(57)【要約】【課題】蒸気タービンロータの性能を維持しつつ植込底部および異径差開始部の熱応力を抑制することである。【解決手段】  動翼を植え込むための複数の植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有し、植込溝列部の外径Ｄ１、グランド部外径Ｄ２、植込部底部径Ｄ３、段落スパンＬ１、植込底部幅Ｌ２、初段植込中央−異径差開始部間の長さＬ３、植込底部曲率Ｒ１、異径差開始部曲率Ｒ２のうちのいずれかのパラメータと、初段植込底部または異径差開始部に発生する応力との関係を用い、初段植込底部または異径差開始部に発生する応力がロータ材料の耐力以下になるようにパラメータを設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ周方向に動翼を植え込むための複数の植込溝が軸方向に配列され、その植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有するドラム形の蒸気タービンロータにおいて、植込溝列部の外径Ｄ１、グランド部外径Ｄ２、植込部底部径Ｄ３、段落スパンＬ１、植込底部幅Ｌ２、初段植込中央−異径差開始部間の長さＬ３、植込底部曲率Ｒ１、異径差開始部曲率Ｒ２のうちのいずれかのパラメータと、初段植込底部に発生する応力または異径差開始部に発生する応力との関係を用い、植込溝列部の外径Ｄ１と、グランド部外径Ｄ２と、その他のいずれかのパラメータとの相互関係に基づいて、初段植込底部に発生する応力または異径差開始部に発生する応力がロータ材料の耐力以下になるようにパラメータを設定することを特徴とするドラム形の蒸気タービンロータ。
【請求項２】
ロータ周方向に動翼を植え込むための複数の植込溝が軸方向に配列され、その植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有するドラム形の蒸気タービンロータにおいて、植込溝列部の外径Ｄ１と、グランド部外径Ｄ２と、段落スパンＬ１と、植込底部幅Ｌ２との関係が、Ｌ１／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］≦１．８、かつ、Ｌ１＞２×Ｌ２となるようにしたことを特徴とするドラム形の蒸気タービンロータ。
【請求項３】
ロータ周方向に動翼を植え込むための複数の植込溝が軸方向に配列され、その植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有するドラム形の蒸気タービンロータにおいて、植込溝列部の外径Ｄ１と、グランド部外径Ｄ２と、植込底部の曲率Ｒ１との関係が、Ｒ１／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］≧０．２８となるようにしたことを特徴とするドラム形の蒸気タービンロータ。
【請求項４】
ロータ周方向に動翼を植え込むための複数の植込溝が軸方向に配列され、その植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有するドラム形の蒸気タービンロータにおいて、グランド部外径Ｄ２と植込底部径Ｄ３との関係が、Ｄ３＝Ｄ２となるようにしたことを特徴とするドラム形の蒸気タービンロータ。
【請求項５】
ロータ周方向に動翼を植え込むための複数の植込溝が軸方向に配列され、その植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有するドラム形の蒸気タービンロータにおいて、植込溝列部の外径Ｄ１と、グランド部外径Ｄ２と、初段植込中央−異径差開始部間の長さＬ３と、植込底部幅Ｌ２との関係が、Ｌ３／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］≦１．３、かつ、Ｌ３＞Ｌ２／２となるようにしたことを特徴とするドラム形の蒸気タービンロータ。
【請求項６】
ロータ周方向に動翼を植え込むための複数の植込溝が軸方向に配列され、その植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有するドラム形の蒸気タービンロータにおいて、植込溝列部の外径Ｄ１と、グランド部外径Ｄ２と、異径差開始部の曲率Ｒ２との関係が、Ｒ２／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］≧０．６５となるようにしたことを特徴とするドラム形の蒸気タービンロータ。
【請求項７】
ロータ周方向に動翼を植え込むための複数の植込溝が軸方向に配列され、その植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有するドラム形の蒸気タービンロータを備えた蒸気タービン機器において、請求項１ないし６のいずれか一に記載の蒸気タービンロータを備えたことを特徴とする蒸気タービン機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータ周方向に動翼を植え込むための植込溝が軸方向に複数配列されたドラム形の蒸気タービンロータおよび蒸気タービン機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドラム形の蒸気タービンロータは、ロータ本体に直接動翼を取り付けるための植込溝が設けられた構造となっている。また、その植込溝は、ホイール型ロータと比べて起動運転時に熱応力が集中しやすく、特に、高温蒸気と接する初段植込溝で最も高くなる。この熱応力が材料の耐力を超えると起動運転の繰返しによる疲労破壊に発展する可能性があるため、植込溝の熱応力を小さくすることがドラム形の蒸気タービンロータの設計や製造における重要な項目の一つである。
【０００３】
ドラム形の蒸気タービンロータとして、初段植込部の近傍に異径差や溝を設け、異径差や溝によって初段植込部の熱応力を抑制できるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。これは、ロータのスラストバランスを維持しながらタービン全体の小型化を図るものであり、高中圧ロータの中圧ダミー部ロータの直径を中圧段反動翼列の直径より小さく選定している。
【０００４】
また、ロータの蒸気入口部とこれに結合するジャーナルシャフトの接合部付近に、大径ボアを設けて中空薄肉形状にし、接合部のインロー部に溝と嵌合部を設けてロータ蒸気入口部とジャーナルシャフトをボルト結合し、ロータの熱容量、熱応力およびインロー嵌合部ボルトのせん断応力を小さくするようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平７−９１２０１号公報
【特許文献２】特開平８−１２１１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、これらのロータ構造においては、異径差部や植込溝に新たな熱応力集中が発生することがある。また、異径差や溝を深くするとロータ全体のバランスが損なわれて十分な効率を得ることができないため、異径差や溝の深さには限界がある。さらに、異径差や溝を設けるのみで初段植込部の熱応力を十分に小さくできない可能性がある。また、中空形状はロータ表面と内部の温度差が小さくなることで熱応力を小さくできる反面ロータ剛性が低下する。
【０００６】
本発明の目的は、性能を維持しつつ植込底部および異径差開始部の熱応力を抑制したドラム形の蒸気タービンロータおよび蒸気タービン機器を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の蒸気タービンロータは、ロータ周方向に動翼を植え込むための複数の植込溝が軸方向に配列され、その植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有するドラム形の蒸気タービンロータにおいて、植込溝列部の外径Ｄ１、グランド部外径Ｄ２、植込部底部径Ｄ３、段落スパンＬ１、植込底部幅Ｌ２、初段植込中央−異径差開始部間の長さＬ３、植込底部曲率Ｒ１、異径差開始部曲率Ｒ２のうちのいずれかのパラメータと、初段植込底部に発生する応力または異径差開始部に発生する応力との関係を用い、植込溝列部の外径Ｄ１と、グランド部外径Ｄ２と、その他のいずれかのパラメータとの相互関係に基づいて、初段植込底部に発生する応力または異径差開始部に発生する応力がロータ材料の耐力以下になるようにパラメータを設定することを特徴とする。また、本発明の蒸気タービン機器は、本発明の蒸気タービンロータを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との異径差を含むパラメータ、植込溝列部の外径Ｄ１、グランド部外径Ｄ２、植込部底部径Ｄ３、段落スパンＬ１、植込底部幅Ｌ２、初段植込中央−異径差開始部間の長さＬ３、植込底部曲率Ｒ１、異径差開始部曲率Ｒ２等のいずれかの相互関係に基づいて、熱応力が小さくなり、かつ、新たな問題が発生しない最適な範囲を定義するので、性能を維持しつつ植込底部および異径差開始部の熱応力を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わる蒸気タービンロータを特定する際に使用するパラメータの説明図であり、図１（ａ）は本発明の実施の形態に係わる蒸気タービンロータの一部切欠断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線の矢視図、図１（ｃ）は図１（ａ）の初段植込底部４の拡大図である。
【００１０】
本発明の実施の形態で使用するパラメータは、植込溝列部の外径Ｄ１、グランド部外径Ｄ２、植込部底部径Ｄ３、段落スパンＬ１、植込底部幅Ｌ２、初段植込中央−異径差開始部間の長さＬ３、植込底部曲率Ｒ１、異径差開始部曲率Ｒ２等である。
【００１１】
図１（ａ）に示すように、蒸気タービンロータは、ロータ本体１に翼植込み形状を有する翼溝２が設けられ、その翼溝２内に翼３が挿入されて形成される。ロータ本体１の初段植込底部４や異径差開始部５には起動時に他の部位よりも高い熱応力が発生する。この熱応力に影響する主要な形状および寸法は、植込溝列部外径Ｄ１、グランド部外径Ｄ２、植込底部Ｄ３、段落スパンＬ１、植込底部幅Ｌ２、初段植込溝中央−異径差開始部長さＬ３、植込底部曲率Ｒ１および異径差開始部曲率Ｒ２で特定される。
【００１２】
植込溝列部外径Ｄ１はロータ本体１の軸心６から植込溝列部の表面までの距離であり、グランド部外径Ｄ２はロータ本体１の軸心６からグランド部の表面までの距離であり、植込底部Ｄ３はロータ本体１の軸心６から植込溝底部までの距離である。段落スパンＬ１は互いに隣接する翼３間の距離であり、初段植込溝中央−異径差開始部長さＬ３は初段植込溝の中央部から異径差開始部までの距離である。
【００１３】
次に、異径差開始部曲率Ｒ２について説明する。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線での矢視図であり、植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２とは径が異なる異径で形成されている。異径差開始部曲率Ｒ２は、図１（ａ）に示すように、植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との異径差開始部５での曲率である。また、図１（ｃ）は図１（ａ）の初段植込底部４の拡大図であり、初段植込底部４では植込底部曲率Ｒ１および植込底部幅Ｌ２が特定される。
【００１４】
図２は初段植込底部４や異径差開始部５に発生する熱応力についての説明図であり、図２（ａ）は耐力を超える応力が発生する場合の応力とひずみの関係図、図２（ｂ）は耐力以下の応力が発生する場合の応力とひずみの関係図である。初段植込底部４や異径差開始部５に発生する熱応力は、図２（ａ）に示すようにロータ材料の耐力を超えると、ロータの運転を停止し熱応力を除去しても永久ひずみが残存する。この繰返しにより初段植込底部４や異径差開始部５に永久ひずみが蓄積し、疲労破壊が起こる。本発明では、初段植込底部４や異径差開始部５に発生する熱応力を図２（ｂ）に示すようにロータ材料の耐力以下にして疲労破壊を抑えるようにする。
【００１５】
すなわち、植込溝列部の外径Ｄ１と、グランド部外径Ｄ２と、その他のいずれかのパラメータ（植込部底部径Ｄ３、段落スパンＬ１、植込底部幅Ｌ２、初段植込中央−異径差開始部間の長さＬ３、植込底部曲率Ｒ１、異径差開始部曲率Ｒ２）との相互関係に基づいて、初段植込底部に発生する応力または異径差開始部に発生する応力がロータ材料の耐力以下になるようにそれらのパラメータを設定するものである。
【００１６】
まず、動翼を植え込むための植込溝の列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係を予め０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲としておく。これは、初段植込底部４の熱応力とロータバランスとの制約条件を満たすためである。以下、初段植込底部４の熱応力とロータバランスとの制約条件について説明する。
【００１７】
図３は、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との比Ｄ２／Ｄ１と、初段植込底部４の熱応力およびロータバランスとの関係図である。ここで、初段植込底部４の熱応力は主にロータ構造から決定される制約条件であり、ロータバランスはロータ構造以外にタービンの流体特性を含めて決定される制約条件である。
【００１８】
初段植込底部４の熱応力は、図３に示すように、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との比Ｄ２／Ｄ１に比例して大きくなる。また、ロータバランスは、Ｄ１＝Ｄ２のときに最も良く、Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲においては０．８より小さくなると急激に悪化する。従って、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との比Ｄ２／Ｄ１は、ロータ全体のバランスを維持し、かつ、熱応力が耐力以下となる範囲０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１とする。植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２は、異径差（Ｄ１−Ｄ２）／２が周方向に対して一定であり、かつ、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１であればどの値を用いてもよい。
【００１９】
図４は、本発明の実施の形態の第１の実施例の説明図であり、図４（ａ）は初段植込底部４の熱応力と段落スパンＬ１との関係図、図４（ｂ）は初段植込底部４の熱応力とＬ１／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］との関係図である。段落スパンＬ１は、図４（ａ）に示すように、小さくなればなるほど初段植込底部４の熱応力が小さくなる。なお、段落スパンＬ１を過度に小さくすると植込底部幅Ｌ２より小さくなってしまう。その場合には、翼３を挿入できなくなるため、Ｌ１＞Ｌ２とする必要がある。
【００２０】
また、段落スパンＬ１による初段植込底部４の熱応力の抑制効果は、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１によって変わる。例えば、（Ｄ２／Ｄ１＝０．８）のときは、（Ｄ２／Ｄ１＝１）のときより、熱応力の抑制効果が大きい。このため、図４（ｂ）に示すように、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との異径差（Ｄ１−Ｄ２）の１／２の［（Ｄ１−Ｄ２）／２］と、段落スパンＬ１との比をとることで異径差による影響を考慮する。これに従うと、熱応力が耐力以下となる範囲はＬ１／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］≦１．８となる。これにより、異径差による影響を考慮しつつ初段植込底部４の熱応力を抑制できる。
【００２１】
図５は本発明の実施の形態の第２の実施例の説明図であり、図５（ａ）は初段植込底部４の熱応力と植込底部曲率Ｒ１との関係図、図５（ｂ）は初段植込底部４の熱応力とＲ１／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］との関係図である。植込底部曲率Ｒ１は、図５（ａ）に示すように、大きくすればするほど初段植込底部４の熱応力を抑えられる。また、植込底部曲率Ｒ１による初段植込底部４の熱応力の抑制効果は、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との比Ｄ２／Ｄ１によって変わる。例えば、（Ｄ２／Ｄ１＝０．８）のときは、（Ｄ２／Ｄ１＝１）のときより、熱応力の抑制効果が大きい。
【００２２】
このため、図５（ｂ）に示すように、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との異径差（Ｄ１−Ｄ２）の１／２の［（Ｄ１−Ｄ２）／２］と、植込底部曲率Ｒ１との比をとることで異径差による影響を考慮する。これに従うと、熱応力が耐力以下となる範囲はＲ１／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］≧０．２８となる。これにより、異径差による影響を考慮しつつ初段植込底部４の熱応力を抑制できる。
【００２３】
図６は本発明の実施の形態の第３の実施例の説明図であり、初段植込底部４の熱応力とＤ３／Ｄ２との関係図である。図６に示すように、植込底部径Ｄ３は、グランド径Ｄ２と等しい場合に初段植込底部４の熱応力が最も小さくなる。そこで、Ｄ３／Ｄ２＝１とする。これにより、異径差による影響を考慮しつつ初段植込底部４の熱応力を抑制できる。なお、Ｄ３／Ｄ２による初段植込底部４の熱応力の抑制効果は、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との比Ｄ２／Ｄ１によって変わる。そして、（Ｄ２／Ｄ１＝０．８）のときは、（Ｄ２／Ｄ１＝１）のときより、熱応力の抑制効果が大きい。
【００２４】
図７は本発明の実施の形態の第４の実施例の説明図であり、図７（ａ）は初段植込底部４の熱応力と初段植込中央−異径差開始部間の長さＬ３との関係図、図７（ｂ）は初段植込底部４の熱応力とＬ３／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］との関係図である。初段植込中央−異径差開始部長さＬ３は、図７（ａ）に示すように、小さくすることによって初段植込底部４の熱応力を抑えられる。なお、段落スパンＬ１を過度に小さくすると植込底部幅Ｌ２より小さくなってしまう。その場合には、翼３を挿入できなくなるため、Ｌ３＞Ｌ２／２とする。
【００２５】
また、初段植込中央−異径差開始部長さＬ３による初段植込底部４の熱応力の抑制効果は、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との比Ｄ２／Ｄ１によって変わる。
【００２６】
例えば、（Ｄ２／Ｄ１＝０．８）のときは、（Ｄ２／Ｄ１＝１）のときより、熱応力の抑制効果が大きい。このため、図７（ｂ）に示すように、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との異径差（Ｄ１−Ｄ２）の１／２の［（Ｄ１−Ｄ２）／２］と、初段植込中央−異径差開始部長さＬ３との比をとることで異径差による影響を考慮する。これに従えば、熱応力が耐力以下となる範囲はＬ３／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］≧１．３となる。これにより、異径差による影響を考慮しつつ初段植込底部４の熱応力を抑制できる。
【００２７】
図８は本発明の実施の形態の第５の実施例の説明図であり、図８（ａ）は異径差開始部５の熱応力と異径差開始部曲率Ｒ２との関係図、図８（ｂ）は異径差開始部５の熱応力とＲ２／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］との関係図である。異径差開始部曲率Ｒ２は、図８（ａ）に示すように大きくすることによって異径差開始部５の熱応力を抑えられる。
【００２８】
また、異径差開始部曲率Ｒ２による初段植込底部４の熱応力の抑制効果は、植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との比Ｄ２／Ｄ１によって変わる。例えば、（Ｄ２／Ｄ１＝０．８）のときは、（Ｄ２／Ｄ１＝１）のときより、熱応力の抑制効果が大きい。このため、図７（ｂ）に示すように植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との異径差（Ｄ１−Ｄ２）の１／２の［（Ｄ１−Ｄ２）／２］と、異径差開始部曲率Ｒ２との比をとることで異径差による影響を考慮する。これに従えば、熱応力が耐力以下となる範囲はＲ２／［（Ｄ１−Ｄ２）／２］≧０．６５となる。これにより、異径差による影響を考慮しつつ異径差開始部５の熱応力を抑制できる。
【００２９】
なお、以上の各実施の形態で規定した数値の限定値は、発明者等が新たなドラム形の蒸気タービンロータの開発を行うに際して行った様々な実験及び解析から得られた知見である。
【００３０】
以上の説明では、ロータ周方向に動翼を植え込むための複数の植込溝が軸方向に配列され、その植込溝列部の外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との関係が、０．８≦Ｄ２／Ｄ１＜１の範囲で異径差を有するドラム形の蒸気タービンロータに対して、異径差による影響を考慮しつつ初段植込底部４や異径差開始部５の熱応力を抑制する場合について説明したが、これらの蒸気タービンロータを備えた蒸気タービン機器とすることも可能である。
【００３１】
以上述べたように、本発明の実施の形態によれば、起動運転時に生じる初段植込底部４や異径差開始部５の熱応力を抑制できるので、効率を維持しつつ強度上のリスクを回避した信頼性の高いドラム形の蒸気タービンロータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係わる蒸気タービンロータを特定する際に使用するパラメータの説明図。
【図２】本発明の実施の形態に係わる蒸気タービンロータの初段植込底部や異径差開始部に発生する熱応力についての説明図。
【図３】本発明の実施の形態における植込溝列部外径Ｄ１とグランド部外径Ｄ２との比Ｄ２／Ｄ１と初段植込底部４の熱応力およびロータバランスとの関係図。
【図４】本発明の実施の形態の第１の実施例の説明図。
【図５】本発明の実施の形態の第２の実施例の説明図。
【図６】本発明の実施の形態の第３の実施例の説明図・
【図７】本発明の実施の形態の第４の実施例の説明図。
【図８】本発明の実施の形態の第５の実施例の説明図。
【符号の説明】
【００３３】
１…ロータ本体、２…翼溝、３…翼、４…初段植込底部、５…異径差開始部、６…軸心
【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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