JPS60184903A - 蒸気タ−ビンロ−タ - 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】 〔発明の利用分野〕 この発明は、沸騰水型原子力発電プラントの低圧蒸気の
タービンロータに関する発明であり、特に、タービン軸
方向にキーを有した焼ばめ式ロータに使用するのに好適
な腐食環境防止機構を有した蒸気タービンロータに係る
発明である。

〔発明の背景〕

従来低圧蒸気タービンにおいては、タービン軸方向にキ
ーを有する焼ばめ式ロータが用いられている。

而して、長年の運転経験により、あるプラントにおいて
、特定の圧力段落のタービン軸のキー溝部にはＬ　３　
Ｃｒ系の合金鋼が一般的に用いられているが、腐食現象
が発生し易いことが明らかになり、これは、上記焼はめ
式による応力条件が高いことと、蒸気、水の腐食環境に
よる応力腐食であると想定されている。

そこで、第１〜３図にて、従来の蒸気タービンの焼ばめ
式ロータの構造を説明すると、タービンロータのシャフ
ト１に、ディスク２が焼ばめされており、該ディスク２
のずれ防止のために、キー３がキーウェイ４の中に挿入
されている。

而して、原子炉から発生した蒸気は１段落人口５より静
翼６を経て、動翼７を駆動し、段落出口８へ出るように
され、一方、段落人口５がらの上記の一部は、前段のデ
ィスク２の下流部と、ダイヤフラム９の間を通り、ダイ
ヤフラムパツキン１０をへて、下流側後段ディスク上流
部へリークする。

また、ダイヤフラムパツキン１ｏのディスク２の端面１
１から、更に一部の蒸気は、ディスク２とディスク２の
間隙を通って、キーウェイ入口１２に達して、上記キー
ウェイ４を通り、キーウェイ逃げ溝１３に流入する。

而して、キー３とディスク２の間には第２図に示す様に
角部に間隙があり、ここから蒸気は第３図に示す様にデ
ィスク２とシャフト１の間に、円周方向に１周すると共
に袋小路に形成されているキーウェイ逃げ溝１３に流入
する。

しかしながら、該キーウェイ逃げ溝１３はキーウェイ４
に比し、接液表面積が、約５０倍も大きく、かつ、温度
がシャフト方向に伝達して冷却されるため、キーウェイ
逃げ溝１３に於て、蒸気は、凝縮してしまう。

そこで、第４図に示す様に凝縮した蒸気は、実線の水と
なり、第２図矢印に示す方向のロータの回転による遠心
力により、キーウェイ４を点線流入蒸気に逆って、キー
ウェイ人口１２より、噴出し、ディスク２上流側１５に
運ばれる。

ここで１例えば特開昭５７−１３７６０６公号証等の従
来技術で問題となっているのはキーウェイ４の液体特性
である。

而して、従来技術で検討されつつある例を低圧蒸気ター
ビンの軸方向の断面図の第６図で第１図と同じ部位の名
称は同一番号にし説明すると、原子炉で発生した蒸気と
水の放Ｈ，１分解によって生じた水素、酸素ガスは、タ
ービンの段落人口５に流入し、一部の流れは、ダイヤフ
ラム９上流側より軸方向に流れ、ダイヤフラムパツキン
１０を経て圧力の低いダイヤプラム下流側後段のディス
ク上流側１５に流れ、その過程で、ディスク２の端面１
１よりキーウェイ人口１２に、更に一部の流れが生じて
キーウェイ４とキー３の間隙を介しで、キーウェイ逃げ
溝１３に流入する。

ここで、一部の蒸気は、凝縮するが、残りの蒸気と０２
．Ｈ２ガスは、連通穴１６を通って、ハブの外周面に達
しディスク２の下流側の低圧段落に流れる。

したがって、キーウェイ逃げ溝１３内で、０２゜Ｈ２の
停滞がなくなること、即ち、Ｏ，、Ｈ，ガス分圧は高く
ならないので、凝縮水中の溶存酸素、水素濃度は、高く
ならない。

又、凝縮した一部の水も、キーウェイ４の間隙を逆流し
て、流れることがなくなるため、水膜が生じない。

この両者の効果により、キーウェイ４の腐食環境は、改
善され、キーウェイ入口１２がらディスク端面に生ずる
二ローション、コロ−ジョンの防止、及び、キーウェイ
４の応力腐食割れを防止することが出来ると考えられて
いる。

さりながら、この方式では、連通穴１６を通過する液体
は、凝縮水と非凝縮水である蒸気、及び、Ｈ２ガス０２
ガスの混合流が、細い連通穴を流れることになり、連通
穴１６の口径により、凝縮水、及び、蒸気ガスの流動は
特殊の挙動を示すことにｆ、ｔ、　４Ｊ、８４０ＭＷｅ
級の第１１段相当を例として解析すると、第１１図に示
す様に、連通穴１６の流速は、口径により特別な特性を
示している。

即ち、連通穴１６が１＋ｎｍ以下であれば、凝縮水の流
れは、非常に高速流となるが、液の流れによる圧力損失
とバランスして、流路断面積が／ｌ−さくなる程、圧損
が増し、限界流水に達する。。

したがって、流速は、１０ｍ／ｓｅｅ以上となり、エロ
ージョンを発生し、ディスク２の損傷を招くこととなる
。

又、キーウェイ４の凝縮水を必要量排出する能力がなく
なり、キーウェイ逃げ溝１３部に、ドレンが溜まり、キ
ーウェイ４をドレンが逆流してしまうことになり好まし
くない。

一方、連通穴１６の口径を大きくすれば、流速は小さく
なるが、逆に、ディスク２の強度が弱くなるため、必要
以上大きくとることはできない。

又、必要以上に大きくとると、ドレンとともに蒸気をま
き込んで、蒸気、水二相混合流水となって連通穴１６を
流れるため、逆に、高流速となってドレンフラッシング
をともなう二ローション、コロ−ジョンの発生という問
題が新たに生ずることとなる。

〔発明の目的〕

この発明の目的は上述従来技術に基づく蒸気タービンロ
ータのキーウェイ部の問題点を解決すべき技術的課題と
し該キーウェイ部の凝縮水中の溶存酸素濃度を低減し、
キー溝部に発生する応力腐食割れを防止するとともに、
連通穴における腐食損傷を防止し、ディスクの損傷を防
止することが出来るようにしてエネルギー産業における
動力利用分野に益する優れた蒸気タービンロータを提供
せんとするものである。

〔発明の概要〕

上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とするこの発
明の概要は、前述問題点を解決するためにキーウェイ逃
げ溝における蒸気凝縮現象にともなって生ずる蒸気中の
非凝縮性ガス（Ｈ２ガス及び０２ガス）及び凝縮水を強
制排水排気する手段と蒸気の流入抑制手段を設けること
によって、凝縮水中の溶存酸素と水素濃度を低減するこ
とと合せ、該強制排水排気手段を独立して設けるように
した技術的手段を講じたものである。

［発明の原理〕 第４図でこの発明の基本的原理を説明すると、原子炉か
ら発生した蒸気のＨ２ガスと０２ガスのウェイ逃げ溝１
３部のＨ２及び０□ガス分圧と、キーウェイ人口５での
蒸気中のＨ２，０２ガス分圧との濃度差が、ガスの濃度
拡散によって、ある値で平衡濃度となる。

したがって、キーウェイ逃げ溝１３部のガス分圧が高く
なることにより、ヘンリーの法則により凝縮水中の溶存
酸素及び水素濃度が高くなる。

これらの原理から凝縮水中の溶存酸素水素濃度を低くす
るためには、コンデンシングチャフバ一部でのＨ，、Ｏ
，ガス分圧が高くならぬように、外部にベントすること
が有効である。

又、該チャンバー部で凝縮した水をすみやかに排出する
ことも必要となる。

更に、Ｈ２，０２ガス分圧の上昇速度を小さくし、ベン
ト蒸気及びガスの排出量を少なくするためには、コンデ
ンシングチャンバーを形成するキーウェイ逃げ溝１３部
の容積を小さくするか、無くすことが効果的となる。

以上のことから、キーウェイ逃げ溝１３部のガスの排出
及び、凝縮水の排出を行うことが必要で濃度そのものを
低減する方法は、原子炉給水系へのＨ３注入による方法
が考えられつつあるが、実用化されていない。又、本方
式によっても完全に、０、、Ｈ２ガスを無くすことは出
来ない。

したがって、現状のプラントにおいては、上記方法は援
用できない。

よって、低圧蒸気タービンのディスク２の上流段部でＨ
２および０２ガスが一定濃度存在することを前提として
、対策が必要であるが、従来技術の説明で前述した如く
、キーウェイ逃げｍ１３部の袋小路になり、かつ、内容
積が大きく、冷却面となる表面積も大きいため、コンデ
ンシングチャンバーとなっていた。

即ち、キーウェイ人口１２より８２．Ｏ，ガスを含有し
た蒸気がキーウェーｒ４を通って、コンデンシングチャ
ンバーとなるキーウェイ逃げ溝１３部に流入する。

而して、蒸気のみ、壁面で凝縮し、Ｈ２１０２ガスは、
非凝縮性ガスであるため、キーウェイ逃げ溝１３内のガ
ス分圧が徐々に、高くなってキーあることが明確となる
が、第７ａ図の拡大図である第７ｂ図に示す様に、凝縮
水の排出用連通穴１６とガス状ベント用穴１６′は、独
立に設ける必要がある。

即ち、該ベント穴１６′がない場合、キーウェイ逃げ溝
１３でＨ２，０２ガス分圧は高くなり、したがって、連
通穴１６を流れるドレン中の溶存酸素、溶存水素濃度が
高くなる。

又、連通穴１６の口径が小さければ、発生ドレンが全て
排出できなくなり、口径が大きければ、蒸気、ガスをま
き込み、２相混合流水となり、流速が高くなる。

これらの特性を第１１図で説明すると、連通穴１６の口
径が約１ｍｍ以下では、凝縮水の発生量以下の排出能力
がないので、機能不充分となり、又、連通穴１６の流速
も高くなる。

而して、通常水条件では、１０ｍ／ｓｅｅ以上は二ロー
ションが発生しやすいため、それ以下で行うことが望ま
しい。

一方、連通穴１６を大きく取りすぎると、凝縮水のほか
蒸気をまき込み排気してしまい、非常に高流速となる。

そこで、もし、連通穴１６で、ドレン及びガスを同時に
放出することになるならば、ドレンがフラッシュして蒸
気化した場合も考慮にドレン量分が蒸気として評価し、
それらの蒸気流速が二ローション防止する流速に抑える
ためには蒸気流速７０〜４０ｍ７ｓｅｃとするとき連通
穴１６の口径は６０〜９０ｍｍ必要となり、このような
大きなものは、ディスク２に設けることは不可能である
うそのためには、複数個の連涌穴】６を設けなければな
らず、ディスク２の強度上好ましくない。

この発明においてはコンデンシングチャンバ一部で発生
したドレンは専用のドレン穴を設けて排水するようにし
、この径は排出流速から１ｍｍ〜５ｎ＋＋ｎが適切であ
る。

一方、コンデンシングチャンバ一部のガス分はコンデン
シングチャンバ一部の０２ガス分圧を高めて、排水ドレ
ンの溶存酸素濃度を高るないようにするためガスベント
用専用穴を設けて、排気す−ｒ る。

而して、この排気を行うためには、連通穴１６を設けた
ウェイ逃げ溝１３の外円局部ではなく、内円周部に近い
ラジアル方向側面にベント穴を設ける必要があり、この
位置にすれば、ドレン水のひき込みをすることが出来る
。

〔実施例〕

図示する様に凝縮水は、黒部分で示されるように、キー
ウェイ逃げｒ＃１３内で凝縮したものは、タービンロー
タの回転による遠心力により、外側円周方向に集まり、
連通穴１６よりドレンが排出される。

又、未凝縮蒸気の一部及び、Ｈ２，０□ガスは。

水より比重が小さいため、キーウェイ逃げ溝１６のター
ビンロータ軸方向よりにあり、この部位より、ベント穴
１６′を介して、ディスク下流部に。

排気される。

而して、稼動中においてＨ２，０２ガスの排気効果が高
まり、したがって、第５ａ”ｂ図に示す様）こ排出する
ドレンの溶存酸素、水素濃度を低く維持出来る。

又、ベント穴１６′を設けたことにより凝縮水と蒸気二
相流となって連通穴を流れることを防止でき、この効果
により、連通穴１６部でのエロージョンコロ−ジョンの
発生を著しく低減できる。

そして、連通穴１６の口径も小さくできる効果がある。

第８図に示す実施例はこの発明の他の実施態様であり、
ベント穴１６′の取付位置をキーウェイ４に対して、１
８０°の位置に設けたものである。

当該実施例では、Ｈ２，０２ガスを含んだ蒸気は、キー
ウェイ入口１２から流入し、キーウェイ４を、キーウェ
イ逃げ溝１３に入るようにされる。

而して、逃げ溝１３は、シャツ１−１の円周方向にあり
、キーウェイ出口から、もつとも離れている１８０°位
置の逃げ溝１３に、ベント穴１６′を設けであるので、
蒸気及びＨ７，０２ガスはシャフト１の外周にさって、
暖気しながら、ベント穴１６′を通って、ディスク２の
後段に、排気される。

したがって、キーウェイ逃げ溝１３は、常時新しい蒸気
で加温されるので、凝縮量は、少なくなり、凝縮水と接
していないシャフト１の外面部は、暖気蒸気により加温
され、凝縮量の低減に効果である。

そりため、ドレン口径をさらに小さく出来るというメリ
ットが生ずる。

又、キーウェイ溝４の切欠きと、１８０°反対位置に設
けることにより、せん断面積を少なくする割合が小さい
のでせん断荷重に対して、裕度を損なうことがない。

又、第９図に示す実施例は更に他の態様であり、焼ばめ
式ロータの軸方向にキー３を有する構造においてキーウ
ェイ３及びキーウェイ逃げ溝１３に固体を充填して蒸気
のコンデンシングチャンバ一部を無くシ、キーウェイ４
部の腐食条件を無くすようにした態様である。

当該態様においては、外部より、液状にて注入し、キー
ウェイ逃げ溝１３に入ってから固化するような材料を使
用するが設計例としては高分子材料、或いは、ゴム材料
が好ましく、高分子材料では、プラスチックも可能であ
り、例えば、ポリカーボネート系ではポリビスフェノー
ルＡカーボネート構造単位 が融解温度２２０℃と高温であり、かつガラス転移温度
も１５０℃と高いため、低圧蒸気タービンロータで使用
する範囲内で、比体積変化を生ずることが少ないので、
好適である。

その他、ポリミド、ポリアミド−イミド、ポリスルフォ
ン、ポリオレフィン、熱可塑性ポリエステル、ポリフェ
ニレンサルファイド等が使用条件に耐えるものを使用す
ることが出来るものであり、又、ゴム状のものは、ブロ
ック共重合ＳＢＲ（熱　−可塑性ゴム）、ブチルゴム、
エチレンプロピレンゴム、エチレン酢酸ビニール共重合
体、シリコンゴム、ふっ素ゴム等が塩素を含まない材料
であり、耐腐食性を有するために好適である。

更に、該第９図に示す実施例においては、外部の充填材
注入装置１７より注入ホース１８を介して、注入ノズル
１９より、連通穴１６を介してキーウェイ逃げ溝１３に
充填材を注入するようにしているが、該充填材は、シャ
フト１の円周方向に廻りこみ、空気はキーウェイ逃げ溝
１３および図示しないベント穴より、排気され、すみず
みまで、充填材が注入される。

而して、注入後の温度冷却により、充填材は固化し、そ
の後充填材注入装置１７、注入ホース１８、注入ノズル
１９は撤去する。

当該実施例によれば、キーウェイ４及びキーウェイ逃げ
溝１３の空間部にＨ２，Ｏ，ガスを含んだ蒸気の侵入を
防げるので、キーウェイ４部の腐食環境はなくなり、そ
のためキーウェイ４部の応力腐食は防止出来ることにな
る。

又、キーウェイ人口１２から、ディスク端面にかけて発
生し易い凝縮水により二ロージョン、コロ−ジョンを防
止できる効果が得られる。

更に又、第１０図に示す実施例は、応用例の態様であり
、キーウェイ逃げ溝１３に生ずる蒸気コンデンシング空
間を可及的に少なぐするために、内挿リング（インナデ
ィスクリング）２０を用いた態様であり、キーウェイ入
口１２より流入した蒸気はキーウェイ逃げ溝１３に入る
が、凝縮する前に、連通穴１６よりディスク２下流段落
に排気されるので、０２．Ｈ２のガスの停滞濃縮減少が
防止出来、又、腐食環境を向上することが可能となる。

そのため、キーウェイ４部の応力腐食やディスク２端面
に於ける、エロージョン、コロ−ジョンを防止出来るこ
とになる。

尚、上述各実施例は、沸騰水型原子炉の低圧蒸気タービ
ンに用いるものであるが、この発明は「ふげん」等新型
転換炉のタービンにも応用可能であることは勿論である
。

又、火力プラントが加圧木型原子カプラントの如く水の
放射線分解ガス（Ｈ２、ｏ２）が直接、タービンに混入
しないシステムのプラントに於いては、蒸気中の０２．
Ｈ２ガスそのものは、非常に微量であるが、主復水器か
らの空気のインリークや補強水中の溶存酸素や、復水浄
化系の空気逆洗い時に一時的でかつ、微量ではあるが、
これらがタービン側に廻っているのでタービンロータの
キーウェイ逃げ溝部にこれらのガスが、長い時間かかつ
て濃縮する可能性かあることから火力プラント及び加圧
木型原子カプラントの蒸気タービンへも応用出来るもの
である。

〔発明の効果〕

以上この発明によれば、蒸気タービンロータにおいて前
述各実施例に記載した効果がある上に、基本的にキーウ
ェイ逃げ溝にディスクハブ下流空間部に開口する連通穴
を設けたことにより蒸気凝縮現象を抑制し、蒸気中に含
有しているＨ２ガス及び０２ガスの濃縮現象を防止出来
るので、連通穴、ベント穴、キーウェイ部およびディス
ク鴫面の腐食損傷を防止する効果が奏される。

又、排水用と排水用の穴を通過穴とベント穴とに設ける
ことにより、排気用のガス排気量は、非凝縮ガス、Ｈ２
，０２ガスを排気するに必要な口径でよく、ガス流量は
、微量であり、ベント穴は１本で充分カバーできる優れ
た効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来技術を示す蒸気タービンのロータ段落断
面図、第２図はキーウェイ及びディスクの形状を示す断
面図、第３図はキーウェイ及びキーウェイ逃げ溝を示す
斜視図、第４図はキーウェイ逃げ溝部で卯する蒸気凝縮
と、０２．Ｈ，ガスの濃縮現象説明模式図、第５ａ、５
ｂ図はキーウェイ逃げ溝のガス分圧と蒸気凝縮水中の溶
存濃度を示す特性図、第６図は従来技術における連通穴
を設けた断面図、第７ａ図は、この発明の一実施例の断
面図、第７ｂ図は第７ａ図部分拡大図、第８．９．１０
図は他の実施例の断面図、第１１図は連通穴及びベント
ロ径と連通穴流速の特性図である。 １・・・蒸気タービンシャフト、２・・・ディスク、７
・・・動翼、３・・・キー、３・・・キーウェイ、１３
・・・キーウェイ逃げ溝、９・・・ダイヤフラム、６・
・・静翼、５・・・段落人口、８・・・段落出口、１２
・・・キーウェイ入口、２０・・・連通穴、１５・・・
ハブ、２１・・・ベント穴。 ３２・・・充填材注入装置、３１・・・充填材注入配管
、３０・・・充填材注入ノズル、４ｏ・・・内挿リング
。 代理人　弁理士　高橋明夫 ｉｓ　Ｒｆｉ７ とθ） ７ 乃βｍ カ／ｌ／ｆ７Ｊ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、蒸気タービン発電プラントに設けられた低圧蒸気タ
   ービンのタービンシャフトにディスク連結用のキーが設
   けられて焼ばめされている蒸気タービンロータのシャフ
   トとディスクとキーによって形成されるキーウェイ逃げ
   溝と上記ディスクのハブ外面の下流空間部とに連通ずる
   連通穴が穿設されてなるタービンロータにおいて、上記
   キーウェイ逃げ溝と圧力段落の低い該ディスクのハブ外
   面り下流空間部とを連通ずる連通穴を軸方向のキー溝部
   に開口し、かつディスクのラジアル方向のキーウェイ逃
   げ溝面と圧力段落の低い該ディスクのハブ外面の下流空
   間部とを連通ずるベント穴を該連通穴とは独立して設け
   たことを特徴とする蒸気タービンロータ。 ２、上記連通穴とベント穴とが１８０’同方向位置が位
   相を変えて設けられていることを特徴とする特許 ロータ。 ３、上記連通穴より熱可塑性充填材をディスクキーウエ
   イ逃げ溝部に充填したことを特徴とする上記特許請求の
   範囲第２項記載の蒸気タービンロータ。 ４、上記キーウエイ逃げ溝内に、インナーディスクリン
   グが設けられていることを特徴とする上記特許請求の範
   囲第１項記載の蒸気タービンロータ。