JP2006070363A - 長尺ベーン長さを有する最終段タービンバケットにおける高強度チタン合金の使用法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に蒸気タービンエンジンの約４０インチ又はそれ以上のベーン長さを有する最終段バケットとして使用するのに適した新規な高強度チタン基合金バケット、及びそのようなバケットを形成する方法を提供する。
【解決手段】 例示的なバケットは、（ａ）最大約６．２５％のアルミニウム、（ｂ）約３．５％のバナジウム、（ｃ）約２．２５％の錫、（ｄ）約２．２５％のジルコニウム、（ｅ）約１．７５％のモリブデン、（ｆ）約２．２５％のクロム、（ｇ）約０．７％の珪素及び（ｈ）約２．３％の鉄を含み、残部がチタンであるチタン基合金で形成される。形成後に、バケットは、従来通りの方法で、熱処理して応力除去を行い、次に機械加工することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気タービンエンジンの最終段に使用する高強度バケット、及びそのような高強度バケットを製造する方法に関する。具体的には、本発明は、約４０インチ又はそれ以上のベーン長さを有する高強度の最終段タービンバケットを製造するのに使用する特定のチタン基合金の使用法に関する。

一般的に、蒸気タービンエンジンの性能は、低い蒸気圧力で作動する後段バケットの設計及び性能によって大きく影響されることが知られている。理想的には、最終段バケットは、蒸気の膨張をタービン排気圧力に低下するまで有効に使用すると同時に、最終段を出る蒸気流の運動エネルギを最少にすべきである。

蒸気タービンバケットの実使用要件は、複雑でかつ厳しいものとなる。具体的には、最終段バケットは、ボイラからの高い湿気及び同伴物によって生じた腐食性環境を含む様々な苛酷な作動条件に常に曝される。このような条件は、特に４０インチ又はそれ以上のベーン長さを有する長尺の最終段タービンバケットにおけるバケット材料に、深刻な腐食及び孔食の問題をもたらすおそれがある。従って、バケット能力及び耐久年数の僅かな増大であっても蒸気タービンエンジンの寿命全体にわたって大きな経済的利益をもたらすことになるので、かねてから、タービン用最終段バケットは、苛酷な作動条件下でのそれらの能力を改善しようとする絶え間ない研究及び開発作業の主題であった。

最終段タービンバケットは、広範な流れ、荷重及び強い動的力に曝される。従って、機械的強度及び耐久性の観点から、最終バケットプロフィール設計に影響する主要因子には、バケットの有効長、ピッチ円直径及び作動流れ領域内での作動速度が含まれる。最大予測作動条件での構造材料の減衰性、バケット疲労性及び耐食性もまた、最終バケットの設計及び製造方法に重要な役割を果たす。

長尺の最終段タービンバケット、例えば約１０１．６ｃｍ（４０インチ）又はそれ以上のベーン長さを有する最終段タービンバケットの開発には、多くの場合Ｔｉ６Ａｌ−４Ｖ及び鉄基合金のような従来型のバケット材料の強度能力を超える慣性荷重に起因して付加的な設計上の問題が生じる。蒸気タービンバケット、特に長尺ベーンを有する最終段バケットは、より高い引張荷重を受け、従って腐食環境と組合った場合に長期にわたる使用の間にバケットに対して大きな損傷を与える可能性がある繰返し応力に曝される。さらに、最終段における蒸気は通常、「湿って」おり、すなわち高い飽和蒸気量を含む。その結果、最終段では、バケット材料の水滴衝突侵食が発生することが多い。そのような侵食は全体として、バケットの使用可能耐用年数及び蒸気タービンの能力を低下させる。

過去において、異なる最終用途、特に長尺バケットすなわち約１０１．６ｃｍ（４０インチ）又はそれ以上のベーン長さを有するバケットを使用する機械設計において、全ての機械的要件を満たすことができるバケット材料を見出すことは困難であった。長尺バケットは常に、高い強度要件を有し、また上述のようにさらに大きな侵食及び孔食の可能性にさらされる。長尺ベーン設計に固有のより高い応力はまた、バケット材料に必要なより高い強度が２０４°Ｃ（４００°Ｆ）又はそれ近くの作動温度での応力割れに対する脆弱性を増大させる傾向があるので、高い作動温度での応力腐食割れの可能性を増大させる。孔食腐食及び腐食疲労の作用もまた、長尺ベーン長さを有する最終段バケットに加わる応力が高くなるにつれて、増大する。多くの場合に、他のタービン段の基本的な機械的設計要件を満たすように選択した合金は、最終段バケットの最小機械的強度及び耐食性要件を簡単に満たすことにはならない。

最終段タービンバケットの長尺ベーン長さについての問題を解決するためのこれ迄の方法は、最終用途の要件に応じて広範に変化している。実使用要求が厳しくない幾つかのケースでは、単一のバケット材料を許容することができる。しかしながら、耐食性を増大させるためには、バケットは通常、前縁において局所的熱処理によって焼入れ（例えば、炎焼入れ又は高周波焼入れ）して付加的な耐食性を与えることを必要とする。これに代えて、ろう付け、ティグ溶接又は電子ビーム溶接によって、バケットに対して耐食性遮蔽材料（ステライトのような）を取付けることができる。これらの従来技術の物理的取付け方法では、殆どと言ってよいほど、時間の経過と共に溶接熱影響区域内に或る程度の劣化を招き、従ってバケットは究極的にはそれらの個所で破損することになる。さらに、欠陥溶接部の危険性が常に存在し、場合によってはバケット組立体全体の費用のかかる廃棄に至るおそれがある。

蒸気タービンバケットを製造又は補修する別の公知の方法は、バケットブレードの前縁にインサートを溶接し、次にそのインサートの一部を焼入れして前縁外部に焼入した表面を形成する段階を含む。しかしながら、この場合もまた、焼入れ段階は通常、インサートとブレード自体との間の接合部の範囲までは及ばない。従って、インサートの一部分は、焼入れされないままで残り、苛酷な条件下で早期故障又は侵食を受けやすくなる可能性がある。

本出願と同一出願人の特許文献１は、蒸気タービンで使用する高い応力を受ける最終段バケットに対する要件の多くを満足させる二金属構造体を形成する方法を開示している。特許文献１に開示された方法は、バケット及びインサート材料の両方がほぼ最適溶接性条件にある状態で、耐食性インサート材料を取付ける段階を含む。溶接の後に二金属組立体を熱処理して、大きな歪みがない状態でバケット特性を最適化させる。インサート材料はまた、機械加工の後にも焼入れ（炎焼入れ又は他の従来通りの方法により）して、耐食性を向上させることができる。しかしながら、特許文献１に開示された二金属構造体は、最終段タービンバケット、特に約１０１．６ｃｍ（４０インチ）又はそれ以上のベーン長さを有するタービンバケットに固有の孔食及び腐食の問題の全てを解決するものではない。
特開平０６−２３５３０１号 特開平０９−００４４６６号

本発明は、長尺ベーン長さを有するバケットにおいて、一体形のすなわち単体構造の金属設計を形成することによる二金属構造体を使用して以前の最終段バケット設計に優る大きな改善をもたらす。具体的には、本発明は、約１０１．６ｃｍ（４０インチ）又はそれ以上のベーン長さに特に適した高強度チタン合金を使用する。そのようなものとして、この合金の使用は、以前の設計に使用していたような付加的な遮蔽材料又はベーンインサートを必要とせず、最終段蒸気タービンバケットにとって特に有用である。本発明によって製造したバケットはまた、高温すなわち約２０４°Ｃ（４００°Ｆ）又はそれ近くの作動温度で大きな劣化、侵食又は応力割れがない状態で長期間にわたって最終段蒸気タービンバケットの高い応力及び荷重に適応する能力における大きな改善をもたらす。

今や、特定の軽量高強度チタン基合金を使用して、約２０４°Ｃ（４００°Ｆ）又はそれ近くの温度で作動する長尺の最終段バケット、特に約１０１．６ｃｍ（４０インチ）又はそれ以上のベーン長さを有するバケットに固有の応力を低減及び／又は制御することができることが判明した。本明細書に説明したチタン基合金を使用する長尺ベーンバケットは、より高い強度及び向上した耐食性を示す。本発明による例示的なチタン基合金は、１０００Ｍｐａ（１４５ｋｓｉ(キロポンド毎平方インチ)）の最小室温極限引張強度、８９６Ｍｐａ（１３０ｋｓｉ）の０．２％室温降伏強度、８６１Ｍｐａ（１２５ｋｓｉ）の極限引張強度、及び７５８Ｍｐａ（１１０ｋｓｉ）の０．２％約４００°Ｆ降伏強度を有する。好ましいチタン基合金はまた、長尺ベーン長さを有するバケットに使用した場合に、Ｔｉ６Ａｌ−４Ｖのような他の従来型の合金に比べて、より信頼性がありかつ費用効果がある。

そのより広範な態様では、本発明はまた、蒸気タービン用途に一般的に使用される鉄基合金よりもほぼ５０％軽いチタン合金を含む一体形の単体構造蒸気タービンバケットを製造する新規な方法を含む。以前のバケット設計からのこの大きな全体重量の低減は、約１０１．６ｃｍ（４０インチ）又はそれ以上のベーン長さを有するバケットに対する装置製造及び蒸気タービン能力の両方において重大な費用削減の可能性をもたらす。本発明によるバケットを形成するのに使用するチタン合金の強度はまた、従来型の鉄基合金と同等又はそれ以上であることが判明した。

本発明の更なる目的及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明によるチタン基合金は、下の表Ｉに示す例示的な重量パーセントを有する。
表Ｉ

本発明によるバケットを形成するのに使用するチタン基合金、すなわち少なくとも約４０インチのベーン長さを有するバケットにおいて使用する合金は、１０００Ｍｐａ（１４５ｋｓｉ(キロポンド毎平方インチ)）の室温での最小極限引張強度、８９６Ｍｐａ（１３０ｋｓｉ）の室温での０．２パーセント降伏強度、８６１Ｍｐａ（１２５ｋｓｉ）の４００°Ｆでの最小極限引張強度、及び７５８Ｍｐａ（１１０ｋｓｉ）の４００°Ｆでの最小０．２パーセント降伏強度を示す。好ましい合金は、β又はαβ構造のいずれかを示し、約５０ｋ平方根インチの最小破壊靭性を達成する。

上記のチタン合金組成範囲を使用して、本発明によって約１０１．６ｃｍ（４０インチ）のベーン長さを有する様々な蒸気タービンバケットを形成した。上述したように、多くの設計因子により、バケットの有効長、ピッチ円直径及び作動流れ領域内でのバケットの作動速度のような、採用した最終バケットプロフィール及び特定の合金が影響を受けることになる。最大予測作動条件における減衰性、バケット疲労性及び合金の耐食性もまた、上記の好ましい組成範囲内にあるチタン基合金を使用する最終バケット設計において役割を果たす。本発明によるチタン合金で形成することができる長尺ベーンの最終段バケットにおける例示的なプロフィールは、本出願と同一出願人の「タービンの最終段用バケット」の名称の米国特許第５３９３２００号に記載されている。

形成後に、本発明による各バケットは、応力除去され、かつ従来通りの仕上げ加工段階及び熱処理段階を使用してバケット表面が最終プロフィールに機械加工される。約４０インチ又はそれ以上のベーン長さを有する様々な例示的なバケットに対して、最終段蒸気タービンにおける公称及び最大予測作動温度の範囲内で、従来通りの機械的強度試験及び耐食性試験を行った。本発明によるバケットに使用したチタン基合金材料は、向上した耐食性及び平均以上の強度特性を示した。

本発明によるチタンベースの蒸気タ−ビンバケットを製造する例示的な方法は、以下の段階を含む。最初に、上記の合金組成を含むチタンビレットを形成し、従来型のスクリュープレス、ハンマ鍛造及び／又は油圧プレスを使用してバケットに鍛造する。任意選択的に、鍛造したバケットを熱処理及び急冷して、応力除去を行いかつ機械的強度特性を高めることができる。特定の最終用途に応じて、バケットはさらに、従来通りの方法を使用してエージングし、次に最終作動構成（一般的に全側面すなわち３６０度に対して機械加工を行った状態の）に機械加工することができる。

上記の方法は、長尺バケット、例えば約１０１．６ｃｍ（４０インチ）又はそれ以上のベーン長さを有する最終段蒸気タービンバケットに対して開発したが、本方法は、特定のバケット設計及び最終用途要件に応じて、上述の組成範囲内の様々なチタン合金組成を使用して調整することができる。

下の表ＩＩは、本発明による長尺ベーンの最終段蒸気タービンバケットに使用するのに適した例示的な高強度チタン合金組成物について行った機械的強度試験を要約している。
表ＩＩ

表ＩＩを参照すると、欄１（左端の）は、指定の試験番号を特定し、欄２は、試験方向、すなわち試験を試験片の長手方向軸線に沿った軸方向に実施したか或いは９０度の角度で試験片を横断（試験片に対して正接に）して実施したかを示し、欄３は、各試験の間の試験片の最高測定温度を示し、欄４は、千ポンド／平方インチの単位で極限引張強度を記載し、欄５は、各サンプルについての０．２パーセントオフセットの降伏強度をＫＳＩで特定し、欄６は、試験した各サンプルについての伸び率パーセントを示し、欄７は、各サンプルについての断面縮小率パーセントを記載し、欄８は、試験した各サンプルについての百万ポンド／平方インチの単位での弾性係数を示す。

表ＩＩに示した様々な強度値は、本発明による長尺ベーンバケットを形成するのに使用したチタン合金組成物、すなわち上記の範囲内にある重量パーセントの成分を有する組成物が、約４０インチ又はそれ以上のベーン長さを有する最終段蒸気バケット上に加わるタイプの高い応力及び荷重に、劣化又は応力割れがない状態で耐える合金能力を大きく改善することを示している。

図面の図１は、本発明によって使用した例示的なチタン合金組成物に対して試験サンプルの表面からの様々な距離で行った極限引張強度試験の結果のグラフ表示である。図１が示すように、試験した合金についての２０４°Ｃ（４００°Ｆ）でのＫＳＩ（Ｍｐａ）で表した極限引張強度は、サンプルの表面からの様々な距離、すなわち合金表面から約０．９、１．０、１．４、及び１．８インチの距離において、本質的に一定のままであった。

本発明を現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に属する様々な変更及び均等な構成を保護することを意図していることを理解されたい。

本発明による、長尺ベーンの最終段タービンバケットに使用する例示的なチタン合金組成物に対して行った強度試験の結果のグラフ表示。

Claims (8)

1. 蒸気タービンエンジンの最終段に使用するバケットであって、
   少なくとも約４０インチのベーン長さに形成され、
   重量で、最大約６．２５％のアルミニウム、約３．５％のバナジウム、約２．２５％の錫、約２．２５％のジルコニウム、約１．７５％〜約５．０％のモリブデン、約２．２５％のクロム、約０．７％の珪素及び約２．３％の鉄を有し、残部がチタンであるチタン基合金を含む、
   バケット。
2. 前記チタン基合金が、約１０００Ｍｐａ（１４５ｋｓｉ(キロポンド毎平方インチ)）の室温極限引張強度、約８９６Ｍｐａ（１３０ｋｓｉ）の０．２％室温降伏強度、約８６１Ｍｐａ（１２５ｋｓｉ）の極限引張強度、及び約７５８Ｍｐａ（１１０ｋｓｉ）の０．２％ ２０４°Ｃ（４００°Ｆ）降伏強度の強度特性を示す、請求項１記載のバケット。
3. 該バケットを形成するのに使用するチタン基合金が、β又はαβ構造のいずれかを有し、かつ約５０ｋ平方根インチの最小破壊靭性を有する、請求項１記載のバケット。
4. タービンホイールと、前記タービンホイールの周りに配置された複数のバケットと、最終段バケットとを有する蒸気タービンエンジンであって、前記最終段バケットが、
   約１０１．６ｃｍ（４０インチ）又はそれ以上のベーン長さを有し、
   請求項１記載のチタン基合金を含む、
   蒸気タービンエンジン。
5. 少なくとも約１０１．６ｃｍ（４０インチ）のベーン長さを有する最終段蒸気タービンバケットを形成するのに使用するチタン基合金組成物であって、
   重量で、約６．２５％のアルミニウム、約３．５％のバナジウム、約２．２５％の錫、約２．２５％のジルコニウム、１．７５％〜５．０％のモリブデン、約２．２５％のクロム、約０．７％の珪素及び約２．３％の鉄を含み、残部がチタンである、
   最終段蒸気タービンバケットを形成するのに使用するチタン基合金組成物。
6. 前記合金が、少なくとも約１０００Ｍｐａ（１４５ｋｓｉ）の室温極限引張強度、約８９６Ｍｐａ（１３０ｋｓｉ）の０．２％室温降伏強度、約８６１Ｍｐａ（１２５ｋｓｉ）の極限引張強度、及び約７５８Ｍｐａ（１１０ｋｓｉ）の０．２％ ２０４°Ｃ（４００°Ｆ）降伏強度の強度特性を示す、請求項５記載の最終段蒸気タービンバケットを形成するのに使用するチタン基合金組成物。
7. 前記組成物が、β又はαβ構造のいずれかを有し、かつ約５０ｋｓｉ根二乗インチの最小破壊靭性を有する、請求項５記載の最終段蒸気タービンバケットを形成するのに使用するチタン基合金組成物。
8. 蒸気タービンエンジンに使用する最終段タービンバケットを製造する方法であって、
   （ａ）重量で、最大約６．２５％のアルミニウム、約３．５％のバナジウム、約２．２５％の錫、約２．２５％のジルコニウム、約１．７５％〜５．０％のモリブデン、約２．２５％のクロム、約０．７％の珪素及び約２．３％の鉄を有し、残部がチタンであるチタン基合金を使用して、少なくとも約４０インチのベーン長さを有する蒸気タービンバケットを形成する段階と、
   （ｂ）熱処理を使用して前記バケットを応力除去する段階と、
   （ｃ）前記バケットの表面を機械加工する段階と、
   を含む方法。

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