JPH02145749A

JPH02145749A - タービンロータ

Info

Publication number: JPH02145749A
Application number: JP29604688A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Yamada; 政之山田; Yoichi Tsuda; 陽一津田; Daizo Saito; 斉藤　大蔵
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-11-25
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1990-06-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明はタービンロータに係り、特に高温におけるクリ
ープラブチャ強度に優れ、比較的低温における耐力およ
び靭性に優れた蒸気タービンロータに関する。

（従来の技術）一般に蒸気タービンにおいては、使用蒸気条件に応じて
異なる材質のロータが用いられている。

例えば、大型蒸気タービンにおいては高温・高圧側（た
とえば５６６℃近傍）で用いられるロータ材として、Ａ
ＳＴＭ−Ａ４７０　（Ｃ１ａｓｓ　８）に規定されてい
るように高温下ですぐれたクリープ破断強度を有するＣ
ｒＭｏＶ鋼が使用され、低圧側（たとえば３５０℃以下
）用ロータ材として、ＡＳＴＭ−Ａ４７０　（Ｃ１ａｓ
ｓ　２〜７　）に規定されているような２．５％以上の
Ｎｉを有する。

ＮｉＣｒＭｏＶ鋼が使用されている。そして、現状では
、これら蒸気条件に対応した異なる材質からなるロータ
を、各々機械的に接合して蒸気タービンを構成している
。

一方、比較的小型の蒸気タービンにおいては、通常、高
圧側から低圧側まで同一材料からなる−本のロータによ
り構成した高低圧一体型ロータが用いられている。

（発明が解決しようとする課題）ところで、従来の蒸気タービンロータには次のよう′な
問題がある。すなわち、従来の大型蒸気タービンにおい
ては、異なる材質からなる複数本のロータを接合してタ
ービンを構成するため、製造工程が複雑になるという問
題がある。

また、小型蒸気タービンにおいて用いられている高低圧
一体型ロータ用材料としては、通常ＣｒＭ。

ｖｍやＮｉＣｒＭｏＶｎ４が用いられているが、従来使
用されているＣｒＭｏＶ鋼は耐力の点で充分満足のいく
ものではないため、低圧最終段に装着できる翼の大きさ
が制限されるという問題がある。

さらに、従来のＮ　Ｉ　Ｃｒ　Ｍ。Ｖ鋼においては、耐
力は優れているもののクリープラブチャ強度に欠け。

また３５０℃以上の温度域においてぜい化が進行しやす
いという問題がある。

このため、従来のロータ材では、高温蒸気を使用しかつ
長尺の低圧最終段翼を装着することによす蒸気タービン
の効率向上を図ろうとする場合に大きな制限がある。

また、クリープラブチャ強度や靭性にすぐれ、しかも低
温域での耐力にもすぐれたロータ材としては、既に］、
ＺＣｒ鋼が開発されているが、１２Ｃｒ鋼は高価である
ためこれをロータ材として用いると製造コストの増大を
もたらすという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する
問題点を解消し、比較的低温の蒸気条件下において高い
耐力および靭性を有し、かつ、高温条件下においてクリ
ープラブチャ強度が大きく、ぜい化の少ない蒸気タービ
ンロータを提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明は０重量比で、Ｃお
よびＮ（７）合計が０．１Ｏ−（１，３５％、　Ｓｉ　
０．ｊＯ％以下、　Ｍｎ　１．０％以下、　Ｎｉ　０．
５〜２．５％、　Ｃｒ　１．５〜３．５％、　Ｍｏ　０
．３〜１．６％、　Ｖ　０．０５〜０．３０％、　Ｎｂ
Ｏ、Ｏｉ　”　０　、１５％、さらに所望によりＷ　０
．ｉ　〜２．０％、および付随的不純物を含むＦｅ基合
金から成り、かつＣ／Ｎ比が５以上で１通常の焼入、焼
戻処理を行なって室温における耐力が６４Ｋｇｆ／ｌｌ
ｌｌ１１２以上、延性−脆性波面遷移温度（ＦＡＴＴ）
が３０℃以下、クリープラブチャ強度が５２０℃、１０
’時間で１９Ｋｇｆ　／　ａｒｍ”以上に調質されたこ
とを特徴とするものである。

（作　　用）上記の施策を適用することにより、このタービンロータ
は、比較的低温の蒸気条件下において高い耐力および靭
性を有し、かつ高温条件下においても大きなりリープラ
ブチャ強度、少ないぜい化を達成した。

次に、上記成分の限定理由について説明する。

なお、含有量の数字は、重量比である。

ＣおよびＮの合計：　０．１０〜０．３５％Ｃ／Ｎ比：
５以上炭素は焼入性を向上させ、また、引張強さや耐力を高め
るのに寄与し、さらに微細な炭窒化物を形成して高温強
度を向上させるのに有効な元素である。窒素もほぼ炭素
と類似の効果を有する元素である。それらの量は、合計
で０．１０％未満、あるいはＣ／Ｎ比が４未満では好ま
しくないフェライト相を生成して必要な引張強度や耐力
が得られず。

また、０．３５％を越えると靭性が低下するため、０．
１０〜０．３５％かつ、Ｃ／Ｎ比が５以上とするが、好
ましくは０．１８〜０．３０％かつＣ／　Ｎ比が７以上
である。

Ｓｉ　：　０．１０％以下ケイ素は、溶解時に脱酸剤として添加されるが。

多量に添加するとこの一部が酸化物として鋼中に残留し
、靭性に悪影響を及ぼす。したがって、添加量は０．１
０％以下とするが、経年脆化をできるだけ抑制する意味
から好ましくは０．５０％以下である。

Ｍｎ　：　１．０％以下マンガンは、溶解時に脱硫剤として添加されるが、その
効果を得るためには、１．０％以下の添加量で十分であ
る。また、原材料を十分に選定したり、さらに炉外精練
等の工程を入れて、イオウを極低レベルに抑えた場合は
、マンガンによる脱硫作用は不要になるため、マンガン
は、０．１０％以下が好ましい。

Ｎｉ　：　０．５〜２．５％ニッケルは、鋼の焼入性を増し、引張強度、耐力や靭性
を高めるのに有効な元素であり、タービシロータとして
必要な強度を得るためには、０．５％以下添加すること
が必要である。しかし、２．５％を越えて添加すると、
逆にクリープラブチャ強度の低下や１ｍ化が促進される
傾向があるので０．５〜２．５％とするが、好ましくは
１．０〜２．０％であ机Ｃｒ　：　１．５〜３．５％クロムは、鋼の焼入性を増し、引張強度や耐力を高める
のに有効な元素であり、タービンロータとして必要な強
度を得るためには、１．５％以上添加することが必要で
ある。しかし、３．５％を越えて添加するとタービンロ
ータのジャーナル特性が低下するので１．５〜３．５％
とするが、好ましくは２．０〜３．０％である。

Ｍｏ　：　０．３〜１．６％モリブテンは、鋼の焼入性、引張強度、耐力ならびにク
リープラブチャ強さを高めるのに有効な元素であり、そ
の効果を発揮させるためには、０．３％以上の添加が必
要である。しかし、１．６％を越えて添加すると靭性が
低下するので０．３〜１．６％とするが、好ましくは０
．７〜１．２％である。

ｖ　：　０．ｏｓ〜０．３０％バナジウムは、服の焼入性、クリープラブチャさを高め
るのに有効な元素であり、また、結晶粒の微細化を達成
するのに効果がある。その効果を発揮させるためには０
．５％以上の添加が必要である。しかし、０．３０％を
越えて添加すると、靭性が低下するので、０．０５〜０
．３０％とするが、好ましくは、０．１０〜０．２５％
である。

Ｎｂ　：　０．０１〜０１１５％ニオブは、結晶粒の微細化に効果のある元素であり、そ
の効果を発揮させるためには、０．０１％以上の添加が
必要である。しかし、０．１５％を越えて添加すると逆
に粗大な炭化物を形成して、靭性を低下させるので０．
０１〜０．１５％とするが、好ましくは、　０．０３〜
０．１０％である。

さらに、上記成分に加えて、Ｗを添加することにより、
引張強度、耐力、クリープラブチャ強度をさらに一層向
上させることができる。以下に、Ｗの構成比を限定した
理由につき説明する。

Ｗ　：　０．Ｌ〜２．０％タングステンは、固溶体強化により、高温強度の向上に
必要な元素であるが、０．１％未満ではその効果は十分
でなく、また、２．０％を越えるとクリープラブチャ強
度や靭性を低下させるので、０．１〜２．０％とするが
、好ましくは、０．３〜１．０％である。

なお、上記に含まれないＦｅ以外のその他の付随的不純
物が含まれることがある。たとえばＰ、Ｓなどであり、
通常の冶金的手段により除くことができない程度の量で
あるが、できるだけ少ない方が望ましい。

（実　施　例）本発明は、以下に示す実施例および比較例についての実
験結果からさらに明瞭に理解される６熱処理を行うべき
試料は、第１表に示すような合金組成となるよう配合し
た原料を電弧炉で溶製し、脱酸処理後真空造塊を行った
後１円柱状に鍛造してタービンロータ形状素体のモデル
として形成したものである。

このタ−ビロータ形状素体は、直径６００１、長さ１０
００ｍｍで形成され、実際のタービンロータ形状素体の
一部をあられすモデルとして十分な大きさに形成されて
いる。かかるタービンロータ形状素体のモデルに、第１
表に記載したように、■〜■の熱処理を施した。■〜■
の各熱処理の内容は、第１図に示すとおりである。ここ
で、第１図中の各回の縦軸は温度、横軸は時間を表わし
１図中ＦＣは炉冷を、ＡＣは空冷を、ＷＣは水スプレー
冷却を示している。

第１表記載の合金組成と熱処理との組合せは。

本発明の実施例ならびに参考に供するために行った比較
例である。こうして熱処理を施したタービンロータ形状
素体のモデルから試験片を切り出し、引張試験、衝撃試
験、クリープラブチャ試験および脆化試験（ステップク
ール法）を行った。

第２表は、常温における引張試験およびシャルピー衝撃
試験の結果を示すものである。

この表から、本発明に係る実施例１〜４は、比較例１，
２に示す従来材と同等もしくはそれ以上の引張強度、耐
力、伸び、絞りを示し、比較的低い温度での機械的性質
を十分に備えていることが理解される。特に、比較例１
に比べると強度の向上が著しく、ＦＡＴＴ　（延性−脆
性波面遷移温度）も、低圧タービンロータ材としての比
較例２に近く、低いものとなっている。

第２図は、実施例１〜４、比較例１〜２のクリープラブ
チャ試験結果を示している。

この図において、本発明に係る実施例１〜４は、いずれ
も優れたクリープラブチャ強度を示し、従来の高温用タ
ービンロータ材としての比較例１とほぼ同等レベルの強
度を有している。また、他の比較例２と比べると極めて
、クリープラブチャ強度が優れている。

第３表は、長時間脆化に対する感受性を評価し。

たもので、各試験片を第３図に示すステップクール法と
呼ばれる熱処理で加速して脆化させた後、衝撃試験を行
った結果を示している。

（以下余白）この表において、ΔＦＡＴＴは、ステップクール法によ
って加速脆化させる前後のＦＡＴＴの差を示し、脆化量
を示す指標となっている。すなわち、このΔＦ　Ａ　Ｔ
　Ｔが小さい程、脆化しにくい。

本発明に係る実施例１〜４は、脆化量ΔＦＡＴＴが小さ
く、またＦＡＴＴが低いため、従来と同程度の環境下で
長期間使用することが可能になる。

特に、不純物レベルを極低レベルにし、かつＳｉ。

Ｍｎを低減した実施例２〜４は、ΔＦＡＴＴが極めて小
さく、タービンロータとしての信頼性が極めた向上する
。

〔発明の効果〕

上記の発明から明らかなように、本発明によれば、低温
における強度、じん性に優れ、かつ高温におけるクリー
プラブチャ強度に優れ、しかも脆化の少いタービンロー
タ形状素体を得ることができる。この素体により形成し
たタービンロータは、て低圧段側に長翼を装着可能とな
り、また高温蒸気環境下での使用も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、熱処理の工程を示す模式図、第２図は、クリ
ープラブチャ強度を示す図、第３図は加速脆化を行うた
めの熱処理工程を示す模式図である。 ■〜Ｖ・・・熱処理の種類、ＦＣ・・・炉冷、ＡＣ・・
空冷、　　　　　ＷＣ・・・水スプレ冷却。ス知社１友人れ孜友し

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量比で、ＣおよびＮの合計が０．１０〜０．３
５％、Ｓｉ０．１０％以下、Ｍｎ１．０％以下、Ｎｉ０
．５〜２．５％、Ｃｒ１．５〜３．５％、Ｍｏ０．３〜
１．６％、Ｖ０．０５〜０．３０％、Ｎｂ０．０１〜０
．１５％および付随的不純物を含むＦｅ基合金から成り
、かつＣ／Ｎ比が５以上であることを特徴とするタービ
ンロータ。
（２）重量比で、ＣおよびＮの合計が０．１０〜０．３
５％、Ｓｉ０．１０％以下、Ｍｎ１．０％以下、Ｎｉ０
．５〜２．５％、Ｃｒ１．５〜３．５％、Ｍｏ０．３〜
１．６％、Ｖ０．０５〜０．３０％、Ｎｂ０．０１〜０
．１５％、Ｗ０．１〜２．０％および付随的不純物を含
むＦｅ基合金から成り、かつＣ／Ｎ比が５以上であるこ
とを特徴とするタービンロータ。