(57)【要約】  蒸気タービンの動翼列を構成するための１つの蒸気タービン動翼は、翼部、翼部の一端側に設けられた翼根部、翼部の他端側に設けられ且つ第１対向面を有する第１連結部、及び、翼部の中間に設けられ且つ第２対向面を有する第２連結部を有する動翼本体を備える。第１対向面及び第２対向面は、動翼列において隣に配置される他の動翼本体の第１対向面及び第２対向面とそれぞれ対向配置されるように構成されている。また、蒸気タービン動翼は、第１対向面及び第２対向面のうち少なくとも一方の表面上に高速フレーム溶射により形成された単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層であって、該被覆層と表面の間の拡散層の厚さが１０μｍ以下の状態で表面上に形成された被覆層を備える。
2016072473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンの動翼列を構成するための１つの蒸気タービン動翼において、
翼部、前記翼部の一端側に設けられた翼根部、前記翼部の他端側に設けられ且つ第１対向面を有する第１連結部、及び、前記翼部の中間に設けられ且つ第２対向面を有する第２連結部を有する動翼本体であって、前記第１対向面及び前記第２対向面は、前記動翼列において隣に配置される他の動翼本体の第１対向面及び第２対向面とそれぞれ対向配置されるように構成された動翼本体と、
前記第１対向面及び前記第２対向面のうち少なくとも一方の表面上に高速フレーム溶射により形成された単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層であって、該被覆層と前記表面の間の拡散層の厚さが１０μｍ以下の状態で前記表面上に形成された被覆層と
を備えることを特徴とする蒸気タービン動翼。
【請求項２】
前記被覆層は、少なくとも前記第２対向面の表面上に形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン動翼。
【請求項３】
前記第１連結部は、前記第１対向面の側縁に対し斜めに連なり、前記動翼列において隣り合う第１連結部の間隔を拡大するように構成された第１傾斜面を有し、
前記第２連結部は、前記第２対向面の側縁に対し斜めに連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２傾斜面を有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気タービン動翼。
【請求項４】
前記第１連結部は、前記第１対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第１連結部の間隔を拡大するように構成された第１湾曲面を有し、
前記第２連結部は、前記第２対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２湾曲面を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか一項に記載の蒸気タービン動翼。
【請求項５】
前記第１連結部は、前記第１対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第１連結部の間隔を拡大するように構成された第３傾斜面を有し、
前記第２連結部は、前記第２対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第４傾斜面を有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか一項に記載の蒸気タービン動翼。
【請求項６】
前記第２連結部は、前記第２対向面の側縁に対し斜めに連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２傾斜面を有するとともに、前記第２対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２湾曲面を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の蒸気タービン動翼。
【請求項７】
蒸気タービンの動翼列を構成するための１つの蒸気タービン動翼において、
翼部、前記翼部の一端側に設けられた翼根部、前記翼部の他端側に設けられ且つ第１対向面を有する第１連結部、及び、前記翼部の中間に設けられ且つ第２対向面を有する第２連結部を有する動翼本体であって、前記第１対向面及び前記第２対向面は、前記動翼列において隣に配置される他の動翼本体の第１対向面及び第２対向面とそれぞれ対向配置されるように構成された動翼本体と、
前記第２対向面の表面上に形成された耐フレッティング摩耗材からなる被覆層と、を備え、
前記第２連結部を有する位置における前記動翼本体の横断面において、前記翼部の前縁と後縁とを結んだ結線と、前記第２対向面とのなす角が鋭角であり、かつ、前記第２対向面の垂線が前記翼部と交差し、
前記第２連結部は、前記第２対向面の側縁に対し斜めに連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２傾斜面を有する、
ことを特徴とする蒸気タービン動翼。
【請求項８】
前記動翼本体は析出硬化型のステンレス鋼からなる
ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の蒸気タービン動翼。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項に記載のタービン動翼を備えることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１０】
蒸気タービンの動翼列を構成するための１つの蒸気タービン動翼の製造方法において、
翼部、前記翼部の一端側に設けられた翼根部、前記翼部の他端側に設けられ且つ第１対向面を有する第１連結部、及び、前記翼部の中間に設けられ且つ第２対向面を有する第２連結部を有する動翼本体であって、前記第１対向面及び前記第２対向面は、前記動翼列において隣に配置される他の動翼本体の第１対向面及び第２対向面とそれぞれ対向配置されるように構成された動翼本体を用意する工程と、
前記第１対向面及び前記第２対向面のうち少なくとも一方の表面上に、高速フレーム溶射により単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層を形成する高速フレーム溶射工程とを備え、
前記高速フレーム溶射工程では、前記第１対向面及び前記第２対向面のうち被覆対象の対向面に対し、該対向面の法線に対し０°以上６０°以下の角度でＣｏ基合金からなる粉末が吹き付けられる
ことを特徴とする蒸気タービン動翼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は蒸気タービン動翼、蒸気タービン動翼の製造方法及び蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば発電等に利用される軸流式の蒸気タービンは、複数の静翼列及び動翼列を有し、静翼列及び動翼列は、それぞれ複数のタービン静翼及びタービン動翼からなる。
タービン動翼として、特開平４−５４０２号公報が開示するインテグラルシュラウド翼は、翼の先端にインテグラルシュラウドを有する。翼は、タービンの運転時、遠心力により捩り戻り変形し、これにより、隣り合うインテグラルシュラウドが相互に接触するように構成されている。【０００３】
この種のタービン動翼では、特に、蒸気タービン長翼の長大化による応力増加の対策として、構造減衰を高めるため、特開平４−５４０２号公報のように、翼の中間部にインテグラルスタブが設けられることがある。特開平４−５４０２号公報が開示するインテグラルシュラウド翼では、翼先端部のインテグラルシュラウドのほかに、翼中間部の翼両面側に、三角形状に突出したインテグラルスタブが設けられている。翼が遠心力により捩り戻り変形すると、隣り合うインテグラルスタブ同士が互いに接触し、それによって、構造減衰を高めている。【０００４】
翼先端部にインテグラルシュラウドを設け、さらに翼の中間部にインテグラルスタブを設けたタービン動翼は、特許第４０５８９０６号公報、特開２０１１−１３７４２４号公報にも開示されている。
特許第４０５８９０６号公報が開示する蒸気タービンの動翼では、インテグラルシュラウド（第一の連結部材）の互いに対向する端面間の間隔が、インテグラルスタブ（第二の連結部材）の互いに対向する端面間の間隔よりも小さくなるように設定されている。これにより、ロータの回転数上昇に伴い、まず、インテグラルシュラウド同士が接触し、その後にインテグラルスタブ同士が接触することになるため、連結部材と翼部との結合部に過大応力が発生するのが抑制され、タービンの起動から定格運転に至るまでの運転範囲において強度振動的に信頼性を向上した動翼を備えた蒸気タービンが提供されると考えられている。【０００５】
特開２０１１−１３７４２４号公報では、長翼となる動翼の振動特性を改善するために設けた中間連結部材は、それが、動翼間を流れる蒸気の流路抵抗となり、空力性能の低下をもたらすことになる。そこで、特開２０１１−１３７４２４号公報が開示するタービン動翼列では、中間連結部材の動翼間における配置位置や、中間連結部材の断面形状を適正化することで、動翼間における空気力学的な損失を低減することができるものと考えられている。【０００６】
一方、蒸気タービンでは、蒸気は、各タービン段落で膨張仕事をし、蒸気の持つエネルギが低くなり、後段落になるほど蒸気温度は低下し、蒸気通路部は湿り域になる。この湿り域で回転するタービン動翼には、特に周速の大きい翼先端の前縁部が、蒸気中の液滴の衝突により浸食（エロージョン）を受けることがある。そこで、特開２００４−２７００２３号公報は、液体による浸食を受ける機器を処理する方法及び浸食防止被覆膜合金を開示している。
特開２００４−２７００２３号公報が開示する液体による浸食を受ける機器を処理する方法では、所定の組成を有するコバルト系合金が、液体による浸食を受ける機器としての蒸気タービンのブレードに、レーザーめっきにより塗布される。【０００７】
特開２０１４−１６３３７１号公報には、チタン合金からなるタービン動翼の、その連結部材（カバーとタイボス）接触面に、バインダにはＮｉＣｒを用いて、クロムカーバイド（ＣｒＣ）を、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ溶射）により被膜施工することが開示されている。つまり、特開２０１４−１６３３７１号公報には、混合物を高速フレーム溶射することが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、蒸気タービンには高出力化が求められており、タービンの運転条件は、タービン動翼、特に最終段のタービン動翼にとって極めて過酷になってきている。本発明者らは、このような過酷な条件下では、翼前縁のエロージョン（液滴の衝突による浸食）の他にも、蒸気タービンの耐久性向上のために、個々のタービン動翼において改善することが望ましい事項が存在するとの知見を得た。【０００９】
具体的には、タービン動翼のシュラウドやインテグラルスタブ等、タービン動翼が相互に接触する部位において、翼振動の発生に伴い、接触面に微小な繰り返し往復滑りおよび繰り返し荷重が作用することで、フレッティング摩耗および疲労が発生する可能性があり、フレッティングに起因する損傷を防止するのが望ましいとの知見を得た。
特に、チタン系合金に比べて摩擦係数が小さく、フレッティングに起因する損傷の虞が殆どなかったステンレス鋼からなるタービン動翼にあっても、高出力化したときの接触部位におけるピーク応力の上昇に伴い、フレッティングに起因する損傷を防止するのが望ましいとの知見を得た。【００１０】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、隣り合うタービン動翼が相互に接触する部位における、フレッティング摩耗および疲労に起因する損傷が防止された蒸気タービン動翼、蒸気タービン動翼の製造方法及び蒸気タービン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】
【００１１】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る、蒸気タービンの動翼列を構成するための１つの蒸気タービン動翼は、
翼部、前記翼部の一端側に設けられた翼根部、前記翼部の他端側に設けられ且つ第１対向面を有する第１連結部、及び、前記翼部の中間に設けられ且つ第２対向面を有する第２連結部を有する動翼本体であって、前記第１対向面及び前記第２対向面は、前記動翼列において隣に配置される他の動翼本体の第１対向面及び第２対向面とそれぞれ対向配置されるように構成された動翼本体と、
前記第１対向面及び前記第２対向面のうち少なくとも一方の表面上に高速フレーム溶射により形成された単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層であって、該被覆層と前記表面の間の拡散層の厚さが１０μｍ以下の状態で前記表面上に形成された被覆層と
を備える。【００１２】
第１対向面及び第２対向面のうち少なくとも一方の表面上には単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層が形成されており、隣り合うタービン動翼では、単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層が相互に接触する。単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層は耐フレッティング性に優れており、上記（１）の構成によれば、第１連結部及び第２連結部のうち被覆層が設けられた少なくとも一方におけるフレッティング摩耗および疲労による損傷が防止される。
一方、被覆層は高速フレーム溶射により第１対向面及び／又は第２対向面の表面上に形成されており、拡散層の厚さが１０μｍ以下である。このため、たとえ被覆層にフレッティングにより亀裂が生じたとしても、亀裂が下地（母材）にまで進行することがない。したがって、もし、フレッティングにより損傷を受けたとしても、その損傷は、再度、高速フレーム溶射によりＣｏ基合金をコーティングして修復すれば足り、翼自体を換装する必要がない。【００１３】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記被覆層は、少なくとも前記第２対向面の表面上に形成されている。
従来、第２連結部は、構造減衰を高めるためのものであり、第２連結部の第２対向面に作用するピーク応力はそれほど大きくはなかった。しかしながら、近年の蒸気タービンにおける高出力化や蒸気タービン動翼の長翼化に伴い、第２連結部の第２対向面に作用するピーク応力も増大しており、第２連結部においてフレッティングに起因する損傷が発生する可能性が高くなってきていることがわかってきた。
この点、上記（２）の構成によれば、被覆層が第２連結部の第２対向面の表面上に形成されているので、フレッティングに起因する第２連結部の損傷を防止することができる。【００１４】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、前記第１連結部は、前記第１対向面の側縁に対し斜めに連なり、前記動翼列において隣り合う第１連結部の間隔を拡大するように構成された第１傾斜面を有し、
前記第２連結部は、前記第２対向面の側縁に対し斜めに連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２傾斜面を有する。
上記（３）の構成によれば、第１連結部の第１対向面の側縁に連なる第１傾斜面を設けたことにより、第１対向面間での片当たりの発生を抑えることができる。このため、第１対向面に作用するピーク応力が低減され、フレッティングによる第１連結部の損傷がより確実に防止される。
一方、第１傾斜面を設けた場合、第１対向面の面積が実質的に減少し、第１対向面の平均面圧が上昇することとなるが、この場合であっても、第１対向面の表面上に被覆層を形成しておけば、平均面圧上昇によるフレッティング摩耗および疲労を防止することができる。【００１５】
また、上記（３）の構成によれば、第２連結部の第２対向面の側縁に連なる第２傾斜面を設けたことにより、第２対向面間での片当たりの発生を抑えることができる。このため、第２対向面に作用するピーク応力が低減され、フレッティングによる第２連結部の損傷がより確実に防止される。
一方、第２傾斜面を設けた場合、第２対向面の面積が実質的に減少し、第２対向面の平均面圧が上昇することとなるが、この場合であっても、第２対向面の表面上に被覆層を形成しておけば、平均面圧上昇によるフレッティング摩耗および疲労を防止することができる。【００１６】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか１つの構成において、前記第１連結部は、前記第１対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第１連結部の間隔を拡大するように構成された第１湾曲面を有し、
前記第２連結部は、前記第２対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２湾曲面を有する。
上記（４）の構成によれば、第１連結部の第１対向面の先端縁に連なる第１湾曲面を設けたことにより、第１対向面間での片当たりの発生をより確実に抑えることができる。このため、第１対向面に作用するピーク応力が低減され、フレッティングによる第１連結部の損傷がより確実に防止される。【００１７】
一方、第１湾曲面を設けた場合、第１対向面の面積が実質的に減少し、第１対向面の平均面圧が上昇することになるが、この場合であっても、第１対向面の表面上に被覆層を形成しておけば、平均面圧上昇によるフレッティング摩耗やフレッティング疲労を防止することができる。
また、上記（４）の構成によれば、第２連結部の第２対向面の先端縁に連なる第２湾曲面を設けたことにより、第２対向面間での片当たりの発生をより確実に抑えることができる。このため、第２対向面に作用するピーク応力が低減され、フレッティングによる第２連結部の損傷がより確実に防止される。【００１８】
一方、第２湾曲面を設けた場合、第２対向面の面積が実質的に減少し、第２対向面の平均面圧が上昇することになるが、この場合であっても、第１２対向面の表面上に被覆層を形成しておけば、平均面圧上昇によるフレッティング摩耗やフレッティング疲労を防止することができる。
（５）幾つかの実施態様では、上記（１）乃至（３）の何れか１つの構成において、
前記第１連結部は、前記第１対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第１連結部の間隔を拡大するように構成された第３傾斜面を有し、
前記第２連結部は、前記第２対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第４傾斜面を有する。【００１９】
上記構成（５）によっても、上記構成（４）の場合と同様、第３傾斜面及び第４傾斜面を設けたことにより、フレッティングによる第１連結部及び第２連結部の損傷がより確実に防止される。
ただし、第１対向面や第２対向面において、先端縁に発生する局所応力は、側縁のそれに比べて高くなることに着目し、上記構成（４）では、側縁には傾斜面を連ねる一方、先端縁には湾曲面を連ねている。局所応力が高くなる先端縁に湾曲面を連ねることで、片当たりを確実に抑えて、フレッティング摩耗やフレッティング疲労をより確実に防止することができる。【００２０】
（６）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記第２連結部は、前記第２対向面の側縁に対し斜めに連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２傾斜面を有するとともに、前記第２対向面の先端縁に連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２湾曲面を有する。【００２１】
上記構成（６）によれば、第２対向面の側縁に連なる第２傾斜面を設け、第２対向面の先端縁に連なる第２湾曲面を設けたことにより、フレッティングによる第２連結部の損傷をより確実に防止することができる。【００２２】
（７）本発明の少なくとも一実施形態に係る、蒸気タービンの動翼列を構成するための１つの蒸気タービン動翼は、
翼部、前記翼部の一端側に設けられた翼根部、前記翼部の他端側に設けられ且つ第１対向面を有する第１連結部、及び、前記翼部の中間に設けられ且つ第２対向面を有する第２連結部を有する動翼本体であって、前記第１対向面及び前記第２対向面は、前記動翼列において隣に配置される他の動翼本体の第１対向面及び第２対向面とそれぞれ対向配置されるように構成された動翼本体と、
前記第２対向面の表面上に形成された耐フレッティング摩耗材からなる被覆層と、を備え、
前記第２連結部を有する位置における前記動翼本体の横断面において、前記翼部の前縁と後縁とを結んだ結線と、前記第２対向面とのなす角が鋭角であり、かつ、前記第２対向面の垂線が前記翼部と交差し、
前記第２連結部は、前記第２対向面の側縁に対し斜めに連なり、前記動翼列において隣り合う第２連結部の間隔を拡大するように構成された第２傾斜面を有する。【００２３】
第２連結部が翼部に設けられ、第２連結部を有する位置における動翼本体の横断面において、翼部の前縁と後縁とを結んだ結線と、第２対向面とのなす角が鋭角であり、かつ、第２対向面の垂線が翼部と交差している場合、第２対向面の側縁に連なる面を加工するとき、工作機械が第２連結部根本の翼部と干渉するため、手作業となるが、前記側縁に連なる面を単純な傾斜面とすることで、作業を簡単かつ安定したものにできる。【００２４】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか１つの構成において、前記動翼本体は析出硬化型のステンレス鋼からなる。
動翼本体が析出硬化型のステンレス鋼からなる場合、成形された動翼本体には熱処理、例えば溶体化処理及び時効硬化処理が順次施され、ステンレス鋼の硬度が適当な値に調整される。熱処理後に動翼本体が加熱された場合、硬度を調整するために再度熱処理が必要になる。或いは、熱処理後に動翼本体に対して何らかの処理を行おうとする場合、動翼本体の温度が熱処理温度を超えないように温度管理を行う必要がある。
この点、上記（８）の構成によれば、高速フレーム溶射の際、動翼本体は殆ど加熱されない。このため、高速フレーム溶射により動翼本体の硬度が変化することはなく、動翼本体のための特別な温度管理を必要とすることなく、被覆層を容易に形成することができる。【００２５】
なお、析出硬化型ステンレス鋼の摩擦係数は、チタン合金に比べて低く、従来、析出硬化型ステンレス鋼からなる動翼ではフレッティング摩耗および疲労の虞は殆どなかった。しかしながら、近年の蒸気タービンにおける高出力化や動翼の長翼化に伴い、第１対向面や第２対向面に作用するピーク応力も増大しており、第１連結部や第２連結部においてフレッティングに起因する損傷が発生する可能性が高くなっていることがわかってきた。
そこで、上記（８）の構成では、動翼本体が析出硬化型のステンレス鋼からなる場合であっても、第１対向面及び第２対向面のうち少なくとも一方の表面上に被覆層を設けることにより、フレッティングによる損傷が防止される。【００２６】
ここで、蒸気タービンでは、最終段動翼の長大化により、環状面積を増大して排気損失の低減が図られている。この点、上記（１）から（８）の構成のタービン動翼は、長大化しても、隣り合うタービン動翼の接触部位におけるフレッティングによる損傷が防止されるので、蒸気タービンの最終段動翼として有用である。【００２７】
（９）本発明の少なくとも一実施形態によれば、上記（１）乃至（８）の何れか１つの蒸気タービン動翼を備える蒸気タービンが提供される。
（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る、蒸気タービンの動翼列を構成するための１つの蒸気タービン動翼の製造方法は、
翼部、前記翼部の一端側に設けられた翼根部、前記翼部の他端側に設けられ且つ第１対向面を有する第１連結部、及び、前記翼部の中間に設けられ且つ第２対向面を有する第２連結部を有する動翼本体であって、前記第１対向面及び前記第２対向面は、前記動翼列において隣に配置される他の動翼本体の第１対向面及び第２対向面とそれぞれ対向配置されるように構成された動翼本体を用意する工程と、
前記第１対向面及び前記第２対向面のうち少なくとも一方の表面上に、高速フレーム溶射により単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層を形成する高速フレーム溶射工程とを備え、
前記高速フレーム溶射工程では、前記第１対向面及び前記第２対向面のうち被覆対象の対向面に対し、該対向面の法線に対し０°以上６０°以下の角度でＣｏ基合金からなる粉末が吹き付けられる。【００２８】
対向面の法線に対する吹き付け方向の角度が０°以上６０°以下の範囲内にある場合、被覆層における気孔率を低くし、被覆層の耐フレッティング性能を高くすることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、タービン動翼が相互に接触する部位における、フレッティングに起因する損傷が防止された蒸気タービン動翼、蒸気タービン動翼の製造方法及び蒸気タービンが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】蒸気タービンの概略的な構成を示す縦断面図である。
【図３】最終段動翼列を概略的に示す平面図である。
【図４】最終段動翼列に属する１つの動翼を概略的に示す斜視図である。
【図５】第１連結部とともに翼部の一部を概略的に示す斜視図である。
【図６】複数の第１連結部を概略的に示す展開図であり、拡大された円内には、径方向直交断面が概略的に示されている。
【図７】第２連結部とともに翼部の一部を概略的に示す斜視図である。
【図８】複数の第２連結部を概略的に示す展開図であり、拡大された円内には、径方向直交断面が概略的に示されている。
【図９】最終段動翼の製造方法を概略的に示すフローチャートである。
【図１０】フレッティング疲労試験後における、第２連結部の第２対向面上に形成された被覆層の光学顕微鏡による断面観察結果である。
【図１１】図８中のＸＩ−ＸＩ線に沿う概略的な断面図である。
【図１２】他の実施形態に係る１つの第１連結部を概略的に示す展開図である。
【図１３】他の実施形態に係る１つの第２連結部を概略的に示す展開図である。
【図１４】ステライト（登録商標）♯６を高速溶射フレームして得られた実施例の被覆層の金属組織の断面を示す図である。
【図１５】Ｃｒ３Ｃ２とＮｉＣｒの混合粉末（Ｃｒ３Ｃ２−２５ＮｉＣｒ）を高速溶射フレームして得られた比較例の被覆層の金属組織の断面及び微小硬さ試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００３２】
図１は、本発明の一実施形態に係る発電システムの構成を概略的に示すブロック図である。発電システムは、複合発電システムであり、ガスタービン１と、蒸気タービン３と、排熱回収ボイラ５と、発電機７，９とを備える。
幾つかの実施形態では、発電システムは、排熱回収ボイラ５に代えて、燃料を内部で燃焼させて蒸気を発生させるボイラと、蒸気タービン３とを備える従来型の発電システムである。幾つかの実施形態では、発電システムは自家用であり、幾つかの実施形態では、発電システムは事業用である。
【００３３】
ガスタービン１は、圧縮機１１と、燃焼器１３と、タービン１５とを備える。圧縮機１１は、タービン１５の出力の一部を利用して空気を圧縮し、圧縮された空気が燃焼器１３に供給される。燃焼器１３には圧縮空気と燃料が供給され、燃料が燃焼させられる。燃料の燃焼により発生した燃焼ガスは、タービン１５に供給され、燃焼ガスを利用してタービン１５が出力としてのトルクを発生させる。
タービン１５は、発電機７に接続され、タービン１５の出力の一部を利用して発電機７が発電する。
【００３４】
タービン１５で仕事をした燃焼ガス（以下、排ガスともいう）は、排熱回収ボイラ５に供給される。排熱回収ボイラ５は、燃焼ガスの熱（排熱）を利用して、蒸気を発生させる。
例えば、排熱回収ボイラ５は、エコノマイザ１７、ヘッダ１９、蒸発器２１、過熱器２３、再熱器２５及び脱硝器２７を有する。水は、エコノマイザ１７、蒸発器２１及び過熱器２３により加熱され、これにより過熱蒸気が得られる。過熱蒸気は、蒸気タービン３に供給される。蒸気タービン３に供給された蒸気は、排熱回収ボイラ５に一度戻されて再熱器２５に供給される。再熱器２５は、蒸気を加熱し、加熱された蒸気が蒸気タービン３に供給される。
脱硝器２７は、排ガスに含まれるＮＯｘを除去する機能を有する。排熱回収ボイラ５から排出された排ガスは、例えば、煙突２９を通じて放出される。
【００３５】
蒸気タービン３は、発電機９に接続されている。蒸気タービン３は、蒸気を利用してトルクを発生させ、発電機９はトルクを利用して発電する。例えば、蒸気タービン３は、高圧タービン３１、中圧タービン３３及び低圧タービン３５を有し、高圧タービン３１、中圧タービン３３及び低圧タービン３５の各々が蒸気を利用してトルクを発生させる。
【００３６】
蒸気タービン３には、復水器３７が接続され、蒸気タービン３の低圧タービン３５から放出された蒸気は、復水器３７によって凝縮させられて水になる。復水器３７は、復水ポンプ３９を介して排熱回収ボイラ５に接続され、復水ポンプ３９によって、復水器３７で得られた水が、排熱回収ボイラ５に供給される。
【００３７】
図２は、蒸気タービン３の概略的な構成を示す縦断面図である。
図２の蒸気タービン３は、高圧タービン３１、中圧タービン３３及び低圧タービン３５が一体に形成された単車室形の蒸気タービンである。幾つかの実施形態では、蒸気タービンは、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンが別体に形成された複車室形である。複車室形の蒸気タービンは、タンデム形であってもクロス形であってもよい。
【００３８】
図２の蒸気タービン３は、車室を形成するハウジング４１と、ロータ４３と、ハウジング４１に固定された静翼列と、ロータ４３に固定された複数の動翼列とを有する。ロータ４３は、ラジアル軸受４４，４５によって回転可能に支持され、ロータ４３の少なくとも一部は、ハウジング４１内を延びている。ロータ４３の一端側に、発電機９が接続されている。
【００３９】
ハウジング４１とロータ４３との間には筒状の内部流路４６が形成され、内部流路４６に静翼列及び動翼列が配置される。静翼列及び動翼列には、高圧タービン３１に属するもの、中圧タービン３３に属するもの、及び、低圧タービン３５に属するものがある。各静翼列は、ロータ４３の周方向に配列された複数の静翼からなり、各静翼はハウジング４１に対して固定されている。各動翼列は、ロータ４３の周方向に配列された複数の動翼からなり、各動翼は、ロータ４３に対して固定されている。各静翼列では、蒸気の流れが加速され、各動翼列では、蒸気のエネルギがロータ４３の回転エネルギに変換される。
【００４０】
蒸気の流動方向にて最下流に位置する低圧タービン３５の動翼列（以下、最終段動翼列とも称する）４７は、蒸気タービン３に占める出力の分担が大きい。排気損失の低減により蒸気タービン３の効率を改善することを目的として、最終段動翼列４７の長大化が図られている。
【００４１】
図３は、最終段動翼列４７を概略的に示す平面図であり、図４は、最終段動翼列４７に属する１つの動翼（以下、最終段動翼とも称する）４９を概略的に示す斜視図である。
動翼４９は、動翼本体５０を有し、動翼本体５０は、翼部５１、翼根部５３、第１連結部５５及び第２連結部５７を有する。
翼部５１は、互いに反対向きの高圧面（腹面）５１ａ及び低圧面（背面）５１ｂを有する。隣り合う翼部５１の高圧面５１ａと低圧面５１ｂとの間に蒸気の流路が形成され、流路を流れる蒸気から翼部５１がエネルギを受け取る。翼部５１の高圧面５１ａ及び低圧面５１ｂは、所定の幅をもって、ロータ４３の径方向にそれぞれ延び、径方向と直交する翼部５１の断面形状は所定の断面形状に形成されている。なお、翼部５１の周速は、径方向内側と外側で異なっていることを考慮して、翼部５１の高圧面５１ａ及び低圧面５１ｂは、ロータ４３の径方向にて内側から外側に向かって徐々に捩られた形状を有する。
【００４２】
翼根部５３は、ロータ４３の径方向にて翼部５１の一端側（根元側）に一体に設けられ、ロータ４３には、翼根部５３と係合可能な係合部が設けられる。従って、翼根部５３を介して、最終段動翼４９がロータ４３に固定される。
幾つかの実施形態では、翼根部５３は、ロータ４３の軸方向と直交する断面にて、クリスマスツリー形の形状を有する。この場合、ロータ４３には係合部として軸方向に延びる溝が形成され、翼根部５３は、ロータ４３の溝に対し軸方向に挿入される。
【００４３】
第１連結部５５は、ロータ４３の径方向にて翼部５１の他端側（先端側）に一体に設けられている。図５は、第１連結部５５とともに翼部５１の一部を概略的に示している。図６は、複数の第１連結部５５を概略的に示す展開図である。
第１連結部５５は、インテグラルシュラウドとも称され、長大化された最終段動翼列４７の振動の振幅やモード数を減少させるために設けられている。すなわち、隣り合う最終段動翼４９を、ロータ４３の径方向外側で第１連結部５５を介して連結することにより一体化し、これにより最終段動翼列４７の振動の振幅やモード数を減少させている。
【００４４】
具体的には、第１連結部５５は、ロータ４３の周方向にて両側に第１対向面５９を有する。隣り合う最終段動翼４９の第１対向面５９は相互に対向するよう配置される。なお、相互に対向する第１対向面５９は、蒸気タービン３の運転時、遠心力の作用により翼部５１が捩り戻り変形したときに、互いに平行になるように成形されている。
例えば、第１連結部５５は、ロータ４３の周方向にて両側に三角柱形状の突起６１を有し、突起６１の一側面が第１対向面５９を構成している。
【００４５】
第２連結部５７は、翼部５１の高圧面５１ａ及び低圧面５１ｂの各々に、ロータ４３の径方向にて中間に一体に設けられている。図７は、第２連結部５７とともに翼部５１の一部を概略的に示している。図８は、複数の第２連結部５７を概略的に示す展開図である。
第２連結部５７は、インテグラルスタブとも称され、主として、長大化された最終段動翼列４７の構造減衰を高めるために設けられている。すなわち、隣り合う最終段動翼４９を、ロータ４３の径方向中間で第２連結部５７を介して連結することにより一体化し、これにより最終段動翼列４７の構造減衰を高めている。
【００４６】
具体的には、第２連結部５７は、第２対向面６３を有する。隣り合う最終段動翼４９の第２対向面６３は相互に対向するよう配置される。なお、相互に対向する第２対向面６３は、蒸気タービン３の運転時、遠心力の作用により翼部５１が捩り戻り変形したときに、互いに平行になるように成形されている。
例えば、第２連結部５７は三角柱形状を有し、第２連結部５７の一側面が第２対向面６３を構成している。
また例えば、図８に示したように、第２連結部５７を有する位置における動翼本体５０の横断面において、翼部５１の前縁と後縁とを結んだ結線Ｌｃと、第２対向面６３とのなす角θａが鋭角であり、かつ、第２対向面６３の垂線Ｌｒが翼部５１と交差している。
【００４７】
上述した第１対向面５９及び第２対向面６３のうち少なくとも一方の表面上には、高速フレーム溶射により形成された単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層６５が形成されている。そして、被覆層６５とその下地の表面との間の拡散層の厚さは１０μｍ以下である。
Ｃｏ基合金は、耐フレッティング摩耗性に優れた耐フレッティング摩耗材である。Ｃｏ基合金としては、例えばステライト合金、トリハロイ合金などを挙げることができる。耐フレッティング摩耗材としては、Ｃｏ基合金の他、Ｃｕベースの合金としてＣｕＮｉＩｎ、ＣｕＡｌ、ＣｕＴｉなどを用いることができる。
本実施形態では、図６及び図８の円内に拡大して概略的に示したように、第１対向面５９及び第２対向面６３の両方に被覆層６５が形成されている。この場合、隣り合う最終段動翼４９間では、対向する第１対向面５９上の被覆層６５が相互に接触し、対向する第２対向面６３上の被覆層６５が相互に接触する。
例えば、被覆層６５は、対向する第１対向面５９の相互に接触する範囲の全域、及び、対向する第２対向面６３の相互に接触する範囲の全域に形成されている。
【００４８】
以下、上述した最終段動翼４９の製造方法を説明する。
図９は、最終段動翼４９の製造方法を概略的に示すフローチャートである。図９に示したように、まず、動翼本体５０が、例えば鍛造により成形される（Ｓ１０）。成形された動翼本体５０は熱処理され、動翼本体５０の強度や硬度が調整される（Ｓ１２）。例えば熱処理は、焼き入れ工程（溶体化処理工程）と焼き戻し工程（時効硬化処理工程）とを含む。
【００４９】
例えば、溶体化処理工程の温度は、１０２０℃以上１０６０℃以下の範囲内にあり、時効硬化処理工程の温度は、４７０℃以上６６０℃以下の範囲内にある。
【００５０】
例えば、熱処理された動翼本体５０の表面硬さは、ＪＩＳ  Ｚ２２４４  ２００８に規定されたビッカース硬さ試験において、５００ＨＶ０．５以上である。
熱処理された動翼本体５０には、例えば研磨による酸化膜除去処理が施され、表面の酸化膜が除去される（Ｓ１４）。
【００５１】
酸化膜が除去された動翼本体５０には、第１対向面５９及び第２対向面６３に粗化処理が施される（Ｓ１６）。粗化処理Ｓ１６は、第１対向面５９及び第２対向面６３の表面粗さを粗くするものであり、例えばブラストにより行われる。幾つかの実施形態では、尖った粒子を用いたグリットブラストにより粗化処理Ｓ１６が行われる。
例えば、粗化処理された第１対向面５９及び第２対向面６３の表面粗さは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１  ２０１３に規定された算術平均粗さＲａにて、６．０μｍ以上７．０μｍ以下の範囲内にある。
なお、粗化処理Ｓ１６の際、第１対向面５９及び第２対向面６３以外の領域についてはマスキングすることにより、表面が粗くなることを防止する。
【００５２】
粗化処理された動翼本体５０には、第１対向面５９及び第２対向面６３上に高速フレーム溶射により被覆層６５が形成される（Ｓ１８）。
高速フレーム溶射Ｓ１８は、例えば、ＨＶＯＦ（Ｈｉｇｈ
Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙｇｅｎ Ｆｕｅｌ）溶射又はＨＶＡＦ（Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ａｉｒ Ｆｕｅｌ）溶射により行われる。高速フレーム溶射Ｓ１８では、酸素又は空気と燃料の燃焼により発生させた高速の燃焼ガスによって、粉末材料を被覆対象に吹き付けることにより、被覆層６５を形成することができる。
本実施形態では、ＨＶＯＦ溶射が採用される。
【００５３】
被覆層６５を形成するための粉末材料は、被覆層６５と同じ組成のＣｏ基合金からなる。
例えば、粉末材料の粒径は、ＪＩＳ  Ｚ８８１９−２  ２００１に規定される算術平均粒子径にて、１０μｍ以上７０μｍ以下の範囲内にある。
【００５４】
また例えば、被覆対象である第１対向面５９又は第２対向面６３の法線に対する粉末材料の吹き付け方向の傾き、即ち入射角θｉは、図８を参照すると、０°以上６０°以下の範囲内にある。吹き付け方向の傾きが０°以上６０°以下の範囲内にある場合、被覆層６５における気孔率を低くし、被覆層６５の耐フレッティング性能を高くすることができる。例えば、被覆層６５における気孔率は５％以下である。
【００５５】
上述した本発明の少なくとも一実施形態に係る蒸気タービン３では、第１対向面５９及び第２対向面６３のうち少なくとも一方の表面上には単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層６５が形成されており、隣り合う最終段動翼４９では、単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層６５が相互に接触する。単一組成のＣｏ基合金からなる被覆層６５は耐フレッティング性に優れており、被覆層６５が設けられた第１連結部５５及び第２連結部５７におけるフレッティングによる損傷が防止される。
【００５６】
一方、被覆層６５は高速フレーム溶射により第１対向面５９又は第２対向面６３の表面上に形成されており、高速フレーム溶射の後に熱拡散処理が行われていない。このため、被覆層６５とその下地の表面との間に存在する拡散層の厚さが１０μｍ以下である。このため、たとえ被覆層６５にフレッティング疲労により亀裂が生じたとしても、亀裂が下地である第１連結部５５や第２連結部５７に進行することがない。したがって、もし、フレッティングにより損傷を受けたとしても、その損傷は、再度、高速フレーム溶射によりＣｏ基合金をコーティングして修復すれば足り、翼自体を換装する必要はない。そのため、修復のためのコストを低減できるとともに、復旧に要する工期をも短縮し得て、蒸気タービンの稼働率を高めることができる。
【００５７】
なお、蒸気タービン３の運転時、最終段動翼列４７の外周部に位置する第１連結部５５の周囲は湿り域にあるが、第１対向面５９同士は相互に対向しており、第１対向面５９にエロージョンが発生する可能性はほとんどない。また、最終段動翼列４７の翼中間部に位置する第２連結部５７の周囲は、湿り域にはなく、さらに、第２対向面６３同士は相互に対向しており、第１対向面５９と同様に、第２対向面６３においても、エロージョンが発生する可能性は殆どなく、エロージョンを防止するための保護膜を設ける必要性はない。
しかし、最近の、最終段動翼の長大化やタービンの高出力化により、従来、構造減衰を高めるために設けられ、対向面に作用するピーク応力はさほど大きくないと考えられていた第２連結部の第２対向面においてさえも、接触部位において、ピーク応力が上昇していることがわかってきて、フレッティングに起因する損傷を防止するため、対向面にフレッティング性の高い被覆層を形成するなど、処置を講ずるのが望ましいとの知見を得た。
【００５８】
幾つかの実施形態では、被覆層６５は、第１対向面５９又は第２対向面６３の表面上に直接積層される。
【００５９】
図１０は、フレッティング疲労試験後における、第２連結部５７の第２対向面６３上に形成された被覆層６５の光学顕微鏡による断面観察結果である。図１０からわかるように、高速フレーム溶射により被覆層６５を形成した場合、拡散層の厚さは１０μｍ以下であり、実質的に零である。そして、図１０からわかるように、被覆層６５に発生した割れ（亀裂）は、下地（母材）との界面に到達後、界面にそって横割れとなっており、亀裂が下地の内部まで進行していない。
【００６０】
幾つかの実施形態では、被覆層６５を構成するＣｏ基合金は、表１に例示した組成（６４Ｃｏ−２８Ｃｒ−４Ｗ−１Ｃ−３Ｆｅ）を有するステライト（登録商標）Ｎｏ．６である。
【００６１】
【表１】
2016072473.tif 000003
【００６２】
被覆層６５の厚さは、幾つかの実施形態では、０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲内にあり、幾つかの実施形態では０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内にある。
【００６３】
幾つかの実施形態では、被覆層６５は、少なくとも第２対向面６３の表面上に形成されている。
【００６４】
この点、上記構成によれば、被覆層６５が第２連結部５７の第２対向面６３の表面上に形成されているので、フレッティングに起因する第２連結部５７の損傷を防止することができる。
幾つかの実施形態では、最終段動翼４９は、翼高さが４０インチ級以上の動翼である。
【００６５】
図１１は、図８中のＸＩ−ＸＩ線に沿う概略的な断面図である。幾つかの実施形態では、図７及び図１１に示したように、第２連結部５７は、第２対向面６３の両側縁に対しそれぞれ斜めに連なり、最終段動翼列４７において隣り合う第２連結部５７の間隔を拡大するように構成された第２傾斜面６９を有する。
なお、第２連結部５７の両側縁は、ロータ４３の径方向、換言すれば、最終段動翼４９の高さ方向に相互に離間しており、第２傾斜面６９は、最終段動翼４９の高さ方向に対して傾斜している。
【００６６】
上記構成によれば、第２連結部５７の第２対向面６３の両側縁にそれぞれ連なる第２傾斜面６９を設けたことにより、第２対向面６３間での片当たり、すなわち局所的な接触の発生が防止される。このため、第２対向面６３に作用するピーク応力が低減され、フレッティングによる第２連結部５７の損傷がより確実に防止される。
【００６７】
一方、第２傾斜面６９を設けた場合、第２対向面６３の面積が実質的に減少し、第２対向面６３の平均面圧が上昇することとなるが、この場合であっても、第２対向面６３の表面上に被覆層６５を形成しておけば、平均面圧上昇によるフレッティング摩耗および疲労を防止することができる。
幾つかの実施形態では、第２傾斜面６９の表面上にも被覆層６５が形成される。
【００６８】
幾つかの実施形態では、図５の円内に拡大して概略的に示したように、第１連結部５５は、第１対向面５９の両側縁に対しそれぞれ斜めに連なり、最終段動翼列４７において隣り合う第１連結部５５の間隔を拡大するように構成された第１傾斜面６７を有する。
なお、第１連結部５５の両側縁は、ロータ４３の径方向、即ち、最終段動翼４９の高さ方向に相互に離間しており、第１傾斜面６７は、最終段動翼４９の高さ方向に対して傾斜している。
【００６９】
上記構成によれば、第１連結部５５の第１対向面５９の両側縁に連なる第１傾斜面６７をそれぞれ設けたことにより、第１対向面５９間での片当たりの発生が防止される。このため、第１対向面５９に作用するピーク応力が低減され、フレッティングによる第１連結部５５の損傷がより確実に防止される。
【００７０】
一方、第１傾斜面６７を設けた場合、第１対向面５９の面積が実質的に減少し、第１対向面５９の平均面圧が上昇することとなるが、この場合であっても、第１対向面５９の表面上に被覆層６５を形成しておけば、平均面圧上昇によるフレッティング摩耗および疲労を防止することができる。
幾つかの実施形態では、第１傾斜面６７の表面上にも被覆層６５が形成される。
【００７１】
幾つかの実施形態では、図５及び図６に示したように、第１連結部５５は、第１対向面５９の先端縁に連なり、最終段動翼列４７において隣り合う第１連結部５５の間隔を拡大するように構成された第１湾曲面７１を有する。
上記構成によれば、第１連結部５５の第１対向面５９の先端縁に連なる第１湾曲面７１を設けたことにより、第１対向面５９間での片当たりの発生が防止される。このため、第１対向面５９に作用するピーク応力が低減され、フレッティング摩耗および疲労による第１連結部５５の損傷がより確実に防止される。
【００７２】
一方、第１湾曲面７１を設けた場合、第１対向面５９の面積が実質的に減少し、第１対向面５９の平均面圧が上昇することとなるが、この場合であっても、第１対向面５９の表面上に被覆層６５を形成しておけば、平均面圧上昇によるフレッティング摩耗および疲労を防止することができる。
幾つかの実施形態では、第１湾曲面７１の表面上にも被覆層６５が形成される。
【００７３】
幾つかの実施形態では、図７及び図８に示したように、第２連結部５７は、第２対向面６３の先端縁に連なり、最終段動翼列４７において隣り合う第２連結部５７の間隔を拡大するように構成された第２湾曲面７３を有する。
上記構成によれば、第２連結部５７の第２対向面６３の先端縁に連なる第２湾曲面７３を設けたことにより、第２対向面６３間での片当たりの発生が防止される。このため、第２対向面６３に作用するピーク応力が低減され、フレッティング摩耗および疲労による第２連結部５７の損傷がより確実に防止される。
【００７４】
一方、第２湾曲面７３を設けた場合、第２対向面６３の面積が実質的に減少し、第２対向面６３の平均面圧が上昇することとなるが、この場合であっても、第１対向面５９の表面上に被覆層６５を形成しておけば、平均面圧上昇によるフレッティング摩耗および疲労を防止することができる。
幾つかの実施形態では、第２湾曲面７３の表面上にも被覆層６５が形成される。
【００７５】
幾つかの実施形態では、図１２及び図１３にそれぞれ示したように、第１連結部５５は、第１湾曲面７１に代えて第３傾斜面７５を有し、第２連結部５７は、第２湾曲面７３に代えて第４傾斜面７７を有する。
第３傾斜面７５は、第１対向面５９の先端縁に連なり、動翼列において隣り合う第１連結部５５の間隔を拡大するように構成されている。
第４傾斜面７７は、第２対向面６３の先端縁に連なり、動翼列において隣り合う第２連結部５７の間隔を拡大するように構成されている。
この構成によっても、第１湾曲面７１及び第２湾曲面７３を設けた場合と同様、第３傾斜面７５及び第４傾斜面７７を設けたことにより、フレッティングによる第１連結部５５及び第２連結部５７の損傷がより確実に防止される。
【００７６】
ただし、第１対向面５９や第２対向面６３において、先端縁に発生する局所応力は、側縁のそれに比べて高くなることに着目し、図５及び図７の構成では、側縁には第１傾斜面６７又は第２傾斜面６９を連ねる一方、先端縁には第１湾曲面７１又は第２湾曲面７３を連ねている。局所応力が高くなる先端縁に第１湾曲面７１又は第２湾曲面７３を連ねることで、片当たりを確実に抑えて、フレッティング摩耗やフレッティング疲労をより確実に防止することができる。
【００７７】
幾つかの実施形態では、動翼本体５０は析出硬化型のステンレス鋼からなる。
動翼本体５０が析出硬化型のステンレス鋼からなる場合、成形された動翼本体５０には熱処理、例えば溶体化処理及び時効硬化処理が順次施され、ステンレス鋼の硬度が適当な値に調整される。熱処理後に動翼本体５０が加熱された場合、硬度を調整するために再度熱処理が必要になる。或いは、熱処理後に動翼本体５０に対して何らかの処理を行おうとする場合、動翼本体５０の温度が熱処理温度を超えないように温度管理を行う必要がある。
【００７８】
この点、高速フレーム溶射により被覆層６５を形成した場合、動翼本体５０は殆ど加熱されない。このため、動翼本体５０が析出硬化型のステンレス鋼からなる場合であっても、高速フレーム溶射により動翼本体５０の硬度が変化することはない。従って、動翼本体５０のための特別な温度管理を必要とすることなく、被覆層６５を容易に形成することができる。
【００７９】
なお、析出硬化型ステンレス鋼の摩擦係数は、チタン合金に比べて低く、従来、析出硬化型ステンレス鋼からなる動翼ではフレッティング摩耗および疲労の虞は殆どなかった。しかしながら、近年の蒸気タービンにおける高出力化や動翼の長翼化に伴い、第１対向面５９や第２対向面６３に作用するピーク応力も増大しており、第１連結部５５や第２連結部５７においてフレッティングに起因する損傷が発生する可能性が高くなっていることがわかってきた。
そこで、幾つかの実施形態では、動翼本体５０が析出硬化型のステンレス鋼からなる場合であっても、第１対向面５９及び第２対向面６３のうち少なくとも一方の表面上に被覆層６５を設けることにより、フレッティング摩耗および疲労による損傷が防止される。
【００８０】
幾つかの実施形態では、析出硬化型ステンレス鋼は、表２に例示した組成を有する１７−４ＰＨ（ＳＵＳ６３０）である。
下地が析出硬化型ステンレス鋼であり、被覆層６５がＣｏ基合金の場合、電磁膜圧計により被覆層６５の厚さを容易に計測することができる。このため、被覆層６５の剥離や摩耗を容易に把握することができ、必要に応じて速やかに、被覆層６５を修復することができる。そして、高速フレーム溶射によれば、動翼本体５０の温度管理が特に必要ないので、被覆層６５を容易に修復することができる。
【００８１】
【表２】
2016072473.tif 000004
【００８２】
ここで、図１４は、ステライト（登録商標）♯６を高速フレーム溶射して得られた実施例の被覆層の断面の金属組織を示している。図１４から、実施例の被覆層の金属組織はまだらな組織にはなっておらず、略均一であることがわかる。実施例の被覆層の複数の箇所で微小硬さ試験（Ｈｖ０．００２）を行ったところ、微小硬さは、被覆層の全ての領域で、概ね８００〜１２００であった。この点からも、実施例の被覆層の金属組織は略均一であることがわかる。
【００８３】
一方、図１５は、Ｃｒ３Ｃ２とＮｉＣｒの混合粉末（Ｃｒ３Ｃ２−２５ＮｉＣｒ）を高速溶射フレームして得られた比較例の被覆層の金属組織の断面及び微小硬さ試験結果を示している。
図１５に示したように、比較例の被覆層にあっては、Ｃｒ３Ｃ２とＮｉＣｒの複合物であるが故に、金属組織の形態及びその微小硬さの測定結果から、均質組織ではなく、領域によって硬さに大きな違いがあることが分かる。具体的には、比較例の被覆層にあっては、図１５に示したように、白色領域１、白色領域２及び灰色領域の存在が認められ、領域間で微小硬さに大きな違いがある。
ここで、広い面積で接触し、接触部に多少の面圧分布しか生じないような部位へ適用する場合には、バインダにＮｉＣｒを用い、クロムカーバイド（Ｃｒ３Ｃ２）を高速フレーム溶射にて施工した被覆層（溶射被膜）を用いることも可能であると考えられる。つまり、特開２０１４−１６３３７１号公報に記載された発明では、Ｔｉ材の摺動性改善のために、バインダにＮｉＣｒを用い、クロムカーバイド（Ｃｒ３Ｃ２）を高速フレーム溶射にて施工した被覆層が施工されているが、これは、特開２０１４−１６３３７１号公報に記載された発明では、翼において、シュラウド、スタブコンタクト面共に「べた当たり」を想定し、バインダにＮｉＣｒを用い、ＣｒＣを高速フレーム溶射により被膜施工するのが良いとされたものと考えられる。
【００８４】
しかしながら、本発明者らの知見によれば、蒸気タービン翼のように局所面あたりが生じる場合には、本発明の実施形態のように、単一組成のＣｏ基合金を高速フレーム溶射して得られる被覆層６５の方が、複合物を高速フレーム溶射して得られる被覆層に比べ、組織的に硬さの不均一が無く、耐摩耗性等において優位である。そこで、本発明の実施形態では、局所面あたりを考慮して、均質な組織及び硬さ分布を有する被覆層６５を形成できるように、単一組成のＣｏ基合金、好ましくはステライト（登録商標）♯６を高速フレーム溶射して被覆層６５を形成しているのである。
【００８５】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
また、最終段動翼４９に用いられた動翼は、最終段以外の蒸気タービン動翼にも適用可能であるが、最も使用条件が厳しい低圧蒸気タービンの最終段に好適である。
これは、被覆層６５の形成を高速フレーム溶射により行うため、被覆層６５の形成の際、下地に与える熱影響が小さく、下地の物性が変化しないためである。これにより、例えば、被覆層６５を形成したとしても、湿り蒸気下での動翼本体５０における応力腐食割れの発生を防止することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１          ガスタービン
３          蒸気タービン
５          排熱回収ボイラ
７，９      発電機
１１        圧縮機
１３        燃焼器
１５        タービン
１７        エコノマイザ
１９        ヘッダ
２１        蒸発器
２３        過熱器
２５        再熱器
２７        脱硝器
２９        煙突
３１        高圧タービン
３３        中圧タービン
３５        低圧タービン
３７        復水器
３９        復水ポンプ
４１        ハウジング（車室）
４３        ロータ
４４，４５  ラジアル軸受
４６        内部流路
４７        最終段動翼列
４９        最終段動翼
５０        動翼本体
５１        翼部
５１ａ      高圧面
５１ｂ      低圧面
５３        翼根部
５５        第１連結部
５７        第２連結部
５９        第１対向面
６１        突起
６３        第２対向面
６５        被覆層
６７        第１傾斜面
６９        第２傾斜面
７１        第１湾曲面
７３        第２湾曲面
７５        第３傾斜面
７７        第４傾斜面
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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