(57)【要約】【課題】高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部で接続させる際、強度の高い構造にするとともに、高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの突合せを容易な構造にする一方、溶接部の溶接割れを抑制する蒸気タービンロータを提供する。【解決手段】本発明に係る蒸気タービンロータは、高圧タービンロータＨＩＰＲおよび中圧タービンロータＬＰＲのそれぞれの内部に形成された内面空洞部１２ａ，１２ｂの内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の軸方向位置を溶接部１０の中心ＣＬから開先溶接幅Ｍの２Ｍ倍以上の位置に設定した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータとを一体にして作製した高中圧タービンロータに、低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータおよび前記低圧タービンロータのそれぞれの内部に形成された内面空洞部の内面空洞部最深部の軸方向位置を、前記溶接部の中心から開先溶接幅の２倍以上の位置に設定したことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項２】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータとを一体にして作製した高中圧タービンロータに、低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータおよび前記低圧タービンロータのそれぞれの内部に形成された内面空洞部の内面空洞部最深部の半径方向位置を、内面空洞部最深部断面積のタービンロータ断面積に対する断面積比の９５％〜８０％の範囲内に設定したことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項３】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータとを一体にして作製した高中圧タービンロータに、低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記低圧タービンロータは、異なった温度で熱処理を施工させる仕切りを備えたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項４】
仕切りは、低圧タービン上流側段落と低圧タービン下流側最終段落と間に備えたことを特徴とする請求項３記載の蒸気タービンロータ。
【請求項５】
低圧タービンロータは、３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼であることを特徴とする請求項１〜３記載の蒸気タービンロータ。
【請求項６】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータと前記低圧タービンロータとを互いに突き合わせる際、互いの突合せ面を傾斜斜面に形成したことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項７】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータとを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータと前記低圧タービンロータとを互いに突き合わせる際、互いの突合せ面を蛇行部に形成したことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項８】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータに前記低圧タービンロータを接続させる溶接部の溶接初層部に磁力を与えるコイルを備えたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項９】
溶接部は、溶接金属のうち、溶接初層部の炭素を重量比０．１％以下にし、溶接２層部以降の炭素を重量比０．１％以上にしたことを特徴とする請求項８記載の蒸気タービンロータ。
【請求項１０】
溶接部は、溶接金属のうち、溶接初層部のバナジウムを重量比０．１％以下にし、溶接２層部以降のバナジウムの重量比０．１％以上にしたことを特徴とする請求項８記載の蒸気タービンロータ。
【請求項１１】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータに前記低圧タービンロータを接続させる溶接部に裏波垂れ部の発生を監視するレーザ監視装置を備えたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
【請求項１２】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接接続させる前に、前記低圧タービンロータの低圧タービン上流側段落と低圧タービン下流側最終段落との間を異なる温度で熱処理を施工することを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【請求項１３】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にした高中圧タービンロータと低圧タービンロータとを別々に作製しておき、前記高中圧タービンロータの端面に前記低圧タービンロータの端面を突き合わせた後、溶接施工することを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【請求項１４】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にした高中圧タービンロータと低圧タービンロータとを別々に作製しておき、前記高中圧タービンロータの端面に前記低圧タービンロータの端面を突き合わせて溶接施工後、溶接部分に磁力を与えることを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【請求項１５】
高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接接続させる際、溶接部の初層溶接時、外面側からＴＩＧ溶接を施工し、内面側からレーザ溶接を同時に施工することを特徴とする蒸気タービンロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンロータおよびその製造方法に係り、特に、予め分割製造しておいたタービンロータの分割部を一つにまとめて回転軸とする際、溶接接続構造を採る蒸気タービンロータおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、蒸気タービンは、その出力を増加させるために、タービンケーシングを、高圧タービンケーシング、中圧タービンケーシングおよび低圧タービンケーシングの、いわゆる３ケーシングに区分け、各ケーシング内にタービンノズルとタービン動翼を組み合せたタービン段落を備えるタービンロータ（回転軸）を収容して高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンとし、高、中、低の各タービンのタービンロータを互いに軸直結させていた。
【０００３】
高、中、低の各タービンを軸直結させて配置すると、蒸気タービンは、その出力の大小にもよるが、少なくとも約３０ｍ以上にも及ぶ長スパンになるため、高圧タービン、中圧タービンおよび低圧タービンのうち、いずれか少なくとも２つ以上を組み合せて１つのタービンケーシング内に収容させ、スパンを短くする、いわゆる高中低圧一体型、高低圧一体型または高中圧一体型のものが実施されている。
【０００４】
蒸気タービンを、高中、低圧一体または高中圧一体のいずれかの型式にすると、タービンロータは、必然的に圧力、温度の異なる蒸気を扱わなければならなくなる。しかし、最近では、１つのタービンロータに対し、熱処理条件を異ならしめて圧力、温度の高い蒸気に曝される部分に高温強度（クリープ強度）をもたせ、圧力、温度の比較的低い蒸気に曝される部分に引張強さおよび低温靭性を持たせた高中低圧一体タービンロータ、高低圧一体タービンロータまたは高中圧一体タービンロータが実現し、良好な評価を得ている。
【０００５】
しかし、上述の傾斜熱処理を行うタービンロータは、製作技術的に高度であり、しかも高コストである。
【０００６】
このようなタービンロータの素材・製作に対し、上流側タービン段落、つまり高温部に適用される高温強度に優れた特性を持った高温部用タービンロータと、下流側タービン段落、つまり低温部かつ高流量部に適用される低温靭性、機械的強度に優れた特性を持った低温部用タービンロータを別々の熱処理を行った後、これら２つのタービンロータを溶接で接続させ、一本のタービンロータに形成した溶接接続構造のタービンロータの研究開発が行われている。
【０００７】
この溶接接続構造のタービンロータは、図１２に示すように、高中低圧一体型タービンロータ１を例示とするもので、高中低圧一体型タービンロータ１のうち、高中圧タービンロータ２と低圧タービンロータ３とを別々に製造し、別々に製造した高中圧タービンロータ２と低圧タービンロータ３とを溶接部４で接続させたものである。この場合、高中圧タービンロータ２は、１％ＣｒＭｏＶ鋼が使用され、また低圧タービンロータ３は、２．５％以上のＮｉを含むＮｉＣｒＭｏＶ鋼が使用される。
【０００８】
なお、溶接接続構造のタービンロータは、例えば、特開平１０−６０１０号公報（特許文献１）、特開２００１−３１７３０１号公報（特許文献２）等、数多くの発明が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−６０１０号公報
【特許文献２】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】
【０００９】
溶接接続構造のタービンロータは、中心部分から表面までの肉厚が、例えば５００ｍｍ以上の高肉厚であり、発電機に回転駆動力を与えるトルク伝達力を勘案すると、必ずしも全深さ（全肉厚）まで溶接しなくともよく、通常、その表面から１００ｍｍ〜２００ｍｍの深さまでの全周部分を溶接施工して接続させていた。
【００１０】
このような溶接接続構造のタービンロータでは、図１３に示すように、高中圧タービンロータ２に低圧タービンロータ３を溶接接続させる際、溶接部４の中心部内径側に応力が集中しないように、内部空洞部５を設けることが多い。
【００１１】
ところが、タービンロータに、単に、内部空洞部５を設けただけでは、運転時、何らかの事情で突発的に過大な伝達トルクが発生し、発生した過大な伝達トルクによって溶接部４に重大な悪影響を与える虞がある。
【００１２】
このため、タービンロータに過大な伝達トルクが発生しても、溶接部４には過大な応力集中を発生させない構造のものが望まれている。
【００１３】
また、低圧タービンロータ３のタービン最終段落に植設するタービン動翼は、タービン段落効率をより一層向上させるために長翼を採用している。しかし、タービン動翼の長翼は、運転中、大きな遠心力を発生させているため、低圧タービンロータ３に植設する植込み部に大きな遠心応力が発生している。このため、低圧タービンロータ３は、遠心力に抗し得る材料の機械的強度をより一層向上させる必要がある。
【００１４】
ところが、溶接接続構造のタービンロータは、低圧タービンロータ３の機械的強度を高くすると、溶接割れや長年の運転によって発生する応力腐食割れ等の心配がある。
【００１５】
このため、タービン段落効率をより一層向上させるには、割れのない機械的強度の高い低圧タービンロータ材が求められている。
【００１６】
また、高中圧タービンロータ２に低圧タービンロータ３を溶接接続させる場合、高中圧タービンロータ２および低圧タービンロータ３ともに、軸心を正確に合わせる必要上、タービンロータは、図１４に示すように、互いに段差を設けた突き出し片６ａ，６ｂを備える、いわゆるインロウ型にしている。
【００１７】
しかし、このインロウ型は、高い加工精度が要求されており、コスト上昇の一因になっている。
【００１８】
このため、タービンロータは、構造簡素にして安価な溶接接続構造のものが望まれている。
【００１９】
さらに、高中圧タービンロータ２に低圧タービンロータ３を溶接接続させる場合、溶接部４の初層は、高中圧タービンロータ２と低圧タービンロータ３との合わせ部分を融合し、しかも内部に応力集中を発生させないように滑らかな形状の溶接裏波を形成する必要がある。この場合、２層目以後は、開先部を溶接金属で肉盛するのと異なり、高中圧タービンロータ２および低圧タービンロータ３を溶接させているので、材料割れの可能性が高くなる。
【００２０】
このため、溶接部４は、初層溶接時、内部に溶接金属の垂れ部のない平面で滑らかな裏波を形成させ、しかも、溶接割れの可能性の低い溶接手法が望まれている。
【００２１】
本発明は、このような事情に対処してなされたもので、運転中、過大な伝達トルクが発生しても溶接部に応力集中が発生しない構造にするとともに、一方のタービンロータ端部と他方のタービンロータ端部との合わせ面をより一層簡素な構造にし、一方のタービンロータ端部を他方のタービンロータ端部に溶接接続させる際、初層溶接時、内部に平面滑らかな裏波を形成して溶接部割れをより一層少なくさせたタービンロータおよびその製造方法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】
【００２２】
本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータとを一体にして作製した高中圧タービンロータに、低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータおよび前記低圧タービンロータのそれぞれの内部に形成された内面空洞部の内面空洞部最深部の軸方向位置を、前記溶接部の中心から開先溶接幅の２倍以上の位置に設定したものである。
【００２３】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータとを一体にして作製した高中圧タービンロータに、低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータおよび前記低圧タービンロータのそれぞれの内部に形成された内面空洞部の内面空洞部最深部の半径方向位置を、内面空洞部最深部断面積のタービンロータ断面積に対する断面積比の９５％〜８０％の範囲内に設定したものである。
【００２４】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータとを一体にして作製した高中圧タービンロータに、低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記低圧タービンロータは、異なった温度で熱処理を施工させる仕切りを備えたものである。
【００２５】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、仕切りは、低圧タービン上流側段落と低圧タービン下流側最終段落と間に備えたものである。
【００２６】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、低圧タービンロータは、３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼であることを特徴とするものである。
【００２７】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータと前記低圧タービンロータとを互いに突き合わせる際、互いの突合せ面を傾斜斜面に形成したものである。
【００２８】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータとを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータと前記低圧タービンロータとを互いに突き合わせる際、互いの突合せ面を蛇行部に形成したものである。
【００２９】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータに前記低圧タービンロータを接続させる溶接部の溶接初層部に磁力を与えるコイルを備えたものである。
【００３０】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、溶接部は、溶接金属のうち、溶接初層部の炭素を重量比０．１％以下にし、溶接２層部以降の炭素を重量比０．１％以上にしたことを特徴とするものである。
【００３１】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、溶接部は、溶接金属のうち、溶接初層部のバナジウムを重量比０．１％以下にし、溶接２層部以降のバナジウムの重量比０．１％以上にしたことを特徴とするものである。
【００３２】
また、本発明に係る蒸気タービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部を介して接続させた蒸気タービンロータにおいて、前記高中圧タービンロータに前記低圧タービンロータを接続させる溶接部に裏波垂れ部の発生を監視するレーザ監視装置を備えたものである。
【００３３】
本発明に係る蒸気タービンロータの製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接接続させる前に、前記低圧タービンロータの低圧タービン上流側段落と低圧タービン下流側最終段落との間を異なる温度で熱処理を施工する方法である。
【００３４】
また、本発明に係る蒸気タービンロータの製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にした高中圧タービンロータと低圧タービンロータとを別々に作製しておき、前記高中圧タービンロータの端面に前記低圧タービンロータの端面を突き合わせた後、溶接施工する方法である。
【００３５】
また、本発明に係る蒸気タービンロータの製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にした高中圧タービンロータと低圧タービンロータとを別々に作製しておき、前記高中圧タービンロータの端面に前記低圧タービンロータの端面を突き合わせて溶接施工後、溶接部分に磁力を与えるする方法である。
【００３６】
また、本発明に係る蒸気タービンロータの製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、高圧タービンロータ、中圧タービンロータおよび低圧タービンロータのうち、高圧タービンロータと中圧タービンロータを一体にして作製した高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接接続させる際、溶接部の初層溶接時、外面側からＴＩＧ溶接を施工し、内面側からレーザ溶接を同時に施工する方法である。
【発明の効果】
【００３７】
本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法は、高中圧タービンロータに低圧タービンロータを溶接部を介して接続させる際、内面空洞部最深部の軸方向位置および半径方向位置を適正位置に設定し、過度な外力が加わっても溶接部に応力集中を発生させない構成にし、さらに、高中圧タービンロータに低圧タービンロータを突き合わせる際、異なった温度で熱処理を施工するとともに、突き合わせ部分を簡易な構成にして溶接部の裏波垂れ部の生成を抑制するので、溶接部の溶接初層部を平面滑らかな裏波を形成でき、溶接部割れを少なくさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３９】
図１は、本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第１実施形態を説明する際に用いた蒸気タービンロータの一部分を示す部分概念図である。
【００４０】
本実施形態に係る蒸気タービンロータは、高中圧タービンロータＨＩＰＲに低圧タービンロータＬＰＲを溶接接続させて一体構造にしたものである。
【００４１】
この高中圧タービンロータは、溶接部１０の中心ＣＬを境に、蒸気流れの上流側（紙面の左側）を高中圧タービンロータＨＩＰＲとし、蒸気流れの下流側（紙面の右側）を低圧タービンロータＬＰＲとしている。
【００４２】
高中圧タービンロータＨＩＰＲおよび低圧タービンロータＬＰＲは、ともに蒸気タービンロータ素体から削り出したホイール（スデスク）１１ａ，１１ｂを備え、蒸気タービンロータ素体の内部に外径側（ホイール側）に向って凸球面状の内面空洞部１２ａ，１２ｂを形成するとともに、溶接部１０で互いを溶接接続させて一体構造にしている。
【００４３】
高中圧タービンロータＨＩＰＲの内部に形成した凸球面状の内面空洞部１２ａと低圧タービンロータＬＰＲの内部に形成した凸球面状の内面空洞部３ｂを溶接部１０の中心ＣＬで突き合わせたときの内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の軸方向位置は、ホイール１１ａ，１１１ｂから延長する延長線１３ａ，１３ｂとし、開先溶接幅をＭとし、溶接部１０の中心ＣＬから２Ｍ以上の位置に画する線１４ａ，１４ｂとするとき、延長線１３ａ，１３ｂと線１４ａ，１４ｂとの範囲内の位置に設定したものである。
【００４４】
このような範囲内に内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の軸方向位置を設定したのは、ホイール１１ａ，１１ｂからの延長線１３ａ，１３ｂに位置させると、運転中、ホイール１１ａ，１１ｂに遠心力が作用しているためトルク伝達力に伴なう応力以外の別の応力が発生する場合、集中応力を避けることを考慮したものである。
【００４５】
また、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２を、溶接部１０の中心ＣＬから２倍以上の開先溶接幅２Ｍの位置に画する線１４ａ，１４ｂから外側の位置に設定したのは、溶接部１０の内面空洞部１２ａ，１２ｂの側に裏波垂れ部１５が生成されているときに集中応力を発生させないようにすることに基づく。
【００４６】
図２は、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２と開先溶接幅Ｍとの軸方向位置を示す概念図である。図２中、（ａ）は、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の軸方向位置を、溶接部１０の中心ＣＬから開先溶接幅Ｍの１倍（１Ｍ）の位置に設定した場合であり、（ｂ）は内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の軸方向位置を、溶接部１０の中心ＣＬから開先溶接幅Ｍの２倍（２Ｍ）の位置に設定した場合であり、（ｃ）は内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の軸方向位置を、溶接部１０の中心ＣＬから開先溶接幅Ｍの３倍（３Ｍ）の位置に設定した場合である。
【００４７】
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すテスト材から得たデータを基に、図３に示す溶接初層部応力線図にプロットした。なお、図３中、横軸は、溶接部１０の中心ＣＬから内面空洞部最深部のまでの軸方向長さの開先溶接幅Ｍに対する比を採っている。
【００４８】
図３から、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の軸方向位置は、溶接部の中心から開先溶接幅Ｍの２倍（２Ｍ）以上であれば、溶接部に裏波垂れ部が生成されたとしても、裏波垂れ部に遠心力等に伴なう集中応力の発生が少ないことがわかった。
【００４９】
一方、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の半径方向位置も強度保証を考察しておく必要がある。
【００５０】
図４は、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の断面積と、高中圧タービンロータＨＩＰＲと低圧タービンロータＬＰＲとを溶接接続させたときのタービンロータの断面積との関係を示す概念図である。図４中、（ａ）は、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の中心からの半径をＣ１とし、タービンロータの中心からの半径をＢ１としたとき、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の半径方向位置を、内面空洞部最深部断面積のタービンロータ断面積に対する断面積比（Ｃ１／Ｂ１）２の９５％とした場合であり、（ｂ）は、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の半径方向位置を、内面空洞部最深部断面積のタービンロータ断面積に対する断面積比（Ｃ１／Ｂ１）２の９０％とした場合であり、（ｃ）は、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の半径方向位置を、内面空洞部最深部断面積のタービンロータ断面積に対する断面積比（Ｃ１／Ｂ１）２の７５％とした場合である。
【００５１】
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すテスト材から得たデータを基に、図５に内面空洞部最深部応力線図にプロットした。なお、図５中、横軸は、内面空洞部最深部断面積のタービンロータ断面積比に対する断面積比である。
【００５２】
図５から、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の半径方向位置は、タービンロータの半径方向位置の関係から、断面積比（Ｃ１／Ｂ１）２の９５（Ｃ１／Ｂ１）２％〜８０（Ｃ１／Ｂ１）２％の範囲内であれば、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の応力を低く抑えて強度保証を維持できることがわかった。
【００５３】
このように、本実施形態は、高中圧タービンロータＨＩＰＲと低圧タービンロータＬＰＲとを溶接部１で溶接接続させる際、内部に形成される内面空洞部３ａ，３ｂの内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の軸方向位置を、ホイール２ａ，２ｂから延長する延長線１３ａ，１３ｂと、開先溶接幅をＭとするとき、溶接部１０の中心ＣＬから２Ｍの位置に画する線線１４ａ，１４ｂの位置の範囲に設定するので、溶接部１０の裏波に垂れ部が生成されていたとしても、遠心力等の外力の影響を受けることもなく、高い強度を維持させて蒸気タービンロータに安定運転を行なわせることができる。
【００５４】
また、本実施形態は、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の中心からの半径をＣ１とし、タービンロータの中心からの半径をＢ１とするとき、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の半径方向位置を、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の断面積のタービンロータ断面積に対する断面積比（Ｃ１／Ｂ１）２の９５（Ｃ１／Ｂ１）２％〜８０（Ｃ１／Ｂ１）２％の範囲に設定したので、内面空洞部最深部Ｐ１，Ｐ２の応力を低く抑えて強度保証を維持でき、蒸気タービンロータに安定運転を行わせることがわかった。
【００５５】
図６は、本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第２実施形態を説明する際に用いた低圧タービンロータを示す概念図である。
【００５６】
蒸気タービンロータは、高中圧タービンロータＨＩＰＲと低圧タービンロータＬＰＲを溶接接続する場合、低圧タービンロータＬＰＲのうち、溶接部１０側の低圧タービンロータ上流側段落１６の引張強度を比較的低くして溶接部１０の割れを少なくし、低圧タービン下流側最終段落１７の引張強度を一段と高くして長翼の遠心力に抗する強度が求められている。
【００５７】
本実施形態は、このような要請に基づいてなされたもので、高中圧タービンロータＨＩＰＲに低圧タービンロータＬＰＲを溶接接続させる前に、低圧タービンロータＬＰＲの溶接部１０側の低圧タービン上流側段落１６と低圧タービン下流側最終段落１７との間に設けた溝１８に仕切り１９を装着し、低圧タービン上流側段落１６の熱処理を、例えば、６００℃の温度で行い、低圧タービン下流側最終段落１７の熱処理を、例えば、５８０℃の温度で行う、いわゆる傾斜熱処理を行わせたものである。なお、図中の破線は、機械加工等によって仕上げられた最終形状の低圧タービンロータである。
【００５８】
また、本実施形態は、低圧タービンロータＬＰＲに３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼を使用し、低圧タービン下流側段落１７に植設する長翼のタービン動翼の回転中に発生する高い遠心力に対し、充分に抗し得る材質を選定している。
【００５９】
このような材質を用い、上述の熱処理温度の下、傾斜熱処理を行った実験結果、低圧タービン上流側段落１６は、８００ＭＰａの引張強度を得る一方、低圧タービン下流側段落１７は、９００ＭＰａの引張強度を得た。
【００６０】
このように、本実施形態は、高中圧タービンロータＨＩＰＲに低圧タービンロータＬＰＲを溶接接続させる前に、低圧タービンロータＬＰＲの溶接部１０側の低圧タービン上流側段落１６の引張強度を比較的低くして溶接部１０の割れを抑制する一方、低圧タービン下流側最終段落１７の引張強度を相対的に高くして遠心力に抗する傾斜処理を施工するので、高い強度を維持させて蒸気タービンロータに安定運転を行わせることができる。
【００６１】
図７は、本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第３実施形態を説明する際に用いた高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの溶接接続構造を示す部分図である。
【００６２】
本実施形態は、内部空洞部１２ａを備えた高中圧タービンロータＨＩＰＲに内部空洞部１２ｂを備えた低圧タービンロータＬＰＲを溶接部１０で接続させる際、高中圧タービンロータＨＩＰＲの突合せ面２０ａと低圧タービンロータＬＰＲの突合せ面２０ｂとを傾斜斜面に形成したものである。この傾斜斜面は、溶接部１０の溶接初層部２１に裏波垂れ部が生成されない角度に設定されている。
【００６３】
このように、本実施形態は、高中圧タービンロータＨＩＰＲに低圧タービンロータＬＰＲを溶接部１０で接続させる際、高中圧タービンロータＨＩＰＲの突合せ面２０ａと低圧タービンロータＬＰＲの突合せ面２０ｂとを傾斜斜面に形成したので、高中圧タービンロータＨＩＰＲと低圧タービンロータＬＰＲとの突合せ作業を容易に行うことができ、作業者の労力をより一層軽減させることができる。
【００６４】
なお、本実施形態は、高中圧タービンロータＨＩＰＲの突合せ面２０ａと低圧タービンロータＬＰＲの突合せ面２０ｂとを傾斜斜面に形成したが、この例に限らず、例えば、図８に示すように、蛇行部（ジグザグ）２２に形成してもよい。
【００６５】
図１０は、本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第５実施形態を説明する際に用いた高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの溶接接続構造を示す部分図である。
【００６６】
従来、蒸気タービンロータは、図９に示すように、高中圧タービンロータＨＩＰＲと低圧タービンロータＬＰＲとを溶接部１０で接続させる際、溶接初層部２１に裏波垂れ部２３が形成され、応力集中を発生させることが知見されている。
【００６７】
本実施形態は、このような不都合、不具合な点に改善を加えたもので、高中圧タービンロータＨＩＰＲに低圧タービンロータＬＰＲを接続させる溶接部１０の溶接初層部２１の外側にコイル２４を設置し、コイル２４から溶接初層部２１に磁力Ｆを与えて裏波垂れ部２３の発生を抑制したものである。
【００６８】
また、本実施形態は、高中圧タービンロータＨＩＰＲに低圧タービンロータＬＰＲを接続させる溶接部１０の溶接金属のうち、溶接初層部の炭素（カーボン）Ｃを重量比０．１％以下にし、溶接２層部以降の炭素（カーボン）Ｃを重量比０．１％以上にし、また、溶接初層部のバナジウムＶを重量比０．１％以下にし、溶接２層部以降のバナジウムＶを重量比０．１％以上にする溶加材を使用するとともに、溶接部１０の初層溶接時、外面側からＴＩＧ溶接で施工し、内面側からレーザ溶接で同時に施工し、溶接初層部に発生する裏波垂れ部２３の発生を抑制するとともに、溶接部１０の割れの発生を抑制したものである。
【００６９】
このように、本実施形態は、高中圧タービンロータＨＩＰＲに低圧タービンロータＬＰＲを接続させる溶接部１０の溶接初層部２１に磁力Ｆを与えるコイル２４を備えたので、溶接初層部２１から発生する裏波垂れ部２３を抑制し、応力集中に伴なう強度の低下を防止し、蒸気タービンロータら安定運転を行わせることができる。
【００７０】
また、本実施形態は、高中圧タービンロータＨＩＰＲに低圧タービンロータＬＰＲを接続させる溶接部１０の溶接金属のうち、溶接初層部のカーボンＣおよびバナジウムＶを、ともに重量比０．１％以下にし、溶接２層部以降のカーボンＣおよびバナジウムＶを、ともに重量比０．１％以上にするとともに、溶接施工時、外面側からＴＩＧ溶接を行い、内面側からレーザ溶接を同時に行うので、溶接部１０の裏波垂れ部２３の発生を抑制し、溶接部１０の割れを少なくさせることができる。
【００７１】
図１１は、本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第６実施形態を説明する際に用いた高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの溶接接続構造を示す部分図である。
【００７２】
本実施形態は、高中圧タービンロータＨＩＰＲに低圧タービンロータＬＰＲを溶接部１０で接続させる際、溶接部１０の溶接初層部２１から発生する裏波垂れ部２３を監視するレーザ監視装置２５を蒸気タービンロータの内面側に設けたものである。
【００７３】
このレーザ監視装置２５は、溶接部１０の溶接初層部２１を移動しながら監視し、溶接初層部２１に裏波垂れ部２３が発生すると、その検出信号を基に溶接機の熱照射部（図示せず）を制御し、その熱照射部からの熱エネルギを抑制する。
【００７４】
このように、本実施形態は、溶接部１０の溶接初層部２１を監視するレーザ監視装置２５を備え、溶接初層部２１の裏波垂れ部２３が発生したとき、レーザ光監視装置２５からの信号で溶接機の熱照射部を制御するので、溶接初層部２１からの裏波垂れ部２３の発生を抑制し、裏波垂れ部２３の発生に伴なう応力集中を防止して蒸気タービンロータに高い強度を維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第１実施形態を説明する際に用いた蒸気タービンロータの一部を示す部分概念図。
【図２】図１に示した内面空洞部最深部の軸方向位置を、開先溶接幅との関係で示す概念図で、（ａ）は内面空洞部最深部を、開先溶接幅の１倍の位置に設定した図、（ｂ）は内面空洞部最深部を、開先溶接幅の２倍の位置に設定した図、（ｃ）は内面空洞部最深部を、開先溶接幅の３倍の位置に設定した図。
【図３】図２に示した溶接部における溶接初層部に発生する応力を示す溶接初層部応力線図。
【図４】図１に示した内面空洞部最深部の半径方向位置を、タービンロータの断面積との関係で示す概念図で、（ａ）は内面空洞部最深部断面積のタービンロータ断面積に対する断面積比を９５％としたときの図、（ｂ）は内面空洞部最深部断面積のタービンロータ断面積に対する断面積比を９０％としたときの図、（ｃ）は内面空洞部最深部断面積のタービンロータ断面積に対する断面積比を７５％としたときの図。
【図５】図４に示した内面空洞部最深部に発生する応力を示す内面空洞部最深部応力線図。
【図６】本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第２実施形態を説明する際に用いた低圧タービンロータを示す概念図。
【図７】本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第３実施形態を説明する際に用いた高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの溶接接続構造を示す部分図。
【図８】本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第４実施形態を説明する際に用いた高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの溶接接続構造を示す部分図。
【図９】高中圧タービンロータと低圧タービンロータとを溶接部で接続させる際に生成される裏波垂れ部を示す従来の蒸気タービンロータの部分図。
【図１０】本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第５実施形態を説明する際に用いた高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの溶接接続構造を示す部分図。
【図１１】本発明に係る蒸気タービンロータおよびその製造方法の第６実施形態を説明する際に用いた高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの溶接接続構造を示す部分図。
【図１２】従来の高中低圧一体型の蒸気タービンロータを示す概念図。
【図１３】従来の高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの溶接接続構造を示す概念図。
【図１４】従来の高中圧タービンロータと低圧タービンロータとの軸心合せを示す概念図。
【符号の説明】
【００７６】
１  高中低圧一体型タービンロータ
２  高中圧タービンロータ
３  低圧タービンロータ
４  溶接部
５  内部空洞部
６ａ，６ｂ  突き出し片
１０  溶接部
１１ａ，１１ｂ  ホイール
１２ａ，１２ｂ  内面空洞部
１３ａ，１３ｂ  延長線
１４ａ，１４ｂ  線
１５  裏波垂れ部
１６  低圧タービン上流側段落
１７  低圧タービン下流側段落
１８  溝
１９  仕切り
２０ａ，２０ｂ  突合せ面
２１  溶接初層部
２２  蛇行部
２３  裏波垂れ部
２４  コイル
２５  レーザ監視装置
【図１】
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【図２】
2005344527.tif 000004
【図３】
2005344527.tif 000005
【図４】
2005344527.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005344527.tif 000008
【図７】
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【図８】
2005344527.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2005344527.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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