(57)【要約】  蒸気タービン１０２に関する１つ以上のタービンブレードの腐食に対する感受性及び／又は液滴による浸食に対する感受性を下げるための装置及び方法。タービンブレード１０６のうちの１つ以上が、オーステナイト系のチッ素強化ステンレス鋼で構成され、そのようなオーステナイト系ステンレス鋼は、マンガンの重量百分率が１０よりも大きく、好ましくはニッケルの重量百分率が５よりも小さく、好都合にはそのようなオーステナイト系ステンレス鋼はチッ素で強化されている。そのようなオーステナイト系ステンレス鋼で構成されたブレードは、蒸気タービンの後段に設定される。【選択図】図１
2015529780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフト（１１４）への接続のためのハブと、
前記ハブへと接続され、高圧の蒸気（１１２）を膨張させるように構成されており、１つ以上がオーステナイト系ステンレス鋼で作られている複数のタービンブレード（１０６、１１６、２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０）と
を備えており、
前記オーステナイト系ステンレス鋼におけるマンガンの重量百分率が、１０よりも大きい蒸気タービンブレード装置。
【請求項２】
前記オーステナイト系ステンレス鋼におけるニッケルの重量百分率が、５未満である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記オーステナイト系ステンレス鋼が、チッ素で強化されている請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記オーステナイト系ステンレス鋼におけるチッ素の重量百分率が、２分の１よりも大きい請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記ハブが、マルテンサイト系ステンレス鋼で作られている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
蒸気タービン（１０２）の構成部品を囲むケーシングと、
前記ケーシングに組み合わせられた回転シャフト（１１４）上に複数の段にて取り付けられ、高圧の蒸気（１１２）を膨張させるように構成されており、１つ以上がオーステナイト系ステンレス鋼で作られている複数のタービンブレード（１０６、１１６、２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０）と、
前記複数のタービンブレード（１０６、１１６、２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０）に隣接した高圧の蒸気（１１２）の進入を可能にする入口接続部と、
前記複数のタービンブレード（１０６、１１６、２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０）に隣接した膨張後の高圧の蒸気（１１２）の排出を可能にする出口接続部と
を備えており、
少なくとも前記入口接続部から遠く、前記出口接続部に近い段のタービンブレード（１１６、２０２、２０４）が、オーステナイト系ステンレス鋼で作られている蒸気タービン装置。
【請求項７】
前記入口接続部から最も遠い１つの段のタービンブレード（１１６、２０２）だけが、オーステナイト系ステンレス鋼で作られている請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記１つの段は、マルテンサイト系ステンレス鋼で作られたハブを備えている請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記出口接続部に最も近い複数の連続した段のタービンブレード（２０２、２０４）だけが、オーステナイト系ステンレス鋼で作られている請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記複数の段の各々の段は、マルテンサイト系ステンレス鋼で作られたハブを備えている請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
全体がマルテンサイト系ステンレス鋼で作られた１つ以上の段を含んでいる請求項６に記載の装置。
【請求項１２】
少なくとも前記入口接続部に最も近い段の全体がマルテンサイト系ステンレス鋼で作られている請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
或る段のオーステナイト系ステンレス鋼製のタービンブレードが、同じオーステナイト系ステンレス鋼で作られており、別の段のオーステナイト系ステンレス鋼製のタービンブレードは、別のオーステナイト系ステンレス鋼で作られている請求項６に記載の装置。
【請求項１４】
蒸気タービン（１０２）の構成部品を囲むケーシングと、
前記ケーシングに組み合わせられた回転シャフト（１１４）上に複数の段にて取り付けられ、高圧の蒸気（１１２）を膨張させるように構成されており、１つ以上がオーステナイト系ステンレス鋼で作られている複数のタービンブレード（１０６、１１６、２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０）と、
前記複数のタービンブレード（１０６、１１６、２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０）に隣接した高圧の蒸気（１１２）の進入を可能にする入口接続部と、
前記複数のタービンブレード（１０６、１１６、２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０）に隣接した膨張後の高圧の蒸気（１１２）の排出を可能にする出口接続部と
を備えており、
少なくとも或る段のタービンブレード（１１６、２０２、２０４）は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の蒸気タービンブレード装置である蒸気タービン装置。
【請求項１５】
蒸気タービン（１０２）の１つ以上のタービンブレード（１１６、２０２、２０４）の腐食に対する感受性及び／又は液滴による浸食に対する感受性を下げるための方法であって、
前記１つ以上のタービンブレード（１１６、２０２、２０４）を、マンガンの重量百分率が１０よりも大きいオーステナイト系ステンレス鋼で製作するステップと、
前記蒸気タービン（１０２）に関する任意の残りのタービンブレード（１０６、２０６、２０８、２１０）を、マルテンサイト系ステンレス鋼で製作するステップと、
前記オーステナイト系ステンレス鋼の１つ以上のタービンブレード（１１６、２０２、２０４）及び前記マルテンサイト系ステンレス鋼の残りのタービンブレード（１０６、２０６、２０８、２１０）を、前記１つ以上のオーステナイト系ステンレス鋼製のタービンブレード（１１６、２０２、２０４）がより後段のタービンブレードとなるように、前記蒸気タービン（１０２）に関するハブへと取り付けるステップと
を含む方法。
【請求項１６】
前記オーステナイト系ステンレス鋼におけるニッケルの重量百分率が、５未満である請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題の実施形態は、概して、方法及び装置に関し、より詳しくは、蒸気タービンブレードにオーステナイト系ステンレス鋼を使用するための機構及び技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンは、今日では、幅広くさまざまな用途にわたって、多くの産業において広く利用されている。蒸気タービンに関連する重要な問題は、動作中のタービンブレードの不具合である。現行の技術の蒸気タービン用のタービンブレードは、マルテンサイト系ステンレス鋼から製造されているが、腐食に対する低い耐性及び浸食に対する低い耐性などの欠点を有している。更に、蒸気タービンのタービンブレードの摩耗、浸食、一般腐食、応力腐食割れ（ＳＣＣ）及び／又は不具合は、修理又は保守のための高価につく非稼動時間につながる。
【０００３】
具体的には、マルテンサイト鋼製のタービンブレードは、高圧の蒸気に関連する化合物及び汚染物質によって腐食する。これらの化合物として、これらに限られるわけではないが、塩化物、硫化物、臭化物、及び二酸化炭素が挙げられる。更に、マルテンサイト鋼は、タービンブレードの高い角速度に起因して、特定のタービンブレード位置において蒸気の凝縮物の特性に基づく液滴による浸食の影響を受けやすい。蒸気タービンのタービンブレードの動作条件の許容範囲がより広い材料について、市場の圧力が高まっている。
【０００４】
したがって、上述の問題及び欠点を回避する設計及び方法を提供することが望ましいと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１５０２９６６号公報
【発明の概要】
【０００６】
１つの典型的な実施形態によれば、蒸気タービンブレード装置が存在する。典型的な実施形態は、シャフトへの接続のためのハブを備える。次に、典型的な実施形態においては、複数のタービンブレードが、ハブへと接続され、高圧の蒸気を膨張させるように構成され、複数のタービンブレードのうちの１つ以上が、マンガンの重量百分率が１０よりも大きいオーステナイト系ステンレス鋼で構成される。
【０００７】
別の典型的な実施形態によれば、蒸気タービン装置が存在する。この典型的な実施形態は、蒸気タービンの構成部品を収容するためのケーシングを備える。次に、典型的な実施形態においては、複数のタービンブレードが、ケーシングに組み合わせられた回転シャフトに取り付けられ、タービンブレードは、高圧の蒸気を膨張させるように構成され、タービンブレードのうちの１つ以上が、オーステナイト系ステンレス鋼で構成される。この典型的な実施形態は、前記複数のタービンブレードに隣接する高圧の蒸気の進入を可能にする入口接続部を更に備える。更に、典型的な実施形態は、前記複数のタービンブレードに隣接する膨張後の高圧の蒸気の排出を可能にする出口接続部を備える。この典型的な実施形態によれば、少なくとも入口接続部から遠く、出口接続部に近い段のタービンブレードが、オーステナイト系ステンレス鋼で構成される。
【０００８】
別の典型的な実施形態によれば、蒸気タービンの１つ以上のタービンブレードの腐食に対する感受性及び／又は液滴に対する感受性を下げるための方法が存在する。この典型的な実施形態において、本方法は、タービンブレードのうちの１つ以上を、マンガンの重量百分率が１０よりも大きいオーステナイト系ステンレス鋼で構成する。次に、典型的な実施形態においては、残りのタービンブレードが、マルテンサイト系ステンレス鋼で構成される。更に、典型的な実施形態において、本方法は、オーステナイト系ステンレス鋼の１つ以上のタービンブレード及びマルテンサイト系ステンレス鋼の残りのタービンブレードを、１つ以上のオーステナイト系ステンレス鋼製のタービンブレードがより後段のタービンブレードとなるように、蒸気タービンに関するハブへと取り付ける。
【０００９】
本明細書に取り入れられて本明細書の一部を構成する添付の図面は、１つ以上の実施形態を示しており、それらの実施形態を明細書と協働して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】蒸気タービン及び一連のタービンブレードを示す典型的な実施形態である。
【図２】複数の蒸気タービンブレードを示す典型的な実施形態である。
【図３】腐食感受性及び液滴による浸食の軽減に基づいてタービンブレードの信頼性及び性能を向上させるための方法を示す典型的な方法の実施形態のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
典型的な実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。種々の図において、同じ参照番号は、同一又は類似の構成要素を指し示している。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。以下の実施形態は、簡単のために、蒸気タービンの用語及び構造に関して論じられる。
【００１２】
明細書の全体を通して、「一実施形態」又は「実施形態」への言及は、或る実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の種々の箇所において現れる「一実施形態において」又は「実施形態において」という表現は、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、又は特性を、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることが可能である。
【００１３】
ここで図１を参照すると、典型的な実施形態が、蒸気タービン１０２及び発電機１０４を備える蒸気タービン発電機１００を示している。しかしながら、これが例示の目的のための蒸気タービンの典型的な用途にすぎず、本発明による蒸気タービンは、例えば圧縮機などの他の装置へと接続されてもよいことに、注意すべきである。蒸気タービン１０２は、複数のタービンブレード１０６、蒸気入口位置１０８、蒸気出口位置１１０、及び高圧蒸気１１２を更に含む。蒸気タービンのタービンブレードは、発電機１０４へと接続されたシャフト１１４に取り付けられている。
【００１４】
この典型的な実施形態において、高圧蒸気１１２は、蒸気タービン１０２に進入し、蒸気タービンブレード１０６を通って膨張する。蒸気がタービンブレード１０６において膨張して仕事を果たすときの圧力の低下に基づいて、水の化学の特性が変化し、蒸気タービン１０２の後段のタービンブレード１１６の製造に使用される鋼の種類によっては、後段のタービンブレード１１６を浸食しかねない液滴が形成される。この典型的な実施形態において、後段のタービンブレード１１６は、オーステナイト系のマンガン及びチッ素の含有量が多いステンレス鋼で構成されており、好都合には、この鋼におけるマンガンの重量百分率は、１０よりも大きく、この鋼におけるニッケルの重量百分率は、１／２よりも大きい。後段のタービンブレード１１６の製作に使用することができるオーステナイト系のチッ素強化鋼の一例は、米国特許第５，０９４，８１２号に記載の１５−１５ＨＳ鋼であり、この米国特許の開示は、本発明にとって重要であり、参照によって本明細書に組み込まれる。典型的な実施形態において、応力腐食割れ（ＳＣＣ）への耐性が１５−１５ＨＳを使用して試験され、ＡＳＴＭ  Ｇ１２３の試験法による塩化物に起因するＳＣＣに対して感受性がないことを示している一方で、蒸気タービンの各段の構成部品の製作に広く使用されているマルテンサイト系ステンレス鋼Ｍ１５２が、同じ試験及び条件のもとでＳＣＣ感受性を示していることに、注目すべきである。
【００１５】
典型的な実施形態によれば、高い割合のマンガンが、加工性を向上させ、温間加工による顕著な強化を可能にするがゆえに、このようなオーステナイト系ステンレス鋼は、機械的強度に関してマルテンサイト系ステンレス鋼と同等に機能する。鋼組成物へのチッ素の大量の添加により、機械的特性及び耐食性の両方が大きく向上する。更に、典型的な実施形態によれば、このようなオーステナイト系ステンレス鋼は、一般的な腐食ならびにＳＣＣの影響を受けにくく、高い靱性及び高い硬度に起因して、液滴による浸食に対して最適な耐性を呈し、そのようなオーステナイト系ステンレス鋼が後段のタービンブレードを製作するために使用される場合に、より良好な性能を達成することができ、保守の必要性も少なくなる。
【００１６】
蒸気タービンに関するタービンブレードのうちの１つ以上を、マンガンの含有量が多く、且つ／又はチッ素の含有量が多く、且つ／又はニッケルの含有量が少ないオーステナイト系ステンレス鋼で構成できることに注意すべきである。しかしながら、いくつかの典型的な実施形態によれば、温度がより低く、蒸気が水相において優勢である最後の低圧段（すなわち、蒸気入口１０８から最も遠い段）のタービンブレードだけが、そのようなオーステナイト系ステンレス鋼で作られる。
【００１７】
或いは、他の実施形態によれば、蒸気入口から最も遠い最後の数段（例えば、２段又は３段）が、例えば１５−１５ＨＳ鋼など、マンガンの含有量が多く、且つ／又はチッ素の含有量が多く、且つ／又はニッケルの含有量が少ないオーステナイト系ステンレス鋼から形成されたブレードを有することができる一方で、残りの段は、マルテンサイト系ステンレス鋼で作られたタービンブレードを有することができる。典型的な実施形態によれば、後段のタービンブレードとしての使用に適したオーステナイト系ステンレス鋼は、５重量パーセント未満のニッケル、１０重量パーセントよりも多くのマンガン、及び１／２重量パーセントよりも多くのチッ素を含むオーステナイト系ステンレス鋼であることに、注意すべきである。
【００１８】
ここで図２を参照すると、複数のタービンブレード２００の典型的な実施形態が示されている。典型的な実施形態において、後段のタービンブレード２０２、２０４は、オーステナイト系ステンレス鋼（好ましくは、マンガンの含有量が多く、且つ／又はチッ素の含有量が多く、且つ／又はニッケルの含有量が少ないオーステナイト系ステンレス鋼）からの製造に適したタービンブレードの特徴を示す。典型的な実施形態において、所望であればすべてのタービンブレード２０２、２０４、２０６、２０８、２１０をオーステナイト系ステンレス鋼から製造することができ、個々の段について異なるオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが可能であってよいことに、注意すべきである。
【００１９】
上述のように、典型的な実施形態による蒸気タービンブレードの製造に用いるために好適なオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば上述の米国特許第５，０９４，８１２号に記載の鋼合金のうちの１つであってよい。そのような実施形態において、チッ素の追加が、蒸気タービンブレードなどの用途における鋼の使用を可能にする機械的特性となるように、オーステナイト系ステンレス鋼を強化することに注意すべきである。更に、典型的な実施形態において、オーステナイト系ステンレス鋼の低い炭素濃度は、粒界応力腐食割れに抗するタービンブレードの能力を向上させる。また、典型的な実施形態において、オーステナイト系ステンレス鋼は、典型的なマルテンサイト系ステンレス鋼よりも良好な応力腐食割れへの耐性を有し、典型的なマルテンサイト系ステンレス鋼よりも良好な一般腐食への耐性を有し、典型的なマルテンサイト系ステンレス鋼と少なくとも同等又はより良好な液滴による浸食への耐性及び機械的特性を有することに、注意すべきである。
【００２０】
ここで図３を参照すると、蒸気タービンの１つ以上のタービンブレードの腐食に対する感受性及び液滴による浸食に対する感受性を低くするための典型的な方法の実施形態のフロー図３００が示されている。まず、典型的な実施形態のステップ３０２において、蒸気タービンに関する１つ以上のタービンブレードが、オーステナイト系ステンレス鋼を使用して製作され、とくにはマンガンの含有量が多く、且つ／又はチッ素の含有量が多く、且つ／又はニッケルの含有量が少ないオーステナイト系ステンレス鋼を使用して製作される。典型的な方法の実施形態において、オーステナイト系ステンレス鋼がチッ素で強化されることに注意すべきである。
【００２１】
次に、典型的な方法の実施形態のステップ３０４において、蒸気タービンに関する任意の残りのタービンブレードが、マルテンサイト系ステンレス鋼で製作される。次に、典型的な方法の実施形態のステップ３０６において、オーステナイト系及びマルテンサイト系の両方のタービンブレードが、オーステナイト系のブレードが後段のタービンブレードとして構成されるように、蒸気タービンに関する１つ以上のハブ（例えば、互いに接続されて単一のハブを形成する複数のハブ部分）へと取り付けられる。典型的な実施形態においては、ハブがマルテンサイト系ステンレス鋼で製作されることに注意すべきである。
【００２２】
上記開示の典型的な実施形態は、蒸気タービンの性能及び耐久性を向上させるためのシステム及び方法を提供する。この説明が、本発明を限定しようとするものではないことを、理解すべきである。むしろ、典型的な実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義されるとおりの本発明の技術的思想及び技術的範囲に含まれる代案、変更、及び均等物を包含するように意図されている。更に、典型的な実施形態の詳細な説明においては、多数の具体的詳細が、特許請求の範囲に記載の発明の包括的な理解をもたらすために説明されている。しかしながら、種々の実施形態をそのような具体的詳細を備えずに実施できることを、当業者であれば理解できるであろう。
【００２３】
現在の典型的な実施形態の特徴及び構成要素を、実施形態において特定の組み合わせにて説明したが、各々の特徴又は構成要素を、実施形態の他の特徴及び構成要素を備えずに単独で使用することが可能であり、もしくは本明細書に開示の他の特徴及び構成要素を備え、或いは備えない種々の組み合わせにて使用することが可能である。
【００２４】
本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な技術的範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者であれば想到できる他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、或いは特許請求の範囲の文言において述べられる構造要素と同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００２５】
１００  蒸気タービン発電機
１０２  蒸気タービン
１０４  発電機
１０６  蒸気タービンブレード、タービンブレード
１０８  蒸気入口、蒸気入口位置
１１０  蒸気出口位置
１１２  高圧蒸気
１１４  シャフト
１１６  タービンブレード
２００  タービンブレード
２０２  タービンブレード
２０４  タービンブレード
２０６  タービンブレード
２０８  タービンブレード
２１０  タービンブレード
３００  フロー図
３０２  ステップ
３０４  ステップ
３０６  ステップ
Ｍ１５２  マルテンサイト系ステンレス鋼
【図１】
2015529780.tif 000003
【図２】
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【図３】
2015529780.tif 000005
【国際調査報告】
2015529780.tif 000006
2015529780.tif 000007
2015529780.tif 000008