WO2012128310A1 - タービンロータ及びタービンロータの製造方法 - Google Patents

タービンロータ及びタービンロータの製造方法 Download PDF

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high hardness
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憲治 川崎
山本　隆一
育生 中村
西本　慎
聖一 川口
重　隆司
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a turbine rotor formed by joining two different members in the axial direction of a turbine rotor by welding.
  • a turbine rotor that constitutes a turbine such as a steam turbine differs in the temperature of the steam that passes depending on the position along the axial direction of the turbine rotor. Therefore, as this turbine rotor, a so-called dissimilar material welding rotor in which a plurality of different members are brought into contact in the axial direction and joined by welding is conventionally used.
  • the surface of the member on the side close to the welding torch is prevented from being oxidized by the inert gas injected from the welding torch.
  • an inert gas is injected on the back side of the member, or the back wave is surrounded on the back side of the member.
  • a method of forming a space and filling the inside of the space with an inert gas has been used (see, for example, Patent Document 2).
  • a cavity is formed inside the turbine rotor on the back side of the welded portion, and the inside of the cavity is filled with an inert gas in advance.
  • an inspection hole formed so as to reach the cavity from the surface of the member is used. The inspection hole is used for inspecting the finished state of the back side of the member by inserting a fiberscope or the like into the inspection hole during or after the welding operation. Then, an inert gas is sent into the cavity through the inspection hole.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a turbine rotor in which two different members are welded by bringing the tips of the two members into contact with each other in the axial direction of the turbine rotor. It is an object of the present invention to provide means for filling the inside with an inert gas without degrading the quality of the turbine rotor after welding.
  • a turbine rotor according to the present invention includes a first member and a second member joined to the first member, and the first and second members extend in an axial direction of the turbine rotor.
  • a groove for welding is formed at the boundary between the first and second members, a gas introduction hole for introducing gas into the turbine rotor through the bottom of the groove, It is characterized by being sealed by welding.
  • the turbine rotor of the present invention when the first and second members are welded, an inert gas is introduced into the cavity inside the turbine rotor through the gas introduction hole in order to prevent oxidation of the back wave generated in the members.
  • the weld metal is filled in the gas introduction hole, so that stress concentration hardly occurs in the peripheral portion where the gas introduction hole used to exist. Accordingly, it is possible to prevent the strength of the turbine rotor from being lowered.
  • the material of the first member is different from that of the second member, and the boundary between the first and second members in the groove portion is close to either one of the two members. Good.
  • the gas introduction hole is formed at the bottom portion of the groove portion. It can be formed at a position away from the boundary. In this way, if the gas introduction hole is formed at a position away from the boundary, the drill for machining the hole does not slide at the boundary and the position accuracy of the hole is not lowered, and the gas introduction is performed at a desired position. A service hole can be formed. Furthermore, since the position accuracy of the hole is high, it is possible to accurately make a hole at a predetermined drilling position. This ensures that the hole is closed when the first member and the second member are welded.
  • the material of the first member is different from that of the second member, and the boundary exists near one of the first and second members having high hardness.
  • the joint surfaces of the two members are formed in a shape that fits to each other.
  • the positions of the two members fitted in the joint surface are fixed. Therefore, since a drilling operation and a welding operation can be performed with high accuracy, a hole can be accurately formed at a predetermined drilling position. Further, the hole can be melted and reliably closed during the welding operation.
  • a method for manufacturing a turbine rotor according to the present invention is a method for manufacturing a turbine rotor by welding a first member and a second member having a thermal conductivity different from that of the first member.
  • the second member is arranged so that both members extend in the axial direction of the turbine rotor and one of the first and second members having high thermal conductivity is above the other member.
  • the hot air generated during the welding operation from the lateral direction rises, so that the upper member is disposed on the upper side.
  • the formed member is heated more strongly than the member disposed on the lower side.
  • the member disposed on the upper side has higher thermal conductivity than the member disposed on the lower side, and dissipates more heat. For this reason, a large temperature difference does not occur between the upper member and the lower member, and the entire gas introduction hole can be reliably closed during the welding operation.
  • the inside is filled with an inert gas without deteriorating the quality of the turbine rotor after welding. be able to.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram illustrating a steam turbine 1 including a turbine rotor 10 according to a first embodiment.
  • the steam turbine 1 includes a casing 2, a regulating valve 3, a turbine rotor 10, a plurality of stationary blades 4, a plurality of moving blades 5, and a bearing portion 6.
  • the adjustment valve 3 adjusts the amount and pressure of the steam S flowing into the casing 2.
  • the turbine rotor 10 is rotatably provided inside the casing 2 and transmits power to a machine such as a generator (not shown).
  • the plurality of stationary blades 4 are provided on the inner peripheral surface of the casing 2.
  • the plurality of rotor blades 5 are provided on the outer peripheral surface of the turbine rotor 10.
  • the bearing portion 6 supports the turbine rotor 10 so as to be rotatable about an axis.
  • FIG. 2 is a schematic side view showing a part of the turbine rotor 10.
  • the turbine rotor 10 includes a rotor main body 11, a welded portion 12, and a cavity portion 13.
  • the rotor body 11 extends in the axial direction of the turbine rotor 10.
  • the welded portion 12 is provided at a predetermined position in the axial direction of the rotor body 11.
  • the cavity 13 is formed inside the rotor body 11.
  • the rotor main body 11 has a high hardness member (first member) 14 and a low hardness member (second member) 15 as shown in FIG.
  • the high hardness member 14 has a substantially cylindrical shape and extends in the axial direction.
  • the low hardness member 15 has a substantially cylindrical shape like the low hardness member 15 and extends in the axial direction.
  • the high hardness member 14 is a member having relatively higher hardness than the low hardness member 15. As shown in FIG. 2, the high hardness member 14 is formed with a first notch portion 141 by notching one end portion of the end portion in the radial direction in the longitudinal direction of the high hardness member 14.
  • the low hardness member 15 is a member having a relatively low hardness as compared with the high hardness member 14. As shown in FIG. 2, the low hardness member 15 is also formed with a second notch 151 by notching one end of the end in the longitudinal direction in the longitudinal direction of the low hardness member 15. As shown in FIGS. 2 and 3, the second notch 151 has an outer diameter of the second notch 151 substantially equal to the outer diameter of the first notch 141 of the high hardness member 14, and the second notch The length L1 in the axial direction of 151 is formed longer than the length L2 in the axial direction of the first notch 141.
  • the high hardness member 14 9% chromium steel (a steel material containing 9% chromium, the same applies hereinafter) is used, while the low hardness member 14 is used.
  • 9% chromium steel a steel material containing 9% chromium, the same applies hereinafter
  • the low hardness member 14 is used.
  • 2.25% chromium steel or 3.5% nickel steel may be used.
  • 12% chromium steel may be used as the high hardness member 14, while 2.25% chromium steel or 3.5% nickel steel may be used as the low hardness member 15.
  • the nickel base superalloy is used as the high hardness member 14, 2.25% chromium steel, 9% chromium steel, or 12% chromium steel may be used as the low hardness member 15.
  • the high hardness member 14 may be stainless steel, while the low hardness member 15 may be 2.25% chrome steel, 9% chrome steel, or 12% chrome steel.
  • the combination of the high hardness member 14 and the low hardness member 15 is not limited to this, Arbitrary combinations can be employ
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the periphery of the groove portion 16.
  • the boundary 17 between the high hardness member 14 and the low hardness member 15 is higher in hardness than the center position C (dashed line shown in FIG. 3) in the groove width direction of the groove portion 16. It is positioned so as to approach the member 14 side by a predetermined distance X.
  • the weld 12 connects the high hardness member 14 and the low hardness member 15.
  • the welded portion 12 has a groove portion 16 formed by combining the first cutout portion 141 and the second cutout portion 151, and uses a welding torch T to reduce the hardness of the welded portion 12. It is formed by welding the hardness member 15.
  • the hollow portion 13 is a space for filling an inert gas that prevents oxidation of the back wave 19 during welding work. As shown by a broken line in FIG. 2, the hollow portion 13 is formed by combining a first concave portion 131 formed in the high hardness member 14 and a second concave portion 132 formed in the low hardness member 15. .
  • the operator brings the high hardness member 14 and the low hardness member 15 into contact with each other. That is, as shown in FIG. 3A, the operator places one end of the high hardness member 14 and one end of the low hardness member 15 so that the first notch 141 and the second notch 151 face each other. Abut.
  • the groove portion 16 is formed by the first cutout portion 141 and the second cutout portion 151.
  • the length L1 in the axial direction of the second notch 151 is formed longer than the length L2 in the axial direction of the first notch 141. Therefore, the boundary 17 between the high hardness member 14 and the low hardness member 15 exists so as to be closer to the high hardness member 14 side than the center position C in the groove width direction of the groove portion 16.
  • the operator forms a gas introduction hole 18 at the bottom of the groove portion 16. That is, the operator sets the drill D at the center position C in the groove width direction of the groove portion 16 as shown in FIG. 3 (a), and the groove portion 16 as shown in FIG. 3 (b). Penetrate the bottom. At this time, the boundary 17 between the high hardness member 14 and the low hardness member 15 exists so as to be closer to the high hardness member 14 side than the center position C of the groove portion 16. Therefore, the drill D passes through the position deviated from the boundary 17 and penetrates the low hardness member 15 to form the gas introduction hole 18.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a problem that occurs when the boundary 17 is located at the center position C of the groove portion 16.
  • the boundary 17 between the two members 14 and 15 is located at the center position C of the groove portion 16, as shown in FIG. It slips on 17 and flows.
  • FIG. 6B there is a case where it is formed at a position shifted from the original drilling position.
  • FIG. 6C even if the welding operation of the two members 14 and 15 is performed, a part of the gas introduction hole 18 remains without being blocked.
  • the inert gas inside the cavity portion 13 leaks outside from the gas introduction hole 18, and the back wave 19 is oxidized at the time of welding and the welded portion.
  • the problem of insufficient strength occurs.
  • the drilling position of the gas introduction hole 18 and the boundary 17 between the two members 14 and 15 are likely to coincide with each other at the center position of the groove portion 16 in the groove width direction. This problem is likely to occur.
  • the operator introduces an inert gas into the cavity 13. That is, the operator fills the cavity 13 formed inside the rotor body 11 with an inert gas such as argon gas through a tube (not shown) inserted through the gas introduction hole 18.
  • an inert gas such as argon gas
  • the operator welds the high hardness member 14 and the low hardness member 15. That is, as shown in FIG. 2, the operator inserts the tip of the welding torch T into the groove portion 16 from the lateral direction, and performs, for example, TIG welding on the boundary 17 between the high hardness member 14 and the low hardness member 15. .
  • the periphery of the boundary 17 is melted to form the welded portion 12, and the high hardness member 14 and the low hardness member 15 are joined to each other by the welded portion 12.
  • the gas introduction hole 18 is sealed by melting the periphery of the gas introduction hole 18 close to the boundary 17.
  • the part formed in the exterior of the rotor main body 11 among the welding parts 12 is the part formed in the exterior of the rotor main body 11 among the welding parts 12 by the inert gas (not shown) injected from the welding torch T. Is prevented from being oxidized.
  • the back wave 19 formed inside the rotor body 11 in the welded portion 12 is formed inside the rotor body 11 in the welded portion 12 by the inert gas filled in the cavity portion 13. Oxidation of the part is prevented.
  • the welded portion 12 is shown only for the bottom portion of the groove portion 16, but at the end of the welding operation, the welded portion 12 is shown as a two-dot chain line in the drawing. It is formed up to the position that fills the whole. Thus, the turbine rotor 10 is completed.
  • the turbine rotor 20 of the present embodiment is different from the turbine rotor 10 of the first embodiment only in the configuration of the rotor body 21. Since the other configuration and the manufacturing method are the same as those of the first embodiment, the same reference numerals as those of the first embodiment are used, and the description thereof is omitted here.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the periphery of the groove portion 16 in the turbine rotor 20 of the second embodiment.
  • the rotor body 21 of the present embodiment is the same as the rotor body 21 of the first embodiment in that it has a high hardness member 14 and a low hardness member 15, but the joint surface between the high hardness member 14 and the low hardness member 15.
  • the shape is different. That is, as shown in FIG. 4A, a stepped step portion 22 is formed at one end of the high hardness member 14. A stepped step portion 23 is also formed at one end of the low hardness member 15. The step portion 22 of the high hardness member 14 and the step portion 23 of the low hardness member 15 are fitted to each other.
  • FIG. 4B is a diagram showing a modification of the second embodiment.
  • the convex portion 24 is formed at one end of the high hardness member 14, while the concave portion 25 having a shape that fits the convex portion 24 of the high hardness member 14 is formed at one end of the low hardness member 15. Yes.
  • the effect it is the same as the fitting by the level
  • FIG. 4C is a diagram showing another modification of the second embodiment.
  • the concave portion 26 is formed at one end portion of the high hardness member 14, while the convex portion 27 having a shape that fits into the concave portion 26 of the high hardness member 14 is formed at one end portion of the low hardness member 15. .
  • the effect it is the same as the fitting by the level
  • the turbine rotor 30 of the present embodiment differs from the turbine rotor 10 of the first embodiment in the configuration of the rotor body 31 and the manufacturing method thereof. Since the other points are the same as those in the first embodiment, the same reference numerals as those in the first embodiment are used, and description thereof is omitted here.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the periphery of the groove portion 16 in the turbine rotor 30 of the third embodiment.
  • the rotor body 31 of the present embodiment is the same as the rotor body 31 of the first embodiment in that it has a high hardness member 14 and a low hardness member 15. However, it differs from the first embodiment in that the thermal conductivity of the high hardness member 14 and the low hardness member 15 is different. More specifically, the high hardness member 14 has a relatively high thermal conductivity, and the low hardness member 15 has a relatively low thermal conductivity.
  • the operator places the low-hardness member 15 having low thermal conductivity on the lower side and the high-hardness member 14 having high thermal conductivity. The tips of both members 14 and 15 are brought into contact with each other so as to be positioned on the upper side. Then, similarly to the first embodiment, the operator forms the gas introduction hole 18 at the bottom of the groove portion 16, fills the cavity portion 13 with the inert gas, and the high hardness member 14 and the low hardness member 15.
  • the turbine rotor 30 is manufactured by performing operations in the order of welding.
  • the hot air generated during the welding operation from the lateral direction rises, so that the high hardness member 14 disposed on the upper side is lowered with the low air disposed on the lower side. Compared with the hardness member 15, it is heated more strongly.
  • the high hardness member 14 has a higher thermal conductivity than the low hardness member 15 and dissipates more heat as indicated by arrows Y1 and Y2 in FIG. A large temperature difference with the member 15 does not occur.
  • the high hardness member 14 and the low hardness member 15 are welded, the high hardness member 14 and the low hardness member 15 can be melted uniformly, so that the gas introduction hole 18 is reliably sealed. be able to.
  • the thermal conductivity of the high hardness member 14 is relatively high, and the thermal conductivity of the low hardness member 15 is relatively low.
  • the conductivity may be relatively lowered, and the thermal conductivity of the low hardness member 15 may be relatively increased.
  • the same effect as described above can be obtained by disposing the high hardness member 14 having low thermal conductivity on the lower side and the low hardness member 15 having high thermal conductivity on the upper side. It is done.
  • the configuration in which the drill D is particularly easy to flow has been described by taking, as an example, the case where two different members constituting the rotor main bodies 11, 21, 31 are members having different hardnesses.
  • the two different members may be members having the same hardness.

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Abstract

本発明に係るタービンロータ（１０）は、第一部材と、前記第一部材に接合された第二部材とを備え、前記第一、第二部材がタービンロータの軸方向に延在するタービンロータ（１０）であって、前記第一、第二部材の境界に、溶接用の開先部（１６）が形成され、前記開先部（１６）の底部を貫通し、前記タービンロータ（１０）の内部にガスを導入するためのガス導入用穴（１８）が、溶接によって封止されている。

Description

タービンロータ及びタービンロータの製造方法
　本発明は、相異なる２つの部材が溶接によってタービンロータの軸方向に接合されることによって形成されるタービンロータに関するものである。
　本願は、２０１１年３月２３日に、日本に出願された特願２０１１－０６４６５７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　蒸気タービン等のタービンを構成するタービンロータは、タービンロータの軸方向に沿った位置によって通過する蒸気の温度が異なる。従って、このタービンロータとしては、相異なる複数の部材を軸方向に当接させて溶接にて接合した異材溶接ロータと呼ばれるものが従来用いられている。
　そして、この異材溶接ロータにおいて２つの部材を溶接する方法としては、先端どうしを当接させた２つの部材の表面を、裏面まで貫通しないように溶接する方法が挙げられる（例えば、特許文献１を参照）。しかし、このような片面だけの溶接では、裏面に残存する２つの部材の継ぎ目から溶接部に亀裂が進展する可能性がある。従って、このような問題の発生を防止すべく、当接させた２つの部材の裏面まで貫通するいわゆる裏波溶接を施工する必要がある。
　ここで、異材溶接ロータの製造に一般的に使用されるＴＩＧ溶接では、溶接トーチを近付ける側の部材の表面は、溶接トーチから噴射される不活性ガスによってその酸化が防止される。しかし、裏波溶接を施工する場合、２つの部材の裏側に形成される裏波についても酸化を防止する必要がある。
　ところで、タービンロータに限らず一般的な裏波溶接において、裏波の酸化を防止する手段としては、部材の裏側に不活性ガスを噴射するか、或いは部材の裏側に裏波を包囲するようにして空間を形成し、この空間の内部に不活性ガスを充填する方法が従来用いられている（例えば、特許文献２を参照）。
　そして、タービンロータの場合、タービンロータの内部に溶接部の裏側に空洞部が形成され、この空洞部の内部に不活性ガスが予め充填される。ここで、外部から空洞部の内部に不活性ガスを送り込む手段としては、部材の表面から空洞部に達するように形成された検査穴が用いられる。この検査穴とは、溶接作業中もしくはその完了後にファイバースコープ等を検査穴に挿通させることによって、部材の裏側の仕上がり状態を検査するために使用するものである。そして、この検査穴を介して空洞部の内部に不活性ガスが送り込まれる。
特開２０１０－３１８１２号公報 特開平８－２０６８３０号公報
　従来のタービンロータでは、タービンロータの内部に形成された検査穴の周辺で応力集中が生じる可能性があり、強度設計上好ましくないという問題がある。従って、検査穴を形成することなく空洞部に不活性ガスが充填されるタービンロータ、及びその製造方法が必要とされている。
　本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、相異なる２つの部材が２つの部材の先端どうしをタービンロータの軸方向に当接されて溶接されるタービンロータにおいて、溶接後のタービンロータの品質を低下させることなく内部に不活性ガスを充填する手段を提供することにある。
本発明に係るタービンロータは、第一部材と、前記第一部材に接合された第二部材とを備え、前記第一、第二部材がタービンロータの軸方向に延在するタービンロータであって、前記第一、第二部材の境界に、溶接用の開先部が形成され、前記開先部の底部を貫通し、前記タービンロータの内部にガスを導入するためのガス導入用穴が、溶接によって封止されていることを特徴とする。
　本発明のタービンロータにおいては、第一、第二部材を溶接する際、部材に生じる裏波の酸化を防止するために、ガス導入用穴を通じてタービンロータ内部の空洞に不活性ガスを導入する。本発明によれば、第一、第二部材の溶接後、ガス導入用穴に溶接金属が充填されるので、ガス導入用穴がかつて存在した周辺部分に応力集中が起こり難い。したがって、タービンロータの強度低下を防止することができる。
　本発明のタービンロータにおいて、前記第一部材の材質は前記第二部材と異なり、前記開先部における前記第一、第二部材の境界が、両部材のいずれか一方に寄せて存在してもよい。
　本発明のタービンロータにおいては、前記開先部における前記第一、第二部材の境界が、両部材のいずれか一方に寄せて存在するので、ガス導入用穴を、開先部の底部の前記境界から離れた位置に形成することが可能である。このように、ガス導入用穴を、前記境界から離れた位置に形成することにすれば、穴を加工するドリルが境界で滑って穴の位置精度を低めることがなく、所望の位置にガス導入用穴を形成することができる。さらに、穴の位置精度が高いので、所定の穴開け位置に正確に穴を開けることができる。これにより、第一部材と第二部材とを溶接する際にこの穴が確実に塞がれる。
　また、本発明に係るタービンロータは、前記第一部材の材質は前記第二部材と異なり、前記境界が前記第一、第二部材のうち硬度の高い一方の部材に寄せて存在する。
　このような構成によれば、ドリルが硬度の高い部材に弾かれて硬度の低い部材の側へ流れることを未然に防止することができ、硬度の低い部材だけを貫通して穴を形成することができる。
　また、本発明に係るタービンロータは、前記２つの部材の接合面それぞれが、互いに嵌合する形状に形成される。
　このような構成によれば、接合面において嵌合した状態の２つの部材の位置が固定される。これにより、穴開け作業や溶接作業を高い精度で行うことができるので、所定の穴開け位置に正確に穴を形成することができる。また、溶接作業時に穴を溶かして確実に塞ぐことができる。
　また、本発明に係るタービンロータの製造方法は、第一部材と、前記第一部材とは熱伝導度の異なる第二部材とを溶接してタービンロータを製造する方法であって、前記第一、第二部材を、両部材がタービンロータの軸方向に延在し、かつ前記第一、第二部材のうち熱伝導度の高い一方の部材を他方の部材よりも上になるように配置する工程と、前記第一、第二部材の境界に形成された溶接用の開先部の底部に、前記タービンロータの内部にガスを導入するためのガス導入用穴を、前記底部を貫通するように形成する工程と、前記開先部において前記第一部材に前記第二部材を溶接する工程とを備える。
　このような製造方法によれば、第一部材と第二部材との２つの部材を上下に向い合せて溶接した時に、横方向からの溶接作業時に発生した熱気が上昇することにより、上側に配置された部材は下側に配置された部材と比較してより強く加熱される。しかし、上側に配置された部材は下側に配置された部材と比較して熱伝導度が高く、より多くの熱を発散する。このため、上側の部材と下側の部材とで大きな温度差が生じることがなく、溶接作業時にガス導入用穴の全体を確実に塞ぐことができる。
　本発明に係るタービンロータによれば、相異なる２つの部材が軸方向に当接されて溶接されるタービンロータにおいて、溶接後のタービンロータの品質を低下させることなく内部に不活性ガスを充填することができる。
本発明の第１実施形態に係るタービンロータを備えた蒸気タービンを示す全体構成図である。 第１実施形態に係るタービンロータの一部を示す概略側面図である。 第１実施形態のタービンロータにおける開先部の周辺を示す概略断面図である。 第２実施形態のタービンロータにおける開先部の周辺を示す概略断面図である。 第３実施形態のタービンロータにおける開先部の周辺を示す概略断面図である。 ２つの部材の境界が開先部の中心位置に位置する場合に発生する問題を説明するための図である。
（第１実施形態）
　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。まず、本発明の第１実施形態に係るタービンロータの構成について説明する。図１は、第１実施形態に係るタービンロータ１０を備えた蒸気タービン１を示す全体構成図である。蒸気タービン１は、ケーシング２と、調整弁３と、タービンロータ１０と、複数の静翼４と、複数の動翼５と、軸受部６とを備える。調整弁３は、ケーシング２に流入する蒸気Ｓの量と圧力を調整する。タービンロータ１０は、ケーシング２の内部に回転可能に設けられ、図示しない発電機等の機械に動力を伝達する。複数の静翼４は、ケーシング２の内周面に設けられる。複数の動翼５は、タービンロータ１０の外周面に設けられる。軸受部６は、タービンロータ１０を軸回りに回転可能に支持する。
　図２は、タービンロータ１０の一部を示す概略側面図である。タービンロータ１０は、ロータ本体１１と、溶接部１２と、空洞部１３とを備える。ロータ本体１１は、タービンロータ１０の軸方向に延びる。溶接部１２は、ロータ本体１１における軸方向の所定位置に設けられる。空洞部１３は、ロータ本体１１の内部に形成される。
　ロータ本体１１は、図２に示すように、高硬度部材（第一部材）１４と、低硬度部材（第二部材）１５とを有する。高硬度部材１４は、略円柱形状を有して軸方向に延びる。低硬度部材１５は、低硬度部材１５と同じく略円柱形状を有して、軸方向に延びる。
　高硬度部材１４は、低硬度部材１５と比較して相対的に硬度の高い部材である。この高硬度部材１４には、図２に示すように、高硬度部材１４の長手方向において端部の一端部を径方向に切り欠くことによって第１切欠部１４１が形成されている。
　低硬度部材１５は、高硬度部材１４と比較して相対的に硬度の低い部材である。この低硬度部材１５にも、図２に示すように、低硬度部材１５の長手方向において端部の一端部を径方向に切り欠くことによって第２切欠部１５１が形成されている。そして、図２及び図３に示すように、この第２切欠部１５１は、第２切欠部１５１の外径が高硬度部材１４の第１切欠部１４１の外径と略等しく、第２切欠部１５１の軸方向への長さＬ１が、第１切欠部１４１の軸方向への長さＬ２よりも、長く形成されている。
　ここで、高硬度部材１４と低硬度部材１５の組み合わせとしては、例えば、高硬度部材１４としては、９％クロム鋼（９％のクロムを含有する鋼材、以下同様）を用いる一方、低硬度部材１５としては、２．２５％クロム鋼や３．５％ニッケル鋼を用いてもよい。また、それ以外にも、高硬度部材１４としては、１２％クロム鋼を用いる一方、低硬度部材１５としては、２．２５％クロム鋼や３．５％ニッケル鋼を用いてもよい。更には、高硬度部材１４としては、ニッケル基超合金を用いる一方、低硬度部材１５としては、２．２５％クロム鋼や９％クロム鋼や１２％クロム鋼を用いてもよい。また、高硬度部材１４としては、ステンレス鋼を用いる一方、低硬度部材１５としては、２．２５％クロム鋼や９％クロム鋼や１２％クロム鋼を用いてもよい。尚、高硬度部材１４と低硬度部材１５の組み合わせは、これに限定されず、相対的に硬度が異なる部材であれば任意の組み合わせを採用することができる。
　そして、図２に示すように、高硬度部材１４の第１切欠部１４１と低硬度部材１５の第２切欠部１５１とが合わさって開先部１６が形成される。図３は、開先部１６の周辺を示す概略断面図である。図３（ａ）に示すように、高硬度部材１４と低硬度部材１５の境界１７は、開先部１６の溝幅方向に向かって、中心位置Ｃ（図３に示す一点鎖線）より高硬度部材１４の側へ所定距離Ｘだけ寄るように位置している。
　溶接部１２は、高硬度部材１４と低硬度部材１５とを接続するものである。この溶接部１２は、図２に示すように、第１切欠部１４１と第２切欠部１５１とが合わさって形成される開先部１６において、溶接トーチＴを使用して高硬度部材１４と低硬度部材１５とを溶接することにより形成される。
　空洞部１３は、溶接作業時に裏波１９の酸化を防止する不活性ガスを充填するための空間である。この空洞部１３は、図２に破線で示すように、高硬度部材１４に形成された第１凹部１３１と、低硬度部材１５に形成された第２凹部１３２とが合わさることによって形成されている。
　次に、第１実施形態に係るタービンロータ１０の製造方法について説明する。まず作業者は、高硬度部材１４と低硬度部材１５とを当接させる。すなわち作業者は、図３（ａ）に示すように、第１切欠部１４１と第２切欠部１５１とを向かい合わせるようにして、高硬度部材１４の一端部と低硬度部材１５の一端部とを当接させる。これにより、第１切欠部１４１と第２切欠部１５１とによって開先部１６が形成される。また、前述のように第２切欠部１５１の軸方向への長さＬ１が、第１切欠部１４１の軸方向への長さＬ２よりも、長く形成されている。よって、高硬度部材１４と低硬度部材１５の境界１７は、開先部１６の溝幅方向への中心位置Ｃより高硬度部材１４の側へ寄るように存在する。
　次に作業者は、開先部１６の底部にガス導入用穴１８を形成する。すなわち作業者は、図３（ａ）に示すように、開先部１６の溝幅方向に向かって中心位置ＣにドリルＤをセットし、図３（ｂ）に示すように開先部１６の底部を貫通させる。この時、高硬度部材１４と低硬度部材１５との境界１７は、開先部１６の中心位置Ｃより高硬度部材１４の側へ寄るように存在する。よって、ドリルＤは境界１７から外れた位置を通過し、低硬度部材１５を貫通してガス導入用穴１８が形成される。
　このように、ドリルＤが境界１７から外れた位置を通過することにより、ガス導入用穴１８が、本来の穴開け位置からずれた位置に形成される問題を、未然に防止することができる。ここで図６は、境界１７が開先部１６の中心位置Ｃに位置する場合に発生する問題を説明するための図である。２つの部材１４，１５の境界１７が開先部１６の中心位置Ｃに位置する場合、図６（ａ）に示すように、境界１７にドリルＤで穴を開けようとすると、ドリルＤが境界１７で滑って流れる。このことにより、図６（ｂ）に示すように本来の穴開け位置からずれた位置に形成される場合がある。この場合、図６（ｃ）に示すように、２つの部材１４，１５の溶接作業を行っても、ガス導入用穴１８の一部が塞がれないまま残存する。このようにガス導入用穴１８の一部が残存すると、空洞部１３の内部の不活性ガスがガス導入用穴１８から外部に漏れ出すことによって、溶接時に裏波１９が酸化する問題および溶接部の強度が不足するという問題が生じる。特に、開先部１６の溝幅が狭い場合、ガス導入用穴１８の穴開け位置と２つの部材１４，１５の境界１７とが、開先部１６の溝幅方向中心位置で一致しやすいため、この問題が生じやすい。
　また、このような問題は、溶接によって接合される２つの部材１４，１５の硬度が異なる場合に特に顕著となる。これは、ガス導入用穴１８を開けるべく開先部１６に挿入したドリルＤの先端が、２つの部材１４，１５の境界１７に達すると、高硬度部材１４に弾かれることによって低硬度部材１５の側へ流れるからである。
　次に作業者は、空洞部１３に不活性ガスを導入する。すなわち作業者は、ガス導入用穴１８に挿通させたチューブ（不図示）等を介して、ロータ本体１１の内部に形成された空洞部１３にアルゴンガス等の不活性ガスを充填する。
　次に作業者は、高硬度部材１４と低硬度部材１５とを溶接する。すなわち作業者は、図２に示すように、開先部１６に溶接トーチＴの先端を横方向から差し入れて、高硬度部材１４と低硬度部材１５との境界１７に、例えばＴＩＧ溶接を施工する。これにより、図３（ｃ）に示すように、境界１７の周辺が溶けて溶接部１２が形成され、この溶接部１２によって高硬度部材１４と低硬度部材１５とが互いに接合される。またこの時、境界１７に近接するガス導入用穴１８の周辺が溶けることにより、ガス導入用穴１８が封止される。そして、溶接部１２のうちロータ本体１１の外部に形成される部分は、溶接トーチＴから噴射される不活性ガス（不図示）によって、溶接部１２のうちロータ本体１１の外部に形成される部分の酸化が防止される。一方、溶接部１２のうちロータ本体１１の内部に形成される裏波１９は、空洞部１３に充填された不活性ガスによって、溶接部１２のうちロータ本体１１の内部に裏波１９が形成される部分の酸化が防止される。尚、図３（ｃ）では説明の便宜上、開先部１６の底部だけについて溶接部１２を図示したが、溶接作業の終了時には溶接部１２は図に二点差線で示すように開先部１６の全体を埋める位置まで形成される。以上により、タービンロータ１０が完成する。
（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態に係るタービンロータ２０の構成について説明する。本実施形態のタービンロータ２０は、第１実施形態のタービンロータ１０と比較すると、ロータ本体２１の構成だけが異なっている。それ以外の構成及び製造方法は第１実施形態と同じであるため、第１実施形態と同じ符号を用い、ここでは説明を省略する。
　図４は、第２実施形態のタービンロータ２０における開先部１６の周辺を示す概略断面図である。本実施形態のロータ本体２１は、高硬度部材１４と低硬度部材１５とを有する点で第１実施形態のロータ本体２１と同じであるが、高硬度部材１４と低硬度部材１５との接合面の形状が異なっている。すなわち、図４（ａ）に示すように、高硬度部材１４の一端部に、階段形状の段差部２２が形成されている。また、低硬度部材１５の一端部にも階段形状の段差部２３が形成されている。そして、高硬度部材１４の段差部２２と低硬度部材１５の段差部２３とが互いに嵌合されている。このような構成によれば、図３（ｃ）に示すように高硬度部材１４と低硬度部材１５とを溶接する際に、境界１７の位置で両部材１４，１５が相互に径方向に変位することなく互いの軸線どうしを一致させた状態で固定される。このため、ガス導入用穴１８の周辺を確実に溶かしてガス導入用穴１８を確実に封止することができる。また同様に、開先部１６の底部にドリルＤでガス導入用穴１８を開ける際にも、両部材１４，１５が互いの軸線どうしを一致させた状態で固定される。このため、ガス導入用穴１８を開先部１６の中心位置Ｃに正確に形成することができる。
　図４（ｂ）は、第２実施形態の変形例を示す図である。この変形例では、高硬度部材１４の一端部に凸部２４を形成する一方、低硬度部材１５の一端部に、高硬度部材１４の凸部２４に嵌合する形状の凹部２５を形成している。尚、その作用効果については図４（ａ）に示す段差部２２，２３による嵌合と同じである。
　図４（ｃ）は、第２実施形態の他の変形例を示す図である。この変形例では、高硬度部材１４の一端部に凹部２６を形成する一方、低硬度部材１５の一端部に、高硬度部材１４の凹部２６に嵌合する形状の凸部２７を形成している。尚、その作用効果については図４（ａ）に示す段差部２２，２３による嵌合と同じである。
（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態に係るタービンロータ３０の構成について説明する。本実施形態のタービンロータ３０は、第１実施形態のタービンロータ１０と比較すると、ロータ本体３１の構成及びその製造方法が異なっている。それ以外の点については第１実施形態と同じであるため、第１実施形態と同じ符号を用い、ここでは説明を省略する。
　図５は、第３実施形態のタービンロータ３０における開先部１６の周辺を示す概略断面図である。本実施形態のロータ本体３１は、高硬度部材１４と低硬度部材１５とを有する点で第１実施形態のロータ本体３１と同じである。しかし、高硬度部材１４と低硬度部材１５の熱伝導度が異なる点で第１実施形態と異なっている。より詳細には、高硬度部材１４の熱伝導度が相対的に高く、低硬度部材１５の熱伝導度が相対的に低くなっている。
　このように構成されるタービンロータ３０の製造に際しては、図５に示すように、作業者は熱伝導度が低い低硬度部材１５が下側に位置し、熱伝導度が高い高硬度部材１４が上側に位置するようにして、両部材１４，１５の先端どうしを当接させる。そして作業者は、第１実施形態と同様に、開先部１６の底部へのガス導入用穴１８の形成、空洞部１３への不活性ガスの充填、及び高硬度部材１４と低硬度部材１５の溶接の順に作業を行うことにより、タービンロータ３０を製造する。
　このような製造方法によれば、図５に示すように、横方向からの溶接作業時に発生した熱気が上昇することにより、上側に配置された高硬度部材１４は、下側に配置された低硬度部材１５と比較して、より強く加熱される。しかし、高硬度部材１４は低硬度部材１５と比較して熱伝導度が高く、図５に矢印Ｙ１と矢印Ｙ２で示すように、より多くの熱を発散するため、高硬度部材１４と低硬度部材１５との間で大きな温度差が生じることがない。これにより、高硬度部材１４と低硬度部材１５の溶接作業を行う際に、高硬度部材１４と低硬度部材１５とを均一に溶かすことができるので、ガス導入用穴１８を確実に封止することができる。
　尚、本実施形態では、高硬度部材１４の熱伝導度を相対的に高くし、低硬度部材１５の熱伝導度を相対的に低くしたが、これとは逆に、高硬度部材１４の熱伝導度を相対的に低くし、低硬度部材１５の熱伝導度を相対的に高くしてもよい。この場合、タービンロータ３０の製造に際しては、熱伝導度が低い高硬度部材１４を下側に、熱伝導度が高い低硬度部材１５を上側にそれぞれ配置することにより、前述と同様の効果が得られる。
　また、以上説明した各実施形態では、ドリルＤが特に流れやすい構成として、ロータ本体１１，２１，３１を構成する相異なる２つの部材が硬度の異なる部材である場合を例に説明したが、これに限られず、相異なる２つの部材が硬度の等しい部材であってもよい。
　尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、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。
１　蒸気タービン
２　ケーシング
３　調整弁
４　静翼
５　動翼
６　軸受部
１０　タービンロータ
１１　ロータ本体
１２　溶接部
１３　空洞部
１４　高硬度部材
１５　低硬度部材
１６　開先部
１７　境界
１８　ガス導入用穴
１９　裏波
２０　タービンロータ
２１　ロータ本体
２２　段差部
２３　段差部
２４　凸部
２５　凹部
２６　凹部
２７　凸部
３０　タービンロータ
３１　ロータ本体
１３１　第１凹部
１３２　第２凹部
１４１　第１切欠部
１５１　第２切欠部
Ｃ　中心位置
Ｄ　ドリル
Ｌ１　長さ（第１切欠部）
Ｌ２　長さ（第２切欠部）
Ｓ　蒸気
Ｔ　溶接トーチ
Ｘ　所定距離
Ｙ１　矢印
Ｙ２　矢印

Claims (5)

  1. 　第一部材と、
    　前記第一部材に接合された第二部材とを備え、前記第一、第二部材が軸方向に延在するタービンロータであって、
    　前記第一、第二部材の境界に、溶接用の開先部が形成され、前記開先部の底部を貫通し、前記タービンロータの内部にガスを導入するためのガス導入用穴が、溶接によって封止されているタービンロータ。
  2. 　前記第一部材の材質は前記第二部材と異なり、
    　前記開先部における前記第一、第二部材の境界が、両部材のいずれか一方に寄せて存在する請求項１に記載のタービンロータ。
  3. 　前記第一部材の材質は前記第二部材と異なり、
    　前記境界が前記第一、第二部材のうち硬度の高い一方の部材に寄せて存在する請求項２に記載のタービンロータ。
  4. 　前記２つの部材の接合面それぞれが、互いに嵌合する形状に形成される請求項１から３のいずれか１項に記載のタービンロータ。
  5. 　第一部材と、前記第一部材とは熱伝導度の異なる第二部材とを溶接してタービンロータを製造する方法であって、
    　前記第一、第二部材を、両部材がタービンロータの軸方向に延在し、かつ前記第一、第二部材のうち熱伝導度の高い一方の部材を他方の部材よりも上になるように配置する工程と、
    　前記第一、第二部材の境界に形成された溶接用の開先部の底部に、前記タービンロータの内部にガスを導入するためのガス導入用穴を、前記底部を貫通するように形成する工程と、
    　前記開先部において前記第一部材に前記第二部材を溶接する工程とを備えるタービンロータの製造方法。
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