JPH0226042B2

JPH0226042B2 -

Info

Publication number: JPH0226042B2
Application number: JP58009645A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ikeda; Masachika Odawara
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-01-24
Filing date: 1983-01-24
Publication date: 1990-06-07
Also published as: JPS59134302A; US4545725A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、焼ばめ型ロータを有する蒸気タービ
ンの腐蝕防止装置に関する。

〔発明の技術的背景およびその問題点〕

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
てその後機械加工によつて製造するもの、および
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。ところで、上記種類のうち焼ばめ型ロータ
は、素材がロータシヤフトと複数の円板とに分劃
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るとの理由
から、この焼ばめ型ロータが永年にわたつて一般
に使用されている。

すなわち、第１図は上記一般的な焼ばめ型ロー
タの一例を示す図であり、ロータシヤフト１に
は、外周に多数の羽根２を装着した複数の円板３
が嵌着されている。ところでこの場合、各円板３
の内径d₁はいずれもロータシヤフト１の各装着部
の外径d₂に対して、常温の状態においては焼ばめ
代として知られている寸法だけ小さく製造されて
おり、この円板３をロータシヤフト１に結合する
際は、円板３のみを加熱して熱的に膨張させ、円
板３の内径寸法d₁をロータシヤフト１の外径寸法
d₂より大きな状態にしてロータシヤフト１を挿入
し、所定の位置に設定した後、円板３を冷却して
熱的な収縮により円板３とロータシヤフト１を互
いに固定させている。

また、各円板３とロータシヤフト１との間に
は、円板ボアキー４が設けられており、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３がロータシヤフト１に対して相対的に回転す
ることがないようにしてある。

しかしながら、この焼ばめ型ロータにおいては
応力腐蝕割れが発生するおそれがあり、ロータの
寿命を縮めロータの信頼性を低下せしめる可能性
がある。この応力腐蝕割れの発生メカニズムの一
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、割れが生ずるタイプの
ものがある。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。

ところで、上記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。し
かるに、焼ばめ型ロータの円板は、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、当然割れ感受性も高いものとなり、今
後とも割れ感受性が全くない材料を選択または開
発することは殆ど不可能と思われる。

また、焼ばめ型ロータの円板には初期の焼ばめ
に起因する焼ばめ応力と、回転にともない円板自
身および羽根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、その値は円板の内径側ほど
高くなる。特に円板３をロータシヤフト１に固定
するための円板ボアキー４を装着するキー溝部に
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越える場
合がある。

さらに、発電設備における蒸気の性状は、原子
炉、ボイラ等の蒸気発生設備、復水設備、或は給
水設備等の全体的な仕様によつて定まり、円板３
の応力腐蝕割れにのみ注目した微妙な水質管理を
行なつて応力腐蝕割れが発生しにくいような環境
とすることも困難な状態にある。

しかして、一般に焼ばめ型ロータの円板のキー
溝の近傍においては、前記材料、応力および環境
の３つの因子が重なるため、応力腐蝕割れが発生
するおそれが十分ある。しかも、その円板に応力
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
合には、円板３の破壊につながる危険性もある。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、焼ばめロータ円
板部の応力腐蝕割れの要因を取除くことができ、
ひいてはロータの信頼性が向上し、寿命を一層向
上することができるようにした蒸気タービンの腐
蝕防止装置を得ることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するため、タービン
ロータに装着された円板の互いに隣接するハブ間
の微少間隙に連通し、上記ハブに対向するノズル
ダイヤフラム内周面に設けられたラビリンスパツ
キンのフイン列の間によつて区劃形成された環状
の蒸気溜と、上記ノズルダイヤフラムに沿つて設
けられ、タービン内部或は外部の蒸気源から乾き
状態とされた蒸気を上記蒸気溜に供給する蒸気供
給路と、ラビリンスパツキンの上流側フイン群と
円板のハブとの間を流下する漏洩蒸気を、前記蒸
気溜をバイパスさせて低圧部に流出させる漏洩蒸
気バイパス路とを設けたことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、第２図乃至第１０図を参照して本発明の
一実施例について説明する。

第２図において、ロータシヤフト１には、外周
に多数の羽根２を装着した円板３が装着されてお
り、各円板３の内径部に設けられたハブ３ａの両
端面と互いに隣接する円板３のハブ３ａの端面と
の間には、熱膨張の際の衝突を防ぐため従来のも
のと同様に微少間隙５が形成されている。

また、互いに隣接する円板３，３間には、前記
羽根２と対応する位置にノズル６を設けたノズル
ダイヤフラム７が配設されており、そのノズルダ
イヤフラム７の内周面には前記円板３のハブ３ａ
の外周面と対向するラビリンスパツキン８が装着
されている。

上記ノズルダイヤフラム７には半径方向に延び
る蒸気供給孔９が穿設されており、その外端部は
タービンケーシング１０に貫設された蒸気供給管
１１に接続され、その蒸気供給管１１はさらに管
路１２を介して適宜蒸気源に接続されている。上
記蒸気源としては、第３図に示すようにタービン
内の蒸気や第４図に示すようにタービン外の蒸気
源１３としてもよく、いずれの場合にも蒸気源の
蒸気が水滴を含む湿り蒸気の場合は、管路１２の
途中に減圧オリフイス１４を設けて等エンタルピ
膨張をさせて過熱蒸気として前記蒸気供給管１１
に供給するようにしてある。

第５図はラビリンスパツキン８装着部の拡大断
面図であつて、ノズルダイヤフラム７の内周近傍
部には、前記蒸気供給孔９が開口するラビリンス
パツキン嵌合溝１５が形成されており、そのラビ
リンスパツキン嵌合溝１５にラビリンスパツキン
８が嵌合装着されている。

上記ラビリンスパツキン８には、円板３のハブ
の外周面との対向面に、タービンの上流側（高圧
側）から順次３群のフイン８ａ，８ｂ，８ｃが形
成されており、各群のフイン８ａ，８ｂ，８ｃは
それぞれその先端側が上流側に向くように傾斜せ
しめられている。また、上記ラビリンスパツキン
８には、最上流側のフイン群８ａとその次のフイ
ン群８ｂとの間に、周方向に延びる漏洩蒸気捕集
溝１６が形成されており、その漏洩蒸気捕集溝１
６には、上記ラビリンスパツキン８に穿設され、
一端が次段側の円板３とノズルダイヤフラム７と
の間隙部に開口しタービン軸線方向に延びる複数
個の漏洩蒸気バイパス路１７が連通せしめられて
いる。

一方、互いに隣接する円板３，３のハブ３ａ，
３ａの対向面と対応する位置には、最下流側のフ
イン群８ｃとその上流側のフイン群８ｂとで区劃
された周方向に延びる環状の蒸気溜１８が形成さ
れており、ラビリンスパツキン８には前記ラビリ
ンスパツキン嵌合溝１５を上記蒸気溜１８に連通
せしめる連通孔１９が穿設されている。なお、図
中符号２０は減圧オリフイスである。第６図にラ
ビリンスパツキン８の正面図を示す。

しかして、タービンの運転中には、蒸気発生器
から供給された蒸気の大半は応力腐蝕割れのおそ
れがない羽根（動翼）３を通過して仕事を行な
い、残りの１％前後の蒸気がノズルダイヤフラム
７に設けられたラビリンスパツキン８と円板３の
ハブ３ａの外周との間隙を経て漏洩しようとす
る。

しかしながら、この場合前記蒸気源から過熱蒸
気とされた乾き蒸気が管路１２、蒸気供給管１
１、および蒸気供給孔９を径てラビリンスパツキ
ン嵌合溝１５に供給され、さらに上記、蒸気供給
孔９等とともに蒸気供給路を形成する連通孔１９
を介して蒸気溜１８に噴入され、ハブ３ａ，３ａ
間の微少間隙５が供給蒸気Ａによつて充満され
る。

この蒸気溜１８に流入した乾き蒸気の一部は、
中間のフイン群８ｂ部を経て漏洩蒸気捕集溝１６
側へと流れ、上流側のフイン群８ａ部から漏洩し
て漏洩蒸気捕集溝１６に漏入した水分を含んだ漏
洩蒸気Ｂが蒸気溜１８に流入することを阻止し、
漏洩蒸気捕集溝１６に流入した漏洩蒸気は、漏洩
蒸気バイパス路１７を経、上記蒸気溜１８をバイ
パスしてノズルダイヤフラム７の低圧側に流出す
る。また、上記蒸気溜１８に流入した乾き蒸気の
他部は、下流側のフイン群８ｃを経て下流低圧側
に流出し、その間円板３のハブ３ａを加熱する。

こゝで、ラビリンスパツキン部を漏洩蒸気が流
れるときのラビリンスパツキン８の各部の圧力分
布を第７図に示す。

従来構造のラビリンスパツキン内での圧力分布
は、図中２点鎖線で示すように、ラビリンスパツ
キン８の上流側の圧力P₁と下流側の圧力P₄との
間でほぼ一様に変化し、ハブ３ａ，３ａ間の微少
間隙５の圧力P₃′は上流側圧力P₁と下流側圧力P₄
のほぼ中間の値となる。

ところが、本発明においては、漏洩蒸気バイパ
ス路１７の圧力損失が非常に小さいので、漏洩蒸
気捕集溝１６内の圧力P₂はラビリンスパツキン
８の下流側の圧力P₄に上記圧力損失を付加した
ものとなり、非常に低い値となる。また、ハブ３
ａ，３ａ間の微少間隙５の圧力P₃は、前述のよ
うに蒸気溜１８から漏洩蒸気捕集溝１６への蒸気
流を保つために必要な圧力だけ、漏洩蒸気捕集溝
１６の圧力P₂より若干高く保つ必要があるが、
従来のものにおけるP₃′に比べてかなり低くする
ことができる。

しかして、上記微少間隙部の蒸気の飽和温度は
当該部の圧力P₃が低いことにより、第８図に示
すように、従来装置に比べて数度低くなる。

また、円板ハブの微少間隙５の蒸気状態の変化
を第９図に示す。この図はタービン上流部の蒸気
を供給蒸気源とする例を示したものであつて、供
給蒸気源圧力ａからタービン内で膨張した蒸気
は、ラビリンスパツキン８の上流側の圧力P₁ま
で膨張し、さらに前述のように円板ハブの微少間
隙５部の圧力P₃′まで膨張する。この蒸気状態ｂ
は前述のように水分を含む湿り蒸気であるため、
蒸気温度は圧力P₃′により一儀的に決定される。

一方、蒸気溜１８への供給蒸気は、供給蒸気状
態ｃから減圧オリフイス１４で円板ハブ間隙５部
の圧力P₃まで等エンタルピ膨張する。この間隙
部の蒸気状態値ｄは、供給蒸気源状態値が湿り蒸
気であつても、膨張過程において飽和圧力線ｅを
横切り過熱蒸気となり、従来のものに比し円板ハ
ブ間隙部の蒸気温度は10〜30℃高くすることがで
きる。

したがつて、ハブ３ａ，３ａ間の微少間隙５部
は比較的高温の蒸気で満たされることとなり、こ
の高温蒸気が微少間隙５を通つてキー溝等に侵入
する。

ところで、キー溝部の雰囲気が過熱蒸気であつ
ても、実際には円板３の温度は蒸気温度より10℃
程度低くなつているため、この円板温度が雰囲気
蒸気の飽和温度より低いと、円板３のキー溝部の
表面で水の凝縮が起る。

しかし、前述のように供給蒸気はフイン群８ｃ
を流れる間に円板ハブ３ａを加熱するので、従来
のものに比べ円板温度を数℃上昇させ、かつ微少
間隙５の飽和温度が数℃低くなつているので、円
板３、キー溝等の表面での水の凝縮が起ることは
ない。

この結果、キー溝部内では常に水滴の流入、発
生を防ぐことができ、清浄な環境下におかれ、応
力腐蝕割れ発生の原因の一つである環境に関する
因子を除去することができ、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記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も大き
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性の温度域で
応力腐蝕割れが促進されるためである。

しかるに、本発明においては前述のように円板
ハブの端面間の微少間隙に供給される蒸気温度が
従来のものに比し高くなり、しかも供給蒸気温度
の選定によつて当該部の温度を上記特性の温度域
を外すようにすることが可能であり、これによつ
ても応力腐蝕割れの促進を防止することができ
る。

また、蒸気溜１８への供給蒸気の量Giについ
ては、漏洩蒸気の上記蒸気溜１８への混入防止、
および円板ハブ３ａの過熱等を考慮して決定する
必要があり、漏洩蒸気量Goと密接な関係をもつ
ている。すなわち、漏洩蒸気がさらに蒸気溜１８
へ流入しようとする蒸気量をGaとした場合、
Ga／GoとGi／Goとの関係は実験によれば第１
０図に示すようになる。これによれば、供給蒸気
量Giの量は漏洩蒸気量Goの0.2倍以上にすれば前
記効果は十分確保することができる。しかして実
際にはラビリンス間隙の変化、タービン性能への
影響等を考慮して0.2倍以上の最適値が選ばれる。

なお、本発明は前述した実施例に限らず、例え
ばラビリンスパツキンをノズルダイヤフラムの嵌
合溝に嵌合したものではなく、ノズルダイヤフラ
ム等の内径部に直接ラビリンスパツキンを取付け
たものにも適用することができる。また、蒸気溜
に供給する蒸気源としてタービン用蒸気発生器以
外のものを使用した場合には、腐蝕割れの一原因
となるような不純物を含まない清浄な蒸気を蒸気
溜に供給して、キー溝部分等に清浄蒸気を供給し
て腐蝕割れの原因の一つを除去することができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においてはタービ
ンロータに装着された円板の互いに隣接するハブ
間の微少間隙部に乾き蒸気或いは乾いた清浄蒸気
を供給するようにするとともに、ラビリンスパツ
キンを経て当該部に漏入しようとする蒸気を漏洩
蒸気バイパス路を介して低圧側に排出するように
したので、上記微少間隙部を通つてキー溝等に湿
り蒸気或は不純蒸気が浸入することを確実に防止
することができ、焼ばめロータの腐蝕を防止する
ことができ、簡単な構造でかつタービン性能に大
きな影響を与えることもなく焼ばめロータの信頼
性を向上せしめることができる。

【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
側断面図、第２図は、本発明の腐蝕防止装置を施
こしたタービンロータ部の概略構成を示す側断面
図、第３図および第４図はそれぞれ供給蒸気源か
らの蒸気供給系路を示す概略説明図、第５図は第
２図のラビリンスパツキン部の拡大断面図、第６
図はラビリンスパツキンの背面図、第７図はラビ
リンスパツキン内の圧力分布説明図、第８図は円
板ハブ間隙部の飽和温度の変化を示す説明図、第
９図は円板ハブ間隙部の蒸気状態の変化線図、第
１０図は漏洩蒸気量と供給蒸気量との関係線図で
ある。１……ロータシヤフト、２……羽根、３……円
板、３ａ……ハブ、４……キー、５……微少間
隙、７……ノズルダイヤフラム、８……ラビリン
スパツキン、９……蒸気供給孔、１１……蒸気供
給管、１５……ラビリンスパツキン嵌合溝、１６
……漏洩蒸気捕集溝、１７……漏洩蒸気バイパス
路、１８……蒸気溜、１９……連通孔。

Claims

【特許請求の範囲】１タービンロータに装着された円板の互いに隣
接するハブ間の微少間隙に連通し、上記ハブに対
向するノズルダイヤフラム内周面に設けられたラ
ビリンスパツキンのフイン列の間によつて区劃形
成された環状の蒸気溜と、上記ノズルダイヤフラ
ムに沿つて設けられ、タービン内部或は外部の蒸
気源から乾き状態とされた蒸気を上記蒸気溜に供
給する蒸気供給路と、ラビリンスパツキンの上流
側フイン群と円板のハブとの間を流下する漏洩蒸
気を、前記蒸気溜をバイパスさせて低圧部に流出
させる漏洩蒸気バイパス路とを設けたことを特徴
とする、蒸気タービンの腐蝕防止装置。２漏洩蒸気バイパス路の一端は、上流側フイン
群の直下流側に形成された環状の漏洩蒸気捕集溝
に連接されていることを特徴とする、特許請求の
範囲第１項記載の蒸気タービンの腐蝕防止装置。３漏洩蒸気バイパス路の他端は、低圧側円板と
ノズルダイヤフラムとによつて形成される空間に
開口していることを特徴とする、特許請求の範囲
第１項または第２項記載の蒸気タービンの腐蝕防
止装置。４ラビリンスパツキンには３つのフイン群が配
列されていることを特徴とする、特許請求の範囲
第１項に記載の蒸気タービンの腐蝕防止装置。５蒸気溜と漏洩蒸気捕集溝との間には、少なく
とも１列のフインが設けられていることを特徴と
する、特許請求の範囲第１項記載の蒸気タービン
の腐蝕防止装置。