(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械用のモノリシックなロータの製造方法であって、当該方法が、
ロータ（１２，１６）の長さに沿って、ロータの軸方向隣接位置（４０，４２，４６，４８，５０）よりも所要強度条件が高くかつ稼働時の所要応力腐食割れ感受性が低い１以上の軸方向位置（４４，５２，５４）を同定する段階、
焼戻し前のオーステナイト化処理時にロータの長さに沿ってロータを均一に加熱し、次いで焼戻し前にロータを焼入れする段階、及び
焼戻し時に、隣接位置の強度よりも高い強度を上記１以上の軸方向位置に付与すべくロータの上記１以上の軸方向位置をロータの上記軸方向隣接位置の温度よりも低い温度に加熱することによって上記１以上の軸方向位置と隣接位置とを温度差加熱し、もってロータの応力腐食割れ感受性を増大させずに前記１以上の軸方向位置での強度状態を高める段階
を含んでおり、前記１以上の軸方向位置（４４，５２，５４）がタービンロータの１以上の最終段からなり、前記温度差加熱段階を炉（１０，１４）内で実施し、炉を互いに軸方向に離隔し断熱した複数の領域（１８，２０，２２，２４，２６，３０，３２，３４）に分割することを特徴とする方法。
【請求項２】
ロータを垂直な位置においた状態でロータの温度差加熱段階を実施することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ロータが３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、最初にロータをその長さに沿って均一な温度でオーステナイト化処理し、オーステナイト化したロータを焼入れし、次いで前記隣接位置よりも高い強度を前記１以上の軸方向位置に付与すべくロータを温度差加熱する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
８４０℃の温度でロータをオーステナイト化処理すること、及びロータの前記隣接位置の温度よりも低い温度にロータの前記１以上の軸方向位置を加熱することによってロータを温度差焼戻しすることを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記隣接位置で５９５℃の温度に加熱するとともに前記１以上の軸方向位置を５８０℃の温度に加熱することによってロータを焼戻しすることを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
ターボ機械用のモノリシックなロータ（１２，１６）の製造方法であって、当該方法が、
ロータの長さに沿って、ロータの軸方向隣接位置（４０，４２，４６，４８，５０）よりも高い強度を必要としかつ稼働時の所要応力腐食割れ感受性が低い１以上の軸方向位置（４４，５２，５４）を同定する段階、
ロータのオーステナイト化処理時に、長さ方向に均一な強度を有するロータを得るためロータを長さに沿って均一に加熱する段階、及び
ロータのオーステナイト化処理後、ロータの正味の応力腐蝕割れ感受性を増大させずにロータの上記１以上の軸方向位置の強度をロータの上記軸方向隣接位置の強度よりも高めるべく、ロータの上記１以上の軸方向位置をロータの上記軸方向隣接位置の温度よりも低い温度に加熱することによってロータを温度差焼戻しする段階
を含んでおり、前記ターボ機械がタービンを含み、前記１以上の軸方向位置がタービンロータの最終段からなること、及び前記温度差加熱段階を炉（１０，１４）内で実施し、炉を互いに軸方向に離隔し断熱した複数の領域（１８，２０，２２，２４，２６，３０，３２，３４）に分割することを特徴とする方法。
【請求項７】
前記ロータが３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、８４０℃の温度でロータをオーステナイト化処理すること、及びロータの前記軸方向隣接位置の温度よりも低い温度にロータの前記１以上の軸方向位置を加熱することによってロータを温度差焼戻しすることを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記軸方向隣接位置で５９５℃の温度に加熱するとともにロータの前記１以上の軸方向位置を５８０℃の温度に加熱することによってロータを焼戻しすることを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
タービン用のモノリシックなロータ（１２，１６）の製造方法であって、
（ａ）ロータ（１２，１６）の長さに沿って、ロータの軸方向隣接位置（４０，４２，４６，４８，５０）よりも所要強度条件が高くかつ稼働時の所要応力腐食割れ感受性が低い１以上の軸方向位置（４４，５２，５４）を同定する段階、
（ｂ）ロータの長さに沿ってロータを均一に加熱することによってロータを炉内で所定時間オーステナイト化処理する段階、
（ｃ）オーステナイト化したロータを焼入れする段階、及び
（ｄ）ロータの低い温度で焼戻した上記軸方向位置の応力腐食割れ感受性を高い温度で焼戻した上記軸方向隣接位置の応力腐食割れ感受性を超えて増大させることなく、ロータの異なる軸方向位置を異なる温度で所定時間焼戻しする温度差加熱段階
を含んでおり、前記１以上の軸方向位置（４４，５２，５４）がタービンロータの１以上の最終段からなり、前記温度差加熱段階を炉（１０，１４）内で実施し、炉を互いに軸方向に離隔し断熱した複数の領域（１８，２０，２２，２４，２６，３０，３２，３４）に分割することを特徴とする方法。
【請求項１０】
ターボ機械用のロータであって、
請求項１記載の方法で製造された所定の軸方向位置（４４，５２，５４）での強度がロータ本体の軸方向隣接位置（４０，４２，４６，４８，５０）の強度よりも高く、上記所定の軸方向位置でのロータ本体の応力腐食割れ感受性が上記軸方向隣接位置でのロータ本体の応力腐食割れ感受性を超えないモノリシックなロータ本体
を含んでなるロータ。
【請求項１１】
前記ロータ本体が３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ合金鋼からなる、請求項１０記載のロータ。
【請求項１２】
前記ロータ本体がＣｒＭｏＶ合金鋼からなる、請求項１０記載のロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンロータに沿った１以上の部分を、応力腐蝕割れ（「ＳＣＣ」）感受性を増大させずに選択的に強化する方法に関する。さらに具体的には、本発明は、ロータの軸方向の１以上の選ばれた位置で、応力腐食割れ感受性を正味増加させずに強度状態を通常よりも高めることのできる熱処理法に関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】
蒸気タービンの全体的な熱力学的効率を高めるべく、ロータから半径方向に延在する翼形部の長さは、特に最終段で、大型化している。翼形部長の増加に伴い、ロータの局所応力も増す。いうまでもなく、翼形部の長さはロータの軸方向位置によって異なる。そのため、最終段の翼形部は最も高い負荷を受けるので、この軸方向位置では他の軸方向位置のロータ強度よりも高いロータ強度が必要とされる。
【０００３】
しかし、ロータ強度が増すと、ロータの応力腐蝕割れ（ＳＣＣ）感受性も高まる。ＳＣＣは、鋼その他の合金が湿気、汚染物質（苛性アルカリイオンなど）及び応力に暴露されたときに起こる環境現象である。ＳＣＣは酸化物保護皮膜の孔食や溶解と共に起こることもある。ＳＣＣは金属中で枝分れ及び伝播する小さな亀裂として現れる。蒸気タービンは、飽和が起こる点及び翼形部取付け位置で最もＳＣＣを受け易い。
【０００４】
所望の強度特性を達成すべくロータ全体を均一に熱処理することでロータ強度を向上させることが種々行われてきた。ある部品が他の部品よりも高い強度をもつように多数の部品からロータを製造することも行われてきた。このプロセスは各部品を別々に処理しなければならないので非効率的である。種々の変更を加えた熱処理法がロータに適用されているが、本出願人の知る限りＳＣＣの抑制を目的としたものはない。低圧領域で低い破面遷移温度をもたらすとともに中圧及び／又は高圧領域で高い破断強さを生じさせるため、オーステナイト化処理時にローの温度差加熱が用いられている。しかし、熱力学的効率の向上のため重さと長さの増した翼形部に適合させるため、ＳＣＣ感受性を実質的に増大させずに所定の領域を強化することのできるロータに対するニーズは依然として存在する。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の好ましい実施形態では、ロータの長さに沿った１以上の所定の軸方向位置のみの強度を高めるためタービンロータを熱処理する。ただし、ロータ強度を増すと、強度の向上した位置でのＳＣＣ感受性も増す。強度を向上させるロータ上の位置はもともと局所作動条件のためＳＣＣを起こし難い位置である。こうした位置は、長い翼形部が固定される軸方向位置だけなく、温度・圧力条件が最低で軸方向位置及び作動時に絶えず濡れた状態にある位置にも概して存在する。そこで、かかる所定位置で強度を高めてもロータの正味のＳＣＣ感受性は増加しない。換言すれば、強度を向上させた１以上の位置でのＳＣＣ感受性は、作動条件に付される強度の低いロータ位置でのＳＣＣ感受性と同程度に近づく。この結果、ＳＣＣ感受性はロータの全長にわたって実質的に均一となる。ＳＣＣ感受性は、苛酷な作動条件に付される位置を含めたロータのすべての位置で強度を高めた場合よりも低い。この新規ロータ製造法は、ＳＣＣ感受性を増大させずに強度を高めた位置での、長さ及び重さの増した翼形部の使用を可能にし、低圧蒸気タービンでの熱力学的効率が向上したロータを与える。
【０００６】
これを達成すべく、本発明の好ましい実施形態に係る方法では、モノリシックな蒸気タービンロータを最初に均一な温度（例えば８４０℃）で所定時間オーステナイト化処理し、しかる後に焼入れする。次いでロータを温度差焼戻しする。すなわち、焼戻しに用いる炉を様々な温度に加熱できる複数の領域に分割する。強度の向上を要する軸方向位置のロータを加熱する領域には低い焼戻し温度が加えられる。したがって、強度の向上を要するロータの領域だけが低い温度で加熱される。かかる領域はＳＣＣ感受性が高くないロータ軸方向位置であるので、当該１以上の軸方向位置で強度を高めてもロータの正味のＳＣＣ感受性は増大しない。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態では、ターボ機械用ロータの製造方法であって、ロータの長さに沿って、ロータの軸方向隣接位置よりも所要強度条件が高くかつ稼働時の所要応力腐食割れ感受性が低い１以上の軸方向位置を同定する段階、及び、焼戻し時に、隣接位置の強度よりも高い強度を上記１以上の軸方向位置に付与すべくロータに沿って上記１以上の軸方向位置と隣接位置とを温度差加熱し、もってロータの応力腐食割れ感受性を実質的に増大させずに前記１以上の軸方向位置での強度状態を高める段階を含んでなる方法が提供される。
【０００８】
本発明の別の実施形態では、ターボ機械用ロータの製造方法であって、ロータの長さに沿って、ロータの軸方向隣接位置よりも高い強度を必要とする１以上の軸方向位置を同定する段階、ロータのオーステナイト化処理時に、ロータの全長にわたり実質的に均一な強度を有するロータを得るためロータを長さに沿って実質的に均一に加熱する段階、及び、ロータのオーステナイト化処理後、ロータの正味の応力腐蝕割れ感受性を実質的に増大させずにロータの上記１以上の軸方向位置の強度をロータの上記軸方向隣接位置の強度よりも高めるべくロータを温度差焼戻しする段階を含んでなる方法が提供される。
【０００９】
本発明のさらに別の実施形態では、タービン用ロータの製造方法であって、（ａ）ロータを炉内で所定時間オーステナイト化処理する段階、（ｂ）オーステナイト化したロータを焼入れする段階、及び（ｃ）ロータの低い温度で焼戻した軸方向位置の応力腐食割れ感受性を高い温度で焼戻した軸方向隣接位置の応力腐食割れ感受性を超えて増大させることなく、ロータの異なる軸方向位置を異なる温度で所定時間焼戻しする段階を含んでなる方法が提供される。
【００１０】
さらに、本発明の別の実施形態では、ターボ機械用のロータであって、所定の軸方向位置での強度がロータ本体の軸方向隣接位置の強度よりも高く、上記所定の軸方向位置でのロータ本体の応力腐食割れ感受性が実質的に上記軸方向隣接位置でのロータ本体の応力腐食割れ感受性を超えないロータ本体を含んでなるロータが提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ここで、添付図面について簡単に説明すると、図１は、本発明による蒸気ロータの品質熱処理の温度と時間の関係を示すオーステナイト化と焼戻しの熱サイクルを示し、図２は複流蒸気タービンロータの焼戻しを概略的に示し、図３は単流低圧ロータの焼戻しを概略的に示す。
【００１２】
図２は、複流タービンロータ１２の熱処理に必要な複数のゾーンと異なる焼成温度を有する好ましい垂直炉１０を示す。図３には、単流ロータ１６の熱処理のための同様の炉１４を示す。なお、いずれの場合も水平炉を使用できる。各炉は複数の領域に分けられている。例えば、複流タービンロータ炉１０は耐火ボード２８で５つの領域１８，２０，２２，２４，２６に分割されている。耐火ボードは熱伝達特性が低く、焼戻し時の各領域の炉温度を異なる温度に維持することができる。図３の単流タービンロータ炉１４は耐火ボード３６で３つの領域３０，３２，３４に分割されている。単流タービンロータ１６は軸方向の異なる位置に２つの低強度区域、すなわち、領域３０，３４にそれぞれ面したロータ部分４０，４２と、その隣の高強度区域（例えば区域４４）を有している。複流タービンロータは軸方向の異なる位置に３つの低強度区域、すなわち領域１８，２２，２６にそれぞれ面したロータ部分４６，４８，５０を有している。これらの低強度区域に隣接して高強度区域（例えば区域５２，５４）がある。低強度区域は従来の蒸気タービンロータに典型的な強度をもつ区域と考えてもよい。
【００１３】
前述の通り、ロータの上記その他の軸方向位置の１以上でロータ強度を増大させることができる。これは、ロータをオーステナイト化処理して焼入れした後、ロータを温度差焼戻しすることによって達成される。具体的には、最初に、高強度を要する位置を同定する。通例、これらは、１又は複数の最終段の軸方向位置に相当するロータの軸方向位置である。これらの位置は、作動環境による応力腐食割れへの感受性が低い軸方向位置でもある。すなわち、かかるロータ位置は絶えず濡れていて、高濃度の汚染物質が存在しない。例えば、図２では、複流ロータの最終段はロータの軸方向位置５２及び５４にあり、炉領域２０及び２４に面している。図３に示した単流ロータは、強度を高める必要がある部分として同定されるロータ部分４４を炉領域３２に面した位置に有している。前述の通り、蒸気タービンの作動条件のため、これらのロータ部分のＳＣＣ感受性はロータの長さ方向の他の部分のＳＣＣ感受性よりも低い。
【００１４】
図１に、独特な焼戻しプロセスを含む本発明の好ましい実施形態に係る熱処理サイクルを示す。具体的には、図１は、オーステナイト化処理６０、焼入れ処理６２及び焼戻し処理６４を示している。オーステナイト化処理６０では、低合金鋼ロータを所定時間所定温度に加熱する。例えば、ロータ全体を約８４０℃の温度に加熱してその温度に保つ。オーステナイト化処理はロータ材料の相を変化させて、焼入れ後に材料が最大強度状態に達するようになる。ロータ全体をオーステナイト化温度に所定時間保持した後、温度を急激に降下させる冷却媒体にロータを浸漬して焼入れする。焼入れは、望ましい相変態を容易にする。次に、ロータを焼戻し段階６４に移して、強度を最高レベルから所望レベルまで下げる。すなわち、ロータを約５８０℃の通常の焼戻し温度に（例えば線形的に）加熱する。ロータがほぼ完全に加熱されたら、低い（通常の）強度を要するロータの１以上の所定の軸方向位置を一段と高い温度（例えば約５９５℃）にさらに加熱する。耐火ボードにより、こうした位置でのロータのセクション毎の温度差加熱が可能になる。こうした異なるロータ温度を所定時間（例えば５５時間）維持する。次にロータを適当な速度で冷却する。
【００１５】
好ましい形態では、タービンロータは一体のモノリシックなデザインの３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ合金鋼で作られるが、組立型の設計で作ることもできる。例示的な例では、タービンは低圧蒸気タービンであり、ロータの加熱・冷却時にその垂れと反りを避けるため炉は垂直である。別の形態では、ロータは他の合金から作ることができ、タービンロータであっても圧縮器ロータであってもよく、炉は水平でもよい。なお、上述の温度は代表例であり、ロータ材料その他の要因に応じて異なる。本発明ではロータの軸方向の異なる位置で異なる強度特性を与えるために熱処理時の温度差が必要とされるにすぎない。
【００１６】
本発明の各種実施形態を以下に示す。
１．ターボ機械用ロータの製造方法であって、
ロータ（１６，１２）の長さに沿って、ロータの軸方向隣接位置（４４，５２，５４）よりも所要強度条件が高くかつ稼働時の所要応力腐食割れ感受性が低い１以上の軸方向位置（４０，４２，４６，４８，５０）を同定する段階、及び
焼戻し時に、隣接位置の強度よりも高い強度を上記１以上の軸方向位置に付与すべくロータに沿って上記１以上の軸方向位置と隣接位置とを温度差加熱し、もってロータの応力腐食割れ感受性を実質的に増大させずに前記１以上の軸方向位置での強度状態を高める段階
を含んでなる方法。
２．焼戻し前のオーステナイト化処理時にロータの長さに沿ってロータを実質的に均一に加熱し、次いで焼戻し前にロータを焼入れする、実施形態１の方法。
３．前記１以上の軸方向位置がタービンロータの１以上の最終段からなる、実施形態１の方法。
４．前記温度差加熱段階が、ロータの前記１以上の軸方向位置をロータの前記軸方向隣接位置の温度よりも低い温度に加熱することを含む、実施形態３の方法。
５．ロータを実質的に垂直な位置においた状態でロータの温度差加熱段階を実施することを含む、実施形態１の方法。
６．前記温度差加熱段階を炉（１０，１４）内で実施し、炉を互いに軸方向に離隔し断熱した複数の領域（１８，２０，２２，２４，２６，３０，３２，３４）に分割する、実施形態１の方法。
７．前記ロータが３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ鋼からなり、最初にロータをその長さに沿って実質的に均一な温度でオーステナイト化処理（６０）し、オーステナイト化したロータを焼入れ（６２）し、次いで前記隣接位置よりも高い強度を前記１以上の軸方向位置に付与すべくロータを温度差加熱（６４）する段階を含む、実施形態１の方法。
８．約８４０℃の温度でロータをオーステナイト化処理すること、及びロータの前記隣接位置の温度よりも低い温度にロータの前記１以上の軸方向位置を加熱することによってロータを温度差焼戻しすることを含む、実施形態７の方法。
９．前記隣接位置で約５９５℃の温度に加熱するとともに前記１以上の軸方向位置を約５８０℃の温度に加熱することによってロータを焼戻しすることを含む、実施形態８の方法。
１０．ターボ機械用ロータの製造方法であって、
ロータの長さに沿って、ロータの軸方向隣接位置よりも高い強度を必要とする１以上の軸方向位置（４０，４２，４６，４８，５０）を同定する段階、
ロータのオーステナイト化処理（６０）時に、長さ方向に実質的に均一な強度を有するロータを得るためロータを長さに沿って実質的に均一に加熱する段階、及び
ロータのオーステナイト化処理後、ロータの正味の応力腐蝕割れ感受性を実質的に増大させずにロータの上記１以上の軸方向位置の強度をロータの上記軸方向隣接位置の強度よりも高めるべくロータを温度差焼戻し（６４）する段階
を含んでなる方法。
１１．前記ターボ機械がタービンを含み、前記１以上の軸方向位置がタービンロータの最終段からなる、実施形態１０の方法。
１２．前記温度差加熱段階が、ロータの１以上の軸方向位置をロータの前記軸方向隣接位置の温度よりも低い温度に加熱することを含む、実施形態１０の方法。
１３．前記温度差加熱段階を炉（１０，１４）内で実施し、炉を互いに軸方向に離隔し断熱した複数の領域（３０，３２，３４，１８，２０，２２，２４，２６）に分割する、実施形態１０の方法。
１４．約８４０℃の温度でロータをオーステナイト化処理すること、及びロータの前記軸方向隣接位置の温度よりも低い温度にロータの前記１以上の軸方向位置を加熱することによってロータを温度差焼戻しすることを含む、実施形態１０の方法。
１５．前記軸方向隣接位置で約５９５℃の温度に加熱するとともにロータの前記１以上の軸方向位置を約５８０℃の温度に加熱することによってロータを焼戻しすることを含む、実施形態１４の方法。
１６．タービン用ロータの製造方法であって、
（ａ）ロータを炉内で所定時間オーステナイト化処理（６０）する段階、
（ｂ）オーステナイト化したロータを焼入れ（６２）する段階、及び
（ｃ）ロータの低い温度で焼戻した軸方向位置の応力腐食割れ感受性を高い温度で焼戻した軸方向隣接位置の応力腐食割れ感受性を超えて増大させることなく、ロータの異なる軸方向位置を異なる温度で所定時間焼戻し（６４）する段階
を含んでなる方法。
１７．ターボ機械用のロータであって、
所定の軸方向位置（４０，４２，４６，４８，５０）での強度がロータ本体の軸方向隣接位置（４４，５２，５４）の強度よりも高く、上記所定の軸方向位置でのロータ本体の応力腐食割れ感受性が実質的に上記軸方向隣接位置でのロータ本体の応力腐食割れ感受性を超えないロータ本体
を含んでなるロータ。
１８．前記ロータ本体が３．５％ＮｉＣｒＭｏＶ合金鋼からなる、実施形態１７のロータ。
１９．前記ロータ本体がＣｒＭｏＶ合金鋼からなる、実施形態１７のロータ。
２０．前記ロータ本体がモノリシックである、実施形態１７のロータ。
【００１７】
現時点で最も実用的で好ましい実施形態であると思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限られることはなく、逆に特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による蒸気ロータの品質熱処理の温度と時間の関係を示すオーステナイト化と焼戻しの熱サイクルを示す図。
【図２】  複流蒸気タービンロータの焼戻しを概略的に示す図。
【図３】  単流低圧ロータの焼戻しを概略的に示す図。
【符号の説明】
１０，１４  炉
１２，１６  ロータ
２８，３６  耐火ボード
６０  オーステナイト化
６２  焼戻し
６４  温度差加熱
【図１】
0004713796.tif 000002
【図２】
0004713796.tif 000003
【図３】
0004713796.tif 000004