(57)【要約】【課題】タービン初段落のクリープ破断強度を強化し、タービン最終段落の引張強さおよび耐力を強化し、タービン中圧部の高出力化を実現させるタービンロータおよびその製造方法およびそれを用いた蒸気タービンプラントを提供する。【解決手段】本発明に係るタービンロータは、ロータ構造体１１ａにタービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えたタービンロータにおいて、前記ロータ構造体１１ａは、タービン中圧部最終段落１５ａをタービン中圧部初段落よりも高い引張強度を持たせる構成にした。【選択図】  図１
2005133699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ構造体にタービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えたタービンロータにおいて、前記ロータ構造体は、タービン中圧部最終段落をタービン中圧部初段落よりも高い引張強度を持たせる構成にしたことを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
ロータ構造体は、質量％で、Ｃｒ：０．９〜３．０、Ｍо：０．７〜１．８、Ｖ：０．１〜０．４、Ｃ：０．１５〜０．３５を含むＣｒＭоＶ鋼であることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項３】
ロータ構造体は、質量％で、Ｃｒ：０．９〜３．０、Ｍо：０．２〜０．９、Ｗ：０．５〜２．５、Ｖ：０．１〜０．４、Ｃ：０．１５〜０．３５を含むＣｒＭоＷＶ鋼であることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項４】
ロータ構造体は、質量％で、Ｃｒ：８．５〜１３．０、Ｍо：０．８〜２．０、Ｖ：０．１〜０．４、Ｃ：０．０５〜０．２５を含むマルテンサイト系鋼であることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項５】
ロータ構造体は、質量％で、Ｃｒ：８．５〜１３．０、Ｍо：０．８未満、Ｗ：１．０〜５．０、Ｖ：０．１〜０．４、Ｃ：０．０５〜０．２５を含むマルテンサイト系鋼であることを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。
【請求項６】
タービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えるロータ構造体を製造するとき、このロータ構造体に焼入れを行った後、タービン中圧部最終段落に焼戻しを行う温度を、Ａ３変態点温度以下であり、かつ前記タービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部初段落に対して行う焼戻し温度よりも低温にすることを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項７】
タービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えるロータ構造体をＣｒＭоＶ鋼およびＣｒＭоＷＶ鋼のうち、いずれか一方で製造するとき、前記ロータ構造体に焼入れを行った後、タービン中圧部最終段落に焼戻しを行う温度を、６３０℃以上とし、前記タービン最終段落以外の残りのタービン中圧部初段落に焼戻しを行う温度を６６０℃〜７２０℃に設定することを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項８】
タービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えるロータ構造体をＣｒＭоＶ鋼およびＣｒＭоＷＶ鋼のうち、いずれか一方で製造するとき、前記ロータ構造体に行う焼入れ温度を、９４０℃〜１０６０℃に設定することを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項９】
タービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えるロータ構造体をマルテンサイト系鋼で製造するとき、前記ロータ構造体に焼入れを行った後、タービン中圧部最終段落に焼戻しを行う温度を、５７０℃以上とし、前記タービン最終段落以外の残りのタービン中圧部初段落に焼戻しを行う温度を６３０℃〜７２０℃に設定することを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項１０】
タービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えるロータ構造体をマルテンサイト系鋼で製造するとき、前記ロータ構造体に行う焼入れ温度を、１０００℃〜１１５０℃に設定することを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項１１】
タービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えるロータ構造体を製造するとき、前記ロータ構造体に焼入れを行った後、タービン中圧部最終段落と、このタービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部段落との間に設けた溝部に熱遮蔽板を挿入して区画し、前記タービン中圧部最終段落と前記タービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部段落とを別々の焼戻し温度で熱処理を行うことを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項１２】
ロータ構造体に、タービン高圧部とタービン中圧部もしくはタービン低圧部のいずれか一方、またはタービン高圧部、タービン中圧部およびタービン低圧部とを備えた蒸気タービンプラントにおいて、前記ロータ構造体を前記請求項１乃至５のいずれか１項に記載のタービンロータで構成したことを特徴とする蒸気タービンプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンロータおよびその製造方法に係り、特に、タービン高圧部、タービン中圧部、タービン低圧部のうち、タービン中圧部における長翼のタービン動翼を植設するタービンロータ動翼植込部の強度保証をより一層強化するタービンロータおよびその製造方法およびそれを用いた蒸気タービンプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気タービンは、蒸気の温度、圧力、流量が高く、多いほど高出力化、高プラント熱効率化できることが知られている。
【０００３】
このため、蒸気タービンは、高出力化（大容量化）、高プラント熱効率化を求めて、タービン高圧部、タービン中圧部、タービン低圧部の、いわゆる３ケーシングタイプ、あるいはタービン高圧部、タービン中圧部、２基のタービン低圧部の、いわゆる４ケーシングタイプにして運転を行っていた。
【０００４】
図１１は、例示としての４ケーシングタイプの蒸気タービンを示すものであり、一端から他端に向って順にタービン高圧部１、タービン中圧部２、第１タービン低圧部３、第２タービン低圧部４を設け、各タービン高、中、低圧部１，２，３，４を複数に分割したタービンロータ５で互いを軸結合させている。
【０００５】
また、４ケーシングタイプの蒸気タービンは、タービンロータ５の周方向に沿って植設するタービン動翼６と、その上流側に配置され、ケーシングに固設するいわゆる静翼と呼ばれるタービンノズル（図示せず）とでタービン段落を構成し、タービン段落を軸方向に向って多段に配置し、各タービン段落を通過する駆動蒸気の持つ熱エネルギを回転エネルギに変換して動力を取り出している。
【０００６】
ところで、図１１に示した４ケーシング、あるいは３ケーシングの蒸気タービンは、いずれも全長が百メートルを超える長軸スパンになっている。
【０００７】
このため、軸スパンが長くなると、設置面積の確保が難しくなることを考慮して、最近の蒸気タービンでは、タービン高圧部、タービン中圧部、タービン低圧部のうち、タービン高圧部とタービン中圧部とを一つのケーシングに収容する、いわゆる高中圧一体タイプ、あるいはタービン中圧部のうち、蒸気を中央部に供給して左右に分流させる、いわゆる複流（対向流）中圧タイプの開発が進められ、既に軸スパンを短くしたものが実現している。
【０００８】
図１２および図１３は、共に軸スパンを短くした例示であり、そのうち、図１２は、複流中圧タイプのタービンロータを示し、また、図１３は、タービン高圧部７とタービン中圧部８とを一つのケーシングに収容する高中圧一体タイプのタービンロータをそれぞれ示し、共に実線部分が熱処理時の中間形状ロータ構造体９ａ，９ｂを示し、破線部分が機械加工を加えて切削した最終形状ロータ構造体１０ａ，１０ｂを示している。
【０００９】
また、図１２に示した複流中圧タイプの中間形状ロータ構造体９ａは、蒸気条件（温度、圧力等）が入口と出口とでさほど変らないので、熱処理の際、同一の熱処理条件で焼入れ、焼戻しを行っていた。
【００１０】
しかし、図１３に示した高中圧一体タイプの中間形状ロータ構造体９ｂは、タービン高圧部７とタービン中圧部８とで蒸気条件が異なるので、異なる蒸気条件に見合う強度を確保するため、タービン高圧部７とタービン中圧部８との熱処理温度を変えていた。
【００１１】
なお、圧力の異なる駆動蒸気を扱う複数のタービン部を一つのケーシングに収容し、複数のタービン部を一体タイプにしたものには、例えば、特開昭５３−１２８５２２号公報（特許文献１参照）、特開平３−１３０５０２号公報（特許文献２参照）、特開２００２−３４９２０６号（特許文献３参照）公報等数多くの技術が開示されている。
【特許文献１】特開昭５３−１２８５２２号公報
【特許文献２】特開平３−１３０５０２号公報
【特許文献３】特開２００２−３４９２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、最近の蒸気タービンでは、より一層の高出力化の強化が見直されており、その一つに高中圧一体タイプであろうと、複流タイプであろうと、タービン中圧部の高出力化がある。
【００１３】
タービン中圧部の高出力化の実現は、タービン最終段落に適用するタービン動翼の長翼化（長尺化）と、タービン最終段落におけるタービンロータ材の強度保証とに依存しているが、タービン動翼の長翼化の開発はほぼ一定のレベルに達しているので、ひとえにタービンロータ材の開発にかかっている。
【００１４】
従来、タービン中圧部は、これに連通するタービン低圧部の蒸気温度が４００℃程度になっているので、蒸気温度４００℃に対処できるベイナイト鋼あるいはマルテンサイト系鋼のタービンロータ材が選定されていた。
【００１５】
しかし、タービン中圧部は、高出力化する場合、タービン最終段落に長翼のタービン動翼を適用することになるが、この長翼化の導入により、運転中に発生する遠心力に充分に抗する引張強さと耐力のより一層の強度保証が必要とされる。
【００１６】
この引張強さと耐力の強化は、タービンロータ材の熱処理によるところが大きいが、それでも熱処理の温度設定を誤ると、種々、不都合、不具合な問題点が生じていた。
【００１７】
例えば、タービン中圧部のタービンロータ材であるベイナイト鋼、あるいはマルテンサイト系鋼は、焼戻し温度を低下させると、タービンロータ材が駆動蒸気の温度４５０℃以上で晒されているから、経年的に強度が著しく低下し、特に低応力域のクリープ破断強度が低下する問題点を持っていた。
【００１８】
また、高中圧一体タイプのタービンロータは、タービン最終段落の駆動蒸気の温度が上述のとおり４００℃程度であるのに対し、タービン中圧部およびタービン高圧部のそれぞれのタービン初段落の駆動蒸気の温度が５５０℃以上である。
【００１９】
このため、一つのタービンロータであっても、タービン中圧部８およびタービン高圧部７のそれぞれのタービン初段落では、上述の引張強さおよび耐力の強化よりもむしろクリープ破断強度の強化が必要とされていた。
【００２０】
しかし、高中圧一体タイプのタービンロータは、上述タービン最終段落での引張強さ、耐力の強化に力点を置くあまり、焼戻し温度を低下させると、タービン中圧部８およびタービン高圧部７のそれぞれのタービン初段落における応力比（タービン最終段落の長翼タービン動翼の回転に基づく遠心力／クリープ破断強度）が材料強度の許容値を超える問題が発生していた。
【００２１】
したがって、高中圧一体タイプあるいは複流タービン中圧部に適用するタービンロータでは、一つのものに対し、一方でクリープ破断強度の強化、他方で引張強さと耐力との強化を必要とする相反する機能を同時に満たすことが求められていた。
【００２２】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、軸スパンを短くした蒸気タービンにおいて、タービン初段落のクリープ破断強度を強化し、タービン最終段落の引張強さおよび耐力を強化し、タービン中圧部の高出力化を実現させるタービンロータおよびその製造方法およびそれを用いた蒸気タービンプラント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】
【００２３】
本発明者等は、上述の目的を達成するために、試行錯誤的に研究を重ねて得た体験を基に本発明を完成させるに至った。
【００２４】
図１２に示した複流中圧タイプのタービンロータ、および図１３に示した高中圧一体タイプのタービンロータは、高出力化にあたり、タービン最終段落に長翼のタービン動翼を用いると、高い遠心応力が発生する関係上、高い遠心応力に抗する引張強さが求められている。
【００２５】
しかし、タービン最終段落以外の残りのタービン段落では、タービン動翼の翼長がタービン最終段落のそれに較べて短いので、高い引張強さを必要としていない。
【００２６】
このため、高い引張強さが求められているタービン最終段落は、自身のみを個別に熱処理を行うとともに、タービン最終段落を、これを除く残りのタービン段落よりも比較的低温で焼戻しを行うことを見出した。
【００２７】
また、タービン最終段落を除く残りのタービン段落では、比較的高温で焼戻しを行い、経年変化特性の均一化を図り、低応力域におけるクリープ破断強度の低下を抑制することを見出した。
【００２８】
すなわち、本発明に係るタービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、ロータ構造体にタービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えたタービンロータにおいて、前記ロータ構造体は、タービン中圧部最終段落をタービン中圧部初段落よりも高い引張強度を持たせる構成にしたものである。
【００２９】
また、本発明に係るタービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、ロータ構造体は、質量％で、Ｃｒ：０．９〜３．０、Ｍо：０．７〜１．８、Ｖ：０．１〜０．４、Ｃ：０．１５〜０．３５を含むＣｒＭоＶ鋼にしたものである。
【００３０】
また、本発明に係るタービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、ロータ構造体は、質量％で、Ｃｒ：０．９〜３．０、Ｍо：０．２〜０．９、Ｗ：０．５〜２．５、Ｖ：０．１〜０．４、Ｃ：０．１５〜０．３５を含むＣｒＭоＷＶ鋼にしたものである。
【００３１】
ＣｒＭоＶ鋼およびＣｒＭоＷＶ鋼は、４００℃〜５６６℃の比較的高温蒸気に適用されるタービンロータ材であるが、以下に、各元素の成分を限定した理由を説明する。
【００３２】
Ｃ（炭素）は、焼入れ時にオーステナイト相を安定化し、また、後述するＶ等と炭化物を形成して引張強さおよびクリープ破断強度を高める元素であり、この効果を発揮させるために０．１５％以上添加する。一方、Ｃの添加量が０．３５％を超えると炭化物が過剰となり、引張強さおよび延性が低下する。したがって、Ｃの添加量を０．１５〜０．３５％の範囲とすることが望ましい。
【００３３】
Ｃｒ（クロム）は、焼入れ性を増して材料に強度を付与する元素であり、この効果を発揮させるために０．９％以上添加する。一方、Ｃｒの添加量が３．０％を超えると粗大な炭化物を形成して延性が低下し、さらにジャーナル特性が低下する。したがって、Ｃｒの添加量を０．９〜３．０％の範囲とすることが望ましい。
【００３４】
Ｍｏ（モリブデン）は、固溶強化元素として必要であり、さらに鋼の焼入れ性を向上させて、高い引張強さおよび高いクリープ破断強度を与える元素であり、この効果を発揮させるために０．７％以上添加する。一方、Ｍｏの添加量が１．８％を超えると鋼塊凝固時の偏析を助長して均質なロータが製造できなくなるとともに、延性の低下が顕著となる。したがって、Ｍｏの添加量を０．７〜１．８％の範囲とすることが望ましい。
【００３５】
なお、後述するＷもほぼ同様の作用を持っており、Ｗを添加する場合にはＭｏの添加量を低下させる必要がある。Ｗを添加する場合、Ｍｏの添加量が０．２％未満では固溶強化元素および焼入れ性を向上させる元素としての効果が不足し、０．７％を超えると延性の低下が顕著となる。したがって、Ｗを添加する場合はＭｏの添加量を０．２〜０．９％の範囲とすることが望ましい。
【００３６】
Ｖ（バナジウム）は、鋼の焼入れ性を向上させて高い引張強さを与えるとともに、Ｃとともに炭化物を形成して高いクリープ破断強度を与える元素であり、この効果を発揮させるために０．１％以上添加する。一方、Ｖの添加量が０．４％を超えると延性の低下が顕著になる。したがって、Ｖの添加量を０．１〜０．４％の範囲とすることが望ましい。
【００３７】
Ｗ（タングステン）は、固溶強化元素として高い引張強さ、および高いクリープ破断強度を与える元素であり、より優れた強度が必要な場合に添加する。０．５％未満ではこれらの効果が得られず、一方、２．５％を超えると延性の低下が顕著となるため、その添加量を０．５〜２．５％とすることが望ましい。
【００３８】
上述のＣｒＭｏＶ鋼およびＣｒＭｏＷＶ鋼に対しては、さらに優れた特性を得るため、必要に応じてＢ、Ｎｂ等の元素を添加することができる。
【００３９】
また、本発明に係るタービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、ロータ構造体は、質量％で、Ｃｒ：８．５〜１３．０、Ｍо：０．８〜２．０、Ｖ：０．１〜０．４、Ｃ：０．０５〜０．２５を含むマルテンサイト系鋼にしたものである。
【００４０】
また、本発明に係るタービンロータは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、ロータ構造体は、質量％で、Ｃｒ：８．５〜１３．０、Ｍо：０．８未満、Ｗ：１．０〜５．０、Ｖ：０．１〜０．４、Ｃ：０．０５〜０．２５を含むマルテンサイト系鋼にしたものである。
【００４１】
これらマルテンサイト系鋼は、４００℃〜６２０℃の高温蒸気に適用されるタービンロータ材であるが、以下に各元素の成分を限定した理由を説明する。
【００４２】
Ｃは、Ｃｒ、Ｖなどと結合して炭化物を形成し、析出強化に寄与してクリープ破断強度を向上させる元素であるとともに、焼入れ性の向上や、δフェライト生成の抑制に必要不可欠な元素であり、この効果を発揮させるために０．０５％以上添加する。一方、添加量が０．２５％以上を超えると炭化物の粗大化を促進し、長時間でのクリープ破断強度を低下させ、また延性も低下する。したがって、Ｃの含有量を０．０５〜０．２５％とすることが望ましい。
【００４３】
Ｃｒは、耐酸化性、耐食性を向上させるとともに、析出強化に寄与するＭ２３Ｃ６型析出物を構成してクリープ破断強度を向上させる元素であり、この効果を発揮させるために８．５％以上添加する。一方、添加量が１３％を超えると、延性及びクリープ破断強度に有害なδフェライトが生成しやすくなる。したがって、Ｃｒの添加量を８．５〜１３％の範囲とすることが望ましい。
【００４４】
Ｍｏ（モリブデン）は、固溶強化元素及び炭化物の構成元素として働き、引張強さおよびクリープ破断強度を向上させる元素であり、この効果を発揮させるために０．８％以上添加する。一方、Ｍｏの添加量が２％を超えると延性を大きく低下させるとともに、有害なδフェライトが生成しやすくなる。したがって、Ｍｏの添加量を０．８〜２％の範囲とすることが望ましい。
【００４５】
なお、後述するＷもほぼ同様の作用を持っており、Ｗを添加する場合にはＭｏの添加量を低下させる必要がある。Ｗを添加する場合、Ｍｏの添加量が０．８％を超えると延性を大きく低下させるとともに、有害なδフェライトが生成しやすくなる。したがって、Ｗを添加する場合はＭｏの添加量を０．８％未満とすることが望ましい。
【００４６】
Ｖは、固溶強化及び微細なＶ炭窒化物の形成に寄与し、クリープ破断強度を向上させる元素であり、この効果を発揮させるために０．１％以上添加する。一方、Ｖの添加量が０．４％を超えると延性の低下が顕著になるとともに、有害なδフェライトが生成しやすくなる。したがって、Ｖの添加量を０．１〜０．４％の範囲とすることが望ましい。
【００４７】
Ｗは、固溶強化元素および炭化物元素として寄与し、さらにＦｅ、Ｃｒ、Ｗからなる金属間化合物の形成に寄与するため、より優れたクリープ破断強度が必要な場合に添加する。１％未満ではこれらの効果が得られず、一方、５％を超えると延性の低下が顕著となるとともに、有害なδフェライトが生成しやすくなるため、その添加量を１〜５％とすることが望ましい。
【００４８】
上述のマルテンサイト系鋼に対しては、さらに優れた特性を得るため、必要に応じてＮ、Ｂ、Ｎｂ、Ｃｏ等の元素を添加することができる。
【００４９】
また、本発明に係るタービンロータの製造方法は、上述の目的を達成すめために、請求項６に記載したように、タービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えるロータ構造体を製造するとき、このロータ構造体に焼入れを行った後、タービン中圧部最終段落に焼戻しを行う温度を、Ａ３変態点温度以下であり、かつ前記タービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部初段落に対して行う焼戻し温度よりも低温にすることを特徴とする方法である。
【００５０】
ここに、タービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部段落とは、タービン中圧部最終段落から一つ手前のタービン段落からタービン初段落までを言う。
【００５１】
本実施形態に係るタービン構造体が上述のＣｒＭｏＶ鋼およびＣｒＭｏＷＶ鋼のうち、いずれか一方を選択すると、タービン中圧部最終段落の焼戻し温度は、６３０℃以上とし、タービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部段落の焼戻し温度は、６６０℃〜７２０℃にすることが望ましい。
【００５２】
タービン中圧部最終段落の焼戻し温度が６３０℃未満になると、引張強さおよび耐力は増加するものの、延性が低下するためである。
【００５３】
また、タービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部段落の焼戻し温度が６６０℃未満になると、引張強さおよび耐力は増加するものの、その反面、クリープ破断強度が低下し、さらに焼戻し温度が７２０℃を超えると、焼戻し作用が過剰となり、引張強さ、耐力およびクリープ破断強度が低下するためである。
【００５４】
また、本実施形態に係るロータ構造体が上述のＣｒＭｏＶ鋼およびＣｒＭｏＶＷ鋼のうち、いずれかの鋼で構成される場合には、タービン中圧部最終段落を焼入れする際の温度は、９４０℃〜１０６０℃とすることが望ましい。焼入れ温度が９４０℃未満になると、焼入れ時のオーステナイト化が不完全となり、要求される引張強さ、耐力およびクリープ破断強度が得られず、また、焼入れ温度が１０６０℃を超えると、加熱中に結晶粒が粗大化して延性が低下するとともに、切欠感受性が増大して信頼性を損なうためである。
【００５５】
また、本実施形態に係るロータ構造体が上述のマルテンサイト系鋼で構成される場合には、タービン中圧部最終段落の焼戻し温度を５７０℃以上とし、タービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧段落の焼戻し温度を６３０〜７２０℃とすることが望ましい。
【００５６】
タービン中圧部最終段落の焼戻し温度が５７０℃未満になると、引張強さおよび耐力は増加するものの、延性が低下するためである。また、タービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部段落の焼戻し温度が６３０℃未満になると、引張強さおよび耐力は増加するものの、その反面、クリープ破断強度が低下し、さらに、焼戻し温度が７２０℃を超えると、焼戻し作用が過剰となり、引張強さ、耐力およびクリープ破断強度が低下するためである。
【００５７】
また、本実施形態に係るロータ構造体が上述のマルテンサイト系鋼で構成される場合には、ロータ構造体を焼入れする際の温度は、１０００℃〜１１５０℃とすることが望ましい。焼入れ温度が１０００℃未満になると、焼入れ時のオーステナイト化が不完全となり、要求される引張強さ、耐力およびクリープ破断強度が得られず、また、焼入れ温度が、１１５０℃を超えると、加熱中に結晶粒が粗大化して延性が低下するとともに、切欠感受性が増大して強度保証を損なうためである。
【００５８】
また、本発明に係るタービンロータの製造方法は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、タービン中圧部および高中圧一体タイプのタービン部のうち、いずれか一方を備えるロータ構造体を製造するとき、前記ロータ構造体に焼入れを行った後、タービン中圧部最終段落と、このタービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部段落との間に設けた溝部に熱遮蔽板を挿入して区画し、前記タービン中圧部最終段落と前記タービン中圧部最終段落以外の残りのタービン中圧部段落とを別々の焼戻し温度で熱処理を行う方法である。
【００５９】
なお、本発明に係るタービンロータの製造方法により作製されたロータ構造体の引張強さ、耐力、延性、クリープ破断強度などの特性は、以下に説明する引張試験、クリープ破断試験などによって評価することができる。
【００６０】
引張試験は供試材の引張強さ、耐力、伸び、絞りなどを求めることを目的とする材料試験である。引張強さおよび耐力は、供試材の引張強度を、伸びおよび絞りは供試材の延性を表し、それぞれの値が大きい方が特性としては優れている。
【００６１】
クリープ破断試験は、供試材のクリープ破断強度などを求めることを目的とする材料試験である。クリープ破断強度は、クリープ破断時間と対応する特性であり、クリープ破断時間が長ければ、それに応じてクリープ破断強度も高くなる。また、複数の試験片のクリープ破断試験結果（試験温度、試験応力、破断時間）をラーソン・ミラー・パラメータで整理することにより、種々の温度におけるクリープ破断強度（１０５時間破断強度、等）を求めることができる。
【発明の効果】
【００６２】
本発明に係るタービンロータおよびその製造方法およびそれを用いた蒸気タービンプラントは、ロータ構造体のタービン中圧部最終段落に長翼のタービン動翼を植設しても高い引張強さと耐力とを与えることができるとともに、高温の駆動蒸気に晒されているタービン中圧部初段落あるいはタービン高圧部初段落に高いクリープ破断強度を与えることができる。
【００６３】
したがって、軸スパンの短い蒸気タービンでも、高出力化、高プラント熱効率化が実現でき、長時間に亘って安定した運転を行うことができる。
【００６４】
加えて、このようなタービンロータを用いることにより、従来に比較してより高温の蒸気をタービン中圧部に流通させることができるため、蒸気タービンプラント全体として効率の向上、高出力化が高い信頼性をもって可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
以下、本発明に係るタービンロータおよびその製造方法およびそれを用いた蒸気タービンプラントの実施形態を図面を引用して説明する。
【００６６】
本実施形態に係るタービンロータは、上述の成分元素に基づいて作製されたＣｒＭоＶ鋼、ＣｒＭоＷＶ鋼およびマルテンサイト系鋼のうち、いずれかが選択される。そして、選択された鋼は、溶解、鋳造して鋼塊とした後、鍛造を行ってドラム形状のロータ構造体に成形加工される。
【００６７】
図１および図２は、本実施形態に係るタービンロータのうち、複流タービン中圧部に適用するロータ構造体１１ａを示す概念図である。
【００６８】
また、図３および図４は、本実施形態に係るタービンロータのうち、高中圧一体タイプに適用するロータ構造体１１ｂを示す概念図である。
【００６９】
また、図１〜図４において、実線部分は、熱処理時の中間形状ロータ構造体１２ａであり、破線部分は、機械加工を加えて切削した最終形状ロータ構造体１３ａである。
【００７０】
また、機械加工の切削によって取り除かれた破線部分の残りの部分は、タービン動翼（図示せず）を植設するタービンディスク１４ａである。さらに、図１および図２に示され、複流タービン中圧部に適用するロータ構造体１１ａでは、中央部から左右の両端に向って順次、タービンディスク１４ａが形成され、これらタービンディスク１４ａにタービン動翼（図示せず）が植設され、タービン動翼が植設される最後尾がタービン最終段落１５ａである。
【００７１】
また、図３および図４に示され、高中圧一体タイプに適用するロータ構造体１１ｂも、タービン高圧部１６とタービン中圧部１７とに区分けされるものの、軸方向に向って構成されるタービンディスク１４ｂにタービン動翼が植設され、タービン動翼が植設される最後尾がタービン最終段落１５ｂである。
【００７２】
このような形状に形成されるタービンロータにおいて、図１に示した複流タービン中圧部に適用するロータ構造体１１ａおよび図３に示した高中圧一体タイプに適用するロータ構造体１１ｂのそれぞれは、タービン最終段落１５ａ，１５ｂと、その一つ手前のタービン段落Ｌ−１との間に機械加工によって溝部１８が切削された後、焼入れが行われる。
【００７３】
焼入れが行われた後、ロータ構造体１１ａ，１１ｂは、図２および図４に示すように、溝部１８に熱遮蔽板１９を挿入して区画され、タービン最終段落１５ａ，１５ｂのタービンディスク１４ａ，１４ｂとその一つ手前のタービン段落Ｌ−１からタービン初段落までの部分とを異なる温度で焼戻しを行う。
【００７４】
その際、熱処理温度は、複流タービン中圧部および高中圧一体タイプのそれぞれに適用するロータ構造体１１ａ，１１ｂの材料のＡ３変態温度以下であり、かつタービン最終段落１５ａ，１５ｂ以外の残りのタービン段落の焼戻し温度よりも低く設定される。
【００７５】
なお、複流タービン中圧部に適用するロータ構造体１１ａおよび高中圧一体タイプに適用するロータ構造体１１ｂは、ともに、タービン最終段落１５ａ，１５ｂの一つ手前のタービン段落Ｌ−１に植設するタービン動翼が長翼の場合、溝部１８をタービン最終段落１５ａ，１５ｂよりも一つ手前のタービン段落Ｌ−１と二つ手前のタービン段落Ｌ−２との間に設けてもよい。
【００７６】
次に、実施例１〜実施例４まで熱処理温度条件を各試材を作製し、各種特性を評価した。
【００７７】
実施例１および２に対しては図１に示す試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２を用いた。試料Ｎｏ．１は、質量％で、０．９〜３．０％のＣｒ、０．７〜１．８％のＭｏ、０．１〜０．４％のＶ、０．１５〜０．３５％のＣを含有したＦｅを主成分とするＣｒＭｏＶ鋼であり、試料Ｎｏ．２は、質量％で、０．９〜３．０％のＣｒ、０．２〜０．９％のＭｏ、０．５〜２．５％のＷ、０．１〜０．４％のＶ、０．１５〜０．３５％のＣを含有したＦｅを主成分とするＣｒＭｏＶＷ鋼である。
【００７８】
［実施例１］（図５，図６）
本実施例では、ＣｒＭｏＶ鋼およびＣｒＭｏＶＷ鋼に対し、焼戻し温度を変えて引張性質とクリープ破断強度を調査した。
【００７９】
図５に示す試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２を２００ｋｇ準備し、真空高周波誘導電気炉にて溶解し、鋳造した。鋳造後、プレス鍛造を行い、直径１００ｍｍの丸棒に鍛伸して供試材Ｎｏ．１、Ｎｏ．２を作製した。その後、供試材を温度９７０℃で焼き入れを行い、さらに供試材を図６に示すように、６００℃〜７４０℃の温度範囲で各々温度を変えて焼戻しを行った。
【００８０】
このようにして得られた各供試材を温度４００℃における引張試験およびクリープ破断試験に供し、引張強さ、０．０２％耐力、伸び、絞り、ＦＡＴＴ、５６０℃における１０５時間破断強度を求めた。その結果を図６に示す。
【００８１】
図６に示すように、供試材Ｎｏ．１、Ｎｏ．２の引張試験の結果、焼戻し温度を低下させると引張強さおよび耐力が増加する。
【００８２】
しかし、６３０℃を下回る温度における焼戻しを行った場合には、大幅に延性（伸び、絞り）が低下し、材料の信頼性を損なう。
【００８３】
したがって、引張強さが重要となるタービン最終段落の焼戻し温度としては、優れた引張強さ、耐力、延性が得られる６３０℃以上が望ましい。
【００８４】
次に供試材Ｎｏ．１、Ｎｏ．２のクリープ破断試験の結果、６６０℃を下回る焼戻し温度においてはクリープ破断強度が低下し、また７２０℃を上回る焼戻し温度においてもクリープ破断強度が低下する。
【００８５】
したがって、クリープ破断強度が重要となるタービン最終段落を除く残りのタービン段落、特にタービン初段落の焼戻し温度としては、優れたクリープ破断強度が得られる６６０℃〜７２０℃が望ましい。
【００８６】
このように、本実施例によれば、質量％で、０．９〜３．０％のＣｒ、０．７〜１．８％のＭｏ、０．１〜０．４％のＶ、０．１５〜０．３５％のＣを含有したＦｅを主成分とするＣｒＭｏＶ鋼、および質量％で、０．９〜３．０％のＣｒ、０．２〜０．９％のＭｏ、０．５〜２．５％のＷ、０．１〜０．４％のＶ、０．１５〜０．３５％のＣを含有したＦｅを主成分とするＣｒＭｏＶＷ鋼を用いたロータ構造体に対し、タービン最終段落を６３０℃以上で焼戻しを行い、タービン最終段落を除く残りのタービン段落を６６０〜７２０℃で焼戻しを行うことにより、複流タービン中圧部および高中圧一体タイプのそれぞれのタービン最終段落には、長翼を接続するための好適な引張強さを与えることができ、また高温の駆動蒸気に晒されるタービン初段落には、好適なクリープ破断強度を与えられることがわかった。
【００８７】
［実施例２］（図５，図７）
本実施例では、ＣｒＭｏＶ鋼およびＣｒＭｏＶＷ鋼に対し、焼入れ温度を変えて引張強さとクリープ破断強度を調査した。
【００８８】
図５に示す試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２を２００ｋｇ準備し、真空高周波誘導電気炉にて溶解し、鋳造した。鋳造後、プレス鍛造を行い、直径１００ｍｍの丸棒に鍛伸して供試材Ｎｏ．１、Ｎｏ．２を作製した。その後、供試材を図７に示すように、温度９１０℃〜１０８０℃の温度範囲で焼き入れを行い、さらに供試材を、温度６８０℃で焼戻しを行った。
【００８９】
このようにして得られた各供試材を温度４００℃における引張試験およびクリープ破断試験に供し、引張強さ、０．０２％耐力、伸び、絞り、ＦＡＴＴ、５６０℃における１０５時間破断強度を求めた。その結果を図７に示す。
【００９０】
図７に示すように、供試材Ｎｏ．１、Ｎｏ．２の引張試験およびクリープ破断試験の結果、９４０℃を下回る焼入れ温度においては引張強さ、耐力、クリープ破断強度が大幅に低下し、また１０６０℃を上回る焼入れ温度においては、引張試験の延性（伸び、絞り）が大幅に低下し、材料の信頼性を損なう。
【００９１】
したがって、ロータ構造体の焼入れ温度としては、優れた引張強さ、耐力、延性、クリープ破断強度が得られる９４０℃〜１０６０℃が望ましい。
【００９２】
したがって、本実施例によれば、質量％で、０．９〜３．０％のＣｒ、０．７〜１．８％のＭｏ、０．１〜０．４％のＶ、０．１５〜０．３５％のＣを含有したＦｅを主成分とするＣｒＭｏＶ鋼、および質量％で、０．９〜３．０％のＣｒ、０．２〜０．９％のＭｏ、０．５〜２．５％のＷ、０．１〜０．４％のＶ、０．１５〜０．３５％のＣを含有したＦｅを主成分とするＣｒＭｏＶＷ鋼を用いたロータ構造体に対し、温度を９４０℃〜１０６０℃で焼入れを行うことにより、複流タービン中圧部および高中圧一体タイプのそれぞれのタービン最終段落には、好適な引張強さを与えられることができ、また高温の駆動蒸気に晒されるタービン初段落には好適なクリープ破断強度を与えられることがわかった。
【００９３】
実施例３および４に対しては、図８に示す試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４を用いた。試料Ｎｏ．３は、質量％で、８．５〜１３％のＣｒ、０．８〜２％のＭｏ、０．１〜０．４％のＶ、０．０５〜０．２５％のＣを含有したＦｅを主成分とするマルテンサイト系鋼であり、試料Ｎｏ．４は、質量％で、８．５〜１３％のＣｒ、０．８％未満のＭｏ、１〜５％のＷ、０．１〜０．４％のＶ、０．０５〜０．２５％のＣを含有したＦｅを主成分とするマルテンサイト系鋼である。
【００９４】
［実施例３］（図８，図９）
本実施例では、マルテンサイト系鋼に対し、焼戻し温度を変えて引張性質とクリープ破断強度を調査した。
【００９５】
図８に示す試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４を２００ｋｇ準備し、真空高周波誘導電気炉にて溶解し、鋳造した。鋳造後、プレス鍛造を行い、直径１００ｍｍの丸棒に鍛伸して供試材Ｎｏ．３、Ｎｏ．４を作製した。その後、供試材を温度１０５０℃で焼き入れを行い、さらに供試材を図９に示すように、５４０℃〜７５０℃の温度範囲で各々温度を変えて焼戻しを行った。
【００９６】
このようにして得られた各供試材を温度４００℃における引張試験およびクリープ破断試験に供し、引張強さ、０．０２％耐力、伸び、絞り、ＦＡＴＴ、温度６００℃における１０５時間破断強度を求めた。その結果を図９に示す。
【００９７】
図９に示すように、供試材Ｎｏ．３、Ｎｏ．４の引張試験の結果、焼戻し温度を低下させると引張強さおよび耐力が増加する。
【００９８】
しかし、５７０℃を下回る温度における焼戻しを行った場合には、大幅に延性（伸び、絞り）が低下し、材料の信頼性を損なう。
【００９９】
したがって、引張強さが重要となるタービン最終段落の焼戻し温度としては、優れた引張強さ、耐力、延性が得られる５７０℃以上が望ましい。
【０１００】
次に供試材Ｎｏ．３、Ｎｏ．４のクリープ破断試験の結果、６３０℃を下回る焼戻し温度においては、クリープ破断強度が低下し、また７２０℃を上回る焼戻し温度においてもクリープ破断強度が低下する。
【０１０１】
したがって、クリープ破断強度が重要となるタービン最終段落を除く残りのタービン段落の焼戻し温度としては、優れたクリープ破断強度が得られる６３０℃〜７２０℃が望ましい。
【０１０２】
このように、本実施例によれば、質量％で、８．５〜１３％のＣｒ、０．８〜２％のＭｏ、０．１〜０．４％のＶ、０．０５〜０．２５％のＣを含有したＦｅを主成分とするマルテンサイト系鋼、および質量％で、８．５〜１３％のＣｒ、０．８％未満のＭｏ、１〜５％のＷ、０．１〜０．４％のＶ、０．０５〜０．２５％のＣを含有したＦｅを主成分とするマルテンサイト系鋼を用いたロータ構造体に対し、タービン最終段落を５７０℃以上で焼戻しを行い、タービン最終段落を除く残りのタービン段落を６３０℃〜７２０℃で焼戻しを行うことにより、複流タービン中圧部および高中圧一体タイプのそれぞれのタービン最終段落には、好適な引張強さを与えられることができ、また、高温の駆動蒸気に晒されるタービン初段落には、好適なクリープ破断強度を与えられることがわかった。
【０１０３】
［実施例４］（図８，図１０）
本実施例では、マルテンサイト系鋼に対し、焼入れ温度を変えて引張強さとクリープ破断強度を調査した。
【０１０４】
図８に示す試料Ｎｏ．３、Ｎｏ．４を２００ｋｇ準備し、真空高周波誘導電気炉にて溶解し、鋳造した。鋳造後、プレス鍛造を行い、直径１００ｍｍの丸棒に鍛伸して供試材Ｎｏ．３、Ｎｏ．４を作製した。その後、供試材を図１０に示すように９９０℃〜１１８０℃の温度範囲で焼き入れを行い、さらに供試材を温度６５０℃で焼戻しを行った。
【０１０５】
このようにして得られた各供試材を温度４００℃における引張試験およびクリープ破断試験に供し、引張強さ、０．０２％耐力、伸び、絞り、ＦＡＴＴ、温度６００℃における１０５時間破断強度を求めた。その結果を図１０に示す。
【０１０６】
図１０に示すように、供試材Ｎｏ．３、Ｎｏ．４の引張試験およびクリープ破断試験の結果、１０２０℃を下回る焼入れ温度においては引張強さ、耐力、クリープ破断強度が大幅に低下し、また１１５０℃を上回る焼入れ温度においては、引張試験の延性（伸び、絞り）が大幅に低下し、材料の信頼性を損なう。
【０１０７】
したがって、ロータ構造体の焼入れ温度としては、優れた引張強さ、耐力、延性、クリープ破断強度が得られる１０２０〜１１５０℃が望ましい。
【０１０８】
このように、本実施例によれば、質量％で、８．５〜１３％のＣｒ、０．８〜２％のＭｏ、０．１〜０．４％のＶ、０．０５〜０．２５％のＣを含有したＦｅを主成分とするマルテンサイト系鋼、および質量％で、８．５〜１３％のＣｒ、０．８％未満のＭｏ、１〜５％のＷ、０．１〜０．４％のＶ、０．０５〜０．２５％のＣを含有したＦｅを主成分とするマルテンサイト系鋼を用いたロータ構造体に対し、温度を１０２０℃〜１１５０℃で焼入れを行うことにより、複流タービン中圧部および高中圧一体タイプのそれぞれのタービン最終段落には、好適な引張強さを与えられることができ、また高温の駆動蒸気に晒されるタービン初段落には、好適なクリープ破断強度を与えられることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明に係るタービンロータのうち、複流タービン中圧部に適用されるロータ構造体を示す概念図。
【図２】本発明に係るタービンロータのうち、複流タービン中圧部に適用されるロータ構造体の熱処理準備段階を示す概念図。
【図３】本発明に係るタービンロータのうち、高中圧一体タイプのタービン部に適用されるロータ構造体を示す概念図。
【図４】本発明に係るタービンロータのうち、高中圧一体タイプのタービン部に適用されるロータ構造体の熱処理準備段階を示す概念図。
【図５】本発明に係るタービンロータのロータ構造体に適用するＣｒＭоＶ鋼およびＣｒＭоＷＶ鋼の化学組成を示す図表。
【図６】図５で示したＣｒＭоＶ鋼およびＣｒＭоＷＶ鋼の焼戻し温度を変えたときの強度試験結果を示す図表。
【図７】図５で示したＣｒＭоＶ鋼およびＣｒＭоＷＶ鋼の焼入れ温度を変えたときの強度試験結果を示す図表。
【図８】本発明のタービンロータのロータ構造体に適用するマルテンサイト系鋼の化学組成を示す図表。
【図９】図８でマルテンサイト系鋼の焼戻し温度を変えたときの強度試験結果を示す図表。
【図１０】図８でマルテンサイト系鋼の焼入れ温度を変えたときの強度試験結果を示す図表。
【図１１】従来の蒸気タービンを示す上半部切欠斜視図。
【図１２】従来のタービンロータのうち、複流タービン中圧部に適用されるロータ構造体を示す概念図。
【図１３】従来のタービンロータのうち、高中圧一体タイプのタービン部に適用されるロータ構造体を示す概念図。
【符号の説明】
【０１１０】
１  タービン高圧部
２  タービン中圧部
３  第１タービン低圧部
４  第２タービン低圧部
５  タービンロータ
６  タービン動翼
７  タービン高圧部
８  タービン中圧部
９ａ，９ｂ  中間形状ロータ構造体
１０ａ，１０ｂ  最終形状ロータ構造体
１１ａ，１１ｂ  ロータ構造体
１２ａ，１２ｂ  中間形状ロータ構造体
１３ａ，１３ｂ  最終形状ロータ構造体
１４ａ，１４ｂ  タービンディスク
１５ａ，１５ｂ  タービン最終段落
１６  タービン高圧部
１７  タービン中圧部
１８  溝部
１９  熱遮蔽板
【図１】
2005133699.tif 000003
【図２】
2005133699.tif 000004
【図３】
2005133699.tif 000005
【図４】
2005133699.tif 000006
【図５】
2005133699.tif 000007
【図６】
2005133699.tif 000008
【図７】
2005133699.tif 000009
【図８】
2005133699.tif 000010
【図９】
2005133699.tif 000011
【図１０】
2005133699.tif 000012
【図１１】
2005133699.tif 000013
【図１２】
2005133699.tif 000014
【図１３】
2005133699.tif 000015