JPH05208325A - 蒸気タービン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 摩擦サーフェーシング技術により形成された
耐食性のある後縁部を有する蒸気タービン羽根の製造方
法を提供する。 【構成】 蒸気タービン羽根１は、摩擦サーフェーシン
グ法により羽根翼状部に付着される耐食性材料から形成
された後縁部５を有する。耐食性材料からなる消耗性の
棒１０を回転させながら、翼状部に形成された結合表面
１５に軸方向の力１１で接触させ、それにより、結合表
面１５に隣接する棒の一部分を塑性化する。次いで、棒
１０を上記表面と接触しながら、直線方向１２に移動
し、棒１０の移動軌跡に、高品質の冶金結合で翼状部に
結合された耐食性材料の層８を残す。次いで、この層８
を研磨して、後縁部５に対して望まれる平滑な輪郭を成
形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は、耐食性の後縁を有する蒸気タ
ービン羽根に関し、特に、ステライト６Ｂ（登録商標
名）から形成された後縁の一部分が摩擦サーフェーシン
グ法により羽根の翼状部に結合される、蒸気タービン羽
根に関するものである。

【０００２】

【発明の背景】低圧蒸気タービンの最終数列の領域に設
けられている羽根は、タービンのこの領域内で蒸気内に
形成される水滴との衝突の結果として侵食を受ける。こ
の侵食は翼状部の後縁部の先端近傍において最も激し
い。このような羽根が典型的には鍛造されている鉄合金
は、通例、高い強度を有しているが、耐食性の点では最
適ではないので、従来においては、後縁の上半分〜上３
分の１の部分にステライト６Ｂのような耐摩耗性材料か
らなる薄肉のストリップをろう付けすることによって、
侵食速度を遅らせていた。

【０００３】しかし、このようなろう付けには幾つかの
欠点がある。第１に、ろう付けにより達成される冶金的
結合が１００％であることは希であり、往々にして僅か
８０％の結合に甘んじなければならない場合がある。第
２に、ろう付けと関連する熱入力で、翼状部が鍛造され
ている合金が焼もどしを受け、それにより、該翼状部の
機械的強度が低下し、幾何学的歪みが生ずる。第３に、
ろう付けには微細多孔性が本来的に伴うので、小さいピ
ットが形成されることになり、それにより潜在的な割れ
発生場所ができる。

【０００４】良好な冶金的結合が摩擦溶接により達成で
きることは、以前から知られている。また、タービン羽
根の翼状部をその根元部分或はディスクに結合するのに
摩擦溶接を使用すべきことが示唆されている。例えば、
米国特許第４,９３４,５８３号、米国特許第４,８８４,
７３６号及び米国特許第３,９８２,８５４号各明細書を
参照されたい。更に、摩擦サーフェーシングもタービン
羽根に適用し得ることが示唆されている。例えば、“プ
ロセス工業用溶接紙(Welding for the ProcessIndiustr
ies Paper）１８(１９８８)”に掲載のＷ．Ｍ．トーマ
ス(Thomas）の論文“摩擦サーフェーシングによる固相
被覆（Solid Phase Cladding By FrictionSurfacing"を
参照されたい。しかし、蒸気タービン羽根に典型的に用
いられているような種類の合金から鍛造されている蒸気
タービン羽根の後縁にステライト６Ｂのような耐摩耗性
材料を溶着するのに摩擦サーフェーシング技術を利用す
る方法は、今まで開発されていなかった。

【０００５】米国特許第４,０７９,４９１号明細書で記
載されているように、ステンレス鋼のような或る種の母
材合金にステライト６Ｂのような耐摩耗性材料を摩擦溶
接するのに要求される塑性を実現するのに必要な高温
で、基合金に過度の温度が発生する傾向があるために、
実際面において多くの困難が生じている。基合金が過度
の温度になるという問題は、特に、蒸気タービン羽根に
とっては重大である。と言うのは、蒸気タービン羽根を
形成する合金は、最大強度を得るために入念な熱処理を
受けており、このような強度は、後に過度の温度を受け
ると喪失してしまうからである。

【０００６】従って、羽根に過度の温度を発生すること
なく、摩擦サーフェーシング技術を用いて、耐摩耗性材
料から蒸気タービン羽根に後縁を形成することができる
実際的な方法が得られれば、これは望ましいことであ
る。

【０００７】

【発明の概要】本発明の目的は、摩擦サーフェーシング
技術により形成された耐食性のある後縁を有する蒸気タ
ービン羽根を提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、蒸気タービン羽根に
とって適当である種類の鉄合金の内の１つの合金から鍛
造された翼状部の後縁にステライト６Ｂのような耐摩耗
性材料を形成する方法を提供することにある。

【０００９】本発明の更に他の目的は、翼状部の合金に
過度の熱を発生することなく、健全な冶金的結合を得る
ことができる成形方法を提供することにある。

【００１０】上述の目的及び他の目的は、根元部分と、
該根元部分から延び、縁部、及び該縁部に隣接して位置
する中央部を有する翼状部とを含む蒸気タービン羽根に
おいて達成される。中央部は、約１１.５〜１２.５％の
クロムを含有する鉄合金から形成される。或は、中央部
は、約１５.５〜１７.５％のクロム及び３.０〜５.０％
のニッケルを含む鉄合金から形成することもできる。少
なくとも、縁部の第１の部分は、ステライト６Ｂのよう
なコバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガ
ン及びセレンを含む耐摩耗性合金から摩擦サーフェーシ
ング法によって形成される。

【００１１】蒸気タービン羽根の翼状部に耐侵食性の後
縁を形成する方法も開示されている。この方法は、耐摩
耗性の後縁を受けるようになっている結合表面を翼状部
に形成し、第２の材料から形成された棒を回転し、該回
転している棒を翼状部の結合表面と接触関係に置き、回
転している棒を、軸方向の力で上記結合表面に圧接し
て、それにより、該結合表面に隣接する上記棒の部分を
塑性化し、そして上記軸方向の力を維持しながら上記結
合表面に対して上記回転している棒をほぼ直線的に移動
し、それにより、上記棒の塑性化した部分を上記結合表
面に結合して耐摩耗性の後縁を形成する諸ステップを含
んでいる。

【００１２】

【好適な実施例の詳細な説明】図１には、低圧蒸気ター
ビンにおける最終数列の羽根列の１つから取り外した羽
根１が示されている。通例のように、この羽根１は、翼
状部２と根元部分３とから構成されている。根元部分３
は、羽根１を蒸気タービンのロータに取り付けるのに利
用される。タービンを流れる蒸気に曝れる翼状部２は、
ロータを回転するのに必要なエネルギーを蒸気から取り
出す働きをする。図１に示すように、翼状部２は、前縁
部４と、後縁部５と、前縁部及び後縁部間に配置されて
それぞれに隣接して位置している中央部９とから構成さ
れている。更に、翼状部２は、先端部分６及び根元部分
３に対する翼状部の取着部としての働きをするプラット
ホーム７を有している。

【００１３】当該技術分野で周知のように、低圧蒸気タ
ービンの最低圧力区間を流れる蒸気内には水滴が形成さ
れる傾向がある。これ等の水滴は蒸気流に随伴し、遠心
力の結果として羽根の先端部に向かい外向きに移動す
る。このような水滴は、羽根の翼状部２の後縁部５の先
端部分６近傍に有害な侵食を生ぜしめ得る。

【００１４】通常、低圧蒸気タービンにおける最終数列
の羽根は、比較的高いクロム含量を有する鉄合金を鍛造
することにより形成されている。このような合金の１つ
の例として、約１５.５〜１７.５％のクロム及び３.０
〜５.０％のニッケルを含む合金がある。また、第２の
合金例として、１１.５〜１３.０のクロムを含むものが
ある。これ等の合金は、良好な機械的強度を有している
けれども、耐侵食性は最適ではなく、その結果、後縁部
５は許容速度よりも高い速度で侵食を受ける。

【００１５】後縁部５の侵食という問題は、該後縁部５
に、高耐食性を有する部分８を設けることによって解決
される。本発明によれば、これは、タービン羽根におけ
る過度の熱の発生を阻止し、しかも良好な冶金的結合を
招来する摩擦サーフェーシング技術を用いて翼状部の中
央部９に部分８を成形し結合することにより達成され
る。本発明の好適な実施例においては、高耐食性の部分
８は、ステライト６Ｂから形成され［ステライト６Ｂ
は、デロロ・ステライト(Deloro Stellite）社の商標で
ある）、その組成は重量パーセントで次の通りである。
即ち、０.９〜１.４０のＣと、２８.０〜３２.０のＣｒ
と、最大３.０のＮｉと、最大１.５のＭｏと、３.５〜
５.５のＷと、最大２.０のＭｎと、最大２.０のＳｉ
と、最大３．０のＦｅと、残りのＣｏとである。

【００１６】図３に示すように、後縁部８は、先ず、既
述の高クロム合金のいずれかから鍛造した翼状部２の後
縁部５の（特定羽根列における侵食パターンに依存し）
上半分〜上３分の１の部分に結合表面１５を最初に切削
することにより形成される。或は、侵食は羽根の入口側
で最も厳しいので、結合表面は、図４に示すような後縁
部１７が生成されるように羽根の後縁の入口側にスロッ
ト１６を研削することにより形成することができる。

【００１７】次に、消耗性の棒１０を、上述のステライ
ト６Ｂのような耐食性の合金から形成して、所定の速度
で、矢印１３で示すように回転する。好適な実施例にお
いては、羽根の温度増加は、棒１０の速度を約３２０〜
３４０ＲＰＭの範囲、そして最も好ましくは３３０ＲＰ
Ｍに維持することにより最小限度に抑制される。上述の
速度範囲に棒１０の回転を維持しつつ該棒１０を表面１
５と接触する。棒１０に軸方向の力１１を加えて該棒１
０を表面１５に圧接する。好適な実施例においては、後
述するように、約１８ｍｍ(０.７１ｉｎ）の直径を有す
る棒で、充分な軸方向の力１１が維持され、溶融速度、
即ち、棒１０の長さが消耗する速度が約３.５１〜３.９
１ｍｍ／秒(０.１３８〜０.１５４ｉｎ／秒)の範囲、最
も好ましくは３.７１ｍｍ／秒(０.１４６ｉｎ／秒)に維
持される。その結果生ずる棒１０と表面１５との間の圧
力下での接触で酸化物バリヤーを消散する精練作用が発
生して、それにより良好な結合の形成が容易になる。

【００１８】従来、摩擦溶接は、“タッチダウン(touch
down)”期間と称される期間中、一方の部材に対して回
転するがその他の運動はしないように他方の部材を圧力
下で接触関係に維持することにより達成されていた。こ
のタッチダウン期間は、表面１５に隣接する棒１０の部
分を塑性化し、以て直線運動の開始前に、棒１０と表面
１５との間に塑性化した層を形成するのに充分な熱を発
生するために必要であると考えられていた。しかし、本
発明によれば、既述の羽根合金の１つにステライト６Ｂ
を付加する際における羽根温度上昇を最小にするため
に、このタッチダウン期間は排除され、従って、棒１０
は、該棒１０が最初に結合表面１５に接触する際に、回
転を伴いながら、後述するように、約２.２５〜２.７５
ｍｍ／秒（０.８９〜１.０８ｉｎ／秒）、好ましくは約
２.５ｍｍ／秒(０.９８ｉｎ／秒)の速度で直線方向に移
動される。この方法は、走行開始時接触法と称すること
ができよう。

【００１９】従って、接触が生ずる時点で、棒１０は、
図３に矢印１２で示すように、表面１５に対し回転と直
線運動を同時に受けることになる。即ち、棒１０は、棒
の回転軸線に垂直な方向で表面１５に沿って移動され
る。好適な実施例では、タッチダウン期間の不存在並び
に低回転速度は、棒１０と翼状部２との間における相対
直線運動速度を、約２.２５〜２.７５ｍｍ／秒（０.８
９〜１.０８ｉｎ／秒）好ましくは約２.５ｍｍ／秒
（０.９８ｉｎ／秒）の低い値に維持することにより補
償される。

【００２０】接触が生じたならば、棒１０の直線運動
は、表面１５がその長さに亙って掃引されるまで表面１
５上で続けられる。既述の軸方向の力１１及び回転はこ
の直線運動中維持される。その結果、塑性化した層が表
面１５に対しその精練作用を及ぼし続ける。しかし、棒
及び翼状部の材料が相当に反応性である場合には、精錬
作用に拘わらず、アルゴンのようなガスシールドを用い
ても差し支えないことに留意されたい。

【００２１】羽根における熱の形成を最小にするために
は、翼状部２に対する棒１０の質量を最小にすることが
重要である。従って、本発明の好適な実施例において
は、棒の直径は約１８ｍｍ（０.７１ｉｎ）である。

【００２２】このように、本発明による方法を用いるこ
とにより、温度上昇は翼状部２におけるよりも棒１０に
おける方が相当に大きくなる。このことは重要な結果で
ある。と言うのは、既に述べたように、翼状部２におけ
る過度の温度は該翼状部を形成している合金の鍛造強度
を弱化するからである。

【００２３】図３に示すように、上述のプロセスの結果
として、棒１０は、（好適な実施例においてはステライ
ト６Ｂである）棒材料の部分８をその移動軌跡に残す。
本発明の好適な実施例においては、この部分８は、約
０.８９ｍｍ(０.０３５ｉｎ)の厚さで且つ１.９ｃｍ
（０.７５ｉｎ）幅である。この付着厚さは、棒１０の
直線運動速度を変えることにより制御される。

【００２４】棒１０が表面１５の端に達した時点で、棒
１０を回転し続けている状態で、翼状部２から引き離
す。次いで、部分８を研磨して、図２に示すように、後
縁部５にとって所望の円滑な輪郭を得る。必要ならば、
後縁部の所望の厚さを得るために、部分もしくは層８を
平滑に研磨し、２回目のパスを実施して、第２の層を第
１の層の上に形成することができる。

【００２５】本発明によれば、棒の回転速度、軸方向の
接触力、棒／翼状部間の相対直線運動速度並びにタッチ
ダウン期間を含む上述のパラメータは、翼状部の合金及
び棒の材料を考慮して、翼状部２に発生する温度が翼状
部の合金を弱化する程大きくならないように、しかも棒
１０の温度が翼状部結合表面１５に隣接する棒の部分を
塑性化する程に充分に高いが棒材料の溶融を生ずる程に
は高くならないように注意深く選択されている。仮に、
棒材料の上記のような溶融が生ずれば、その結果として
過度の硬度及び縮み割れが生ずるであろうからである。

【００２６】図２に示した部分８と翼状部の中央部９と
の間の境界面１４の冶金的検査の結果、殆ど１００％の
冶金的結合が達成されることが明らかになった。部分８
の外縁に沿う領域のように結合が存在しないような領域
は、該部分の未結合部分を研磨除去することによって排
除される。

【００２７】棒１０或は翼状部２の予熱や外部加熱は要
求されない点に注目されたい。また、結合表面１５の研
磨以外の表面処理は要求されない。

【００２８】以上、本発明の方法を、２つの特定の羽根
合金から形成された蒸気タービン羽根にステライト６Ｂ
の後縁部を形成することと関連して説明したが、本発明
による摩擦サーフェーシング技術は、類似の種類の合金
から形成されている蒸気タービン羽根の他の部分或はガ
スタービン羽根のような他の回転機械の翼状部に他の耐
腐食性材料の層或は被覆を形成するのにも適用可能であ
る。従って、本発明は、その精神や本質的な属性から逸
脱することなく他の特定の形態で実施することができ、
従って、上の実施例に関する説明は本発明の範囲を限定
するものではないと理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】蒸気タービン羽根の立面図。

【図２】図１に示した線ＩＩ−ＩＩにおける横断面図。

【図３】摩擦サーフェーシングを受ける図１に示した羽
根の後縁の一部分の斜視図。

【図４】図２に類似の横断面図であって、図１に示した
翼状部の後縁部の別の実施例を示す図。

【符号の説明】

１ 羽根 ２ 翼状部 ３ 根元部分 ５ 後縁部（縁部） ９ 中央部 １０ 棒 １１ 軸方向の力 １５ 結合表面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の材料から部分的に形成された翼状
   部と、耐食性の後縁とを有する羽根を備えた蒸気タービ
   ンを製造する方法において、前記翼状部に前記後縁を形
   成するステップを含み、該ステップが、 （ａ）前記後縁を受けるようになっている結合表面を前
   記翼状部に形成し、 （ｂ）第２の材料から形成された棒を回転し、 （ｃ）回転している前記棒を前記翼状部の前記結合表面
   と接触させ、 （ｄ）回転している前記棒を前記結合表面に対し軸方向
   の力で圧接して、前記結合表面に隣接する前記棒の部分
   を塑性化し、 （ｅ）前記軸方向の力を維持しながら、回転している前
   記棒を前記結合表面に沿い所定の速度でほぼ直線的に移
   動して、前記棒を消耗させ、前記棒の前記塑性化された
   部分を前記結合表面に結合することにより、前記翼状部
   に耐食性の後縁を形成する、 諸ステップからなる蒸気タービンの製造方法。
2. 【請求項２】 第１の材料から形成された第１の部分
   と、第２の材料から形成された第２の部分とを有する羽
   根翼状部を備えた蒸気タービンを製造する方法におい
   て、前記第２の材料を前記第１の部分に結合することに
   より前記第１の部分上に前記第２の材料からなる層を形
   成するステップを含み、該ステップが、 （ａ）前記第２の材料を成形して消耗性の棒とし、 （ｂ）前記棒を回転し、 （ｃ）回転している前記棒を最初に軸方向に前記羽根翼
   部分に圧接すると同時に、前記棒を前記羽根翼部分に沿
   い、前記棒の回転軸線に対しほぼ垂直な方向に移動す
   る、 諸ステップからなる蒸気タービンの製造方法。
3. 【請求項３】 根元部分と該根元部分から延びる翼状部
   とを有する羽根を含み、前記翼状部は、縁部と、該縁部
   に隣接して位置する中央部とを有し、該中央部は、第１
   の材料から形成され、前記縁部の少なくとも第１の部分
   は、第２の材料から形成されて前記中央部に結合され
   る、蒸気タービンにおいて、前記第２の材料から形成さ
   れる前記縁部の前記少なくとも第１の部分の前記中央部
   への結合が、 （ａ）前記第１の材料から形成された回転している棒を
   前記中央部と接触させ、 （ｂ）回転している前記棒、軸方向の力で前記中央部に
   圧接して、前記中央部に隣接する前記棒の部分を塑性化
   し、 （ｃ）回転している前記棒を、前記軸方向の力を維持し
   ながら、前記中央部に沿いほぼ直線的に移動することに
   より、前記棒を消耗させ、前記棒の塑性化した前記部分
   を前記中央部に結合し、前記縁部の前記第１の部分を前
   記中央部上に形成する、 ことにより行われている蒸気タービン。