(57)【要約】【課題】  運用により材料劣化・損傷が生じて廃却となった動翼を再使用する際、動翼自体の重量或いは体積を低減させて信頼性が高いタービン動翼の再使用方法を得ること。【解決手段】  材質劣化、亀裂、摩耗、高温酸化および腐食による減肉等の損傷が生じたタービン動翼の再使用方法において、所定期間使用後に、動翼の亀裂を含む領域を、動翼の重量または体積の低減量が設計許容値を超えない範囲で機械的に除去・補修し、動翼の１本あたりの重量または体積を新翼或いは補修前の翼より低減して使用すること。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材質劣化、亀裂、摩耗、高温酸化および腐食による減肉等の損傷が生じたタービン動翼の再使用方法において、所定期間使用後に、動翼の亀裂を含む領域を、動翼の重量または体積の低減量が設計許容値を超えない範囲で機械的に除去・補修し、動翼の１本あたりの重量または体積を新翼或いは補修前の翼より低減して使用することを特徴とするタービン動翼の再使用方法。
【請求項２】
新翼或いは補修前の動翼をローターに組み込む時の動翼の重量または体積に対する再使用前の動翼の重量または体積の比が９５％以下にならない範囲で、動翼の１本あたりの重量または体積を新翼或いは補修前の翼より低減して使用することを特徴とする、請求項１記載のタービン動翼の再使用方法。
【請求項３】
材質劣化、亀裂、摩耗、高温酸化および腐食による減肉等の損傷が生じた動翼を再使用できるようにしたタービン動翼において、所定期間使用後に、動翼の亀裂を含む領域を、動翼の重量または体積の低減量が設計許容値を超えない範囲で機械的に除去・補修し、動翼の１本あたりの重量または体積を新翼或いは補修前の翼より低減したことを特徴とする、再使用タービン動翼。
【請求項４】
新翼或いは補修前の動翼をローターに組み込む時の動翼の重量または体積に対する再使用前の動翼の重量または体積の比が９５％以下にならない範囲で、動翼の１本あたりの重量または体積を新翼或いは補修前の翼より低減したことを特徴とする、請求項３記載の再使用タービン動翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定期間使用後のガスタービン等の動翼の再使用方法、及び所定期間使用後のタービン翼を再使用できるようにしたタービン動翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電プラントでは、ガスタービンと同軸に設けられた圧縮機の駆動によって圧縮された圧縮空気を燃焼器に案内して燃焼を行わせ、これにより発生する高温燃焼ガスをトランジションピースおよび静翼を経てガスタービンの動翼に案内し、ここで仕事をさせて上記タービンを回転駆動させて発電機で発電を行わせるようになっている。
【０００３】
このようなガスタービンの高温部品である燃焼器ライナ、トランジションピース、静翼にはNi基超合金が使用されるようになっている。このNi基超合金は析出強化合金であり、一般にγ′相と呼ばれるNi３（Al、Ti）の金属間化合物をNiマトリックスに析出させることで高温強度を得ている。しかし、このようなNi基超合金製のガスタービン動翼については、ガスタービンの運転とともに種々の損傷又は欠陥（以下、単に損傷という）が見られるようになる。すなわち、動翼は高温の燃焼雰囲気に曝されるため、腐食や酸化その他の材質劣化が生じるとともに、運転時の遠心力によってクリープ損傷が蓄積される。また、ガスタービンの起動或いは停止時には、その熱履歴に遠心応力が重畳した熱疲労が生じ、さらに損傷が蓄積され、場合によっては亀裂が発生する。
【０００４】
そこで、一般に、動翼は設計寿命に達した場合には廃却されている。廃却となる時間は、表面に耐酸化・耐腐食コーティングを有している初段動翼の場合には、１１００℃または１３００℃級ガスタービンのベースロード使用の例で４８０００時間であり、リコーティングを施して使用する場合は、コーティング層の耐久性にもよるが、運転後２４０００時間でリコーティングし、その後４８０００時間または２４０００時間使用して廃却となっている。この場合、リコーティング時に施す熱処理には、母材の寿命回復は見込まれていない。動翼以外の高温部材である燃焼器ライナ、トランジションピース等に、亀裂や摩耗等が生じた場合には、溶接補修を施し、継続して使用している。これらの補修の際、必要に応じて溶接時の熱影響及び残留応力除去のための熱処理を施している。
【０００５】
ところで、近年、発電効率向上のため、高温化とともに静翼或いはライナ、トランジションピースも、動翼と類似した高強度のNi基超合金を用いるようになり、補修及び回復処理が困難になっている。
【０００６】
廃却となったNi基超合金のガスタービン部品を補修し再使用する方法としては、例えば特開平１１−３３５８０２号公報、特開２００１−２４０９５０号公報、及び特開２００２−３６４３８２号公報が知られている。これらの方法は、運用により材料劣化・損傷等が生じたガスタービン部品を対象として、局部溶解による欠陥がなく、且つγ′相が完全に固溶し、製造時の組織状態に回復させることを可能にし、新材料と同等またはそれ以上の材料特性を有するガスタービン部品を提供している。
【特許文献１】特開平１１−３３５８０２号公報
【特許文献２】特開２００１−２４０９５０号公報
【特許文献３】特開２００２−３６４３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記公知文献に記載された技術においては、運用により材料劣化・損傷等が生じたガスタービン等のタービン動翼を対象として新材と同等またはそれ以上の材料特性を有する動翼を提供することが可能であるが、補修した動翼を使用したタービン、発電プラントにおいてはさらにその信頼性を向上させることが重要である。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑み、以上のような公知技術をさらに向上するため、運用により材料劣化・損傷が生じて廃却となった動翼を再使用する際、動翼自体の重量を低減させて信頼性が高いタービン動翼の再使用方法および再使用可能としたタービン動翼を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、材質劣化、亀裂、摩耗、高温酸化および腐食による減肉等の損傷が生じたタービン動翼の再使用方法において、所定期間使用後に、動翼の亀裂を含む領域を、動翼の重量または体積の低減量が設計許容値を超えない範囲で機械的に除去・補修し、動翼の１本あたりの重量または体積を新翼或いは補修前の翼より低減して使用することを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、材質劣化、亀裂、摩耗、高温酸化および腐食による減肉等の損傷が生じた動翼を再使用できるようにしたタービン動翼において、所定期間使用後に、動翼の亀裂を含む領域を、動翼の重量または体積の低減量が設計許容値を超えない範囲で機械的に除去・補修し、動翼の１本あたりの重量または体積を新翼或いは補修前の翼より低減したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、上述のように実機で使用されて動翼に生じた亀裂を除去するとともにさらに許容値内で翼自体の重量或いは体積を低減させたので、再使用する動翼に働く遠心応力を低下させることができ、タービンの信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。  
図１は本発明のガスタービン動翼の再使用方法のフローチャートであり、ガスタービンローターに新しい動翼を植込んで組立て、その動翼の管理寿命に到達するまでその新しい動翼の使用（Ｓ１）を行う。そこで、管理寿命に到達（Ｓ２）すると、表面損傷・欠陥検査（Ｓ３）を行い、動翼の亀裂を含む領域を機械的に除去・補修して動翼の１本あたりの重量または体積を新翼或いは補修前の翼より低減する重量・体積低減処理（Ｓ４）を行い、その後上記重量・体積低減処理を行った処理翼をローターに植え込んで組立て上記動翼の再使用（Ｓ５）を行う。
【００１３】
すなわち、実機で長時間使用された翼のコーティングは耐酸化に寄与するアルミ濃度が低下し耐酸化性が劣っているとともに熱疲労および遠心応力によるクリープ亀裂が生じており、図２に示すようにコーティング層１を経て基材２まで進展した亀裂３が生ずることがある。一方、基材についてはNi基超合金が用いられているが、高温強度に寄与するγ’相が凝集粗大化しており、この材料劣化とともにクリープ強度の低下も生ずる。
【００１４】
そこで、これらの管理寿命に到達した翼を再使用するにあたり、耐酸化性が低下および亀裂が生じているコーティングを除去して新しいコーティングを施す必要がある。また、基材については例えば特開平11-335802号公報に記載されているHIP処理にて回復させる必要がある。そこで、管理寿命に到達するまで使用された動翼では、その動翼の外表面に施工されているコーティングを除去し、その後、目視検査および蛍光浸透探傷検査を実施し、外面コーティングの表面から進展し基材にまで進展しているような亀裂があるか否かを検査する。そして、上記のような亀裂があった場合には、これらの亀裂をそのまま残して再使用するとこの部位から亀裂がさらに進展して破損する問題があるので、図３に模式的に示すように、動翼の外表面に施工されているコーティング１を除去した後、設計許容限界５の範囲内において機械的に亀裂を含む領域４を除去して亀裂の核となるものをなくすとともに、上記亀裂を含む領域の機械的な除去により翼自体の遠心応力を低減させるために重量を設計的に許容できる範囲内で低減させる。また、翼が局部的に変形している部位については変形修正して、基材の劣化回復に必要なHIP処理および熱処理を施し、その後、外表面および内部冷却口にコーティングを施し、再度ローターに組み込み再使用を行う。
【００１５】
重量低減量については、まず、初期状態として新翼をローターに組込む時に行うモーメント計測時の重量に対する再使用前に行うモーメント計測時の重量との比で整理した場合、翼毎にばらつきが生じる。一方、遠心応力低減の観点からは重量が低いほど効果が大きいが、上記低減量の重量比の上限は１．０（１００％）未満、重量比の下限は設計許容限界値に達しない点までとし、望ましくは０．９５（９５％）とする。なお、亀裂長さが他の翼の亀裂の長さと比較して長い翼については、重量比で許容限界値を超える場合には再使用が困難と判断して廃却とする。
【００１６】
しかして、本発明においては、実機で使用されて動翼に生じた亀裂を除去するとともにさらに許容値内で翼自体の重量を低減させることにより、遠心応力を低下させることができ、動翼の信頼性を向上させることができる。
【００１７】
ところで、１３０００℃級ガスタービンに用いられている耐食コーティングが施された第２段動翼において、実機で約４００００時間使用された翼においては、動翼の外表面に施してあるコーティング、及び動翼のメタル温度を下げるために設けられている内部冷却口に施してあるアルミコーティングを除去した後、目視検査および蛍光浸透探傷検査を実施したところ、外面コーティングの表面から進展した亀裂は基材にまで進展しているものがあった。そこで、図３に模式的に示すように機械的に亀裂を含む領域４を除去して亀裂の核となるものをなくすとともに、上記亀裂を含む領域の機械的な除去により翼自体の遠心応力を低減させるために重量を設計的に許容できる範囲内で低減させた。
【００１８】
この場合、重量低減量については、初期状態として新翼をローターに組込む時に行うモーメント計測時の重量に対する再使用前に行うモーメント計測時の重量との比で整理した場合、図４に示すように、同一段の大部分の動翼については前記重量比の下限６には達しておらず、亀裂長さが他の翼の亀裂長さと比較して長く設計許容限界値５を越える動翼が３本あった。そこで、重量比で設計許容限界値５を超えた３本の動翼は再使用が困難と判断して廃却とした。本方法はコーティングが施されていない１１００℃級の第２段動翼および第３段動翼を再使用する際にも効果がある。
【００１９】
なお、上記実施例においては重量比で管理したが、重量比の代わりに体積比で管理することもできる。そこで、初期状態として新翼をローターに組込む時に行うモーメント計測時の体積に対する再使用前に行うモーメント計測時の体積との比で整理した場合、図５に示すような結果がでた。この場合にも同一段の大部分の動翼については体積比の下限７には達しておらず、亀裂長さが他の翼の亀裂長さと比較して長く設計許容限界値５を越える動翼が２本あり、この体積比で設計許容限界値５を超えた２本の動翼は再使用が困難と判断してこの２本は廃却とした。
【００２０】
また、実機で約４５０００時間使用された耐食コーティングが施された第１段動翼においても、耐酸化性が劣っているとともに熱疲労および遠心応力によるクリープ亀裂が生じており、基材まで進展している亀裂も認められた。そこで、前述と同様に、機械的に亀裂を含む領域を除去して、亀裂の核となるものをなくすとともに翼自体の遠心応力を低減させるために重量を設計的に許容できる限界まで低下させた。また、基材の劣化回復に必要なHIP処理および熱処理を施した。その後、外表面および内部冷却口にコーティングを施した。
【００２１】
なお、本実施例では亀裂長さが他の翼の亀裂と比較して長く設計許容限界値を越える動翼が５本あり、これらの動翼は再使用が困難と判断して廃却とした。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のガスタービン動翼の再使用方法のフローチャート。
【図２】実機使用翼の断面を示す模式図。
【図３】本発明における使用翼の除去領域の説明図。
【図４】本発明の実施例における再使用翼の重量比を示す図。
【図５】本発明の実施例における再使用翼の体積比を示す図。
【符号の説明】
【００２３】
１  コ−ティング
２  基材
３  亀裂
４  除去領域
５  設計許容限界値
６  重量比下限
７  体積比下限
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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