具体实施方式
以下,详细说明本发明。
本发明的涡轮机叶片优选通过1条焊道的电子束焊接进行固定,进行固定时,在焊接坡口部设置具有比涡轮机叶片、罩部各自的厚度大的厚度的凸部,优选使用具有与凸部大致相等的厚度的填隙材料。
在以电子束焊接进行固定时,优选具有电子射线的入射侧的填隙材料的宽度宽的坡口形状。另外,通过使填隙材质为含70%以上的Ni的Ni-Fe合金,可以抑制铁系叶片材料和Co基合金罩材料的稀释部的有害相成分。
低压蒸汽涡轮机的最终段叶片材质优选为作为涡轮机叶片而大多采用的铁系材料的12%Cr不锈钢、或者析出硬化型不锈钢。特别地,作为12%Cr系马氏体钢,优选地,含有0.14~0.40%、优选为0.19~0.40%的C;0.5%以下的Si;1.5%以下的Mn;2~3.5%的Ni;8~13%的Cr;1.5~4%的Mo;合计为0.02~0.3%的Nb和Ta的一种以上;0.05~0.35%的V;以及0.04~0.15%的N。进一步地,优选为含有0.20~0.40%的C和1.5~3.5%的Mo、或者含有0.14~0.19%的C和2.0~3.5%的Mo的组合。防蚀板为耐磨损性优异的Co基合金的司太立合金,以重量计具有25~30%的Cr、1.5~7.0%的W、0.5~1.5%的C。填隙材质优选为延性高的Ni-Fe合金,在司太立合金出现裂纹时,抑制向母材的裂纹传播的功能是必要的。由于填隙材料与母材及司太立合金稀释,在母材和司太立合金的稀释率高的情况下,在凝固界面形成共晶碳化物,使延韧性下降,因此,优选含有70%以上的Ni。
由于在电子束的入射侧,母材及司太立合金的稀释率高,所以,优选增大入射侧的填隙宽度,使厚度方向的稀释率大致相等。
本发明的低压蒸汽涡轮机的转速为3000rpm或者3600rpm,前述动叶片左右对称地具有各5段以上,优选为6段以上,进一步优选地为8~10段,是将初段埋设于前述转子轴中心部的双流结构,优选地,前述转子轴的轴承中心间距离(L)为6500mm以上(优选为6600~7500mm)。叶片部长度为初段90mm以上,最终段具有前述的长度。优选地,前述转子轴由该转子轴内中心部的室温的0.02%屈服强度为80kg/mm2以上,0.2%屈服强度为87.5kg/mm2以上,或者拉伸强度为92kg/mm2以上和FATT为-5℃以下,或者20℃的V型切口冲击值为10kg·m/cm2以上的贝氏体钢构成。
低压蒸汽涡轮机的最终段叶片为了承受高速旋转产生的高的离心力和振动应力,必须拉伸强度高且循环疲劳强度高。如果12%Cr系马氏体钢存在有害的δ铁素体,则使疲劳强度显著地降低,因此,作为完全回火马氏体组织,以实际上不含有δ铁素体相的方式实施,作为调质热处理,在焊接、锻造后,优选地,在1000~1100℃(优选为1000~1055℃)进行加热保持0.5~3小时后急速冷却到室温的(特别地优选为油淬火)淬火,接下来,实施在540~620℃回火,特别地在540~570℃优选加热保持1~6小时后冷却到室温的第1次回火,和在560~590℃优选加热保持1~6小时后冷却到室温的第2次回火的2次以上的回火热处理。第2次回火温度优选比第1次回火温度高,特别地优选为高10~30℃,更加优选为高15~20℃。另外,优选地,为了进一步完全分解残留奥氏体,实施冷却到干冰或液氮的温度的深冷处理。
低压涡轮机的最终段叶片部长度适用于相对于3600rpm为882mm(35.8”)、952.5mm(37.5”)、1016mm(40”)、1067mm(42”),以及相对于3000rpm为1092mm(43”)、1168.4mm(46”)、1219.2mm(48”)、1270mm(50”)。
低压蒸汽涡轮机的最终段叶片的叶片部的宽度方向的倾斜在植入部附近相对于转轴的轴向大致平行,叶片部顶端相对于前述轴向优选为65~85度倾斜,更优选为70~80度。优选地,为对于3000rpm,其叶片部长度为43英寸以上或者对于3600rpm,其叶片部长度为37.5英寸以上,对于43英寸以上,植入部为9根以上,以及,对于37.5英寸以上,植入部为7根以上的叉型或者具有4段以上的突起的倒置圣诞树型。优选地,相对于前述叶片部顶端的宽度的植入部宽度为2.1~2.5倍。优选地,其植入部为叉型,向转子轴的固定用销插入孔设为多段,该插入孔的直径的前述叶片部侧比其相反侧大。
低压蒸汽涡轮机转子轴以重量计优选为具有0.2~0.3%的C、0.15%以下的Si、0.25%以下的Mn、3.25~4.5%的Ni、1.6~2.5%的Cr、0.25~0.6%的Mo、0.05~0.25%的V,92.5%以上的Fe的完全回火贝氏体组织的低合金钢,优选地通过与前述的高压、中压转子轴同样的制造方法制造。特别优选地,使用Si量在0.05%以下、Mn在0.1%以下、其他P、S、As、Sb、Sn等的杂质尽可能低的原料,优选地,使用以使总量在0.025%以下,优选为0.015%以下的方式被采用的原材料的杂质少的材料的超净化制造。优选为,P、S分别在0.010%以下,Sn、AS在0.005%以下,Sb在0.001%以下。本转子轴优选为其中心部的室温的0.02%屈服强度在80kg/mm2以上,0.2%屈服强度在87.5kg/mm2以上或者拉伸强度在92kg/mm2以上及FATT在-5℃以下,或者20℃的V型切口冲击值在10kg·m/cm2以上的贝氏体钢。在本发明的转子轴中,相对于具有中心孔的情况作为最终段动叶片设为叉型的,相对于不设中心孔的情况,设为倒置圣诞树型的。
优选地,低压涡轮机用叶片的最终段以外和喷嘴为具有0.05~0.2%的C、0.1~0.5%的Si、0.2~1.0%的Mn、10~13%的Cr、0.04~0.2%的Mo的完全回火马氏体钢。
低压涡轮机用内部和外部壳体均优选为具有0.2~0.3%的C、0.3~0.7%的Si,1%以下的Mn的碳素铸钢。
以下,说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
图1所示为利用电子束焊接安装有防蚀板的、具有43英寸的叶片长度的涡轮机叶片。
43英寸长叶片利用电渣重熔焊接法焊接制成,并进了锻造、热处理。锻造为在850~1150℃的温度范围内,热处理为在1050℃下加热保持1小时后,进行油淬火,实施在550℃下加热保持2小时后冷却到室温的第1次回火、和在560℃下加热保温2小时后冷却到室温的第2次回火的两次回火热处理。该长叶片的金属组织为完全回火马氏体组织。叶片部51在植入部的厚度最大,随着靠近顶端部逐渐变薄。叶片植入部52形成为具有9根植入部的叉型。在图1的侧面,以叉型插入销的销插入孔53设置为三段,与其对应地设有凹部。销插入孔53在叶片部侧直径最大,并逐渐变小。叶片部51,其宽度方向的倾斜相对于车轴的轴向而言,叶片植入部52大致平行,在叶片顶端部逐渐以倾斜约75度。本实施方式中的叶片植入部52的最大宽度相对于叶片部顶端的宽度大约为2.4倍,优选为2.2~2.6。附图标记58表示叶片部51的相对于叶片植入部52附近的连线的延长线上的宽度,为叶片部51的有效宽度,相对于叶片部顶端的宽度约为1.79倍,优选为1.60~1.85倍。
图2表示坡口部的结构。形成叶片面和比防蚀板厚的凸部,通过使用与凸部厚度大致同等的填隙材料,不产生咬边。另外,通过扩大电子束的入射侧的填隙宽度使稀释率大致均一化,使用电子束的入射侧、背面侧进行表面弯曲实验,其结果是入射侧和背面侧的特性大致相同。
表1表示电子束焊接中使用的填隙材质。使用含Ni70%以上的填隙材料A和含Ni约60%的填隙材料B将防蚀板电子束焊接安装到12Cr钢叶片上,进行焊接部的表面弯曲实验,其结果是,使用填隙材料A裂痕发生的弯曲角度大,显示充分的延展性,使用填隙材料B裂痕发生的弯曲角度小,延展性不充分。进行微观组织观察,其结果是,可以看出在使用填隙材料B的情况下,在枝晶界面由NbC代表的共晶碳化物以网状析出,延展性下降。
(表1)
表1
(实施方式2)
(低压蒸汽涡轮机)
图3为低压涡轮机的截面图。动叶片41为左右8段,左右大致对称,还与动叶片对应地设有静叶片42。喷嘴室45为双流型。
对于转子轴44使用含有以重量计0.2~0.3%的C、0.03~0.1%的Si、0.1~0.2%的Mn、0.01%以下的P、0.01%以下的S、3.5~4.5%的Ni、1.8~2.5%的Cr、0.3~0.5%的Mo、0.1~0.2%的V、0.01%以下的Al、0.005%以下的Sn、0.005%以下的As、0.001%以下的Sb的超净化的完全回火贝氏体钢的锻钢。这些钢,在热锻造后以840℃×3h加热,之后,在进行以100℃/h冷却的淬火后,以进行以575℃×32h加热的回火,具有完全回火贝氏体组织。若0.02%屈服强度在80kg/mm2以上、0.2%屈服强度在87.5kg/mm2以上、拉伸强度在100kg/mm2以上,V型切口冲击值在10kg-m以上,FATT在-20℃以下,则具有高强度和高韧性,作为本实施方式的最终段动叶片,叶片部长度43~50英寸的埋入是可以的。
本实施方式的43英寸叶片,使用含有0.14%的C、0.04%的Si、0.15%的Mn、11.5%的Cr、2.60%的Ni、2.30%的Mo、0.27%的V、0.10%的Nb、0.07%的N的马氏体钢,进行了淬火和回火。其拉伸强度为134kg/mm2、V型切口冲击值为5.0kg-m/cm2。在用于防止蒸汽中的水滴造成的冲蚀的冲蚀防护罩54上,以电子束焊接接合了以重量计含有1.0%的C、28.0%的Cr和4.0%的W的Co基合金的司太立合金板。连续罩57在本实施方式中是在全部一体锻造后通过切削加工形成的。此外,连续罩57可以机械地一体形成。
最终段以外的动叶片和静叶片都采用含有0.1%的Mo的12%Cr钢。内外部壳体材料采用含0.25%的C的铸钢。本实施方式中的轴承43的中心间距离为7500mm,对应于静叶片的转子轴的直径为约1280mm,动叶片植入部的直径为2275mm。
本实施方式的低压涡轮机的动叶片植入部的轴向的宽度以初段~3段、4段、5段、6~7段和8段的4阶段逐渐变大,最终段的宽度约为初段的宽度2.5倍大。
另外,与静叶片部对应的部分的直径变小,该部分的轴向的宽度从初段动叶片侧起在第5段、第6段和第7段3个阶段逐渐变大,最终段侧的宽度相对于初段和2段之间约1.9倍大。
动叶片的植入部与对应于静叶片的部分相比直径变大,其宽度为动叶片的叶片部长度越大,其植入宽度越大。其宽度对于动叶片的叶片部长度的比例从初段到最终段为0.15~0.19,并且随着从初段到最终段而逐渐呈阶梯状变小。
另外,对应于各静叶片的部分的转子轴的宽度在从初段和第2段之间到最终段和其近前之间的各段呈阶梯状变大。其宽度对于动叶片的叶片部长度的比例为0.25~1.25,并且随着从上游侧到下游侧逐渐变小。
(发电设备)
本实施方式中的发电设备主要由烧炭锅炉、高压涡轮机、中压涡轮机、2台低压涡轮机、蒸汽冷凝器、蒸汽冷凝泵、低压给水加热器系统、脱气器、升压泵、给水泵、高压给水加热器系统等构成。在锅炉产生的超高温高压蒸汽进入高压涡轮机产生动力,之后再次由锅炉加热并进入中压涡轮机产生动力。该中压涡轮机排气蒸汽进入低压涡轮机并产生动力,之后由蒸汽冷凝器凝结。该凝结液被蒸汽冷凝泵向低压给水加热器系统、脱气器输送。由该脱气器脱气后的给水被升压泵、给水泵向高压给水加热器输送并升温,之后,返回到锅炉。
这里,在锅炉中给水通过节炭器、蒸发器、过热器成为高温高压的蒸汽。另一方面,加热蒸汽的锅炉的燃烧气体从节炭器出来后,进入空气加热器并加热空气。这里,给水泵的驱动采用由来自于中压涡轮机的抽气蒸汽操作的给水泵驱动用涡轮机。
在这样构成的高温高压蒸汽涡轮机设备中,从高压给水加热器系统出来的给水的温度远高于以往的火力设备中的给水温度,因此,从锅炉内的节炭器出来的燃烧气体的温度也必然远高于以往的锅炉。因此,实现来自于该锅炉排气的热回收且不使气体温度降低。
作为1050MW级发电机用转子轴,使用更高强度的材料。特别是,优选为具有含有0.15~0.30%的C、0.1~0.3%的Si、0.5%以下的Mn、3.25~4.5%的Ni、2.05~3.0%的Cr、0.25~0.60%的Mo、0.05~0.20%的V的完全回火贝氏体组织且室温拉伸强度在93kgf/mm2以上,特别地在100kgf/mm2以上,50%FATT在0℃以下,特别地在-20℃以下的材料,优选为21.2KG中的磁化力在985AT/cm以下,作为杂质的P、S、Sn、Sb、As的总量在0.025%以下,Ni/Cr比在2.0以下的材料。
高压、中压、低压涡轮机中任意一个转子轴都设有中心孔,通过该中心孔利用超声波检查、目视检查和电子射线探伤检查缺陷的有无。另外,可以从外表面进行超声波检查,这样无中心孔也可。
(实施方式3)
表2为蒸汽温度600℃、额定输出700MW的蒸汽涡轮机发电设备的主要规格。本实施方式为串联气轮机型,低压涡轮机中的最终段叶片长度为46英寸,HP(高压)·IP(中压)一体型和LP1台(C)或者2台(D)并且具有3000rpm的转速,在高压部和低压部中由表2所示的主要材料构成。高压部(HP)的蒸汽温度为600℃,250kgf/cm2的压力,中压部(IP)的蒸汽温度利用再加热器加热到600℃,在45~65kgf/cm2的压力下运转。低压部(LP)的蒸汽温度为400℃,在100℃以下、在722mmHg的真空下被送入到蒸汽冷凝器。
本实施方式中的串联地具有将高中压一体涡轮机和2台低压涡轮机的蒸汽涡轮机发电设备(D),其轴承间距离为约22.7m,相对于其低压涡轮机的最终段动叶片的叶片部长度(1168mm)为19.4倍,另外,发电设备的额定输出700MW的每1MW的轴承间距离的合计距离为32.4mm。进而,本实施方式中的具有高中压一体涡轮机和1台低压涡轮机的蒸汽涡轮机发电设备(C),其轴承间距离为约14.7m,相对于低压涡轮机的最终段动叶片的叶片部长度(1168mm)为12.6倍,每个额定输出1MW为21.0mm。
(表2)
表2
图4为低压涡轮机的截面图。低压涡轮机为1台或者串联的2台,都与高中压涡轮机串联结合。动叶片41在左右有6段,左右大致对称,另外,对应于动叶片设有静叶片42。最终段的动叶片的长度为46英寸,与实施方式2相同地采用Ti基合金或者高强度12%Cr钢。与实施方式2相同地,转子轴44采用具有超净化材料的完全回火贝氏体组织的锻钢。最终段和其前段以外的动叶片和静叶片均采用含0.1%的Mo的12%Cr钢。内外部壳体材料采用0.25%的C的前述组成的铸钢。本实施方式中的轴承43处的中心间距离为8m,对应于静叶片部的转子轴的直径为约800mm,动叶片植入部处的直径为各段相同。轴承中心间的距离是与静叶片部对应的转子轴直径的10倍。
本实施方式的46英寸叶片采用含有0.23%的C、0.06%的Si、0.15%的Mn、11.4%的Cr、2.65%的Ni、3.10%的Mo、0.25%的V、0.11%的Nb、0.06%的N的马氏体钢,进行淬火和回火。其拉伸强度为145kg/mm2,V型切口冲击值为6.2kg-m/cm2。在用于防止蒸汽中的水滴造成的冲蚀的冲蚀防护罩54上通过电子束焊接接合有以重量计含有1.0%的C、28.0%的Cr和4.0%的W的Co基合金的司太立合金板。连续罩57在本实施方式中是在全部一体锻造后利用切削加工形成的。此外,连续罩57可以机械地一体形成。
在转子轴上设有动叶片的植入部,最终段的燕尾除了叉型之外倒置圣诞树型也同样被采用。
低压涡轮机的动叶片植入根部的轴向的宽度在初段最小,向着下游侧以2、3段相等、4段、5段相等的方式按4个阶段逐渐变大,最终段的宽度为初段的宽度的6.2~7.0倍大。2、3段为初段的1.15~1.40倍,4、5段为2、3段的2.2~2.6倍,最终段为4、5段的2.8~3.2倍。根部的宽度由连接逐渐扩展的延长线和转子轴的直径的点表示。
本实施方式中的动叶片的叶片部长度随着从初段的4”成为46”的最终段而在各段变长,最大为8段,各段的叶片部长度在下游侧相对于上游侧相邻的长度在1.2~1.9倍的范围内逐渐变长。
动叶片的植入根部与对应于静叶片的部分相比,直径较大并逐渐扩展,其宽度为动叶片的叶片部长度越大其植入宽度越大。其宽度的对于动叶片的叶片部长度的比例从初段到最终段之前为0.30~1.5,其比例随着从初段到最终段之前逐渐变小,后段的比例与其之前的一个相比在0.15~0.40的范围内逐渐减小。最终段为0.50~0.65的比例。
本实施方式中的最终段动叶片中的平均直径为:3000rpm、43”叶片为2590mm;3600rpm、36”叶片为2160mm;3000rpm、46”叶片为2665mm;3600rpm、38”叶片为2220mm。
本实施方式中的高温高压蒸汽涡轮机发电设备主要由锅炉、高中压涡轮机、低压涡轮机、蒸汽冷凝器、蒸汽冷凝泵、低压给水加热器系统、脱气器、升压泵、给水泵、高压给水加热器系统等构成。即,在锅炉中产生的超高温高压蒸汽进入高压涡轮机产生动力,之后再次由锅炉进行再加热并进入中压侧涡轮机并产生动力。该高中压涡轮机排气蒸汽,在进入低压涡轮机并产生动力之后,由蒸汽冷凝器凝结。该凝结液被蒸汽冷凝泵向低压给水加热器系统、脱气器输送。在该脱气器脱气后的给水被升压泵、给水泵向高压给水加热器输送并升温以后,返回到锅炉。
这里,在锅炉中,给水通过节炭器、蒸发器、过热器成为高温高压的蒸汽。另一方面,将蒸汽加热了的锅炉燃烧气体从节炭器出去后,进入空气加热器,加热空气。这里,在给水泵的驱动中使用由来自于中压涡轮机的抽气蒸汽操作的给水泵驱动用涡轮机。
在这样构成的高温高压蒸汽涡轮机设备中,由于从高压给水加热器系统出来的给水的温度远高于以往的火力设备中的给水温度,所以从锅炉内的节炭器出来的燃烧气体的温度也远比以往的锅炉高。因此,能够力图来自于该锅炉排气的热回收,以不使气体温度降低。
本实施方式的其他方面,可以相对于高中压蒸汽涡轮机的蒸汽入口温度为610℃以上、使向低压蒸汽涡轮机的蒸汽入口温度约400℃以及出口温度为约60℃的1000MW级大容量发电设备为同样的结构。并且,作为蒸汽温度,在593℃或者630℃中,本实施方式的材料结构和构造可以保持不变地使用。
附图标记说明
1第1轴承
2第2轴承
3第3轴承
4第4轴承
5推力轴承
10第1轴垫圈
11第2轴垫圈
12第3轴垫圈
13第4轴垫圈
14高压隔板
15中压隔板
16高压动叶片
17中压动叶片
18高压内部车室
19高压外部车室
20中压内部第1车室
21中压内部第2车室
22中压外部车室
23高压轮轴
24中压轮轴
25法兰、弯头
26前侧轴承箱
28主蒸汽入口
29再加热蒸汽入口
30高压蒸汽排气口
31气缸连接管
33高中压轮轴
38喷嘴室(高压第1段)
39推力轴承磨损遮断装置
40暖机蒸汽入口
41动叶片
42静叶片
43轴承
44转子轴
51、63叶片部
52叶片植入部
53销插入孔
54防冲蚀罩
55连接凸缘(タイボス)
57连续罩
61司太立合金罩
62填隙材料