JPH0133642B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は蒸気タービンに係り、特に、焼ばめ型
ロータを備えた蒸気タービンの改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に、蒸気タービンのロータには、一体に鍛
造された合金鋼等の素材から機械加工によつて製
造するもの、円板状の素材を溶接により一体化
し、その後機械加工によつて製造するもの、機械
加工が完了し羽根を植込んだ円板をロータシヤフ
トに焼ばめによつて結合するもの等の種類がある
が、このうち、焼ばめ型ロータは、素材がロータ
シヤフトと各円板とに分割されているため、比較
的小規模の鍛造素材から大型のロータを製造する
ことが可能であり、この利点の故に永年にわたつ
て使用されてきた。

第１図はこのような従来の焼ばめ型ロータの一
例を示すものであり、円板１の内径d₁はロータシ
ヤフト２の外径d₂に対し、常温の状態において、
焼ばめ代として知られる寸法だけ小さく製造され
ている。この円板１をシヤフト２に結合する際は
シヤフト２の温度を上げず、円板１のみ加熱して
熱的に膨張させ、円板１の内径寸法d₁をシヤフト
２の外径寸法d₂より大きな状態にしてシヤフト２
を挿入し、所定の位置に設置した後、円板１を冷
却して熱的な収縮により円板１とシヤフト２を互
いに固定させる。

一方、円板の外周部には複数の羽根３が結合さ
れる。円板１とシヤフト２の間には、第２図に示
すようにキー溝４，５内に臨むキー６が設けられ
る。このキー６は異常な運転状態下において、焼
ばめがゆるんだ場合にも、円板１がシヤフト２に
対し相対的に回転することを防止するものであ
る。

しかしながら、この焼ばめ型ロータにおいて
は、応力腐蝕割れ（Stress Corrosion
Cracking）という、ロータの信頼性を低下し、
寿命を縮める現象の発生するおそれがある。この
応力腐蝕割れの発生メカニズムの１つとしては、
酸素を含んだ水または水蒸気の環境の下に金属の
表面酸化被膜が局部的に破壊され、かつ材料に引
張応力が作用することによつてその部分が選択的
に溶解され、割れが生じるタイプのものが挙げら
る。この場合、応力腐蝕割れは材料が割れに対す
る感受性を有すること、限界値以上の高い応力が
作用すること、および材料が、局部的な酸化被膜
の生成と破壊を受ける環境下におかれていること
の３つの要因が重なつたときに発生する。

このうち材料の応力腐蝕割れに対する感受性
は、材料強度と密接な関係を持ち、一般に引張強
度の高い材料ほど割れ感受性も高くなる。焼ばめ
型ロータの円板１は、その作用応力が高い点から
引張強度の高い低合金鋼を使用せざるを得ず、今
後、割れ感受性の全くない材料を選択または開発
することは殆んど不可能である。

つぎに、焼ばめ型ロータの円板１の応力につい
てみると、円板１には初期の焼ばめに起因する焼
ばめ応力と、回転にともない円板１自身および羽
根３に遠心力が作用することに起因する遠心応力
とが発生し、その値は、円板１の内径側ほど高く
なる。特に、第２図に詳示するキー６の周囲のキ
ー溝４においては、形状に起因する応力集中が発
生し、作用応力はしばしば応力腐蝕割れの発生限
界値をこえる場合がある。

さらに、環境の点では、発電設備における蒸気
の性状は、蒸気発生設備（ボイラ、原子炉等）、
復水設備、給水設備等の全体的な仕様によつて決
定され、円板１の応力腐蝕割れにのみ注目した微
妙な水質管理を行うことは困難である。特に、沸
騰水型原子力プラトンにおいては、原子炉内で発
生する酸素が蒸気とともに蒸気タービンに混入す
ることを避けることはできない。

前述した従来の焼ばめ型ロータの円板１のキー
溝４の近傍においては、前述した材料、応力およ
び環境の３つの因子が重なるため応力腐蝕割れの
発生するおそれがあつた。そして、円板１に応力
腐蝕割れが発生し、この発生した応力腐蝕割れが
非破壊検査等によつて未然に検知されなかつた場
合は、円板１の破壊につながることもある。

〔発明の目的〕

本発明は、前述した従来のものにおける欠点を
除去し、応力腐蝕割れの要因を取除いてロータの
信頼性を向上し、寿命を従来のものより向上する
ようにした蒸気タービンを提供することを目的と
する。

〔発明の概要〕

この目的は、本発明によれば、隣位の一対の円
板間の微小間隙を介してキー溝内に清浄な蒸気を
供給する蒸気供給路を形成し、この蒸気供給路の
途中に蒸気を清浄化する浄化装置を設け、清浄な
蒸気によりキー溝内を応力腐蝕割れの発生し得る
環境でなくすることにより達成される。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例により説明す
る。なお、前述した従来のものと同一の構成につ
いては、図面中に同一の符号を付し、その説明は
省略する。

第３図は本発明の第１実施例を示すものであ
り、隣位の一対の円板１，１間には熱膨張の際の
衝突を防ぐための微小間隙７が従来のものと同様
に形成されている。

そして、本発明は、原子炉等の本来の蒸気発生
器からの蒸気の大半は応力腐蝕割れのおそれのな
い羽根（動翼）３を通過して仕事をし、残りのわ
ずか１％前後の蒸気がノズルダイヤフラム８の先
端のラビリンスパツキン９を漏洩し、この漏洩し
た蒸気が円板１の前記環境条件を支配することに
着目し、この漏洩蒸気量に相当する不純物を含有
しない清浄な蒸気を前記間隙７を介してキー溝
４，５内に供給するようにしたものである。この
ため、ボイラ、原子炉等のような本来の発電設備
に固有な蒸気発生設備（図示せず）のほかに清浄
な蒸気を発生する小型の蒸気源１０が設けられて
いる。この蒸気源１０からは管路１１が延在し、
タービンケーシング１２に穿設された貫通孔１３
を介してノズルダイヤフラム８の基部と接続され
ている。さらに、ノズルダイヤフラム８には、ケ
ーシング１２の半径方向の貫通孔１４が穿設され
ている。

また、蒸気源１０からの蒸気をタービンケーシ
ング１２の貫通孔１３に直接案内する代りに、第
４図に示すように、蒸気管１７の途中に浄化装置
２０を介装し、蒸気源１０から蒸気管１７を通つ
て送られる蒸気をクリーニングし、清浄な蒸気を
タービンケーシング１２の貫通孔１３に案内する
ようにしてもよい。

前述した構成によれば、蒸気源１０で発生した
清浄な蒸気あるいは浄化装置２０で浄化された蒸
気は、管路１１あるいは蒸気管１７を経て、ター
ビンケーシング１２の貫通孔１３に案内され、続
いてノズルダイヤフラム８の貫通孔１４を介して
ノズルダイヤフラム８の先端のラビリンスパツキ
ン９の近傍から隣接する円板１，１の基部に噴射
される。したがつて、この清浄な蒸気は円板１，
１の基部上に滞留している復水を飛散せしめるほ
か、間隙７からキー溝４，５内に浸入することに
なる。この結果、キー溝４，５内は常に不純物の
ない清浄な環境下におかれ、応力腐蝕割れを発生
させる材料、応力および環境の３つの因子のうち
環境に関する因子を除去することになり、応力腐
蝕割れの発生を防止することができる。

ところで、前記応力腐蝕割れは前述した３つの
因子のほか環境温度とも密接な関係がある。すな
わち、応力腐蝕割れの進展速度は環境温度に大き
く作用される。これは、応力腐蝕割れに化学的要
因があるため、蒸気成分中の物質の成分とロータ
材料の化学的性質の関係によりある特定の温度域
で応力腐蝕割れが促進されるためであると考えら
れる。

第５図は円板１と同種材の応力腐蝕割れの進展
速度と温度との関係を示す実験データである。す
なわち、環境温度150℃付近において応力腐蝕割
れ進展速度が最大となつている。

焼ばめ型ロータの円板は一般に30〜180℃程度
の蒸気温度範囲で使われているため、当然環境温
度150℃付近において使用される円板１もある。
そこで、前述した蒸気源１０における蒸気温度を
調節して円板１を加熱もしくは冷却し、環境温度
を150℃近傍の応力腐蝕割れ進展速度の早い領域
から外すことにより、応力腐蝕割れの進展をさら
に低減できる。例えば、第５図においてT₀℃の
環境温度にあつた円板１が蒸気源１０からの清浄
な蒸気により冷却されてT₁℃になつた場合、応
力腐蝕割れ進展速度は約1/2.5となる。

さらにまた、前述した蒸気源１０からの清浄蒸
気の噴射は、必らずしもすべてのタービン段落に
対して行なう必要もない。

すなわち、原子力発電プラントの低圧タービン
の入口蒸気条件の多くは湿り域にある。湿り蒸気
の特徴として圧力と温度が一義的関係にあり、圧
力が低いほど温度も低い。起動時には無負荷や極
低負荷状態を通過するが、この場合には低圧初段
の方も圧力が下がり、したがつて温度が下がる。
このことからわかるように、原子力発電プラント
の低圧タービンの初段から５段程度の段落では特
に応力腐蝕割れの可能性が高いので、これら段落
に微細割れが存在する可能性を考えその安定性を
配慮する必要がある。これらの段落の安全性を確
保するためには、起動時に負荷の低い状態におい
てもキー溝４，５部分の温度が下がらないように
することが必要である。このため、前述した蒸気
源１０の蒸気を初段から５段程度の段落のみに起
動時の圧力が低い領域の運転時だけ供給するよう
にすれば、応力腐蝕割れはかなり良好に防止され
る。

このようなウオーミング効果を考慮した場合、
エンタルピの高い高圧タービンの入口蒸気を用い
るのが効果的である。

このためのウオーミングシステムが第６図に示
されている。ウオーミング用蒸気は高圧タービン
１５の入口蒸気ライン１６から供給され、ウオー
ミング蒸気管１７によつて低圧タービン１８に導
かれる。ウオーミング蒸気管１７の途中にはウオ
ーミング止め弁１９および浄化装置２０（第６
図）が介装されている。

そして、タービン起動から低負荷までの運転域
ではウオーミング止め弁１９は開いており、高圧
蒸気がウオーミング蒸気管１７を通して低圧ター
ビン６の所定段落の円板１の基部に流れ込み必要
部分を暖める。なお、この蒸気は浄化装置２０に
より清浄化されているので応力腐蝕割れの防止に
さらに役立つ。

高負荷域ではウオーミングの必要性は低いので
ウオーミング止め弁１９を閉じる。

第７図は低圧タービン用のウオーミングシステ
ムを示すものである。

このウオーミングシステムは、ウオーミング蒸
気管２１から分岐された分岐管２１ａを低圧ター
ビンのタービンケーシング１２ａの貫通孔１３ａ
に接続し、さらにこの貫通孔１３ａはノズルダイ
ヤフラム８ａに形成される貫通孔１４ａを経て環
状室２２に供給され、この環状室２２のノズル孔
２３から吹き出されるようになつている。その
際、ウオーミング蒸気が全周にわたつて吹き出さ
れるように、ノズル孔２３は全周方向にわたつて
形成されている。しかして、このウオーミング蒸
気は、低圧タービンの低圧初段から例えば第５段
までの各段落に供給されるようになつている。

また、ウオーミング効果は前述したエンタルピ
の高い高圧タービン１５の入口蒸気を用いれば得
られ、高エンタルピの蒸気を絞ることにより湿り
域から過熱域に入るため、低圧段落の飽和温度よ
りかなり高い温度になることは蒸気状態に対する
簡単な考察からわかる。

第８図に蒸気状態図が示されている。図中Ａは
湿り域、Ｂは過熱域を示す。高圧入口蒸気は図中
Ｘ印の状態にあり、等エンタルピのまま絞つて低
圧タービンに導かれて図中Ｙの状態となることが
わかる。

第９図は本発明の他の実施例を示すものであ
り、高圧タービン（図示せず）からの蒸気をパイ
プ２３によりタービンケーシング１２内の広い範
囲に放出するようにしたものである。また、本実
施例においては、各円板１にバランスホール２４
が形成されている。

このような構成によれば、腐蝕性成分を含んだ
蒸気の主流は、図中実線で示すようにノズル２５
および羽根３の翼列を通過する。一方、浄化装置
２０を介してタービンに入る少量の清浄な蒸気は
タービン段落の上流側に送入される。そして、こ
の蒸気が順次各段落のバランスホール２４および
ラビリンスバツキン９を流れ、腐蝕性蒸気が円板
１の内側に入るのを防ぎ応力腐蝕割れの発生を防
止する。

また、第１０図に示すように、外部から蒸気管
１１によりタービンケーシング１２内に導びかれ
た蒸気をノズルダイヤフラム８に形成された貫通
孔１４の先端をラビリンスパツキン９を迂回する
ように側方に折曲させ、加熱あるいは冷却蒸気を
両円板１，１間の基部に吹き出し、この部分を蒸
気によつて加熱あるいは冷却してもよい。この蒸
気による加熱あるいは冷却により、応力腐蝕割れ
の進展を防止できる。例えば第５図においてT₀
度の温度条件にあつた円板１が蒸気による冷却で
温度T₁に降下した場合、応力腐蝕割れ進展速度
は約1/2.5となり、供給蒸気に不純物を含まない
ように浄化装置などを取付けることにより、応力
腐蝕割れの発生をさらに防止できる。

さらに、第１１図に示すように、ノズルダイヤ
フラム８にとりつけられた蒸気リーク防止用のラ
ビリンスパツキン９と円板１との間隙を狭くして
おいて、この部分を上流側の蒸気が通らないよう
に構成し、（円板１）の温度が上がらないように
する冷却方式も考えられる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る蒸気タービ
ンは、一対の微小間隙を介してキー溝内に清浄な
蒸気を供給する蒸気供給路を形成し、この蒸気供
給路の途中に蒸気を清浄化する浄化装置を設けた
ので、簡単な構成にもかかわらず、キー溝および
その周辺を蒸気供給路から供給される清浄な蒸気
で置換させ、清浄な蒸気でカバーすることがで
き、キー溝およびその周辺に蒸気からの沈降物の
析出を防止したり、また、清浄な蒸気によりキー
溝およびその周辺を冷却してその温度条件を応力
腐蝕割れの進展を防止する状態に変えることがで
き、焼ばめ型ロータの円板の応力腐蝕割れを有効
的かつ効果的に防止することが可能となり、焼ば
め型ロータの信頼性および寿命を向上することが
できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な蒸気タービンのロータを示す
縦断面図、第２図は第１図はキー溝の詳細を示す
説明図、第３図は本発明に係る蒸気タービンの実
施例を示す縦断面図、第４図は本発明の他の実施
例を示す縦断面図、第５図は環境温度と応力腐蝕
割れ進展速度との関係を示すグラフ、第６図は高
圧タービンから蒸気を導入する本発明の他の実施
例を示す説明図、第７図、第９図乃至第１１図は
それぞれ本発明のさらに他の実施例を示す縦断面
図、第８図はエンタルピとエントロピの関係を示
すグラフである。 １……円板、２……車軸、３……羽根、４，５
……キー溝、６……キー、７……円板間の間隙、
８，８ａ……ノズルダイヤフラム、９……ラビリ
ンスパツキン、１０……蒸気源、１２，１２ａ…
…タービンケーシング、１５……高圧タービン、
１８……低圧タービン、２０……浄化装置、２２
……バランスホール。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の羽根を周設してなる複数の円板を相互
   に微小間隙を隔てるようにロータシヤフトに焼ば
   めしたロータを有し、これらの各円板およびロー
   タシヤフト間にはキー溝内に臨むキーが介装され
   ており、このキー溝は隣位の一対の円板間の微小
   間隙と連通している蒸気タービンにおいて、前記
   微小間隙を介してキー溝内に蒸気を供給する蒸気
   供給路を形成し、この蒸気供給路の途中に蒸気を
   清浄化する浄化装置を設けたことを特徴とする蒸
   気タービン。