(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二種類の異なる材料をボルト締結によって接合して一本のタービンロータを形成するとともに、接合されたこのタービンロータはその両端近傍をそれぞれジャーナル軸受によって支持される蒸気タービン用の接合ロータであり、当該接合ロータは少なくともどちらか一方の軸端にカップリングフランジを有するタービンロータであって、当該接合ロータの前記ジャーナル軸受位置の間に蒸気タービンの高圧部と中圧部と低圧部が形成されているボルト締結タイプの高中低圧一体接合ロータまたは高圧部と低圧部が形成されているボルト締結タイプの高低圧一体接合ロータにおいて、前記ジャーナル軸受位置の間におけるボルト締結による接合は一個所のみであって、当該接合ロータのボルト締結による接合位置は高圧第一段落近傍または中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する高温側ロータ部分は重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分は高圧第一段落部分または中圧第一段落部分を有し、低圧最終段落部分を有する低温側ロータ部分は２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分には貫通する中心孔を形成し、当該中心孔は低温側ロータ部分とのボルト締結端から中圧第一段ホイールまたは高圧第一段ホイールの位置を越えた高温側ロータ部分のジャーナル軸受側にある任意の段落の範囲までの中心孔の直径が高温側ロータ部分のジャーナル軸受位置の中心孔の直径よりも大きいことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項２】
二種類の異なる材料をボルト締結によって接合して一本のタービンロータを形成するとともに、接合されたこのタービンロータは高温側ロータ部分と低温側ロータ部分の材料が異なっている接合ロータであり、低温側ロータ部分の高温側ロータ部分が接合されていない方の軸端部の近傍がジャーナル軸受によって支持されるとともに高温側ロータ部分の低温側ロータ部分が接合されていない方の軸端部にカップリングフランジを有し、当該接合ロータには蒸気タービンの中圧部及び低圧部が形成されているとともに当該接合ロータが一体のタービンケーシングに格納されているようなボルト締結タイプの中低圧一体接合ロータにおいて、当該中低圧一体接合ロータに形成されるタービン段落範囲内においてボルト締結による接合は一個所のみであって、当該接合ロータのボルト締結による接合位置は中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する高温側ロータ部分は重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分は中圧第一段落を有し、低圧最終段落を有する低温側ロータ部分は２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分には貫通する中心孔を形成し、当該中心孔は低温側ロータ部分とのボルト締結端から中圧第一段ホイールの位置を越えた範囲までの中心孔の直径が高温側ロータ部分の低温側ロータ部分と接合されていない方の軸端部のカップリングフランジの近傍の中心孔の直径よりも大きいことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項３】
二種類の異なる材料を溶接によって接合して一本のタービンロータを形成するとともに、接合されたこのタービンロータはその両端近傍をそれぞれジャーナル軸受によって支持される蒸気タービン用の接合ロータであり、当該接合ロータは少なくともどちらか一方の軸端にカップリングフランジを有するタービンロータであって、当該接合ロータの前記ジャーナル軸受位置の間に蒸気タービンの高圧部と中圧部と低圧部が形成されている溶接接合タイプの高中低圧一体接合ロータまたは高圧部と低圧部が形成されている溶接接合タイプの高低圧一体接合ロータにおいて、前記ジャーナル軸受位置の間における溶接による接合は一個所のみであって、当該接合ロータの溶接による接合位置は高圧第一段落近傍または中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する高温側ロータ部分は重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分は高圧第一段落部分または中圧第一段落部分を有し、低圧最終段落部分を有する低温側ロータ部分は２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分には貫通する中心孔を形成し、当該中心孔は低温側ロータ部分との溶接接合位置から中圧第一段落ホイールまたは高圧第一段落ホイールの位置を越えた高温側ロータ部分のジャーナル軸受側にある任意の段落の範囲までの中心孔の直径が高温側ロータ部分のジャーナル軸受位置の中心孔の直径よりも大きいことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項４】
二種類の異なる材料を溶接によって接合して一本のタービンロータを形成するとともに、接合されたこのタービンロータは高温側ロータ部分と低温側ロータ部分の材料が異なっている接合ロータであり、低温側ロータ部分の溶接接合されていない方の軸端部の近傍がジャーナル軸受によって支持されるとともに高温側ロータ部分の溶接接合されていない方の軸端部にカップリングフランジを有し、当該接合ロータには蒸気タービンの中圧部及び低圧部が形成されているとともに当該接合ロータが一体のタービンケーシングに格納されているような溶接接合タイプの中低圧一体接合ロータにおいて、当該中低圧一体接合ロータに形成されるタービン段落範囲内において溶接による接合は一個所のみであって、当該接合ロータの溶接による接合位置は中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する高温側ロータ部分は重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分は中圧第一段落を有し、低圧最終段落を有する低温側ロータ部分は２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分には貫通する中心孔を形成し、当該中心孔は溶接接合部分から中圧第一段落ホイール位置を越えた範囲までの中心孔の直径が高温側ロータ部分のカップリングフランジ近傍の中心孔の直径よりも大きいことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、高圧第一段落または中圧第一段落のタービンロータの胴部の最大直径をｂとしその段落位置の中心孔の直径をａとするときに直径比ｂ／ａが、2.2＜ｂ／ａ＜６を満足することを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項６】
蒸気タービンのロータにおいて、二種類の異なる材料を接合して一本のロータを形成するとともに、接合されたこのロータはその両端近傍をそれぞれジャーナル軸受によって支持されるとともにロータの中間部分がもう一個のジャーナル軸受によって支持される形式の蒸気タービン用の接合ロータであり、接合されたこのロータは少なくともどちらか一方の軸端にカップリングフランジを有するロータであって、当該接合ロータの一方の隣り合うジャーナル軸受の間に一体の高圧タービンケーシングを配置してその内部に蒸気タービンの高圧段落部分を格納し、当該接合ロータの他方の隣り合うジャーナル軸受の間に一体の中低圧タービンケーシングを配置してその内部に蒸気タービンの中圧部分と低圧部分を格納し、当該接合ロータの高圧部分のホイールと中圧部分のホイールとが隣り合っている間の範囲内にボルト締結によるカップリングフランジを設けることなく、当該接合ロータの両端のジャーナル軸受位置の内側の範囲内において接合は一個所のみであって、当該接合ロータの接合位置は中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置にあることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項７】
請求項６に記載の蒸気タービンロータにおいて、接合の位置が定格運転状態または常用運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する高温側ロータ部分は重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分は高圧第一段落と中圧第一段落を有し、他方、低圧最終段落を有する低温側ロータ部分は重量比で２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなることを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の蒸気タービンロータにおいて、高圧部と中圧部との間に設けられたジャーナル軸受位置のロータの直径が、当該ロータの両端近傍に設けられたジャーナル軸受位置のうちの発電機に近い方に設けられたジャーナル軸受位置のロータの直径よりも大きいことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、高温側ロータ部分には貫通する中心孔を形成し、当該中心孔は低温側ロータ部分との接合端から中圧第一段ホイールまたは高圧第一段ホイールの位置を越えた高温側ロータ部分の軸端近傍ジャーナル軸受側にある任意の段落の範囲までの中心孔の直径が高温側ロータ部分の軸端近傍設けられたジャーナル軸受の位置における中心孔の直径よりも大きいことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項１０】
請求項１ないし４、請求項６ないし９のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、低圧最終段落ホイールが存在する位置には中心孔を形成させないことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項１１】
前記接合は、溶接によるものであることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の蒸気タービンロータにおいて、少なくとも当該接合ロータの中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の範囲内における溶接接合部分の溶接の種類はタングステンイナートガス溶接であって、溶接作業時における溶接部内周面の監視ならびに溶接施工後の溶接部の内周面の検査を実施することが可能なように高温側ロータ部分と低温側ロータ部分の少なくともどちらか一方のロータ部分には貫通する中心孔を設けたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項１３】
前記接合は、ボルトによる締結であることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータ。
【請求項１４】
請求項１、２、１３のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータにおいて、縦弾性係数が高温側ロータ材料及び低温側ロータ材料よりも小さく常温において150GPa以下である金属を概略円筒形状に形成して作成した円筒状金属部品の端面が高温側ロータ部分と低温側ロータ部分との接合面にそれぞれ接触するように配して高温側ロータと低温側ロータをボルト締結により接合したことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項１５】
定格運転状態において高圧タービンに供給される主蒸気の圧力及び温度が10MPa以上かつ500℃以上であって、一台の蒸気タービンとしての最大出力が100MW以上である蒸気タービンにおいて、両端部近傍がそれぞれのジャーナル軸受で支持され、その内側の部分が一体のタービンケーシングに格納される形式の蒸気タービンロータとして
請求項１又は３に記載の高中低圧一体接合ロータまたは高低圧一体接合ロータを適用したことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１６】
定格運転状態において高圧タービンに供給される主蒸気の圧力及び温度が10MPa以上かつ500℃以上であって、一台の蒸気タービンとしての最大出力が100MW以上である蒸気タービンにおいて、当該蒸気タービンは一体の高圧タービンケーシングと一体の中低圧タービンケーシングとを有し、高圧タービンケーシングには高圧ロータが格納され、中低圧タービンケーシングには
請求項２又は４に記載の中低圧一体接合ロータが格納されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１７】
定格運転状態において高圧タービンに供給される主蒸気の圧力及び温度が10MPa以上かつ500℃以上であって、一台の蒸気タービンとしての最大出力が100MW以上である蒸気タービンにおいて、当該蒸気タービンは一体の高圧タービンケーシングと一体の中低圧タービンケーシングとを有し、高圧タービンケーシングには高温側ロータ部分の高圧部が格納され、中低圧タービンケーシングには高温側ロータ部分の中圧部と低温側ロータ部分の低圧部が格納され、タービンロータとして高温側ロータ部分と低温側ロータ部分が溶接によって接合されている請求項６ないし９のいずれか１項に記載の接合ロータが適用され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】
本発明は蒸気タービンに係わり、特に、タービンロータが異なる材料を接合することによって形成される異材接合ロータである蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンとは基本的にはノズル（静翼とも称する）で加速した蒸気流を動翼に流入させ、蒸気の持つエネルギーを動翼によってタービンロータの回転エネルギーに変換させるものである。コンバインドサイクル発電に使用される蒸気タービンにおいては、一般に、ガスタービンの廃熱を主要熱源とした蒸気発生器において生成された水蒸気が主蒸気管を介して蒸気タービンの高圧部の主蒸気室に導入される。高圧部のノズルおよび動翼を通過することによって仕事をして低温になった蒸気は蒸気タービンの高圧排気室から排出され再熱器で加熱された後に再熱蒸気管を介して蒸気タービンの再熱部の再熱蒸気室に導入される。このような蒸気タービンの再熱部は蒸気圧力の高低により中圧部と低圧部とに一般的に区別される。中圧部のノズルおよび動翼を通過することによって仕事をして低温になった蒸気は、蒸気タービンの中圧排気として排出され低圧部に流入する。そして低圧部に流入した蒸気は、低圧部のノズルおよび動翼を通過することによって仕事をして更に低温になって最終段動翼から低圧排気室に排出され復水器に誘導される。蒸気タービンにおいてはノズルや動翼を通過して行く蒸気の流れを主流と称し、蒸気タービンの主蒸気室から低圧排気室までの主流の蒸気通路をノズルや動翼部分を含めて一般に蒸気通路部と称する。尚、高中低圧一体蒸気タービンや中低圧一体タービンでは中圧排気室が明確には形成されていない場合がある。また、再熱器が存在せずに高圧排気が再熱されることなく直接低圧部に流入する形式の蒸気タービンもある。
【０００３】
ここで、高圧部と中圧部と低圧部を有する蒸気タービンを一般的な蒸気タービンとするとき、このような蒸気タービンは従来は一般に、高中圧部分のタービンロータをＣｒＭｏＶ鋼で形成して一体の高中圧タービンケーシングに格納し、低圧部分は複流構造としてそのタービンロータをＮｉＣｒＭｏＶ鋼で形成して一体の低圧タービンケーシングに格納する。そして、高中圧ロータと低圧ロータとをカップリングフランジによって直列に結合し、中圧部分からの排気はクロスオーバー管を介して低圧部分に供給している。
【０００４】
低コスト化やコンパクト化の強い要請により、近年は、一体のタービンケーシングに格納される一本のタービンロータに高温部と低温部の両方を形成させることが要求されてきている。例えば図２６は、中低圧タービンの一体ロータ１を示すものであって、一体に形成されたロータ本体２に中圧部３と低圧部４が形成されている。また、図２７は、高中低圧タービンの一体ロータ５を示すものであって、一体に形成されたロータ本体６に高圧部７と中圧部８と低圧部９が形成されている。この要求に対応して、タービンロータ素材製造において傾斜熱処理という技術が開発され実用化されている。この技術は例えば高中低圧一体ロータにおいて主として高温で高強度が要求される部位と主として低温で高強度高靭性が要求される部位とに区分し、その区分境界位置でタービンロータ鍛造後の熱処理温度を異ならせることによって一本のタービンロータに高温で高強度の部分と低温で高強度高靭性の部分とを形成させる技術である。尚、この技術を適用して製作するタービンロータを傾斜熱処理ロータと称している。
【０００５】
このような傾斜熱処理ロータは、中心孔を設けない中実ロータであったり、タービンロータを貫通する中心孔が設けられていても、図２６及び図２７に示すように、ジャーナル軸受によって支持されるロータジャーナル部分の中心孔と同じ直径を有する小径の中心孔１０が貫通しているだけの場合がほとんどである。
【０００６】
一体のタービンケーシングに格納される一本のタービンロータに高温で高強度の部分と低温で高強度高靭性の部分とを形成させる他の方法として、接合ロータがある。これは高温で高強度のタービンロータと低温で高強度高靭性のタービンロータを別々に製作したあとに接合して一本にしたタービンロータである。このような特徴を有する接合ロータの場合、その接合方法としては溶接による接合が知られている（例えば、特許文献１参照）。このように溶接によって高温で高強度の部分と低温で高強度高靭性の部分とを接合して一本に形成されたタービンロータをここでは溶接接合ロータと称することにする。
【特許文献１】特開２００１−３１７３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高圧部と中圧部と低圧部を有する蒸気タービンを一般的な蒸気タービンとするとき、このような蒸気タービンの従来の構造は前述した通りであるが、このような構造は、部品点数が多くまた大きな設置スペースを必要とし、高コストであって、近年の低コスト化およびコンパクト化の要求に対して不都合な構造となっている。
【０００８】
一方、低コスト化の強い要請により近年は一体のタービンケーシングに格納される一本のタービンロータに高温部と低温部の両方を形成させるとともに低圧部分を単流化してコンパクト化を図ることが要求されてきている。この実現に伴い、クロスオーバー管を廃止することが可能となって、低コスト化と流れの管損失等の排除によるタービン性能向上に貢献することが可能であるという付随効果も期待できる。
【０００９】
既述の如く、コンバインドサイクル発電設備用の蒸気タービンにおいては、発電設備の効率向上の目的で蒸気タービンの蒸気条件の高温高圧化が、発電設備の高出力化の目的で蒸気タービンの蒸気流量の増大が、発電所建設費用の抑制などの目的で低コスト化ならびにコンパクト化が、発電設備の経済的な運用の目的で蒸気タービンの起動特性の向上が、それぞれ従来にも増して強く要請されて来ている。
【００１０】
蒸気タービンの蒸気条件の高温高圧化の要請に対して、タービンロータの高温にさらされる部分は、高温での強度を強化してクリープ損傷の発生を抑制することが要求される。蒸気流量増大の要請は、蒸気タービン低圧最終段落の排気流量の増大に直結し、蒸気タービン最終段動翼の長大化が要求される。低コスト化やコンパクト化の要請は、最大出力が100MW以上のタービンでは複流構造が支配的であった蒸気タービン低圧部分において、単流構造化を強く要求しており、それ故に蒸気タービン最終段動翼には更なる長大化が要求される。蒸気タービン最終段動翼の長大化に伴って、蒸気タービンロータの少なくとも低圧最終ホイール位置の部分では、低温での高強度を強化し靭性を改善してタービンロータの脆性破壊を予防することが要求される。蒸気タービンの起動特性の向上の要請に対しては、蒸気タービンロータの高温部の非定常熱応力を低減して、低サイクル疲労損傷を予防することが要求される。
【００１１】
従来は、強度的に低圧部が複流構造でしか成立し得なかった蒸気流量を、単流構造で実現させるべく蒸気タービン最終段動翼の長大化が要求されてきており、60Hz機用で翼長33.5インチ（約851mm）以上の長翼や50Hz機用で翼長36インチ（約914mm）以上の長翼が開発されてきている。
【００１２】
しかしながら、傾斜熱処理ロータにおいては、高温で高強度が要求される部分も低温で高強度高靭性が要求される部分も化学成分は同一である。このため、熱処理温度を変えて達成できる強度レベルには自ずと限界がある。熱処理温度の調整だけでは材料に要求される機能、例えばクリープ破断強度や破面遷移温度などを満足出来ないことがある。蒸気タービンロータ材に適用されているような比較的安価な低合金鋼においては、その高温強度、例えば105時間クリープ破断強度や低温靭性、破面遷移温度は、Ｎｉの含有量の影響を受ける。しかして、鋼製の60Hz機用40インチ（約1016mm）以上の長翼や50Hz機用48インチ（約1219mm）以上の長翼を配する蒸気タービンロータで、高温高強度部分と低温高強度高靭性部分を有するタービンロータを傾斜熱処理ロータとして製作することは現状技術では困難な状況となっている。
【００１３】
近年のコンバインドサイクル発電設備での急速起動の要請に対応すべく高温部位における蒸気タービン起動停止過程に伴う非定常熱応力低減の要求が強まってきている。
【００１４】
一般に蒸気タービンロータの熱応力を低減するには、タービンロータの肉厚を薄くすることが効果的であることが知られており、そのためには大きな非定常熱応力が発生するタービンロータの高温部分の中心孔の直径を大きくすることが要求される。しかしながら、ロータジャーナル部分のロータ外径が小さいために、大きな中心孔を設けることが出来ないことから、タービンロータ高温部の中心孔の直径を大きく形成することが一般には困難な状況である。他方、低圧最終段落ホイール位置では、回転による遠心力の作用によって発生する応力が極めて高く、そのために低温での高強度高靭性はこの部分で要求されている。低圧最終段落ホイール位置におけるこの応力は、中心孔を大きくするほど高くなるため、中心孔は可能な限り小径であることが望ましい。従って、当該位置に大きな中心孔を設けることが出来ないことからも、タービンロータ高温部の中心孔の直径を大きく形成することが一般には困難な状況となっている。
【００１５】
なお、溶接によって接合した蒸気タービンロータとして、高温部の中心孔の直径とロータジャーナル部分の中心孔の直径を異径にして起動停止に伴う非定常熱応力を低減する開発が行われている（例えば、特開平8-284603号参照）。この公報における溶接位置は、ロータジャーナル部分の近傍の位置であって、上述の高温で高強度のタービンロータと低温で高強度高靭性のタービンロータを接合するための溶接とは異なる内容のものである。この特許公報に記載の内容の中心孔拡大方法を適用した場合、高温高強度のタービンロータ部分と低温高強度高靭性のタービンロータ部分を接合するには更に少なくとももう一個所の溶接部を形成する必要がある。したがって、二個所以上の溶接による溶接作業量の増大と溶接曲りの重畳によって極めて高コストのタービンロータとなることが懸念される。
【００１６】
以上のように、蒸気タービンの蒸気条件の高温高圧化の要請に対してタービンロータの高温にさらされる部分は高温での強度を強化してクリープ損傷の発生を抑制することが要求される。蒸気流量増大の要請は、蒸気タービン低圧最終段落の排気流量の増大に直結し、蒸気タービン最終段動翼の長大化が要求される。低コスト化やコンパクト化の要請は、最大出力が100MW以上のタービンでは、複流構造が支配的であった蒸気タービン低圧部分において単流構造化を強く要求しており、それ故に蒸気タービン最終段動翼には更なる長大化が要求される。蒸気タービン最終段動翼の長大化に伴って蒸気タービンロータの少なくとも低圧最終ホイール位置の部分では低温での高強度を強化し靭性を改善してタービンロータの脆性破壊を予防することが要求される。蒸気タービンの起動特性の向上の要請に対しては、蒸気タービンロータの高温部の非定常熱応力を低減して低サイクル疲労損傷を予防することが要求される。
【００１７】
これらの要求に対して、その対応策として、蒸気タービン最終段動翼の長大化や傾斜熱処理ロータ、溶接接合ロータの採用とタービンロータ高温部の薄肉化が考案されているものの、要求レベルの高さに対して未だ不十分であったり実現性に乏しい内容のままであったりという状況となっている。
【００１８】
従って、コンバインドサイクル発電設備用の蒸気タービンにおいて、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請を同時に十分なレベルで満足することがこれまでできていなかった。
【００１９】
ところで、溶接では溶接表面から割れが発生しないことと、溶接表面に応力集中を助長するような凹凸形成されないことが常に要求される。溶接接合ロータにおいてはロータ外表面側から超音波探傷法によって溶接部の欠陥を検査する方法が一般的であるが、ロータ内表面側の溶接初層の割れや変形の有無の検査方法としては不十分であった。
【００２０】
最近、低コスト化やコンパクト化高性能化の強い要請によって、コンバインドサイクル発電用の中容量の蒸気タービンにおいて、図２８に示すような形式の蒸気タービンが知られている。この蒸気タービンは、ＣｒＭｏＶ鋼で形成した高圧部分２１の高圧ロータ２２を一体の高圧タービンケーシング２３に格納し、ＣｒＭｏＶ鋼で形成した中圧部分２４の中圧ロータ２５とＮｉＣｒＭｏ鋼で形成した低圧部分２６の低圧ロータ２７を溶接によって接合してその中圧部分２４と低圧部分２６を一体の中低圧ケーシング２８に格納した二車室構造からなる。そして、このような蒸気タービンに用いられるタービンロータは、高圧ロータ２２と中圧ロータ２５の間にカップリングフランジ２９を形成して高圧ロータ２２と中圧ロータ２５とをカップリングボルト３０で締結して一本の蒸気タービンロータとした図２９に概略構造を示すようなタービンロータ３１を有し、このカップリングボルト３０で締結された１本の蒸気タービンロータ３１両端近傍に各一個ずつのジャーナル軸受３２，３３を配し、また高圧部分２１と中圧部分２４の間に一個のジャーナル軸受３４を配した、全段落が単流構造となっている。この構造のタービンは、全段が単流構造となったことにより全長が短縮できること、クロスオーバ管を廃止することができることにより、低コスト・コンパクトな構造となっている。
【００２１】
しかしながら、この全段落単流構造の蒸気タービンは、高圧部と中圧部との間にカップリングフランジ２９が形成され、カップリングボルト３０によって当該カップリングフランジ２９を締結する構造となっている。このため、少なくとも当該カップリングフランジ厚さとナット並びに挿入ボルト長さとの合計値に相当する長さ分は軸受スパン（隣り合う軸受の間の距離）が長くなって、軸系安定性に悪影響を及ぼすという問題がある。
【００２２】
また、カップリングボルト３０によって当該カップリングフランジ２９を締結する構造となっているために、フランジの加工やボルト、ナット等の構成部品の製作およびカップリングフランジ締結作業等の費用が発生しており、まだ十分な低コスト化・コンパクト化が図られていない。
【００２３】
さらに、コンバインドサイクル発電設備用の蒸気タービンにおいては、発電設備の経済的な運用の目的として、蒸気タービンの起動特性の向上が従来にも増して強く要請されている。蒸気タービンの起動特性の向上に対しては、蒸気タービンロータの高温部の非定常熱応力を低減し、低サイクル疲労損傷を予防することが必須である。
【００２４】
既述の如く、蒸気タービンロータの熱応力を低減するには、タービンロータの肉厚を薄くすることが効果的であり、そのためには大きな非定常熱応力が発生するタービンロータの高温部分の中心孔の直径を大きくすることが有効であるが、当該位置に大きな中心孔を設けることが出来ないことから、タービンロータ高温部の中心孔の直径を大きく形成することが一般には困難な状況となっている。
【００２５】
また、ボルト締結による接合ロータでは、接合部を介して蒸気が中心孔に流入する可能性がある。この中心孔に流入した蒸気は、ロータジーャナル部分などの低温部位に触れて凝縮して水として溜り、タービンロータの温度に外乱を与える要因となって、タービンロータの軸振動やラビングを誘発してタービンの運転に支障をきたすことがある。
【００２６】
本発明の目的は蒸気タービンの蒸気条件の高温高圧化の要請に対して、タービンロータの高温にさらされる部分は高温での強度を強化してクリープ損傷の発生を抑制し、低コスト化とコンパクト化の要請に対して、蒸気タービン低圧部分を単流構造化し蒸気タービン最終段動翼を長大化するとともに蒸気タービンロータの少なくとも低圧最終ホイール位置の部分で低温での高強度と高靭性を十分に確保してタービンロータの脆性破壊を予防し、蒸気タービンの起動特性の向上の要請に対して、蒸気タービンロータの高温部の非定常熱応力を低減して低サイクル疲労損傷を予防することを可能ならしめる蒸気タービンロータに関する技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するため、本発明では、二種類の異なる材料をボルト締結によって接合して一本のタービンロータを形成するとともに、接合されたこのタービンロータはその両端近傍をそれぞれジャーナル軸受によって支持される蒸気タービン用の接合ロータであり、当該接合ロータは少なくともどちらか一方の軸端にカップリングフランジを有するタービンロータであって、当該接合ロータの前記ジャーナル軸受位置の間に蒸気タービンの高圧部と中圧部と低圧部が形成されているボルト締結タイプの高中低圧一体接合ロータまたは高圧部と低圧部が形成されているボルト締結タイプの高低圧一体接合ロータにおいて、前記ジャーナル軸受位置の間におけるボルト締結による接合は一個所のみであって、当該接合ロータのボルト締結による接合位置は高圧第一段落近傍または中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する高温側ロータ部分は重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分は高圧第一段落部分または中圧第一段落部分を有し、低圧最終段落部分を有する低温側ロータ部分は２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分には貫通する中心孔を形成し、当該中心孔は低温側ロータ部分とのボルト締結端から中圧第一段ホイールまたは高圧第一段ホイールの位置を越えた高温側ロータ部分のジャーナル軸受側にある任意の段落の範囲までの中心孔の直径が高温側ロータ部分のジャーナル軸受位置の中心孔の直径よりも大きい蒸気タービンロータとしている。
【００２８】
本発明では、二種類の異なる材料をボルト締結によって接合して一本のタービンロータを形成するとともに、接合されたこのタービンロータは高温側ロータ部分と低温側ロータ部分の材料が異なっている接合ロータであり、低温側ロータ部分の高温側ロータ部分が接合されていない方の軸端部の近傍がジャーナル軸受によって支持されるとともに高温側ロータ部分の低温側ロータ部分が接合されていない方の軸端部にカップリングフランジを有し、当該接合ロータには蒸気タービンの中圧部及び低圧部が形成されているとともに当該接合ロータが一体のタービンケーシングに格納されているようなボルト締結タイプの中低圧一体接合ロータにおいて、当該中低圧一体接合ロータに形成されるタービン段落範囲内においてボルト締結による接合は一個所のみであって、当該接合ロータのボルト締結による接合位置は中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する高温側ロータ部分は重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分は中圧第一段落を有し、低圧最終段落を有する低温側ロータ部分は２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分には貫通する中心孔を形成し、当該中心孔は低温側ロータ部分とのボルト締結端から中圧第一段ホイールの位置を越えた範囲までの中心孔の直径が高温側ロータ部分の低温側ロータ部分と接合されていない方の軸端部のカップリングフランジの近傍の中心孔の直径よりも大きい蒸気タービンロータとしている。
【００３０】
本発明では、二種類の異なる材料を溶接によって接合して一本のタービンロータを形成するとともに、接合されたこのタービンロータはその両端近傍をそれぞれジャーナル軸受によって支持される蒸気タービン用の接合ロータであり、当該接合ロータは少なくともどちらか一方の軸端にカップリングフランジを有するタービンロータであって、当該接合ロータの前記ジャーナル軸受位置の間に蒸気タービンの高圧部と中圧部と低圧部が形成されている溶接接合タイプの高中低圧一体接合ロータまたは高圧部と低圧部が形成されている溶接接合タイプの高低圧一体接合ロータにおいて、前記ジャーナル軸受位置の間における溶接による接合は一個所のみであって、当該接合ロータの溶接による接合位置は高圧第一段落近傍または中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する高温側ロータ部分は重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分は高圧第一段落部分または中圧第一段落部分を有し、低圧最終段落部分を有する低温側ロータ部分は２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分には貫通する中心孔を形成し、当該中心孔は低温側ロータ部分との溶接接合位置から中圧第一段落ホイールまたは高圧第一段落ホイールの位置を越えた高温側ロータ部分のジャーナル軸受側にある任意の段落の範囲までの中心孔の直径が高温側ロータ部分のジャーナル軸受位置の中心孔の直径よりも大きい蒸気タービンロータとしている。
【００３２】
本発明では、二種類の異なる材料を溶接によって接合して一本のタービンロータを形成するとともに、接合されたこのタービンロータは高温側ロータ部分と低温側ロータ部分の材料が異なっている接合ロータであり、低温側ロータ部分の溶接接合されていない方の軸端部の近傍がジャーナル軸受によって支持されるとともに高温側ロータ部分の溶接接合されていない方の軸端部にカップリングフランジを有し、当該接合ロータには蒸気タービンの中圧部及び低圧部が形成されているとともに当該接合ロータが一体のタービンケーシングに格納されているような溶接接合タイプの中低圧一体接合ロータにおいて、当該中低圧一体接合ロータに形成されるタービン段落範囲内において溶接による接合は一個所のみであって、当該接合ロータの溶接による接合位置は中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する高温側ロータ部分は重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分は中圧第一段落を有し、低圧最終段落を有する低温側ロータ部分は２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分には貫通する中心孔を形成し、当該中心孔は溶接接合部分から中圧第一段落ホイール位置を越えた範囲までの中心孔の直径が高温側ロータ部分のカップリングフランジ近傍の中心孔の直径よりも大きい蒸気タービンロータとしている。
【００３３】
本発明では、蒸気タービンのロータにおいて、二種類の異なる材料を接合して一本のロータを形成するとともに、接合されたこのロータはその両端近傍をそれぞれジャーナル軸受によって支持されるとともにロータの中間部分がもう一個のジャーナル軸受によって支持される形式の蒸気タービン用の接合ロータであり、接合されたこのロータは少なくともどちらか一方の軸端にカップリングフランジを有するロータであって、当該接合ロータの一方の隣り合うジャーナル軸受の間に一体の高圧タービンケーシングを配置してその内部に蒸気タービンの高圧段落部分を格納し、当該接合ロータの他方の隣り合うジャーナル軸受の間に一体の中低圧タービンケーシングを配置してその内部に蒸気タービンの中圧部分と低圧部分を格納し、当該接合ロータの高圧部分のホイールと中圧部分のホイールとが隣り合っている間の範囲内にボルト締結によるカップリングフランジを設けることなく、当該接合ロータの両端のジャーナル軸受位置の内側の範囲内において接合は一個所のみであって、当該接合ロータの接合位置は中圧第一段落近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイールの間の位置にあることを特徴とする蒸気タービンロータとしている。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、この接合タービンロータの高温部のクリープ損傷が抑制でき、低温部は脆性破壊を防止できることから信頼性が高い安全なタービンロータを提供できる。また、高温側ロータの高温部位の中心孔の直径を拡大するためのロータの接合と高温側ロータと低温側ロータとを接合するための接合という目的の異なる接合に関し、接合の個所を工夫して接合部が一個所で済むようにしたので低コストで信頼性の高い接合ロータを提供できる。また、接合ロータとして高温部のロータ中心孔を拡大したので、タービンロータの内外面温度差が小さくなって非定常熱応力が低減することから低サイクル疲労損傷が防止でき、発電設備の経済的運用に貢献することが可能となる。また、接合部の位置を定格運転状態で蒸気温度150℃以上400℃以下として材料のクリープ温度域以下の温度としたので、接合部位のクリープの進行による接合ロータの曲りの懸念を払拭できる。このため、接合部のクリープ曲りによる振動の増大の懸念もなく、また接合部の材料の脆化を促進するような高温にもさらされないので接合部の健全性を維持することができる。また接合部の蒸気が運転中に湿ることがないので材料の応力腐食割れの発生や腐食の発生の懸念も払拭できることから、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請を同時に十分なレベルで満足することができる蒸気タービンの実現が可能になる。
【００３５】
また、溶接接合ロータの場合、高温側ロータ部分または低温側ロータ部分の少なくともどちらか一方のタービンロータ部分に貫通する中心孔を必ず設けるので、中心孔を介して溶接中や溶接後の内表面の状態を監視または検査することが可能となり信頼性が高く安全な溶接接合ロータを製作することができる。
【００３６】
また、接合ロータにおいて低圧最終段落ホイール位置には中心孔を形成させない場合をも考案したことにより、当該位置のタービンロータに作用する遠心効果応力を中心孔がある場合に比べて大幅に低減できることになり、従来に増して長大な蒸気タービン最終段動翼を適用でき、蒸気タービンの高出力化への貢献や低圧部単流化による低コスト化・コンパクト化に貢献できる。
【００３７】
ボルト締結による接合ロータにおいては、縦弾性係数が高温側ロータ材料及び低温側ロータ材料よりも小さく常温において150GPa以下である金属を概略円筒形状に形成して作成した円筒状金属部品の端面が高温側ロータ部分と低温側ロータ部分との接合面にそれぞれ接触するように配して高温側ロータと低温側ロータをボルト締結により接合することをも考案したことにより、タービンロータの接合部分を完全にシールすることが可能となって、中心孔への蒸気の流入を阻止することができ運転に支障をきたすような軸振動やラビングの発生を防止している。
【００３８】
更に、接合ロータの高温部分においてタービンロータの肉厚を薄くし、かつ、当該部分の内外面の直径比をｂ／ａが2.2＜ｂ／ａ＜６に制限することを考案したので、タービンロータの当該部分に突出した熱応力が発生しないようにすることができ、従って、熱応力による低サイクル疲労損傷が発生しない安全な蒸気タービンロータを提供でき、発電設備の経済的な運転に貢献できる。
【００３９】
また、以上において本発明として説明したいずれかの接合ロータをタービンロータとして適用した蒸気タービンとしてあるので、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請に応える応え、社会に貢献することができる。
【００４０】
さらに、本発明によれば、一体の高圧ケーシングと一体の中低圧ケーシングで構成される二車室形式の蒸気タービンで全段落を単流構造としてクロスオーバ管を廃止して低コスト化・コンパクト化を図った蒸気タービンにおいて、従来、高圧部と中圧部との間に必ず形成されていたカップリングフランジを廃止ししたので、タービンロータ全長を少なくとも当該カップリングフランジ厚さとナット並びに挿入ボルト長さとの合計値に相当する長さ分短縮することができて、軸受スパンが短くなって、軸系安定性を改善することが可能となるために従来よりもコンパクトかつ大容量で高性能な蒸気タービンを提供できる。コンパクト化は発電所建設費用の低減に大きく貢献する。また、フランジの加工やボルト、ナット等の構成部品の製作およびカップリングフランジ締結作業等の費用の発生を回避することができることから、蒸気タービン製造コストを低減することができる。
【００４１】
また、溶接またはボルト締結によるによる高温ロータ部分と低温ロータ部分の接合部の位置を定格運転状態で蒸気温度150℃以上400℃以下としたので、接合部のクリープ曲りによる振動の増大の懸念もなく、また材料の応力腐食割れの発生や腐食の発生の懸念も払拭できる。従って、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請を同時に十分なレベルで満足することができる蒸気タービンの実現が可能になる。
【００４２】
また、中間部のジャーナル軸受位置のロータ直径を要求される強度から決定される直径よりも大きくしたので、当該部分のロータ表面の熱伝達率が高くなって軸受潤滑油によるロータ冷却効果が顕著になる。従って、中間部に軸受を設置するために必要な幅を狭くすることができ短縮できることから、さらなるコンパクト化と軸系安定性の確保に貢献できる。
【００４３】
また、高温側ロータの高温部位の中心孔の直径を拡大するための接合と高温側ロータと低温側ロータとを接合するための接合という目的の異なる接合に関し、接合の個所を工夫してそれらの接合部が一個所で済むように考案したので、低コストで信頼性の高い接合ロータを提供できる。また、高温部のロータ中心孔を拡大したので、低サイクル疲労損傷が防止でき、発電設備の経済的運用に貢献することが可能となる。また、蒸気タービンロータの低圧最終段落ホイール位置には中心孔を形成させないこととしたため、従来に増して長大な蒸気タービン最終段動翼を適用でき、蒸気タービンの高出力化への貢献や低圧部単流化による低コスト化・コンパクト化に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態について図１ないし図２４を図面を参照して説明する。
【００４５】
「第１の実施の形態」
図１は、請求項１に記載の発明の一実施の形態を示し、高中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図である。図２は、請求項２に記載の発明の一実施の形態を示し、中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図である。
【００４６】
図１に示す蒸気タービン用の接合ロータ１０１は、二種類の異なる材料をボルト１５１を用いた締結によって接合して一本のタービンロータとして形成されたものであって、接合されたこのタービンロータはその両端近傍を一個ずつ合計二個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌによって支持されている。ここでＨは高温側を、Ｌは低温側を意味する。この接合ロータ１０１は、ジャーナル軸受１５Ｌで支持される側の軸端にカップリングフランジ２を有し、前記２個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌの間に、蒸気タービンの高圧部１０３と中圧部１０４と低圧部１０５とを形成しているボルト締結タイプの高中低圧一体接合ロータ、又は高圧側ロータ部分１２１と低圧側ロータ部分１２２とを形成しているボルト締結タイプの高低圧一体接合ロータである。この接合ロータ１０１において、二個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌの間におけるボルト１５１締結による接合は一個所１１０のみである。また、接合ロータ１０１のボルト締結による接合位置１１０は、高圧第一段落１０６の近傍または中圧第一段落１０７の近傍の最高温度位置と、低圧最終段落ホイール１２８の間の位置であるとともに、定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置である。最高温度が作用する部分を有する材料から成る高温側ロータ部分１２１は、重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高圧第一段落１０６の部分または中圧第一段落１０７の部分を有する。一方、低圧最終段落１０８を有する低温側ロータ部分１２２は、２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる。高温側ロータ部分１２１には、貫通する中心孔１０９が形成されている。この中心孔１０９は、低温側ロータ部分１２２とのボルト締結部１１０を始点として、ここから高圧第一段ホイール１２６の位置を越えた高温側ロータ部分１２１のジャーナル軸受１５２Ｈ側にある任意の段落の範囲までの中心孔の直径５９を、高温側ロータ部分１２１のジャーナル軸受１５２Ｈの位置の中心孔の直径６９よりも大きく形成している。
【００４７】
図２に示す蒸気タービン用の接合ロータ２０１は、二種類の異なる材料をボルト２５１を用いた締結によって接合して一本のタービンロータとして形成されたものであって、接合されたこのタービンロータは高温側ロータ部分２２１と低温側ロータ部分２２２の材料が異なっている。この接合ロータ２０１は、低温側ロータ部分２２２の高温側ロータ材料が接合されていない方の軸端部の近傍をジャーナル軸受２５２Ｌによって支持されるとともに、高温側ロータ部分２２１の低温側ロータ材料が接合されていない方の軸端部にはカップリングフランジ２０２が設けられている。また、この接合ロータ２０１は、蒸気タービンの中圧部２０４及び低圧部２０５が形成されているとともに、この接合ロータ２０１が一体のタービンケーシングに格納されているようなボルト締結タイプの中低圧一体接合ロータである。この接合ロータ２０１において、当該中低圧一体接合ロータに形成されるタービン段落範囲内においてボルト締結による接合は一個所のみであって、当該接合ロータのボルト締結による接合位置は中圧第一段落２０７の近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイール２２８の間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置である。最高温度が作用する部分を有する材料から成る高温側ロータ部分２２１は、重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、中圧第一段落２０７を有する。また、低圧最終段落２０８を有する低温側ロータ部分２２２は、２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる。高温側ロータ部分２２１には、貫通する中心孔２０９が形成されている。この中心孔２０９は、低温側ロータ部分２２２とのボルト締結端を始点として、ここから中圧第一段ホイール２２７の位置を越えた範囲までの中心孔の直径２５９が、高温側ロータ部分２２１の低温側ロータ部分２２２と接合されていない方の軸端部のカップリングフランジ２０２の近傍の中心孔の直径２６９よりも大きくなされている。
【００４８】
このように構成された第１の実施の形態における蒸気タービン用の接合ロータ１０１は、二種類の異なる材料をボルト１５１を用いた締結によって接合して一本のタービンロータを形成するとともに、接合されたこのタービンロータはその両端近傍を一個ずつ合計二個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌによって支持される蒸気タービン用の接合ロータであり、当該接合ロータ１０１は少なくともどちらか一方の軸端にカップリングフランジ１０２を有するタービンロータであって、当該接合ロータ１０１の二個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌの間の位置に蒸気タービンの高圧部１０３と中圧部１０４と低圧部１０５が形成されているボルト締結タイプの高中低圧一体接合ロータ又は高圧部と低圧部形成されているボルト締結タイプの高定圧一体接合ロータにおいて、高温高強度のＣｒＭｏＶ鋼からなる高温側ロータ部分１２１と低温高強度高靭性のＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる低温側ロータ部分１２２とをボルト１５１で接合したので、この接合タービンロータの高温部はクリープ損傷が抑制でき、低温部は脆性破壊を防止できることから信頼性が高い安全なタービンロータを提供できる。また、高温側ロータ部分１２１の高温部位の中心孔の直径を拡大するためのボルト締結接合と高温側ロータ部分１２１と低温側ロータ部分１２２とを接合するためのボルト接合という目的の異なるボルト接合１１０に関し、接合の個所を工夫して接合部が一個所で済むようにしたので、低コストで信頼性の高い接合ロータを提供できる。本発明では、接合ロータとして高温部のロータ中心孔１０９を拡大したのでタービンロータの内外面温度差が小さくなって非定常熱応力が低減することから低サイクル疲労損傷が防止でき、発電設備の経済的運用に貢献することが可能となる。また、ボルト接合部１１０の位置を定格運転状態で蒸気温度150℃以上400℃以下として材料のクリープ温度域以下の温度としたので締結ボルトのクリープの進行による接合ロータの曲りの懸念を払拭できて接合部のクリープ曲りによる振動の増大の懸念もなく、また締結ボルト材料の脆化を促進するような高温にもさらされないので締結ボルトの健全性を維持することができ、またボルト接合部の蒸気が運転中に湿ることがないので材料の応力腐食割れの発生や腐食の発生の懸念も払拭できることから、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請を同時に十分なレベルで満足することができる蒸気タービンの実現が可能になる。なお、図２に示す接合ロータ２０１についても同様である。
【００４９】
「第２の実施の形態」
図３は、請求項３に記載の発明の一実施の形態を示し、高中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図である。図４は、請求項５に記載の発明の一実施の形態を示し、中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図である。
【００５０】
図３に示す蒸気タービン用の接合ロータ３０１は、二種類の異なる材料を溶接３５１によって接合して一本のタービンロータを形成している。この接合ロータ３０１は、その両端近傍を一個ずつ合計二個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌによって支持されるとともに、少なくともどちらか一方の軸端例えば、軸受１５２Ｌで支持される側の軸端にカップリングフランジ１０２を有する。この接合ロータ１０１は、二個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌの位置の間に、蒸気タービンの高圧部１０３と中圧部１０４と低圧部１０５が形成されている溶接接合タイプの高中低圧一体接合ロータ、または高圧部と低圧部が形成されている溶接接合タイプの高低圧一体接合ロータである。この接合ロータ３０１において、二個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌ位置の間における溶接接合３５１は一個所のみであり、この接合ロータ３０１の溶接接合３５１の位置は、高圧第一段落１０６の近傍または中圧第一段段落１０７の近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイール１２８との間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が400℃以下150℃以上の位置である。最高温度が作用する部分を有する材料から成る高温側ロータ部分３２１は、重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高圧第一段落部分または中圧第一段落部分を有する。低圧最終段落１０８の部分を有する低温側ロータ部分３２２は、２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる。溶接の種類はタングステンイナートガス溶接であって、溶接作業時における溶接部内周面３３０の監視ならびに溶接施工後の溶接部内周面３３０の検査を実施することが可能なように高温側ロータ部分３２１と低温側ロータ部分３２２の少なくともどちらか一方のタービンロータ部分には貫通する中心孔３０９を必ず設けた蒸気タービンロータとしている。
【００５１】
図４に示す蒸気タービン用の接合ロータ４０１は、二種類の異なる材料を溶接によって接合して一本のタービンロータを形成している。この接合ロータ４０１は、高温側ロータ部分４２１と低温側ロータ部分４２２の材料が異なっている接合ロータであり、低温側ロータ部分４２２の溶接接合されていない方の軸端部の近傍がジャーナル軸受２５２Ｌによって支持されるとともに、高温側ロータ部分４２１の溶接接合されていない方の軸端部にカップリングフランジ２０２を有している。この接合ロータ４０１には、蒸気タービンの中圧部２０４及び低圧部２０５が形成されている。この接合ロータ４０１が一体のタービンケーシングに格納されているような溶接接合タイプの中低圧一体接合ロータにおいて、当該中低圧一体接合ロータに形成されるタービン段落範囲内において溶接接合３５１は一個所のみである。この接合ロータ４０１の溶接による接合位置は、中圧第一段落２０４の近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイール２２８の間の位置であるとともに、定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置である。最高温度が作用する部分を有する材料から成る高温側ロータ部分４２１は、重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、中圧第一段落２０７を有する。低圧最終段落２０８を有する低温側ロータ部分４２２は、２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる。溶接の種類は、タングステンイナートガス溶接である。また、この接合ロータ４０１は、溶接作業時における溶接部内周面３３０の監視ならびに溶接施工後の溶接部内周面３３０の検査を実施することが可能なように、高温側ロータ部分４２１と低温側ロータ部分４２２の少なくともどちらか一方のタービンロータ部分には貫通する中心孔４０９を必ず設けている。
【００５２】
このように構成された第２の実施の形態における図３に示す蒸気タービン用の接合ロータ３０１は、高温高強度のＣｒＭｏＶ鋼からなる高温側ロータ部分３２１と低温高強度高靭性のＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる低温側ロータ部分３２２とを溶接３５１で接合したので、この溶接接合タービンロータの高温部はクリープ損傷が抑制でき、低温部は脆性破壊を防止できる。また、溶接接合部の位置を定格運転状態で蒸気温度150℃以上400℃以下として材料のクリープ温度域以下の温度としたので溶接部のクリープの進行による接合ロータの曲りの懸念を払拭できて接合部のクリープ曲りによる振動の増大の懸念をなくすことができる。また、溶接接合部の材料の脆化を促進するような高温にもさらされないので、溶接接合部の健全性を維持することができる。また、溶接接合部の蒸気が運転中に湿ることがないので、材料の応力腐食割れの発生や腐食の発生の懸念も払拭できる。従って、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請を同時に十分なレベルで満足することができる蒸気タービンの実現が可能になる。また、高温側ロータ部分または低温側ロータ部分の少なくともどちらか一方のタービンロータ部分に貫通する中心孔３０９を必ず設けるので、中心孔を介して溶接中や溶接後の内表面の状態を監視または検査することが可能となり信頼性が高く安全な溶接接合ロータを製作することができる。なお、図４に示す接合ロータ４０１についても同様である。
【００５３】
「第３の実施の形態」
図５は、請求項４に記載の発明の一実施の形態を示し、高中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図である。図６は、請求項６に記載の発明の一実施の形態を示し、中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図である。
【００５４】
図５に示す蒸気タービン用の接合ロータ５０１は、二種類の異なる材料を溶接によって接合して一本のタービンロータを形成している。この接合ロータ５０１は、その両端近傍を一個ずつ合計二個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌによって支持され、少なくともどちらか一方の軸端例えば、軸受１５２Ｌで支持される側の軸端にカップリングフランジ１０２を有する。この接合ロータ５０１は、二個のジャーナル軸受１５２の位置の間に蒸気タービンの高圧部１０３と中圧部１０４と低圧部１０５が形成されている溶接接合タイプの高中低圧一体接合ロータまたは高圧部３と低圧部５が形成されている溶接接合タイプの高低圧一体接合ロータである。二個のジャーナル軸受１５２の位置の間における溶接接合３５１は一個所のみであって、当該接合ロータ５０１の溶接接合３５１の位置は高圧第一段落１０６の近傍または中圧第一段段落１０７の近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイール１２８の間の位置であとともに、定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置である。最高温度が作用する部分を有する材料から成る高温側ロータ部分５２１は、重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高圧第一段落部分または中圧第一段落部分を有し、低圧最終段落１０８の部分を有する低温側ロータ部分５２２は、２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる。高温側ロータ部分５２１には、貫通する中心孔１０９が形成され、当該中心孔１０９は、低温側ロータ部分５２２との溶接接合３５１の位置から高圧第一段落ホイール１２６の位置を越えた高温側ロータ部分５２１のジャーナル軸受１５２Ｈの側にある任意の段落の範囲までの中心孔の直径１５９を高温側ロータ部分５２１のジャーナル軸受１５２Ｈの位置の中心孔の直径１６９よりも大きいように形成している。
【００５５】
図６に示す蒸気タービン用の接合ロータ６０１は、二種類の異なる材料を溶接によって接合して一本のタービンロータを形成している。この接合ロータ６０１は、高温側ロータ部分６２１と低温側ロータ部分６２２の材料が異なっている接合ロータであり、低温側ロータ部分６２２の溶接接合されていない方の軸端部の近傍がジャーナル軸受２５２Ｌによって支持されるとともに高温側ロータ部分６２１の溶接接合されていない方の軸端部にカップリングフランジ２０２を有する。当該接合ロータ６０１は、蒸気タービンの中圧部２０４及び低圧部２０５が形成されているとともに当該接合ロータ６０１が一体のタービンケーシングに格納されているような溶接接合タイプの中低圧一体接合ロータである。この中低圧一体接合ロータ６０１に形成されるタービン段落範囲内において、溶接接合３５１は一個所のみであって、当該接合ロータ６０１の溶接による接合位置は、中圧第一段落２０４の近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイール２２８の間の位置であるとともに定格運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置である。最高温度が作用する部分を有する材料から成る高温側ロータ部分６２１は、重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、中圧第一段落２０７を有し、低圧最終段落２０８を有する低温側ロータ部分６２２は、２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる。高温側ロータ部分６２１には、貫通する中心孔２０９が形成され、この中心孔２０９は、溶接接合３５１の部分から中圧第一段落ホイール２２７の位置を越えた範囲までの中心孔の直径２５９が高温側ロータ部分６２１のカップリングフランジ２０２の近傍の中心孔の直径２６９よりも大きいように形成されている。
【００５６】
このように構成された図５で示す第３の実施の形態における蒸気タービン用の接合ロータ５０１では、高温高強度のＣｒＭｏＶ鋼からなる高温側ロータ部分５２１と低温高強度高靭性のＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる低温側ロータ部分５２２とを溶接で接合したので、この接合ロータ５０１の高温部はクリープ損傷が抑制でき、低温部は脆性破壊を防止できる。また、溶接接合部３５１の位置を定格運転状態で蒸気温度150℃以上400℃以下として材料のクリープ温度域以下の温度としたので、溶接部のクリープの進行による接合ロータの曲りの懸念を払拭できて接合部のクリープ曲りによる振動の増大の懸念もなく、また溶接接合部の材料の脆化を促進するような高温にもさらされないので、溶接接合部の３５１健全性を維持することができる。また、溶接接合部の蒸気が運転中に湿ることがないので、材料の応力腐食割れの発生や腐食の発生の懸念も払拭できることから、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請を同時に十分なレベルで満足することができる蒸気タービンの実現が可能になる。また、高温側ロータ部分５２１に貫通する中心孔１０９を必ず設けるので、中心孔を介して溶接中や溶接後の内表面の状態を監視または検査することが可能となり信頼性が高く安全な溶接接合ロータを製作することができる。また、高温側ロータ部分５２１の高温部位の中心孔の直径を拡大するための溶接接合と高温側ロータ部分５２１と低温側ロータ部分５２２とを接合するための溶接接合という目的の異なる溶接接合に関し、接合の個所を工夫して接合部が一個所で済むように考案したので、低コストで信頼性の高い接合ロータとして実用に供することが可能となる。また、接合ロータとすることによって高温部のロータ中心孔を拡大したので非定常熱応力が低減可能となって低サイクル疲労損傷を防止することができ、発電設備の経済的な運転に大きく貢献できる。なお、図６に示す接合ロータ６０１についても同様の作用を奏する。
【００５７】
「第４の実施の形態」
図７及び図８は、請求項１４に記載の発明の一実施の形態を示し、それぞれ、ボルト締結による高中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図と、溶接接合による高中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図である。図９は、図８に示す実施の形態の他の一例を示す縦断面図である。
【００５８】
図７および図８に示す接合ロータ７０１，８０１においては、高温側ロータ部分７２１、８２１には貫通する中心孔１０９を形成し、低温側ロータ部分７２２、８２２の低圧最終段落ホイール１２８が存在する位置には中心孔を形成させない蒸気タービンロータが示されている。図９に示す接合ロータ９０１の如く、部分的な中心孔９０９を形成する場合も実施の変形例として含まれる。
【００５９】
タービンロータの任意の段落部分を取り出して考え、簡単に一様厚さ回転円板として近似してその遠心効果応力分布を表わすと、中心孔のある場合と中心孔のない場合の応力分布は図１０のようになり、中心孔がない場合の最大応力は中心孔がある場合の最大応力に比べて大幅に小さくなることが知られている。本実施の形態では極めて大きな遠心効果応力が作用する低圧最終段落ホイール位置のロータ中心部での応力を軽減する目的でタービンロータの低圧最終段落ホイール位置には中心孔を形成しないこととした。従って、当該位置のタービンロータに作用する遠心効果応力の最大値を、中心孔がある場合に比べて大幅に低減できることになり、従来に増して長大な蒸気タービン最終段動翼を適用でき、蒸気タービンの高出力化への貢献や低圧部単流化による低コスト化・コンパクト化に貢献できる。
【００６０】
「第５の実施の形態」
図１１は、請求項１９に記載の発明の一実施の形態として示す蒸気タービンロータの接合部を表わしている部分的な縦断面図である。
【００６１】
図１１においては、高温側ロータ部分１２１と低温側ロータ部分１２２をボルト１５１を用いて接合する接合ロータ１００１において、縦弾性係数が高温側ロータ部分１２１の材料及び低温側ロータ部分１２２の材料よりも小さく常温において150GPa以下である金属を概略円筒形状に形成して作成した円筒状金属部品１０３１の端面１０３２が高温側ロータ部分１２１のボルト接合側の端面１０３４と低温側ロータ部分１２２のボルト接合側の端面１０３５にそれぞれ接触するように配して、高温側ロータ１２１と低温側ロータ１２２をボルト１５１の締結により接合した蒸気タービンロータとしている。
【００６２】
ボルト締結による接合ロータでは、接合部を介して蒸気が中心孔に流入する可能性があり、中心孔に流入した蒸気はロータジーャナル部分などの低温部位に触れて凝縮して水として溜る。このため、タービンロータの温度に外乱を与える要因となって、タービンロータの軸振動やラビングを誘発してタービンの運転に支障をきたすことがある。図１１に示す接合ロータ１００１では、上述の円筒状金属部品１０３１をその端面が高温側ロータ部分１２１と低温側ロータ部分１２２の接合側の端面にそれぞれ接触するように面圧を持たせて配しているので、タービンロータの接合部分を完全にシールすることが可能となる。したがって、中心孔への蒸気の流入を阻止することができ、運転に支障をきたすような軸振動やラビングの発生を防止している。この円筒状金属部品１０３１は、縦弾性係数が常温において150GPa以下とされ、高温側ロータ部分１２１や低温側ロータ部分１２２に比べておおよそ７０％以下の値を有する金属によって形成されるので、常に復元力を確保することができる。従って、タービンロータの接合部分を完全にシールすることが可能となり、中心孔への蒸気の流入を阻止することができ、運転に支障をきたすような軸振動やラビングの発生を防止することができる。
【００６３】
「第６の実施の形態」
図１２及び図１３は、請求項７に記載の発明の一実施の形態を示し、それぞれ、ボルト締結による高中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図と、溶接接合による高中低圧一体接合ロータである蒸気タービンロータの縦断面図である。
【００６４】
図１２においては、ボルト１５１を用いた締結によって高中低圧一体に形成した接合ロータ１１０１において、高温側ロータ部分１２１の中圧第一段落１０７の位置のタービンロータの胴部の最大直径をｂとしその段落位置の中心孔の直径をａとするときに直径比ｂ／ａが、2.2＜ｂ／ａ＜６を満足する蒸気タービンロータとしている。
【００６５】
図１３においては、溶接接合１５１を用いた締結によって高中低圧一体に形成した接合ロータ１２０１において、高温側ロータ部分５２１の中圧第一段落１０７の位置のタービンロータの胴部の最大直径をｂとしその段落位置の中心孔の直径をａとするときに直径比ｂ／ａが、2.2＜ｂ／ａ＜６を満足する蒸気タービンロータとしている。
【００６６】
ローター中心孔の円周方向の熱応力ＳＴは、内表面温度をＴ１、外表面温度をＴ２、外内径比をρ＝ｂ／ａとし、Ｃを定数とするとき、ＳＴ＝Ｃ（Ｔ２−Ｔ１）β１，  β１＝２ρ２／（ρ２−１）−１／lnρ  で表され、縦軸に熱応力Ｓ、横軸に外内径比ｂ／ａをとると図１４の実線ＳＴで示すグラフとなる。従って、中心孔の熱応力を薄肉円筒ｂ／ａ≒１の熱応力の１．５倍以下に抑えるには、外内径比ｂ／ａは約６以下とすることが必要である。一方、ロータ表面の軸方向の熱応力ＳＲは、ホイール付根の形状変化を滑らかにして応力集中率が小さくなるように工夫すると応力集中率ＫをＫ＝２程度にすることが可能であるためＫ＝２を用いると、ＳＲ＝Ｃ（Ｔ２−Ｔ１）β２，  β２＝２（２−β１ ） で表され、縦軸に熱応力Ｓ、横軸に外内径比ｂ／ａをとると図１４の実線ＳＲで示すグラフとなる。従って、ロータ表面の軸方向の熱応力ＳＲをロータ中心孔の円周方向の熱応力ＳＴと同レベルすなわち薄肉円筒の熱応力の１．５倍以下に抑えるには、外内径比ｂ／ａを約２．２以上とする必要がある。このように、外内径比ｂ／ａを２．２＜ｂ／ａ＜６とすることによって高温部におけるロータ熱応力が過大になることを抑制できるという効果を発揮する。蒸気タービンロータにおいて大きな非定常熱応力が発生し易い高温部分において、タービンロータの肉厚を薄くして内外面温度差の発生を小さくして熱応力を低減し、かつ、当該部分の内外面の直径比をｂ／ａが、2.2＜ｂ／ａ＜６を満足するように制限したので、タービンロータの当該部分の外表面の軸方向の熱応力の大きさと当該部分の中心孔の円周方向の熱応力の大きさとを同等のレベルに抑えることができる。このように、突出した熱応力が発生しないようにしたので、熱応力による低サイクル疲労損傷が発生しない安全な蒸気タービンロータを提供でき、発電設備の経済的な運転に貢献できる。
【００６７】
「第７の実施の形態」
図１５は、請求項８に記載の発明の一実施の形態として示す、溶接接合による高中低圧一体接合ロータを有する蒸気タービンの縦断面図である。図１６は請求項９に記載の発明の一実施の形態として示す、溶接接合による中低圧一体接合ロータを有する蒸気タービンの縦断面図である。
【００６８】
図１５においては、定格運転状態において蒸気タービンの高圧部に供給される主蒸気の圧力及び温度が10MPa以上かつ500℃以上であって、一台の蒸気タービンとしての最大出力が100MW以上である蒸気タービン１３００において、左端近傍および右端近傍がそれぞれ一個のジャーナル軸受１５２Ｈ，１５２Ｌで支持されその内側の部分が一体のタービンケーシング１３２９に格納される形式の蒸気タービンロータとして請求項１０に記載の高中低圧一体接合ロータを適用した蒸気タービンとしている。
【００６９】
図１６においては、定格運転状態において蒸気タービンの高圧部に供給される主蒸気の圧力及び温度が10MPa以上かつ500℃以上であって、一台の蒸気タービンとしての最大出力が100MW以上である蒸気タービン１４００において、左端近傍および右端近傍がそれぞれ一個のジャーナル軸受１５２で支持されその内側の部分が一体のタービンケーシング１４２９に格納される形式の蒸気タービンロータとして請求項１１に記載の中低圧一体接合ロータを適用した蒸気タービンとしている。
【００７０】
本実施の形態は、以上の第１乃至第６の実施の形態で説明したいずれかの接合ロータをタービンロータとして適用した蒸気タービンであるので、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請に応え、社会に貢献することができる。
【００７１】
「第８の実施の形態」
図１７は本発明の実施例の一例として示す蒸気タービンロータの縦断面図を示す摸式図である。図１８はこれらの蒸気タービンロータを適用した蒸気タービンを示す摸式図である。図中、タービンロータの中心線上に記載している「＊」なる印はジャナル軸受に支承されるロータジャーナル位置であることを示す記号である。
【００７２】
図１７、図１８において、接合ロータ１５０１は、二種類の異なる材料を溶接によって接合して一本のタービンロータに形成されている。この接合ロータ１５０１は、その両端近傍を一個ずつ合計二個のジャーナル軸受１５２、１５３によって支持されるとともにロータの中間部分をもう一個のジャーナル軸受１５４によって支持される形式の蒸気タービン用の接合ロータである。この接合ロータ１５０１は、少なくともどちらか一方の軸端例えば、ジャーナル軸受１５３で支持される側の軸端にカップリングフランジ１０２を有するタービンロータであって、当該接合ロータ１５０１の一方の隣り合う二個のジャーナル軸受１５２、１５４位置の間に図１８で示す一体の高圧タービンケーシング１５８１を配置してその内部に蒸気タービンの高圧部分を格納し、当該接合ロータ１５０１の他方の隣り合う二個のジャーナル軸受１５４、１５３位置の間に図１８で示す一体の中低圧タービンケーシング１５８２を配置してその内部に蒸気タービンの中圧部分と低圧部分を格納している。この接合ロータ１５０１の高圧部１０３のホイールと中圧部１０４のホイールとが隣り合っている間の範囲内にボルト締結によるカップリングフランジを設けることなく、この接合ロータ１５０１の両端のジャーナル軸受１５２、１５３位置の内側の範囲内において、溶接３５１による接合は一個所のみであって、この接合ロータ１５０１の溶接３５１による接合位置は中圧第一段落１０７近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイール１２８の間の位置にある。
【００７３】
好ましくは、溶接３５１による接合の位置は、定格運転状態または常用運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置であって、最高温度が作用する部分を有する材料から成る高温側ロータ部分３２１は、重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分３２１は、高圧第一段落１０６と中圧第一段落１０７を有し、他方、低圧最終段落１０８を有する低温側ロータ部分３２２は、重量比で２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる。
【００７４】
さらに好ましくは、上述の蒸気タービン用接合ロータ１５０１は、高圧部１０３と中圧部１０４との間に設けられたジャーナル軸受１５４の位置のロータの直径１５９０が、この接合ロータ１５０１の両端近傍に設けられたジャーナル軸受１５２、１５３位置のうちの発電機に近い方に設けられたジャーナル軸受位置のロータの直径よりも大きくなるように形成されている。
【００７５】
好ましくは、少なくともこの接合ロータ１５０１の中圧第一段落１０７近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイール１２８の間の範囲内における溶接３５１による接合部分の溶接の種類はタングステンイナートガス溶接であって、溶接作業時における溶接部内周面の監視ならびに溶接施工後の溶接部の内周面の検査を実施することが可能なように高温側ロータ部分３２１と低温側ロータ部分３２２の少なくともどちらか一方のロータ部分には貫通する中心孔３０９を必ず設けている。
【００７６】
好ましくは、高温側ロータ部分３２１には貫通する中心孔１０９を形成し、この中心孔１０９は図１９に一例を示すように、低温側ロータ部分５２２との溶接３５１による接合端から中圧第一段ホイール１２７または高圧第一段ホイール１２６の位置を越えた高温側ロータ部分５２１の軸端近傍ジャーナル軸受１５２側にある任意の段落の範囲までの中心孔１０９の直径１５９が高温側ロータ部分５２１の軸端近傍設けられたジャーナル軸受１５２の位置における中心孔の直径１６９よりも大きくなるようにする。
【００７７】
好ましくは、低圧最終段落ホイール１２８が存在する位置には、図２０に示すように、中心孔を形成させない。
【００７８】
本実施の形態では、一体の高圧ケーシングと一体の中低圧ケーシングで構成される二車室形式の蒸気タービンで全段落を単流構造としてクロスオーバ管を廃止して低コスト化・コンパクト化を図った蒸気タービンにおいて、従来、高圧部と中圧部との間に必ず形成されていたカップリングフランジを廃止したので、タービンロータ全長を少なくとも当該カップリングフランジ厚さとナット並びに挿入ボルト長さとの合計値に相当する長さ分短縮することができ、軸受スパン（隣り合う軸受の間の距離）が短くなって、軸系安定性を改善することが可能となる。従って、従来よりもコンパクトかつ大容量で高性能な蒸気タービンを提供できる。コンパクト化は発電所建設費用の低減に大きく貢献する。また、フランジの加工やボルト、ナット等の構成部品の製作およびカップリングフランジ締結作業等の費用の発生を回避することができることから、蒸気タービン製造コストを低減することができる。
【００７９】
また、溶接による接合部の位置を定格運転状態で蒸気温度150℃以上400℃以下として材料のクリープ温度域以下の温度としたので、溶接部のクリープの進行による接合ロータの曲りの懸念を払拭できて、接合部のクリープ曲りによる振動の増大の懸念がない。また、溶接部またはボルト接合部の蒸気が運転中に湿ることがないので、材料の応力腐食割れの発生や腐食の発生の懸念も払拭できる。従って、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請を同時に十分なレベルで満足することができる蒸気タービンの実現が可能になる。
【００８０】
また、中間部のジャーナル軸受位置のロータ直径を要求される強度から決定される直径よりも大きくしたので、当該部分のロータ表面の熱伝達率が高くなって軸受潤滑油によるロータ冷却効果が顕著になって中間部に軸受を設置するために必要な幅を狭くすることができる。このため、タービン軸長を短縮でき、従って軸受スパンを短縮できることから、さらにコンパクト化と軸系安定性の確保に貢献できる。
【００８１】
また、高温側ロータ部分または低温側ロータ部分の少なくともどちらか一方のタービンロータ部分に貫通する中心孔を必ず設けるので、中心孔を介して溶接中や溶接後の内表面の状態を監視または検査することが可能となり、信頼性が高く安全な溶接接合ロータを製作することができる。
【００８２】
また、高温側ロータの高温部位の中心孔の直径を拡大するための接合と高温側ロータと低温側ロータとを接合するための接合という目的の異なる接合に関し、接合の個所を工夫してそれらの接合部が一個所で済むように考案したので、低コストで信頼性の高い接合ロータを提供できる。
【００８３】
また、接合ロータとして高温部のロータ中心孔を拡大したので、タービンロータの内外面温度差が小さくなって非定常熱応力が低減する。このため、低サイクル疲労損傷が防止でき、発電設備の経済的運用に貢献することが可能となる。
【００８４】
また、蒸気タービンロータの低圧最終段落ホイール位置には中心孔を形成させないこととしたため、当該位置のタービンロータに作用する遠心効果応力を中心孔がある場合に比べて大幅に低減できる。従って、従来に増して長大な蒸気タービン最終段動翼を適用でき、蒸気タービンの高出力化への貢献や低圧部単流化による低コスト化・コンパクト化に貢献できる。
【００８５】
「第９の実施の形態」
図２１は本発明の第９の実施例の一例として示す蒸気タービンロータの縦断面図を示す摸式図である。図２２はこれらの蒸気タービンロータを適用した蒸気タービンを示す摸式図である。図中、タービンロータの中心線上に記載している ＊ なる印はジャナル軸受に支承されるロータジャーナル位置であることを示す記号である。
【００８６】
図２１、図２２において、蒸気タービン用接合ロータ１８０１は、二種類の異なる材料をボルト１５１によって締結して一本のロータを形成している。この接合ロータ１８０１は、その両端近傍が各一個ずつのジャーナル軸受１５２、１５３によって支持されるとともにロータの中間部分がもう一個のジャーナル軸受１５４によって支持される形式の蒸気タービン用の接合ロータであり、少なくともどちらか一方の軸端にカップリングフランジ１０２を有する。この接合ロータ１８０１は、当該接合ロータ１８０１の一方の隣り合う二個のジャーナル軸受１５２、１５４位置の間に一体の高圧タービンケーシング１８８１を配置してその内部に蒸気タービンの高圧段落部分を格納し、当該接合ロータ１８０１の他方の隣り合う二個のジャーナル軸受１５４、１５３位置の間に一体の中低圧タービンケーシング１８８２を配置してその内部に蒸気タービンの中圧部分と低圧部分を格納している。この接合ロータ１８０１は、その高圧部１０３のホイールと中圧部１０４のホイールとが隣り合っている間の範囲内に、締結されたカップリングフランジを設けることなく、当該接合ロータ１８０１の両端のジャーナル軸受１５２、１５３位置の内側の範囲内においてボルト１５１締結による接合は一個所のみであって、当該接合ロータのボルト１５１締結による接合位置は中圧第一段落１０７近傍の最高温度位置と低圧最終段落ホイール１２８の間の位置にある。
【００８７】
好ましくは、ボルト１５１締結部１１０の位置は、定格運転状態または常用運転状態における蒸気温度が150℃以上400℃以下の位置である。最高温度が作用する部分を有する材料から成る高温側ロータ部分１８２１は、重量比で１〜３％のＣｒを含有しＭｏとＶを含有するＣｒＭｏＶ鋼からなり、高温側ロータ部分１８２１は高圧第一段落１０６と中圧第一段落１０７を有し、低圧最終段落１０８を有する低温側ロータ部分１２２は、２〜５％のＮｉを含有しＣｒとＭｏとＶを含有するＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなる。
【００８８】
好ましくは、高圧部１０３と中圧部１０４との間に設けられたジャーナル軸受１５４位置のロータの直径１５９０が、当該ロータの両端近傍に設けられたジャーナル軸受１５２、１５３位置のうちの発電機に近い方に設けられたジャーナル軸受位置のロータの直径よりも大きいことを特徴とする。
【００８９】
好ましくは、高温側ロータ部分１２１には貫通する中心孔１０９を形成し、当該中心孔１０９は、図２３に一例を示すように、低温側ロータ部分１２２とのボルト１５１締結部１１０から中圧第一段ホイール１２７または高圧第一段ホイール１２６の位置を越えた高温側ロータ部分１２１の軸端近傍ジャーナル軸受１５２側にある任意の段落の範囲までの中心孔の直径１５９が、高温側ロータ部分１２１の軸端近傍に設けられたジャーナル軸受１５２の位置における中心孔の直径１６９よりも大きいように形成されている。
【００９０】
好ましくは、図２４に示すように、低圧最終段落ホイール１２８が存在する位置には中心孔を形成させない。
【００９１】
好ましくは、図２５に一例を示すように、縦弾性係数が高温側ロータ材料及び低温側ロータ材料よりも小さく常温において150GPa以下である金属を概略円筒形状に形成して作成した円筒状金属部品２１３１の端面２１３２が高温側ロータ部分１２１と低温側ロータ部分１２２との接合面２１３４、２１３５にそれぞれ接触するように配して、高温側ロータと低温側ロータをボルト締結により接合する。
【００９２】
本実施例では、一体の高圧ケーシングと一体の中低圧ケーシングで構成される二車室形式の蒸気タービンであって、全段落を単流構造としてクロスオーバ管を廃止して低コスト化・コンパクト化を図った蒸気タービンにおいて、従来、高圧部と中圧部との間に必ず形成されていたカップリングフランジを廃止したので、タービンロータ全長を少なくとも当該カップリングフランジ厚さとナット並びに挿入ボルト長さとの合計値に相当する長さ分短縮することができる。従って、軸受スパン（隣り合う軸受の間の距離）が短くなって、軸系安定性を改善することが可能となり、従来よりもコンパクトかつ大容量で高性能な蒸気タービンを提供できる。コンパクト化は発電所建設費用の低減に大きく貢献する。また、フランジの加工やボルト、ナット等の構成部品の製作およびカップリングフランジ締結作業等の費用の発生を回避することができることから、蒸気タービン製造コストを低減することができる。
【００９３】
また、高温側ロータ部分と低温側ロータ部分の接合を溶接に代えてボルト締結による接合としたことにより、製造が容易になるとともに、溶接接合ロータでは付加的な応力発生の原因となっていた高温側ロータ材と低温側ロータ材の若干の線膨張率の違いによる熱膨張量の差異もボルト締結による接合の場合は安全に吸収にできる。
【００９４】
また、ボルト締結部の位置を定格運転状態で蒸気温度150℃以上400℃以下として材料のクリープ温度域以下の温度としたので、締結ボルトのクリープの進行による接合ロータの曲りの懸念を払拭できる。このため、接合部のクリープ曲りによる振動の増大の懸念もなく、また溶接部またはボルト接合部の蒸気が運転中に湿ることがないので、材料の応力腐食割れの発生や腐食の発生の懸念も払拭できる。従って、発電設備の効率向上と高出力化と発電所建設費用の抑制と発電設備の経済的な運用改善の要請を、同時に十分なレベルで満足することができる蒸気タービンの実現が可能になる。
【００９５】
また、中間部のジャーナル軸受位置のロータ直径を、要求される強度から決定される直径よりも大きくしたので、当該部分のロータ表面の熱伝達率が高くなって軸受潤滑油によるロータ冷却効果が顕著になって中間部に軸受を設置するために必要な幅を狭くすることができる。このため、タービン軸長を短縮でき、従って軸受スパンを短縮できることから、さらにコンパクト化と軸系安定性の確保に貢献できる。
【００９６】
また、高温側ロータの高温部位の中心孔の直径を拡大するための接合と高温側ロータと低温側ロータとを接合するための接合という目的の異なる接合に関し、接合の個所を工夫してそれらの接合部が一個所で済むように考案したので低コストで信頼性の高い接合ロータを提供できる。
【００９７】
また、接合ロータとして高温部のロータ中心孔を拡大したので、タービンロータの内外面温度差が小さくなって非定常熱応力が低減する。従って、低サイクル疲労損傷が防止でき、発電設備の経済的運用に貢献することが可能となる。
【００９８】
また、蒸気タービンロータの低圧最終段落ホイール位置には中心孔を形成させないこととしたため、当該位置のタービンロータに作用する遠心効果応力を中心孔がある場合に比べて大幅に低減できることになり、従来に増して長大な蒸気タービン最終段動翼を適用でき、蒸気タービンの高出力化への貢献や低圧部単流化による低コスト化・コンパクト化に貢献できる。
【００９９】
また、円筒状金属部品をその端面が高温側ロータ部分と低温側ロータ部分の接合側の端面にそれぞれ接触するように面圧を持たせて配し、かつ、この円筒状金属部品は縦弾性係数が常温において150GPa以下であって高温側ロータ部分や低温側ロータ部分に比べておおよそ７０％以下の値を有する金属によって形成されているので、常に復元力を確保できる。従って、タービンロータの接合部分を完全にシールすることが可能となって、中心孔への蒸気の流入を阻止することができ運転に支障をきたすような軸振動やラビングの発生を防止している。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施の形態の接合ロータを示す縦断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の接合ロータの他の例を示す縦断面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の接合ロータを示す縦断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の接合ロータの他の例を示す縦断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の接合ロータを示す縦断面図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の接合ロータの他の例を示す縦断面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態の接合ロータを示す縦断面図。
【図８】本発明の第４の実施の形態の接合ロータの他の例を示す縦断面図。
【図９】本発明の第４の実施の形態の接合ロータのさらに他の例を示す縦断面図。
【図１０】タービンロータの任意の段落部分を取り出して考えて簡単に一様厚さ回転円板として近似したとき、遠心効果応力分布とその大きさを中心孔のある場合と中心孔のない場合について説明する図である。
【図１１】本発明の第５の実施の形態であって、接合ロータの接合部を示す１縦断面図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態の接合ロータを示す縦断面図。
【図１３】本発明の第６の実施の形態の接合ロータの他の例を示す縦断面図。
【図１４】中心孔を有するタービンロータの熱応力と外内径比の関係を表すグラフ図である。
【図１５】本発明の第７の実施の形態の蒸気タービンを示す縦断面図。
【図１６】本発明の第７の実施の形態の蒸気タービンの他の例を示す縦断面図。
【図１７】本発明の第８の実施の形態の接合ロータの縦断面図である。
【図１８】図１７に示す接合ロータを組み込んだ蒸気タービンの摸式図である。
【図１９】本発明の第８の実施の形態の接合ロータの他の例を示す縦断面図である。
【図２０】本発明の第８の実施の形態の接合ロータのさらに他の例を示す縦断面図である。
【図２１】本発明の第９の実施の形態の接合ロータの縦断面図である。
【図２２】図２１に示す接合ロータを組み込んだ蒸気タービンの摸式図である。
【図２３】本発明の第９の実施の形態の接合ロータの他の例を示す縦断面図である。
【図２４】本発明の第９の実施の形態の接合ロータのさらに他の例を示す縦断面図である。
【図２５】本発明の第９の実施の形態の接合ロータの接合部を示す縦断面図。
【図２６】従来の中低圧一体ロータの例を示す蒸気タービンロータの縦断面図である。
【図２７】従来の高中低圧一体ロータの例を示す蒸気タービンロータの縦断面図である
【図２８】従来の蒸気タービンを示す摸式図である。
【図２９】従来の蒸気タービンに適用されている蒸気タービンロータの縦断面を示す摸式図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０１  接合ロータ
１０２  カップリングフランジ
１０３  高圧部
１０４  中圧部
１０５  低圧部
１０６  高圧第一段落
１０７  中圧第一段落
１０８  低圧最終段落
１０９  貫通する中心孔
１１０  ボルト締結部
１２１  高温側ロータ部分
１２２  低温側ロータ部分
１２６  高圧第一段落ホイール
１２７  中圧第一段落ホイール
１２８  低圧最終段落ホイール
１５１  ボルト
１５２  ジャーナル軸受
１５３  ジャーナル軸受
１５４  ジャーナル軸受
１５９  高温部の中心孔の直径
１６９  ジャーナル部の中心孔の直径
３３０  溶接部内周面
３５１  溶接接合
１０３１  円筒状金属部品
１０３４  高温側ロータ部分のボルト接合側の端面
１０３５  低温側ロータ部分のボルト接合側の端面
１５８１  高圧タービンケーシング  
１５８２  中低圧タービンケーシング
１５９０  中間のジャーナル軸受位置のロータ直径
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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