JP5867242B2 - 蒸気タービン翼の製造方法および蒸気タービン翼の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン翼の製造方法および蒸気タービン翼の製造装置に関する。

一般に、液滴化した蒸気が高速で回転する蒸気タービン翼に衝突するとエロージョン摩耗が蒸気タービン翼の前縁部（入口側）に発生し、蒸気タービン翼の寿命を大きく低下させる原因となる。
このようなエロージョン摩耗の発生を抑制する方策として、蒸気タービン翼の前縁部に火炎焼入れを施してエロージョン摩耗の発生を抑制する方法（例えば、特許文献１、２参照）や、蒸気タービン翼の前縁部にレーザ焼入れを施してエロージョン摩耗の発生を抑制する方法（例えば、特許文献３参照）が知られている。

しかし、蒸気タービン翼の前縁部を火炎焼入れする前者の方法では、蒸気タービン翼に対して入熱量を精度よく管理することが難しく、焼入れ後の硬さにバラツキが生じやすいという問題もある。また、現状の入熱量管理は熟練した技能者に依存しており、技術伝承が非常に困難であるという問題もある。
これに対し、蒸気タービン翼の前縁部をレーザ焼入れする後者の方法では、上記のような問題が生じることはほとんどない。しかしながら、特許文献３に記載された方法で蒸気タービン翼の前縁部に硬化処理を施して硬度４５０Ｈｖ以上の高硬度層を形成しようとすると、高硬度層の硬化深さが２ｍｍ以下となる。このため、蒸気タービン翼の耐エロージョン寿命が１０年未満と短くなり、蒸気タービン翼の交換作業を少なくとも１０年ごとにしなければならないという問題がある。

特開平８−２２５８２８号公報 特開平２−８０５１８４号公報 特開平６−１７３６０４号公報

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので、エロージョン摩耗に対する蒸気タービン翼の寿命を２０年以上に延ばすことのできる蒸気タービン翼の硬化処理方法を提供することを目的とする。また、本発明は、エロージョンに対して２０年以上の寿命を有する蒸気タービン翼を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼である蒸気タービン翼の前縁部にレーザビームを照射して硬化処理し深さ２ｍｍ以上の高硬度層を形成する蒸気タービン翼の製造方法であって、前記蒸気タービン翼の前縁部に半導体レーザからレーザビームを照射するステップと、前記レーザビームの照射箇所で発生する熱放射光の強度を検出するステップと、前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が上限強度を上回る場合に該レーザビームの出力を下げ、該レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が下限強度を下回る場合にレーザビームの出力を上げるフィードバック制御を行うステップと、を含み、前記上限強度が、前記レーザビームの熱エネルギーにより前記蒸気タービン翼の表層部に溶融を生じるフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の熱放射光の強度よりも低く設定されていて、前記レーザビームの照射から照射完了までの間、前記熱放射光の強度の検出および前記フィードバック制御を繰り返し行うことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の蒸気タービン翼の製造方法において、前記レーザビームのビームスポット面積が、２００ｍｍ ^２ 以上であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の蒸気タービン翼の製造方法において、前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が上限強度を上回る場合、該熱放射光の検出強度と該上限強度との偏差を変数とする函数に従って該レーザビームの出力を下げることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の製造方法において、前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が下限強度を下回る場合、現在の出力に対して出力を加算し、該レーザビームの出力を上げることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の製造方法において、前記蒸気タービン翼の根元部側にて、前記高硬度層の幅を小さくするステップをさらに含むことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の製造方法において、前記蒸気タービン翼の根元部側にて、前記高硬度層の硬化深さを小さくするステップをさらに含むことを特徴とする。
請求項７の発明は、蒸気タービン翼の製造装置であって、半導体レーザで構成され、レーザビームを発生するレーザ発生器と、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼である蒸気タービン翼の前縁部に前記レーザビームを照射するレーザ照射ヘッドと、前記レーザ照射ヘッドを駆動してレーザビームを二次元方向に走査するレーザビーム走査機構と、前記レーザビームの照射箇所で発生する熱放射光の強度を検出する熱放射光検出器と、前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が上限強度を上回る場合に該レーザビームの出力を下げ、該レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が下限強度を下回る場合にレーザビームの出力を上げるフィードバック制御を行う制御装置と、を備え、前記上限強度が、前記レーザビームの熱エネルギーにより前記蒸気タービン翼の表層部に溶融を生じるフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の熱放射光の強度よりも低く設定され、前記制御装置が、前記レーザビームの照射から照射完了までの間、前記熱放射光の強度の検出および前記フィードバック制御を繰り返し行うことで前記前縁部に深さ２ｍｍ以上の高硬度層を形成することを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項７に記載の蒸気タービンの製造装置であって、前記レーザビームのビームスポット面積が、２００ｍｍ^２以上であることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項７または８に記載の蒸気タービンの製造装置であって、前記制御装置は、前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が上限強度を上回る場合、該熱放射光の検出強度と該上限強度との偏差を変数とする函数に従って該レーザビームの出力を下げることを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項７〜９のいずれか一項に記載の蒸気タービンの製造装置であって、前記制御装置は、前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が下限強度を下回る場合、現在の出力に対して出力を加算し、該レーザビームの出力を上げることを特徴とする。

本発明によれば、蒸気タービン翼の前縁部に硬度４５０Ｈｖ以上、硬化深さ２ｍｍ以上の高硬度層を形成することが可能となり、これにより、エロージョン摩耗に対する蒸気タービン翼の寿命を２０年以上に延ばすことができる。

本発明の一実施形態を実施するときに用いられるタービン翼硬化処理装置の概略構成を示す図である。 レーザ照射ヘッドから蒸気タービン翼の前縁部表面にレーザビームを照射した状態を示す図である。 図１に示すレーザ発生器のレーザ出力を制御する方法の一例を示す図である。 レーザによる硬化処理が施された試験片切断面の写真を示す図である。 試験片の表面にレーザビームを照射して試験片の表層部を硬化させたときの硬度と硬化深さとの関係を示す図である。 レーザによる硬化処理が施された試験片表層部の硬化深さとレーザビームのビームスポット面積との関係を示す図である。 本発明による硬化処理が施された蒸気タービン翼の一例を示す図である。 本発明による硬化処理が施された蒸気タービン翼の他の例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１に、本発明の一実施形態を実施するときに用いられるタービン翼硬化処理装置の概略構成を示す。図１に示されるタービン翼硬化処理装置は蒸気タービン翼１の前縁部表面にレーザビーム２を照射して蒸気タービン翼１の前縁部１７を硬化処理する装置であって、レーザ発生器３、レーザ照射ヘッド４、レーザビーム走査機構５、照射ヘッド位置検出器６、熱放射光検出器７および制御装置１１を備えている。

レーザ発生器３は蒸気タービン翼１の前縁部表面に照射されるレーザビーム２を発生するものであって、例えば発振波長が８００ｎｍ±１０ｎｍまたは９４０±１０ｎｍ、最大出力が１３００Ｗ〜１５００Ｗの半導体レーザ等から構成されている。
レーザ照射ヘッド４はレーザ発生器３で発生したレーザビーム２を蒸気タービン翼１の前縁部表面に照射するものであって、蒸気タービン翼１の前縁部表面で反射したレーザビーム２が入射するのを防ぐため、蒸気タービン翼１の前縁部表面にレーザビーム２が例えば４５°の角度で照射される位置に配置されている。

レーザビーム走査機構５はレーザ照射ヘッド４を駆動してレーザビーム２を二次元方向に走査するものであって、例えばレーザ照射ヘッド４をＸ方向（図１中左右方向）に駆動するＸ方向駆動機構部と、レーザ照射ヘッド４をＹ方向（図１中紙面に対して垂直な方向）に駆動するＹ方向駆動機構部（いずれも図示せず）とから構成されている。
照射ヘッド位置検出器６はレーザ照射ヘッド４の位置を検出するものであって、レーザビーム走査機構５に付設されている。

熱放射光検出器７はレーザビーム２の照射箇所で発生する熱放射光（例えば波長１．５６μｍの熱放射光）１２の強度を検出するものであって、例えばレーザビーム２の照射箇所で発生する熱放射光１２のうち特定波長の熱放射光成分を減衰させるノッチフィルタ８と、このノッチフィルタ８を通過した熱放射光のうち特定波長の熱放射光成分のみを通す干渉フィルタ９と、この干渉フィルタ９を通過した熱放射光の強度を検出する熱放射光センサ１０とから構成されている。

制御装置１１はレーザ発生器３を制御するものであって、熱放射光検出器７により検出された熱放射光１２の強度を温度に換算した値が蒸気タービン翼１の融点より低い温度となるとともに硬度４５０Ｈｖ以上となるようにレーザ発生器３のレーザ出力を制御するように構成されている。
図２に、レーザ照射ヘッド４から蒸気タービン翼１の前縁部表面にレーザビーム２を照射した状態を示す。レーザ照射ヘッド４はレーザ発生器３からのレーザビーム２を集束する集束レンズ（図示せず）を有し、この集束レンズを通過したレーザビーム２は、図２に示すように、所定のビームスポット面積（照射面積）Ａで蒸気タービン翼１の前縁部表面に照射される。

レーザ発生器３のレーザ出力を制御する方法の一例を図３に示す。蒸気タービン翼１の前縁部表面にレーザビーム２がレーザ照射ヘッド４から照射され、蒸気タービン翼１の前縁部表面に照射されたレーザビーム２がレーザビーム走査機構５により二次元方向に走査されると、図３に示すように、制御装置１１は照射ヘッド位置検出器６の出力をステップＳ１で取り込み、レーザ照射ヘッド４がレーザビーム２の照射完了位置に到達したか否かをステップＳ２で判定する。

ここで、レーザ照射ヘッド４がレーザ照射完了位置に到達している場合は、ステップＳ８に進み、レーザ発生器３の出力を零まで下げた後、蒸気タービン翼１に対する硬化処理を終了する。また、レーザ照射ヘッド４がレーザ照射完了位置に到達していない場合には、制御装置１１は熱放射光検出器７の出力をステップＳ３で取り込み、熱放射光検出器７により検出された熱放射光１２の強度があらかじめ設定した上限強度（例えば、蒸気タービン翼１の前縁部表面がレーザビーム２の熱エネルギーにより融点に達する直前の熱放射光強度）以下であるか否かをステップＳ４で判定する。

熱放射光検出器７により検出された熱放射光１２の強度が上限強度以下でない場合には、制御装置１１は熱放射光検出器７により検出された熱放射光１２の強度を温度に換算した値が蒸気タービン翼１の融点より低い温度となるようにレーザ発生器３のレーザ出力をステップＳ５で制御した後、ステップＳ１に戻る。具体的には、熱放射光１２の検出強度と上限強度との偏差を変数とする函数ｆに従ってレーザ発生器３のレーザ出力をステップＳ５で制御する。

一方、熱放射光検出器７により検出された熱放射光１２の強度が上限強度以下の場合には、制御装置１１は熱放射光検出器７により検出された熱放射光１２の強度があらかじめ設定した下限強度（例えば、硬度４５０Ｈｖ以上の高硬度層を得ることが困難なレーザビーム２を照射した場合の熱放射光強度）以上であるか否かをステップＳ６で判定する。

ここで、熱放射光検出器７により検出された熱放射光１２の強度が下限強度以上の場合は、ステップＳ１に戻り、照射ヘッド位置検出器６の出力を取り込む。また、熱放射光検出器７により検出された熱放射光１２の強度が下限強度を下回っている場合には、制御装置１１はステップＳ７に進み、レーザビーム２の熱エネルギーにより蒸気タービン翼１の前縁部に硬度４５０Ｈｖ以上の高硬度層が形成されるようにレーザ発生器３の出力を制御した後、ステップＳ１に戻る。具体的には、制御装置１１はレーザ発生器３の出力が現在の出力に例えば４０Ｗを加算した出力となるようにレーザ発生器３の出力をステップＳ７で制御する。

なお、図１に示すタービン翼硬化処理装置を用いて蒸気タービン翼１の前縁部１７を硬化処理する場合は、レーザ吸収率のばらつきを抑制するために、蒸気タービン翼１の前縁部表面をあらかじめ♯８０の研磨紙で磨いておくことが好ましい。
本発明者らは、１３クロム合金鋼からなる試験片の表面にレーザビームをビームスポット面積：６００ｍｍ^２、レーザ出力：１３００Ｗ、レーザ走査速度：０．０２ｍ／ｍｉｎの条件で照射して試験片の硬化処理を行った後、硬化処理が施された試験片を厚さ方向に切断した。そして、切断された試験片の切断面を写真撮影すると共に、試験片切断面の硬さを硬さ試験機で測定した。このとき得られた試験片切断面の写真を図４に示す。

試験片切断面の硬さを硬さ試験機で測定したところ、図４に示される高硬度層１３の硬さは４５０Ｈｖ以上、硬化層１４の硬さは４５０Ｈｖ未満であった。なお、高硬度層１３の硬化深さは４．２ｍｍ以上、高硬度層１３と硬化層１４を足し合わせた硬化深さは８．５ｍｍであった。この時の表層部は溶融していない。
次に、本発明者らは、１３クロム合金鋼からなる試験片の表面にレーザビームを照射して試験片の表層部を硬化させたときの硬度と硬化深さとの関係について調査した。その調査結果を図５に示す。

図５に示される試験片表層部の硬度と硬化深さとの関係から、試験片表層部の硬化深さが４．２ｍｍ未満では試験片表層部の硬度が４５０Ｈｖ以上となり、試験片表層部の硬化深さが４．２ｍｍを超えると試験片表層部の硬度が４５０Ｈｖより低い値となることがわかった。
次に、本発明者らは、１３クロム合金鋼からなる試験片の表面にレーザビームを表１に示す照射条件で照射して試験片の硬化処理を行い、試験片表層部の硬化深さ（硬度４５０Ｈｖ以上）とレーザビームのビームスポット面積との関係について調査した。その調査結果を図６に示す。

図６に示すプロット点ａは試験片の表面にレーザビームを表１の照射条件１で照射した場合を示し、図６に示すプロット点ｂは試験片の表面にレーザビームを表１の照射条件２で照射した場合を示している。また、図６に示すプロット点ｃは試験片の表面にレーザビームを表１の照射条件３で照射した場合を示している。
図６に示される試験片表層部の硬化深さとレーザビームのビームスポット面積との関係から、硬度４５０Ｈｖ以上、硬化深さ２．０ｍｍ以上の高硬度層を得るためには、蒸気タービン翼の前縁部表面に照射されるレーザビームのビームスポット面積を２００ｍｍ^２以上にすれば良いことがわかる。

したがって、蒸気タービン翼１の前縁部表面にレーザビーム２を照射して蒸気タービン翼１の前縁部１７を硬化処理するに際して、蒸気タービン翼１の前縁部表面にビームスポット面積が２００ｍｍ^２以上のレーザビーム２を照射することで、硬度４５０Ｈｖ以上、硬化深さ２．０ｍｍ以上の高硬度層を蒸気タービン翼の前縁部１７に形成することが可能となり、これにより、エロージョン摩耗に対する蒸気タービン翼の寿命を２０年以上に延ばすことができる。その結果、メンテナンスフリーとなる蒸気タービン翼を得ることができる。

また、レーザビーム２の照射箇所で発生する熱放射光１２の強度を熱放射光検出器７で検出し、熱放射光検出器７により検出された熱放射光１２の強度を温度に換算した値が蒸気タービン翼１の融点以下となるようにレーザ発生器３のレーザ出力をフィードバック制御することで、蒸気タービン翼１の表面温度を融点以下の一定温度に保つことができ、これにより、蒸気タービン翼１の融解を引き起こすことなく硬度４５０Ｈｖ、硬化深さ２．０ｍｍ以上の高硬度層を蒸気タービン翼１の前縁部表層部に形成することができる。

なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、高硬度層の終端部の幅が蒸気タービン翼の根元部に近づくに従って小さくなるように、蒸気タービン翼の前縁部表面にレーザビームを照射して蒸気タービン翼の硬化処理を行っても良い。このようにすると、図７に示されるように、蒸気タービン翼１の前縁部１７に形成される高硬度層１３の終端部の幅が蒸気タービン翼１の根元部に近づくに従って小さくなり、これにより、硬化処理によって生じる金属組織の相変態に起因する歪によって蒸気タービン翼１の前縁部１７における硬化領域の終端部に発生する圧縮残留応力は低減する。その結果、硬化領域と４５０Ｈｖ未満の非硬化領域１６との境界近傍には常に引張残留応力が発生するが、その引張残留応力は低減する。これによって、応力腐食割れの発生を抑制することができる。特に、高硬度層１３の終端部ではタービン翼長手方向にかかる遠心力による引張力と残留応力１５の方向が一致するため、遠心力と残留応力の相乗効果により高硬度層１３の終端部は非常に大きな引張り応力状態となり、応力腐食割れが発生しやすくなるが、高硬度層１３の終端部の幅が蒸気タービン翼１の根元部に近づくに従って小さくなることにより残留応力１５が小さくなるため、応力腐食割れの発生が抑制される。

また、高硬度層の終端部の硬化深さが蒸気タービン翼の根元部に近づくに従って小さくなるように、蒸気タービン翼の前縁部表面にレーザビームを照射して蒸気タービン翼の硬化処理を行っても良い。このようにすると、図８に示されるように、蒸気タービン翼１の前縁部１７に形成される高硬度層１３の終端部（図中斜線で示す部分）の硬化深さが蒸気タービン翼１の根元部に近づくに従って小さくなり、これにより、硬化処理によって生じる金属組織の相変態に起因する歪によって蒸気タービン翼１の前縁部表層部の硬化領域と４５０Ｈｖ未満の非硬化領域１６との境界近傍に発生する引張残留応力を低減することができ、その結果、応力腐食割れの発生を抑制することができる。なお、蒸気タービン翼の根元部では、蒸気タービン翼の先端と比較して周速が遅く、エロージョンの侵食が遅いため、蒸気タービン翼の根元部においては硬化深さが２ｍｍ以下でも十分な寿命が得られる。

１…蒸気タービン翼
２…レーザビーム
３…レーザ発生器
４…レーザ照射ヘッド
５…レーザビーム走査機構
６…照射ヘッド位置検出器
７…熱放射光検出器
８…ノッチフィルタ
９…干渉フィルタ
１０…熱放射光センサ
１１…制御装置
１２…熱放射光
１３…４５０Ｈｖ以上の高硬度層
１４…４５０Ｈｖ未満の硬化層
１５…残留応力
１６…非硬化領域
１７…前縁部
Ａ…レーザビームのビームスポット面積

Claims (10)

1. フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼である蒸気タービン翼の前縁部にレーザビームを照射して硬化処理し深さ２ｍｍ以上の高硬度層を形成する蒸気タービン翼の製造方法であって、
   前記蒸気タービン翼の前縁部に半導体レーザからレーザビームを照射するステップと、
   前記レーザビームの照射箇所で発生する熱放射光の強度を検出するステップと、
   前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が上限強度を上回る場合に該レーザビームの出力を下げ、該レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が下限強度を下回る場合にレーザビームの出力を上げるフィードバック制御を行うステップと、
   を含み、
   前記上限強度が、前記レーザビームの熱エネルギーにより前記蒸気タービン翼の表層部に溶融を生じるフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の熱放射光の強度よりも低く設定されていて、
   前記レーザビームの照射から照射完了までの間、前記熱放射光の強度の検出および前記フィードバック制御を繰り返し行うことを特徴とする蒸気タービン翼の製造方法。
2. 前記レーザビームのビームスポット面積が、２００ｍｍ ^２ 以上であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン翼の製造方法。
3. 前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が上限強度を上回る場合、該熱放射光の検出強度と該上限強度との偏差を変数とする函数に従って該レーザビームの出力を下げることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気タービン翼の製造方法。
4. 前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が下限強度を下回る場合、現在の出力に対して出力を加算し、該レーザビームの出力を上げることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の製造方法。
5. 前記蒸気タービン翼の根元部側にて、前記高硬度層の幅を小さくするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の製造方法。
6. 前記蒸気タービン翼の根元部側にて、前記高硬度層の硬化深さを小さくするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の製造方法。
7. 半導体レーザで構成され、レーザビームを発生するレーザ発生器と、
   フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼である蒸気タービン翼の前縁部に前記レーザビームを照射するレーザ照射ヘッドと、
   前記レーザ照射ヘッドを駆動してレーザビームを二次元方向に走査するレーザビーム走査機構と、
   前記レーザビームの照射箇所で発生する熱放射光の強度を検出する熱放射光検出器と、
   前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が上限強度を上回る場合に該レーザビームの出力を下げ、該レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が下限強度を下回る場合にレーザビームの出力を上げるフィードバック制御を行う制御装置と、
   を備え、
   前記上限強度が、前記レーザビームの熱エネルギーにより前記蒸気タービン翼の表層部に溶融を生じるフェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の熱放射光の強度よりも低く設定され、
   前記制御装置が、前記レーザビームの照射から照射完了までの間、前記熱放射光の強度の検出および前記フィードバック制御を繰り返し行うことで前記前縁部に深さ２ｍｍ以上の高硬度層を形成することを特徴とする蒸気タービン翼の製造装置。
8. 前記レーザビームのビームスポット面積が、２００ｍｍ ^２ 以上であることを特徴とする請求項７に記載の蒸気タービン翼の製造装置。
9. 前記制御装置は、前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が上限強度を上回る場合、該熱放射光の検出強度と該上限強度との偏差を変数とする函数に従って該レーザビームの出力を下げることを特徴とする請求項７または８に記載の蒸気タービン翼の製造装置。
10. 前記制御装置は、前記レーザビームの照射箇所の熱放射光の強度が下限強度を下回る場合、現在の出力に対して出力を加算し、該レーザビームの出力を上げることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼の製造装置。

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