JP4995317B2 - 低圧タービン用ロータ - Google Patents
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Description
本発明は、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンを備えた蒸気タービン設備で使用される低圧タービン用ロータに関するものであり、特に蒸気入口温度が３８０℃以上の高温となる蒸気タービン設備で使用して好適な低圧タービン用ロータに関するものである。
現在、主要な発電方法として原子力、火力、水力の３つの方法が用いられており、資源量及びエネルギー密度の観点から、今後も前記３つの発電方法が主要な発電方法として用いられていくと予想される。中でも火力発電は安全で負荷変動への対応能力の高い発電方法として利用価値が高く、発電分野において今後も引き続き重要な役割を果たしていくものと予想される。
蒸気タービンを含む石炭焚火力発電に用いられる蒸気タービン設備においては、一般的に、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンを備えており、６００℃級の蒸気が用いられている。このような蒸気タービン設備においては、ボイラから供給された６００℃級の蒸気は、高圧タービンに導入されて動翼と静翼からなる高圧翼段落で高圧タービンを回転させて膨張仕事をした後、高圧タービンから排気されて中圧タービンに導入され、高圧タービンと同様に中圧タービンを回転させて膨張仕事をし、さらに低圧タービンに導入されて膨張仕事をし、復水器へ排気されて復水される。
このような蒸気タービン設備における低圧タービン用ロータは一般的に３．５Ｎｉ鋼（例えば３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼など）により形成されており、低圧タービン入口蒸気温度は３．５Ｎｉ鋼が機械的強度特性及び靱性を維持できる温度である３８０℃以下に設定していた。
上記のような蒸気タービン設備においては、近年ＣＯ２排気量削減と、更なる熱効率向上のために、６３０℃以上の蒸気条件を採用した技術が求められている。
高圧タービンに６３０℃以上の蒸気を高圧タービンに導入し、従来６００℃級の蒸気を用いていた場合と同じ高圧タービン及び中圧タービンを使用すると、低圧タービン入口蒸気温度が４００〜４３０℃程度と従来よりも上昇し、該温度の上昇によって低圧タービンのロータが機械的強度特性及び靱性を維持できなくなる可能性がある。
特に２段再熱の場合は、２段目の再熱圧が低くなることから、低圧タービン入口蒸気温度が１段再熱より上昇し、設計条件としてより厳しくなる。
６３０℃以上の蒸気を用い、３．５Ｎｉ鋼で形成された低圧タービンのロータの機械的強度特性及び靱性を維持するためには、高圧タービン及び中圧タービンにおける膨張仕事量を従来よりも増加させて、低圧タービン入口における蒸気温度を３８０℃以下まで低下させることが考えられる。しかし、そのためには高圧タービンと中圧タービンの翼段落数を増加させる必要があり、タービン全体が増大するという問題がある。
そこで特許文献１においては、低圧タービン用ロータを構成する３．５Ｎｉ鋼中に含有される不純物含量を低減して微量に制限することで、加熱による不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する金属組織上の変化を抑制し、３８０℃以上の蒸気が導入されても安定して運転することができる低圧タービン用ロータが開示されている。
特許文献１に開示された技術においては、従来以上に厳密な不純物管理が要求される。しかしながら、特に低圧タービン用のロータは大型であることから、特許文献１に開示された技術において、一体型の低圧タービン用ロータを製作する場合、コストが増加する、製作日数が増加し納期が遅くなる、例えばバラツキにより不純物含量が基準値を越える可能性が高いなどの製造されるタービン用ロータの品質面での信頼性に不安が残るという課題が生じる。
蒸気タービンを含む石炭焚火力発電に用いられる蒸気タービン設備においては、一般的に、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンを備えており、６００℃級の蒸気が用いられている。このような蒸気タービン設備においては、ボイラから供給された６００℃級の蒸気は、高圧タービンに導入されて動翼と静翼からなる高圧翼段落で高圧タービンを回転させて膨張仕事をした後、高圧タービンから排気されて中圧タービンに導入され、高圧タービンと同様に中圧タービンを回転させて膨張仕事をし、さらに低圧タービンに導入されて膨張仕事をし、復水器へ排気されて復水される。
このような蒸気タービン設備における低圧タービン用ロータは一般的に３．５Ｎｉ鋼（例えば３．５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼など）により形成されており、低圧タービン入口蒸気温度は３．５Ｎｉ鋼が機械的強度特性及び靱性を維持できる温度である３８０℃以下に設定していた。
上記のような蒸気タービン設備においては、近年ＣＯ２排気量削減と、更なる熱効率向上のために、６３０℃以上の蒸気条件を採用した技術が求められている。
高圧タービンに６３０℃以上の蒸気を高圧タービンに導入し、従来６００℃級の蒸気を用いていた場合と同じ高圧タービン及び中圧タービンを使用すると、低圧タービン入口蒸気温度が４００〜４３０℃程度と従来よりも上昇し、該温度の上昇によって低圧タービンのロータが機械的強度特性及び靱性を維持できなくなる可能性がある。
特に２段再熱の場合は、２段目の再熱圧が低くなることから、低圧タービン入口蒸気温度が１段再熱より上昇し、設計条件としてより厳しくなる。
６３０℃以上の蒸気を用い、３．５Ｎｉ鋼で形成された低圧タービンのロータの機械的強度特性及び靱性を維持するためには、高圧タービン及び中圧タービンにおける膨張仕事量を従来よりも増加させて、低圧タービン入口における蒸気温度を３８０℃以下まで低下させることが考えられる。しかし、そのためには高圧タービンと中圧タービンの翼段落数を増加させる必要があり、タービン全体が増大するという問題がある。
そこで特許文献１においては、低圧タービン用ロータを構成する３．５Ｎｉ鋼中に含有される不純物含量を低減して微量に制限することで、加熱による不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する金属組織上の変化を抑制し、３８０℃以上の蒸気が導入されても安定して運転することができる低圧タービン用ロータが開示されている。
特許文献１に開示された技術においては、従来以上に厳密な不純物管理が要求される。しかしながら、特に低圧タービン用のロータは大型であることから、特許文献１に開示された技術において、一体型の低圧タービン用ロータを製作する場合、コストが増加する、製作日数が増加し納期が遅くなる、例えばバラツキにより不純物含量が基準値を越える可能性が高いなどの製造されるタービン用ロータの品質面での信頼性に不安が残るという課題が生じる。
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、低圧タービンへ導入される蒸気温度が高温となる場合においても、機械的強度特性を維持することができ、さらに製造コスト、製作日数が増加することなく品質面でも問題のない低圧タービン用ロータを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明においては、
高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンを備えた蒸気タービン設備で使用される低圧タービン用ロータにおいて、
蒸気入口側に配置される部材（以下入口側領域の部材という）と、該入口側領域の部材の両側に位置する蒸気出口側に配置される両部材（以下出口側領域の両部材という）とを溶接によって接合して構成するとともに、該出口側領域の両部材を３．５Ｎｉ鋼で形成し、前記入口側領域の部材を低不純物の３．５Ｎｉ鋼で形成し、
前記低圧タービンの入口蒸気温度が３８０℃以上である蒸気タービン設備で使用され、
前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記入口側領域の部材で構成し、
前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃未満となる領域を前記出口側領域の両部材で構成することを特徴とする。
又、前記入口側領域の部材を形成する低不純物３．５Ｎｉ鋼は、重量％で、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｓｎ：０．０２％以下、Ａｓ：０．０２％以下、Ｓｂ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．１％以下を含有することを特徴とする。
高温の蒸気が導入される蒸気入口側に不純物含量を低減して微量に制限した３．５Ｎｉ鋼で構成された部材を用いることで、加熱による不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する金属組織上の変化を抑制し、３８０℃以上の蒸気が導入されても安定して運転することができる。
しかも、前記不純物含量を低減した３．５Ｎｉ鋼で構成された部材をロータ全体でなく高温の蒸気が導入される蒸気入口側だけとすることで、製作コスト、日数の増加を小さく抑え、品質面での信頼性の不安も小さく低圧タービン用ロータの製作が可能である。
また、前記低圧タービンの入口蒸気温度が３８０℃以上である蒸気タービン設備で使用され、
前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記蒸気入口側領域の部材で構成し、前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃未満となる領域を前記出口側領域の両部材で構成することを特徴とする。
通常の３．５Ｎｉ鋼は蒸気温度が３８０℃以上となると不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する可能性が高い。そこで蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記蒸気入口側領域の部材で構成し、蒸気温度が３８０℃未満である領域を前記出口側領域の両部材で構成することで、通常の３．５Ｎｉ鋼が３８０℃以上の蒸気と接することがなくなり、蒸気出口側に配置される３．５Ｎｉ鋼で形成される部材の脆化を抑制することが可能となる。
前記高圧タービンおよび中圧タービンの少なくともいずれか一方の入口蒸気温度が６３０℃以上である蒸気タービン設備で使用されることを特徴とする。
これにより、高圧タービン及び中圧タービンを増大化させることなく、蒸気タービン設備からのＣＯ２排気量を削減し、蒸気タービン設備の熱効率を向上させることができる。
高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンを備えた蒸気タービン設備で使用される低圧タービン用ロータにおいて、
蒸気入口側に配置される部材（以下入口側領域の部材という）と、該入口側領域の部材の両側に位置する蒸気出口側に配置される両部材（以下出口側領域の両部材という）とを溶接によって接合して構成するとともに、該出口側領域の両部材を３．５Ｎｉ鋼で形成し、前記入口側領域の部材を低不純物の３．５Ｎｉ鋼で形成し、
前記低圧タービンの入口蒸気温度が３８０℃以上である蒸気タービン設備で使用され、
前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記入口側領域の部材で構成し、
前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃未満となる領域を前記出口側領域の両部材で構成することを特徴とする。
又、前記入口側領域の部材を形成する低不純物３．５Ｎｉ鋼は、重量％で、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｓｎ：０．０２％以下、Ａｓ：０．０２％以下、Ｓｂ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．１％以下を含有することを特徴とする。
高温の蒸気が導入される蒸気入口側に不純物含量を低減して微量に制限した３．５Ｎｉ鋼で構成された部材を用いることで、加熱による不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する金属組織上の変化を抑制し、３８０℃以上の蒸気が導入されても安定して運転することができる。
しかも、前記不純物含量を低減した３．５Ｎｉ鋼で構成された部材をロータ全体でなく高温の蒸気が導入される蒸気入口側だけとすることで、製作コスト、日数の増加を小さく抑え、品質面での信頼性の不安も小さく低圧タービン用ロータの製作が可能である。
また、前記低圧タービンの入口蒸気温度が３８０℃以上である蒸気タービン設備で使用され、
前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記蒸気入口側領域の部材で構成し、前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃未満となる領域を前記出口側領域の両部材で構成することを特徴とする。
通常の３．５Ｎｉ鋼は蒸気温度が３８０℃以上となると不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する可能性が高い。そこで蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記蒸気入口側領域の部材で構成し、蒸気温度が３８０℃未満である領域を前記出口側領域の両部材で構成することで、通常の３．５Ｎｉ鋼が３８０℃以上の蒸気と接することがなくなり、蒸気出口側に配置される３．５Ｎｉ鋼で形成される部材の脆化を抑制することが可能となる。
前記高圧タービンおよび中圧タービンの少なくともいずれか一方の入口蒸気温度が６３０℃以上である蒸気タービン設備で使用されることを特徴とする。
これにより、高圧タービン及び中圧タービンを増大化させることなく、蒸気タービン設備からのＣＯ２排気量を削減し、蒸気タービン設備の熱効率を向上させることができる。
以上記載のごとく本発明によれば、低圧タービンへ導入される蒸気温度が高温となる場合においても、機械的強度特性を維持することができ、さらに製造コスト、製作日数が増加することなく品質面でも問題のない低圧タービン用ロータを提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は、実施例１における蒸気タービン発電設備の構成を示す図である。
図１を参照して、本発明の低圧タービン用ロータを用いた蒸気タービン設備により構成される発電設備について説明する。尚、図１は１段再熱の一例であり、２段再熱、再熱のみ高温化（６３０℃以上）の場合の実施にも本発明は適用され、特に限定されるものではない。
図１に示された蒸気タービン発電設備１０は、高圧タービン１４、中圧タービン１２、低圧タービン１６、発電機１８、復水器２０、ボイラ２４から主に構成される。蒸気は、ボイラ２４、主蒸気管２６、高圧タービン１４、低温再熱管２８、ボイラ２４、高温再熱管３０、中圧タービン１２、クロスオーバー管３２、低圧タービン１６、復水器２０、給水ポンプ２２、ボイラ２４の順に循環する。
ボイラ２４で６３０℃以上に過熱された蒸気は、主蒸気管２６を通って高圧タービン１４に導入される。高圧タービン１４に導入された蒸気は、膨張仕事を行った後に排気され、低温再熱管２８を通ってボイラ２４に戻される。該ボイラ２４に戻された蒸気は、ボイラ２４で再熱されて６３０℃以上の蒸気となり、高温再熱管３０を通って中圧タービン１２に送られる。中圧タービン１２に導入された蒸気は膨張仕事を行った後に排気され、４００〜４３０℃程度の蒸気となってクロスオーバー管３２を通って低圧タービン１６に送られる。低圧タービン１６に導入された蒸気は、膨張仕事を行った後に排気され、復水器２０に送られる。復水器２０に送られた蒸気は復水器２０で復水され、給水ポンプ２２で昇圧されてボイラ２４に戻される。発電機１８はそれぞれのタービンの膨張仕事によって回転駆動され、発電する。
図１を参照して、本発明の低圧タービン用ロータを用いた蒸気タービン設備により構成される発電設備について説明する。尚、図１は１段再熱の一例であり、２段再熱、再熱のみ高温化（６３０℃以上）の場合の実施にも本発明は適用され、特に限定されるものではない。
図１に示された蒸気タービン発電設備１０は、高圧タービン１４、中圧タービン１２、低圧タービン１６、発電機１８、復水器２０、ボイラ２４から主に構成される。蒸気は、ボイラ２４、主蒸気管２６、高圧タービン１４、低温再熱管２８、ボイラ２４、高温再熱管３０、中圧タービン１２、クロスオーバー管３２、低圧タービン１６、復水器２０、給水ポンプ２２、ボイラ２４の順に循環する。
ボイラ２４で６３０℃以上に過熱された蒸気は、主蒸気管２６を通って高圧タービン１４に導入される。高圧タービン１４に導入された蒸気は、膨張仕事を行った後に排気され、低温再熱管２８を通ってボイラ２４に戻される。該ボイラ２４に戻された蒸気は、ボイラ２４で再熱されて６３０℃以上の蒸気となり、高温再熱管３０を通って中圧タービン１２に送られる。中圧タービン１２に導入された蒸気は膨張仕事を行った後に排気され、４００〜４３０℃程度の蒸気となってクロスオーバー管３２を通って低圧タービン１６に送られる。低圧タービン１６に導入された蒸気は、膨張仕事を行った後に排気され、復水器２０に送られる。復水器２０に送られた蒸気は復水器２０で復水され、給水ポンプ２２で昇圧されてボイラ２４に戻される。発電機１８はそれぞれのタービンの膨張仕事によって回転駆動され、発電する。
図２は参考発明における低圧タービン１６に用いられるロータの構成を模式的に示した平面図である。
前記のような蒸気タービン発電設備に用いられる低圧タービン用ロータについて図２を参照して説明する。
前記のような蒸気タービン発電設備に用いられる低圧タービン用ロータについて図２を参照して説明する。
（参考発明の構成）
まず図２を用いて本実施例に係る４００〜４３０℃程度の蒸気が導入される低圧タービン１６に用いられるロータの構成について説明する。
図２に示すように、低圧タービン用ロータ１６Ａは、１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼又は１０Ｃｒ鋼で構成される１つの部材（以下クロム鋼部）１６ａと、３．５Ｎｉ鋼で構成される２つの部材（以下通常３．５Ｎｉ鋼部）１６ｂ、１６ｃから構成されている。
クロム鋼部１６ａはその両端でそれぞれ通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃと溶接によって接合されて、一端部から通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、クロム鋼部１６ａ、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｃの順に一体化された低圧タービン用ロータ１６Ａを形成している。
また、クロム鋼部１６ａは３８０℃以上の蒸気に晒される位置に配置され、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃは３８０℃未満の蒸気に晒された位置に配置される。
（参考発明の材料）
次に低圧タービン用ロータ１６Ａを構成する、クロム鋼部１６ａ、３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃの材料について説明する。
（Ａ）クロム鋼部
クロム鋼部は、耐高温性に優れ、入手が容易である１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ又は１０Ｃｒ鋼で形成されている。
１Ｃｒ鋼としては、重量％で、Ｃ：０．２〜０．４％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．２〜０．３％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成の材料を一例として挙げることができる。
２．２５Ｃｒ鋼としては、重量％で、Ｃ：０．２〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：０．２〜２．０％、Ｃｒ：１．５〜３．０％、Ｍｏ：０．９〜１．５％、Ｖ：０．２〜０．３％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成の材料を一例として挙げることができる。
１０Ｃｒ鋼としては、重量％でＣ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下、Ｃｒ：７〜１３％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎ：０．０１〜０．１％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成の材料を一例として挙げることができる。
別の例の１０Ｃｒ鋼として、重量％でＣ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：８〜１５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎ：０．０１〜０．１％、Ｎｂ：０．２％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成の材料を一例として挙げることができる。
図４は１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼及び３．５Ｎｉ鋼の脆化係数を示すグラフである。縦軸は脆化係数（ΔＦＡＴＴ）であって、脆化しやすさの指標となる値であり、この数値が高いほど脆化感受性が高く脆化しやすい。横軸はＪ−Ｆａｃｔｏｒであり不純物の濃度の指標となる値である。図４から明らかであるように、何れの材料も不純物濃度が高いほど脆化しやすい。さらに、１Ｃｒ鋼と３．５Ｎｉ鋼はほぼ同等の脆化係数であり、それよりも２．２５Ｃｒ鋼の脆化係数が低く、１０Ｃｒ鋼の脆化係数はさらに低い。
従ってクロム鋼部１６ａを１Ｃｒ鋼で構成された部材を用いると、低圧タービン用ロータ全体の脆化感受性は、ロータ全体を３．５Ｎｉ鋼で構成した従来の低圧タービン用ロータとほぼ同等であるといえる。しかし、クロム鋼部１６aを２．２５Ｃｒ鋼又は１０Ｃｒ鋼で構成された部材を用いると、低圧タービン用ロータ全体の脆化感受性は、ロータ全体を３．５Ｎｉ鋼で構成した従来の低圧タービン用ロータよりも低い、即ち脆化しにくいといえる。そのため、クロム鋼部１６ａは２．２５Ｃｒ鋼又は１０Ｃｒ鋼で形成することがより好ましい。
（Ｂ）通常３．５Ｎｉ鋼部
３．５Ｎｉ鋼としては、重量％でＣ：０．４％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０〜２．５％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：３．０〜４．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる材料を一例として挙げることができる。
（参考発明の製造方法）
クロム鋼部１６ａと、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃとの間の溶接部で溶接によって接合する。
溶接の方法は、溶接部が低圧タービンの運転状態に耐えうる状態であれば特に限定されるものではないが、一例として溶接トーチによるアークに溶加剤として溶接ワイヤを供給する溶融法一般を挙げることができる。
例えば、溶接部の形状としては狭開先溶接継手などが採用し、溶接に際しては、１パス毎にアークによる溶融によって溶接ワイヤとして供給される溶加剤を積層して前記狭開先溶接継手内を溶加剤で満たして、クロム鋼部１６ａと通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃを接合する。前記溶加剤としては通常３．５Ｎｉ鋼部と同じ材料である３．５Ｎｉ鋼を使用する。
以上のような低圧タービン用ロータを使用することにより、下記の効果が得られる。
１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼は従来より高圧タービン用ロータや中圧タービン用ロータで用いられていた材料であるため材料の管理方法が確立されており、また入手も容易である。さらに、３．５Ｎｉ鋼よりも耐高温性で優れている。また、３．５Ｎｉ鋼は１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼よりも応力腐食割れ（ＳＣＣ）感受性が低い。そこで、高温の蒸気が導入される蒸気入口側を１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼又は１０Ｃｒ鋼で形成された部材で構成し、流路径（翼径）が広がりより高い強度が求められる蒸気出口側を３．５Ｎｉ鋼で構成された部材で構成することで、高温及び応力腐食割れに対して優れた低圧タービン用ロータが形成され、高温の蒸気を導入しても機械的強度特性を維持することができる。
また、通常の３．５Ｎｉ鋼は蒸気温度が３８０℃以上となると不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する可能性が高い。そこで蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記蒸気入口側に配置される部材で構成し、蒸気温度が３８０℃未満である領域を前記蒸気出口側に配置される部材で構成することで、通常の３．５Ｎｉ鋼が３８０℃以上の蒸気と接することがなくなり、蒸気出口側に配置される３．５Ｎｉ鋼で形成される部材の脆化を抑制することが可能となる。
さらに、低圧タービンの入口蒸気温度を従来よりも高くしても低圧タービン用ロータの機械的強度特性を維持することができるため、高圧タービン及び中圧タービンを増大化させることなく６３０℃以上の蒸気を使用することができ、蒸気タービン設備からのＣＯ２排気量を削減し、蒸気タービン設備の熱効率を向上させることができる。
まず図２を用いて本実施例に係る４００〜４３０℃程度の蒸気が導入される低圧タービン１６に用いられるロータの構成について説明する。
図２に示すように、低圧タービン用ロータ１６Ａは、１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼又は１０Ｃｒ鋼で構成される１つの部材（以下クロム鋼部）１６ａと、３．５Ｎｉ鋼で構成される２つの部材（以下通常３．５Ｎｉ鋼部）１６ｂ、１６ｃから構成されている。
クロム鋼部１６ａはその両端でそれぞれ通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃと溶接によって接合されて、一端部から通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、クロム鋼部１６ａ、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｃの順に一体化された低圧タービン用ロータ１６Ａを形成している。
また、クロム鋼部１６ａは３８０℃以上の蒸気に晒される位置に配置され、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃは３８０℃未満の蒸気に晒された位置に配置される。
（参考発明の材料）
次に低圧タービン用ロータ１６Ａを構成する、クロム鋼部１６ａ、３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃの材料について説明する。
（Ａ）クロム鋼部
クロム鋼部は、耐高温性に優れ、入手が容易である１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ又は１０Ｃｒ鋼で形成されている。
１Ｃｒ鋼としては、重量％で、Ｃ：０．２〜０．４％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：０．５〜１．５％、Ｍｏ：０．５〜１．５％、Ｖ：０．２〜０．３％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成の材料を一例として挙げることができる。
２．２５Ｃｒ鋼としては、重量％で、Ｃ：０．２〜０．３５％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：１．５％以下、Ｎｉ：０．２〜２．０％、Ｃｒ：１．５〜３．０％、Ｍｏ：０．９〜１．５％、Ｖ：０．２〜０．３％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成の材料を一例として挙げることができる。
１０Ｃｒ鋼としては、重量％でＣ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：３．０％以下、Ｃｒ：７〜１３％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎ：０．０１〜０．１％、Ｎｂ：０．０１〜０．２％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成の材料を一例として挙げることができる。
別の例の１０Ｃｒ鋼として、重量％でＣ：０．０５〜０．４％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：７．０％以下、Ｃｒ：８〜１５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｖ：０．０１〜０．５％、Ｎ：０．０１〜０．１％、Ｎｂ：０．２％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成の材料を一例として挙げることができる。
図４は１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼及び３．５Ｎｉ鋼の脆化係数を示すグラフである。縦軸は脆化係数（ΔＦＡＴＴ）であって、脆化しやすさの指標となる値であり、この数値が高いほど脆化感受性が高く脆化しやすい。横軸はＪ−Ｆａｃｔｏｒであり不純物の濃度の指標となる値である。図４から明らかであるように、何れの材料も不純物濃度が高いほど脆化しやすい。さらに、１Ｃｒ鋼と３．５Ｎｉ鋼はほぼ同等の脆化係数であり、それよりも２．２５Ｃｒ鋼の脆化係数が低く、１０Ｃｒ鋼の脆化係数はさらに低い。
従ってクロム鋼部１６ａを１Ｃｒ鋼で構成された部材を用いると、低圧タービン用ロータ全体の脆化感受性は、ロータ全体を３．５Ｎｉ鋼で構成した従来の低圧タービン用ロータとほぼ同等であるといえる。しかし、クロム鋼部１６aを２．２５Ｃｒ鋼又は１０Ｃｒ鋼で構成された部材を用いると、低圧タービン用ロータ全体の脆化感受性は、ロータ全体を３．５Ｎｉ鋼で構成した従来の低圧タービン用ロータよりも低い、即ち脆化しにくいといえる。そのため、クロム鋼部１６ａは２．２５Ｃｒ鋼又は１０Ｃｒ鋼で形成することがより好ましい。
（Ｂ）通常３．５Ｎｉ鋼部
３．５Ｎｉ鋼としては、重量％でＣ：０．４％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｃｒ：１．０〜２．５％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：３．０〜４．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる材料を一例として挙げることができる。
（参考発明の製造方法）
クロム鋼部１６ａと、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃとの間の溶接部で溶接によって接合する。
溶接の方法は、溶接部が低圧タービンの運転状態に耐えうる状態であれば特に限定されるものではないが、一例として溶接トーチによるアークに溶加剤として溶接ワイヤを供給する溶融法一般を挙げることができる。
例えば、溶接部の形状としては狭開先溶接継手などが採用し、溶接に際しては、１パス毎にアークによる溶融によって溶接ワイヤとして供給される溶加剤を積層して前記狭開先溶接継手内を溶加剤で満たして、クロム鋼部１６ａと通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃを接合する。前記溶加剤としては通常３．５Ｎｉ鋼部と同じ材料である３．５Ｎｉ鋼を使用する。
以上のような低圧タービン用ロータを使用することにより、下記の効果が得られる。
１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼は従来より高圧タービン用ロータや中圧タービン用ロータで用いられていた材料であるため材料の管理方法が確立されており、また入手も容易である。さらに、３．５Ｎｉ鋼よりも耐高温性で優れている。また、３．５Ｎｉ鋼は１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼、１０Ｃｒ鋼よりも応力腐食割れ（ＳＣＣ）感受性が低い。そこで、高温の蒸気が導入される蒸気入口側を１Ｃｒ鋼、２．２５Ｃｒ鋼又は１０Ｃｒ鋼で形成された部材で構成し、流路径（翼径）が広がりより高い強度が求められる蒸気出口側を３．５Ｎｉ鋼で構成された部材で構成することで、高温及び応力腐食割れに対して優れた低圧タービン用ロータが形成され、高温の蒸気を導入しても機械的強度特性を維持することができる。
また、通常の３．５Ｎｉ鋼は蒸気温度が３８０℃以上となると不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する可能性が高い。そこで蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記蒸気入口側に配置される部材で構成し、蒸気温度が３８０℃未満である領域を前記蒸気出口側に配置される部材で構成することで、通常の３．５Ｎｉ鋼が３８０℃以上の蒸気と接することがなくなり、蒸気出口側に配置される３．５Ｎｉ鋼で形成される部材の脆化を抑制することが可能となる。
さらに、低圧タービンの入口蒸気温度を従来よりも高くしても低圧タービン用ロータの機械的強度特性を維持することができるため、高圧タービン及び中圧タービンを増大化させることなく６３０℃以上の蒸気を使用することができ、蒸気タービン設備からのＣＯ２排気量を削減し、蒸気タービン設備の熱効率を向上させることができる。
（実施例の構成）
実施例２において別の形態の低圧タービン用ロータ１６Ｂについて説明する。
実施例２においては、図３に示すように、低圧タービン用ロータ１６Ｂは、不純物含有量の少ない低不純物３．５Ｎｉ鋼で構成される１つの部材（以下低不純物３．５Ｎｉ鋼部）１６ｄと、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃから構成されている。
つまり、実施例２は、図２に示した実施例１の形態の低圧タービン用ロータのクロム鋼部１６ａに代えて低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄを採用した形態である。以下、低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄ以外においては実施例１と同様であるため説明を省略する。
また、低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄは３８０℃以上の蒸気に晒される位置に配置され、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃは３８０℃未満の蒸気に晒された位置に配置される。
（実施例の材料）
低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄの材料について説明する。
低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄは、不純物含有量が少ない３．５Ｎｉ鋼部で形成されている。低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄとしては、重量％で、Ｃ：０．４％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、Ｃｒ：１．０〜２．５％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：３．０〜４．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物が、重量％で、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｓｎ：０．０２％以下、Ａｓ：０．０２％以下、Ｓｂ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．１％以下である組成の材料を一例として挙げることができる。
（実施例の製造方法）
低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄと、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃとの間の溶接部で溶接によって接合する。
図４に示したように３．５Ｎｉ鋼は不純物濃度が低いほど脆性感受性が低く脆化しにくい。
従って、高温の蒸気が導入される蒸気入口側に不純物含量を低減して微量に制限した低不純物３．５Ｎｉ鋼で構成された部材１６ｄを用いることで、加熱による不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する金属組織上の変化を抑制し、３８０℃以上の蒸気が導入されても安定して運転することができる。
しかも、前記不純物含量を低減した３．５Ｎｉ鋼で構成された部材をロータ全体でなく高温の蒸気が導入される蒸気入口側だけとすることで、製作コスト、日数の増加を小さく抑え、品質面での信頼性の不安も小さく低圧タービン用ロータの作成が可能である。
また、通常の３．５Ｎｉ鋼は蒸気温度が３８０℃以上となると不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する可能性が高い。そこで蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記蒸気入口側に配置される部材で構成し、蒸気温度が３８０℃未満である領域を前記蒸気出口側に配置される部材で構成することで、通常の３．５Ｎｉ鋼が３８０℃以上の蒸気と接することがなくなり、蒸気出口側に配置される３．５Ｎｉ鋼で形成される部材の脆化を抑制することが可能となる。
さらに、低圧タービンの入口蒸気温度を従来よりも高くしても低圧タービン用ロータの機械的強度特性を維持することができるため、高圧タービン及び中圧タービンを増大化させることなく６３０℃以上の蒸気を使用することができ、蒸気タービン設備からのＣＯ２排気量を削減し、蒸気タービン設備の熱効率を向上させることができる。
実施例２において別の形態の低圧タービン用ロータ１６Ｂについて説明する。
実施例２においては、図３に示すように、低圧タービン用ロータ１６Ｂは、不純物含有量の少ない低不純物３．５Ｎｉ鋼で構成される１つの部材（以下低不純物３．５Ｎｉ鋼部）１６ｄと、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃから構成されている。
つまり、実施例２は、図２に示した実施例１の形態の低圧タービン用ロータのクロム鋼部１６ａに代えて低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄを採用した形態である。以下、低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄ以外においては実施例１と同様であるため説明を省略する。
また、低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄは３８０℃以上の蒸気に晒される位置に配置され、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃは３８０℃未満の蒸気に晒された位置に配置される。
（実施例の材料）
低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄの材料について説明する。
低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄは、不純物含有量が少ない３．５Ｎｉ鋼部で形成されている。低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄとしては、重量％で、Ｃ：０．４％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、Ｃｒ：１．０〜２．５％、Ｖ：０．０１〜０．３％、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｎｉ：３．０〜４．５％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物が、重量％で、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｓｎ：０．０２％以下、Ａｓ：０．０２％以下、Ｓｂ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．１％以下である組成の材料を一例として挙げることができる。
（実施例の製造方法）
低不純物３．５Ｎｉ鋼部１６ｄと、通常３．５Ｎｉ鋼部１６ｂ、１６ｃとの間の溶接部で溶接によって接合する。
図４に示したように３．５Ｎｉ鋼は不純物濃度が低いほど脆性感受性が低く脆化しにくい。
従って、高温の蒸気が導入される蒸気入口側に不純物含量を低減して微量に制限した低不純物３．５Ｎｉ鋼で構成された部材１６ｄを用いることで、加熱による不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する金属組織上の変化を抑制し、３８０℃以上の蒸気が導入されても安定して運転することができる。
しかも、前記不純物含量を低減した３．５Ｎｉ鋼で構成された部材をロータ全体でなく高温の蒸気が導入される蒸気入口側だけとすることで、製作コスト、日数の増加を小さく抑え、品質面での信頼性の不安も小さく低圧タービン用ロータの作成が可能である。
また、通常の３．５Ｎｉ鋼は蒸気温度が３８０℃以上となると不純物元素の粒界偏析などの経年的な脆化を誘発する可能性が高い。そこで蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記蒸気入口側に配置される部材で構成し、蒸気温度が３８０℃未満である領域を前記蒸気出口側に配置される部材で構成することで、通常の３．５Ｎｉ鋼が３８０℃以上の蒸気と接することがなくなり、蒸気出口側に配置される３．５Ｎｉ鋼で形成される部材の脆化を抑制することが可能となる。
さらに、低圧タービンの入口蒸気温度を従来よりも高くしても低圧タービン用ロータの機械的強度特性を維持することができるため、高圧タービン及び中圧タービンを増大化させることなく６３０℃以上の蒸気を使用することができ、蒸気タービン設備からのＣＯ２排気量を削減し、蒸気タービン設備の熱効率を向上させることができる。
低圧タービンへ導入される蒸気温度が高温となる場合においても、機械的強度特性を維持することができ、さらに製造コスト、製作日数が増加することなく品質面でも問題のない低圧タービン用ロータとして利用することができる。
Claims (2)
- 高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンを備えた蒸気タービン設備で使用される低圧タービン用ロータにおいて、
蒸気入口側に配置される部材（以下入口側領域の部材という）と、該入口側領域の部材の両側に位置する蒸気出口側に配置される両部材（以下出口側領域の両部材という）とを溶接によって接合して構成するとともに、該出口側領域の両部材を３．５Ｎｉ鋼で形成し、前記入口側領域の部材を前記出口側領域の両部材を形成する３．５Ｎｉ鋼に比べて低不純物の３．５Ｎｉ鋼で形成し、
前記低圧タービンの入口蒸気温度が３８０℃以上である蒸気タービン設備で使用され、
前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃以上となる領域を前記入口側領域の部材で構成し、
前記低圧タービン内を流通する蒸気温度が３８０℃未満となる領域を前記出口側領域の両部材で構成するとともに、
前記入口側領域の部材を形成する低不純物３．５Ｎｉ鋼は、重量％で、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、不可避的不純物が重量％で、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｓｎ：０．０２％以下、Ａｓ：０．０２％以下、Ｓｂ：０．０２％以下、Ａｌ：０．０２％以下、Ｃｕ：０．１％以下を含有することを特徴とする低圧タービン用ロータ。 - 前記高圧タービンおよび中圧タービンの少なくともいずれか一方の入口蒸気温度が６３０℃以上である蒸気タービン設備で使用されることを特徴とする請求項１に記載の低圧タービン用ロータ。
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