KR950014312B1

KR950014312B1 - 가스터빈 및 그의 부품

Info

Publication number: KR950014312B1
Application number: KR1019950702931A
Authority: KR
Inventors: 마사오 시가; 유다까 후꾸이; 미쯔오 구리야마; 가쯔미 이이지마; 요시미 마에노; 신따로 다까하시; 노부유끼 이이즈까; 소이찌 구로사와; 야스오 와다나베; 료오 히라가
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다찌 세이사구쇼; 가나이 쯔도무
Priority date: 1987-01-09
Filing date: 1988-01-06
Publication date: 1995-11-24
Also published as: EP0298127B1; EP0298127A4; KR890700690A; CN88100065A; CN1036666C; KR950009221B1; JPS63171856A; WO1988005086A1; EP0298127A1; JPH0563544B2

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

가스터빈 및 그의 부품

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명의 일 실시예를 나타낸 가스터빈 회전부의 단면도,

제2도는 취화후의 충격치와 (Mn/Ni)비와의 관계를 나타낸 그레프,

제 3도는 동열하게 Nn량과의 관계를 나타낸 그래프,

제 4 도는 마찬가지로 Ni량과의 관계를 나타낸 그래프,

제5도는 크리프 파단강도와 Ni량과의 관계를 나타낸 도,

제6도는 본 발명의 터빈디스크의 일실시예를 나타낸 단면도도,

제7도는 본 발명의 일 실시예를 나타낸 가스터빈의 회전부 부근의 부분 단면도이다.

[발명의 상세한 설명]

(기술분야)

본 발명은 신규한 가스터빈 및 그의 부품에 관한 것이다.

(배경기술)

현재, 가스터빈용 디스크에 Cr-Mo-V강이 사용되고 있다. 근년에 이르러, 에너지절약의 관점에서 가스터빈의 열효율의 향상이 요망되고 있다. 열효율을 향상시키기 위해서는 가스온도 및 압력을 높이는 것이 가장 유효한 수단이나, 가스온도를 1,100℃ 내지 1,300℃로 높이고, 압력비를 10 내지 15까지 높임으로써 상대비로 약 3%의 효율향상을 기대할 수 있다.

그러나, 이들의 고온, 고압비에 수반하여 종래의 Cr-Mo-V강에서는 강도가 부착하여 더욱 강도가 높은 재료가 필요하다.

강도로서는 고온특성을 가장 크게 좌우하는 크리프 파단강도가 요구된다. 크리프 파단강도가 Cr-Mo-V강 보다 높은 구조재료로서는 오스테나이트강, Ni계 합금, Co계 합금, 마르텐사이트강 등이 일반적으로 알려져 있으나, 열간가소성, 절삭성 및 진동강쇠특성 등의 면에서 Ni계 합금 및 Co계 합금은 바람직하지 않다. 또한, 오스테나이트강은 400∼450℃ 부근에서의 고온강도가 그다지 높지 않고 또한 가스터빈 전제 시스템에서 바람직하지 않다. 한편, 마르텐사이트강은 다른 구성부품과의 매칭이 좋고, 고온강도도 충분하다. 마르텐사이트강은 일본국 특개 소56-55552호 공보, 동특개 소58-110661호 공보, 동 특개소60-138054호공보, 동 특공 소46-279호 공보등에 개시되어 있다.

그러나, 이들 재료는 400∼450℃에서 반드시 높은 크리프 파단강도는 얻어지지 않고, 또한 고온에서 장시간 가열후의 인성(靭性)이 낮아, 터빈 디스크로서 사용할 수가 없어, 가스터빈의 효율향상은 얻을 수 없다.

가스터빈의 고온, 고압화에 대하여 단지 강도가 높은 재료를 사용하는 것만으로서는 가스온도가 사승시될수 없다. 일반적으로 강도를 향상시키면, 인성은 저하된다.

(발명의 개시)

본 발명의 목적은 고온강도와 고온 장시간 가열후의 높은 인성을 겸비한 내열강을 제공하는데 있다. 본 발명의 목적은 열효율이 높은 가스터빈을 제공하는데 있다.

본 발명은 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn 0.6% 이하, Cr 8∼13%, Mo 1.5∼3%, Ni2∼3%, V 0.05∼0.3%, Nb 및 Ta중의 1종 또는 2종의 합계량 0.02∼0.2% 및 N 0.02∼0.1%를 함유하고, 상기 (Mn/Ni)비가 0.11이하이고, 잔부(殘部)가 실질적으로 Fe로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내열강에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 중량으로, C 0.07∼0.15%, Si 0.01∼0.1%, Mn 0.1∼0.4%, Crl1∼12.5%, Ni 2.2∼3.0%, Mo 1.8∼2.5%, Nb 및 Ta 중의 1종 또는 2종의 합계량 0.04∼0.08%, V 0.15∼0.25% 및 N 0.04∼0.08%를 항유하고, 상기 (Mn/Ni)비가 0.04∼0 10% o1고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지고, 전 템퍼링 마르텐사이트 조직을 가지는 겻을 특징으로 하는 내열강에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 중량으로, W 1% 이하, Co 0.5% 이하, Cu 0.5% 이하, B 0.02% 이하, Ti 0.5% 이하, Al 0.3% 이하, Zr 0.1% 이하, Hf 0.1% 이하, Ca 0.01% ol하, Mg 0.01% 이하, Y 0.01% 이하 및 희토류 원소 0.01% 이하에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 내열강에 관한 것이다.

본 발명의 강(鋼)은 다음식으로 계산되는 Cr당량이 10이하가 되도록 성분이 조정되고, δ펠라이트 상(相)을 실질적으로 항유하지 않도록 하는 것이 필요하다.

Cr당량 = -40C-2Mn-4Ni-30N+6Si+Cr

4Mo +11V +5Nb + 2.5Ta

(각 원소는 합금중의 항유량(중량%)으로 게산된다)

본 발명은 원반형태이고, 상기 원반형태의 외주부에 날개가 끼워진 요(凹)부 형상의 날개끼움부가 제공되고, 상기 원반의 중심부에서 최대두께를 가지고, 상기 원반의 외주측에 볼트를 삽입하는 관통공을 가지고,상기 볼트에 의하여 복수개의 상기 원반을 연결하는 구조를 가지는 디스크로서, 상기 디스크는 450℃에서105시간, 크리프 파단강도가 50kg/mm²이상 및 500℃에서 103시간 가열후의 25℃의 V노치 샤르피 충격치가 5kg-m/cm²이상인 전 템퍼링 마르켄사이트조직을 가지는 마르텐사이트계 강으로 이루어지고, 또한 상기한 조성을 가지는 내열강에 의하여 구성되는 것을 특징으로 하는 디스크에 관한 것이다.

복수개의 터빈디스크를 상기 디스크의 외주측에서 링상의 스페이서를 거쳐 볼트에 의하여 연결되는 상기스페이서는, 상기한 특성을 가지는 마르텐사이트계 강 또는 상기한 조성을 가지는 내열강에 의하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

터빈디스크와 콤프레서 디스크를 원통상 디스턴트피이스를 거쳐 볼트에 의하여 연결하는 디스턴프 피이스, 복수개의 터빈디스크를 연결하는 볼트 및 복수개의 콤프레서 디스크를 연결하는 볼트의 적어도 한쪽의 볼트 원반상이고, 상기 원반상의 외주부에 날개가 끼워진 요부형상의 날개 끼움부가 설치되고, 상기 원반의 외주측에 볼트를 삽입하고, 그 볼트에 의하여 복수개의 상기 원반을 연결하는 구조를 가지고, 상기 원반의 중심부 및 관통공을 가지는 부분에서 최대의 두께를 가지는 콤프레서 디스크는 각각 상기한 특성을 가지는 마르텐사이트강 또는 상기한 조성을 가지는 내열강에 의하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 터빈스텁샤프트와 이 샤프트에 터빈 스택킹볼트에 의하여 서로 스페이서를 거쳐 연결된 복수개의 터빈디스크와, 상기 디스크에 꺼워진 터빈버킷과, 상기 볼트에 의하여 상기 디스크에 연결된 디스턴트피이스와, 상기 디스턴트 피이스에 콤프레서 스택킹볼트에 의하여 연결된 복수의 콤프레서 디스크와, 상기 디스크에 끼워진 콤프레서 블레이드와, 상기 콤프레서 디스크의 첫번째단에 일체로 형성된 콤프레서 스텁샤프트를 구비한 가스터빈에 있어서, 적어도 상기 터빈디스크는 450℃에서 105시간 크리프 파단강도가 50kg/mm²이상 및 500℃에서 103시간 가열후의 25℃의 V노치 샤르피 충격치가 5kg-m/cm²이상인 전템퍼링마르텐사이트조직을 가지는 마르텐사이트계 강으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스터빈에 관한 것이다. 마르텐사이트계 강은 특히 상기한 조성을 가지는 내열강에 의하여 구성된다.

본 발명의 가스터빈 디스크는 상기한 마르텐사이트강을 적용항으로써 외경(D)에 대한 중심부의 두께⒯와의 비(t/D)를 0.15∼0.3으로 조절할 수가 있어, 경량화가 가능하다. 특히 0.18∼0.22로 조절함으로써 디스크간의 거리를 단축할 수 있어 열효율의 향상을 기대할 수 있다.

본 발명재(材)의 성분범위의 이유에 대하여 설명한다. C는 높은 인장강도와 내력(耐力)을 얻기 위하여최저 0.05중량%가 필요하다. 그러나, C의 양을 너무 많게 하면 고온에서 장시간 노출되었을 경우에 금속조직이 불안정해지고, 10⁵h 크리프 파단강도를 저하시키므로, 0.20% 이하로 하지 않으면 안된다. 바람직하게는 0.07∼0.15% 이고, 더욱 바람직하게는 0.10∼0.14이다.

Si는 탈산제, Mn는 탈산·탈황제로서 강의 용해시에 첨가하는 것으로서, 소량에서도 효과가 있다. Si는 δ펠라이트 생성원소이고, 다량의 첨가는 피로 및 인성을 저하시키는 δ펠라이트 생성의 원인이 되므로,0.5% 이하로 하지 않으면 안된다. 또한, 카본 지공탈산법 및 일렉트로 슬러그 용해법등에 의하면, Si는 첨가는 필요가 없으며, Si 무첨가가 좋다.

특히 취화(脆化. 부서지기 쉬운 성질로 변하는 것)의 점에서는 0.2% 이하가 바람직하고, Si 무첨가에서도 불순물로서 0 01∼0.1% 함유된다. Mn은 가열에 의한 취화를 촉진시키므로, 0.6% 이하로 해야 한다.특히, Mn은 탈황제로서 유효하므로, 가열 취화가 일어나지 않도록 하기 위해서는 0.1∼0.4%가 바람직하고, 0.1∼0.25%가 더욱 바람직하다. 또한 취화방지점에서 Si+Mn량을 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Cr은 내식성과 고온강도를 높이나, 13% 이상 첨가하면, δ펠라이트 조직생성의 원인이 된다. 8%보다 적으면 내식성 및 고온강도가 불충분하므로 Cr은 8∼13%로 한정시켰다. 특히 강도면에서는 11∼12.5%가 바람직하다.

Mo는 고용강화 및 석출강화 작용에 의하여 크라프 파단강도를 높임과 동시에 취화방지효과가 있다. 1.5% 이하에서는 크리프 파단강도 향상효과가 불충분하고 3.0% 이상이 되면 δ펠라이트 생성원인이 되므로 1.5∼3.0%로 한정시켰다. 특히 1 8∼2.5%가 바람직하다. 또한 Mo는 Ni항량이 2.1%를 초과하는 경우, Mo량이 많을수록 크리프 파단강도를 높이는 효과가 있고, 특히 Mo 2.0% 이상에서의 효과가 크다.

V 및 Nb는 탄화물을 석출하여 고온강도를 높임과 동시에 인성향상효과가 있다. V 0.1%, Nb 0.02%이하에서는 그 효과가 불충분하고, V 0 3%, Nb 0.2% 이상에서는 δ펠라이트생성의 원인이 됨과 동시에 크리프 파단강도가 저하하는 경향을 나타내게 된다. 특히 V 0.15∼0.25%, Nb 0 04∼0.08%가 바람직하다. Nb 대신에, Ta를 동일하게 첨가할 수 있어, 복합 첨가하는 것이 가능하다.

Ni는 고온장시간 가열후의 인성을 높이고, 또한 δ펠라이트 생성의 방지효과가 있다. 2.0% 이하에서는그 효과가 충분치 않고, 3% 이상에서는 장시간 크리프 파단강도를 저하시킨다. 특히 2.2∼3.0%가 바람직하다. 더욱 바람직하계는 2.5%를 초과하는 양이다.

Ni는 가열 취화방지에 효과가 있으나, Mn는 반대로 해를 준다. 따라서 이들의 원소간에는 밀접한 상관관계가 있음을 본 발명자들은 알게 되었다. 즉 Mn/Ni의 비가 0.11이하로 함으로써 극히 현저하게 가열 취화가 방지되는 것을 알게 되었다. 특히 바람직하게는 0.10이하이고, 더욱 바람직하게는 0.04∼0.10이다.

N는 크리프 파단강도의 개선 및 δ펠라이트의 생성방지에 효과가 있으나, 0.02%미만에서는 그 효과가 충분하지 않고,0.1%를 초과하면 인성을 저하시킨다. 특히 0.04∼0.08%의 범위에서 뛰어난 특성이 얻어진다.

본 발명에 따른 내열강중의 Co는 강화하나 취화를 촉진시키므로, 0.5% 이하로 해야 된다. W는 Mo과마찬가지로 강화에 기여하므로, 1% 이하로 함유할 수 있다. B 0.01% 이하, Al 0.3% 이하, Ti 0.5% 이하, Zr 0.1% 이하, Hf 0.1% 이하, Ca 0.01% 이하, Mg 0.01% 이하, Y 0.01% 이하, 희토류 원소 0.01% 이하, Cu 0.5% 이하로 함유시킴으로써 고온강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명재의 열처리는 먼저 완전한 오스테나이트로 변태하는데 충분한 온도인, 최저 900℃, 최고 1150℃로 균일하게 가열하면, 마르텐사이트조직이 얻어진다. 100t/h 이상의 속도로 급냉하고, 이어서 450∼600℃의 온도로 가열유지하고(제1차 템퍼링), 이어서 550∼650℃의 온도로 가열 유지하여 제2차 템퍼링을 행한다. 퀸칭에 있어서는 Ms점 바로 위의 온도에서 멈추게 하는 것이 담근질균열을 방지하는데 있어 바람직하다. 구체적 온도는 150℃ 이상으로 하는 것이 좋다. 퀸칭은 오일중 퀸칭 또는 물분부 퀸칭에 의하여 행하는 것이 바람직하다. 제1차 템퍼링은 그 온도로부터 가열한다.

상기 디스턴트 피이스, 터빈 스페이서, 터빈 스택팅볼트, 콤프레서 스택킹볼트, 콤프레서 디스크의 적어도 마지막단의 1종 이상을 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn 1% 이하, Cr 8∼13%, Ni 3%이하, Mo 1.5∼3%, V 0.05∼0.3%, Nb 0.02∼0.2%, N 0.02∼0.1% 및 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지는 전 템퍼링 마르텐사이트 조직을 가지는 내열강에 의하여 구성할 수 있다. 이들의 부품 전부를 이 내열강에 의하여 구성함으로써 높은 가스온도로 할 수 있어, 열효율의 향상을 얻을 수 있다. 특히 이들 부품의 적어도 1종은 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn 0.6% 이하, Cr 8∼13%, Ni 2∼3%, Mo 1.5∼3%, V 0.05∼0.3%, Nb 0.02∼0.2%, N 0.02∼0.1% 및 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지고, (Mn/Ni)비가 0.11이하, 특히 0.04∼0.10으로 이루어지고, 전 템퍼링 마르텐사이트 조직을 가지는 내열강에 의하여 구성될 때에, 높은 내 취화 특성이 얻어져, 안정성이 높은 가스터빈이 얻어진다.

또한 이들의 부품에서 사용되는 재료로서 45℃에서의 10⁵h 크리프 파단강도가 40kg/mm²이상이고, 20℃ V노치 샤르피 충격치가 5kg-m/cm²이상인 마르텐사이트강이 사용되나, 특히 바람직한 조성에 있어서는 450℃에서의 10⁵h 크리프 파단강도가 50kg/mm²이상이고, 50℃에서의 10³h 가열후의 20℃ V노치 샤르피 충격치가 5kg-m/cm²이상을 가지는 것이다.

이들 재료에는 다시 W 1% 이하, Co 0.5% 이하, Cu 0.5% 이하, B 0.01% 이하, Ti 0.5% 이하, Al 0.3% 이하, Zr 0.1% 이하, Hf 0.1% 이하, Ca 0.01% 이하, Mg 0.01% 이하, Y 0.01% 이하, 희토류원소 0.01% 이하에서 선택되는 1종 이상을 포항할 수 있다.

콤프레서 디스크의 적어도 마지막단 또는 그 전부를 상기한 내열강에 의하여 구성할 수 있으나, 첫반께단으로부터 중심부까지는 가스온도가 낮으므로, 다른 저합금강을 사용할 수 있고, 중심부로부터 마지막단까지를 상기한 내열강을 사용할 수 있다. 가스상류측의 첫반째단으로부터 중심부까지의 상류측을 중량으로, C 0.15∼030%, Si 0.5% 이하, Mn 0.6% 이하, Cr 1∼2%, Ni 2.0∼4.0%, Mo 0.5∼1%, V 0.05∼0.2%및 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지고, 실온의 인장강도 80kg/mm²이상, 실온의 V노치 샤르피 충격치가20kg-m/cm2 이상의 Ni-Cr-Mo-V강이 사용되고, 중심부로부터 적어도 마지막단을 제외하고 중량으로, C 0.2∼0.4%, Si 0.1∼0.5%, Mn 0.5∼1.5%, Cr 0.5∼1.5%, Ni 0.5% 이하, Mo 1.0∼2.0%, V0.1∼0.3% 및 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지고, 실온에서의 인장강도가 80kg/mm²이상, 신장룰 18%이상, 교축룰(絞縮率) 50% 이상을 가지는 Cr-Mo-V강을 사용할 수 있다.

콤프레서 스텁샤프트 및 터빈스터브 샤프트는 상기한 Cr-Mo-V강을 사용할 수 있다.

본 발명의 콤프레서 디스크는 원반상이고, 외측부분에 스택킹볼트 삽입용의 구멍 복수개가 전 주위에 걸쳐 설치되고, 콤프레서 디스크의 직경(D)에 대하여 최소의 두께(t)와의 비(t/D)를 0.05∼0.10으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 디스턴트 피이스는 원통상이고, 양단을 콤프레서 디스크 및 터빈 디스크에 볼트에 의하여 접속하는 플렌지가 설치되고, 최대 내경(D)에 대한 최소두께(t)와의 비(t/D)를 0.05∼0.10으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 가스터빈은 터빈디스크의 직경(D)에 대한 각 디스크의 간격(l)의 비(l/D)를 0.15∼0.25로하는 것이 바람직하다.

콤프레서 디스크의 일예로서, 17단으로 이루어지는 경우에는 첫번째 단부터 12단째까지를 상기한 Ni-Cr-Mo-V강, 13단째부터 16단째까지를 Cr-Mo-V강 및 17단째를 상기한 마르텐사이트강에 의하여 구성할 수 있다.

첫번째단 및 마지막단 콤프레서 디스크는 첫번째단일 때는 첫번째단 다음의 것 또는 마지막단의 경우는 그 앞의 것보다 모두 강성을 가지는 구조를 가지고 있다. 또한 이 디스크는 첫번째단에서부터 서서히 두께를 작게하여 고속회전에 의한 응력을 경감하는 구조로 되어 있다.

콤프레서의 블레이트는 C 0,05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn 1% 이하, Cr 10∼13% 또는 이것에 Mo 0.5% 이하 및 Ni 0.5% 이하를 포함하고 잔부가 Fe로 이루어진 마르텐사이트강에 의하여 구성되는 것이 바람직하다.

터빈 불레이드의 선단부분과 슬라이딩 접촉하여 링형상으로 형성되는 슈라우드(shroud)의 첫번째단 부분에는 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 2% 이하, Mn 2% 이하, Cr 117∼27%, Co 5% 이하, 및 Mo5∼15%, Fe 10∼30%, W 5% 이하, B 0.02% 이하 및 잔부가 실질적으로 Ni로 이루어진 주조합금이 사용되고, 다른 부분에는 중량으로 C 0.3∼0.6%, Si 2% 이하, Mn 2% 이하, Cr 20∼27%, Ni 20∼30%,Nb 0.1∼0.5%, Ti 0.01∼0.5% 및 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어진 주조합금이 사용된다. 이들 합금은 복수개의 블록에 의하여 링상으로 구성되는 것이다.

터빈노즐을 고정하는 다이아프램에는 첫번단의 터빈노즐 부분이 중량으로, C 0.05% 이하, Si 1% 이하,Mn 2% 이하, Cr 16∼22%, Ni 8∼15% 및 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지고, 다른 터빈노즐 부분에는 높은 C-Ni계 강 주물에 의하여 구성된다.

터빈 불레이드는 중량으로 C 0.07∼0.25%, Si1% 이하, Mn 1% 이하, Cr 12∼20%, Co 5∼15%, Mo1.0∼5.0%, W 1.0∼5.0%, B 0.005∼0.03%, Ti 2.0∼7.0, Al 3.0∼7.0%와, Nb 1.5% 이하, Zr 0.01∼0.5%, Hf 0.01∼0.5%, V 0.01∼0.5% 1종 이상과, 잔부가 실질적으로 Ni로 이루어지고, 오스테나이트상 기지(其地)에 γ' 및 γ"상이 석출된 주조합금이 사용되고, 터빈노즐에는 중량으로 C 0.20∼0.60%, Si2% 이하, Mn 2% 이하, Cr 25∼35%, Ni 5∼15%, W 3∼10%, B 0.003∼0.03% 및 잔부가 실질적으로 Co로 이루어지고, 또는 다시 Ti 0.1∼0.3%, Nb 0.1∼0.5% 및 Zr 0.1∼0.3%의 적어도 1종을 포함하고,오스테나이트상 기지에 공정(covalent crystal) 탄화물 및 2차 탄화물을 포함하는 주조합금에 의하여 구성된다. 이들 합금은 모두 용체화(溶體)처리된 후 시효처리 실시되어, 상기 석출물이 형성되어 강화된다.

또, 터빈불레이드는 고온의 연소가스에 의한 부식을 방지하기 위하여 Al, Cr 또는 A1+C1 확산코팅을 실시할 수 있다. 코팅층의 두께는 30∼150μm이고, 가스에 접하는 날개부에 설치하는 것이 바람직하다.

연소기는 터빈의 주위에 복수개 설치됨과 동시에 외부통과 내부통과의 2중 구조로 이루어지고, 내부통은 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 2% 이하, Mn 2% 이하, Cr 20∼25%, Co 0.5∼5%, Mo 5∼15%, Fe l0∼30%, W 5% 이하, B 0.02% 이하 및 잔부가 실질적으로 Ni로 이루어지고, 판 두께가 2∼5mm인 소성 가공재가 용접에 의하여 구성되고, 원통체 전주위에 걸쳐 공기를 공급하는 초생달형의 루우버 구멍의 설치되고 전 오스테나이트 조직을 가지는 용체화 처리재가 사용된다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

[실시예 1]

표 1에 나타낸 조성(중량%)의 시료를 각각 20kg 용해하고,1150℃로 가열하고 단조하여 실험소재로 하였다. 이 소재에,1150℃에서 2시간 가열후 충풍(衝風)냉각을 행하고, 냉각온도를 150℃에서 정지하고, 그 온도로부터 580℃에서 2시간 가열후 공냉의 1차 템퍼링을 행하고, 이어서 605℃에서 5시간 가열후 노중 냉각의 2차 템퍼링을 행하였다.

열처리후의 소재로부터 크리프 파단시험편, 인장시험편 및 V노치 샤로피 충격시험편을 채취하여 실험에 제공하였다. 충격시험은 열처리한 그대로의 재료를 500℃,100시간 가열 취화재에 대하여 행하였다. 이 취화재는 랄손 밀러의 파라미터에 의하여 450℃에서 10⁵시간 가열된 것과 동등한 조건이다.

[표 1]

[표 2]

표 1에서, 시료번호 No 1 및 8은 본 발명재이고, 시료번호 2∼7은 비교재이고, 시료번호 No 2는 현재사용되는 디스크재 M152강 상당재이다.

표 2는 이들 시료의 기계적 성질을 나타낸다. 본 발명제(No.1 및 8)는 고온, 고압 가스터빈 디스크제로서 요구되는 450℃,10⁵h 크리프 차단강도(＞50kg/㎟) 및 취화처리후의 25℃ V노치 샤르피 충격치[4kg-m(5kg-m²)이상]를 충분히 만족하는 것이 확인되었다. 이것에 대하여 현재 사용되는 가스터빈에 사용되고 있는 M152상대재(시료번호 No 2)는 450℃,105h 크리프 파단강도가 42kg/㎟, 취화처리의 25℃,V노치 샤로피 충격치가 2.7kg-m로 고온, 고압가스터빈 디스크제로서 요구되는 기계적 성질을 만족하지 않는다.

다음에 Si+Mn량이 0.4∼약 1% 및 Mn/Ni 비가 0.12이상의 높은 강도(시료번호 No 3∼7)의 기계적성질을 보면, 크리프 파단강도를 고온, 고압 가스터빈 디스크재료서 요구되는 값을 만족시키나, 취화후 V노치 샤르피 충격치는 3 5kg-m 이하로, 만족할 수 없다.

제2도는 취화시험후의 충격치와 (Mn/Ni)비와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도면에 나타낸 바와같이,(Mn/Ni)비가 0.12까지는 큰 차가 없으나,0.11이하에서 취화가 급격하계 개선되어,4kg-m(5kg-m/㎠)이상이 되고, 다시 0.10이하에서는 60kg-m(7.5kg-m/㎠)이상의 우수한 특성이 얻어진다는 것을알 수 있다. Mn은 탈산제 및 탈황제로서 결여될 수 없는 것으로,0.6% 이하로 첨가할 필요가 있다.

제3도는 마찬가지로 Mn량과의 관계를 나타낸 그래프이다.

도면에 나타낸 바와같이, 취화후의 충격치는 Ni량이 2.1% 이하에서는 Mn량을 감소시켜도 큰 효과를 얻을 수 없고, Ni량이 2.1%를 초과한 함유량에서는 Mn양의 감소에 의한 효과가 현저하다. 특히, Ni량이 2.4% 이상에서, 효과가 크다는 것을 알 수 있다.

또, Mn량이 0.7% 부근에서는 Ni량에 관계없이, 충격치의 개선은 얻어지지 않으나, Mn량을 0.6% 이하로 하면 Mn량이 낮을수록 Ni량이 2.4% 이상에서 충격치가 높은 것이 얻어진다.

제4도는 마찬가지로 Ni량과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도면에 나타낸 바와같이 Mn량이 0.7% 이상에서는 Ni를 높여도 취화에 대한 개선은 작으나, 그 이하의 Mn에 대해서는 Ni의 증가에 의하여 취화가 현저하게 개선되는 것이 명백하다. 특히 0.l5∼0.4%의 Mn량에서는 2.2% 이상의 Ni량에서 현저하게 향상되고,2.4% 이상에서 6kg-m(7.5kg-m/㎠)이상, 다시 2.5% 이상의 Ni량에서는 7kg-m/㎠ 이상의 높은 값이 얻어질 수 있는 것이 명백하다.

제5도는 450℃×10sh 크리프 파단강도와 Ni량과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도면에 나타낸 바와같이 Ni량이 2.5% 부근까지는 강도에 거의 영향이 없으나,3.0%를 초과하면 50kg/㎟를 밑돌아 목표로 하는 강도가 얻어지지 않는다. 또한 Mn의 양은 적은 쪽이 강도가 높고,0.15∼0.25% 부근에서 가장 강화되어 높은 강도가 얻어진다.

제6도는 본 발명의 가스터빈 디스크의 단면도이다. 표 3은 그 화학조성(중량%)이다.

[표 3]

카본 진공탈산법으로 용해를 행하고, 단조한 후,1050℃에서 2시간 가열후,150℃의 오일중에 담금질하고, 이어서 그 온도로부터 520℃에서 5시간 가열후 공냉 및 590℃에서 5시간 가열후 노냉각의 템퍼링을 행하였다. 이 디스크는 외경 1,000mm, 두께200mm이고, 열처리후 도면에 나타낸 형상으로 기계 가공한 것이다. 중심구멍(11)은 65mm이다. 12는 스택킹볼트를 삽입하는 구멍이 설치되는 부분,13은 터빈 블레이드가 끼워진 부분이다.

본 발명의 디스크의 상술한 취화후의 충격치는 8.0kg-m(10kg-m/㎠) 및 450℃×10⁵시간 크리프 파단강도가 55.2kg/㎠임으로써 우수한 특성을 가지고 있었다.

[실시예 2]

제1도는 상기한 디스크를 사용한 본 발명의 일실시예를 나타내는 가스터빈의 회전부의 단면도이다. 1은 터빈스텁샤프트, 2는 터빈버킷, 3은 터빈 스택킹볼트, 4는 터빈스페이서, 5는 디스턴트피이스, 6은 콤프레서 디스크, 7은 콤프레서 브레이드, 8은 콤프레서 스택킹볼트, 9는 콤프레서 스텁샤프트, l0은 터빈디스크, 11은 중심구멍이다. 본 반명의 가스터빈은 콤프레서(6)가 17단이고, 또 터빈버킷(2)이 2단인 것이다. 터빈버킷(2)은 3단의 경우도 있으며 모두 본 발명의 강이 적용될 수 있다.

표 4에 나타낸 재료에 대하여, 실물 상당의 대형강을 일렉트로 슬러그 재용해법에 의하여 용제하고, 단조, 열처리를 행하였다. 단조는 850∼1150℃의 온도범위내에서 열처리는 표 4에 나타낸 조건에서 행하였다. 표 4에 시료의 화학조성(중량%)도 나타내었다. 이들 재료의 현미경 조직은, No 6∼9가 전 템퍼링 마르텐사이트조직, No 10 및 11이 전 템퍼링 베나이트조직이었다. No.6은 디스턴트피이스 및 마지막단의 콤프레서 디스크에 사용하고, 전자는 두께 60mm×500mm×길이 1000mm, 후자는 직경 1000mm, 두께 180mm, No.7은 디스크로서 직경 1000mm×두께 180mm로, No.8은 스페이서로 외경 1000mm×내경 400mm×두께100mm로, No.9는 터빈, 콤프레서의 모든 스택킹 볼트로서 직경 40mm×길이 500mm, No.9의 강을 사용하여 마찬가지로 디스턴트 피이스와 콤프레서 디스크를 결합하는 볼트를 제조하였다. No 10 및 11은 각각 터빈 스텁샤프트 및 콤프레서 스텁샤프트로서 직경 250mm×길이 300mm로 단조 연신하였다. 또한 No 10의 합금을 콤프레서 디스크(6)의 13∼16단에 사용하고 No.11의 강을 콤프레서(6)의 첫번째단부터 12단까지사용하였다. 이들은 모두 터빈디스크와 동일한 크기로 제조하였다. 시험편은 열처리 후, 시료의 중심부분으로부터 No.9를 제외하고, 축(길이)방향에 대하여 직각방향으로 채취하였다. 이 예는 길이방향으로 시험편을 채취하였다.

표 5는 그 실온인장,20℃ V노치 샤르피충격 및 크리프파단 시험결과를 나타낸 것이다. 450℃×l05h 크리프 파단강도는 일반적으로 사용되고 있는 랄손밀러법에 의하여 구하였다.

본 발명의 No.6∼9는(12Cr강)를 보면,450℃,l05h 크리프 파단강도가 51kg/㎟ 이상,20℃ V노치 샤로피 충격치가 7kg-m/㎠ 이상으로서, 고온가스터빈용 재료로서 필요한 강도를 충분히 만족하고 있음이 확인되었다.

다음에 스텁샤프트의 No.10 및 11(저합금강)은,450℃ 크리프 파단강도는 낮으나, 인장강도가 86kg/㎟ 이상,20℃ V노치 샤로피 충격치가 70kg-m/㎠ 이고, 스텁샤프트로서 필요한 강도(인강강도≥81kg/㎟,2O℃ V노치 샤르피 충격치 ≥5kg-m/㎠℃를 충분히 만족시키는 것을 확인하였다.

이상의 재료의 조합에 의하여 구성된 본 발명의 가스터빈은, 압축비 14.7, 온도 350℃이상, 압축기 효율86% 이상, 첫번째단 노즐입구의 가스온도 약 1200℃가 가능하여,32% 이상의 열효율(LHV)이 얻어진다.

이와같은 조건에 있어서의 디스턴트 피이스의 온도 및 마지막단의 콤프레서 디스크의 온도는 최고 450℃가 된다. 전자는 25∼30mm 및 후자는 40∼70mm의 두께가 바람직하다. 터빈 및 콤프레서 디스크는 모두중심에 관통공이 설치된다. 터빈 디스크에는 관통공에 압축잔류 응력이 형성된다.

또, 본 반명의 가스터빈은 터빈스페이서(4), 디스턴트피이스(5) 및 콤프레서 디스크(6)의 마지막단에 상기 제3표에 나타낸 내열강을 사용하고, 다른 부품을 상술한 바와같은 강을 사용하여 동일하게 구성한 결과, 압축비 14.7, 온도 350℃이상, 압축효율 86% 이상, 첫번째단 노즐입구의 가스온도 1200℃가 가능하게되어,32% 이상의 열효율이 얻어짐과 동시에, 상기한 바와같이 크리프 파단강도 및 가열취화 후의 높은 충격치가 얻어져 더욱 신뢰성이 높은 가스터빈이 얻어지는 것이다.

[표 4]

[표 5]

[실시예 3]

제7도는 본 발명의 내열강을 사용한 가스터빈 디스크를 가지는 일 실시예를 나타낸 가스터빈의 회전부분의 부분단면도이다. 본 실시예에 있어서의 터빈디스크(10)는 3단을 가지고 있고, 가스흐름의 상류측으로부터 첫번째단 및 2단째에는 중심구멍(11)이 설치되어 있다. 본 실시예에 있어서는 모두 표 3에 나타낸 내열강에 의하여 구성된 것이다. 또한 본 실시예에서는 콤프레서 디코스(6)가 가스흐름의 하류측에서의 마지막단, 디스던트 피이스(5), 터빈스페이서(4), 터빈스택킹볼트(13) 및 콤프레서 스택킹볼트(8)에 상기 표 3에나타낸 내열강을 사용한 것이다. 그 외의 터빈블레이드(2), 터빈노즐(14), 연소(15)의 라이너(17), 콤프레서 블레이드(7), 콤프레서 노즐(16), 다이어프램(18) 및 슈라우드(19)를 표 6에 나타낸 합금에 의하여 구성하였다. 특히, 터빈노즐(12) 및 터빈블레이드(2)는 주물에 의하여 구성된다. 본 실시예에 있어서의 콤프레서는 17단을 가지고 있고, 실시예 2와 동일하게 구성하였다. 터빈스텁 샤프트(1) 및 콤프레서 스텁샤프트(9)는 각각 실시예 2와 동일하게 구성하였다.

[표 6]

표 6중 터빈블레이드, 터빈노즐, 슈라우드 세그먼트(l) 및 다이어프램은 모두 가스상류측의 1단째에 사용한 것이고, 슈라우드 세그먼트(2)는 2단째에 사용한 것이다.

본 실시예에 있어서 콤프레서 디스크(6)의 마지막단은 외경에 대한 최소 두께(t)의 비(t/D)가 0.08이고,디스턴트피이스(5)의 최대내경(D)에 대한 최소두께(t)의 비(t/D)가 0.004이고, 또한 터빈디스크의 직경(D)에 대한 중심부의 최대 두께(t)의 비(t/D)가 첫번째단은 0.19 및 제2단은 0.205이고, 디스크간의 간격(L)의 비(L/D)가 0.21이다. 각 터빈디스크 사이에는 공간이 설치되어 있다. 터빈디스크에는 전주위에 걸쳐 등간격으로 각 디스크를 연결하기 위한 볼트 삽입용 구멍이 복수개 설치되어 있다.

이상의 구성에 의하여, 압축비 14 7, 온도 350℃이상, 압축효율 86% 이상, 첫번째단 터빈노즐 입구의 가스온도 1200℃가 가능하여져서,32% 이상의 열효율이 얻어짐과 동시에, 터빈디스크, 디스턴트피이스, 스페이서, 콤프레서 디스크의 마지막단, 스택킹볼트를 상기와 같이 높은 그리프 파단강도 및 가열취화가 적은내열강이 사용됨과 동시에, 터빈블레이드에 있어서도 고온강도가 높고, 터빈노즐은 고온강도 및 고연연성(延性)이 높고, 연소기 라이너는 마찬가지로 고온강도 및 내피로 강도가 높은 합금이 사용되고 있으므로, 총합적으로 더욱 신뢰성이 높은 균형된 가스터빈이 얻어진다.

(산업상의 이용 가능성)

본 반명에 의하면 고온, 고압(가스온도 : 1200℃ 이상, 압축비 : 15클라스) 가스터빈용 디스크에 요구되는 크리프 파단강도 및 가열취화 후의 충격치가 만족되는 것이 얻어지고, 이것을 사용한 가스터빈은 극히 높은 열효율이 달성되는 현저한 효과가 발휘된다.

Claims

터빈스텁샤프트와, 상기 샤프트에 터빈스택킹볼트에 의하여 서로 스페이서를 개재하여 연결된 복수개의 터빈디스크와, 상기 디스크에 끼워지고 연소기에 의하여 발생한 고온의 연소가스에 의하여 회전하는 터빈블레이드와, 상기 볼트에 의하여 상기 디스크에 연결된 디스턴트피이스와, 상기 디스턴트피이스에 콤프레서스택킹볼트에 의하여 연결된 복수개의 콤프레서디스크와, 상기 디스크에 끼워쳐 공기를 압축하는 콤프레서 블레이드와, 상기 콤프레서디스크의 첫번째단에 일체로 형성된 콤프레서스텁샤프트를 구비한 가스터빈으로서, 상기 터빈디스크의 외경(D)에 대한 각 터빈디스크간의 거리(L)를 0.15∼0.25로 하고, 상기 마지막단의 콤프레서디스크는 그 직경의 디스크 보다 높은 강성을 가지는 구조이고, 상기 가스터빈은 상기 콤프레서 블레이드의 회전에 의하여 공기압축비를 14.7이상으로 하고, 상기 압축된 공기를 이용하여 연소기에 의하여 1300℃이상의 연소가스를 발생하여, 상기 연소가스를 1200℃ 이상에서 상기 터빈노즐의 첫번째단에 도입함과 동시에 상기 터빈디스크의 첫번째단 온도를 450℃ 이상으로 한 것을 특징으로 하는 고효율 가스터빈.
제1항에 있어서, 상기 스택킹볼트, 더스턴트피이스, 터빈스페이서, 터빈디스크, 콤프레서디스크의 고온측의 최종단까지, 상기 콤프레서 스택킹볼트중 하나 이상을 마르텐사이트강에 의하여 구성한 것임을 것을 특징으로 하는 가스터빈.
제2항에 있어서, 상기 마르텐사이트강은 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn 0.6% 이하, Cr 8∼13%, Mo 1.5∼3%, Ni 2∼3%, V 0.05∼0.3%, Nb 및 Ta중의 1종 또는 2종의 합계량 0.02∼0.2% 및 N 0.02∼0.1%를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지고, 상기 (Mn/Ni)비가 0.11이하로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스터빈.
원반상이고, 상기 원반상의 외주부에 날개가 끼워져 오목부형상의 날개 끼움부가 설치되고, 상기 원반의 중심부에서 최대의 두께를 가지고, 상기 원반의 외주측에 볼트를 삽입하는 관통공을 가지고 상기 볼트에 의하여 복수개의 상기 원반을 연결하는 구조를 가지며, 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn0.6% 이하, Cr 8∼13%, NIo 1.5∼3%, Ni 2∼3%, V 0.05∼0.3%, Nb 및 Ta중의 1종 또는 2종의 합계량 0.02∼0.2% 및 N 0.02∼0.1%를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지며, 상기 (Mn/Ni)비가 0.11이하인 디스크로서, 상기 디스크는 450t에서 105시간 크리프 파단강도가 50kg/mm2 이상이고,500℃에서 10³시간 가열후의 25℃의 V노치 샤로피 충격치가 5kg-m/㎠ 이상인 전 템퍼링 마르텐사이트 조직을 가지는 마르텐사이트계 강으로 이루어지고, 상기 원반의 외경(D)에 대한 중심부의 두께(t)와의 비(t/D)가0.15∼0.30인 것을 것을 특징으로 하는 가스터빈디스크.
제4항에 있어서, 상기 디스크는 중랑으로, C 0.05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn 0.6% 이하, Cr8∼13%, Mo 1.5∼3%, Ni 2∼3%, V 0.05∼0.3%, Nb 및 Ta중의 1종 또는 2종의 합계량 0.02∼0.2%및 N 0.02∼0.1%와, W l% 이하, Co 0.5% 이하, Cu 0.5% 이하, B 0.01% 이하, Ti 0.5% 이하, Al0.3% 이하, Zr 0.1% 이하, Hf 0.1% 이하, Ca 0.01% 이하, Mg 0.01% 이하, Y 0.01% 이하 및 희토류원소 0.0196 이하중 1종 이상을 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지며, 상기 (Mn/Ni)비가 0.11이하이고, 전 팀퍼링 마르텐사이트 조직을 가지는 것을 특징으로 하는 가스터빈디스크.
복수개의 터빈디스크를 상기 디스크의 외주측에서 링형상의 스페이서를 개재하여 볼트에 의하여 연결되는 상기 스페이서로서, 상기한 스페이서는 450℃에서 10⁵시간 크리프 파단강도가 50kg/㎟ 이상이고,500℃에서 10³시간 가열후의 25℃의 V노치 샤르피 충격치가 5kg-m/㎠ 이상인 전 템퍼링 마르텐사이트조직을 가지는 마르텐사이트계 강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 터빈스페이서.
터빈디스크와 콤프레서 디스크를 원통상 디스컨트 피이스트를 개재하여 볼트에 의하여 연결되고 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn 0.6% 이하, Cr 8∼13%, Mo 1.5∼3%, Ni 2∼3%, V 0.05∼0.3%, Nb 및 Ta중의 1종 또는 2종의 합계량 0.02∼0.2% 및 N 0.02∼0.1%를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지며, 상기 (Mn/Ni)비가 0.11이하인 가스터빈용 디스턴트피이스로서, 상기한 디스턴트피이스는 450℃에서 10⁵시간 크리프파단강도가 50kg/㎟ 이상이고,500℃에서 10³시간 가열후의 25℃의 V노치 샤르피 충격치가 5kg-m/㎠ 이상인 전 템퍼링 마르텐사이트 조직을 가지는 마르텐사이트계 강으로 이루어지고, 상기 원총체의 최대 내경(D)에 대한 최소두께(t)의 비(t/D)가 0.05∼0.10인 것을 특징으로하는 가스터빈용 디스턴트피이스.
제7항에 있어서, 상기한 디스턴트피이스는 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn 0.6% 이하 Cr 8∼13%, Mo 1.5∼3%, Ni 2∼3%, V 0.05∼0.3%, Nb 및 Ta중의 1종 또는 2종의 합계량 0.02∼0.2% 및 N 0.02∼0.1%와; W 1% 이하, Co 0.5% 이하 Cu 0.5% 이하, B 0.01% 이하, Ti 0.5%이하, Al 0.3% 이하, Zr 0.1% 이하, Hf 0.1% 이하, Ca 0.01% 이하, Mg 0.01% 이하, Y 0.01% 이하및 희토류 원소 0.01% 이하중에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지며,상기 (Mn/Ni)비가 0.11이하이고, 전 템퍼링 마르텐사이트조직을 가지는 것을 특징으로 하는 가스터빈용디스턴트피이스.
원반상이고, 상기 원반상의 외주부에 날개가 끼워져 오목부 형상의 날개 끼움부가 설치되고, 상기 원반의 외주측에 볼트를 삽입하고, 상기 볼트에 의하여 복수개의 상기 원반을 연결하는 구조를 가지고 상기원반의 중심부 및 관통공을 가지는 부분에서 최대의 크기를 가지며, 중량으로, C 0.05∼0.2%, Si 0.5%이하, Mn 0.6% 이하, Cr 8∼13%, Mo 1.5∼3%, Ni 2∼3%, V 0.05∼0.3%, Nb 및 Ta중의 1종 또는2종의 합계량 0.02∼0.2% 및 N 0.02∼0.1%를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지며, 상기(Mn/Ni)비가 0.11이하인 가스터빈용 콤프레서디스크로서, 상기 콤프레서디스크의 적어도 가스온도가 고온측 마지막단이 450℃에서 10⁵시간 크리프파단강도가 50kg/㎟ 이상이고 500℃에서 10³시간 가열후의 25℃의 V노치 샤로피 충격치가 5kg-m/㎠ 이상인 전 템퍼링 마르텐사이트 조직을 가지는 마르텐사이트계 강으로 이루어지고, 상기 원반의 외경(D)에 대한 최소두께(t)의 비(t/D)를 0.05∼0.10으로 하는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 콤프레서디스크.
제9항에 있어서, 상기 콤프레서 디스크의 적어도 가스온도가 고온측인 마지막단이 중량으로, C 0·05∼0.2%, Si 0.5% 이하, Mn 0.6% 이하, Cr 8∼13%, Mo 1.5∼3%, Ni 2∼3% V 0.05∼0.3%, Nb및 Ta중의 1종 또는 2종의 합계량 0.02∼0.2% 및 N 0.02-0.1%와, W 1% 이하, Co 0.5% 이하, Cu0.5% 이하, B 0.01% 이하, Ti 0.5% 이하, Al 0.3% 이하, Zr 0.1% 이하, Hf 0.1% 이하, Ca 0.01%이하, Mg 0.01% 이하, Y 0.01% 이하 및 희토류원소 0.01% 이하중에서 선택되는 1종 이상을 함유하고,잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지며, 상기 (Mn/Ni)비가 0.11이하이고, 전 템퍼링 마르텐사이트 조직을 가지는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 콤프레서디스크.
복수개의 터빈디스크를 연결하는 볼트 및 복수개의 콤프레서디스크를 연결하는 가스터빈용 스택킹볼트로서, 상기 볼트의 적어도 한쪽은 450℃에서 10⁵시간 크리프 파단강도가 50kg/㎟ 이상이고,500℃에서10³시간 가열후의 25℃의 V노치 샤르피 충격치가 5kg-m/㎠ 이상인 전 템퍼링 마르텐사이트 조직을 가지는 마르텐사이트계 강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 스택킹볼트.