JP3618412B2

JP3618412B2 - 蒸気タービンロータ

Info

Publication number: JP3618412B2
Application number: JP20429195A
Authority: JP
Inventors: 健太郎高木; 薫宇野; 徹柴垣; 正幸成田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-08-10
Filing date: 1995-08-10
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2015-08-10
Also published as: JPH0953404A

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧部（または高圧部及び中圧部）と低圧部を１車軸とする蒸気タービンに係わり、特に異径中心孔を有する高圧部（または高圧部及び中圧部）と低圧部一体型蒸気タービンロータ（以下、高（中）低圧一体型蒸気タービンロータと略す）に関する。
【０００１】
【従来の技術】
通常、蒸気タービンは、高温部である高圧部（または高圧部及び中圧部）と、高遠心力が働く低圧部を１本の車軸で構成することにより、蒸気タービンの性能及び保守性の向上、並びに全長の短縮化による発電設備のコスト低減が図れる。このため、高（中）低圧一体型の蒸気タービンロータが中容量および小容量（２００〜３００ＭＷ以下）の蒸気タービンに比較的多く採用されている。
【０００２】
一般に、蒸気タービンのロータに中心孔を設けると、起動時および停止時等の過渡変化時に発生する熱応力を軽減することができるので、通常、蒸気タービンロータの中心孔は同一径で構成されている。同様に、高（中）低圧一体型蒸気タービンロータにおいても同一径の中心孔を設けている。すなわち、同一径で比較的小さい中心孔φｄ2 を有する高・中・低圧一体型蒸気タービンを図８（Ａ），（Ｂ）に示し、また同一径で比較的大きい中心孔φｄ1 を有する高・中・低圧一体型蒸気タービンを図９（Ａ），（Ｂ）に示す。これらの図において、１は蒸気タービンロータ、２は高圧部、２ａは高温となる高圧部ボア近傍、３は中圧部、３ａは高温となる中圧部ボア近傍、４は低圧部、４ａは低圧部最終段ボア近傍を示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図８（Ａ），（Ｂ）に示す如く中心孔の径が小さいときには、ロータの肉厚が大きくなるため、例えば急速起動が必要なコンバインドサイクルにおいて高温となる高圧部２および中圧部３に起動時および停止時などの過渡変化時に過大な熱応力が発生し、その制限により運転特性が劣っていた。
【０００４】
これを解消するためには、図９（Ａ），（Ｂ）に示す如く中心孔の径を拡大してロータ肉厚を減少させることが有効であるが、同一径を中心孔とした場合、低圧部最終段のように長大化した動翼により高遠心力が働く部位４ａではボア応力が過大となり、材料強度上問題となる。また、同一径の中心孔とした場合、軸径、軸全長、軸受スパン等を変更して、軸系としての安定性を確保するために、剛性等をコントロールして軸の固有振動数（危険速度）を変えるなどの対策が採られていた。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は車軸の中心孔の径及びその範囲を変えることにより剛性をコントロールし、軸系の安定性を確保する蒸気タービンロータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１は、蒸気タービンを１車軸構造とし、低圧部を単流化あるいは複流化した高（中）低圧一体型蒸気タービンロータであって、前記ロータの高温となる高圧部または高圧部及び中圧部における中心孔と、高遠心力が働らく低圧部における中心孔を異径とした蒸気タービンロータにおいて、１車軸両端部と、高圧部または高圧部及び中圧部と、低圧部にそれぞれ異径中心孔を設け、高温となる高圧部または高圧部及び中圧部における発生熱応力の軽減と、低圧部最終段付近のボア応力の軽減並びに軸系としての安定性を確保するための軸の固有振動数等調整して軸の剛性等のコントロールを可能としたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態および参考例を図を参照して説明する。
【０００８】
図１は本発明の一実施例の構成図である。
同図に示すように、高（中）低圧一体型ロータの中心孔の径を変えている。すなわち、高圧部２と中圧部３には中心孔φｄ 1 、低圧部４には中心孔φｄ 2 、蒸気タービンロータ１の両端部には中心孔φｄ 3 を設けている。このように中心孔の大きさを変えることにより、軸径、軸全長、軸受スパンなどを変更するといった軸の外観上の形状を変えることなく、軸の固有振動数の調整が可能となり、軸系としての安定性を確保するための剛性等のコントロールが可能となる。
【０００９】
本実施例の高中低圧一体型蒸気タービンロータのグランド部中心孔の径を変化させることにより、軸の外観上の形状を変えることなく、図７のグラフに示すように軸の固有振動数の調整が可能であることを示している。高中低圧一体型蒸気タービンロータにおいては、従来の一体型でない蒸気タービンロータに比べて軸受スパンが増大し、２次危険速度が定格回転数付近となり運用上問題となるが、同一径の中心孔の高中低圧一体型蒸気タービンロータに比べ、グランド部の中心孔に１５０ｍｍの異径差を有するものは、２次危険速度を３％以上変化させることが可能となり、定格回転数からの離調が可能となる。
図２は本発明に係る参考例１の異径中心孔を有する高（中）低圧一体型ロータの構成図であり、同図（Ａ）はステップ状の異径中心孔を有し、低圧部を単流化した高（中）低圧一体型ロータの構成図、同図（Ｂ）はステップ状の異径中心孔を有し、低圧部を複流化した高（中）低圧一体型ロータの構成図である。
【００１０】
同図に示すように、高（中）低圧一体型ロータの高温となる高圧部２および中圧部３には、低圧部４の中心孔φｄ2 に比べてやや大きい中心孔φｄ1 を設けている。このように高温となる高圧部２および中圧部３では中心孔φｄ1 が低圧部４の中心孔φｄ2 より大きいので、ロータの肉厚は逆に小さくなる。このような構成により例えば急速起動が必要なコンバイドサイクルにおいて、該当部において起動時および停止時などの過渡変化時に発生する熱応力を軽減することが可能となる。これにより、目標負荷に達するまでの時間の短縮化が図れるとともに運転特性が優れ、かつ蒸気タービンの寿命を延長させることが可能となる。
【００１１】
図５は上記図２（Ａ）の詳細な断面図であり、同図に示すように、蒸気タービンロータ１には、主蒸気管６と低温再熱蒸気管７のある高圧部２、高温再熱蒸気管８と低圧挿入蒸気管９のある中圧部３には、低圧部４の中心孔に比べて大きい中心孔が形成されている。５は高中低一体車室である。
【００１２】
ところで、本参考例の異径中心孔の高（中）低圧一体型蒸気タービンロータの急速起動時に高圧部に発生するロータ熱応力Ｆ図６（Ａ）に示したようなグラフとなる。すなわち、図８（Ａ）また（Ｂ）に示す同一径の中心孔をもつ従来の蒸気タービンロータに比べて、異径差１００ｍｍ以上の中心孔を有するロータでは、該当部に起動時に発生する熱応力の最大値を１５％以上軽減することが可能となり、従来の高中低圧一体型でない蒸気タービンロータの高圧部の発生熱応力と同等以下となる。
【００１３】
図３は本発明に係る参考例２の構成図であり、同図（Ａ）は高圧部、中圧部に中心孔を設け、低圧部には中心孔を設けないで低圧部を単流化した一体型ロータの構成図、同図（Ｂ）は高圧部、中圧部に中心孔を設け、低圧部には中心孔を設けないで低圧部を複流化した一体型ロータの構成図である。
【００１４】
同図に示すように、高（中）低圧一体型ロータの最終段のような長大化した動翼により、高遠心力が働く低圧部最終段ボア近傍４ａには中心孔をなくすことにより、該当部におけるボア応力を軽減することができる。
【００１５】
図４は本発明に係る参考例３の構成図であり、同図（Ａ）はテーパ状の異径中心孔を有し低圧部を単流化した一体型ロータの構成図、同図（Ｂ）はテーパ状の異径中心孔を有し低圧部を複流化した一体型ロータの構成図である。
【００１６】
同図に示すように、高圧部２と中圧部３に設けた中心孔φｄ1 と、これよりやや小さい中心孔φｄ2 を設けた低圧部４とはテーパ状の中心孔で接続している。このようにテーパ状の中心孔を設けることにより、ステップ状の異径中心孔を設けた場合に発生する応力集中をさらに軽減させることが可能となる。
【００１７】
ところで、本参考例のテーパ状の異径中心孔を備えたコンバイドサイクルの高中低圧一体型蒸気タービンロータの最終段付近のボアに発生する遠心応力は、図６（Ｂ）に示したようなグラフとなる。すなわち、図９（Ａ）または（Ｂ）に示す同一径の中心孔を有するもつ従来の蒸気タービンロータに比べて、異径差１００ｍｍ以上の中心孔を有するロータでは、該当部付近のボアに発生する遠心応力を２％以上軽減することが可能となり、従来の高中低圧一体型でない蒸気タービンロータの低圧最終段付近のボアに発生する遠心応力と同等以下となる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、１車軸の構造で、低圧部を単流化あるいは複流化した蒸気タービンの高中低圧一体型ロータにおいて、異径の中心孔を設けることにより高温となる高圧部および中圧部における発生熱応力を軽減することができ、またロータの肉厚を減少させることにより、急速起動が必要となるコンバインドサイクルにおいて起動時および停止時などの過渡変化時に該当部における発生熱応力を軽減することができ、運転特性の優れたものとなる。一方、低圧部最終段のように長大化した動翼により高遠心力が働く部位における中心孔の径を小さくすることにより、該当部におけるボア応力を軽減することができる。
【００１９】
また、高中低圧一体型蒸気タービンロータのグランド部中心孔の大きさおよび範囲を変えることにより、軸径、軸全長および軸受スパンなどを変更するといった軸の外観上の形状を変えることなく、剛性等をコントロールして、軸固有振動数を調整でき、軸系としての安定性を確保することが可能となる。更に、テーパ状の異径の中心孔を設けることにより、ステップ状の中心孔を設けた場合と比較して、応力集中を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるグランド部において中心孔径を変化させた一体型ロータの構成図。
【図２】本発明に係る参考例１であるステップ状の異径中心孔を有する高（中）低圧一体型蒸気タービンロータであり、同図（Ａ）は低圧部を単流化した一体型ロータの構成図、同図（Ｂ）は低圧部を複流化した一体型ロータの構成図。
【図３】本発明に係る参考例２の高（中）低圧一体型蒸気タービンロータであり、同図（Ａ）は高圧部、中圧部のみ中心孔を設け，低圧部を単流化した一体型ロータの構成図、同図（Ｂ）は高圧部、中圧部のみ中心孔を設け，低圧部を複流化した一体型ロータの構成図。
【図４】本発明に係る参考例３であるテーパ状の異径中心孔を有する高（中）低圧一体型蒸気タービンロータであり、同図（Ａ）は低圧部を単流化した一体型ロータの構成図、同図（Ｂ）は低圧部を複流化した一体型ロータの構成図。
【図５】図２（Ａ）の異径中心孔を有する高（中）低圧一体型ロータの蒸気タービンの断面図。
【図６】同図（Ａ）は異径中心孔を有する高中低圧一体型蒸気タービンロータにおける高圧部に発生する熱応力と中心孔の異径差の関係を示すグラフ、同図（Ｂ）は異径中心孔を有する高中低圧一体型蒸気タービンロータにおける低圧部に発生するボア応力と中心孔の異径差の関係を示すグラフ。
【図７】異径中心孔を有する高中低圧一体型蒸気タービンロータにおける２次危険速度とグランド部の異径差の関係を示すグラフ。
【図８】従来の同一径の小さい中心孔を有する高（中）低圧一体型蒸気タービンロータの構成図であり、同図（Ａ）は低圧部を単流化した一体型ロータの構成図、同図（Ｂ）は低圧部を複流化した一体型ロータの構成図。
【図９】従来の同一径の大きい中心孔を有する高（中）低圧一体型蒸気タービンロータの構成図であり、同図（Ａ）は低圧部を単流化した一体型ロータの構成図、同図（Ｂ）は低圧部を複流化した一体型ロータの構成図。
【符号の説明】
１…高中低圧一体型蒸気タービンロータ、２…高圧部、２ａ…高温となる高圧部ボア近傍、３…中圧部、３ａ…高温となる中圧部ボア近傍、４…低圧部、４ａ…低圧部最終段ボア近傍、５…高中低一体車室、６…主蒸気管、７…低温再熱蒸気管、８…高温再熱蒸気管、９…低圧挿入蒸気管。

Claims

蒸気タービンを１車軸構造とし、低圧部を単流化あるいは複流化した高（中）低圧一体型蒸気タービンロータであって、前記ロータの高温となる高圧部または高圧部及び中圧部における中心孔と、高遠心力が働らく低圧部における中心孔を異径とした蒸気タービンロータにおいて、
１車軸両端部と、高圧部または高圧部及び中圧部と、低圧部にそれぞれ異径中心孔を設け、高温となる高圧部または高圧部及び中圧部における発生熱応力の軽減と、低圧部最終段付近のボア応力の軽減並びに軸系としての安定性を確保するための軸の固有振動数等調整して軸の剛性等のコントロールを可能としたことを特徴とする蒸気タービンロータ。