JPH0452363B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は焼ばね型ロータを有する蒸気タービ
ンの腐蝕防止装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に、蒸気タービンのロータには、一体に鍛
造された合金鋼等の素材から機械加工によつて製
造するもの、円板状の素材を溶接により一体化
し、その後機械加工によつて製造するもの、機械
加工が完了しタービン羽根を植込んだ円板をロー
タシヤフトに焼ばめによつて結合するもの等の種
類がある。このうち、焼ばめ型ロータは、素材が
ロータシヤフトと複数の円板とに分割されている
ため、比較的小規模の鍛造素材から大型のロータ
を製造することが可能であり、この利点の故に永
年にわたつて使用されてきた。

第１図は従来の焼ばめ型ロータの一例を示すも
のであり、各円板１の内径d₁はいずれもロータシ
ヤフト２の外径d₂に対し、常温の状態において、
焼ばめ代として知られる寸法だけ小さく製造され
ている。この円板１をロータシヤフト２に結合す
る際はロータシヤフト２の温度を上げず円板１の
み加熱して熱的に膨張させ、円板１の内径寸法d₁
をロータシヤフト２の外径寸法d₂より大きな状態
にしてロータシヤフト２を挿入し、所定の位置に
設置した後、円板１を冷却して熱的な収縮により
円板１とロータシヤフト２を互いに固定させる。

一方、円板１の外周部には複数の羽根３が植設
される。円板１とロータシヤフト２の間には、第
２図に示すようにボアキー溝４，５が形成され、
このキー溝４，５内に円板ボアキー６が設けられ
る。この円板ボアキー６は異常な運転状態下にお
いて、焼ばめがゆるんだ場合にも円板１がロータ
シヤフト２に対して相対的に回転することを防止
するものである。なお、第１図において矢印Ａは
蒸気の流れを示している。

しかしながら、この焼ばめ型ロータにおいて
は、円板１をシヤフト２に焼ばめにより固定して
いるため、応力腐蝕割れ（Stress Corrosion
Cracking）という、ロータの信頼性を低下し、
寿命を縮める現象が発生するおそれがある。この
応力腐蝕割れの発生メカニズムの１つとして、酸
素を含んだ水または水蒸気により、金属の表面酸
化被膜が局部的に破壊され、かつ材料に引張応力
が作用することによつてその部分が選択的に溶解
され、腐蝕割れが生じるタイプのものが挙げられ
る。一般的に応力腐蝕割れは、材料が割れに対す
る感受性を有すること、限界値以上の高い応力が
作用すること、および材料の局部的な酸化被膜の
生成と破壊を受ける環境下におかれていることの
３つの要因が重なつたときに発生する。

このうち材料の応力腐蝕割れに対する感受性は
材料強度と密接な関係を持ち、一般に引張強度の
高い材料ほど割れ感受性も高くなる。焼ばめ型ロ
ータの円板１は、その作用応力が高い点から引張
強度の高い低合金鋼を使用せざるを得ず、今後、
割れ感受性の全くない材料を選択または開発する
ことは殆んど不可能である。

つぎに、焼ばめ型ロータの円板１の応力につい
てみると、円板１には初期の焼ばめに起因する焼
ばめ応力と、回転にともない円板１自身およびタ
ービン羽根３に遠心力が作用することに起因する
遠心応力とが発生し、その応力値は、円板１の内
径側ほど高くなる。特に、第２図に詳示するボア
キー６の周囲のボアキー溝４においては、形状に
起因する応力集中が発生し、作用応力にしばしば
応力腐蝕割れの発生限界値をこえる場合がある。

さらに、環境の点では、タービン発電プラント
における蒸気の性状は、蒸気発生器（ボイラ、原
子炉等）復水器、給水器等の全体的な仕様によつ
て決定され、円板１の応力腐蝕割れにのみ注目し
た微妙な水質管理を行うことは困難である。特に
沸騰水型原子力発電プラントにおいては、原子炉
内で発生する酸素が蒸気とともに蒸気タービンに
混入することを避けることはできない。

前述した従来の焼ばめ型ロータの円板１のボア
キー溝４の近傍においては、前述した材料、応力
および環境の３つの因子が重なるため応力腐蝕割
れの発生するおそれがあつた。そして、円板１に
応力腐蝕割れが発生し、この発生した応力腐蝕割
れが非破壊検査等によつて未然に検知されなかつ
た場合は、円板１の破壊につながることもある。

〔発明の目的〕

この発明は、上述した点を考慮し、焼ばめロー
タ円板部の応力腐蝕割れの要因を取除き、ひいて
はロータの信頼性を向上させ、その寿命を向上さ
せるようにした蒸気タービンの腐蝕防止装置を提
供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上述した目的を達成するために、この発明に係
る蒸気タービンの腐蝕防止装置は、ロータシヤフ
トに焼ばめされた複数の円板のハブ間に微小間隙
を形成し、上記各円板間に静止側に固定されたノ
ズルダイヤフラムを設け、上記ノズルダイヤフラ
ムの内輪に蒸気の漏洩を防止するラビリンスパツ
キンを設けた蒸気タービンにおいて、上記ノズル
ダイヤフラムおよびラビリンスパツキンに外部か
ら清浄な蒸気を供給する蒸気供給路を形成してな
り、この蒸気供給路は途中に環状の蒸気供給室を
有し、上記蒸気供給室には清浄な供給蒸気の周方
向圧力分布を一様にする多孔オリフイス板が介装
され、このオリフイス板の下流側はラビリンスパ
ツキンに穿設された複数の蒸気供給孔を経て前記
微小間隙部に連通され、さらに、上記微小間隙部
をバイパスする漏洩蒸気バイパス路がラビリンス
パツキンに設けられたものである。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の好ましい実施例について添付
図面を参照して説明する。

この発明の一実施例を説明するに際し、従来の
蒸気タービンと同一部材には同じ符号を付し、説
明を省略する。

第３図はこの発明に係る蒸気タービンの腐蝕防
止装置を示すもので、円板１，１…はロータシヤ
フト２に焼ばめ等により圧入固定され、隣接する
各円板１，１…のハブ１ａ，１ａ…間に微小間隙
７が形成され、各ハブ１ａ，１ａ…同士の熱膨脹
による衝突を防いでいる。

しかして、原子炉等の蒸気発生器からの主蒸気
は、大部分が応力腐蝕割れの恐れのないタービン
羽根（動翼）３を通過して仕事をし、残りのわず
か１％前後の蒸気がノズルダイヤフラム８の先端
のラビリンスパツキン９から漏洩し、この漏洩し
た蒸気が円板１のハブ１ａ周辺の環境条件を支配
することに着目し、不純物を含有しない清浄な蒸
気を円板１，１…ハブ１ａ，１ａ間の間隙７を介
入してキー溝４，５内に積極的に供給し、応力腐
蝕割れを防止するようにしたものである。このた
め、ボイラ、原子炉等のような本来の発電プラン
トに固有な蒸気発生器（図示せず）のほかに清浄
な蒸気を発生する小型の蒸気源（図示せず）が設
けられている。この蒸気源からは蒸気配管１１が
延びており、この蒸気配管１１はタービンケーシ
ング１２に貫設された蒸気供給管１３を介してノ
ズルダイヤフラム８の基部と接続されている。

さらに、ノズルダイヤフラム８には、ケーシン
グ１２の半径方向の蒸気供給孔１４が穿設され、
その先端部はノズルダイヤフラム内輪８ａの内周
に沿つて周方向にスリツト状に穿設された環状の
蒸気供給室２２と連通しており、この蒸気供給室
２２にはその両側壁に円周溝が設けられ、この円
周溝内に多孔オリフイス板２３が挿入され介装さ
れている。なお１５はラビリンスパツキン９を嵌
合させ支持する嵌合溝である。

第４図は第３図の−線に沿つて切断した断
面図である。

第５図および第６図はノズルダイヤフラム内輪
８ａに装着されるラビリンスパツキン９を拡大し
て示す図で、ラビリンスパツキン９に漏洩蒸気Ｌ
の流れの方向に沿つて複数個漏洩蒸気バイパス孔
１６を形成し、このバイパス孔１６を通してラビ
リンスパツキン９と円板１のハブ１ａとの間に流
下する漏洩蒸気Ｌをバイパスさせ、後述する蒸気
溜１９を迂回するようになつている。またラビリ
ンスパツキン９には蒸気供給孔１４と前記円板１
のハブ１ａとの間を連通する蒸気供給孔１８が形
成されている。この蒸気供給孔１８の両端にパツ
キンフイン９ａ，９ａを設け、この両フイン９ａ
間に供給蒸気Ｓを一時的に溜める環状の蒸気溜１
９が形成されており、この蒸気溜１９は円板１の
ハブ１ａ，１ａ間の微小間隙７を覆うようになつ
ている。

このためパツキンフイン９ａ，９ａはタービン
運転中に熱膨脹による伸びの差が生じても全運転
域で円板１のハブ１ａ間の微小間隙７に蒸気が供
給できるように位置決めされている。またラビリ
ンスパツキン９の本来の目的であるノズルダイヤ
フラム８の上流側からの漏洩蒸気を制限するため
にラビリンスパツキン９両側つまり上流側Ｂおよ
び下流側Ｃにそれぞれ多数のパツキンフイン９
ｂ，９ｃが植設されている。

さらにラビリンスパツキン９には前記蒸気供給
孔１８に隣接して漏洩蒸気バイパス溝２１が第８
図および第９図に示すように形成され、左右の漏
洩蒸気バイパス溝２１に漏洩蒸気の通過を妨げな
い面積を確保すべく第７図に示すように多数の漏
洩蒸気バイパス孔１６に連通され、漏洩蒸気バイ
パス路が構成される。なお、蒸気配管１１、蒸気
供給管１３、蒸気供給孔１４、蒸気供給室２２、
多孔オリフイス板２３、パツキン嵌合溝１５およ
び蒸気供給孔１８とにより蒸気供給路が構成され
る。

前述した構成によれば、蒸気源で発生した清浄
な蒸気は蒸気配管１１、タービンケーシング１２
とノズルダイヤフラム８の間に設けられた蒸気供
給管１３によりノズルダイヤフラム８の外輪８ｂ
に導かれる。ノズルダイヤフラム外輪８ｂに導か
れた供給蒸気Ｓは、ノズルダイヤフラム内輪８ａ
に通じる蒸気供給孔１４を介して、蒸気供給室２
２に入り、拡散して圧力が周方向に一様化された
後、多孔オリフイス板２３を経由してノズルダイ
ヤフラム内輪８ａに形成されたラビリンスパツキ
ン嵌合溝１５に導かれる。さらに供給蒸気Ｓはラ
ビリンスパツキン９には円板１，１のハブ１ａ，
１ａ間の微小間隙７と合致する位置に蒸気供給孔
１８が形成されており、この蒸気供給孔１８から
微小間隙７に噴射される。したがつて、この清浄
な蒸気は円板１，１のハブ１ａ上に滞溜している
復水を飛散せしめるほか、清浄な蒸気が微小間隙
７からキー溝４，５内に常時浸入することにな
る。

しかし、ノズルダイヤフラム８の構造上の制約
から蒸気供給孔１４を全周均等に且つ多数穿設す
ることは実際上不可能であり、ほとんどの場合第
４図に示すように上半数ケ所、あるいは下半数ケ
所に限定される。したがつて、供給蒸気Ｓが全周
にわたつて均等に配分されず、特に供給蒸気孔１
４から最も遠いラビリンスパツキン部蒸気供給孔
１８への蒸気量は極端に減少するため当部の蒸気
溜圧力が減少し、局部的な漏洩蒸気Ｌの吹き抜け
が発生する恐れがある。このため蒸気供給室２２
に多孔板オリフイス２３を挿入し、適度な流路抵
抗を与えることにより周方向に均等に供給蒸気を
配分することにより周方向の圧力分布一様化をは
かることが不可欠となる。

この結果、キー溝４，５内は常に不純物のない
清浄な環境下におかれ、応力腐蝕割れを発生させ
る材料、応力および環境の３つの因子のうち環境
に関する因子を除去することになり、応力腐蝕割
れの発生を防止することができる。

ところで応力腐蝕割れは前述した３つの因子の
ほか環境温度とも密接な関係がある。すなわち応
力腐蝕割れの進展速度は環境温度が大きく作用さ
れる。これは、応力腐蝕割れに化学的要因がある
ため、蒸気成分中の物質の成分とロータ材料の化
学的性質の関係によりある特定の温度域で応力腐
蝕割れが促進されるためであると考えられる。

一方、上流からの漏洩蒸気Ｌは上流側フイン９
ｂを通過し、漏洩蒸気バイパス溝２１、漏洩蒸気
バイパス孔１６を通じて下流側フイン９ｃを通過
する。つまり漏洩蒸気Ｌは上流側フイン９ｂと下
流側フイン９ｃにより制限されるため、漏洩蒸気
Ｌの増加によるタービンの性能低下等は生じな
い。

次に、この発明の変形例を第１０図乃至第１４
図を参照して説明する。

この変形例に示された蒸気タービンの腐蝕防止
装置は、蒸気供給室２２に、多孔オリフイス板２
３の他に整流板２４を設置したものである。多孔
オリフイス板２３および整流板２４は共に全体と
してリング状あるいはスリーブ状をなし、同心円
状に配設される。整流板２４の取付けは、多孔オ
リフイス板２３と同様、蒸気供給室２２の両側壁
に形成された周溝に介装することにより行なわれ
る。

しかして蒸気供給室２２に多孔オリフイス板２
３を設け、このオリフイス板２３の内方に整流板
２４を設けることにより、多孔オリフイス板２３
のオリフイス孔で絞られた高速流の供給蒸気（清
浄な蒸気）Ｓが直接ラビリンスパツキン９の蒸気
供給孔１８に案内されるのを整流板２４により防
止し、整流板２４により動圧を殺し、一層均一化
した後、ラビリンスパツキン９の蒸気供給孔１８
に案内するようにしたものである。

なお、この変形例に示された腐蝕防止装置の構
造により、多孔オリフイス板２３とラビリンスパ
ツキン９の蒸気供給孔１８との距離が充分にとれ
ない場合には、オリフイス孔と蒸気供給孔１８の
孔形成位置がロータシヤフト２を中心とした放射
線上で合致あるいは隣接箇所に供給蒸気Ｓが偏つ
て流れる傾向があり、オリフイス孔と蒸気供給孔
１８との喰違いの大きいラビリンスパツキン部の
蒸気溜１９の圧力が低下して局部的な漏洩蒸気Ｌ
の吹き抜けが発生し応力腐蝕割れ効果が半減する
恐れがある。

この作用を効果的に防止するため、多孔オリフ
イス板２３のオリフイス孔と整流板２４の整流孔
は放射線上で合致しないよう充分に配慮して配置
し、整流板の孔径は多孔オリフイス板の孔径に対
して充分大きく設計するのが好ましい。

第１３図は、上記変形例の作用効果を示す周方
向圧力分布図でP₁は供給蒸気室２２における多
孔オリフイス板２３の上流側圧力を示し、P₂は
整流板２４の下流側圧力を示す。

また、ラビリンスパツキン９を嵌合溝を形成せ
ずノズルダイヤフラム等の静止体の内径部に直接
取付けるようにしてもよく、機械加工で得たパツ
キンフインのみを直接植設したタイプでも良い。

〔発明の効果〕

以上に述べたようにこの発明に係る蒸気タービ
ンの腐蝕防止装置は、ノズルダイヤフラムおよび
ラビリンスパツキンに外部から清浄な蒸気を供給
する蒸気供給路を形成し、この蒸気供給路は途中
に環状の蒸気供給室を有し、上記蒸気供給室には
清浄な供給蒸気の周方向圧力分布を一様にする多
孔オリフイス板が介装され、このオリフイス板の
下流側はラビリンスパツキンに穿設された複数の
蒸気供給孔を経て前記微小間隙部に連通される一
方、上記微小間隙部をバイパスする漏洩蒸気バイ
パス路がラビリンスパツキンに設けられたから、
各円板のハブ部は清浄な蒸気で覆われ、応力腐蝕
割れが生じにくい環境に保持できるので、焼ばめ
ロータの腐蝕を有効的に防止することができ、ひ
いては焼ばめロータの信頼性が向上し、その寿命
を長期間にわたり有効的かつ効果的に保つことが
できる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な蒸気タービンのロータを示す
縦断面図、第２図は第１図の−線に沿つて切
断したキー溝の詳細に示す断面図、第３図は本発
明の腐蝕防止装置の概略構成を示す断面図、第４
図および第５図は第３図の−線に沿つて切断
して見た上半部および下半部の断面図、第６図
は、第３図のラビリンスパツキン部を拡大して示
す断面図、第７図は第３図のラビリンスパツキン
の一部を示す正面図、第８図および第９図は第７
図の−線および−線に沿つて切断し矢印
方向に見た断面図、第１０図はこの発明の変形例
を示す断面図、第１１図および第１２図はこの発
明の変形例を示すもので第３図のラビリンスパツ
キン部を拡大して示したものに相当する断面図、
第１３図は第１１図に示す供給蒸気室２２（P₁）
および蒸気溜１９（P₂）の周方向圧力分布、第
１４図は第１０図のラビリンスパツキン部を拡大
して示す断面図である。 １…円板、２…シヤフト、３…タービン羽根、
４，５…ボアキー溝、６…円板ボアキー、７…微
小間隙、８…ノズルダイヤフラム、９…ラビリン
スパツキン、１１…蒸気配管、１２…タービンケ
ーシング、１３…蒸気供給管、１４…蒸気供給
孔、１５…ラビリンスパツキン嵌合溝、１６…漏
洩蒸気バイパス孔、Ｌ…漏洩蒸気、１８…蒸気供
給孔、１９…蒸気溜、Ｓ…供給蒸気、２１…漏洩
蒸気溝、２２…蒸気供給室、２３…多孔オリフイ
ス板、２４…整流板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ロータシヤフトに焼ばめされた複数の円板の
   ハブ間に微小間〓を形成し、上記各円板間に静止
   側に固定されたノズルダイヤフラムを設け、上記
   ノズルダイヤフラムの内輪に蒸気の漏洩を防止す
   るラビリンスパツキンを設けた蒸気タービンにお
   いて、上記ノズルダイヤフラムおよびラビリンス
   パツキンに、外部から清浄な蒸気を供給する蒸気
   供給路を形成し、この蒸気供給路は途中に環状の
   蒸気供給室を有し、上記蒸気供給室には清浄な供
   給蒸気の周方向圧力分布を一様にする多孔オリフ
   イス板が介装され、このオリフイス板の下流側は
   ラビリンスパツキンに穿設された複数の蒸気供給
   孔を経て前記微小間〓部に連通される一方、上記
   微小間〓部をバイパスする漏洩蒸気バイパス路が
   ラビリンスパツキンに設けられたことを特徴とす
   る蒸気タービンの腐蝕防止装置。 ２ 多孔オリフイス板は、リングあるいはスリー
   ブ状をなし、環状の蒸気供給室の両側に形成され
   た凹周溝に、全周にわたつて介装された特許請求
   の範囲第１項に記載の蒸気タービンの腐蝕防止装
   置。 ３ ラビリンスパツキンに形成される蒸気供給孔
   は、流出口が微小間〓に臨むように周方向に沿つ
   て複数個形成された特許請求の範囲第１項に記載
   の蒸気タービンの腐蝕防止装置。 ４ 蒸気供給孔の流出口側には、清浄な蒸気を貯
   溜可能な蒸気溜が周方向に形成され、この蒸気溜
   が微小間〓を覆うようにした特許請求の範囲第３
   項に記載の蒸気タービンの腐蝕防止装置。 ５ 環状の蒸気供給室には多孔オリフイス板とと
   もに整流板が同心円状に配設され、この整流板に
   より清浄な蒸気の周方向圧力分布を均一化させた
   特許請求の範囲第１項に記載の蒸気タービンの腐
   蝕防止装置。 ６ 環状の蒸気供給室は、ノズルダイヤフラム内
   輪の内周壁に周方向に沿つてスリツト状の周溝を
   形成し、この周溝の溝底部に形成された特許請求
   の範囲第１項に記載の蒸気タービンの腐蝕防止装
   置。