JP2009191733A - 蒸気タービン翼およびその表面改質方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蒸気タービン翼1のエロージョンまたはコロージョンが発生する部位(2)に電子ビーム照射により表面改質処理を施して形成した高硬度層3を有し、この高硬度層3は平滑化した表面を有する構成とする。
【選択図】図1
Description
図1に本発明の第1の実施の形態の蒸気タービン翼を示す。図1において、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る動翼または静翼である。蒸気タービン翼1に発生するエロージョンは流入する蒸気の入口側に発生することから、翼前縁部2に電子ビーム照射による表面改質処理を施す。この表面改質処理は、電子ビームの照射により急加熱、急冷することにより高硬度層3が形成される。この高硬度層3により、液滴化した蒸気や蒸気の流れに混在する酸化鉄等の固体粒子との衝突による磨耗が抑制される。
つぎに同じく図1を参照して本発明の第2の実施の形態を説明する。本実施の形態は、電子ビームの照射により表面改質処理されて形成される高硬度層3の厚さをミリ単位からミクロン単位までにコントロールする。例えばミリ単位の高硬度層3を形成する場合はドットタイプ電子ビーム照射を行い、照射速度とドット面積により高硬度層3のコントロールを行う。ドットタイプの場合は照射面積がたとえば直径0.1mmと絞られるためにエネルギーが集中され深い層まで改質可能である。また、ミクロン単位の高硬度層3を形成する場合は大面積ビーム(例えば直径60mm)によるパルスビーム(2〜3μs)の照射をすることにより、広範囲な面積を瞬間的に照射するため、比較的浅い高硬度層3を形成することが可能である。
このように本実施の形態によれば、電子ビームの照射条件を変更することにより、得られる高硬度層3の厚さをミクロン単位からミリ単位の幅でコントロールすることができる。
本発明の第3の実施の形態は図2に示すように、蒸気タービン翼1において、エロージョンまたはコロージョンが発生する箇所以外に電子ビーム照射防止材6でマスキングを施して電子ビーム照射を行なうことによって表面改質処理を施し、表面改質層5を形成させる。大面積ビームでパルス型の電子ビームを照射するとき、エロージョンが発生するおそれのある部位のみ開口させた布、ビニールテープ等を翼表面に貼り付けることにより、開口している部分のみ電子ビームが照射されるので簡便に局部的な表面改質処理を施すことができる。また広範囲な表面改質処理を施したい場合には、改質したくない部位のみ電子ビームの照射を防止する布、ビニールテープ等でマスキングすることにより、局部的に電子ビーム照射を防止することができる。
このように本実施の形態では、蒸気タービン翼表面をマスキングすることにより電子ビームの照射部位を簡便に設定することが可能となる。
本発明の第4の実施の形態は、蒸気タービン翼に電子ビーム照射により平滑化加工を施す。蒸気タービン翼は表面の加工が重要である。特に効果的に蒸気の湿りの影響を低減させ高効率かつ高信頼性を有するタービン翼が必要である。本実施の形態は大面積のパルス電子ビーム(2〜3μs)を照射することによって表面を溶融させ、表面の凹凸を緩和して平滑化する。このときの電子ビーム照射条件は、実験により以下のような範囲がよいことが分かった。
加速電圧:10kv〜50kv
照射回数:10回〜50回
照射距離:20mm〜80mm
エネルギー密度:1J/cm2〜15J/cm2
本発明の第5の実施の形態は、蒸気タービン翼に照射する電子ビームの密度、照射速度、照射回数等の照射条件をコントロールすることによって、蒸気タービン翼の任意の範囲に任意の硬度を有する高硬度層を形成する。ドットタイプの電子ビーム照射によれば、例えばビーム径0.1〜0.3mmを高速で移動させることによる表面改質処理が可能なため、翼表面の任意の範囲で任意の硬度を有する高硬度層を形成させることが可能である。
本発明の第6の実施の形態は、蒸気タービン翼に照射する電子ビームの照射密度、照射速度、照射回数等の照射条件を制御することによって、蒸気タービン翼の任意の範囲に圧縮残留応力部を形成する。蒸気タービン翼は耐エーロジョン性を向上させるため、高硬度層を有することが重要であるが、表面に引張応力が生じていると疲労強度上の観点からき裂進展が問題となる。しかし、表面が圧縮応力であればき裂発生においても進展を抑制することが可能となる。電子ビーム照射における密度や速度等は表面の急熱、急冷状態に大きく影響するため、照射条件を制御することによって表面に圧縮残留応力を発生させた圧縮残留応力部を形成することができる。
本発明の第7の実施の形態は、蒸気タービン翼に照射する電子ビームの照射密度、照射速度、照射回数等を制御することによって、蒸気タービン翼の任意の範囲に部分ごとの必要度に応じた平滑化加工を施す。空力的な損失や信頼性の低下、大幅なコストアップを伴うことなく、効果的に湿りの影響を低減させ高効率かつ高信頼性を得るためには、翼の蒸気通路部に親水性処理を施すことが有効である。電子ビーム照射では密度および照射速度、回数により表面の凹凸を溶融させ平滑化することができる。従って、親水性コーティング等の処理の代わりに電子ビーム照射により、またその照射条件を制御することにより、平滑度を向上させ親水性の高い翼表面を得ることができる。
図3に本発明の第8の実施の形態を示す。本実施の形態は、蒸気タービン翼1の表面に翼金属部材と組成が異なる微粒子状の粉末材料4を分散させ、その部分に電子ビーム照射を行い、粉末材料4の一部を溶融させ表面改質層5を形成する。即ち蒸気タービン翼1の表面に例えば鉄基合金系の粉末材料4を分散させ、その表面に電子ビームを照射させ粉末材料4を溶融させることによって蒸気タービン翼1の表面に肉盛溶接と同様な表面改質層5を形成する。
本発明の第9の実施の形態は、蒸気タービン翼の表面に翼金属部材と組成が異なる微粒子をショットブラスト等により付着させた後、電子ビーム照射を行い、微粒子の一部を溶融させて表面改質層を形成する。即ち、翼金属部材と組成が異なる材料をショットブラスト等により蒸気タービン翼表面に分散付着させ、その後電子ビーム照射により微粒子部を溶融させることによってより強固に翼表面に表面改質層を形成させることができる。
本発明の第10の実施の形態は、上記第1ないし第9の実施の形態において、予めシミュレーションによって最適な電子ビーム照射条件を決定するものである。表面改質処理による高硬度層および平滑化表面の形成には電子ビームの密度や照射速度、回数等が大きく影響する。しかし、要求される硬度や平滑度、および圧縮残留応力を形成させるためには数多くの実験が必要となり費用および工数が多大なものとなる。シミュレーションでは翼や微粒子粉末の材料データさえ準備すれば、2次元の簡便なモデルで解析が可能であり、また電子ビーム照射のシミュレーション手法を確立することにより、表面改質材が変わった場合でも即座に対応でき、プロセスの最適化が手間をかけずに実施できる特徴がある。
Claims (8)
- エロージョンまたはコロージョンが発生する部位に電子ビーム照射により表面改質処理を施して形成した高硬度層を有し、この高硬度層は平滑化した表面を有することを特徴とする蒸気タービン翼。
- 前記平滑化した表面は電子ビーム照射により形成されていることを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン翼。
- 請求項1記載の蒸気タービン翼であって、前記高硬度層は、エロージョンまたはコロージョンが発生する部位以外を電子ビーム照射防止材でマスキングして電子ビーム照射を行なうことによって形成することを特徴とする蒸気タービン翼の表面改質方法。
- 請求項1記載の蒸気タービン翼であって、前記高硬度層は、電子ビーム照射密度、照射速度および照射回数を制御することによって、所定の範囲に所定の硬度を有するものを形成することを特徴とする蒸気タービン翼の表面改質方法。
- 請求項1記載の蒸気タービン翼であって、前記高硬度層は、翼表面に照射する電子ビームの照射密度、照射速度および照射回数を制御することによって、所定の範囲に部分ごとに必要とされる度合の表面平滑化加工を施すことを特徴とする蒸気タービン翼の表面改質方法。
- 蒸気タービン翼の翼表面に照射する電子ビームの照射密度、照射速度および照射回数を制御することによって、所定の範囲に圧縮残留応力部を形成することを特徴とする蒸気タービン翼の表面改質方法。
- 蒸気タービン翼の翼表面に翼金属部材と組成の異なる微粒子を散布し、前記散布部分に電子ビーム照射を行い、前記微粒子を溶融させて表面改質層を形成することを特徴とする蒸気タービン翼の表面改質方法。
- 前記微粒子をショットブラストにより翼表面に付着させた後、電子ビーム照射を行うことを特徴とする請求項7に記載の蒸気タービン翼の表面改質方法。
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