KR20020046181A - 터보기계용 로터 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

저압력 증기 터빈용 단일 블록의 저합금강 로터를 제조하는 열처리 방법이 제공된다. 이 방법은 약 840℃의 실질적으로 균일하게 가해지는 처리 온도에서 로터를 오스테나이트화(austenitizing) 하는 단계와, 로터를 담금질(quenching)하는 단계와, 그 뒤 상이한 축 방향 위치들에서 차등적으로 템퍼링(tempering)하는 단계를 포함한다. 로터는 내열성 판에 의해 여러 구역으로 분할되어 각각의 분할된 영역 내의 상이한 온도가 유지되도록 하는 노(furnace) 안에서 템퍼링 된다. 로터를 따르는 하나 또는 그 이상의 축 방향 위치를 보다 낮은 템퍼링 온도로 처리함으로써 보통의 강도 조건보다 높은 강도가 이들 위치에서 획득된다. 보다 낮은 온도로 템퍼링된 축 방향 위치들은, 응력부식균열(stress corrosion cracking)의 발생 가능성이 보다 낮은 위치들에 근사하여 응력부식균열 순 발생 가능성의 증가 없이 강도가 증가된다.

Description

터보기계용 로터 및 그 제조 방법{A HIGH STRENGTH STEAM TURBINE ROTOR AND METHODS OF FABRICATING THE ROTOR WITHOUT INCREASED STRESS CORROSION CRACKING}

본 발명은 로터를 따르는 응력부식균열(stress corrosion cracking, SCC) 의 발생 가능성을 증가시킴 없이 증기 터빈 로터의 부분들을 선택적으로 강화하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 응력부식균열 발생 가능성의 순 증가 없이, 로터를 따른 하나 또는 그 이상의 선택된 축 방향 위치에서 통상적인 강도 조건보다 더 높은 강도 조건을 가능하게 하는 열처리 방법에 관한 것이다.

증기 터빈의 전반적인 열역학적 효율을 증가시키기 위해, 특히, 최종 스테이지(stage)에서 로터로부터 반경방향으로 연장하는 에어포일(airfoil)의 길이를 증가시켰다. 에어포일의 길이가 증가하면 로터의 국부 응력도 증가하게 된다. 물론 에어포일의 길이는 로터의 축 방향 위치에 따라 변한다. 따라서 최종 스테이지의 에어포일은 가장 큰 부하를 받으므로 다른 축 방향 위치와 비교해 증가된 로터의 강도를 요구한다.

그러나 로터의 강도가 증가할수록 로터의 응력부식균열 발생 가능성 역시 증가하게 된다. 응력부식균열은 강철과 다른 합금들이 습기, 부식성 이온과 같은 오염물질 등에 노출되거나 응력을 받았을 때 발생하는 환경적인 현상이다. 보호 산화막의 점식(pitting)이나 용해와 결부되어 발생할 수도 있다. 응력부식균열은 분기하며 전파되는 금속 내의 작은 균열로 나타난다. 증기 터빈은 포화가 일어나는 지점 및 에어포일 접합부에서 응력부식균열의 발생 가능성이 가장 크다.

소망의 강도 특성을 얻기 위해 전체 로터를 따라 일률적으로 열처리 방법을적용함으로써 로터 강도가 증가되어 왔다. 로터는 또한, 다른 것들보다 더 강한 몇 개의 조각을 포함하는 다수의 조각들로 조립되어져왔다. 그 방법은 각각의 조각들이 개별적으로 열처리되어야하기 때문에 효율적이지 못하다. 다양하게 변경되는 열처리 방법들이 로터에 적용되어왔으나, 본 발명자들의 지식에 따르면, 응력부식균열 방지를 위한 목적은 아니었다. 오스테나이트화(austenitizing) 과정에서의 로터에 대한 차등적인 가열은, 낮은 압력 영역에서의 낮은 파괴 발생 천이 온도(fracture appearance transition temperature)와 중간 압력 및/또는 높은 압력 영역에서의 높은 파열강도를 발생시키기 위해 사용된다. 그러나, 예를 들어 응력부식균열 발생 가능성을 실질적으로 증가시키지 않고 열역학적 효율의 증대를 위한 보다 길고, 보다 무거운 에어포일을 수용하기 위해 선택된 영역들이 강화될 수 있는 로터가 요구된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 터빈 로터는 로터의 길이를 따르는 하나 또는 그 이상의 선택된 축 방향 위치에서만 강도를 증가시키기 위해 열처리 된다. 그러나 로터의 강도가 증가하면 강도가 증가한 위치에서의 응력부식균열의 발생 가능성 역시 커진다. 로터를 따르는 강도가 증가된 위치들은 또한 국부적인 작동 조건으로 인하여 역시 전통적으로 적은 응력부식균열을 경험하는 곳들이다. 이런 위치들은 보다 긴 에어포일이 고착된 축 방향 위치뿐만 아니라 일반적으로 온도와 압력이 최소인 축 방향 지점과, 작동 중에 계속적으로 젖어있는 축 방향 지점에도 위치하게 된다. 그리하여 그 선택된 위치들의 증가된 강도는 로터의 응력부식균열의 순 발생 가능성을 증가시키지 않는다. 다시 말해, 강도가 증가된 하나 또는 그 이상의 위치에서의 응력부식균열 발생 가능성은, 강도가 보다 낮으며 작동 조건을 경험하는 로터 위치에서의 응력부식균열 발생 가능성과 같게 근접할 것이다. 이 결과 로터 길이를 따라 응력부식균열의 발생 가능성이 실질적으로 균일하게 된다. 불리한 작동 조건을 경험하는 지점을 포함한, 로터를 따른 모든 지점에서 강도가 증가하는 경우보다 응력부식균열의 발생 가능성은 더 낮다. 이 새로운 로터 제작 방법은 응력부식균열의 발생 가능성을 증가 시킴 없이 강도가 증가된 위치에서 보다 길고, 보다 무거운 에어포일의 사용을 가능하게 하므로, 저압 증기 터빈에서 높은 열역학적 효율에 도달하는 로터를 제공한다.

이를 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예는 예를 들어 일체형 로터가 먼저 예를 들어 840℃의 균일한 온도에서 일정 시간동안 오스테나이트화(austenitizing)되고, 이어서 담금질(quenching)되는 방법을 제공한다. 그뒤 로터는 차등적으로 템퍼링(tempering)된다. 즉, 템퍼링에 사용된 노는 상이한 온도로 가열될 수 있는 구역들로 분할된다. 증가된 강도를 요구하는 축 방향 위치에서 로터를 가열하는 영역에는 보다 낮은 템퍼링 온도가 적용된다. 따라서, 증가된 강도를 요구하는 로터 부분들만이 보다 낮은 온도로 가열된다. 이들 부분들은 높은 응력부식균열의 가능성을 갖지 않는 로터의 축 방향 위치와 일치하기 때문에 하나 또는 그 이상의 축 방향 위치에서의 강도 증가에도 불구하고 로터의 응력부식균열 발생 가능성의 순 증가는 없다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 로터를 따라 축 방향으로 인접하는 위치보다 더 높은 강도 조건과 사용 중 낮은 응력부식균열의 발생 가능성을 요하는, 로터의 길이를 따르는 적어도 하나의 축 방향 위치를 확인하는 단계와, 하나의 축 방향 위치에 인접한 축 방향 위치의 강도보다 더 높은 강도를 부여하기 위해, 템퍼링을 하는 동안, 하나의 로터 축 방향 위치와 인접 축 방향 위치를 각각 차등적으로 가열하여 로터의 실질적인 응력부식균열 발생 가능성의 증가 없이 하나의 축 방향 위치에서 보다 높은 강도 조건이 얻어지는 단계를 포함하는 터보 기계용 로터의 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서는, 로터를 따라 축 방향으로 인접한 위치보다 높은 강도를 요구하는 로터 길이를 따르는 적어도 하나의 축 방향 위치를 확인하는 단계와, 로터에 오스테나이트화 공정이 적용되는 동안 그 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 강도의 로터를 얻기 위해 로터를 길이를 따라 실질적으로 균일하게 가열하는 단계와, 로터의 오스테나이트화에 이어서, 실질적으로 응력부식균열의 발생 가능성의 순 증가 없이 축 방향으로 인접한 위치에서의 로터의 강도에 비해 하나의 축 방향 위치에서의 로터의 강도를 상대적으로 증가시키기 위해서 로터를 차등적으로 템퍼링하는 단계를 포함하는 터보기계용 로터의 제조하는 방법이 제시된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서는 (a) 예정된 소정 시간동안 노에서 로터를 오스테나이트화하는 단계와, (b) 오스테나이트화된 로터를 담금질하는 단계와, (c) 보다 낮은 온도에서 템퍼링한 로터의 축 방향 위치의 응력부식균열 발생가능성을 보다 높은 온도에서 템퍼링된 인접한 축 방향 위치의 응력부식균열 발생 가능성을 초과하는, 증가된 응력부식균열까지 증가시킴 없이, 예정된 소정 시간에 걸쳐 로터를 따르는 서로 다른 축 방향 위치들에서 서로 다른 온도까지 로터를 템퍼링하는 단계를 포함하는 터빈용 로터의 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서는, 인접한 축 방향 위치에서의 로터 본체의 강도에 비해 선택된 축 방향 위치에서 보다 높은 강도를 갖는 로터의 본체를 포함하며, 선택된 축 방향 위치에서의 로터 몸체의 응력부식균열 발생 가능성이 인접한 축 방향 위치에서의 로터 몸체의 응력부식균열 발생 가능성보다 실질적으로 크지 않은 터보기계용 로터가 제공된다.

도1은 본 발명에 따른 증기 로터의 열처리에 대한 온도 대 시간을 나타내는 오스테나이트화와 템퍼링 온도 사이클을 도시한 도면,

도2는 이중류 증기 터빈의 템퍼링을 개략적으로 도시한 도면,

도3은 단류 저압력 로터의 템퍼링을 개략적으로 도시한 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 14 : 수직형 노 12 : 이중류 터빈 로터

16 : 단류 터빈 로터 28, 36 : 내열판

40, 42, 46, 48, 50 : 저강도 영역 44, 52, 54 : 인접 영역

60 : 오스테나이트화 공정 62 : 담금질 공정

64 : 템퍼링 공정

도 2는 이중류(double flow) 터빈로터(12)의 열처리를 위해 요구되는 다중 영역과 상이한 화염 온도를 갖는 바람직한 수직형 노(10)를 도시하고 있다. 도 3에서는 단류(single flow) 로터(16)의 열처리를 위한 유사한 노(14)가 도시되어 있다. 각각의 경우 수평 노가 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 각각의 노는 여러 구역으로 분할되어 있다. 예를 들면, 이중류 터빈 로터 노(10)는 내열판(28)에 의해 다섯 구역(18, 20, 20, 22, 24)으로 나뉘어진다. 내열판은 낮은 열 전달 특성을 가져 각 구역이 템퍼링 동안에 상이한 노 온도를 유지 할 수 있게 한다. 도 3의 단류 터빈 로터(16)는 내열판(36)에 의해 3개의 구역(30, 32, 36)으로 나뉜다. 단류 터빈 로터(16)는 서로 다른 축 방향 위치들에서 두 개의 낮은 강도 영역 즉,구역(30, 34)에 각각 대향하는 로터부분(40, 42)과 보다 높은 강도를 갖는 인접한 영역, 예컨대 영역(44)을 갖는다. 이중류 터빈 로터는 상이한 축 방향 위치에 3개의 낮은 강도영역 즉, 구역(18, 22, 26)에 각각 대향하는 부분(46, 48, 50)을 갖는다. 보다 높은 강도 영역, 예를 들어 영역(52, 54)은 이들 낮은 강도 영역에 인접하게 놓여있다. 낮은 강도 영역들은 증기 터빈 로터의 통상적인 강도 영역으로 간주될 수 있다.

앞서 기재된 것처럼, 로터의 강도는 로터를 따르는 하나 또는 그 이상의 영역 및 기타 영역들에서 증가될 수 있다. 이것은 로터를 오스테나이트화하고 담금질한 다음 차등적으로 템퍼링함으로써 얻어진다. 특히, 높은 강도가 요구되는 위치들이 처음에 확인된다. 통상적으로 이들은 최종 스테이지의 축 방향 위치에 대응하는 로터를 따르는 축 방향 위치들일 것이다. 이 위치들은 또한 이 영역에서의 작동 환경에 기인하여 감소된 응력부식균열 발생 가능성을 갖는 축방향 위치들에 대응한다. 즉, 이들 로터 위치들은 연속적으로 젖어있으므로 고농도의 오염물질이 없다. 예를 들면 도 2에서, 이중류 로터의 마지막 스테이지는 로터를 따르는 축 방향 위치(52, 54)에 있고 노 구역(20, 24)에 대향하는 것으로 확인된다. 도 3에 도시된 단류 로터는 증가된 강도를 요구하는 것으로 확인된 노 구역(32)에 대향하는 하나의 로터 부분(44)을 갖는다. 기재된 바와 같이, 증기 터빈의 작동 조건 때문에 이 로터 부분들은 로터의 길이를 따르는 다른 부분들의 응력부식균열 발생 가능성과 비교해서 감소된 응력부식균열 가능성을 갖는다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 독특한 템퍼링 공정을 포함한 열처리 사이클을 도시하고 있다. 특히, 도 1은 오스테나이트화 공정(60)과 담금질공정(62), 그리고 템퍼링 공정(64)을 나타낸다. 오스테나이트화 공정(60)에서 저합금강 로터는 소정 시간에 걸쳐 미리 설정된 온도까지 가열된다. 예를 들어, 로터 전체 로터가 가열되어 약 840℃의 온도로 유지된다. 오스테나이트화는 로터 재료의 상이 변하게 하고, 재료가 담금질 후 최대 강도 조건에 도달할 수 있게 한다. 소정시간 동안 로터 전체를 오스테나이트화 온도로 유지한 후, 로터는 그 뒤 온도를 급속히 떨어뜨리는 냉각 매질 속에 침전됨으로써 담금질된다. 담금질은 바람직한 상 변화를 촉진한다. 그 뒤 로터는 템퍼링 단계(64)로 진입하여 강도를 최고 수준으로부터 소망 수준으로 감소시킨다. 로터는 다시 약 580℃의 통상적인 템퍼링 온도로 예컨대 선형적으로 가열된다. 로터가 거의 완전하게 가열되었을 때 감소된(보통의) 강도를 요구하는 로터의 하나 또는 그 이상의 선택된 축 방향 위치들은 예를 들어 약 595℃의 더 높은 온도까지 더욱 가열된다. 내열판은 이들 위치에 있는 로터의 섹션들이 차등적으로 가열될 수 있도록 한다. 이 차등적인 로터 온도들은 예를 들어 55시간의 미리 설정된 시간에 걸쳐 유지된다. 그 뒤 로터는 적당한 속도로 냉각된다.

바람직한 형태에 있어서, 터빈 로터는 단일 조각 일체형 형태의 3.5% NiCrMoV 합금강으로 제조되고, 또한 조립 형태로도 제조될 수 있다. 도시된 예에서 터빈은 저 압력 증기 터빈이고, 가열과 냉각 시 로터의 처짐과 굽힘을 피하기 위해 노는 수직형이다. 변형 예에 있어서, 로터는 다른 합금으로 만들어질 수 있으며, 로터는 터빈 로터이거나 압축기 로터일 수 있고 노는 수평형일 수 있다. 앞서 명시된 온도는 대표적인 것이며 로터 재료와 다른 요인들에 좌우된다. 본 발명은 로터를 따르는 서로 다른 축 방향 위치들에 서로 다른 강도 특성을 부여하기 위해서는 열처리 중에 차등적인 온도를 요구한다고 말하면 충분하다.

현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예라고 간주되는 것과 관련하여 본 발명이 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니며 오히려 첨부된 청구범위의 정신과 범위 내에 포함되는 다양한 변형과 균등한 구성을 커버하는 것으로 의도된다고 이해하여야한다.

본 발명에 따르면 응력부식균열의 발생 가능성을 증가 시킴 없이 강도가 증가된 위치에서 보다 길고, 보다 무거운 에어포일의 사용을 가능하게 하므로, 저압 증기 터빈에서 높은 열역학적 효율에 도달하는 로터가 제공된다.

Claims (20)

1. 터보기계용 로터의 제조 방법에 있어서,

   로터(16, 12)를 따라 축 방향으로 인접한 위치(44, 52, 54)보다 높은 강도 조건과 사용 중 낮은 응력부식균열 발생 가능성을 요하는 로터(16, 12)의 길이를 따르는 적어도 하나의 축 방향 위치(40, 42, 46, 48, 50)를 확인하는 단계와,

   하나의 축 방향 위치에 인접한 축 방향 위치의 강도보다 더 높은 강도를 부여하기 위해, 템퍼링을 하는 동안 상기 로터를 따르는 하나의 축 방향 위치와 인접 축 방향 위치를 각각 차등적으로 가열하여 로터의 실질적인 응력부식균열 발생 가능성의 증가 없이 상기 하나의 축 방향 위치에서 보다 높은 강도 조건이 얻어지는 단계를 포함하는

   로터 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   템퍼링에 앞서 오스테나이트 공정 중에 로터의 길이를 따라 로터를 실질적으로 균일하게 가열하는 단계와,

   그 다음 템퍼링에 앞서 로터를 담금질하는 단계를 포함하는

   로터 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 하나의 축 방향 위치가 터빈 로터의 최종 스테이지의 적어도 한 위치를 포함하는

   로터 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 차등적 가열단계는, 상기 축 방향으로 인접한 위치에서의 로터 온도보다 낮은 온도까지 상기 로터의 하나의 축 방향 위치를 가열하는 단계를 포함하는

   로터 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 로터가 실질적으로 수직 위치로 있는 동안 상기 로터를 차등적으로 가열하는 단계를 수행하는

   로터 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 차등적으로 가열하는 단계는 노(10, 14) 내에서 수행되고, 노를 축 방향으로 이격되고, 서로 열적으로 고립된 구역들(18, 20, 22, 24, 26, 30, 32, 34)로 나누는 단계를 포함하는

   로터 제조 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 로터는 3.5%의 NiCrMoV 강으로 형성되고, 먼저 상기 로터를 그 길이를 따라 실질적으로 균일한 온도에서 오스테나이트화(60)하고, 오스테나이트화 된 로터를 담금질(62)하고, 이어서, 상기 하나의 축 방향 위치에 상기 인접한 위치보다 높은 강도를 부여하기 위해 로터를 차등적으로 가열(64)하는 단계를 포함하는

   로터 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   약 840℃의 온도에서 로터를 오스테나이트화하고, 상기 로터의 하나의 축 방향 위치를 상기 인접한 위치에서의 로터의 온도보다 낮은 온도까지 가열함으로써 상기 로터를 차등적으로 템퍼링하는 단계를 포함하는

   로터 제조 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 인접한 위치에서 약 595℃의 온도까지 가열하고 상기 하나의 축 방향 위치를 580℃의 온도까지 가열함으로써 상기 로터를 템퍼링하는 단계를 포함하는

   로터 제조 방법.
10. 터보기계용 로터를 제조하는 방법에 있어서,

    상기 로터를 따라 인접한 축 방향 위치 보다높은 강도 조건을 요하는 상기 로터 길이를 따른 적어도 하나의 축 방향 위치(40, 42, 46, 48, 50)를 확인하는 단계와,

    상기 로터에 적용되는 오스테나이트화(60) 공정 중에, 상기 로터의 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 강도의 로터를 얻기 위해 상기 로터를 그 길이 방향에 따라 실질적으로 균일하게 가열하는 단계와,

    상기 로터의 오스테나이트화에 이어서, 실질적으로 응력부식균열 발생 가능성의 순증가 없이 상기 축 방향으로 인접한 위치에서의 로터의 강도와 비교하여 상기 하나의 축 방향 위치에서의 로터의 강도를 증가시키기 위해 상기 로터를 차등적으로 템퍼링(64)하는 단계를 포함하는

    로터 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 터보기계는 터빈을 포함하며, 상기 하나의 축 방향 위치는 상기 터빈 로터의 최종 스테이지를 포함하는

    로터 제조 방법.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 차등 가열 단계는 상기 로터의 하나의 축 방향 위치를 상기 축 방향으로 인접한 위치에서의 로터의 온도보다 낮은 온도까지 가열하는 것을 포함하는

    로터 제조 방법.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 차등 가열 단계는 노(10, 14) 내에서 수행되고 상기 노를 축 방향으로 이격되고 서로 열적으로 고립된 영역들(30, 32, 34, 18, 20, 22, 24, 26)로 노를 분할하는 단계를 포함하는

    로터 제조 방법.
14. 제 10 항에 있어서,

    약 840℃의 온도에서 상기 로터를 오스테나이트화하는 단계와,

    상기 축 방향으로 인접한 위치에서의 로터의 온도보다 낮은 온도까지 상기 로터의 하나의 축 방향 위치를 가열함으로써 상기 로터를 차등적으로 템퍼링하는 단계를 포함하는

    로터 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 축 방향으로 인접한 위치에를 약 595℃의 온도까지 가열하고, 상기 로터의 하나의 축 방향 위치를 약 580℃의 온도로 가열하여 상기 로터를 템퍼링하는 단계를 포함하는

    로터 제조 방법.
16. 터빈용 로터의 제조 방법에 있어서,

    (a) 예정된 시간 동안 노 안에서 로터를 오스테나이트화(60)하는 단계와,

    (b) 오스테나이트화된 로터를 담금질(62)하는 단계와,

    (c) 보다 낮은 온도에서 템퍼링된 로터의 축 방향 위치의 응력부식균열 발생 가능성을 보다 높은 온도에서 템퍼링된 인접한 축 방향 위치의 응력부식균열 발생가능성을 초과하는, 증가된 응력부식균열까지 증가시킴 없이, 예정된 소정 시간에 걸쳐 로터를 따르는 서로 다른 축 방향 위치에서 서로 다른 온도까지 로터를 템퍼링(64)하는 단계를 포함하는

    로터 제조 방법.
17. 터보기계용 로터에 있어서,

    인접한 축 방향 위치에서의 로터 본체의 강도에 비해 선택된 축 방향 위치에서 보다 높은 강도를 갖는 로터 본체를 포함하며,

    상기 선택된 축 방향 위치에서의 로터 본체의 응력부식균열 발생 가능성이 상기 인접한 축 방향 위치에서의 로터 본체의 응력부식균열 발생 가능성보다 실질적으로 크지 않은

    로터.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 로터 본체는 3.5% NiCrMoV 합금강으로 구성된

    로터.
19. 제 17 항에 있어서,

    상기 로터 본체는 CrMoV 합금강으로 구성된

    로터.
20. 제 17 항에 있어서,

    상기 로터 본체는 일체형인

    로터.