JP2012145104A - 異なる材料を使用した機械的に連結される高温区間および低温区間を備える蒸気タービンロータ - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンロータで、高温蒸気に露出される高温部分と低温蒸気に露出される低温部分との両方に対して、高温部分および低温部分の両方の特性を満足するようにロータを製造すること。
【解決手段】ＨＰ領域１２を少なくとも有する細長いシャフトを含むタービンロータ１０であって、ＨＰ領域はステージ１のロータホイール１４を支持する第１の区間およびステージ２のロータホイール１６を支持する第２の区間を有し、第１の区間は相対的に高い温度性能を有する材料で形成され、第２の区間は相対的に低い温度性能を有する材料で形成される。第１および第２の区間が機械的連結部２６、２８、３０、３２によって接合される。
【選択図】図１

Description

本発明はターボ機械のためのロータに関し、より具体的には、異なる材料の軸方向区間におけるロータの構成に関する。

最近の蒸気タービンロータでは、蒸気の温度が上がる傾向にあることから、１２％クロム鋼が優れた高温強度および高温靭性を有するという理由で使用される。このようなロータでは、高温蒸気に露出される高温部分と低温蒸気に露出される低温部分との両方に対して、同じ１２％クロム鋼が使用される。しかし、近年ロータは大型化していることから、１つの材料で高温部分および低温部分の両方の特性を満足するようにロータを製造することが困難になってきており、また、そうすることのコストが高くなってきている。

高価な１２％クロム鋼は高温蒸気に露出される部分の必要とされる耐熱性やクリープ性能などを満足するが、必要不可欠な靭性が維持されるのであれば低温部分に対してそれほど高価な材料を使用する必要はない。これらの問題に対処するために、異なる材料のロータ部分を溶接により一体に接合して単一のロータを作る試みがなされている。

米国特許第７６７４０９０号明細書

非限定の第１の例示の実施形態では、本発明は、ステージ１のロータホイール（ｓｔａｇｅ １ ｒｏｔｏｒ ｗｈｅｅｌ）を支持する相対的に高い温度性能（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を有する材料で形成される第１の軸区間およびステージ２のロータホイールを支持する相対的に低い温度性能を有する材料で形成される第２の軸方向区間を有するＨＰ領域を少なくとも含む細長いシャフトと、第１の軸方向区間および第２の軸方向区間を機械的に連結させるための手段とを有するタービンロータに関する。

別の態様では、本発明は、ＨＰ領域およびＩＰ領域を少なくとも含む細長いシャフトを有するタービンロータに関し、組み合わされたＨＰ／ＩＰ領域が、ステージの１ロータホイールを支持する相対的に高い温度性能を有する材料で形成される第１の区間およびステージ２のロータホイールを支持する相対的に低い温度性能を有する材料で形成される第２の区間を少なくとも有し、上記第１および第２の区間は機械的連結部によって接合される。

次に、以下で明確にされる図面に関連させて本発明を説明する。

非限定の第１の例示の実施形態による、機械的に連結された区間を有するタービンロータ領域を示す概略図である。 図１に類似するが、非限定の例示の一実施形態に従ってタービン区間の間で別の形の機械的連結部を用いる、概略図である。 図２に類似するが、非限定の例示の一実施形態に従ってタービン区間の間で別の形の機械的連結部を用いる、概略図である。 図３に類似するが、非限定の例示の一実施形態に従ってタービン区間の間で別の形の機械的連結部を用いる、概略図である。 図４に類似するが、非限定の例示の一実施形態に従ってタービン区間の間で別の形の機械的連結部を用いる、概略図である。 図５に類似するが、非限定の例示の一実施形態に従ってタービン区間の間で別の形の機械的連結部を用いる、概略図である。

最初に図１を参照すると、蒸気タービンロータ１０が概略的な形で示されており、この蒸気タービンロータ１０は、各々が一列のバケット１８、２０をそれぞれ支持する第１のステージのロータホイール（ｆｉｒｓｔ ｓｔａｇｅ ｒｏｔｏｒ ｗｈｅｅｌ）１４および第２のステージのロータホイール１６を少なくとも含むように形成される高圧（ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ＨＰ））領域（または、組み合わされたＨＰと中間圧力（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ＩＰ））との領域）１２を少なくとも含む。ＨＰ領域または組み合わされたＨＰ／ＩＰ領域１２の中には、軸方向に方向付けられて位置合わせされた２つの区間２２、２４の形でロータ１０が形成される。区間２２は第１のステージのロータホイール１４を含み、一方区間２４は第２のステージのロータホイール１６を含む。区間２２が約１０５０°Ｆ以上の温度の蒸気に露出される高温領域内にあることを理解されたい。対して、区間２４は約１０５０°Ｆ以下の温度の蒸気に露出される低温領域内にある。

発明者らは、ＨＰ領域または組み合わされたＨＰ／ＩＰ領域１２内のロータ区間２２、２４に対して異なる材料を使用することにより大幅なコスト削減が実現され得ることを認識している。

ロータ区間２２にはより高価な１２％Ｃｒ材料（例えば、ＡＳＴＭ Ａ９８２、グレードＢ）が適しており、区間２４には、Ｃｒ−ＭＯ−Ｖ材料などのより安価な低クロムの材料（ｌｏｗｅｒ ％ Ｃｒ ｍａｔｅｒｉａｌ）（例えば、ＡＳＴＭ Ａ４７０、グレードＤ、クラス８）が適している。

ロータ区間２２および２４は、好適には、複数の適切な機械的連結構成のいずれかにより一体に接合される。図１では、例えば、ロータ区間２２および２４は、対向するラジアルフランジ２６、２８を備え（または、それらを有するように形成され）、これらのラジアルフランジ２６、２８はそれぞれ第１のステージのロータホイール１４と第２のステージのロータホイール１６との間に位置し、これらのフランジを貫通してナット３２によって固定されるボルト３０などの軸方向に延在する締結具の円周方向のアレイによって接合される。

図２は代替の連結構成を示しており、ここでは、ラジアルフランジ２８が排除され、フランジ２６が同様の締結具３０、３２を使用してロータホイール１６のハブ部分１５に直接にボルト止めされる。

図３はロータ区間２２、２４の間の別の機械的連結構成を示している。この例の実施形態では、ロータホイール１４、１６の間において、区間２４の小径端部分３４が区間２２内に形成される止まり穴（ｂｌｉｎｄ ｂｏｒｅ）３６内で軸方向に受けられる。連結されたこれらの区間は、ロータの長手軸を基準にして放射状に方向付けられる２つまたは３つの締結具（例えば、ボルト）３８によって固定される。

図４は別の例の実施形態を示しており、ここでは、部分的にねじ切りされたスタッド４０がロータ区間２２、２４の間を延在する。具体的には、ねじ切りされた止まり穴４２が、ロータ区間２２内に形成される滑らかな貫通穴４４に位置合わせされて、ロータ区間２４の端部内に形成される。スタッド４０が滑らかな貫通穴４４を通して挿入され、スタッドのねじ切りされた端部４６が止まり穴４２内にねじ込まれる。スタッド４０のねじ切りされた反対側の端部４８がロータ区間２２から突出しており、その部分にナット５０が使用され、区間２２、２４がロータホイール１４、１６の間において軸方向に一体に接合された状態で、スタッド４０が定位置で固定される。別法として、スタッド４０の滑らかな部分はフランジ５１に届かずに終端していてよく、スタッドを定位置で固定するためにセパレートボルトが穴４４の端部にねじ込まれてよい。

図５はスプライン構成を使用する別の例示の機械的連結部を示している。具体的には、ロータ区間２４の一方の端部のところに小径の雄スプライン５２が形成される。ロータ区間２２内には雌スプライン５４が形成され、細長いスロット（すなわち、相補的なスプラインスロット）５６が雄スプライン５２の細長いリブ５８を受けるように位置合わせされる。上で説明した実施形態と同様に、ロータホイール１４、１６の間で連結がなされる。

図６は図５のスプライン連結の変形形態を示している。ここでは、ロータ区間２４の雄スプライン６０は４つの等間隔に離間されるリブ６２を有する十字形である。同様に、ロータ区間２２内の雌スプライン６４は、リブ６２を受ける位置合わせされた４つのスロット６６を有するように形成される。

図５および６に示される実施形態では、スプライン構成が逆であってもよく、ロータ区間２２上に雄スプラインがあり、ロータ区間２４内に雌スプラインがあってもよいことを理解されたい。

別の機械的連結構成も本発明の範囲内にある。いずれの場合も、ロータ区間が相対的に回転するのを防止する確実な軸方向の連結が必要である。

現在最も実用的であり好適であると考えられる実施形態に関連させて本発明を説明してきたが、本発明が開示される実施形態のみに限定されず、逆に、添付の特許請求の範囲の精神および範囲に含まれる種々の修正形態および同等の構成を包含すること意図することを理解されたい。

１０ ロータ
１２ ＨＰ／ＩＰ領域
１４ 第１のステージのロータホイール
１５ ハブ部分
１６ 第２のステージのロータホイール
１８、２０ バケットの列
２２、２４ ロータ区間
２６、２８ ラジアルフランジ
３０、３２ 締結具
３４ 端部分
３６ 止まり穴
３８ 締結具
４０ スタッド
４２ 止まり穴
４４ 貫通穴
４６ ねじ切りされた端部
４８ 反対側の端部
５０ ナット
５１ フランジ
５２ 雄スプライン
５４ 雌スプライン
５６ スプラインスロット
５８ 細長いリブ
６０ 雄スプライン
６２ リブ
６４ 雌スプライン
６６ 位置合わせされたスロット

Claims (15)

1. ＨＰ領域（１２）を少なくとも含む細長いシャフトであって、前記ＨＰ領域が、ステージ１のロータホイール（１４）を支持する第１の軸方向区間およびステージ２のロータホイール（１６）を支持する第２の軸方向区間を有し、前記第１の軸方向区間が相対的に高い温度性能を有する材料で形成され、前記第２の軸方向区間が相対的に低い温度性能を有する材料で形成される、細長いシャフトと、
   前記第１の軸方向区間および前記第２の軸方向区間を機械的に連結させるための手段（２６、２８、３０、３２）と
   を有するタービンロータ（１０）。
2. 前記相対的に高い温度性能を有する材料に１２％Ｃｒ材料が含まれる、請求項１記載のタービンロータ。
3. 前記相対的に低い温度性能を有する材料にＣｒＭｏＶ材料が含まれる、請求項１記載のタービンロータ。
4. 前記相対的に低い温度性能を有する材料にＣｒＭｏＶ材料が含まれる、請求項２記載のタービンロータ。
5. 前記第１の軸方向区間および前記第２の軸方向区間が前記ステージ１のロータホイール（１４）と前記ステージ２のロータホイール（１６）との間で連結される、請求項１記載のタービンロータ。
6. ＨＰ領域およびＩＰ領域を少なくとも含む細長いシャフト（１０）であって、組み合わされたＨＰ領域（１２）が、ステージ１のロータホイール（１４）を支持する第１の区間およびステージ２のロータホイール（１６）を支持する第２の区間を有し、前記第１の区間が相対的に高い温度性能を有する材料で形成され、前記第２の区間が相対的に低い温度性能を有する材料で形成される、細長いシャフト（１０）
   を有し、
   前記第１および第２の区間が機械的連結部（２６、２８、３０、３２）によって接合される、
   タービンロータ（１０）。
7. 前記機械的連結部が、前記第１および第２の区間上の当接するフランジ（２６、２８）、ならびに、前記当接するフランジを貫通する複数のボルト（３０）を含む、請求項６記載のタービンロータ。
8. 前記機械的連結部が、前記ステージ２のロータホイール（１６）のハブ（１５）に係合される前記第１の区間上のフランジ（２６）、ならびに、前記フランジおよび前記ハブを貫通する複数のボルト（３０）を含む、請求項７記載のタービンロータ。
9. 前記機械的連結部が、前記第１および第２の区間のうちの一方の中の止まり穴（３６）内で受けられる前記第１のおよび第２の区間のうちのもう一方の小径端部（３４）を含む、請求項７記載のタービンロータ。
10. 前記機械的連結部が、前記第１の区間を貫通する第１の穴（４４）および前記第２の区間上にある第２の止まり穴（４２）を含み、前記第１の穴と前記第２の止まり穴との間をスタッド（４０）が延在する、請求項７記載のタービンロータ。
11. 前記スタッド（４０）が前記止まり穴（４２）内にねじ込まれる、請求項１０記載のタービンロータ。
12. 前記機械的連結部が、前記第２の区間から延在し前記第１の区間内の雌スプライン（５４）内で受けられる雄スプライン（５２）を含む、請求項６記載のタービンロータ。
13. 前記雄スプライン（６０）が、前記タービンロータの回転軸を中心に実質的に９０°で離間される、径方向に突出する４つの歯（６２）を有するように形成される、請求項１２記載のタービンロータ。
14. 前記相対的に高い温度性能を有する材料に１２％Ｃｒ材料が含まれる、請求項７記載のタービンロータ。
15. 前記相対的に低い温度性能を有する材料にＣｒＭｏＶが含まれる、請求項７記載のタービンロータ。

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