(57)【要約】【課題】繊維強化複合材料を用いて軽量化するとともに、破損を回避することができる回転機器ロータを提供する。【解決手段】実施の形態による回転機器ロータ３３は、ケーシング３１内に設けられ、軸受６０ａ、６０ｂによって回転自在に支持される。回転機器ロータ３３は、繊維強化複合材料により形成されたロータ本体３３ａと、軸線方向の少なくとも一部においてロータ本体３３ａの外周部に設けられ、金属材料により環状に形成された金属環８０と、を備えている。金属環８０は、軸受６０ａ、６０ｂに対向する位置に配置される。【選択図】図２
2015048783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に設けられ、軸受によって回転自在に支持される回転機器ロータであって、
繊維強化複合材料により形成されたロータ本体と、
軸線方向の少なくとも一部において、前記ロータ本体の外周部に設けられ、金属材料により環状に形成された金属環と、を備え、
前記金属環は、前記軸受に対向する位置に配置されることを特徴とする回転機器ロータ。
【請求項２】
前記金属環は、鉄鋼材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機器ロータ。
【請求項３】
前記ロータ本体の外周部に、環状溝が形成され、
前記金属環は、前記環状溝に装着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機器ロータ。
【請求項４】
前記金属環は、周方向に複数に分割された金属環分割体を有し、
互いに隣接する前記金属環分割体は、互いに接合されて一体化されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転機器ロータ。
【請求項５】
前記金属環分割体は、溶接または接着剤により互いに接合されていることを特徴とする請求項４に記載の回転機器ロータ。
【請求項６】
前記ケーシングと、
請求項１乃至５のいずれかに記載の回転機器ロータと、
前記軸受と、を備えたことを特徴とする回転機器。
【請求項７】
蒸気タービンであることを特徴とする請求項６に記載の回転機器。
【請求項８】
前記ケーシングのうち前記回転機器ロータが貫通する部分に設けられたグランドシール部を更に備え、
前記回転機器ロータは、前記金属環を複数有し、
一の前記金属環は、前記グランドシール部に対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の回転機器。
【請求項９】
前記ケーシング内に設けられた複数の静翼翼列と、
前記静翼翼列より内周側に設けられたダイアフラム内輪と、を更に備え、
前記回転機器ロータは、前記金属環を複数有し、
一の前記金属環は、前記ダイアフラム内輪に対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項７または８に記載の回転機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、回転機器ロータおよび回転機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、航空機などの輸送手段に用いられる機器は、その質量を低減させることにより、機器性能（燃費）を大幅に向上させることができる。このため、機器の構成部材を、金属材料ではなく繊維強化複合材料で形成して軽量化を図ることが一般的になりつつある。また、航空用原動機や発電用原動機を構成する回転翼も、繊維強化複合材料と金属材料との併用で軽量化を図ることが行われている。このことにより、遠心力により発生する応力を軽減して、形状の自由度を高めて機器性能を向上させている。
【０００３】
一方、従来の発電用原動機は、単機出力を大きくするために大型化され、各構成部材が金属材料を用いて形成されている。このことにより、発電用原動機の質量が、例えば数百トンというように大きくなっている。発電用原動機では、一部の構成部材を除けば、上述した輸送機器とは異なり、構成部材の軽量化の機器性能向上への寄与度が少ない。
【０００４】
近年、地球温暖化防止のために化石燃料に頼らない風力や太陽光、地熱などのいわゆる再生可能エネルギの利用が活発化し、供給発電量の相当部分を担うようにまでなってきている。また、再生可能エネルギを利用するために、単機出力が小さい発電用原動機を設置して各地で発電を行い、得られた電力を利用する社会インフラ網も整いつつある。このような状況において、地熱発電用機器である蒸気タービンにおいても、単機出力が小さい蒸気タービンの必要性が高まっている。
【０００５】
単機出力が小さな蒸気タービンは、その構成部材も小形であるために質量を小さくすることができる。そして、このような構成部材を、金属材料の比重の１／５程度となる繊維強化複合材料で形成することにより、さらに軽量化することができる。この軽量化により、蒸気タービンプラントを構成する補機類の省略化や機器設置面積の低減、機器設置基礎部の簡素化などにより初期投資を軽減することができ、発電単価を低減することが可能となる。
【０００６】
蒸気タービンは、ケーシングと、ケーシングに回転自在に設けられたロータと、を有している。このうちロータに複数の動翼翼列が設けられ、ケーシングに複数の静翼翼列が設けられており、静翼翼列と動翼翼列が軸線方向に交互に配置されている。静翼翼列と動翼翼列を通る作動蒸気が膨張仕事を行い、ロータを回転させる。ロータは、ケーシングに設けられた軸受によって回転自在に支持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２２０２０５号公報
【特許文献２】特開２００１−７３７０１号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２１６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
蒸気タービンは、起動停止や負荷変化に伴う温度変化によって、ケーシングの変形が生じることがある。この場合、微小な隙間（例えば０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ）を介して対向しているロータと軸受とが接触し得るという問題がある。この場合、ロータに摺動傷が形成され可能性がある。また、ケーシングの変形が生じた場合、ロータと軸受との間の隙間が大きくなり得るという問題もある。この場合には、当該隙間を通って異物が侵入し、異物がロータに摺動傷を形成する可能性がある。このような摺動傷は、タービンの運用が長くなるほど、形成されやすくなるという傾向にある。
【０００９】
ロータが金属材料により形成されている場合には、ケーシングを開放して点検する際に、ロータを適切に補修することができる。このため、蒸気タービンの運用の障害となることを回避でき、長期間の運用が可能となる。
【００１０】
しかしながら、ロータが繊維強化複合材料により形成されている場合、ロータと軸受との接触によって、あるいは侵入した異物によってロータに摺動傷が形成されると、ロータの繊維が破断する可能性がある。この場合、ロータの強度が低下し、ロータが破損するおそれが生じる。
【００１１】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、繊維強化複合材料を用いて軽量化するとともに、破損を回避することができる回転機器ロータおよびこれを備えた回転機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施の形態による回転機器ロータは、ケーシング内に設けられ、軸受によって回転自在に支持される。回転機器ロータは、繊維強化複合材料により形成されたロータ本体と、軸線方向の少なくとも一部においてロータ本体の外周部に設けられ、金属材料により環状に形成された金属環と、を備えている。金属環は、軸受に対向する位置に配置される。
【００１３】
また、実施の形態による回転機器は、ケーシングと、上述した回転機器ロータと、軸受と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態における蒸気タービン発電プラントの全体構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態における蒸気タービンの一例を示す断面構成図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図４は、図２のＡ−Ａ線断面の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における回転機器ロータおよび回転機器について説明する。本実施の形態においては、回転機器として発電用電動機の一例である蒸気タービンを例にとり、回転機器ロータを蒸気タービンのタービンロータに適用した例について説明する。
【００１６】
ここでは、まず、蒸気タービンが設置される蒸気タービン発電プラントについて説明する。図１に示すように、蒸気タービン発電プラント１は、後述する蒸気タービン３０を含む蒸気タービンシステム１０と、蒸気タービン３０のタービン回転体３２（後述）に連結された発電機７０と、を備えている。蒸気タービン３０のタービン回転体３２が回転することによって、タービンロータ３３の回転トルクが発電機回転体７２に伝達されて発電機７０が発電を行うようになっている。
【００１７】
蒸気タービンシステム１０は、作動蒸気を生成し発生させるボイラ（蒸気発生部）１１と、ボイラ１１から、作動蒸気ライン１２を介して作動蒸気が供給される蒸気タービン３０と、蒸気タービン３０から排出された作動蒸気を凝縮させて復水を生成する復水器１３と、を備えている。このうち、ボイラ１１において発生した作動蒸気は蒸気タービン３０に供給され、蒸気タービン３０において、供給された作動蒸気が膨張仕事を行い、タービン回転体３２を回転させる。膨張仕事を行った作動蒸気は、蒸気タービン３０から排出されて復水器１３に供給される。なお、蒸気タービン３０に供給される作動蒸気は、後述するタービン回転体３２のタービンロータ３３を形成する繊維強化複合材料の耐熱性を満たすことが可能な程度の温度を有し、その温度が比較的低温であることが好ましい。例えば、本実施の形態は、作動蒸気の温度が比較的低い低圧タービンを含む蒸気タービンシステムに好適に適用することができる。
【００１８】
復水器１３の下流側には、復水ポンプ１４が設けられている。復水器１３において生成された復水は、この復水ポンプ１４によって昇圧されて、復水ライン１５を介してボイラ１１に供給されるようになっている。復水器１３から復水ポンプ１４を通ってボイラ１１まで復水が流れる系統が、復水系統１６となっている。
【００１９】
復水器１３には、冷却水系統１７（循環水系統ともいう）から冷却水が供給されるようになっている。すなわち、図１に示すように、冷却塔１８の下流側には、冷却水ポンプ１９が設けられており、冷却塔１８において冷却された冷却水は、冷却水ポンプ１９によって昇圧されて、冷却水ライン２０を介して復水器１３に供給されるようになっている。復水器１３においては、供給された冷却水と、蒸気タービン３０から排出された作動蒸気とが熱交換を行う。このことにより、作動蒸気が冷却されて凝縮され、復水が生成される。一方で、冷却水は復水器１３において加熱され、復水器１３から排出されて冷却塔１８に戻される。このようにして、冷却水が強制的に循環して反復的に使用されるようになっている。なお、冷却水系統１７は、冷却水の代わりに海水が復水器１３に供給されて作動蒸気を冷却するように構成してもよい。この場合、冷却塔１８を省略することができる。
【００２０】
次に、図２を用いて、本実施の形態における蒸気タービン３０について説明する。ここで、図２は、蒸気タービン３０のタービン回転体３２の軸線Ｘを含む断面（子午断面）を示す図である。また、図２においては、蒸気タービン３０の一例として、単流単車室タービンを示しているが、これに限られることはなく、複流単車室タービン、さらには複車室タービンにも本実施の形態を適用することができる。
【００２１】
図２に示すように、蒸気タービン３０は、作動蒸気を密閉するためのケーシング３１と、タービン回転体３２と、を備えている。このうち、タービン回転体３２は、ケーシング３１内に回転自在に貫通したタービンロータ（回転機器ロータ）３３と、タービンロータ３３に設けられた複数の動翼翼列３４と、を有している。本実施の形態による蒸気タービン３０は横置きにされており、タービン回転体３２の軸線が水平方向に沿っている。
【００２２】
タービンロータ３３は、円柱状（中実状）のロータ本体３３ａと、ロータ本体３３ａから外周側に突出する複数のロータディスク３５と、を含んでいる。これらのロータディスク３５は、軸線方向に互いに離間して配置されている。各ロータディスク３５には、複数の動翼が周方向に列状に植設されている。これらの動翼によって動翼翼列３４が構成されている。なお、ここでは、タービンロータ３３にロータディスク３５が形成されている例を示しているが、このことに限られることはない。例えば、本実施の形態は、ロータディスク３５を設けることなく動翼を植設可能ないわゆるドラムロータ形のタービンロータに適用することもでき、あるいは、ロータディスク３５同士をボルト等で軸線方向に締結したスタッキングロータ形のタービンロータにも適用することができる。
【００２３】
タービンロータ３３は、繊維強化複合材料により形成されている。
【００２４】
繊維強化複合材料は、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）やガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などのように、炭素繊維やガラス繊維などの繊維をプラスチックの中に入れて強度を向上させた材料である。タービンロータ３３に一般的に使用される金属材料に比べると、繊維強化複合材料は比強度を高められるという特徴を有している。タービンロータ３３が運転中に受ける主要な応力の一つに遠心応力がある。このような遠心応力を含む半径方向（放射方向）応力に対しては、例えば半径方向に沿って繊維を配置することにより（図３参照）、強度を効果的に高めることができる。また、周方向応力に対しては、周方向に沿って繊維を配置することにより（図３参照）、強度を効果的に高めることができる。このように、応力の方向に沿って繊維を配置することにより、一般的な金属材料により形成されたタービンロータ３３よりも、繊維強化複合材料により形成されたタービンロータ３３の強度を効果的に高めることができる。なお、繊維強化複合材料は、蒸気タービン３０に供給される作動蒸気の温度に耐えることができる程度の耐熱性を有していることが好適である。
【００２５】
また、繊維強化複合材料の比重は、タービンロータ３３に一般的に使用される金属材料の約１／５とすることができる。このため、繊維強化複合材料でタービンロータ３３を形成した場合には、タービン回転体３２の質量を大幅に低減することが可能となる。
【００２６】
図２に示すように、ケーシング３１の内周側には、複数（図２では４つ）のダイアフラム外輪３７が設けられている。これらのダイアフラム外輪３７は、軸線方向に互いに離間して配置されている。ダイアフラム外輪３７より内周側には、より具体的には後述する静翼翼列３９より内周側にはダイアフラム内輪３８が設けられている。各ダイアフラム外輪３７とこれに対応するダイアフラム内輪３８との間には、複数の静翼が周方向に列状に設けられている。これらの静翼によって静翼翼列３９が構成されている。このようにして、ケーシング３１内に、複数の静翼翼列３９が設けられている。なお、ここでは、静翼翼列３９が、ダイアフラム外輪３７とダイアフラム内輪３８とによって支持されている例を示しているが、このことに限られることはない。例えば、静翼翼列３９はダイアフラム外輪３７を介在させることなくケーシング３１に支持される構成とすることもでき、ダイアフラム内輪３８を用いることがない構成とすることもできる。また、ダイアフラム内輪３８のロータ本体３３ａに対向する面に、シールフィンやメカニカルシールなどのシール装置（図示せず）が補助的に設けられていてもよい。
【００２７】
静翼翼列３９は、タービン回転体３２の軸線方向に動翼翼列３４と交互に配置されている。そして、一の静翼翼列３９と、当該一の静翼翼列３９の下流側（作動蒸気の主流方向Ｐの下流側）に配置された一の動翼翼列３４との組み合わせによって、タービン段落４０が構成されている。すなわち、動翼翼列３４の上流側に、同じタービン段落４０を構成する静翼翼列３９が配置されている。ケーシング３１内には、このようなタービン段落４０が複数設けられている。なお、ここでは、４つのタービン段落４０が設けられている例を示しているが、このことに限られることはなく、タービン段落４０の数は、任意とすることができる。
【００２８】
図２に示すように、ケーシング３１には、蒸気入口管４１が連結されている。この蒸気入口管４１は、ボイラ１１において発生して作動蒸気ライン１２により送られてきた作動蒸気を、ケーシング３１内に案内するためのものである。
【００２９】
最終（最も下流側）のタービン段落４０の下流側には、排気ディフューザ４２が設けられている。この排気ディフューザ４２は、タービン段落４０を通過した作動蒸気の静圧を回復するためのものである。排気ディフューザ４２を通過した作動蒸気は、図１に示す復水器１３に供給される。
【００３０】
図２に示すように、ケーシング３１のうちタービンロータ３３が貫通する部分には、２つのグランドシール部４３ａ、４３ｂが設けられている。これらのグランドシール部４３ａ、４３ｂは、複数のタービン段落４０の両側に配置されている。すなわち、最も上流側の第１タービン段落４０よりも主流方向上流側（図２における左側）に第１グランドシール部４３ａが配置され、最終のタービン段落４０よりも主流方向下流側（図２における右側）に第２グランドシール部４３ｂが配置されている。これらのグランドシール部４３ａ、４３ｂは、ケーシング３１の外側の雰囲気とケーシング３１の内側の雰囲気とを区画するためのものとなっている。グランドシール部４３ａ、４３ｂによって、ケーシング３１内の作動蒸気がケーシング３１の外部に漏洩することを防止するとともに、ケーシング３１の外側の空気がケーシング３１内に流入することを防止している。
【００３１】
各グランドシール部４３ａ、４３ｂは、２つの部屋４４、４６を有しており、各部屋４４、４６には、各部屋の圧力を調整するための配管４５、４７が連結されている。
【００３２】
２つの部屋４４、４６のうちケーシング３１の外側に配置された第１の部屋４４には、ＳＰＥ（スチームパッキンエグゾースト）配管４５が連結されている。ＳＰＥ配管４５内の圧力は、第１の部屋４４の圧力が常に大気よりも低い圧力（負圧）になるように調整されている。このことにより、ケーシング３１の外部から第１の部屋４４に流入する空気と、ケーシング３１の内部から第１の部屋４４に流入する作動蒸気とが、ＳＰＥ配管４５に吸い込まれるように構成されている。ＳＰＥ配管４５は、図１に示す復水器１３（または図示しないグランドコンデンサ）に連結されており、ＳＰＥ配管４５に吸い込まれた蒸気は、復水器１３において凝縮されて水になる。また、ＳＰＥ配管４５に吸い込まれた空気は、真空ポンプやエゼクターなどによってグランドシール系統の外部に排出される。
【００３３】
第１の部屋４４に内側で隣接する第２の部屋４６には、ＳＳＨ（スチームシールヘッダ）配管４７が連結されている。ＳＳＨ配管４７内の圧力は、第２の部屋４６の圧力が大気よりもわずかに高い圧力となるように調整されている。このことにより、第２の部屋４６から第１の部屋４４への蒸気の流れが形成される。ＳＳＨ配管４７は、図１に示すボイラ１１に連結されており、このボイラ１１から蒸気が供給されるようになっている。
【００３４】
なお、図２に示す形態においては、グランドシール部４３ａ、４３ｂのロータ本体３３ａに対向する面に、シールフィンやメカニカルシールなどのシール装置（図示せず）が補助的に設けられていてもよい。この場合、グランドシール部４３ａ、４３ｂとタービンロータ３３との間の隙間を低減することができ、ケーシング３１内の作動蒸気がケーシング３１の外部に漏洩することをより一層防止できるとともに、ケーシング３１の外側の空気がケーシング３１内に流入することをより一層防止できる。
【００３５】
タービン回転体３２の軸線方向荷重は、タービンスラスト軸受５０によって支持されている。タービンスラスト軸受５０は、図２には明瞭に示されていないがケーシング３１に支持されており、一方の第１グランドシール部４３ａよりケーシング３１の外側（図２における左側）に配置されている。一般的には、タービンスラスト軸受５０は、一軸線で互いに連結された複数の回転体のうちのいずれか一の位置に設けられていればよい。このため、図２に示すタービンスラスト軸受５０の位置は一例であって、これとは反対側、すなわち、第２グランドシール部４３ｂよりケーシング３１の外側（図２における右側）に配置されていてもよい。あるいは、発電機７０の発電機回転体７２（後述）にスラスト軸受が設置される場合には、蒸気タービン３０のタービンロータ３３にタービンスラスト軸受５０を設置しなくてもよい。さらに、複車室タービンのように、タービンロータ３３に連結される他のタービンロータにスラスト軸受を設置する場合には、当該タービンロータ３３にタービンスラスト軸受５０を設置しなくてもよい。
【００３６】
図２に示すように、タービンスラスト軸受５０は、タービンロータ３３の一対のスラストカラー部３６の間に取り付けられている。具体的には、タービンロータ３３は、ロータ本体３３ａから外周側に突出するとともに互いに離間した一対のスラストカラー部３６を有している。これら一対のスラストカラー部３６の間に、タービンスラスト軸受５０が装着されている。タービンスラスト軸受５０は、スラストカラー部３６を介して、タービン回転体３２の軸線方向荷重（より具体的には、ケーシング３１内での作動蒸気の圧力差による軸方向荷重）を支持するようになっている。
【００３７】
なお、図２においては、タービン回転体３２の端部は省略されているが、一般的には、単流単車室タービンおよび複流単車室タービンでは、一方の端部に発電機７０の発電機回転体７２（後述）が連結され、他方の端部に回転数計等の監視計器が取り付けられている。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、用途によっては、発電機７０の代わりにポンプ等が連結されていてもよい。また、タービン回転体３２は、減速機を介して発電機７０またはポンプに連結されていてもよい。複車室タービンでは、図２に示すタービン回転体３２の端部に、他のタービン回転体が連結されていてもよい。
【００３８】
タービン回転体３２は、一対のタービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂによってケーシング３１に対して回転自在に支持されている。タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂは、タービン回転体３２の半径方向荷重を支持するためのものである。タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂは、図２には明瞭に示していないがケーシング３１に支持されており、２つのグランドシール部４３ａ、４３ｂよりケーシング３１の外側に配置されている。すなわち、主流方向上流側の第１タービンジャーナル軸受６０ａは、第１グランドシール部４３ａよりケーシング３１の外側（図２における左側）に配置され、主流方向下流側の第２タービンジャーナル軸受６０ｂは、第２グランドシール部４３ｂよりケーシング３１の外側（図２における右側）に配置されている。
【００３９】
タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂは、複数のジャーナル軸受パッド（図示せず）を有している。各ジャーナル軸受パッド６２の周囲には所定の圧力で潤滑水が導かれて、タービンロータ３３のロータ本体３３ａとジャーナル軸受パッドとの間に潤滑水の水膜が形成される。この水膜が、タービン回転体３２の半径方向荷重を支持するとともにタービン回転体３２をスムーズに回転可能な潤滑性を持つような厚さを有するようになっている。すなわち、本実施の形態においては、タービンロータ３３が繊維強化複合材料により形成されて、タービンロータ３３を含むタービン回転体３２の質量が低減されている。このことにより、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂが受ける半径方向荷重を低減することができ、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂの潤滑剤として、油ではなく水を使用することができるようになっている。しかしながら、このことに限られることはなく、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂの潤滑剤として、油を使用してもよい。
【００４０】
タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂには、図１に示すように、復水系統１６から潤滑水が供給されるようになっている。具体的には、復水ポンプ１４とボイラ１１とを連結する復水ライン１５から分岐した潤滑水供給ライン２１が設けられている。潤滑水供給ライン２１の上流側端部は、復水ポンプ１４とボイラ１１との間の途中位置に連結されている。潤滑水供給ライン２１は、途中位置で分岐して、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂに連結されている。このことにより、復水ポンプ１４において昇圧された復水の一部が、復水ライン１５および潤滑水供給ライン２１を介して、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂに供給される。この場合、復水ポンプ１４において昇圧された後に復水の一部が取り出されるために、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂにスムーズに復水を供給することができる。このため、復水をタービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂに供給するためにポンプなどを追加的に設けることを不要とすることができ、潤滑水を供給するための構成が煩雑化することを防止し、設備コストやスペースを低減できる。なお、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂには、復水系統１６ではなく冷却水系統１７から冷却水の一部が潤滑水として供給されるようにしてもよい。
【００４１】
タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂから排出される潤滑水は、潤滑水排出ライン２２を介して復水器１３に戻される。このようにして、潤滑水は強制的に循環して反復的に使用されるようになっている。ここでは、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂから排出される潤滑水が、途中位置で合流して復水器１３に戻される例を示している。
【００４２】
ところで、上述したタービンスラスト軸受５０は、潤滑剤として油を使用してもよいが、タービン回転体３２の軸線方向荷重に耐えることが可能であれば、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂと同様に、潤滑水によってタービン回転体３２の軸線方向荷重を支持するように構成されていてもよい。タービンスラスト軸受５０は、図２に示すように、複数のスラスト軸受パッド５２を有している。タービンロータ３３の各スラストカラー部３６と各スラスト軸受パッド５２との間に潤滑水が所定の圧力で導かれて水膜が形成される。これらの水膜が、タービン回転体３２の軸線方向荷重を支持するとともにタービン回転体３２をスムーズに回転可能な潤滑性を持つような厚さを有するようにすることができる。そして、このようなタービンスラスト軸受５０には、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂと同様にして、復水系統１６から潤滑水を供給するとともに、復水器１３に戻すことができる。
【００４３】
このように、タービンロータ３３は、ケーシング３１内に貫通して設けられて、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂによって回転自在に支持されている。そして、タービンロータ３３のロータ本体３３ａのうち、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂに対応する部分に、金属環が設けられている。
【００４４】
すなわち、タービンロータ３３は、軸線方向の一部において、上述したロータ本体３３ａの外周部に設けられ、金属材料により環状に形成された複数（図２では、８つ）の金属環８０を更に有している。金属環８０は、所望の強度を有することができれば鉄鋼材料やステンレス材料など任意の金属材料によって形成することができるが、この中でも鉄鋼材料により形成されていることが好適である。この場合、金属環８０の強度を確保することができるとともに、金属環８０のコストを低減することができる。
【００４５】
これら８つの金属環８０のうち２つの金属環８０は、２つのタービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂに対向する位置にそれぞれ配置されている。また、他の２つの金属環８０は、２つのグランドシール部４３ａ、４３ｂに対向する位置にそれぞれ配置されている。さらに、残りの４つの金属環８０は、４つのダイアフラム内輪３８に対向する位置にそれぞれ配置されている。すなわち、タービンロータ３３のロータ本体３３ａと、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂ、グランドシール部４３ａ、４３ｂおよびダイアフラム内輪３８との間に、金属環８０がそれぞれ介在されている。
【００４６】
本実施の形態においては、ロータ本体３３ａの外周部に複数の環状溝８５が形成されており、これらの環状溝８５に、対応する金属環８０が装着されている。金属環８０は、所望の度合いで幅方向に嵌め合って装着されていることが好適である。また、図２においては、金属環８０の外周面８０ａとロータ本体３３ａの外周面３３ｂとが略面一になっている例を示しているが、これに限られることはなく、例えば、金属環８０の一部がロータ本体３３ａから半径方向外側に突出して、金属環８０の外周面８０ａがロータ本体３３ａの外周面３３ｂより半径方向外側に配置されていてもよい。さらには、金属環８０が、ロータ本体３３ａの外周面３３ｂ上に装着されて、ロータ本体３３ａから全体的に半径方向外側に突出していてもよい。
【００４７】
図３および図４に示すように、金属環８０は、周方向に複数（図３においては２つ、図４においては４つ）に分割された金属環分割体８１を有している。互いに隣接する金属環分割体８１は、互いに接合されて一体化されている。例えば金属環分割体８１は、図３および図４に示すように、金属環分割体８１の周方向端部を溶接することによって溶接部８２を形成し、互いに接合することができる。この場合、金属環分割体８１とロータ本体３３ａとの間に、断熱シート（図示せず）が介在され、溶接時に発生する熱がロータ本体３３ａに伝わることを防止することが好適である。あるいは、金属環分割体８１は、接着剤によって互いに接合されるようにしてもよい。また、金属環分割体８１は、金属環８０の内周面８０ｂからロータ本体３３ａの外周面３３ｂに圧力（面圧）がかかるように接合されることが好適である。このことにより、タービンロータ３３が回転した際に生じる遠心力や、温度上昇時に熱膨張によって生じる伸び差によっても、金属環８０とロータ本体３３ａとの間に隙間が形成されることを防止できる。さらに、金属環分割体８１は、ロータ本体３３ａに接着剤によって接合されるようにしてもよい。この場合、金属環８０をロータ本体３３ａに対して、軸線Ｘを中心に回動することを防止できる。なお、複数の金属環分割体８１が互いに接合された後、金属環８０の外周面８０ａが、機械加工や研磨などによって仕上げられることが好適である。
【００４８】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００４９】
蒸気タービン３０の運転中、図１に示すように、ボイラ１１において発生した作動蒸気が、作動蒸気ライン１２を介して蒸気タービン３０に供給される。
【００５０】
蒸気タービン３０に供給された作動蒸気は、図２に示すように蒸気入口管４１を通ってケーシング３１内に流入する。流入した作動蒸気は、静翼翼列３９と動翼翼列３４とによりそれぞれ構成される複数のタービン段落４０を通って膨張仕事を行う。このことにより、タービン回転体３２が回転し、タービン回転体３２の回転トルクが発電機７０の発電機回転体７２に伝達される。発電機回転体７２の回転により、発電機７０が発電を行い、発電出力が得られる。
【００５１】
膨張仕事を行った作動蒸気は、排気ディフューザ４２を通って蒸気タービン３０から排出されて復水器１３に供給される。復水器１３において、供給された作動蒸気と、冷却水系統１７から供給される冷却水とが熱交換を行い、作動蒸気が凝縮されて復水が生成される。生成された復水は、復水ポンプ１４によって昇圧されて復水ライン１５を通ってボイラ１１に供給される。
【００５２】
ところで、タービン回転体３２のタービンロータ３３は、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂによって回転自在に支持されている。タービンロータ３３の停止時および回転時、タービンロータ３３とタービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂとの間には微小な隙間が形成されている。この隙間には潤滑水の水膜が形成される。また、タービンロータ３３とグランドシール部４３ａ、４３ｂとの間の隙間も微小に形成されており、作動蒸気がケーシング３１の外部に漏洩することを防止している。さらに、タービンロータ３３とダイアフラム内輪３８との間の隙間も微小に形成されており、作動蒸気がタービンロータ３３とダイアフラム内輪３８との間を通って流れることを防止している。
【００５３】
蒸気タービン３０の起動停止や負荷変化に伴う温度変化によって、ケーシング３１が変形する場合がある。この場合、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂがタービンロータ３３に接触する可能性がある。しかしながら、接触した場合であっても、タービンロータ３３とタービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂとの間に金属環８０が介在されているため、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂは金属環８０に接触し、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂがロータ本体３３ａに接触することを防止している。同様に、タービンロータ３３とグランドシール部４３ａ、４３ｂとの間、および、タービンロータ３３とダイアフラム内輪３８との間にも金属環８０が介在されているため、グランドシール部４３ａ、４３ｂおよびダイアフラム内輪３８が、ロータ本体３３ａに接触することを防止している。なお、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂ（あるいはグランドシール部４３ａ、４３ｂ、ダイアフラム内輪３８）が金属環８０に接触して摺動傷が形成された場合であっても、金属環８０は金属材料により形成されているため、金属環８０を容易に補修することができる。
【００５４】
また、ケーシング３１が変形した場合、ロータ本体３３ａとタービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂとの間の隙間が大きくなり、当該隙間に異物が侵入する可能性もある。しかしながら、異物が侵入した場合であっても、タービンロータ３３とタービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂとの間に金属環８０が介在されているため、侵入した異物がロータ本体３３ａに接触してロータ本体３３ａが損傷することを防止している。同様に、タービンロータ３３とグランドシール部４３ａ、４３ｂとの間、および、タービンロータ３３とダイアフラム内輪３８との間にも金属環８０が介在されているため、これらの間の隙間に異物が侵入してもロータ本体３３ａが損傷することを防止している。なお、ロータ本体３３ａとタービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂ（あるいはグランドシール部４３ａ、４３ｂ、ダイアフラム内輪３８）との間の隙間に異物が侵入して金属環８０に接触して摺動傷が形成された場合であっても、金属環８０を容易に補修することができる。
【００５５】
このように本実施の形態によれば、タービンロータ３３の繊維強化複合材料により形成されたロータ本体３３ａの外周部に金属環８０が設けられ、金属環８０が、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂに対向する位置に配置されている。このことにより、蒸気タービン３０の起動停止や、負荷変化に伴う温度変化によってケーシング３１が変形した場合であっても、タービンジャーナル軸受６０ａ、６０ｂがロータ本体３３ａに接触することを防止するとともに、侵入した異物がロータ本体３３ａに接触することを防止できる。このため、ロータ本体３３ａに摺動傷が形成されて、ロータ本体３３ａの繊維が破断することを防止できる。また、金属環８０に摺動傷が形成された場合であっても、金属環８０は金属材料により形成されているため、金属環８０を容易に補修することができる。この結果、タービンロータ３３を、繊維強化複合材料を用いて軽量化するとともに、タービンロータ３３の破損を回避することができる。
【００５６】
また、本実施の形態によれば、タービンロータ３３のロータ本体３３ａの外周部に、環状溝８５が形成され、金属環８０は、対応する環状溝８５に装着されている。このことにより、金属環８０をロータ本体３３ａに容易に取り付けることができる。
【００５７】
さらに、本実施の形態によれば、金属環８０は、周方向に複数に分割された金属環分割体８１を有しており、互いに隣接する金属環分割体８１は、互いに接合されて一体化されている。このことにより、タービンロータ３３のロータ本体３３ａに、金属環８０を容易に取り付けることができる。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による回転機器ロータおよび回転機器は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００５９】
例えば、上述した実施の形態においては、回転機器として発電用原動機である蒸気タービンを例にとり、回転機器ロータを蒸気タービンのタービンロータに適用した例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、他の発電用原動機、または、輸送用原動機、ポンプ用原動機などの回転機器に本発明を適用することが可能である。
【００６０】
また、上述した本実施の形態においては、復水がボイラ１１に供給されて、ボイラ１１において燃料を燃焼することによって発生した熱により復水から作動蒸気が生成される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、上述した本実施の形態による蒸気タービン３０は、地熱発電プラントに適用することもできる。この場合、ボイラ１１の代わりに、地熱蒸気が発生する蒸気井から、蒸気タービン３０に作動蒸気が供給されるようになる。蒸気タービン３０から排出された作動蒸気は、復水器に供給されて凝縮され、復水が生成される。なお、生成された復水は、クーリングタワー（図示せず）に供給されて外気と熱交換して冷却され、冷却された復水が冷却水として復水器に供給されるようにしてもよい。この場合、復水器では、クーリングタワーから供給された冷却水が、蒸気タービン３０から供給された作動蒸気を冷却して凝縮させるようになる。
【００６１】
さらに、上述した本実施の形態においては、金属環８０が、軸線方向の一部において、上述したロータ本体３３ａの外周部に設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、金属環８０が、ロータ本体３３ａの軸線方向全体にわたって設けられるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
３０    蒸気タービン
３１    ケーシング
３３    タービンロータ
３３ａ  ロータ本体
３８    ダイアフラム内輪
３９    静翼翼列
４３ａ  第１グランドシール部
４３ｂ  第２グランドシール部
６０ａ  第１タービンジャーナル軸受
６０ｂ  第２タービンジャーナル軸受
８０    金属環
８１    金属環分割体
８２    溶接部
８５    環状溝
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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