JPH04325701A - 高速回転体の中心孔応力低減方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は例えばタービンロータ、
圧縮機ロータ、発電機ロータ、電動機ロータ等の高速回
転体の中心部にその軸方向に沿って穿設した中心孔の応
力を低減させる高速回転体の中心孔応力低減方法に関す
る。

【０００３】

【従来の技術】一般に、タービンロータ等の高速回転体
の材料は鍛造によって製造され、タービンロータのよう
にほぼ柱状の大型鍛造品においては、図７に示すように
、ロータ１の中心部に材料欠陥６が集中して発生しやす
い。タービンロータは高速回転体であるため周速が非常
に大きく、遠心力によって生ずる応力は周速の２乗に比
例するから高速回転ロータの場合には、この遠心力によ
って生ずる応力がその信頼性に与える影響は非常に重要
である。

【０００４】ところで、ロータ１をその回転軸に沿った
方向の微小長さの幅で抽出して考えると、二次元回転円
板の遠心応力問題として取り扱うことが可能である。図
８に示すような中実回転円板９を考えた場合、円周応力
σｔｓは、

【０００５】

【数１】

【０００６】で与えられることがわかる。ここで、（１
）式においてｘ＝ｒ／ｂで、ｂは円板の外半径，ｒは円
板内部の任意の半径であり、γは比重量，ｖは周速（ｖ
＝ｂω），ωは回転円板の角速度，ｇは重力加速度，ν
は材料のポアソン比を示している。（１）式は円板の中
央に孔を有していない中実回転円板９では円周応力は正
の値であり、中心（ｒ＝０）における円周応力（　σｔ
ｓ　）ｍａｘ　は

【０００７】

【数２】

【０００８】となる。

【０００９】他方、図９に示すような円形の中心孔２を
有する中空回転円板１０ではその円周応力σｔ　は、

【
００１０】

【数３】

【００１１】で与えられる。ここで、αは内半径ａと外
半径ｂとの比（α＝ａ／ｂ）である。この場合、内外径
比αが一定であれば、中心に近いほど円周応力は高く、
特に内半径ａが非常に小さいとき、すなわち内外径比α
が０に近い場合、円周応力σｔ　は中心孔２の近傍で急
激に増大し、その極限において、

【００１２】

【数４】

【００１３】となる。（２）式と（４）式とを比較する
と、微小な中心孔の縁における円周応力は応力集中のた
めに中実回転円板９の中心における応力の２倍に等しく
なることがわかる。円形の中心孔２を有する中空回転円
板１０の円周応力の分布を図１０に示す。図１において
、＋は引張応力を、−は圧縮応力をそれぞれ示している
。

【００１４】大型の鍛造品においては、その中心部に材
料欠陥が生じやすく、しかもタービンロータのような高
速回転体では、遠心力による応力が中心部で最大になる
ということに注意を払う必要がある。中実のロータとし
て設計した場合、もしロータ中心部に欠陥が存在すれば
、その欠陥の形状や大きさによっては極度の応力集中が
発生する可能性があるため、材料強度が不確実となる。 このような不確実性を除去するために、通常タービンロ
ータ等の高速回転体では回転体の軸方向に沿って中心孔
を穿設することが多い。このような穿孔によって中心孔
表面の円周応力は中実の健全な回転体の最大応力の約２
倍になるが、材料欠陥による材料強度の不確実性を回避
できることと、鍛造品内部の材料の健全性が調査できる
ことを好材料とみなして中心孔を穿設するのが通常であ
る。

【００１５】ところで、近年蒸気タービン等の大型回転
機械では、性能向上および建設費低減のために最終段翼
等の長翼化が進み、ロータ中心孔表面の円周応力が許容
値の限界に達するような事例が予想されている。このよ
うな場合、その対応方法としては新材料を開発するなど
材料をグレードアップするか、材料欠陥による材料強度
の不確実性というリスクに注意しつつ中心孔を廃止する
か、さらにタービンロータではロータホイール削正、羽
根材料として低比重金属の採用等の方法がリストアップ
されるものの、いずれも実現困難であったり、長期に亘
る材料開発を要する問題がある。

【００１６】他の対応方法としては、中心孔表層部に円
周方向の圧縮残留応力を付与する方法がある。中心孔表
層部に圧縮残留応力を付与する方法としては、電動機等
において実施されることがあるオーバースピード試験が
あり、オーバスピード試験は回転体を過速度で回転させ
、中心孔表層部の応力が材料の降伏点を超過する程度ま
で回転させる方法である。この場合、中心孔まわりの材
料には永久歪が発生し降伏を起こしているが、この中心
孔まわりの降伏部分は降伏を起こしていない外側の部分
によって圧縮され、いわゆる圧縮残留応力が付与された
状態となる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
に示すようにタービンロータ５０の場合は、翼５１およ
び翼植込部５２の応力がロータの中心孔２の応力よりも
大きい場合が多く、その場合、翼５１の構造、機能およ
び強度に不都合が生じる可能性があり、オーバースピー
ド試験によるロータ中心孔残留応力付与は常に採用でき
る方法ではない。また、オーバースピード試験でロータ
中心孔表層に圧縮残留応力を発生させるためには、定格
回転にロータの中心孔２の応力が材料の降伏応力にほぼ
等しい値となるように設計することが肝要であって、タ
ービンロータのような複雑な形状のロータの場合には、
そのような設計は困難であり、大きなリスクを伴う方法
である。

【００１８】上記のように、中心孔を有する回転体ロー
タの中心孔部位の円周方向応力が許容値に達するような
事例が予想されてきている。その中心孔応力低減方法と
してオーバースピード試験による残留応力付与の方法も
考慮されるが、タービンロータのような複雑な構造を有
するロータに対しては必ずしも推奨できる方法ではない
。

【００１９】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、タービンロータのような複雑な構造を有する高
速回転体の中心孔表層の応力を確実に低減することが可
能で、且つ高速回転体を構成する部位、部品の構造、機
能および強度に不具合を与えることがなく、容易に実施
できる高速回転体の中心孔応力低減方法を提供すること
を目的とする。 〔発明の構成〕

【００２０】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明に係る高速回転体の中心孔応力低減方法
は、高速回転体の軸方向に穿設された中心孔に、高速回
転体材料の降伏応力以上の圧力の高圧流体を直接作用さ
せ、上記中心孔の表層部を塑性変形させてこの表層部に
中心孔の円周方向に圧縮残留応力を発生させる方法であ
る。

【００２１】

【作用】上記の構成を有する本発明においては、中心孔
に高速回転体材料の降伏応力以上の圧力の高圧流体を直
接作用させ、中心孔の表層部に圧縮残留応力を発生させ
ておくことによって、回転時に中心孔に発生する過大な
引張応力を低減させることができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００２３】従来の構成と同一または対応する部分には
図７〜図１１と同一の符号を付して説明する。

【００２４】図１は本発明の一実施例を適用したタービ
ンロータを示す。タービンロータ１はその中心部に軸方
向に沿って中心孔２が穿設されており、この中心孔２の
表面３にロータ材料の降伏応力σＹ　以上の大きさを有
する油圧等の高圧流体４を直接作用させることによって
、中心孔２の表層部に圧縮残留応力を発生させておき、
ロータ回転時に中心孔２の表面３に発生する過大な引張
応力を低減させている。

【００２５】中心孔２に高圧流体４による圧力が作用し
た場合には、タービンロータ１をその回転軸に沿った微
小長さの幅で抽出して考えると、内圧を受ける二次元厚
肉中空円板として取り扱うことができる。図２（Ａ）に
示すように内圧を受ける中空回転円板１０の円周応力σ
ｔｐは、

【００２６】

【数５】

【００２７】である。この応力の分布状態を図２（Ａ）
に表示すると、厚肉円筒であるタービンロータ１の内表
面（中心孔２の表面３）で大きく、外表面１１に向かっ
て漸減する引張応力となる。（５）式において、ａはタ
ービンロータ１の内半径（中心孔２の半径），ｂはター
ビンロータ１の外半径，ｐは高圧流体４の圧力，ｒは厚
肉円筒（タービンロータ１）内部の任意の点の半径であ
る。

【００２８】このとき、高圧流体４の圧力ｐがロータ材
料の降伏応力σＹ　よりも大きければ、タービンロータ
１の中心孔２の表面３およびその近傍では円周応力が降
伏点を越えて永久歪が発生する。その後、高圧流体４の
圧力を下げて中心孔２の表面３に作用する内圧を取り除
くと、永久歪が発生した表面３およびその近傍の部位は
その周囲の降伏を起こしていない外側の部分によって圧
縮され、図２（Ｂ）に示すような圧縮応力７が残留した
状態となる。したがって、タービンロータ製造時に本実
施例を適用すれば、中心孔２の表面３に図２（Ｂ）に示
す圧縮応力７を残留させることができる。

【００２９】中心孔２の表面３に図２（Ｂ）に示すよう
な圧縮残留応力を予め付与してあるタービンロータ１を
回転させた場合のタービンロータ１の円周応力分布は図
２（Ｂ）と図１０にそれぞれ示した円周応力の重ね合わ
せとして得られ、図２（Ｃ）に示す応力分布となる。す
なわち、図２（Ｃ）は図１０に示されたロータ中心孔表
面の過大な引張応力が図２（Ｂ）に示される圧縮応力７
によりσのように軽減されることを示している。図２（
Ｂ）において、若干量の引張応力８が作用している部位
は、本実施例を適用しない場合に比べて回転時の円周応
力は若干量増加するが、本実施例を適用しない場合の中
心孔２の表面３の円周応力（図１０参照）に比べて大幅
に小さい値であり、タービンロータの構造、機能および
強度に不具合を及ぼすものではない。

【００３０】したがって、本実施例ではロータ本体およ
びロータ構成部品（例えばタービンロータにおける羽根
）の構造、機能および強度に不具合を発生させることな
く、容易に且つ確実に実施可能である。

【００３１】次に、本発明の具体例であるロータ中心孔
に高圧流体による圧力を作用させるときの高圧流体封止
方法について説明する。

【００３２】ロータ中心孔内部にロータ材料の降伏応力
以上の圧力を有する高圧流体を注入し封止する方法とし
て、降伏応力の低い材料をロータ材料として使用してい
る場合、またはロータ中心孔の直径が非常に小さい場合
には、図６に示すようにタービンロータ１の両端に存在
するカップリングフランジ４０，４１にＯリング４４を
介して盲フランジ４２，４３をボルト４５およびナット
４６で取付け、盲フランジ４２に穿設した細孔４２ａを
耐圧配管１５を用いて油圧発生装置等の高圧流体発生装
置１６に接続するという方法でも実施可能なこともある
。

【００３３】しかしながら、蒸気タービンロータのよう
に材料の降伏応力が高く（一般に５０ｋｇｆ／ｍｍ２　
程度かそれ以上）、しかも中心孔２の直径が大きい（一
般に５０ｍｍ程度）場合には図６に示す封止方法では盲
フランジ４２，４３に作用する荷重が過度に大きな値と
なって高圧流体４を封止することは事実上困難であるか
、あるいは可能であったとしても組み立てに多大な労力
を要し実用的ではない。

【００３４】このような場合、図１に示すように両端に
円周方向の溝１７を形成して、この円周溝１７の内部に
リング状シール部材１８を嵌合させた棒状の高圧流体封
止治具１９を中心孔２の内部に挿入し、図３に示すよう
にリング状シール部材１８の内周面２０に高圧流体５を
作用させてリング状シール部材１８の径および幅を増大
させ、シール部材１８の外周面２１を中心孔２の表面３
に高面圧で接触させるとともに、リング状シール部材１
８の側面２２，２３を高圧流体封止治具１９の円周溝１
７の側壁２４，２５にも高面圧で接触させるようにすれ
ばよい。

【００３５】ここで、リング状シール部材１８はシール
リング等に使用される高分子材料を用いるが、可塑性に
富んだ銅および銅合金等の軟らかい金属の使用も可能で
ある。シール部材として金属を使用する場合には、図４
に示すように高圧流体封止治具をシール部材嵌合溝部で
封止プラグ３０と支柱３１からなる分割構造にして円周
溝１７に金属製のシール部材１８を嵌合させた後、ねじ
３２等の締結手段によって組み立てることによって実現
可能となる。なお、図４において３３はパッキンである
。

【００３６】また、高圧流体封止効果を確実なものとす
るためには、図５に示すようにシール部材１８における
外周部に高圧流体４が作用しない側面を面取りにより除
去して角部２８を形成し、シール部材１８の内周面の面
積に比べてその外周面と中心孔２表面との接触面積を小
さくして高圧流体４の圧力よりも高い面圧で、シール部
材１８と中心孔２を接触させればよい。

【００３７】シール部材１８の内周面の高圧流体５は、
１台の高圧流体発生装置によってロータ中心孔内の高圧
流体４と同一の圧力を同時に作用させることによっても
達成できるが、シール効果を確実なものとするには、図
１に示すようにそれぞれの耐圧配管１５に開閉バルブ２
６，２７を配置して、まずシール側の開閉バルブ２６を
開にしてリング状シール部材１８の内周面に圧力を作用
させ、次いでシール部材１８とロータ中心孔表面３とを
接触させた後、中心孔側の開閉バルブ２７を開にしてロ
ータ中心孔表面３に圧力を作用させることが効果的であ
る。なお、シール用と中心孔用に高圧流体発生装置を１
台づつ合計２台または２台以上使用してもよいことは自
明である。

【００３８】図１，図３および図４に示した実施例では
、タービンロータ１の中心孔２と高圧流体封止治具１９
との間に注入された高圧流体４の圧力によって同封止治
具１９が受ける軸方向の荷重は中心孔２と高圧流体封止
治具１９との間隙を小さくすることによって抑制するこ
とが可能であり、封止治具１９に作用する軸方向応力を
実用範囲内とすることが可能となっている。

【００３９】このように本実施例を適用することにより
、ロータ中心孔表面に圧縮応力と残留応力を確実にしか
も他の部位およびロータ構成部品に不具合を発生させる
ことなく、且つ容易に作用させることが可能となり、回
転中に発生するロータ中心孔の過大な応力を低減できる
。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る高速
回転体の中心孔応力低減方法によれば、高速回転体の中
心孔表面に圧縮残留応力を確実、安全且つ容易に発生さ
せることができ、回転中に発生する高速回転体の中心孔
応力を大幅に低減できる。その結果、高速回転体の信頼
性を著しく向上させることができるという効果を奏する
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を適用したタービンロータを
示す縦断面図。

【図２】（Ａ）は内圧を受ける中空回転円板の円周応力
分布図、（Ｂ）は中空回転円板の残留応力分布図、（Ｃ
）は圧縮残留応力を与えた円板を回転させた場合の円周
応力分布図。

【図３】高圧流体封止構造を詳細に示す縦断面図。

【図４】高圧流体封止構造の変形例を示す縦断面図。

【図５】シール面圧を高めた高圧流体封止構造を示す縦
断面図。

【図６】高圧流体封止方法の別の例を示す縦断面図。

【図７】ロータ中心部の材料欠陥を示すロータ素材の縦
断面図。

【図８】中実回転円板の説明図。

【図９】中空回転円板の説明図。

【図１０】中空回転円板の円周応力分布図。

【図１１】タービンロータの部分縦断面図。

【符号の説明】

１　　タービンロータ ２　　中心孔 ３　　表面 ４　　高圧流体 １０　　中空回転円板 １６　　高圧流体発生装置 １８　　リング状シール部材 １９　　高圧流体封止治具 ２０　　内周面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　高速回転体の軸方向に穿設された中心
   孔に、高速回転体材料の降伏応力以上の圧力の高圧流体
   を直接作用させ、上記中心孔の表層部を塑性変形させて
   この表層部に中心孔の円周方向に圧縮残留応力を発生さ
   せることを特徴とする高速回転体の中心孔応力低減方法
   。