JPS5970810A

JPS5970810A - 蒸気タ−ビン

Info

Publication number: JPS5970810A
Application number: JP18000582A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ikeda; 隆池田; Kyo Aizawa; 相沢　協; Hirotsugu Kodama; 児玉　寛嗣; Yukio Shinozaki; 篠崎　幸雄
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-10-15
Filing date: 1982-10-15
Publication date: 1984-04-21
Also published as: JPH0133642B2

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】〔発明の技術分野〕本発明は蒸気タービンに係り、特に、焼はめ型ロータを
備えた蒸気タービンの改良に関する。

〔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って製造するもの、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
って製造するもの、機械加工が完了し羽根を植込んだ円
板をロータシャフトに焼ばめによって結合するもの等の
４４　’ＪＲがあるが、このうち、焼ばめ型ロータは、
素材がロータシャフトと各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って使用
されてきた。

第１図はこのような従来の焼ばめ型ロータの一例を示す
もので１）、円板ｌの内径ｄ１はロータシャフト２の外
径ｄ２に対し、常温の状態において、焼はめ代として知
られる寸法だけ小さく製造されている。この円板１をシ
ャフト２に結合する際はシャフト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ｄ
１をシャフト２の外径寸法ｄ２より大きな状態にしてシ
ャフト２を挿入し、所定の位置に設置した後、円板ｌを
冷却して熱的な収縮により円板１とシャフト２を互いに
固定させる。

一方、円板の外周部には複数の羽根３が結合される。円
板１とシャフト２の間には、第２図に示すようにキー溝
４，５内に臨むキー６が設けられる。このキー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がシャフト２に対し相対的に回転することを防止す
るものである。

しかしながら、この焼ばめ型ロータにおいては、応力腐
蝕割れ（５ｔｒｅｓｓ　０ｏｒｒＯｓｉｏｎ　Ｃｒａｃ
ｋｉｎｇ）という、ロータの信頼性を低下し、寿命を縮
める現象の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つとしては、酸素を含んだ水または
水蒸気の環境の下に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ってその
部分が選択的に溶解され、割れが生じるタイプのものが
挙げられる。この場合、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
するとと、および材料が、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
なったときに発生する。

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はど
割れ感受性も高くなる。焼はめ型ロータの円板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
せぎるを得す、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には初期の焼は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、その値は、円板
１の内径側はど高くなる。特に、第２図に詳示するキー
６の周囲のキー溝４においては、形状に起因する応力集
中が発生し、作用応力は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、発電設備における蒸気の性状は
、蒸気発生設備（ボイラ、原子炉等）、復水設備、給水
設備等の全体的な仕様によって決定され、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
雌である。特に、沸騰水型原子カ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っ
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って未然に検知さ
れなかった場合は、円板１の破壊につながることもある
。

〔発明の目的〕

本発明は、前述した従来のものにおける欠点を除去し、
応力腐蝕割れの要因を取除いてロータの信頼性を向上し
、寿命を従来のものより向上するようにした蒸気タービ
ンを提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

この目的は、本発明によれば、隣位の一対の円板間の微
小間隙を介してキー溝内に清浄な蒸気を供給する蒸気供
給路を形成し、清浄な蒸気によりキー溝内を応力腐蝕別
れの発生し得る・環境でなくすることによシ達成される
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例により説明する。なお
、前述した従来のものと同一の構成については、図面中
に同一の符号を付し、その説明は省略する。

第３図は本発明の第１実施例を示すものであり、隣位の
一対の円板１，１間には熱膨張の際の衝突を防ぐだめの
微小間隙７が従来のものと同様に形成されている。

そして、本発明は、原子炉等の本来の蒸気発生器からの
蒸気の大半は応力腐蝕割れのおそれのない羽根（動翼）
３を通過して仕事をし、残りのわずか１ｔｆ６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を漏洩し、この漏洩した蒸気が円板１の前記環境条件
を支配することに着目し、この漏洩蒸気量に相当する不
純物を含有しない清浄な蒸気を前記間隙７を介してキー
溝４゜５内に供給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設備に固有な蒸
気発生設備（図示せず）のほかに清浄な蒸気を発生する
小型の蒸気源１０が設けられている。この蒸気源１０か
らは管路１１が延在し、タービンケーシング１２に穿設
された貫通孔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の半径方向の貫通孔１４が穿設されて
いる。

また、蒸気源１０からの蒸気をタービンケーシング１２
の貫通孔１３に直接案内する代シに、第４図に示すよう
に、蒸気管Ｊ７の途中に浄イビ装置九を介装し、蒸気源
１０から蒸気管１７を通って送られる蒸気をクリーニン
グし、清浄な蒸気をタービンケーシング１２の貫通孔１
３に案内するようにしてもよい。

前述した構成によれば、蒸気源１０で発生した清浄な蒸
気あるいは浄化装置加で浄化された蒸気は、管路１１あ
るいは蒸気管１７を経て、タービンケーシング１２０貫
通孔１３に案内され、続いてノズルダイ−’ｔ’　７　
ラム８０貫！　孔１４を介してノズルダイヤフラム８の
先端のラビリンスパツキン９の近傍から隣接する円板１
，１の基部に噴射される。したがって、この清浄な蒸気
は円板１，１０基部上に滞溜している復水を飛散せしめ
るほか、間隙７がらキー溝４，５内に浸入することにな
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
去することになシ、応力腐蝕割れの発生を防止すること
ができる。

ところで、前記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に大きく作用される。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ょシある
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。

第４図は円板１と同種材の応力腐蝕割れの進展　　　□
速度と温度との関係を示す実験データである。すなわち
、環境温度１５０℃付近において応力腐蝕割　　　□れ
進展速度が最大となっている。

焼ばめ型ロータの円板は一般に３０〜１８０℃程度の蒸
気温度範囲で使われているため、当然環境温度１５０℃
付近において使用される円板１もある。

そこで、前述した蒸気源１０における蒸気温度を調節し
て円板１を加熱もしくは冷却し、環境温度を１５０℃近
傍の応力腐蝕割れ進展速度の早い領域から外すことによ
バ応力腐蝕割れの進展をさらに低減できる。例えば、第
５図において７０℃の環境温度にあった円板１が蒸気源
１０からの清浄な蒸気により冷却されてＴｌｏＣになっ
た場合、応力腐蝕割れ進展速度は約ＩＺ、５となる。

さらにまた、前述した蒸気源１０からの清浄蒸気の噴射
は、必らずしもすべてのタービン段落に対して行なう必
要もない。

すなわち、原子力発電プラントの低圧タービンＯ入口蒸
気条件の多くは湿り域にある。湿り蒸気の特徴として圧
力と温度が一義的関係にあり、圧力が低いほど温度も低
い。起動時には無負荷や極低負荷状態を通過するが、こ
の場合には低圧初段の方も圧力が下が９、したがって温
度が下がる。

このことかられかるように、原子力発電プラントの低圧
タービンの初段から５段程度の段落では特に応力腐蝕割
れの可能性が高いので、これら段落に微細割れが存在す
る可能性を考えその安全性を配慮する必要がある。これ
らの段落の安全性を確保するためには、起動時に負荷の
低い状態においてもキー溝４，５部分の温度が下がらな
いようにすることが必要である。このため、前述した蒸
気源１０の蒸気を初段から５段程度の段落のみに起動時
の圧力が低い領域の運転時だけ供給するようにすれば、
応力腐蝕割れはかなり良好に防止される。

このようなウオーミング効果を考慮した場合、エンタル
ピの高い高圧タービンの入口蒸気を用いるのが効果的で
ある。

このだめのウオーミングシステムが第６図に示されてい
る。ウオーミング用蒸気は高圧タービン１５０入口蒸気
ライン１６から供給され、ウオーミング蒸気管１７によ
って低圧タービン１８に導かれる。

ウオーミング蒸気管１７の途中にはウオーミング止め弁
［９および浄化装置２０（第６図）が介装されている。

そして、タービン起動から低負荷までの運転域ではウオ
ーミング止め弁１９は開いておシ、高圧蒸気がウオーミ
ング蒸気管１７を通して低圧タービン６０所定段落の円
板１０基部に流れ込み必要部分を暖める。なお、この蒸
気は浄化装置２０により清浄化されているので応力腐蝕
割れの防止にさらに役立つ。

高負荷域ではウオーミングの必要性は低いのでウオーミ
ング止め弁１９を閉じる。

第７図は低圧タービン用のウオーミングシステムを示す
ものである。

このウオーミングシステムは、ウオーミング蒸気管２１
から分岐された分岐管２１ａを低圧タービンのタービン
ケーシング１２ａの貫通孔１３ａに接続し、さらにこの
貫通孔１３ａはノズルダイヤフラム８ａに形成される貫
通孔１４ａを経て環状室２２に供給され、この環状室２
２４ノズル孔乙から吹き出されるようになっている。そ
の際、ウオーミング蒸気が全周にわたって吹き出される
ように、ノズル孔乙は全周方向にわたって形成されてい
る。しかして、このウオーミング蒸気は、低圧タービン
の低圧初段から例えば第５段までの各段落に供給される
ようになっている。

また、ウオーミング効果は前述したエンタルピの高い高
圧タービン１５の入口蒸気を用いれば得られ、高エンタ
ルピの蒸気を絞ることにより湿り域から過熱域に入るた
め、低圧段落の声和温度よりかなシ高い温度になること
は蒸気状態に対する簡単な考察がちわかる。

第８図に蒸気状態図が示されている。図中Ａは湿シ域、
Ｂは過熱域を示す。高圧入口蒸気は図中Ｘ印の状態にお
り、等エンタルピのまま絞って低圧タービンに導かれて
図中Ｙの状態となることがわかる。

第９図は本発明の他の実施例を示すものであり、高圧タ
ービン（図示せず）からの蒸気をパイプ乙によりタービ
ンケーシング１２内の広い範囲に放出するようにしたも
のでおる。また、本実施例においては、各日板１にバラ
ンスホール冴が形Ｊｆｃ　サれている。

このような構成によれば、腐蝕性成分を含んだ蒸気の主
流は、図中実線で示すようにノズル６および羽根３の翼
列を通過する。一方、浄化装置側を介してタービンに入
る少量の清浄な蒸気はタービン段落の上流側に送入され
る。そして、この蒸気が順次各段落のバランスホール冴
およびラビリンスパツキン９を流れ、腐蝕性蒸気が円板
１の内側に入るのを防ぎ応力腐蝕割れの発生を防止する
。

また、第１．０図に示すように、外部から蒸気管１１に
よりタービンケーシング１２内に導びかれた蒸気をノズ
ルダイヤフラム８に形成された貫通孔１４の先端をラビ
リンスパンキン９を迂回するように側方に折曲させ、加
熱あるいは冷却蒸気を両日板１゜１間の基部に吹き出し
、この部分を蒸気によって加熱あるいは冷却してもよい
。この蒸気による加熱あるいは冷却によシ、応力腐蝕割
れの進展を防止できる。例えば第５図において１０度の
温度条件にあった円板１が蒸気による冷却で温度Ｔ１に
降下した場合、応力腐蝕割れ進展速度は約’／２．５と
なシ、供給蒸気に不純物を含まないように浄化装置など
を取付けることによシ、応力腐蝕割れの発生をさらに防
止できる。

さらに１、第１１図に示すように、ノズルダイアフラム
８にとりつけられた蒸気リーク防止用のラビリンスパツ
キン９と円板１との間隙を狭くしておいて、この部分を
上流側の蒸気が通らないように構成し、（円板１）の温
度が上がらないようにする冷却方式も考えられる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る蒸気タービンは、一
対の微小間隙を介してキー溝内に清浄な蒸気を供給する
蒸気供給路を形成したので、簡単な構成にもかかわらず
焼ばめ型ロータの円板の応力腐蝕割れを防止することが
可能となシ、焼ばめ型ロータの信頼性および寿命を向上
することができるという優れた効果を奏する。

【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図はキー溝の詳細を示す説明図、第３図
は本発明に係る蒸気タービンの実施例を示す縦断面図、
第４図は本発明の他の実施例を示す縦断面図、第５図は
環境温度と応力腐蝕割れ進展速度との関係を示すグラフ
、第６図は高圧タービンから蒸気を導入する本発明の他
の実施例を示す説明図、第７図、第９図乃至第１１図は
それぞれ不発明のさらに他の実施例を示す縦断面図、第
８図はエンタルピとエントロピの関係を示すグラフであ
る。１−・・円板、２・・・車軸、３・・・羽根、４，５・
・・キー溝、６・・・キー、７・・・円板間の間隙、８
，８ａ・・・ノズルダイヤフラム、９・・・ラビリンス
パツキン、１０・−・蒸気源、１２　、１２　ａ・・・
タービンケーシング、１５・・・高圧タービン、１８・
・・低圧タービン、加・・・浄化装置、２２・・・バラ
ンスホール出願人代理人　　波　多桁　　　久連速温良（１）第θ　図エソＹロピ第　７　図２ｔ

Claims

【特許請求の範囲】

複数の羽根全用役したなる複数の円板を相互に微小間隙
を隔てるようにロータシャフトに焼ばめしたロータを有
し、これらの各円板およびロータシャフト間にはキー溝
内に臨むキーが介装されてお９、このキー溝は隣位の一
対の円板間の微小間隙と連通している蒸気タービンにお
いて、前記微小間隙を介してキー溝内に清浄な蒸気を供
給する蒸気供給路を形成したことを特徴とする蒸気ター
ビン。