JPH01182506A - 高低圧一体型蒸気タービンロータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野〕 本発明は、５００”Ｃ以上の高温蒸気に対する強度を保
持しながら、低温でかつ高応力の最終段附近の脆性破壊
に対する安全性を充分に確保できる。

特に、熱供給発電用として小型化が可能な高低圧一体型
蒸気タービンの構造に関する。

〔従来の技術〕

事業用の大型蒸気タービンは使用蒸気温度に応じて高温
部と低温部で異なった材質のロータが使用されて来た。

これに対し最近は熱エネルギの高効率利用の観点から１
５０ＭＷクラス以下の、いわゆる、ニージェネレーショ
ン用蒸気タービンが広く利用される気運にある。このク
ラスのタービンは通常、需要家に近接した都市部のビル
ディング内等に設置されることから、極力小型化する必
要があり、高温の蒸気入口部からタービン最終段附近の
低温部までを一本のロータ材で製造する高低圧一体型蒸
気タービンとすることが多い。

従来の高低圧一体型蒸気タービン用ロータは、特公昭５
ｇ−１１５０４号公報に示すようにロータ材は化学成分
と鋳造時の熱処理条件を調整して、高温でのクリープ強
度と低温での脆性破壊に対する強度を満足する方法が提
案されてきた。この方法によれば５５０℃で１０”時間
クリープ強度を約１８ｋｇ／■２確保した場合、５０％
延性脆性遷移温度（ＦＡＴＴ）は約４７〜６８℃となる
（この公報の表５による。）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術はクリープ強度を十分確保しようとした場
合、せいぜい、５０℃程度までしかＦＡＴＴは下らず、
商業ベースで製造した場合、従来技術でも説明されてい
るように、蒸気出口温度５０℃以下を確実に確保するこ
とは困難である。

もちろん、７０〜８０ＭＷ以下のタービンでは、蒸気出
口部最終段翼長が６６０＋ｗｍ以下であるので。

５０〜６８℃のＦＡＴＴで問題ないが、最近は。

単機当たりの出力増大、効率向上を狙って最終段翼長を
増加させる要求がある。特に、８５０ｍ以上の翼長に対
しては、ＦＡＴＴを１０℃以下の低圧段落専用材料が事
業用タービンで使用され、脆性破壊に対する強度を確保
している。

従って、高出力、高効率を狙って最終段を８５０ｍ以上
の翼とする場合には、従来技術では高低圧一体型タービ
ンを作ることは脆性破壊強度に対する信頼性の観点から
対応できない。

さらに、蒸気入口部の蒸気温度を高効率化を狙って５３
８℃程度まで上げる場合には、クリープ強度をあげるた
めに、ＦＡＴＴを犠牲にせざるを得なくなる。

本発明の目的は最終段翼長を８５０−程度まで伸ばす、
あるいは、タービン入口蒸気温度の高温化に併い、十分
ＦＡＴＴが確保できなくなる場合の高低圧一体ロータの
脆性破壊に対する強度を確保する構造を提案することに
ある。

さらに、従来と同一の翼長レベルでチタン製の翼を採用
することにより翼根光径を増加することができ、従来遠
心応力上から制限されていたボス比をあげて性能向上を
図る手段を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、低温部、特に、最も翼長が長く、遠心力が
大きい最終段の遠心応力を低減することにより達成され
る。具体的には通常翼材料としているステンレス鋼に対
して、比重が小さく強度の高いチタン合金を動翼材とし
て採用することにより達成される。

〔作用〕

ロータに作用する翼の遠心力は一般に下記式で表現され
る。

Ｆｃｌ：γ×ω！ＸＲ”　　　　　　　　・・・・・・
式（１）： γ：翼材料の密度 ω：ロータ回転速度 Ｒ：翼の半径 ロータの回転速度は、例えば、６〇七地域では一定の６
０七である。また、翼の半径は所用の出力と効率を出す
流体力学的設計で決まる。従って、翼材料としてチタン
合金を使用すれば、その比重は４．４２　　ｇ／ａＪで
あり、従来のステンレス鋼の７．８ｇ／ｃｄの約５７％
となり、大巾に遠心力を低減することができる。その結
果として、まず、翼自身の遠心力により発生する応力が
下がる。

一方、ロータに作用する遠心応力はロータ中心孔で最大
となり、その応力σ０は次式で表わされる（第４図参照
）。

σｏ＝Ｃ１・ＤＲ２＋Ｃ２・ＦＢ　　　　・・・・・・
式（２）ここで、Ｃ１＊　Ｃｘ　：定数 ＤＲ：翼根光径（第４図参照） ＦＢ：真速心力（第４図参照） Ｃ０：ロータ中心孔応力（第４図参照）従って、Ｆｕを
チタン合金によって低減することはＣ０の低減につなが
るが、ここでこの効果を利用して次の二つの作用がある
。

第一の作用は翼長が６６０℃程度と比較的小さい場合で
ある。この場合は、ロータは従来技術のＦＡＴ７５０〜
６０℃程度であえてチタン合金を使用しなくても強度上
の制限に入るため、チタン合金を使用した場合、強度上
の余裕が増える。従って、その分、翼根光径ＤＲを増や
せる。

翼長が上述の様に短く、先端径が比較的小さい場合、翼
根光径を若干増加させてボス比（翼根元怪／翼先端径）
を増加させることは、第４図に示す翼先端ピッチと翼根
光ピッチが近づき、半径方向のピッチ変化が小さく翼列
性能的に効果がある。

第二の作用は、翼長を拡大して出力を向上する場合であ
る。この場合、翼長の拡大に比例して翼の平均直径も拡
大することにより相似な翼形状を使用する。この場合、
ボス比は変化しないままに翼先端周速が増大する。一般
に、翼先端周速が増加するにつれて翼先端部の損失が増
えるので最適なボス比は下がってくる。従って、翼根光
径ＤＲを下げて性能の最適化を図る。これは同時に式（
２）に示したように、ロータ中心孔に発生する応力をさ
らに低減できるため、ロータ脆性破壊に対する信頼性を
大きくすることができる。

以りの第一と第二の作用を模式的に示したものを第５図
に示す。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図で説明する。

第１図は高低圧一体型蒸気タービンの構成例を示す、ｐ
ＳＳツタ−ビンロータ１、翼２．車室３がら構成され、
蒸気発生器から発生した高温蒸気は蒸気入口部４からタ
ービン内に流入し、膨張していく過程で熱エネルギを機
械エネルギに変換し、最終段５を通過する時にはほぼ室
温まで下がり、復水器６に回収される。ここで蒸気入口
部は約５００℃の高温になるため、高温クリープ強度に
優れた材質が要求される。一方、最終段附近７では高低
圧一体のロータ材であるため、ロータ材の５０％延性脆
性遷移温度（ＦＡＴＴ）は約５０℃程度であり、ロータ
中心孔に発生する遠心応力を十分下げておく必要がある
。このため、最終段翼５はチタン合金で製造されている
。ここで使用されているチタン合金の化学成分、機械的
性質、及び、物理的性質の一例を表１に示す。

比重が従来のステンレス鋼に比較して約５７％であり、
真速心力もこの比で低減できる。さらに最終段翼５の翼
長を７６０〜８６０■と従来の６６０ｍ程度から３０％
増加させている。これに比してボス比は第２図に示す最
適ボス範囲に選び。

性能の最適化とロータ遠心力の低減を図っている。

このように、高低圧一体型蒸気タービンロータとチタン
合金製長翼の組み合わせにより、遠心力の低減とボス比
の最適化が可能となり、翼長の増大による出力向上をロ
ータの脆性破壊に対する強度を確保しつつ実現すること
ができる。

なお、３００ＯＲＰ　Ｍ機の最適ボス範囲を第３図に示
す。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高低圧一体ロータの脆性破壊に対する
強度を確保することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の半断面図、第２図、第３図
は翼長とボス比の関係を示す図、第４図は本発明の詳細
な説明図、第５図は第４図の結果の説明図である。 １・・・ロータ、２・・・翼、３・・・車室。 代理人　弁理士　小用勝ｇ！７す・ す′ 髪−１Ｉ １長（／Ｒ償う 為　３　ｚ ｗ長（ｙｎ紀 蔓　４ （ｃＬ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主蒸気入口温度が４８０℃以上の高低圧一体型蒸気
   タービンにおいて、 チタン合金製長翼を備えたことを特徴とする高低圧一体
   型蒸気タービンロータ。