JP7305567B2

JP7305567B2 - 接合形タービンロータの曲がり修正方法

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Publication number: JP7305567B2
Application number: JP2020008123A
Authority: JP
Inventors: 隆裕仁木; 剛史小川; 健司上村
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2023-07-10
Anticipated expiration: 2040-01-22
Also published as: JP2021116689A; US11679430B2; US20210220891A1

Description

本発明の実施形態は、接合形タービンロータの曲がり修正方法に関する。

近年、タービンロータの製造コストの低減、およびカップリングレスによるコンパクト化の観点から、たとえば溶接などにより接合された接合形タービンロータが採用されている。

正常な状態を逸脱する運転条件を含む運用、経年的な使用などの結果、溶接形タービンロータの曲がりが発生するリスクがある。

一般に、タービンロータに曲がりが生じた場合の対策としては、ジャーナル修正加工、すなわち軸受との取り合い部の修正加工、あるいは、タービンロータの重量を局所的に調整するバランスウェイトの追設などが挙げられる。

特開２０１３－２０４０８２号公報

たとえば、材料の異なる素材が溶接により接合された接合形タービンロータの場合、溶接部は、概ね合金元素が均一に分布しているが、一部で合金元素に偏りがある場合もあり、経年的に曲がり量が大きくなる可能性がある。タービンロータに曲がりが生じた場合に、上述のように、ジャーナル修正加工あるいはバランスウェイトの追設など、いくつかの対策はあるものの、これら従来の対策では対応しきれない可能性があり、従来の方法では、対応できる範囲に限界がある。

そこで、本発明の実施形態は、接合形タービンロータの接合部に曲がりが発生した場合に、これを修正する方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法は、接合形タービンロータの袋状中空部を形成する環状部分を有する接合部における曲がりの修正方法であって、前記曲がりの凸部の変位または前記接合形タービンロータの周方向における前記凸部と反対側の表面の変位を測定する変位計測器を設定する変位計測器設定ステップと、前記変位計測器設定ステップの後に前記環状部分の前記凸部を加熱する加熱ステップと、前記加熱ステップの後に、前記接合部を冷却する冷却ステップと、を有することを特徴とする。

接合形タービンロータの構成を示す縦断面図である。接合形タービンロータの接合部の近傍を示す縦部分断面図である。実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法の手順を示すフロー図である。実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法の対象とする接合形タービンロータの最初の曲がりの状態を示す概念図である。実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法のステップＳ０１での状態を示す接合形タービンロータの概念図である。実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法のステップＳ０２での状態を示す接合形タービンロータの詳細な部分側面図である。実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法のステップＳ０３での加熱箇所を示す接合形タービンロータの概念図である。実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法における局所加熱箇所を示す接合形タービンロータの部分平面図である。実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法のステップＳ０４での状態を示す接合形タービンロータの概念図である。実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法のステップＳ０５での状態を示す接合形タービンロータの概念図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、接合形タービンロータ１０の構成を示す縦断面図である。また、図２は、接合形タービンロータ１０の接合部１３の近傍を示す縦部分断面図である。

接合形タービンロータ１０は、複数のロータが軸方向に接合されたタービンロータを言うものとする。具体的構造では、図２に示す場合は、第１ロータ１０ａと第２ロータ１０ｂが、第１ロータ環状部１０ｃと第２ロータ環状部１０ｄとの突き合わせ部分において接合されて、この間に接合部１３が形成されている。接合部１３が、たとえば溶接における溶け込み部である。

ここで、接合は、たとえば、溶接、圧接などによるが、その他の方式によってもよい。

第１ロータ１０ａと第２ロータ１０ｂの材質は、互いに異なる材料でもよい。あるいは、同じ材料でもよい。

たとえば、高中圧タービンのような高温側においては、クリープ現象を考慮して高温クリープ強度の確保が重要である。一方、低圧タービンにおいては、動翼が長くなり遠心力が大きくなることから引張強度と靭性の確保が重要である。したがって、たとえば、クロム・モリブデン・バナジウム鋼であっても、低合金鋼から、たとえば１２Ｃｒ鋼などの高クロム材まで、多種の材料が用いられる。あるいは、高強度材として、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼のように高い引張強度と靭性を確保するためにニッケル等が添加される。

このように、第１ロータ１０ａと第２ロータ１０ｂのそれぞれを異なる材料で製作した後に、接合した場合でもよい。あるいは、製造設備、加工工程の要件を緩和する観点から、同一の材料であっても、それぞれを製作した後に接合する場合であってもよい。

第１ロータ１０ａおよび第２ロータ１０ｂの接合によって、接合形タービンロータ１０は、袋状中空部１４が形成された袋状構造となっている。すなわち、第１ロータ１０ａの環状の第１ロータ環状部１０ｃと、第２ロータ１０ｂの環状の第２ロータ環状部１０ｄとの突き合わせての接合によることから、接合形タービンロータ１０の接合部１３は、袋状中空部１４を形成する環状部分により形成されている。

第１ロータ１０ａには、中心軸に沿って袋状中空部１４から第１端部１２ａまで貫通する中心孔１５が形成されており、袋状中空部１４は、中心孔１５を介して、外部に開放されている。

なお、接合形タービンロータ１０を用いるタービンは、たとえば、蒸気タービン、ガスタービンであるが、その他のタービンであってもよい。

上述のような接合形タービンロータを用いる場合、正常な状態を逸脱する運転条件を含む運用、経年的な使用などの結果、溶接形タービンロータの曲がりが発生するリスクがある。本実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法は、このような課題を解決しようとするものである。

図３は、実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法の手順を示すフロー図である。以下、図３に示す手順に従って、順次、説明する。

図４は、実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法の対象とする接合形タービンロータ１０の最初の曲がりの状態を示す概念図である。図４は、最大曲がり方向、すなわち凸部側が、図中の上方である場合を示している。

ここで、接合形タービンロータ１０の接合部１３における中心軸の、曲がりのない状態における中心軸（以下、直軸と呼ぶ）からの変位あるいはズレを、曲がり量ｄと呼ぶこととする。図４に示す状態は、曲がり量ｄ０の状態であるとする。

本実施形態による接合形タービンロータの曲がり修正方法としては、まず、対象とする接合形ロータシャフト１０を支持する（ステップＳ０１）。

図５は、実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法のステップＳ０１での状態を示す接合形タービンロータ１０の概念図である。

接合形タービンロータ１０は、回転子鉄心を挟んだ軸方向の両側で支持する。支持する箇所は、たとえば、当該接合形タービンロータ１０を用いたタービンの組み立て状態において軸受により支持される被支持部１８ａ、１８ｂで、それぞれ、軸受を代替する支持部２１ａ、２１ｂにより行う。

ここで、支持された状態においては、接合部１３の凸部１３ａの方向は、上側、下側、あるいは横方向を特に問わない。ただし、凸部１３ａを下側に向けて接合形タービンロータ１０を設置した場合に、後述する加熱段階で、凸部１３ａ側への加熱の影響が上方の部分に及ぶ、あるいは周方向の熱的な影響範囲のアンバランスが発生するなどの懸念がある場合には、図５に示すように、接合部１３の凸部１３ａを上方にして支持することが好ましい。

次に、接合部１３の変位測定用の変位測定器３１を設定する（ステップＳ０２）。

図６は、実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法のステップＳ０２での状態を示す接合形タービンロータ１０の詳細な部分側面図である。

変位の測定箇所は、周方向に凸部１３ａの側とは反対の部分、すなわち周方向に１８０度ずれた部分すなわち、凹部１３ｂ側の最も変位の大きな箇所、あるいは凸部１３ａの側のいずれかである。ただし、凸部１３ａの側を測定する場合は、加熱中は測定できないなどの制約があることから、図６に示すように、凹部１３ｂを測定することが好ましい。

ここで、変位測定器３１は、図６では、ダイアルゲージ型を例にとって示しているがこれに限定されない。たとえば、ひずみゲージ型の変位測定器でもよいし、あるいは、レーザ変位計でもよい。最初の曲がり量を把握しておくことにより、変位測定器１３により、後述する加熱あるいは冷却等の各過程において、変位を測定することにより、それぞれの曲がり量を把握することができる。

次に、凸部の局所加熱箇所４１（図８）を加熱する（ステップＳ０３）。

図７は、実施形態に係る接合形タービンロータ曲がり修正方法における加熱箇所を示す接合形タービンロータ１０の概念図である。また、図８は、実施形態に係る接合形タービンロータ１０の曲がり修正方法における局所加熱箇所４１を示す接合形タービンロータの部分平面図である。すなわち、図８は、凸部１３ａが上向きの場合において、上側から凸部１３ａを見た図である。

ここで、これまで凸部１３ａと呼んでいる部分は、図８に示すように、接合部１３を挟む第１ロータ環状部１０ｃおよび第２ロータ環状部１０ｄを含めた領域における凸部側の部分を言うものとする。すなわち、凸部１３ａは、周方向には、最も凸状となっている部分を中心に周方向に幅を有する部分であり、軸中心から見て周方向の円周角がたとえば３０度程度の範囲でもよい。

局所加熱箇所４１は、凸部１３ａにおいて、接合部１３あるいは、接合部１３そのものではなく、第１ロータ環状部１０ｃあるいは第２ロータ環状部１０ｄ内の箇所を一つ選定する。図８は、後述するように複数回の加熱を実施した場合に順次、加熱箇所を変更することから、これらの全ての箇所の例を示している。

局所加熱の方法は、バーナによるスポットヒーティングや、高周波誘導加熱、また溶接アークによる加熱を用いることができる。本ステップＳ０３においては、局所加熱により、加熱対象部分の温度を、第１ロータ１０ａおよび第２ロータ１０ｂの変態点を超える温度まで上昇させる。

次に、加熱により到達した変態点を超える温度で所定時間保持する（ステップＳ０４）。

一般に、局所加熱した領域は硬化し易く、延性低下が懸念されるため、凸部１３ａに塑性変形を生ずる結果が得られれば、材料への影響を最小とする温度および保持時間とすることが好ましい。

このような局所加熱は、熱容量の小さな第１ロータ環状部１０ｃまたは第２ロータ環状部１０ｄを加熱することから、小さな入熱で修正効果を確保することができ、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼などの割れ易いタービンロータ材質に対しても、曲がり直し可能となる。

なお、ステップＳ０３、Ｓ０４に関しては、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼などの割れ易いタービンロータ材質の場合には注意を要する。このような材質の場合には、第１ロータ１０ａと第２ロータ１０ｂとの接合に際して割れ感受性の低めな溶接材料を採用し母材の化学組成を希釈させる方式を採用し、割れ感受性が低い化学組成である接合部１３の方を局所加熱することにより、割れの発生を回避してもよい。

図９は、実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法のステップＳ０４での状態を示す接合形タービンロータの概念図である。

凸部１３ａを加熱することにより、当初の曲がり量ｄ０から、これより大きな値である曲がり量ｄ１の状態となる。このような変形に際しては、加熱される凸部１３ａ側は、塑性変形領域までに至り、一方、周方向に反対側の凹部１３ｂは、弾性領域内の変形に留まる。

次に、接合形ロータシャフト１０を冷却する（ステップＳ０５）。ここで、冷却は、自然放熱による冷却、あるいは、空冷等による。この場合、たとえば、保温材を巻いて冷却温度勾配を緩やかにする。これによって、性状の大きな変化を抑制することができる。

図１０は、実施形態に係る接合形タービンロータの曲がり修正方法のステップＳ０５での状態を示す接合形タービンロータ１０の概念図である。以上のような変態点を超える温度までの加熱とその後の冷却により、接合形タービンロータ１０の接合部１３における曲がり量ｄ２は、当初の曲がり量ｄ０に比べて減少した値となる。図１０では、最終的に、曲がりの方向が逆転するに至った場合を示している。

このように、曲がり量ｄが減少するのは、以下のような理由による。

前述のように、加熱される凸部１３ａ側は、ステップＳ０３における加熱過程では非弾性領域に至る変形をするが、その後のステップＳ０５における冷却過程では、弾性的に変形する。すなわち、ヒステリシスを描くように変形する。

一方、非加熱側である凹部１３ｂ側は、ステップＳ０３における加熱過程でも、その後のステップＳ０５における冷却過程でも、弾性的に変形する。

以上のような、変形過程と、凸部１３ａ側と凹部１３ｂ側とが、接合形タービンロータ１０内において一体で結合しているという条件とから、冷却後の釣り合い状態としては、接合型タービンロータ１３は、当初とは反対の曲げ方向に変位する。すなわち、直軸状態に近づく。たとえば、複数回、このような操作を行うことにより、最終的には、元々の凹部１３ｂ側が、凸部側に変わってくる、すなわち、曲がりが当初とは反対側となる。

次に、冷却後の接合形ロータシャフト１０の曲がり量ｄ２が所定値以内であるか否かを判定する（ステップＳ０６）。

ここで、判定の基準となる所定値としては、たとえば、曲がり量ｄ２の絶対値が、所定の値以下であるという条件を用いてもよい。この際、所定の値としては、たとえば、接合形ロータシャフト１０の振動等に影響しない程度の範囲とする値を用いてもよい。

あるいは、判定の基準となる所定値としては、たとえば、曲がり量ｄ２の絶対値が、初期の曲がり量ｄ０の所定の割合以下であるという条件を用いてもよい。この場合、所定の割合として、たとえば、２０％等の値を用いてもよい。

さらに、当該曲がり修正方法を適用した以降の、同様の曲がりの可能性を考慮して、図１０に示すように、曲がり量ｄが、初期の曲がり量ｄ０とは符号が逆転するという条件を付してもよい。

曲がり量が所定値以内であると判定されなかった場合（ステップＳ０６ＮＯ）には、ステップＳ０３に戻り、凸部１３ａにおいて他の位置の局所加熱箇所４１を選定して、加熱を行い、また、その後のステップＳ０４ないしステップＳ０６を繰り返す。

曲がり量が所定値以内であると判定された場合（ステップＳ０６ＹＥＳ）には、次に、変態点以下の温度に上昇し所定時間保持する（ステップＳ０７）。すなわち、接合型タービンロータ１３の一部あるいは全体を再加熱し、応力除去のための焼きなましを行う。温度は、第１ロータ１０ａおよび第２ロータ１０ｂの変態点に至らない温度とする。保持時間は、通常の焼きなまし時の条件でよい。

次に、接合形ロータシャフト１０を冷却する（ステップＳ０８）。このステップにおいても、ステップＳ０５と同様に急冷を避けて行う。

以上、説明したように、本実施形態による接合形タービンロータの曲がり修正方法においては、接合形タービンロータ１０の接合部に曲がりが発生した場合に、接合部１３の凸部１３ａを局所加熱することにより曲がり修正を行うことができる。この際、局所加熱は、熱容量の小さな第１ロータ環状部１０ｃまたは第２ロータ環状部１０ｄを加熱することから、小さな入熱で修正効果を確保することができる。

このため、３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼などの割れ易いタービンロータ材質に対しても、曲がり直し可能となる。

以上のように、本実施形態による接合形タービンロータの曲がり修正方法によって、効果的な曲がり修正を行うことができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。また、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…接合形タービンロータ、１０ａ…第１ロータ、１０ｂ…第２ロータ、１０ｃ…第１ロータ環状部、１０ｄ…第２ロータ環状部、１１…タービン翼植込み部、１２ａ…第１端部、１２ｂ…第２端部、１３…接合部、１３ａ…凸部、１３ｂ…凹部、１４…袋状中空部、１５…中心孔、１８ａ、１８ｂ…被支持部、２１ａ、２１ｂ…支持部、３１…変位測定器、４１…局所加熱箇所

Claims

接合形タービンロータの袋状中空部を形成する環状部分を有する接合部における曲がりの修正方法であって、
前記曲がりの凸部の変位または前記接合形タービンロータの周方向における前記凸部と反対側の表面の変位を測定する変位計測器を設定する変位計測器設定ステップと、
前記変位計測器設定ステップの後に前記環状部分の前記凸部を加熱する加熱ステップと、
前記加熱ステップの後に、前記接合部を冷却する冷却ステップと、
を有することを特徴とする接合形タービンロータの曲がり修正方法。
前記加熱ステップは、前記接合形タービンロータの構成材料の変態点を超える温度において行われることを特徴とする請求項１に記載の接合形タービンロータの曲がり修正方法。
前記変位計測器設定ステップ、前記加熱ステップ、および前記冷却ステップの前に、前記接合形タービンロータを支持する支持ステップをさらに有し、
前記支持ステップにおいては、前記接合形タービンロータは前記凸部を上にして支持されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の接合形タービンロータの曲がり修正方法。
前記冷却ステップの後に、前記曲がりの量が所定の範囲内であるか否かを判定する判定ステップを有し、
前記判定ステップにおいて、前記曲がりの量が前記所定の範囲内ではないと判定した場合には、前記加熱ステップおよび前記冷却ステップを繰り返し行う、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の接合形タービンロータの曲がり修正方法。
前記所定の範囲は、前記接合形タービンロータが、最初の前記曲がりの量の２０％以下であることを特徴とする請求項４に記載の接合形タービンロータの曲がり修正方法。
前記所定の範囲は、前記接合形タービンロータが、最初の前記曲がりの方向の逆方向であることを特徴とする請求項５に記載の接合形タービンロータの曲がり修正方法。
前記判定ステップにおいて、前記曲がりの量が前記所定の範囲内であるとは判定された場合に、
前記判定ステップの後に、前記凸部を再び加熱する再加熱ステップと、
前記再加熱ステップの後に、前記接合部を再度冷却する再冷却ステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載の接合形タービンロータの曲がり修正方法。
前記再加熱ステップは、前記接合形タービンロータの構成材料の変態点を超えない温度において行われることを特徴とする請求項７に記載の接合形タービンロータの曲がり修正方法。