JP5377297B2 - シャフト段付部に圧縮残留応力を導入する方法 - Google Patents

Description

本発明は、異なる径の段部を順次設けた段付きシャフトとして構成されているシャフトのシャフト段付部に圧縮残留応力を導入する方法であって、それぞれ隣接し合う段部の間に径移行部または段付部領域が配置されている、前記方法に関するものである。

この種のシャフトは公知であり、たとえば低圧部分（ＮＤ）を有している流体機械、たとえば蒸気タービンに使用され、その結果この種のシャフトはＮＤシャフトと呼ばれることもある。シャフトは動翼を支持しており、動翼は付設の静翼とともに翼格子を形成し、この翼格子を流動媒体、たとえば蒸気が貫流する。

シャフトは、流体機械の特に低圧部分において、耐冷特性を持つ基本材料から成り、たとえばＮＤシャフトを製造するために２−３．５−ＮｉＣｒＭｏＶスチールが使用される。

流動媒体の一部は腐食性媒体として流体機械の部品に作用し、たとえばロータ円盤の円盤、或いは、シャフトの表面付近領域、特に低圧タービン部分のシャフトの表面付近領域に作用する。この腐食性媒体の影響によって基本材料の疲労強度が著しく低減することがある。基本材料の疲労強度の低減、たとえば低圧タービン部分におけるシャフトの疲労強度の低減は、シャフトの寿命をも低減させるので不具合である。

この問題を解決するため、腐食性媒体を作用させて疲労限界試験を行なうことが知られている。この場合、計算に使用するために（周囲空気よりも低減された）設計データが作成される。他方、たとえば、仕上げ加工した状態で或いはシャフトに仕上げの最終輪郭加工を施す際に、タンブリングまたはショットピーニングによって低圧部の爪部および溝領域に圧縮残留応力を導入することにより、運転時の応力を低減させることも知られている。また、適切な熱処理によってシャフトの段付部のない領域に圧縮応力を導入することも可能である。シャフトを製造する場合、最大公差を厳守しなければならないが、この場合部品の寿命、特にシャフトの寿命は、存在している径移行部または段付部領域から出ているクラックによって減少することがある。特に径移行部または段付部領域においてクラックが生じやすければ、シャフトの寿命に影響する（部品故障）ので極めて不具合である。

本発明の課題は、冒頭で述べた種類の、シャフトのシャフト段付部に圧縮残留応力を導入する方法を、腐食および動的荷重による部品故障に対する耐性が著しく改善されるように、簡単な手段で改善することである。

この課題は、本発明によれば、シャフトの径移行部または段付部領域を、最後の焼き戻し処理（例えば、焼入れ・焼き戻しの熱処理）を行なった後に、たとえば焼き戻し温度で、および／または、焼き戻し温度以下で急冷制御することによって解決される。

これにより、シャフトは、特にそのシャフト段付部において、たとえば湿り蒸気による疲労強度低減から保護される。この場合、たとえば保護層を被着させる以外に、有利には本発明にしたがって径移行部または段付部領域で圧縮残留応力を合目的に増大させる方法が実施される。

好ましくは、径移行部または段付部領域に、急冷を行なうために、目的に応じて冷却液または急冷媒体を噴霧する。他方、制御された急冷のために、シャフト全体を浸漬浴に入れてもよい。

また、圧縮残留応力を導入するという目的のためだけに、焼き戻し処理の後に別個の熱処理を行なってもよい。この場合、目標とする機械的特性に影響しないようにするため、最後の熱処理温度から十分隔たりのある温度であって、しかしながら所望の効果を得るために十分高い温度を選定するのが合目的である。

急冷用の冷却液または急冷媒体としては、適切な媒体であればいかなるものを選定してもよいが、好ましくは水である。しかし空気と水の混合物、適切なポリマーまたはオイル、或いはエマルジョンを冷却液または急冷媒体として使用してもよい。

急冷（噴霧または浸漬）後に部品またはシャフトに反りが生じた場合にこれを補償することができるよう保証するため、本発明によれば、径移行部または段付部領域は、熱処理輪郭において仕上げの最終輪郭を考慮して備えさせたゆとりをもって形成されており、仕上げの最終輪郭を形成させる際に、急冷を行なった後に、熱処理輪郭を除去すると好都合である。仕上げ加工の後、ないしは、仕上げの最終輪郭を形成させた後、所定のゆとりにより、まだ十分に高い圧縮残留応力が所定の深部効果をもってシャフト表面に、特に移行半径部（径移行部または段付部領域）に維持される。

本発明によれば、合目的には、シャフトの最終的な輪郭を考慮したゆとりは、仕上げ時に、最大で１０ないし４０ｍｍの値を有する。

有利には、径移行部または段付部領域が、その熱処理輪郭において、２５ないし５０ｍｍの値Ｒを持つ半径を有しているのがよい。したがって、シャフトの調質熱処理輪郭の半径部（径移行部または段付部領域）は、特に、仕上げ輪郭に必要な圧縮残留応力および深さ分布の関数としての所定の寸法をもって実施される。

総じて、本発明による方法によれば、シャフトの停止時および運転時の局部的な応力負荷の低減が達成される。加えて、半径部または径移行部におけるクラック発生度合が減少し、このためシャフトまたは本発明にしたがって処理される部品の寿命が改善または延長される。シャフトを合目的に急冷することにより、−１００ないし−４００ＭＰａの圧縮残留応力をシャフト表面に、特に径移行部または移行半径部に合目的に発生させることによって、処理部品またはシャフトの表面付近に比較的大きな欠陥部位があっても許容することができ、その結果製造プロセスに起因する可能な欠陥部位に対し小さな公差を必ずしも厳守する必要がないので、総じてシャフトは安価に製造される。

本発明の他の有利な構成は従属項および以下の図面を用いた説明に開示されている。

図１はシャフト１の部分図である。シャフト１は、中心軸線Ｘに関し異なる径Ｄ１ないしＤ４の順次連なる段部２を備えた段付きシャフトとして実施され、４個の段部２が例示されている。例示したシャフト１は流体機械の、たとえば蒸気タービンの低圧タービン部分の低圧部分の構成部材である。シャフト１はたとえば耐冷特性を備えた材料から製造され、たとえばＮＤシャフトを製造するために２−３．５−ＮｉＣｒＭｏＶスチールが使用される。しかし、もちろんシャフトを他の材料または材料の組み合わせから製造してもよい。

それぞれ２つの隣接しあっている段部２の間には径移行部３または段付部領域が配置されている。径移行部３は中心軸線Ｘに関しわずかに該中心軸線Ｘの方向へ半径Ｒで湾曲するように、或いは、凸状になるように実施されている。

−１００ないし−４００ＭＰａの圧縮残留応力をシャフト表面に、特に径移行部３すなわち移行半径部に合目的に発生させるため、径移行部または段付部領域は、加工熱処理工程の一部として、ないしはシャフトの加熱後に、急冷制御される。

有利には、径移行部３または段付部領域を、最後の焼き戻し処理を行った後に焼き戻し温度で急冷制御するのがよい。もちろん、別個の工程段階として焼き戻しを行なった後に引き続き別個の加熱および急冷を行なってもよい。

図１に図示した実施形態の場合、最後の焼き戻し処理を行った後に焼き戻し温度で急冷制御するために、冷却液または急冷媒体を径移行部３の上へ噴霧する。これを扇状の噴霧線４で示した。急冷用の冷却液または急冷媒体としては、適当な媒体であればいかなるものを選定してもよいが、好ましくは水である。しかし空気・水混合物、適当なポリマーまたはオイル、或いはエマルジョンを使用してもよい。シャフト１全体を浸漬させてもよい。

図１に原理を図示した実施形態の場合、シャフト１は熱処理輪郭６を備えている。仕上げ輪郭（破線７、わかりやすくするため誇張して示した）を考慮して、すなわち蒸気タービンの低圧部分に組み込むために仕上げ加工した最終輪郭を備えている仕上げ加工後のシャフト１を考慮して、熱処理輪郭６はそれぞれのシャフト半径部ｒ１ないしｒ４（ｒ＝Ｄ／２）に最大で１０ないし４０ｍｍのゆとり８を有している。

すなわち、熱処理輪郭６に設けたシャフト１のゆとり８は、改質熱処理（焼き戻し処理）のために、仕上げの最終輪郭７に比べて有利にはそれぞれのシャフト半径部ｒまたはそれぞれの径移行部３において合目的には最大で１０ないし４０ｍｍだけ大きくなっている。これにより、急冷（噴霧または浸漬）後にシャフト１に反りが生じた場合にこれを補償できることが保証されている。

焼き戻し処理をたとえば２回行なう場合には、機械的加工を実施してもよい。ここで、改質熱処理を目的とした焼き戻し処理に引き続いて（圧縮）残留応力を発生させるために別個に熱処理を行った場合、ゆとりを適合させることができ、或いは、機械的加工を行うことができる。

仕上げ加工（仕上げの最終輪郭の形成）後には、前記最大のゆとり８により、まだ十分に高い圧縮残留応力が所定の深部効果をもってシャフト表面に維持され、特に移行半径部または径移行部３に維持される。熱処理輪郭６において半径Ｒはほぼ２５ないし５０ｍｍに等しいＲの値を持っている。

径移行部３からそれぞれの段部２へのそれぞれの移行部は、例示した実施形態では誇張して鋭利に図示されているが、少なくとも仕上げの最終輪郭を形成させるために適宜加工されることは言うまでもない。

流体機械または蒸気タービンの低圧部分のためのシャフトの原理図である。

１ シャフト
２ 段部
３ 径移行部（段付部）
６ 熱処理部輪郭
７ 最終輪郭
８ ゆとり
Ｄ 段部の径

Claims (6)

1. 異なる径（Ｄ）の段部（２）を順次設けた段付きシャフトとして構成されているシャフト（１）のシャフト段付部に圧縮残留応力を導入する方法であって、
   前記シャフトは、それぞれ隣接し合う段部（２）の間に径移行部（３）が配設されており、前記径移行部（３）を、最後の焼き戻し処理を行なった後に、圧縮残留応力を導入することが可能な温度に制御しつつ急冷する方法において、
   前記最後の焼き戻し処理を行なった後に加熱および急冷の別個の熱処理を行い、その熱処理温度は、前記最後の焼き戻し処理の温度以下に選定されることを特徴とする方法。
2. 径移行部（３）に、急冷を行なうために、急冷媒体を噴霧する、請求項１に記載の方法。
3. 径移行部（３）に、急冷を行なうために、浸漬工程によって冷却する、請求項１に記載の方法。
4. 径移行部（３）が、仕上げの最終輪郭（７）を考慮して備えさせたゆとり（８）をもって形成されており、仕上げの最終輪郭（７）を形成する際に、急冷を行なった後に、熱処理輪郭（６）を除去する、請求項１から３のいずれか一つに記載の方法。
5. シャフト（１）の仕上げの最終輪郭（７）を考慮したゆとり（８）が、仕上げ時に、最大で１０ないし４０ｍｍの値を有する、請求項４に記載の方法。
6. 径移行部（３）が、その熱処理輪郭（６）において、２５ないし５０ｍｍの値（Ｒ）を持つ半径を有している、請求項４または５に記載の方法。
   

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