JP2008151013A

JP2008151013A - タービンロータおよび蒸気タービン

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Publication number: JP2008151013A
Application number: JP2006338937A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Yamashita; 勝也山下; Takao Inukai; 隆夫犬飼
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: EP1936115A2; EP1936115B1; DE602007012406D1; CN101205817A; JP5049578B2; EP1936115A3; US8277173B2; CN101205817B; US20080166222A1

Abstract

【課題】溶接部における熱応力の発生を抑制し、高温蒸気で駆動して熱効率の向上を図ることができ、優れた信頼性を有するタービンロータおよび蒸気タービンを提供することを目的とする。
【解決手段】タービンロータ３００は、高温蒸気が通過する高温タービンロータ構成部３０１と、高温タービンロータ構成部３０１を挟んで溶接により連結され、高温タービンロータ構成部３０１とは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部３０２と、高温タービンロータ構成部３０１と低温タービンロータ構成部３０２との溶接部１２０の近傍の高温タービンロータ構成部３０１を冷却蒸気２４０により冷却する。冷却蒸気２４０が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置から溶接部１２０までの距離を、高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径で除した値が０．３以上となるように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、異種材料を溶接して構成されるタービンロータおよびこのタービンロータを備える蒸気タービンに関する。

火力発電設備における高温部の大半には、製造性や経済性に優れたフェライト系耐熱鋼が使用されてきた。この従来の火力発電設備の蒸気タービンにおいては、蒸気条件が一般に６００℃級以下の蒸気温度であるため、タービンロータ、動翼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。

しかし近年は、環境保全を背景とした火力発電設備の高効率化が積極的に進められ、６００℃程度の高温蒸気を利用した蒸気タービンが運転されている。このような蒸気タービンにおいては、フェライト系耐熱鋼の諸特性では要求特性を満足できない構成部品があるため、その構成部品をより高温特性に優れた耐熱合金やオーステナイト系耐熱鋼で形成しているものもある。

一方、６５０℃以上の高温蒸気を利用した蒸気タービンに対して、オーステナイト系材料の使用を極力削減して蒸気タービン発電設備を構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１−３参照。）。この蒸気タービン発電設備は、超高圧タービン、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービン、第２の低圧タービンおよび発電機が一軸に連結されており、超高圧タービンと高圧タービンは同一の外部ケーシング内に組み込まれて独立したものとされている（例えば、特許文献２参照。）。

また、地球環境保護の観点から、ＣＯ_２、ＳＯｘ、ＮＯｘの排出量の抑制のために、更なる高効率化へのニーズが高まる状況にある。火力発電設備におけるプラント熱効率の高効率化を図るためには、蒸気温度を高めることが最も有効な手段の一つであり、７００℃級の蒸気タービンの開発が検討されている。

また、上記した蒸気温度の高温化に対応するため、タービン構成部品を冷却蒸気によって冷却する技術も開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
特開平７−２４７８０６号公報特開２０００−２８２８０８号公報特許第３０９５７４５号公報特開２００４−３５３６０３号公報

例えば、６３０℃以上の温度の蒸気を導入する蒸気タービンの開発において、特にタービン構成部品の強度保証に関して解決すべき問題が多く存在する。従来、火力発電設備では、蒸気タービンに使用するタービンロータ、ノズル、動翼、ノズルボックス（蒸気室）、蒸気供給管等のタービン構成部品に改良された耐熱鋼を使用していたが、再熱蒸気温度が６３０℃以上になると、タービン構成部品の強度保証を高く維持することが難しい。

このため、蒸気タービンにおいて、従来の改良された耐熱鋼をタービン構成部品にそのまま使用しても強度保証を高く維持できる新たな技術の実現が望まれている。この新たな技術の一つとして、上記したタービン構成部品を冷却蒸気によって冷却する技術が期待されているが、例えばタービンロータやケーシングを冷却蒸気によって冷却して、タービン初段に対応する部位から従来材を適用するためには、主流の数％に及ぶ冷却蒸気量を必要とする。また、冷却蒸気が通路部内に流入することによって、翼列性能の劣化に伴うタービン単体での内部効率の低下が問題となる。

また、高温部を構成する材料に、高温での強度に優れかつ耐水蒸気酸化特性を有する材料である、Inco６２５、Inco６１７およびInco７１３（Inco社製）等のＮｉ基合金やＳＵＳ３１０等のオーステナイト鋼を使用し、低温部を構成する材料に、フェライト鋼、新１２Ｃｒ鋼、改良１２Ｃｒ鋼、１２Ｃｒ鋼やＣｒＭｏＶ鋼を使用し、双方を溶接等で接合する場合には、溶接部に発生する熱応力が問題となる。すなわち、高温部に使用するＮｉ基合金やオーステナイト鋼の線膨張係数は、低温部に使用するフェライト鋼等の線膨張係数よりも大きく、溶接部では伸び差による大きな熱応力が発生し、溶接部近傍が破断する可能性がある。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、溶接部における熱応力の発生を抑制し、高温蒸気で駆動して熱効率の向上を図ることができ、優れた信頼性を有するタービンロータおよび蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のタービンロータは、高温蒸気が導入される蒸気タービンに貫設されるタービンロータであって、高温蒸気が通過する高温タービンロータ構成部と、前記高温タービンロータ構成部を挟んで溶接により連結され、前記高温タービンロータ構成部とは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部と、前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部との溶接部の近傍の前記高温タービンロータ構成部に冷却蒸気を吹き付けて冷却する冷却手段とを備え、前記冷却手段によって冷却蒸気が吹き付けられる前記高温タービンロータ構成部の位置から前記溶接部までの距離を、前記高温タービンロータ構成部のタービンロータ径で除した値が０．３以上となることを特徴とする。

このタービンロータによれば、冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部の位置から溶接部までの距離を、高温タービンロータ構成部のタービンロータ径で除した値を０．３以上となるように、冷却蒸気の吹き付け位置および溶接部を設定することで、接合面に発生する熱応力を抑制することができる。

本発明の蒸気タービンは、高温蒸気が通過する高温タービンロータ構成部と、前記高温タービンロータ構成部を挟んで溶接により連結され、前記高温タービンロータ構成部とは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部と、前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部との溶接部の近傍の前記高温タービンロータ構成部に冷却蒸気を吹き付けて冷却する冷却手段とを備えるタービンロータが貫設された蒸気タービンであって、前記タービンロータにおいて、前記冷却手段によって冷却蒸気が吹き付けられる前記高温タービンロータ構成部の位置から前記溶接部までの距離を、前記高温タービンロータ構成部のタービンロータ径で除した値が０．３以上となることを特徴とする。

この蒸気タービンによれば、貫設するタービンロータにおいて、冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部の位置から溶接部までの距離を、高温タービンロータ構成部のタービンロータ径で除した値を０．３以上となるように、冷却蒸気の吹き付け位置および溶接部を設定することで、接合面に発生する熱応力を抑制することができる。

本発明のタービンロータおよび蒸気タービンによれば、溶接部における熱応力の発生を抑制し、高温蒸気で駆動して熱効率の向上を図ることができ、優れた信頼性を有する。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態のタービンロータ３００を備えた蒸気タービン１００の上半ケーシング部における断面を示した図である。

図１に示すように、蒸気タービン１００は、内部ケーシング１１０とその外側に設けられた外部ケーシング１１１とから構成される二重構造のケーシングを備え、内部ケーシング１１０と外部ケーシング１１１との間にはヒートチャンバ１１２が形成される。内部ケーシング１１０内にはタービンロータ３００が貫設されている。また、内部ケーシング１１０の内周面にはノズルダイヤフラム外輪１１７が多段に接続され、例えば９段落のノズル１１４ａ、１１４ｂ…が配設される。また、タービンロータ３００には、これらのノズル１１４ａ、１１４ｂ…に対応してホイール部２１０ａ…に動翼１１５ａ…が植設されている。また、ノズルダイヤフラム内輪１１８ｂ…のタービンロータ３００側の面には、ノズルラビリンス１１９ｂ…が設けられ、蒸気の漏洩を抑制している。

このタービンロータ３００は、高温タービンロータ構成部３０１と、この高温タービンロータ構成部３０１を挟んで溶接により連結された低温タービンロータ構成部３０２とから構成されている。高温タービンロータ構成部３０１は、初段のノズル１１４ａ（蒸気温度が６３０〜７３０℃程度）に対応する位置から、通過する蒸気温度が５５０℃以下になる動翼１１５ｅの直上流側に位置するノズルダイヤフラム内輪１１８ｅに設けられたノズルラビリンス１１９ｅの下流端部にほぼ対応する位置にわたる領域に設けられる。一方、低温タービンロータ構成部３０２は、蒸気温度が５５０℃を下回る領域に設けられる。

また、上記した内部ケーシング１１０は、この高温タービンロータ構成部３０１が貫設された領域を覆う高温ケーシング構成部１１０ａと、低温タービンロータ構成部３０２が貫設された領域を覆う低温ケーシング構成部１１０ｂとから構成される。これらの高温ケーシング構成部１１０ａと低温ケーシング構成部１１０ｂとの間は、溶接接合またはボルト締結により連結されている。

ここで、高温タービンロータ構成部３０１および高温ケーシング構成部１１０ａは、蒸気導入温度である６３０〜７３０℃程度の高温蒸気から５５０℃程度の蒸気に晒されるため、高温における機械的強度（例えば、１０万時間でのクリープ破断強度）が大きく、かつ耐水蒸気酸化特性を有する耐食性耐熱材料などで構成される。この耐食性耐熱材料として、例えばＮｉ基合金が用いられ、具体的には、例えば、Inco社製のInco６２５、Inco６１７、Inco７１３などが挙げられる。なお、蒸気導入温度である６３０〜７３０℃程度の高温蒸気から５５０℃程度の蒸気に晒される領域、すなわち高温タービンロータ構成部３０１と高温ケーシング構成部１１０ａとの間の領域に位置するノズル１１４ａ…、ノズルダイヤフラム外輪１１７、ノズルダイヤフラム内輪１１８ｂ…、動翼１１５ａ…なども上記した耐食性耐熱材料で材料で構成される。

一方、５５０℃よりも低い温度の蒸気に晒される低温タービンロータ構成部３０２や低温ケーシング構成部１１０ｂは、上記した高温タービンロータ構成部３０１や高温ケーシング構成部１１０ａを構成する材料とは異なる材料で構成され、従来からタービンロータやケーシングの材料として広く用いられているフェライト系耐熱鋼などで構成されることが好ましい。このフェライト系耐熱鋼として、具体的には、例えば新１２Ｃｒ鋼、改良１２Ｃｒ鋼、１２Ｃｒ鋼、９Ｃｒ鋼またはＣｒＭｏＶ鋼などが挙げられるが、これらに限られるものではない。

さらに、蒸気タービン１００には、蒸気流入管１３０が、外部ケーシング１１１および内部ケーシング１１０を貫通して設けられ、さらに蒸気流入管１３０の端部が、動翼１１５ａ側に向けて蒸気を導出するノズルボックス１１６に連通して接続されている。これらの蒸気流入管１３０やノズルボックス１１６は、蒸気導入温度である６３０〜７３０℃程度の高温蒸気に晒されるため、上記した耐食性耐熱材料で構成される。ここで、ノズルボックス１１６は、例えば、特開２００４−３５３６０３号公報に開示されているように、ノズルボックスの壁の内部に冷却蒸気を流す冷却蒸気通路を形成し、ノズルボックスの壁内側面を遮蔽板で断続的に覆う構成としてもよい。これによって、ノズルボックスの壁に発生する熱応力などを低減して高い強度保証を維持することができる。

また、図１に示すように、タービンロータ３００に沿って配設され、初段のノズル１１４ａに対応する位置の溶接部１２６付近から初段の動翼１１５ａに対応するホイール部２１０ａに向けて冷却蒸気２４０を噴出する冷却蒸気供給配管２２０が設けられている。また、蒸気温度が５５０℃以下になる段落の動翼１１５ｅの直上流側（１段上流側）に位置する動翼１１５ｄと、この動翼１１５ｄの直下流側に位置するノズル１１４ｅとの間に配設され、高温タービンロータ構成部３０１に向けて冷却蒸気２４０を噴出する冷却蒸気供給配管２３０とを備えている。また、冷却蒸気供給配管２２０、２３０は、高温タービンロータ構成部３０１の周囲に所定の間隔で複数設けられてもよい。

なお、冷却蒸気供給配管２３０から噴出される冷却蒸気２４０は、動翼１１５ｄが植設されるホイール部２１０ｄの根元部や側面に向けて噴出されることが好ましい。そのため、冷却蒸気供給配管２３０の蒸気噴出口２３０ａは、このホイール部２１０ｄの根元部や側面に向けられて構成されることが好ましい。これらの冷却蒸気供給配管２２０、２３０は、冷却手段として機能し、これらの冷却蒸気供給配管２２０、２３０から噴出された冷却蒸気２４０によって、タービンロータ３００、溶接部１２０、１２６などが冷却される。

冷却蒸気２４０には、温度が５００℃以下の蒸気が用いられることが好ましい。温度が５００℃以下の蒸気が用いられることが好ましいのは、線膨張係数の高いＮｉ基合金やオーステナイト鋼からなる高温タービンロータ構成部３０１の温度を低下させ、溶接部１２０、１２６近傍に作用する伸び差を低減し、熱応力の発生を効果的に抑えることができるからである。また、噴出される冷却蒸気２４０の流量は、蒸気タービン１００内を流動する主流の蒸気流量の３％以下とすることが好ましい。主流の蒸気流量の３％以下とすることが好ましいのは、タービンプラント効率への影響が少ないからである。また、冷却蒸気２４０として、例えば、高圧タービンやボイラなどから抽出した蒸気、蒸気タービン１００の途中段落から抽出した蒸気、さらに蒸気タービン１００の排気経路１２５に排気される蒸気などを用いることができ、設定する冷却蒸気２４０の温度に基づいて、適宜にその供給源が選択される。

次に、冷却蒸気供給配管２３０によって冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置から溶接部１２０までの距離Ｌと、高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径Ｄとの関係について、図２および図３を参照して説明する。

図２は、冷却蒸気供給配管２３０から冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１および溶接部１２０を含む部分の断面を拡大した図である。また、図３は、冷却蒸気供給配管２３０によって冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置から溶接部１２０までの距離Ｌを高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径Ｄで除した値（Ｌ／Ｄ）と、熱応力との関係を示す図である。

ここで、冷却蒸気供給配管２３０によって冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置とは、冷却蒸気が直接吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置を意味する。そして、この冷却蒸気が直接吹き付けられた高温タービンロータ構成部３０１の部位から、冷却蒸気が流れる溶接部１２０に向う方向に、高温タービンロータ構成部３０１が冷却される。また、熱応力は、溶接部１２０に発生する熱応力である。

図３に示すように、冷却蒸気供給配管２３０によって冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置から溶接部１２０までの距離Ｌを高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径Ｄで除した値（Ｌ／Ｄ）が減少するとともに、熱応力は増加している。そして、Ｌ／Ｄの値が０．３よりも小さくなるとことで、熱応力は制限値を超える。上記したように、熱応力を制限値以下に抑えるためには、Ｌ／Ｄの値を０．３以下にする必要があり、この範囲を本発明のＬ／Ｄの値の範囲とする。すなわち、使用する高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径に基づいて、高温タービンロータ構成部３０１に冷却蒸気を吹き付ける位置および溶接部１２０の位置を設定する。

なお、ここでは、冷却蒸気供給配管２３０によって冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置から溶接部１２０までの距離Ｌを高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径Ｄで除した値（Ｌ／Ｄ）と、熱応力との関係について説明したが、冷却蒸気供給配管２２０によって冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置から溶接部１２６までの距離を高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径Ｄで除した値と、熱応力との関係も同様である。すなわち、冷却蒸気供給配管２２０によって冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置から溶接部１２６までの距離Ｌを高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径Ｄで除した値（Ｌ／Ｄ）を０．３以下にする。この場合も、使用する高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径に基づいて、高温タービンロータ構成部３０１に冷却蒸気を吹き付ける位置および溶接部１２６の位置を設定する。

また、図２に示すように、溶接部１２０は、蒸気温度が５５０℃以下になる段落の動翼１１５ｅの直上流側に位置するノズルダイヤフラム内輪１１８ｅまたはこのノズルダイヤフラム内輪１１８ｅに設けられたノズルラビリンス１１９ｅの下流端部にほぼ対応する位置に形成されることが好ましい。

続いて、蒸気タービン１００における動作について、図１を参照して説明する。

蒸気流入管１３０を経て、蒸気タービン１００内のノズルボックス１１６内に流入した温度が６３０〜７３０℃程度の蒸気は、内部ケーシング１１０に固定されたノズル１１４ａ…とタービンロータ３００に植設された動翼１１５ａ…との間の蒸気通路を通り、タービンロータ３００を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気経路１２５を通り、蒸気タービン１００から排気され、例えば図示しない低温再熱管を通りボイラに流入する。

なお、上記した蒸気タービン１００において、膨張仕事をした蒸気の一部を冷却蒸気として、内部ケーシング１１０と外部ケーシング１１１との間に導き、外部ケーシング１１１や内部ケーシング１１０を冷却する構成を備えてもよい。この際、冷却蒸気は、グランドシール部１２７ａまたは排気経路１２５から排気される。なお、冷却蒸気の導入方法はこれに限られるものではなく、例えば、蒸気タービン１００の途中段落から抽出した蒸気や、他の蒸気タービンから抽出した蒸気を冷却蒸気として使用してもよい。

また、冷却蒸気供給配管２３０の蒸気噴出口２３０ａから噴出され、高温タービンロータ構成部３０１に吹き付けられた冷却蒸気２４０は、動翼１１５ｄの直下流側における高温タービンロータ構成部３０１を冷却しながら下流側へ流れる。そして、さらに高温タービンロータ構成部３０１とノズルラビリンス１１９ｅと間を下流に向かって流れ、溶接部１２０およびその付近を冷却する。

また、冷却蒸気供給配管２２０の蒸気噴出口２２０ａから噴出された冷却蒸気２４０は、初段の動翼１１５ａに対応するホイール部２１０ａに衝突し、ホイール部２１０ａを冷却し、さらに高温タービンロータ構成部３０１から低温タービンロータ構成部３０２側へ流れることで、高温タービンロータ構成部３０１、溶接部１２６およびその付近を冷却する。そして、冷却蒸気２４０は、グランドシール部１２７ｂを通過し、その一部は、外部ケーシング１１１と内部ケーシング１１０との間を流れ、それぞれのケーシングを冷却する。さらに、ヒートチャンバ１１２に導入され、排気経路１２５から排気される。一方、グランドシール部１２７ｂを通過した残りの冷却蒸気２４０は、グランドシール部１２７ａを通過し、排気される。

上記したように第１の実施の形態の蒸気タービン１００および蒸気タービン１００に貫設されているタービンロータ３００によれば、高温タービンロータ構成部３０１と低温タービンロータ構成部３０２との溶接部１２０、１２６に近傍の高温タービンロータ構成部３０１に冷却蒸気２４０を吹き付けて冷却することで、高温タービンロータ構成部３０１と低温タービンロータ構成部３０２とを構成する材料の線膨張係数の差によって生じる溶接部１２０、１２６の接合面に発生する熱応力を抑制することができ、破断等を防止することができる。さらに、冷却蒸気供給配管２２０、２３０によって冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部３０１の位置から溶接部１２０、１２６までの距離Ｌを高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径Ｄで除した値（Ｌ／Ｄ）を０．３以下にするように、冷却蒸気を吹き付ける高温タービンロータ構成部３０１における位置および高温タービンロータ構成部３０１のタービンロータ径Ｄを設定することで、接合面に発生する熱応力を効率よく抑制することができる。

ここで、第１の実施の形態の蒸気タービン１００は上記した実施の形態に限られるものではない。ここで、第１の実施の形態の他の蒸気タービン１００の構成について説明する。図４は、ノズルダイヤフラム内輪１１８ｅに延設部材２６０を設けた場合の高温タービンロータ構成部３０１および溶接部１２０を含む部分の断面を拡大した図である。

図４に示すように、冷却蒸気供給配管２３０が挿入されるホイール部２１０ｄとこのホイール部２１０ｄの直下流側に設けられたノズルダイヤフラム内輪１１８ｅとの間において、ノズルダイヤフラム内輪１１８ｅに、ホイール部２１０ｄの近傍まで高温タービンロータ構成部３０１に沿って、冷却蒸気供給配管２３０を貫通させるための貫通口２６１が形成された延設部材２６０を延設してもよい。

具体的には、延設部材２６０は、例えば、冷却蒸気供給配管２３０を貫通させる貫通口２６１が形成された、ホイール部２１０ｄに接触しない程度の幅のリング状部材で構成される。そして、このリング状部材は、ノズルダイヤフラム内輪１１８ｅの所定の位置に、高温タービンロータ構成部３０１を中心軸として配置される。また、高温タービンロータ構成部３０１の周囲に複数の冷却蒸気供給配管２３０が設けられた場合には、それぞれの冷却蒸気供給配管２３０の位置に対応して貫通口２６１が形成される。延設部材２６０は、延設部材２６０のホイール部２１０ｄ側の端部が、ホイール部２１０ｄの動翼１１５ｄに近い側に位置するように、ノズルダイヤフラム内輪１１８ｅに設けられることが好ましい。

ここで、ホイール部２１０ｄとこのホイール部２１０ｄの直下流側に設けられたノズルダイヤフラム内輪１１８ｅとの間に冷却蒸気供給配管２３０を挿入することで、ホイール部２１０ｄとノズルダイヤフラム内輪１１８ｅとの隙間は広くなる。この隙間が広くなると、この隙間に主流蒸気を巻き込む可能性がある。これによって、一部の主流蒸気がノズルラビリンス１１９ｅと高温タービンロータ構成部３０１との間に流入するので、冷却蒸気２４０による高温タービンロータ構成部３０１の冷却効率の向上を図る観点から好ましくない。しかしながら、本発明のように、延設部材２６０を設けることで、主流蒸気がこの隙間に流入するのを抑制することができるとともに、冷却蒸気２４０が主流蒸気側に漏洩するのを防止することができる。これによって、冷却蒸気２４０によって高温タービンロータ構成部３０１を効率よく冷却することができる。また、上記したように、延設部材２６０を、延設部材２６０のホイール部２１０ｄ側の端部が、ホイール部２１０ｄに植設された動翼１１５ｄに近い側に位置するように設けることで、ホイール部２１０ｄやノズルダイヤフラム内輪１１８ｅにおける高温の主流蒸気に晒される面積を減少することができる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態のタービンロータ４００を備えた蒸気タービン１００について図５を参照して説明する。

第２の実施の形態のタービンロータ４００は、高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２との接合端部の構成が、第１の実施の形態のタービンロータ３００の構成とは異なる以外は、第１の実施の形態のタービンロータ３００と同じ構成である。したがって、ここでは、高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２との接合端部の構成について主に説明する。

図５は、第２の実施の形態のタービンロータ４００における高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２との溶接部１２０の断面を示す図である。なお、第１の実施の形態のタービンロータ３００と同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

図５に示すように、高温タービンロータ構成部４０１および低温タービンロータ構成部４０２のそれぞれの接合端面は、タービンロータ軸を中心に円形状の凹部４３０、４３１を有するとともに、周縁部で互いに溶接により接合された円環状の面を有している。また、溶接部１２０の内部には、空間部４４０が形成されている。

高温タービンロータ構成部４０１および低温タービンロータ構成部４０２に形成された凹部４３０、４３１の深さは、冷却蒸気供給配管２３０によって冷却蒸気２４０が吹き付けられる高温タービンロータ構成部４０１の位置に対応する位置に至るまでの深さを有していることが好ましい。このように、凹部４３０、４３１の深さを冷却蒸気２４０が吹き付けられる高温タービンロータ構成部４０１の位置に対応する位置に至るまでの深さとすることで、冷却蒸気２４０により冷却する高温タービンロータ構成部４０１の容積を削減することができる。これによって、高温タービンロータ構成部４０１および溶接部１２０が効率よく冷却され、高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２とを構成する材料の線膨張係数の差によって生じる溶接部１２０の接合面に発生する熱応力を抑制することができる。

なお、冷却蒸気供給配管２２０によって冷却蒸気２４０が吹き付けられる側の高温タービンロータ構成部４０１の接合端部、およびこの接合端部に溶着される低温タービンロータ構成部４０２の接合端部も、上記した冷却蒸気供給配管２３０によって冷却蒸気２４０が吹き付けられる側の高温タービンロータ構成部４０１の接合端部、およびこの接合端部に溶着される低温タービンロータ構成部４０２の接合端部の構成と同様に構成することができる。そして、高温タービンロータ構成部４０１および溶接部１２６が効率よく冷却され、高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２とを構成する材料の線膨張係数の差によって生じる溶接部１２６の接合面に発生する熱応力を抑制し、破断等を防止することができる。

ここで、第２の実施の形態のタービンロータ４００の構成は、上記した構成に限られるものではない。ここで、第２の実施の形態の他のタービンロータ４００の構成について説明する。図６および図７は、空間部４４０に冷却蒸気２４０の一部を導くための冷却蒸気導入口５００を備えたタービンロータ４００における高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２との溶接部１２０の断面を示す図である。

図６に示すように、タービンロータ４００において、高温タービンロータ構成部４０１に、冷却蒸気２４０の一部を空間部４４０に導くための冷却蒸気導入口５００を形成し、さらに溶接部１２０と蒸気温度が５５０℃以下になる段落の動翼１１５ｅが植設されているホイール部２１０ｅとの間の低温タービンロータ構成部４０２に、空間部４４０に導かれた冷却蒸気２４０を排出するための冷却蒸気排出口５１０を形成してもよい。

また、図７に示すように、タービンロータ４００において、高温タービンロータ構成部４０１に、冷却蒸気２４０の一部を空間部４４０に導くための冷却蒸気導入口５００を形成し、さらに蒸気温度が５５０℃以下になる段落の動翼１１５ｅが植設されているホイール部２１０ｅと、このホイール部２１０ｅの直下流のノズルダイヤフラム内輪１１８ｆとの間の低温タービンロータ構成部４０２に、空間部４４０に導かれた冷却蒸気２４０を排出するための冷却蒸気排出口５２０を形成してもよい。

上記したタービンロータ４００では、冷却蒸気導入口５００から空間部４４０内に流入した冷却蒸気２４０は、空間部４４０内を循環し、高温タービンロータ構成部４０１、溶接部１２０および低温タービンロータ構成部４０２を内部から冷却する。特に、高温となる高温タービンロータ構成部４０１の冷却作用が得られる。そして、空間部４４０内を循環した冷却蒸気２４０は、冷却蒸気排出口５１０、５２０から低温タービンロータ構成部４０２の外部に排出される。

このように、空間部４４０内に冷却蒸気２４０の一部を導いて、高温タービンロータ構成部４０１や溶接部１２０を内部からも冷却することで、高温タービンロータ構成部４０１や溶接部１２０を効率よく冷却することができ、溶接部１２０近傍における高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２との温度差を限りなく小さくすることができる。これによって、高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２とを構成する材料の線膨張係数の差によって生じる溶接部１２０の接合面に発生する熱応力を抑制し、破断等を防止することができる。

なお、冷却蒸気供給配管２２０によって冷却蒸気２４０が吹き付けられる側の高温タービンロータ構成部４０１および低温タービンロータ構成部４０２においても、上記したように、空間部内に冷却蒸気２４０の一部を導く冷却蒸気導入口および空間部４４０内を循環した冷却蒸気２４０を排出する冷却蒸気排出口を備えてもよい。この場合においても、上記した場合と同様に、高温タービンロータ構成部４０１や溶接部１２６を効率よく冷却することができ、溶接部１２６近傍における高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２との温度差を限りなく小さくすることができる。これによって、高温タービンロータ構成部４０１と低温タービンロータ構成部４０２とを構成する材料の線膨張係数の差によって生じる溶接部１２６の接合面に発生する熱応力を抑制し、破断等を防止することができる。

以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本発明に係る実施の形態のタービンロータを備えた蒸気タービンの上半ケーシング部における断面を示した図。冷却蒸気供給配管から冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部および溶接部を含む部分の断面を拡大した図。冷却蒸気供給配管によって冷却蒸気が吹き付けられる高温タービンロータ構成部の位置から溶接部までの距離Ｌを高温タービンロータ構成部のタービンロータ径Ｄで除した値（Ｌ／Ｄ）と、熱応力との関係を示す図。ノズルダイヤフラム内輪に延設部材を設けた場合の高温タービンロータ構成部および溶接部を含む部分の断面を拡大した図。第２の実施の形態のタービンロータにおける高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との溶接部の断面を示す図。空間部に冷却蒸気の一部を導くための冷却蒸気導入口を備えたタービンロータにおける高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との溶接部の断面を示す図。空間部に冷却蒸気の一部を導くための冷却蒸気導入口を備えたタービンロータにおける高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との溶接部の断面を示す図。

符号の説明

１００…蒸気タービン、１１０…内部ケーシング、１１０ａ…高温ケーシング構成部、１１０ｂ…低温ケーシング構成部、１１１…外部ケーシング、１１２…ヒートチャンバ、３００…タービンロータ、３０１…高温タービンロータ構成部、３０２…低温タービンロータ構成部、１１４ａ，１１４ｂ…ノズル、１１５ａ，１１５ｂ…動翼、１１６…ノズルボックス、１１７…ノズルダイヤフラム外輪、１１８ｂ…ノズルダイヤフラム内輪、１１９ｂ…ノズルラビリンス、１２０，１２６…溶接部、１２５…排気経路、１２７ａ，１２７ｂ…グランドシール部、１３０…蒸気流入管、２１０ａ…ホイール部、２２０，２３０…冷却蒸気供給配管、２２０ａ，２３０ａ…蒸気噴出口、２４０…冷却蒸気。

Claims

高温蒸気が導入される蒸気タービンに貫設されるタービンロータであって、
高温蒸気が通過する高温タービンロータ構成部と、
前記高温タービンロータ構成部を挟んで溶接により連結され、前記高温タービンロータ構成部とは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部と、
前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部との溶接部の近傍の前記高温タービンロータ構成部に冷却蒸気を吹き付けて冷却する冷却手段と
を備え、
前記冷却手段によって冷却蒸気が吹き付けられる前記高温タービンロータ構成部の位置から前記溶接部までの距離を、前記高温タービンロータ構成部のタービンロータ径で除した値が０．３以上となることを特徴とするタービンロータ。
前記冷却手段が、冷却蒸気を前記高温タービンロータ構成部に吹き付けるための冷却蒸気管を備えることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
蒸気温度が５５０℃以下になる動翼が植設される第１のロータホイール部よりも１段上流側の前記高温タービンロータ構成部における第２のロータホイール部の側面または根元部に向けて、前記冷却手段から冷却蒸気が噴出されることを特徴とする請求項１または２記載のタービンロータ。
前記溶接部が、前記ノズルダイヤフラム内輪または前記ノズルダイヤフラム内輪に設けられたノズルラビリンスの下流端部にほぼ対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
前記高温タービンロータ構成部および前記低温タービンロータ構成部のそれぞれの接合端面は、中心に円形状の凹部を有するとともに、周縁部で互いに溶接により接合された円環状の面を有し、内部に空間部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のタービンロータ。
前記高温タービンロータ構成部に、前記冷却蒸気の一部を前記空間部に導入するための冷却蒸気導入口を設け、かつ前記低温タービンロータ構成部に、前記空間部に導入された冷却蒸気を排出するための冷却蒸気排出口を設けたことを特徴とする請求項５記載のタービンロータ。
高温蒸気が通過する高温タービンロータ構成部と、
前記高温タービンロータ構成部を挟んで溶接により連結され、前記高温タービンロータ構成部とは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部と、
前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部との溶接部の近傍の前記高温タービンロータ構成部に冷却蒸気を吹き付けて冷却する冷却手段と
を備えるタービンロータが貫設された蒸気タービンであって、
前記タービンロータにおいて、前記冷却手段によって冷却蒸気が吹き付けられる前記高温タービンロータ構成部の位置から前記溶接部までの距離を、前記高温タービンロータ構成部のタービンロータ径で除した値が０．３以上となることを特徴とする蒸気タービン。
前記冷却手段が、冷却蒸気を前記高温タービンロータ構成部に吹き付けるための冷却蒸気管を備えることを特徴とする請求項７記載の蒸気タービン。
蒸気温度が５５０℃以下になる動翼が植設される第１のロータホイール部よりも１段上流側の前記高温タービンロータ構成部における第２のロータホイール部の側面または根元部に向けて、前記冷却手段から冷却蒸気が噴出されることを特徴とする請求項７または８記載の蒸気タービン。
前記溶接部が、前記ノズルダイヤフラム内輪または前記ノズルダイヤフラム内輪に設けられたノズルラビリンスの下流端部にほぼ対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項７記載の蒸気タービン。
前記高温タービンロータ構成部および前記低温タービンロータ構成部のそれぞれの接合端面は、中心に円形状の凹部を有するとともに、周縁部で互いに溶接により接合された円環状の面を有し、内部に空間部が形成されていることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項記載の蒸気タービン。
前記高温タービンロータ構成部に、前記冷却蒸気の一部を前記空間部に導入するための冷却蒸気導入口を設け、かつ前記低温タービンロータ構成部に、前記空間部に導入された冷却蒸気を排出するための冷却蒸気排出口を設けたことを特徴とする請求項１１記載の蒸気タービン。
前記冷却蒸気管が挿入される前記第２のロータホイール部と前記第２のロータホイール部の直下流側に設けられたノズルダイヤフラム内輪との間において、前記ノズルダイヤフラム内輪に、前記第２のロータホイール部の近傍まで前記高温タービンロータ構成部に沿って延設され、かつ前記冷却蒸気管を貫通させるための貫通口が形成された延設部材が設けられていることを特徴とする請求項９記載の蒸気タービン。