(57)【要約】【課題】火力発電用の蒸気タービンの動翼とロータとの接続部におけるガルバニック腐食を抑制し、当該蒸気タービンの信頼性を向上する。【解決手段】動翼11と、ロータ12とを含む蒸気タービンにおいて、ロータ12は、動翼11との接続部（動翼11の植込部13）に被覆層22を有し、被覆層22は、動翼11を構成する材料で形成する。【選択図】図４Ａ
2013151918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動翼と、ロータとを含む蒸気タービンであって、前記ロータは、前記動翼との接続部に被覆層を有し、この被覆層は、前記動翼を構成する材料で形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記被覆層は、10〜18wt.%以上のCrを含むことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項３】
前記被覆層は、80wt.%以上のTiを含むことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項４】
動翼と、ロータとを含む蒸気タービンの製造方法であって、前記ロータと前記動翼との接続部における前記ロータの表面に、前記動翼を構成する材料を用いて被覆層を形成する工程を有することを特徴とする蒸気タービンの製造方法。
【請求項５】
前記被覆層は、溶線フレーム溶射、バタリング、肉盛溶接、拡散接合、爆着、圧延クラッド又は静水圧プレスにより形成することを特徴とする請求項４記載の蒸気タービンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン及びその製造方法に関し、特に火力発電の低圧蒸気タービンに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、火力発電においては、環境負荷の低減、及び発電効率の高効率化が益々重要となっている。
【０００３】
超臨界圧貫流型ボイラの給水処理における環境負荷を低減する有力な方法のひとつとして、従来の揮発性物質処理（All Volatile Treatment：AVT）から発がん性を有するヒドラジンを用いない複合水処理（Combined Water Treatment：CWT）への転換（非特許文献１に記載）が進められている。
【０００４】
CWTは、腐食を促進させる酸素を敢えて連続供給することにより、溶出した鉄イオンを２価から溶解度が小さい３価に酸化させ、鋼表面を安定な酸化被膜（ヘマタイト：Fe2O3）で被覆する方法であり、特にボイラ配管内のような流水環境の腐食を抑止するのに有効な方法である。
【０００５】
特許文献１には、蒸気タービンロータのディスク翼植込部とブレード翼根との隙間の防食を熱硬化性樹脂によって行う方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、タービン動翼取付溝の外表面及びタービン動翼の植込部の外表面の少なくとも一方に、電気絶縁性及び耐摩耗性を有する樹脂コーティング層を形成したタービン動翼取付構造が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、翼ダブテールと動翼固定ピンが結合している部分におけるホイールの中心側の動翼固定ピン中央部と、ホイールダブテールと動翼固定ピンが結合している部分におけるホイールの外周側の動翼固定ピン中央部に間隙を設けた動翼固定装置が開示されている。
【０００８】
特許文献４には、ピンの一部又は全面に、固体潤滑材を含む熱硬化性樹脂からなる潤滑皮膜を形成したタービン動翼とディスクの結合構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６１−２５５２０１号公報
【特許文献２】特開昭６３−３０６２０６号公報
【特許文献３】特開昭６１−２３４２０６号公報
【特許文献４】特開２００１−１２２０８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】JIS B 8223：ボイラの給水及びボイラ水の水質
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、火力発電用の蒸気タービンの動翼とロータとの接続部におけるガルバニック腐食を抑制し、当該蒸気タービンの信頼性を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、動翼と、ロータとを含む蒸気タービンにおいて、ロータと動翼との接続部におけるロータの表面に、動翼を構成する材料で形成された被覆層を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発がん性を有するヒドラジンを用いない給水処理における防食が容易となるため、ヒドラジンによる環境負荷を低減するとともに、タービン動翼の長翼化が可能となり、これにより、発電効率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】低圧蒸気タービンを示す側面図である。
【図２Ａ】従来の蒸気タービンの動翼とロータとの接触部を示す模式断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの接触部を示す部分拡大断面図である。
【図３Ａ】従来技術の例である動翼とロータとの接触部を示す模式断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの接触部を示す部分拡大断面図である。
【図４Ａ】実施例に係る動翼とロータとの接触部を示す模式断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの接触部を示す部分拡大断面図である。
【図５Ａ】実施例の製造工程を示す模式断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの具体的な製造工程を示す部分拡大断面図である。
【図６】AVT腐食環境におけるロータ材の腐食量に関して被覆層の有無による影響を測定した実験結果を示すグラフである。
【図７】CWT腐食環境におけるロータ材の腐食量に関して被覆層の有無による影響を測定した実験結果を示すグラフである。
【図８】溶存酸素濃度に対する動翼材及びロータ材の腐食電位を測定した実験結果を示すグラフである。
【図９】AVT及びCWTの腐食環境においてロータ材と動翼材との間に発生する腐食電位差に関して被覆層の有無による影響を測定した実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、蒸気タービン及びその製造方法に関し、特に、火力発電の低圧蒸気タービンに好適なものである。
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る蒸気タービン及びその製造方法について説明する。
【００１７】
前記蒸気タービンは、動翼と、ロータとを備え、ロータは、動翼との接続部に被覆層を有し、この被覆層は、動翼を構成する材料で形成されている。
【００１８】
前記蒸気タービンにおいて、被覆層は、10〜18wt.%以上のCrを含むことが望ましい。
【００１９】
前記蒸気タービンにおいて、被覆層は、80wt.%以上のTiを含むことが望ましい。
【００２０】
前記蒸気タービンの製造方法は、ロータと動翼との接続部におけるロータの表面に、動翼を構成する材料を用いて被覆層を形成する工程を有する。
【００２１】
前記蒸気タービンの製造方法において、被覆層は、溶線フレーム溶射、バタリング、肉盛溶接、拡散接合、爆着、圧延クラッド又は静水圧プレスにより形成する。
【００２２】
以下、ロータの植込部が鞍形で構成された低圧蒸気タービンを例として説明する。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、植込部がクリスマスツリー形、フォーク形、T字形などの場合にも適用できる。また、高中圧ロータ又は各給水処理を用いた蒸気タービンにも同様に適用できる。とりわけ、動翼材に12Cr鋼やTi合金を用い、ロータ材に3.5NiCrMoV鋼を用いた蒸気タービンに特に有効である。
【００２３】
図１は、低圧蒸気タービンを示す側面図である。
【００２４】
本図において、蒸気タービン1は、動翼11及びロータ12で構成されている。動翼11は、植込部13にてロータ12に固定されている。動翼11は、ボイラで発生した蒸気の衝突を受け、その運動エネルギーを吸収し、ロータ12を回転させる。これにより、蒸気のエネルギーは、ロータ12の回転エネルギーに変換される。ここで、植込部13は、動翼11とロータ12との接続部とも呼ぶ。
【００２５】
動翼11は、高温強度と耐食性とを兼ね備えた材料である12Cr鋼で形成されている。また、ロータ12は、常温強度と大型鋳造製造性と疲労強度とを兼ね備えた材料である3.5NiCrMoV鋼で形成されている。
【００２６】
植込部13は、鞍形としてある。これにより、遠心力及び振動応力に対する動翼の耐性が向上する。
【００２７】
図２Ａは、従来の蒸気タービンの動翼とロータとの接触部を示す模式断面図である。
【００２８】
図２Ｂは、図２Ａの接触部を示す拡大断面図である。
【００２９】
これらの図においては、動翼11とロータ12とが直接接触している。
【００３０】
ボイラの下流にある蒸気タービンにおいては、動翼11とロータ12とが接触する植込部13の空隙に水が滞留し易い。また、植込部13においては、動翼11とロータ12の一部とが接触しているため、電極電位が貴な動翼11がカソードとなり、電極電位が卑なロータ12がアノードとなる。このため、動翼11とロータ12との間に電位差が生じ、図２Ｂに示すように腐食電流（e-）が流れることになる。これにより、ロータ12から鉄（Fe）等の金属成分がイオン化して水に溶出し、腐食が進行する。したがって、アノードとなるロータ12の表面には、十分な耐食性を付与しなければならない。
【００３１】
植込部13におけるロータ12の表面の耐食性及び信頼性を向上する従来技術としては、動翼11とロータ12とを電気的に絶縁する手段がある。その一つは、動翼11及びロータ12の表面の少なくとも一方を、電気的絶縁性を有する熱硬化樹脂で被覆するもの（特許文献１及び２に記載）である。
【００３２】
図３Ａは、従来技術の例である動翼とロータとの接触部を示す模式断面図である。また、図３Ｂは、図３Ａの接触部を示す拡大断面図である。
【００３３】
図３Ａにおいて、蒸気タービンは、動翼11及びロータ12で構成されている。そして、動翼11とロータ12との隙間には、熱硬化樹脂21が充填されている。
【００３４】
しかし、図３Ｂに示すように、蒸気タービンの使用の結果、熱硬化樹脂21が部分的に剥離し、固形異物14（飛散物）が発生しやすい。一般に、熱硬化樹脂21は、弾性率が金属よりも小さい。このため、動翼11とロータ12との間に挟まれた熱硬化樹脂21（樹脂層）は、動翼11による強い遠心力や振動応力を受けて亀裂や破損を生じる。この部分からロータ12の表面に湿気が流入し、局部腐食が発生する可能性がある。よって、植込部13におけるロータ12の表面の被膜は、動翼11の遠心力や振動応力に対しても十分な強度が必要となる。
【００３５】
また、樹脂で絶縁する場合、その工法は、大まかには、（１）熱硬化型樹脂を塗布し、その後、（２）リボンヒータ等の加熱により樹脂を硬化する２つの工程で構成されている。被覆した熱硬化樹脂の密着性を保つためには、熱硬化樹脂を所定の温度で均一に熱処理する必要がある。しかし、タービンの大型化による熱容量の増加や構造の複雑化が進むに従い、熱処理が困難となり、必ずしも好適な手法とは言えなくなっている。
【００３６】
もう一つの従来技術として、動翼の一部であるフォークとロータとを複数のピンで固定する結合構造において、その固定ピンをセラミックもしくは固体潤滑材で被覆する手段（特許文献３及び４）がある。
【００３７】
しかし、セラミック及び固体潤滑材は、前述の熱硬化樹脂と同様に弾性率及び金属との密着性が低く、高い面圧下で長期間運用すると亀裂が生じ、飛散する可能性がある。飛散したセラミックや固体潤滑材は、下段の動翼と衝突し、動翼表面の侵食を誘引する。また、異物として下流の復水器に流れ込んだ場合、スケールとして付着し、伝熱効率の低減やボイラ及び給水加熱器の差圧上昇の原因となる。これを避けるため、複水器の上流に固形物を除去する濾過器を設置した発電設備もあるものの、保守によるコスト高を伴うため、タービンから発生する飛散物は低減することが望ましい。
【実施例】
【００３８】
図４Ａは、実施例に係る動翼とロータとの接触部を示す模式断面図である。また、図４Ｂは、図４Ａの接触部を示す拡大断面図である。
【００３９】
これらの図に示すように、植込部13においては、ロータ12の表面のうち動翼11と対向する面もしくは接触する面に動翼材で形成された被覆層22（耐食性被覆層）を設けてある。これにより、動翼11とロータ12との接触面に生ずる電位を同電位とし、ガルバニック腐食を防止することができる。
【００４０】
被覆層22は、セラミックスや絶縁物ではなく、弾性率が高い金属であり、元々の構造材である動翼材を用いることにより、高圧力下の密着性と信頼性とを兼ね備えたタービンを提供することができる。さらに、耐食性の劣るロータ材で動翼11の表面を被覆するのではなく、不動態被膜の形成に優れた動翼材でロータ12の表面を被覆することにより、すきま腐食に対する耐食性も高めることができる。
【００４１】
被覆層22は、10〜18wt.%のCrを含むことが望ましい。また、被覆層22は80wt.%以上のTiを含むことが望ましい。
【００４２】
つぎに、耐食性被覆層の形成方法について説明する。
【００４３】
図５Ａは、実施例の製造工程を示す模式断面図である。また、図５Ｂは、図５Ａの具体的な製造工程を示す部分拡大断面図である。
【００４４】
動翼と対向するロータ12の表面に動翼材からなる被覆層22を成膜する。図５Ａは、成膜の途中を示したものである。
【００４５】
被覆層22の成膜には、大面積の成膜が可能な溶射装置もしくはイオンシース成膜装置を用いることが望ましい。ここでは、被溶射材が変質し難く、アーク溶射に比べてCrの損失が少ない、溶線フレーム溶射を用いた。そして、同じ成膜条件（ガス圧及び成膜パワー）を保ちつつ、溶射ガン31をロータ12の表面に対し一定の速度で通過させることにより形成した。
【００４６】
被覆層22に加わる応力の均一化及び被覆層22の欠陥の低減を目的として、本実施例においては、膜厚は、面内で均一とし50μm以上とした。溶射線棒32は、動翼材と同じ組成の合金が望ましい。同じ組成の合金を用いる理由は、ロータ12の植込部の外表面と動翼との間の電位差が小さいほど、腐食電流が低減され、ガルバニック腐食の防止に有効なためである。
【００４７】
具体的な溶射線棒32としては、動翼材が12Cr鋼であれば12Cr鋼が有効であり、動翼材がTi-6Al-4V（チタン合金）であればTi-6Al-4Vが有効である。このほか、溶射線棒32及び動翼材として用いる共通の材料としては、13Cr鋼及び12Cr-Mo-V鋼が挙げられる。
【００４８】
以上のように成膜した後、溶射表面を自然冷却して成膜面を安定させてから、図４Ａに示すようにロータ12の植込部13に動翼11を組込んだ。
【００４９】
以上の工程により、ロータ12の植込部13の腐食が抑制され、信頼性の高い蒸気タービンができる。
【００５０】
つぎに、12Cr鋼で構成された動翼材及び3.5NiCrMoV鋼で構成されたロータ材を用いて耐食性試験を行った。その結果を図６及び７に示す。
【００５１】
図６は、AVT腐食環境（pH9.5、溶存酸素濃度7ppb未満）における試験であり、図７は、CWT腐食環境（pH8.5、溶存酸素濃度100ppb）における試験である。
【００５２】
加速試験とするため、腐食促進化合物の塩化ナトリウムを0.01mol/l添加した水溶液に、動翼材と被覆層を設けたロータ材とを接触させたすきま試験片（実施例）、及び、動翼材と被覆層を設けていないロータ材とを接触させたすきま試験片（比較例）を浸漬し、その浸漬槽を90℃に加熱した後、400時間、800時間保持した。
【００５３】
図６及び図７に示すように、いずれの腐食環境においても、腐食量は、比較例よりも実施例の方が低下した。そして、その腐食量は、AVTよりもCWTの加速試験を適用した試験片で大きく低下した。このことから、AVTは勿論のこと、特にCWTの腐食環境下における防食に好適であることがわかる。
【００５４】
ここで、実施例の場合に、特にCWTの腐食環境下で腐食を抑制することができた理由を説明する。
【００５５】
腐食とは、ある環境に曝された金属が環境中の水や酸素等と反応して、金属表面が減肉する現象である。動翼の植込部に生じるすきまで発生する腐食形態としては、主に（１）ガルバニック腐食と（２）すきま腐食がある。このうち、（１）ガルバニック腐食は、前述のとおり、異種金属が接触することにより発生する電極電位差が駆動力となり、それらの異種金属のうち電極電位が卑な金属が選択的に腐食される。一方、（２）すきま腐食は、すきまの内外における溶存酸素やイオンの濃度差による起電力が駆動力となり、外部から浸入したアニオン（特にCl-）がすきま部分の表面に形成された酸化被膜を破壊することにより発生する。
【００５６】
したがって、動翼の植込部のように異なる金属表面で構成されたすきまにおける腐食を抑制するためには、（１）接触する金属同士の電極電位差を0Vに近づけ、さらに、不動態被膜を破壊されにくくするために（２）Cr量を高めた金属で全面を被覆する構造がよい。
【００５７】
AVT及びCWTにおけるロータ材のガルバニック腐食感受性を見積るため、前述の腐食促進化合物である塩化ナトリウムを0.01mol/l添加した水溶液を用いた腐食環境において、動翼材及びロータ材のそれぞれの腐食電位について溶存酸素濃度依存性を評価した。その結果を図８に示す。水溶液の温度は90℃、pHは8.5である。
【００５８】
ここでは、動翼材もしくはロータ材の試験片を単体で上記の塩化ナトリウムを含む水溶液に浸漬し、溶存酸素の依存性を評価するために窒素ガスを注入することにより脱気し、一度、水溶液中の溶存酸素を約0ppbまで抑えた。その後、溶存酸素濃度を15ppb/hourの速度で上げながら、120ppbまでの腐食電位を測定した。
【００５９】
図８に示すように、動翼材及びロータ材の腐食電位差は、溶存酸素が0ppb付近では小さいが、溶存酸素が高まるに従ってそれぞれの腐食電位が貴となり、20ppb〜40ppbの範囲で腐食電位差が急激に高くなる。
【００６０】
したがって、塩化ナトリウムを含んだ腐食環境においては、溶存酸素によりロータ材のガルバニック腐食感受性が高まることがわかる。図６のAVTより図７のCWTにおけるロータ材の腐食量が高いのは、ガルバニック腐食が進行したためと推定できる。
【００６１】
図９は、AVT及びCWTの腐食環境においてロータ材と動翼材との間に発生する腐食電位差に関して被覆層の有無による影響を測定した実験結果を示すグラフである。
【００６２】
本図に示すように、ロータ材に被覆層を設けた場合の腐食電位差は、AVT及びCWTにおいて共に減少した。この効果は、特にCWTで顕著である。
【００６３】
以上の腐食量及び腐食電位差の測定結果から、植込部におけるロータの腐食を抑制した蒸気タービンを提供できることが実証された。
【００６４】
本実施例においては、12Cr鋼で構成された動翼及び3.5NiCrMoV鋼で構成されたロータを用いたが、本発明は、これに限定されるものではなく、低合金鋼、Ti合金等を用いた動翼及びロータにも適用可能である。
【００６５】
また、被覆層の形成方法も、本実施例で用いた溶線フレーム溶射に限定されるものではなく、バタリング、肉盛溶接、拡散接合、爆着、圧延クラッド、静水圧プレスなどが適用可能である。
【符号の説明】
【００６６】
1：蒸気タービン、11：動翼、12：ロータ、13：植込部、14：固形異物、21：熱硬化樹脂、22：被覆層、31：溶射ガン、32：溶射線棒。
【図１】
2013151918.tif 000003
【図２Ａ】
2013151918.tif 000004
【図２Ｂ】
2013151918.tif 000005
【図３Ａ】
2013151918.tif 000006
【図３Ｂ】
2013151918.tif 000007
【図４Ａ】
2013151918.tif 000008
【図４Ｂ】
2013151918.tif 000009
【図５Ａ】
2013151918.tif 000010
【図５Ｂ】
2013151918.tif 000011
【図６】
2013151918.tif 000012
【図７】
2013151918.tif 000013
【図８】
2013151918.tif 000014
【図９】
2013151918.tif 000015