JP5718262B2 - 耐エロージョン性を有する蒸気タービン動翼とその製造方法、それを用いた蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、エロージョンを受けやすい翼先端部を硬化して、耐エロージョン性を付与した蒸気タービン動翼とその製造方法、それを用いた蒸気タービンに関する。

近年、省エネルギー（例えば、化石燃料の節約）、地球温暖化防止（例えば、ＣＯ₂ガスの発生量抑制）の観点から火力発電プラントの効率向上（例えば、蒸気タービンにおける効率向上）が望まれている。蒸気タービン動翼の長大化は、蒸気タービンの効率を向上させる有効な手段の１つである。また、蒸気タービン動翼の長大化は、車室数の低減によって設備建設期間の短縮やそれによるコスト削減という副次的な効果も期待できる。

翼先端部の周速は長大翼ほど大きく、湿り蒸気中で使用される蒸気タービン動翼では水滴による浸食（エロージョン）が問題となる。翼先端部には、エロージョンを防ぐためにコバルト基合金製のエロージョンシールドがＴＩＧ溶接や電子ビームなどの方法により取り付けられている。

例えば特許文献１には１２Ｃｒ鋼製動翼にエロージョンシールドをインコネル系の溶接棒を用いてＴＩＧ溶接で取り付ける方法が開示されている。特許文献２には段違いにエロージョンシールドを加工し、翼の背側、腹側の両面からインコネル系のシム材を挟み込み、翼とエロージョンシールド間の延靭性を高めるために各１パスで電子ビーム溶接する方法が開示されている。溶接によるエロージョンシールド取り付けは入熱による翼変形が大きく、翼の曲り直しが必要になるため、加工工数やコスト増加が問題となる。また、耐エロージョン性向上のために硬質膜をＰＶＤなどでコーティングするが、使用中に硬質膜の剥離が生じる場合がある。また、翼全体を熱処理で高硬度化した場合、翼疲労強度が低下し疲労破壊に至る可能性がある。従って、エロージョンシールドなどを取り付けることなく、翼基材が靱性に優れるとともに翼先端部のみ硬い蒸気タービン翼が好ましい。特許文献３には、析出硬化型ステンレス鋼製の翼先端部を局所加熱し、低温時効処理により高硬度化して耐エロージョン性を高める方法が開示されている。しかしながら、この方法は硬度上昇量が低く、耐エロージョン性が十分ではない。

特開２００１−９８３４９号公報 特開平５−２３９２０号公報 特開２００４−５２６７３号公報

本発明の目的は、耐エロージョン性に優れる蒸気タービン動翼とその製造方法、それを用いた蒸気タービンを提供することにある。

耐エロージョン性を有する蒸気タービン動翼は、蒸気タービン動翼の少なくとも翼先端部が硬化されており、前記動翼は析出硬化型マルテンサイト鋼で構成され、前記翼先端部の残留γ量が翼基材部よりも低いことを特徴としている。

本発明によれば、翼基材の靭性を損なうことなく、耐エロージョン性に優れる蒸気タービン動翼が提供できるため、蒸気タービン発電プラントの高信頼性化に有効である。

本発明に係る蒸気タービン長翼の１例を示す斜視模式図である。 本発明に係る低圧段ロータの１例を示す模式図である。 本発明に係る蒸気タービンの１例を示す模式図である。 本発明に係る発電プラントの１例を示す模式図である。 本発明に係る動翼の熱処理を示す図である。

以下、エロージョンが問題となる翼先端部を硬化熱処理した析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼製の蒸気タービン動翼について説明する。

（材質） 低圧蒸気タービンの最終段翼材質はタービン翼に使用されている析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼が望ましい。熱処理条件を工夫することでマトリクスや析出物を制御でき、局所的な硬さの調整が可能になる。

（特性） 低圧蒸気タービンの最終段翼は、高速回転による高い遠心力と振動応力に耐えるため引張強さが高いことと同時に、高サイクル疲労強度が高くなければならない。マルテンサイト系析出強化鋼は、有害なδフェライトが存在すると、疲労強度を著しく低下させるので、時効処理後の組織はδフェライト相を実質的に含まないようにすることが好ましい。残留γは靭性を向上するため翼基材部には１０％以下含まれることが望ましい。しかしながら、残留γは低硬度な組織であり、耐エロージョン性を低下させる。翼先端部の残留γ量は翼基材部よりも１割以上低いことが好ましい。

（熱処理） 翼先端部の局所熱処理は、まず、翼全体を８５０〜１１００℃で溶体化処理し、析出物をマトリクス中に溶け込ませる。次いで、翼先端部を８５０〜１１００℃（第一の温度）で加熱してマトリクスをオーステナイトにした後に、５００〜７５０℃（第二の温度）で保持することで、Ｎｉを主体とした強化相がオーステナイト中に析出しマルテンサイト変態点が上昇する。このため、翼先端部は翼基材部よりも残留γの量が少なくなる。翼先端部の局所加熱は、高周波加熱またはレーザ加熱などを用いることが好ましい。最後に、翼全体を５００〜６５０℃かつ第二の温度よりも低い温度で時効処理することで、翼先端部を硬化熱処理した析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼製蒸気タービン動翼が得られる。

（製品） 本発明に係る低圧蒸気タービンは、回転数が３０００rpmまたは３６００rpmであり、前記動翼は左右対称に各５段以上、好ましくは６段以上、より好ましくは８〜１０段有し、ロータシャフト中心部に初段が植設された複流構造であり、前記ロータシャフトは軸受中心間距離（Ｌ）が６５００mm以上（好ましくは６６００〜７５００mm）が好ましい。翼部長さは初段が９０mm以上が好ましい。前記ロータシャフトは、該ロータシャフト内中心部の室温の０.０２％耐力が８０kg／mm²以上、０.２％耐力が８７.５kg／mm²以上又は引張強さが９２kg／mm²以上及びＦＡＴＴが−５℃以下又は２０℃Ｖノッチ衝撃値が１０kg・ｍ／cm²以上であるベイナイト鋼よりなることが好ましい。

以下、実施例を説明する。
〔実施例〕
（実施例１）
本実施例における蒸気タ―ビン長翼について説明する。

蒸気タービン長翼材は、析出強化型マルテンサイト系ステンレス鋼として、質量で、０.１％以下のＣ、０.１％以下のＮ、９.０％以上１４.０％以下のＣｒ、９.０％以上１４.０％以下のＮｉ、０.５％以上２.５％以下のＭｏ、０.５％以下のＳｉ、１.０％以下のＭｎ、０.２５％以上１.７５％以下のＴｉ、０.２５％以上１.７５％以下のＡｌを含み残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鋼を用いた。

蒸気タービン長翼の製造は、インゴットを真空アーク再溶解法により溶製し、鍛造は４３インチ翼型を用いて８５０〜１１５０℃の温度範囲内で行った。鍛造後に行った熱処理は、まず、析出物をマトリクス中に溶かしこむ溶体化処理を共通して約９３０℃で１時間保持してから油冷することで行った。鍛造後に行った熱処理および、翼基材部、翼先端部の硬さと残留γ量を測定した結果を表１に示す。

本発明の熱処理であるNo.１〜No.３の各特性は目標を満足した。一方、比較例であるNo.４、No.５の熱処理のうちNo.４の熱処理では、翼先端部の残留γ量、硬さが翼基材部とほぼ変わらず、局所硬化されていなかった。No.５の熱処理では、時効温度が第二の温度より高かったため、翼先端部の硬さは翼基材部とほぼ変わらず局所硬化されていなかった。本発明の熱処理の代表として、No.１の熱処理フローを図１に示す。

（実施例２）
本実施例における蒸気タービン動翼について説明する。図２は本発明の局所硬化熱処理を適用した４３インチの蒸気タービン長翼（符号２０）である。長翼は、蒸気を受ける翼プロファイル部（符号２１）、ロータに翼を植込む翼根部（符号２２）、捩りによって隣接する翼と一体化するためのスタブ（符号２３）、コンティニュアスカバー（符号２４）から構成される。この蒸気タービン長翼は翼根部が逆クリスマスツリー形状のアキシャルエントリータイプである。翼先端部（符号２５）を高周波加熱やレーザ加熱により局所硬化する。

（実施例３）
本実施例における低圧ロータについて説明する。図３は本発明の長翼を適用した低圧段ロータ（符号３０）を示す。この低圧段ロータは複流構造のものであり、長翼は左右対称に長翼植込み部（符号３１）に複数段にわたって設置される。前述した長翼は最終段に設置されるものである。

（実施例４）
本実施例における蒸気タービンについて説明する。図４は本発明の蒸気タービン動翼を適用した一体型低圧段タービン（符号４０）である。動翼（符号４１）は左右に８段あり、左右ほぼ対称になっており、また動翼に対応して静翼（符号４２）が設けられる。本実施例における軸受（符号４３）での中心間距離は７５００mmで、静翼部に対応するロータシャフト（符号４４）の直径は約１２８０mm、動翼植込み部での直径は２２７５mmである。ノズルボックス（符号４５）は複流型である。本実施例の低圧ロータは動翼植込み部の軸方向の幅が初段〜３段、４段、５段、６〜７段及び８段の４段階で徐々に大きくなっており、最終段の幅は初段の幅に比べ約２.５倍大きくなっている。

また、静翼部に対応する部分の直径は小さくなっており、その部分の軸方向の幅は初段動翼側から５段目、６段目及び７段目の３段階で徐々に大きくなっており、最終段側の幅は初段と２段の間に対して約１.９倍大きくなっている。

動翼の植込み部は静翼に対応する部分に比較して直径が大きくなっており、その幅は動翼の翼部長さの大きい程その植込み幅は大きくなっている。その幅の動翼の翼部長さに対する比率は初段から最終段で０.１５〜０.１９であり、初段から最終段になるに従って段階的に小さくなっている。

また、各静翼に対応する部分のロータシャフトの幅は初段と２段目との間から最終段とその手前との間までの各段で段階的に大きくなっている。その幅の動翼の翼部長さに対する比率は０.２５〜１.２５で上流側から下流側になるに従って小さくなっている。

（実施例５）
本実施例における低圧段ロータについて説明する。図５は本発明の低圧段蒸気タービンを適用した発電プラント（符号５０）である。ボイラ（符号５１）で発生した高温高圧蒸気は高圧段タービン（符号５２）で仕事をした後、ボイラで再加熱される。再加熱された蒸気は中圧段タービン（符号５３）で仕事をした後、更に低圧段タービン（符号５４）で仕事をする。蒸気タービンで発生した仕事は、発電機（符号５５）で電力に変えられる。低圧段タービンを出た蒸気は、復水器（符号５６）に導かれる。

本発明の局所硬化処理方法は、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を利用した蒸気タービン動翼ピン材などにも適用できる。

２０ 蒸気タービン長翼
２１ 翼プロファイル部
２２ 翼根部
２３ スタブ
２４ コンティニュアスカバー
２５ 翼先端部
３０ 一体型低圧段タービンロータ
３１ 蒸気タービン長翼植込み部
４０ 一体型低圧段タービン
４１ 動翼
４２ 静翼
４３ 軸受
４４ ロータシャフト
４５ ノズルボックス
５０ 発電プラント
５１ ボイラ
５２ 高圧段タービン
５３ 中圧段タービン
５４ 低圧段タービン
５５ 発電機
５６ 復水器

Claims (7)

1. 蒸気タービン動翼の少なくとも翼先端部が硬化されており、
   前記動翼は析出硬化型マルテンサイト鋼で構成され、
   前記翼先端部の残留γ量が翼基材部よりも低いことを特徴とする耐エロージョン性を有する蒸気タービン動翼。
2. 請求項１において、前記翼先端部の残留γ量が翼基材部よりも１割以上低いことを特徴とする耐エロージョン性を有する蒸気タービン動翼。
3. 請求項１または２において、前記翼先端部の硬さが翼基材部よりも５０ＨＶ高いことを特徴とする耐エロージョン性を有する蒸気タービン動翼。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の耐エロージョン性を有する蒸気タービン動翼の製造方法であって、
   翼全体を８５０〜１１００℃で溶体化処理した後に、翼先端部を局所的に８５０〜１１００℃（第一の温度）で保持してから続けて５００〜７５０℃（第二の温度）で保持した後に、室温以下まで冷却し、最後に翼全体を５００〜６５０℃かつ前記第二の温度よりも低い温度で時効処理することを特徴とする耐エロージョン性を有する蒸気タービン動翼の製造方法。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の耐エロージョン性を有する蒸気タービン動翼を具備したことを特徴とする蒸気タービン低圧段ロータ。
6. 請求項５に記載の蒸気タービン低圧段ロータを具備したことを特徴とする蒸気タービン。
7. 請求項６に記載の蒸気タービンを具備したことを特徴とする蒸気タービン発電プラント。