(57)【要約】【課題】複数のロータセグメントからなるタービンロータにおいて、溶接継手部の裏側の処理が容易に実施できるタービンロータ。【解決手段】複数のロータセグメント４，５，６が軸線Ｄ方向に互いに接合してなるタービンロータ１であって、ロータセグメント４，５，６は、軸線を中心とした円筒状をなし、軸線方向の端部が隣り合うロータセグメント同士で互いに溶接される溶接端面１３，１４とされた外筒部１１と、外筒部の内周面から径方向内側に張り出すように形成され、軸線Ｄを中心とする孔部１５を一体形状にて有する円板部１２とを有するタービンロータ１。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のロータセグメントが軸線方向に互いに接合してなるタービンロータであって、
前記ロータセグメントは、前記軸線を中心とした円筒状をなし、軸線方向の端部が隣り合う前記ロータセグメント同士で互いに溶接される溶接端面とされた外筒部と、
前記外筒部の内周面から径方向内側に張り出すように形成され、前記軸線を中心とする孔部を有する円板部と、を一体形状にて有することを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
前記ロータセグメントは、前記円板部における前記孔部の縁部に一体に形成され、軸線方向に向かって突出する内筒部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項３】
前記複数のロータセグメントのうち少なくとも一つのロータセグメントの前記孔部の直径は、他のロータセグメントの孔部よりも大きくされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタービンロータ。
【請求項４】
複数のロータセグメントが軸線方向に互いに接合してなるタービンロータの製造方法であって、
前記ロータセグメントを、前記軸線を中心とした円筒状をなし、軸線方向の端部が隣り合う前記ロータセグメント同士で互いに溶接される溶接端面とされた外筒部と、
前記外筒部の内周面から径方向内側に張り出すように形成され、前記軸線を中心とする孔部を有する円板部と、を一体形状にて有するように形成し、
前記ロータセグメント同士を接合する手順は、
前記溶接端面同士を互いに突き合わせるように前記ロータセグメントを配置するロータセグメント配置工程と、
前記溶接端面同士を接合する溶接工程と、
前記溶接工程にて生じた裏波を研削する裏波処理工程と、を有することを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項５】
前記溶接工程を実施する前に、互いに突き合わせられた前記溶接端面の内周側に裏当材を設置する裏当材設置工程を有し、
前記裏波処理工程を実施する前に、前記裏当材を取り外す裏当材取外し工程を有することを特徴とする請求項４に記載の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、回転機械を構成するタービンロータ、及びタービンロータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンを構成するタービンロータにおいて、タービンロータを複数のセグメントに分割した上で、これらセグメントを互いに例えばＴＩＧ溶接により接合させることによってタービンロータを製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような方法であれば、例えばセグメントによって材料を異なるものとすることができ、例えば蒸気タービン内の温度分布に応じて、セグメントの材料を選定することができる。
【０００３】
ところで、原子力発電プラントに等に用いられる大型タービンにおいては、タービンを構成するタービンロータの全長及び胴部の最大径が非常に大きくなる。これに対応するためにはセグメントの数を多くする必要があるが、セグメントの数が多くなることによってセグメント同士の接合箇所が増えることから、溶接継手部の信頼性を向上させることがより重要となっている。
【０００４】
溶接継手部の信頼性を損なう原因としては、例えば溶接継手部において裏波（ビード）が形成されることによって、裏波とセグメントの境界に応力集中が発生することが挙げられる。よって、溶接継手部の信頼性を向上させる方法としては、溶接継手部の裏波を例えばグラインダで処理し、溶接継手部を平滑化することによって上記応力集中を回避する方法が考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２８８３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、溶接継手部の裏波を処理するためには、溶接施工後においてタービンロータの内周側、即ち、互いに接合されたロータセグメントの裏側からのアクセスが必要となる。しかしながら、従来のタービンロータにおいては、溶接後において溶接継手部の内周側の中空部分が閉状態となるため、互いに接続されたロータセグメントの裏側にアクセスすることができず、溶接継手部の裏波を処理することができないという問題があった。
【０００７】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数のロータセグメントからなるタービンロータにおいて、溶接継手部の裏側の処理が容易に実施できるタービンロータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明のタービンロータは、複数のロータセグメントが軸線方向に互いに接合してなるタービンロータであって、前記ロータセグメントは、前記軸線を中心とした円筒状をなし、軸線方向の端部が隣り合う前記ロータセグメント同士で互いに溶接される溶接端面とされた外筒部と、前記外筒部の内周面から径方向内側に張り出すように形成され、前記軸線を中心とする孔部を有する円板部と、を一体形状にて有することを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、ロータセグメントの円板部に形成された孔部を介して互いに接合されたロータセグメントの裏側にアクセスすることができるため、溶接継手部の裏側の処理を容易に実施することができる。これにより、溶接によって生じる裏波を平滑化できるため、応力集中などのタービンロータの信頼性を損ねる要因を少なくすることができる。
【００１０】
上記タービンロータにおいて、前記ロータセグメントは、前記円板部における前記孔部の縁部に一体に形成され、軸線方向に向かって突出する内筒部をさらに有することが好ましい。
【００１１】
上記構成によれば、孔部の縁部に一体に形成された内筒部によって、円板部の剛性が高くなるため、タービンロータの内部の中空部分の強度を確保することができる。
【００１２】
上記タービンロータにおいて、前記複数のロータセグメントのうち少なくとも一つのロータセグメントの前記孔部の直径は、他のロータセグメントの孔部よりも大きくされている構成としてもよい。
【００１３】
上記構成によれば、円板部の孔部が大きくなることによって、円板部の重量が低減されるため、タービンロータを軽量化することができる。
【００１４】
本発明のタービンロータの製造方法は、複数のロータセグメントが軸線方向に互いに接合してなるタービンロータの製造方法であって、前記ロータセグメントを、前記軸線を中心とした円筒状をなし、軸線方向の端部が隣り合う前記ロータセグメント同士で互いに溶接される溶接端面とされた外筒部と、前記外筒部の内周面から径方向内側に張り出すように形成され、前記軸線を中心とする孔部を有する円板部と、を一体形状にて有するように形成し、前記ロータセグメント同士を接合する手順は、前記溶接端面同士を互いに突き合わせるように前記ロータセグメントを配置するロータセグメント配置工程と、前記溶接端面同士を接合する溶接工程と、前記溶接工程にて生じた裏波を研削する裏波処理工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
上記方法によれば、ロータセグメントの円板部に形成された孔部を介して互いに接合されたロータセグメントの裏側にアクセスし、溶接継手部の裏波を研削する裏波処理工程を有するため、タービンロータの信頼性を向上させることができる。
【００１６】
上記タービンロータの製造方法において、前記溶接工程を実施する前に、互いに突き合わせられた前記溶接端面の内周側に裏当材を設置する裏当材設置工程を有し、前記裏波処理工程を実施する前に、前記裏当材を取り外す裏当材取外し工程を有することが好ましい。
【００１７】
上記方法によれば、裏当材を使用することによって溶接継手部に充填された溶接ワイヤが溶接継手部の内周側に落下することを防止することができる。また、より溶接速度の速いＳＡＷ溶接などの施工法を実施することが可能となり、タービンロータの製造に要する時間を短縮し、製造コストを低減させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ロータセグメントの円板部に形成された孔部を介して互いに接合されたロータセグメントの裏側にアクセスすることができるため、溶接継手部の裏側の処理を容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一実施形態のタービンロータの断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】ＳＡＷ溶接法を用いた溶接手順を示すフローチャートである。
【図４】ＴＩＧ溶接法を用いた溶接手順を示すフローチャートである。
【図５】図１のＢ部拡大図であって、溶接箇所に裏あてを当てた状態を示す図である。
【図６】図１のＢ部拡大図であって、溶接箇所に溶接を施した状態を示す図である。
【図７】本発明の第二実施形態のタービンロータの断面図である。
【図８】本発明の第三実施形態のタービンロータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のタービンロータ１は、タービンロータ１の両端側を成す一対の軸状ロータセグメント２，３と、軸状ロータセグメント２，３の間に配置される円板状ロータセグメント４，５，６，７，８，９からなる複数のロータセグメントをタービンロータ１の軸線Ｄ方向に互いに溶接した構成である。
【００２１】
円板状ロータセグメント４，５，６，７，８，９は、軸線Ｄ方向に厚みを有する略円板形状を有し、互いに接合されることでタービンロータ１の胴部をなすものである。また、円板状ロータセグメント４，５，６，７，８，９は、互いに接合されることによってタービンロータ１の内部に中空部分Ｃが形成されるような形状を有している。以下、円板状ロータセグメント４，５，６，７，８，９のうち、円板状ロータセグメント５について説明を行う。
【００２２】
図２に示すように、円板状ロータセグメント５は、軸線Ｄを中心とした円筒状をなす外筒部１１と、外筒部１１の内周面から径方向内側に張り出すように形成された円板部１２とからなる。外筒部１１の軸線Ｄ方向の端部は、隣り合う円板状ロータセグメント４，６と接合される溶接端面１３，１４とされている。即ち、円板状ロータセグメント５の溶接端面１３，１４の内周側には、軸線Ｄ方向内側に凹の凹部１６，１７が形成されている。これにより、円板状ロータセグメント５と、隣り合う円板状ロータセグメント４，６とを接合することによって、接合箇所の内周側に中空部分Ｃが形成される。
【００２３】
また、円板部１２には、軸線Ｄを中心とする孔部１５（マンホール）が形成されている。即ち、孔部１５は、円板部１２の一面と他面とを貫通するように設けられている。孔部１５の直径は、少なくとも人が通過するのに十分な大きさを有しており、例えば４００ｍｍとされている。
以上の構成により、タービンロータ１は、その内部に中空部分Ｃが形成され、かつ、中空部分Ｃ同士が孔部１５によって接続されている構成とされている。
【００２４】
次に、本実施形態のタービンロータ１の製造方法について説明する。
本実施形態のタービンロータ１の製造方法は、図３のフローチャートに示すような、ＳＡＷ溶接法を用いた溶接手順Ｗ１（以下、ＳＡＷ溶接手順Ｗ１と称す）を繰り返すことによって、複数のロータセグメントが一体となったタービンロータ１を製造する方法である。
【００２５】
具体的には、タービンロータ１の製造方法は、まず、ＳＡＷ溶接手順Ｗ１に従って軸状ロータセグメント２に円板状ロータセグメント４を接合する。次いで、同じくＳＡＷ溶接手順Ｗ１に従って円板状ロータセグメント４に円板状ロータセグメント５、円板状ロータセグメント６、円板状ロータセグメント７、円板状ロータセグメント８、及び円板状ロータセグメント９を接合する。最後に円板状ロータセグメント９に軸状ロータセグメント３を接合する際は、図４に示すＴＩＧ溶接法を用いた溶接手順Ｗ２（以下、ＴＩＧ溶接手順Ｗ２と称す）に従って接合を行う。
【００２６】
なお、軸状ロータセグメント２，３及び円板状ロータセグメント４，５，６，７，８，９を接合する順番は、上述した順番に限ることはない。例えば、ＳＡＷ溶接手順Ｗ１に従って軸状ロータセグメント２，円板状ロータセグメント４，５，及び６を接合する一方で、ＳＡＷ溶接手順Ｗ１に従って、軸状ロータセグメント３、円板状ロータセグメント７，８，及び９を接合し、最後に、円板状ロータセグメント６と円板状ロータセグメント７をＴＩＧ溶接手順Ｗ２を用いて接合する順番としてもよい。
【００２７】
以下の説明においては、複数回繰り返されるＳＡＷ溶接手順Ｗ１のうち、円板状ロータセグメント８に、円板状ロータセグメント９を接合する工程を例に説明する。
図３のフローチャートに示すように、本実施形態のタービンロータ１の製造方法に用いられるＳＡＷ溶接手順Ｗ１は、軸心調整工程Ｓ１と、開先合わせ工程Ｓ２と、裏あてセット工程Ｓ３と、溶接工程Ｓ４と、非破壊検査工程Ｓ５と、裏あて取外し工程Ｓ６と、裏波処理工程Ｓ７とを順に有する。
【００２８】
軸心調整工程Ｓ１は、別々に固定された円板状ロータセグメント８、及び円板状ロータセグメント９をそれぞれの軸線が一致するように調整する工程である。即ち、円板状ロータセグメント８と円板状ロータセグメント９の少なくとも一方を軸線方向に移動させることで、互いの溶接端面１３，１４同士が接触するような位置に位置合わせを行う。
【００２９】
開先合わせ工程Ｓ２は、図５に示すように、円板状ロータセグメント８と円板状ロータセグメント９の少なくとも一方を軸線方向に移動させることで互いの溶接端面１３，１４を接近させるようにロータセグメントを配置する工程である。これにより、溶接端面１３，１４の間には開先１９が形成される。開先１９の形状及び溶接端面１３，１４同士間隔は、ＳＡＷ溶接法に適したものとする。
【００３０】
裏あてセット工程Ｓ３は、溶接継手部となる開先１９の内側に裏あて２０を当てる工程である。裏あて２０は、開先１９内に充填された溶接ワイヤ２１（図６参照）が開先１９から落下しないように配置される部材である。裏あて２０は、例えば、粒状のフラックスが充填された長尺状の板などであり、溶接継手部に沿うように配置される。
【００３１】
溶接工程Ｓ４は、ＳＡＷ溶接法によって、溶接継手部を溶接する工程である。即ち、溶接継手部に沿って溶接ワイヤを供給して円板状ロータセグメント８と円板状ロータセグメント９とを接合させる。
【００３２】
非破壊検査工程Ｓ５は、超音波探傷を行う探触子等を用いて、溶接継手部の内部欠陥の有無を検査する工程である。内部欠陥が確認された場合は、所定の処置を行う。
裏あて取外し工程Ｓ６は、作業員が孔部１５より中空部分Ｃに進入し、裏あて２０を取り外す工程である。
裏波処理工程Ｓ７は、図６に示すように、溶接継手部の内周側に形成された裏波２２をグラインダなどを用いて研削する工程である。即ち、溶接継手部の内周面を平滑化する工程である。また、平滑化後、適宜洗浄を実施する。
【００３３】
以上に示す工程によって、円板状ロータセグメント８に円板状ロータセグメント９が接合される。次いで、円板状ロータセグメント９に軸状ロータセグメント３を接合し、全てのロータセグメントが接合される。
ここで、最後のロータセグメントである軸状ロータセグメント３を接合する際にＳＡＷ溶接手順Ｗ１を用いると裏あて２０の回収が行えないため、最後の溶接には図４のフローチャートに示すようなＴＩＧ溶接手順Ｗ２に従って行われる。
【００３４】
ＴＩＧ溶接手順Ｗ２は、ＳＡＷ溶接手順Ｗ１と比較して、裏あて２０を使用しない点が異なる。即ち、裏あてセット工程Ｓ３と、裏あて取外し工程Ｓ６がない点が異なる。
また、溶接工程Ｓ３ａは、ＴＩＧ溶接を用いて溶接を行っている。
【００３５】
本実施形態によれば、円板状ロータセグメント４，５，６，７，８，９の円板部１２に形成された孔部１５を介して互いに接合されたロータセグメントの裏側にアクセスすることができるため、溶接継手部の裏側の処理を容易に実施することができる。これにより、溶接によって生じる裏波２２を平滑化できるため、応力集中などのタービンロータ１の信頼性を損ねる要因を少なくすることができる。
【００３６】
また、裏あて２０を使用するＳＡＷ溶接法を用いることによって、溶接継手部に充填された溶接ワイヤが溶接継手部の内周側に落下することを防止することができる。さらに、より溶接速度の速いＳＡＷ溶接を実施することができるため、タービンロータ１の製造に要する時間を短縮し、製造コストを低減させることができる。
【００３７】
（第二実施形態）
以下、本発明に係るタービンロータの第二実施形態を図面に基づいて説明する。
図７は、本実施形態に係るタービンロータ１Ｂの断面図である。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
【００３８】
図７に示すように、第二実施形態によるタービンロータ１Ｂでは、円板状ロータセグメント４Ｂ，５Ｂ，６Ｂ，７Ｂ，８Ｂ，９Ｂの円板部１２Ｂの孔部１５の縁部に一体に形成され軸線Ｄ方向両方に向かって突出する内筒部２４を有する。言い換えると、円板部１２Ｂの最も軸線Ｄに近い縁部の肉厚を厚くしている。
【００３９】
上記実施形態によれば、第一実施形態の効果に加え、円板部１２Ｂの縁部の肉厚が増大し剛性が高くなることにより、中空部分Ｃの強度を確保することができる。
なお、上記実施形態において、内筒部２４は、円板部１２Ｂの軸線Ｄ方向両側に突出するように形成されているが、これに限ることはなく、軸線Ｄ方向の一方側に突出させて、円板部１２Ｂの縁部の肉厚を増大させる構成としてもよい。
【００４０】
（第三実施形態）
以下、本発明に係るタービンロータの第三実施形態を図面に基づいて説明する。
図８は、本実施形態に係るタービンロータ１Ｃの断面図である。なお、本実施形態では、上述した第二実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
【００４１】
図８に示すように、第三実施形態によるタービンロータ１Ｃでは、円板状ロータセグメント５Ｃ，８Ｃの円板部１２Ｄの孔部１５の直径が、円板状ロータセグメント４Ｃ，６Ｃ，７Ｃ，９Ｃの円板部１２Ｃの孔部１５の直径よりも大きく形成されている。言い換えると、円板状ロータセグメント５Ｃ，８Ｃの内筒部２４Ｄの内径が、円板状ロータセグメント４Ｃ，６Ｃ，７Ｃ，９Ｃの内筒部２４Ｃの内径よりも大きく形成されている。即ち、円板状ロータセグメント４Ｃ，５Ｃ，６Ｃ，７Ｃ，８Ｃ，９Ｃの孔部１５の大きさが一定ではなく、ところによって大きく形成された構成である。
孔部１５を大きく形成する円板状ロータセグメントは、解析による強度検討によって決定される。
【００４２】
上記実施形態によれば、円板状ロータセグメント５Ｃ，８Ｃの重量が低減されるため、タービンロータ１Ｃの全体重量が低減される。即ち、タービンロータ１Ｃの軽量化を図った上で、タービンロータ１Ｃ全体での強度を確保することができる。
【００４３】
上記各実施形態に係るタービンロータ１，１Ｂ，１Ｃの外周面には、適宜タービンブレードが取り付けられる。タービンブレードは、溶接継手部を避けて取り付けられる。
【００４４】
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に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、種々の変更を加えることが可能である。例えば、以上で説明した各実施形態では、可能な限りＳＡＷ溶接法を用いてロータセグメント同士を接合する構成としたが、コストなどに応じてＴＩＧ溶接法を用いて接合する箇所を増やしてもよい。
また、ＴＩＧ溶接法を用いて接合する箇所においては、孔部を省略することも可能である。
また、タービンロータの分割数も上記各実施形態の分割数に限らないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４５】
１…タービンロータ
２…軸状ロータセグメント
３…軸状ロータセグメント
４…円板状ロータセグメント
５…円板状ロータセグメント
６…円板状ロータセグメント
７…円板状ロータセグメント
８…円板状ロータセグメント
９…円板状ロータセグメント
１１…外筒部
１２…円板部
１３…溶接端面
１４…溶接端面
１５…孔部
２０…裏あて
２２…裏波
２４…内筒部
Ｄ…軸線
Ｓ１…軸心調整工程
Ｓ２…開先合わせ工程（ロータセグメント配置工程）
Ｓ３…裏あてセット工程（裏当材設置工程）
Ｓ４…溶接工程
Ｓ５…非破壊検査工程
Ｓ６…裏あて取外シ工程（裏当材取外し工程）
Ｓ７…裏波処理工程
【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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