JP5112103B2

JP5112103B2 - 蒸気タービン翼およびその表面改質方法

Info

Publication number: JP5112103B2
Application number: JP2008033286A
Authority: JP
Inventors: 明田中; 国彦和田; 顕生佐谷野; 和宏齊藤; 義康伊藤; 格村上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: JP2009191733A

Description

本発明は、蒸気タービンに用いられる静翼、動翼およびこれら蒸気タービン翼の表面改質方法に関する。

蒸気タービンに用いられる静翼、動翼は、運転中に液滴化した蒸気や蒸気の流れの中に混在する酸化鉄等の固体粒子との衝突によりエロージョン（侵蝕）が発生しやすい。また液滴下におけるコロージョン（腐蝕）の問題がある。これらの問題に対する対策としてはエロージョンが発生しやすい部位にコーティングによるエロージョンシールドを備えたものや、肉盛溶接、電子ビーム照射あるいはレーザー照射により焼き入れ処理を施したものがある。これらに関する発明考案事例としては、電子ビーム照射による特許文献１、レーザー照射による特許文献２および親水性コーティングを施した特許文献３がある。
特開２００４−２７２６１号公報特開２００５−２２６５３９号公報特開２００７−１２０４７８号公報

上記のように、蒸気タービン翼への耐エロージョン対策の一つとしてコーティング処理を施すが、運転時間や環境によってコーティング皮膜が時間の経過とともに剥がれるおそれがある課題がある。また肉盛溶接等の対策は翼に均一厚さで施工するのが難しく、溶接入熱によっては、肉厚の薄い翼には溶接による変形が生じる可能性がある課題がある。また電子ビーム照射やレーザー照射は局部的な高硬度層の形成には有効であるが、耐エロージョンのみに有効であり、コロージョン防止の親水性等の効果は低いという課題がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、耐エロージョン性と耐コロージョン性に優れた蒸気タービン翼およびその表面改質方法を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明の蒸気タービン翼は、エロージョンまたはコロージョンが発生する部位に、電子ビーム照射条件を加速電圧１０ｋｖ〜５０ｋｖ、照射回数１０回〜５０回、照射距離２０ｍｍ〜８０ｍｍ、エネルギー密度を１Ｊ/ｃｍ ^２〜１５Ｊ/ｃｍ ^２とした電子ビーム照射により表面改質処理を施して形成した高硬度層を有し、この高硬度層は平滑化した表面を有することを特徴とする。
また、本発明の蒸気タービン翼の表面改質方法の発明は、蒸気タービン翼表面のエロージョンまたはコロージョンが発生する部位に、電子ビーム照射条件を加速電圧１０ｋｖ〜５０ｋｖ、照射回数１０回〜５０回、照射距離２０ｍｍ〜８０ｍｍ、エネルギー密度を１Ｊ/ｃｍ ^２〜１５Ｊ/ｃｍ ^２とした電子ビームを照射することにより、当該部位に平滑化した高硬度層を形成することを特徴とする。

本発明の蒸気タービン翼の表面改質方法は、上記部位以外を電子ビーム照射防止材でマスキングすることを特徴とする。

また本発明の蒸気タービン翼の表面改質方法は、前記微粒子をショットブラストにより翼表面に散布することを特徴とする。

本発明によれば、耐エロージョン性と耐コロージョン性に優れた蒸気タービン翼およびその表面改質方法を提供することができる。

以下、本発明の蒸気タービン翼およびその表面改質方法の第１ないし第１０の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、本実施形態においては以下に示す第１ないし第９の実施の形態を適宜組合わせることができる。

（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態の蒸気タービン翼を示す。図１において、蒸気タービン翼１は蒸気により軸動力を得る蒸気タービンに用いられる動翼または静翼である。蒸気タービン翼１に発生するエロージョンは流入する蒸気の入口側に発生することから、翼前縁部２に電子ビーム照射による表面改質処理を施す。この表面改質処理は、電子ビームの照射により急加熱、急冷することにより高硬度層３が形成される。この高硬度層３により、液滴化した蒸気や蒸気の流れに混在する酸化鉄等の固体粒子との衝突による磨耗が抑制される。

このように本実施の形態によれば、蒸気タービン翼１のエロージョンが発生する部位に電子ビーム照射することによって表面改質処理が施され、高硬度層３が形成されることによりエロージョンによる翼表面の磨耗を抑制することが可能となる。

（第２の実施の形態）
つぎに同じく図１を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。本実施の形態は、電子ビームの照射により表面改質処理されて形成される高硬度層３の厚さをミリ単位からミクロン単位までにコントロールする。例えばミリ単位の高硬度層３を形成する場合はドットタイプ電子ビーム照射を行い、照射速度とドット面積により高硬度層３のコントロールを行う。ドットタイプの場合は照射面積がたとえば直径０．１ｍｍと絞られるためにエネルギーが集中され深い層まで改質可能である。また、ミクロン単位の高硬度層３を形成する場合は大面積ビーム（例えば直径６０ｍｍ）によるパルスビーム（２〜３μｓ）の照射をすることにより、広範囲な面積を瞬間的に照射するため、比較的浅い高硬度層３を形成することが可能である。
このように本実施の形態によれば、電子ビームの照射条件を変更することにより、得られる高硬度層３の厚さをミクロン単位からミリ単位の幅でコントロールすることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は図２に示すように、蒸気タービン翼１において、エロージョンまたはコロージョンが発生する箇所以外に電子ビーム照射防止材６でマスキングを施して電子ビーム照射を行なうことによって表面改質処理を施し、表面改質層５を形成させる。大面積ビームでパルス型の電子ビームを照射するとき、エロージョンが発生するおそれのある部位のみ開口させた布、ビニールテープ等を翼表面に貼り付けることにより、開口している部分のみ電子ビームが照射されるので簡便に局部的な表面改質処理を施すことができる。また広範囲な表面改質処理を施したい場合には、改質したくない部位のみ電子ビームの照射を防止する布、ビニールテープ等でマスキングすることにより、局部的に電子ビーム照射を防止することができる。
このように本実施の形態では、蒸気タービン翼表面をマスキングすることにより電子ビームの照射部位を簡便に設定することが可能となる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態は、蒸気タービン翼に電子ビーム照射により平滑化加工を施す。蒸気タービン翼は表面の加工が重要である。特に効果的に蒸気の湿りの影響を低減させ高効率かつ高信頼性を有するタービン翼が必要である。本実施の形態は大面積のパルス電子ビーム（２〜３μｓ）を照射することによって表面を溶融させ、表面の凹凸を緩和して平滑化する。このときの電子ビーム照射条件は、実験により以下のような範囲がよいことが分かった。
加速電圧：１０ｋｖ〜５０ｋｖ
照射回数：１０回〜５０回
照射距離：２０ｍｍ〜８０ｍｍ
エネルギー密度：１Ｊ／ｃｍ²〜１５Ｊ／ｃｍ²

上記の照射条件であれば、タービン翼表面の電子ビーム照射による溶融・蒸発除去がごく表面で行なわれ、その結果、照射前の表面粗さが１０μｍ〜２０μｍであったものが、照射後では１μｍ〜３μｍ程度に平滑化する。

このように本実施の形態ではショット研磨等の加工方法の代わりに大面積のパルス電子ビ−ムを照射することにより翼表面を広範囲にかつ短時間で平滑化することが可能であり、表面が平滑化されたことにより親水性が向上した蒸気タービン翼が得られる。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態は、蒸気タービン翼に照射する電子ビームの密度、照射速度、照射回数等の照射条件をコントロールすることによって、蒸気タービン翼の任意の範囲に任意の硬度を有する高硬度層を形成する。ドットタイプの電子ビーム照射によれば、例えばビーム径０．１〜０．３ｍｍを高速で移動させることによる表面改質処理が可能なため、翼表面の任意の範囲で任意の硬度を有する高硬度層を形成させることが可能である。

このように本実施の形態では電子ビームの照射密度、照射速度、照射回数等を制御することによって、蒸気タービン翼の任意の範囲に任意の硬度を有する高硬度層を形成することが可能となり、耐コーロジョン性を効率的に向上させた蒸気タービン翼を提供することができる。

（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態は、蒸気タービン翼に照射する電子ビームの照射密度、照射速度、照射回数等の照射条件を制御することによって、蒸気タービン翼の任意の範囲に圧縮残留応力部を形成する。蒸気タービン翼は耐エーロジョン性を向上させるため、高硬度層を有することが重要であるが、表面に引張応力が生じていると疲労強度上の観点からき裂進展が問題となる。しかし、表面が圧縮応力であればき裂発生においても進展を抑制することが可能となる。電子ビーム照射における密度や速度等は表面の急熱、急冷状態に大きく影響するため、照射条件を制御することによって表面に圧縮残留応力を発生させた圧縮残留応力部を形成することができる。

このように本実施の形態では電子ビームの照射密度、照射速度、照射回数等を制御することによって、表面の任意の範囲に圧縮残留応力を形成した蒸気タービン翼構造を提供することができる。

（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態は、蒸気タービン翼に照射する電子ビームの照射密度、照射速度、照射回数等を制御することによって、蒸気タービン翼の任意の範囲に部分ごとの必要度に応じた平滑化加工を施す。空力的な損失や信頼性の低下、大幅なコストアップを伴うことなく、効果的に湿りの影響を低減させ高効率かつ高信頼性を得るためには、翼の蒸気通路部に親水性処理を施すことが有効である。電子ビーム照射では密度および照射速度、回数により表面の凹凸を溶融させ平滑化することができる。従って、親水性コーティング等の処理の代わりに電子ビーム照射により、またその照射条件を制御することにより、平滑度を向上させ親水性の高い翼表面を得ることができる。

このように本実施の形態では電子ビームの照射密度、照射速度、照射回数等を制御することによって、表面の任意の範囲に平滑化層を形成した蒸気タービン翼を提供することができる。

（第８の実施の形態）
図３に本発明の第８の実施の形態を示す。本実施の形態は、蒸気タービン翼１の表面に翼金属部材と組成が異なる微粒子状の粉末材料４を分散させ、その部分に電子ビーム照射を行い、粉末材料４の一部を溶融させ表面改質層５を形成する。即ち蒸気タービン翼１の表面に例えば鉄基合金系の粉末材料４を分散させ、その表面に電子ビームを照射させ粉末材料４を溶融させることによって蒸気タービン翼１の表面に肉盛溶接と同様な表面改質層５を形成する。

このように本実施の形態では、蒸気タービン翼の表面に翼金属部材と組成が異なる粉末材料４を分散させ電子ビーム照射により溶融させることよって、簡便にかつ溶接での施工と比較して入熱量が低いため溶接変形等の問題を生じることなく、翼表面に表面改質層５を形成することができる。

（第９の実施の形態）
本発明の第９の実施の形態は、蒸気タービン翼の表面に翼金属部材と組成が異なる微粒子をショットブラスト等により付着させた後、電子ビーム照射を行い、微粒子の一部を溶融させて表面改質層を形成する。即ち、翼金属部材と組成が異なる材料をショットブラスト等により蒸気タービン翼表面に分散付着させ、その後電子ビーム照射により微粒子部を溶融させることによってより強固に翼表面に表面改質層を形成させることができる。

このように本実施の形態では、蒸気タービン翼表面に翼金属部材と組成が異なる微粒子を分散させ電子ビーム照射により溶融させることよって、簡便にかつ溶接での施工と比較して入熱量が低いため溶接変形等の問題を生じることなく、翼表面に表面改質層を形成することができる。

（第１０の実施の形態）
本発明の第１０の実施の形態は、上記第１ないし第９の実施の形態において、予めシミュレーションによって最適な電子ビーム照射条件を決定するものである。表面改質処理による高硬度層および平滑化表面の形成には電子ビームの密度や照射速度、回数等が大きく影響する。しかし、要求される硬度や平滑度、および圧縮残留応力を形成させるためには数多くの実験が必要となり費用および工数が多大なものとなる。シミュレーションでは翼や微粒子粉末の材料データさえ準備すれば、２次元の簡便なモデルで解析が可能であり、また電子ビーム照射のシミュレーション手法を確立することにより、表面改質材が変わった場合でも即座に対応でき、プロセスの最適化が手間をかけずに実施できる特徴がある。

このように本実施の形態では、蒸気タービン翼に照射する電子ビームの最適な照射条件を予めシミュレーションによって決定することができ、電子ビーム照射のプロセス工程を最適化することができる。

本発明の第１の実施の形態の蒸気タービン翼を示す斜視図。本発明の第３の実施の形態の蒸気タービン翼の表面改質方法を示す断面図。本発明の第８の実施の形態の蒸気タービン翼の表面改質方法を示す断面図。

符号の説明

１…蒸気タービン翼、２…翼前縁部、３…高硬度層、４…粉末材料、５…表面改質層、６…電子ビーム照射防止材。

Claims

蒸気タービン翼表面のエロージョンまたはコロージョンが発生する部位に、電子ビーム照射条件を加速電圧１０ｋｖ〜５０ｋｖ、照射回数１０回〜５０回、照射距離２０ｍｍ〜８０ｍｍ、エネルギー密度を１Ｊ/ｃｍ ^２〜１５Ｊ/ｃｍ ^２とした電子ビームを照射することにより、当該部位に平滑化した高硬度層を形成することを特徴とする蒸気タービン翼。
蒸気タービン翼表面のエロージョンまたはコロージョンが発生する部位に、電子ビーム照射条件を加速電圧１０ｋｖ〜５０ｋｖ、照射回数１０回〜５０回、照射距離２０ｍｍ〜８０ｍｍ、エネルギー密度を１Ｊ/ｃｍ ^２〜１５Ｊ/ｃｍ ^２とした電子ビームを照射することにより、当該部位に平滑化した高硬度層を形成することを特徴とする蒸気タービン翼の表面改質方法。
上記部位以外を電子ビーム照射防止材でマスキングすることを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン翼の表面改質方法。
電子ビーム照射を行う前に翼表面に翼金属部材と組成の異なる微粒子を散布することを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン翼の表面改質方法。
前記微粒子をショットブラストにより翼表面に散布することを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン翼の表面改質方法。