JPH03237205A - タービンロータおよびそのタービンロータの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 見豐汝１遣 この発明は、高低圧蒸気タービンに関し、さらに詳しく
言うと、異なる鋼合金からなるロータセグメントを溶接
することにより、耐高温性の鋼合金と耐低温性の鋼合金
からなるタービンロータを形成する方法に関するもので
ある。

通常、タービンロータ合金は最適の高温特性あるいは最
適な低温特性に合わせて設計される。高温合金は大変不
十分な低温特性を有しており、低温合金は大変不十分な
高温特性を有している。

１００〜２００Ｍｗタービンの構成の場合には、ロータ
の材料は大きな関係がある。ロータの高圧限度では５３
８℃の範囲で適切なりリープと疲れ特性とを有しなけれ
ばならないし、ロータの低圧限度では最小１００ｋｓｉ
の降伏強度、応力腐食耐性、疲れ強さおよび破壊しん性
を有しなければならない、クロム、モリブデンおよびバ
ナジウム（ＣｒＭｏＶ）を含む低合金鋼は優れたクリー
プ特性を有するが、約２４℃では極端に不十分な破壊し
ん性を有している。この低温、圧力ロータ合金は、通常
ニッケル、クロム、モリブデンおよびバナジウム（Ｎ　
ｉＣｒＭ。

Ｖ）を含む低合金鋼は約４２７℃では不十分なりリープ
特性を有している この発明は、高低圧蒸気タービンに用いられ、タービン
の高温領域および低温領域の両方において望ましい特性
を有するタービンロータを形成する方法を提供すること
を目的とする。

え皇立且１ タービンロータは高温鋼合金（ＣｒＭ　ｏＶ　）からな
る第１のロータセグメントと低温鋼合金（ＮｉＣｒＭ　
ｏ　Ｖ　）からなる第２のロータセグメントとを一緒に
溶接することにより形成される。ロータセグメントの端
面には、そのロータセグメントの中心軸線から半径方向
にロータセグメントの外側表面から間隔を置いた位置ま
で延びた空隙が設けられ、その結果−緒に溶接される各
ロータセグメントには軸方向に延びた環状フランジが形
成される。

高温ロータセグメントの環状フランジはその表面に溶接
されたクラッド層を有しており、そのクラッド層は検査
され、その後クラッド層は、平滑な表面を形成するため
に加工され、そして熱処理され、そしてその溶接部は検
査される。第１のロータセグメントと第２のロータセグ
メントとはそれらの端面が対向し、また互いに平行に一
致され、また溶接ルート間隔を形成するために間隔を置
いた隣接関係で環状フランジが一致される。そして二つ
のロータセグメントはルート間隔に渡って一緒に溶接さ
れ、接合溶接部が形成される。その接合溶接部が形成さ
れた後、その溶接部は熱処理され、第１および第２のロ
ータセグメントの外側表面と互いに補足し合ってその溶
接部は平滑な表面が形成される。そして、最終の検査が
行われず、ロータの軸長さに沿って異なる合金のロータ
が製造される。

この　１の；　ｔ工 高圧タービン、高温−低圧タービンおよび低温タービン
の組み合わせにおいては、慣例は、一方の領域の使用に
最良であったロータの材料を他方の領域では周囲に悪影
響を及ぼすようになっているように分割されたロータを
使用するのが一般的である。

この発明は、ロータの軸方向の長さに沿って異なる低合
金鋼の組成からなる蒸気タービンロータに用いられる。

高温−低温タービンのロータ１を通る典型的な蒸気流通
路が第１図に示されている。その図には高温−高圧であ
るロータの第１のロータセグメント３と、低温−低圧で
ある、第２のロータセグメント５とが含まれている。蒸
気は矢印で示されているように入りロノズル７から入っ
た後、ノズルブロック９を通る。そのノズルブロック９
は、蒸気の膨張を制御し、また蒸気が内部に入り、その
後高温であるロータ１の第１のセグメント３に取り付け
られた回転可能な羽根１３である制御段階を通って蒸気
に望ましい方向の流れに衝撃を与える。

この最初のｌＩｊ張の後、蒸気は交互に配列された、固
定羽根１５と回転可能なタービン羽根１７とを通って膨
張し、回転可能なタービン羽根１７に、従ってロータ１
に運動を与える。最初の膨張を受けた後、蒸気流は逆に
なり、さらに交互に配列された固定羽根１９と回転可能
な羽根２１とに流れる０羽根の配列を通過した後、蒸気
とロータとは冷却され、また蒸気は、排出される前に、
固定羽根２３の最終の配列と回転可能な羽根２５を通過
する。

ロータがさらされる蒸気の温度は、ロータ１の第１のロ
ータセグメント３から第２のロータセグメント５に相当
に降下する０例えば、流入された蒸気がロータ１に接触
するポイントａでは、ロータの金属温度は、蒸気圧力が
約１８００ｐｓ　ｉで約５１０℃になるであろう。固定
羽根１５．１７との配列を蒸気が通過し、その蒸気が方
向を反転した後のポイントｂでのロータの金属温度は、
蒸気圧力が約５００ｐｓｉに低下するものの、約５１０
℃のままであるであろう、第２の配列である固定羽根１
９．２１から流出した直後のポイントＣでのロータの金
属温度は、蒸気の圧力が約１８ｐｓ　ｉに低下した状態
で、約１４９℃になるであろう。一方、最終の配列であ
る固定羽根２３．２５から流出した直後のポイントｄで
のロータの金属温度は大気圧あるいはそれよりも僅かに
低い圧力で約３２℃である。

第２図ないし第６図によると、異なる鉄合金から構成さ
れた第１のロータセグメントおよび第２のロータセグメ
ントからなるタービンロータを形成する方法が示されて
いる。第２図には、溶接される前の二つのセグメント、
第１のロータセグメント３と第２のロータセグメントと
が示されている。それらのロータセグメントはそれらを
貫通する中心軸線孔を有しておらず、またこの発明は穿
設されたロータセグメントを連結する場合にも利用する
ことができるということが理解されるけれども、この発
明は塊状ロータセグメントに利用されている。

第１のロータセグメント３は鉄合金からなっており、そ
の鉄合金は約５３８℃で十分なりリープと疲れ強さを有
する耐熱合金である。特に、用いられる合金は合金材料
が通常約６パーセントよりも少ない含有量である低合金
鋼である。第１のロータセグメントに用いられる合金鋼
の好適な組成はＣｒ　−Ｍ　ｏ　−Ｖ合金、Ａ４７０、
クラス８およびその変更例である。最適な組成は、重量
パーセントで０．２７〜０．３４パーセントのＣ１０，
７０〜１．０パーセントのＭｎ、　０．１２パーセント
以下のＰおよびｓ、０゜２０〜０．３５パーセントのＳ
ｉ、０．５０パーセント以下のＮｉ、１．０５〜１．３
５パーセントのＣｒ、１．００〜１．３０パーセントの
Ｍｏおよび０゜２９パーセントのＶ、０．１５パーセン
ト以下のＣｕ、０．０１０パーセント以下のＡＩ、０．
００１５パーセント以下のｓｂ、０．０１５パーセント
以下のＳｏおよび０．０２０パーセント以下のＡｓであ
る。それらの代表的な耐熱合金の炭素含有量は０．２８
と０．３５との間であるが、その範囲は溶接のとき約１
９１℃〜２０４℃の高い予熱温度の使用を必要とする。

この方法では、ＣｒＭｏＶロータの溶接をより適応する
ことができるように、合金鋼の炭素含有量は約０．２０
〜０．２５パーセントよりも低くてもよい。これにより
、約１９１℃〜２０４℃から約１６３℃〜１７７℃に溶
接のより低い予熱の使用が可能となる。

Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ合金からなる第１のロータセグメント３
には内部に空隙２９が形成された第１の端面２７が設け
られている。その空隙２９は第１のロータセグメントの
中心軸線３１から半径方向外側に延びている。空隙２９
は第１のロータセグメント３の外表面３３から間隔を置
いて終えており、第１の環状フランジ３５は軸線方向に
延びて形成されがっ軸方向に向いた接面３７として終わ
っている。

第２のロータセグメント５は、１００Ｋｓ　ｉの降伏強
度強さで十分な応力腐食耐性、疲れ強さおよび破壊しん
性を有するＮｉＣｒＭｏＶの低温度合金からなっている
。特に、有用な合金は、約７パーセント以下の合金材料
と、３．２５〜３．７５パーセントの含有量のニッケル
とを通常含んでいる低合金鋼である。好適な組成は、最
大０．３５パーセントまでのＣ５０，２０〜０．４０パ
ーセントのＭｏ、最大０．０１２パーセントまでのＰ、
最大０．０１２パーセントまでのＳ、ｆｉ大０．１２パ
ーセントまでのＳｉ、３．２５〜３．７５パーセントの
Ｎｉ、１．５０〜２．００パーセントのＣｒ、０．３０
〜０゜６０パーセントのＭｏ、　０．０７〜０．１５パ
ーセントのＶ、０．２０パーセントのＣｕ、０．０１５
パーセントのＡ＋、最大０．００１５パーセントまでの
ｓｂおよび０．０２０パーセントのＡｓを含む鋼合金で
ある。

ＮｉＣｒＭｏＶ合金の第２のロータセグメント５には第
２の端面３９が設けられている。その第２の端面３９は
第２のロータセグメント５の中心軸線４３から外側方向
に延びた空隙４１を有している。空隙４１は第２のロー
タセグメント５の外側表面４５から間隔を置いて終えて
おり、第２の環状フランジ４７は軸線方向に延びて形成
されかつ軸方向に向いた接面４９として終わっている。

第１のロータセグメント３と第２のロータセグメント５
とを溶接するためには、第１の環状フランジ３５と第２
の環状フランジとに渡って接合溶接が行われるが、最初
にクラッド層が設けられなければならず、また高温ロー
タセグメント合金と低温ロータセグメント合金とで両立
できる充填材料が使用されなければならない、第３図に
示されているように、高温で、ＣｒＭｏＶ合金セグメン
トであるロータセグメント３の第１の環状フランジ３５
の軸方向に向いた接面３７にクラッド層５１が溶接によ
り付けられる。？！４のような材料あるいはＮｉＣｒＭ
ｏＶ鋼合金材料からなる支持リング５３が使用され、第
１のロータセグメント３の外側表面３３に向かって伸び
ている６図に示されているように、軸方向に向いた接面
３７は、好適には中心軸線３１に対して第１の環状フラ
ンジ３５の外側表面３３からある角度で傾斜している。

そして、クラッド材料で盛り上げられた層から形成され
、接面３７に付けられたクラッド層５１は、また第１の
ロータセグメント３の中心軸線に対して傾斜した表面を
備えている。

この溶接に対する予熱はＣｒＭｏＶロータの必要に応じ
て、例えば約１７７℃で行われ、溶接による加熱で亀裂
帯が生じないようにしている。第１の環状フランジ３５
の軸方向の接面３７にクラッド層５１を溶接した後、そ
のクラッド層は平滑な表面５７を与えるように加工され
る。また、その表面５７は傾斜された表面である。この
クラッド溶接層は、溶接の品質を確認するために磁気探
傷検査および超音波検査によるように破壊しないように
検査される。

第４図に示されているように、また、第１のロータセグ
メント３の第１の端面２７に形成された空隙２９から間
隔を置いて、クラッド層５１に、は軸方向に延びた第１
の環状リング５９が加工されて形成されている。

このクラッド層５１と第１のロータセグメント３の第１
の環状フランジ３５の隣接部分とは、その後約６０７℃
〜６６３℃の間の温度で、最適には約６３５℃の温度で
熱処理される。そのクラッド層と環状フランジの隣接部
分、即ち加熱されたゾーン（ＨＡ２）の溶接後熱処理は
、過度の硬さを避け、またＶ１２、クリープ、疲れおよ
び破壊しん性の特性が劣化しないように、第１のロータ
セグメントのＨＡＺを焼きもどすのに十分高い温度が選
択される。

もし、この熱処理が第２のロータセグメント５の後に行
われたならば、低圧材料には重大な劣化が生じるであろ
う、その後、このクラッド溶接層は磁気探傷および超音
波で検査される。

第１の環状フランジ３５の接面３７上のクラッド層の付
着と検査、およびその加工の後、第１のロータセグメン
ト３は、その中心軸線３１を第２のロータセグメント５
の中心軸線４３と同軸に沿って、かつ第１の端面２７と
第２の端面３９とを対向した関係で、第２のロータセグ
メント５と一致される。また、第１のロータセグメント
３の第１の環状フランジ３５は、第２のロータセグメン
ト５の第２の環状フランジ４７と間隔を置いた隣接関係
にあり、両者間にはルート間隔６１が形成されている。

第５図に示すように、また第２のロータセグメント５の
第２の環状フランジ４７の接面４９は、傾斜した表面で
あり、そして好適には段部６５を有する第２の環状リン
グ６３を形成するように加工される。第１の環状フラン
ジ３５と第２の環状フランジ４７とは間隔を置いた隣接
関係にあり、第１の環状リング５９は、第２の環状リン
グ６３上に置かれており、また段部６５に着座している
。軸方向に向いた環状フランジの接面に傾斜面を形成す
ることにより、それらの傾斜面はロータセグメント３．
５の外側表面３３，４５からロータセグメントの同軸中
心軸線に向かって収束され、■形状の溶接ルート間隔を
形成する（第５図）。

その後、第１のロータセグメント３と第２のロータセグ
メント５とは、二つの異なるロータセグメントの材料に
適応できる充填材料を用いて、第１の環状フランジ３５
と第２の環状フランジ４７との間の溶接ルート間隔６１
で溶接される。好適には、接合溶接部６７の部分６９は
外側表面３３．４５から越えて延びている（第６図）、
接合溶接が行われた後、その接合溶接部６７はクラッド
層の金属を第２のロータセグメント５に接合する。接合
溶接部は約３８℃〜５２℃の最小限度の予熱だけを必要
とする。この低い予熱により、ティグ溶接あるいはミグ
溶接が行われたときには、不活性ガス遮蔽を予熱破壊す
ることからの空気流れによる溶接多孔性の形成される機
会が最小限に抑えられる。もし、ＣｒＭ。

Ｖが、厳しい拘束の下で比較的薄い溶接でＮｉＣｒＭｏ
Ｖに接合された場合には、充填金属材料をＮｉＣｒＭｏ
Ｖロータセグメントに接合する機構はクラッキングが生
じる初層にとって特に重要である。

溶接に用いられる充填材料は低圧であるＮｉＣｒＭｏＶ
ロータを溶接するものであり、そのロータは、可能な溶
接後の熱処理温度で受は入れられる、適度なじん性、強
さを有しており、また適度な降伏強度を有している。特
に有用な充填材料は１９８５年４月２５日に出願された
米国特許出願番号７２７，１７５号の明細書に記載され
ている。その明細書に記載された充填材料は、重量パー
セントで、０．０９〜０．１１０のＣ５１，２５〜１．
８０のＭｎ、最大０．０１０のＰ、最大０．０１０のＳ
、０．２０〜０．５０のＳｉ、１．４０〜２，１０のＮ
ｉ、最大０．３０のＣｒ、　０．２５〜０．５５のＭｏ
、最大０．０５のＶ、最大０．１０のＴｉ、最大０．１
０のＺｒ、最大０．１０のＡＩ、最大０．２０のＣｕ、
最大０．００１５のｓｂ、最大０．０１５のＳｎ、最大
０．０２のＡｓ、３５ｐｐｍのＯ１２５ｐｐｍのＮ、１
０ｐｐｍのＨおよび残余が鉄である組成を有している。

その後、その接合溶接部は、５８０℃〜６３５℃の間の
温度に、好適には約６０７℃の温度に同様に加熱される
ことにより、溶接後熱処理にさらされる。

溶接接合部６７に対する溶接後熱処理は、クラッド層の
溶接温度よりも低く、またクラッド層５１あるいは第１
の環状フランジ３５の隣接部分に影響を与えることなく
、溶接において最適な特性を生じるように選択されてい
る。熱処理の次に、接合溶接部は、第１のロータセグメ
ント３の外側表面３３と第２のロータセグメント５の外
側表面４５とを互いに補足し合って平滑な表面を形成す
るように加工される。

第１図および第２図に示されているように、二つのロー
タセグメントの間の溶接箇所は重要な箇所である。その
箇所は、羽根の溝により直径が変化することがない真っ
すぐな円筒形状のところにあり、溶接のために自由に接
近することができる。

第１図の線Ｗで示され、固定羽根１９．２１からなる第
２の整列の後に続くその箇所はロータの低温限度内にあ
る。このことにより、低圧ＮｉＣｒＭｏロータを溶接す
るのに用いられる前述した充填材料を使用することが可
能になる。軸部分の間の長さが約３３１．５ｃｍ＋で、
直径が約１３５ｃｓ＋〜１４０ｃｍである代表的な高低
温ロータに対しては、図示された溶接箇所Ｗでは、フラ
ンジおよび溶接の半径方向の長さは７．６ｃｎ　〜１０
ｃｍで、クラッド層の厚さは１．２７ｃｏ＋であること
が二つのロータセグメントから形成された安全なロータ
を提供するには十分であると思われる。

溶接手順にはティグ溶接（ＧＴＡＷ）あるいはミグ溶接
（Ｇ：ＴＡＷ）が用いられる。ティグ溶接は、以前から
ロータを補修するのに用いられ、比較的高い超音波の品
質を要求しており、予熱があっても殆ど必要とせず、ま
たロータの材料の仕様書よりも優れた引張り応力および
衝撃特性を有する溶接部が製造される。特に、ＧＴＡＷ
工程で製造された低合金鋼溶接部は約９０〜１１５Ｋｓ
ｉ　（６２１〜７９３Ｍ　Ｐ　ａ）の降伏強度を有して
おり、また室温で約１６０〜２１０ｆｔ−１ｂｓ（２１
７〜２８６Ｊ）のシャルピーしん性を有している。

ミグ溶接はまたロータを補修するために用いられてきた
。ＣｒＭｏＶロータの補修溶接では、特に、ＣＭ八−工
程により製造された溶接部は約８５〜１００Ｋｓｉ（５
８６〜６８９ＭＰａ）の降伏強度を有しており、また室
温で約１１０−１３０ｆｔ−１ｂｓ（１５０−１７７Ｊ
　）のシャルピーじん性を有している。また、第３の溶
接工程であるサブマージアーク溶接は適用されるが、テ
ストでは、ｖｉｚ、低溶接超音波品質、低熱影響部の機
会特性およびクラッキングの問題といった困難な問題を
有している。

この発明は、ロータセグメントから高低温ロータを形成
する方法を提供している。この方法の段階に従うことに
より、ロータセグメントのロータ材料、その結果生じた
ロータのどちらの特性にも妥協することなく、最良の品
質および特性が溶接部（低圧力充填材料）において得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明により形成されたロータを含むタービ
ンの部分断面図、第２図はこの発明に従って溶接される
ために整列された二つのロータのセグメントの部分断面
図、第３図は高温合金ロータセグメントの軸線方向に延
びるフランジの表面上のクラッド層の構成を示す概略図
、第４図はクラッド層を加工した後の第３図と同じ断面
図、第５図は、フランジ上にクラッド層を有し、第２の
ロータセグメント即ち低温合金ロータセグメントのフラ
ンジに対して隣接して位置した、第１のロータセグメン
トのフランジを示す概略断面図、第６図はロータを形成
するために接合溶接された後の第１および第２のロータ
セグメントのフランジの概略断面図である。 図において、１はタービンロータ、３は第１のロータセ
グメント、５は第２のロータセグメント２７は第１の端
面、３９は第２の端面、３５は第１の環状フランジ、４
７は第２の環状フランジ、３７は接面、ＦＩＧ、４ 手続補正書 平成３年２月２８８

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）分割されたロータセグメントから形成されたター
   ビンロータであって、 クロム、モリブデンおよびバナジウムを含む鉄合金であ
   る第１のロータセグメントと、 ニッケル、クロム、モリブデンおよびバナジウムを含む
   鉄合金である第２のロータセグメントとを備え、 前記第１のロータセグメントおよび前記第２のロータセ
   グメントは、それらの内部に前記第１のタービンロータ
   の中心軸線および前記第２のタービンロータの中心軸線
   から、それらの外側表面から間隔を置いたところまで延
   びている空隙を有する対向面を含んでおり、その結果軸
   方向に延びかつ軸方向に向いた接面として終わっている
   環状フランジが形成され、 前記第１のロータセグメントの前記環状フランジの前記
   軸方向に向いた接面にクラッド層が溶接され、 前記第１のロータセグメントの前記環状フランジ上の前
   記クラッド層と、前記第２のロータセグメントの前記軸
   方向に向いた接面との間には充填材料により溶接部が形
   成された、タービンロータ。
2. （２）異なる合金材料からなる分割されたロータセグメ
   ントからタービンロータを形成する方法であって、 第１の端面を有するとともに、合金材料からなる第１の
   ロータセグメントであって、前記第１のロータセグメン
   トの中心軸線から半径方向に前記第１のロータセグメン
   トの外側表面から間隔を置いた位置まで延びている空隙
   を有し、また軸方向に向いた接面を有する第１の軸方向
   に延びて形成された環状フランジを有する前記第１のロ
   ータセグメントを形成し、 第２の端面を有するとともに、他の合金材料からなる第
   ２のロータセグメントであって、前記第２のロータセグ
   メントの中心軸線から半径方向に前記第２のロータセグ
   メントの外側表面から間隔を置いた位置まで延びている
   空隙を有し、また軸方向に向いた接面を有する第２の軸
   方向に延びて形成された環状フランジを有する前記第２
   のロータセグメントを形成し、 前記第１のロータセグメントの外側表面から越えた状態
   で、前記第１の端面の環状フランジの前記軸方向に向い
   た接面に充填材料からなるクラッド層を溶接し、 クラッド層上を平滑な表面にするために加工し、前記ク
   ラッド層および前記第１のロータセグメントの前記環状
   フランジの隣接部分を熱処理し、前記第１の端面および
   前記第２の端面が対向し、また前記環状フランジ間に溶
   接ルート間隔が形成されるように間隔を置いた隣接関係
   で前記第１のロータセグメントと前記第２のロータセグ
   メントとを一致させ、前記第１のロータセグメントと前
   記第２のロータセグメントとを前記溶接ルート間隔で溶
   接して、それらのロータセグメントの外側表面から越え
   て接合溶接部を形成し、 前記接合溶接部を熱処理し、 前記第１のロータセグメントと前記第２のロータセグメ
   ントとの両外側表面と互いに補足し合って平滑な表面を
   形成するように前記接合溶接部を加工する、 タービンロータの形成方法。