JP2010281225A - 燃焼器構成部材の製造方法、並びに、燃焼器構成部材、ガスタービン用燃焼器及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】２つの板状部材をろう付接合した中空流路を有する板状接合体から成形される燃焼器構成部材を、割れを発生させずに、中空流路の位置精度を維持させて製造する方法を提供する。
【解決手段】耐熱合金からなる第１の板状部材４aと、耐熱合金からなり、表面に複数のフィン５を有する第２の板状部材４ｂとを、フィン５が第１の板状部材４aに向いた状態で、融点降下元素を含むろう材を介在させてろう付け接合を行い、板状接合体を得る工程と、板状接合体をプレス成形して所望形状の燃焼器構成部材を得るプレス成形工程とを有する燃焼器構成部材の製造方法において、燃焼器構成部材の形状に応じてプレス成形工程時に発生する歪みが所定値以上となる歪み箇所を特定する工程と、前記特定された歪み箇所に対応する板状接合体の対応箇所を局所加熱する工程と、加熱した対応箇所の温度を所望温度に維持して板状接合体を冷間プレス成形する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンの燃焼器（燃焼筒及び内筒等）に適用される燃焼器構成部材の製造方法に関する。

ガスタービン燃焼器は、１５００℃という高温環境下で使用される。その使用条件により、該ガスタービン燃焼器は冷却構造を必要とする。例えば、特許文献１に開示されているように、燃焼器尾筒の構成部材としてＭＴフィンと称される中空とされた流路を有する板状部材が使用されており、中空とされた流路に冷却媒体である空気や蒸気等を流すことにより、ガスタービン燃焼器が冷却される。

特許文献２に開示されているように、中空とされた流路を有する板状部材は、母材である平な板状部材と複数のフィンを有する板状部材から構成され、複数のフィンが平板状とされた板状部材に接合されて形成される。接合方法としては、ろう付接合（拡散接合）が挙げられる。ろう付接合とは、被接合材料（母材）より融点の低い金属（ろう材）を接着剤とし、ろう材の融点温度で母材を加熱して、ろう材と母材の相互拡散作用によって接合させる技術である。ろう付時の加熱温度が高いと、母材の結晶粒の粗大化や酸化が生じ、母材の強度が低下する。このため、加熱温度を下げる目的で融点降下元素（Ｂ、Ｓｉ、Ｐ等）を添加したろう材が多く用いられている。

特許第３８３１６３８号公報（請求項９、段落［００１１］） 特開２００２−１６１７５５号公報（段落［０００７］）

従来、上記ガスタービン燃焼器の構成部材は、２つの板状部材をろう付接合した後に、常温でプレス機を用いて成形して、製造される。ろう付接合時に、ろう材に含まれる融点降下元素がろう材と板状部材との接触面から拡散する。しかし、この拡散が不十分な場合、前記接触面近くで融点降下元素が板状部材に偏在することになるため、局所的に脆性となる。このような板状部材からなる板状接合体をプレス成形すると、板状接合体の内部で割れが発生し、この割れが原因となり、板状接合体の接合面が剥離するという問題が生じていた。このため、板状接合体成形後の燃焼器構成部材は、内部品質を非破壊検査（超音波探傷試験等）により確認する必要があった。燃焼器構成部材に割れが認められた場合、該燃焼器構成部材は溶接により補修されるか、又は、廃却されることになる。

中空とされた流路を有する板状接合体を熱間鍛造プレス装置で成形すれば、板状接合体の内部に発生する割れは回避できる。しかし、高温で加熱することにより、ろう材及び板状部材が溶融し中空とされた流路の位置精度が維持できなくなると共に、板状部材が粗粒化し板状部材の強度が低下する。熱間プレス成形とは、非鉄金属・ステンレス鋼・合金鋼・炭素鋼などの被成形素材全体を加熱炉などで加温し、金型を用いて圧縮成形することである。これに対して、冷間プレス成形とは、被成形素材を常温で、金型を用いて圧縮成形することである。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、２つの板状部材をろう付接合した中空とされた流路を有する板状接合体から成形される燃焼器構成部材を、割れを発生させずに、中空とされた流路の位置精度を維持させて製造する方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の燃焼器構成部材の製造方法は以下の手段を採用する。
本発明は、耐熱合金からなる第１の板状部材と、耐熱合金からなり、表面に複数のフィンを有する第２の板状部材とを、該フィンが第１の板状部材に向いた状態で、融点降下元素を含むろう材を介在させてろう付け接合を行い、板状接合体を得る板状接合体形成工程と、該板状接合体をプレス成形して所望形状の燃焼器構成部材を得るプレス成形工程とを有する燃焼器構成部材の製造方法において、前記燃焼器構成部材の形状に応じて前記プレス成形工程時に発生する歪みが所定値以上となる歪み箇所を特定する歪み箇所特定工程と、該歪み箇所特定工程によって特定された前記歪み箇所に対応する前記板状接合体の対応箇所を局所加熱する局所加熱工程と、前記プレス成形工程として加熱した前記対応箇所の温度を所望温度に維持して前記板状接合体を冷間プレス成形する燃焼器構成部材の製造方法である。

燃焼器構成部材は形状に応じて、板状接合体を成形する際に発生する歪み箇所が異なる。燃焼器構成部材の歪み箇所を特定することで、成形前に前記特定された歪み箇所を板状接合体に対応させた箇所の局所加熱が可能となる。そして、板状接合体を局所加熱することで延性を向上させ、プレス成形性を向上させることができる。すなわち、ろう付で融点降下元素（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ等）が不均一に拡散した板状接合体であっても、割れを発生させずにプレス成形することが可能となる。また、板状接合体の全体ではなく、歪み発生箇所のみを加熱することにより、板状接合体全体が粗粒化すること抑制できると共に、中空とされた流路の位置精度を維持できる。

上記発明において、前記局所加熱工程における加熱温度が、６５０℃以上１０００℃以下であることが好ましく、更には、８００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。

局所加熱する際の加熱温度が６５０℃以上１０００℃以下であると、板状接合体のプレス成形性は向上する。特に、８００℃以上１０００℃以下で加熱することで、ろう材に含まれる融点降下元素が不均一に拡散したことによって局所的に脆化した板状接合体は、脆化前の状態である第１の板状部材及び第２の板状部材と同等以上の延性を得ることが可能となる。また、上記加熱温度はろう材及び板状部材の融点以下であるため、板状部材の強度及び板状接合体の中空とされた流路の位置合せ精度を維持できる。
加熱温度が６５０℃よりも低いと、加熱による所望の延性向上効果が得られない。加熱温度が１０００℃よりも高いと、板状部材の結晶粒が粗粒化し、板状部材の劣化が進行する。また、ろう材及び板状部材が溶融し、中空とされた流路を閉塞させると共に、位置合せ精度が悪くなる。

上記製造方法を用いて製造された燃焼器構成部材は、プレス成形時に割れが発生しない。これにより、溶接補修作業にかかる時間、及び、廃却数減少によるコスト削減が可能となる。また、中空とされた流路の位置精度を維持できる。上記燃焼器構成部材を用いて形成されるガスタービン用燃焼器及び該ガスタービン用燃焼器を備えたガスタービンは、低コストで製造でき且つ信頼性が高いものとなる。

上記製造方法によって燃焼器構成部材を製造することで、成形時に発生する割れを回避することができる。これにより、補修にかかる作業時間及び製造コストが削減できる。また、成形後も中空とされた流路の位置精度を維持できる。この結果、高い冷却効果を奏するガスタービン燃焼器を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの部分縦断面図である。 板状接合体の斜視断面図である。 板状接合体の部分断面図である。 引張試験の結果を示すグラフである。

以下に、本発明に係る燃焼器構成部材の製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に、本実施形態に係るガスタービンの部分縦断面図を示す。ガスタービン１は内筒２ａ及び外筒２ｂを有する燃焼器２を備えている。内筒２ａは、４つの燃焼器構成部材が仮合わせされた後、レーザー溶接により筒状に形成されたものである。燃焼器構成部材は、中空とされた流路を有する板状接合体を所定の形状にプレス成形することで得られる。１つの燃焼器構成部材は、例えば、１．２ｍ×０．７ｍ〜１．０ｍ×０．５ｍの大きさである。

図２に、板状接合体の斜視図を示す。板状接合体４は、平坦状とされた第１の板状部材４ａと、複数のフィン５を有する第２の板状部材４ｂとで構成される。板状接合体４は、複数のフィン５が第１の板状部材４ａと接合されることにより、板状接合体４の内部の複数のフィン５の間に中空流路３が形成される。

図３に、板状接合体４の部分断面図を示す。中空流路３は断面視して、頂部が曲線で、その両端が直線形状となっている。
板状接合体４は、例えば、以下の工程により作製される。第１の板状部材４ａの上に箔状のろう材（図示省略）が載置され、更に第２の板状部材４ｂがフィン５を第１の板状部材４ａに向けて載置される。なお、各部材の接合面の端部に、ろう流れ防止剤（図示省略）が塗布される。載置後、第２の板状部材４ｂの上面から、ブロックなどを用いて面内均一に圧力が印加される。圧力が印加された状態で、第１の板状部材４ａ及び第２の板状部材４ｂに、不活性雰囲気中又は真空中で熱処理が施されることにより、第１の板状部材４ａ及び第２の板状部材４ｂが接合される。

本実施形態において、第１の板状部材４ａ及び第２の板状部材４ｂは、耐熱Ｎｉ基合金、例えば、トミロイ（登録商標）（組成：Ｃｒ：２０．００〜２４．００質量％、Ｃｏ：６．５０〜９．４０質量％、Ｍｏ：８．００〜１０．００質量％、Ｗ：２．００〜４．００質量％、Ａｌ：０．７５〜１．５０質量％、Ｔｉ：０．６０質量％以下、Ｃ：０．１５質量％以下、Ｆｅ：３．００質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｓｉ：１．００質量％以下、Ｃｕ：０．５０質量％以下、Ｓ：０．０１５質量％以下、Ｐ：０．０２０質量％以下、Ｂ：０．００６質量％以下、Ｎｉ：残部）が使用される。なお、トミロイ（登録商標）に換えて、ハステロイ（登録商標）Ｘ（組成：Ｃｒ：２０．２５〜２３．２５質量％、Ｃｏ：０．４５〜２．５５質量％、Ｍｏ：７．９０〜１０．１０質量％、Ｆｅ：１６．８０〜２０．２０質量％、Ｗ：０．１６〜１．０４質量％、Ｃ：０．０４〜０．１６質量％、Ｓｉ：１．０５質量％以下、Ｍｎ：１．３質量％以下、Ｐ：０．０４５質量％以下、Ｓ：０．０３５質量％以下、Ｎｉ：残部）、ＨＡ−２３０、ＧＴＤ−２２２、ＩＮ−６１７、Ｎｉｍｏｎｉｃ２６３のような耐熱Ｎｉ基合金が使用されても良い。あるいは、ＨＡ−１８８、ＦＳＸ−４１４などの耐熱Ｃｏ基合金が使用されても良い。

本実施形態において、融点降下元素（例えば、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ等）を含むろう材は、板状部材材料に応じて適宜選択される。例えば、板状部材として耐熱Ｎｉ基合金が使用される場合は、Ｎｉを主成分とするＮＩＢ８（メーカー：日立金属株式会社、商品名：Ｎｉ−Ｂ８、組成：Ｃ：０．１質量％以下、Ｃｒ：１５．０〜１５．７質量％、Ｂ：３．３〜４．０質量％、Ｎｉ：残部）、ＭＢＦ−２０（メーカー：Ｍｅｔｇｌａｓ Ｉｎｃ．、商品名：Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）ＭＢＦ−２０ Ｎｉｃｋｅｌ−Ｂａｓｅｄ Ｂｒａｚｉｎｇ Ｆｏｉｌ、組成：Ｃ：０．０６質量％以下、Ｃｒ：７．０質量％、Ｆｅ：３．０、Ｓｉ：４．５、Ｂ：３．２質量％、Ｎｉ：残部）などを適用すると良い。

以下に、燃焼器構成部材の製造方法を説明する。
燃焼器構成部材の製造方法は、燃焼器構成部材の形状に応じて成形時に発生する歪み箇所を特定する歪み箇所特定工程と、燃焼器構成部材の特定された歪み箇所を板状接合体４に対応させた箇所を加熱する局所加熱工程と、加熱した板状接合体４を冷間プレス成形するプレス成形工程とを含む。

歪み箇所特定工程では、数値解析（プレス成形シミュレーション）及びスクライブドサークル試験等によって、燃焼器構成部材の歪みを測定し、燃焼器構成部材の形状に応じた成形時に発生する歪み箇所を特定する。
例えば、板状接合体４の材料物性値を入力データとし、金型温度、金型形状、潤滑剤（摩擦係数）等の要因をパラメータとしたシミュレーション解析（解析ソフト：ＬＳ-ＤＹＮＡ等）を実施して、歪みが例えば１３％以上とされた所定値以上の歪み箇所を特定する。特定された歪み箇所は、解析ソフトにより板状接合部材に対応させる。
例えば、スクライブドサークル試験では、板状接合体４に直径約６．３５ｍｍ（１/４ ｉｎ）の円形模様（スクライブドサークル）をマーキングしておき、プレス成形後、このスクライブドサークルの変形程度（長軸と短軸の長さ、中軸の向き、円の中心間距離）から板状接合体４の歪み（最大歪み・最小歪み・最大歪み方向など）が計測される。歪み箇所は、目視してスクライブドサークルが大きく変形している。歪みが例えば１３％以上とされた所定値以上の歪み箇所を特定する。

板状接合体４は下側金型に配置される。成形時の摩耗によるかじり防止のため、金型及び板状接合体４に潤滑剤が塗布される。潤滑剤は、高温潤滑性に優れるボロンナイトライド（例えば、株式会社オーデック製のＢＮリリーズ、ジクス工業株式会社製のＢＮスプレー、ファインケミカルジャパン株式会社のＢＮスプレー）等とされる。

局所加熱工程では、上記のように板状接合体４を金型に配置した後、歪み箇所特定工程で特定した歪み箇所を板状接合体４に対応させた箇所が局所加熱される。加熱手段としては、例えば誘導加熱、高周波加熱、通電加熱等が適用される。最小加熱面積は１００ｃｍ^２程度である。加熱温度は６５０℃以上１０００℃以下とされる。なお、加熱温度は、例えば温度チョーク、サーモビューア及び熱電対等により管理される。

融点降下元素が拡散した第１の板状部材４ａの材料特性を確認するため、ＪＩＳ Ｇ０５６７及びＪＩＳ Ｚ２２４１に基づき引張試験を実施した。トミロイを材料とする板状接合体４から融点降下元素拡散層を含むように第１の板状部材４ａを切り出し、ＪＩＳ Ｚ２２０１に基づき、試験片を作製した。ろう材にＭＢＦ−２０を使用した板状接合体４から作製した試験片を実施例１、ろう材にＮＩＢ８を使用した板状接合体４から作製した試験片を実施例２とした。また、トミロイ（登録商標）から作製した試験片を比較例とした。

図４は、上記試験片の引張試験の結果を示すグラフである。同図において、横軸は試験片の加熱温度、縦軸は試験片のき裂発生限界歪み（％）を示す。「き裂発生限界歪み（％）」とは、試験片が破断した際の歪み（％）を意味する。なお、室温における各試験片のき裂発生限界歪みは、比較例が５１％、実施例１及び実施例２では１３％以下であった。
加熱温度が６５０℃で、き裂発生限界歪みが大きく向上した。実施例１及び実施例２のき裂発生限界歪みは、加熱温度が７００℃では室温の比較例と同等以上、８００℃では８０％以上を示し、同温度の比較例と同程度であった。
本実験の結果から、板状接合体４を溶融させずに所望の延性向上効果を得るためには、局所加熱工程における加熱温度は、６５０℃以上１０００℃以下が適切であると考えられた。特に、８００℃以上１０００℃以下では、最も高い延性向上効果が得られる。

プレス成形工程では、局所加熱工程完了後、加熱した対応箇所の温度を所望温度に維持して板状接合体４が冷間プレス成形される。加熱される箇所が特定された歪み箇所のみであるため、冷間鍛造プレス装置で成形できる。
以上の通り、本実施形態の燃焼器構成部材の製造方法によれば、以下の作用効果を奏する。上記製造方法によって燃焼器構成部材を製造することで、成形時に発生する割れを回避することができる。これにより、補修にかかる作業時間及び製造コストが削減できる。また、成形後も中空流路３の位置精度を維持できる。この結果、高い冷却効果を奏するガスタービン燃焼器を提供することができる。
なお、プレス成形工程は、局所加熱しながら行われても良い。
本実施形態において、成形は１段階であるが、２段階以上成形する場合は、局所加熱工程及びプレス成形工程を繰り返し実施しても良い。

１ ガスタービン
２ 燃焼器
２ａ 内筒
２ｂ 外筒
３ 中空流路
４ 板状接合体
４ａ 第１の板状部材
４ｂ 第２の板状部材
５ フィン

Claims (6)

1. 耐熱合金からなる第１の板状部材と、耐熱合金からなり、表面に複数のフィンを有する第２の板状部材とを、該フィンが第１の板状部材に向いた状態で、融点降下元素を含むろう材を介在させてろう付け接合を行い、板状接合体を得る板状接合体形成工程と、該板状接合体をプレス成形して所望形状の燃焼器構成部材を得るプレス成形工程とを有する燃焼器構成部材の製造方法において、
   前記燃焼器構成部材の形状に応じて前記プレス成形工程時に発生する歪みが所定値以上となる歪み箇所を特定する歪み箇所特定工程と、
   該歪み箇所特定工程によって特定された前記歪み箇所に対応する前記板状接合体の対応箇所を局所加熱する局所加熱工程と、
   前記プレス成形工程として加熱した前記対応箇所の温度を所望温度に維持して前記板状接合体を冷間プレス成形する燃焼器構成部材の製造方法。
2. 前記局所加熱工程における加熱温度が、６５０℃以上１０００℃以下である請求項１に記載の燃焼器構成部材の製造方法。
3. 前記局所加熱工程における加熱温度が、８００℃以上１０００℃以下である請求項１に記載の燃焼器構成部材の製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃焼器構成部材の製造方法を用いて製造された燃焼器構成部材。
5. 請求項４に記載の燃焼器構成部材を用いて形成されるガスタービン用燃焼器。
6. 請求項５に記載のガスタービン用燃焼器を備えたガスタービン。

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