JP2001317301A - 蒸気タービンロータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高圧用ロータ、中圧用ロータ、低圧用ロータを
組み合わせて一体型にする場合、軽量化と相俟って適正
な成分・組成の下、各ロータを溶接接続させた後、熱処
理を行い、高い強度を保証し、蒸気タービンの大容量化
・高効率化に対処する蒸気タービンロータおよびその製
造方法を提供する。 【解決手段】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、ロータ１をタービン段落高圧部ＨＰＳ、
タービン段落中圧部ＩＰＳ、タービン段落低圧部ＬＰＳ
に区分けし、各圧力部ＨＰＳ，ＩＰＳ，ＬＰＳのロータ
１の材質を異ならしめるとともに、溶接手段を用いて接
続させた後、熱処理をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高圧蒸気タービ
ン、中圧蒸気タービン、低圧蒸気タービンのうち、少な
くとも二つ以上の蒸気タービンを組み合わせた蒸気ター
ビンプラントに適用する接続構造の蒸気タービンロータ
およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タ
ービン、低圧蒸気タービンを備える蒸気タービンプラン
トでは、各タービンに組み込む蒸気タービンロータの材
質を使用する蒸気条件、例えば圧力、温度、流量等に応
じて選定している。例えば、蒸気温度５５０℃〜６００
℃の高圧蒸気タービンや中圧蒸気タービンに用いる蒸気
タービンロータは、１％ＣｒＭｏＶ系鋼（ＡＳＴＭ−Ａ
４７０、クラス８）や１２％Ｃｒ系鋼（特公昭６０−５
４３８５号公報）等が使用され、また、蒸気温度４００
℃以上の低圧蒸気タービンに用いる蒸気タービンロータ
は、２．５％以上のＮｉを含むＮｉＣｒＭｏ系鋼（ＡＳ
ＴＭ−Ａ４７１、クラス２〜７）等が使用されている。

【０００３】また、大容量化および高効率化を指向する
最近の蒸気タービンプラントでは、各タービンの小形
化、軽量化、構造簡素化を求める必要上、高圧蒸気ター
ビンから低圧蒸気タービンまで同一材質で、かつ一体成
形した、いわゆる高低圧、高中低圧あるいは中低圧一体
型の蒸気タービンロータの出現が注目されている。

【０００４】一体型として用いる蒸気タービンロータ
は、高圧・高温側で高温クリープ破断強度が必要とさ
れ、また、低圧・低温側で引張強さ、耐力、靱性が必要
とされている。つまり、一つの回転軸（ロータ）にも拘
らず性質の異なる機械的特性が求められている。具体的
には、その材質は１％ＣｒＭｏＶＮｉＮｂ系鋼等（例え
ば特公昭５８−１３６０８号公報）や１．７％Ｎｉ２．
２５％ＣｒＭｏＶＷＮｂ系鋼等（例えば特開平７−３１
６７２１号公報）が実用機として運転されている。

【０００５】上述の一体型に用いた蒸気タービンロータ
は、作製当初から一体成形加工したものであるが、この
ほかに予め別体で作製した高、中、低圧用の蒸気タービ
ンロータをボルトによる接続構造にしたもの（例えば、
特開昭６２−１８９３０１号公報）や溶接接続構造のも
のもある。

【０００６】溶接接続構造のものは、蒸気タービンロー
タを接続する時期によって二つに分けられる。一つは、
蒸気タービンロータの製造工程中での接続であり、残り
は蒸気タービンロータの製造を終了した後の同士の接続
である。

【０００７】前者は、複数のインゴットを粗鍛造し、溶
接接続した後に仕上げ鍛造を行うものであり、例えば、
特開昭５３−１４７６５３号公報に開示されている。

【０００８】後者は、異成分・組成材質の蒸気タービン
ロータを溶接接続したもので、例えば、特開昭５７−１
７６３０５号公報に開示されている。

【０００９】なお、高圧用、中圧用、低圧用の蒸気ター
ビンロータは、そのをディスク構造タイプ（一つの蒸気
タービンロータを輪切り状の円盤構造タイプにして円盤
を一つ一つ列状に重ねる）にして溶接接続することが従
来から行われている。この場合、蒸気タービンロータ
は、同じ成分・組成材質のものを溶接接続させたもので
異成分・組成材質のものを溶接接続させたものではな
い。

【００１０】また、蒸気タービンロータの製造工程中に
行う他の接続方法には、ＥＳＲ（エレクトロスラグ再溶
解）を用いたものが提案されている。

【００１１】この接続方法には、一方の消耗電極をＥＳ
Ｒ溶解後、直ちに他方の消耗電極をＥＳＲ溶解し、継ぎ
足して一体成形加工するもの（例えば、特公昭５３−４
２４４６号公報）や成分・組成の異なる複数のインゴッ
トを接続し、ＥＳＲ電極として溶解するもの（例えば、
特公昭５６−１４８４２号公報）や中心部のプール深さ
を浅くするために、中空電極を接続してＥＳＲ溶解する
もの（例えば、特開平６−１５５００１号公報）などが
ある。

【００１２】このように、従来の蒸気タービンロータに
は、数多くの接続手段が開示されており、これらの接続
手段のうち、幾つかが実用機に採用されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】最近の蒸気タービンプ
ラントは、小型化、構造の簡素化、重量の軽量化が強化
され、この観点から蒸気タービンロータも高低圧化、高
中低圧化、あるいは中低圧化の検討が行われている。

【００１４】従来の蒸気タービンロータは、高圧用、高
中圧用、中圧用、低圧用の個々の蒸気タービンの蒸気条
件、例えば温度、圧力等に合わせて開発された成分・組
成の材料を使用しているものであり、その成分・組成の
材料をそのまま高低圧用、高中低圧用、中低圧用の蒸気
タービンに適用すると、以下に示す問題点が含まれてい
る。

【００１５】（１）１％ＣｒＭｏＶ系のロータは、温度
５５０℃程度の高温域でのクリープ破断強度が優れてい
るものの、低温域での引張強さや靭性が必ずしも満足し
たものではなく、延性破壊や脆性破壊等の可能性があ
る。これらの防止措置として蒸気タービンロータの低圧
部に発生する応力を低減する必要がる。しかし、その低
圧部に発生する応力を低減させると、タービン段落に設
けたタービン翼の翼長も制限され、その結果、発電プラ
ントの大容量化が困難となる。

【００１６】また、高温クリープ破断強度が優れている
と言えども、最近の発電プラントの効率向上のために求
められているタービン入口蒸気の高温化（６００℃程
度）・高圧化に充分に対処できるものではない。

【００１７】（２）１２％Ｃｒ系のロータは、１％Ｃｒ
ＭｏＶ系鋼のロータよりも高温クリープ破断強度に優れ
た特性を生かして上述のタービン入口蒸気条件も満足さ
せることができるが、靭性面では十分ではないために、
その改善措置として１％ＣｒＭｏＶ系のロータの場合と
同様に、低圧タービン段落に設けたタービン翼の翼長が
制限される。

【００１８】（３）ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼のロータは、低
温域での引張強さおよび靭性が優れているものの、クリ
ープ破断強度が必ずしも満足したものではなく、高圧蒸
気タービンや中圧蒸気タービンに使用すると強度不足の
ため、タービン入口蒸気の高温化が制限され、発電プラ
ントの効率向上が難しい。

【００１９】このように、従来の耐熱鋼を用いて、同一
材質にする高低圧、高中低圧、中低圧一体型蒸気タービ
ンロータは、特に高温・高圧の蒸気を使用し、翼長の長
いタービン翼を組み込んで蒸気タービンプラントの大容
量化および高効率化を図る上で、大きな制約を受ける問
題点があった。

【００２０】ただ、出力の小さい小型蒸気タービン向け
には、高低圧、高中低圧、中低圧一体型蒸気タービンロ
ータとして同一成分・組成材質のものが適用されてきて
いる。しかし、蒸気タービンの性能を向上させたり、出
力範囲を増加させるためには、最終タービン段落のター
ビン翼長を増加させる必要がある。尤も、タービン翼長
を増加させると、回転による遠心力が増加し、蒸気ター
ビンロータに発生する応力が極めて大きくなる。この応
力増加に対処するためには、蒸気タービンロータは、最
終タービン段落およびその周囲の部分の引張強さ、耐
力、靭性をより一層向上させる必要がある。

【００２１】さらに、最終タービン段落のタービン翼
は、コストダウンと遠心力を低くさせる観点から、従来
の鋼製からチタン製に置き換えることがある。しかし、
チタン製のものは、長翼化になっていることも手伝って
思った程遠心力が低くなっていない。このため、蒸気タ
ービンロータには、依然として大きな応力が発生してい
る。

【００２２】したがって、より一層引張強さ、耐力、靭
性が優れ、かつ高温におけるクリープ破断強度を維持す
る必要があるが、現状ではそれに対処できる高低圧、高
中低圧、中低圧の各蒸気タービンの同一成分組成による
一体型の蒸気タービンロータは未だ実現していない。

【００２３】同一成分組成による高低圧、高中低圧、中
低圧一体型蒸気タービンロータの代替として、異材質の
蒸気タービンロータを組み合わせることも考えられる。
その一つにボルト締結方法がある。しかし、このボルト
締結法は、フランジによる接続部を設け、ボルトあるい
はボルト・ナットで締結するため、蒸気タービンロータ
の締結される部位を挟むホイール間の間隙を設計適正値
よりも大きく取らざるを得ず、蒸気タービンの構造簡素
化の点、重量の軽減の点で不利である。また、蒸気ター
ビンの起動・停止の繰返しによってボルト締結力の低
下、いわゆるボルトの緩み現象が生じ、蒸気タービンロ
ータの振動の要因になる可能性がある。

【００２４】また、異材質の蒸気タービンロータの接続
手段として、溶接接続手段が考えられる。蒸気タービン
ロータ製造工程中の溶接接続手段の場合は、その後の仕
上鍛造プロセスでロータが半径方法および軸方向に伸ば
される時に、円周方向の化学的成分・組成を精度良く均
一分布にすることの技術的困難性を伴い、その後の熱処
理プロセスや運転中の蒸気ロータの変形（曲がり）の要
因にもなり得ることから実用化には至っていない。

【００２５】次に、蒸気タービンロータ完成後の異材質
の溶接接続手段を以下に述べる。既に述べたように、高
圧用蒸気タービンロータ、中圧用蒸気タービンロータ、
高中低圧用蒸気タービンロータおよび低圧用蒸気タービ
ンロータのような、それぞれに同じ成分組成のロータを
ディスク形状に鍛造し、それを溶接（同材溶接）して蒸
気タービンロータに仕上げることは従来から数多く実用
化されてきているが、化学的成分・組成の異なる異材質
の蒸気タービンロータの溶接接続手段は実用化されてい
ない。その理由には幾つか要因が考えられる。

【００２６】まず、異材質のものを溶接接続する場合、
ロータの化学的成分・組成の相違による線膨張率や熱伝
導率などの物性値の違いによって、溶接継手部の溶接残
留応力が大きくなったり不均一になることが考えられ
る。このため、溶接継手部のＳＣＣ（応力腐食割れ）感
受性の増大や溶接裏波部分の応力集中の増加が心配され
る。また、溶接によるロータの変形量の増加に起因して
多くの余肉量が必要となり、ロータの製作費用や切削加
工工数の増加によるコストアップも懸念される。さら
に、運転中の熱曲がりによる振動の問題も懸念される。

【００２７】また、異材質溶接のため、溶接継手部が複
雑な残留応力成分分布になることが考えられ、それによ
るＳＣＣ感受性の増加も懸念される。

【００２８】また、ロータは、大きなものであってもど
の部分でも出来るだけ均一特性を備えることが従来の高
品質の蒸気タービンロータであるとする一般常識から考
えると、異材質溶接接続手段の場合は、接続される両蒸
気タービンロータにとって溶接後の熱処理（ＰＷＨＴ）
温度が適正値にならないために、ＰＷＨＴ後は低圧用の
ロータの接続部分の強度が低下することも考えられる。

【００２９】以上に述べた異材質の溶接接続手段におけ
る種々の要因が、これまでに異材質による溶接接続構造
の蒸気タービンロータの実用化がなされなかったと推定
される。

【００３０】さらに、異材質のロータのもう一つの結合
手段としてＥＳＲの活用が考えられる。これは、蒸気タ
ービンロータの溶解・凝固工程において、異材質を結合
させ、化学的成分・組成の軸方向における傾斜化を意図
した手段であるが、円周方向において化学的成分・組成
を均一分布にすることに技術的な困難を伴うことから実
用化されていない。

【００３１】本発明は、このような背景技術に照らして
なされたもので、異材質の蒸気タービンロータを互いに
接続して高低圧蒸気タービン用、高中低圧蒸気タービン
用、または中低圧蒸気タービン用の一体型に形成するに
あたり、軽量化と相俟って適正な成分・組成の下、溶接
部分の残留応力を軽減し、応力腐食割れ（ＳＣＣ）感受
性や蒸気タービンロータの曲げ変形を抑制し、溶接接続
後の熱処理（ＰＷＨＴ）を充分に行って強度等の品質を
保証し、蒸気タービンの大容量化と高効率化の要求に必
要なタービン翼の長翼化にも充分に対処できる蒸気ター
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。

【００３２】

【課題を解決するための手段】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、高圧用ロータおよび中圧用ロータのう
ち、少なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた
蒸気タービンロータにおいて、前記高圧用ロータおよび
前記中圧用ロータのうち、少なくとも一方と、前記低圧
用ロータとは化学的組成の異なる材質を用いるととも
に、溶接手段を用いて互いを溶接接続させたものであ
る。

【００３３】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、請求項１記載の蒸気タービンロータにおいて、
高圧用ロータは、１％ＣｒＭｏＶ系鋼を用いたものであ
る。

【００３４】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、請求項１記載の蒸気タービンロータにおいて、
低圧用ロータは、３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼を用いた
ものである。

【００３５】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、請求項１記載の蒸気タービンロータにおいて、
中圧用ロータは、１％ＣｒＭｏＶ系鋼を用いたものであ
る。

【００３６】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、高圧用ロータおよび中圧用ロータのうち、少な
くとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた蒸気ター
ビンロータにおいて、前記高圧用ロータのうち、高圧用
タービン初段落と前記中圧用ロータのうち、中圧用ター
ビン初段落に１２％Ｃｒ系鋼を用い、前記高圧用ロータ
のうち、前記高圧用タービン初段落以外の高圧用タービ
ン段落に１％ＣｒＭｏＶ系鋼を用い、前記中圧用ロータ
のうち、前記中圧用タービン初段落以外の中圧用タービ
ン段落に１％ＣｒＭｏＶ鋼を用い、前記低圧用ロータに
３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼を用いるとともに、溶接手
段を用いて互いを溶接接続させたものである。

【００３７】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、請求項２，４または５記載の蒸気タービンロー
タにおいて、１％ＣｒＭｏＶ系鋼は、０．８〜１．３重
量％Ｃｒ、０．８〜１．５重量％Ｍｏ、０．２〜０．３
重量％Ｖ、残部Ｆｅとその他であることを特徴とするも
のである。

【００３８】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、請求項３または５記載の蒸気タービンロータに
おいて、３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼は、２．５〜４．
５重量％Ｎｉ、１．５〜２．０重量％Ｃｒ、０．３〜
０．８重量％Ｍｏ、０．０８〜０．２重量％Ｖ、残部Ｆ
ｅとその他であることを特徴とするものである。

【００３９】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、請求項５記載の蒸気タービンロータにおいて、
１２％Ｃｒ系鋼を用いたロータは、端部を凸状錐体およ
び凹状錐体のうち、いずれか一方に形成し、１％ＣｒＭ
ｏＶ系鋼を用いたロータは、端部を凸状錐体および凹状
錐体のうち、いずれか一方に形成し、前記１２％Ｃｒ系
鋼に用いたロータを前記１％ＣｒＭｏＶ系鋼に用いたロ
ータに嵌合後、溶接手段を用いて溶接接続させたもので
ある。

【００４０】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、請求項８記載の蒸気タービンロータにおいて、
凸状錐体および凹状錐体は、中心軸に対して傾斜させた
ものである。

【００４１】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、請求項１，５または８記載の蒸気タービンロ
ータにおいて、溶接手段に用いる溶接金属は、２．７〜
３．５重量％Ｎｉ、０．２〜０．５重量％Ｃｒ、０．４
〜０．９重量％Ｍｏ、残部Ｆｅとその他であることを特
徴とするものである。

【００４２】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、請求項１記載の蒸気タービンロータにおい
て、高圧用ロータおよび中圧用ロータのうち、少なくと
も一方と低圧用ロータとを溶接手段を用いて溶接後、前
記高圧用ロータおよび前記中圧用ロータのうち、少なく
とも一方のタービン段落の領域と、前記低圧用ロータの
うち、最終タービン段落以外のタービン段落の領域とを
熱処理手段を用いて熱処理したものである。

【００４３】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１２に記載し
たように、請求項５記載の蒸気タービンロータにおい
て、高圧用ロータ、１２％Ｃｒ系鋼を用いたロータ、中
圧用ロータおよび低圧用ロータとを溶接手段を用いて溶
接後、前記高圧用ロータ、前記１２％Ｃｒ系鋼を用いた
ロータ、前記中圧用ロータおよび低圧用ロータのうち、
最終タービン段落以外のタービン段落の領域を熱処理手
段を用いて熱処理したものである。

【００４４】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１３に記載し
たように、高圧用ロータおよび中圧用ロータのうち、少
なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた蒸気タ
ービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔に横断し
て延びる分割合わせ面に狭開先部を形成し、前記狭開先
部を溶接する際、溶接熱による各ロータの変位および前
記分割合わせ面の前記狭開先部の変位を検出し、溶接ト
ーチからの入熱量を増減制御するレーザ変位測定センサ
とレーザ測長計とを備えたものである。

【００４５】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１４に記載し
たように、高圧用ロータおよび中圧用ロータのうち、少
なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた蒸気タ
ービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔に横断し
て延びる分割合わせ面に狭開先部を形成し、前記狭開先
部を溶接する際、サブマージアーク溶接手段を用いたも
のである。

【００４６】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１５に記載し
たように、請求項１３または１４記載の蒸気タービンロ
ータにおいて、狭開先部は、ロータの中心軸に交差する
横断線に対して傾斜角１０／１００に設定したものであ
る。

【００４７】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１６に記載し
たように、請求項１４記載の蒸気タービンロータにおい
て、分割合わせ面は、中心孔側に中空部を形成したもの
である。

【００４８】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１７に記載し
たように、高圧用ロータおよび中圧用ロータのうち、少
なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた蒸気タ
ービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔に横断し
て延びる分割合わせ面の溶接後、溶接端部の前記中心孔
側に化粧盛り溶接部を形成したものである。

【００４９】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１８に記載し
たように、高圧用ロータおよび中圧用ロータのうち、少
なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた蒸気タ
ービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔に横断し
て延びる分割合わせ面の溶接後、溶接端部の前記中心孔
側にブラスト手段を用いて残留応力部を形成したもので
ある。

【００５０】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１９に記載し
たように、高圧用ロータおよび中圧用ロータのうち、少
なくとも一方とを、低圧用ロータとを組み合わせた蒸気
タービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔に横断
して延びる分割合わせ面の溶接後、溶接端部の外表面側
に耐食コーティング部を形成したものである。

【００５１】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２０に記載し
たように、高圧用ロータおよび中圧用ロータのうち、少
なくとも一方と、低圧用ロータとを互いに溶接後、前記
高圧用ロータおよび前記中圧用ロータのうち、少なくと
も一方のタービン段落の領域と前記低圧用ロータのう
ち、最終タービン段落以外のタービン段落の領域とに、
前記高圧用ロータおよび前記中圧用ロータのうち、いず
れか一方の焼戻し温度以下で、かつ前記低圧用ロータの
焼戻し温度以上、および前記低圧用ロータのＡｃ１変態
温度以下のうち、いずれか一方の温度で熱処理するもの
である。

【００５２】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２１
に記載したように、高圧用タービン初段落と中圧用ター
ビン初段落に用いたタービン初段落ロータの１２％Ｃｒ
系鋼と、前記高圧用タービン初段落以外のタービン段落
に用いた高圧用ロータの１％ＣｒＭｏＶ系鋼と、前記中
圧用タービン初段落以外のタービン段落に用いた中圧用
ロータの１％ＣｒＭｏ系鋼と、低圧用ロータに用いた３
〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼とを互いに溶接後、前記ター
ビン初段落ロータの１２％Ｃｒ系鋼、前記高圧用ロータ
の１％ＣｒＭｏＶ系鋼および前記中圧用ロータの１％Ｃ
ｒＭｏＶ系鋼におけるタービン段落の領域と、前記低圧
用ロータの３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼における最終タ
ービン段落以外のタービン段落の領域とに、前記１２％
Ｃｒ系鋼および前記１％ＣｒＭｏＶ系鋼のうち、いずれ
か一方の焼戻し温度以下で、かつ前記３〜４％ＮｉＣｒ
ＭｏＶ系鋼の焼戻し温度以上、および前記３〜４％Ｎｉ
ＣｒＭｏＶ系鋼のＡｃ１変態温度以下のうち、いずれか
一方の温度で熱処理する方法である。

【００５３】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２２
に記載したように、請求項２１または２２記載の蒸気タ
ービンロータの製造方法において、熱処理温度は６００
〜６３０℃の範囲であることを特徴とする方法である。

【００５４】

【発明の実施の形態】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の実施形態を図面および表を
参照しながら説明する。

【００５５】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ために用
いた概念図である。なお、本実施形態は、理解を容易に
するため、図２に示す従来の例えば、高中低圧一体型の
蒸気タービンロータを用いるとともに、この蒸気タービ
ンロータを、図１に示した、例えば高中低圧一体型の複
数種の化学的成分・組成の材質を用いた蒸気タービンロ
ータと異なり、単種類の化学的成分・組成の材質を用い
ている。

【００５６】図１および図２に示した蒸気タービンロー
タは、材質の点を除いて、ともに、ロータ１をタービン
段落高圧部ＨＰＳ、タービン段落中圧部ＩＰＳ、タービ
ン段落低圧部ＬＰＳとに区分けして形成する。

【００５７】本実施形態は、タービン段落高圧部ＨＰＳ
とタービン段落中圧部ＩＰＳとを同一化学的成分・組成
で当初から一体化して製作するとともに、タービン段落
低圧部ＬＰＳを異材質で別体に製作し、タービン段落中
圧部ＩＰＳとタービン段落低圧部ＬＰＳとの接続位置２
で溶接接続させたものである。

【００５８】一体製作のタービン段落高圧部ＨＰＳとタ
ービン段落中圧部ＩＰＳとは、ロータ１に１％ＣｒＭｏ
Ｖ系鋼を用いている。１％ＣｒＭｏＶ系鋼を用いたロー
タ１は、化学的成分・組成（重量％）として０．８〜
１．３％Ｃｒ、０．８〜１．５％Ｍｏ、０．２〜０．３
％Ｖ、残部をＦｅとその他であり、調質熱処理を焼入れ
９７０℃×２２ｈ加熱後、強い風による冷却を行い、そ
の後、焼戻し６７０℃×４０ｈを行ったものである。

【００５９】一方、別体製作のタービン段落低圧部ＬＰ
Ｓは、ロータ１に３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼を用いて
いる。３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼を用いたロータ１
は、化学的成分・組成（重量％）として２．４〜４．５
％Ｎｉ、１．５〜２．０％Ｃｒ、０．３〜０．８％Ｍ
ｏ、０．０８〜０．２％Ｖ、残部をＦｅとその他であ
り、調質熱処理を焼入れ８４０℃×３３ｈ加熱後、水ス
プレー冷却を行い、その後、焼戻し５９０℃×５０ｈを
行ったものである。

【００６０】他方、一体製作のタービン段落高圧部ＨＰ
Ｓおよびタービン段落中圧部ＩＰＳと別体製作のタービ
ン段落低圧部ＬＰＳとを接続位置２で溶接接続させる
際、溶接金属は、化学的成分・組成（重量％）として、
２．７〜３．５％Ｎｉ、０．２〜０．５％Ｃｒ、０．４
〜０．９％Ｍｏ、残部Ｆｅとその他を用いた。

【００６１】本実施形態は、上述のロータ１の化学的成
分・組成および溶接金属の化学的成分・組成を用いて接
続位置２で溶接接続させた後、溶接部を境にタービン段
落高圧部ＨＰＳおよびタービン段落中圧部ＩＰＳ側の全
領域と、最終タービン段落部Ｌ−０を除く全領域とを高
周波コイルまたは電気炉で部分加熱し、溶接後の熱処理
を行った。その熱処理温度は、６１０℃×４０ｈおよび
６２５℃×４０ｈの２種類にした。なお、比較例として
対比考察するため、その熱処理温度は、５８０℃×４０
ｈおよび６８０℃×４０ｈも用いた。

【００６２】また、比較例として対比考察するために、
高中低圧一体型蒸気タービンロータのロータ１を、同種
類成分・組成だけの１％ＣｒＭｏＶ系鋼および３．９％
ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼のものを製作した。

【００６３】次に、本実施形態に用いた高中低圧一体型
の蒸気タービンロータおよび比較例として用いた高中低
圧一体型の蒸気タービンロータのそれぞれから試験片を
採取し、各種材料特性のデータを表１にまとめた。

【００６４】

【表１】

【００６５】表１に示す試験項目とその試験条件は、室
温引張強さ（室温における引張強さ）、靭性を表すＦＡ
ＴＴ（シャルピー衝撃試験によって求められる延性−脆
性破面遷移温度）、ＳＣＣ（応力腐食）割れ感受性（Ｊ
ＩＳ Ｇ ０５７６に準拠したＵ字曲げ試験で、１００
０ｐｐｍの塩化ナトリウム水溶液中での１０００ｈの浸
漬試験でＳＣＣ割れの有無を評価）、クリープ破断強度
（５８０℃、１０万ｈ破断強度）、溶接部の残留応力
（センタードリル法で評価）である。

【００６６】また、試験位置は、下記の各タービン段落
とした。タービン段落低圧部ＬＰＳの最終タービン段落
を「Ｌ−０」とし、その前のタービン段落を「Ｌ−
１」、その前々のタービン段落を「Ｌ−２」とし、順
次、蒸気の上流側に向ってタービン段落の名称をつける
ことにした。この実施形態および比較例においては、最
終タービン段落は「Ｌ−０」から「Ｌ−５」の全６ター
ビン段落である。

【００６７】また、中圧タービン段落は、蒸気流入側か
ら順に「Ｉ１」「Ｉ２」…「Ｉ５」とタービン段落の名
称をつけた。材料特性は「Ｉ４」および「Ｉ５」の２タ
ービン段落だけにした。その理由は、本実施形態および
比較例においては、高圧タービン段落および中圧タービ
ン段落の溶接後熱処理を電気炉中で均一温度に設定して
行ったため、材料特性がほぼ均一であると判断したため
である。

【００６８】本実施形態は、１％ＣｒＭｏＶ系鋼のロー
タ１と３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼のロータ１とを溶接
接続し、溶接後熱処理温度を１％ＣｒＭｏＶ系鋼のロー
タ１と３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼のロータ１とのそれ
ぞれの焼戻し温度の中間域の温度であり、かつ３．９％
ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼のロータ１のＡｃ１変態温度よりも
低い６１０℃を選定した。また、後熱処理は、溶接接続
部をはさんでタービン段落高中圧部ＨＰＳ，ＩＰＳのす
べてのタービン段落領域、およびタービン段落低圧部の
最終タービン段落部「Ｌ−０」を除くタービン段落部分
を含んで、高周波コイルまたは電気炉中での部分加熱方
式によって行ったので、「Ｌ−１」タービン段落から
「Ｌ−３」タービン段落の範囲で後熱処理温度の傾斜が
生じ、室温引張強さおよびＦＡＴＴの特性の傾斜化が認
められた。これらの領域においては、ロータ１に植え込
まれるタービン翼の翼長が「Ｌ−０」タービン段落に較
べて短くなり、回転時の遠心力が小さくなるので、ロー
タ１の室温引張強さは小さくなるものの、強度に影響を
与えない。むしろ、ＦＡＴＴの低減（靭性の向上）と強
度低下に伴うＳＣＣ（応力腐食）割れ感受性の低減をも
たらし、ロータ１の安定運転が確保された。

【００６９】また、クリープ破断強度は、溶接後熱処理
温度が１％ＣｒＭｏＶ系鋼の焼戻し温度より低いので引
張強さが変化しないのと同様に高く維持された。さら
に、溶接部の残留応力は６０ＭＰａと低いレベルになっ
ており、溶接後熱処理による応力除去効果も得られた。

【００７０】一方、本実施形態に較べて比較例１は、低
圧タービン段落の室温引張強さが低く、靭性も低い（Ｆ
ＡＴＴが高い）ことから、高中低圧一体型の蒸気タービ
ンロータとしては適当ではない。また、比較例２は、高
中圧タービン段落のクリープ破断強度が低く、また、
「Ｌ−２」タービン段落のＳＣＣ感受性が高く、やはり
高中低圧一体型の蒸気タービンロータとしては適当では
ない。また、比較例３は溶接後熱処理温度を３．９％Ｎ
ｉＣｒＭｏＶ鋼の焼戻し温度より低くした例であるが、
「Ｌ−２」タービン段落のＳＣＣ感受性が高く、溶接部
の残留応力は極めて高いままになっており、やはり高中
低圧一体型の蒸気タービンロータとしては適当ではな
い。また、比較例４は、溶接後熱処理温度を１％ＣｒＭ
ｏＶ鋼の焼戻し温度より高くした例であるが、高中圧タ
ービン段落のクリープ破断強度が低下し、やはり高中低
圧一体型の蒸気タービンロータとしては適当ではない。

【００７１】このように、本実施形態は、ロータ１に優
れた諸特性を持たせているので、高中低圧一体型の蒸気
タービンロータをして、より一層高強度の下、長く安定
運転を行わせることができる。

【００７２】なお、本実施形態は、１％ＣｒＭｏＶ系鋼
のロータ１と３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼のロータ１と
を溶接後、熱処理温度として６１０℃を用いたが、この
例に限らず６２５℃を用いても、表１の実施例２に示す
とおり、好結果を得た。

【００７３】図３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ために用
いた概念図である。なお、第１実施形態の構成要素と同
一構成要素には同一符号を付す。

【００７４】本実施形態は、ロータ１の材質として１％
ＣｒＭｏＶ系鋼、１２％Ｃｒ系鋼、３．９％ＮｉＣｒＭ
ｏＶ系鋼の３種類の異なった材質を採用した。すなわ
ち、１％ＣｒＭｏＶ系鋼をタービン段落高圧部ＨＰＳの
高圧用ロータ１ａに用い、１２％Ｃｒ系鋼をタービン段
落高圧部ＨＰＳの高圧用タービン初段落とタービン段落
中圧部ＩＰＳの中圧用タービン初段落との間、具体的に
は蒸気入口部分に、ロータ１ｂを用い、タービン段落中
圧部ＩＰＳのうち、残りの中圧用ロータ１ｃに１％Ｃｒ
ＭｏＶ系鋼を用い、３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼をター
ビン段落低圧部ＬＰＳの低圧用ロータ１ｄに用い、異材
質の各ロータ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄとの接続位置３
ａ，３ｂ，３ｃで溶接接続させたものである。

【００７５】１２％Ｃｒ系鋼を用いた中圧用ロータ１ｂ
は、化学的成分・組成（重量％）として１．０５％Ｃ
ｒ、１．０％Ｍｏ、０．２５％Ｖ、０．０７％Ｎｂ、
０．０５％Ｎを含んだＦｅおよびその他とするものであ
り、調質熱処理を焼入れ１０５０℃×２０ｈ加熱後、強
い風による冷却を行い、その後、焼戻し６５０℃×３５
ｈを行った。なお、他の実施形態は、第１実施形態と同
じであるので、その説明を省略する。

【００７６】上述の実施形態に基づく各種材料特性は、
「実施例３」として表１にまとめた。なお、表１中、
「Ｈ１」は１２％Ｃｒ系鋼のロータ１ｂのデータであ
る。また、ＳＣＣ割れ感受性試験は、蒸気の乾湿交番域
に相当する「Ｌ−２」タービン段落で行った。また、ク
リープ現象は、高温域で問題となるので「Ｉ５」で行っ
た。

【００７７】本実施形態は、１％ＣｒＭｏＶ系鋼の高圧
用ロータ１ａ、１２％Ｃｒ系鋼のタービン段落高圧部Ｈ
ＰＳの高圧用タービン初段落とタービン段落中圧用ＩＰ
Ｓの中圧用タービン初段落との間、具体的には蒸気入口
部分のロータ１ｂ、１％ＣｒＭｏＶ系鋼の中圧用ロータ
１ｃおよび３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼の低圧用ロータ
１ｄを互いに溶接接続し、溶接後の熱処理として、１％
ＣｒＭｏＶ系鋼の高圧用ロータ１ａおよび中圧用ロータ
１ｃと３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼の低圧用ロータ１ｄ
のそれぞれの焼戻し温度の中間域の温度であり、かつ
３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼の低圧用ロータ１ｄのＡｃ
１変態温度よりも低い６２５℃を選定した。また、後熱
処理は、溶接接続部をはさんでタービン段落高，中圧部
ＨＰＳ，ＩＰＳのすべてのタービン段落領域、およびタ
ービン段落低圧部の最終タービン段落を除くタービン段
落部分を含んで、高周波コイルまたは電気炉中での部分
加熱方式によって行ったので、「Ｌ−１」タービン段落
から「Ｌ−３」タービン段落の範囲で後熱処理温度の傾
斜が生じ、室温引張強さおよびＦＡＴＴの特性の傾斜化
が認められた。これらの領域においては、ロータ１に植
え込まれるタービン翼の翼長が「Ｌ−０」タービン段落
に較べて短くなり、回転時の遠心力が小さくなるので、
ロータ１の室温引張強さは小さくなるものの、強度に影
響を与えない。むしろ、ＦＡＴＴの低減（靭性の向上）
と強度低下に伴うＳＣＣ割れ感受性が低減し、ロータ１
の安定運転が確保できた。

【００７８】１％ＣｒＭｏＶ系鋼のクリープ破断強度
は、溶接後の熱処理温度が１％ＣｒＭｏＶ系鋼の焼戻し
温度より低いので、引張強さの変化がなく高く維持され
た。

【００７９】一方、１２％Ｃｒ系鋼のクリープ破断強度
も、溶接後の熱処理温度が１２％Ｃｒ系鋼の焼戻し温度
より低いので、引張強さは調質後のロータのレベルと同
等である。また、溶接部の残留応力は、１％ＣｒＭｏＶ
系鋼のロータと３．９％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼のロータと
の溶接部においては５５ＭＰａで、１％ＣｒＭｏＶ系鋼
と１２％Ｃｒ系鋼との溶接部においては６０ＭＰａと低
いレベルになっており、溶接後の熱処理による応力除去
効果も得られていた。

【００８０】このように、本実施形態は、ロータ１を、
１％ＣｒＭｏＶ鋼の高圧用ロータ１ａ、１２％Ｃｒ系鋼
の高圧用タービン初段落と中圧用タービン初段落との
間、具体的には蒸気入口部分のロータ１ｂ、１％ＣｒＭ
ｏＶ系鋼の第２中圧用ロータ１ｃおよび３．９％ＮｉＣ
ｒＭｏＶ系鋼の低圧用ロータ１ｄに区分けして用い、表
１に示すように優れた諸特性を持たせたので、第１実施
形態と同様に、高中低圧一体型の蒸気タービンロータを
して、より一層高強度の下、安定運転を行わせることが
できる。

【００８１】図４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ために用
いた概念図である。

【００８２】本実施形態は、１％ＣｒＭｏＶ鋼のロータ
４ａと１２％Ｃｒ系鋼の代表鋼の一つである１０．５％
ＣｒＭｏＶＮｂＮ系鋼（特公昭６０−５４３８５号公
報）のロータ４ｂとを溶接接続させて高中低圧一体型の
蒸気タービンロータを形成する際、１％ＣｒＭｏＶ系鋼
のロータ４ａの端部における開先形状を凹状錐体（雌
部）５に形成するとともに、１０．５％ＣｒＭｏＶＮｂ
Ｎ系鋼のロータ４ｂの開先形状を凸状錐体（雄部）６に
形成したものである。具体的には、凸状錐体６は、ロー
タ４ａ，４ｂの中心軸ＣＬを基準に拡り角度、θ＝３０
°〜９５°の範囲に設定されている。なお、凸状錐体６
の先端は、凹状錐体５に対し、例えば四辺形の空間にし
た非接触部７を備えている。

【００８３】一方、溶接接続部８を挟んで１％ＣｒＭｏ
Ｖ系鋼のロータ４ａから１０．５％ＣｒＭｏＶＮｂＮ系
鋼のロータ４ｂに至る位置には、中心軸ＣＬと平行にＣ
ｒ量を検査する分析用サンプリングラインＸ１，Ｘ２，
…Ｘ５が外径側から内径側に向って順に仮想線として設
けられている。

【００８４】また、溶接接続部８を挟んで１％ＣｒＭｏ
Ｖ系鋼のロータ４ａから１０．５％ＣｒＭｏＶＮｂＮ系
鋼のロータ４ｂに至る位置には、分析用サンプリングラ
インＸ１，Ｘ２，…Ｘ５に横断するＣｒ量検査位置Ｙ
１，Ｙ２，Ｙ３が仮想線として設けられている。

【００８５】図５は、分析用サンプリングラインＸ１，
Ｘ２，…Ｘ５から分析したＣｒ量である。

【００８６】一般に、Ｃｒ量が０．５〜２．５重量％程
度の合金鋼は低合金鋼、Ｃｒ量が８〜１３重量％の合金
鋼は高Ｃｒ鋼（代表例として９％Ｃｒ鋼、１２％Ｃｒ鋼
等）と称されている。

【００８７】しかし、低Ｃｒ鋼と高Ｃｒ鋼の中間的なＣ
ｒ量（５〜６重量％）を含有する構造用鋼は一般的では
ない。中間的なＣｒ量（５〜６重量％）になると、高温
クリープ破断強度および室温引張強さが低下することに
基づく。

【００８８】このため、１％ＣｒＭｏＶ鋼のロータ４ａ
と１０．５％ＣｒＭｏＶＮｂＮ系鋼のロータ４ｂとを溶
接接続させる際、溶接接続部８には、中間的なＣｒ量
（５〜６重量％）の存在が予想される。中間的なＣｒ量
の存在の下、１％ＣｒＭｏＶ鋼のロータ４ａと１０．５
％ＣｒＭｏＶＮｂＮ系鋼のロータ４ｂとを中心軸ＣＬに
対して鉛直面に溶接接続部８を設けると、その溶接接続
部８は中心軸ＣＬ方向の強度を低下させることが知られ
ている。

【００８９】本実施形態は、この点を考慮したもので、
異材質のロータ４ａ，４ｂを互いに溶接接続させる際、
各ロータ４ａ，４ｂの開先形状を凹状錐体５と凸状錐体
６とのそれぞれに形成するとともに、溶接接続部８にお
ける凹状錐体５および凸状錐体６の中心軸ＣＬを基準に
拡り角度θ＝３０°〜９５°の範囲に設定したものであ
る。

【００９０】尤も、図４に示したＣｒ量検査位置Ｙ２で
のＣｒ量を図５のグラフで分析する限り、分析用サンプ
リングラインＸ３のＣｒ量は約６重量％であり、その該
当部分の強度低下が予想される。

【００９１】しかし、分析用サンプリングラインＸ１，
Ｘ２は、Ｃｒ量が１〜２重量％であり、また、分析用サ
ンプリングラインＸ４，Ｘ５はＣｒ量が８〜９重量％に
なっており、強度低下を生じない。つまり、各ロータ４
ａ，４ｂの開先形状を凹状錐体５と凸状錐体６とのそれ
ぞれに形成し、溶接接続部８における凹状錐体５および
凸状錐体６の中心軸ＣＬを基準に拡り角度θ＝３０°〜
９５°の範囲に設定すると、一部の位置で中間Ｃｒ量に
なったとしても、他の位置でＣｒ量が中間Ｃｒ量よりも
増減するので、強度低下を充分に補完することができ
る。他のＣｒ量検査位置Ｙ１，Ｙ３でも同様である。

【００９２】このように、本実施形態は、異材質のロー
タ４ａ，４ｂを互いに溶接接続させる際、溶接接続部８
の開先形状を凹状錐体５と凸状錐体６とに形成するとと
もに、溶接接続部８の溶接線を中心軸ＣＬに対して拡り
角度をθ＝３０°〜９５°の範囲に設定し、一部分でＣ
ｒ量が中間値になっても残りの部分でＣｒ量を増減さ
せ、全体としてＣｒ量を中間値から離したので、一部分
での強度低下を残りの部分で強度低下を補完することが
できる。特に、本実施形態に係るロータは、蒸気入口部
等の高温部に適用すると有効である。

【００９３】図６は、狭開先サブマージアーク溶接法を
用いてロータを溶接接続させる本発明に係る蒸気タービ
ンロータの第４実施形態を説明するために用いた概略図
である。

【００９４】本実施形態は、高圧用ロータ９ａと低圧用
ロータ９ｂとを溶接接続させる際、各ロータ９ａ，９ｂ
に狭開先を設け、狭開先にサブマージアーク溶接機を用
いて狭開先溶接部１５を形成し、溶接接続させたもので
ある。

【００９５】従来、高低圧一体型蒸気タービンロータ９
は、高圧用ロータ９ａ、低圧用ロータ９ｂ、最終タービ
ン段落用ロータ９ｃ、ジャーナル軸受用ロータ（図示せ
ず）を溶接接続させる際、容量の大きい溶接デポ部を必
要としていた。このような大きな入熱を伴う開先形状で
溶接を行うと、各ロータ９ａ，９ｂ，９ｃ等の周方向に
おける溶接条件のばらつきのため、しばしば軸曲りが生
じ、溶接後の加工工程で曲り修正加工等の作業量が増加
していた。

【００９６】本実施形態によれば、溶接部を狭開先形状
にし、大幅に狭めたので、各ロータ９ａ，９ｂ，９ｃ等
の軸曲りを防止でき、溶接後の加工工程での修正加工作
業を低減することができる。

【００９７】図７は、本発明に係る蒸気タービンロータ
の第５実施形態を説明するために用いた概念図である。
なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には同一
符号を付す。

【００９８】本実施形態は、例えば高中低圧一体型蒸気
タービンロータを適用対象にしている。

【００９９】高中低圧一体型蒸気タービンロータ２２
は、ロータ１をタービン段落高圧部ＨＰＳ、タービン段
落中圧部ＩＰＳ、タービン段落低圧部ＬＰＳに区分けし
ている。また、ロータ１は、中心部分の偏析等を除去す
るために中心孔１８を設け、この中心孔１８を軸方向に
沿って長く延ばして形成している。

【０１００】ところで、従来の高中低圧一体型蒸気ター
ビンロータ２２は、タービン段落高圧部ＨＰＳおよびタ
ービン段落中圧部ＩＰＳともに高温クリープ強度を充分
に確保させていたが、タービン段落低圧部ＬＰＳの脆性
破壊に対して充分に保障していなかった。このため、高
中低圧一体型蒸気タービンロータ２２は、化学的成分・
組成に改良を加えるとともに、一つのロータ１に異なる
温度の熱処理を行い、高温クリープ強度と靱性および引
張強さとの二つの相異なる特性を一つのロータ１に持た
せていた。

【０１０１】しかし、一つのロータ１に高温強度と靱性
等との両方を持たせても、依然として長尺化は避けられ
ない。このため、ロータ１が長尺化しても、蒸気タービ
ンは、運転中に発生する遠心力に伴う強度保証、振動の
抑制化、軸受の負荷軽減化を考えると、ロータ１の軽量
化が必要とされる。

【０１０２】本実施形態に係る高中低圧一体型蒸気ター
ビンロータ２２は、このような点を考慮したもので、ロ
ータ１の中心孔１８に対し、横断方向に延びる中空部２
３を形成したものである。中空部２３は、タービン段落
中圧部ＩＰＳとタービン段落低圧部ＬＰＳとの境界部分
に形成した第１中空部２４、タービン段落低圧部ＬＰＳ
の入口側および出口側のそれぞれに形成した第２中空部
２５、第３中空部２６を備えている。

【０１０３】このように、本実施形態は、ロータ１の中
心孔２に対し、横断方向に中空部２３を形成し、軽量化
を図ったので、遠心力に伴う強度保証、振動発生の抑制
化、軸受の荷重負担の軽減化に充分に寄与することがで
きる。

【０１０４】図８は、本発明に係る蒸気タービンロータ
の第６実施形態を説明するために用いた一部切欠き部分
断面図である。

【０１０５】本実施形態に係る蒸気タービンロータは、
例えばタービン段落低圧部ＬＰＳの最終タービン段落Ｌ
Ｓにロータ１の中心孔１８に対し、横断方向に延びる中
空部２３と分割合わせ面２７を形成するとともに、分割
合わせ面２７に狭開先部３２を形成し、狭開先部３２の
基底部３０の幅を７ｍｍに設定するとともに、その外表
面側に向うにしたがって開先幅の傾斜角αを、α＝１０
／１００に設定したものである。

【０１０６】このように、本実施形態は、ロータ１の中
心軸に交差する横断線に対して傾斜角αを、α＝１０／
１００に設定したので、溶接施工の際、軸方向の収縮率
を少なくさせてロータ１の溶接時の曲りを少なくさせる
ことができる。

【０１０７】図９は、本発明に係る蒸気タービンロータ
の第７実施形態を説明するために用いた一部切欠き部分
断面図である。

【０１０８】本実施形態に係る蒸気タービンロータは、
例えば、タービン段落低圧部ＬＰＳの最終タービン段落
ＬＳにロータ１の中心孔１８に対し、横断方向に延びる
中空部２３と分割合わせ面２７を形成し、その分割合わ
せ面２７を溶接接続させる際、ロータ１に曲りが生じた
場合、溶接トーチ１６の入熱量の増減を修正させる非接
触式のレーザ変位測定センサ３１と、狭開先部３２の幅
Ｗに変位が生じた場合、溶接トーチ１６の入熱量の増減
を修正させるレーザ測長計３３とをそれぞれ設けたもの
である。

【０１０９】従来、構造部材は、その分割合わせ面を溶
接接続させる際、溶接熱が高いと分割合せ面や開先等の
予め定められた設定位置が変位し、設計寸法どおりの位
置に溶接部を維持させることができない場合がある。

【０１１０】本実施形態は、このような点を考慮したも
ので、ロータ１の外表面が溶接熱により変位した場合、
その変位量に応じて溶接トーチ１６からの入熱量の増減
を修正するレーザ変位測定センサ３１と、狭開先部３２
の幅Ｗが溶接熱により変位した場合、その変位量に応じ
て溶接トーチ１６からの入熱量の増減を修正させるレー
ザ測長計３３とを備えたものである。

【０１１１】したがって、本実施形態によれば、分割合
わせ面２７を溶接接続させる際、溶接部２８および狭開
先部３２の幅Ｗのそれぞれの位置が変位したとき、溶接
トーチ１６からの入熱量を修正させるレーザ変位測定セ
ンサ３１およびレーザ測長計３３を備えたので、設計寸
法どおりの適正位置に溶接部を維持させることができ
る。

【０１１２】図１１は、本発明に係る蒸気タービンロー
タの第８実施形態を説明するために用いた一部切欠き部
分断面図である。

【０１１３】従来、蒸気タービンは、図１０に示すよう
に、ロータ１の分割合わせ面２７を溶接部２８で接続さ
せる際、中空部２３側の端面に溶接裏波による鋭い切欠
き３４が形成され、この切欠き３４が応力集中による損
傷発生の要因になっていた。

【０１１４】本実施形態は、このような点を考慮したも
ので、図１１に示すように、分割合わせ面２７の中空部
２３側の端面に溶接裏波による鋭い切欠き３４が発生し
た場合、レーザ溶接機３５で化粧盛り溶接部３６を形成
して滑らかに仕上げたものである。

【０１１５】したがって、本実施形態によれば、分割合
わせ面２７の中空部２３側の端面に発生する切欠き３４
をレーザ溶接機３５で化粧盛り溶接部３６に形成するの
で、応力集中による損傷の発生を防止することができ
る。

【０１１６】なお、本実施形態は、分割合わせ面２７の
中空部２３側の端面に発生する溶接裏波による切欠き３
４をレーザ溶接機３５で化粧盛り溶接部３６を形成した
が、この例に限らず、例えば図１２に示すように、サン
ドブラスト装置３７から圧縮空気にアルミナ微粉末を溶
融し、切欠き３４に吹きつけて除去および表面に圧縮応
力を残留させてもよい。

【０１１７】図１３は、本発明に係る蒸気タービンロー
タの第１０実施形態を説明するために用いた一部切欠き
部分断面図である。

【０１１８】従来、蒸気タービンは、ロータ１の分割合
わせ面２７を溶接部２８で接続させる際、その溶接部２
８が高圧、高温蒸気に晒されていると、長年の使用の結
果、腐食を受けることがあった。

【０１１９】本実施形態は、このような点を考慮したも
ので、図１３に示すように、ロータ１に形成した中空部
２３に連なる分割合わせ面２７の溶接部２８の外表面側
に耐食コーティング部３８を形成したものである。

【０１２０】本実施形態は、ロータ１の分割合わせ面２
７に形成した溶接部２８に耐食コーティング部３８を形
成したので、溶接部２８の腐食を防止してロータ１に安
定運転を行わせることができる。

【０１２１】

【発明の効果】以上の説明のとおり、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、高温・高圧およ
び低温・低圧の環境条件の下、適切な材料を用いるとと
もに、異種類材質のロータを溶接接続する際、軽量化し
て適切な措置を行い、かつ溶接後適切な熱処理を行った
ので、高温・高圧の環境に対して優れたクリープ破断強
度を確保でき、低温・低圧の環境に対して優れた室温引
張強さおよび靱性を同時に確保でき、ＳＣＣ感受性を抑
制することができ、溶接部の残留応力を低く抑えること
ができ、タービン翼の長翼化にも充分に適用することが
できる。

【０１２２】したがって、本発明に係る蒸気タービンロ
ータおよびその製造方法では、使用する蒸気条件が増加
し、低圧蒸気タービンの最終タービン段落に用いるター
ビン翼が長翼化しても充分に対処することができ、大容
量・高効率の蒸気タービンプラントを実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【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ために用いた概念図。

【図２】図１に示した蒸気タービンロータの理解を容易
にさせるために用いた従来の蒸気タービンロータを示す
概念図。

【図３】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ために用いた概念図。

【図４】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ために用いた概念図。

【図５】図４に示した蒸気タービンロータに含まれるＣ
ｒ量を示すグラフ。

【図６】本発明に係る蒸気タービンロータの第４実施形
態を説明するために用いた部分概念図。

【図７】本発明に係る蒸気タービンロータの第５実施形
態を説明するために用いた概念図。

【図８】本発明に係る蒸気タービンロータの第６実施形
態を説明するために用いた一部切欠部分断面図。

【図９】本発明に係る蒸気タービンロータの第７実施形
態を説明するために用いた一部切欠部分断面図。

【図１０】従来のロータの分割合わせ前における溶接接
続部分を示す一部きり部分断面図。

【図１１】本発明に係る蒸気タービンロータの第８実施
形態を説明するために用いた一部切欠部分断面図。

【図１２】本発明に係る蒸気タービンロータの第９実施
形態における変形例を示す概念図。

【図１３】本発明に係る蒸気タービンロータの第１０実
施形態を説明するために用いた一部切欠部分断面図。

【符号の説明】

１ ロータ １ａ 高圧用ロータ １ｂ 第１中圧用ロータ １ｃ 第２中圧用ロータ １ｄ 低圧用ロータ ２ 接続位置 ３ａ，３ｂ，３ｃ 接続位置 ４ａ，４ｂ ロータ ５ 凹状錐体 ６ 凸状錐体 ７ 非接触部 ８ 溶接接続部 ９ 高低圧一体型蒸気タービン ９ａ 高圧用ロータ ９ｂ 低圧用ロータ ９ｃ 最終タービン段落用ロータ １５ 溶接部 １８ 中心孔 ２２ 高中低圧用一体型ロータ ２３ 中空部 ２４ 第１中空部 ２５ 第２中空部 ２６ 第３中空部 ２７ 分割合わせ面 ２８ 溶接部 ３０ 基底部 ３１ レーザ変位測定センサ ３２ 狭開先部 ３３ レーザ測長計 ３４ 切欠き ３５ レーザ溶接機 ３６ 化粧盛り溶接部 ３７ サンドブラスト装置 ３８ 耐食コーティング部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 38/22 Ｃ２２Ｃ 38/22 38/44 38/44 38/46 38/46 (72)発明者 津田 陽一 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 石井 龍一 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 浅井 知 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 菊地 正孝 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 金子 丈治 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 吉岡 洋明 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 3G002 AA07 AA08 AA11 AA13 AB00 AB08 EA06 4K042 AA24 AA25 BA01 BA09 BA14 CA06 CA08 CA10 CA13 DA05 DA06 DB01 DC02 DC03

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧用ロータおよび中圧用ロータのう
   ち、少なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた
   蒸気タービンロータにおいて、前記高圧用ロータおよび
   前記中圧用ロータのうち、少なくとも一方と、前記低圧
   用ロータとは化学的組成の異なる材質を用いるととも
   に、溶接手段を用いて互いを溶接接続させたことを特徴
   とする蒸気タービンロータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の蒸気タービンロータにお
   いて、高圧用ロータは、１％ＣｒＭｏＶ系鋼を用いたこ
   とを特徴とする蒸気タービンロータ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の蒸気タービンロータにお
   いて、低圧用ロータは、３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼を
   用いたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
4. 【請求項４】 請求項１記載の蒸気タービンロータにお
   いて、中圧用ロータは、１％ＣｒＭｏＶ系鋼を用いたこ
   とを特徴とする蒸気タービンロータ。
5. 【請求項５】 高圧用ロータおよび中圧用ロータのう
   ち、少なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた
   蒸気タービンロータにおいて、前記高圧用ロータのう
   ち、高圧用タービン初段落と前記中圧用ロータのうち、
   中圧用タービン初段落に１２％Ｃｒ系鋼を用い、前記高
   圧用ロータのうち、前記高圧用タービン初段落以外の高
   圧用タービン段落に１％ＣｒＭｏＶ系鋼を用い、前記中
   圧用ロータのうち、前記中圧用タービン初段落以外の中
   圧用タービン段落に１％ＣｒＭｏＶ鋼を用い、前記低圧
   用ロータに３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼を用いるととも
   に、溶接手段を用いて互いを溶接接続させたことを特徴
   とする蒸気タービンロータ。
6. 【請求項６】 請求項２，４または５記載の蒸気タービ
   ンロータにおいて、１％ＣｒＭｏＶ系鋼は、０．８〜
   １．３重量％Ｃｒ、０．８〜１．５重量％Ｍｏ、０．２
   〜０．３重量％Ｖ、残部Ｆｅとその他であることを特徴
   とする蒸気タービンロータ。
7. 【請求項７】 請求項３または５記載の蒸気タービンロ
   ータにおいて、３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼は、２．５
   〜４．５重量％Ｎｉ、１．５〜２．０重量％Ｃｒ、０．
   ３〜０．８重量％Ｍｏ、０．０８〜０．２重量％Ｖ、残
   部Ｆｅとその他であることを特徴とする蒸気タービンロ
   ータ。
8. 【請求項８】 請求項５記載の蒸気タービンロータにお
   いて、１２％Ｃｒ系鋼を用いたロータは、端部を凸状錐
   体および凹状錐体のうち、いずれか一方に形成し、１％
   ＣｒＭｏＶ系鋼を用いたロータは、端部を凸状錐体およ
   び凹状錐体のうち、いずれか一方に形成し、前記１２％
   Ｃｒ系鋼に用いたロータを前記１％ＣｒＭｏＶ系鋼に用
   いたロータに嵌合後、溶接手段を用いて溶接接続させた
   ことを特徴とする蒸気タービンロータ。
9. 【請求項９】 請求項８記載の蒸気タービンロータにお
   いて、凸状錐体および凹状錐体は、中心軸に対して傾斜
   させたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
10. 【請求項１０】 請求項１，５または８記載の蒸気ター
    ビンロータにおいて、溶接手段に用いる溶接金属は、
    ２．７〜３．５重量％Ｎｉ、０．２〜０．５重量％Ｃ
    ｒ、０．４〜０．９重量％Ｍｏ、残部Ｆｅとその他であ
    ることを特徴とする蒸気タービンロータ。
11. 【請求項１１】 請求項１記載の蒸気タービンロータに
    おいて、高圧用ロータおよび中圧用ロータのうち、少な
    くとも一方と低圧用ロータとを溶接手段を用いて溶接
    後、前記高圧用ロータおよび前記中圧用ロータのうち、
    少なくとも一方のタービン段落の領域と、前記低圧用ロ
    ータのうち、最終タービン段落以外のタービン段落の領
    域とを熱処理手段を用いて熱処理したことを特徴とする
    蒸気タービンロータ。
12. 【請求項１２】 請求項５記載の蒸気タービンロータに
    おいて、高圧用ロータ、１２％Ｃｒ系鋼を用いたロー
    タ、中圧用ロータおよび低圧用ロータとを溶接手段を用
    いて溶接後、前記高圧用ロータ、前記１２％Ｃｒ系鋼を
    用いたロータ、前記中圧用ロータおよび低圧用ロータの
    うち、最終タービン段落以外のタービン段落の領域を熱
    処理手段を用いて熱処理したことを特徴とする蒸気ター
    ビンロータ。
13. 【請求項１３】 高圧用ロータおよび中圧用ロータのう
    ち、少なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた
    蒸気タービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔に
    横断して延びる分割合わせ面に狭開先部を形成し、前記
    狭開先部を溶接する際、溶接熱による各ロータの変位お
    よび前記分割合わせ面の前記狭開先部の変位を検出し、
    溶接トーチからの入熱量を増減制御するレーザ変位測定
    センサとレーザ測長計とを備えたことを特徴とする蒸気
    タービンロータ。
14. 【請求項１４】 高圧用ロータおよび中圧用ロータのう
    ち、少なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた
    蒸気タービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔に
    横断して延びる分割合わせ面に狭開先部を形成し、前記
    狭開先部を溶接する際、サブマージアーク溶接手段を用
    いたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
15. 【請求項１５】 請求項１３または１４記載の蒸気ター
    ビンロータにおいて、狭開先部は、ロータの中心軸に交
    差する横断線に対して傾斜角１０／１００に設定したこ
    とを特徴とする蒸気タービンロータ。
16. 【請求項１６】 請求項１４記載の蒸気タービンロータ
    において、分割合わせ面は、中心孔側に中空部を形成し
    たことを特徴とする蒸気タービンロータ。
17. 【請求項１７】 高圧用ロータおよび中圧用ロータのう
    ち、少なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた
    蒸気タービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔に
    横断して延びる分割合わせ面の溶接後、溶接端部の前記
    中心孔側に化粧盛り溶接部を形成したことを特徴とする
    蒸気タービンロータ。
18. 【請求項１８】 高圧用ロータおよび中圧用ロータのう
    ち、少なくとも一方と、低圧用ロータとを組み合わせた
    蒸気タービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔に
    横断して延びる分割合わせ面の溶接後、溶接端部の前記
    中心孔側にブラスト手段を用いて残留応力部を形成した
    ことを特徴とする蒸気タービンロータ。
19. 【請求項１９】 高圧用ロータおよび中圧用ロータのう
    ち、少なくとも一方とを、低圧用ロータとを組み合わせ
    た蒸気タービンロータにおいて、前記各ロータの中心孔
    に横断して延びる分割合わせ面の溶接後、溶接端部の外
    表面側に耐食コーティング部を形成したことを特徴とす
    る蒸気タービンロータ。
20. 【請求項２０】 高圧用ロータおよび中圧用ロータのう
    ち、少なくとも一方と、低圧用ロータとを互いに溶接
    後、前記高圧用ロータおよび前記中圧用ロータのうち、
    少なくとも一方のタービン段落の領域と前記低圧用ロー
    タのうち、最終タービン段落以外のタービン段落の領域
    とに、前記高圧用ロータおよび前記中圧用ロータのう
    ち、いずれか一方の焼戻し温度以下で、かつ前記低圧用
    ロータの焼戻し温度以上、および前記低圧用ロータのＡ
    ｃ１変態温度以下のうち、いずれか一方の温度で熱処理
    することを特徴とする蒸気タービンロータ。
21. 【請求項２１】 高圧用タービン初段落と中圧用タービ
    ン初段落に用いたタービン初段落ロータの１２％Ｃｒ系
    鋼と、前記高圧用タービン初段落以外のタービン段落に
    用いた高圧用ロータの１％ＣｒＭｏＶ系鋼と、前記中圧
    用タービン初段落以外のタービン段落に用いた中圧用ロ
    ータの１％ＣｒＭｏ系鋼と、低圧用ロータに用いた３〜
    ４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼とを互いに溶接後、前記タービ
    ン初段落ロータの１２％Ｃｒ系鋼、前記高圧用ロータの
    １％ＣｒＭｏＶ系鋼および前記中圧用ロータの１％Ｃｒ
    ＭｏＶ系鋼におけるタービン段落の領域と、前記低圧用
    ロータの３〜４％ＮｉＣｒＭｏＶ系鋼における最終ター
    ビン段落以外のタービン段落の領域とに、前記１２％Ｃ
    ｒ系鋼および前記１％ＣｒＭｏＶ系鋼のうち、いずれか
    一方の焼戻し温度以下で、かつ前記３〜４％ＮｉＣｒＭ
    ｏＶ系鋼の焼戻し温度以上、および前記３〜４％ＮｉＣ
    ｒＭｏＶ系鋼のＡｃ１変態温度以下のうち、いずれか一
    方の温度で熱処理することを特徴とする蒸気タービンロ
    ータの製造方法。
22. 【請求項２２】 請求項２１または２２記載の蒸気ター
    ビンロータの製造方法において、熱処理温度は６００〜
    ６３０℃の範囲であることを特徴とする蒸気タービンロ
    ータの製造方法。