(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受部、高温部、低温部に分割され、高温部は低温部よりも熱膨張係数が小さい異種材料からなる各ロータを溶接で接合し、前記各ロータの接合端面は隣接するロータと互いに接合する円環状の面を有して溶接で接合され内部に空間部を形成し、円環状の面の内側周囲に突起部が、突起部から空間部の隅部に円形の窪み部がそれぞれ形成され、ロータ外表面から空間部に連通する検査穴を設けた蒸気タービンの異材溶接ロータにおいて、検査穴を高温部ロータ側に設けると共に、検査穴の空間部側の開口を突起部を避けた窪み部に開口したことを特徴とする蒸気タービンの異材溶接ロータ。
【請求項２】
高温部、低温部に分割され、高温部は低温部よりも熱膨張係数が小さい異種材料からなる各ロータを溶接で接合し、前記各ロータの接合端面は隣接するロータと互いに接合する円環状の面を有して溶接で接合され内部に空間部を形成し、円環状の面の内側周囲に突起部が、突起部から空間部の隅部に円形の窪み部がそれぞれ形成され、ロータ外表面から空間部に連通する検査穴を設けた蒸気タービンの異材溶接ロータにおいて、検査穴を高温部ロータ側に設けると共に、検査穴の空間部側の開口を突起部を避けた窪み部に開口したことを特徴とする蒸気タービンの異材溶接ロータ。
【請求項３】
前記窪み部の曲面の半径をＲ、高温部と低温部の突起部のロータ軸方向の長さをＬとした場合、Ｌ／Ｒが、２＜Ｌ／Ｒ＜３となる範囲に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の蒸気タービンの異材溶接ロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蒸気タービンの異材溶接ロータに関し、高温部と低温部とで異なった材料を用いたロータを溶接で接合して接合強度を増し、かつ、ロータ内部の欠陥の検査も容易とするものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の蒸気タービンのロータは蒸気の高温化に伴い高温での強度及び靱性の優れた１２％クロム鋼が使用されている。このようなロータは高温蒸気に曝される高温部と低温蒸気に曝される低温部とが共に同一の１２％クロム鋼を使用しており、近年ではロータも大形となり同一の材料で高温部の特性と低温部の特性を満足させるように製作することがむずかしくなってきている。又、ロータ部は１２％クロム鋼で製作し、ロータ周囲のスリーブやカップリング等は低合金鋼を使用することも行なわれている。
【０００３】
１２％クロム鋼は高価な材料であり、高温蒸気に曝される部分には耐熱性、クリープ特性等は充分に満たすが、低温部ではこのような高価な材料を使用しなくても良く、むしろ靱性が求められ低温材料で充分対応できるものである。これらの問題に対処するため、例えば図７に示すように異種材料を用いたロータを溶接で接合して１本のロータとすることが試みられている。
【０００４】
図７において、３１は高温部に適用される１２％クロム鋼のタービンロータであり、３２は低温部に適用される低合金からなるタービンロータで、クロム、モリブテン、バナジューム、ニッケル、モリブデン等の合金からなっている。３３は肉盛部であり、タービンロータ３１の端部３４に設けられ、９Ｃｒ鋼からなる。３５は開先であり、接合されるべき肉盛部３３とタービンロータ３２との間に形成され、溶接金属３６により溶接され、１本のロータを構成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来の蒸気タービンロータは高温部から低温部にわたって伸びており、高温高圧の蒸気に曝される部分と低温低圧蒸気に曝される部分からなっている。従来ではこの蒸気タービンロータは１２％クロム鋼のみで一体成形していたが、１２％クロム鋼は高価であり、そのために図７に示すような異種材料からなるロータを接合して１本のロータとして製作することが提案されている。しかし、従来の異種材料のロータを接合した蒸気タービンロータでは、その分割部分によって溶接強度が異なったり、又、溶接後の欠陥の検査が充分に行なわれる必要があるが、構造上、検査が充分に実施できるような点が考慮されていない。
【０００６】
そこで本発明は、異種材料を接合して構成した蒸気タービンロータにおいて、特に接合部の形状に工夫をし、接合部の強度を増すような溶接構造とし、かつ接合部の検査が充分に実施できるような構造にした蒸気タービンの異材溶接ロータを提供することを課題としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために、次の（１）乃至（３）の手段を提供する。
【０００８】
（１）軸受部、高温部、低温部に分割され、高温部は低温部よりも熱膨張係数が小さい異種材料からなる各ロータを溶接で接合し、前記各ロータの接合端面は隣接するロータと互いに接合する円環状の面を有して溶接で接合され内部に空間部を形成し、円環状の面の内側周囲に突起部が、突起部から空間部の隅部に円形の窪み部がそれぞれ形成され、ロータ外表面から空間部に連通する検査穴を設けた蒸気タービンの異材溶接ロータにおいて、検査穴を高温部ロータ側に設けると共に、検査穴の空間部側の開口を突起部を避けた窪み部に開口したことを特徴とする蒸気タービンの異材溶接ロータ。
【０００９】
（２）高温部、低温部に分割され、高温部は低温部よりも熱膨張係数が小さい異種材料からなる各ロータを溶接で接合し、前記各ロータの接合端面は隣接するロータと互いに接合する円環状の面を有して溶接で接合され内部に空間部を形成し、円環状の面の内側周囲に突起部が、突起部から空間部の隅部に円形の窪み部がそれぞれ形成され、ロータ外表面から空間部に連通する検査穴を設けた蒸気タービンの異材溶接ロータにおいて、検査穴を高温部ロータ側に設けると共に、検査穴の空間部側の開口を突起部を避けた窪み部に開口したことを特徴とする蒸気タービンの異材溶接ロータ。
【００１０】
（３）上記（１）又は（２）の発明において、前記窪み部の曲面の半径をＲ、高温部と低温部の突起部のロータ軸方向の長さをＬとした場合、Ｌ／Ｒが、２＜Ｌ／Ｒ＜３となる範囲に設定されていることを特徴とする蒸気タービンの異材溶接ロータ。
【００１１】
本発明の（１）は、ロータが両端の軸受部、高温部、低温部とに分割されて構成され、溶接されており、又本発明の（２）では、低温部と高温部、例えば両端が低温部、中間に高温部からなり、溶接されている。このような蒸気タービンの異材溶接ロータは、溶接部の内部に空間部を有し、空間部にはロータ外表面から内部へ連通する検査穴が設けられているので、検査穴より、例えばファイバースコープ等を空間部に挿入し、溶接接合部の周囲を検査することができる。
また、円環状の面の内側周囲に突起部が、突起部から空間部の隅部に円形の窪み部がそれぞれ形成されているので、接合面での引張応力は外周側よりも内周側の方が突起部により分散されて弱まり、熱応力による接合面内側端部での破損を防止することができる。
【００１２】
本発明の（３）では、前記窪み部の曲面の半径をＲ、高温部と低温部の突起部のロータ軸方向の長さをＬとした場合、Ｌ／Ｒが、２＜Ｌ／Ｒ＜３となる範囲に設定されているので、応力低減効果が大きくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の実施の第１形態に係る蒸気タービンの異材溶接ロータの断面図である。図において、１は軸受部ロータ、２は高温部ロータ、３は低温部ロータ、４は低温側の軸受部ロータである。軸受部ロータ１と高温部ロータ２とは溶接部Ａで、高温部ロータ２と低温部ロータ３とは溶接部Ｂで、低温部ロータ３と軸受部ロータ４とは溶接部Ｃでそれぞれ溶接接合されて１本の蒸気タービンロータを構成している。
【００１４】
軸受部ロータ１は低温部であり、２・（１／４）ＣｒＭｏＶ（クロム・モリブテン・バナジューム）鋼からなり、高温部ロータ２は高温の蒸気に曝され、熱的に最も厳しい部分であるので、耐熱性が高く強度が優れた１２Ｃｒ鋼からなる。低温部ロータ３は同じく蒸気に曝される部分であるが、高温部ロータ２よりは比較的低圧、低温の蒸気であるので３．５ＮｉＣｒＭｏＶ（ニッケル・クロム・モリブテン・バナジューム）鋼を用い、又、軸受部ロータ４も同じ材料を用いてい
る。
【００１５】
熔接部ＢとＣはそれぞれ高温、低温蒸気に曝されるロータ２と３に関係する部分であり、タービンの動翼が取付けられる重要な部分であるので、これらＢ，Ｃの溶接部では後述するように、空間部５，６を設け、溶接部Ｂ，Ｃの溶接部周囲を点検できる構造としている。なお溶接部Ａは低温の軸受部であり、中空部１０へファイバースコープ等の挿入が可能で点検できるので特にこのような構造は採用しないが、必要に応じて勿論このような同様の構造を設けても良い。
【００１６】
図２は図１における溶接部Ａ，Ｂ，Ｃ各部の溶接構造を示す断面図であり、（ａ）は溶接部Ａ，（ｂ）は溶接部Ｂ，（ｃ）は溶接部Ｃをそれぞれ示す。（ａ）において、高温部ロータ２は１２Ｃｒ鋼の高耐熱材料からなり、９Ｃｒ鋼の肉盛部１２により軟化防止対策が施されている。軸受部ロータ１は２・（１／４）ＣｒＭｏＶ鋼からなり、軸受部ロータ１と肉盛部１２との間に開先１３を加工し、溶接金属１１により溶接が行なわれている。
【００１７】
図２（ｂ）では、高温部ロータ２は１２Ｃｒ鋼からなり、空間部５側に突起部２２が形成されており、（ａ）と同様に９Ｃｒ鋼からなる肉盛部１４が設けられる。低温部ロータ３は３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、同じく突起部２３が形成されており、肉盛部１４との間には開先１５が加工され、溶接金属１６で溶接がなされている。又、低温部ロータ３の隅部は２・（１／４）ＣｒＭｏで溶接がなされ、再熱割れを防止している。
【００１８】
図２（ｃ）では、低温部ロータ３は３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり空間部６側に突起部２４が形成されており、軸受部ロータ４は同じ材料からなり、やはり突起部２５が形成されている。両突起部２４、２５の接合部には開先１８が加工され、溶接金属１９で溶接がなされ、かつ両隅部には再熱割れ対策として２・（１／４）ＣｒＭｏ鋼２０，２１で溶接がなされている。
【００１９】
図３は図１における部分拡大断面図で、（ａ）は図１のＸ部拡大、（ｂ）は（ａ）におけるＢ部の拡大断面図である。図において、溶接部Ｂ，Ｃにはそれぞれ円形の窪み部２６、２７が形成されており、接合部における左右一対の窪み部２６、２７により空間部５，６が形成されている。空間部５，６にはそれぞれロータ表面から連通する検査穴７，８がそれぞれ設けられている。
【００２０】
図３（ｂ）において、高温部ロータ２と低温部ロータ３と比較すると１２Ｃｒ鋼からなる高温部ロータ２の方が熱膨張係数が小さく、低温部ロータ３の方が早く縮小することになる。従って検査穴７は熱膨張係数が小さく、熱による影響の少い高温部ロータ２側に設け、空間部５に連通させる。検査穴は溶接部に隣接する位置に設けられると共に、ロータ外周に少なくとも１箇所、必要に応じて復数個設けても良い。
【００２１】
又、検査穴７には常時プラグ９が設けられて密閉され、検査時にはこれを取外し、この検査穴７よりファイバースコープ等を空間部５内に挿入し、溶接部Ｂの周囲を点検することができる。このプラグ９はネジ等により検査穴７入口部に螺合すれば固定、取外しが容易となる。又、溶接部Ｃにおいても、低温部ロータ３と軸受部ロータ４とは同一材料であるが、検査穴８の位置は溶接部Ｂに準じて高温側に設けてある。
【００２２】
図４は溶接部Ｂにおける応力分布図であり、図において高温部ロータ２、低温部ロータ３との接合部の空間部５側には突起部２２，２３がそれぞれ形成されており、接合部Ｂには熱膨張により引張応力Ｆを受けるが、溶接部Ｂ1 近傍では応力は直線状に左右に加わるが、溶接部Ｂ2 近傍では突起部２２，２３によって引張応力が分散され、Ｂ1 部よりは小さくなり、ＢO 点での引張応力による割れを防止することができる。又、図中の突起部２２，２３を形成する曲面の半径をＲ、両突起部２２，２３の長さをＬとすれば、２＜Ｌ／Ｒ＜３となる範囲において応力低減効果が最も大きくなる。
【００２３】
このように、本実施の第１形態での異材溶接ロータの溶接部では、特に高温蒸気に曝されるＢ，Ｃ部分においては空間部５，６を設けると共に、空間部５，６側に突起部２２及び２３、２４及び２５を形成して熱膨張による引張応力を小さくする形状とし、更に検査穴７，８を空間部５，６に連通して設けるようにしたので、異種材料からなるロータを接合した異材溶接ロータの強度が増し、かつ接合部の検査も容易にできるようになる。
図５は本発明の実施の第２形態に係る異材溶接ロータの断面図である。本実施の第２形態は図１に示す実施の第１形態と異なる部分は、符号４１，４２で示す低温部ロータの部分にあり、高温部ロータ２と、その内部構造は図１と同じである。
【００２４】
図において、低温部ロータ４１と高温部ロータ２とは溶接部Ａで、高温部ロータ２と低温部ロータ４２とは溶接部Ｂで、それぞれ接合されて１本の蒸気タービンロータを構成している。低温部ロータ４１と４２とは低温部であり、ＣｒＭｏＶ（クロム・モリブテン・バナジューム）鋼を用いる。溶接部Ｂは高温、低温蒸気に曝される高温部ロータ２と低温部ロータ４２とに関係する部分であり、タービンの動翼が取り付けられる重要な部分であるので、実施の第１形態と同じ構造となっている。
【００２５】
溶接部Ａ，Ｂについては、実施の第１形態の図２（ａ），図２（ｂ）で示す溶接構造と同じである。図示省略するが、（ａ）において、高温部ロータ２の相手側が軸受部ロータ１に代わって低温部ロータ４１，（ｂ）において、低温部ロータ３に代わって低温部ロータ４２となり、又（Ｃ）に示す溶接部Ｃは存在しない。その他の構成は同じであるので説明は省略する。
【００２６】
図６は図５における部分拡大断面図であり、（ａ）は図５の溶接部Ｂの拡大図、（ｂ）は、その接合部の詳細であり、基本的には実施の第１形態の図３と同じ構成で、図３の溶接部Ｃが存在しない構成である。図において、溶接部Ｂには窪み部２６、２７が形成され、接合部における左右一対の窪み部２６、２７により空間部５が形成されている。空間部５にはロータ２の表面から連通する検査穴７が設けられている。
【００２７】
又、検査穴７は実施の第１形態と同様に、熱影響の小さい高温部ロータ側に設けられおり、（ｂ）図に示すように、常時プラグ９が設けられて密封され、検査時にはこれを取外し、この検査穴７よりファイバースコープ等を空間部５内に挿入し、溶接部Ｂの周囲を点検することができる。このプラグ９はネジ等により検査穴９入口部に螺合すれば固定、取外しが容易となる。なお、実施の第１形態と同じく、検査穴７は溶接部に隣接する位置に設けられると共に、ロータ外周に少なくとも１箇所、必要に応じて複数箇所設けても良い。
【００２８】
このような実施の第２形態の異材溶接ロータによれば、実施の第１形態のロータと比べてロータ接合部がＡ，Ｂの２ヵ所となり、図１に示す溶接部Ｃが存在せず、溶接ロータの加工性が実施の第１形態のものよりも良くなると共に、溶接部Ｂの検査穴７からファイバースコープ等の挿入ができ、実施の第１形態と同様の効果が得られるものである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の（１）の蒸気タービンの異材溶接ロータは、軸受部、高温部、低温部に分割され異種材料からなる各ロータを溶接で接合し、（２）のロータは高温部と低温部に分割された各ロータを溶接で接合して構成し、前記各ロータの接合端面は隣接するロータと互いに接合する円環状の面を有して溶接で接合され内部に空間部を形成し、ロータ外表面から同空間部に連通する検査穴を設けた蒸気タービンの異材溶接ロータにおいて、検査穴を高温部ロータ側に設けると共に、検査穴の空間部側の開口を突起部を避けた窪み部に開口したことを特徴としている。このような構成により、検査穴より、ファイバースコープ等を空間部に挿入し、溶接接合部の周囲を検査することができるので、異材溶接ロータの溶接欠陥が防止される。
また、円環状の面の内側周囲に突起部が、突起部から空間部の隅部に円形の窪み部がそれぞれ形成されているので、溶接接合面での熱膨張による引張応力が突起部に広がって分散されて弱まり、熱応力による接合端面での破損が防止され、異材溶接ロータの信頼性が向上する。
【００３０】
本発明の（３）は、上記（１）又は（２）の発明において、前記窪み部の曲面の半径をＲ、高温部と低温部の突起部のロータ軸方向の長さをＬとした場合、Ｌ／Ｒが、２＜Ｌ／Ｒ＜３となる範囲に設定されていることを特徴としている。このような構成により、応力低減効果が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態に係る蒸気タービンの異材溶接ロータの全体断面図である。
【図２】図１における溶接部を示し、（ａ）は軸受部と高温部、（ｂ）は高温部と低温部、（ｃ）は低温部と軸受部の溶接部断面図である。
【図３】図１における拡大図であり、（ａ）は図１におけるＸ部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ部拡大詳細図である。
【図４】図１における溶接部Ｂの引張応力分布図である。
【図５】本発明の実施の第２形態に係る蒸気タービンの異材溶接ロータの全体断面図である。
【図６】図５における拡大図であり、（ａ）はＢ部の拡大図、（ｂ）は（ａ）の詳細図である。
【図７】従来の異種材料を接合した蒸気タービンロータの部分断面図である。
【符号の説明】
１，４                  軸受部ロータ
２                      高温部ロータ
３，４１，４２          低温部ロータ
５，６                  空間部
７，８                  検査穴
９                      プラグ
１０                    中空部
１１，１６，１９        溶接金属
１２，１４              肉盛部
１３，１５，１８        開先
２２，２３，２４，２５  突起部
２６、２７              窪み部
【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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