CN102301107A - 燃烧器结构部件的制造方法、燃烧器结构部件、燃气轮机用燃烧器及燃气轮机 - Google Patents

燃烧器结构部件的制造方法、燃烧器结构部件、燃气轮机用燃烧器及燃气轮机 Download PDF

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Abstract

一种燃烧器结构部件的制造方法，包括：将由耐热合金构成的第一板状部件(4a)、和由耐热合金构成且在表面具有多个翼片(5)的第二板状部件(4b)以翼片(5)朝向第一板状部件(4a)的状态，经由包含熔点降低元素的钎料而进行钎焊接合，从而得到板状接合体(4)的工序；对板状接合体(4)进行冲压成形而得到所希望的形状的燃烧器结构部件的冲压成形工序；根据燃烧器结构部件的形状来确定在冲压成形工序时产生的变形为规定值以上的变形部位的工序；对与所述确定的变形部位相对应的板状接合体(4)的对应部位进行局部加热的工序；及将加热后的对应部位的温度维持在期望温度而对板状接合体(4)进行冷间冲压成形的工序。

Description

燃烧器结构部件的制造方法、燃烧器结构部件、燃气轮机用燃烧器及燃气轮机
技术领域
本发明涉及适用于燃气轮机的燃烧器(燃烧筒及内筒等)的燃烧器结构部件的制造方法。
背景技术
燃气轮机燃烧器在1500℃的高温环境下使用。根据其使用条件的不同，该燃气轮机燃烧器需要冷却结构。例如专利文献1公开所示，作为燃烧器尾筒的结构部件，使用被称为MT翼片的具有中空流路的板状部件，在中空的流路中流动有作为冷却介质的空气或蒸气等，从而将燃气轮机燃烧器冷却。
如专利文献2公开所示，具有中空的流路的板状部件由作为母材的平坦的板状部件和具有多个翼片的板状部件构成，并将多个翼片与平板状的板状部件接合而形成。作为接合方法，列举有钎焊接合(扩散接合)。钎焊接合是将比被接合材料(母材)的熔点低的金属(钎料)作为粘结剂，以钎料的熔点温度将母材加热，通过钎料和母材的相互扩散作用而进行接合的技术。若钎焊时的加热温度高，则会发生母材的结晶粒的粗大化或氧化，母材的强度降低。因此，在降低加热温度的目的下，多使用添加了熔点降低元素(B、Si、P等)的钎料。
【专利文献1】日本专利第3831638号公报(权利要求9，段落[0011])
【专利文献2】日本特开2002-161755号公报(段落[0007])
发明内容
以往，上述燃气轮机燃烧器的结构部件在对两个板状部件进行了钎焊接合后，在常温下使用冲压机进行成形而制造。在钎焊接合时，钎料中含有的熔点降低元素从钎料与板状部件的接触面扩散。然而，当该扩散不充分时，在上述接触面附近，熔点降低元素偏向板状部件，因此局部性地产生脆性。对由此种板状部件构成的板状接合体进行冲压成形时，在板状接合体的内部产生裂纹，由于该裂纹的原因，而会产生板状接合体的接合面发生剥离这一问题。因此，板状接合体成形后的燃烧器结构部件需要通过非破坏检查(超声波探伤试验等)来确认内部品质。当确认到燃烧器结构部件存在裂纹时，该燃烧器结构部件通过焊接进行修补或被报废。
若利用热锻冲压装置对具有中空流路的板状接合体进行成形，则能够避免在板状接合体的内部产生的裂纹。然而，由于在高温下进行加热，而钎料及板状部件熔融，无法维持中空的流路的位置精度，并且板状部件发生粗粒化，板状部件的强度降低。热冲压成形是利用加热炉等对非铁金属/不锈钢/合金钢/碳钢等被成形原料整体进行加热，使用模具进行压缩成形。相对于此，冷间冲压成形是在常温下使用模具对被成形原料进行压缩成形。
本发明鉴于此种情况而作出，提供一种不会产生裂纹地维持中空的流路的位置精度来制造燃烧器结构部件的方法，该燃烧器结构部件由将两个板状部件钎焊接合而成的具有中空的流路的板状接合体成形而成。
为了解决上述课题，本发明的燃烧器结构部件的制造方法采用以下的方法。
本发明涉及一种燃烧器结构部件的制造方法，包括：板状接合体形成工序，将由耐热合金构成的第一板状部件、和由耐热合金构成且在表面具有多个翼片的第二板状部件以该翼片朝向第一板状部件的状态，经由包含熔点降低元素的钎料而进行钎焊接合，从而得到板状接合体；冲压成形工序，对该板状接合体进行冲压成形而得到所希望的形状的燃烧器结构部件；变形部位确定工序，根据所述燃烧器结构部件的形状来确定在所述冲压成形工序时产生的变形为规定值以上的变形部位；局部加热工序，对与由该变形部位确定工序确定的所述变形部位相对应的所述板状接合体的对应部位进行局部加热；及作为所述冲压成形工序的将加热后的所述对应部位的温度维持在期望温度而对所述板状接合体进行冷间冲压成形的工序。
燃烧器结构部件由于形状的不同，而在成形板状接合体时产生的变形部位不同。通过确定燃烧器结构部件的变形部位，能够在成形前对上述确定的变形部位与板状接合体对应的部位进行局部加热。并且，通过对板状接合体进行局部加热而能够提高延展性，并提高冲压成形性。即，即使是在钎焊下熔点降低元素(例如B、Si、P等)不均匀地扩散的板状接合体，也能够不发生裂纹地进行冲压成形。而且，通过不对板状接合体的整体而仅对变形发生部位进行加热，能够抑制板状接合体整体发生粗粒化，并能够维持中空的流路的位置精度。
在上述发明中，所述局部加热工序中的加热温度优选为650℃以上且1000℃以下，更优选为800℃以上且1000℃以下。
局部加热时的加热温度为650℃以上且1000℃以下时，板状接合体的冲压成形性提高。尤其是通过以800℃以上且1000℃以下进行加热，由于钎料中含有的熔点降低元素不均匀扩散而局部发生了脆化的板状接合体能够得到脆化前的状态的第一板状部件及第二板状部件的同等以上的延展性。而且，由于上述加热温度为钎料及板状部件的熔点以下，因此能够维持板状部件的强度及板状接合体的中空的流路的位置对合精度。
加热温度低于650℃时，无法得到加热产生的所希望的延展性提高效果。加热温度高于1000℃时，板状部件的结晶粒发生粗粒化，板状部件的劣化不断发展。而且，加热温度高于1000℃时，钎料及板状部件发生熔融，中空的流路被闭塞，且位置对合精度变差。
使用上述制造方法所制造的燃烧器结构部件在冲压成形时不会产生裂纹。由此，能够减少焊接修补作业花费的时间，及可通过报废数减少实现成本削减。而且，能够维持中空的流路的位置精度。使用上述燃烧器结构部件而形成的燃气轮机用燃烧器及具备该燃气轮机用燃烧器的燃气轮机能够以低成本进行制造且可靠性高。
【发明效果】
通过利用上述制造方法来制造燃烧器结构部件，能够避免成形时产生的裂纹。由此，能够削减修补花费的作业时间及制造成本。而且，成形后也能够维持中空的流路的位置精度。其结果是，能够提供一种起到高冷却效果的燃气轮机燃烧器。。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的燃气轮机的局部纵向剖视图。
图2是板状接合体的立体剖视图。
图3是板状接合体的局部剖视图。
图4是表示拉伸试验的结果的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的燃烧器结构部件的制造方法的一实施方式进行说明。
图1表示本实施方式的燃气轮机的局部纵向剖视图。燃气轮机1具备燃烧器2，该燃烧器2具有内筒2a及外筒2b。内筒2a是在将四个燃烧器结构部件临时对合后利用激光焊接形成为筒状的部件。燃烧器结构部件通过将具有中空流路的板状接合体冲压成形成规定的形状而得到。一个燃烧器结构部件例如是1.2m×0.7m至1.0m×0.5m的尺寸。
图2表示板状接合体的立体图。板状接合体4由形成为平坦状的第一板状部件4a和具有多个翼片5的第二板状部件4b构成。板状接合体4通过将多个翼片5与第一板状部件4a接合，而在板状接合体4的内部的多个翼片5之间形成有中空流路3。
图3表示板状接合体4的局部剖视图。中空流路3在剖视下，成为顶部是曲线且其两端为直线的形状。
板状接合体4例如通过以下的工序来制作。在第一板状部件4a的上方载置箔状的钎料(未图示)，进而以使翼片5朝向第一板状部件4a的方式载置第二板状部件4b。需要说明的是，在各部件的接合面的端部涂敷有防钎料流动剂(未图示)。载置后，使用块等从第二板状部件4b的上表面均匀地对面内施加压力。在被施加压力的状态下，在非活性气氛中或真空中对第一板状部件4a及第二板状部件4b实施热处理，从而将第一板状部件4a及第二板状部件4b接合。
在本实施方式中，第一板状部件4a及第二板状部件4b使用耐热Ni基合金，例如Tomilloy(注册商标)(组成：20.00质量％至24.00质量％的Cr，6.50质量％至9.40质量％的Co，8.00质量％至10.00质量％的Mo，2.00质量％至4.00质量％的W，0.75质量％至1.50质量％的Al，0.60质量％以下的Ti，0.15质量％以下的C，3.00质量％以下的Fe，1.00质量％以下的Mn，1.00质量％以下的Si，0.50质量％以下的Cu，0.015质量％以下的S，0.020质量％以下的P，0.006质量％以下的B，其余部分是Ni)。需要说明的是，也可以替换Tomilloy(注册商标)，而使用Hastelloy(注册商标)X(组成：20.25质量％至23.25质量％的Cr，0.45质量％至2.55质量％的Co，7.90质量％至10.10质量％的Mo，16.80质量％至20.20质量％的Fe，0.16质量％至1.04质量％的W，0.04质量％至0.16质量％的C，1.05质量％以下的Si，1.3质量％以下的Mn，0.045质量％以下的P，0.035质量％以下的S，其余部分是Ni)、HA-230、GTD-222、IN-617、Nimonic263那样的耐热Ni基合金。或者，还可以使用HA-188、FSX-414等耐热Co基合金。
在本实施方式中，根据板状部件材料而适当选择含有熔点降低元素(例如B、Si、P等)的钎料。例如，使用耐热Ni基合金作为板状部件时，优选适用以Ni为主成分的NIB8(制造厂商：日立金属株式会社，商品名：Ni-B8，组成：0.1质量％以下的C、15.0质量％至15.7质量％的Cr，3.3质量％至4.0质量％的B，其余部分是Ni)、MBF-20(制造厂商：梅葛拉斯公司，商品名：Metglas(注册商标)MBF-20Nickel-Based Brazing Foil，组成：0.06质量％以下的C，7.0质量％的Cr，3.0质量％的Fe，4.5质量％的Si，3.2质量％的B，其余部分是Ni)等。
以下，对燃烧器结构部件的制造方法进行说明。
燃烧器结构部件的制造方法包括：根据燃烧器结构部件的形状而确定成形时产生的变形的部位的变形部位确定工序；对使燃烧器结构部件的确定了的变形部位与板状接合体4对应的部位进行加热的局部加热工序；及对加热后的板状接合体4进行冷间冲压成形的冲压成形工序。
在变形部位确定工序中，通过数值解析(冲压成形模拟)及划线试验等，测定燃烧器结构部件的变形，确定与燃烧器结构部件的形状对应的成形时产生的变形部位。
例如，实施以板状接合体4的材料物性值作为输入数据并以模具温度、模具形状、润滑剂(摩擦系数)等要因为参数的模拟解析(解析软件：LS-DYNA等)，确定变形为例如13％以上的规定值以上的变形部位。确定了的变形部位通过解析软件而与板状接合部件相对应。
例如，在划线试验中，对板状接合体4划出直径约6.35mm(1/4in)的圆形图案(划线)，在冲压成形后，根据该划线的变形程度(长轴和短轴的长度、中轴的朝向、圆的中心间距离)来计测板状接合体4的变形(最大变形/最小变形/最大变形方向等)。对于变形部位，在目视下划线较大地变形。确定变形为例如13％以上的规定值以上的变形部位。
板状接合体4配置于下模。为了防止成形时的磨损引起的粘着，而在模具及板状接合体4上涂敷润滑剂。润滑剂是高温润滑性优异的氮化硼(例如，奥戴斯(Audec)株式会社制的BN脱模剂，资库斯(Zikusu)工业株式会社制的BN喷洗剂，日本精化株式会社的BN喷洗剂)等。
在局部加热工序中，如上所述将板状接合体4配置于模具后，对变形部位确定工序中确定的变形部位与板状接合体4对应的部位进行局部加热。作为加热方法，例如适用感应加热、高频加热、通电加热等。最小加热面积是100cm2左右。加热温度为650℃以上且1000℃以下。需要说明的是，加热温度例如由温度扼流圈、红外热摄像仪及热电偶等进行管理。
为了确认熔点降低元素所扩散的第一板状部件4a的材料特性，而基于JIS  G0567及JIS Z2241实施了拉伸试验。以包含熔点降低元素扩散层的方式从以Tomilloy为材料的板状接合体4切出第一板状部件4a，基于JIS Z2201制作了试验片。将从钎料使用MBF-20的板状接合体4制作的试验片作为实施例1，将从钎料使用NIB8的板状接合体4制作的试验片作为实施例2。而且，将从Tomilloy(注册商标)制作的试验片作为比较例。
图4是表示上述试验片的拉伸试验的结果的曲线图。在该图中，横轴表示试验片的加热温度，纵轴表示试验片的龟裂发生极限变形(％)。“龟裂发生极限变形(％)”表示试验片断裂时的变形(％)。需要说明的是，室温下的各试验片的龟裂发生极限变形在比较例中为51％，在实施例1及实施例2中为13％以下。
在加热温度650℃下，龟裂发生极限变形较大地升高。实施例1及实施例2的龟裂发生极限变形在加热温度700℃下显示出室温的比较例的同等以上，在800℃下显示出80％以上，与同温度的比较例为相同程度。
根据上述拉伸试验的结果考虑到，为了不使板状接合体4熔融而得到所希望的延展性提高效果，局部加热工序中的加热温度优选为650℃以上且1000℃以下。尤其是在800℃以上且1000℃以下，能得到最高的延展性提高效果。
在冲压成形工序中，局部加热工序结束后，将加热后的对应部位的温度维持在期望温度而对板状接合体4进行冷间冲压成形。由于被加热的部位仅为被确定的变形部位，因此能够通过冷间锻造冲压装置进行成形。
如以上所述，根据本实施方式的燃烧器结构部件的制造方法，起到以下的作用效果。通过利用上述制造方法来制造燃烧器结构部件，能够避免成形时产生的裂纹。由此，能够削减修补所花费的作业时间及制造成本。而且，成形后也能够维持中空流路3的位置精度。其结果是，能够提供一种起到高的冷却效果的燃气轮机燃烧器。
需要说明的是，冲压成形工序也可以在进行局部加热的同时进行。
在本实施方式中，成形为一个阶段，但在两个阶段以上成形时，也可以反复实施局部加热工序及冲压成形工序。
【标号说明】
1 燃气轮机
2 燃烧器
2a 内筒
2b 外筒
3 中空流路
4 板状接合体
4a 第一板状部件
4b 第二板状部件
5 翼片

Claims (6)

1.一种燃烧器结构部件的制造方法，包括：
板状接合体形成工序，将由耐热合金构成的第一板状部件、和由耐热合金构成且在表面具有多个翼片的第二板状部件以该翼片朝向第一板状部件的状态，经由包含熔点降低元素的钎料而进行钎焊接合，从而得到板状接合体；
冲压成形工序，对该板状接合体进行冲压成形而得到所希望的形状的燃烧器结构部件；
变形部位确定工序，根据所述燃烧器结构部件的形状来确定在所述冲压成形工序时产生的变形为规定值以上的变形部位；
局部加热工序，对与由该变形部位确定工序确定的所述变形部位相对应的所述板状接合体的对应部位进行局部加热；及
作为所述冲压成形工序的将加热后的所述对应部位的温度维持在期望温度而对所述板状接合体进行冷间冲压成形的工序。
2.根据权利要求1所述的的燃烧器结构部件的制造方法，其中，
所述局部加热工序中的加热温度为650℃以上且1000℃以下。
3.根据权利要求1所述的的燃烧器结构部件的制造方法，其中，
所述局部加热工序中的加热温度为800℃以上且1000℃以下。
4.一种燃烧器结构部件，使用权利要求1至3中任一项所述的燃烧器结构部件的制造方法进行制造。
5.一种燃气轮机用燃烧器，使用权利要求4所述的燃烧器结构部件而形成。
6.一种燃气轮机，具备权利要求5所述的燃气轮机用燃烧器。
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