(57)【要約】      （修正有）【課題】長い翼で、剛性、減衰特性、振動応力を工場させる。【解決手段】バケットは翼長１１８が約４５インチ以上である。バケット１０２は、バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部１２１と、バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウドと、半径方向の内側位置と外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウド６１０とを含む。バケット１０２は、約２重量％〜約６．２５重量％のアルミニウム、約３．５重量％以下のバナジウム、約２．２５重量％以下のスズ、約２．２５重量％以下のジルコニウム、約１．７５重量％〜約５．０重量％のモリブデン、約２．２５重量％以下のクロム、約０．７重量％以下のケイ素、約２．３重量％以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービン（１０）の低圧セクションに使用するバケット（２０）において、バケット（２０）は、翼長（１１８）が約４５インチ以上となるように形成され、
バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部（１２１）と、
バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウド（４１０）と、
半径方向の前記内側位置と前記外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウド（６１０）とを含み、
バケット（２０）が、約２重量％〜約６．２５重量％のアルミニウム、約３．５重量％以下のバナジウム、約２．２５重量％以下のスズ、約２．２５重量％以下のジルコニウム、約１．７５重量％〜約５．０重量％のモリブデン、約２．２５重量％以下のクロム、約０．７重量％以下のケイ素、約２．３重量％以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成された、
バケット（２０）。
【請求項２】
ダブテール部（１２１）が軸挿入曲面ダブテールを含む、請求項１に記載のバケット。
【請求項３】
前記バケットが最終段バケットを含む、請求項１に記載のバケット。
【請求項４】
低圧タービンセクションを含む蒸気タービンにおいて、低圧タービンセクションが、タービンホイールの周りに配置された、翼長が約４５インチ以上の複数の最終段バケット（２０）を含み、
最終段バケットの少なくとも１つが、
最終段バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部（１２１）と、
最終段バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウド（４１０）と、
半径方向の前記内側位置と前記外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウド（６１０）とを含み、
各最終段バケットが、約２重量％〜約６．２５重量％のアルミニウム、約３．５重量％以下のバナジウム、約２．２５重量％以下のスズ、約２．２５重量％以下のジルコニウム、約１．７５重量％〜約５．０重量％のモリブデン、約２．２５重量％以下のクロム、約０．７重量％以下のケイ素、約２．３重量％以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成された、
蒸気タービン。
【請求項５】
前記複数の最終段バケットが約１１２ｆｔ２以上の排気環状面積を与える、請求項４に記載の蒸気タービン。
【請求項６】
前記複数の最終段バケットが約１，８００ｒｐｍ〜約３，６００ｒｐｍの運転速度で回転する、請求項４に記載の蒸気タービン。
【請求項７】
前記複数の最終段バケットの先端シュラウド（４１０）が隣接最終段バケットの先端シュラウド間にギャップを有するような形状とされており、タービンホイールが所定の速度以上で回転し、そのタービンホイールの回転により前記複数の最終段バケットのねじれが戻ると、前記ギャップが閉じる、請求項４に記載の蒸気タービン。
【請求項８】
前記複数の最終段バケットの中間スパンシュラウド（６１０）が隣接最終段バケットの中間スパンシュラウド間にギャップを有するような形状とされており、タービンホイールが所定の速度以上で回転し、そのタービンホイールの回転により前記最終段バケットのねじれが戻ると、前記ギャップが閉じる、請求項４に記載の蒸気タービン。
【請求項９】
ダブテール部（１２１）が軸挿入曲面ダブテールを含む、請求項４に記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンエンジンの最終段に用いられる高強度バケットに関する。特に、本発明は、翼長が約４５インチ以上である高強度最終段タービンバケットを製造するのにチタン基合金を用いることに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気タービンの性能は、減少した蒸気圧力で作動する後段のバケットの設計及び性能から大きな影響を受けることが知られている。理想的には、最終段バケットは、タービン排気圧に低下するまで蒸気の膨張を有効に利用するとともに、最終段を出る蒸気流の運動エネルギーを出来るだけ小さくすることが必要である。
【０００３】
蒸気タービンバケットの使用上の要求は複雑で厳しい。特に、最終段バケットは、高い湿度やボイラーからのキャリーオーバーによって生じる腐食環境などの種々の過酷な運転条件に常にさらされる。特に翼長が４０インチ以上の長い最終段タービンバケットでは、このような条件がバケット材料に深刻な腐食及び孔食の問題を引き起こすおそれがある。したがって、これまでタービン用の最終段バケットについては、厳しい運転条件下での効率を向上するために研究開発が継続されてきた。バケットの効率及び耐久年数の僅かな増加であっても、蒸気タービンエンジンの寿命全体にわたって著しい経済効果をもたらすことができるからである。         
【０００４】
最終段タービンバケットは広範な流れ、負荷及び大きな動的力にさらされる。したがって、機械的強度及び耐久性の観点から、バケットプロファイルの最終設計に影響を与える主な要因には、バケットの有効長、ピッチ直径及び運転時の流れ領域での作動速度が挙げられる。構成材料の最大予測運転条件での減衰性、バケット疲労及び耐食性も最終バケット設計及び製造法において重要な役割を果たす。
【０００５】
一層大きな最終段タービンバケット、例えば翼長が約４０インチ以上のバケットの開発では、慣性負荷がしばしばＴｉ６Ａｌ４Ｖや鉄基合金などの従来のバケット材料の強度性能を上回るため、別の設計問題が課される。蒸気タービンバケット、特に長い翼を有する最終段バケットは、大きな引張荷重を受け、繰り返し応力にさらされ、この周期的応力が腐食環境と組み合わさると、長期の使用期間中にバケットに損傷を与えるおそれが大きい。さらに最終段の蒸気は通常「湿って」おり、即ちより多量の飽和蒸気を含む。その結果、最終段でバケット材料の水滴衝突浸食がしばしば発生する。このような浸食はバケットの有効寿命を短くし、蒸気タービン全体としての効率を下げる。
【０００６】
これまで、様々な最終用途、特に長い翼のバケット、即ち、翼長が約４０インチ以上のバケットを用いる機械設計の機械的要求をすべて満たすことができるバケット材料を見出すことは困難であった。長いバケットは必然的に、高い強度を必要とし、前述したように浸食及び孔食を起こす可能性が高いという問題を抱えている。長翼設計に固有な高い応力により、高い運転温度での応力腐食割れが発生するおそれも高まる。バケット材料に要求される高い強度は、４００°Ｆ程度の運転温度で応力割れを発生しやすくする傾向があるからである。孔食及び腐食疲労の影響は、翼長が長い最終段バケットにかかる応力が高いほど増加する。単に別のタービン段の基本機械設計要求を満たすように選択された合金は、最終段バケットの最小機械的強度及び耐浸食性の要求を満たさないことが多い。
【０００７】
最終段タービンバケットの翼長が長いことに伴う問題を解決するために、従来から最終用途の要求に応じて様々なアプローチがとられている。使用上の要求がそれほど厳しくない場合には、単一のバケット材料が妥当なこともある。しかし耐浸食性を高めるために、通常バケットは、局部的熱処理による硬化（例えば、炎焼入又は高周波焼入）を前縁で行って、十分な耐浸食性を付与する必要がある。或いは、耐浸食性シールド材料（ステライトなど）をろう付け、ガス・タングステンアーク溶接又は電子ビーム溶接によりバケットに付着することができる。これらの従来の物理的付着法は、ほとんどと言ってよいほど、時間の経過とともに溶接熱影響部にある程度の劣化をもたらし、バケットは最終的にその個所で破損する。さらに、溶接不良のリスクが常にあり、そのため場合によってはバケットアセンブリ全体のスクラップ化という被害を招くことがある。 
【０００８】
蒸気タービンバケットの他の公知の製造方法又は修理方法では、バケットブレードの前縁にインサートを溶接し、次いでインサートの一部を硬化して、前縁外部に硬化表面を設ける。しかし、この場合も、硬化工程は通常インサートとブレード自体の接合部まで波及しない。したがって、インサートの一部分は未硬化のままであり、厳しい運転条件下で早期破損又は浸食を受けやすい。
【０００９】
蒸気タービンに使用する高応力の最終段バケットの多くの要求を満たすバイメタル構造を形成する方法が、本出願人に譲渡されたＣｒａｗｍｅｒらの米国特許第５３５１３９５号（特許文献１）に開示されている。特許文献１に記載された方法ではバケットとインサート材料の両方がほぼ最適な溶接性を有する状態にある間に耐浸食性インサート材料を取付ける。溶接後にバイメタルアセンブリを熱処理し、ほどんど歪ませることなくバケット特性を最適化する。インサート材料を機械加工後に（炎焼入などの普通の方法で）硬化させ、耐浸食性を向上することもできる。しかし、特許文献１に開示されたバイメタル構造は最終段タービンバケット、特に翼長が約４０インチ以上のバケットに固有な孔食及び腐食問題をすべては解決しないことを確認した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５３５１３９５号明細書
【特許文献２】米国特許第５０６７８７６号明細書
【特許文献３】米国特許第５２６７８３４号明細書
【特許文献４】米国特許第５２７７５４９号明細書
【特許文献５】米国特許第５２９９９１５号明細書
【特許文献６】米国特許第５３９３２００号明細書
【特許文献７】米国特許第５４８０２８５号明細書
【特許文献８】米国特許第６５７５７００号明細書
【特許文献９】米国特許第６６８２３０６号明細書
【特許文献１０】米国特許第６８１４５４３号明細書
【特許文献１１】米国特許第６８９３２１６号明細書
【特許文献１２】米国特許第７０９７４２８号明細書
【特許文献１３】米国特許第７１９５４５５号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００７／０２９２２６５号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】AMIR MUJEZINOVIC, "Bigger Blades Cut Costs" Modern Power Systems, Feb. 2003, p.25, 27.
【非特許文献２】MICHAEL BOSS, "Steam Turbine Technology Heats Up", PEI Magazine, April 2003, p.77, 79, 81.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、翼長が長い、優れた剛性、優れた減衰特性及び低振動応力を有する最終段バケットが当業界で必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１観点では、蒸気タービンの低圧セクションに使用するバケットが提供される。バケットは翼長が約４５インチ以上となるように形成される。バケットは、バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部と、バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウドと、バケットの半径方向の内側位置と外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウドとを含む。バケットは、約２重量％〜約６．２５重量％のアルミニウム、約３．５重量％以下のバナジウム、約２．２５重量％以下のスズ、約２．２５重量％以下のジルコニウム、約１．７５重量％〜約５．０重量％のモリブデン、約２．２５重量％以下のクロム、約０．７重量％以下のケイ素、約２．３重量％以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成される。
【００１４】
別の観点では、タービンホイールの周りに配置された複数の最終段バケットを有する低圧タービンセクションを含む蒸気タービンが提供される。最終段バケットは翼長が約４５インチ以上である。少なくとも１つの最終段バケットは、バケットの半径方向の内側位置近傍に配置されたダブテール部と、バケットの半径方向の外側位置近傍に配置された先端シュラウドと、バケットの半径方向の内側位置と外側位置の間にある半径方向の中間位置に配置された中間スパンシュラウドとを含む。最終段バケットは、約２重量％〜約６．２５重量％のアルミニウム、約３．５重量％以下のバナジウム、約２．２５重量％以下のスズ、約２．２５重量％以下のジルコニウム、約１．７５重量％〜約５．０重量％のモリブデン、約２．２５重量％以下のクロム、約０．７重量％以下のケイ素、約２．３重量％以下の鉄及び残部のチタンからなるチタン基合金で形成される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】蒸気タービンの一部破断斜視図である。
【図２】本発明の１実施形態のバケットの斜視図である。
【図３】本発明の１実施形態の軸挿入曲面ダブテールの拡大斜視図である。
【図４】図２のバケットに使用できる先端シュラウドの１例の斜視図である。
【図５】隣接する先端シュラウドの相互関係を示す斜視図である。
【図６】図２のバケットに使用できる中間スパンシュラウドの斜視図である。
【図７】隣接する中間スパンシュラウドの相互関係を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、シャフト１４と低圧（ＬＰ）タービン１６とを備えるロータ１２を含む蒸気タービン１０の一部破断斜視図である。ＬＰタービン１６は軸線方向に離間された複数のロータホイール１８を含む。複数のバケット２０が各ロータホイール１８に機械的に連結される。さらに具体的には、バケット２０は各ロータホイール１８の周りで円周方向に延在する複数の列として配置される。複数の固定ノズル２２はシャフト１４の周りで円周方向に延在し、軸線方向では隣接するバケット（２０）列間に位置する。ノズル２２は、バケット２０と協働してタービン段を形成し、かつタービン１０を通る蒸気流路の一部分を画定する。
【００１７】
運転中、蒸気２４は、タービン１０の入口２６に流入し、ノズル２２に導かれる。ノズル２２は、蒸気２４を下流に向けバケット２０に当てる。蒸気２４は、残りの段を通過し、力をバケット２０に与えてロータ１２を回転させる。タービン１０の少なくとも一端は、ロータ１２から先に軸線方向に延在し、負荷又は機械（図示せず）、例えば発電機及び／又は別のタービンに取付けることができる。従って、大型の蒸気タービン装置は、実際には全て同じシャフト１４に同軸連結された複数のタービンを含むことができる。このような装置は、例えば、高圧タービンを中圧タービンに連結し、中圧タービンを低圧タービンに連結した構成とすることができる。
【００１８】
図１では、１実施形態として、低圧タービンを５段で示してある。５段をＬ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３及びＬ４と呼ぶ。Ｌ４は、第１段であり、５段の中で最小（半径方向）である。Ｌ３は、第２段であり、軸線方向で次の段である。Ｌ２は、第３段であり、５段の真ん中に示される。Ｌ１は、第４の、最終の１つ前の段である。Ｌ０は最終段であり、最大（半径方向）である。なお、５段は１例にすぎず、低圧タービンは５段より多くても少なくてもよい。
【００１９】
図２は、タービン１０に用いることができるタービンバケット２０の斜視図である。バケット２０は、後縁１０４と前縁１０６とを含むブレード部分１０２を含み、蒸気はほぼ前縁１０６から後縁１０４に流れる。バケット２０はまた、第１の凹面側壁１０８と第２の凸面側壁１１０とを含む。第１の側壁１０８及び第２の側壁１１０は、後縁１０４及び前縁１０６で軸線方向に連結され、かつロータブレードルート１１２とロータブレード先端１１４間で半径方向に延在する。ブレード弦距離は、ブレード１０２の半径方向長さ１１８に沿った任意の点において後縁１０４から前縁１０６まで測定した距離である。１実施形態では、半径方向長さ１１８、即ち翼長は、約４５インチである。別の実施形態では、半径方向長さ１１８は約４０〜約５０インチ又はそれ以上である。本明細書では、半径方向長さ１１８は、約４５インチに等しいものと記載しているが、半径方向長さ１１８は、特定の用途に応じて任意適当な長さにすることができる。ルート１１２は、バケット２０をシャフト１４に沿ったロータディスクに組込むのに用いられるダブテイル１２１を含む。
【００２０】
図３はダブテール１２１の拡大図である。１実施形態では、ダブテール１２１はロータディスクに形成された嵌合スロットに係合する軸挿入曲面ダブテールである。１実施形態では、ダブテール１２１は４つの凸状突出部３０２を有する。別の実施形態では、ダブテール１２１の凸状突出部は４つより多くても少なくてもよい。平均応力及び局部応力の適当な分布、速度超過状態時の保護及び適切な低サイクル疲労（ＬＣＦ）マージンを得るためには軸挿入曲面ダブテールが好ましい。
【００２１】
図４は１実施形態の一体型先端シュラウド４１０を有するバケット先端４の拡大図である。先端シュラウド４１０はバケット２０の剛性及び減衰特性を向上する。先端シュラウドの外面上にシールリブ４２０を配置することができる。リブ４２０はバケット２０の外側部分を越える蒸気流れを制限する封止手段として機能する。リブ４２０は、単一のリブとするか、複数のリブ、複数のまっすぐなもしくは山型の歯、又は異なる寸法の１つ以上の歯（例えば、ラビリンス型シール）で構成することができる。
【００２２】
図５は先端シュラウド４１０の最初に組立てた状態の図である。先端シュラウド４１０は最初の組立時及び／又は速度ゼロ状態で隣接先端シュラウド間にギャップ５１０を有するように設計されている。図から明らかなように、リブ４２０は、また無回転状態で互いにわずかにずれている。タービンホイールが回転すると、バケット２０のねじれが戻り始める。回転数が運転レベル（例えば、約１８００〜約３６００ＲＰＭ）に近づくと、バケットのねじれが遠心力によって戻り、ギャップ５１０が閉じ、リブ４２０が互いに一直線に並ぶ。シュラウドがぴったり噛み合うことにより、バケット剛性の向上、バケット減衰性の向上、バケット２０の半径方向の外側位置でのシール性の向上が得られる。
【００２３】
図６及び図７は先端シュラウド４１０とルート部１１２の間に位置する中間スパンシュラウド６１０を示す。中間スパンシュラウド６１０はバケット２０の凸面側壁と凹面側壁とに位置する。速度ゼロ状態時、隣り合うバケットの隣接中間スパンシュラウド間にギャップが存在する。タービンホイールが回転し始め、運転速度に近づくにつれてバケットのねじれが戻ると、このギャップは閉じる。中間スパンシュラウドは、風損を低減しかつ全体効率を向上するような空気力学的形状とする。バケットのねじれが戻る間に中間スパンシュラウドが互いに接触すると、バケットの剛性及び減衰特性も向上する。バケットがねじれを戻すと、先端シュラウド４１０及び中間スパンシュラウド６１０がそれぞれの隣接シュラウドに接触する。複数のバケット２０は、１つの次々とつながった構造として作動し、ばらばらのつながっていない設計に比べて優れた剛性及び減衰特性を示す。別の利点として、ロータの振動応力が低減する。
【００２４】
本発明のバケットは１例として表１に示した割合（重量％）のチタン合金で形成することができる。
【００２５】
【表１】
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本発明のバケットを形成するのに用いるチタン基合金、即ち翼長が約４５インチ以上のバケットに用いる合金は、室温での最小極限引張強さが１４５ｋｓｉ、室温での０．２％降伏強さが１３０ｋｓｉ、４００°Ｆでの最小極限引張強さが１２５ｋｓｉ、４００°Ｆでの最小０．２％降伏強さが１１０ｋｓｉである。合金は、β又はαβ構造のどちらかを示し、最小破壊靱性が約５０ｋｓｉ・ｉｎｃｈ１／２に達することが好ましい。
【００２６】
上記のチタン合金組成範囲を用いて本発明に従って翼長が約４５インチの種々の蒸気タービンバケットを形成した。前述したように、最終バケットプロファイル及び用いる特定な合金は、バケットの有効長、ピッチ直径及び運転時の流れ領域でのバケットの作動速度などの多数の設計要素によって左右される。最高予測運転条件での減衰性、バケット疲労性及び合金の耐食性も、上記の好ましい組成範囲内に入るチタン基合金を用いたバケットの最終設計において重要な役割を果たす。本発明に従ってチタン合金で形成することができるより長翼の最終段バケットのプロファイルの例は、本出願人に譲渡された米国特許第５３９３２００号（特許文献６）「タービンの最終段用バケット」に記載されている。
【００２７】
形成後、本発明の実施形態による各バケットを応力緩和し、普通の仕上げ工程及び熱処理工程を用いてバケットの表面を最終プロファイルに機械加工した。翼長が約４５インチ以上の種々のバケットに、最終段蒸気タービンの公称運転温度〜最高予測運転温度の範囲内で通常の機械的強度試験及び耐食性試験を行った。本発明によるバケットに用いたチタン基合金材料は優れた耐食性及び平均以上の強度特性を示した。
【００２８】
本発明に従ったチタン基蒸気タービンバケットの代表的な製造法は以下の工程を含む。最初、上記の合金組成物からなるチタンビレットを従来のねじプレス、ハンマー鍛造及び／又は油圧プレスを用いてバケットに成形、鍛造する。所望に応じて、鍛造バケットを熱処理し、急冷し、これにより応力を緩和するとともに機械的強度特性を発現させることができる。特定の最終用途に応じて、通常の手段を用いてバケットを時効処理し、運転可能な最終形状に機械加工する（通常、機械加工は全側面、即ち３６０°に行う）ことができる。
【００２９】
上記方法は、比較的長いバケット、例えば翼長が約４５インチ以上の最終段蒸気タービンバケット用に開発したが、特定のバケット設計及び最終用途の条件に応じて、チタン合金組成を上記の組成範囲内で変えることにより本方法を調整することができる。
【００３０】
本発明の実施形態のバケットは、好ましくは蒸気タービンの低圧セクションの最終段に用いられる。しかし、バケットを別の段又は別のセクション（例えば、高圧又は中圧セクション）に使用することもできる。バケット２０の好ましいスパン長さは約４５インチであり、この半径方向長さは約１１２ｆｔ２（約１０．４ｍ２）の最終段排気環状面積を与えることができる。この拡大（改良）した排気環状面積は、蒸気が最終段バケットを出るときに受ける運動エネルギーの損失を低減することができる。この損失の低減によりタービン効率が良くなる。
【００３１】
本発明によれば、蒸気タービン用の優れたバケットが提供される。本発明のバケットは好ましくは蒸気タービンの低圧セクションの最終段に用いられる。バケットの一体型先端シュラウド及び中間スパンダンパーは優れた剛性及び減衰特性を与える。また軸挿入曲面ダブテールはダブテール境界での平均応力及び局部応力の分布を改善する。
【００３２】
以上、本発明を種々の特定の実施形態について説明したが、特許請求の範囲内で変更を行っても本発明を実施できることが当業者に明らかである。
【符号の説明】
【００３３】
１０  蒸気タービン
１２  ロータ
１４  シャフト
１６  低圧タービン
１８  ロータホイール
２０  バケット
２２  ノズル
２４  蒸気
２６  入口
１０２  ブレード
１０４  後縁
１０６  前縁
１０８  凹面側壁
１１０  凸面側壁
１１２  ロータブレードルート
１１４  ロータブレード先端
１１８  半径方向長さ
１２１  ダブテール
３０２  凸状突出部
４１０  先端シュラウド
４２０  シールリブ
５１０  ギャップ
６１０  中間スパンシュラウド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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