JP6768671B2 - タービンロータの製造方法、及び、タービンの製造方法 - Google Patents

タービンロータの製造方法、及び、タービンの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、タービンに用いられるタービンロータの製造方法、及びタービンの製造方法に関する。
従来から、蒸気の圧力エネルギーを回転エネルギーとして取り出す蒸気タービンが知られている。この蒸気タービンのタービンロータは、高温の蒸気に晒されるため、高い耐高温性が要求される。例えば特許文献１にはタービンロータに用いられる材料として、このような耐高温性を向上させた低合金耐熱鋼が開示されている。
ところで、従来、大型の蒸気タービン（復水タービン）では、外径寸法が１０００ｍｍを超えるような大型のタービンロータが用いられている。このような大型のタービンロータでは、耐高温性を向上させるため、いわゆる傾斜焼き入れ（傾斜熱処理）という手法が用いられている。
傾斜焼き入れを行うことで、一本のタービンロータの部位毎に、タービンの高圧部及び低圧部でそれぞれ要求される耐高温性を持ったタービンロータを製造可能である。
特開２００２−２５６３７８号公報
ここで、上記の傾斜焼き入れを用いてタービンロータの製造を行うと、タービンの高圧部で要求される耐高温性を持つ領域と、低圧部で要求される耐高温性を持つ領域との間に、どちらの特性も有しない中間の領域としていわゆる遷移領域が形成される。しかしながら、中小型の蒸気タービンに用いられるタービンロータに上記の傾斜焼き入れを施すと、タービンロータの全長が短いため、タービンロータの全体が遷移領域となってしまい、タービンロータがタービンの高圧部及び低圧部のいずれの要求も満足できない特性を持ってしまう。即ち、従来の大型のタービンロータと同様に傾斜焼き入れを採用しても、耐高温性能を有する小型のタービンロータを製造することは非常に難しいといった問題がある。
本発明は、中小型のタービンに用いられる高低圧一体型のタービンロータとして、十分な耐高温性を有するタービンロータの製造方法を提供する。
本発明の第一の態様に係るタービンロータは、 重量％で炭素：０．２０％以上０．３５％以下、ケイ素：０％を超え０．３５％以下、マンガン：０％を超え１．００％以下、ニッケル：０．５０％以上１．５０％以下、クロム：２．００％以上２．５０％以下、モリブデン：０．９０％以上１．５０％以下、バナジウム：０．２０％以上０．３０％以下を含有する低合金鋼から、最大外径が５００ｍｍ〜１０００ｍｍロータ粗材を成形する成形工程と、前記ロータ粗材に、９４０℃以上９６０℃以下の温度範囲で加熱した後、２．０℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で２００℃以下になるまで冷却して、油焼き入れを施す焼入れ工程と、前記焼入れ工程の後に、６５５℃〜６６５℃の温度範囲で、かつ、数式Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ１０）で定義される焼き戻しパラメータＰが１９７００以上１９９００以下となる条件（Ｔは絶対温度（Ｋ）、Ｃは材料定数（Ｃ＝２０））で、前記ロータ粗材に焼き戻しを施す焼き戻し工程と、を含んでいる。
このような工程によってタービンロータを製造することで、中小型のタービンに用いられる最大外径寸法が１０００ｍｍ以下のタービンロータに十分な耐高温性を持たせることができる。即ち、中小型のタービンのタービンロータであっても、十分な高温クリープ強度、低温靱性、耐ＳＣＣ性（耐応力腐食割れ性）を持たせることができる。この結果、タービンの高圧部ではタービンロータのロータディスク（タービン動翼が固定される部分）の薄肉化が可能となり、タービン動翼の段数を増加させることができる。また、ロータディスクの薄肉化によってタービンロータでの回転負荷が低減され、信頼性の向上につながる。また、タービンロータの低温靱性の向上によって、タービンの低圧部では高応力の状態に対応可能となる。この結果、タービンロータの耐高温性能の不足のためにタービンの運転温度条件を調整する等の対策を講じる必要がなくなり、特にタービンの高圧側での温度を低く抑える必要がなくなり、タービン効率の向上につながる。
本発明の第二の態様に係るタービンの製造方法は、上記第一の態様におけるタービンロータの製造方法で得られるタービンロータの回転軸線の方向に並ぶように、前記タービンロータに複数の動翼列を固定する動翼列設置工程と、前記タービンロータ、及び、前記動翼列を前記回転軸線を中心として相対回転可能となるように、前記タービンロータを覆うケーシングを設けるケーシング設置工程と、前記ケーシングに、前記回転軸線の方向に前記動翼列と交互に配置されるように複数の静翼列を固定する静翼列設置工程と、を含んでいる。
このようなタービンの製造方法によれば、タービンロータを上記の製造方法で製造することで、中小型のタービンのタービンロータであっても、十分な高温クリープ強度、低温靱性、耐ＳＣＣ性（耐応力腐食割れ性）を持たせることができる。この結果、タービンの高圧部ではタービンロータのロータディスクの薄肉化が可能となり、タービン動翼の段数を増加させることができる。また、ロータディスクの薄肉化によってタービンロータでの回転負荷が低減され、信頼性の向上につながる。また、タービンの低圧部では、低温靱性の向上によって、高応力の状態に対応可能となる。
上記のタービンロータの製造方法、及び、タービンの製造方法によると、中小型のタービンに用いられる高低圧一体型のタービンロータとして、十分な耐高温性を有するタービンロータを製造することができる。
本発明の実施形態における蒸気タービンの概略断面図である。 本発明の実施形態における蒸気タービンの製造方法の手順を示すフロー図である。
〔実施形態〕
はじめに、図１を参照して本発明の実施形態に係るタービンの製造方法で製造される蒸気タービン１について説明する。
蒸気タービン１は、ケーシング１０と、ケーシング１０に流入する蒸気Ｓの量と圧力を調整する調整弁２０と、ケーシング１０の内方の内部空間に回転自在に設けられて、図示しない発電機等の機械に動力を伝達するタービンロータ３０と、ケーシング１０に固定された静翼列４０と、タービンロータ３０に固定された動翼列５０と、タービンロータ３０を回転軸線Ｏ回りに回転可能に支持する軸受部６０と、を備えている。
ケーシング１０は、その内部空間を気密に封止するように形成されて、蒸気Ｓの流路を画成している。
調整弁２０は、ケーシング１０に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気Ｓが流入する調整弁室２１と、弁体２２と、弁座２３と、蒸気室２４とを備えている。この調整弁２０では、弁体２２が弁座２３から離れることで蒸気Ｓの流路が開き、これによって、蒸気Ｓが蒸気室２４を介してケーシング１０の内部空間に流入する。
タービンロータ３０は、ロータ本体３１と、ロータ本体３１の外周から径方向外側に延出した複数のディスク３２とを備えている。このタービンロータ３０は、回転エネルギーを、図示しない発電機等の機械に伝達するようになっている。
軸受部６０は、ケーシング１０に固定されて、ジャーナル軸受装置６１及びスラスト軸受装置６２を備えており、ケーシング１０の内部に挿通されたタービンロータ３０を回転可能に支持している。
静翼列４０は回転軸線Ｏの方向に間隔をあけて複数が、ケーシング１０に固定されて設けられている。各々の静翼列４０は、タービンロータ３０を囲繞するように放射状に多数配置された複数の静翼４１を備えて環状静翼群を構成している。
そして、各静翼列４０は、蒸気Ｓの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、回転軸線Ｏの方向の下流側に隣接する後述する動翼列５０側に案内するようになっている。
動翼列５０は、タービンロータ３０におけるディスク３２の外周に複数が固定され、タービンロータ３０から径方向外側に延出している。これら動翼列５０は、ディスク３２に放射状に多数配置された複数の動翼５１を備えて環状動翼群を構成しており、各静翼列４０の下流側に交互に配置されている。
次に、蒸気タービン１の製造方法について図２を参照して説明する。
まずはじめに、タービンロータ３０の製造方法について説明する。
即ち、成形工程ＳＴ１を実行する。成形工程ＳＴ１では、重量％で炭素：０．２０％以上０．３５％以下、ケイ素０．３５％以下、マンガン：１．００％以下、ニッケル：０．５０％以上１．５０％以下、クロム：２．００％以上２．５０％以下、モリブデン：０．９０％以上１．５０％以下、バナジウム：０．２０％以上０．３０％以下、残部鉄および不純物（製造工程で混入が避けられないもの）を含有する低合金鋼から、最大外径寸法が１０００ｍｍ以下のロータ粗材３０Ａを鍛造により成形する。ここで、ロータ粗材３０Ａの最大外径寸法は、複数のディスク３２のうち、最も外径が大きいディスク３２の外径寸法ｄ（図１参照）を示す。
ここで、ロータ粗材３０Ａの各化学成分の限定理由を説明する。
（１）炭素：０．２０％以上０．３５％以下
鋼の焼き入れ性を増大させるために不可欠な元素である。タービンロータ３０に必要な強度及び靱性を出すためには０．２０％以上の炭素が必要となるが、多すぎると十分な靱性が得られず加工性が低下するので、０．２０％以上０．３５％以下とした。
（２）ケイ素０．３５％以下、及び、マンガン：１．００％以下
ケイ素及びマンガンは、鋼の脱酸作用を促進させるために必要な元素である。ケイ素の含有量が多すぎると靱性及び加工性が低下するため、０．３５％以下とした。マンガンは焼き入れ性及び機械的強度を増大させるが、含有量が多すぎると靱性が低下するので１．００％以下とした。
（３）ニッケル：０．５０％以上１．５０％以下
焼き入れ性を向上させ、低温における機械的強度及び靱性を向上させるために有効な元素であるが、含有量が多すぎると高温における強度が低下し、焼き戻し脆性を助長するため０．５０％以上１．５０％以下とした。
（４）クロム：２．００％以上２．５０％以下
高温における強度及び靱性の改善に有効な元素である。またベイナイト焼き入れ性を増大させるので、質量効果の点から２．００％以上２．５０％以下とした。
（５）モリブデン：０．９０％以上１．５０％以下
炭素及びクロムとの共存下で、高温における強度を増大させ、焼き戻し脆性を緩和する効果がある。また、ベイナイト焼き入れ性を増大させるため、適当な熱処理を施せば靱性の改善にも有効である。しかし、含有量が多すぎても上記の効果は飽和するだけであるため、０．９０％以上１．５０％以下とした。
（６）バナジウム：０．２０％以上０．３０％以下
高温における強度を上げるのに最も有効な元素である。含有量が多すぎても靱性が低下するため、０．２０％以上０．３０％以下とした。
次に、焼き入れ工程ＳＴ２を実行する。即ち、焼き入れ工程ＳＴ２では、ロータ粗材３０Ａに対し、９４０℃以上９６０℃以下の温度範囲で加熱した後に、少なくとも５００℃以下２５０℃以上の温度範囲で２．０℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で油焼き入れを施す。
そして、焼き戻し工程ＳＴ３を実行する。即ち、焼き戻し工程ＳＴ３では、焼き入れを行った後のロータ粗材３０Ａに対して、６３０℃以上の温度範囲で、かつ、焼き戻しパラメータＰが１９７００以上１９９００以下となる条件で、ロータ粗材３０Ａに焼き戻しを施す。
ここで、焼き戻しパラメータＰは、下記の式（１）で定義される数値である。
Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇｔ）・・・（１）
Ｔは絶対温度（Ｋ）、ｔは時間（ｈ）、Ｃは材料定数である。また、本実施形態では、材料定数：Ｃ＝２０である。
換言すると、６３０℃以上の温度範囲で、以下の表５に示す所定の０．２％耐力、引張強さ、伸び、絞り、衝撃値、及び５０％ＦＡＴＴを有するように、焼き戻し工程ＳＴ３を実行する。
このように上記の工程を経ることでタービンロータ３０が製造される。
さらに、タービンロータ３０に動翼列５０を設置する動翼列設置工程ＳＴ４を実行する。動翼列設置工程ＳＴ４では、ディスク３２に周方向に間隔をあけて動翼５１を固定していく。そして各動翼列５０が回転軸線Ｏの方向に並ぶように回転軸線Ｏの方向に互いに間隔をあけて設けられる。
さらに、タービンロータ３０を軸受部６０によって支持するとともにケーシング１０に軸受部６０及びタービンロータ３０を固定するケーシング設置工程ＳＴ５を実行する。これにより、ケーシング１０がタービンロータ３０を外周側から覆って、タービンロータ３０及び動翼列５０が回転軸線Ｏを中心としてケーシング１０に対して相対回転可能となる。
また、ケーシング１０の内側には、静翼列設置工程ＳＴ６を実行することで、回転軸線Ｏの方向に動翼列５０と交互に配置されるように複数の静翼列４０を固定する。各々の静翼列４０をケーシング１０に固定する際には、周方向に間隔をあけて動翼５１を固定していく。
実際には、ケーシング設置工程ＳＴ５、及び静翼列設置工程ＳＴ６では、例えば、まず反割れのケーシング１０の下部を設置し、その後、静翼列４０をケーシング１０の下部に固定する。この状態で、動翼列５０が設けられたタービンロータ３０をケーシング１０の下部に組み込む。また、反割れのケーシング１０の上部に静翼列４０を固定しておき、このケーシング１０の上部を、タービンロータ３０を組み込んだケーシング１０の下部に設置する。
以上説明した本実施形態におけるタービンの製造方法によると、中小型の蒸気タービン１に用いられる最大外径寸法が１０００ｍｍ以下のタービンロータ３０に、十分な耐高温性を持たせることができる。即ち、中小型の蒸気タービン１のタービンロータ３０であっても、本実施形態の製造方法によって十分な高温クリープ強度、低温靱性、耐ＳＣＣ性（耐応力腐食割れ性）を持たせることができる。
この結果、蒸気タービン１の高圧部（前段側の部分：図１の紙面に向かって左側の部分）でタービンロータ３０のディスク３２の薄肉化が可能となり、動翼列の列数を増加させることができる。また、ディスク３２の薄肉化によってタービンロータ３０の重量が低減され、タービンロータ３０の回転負荷が低減されるため、信頼性の向上につながる。
また、タービンロータ３０の低温靱性の向上によって、蒸気タービン１の低圧部（後段側の部分：図１の紙面に向かって右側の部分）では高応力の状態に対応可能となる。この結果、タービンロータ３０の耐高温性能の不足のために蒸気タービン１の運転温度条件を調整する等の対策を講じる必要がなくなり、特に蒸気タービン１の高圧側での温度を低く抑える必要がなくなり、タービン効率の向上につながる。
従って、中小型の蒸気タービン１に用いられる高低圧一体型のタービンロータとして、十分な耐高温性を有するタービンロータ３０を製造することが可能となる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
〔実施例〕
タービンロータ３０の耐高温性を確認する材料試験を下記の通り行った。
（試験材）
試験材として、ロータ粗材３０Ａと同じ材料から３０〔ｍｍ〕×３０〔ｍｍ〕×１５０〔ｍｍ〕の試験材ブロックを準備した。
（熱処理シミュレーション）
上記の試験材に対して、外径がφ５００〔ｍｍ〕、φ１０００〔ｍｍ〕、φ１５００〔ｍｍ〕のロータ粗材３０Ａを想定した熱処理シミュレーションを実行した。
熱処理シミュレーションでは実機ロータ材の予備熱処理と調質熱処理を模擬した熱処理を実施した。熱処理シミュレーションではまず溶体化処理を実施した。この溶体化処理は試験片に実施された熱処理の影響を無くす目的で実施する。即ち、１２００℃まで加熱し１ｈｒ保持した後、空冷する。その後、実機ロータの予備熱処理に相当する焼ならし焼もどし処理を実施した。焼ならしでは１０１０℃に加熱し、５ｈｒ保持した後、実機ロータの空冷に相当する冷却速度で２００℃以下まで炉冷した。さらに焼もどしは７２０℃まで加熱し９ｈｒ保持した後に２００℃以下まで炉冷した。その後、実機ロータの調質熱処理に相当する熱処理を実施した。９５０℃に加熱し９ｈｒ保持した後、実機の油冷に相当する冷却速度で２００℃以下になるまで炉冷した。その後、実機の焼もどし工程に相当する熱処理を実施した。即ち、焼戻温度（Ｔ℃）まで加熱し１０ｈ保持した後に２００℃以下になるまで炉冷した。
ここで、焼き戻し工程での上記の温度Ｔ〔℃〕として、４つの温度条件を設定した。即ち、Ｔ＝６４５〔℃〕、６５５〔℃〕、６６５〔℃〕、６７５〔℃〕の４つの条件を設定した。
（材料試験）
上記の試験材から試験片を加工し、材料試験を実行した。上記の熱処理サイクルを実行した場合の、０．２％耐力〔ＭＰａ〕、引張強さ〔ＭＰａ〕、伸び〔％〕、絞り〔％〕、衝撃値〔Ｊ／ｃｍ２〕、５０％ＦＡＴＴ〔℃〕について、外径がφ５００〔ｍｍ〕、φ１０００〔ｍｍ〕、φ１５００〔ｍｍ〕の各ケース（中心部を想定）と、表層部を想定したケースについて、４つの温度条件で試験を行った試験結果は、下記の表１から表４に示す通りである。
Figure 0006768671
Figure 0006768671
Figure 0006768671
Figure 0006768671
そして上記の試験結果から、ロータ粗材３０Ａが下記の表５に示す特性を満足するように、上述の実施形態ではロータ粗材３０Ａの外径寸法をφ１０００〔ｍｍ〕以下とし、かつ、６３０℃以上の温度範囲で焼き戻しを行うようにした。
Figure 0006768671
上記のタービンロータの製造方法、及び、タービンの製造方法によると、中小型のタービンに用いられる高低圧一体型のタービンロータとして、十分な耐高温性を有するタービンロータを製造することが可能である。
１ 蒸気タービン
１０ ケーシング
２０ 調整弁
２１ 調整弁室
２２ 弁体
２３ 弁座
２４ 蒸気室
３０ タービンロータ
３０Ａ ロータ粗材
３１ ロータ本体
３２ ディスク
４０ 静翼列
４１ 静翼
５０ 動翼列
５１ 動翼
６０ 軸受部
６１ ジャーナル軸受装置
６２ スラスト軸受装置
Ｏ 回転軸線
Ｓ 蒸気
ＳＴ１ 成形工程
ＳＴ２ 焼き入れ工程
ＳＴ３ 焼き戻し工程
ＳＴ４ 動翼列設置工程
ＳＴ５ ケーシング設置工程
ＳＴ６ 静翼列設置工程

Claims (2)

  1. 重量％で炭素：０．２０％以上０．３５％以下、ケイ素：０％を超え０．３５％以下、マンガン：０％を超え１．００％以下、ニッケル：０．５０％以上１．５０％以下、クロム：２．００％以上２．５０％以下、モリブデン：０．９０％以上１．５０％以下、バナジウム：０．２０％以上０．３０％以下を含有する低合金鋼から、最大外径が５００ｍｍ〜１０００ｍｍのロータ粗材を成形する成形工程と、
    前記ロータ粗材に、９４０℃以上９６０℃以下の温度範囲で加熱した後、２．０℃／ｍｉｎ以上の冷却速度で２００℃以下になるまで冷却して、油焼き入れを施す焼入れ工程と、
    前記焼入れ工程の後に、６５５℃〜６６５℃の温度範囲で、かつ、数式Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋ｌｏｇ１０）で定義される焼き戻しパラメータＰが１９７００以上１９９００以下となる条件（Ｔは絶対温度（Ｋ）、Ｃは材料定数（Ｃ＝２０））で、前記ロータ粗材に焼き戻しを施す焼き戻し工程と、
    を含むタービンロータの製造方法。
  2. 請求項１に記載のタービンロータの製造方法で得られるタービンロータの回転軸線の方向に並ぶように、前記タービンロータに複数の動翼列を固定する動翼列設置工程と、
    前記タービンロータ、及び、前記動翼列を前記回転軸線を中心として相対回転可能となるように、前記タービンロータを覆うケーシングを設けるケーシング設置工程と、
    前記ケーシングに、前記回転軸線の方向に前記動翼列と交互に配置されるように複数の静翼列を固定する静翼列設置工程と、
    を含むタービンの製造方法。
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