(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼合金製の半径方向内側部と、該半径方向内側部を取り囲んでいる半径方向外側のリム部とを備えたタービン・ロータであって、前記リム部は、該リム部にタービン・ブレードを固定する手段を含んでおり、前記リム部は、溶接部により形成されており、該溶接部は、前記タービン・ロータの前記内側部に前記リム部を接合しているニッケル基超合金領域を含んでおり、該ニッケル基超合金は、少なくとも約６９０ＭＰａの室温極限引張り強度を有しているタービン・ロータ。
【請求項２】
ベース部と、周辺リム部とを有しているタービン・ロータであって、前記ベース部は、ＮｉＣｒＭｏＶ合金と、ＮｉＭｏＶ合金と、ＣｒＭｏＶ合金とから成っている群から選択された鋼合金で形成されており、前記リム部は、ダブテイル領域を含んでいる溶接部により形成されており、該溶接部は、前記タービン・ロータの前記ベース部に前記リム部を接合しているニッケル基超合金を含んでおり、前記ニッケル基超合金は、インコネル６２５と、インコネル７２５とから成っている群から選択されている、タービン・ロータと、
前記リム部に固定されたブレードであって、該ブレードは、前記リム部の前記ダブテイル領域と相補的な形状を成したルートを有しており、該ルートの前記相補的な形状は、前記タービン・ロータに前記ブレードを固定するように前記ダブテイル領域と係合している、ブレードとを備えた蒸気タービン・ロータ・アセンブリ。
【請求項３】
前記ニッケル基超合金は、前記鋼合金と連続した界面領域を含んでおり、該界面領域は、タイプIIカーバイドの分散により特徴付けられている請求項２に記載の蒸気タービン・ロータ・アセンブリ。
【請求項４】
鋼合金製タービン・ロータを補修する方法であって、該タービン・ロータは、該ロータの半径方向外側のリム部に設けられているタービン・ブレードを固定する一体形成された手段を有しており、
前記リム部の周辺に表面を形成するように、前記リム部と、前記固定する手段とを取り外す工程と、
前記表面上に、前記リム部と前記固定する手段とを再生する溶接部を形成する工程とを備えており、前記溶接部は、前記ロータに該溶接部を接合するニッケル基超合金を含んでおり、該ニッケル基超合金は、少なくとも約６９０ＭＰａの室温極限引張り強度を有している鋼合金製タービン・ロータを補修する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、蒸気タービンのロータに関する。より具体的には、本発明は、ブレード（バケット）が取り付けられている蒸気タービンのロータを補修する方法に関するものであって、この方法は、ロータの基礎材料と異なる材料を用いてリムを再生する溶接工程及び機械加工工程を含んでいる。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンは一般的には、互いに結合されている多数のロータを含んでいる。各々のロータは、一体形成されたホイールを有しているシャフトを含んでおり、ホイールは、その外周又はリムに取り付けられている多数のブレード（バケット）を備えている。ブレードをロータに固定する従来の手法は、ダブテイル形（ばち形）の断面を有するようにリムを形成し、各々のブレードが、リムのダブテイル領域と結合してロータに固定されるような相補的なダブテイル雌型を形成したルート部（根部）を有するようにするものである。
【０００３】
蒸気タービンのロータは、熱的に厳しい環境下で高速の回転速度で動作しなければならないので、ロータの材料は部分的には、クリープ破壊強度に基づいて選択されている。この理由から、従来技術では、蒸気タービンの高圧の第１段及び第１段再熱タービン・ロータ用のロータ材料として、ＣｒＭｏＶ合金及びマルテンサイト・ステンレス鋼合金が好まれている一方で、蒸気タービンの低圧ロータ用としては、ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼及びＮｉＭｏＶ低合金鋼が好まれている。これらの合金で作製されたロータは、実用寿命が長いが、摩耗、浸蝕、腐食、衝撃、疲労及び／又は過大応力が発生する可能性があるので、ロータを補修する又は交換することが必要である。加えて、ロータ・リムのダブテイル領域は、高応力と、腐食を非常に招き易い事象又は穏やかな腐食要素への長時間の曝露のいずれかとの複合に起因して、応力腐食割れを起こすことがある。ダブテイル領域は、リムがより高い応力を受ける結果として、割れを特に起こし易い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、リムのダブテイル領域の補修は、溶接によって行われており、その際、リムの損傷部が取り外されて、その位置に鋼溶接が形成される。多くの場合、補修においては、特にロータの使用温度が約５００℃（約９５０°Ｆ）を超えるときに、溶接用合金又は溶接工程の制限によって、いくつかの特性について譲歩する必要がある。例えば、従来技術において典型的に用いられているＣｒＭｏ合金等の合金から形成された溶接部（weldment）は、ロータ用のＣｒＭｏＶ基合金よりも低い破壊強度を示す。ＣｒＭｏＶ合金を用いて補修を行うと、室温においては溶接部の強度は向上するが、より高い温度では、この合金から形成されている溶接部の破壊強度は低下するので、強度が限界に近付く。鋼の補修材料には、より高い破壊強度を有しているという利点があるかもしれないが、破壊強度の向上によって、代償として靱性がより低くなる（脆性）。更に、鋼の補修材料を用いた従来の補修方法は一般的には、前加熱、湿度調節及び溶接後応力解放作業という重要な工程を要求する。
【０００５】
最後に、ロータの元々の鋼合金の特性と同様の特性を発現させるために、焼きならしと焼き戻しという全面的な熱処理が一般に要求されるが、これらの熱処理は、ロータの精密な寸法を変化させるので望ましくない。望ましい機械特性及び環境特性を有しているその他の合金は、ロータの基礎材料と不適合であることがしばしばである。例えば、Gaber等の米国特許第４，７１０，１０３号、並びにClark等の米国特許第４，８９７，５１９号及び同第４，９５８，４３１号に開示されたマルテンサイト・クロム・ステンレス鋼は、ＣｒＭｏＶ基礎材料とは大幅に異なる平均熱膨張係数を示す（例えば、５４０℃においてＣｒＭｏＶ鋼は約１４．４×１０-6／℃であるのに対し、１２Ｃｒ鋼は約１１．６×１０-6／℃である。）。その結果、このような材料を用いて行われる補修は、熱疲労を起こし易い。
【０００６】
従って、蒸気タービンのロータを補修する方法であって、機械特性、熱特性及び環境特性が、従来のロータ材料と適合し且つ従来のロータ材料に少なくとも匹敵し、好ましくは従来のロータ材料よりも優れているような補修材料を用いた比較的複雑でない工程を含んでいる方法が必要とされる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの目的は、蒸気タービンのロータ、特に、蒸気タービンのロータのリムのダブテイル領域を補修する改良された方法を提供することにある。
本発明の更なる目的は、蒸気タービンのロータの補修と適合する溶接手法であって、公知であると共に複雑でない溶接手法を用いることを含んでいる方法を提供することにある。
【０００８】
本発明のもう１つの目的は、ロータの基礎材料の機械特性及び環境特性に匹敵する又はこれらよりも優れた機械特性及び環境特性を示す溶接材料を用いる方法を提供することにある。
本発明の更にもう１つの目的は、長い実用寿命を有する補修を行うことができるように、ロータの基礎材料と適合する材料を提供することにある。
【０００９】
本発明の好ましい実施例によれば、これらの及びその他の目的及び利点は以下のようにして達成される。
本発明によれば、鋼合金、一般的にはマルテンサイト・ステンレス鋼及びＣｒＭｏＶ鋼で形成された蒸気タービンのロータのリム部を補修する方法と、このようなロータを補修するための溶接材料とが提供される。この方法は、複雑な加工技術又は比較的高経費の加工技術を要求しないながらも、ロータの基礎材料の機械特性及び環境特性に匹敵する機械特性及び環境特性を示す再生されたリムを有している補修されたロータを提供する。本発明によれば、この方法は、鋼合金のロータの補修のためのものであるが、この方法に適切な補修材料は、いくつかのニッケル基超合金である。
【００１０】
本発明の方法は一般的には、ロータの損傷領域、例えばリム部及びこれに関連したダブテイル領域を、リム部の外周に表面を形成するように取り外す工程を含んでいる。次いで、外周の表面上にニッケル基超合金の補修溶接部が形成され、その後、溶接部は機械加工されて、専らこの溶接部によって、リム部とそのダブテイル領域とが再生される。本明細書では、「溶接部」という用語は、ニッケル基超合金溶接材料を指すと共に、ニッケル基超合金溶接材料でリム部に取り付けられ得る鍛造環のような任意の更なる物質を指す。この方法の最後の工程は、ダブテイル領域によって、リム部に対して適当に成形されたブレードを固定する工程である。
【００１１】
蒸気タービンのロータのリムの所では、温度、応力及び蒸気の各条件がタービンの一端から他端まで大幅に異なっており、破壊強度、靱性、耐腐食性及び熱膨張係数についての要件も異なる。本発明によれば、適切なニッケル基超合金は、約２００℃〜約５４０℃の温度範囲で、ロータの鋼合金の約１５％以内の熱膨張係数を有していると共に、室温での極限引張り強度については、ロータの特定の設計要件を上回って、一般的には少なくとも約６９０ＭＰａ（約１００ｋｓｉ）を有していることを特徴とする。マルテンサイト鋼合金、ＣｒＭｏＶ鋼合金、ＮｉＣｒＭｏＶ鋼合金及びＮｉＭｏＶ鋼合金のうち、ダブテイル溶接補修用として特に好ましい材料は、インコネル（Inconel）６２５合金及びインコネル７２５合金であるが、条件によってはインコネル６００合金及びインコネル７１８合金が好ましい又は要求されることもあると見越される。
【００１２】
本発明の補修方法では、２つの異種材料がロータの複雑な形状を有している領域に存在することになり、この領域では、熱的条件、環境条件及び負荷条件は、一般に室温から５００℃を超える広い温度範囲にわたって厳しいのであるが、それにも拘わらず、本方法は、溶接適性、冶金特性及び熱的特性に関して鋼合金のロータと適合する補修を可能にすることが判明した。本発明によれば、界面領域に溶接補修領域を形成することにより、適合性を向上させることができ、このとき、タイプIIカーバイドの分散が、異種である溶接材料とロータ材料との間の溶融線の所に形成された小さなカーバイドの拡散配列として存在している。
【００１３】
本発明によれば、この方法は、蒸気タービンのロータの補修と適合する溶接手法であって、公知であると共に比較的複雑でない溶接手法を用いて実施され、しかも、溶接前加熱及び溶接後応力解放等の高経費であり且つ蒸気タービンのロータと適合しない大がかりな熱処理を必要としないで実施されることが可能である。更に、この方法は、ロータの基礎材料の機械特性及び環境特性に匹敵する又はこれらよりも優れた機械特性及び環境特性を示す補修溶接であって、一方、長い実用寿命を有する補修を行うのに十分なだけロータの基礎材料と適合する補修溶接を可能にする。
【００１４】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の詳細な記載から更によく理解されよう。
【００１５】
【実施例】
本発明の上述の利点及びその他の利点は、以下の記載を図面と併せて検討することにより更に明らかとなろう。
図１は、本発明に従って補修される形式の蒸気タービンのロータ・アセンブリ１０の一例を示している。アセンブリ１０は一般的には、ロータ・シャフト１２を含んでおり、シャフト１２には、多数のホイール１４が装着されているか又はシャフト１２と一体形成されている。各々のホイール１４は、多数のバケット又はブレード（図示されていない）を固定するように構成されている。蒸気タービンの内部では、一列のホイール１４が、固定されている各ブレード又は各ノズルの間で複数の段を形成している。アセンブリ１０を通過する蒸気は、ホイール１４上で仕事をし、この仕事は、シャフト１２を介して発電機等の適切な負荷へ伝達される。本発明によれば、シャフト１２用及びホイール１４用の好ましい材料は、マルテンサイト・ステンレス鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ合金、ＮｉＭｏＶ合金及びＣｒＭｏＶ合金等の鋼合金である。特に適切なＣｒＭｏＶ合金の名目（ノミナル）組成は、クロム約１．２０重量％、モリブデン約１．２５重量％、バナジウム約０．２５重量％及びより少量のその他の元素である。好ましい鋼合金の室温での引張り強度は、少なくとも約６９０ＭＰａ（約１００ｋｓｉ）であるが、上述のＣｒＭｏＶ合金の室温での引張り強度は、約７２５ＭＰＡ（約１０５ｋｓｉ）である。
【００１６】
図２は、本発明に従って溶接部１８を用いて補修されたホイール１４のリムの部分断面図である。図示のように、溶接部１８は、機械加工されてダブテイル２０を再生しており、ブレードのブレード・ルート２２の所に形成されたダブテイル雌型２４にダブテイル２０を咬合させることにより、タービン・ブレードがダブテイル２０に固定されている。本発明によれば、溶接部１８として適切な材料は、ホイール１４の材料に匹敵する機械特性及び熱的特性を示すニッケル基超合金であり、例えば、このニッケル基超合金の極限引張り強度（ＵＴＳ）は、少なくとも約６９０ＭＰａ（約１００ｋｓｉ）であり、熱膨張係数（ＣＴＥ）は、ホイール１４用の材料の熱膨張係数の約１５％以内である。前述のＣｒＭｏＶ合金については、溶接部１８の熱膨張係数の好ましい範囲は、約４３０℃（約８００°Ｆ）において約１３．７×１０-6／℃〜約１４．２×１０-6／℃である。これらの要件に合致するニッケル基超合金はいくつもあるが、特に好ましい合金はインコネル６２５及びインコネル７２５であり、これらの合金は、以下の近似的な名目組成（重量％）及び特性を特徴としている。
【００１７】
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他の適切であり得るニッケル基超合金には、インコネル６００及びインコネル７７１８があり、これらの組成は、当業界で公知である。
【００１８】
本発明の好ましい補修方法は、図２のホイール１４から、損傷したダブテイル（図示されていない）を完全に取り外して、好ましくは、図示のリムを取り巻いている円筒形の表面である表面１６を形成することを含んでいる。この表面１６に対して、潜弧溶接（ＳＡＷ）及びガス・タングステン・アーク溶接（ＧＴＡＷ）等の適切な溶接手法を用いて、溶接部１８が最初に形成される。但し、ガス金属アーク溶接及び被覆アーク溶接等の当業界でそれぞれ公知の他の手法を用いることができると見越される。好ましくは、溶接は、表面１６に直に隣接している溶接部１８の領域２６が、タイプIIカーバイドを分散させた希釈組成物となるような方式で進行するが、本発明の範囲内にあるすべての用途についてタイプIIカーバイドが要求されるわけではないと見越される。
【００１９】
溶接作業に続いて溶接後熱処理を行って、溶接部１８に隣接して表面１６の直下に位置しているホイール１４内に発現した可能性のあるあらゆる熱影響部（ＨＡＺ）を焼き戻すことができる。最後に、図２に示すように、任意の適切な機械加工技術によって溶接部１８からダブテイル２０が再生される。代替的には、本明細書で用いている意味での溶接部１８は、ニッケル基超合金溶接材料によってホイール１４のリムに取り付けられる鍛造環のような更なる材料を含むこともできる。機械加工に続いて、タービン・ブレード２２のダブテイル雌型２４にダブテイル２０を咬合させることにより、タービン・ブレード２２はホイール１４に固定される。図示のように、ダブテイル２０は不規則な雄型であり、その形状は、ブレード２２のダブテイル雌型２４と相補的である。ダブテイル２０及び２４の特定の形状が図示されているが、当業者には、様々な形状が可能であることがわかるであろう。
【００２０】
上述したことを考慮すると、本発明の補修方法は、熱的条件、環境条件及び負荷条件が室温から５００℃を超える広い温度範囲にわたって厳しいものであるようなホイール１４のリムの所での２つの異種の材料の冶金結合として成立していることがわかるであろう。一般的に言うと、異種の材料を用いることによる悪影響は、いかなる悪影響であれ、ダブテイル２０及び２４の複雑な形状によって一層増すものと推測されるであろう。しかしながら、本発明の方法は、溶接適性、冶金特性及び熱的特性に関してホイール１４と適合する溶接部１８を提供することが判明しており、これは、領域２６がホイール１４の鋼合金と連続して存在していることにより進展した結果である。更に、結果として得られる補修溶接部１８及びダブテイル２０は、ホイール１４の鋼合金材料の機械特性及び環境特性に匹敵する又はこれらよりも優れた機械特性及び環境特性を示すものである一方で、長い実用寿命を示すことの可能なダブテイル２０を提供するのに十分なだけ、好ましい鋼合金と適合する。最後に、本発明の重要な利点は、本発明の上述の諸利益が、蒸気タービン・ロータの補修と適合する溶接手法であって、公知であると共に比較的複雑でない溶接手法を用いて達成され、しかも、溶接前加熱及び溶接後応力解放等の熱処理を必要としないで達成されるということにある。
【００２１】
好ましい実施例に関して著者等の発明を記載してきたが、当業者によってその他の形態が採用され得ることは明らかである。従って、著者等の発明の要旨は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
独占的な所有権及び特許権が請求される本発明の実施例は、特許請求の範囲として定義されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】当業界で公知の形式の蒸気タービンのロータ・アセンブリの側面図であって、わかり易いように、ロータのリムの所にブレードを示していない図である。
【図２】本発明によって補修された蒸気タービンのロータのリムの詳細断面図である。
【符号の説明】
１０  蒸気タービンのロータ・アセンブリ
１２  シャフト
１４  ホイール
１６  表面
１８  溶接部
２０  ダブテイル
２２  ブレード・ルート
２４  ダブテイル雌型
２６  隣接領域
【図１】
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【図２】
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