JP5822496B2 - タービンロータ及びタービンロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、相異なる部材が溶接によって軸方向に接合されてなるタービンロータに関するものである。

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、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突き合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、突き合わせた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、突き合わせた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、その内部であって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

しかし、従来のタービンロータでは、そ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、相異なる部材が軸方向に軸方向に突き合わ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。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係るタービンロータは、２つの部材が軸方向に突き合わされて溶接されるとともに、溶接用に形成する開先部の底部を貫通して、内部にガスを導入するためのガス導入用穴が形成されるタービンロータであって、前記開先部における前記２つの部材の境界が、前記２つの部材のうち一方の部材の側へオフセットされ、前記開先部の底部のガス導入用穴が、前記境界から離れた位置に形成されるとともに溶接によって封止されていることを特徴とする。

このような構成によれば、ガス導入用穴を通して内部に不活性ガスを導入することにより、溶接時に形成される裏波の酸化を確実に防止することができる。しかも、ガス導入用穴は溶接によって封止されているので、ガス導入用穴の周辺で応力集中が生じて溶接後のタービンロータの強度が低下するのを防止することができる。
また、開先部の底部を貫通して形成される穴の位置が、相異なる部材の境界から外れるので、穴を形成するためのドリルが境界で滑って位置ズレすることがないため、他方の部材における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、一方の部材と他方の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２つの部材が相異なる部材であることが好ましい。

また、本発明に係るタービンロータは、前記２つの部材が、硬度の異なる２種類の部材であって、前記境界が硬度の高い部材の側へオフセットされたことを特徴とする。
さらに、本発明に係るタービンロータは、２つの部材が軸方向に突き合わされて溶接されるとともに、溶接用に形成する開先部の底部を貫通して、内部にガスを導入するためのガス導入用穴が形成されるタービンロータであって、前記開先部の底部のガス導入用穴が、溶接によって封止されており、前記２つの部材が硬度の異なる２種類の部材であって、前記開先部における前記２つの部材の境界が、前記２つの部材のうち硬度の高い部材の側へオフセットされたことを特徴とする。

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たことを特徴とする。

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つの部材には位置ズレが生じにくい。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とともに、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、相異なる部材が軸方向に突き合わされて溶接されるとともに、溶接用に形成する開先部の底部を貫通して、内部にガスを導入するためのガス導入用穴が形成されるタービンロータの製造方法であって、熱伝導度が異なる２種類の部材を、熱伝導度が低い部材が下側に熱伝導度が高い部材が上側に位置し、溶接用に形成する開先部における前記２種類の部材の境界が一方の部材の側へオフセットさせるようにして互いに突き合わせる工程と、前記開先部の底部を貫通して前記ガス導入用穴を形成する工程と、前記開先部において前記２種類の部材を横方向から溶接する工程と、を含むことを特徴とする。

このような製造方法によれば、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、相異なる部材が軸方向に軸方向に突き合わ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、ケーシング２に流入する蒸気Ｓの量と圧力を調整する調整弁３と、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タービンロータ１０と、ケーシング２の内周面に設けられた複数の静翼４と、タービンロータ１０の外周面に設けられた複数の動翼５と、タービンロータ１０を軸回りに回転可能に支持する軸受部６と、を備えるものである。

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、軸方向に延びるロータ本体１１と、このロータ本体１１における軸方向の所定位置に設けられた溶接部１２と、ロータ本体１１の内部に形成された空洞部１３と、を備えるものである。

ロータ本体１１は、図２に示すように、略円柱形状を有して軸方向に延びる高硬度部材１４と、同じく略円柱形状を有して軸方向に延びる低硬度部材１５とを有するものである。

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、その長手方向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、その長手方向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、そ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、その軸方向への長さＬ２が第１切欠部１４１の軸方向への長さＬ１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２．２５％クロム鋼や３．５％ニッケル鋼を用いることができる。また、それ以外にも、高硬度部材１４として１２％クロム鋼を用いる一方、低硬度部材１５として２．２５％クロム鋼や３．５％ニッケル鋼を用いることもできる。更には、高硬度部材１４としてニッケル基超合金を用いる一方、低硬度部材１５として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としてステンレス鋼を用いる一方、低硬度部材１５として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、相対的な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だけオフセットされている。

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とを突き合わせる。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Ｌ２が第１切欠部１４１の軸方向への長さＬ１よりも長く形成されているので、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の側へオフセットされた状態となる。

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の側へオフセットされているので、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。そして、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が酸化する問題や、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に対して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）によってそ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そ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が形成されるとともに、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の位置で両者が径方向へ位置ズレすることが防止されるため、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、高硬度部材１４と低硬度部材１５とが径方向へ位置ズレすることが防止されるため、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の一端部にこれ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の一端部にこれ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と同じであるが、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、両者を突き合わせる。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するとともに、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するとともに、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 (6)

1. ２つの部材が軸方向に突き合わされて溶接されるとともに、溶接用に形成する開先部の底部を貫通して、内部にガスを導入するためのガス導入用穴が形成されるタービンロータであって、
   前記開先部における前記２つの部材の境界が、前記２つの部材のうち一方の部材の側へオフセットされ、
   前記開先部の底部のガス導入用穴が、前記境界から離れた位置に形成されるとともに溶接によって封止されていることを特徴とするタービンロータ。
2. 前記２つの部材が相異なる部材であることを特徴とする請求項１に記載のタービンロータ。
3. 前記２つの部材が、硬度の異なる２種類の部材であって、前記境界が硬度の高い部材の側へオフセットされたことを特徴とする請求項２に記載のタービンロータ。
4. ２つの部材が軸方向に突き合わされて溶接されるとともに、溶接用に形成する開先部の底部を貫通して、内部にガスを導入するためのガス導入用穴が形成されるタービンロータであって、
   前記開先部の底部のガス導入用穴が、溶接によって封止されており、
   前記２つの部材が硬度の異なる２種類の部材であって、
   前記開先部における前記２つの部材の境界が、前記２つの部材のうち硬度の高い部材の側へオフセットされたことを特徴とするタービンロータ。
5. 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たことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のタービンロータ。
6. 相異なる部材が軸方向に突き合わされて溶接されるとともに、溶接用に形成する開先部の底部を貫通して、内部にガスを導入するためのガス導入用穴が形成されるタービンロータの製造方法であって、
   熱伝導度が異なる２種類の部材を、熱伝導度が低い部材が下側に熱伝導度が高い部材が上側に位置し、溶接用に形成する開先部における前記２種類の部材の境界が一方の部材の側へオフセットさせるようにして互いに突き合わせる工程と、
   前記開先部の底部を貫通して前記ガス導入用穴を形成する工程と、
   前記開先部において前記２種類の部材を横方向から溶接する工程と、
   を含むことを特徴とするタービンロータの製造方法。

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