JP2010180819A - 蒸気タービンのロータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータディスクの周縁に動翼の翼列をアキシャルエントリー式に装着した蒸気タービンを対象に、簡易な構造，施工法で信頼性の高い防食機能が確保できるようにする。
【解決手段】ロータディスク１の外周縁に動翼２の翼列を装着した蒸気タービンのロータであり、ロータディスクの外周縁に沿って軸方向に刻設した翼植え込み用の翼溝１ａに動翼の脚部２ｂを嵌合してアキシャルエントリー式に固定したものにおいて、動翼２の翼列をロータディスク１に装着した組立状態で、ロータディスクの蒸気流入側，流出側端面に臨む前記翼溝／脚部間の嵌め合い隙間、および隣り合う動翼の脚部相互間に臨む隙間の開口面を覆って動翼固定部の蒸気流入側，流出側端面、および外周面に気体遮蔽性の樹脂を塗布して防食皮膜５を被覆形成し、前記隙間への蒸気，および蒸気に含まれている腐食性成分の侵入を防止する。
【選択図】図１

Description

この発明は、地熱蒸気タービンに適用する蒸気タービンのロータに関し、詳しくはロータディスクの外周縁に沿ってアキシャルエントリー式に固定した動翼の脚部とロータディスクの翼溝との嵌合部に発生する隙間腐食，腐食疲労，応力腐食割れを防ぐ防食構造に係わる。

頭記の地熱蒸気タービンでは、周知のように各段のロータディスクの周縁に沿って動翼の翼列が装着されており、特に低圧段落の動翼は高い強度が要求されることからアキシャルエントリー式の固定構造が一般に採用されている。

ここで、アキシャルエントリー式による動翼の基本的な固定構造を図４，図５に示す。各図において、１はロータディスク、２は動翼であり、図５で示すように、動翼２には翼幹２ａの根元にクリスマスツリー形状の脚部２ｂが形成されている。一方、ロータディスク１には、その外周縁に沿って前記脚部２ｂの形状に対応したクリスマスツリー形状の翼溝１ａが軸方向に刻設されている。

そして、ロータディスク１に動翼２を装着するには、図５のように動翼２の脚部２ｂをロータディスク１の翼溝１ａへ矢印方向から嵌め込んだ上で固定板（不図示）などを介して固定支持される（図４（ａ），（ｂ）参照）。なお、このアキシャルエントリー式の動翼固定構造においては、動翼２の装着，取り外しの組立性を考慮して動翼の脚部２ｂとロータディスク１の翼溝１ａとの間に０．３mm程度のはめ合い隙間Ｇ-1を設定して隙間ばめ
されている。

ところで、ロータディスク１に動翼２をアキシャルエントリー式に装着した蒸気タービンのロータでは、前記の嵌め合い隙間Ｇ-1がロータディスク１の軸方向、したがって動翼２を通過する蒸気の通流方向（図４に表した矢印Ｐ）に沿って形成される。しかも、タービン運転時には、動翼２の蒸気流入側と流出側との間に動翼で発生する動力に対応する圧力差が発生することから、前記の嵌め合い隙間Ｇ-1に蒸気またはドレン（蒸気が凝結して液滴化したもの）が侵入するようになる。また、この嵌め合い隙間Ｇ-1に侵入した蒸気，ドレンは蒸気タービンが運転を停止した場合には隙間内部に留まり、蒸気もドレン化して隙間内部に留まることになる。

そのために、地熱井から噴出する地熱流体を気液分離して得た蒸気（湿り蒸気）をタービンに供給して運転する地熱蒸気タービンでは、蒸気に含まれている硫化水素や塩化物イオンなどの腐食性成分が蒸気と一緒に前記の嵌め合い隙間Ｇ-1に侵入する。また、タービンの運転停止時には隙間Ｇ-1の中で蒸気が結露し、蒸気に含まれていた前記腐食性成分がドレン化して前記の翼溝１ａ，脚部２ｂの表面に付着する。この腐食性液は蒸気タービンが再起動，運転停止を繰り返す度に生成されるので、腐食性液は次第に濃縮されてこの部位に堆積してゆく。その結果、動翼２の固定部（植え込み部位）には隙間腐食や腐食疲労，応力腐食割れなどが発生し、最悪の場合には動翼の破断事故に進展するおそれがある。

そこで、前記した動翼固定部の防食対策として、従来ではロータディスク１の翼溝１ａ，および動翼２の脚部２ｂにショットピーニングなどを施す方法のほかに、次記のような合成樹脂材の塗装による防食構造が先に提案されている。
（１）ロータディスク１の翼溝１ａの内面，および動翼２の脚部２ｂの表面にそれぞれ樹脂を個別に塗布して防食層を形成した上で、ロータディスク１の翼溝１ａに動翼２の脚部２ｂを嵌合してアキシャルエントリー式に固定し、先記したはめ合い隙間Ｇ-1を前記防食層によりシールして脚溝／脚部間の嵌め合い隙間Ｇ-1に蒸気が侵入するのを防止する（例えば、特許文献１参照）。
（２）ロータディスク１の蒸気流入側，流出側の端面に閉塞板を配して前記のはめ合い隙間Ｇ-1を両側から塞ぎ、該隙間への蒸気の侵入を防止する（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２０４７６０号公報 特開２００５−６９０１８号公報

ところで、前記した従来の防食対策には次記のような問題点がある。すなわち、
（１）特許文献１のように、刷毛塗り，あるいはディスペンサなどによりロータディスクの翼溝，動翼脚部の表面に樹脂を塗布して防食層を塗布形成するには、ロータディスクの１段落当りの装着枚数が３０枚程度にも及ぶ動翼の個々について樹脂を均一な厚さに塗布し、さらにその塗布状態を検査するのに多大な時間と労力を要し、特にロータディスクに刻設した翼植え込み溝内の狭隘部の塗布作業には困難を伴う。さらに、樹脂塗膜とタービン構成材の密着性が悪い場合、あるいはタービンの運転に伴って発生する遠心力や熱応力により発生する歪みや、ロータディスクの翼溝と動翼の脚部との摺動などにより樹脂塗膜の密着性が低下したり皮膜が損傷，剥離したりして防食層（樹脂塗膜）とタービン構成材とに隙間が発生すると、蒸気に含まれる先記の腐食性成分が嵌め合い隙間Ｇ-1(図４参照)に侵入して隙間腐食を助長することも懸念される。
（２）また、特許文献２のように、ロータディスクの蒸気流入側，流出側の端面に閉塞板を設けてロータディスクの翼溝，動翼脚部の端面を塞ぐようにした防食構造では、ロータディスクの端面に臨む嵌め合い隙間Ｇ-1の開口面は塞がれるものの、ロータディスクの外周面側で隣り合う動翼脚部の相互間に生じる軸方向に沿った隙間Ｇ-2（図４参照）は前記閉塞板で塞ぐことができず、このためにロータディスクの周面側から嵌め合い隙間Ｇ-1に蒸気，ドレンが侵入して高い防食機能を確保することが困難である。なお、特許文献２には閉塞板（動翼固定板）に加えて、ロータディスクの翼溝／動翼の脚部間のはめ合い間隙Ｇ-1を樹脂塗膜で充填するシール方法が開示されているが、この方法は前項（１）と同様な手順で行うため、樹脂の塗布作業，およびその検査工程に多大な時間と労力を要する問題がある。

そのほか、地熱タービンでは、地熱流体の蒸気中に塩化物、硫酸塩、土砂類などの固形物のほか、シリカ（SiO₂）、カルサイト（CaCO₃）などの析出物が含まれており、長期運転に伴いタービン構成材がエロージョン損傷を生じるほどの環境にある。このためタービンのロータディスク，動翼に対して前記のように施される防食皮膜(樹脂塗膜)についても、エロージョン損傷から保護するために耐摩耗性が要求される。

この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的はロータディスクの周縁に動翼の翼列をアキシャルエントリー式に装着した蒸気タービンを対象に、簡易な構造，施工法で信頼性の高い防食機能が確保できるように改良したタービンロータの防食構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明によれば、ロータディスクの外周縁に動翼の翼列を固定した蒸気タービンのロータであり、ロータディスクの外周縁に沿って軸方向に刻設した翼植え込み用の翼溝に動翼の脚部を嵌合してアキシャルエントリー式に固定したものにおいて
（１）動翼の翼列をロータディスクに装着した組立状態で、ロータディスクの蒸気流入側，流出側端面に臨む前記翼溝／脚部間の隙間の開口面、および隣り合う動翼の脚部相互間に臨む隙間の開口面を覆って動翼固定部の蒸気流入側，流出側端面、および外周面に気体遮蔽性の樹脂を塗布して防食皮膜を被覆形成するものとする（請求項１）。
（２）前項（１）の構成において、防食皮膜の上に耐磨耗性成分を含有する皮膜をコーティングする（請求項２）。
（３）前項（１）の防食皮膜を、気体遮蔽性の樹脂に耐磨耗性成分を分散させた複合樹脂塗膜で形成する（請求項３）。

上記したこの発明の防食構造によれば、動翼をロータディスクに固定したロータ組立状態で動翼固定部の外面周域に気体遮蔽性の樹脂を塗布して防食皮膜を被覆形成することにより、ロータディスクの翼溝／動翼脚部間の嵌め合い隙間、およびロータディスクの外周面上に並ぶ動翼相互間の隙間の開口面を外側からシールして前記隙間に蒸気が侵入するのを防ぐことができる。

これにより、従来の防食構造(特許文献１)のように動翼をロータディスクに装着する以前の組立前の状態で、あらかじめロータディスクの翼溝内面，および動翼の脚部外面に樹脂材を個別に塗布，塗布面を検査する手間の掛かる労力を省き、簡便，かつ低コストな施工で動翼の固定部に対して信頼性の高い防食機能を確保できる。

また、前記防食皮膜の上に耐磨耗性成分を含有する皮膜をコーティングする、あるいは防食皮膜を気体遮蔽性の樹脂に耐磨耗性成分を分散させた複合樹脂の塗膜で形成することにより、各種固形物，析出物が混入した蒸気流による防食皮膜のエロージョン損傷を防ぐことができて耐久性，信頼性のより一層の向上が図れる。

この発明の実施例１に係わる防食構造を表す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ動翼固定部の斜視端面図，および周面図 この発明の実施例２に係わる防食構造を表す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ動翼固定部の斜視端面図，および周面図 この発明の実施例３に係わる防食構造を表す図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ動翼固定部の斜視端面図，および周面図 ロータディスクに動翼を装着したロータの基本構造図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ動翼固定部の斜視端面図，および周面図 図４の分解斜視図

以下、この発明による蒸気タービンのロータの実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１，図２，図３はそれぞれ実施例１，実施例２，実施例３に係わるロータの防食構造を表す図であり、各図において図４に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

まず、この発明の請求項１に係わる実施例を図１（ａ），（ｂ）で説明する。この実施例においては、ロータディスク１の翼溝１ａに動翼２の脚部２ｂをアキシャルエントリー式に装着したロータの組立状態で、ロータディスク１の蒸気流入側，流出側端面に開口する嵌め合い隙間Ｇ-1、および隣り合う動翼２の相互間で脚部２ｂの周面に開口する隙間Ｇ-2の開口端面を覆って動翼２の固定部周域の外表面に気体遮断性の樹脂を塗布して防食皮膜５を被覆形成している。なお、５ａはロータディスク１の蒸気流入側，流出側端面に塗布した樹脂塗膜、５ｂは隣り合って並ぶ動翼脚部２ｂの周面に塗布した樹脂塗膜であり、樹脂塗膜５ａは図４における嵌め合い隙間Ｇ-1の開口端面をシールし、樹脂塗膜５ｂは隙間Ｇ-2の開口端面をシールする。これにより、簡易な施工とコストで特許文献１に開示されている防食構造と同等な防食機能を確保することができる。

ここで、前記の防食皮膜５は気体遮断性のほかに、タービンの運転温度に相応した耐熱性も要求されることから、防食皮膜５に用いる樹脂としては耐熱性に加えて水蒸気，酸素などの気体に対する透過性の低いポリイミド樹脂が好適である。また、この樹脂を動翼２の固定部周域に塗布するには、ロータ１の翼溝１ａに動翼２の脚部２ｂを嵌合してアキシャルエントリー式に装着した状態で、まず樹脂の塗布面を溶剤にて脱脂した上で、刷毛塗り法などにより前記のポリイミド樹脂を塗布した後、赤外線加熱などにより樹脂塗布面を予備乾燥（温度１５０℃）し、さらに３００℃程度の高温で本加熱してポリイミド樹脂をイミド化して防食皮膜５を形成する。なお、樹脂塗膜の膜厚は特に制約はないが、塗装コストと防食機能とのバランスから膜厚が１００μｍ程度となるように希釈剤にて調整して塗布するのがよい。

次にこの発明の請求項２に係わる実施例を図２（ａ），（ｂ）に示す。この実施例は先記の実施例１で動翼２の固定部周域に被覆形成した防食皮膜５をエロージョン損傷から保護するようにしたものであり、図示のように防食皮膜５の上に耐磨耗性皮膜６をコーティングしている。なお、６ａはロータディスク２の蒸気流入側，流出側の端面に塗布した皮膜、６ｂは隣り合う動翼２の相互間で脚部２ｂの外周面に塗布した皮膜であり、この耐磨耗性皮膜６は例えばアルミ粉末を含有したセラミック結合体からなる塗料をスプレー塗装した上で、赤外線加熱（３５０℃程度）により焼き付けして耐磨耗性皮膜６（コーティング層）を形成する。

これにより、蒸気中に塩化物、硫酸塩、土砂類などの固形物のほか、シリカ，カルサイトなどの析出物が含まれる地熱蒸気タービンにおいても、動翼２の固定部周域に施された防食皮膜５(図１参照)を、エロージョン損傷から安全に保護することができて信頼性の向上，長寿命化が図れる。

図３（ａ），（ｂ）はこの発明の請求項３に係わる実施例を示すものである。この実施例では、先記の実施例１で述べた防食皮膜の樹脂材として、気体遮蔽性と耐磨耗性の両方の機能を合わせ持つ複合樹脂を用い、この複合樹脂を動翼２の固定部周域、すなわちロータディスク１の蒸気流入側，流出側の端面、および隣り合う動翼２の相互間で脚部２ｂの外周面にそれぞれ塗布（塗膜７ａ，７ｂ）して複合樹脂塗膜(防食皮膜)７を形成する。なお、この複合樹脂としては、例えばポリアミドイミドにグラファイトの粉末を分散させた塗料が挙げられる。

この実施例によれば、動翼２の固定部周域の表面に前記の複合樹脂を１層被覆形成するだけの簡易な施工で、先記実施例２と同等な耐磨耗性の高い気体遮蔽性の防食皮膜７を形成してエロージョン損傷からも安全に保護することができる。

１ ロータディスク
１ａ 翼溝
２ 動翼
２ａ 翼幹
２ｂ 脚部
３ ロータディスクの蒸気流入側端面
４ ロータディスクの蒸気流出側端面
５ 防食皮膜（気体遮蔽性の樹脂塗膜）
６ 耐磨耗性皮膜（コーティング層）
７ 複合樹脂塗膜(防食皮膜)

Claims (3)

1. ロータディスクの外周縁に動翼の翼列を装着した蒸気タービンのロータであり、ロータディスクの外周縁に沿って軸方向に刻設した翼植え込み用の翼溝に動翼の脚部を嵌合してアキシャルエントリー式に固定したものにおいて、
   動翼の翼列をロータディスクに装着した組立状態で、ロータディスクの蒸気流入側，流出側端面に臨む前記翼溝／脚部間の隙間、および隣り合う動翼の脚部相互間に臨む隙間の開口面を覆って動翼固定部の蒸気流入側，流出側端面、および外周面に気体遮蔽性の樹脂を塗布して防食皮膜を被覆形成したことを特徴とする蒸気タービンのロータ。
2. 請求項１に記載の蒸気タービンのロータにおいて、防食皮膜の上に耐磨耗性成分を含有する皮膜をコーティングしたことを特徴とする蒸気タービンのロータ。
3. 請求項１に記載の蒸気タービンのロータにおいて、防食皮膜が気体遮蔽性の樹脂に耐磨耗性成分を分散させた複合樹脂塗膜であることを特徴とする蒸気タービンのロータ。

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