JP2013209912A - 蒸気タービン翼および蒸気タービン翼の硬化処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】蒸気タービン翼1の前縁部表面にレーザビーム2を照射して蒸気タービン翼の前縁部を硬化処理するに際して、蒸気タービン翼1の前縁部表面にビームスポット面積が200m2以上のレーザビーム2を照射し、レーザビーム2の熱エネルギーにより硬度450Hv以上、硬化深さ2mm以上の高硬度層を蒸気タービン翼1の前縁部に形成する。
【選択図】図1
Description
このようなエロージョン摩耗の発生を抑制する方策として、蒸気タービン翼の前縁部に火炎焼入れを施してエロージョン摩耗の発生を抑制する方法(例えば、特許文献1、2参照)や、蒸気タービン翼の前縁部にレーザ焼入れを施してエロージョン摩耗の発生を抑制する方法(例えば、特許文献3参照)が知られている。
これに対し、蒸気タービン翼の前縁部をレーザ焼入れする後者の方法では、上記のような問題が生じることはほとんどない。しかしながら、特許文献3に記載された方法で蒸気タービン翼の前縁部に硬化処理を施して硬度450Hv以上の高硬度層を形成しようとすると、高硬度層の硬化深さが2mm以下となる。このため、蒸気タービン翼の耐エロージョン寿命が10年未満と短くなり、蒸気タービン翼の交換作業を少なくとも10年ごとにしなければならないという問題がある。
請求項3の発明は、請求項1または2に記載の蒸気タービン翼の硬化処理方法において、前記高硬度層の終端部の幅が前記蒸気タービン翼の根元部に近づくに従って小さくなるように前記蒸気タービン翼の前縁部表面にレーザビームを照射することを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の硬化処理方法において、前記蒸気タービン翼の材質がフェライト系ステンレス鋼または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6の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法により形成された高硬度層を有することを特徴とする。
図1に、本発明の一実施形態を実施するときに用いられるタービン翼硬化処理装置の概略構成を示す。図1に示されるタービン翼硬化処理装置は蒸気タービン翼1の前縁部表面にレーザビーム2を照射して蒸気タービン翼1の前縁部17を硬化処理する装置であって、レーザ発生器3、レーザ照射ヘッド4、レーザビーム走査機構5、照射ヘッド位置検出器6、熱放射光検出器7および制御装置11を備えている。
レーザ照射ヘッド4はレーザ発生器3で発生したレーザビーム2を蒸気タービン翼1の前縁部表面に照射するものであって、蒸気タービン翼1の前縁部表面で反射したレーザビーム2が入射するのを防ぐため、蒸気タービン翼1の前縁部表面にレーザビーム2が例えば45°の角度で照射される位置に配置されている。
照射ヘッド位置検出器6はレーザ照射ヘッド4の位置を検出するものであって、レーザビーム走査機構5に付設されている。
図2に、レーザ照射ヘッド4から蒸気タービン翼1の前縁部表面にレーザビーム2を照射した状態を示す。レーザ照射ヘッド4はレーザ発生器3からのレーザビーム2を集束する集束レンズ(図示せず)を有し、この集束レンズを通過したレーザビーム2は、図2に示すように、所定のビームスポット面積(照射面積)Aで蒸気タービン翼1の前縁部表面に照射される。
本発明者らは、13クロム合金鋼からなる試験片の表面にレーザビームをビームスポット面積:600mm2、レーザ出力:1300W、レーザ走査速度:0.02m/minの条件で照射して試験片の硬化処理を行った後、硬化処理が施された試験片を厚さ方向に切断した。そして、切断された試験片の切断面を写真撮影すると共に、試験片切断面の硬さを硬さ試験機で測定した。このとき得られた試験片切断面の写真を図4に示す。
次に、本発明者らは、13クロム合金鋼からなる試験片の表面にレーザビームを照射して試験片の表層部を硬化させたときの硬度と硬化深さとの関係について調査した。その調査結果を図5に示す。
次に、本発明者らは、13クロム合金鋼からなる試験片の表面にレーザビームを表1に示す照射条件で照射して試験片の硬化処理を行い、試験片表層部の硬化深さ(硬度450Hv以上)とレーザビームのビームスポット面積との関係について調査した。その調査結果を図6に示す。
図6に示される試験片表層部の硬化深さとレーザビームのビームスポット面積との関係から、硬度450Hv以上、硬化深さ2.0mm以上の高硬度層を得るためには、蒸気タービン翼の前縁部表面に照射されるレーザビームのビームスポット面積を200m2以上にすれば良いことがわかる。
2…レーザビーム
3…レーザ発生器
4…レーザ照射ヘッド
5…レーザビーム走査機構
6…照射ヘッド位置検出器
7…熱放射光検出器
8…ノッチフィルタ
9…干渉フィルタ
10…熱放射光センサ
11…制御装置
12…熱放射光
13…450Hv以上の高硬度層
14…450Hv未満の硬化層
15…残留応力
16…非硬化領域
17…前縁部
A…レーザビームのビームスポット面積
Claims (6)
- 蒸気タービン翼の前縁部表面にレーザビームを照射して前記蒸気タービン翼の前縁部を硬化処理する方法であって、
前記蒸気タービン翼の前縁部表面にビームスポット面積が200m2以上のレーザビームを照射し、該レーザビームの熱エネルギーにより硬度450Hv以上、硬化深さ2mm以上の高硬度層を前記蒸気タービン翼の前縁部に形成することを特徴とする蒸気タービン翼の硬化処理方法。 - 前記レーザビームの照射箇所で発生する熱放射光を検出し、該熱放射光の強度を温度に換算した値が前記蒸気タービン翼の融点より低い温度となるように前記レーザビームの強度を調整しながら前記蒸気タービン翼の前縁部を硬化処理することを特徴とする請求項1に記載の蒸気タービン翼の硬化処理方法。
- 前記高硬度層の終端部の幅が前記蒸気タービン翼の根元部に近づくに従って小さくなるように前記蒸気タービン翼の前縁部表面にレーザビームを照射することを特徴とする請求項1または2に記載の蒸気タービン翼の硬化処理方法。
- 前記高硬度層の終端部の硬化深さが前記蒸気タービン翼の根元部に近づくに従って小さくなるように前記蒸気タービン翼の前縁部表面にレーザビームを照射することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の硬化処理方法。
- 前記蒸気タービン翼の材質がフェライト系ステンレス鋼または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1〜4のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の硬化処理方法。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法により形成された高硬度層を有することを特徴とする蒸気タービン翼。
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