JP6066777B2 - 蒸気タービン用ロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン用ロータの製造方法に関する。

蒸気タービン用ロータには、１２Ｃｒ鋼等の鉄鋼材料が用いられることが多い。しかし、近年、発電効率を向上させるために、７００℃を超える高温蒸気でロータを駆動することが研究され、従来の鉄鋼材料製のロータよりも耐用温度の高い蒸気タービン用ロータが望まれるようになっている。

そこで、例えば、以下の特許文献１では、耐用温度の高い蒸気タービン用ロータが開示されている。

この蒸気タービン用ロータは、動翼が外周に取り付けられるロータ胴部をＮｉ基合金で形成されているものである。

特開２０１１−６９３０７号公報

Ｎｉ基合金は、１２Ｃｒ鋼等の鉄鋼と比較して、超音波透過性が悪い。そのため、特許文献１に記載の蒸気タービン用ロータでは、超音波探傷検査を実施しても、Ｎｉ基合金製のロータ胴部の深層部の欠陥を検出することが難しく、欠陥を見落とす虞があるという問題点がある。

そこで、本発明は、高い耐用温度を確保することができ、且つ、超音波探傷検査により内部欠陥を検出し易い蒸気タービン用ロータの製造方法を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するための発明の一態様としての蒸気タービン用ロータの製造方法は、
軸線に対して垂直な断面形状が円形を成し、複数の動翼が外周に設けられているロータ胴部を形成する胴部形成工程と、前記軸線が延びる軸方向における前記ロータ胴部の両端に設けられてタービンケーシングに回転自在に支承されるロータ軸部を形成する軸部形成工程と、前記ロータ胴部の前記両端に前記ロータ軸部を接合する軸部接合工程と、前記胴部形成工程後であって前記軸部接合工程前に前記ロータ胴部の欠陥を超音波探傷で検査する部材検査工程と、を実行し、
前記胴部形成工程では、Ｎｉ基合金又はＦｅＮｉ基合金により、前記軸線を中心として筒状の複数のロータ胴部材が、前記軸方向に並び相互に接合された前記ロータ胴部を形成し、前記部材検査工程では、前記ロータ胴部の外周側及び内周側から前記ロータ胴部の欠陥を超音波探傷で検査することを特徴とする。

ここで、前記一態様としての蒸気タービン用ロータの製造方法において、前記胴部形成工程では、Ｎｉ基合金又はＦｅＮｉ基合金により、前記軸線を中心として柱状の複数のロータ胴部母材を前記軸方向に並べ、相互に接合して柱状のロータ胴母体を形成した後、該ロータ胴母体の前記軸線上を貫通加工して、前記ロータ胴部を形成してもよい。

当該製造方法では、ロータ胴部母材が中実であるため、複数のロータ胴部母材を接合する際、複数のロータ胴部母材の中心軸を容易に一致させることができる。

また、前記一態様としての蒸気タービン用ロータの製造方法において、前記胴部形成工程では、Ｎｉ基合金又はＦｅＮｉ基合金により、前記軸線を中心として筒状の複数の前記ロータ胴部材を前記軸方向に並べ、相互に接合して前記ロータ胴部を形成してもよい。

当該製造方法では、中空の円筒状の複数のロータ胴部材を接合して、ロータ胴部を形成しているので、材料コストを抑えることができる。

また、以上のいずれかの前記蒸気タービン用ロータの製造方法において、前記軸部接合工程では、前記ロータ胴部材を形成する合金を主材料とする溶接材料を用いて、前記ロータ胴部と前記ロータ軸部とを溶接してもよい。

本発明によれば、高い耐用温度を確保することができ、且つ、超音波探傷検査により容易に内部欠陥を検出することができる。

本発明に係る第一実施形態における蒸気タービンの模式的な断面図である。 本発明に係る第一実施形態におけるロータ胴部材及び動翼の斜視図である。 本発明に係る第一実施形態における蒸気タービン用ロータの製造手順を示すフローチャートである。 本発明に係る第一実施形態におけるロータ胴部の製造方法を示す説明図である。 本発明に係る第二実施形態におけるロータ胴部の製造方法を示す説明図である。 本発明に係る変形例における蒸気タービンの模式的な断面図である。

以下、本発明の各種実施形態及び変形例について、図面を参照して詳細に説明する。

「第一実施形態」
まず、本発明に係る蒸気タービンの第一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。

本実施形態の蒸気タービンＳＴは、軸線Ａｒを中心として回転する蒸気タービン用ロータＲ（以下、単にロータＲとする）と、このロータＲの外周に固定されている複数の動翼２５と、ロータＲを回転可能に覆うタービンケーシング３０と、タービンケーシング３０の内周面３４に固定されている複数の静翼３５と、ロータＲを回転可能に支持すると共に軸封止する軸受・封止部３９と、を備えている。ロータＲの端部には、例えば、ロータＲの回転で発電する発電機が接続されている。なお、以下では、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａ、軸線Ａｒを中心とする周方向を単に周方向Ｄｃとする。

ロータＲは、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、外周に複数の動翼２５が固定されるロータ胴部１０と、ロータ胴部１０の軸方向Ｄａの両端部に固定されるロータ軸部２０と、を有している。複数の動翼２５は、軸線Ａｒを中心として、周方向Ｄｃに等間隔でロータ胴部１０に固定されている。この周方向Ｄｃに並んでいる複数の動翼２５は、一つの動翼列を構成する。ロータ胴部１０には、軸方向Ｄａに並んでいる複数の動翼列が設けられている。ロータ軸部２０は、ロータ胴部１０の外径寸法と同じ外径寸法の胴接続部２２と、この胴接続部２２の外径寸法よりも小さい外径寸法の軸本体部２１と、を有している。胴接続部２２の一方の端部には、ロータ胴部１０が接合されている。また、胴接続部２２の他方の端部には、軸本体部２１が形成されている。軸本体部２１には、軸受・封止部３９が取り付けられる。この軸受・封止部３９は、基本的に、この軸本体部２１を回転可能に支持する軸受装置と、この軸本体部２１とタービンケーシング３０との間を封止する軸封装置と、を有している。これら軸受装置及び軸封装置は、いずれも、タービンケーシング３０.に固定されている。よって、ロータＲは、軸受・封止部３９を介して、タービンケーシング３０に回転可能に支持されている。

タービンケーシング３０には、軸方向Ｄａの一端側（図１では、左端側）に蒸気が流入する蒸気入口３２が形成され、軸方向Ｄａの他端側（図１では、右端側）に蒸気が排出される蒸気排出口３３が形成されている。タービンケーシング３０の内周面３４とロータＲとの間は、蒸気入口３２から流入した蒸気が通る蒸気主流路Ｐｍを成す。タービンケーシング３０の内周面３４には、前述したように、複数の静翼３５が固定されている。複数の静翼３５は、軸線Ａｒを中心として、周方向Ｄｃに等間隔でタービンケーシング３０の内周面３４に固定されている。この周方向Ｄｃに並んでいる複数の静翼３５は、一つの静翼列を構成する。タービンケーシング３０の内周面３４には、複数の動翼列のそれぞれの上流側（軸方向Ｄａにおける蒸気入口３２側）に静翼列が固定されている。

蒸気入口３２からタービンケーシング３０内に流入した蒸気は、タービンケーシング３０内の蒸気主流路Ｐｍを流れる過程で、動翼２５に衝突してロータＲに回転力を付与する。この結果、ロータＲは、軸線Ａｒを中心として回転する。ロータＲを回転させた蒸気は、蒸気排出口３３から排出される。この過程で、静翼３５は、適切な方向から動翼２５に蒸気を衝突させる役目を果たす。なお、図１中の矢印Ｓ１〜Ｓ５は、蒸気の流れ方向を示している。

ロータ胴部１０は、軸線Ａｒを中心として円筒状の複数のロータ胴部材１１が、軸方向Ｄａに並び相互に接合されて形成されている。このため、ロータ胴部１０も、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、軸線Ａｒに垂直な断面形状は、軸方向Ｄａのいずれの位置でも円形である。

各ロータ胴部材１１は、Ｎｉ基合金で形成さている。Ｎｉ基合金としては、例えば、Ｎｉ−１２Ｃｒ−７Ｍｏ−６Ｗ−Ａｌ−Ｔｉの成分組成のＮｉ基合金を使用することができる。このＮｉ基合金は、圧力１００ＭＰａ、温度７００℃の環境下で、１０万時間使用するという仕様を十分満足させることのできる耐熱性能を備えている。また、このＮｉ基合金は、１２Ｃｒ鋼より、１００℃以上高いクリープ特性を有している。

ロータ軸部２０は、１２Ｃｒ鋼等の鉄鋼で形成されている。円筒状のロータ胴部材１１は、図２に示すように、外周に、動翼２５が嵌着させる翼支持部１３が設けられている。この翼支持部１３は、軸線Ａｒを中心として環状を成し、軸線Ａｒに対する径方向外側から径方向内側に向かって凹む複数の翼根溝１３ａが形成されている。また、動翼２５は、径方向に延びる翼体２５ａと、翼体２５ａの径方向内側に設けられている翼根２５ｂと、を有している。動翼２５は、その翼根２５ｂが翼支持部１３の翼根溝１３ａに嵌着されて、ロータＲに固定されている。

次に、図３に示すフローチャートに従がって、ロータＲの製造方法について説明する。

まず、ロータ胴部１０を形成する（胴部形成工程（Ｓ１））。

この胴部形成工程（Ｓ１）では、まず、図４（ａ）に示すように、Ｎｉ基合金で形成された円柱状の複数のロータ胴部母材１１ａを準備する。Ｎｉ基合金では、その製造方法等の都合により、大きな塊を形成することが極めて困難である。このため、胴部形成工程（Ｓ１）では、ロータ胴部１０を形成する複数のロータ胴部母材１１ａを準備する。次に、図４（ｂ）に示すように、複数のロータ胴部母材１１ａの中心軸の位置を一致させて、相互に突き合わせる。続いて、突き合わさったロータ胴部母材１１ａ相互のつなぎ目Ｆを、溶接材料を用いて溶接し、円柱状のロータ胴母体１０ａを形成する。ここでは、ロータ胴部母材１１ａが中実であるため、複数のロータ胴部母材１１ａの中心軸を容易に一致させることができる。なお、相互に一致した複数のロータ胴部母材１１ａの各中心軸は、ロータＲの軸線Ａｒとなる。

溶接材料としては、ロータ胴部母材１１ａを形成するＮｉ基合金と同じ成分、又は、ロータ胴部母材１１ａを形成するＮｉ基合金に僅かに他の材料を加えたものを用いる。つまり、ロータ胴部母材１１ａを形成する合金を主成分とする溶接材料を用いる。

その後、図４（ｃ）に示すように、ロータ胴母体１０ａに、このロータ胴母体１０ａの中心軸である軸線Ａｒ上を貫通する中空部１０ｂを形成することで、円筒状のロータ胴部１０を得る。なお、このロータ胴部１０中で、各ロータ胴部母材１１ａを成す部位がロータ胴部材１１を成す。

次に、１２Ｃｒ鋼等の鉄鋼の塊を加工して、ロータ軸部２０を形成する（軸部形成工程（Ｓ２））。蒸気タービン用ロータの場合、ロータ軸部は、ロータ胴部と比較して、それほど高い耐用温度が要求されない。このため、ここでは、Ｎｉ基合金と比較して耐用温度の低く且つ低材料コストの１２Ｃｒ鋼等の鉄鋼でロータ軸部２０を形成し、製造コストを抑えている。

次に、胴部形成工程（Ｓ１）で形成したロータ胴部１０及び軸部形成工程（Ｓ２）で形成したロータ軸部２０を、超音波探傷検査する（部材検査工程（Ｓ３））。この部材検査工程（Ｓ３）におけるロータ胴部１０の検査では、ロータ胴部１０の外周側から、又はロータ胴部１０の内周側から、さらに、必要に応じてロータ胴部１０の外周側及び内周側から超音波探傷検査する。この際、ロータ胴部１０を形成する複数のロータ胴部材１１相互の溶接による接合部も併せて、接合部の外側から、又は接合部の内周側から、さらに、必要に応じて接合部の外周側及び内周側から超音波探傷検査する。

次に、胴部形成工程（Ｓ１）で形成したロータ胴部１０の中心軸と、軸部形成工程（Ｓ２）で形成したロータ軸部２０の中心軸との位置を一致させ、相互に突き合わせる。続いて、突き合わさったロータ胴部１０とロータ軸部２０とのつなぎ目を、溶接材料を用いて溶接する（軸部接合工程（Ｓ４））。こここで、溶接材料としては、胴部形成工程（Ｓ１）で用いた溶接材料、つまり、ロータ胴部母材１１ａを形成する合金を主成分とする溶接材料を用いる。

次に、ロータ胴部１０とロータ軸部２０との溶接による接合部を、超音波探傷検査する（接合部検査工程（Ｓ５））。この接合部検査工程（Ｓ５）では、ロータ胴部１０とロータ軸部２０との接合部を、この接合部の外周側から超音波探傷検査する。

以上で、ロータＲが完成する。

以上、本実施形態のロータＲでは、ロータ胴部１０が、耐用温度の高いＮｉ基合金で形成されているため、高い耐用温度を確保することができる。また、本実施形態のロータＲでは、ロータ胴部１０が中空の筒状であり、中実構造の場合と比較すると、超音波探傷検査時における探傷距離が短くなるため、超音波探傷検査による内部欠陥の検出を容易にすることができる。しかも、ロータ胴部１０の外周側及び内周側の双方から超音波探傷検査を実施することができ、その場合には、探傷距離を更に短くすることができるため、微細な欠陥でも検出漏れを少なくすることができる。

なお、以上では、胴部形成工程（Ｓ１）及び軸部形成工程（Ｓ２）を実行した後、部材検査工程（Ｓ３）を実行しているが、胴部形成工程（Ｓ１）を実行した後にロータ胴部１０に対する部材検査工程を実行し、軸部形成工程（Ｓ２）を実行した後にロータ軸部２０に対する部材検査工程を実行してもよい。また、ここでは、胴部形成工程（Ｓ１）を実行した後に、軸部形成工程（Ｓ２）を実行しているが、軸部形成工程（Ｓ２）を実行した後に、胴部形成工程（Ｓ１）を実行してもよい。

「第二実施形態」
次に、本発明に係る蒸気タービンの第二実施形態について、図５を参照して説明する。

本実施形態の蒸気タービンＳＴの構成は、第一実施形態の蒸気タービンＳＴの構成と同一である。但し、ロータＲのロータ胴部１０の形成方法が第一実施形態と異なっている。つまり、本実施形態では、胴部形成工程が第一実施形態と異なっている。そこで、以下では、本実施形態の胴部形成工程について説明する。

本実施形態の胴部形成工程では、まず、図５（ａ）に示すように、Ｎｉ基合金で形成された円筒状の複数のロータ胴部材１１を準備する。次に、図５（ｂ）に示すように、複数のロータ胴部材１１の中心軸の位置を一致させて、相互に突き合わせる。続いて、突き合わさったロータ胴部材１１相互のつなぎ目Ｆａを、第一実施形態で説明した溶接材料を用いて溶接し、円筒状のロータ胴部１０を得る。なお、相互に一致した複数のロータ胴部材１１の各中心軸は、ロータＲの軸線Ａｒとなる。

以上、本実施形態の胴部形成工程で形成したロータ胴部１０を用いて、ロータＲを製造しても、構造自体は第一実施形態のロータ胴部１０と同一構造であるため、本実施形態でも、基本的に第一実施形態と同一の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、中空の円筒状の複数のロータ胴部材１１を溶接で接合して、ロータ胴部１０を形成しているので、材料コストを抑えることができる。

「蒸気タービンの変形例」
次に、本発明に係る蒸気タービンの変形例について、図６を参照して説明する。

本変形例の蒸気タービンＳＴｄも、以上の実施形態の蒸気タービンＳＴと同様、軸線Ａｒを中心として回転するロータＲｄと、このロータＲｄの外周に固定されている複数の動翼２５と、ロータＲｄを回転可能に覆うタービンケーシング３０ｄと、タービンケーシング３０ｄの内周面３４に固定されている複数の静翼３５と、ロータＲｄを回転可能に支持すると共に軸封止する軸受・封止部３９と、を備えている。

本変形例のタービンケーシング３０ｄには、軸方向Ｄａの中央部に蒸気が流入する蒸気入口３２ｄが形成され、軸方向Ｄａの両端側のそれぞれに蒸気が排出される蒸気排出口３３ｄが形成されている。蒸気入口３２ｄからタービンケーシング３０ｄ内に流入した蒸気は、タービンケーシング３０ｄ内を中央部から軸方向Ｄａ両側に振り分けられて流れ、ロータＲｄに回転力を付与する。そして、タービンケーシング３０ｄの両端に到達した蒸気は、蒸気排出口３３ｄから排出される。図６に示した矢印Ｓ６〜Ｓ１０は、蒸気の流れ方向を示している。

すなわち、本変形例の蒸気タービンＳＴｄは、ダブルフロー型の蒸気タービンである。

本変形例のロータＲｄも、以上の各実施形態のロータＲと同様、軸線Ａｒを中心として円筒状を成し、外周に複数の動翼２５が固定されるロータ胴部１０ｄと、ロータ胴部１０ｄの軸方向Ｄａの両端部に固定されるロータ軸部２０と、を有している。また、本変形例のロータＲｄの製造方法は、以上の複数の実施形態のいずれかの実施形態の製造方法と同一である。従がって、本変形例のロータＲｄも、以上の実施形態のロータＲと同様の効果を得ることができる。但し、ダブルフロー型の蒸気タービンでは、シングルフロー型の蒸気タービンと比較して、ロータ長が長くなる傾向があるため、ロータ胴部１０ｄを構成するロータ胴部材１１の数量もこれに対応して多くなる。

なお、以上の実施形態では、ロータ胴部材１１をＮｉ基合金で形成しているが、この代わりに、Ｎｉ基合金と同程度の耐用温度性能を持つＦｅＮｉ基合金でロータ胴部材を形成してもよい。このように、ロータ胴部材をＦｅＮｉ基合金で形成する場合でも、ロータ胴部材相互を溶接する際に用いる溶接材料、及ロータ胴部材とロータ軸部とを溶接する際に用いる溶接材料は、以上と同様、ロータ胴部を形成する合金を主成分とする溶接材料を用いることが好ましい。

また、以上では、ロータ胴部を形成する複数のロータ胴部材の全てをＮｉ基合金又はＦｅＮｉ基合で形成しているが、ロータ胴部を形成する複数のロータ胴部材のうち、一部を１２Ｃｒ鋼等の鉄鋼で形成してもよい。この場合、ロータ胴部を形成する複数のロータ胴部材のうち、蒸気の流れの最下流側のロータ胴部材を、１２Ｃｒ鋼等の鉄鋼により中実構造で形成する。このように、蒸気温度が低下する最も下流側の部分を１２Ｃｒ鋼等の鉄鋼で形成することにより、製造コストをより抑えることができる。

１０，１０ｄ：ロータ胴部、１０ａ：ロータ胴母体、１０ｂ：中空部、１１：ロータ胴部材、１１ａ：ロータ胴部母材、１３：翼支持部、２０：ロータ軸部、２１：軸本体部、２２：胴接続部、２５：動翼、３０，３０ｄ：タービンケーシング、３２，３２ｄ：蒸気入口、３３,３３ｄ：蒸気排出口、３４：内周面、３５：静翼、Ｒ，Ｒｄ：蒸気タービン用ロータ、ＳＴ，ＳＴｄ：蒸気タービン

Claims (4)

1. 軸線に対して垂直な断面形状が円形を成し、複数の動翼が外周に設けられているロータ胴部を形成する胴部形成工程と、
   前記軸線が延びる軸方向における前記ロータ胴部の両端に設けられてタービンケーシングに回転自在に支承されるロータ軸部を形成する軸部形成工程と、
   前記ロータ胴部の前記両端に前記ロータ軸部を接合する軸部接合工程と、
   前記胴部形成工程後であって前記軸部接合工程前に前記ロータ胴部の欠陥を超音波探傷で検査する部材検査工程と、
   を実行し、
   前記胴部形成工程では、Ｎｉ基合金又はＦｅＮｉ基合金により、前記軸線を中心として筒状の複数のロータ胴部材が、前記軸方向に並び相互に接合された前記ロータ胴部を形成し、
   前記部材検査工程では、前記ロータ胴部の外周側及び内周側から前記ロータ胴部の欠陥を超音波探傷で検査する、
   ことを特徴とする蒸気タービン用ロータの製造方法。
2. 請求項１に記載の蒸気タービン用ロータの製造方法において、
   前記胴部形成工程では、Ｎｉ基合金又はＦｅＮｉ基合金により、前記軸線を中心として柱状の複数のロータ胴部母材を前記軸方向に並べ、相互に接合して柱状のロータ胴母体を形成した後、該ロータ胴母体の前記軸線上を貫通加工して、前記ロータ胴部を形成する、
   ことを特徴とする蒸気タービン用ロータの製造方法。
3. 請求項１に記載の蒸気タービン用ロータの製造方法において、
   前記胴部形成工程では、Ｎｉ基合金又はＦｅＮｉ基合金により、前記軸線を中心として筒状の複数の前記ロータ胴部材を前記軸方向に並べ、相互に接合して前記ロータ胴部を形成する、
   ことを特徴とする蒸気タービン用ロータの製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の蒸気タービン用ロータの製造方法において、
   前記軸部接合工程では、前記ロータ胴部材を形成する合金を主材料とする溶接材料を用いて、前記ロータ胴部と前記ロータ軸部とを溶接する、
   ことを特徴とする蒸気タービン用ロータの製造方法。

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