JP2011007093A - タービン動翼 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐エロージョン性を高めて、応力腐食割れ感受性を低減させるタービン動翼を提供する。
【解決手段】タービン動翼の翼先端を熱処理により硬化する際に、半径方向外周側の硬度を内周側の硬度より高くすることにより、翼長方向にわたって耐エロージョン強度の向上と応力腐食割れ感受性の低下を両立する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、翼先端にエロージョンシールドとして、熱処理により硬化した領域を有するタービン動翼に関する。
蒸気タービンの低圧段では、湿り蒸気内でタービン動翼が高速で回転するため、タービン動翼は、湿り蒸気が結露した水滴との衝突によるエロージョンを受ける。エロージョンを受けた部位では応力集中が増加するため、そこからき裂が発生する場合があった。
近年、タービン出力の増加と効率向上のために翼長を長くする傾向があり、翼長の増加に伴って翼先端の周速が増すため、従来に増して高い耐エロージョン強度が要求される。
そこで、エロージョンを低減する施策として、ステライト（コバルト基合金）板を翼先端に電子ビーム溶接や銀ロウ付けにより貼り付ける方法や、翼先端をレーザ加熱などの熱処理により硬化する施策が知られている。熱処理により硬化する場合に半径方向の硬さ分布については、従来技術では特に考慮されていなかった（例えば、特許文献１，２参照）。
ステライト板を翼先端に貼り付ける方法では、ステライトが高価なため、製造コストが増加する問題がある。低コスト化のために熱処理により翼先端を硬化させる施策が知られているが、材料の硬化に伴って応力腐食割れに対する感受性が高くなるため、長期間運用した場合に応力腐食割れによりき裂が発生するおそれがあった。
特開２００４−５２６７３号公報 特開昭５４−７７８０６号公報
そこで、本発明の目的は、耐エロージョン性を高めて、応力腐食割れ感受性を低減させるタービン動翼を提供することにある。
本発明は、翼先端部の蒸気入口側に熱処理により硬化した領域を有するタービン動翼において、前記硬化領域内における半径方向外周側の硬度が、硬化領域内における内周側の硬度よりも高いことを特徴とする。
本発明によれば、翼先端を熱処理により硬化する際に、半径方向外周側の硬度を内周側の硬度より高くすることにより、翼長方向にわたって耐エロージョン強度の向上と応力腐食割れ感受性の低下を両立させることができる。
すなわち、半径方向外周側では、周速が大きく想定エロージョン量が多いが、遠心応力が小さく応力腐食割れの可能性が小さいため、その部位における硬度を高くして耐エロージョン強度の向上を優先させる。一方、半径方向内周側では、外周側と比較して周速が低く外周ほど耐エロージョン強度を必要とせず、また外周側と比較して遠心応力が高く応力腐食割れの可能性が高いために、その部位における硬度を外周側よりも低く形成して耐エロージョン強度と応力腐食割れ感受性を両立させることができる。
本発明の実施例を示した図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の評価経路上における硬度分布を示している。 図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図。 図１（ａ）の評価経路上の各物理量の分布を示した説明図であり、（ａ）は周速とエロージョン量の分布、（ｂ）は遠心応力分布を示す。 １２Ｃｒ鋼の硬さと相対エロージョン量の関係を示す説明図。 Ｃｒ鋼の硬さと相対遅れ破壊強度の関係を示す説明図。 図１（ａ）の評価形路上の硬度分布例を示す説明図。 本発明の実施例における施工装置を示した模式図。 加熱コイル形状を示した模式図。
以下、本発明を詳細に説明する。
図１を用いて本発明の実施例を説明する。タービン動翼１の翼先端の蒸気入口側に熱処理による硬化領域２を有している。図１（ａ）に示す半径方向外周側から内周側に向かう評価経路３上の硬度分布を図１（ｂ）に示す。熱処理による硬化領域２内において、外周側の硬度Ｈ2が内周側の硬度Ｈ1よりも高く形成されていることが、本発明の特徴である。本実施例では、硬化領域内において、外周側から内周側にかけて硬度がなめらかに低下するように形成されている。なお、硬化領域の内周側の硬度Ｈ1は、母材硬度Ｈ0よりも高くなるように形成されている。
外周側の高硬度領域の硬さは、ビッカース硬さで４００ＨＶ以上であることが望ましい。また高硬度域と低硬度域の硬度差（Ｈ2−Ｈ1）は少なくとも３０ＨＶ以上あることが望ましい。熱処理による硬化領域の半径方向長さＬは、翼長や回転数，湿り度に依存するが、翼の有効長５に対して概ね２０〜４０％であるのが望ましい。
図２は、図の１（ａ）のＢ−Ｂ断面図を示している。図２に示すように、キャンバー線１０と翼入口側プロファイルの外形線１１の交点Ｃから翼背側の硬化領域の長さ１２を前記交点Ｃから腹側の硬化領域長さ１３よりも長く形成している。これは、腹側よりも背側のエロージョン量が多くなることを想定しての施策である。本構造とすることにより、できるだけ少ない硬化領域の施工で効率的にエロージョン量を低減することができ、低コスト化につながる。
本発明による効果を試験と解析結果を用いて、以下に述べる。
図１の半径方向評価経路３上におけるタービン翼の周速Ｖc分布と想定されるエロージョン量ｄeの分布を図３（ａ）に示す。タービン翼の周速は、半径方向外周ほど速くなり、それに伴い外周に位置するほどエロージョン量が増加する傾向がある。同じ半径方向経路上における遠心応力の分布を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示すように、遠心応力は半径方向内周側に位置するほど増加する。これは、内周側に位置するほど、その位置よりも外周側の翼体積が増加して遠心力が増加するためである。
次に、マルテンサイト系１２Ｃｒ鋼について、硬度と相対エロージョンの関係を図４に示す。蒸気タービン低圧段における水滴によるエロージョンを模擬したウォータジェットによる試験を実施した。その試験によると、１２Ｃｒ鋼の相対エロージョン量は硬度と明瞭な相関があり、硬度が増加するほどエロージョン量が低下することが分かった。
種々のＣｒ鋼の硬度と遅れ破壊強度の関係を図５に示す。本図は文献（出展：腐食防食協会編、腐食・防食ハンドブック、丸善、（２０００），ｐ.１１７）のデータから、引張強さをビッカース硬さに換算して整理した図である。ここで、遅れ破壊と応力腐食割れは、共に引張保持応力下の環境助長割れであり、応力腐食割れ強度を評価するにあたって、図５に示す遅れ破壊強度はよい評価指標になる。図５に示すように、硬度と遅れ破壊強度の関係は複雑な挙動を示し、ある硬度（約４２０ＨＶ）までは硬度を増加するほど遅れ破壊強度が増加するが、ある値を境に強度が低下して遅れ破壊に対する感受性が増加するのが特徴である。
上記事柄を整理すると、エロージョンシールドとして蒸気タービン翼の翼先端を熱処理により硬化する際に、半径方向外周側では、周速が大きく想定エロージョン量が多いが、遠心応力が小さく応力腐食割れの可能性が小さいため、その部位における硬度を高くして耐エロージョン強度の向上を優先させる。一方、半径方向内周側では、外周側と比較して周速が低く外周ほど耐エロージョン強度を必要とせず、また外周側と比較して遠心応力が高く応力腐食割れの可能性が高いために、その部位における硬度を外周側よりも低く形成して耐エロージョン強度と応力腐食割れ感受性を両立させることができる。このように、翼長方向に硬度分布を形成することにより、翼長方向にわたって耐エロージョン強度の向上と応力腐食割れ感受性の低下を両立させることができる。
半径方向評価経路３上の硬度分布は、図１（ｂ）に示したように外周側から内周側にかけてなめらかに低下する場合に限定されるものではなく、図６に示すように２段の平行部をもつ分布や、さらに多段の分布形状であっても本発明と同様の効果が得られる。
高周波加熱により本発明の熱処理を施工する方法について、以下に述べる。高周波加熱施工装置は、図７に示すように、加熱コイル２１，整合器２２，高周波電源装置２３，駆動装置２４，冷却用チラー２５，出力監視ユニット２６から構成されている。加熱コイル２１の形状を図８に示す。加熱コイル２１はコの字型の形状をしており、その間に施工したい翼１をはさむ。翼背側のコイル長さ２７を翼腹側のコイル長さ２８よりも長く形成しており、本形状とすることにより、背側の熱処理領域を腹側よりも長くすることができる。加熱コイルは銅製であり、内部に冷却用チラー２５からの冷却水を通して水冷する構造である。
加熱コイル２１は整合器２２を介して高周波電源装置２３とフィーダー３０により接続されている。高周波電源装置２３から高周波の交流電流をコイルに流すと、電磁誘導によりタービン動翼１に渦電流によるジュール熱が発生して加熱される。コイルに流す電流の周波数を高くすると、渦電流の流れる範囲がより表層に近い領域になるため、周波数を調整することにより焼入れ深さを調整することができる。一般的なタービン翼形状の場合、電源装置の出力は２０ｋＷ〜１５０ｋＷ、負荷周波数は１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚであるのが望ましい。
加熱コイル２１は駆動装置２４と連結されており、翼長方向ｘに加熱コイルを送ることにより、翼長方向の施工が可能となる。駆動装置２４は、３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）方向に位置制御が可能であり、またタービン翼１を固定するベッド２９はｘ軸を回転軸として回転角度θを制御できる。これらの位置制御により、複雑な形状のタービン翼に対して所定の領域に高周波焼入れを施工することができる。
高周波焼入れ施工をする際に、加熱コイル２１への入力電流と翼長方向への送り速度を制御することにより、所定の硬度分布を得ることができる。すなわち、本発明内容である外周側の硬度を内周側よりも高く形成するには、加熱コイルの送り速度については、外周側の速度を内周側よりも遅くするとよい。また、コイルの入力電流の制御では、外周側の電流を内周側よりも大きくすることにより実現できる。入力電流としては５０〜２００Ａ、送り速度は５０〜２００mm／minであるのが望ましい。
目標とする硬度分布を得るためには、高周波加熱による加熱温度を接触式の熱電対か、もしくは非接触式の放射温度計により表面温度を計測するのがよい。計測温度が目標値になるように、出力監視ユニット２６で制御する。表面温度と施工後の焼入れ硬さには正の相関があるため、あらかじめ予備試験でそれらの相関データを取得しておけば、そのデータを用いて高精度で施工が可能になる。なお、マルテンサイト系ステンレス鋼で、高周波加熱時の最大温度が高いほど硬度が高くなるのは、温度が高いほどＣｒ22Ｃ6などの炭化物が多く固溶し、それにより固溶強化するからである。
このように高周波加熱による施工では、計測した温度を基に入力電流と送り速度を制御するために高精度に硬度分布と施工領域を制御することができる。また、周囲を直接に加熱することがないので加熱効率が高く、省エネルギーで施工できる利点がある。
マルテンサイト系ステンレス鋼は焼入れ性がよいので、高周波加熱後に特別な冷却を施さなくても、自然冷却で十分に焼入れ硬化することができる。焼入れ後に、組織を安定化させるために、低温焼き鈍し（１５０℃〜２００℃×２ｈ）を施すのが望ましい。このときに、３００℃〜４００℃付近で焼き戻しを施すと、焼き戻し脆性により靭性が低下するおそれがあるために、温度管理に十分に注意する必要がある。低温焼き戻し後に、ショットピーニングを熱処理部に施工するのがよい。ショットピーニングによる圧縮残留応力を付与することにより、さらに応力腐食割れに対する感受性を低下する効果がある。
翼材としては、Ｃｒを１０〜１５％含有したマルテンサイト系ステンレス合金に本発明を適用するのが望ましい。この材料は高強度と高い耐食性を有しているためにタービン翼に適しているだけでなく、焼入れ性がよいために、高周波加熱後に特別に強制冷却しなくても、自然冷却により十分な焼入れ硬化が得られる。なお、フェライト系や析出硬化型のステンレス鋼であっても、熱処理による硬化が可能な材料であるならば、本発明の適用が可能であるのは言うまでもない。
以上、高周波加熱による施工方法について述べたが、バーナー加熱やレーザ加熱によっても、本発明と同様の効果が得られるのは言うまでもない。
本発明は、蒸気タービン動翼のエロージョンシールドに関するものであり、こうした蒸気タービン動翼を用いた蒸気タービン、または蒸気タービンプラントに適用できる。
１ タービン動翼
２ 熱処理による硬化領域
３ 熱処理領域における半径方向外周から内周へ向かう評価経路
５ 翼の有効長
１０ キャンバー線
１１ 翼入口側プロファイルの外形線
１２ キャンバー線と翼入口側プロファイル外形線の交点Ｃから背側の硬化領域長さ
１３ 交点Ｃから腹側の硬化領域長さ
２１ 加熱コイル
２２ 整合器
２３ 高周波電源装置
２４ 駆動装置
２５ 冷却用チラー
２６ 出力監視ユニット
２７ 翼背側のコイル長さ
２８ 翼腹側のコイル長さ
２９ 翼固定ベッド
３０ フィーダー

Claims (5)

  1. 翼先端部の蒸気入口側に熱処理により硬化した領域を有するタービン動翼において、
    前記硬化領域内における半径方向外周側の硬度が、硬化領域内における内周側の硬度よりも高いことを特徴とするタービン動翼。
  2. 前記熱処理による硬化領域内の翼断面において、キャンバー線と翼入口側プロファイル外形線の交点から背側方向の硬化長さが、前記交点から腹側方向の硬化長さよりも長いことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
  3. 前記熱処理を高周波焼入れにより施工したことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
  4. 前記熱処理による硬化領域に、ショットピーニングにより圧縮残留応力を付与したことを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
  5. 動翼材が、１０〜１５％のＣｒを含有したマルテンサイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１記載のタービン動翼。
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