JP2007291966A - 蒸気タービンおよびタービンロータ - Google Patents

Abstract

【課題】所定のタービン構成部品に限定的に耐食性耐熱材料を用いることで、高温蒸気で駆動して熱効率の向上を図ることができ、さらに経済性にも優れた蒸気タービンおよびタービンロータを提供することを目的とする。
【解決手段】６２０℃以上の高温蒸気が導入される再熱蒸気タービン１００であって、再熱蒸気タービン１００のタービンロータ１１３が、初段のノズル１１４ａら蒸気温度がほぼ５５０℃になる段落の動翼１１５ａにわたる領域に位置し、耐食性耐熱材料からなる高温タービンロータ構成部１１３ａと、この高温タービンロータ構成部１１３ａを挟着して連結し、高温タービンロータ構成部１１３ａとは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部１１３ｂとから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンおよびタービンロータに係り、特に温度が６２０℃以上の高温蒸気を利用可能な蒸気タービンおよびタービンロータに関する。

火力発電設備における高温部の大半には、製造性や経済性に優れたフェライト系耐熱鋼が使用されてきた。この従来の火力発電設備の蒸気タービンにおいては、蒸気条件が一般に６００℃級以下の蒸気温度であるため、タービンロータ、動翼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。

しかし近年は、環境保全を背景とした火力発電設備の高効率化が積極的に進められ、６００℃程度の高温蒸気を利用した蒸気タービンが運転されている。このような蒸気タービンにおいては、フェライト系耐熱鋼の諸特性では要求特性を満足できない構成部品があるため、その構成部品をより高温特性に優れた耐熱合金やオーステナイト系耐熱鋼で形成しているものもある。

一方、６５０℃以上の高温蒸気を利用した蒸気タービンに対して、オーステナイト系材料の使用を極力削減して蒸気タービン発電設備を構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１−３参照。）。この蒸気タービン発電設備は、超高圧タービン、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービン、第２の低圧タービンおよび発電機が一軸に連結されており、超高圧タービンと高圧タービンは同一の外部ケーシング内に組み込まれて独立したものとされている（例えば、特許文献２参照。）。

また、地球環境保護の観点から、ＣＯ_２、ＳＯｘ、ＮＯｘの排出量の抑制のために、更なる高効率化へのニーズが高まる状況にある。火力発電設備におけるプラント熱効率の高効率化を図るためには、蒸気温度を高めることが最も有効な手段の一つであり、７００℃級の蒸気タービンの開発が検討されている。

また、上記した蒸気温度の高温化に対応するため、タービン構成部品を冷却蒸気によって冷却する技術も開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
特開平７−２４７８０６号公報 特開２０００−２８２８０８号公報 特許第３０９５７４５号公報 特開２００４−３５３６０３号公報

上記した７００℃級の蒸気タービンの開発において、特にタービン構成部品の強度保証に関しては現在模索中である。従来、火力発電設備では、蒸気タービンに使用するタービンロータ、ノズル、動翼、ノズルボックス（蒸気室）、蒸気供給管等のタービン構成部品に改良された耐熱鋼を使用していたが、再熱蒸気温度が７００℃以上になると、タービン構成部品の強度保証を高く維持することが難しい。

このため、蒸気タービンにおいて、従来の改良された耐熱鋼をタービン構成部品にそのまま使用しても強度保証を高く維持できる新たな技術の実現が望まれている。この新たな技術の一つとして、上記したタービン構成部品を冷却蒸気によって冷却する技術が期待されているが、例えばタービン初段に対応する部位から従来材を適用するためにタービンロータやケーシングを冷却蒸気によって冷却するためには、主流の数％に及ぶ冷却蒸気量を必要とする。また、冷却蒸気が通路部内に流入することによって、翼列性能の劣化に伴うタービン単体での内部効率の低下が問題となる。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、所定のタービン構成部品に限定的に耐食性耐熱材料を用いることで、高温蒸気で駆動して熱効率の向上を図ることができ、さらに経済性にも優れた蒸気タービンおよびタービンロータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の蒸気タービンは、６２０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、前記蒸気タービンのタービンロータが、初段のノズルから蒸気温度がほぼ５５０℃になる段落の動翼にわたる領域に位置し、耐食性耐熱材料からなる高温タービンロータ構成部と、前記高温タービンロータ構成部を挟着して連結し、前記高温タービンロータ構成部とは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部とから構成されていることを特徴とする。

この蒸気タービンによれば、タービンロータの高温部のみに、耐食性耐熱材料を使用することで、６２０℃以上の高温蒸気で駆動して、所定の熱効率などの諸性能を維持し、製造コストの削減を図ることができる。

本発明のタービンロータは、６２０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンに貫設されるタービンロータであって、前記蒸気タービンにおける初段のノズルから蒸気温度がほぼ５５０℃になる段落の動翼にわたる領域に位置され、耐食性耐熱材料からなる高温タービンロータ構成部と、前記高温タービンロータ構成部を挟着して連結し、前記高温タービンロータ構成部とは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部とから構成されていることを特徴とする。

このタービンロータによれば、タービンロータの高温部のみに、耐食性耐熱材料を使用することで、６２０℃以上の高温蒸気で駆動することができるとともに、製造コストの削減を図ることができる。

本発明によれば、所定のタービン構成部品に限定的に耐食性耐熱材料を用いることで、高温蒸気で駆動して熱効率の向上を図ることができ、さらに経済性にも優れた蒸気タービンおよびタービンロータを提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の再熱蒸気タービン１００の上半ケーシング部における断面を示した図である。

図１に示すように、再熱蒸気タービン１００は、内部ケーシング１１０とその外側に設けられた外部ケーシング１１１とから構成される二重構造のケーシングを備え、内部ケーシング１１０と外部ケーシング１１１との間にはヒートチャンバ１１２が形成される。内部ケーシング１１０内にはタービンロータ１１３が貫設されている。また、内部ケーシング１１０の内側面にはノズルダイヤフラム外輪１１７が接続され、例えば９段落のノズル１１４が配設される。また、タービンロータ１１３には、これらのノズル１１４に対応して動翼１１５が植設されている。

このタービンロータ１１３は、初段のノズル１１４ａ（蒸気温度が６２０℃以上）から蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａにわたる領域に位置する高温タービンロータ構成部１１３ａと、この高温タービンロータ構成部１１３ａを挟着して連結する低温タービンロータ構成部１１３ｂとから構成される。この高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとは、溶接接合またはボルト締結により連結されている。なお、この連結部の構成については後述する。ここで、上記した内部ケーシング１１０は、この高温タービンロータ構成部１１３ａが貫設された領域を覆う高温ケーシング構成部１１０ａと、低温タービンロータ構成部１１３ｂが貫設された領域を覆う低温ケーシング構成部１１０ｂとから構成される。上記した高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとの接合と同様に、高温ケーシング構成部１１０ａと低温ケーシング構成部１１０ｂとは、溶接接合またはボルト締結により連結されている。

これらの初段のノズル１１４ａから蒸気温度がほぼ５５０℃（厳密には５５０℃近傍の温度でよい）になる段落の動翼１１５ａにわたる領域に位置する、高温タービンロータ構成部１１３ａおよび高温ケーシング構成部１１０ａは、蒸気導入温度である６２０℃以上の高温蒸気から５５０℃までの蒸気に晒されるため、高温における機械的強度（例えば、１０万時間でのクリープ破断強度）が大きく、かつ耐水蒸気酸化特性を有する耐食性耐熱材料などで構成される。この耐食性耐熱材料として、例えばＮｉ基合金が用いられ、具体的には、例えば、インコネル社製のInco６２５、Inco６１７、Inco７１３などが挙げられる。なお、初段のノズル１１４から蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼にわたる領域に位置するノズル１１４、ノズルダイヤフラム外輪１１７、ノズルダイヤフラム内輪１１８、動翼１１５なども上記した耐食性耐熱材料で材料で構成される。

一方、５５０℃よりも低い温度の蒸気に晒される低温タービンロータ構成部１１３ｂや低温ケーシング構成部１１０ｂは、上記した高温タービンロータ構成部１１３ａや高温ケーシング構成部１１０ａを構成する材料とは異なる材料で構成され、従来からタービンロータやケーシングの材料として広く用いられているフェライト系耐熱鋼などで構成されることが好ましい。このフェライト系耐熱鋼として、具体的には、例えば新１２Ｃｒ鋼、改良１２Ｃｒ鋼、１２Ｃｒ鋼、９Ｃｒ鋼またはＣｒＭｏＶ鋼などが挙げられるが、これらに限られるものではない。

また、ノズルダイヤフラム内輪１１８のタービンロータ１１３側の面には、ノズルラビリンス１１９が設けられ、蒸気の漏洩を抑制している。

さらに、再熱蒸気タービン１００には、蒸気流入管１３０が、外部ケーシング１１１および内部ケーシング１１０を貫通して設けられ、さらに蒸気流入管１３０の端部が、動翼１１５側に向けて蒸気を導出するノズルボックス１１６に連通して接続されている。これらの蒸気流入管１３０やノズルボックス１１６は、蒸気導入温度である６２０℃以上の高温蒸気に晒されるため、上記した耐食性耐熱材料で構成される。ここで、ノズルボックス１１６は、例えば、特開２００４−３５３６０３号公報に開示されているように、ノズルボックスの壁の内部に冷却蒸気を流す冷却蒸気通路を形成し、ノズルボックスの壁内側面を遮蔽板で断続的に覆う構成としてもよい。これによって、ノズルボックスの壁に発生する熱応力などを低減して高い強度保証を維持することができる。

次に、高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとの連結部の構成について、図２〜図５を参照して説明する。

図２は、溶接接合における高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとの接合部の断面の一部を示す図である。また、図３〜図５は、ボルト締結における高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとの接合部の断面の一部を示す図である。

図２に示すように、高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとが、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａの直下流側に位置するノズル１１４の下流側で溶接接合され、接合部１２０が形成されている。このように高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとを溶接接合することで、接合部１２０の占める領域を最小限に押さえることができる。

また、図３に示すように、高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとの接合端部のそれぞれに、タービンロータ１１３の半径方向の外側に突出するフランジ部１２１、１２２を形成し、双方のフランジ部１２１、１２２をボルト１２３およびナット１２４でボルト締結させてもよい。このボルト締結による接合部１２０は、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａの直下流側に位置するノズル１１４の上流側に位置している。このようにボルト締結することで、高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとを構成する材料の線膨張係数の差によって生じる接合面における熱応力の発生を抑制することができる。

また、図４に示すように、ボルト締結による接合部をノズルラビリンス１１９に対向させて配置してもよい。このように接合部を位置させることで、図３に示したボルト締結の場合に比べて、タービンロータ１１３全体の長さを短くすることができる。

さらに、図５に示すように、高温タービンロータ構成部１１３ａおよび低温タービンロータ構成部１１３ｂのそれぞれのフランジ部１２１、１２２の外周縁に沿って、それぞれが接合する接合面と異なる側に突出し、ボルト１２３およびナット１２４のタービンロータ１１３の半径方向への露出を防止する突出部１２１ａ、１２２ａを設けてもよい。すなわち、ボルト１２３およびナット１２４は、突出部１２１ａ、１２２ａ、タービンロータ１１３およびフランジ部１２１、１２２によって形成される凹部に、タービンロータ１１３の軸方向に突出することなく収容されている。このように突出部１２１ａ、１２２ａを設けることで、ボルト１２３およびナット１２４の飛散を防止することができる。

また、図示はしていないが、初段のノズル１１４ａに対応する位置に形成された接合部１２６においても、上記した溶接接合またはボルト締結によって、高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとを連結することができる。この場合においても、上記した溶接接合またはボルト締結による場合と同様の作用効果が得られる。

続いて、再熱蒸気タービン１００における動作について、図１を参照して説明する。

蒸気流入管１３０を経て、再熱蒸気タービン１００内のノズルボックス１１６内に流入した温度が６２０℃以上の蒸気は、内部ケーシング１１０に固定されたノズル１１４とタービンロータ１１３に植設された動翼１１５との間の蒸気通路を通り、タービンロータ１１３を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気経路１２５を通り、再熱蒸気タービン１００から排気され、例えば低温再熱管を通りボイラに流入する。

なお、上記した再熱蒸気タービン１００において、膨張仕事をした蒸気の一部を冷却用蒸気として、内部ケーシング１１０と外部ケーシング１１１との間に導き、外部ケーシング１１１や内部ケーシング１１０を冷却する構成を備えてもよい。この際、冷却用蒸気は、グランドシール部１２７ａまたは排気経路１２５から排気される。なお、冷却用蒸気の導入方法はこれに限られるものではなく、例えば、再熱蒸気タービン１００の途中段落から抽出した蒸気や、他の蒸気タービンから抽出した蒸気を冷却用蒸気として使用してもよい。

上記したように第１の実施の形態の再熱蒸気タービン１００および再熱蒸気タービン１００に貫設されているタービンロータ１１３によれば、機械的強度と耐食性から決まる従来材料（例えば、フェライト系耐熱鋼）の許容温度を超えるタービンロータ１１３や内部ケーシング１１０の高温部のみに、耐食性耐熱材料であるＮｉ基合金を使用することで、６２０℃以上の高温蒸気で駆動して、所定の熱効率などの諸性能を維持することができるとともに、経済性にも優れている。

（第２の実施の形態）
図６は、第２の実施の形態の再熱蒸気タービン２００の上半ケーシング部における断面を示した図である。ここで、第２の実施の形態の再熱蒸気タービン２００は、第１の実施の形態の再熱蒸気タービン１００の構成に、冷却用蒸気を導入する冷却手段を備えものであり、冷却手段以外の構成および構成材料は、第１の実施の形態の再熱蒸気タービン１００の場合と同じであるので、第１の実施の形態の再熱蒸気タービン１００と同一の構成には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

図６に示すように、再熱蒸気タービン２００では、タービンロータ１１３に沿って配設され、初段のノズル１１４ａに対応する位置の接合部１２６付近から初段の動翼１１５に対応するホイール部２１０に向けて冷却用蒸気２４０を噴出する冷却用蒸気供給配管２２０と、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａとその直下流側に位置するノズル１１４との間に配設され、タービンロータ１１３に向けて冷却用蒸気２４０を噴出する冷却用蒸気供給配管２３０とを備えている。これらの冷却用蒸気供給配管２２０、２３０は、冷却手段として機能し、これらの冷却用蒸気供給配管２２０、２３０から噴出された冷却用蒸気２４０によって、タービンロータ１１３、接合部１２０、１２６、さらに、外部ケーシング１１１や内部ケーシング１１０などが冷却される。

冷却用蒸気２４０には、例えば、高圧タービンやボイラなどから抽出した蒸気、再熱蒸気タービン２００の途中段落から抽出した蒸気、さらに再熱蒸気タービン２００の排気経路１２５に排気される蒸気などを用いることができ、設定する冷却用蒸気２４０の温度に基づいて、適宜にその供給源が選択される。

次に、高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとの連結部の構成について、図７〜図１０を参照して説明する。

図７は、溶接接合における高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとの接合部の断面の一部および冷却手段を示す図である。また、図８〜図１０は、ボルト締結における高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとの接合部の断面の一部および冷却手段を示す図である。

図７に示すように、高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとが、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａの直下流側に位置するノズル１１４の下流側で溶接接合され、接合部１２０が形成されている。また、冷却用蒸気供給配管２３０は、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａとその直下流側に位置するノズル１１４との間に配置され、その蒸気噴出口２３０ａは、高温タービンロータ構成部１１３ａから所定の距離をおいて高温タービンロータ構成部１１３ａに向けられている。

このように高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとを溶接接合することで、接合部１２０の占める領域を最小限に押さえることができる。また、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａとその直下流側に位置するノズル１１４との間に冷却用蒸気２４０を供給することで、接合部１２０や接合部１２０近傍の高温タービンロータ構成部１１３ａを冷却することができるので、接合部１２０における熱応力の発生や、低温タービンロータ構成部１１３ｂ側への熱伝導を抑制することができる。

また、図８に示すように、高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとの接合端部のそれぞれに、タービンロータ１１３の半径方向の外側に突出するフランジ部１２１、１２２を形成し、双方のフランジ部１２１、１２２をボルト１２３およびナット１２４でボルト締結させてもよい。冷却用蒸気供給配管２３０は、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａとその直下流側に位置する高温タービンロータ構成部１１３ａのフランジ部１２１との間に配置され、その蒸気噴出口２３０ａは、高温タービンロータ構成部１１３ａから所定の距離をおいて高温タービンロータ構成部１１３ａに向けられている。また、ボルト締結による接合部１２０は、冷却用蒸気供給配管２３０と蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａの下流側に位置するノズル１１４との間に位置している。

このようにボルト締結し、冷却用蒸気２４０を供給することで、高温タービンロータ構成部１１３ａと低温タービンロータ構成部１１３ｂとを構成する材料の線膨張係数の差によって生じる接合面における熱応力の発生を抑制することができる。また、冷却用蒸気を供給することで、低温タービンロータ構成部１１３ｂ側への熱伝導を抑制することができる。

また、図９に示すように、ボルト締結による接合部をノズルラビリンス１１９に対向させて配置し、冷却用蒸気供給配管２３０を、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａとその直下流側に位置する高温タービンロータ構成部１１３ａのフランジ部１２１との間に配置してもよい。このように接合部を位置させることで、図８に示したボルト締結の場合に比べて、タービンロータ１１３全体の長さを短くすることができる。また、冷却用蒸気を供給することで、低温タービンロータ構成部１１３ｂ側への熱伝導を抑制することができる。

さらに、図１０に示すように、高温タービンロータ構成部１１３ａおよび低温タービンロータ構成部１１３ｂのそれぞれのフランジ部１２１、１２２の外周縁に沿って、それぞれが接合する接合面と異なる側に突出し、ボルト１２３およびナット１２４のタービンロータ１１３の半径方向への露出を防止する突出部１２１ａ、１２２ａを設けてもよい。すなわち、ボルト１２３およびナット１２４は、突出部１２１ａ、１２２ａ、タービンロータ１１３およびフランジ部１２１、１２２によって形成される凹部に、タービンロータ１１３の軸方向に突出することなく収容されている。このように突出部１２１ａ、１２２ａを設けることで、ボルト１２３およびナット１２４の飛散を防止することができる。

また、図６に示すように、冷却用蒸気供給配管２２０は、タービンロータ１１３に沿って配設され、その蒸気噴出口２２０ａは、初段のノズル１１４ａに対応する位置の接合部１２６付近に位置され、初段の動翼１１５に対応するホイール部２１０に向けられている。そして、この蒸気噴出口２２０ａからホイール部２１０に向かって冷却用蒸気２４０が噴出される。

このように冷却用蒸気２４０を供給することで、６２０℃以上の高温蒸気が通る初段の動翼１１５対応するホイール部２１０から高温タービンロータ構成部１１３ａを介して低温タービンロータ構成部１１３ｂ側へ熱が伝導するのを抑制することができる。また、冷却用蒸気２４０によって、接合部１２６およびその付近も冷却される。

なお、ここでは、図６に示すように、初段のノズル１１４ａに対応する位置の接合部１２６が溶接接合された構成について説明したが、上記した下流側の接合部１２０のように、接合部１２６をボルト締結で構成することも可能である。この場合、冷却用蒸気２４０は、ボルト締結による接合部１２６と、初段の動翼１１５対応するホイール部２１０との間に供給されることが好ましい。この際、冷却用蒸気供給配管２２０の蒸気噴出口２２０ａは、初段の動翼１１５に対応するホイール部２１０または高温タービンロータ構成部１１３ａに向けられていることが好ましい。

ここで、冷却用蒸気２４０の動作について説明する。

まず、冷却用蒸気供給配管２２０の蒸気噴出口２２０ａから噴出された冷却用蒸気２４０について、図６を参照して説明する。

冷却用蒸気供給配管２２０の蒸気噴出口２２０ａから噴出された冷却用蒸気２４０は、初段の動翼１１５に対応するホイール部２１０に衝突し、ホイール部２１０を冷却し、さらに接合部１２６と接触することで、接合部１２６およびその付近を冷却する。そして、冷却用蒸気２４０は、グランドシール部１２７ｂを通過し、その一部は、外部ケーシング１１１と内部ケーシング１１０との間を流れ、それぞれのケーシングを冷却する。さらに、ヒートチャンバ１１２に導入され、排気経路１２５から排気される。一方、グランドシール部１２７ｂを通過した残りの冷却用蒸気２４０は、グランドシール部１２７ａを通過し、排気される。

次に、冷却用蒸気供給配管２３０の蒸気噴出口から噴出された冷却用蒸気２４０について、図７〜図１０を参照して説明する。

図７に示す構成の場合、冷却用蒸気供給配管２３０の蒸気噴出口２３０ａから噴出された冷却用蒸気２４０は、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａの直下流側における高温タービンロータ構成部１１３ａに衝突し、高温タービンロータ構成部１１３ａを冷却する。続いて冷却用蒸気２４０は、ノズルラビリンス１１９と高温タービンロータ構成部１１３ａとの間を下流側へ流れ、接合部１２０およびその付近を冷却する。

図８に示す構成の場合、冷却用蒸気供給配管２３０の蒸気噴出口２３０ａから噴出された冷却用蒸気２４０は、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａの直下流側における高温タービンロータ構成部１１３ａに衝突し、高温タービンロータ構成部１１３ａを冷却し、さらに接合部１２０であるフランジ部１２１、１２２を冷却する。続いて、冷却用蒸気２４０は、ノズルラビリンス１１９と低温タービンロータ構成部１１３ｂとの間を、それぞれを冷却しながら下流側へ流れる。

図９および図１０に示す構成の場合、冷却用蒸気供給配管２３０の蒸気噴出口２３０ａから噴出された冷却用蒸気２４０は、蒸気温度が５５０℃になる段落の動翼１１５ａの直下流側における高温タービンロータ構成部１１３ａに衝突し、高温タービンロータ構成部１１３ａを冷却する。続いて、冷却用蒸気２４０は、ノズルラビリンス１１９とフランジ部１２１、１２２との間を下流側へ流れ、接合部１２０であるフランジ部１２１、１２２を冷却する。

上記したように、図６に示した冷却用蒸気供給配管２２０の蒸気噴出口２２０ａから噴出された冷却用蒸気２４０による冷却方法は、接合部１２６近傍のホイール部２１０に局所的に冷却用蒸気２４０を噴出する方式であり、冷却用蒸気２４０の供給量を極力押さえることができる。これによって、冷却用蒸気２４０がホイール部２１０とノズルダイヤフラム内輪１１８との間から作動蒸気の通路内に流入することで低下する翼列性能を、冷却用蒸気を供給しない従来の蒸気タービンと同程度に維持することができるとともに、タービン自体の内部効率を向上させることができる。また、グランドシール部１２７ｂを通過した冷却用蒸気２４０によって、外部ケーシング１１１や内部ケーシング１１０などを冷却することもできる。また、冷却用蒸気供給配管２２０の蒸気噴出口２２０ａは、初段の動翼１１５に対応するホイール部２１０に向けられ、冷却用蒸気２４０を所定の速度で吹き付けることができるので、熱伝達率が向上し、効果的に高温タービンロータ構成部１１３ａの冷却を行うことができる。

また、上記したように、図７〜図１０に示した冷却用蒸気供給配管２３０の蒸気噴出口２３０ａから噴出された冷却用蒸気２４０による冷却方法は、接合部１２０近傍の高温タービンロータ構成部１１３ａに局所的に冷却用蒸気２４０を噴出する方式であり、冷却用蒸気２４０の供給量を極力押さえることができる。これによって、冷却用蒸気２４０がホイール部２１０とノズルダイヤフラム内輪１１８との間から作動蒸気の通路内に流入することで低下する翼列性能を、冷却用蒸気を供給しない従来の蒸気タービンと同程度に維持することができるとともに、タービン自体の内部効率を向上させることができる。また、冷却用蒸気供給配管２３０の蒸気噴出口２３０ａは、高温タービンロータ構成部１１３ａに向けられ、冷却用蒸気２４０を所定の速度で吹き付けることができるので、熱伝達率が向上し、効果的に高温タービンロータ構成部１１３ａの冷却を行うことができる。

以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。また、本発明の蒸気タービンやタービンロータは、６２０℃以上の高温の蒸気が導入される蒸気タービンに適用することができる。

第１の実施の形態の再熱蒸気タービンの上半ケーシング部における断面を示した図。 溶接接合における高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との接合部の断面の一部を示す図。 ボルト締結における高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との接合部の断面の一部を示す図。 ボルト締結における高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との接合部の断面の一部を示す図。 ボルト締結における高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との接合部の断面の一部を示す図。 第２の実施の形態の再熱蒸気タービンの上半ケーシング部における断面を示した図。 溶接接合における高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との接合部の断面の一部および冷却手段を示す図。 ボルト締結における高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との接合部の断面の一部および冷却手段を示す図。 ボルト締結における高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との接合部の断面の一部および冷却手段を示す図。 ボルト締結における高温タービンロータ構成部と低温タービンロータ構成部との接合部の断面の一部および冷却手段を示す図。

符号の説明

１００，２００…再熱蒸気タービン、１１０…内部ケーシング、１１０ａ…高温ケーシング構成部、１１０ｂ…低温ケーシング構成部、１１１…外部ケーシング、１１２…ヒートチャンバ、１１３…タービンロータ、１１３ａ…高温タービンロータ構成部、１１３ｂ…低温タービンロータ構成部、１１４，１１４ａ…ノズル、１１５，１１５ａ…動翼、１１６…ノズルボックス、１１７…ノズルダイヤフラム外輪、１１８…ノズルダイヤフラム内輪、１１９…ノズルラビリンス、１２０，１２６…接合部、１２１，１２２…フランジ部、１２１ａ…突出部、１２３…ボルト、１２４…ナット、１２５…排気経路、１２７ａ、１２７ｂ…グランドシール部、１３０…蒸気流入管、２１０…ホイール部、２２０…冷却用蒸気供給配管、２２０ａ，２３０ａ…蒸気噴出口、２３０…冷却用蒸気供給配管、２４０…冷却用蒸気。

Claims (15)

1. ６２０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンであって、
   前記蒸気タービンのタービンロータが、初段のノズルから蒸気温度がほぼ５５０℃になる段落の動翼にわたる領域に位置し、耐食性耐熱材料からなる高温タービンロータ構成部と、前記高温タービンロータ構成部を挟着して連結し、前記高温タービンロータ構成部とは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部とから構成されていることを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記高温タービンロータ構成部を構成する耐食性耐熱材料がＮｉ基合金であり、前記低温タービンロータ構成部を構成する材料がフェライト系耐熱鋼であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部とが、溶接またはボルト締結により連結されていることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
4. 前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部とをボルト締結によって連結する場合において、前記タービンロータの半径方向の外側に突出させて前記高温タービンロータ構成部および前記低温タービンロータ構成部それぞれの接合端部に形成された双方のフランジ部がボルト締結されていることを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン。
5. 前記高温タービンロータ構成部および前記低温タービンロータ構成部の接合端部に形成された前記フランジ部の外周縁に沿って、それぞれ接合面とは異なる側に突出し、ボルト締結部の前記半径方向への露出を防止する突出部が形成されていることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン。
6. 前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部とを連結する上流側の接合部が、前記初段のノズルに対応する位置に形成され、下流側の接合部が、蒸気温度がほぼ５５０℃になる段落の動翼の直下流側に位置するノズルの、上流側、ラビリンス部に対向する側または下流側に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン。
7. ノズルダイヤフラムと接続された前記蒸気タービンのケーシングにおいて、前記高温タービンロータ構成部が貫設された領域を覆う構成部分が耐食性耐熱材料からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の蒸気タービン。
8. 前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部とを連結する接合部を冷却蒸気により冷却する冷却手段を具備することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の蒸気タービン。
9. 前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部とを連結する下流側の接合部を冷却する前記冷却手段において、
   前記蒸気温度がほぼ５５０℃になる段落の動翼の直下流側に位置するノズルの上流側に前記冷却蒸気を供給することを特徴とする請求項８記載の蒸気タービン。
10. ６２０℃以上の高温蒸気が導入される蒸気タービンに貫設されるタービンロータであって、
    前記蒸気タービンにおける初段のノズルから蒸気温度がほぼ５５０℃になる段落の動翼にわたる領域に位置され、耐食性耐熱材料からなる高温タービンロータ構成部と、前記高温タービンロータ構成部を挟着して連結し、前記高温タービンロータ構成部とは異なる材料からなる低温タービンロータ構成部とから構成されていることを特徴とするタービンロータ。
11. 前記高温タービンロータ構成部を構成する耐食性耐熱材料がＮｉ基合金であり、前記低温タービンロータ構成部を構成する材料がフェライト系耐熱鋼であることを特徴とする請求項１０記載のタービンロータ。
12. 前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部とが、溶接またはボルト締結により連結されていることを特徴とする請求項１０または１１記載のタービンロータ。
13. 前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部とをボルト締結によって連結する場合において、前記タービンロータの半径方向の外側に突出させて前記高温タービンロータ構成部および前記低温タービンロータ構成部それぞれの接合端部に形成された双方のフランジ部がボルト締結されていることを特徴とする請求項１２記載のタービンロータ。
14. 前記高温タービンロータ構成部および前記低温タービンロータ構成部の接合端部に形成された前記フランジ部の外周縁に沿って、それぞれ接合面とは異なる側に突出し、ボルト締結部の前記半径方向への露出を防止する突出部が形成されていることを特徴とする請求項１３記載のタービンロータ。
15. 前記高温タービンロータ構成部と前記低温タービンロータ構成部とを連結する上流側の接合部が、蒸気タービンにおける初段のノズルに対応する位置に形成され、下流側の接合部が、蒸気温度がほぼ５５０℃になる段落の動翼の直下流側に位置する蒸気タービンのノズルの、上流側、ラビリンス部に対向する側または下流側に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項記載のタービンロータ。

Images