JP2007332866A

JP2007332866A - 蒸気タービンロータおよび蒸気タービン

Info

Publication number: JP2007332866A
Application number: JP2006165835A
Authority: JP
Inventors: Takeo Suga; 威夫須賀; Masafumi Fukuda; 雅文福田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【課題】耐熱材料の使用範囲を小さくする蒸気タービンロータを提供する。
【解決手段】円柱状に形成された上流部１１ａと、前記上流部１１ａと一体に形成され、動翼１２が嵌め込まれた下流部１１ｂと、外表面に動翼１２が形成され、前記上流部１１ａの表面に嵌め込まれ、下流部１１ｂに用いられた材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いて製作された動翼一体型リング１３とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、上流部に動翼一体型リングが嵌め込まれた蒸気タービンロータおよび蒸気タービンに関する。

火力発電システムにおいて、オイルショック以来、省エネルギ化が強力に推進されており、更に近年は、地球環境保護の観点からＣＯ２の発生量を抑制する方向にあり、高効率化へのニーズが高まっている。

従来の蒸気タービン発電システムでは、蒸気温度が最高で６００℃程度であることから、蒸気タービンのタービンロータ、ケーシング等の主要部材には、フェライト系耐熱鋼が用いられている。上述した省エネルギ化や高効率化を達成するために、蒸気タービンシステムにおいては、蒸気タービンにおける蒸気温度を高温化し、発電効率を上げることが最も有効である。

蒸気温度が６００℃以下である蒸気タービンでは、ロータ材に１２Ｃｒ鋼のようなフェライト鋼をそのまま用いることができた。しかし蒸気温度が６５０℃を超える蒸気タービンでは、従来の構造でフェライト鋼を用いることができない。６５０℃を超える温度域に使用する材料としてはＮｉ基合金が考えられるが、大型鋼塊の製造が難しく、ロータを一体で製作することは極めて困難である。

蒸気タービンの作動流体に高温蒸気を想定した蒸気タービンのロータの案としては、例えば特許文献１から特許文献４がある。特許文献１は高温用ロータを分割及び溶接し、溶接部の検査を容易にする為の穴や空間部を設けている。特許文献２は高温用ロータを高温部と低温部に分割して溶接、ボルトなどの方法で接合する工夫がなされている。特許文献３は高温用ロータを高温部と低温部に分割した場合の溶接方法を示している。特許文献４は高温用ロータを高温部と低温部に細かく分割し、高温材料の組成を示している。
特開２０００−６４８０５号公報特開２００１−５０００７号公報特開２００３−４９２２３号公報特開２００４−３６４６９号公報

火力発電システムとして今後建設される蒸気タービンは、高い発電効率を得るためにその蒸気温度が主蒸気、再熱蒸気ともにますます上昇する傾向にあると予想される。蒸気温度が６５０℃を超える蒸気タービンを実現するには、タービン各部位に従来と同じフェライト鋼をそのまま使用しては蒸気タービンが高温蒸気に耐えることができない。よって、蒸気タービンの部位にＮｉ基合金などの耐熱材料を使用する方策が多く採られるが、Ｎｉ基合金は、フェライト鋼に比べて高価であるため蒸気タービンのコスト増の要因になる。また、ロータのような大型部品を製造すると偏析が起こりやすくなるため、製作が困難である。

本発明の目的は、ロータの上流部に耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いた動翼一体型リングを嵌め込むことにより、耐熱材料の使用範囲を小さくする蒸気タービンロータを得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明においては、円柱状に形成された上流部と、前記上流部と一体に形成され、動翼が嵌め込まれた下流部と、外表面に動翼が形成され、前記上流部の表面に嵌め込まれ、下流部に用いられた材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いて製作された動翼一体型リングとを備えたことを特徴とする蒸気タービンロータを提供する。

本発明によれば、蒸気タービンロータの上流部に耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いた動翼一体型リングを嵌め込んだので、耐熱材料の使用範囲を小さくできる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。

ロータ１１は、ロータ上流部１１ａとロータ下流部１１ｂから構成されている。ロータ下流部１１ｂは、第４段落の動翼１２ｄから第９段落の動翼１２ｉが嵌め込まれている。ロータ上流部１１ａは、下流部１１ｂよりも径の小さい円柱状となっている。ロータ下流部１１ｂとロータ上流部１１ａとは一体となっており、例えばＣｒＭｏＶ鋼などの、同じ材料にて製作されている。ロータ上流部１１ａの表面には、外表面に第１段落の動翼１２ａから第３段落の動翼１２ｃが形成された動翼一体型リング１３が嵌め込まれている。動翼一体型リング１３は、ロータ上流部１１ａ及び下流部１１ｂに用いられた材料よりも耐熱性に優れた耐熱材料、例えば、Ｎｉ基合金にて製作されている。動翼一体型リング１３の外径は、ロータ下流部１１ｂの外径と同じであり、内径は、ロータ上流部１１ａの外径と同じ大きさである。

６５０℃以上の高温である作動蒸気１４が動翼１２に衝突することにより、ロータ１１は回転する。

ロータ１１は、高温蒸気に晒される部分に動翼一体型リング１３を嵌め込んだので、耐熱材料にて製作されるのは動翼一体型リング１３に限られている。耐熱材料は、高価であり、大型部品の製造では偏析が起こりやすいので、耐熱材料によるロータ全体の製作は困難であるが、本実施の形態においては、動翼一体型リング１３以外の部品には耐熱材料を用いないため、蒸気タービンロータ全体の製造が容易となる。

また、動翼１２は、動翼一体型リング１３に一体型に形成されているため、動翼１２をロータ上流部１１ａに一枚一枚嵌め込んで固定する作業がなくなり、製造が容易になる。さらに、一体型に形成することにより、最も応力の激しい動翼植え込み部をなくすことができ、より高温の蒸気に対応できる。

図２は、本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。

ロータ上流部１１ａの表面には、外表面に第１段落の動翼１２ａから第３段落の動翼１２ｃが形成された動翼一体型リング２１３が嵌め込まれている。動翼一体型リング２１３は段落毎に分割して製作され、第１段落の動翼一体型リング２１３ａ、第２段落の動翼一体型リング２１３ｂ、第３段落の動翼一体型リング２１３ｃから構成されている。動翼一体型リング２１３以外は、第１の実施の形態と同じであるので、図１と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

動翼一体型リング２１３は、ロータ上流部１１ａ及び下流部１１ｂに用いられた材料よりも耐熱性に優れた耐熱材料、例えば、Ｎｉ基合金にて製作されている。動翼一体型リング２１３の外径は、ロータ下流部１１ｂの外径と同じであり、内径は、ロータ上流部１１ａの外径と同じ大きさである。

本実施の形態においては、動翼一体型リング２１３が、段落毎に分割されているため、本発明の第１の実施の形態よりも、耐熱材料で製作される部品が小さくなり、偏析のリスクをより小さくできるので、動翼一体型リング２１３の製造が容易となる。

図３は、本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。

ロータ上流部１１ａの表面には、外表面に第１段落の動翼１２ａから第３段落の動翼１２ｃが形成された動翼一体型リング３１３が嵌め込まれている。動翼一体型リング３１３は段落毎に分割されており、その間には遮熱リング１５が設けられている。動翼一体型リング３１３と遮熱リング１５以外は、第２の実施の形態と同じであるので、図２と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

ロータ１１の上流側から順に、第１段落の動翼一体型リング３１３ａ、第１段落後の遮熱リング１５ａ、第２段落の動翼一体型リング３１３ｂ、第２段落後の遮熱リング１５ｂ、第３段落の動翼一体型リング３１３ｃが設けられている。

動翼一体型リング３１３および遮熱リング１５は、どちらも耐熱材料にて製作されている。動翼一体型リング３１３と遮熱リング１５は、外径、内径とも同じ大きさである。遮熱リング１５を嵌め込むので、動翼一体型リング３１３は、第２の実施の形態における動翼一体型リング２１３よりも遮熱リング１５の分だけ幅が小さくなっている。

段落毎に分割された動翼一体型リング３１３、およびこの間に設けられる遮熱リング１５を別々に製作することにより、第２の実施の形態よりも、耐熱材料で製作される部品がさらに小さくなり、偏析のリスクをさらに小さくできるので、製造が容易となる。

図４および図５は、本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。図５は、ロータの横断面図の模式図である。

ロータ４１１は、ロータ上流部４１１ａとロータ下流部４１１ｂから構成されている。ロータ下流部４１１ｂは、第４段落の動翼１２ｄから第９段落の動翼１２ｉが嵌め込まれている。ロータ上流部４１１ａは、下流部４１１ｂよりも径の小さい円柱状となっている。ロータ下流部４１１ｂとロータ上流部４１１ａとは一体となっており、例えばＣｒＭｏＶ鋼などの、同じ材料にて製作されている。ロータ上流部４１１ａの表面には、外表面に第１段落の動翼１２ａから第３段落の動翼１２ｃが形成された動翼一体型リング４１３が嵌め込まれている。動翼一体型リング４１３は、ロータ上流部４１１ａ及び下流部４１１ｂに用いられた材料よりも耐熱性に優れた耐熱材料、例えば、Ｎｉ基合金にて製作されている。動翼一体型リング４１３の外径は、ロータ下流部４１１ｂの外径と同じであり、内径は、ロータ上流部４１１ａの外径と同じ大きさである。

動翼一体型リング４１３は段落毎に分割されており、その間には遮熱リング４１５が設けられている。ロータ４１１の上流側から順に、第１段落の動翼一体型リング４１３ａ、第１段落後の遮熱リング４１５ａ、第２段落の動翼一体型リング４１３ｂ、第２段落後の遮熱リング４１５ｂ、第３段落の動翼一体型リング４１３ｃが設けられている。

動翼一体型リング４１３および遮熱リング４１５は、どちらも耐熱材料にて製作されている。動翼一体型リング４１３と遮熱リング４１５は、外径、内径とも同じ大きさである。遮熱リング４１５を嵌め込むので、動翼一体型リング４１３は、第２の実施の形態における動翼一体型リング２１３よりも遮熱リング４１５の分だけ幅が小さくなっている。

動翼一体型リング４１３または遮熱リング４１５の内側に、固定用突起１６が設けられ、ロータ上流部４１１ａの外表面には溝１７が設けられている。

ロータ４１１、動翼一体型リング４１３、遮熱リング４１５、固定用突起１６、溝１７以外は、第３の実施の形態と同じであるので、図３と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

溝１７に固定用突起１６を嵌め込むことにより、ロータ上流部４１１ａに動翼一体型リング４１３または遮熱リング４１５が固定される。

本実施の形態においては、固定用突起１６と溝１７を設けたので、動翼一体型リング４１３をロータ４１１に嵌め込む作業が容易となる。

なお、本実施の形態においては、ロータ上流部４１１ａに動翼一体型リング４１３および遮熱リング４１５が嵌め込まれているが、第１の実施の形態のように段落毎に分割されていない動翼一体型リング１３が嵌め込まれていてもよいし、また、第２の実施の形態のように遮熱リング１５なしで段落毎に分割された動翼一体型リング２１３が嵌め込まれていてもよい。

図６は、本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。

動翼一体型リング３１３および遮熱リング１５と、ロータ上流部１１ａとの間隙にロータ１１の上流側から低温のシール蒸気１８を流入する。シール蒸気１８以外は、第３の実施の形態と同じであるので、図３と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

シール蒸気１８は、動翼一体型リング３１３や遮熱リング１５の間隙から高温の作動蒸気１４がロータ上流部１１ａに流入するのを防ぐため、ロータ１１の保護ができる。

なお、本実施の形態においては、ロータ上流部１１ａに動翼一体型リング３１３および遮熱リング１５が嵌め込まれているが、第１の実施の形態のように段落毎に分割されていない動翼一体型リング１３が嵌め込まれていてもよいし、また、第２の実施の形態のように遮熱リング１５なしで段落毎に分割された動翼一体型リング２１３が嵌め込まれていてもよい。さらに、第４の実施の形態のように動翼一体型リング４１３ａまたは遮熱リング４１５ｂに固定用突起１６が設けられロータ４１１ａに設けられた溝１７に嵌め込まれていてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図。本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図。本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図。本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図。本発明の第４の実施の形態に係る蒸気タービンロータの横断面の模式図。本発明の第５の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図。

符号の説明

１１…ロータ、１１ａ…ロータ上流部、１１ｂ…ロータ下流部、１２…動翼、１２ａ…第１段落の動翼、１２ｂ…第２段落の動翼、１２ｃ…第３段落の動翼、１２ｄ…第４段落の動翼、１２ｅ…第５段落の動翼、１２ｆ…第６段落の動翼、１２ｇ…第７段落の動翼、１２ｈ…第８段落の動翼、１２ｉ…第９段落の動翼、１３…動翼一体型リング、１４…作動蒸気、１５…遮熱リング、１５ａ…第１段落後の遮熱リング、１５ｂ…第２段落後の遮熱リング、１６…突起、１７…溝、１８…シール蒸気、２１３…動翼一体型リング、２１３ａ…第１段落の動翼一体型リング、２１３ｂ…第２段落の動翼一体型リング、２１３ｃ…第３段落の動翼一体型リング、３１３…動翼一体型リング、３１３ａ…第１段落の動翼一体型リング、３１３ｂ…第２段落の動翼一体型リング、３１３ｃ…第３段落の動翼一体型リング、４１１…ロータ、４１１ａ…ロータ上流部、４１１ｂ…ロータ下流部、４１３…動翼一体型リング、４１３ａ…第１段落の動翼一体型リング、４１３ｂ…第２段落の動翼一体型リング、４１３ｃ…第３段落の動翼一体型リング、４１５…遮熱リング、４１５ａ…第１段落後の遮熱リング、４１５ｂ…第２段落後の遮熱リング。

Claims

円柱状に形成された上流部と、
前記上流部と一体に形成され、動翼が嵌め込まれた下流部と、
外表面に動翼が形成され、前記上流部の表面に嵌め込まれ、下流部に用いられた材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いて製作された動翼一体型リングとを備えたことを特徴とする蒸気タービンロータ。
前記動翼一体型リングは、動翼の段落毎に分割されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンロータ。
動翼の段落毎に分割されているそれぞれの前記動翼一体型リングの間に遮熱リングが嵌め込まれていることを特徴とする請求項２記載の蒸気タービンロータ。
前記動翼一体型リングまたは前記遮熱リングの内側に固定用突起を設け、前記上流部に前記固定用突起を嵌め込むための溝を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータ。
前記動翼一体型リングまたは前記遮熱リングと前記上流部との間隙に、シール蒸気を流入させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータ。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の蒸気タービンロータを備えた蒸気タービン。