蒸気噴出孔８７は、例えば、図５に示すように、放射状に貫通する貫通孔で構成され、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気噴出孔８７を通って開口８７ａから接合部１０１の近傍に冷却蒸気が噴出され、接合部１０１が冷却される。
【００６６】
冷却蒸気の噴出流量は、例えば、冷却蒸気噴出孔８７の数や孔径などによって調整される。また、タービンロータ軸方向の傾斜角度によって冷却蒸気噴出孔８７の長さを変えることで、冷却蒸気噴出孔８７における圧力損失を変えることができる。これによって、冷却蒸気の噴出流量を調整することもできる。
【００６７】
ロータ胴部９０は、図５に示すように、ロータ胴部９０よりも下流側（図５では右側）のタービンロータ２４を構成している。これにより、ロータ胴部９０は、高温の蒸気に曝されて高温となるため、例えば、１２Ｃｒ鋼などの耐熱鋼やＮｉ基合金などの耐熱合金で構成される。ロータ胴部９０は、例えば、ロータ胴部８０と同じ材料で構成されても、異なる材料で構成されてもよい。なお、ロータ胴部９０は、第３のロータ胴部として機能する。
【００６８】
ロータ胴部９０は、円柱形状を有している。このロータ胴部９０の接合端面９１の中心部には、窪み部９２が形成されている。この窪み部９２は、タービンロータ軸に垂直な断面形状が、例えば円形となるように形成されている。例えば、この断面形状がいずれの断面においてもほぼ同じになるように、窪み部９２を形成することができる。すなわち、窪み部９２は、例えば、断面直径が一定の円柱状の空洞部となる。
【００６９】
ロータ胴部９０は、ロータ胴部８０と同様に、半径方向外側に突出するように周方向に亘って形成されたホイール部９３を備えている。ホイール部９３の構成は、ロータ胴部８０におけるホイール部５３の構成と同様である。
【００７０】
ロータ胴部７０に形成された冷却蒸気導入孔７４の開口７４ａに対向するケーシング２０の内壁（内面）には、図５に示すように、周方向に亘って凹状の溝部２７が形成されている。なお、溝部２７の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
【００７１】
ここで、冷却蒸気の供給圧力は、冷却蒸気噴出孔８７の開口８７ａにおける冷却蒸気の圧力が、冷却蒸気が噴出される接合部１０１の近傍における空間の圧力よりも高くなるように設定される。すなわち、冷却蒸気の供給圧力は、冷却蒸気噴出孔８７から接合部１０１の近傍における空間に、確実に冷却蒸気を噴出することができる程度に設定される。
【００７２】
次に、上記したような冷却構造を備える蒸気タービン１１の作用について説明する。なお、主蒸気の流れは、第１の実施の形態で説明したとおりである。
【００７３】
冷却蒸気供給管２８から連通孔２９を介して溝部２７に導入された冷却蒸気は、冷却蒸気導入孔７４を通り、中心貫通孔７３に導かれる。この際、中心貫通孔７３の他端側は、封止部材（図示しない）によって封止されているため、冷却蒸気が中心貫通孔７３の他端から外部に流出することはない。
【００７４】
中心貫通孔７３に導かれた冷却蒸気は、中心貫通孔８５に導かれ、冷却蒸気噴出孔８７に流入する。冷却蒸気噴出孔８７に流入した冷却蒸気は、開口８７ａから接合部１０１の近傍に噴出される。噴出された冷却蒸気の一部は、ダイアフラム内輪２２と動翼２５との間から蒸気流路３１に流れ込む。噴出された冷却蒸気の残部は、ラビリンスシール３３とタービンロータ２４との間を下流に向かって流れ、その後ダイアフラム内輪２２と動翼２５との間から蒸気流路３１に流れ込む。
【００７５】
この際、冷却蒸気は、接合部１０１の表面に接触して、接合部１０１を直接冷却する。また、冷却蒸気が冷却蒸気噴出孔８７を通過することによっても、接合部１０１は冷却される。なお、冷却蒸気が、冷却蒸気導入孔７４、中心貫通孔７３、８５、冷却蒸気噴出孔８７を通過する際、タービンロータ２４も冷却される。
【００７６】
上記したように、第２の実施の形態の蒸気タービン１１によれば、タービンロータ２４の内部に冷却蒸気を一旦導入し、冷却蒸気噴出孔８７から接合部１０１の近傍に冷却蒸気を噴出することができる。そのため、接合部１０１の近傍および接合部１０１を的確に冷却することができ、接合部１０１の温度上昇を抑制することができる。
【００７７】
ここで、第２の実施の形態の蒸気タービン１１の構成は、上記した構成に限られるものではない。図６は、第２の実施の形態における他の構成の蒸気タービン１１の、タービンロータ２４の中心軸を含む縦断面（子午断面）を示す図である。
【００７８】
図６に示すように、冷却蒸気導入孔７４と、接合部１００との間に、冷却蒸気噴出孔１１０を形成してもよい。この冷却蒸気噴出孔１１０は、ロータ胴部７０の外周面に開口１１０ａを有し、中心貫通孔７３に連通している。開口１１０ａは、接合部１００の近傍に位置している。なお、開口１１０ａが形成される接合部１００の近傍とは、第１の実施の形態における、開口４５ａが形成される接合部６０の近傍と同義である。
【００７９】
また、冷却蒸気噴出孔１１０は、図６に示す断面において、タービンロータ軸方向に傾斜している。なお、ここでは、冷却蒸気噴出孔１１０は、周方向には傾かない一例を示している。なお、第１の実施の形態の図４に示したように、冷却蒸気噴出孔１１０をタービンロータ軸方向に傾斜するとともに、周方向に傾かせてもよい。なお、冷却蒸気噴出孔１１０は、第２の冷却蒸気噴出孔として機能する。
【００８０】
冷却蒸気噴出孔１１０は、例えば、図６に示すように、放射状に貫通する貫通孔で構成され、周方向に亘って複数箇所に形成される。この冷却蒸気噴出孔１１０を通って開口１１０ａから接合部１００の近傍に冷却蒸気が噴出され、接合部１００が冷却される。
【００８１】
ここで、冷却蒸気の流れにおいて、冷却蒸気噴出孔１１０における圧力損失が、冷却蒸気噴出孔８７における圧力損失よりも小さいことが好ましい。冷却蒸気噴出孔１１０によって冷却蒸気が噴出される空間の圧力は、冷却蒸気噴出孔８７によって冷却蒸気が噴出される空間の圧力よりも高い。そのため、冷却蒸気噴出孔１１０における圧力損失を、冷却蒸気噴出孔８７における圧力損失よりも小さくすることで、冷却蒸気噴出孔１１０から噴出される冷却蒸気の所定流量を維持できる。
【００８２】
冷却蒸気噴出孔１１０における圧力損失を、冷却蒸気噴出孔８７における圧力損失よりも小さくすることは、例えば、それぞれの孔径が同じ場合には、冷却蒸気噴出孔１１０の通路長さを冷却蒸気噴出孔８７の通路長さよりも短くすることで実現できる。例えば、冷却蒸気噴出孔１１０および冷却蒸気噴出孔８７のタービンロータ軸方向の傾斜角度を変えることで、それぞれの通路長さを調整することができる。なお、この方法に限らず、例えば、孔径や数などを変えることによって、それぞれの圧力損失を調整してもよい。
【００８３】
図６に示した蒸気タービン１１においては、接合部１０１の近傍および接合部１０１を的確に冷却することができるとともに、接合部１００の近傍および接合部１００を的確に冷却することができる。
【００８４】
また、接合部１００を的確に冷却することで、例えば、接合部１００を従来よりも高温側に設けることができる。これによって、高価な耐熱合金で構成される部分を減少させることができる。
【００８５】
以上説明した実施形態によれば、溶接接合されたタービンロータにおける接合部を的確に冷却し、接合部の温度上昇を抑制することが可能となる。
【００８６】
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】
【００８７】
１０、１１…蒸気タービン、２０…ケーシング、２１…ダイアフラム外輪、２２…ダイアフラム内輪、２３…静翼、２４…タービンロータ、２５…動翼、２６…グランドラビリンスシール、２７…溝部、２８…冷却蒸気供給管、２９…連通孔、３０…蒸気入口管、３１…蒸気流路、３３…ラビリンスシール、４０，５０，７０，８０，９０…ロータ胴部、４１，５１，７１，８１，８３，９１…接合端面、４２，５２，７２，８２，８４，９２…窪み部、４３，７３，８５…中心貫通孔、４４，７４…冷却蒸気導入孔、４５，８７，１１０…冷却蒸気噴出孔、４４ａ，４５ａ，７４ａ，８７ａ，１１０ａ…開口、５３，９３…ホイール部、６０…接合部、６１…熱影響部、８６…ホイール部、１００，１０１…接合部。
【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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