JP5763826B2

JP5763826B2 - 蒸気タービンのロータ

Info

Publication number: JP5763826B2
Application number: JP2014219739A
Authority: JP
Inventors: 西本　慎; 西本　　慎; 田中　良典; 良典田中; 中野　隆; 隆中野; 憲治川崎; 山本　隆一; 隆一山本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2015025459A

Description

本発明は、蒸気タービンのロータに関するものである。

現在、蒸気タービンを用いた火力発電においては、６００℃級以下の蒸気条件で発電を行うのが一般的である。この蒸気条件においては、蒸気タービンを構成するタービンロータ、動翼等の主要部材に、例えば１２Ｃｒ鋼等の高Ｃｒ鋼（高クロム鋼、フェライト系耐熱鋼）が用いられることが多い。

ところが、近年、ＣＯ_２排出量削減や更なる熱効率向上の要請に応えるために、７００℃級以上の蒸気条件で発電をすることが求められている。しかしながら、この蒸気条件でフェライト系耐熱鋼を用いると、主要部材の高温強度が不足してしまう。

そこで、更に高い高温強度を確保するために、主要部材にＮｉ基合金（ニッケル基合金）を用いることになる。しかしながら、このＮｉ基合金を用いると主要部材を大型化するのが難しく、またコストが増加してしまう欠点がある。

下記特許文献１においては、タービンロータの大型化とコスト抑制とを図るために、Ｎｉ基合金で形成された第一部材と、高Ｃｒ鋼で形成された第二部材とを溶接によって接合してタービンロータを構成している。そして、特定の組成のＮｉ基合金を用いることで、接合部の強度を確保しようとしている。

国際公開第２００９／１５４２４３号

ところで、一般にＮｉ基合金は、熱伝導率が低く、線膨張係数が大きい性質を有している。このため、蒸気タービンの起動時には、タービンロータ（Ｎｉ基合金）の外側が内側に比べて高温となって大きく熱膨張することから、タービンロータの内部に過大な応力が生じてしまうという問題がある。
一方、タービンロータ全体が徐々に昇温するように時間を掛けてウォームアップを行うと、熱応力の発生を抑えることができるが、蒸気タービンの迅速な起動が阻害されるという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、回転機械の迅速な起動を許容し、かつ、ロータに生じる熱応力を抑制することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明の第一の態様に係る蒸気タービンのロータは、異なる材料からなるロータ部材を軸方向に接合して形成される蒸気タービンのロータにおいて、第一ロータ部材と、第二ロータ部材とを備え、前記第一ロータ部材は、Ｎｉ基合金からなり、前記第一ロータ部材は、作動流体が導入される部分となり、前記第一ロータ部材は、前記作動流体が通過する動翼を有し、前記第二ロータ部材は、前記Ｎｉ基合金よりも成型容易性を有する材料からなり、前記第二ロータ部材は、前記作動流体の流れの下流側において前記第一のロータ部材と接合し、前記第二ロータ部材は、前記作動流体が排出される部分となり、前記第二ロータ部材は、前記第一ロータ部材との接合側に、前記作動流体が通過する動翼を有するとともに、前記接合側とは反対側に、外部とのシール部及び軸受部を有し、前記第一ロータ部材と、前記第二ロータ部材の前記第一ロータとの接合部は、同圧力域に配され、前記第一ロータ部材の動翼の段数は、前記第二ロータ部材の動翼の段数よりも多く、前記蒸気タービンの運転領域となる、室温から７００℃までの温度範囲において、前記第一ロータ部材の平均線膨張係数が１２．４×１０^−６／℃〜１４．５×１０^−６／℃の範囲内であり、前記第二ロータ部材の平均線膨張係数が１１．２×１０^−６／℃〜１２．４×１０^−６／℃の範囲内であることを特徴とする。

また、本発明の第二の態様に係る蒸気タービンロータは、異なる材料からなるロータ部材を軸方向に接合して形成される高中圧一体型の蒸気タービンのロータにおいて、第一ロータ部材と、第二ロータ部材とを備え、前記第一ロータ部材は、Ｎｉ基合金からなり、前記第一ロータ部材は、高圧蒸気及び中圧蒸気が導入される部分となり、前記第一ロータ部材は、軸方向の一端側に、前記高圧蒸気が通過する動翼を有するとともに、軸方向の他端側に、前記中圧蒸気が通過する動翼を有し、前記第一ロータ部材は、軸方向中央寄りに、前記高圧蒸気と前記中圧蒸気とを仕切るシール部分を有し、前記第二ロータ部材は、前記Ｎｉ基合金よりも成型容易性を有する材料からなり、前記第二ロータ部材は、前記第一ロータ部材の軸方向両側に各々接合し、前記第二ロータ部材の一方は、前記第一ロータ部材との接合側に、前記高圧蒸気が通過する動翼を有するとともに、前記接合側とは反対側に、外部とのシール部及び軸受部を有し、前記第二ロータ部材の他方は、前記第一ロータ部材との接合側に、前記中圧蒸気が通過する動翼を有するとともに、前記接合側とは反対側に、外部とのシール部及び軸受部を有し、前記第一ロータ部材の前記一端側と、前記一方の第二ロータ部材の前記第一ロータとの接合部は、同圧力域に配され、前記第一ロータ部材の前記他端側と、前記他方の第二ロータ部材の前記第一ロータとの接合部は、同圧力域に配され、前記第一ロータ部材の前記一端側の動翼の段数は、前記一方の第二ロータ部材の動翼の段数よりも多く、前記第一ロータ部材の前記他端側の動翼の段数は、前記他方の第二ロータ部材の動翼の段数よりも多く、前記蒸気タービンの運転領域となる、室温から７００℃までの温度範囲において、前記第一ロータ部材の平均線膨張係数が１２.４×１０^−６／℃〜１４．５×１０^−６／℃の範囲内であり、前記第二ロータ部材の平均線膨張係数が１１．２×１０^−６／℃〜１２．４×１０^−６／℃の範囲内であることを特徴とする。

また、前記第一ロータ部材が内部に軸方向の中空部を有していてもよい。

また、前記ロータ部材の前記他端側の肉厚を、前記第一ロータ部材の前記一端側の肉厚よりも厚くしてもよい。

また、前記第一ロータ部材の肉厚を両端側に向けて厚くしてもよい。

また、前記第一ロータ部材の中空部を前記他端側にのみ設けてもよい。

また、前記第一ロータ部材が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜１５％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの一種又は二種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２５％、Ａｌ：０．２〜２％、Ｔｉ：０．５〜４．５％、Ｆｅ；１０％以下、Ｂ：０．０２％以下及びＺｒ：０．２％以下の一種又は二種を含有し、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が２．５〜７．０％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることが好ましい。

また、前記第一ロータ部材が、重量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｃｒ：８〜１５％、Ｗ：５〜２０％、Ｍｏ：１〜７％、Ａｌ：０．５〜１．０％、Ｔｉ：１．０〜２．５％、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることが好ましい。

また、前記第二ロータ部材が、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２５％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．１０％以下、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：１０〜１２．５％、Ｍｏ：０．６〜１．９％、Ｗ：１．０〜１．９５％、Ｖ：０．１０〜０．３５％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．０１〜０．０８％、Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｃｏ：２．０〜８．０％、残部Ｆｅと不可避的不純物からなることが好ましい。

本発明に係る回転機械のロータによれば、回転機械の迅速な起動を許容し、かつ、ロータに生じる熱応力を抑制することができる。
また、本発明に係る回転機械によれば、良好な運転性能を得ることができると共にロータの破損を防止することができる。

本発明の第一実施形態に係る高中圧タービンＴ１の概略構成断面図であって、高中圧タービンＴ１の軸線Ｐを含む子午断面図である。本発明の実施形態に係る軸体１１の拡大断面図である。本発明の第二実施形態に係る高中圧タービンＴ２における軸体１１_Ａの拡大断面図である。本発明の第三実施形態に係る高中圧タービンＴ３における軸体１１_Ｂの拡大断面図である。本発明の第四実施形態に係る高中圧タービンＴ４における軸体１１_Ｃの拡大断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
『第一実施形態』
図１は本発明の第一実施形態に係る高中圧タービン（回転機械）Ｔ１の概略構成断面図であって、高中圧タービンＴ１の軸線Ｐを含む子午断面図である。なお、以下の説明においては、軸線Ｐの延在方向を「タービン軸方向（軸方向）」と、軸線Ｐの周方向を「タービン周方向」と、軸線Ｐの径方向を「タービン径方向」と称する。

図１に示すように、高中圧タービンＴ１は、タービン軸方向の一方側に高圧タービン（回転機械）１Ａが、タービン軸方向の他方側に中圧タービン（回転機械）１Ｂが、それぞれ構成されている。
高中圧タービンＴ１は、ロータ１０とステータ５０とを有している。

ロータ１０は、回転可能に支持された軸体１１と、軸体１１に複数構成された動翼列１２（１２Ａ，１２Ｂ）とを有している。

軸体１１は、ステータ５０をタービン軸方向に貫通しており、タービン軸方向の両端を、ステータ５０の外部に配設された軸受装置９１，９２によって支持されている。この軸体１１のその他の構成については、後に詳述する。

複数の動翼列１２（１２Ａ，１２Ｂ）は、それぞれ、軸体１１の外周に拘束された複数の動翼がタービン周方向に配列されることで構成されている。複数の動翼列１２Ａは高圧タービン１Ａに、複数の動翼列１２Ｂは中圧タービン１Ｂにそれぞれ配設されている。

ステータ５０は、外部車室ケーシング６０と、内部車室ケーシング７０（７０Ａ，７０Ｂ）と、静翼列５２（５２Ａ，５２Ｂ）とを有している。

外部車室ケーシング６０は、外部から内部空間６１を区画する車室壁６０ａと、内部空間６１をタービン軸方向に二つに仕切る隔壁６０ｂとを有している。隔壁６０ｂは、内部空間６１においてタービン軸方向の略中央に配設されており、内部空間６１を、タービン軸方向の一方側の高圧タービン室６１Ａと、タービン軸方向の他方側の中圧タービン室６１Ｂとに仕切っている。
外部車室ケーシング６０の車室壁６０ａには、高圧タービン１Ａにおいて、タービン軸方向の他方側に形成された複数の導入ノズル６３Ａと、タービン軸方向の一方側に形成された排出ノズル６４Ａとが形成されている。また、車室壁６０ａには、中圧タービン１Ｂにおいて、タービン軸方向の一方側に形成された複数の導入ノズル６３Ｂと、タービン軸方向の他方側に形成された排出ノズル６４Ｂとが形成されている。
この外部車室ケーシング６０は、ロータ１０に挿通されており、車室壁６０ａのタービン軸方向の両端からロータ１０（軸体１１）の両端を突出させている。
なお、車室壁６０ａがロータ１０の両端との間に形成する隙間は、それぞれシール装置９３Ａ，９３Ｂによって封止されている。また、隔壁６０ｂがロータ１０の中央側との間に形成する隙間は、シール部材９４Ａ，９４Ｂによって封止されている。

内部車室ケーシング７０（７０Ａ，７０Ｂ）は、両端開放型の筒状部材であって、内周部に静翼列５２（５２Ａ，５２Ｂ）を保持する静翼保持環７１を含んでいる。
内部車室ケーシング７０Ａは、高圧タービン１Ａに配設され、内部車室ケーシング７０Ｂは、中圧タービン１Ｂに配設されている。これら内部車室ケーシング７０Ａ，７０Ｂは、それぞれ、外部車室ケーシング６０の車室壁６０ａの内壁及び隔壁６０ｂに拘束されている。これら内部車室ケーシング７０Ａ，７０Ｂは、それぞれ、ロータ１０に挿通されてロータ１０の外周１０ａの周囲を囲っており、ロータ１０の外周１０ａと静翼保持環７１との間に環状流路（流路）３（３Ａ，３Ｂ）がタービン軸方向に延びている。

内部車室ケーシング７０Ａの、タービン軸方向の他方側における他端開放部は、隔壁６０ｂに突き合わされて閉塞されていると共にロータ１０との間がシール部材９４Ａによって封止されている。
内部車室ケーシング７０Ａの他端開放部側は、シール部材９４Ａ及び軸体１１の外周との間に、タービン周方向に延びると共に環状流路３に連通したマニホールド（作動流体導入部）３ａを画定している。このマニホールド３ａは、各導入ノズル６３Ａに挿し込まれると共にそれぞれ内部車室ケーシング７０Ａに気密に接続された連結管８０Ａに連通しており、この連結管８０Ａを介してボイラＢから高圧蒸気（作動流体）Ｓ１（約７００℃）が供給される。このマニホールド３ａは、環状流路３に高圧蒸気Ｓ１を導入する部分であって、高圧タービン１Ａに供給された高圧蒸気Ｓ１がロータ１０に最初に接する部分である。つまり、運転時の高圧タービン１Ａにおいては、ロータ１０の各部位の中で、マニホールド３ａに曝される部位が最も高温となる。
なお、内部車室ケーシング７０Ａの一端開放部は、タービン軸方向の一方側に向けて開放されている。

内部車室ケーシング７０Ｂは、両端開放部がそれぞれタービン軸方向に開放されている。内部車室ケーシング７０Ｂのタービン軸方向の一方側には、内部車室ケーシング７０の外周部から鍔状に延出するフランジ部７０ａが形成されており、このフランジ部７０ａが車室壁６０ａの内壁に連結されていることで、一端開放部の周囲にマニホールド３ｂが画定されている。このマニホールド３ｂには、各導入ノズル６３Ｂに挿し込まれた連結管８０Ｂを介して、ボイラＢから中圧蒸気（作動流体）Ｓ２（約７００℃）が供給される。
一方、この内部車室ケーシング７０Ｂにおいては、軸体１１のタービン軸方向の一方側がシール部材９４Ｂによって被覆されている。すなわち、マニホールド３ｂに供給された中圧蒸気Ｓ２は、シール部材９４Ｂに沿って環状流路３Ｂに導入されることとなり、ロータ１０のうちシール部材９４Ｂからの露出部（作動流体導入部）３ｃが、中圧蒸気Ｓ２が最初に接する部分となる。つまり、運転時の中圧タービン１Ｂにおいては、ロータ１０の各部位の中で、シール部材９４Ｂから露出部３ｃが最も高温となる。

複数の静翼列５２（５２Ａ，５２Ｂ）は、それぞれ、内部車室ケーシング７０（７０Ａ，７０Ｂ）の静翼保持環７１に拘束された静翼がタービン周方向に配列されることで構成されている。
静翼列５２Ａは、高圧タービン１Ａの環状流路３Ａにおいて、タービン軸方向の他方側から一方側に向けて、動翼列１２Ａと交互になるように配設されている。静翼列５２Ｂは、中圧タービン１Ｂの環状流路３Ｂにおいて、タービン軸方向の一方側から他方側に向けて、動翼列１２Ｂと交互になるように配設されている。

図２は、軸体１１の拡大断面図である。
図２に示すように、軸体１１は、ロータ部材２０，３０，４０がタービン軸方向に相互に接合されて構成されている。より具体的には、ロータ部材２０，３０，４０は、それぞれの軸線を軸線Ｐに重ねた状態で、上記の順番で接合されることで、全体として軸状になっている。

ロータ部材（第二ロータ部材）２０は、相対的に小径に形成された小径部２１と、相対的に大径に形成された大径部２２とを有している。
大径部２２は、タービン軸方向の一方側の一端部２０ａが皿状に窪んでおり、他端部２０ｂが例えば低圧タービンのロータＲ_Ｌの端部に接続されている（図１参照）。

ロータ部材（第二ロータ部材）４０は、相対的に小径に形成された小径部４１と、相対的に大径に形成された大径部４２とを有している。
ロータ部材４０は、ロータ部材４０のタービン軸方向の他方側の他端部４０ｂが皿状に窪んでおり、一端部４０ａが例えば超高圧タービンのロータＲ_ＶＨの端部に接続されている（図１参照）。
これらロータ部材２０及び４０の材質は、例えば高Ｃｒ鋼を用いており、例えば鍛造によって形成されている。この高Ｃｒ鋼としては、例えば、下記の表１に示す１−１，１−２の組成のものを好適に用いることができる。これらの組成の高Ｃｒ鋼は、室温から７００℃までの平均線膨張係数が概ね１１．２×１０^−６／℃〜１２．４×１０^−６℃となっている。
なお、表１以外の他の組成の高Ｃｒ鋼を用いてもよいのは勿論である。

なお、表１における％は、重量％を意味する。

ロータ部材（第一ロータ部材）３０は、タービン軸方向の両端部（接合端部）３０ａ，３０ｂがそれぞれ皿状に窪んでいる。
このロータ部材３０は、Ｎｉ基合金で形成されており、比較的に低い熱伝導率と高い線膨張係数とを有している。このＮｉ基合金としては、例えば、下記の表２に示す２−１，２−２，２−３，２−４，２−５，２−６の組成のものを好適に用いることができる。これらの組成のＮｉ基合金は、室温から７００℃までの平均線膨張係数が概ね１２．４×１０^−６／℃〜１４．５×１０^−６℃となっており、他の組成のＮｉ基合金と比較して低く抑えられている。
なお、表２以外の他の組成のＮｉ基合金を用いてもよいのは勿論である。

なお、表２における％は、重量％を意味する。

このロータ部材３０の一端部３０ａは、ロータ部材４０の他端部４０ｂに対して突き合わされた状態で溶接によって接合されている。また、ロータ部材３０の他端部３０ｂは、ロータ部材２０の一端部２０ａと突き合わされた状態で溶接によって接合されている。
ロータ部材３０のタービン軸方向の両端部３０ａ，３０ｂにおける接合箇所は、高中圧タービンＴ１の運転状態で必要な強度が確保されることを条件として、可能な限り肉厚ｄを小さく設定することが望ましい。

図２に示すように、このロータ部材３０の内部は中空に形成されている。より具体的には、軸線Ｐ上においてタービン軸方向に一定の内径Ｄ１で形成された孔３１が延びており、一端部３０ａと他端部３０ｂとを連通させている。すなわち、ロータ部材３０は、ロータ部材３０を中実に形成した場合（孔３１を形成しなかった場合）と比較して、熱容量が小さくなっている。
ロータ部材３０の孔３１が形成されたタービン軸方向中央側における各部位の肉厚は、内径Ｄ１の外径Ｄ２に対する比の値が１／２以上となるように、かつ、ロータ部材３０のタービン軸方向の両端部３０ａ，３０ｂの肉厚ｄ以上となるように形成されている。

続いて、上記構成からなる高中圧タービンＴ１の作用について図を用いて説明する。
まず、高中圧タービンＴ１を起動すると、高圧タービン１Ａに高圧蒸気Ｓ１が、中圧タービン１Ｂに中圧蒸気Ｓ２がそれぞれ流入する。

図１に示すように、例えば、高圧タービン１Ａには、超高圧タービン（不図示）を経た後にボイラＢで再加熱された高圧蒸気Ｓ１が、連結管８０Ａを介してマニホールド３ａに供給される。そして、高圧蒸気Ｓ１は、ロータ部材３０に沿って環状流路３Ａに導入され、動翼列１２Ａと静翼列５２Ａとを順に流れることでロータ１０に回転力を付与する。環状流路３Ａを経た高圧蒸気Ｓ１は、排出ノズル６４Ａを介して、高圧タービン１Ａから排出されてボイラＢに送られる。

一方、例えば、中圧タービン１Ｂには、高圧タービン１Ａから排出された後にボイラＢで再加熱された中圧蒸気Ｓ２が、連結管８０Ｂを介してマニホールド３ｂに供給される。
そして、中圧蒸気Ｓ２は、マニホールド３ｂからシール部材９４Ｂに沿って環状流路３Ｂに導入され、環状流路３Ｂにおいて動翼列１２Ｂと静翼列５２Ｂとを順に流れることで、ロータ１０に回転力を付与する。環状流路３Ｂを経た中圧蒸気Ｓ２は、排出ノズル６４Ｂを介して、中圧タービン１Ｂから排出されてボイラ（不図示）に送られる。

この際、ロータ１０におけるロータ部材３０の内部が中空に形成されていることで熱容量が小さくなっていることから、ロータ部材３０の内部（より正確には肉部）において外側と内側との温度差がつき難い。
換言すれば、ロータ部材３０が中空に形成されていることで、ロータ部材３０の外周端から内周端までの熱伝達経路の距離が、ロータ部材３０を中実に形成した場合に比べて短くなっており、高圧蒸気Ｓ１からロータ部材３０の外周端に伝達した熱が、ロータ部材３０の内周端まで速やかに伝導（到達）する。このため、ロータ部材３０の内部においてタービン径方向の温度勾配が緩やかになって、ロータ部材３０の内部の外側と内側とが同様の温度となる。

ロータ部材３０の内部において外側と内側とに生じる温度差に比例して、ロータ部材３０の外側と内側との熱伸びの差も僅かなものとなる。このため、ロータ部材３０の内部において生じる熱応力が大幅に抑制される。
このような状態を継続させながら、ロータ部材３０は、高中圧タービンＴ１の運転状態の温度まで全体的に昇温することとなる。
そして、高中圧タービンＴ１は、起動状態から定常状態に移行する。定常状態に移行した後には、ロータ部材３０は、全体的に一定の温度となって回転する。

以上説明したように、高中圧タービンＴ１によれば、Ｎｉ基合金からなるロータ部材３０がタービン軸方向全部に亘って内部が中空であるので、内部を中実に形成した場合と比較して、ロータ部材３０の熱容量が小さくなる。これにより、高中圧タービンＴ１において迅速な起動をした場合に、ロータ部材３０内部の外側と内側とに生じる温度差が抑制されてロータ部材３０が全体的に昇温する。これにより、ロータ部材３０の内部に生じる熱応力を抑制することができる。従って、高中圧タービンＴ１の迅速な起動を許容し、かつ、ロータ１０に生じる熱応力を抑制することができる。

また、軸体１１がロータ部材３０に対してタービン軸方向に隣接すると共に高Ｃｒ鋼からなるロータ部材２０，４０を含むので、軸体１１全体をＮｉ基合金で形成した場合に比べて、ロータ１０のコストを抑えることができる。さらに、Ｎｉ基合金と比較して優れた成型容易性を有する高Ｃｒ鋼で、軸体１１の一部を形成することで、ロータ１０の製造を容易に行うことができる。

また、ロータ部材３０が表２の組成からなるＮｉ基合金で形成することで、室温から７００℃までの平均線膨張係数が他の組成のＮｉ基合金と比較して小さくなる。これにより、他の組成のＮｉ基合金と比較して、ロータ部材３０に熱伸びが生じ難くなるので、ロータ部材３０の内部に生じる熱応力を更に抑制することができる。
また、ロータ部材２０，４０に表１の組成からなる高Ｃｒ鋼で形成すると共に、ロータ部材３０に表２の組成からなるＮｉ基合金を形成することで、互いの線膨張係数の差が小さくなる。これにより、ロータ部材２０，４０と、ロータ部材３０との接合部の強度確保が可能である。

また、ロータ部材３０のタービン軸方向中央側の肉厚が、内径Ｄ１の外径Ｄ２に対する比の値が１／２以上となるように形成されているので、ロータ部材３０の内部の外側と内側とに生じる温度差を更に抑制し、ロータ部材３０の内部に生じる熱応力を更に抑制することができる。一方、ロータ部材３０のタービン軸方向中央側の肉厚が、ロータ部材３０のタービン軸方向における両端部３０ａ，３０ｂの肉厚ｄ以上となるように形成されているので、必要な強度を確保することができる。

さらに、本発明に係る高中圧タービンＴ１は、ロータ１０を備えるので、７００℃級以上の蒸気条件においてＮｉ基合金を用いたとしても、高中圧タービンＴ１の迅速な起動が許容され、かつ、ロータ１０に生じる熱応力が抑制される。これにより、良好な運転性能を得ることができると共にロータ１０の破損を防止することができる。そして、蒸気Ｓ１，Ｓ２を比較的に高温（約７００℃）に設定することでＣＯ_２排出量削減や更なる熱効率向上の要請に十分に応えることができる。

『第二実施形態』
以下、本発明の第二実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の説明及びその説明に用いる図面において、既に説明を終えた構成要素と同様の構成要素については、同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

図３は、本発明の第二実施形態に係る高中圧タービン（回転機械）Ｔ２における軸体１１_Ａの拡大断面図である。
上述した第一実施形態の軸体１１が一体的に形成されたロータ部材３０を有していたのに対して、図３に示すように、本実施形態に係る高中圧タービンＴ２の軸体１１_Ａは、ロータ部材３０に相当する位置にロータ部材（第一ロータ部材）３２Ａ，３２Ｂが配設されている。

ロータ部材３２Ａ，３２Ｂは、ロータ部材３０と同様に、Ｎｉ基合金で形成されており、タービン軸方向の両端部（接合端部）３２ａ，３２ｂがそれぞれ皿状に窪んでいる。このロータ部材３２Ａ，３２Ｂのそれぞれの内部は中空に形成されている。
ロータ部材３２Ａの一端部３２ａは、ロータ部材４０の他端部４０ｂと突き合わされた状態で溶接によって接合されている。
ロータ部材３２Ｂの一端部３２ｄは、ロータ部材２０の一端部２０ａと突き合わされた状態で溶接によって接合されている。
また、ロータ部材３２Ａの他端部３２ｂと、ロータ部材３２Ｂの他端部３２ｃとは、互いに突き合わされた状態で溶接（共材溶接）によって接合されている。

ロータ部材３２Ａは、軸線Ｐ上においてタービン軸方向に一定の内径Ｄ１で形成された孔３１Ａが延びている。ロータ部材３２Ｂは、軸線Ｐ上においてタービン軸方向に一定の内径Ｄ３（≠内径Ｄ１）で形成された孔３１Ｂが延びている。
すなわち、ロータ部材３２Ａ，３２Ｂは、相互に異なる内径となっている。

この高中圧タービンＴ２によれば、上述した第一実施形態の主要な効果を得ることができる他、マニホールド３ａ及び露出部３ｃにおいて、それぞれの内径（Ｄ１≠Ｄ３）が相互に異なるので、マニホールド３ａ及び露出部３ｃ（高圧タービン１Ａ、中圧タービン１Ｂ）においてそれぞれ温度分布を調整することができる。
なお、ロータ部材３２Ａ，３２Ｂを同一の内径にしても、上述した第一実施形態の主要な効果を得ることが可能である。

『第三実施形態』
以下、本発明の第三実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の説明及びその説明に用いる図面において、既に説明を終えた構成要素と同様の構成要素については、同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

図４は、本発明の第三実施形態に係る高中圧タービン（回転機械）Ｔ３における軸体１１_Ｂの拡大断面図である。
上述した第二実施形態の軸体１１_Ａが孔３１Ｂを含むロータ部材３２Ｂを有していたのに対して、図４に示すように、本実施形態に係る高中圧タービンＴ３の軸体１１_Ｂは、ロータ部材３２Ｂに代えて中実のロータ部材３３を有している。
ロータ部材３３は、Ｎｉ基合金で形成されており、一端部（接合端部）３３ａがロータ部材３２Ａの他端部３２ｂに突き合わされた状態で、また他端部３３ｂがロータ部材２０の一端部２０ａに突き合わされた状態で、それぞれ溶接によって接合されている。

この高中圧タービンＴ３によれば、ロータ部材３２Ａにおいて上述した第一実施形態及び第二実施形態の主要な効果を得ることができる他、ロータ部材３３の内部が中実に形成されているので、中圧タービン１Ｂにおいてロータ部材３３の剛性を高めることができる。
なお、ロータ部材３３の内部を中空にすると共に（ロータ部材３２Ｂ）、ロータ部材３２Ａの内部を中実に形成しても構わない。

『第四実施形態』
以下、本発明の第四実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の説明及びその説明に用いる図面において、既に説明を終えた構成要素と同様の構成要素については、同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

図５は、本発明の第四実施形態に係る高中圧タービン（回転機械）Ｔ４における軸体１１_Ｃの拡大断面図である。
上述した第二実施形態の軸体１１_Ａが孔３１Ａ，３１Ｂがそれぞれ一定の内径Ｄ１，Ｄ３で形成されたロータ部材３２Ａ，３２Ｂを有していたのに対して、図５に示すように、本実施形態に係る高中圧タービンＴ４の軸体１１_Ｃは、それぞれに形成された孔３５Ａ，３５Ｂの内径がタービン軸方向の各部位で相違するロータ部材（第一ロータ部材）３４Ａ，３４Ｂを有している。

ロータ部材３４Ａの孔３５Ａは、例えば、タービン軸方向の他方側から一方側に向けて漸次内径が小さくなるように、先細り状に形成されている。
ロータ部材３４Ｂの孔３５Ｂは、例えば、タービン軸方向の一方側から他方側に向けて漸次内径が小さくなるように、先細り状に形成されている。

この高中圧タービンＴ４によれば、上述した第一実施形態及び第二実施形態の主要な効果を得ることができる他、タービン軸方向の各部位において、ロータ部材３４Ａ，３４Ｂの内径（孔３５Ａ，３５Ｂ）がそれぞれ異なるので、ロータ部材３４Ａ，３４Ｂ（高圧タービン１Ａ、中圧タービン１Ｂ）のそれぞれにおいてタービン軸方向に温度調整をすることができる。

なお、本実施形態においては、タービン軸方向の一方側から他方側に向けて漸次内径が小さくなるように、先細り状に孔３５Ａを形成したが、タービン軸方向の他方側から一方側に向けて漸次内径が小さくなるように形成してもよい。また、孔３５Ａの一部に一定の内径で形成された部分があってもよい。また、孔３５Ａの内径がタービン軸方向において増加した後に減少する部分があってもよい。孔３５Ｂについても同様である。
また、本実施形態と同様に、第一実施形態から第三実施形態の各孔の内径をタービン軸方向に変化させてもよい。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施形態においては、ロータ部材２０，３０，４０，３２Ａ，３２Ｂ３３，３４Ａ，３４Ｂのタービン軸方向の端部を皿状に形成したが、他の形状でタービン軸方向に窪みを形成してもよい。また、平タービン軸方向に窪みを形成せずに、平状に形成してもよい。

また、上述した実施の形態では、高中圧タービンＴ１〜Ｔ４に本発明を適用した場合について説明したが、他の圧力域のタービンに本発明を適用してもよい。また、タービン以外の回転機械に本発明を適用してもよい。

１Ａ…高圧タービン（回転機械）
１Ｂ…中圧タービン（回転機械）
３（３Ａ，３Ｂ）…環状流路（流路）
３ａ…マニホールド（作動流体導入部）
３ｃ…露出部（作動流体導入部）
１０…ロータ
１０ａ…外周
２０…ロータ部材（第二ロータ部材）
３０…ロータ部材（第一ロータ部材）
３０ａ，３０ｂ…両端部（接合端部）
３２Ａ，３２Ｂ…ロータ部材（第一ロータ部材）
３２ａ，３２ｂ…両端部（接合端部）
３２ｃ，３２ｄ…両端部（接合端部）
３３…ロータ部材（第一ロータ部材）
３３ａ…一端部（接合端部）
３４Ａ…ロータ部材（第一ロータ部材）
３４Ｂ…ロータ部材（第一ロータ部材）
４０…ロータ部材（第二ロータ部材）
５０…ステータ
Ｐ…軸線
ｄ…肉厚
Ｄ１，Ｄ３…内径
Ｄ２…外径
Ｓ１…高圧蒸気（作動流体）
Ｓ２…中圧蒸気（作動流体）
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４…高中圧タービン（回転機械）

Claims

異なる材料からなるロータ部材を軸方向に接合して形成される蒸気タービンのロータにおいて、
第一ロータ部材と、
第二ロータ部材とを備え、
前記第一ロータ部材は、Ｎｉ基合金からなり、
前記第一ロータ部材は、作動流体の導入部を有し、
前記第一ロータ部材は、前記導入部から前記軸方向の一方側端部までの前記作動流体が通過する領域に動翼を有し、
前記第二ロータ部材は、前記Ｎｉ基合金よりも成型容易性を有する材料からなり、
前記第二ロータ部材は、一端が前記第一ロータ部材の前記一方側端部と接合され、
前記第二ロータ部材は、他端側に前記作動流体の排出部を有し、
前記第二ロータ部材は、前記第一ロータ部材と接合される前記一端から前記排出部までの前記作動流体が通過する領域に動翼を有し、
前記第一ロータ部材の前記導入部から前記第二ロータ部材の前記排出部にわたって前記作動流体が一方向に通過する領域が形成され、該領域に連なってそれぞれ配置されている前記第一ロータ部材の前記動翼と前記第二ロータ部材の動翼とにより一のタービン室が構成され、
該タービン室においては、前記第一ロータ部材の動翼の段数が前記第二ロータ部材の動翼の段数よりも多く、
前記蒸気タービンの運転領域となる室温から７００℃までの温度範囲において、前記第一ロータ部材の平均線膨張係数が１２．４×１０^−６／℃〜１４．５×１０^−６／℃の範囲内であり、前記第二ロータ部材の平均線膨張係数が１１．２×１０^−６／℃〜１２．４×１０^−６／℃の範囲内であることを特徴とする蒸気タービンのロータ。
異なる材料からなるロータ部材を軸方向に接合して形成される高中圧一体型の蒸気タービンのロータにおいて、
第一ロータ部材と、
第二ロータ部材とを備え、
前記第一ロータ部材は、Ｎｉ基合金からなり、
前記第一ロータ部材は、前記軸方向の一方側に高圧蒸気導入部を有するとともに、前記軸方向の他方側に中圧蒸気導入部を有し、
前記第一ロータ部材は、前記高圧蒸気導入部から前記軸方向の一方側端部までの前記高圧蒸気が通過する領域に動翼を有するとともに、前記中圧蒸気導入部から前記軸方向の他方側端部までの前記中圧蒸気が通過する領域に動翼を有し、
前記第一ロータ部材は、前記高圧蒸気導入部と前記中圧蒸気導入部との間に、前記高圧蒸気と前記中圧蒸気とを仕切るシール部分を有し、
前記第二ロータ部材は、前記Ｎｉ基合金よりも成型容易性を有する材料からなり、
前記第二ロータ部材は、前記第一ロータ部材の前記軸方向両端部に各々接合され、
前記第一ロータ部材の前記軸方向の一方側端部と接合される一方の前記第二ロータ部材は、高圧蒸気排出部を有し、
前記第一ロータ部材の前記軸方向の他方側端部と接合される他方の前記第二ロータ部材は、中圧蒸気排出部を有し、
前記一方の第二ロータ部材は、前記第一ロータ部材との接合端部から前記高圧蒸気排出部までの前記高圧蒸気が通過する領域に動翼を有し、
前記他方の第二ロータ部材は、前記第一ロータ部材との接合端部から前記中圧蒸気排出部までの前記中圧蒸気が通過する領域に動翼を有し、
前記第一ロータ部材の前記高圧蒸気導入部から前記一方の第二ロータ部材の高圧蒸気排出部にわたって前記高圧蒸気が一方向に通過する領域が形成され、該領域に連なってそれぞれ配置されている前記第一ロータ部材の動翼と前記一方の第二ロータ部材の動翼とにより一の高圧タービン室が構成され、
前記第一ロータ部材の前記中圧蒸気導入部から前記他方の第二ロータ部材の中圧蒸気排出部にわたって前記中圧蒸気が一方向に通過する領域が形成され、該領域に連なってそれぞれ配置されている前記第一ロータ部材の動翼と前記他方の第二ロータ部材の動翼とにより一の中圧タービン室が構成され、
前記高圧タービン室においては、前記一方の第二ロータ部材の動翼の段数よりも前記第一ロータ部材の動翼の段数の方が多く、
前記中圧タービン室においては、前記他方の第二ロータ部材の動翼の段数よりも前記第一ロータ部材の動翼の段数の方が多く、
前記蒸気タービンの運転領域となる室温から７００℃までの温度範囲において、前記第一ロータ部材の平均線膨張係数が１２.４×１０^−６／℃〜１４．５×１０^−６／℃の範囲内であり、前記第二ロータ部材の平均線膨張係数が１１．２×１０^−６／℃〜１２．４×１０^−６／℃の範囲内であることを特徴とする蒸気タービンのロータ。
前記第一ロータ部材が内部に軸方向の中空部を有することを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンのロータ。
前記第一ロータ部材の前記他端側の肉厚を、前記第一ロータ部材の前記一端側の肉厚よりも厚くすることを特徴とする請求項３に記載の蒸気タービンのロータ。
前記第一ロータ部材の肉厚を両端側に向けて厚くすることを特徴とする請求項３に記載の蒸気タービンのロータ。
前記第一ロータ部材が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜１５％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの一種又は二種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２５％、Ａｌ：０．２〜２％、Ｔｉ：０．５〜４．５％、Ｆｅ；１０％以下、Ｂ：０．０２％以下及びＺｒ：０．２％以下の一種又は二種を含有し、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が２．５〜７．０％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の蒸気タービンのロータ。
前記第一ロータ部材が、重量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｃｒ：８〜１５％、Ｗ：５〜２０％、Ｍｏ：１〜７％、Ａｌ：０．５〜１．０％、Ｔｉ：１．０〜２．５％、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の蒸気タービンのロータ。
前記第二ロータ部材が、重量％で、Ｃ：０．０８〜０．２５％、Ｓｉ：０．１０％以下、Ｍｎ：０．１０％以下、Ｎｉ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：１０〜１２．５％、Ｍｏ：０．６〜１．９％、Ｗ：１．０〜１．９５％、Ｖ：０．１０〜０．３５％、Ｎｂ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．０１〜０．０８％、Ｂ：０．００１〜０．０１％、Ｃｏ：２．０〜８．０％、残部Ｆｅと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の蒸気タービンのロータ。