JP2012207594A

JP2012207594A - 回転機械のロータ及び回転機械

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Publication number: JP2012207594A
Application number: JP2011074206A
Authority: JP
Inventors: Shin Nishimoto; 西本　　慎; Yoshinori Tanaka; 良典田中; Takashi Nakano; 隆中野; Kenji Kawasaki; 憲治川崎; Ryuichi Yamamoto; 隆一山本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-10-25
Also published as: EP2692985A4; KR101557562B1; KR20150065916A; WO2012132526A1; US9657574B2; EP2910734A1; EP2692985A1; KR101557616B1; CN103459773A; US20120251307A1; US20150125280A1; CN104791017A; EP2910734B1; KR20130122665A

Abstract

【課題】回転機械の迅速な起動を許容し、かつ、ロータに生じる熱応力を抑制することを課題とする。
【解決手段】軸線Ｐ周りに延びる外周部１０ａの周囲をステータ５０に囲われ、該ステータ５０と外周部１０ａとの間に画定された流路３に作動流体Ｓ１，Ｓ２が導入される回転機械Ｔ１のロータ１０であって、軸線Ｐが延びる軸方向に相互に接合された複数のロータ部材２０，３０，４０を有し、これら複数のロータ部材２０，３０，４０のうち、流路３の作動流体導入部３ａ，３ｂにおける第一ロータ部材３０が、Ｎｉ基合金からなり、軸方向全部に亘って内部が中空であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転機械のロータ及び回転機械に関するものである。

現在、蒸気タービンを用いた火力発電においては、６００℃級以下の蒸気条件で発電を行うのが一般的である。この蒸気条件においては、蒸気タービンを構成するタービンロータ、動翼等の主要部材に、例えば１２Ｃｒ鋼等の高Ｃｒ鋼（高クロム鋼、フェライト系耐熱鋼）が用いられることが多い。

ところが、近年、ＣＯ_２排出量削減や更なる熱効率向上の要請に応えるために、７００℃級以上の蒸気条件で発電をすることが求められている。しかしながら、この蒸気条件でフェライト系耐熱鋼を用いると、主要部材の高温強度が不足してしまう。

そこで、更に高い高温強度を確保するために、主要部材にＮｉ基合金（ニッケル基合金）を用いることになる。しかしながら、このＮｉ基合金を用いると主要部材を大型化するのが難しく、またコストが増加してしまう欠点がある。

下記特許文献１においては、タービンロータの大型化とコスト抑制とを図るために、Ｎｉ基合金で形成された第一部材と、高Ｃｒ鋼で形成された第二部材とを溶接によって接合してタービンロータを構成している。そして、特定の組成のＮｉ基合金を用いることで、接合部の強度を確保しようとしている。

国際公開第２００９／１５４２４３号

ところで、一般にＮｉ基合金は、熱伝導率が低く、線膨張係数が大きい性質を有している。このため、蒸気タービンの起動時には、タービンロータ（Ｎｉ基合金）の外側が内側に比べて高温となって大きく熱膨張することから、タービンロータの内部に過大な応力が生じてしまうという問題がある。
一方、タービンロータ全体が徐々に昇温するように時間を掛けてウォームアップを行うと、熱応力の発生を抑えることができるが、蒸気タービンの迅速な起動が阻害されるという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、回転機械の迅速な起動を許容し、かつ、ロータに生じる熱応力を抑制することを課題とする。

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、本発明に係る回転機械のロータは、軸線周りに延びる外周部の周囲をステータに囲われ、該ステータと前記外周部との間に画定された流路に作動流体が流通する回転機械のロータであって、前記軸線が延びる軸方向に相互に接合された複数のロータ部材を有し、これら複数のロータ部材のうち、前記流路の作動流体導入部における第一ロータ部材が、Ｎｉ基合金からなり、前記軸方向全部に亘って内部が中空であることを特徴とする。
このようにすれば、Ｎｉ基合金からなる第一ロータ部材が軸方向全部に亘って内部が中空であるので、内部を中実に形成した場合と比較して、第一ロータ部材の熱容量が小さくなる。これにより、回転機械の迅速な起動をした場合に、第一ロータ部材内部の外側と内側とに生じる温度差が抑制されて第一ロータ部材が全体的に昇温する。これにより、第一ロータ部材の内部に生じる熱応力を抑制することができる。従って、回転機械の迅速な起動を許容し、かつ、ロータに生じる熱応力を抑制することができる。

また、前記複数のロータ部材は、前記第一ロータ部材に対して前記軸方向に隣接すると共に高Ｃｒ鋼からなる第二ロータ部材を少なくとも一つ含むことが好ましい。
このようにすれば、複数のロータ部材が、第一ロータ部材に対して軸方向に隣接すると共に高Ｃｒ鋼からなる第二ロータ部材を少なくとも一つ含むので、ロータ全体をＮｉ基合金で形成した場合に比べて、ロータのコストを抑えることができる。さらに、Ｎｉ基合金と比較して優れた成型容易性を有する高Ｃｒ鋼で、ロータの一部を形成することで、ロータの製造を容易に行うことができる。

また、前記第一ロータ部材は、前記軸方向中央側の肉厚が、内径の外径に対する比の値が１／２以上となるように、かつ、前記第一ロータ部材の前記軸方向の端部の肉厚以上となるように形成されていることが好ましい。
このようにすれば、第一ロータ部材の軸方向中央側の肉厚が、内径の外径に対する比の値が１／２以上となるように形成されているので、第一ロータ部材の内部の外側と内側とに生じる温度差を更に抑制し、第一ロータ部材の内部に生じる熱応力を更に抑制することができる。一方、第一ロータ部材の軸方向中央側の肉厚が、第一ロータ部材の軸方向における接合端部の肉厚以上となるように形成されているので、必要な強度を確保することができる。

また、前記作動流体導入部が複数形成され、前記第一ロータ部材は、前記複数の作動流体導入部のうち少なくとも二つ以上において、それぞれの内径が相互に異なることが好ましい。
このようにすれば、第一ロータ部材が複数の作動流体導入部のうち少なくとも二つ以上において、それぞれの内径が相互に異なるので、作動流体導入部毎に温度分布を調整することができる。

また、前記第一ロータ部材は、前記軸方向における複数の部位において、それぞれの内径が相互に異なることが好ましい。
このようにすれば、軸方向における複数の部位において、それぞれの内径が相互に異なるので、前記軸方向における複数の部位において温度分布を調整することができる。

また、前記第一ロータ部材は、少なくとも前記軸方向の一部分において、他方側から一方側に向けて漸次内径が小さくなるように先細り状に形成されていることが好ましい。
このようにすれば、第一ロータ部材が少なくとも軸方向の一部分において、他方側から一方側に向けて漸次内径が小さくなるように先細り状に形成されているので、第一ロータ部材において軸方向に温度調整をすることができる。

また、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜１５％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの一種又は二種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２５％、Ａｌ：０．２〜２％、Ｔｉ：０．５〜４．５％、Ｆｅ；１０％以下、Ｂ：０．０２％以下及びＺｒ：０．２％以下の一種又は二種を含有し、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が２．５〜７．０％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることが好ましい。

また、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｍｏ：１７〜２６％であって、Ｍｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２７％、Ａｌ：０．１〜２％、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｆｅ；１０％以下、Ｂ：０．０２％以下及びＺｒ：０．２％以下、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が１〜５．５％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることが好ましい。

また、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの一種又は二種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２７％、Ａｌ：０．１〜２％、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｆｅ：１０％以下、Ｂ：０．００１〜０．０２％及びＺｒ：０．００１〜０．２％、Ｎｂ＋Ｔａ／２：１．５％以下、Ｃｏ：５％以下であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることが好ましい。

また、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｗ：１０％以下であって、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの一種又は二種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：５〜２０％、Ａｌ：０．１〜２．５％、Ｔｉ：０．１０〜０．９５％、Ｆｅ：４％以下、Ｂ：０．００１〜０．０２％及びＺｒ：０．００１〜０．２％、Ｎｂ＋Ｔａ／２：１．５％以下、Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｔａの原子％が２．０〜６．５％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることが好ましい。

また、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｃｒ：８〜１５％、Ｗ：５〜２０％、Ｍｏ：１〜７％、Ａｌ：０．５〜１．０％、Ｔｉ：１．０〜２．５％、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることが好ましい。

また、前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．００５〜０．１５％、Ｃｒ：８〜２２％、Ｃｏ：５〜３０％、Ｗ：５〜２０％、Ｍｏ：１〜９％、Ａｌ：０．１〜２．０％、Ｔｉ：０．３〜２．５％、Ｂ：０．０１５％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることが好ましい。
すなわち、それぞれ上記各組成からなるＮｉ基合金で第一ロータ部材を形成すれば、高Ｃｒ鋼で形成された第二ロータ部材との接合部の強度確保が可能である。

さらに、本発明に係る回転機械は、ステータと、軸線周りに延びる外周部の周囲をステータに囲われ、前記ステータと前記外周部との間に画定された流路に作動流体が流通するロータと、を有する回転機械であって、前記ロータとして上記のうちいずれか一つの回転機械のロータを用いたことを特徴とする。
このようにすれば、上記のいずれか一つの回転機械のロータを備えるので、作動流体が比較的に高温となる条件下においてＮｉ基合金を用いたとしても、回転機械の迅速な起動が許容され、かつ、ロータに生じる熱応力が抑制される。これにより、良好な運転性能を得ることができると共にロータの破損を防止することができる。そして、作動流体を比較的に高温に設定することでＣＯ_２排出量削減や更なる熱効率向上の要請に十分に応えることができる。

本発明に係る回転機械のロータによれば、回転機械の迅速な起動を許容し、かつ、ロータに生じる熱応力を抑制することができる。
また、本発明に係る回転機械によれば、良好な運転性能を得ることができると共にロータの破損を防止することができる。

本発明の第一実施形態に係る高中圧タービンＴ１の概略構成断面図であって、高中圧タービンＴ１の軸線Ｐを含む子午断面図である。本発明の実施形態に係る軸体１１の拡大断面図である。本発明の第二実施形態に係る高中圧タービンＴ２における軸体１１_Ａの拡大断面図である。本発明の第三実施形態に係る高中圧タービンＴ３における軸体１１_Ｂの拡大断面図である。本発明の第四実施形態に係る高中圧タービンＴ４における軸体１１_Ｃの拡大断面図である。

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。
『第一実施形態』
図１は本発明の第一実施形態に係る高中圧タービン（回転機械）Ｔ１の概略構成断面図であって、高中圧タービンＴ１の軸線Ｐを含む子午断面図である。なお、以下の説明においては、軸線Ｐの延在方向を「タービン軸方向（軸方向）」と、軸線Ｐの周方向を「タービン周方向」と、軸線Ｐの径方向を「タービン径方向」と称する。

図１に示すように、高中圧タービンＴ１は、タービン軸方向の一方側に高圧タービン（回転機械）１Ａが、タービン軸方向の他方側に中圧タービン（回転機械）１Ｂが、それぞれ構成されている。
高中圧タービンＴ１は、ロータ１０とステータ５０とを有している。

ロータ１０は、回転可能に支持された軸体１１と、軸体１１に複数構成された動翼列１２（１２Ａ，１２Ｂ）とを有している。

軸体１１は、ステータ５０をタービン軸方向に貫通しており、タービン軸方向の両端を、ステータ５０の外部に配設された軸受装置９１，９２によって支持されている。この軸体１１のその他の構成については、後に詳述する。

複数の動翼列１２（１２Ａ，１２Ｂ）は、それぞれ、軸体１１の外周に拘束された複数の動翼がタービン周方向に配列されることで構成されている。複数の動翼列１２Ａは高圧タービン１Ａに、複数の動翼列１２Ｂは中圧タービン１Ｂにそれぞれ配設されている。

ステータ５０は、外部車室ケーシング６０と、内部車室ケーシング７０（７０Ａ，７０Ｂ）と、静翼列５２（５２Ａ，５２Ｂ）とを有している。

外部車室ケーシング６０は、外部から内部空間６１を区画する車室壁６０ａと、内部空間６１をタービン軸方向に二つに仕切る隔壁６０ｂとを有している。隔壁６０ｂは、内部空間６１においてタービン軸方向の略中央に配設されており、内部空間６１を、タービン軸方向の一方側の高圧タービン室６１Ａと、タービン軸方向の他方側の中圧タービン室６１Ｂとに仕切っている。
外部車室ケーシング６０の車室壁６０ａには、高圧タービン１Ａにおいて、タービン軸方向の他方側に形成された複数の導入ノズル６３Ａと、タービン軸方向の一方側に形成された排出ノズル６４Ａとが形成されている。また、車室壁６０ａには、中圧タービン１Ｂにおいて、タービン軸方向の一方側に形成された複数の導入ノズル６３Ｂと、タービン軸方向の他方側に形成された排出ノズル６４Ｂとが形成されている。
この外部車室ケーシング６０は、ロータ１０に挿通されており、車室壁６０ａのタービン軸方向の両端からロータ１０（軸体１１）の両端を突出させている。
なお、車室壁６０ａがロータ１０の両端との間に形成する隙間は、それぞれシール装置９３Ａ，９３Ｂによって封止されている。また、隔壁６０ｂがロータ１０の中央側との間に形成する隙間は、シール部材９４Ａ，９４Ｂによって封止されている。

内部車室ケーシング７０（７０Ａ，７０Ｂ）は、両端開放型の筒状部材であって、内周部に静翼列５２（５２Ａ，５２Ｂ）を保持する静翼保持環７１を含んでいる。
内部車室ケーシング７０Ａは、高圧タービン１Ａに配設され、内部車室ケーシング７０Ｂは、中圧タービン１Ｂに配設されている。これら内部車室ケーシング７０Ａ，７０Ｂは、それぞれ、外部車室ケーシング６０の車室壁６０ａの内壁及び隔壁６０ｂに拘束されている。これら内部車室ケーシング７０Ａ，７０Ｂは、それぞれ、ロータ１０に挿通されてロータ１０の外周１０ａの周囲を囲っており、ロータ１０の外周１０ａと静翼保持環７１との間に環状流路（流路）３（３Ａ，３Ｂ）がタービン軸方向に延びている。

内部車室ケーシング７０Ａの、タービン軸方向の他方側における他端開放部は、隔壁６０ｂに突き合わされて閉塞されていると共にロータ１０との間がシール部材９４Ａによって封止されている。
内部車室ケーシング７０Ａの他端開放部側は、シール部材９４Ａ及び軸体１１の外周との間に、タービン周方向に延びると共に環状流路３に連通したマニホールド（作動流体導入部）３ａを画定している。このマニホールド３ａは、各導入ノズル６３Ａに挿し込まれると共にそれぞれ内部車室ケーシング７０Ａに気密に接続された連結管８０Ａに連通しており、この連結管８０Ａを介してボイラＢから高圧蒸気（作動流体）Ｓ１（約７００℃）が供給される。このマニホールド３ａは、環状流路３に高圧蒸気Ｓ１を導入する部分であって、高圧タービン１Ａに供給された高圧蒸気Ｓ１がロータ１０に最初に接する部分である。つまり、運転時の高圧タービン１Ａにおいては、ロータ１０の各部位の中で、マニホールド３ａに曝される部位が最も高温となる。
なお、内部車室ケーシング７０Ａの一端開放部は、タービン軸方向の一方側に向けて開放されている。

内部車室ケーシング７０Ｂは、両端開放部がそれぞれタービン軸方向に開放されている。内部車室ケーシング７０Ｂのタービン軸方向の一方側には、内部車室ケーシング７０の外周部から鍔状に延出するフランジ部７０ａが形成されており、このフランジ部７０ａが車室壁６０ａの内壁に連結されていることで、一端開放部の周囲にマニホールド３ｂが画定されている。このマニホールド３ｂには、各導入ノズル６３Ｂに挿し込まれた連結管８０Ｂを介して、ボイラＢから中圧蒸気（作動流体）Ｓ２（約７００℃）が供給される。
一方、この内部車室ケーシング７０Ｂにおいては、軸体１１のタービン軸方向の一方側がシール部材９４Ｂによって被覆されている。すなわち、マニホールド３ｂに供給された中圧蒸気Ｓ２は、シール部材９４Ｂに沿って環状流路３Ｂに導入されることとなり、ロータ１０のうちシール部材９４Ｂからの露出部（作動流体導入部）３ｃが、中圧蒸気Ｓ２が最初に接する部分となる。つまり、運転時の中圧タービン１Ｂにおいては、ロータ１０の各部位の中で、シール部材９４Ｂから露出部３ｃが最も高温となる。

複数の静翼列５２（５２Ａ，５２Ｂ）は、それぞれ、内部車室ケーシング７０（７０Ａ，７０Ｂ）の静翼保持環７１に拘束された静翼がタービン周方向に配列されることで構成されている。
静翼列５２Ａは、高圧タービン１Ａの環状流路３Ａにおいて、タービン軸方向の他方側から一方側に向けて、動翼列１２Ａと交互になるように配設されている。静翼列５２Ｂは、中圧タービン１Ｂの環状流路３Ｂにおいて、タービン軸方向の一方側から他方側に向けて、動翼列１２Ｂと交互になるように配設されている。

図２は、軸体１１の拡大断面図である。
図２に示すように、軸体１１は、ロータ部材２０，３０，４０がタービン軸方向に相互に接合されて構成されている。より具体的には、ロータ部材２０，３０，４０は、それぞれの軸線を軸線Ｐに重ねた状態で、上記の順番で接合されることで、全体として軸状になっている。

ロータ部材（第二ロータ部材）２０は、相対的に小径に形成された小径部２１と、相対的に大径に形成された大径部２２とを有している。
大径部２２は、タービン軸方向の一方側の一端部２０ａが皿状に窪んでおり、他端部２０ｂが例えば低圧タービンのロータＲ_Ｌの端部に接続されている（図１参照）。

ロータ部材（第二ロータ部材）４０は、相対的に小径に形成された小径部４１と、相対的に大径に形成された大径部４２とを有している。
ロータ部材４０は、ロータ部材４０のタービン軸方向の他方側の他端部４０ｂが皿状に窪んでおり、一端部４０ａが例えば超高圧タービンのロータＲ_ＶＨの端部に接続されている（図１参照）。
これらロータ部材２０及び４０の材質は、例えば高Ｃｒ鋼を用いており、例えば鍛造によって形成されている。この高Ｃｒ鋼としては、例えば、下記の表１に示す１−１，１−２の組成のものを好適に用いることができる。これらの組成の高Ｃｒ鋼は、室温から７００℃までの平均線膨張係数が概ね１１．２×１０^−６／℃〜１２．４×１０^−６℃となっている。
なお、表１以外の他の組成の高Ｃｒ鋼を用いてもよいのは勿論である。

なお、表１における％は、重量％を意味する。

ロータ部材（第一ロータ部材）３０は、タービン軸方向の両端部（接合端部）３０ａ，３０ｂがそれぞれ皿状に窪んでいる。
このロータ部材３０は、Ｎｉ基合金で形成されており、比較的に低い熱伝導率と高い線膨張係数とを有している。このＮｉ基合金としては、例えば、下記の表２に示す２−１，２−２，２−３，２−４，２−５，２−６の組成のものを好適に用いることができる。これらの組成のＮｉ基合金は、室温から７００℃までの平均線膨張係数が概ね１２．４×１０^−６／℃〜１４．５×１０^−６℃となっており、他の組成のＮｉ基合金と比較して低く抑えられている。
なお、表２以外の他の組成のＮｉ基合金を用いてもよいのは勿論である。

なお、表２における％は、重量％を意味する。

このロータ部材３０の一端部３０ａは、ロータ部材４０の他端部４０ｂに対して突き合わされた状態で溶接によって接合されている。また、ロータ部材３０の他端部３０ｂは、ロータ部材２０の一端部２０ａと突き合わされた状態で溶接によって接合されている。
ロータ部材３０のタービン軸方向の両端部３０ａ，３０ｂにおける接合箇所は、高中圧タービンＴ１の運転状態で必要な強度が確保されることを条件として、可能な限り肉厚ｄを小さく設定することが望ましい。

図２に示すように、このロータ部材３０の内部は中空に形成されている。より具体的には、軸線Ｐ上においてタービン軸方向に一定の内径Ｄ１で形成された孔３１が延びており、一端部３０ａと他端部３０ｂとを連通させている。すなわち、ロータ部材３０は、ロータ部材３０を中実に形成した場合（孔３１を形成しなかった場合）と比較して、熱容量が小さくなっている。
ロータ部材３０の孔３１が形成されたタービン軸方向中央側における各部位の肉厚は、内径Ｄ１の外径Ｄ２に対する比の値が１／２以上となるように、かつ、ロータ部材３０のタービン軸方向の両端部３０ａ，３０ｂの肉厚ｄ以上となるように形成されている。

続いて、上記構成からなる高中圧タービンＴ１の作用について図を用いて説明する。
まず、高中圧タービンＴ１を起動すると、高圧タービン１Ａに高圧蒸気Ｓ１が、中圧タービン１Ｂに中圧蒸気Ｓ２がそれぞれ流入する。

図１に示すように、例えば、高圧タービン１Ａには、超高圧タービン（不図示）を経た後にボイラＢで再加熱された高圧蒸気Ｓ１が、連結管８０Ａを介してマニホールド３ａに供給される。そして、高圧蒸気Ｓ１は、ロータ部材３０に沿って環状流路３Ａに導入され、動翼列１２Ａと静翼列５２Ａとを順に流れることでロータ１０に回転力を付与する。環状流路３Ａを経た高圧蒸気Ｓ１は、排出ノズル６４Ａを介して、高圧タービン１Ａから排出されてボイラＢに送られる。

一方、例えば、中圧タービン１Ｂには、高圧タービン１Ａから排出された後にボイラＢで再加熱された中圧蒸気Ｓ２が、連結管８０Ｂを介してマニホールド３ｂに供給される。そして、中圧蒸気Ｓ２は、マニホールド３ｂからシール部材９４Ｂに沿って環状流路３Ｂに導入され、環状流路３Ｂにおいて動翼列１２Ｂと静翼列５２Ｂとを順に流れることで、ロータ１０に回転力を付与する。環状流路３Ｂを経た中圧蒸気Ｓ２は、排出ノズル６４Ｂを介して、中圧タービン１Ｂから排出されてボイラ（不図示）に送られる。

この際、ロータ１０におけるロータ部材３０の内部が中空に形成されていることで熱容量が小さくなっていることから、ロータ部材３０の内部（より正確には肉部）において外側と内側との温度差がつき難い。
換言すれば、ロータ部材３０が中空に形成されていることで、ロータ部材３０の外周端から内周端までの熱伝達経路の距離が、ロータ部材３０を中実に形成した場合に比べて短くなっており、高圧蒸気Ｓ１からロータ部材３０の外周端に伝達した熱が、ロータ部材３０の内周端まで速やかに伝導（到達）する。このため、ロータ部材３０の内部においてタービン径方向の温度勾配が緩やかになって、ロータ部材３０の内部の外側と内側とが同様の温度となる。

ロータ部材３０の内部において外側と内側とに生じる温度差に比例して、ロータ部材３０の外側と内側との熱伸びの差も僅かなものとなる。このため、ロータ部材３０の内部において生じる熱応力が大幅に抑制される。
このような状態を継続させながら、ロータ部材３０は、高中圧タービンＴ１の運転状態の温度まで全体的に昇温することとなる。
そして、高中圧タービンＴ１は、起動状態から定常状態に移行する。定常状態に移行した後には、ロータ部材３０は、全体的に一定の温度となって回転する。

以上説明したように、高中圧タービンＴ１によれば、Ｎｉ基合金からなるロータ部材３０がタービン軸方向全部に亘って内部が中空であるので、内部を中実に形成した場合と比較して、ロータ部材３０の熱容量が小さくなる。これにより、高中圧タービンＴ１において迅速な起動をした場合に、ロータ部材３０内部の外側と内側とに生じる温度差が抑制されてロータ部材３０が全体的に昇温する。これにより、ロータ部材３０の内部に生じる熱応力を抑制することができる。従って、高中圧タービンＴ１の迅速な起動を許容し、かつ、ロータ１０に生じる熱応力を抑制することができる。

また、軸体１１がロータ部材３０に対してタービン軸方向に隣接すると共に高Ｃｒ鋼からなるロータ部材２０，４０を含むので、軸体１１全体をＮｉ基合金で形成した場合に比べて、ロータ１０のコストを抑えることができる。さらに、Ｎｉ基合金と比較して優れた成型容易性を有する高Ｃｒ鋼で、軸体１１の一部を形成することで、ロータ１０の製造を容易に行うことができる。

また、ロータ部材３０が表２の組成からなるＮｉ基合金で形成することで、室温から７００℃までの平均線膨張係数が他の組成のＮｉ基合金と比較して小さくなる。これにより、他の組成のＮｉ基合金と比較して、ロータ部材３０に熱伸びが生じ難くなるので、ロータ部材３０の内部に生じる熱応力を更に抑制することができる。
また、ロータ部材２０，４０に表１の組成からなる高Ｃｒ鋼で形成すると共に、ロータ部材３０に表２の組成からなるＮｉ基合金を形成することで、互いの線膨張係数の差が小さくなる。これにより、ロータ部材２０，４０と、ロータ部材３０との接合部の強度確保が可能である。

また、ロータ部材３０のタービン軸方向中央側の肉厚が、内径Ｄ１の外径Ｄ２に対する比の値が１／２以上となるように形成されているので、ロータ部材３０の内部の外側と内側とに生じる温度差を更に抑制し、ロータ部材３０の内部に生じる熱応力を更に抑制することができる。一方、ロータ部材３０のタービン軸方向中央側の肉厚が、ロータ部材３０のタービン軸方向における両端部３０ａ，３０ｂの肉厚ｄ以上となるように形成されているので、必要な強度を確保することができる。

さらに、本発明に係る高中圧タービンＴ１は、ロータ１０を備えるので、７００℃級以上の蒸気条件においてＮｉ基合金を用いたとしても、高中圧タービンＴ１の迅速な起動が許容され、かつ、ロータ１０に生じる熱応力が抑制される。これにより、良好な運転性能を得ることができると共にロータ１０の破損を防止することができる。そして、蒸気Ｓ１，Ｓ２を比較的に高温（約７００℃）に設定することでＣＯ_２排出量削減や更なる熱効率向上の要請に十分に応えることができる。

『第二実施形態』
以下、本発明の第二実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の説明及びその説明に用いる図面において、既に説明を終えた構成要素と同様の構成要素については、同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

図３は、本発明の第二実施形態に係る高中圧タービン（回転機械）Ｔ２における軸体１１_Ａの拡大断面図である。
上述した第一実施形態の軸体１１が一体的に形成されたロータ部材３０を有していたのに対して、図３に示すように、本実施形態に係る高中圧タービンＴ２の軸体１１_Ａは、ロータ部材３０に相当する位置にロータ部材（第一ロータ部材）３２Ａ，３２Ｂが配設されている。

ロータ部材３２Ａ，３２Ｂは、ロータ部材３０と同様に、Ｎｉ基合金で形成されており、タービン軸方向の両端部（接合端部）３２ａ，３２ｂがそれぞれ皿状に窪んでいる。このロータ部材３２Ａ，３２Ｂのそれぞれの内部は中空に形成されている。
ロータ部材３２Ａの一端部３２ａは、ロータ部材４０の他端部４０ｂと突き合わされた状態で溶接によって接合されている。
ロータ部材３２Ｂの一端部３２ｄは、ロータ部材２０の一端部２０ａと突き合わされた状態で溶接によって接合されている。
また、ロータ部材３２Ａの他端部３２ｂと、ロータ部材３２Ｂの他端部３２ｃとは、互いに突き合わされた状態で溶接（共材溶接）によって接合されている。

ロータ部材３２Ａは、軸線Ｐ上においてタービン軸方向に一定の内径Ｄ１で形成された孔３１Ａが延びている。ロータ部材３２Ｂは、軸線Ｐ上においてタービン軸方向に一定の内径Ｄ３（≠内径Ｄ１）で形成された孔３１Ｂが延びている。
すなわち、ロータ部材３２Ａ，３２Ｂは、相互に異なる内径となっている。

この高中圧タービンＴ２によれば、上述した第一実施形態の主要な効果を得ることができる他、マニホールド３ａ及び露出部３ｃにおいて、それぞれの内径（Ｄ１≠Ｄ３）が相互に異なるので、マニホールド３ａ及び露出部３ｃ（高圧タービン１Ａ、中圧タービン１Ｂ）においてそれぞれ温度分布を調整することができる。
なお、ロータ部材３２Ａ，３２Ｂを同一の内径にしても、上述した第一実施形態の主要な効果を得ることが可能である。

『第三実施形態』
以下、本発明の第三実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の説明及びその説明に用いる図面において、既に説明を終えた構成要素と同様の構成要素については、同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

図４は、本発明の第三実施形態に係る高中圧タービン（回転機械）Ｔ３における軸体１１_Ｂの拡大断面図である。
上述した第二実施形態の軸体１１_Ａが孔３１Ｂを含むロータ部材３２Ｂを有していたのに対して、図４に示すように、本実施形態に係る高中圧タービンＴ３の軸体１１_Ｂは、ロータ部材３２Ｂに代えて中実のロータ部材３３を有している。
ロータ部材３３は、Ｎｉ基合金で形成されており、一端部（接合端部）３３ａがロータ部材３２Ａの他端部３２ｂに突き合わされた状態で、また他端部３３ｂがロータ部材２０の一端部２０ａに突き合わされた状態で、それぞれ溶接によって接合されている。

この高中圧タービンＴ３によれば、ロータ部材３２Ａにおいて上述した第一実施形態及び第二実施形態の主要な効果を得ることができる他、ロータ部材３３の内部が中実に形成されているので、中圧タービン１Ｂにおいてロータ部材３３の剛性を高めることができる。
なお、ロータ部材３３の内部を中空にすると共に（ロータ部材３２Ｂ）、ロータ部材３２Ａの内部を中実に形成しても構わない。

『第四実施形態』
以下、本発明の第四実施形態について図を用いて説明する。なお、以下の説明及びその説明に用いる図面において、既に説明を終えた構成要素と同様の構成要素については、同一の符号を付して、重複した説明を省略する。

図５は、本発明の第四実施形態に係る高中圧タービン（回転機械）Ｔ４における軸体１１_Ｃの拡大断面図である。
上述した第二実施形態の軸体１１_Ａが孔３１Ａ，３１Ｂがそれぞれ一定の内径Ｄ１，Ｄ３で形成されたロータ部材３２Ａ，３２Ｂを有していたのに対して、図５に示すように、本実施形態に係る高中圧タービンＴ４の軸体１１_Ｃは、それぞれに形成された孔３５Ａ，３５Ｂの内径がタービン軸方向の各部位で相違するロータ部材（第一ロータ部材）３４Ａ，３４Ｂを有している。

ロータ部材３４Ａの孔３５Ａは、例えば、タービン軸方向の他方側から一方側に向けて漸次内径が小さくなるように、先細り状に形成されている。
ロータ部材３４Ｂの孔３５Ｂは、例えば、タービン軸方向の一方側から他方側に向けて漸次内径が小さくなるように、先細り状に形成されている。

この高中圧タービンＴ４によれば、上述した第一実施形態及び第二実施形態の主要な効果を得ることができる他、タービン軸方向の各部位において、ロータ部材３４Ａ，３４Ｂの内径（孔３５Ａ，３５Ｂ）がそれぞれ異なるので、ロータ部材３４Ａ，３４Ｂ（高圧タービン１Ａ、中圧タービン１Ｂ）のそれぞれにおいてタービン軸方向に温度調整をすることができる。

なお、本実施形態においては、タービン軸方向の一方側から他方側に向けて漸次内径が小さくなるように、先細り状に孔３５Ａを形成したが、タービン軸方向の他方側から一方側に向けて漸次内径が小さくなるように形成してもよい。また、孔３５Ａの一部に一定の内径で形成された部分があってもよい。また、孔３５Ａの内径がタービン軸方向において増加した後に減少する部分があってもよい。孔３５Ｂについても同様である。
また、本実施形態と同様に、第一実施形態から第三実施形態の各孔の内径をタービン軸方向に変化させてもよい。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、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。
例えば、上述した実施形態においては、ロータ部材２０，３０，４０，３２Ａ，３２Ｂ３３，３４Ａ，３４Ｂのタービン軸方向の端部を皿状に形成したが、他の形状でタービン軸方向に窪みを形成してもよい。また、平タービン軸方向に窪みを形成せずに、平状に形成してもよい。

また、上述した実施の形態では、高中圧タービンＴ１〜Ｔ４に本発明を適用した場合について説明したが、他の圧力域のタービンに本発明を適用してもよい。また、タービン以外の回転機械に本発明を適用してもよい。

１Ａ…高圧タービン（回転機械）
１Ｂ…中圧タービン（回転機械）
３（３Ａ，３Ｂ）…環状流路（流路）
３ａ…マニホールド（作動流体導入部）
３ｃ…露出部（作動流体導入部）
１０…ロータ
１０ａ…外周
２０…ロータ部材（第二ロータ部材）
３０…ロータ部材（第一ロータ部材）
３０ａ，３０ｂ…両端部（接合端部）
３２Ａ，３２Ｂ…ロータ部材（第一ロータ部材）
３２ａ，３２ｂ…両端部（接合端部）
３２ｃ，３２ｄ…両端部（接合端部）
３３…ロータ部材（第一ロータ部材）
３３ａ…一端部（接合端部）
３４Ａ…ロータ部材（第一ロータ部材）
３４Ｂ…ロータ部材（第一ロータ部材）
４０…ロータ部材（第二ロータ部材）
５０…ステータ
Ｐ…軸線
ｄ…肉厚
Ｄ１，Ｄ３…内径
Ｄ２…外径
Ｓ１…高圧蒸気（作動流体）
Ｓ２…中圧蒸気（作動流体）
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４…高中圧タービン（回転機械）

Claims

軸線周りに延びる外周部の周囲をステータに囲われ、該ステータと前記外周部との間に画定された流路に作動流体が流通する回転機械のロータであって、
前記軸線が延びる軸方向に相互に接合された複数のロータ部材を有し、
これら複数のロータ部材のうち、前記流路の作動流体導入部における第一ロータ部材が、Ｎｉ基合金からなり、前記軸方向全部に亘って内部が中空であることを特徴とする回転機械のロータ。
前記複数のロータ部材は、前記第一ロータ部材に対して前記軸方向に隣接すると共に高Ｃｒ鋼からなる第二ロータ部材を少なくとも一つ含むことを特徴とする請求項１に記載の回転機械のロータ。
前記第一ロータ部材は、前記軸方向中央側の肉厚が、内径の外径に対する比の値が１／２以上となるように、かつ、前記第一ロータ部材の前記軸方向の端部の肉厚以上となるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転機械のロータ。
前記作動流体導入部が複数形成され、
前記第一ロータ部材は、前記複数の作動流体導入部のうち少なくとも二つ以上において、それぞれの内径が相互に異なることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。
前記第一ロータ部材は、前記軸方向における複数の部位において、それぞれの内径が相互に異なることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。
前記第一ロータ部材は、少なくとも前記軸方向の一部分において、他方側から一方側に向けて漸次内径が小さくなるように先細り状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。
前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜１５％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの一種又は二種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２５％、Ａｌ：０．２〜２％、Ｔｉ：０．５〜４．５％、Ｆｅ；１０％以下、Ｂ：０．０２％以下及びＺｒ：０．２％以下の一種又は二種を含有し、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が２．５〜７．０％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。
前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｍｏ：１７〜２６％であって、Ｍｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２７％、Ａｌ：０．１〜２％、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｆｅ；１０％以下、Ｂ：０．０２％以下及びＺｒ：０．２％以下、Ａｌ＋Ｔｉの原子％が１〜５．５％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。
前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの一種又は二種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：１７〜２７％、Ａｌ：０．１〜２％、Ｔｉ：０．１〜２％、Ｆｅ：１０％以下、Ｂ：０．００１〜０．０２％及びＺｒ：０．００１〜０．２％、Ｎｂ＋Ｔａ／２：１．５％以下、Ｃｏ：５％以下であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。
前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｃｒ：５〜２０％、Ｗ：１０％以下であって、Ｍｏ、Ｗ及びＲｅの一種又は二種以上をＭｏ＋（Ｗ＋Ｒｅ）／２：５〜２０％、Ａｌ：０．１〜２．５％、Ｔｉ：０．１０〜０．９５％、Ｆｅ：４％以下、Ｂ：０．００１〜０．０２％及びＺｒ：０．００１〜０．２％、Ｎｂ＋Ｔａ／２：１．５％以下、Ａｌ＋Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｔａの原子％が２．０〜６．５％であり、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。
前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．００５〜０．１％、Ｃｒ：８〜１５％、Ｗ：５〜２０％、Ｍｏ：１〜７％、Ａｌ：０．５〜１．０％、Ｔｉ：１．０〜２．５％、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。
前記Ｎｉ基合金が、重量％で、Ｃ：０．００５〜０．１５％、Ｃｒ：８〜２２％、Ｃｏ：５〜３０％、Ｗ：５〜２０％、Ｍｏ：１〜９％、Ａｌ：０．１〜２．０％、Ｔｉ：０．３〜２．５％、Ｂ：０．０１５％以下、Ｍｇ：０．０１％以下、残部Ｎｉと不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。
ステータと、
軸線周りに延びる外周部の周囲をステータに囲われ、前記ステータと前記外周部との間に画定された流路に作動流体が導入されるロータと、を有する回転機械であって、
前記ロータとして請求項１から１２のうちいずれか一項に記載の回転機械のロータ。