JPS5944525A

JPS5944525A - ガスタ−ビン燃焼器

Info

Publication number: JPS5944525A
Application number: JP57152603A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Mori; 誉延森; Tetsuo Kashimura; 樫村　哲夫; Hiroshi Fukui; 寛福井; Yoshimi Yanai; 吉美矢内; Nobuyuki Iizuka; 飯塚　信之
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-09-03
Filing date: 1982-09-03
Publication date: 1984-03-13
Also published as: JPS6253583B2; US4621499A; DE3331806A1; DE3331806C2

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】（発明の対象）本発明は新規なガスタービン燃焼器、牛ｔに面ｊ熱疲労
性に優れ／こＮｉ基合金からなるガスタービン燃焼器に
関する。

（従来技術）ガスタービン燃焼器は阪〒冷間成形して・製作されるた
め、１反にするための燕１川〃ロエ１土及びその成形の
ための冷間加工性が良好な合金でなければならない。ま
だ高温の燃Ｈａガスによる加熱及び冷却の繰シ返しを受
けるため耐熱疲労性にすぐれた合金でなければならない
。

合金の冷間加工性は室温での引ＩＪ長１佼り率が大きい
イ呈良好であり、また耐熱疲労性は高Ｃ晶での引張耐力
、引張１咬り率およびクリープ破１析強度が大きい作良
好であることを発明者らは見い出しだ。

従来のガスタービン燃焼器にはＮｉ基耐熱合金であるハ
ステロイＸ（０，ＩＣ−２２Ｃｒ−９へ４０−０．５　
Ｗ−Ｉ　Ｃｏ−１９１’　ｅ−残Ｎｉ）が用いられてい
るうしかし、近年ガスタービンの性能を向上させるため
に燃焼ガスｌ黒度を上昇させる気運にある。そのだめそ
の内筒の加熱温度もより篩温となる。従来、内筒の加熱
温度は８００Ｃ以下であったが、これが８００Ｃを越え
る。このだめ従来よ＃）開用されているハステロイＸで
は耐熱疲労性が十分でない。

この合金は、ＭＯを多量に含むため８００Ｃ以上の高温
では長時間の使用によって脆いｔｔ　、［１（Ｎｉ７Ｍ
Ｏ６金腐間化合・吻〕全多量に析出し、合金の延性を顕
著に低めることから１ｍｌ熱疲労性が低い欠点をゼする
。

第１図はガスタービン用燃焼器の代表的な４１４成を示
す部分萌面カ、・１睨図である。燃料ノズル３よυ噴射
された燃料ｔよキャップ６を通ってライナ５で燃焼し、
峰の燃焼ガスはトラジションビース４を通って静ぷ（及
び動）・；りへと案内される。１ｔ、１、三ケ月型の空
気取入口となるルーバ孔、２はり１１スフアイアチユー
ブ孔である。ガスタービン用燃焼器においてｌ’ａＪ　
ｒｌａにさらされるのは前述のキャップ６、ライナ５及
びトラジションピース４であり、これらには前述の如く
耐熱合金が用いられる。！侍に、図に示す如く、ルーバ
比ｌは両端に鋭いすｊ欠きが設けられているため、急熱
急冷の、−サイクルを受け、かつ切欠き部分での応力集
中を受けるので、前述の如く加熱脆化しやすい合金では
切欠１〜部分に熱疲労による゛ルｌれが生じ易い。

（発明の要点）（１）発明の目的本拮明の目的は、より高温での耐熱疲労性の高い合金を
１吏用し／こガスタービン燃焼器を・ｊ是供するにある
。特に、本発明の目的は８５０ｉＣ，１０’時間クリー
プ破断強度が３　Ｋｇ　／ｍｍ　”以上の合金を１吏用
したガスタービン燃焼器を提供するにある。

（２）　　発明の説明本発明は、噴射された燃料を燃焼させ、その燃焼ガスを
ノズルに案内する節状の燃焼器において、該燃焼器の前
記燃焼ガスにさらされる部分が、電縫でＣ０，０２〜０
．１５％、Ｃｒ１５〜３０％及びＷ１０〜２５％な＠み
、残部が実質的にＮｉからなる合金によってｒｔ’ｉ成
されていることを特徴とするガスタービン燃焼器にある
。

本発明は前述の合金にＳ　ｉ　１％以下及びＭｎ１．５
％以下の１彌以上全含有することを特ｐり゛とするもの
である。

更に、本発明は、前述のＳ　ｉ及びＭｎを陰む庁金又は
これらに３まない合金にＣｏ４０％以ド、Ａ７２％以下
、Ｔ　１３％以下、Ｎｂ３％以Ｆ１Ｍ　ｇ　０．１％以
下、７．　ｒ　０．５％以下、希土類元素０．５％以下
及びＢｏ、１％以下の１　＜１ｆｔ以上全菖・有するこ
とを特徴とするものである。

（３）熱疲労に対して高温強度及び延・訃が大きく、組
織変化が少ないことが必要である理由１３（ａ）　　熱
疲労は高温疲労（温度−足）と鎮イ１゛ｌ、　ｌ、てお
り、高温疲労はＩＷＩ　（ｕでの耐力が大きいことが必
要である。

（ｂ）　　熱疲労、、Ａ、＋倹における晴性歪ｊ辰幅Δ
ε、と７ｊ！ｊ　１１↑繰り返し叡Ｎとの間には、次式
の１ルー、１作がある。

Ｖπ・Δεｐ”ｉ　　　　　　Ｃ６１：引張試験による
延性）この式からＭ疲労は引張試、倹による伸び及び絞
り率時に、クリープ破断、咬り率が大きいことが必要で
ある。

＜ｃ＞　　熱疲労は高温での１１ζ１１織変化によって
大きな影響を受ける。組織変化は、クリープ破断強度及
び伸び、絞り率に敏感に影？Ｒを受けるので、これらの
特性が優れていることが必要である。

（４）成分限定理由ＣＯ，０Ｚ　ＦＡ量％以上の恋加は台金に固溶あるいは
、高温度で使用中に炭化物を析出して高温における剛ブ
バクリープ強度を旨めるが、０．１５％を越えると高温
で使用中に炭化物の析出が著しく、高温引張絞り率を低
める。０．０３〜０．０９％が好ましい。

Ｃｒは合金に固溶して高温におけるｕツバクリープ強度
を高め、更に合金の高温附酸化性、耐硫化腐食性を高め
るために１５％以上含有させることが必要である。しか
し３０％を越えるとシグマ相を析出し、高温引張試１・
険における絞り率を減する。好ましい１１１Σ四は１８
〜２６％である。

Ｗは１０％以」二の添加に上って合金に固溶して高温に
おける耐力を顕著に旨め、更にクリープ破断強度を顕著
に高める。しかし、２５％を越えるとノ更に高温におけ
る剛力全急激に低め、更に冷間加工ｉ生及びシグマ相を
析出し高温引張における絞り率を減ず、る・好ましい範
囲は１４〜２０％である。

ＣＯは４０％以下の添加で合金に固溶して室温および高
温でのクリープ破Ｉ祈強度を顕著に高める。

しかし、３５％ケ越えると高【晶延性が急激に低下する
とともにシグマ相ゲ析出し高温引張における絞り率金減
じる。好ましい上限は３２％である。

Ａｔは２％以下の添加で、合金中に固溶し、さらに高温
で長時間１更用中にガンマ・プライム相を析出して高温
用・辰における耐力、クリープ破断強度を高める。しか
し２％を越えると尚１１］！引張における絞り率を減す
る。好ましい範囲は０．１〜１．２％である。

ＴｉまだはＮｂは３％以下の添加で、合金中に固溶し、
さらに高温で長時間使用中にガンマ・プライム相を析出
して高温引張における耐ツバクリープ破断強度′＋Ｃ高
める。しかし単独あるいは複合で３％を越えると高温引
張における絞り率をｒ、”ｈＱする。好ましい範囲は０
．１〜２．２％である。

Ｆｅはクリープ破１析強度を低めるので、両力そのよ有
ヲ対けるべきである。不純物とし°Ｃ含有される場合で
も２％以下にすべきである。好ましくは、１％以下、よ
シ好ましくは０．２％以下である。

Ｓｉ及びＭｎは脱酸剤として又は熱間加工性を高めるた
めに添加される。しかし、ｓｉが１％及びＭｎが１．５
％を越えて添加するとクリープ破断強度が低下するので
、各々前者は１％及び後者は１．５％以下としなければ
ならない。特に、ｓｉＯ，２〜０．６％及びＭ　ｎ　０
．４〜１．０％が好ましい。

Ｍｇ、Ｂ、Ｚｒおよび希土類元素は合金のオーステナイ
ト結晶粒界に偏析し、クリープ破断強度を増す。これら
の元素は、１種または２種以上添加される。しかし過剰
に添加すると粒界の結合力を減じて高温引張における絞
り率を７戚する。このためＭｇはｏ、　ｉ％以Ｆ１Ｂは
ｏ、　ｉ％以下、Ｚ、　ｒは０．５％以下、希土類元素
は０．５％以下にすべきである。特に、Ｍ　ｇ　０．０
０５〜０．０５％、１３０．００１〜０．０１％、Ｚｒ
０．０１〜０．２％及び希土類元素は０．００５〜０．
１％が好ましい。

（５）組織及び熱処理本発明に係る合金の組織は溶体化処理のままの全オース
テナイト相からなるもの、又ｄ、時効処理されたオース
テナイト相基地に析出物を有ｒるものが好ましい。

溶体化処理は、１，０００〜１，２０（１”で３０分〜
２時間保持後水冷又は空冷することに上って？ｒわれる
。水冷は合金を所定温度よシ水中に投入するか、又は根
の場合には所屋温度の合金面に水をスプレーすることに
より行われる。

時効処理は前述の溶体化処理後、ガスター　ビン用燃焼
器がさらされる温度付近で加熱保持することによシ行わ
れる。

（６）溶解本発明に係る合金は非酸化性雰囲気中で溶解するのが好
ましい。本発明に係る合金に使用される原料は純金属を
使用するので、真空中で溶落らる直前まで加熱し、その
後非酸化性ガスを掴大して溶解するのが台金元累の歩留
シを向上させ、ボ［１成のバラツキをなくす点から好ま
しい。

更に、このようにして溶解したものを真空アーク再溶解
あるいはエレクトロスラグ再溶解すれば、Ｓｉ及びＭｎ
を添加させなくても良好な熱間加工性が鍔られるととも
にクリープ破断強度の高いものが１得られる。無添加で
のＳｉ欧は約０．０１％、Ｍｎ鼠は約０．０２％である
。

（力　燃焼器の製造燃焼器は、板を成形加工し、溶接によって所定形状にさ
れる。溶接後、歪取シのために溶体化処理後空冷するの
が好ましい。更に、これを時効処理してもよい。成形加
工前の板は溶体化処理材が好ましい。溶接は共金の溶加
材を用いるアーク溶接がよい。

実施例　１第１表に従来合金（ハステロイＸ）及び本発明合金に漸
１〜４８の化学組成（重量％）を示す。

これらの合金は１０″″トルで溶解直前まで加熱した後
、溶落ち直前にアルゴンで置換して溶解し、インゴット
を調造し、そのインゴットを熱間加工によシ直径１５聴
の棒とし、次いで１１５０Ｃで３０分保持後、水冷する
溶体化処理を施したものである。

用いた原料は、電解ニッケル、黒鉛粉末をＡｔ箔に包ん
だもの（Ｃの添加）、金属シリコン、金属マンガン、電
解クロム、Ｗ粉末を加圧成形し焼成したもの、金属コバ
ルト、アルミニウノ１、スポンジチタン、金属ニオブ、
ニッケルーマグネシウム合金、ニッケルーボロン合金、
スポンジジルコニウム、ｍ屑鉄及びミツシュメタルであ
る。

本発明合金のＦ　ｅ含有−Ｍ、は約０．０２％である。

また、本発明合金は、扁７の２３．７％のＷを含むもの
がわずかにＷが晶出した多角形状のオーステナイト組織
からなる結晶粒を示しているほかは、同じく多角形状の
全オーステナイト組織からなる結晶粒を示していた。

第２表に各試料の室温及び８５０ｃでの引張試験後の耐
力、絞り率及び８５０ｃでの１０４時間クリープ破断強
度及び１０３時間破断における絞シ率を示す。

第２表から明らかな如く、本発明に係る合金は従来合金
にくらべ室温の絞シ率、及び８５０ｃでの耐力、１０Ｂ
及び１０’時間クリープ破１所強度、１０３時間クリー
プ破断試験後の絞り率が顕著に優れていることがわかる
。

以下、本発明に係る合金に及はず各元素の影響について
詳却１に説明する。

第２図−記４図は、第２表に示す１０４時間クリープ破
断強度、剛力及びクリープ破断絞り率に及ぼすＷ含有液
の影片全示す線図である。図に示す如く、Ｗの１０％以
上の添加は、従来合金のハステロイＸに比較して顕著な
効果を示すことが明らかである。図中の合金は、Ｃ０，
０６〜０．０７％、Ｓ　ｉ　Ｏ，２４〜０．２８％、Ｍ
ｎ　０．２１〜０．７２％、Ｃｒ　１５．２〜２８．３
％、Ｃｏ　Ｏ，１％、Ａ器、０．４〜１、０％、　　Ｔ
　ｉ　　Ｏ，９〜　１．０％、　Ｍｇ０．０２’３イ１
、　　ＢＯ，００３〜０．００７　”Ａ　Ｘ残部Ｎｉか
らなる合金をペースとし、これにｗｌ加えたものである
。

第５図〜第８図は第２表に示す１０４時間クリープ破断
強度、耐力、引張絞り率、クリープ破断絞り率に及ぼす
ＣＯの影＃を示す線図である。図より明らかなように、
Ｃｏの添加によつ−０強度及び延性が顕著に高められる
。特に、クリープ破断強度及びクリープ破断絞シ率は１
５％以上のＣ。

量で急激に向上されることがわかる。

図中の合金は、Ｃ０，０７％、Ｓ　ｉ　０．１０−０．
３２％、Ｍ　ｎ　０．０１〜０．６８％、Ｃｒ　２１．
９〜２２．０％、Ｗ１５．０〜１５．５％、Ａ　ｔ　Ｏ
，１〜１．０％、Ｔ　ｉ　０．１〜１．５％、Ａ７＋Ｔ
　ｉ　、１．０〜２．：３％、ＢＯ，００３〜０．００
７％と、Ｎ　ｂ　Ｏ，５％、Ｍ　ｇ　Ｏ，０２％、Ｚｒ
Ｏ，０１％、ミツシュメタル配合：１１で０．２５％を
含む合金に、ｃｏを含有させたＮ１基合金である。

第９図〜第１８図は第２表に示す耐ツバクリープ破断絞
り率、１０４時間クリープ破断強ｊｗに及ぼすＡｔの影
響を示す線図である。図より明らかな如く、Ａｔの添加
は多量のＷを含む合蛍に対してクリープ破断強度、クリ
ープ破断絞り率及び高温における耐力を顕著に向上させ
ることがわかる。

特に、ぞの６５加１４が０．１％以上でクリープ破断強
度及び絞υ率を商める。

図中の合金は、ＣＯ，０６〜０．０７　％、Ｓ　ｓ　ｏ
、１ｇ〜０．２５％、Ｍ　ｎ　０．０１〜０．７２％、
Ｃｒ２１．９〜２８．３％、Ｗ　１０．８〜１５．１％
、Ｃ００，１％、ＴｉＯ，９〜１．９％、ＭｇＯ，０２
％、ＨＯ，００３〜０．００７％を吉み、他にＺｒ０．
０１％を曾４、こｉｔにＡｔを色有させたＮｉ基合金で
ある。

実倫例　２第１表の扁９の合金を用いて、第１図に示すガスタービ
ン燃焼器を＃作した。この合金は熱間圧延によって板に
され、実施例１と同様の溶体化処理され、厚さ２Ｍの板
にされた。この板を用いて、冷１４曲げ加工によって所
定の形状のライナー５、トラジションピース４及びキャ
ップ６が形成される。これらを溶接によつ゛Ｃ接介した
。ｆ容接は、母材と同じ組成を有するｔｌＧ　９の溶接
ワイヤに用い、突合せタングステンイナートガス（Ｔ　
Ｉ　Ｇ　）溶接によって行われた。ルーバ孔１及びクロ
スファイヤチューブ孔２はいずれも溶接前に形成された
。

溶接後、ｉ、ｏｓｏｃで３０分間加熱保持し、次いで空
冷を行ない、歪取りを施した。

以−ヒの様に製作されたガスタービン燃′）Ａ器を軽油
燃焼させる実機に適用することによって、その燃焼器は
耐熱疲労性に優れた合金ｆ、１吏用されているので、従
来合金を用いたものに比較し長寿命となるばかりでなく
、ガス温度を上昇させることができることは明白である
。

以上の如く、本発明によれば耐熱疲労性の優れたガスタ
ービン燃焼器が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的なガスタービン燃焼器の構成を示す斜視
図、第２図〜第４図はクリープ１妓断強度、耐力及びク
リープ破断絞シ率とＷ　７７１との関係を示す線図、第
５図〜第８図はクリープ破断強度、耐力、引張絞り率及
びクリープ破１１ノ↑絞り率とＣｏ　量。との関係を示す線図、第９図〜第１１図は剛力、クリー
プ破断Ｉｒｙ、″シ率及びクリープ破断強度とＡ−を量
との関係を示す線図である。１・・・ルーバ孔、２・・・クロスファイアチュ・−プ
孔、４・・・トラジションピース、５・・・ライナー、
６・・・キャップ。代理人　弁理士　高橋明夫第５図第６（２）第７− Ｃ，（％）Ｃｒｙ　　（うζ）

Claims

【特許請求の範囲】１、噴射された燃料を燃滉させ、その燃焼ガスをノズル
に案内する筒状の燃焼器において、１１す燃焼器の前記
燃焼ガスにさらされる部分が、小破で、炭素０．０２〜
０．２％、クロム１５〜３０％醍びタングステン１０〜
２５％を含み、残部が２０％以上のニッケルからなる合
金によって４゛１つ成されていることを特徴とするガス
タービン燃焼器。２、　前記合金は孕オーステナイト組織を４Ｔする特許
請求の範囲第１項に記載のガスタービン燃焼器。３、　前記燃焼器は燃料噴射ノズルに接続されたキャッ
プと、該キャップに接続されたライナーと、該ライナー
に接続されたトラジ７ヨンピースとを有し、これらの少
なくとも１つが前記沿（＋；によって構成される特許請
求の範囲第１項又は第２項に記載のガスタービン燃焼器
。４、噴射された燃料を燃ルＬさせ、その燃焼ガスをノズ
ルに案内する曲状の燃焼器において、該燃焼器の前記燃
焼ガスにさらされる部分が、重量で、炭素０，０２〜０
．２％、クロム１５〜３０％及びタングステン１０〜２
５％と、シリコン１％以下及びマンガン２％以下の１種
以上とケＪみ、残部が２０“Ａ以上のニッケルからなる
合金によって構成されていることを特徴とするガスター
ビン燃焼器。５、　前記合金は全オーステナイト組織を有する４’￥
「「請求の範囲第４項に記載のガスタービン燃焼器。６、　噴射された燃料を燃焼させ、その燃焼ガスをノズ
ルに案内する筒状の燃焼器において、該燃焼器の前記燃
焼ガスにさらされる部分が、重量で、炭素０．０２〜０
２％、クロム１５〜３０％及びタングステン１０〜２５
％ト、コバル）　４　Ｔ）％以下、アルミニウム２％１
ノ、丁、チタン３％以下、ニオブ３％以下、マグネシウ
ム０．１％以下、ジルコニラｌｙ　９．５％以下、希土
類元素０．５％以下及びボロン０．１％以下の１４・１
以上とを沈み、残部が２０％以上のニッケルからなる合
金によって構成されていることを特徴とするガスタービ
ン燃焼器。７、　１ｉｆｆ記台金（・、を全オーステナイト！’ｆ
ｌ織を有する特許請求の範囲第６項に記載のガスタービ
ン燃焼器。８．噴射された燃料を燃焼させ、その粘９．ＩＩ＾ガス
をノズルに案内する筒状の燃焼器において、該燃焼器の
前記燃焼ガスにさらされる部分が、ｉ、１’＋４１（−
で、炭素０．０２〜０．２％、クロム１５〜３０ヅ）及
びタングステン１０〜２５％と、シリコン１％以下及び
マンガン２％以下の１種以上と、コバルト４０％以下、
アルミニウム２％以下、チタン；１％以下、ニオブ３％
以下、マグネシウム０．１％以下、ジルコニウム０．５
％以下、希土類元素０．５％以下及びボロン０．１％以
下の１欅以上とを含み、残部が２０％以上のニッケルか
らなる合金によって構成されていることを特へとするガ
スタービン燃焼器。９、　前記合金は全オーステナイト組織を有する特許請
求の範囲第８項に記載のガスタービン燃焼器。