JP3939758B2 - タービン軸 - Google Patents
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Description
米国特許第3767390号明細書に、例えば蒸気タービン翼を製造するためあるいは蒸気タービンハウジングの両半部を結合するためのボルトを製造するために高温において利用するマルテンサイト特殊鋼が記載されている。この特殊鋼は好ましくは12重量%のクロムおよび約0.3重量%のニオブを含んでいる。ニオブを添加することによってクリープ限度を増加し且つ鋼をδフェライトから広く解放している。上述の鋼は別の合金成分として有利な実施態様において0.25重量%のCo、4重量%のMn、0.35重量%のSi、0.75重量%のNi、1.0重量%のMo、1.0重量%のW、0.3重量%のV、0.75重量%のN並びに残り鉄と不純物の硫黄、りん、窒素を含んでいる。
1995年、4月25〜27日、英国 タイン州、ニューカースル、シビック センターで開催の第3回国際タービン会議(Third International Turbine Confrerence)の議事録のA.ストラング編集の「タービンおよび圧縮機の材料技術(Materials Engineering in Turbine and Compressors)」、第201〜210頁に掲載のT.東、Y.田中、T.石黒、H.吉田、Y.池田共著の論文“高圧−低圧ロータ軸用の高純度9CrlMoV鋼の開発と生産(Development and Production of High Purity 9CrlMoV Steel for High Pressure−Low Pressure Rotor Shaft)”に、高圧・低圧複合蒸気タービン軸用の鋼が記載されている。この鋼はそのようなタービン軸を唯一の材料から製造するのに適している。これは好ましいい実施態様において、9.8重量%のクロム、1.3重量%のニッケル、0.16重量%の炭素、0.1重量%より少ないケイ素、0.1重量%より少ないマンガン、1.4重量%のモリブデン、0.2重量%のバナジウム、0.05重量%のニオブ、0.04重量%の窒素、残り鉄並びに不純物のりん、硫黄、アルミニウム、ヒ素、スズ、アンチモンの組成を有している。タービン軸の高圧部は1200mmの直径を有し、低圧部は1750mmの直径を有し、タービン軸は全体が直径1800mmの半製品から作られる。
本発明の課題は、温度分布が軸線方向に減少し550℃を超える最大温度を受ける大きな熱負荷のもとで使用するのに適する特に蒸気タービン用のタービン軸を提供することにある。本発明の別の課題はそのようなタービン軸の製造方法を提供することにある。
本発明によれば、タービン軸に関する課題は、回転中心軸線に沿って延びると共に、軸線方向に延びる最大半径R1の第1の部位とこれに隣接して軸線方向に延びる最大半径R1より大きな最大半径R2の第2の部位とを有し、その第1の部位が第1の母材から成り、第2の部位が第2の母材から成り、これらの第1および第2の母材がそれぞれ8.0〜12.5重量%のCrを含み、それらのオーステナイト化温度が本質的に同じであることによって解決される。その第1の母材は特に550℃を超える高い温度で使用するのに適し、第2の母材は特に350〜550℃の低い温度で使用するのに適している。
第1の母材は重量%で第2の母材より少ないニッケル量、特に0.1重量%以上少ないニッケル量を含んでいる。第1および第2の各母材におけるニッケルの重量%含有量は0.1〜1.8重量%であり、好ましくは第2の母材では1.0〜1.5重量%、特に1.3重量%、そして第1の母材では0.2〜0.6重量%である。特に蒸気タービンの高圧部用の第1の母材のクロム含有量は10〜12重量%であり、蒸気タービンの低圧部用の第2の母材のクロム含有量は9.5〜10.5重量%、特に9.8重量%である。
同じオーステナイト化温度の区域的に異なった合金鋼から成り即ち小さな横断面積の第1の部位が大きな横断面積の第2の部位より場合によってクロム含有量が多くニッケル含有量が少ない母材から成るタービン軸の場合、第1の部位において高い耐熱性および大きなクリープ限度が十分な破壊じん性で得られる。第2の部位において大きな弾性限度要求および非常に良好な切欠きじん性と破壊じん性が保証される。要求弾性限度RP02は約720MPa√mである。破壊じん性は例えば約200MPaであり、じん性にはFATTが25℃より低いことが適する。第1の部位の高い耐熱性によって、これは550℃を超えて約650℃までの入口蒸気温度でさえ高圧・低圧複合蒸気タービンの高圧部として適している。第2の部位は350℃〜約550℃の温度負荷で使用するのに好適である。第1の部位および第2の部位におけるクロム分量およびニッケル分量を異なって選定することによって、材料要求に応じて第1の部位における耐熱性および第2の部位におけるじん性を互いに無関係に選択的に設定される。この場合、一様な材料で製造されているタービン軸と異なって、熱的に大きな負荷を受ける部位におけるクリープ限度と熱的に幾分僅かな負荷を受ける第2の部位におけるじん性との妥協を図る必要が無い。また類似した組成の母材によって、第1の部位と第2の部位との間の移行領域において明らかに違った材料特性の母材が混合するという問題は生じない。回転中心軸線に沿ってタービン軸は異なった半径の部位が異なった熱力学的特性を有している。この特性は的確に選定された異なった化学組成によって得られる。この場合その部位は異なって合金された電極を電気式スラグ融解法(ESU法)で融解することによって製造される。
本質的に同じオーステナイト化温度であることによって、第1の部位と第2の部位との間の移行領域において材料特性はせいぜい僅かしか変化しない。従ってこれはそれぞれの化学組成にほとんど左右されない。母材におけるC、N、V、Nb、Mo、Wのような主炭化物および主窒化物の類似した組成によって、タービン軸全体に対して本質的に一様なオーステナイト化温度が生ずる。これによって、明らかに異なった母材から成るタービン軸に比べて、第1の部位を第2の部位と同じ温度でオーステナイト化することができる。特に蒸気タービン軸の高圧部・低圧部における異なった熱処理はそれぞれのオーステナイト化過程に不利な影響を与えてしまう。
いまや一回の工程でタービン軸全体のフェライトレス組織が発生される。続く安定化・焼もどし温度はほんの僅かしか異なっていない。タービン軸の軸線方向における異なった部位に対する異なった焼もどし温度の処理には技術的に問題はない。オーステナイト化温度は好ましくは950〜1150℃の範囲にあり、特に約1050℃である。
第1の母材は好ましくは0〜3.0重量%のタングステン、0〜3.0重量%のコバルト及び/又は0〜2重量%のレニウムを含んでいる。特にタングステンの含有量は2.4〜2.7重量%であり、及び/又はコバルトの含有量は2.4〜2.6重量%である。レニウムの添加によってクリープ限度の増大が図れる。
第1の母材は別の合金成分として、0〜0.5重量%、特に0.15〜0.25重量%のMo、0.1〜0.3重量%、特に0.15〜0.25重量%のV、0.02〜0.18重量%、特に0.04〜0.08重量%のNb、0.05〜0.25重量%、特に0.08〜0.12重量%のC、0.01〜0.07重量%、特に0.015〜0.045重量%のN、0.15重量%までのSi、0.7重量%までの、特に0.4〜0.6重量%のMnのような脱酸元素、および残り鉄並びに場合による製造に起因する不純物、特にりん、アンチモン、スズ、アルミニウム、ヒ素、硫黄を含んでいる。
第1の母材は不純物の含有量が極めて僅かな高純度(スーパークリーン、ウルトラスーパークリーン)の合金鋼である。特に12重量%のクロム鋼としてのこのような合金鋼は例えば、1995年7月6〜7日、英国、ロンドン、コップソーン タラ ホテルで開催の会議「クリーン スチール、スーパークリーン スチール」の議事録に掲載のJ.ヌッチング著の論文“スーパークリーン スチールについてのEPRI概観(The EPRI Survey on Superclean Steels)”特にその表1に、並びにM.メイヤー、R.バウエル、G.ツァイラー著の論文“スーパークリーン 3.5NiCrMoVスチールについての生産技術開発と製造経験(Development of Production Technology and Manufacturing Experiences with Super Clean 3.5NiCrMoV Steels)”特にその12重量%のクロム鋼(Bot550SO)についての表に記載されている。
少なくとも第1の母材、即ち小さな半径の高い耐熱性の部位のための母材は、別の合金成分として0.03重量%までの、特に0.005〜0.02重量%のホウ素を含んでいる。
第2の母材は別の合金成分として好ましくは、1.0〜1.6重量%、特に1.4重量%のMo、0.15〜0.25重量%、特に0.21重量%のV、0.03〜0.07重量%、特に0.05重量%のNb、0.03〜0.06重量%、特に0.04重量%のN、0.1重量%までのSi、0.1〜0.2重量%、特に0.16重量%のC、0.2重量%までのMnを含んでいる。
このタービン軸は、第1の部位が蒸気タービンにおける高圧部のタービン翼を受けるために使用され、第2の部位が蒸気タービンにおける低圧部のタービン翼を受けるために使用される蒸気タービンにおいて使用するのに好適である。蒸気タービンの運転中に高圧部は550〜650℃の蒸気温度を受けるが、このことは第1の部位の殊に表面付近の部位に良好な耐熱性を要求する。回転中心軸線の周囲では表面におけるより低い温度がかかるので、場合によっては高圧部においても軸心付近のコア部位は低い耐熱性の母材、例えば第2の母材で形成される。蒸気タービンの低圧部を形成し第1の部位より大きな半径を有する第2の部位は、特に大きな低圧タービン翼並びに大きな半径のために、高圧部より大きな機械的負荷を受ける。従ってこの低圧部には大きなじん性、特に破壊じん性が必要であり、これは第2の母材の合金成分の選定(多いニッケル分量、場合によっては少ないクロム分量)によって得られる。その場合、低圧部の熱的負荷が500℃以下、特に480℃以下であると好ましい。その弾性限界は720MPaより大きい。
タービン軸が表面温度負荷を受けた際にその温度が回転中心軸線に向かって径方向に減少していることに関連して、第1の部位が外被部位によって包囲されている軸心付近のコア部位を有していると好ましい。その外被部位が第1の母材から成り、従って必要な耐熱性を有していると好ましい。コア部位が良好な耐熱性も有する第2の母材あるいは第3の母材から成ると好ましい。この場合、コア部位はそれに応じて合金にされた一つあるいは複数の電極を電気式スラグ融解によって製造される。
第1の部位、即ち高圧部の最大半径R1が350〜約750mmであると好ましい。第2の部位、即ち低圧部の最大半径R2が700〜1000mmであると好ましい。
タービン軸の製造方法に向けられた本発明の課題は、第1の部位が第1の母材から成る一つあるいは複数の電極を例えばESU法によって融解することによって製造されることによって解決される。第2の部位は第2の母材から成る一つあるいは複数の電極を融解することによって製造される。軸全体の製造は唯一の工程で行われ、その場合、先ず第1の母材から成る電極が融解され、次に第2の母材から成る電極が融解される。これはその逆であってもよい。タービン軸のそのように製造された半製品は例えば鍛造によって第1の部位および第2の部位の相応した半径にされる。ESU法で製造された複合タービン軸の熱処理は第1の部位および第2の部位に対して同じように行われる。予熱処理は約1100℃の温度で約26時間の時間にわたって実施され、炉の冷却で約680℃にされる。続いて軸径に応じて、約1070℃のオーステナイト化温度で約33時間の時間にわたる質的熱処理が行われる。その後で焼もどしが例えば約24時間の時間にわたって650〜680℃の温度で行われ、その場合、区域的に異なった焼もどし温度が発生される。
回転中心軸線の周りに広がり第2の母材から成るコア部位を備えた第1の部位の製造は、本発明によれば、第1の母材から形成された中空円筒体が一つあるいは複数の電極の融解によって第2の母材で充填されることによって達成される。その第1の母材から成る中空円筒体は通常の鍛造法で製造される。高い耐熱性を持つ第2あるいは第3の母材で中空円筒体を例えば電気式スラグ融解法(ESU法)によって充填する際、そのように製造された第1の部位の原成形体は凝固するESU・溶融池と溶接される。同様に第1の部位を第2の部位に成長させることができる。同様に第2の部位、即ち低圧部は第2の母材から成る中空円筒体を第1の母材あるいは別の母材で充填することによって形成できる。
図に示した実施例を参照してタービン軸およびこのタービン軸の製造方法を詳細に説明する。図は概略的に示され、実寸尺度となっていない。
図1は回転対称軸に沿った蒸気タービン軸を示す。
図2および図3はそれぞれ蒸気タービン軸の半製品を示す。
図1はタービン軸1の二つの実施例を回転中心軸線2に沿った縦断面図で示している。タービン軸1は回転中心軸線に対して回転対称であり半径R1の高圧部となる第1の部位4を有している。第1の部位4にはこの第1の部位4に比べて大きな半径R2を有する低圧部となる第2の部位5が続いている。これらの第1の部位4ないし第2の部位5にそれぞれ続くタービン軸1の軸端3はジャーナルとして使われる。回転中心軸線2の上側に示されている第1の実施例において、第1の部位4は全部が高い耐熱性を有する第1の母材で作られているので、このタービン軸1は約550〜約650℃の入口蒸気温度で使用するのに適している。第1の母材はクロムを約10.5重量%およびニッケルを約0.75重量%含んでいる。これは他の合金成分のほかに3.0重量%までのタングステン、2.0重量%までのレニウムおよび0.005〜0.02重量%までのホウ素を不純物として含んでいる。第2の部位5は第1の母材にその化学組成が似ている第2の母材で作られている。そのクロム含有量は約9.8重量%、ニッケル含有量は約1.3重量%である。これらの両母材は本質的に同じオーステナイト化温度を有している。
回転中心軸線2の下側に示されているタービン軸1の第2の実施例の場合、第1の部位4はその半径R1より小さな半径R3の軸線方向に延びるコア部位6を有している。このコア部位6は第2の母材で形成されている。このコア部位6は第1の母材から成る外被部位7によって包囲されている。これによってタービン軸1は高い蒸気温度を受ける第1の部位4の表面付近部位が所望の耐熱性を有している。軸心付近部位、即ちコア部位6は低い温度がかかるので、ここでは第2の母材の耐熱性で足り、従ってコア部位6はそれに加えて第2の母材の高い破壊じん性も有する。
図2にはタービン軸1の原成形体が回転中心軸線2に沿うた縦断面図で示されている。この原成形体は第1の部位4を有し、ここに主軸線2に沿って第2の部位5が設けられている。第1の部位4は第1の耐熱性母材から成る中空円筒体8を有している。中空円筒体8の内部、即ちコア部位6の中に第2の母材から成る電極(図示せず)がESU法で融解して詰められ、コア部位6が第2の母材で徐々に充填される。第2の母材はそのようにして第1の部位4の中に軸心付近のコア部位6を形成する。外被部位8が回転対称な中空円筒体として通常の方式で作られ、特に鍛造されると好ましい。第2の部位5はESU法に基づく第2の母材の成長によって第1の部位4およびコア部位6の上に形成される。図2に示されている原成形体から鍛造によって、図1における(第2の実施例の)タービン軸1が製造される。端部3は後で溶接される。
また、第1の部位4およびコア部位6を第2の母材、即ち蒸気タービンの低圧部用の材料で製造し、第2の部位5を第1の母材、即ち高圧部の耐熱性材料で製造することもできる。これによって蒸気タービン軸の低圧部は二回の工程で製造され、その場合例えば通常の鍛造技術によって環状の外被部位8が製造される。この外被部位の中にESU法によって同じ材料、即ち第2の母材でコア部位6が充填される。これによって低圧部全体、即ち第2の部位5がたとえESU設備で製造できない場合でも、鍛造された外被部位8の中にコア部位6を充填することによって鍛造すべき十分大きなブロックを製造することができる。図3にはそれに応じて外被部位8とコア部位6とから成る第2の部位5を備えたタービン軸1の原成形体が示されている。
本発明は、小さな直径の高圧部と大きな直径の低圧部とがそれぞれ類似した合金鋼で製造されている蒸気タービンの高圧・低圧複合タービン軸によって特徴づけられる。その合金鋼は8.0〜12.5重量%のクロムおよび場合によっては0.1〜1.8重量%のニッケルを含んでいる。高圧部のニッケル分量は低圧部におけるその分量より少ない。好ましくは本質的に同じ炭化物および窒化物を含んだ類似の合金鋼を選定することによって、タービン軸に対して全体として約1050℃の均一なオーステナイト化温度を適用することができる。高圧部の合金鋼は3重量%までのコバルト及び/又は2重量%までのReを含んでいる。更に高圧部は低圧部と同じ合金から成る軸心付近のコア部位を有することができ、このコア部位は特に高圧部の耐熱性合金鋼で作られている外被部位によって包囲されている。タービン軸の表面付近部位に異なった合金鋼を選定して利用することによって、低圧部および高圧部における熱的および機械的負荷を別個に考慮することができる。高圧部はこれが550〜650℃の蒸気温度に対する高い耐熱性を有するように形成され、低圧部は特に弾性限度についての厳しい要求に対して形成される。
タービン軸の原成形体はESU法で100%、異なった化学組成の複数の電極を融解することによって、あるいはそのような電極を上述の複合合金(第1の母材、第2の母材)から成る予め作られた環状体の中に融解することによって製造される。
Claims (13)
- 回転中心軸線(2)に沿って延びると共に、軸線方向に延びる最大半径R1の第1の部位(4)とこれに隣接して軸線方向に延びる最大半径R1より大きな最大半径R2の第2の部位(5)とを有し、その第1の部位(4)が第1の温度で使用するための第1の母材から成り、第2の部位(5)が第1の温度に比べて低い温度において適用するための第2の母材から成り、これらの第1および第2の母材がそれぞれ8.0〜12.5重量%のCrを含み、それらのオーステナイト化温度が本質的に同じであることを特徴とする特に蒸気タービンにおけるタービン軸(1)。
- 各オーステナイト化温度が950〜1150℃の範囲にあり、特に105℃であることを特徴とする請求項1記載のタービン軸(1)。
- 第1の母材および第2の母材がそれぞれ0.1〜1.8重量%のニッケルを含み、第2の母材がより多くの、特に0.1重量%以上多くのニッケルを含んでいることを特徴とする請求項1又は2記載のタービン軸(1)。
- 第2の母材が9.5〜10.5重量%のCrおよび1.0〜1.5重量%のNi、特に9.8重量%のCrおよび1.3重量%のNiを含み、第1の母材が10.0〜12.0重量%のCrおよび0.2〜0.6重量%のNiを含んでいることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載のタービン軸(1)
- 第1の母材が0〜3.0重量%のW、0〜3.0重量%のCo及び/又は0〜2.0重量%のReを含んでいることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載のタービン軸(1)。
- 第1の母材が2.4〜2.7重量%のW及び/又は2.4〜2.6重量%のCoを含んでいることを特徴とする請求項5記載のタービン軸(1)。
- 第1の母材が0〜0.5重量%、特に0.15〜0.25重量%のMo、01〜0.3重量%、特に0.15〜0.25重量%のV、0.02〜0.18重量%、特に0.04〜0.08重量%のNb、0.01〜0.07重量%、特に0.015〜0.045重量%のN、0.05〜0.25重量%、特に0.08〜0.12重量%のC、および0.15重量%までのSi、0.7重量%までの特に0.4〜0.6重量%のMnのような脱酸元素、並びに製造に起因する不純物、特にAs、Al、P、Sb、Sn、Sを含んでいることを特徴とする請求項5又は6記載のタービン軸(1)。
- 少なくとも第1の母材が別の合金成分として0.03重量%までの、特に0005〜0.02重量%のホウ素を含んでいることを特徴とする請求項5ないし7のいずれか1つに記載のタービン軸(1)。
- 第2の母材が1.0〜1.6重量%、特に1.4重量%のMo、0.15〜0.25重量%、特に0.21重量%のV、0.03〜0.07重量%、特に005重量%のNb、0.03〜0.06重量%、特に0.04重量%のN、0.1重量%までのSi、0.1〜0.2重量%、特に0.16重量%のC、0.2重量%までのMnを含んでいることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載のタービン軸(1)。
- 第1の部位(4)が第2の母材から成るコア部位(6)を有し、このコア部位(6)が第1の母材から成る外被部位(7)で包囲されていることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1つに記載のタービン軸(1)。
- 第1の部位(4)が蒸気タービンにおける高圧部のタービン翼を受けるために使用され、第2の部位(5)が蒸気タービンにおける低圧部のタービン翼を受けるために使用されていることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1つに記載のタービン軸(1)。
- 第1の部位(4)が第1の母材から成る一つあるいは複数の電極を融解することによって、第2の部位(5)が第2の母材から成る一つあるいは複数の電極を融解することによって両者が互いに結合されるように製造されることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1つに記載のタービン軸(1)の製造方法。
- 第1の部位(4)が、第1の母材から外被部位(7)を形成する中空円筒体(8)が形成され、この中空円筒体(8)が第2あるいは第3の母材から成る一つあるいは複数の電極を融解することによって充填されてコア部位(6)を形成するように製造されることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1つに記載のタービン軸(1)の製造方法。
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