JPS5813609B2 - 高低圧一体型蒸気タ−ビンロ−タの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、低温の蒸気に曝される部分は優れた靭性と
強度を、また高温の蒸気に曝される部分は優れた高温ク
リープ破断強さを夫々発揮できるようにした高低圧一体
型蒸気タービン用ロータの製造方法に関する。

一般に、営業用の大型蒸気タービン用ロータは使用蒸気
温度、圧力などによって高圧部、中圧部および低圧部が
それぞれ所要の性質に応じた異種の材質で構成されてい
る。

しかし７０〜８０ＭＷ程度以下の自家発電用蒸気タービ
ン用ロータにおいては、小型化、機構の簡略化などの見
地から、高圧部から低圧部まで同一の材質で構成されて
いる。

そして、自家発電用蒸気タービンにおいては、従来その
使用蒸気温度が高高５００℃程度までであったが、最近
では熱効率向上の観点から５００℃以上の温度で、しか
も大容量化が望まれるようになってきている。

このような、自家発電蒸気タービンに使用する高低圧一
体型タービン用ロータにおいては、一本のロータで、高
圧部および中圧部においては高温強度を、また、低圧部
においては靭性および引張強さ耐力をそれぞれ満す必要
があるが従来より使用されている表−１に示すような化
学組成の材料からなるロータでは次のような不都合が認
められた。

すなわち添付図は高低圧一体型蒸気タービン用ロータの
断面図の例を示したものであるが、従来高圧あるいは中
圧用ロータとして使われている合金Ａで製造されたロー
タでは、高圧部（ａ部）および中圧部（ｂ部）の高温強
度は充分であるが、ロータ中心部（ ｄ〜ｅ〜ｆ部）の
延性脆性遷移温度（以下５０％ＦＡＴＴと記す）が８０
〜１２０℃と高いため低圧部（Ｃ部）の脆性破壊に対す
る安全性を充分に保障し得ない欠点があった。

一方、従来、低圧ロータとして使用されている合金Ｂで
製造されているロータではロータ中心部（ｄ〜ｅ〜ｆ部
）の５０％ＦＡＴＴが室温以下であることから低圧部（
Ｃ部）の脆性破壊に対する安全性は充分あるが、反面、
高圧部および中圧部（ａ部およびｂ部）の高温強度が充
分ではなく、また、構成合金がニッケルを多く含むこと
から高温で長時間使用すると脆化し易い欠点があった。

さらに、従来高低圧一体型ロータとして使用されている
合金Ｃで製造されるロータにおいては高圧部（ａ部）の
高温強度が充分ではなく、また低圧部（Ｃ部）の靭性も
充分でないなどの欠点を有していた。

従って本発明は高圧部および中圧部で優れた強度性を発
揮させることができ、また低圧部で優れた靭性を発揮さ
せることができ、常に所要の機能を発揮させ得る高低圧
一体型蒸気タービン用ロータの製造方法を提供しようと
するものである。

以下、本発明を詳細に説明すると、本発明は重量比で炭
素０．２０〜０．３５％、硅素０．２％以下、マンガン
１．０％以下、クロム０．５％〜１．５％、ニッケル１
．５％以下、モリブデン０．５〜１．５％．バナジウム
０．１５〜０．３％、残部鉄および付随的不純物より成
る低合金鋼を溶解鋳造後、鍛造を行ない、蒸気タービン
用ロータ素体を形成する工程と、前記蒸気タービン用ロ
ータ素体を９００〜１０００℃の範囲に加熱してオース
テナイト化したのち、蒸気タービンの使用時に高温蒸気
に曝される高圧部、中圧部にあたる部分については、表
層部の軸方向平均冷却速度が５０〜２００℃／時間とな
る関係に、また低圧部にあたる部分については中心部の
軸方向平均冷却速度が１００℃／時間以上となり、かつ
前記高中圧部と低圧部とにおける素体の中心部の平均冷
却速度が異なる関係にそれぞれ冷却して焼入する工程と
、 前記焼入したロータ素体を６００〜７５０℃で焼戻し処
理を施こす工程とを具備してな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である。

本発明に係る高低圧一体型蒸気タービンロータの製造方
法で製造されたロータは従来使用されているロータの製
造方法、例えば合金Ａの組成でロータ素体全体を強制空
冷で焼入して製造したものあるいは合金Ｂの組成でロー
タ素体全体を噴霧冷却で焼入して製造したものに較べ、
ロータ素体全体がベイナイト相を呈し、高圧部および低
圧部の強度および靭性が優れ、また高温部の高温強度も
優れ、高低圧一体型蒸気タービン用ロータとして充分実
用に供し得るものである。

ここで本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン用ロータ
の製造方法における各限定理由について説明すると、 まず低合金鋼の組成比において、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０．２％未満ではフエライト相が生成して実質
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０．３５％を越えると靭性が
低下す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、
および焼戻し脆化度が大きくなるので０．２％以下とす
る。

またマンガンは焼入性を増し引張強さを向上させるが、
硅素と同様に多量の含有は靭性を害するので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あるが、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
劣化させるので１．５％までとする。

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が、多量の含有は高温強度を低下
させるので１．５％以下とする。

モリブデンは焼入性を向上させ、また高温強度を向上さ
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％未満ではその効果が充分でなく、多量含有すると靭
性を低下させるので１．５％までとする。

バナジウムは高温の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充分でなく、また
多量の含有は靭性を劣下させるので０．３％までとする
。

焼入時のオーステナイト化処理温度については、オース
テナイト化温度が９００℃未満の温度では焼入してもフ
エライト相が生成して実質的にベイナイト組織が得られ
ず高温および低温の強度が得られず、また１０００℃を
越えた温度では靭性が低下することからこの範囲とする
。

焼入冷却速度については、蒸気タービンの使用時に高温
の蒸気に曝される高圧部および中圧部は、タービン翼埋
込部分であるロータ表層部の高温強度が必要でロータ素
体の表層部の軸方向の平均冷却速度が２００℃／時間以
下でないと所要の高温強度が得られず、また、５０℃／
時間未満ではフエライト相が発生して十分な高温強度が
得られないので上記範囲とする。

また低温の蒸気に曝される低圧部はロータ中心部の靭性
および強度が必要で、ロータ素体の中心部の軸方向の平
均冷却速度が１００℃／時間未満では所要の靭性と強度
が得られないことからこの範囲とする。

すなわち、平均冷却速度が１００℃／時間以上であれば
ベイナイト相となり実用上十分な強度と靭性が得られる
。

しかし中心部の平均冷却速度を大きくするには限界があ
るので実用上は１００〜６００℃／時間の範囲となる。

また、上記のように設定すると高中圧部および低圧部の
素体中心部における上記平均冷却速度は異なったものと
なる。

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、従って良好な強度や靭性が得られ
ず、また、７５０゜Ｃを越えた温度では所要の強度を得
ることが出来ないからである。

また本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン用ロータの
製造方法において、前述した低合金鋼の組成物に加えて
アルミニウムを０．０２〜０．０７％あるいはニオブを
０．０２〜０．０５％含有させた場合には、さらに高温
強度と靭性が向上し、また前述した焼入時のオーステナ
イト化処理においてロータ素体の高圧部および中圧部の
温度を９５０℃以上に、低圧部の温度を９５０℃未満に
するとロータ各部に必要とされる所要の特性はさらに向
上する。

なお、前記焼入時の冷却に当って高圧部および中圧部に
ついては衝風冷で、低圧部については水噴霧冷却で行な
えば工業上有利である。

また、高圧部および中圧部外周を断熱材料で保護して全
体を水噴霧冷却で冷却することも可能である。

次に本発明の実施例を記載する。

表−２に示す化学組成よりなる低合金鋼を溶解、鍛造し
てローク素体用テストピースをそれぞれ４個ずつ作製し
た。

ついで、これらテストピースを９７０℃に加熱してオー
ステナイト化処理したのち、実際のロータ素体の表層部
および中心部の冷却速度をシミュレートした冷却速度で
焼入後、６７０℃で焼戻しを施こした。

しかるのち、これらテストピースについて引張試験、２
ミリＶノツチシャルピー衝撃試験による５０％ＦＡＴＴ
の測定、高温クリープ破断試験を行なった。

なお、実際のロータ素体を焼入れしたときの表層部の冷
却速度は低圧部の方が高，中圧部より速い関係となる。

また、実際のロータにおいて強制空冷した場合のロータ
表層部の冷却速度は１００〜２００℃／時間、中心部の
冷却速度は約７０℃／時間程度であり，また水噴霧冷却
の場合のロータ表層部の冷却速度は６００℃／時間以上
、中心部の冷却速度は約１００℃／時間程度以上である
。

表−３に実施例合金１，２の各熱処理による機械的性質
を示す。

また、表−１の従来の製造方法で製造されたロータの特
性を表−４に示す。

表−３および表−４より明らかなように従来の蒸気ター
ビンロータである比較例１では高温のクリープ破断強さ
は良いが、５０％ＦＡＴＴがロータ中心部で９４℃と高
く、また比較例２では５０％ＦＡＴＴは非常に優れてい
るが高温クリープ破断強さが不充分である。

比較例３では同様にクリープ破断強さが不充分である。

一方、本発明に係る高低圧一体型蒸気タービン用ロータ
の場合には高温の強度が必要な高温蒸気に曝される高圧
部および中圧部のロータ表層部のクリープ破断強さが所
要の強度以上であるとともに靭性が必要である低温蒸気
に曝される低圧部のロータ中心部の５０％ＦＡＴＴも所
要の温度以下であり、高低圧一体型蒸気タービン用ロー
タとして充分実用に供し得る。

【図面の簡単な説明】

図面は高低圧一体型蒸気タービン用ロータの断面の一例
を示したもので、図中ａおよびｂは高温の蒸気に曝され
る部分でタービン翼埋込部であるロータ表層部の高温強
度が必要な部分であり、中心部のｄ、ｅの靭性はあまり
問題がない部分である。 また図中Ｃは低温の蒸気に曝される部分でロータ表層部
の高温強度は必要なく中心部ｆの靭性が必要な部分であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 重量比で炭素０．２〜０．３５％、硅素０．２％以
   下、マンガン１．０％以下、クロム０．５〜１，５％、
   ニッケル１．５％以下、モリブデン０．５％〜１．５％
   、バナジウム０．１５〜０．３％、残部鉄および付随的
   不純物より成る低合金鋼を溶解鋳造後、鍛造を行ない蒸
   気タービン用ロータ素体を形成する工程と、前記蒸気タ
   ービン用ロータ素体を９００〜１０００℃の範囲で加熱
   してオーステナイト化したのち、蒸気タービンに組込ん
   だとき高温蒸気に曝される高圧部、中圧部にあたる部分
   については表層部の平均冷却速度が５０〜２００℃／時
   間、また、低圧部にあたる部分については素体の中心部
   の平均冷却速度が１００℃／時間以上となり，かつ前記
   高，中圧部と低圧部とにおける素体の中心部の平均冷却
   速度が異なる関係に夫々冷却して焼入する工程と、 前記焼入したロータ素体を６００〜７５０℃に焼戻し処
   理を施こす工程とを具備してな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。