JPS5877557A - 超高温高圧蒸気タ−ビン - Google Patents

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】 ぢ 本発明は、新規は主蒸気温度６００〜６５０　Ｃ。

圧力４０００〜５０００ＰＳｉの蒸気タービンに係り。

特にタービンロータシャフトに高温強度に優れ。

なおかつ加熱脆化のしにくい材料を使用した超高温高圧
蒸気タービンに関する。

近年化学技術の進歩に従いエネルギーの需要が拡大する
傾向にある。一方今エネルギーの輸入依存率が８８％と
高い我国では世界的な石油資源の減少等により代替エネ
ルギーの開発もしくは発電プラントの効率向上が早急に
推進されつつある。

さて蒸気発電プラントでは高温高圧化が検討されようと
している。

現用、５３８Ｃの蒸気を使用する発電プラントにおいて
は、ケーシング及びタービンロータシャフト材料として
Ｃｒ−ＭＯ−Ｖ鋼の低合金鋼が用いられている。しかし
、蒸気温度が６００Ｃ，圧力が４０００ｐｓｉを超える
高温高圧発電プラントを対象とした場合、これら低合金
鋼ではクリープ強度をはじめとした高温強度の低下が顕
著となり使用は困難である。

そこで、６００Ｃ以上の温度域では強度面の制約よりオ
ーステナイト系合金が適当となるが、これら合金では高
温において多種多様の析出相が分布状態で析出するため
脆化が助長され高温強度が著しく低下する危険性がある
。

本発明の目的は、信頼性の高い超高温高圧蒸気１ タービンを提供するにあり、特に温度６００〜６５０Ｃ
の蒸気条件で高い高温強度を有し、高温延性が高く、加
熱脆化の少ないオーステナイト系鍛鋼を使用したロータ
シャフトからなる超高温高圧蒸気タービンを提供するに
ある。

本発明は、ケーシング、該ケーソング内で蒸気流の噴射
を受けて回転する翼及び該翼を保持し回転スるロータシ
ャフトを備え、前記ケーシンクカ前記蒸気流の案内をす
る静翼が保持された内部ケーシングと該内部ケーシング
を被いほぼ球型の外形を有する外部ケーシングとによっ
て構成されるものであって、前記ロータシャフトば６５
０Ｃで＋７）１，０００時間／　ＩＪ−プ破断強度カ２
５　Ｋｑ／　ｎｎｎ　２以上を有するオーステナイト系
鋼からなることを７１！ｊ徴とする超高温高圧蒸気ター
ビンにある。

前記ロータ７ヤフトの翼部は前記ケ・−シング内の前記
ロータシャフトの軸方向Ｖｃ対１．等間隔に配置されて
いて、かつ前記軸方向に刻しその中心位置で左右が非対
称になっているのがＩｒ′ｉｔ〜い。

前記ロータシャフトは重量で、Ｃ０，１％以下。

Ｍ０２％以下、８１１％以下、ＣＩ’ｌＯ〜２０％。

Ｎｉ２Ｏ〜３０％ＩＭＯ０，５〜２　％　Ｈｉ”　Ｉ　
Ｏ，５〜３％９　Ａ、　４３　ｏ、　１〜１％を含み、
残部１・ｅからなり。

オーステナイト基地にγ′相が析出したオーステナイト
系鍛鋼からなるもので、６５０Ｃでの１，０００時間ク
リープ破断強度が２５Ｋｇ／ｗｍ２以上のものが得られ
る。

更に、前記ロータシャフトは重量で、ｃｏ、ｉ％以下、
Ｍｎ２％以下９　Ｓｉ１％以下９Ｃｒ１０〜２０％、Ｎ
ｉ２Ｏ〜３０％、ＭＯｏ、５〜２％。

Ｔ１０５〜３％、Ａｎｏ、１〜１％、Ｂｏ、０００５〜
０４０１％を含み、残部ｐｅからなり、オーステナイト
基地にγ′相が析出したオーステナイト系鍛鋼からなる
。

前記外部ケーシングはＣｒ−Ｎｉオーステナイト系鋳鋼
又はベーナイト組織を有するＣｒ−ＭＯ−■鋳鋼からな
るものが好ましい。

、前記内部ケーシングはＣｒ−Ｎｉオーステナイト系鋳
鋼からなるものが好ましい。

Ｃは高温強度を高めるために０．１％以下加えられるが
、加熱脆化を低減するため、特に炭素量を０．０３５重
量％以下とすることが好捷しい。十分な強度を得るには
ｏ、ｏｉ％ｉ％以下ましい。チタン。

モリブデン、クロムをある程度以」二含有する合金では
ＭＸ型、Ｍ、３Ｃ６型、ＭＣａ型炭化物が高温。

長時間加熱により析出する。これらの炭化物には６００
〜６５０Ｃの温度域において結晶粒界に優先的に析出し
靭性及び耐酸化性を低下させ々い」：うに添加するのが
好ましい。さらに使ｆｆ−Ｊ中脆化を防止し１粒界破壊
を防止するには、Ｃ量を０．０４８％以下とすることが
好ましい。また、現用のロータ材である１２Ｃｒ鋼及び
Ｃｒ　−Ｍ　（１、−、−Ｖ鋼の吸収エネルギー値は一
般に１．１　Ｋｇ−１１１及び０．６９に４７−ｍ以上
されている。これらの値を満足するためには、ｏ、ｏａ
ｏ％Ｃ以下にすることが好捷しく、長時間使用しても問
題ないことを明らかにしている。

一方、モリブデン等との炭化物は粒内に４１１出し高温
強度を向上することが期待されるが、加熱脆化を考慮す
るとその上限を０．０３５重１１°％とするのが好まし
い。特に、ｏ、ｏｉ〜００３％が好ましい。

Ｍｎは、製造上重要な脱酸成分である。靭性・耐酸化性
に対する悪影響を防止するには２重１Ｂ”％以下である
。特に、０．７〜１５％が好捷しい。

Ｎｉはオーステナイト生成元素であり高温強度の向」二
のため２０％以上である。ニッケル量を増加するとバラ
ンス上耐酸化性を向上させるクロムを増すことができる
が、６００〜６５０Ｃで高い高温延性並びに耐力を維持
するために３０重量％以下とする。特に、２３〜２９％
が好ましい。

Ｓｉは、Ｍｎと同様、製造上重要な脱酸成分である。高
い靭性、延性及び溶接性を維持するため上限を１．０重
量％とする。

ＭＯは、オーステナイト地を強化すると共に炭化物を形
成しクリープ強度を向上する。高い高温延性及び加工性
を維持するために２重量％以下とする。特に、１〜１．
５％が好ましい。

Ｃｒは耐酸化性を向上する重要な成分である。

６００〜６５０Ｃで十分な耐酸化性を保持するには１０
重量％以上が必要である。高温使用による脆化を防止し
、安定な組織とするために２０重量％以下とする必要が
ある。特に１２〜１８％が好ましい。

Ｔｉは、アルミニウムとともにγ′相［ＩｌＮ１５（。

Ｔ１）〕を形成する。γ′相は却則格子状の化合物でオ
ーステナイト地にほぼ完全な球形で均一に分散するだめ
の析出硬化による６００〜６５０Ｃで高い高温強度を得
るのに重要な因子であり、十分な高温強度を得るには０
．５重量％以上が必要である。延性の低下を防止し切欠
弱化を防１１〕する量は３重量％以下である。特に１．
５〜３％が好ましい。

Ａ！は、チタンとともにγ′相を形成し、強化に寄与す
る重要な因子である。時効硬化能のないη相（Ｎｉ３Ｔ
ｉ）の析出を防止する量は０．１重］■°％以上である
。またチタンとのバランスから−１−限を１重量％とす
る。特に、０．１〜０．５％がＵ’ｔＬい。

Ｂは、結晶粒界を著しく強化し、特に長時間側でのクリ
ープ強度を向上するのに有効である。この効果は、００
０１％程度より顕著となるが、熱間加工性の低下を防止
する量は０．０１重１什％以−１・−である。特に、０
．００３〜０．００７％が好吐しい。

第１図は、本発明の超高温高圧蒸気タービンの主要部の
断面構成図の一例である。蒸気は主蒸気管１より入り、
内部ケーシング２に取付けられた静翼３によって所定の
方向に噴射され、その噴射によってロータシャフト４に
取付けられた翼５を回転させる。仕事をした蒸気は外部
ケーシング６と内部ケーシング２との間に設けられた空
間を通り、冷却蒸気量ロア、排気出口８及び補助排気出
口９より排出される。さらにこの排出された蒸気はより
低い温度で作動する蒸気タービンへと送られる。１０は
ロータシャフトの軸受中心、１１はグランド部及び１２
は中間グラドリーク出口、１３はノズルボックスである
。矢印は蒸気の流れを示すものである。

以下、内部ケーシングにＣｒ　−Ｎｉオーステナイト系
鋳鋼を用い、ロータシャフトに同じくＣｒ−Ｎｉオース
テナイト系鍛鋼を用いた場合の例について具体的に説明
する。　　、 第１表は供試材の化学成分を示す。

本発明鋼は、９８０ｒで１時間加熱後水冷の溶体化処理
後、７２０Ｃで１６時間加熱し、空冷する時効処理を施
した。その組織はオーステナイト基地にγ′相が析出し
たものである。

（９） Ｃｒ−ＭＯ−Ｖ鋼は９７０Ｃで１５時間加熱後衝風冷却
し、次いで６７０Ｃで４８時間加熱後炉冷したものであ
る。

１２Ｃｒ鋼は、１０５０ｒＸ２４１１加熱後水噴霧冷却
し、５７０ｔｌｌ”Ｘ２０ｈ加熱及び次いで、６５０Ｃ
×２０ｈ加熱の焼戻しを行ったものである。これらの鋼
種に対しＶノツチシャルビ衝撃試験及びクリープ破断試
験を実施した。

第２図は、６５０　Ｃ，１，５００時間加熱による加熱
脆化に及ぼすＣ量の影響を衝撃試験により明らかにした
ものである。この結果によれば、累月の吸収エネルギー
はＣ量に依存せずほぼ一定であるのに対し、６５０Ｃで
１，５００時間加熱月ではＣ−１ｙｉ。

の増加に従い単調に減少しＣ量が多いほど加熱脆化が著
しい。現用ロータ材である１　２　Ｃｒ鋼及びＣｒ−Ｍ
Ｏ−Ｖ鋼の２０Ｃにおける吸収エネルギー値は一般にそ
れぞれ１．　Ｉ　Ｋｇ−ｍ及び０．６９　Ｋｇ−ｍ以上
と規定されている。本発明鋼は加熱後も、Ｃ量０．０３
５％以下では１２％Ｃ「鋼のそれより高く、また０、０
５％でもＣｒ−ＭＯ−Ｖｍのそれ」二（１０） り高い。

本発明材であるＣ量００３０重量％以下の材料では粒内
破壊（白三角）が保たれるが、Ｃ量が０．０４８重量％
と高くなると破壊形態も粒界形（黒三角）に移行してい
る。この破壊形態の変化は、ＭＸ型。

Ｍ２３Ｃ６型炭化物が粒界に析出し粒界を劣化するため
であることが分析の結果明らかとなった。しだがって、
加熱脆化を低減するにはＣ量を０．０３５％以下に制限
した本発明材が有効である。

（１１） （１２） 第３図は現用５６６Ｃ蒸気温度における最も厳しい条件
で運転する場合を想定した運用パターンである。この運
用パターンは本発明の超高温高圧蒸気タービンにも適用
した場合、それに用いられるロータシャフトは起動停止
時に図に示すように高い応力による厳しい低サイクル疲
労を受ける。

捷た、定常運転時には遠心力によるクリープを受ける。

第２表は、本発明に係る鋼では６５０Ｃ及び従来鋼では
５５０Ｃで行っだ引張試験、クリープ破断試験及び低サ
イクル疲労試験結果を示すものである。表に示す如く、
本発明材はＣｒ−ＭＯ−Ｖ鋼にくらべ引張強さ及び０２
％耐力がそれと同等以上であり、その伸び率が１．５〜
１．７５倍と高い。

クリープ破断強度は、１．１〜１．２０倍高く、低サイ
クル疲労もＣｒ　−Ｍ　Ｏ−Ｖ鋼と同等あるいはそれ以
上である。

低サイクル疲労試験は、保持なしで、歪速度０．１％／
秒、歪量１０％及び０．６５％において破断にいたるま
でのくり返し数を示したものである。

（１３） （１４） 以上の如く、本発明材によれば現用の５５０Ｃで使用さ
れているＣｒ−ＭＯ−Ｖ鋼に要求される特性を６５０Ｃ
に温度上昇させてそのまま満足する結果が得られ、蒸気
温度６００〜６５０Ｃ及び蒸気圧力４０００〜５０００
ＰＳｉにおける超高温高圧蒸気タービンに十分使用可能
であることが明らかとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超高温高圧蒸気タービンの断面構
成図の一例、第２図は本発明に係る材料のＣ量と吸収エ
ネルギーとの関係を示す線図及び第３図は現用蒸気ター
ビンの運転パターンによるロータシャフトに発生する作
用応力を示すグラフである。 １・・・主蒸気管、２・・・内部ケーシング、３・・・
静翼。 ４・・・ロータシャフト、５・・・翼、６・・・外部ケ
ーシング。 （１５） 聾 ヱ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ケーシング、該ケーシング内で蒸気流の噴射を受
   けて回転する翼及び該翼を保持し回転するロータシャフ
   トを備え、前記ケーシングが前記蒸気流の案内をする静
   翼が保持された内部ケーシングと該内部ケーシングを被
   う外部ケーシングとによって構成されるものであって、
   前記ロータシャフトは重量で、Ｃ０１１％以下、Ｍｎ２
   ％以下、Ｓｉ１％以下、Ｃｒ１０〜２０％、Ｎｉ２Ｏ〜
   ３０％。 ＭＯｏ、５〜２％、Ｔｉ０．５〜３％、ＡＡｏ、１〜１
   ％を含み、残部ｐｅからなり、オーステナイト基地にγ
   ′相が析出したオーステナイト系鍛鋼からなることを特
   徴とする超高温高圧蒸気タービン。 ２、　前記ロータシャフトは重量で、ｃｏ、ｉ％以下。 Ｍｎ２％以下、８１１％以下、Ｃｒ１０〜２０％。 Ｎｉ２Ｏ〜３０％、ＭＯｏ、５〜２％、Ｔｉ０．５〜３
   ％、Ａ、、＆０．１〜１％、Ｂ０．０００５〜０．０１
   ％を含み、残部ｐｅからなり、オーステナイト基地にγ
   ′相が析出したオーステナイト系鍛鋼からなる特許請求
   の範囲第１項に記載の超高温高圧蒸気タービン。 ３、前記外部ケーシングはＣｒ　−ｐＪ　ｉオーステナ
   イト系鋳鋼又はベーナイト組織を有するＣｒ−ＭＯ−Ｖ
   鋳鋼からなる特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   超高温高圧蒸気タービ、ン。 ４　前記内部ケーシングはＣｒ−Ｎｉオーステナイト系
   鋳鋼からなる特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか
   に記載の超高温高圧蒸気タービン。