CN105715304A - 蒸气涡轮转子、使用了该蒸气涡轮转子的蒸气涡轮以及使用了该蒸气涡轮的火力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种作为转子轴使用以往的低成本的铁素体类耐热钢，并且能够应对主蒸气温度向650℃级的高温化的蒸气涡轮转子、使用了该蒸气涡轮转子的蒸气涡轮以及使用了该蒸气涡轮的火力发电机组。本发明的蒸气涡轮转子为具有转子轴与动叶片的蒸气涡轮转子，其特征在于，上述转子轴由铁素体类耐热钢构成，上述动叶片由钛铝合金构成，上述钛铝合金的组成包含38原子％以上45原子％以下的Al、0.5原子％以上2原子％以下的V、2原子％以上6原子％以下的Cr以及/或者Mo，剩余部分为由Ti与不可避免的杂质构成的TiAl合金。

Description

蒸气涡轮转子、使用了该蒸气涡轮转子的蒸气涡轮以及使用了该蒸气涡轮的火力发电机组
技术领域
本发明涉及蒸气涡轮转子的技术，尤其涉及作为转子轴使用以前的铁素体类耐热钢，并且能够应对主蒸气温度的高温化的蒸气涡轮转子、使用了该蒸气涡轮转子的蒸气涡轮以及使用了该蒸气涡轮的火力发电机组。
背景技术
近年来，从节能(例如，化石燃料的节约)以及地球环境保护(例如，CO2气体的产生量抑制)的观点来看，期望火力发电机组的效率提高(例如，蒸气涡轮的效率提高)。作为提高蒸气涡轮的效率的有效的手段之一，存在主蒸气温度的高温化。例如，在目前的最先进的超超临界压(USC)发电机组中，主蒸气温度成为600℃级(约600℃～约620℃)，但通过将该主蒸气温度提高至650℃级(约650℃～约670℃)，能够期待热效率大幅度提高。
在600℃级的USC发电机组的蒸气涡轮部件(例如，蒸气涡轮转子)使用多种耐热钢(例如，专利文献1所记载的铁素体类耐热钢、专利文献2所记载的奥氏体类耐热钢)。此处，为了使主蒸气温度上升至650℃级，而需要维持蒸气涡轮部件在该主蒸气温度下必要充分的机械强度(例如，蠕变强度)。
另一方面，在世界各国正在推进以比600℃级的USC发电机组更进一步高效率化为目标的700℃级的先进超超临界(A-USC)发电机组的开发。作为700℃级的A-USC发电机组的蒸气涡轮部件用的材料，开发了比耐热钢在高温强度方面更优越的镍基超合金(例如，专利文献3所记载的镍基合金)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平8-30251号公报
专利文献2：日本特开平8-13102号公报
专利文献3：日本特开平7-150277号公报
全世界方面，地球环境保护的趋势高涨，另一方面，能量需要也继续增大。为了应对这些对立的要求，针对火力发电机组(尤其是蒸气涡轮)强烈地要求效率提高。而且，为了提高蒸气涡轮的效率，如上所述，主蒸气温度的高温化非常有效。
700℃级的主蒸气温度为蒸气涡轮的长年的目标，从而进行了较多针对实用化的研究开发，但遗憾的是700℃级的A-USC的蒸气涡轮至今仍未被实用化。因此，在700℃级的A-USC发电机组之前，使650℃级的发电机组先实用化的趋势近年来正在高涨。
然而，耐700℃级的主蒸气温度的镍基超合金的材料成本非常高，因此可能会抵消掉将650℃级的发电机组实用化所带来的经济上的优势。另一方面，铁素体类耐热钢制的转子轴的耐用温度若考虑施加于该转子轴的离心负载应力，则通常620℃被称为极限，从而利用耐热钢组成控制等的以往的方法使该转子轴的耐用温度向650℃级提高并不容易。
此外，通常，铁素体类耐热钢的矩阵晶粒中的转位密度比较低，因此具有即使在高温长时间的环境下显微组织变化也较少且长期稳定性/可靠性优越的优点，但具有高温下的机械强度比较低的弱点。奥氏体类耐热钢具有高温强度与耐氧化性优越的优点，但由于热膨胀系数比较大，所以在温度变化而引起的热疲劳方面具有弱点(即，在长期稳定性/可靠性方面具有弱点)。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种作为转子轴使用以往的低成本的铁素体类耐热钢，并且能够应对主蒸气温度向650℃级的高温化的蒸气涡轮转子、使用了该蒸气涡轮转子的蒸气涡轮以及使用了该蒸气涡轮的火力发电机组。
(I)为了实现上述目的，本发明的一方式提供一种具有转子轴与动叶片的蒸气涡轮转子，该蒸气涡轮转子的特征在于，上述转子轴由铁素体类耐热钢构成，上述动叶片由钛铝合金构成，上述钛铝合金的组成包含38原子％以上45原子％以下的铝(Al)、0.5原子％以上2原子％以下的钒(V)、2原子％以上6原子％以下的铬(Cr)以及/或者钼(Mo)，剩余部分为由钛(Ti)与不可避免的杂质构成的钛铝合金(TiAl合金)。
本发明在上述的蒸气涡轮转子(I)的基础上，能够施加以下的改进、变更。
(i)上述铁素体类耐热钢为12铬钢(12Cr钢)，上述钛铝合金在合计0.5原子％以上3原子％以下进一步包含从铌(Nb)、钽(Ta)、钨(W)、铁(Fe)、锰(Mn)以及镍(Ni)中选择的一种以上以及/或者进一步包含0.05原子％以上0.2原子％以下的硼(B)。
(ii)构成上述动叶片的上述钛铝合金具有锻造组织。
(II)为了实现上述目的，本发明的其他方式提供一种使用了上述的蒸气涡轮转子的蒸气涡轮，上述蒸气涡轮至少具有高压级，上述蒸气涡轮转子使用于上述高压级。
(III)为了实现上述目的，本发明的又一其他的方式提供一种火力发电机组，其特征在于，使用了上述的蒸气涡轮。
本发明的效果如下。
根据本发明，能够提供一种作为转子轴使用以往的低成本的铁素体类耐热钢，并且能够应对主蒸气温度向650℃级高温化的蒸气涡轮转子。另外，提供一种通过使用本发明的蒸气涡轮转子从而能够应对650℃级的主蒸气温度的蒸气涡轮。并且，提供一种通过使用本发明的蒸气涡轮从而能够有助于高效率化与低成本化的火力发电机组。
附图说明
图1是表示12Cr钢的温度与规格化蠕变强度的关系的图表。
图2是表示本发明的蒸气涡轮转子的动叶片的一个例子的立体示意图。
图3是表示本发明的蒸气涡轮的一个例子的剖视示意图。
图4是表示本发明的火力发电机组的一个例子的系统示意图。
图中：10—动叶片，11—叶片根部，12—叶片部，13—罩部，20—高中压一体型蒸气涡轮，21—高压内部气缸，22—高压外部气缸，23—高压级动叶片，23’—高压初级动叶片，24—高中压一体型转子轴，24’、24”—转子轴承部，25—法兰弯头，26—主蒸气入口，27—喷嘴箱，28、28’—轴承，31—中压内部气缸，32—中压外部气缸，33—中压涡轮叶片，33’—中压初级动叶片，40—火力发电机组，41—蒸气发生器，42—高压级蒸气涡轮，43—中压级蒸气涡轮，44—低压级蒸气涡轮，45—发电机，46—冷凝器。
具体实施方式
(本发明的主旨)
如上所述，铁素体类耐热钢的矩阵晶粒中的转位密度比较低，因此具有即使在高温长时间的环境下显微组织变化也较少且长期稳定性/可靠性优越的优点，但具有高温中的机械强度比较低的弱点。而且，本发明的蒸气涡轮转子以作为转子轴使用以往的低成本的铁素体类耐热钢为前提。
本发明的发明人等对施加于铁素体类耐热钢制的转子轴的离心负载应力详细地进行了研究。图1是表示12铬钢的温度与规格化蠕变强度的关系的图表。规格化蠕变强度以620℃的蠕变强度(在600℃级的蒸气涡轮中转子轴所要求的蠕变强度)为基准。
如图1所示，判明12Cr钢的蠕变强度伴随着温度上升而降低，但蠕变强度的降低率伴随着温度的上升而增大。具体而言，在从620℃至650℃这30℃的上升中，12Cr钢的蠕变强度降低约一半。
施加于转子轴的离心负载应力主要由因动叶片的旋转而引起的离心力“动叶片的长度×质量×(角速度)2”产生。从维持涡轮转子的旋转力(即，蒸气涡轮的输出)的观点来看，不优选变更动叶片的长度以及角速度。另一方面，若能够使动叶片的质量减半，则能够使离心力减半，从而能够将转子轴的蠕变强度的降低部分相抵。
因此，本发明的发明人等在满足动叶片所要求的诸多特性(例如，高温环境下的机械强度、耐氧化性)的基础上，对密度(比重)为耐热钢的一半以下的材料进行了专门调查、研究。其结果，发现通过使用具有规定的组成范围的钛铝合金形成动叶片，来使施加于转子轴的离心负载应力减少从而能够将转子轴的蠕变强度降低量相抵。本发明是基于该发现而完成的。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。但是，本发明并不限定于此处所列举的实施方式，能够在不脱离本发明的技术思想的范围内适当地组合、改进。
本发明的蒸气涡轮转子以作为转子轴使用以往的低成本的铁素体类耐热钢为前提。因此，为了将主蒸气温度高温化至650℃级，而要求使施加于转子轴的离心负载应力减少来将转子轴的蠕变强度降低量相抵(作为结果，使转子轴的耐用温度提高)。为了满足该要求，作为动叶片的材料，优选应用轻型且比强度优秀的钛铝合金(TiAl合金)。
(蒸气涡轮转子的动叶片)
蒸气涡轮转子的动叶片与从蒸气发生器飞来的氧化皮碰撞，因此要求较高的破坏韧性。另外，由于在高温的水蒸气环境中使用，所以除了较高的高温机械强度之外，还要求耐水蒸气氧化特性优秀。从这些观点来看，使用的TiAl合金的组成优选为，包含38原子％以上45原子％以下的Al、0.5原子％以上2原子％以下的V、2原子％以上6原子％以下的Cr以及/或者Mo，剩余部分为由Ti与不可避免的杂质构成的合金。另外，该TiAl合金可以以提高机械强度为目的在合计0.5原子％以上3原子％以下进一步包含从Nb、Ta、W、Fe、Mn以及Ni中选择的一种以上，也可以以晶粒微细化为目的进一步包含0.05原子％以上0.2原子％以下的B。在制备TiAl合金时，也可以以二硼化钛(TiB2)的形态添加B成分。
在TiAl合金制动叶片的制造方法不存在特别的限定，能够利用以往的方法(例如，以锻造为基础的方法、以精密铸造为基础的方法)。在以锻造为基础的方法中，在900～1200℃之间进行加热保持并进行冲压锻造后，通过进行用于对微观组织进行调整的热处理与切削、研磨等的机械加工，能够制造具有TiAl合金的锻造组织的动叶片。另外，也可以为由TiAl合金的锻造块体通过挖削加工、放电加工来成形动叶片的方法。
在以精密铸造为基础的方法中，在进行熔模铸造法、离心铸造法等的精密铸造后，出于使铸造缺陷(例如，缩孔)消失的目的而优选进行热等静压处理(HIP处理)。作为HIP处理条件的例子，能够列举在温度1100～1300℃、压力150～250MPa的非活性气体中(例如，氩气体中)，保持2～6小时。在进行HIP处理后，进行用于对微观组织进行调整的热处理与切削、研磨等的机械加工，从而能够制造具有TiAl合金的铸造组织的动叶片。此外，HIP处理不是必须的，根据需要适当地进行即可。
图2是表示本发明的蒸气涡轮转子的动叶片的一个例子(调速级动叶片)的立体示意图。如图2所示，动叶片10为轴向进入型，由叶片根部11、叶片部12以及罩部13构成。罩部13与叶片部12相比较大，因此存在若作为一体物制造，则残余量变多而成为高成本的情况。在上述的情况下，将罩部13作为单独的部件而制造，通过摩擦搅拌接合等的方法使罩部13与叶片部12接合，从而能够抑制成本。
另外，优选以提高动叶片10的耐水蒸气氧化特性为目的在动叶片10的表面(尤其是叶片部12的表面)设置保护覆膜。作为保护覆膜的例子，能够列举Co基合金(CoNiCrAlY合金、斯特莱特耐热耐磨硬质合金(注册商标))的喷涂、氧化铝保护覆膜(三氧化二铝保护覆膜)。
(蒸气涡轮转子的转子轴)
如上所述，本发明的蒸气涡轮转子以作为转子轴使用以往的低成本的铁素体类耐热钢为前提。作为使用的铁素体类耐热钢，优选650℃时的蠕变强度尽可能地高，例如优选能够使用12Cr钢。作为12Cr钢的例子，存在组成包含0.05质量％以上0.30质量％以下的碳(C)、0.2质量％以下的硅(Si)、0.01质量％以上1.5质量％以下的锰(Mn)、0.005质量％以上0.3质量％以下的镍(Ni)、8.5质量％以上11.0质量％以下的铬(Cr)、0.05质量％以上0.5质量％以下的钼(Mo)、1.0质量％以上3.0质量％以下的钨(W)、0.05质量％以上0.30质量％以下的钒(V)、0.01质量％以上0.20质量％以下的铌(Nb)、0.5质量％以上2.5质量％以下的钴(Co)、0.01质量％以上1.0质量％以下的铼(Re)、0.01质量％以上0.1质量％以下的氮(N)、0.001质量％以上0.030质量％以下的硼(B)以及0.0005质量％以上0.006质量％以下的铝(Al)，剩余部分为由铁(Fe)以及不可避免的杂质构成的12Cr钢。
(蒸气涡轮转子)
在考虑了650℃级蒸气涡轮的实用化的情况下，作为蒸气涡轮转子，例如，能够考虑将转子轴材料以及动叶片材料均选择Ni基超合金的结构、将转子轴材料选为Ni基超合金并将动叶片材料选为高耐热钢的结构、将转子轴材料选为铁素体类耐热钢并将动叶片材料选为TiAl合金的结构。第一结构全面使用Ni基超合金，因此与600℃级蒸气涡轮的涡轮转子相比，成本非常高。第二结构与600℃级蒸气涡轮相比，仅转子轴材料的部分成本增高。另一方面，第三结构(本发明的蒸气涡轮转子的结构)与600℃级蒸气涡轮相比，仅动叶片材料的部分成本增高。
此处，在蒸气涡轮转子中，通常，转子轴占据重量、容积的大部分，因此转子轴的成本占据整体成本的主要部分。出于该观点，若将上述第二结构与第三结构相比，则第三结构能够抑制转子轴的成本，因此作为整体成本，能够获得抑制到第二结构的一半左右以下的估算。即，本发明的蒸气涡轮转子相可以说对于650℃级蒸气涡轮有帮助。
(蒸气涡轮)
图3是表示本发明的蒸气涡轮的一个例子的剖面示意图。图3所示的蒸气涡轮为高中压一体型蒸气涡轮20，将高压级蒸气涡轮与中压级蒸气涡轮一体化而成。在高压级蒸气涡轮(图中的左半部分)，形成有高压内部气缸21和其外侧的高压外部气缸22，在这些气缸内，设置有供高压级动叶片23安插的高中压车轴(高中压一体型转子轴24)。高温高压的蒸气通过蒸气发生器(未图示)而获得，通过主蒸气管(未图示)从构成主蒸气入口的法兰弯头25通过主蒸气入口26，从喷嘴箱27被导入高压初级动叶片23’。蒸气从高中压一体型转子轴24的中央侧进入，向高压级蒸气涡轮侧的转子轴承部24’、轴承28的方向流动。此外，该蒸气涡轮中的主蒸气温度假定650℃级。
从高压级蒸气涡轮被排出的蒸气在由再热器(未图示)再加热后，被导入中压级蒸气涡轮(图中的右半部分)。中压级蒸气涡轮与高压级蒸气涡轮一同使发电机(未图示)旋转。中压级蒸气涡轮与高压级蒸气涡轮相同地具有中压内部气缸31与中压外部气缸32，在高中压一体型转子轴24安插有中压级动叶片33。被再加热的蒸气从高中压一体型转子轴24的中央侧进入，被导入中压初级动叶片33’而向中压级蒸气涡轮侧的转子轴承部24”、轴承28’的方向流动。
(火力发电机组)
图4是表示本发明的火力发电机组的一个例子的系统示意图。在图4中，示出了高压级蒸气涡轮与中压级蒸气涡轮为分体，并经由转子轴来串联连结的例子。如图4所示，在火力发电机组40中，首先，在蒸气发生器41产生的高温高压的蒸气在高压级蒸气涡轮42做功后，被蒸气发生器41再加热。接下来，被再加热的蒸气在中压级蒸气涡轮43做功后，进一步在低压级蒸气涡轮44做功。在蒸气涡轮产生做的功被发电机45转换成电力。在低压级蒸气涡轮44产生的蒸气被导入冷凝器46而成为水后，返回蒸气发生器41。
实施例
以下，基于实施例对本发明具体地进行说明，但本发明不限定于这些实施例。
试制本发明的蒸气涡轮转子，并通过验证试验设备进行了650℃的发电试验与长时间可靠性的评价。
作为动叶片的材料，包含44.5原子％的Al、1.0原子％的V、4.0原子％的Mo、0.1原子％的B，剩余部分应用由Ti构成的TiAl合金。该材料的密度为约4.0g/cm3，是作为现有材料的12Cr钢的一半左右。使用该TiAl合金制成动叶片，从而动叶片质量被减少至一半左右，进而能够使施加于转子轴的离心力减半。
动叶片的制造以接下来的顺序进行。首先，准备上述TiAl合金的坯段，对该坯段进行冲压锻造，而成形为动叶片形状。接下来，进行用于对微观组织进行调整的热处理，最后，对动叶片整体实施精密机械加工，制成图2所示的动叶片。在该试作动叶片中，未实施耐水蒸气氧化用涂层。
将所获得的动叶片按插入12Cr钢制的转子轴，作为图3所示的高压级蒸气涡轮的涡轮转子提供至验证试验设备。
在验证试验设备中以主蒸气温度650℃进行10,000小时的实际运转试验，调查了送电端效率。其结果，使用了本发明的蒸气涡轮的火力发电能够将主蒸气温度从620℃高温化成650℃，从而确认了在送电端效率中提高1.0％。
在进行了上述实际运转试验后，取出试制蒸气涡轮转子，检查了动叶片以及转子轴的状态。其结果，确认了TiAl合金制动叶片的氧化皮为微量，属于不存在问题的等级。另外，在12Cr钢制转子轴也不认为存在特别的问题。即，确认了本发明的蒸气涡轮转子具有足够的长时间可靠性。
此外，上述的实施例是为了帮助理解本发明而具体地进行了说明，本发明不限定于具备说明的全部的结构。例如，能够将某实施方式的结构的一部分置换成其他的实施方式的结构，另外，也能够在某实施方式的结构添加其他的实施方式的结构。并且，能够对各实施方式的结构的一部分删除·置换成其他的结构、追加其他的结构。

Claims (5)

1.一种蒸气涡轮转子，具有转子轴与动叶片，其特征在于，
上述转子轴由铁素体类耐热钢构成，
上述动叶片由钛铝合金构成，
上述钛铝合金的组成包含38原子％以上45原子％以下的铝、0.5原子％以上2原子％以下的钒、2原子％以上6原子％以下的铬以及/或者钼，剩余部分为由钛与不可避免的杂质构成的钛铝合金。
2.根据权利要求1所述的蒸气涡轮转子，其特征在于，
上述铁素体类耐热钢为12铬钢，
上述钛铝合金以合计0.5原子％以上3原子％以下进一步包含从铌、钽、钨、铁、锰以及镍中选择的一种以上，以及/或者还包含0.05原子％以上0.2原子％以下的硼。
3.根据权利要求1或2所述的蒸气涡轮转子，其特征在于，
构成上述动叶片的上述钛铝合金具有锻造组织。
4.一种蒸气涡轮，其特征在于，
使用了权利要求1～3中任一项所述的蒸气涡轮转子，
上述蒸气涡轮至少具有高压级，
上述蒸气涡轮转子使用于上述高压级。
5.一种火力发电机组，其特征在于，
使用了权利要求4所记载的蒸气涡轮。
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