JP4519722B2

JP4519722B2 - 高低圧一体型蒸気タービンロータとその製造法及び高低圧一体型蒸気タービンとその製造法

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Publication number: JP4519722B2
Application number: JP2005180763A
Authority: JP
Inventors: 啓嗣川中; 将彦新井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: JP2007002679A

Description

本発明は、新規な高低圧一体型タービンロータとその製造法及び高低圧一体型蒸気タービンとその製造法に関する。

発電機のタービンの１つとして、高圧部から低圧部までを一体化した高低圧一体型タービンが知られており、このタービンには高低圧一体烈タービンロータが用いられている。このタービンロータは、高温で高圧から低圧に至る蒸気圧力にさらされており、その材料には、優れた高温クリープ特性と、優れた低温靭性とを兼ね備えていることが要求される。

従来、高低圧一体型タービンロータ材としては、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系低合金鋼が開発されており、例えば特許文献１には、この種の材料を改良した低合金鋼を用いた高低圧一体型タービンロータの製造方法が開示されている。ところが、最近では、より大容量および高効率化を指向した発電プラントが開発され、蒸気タービンの高効率化技術として低圧最終設動翼の長尺化が進んでいる。

しかしながら、低圧最終」裂動翼の長尺化に伴い、タービンロータの低圧最終設に相当する部分の引張強さや低温靭性を改善必要がある。しかし、高温クリープ特性を保ちながら、引張強さおよび低温靭性を向上させることは、従来の同一材質の高低圧一体型タービンロータでは、この要求に応えることが困難である。これを解決する手段として、タービンロータ各部の組成を変えることにより、各部の必要特性を満足させることが考えられ、例えば特許文献２には、異なる組成を有する２個以上のロータ部分素材を結合して一体とした高低圧一体型タービンロータが開示されている。

特開平９−１９４９４６号公報特開２００１−５０００７号公報

上述したタービンロータは、各部の特性を満たす一体型タービンロータを構成することが可能であるが、異なる組成のロータ部分素材を複数製造することが必要である。そのため、上述した方法により、低圧最終設部の引張強さ低温靭性を向上させた、一体型タービンロータを製造するには、多くの製造工程、時間、コストがかかる。

また、結合部が存在するため、結合箇所と手法を選定しなければ、同一材質の高低圧一体型タービンロータよりも信頼性で不安を残す。近年の火カプラントでは、効率向上だけでなく優れた経済性も要求され、タービン材料においても従来同等あるいはそれ以上の機械的性質や製造性を確保しながら、経済性に優れることが不可欠である。

本発明の目的は、高圧部において優れた高温クリープ強度を有し、又、低圧最終設部において優れた引張強度と低温靱性を有し、低圧最終段部に植設される動翼としてマルテンサイト鋼を用いた翼部長さで、３６００ｒｐｍ蒸気タービンでは９１４ｍｍ（３６"）以上、３６００ｒｐｍ蒸気タービンでは１０９２ｍｍ（４３"）以上の長翼化が可能である高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトとその製造法及び高低圧一体型蒸気タービンとその製造法を提供することにある。

本発明は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶを含有するベーナイト組織を有する耐熱鋼からなる高圧側部分と、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶを含有し、前記高圧側部分のＮｉ量より多いＮｉ量を有するベーナイト組織を有する耐熱鋼からなる低圧最終段部とを有し、該低圧最終段部のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有量は前記高圧側部分のそれらと同等又は前記Ｎｉ量の増加に従ってやや減少していることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトにある。

前記高圧側部分は、重量で、Ｃ０．１５〜０．４０％、Ｓｉ０．２０％以下、Ｍｎ０．０５〜０．８０％、Ｎｉ０．５〜２．５％、Ｃｒ０．８〜２．５％、Ｍｏ０．３〜２．５％、Ｖ０．０７〜０．３５％を含有する耐熱鋼からなり、前記低圧最終設部は、重量で、Ｃ０．１５〜０．４０％、Ｓｉ０．２０％以下、Ｍｎ０．０５〜０．８０％、Ｎｉ３．２５〜４．１０％、Ｃｒ０．８〜２．５％、Ｍｏ０．３〜２．５％、Ｖ０．０７〜０．３５％を含有する耐熱鋼からなり、該低圧最終段部のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有量が前記高圧側部分のＮｉ量に対して増加するＮｉ量の割合に従って減少していることを特徴とする。

前記高圧側部分は、重量で、Ｃ０．２０〜０．２８％、Ｓｉ０．０２〜０．１５％、Ｍｎ０．１０〜０．２５％、Ｎｉ１．７０〜１．９０％、Ｃｒ１．９０〜２．１０％、Ｍｏ１．１０〜１．３０％、Ｖ０．２５〜０．３０％を含有する耐熱鋼からなり、前記低圧最終段部は、重量で、Ｃ０．２０〜０．２８％、Ｓｉ０．０２〜０．１５％、Ｍｎ０．１０〜０．２５％、Ｎｉ３．２５〜４．１０％、Ｃｒ１．９０〜２．１０％、Ｍｏ１．１０〜１．３０％、Ｖ０．２５〜０．３０％を含有する耐熱鋼からなることが好ましい。

前記高圧側部分と前記低圧最終段部との間に前記耐熱鋼の合金組成が徐々に変化する傾斜領域を有すること、前記傾斜領域の軸方向幅が３００ｍｍ以下であること、前記高圧側部分は、高圧部及び低圧部又は高圧部、中圧部及び低圧部を有することが好ましい。

又、本発明は、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶを含有し熱処理によってベーナイト組織が形成される耐熱鋼の端部円周面にＮｉ材を配置して、該Ｎｉ材を有する前記端部をＮｉ材と共に溶解し、前記Ｎｉ量より多いＮｉ含有量を有する耐熱鋼からなる低圧最終段部を形成し、前記Ｎｉ材の配置していない部分を高圧側部分とすることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法にある。

更に、本発明は、重量で、Ｃ０．１５〜０．４０％、Ｓｉ０．２０％以下、Ｍｎ０．０５〜０．８０％、Ｎｉ０．５〜２．５％、Ｃｒ０．８〜２．５％、Ｍｏ０．３〜２．５％、Ｖ０．０７〜０．３５％を含有する耐熱鋼の端部円周面に、Ｎｉ材を配置して、該Ｎｉ材を有する部分の前記端部をＮｉ材と共に溶解し、重量で、Ｃ０．１５〜０．４０％、Ｓｉ０．２０％以下、Ｍｎ０．０５〜０．８０％、Ｎｉ３．２５〜４．１０％、Ｃｒ０．８〜２．５％、Ｍｏ０．３〜２．５％、Ｖ０．０７〜０．３５％を含有する耐熱鋼からなる低圧最終段部を形成し、前記Ｎｉ材の配置していない部分を高圧側部分とすることを特徴とする高低圧一体型タービンロータの製造法にある。

前記Ｎｉ材を配置した前記低圧最終段部に相当する端部より前記高圧側部分に掛けて順次前記溶解すること、前記Ｎｉ材を前記低圧最終段部のＮｉ量に応じて前記円周面に均等に配置すること、前記Ｎｉ材がＮｉ線であり、該Ｎｉ線を前記低圧最終段部のＮｉ量に応じて前記円周面に均等に軸方向に配置又は巻回することが好ましい。

前記高圧側部分及び低圧最終段部を同一温度に加熱し、前記高圧部、又は前記高圧部と中圧部が前記低圧部及び低圧最終段部よりも遅い冷却速度で焼入れを行うこと、前記高圧部、又は前記高圧部と中圧部が前記低圧部及び低圧最終段部よりも高温で焼入れを行うこと、前記高圧部、又は前記高圧部と中圧部が前記低圧部及び低圧最終段部よりも高温で焼戻しを行うこと、更に前記溶解をエレクトロスラグ溶解によって順次行うこと、前記高圧側部分と前記低圧最終段部との間に前記耐熱鋼の合金組成が徐々に変化する傾斜領域を有し、該傾斜領域の軸方向幅が３００ｍｍ以下、好ましくは２００〜３００ｍｍとなるように前記溶解時の溶解量の厚さを制御することが好ましい。

本発明は、高圧側部分及び低圧最終段部に亘って一体に形成された動翼が植設されるロートシャフトを備え、一車室からなる高低圧一体型蒸気タービンにおいて、前記ロータシャフトが前述に記載の高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトよりなり、蒸気温度として５３８〜５９３℃に適用可能である。

本発明は、高圧側部分と低圧最終段部とに亘って一体に形成され動翼が植設されるロートシャフトを製造する一車室からなる高低圧一体型蒸気タービンの製造法において、前記ロータシャフトの製造法が前述に記載の高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法からなることを特徴とする。

本願発明の高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトは、低圧最終段部にＮｉを添加し（以下、組成偏差）、低圧ロータに用いられる３．５Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼の組成改良鋼とすることができる。

また、タービンロータ素体の高中圧部と低圧部によって焼入れ時の冷却速度を変える偏差冷却することで、高中圧部に相当する部分は十分な高温クリープ強皮が確保され、一方、低圧部では優れた低温靭性が、低圧最終段部では高い引張強さが確保される。さらに、焼入れ及び焼戻しの際に、加熱温度を高中圧部と低圧部で差異を設ける偏差加熱することで、上記作用が一層向上する。

合金組成の偏差方法は、添加するＮｉ材としてワイヤやリング等をロータ素体に対し等間隔に取り付け、または管やネット等をロータ素体に被せるように取り付ける。いずれの方法を用いても、ロータ素体の軸の同心円状に取り付けることで、再溶解時に組成の均一化がなされやすい。

ところで、Ｎｉ以外にも組成を変えたい部位に、他元素や合金を取り付け再溶解することでロータ各部の組成を変えることが可能である。また、その他の公知の耐熱鋼を採用し、その低圧最終段部および低圧部にＮｉを添加しても、同様に高い引張強さおよび低温靭性が確保することが可能である。さらに、複数元素を単体および合金化して、タービンロータ素体の各部位に添加することで相当部の組成を変え必要特性を得ることも可能であり、製造方法の適用範囲が広い。この組成偏差方法は、従来の電極継足しによるロータの組成変化方法に比べて、経済性に優れ、比較的簡便にロータ各部の特性を変更することが可能である。

次に、低圧最終段にＮｉを加える理由を説明する。Ｎｉは焼入れ性を向上させ、引張強度及び靭性を向上させる。ただし、含有量が増えるとクリープ強度を低下させるため、高圧ではＮｉ含有量を適正範囲に抑える必要がある。

合金組成の傾斜領域は、その幅を狭くすることで傾斜領域を低圧最終段とその前設との段落間にすることができ、ダブテイル部の組成は均質に保たれる。高圧側に組成傾斜領域が入っても機械的性質には間題ないが、軸方向の傾斜領域が広がることで円周方向の組成傾斜の可能性があり、これは経年曲がりを誘発する原因にもなる。そのため円周方向の組成傾斜を抑える観点から傾斜領域を３００ｍｍ以下とすることが望ましい。

本発明の高低圧一体型蒸気タービンロータを構成する低合金鋼の組成及び熱処理条件について説明する。

Ｃは、焼入性を向上し強度を確保するのに必要な元素である。その量が０．１５％以下では十分な焼入性が得られず、ロータ中心に軟らかいフエライト組織が生成し、十分な引張強さ及び耐力が得られない。また０．４％以上になると靭性を低下させるので、Ｃの範囲はＯ．１５〜０．４％、特にＣは０．２０〜０．２８％の範囲が好ましい。

Ｓｉ及びＭｎは従来脱酸剤として添加していたが、真空C脱酸法及びエレクトロスラグ再溶解法などの製鋼技術によれは、特に添加しなくとも健全なロータが溶製可能である。長時間使用による脆化の点から、Ｓｉ及びＭｎは低目にすべきであり、それぞれ０．２０％以下及び０．０５〜０．８０％が好ましく、特にＳｉ０．０２〜０．１５％、Ｍｎ０．１０〜０．２５％が好ましい。

一方、極少量のＭｎ添加は、熱間加工性を悪くする有害なＳを、硫化物ＭｎＳとして固定する作用があるために、Ｍｎの極微量添加は、前述のＳの害を減少する効果があるので、蒸気タービン用ロータシャフトのような大型鍛造品の製造においては０．１０〜０．２５％含有するのが好ましい。

Ｎｉは、本発明の高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフト材として最も特徴的な元素で、焼入れ性を向上させ、靭性向上に不可欠の元素である。高圧部においては０．５％未満では靭性向上効果が十分でない。また２．５％を超える多量の添加は、クリープ破断強度を低下させてしまう。特に１．６〜２．０％、より１．７〜１．９％の範囲が好ましい。又、低圧部においては、３．２５％未満では靭性向上効果が十分でなく、また４．１０％を超える多量の添加を行っても、より高い強度及び靭性が得られない。

Ｃｒは、焼入れ性を向上させ、靭性及び強度向上効果がある。また蒸気中の耐食性も向上させる。０．８％未満ではこれらの効果が十分でなく、２．５％を超える添加は、クリープ破断強度を低下させる。特に１．７〜２．３％、より１．９〜２．１％が好ましい。

Ｍｏは、焼戻し処理中に結晶粒内に微細炭化物を析出させ、高温強度向上及び焼戻し脆化防止効果がある。しかし、０．３％未満ではこれらの効果が十分でなく、２．５％を超える多量の添加は靭性を添加させる。特に強度と靭性の点から１．０〜１．５％、より１．１〜１．３％が好ましい。

Ｖは、焼戻し処理中に結晶粒内に微細炭化物を析出させ、高温強度及び靭性向上効果がある。０．０７％未満ではこれらの効果が十分でなく、０．３５％を超える添加は効果が飽和してしまう。特に０．２０〜０．３０％、より０．２５〜０．３０％の範囲が好ましい。

本発明の組成からなる低合金を溶製するときに、希土類元素（Ｌａ、Ｃｅ等）、Ｃａ、Ｚｒ及びＡ１のいずれかを添加することにより靭性が向上する。希土類元素は０．０５％未満では効果が不十分で、０．４％を超える添加はその効果が飽和する。Ｃａは少量の添加で靭性向上効果があるが、０．０００５％未満では効果が不十分で、０．０１％を超える添加はその効果が飽和する。Ｚｒは０．０１％未満では靭性向上効果が不十分であり、０．２％を超える添加はその効果が飽和する。Ａ１は０、００１％未満では靭性向上効果が不十分であり、０．０２％を超える添加はクリープ破断強度を低下させる。

Ｎｂ及びＴａの少なくとも１種を０．００５〜０．１５％添加するのが好まし０．１５％を超えると蒸気夕一ビン用ロータシャフトの如く大型構造物ではこれらの巨大な炭化物が晶出し強度及び靭性を低めるので０．００５〜０．１５％とする。特に０．０２〜０．０７％が好ましい。

Ｗは強度を高めるため０．１％以上加えるのが好ましいが、１．０％を超えると大型鋼塊においては偏析の間題が生じる等強度を低めるので、０．１〜１．０％とするのが好ましい。好ましくは０．１〜０．５％である。

本発明は、高低圧一体型蒸気夕ービン用口ータシャフトとして、その高圧部の５３０℃、１０^５ｈ平滑及び切欠クリープ破断強度が１３ｋｇ／ｍｍ^２以上、低圧部の引張強さが８４ｋｇ／ｍｍ^２以上、破面遷移温度が３５℃以下とするのが好ましい。このように優れた機械的性質を得るため次の様な傾斜調質熱処理を施すのが好ましい。この調質熱処理を施す前に、金属組織を微細にするために、６５０度〜７１０℃で７０時間以上保持する処理を施すのが好ましい。

次に、上記組成のタービンロータ素体に施す熱処理の条件について説明する。焼入れ加熱温度として、全体を均一加熱する場合には、そのオーステナイト化温度は、９００℃未満では、十分な高温クリープ強度が得られにくく、１０００℃を超えると、低温靱性が低下するので、９００〜１０００℃が望ましい。

高中圧部９００〜１０３０℃、低圧部８７０〜１０００℃の偏差加熱する場合には、（高中圧部温度−低圧部温度）を２０〜８０℃とし、高中圧部におけるオーステナイト化温度が９００℃未満であると十分な高温クリープ強度が得られにくく、１０３０℃を超えると高温での切欠弱化が生じるおそれがあるため上記範囲とするのが望ましい。

一方、低圧部のオーステナイト化温度は、８７０℃未満では、炭化物が完全に固溶しないため低温靱性が低く、また、１０００℃を超えるとオーステナイト結晶粒が粗大化して低温靱性が低下する恐れがあることから上記範囲とするのが望ましい。なお、高中圧部のオーステナイト化温度は、低圧部のオーステナイト化温度よりも２０℃以上の温度差を付け、その温度差が８０℃を超えると製造が難しいため、その温度差の範囲を２０〜８０℃にするのが好ましい。

冷却速度として、高中圧部に相当する部分で良好な高温クリープ強度が得て、低圧部に相当する部分で良好な低温靭性を得るために、高中圧部の冷却速度を低圧部の冷却速度よりも遅くする。高中圧部に相当する部分を衝風冷却又は空冷の冷却速度で焼入れする望ましい。また、低圧部に相当する部分は、油冷、水冷、噴水冷却の冷却速度で焼入れするのが望ましい。

焼戻しは、５５０〜７００℃で行われ、その回数は、鋼の組成、必要な焼戻し効果などに従って適宜選定される。焼戻し温度が、５５０℃未満であると、良好な靱性を得ることができず、７００℃を超えると所望の強度が得られにくい。一次焼戻しは、５５０〜６１５℃に加熱・保持後徐冷、２次焼戻しは６２０〜６７０℃に加熱・保持するのが好ましい。又、焼戻温度においても高圧側を低圧側にくらべ高い温度で焼戻しするのがよい。

以上のように、高圧部においてクリープ破断強度が高く、又、低圧最終段部において引張強度及び衝撃値が高い両者の特性を備えたロータシャフトを得ることができ、この高低圧一体型ロータシャフトにおいて最終段ブレードとして翼部長さを５０サイクル発電に対しては４１インチ以上好ましくは４３インチ以上、６０サイクル発電に対しては３４インチ以上好ましくは３５インチ以上の長さのものを植設することができる。

本発明によれば、高圧部において優れた高温クリープ強度を有し、又、低圧最終段部において優れた引張強度と低温靱性を有し、低圧最終段部に植設される動翼としてマルテンサイト鋼を用いた翼部長さで、３６００ｒｐｍ蒸気タービンでは９１４ｍｍ（３６"）以上、３６００ｒｐｍ蒸気タービンでは１０９２ｍｍ（４３"）以上の長翼化が可能である高低圧一体型蒸気タービンロータとその製造法及び高低圧一体型蒸気タービンとその製造法を提供することができる。

図１は、本発明に係る定格出力１２５ＭＷ、回転数３０００ｒｐｍの再熱型高低圧一体型蒸気タービンの全体構成図である。５３８℃、１２６ａｔｇの蒸気は入口２１から入り、高低圧一体型ロータシャフトの高圧部を通って温度３６７℃、３８ａｔｇとなって高圧蒸気出口２２より出て、更に再熱器により５３８℃、３５ａｔｇに加熱された蒸気が再熱蒸気入口２３より入り高低圧一体型ロータシャフト１１の中圧部へと入るとともに低圧部及び低圧最終段部へと通り、約４６℃、０．１ａｔｇの蒸気として出口より排出される再熱型のものである。高圧蒸気出口２２から出た蒸気は一部他の熱源として使用される。又、蒸気温度として５６６℃及び５９３℃においても同様に構成される。

本発明に係る再熱型高低圧一体型蒸気夕一ビンは高低圧一体型ロータシャフト１１に植設されたブレードを高圧側６段、中圧側４段、低圧側４段の１４段備え、高圧側の段数が中圧側及び低圧側より多く、順次中圧側及び低圧側に段数が少なくなっている。高圧蒸気は蒸気のコントロールバルブ２０を通って蒸気入口２１より前述の如く５３８℃、１６９ａｔｇの高温高圧側に流入する。高圧蒸気は入口２１より一方向に流れ、高圧蒸気出口２２より出て、再び５３８℃に加熱されて再熱蒸気入口２３より中圧夕一ビン部に送られる。中圧夕一ビン部に入った蒸気は低圧タービン部へと送られるとともに低圧蒸気入口からも蒸気が送られる。そして蒸気温度３３℃、７２２ｍＨｇとなって最終段ブレード１２より排出される。

本発明に係る高低圧一型体ロータシャフト１１は５３８℃蒸気から３３℃の温度までさらされるので、後述する高圧側部分と低圧最終段部とで異なった合金組成と特性を有するＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ低合金鋼の鍛鋼が用いられる。高低圧一体型ロータシャフト１１の低圧最終段ブレード１２の植込み部はディスク状になっており、高低圧一体型ロータシャフト１１より一体に切削されて製造される。ディスク部の長さはブレードの長さが短いほど長くなり、振動を少なくするようになっている。

蒸気入口に対し高圧タ一ビン部のブレードは５段以上の７段あり、初段から最終段の前まではほぼ同じ間隔で配置される。更にブレード植込み部の軸方向の幅は初段及び最終段が最も厚く、初段と最終段を除きほぼ同じ厚さである。中圧タービン部は６段あり、ブレード中心間間隔は初段と２段目までが最も大きく、２段目以降最終段までほぼ同じ間隔である。蒸気入口に対して低圧タ一ビン部のブレードは５段である。中心部での間隔は初段から最終段にかけて徐々に広くなる。ブレード植込み部の軸方向の幅は最終段が最も厚く、最終段より上流側に向って段階的に小さくなる。ブレードの翼部長さは低圧側夕一ビン部が初段から最終段にかけて徐々に大きくなり、最終段の翼部長さは４３インチ以上の長さを有する。中圧側夕一ビン部のブレードの翼部長さは初段より最終段にかけて除々に大きくなる。内部ケーシング２４、外部ケーシング２５である。

図２は、本発明の高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造に係るインゴットの形状を示す斜視図である。本実施例のインゴットは、表１に示す高低圧段に記載の合金組成を有する鋼をアーク溶解炉にて溶解後、取鍋に注湯し、次いで取鍋の下部より別の取鍋に注湯して除滓した後、Ａｒガスを下部より吹き込み非金属介在物を浮き上がらせるとともに真空にして精錬を行い、造塊後、９００〜１１５０℃で熱間鍛造を行ったものである。

図２に示すように、前述のインゴットに機械加工を行い、低圧最終段相当部をやや径を小さくして、その部分に添加材のＮｉ線７を軸方向にスポット溶接で溶接し、図２に示す矢印の方向に示すように、低圧最終段部から高圧側部分に亘って全体をエレクトロスラグ溶解を施し、表１に示す合金組成を有する高低圧段及び低圧最終段の供試鋼を溶製した。表１の合金組成は、いずれも中心部の値である。

供試鋼を前述と同様に十分な熱間鍛造を行うと共に、所定の形状にした後、調質熱処理を高圧部に対して９５０℃、低圧部に対して８９０℃にて所定の時間加熱保持し、オーステナイト化した後、ロータシャフト中心部で約１００℃／ｈの速度になるようにロータシャフトを回転しながら水噴霧冷却による焼入れを行った。次いで、全体を５８０度×４０ｈ加熱後炉冷による焼戻しした後、高中圧部を６５０℃、低圧部を６２０℃にて同様に加熱保持して２回目の焼戻しを行った。その結果、本発明に係るＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼はフエライト相を含まず、全べ一ナイト組織であった。

表２は、供試鋼の機械的性質試験結果を示すものである。表２に示すように、供試鋼の高圧、低圧及び低圧最終段にかけて順に０．０２％耐力及び引張強さが高くなり、伸び率及び絞り率が低くなっており、更に５０％脆性破面遷移温度（℃）が順に低くなって、特に低圧最終段においては−１０℃の高い低温靭性を維持しながら高い０．０２％耐力８５０Ｎ／ｍｍ^２及び引張強さ１０３８Ｎ／ｍｍ^２が得られることが分かる。

図３は、本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの断面図である。図３に示すように、高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトは、高圧部１、中圧部２、低圧部３及び低圧最終段部４を有し、両端の軸部から成る。

図４は、低圧部３と低圧最終段部４の各部分（ａ）及び（ａ）のＡ−Ａ断面の各位置についてＮｉ量の含有量の分析を行った各位置を示す断面図である。

表３が図４（ａ）及び表４が図４（ｂ）の各位置でのＮｉ含有量を示すものである。表３に示すように、本実施例における低圧最終段端部からの軸方向の組成から分かるように、合金組成の傾斜領域は、Ｎｉ含有量が前述の高低圧段の含有量にほぼ達する２００〜３００ｍｍの間であり、傾斜領域を小さくすることができた。

表４に示す通り、低圧最終段部の径方向のＮｉ含有量の分布は、僅かに径方向における中心部で、その外周部よりＮｉ量が多くなっている。これは、Ｎｉを添加し再溶解したことにより、鋼の冷却に伴ってＦｅに比べて融点の低いＮｉが冷却速度の遅いロータ中心部に凝集するためと考えられる。従って、このように、特にロータシャフトの径方向における中心部で最も高い応力が掛かることから低温靭性、０．０２％耐力及び引張強さにもっとも影響の大きいＮｉ量が高められることは極めて有効なことである。

図５は、高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの正面図である。図５に示すように、高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトは、高圧部１、中圧部２、低圧部３及び低圧最終段部４を有し、両端の軸部９、フランジ６から成る。各動翼の段数は図１について説明した示す通りである。

本実施例では、低圧最終段の長翼材として、重量比で、Ｃ０．１６〜０．４０％、Ｓｉ０．２５％以下、Ｍｎ０．９０％以下、Ｃｒ８．０〜１３．０％、Ｎｉ２〜３％、Ｍｏ１．５〜３．０％、Ｖ０．０５〜０．３５％、Ｎｂ及びＴａの一種又は二種の合計量が０．０２〜０．２０％、及びＮ０．０２〜０．１０％を含有するマルテンサイト鋼からなり、全焼戻`しマルテンサイト組織とし、室温の引張強さは１２０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上、好ましくは１２８．５ｋｇｆ／Ｉｍｍ^２以上である。各元素の含有量を重量％として計算されるＣｒ当量を４〜１０に成分調整することが好ましい。

調質熱処理として、溶解・鍛造後に、１０００〜１１００℃（好ましくは１０００〜１０５０℃）で、好ましくは０．５〜３時間加熱保持後室温まで急冷する（特に油焼入れが好ましい）焼入れを行い、次いで、５５０〜６２０℃で焼戻し、特に５５０℃〜５７０℃で、好ましくは１〜６時間加熱保持後室温まで冷却する１次焼戻しと、５６０℃〜５９０℃で好ましくは１〜６時間加熱保持後室温まで冷却する２次焼戻しの２回以上の焼戻し熱処理が施されるのが好ましい。

本実施例では、低圧最終段翼部長さは、９１４ｍｍ（３６"）以上、好ましくは９６５ｍｍ（３８"）以上にした６０サイクル発電用の３６００ｒｐｍ蒸気タービン、１０９２ｍｍ（４３"）以上、好ましくは１１６８ｍｍ（４６"）以上にした５０サイクル発電用の３０００ｒｐｍ蒸気タービンにし、〔翼部長さ（インチ）×回転数（ｒｐｍ）〕値を１２５,０００以上、好ましくは１３８０００以上としたものである。

以上、本実施例によれば、高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトとその製造法においては、高圧部において優れた高温クリープ強度を有し、又、低圧最終段部において優れた引張強度と低温靱性を有するので、低圧最終段部に植設される動翼としてマルテンサイト鋼を用いた翼部長さで、３６００ｒｐｍ蒸気タービンでは９１４ｍｍ（３６"）以上、３６００ｒｐｍ蒸気タービンでは１０９２ｍｍ（４３"）以上の長翼化が可能であり、熱効率の優れた高低圧一体型蒸気タービンを提供することができる。

本発明に係る高低圧一体型蒸気タービンの全体構成図である。本発明の高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造に係る斜視図である。本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの断面図である。本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの低圧最終段部におけるＮｉの含有量の測定位置を示す断面図である。本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの構成図である。

符号の説明

１…高圧部、２…中圧部、３…低圧部、４…低圧最終段部、５…軸部、６フランジ、７…Ｎｉ線、１１…高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフト、１２…低圧最終段ブレード、２４…内部ケーシング、２５…外部ケーシング、２６…軸受け。

Claims

Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶを含有するベーナイト組織を有する耐熱鋼からなる高圧側部分と、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶを含有し、前記高圧側部分のＮｉ量より多いＮｉ量を有するベーナイト組織を有する耐熱鋼からなる低圧最終段部とを有し、該低圧最終段部のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶの含有量は前記高圧側部分のそれらと同等又は前記Ｎｉ量の増加に従ってやや減少していることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフト。
請求項１において、前記高圧側部分が、重量で、Ｃ０．１５〜０．４０％、Ｓｉ０．２０％以下、Ｍｎ０．０５〜０．８０％、Ｎｉ０．５〜２．５％、Ｃｒ０．８〜２．５％、Ｍｏ０．３〜２．５％、Ｖ０．０７〜０．３５％を含有する耐熱鋼からなり、前記低圧最終段部が、重量で、Ｃ０．１５〜０．４０％、Ｓｉ０．２０％以下、Ｍｎ０．０５〜０．８０％、Ｎｉ３．２５〜４．１０％、Ｃｒ０．８〜２．５％、Ｍｏ０．３〜２．５％、Ｖ０．０７〜０．３５％を含有する耐熱鋼からなることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフト。
請求項１又は２において、前記高圧側部分は、重量で、Ｃ０．２０〜０．２８％、Ｓｉ０．０２〜０．１５％、Ｍｎ０．１０〜０．２５％、Ｎｉ１．７０〜１．９０％、Ｃｒ１．９０〜２．１０％、Ｍｏ１．１０〜１．３０％、Ｖ０．２５〜０．３０％を含有する耐熱鋼からなり、前記低圧最終段部は、重量で、Ｃ０．２０〜０．２８％、Ｓｉ０．０２〜０．１５％、Ｍｎ０．１０〜０．２５％、Ｎｉ３．２５〜４．１０％、Ｃｒ１．９０〜２．１０％、Ｍｏ１．１０〜１．３０％、Ｖ０．２５〜０．３０％を含有する耐熱鋼からなることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフト。
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記高圧側部分と前記低圧最終段部との間に前記耐熱鋼の合金組成が徐々に変化する傾斜領域を有することを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフト。
請求項４において、前記傾斜領域の軸方向幅が３００ｍｍ以下であることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフト。
請求項１〜５のいずれかにおいて、前記高圧側部分は、高圧部及び低圧部又は高圧部、中圧部及び低圧部を有することを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフト。
Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＶを含有し熱処理によってベーナイト組織が形成される耐熱鋼の端部円周面にNi材を配置して、該Ｎｉ材を有する前記端部をＮｉ材と共に溶解し、前記Ｎｉ量より多いＮｉ含有量を有する耐熱鋼からなる低圧最終段部を形成し、前記Ｎｉ材の配置していない部分を高圧側部分とすることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
重量で、Ｃ０．１５〜０．４０％、Ｓｉ０．２０％以下、Ｍｎ０．０５〜０．８０％、Ｎｉ０．５〜２．５％、Ｃｒ０．８〜２．５％、Ｍｏ０．３〜２．５％、Ｖ０．０７〜０．３５％を含有する耐熱鋼の端部円周面にＮｉ材を配置して、該Ｎｉ材を有する前記端部をＮｉ材と共に溶解し、重量で、Ｃ０．１５〜０．４０％、Ｓｉ０．２０％以下、Ｍｎ０．０５〜０．８０％、Ｎｉ３．２５〜４．１０％、Ｃｒ０．８〜２．５％、Ｍｏ０．３〜２．５％、Ｖ０．０７〜０．３５％を含有する耐熱鋼からなる低圧最終段部を形成し、前記Ｎｉ材の配置していない部分を高圧側部分とすることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項７又は８において、前記高圧側部分は、重量で、Ｃ０．２０〜０．２８％、Ｓｉ０．０２〜０．１５％、Ｍｎ０．１５〜０．２５％、Ｎｉ１．７０〜１．９０％、Ｃｒ１．９０〜２．１０％、Ｍｏ１．１０〜１．３０％、Ｖ０．２５〜０．３０％を含有する耐熱鋼からなり、前記低圧最終段部は、重量で、Ｃ０．２０〜０．２８％、Ｓｉ０．０２〜０．１５％、Ｍｎ０．１５〜０．２５％、Ｎｉ３．２５〜４．１０％、Ｃｒ１．９０〜２．１０％、Ｍｏ１．１０〜１．３０％、Ｖ０．２５〜０．３０％を含有する耐熱鋼からなることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項７〜９のいずれかにおいて、前記Ｎｉ材を配置した前記低圧最終段部に相当する端部より前記高圧側部分に掛けて順次前記溶解することを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項７〜１０のいずれかにおいて、前記Ｎｉ材を前記低圧最終段部の設定されるＮｉ量に応じて前記円周面に均等に配置することを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項１１において、前記Ｎｉ材がＮｉ線であり、該Ｎｉ線を前記低圧最終段部の前記円周面に巻回又は軸方向に配置することを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項７〜１２のいずれかにおいて、前記高圧側部分は、高圧部及び低圧部、又は高圧部、中圧部及び低圧部を有することを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項１３において、前記高圧側部分及び低圧最終段部を同一温度に加熱し、前記高圧部、又は前記高圧部と中圧部が前記低圧部及び低圧最終段部よりも遅い冷却速度で焼入れを行うことを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項１３において、前記高圧部、又は前記高圧部と中圧部が前記低圧部及び低圧最終段部よりも高温で焼入れを行うことを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項１３〜１５のいずれかにおいて、前記高圧部、又は前記高圧部と中圧部が前記低圧部及び低圧最終段部よりも高温で焼戻しを行うことを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項７〜１６のいずれかにおいて、前記溶解をエレクトロスラグ溶解によって行うことを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
請求項７〜１７のいずれかにおいて、前記高圧側部分と前記低圧最終段部との間に前記耐熱鋼の合金組成が徐々に変化する傾斜領域を有し、該傾斜領域の軸方向幅が３００ｍｍ以下となるように前記溶解時の溶解量の厚さを制御することを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法。
高圧側部分及び低圧最終段部に亘って一体に形成され動翼が植設されるロータシャフトを備え、一車室からなる高低圧一体型蒸気タービンにおいて、前記ロータシャフトが請求項１〜６のいずれかに記載の高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトよりなることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン。
高圧側部分と低圧最終段部とに亘って一体に形成され動翼が植設されるロータシャフトを備え、一車室からなる高低圧一体型蒸気タービンの製造法において、前記ロータシャフトの製造法が請求項７〜１８のいずれかに記載の高低圧一体型蒸気タービン用ロータシャフトの製造法からなることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービンの製造法。