JP2007332866A - 蒸気タービンロータおよび蒸気タービン - Google Patents
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Abstract
【課題】 耐熱材料の使用範囲を小さくする蒸気タービンロータを提供する。
【解決手段】 円柱状に形成された上流部11aと、前記上流部11aと一体に形成され、動翼12が嵌め込まれた下流部11bと、外表面に動翼12が形成され、前記上流部11aの表面に嵌め込まれ、下流部11bに用いられた材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いて製作された動翼一体型リング13とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】 円柱状に形成された上流部11aと、前記上流部11aと一体に形成され、動翼12が嵌め込まれた下流部11bと、外表面に動翼12が形成され、前記上流部11aの表面に嵌め込まれ、下流部11bに用いられた材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いて製作された動翼一体型リング13とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、上流部に動翼一体型リングが嵌め込まれた蒸気タービンロータおよび蒸気タービンに関する。
火力発電システムにおいて、オイルショック以来、省エネルギ化が強力に推進されており、更に近年は、地球環境保護の観点からCO2の発生量を抑制する方向にあり、高効率化へのニーズが高まっている。
従来の蒸気タービン発電システムでは、蒸気温度が最高で600℃程度であることから、蒸気タービンのタービンロータ、ケーシング等の主要部材には、フェライト系耐熱鋼が用いられている。上述した省エネルギ化や高効率化を達成するために、蒸気タービンシステムにおいては、蒸気タービンにおける蒸気温度を高温化し、発電効率を上げることが最も有効である。
蒸気温度が600℃以下である蒸気タービンでは、ロータ材に12Cr鋼のようなフェライト鋼をそのまま用いることができた。しかし蒸気温度が650℃を超える蒸気タービンでは、従来の構造でフェライト鋼を用いることができない。650℃を超える温度域に使用する材料としてはNi基合金が考えられるが、大型鋼塊の製造が難しく、ロータを一体で製作することは極めて困難である。
蒸気タービンの作動流体に高温蒸気を想定した蒸気タービンのロータの案としては、例えば特許文献1から特許文献4がある。特許文献1は高温用ロータを分割及び溶接し、溶接部の検査を容易にする為の穴や空間部を設けている。特許文献2は高温用ロータを高温部と低温部に分割して溶接、ボルトなどの方法で接合する工夫がなされている。特許文献3は高温用ロータを高温部と低温部に分割した場合の溶接方法を示している。特許文献4は高温用ロータを高温部と低温部に細かく分割し、高温材料の組成を示している。
特開2000−64805号公報
特開2001−50007号公報
特開2003−49223号公報
特開2004−36469号公報
火力発電システムとして今後建設される蒸気タービンは、高い発電効率を得るためにその蒸気温度が主蒸気、再熱蒸気ともにますます上昇する傾向にあると予想される。蒸気温度が650℃を超える蒸気タービンを実現するには、タービン各部位に従来と同じフェライト鋼をそのまま使用しては蒸気タービンが高温蒸気に耐えることができない。よって、蒸気タービンの部位にNi基合金などの耐熱材料を使用する方策が多く採られるが、Ni基合金は、フェライト鋼に比べて高価であるため蒸気タービンのコスト増の要因になる。また、ロータのような大型部品を製造すると偏析が起こりやすくなるため、製作が困難である。
本発明の目的は、ロータの上流部に耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いた動翼一体型リングを嵌め込むことにより、耐熱材料の使用範囲を小さくする蒸気タービンロータを得ることにある。
上記目的を達成するために、本発明においては、円柱状に形成された上流部と、前記上流部と一体に形成され、動翼が嵌め込まれた下流部と、外表面に動翼が形成され、前記上流部の表面に嵌め込まれ、下流部に用いられた材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いて製作された動翼一体型リングとを備えたことを特徴とする蒸気タービンロータを提供する。
本発明によれば、蒸気タービンロータの上流部に耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いた動翼一体型リングを嵌め込んだので、耐熱材料の使用範囲を小さくできる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。
ロータ11は、ロータ上流部11aとロータ下流部11bから構成されている。ロータ下流部11bは、第4段落の動翼12dから第9段落の動翼12iが嵌め込まれている。ロータ上流部11aは、下流部11bよりも径の小さい円柱状となっている。ロータ下流部11bとロータ上流部11aとは一体となっており、例えばCrMoV鋼などの、同じ材料にて製作されている。ロータ上流部11aの表面には、外表面に第1段落の動翼12aから第3段落の動翼12cが形成された動翼一体型リング13が嵌め込まれている。動翼一体型リング13は、ロータ上流部11a及び下流部11bに用いられた材料よりも耐熱性に優れた耐熱材料、例えば、Ni基合金にて製作されている。動翼一体型リング13の外径は、ロータ下流部11bの外径と同じであり、内径は、ロータ上流部11aの外径と同じ大きさである。
650℃以上の高温である作動蒸気14が動翼12に衝突することにより、ロータ11は回転する。
ロータ11は、高温蒸気に晒される部分に動翼一体型リング13を嵌め込んだので、耐熱材料にて製作されるのは動翼一体型リング13に限られている。耐熱材料は、高価であり、大型部品の製造では偏析が起こりやすいので、耐熱材料によるロータ全体の製作は困難であるが、本実施の形態においては、動翼一体型リング13以外の部品には耐熱材料を用いないため、蒸気タービンロータ全体の製造が容易となる。
また、動翼12は、動翼一体型リング13に一体型に形成されているため、動翼12をロータ上流部11aに一枚一枚嵌め込んで固定する作業がなくなり、製造が容易になる。さらに、一体型に形成することにより、最も応力の激しい動翼植え込み部をなくすことができ、より高温の蒸気に対応できる。
図2は、本発明の第2の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。
ロータ上流部11aの表面には、外表面に第1段落の動翼12aから第3段落の動翼12cが形成された動翼一体型リング213が嵌め込まれている。動翼一体型リング213は段落毎に分割して製作され、第1段落の動翼一体型リング213a、第2段落の動翼一体型リング213b、第3段落の動翼一体型リング213cから構成されている。動翼一体型リング213以外は、第1の実施の形態と同じであるので、図1と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
動翼一体型リング213は、ロータ上流部11a及び下流部11bに用いられた材料よりも耐熱性に優れた耐熱材料、例えば、Ni基合金にて製作されている。動翼一体型リング213の外径は、ロータ下流部11bの外径と同じであり、内径は、ロータ上流部11aの外径と同じ大きさである。
本実施の形態においては、動翼一体型リング213が、段落毎に分割されているため、本発明の第1の実施の形態よりも、耐熱材料で製作される部品が小さくなり、偏析のリスクをより小さくできるので、動翼一体型リング213の製造が容易となる。
図3は、本発明の第3の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。
ロータ上流部11aの表面には、外表面に第1段落の動翼12aから第3段落の動翼12cが形成された動翼一体型リング313が嵌め込まれている。動翼一体型リング313は段落毎に分割されており、その間には遮熱リング15が設けられている。動翼一体型リング313と遮熱リング15以外は、第2の実施の形態と同じであるので、図2と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
ロータ11の上流側から順に、第1段落の動翼一体型リング313a、第1段落後の遮熱リング15a、第2段落の動翼一体型リング313b、第2段落後の遮熱リング15b、第3段落の動翼一体型リング313cが設けられている。
動翼一体型リング313および遮熱リング15は、どちらも耐熱材料にて製作されている。動翼一体型リング313と遮熱リング15は、外径、内径とも同じ大きさである。遮熱リング15を嵌め込むので、動翼一体型リング313は、第2の実施の形態における動翼一体型リング213よりも遮熱リング15の分だけ幅が小さくなっている。
段落毎に分割された動翼一体型リング313、およびこの間に設けられる遮熱リング15を別々に製作することにより、第2の実施の形態よりも、耐熱材料で製作される部品がさらに小さくなり、偏析のリスクをさらに小さくできるので、製造が容易となる。
図4および図5は、本発明の第4の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。図5は、ロータの横断面図の模式図である。
ロータ411は、ロータ上流部411aとロータ下流部411bから構成されている。ロータ下流部411bは、第4段落の動翼12dから第9段落の動翼12iが嵌め込まれている。ロータ上流部411aは、下流部411bよりも径の小さい円柱状となっている。ロータ下流部411bとロータ上流部411aとは一体となっており、例えばCrMoV鋼などの、同じ材料にて製作されている。ロータ上流部411aの表面には、外表面に第1段落の動翼12aから第3段落の動翼12cが形成された動翼一体型リング413が嵌め込まれている。動翼一体型リング413は、ロータ上流部411a及び下流部411bに用いられた材料よりも耐熱性に優れた耐熱材料、例えば、Ni基合金にて製作されている。動翼一体型リング413の外径は、ロータ下流部411bの外径と同じであり、内径は、ロータ上流部411aの外径と同じ大きさである。
動翼一体型リング413は段落毎に分割されており、その間には遮熱リング415が設けられている。ロータ411の上流側から順に、第1段落の動翼一体型リング413a、第1段落後の遮熱リング415a、第2段落の動翼一体型リング413b、第2段落後の遮熱リング415b、第3段落の動翼一体型リング413cが設けられている。
動翼一体型リング413および遮熱リング415は、どちらも耐熱材料にて製作されている。動翼一体型リング413と遮熱リング415は、外径、内径とも同じ大きさである。遮熱リング415を嵌め込むので、動翼一体型リング413は、第2の実施の形態における動翼一体型リング213よりも遮熱リング415の分だけ幅が小さくなっている。
動翼一体型リング413または遮熱リング415の内側に、固定用突起16が設けられ、ロータ上流部411aの外表面には溝17が設けられている。
ロータ411、動翼一体型リング413、遮熱リング415、固定用突起16、溝17以外は、第3の実施の形態と同じであるので、図3と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
溝17に固定用突起16を嵌め込むことにより、ロータ上流部411aに動翼一体型リング413または遮熱リング415が固定される。
本実施の形態においては、固定用突起16と溝17を設けたので、動翼一体型リング413をロータ411に嵌め込む作業が容易となる。
なお、本実施の形態においては、ロータ上流部411aに動翼一体型リング413および遮熱リング415が嵌め込まれているが、第1の実施の形態のように段落毎に分割されていない動翼一体型リング13が嵌め込まれていてもよいし、また、第2の実施の形態のように遮熱リング15なしで段落毎に分割された動翼一体型リング213が嵌め込まれていてもよい。
図6は、本発明の第5の実施の形態に係る蒸気タービンロータの断面の模式図である。
動翼一体型リング313および遮熱リング15と、ロータ上流部11aとの間隙にロータ11の上流側から低温のシール蒸気18を流入する。シール蒸気18以外は、第3の実施の形態と同じであるので、図3と同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
シール蒸気18は、動翼一体型リング313や遮熱リング15の間隙から高温の作動蒸気14がロータ上流部11aに流入するのを防ぐため、ロータ11の保護ができる。
なお、本実施の形態においては、ロータ上流部11aに動翼一体型リング313および遮熱リング15が嵌め込まれているが、第1の実施の形態のように段落毎に分割されていない動翼一体型リング13が嵌め込まれていてもよいし、また、第2の実施の形態のように遮熱リング15なしで段落毎に分割された動翼一体型リング213が嵌め込まれていてもよい。さらに、第4の実施の形態のように動翼一体型リング413aまたは遮熱リング415bに固定用突起16が設けられロータ411aに設けられた溝17に嵌め込まれていてもよい。
11…ロータ、11a…ロータ上流部、11b…ロータ下流部、12…動翼、12a…第1段落の動翼、12b…第2段落の動翼、12c…第3段落の動翼、12d…第4段落の動翼、12e…第5段落の動翼、12f…第6段落の動翼、12g…第7段落の動翼、12h…第8段落の動翼、12i…第9段落の動翼、13…動翼一体型リング、14…作動蒸気、15…遮熱リング、15a…第1段落後の遮熱リング、15b…第2段落後の遮熱リング、16…突起、17…溝、18…シール蒸気、213…動翼一体型リング、213a…第1段落の動翼一体型リング、213b…第2段落の動翼一体型リング、213c…第3段落の動翼一体型リング、313…動翼一体型リング、313a…第1段落の動翼一体型リング、313b…第2段落の動翼一体型リング、313c…第3段落の動翼一体型リング、411…ロータ、411a…ロータ上流部、411b…ロータ下流部、413…動翼一体型リング、413a…第1段落の動翼一体型リング、413b…第2段落の動翼一体型リング、413c…第3段落の動翼一体型リング、415…遮熱リング、415a…第1段落後の遮熱リング、415b…第2段落後の遮熱リング。
Claims (6)
- 円柱状に形成された上流部と、
前記上流部と一体に形成され、動翼が嵌め込まれた下流部と、
外表面に動翼が形成され、前記上流部の表面に嵌め込まれ、下流部に用いられた材料よりも耐熱性に優れた材料である耐熱材料を用いて製作された動翼一体型リングとを備えたことを特徴とする蒸気タービンロータ。 - 前記動翼一体型リングは、動翼の段落毎に分割されていることを特徴とする請求項1記載の蒸気タービンロータ。
- 動翼の段落毎に分割されているそれぞれの前記動翼一体型リングの間に遮熱リングが嵌め込まれていることを特徴とする請求項2記載の蒸気タービンロータ。
- 前記動翼一体型リングまたは前記遮熱リングの内側に固定用突起を設け、前記上流部に前記固定用突起を嵌め込むための溝を設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の蒸気タービンロータ。
- 前記動翼一体型リングまたは前記遮熱リングと前記上流部との間隙に、シール蒸気を流入させることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の蒸気タービンロータ。
- 請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の蒸気タービンロータを備えた蒸気タービン。
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