JP5036811B2 - 溶接された低圧タービン軸 - Google Patents

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Description

本発明は、低圧領域を有し、少なくとも１つの軸を備えた流体機械であって、この低圧領域が流入領域を有するものに関する。
このような流体機械は例えば蒸気タービンとして実施されている。このような流体機械は流入領域とこれに続く流れ領域もしくは流出領域とを有し、流れ領域は動翼と静翼とで形成される翼格子を有する。
軸線方向に見てこのような翼格子がそれぞれ流入領域の左右に配置されていると、いわゆる複流流体機械が形成されており、流れ媒体、例えば蒸気は流入領域を介して、軸線方向もしくは縦方向に見てそれぞれその左右に配置される流れ領域に流入する。
軸線方向に見てそれぞれ流入領域の左右に配置される流れ領域において流れ媒体はそれぞれ別の流れ領域を基準に逆方向に流れる。
例えば複流流体機械に関して軸を材料２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５で形成することが知られている。この公知材料では、脆化と耐久強度の理由から利用温度がＴ＜３５０℃に限定されていることを主な欠点と見做すことができる。
流体機械の効率を改善できるようにするために、特に低圧部もしくは低圧領域の軸は、これに関連して改善された材料を利用できるように理論的に検討された。理論的に検討されたこの材料は材料２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５ｍｏｄ（スーパークリーン）である。この材料では確かに脆化傾向が低下するが、しかし組織に依存したクリープ挙動の問題は改善されない。検討された改質材料の利用は理論的には可能であるが、しかしながら材料費が約２５％以上高まり、クリープ挙動のデータがＲｐ０．２＞６００ＭＰａと評価されたものはない。
そこで本発明の課題は、冒頭に記載した種類の流体機械、特に流体機械の低圧領域の少なくとも１つの軸を簡単な手段で改善し、それをより高い温度もしくは利用温度に曝すことができるようにすることである。
本発明によればこの課題は、少なくとも流入領域に配置されるその流入部において軸が耐熱材料を有することによって解決される。流入部は材料２２ＣｒＭｏＮｉＷＶ８‐８から成り、流出部は下記の例示的材料２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５、２６ＮｉＣｒＭｏＶ１１‐５および／または２２ＣｒＮｉＭｏ９‐９の１つでそれぞれ構成することができる。
有利には、流入部は１〜２．５％Ｃｒ鋼の材料、特に記号２２ＣｒＮｉＭｏＷＶ８‐８（材料番号１．６９４５）の材料を有する。
流入部に向き合わせて配置される流出部に軸が低温靭性材料、好ましくは２〜４％Ｎｉ鋼の材料、特に材料２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５（材料番号１．６９５７）を有すると、本発明の意味で好ましい。しかし当然に、各流出部は例えば材料２６ＮｉＣｒＭｏＶ１１‐５（材料番号１．６９４８）および／または２２ＮｉＣｒＭｏ９‐９を有することもできる。
軸が流入部と流入部のそれぞれ両側に付設された流出部とからなる複数の部分で形成されていると、本発明の目的に適っている。流入部は向き合わせて配置されるその両端部がそれぞれ他の流出部と材料結合されている。好ましくは材料結合として溶接結合を利用することができる。その際、溶接法として不活性ガスアーク溶接法、特にタングステン不活性ガス溶接（WＩＧ溶接）を行うことが考えられる。WＩＧナロウギャップ溶接を行うことも可能である。しかしサブマージアーク溶接（UP溶接）を行うことも可能である。しかし当然に組合せ溶接法を行うこともでき、「根元層溶接」は例えばWＩＧ法で実施し、「最終層溶接もしくは最上層溶接」は例えばUP法で実施される。
流入部は流体機械の蒸気流入領域に配置されており、複数の流出部は流体機械の縦方向でそれぞれその横に、つまり流出領域に配置されている。蒸気流入領域、つまり流入部で、軸もしくはその流入部に最高温度が存在する。
使用される材料２２ＣｒＭｏＮｉＷＶ８‐８でもって、軸の低圧部の流入領域、つまり流入部領域用に全体として高い流入温度（Ｔ＞３５０℃）が実現可能である。
材料２２ＣｒＭｏＮｉＷＶ８‐８製の流入部は、好ましくは、３０００ｍｍ以下の直径を有するディスク体として製造することができる。軸の直径が最大の場合でもディスク体用にＥＳＲ溶解（エレクトロスラグ再溶解）は不要である。というのも、従来の溶解法によっても十分に均質な性質が達成可能であるからである。このディスク体は、流れ横断面内でその機能を果たすために相応に加工される。
流入部を単純にディスク体として製造することができ、また特殊なＥＳＲ溶解（同じ直径の一体軸には不可欠）を省くことができるので、有利なことに、納入業者に対する所要の製造標準と公差もしくは特殊な要求が省かれるので流入部の調達用の納入業者数も多くなる。
新規な材料のゆえに、すなわち材料２２ＣｒＭｏＮｉＷＶ８‐８が本発明により使用されるので、流入部は有利なことに流体機械の特に流入領域において必要とされる高い耐久強度と靭性要求を満たす。
両方の異なる材料、つまり流入部の材料と、これと対向する両側の流出部の材料との溶接は既に知られており、得られる溶接部は当然に、有利には、温度Ｔ＜３５０℃の領域に配置することができる。
本発明のその他の有利な諸構成は従属請求項と以下の図面説明から明らかとなる。
図１は流体機械の軸１を中心軸線Ｘまでの半横断面図で示す。当然に軸１は中心軸線Ｘに対して鏡対称となっている。軸１は複流低圧領域の構成部品である。流体機械は例えば蒸気タービンとすることができる。流体機械のうち前置されることのある中圧領域もしくは高圧領域は図示されていない。
流体機械は、矢印２で示した流入領域を有する。媒体として例えば蒸気が流体機械の低圧領域に流入し、媒体流はほぼ中央に配置される流入領域２を基準に２つの流れ方向３に分割される。各部分流３が図示しない翼格子を流れる。こうして流体機械の低圧領域は１つの入力領域２と縦方向もしくは軸線方向に見て入力領域の横に配置される２つの流れ領域もしくは流出領域４とを有する。
軸１は１つの流入部６と縦方向に見てそれぞれ流入部の横に配置される２つの流出部７とで複数の部分に形成されている。流入部６はそれぞれ横に配置される流出部７と材料結合されている。材料結合は溶接結合として実施しておくことができる。溶接法としてWＩＧ法、有利にはWＩＧナロウギャップ溶接を予定しておくことができる。当然に、サブマージアーク溶接（UP）を予定しておくこともできる。溶接部はそれぞれ符号８である。
流入部６は、材料２２ＣｒＮｉＭｏＷＶ８‐８から成るディスク体として製造されている。材料２２ＣｒＮｉＭｏＷＶ８‐８は、０．２０〜０．２４重量％Ｃ、≦０．１０重量％Ｓｉ、０．６０〜０．８０重量％Ｍｎ、≦０．０１重量％Ｐ、≦０．００７重量％Ｓ、２．００〜２．２０重量％Ｃｒ、０．８０〜０．９０重量％Ｍｏ、０．７０〜０．８０重量％Ｎｉ、０．２５〜０．３５重量％Ｖおよび０．６０〜０．７０重量％Ｗを含む。
流出部７はそれぞれ下記材料の１つから製造可能である：
２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５：この材料は、０．２２〜０．３２重量％Ｃ、≦０．１５重量％Ｓｉ、０．１５〜０．４０重量％Ｍｎ、≦０．０１０重量％Ｐ、≦０．００７重量％Ｓ、１．２０〜１．８０重量％Ｃｒ、０．２５〜０．４５重量％Ｍｏ、３．４０〜４．００重量％Ｎｉおよび０．０５〜０．１５重量％Ｖを含む。
２６ＮｉＣｒＭｏＶ１１‐５：この材料は、０．２２〜０．３２重量％Ｃ、≦０．１５重量％Ｓｉ、０．１５〜０．４０重量％Ｍｎ、≦０．０１０重量％Ｐ、≦０．００７重量％Ｓ、１．２０〜１．８０重量％Ｃｒ、０．２５〜０．４５重量％Ｍｏ、２．４０〜３．１０重量％Ｎｉおよび０．０５〜０．１５重量％Ｖを含む。
２２ＣｒＮｉＭｏ９‐９：この材料は、０．２２〜０．２５重量％Ｃ、≦０．１５重量％Ｓｉ、０．１５〜０．４０重量％Ｍｎ、≦０．０１０重量％Ｐ、≦０．００７重量％Ｓ、２．００〜２．６０重量％Ｃｒ、０．５０〜０．９０重量％Ｍｏ、２．００〜２．５０重量％Ｎｉおよび０．０５〜０．１５重量％Ｖを含む。
図２に温度線図が軸１の縦方向で示してある。流入部６の本発明により使用される材料２２ＣｒＮｉＭｏＷＶ８‐８によって軸１は流体機械の流入領域２において温度＞３５０℃で作動させることができる。温度は縦方向に見て両方の流出領域４において低下する。本発明により使用される材料２２ＣｒＮｉＭｏＷＶ８‐８によって達成可能な温度曲線９が図２に破線で示してあり、３５０℃の値を上まわらない従来の温度曲線１０が下方に示してある。
こうして提供される改良された軸１は流入領域において、流入部６の本発明により使用される材料２２ＣｒＮｉＭｏＷＶ８‐８のゆえに一層高い温度負荷（＞３５０℃）に曝すことができる。好ましいことに、溶接部８は＜３５０℃の温度領域に配置されている。
流体機械の低圧領域の軸を半横断面図で示す。 温度線図である。
符号の説明
１ 軸
２ 流入領域
６ 流入部
７ 流出部
Ｘ 中心軸線

Claims (5)

  1. 低圧領域を有し、少なくとも１つの軸（１）を備えた流体機械であって、低圧領域が流入領域（２）を有し、少なくとも流入領域（２）に配置されるその流入部（６）において軸（１）が耐熱材料を有するものにおいて、流入部（６）に向き合わせて配置される流出部（７）において軸（１）が材料２６ＮｉＣｒＭｏＶ１４‐５または２６ＮｉＣｒＭｏＶ１１‐５または２２ＣｒＮｉＭｏ９‐９を有し、かつ、軸（１）がその流入部に材料２２ＣｒＭｏＮｉＷＶ８‐８を有する流体機械。
  2. 流入部（６）に向き合わせて配置される流出部（７）に軸（１）が低温靭性材料を有する請求項１記載の流体機械。
  3. 軸（１）が流入部（６）と流入部のそれぞれ両側に付設された流出部（７）とからなる複数の部分で形成されている請求項１または２に記載の流体機械。
  4. 流入部（６）が、これと向き合う流出部（７）と材料結合されている請求項３記載の流体機械。
  5. 流入部（６）がディスク体として製造されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の流体機械。
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