JP2015187411A - 動翼一体型タービンロータ、蒸気タービンおよび動翼一体型タービンロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンロータおよび動翼の損傷を防止し、信頼性を向上させる。
【解決手段】実施の形態による動翼一体型タービンロータ１０は、タービンロータ１１と、タービンロータ１１から半径方向外側に延びる動翼１３と、を備えている。動翼１３は、タービンロータ１１にシームレスで一体に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施の形態は、動翼一体型タービンロータ、蒸気タービンおよび動翼一体型タービンロータの製造方法に関する。

火力発電などの発電プラントに設置される蒸気タービンは、蒸気の圧力を羽根車で受けて回転運動に変換する。こうして得られた羽根車の回転駆動力は、羽根車に連結された発電機に伝達されて発電が行われる。

羽根車は、タービンロータ（シャフトともいう）と、回転軸線方向に互いに離間して設けられた複数の動翼翼列と、を有している。動翼翼列は、周方向に列状に設けられた複数の動翼を含んでいる。ケーシングには複数の静翼翼列が設けられており、動翼翼列と静翼翼列は、回転軸線方向に交互に配置されている。

タービンロータは、半径方向外側に突出する複数のホイールを有し、複数のホイールは、回転軸線方向に互いに離間して配置されている。上述した動翼翼列は、対応するホイールに取り付けられている。

図４に示すように、タービンロータ５０のホイール５１は、その外周部に設けられた植込部５２を有している。植込部５２には、ホイール５１の厚さ方向の両側にホイール側スリット５３が設けられている。一方、動翼６０は、その内周部に設けられた植込部６１を有しており、この植込部６１には、上述したホイール側スリット５３に差し込まれる羽根側フック６２が設けられている。このように羽根側フック６２がホイール側スリット５３に差し込まれることにより、動翼６０はタービンロータ５０に支持される。

特開２０１２−２４１６７０号公報

しかしながらタービンロータの回転時には、遠心力により、ホイールの植込部および動翼の植込部に大きな応力が負荷され得る。また、これらの植込部には、振動による疲労や蒸気による腐食などを受ける可能性もある。このため、植込部が損傷し、場合によっては蒸気タービンの運転停止を招くおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、タービンロータおよび動翼の損傷を防止し、信頼性を向上させることができる動翼一体型タービンロータ、蒸気タービンおよび動翼一体型タービンロータの製造方法を提供することである。

実施の形態による動翼一体型タービンロータは、タービンロータと、タービンロータから半径方向外側に延びる動翼と、を備えている。動翼は、タービンロータにシームレスで一体に形成されている。

実施の形態における蒸気タービンの一例を示す断面構造図である。 図１の蒸気タービンにおける動翼一体型タービンロータの一例を示す概略断面図である。 図２の動翼一体型タービンロータの製造方法の一例を説明するための図である。 従来のタービンロータと動翼の植込部の一例を示す斜視断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における動翼一体型タービンロータ、蒸気タービンおよび動翼一体型タービンロータの製造方法について説明する。

ここでは、まず、蒸気タービンの一例として、図１に示すような蒸気の圧力が比較的低い低圧蒸気タービンについて説明する。

図１に示すように、蒸気タービン１は、ケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に設けられた動翼一体型タービンロータ１０と、を備えている。このうち動翼一体型タービンロータ１０は、タービンロータ１１と、タービンロータ１１に取り付けられた複数の動翼翼列１２と、を有している。動翼翼列１２は、周方向に所定の間隔で配置された複数の動翼（図４に示す符号６０に相当）１３により構成されている。動翼１３は、タービンロータ１１から半径方向外側に延びるように形成されている。

一方、ケーシング２には、動翼翼列１２と交互に配置された複数の静翼翼列５が取り付けられている。静翼翼列５は、周方向に所定の間隔で配置された複数の静翼（ノズル）により構成されている。各動翼翼列１２は、対応する静翼翼列５と共にタービン段落を構成している。複数のタービン段落のうち最も高圧側（上流側）のタービン段落は第１段落６といい、最も低圧側（下流側）のタービン段落は、最終段落７という。

ケーシング２には、図示しないボイラ等において生成された蒸気を作動蒸気としてタービン段落に供給する蒸気管８が連結されている。この蒸気管８により供給された蒸気は、第１段落６に入り、各タービン段落を通って下流側に流れて、最終段落７から抜けていく。この間、蒸気の膨張仕事を動翼１３が受けてタービンロータ１１が回転する。このことにより、タービンロータ１１に連結された発電機（図示せず）において発電が行われる。また、最終段落７から抜けた蒸気は、ケーシング２外の復水器（図示せず）に送られて復水が生成され、生成された復水は、上述したボイラに供給される。

次に、本実施の形態による動翼一体型タービンロータ１０について説明する。

上述したように、動翼一体型タービンロータ１０は、タービンロータ１１と、動翼１３により構成された動翼翼列１２と、を有している。このうちタービンロータ１１は、回転軸線Ｘ方向に延びるロータ本体１１ａと、ロータ本体１１ａから半径方向外側に突出するホイール１１ｂと、を含んでおり、動翼１３はホイール１１ｂに設けられている。

図２に示すように、動翼１３は、タービンロータ１１（より具体的にはホイール１１ｂ）にシームレスで一体に形成されている。

すなわち、本実施の形態においては、三次元積層造形技術を用いて、タービンロータ１１および複数の動翼１３が、一体に、一部品として形成されている。例えば、タービンロータ１１および動翼１３を、それぞれ別々の部品として形成する場合には、例えば図４に示すような植込部を形成して、動翼１３をタービンロータ１１に支持させることは可能であるが、この場合、タービンロータ１１と動翼１３との境界にシーム（継ぎ目）が形成され得る。あるいは、動翼１３をタービンロータ１１に溶接により支持させることは可能であるが、この場合においても、タービンロータ１１と動翼１３の境界にシーム（継ぎ目）が形成され得る。

本実施の形態による動翼一体型タービンロータ１０においては、このようなシームが形成されていない。すなわち、本実施の形態におけるシームレスとは、タービンロータ１１および動翼１３が別々に形成されてこれらを組立、溶接等で接合した場合に形成されるシームが無いという意味で用いている。このようなシームレスの動翼一体型タービンロータ１０は、例えば三次元積層造形機（３Ｄプリンター）を用いて、タービンロータ１１および動翼１３を一部品として一体に形成することにより、作製することができる。

このような動翼一体型タービンロータ１０は、例えばＦｅ（鉄）基合金素材、Ｎｉ（ニッケル）基合金素材、チタン（Ｔｉ）合金素材により形成することができる。このことにより、三次元積層造型機を用いて動翼一体型タービンロータ１０を作製した場合であっても、動翼１３に一般に用いられる合金素材を用いて動翼１３を形成することができ、動翼１３の強度、耐熱性などの性能を確保することができる。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用、すなわち、動翼一体型タービンロータ１０の製造方法について図３を用いて説明する。本実施の形態による動翼一体型タービンロータ１０は、三次元積層造形技術を用いて形成される。

まず、１層目として、三次元積層造形装置３０のノズル３１から合金素材の金属粉末が吐出され、ステージ３２上に第１金属層４１が形成される（図３（ａ）参照）。

続いて、第１金属層４１に、レーザ光Ｌ（または電子ビーム）が照射される（図３（ｂ）参照）。レーザ光Ｌは、動翼１３とタービンロータ１１とを含む動翼一体型タービンロータ１０の３次元ＣＡＤデータに基づいて、第１金属層４１において動翼一体型タービンロータ１０の形状に対応する領域に照射される。第１金属層４１のうちレーザ光Ｌが照射された部分は、溶融して凝固し、一体化された凝固部分４１ａが形成される。

次に、２層目として、ノズル３１から金属粉末が吐出され、第１金属層４１上に第２金属層４２が形成される（図３（ｃ）参照）。

続いて、第２金属層４２に、当該第２金属層４２において動翼一体型タービンロータ１０の形状に対応する領域にレーザ光Ｌが照射される（図３（ｄ）参照）。このことにより、第２金属層４２のうちレーザ光Ｌが照射された部分が、溶融して凝固し、一体化された凝固部分４２ａが形成される。この際、第２金属層４２の凝固部分４２ａは、第１金属層４１の凝固部分４１ａにも一体化される。

このような処理を繰り返すことにより、金属粉末の凝固部分が積層され、各層の凝固部分が一体化されて動翼一体型タービンロータ１０の形状に形成される（図３（ｅ）参照）。この時点では、凝固部分の周囲に、各層の凝固していない金属粉末が残存している。

その後、金属粉末の凝固していない部分が除去されて、動翼一体型タービンロータ１０が得られる（図３（ｆ）参照）。

なお、上述した処理は、各層の厚さを薄くして、きめ細かく積層することにより、ＣＡＤデータに即した所望の形状で凝固部分を形成することができる。また、図３においては、積層方向は、タービンロータ１１の半径方向（動翼１３の長手方向、図３（ｅ）における上下方向）である例について示しているが、これに限られることはなく、積層方向はタービンロータ１１の回転軸線Ｘ方向であってもよい。

得られた動翼一体型タービンロータ１０はケーシング２に取り付けられて、図１に示すような蒸気タービン１が得られる。

このように本実施の形態によれば、動翼１３がタービンロータ１１にシームレスで一体に形成されている。このことにより、タービンロータ１１と動翼１３の境界にシーム（継ぎ目）が形成されることを回避できる。このため、タービンロータ１１と動翼１３の強度を向上させることができ、動翼一体型タービンロータ１０の回転時に、タービンロータ１１および動翼１３が損傷することを防止できる。

ここで、例えば、タービンロータ１１と動翼１３とを溶接により一体化することも考えられるが、この場合、溶接線は、動翼１３にかかる遠心力の方向に直交する方向となり得る。このため、溶接線にかかる応力が大きくなり、溶接線での破損が発生し、信頼性が損なわれるという可能性が生じる。また、タービンロータ１１と動翼１３とを鋳造により一体化することも考えられるが、この場合には、巣などの欠陥が形成される可能性があり、十分な信頼性を確保することが困難になり得る。さらに、モノブロック（塊状の金属材料）からの切削加工により一体化することも考えられるが、この場合には、寸法が大きい部品の切削加工となるため、変形や残留応力が懸念される。このため、各部の寸法精度が低下し、回転重心がずれ、信頼性が損なわれ得る。

これに対して本実施の形態によれば、動翼１３がタービンロータ１１にシームレスで一体に形成されているため、溶接、鋳造、切削加工によって一体に形成される場合よりも信頼性を向上させることが可能となる。また、蒸気タービン１のように、動翼１３の半径方向の長さが長くなる場合には、動翼１３にかかる遠心力が増大し、溶接線にかかる応力が大きくなり得るが、本実施の形態によれば、タービンロータ１１と動翼１３の強度が向上されるため、蒸気タービン１の動翼１３のように遠心力が大きくなる場合であっても、信頼性を確保することができる。

また、本実施の形態によれば、上述したように、動翼１３がタービンロータ１１にシームレスで一体に形成されていることにより、タービンロータ１１と動翼１３との組立を省略することができる。このため、蒸気タービン１の組み立て工程を簡素化して組立時間を短縮することができる。

さらに本実施の形態によれば、動翼一体型タービンロータ１０が三次元積層造形技術を用いて形成される。このことにより、信頼性を向上させ得る動翼一体型タービンロータ１０を、高品質に短時間で容易に形成することができる。また、三次元積層造形技術を用いることにより、より一層複雑な構造を形成することができる。すなわち、鍛造、鋳造、切削加工によってタービンロータ１１や動翼１３を形成する場合には、その加工方法に応じて形状や構造に制約を受ける場合もあるが、三次元積層造形技術を用いることにより、タービンロータ１１や動翼１３の形状や構造を最適化させることができ、軽量化や強度の点で優れた動翼一体型タービンロータ１０を形成することが可能となる。

以上述べた本実施の形態によれば、タービンロータ１１および動翼１３の損傷を防止し、信頼性を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上述した本実施の形態においては、動翼一体型タービンロータ１０が、低圧蒸気タービンに適用される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービンにも、上記実施の形態による動翼一体型タービンロータ１０を適用することができる。

１ 蒸気タービン
１０ 動翼一体型タービンロータ
１１ タービンロータ
１３ 動翼

Claims (4)

1. タービンロータと、
   前記タービンロータから半径方向外側に延びる動翼と、を備え、
   前記動翼は、前記タービンロータにシームレスで一体に形成されていることを特徴とする動翼一体型タービンロータ。
2. 前記タービンロータおよび前記動翼は、三次元積層造形技術を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の動翼一体型タービンロータ。
3. 請求項１または２に記載の前記動翼一体型タービンロータを備えたことを特徴とする蒸気タービン。
4. 請求項１または２に記載の前記動翼一体型タービンロータを製造する動翼一体型タービンロータの製造方法であって、
   三次元積層造形技術を用いて形成することを特徴とする動翼一体型タービンロータの製造方法。

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