JPS5811504B2 - 高低圧一体型蒸気タ−ビン用ロ−タおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は低温での強度と靭性および高温での強度がそ
れぞれすぐれた高低圧一体型蒸気タービン用ロータおよ
びその製造方法に関する。

所謂る営業用の大型蒸気タービン用ロータが使用蒸気の
温度、圧力によって高圧部、中圧部および低圧部をそれ
ぞれ所要の性質に応じた異種の材質を組合せて構成して
いるのに対し、７０〜８０ＭＷ程度以下の自家発電用蒸
気タービンロータについては小型化および機構の簡略化
と言う見地から高圧部から低圧部までを同一の材質で構
成することが試みられている。

ところで自家発電用蒸気タービンについては使用蒸気温
度が高々５００℃であったのに対し熱効率の向上から５
００℃以上の温度での使用にも耐える蒸気タービンや発
電容量の大きな蒸気タービンが望れている。

しかしこの種蒸気タービン用ロータの構成材料として用
いられている表−１に示す如き組成の合金で高低圧一体
型蒸気タービン用ロータを構成した場合には次のような
不都合さが認められる。

添付図は高低圧一体型蒸気タービンの構成例を示す一部
切欠断面図であるが、合金Ａで高低圧一体型蒸気タービ
ン用ロータを構成した場合には薫蒸入口１附近・・・・
・・ａ部・・・・の高温強度は充分であるがロータ２中
芯部の延性脆性遷移温度が８０〜１２０℃と高いため蒸
気出口３附近・・・・・・ｂ部・・・・・・の温度が５
０℃程度であるタービンロータ２については脆性破壊に
対する安全性を充分に保障し得ないと言う欠点がある。

一方合金Ｂで構成した場合にはロータ２中芯部の延性脆
性遷移温度が室温以下と低（いことから蒸気出口３附近
・・・・・・ｂ部・・・・・・のロータ２の脆性破壊に
対する安全性を充分確保しうる反面、蒸気人口１附近・
・・・・・ａ部・・・・の高温強度が充分でなく、且つ
構成合金がニッケルを多量含むことから高温での長時間
使用（運転）において脆化し易いと言う不都合さがある
。

さらに合金Ｃで構成した場合には蒸気人口１・・・・・
ａ部・・・・・・の高温強度が充分でなく、また蒸気出
口３附近・・・・・・ｂ部・・・・・・の靭性も充分と
言えない。

即ち上記合金Ａ、Ｂ、Ｃのいずれを用いても構成された
高低圧一体型蒸気タービン用ロータには一長一短があり
、実用に供し難いと言う不都合さがある。

同図において４は動翼を、５は静翼を、６はケーシング
をそれぞれ示す。

従って本発明は高温および低温ですぐれた強度と低温で
もすぐれた靭性とを有しており常に所要の機能を発揮す
る高低圧一体型蒸気タービン用ロータおよびその製造方
法を提供しようとするものである。

以下本発明の詳細な説明すると本発明は重量比で炭素０
．１５〜０．３％、硅素０．１％以下、マンガン１．０
％以下、クロム０．５〜１．５％、ニッケル０．５〜１
．５％、モリブデン０．５％を越え１．５％以下、バナ
ジウム０．１５〜０．３％、ニオブ０．０１〜０．１％
、残部鉄および附随的不純物より成る低合金鋼で構成さ
れたことを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロー
タと、 上記低合金鋼を原料とし鋳造および鍛造により蒸気ター
ビン用ロータ素体を先ず形成した後、９００〜１０００
℃で加熱処理し、オーステナイト化してから１００℃／
時間以上の速度で焼入れし、さらに６００〜７５０℃で
焼戻し処理して所要の高低圧一体型蒸気タービン用ロー
タを製造する方法とである。

しかして上記本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン用
ロータは従来使用されているクロム−モリブデン−バナ
ジウム系合金（合金Ａ）或いはクロム−モリブデン−バ
ナジウム−ニッケル系合金（合金Ｂ）などで構成したも
のに較べ高温強度および低温での強度や靭性がすぐれて
おり実用に充分供し得るものである。

本発明の高低圧一体型蒸気タービン用ロータを構成する
低合金鋼の組成分乃至組成比および製造工程における熱
処理条件などについて上記の如く限定した理由を説明す
る。

先ず上記低合金鋼の組成分乃至組成比において炭素は焼
入性を向上させ引張強さや耐力を向上させるに必要な元
素であるが、その量が０．１５％未満ではフェライト相
を生成して実質的にベイナイト組織が得られず、所要の
引張強さや耐力を得ることが出来ず、また０、３０％を
越えると靭性を低下させるのでこの範囲とする。

硅素およびマンガンは脱酸、脱硫剤として添加するもの
であるが、硅素を多量に含有すると靭性を害することお
よび焼戻しの脆化度が犬き（なるので０．１０％以下と
する。

一方マンガンは焼入性を増し引張強さを向上させるが硅
素と同様に多量含有すると靭性を害するので１％以下と
する。

クロムは高温における強度を向上させ、また靭性を向上
させるに必要な元素で０．５％未満ではその効果が小さ
くまた多量含有すると高温強度および靭性を低下さぜる
ので１．５％の範囲内で選ばれる。

さらにニッケルは焼入性を向上させ低温における強度お
よび靭性を向上させる元素であるが０．５％未満ではそ
の効果が十分でなくまた多量含有すると高温強度が低下
するので１．５％までとする。

モリブデンは焼入性を向上させまたクロムと同様高温強
度を向上させるとともに焼戻し脆性を防止するに必要な
元素で０．５％以下ではその効果が十分でなく多量含有
すると靭性を劣下させるので１．５％までとする。

バナジウムは高温強度を向上させるに必要な元素である
が、０．１５％未満ではその効果が十分でなく、また多
量含有すると靭性を劣下させることから０．３０％まで
とした。

さらにまたニオブは結晶粒を微細にし靭性を向上させ、
また微細な炭化物を形成して高温強度を向上させるに必
要な元素であるがその量が０．０１％未満ではその効果
が十分でなく、多量含有するとフェライト相が生成して
強度が低下するので０．１％までとなり、−記組成範囲
の合金鋼でないと高低圧一体型タービンロータとして所
要の機能を果さないからである。

一方上記高低用一体型タービンロータを製造するに際す
る熱処理において、オーステナイト化後９００℃未満の
温度で焼入してもフェライト相が生成し実質的にベイナ
イト組織を有する高温強度および低温の強度と靭性の優
れたロータを得難いし、また１０００℃を越える温度で
焼入すると高温強度は向上するが反面靭性の低下を招来
し易い。

さらに焼入冷却速度が１００℃／ｈｒ未満では、高温強
度は優れるが反面延性脆性遷移温度が高くなり、脆性破
壊に対する安全性を充分確保出来ない。

なお焼入冷却速度は早いほど靭性は向上するが直径が１
ｍ以上もあるタービンロータの中芯部の冷却速度はウォ
ータスプレィやフォグなどの焼入方法でも実質的には１
００〜ｂ 度であるが、中芯冷却を併用すればそれ以上の焼入冷却
速度も得られる。

さらにまた焼戻し温度については６００℃未満では充分
な焼戻し効果が得られず、従って良好な高温強度や靭性
を得られないし、７５０℃を越えた温度での焼戻しでは
所要の強度を得られないからである。

次に本発明の高低圧一体型蒸気タービン用ロータについ
て実施例を挙げて説明する。

表−２に示す化学組成よりなる低合金鋼を先ず用意し、
溶解、鋳造してからさらに鍛造加工して直径１．２ｍ、
長さ０．７ｍの高低圧一体型蒸気タービン用ロータ素体
（モデル）と、同じ条件で試験片（直径３０ｍｍ）をそ
れぞれ作成した。

しかる後、高低圧一体型蒸気タービン用ロータ素体（モ
デル）については中芯部および表面部に熱電対を取り付
けて９５０℃で１０時間加熱処理しオーステナイト化し
た後、ウォータスプレィで冷却しく冷却速度、中芯部１
６５〜ｂ 間、表層部５６０〜ｂ ６７０℃で１７時間焼戻し処理を行なった。

かくして製造したタービン用ロータの表層部および中芯
部からそれぞれ試験片を切り出し衝撃試験とクリープ破
断試験を行なった結果を表−３に示す。

一方、上記鋳造、鍛造形成した試験片については表−４
に示す条件でそれぞれ熱処理を施した。

か（して得た試験片について引張り試験、衝撃試験およ
びクリープ破断試験を行なった結果を、表−５に示す。

表−３および表−５から明らかのように本発明に係る高
低圧一体型蒸気タービンロータ（表−２の実施例１、実
施例２および、これら化学組成より成る高低圧一体型タ
ービンロータ素体に表−４の熱処理Ｂ、Ｃ，Ｄをそれぞ
れ施したもの）は延性脆性遷移温度が低くまたその値が
５０℃以下であることに伴ない脆性破壊に対する安全性
も向上する。

しかもクリープ破断強さも良好であるためタービンの使
用蒸気温度を向上させて熱効率の向上やタービンの大容
量化も図り得ると言う利点がある。

しかして本発明に係る高低圧一体型蒸気ターンロータは
高、低圧に用いうろことから中圧用ロータもしくは中低
圧用ロータとして用いうろこと勿論である。

【図面の簡単な説明】

添附図は本発明を説明するための高低圧一体型蒸気ター
ビンの構成例を示す一部切欠断面図である。 １・・・・・・タービン蒸気入口、２・・・・タービン
ロータ、３・・・・・・タービン蒸気出口、４・・・・
・動翼、５・・・・・・静翼、６・・・・・・ケーシン
グ、ａ部・・・・・・ロータの高温強度を要求される部
分、ｂ部・・・・・・ロータの靭性を要求される部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比で炭素０．１５〜０．３％、硅素０．１％以
   下、マンガン１．０％以下、クロム０．５〜１．５％、
   ニッケル０．５〜１．５％、モリブデン０．５％を越え
   １．５％以下、バナジウム０．１５〜０．３％、ニオブ
   ０．０１〜０．１％、残部鉄および附随的不純物より成
   る低合金鋼で構成したことを特徴とする高低圧ご体型蒸
   気タービン用ロータ。 ２ 重量比で炭素０．１５〜０．３％、硅素０．１％以
   下、マンガン１．０％以下、クロム０．５％〜１．５％
   、ニッケル０．５〜１．５、モリブデン０．５％を越え
   １．５％以下、バナジウム０．１５〜０．３、ニオブ０
   ．０１〜０．１％、残部鉄および附随的不純物より成る
   低合金鋼を溶解鋳造してから鍛造を行い蒸気タービン用
   ロータ形状素体を形成する工程と、前記タービン用ロー
   タ形状素体に９００〜１０００℃の加熱処理を施しオー
   ステナイト化してから１００℃／時間以上の冷却速度で
   焼入れする工程と、前記焼入れしたロータ形状素体につ
   いて６００〜７５０℃で焼戻し処理を施す工程と具備す
   ることを特徴とする高低圧一体型蒸気タービン用ロータ
   の製造方法。