JP2012013018A - 蒸気タービンロータ - Google Patents

Abstract

【課題】高湿り度の蒸気や不純物が動翼とホイールの隙間に入り込んでも、蒸気タービン運転中に容易に排出できる蒸気タービンロータを提供すること。
【解決手段】シャフト１と、シャフト１の外周に取り付けられホイール溝２２を有し、そのホイール溝２２にロータ径方向に配置された複数の凹部２３を有するホイール２と、複数の凹部２３に嵌め合わされる複数の凸部３３を有する植込み部３２を備え、その植込み部３２を介してホイール２に結合される動翼３と、複数の凹部２３のうち少なくとも１つとホイール２の外周面２５とを連通する排出孔４１とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は植込み部を介してホイールに結合される動翼を備える蒸気タービンロータに関する。

蒸気タービンは、静翼と動翼で構成された環状の蒸気流路に原子炉やボイラー等で発生された蒸気を導き、その蒸気の荷重を動翼で受けることで蒸気タービンロータ（以下において「ロータ」と称することがある。）を回転させて動力を発生している。このとき、動翼とロータの組立部となる動翼の植込み部およびホイール溝には動翼による遠心力が付加されるとともに、その組立部の間隙に湿りや不純物を含んだ蒸気が浸入する。

近年、タービン全体の効率向上には動翼の長翼化が効果的とされており、この長翼化により植込み部及びホイール溝への遠心負荷が増大している。また、動翼が高湿り度の蒸気にさらされることもある。そのため、このような環境に起因した応力腐食割れ等の発生を抑制する必要がある。

例えば、ホイールに対してロータ軸方向に動翼を挿入するタービンには、いわゆる逆クリスマスツリー型の嵌め合い構造でホイールに動翼を結合させたものがある。この結合構造は、互いに対応した形状の複数段の凹部（溝部）をホイールと動翼に設け、その凹部を互いに接触させ嵌め合わせることでホイールに動翼を結合している。この結合構造は、動翼とホイールの接触面積を増やし複数の接触面で遠心力を受け持つ構造をとっているが、動翼とホイールの凹部における底部や接触面に水滴や不純物等が堆積しやすい性質を有する。

このように動翼とホイールの凹部に堆積する水滴や不純物等の排出を図った技術としては、ホイールに対してロータ周方向に動翼を挿入するタービンに係るものではあるが、動翼の植込み部の接合面の上流側における側縁部に排出溝を形成し、その排出溝の一端を植込み部の下流側まで延長させて開口させたものがある（特許文献１参照）。また、同様にロータ周方向に動翼を挿入するタービンに係る技術であるが、動翼の植込み部における外周面から内周面（すなわち、ホイールと対向する面）まで貫通する排出溝を設けたものがある（特許文献２参照）。

特開昭６３−５０６０２号公報 特開平２−１５３２０２号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術は、動翼の上流側と下流側に生じる差圧を利用して水を排出しているため、当該差圧が小さい領域（例えば、低圧段タービン）での利用は困難である。

また、水滴が含まれる程度に湿り度の高い蒸気が作動流体となっている場合（例えば、低圧段タービン）には、蒸気タービン運転中にも動翼とホイールの凹部に水滴が堆積しやすく、蒸気タービン運転中に水滴を排出することが必要となる。しかし、特許文献２に係る技術は、蒸気タービン運転中に組立部に滞留した蒸気を、蒸気タービンの停止時に残留熱を利用して蒸発させ、植込み部に設けた排出溝から排出するものであるため、蒸気タービン運転中の水滴排出は考慮していない。

本発明の目的は、高湿り度の蒸気や不純物が動翼とホイールの隙間に入り込んでも、蒸気タービン運転中に容易に排出できる蒸気タービンロータを提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、シャフトと、当該シャフトの外周に取り付けられホイール溝を有し、当該ホイール溝にロータ径方向に配置された複数の凹部を有するホイールと、前記複数の凹部に嵌め合わされる複数の凸部を有する植込み部を備え、当該植込み部を介して前記ホイールに結合される動翼と、前記複数の凹部のうち少なくとも１つと前記ホイールの外周面とを連通する排出孔とを備えるものとする。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記排出孔は、前記複数の凹部のうちロータ径方向の最も外側に位置する凹部と前記ホイールの外周面とを連通しているものとする。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記排出孔は、前記複数の凹部においてロータ径方向で隣り合う２つの凹部の底部を連通しつつ前記ホイールの外周面と連通しているものとする。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記排出孔は、前記複数の凹部の各底部を結んだ直線に沿って設けられているものとする。

（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、好ましくは、ロータ径方向の内側に向かって前記排出孔が前記凹部に開口する部分に設けられ、ロータ径方向の内側に向かって徐々に径が大きくなる排出溝をさらに備えるものとする。

（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、好ましくは、前記動翼の植込み部は、逆クリスマスツリー型の形状を有し、前記ホイール溝は、前記逆クリスマスツリー型の植込み部が嵌め合わされる形状を有し、ロータ軸方向に設けられているものとする。

（７）上記（６）において、好ましくは、前記排出孔に対して、前記ホイール溝の中心及び前記シャフトの中心軸を通過する面と対称に設けられた排出孔をさらに備えるものとする。

（８）上記（６）において、好ましくは、前記排出孔に対して、前記シャフトの中心軸に直交し前記ホイール内に位置する面と対称に設けられた排出孔をさらに備えるものとする。

（９）上記（６）において、好ましくは、前記ホイール溝は、前記ホイールのロータ周方向に間隔を介して複数形成されており、前記排出孔は、前記各ホイール溝における複数の凹部のうち少なくとも１つと前記ホイールの外周面とを連通するように複数設けられているものとする。

本発明によれば、動翼とホイールの隙間に入り込んだ水滴や不純物を容易に排出できるので、腐食性物質の堆積を防止でき、応力腐食割れ等のトラブル発生を予防できる信頼性の高い蒸気タービンロータを得ることができる。

本発明の実施の形態に係る蒸気タービンロータの段落断面図。 本発明の実施の形態に係る動翼３付近の斜視図。 図２中のIII-III面における断面図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る蒸気タービンロータの段落断面図である。この図に示す蒸気タービンロータは、シャフト１と、シャフト１の外周に取り付けられたホイール２と、ホイール２の外周に結合された動翼３を備えている。ホイール２はロータ軸方向に間隔を介してシャフト１に複数取り付けられており、各ホイール２のロータ周方向には間隔を介して複数の動翼３が結合されている。ロータ軸方向において隣り合う２つのホイール２の間にはそれぞれ内輪４が設置されている。内輪４のロータ径方向外側にはケーシング５に固定された外輪６がそれぞれ設置されており、各内輪４と外輪６の間には静翼７がそれぞれ架け渡されている。これら内輪４及び外輪６及び静翼７は、回転部を構成する蒸気タービンロータに対して、静止部を構成している。すなわち、図に示す１組の動翼３と静翼７によって１段落が形成されており、この段落をロータ軸方向に複数組み合わせることで蒸気タービンが構成されている。

図２は本発明の実施の形態に係る動翼３付近の斜視図であり、図３は図２中のIII-III面における断面図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する。

これらの図に示すホイール２は、動翼３を挿入するためにロータ軸方向に穿たれたホイール溝２２を有している。ホイール溝２２は、ホイール２の外周に間隔を介して複数設けられている。ホイール溝２２の両側面には、ロータ径方向に配置された複数の凹部（溝部）２３が設けられている（図３参照）。

動翼３は、翼部３１と、植込み部３２を備えている。植込み部３２はいわゆる逆クリスマスツリー型に形成されており、植込み部３２の両側面にはロータ径方向に配置された複数の凸部３３が設けられている（図３参照）。各凸部３３は、概ねロータ周方向に向かって突出しており、ホイール溝２２の凹部２３に嵌り合うように形成されている。動翼３は、植込み部３２の凸部３３をホイール溝２２の凹部２３に嵌め合わせることでホイール２に結合されている。

ホイール２には、ホイール溝２２の一方の側面における凹部２３の底部２４からホイール２における外周面２５に連通する排出孔４１が設けられている。ここで、ホイール２の外周面２５は、ホイール２の最外周に位置する面であり、ホイール溝２２の各凹部２３（底部２４）よりもロータ径方向外側に位置している。また、外周面２５からロータ径方向の外側に間隔を介したところには動翼３のプラットフォーム部３４が位置しており、ロータ周方向において隣り合う２つのプラットフォーム部３４の間には間隙３５（図３参照）が形成されている。

本実施の形態における排出孔４１は、図３に示すように、ホイール溝２の一方の側面における複数の凹部２３のうちロータ径方向で隣り合う２つの凹部２３の底部２４を連通しつつ、ホイールの外周面２５と連通している。なお、後で説明する凸部３３と凹部２３の隙間に侵入した水滴や蒸気の排出性をさらに向上させる観点からは、各排出孔４１は、図３に示すように、各底部２４を結んだ直線に沿って設けることが好ましい。

上記のように構成される蒸気タービンロータに水蒸気を導入して蒸気タービンを運転すると、動翼３の植込み部３２（凸部３３）とホイール２のホイール溝２２（凹部２３）との隙間に不純物を含んだ水滴や蒸気が侵入することがある。この隙間に侵入した水滴や蒸気は、ロータの回転によって発生する遠心力によって、各凸部３３や凹部２３の表面を伝って各凹部２３の底部２４に導かれる。そして、各凹部２３の底部２４に設けられた排出孔４１を介して遠心力によってロータ径方向の外側に導かれ、遂にはホイール２の外周面２５上に排出される。外周面２５上に排出された水滴や蒸気は、ロータ周方向で隣接する２つの動翼３の間に形成された間隙３５を介して、主蒸気（作動流体）が流通する環状流路に排出される。したがって、上記のように構成した蒸気タービンロータによれば、植込み部３２とホイール溝２２との隙間に腐食性物質が堆積することを抑制できるので、応力腐食割れが発生することを抑制することができる。すなわち、応力腐食割れ等のトラブル発生を予防できるので、蒸気タービンの信頼性を向上させることができる。

ところで、図３に示した例では、ロータ径方向の外側から内側に向かって排出孔４１がホイール溝２２における凹部２３の底部２４に開口する部分に排出溝４２が設けられている。排出溝４２の径は、ロータ径方向の内側に向かって排出孔４１の径から徐々に大きくなるよう設定されている。このように排出孔４１の周囲に排出溝４２を設けると、遠心力によって底部２４に集められる水滴や蒸気を容易に排出孔４１に導くことができるので、水滴や水蒸気の排出性能を向上させることができる。なお、排出溝４２に作用する応力を低減する観点からは、排出溝４２の軸方向断面における底部２４側の端部に曲面（好ましくは円弧）が表れるように排出溝４２を形成することが好ましい。

なお、本実施の形態では、ホイール溝２２の一方の側面における凹部２３の底部２４が排出孔４１によってすべて連通しているものを例に挙げて説明したが、当該複数の凹部２３の底部２４のうち少なくとも１つとホイール２の外周面２５が連通していれば、当該排出孔４１を介して水滴や蒸気を排出することができる。この場合のように、凹部２３の各底部２４を排出孔４１で連通させない場合には、ホイール溝２２における複数の凹部２３のうち、ロータ径方向の最も外側に位置する凹部２３の底部２４とホイール２の外周面２５を連通することが好ましい。これは、ロータ径方向の最も外側に位置する凹部２３には、その内側に位置する他の凹部２３と比較して大きな遠心負荷が作用するからである。

また、上記のようにホイール２に対してロータ軸方向に動翼３を挿入する場合には、各排出孔４１は、ホイール溝２２の中心及びシャフト１の中心軸（ロータの中心軸）を通過する面Ｐ１（図３参照）に対して面対称に設けることが好ましい。

さらに、上記のようにホイール２に対してロータ軸方向に動翼３を挿入する場合には、各排出孔４１は、シャフト１の中心軸（ロータの中心軸）に直交しホイール２内に位置する面Ｐ２（図２参照）に対して面対称に設けることが好ましい。このように排出孔４１を設けると、水滴や蒸気が植込み部３２とホイール溝２２の隙間に侵入する際と、当該隙間を伝って作動流体の流通方向の下流側にまで侵入する際との２つの場合において、当該水滴や蒸気を排出孔４１を介して外部に排出することができる。

なお、可能であれば、ホイール２のロータ周方向に間隔を介して設けられた複数のホイール溝２２における応力腐食割れを予防する観点からは、全てのホイール溝２２の両側面に排出孔４１を設けることが好ましい。しかし、全てのホイール溝２２に排出孔４１を設けることが難しい場合には、適宜ホイール溝２２を選択して排出孔４１を設ければ良い。

１ シャフト
２ ホイール
３ 動翼
２２ ホイール溝
２３ 凹部
２４ 凹部の底部
２５ ホイールの外周面
３２ 植込み部
３３ 凸部
４１ 排出孔
４２ 排出溝

Claims (9)

1. シャフトと、
   当該シャフトの外周に取り付けられホイール溝を有し、当該ホイール溝にロータ径方向に配置された複数の凹部を有するホイールと、
   前記複数の凹部に嵌め合わされる複数の凸部を有する植込み部を備え、当該植込み部を介して前記ホイールに結合される動翼と、
   前記複数の凹部のうち少なくとも１つと前記ホイールの外周面とを連通する排出孔とを備えることを特徴とする蒸気タービンロータ。
2. 請求項１に記載の蒸気タービンロータにおいて、
   前記排出孔は、前記複数の凹部のうちロータ径方向の最も外側に位置する凹部と前記ホイールの外周面とを連通していることを特徴とする蒸気タービンロータ。
3. 請求項１に記載の蒸気タービンロータにおいて、
   前記排出孔は、前記複数の凹部においてロータ径方向で隣り合う２つの凹部の底部を連通しつつ前記ホイールの外周面と連通していることを特徴とする蒸気タービンロータ。
4. 請求項３に記載の蒸気タービンロータにおいて、
   前記排出孔は、前記複数の凹部の各底部を結んだ直線に沿って設けられていることを特徴とする蒸気タービンロータ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の蒸気タービンロータにおいて、
   ロータ径方向の内側に向かって前記排出孔が前記凹部に開口する部分に設けられ、ロータ径方向の内側に向かって徐々に径が大きくなる排出溝をさらに備えることを特徴とする蒸気タービンロータ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の蒸気タービンロータにおいて、
   前記動翼の植込み部は、逆クリスマスツリー型の形状を有し、
   前記ホイール溝は、前記逆クリスマスツリー型の植込み部が嵌め合わされる形状を有し、ロータ軸方向に設けられていることを特徴とする蒸気タービンロータ。
7. 請求項６に記載の蒸気タービンロータにおいて、
   前記排出孔に対して、前記ホイール溝の中心及び前記シャフトの中心軸を通過する面と対称に設けられた排出孔をさらに備えることを特徴とする蒸気タービンロータ。
8. 請求項６に記載の蒸気タービンロータにおいて、
   前記排出孔に対して、前記シャフトの中心軸に直交し前記ホイール内に位置する面と対称に設けられた排出孔をさらに備えることを特徴とする蒸気タービンロータ。
9. 請求項６に記載の蒸気タービンロータにおいて、
   前記ホイール溝は、前記ホイールのロータ周方向に間隔を介して複数形成されており、
   前記排出孔は、前記各ホイール溝における複数の凹部のうち少なくとも１つと前記ホイールの外周面とを連通するように複数設けられていることを特徴とする蒸気タービンロータ。

Images