JP2010121502A - タービン車室 - Google Patents

Abstract

【課題】車室上半部と車室下半部のそれぞれが、線膨張率の異なる複数の車室分割部材を接合して構成された場合にも、タービン運転時の高温環境下において、車室上半部と車室下半部間の面開きを低減できること。
【解決手段】車室上半部１１と車室半部１２の側方に設けられたフランジ部１３、１４がボルトにより締結されて構成され、車室上半部と車室下半部のそれぞれが、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂ、上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂを接合して構成されると共に車室合せ面１６、１７を備え、これらの車室分割部材１１Ａと１１Ｂ、１２Ａと１２Ｂが線膨張率の異なる材料にて構成されたタービン車室１０であって、車室分割部材１１Ａと１１Ｂの接合面２０、車室分割部材１２Ａと１２Ｂの接合面２１が、車室合せ面１６、１７に対して３０〜７５度の範囲の傾斜角θを有して構成されたものである。
【選択図】 図２

Description

本発明はタービン車室、特に蒸気タービンのタービン車室に係り、車室上半部と車室下半部のそれぞれが、異なった材質で構成された複数の車室分割部材を接合することにより構成されたタービン車室に関する。

現在、従来の蒸気タービン（Ｓｔｅａｍ Ｔｕｒｂｉｎｅ）よりも蒸気温度を高め、高効率化を目指した超々臨界圧蒸気タービン（Ａｄｖａｎｃｅｄ−Ｕｌｔｒａ Ｓｕｐｅｒ Ｃｒｉｔｉｃａｌ）の開発が進められている。従来の蒸気タービンのタービン車室は高Ｃｒ鋼により製造されていたが、超々臨界圧蒸気タービンのタービン車室は運用温度が上昇するため、より高温強度に優れたＮｉ基超合金により製造される。しかし、このＮｉ基超合金は高Ｃｒ鋼と比較して、製造コストが高く、また大型鋳造が困難である。

そこで、これらの課題を克服するため、６５０℃以上の温度にさらされる蒸気上流側の車室高温部を、Ｎｉ基超合金やＣｏ基超合金等のオーステナイト系耐熱鋼、蒸気下流側となる車室低温部をフェライト系耐熱鋼で作製し、これらを溶接接合することで車室上半部、車室下半部をそれぞれ製造して、大型鋳造困難性等の課題を克服している（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１と同様なタービン車室の車室上半部を図２０及び図２１に示す。この車室上半部１００は、蒸気の流れの上流側に位置する上流側車室分割部材１０１と、蒸気の流れの下流側に位置する下流側車室分割部材１０２とが、例えば溶接により接合されている。これらの上流側車室分割部材１０１と下流側車室分割部材１０２の接合面１０３は、ロータ回転軸と一致する車室中心軸１０４に平行な車室合せ面１０５に対して垂直な平面で構成されている。

上流側車室分割部材１０１と下流側車室分割部材１０２のそれぞれの接合面１０３が溶接等により接合されることで車室上半部１００が構成され、この車室上半部１００の車室合せ面１０５と、同様に構成された車室下半部（不図示）の車室合せ面とを接触させた状態で、車室上半部１００のフランジ部１０６と車室下半部のフランジ部とを締め付けることで、タービン車室が構成される。尚、符号１０７はボルト挿通穴を示す。

複数の車室分割部材を溶接等により接合して車室上半部、車室下半部をそれぞれ構成するタービン車室に限らず、蒸気タービンのタービン車室では、高温環境下における長時間の内圧負荷が原因となって、車室上半部と車室下半部の結合部位であるフランジ部にクリープ変形が生ずる。その結果、車室上半部と車室下半部における、密着した車室合せ面に隙間が生じ（面開き）、この隙間から蒸気漏れが発生する事態が知られている。この面開きに対しては、フランジ部の遮熱・冷却（特許文献２参照）、シール構造による蒸気漏れ対策（特許文献３参照）など、フランジ部の設計変更により対処する例が開示されている。
特開２０００−２８２８０８号公報 特開平６−１５９００９号公報 特開２００７−２１８１１９号公報

ところで、複数の車室分割部材を溶接等により接合して車室上半部、車室下半部を構成する、特許文献１及び図２０等に示すタービン車室においては、複数の車室分割部材の線膨張の相違により発生する熱応力や形状変形によって、前述の面開きが助長される。

つまり、図２０及び図２１に示すように、蒸気タービン運転時の高温環境下において、上流側車室分割部材１０１と下流側車室分割部材１０２の線膨張率の相違によって、上流側車室分割部材１０１及び下流側車室分割部材１０２の形状寸法に差異が発生し（図２１（Ａ）の破線形状と実線形状）、接合面１０３近傍に、車室上下方向に沿う引張応力１０８及び圧縮応力１０９が生じ、車室軸方向に沿う引張応力１１０が生ずる。更に、上流側車室分割部材１０１及び下流側車室分割部材１０２の線膨張が接合面１０３近傍で急激に変化することによって、車室合せ面１０５における車室上下方向の変位も大きく変化する。

このように形状寸法が変化した車室上半部１００と車室下半部を、それぞれが単一材料で構成された場合と同程度のボルト締付力１１１で締結すると、上流側車室分割部材１０１における接合面１０３近傍の車室合せ面１０５に発生した車室上下方向の局所変位（例えば凸部１１２）が、締付ボルトを締め付けるボルト締付力に対して抵抗となり、車室合せ面１０５において下流側車室分割部材１０２の接合面１０３近傍に、車室上半部１００と車室下半部間の面開き１１３が発生する。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、車室上半部と車室下半部のそれぞれが、線膨張率の異なる複数の車室分割部材を接合して構成された場合にも、タービン運転時の高温環境下において、車室上半部と車室下半部間の面開きを低減できるタービン車室を提供することにある。

本発明は、車室上半部と車室下半部のそれぞれの側方に設けられたフランジ部がボルトにより締結されて構成され、前記車室上半部と前記車室下半部のそれぞれが、複数の車室分割部材を接合して構成されると共に車室合せ面を備え、隣接する前記車室分割部材が線膨張率の異なる材料にて構成されたタービン車室であって、複数の前記車室分割部材の接合面が、前記車室合せ面に対して３０〜７５度の範囲の傾きを有して構成されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、車室上半部または車室下半部の車室合せ面と、それぞれを構成する複数の車室分割部材の接合面との交線付近において、車室上下方向への線膨張が車室軸方向に沿って急激に変化することが抑制されるので、タービン運転時の高温環境下で、車室合せ面が車室上下方向に緩やかに変化する。この結果、車室上半部と車室下半部のそれぞれが、線膨張率の異なる複数の車室分割部材を接合して構成された場合にも、タービン運転時の高温環境下において、車室上半部と車室下半部間の面開きを低減できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図５）
図１は、本発明に係るタービン車室の第１の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す斜視図である。図２は、図１の車室上半部と車室下半部により構成されたタービン車室を示す側面図である。

図１及び図２に示すタービン車室１０は、作動流体としての蒸気が導入される蒸気タービンのタービン車室であり、車室上半部１１と車室下半部１２のそれぞれの側方に設けられたフランジ部１３、１４が、図示しない締付ボルトにより締結されて構成される。これらのフランジ部１３及び１４には、上記締付ボルトを挿通するためのボルト挿通穴１５が貫通して形成されている。

ここで、図１及び図２の符号１６は、車室上半部１１の車室合せ面、符号１７は車室下半部１２の車室合せ面１７であり、締付ボルトによる車室上半部１１と車室下半部１２の締結時に、これらの車室合せ面１６と車室合せ面１７が接触する。符号２６は、車室上半部１１の車室背部、符号２７は車室下半部１２の車室背部である。また、フランジ部１３には、車室合せ面１６に平行なフランジ面１８が、フランジ部１４には車室合せ面１７に平行なフランジ面１９がそれぞれ形成されている。更に、図１中の符号２８は、ロータ回転軸と一致する車室中心軸を示す。

更に、タービン車室１０は、高温蒸気の導入により、一部（後述の上流側車室分割部材１１Ａ、１２Ａ）の基材温度が６００℃以上となる内部車室（内部ケーシング）が対象となっている。このため、このタービン車室１０では、車室上半部１１は複数の車室分割部材（例えば上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂ）が、車室軸方向であるＸ軸方向に接合、例えば溶接により接合して構成される。また、車室下半部１２は、複数の車室分割部材（例えば上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂ）が、車室軸方向であるＸ軸方向に接合、例えば溶接により接合して構成される。

そして、上流側車室分割部材１１Ａ及び１２Ａが、６００℃以上の高温に対しても強度を確保可能なＮｉ基超合金またはＣｏ基超合金にて構成される。Ｎｉ基超合金は、Ｎｉを３５％以上含む合金であり、Ｃｏ基超合金はＣｏを５０％以上含む合金である。また、下流側車室分割部材１１Ｂ及び１２Ｂは、前記Ｎｉ基超合金またはＣｏ基超合金以外のオーステナイト系鉄鋼材料、またはフェライト系鉄鋼材料（例えば１２％Ｃｒ鋼、ＣｒＭｏＶ鋼など）にて構成される。

前記上流側車室分割部材１１Ａ及び１２Ａは、蒸気の流れ方向に対して上流側に位置する車室分割部材であり、また下流側車室分割部材１１Ｂ及び１２Ｂは、蒸気の流れ方向に対して下流側に位置する車室分割部材である。車室上半部１１及び車室下半部１２が上述のように分割構造に構成されることで、Ｎｉ基超合金やＣｏ基超合金の大型鋳造の製造上の困難性が克服され、且つコスト低減が図られている。

ところで、車室上半部１１は、材質の異なる上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとが例えば溶接などにより接合されて構成されるので、これらの上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとは、線膨張率が異なる場合がある。また、車室下半部１２も、材質の異なる上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂとで構成されるため、これらの上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂとは線膨張率が異なる場合がある。このような上流側車室分割部材１１Ａ及び１２Ａと下流側車室分割部材１１Ｂ及び１２Ｂとの線膨張率の相違を考慮して、タービン運転時の高温環境下においても車室上半部１１と車室下半部１２間の面開きを低減するために、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面（例えば溶接面）２０は車室上半部１１の車室合せ面１６に対して、また、上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂの接合面（例えば溶接面）２１は、車室下半部１２の車室合せ面１７に対して、それぞれ３０〜７５度の一定の傾斜角θを有する平面形状に構成されている。

つまり、図３及び図４に示すように、車室上半部１１について代表して説明すると、上流側車室分割部材１１Ａの線膨張率が下流側車室分割部材１１Ｂの線膨張率よりも大きい場合には、タービン運転時の高温環境下において、上流側車室分割部材１１Ａが下流側車室分割部材１１Ｂよりも膨張して形状寸法に違いが発生するが（図３（Ａ）の破線形状と実線形状）、接合面２０と車室合せ面１６との交線付近では、図４の実線Ｐに示すように、車室上下方向（Ｚ軸方向）への線膨張が車室軸方向（Ｘ軸方向）に沿って急激に変化することが抑制され、なだらかな変化となる。このため、車室上半部１１の車室合せ面１６が車室軸方向に沿って車室上下方向に緩やかに変化し、締付ボルトによりボルト締付力Ｆが付与されて車室上半部１１と車室下半部１２とが締結されたとき、図２及び図３（Ｂ）に示すように、車室上半部１１の車室合せ面１６と車室下半部１２の車室合せ面１７は良好な平行度が維持されて、これらの車室合せ面１６、１７間の面開きが低減される。

この面開き量と接合面２０の傾斜角θとの間には、以下に述べるように相関を有する。即ち、上流側車室分割部材１１Ａを材料１、下流側車室分割部材１１Ｂを材料２とすると、材料１及び材料２を用いた溶接構造の車室上半部１１を、同様な構成の車室下半部１２と締付ボルトを用いて締結したときの、車室上半部１１と車室下半部１２間の面開き量ｔ_０は、式（１．１）として近似できる。

また、傾斜角がθであるときの面開き量ｔ_θは、式（１．２）として近似できる。

一方、面開き量ｔ_θが０°となる条件は、式（１．３）として近似できる。

上述の式（１．１）、式（１．２）、及び式（１．３）から傾斜角θに関して整理すると、式（１．４）となる。

ここで、上流側車室分割部材１１Ａの材料１としてＮｉ基超合金を採用し、下流側車室分割部材１１Ｂの材料２として、材料１との線膨張差が２×１０^−６／℃のフェライト系鉄鋼材料を採用し、両者をΔＴ＝６００の部位で溶接接合する場合、傾斜角θは式（１．５）となる。

具体的な車室設計条件として、ボルト条件（ボルト締付応力比σ／Ｅ_１）をσ／Ｅ_１＝１．６×１０^−３、車室形状条件（フランジ厚さ比ｌ／ｒ）をｌ／ｒ＝０．２５〜０．３として傾斜角θを計算すると、θ＝４０〜５０°程度となる。このため、Ｎｉ基超合金や類似の物性値を持つＣｏ基超合金（材料１）と、フェライト系鉄鋼材料（材料２）とをそれぞれ溶接接合した車室上半部１１、車室下半部１２においては、傾斜角θを３０〜７５度の範囲の適切な角度に定めることで、これらの車室上半部１１と車室下半部１２間の面開きを抑制する効果が得られる。

更に、このタービン車室１０では、図２に示すように、車室上半部１１と車室下半部１２との締付ボルトによる締結状態において、車室上半部１１における上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとの接合面２０位置が、車室下半部１２における上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂとの接合面２１位置とは異なるよう構成されている。

車室上半部１１の車室合せ面１６と車室下半部１２の車室合せ面１７とは、車室軸方向に沿って車室上下方向に緩やかに変化するものの、図５に示すように、車室合せ面１６の上流側車室分割部材１１Ａ側において接合面２０近傍に凸部２２が生じ、車室合せ面１６の下流側車室分割部材１１Ｂ側において接合面２０近傍に凹部２３が生じている。更に、車室下半部１２の車室合せ面１７の上流側車室分割部材１２Ａ側において接合面２１近傍に凸部２４が生じ、車室合せ面１７の下流側車室分割部材１２Ｂ側において接合面２１近傍に凹部２５が生じている。この車室上半部１１における上流側車室分割部材１１Ａ側の凸部２２が、車室下半部１２の下流側車室分割部材１２Ｂ側の凹部２５内に収まることで、車室合せ面１６と１７との面開きがより一層低減される。

以上のように構成されたことから、本実施の形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。

（１）車室上半部１１における上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面２０が、車室合せ面１６に対して３０〜７５度の一定の傾斜角θを有して構成されている。このため、車室上半部１１の車室合せ面１６と、上流側車室分割部材１１Ａ及び下流側車室分割部材１１Ｂの接合面２０との交線近傍において、車室上下方向（Ｚ軸方向）への線膨張が車室軸方向（Ｘ軸方向）に沿って急激に変化することが抑制されるので、タービン運転時の高温環境下で、車室上半部１１の車室合せ面１６が車室軸方向に沿って車室上下方向に緩やかに変化する。

また、車室下半部における上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂの接合面２１が、車室合せ面２７に対して３０〜７５度の傾斜角θを有して構成されている。このため、車室下半部１２の車室合せ面１７と、上流側車室分割部材１２Ａ及び下流側車室分割部材１２Ｂの接合面２１との交線近傍において、車室上下方向（Ｚ軸方向）への線膨張が車室軸方向（Ｘ軸方向）に沿って急激に変化することが抑制されるので、タービン運転時の高温環境下で、車室下半部１２の車室合せ面１７が車室軸方向に沿って車室上下方向に緩やかに変化する。

これらの結果、車室上半部１１が、線膨張率の異なる上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとを接合して構成された場合にも、また、車室下半部１２が、線膨張率の異なる上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂとを接合して構成された場合にも、タービン運転時の高温環境下において、車室上半部１１と車室下半部１２間の面開きを低減できる。従って、図２０及び図２１に示す従来のタービン車室の場合によりも低いボルト締付力で、車室上半部１１と車室下半部１２とを良好に密着させることができる。

（２）車室上半部１１と車室下半部１２との締付ボルトによる締結状態において、車室上半部１１における上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとの接合面２０位置が、車室下半部１２における上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂとの接合面２１位置と異なるよう構成されている。このため、車室上半部１１の車室合せ面１６の上流側車室分割部材１１Ａ側において接合面２０近傍に生じた凸部２２が、車室下半部１２の車室合せ面１７の下流側車室分割部材１２Ｂにおいて接合面２１近傍に生じた凹部２５内に収まるので、車室上半部１１と車室下半部１２との面開きをより一層低減できる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図６、図７）
図６は、本発明に係るタービン車室の第２の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室を示す側面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態のタービン車室３０が前記第１の実施の形態と異なる点は、車室上半部１１の上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面３１が、車室合せ面１６に対して３０〜７５度の一定の傾斜角θ１を有して車室合せ面１６と交差する第１部分接合面３１Ａと、この第１部分接合面３１Ａの傾斜角θ１以上の傾斜角θ２を有して第１部分接合面３１に連続する第２部分接合面３１Ｂと、この第２部分接合面３１Ｂの傾斜角θ２以上の傾斜角θ３を有して第２部分接合面３１Ｂに連続する第３部分接合面３１Ｃとを有して構成され、更に、車室下半部１２の上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂの接合面３２が、車室合せ面１７に対して３０〜７５度の一定の傾斜角θ１を有して車室合せ面１７と交差する第１部分接合面３２Ａと、この第２部分接合面３２Ａの傾斜角θ１以上の傾斜角θ２を有して第２部分接合面３２Ａに連続する第２部分接合面３２Ｂと、この第２部分接合面３２Ｂの傾斜角θ２以上の傾斜角θ３を有して第２部分接合面３２Ｂに連続する第３部分接合面３２Ｃとを有して構成された点である。

これらの第１部分接合面３１Ａ、第２部分接合面３１Ｂ、第３部分接合面３１Ｃ、第１部分接合面３２Ａ、第２部分接合面３２Ｂ、第３部分接合面３２Ｃは、いずれも平面形状に形成される。また、これらの接合面３１、３２は、４以上の部分接合面から構成されてもよい、以下、本実施の形態において、車室上半部３１の接合面３１について述べる。車室下半部１２の接合面３２についても同様である。

車室上半部１１の接合面３１における第１部分接合面３１Ａは、車室合せ面１６近傍での傾斜した接合面であり、車室上半部１１と車室下半部１２間の面開き低減に対して有効に機能する。また、接合面３１における第２部分接合面３１Ｂ及び第３部分接合面３１Ｃ、特に第３部分接合面３１Ｃは車室背部２６側の接合面である。接合面３１は、車室上半部１１成型時の加工性確保の観点から、第１部分接合面３１Ａ、第２部分接合面３１Ｂ、第３部分接合面３１Ｃの如く、車室背部２６へ向かうに従って、これらの傾斜角θ１、θ２、θ３が段階的に増大するよう設計されている（θ１＜θ２＜θ３）。

これにより、第３部分接合面３１Ｃが車室合せ面１６に対して直角に近い値に設定されることになるので、車室上半部１１の車室背部２６側において、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとの車室軸方向（Ｘ軸方向）長さが略同程度となる。

以上のように構成されたことから、本実施の形態によれば、前記実施の形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏する他、次の効果（３）を奏する。

（３）接合面３１における第１部分接合面３１Ａ、第２部分接合面３１Ｂ、第３部分接合面３１Ｃの各傾斜角θ１、θ２、θ３が、車室背部２６へ向かうに従って段階的に増大し（θ１＜θ２＜θ３）、従って、車室上半部１１の車室背部２６側において上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとの車室軸方向長さが略同程度に構成されている。このため、上流側車室分割部材１１Ａの線膨張率が下流側車室分割部材１１Ｂよりも大きな場合にも、車室上半部１１は、タービン運転時の高温環境下で、車室合せ面１６側と車室背部２６側とにおいて車室軸方向の線膨張差が甚大になることを防止できる。この結果、車室上半部１１に生ずる車室上下方向の曲げ応力が低減されて、車室上半部１１は水平面に対して、図７の矢印Ｍ方向に反り返る現象が抑制される。

この反り返りは、車室合せ面１６と接合面３１との交線近傍に発生する、車室上半部１１と車室下半部１２との局所的な面開きに対しては直接影響しないが、締付ボルトによるボルト締付力Ｆに対して逆方向の応力を発生させることになる。従って、この反り返り現象が抑制されることで、車室上半部１１と車室下半部１２との面開きを確実に低減できる。

［Ｃ］第３の実施の形態（図８、図９）
図８は、本発明に係るタービン車室の第３の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室を示す側面図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態のタービン車室３５が前記第１の実施の形態と異なる点は、車室上半部１１の上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面３６が、車室合せ面１６に対して３０〜７５度の一定の傾斜角θ４を有して車室合せ面１６と交差する第１部分接合面３６Ａと、車室合せ面１６に対して略直角の傾斜角θ５を有して第１部分接合面３６Ａに連続する第２部分接合面３６Ｂとを有して構成され、更に、車室下半部１２の上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂの接合面３７が、車室合せ面１７に対して３０〜７５度の一定の傾斜角θ４を有して車室合せ面１７に交差する第１部分接合面３７Ａと、車室合せ面１７に対して略直角の傾斜角θ５を有して第１部分接合面３７Ａに連続する第２部分接合面３７Ｂとを有して構成された点である。

これらの第１部分接合面３６Ａ、第２部分接合面３６Ｂ、第１部分接合面３７Ａ、第２部分接合面３７Ｂは、いずれも平面形状に形成される。また、第１部分接合面３６Ａ、３７Ｂは、ボルト締付力Ｆにより圧縮応力が付加されるフランジ部１３（即ち車室合せ面１６からフランジ面１８までの範囲）、フランジ部１４（即ち車室合せ面１７からフランジ面１９までの範囲）にそれぞれ形成される。

車室上半部１１のフランジ部１３に傾斜角θ４の第１部分接合面３６Ａが、また、車室下半部１２のフランジ部１４に傾斜角θ４の第１部分接合面３７Ａがそれぞれ形成されて、タービン運転時の高温環境下において、車室上半部１１、車室下半部１２の車室上下方向への線膨張が車室軸方向に沿って急激に変化することが抑制され、車室合せ面１６、１７が車室軸方向に沿って車室上下方向に緩やかに変化することなどから、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏する。

更に、車室上半部１１の車室背部２６側において、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの車室軸方向長さが同程度となり、また、車室下半部１２の車室背部２７側において、上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂの車室軸方向長さが同程度となっているので、本実施の形態においても、前記第２の実施の形態の効果（３）と同様な効果を奏する。

［Ｄ］第４の実施の形態（図１０、図１１）
図１０は、本発明に係るタービン車室の第４の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室を示す側面図である。この第４の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態のタービン車室４０が前記第１〜第３の実施の形態と異なる点は、車室上半部１１の上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面４１が、車室合せ面１６に対して３０〜７５度の一定の傾斜角θ６を有して車室合せ面１６と交差する平面形状の第１部分接合面４１Ａと、車室合せ面１６に対して略直角の傾斜角θ７を有する平面形状の第２部分接合面４１Ｂと、これらの第１部分接合面４１Ａと第２部分接合面４１Ｂに連続する湾曲形状の第３部分接合面４１Ｃとを有して構成され、車室下半部１２の上流側車室分割部材１２Ａと下流側車室分割部材１２Ｂの接合面４２が、車室合せ面１７に対して３０〜７５度の一定の傾斜角θ６を有して車室合せ面１７に交差する平面形状の第１部分接合面４２Ａと、車室合せ面１７に対して略直角の傾斜角θ７を有する平面形状の第２部分接合面４２Ｂと、これらの第１部分接合面４２Ａ及び第２部分接合面４２Ｂに連続する湾曲形状の第３部分接合面４２Ｃとを有して構成された点である。

尚、第２の実施の形態の例えば接合面３１の第１部分接合面３１Ａ、第２部分接合面３１Ｂ、第３部分接合面３１Ｃを、湾曲形状の部分接合面で連続させてもよい。以下、本実施の形態において、車室上半部１１の接合面４１について述べる。車室下半部１２の接合面４２についても同様である。

従って、本実施の形態によれば、前記第１及び第２の実施の形態の効果（１）〜（３）と同様な効果を奏する他、次の効果（４）を奏する。

（４）車室上半部１１における接合面４１の平面状の第１部分接合面４１Ａと第２部分接合面４１Ｂが、湾曲形状の第３部分接合面４１Ｃにより連続されたので、タービン運転時の高温環境下で、第１部分接合面４１Ａと第２部分接合面４１Ｂとが直接交差したときに生ずる交差点での熱応力の集中を、湾曲形状の第３部分接合面４１Ｃの存在によって分散させることができる。このように集中する熱応力を分散させることによって、車室上半部１１の強度低下を防止でき、従って、車室上半部１１の強度設計における余裕度を向上させることができる。

［Ｅ］第５の実施の形態（図１２、図１３）
図１２は、本発明に係るタービン車室の第５の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す側面図である。図１３は、図１２と同様に、第５の実施の形態が適用された他の蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す側面図である。この第５の実施の形態において、前記第１〜第４の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。尚、本実施の形態においては車室上半部１１について説明する。車室下半部１２についても同様である。

本実施の形態のタービン車室４５が前記第１〜第４の実施の形態と異なる点は、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面４６が、車室合せ面１６からフランジ部１３の厚さの１０〜６０％の位置において、車室合せ面１６に略平行に設けられた平面形状の第１部分接合面４６Ａと、この第１部分接合面４６Ａに連続し、車室合せ面１６に対して３０〜７５度の傾斜角θ８を有する平面形状または湾曲形状の第２部分接合面４６Ｂと、この第２部分接合面４６Ｂに連続し、車室合せ面１６に対して略直角または直角の傾斜角θ９を有する平面形状の第３部分接合面４６Ｃと、を備えて構成された点である。

従って、車室上半部１１の車室合せ面１６側部分は、上流側車室分割部材１１Ａのフランジ部１３、及びこのフランジ部１３に一体成形されたフランジ延長部４７により構成され、上流側車室分割部材１１Ａのみに車室合せ面１６が形成されることになる。このため、車室上半部１１の接合面４６が車室合せ面１６と交差しなくなる。車室上半部１１と車室下半部１２間の面開きは、接合面と車室合せ面１６とが交差する近傍において、車室合せ面１６に生ずる車室上下方向の局所変位（例えば図２１の凸部１１２）が原因となるが、車室上半部１１の接合面４６が車室合せ面１６と交差しなくなることで、車室上半部１１と車室下半部１２間の面開きがより一層低減される。

ここで、第１部分接合面４６Ａを構成する上流側車室分割部材１１Ａのフランジ延長部４７のフランジ厚さｌ_１は、以下の式（５．７）に示すように、締付ボルトによるボルト締付力Ｆと、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの線膨張率差などによって簡易的に評価することが可能となる。

つまり、上流側車室分割部材１１Ａの材料１、下流側車室分割部材１１Ｂの材料２、締結ボルト材のそれぞれの線膨張率をα_１、α_２、α_ｂｌｔとし、タービン停止時から定格運転時までの接合面４６の温度変化をΔＴとし、設計時におけるフランジ部１３のフランジ厚さをｌ_ｆ、フランジ延長部４７のフランジ厚さをｌ_１とし、締付ボルトのボルト締付力、断面積をそれぞれＦ、Ａとする。常温におけるボルト締め付けによるフランジ部１３及びフランジ延長部４７の変形は微小であるため無視すると、定格運転時のフランジ部１３のフランジ厚さｌ_ｆ ^Ｔは線膨張により増大し、式（５．１）として表現できる。

また、締付ボルトによりフランジ部１３及びフランジ延長部４７に負荷される圧縮応力はＦ／Ａであり、定格運転時にフランジ部１３及びフランジ延長部４７に負荷される圧縮応力σ_ｂｌｔは、クリープなどの経年劣化による軟化を無視すると、式（５．３）と近似できる。

一方、定格運転時に発生する車室上半部１１と車室下半部１２間の面開き量ｔ_０は、第１の実施形態の場合と同様にして、式（５．４）として表わせる。

この定格運転時にフランジ部１３のフランジ厚さｌ_ｆに対して、車室上半部１１と車室下半部１２間の面開き量ｔ_０が十分に小さい場合には、線膨張率の大きい上流側車室分割部材１１Ａが車室合せ面１６上で車室上下方向に局所変位しなくなるため、同部材のヤング率をＥ_１とすると、式（５．５）が成立し、この式から式（５．６）及び式（５．７）が求められる。

ここで、材料１及び締付ボルト材をＮｉ基超合金とし、材料２をフェライト系鉄鋼材料と仮定し、材料１の線膨張率α_１、材料２の線膨張率α_２、締付ボルト材の線膨張率α_ｂｌｔをそれぞれ、α_１＝１４．０×１０^−３、α_２＝１２．０×１０^−３、α_ｂｌｔ＝１４．５×１０^−３と仮定する。また、Ｆ／Ａ＝２００（ＭＰａ）、Ｅ_１＝１７５（ＧＰａ）、ｌ_ｆ／ｒ＝０．５、ΔＴ＝６００とすると、フランジ延長部４７のフランジ厚さｌ_１はフランジ部１３のフランジ厚さｌ_ｆの関数となり、式（５．８）で表される。

この値は、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂのそれぞれの材料の組み合わせにより変動するが、Ｎｉ基超合金またはＣｏ基超合金とフェライト系鉄鋼材料の溶接接合によるタービン車室５０では、ｌ_１／ｌ_ｆ＝０．１０〜０．６０において、車室上半部１１と車室下半部１２間の面開きを抑制する効果が得られる。

従って、本実施の形態によれば、前記第１〜第４の実施の形態の効果（１）、（３）及び（４）と同様な効果を奏する他、次の効果（５）を奏する。

（５）上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面４６のうち、第１部分接合面４６Ａが、車室合せ面１６からフランジ部１３の厚さの１０〜６０％の位置において、車室合せ面１６に略平行に設けられて、この接合面４６が車室合せ面１６に交差せず、この車室合せ面１６が上流側車室分割部材１１Ａに形成されている。この結果、車室上半部１１と車室下半部１２間の面開きの原因となる車室上下方向の局所変位が車室合せ面１６に発生しなくなるので、車室上半部１１と車室下半部１２との面開きを抑制できる。

［Ｆ］第６の実施の形態（図１４〜図１８）
図１４は、本発明に係るタービン車室の第６の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す部分斜視図である。図１５は、図１４と同様に、第６の実施の形態が適用された他の蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す部分斜視図である。この第６の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。尚、本実施の形態においては、車室上半部１１について説明する。車室下半部１２についても同様である。

本実施の形態のタービン車室５０が前記第４の実施の形態と異なる点は、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面５１、５２が、車室中心線２８に対して３０〜７５度の一定の傾斜角αを有する円錐面５３（図１６）上に設けられ、この接合面５１、５２が、全長に亘り車室肉厚方向（図１７の矢印Ａ方向）に同一の傾斜角αを有して構成された点である。

このうち、図１４に示す接合面５１は、車室上半部１１の車室合せ面１６に対して垂直に構成された接合面である（図２０参照）。また、図１５に示す接合面５２は、車室上半部１１の車室合せ面１６に対して３０〜７５度の範囲の一定の傾斜角θで傾斜して構成された接合面である（図３参照）。図１７に示すように、車室上半部１１の接合面５１、５２を車室肉厚方向に傾斜させることで、この車室肉厚方向への線膨張の急激な変化を抑制することが可能となる。これにより、車室上半部１１の車室背部２６において、車室上下方向への線膨張が緩やかな変化となり、車室上半部１１と車室下半部１２間の面開きに対して抑制作用を果たす。

また、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとが接合されて構成された車室上半部１１では、タービン運転時の高温環境下において、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとの線膨張差などに起因して、車室上半部１１の車室背部２６における接合面５１、５２近傍に局所的な曲げ応力が発生する。この局所的な曲げ応力は、上流側車室分割部材１１Ａにおける車室外表面５４側、及び下流側車室分割部材１１Ｂにおける車室内表面５５側にそれぞれ生ずる引張応力５６Ｐと、上流側車室分割部材１１Ａにおける車室内表面５５側、及び下流側車室分割部材１１Ｂにおける車室外表面５４側にそれぞれ生ずる圧縮応力５６Ｑとである。

図１８（Ａ）に示すように、従来のタービン車室における車室上半部１００（図２０）の上流側車室分割部材１０１と下流側車室分割部材１０２との接合面１０３が車室合せ面１０５に対して垂直である場合には、タービン運転時の高温環境下において、引張応力５６Ｐが圧縮応力５６Ｑよりも大きくなり、この車室上半部１００の車室背部１１４は、図１８（Ｂ）に示すように、車室上下方向に急激に変化する。しかも、この車室上半部１００には内圧Ｒが作用するため、引張応力５６Ｐが作用した部位は高応力箇所となる。

これに対し、本実施の形態のように、車室上半部１１における上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面５１、５２が傾斜角αにて傾斜していることで、引張応力５６Ｐが緩和され、圧縮応力５６Ｑが増大するので、高応力箇所の応力が低減されると共に、車室上半部１１における車室背部２６の車室上下方向への急激な変位も低減されることになる。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏する他、次の効果（６）を奏する。

（６）車室上半部１１における上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂの接合面５１、５２が、全長に亘り車室肉厚方向に同一の傾斜角αを有して構成されたので、車室肉厚方向への線膨張の急激な変化が抑制され、車室上半部１１の車室背部２６においては、車室上下方向への線膨張が緩やかな変化となる。また、引張応力５６Ｐが緩和され、圧縮応力５６Ｑが増大することで、車室上半部１１の車室背部２６において車室上下方向への急激な変位も抑制される。これらの結果、車室上半部１１と車室下半部１２間の面開きをより一層低減することができる。

［Ｇ］第７の実施の形態（図１９）
図１９は、本発明に係るタービン車室の第７の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室における車室上半部の溶接部を含む車室背部の断面図である。この第７の実施の形態において、前記第１及び第６の実施の形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。尚、本実施の形態においては、車室上半部について説明する。車室下半部についても同様である。

本実施の形態のタービン車室６０が前記第１及び第６の実施の形態と異なる点は、車室上半部１１の上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂのそれぞれの接合面６１における車室肉厚方向（図１９の矢印Ａ方向）の中間位置に突き合せ部６２が形成され、上流側車室分割部材１１Ａの接合面６１と下流側車室分割部材１１Ｂの接合面６１を溶接する溶接金属６３、６４は、その線膨張率が、隣接する上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂのそれぞれの線膨張率の範囲内となる金属にて構成された点である。

例えば、上流側車室分割部材１１ＡがＮｉ基超合金（線膨張率：１４．０×１０^−３／℃）で、下流側車室分割部材１１Ｂがフェライト系鉄鋼材料（線膨張率：１２．０×１０^−３／℃）であるとき、溶接金属６３、６４の線膨張率は、これらの線膨張率の範囲内の値、例えば１２．５〜１３．５×１０^−３／℃の範囲内の値に設定される。更に、車室内表面５５側の溶接金属６４の線膨張率は、車室外表面５４側の溶接金属６３の線膨張率よりも大きく構成されて、タービン運転時の高温環境下で、車室上半部１１の車室背部２６における接合面６１近傍の引張応力５６Ｐを緩和させ、圧縮応力５６Ｑを増大させる機能を果たす。

従って、本実施の形態によれば、上流側車室分割部材１１Ａの接合面６１と下流側車室分割部材１１Ｂの接合面６１とを溶接する溶接金属６３及び６４の線膨張率が、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂのそれぞれの線膨張率の範囲内となるよう構成されたので、上流側車室分割部材１１Ａと下流側車室分割部材１１Ｂとの間で線膨張率を緩やかに変化させることが可能となる。この結果、車室肉厚方向への線膨張の急激な変化を抑制できる。更に、車室内表面５５側の溶接金属６４の線膨張率が車室外表面５４側の溶接金属６３の線膨張率よりも大きく構成されたので、車室上半部１１の車室背部２６の接合面６１近傍で発生する引張応力５６Ｐを緩和させ、圧縮応力５６Ｑを増大させることができる。これらの結果、第６の実施の形態と同様に、車室上半部１１と車室半部１２間の面開きを低減できると共に、高応力箇所の応力も低減できる。

本発明に係るタービン車室の第１の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す斜視図。 図１の車室上半部と車室下半部により構成されたタービン車室を示す側面図。 図１の車室上半部であり、（Ａ）は熱変形状態を示す側面図、（Ｂ）はボルト締付力付与状態を示す側面図。 図１の車室上半部における車室上下方向の線膨張の変化を示すグラフ。 図２の車室合せ面近傍の部分拡大図。 本発明に係るタービン車室の第２の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室を示す側面図。 図６の車室上半部を示す側面図。 本発明に係るタービン車室の第３の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室を示す側面図。 図８の車室上半部を示す側面図。 本発明に係るタービン車室の第４の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室を示す側面図。 図１０の車室上半部を示す側面図。 本発明に係るタービン車室の第５の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す側面図。 図１２と同様に、第５の実施の形態が適用された他の蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す側面図。 本発明に係るタービン車室の第６の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す部分斜視図。 図１４と同様に、第６の実施の形態が適用された他の蒸気タービンのタービン車室における車室上半部を示す部分斜視図。 図１４及び図１５の車室上半部における接合面の形状を説明するための説明図。 図１４及び図１５の車室上半部における接合面を含む車室背部の断面図。 従来の蒸気タービンのタービン車室における車室上半部の接合面を含む車室背部の断面図であり、（Ａ）は熱変形前、（Ｂ）は熱変形後をそれぞれ示す断面図。 本発明に係るタービン車室の第７の実施の形態が適用された蒸気タービンのタービン車室における車室上半部の溶接部を含む車室背部の断面図。 従来のタービン車室における車室上半部を示し、（Ａ）は接合後の部分斜視図、（Ｂ）は接合前の部分斜視図。 図２０の車室上半部であり、（Ａ）は熱変形状態を示す側面図、（Ｂ）はボルト締付力付与状態を示す側面図。

符号の説明

１０ タービン車室
１１ 車室上半部
１１Ａ 上流側車室分割部材
１１Ｂ 下流側車室分割部材
１２ 車室下半部
１２Ａ 上流側車室分割部材
１２Ｂ 下流側車室分割部材
１３、１４ フランジ部
１６、１７ 車室合せ面
２０、２１ 接合面
２６、２７ 車室背部
２８ 車室中心軸
３０ タービン車室
３１、３２ 接合面
３１Ａ、３２Ａ 第１部分接合面
３１Ｂ、３２Ｂ 第２部分接合面
３１Ｃ、３２Ｃ 第３部分接合面
３５ タービン車室
３６、３７ 接合面
３６Ａ、３７Ａ 第１部分接合面
３６Ｂ、３７Ｂ 第２部分接合面
４０ タービン車室
４１、４２ 接合面
４１Ａ、４２Ａ 第１部分接合面
４１Ｂ、４２Ｂ 第２部分接合面
４１Ｃ、４２Ｃ 第３部分接合面
４５ タービン車室
４６ 接合面
４６Ａ 第１部分接合面
４６Ｂ 第２部分接合面
４６Ｃ 第３部分接合面
４７ フランジ延長部
５０ タービン車室
５１、５２ 接合面
５３ 円錐面
６０ タービン車室
６１ 接合面
６２ 突き合せ部
６３、６４ 溶接金属
α 傾斜角
θ、θ１〜θ９ 傾斜角

Claims (14)

1. 車室上半部と車室下半部のそれぞれの側方に設けられたフランジ部がボルトにより締結されて構成され、前記車室上半部と前記車室下半部のそれぞれが、複数の車室分割部材を接合して構成されると共に車室合せ面を備え、隣接する前記車室分割部材が線膨張率の異なる材料にて構成されたタービン車室であって、
   複数の前記車室分割部材の接合面が、前記車室合せ面に対して３０〜７５度の範囲の傾きを有して構成されたことを特徴とするタービン車室。
2. 前記車室分割部材の接合面は、車室合せ面に対して３０〜７５度の範囲における一定の傾きを有して構成されたことを特徴とする請求項１に記載のタービン車室。
3. 前記車室分割部材のうち、作動流体の流れ方向に対し上流側に位置する上流側車室分割部材は、Ｎｉを３５％以上含むＮｉ基超合金またはＣｏを５０％以上含むＣｏ基超合金にて構成されたことを特徴とする請求項１に記載のタービン車室。
4. 前記車室分割部材のうち、作動流体の流れ方向に対し下流側に位置する下流側車室分割部材は、Ｎｉ基超合金もしくはＣｏ基超合金以外のオーステナイト系鉄鋼材料、またはフェライト系鉄鋼材料にて構成されたことを特徴とする請求項３に記載のタービン車室。
5. 前記タービン車室は、作動流体として蒸気が導入される蒸気タービンのタービン車室であることを特徴とする請求項１に記載のタービン車室。
6. 前記タービン車室は、高温蒸気の導入により一部の温度が６００℃以上となる内部車室であることを特徴とする請求項５に記載のタービン車室。
7. 前記車室分割部材の接合面は、車室合せ面に対して３０〜７５度の一定の傾きを有する接合面と、それ以上の一定の傾きを有する単一または複数の接合面とが連続して構成されたことを特徴とする請求項１に記載のタービン車室。
8. 前記車室分割部材の接合面は、車室合せ面に対して３０〜７５度の一定の傾きを有する接合面と、それ以上の一定の傾きを有する単一または複数の接合面と、これらの接合面に連続する湾曲形状の接合面と、を備えて構成されたことを特徴とする請求項１に記載のタービン車室。
9. 前記車室分割部材の接合面は、車室合せ面からフランジ部の厚さの１０〜６０％の位置において、前記車室合せ面に略平行に設けられた接合面と、この接合面に連続し、前記車室合せ面に対して３０〜７５度の傾きを有する接合面と、を備えて構成されたことを特徴とする請求項１に記載のタービン車室。
10. 前記車室上半部と車室下半部との締結状態において、前記車室上半部における車室分割部材の車室合せ面上での接合位置が、前記車室下半部における車室分割部材の車室合せ面上での接合位置と異なるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載のタービン車室。
11. 車室上半部と車室下半部のそれぞれの側方に設けられたフランジ部がボルトにより締結されて構成され、前記車室上半部と前記車室下半部のそれぞれが複数の車室分割部材を接合して構成され、隣接する前記車室分割部材が線膨張率の異なる材料にて構成されたタービン車室であって、
    複数の前記車室分割部材におけるそれぞれの接合面は、車室中心軸に対して３０〜７５度の一定の傾きを有する円錐曲面上に設けられ、全長に亘り車室肉厚方向に同一の傾きを有して構成されたことを特徴とするタービン車室。
12. 車室上半部と車室下半部のそれぞれの側方に設けられたフランジ部がボルトにより締結されて構成され、前記車室上半部と前記車室下半部のそれぞれが複数の車室分割部材を接合して構成され、隣接する前記車室分割部材が線膨張率の異なる材料にて構成されたタービン車室であって、
    複数の前記車室分割部材におけるそれぞれの接合面の突合せ部が車室肉厚方向の中間位置に形成され、前記接合面を溶接する溶接金属は、その線膨張率が、隣接する前記車室分割部材のそれぞれの線膨張率の範囲内となる金属にて構成されたことを特徴とするタービン車室。
13. 前記溶接金属の線膨張率は、突合せ部よりも内表面側の溶接金属が、前記突合せ部よりも外表面側の溶接金属よりも大きく構成されたことを特徴とする請求項１２に記載のタービン車室。
14. 前記車室分割部材の接合面が、車室合せ面上に対して３０〜７５度の範囲の傾きを有して構成されたことを特徴とする請求項１１または１２に記載のタービン車室。

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