JPH0639885B2 - ガスタービン用シュラウド及びガスタービン - Google Patents

ガスタービン用シュラウド及びガスタービン

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JPH0639885B2
JPH0639885B2 JP63058326A JP5832688A JPH0639885B2 JP H0639885 B2 JPH0639885 B2 JP H0639885B2 JP 63058326 A JP63058326 A JP 63058326A JP 5832688 A JP5832688 A JP 5832688A JP H0639885 B2 JPH0639885 B2 JP H0639885B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、新規なガスタービン用シユラウドとそれを用
いたガスタービンに係り、特に結晶粒度を細かくするこ
とにより、延性,耐熱疲労性が改善された、鉄基耐熱合
金を用いたガスタービン用シユラウドとそれを用いたガ
スタービン及びシユラウドの製造法に関する。
〔従来の技術〕
ガスタービン用シユラウドは個々のセグメントを機械的
に連結したもので、一般に個々のセグメントを精密鋳造
によつて製造された鉄基耐熱鋳造合金が使用され、その
部材はガスタービンの起動・停止に伴う急激な加熱・冷
却の繰返しを受ける。この時生ずる熱応力によつて、シ
ユラウドセグメントの燃焼ガスが直接当る通路面にクラ
ツクが発生する。従来この種の材料として特公昭61−53
423 号公報に記載のようにSuS310鋼や特定の合金成分を
含む改良された合金を用いることが開示されている。し
かし、この公報にはシユラウドについてマクロ組織及び
結晶粒の大きさ等に関する記載は一切なく、また示唆も
ない。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来、ガスタービン用シユラウドは前述の如く精密鋳造
によつて製造される。しかし、単に精密鋳造されている
からといつて鋳物の結晶粒は大きく、前述の如く急熱急
冷のくり返しを受けるとによつて亀裂が発生し、耐熱疲
労性が低いという問題があつた。
本発明の目的は耐熱疲労性を改善したガスタービン用シ
ユラウドとそれを用いたガスタービン及び前記シユラウ
ドの製造法を提供するにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、高温ガスによつて回転するタービン動翼の翼
先端に間隙を有して設置され、摺動するセグメント状の
ガスタービン用シユラウドにおいて、該シユラウドは少
なくとも前記動翼との摺動部が摺動面表面より内部方向
に順次チル晶及び柱状晶を有する耐熱鋳造合金によつて
構成されていることを特徴とするガスタービン用シユラ
ウドにある。
本発明に係る耐熱鋳造合金は重量で、C0.1〜0.5
%、Si2%以下,Mn2%以下,Cr20〜35%,
Ni18〜40%及び残部Feからなる基本組成、又は
これにTi0.5%以下,Nb0.5%以下,Zr0.
5%以下,希土類元素0.5%以下,Y0.5%以下,
Ca0.5%以下,Mg0.5%以下,Al0.5%以
下の少なくとも1種の特殊元素を含み、更に前記基本組
成又は特殊元素を含む合金にCo20%以下,Mo10
%以下及びW10%以下の少なくとも1種を含むものが
好ましい。特に、基本組成にNb及びTiを含む共晶炭
化物を有する鋳物からなるものが好ましい。これらの成
分について以下説明する。
C:Cは耐熱疲労性と高温強度を向上する上で非常に重
要な役割を示す。強度の低下と、σ相の析出を押え、粒
界にフイルム状の炭化物が連続して析出するのを防ぐに
は0.1%以上が好ましい。また、Cの含有率が高いと
セル粒界の脆い共晶炭化物量及び二次炭化物量の増加に
よる熱疲労性の低下を防止するには0.5%以下が好ま
しい。Cは0.25〜0.5%が最も好ましい。
Cr:シユラウド材の高温腐食による粒界侵食を抑制す
るにはCrは20%以上がよく、また高温で使用中に炭
化物の過剰析出、およびσ相の析出による脆化の面から
35%以下が好ましい。この内でも25〜30%が最も
適している。
Ni:Niは基地をオーステナイトにし、高温強度を向
上させる値、組織を安定化しσ相の析出を防止するが、
そのためには20%以上とするのが好ましい。またNi
は高温耐食性の上からも多い方が良い。しかし多量にな
ると共晶炭化物量の増加による耐熱疲労性の低下を防止
するにはNiの含有率は20〜40%が好ましく、特
に、25〜35%が適している。
Ti,Nb,Zr:これらの元素は、各々単独の場合は
ZrC,TiC,NbC,Nb,Ti,Zrを複合添加
した場合は(Ti,Nb,Zr)Cの如くMC型の炭化
物を形成する。その量からして析出強化はあまり期待で
きないが、析出強化に効果の大きい二次Cr炭化物の析
出及び成長を適当に抑え、長時間にわたり高温強度の低
下を抑制する。また、粒界へのCr炭化物の連続析出も
抑制する。これらの元素が少ないと効果は小さく、好ま
しくは0.1%以上であり、また多くなるとこれらのM
C炭化物の増加による二次Cr炭化物が減少し高温強度
の低下を防止するには0.5%以下が好ましい。アトミ
ツクレシオ(Atomic Ratio)でM/C(MはMC型炭
化物を作る金属元素の和)は0.2〜0.3が最も好ま
しい。Tiが0.1〜0.5%、Nbが0.1〜0.3
%、Zr0.1〜0.3%が好ましい。
Ca,Mg,Al,Y,希土類元素:これらの元素は、
Ti,Nb,Zrの働きを助けるために添加するもの
で、少ないと効果がなく、多くなると鋳造割れを生じる
ので配合量で0.1〜1%、特に0.1〜0.5%とす
るのが好ましく、含有量でも0.005〜0.5%が好
ましい。
W,Mo:W,Moは基地の固溶強化を目的として添加
されるものであり、添加量が多いほど高温強度が向上す
る。しかしWとMoの合計量が多すぎると共晶炭化物の
多量の晶出による耐熱疲労性が低下する。これを防止す
るには10%以下が好ましい。
Co:Coは基地を強化させるための固溶強化を目的と
して添加するものであるが、20%を超えてもその割り
には効果が小さい。Coは5〜20%が適当である。
Si及びMnは脱酸剤として有効なもので、各各2%以
下含有させるのが好ましい。
本発明のガスタービン用シユラウドはタービン動翼との
摺動面が3万時間の使用に実質的に耐える強度と延性を
有する耐熱鋳造合金によつて構成される。耐熱鋳造合金
は室温の引張強さ40kg/mm2以上,伸び5%以上,7
60℃引張強さ20kg/mm2以上,伸び5%以上,87
1℃,5.5kg/mm2クリープ破断時間が10時間以上
有するものである。
本発明は、タービンスタブシヤフトと、該シヤフトにタ
ービンスタツキングボルトによつて互いにスペーサを介
して連結された複数個のタービンデイスクと、該デイス
クに植込まれたタービン動翼と、該動翼先端に対して間
隙を有して設置され、互いに摺動するシユラウドと、前
記ボルトによつて前記デイスクに連結されたデイスタン
トピースと、該デイスタントピースにコンプレツサスタ
ツキングボルトによつて連結された複数個のコンプレツ
サデイスクと、該デイスクに植込まれたコンプレツサブ
レードと、前記コンプレツサデイスクの初段に一体に形
成されたコンプレツサスタブシヤフトを備えたガスター
ビンにおいて、少なくとも前記タービンデイスクは45
0℃で10時間クリープ破断強度が50kg/mm2以上
及び500℃で10時間加熱後の25℃Vノツチシヤ
ルピー衝撃値が5kg-m/cm2以上である全焼戻マルテン
サイト組織を有するマルテンサイト鋼よりなり、前記動
翼は燃焼ガス後流側で長翼であり、前記シユラウドは少
くとも前記摺動面より内部方向に形成された柱状晶を有
する耐熱鋳造合金によつて構成されていることを特徴と
する。
また、前記タービンスタツキングボルト,デイスタント
ピース,タービンスペーサ,コンプレツサデイスクの少
なくとも最終段から中心部まで、コンプレツサスタツキ
ングボルトの少なくとも1つをマルテンサイト鋼によつ
て構成することができる。
本発明に係るマルテンサイト鋼としてタービンデイスク
は重量で、C0.05〜0.2%,Si0.5%以下、
Mn0.6%以下,Cr8〜13%,Mo1.5〜3
%,Ni2〜3%以下,V0.05〜0.3%,Nb及
びTaの1種又は2種の合計量が0.02〜0.2%及
びN0.02〜0.1%を含み、特に好ましくは前記
(Mn/Ni)比が0.11%以下とし、残部が実質的
にFeからなる耐熱鋼からなり、更に好ましい組成とし
て重量で、C0.07〜0.15%,Si0.01〜
0.1%,Mn0.1〜0.4%,Cr11〜12.5
%,Ni2.2〜3.0%,Mo1.8〜2.5%,N
b及びTaの1種又は2種の合計量が0.04〜0.0
8%,V0.15〜0.25%及びN0.04〜0.08%
を含み、前記(Mn/Ni)比が0.04〜0.10
%、残部が実質的にFeからなり、全焼戻しマルテンサ
イト組織を有するものである。
また、この本発明に係るマルテンサイト鋼に重量でW1
%以下,Co0.5%以下,Cu0.5%以下,B0.
01%以下,Ti0.5%以下,Al0.3%以下,Z
r0.1%以下,Hf0.1%以下,Ca0.01%以
下,Mg0.01%以下,Y0.01%以下及び希土類
元素0.01%以下の少なくとも1種を含むことができ
る。
上述のマルテンサイト鋼は特に500℃付近における強
度及び延性の高いものが要求されるタービンデイスクに
おいて好適である。
本発明において、タービンスタブシヤフトは重量で、C
0.2〜0.4%,Mn0.5〜1.5%,Si0.1
〜0.5,Cr0.5〜1.5%,Ni0.5%以下,
Mo1.0〜2.0%,V0.1〜0.3%,残部がF
e及び不可避不純物で構成されているのが好ましい。
前記スタツキングボルト,タービンデイスタントピー
ス,コンプレツサスタツキングボルト,タービンスペー
サが重量でC0.05〜0.2%,Si0.5%以下,
Mn1%以下,Cr8〜13%,Mo1.5〜3.0
%,Ni3%以下,V0.05〜0.3%,Nb0.0
2〜0.2%,N0.02〜0.1%,残部がFe及び
不可避不純物で構成されているのが好ましい。
前記コンプレツサブレードは重量でC0.05〜0.2
%,Si0.5%以下,Mn1%以下,Cr10〜13
%を含み、残部がFe及び不可避不純物からなるマルテ
ンサイト鋼で構成されているのが好ましい。
前記コンプレツサデイスクのガス上流側の初段から中心
部までの上流側を重量で、C0.15〜0.30%,S
i0.5%以下,Mn0.6%以下,Cr1〜2%,N
i2.0〜4.0%,Mo0.5〜1.0%,V0.0
5〜0.2%及び残部が実質的にFeからなり、前記中
心部から下流側の少なくとも最終段を除く前記デイスク
を重量で、C0.2〜0.4%,Si0.1〜0.5
%,Mn0.5〜1.5%,Cr0.5〜1.5%,N
i0.5%以下,Mo1.0〜2.0%,V0.1〜
0.3%及び残部が実質的にFeからなる耐熱鋼によつ
て構成されているのが好ましい。
前記コンプレツサスタブシヤフトが重量でC0.15〜
0.3%,Mn0.6%以下,Si0.5%以下,Ni
2.0〜4.0%,Cr1〜2%,Mo0.5〜1%,
V0.05〜0.2%を含み、残部がFe及び不可避不
純物で構成されているのが好ましい。
本発明のガスタービンに係るシユラウドは前記タービン
動翼の初段に対応する部分が重量でC0.05〜0.2
%,Si2%以下,Mn2%以下Cr17〜27%,C
o5%以下,Mo5〜15%,Fe10〜30%,W5
%以下,B0.02%以下及び残部が実質的にNiから
なる全オーステナイト組織を有するNi基鋳造合金から
なり、前記タービン動翼の残りの段に対応する部分が重
量でC0.3〜0.6%,Si2%以下,Mn2%以
下,Cr20〜27%,Ni20〜30%,Nb0.1
〜0.5%,Ti0.1〜0.5%及び残部が実質的に
FeからなるFe基鋳造合金からなり、これらのシユラ
ウドの動翼先端部との少なくとも摺動部が該摺動面から
内部方向に成長した柱状晶を有することを特徴とするも
のである。
本発明に係るガスタービン用シユラウドの鋳造によつて
製造する製造法において、鋳型の少なくとも鋳物との接
触表面部に耐火性骨材粉末を主成分とし、これに結晶核
生成のための耐火剤粉末を含む塗型を有する鋳型に前記
合金の溶湯を鋳込み、次いで鋳型をその外表面より強制
的に冷却することを特徴とするものである。
本発明の製造法に係る鋳型は骨材として酸化ジルコニウ
ム粉末を主成分とし、結晶核生成を促進する耐火剤とし
てアルミン酸コバルト,酸化コバルト,四三酸コバル
ト,チタン酸コバルト粉末の少なくとも1種〜10重量
%を含む鋳型材料を少なくとも鋳物と接触する表面に構
成するものである。骨材となる酸化ジルコニウム粉末等
は1〜10μmの粒径,アルミン酸コバルト粉末等の結
晶核生成促進のための耐火剤は0.1〜1μmの粒径が
好ましく、これに更にコロイダルシリカ等の無機バイン
ダ及び骨材に対する骨材としての同等の作用を有する酸
化珪素粉等の増量剤を数%添加することができる。
また、本発明のガスタービン用シユラウドは、鋳型の少
なくとも鋳物との接触表面部に耐火性骨材粉末を主成分
とし、これに結晶核生成を促進するための耐火剤粉末を
含む塗型を有する鋳型に前記耐熱合金の溶湯を鋳込み凝
固するとともに、前記鋳型の底部を前記シユラウドの摺
動面にすることによつて製造される。
本発明に係る鋳型は、前述の無機バインダ,骨材及び耐
火剤を有するスラリーに模型となるロウ型を浸漬し、所
定の膜厚の表面塗型層を形成させる。この耐火剤を含む
層は少なくとも一層あれば十分であり、その厚さは0.
5〜1mmである。この塗型層の上に耐火剤を有しない骨
材を有するスラリーに同様に浸漬して乾燥させる工程を
鋳物の大きさ、重量等に適合させる注湯後の鋳物を保持
するに十分な厚さとなるように所望の厚さの鋳型を製造
する。この場合の各層毎の厚さは0.5〜1mm程度で、
合計約1cm位とする。
スラリーは一般には水が用いられる。ロウを有する所定
の鋳型が形成された後、十分な乾燥と脱ロウをかねて加
熱される。更に、注湯の際に鋳型は所定の温度600〜
700℃付近に予熱され、前述の鉄系耐熱鋳造合金では
1500〜1550℃付近で鋳造され、その後衝風冷却
によつて強制的に冷却凝固するのが好ましい。
本発明のシユラウドは鋳造後溶体化処理を施し、組成の
均一化を図ることが好ましい。溶体化処理における冷却
は同様に析出物の析出を防ぐため衝風により強制的に冷
却するのが好ましい。溶体化処理後、時効処理を施すこ
ともできる。この時効処理は定常状態でさらされる使用
温度よりも高い温度で行うのが好ましい。時効温度は8
00〜900℃が好ましい。
〔作用〕
ガスタービンシユラウドは前述の如く高温ガスに直接さ
らされ、急熱急冷を受ける。特に、タービン動翼との摺
動面においてその作用が著しい。このような状況にある
従来のシユラウドは強度及び延性が低く耐熱疲労性が低
いものであつた。本発明の如く、少なくともタービン動
翼との摺動部に摺動面より内部方向に順次チル晶及び柱
状晶を形成させることによつて結晶粒が微細化されると
ともに著しく耐熱疲労性の高いものが得られるものであ
る。チル晶は微細な結晶粒によつて構成されるもので、
耐熱疲労性になくてはならないものである。更に、柱状
晶は表面に発生した亀裂の内部への伝搬を阻止できるも
のである。
本発明に係るシユラウド材は高温強度及び高温延性に優
れ、シユラウド摺動面での表面温度として750℃以
上、好ましくは800℃以上にさらされる条件下におい
て十分耐えるものである。
また、本発明に係るガスタービンはタービンデイスクに
前述の特定の組成を有するマルテンサイト鋼を使用する
ことによつてガスタービンの燃焼ガス温度を1250℃
以上、好ましくは1300℃以上とすることができ、ガ
スタービンの熱効率を33%以上に高めることができ、
約3万時間の寿命を達成可能である。
〔実施例〕
[実施例1] 肉厚32mmの試験片形状の模型をロストワツクス法で作
成した。このロストワツクス模型を以下の方法でコーテ
イングして、鋳型を作成した。
ロストワツクス模型の表面を形成する第1層目の模型と
して、粒径1〜10μmのZrO粉を主体とする骨材
に、結晶粒微細化剤として、粒径約1μmのアルミン酸
コバルト粉を0(A1),2(A2),3(A3),5
(A4)及び7(A5)重量%混入させ、バインダーと
して、コロイダルシリカを用いて、混合した。結晶粒微
細化耐火剤の添加は、骨材とコロイダルシリカの混合物
を約600rpmで撹拌している中へ少量ずつ投入する方
法により水スラリーを作成した。このようにして作成し
た初層スラリを用いて、ロストワツクス模型の表面をコ
ーテイングした。この初層の厚さは約0.5mmである。
次いでこの上に第2層〜9層までを、前述のZrO
を主体とする骨材とバインダーとして、コロイダルシリ
カを用いて水スラリーとしてコーテイングして約7mmの
厚さの鋳型を作成した。一層の厚さは約0.5〜1mmで
ある。次いで、乾燥と脱ロウをかねて150〜200℃
で加熱し、脱ロウ処理後、この鋳型に、第1表に示す鉄
基合金を大気溶解,鋳込を行つた。鋳型の予熱温度は、
650℃,鋳込温度は1500〜1520℃である。大気溶
解,大気鋳込であり、成分元素の中でTiのみ、鋳込直
前に溶湯に添加した。鋳込後、鋳型を衝風による強制空
冷によつて冷却後、鉄基合金の熱処理として通常用いら
れている熱処理、1150℃に3時間保持後、衝風によ
る強制冷却を行つた。鋳造時の急冷により成分偏析をな
くすとともに、炭化物を一部固溶させ急冷によつて微細
な炭化物を形成させる。
以上のように、耐火剤の添加量を変化させて作成した試
料より、マクロ組織,結晶粒度測定用試験片、平行部直
径6mmの引張試験片、及び、直径20mm,高さ20mmの
耐熱疲労性試験片をそれぞれ作成した。
マクロ組織は、断面研摩後、王水中で浸漬腐食結晶粒度
の測定には、研摩後、670℃の温度で72時間保持後
空冷の鋭敏化処理後、王水−グリセリンによる腐食をそ
れぞれ実施した。マクロ組織観察の結果を第2図(倍率
約1倍)に示す。A1は耐火剤を含まない従来法によつ
て製造したマクロ組織、A4は耐火剤添加量5重量%の
もののマクロ組織である。図に示す如く、A1のものは
チル晶は形成されず、結晶後の大きなマクロ組織を示す
が、本発明のものは特に下部のタービン翼との摺動面よ
り内部に向つて順次チル晶及び柱状晶を有する。このチ
ル晶の厚さは鋳造のままで約8mmであつた。また、チル
晶の厚さは耐火剤の添加量によつて若干変るが、1%で
約1.5mm、3%で約5mmとなる。それ以下では添加量
とともにチル晶の厚さが増加する。耐火剤を含まない鋳
型ではほとんどチル晶は形成されないし、前述の如く粗
大な結晶粒となることが分る。
第3図は柱状晶における耐火剤の添加量とASTM結晶粒度
No.との関係を示したものであり、添加量5重量%まで
は粒度は細かくなるが、それ以上では変化がない。ガス
タービン用シユラウドにおいては結晶粒度No.として3
以上が好ましいことから耐火剤として2%以上とするこ
とが好ましい。尚、チル晶の結晶粒度は第3図とほぼ同
じ傾向を示し、粒度No.で約2大きい微細なものが得ら
れる。
第4図に試料A1と試料A4の顕微鏡組織(400倍)を
示す。耐火剤のない従来法のA1ではASTM結晶粒度No.
は、2.0、一方、耐火剤の添加量5重量%のA4では
4.5であり、A4が細粒になつている。組織はいずれ
も共晶炭化物の囲りに二次炭化物が析出した状態になつ
ている。
第5図は引張試験後の絞り率と耐火剤添加量との関係を
示す線図である。図に示すように耐火剤を添加した試料
の絞り率は、耐火剤のない従来法で作成した試料の絞り
率と比較して、室温で約3倍,427℃で約2倍、及び
760℃で約1.3倍といずれの温度でも破断延性が大
幅に改善されている。特に、耐火剤の添加量は2%で大
きな効果があり、1%以上で効果が見られる。
第6図(a),(b)は耐熱疲労試験に使用した、試験
片の形状(切欠角度45゜)及び熱サイクル試験の加熱
冷却モードを示す図、第7図は熱疲労試験の熱サイクル
回数とクラツクの総長さとの関係を示す線図である。試
験片は中央部に深さ1mmの45度のVノツチ加工を施し
たものである。熱サイクル数として、50回,150
回、及び300回後試験片を縦に2分割して、断面上の
クラツク全体の長さを合計して、示した。くり返し数の
増加によつてクラツク長さはほぼ直線的に増加する。
耐火剤を添加しない従来法の試料A1と比較すると、い
ずれも耐火剤を添加した本発明の試料A2,A3,A4
及びA5のクラツク長さは少なく、耐熱疲労性に優れて
いることがわかる。
第8図は耐火剤添加量とくり返し数300回における総
クラツク長さとの関係を示す線図である。図に示す如く
耐火剤の添加量とともにクラツクの長さが著しく減少
し、耐熱疲労性が向上することが明らかである。特に、
耐火剤添加量が約4%以上では最もクラツク長さが小さ
くなり、それ以上にしてもより大きな効果が得られな
い。
尚、これらの特性試験に用いた試料は精密鋳造品の中心
部より採取したものであり、鋳造品の表面のチル晶は含
んでいないものによつて行つたものである。従つて、こ
のチル晶を含む試料の特性は上述した特性より更に高い
優れた特性が得られることは明らかである。
第2表は前述のA4材の機械的性質を示すものである。
第3表はA1及びA4の871℃,5.5kg/mm2クリ
ープ破断試験結果を示すものである。
以上の表に示すように、本発明の室温における引張強さ
40kg/mm2以上,伸び率5%以上,760℃,引張強
さ20kg/mm2以上,伸び率5%以上,871℃5.5k
g/mm2におけるクリープ破断時間が10時間以上のすぐ
れた特性が得られることが分る。これらの試片は鋳物の
中心部であるチル晶のない柱状晶を有する部分のもので
あるが、チル晶を有するものは更に高い特性を有するも
のと思われる。
[実施例2] 第1図は本発明の一実施例に係るガスタービンの回転部
周辺の部分断面図及び斜視図である。シユラウド1はタ
ービンケーシング5に組み込まれ、各セグメントをケー
シング2にリング状に全周に組み込まれる。本実施例に
おけるシユラウドは実施例1と同じ本発明の鋳造法によ
り製造される。シユラウド1はガスタービンブレードの
回転に対してできるだけ運転時のその摺動部に隙間がな
いように構成されるので、第9図に示すように摺動面2
0は湾曲した構造を有する。この摺動面20は高温の燃
焼ガスが直接当るので、ガスタービンのスタート時には
急激に加熱され、ストツプ時には空気によつて急冷され
るので、熱サイクル疲労を受け、クラツクが発生し易
い。そのため高温と低温での延性のともに高い材料が要
求される。この摺動面20は前述の如く精密鋳造によつ
て製造されるが、鋳造のままの表面は凹凸があるので、
所定の厚さの切削が行われ、正確な寸法に仕上げられる
とともに表面研摩される。前述の如く、少なくともこの
摺動面20はチル晶が形成され、その厚さは切削後にも
所定の厚さを有するものでなければならない。そして、
精密鋳造においてこの湾曲した構造で製造されることが
好ましい。そうすることによつてチル晶として摺動面全
体が同等の厚さを有し、かつ厚いものが確保でき、長寿
命のものが得られる。本実施例においては側面21に押
湯を設け、摺動面20を鋳型の底部にするとともに、摺
動面20に対して鋳込後の冷却がスムースに行われる鋳
造方案がなされている。その結果、所望の厚さのチル晶
が得られる。チル晶はそのものが微細な結晶粒であると
ともに、その後の柱状晶の粒径を微細にする効果を有
し、表面のチル晶による微細結晶粒によつて耐熱疲労性
が向上される。前述の実施例では試験の都合上内部の試
片によつて特性を評価したものであるが、チル晶の結晶
粒は柱状晶に比べGSで2以上微細なものが得られるの
で、より高い特性が得られるのは確実である。尚、摺動
面20を鋳型の底部とすることにより摺動部分を均等の
とれた組織とすることができ、組織的に不均一な部分が
ないので長寿命とすことができる。
図中、シユラウド1は内部に空気冷却のための冷却穴5
が設けられ、運転中冷却される。
第10図は前述のシユラウドを使用した本発明の一実施
例を示すガスタービンの回転部とその周辺の断面図であ
る。1はシユラウド、2はタービンケーシングの1部、
10はタービンスタブシヤフト、3はタービンバケツ
ト、4はタービンデイスク、13はタービンスタツキン
グボルト、18はタービンスペーサ、19はデスタント
ピース、6はコンプレツサデイスク、7はコンプレツサ
ブレード、8はコンプレツサスタツキングボルト、9は
コンプレツサスタブシヤフト、10はタービンデイス
ク、11は中心孔である。本実施例のガスタービンはコ
ンプレツサ6が17段あり、又タービンバケツト2が2
段のものである。タービンバケツト2は3段の場合もあ
る。
第11図は第10図のシユラウド1に関する詳細を示す
部分断面図である。本実施例におけるシユラウドは実施
例1に比較し、タービンバケツト3との摺動部が複雑な
形状を有し、排気ガスの後流側(図面上左から右方向)
程バケツト3が長い翼となつており、その長さに合わせ
て傾斜する構造を摺動面において平らな肉厚となるよう
に工夫されている。その結果、精密鋳造におけるチル晶
の形成及びマクロ組織的な不均一さ(非規則性)が少な
くバランスのとれたシユラウドにできる。第11図にす
構造のシユラウドもケーシング2の全周にセグメントと
して多数配列され、摺動面は切削加工によつて仕上ら
れ、バケツト3の回転半径と同じ相似形で湾曲した構造
になつており、チル晶もその表面から所望の厚さ(約5
mm以上)を有する。それによつて、ガスタービンとして
シユラウドの摺動面に実質的に運転できなくなるような
クラツクは生ぜずに、約3万時間の使用が可能となる。
以下、本実施例で使用したガスタービンの主要部品の材
料構成と材料の特性を示す。
第4表に示す材料について実物相当の大形鋼を、エレク
トロスラグ再溶解法により溶製し、鍛造・熱処理を行つ
た。特に、タービンデイスクは真空カーボン脱酸法によ
つて溶解したものである。鍛造は850〜1150℃の
温度範囲内で、熱処理は第4表に示す条件で行なつた。
第4表には試料の化学組成(重量%)を示す。これら材
料の顕微鏡組織は、No.1〜4及び7が全焼もどしマル
テンサイト組織、No.5及び6が全焼もどしベーナイト
組織であつた。No.1はデスタントピース及び最終段の
コンプレツサデイスクに使用した。No.5の合金をコン
プレツサデイスク6の13〜16段に使用し、No.6の
鋼をコンプレツサデイスク6の初段から12段まで使用
された。こらはいずれもタービンデイスクと同様の大き
さに製造した。試験片は熱処理後、試料の中心部分か
ら、No.4を除き、軸(長手)方向に対して直角方向に
採取した。この例は長手方向に試験片を採取した。
第5表はその室温引張,20℃Vノツチシヤルピー衝撃
およびクリープ破断試験結果を示すものである。450
℃×10hクリープ破断強度は一般に用いられている
ラルソン−ミラー法によつて求めた。
本実施例のNo.1〜4、及び7(12Cr鋼)を見る
と、450℃,10hクリープ破断強度が51kg/mm
2以上、20℃Vノツチシヤルピー衝撃値が7kg-m/cm2
以上であり、高温ガスタービン用材料として必要な強度
を十分満足することが確認された。
次にスタブシヤフトのNo.5及び6(低合金鋼)は、4
50℃クリープ破断強度は低いが、引張強さが86kg/
mm2以上、20℃Vノツチシヤルピー衝撃値が7kg-m/c
m2以上であり、スチブシヤフトとして必要な強度(引張
強さ≧81kg/mm2,20℃Vノツチシヤルピー衝撃値
≧5kg-m/cm2)を十分満足することが確認された。
以上の材料の組合せによつて構成した本発明のガスター
ビンは、圧縮比14.7,温度350℃以上,圧縮機効
率が86%以上、初段ノズル入口のガス温度約1200
℃が可能となり、32%以上の熱効率(LHV)が得ら
れる。
このような条件におけるデスタントピースの温度及び最
終段のコンプレツサデイスクの温度は最高450℃とな
る。前者は25〜30mm及び後者は40〜70mmの肉厚
が好ましい。タービン及びコンプレツサデイスクはいず
れも中心に貫通孔が設けられる。タービンデイスクには
貫通孔に圧縮残留応力が形成される。
更に、本発明のガスタービンはタービンスペーサ4,デ
イスタントピース5及びコンプレツサデイスク6の最終
段に前述の第3表に示す耐熱鋼を用い、他の部品を前述
と同じ鋼を用いて同様に構成した結果、圧縮比14.
7,温度350℃以上,圧縮効率86%以上、初段ノズ
ル入口のガス温度が1200℃と可能となり、32%以
上の熱効率が得られるとともに、前述の如くクリープ破
断強度及び加熱脆化後の高い衝撃値が得られ、より信頼
性の高いガスタービンが得られるものである。
本実施例におけるタービンデイスク10は3段有してお
り、ガス流の上流側より初段及び2段目には中心孔11
が設けられている。本実施例においてはいずれも第3表
に示す耐熱鋼によつて構成したものである。更に、本実
施例ではコンプレツサデイスク6のガス流の下流側での
最終段、デイスタントピース19,タービンスペーサ1
8,タービンスタツキングボルト13及びコンプレツサ
スタツキングボルト8に前述の第4表に示すNo.7の耐
熱鋼を用いたものである。その他のタービンブレード
3,タービンノズル14,燃焼器15のライナ17,コ
ンプレツサブレード7,コンプレツサノズル16,ダイ
ヤフラム2及びシユラウド1を第6表に示す合金によつ
て構成した。特に、タービンノズル14及びタービンブ
レード3は鋳物によつて構成される。
第6表中タービンブレード,タービンノズル,シユラウ
ドセグメント(1)及びダイヤフラムはいずれもガス上
流側の一段目に使用したもので、シユラウドセグメント
(2)は2段目に使用したものである。
タービンデイスクには全周にわたつて等間隔に各デイス
クを連結するためのボルト挿入用の穴が複数個設けられ
ている。
以上の構成によつて、圧縮比14.7,温度350℃以
上,圧縮効率86%以上,初段タービンノズル入口のガ
ス温度が1200℃と可能になり、32%以上の熱効率
が得られるとともに、タービンデイスク,デイスタント
ピース,スペーサコンプレツサデイスクの最終段、スタ
ツキングボルトを前述の如く高いクリープ破断強度及び
加熱脆化の少ない耐熱鋼が使用されるとともに、タービ
ンブレードにおいても高温強度が高く、タービンノズル
は高温強度及び高温延性が高く、燃焼器ライナは同様に
高温強度及び耐疲労強度が高い合金が使用されているの
で、総合的により信頼性が高いガスタービンが得られる
ものである。
〔発明の効果〕
本発明によれば、耐熱疲労性に優れたガスタービン用シ
ユラウドが得られ、より高温ガスでの運転が可能である
とともに、前述の如く熱効率の高いガスタービンを構成
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るシユラウドとタービン動翼とを有
するガスタービンの回転部の斜視図、第2図及び第4図
はシユラウド断面の金属組織を示す顕微鏡写真、第3図
は耐火剤添加量とASTM粒度No.との関係を示す線
図、第5図は耐火剤添加量と引張試験後の絞り率との関
係を示す線図、第6図は熱サイクル試験に用いた試験片
の形状及び熱サイクル曲線の図、第7図は熱サイクル数
と総クラツク長さとの関係を示す線図、第8図は耐火剤
添加量と総クラツク長さとの関係を示す線図、第9図は
ガスタービンシユラウドの斜視図、第10図は本発明に
係るガスタービンの構成図、第11図は本発明に係る他
の例のシユラウドとタービン動翼との関係を示す構成図
である。 1……シユラウド、2……タービンケーシング、3……
タービン動翼、4……タービンデイスク、5……空気冷
却穴、6……コンプレツサデイスク、7……コンプレツ
サブレード、8……コンプレツサスタツキングボルト、
9……コンプレツサスタブシヤフト、10……タービン
スタブシヤフト、13……タービンスタツキングボル
ト、14……タービンノズル、15……燃焼器、16…
…コンプレツサノズル、17……燃焼器ライナ、18…
…スペーサ、19……タービンデイスタントピース、2
0……摺動面。

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高温ガスによつて回転するタービン動翼の
    翼先端に対し間隙を有して設置されたセグメント状のガ
    スタービン用シユラウドにおいて、該シユラウドは少な
    くとも前記動翼との摺動部が摺動面表面より内部方向に
    順次チル晶及び柱状晶を有する耐熱鋳造合金によつて構
    成されていることを特徴とするガスタービン用シユラウ
    ド。
  2. 【請求項2】前記耐熱鋳造合金は重量で、C0.1〜
    0.5%、Si2%以下、Mn2%以下、Cr20〜3
    5%,Ni18〜40%及び残部Feからなる基本組
    成、又はこれにTi0.5%以下,Nb0.5%以下,
    希土類元素0.5%以下,Y0.5%以下,Ca0.5
    %以下、Mg0.5%以下,Al0.5%以下の少なく
    とも1種の特殊元素を含み、更に前記基本組成又は特殊
    元素を含む合金にCo20%以下,Mo10%以下及び
    W10%以下の少なくとも1種を含む請求項1に記載の
    ガスタービン用シユラウド。
  3. 【請求項3】高温ガスによつて回転するタービン動翼
    と、該動翼先端に間隙を有して設置されたセグメント状
    シユラウドとを備えたガスタービンにおいて、前記シユ
    ラウドは少なくとも前記動翼との摺動部において、室温
    の引張強さ40kg/mm2以上、伸び率5%以上、760
    ℃の引張強さ20kg/mm2以上、伸び率5%以上、87
    1℃,5.5kg/mm2クリープ破断時間が10時間以上
    である耐熱鋳造合金によつて構成されていることを特徴
    とするガスタービン。
  4. 【請求項4】タービンスタブシヤフトと、該シヤフトに
    タービンスタツキングボルトによつて互いにスペーサを
    介して連結された複数個のタービンデイスクと、該デイ
    スクに植込まれたタービン動翼と、該動翼先端に対し間
    隙を有して設置されたシユラウドと、前記ボルトによつ
    て前記デイスクに連結されたデイスタントピースと、該
    デイスタントピースにコンプレツサスタツキングボルト
    によつて連結された複数個のコンプレツサデイスクと、
    該デイスクに植込まれたコンプレツサブレードと、前記
    コンプレツサデイスクの初段に一体に形成されたコンプ
    レツサスタブシヤフトを備えたガスタービンにおいて、
    少なくとも前記タービンデイスクは450℃で10
    間クリープ破断強度が50kg/mm2以上及び500℃で
    10時間加熱後の25℃Vノツチシヤルピー衝撃値が
    5kg-m/cm2以上である全焼戻マルテンサイト組織を有
    するマルテンサイト鋼よりなり、前記動翼は燃焼ガス後
    流側で長翼であり、前記シユラウドは少なくとも前記摺
    動面より内部方向に形成された柱状晶を有する耐熱鋳造
    合金によつて構成されていることを特徴とするガスター
    ビン。
  5. 【請求項5】前記タービンスタツキングボルト,デイス
    タントピース,タービンスペーサ,コンプレツサデイス
    クの少なくとも最終段から中心部まで、コンプレツサス
    タツキングボルトの少なくとも1つをマルテンサイト鋼
    によつて構成した請求項4に記載のガスタービン。
  6. 【請求項6】前記マルテンサイト鋼は重量で、C0.0
    5〜0.2%,Si0.5%以下、Mn1.5%以下,
    Cr8〜13%,Mo1.5〜3.5%,Ni3%以
    下,V0.05〜0.3%,Nb及びTaの1種又は2
    種の合計量が0.02〜0.2%及びN0.02〜0.
    1%を含み、残部がFe及び不可避不純物で構成されて
    いる請求項4又は5に記載のガスタービン。
  7. 【請求項7】前記マルテンサイト鋼は、450℃で50
    kg/mm2以上の10万時間クリープ破断強度と5kg-m/c
    m2以上のVノツチシヤルピー衝撃値を有する請求項6に
    記載のガスタービン。
  8. 【請求項8】前記タービンスタブシヤフトは重量で、C
    0.2〜0.4%,Mn0.5〜1.5%,Si0.1
    〜0.5,Cr0.5〜1.5%,Ni0.5%以下M
    o1.0〜2.0%,V0.1〜0.3%,残部がFe
    及び不可避不純物で構成されている請求項4に記載のガ
    スタービン。
  9. 【請求項9】前記タービンスペーサが重量でC0.05
    〜0.2%,Si0.5%以下、Mn1%以下,Cr8
    〜13%,Mo1.5〜3.0%,Ni3%以下,V
    0.05〜0.3%,Nb0.02〜0.2%,N0.
    02〜0.1%,残部がFe及び不可避不純物で構成さ
    れている請求項4に記載のガスタービン。
  10. 【請求項10】前記タービンスタツキングボルトが重量
    で、0.05〜0.2%,Si0.5%以下、Mn1%
    以下,Cr8〜13%,Mo1.5〜3%,Ni3%以
    下,V0.05〜0.3%,Nb0.02〜0.2%,
    N0.02〜0.1%を含み、残部がFe及び不可避不
    純物で構成されている請求項4に記載のガスタービン。
  11. 【請求項11】前記タービンデスタントピースが重量
    で、C0.05〜0.2%,Si0.5%以下、Mn1
    %以下,Cr8〜13%,Mo1.5〜3%,Ni3%
    以下,V0.05〜0.3%,Nb0.02〜0.2
    %,N0.02〜0.1%を含み、残部がFe及び不可
    避不純物で構成されている請求項4に記載のガスタービ
    ン。
  12. 【請求項12】前記コンプレツサースタツキングボルト
    が重量でC0.05〜0.2%,Si0.5%以下、M
    n1%以下,Cr8〜13%,Mo1.5〜3%,Ni
    3%以下,V0.05〜0.3%,Nb0.02〜0.
    2%,N0.02〜0.1%を含み、残部がFe及び不
    可避不純物で構成されている請求項4に記載のガスター
    ビン。
  13. 【請求項13】前記コンプレツサブレードは重量でC0.
    05〜0.2%,Si0.5%以下、Mn1%以下,Cr
    10〜13%を含み、残部がFe及び不可避不純物から
    なるマルテンサイト鋼で構成されている請求項4に記載
    のガスタービン。
  14. 【請求項14】前記コンプレツサデイスクのガス上流側
    の初段から中心部までの上流側を重量で、C0.15〜
    0.30%,Si0.5%以下,Mn0.6%以下,C
    r1〜2%,Ni2.0〜4.0%,Mo0.5〜1.
    0%,V0.05〜0.2%及び残部が実質的にFeか
    らなり、前記中心部から下流側の少なくとも最終段を除
    く前記デイスクを重量で、C0.2〜0.4%,Si
    0.1〜0.5%Mn0.5〜1.5%,Cr0.5〜
    1.5%,Ni0.5%以下、Mo1.0〜2.0%,
    V0.1〜0.3%及び残部が実質的にFeからなる請
    求項4に記載のガスタービン。
  15. 【請求項15】前記コンプレツサスタブシヤフトが重量
    でC0.15〜0.3%,Mn0.6%以下,Si0.
    5%以下,Ni2.0〜4.0%,Cr1〜2%,Mo
    0.5〜1%,V0.05〜0.2%を含み、残部がF
    e及び不可避不純物で構成されている請求項4に記載の
    ガスタービン。
  16. 【請求項16】タービンスタブシヤフトと、該シヤフト
    にタービンスタツキングボルトによつて互いにスペーサ
    を介して連結された複数個のタービンデイスクと、該デ
    イスクに植込まれたタービン動翼と、該動翼の先端部に
    対して間隙を有して設けられたセグメントからなるリン
    グ状に形成されるシユラウドと、該ブレードを回転させ
    るための高温ガス流を前記ブレードに誘導するタービン
    ノズルと前記高温ガスを発生させる円筒体よりなる複数
    個の燃焼器と、前記ボルトによつて前記デイスクに連結
    されたデイスタントピースと、該デイスタントピースに
    コンプレツサスタツキングボルトによつて連結された複
    数個のコンプレツサデイスクと、該デイスクに植込まれ
    たコンプレツサブレードと、前記コンプレツサデイスク
    の初段に一体に形成されたコンプレツサスタブシヤフト
    を備えたガスタービンにおいて、前記シユラウドは前記
    タービン動翼の初段に対応する部分が重量でC0.05
    〜0.2%,Si2%以下,Mn2%以下,Cr17〜
    27%,Co5%以下,Mo5〜15%,Fe10〜3
    0%,W5%以下,B0.02%以下及び残部が実質的
    にNiからなる全オーステナイト組織を有するNi基鋳
    造合金からなり、前記タービン動翼の残りの段に対応す
    る部分が重量でC0.3〜0.6%,Si2%以下,M
    n2%以下,Cr20〜27%,Ni20〜30%,N
    b0.1〜0.5%,Ti0.1〜0.5%及び残部が
    実質的にFeからなるFe基鋳造合金からなり、これら
    のシユラウドの動翼先端部との少なくとも摺動部が該摺
    動面から内部方向に成長した柱状晶を有することを特徴
    とするガスタービン。
  17. 【請求項17】前記コンプレツサノズルは重量でC0.
    05〜0.2%,Si0.5%以下、Mn1%以下,C
    r10〜13%と、又は更にNi0.5%以下及びMo
    0.5%以下を含み、残部が実質的にFeからなるマル
    テンサイト鋼からなり、前記コンプレツサデイスクの初
    段から低温側が重量でC0.15〜0.3%,Si0.
    5%以下,Mn0.6%以下,Cr1〜2%,Ni2〜
    4%,Mo0.5〜1%,V0.05〜0.2%及び残
    部が実質的にFeからなり、前記コンプレツサデイスク
    の残りの高温側が重量でC0.2〜0.4%,Si0.
    1〜0.5%,Mn0.5〜1.5%,Cr0.5〜
    1.5%,Ni0.5%以下,Mo1〜2%,V0.1
    〜0.3%及び残部が実質的にFeからなる請求項16
    に記載のガスタービン。
  18. 【請求項18】前記タービン動翼は重量でC0.07〜
    0.25%,Si1%以下,Mn1%以下,Cr12〜20
    %,Co5〜15%,Mo1〜5%,W1〜5%,B
    0.005〜0.03%,Ti2〜7%,Al3〜7%
    と、Nb1.5%以下、Zr0.01〜0.5%,Hf
    0.01〜0.5%,V0.01〜0.5%の1種以上
    と、残部が実質的にNiからなり、γ′及びγ″相を有
    するNi基鋳造合金からなり、前記タービンノズルは重
    量でC0.20〜0.6%,Si2%以下,Mn2%以
    下,Cr25〜35%,Ni5〜15%,W3〜10
    %,B0.003〜0.03%及び残部が実質的にCo
    からなり、又は更にTi0.1〜0.3%,Nb0.1
    〜0.5%及びZr0.1〜0.3%の少なくとも1種
    を含み、オーステナイト基地に共晶炭化物及び二次炭化
    物を有するCo基鋳造合金からなり、前記燃焼器は重量
    でC0.05〜0.2%,Si2%以下,Mn2%以
    下,Cr20〜25%,Co0.5〜5%,Mo5〜1
    5%,Fe10〜30%,W5%以下,B0.02%以
    下及び残部が実質的にNiからなる全オーステナイト組
    織を有するNi基合金からなる請求項16に記載のガス
    タービン。
  19. 【請求項19】高温ガスによつて回転するタービン動翼
    の翼先端に対して間隙を有して設置される耐熱鋳造合金
    からなるセグメント状のガスタービン用シユラウドを鋳
    造によつて製造する製造法において、鋳型の少なくとも
    鋳物との接触表面部に耐火性骨材粉末を主成分とし、こ
    れに結晶核生成を促進させる耐火剤粉末を含む塗型を有
    する鋳型に前記合金の溶湯を鋳込み、次いで鋳型をその
    外表面より強制的に冷却することを特徴とするガスター
    ビン用シユラウドの製造法。
  20. 【請求項20】前記鋳型は酸化ジルコニウム粉末を主成
    分とし、アルミン酸コバルト,酸化コバルト,四三酸コ
    バルト,チタン酸コバルト粉末の少なくとも1種1〜1
    0重量%を含む鋳型材料によつて構成されている請求項
    19に記載のガスタービン用シユラウドの製造法。
  21. 【請求項21】前記鋳型は無機バインダを含む請求項2
    0に記載のガスタービン用シユラウドの製造法。
  22. 【請求項22】高温ガスによつて回転するタービン動翼
    の翼先端に対して間隙を有して設置される耐熱鋳造合金
    からなるセグメント状のガスタービン用シユラウドを鋳
    造によつて製造する方法において、鋳型の少なくとも鋳
    物との接触表面部に耐火性骨材粉末を主成分とし、これ
    に結晶核生成を促進するための耐火剤粉末を含む塗型を
    有する鋳型に前記合金の溶湯を鋳込み凝固するととも
    に、前記鋳型の底部を前記シユラウドの摺動面にするこ
    とを特徴とするガスタービン用シユラウドの製造法。
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