JP4141161B2 - ターボ機械用ロータ及び該ロータの製作法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ機械用ロータであって、高い運転温度に晒されており且つ特に耐クリープ性の材料から成る、有利にはディスク形の少なくとも１つの第１のロータ区分と、低下された運転温度に晒されており且つ耐クリープ性の小さな材料から成る、有利にはディスク形の少なくとも１つの第２のロータ区分とを有しており、これらの第１のロータ区分と第２のロータ区分とが溶接技術によって互いに結合されており、両ロータ区分を結合するために、これらの両ロータ区分間に粉末冶金法で製作された移行域が配置されており、該移行域の少なくとも一方の側が、両ロータ区分の内の一方と溶接されており且つ溶接されたロータ区分と同じ組成を有しており、移行域が、両ロータ区分と溶接された別個の移行部材によって形成され、該移行部材の組成が場所に関連しており、第１のロータ区分に面した側では第１のロータ区分の組成に等しく、第２のロータ区分に面した側では第２のロータ区分の組成に等しい形式のものに関する。更に本発明は、前記ロータの製作法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガスタービン等の回転式熱的機械の効率は、運転温度が例えば６００℃以上に上昇することによって著しく改善することができる。この場合、例えば６００℃以上の温度で使用するためのロータは、手間のかかるロータ冷却を省略できるようにするために、特に耐クリープ性の材料から製作されるのが望ましい。このことは一般にガスタービン、蒸気タービン、ターボチャージャ、圧縮機及びポンプのロータについて云える。運転温度の上昇に伴い、十分な耐クリープ性が常に保証されているためには低合金鋼からマルテンサイト高合金鋼、オーステナイト鋼及びニッケルベース合金に変えることが必要である。但し、ニッケルベース合金は低合金鋼よりも著しく高価である。従ってロータのコストを最小限にするためには、ロータの高温域若しくは高温区分だけが特に耐クリープ性の材料から成っている一方で、その他の領域（例えばロータ端部）は適当な鋼から製作されていてよい。
【０００３】
一般にディスク形又はドラム形の複数のセグメントが一緒に溶接された前記のようなロータの製作は、相応して異なる材料間の結合を必要とする。この結合は、構成部材のねじ締結又は溶接によって生ぜしめられる。ねじ結合部は過度の機械的な応力に晒されている。ねじ結合部は小型タービンにおいて既に使用されているが、大型タービンに関する実績はない。
【０００４】
既に述べたように、ロータの構成部材の溶接においては同じ材料から成る２つの部材間の溶接結合だけでなく、異なる材料間の溶接結合も必要になる。同じ材料から成る部材間の溶接結合がどちらかといえば危機的ではないのに対して、異なる材料から成る部材の溶接では問題が生じる。即ち、溶融池の凝固が場合によっては亀裂形成を生ぜしめる。
【０００５】
米国特許第４３３３６７０号明細書では、低合金炭素鋼と、多量のクロム成分を有する高温合金とから成る管状の構成部材を結合するために移行結合部（"transition joint"）が提案されており、この移行結合部は、それぞれ独自の材料組成を有しており且つ結合しようとする２つの管状の構成部材相互を徐々に適合させることを可能にする、互いに溶接された多数の移行部材のつなぎ合わせから成っている。但し、溶接された複数の構成部材から成るこのような移行結合部の製作は、特に大きな寸法の場合は非常に手間がかかる。更に、このような移行結合部は結合しようとする構成部材間に、ロータには供与されていない相当のスペースを要求する。
【０００６】
米国特許第４７４３１６５号明細書では、超合金（ＩＮ１００）製のディスクが別の合金（ＩＮ７１８）製のシール部材と溶接されるガスタービンのロータの製作において、特別な溶接法（「フライホイール式摩擦圧接」）が使用される。超合金製の構成部材と鋼製の構成部材との結合は提案されていない。
【０００７】
最後に米国特許第４４８６３８５号明細書では、溶接によって異なる鋼から成る環状部材を結合するために、粉末冶金法で製作され且つ長さにわたって可変の、端部がそれぞれ結合しようとする環状部材の組成と一致する組成を有する管状の移行部材を使用することが提案される。鋼部材とニッケルベース合金から成る部材との間の溶接結合は提案されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、手間のかかる冷却無しでも高められた運転温度に適しており且つ特に耐クリープ性の材料から成る構成部材及び耐クリープ性の小さな材料から成る構成部材から機械的な強度を損失させることなく溶接されているターボ機械用のロータ、並びにこのようなロータの製作法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明では、特に耐クリープ性の材料がニッケルベース合金 であるようにした。更に本発明では、金属粉末と同じ組成から成る移行域を、高温アイソスタティックプレス（ＨＩＰ）によって製作するようにした。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の核心は、一方は耐クリープ性の小さな材料（鋼）から成っており、他方は特に耐クリープ性の材料（ニッケルベース合金）から成っている２つの構成部材若しくは区分の間を溶接結合するために移行域が設けられており、この移行域は粉末冶金法で製作されており且つ前記構成部材若しくは区分の内の一方と溶接される側に、正に隣接する構成部材若しくは区分の組成を有しているという点にある。移行域が、各溶接結合部側の組成から溶接される構成部材に適合されていることにより、機械的に高負荷可能な確実な溶接結合が得られる。この場合、移行域は省スペースで比較的簡単に製作することができる。
【００１４】
前記移行域は両ロータ区分と溶接された別個の移行部材によって形成され、この場合、移行部材の組成は場所に関連しており且つ第１のロータ区分に面した側は第１のロータ区分の組成に等しく、第２のロータ区分に面した側は第２のロータ区分の組成に等しい。
【００１５】
特に、移行部材はリング形或いは孔無し又は孔あきディスク形を有していてよい。
【００２１】
本発明による方法の有利な実施形態は、移行域を形成するためにまず最初に粉末冶金法で、第１のロータ区分に面した側の組成が第１のロータ区分の組成に等しく、第２のロータ区分に面した側の組成が第２のロータ区分の組成に等しい、場所に関連した組成を有する別個の移行部材を製作し、次いでこの移行部材を両ロータ区分と溶接するという点において優れている。
【００２２】
この場合、溶接シームの検査に関して、移行部材を最初に第１のロータ区分に溶接し、移行部材を第２のロータ区分と溶接する前に所属の溶接シームを特にＸ線を用いて非破壊検査すると有利である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００２５】
本発明の思想は、例えば鋼等の耐クリープ性の小さな材料から成る構成部材と、例えばニッケルベース合金等の特に耐クリープ性の材料から成る構成部材との間の溶接結合のために移行部材を使用するという点にある。この移行部材では、材料組成が移行部材の一方の端部における耐クリープ性の小さな材料若しくは鋼の組成から、移行部材の他方の端部における特に耐クリープ性の材料若しくはニッケルベース合金の組成に移行している。当該移行部材は粉末冶金法で製作される。
【００２６】
ニッケルベース合金製の高温耐久性の第１のロータ区分１２が高温にあまり晒されない第２のロータ区分１１に溶接技術によって結合されている、図６に示したガスタービン用のロータ１０には、ディスク状又はドラム状の移行部材１３が必要となる。この移行部材１３は左側を第１の溶接シーム１４を介してロータ区分１１に溶接されており且つ右側を第２の溶接シーム１５を介してロータ区分１２に溶接されている。勿論、蒸気タービン、ターボチャージャ、圧縮器又はポンプも同様に構成することができる。
【００２７】
移行部材１３を製作するためには、まず最初に図１に示した予備型１３′を製作し、この予備型１３′内で鋼から成る粉末及びニッケルベース合金から成る粉末を互いに混合し、ロータ区分１１に面した端部が１００％鋼粉末から成り、ロータ区分１２に面した端部が１００％ニッケルベース合金から成るようにする一方で、前記両端部間において鋼粉末量及びニッケルベース合金粉末量が常に変化するようにする。凝固時の亀裂形成を防止するためには、移行部材１３を溶融せずに製作することが重要である。ロータ１０を不必要に延長しないために、移行部材１３の軸方向長さは小さく保たれるのが望ましいが、両溶接部の熱影響ゾーンがオーバラップするほど短くはない。移行ゾーンには羽根固定部が位置していないのが望ましい。この位置にはむしろ、対向位置するケーシング部材の静翼が固定されていてよい。
【００２８】
予備型１３′からは、高温及び高圧での高温アイソスタティックプレス（ＨＩＰ）及び引き続く熱処理により、１００％圧縮された、図２に示した移行部材１３が製作される。この場合、移行部材１３において鋼の成分は曲線２０に基づき左から右へ、例えば直線的に１００％から０％に低下しているのに対して、ニッケルベース合金の成分は曲線１９に基づき直線的に０％から１００％へ増大している。
【００２９】
完成した移行部材１３は図３及び図４に示したように、１００％ニッケルベース合金から成る右側の端部を以て、ニッケルベース合金製のロータ区分１２に溶接される。この場合は適当な溶接電極が使用される。これにより、亀裂無しの溶接シーム１５が可能になる。
【００３０】
ニッケルベース合金の溶接結合部、つまり溶接シーム１５は、材料内の防音材料のために、超音波によって満足に非破壊検査することができない。従って、検査は溶接結合部の両側（内側及び外側）へのアクセスを要求するＸ線撮影によって行われねばならない。この理由から、まず最初に移行部材１３とロータ区分１２との間の溶接結合部だけを製作する。次いでこの結合部の溶接シーム１５を図示の様にＸ線撮影によって検査する。この場合、例えばＸ線源１６を溶接シーム１５に外側から照射して、内部に配置されたＸ線フィルムで以て撮影を行う。
【００３１】
溶接シーム１５の検査後に、鋼製のロータ区分１１を移行部材１３の「鋼端部」に鋼電極を用いて溶接し、次いで得られた溶接シーム１４を超音波テストヘッド１８によって非破壊検査する。この場合はロータ１０の内部へのアクセスは不要なので、ロータ区分１１が（閉鎖された）ロータ端部であるのが望ましいとしても問題は生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 高温アイソスタティックプレス前の、本発明によるロータ用の粉末冶金法で製作された移行部材の概略的な縦断面図である。
【図２】 高温アイソスタティックプレス後の図１に示した移行部材及び所属の、場所に関連した組成の経過を例示した図である。
【図３】 図２に示した移行部材を高温耐久性のロータ区分に溶接する図である。
【図４】 図２に示した移行部材を高温耐久性のロータ区分に溶接する図である。
【図５】 Ｘ線撮影による、図４で製作された溶接シームの非破壊検査を示した図である。
【図６】 移行部材の、耐クリープ性の小さな材料から成るロータ区分（例えばロータ端部）との溶接及び超音波による溶接シームの非破壊検査を示した図である。
【符号の説明】
１０ ロータ、 １１ 第２のロータ区分、 １２ 第１のロータ区分、 １３ 移行部材、 １３′ 予備型、 １４，１５ 溶接シーム、 １６ Ｘ線源、 １８ 超音波テストヘッド、 ２１，２２ 層

Claims (6)

1. ターボ機械用ロータ（１０）であって、高い運転温度に晒されており且つ特に耐クリープ性の材料から成る少なくとも１つの第１のロータ区分（１２）と、低下された運転温度に晒されており且つ耐クリープ性の小さな材料から成る少なくとも１つの第２のロータ区分（１１）とを有しており、これらの第１のロータ区分（１２）と第２のロータ区分（１１）とが溶接技術によって互いに結合されており、両ロータ区分（１１，１２）を結合するために、これらの両ロータ区分（１１，１２）間に粉末冶金法で製作された移行域（１３，２１，２２）が配置されており、該移行域の少なくとも一方の側が、両ロータ区分（１１，１２）の内の一方と溶接されており且つ溶接されたロータ区分と同じ組成を有しており、移行域が、両ロータ区分と溶接された別個の移行部材（１３）によって形成され、該移行部材（１３）の組成が場所に関連しており、第１のロータ区分（１２）に面した側では第１のロータ区分（１２）の組成に等しく、第２のロータ区分（１１）に面した側では第２のロータ区分（１１）の組成に等しい形式のものにおいて
   特に耐クリープ性の材料がニッケルベース合金であることを特徴とするターボ機械用ロータ。
2. 前記の耐クリープ性の小さな材料が鋼である、請求項１記載のロータ。
3. 移行部材（１３）がリング形或いは孔無し又は孔あきディスク形を有している、請求項１又は２記載のロータ。
4. 金属粉末と同じ組成から成る移行域（１３）を、高温アイソスタティックプレス（ＨＩＰ）によって製作することを特徴とする、請求項１記載のロータの製作法。
5. 移行域を形成するために、まず最初に第１のロータ区分（１２）に面した側の組成が第１のロータ区分（１２）の組成に等しく、第２のロータ区分（１１）に面した側の組成が第２のロータ区分（１１）の組成に等しい、場所に関連した組成を有する別個の移行部材（１３）を粉末冶金法で製作し、次いで該移行部材を両ロータ区分（１１，１２）に溶接する、請求項４記載の方法。
6. 移行部材（１３）をまず最初に第１のロータ区分（１２）と溶接し、当該移行部材（１３）を第２のロータ区分（１１）と溶接する前に所属の溶接シーム（１５）を特にＸ線を用いて非破壊検査する、請求項５記載の方法。

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