JP2005226539A - 蒸気タービン翼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼入れ部分の硬さと寸法のバラツキが少ない品質の安定した蒸気タービン翼及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いる蒸気タービン翼１において、運転中、液滴化した蒸気や蒸気の流れ中に混在する酸化鉄等の固体粒子との衝突によりエロージョンが発生し易い箇所、例えば前縁部２等に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成した高硬度層３を有することを特徴とする。また、エロージョンの進行状況が目視にて把握できるように、硬度の異なる高硬度層３を複数形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いる蒸気タービン翼及びその製造方法に関する。

蒸気タービンは、静翼、動翼といった蒸気タービン翼を有する。一般に、静翼及び動翼は環状に配置されて翼列を形成し、蒸気タービンには、１対の静翼翼列と動翼翼列とで構成された段落が複数段形成されている。こうした構成の蒸気タービンでは、液滴化した蒸気や蒸気の流れ中に混在する酸化鉄等の固体粒子等が衝突することにより、その低圧段落における蒸気タービン翼の前縁部（入口側）にエロージョン損失が発生する。

このエロージョン対策として、従来においては、例えばコバルト基合金鋼等といった動翼とは異なる高硬度材料で形成されたエロージョンシールド片を動翼前縁部に設ける場合があった。しかしこの場合には、エロージョンシールド片を動翼に嵌合し、銀ろう付や溶接、溶射等の手法で接合するので、エロージョンシールドを嵌め込むための複雑な機械加工を動翼に施さねばならず、また、エロージョンシールド片自体も材料が比較的高価で加工し難しいものであった。加えて、異種金属の接合による品質低下を招く場合もある。

そこで、近年、翼前縁部にエロージョンシールド片を被着させる代わりに、局所的に火炎焼入れを行ってエロージョンシールド部に表面硬質部を形成することにより、溶接欠陥や剥離等を伴わないエロージョン対策が行われている（例えば、特許文献１等参照）。

特開平８−２２５８２８号公報

しかしながら、火炎焼入れでは母材となる蒸気タービン翼への入熱量を精度良く調整することが困難であり、焼入れ部の硬さと寸法にバラツキが生じることがある。また、火炎焼入れでは焼入れ部分の深さが必要以上に大きくなる傾向がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、焼入れ部分の硬さと寸法のバラツキが少ない品質の安定した蒸気タービン翼及びその製造方法を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いる蒸気タービン翼において、エロージョンが発生する箇所に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成した高硬度層を有することを特徴とする。

（２）上記目的を達成するために、また本発明は、蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いられ、フェライト系ステンレス鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼で形成された蒸気タービン翼において、エロージョンによる摩耗量が目視にて判別可能なように、エロージョンが発生する箇所に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成した硬度の異なる複数の高硬度層を備えていることを特徴とする。

（３）上記目的を達成するために、また本発明は、蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いられ、フェライト系ステンレス鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼で形成された蒸気タービン翼において、前縁部に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成された焼入れ深さが２ｍｍ以下の高硬度層を有することを特徴とする。

（４）上記目的を達成するために、また本発明は、蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いられ、フェライト系ステンレス鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼で形成された蒸気タービン翼において、翼先端部に設けられ、アンツイストにより隣接するもの同士が接触し運転中の剛性を確保するカバーと、このカバーの隣接するものとの接触部に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成された焼入れ深さが２ｍｍ以下の高硬度層とを有することを特徴とする。

（５）また、上記目的を達成するために、本発明は、蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いる蒸気タービン翼の製造方法において、翼表面からの焼入れ深さが２ｍｍ以下となるようにレーザー移動速度、デフォーカス距離を所定値に設定してレーザー照射を行い、前記蒸気タービンのエロージョンが発生する箇所に高硬度層を形成することを特徴とする。

本発明によれば、エロージョンが発生し易い箇所にレーザーを用いて焼入れを行うことにより、高硬度層の硬さと寸法のバラツキが少ない品質の安定した蒸気タービン部品を製作することが可能である。

以下、本発明の蒸気タービン翼及びその製造方法の一実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態の蒸気タービン翼の特徴を表した概略図である。
図１において、本実施形態の蒸気タービン翼１は、蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いられ、例えば、フェライト系ステンレス鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼といったステンレス系の材料で形成されている。そして、この蒸気タービン翼１は、エロージョンが発生する箇所、例えば図中矢印方向から流入する蒸気の入口側すなわち前縁部２（少なくともその先端部）に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成した高硬度層３を有している。これにより、液滴化した蒸気や蒸気の流れ中に混在する酸化鉄等の固体粒子との衝突による前縁部２等のエロージョンによる磨耗が抑制されるようになっている。また、例えば、レーザー照射条件を変え、硬度の異なる複数の高硬度層３を形成することによって、硬度の異なる各高硬度層３のエロージョンによる摩耗状態を目視判別することにより、エロージョンの進行状況が判断でき、予防保全の目安とすることができるようになっている。この場合、硬度の低い高硬度層は安全率の高い部位に設置する。

図２は、焼入れ施工時の様子を模式的に表した図である。
図２において、４は焼入れ対象となる被加工物（例えば蒸気タービン翼１）で、焼入れ時には、この被加工物４の焼入れ対象部に倣ってレーザー光１１を所定の移動速度で移動させる。また、レーザー光１１の出力、及び被加工物４からの焦点位置の距離（デフォーカス距離）ｄは、被加工物４の表面からの所望の焼入れ深さに応じて設定する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、レーザー出力２．５ｋｗ、デフォーカス距離２０ｍｍとして、レーザー移動速度を変化させた場合の焼入れ深さを表すグラフである。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、レーザー移動速度が遅くなればなるほど、焼入れ深さは深くなるが、必要以上に遅くなると（このグラフでは、レーザー移動速度が２ｍｍ／ｓを下回ると）被加工物４の表面が著しく溶融する。一方、レーザー移動速度が速くなればなるほど焼入れ深さは浅くなるが、一定の値を超えると（このグラフでは、レーザー移動速度が２５ｍｍ／ｓを超えると）溶融がほとんど起こらなくなる。このような傾向から分かるように、焼入れの際の入熱量が多過ぎると翼表面が溶融し却って硬度が下がる場合があるので、溶融がなるべく起こらない範囲で高硬度層３を形成しなければならない。また、通常のレーザー焼入れによる焼入れ深さは、図３（ａ）から分かるように、２ｍｍ程度が限界である。これらのことから、図１に示した高硬度層３の焼入れ深さは、２ｍｍ以下とすることが好ましい。

図４は、蒸気タービン翼１の製造に用いるレーザー照射装置の一例を表した斜視図である。
この図４に示したレーザー照射装置１０は、蒸気タービン翼１におけるエロージョンが起こり易い箇所（例えば前縁部２）に対し所定の角度からレーザー光１１を照射する加工ヘッド１２を備えている。特に図示していないが、この加工ヘッド１２から照射されるレーザー光１１は、レーザー発振器で発振され加工ヘッド１２から照射される。

加工ヘッド１２は、水平スライダ１３に摺動可能に支持されたアーム１４に固定され、水平スライダ１３にガイドされる形で、図示しない駆動装置によって蒸気タービン翼１の幅方向（矢印Ｙ方向）に移動するようになっている。一方、水平スライダ１３は、支持ポスト１５に上下に摺動可能に支持されており、内蔵した駆動装置（図示せず）によって支持ポスト１５のレール部に沿って蒸気タービン翼１との焦点距離調整方向（矢印Ｚ方向）に移動するようになっている。さらに、支持ポスト１５は、ベース１６に摺動可能に支持されており、内蔵の駆動装置（図示せず）によりベース１６にガイドされて蒸気タービン翼１の翼長方向（矢印Ｘ方向）に移動するようになっている。本例では、蒸気タービン翼１がねじれ翼である場合でも、その前縁部２に対し所定の角度を保ったままレーザー２１を照射できるように、保持した蒸気タービン翼１をそのねじれに応じて回転させる回転治具１７が設けてある。

また、特に図示していないが、レーザー照射装置１０には、制御装置を介して操作盤が接続しており、回転治具１７に取り付けられる蒸気タービン翼１の形状のデータや、レーザー出力、レーザー移動速度等といった焼入れ条件等を操作盤によって予め入力しておくと、制御装置により、それら入力条件に応じて対応機器に指令信号が出力される。これにより、焼入れ対象となる蒸気タービン翼１の形状によって、必要に応じて蒸気タービン翼１を回転させつつ、加工ヘッド１２が、その蒸気タービン１の前縁部２に対し一定のレーザー出力、焦点距離及びレーザー照射角度を保ちながら、前縁部２に沿って翼長方向に一定のレーザー移動速度で移動するようになっている。回転治具１７の回転数、レーザー出力、デフォーカス距離、レーザー照射角度、及びレーザー移動速度は手動操作によっても調整可能である。

そして、図４に示したレーザー照射装置１０を用いて蒸気タービン翼１にレーザー焼入れを行う場合には、まず、蒸気タービン翼１を回転治具１７にセットし、操作盤（図示せず）に蒸気タービン翼１の形状、所定のレーザー出力、デフォーカス距離、レーザー移動速度を入力する（これらはプリセット値としても良い）。前述したように、レーザー移動速度が速いほど焼入れ深さが浅くなり、硬さも小さくなる。また、デフォーカス距離が大きいほど焼入れ幅は広く、焼入れ深さは浅くなる。

蒸気タービン翼１の形状データや所定の焼入れ条件を入力したら、加工ヘッド１２の蒸気タービン翼１に対する角度を調節し、焼入れ処理を開始する。すると、入力値に応じて回転治具１７により蒸気タービン翼１が回転しつつ、加工ヘッド１２が図４のＸ，Ｙ，Ｚ方向に適宜動作して、入力したレーザー出力、デフォーカス距離、レーザー移動速度で蒸気タービン翼１の焼入れ対象部（例えば前縁部２）に倣って移動する。これにより、所望の焼入れ深さの高硬度層３が蒸気タービン翼１に形成される。

レーザーは非常に高密度なエネルギー体であるため、約１０００〜９０００℃／ｓの急加熱、急冷却が可能であり、火炎焼入れの加熱、冷却速度（約１００〜５００℃／ｓ）に比べて微細なマルテンサイト組織を形成し、非常に高硬度な組織を得ることができる。また、火炎焼入れに比べて表面硬化処理時間が短縮されるため、不純物元素が結晶内に入り込む可能性も低い。さらに、火炎焼入れ速度（約１mm／ｓ）に比べてレーザー焼入れ速度は高速（例えば約３０mm／ｓ）であるので、焼入れ時間も短縮される。そして、入熱量を小さく抑えられるために変形が小さく、動翼での焼入れ処理後の変形の修正も不要となる。変形が小さいため、タービン動翼のみならず、母材の薄い部品（タービン静翼等）にも適用可能である。

このように、本実施形態によれば、蒸気タービン翼のエロージョンが発生し易い箇所に焼入れするに際し、レーザーを照射することによって焼入れ処理を施すので、入熱量を精度良く調整することができ、火炎焼入れを行うよりも、高硬度層３の硬さと寸法を均一且つ高精度に仕上げることができる。また、例えば１ｍｍ／ｓ程度の移動速度で焼入れ処理を行う火炎焼入れに対しレーザー移動速度が高速（例えば３０ｍｍ／ｓ）であるので、焼入れ部分の深さを必要最小限に抑えることができる。

例えば、タービン最終段動翼等は他の段落のものと比べて翼長が長く（例えば約１ｍ）遠心力や振動応力の影響が大きくなり、エロージョンが発生した場合、相乗作用により安定した運転に支障をきたす恐れがあるが、本実施形態によれば、蒸気タービン翼の翼中心部に焼入れの施されていない延性に優れた部分がより多く残存するので、タービン最終段動翼等を対象とした場合であっても、蒸気タービンの破損を防止することができる。さらに、仮に高硬度層にクラックが発生したとしても、高硬度層は表面付近に形成された非常に薄い層であり、なおかつ、翼中心部に延性が十分に確保されているため、クラックの進展を抑制することができる。よって、品質の安定した信頼性の高い蒸気タービン翼を提供することができる。

加えて、焼入れ処理を施されていない翼中心部は高硬度層に比べて溶接性に優れているため、エロージョンにより翼が損傷を受けた場合に補修溶接がし易いというメリットもある。また、前述したように、レーザー照射条件を変え、焼入れ硬度の違った複数の高硬度層を形成すれば、各高硬度層の摩耗状態を比較することにより、エロージョンの進行状況が把握でき、これを予防保全の目安とすることができる。

また、図５は、翼先端のカバー側から見た蒸気タービン動翼の外観図である。
この図５に示したカバー５は、タービン動翼６の先端部に設けられ、アンツイストにより隣接する翼のカバーと接触し運転中の動翼翼列の剛性を確保する働きを担う。このカバー５は、運転時のアンツイストの作用を受けて隣接するもの同士が係合するようにＳフォーム部（接触部）７が設けられている。本実施形態によれば、入熱量が不安定な火炎焼入れと異なり、プログラムによってレーザー照射範囲を容易に制御できるため、Ｓフォーム部７等といった焼入れ処理を施し難い複雑な形状の一部分にも容易に高硬度層を形成することができる。

１２クロム合金鋼で形成されたタービン動翼を対象として、図４に示した最大出力６ｋWのレーザー照射装置１０を用いて焼入れ処理を施し、前縁部に高硬度層を形成した。レーザー光がレーザー照射装置１０へ反射することを防ぐため、タービン動翼とレーザー光とのなす角度が６０度になるように、加工ヘッド１２の角度を鉛直方向から３０度傾けて設置した。また、タービン動翼の表面は、予め＃８０のサンドペーパーにて研磨した後、洗浄液にて脱脂した。

図６（ａ）は、レーザー出力２．５ｋｗ、レーザー移動速度２．５ｍｍ／ｓ、デフォーカス距離５０ｍｍの条件で焼入れ処理を施したタービン動翼の断面写真、図６（ｂ）は、レーザー出力２．５ｋｗ、レーザー移動速度２５ｍｍ／ｓ、デフォーカス距離２０ｍｍの条件で焼入れ処理を施したタービン動翼の断面写真である。

本実施例の結果、形成された高硬度層の硬さは、３５０ＨＶ〜５５０ＨＶとなり、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示したように、レーザー移動速度及びデフォーカス距離を調整することにより、焼入れ深さ及び硬さを変えることができた。図６（ａ）に示したタービン動翼では、表面からの深さが、５０（μｍ）、１００（μｍ）、１５０（μｍ）、２００（μｍ）の各位置において、それぞれ硬さが、４１４ＨＶ、４１６ＨＶ、４５２ＨＶ、４６０ＨＶであった。一方、図６（ｂ）に示したタービン動翼では、表面からの深さが、５０（μｍ）、１００（μｍ）、１５０（μｍ）、２００（μｍ）の各位置において、それぞれ硬さが、４２５ＨＶ、４３６ＨＶ、２７５ＨＶ、２７０ＨＶであった。
なお、焼入れ深さが２ｍｍ以上になる場合は、材料の溶融が発生し硬さが低下した。

本発明の蒸気タービン翼の一実施形態の特徴を表した概略図である。 本発明の蒸気タービン翼の製造方法における焼入れ施工時の様子を模式的に表した図である。 レーザー移動速度と焼入れ深さとの相関関係を表すグラフである。 本発明の蒸気タービン翼の製造方法に用いるレーザー照射装置の一例を表した斜視図である。 翼先端のカバー側から見た蒸気タービン動翼の外観図である。 本発明の蒸気タービン翼の製造方法により製造したタービン動翼の断面写真である。

符号の説明

１ 蒸気タービン翼
２ 前縁部（エロージョンが発生する箇所）
３ 高硬度層
５ カバー
６ タービン動翼（蒸気タービン翼）
７ Ｓフォーム部（接触部、エロージョンが発生する箇所）

Claims (5)

1. 蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いる蒸気タービン翼において、
   エロージョンが発生する箇所に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成した高硬度層を有することを特徴とする蒸気タービン翼。
2. 蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いられ、フェライト系ステンレス鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼で形成された蒸気タービン翼において、
   エロージョンによる摩耗量が目視にて判別可能なように、エロージョンが発生する箇所に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成した硬度の異なる複数の高硬度層を備えていることを特徴とする蒸気タービン翼。
3. 蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いられ、フェライト系ステンレス鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼で形成された蒸気タービン翼において、
   前縁部に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成された焼入れ深さが２ｍｍ以下の高硬度層を有することを特徴とする蒸気タービン翼。
4. 蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いられ、フェライト系ステンレス鋼又はマルテンサイト系ステンレス鋼で形成された蒸気タービン翼において、
   翼先端部に設けられ、アンツイストにより隣接するもの同士が接触し運転中の剛性を確保するカバーと、
   このカバーの隣接するものとの接触部に、レーザー照射により焼入れ処理を施して形成された焼入れ深さが２ｍｍ以下の高硬度層と
   を有することを特徴とする蒸気タービン翼。
5. 蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いる蒸気タービン翼の製造方法において、
   翼表面からの焼入れ深さが２ｍｍ以下となるようにレーザー移動速度、デフォーカス距離を所定値に設定してレーザー照射を行い、前記蒸気タービンのエロージョンが発生する箇所に高硬度層を形成することを特徴とする蒸気タービン翼の製造方法。
   

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