KR20170027832A - 증기 터빈 동익, 증기 터빈 동익의 제조 방법 및 증기 터빈 - Google Patents

Abstract

증기 터빈의 동익렬을 구성하기 위한 하나의 증기 터빈 동익은, 날개부, 날개부의 일단측에 설치된 익근부, 날개부의 타단측에 설치되고 또한 제1 대향면을 갖는 제1 연결부, 및 날개부의 중간에 설치되고 또한 제2 대향면을 갖는 제2 연결부를 갖는 동익 본체를 구비한다. 제1 대향면 및 제2 대향면은, 동익렬에 있어서 인접하여 배치되는 다른 동익 본체의 제1 대향면 및 제2 대향면과 각각 대향 배치되도록 구성되어 있다. 또한, 증기 터빈 동익은, 제1 대향면 및 제2 대향면 중 적어도 한쪽의 표면 상에 고속 프레임 용사에 의해 형성된 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층이며, 당해 피복층과 표면 사이의 확산층의 두께가 10㎛ 이하인 상태로 표면 상에 형성된 피복층을 구비한다.

Description

증기 터빈 동익, 증기 터빈 동익의 제조 방법 및 증기 터빈 {STEAM TURBINE ROTOR BLADE, METHOD FOR MANUFACTURING STEAM TURBINE ROTOR BLADE, AND STEAM TURBINE}

본 개시는, 증기 터빈 동익, 증기 터빈 동익의 제조 방법 및 증기 터빈에 관한 것이다.

예를 들어, 발전 등에 이용되는 축류식 증기 터빈은, 복수의 정익렬 및 동익렬을 갖고, 정익렬 및 동익렬은, 각각 복수의 터빈 정익 및 터빈 동익으로 이루어진다.

터빈 동익으로서, 일본 특허 공개 평4-5402호 공보에 개시되는 인테그랄 슈라우드 날개는, 날개의 선단에 인테그랄 슈라우드를 갖는다. 날개는, 터빈의 운전 시, 원심력에 의해 언트위스트 변형되고, 이에 의해 인접하는 인테그랄 슈라우드가 서로 접촉하도록 구성되어 있다.

이러한 종류의 터빈 동익에서는, 특히 증기 터빈 장익의 장대화에 의한 응력 증가의 대책으로서, 구조 감쇠를 높이기 위해, 일본 특허 공개 평4-5402호 공보와 같이, 날개의 중간부에 인테그랄 스터브가 설치되는 경우가 있다. 일본 특허 공개 평4-5402호 공보에 개시되는 인테그랄 슈라우드 날개에서는, 날개 선단부의 인테그랄 슈라우드 외에, 날개 중간부의 날개 양면측에, 삼각 형상으로 돌출된 인테그랄 스터브가 설치되어 있다. 날개가 원심력에 의해 언트위스트 변형되면, 인접하는 인테그랄 스터브끼리가 서로 접촉하고, 그것에 의해 구조 감쇠를 높이고 있다.

날개 선단부에 인테그랄 슈라우드를 설치하고, 또한 날개의 중간부에 인테그랄 스터브를 설치한 터빈 동익은, 일본 특허 제4058906호 공보, 일본 특허 공개 제2011-137424호 공보에도 개시되어 있다.

일본 특허 제4058906호 공보에 개시되는 증기 터빈의 동익에서는, 인테그랄 슈라우드(제1 연결 부재)의 서로 대향하는 단부면 사이의 간격이, 인테그랄 스터브(제2 연결 부재)의 서로 대향하는 단부면 사이의 간격보다 작아지도록 설정되어 있다. 이에 의해, 로터의 회전수 상승에 수반하여, 먼저, 인테그랄 슈라우드끼리가 접촉하고, 그 후에 인테그랄 스터브끼리가 접촉하게 되므로, 연결 부재와 날개부의 결합부에 과대 응력이 발생하는 것이 억제되어, 터빈의 기동부터 정격 운전에 이르기까지의 운전 범위에 있어서 강도 진동적으로 신뢰성을 향상시킨 동익을 구비한 증기 터빈이 제공된다고 여겨지고 있다.

일본 특허 공개 제2011-137424호 공보에서는, 장익이 되는 동익의 진동 특성을 개선하기 위해 설치한 중간 연결 부재는, 그것이, 동익 사이를 흐르는 증기의 유로 저항이 되어, 공력 성능의 저하를 초래하게 된다. 따라서, 일본 특허 공개 제2011-137424호 공보에 개시되는 터빈 동익렬에서는, 중간 연결 부재의 동익 사이에 있어서의 배치 위치나, 중간 연결 부재의 단면 형상을 적정화함으로써, 동익 사이에 있어서의 공기 역학적인 손실을 저감시킬 수 있는 것이라고 여겨지고 있다.

한편, 증기 터빈에서는, 증기는, 각 터빈 단락에서 팽창일을 하고, 증기가 갖는 에너지가 낮아져, 후단락이 될수록 증기 온도는 저하되고, 증기 통로부는 습한 영역이 된다. 이 습한 영역에서 회전하는 터빈 동익에는, 특히 주속이 큰 날개 선단의 전방 에지부가, 증기 중의 액적의 충돌에 의해 침식(에로전)을 받는 경우가 있다. 따라서, 일본 특허 공개 제2004-270023호 공보에는, 액체에 의한 침식을 받는 기기를 처리하는 방법 및 침식 방지 피복막 합금이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2004-270023호 공보에 개시되는 액체에 의한 침식을 받는 기기를 처리하는 방법에서는, 소정의 조성을 갖는 코발트계 합금이, 액체에 의한 침식을 받는 기기로서의 증기 터빈의 블레이드에, 레이저 도금에 의해 도포된다.

일본 특허 공개 제2014-163371호 공보에는, 티타늄 합금으로 이루어지는 터빈 동익의, 그 연결 부재(커버와 타이보스) 접촉면에, 바인더에는 NiCr을 사용하여, 크롬카바이드(CrC)를 고속 프레임 용사(HVOF 용사)에 의해 피막 시공하는 것이 개시되어 있다. 즉, 일본 특허 공개 제2014-163371호 공보에는, 혼합물을 고속 프레임 용사하는 것이 개시되어 있다.

최근, 증기 터빈에는 고출력화가 요구되고 있고, 터빈의 운전 조건은, 터빈 동익, 특히 최종단의 터빈 동익에 있어서 극히 가혹해지고 있다. 본 발명자들은, 이러한 가혹한 조건하에서는, 날개 전방 에지의 에로전(액적의 충돌에 의한 침식) 외에도, 증기 터빈의 내구성 향상을 위해, 개개의 터빈 동익에 있어서 개선하는 것이 바람직한 사항이 존재한다는 지견을 얻었다.

구체적으로는, 터빈 동익의 슈라우드나 인테그랄 스터브 등, 터빈 동익이 서로 접촉하는 부위에 있어서, 날개 진동의 발생에 수반하여, 접촉면에 미소한 반복 왕복 미끄럼 및 반복 하중이 작용함으로써, 프레팅 마모 및 피로가 발생할 가능성이 있어, 프레팅에 기인하는 손상을 방지하는 것이 바람직하다는 지견을 얻었다.

특히, 티타늄계 합금에 비해 마찰 계수가 작아, 프레팅에 기인하는 손상의 우려가 거의 없었던 스테인리스강으로 이루어지는 터빈 동익이 있어서도, 고출력화하였을 때의 접촉 부위에 있어서의 피크 응력의 상승에 수반하여, 프레팅에 기인하는 손상을 방지하는 것이 바람직하다는 지견을 얻었다.

상술한 사정에 비추어, 본 발명의 적어도 일 실시 형태는, 인접하는 터빈 동익이 서로 접촉하는 부위에 있어서의, 프레팅 마모 및 피로에 기인하는 손상이 방지된 증기 터빈 동익, 증기 터빈 동익의 제조 방법 및 증기 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한, 증기 터빈의 동익렬을 구성하기 위한 하나의 증기 터빈 동익은,

날개부, 상기 날개부의 일단측에 설치된 익근부, 상기 날개부의 타단측에 설치되고 또한 제1 대향면을 갖는 제1 연결부, 및 상기 날개부의 중간에 설치되고 또한 제2 대향면을 갖는 제2 연결부를 갖는 동익 본체이며, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면은, 상기 동익렬에 있어서 인접하여 배치되는 다른 동익 본체의 제1 대향면 및 제2 대향면과 각각 대향 배치되도록 구성된 동익 본체와,

상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면 중 적어도 한쪽의 표면 상에 고속 프레임 용사에 의해 형성된 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층이며, 당해 피복층과 상기 표면 사이의 확산층의 두께가 10㎛ 이하인 상태로 상기 표면 상에 형성된 피복층을 구비한다.

제1 대향면 및 제2 대향면 중 적어도 한쪽의 표면 상에는 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층이 형성되어 있고, 인접하는 터빈 동익에서는, 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층이 서로 접촉한다. 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층은 내 프레팅성이 우수하고, 상기 (1)의 구성에 따르면, 제1 연결부 및 제2 연결부 중 피복층이 형성된 적어도 한쪽에 있어서의 프레팅 마모 및 피로에 의한 손상이 방지된다.

한편, 피복층은 고속 프레임 용사에 의해 제1 대향면 및/또는 제2 대향면의 표면 상에 형성되어 있고, 확산층의 두께가 10㎛ 이하이다. 이로 인해, 가령 피복층에 프레팅에 의해 균열이 발생하였다고 해도, 균열이 하지(모재)까지 진행되는 일이 없다. 따라서, 가령, 프레팅에 의해 손상을 받았다고 해도, 그 손상은, 다시, 고속 프레임 용사에 의해 Co기 합금을 코팅하여 수복하면 충분하며, 날개 자체를 교체할 필요가 없다.

(2) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1)의 구성에 있어서, 상기 피복층은, 적어도 상기 제2 대향면의 표면 상에 형성되어 있다.

종래, 제2 연결부는, 구조 감쇠를 높이기 위한 것이며, 제2 연결부의 제2 대향면에 작용하는 피크 응력은 그다지 크지 않았다. 그러나, 최근의 증기 터빈에 있어서의 고출력화나 증기 터빈 동익의 장익화에 수반하여, 제2 연결부의 제2 대향면에 작용하는 피크 응력도 증대되고 있어, 제2 연결부에 있어서 프레팅에 기인하는 손상이 발생할 가능성이 높아지고 있는 것을 알게 되었다.

이 점, 상기 (2)의 구성에 따르면, 피복층이 제2 연결부의 제2 대향면의 표면 상에 형성되어 있으므로, 프레팅에 기인하는 제2 연결부의 손상을 방지할 수 있다.

(3) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 또는 (2)의 구성에 있어서, 상기 제1 연결부는, 상기 제1 대향면의 측부 에지에 대해 비스듬히 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제1 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제1 경사면을 갖고,

상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 측부 에지에 대해 비스듬히 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 경사면을 갖는다.

상기 (3)의 구성에 따르면, 제1 연결부의 제1 대향면의 측부 에지에 연속되는 제1 경사면을 마련함으로써, 제1 대향면 사이에서의 부분 접촉의 발생을 억제할 수 있다. 이로 인해, 제1 대향면에 작용하는 피크 응력이 저감되어, 프레팅에 의한 제1 연결부의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

한편, 제1 경사면을 마련한 경우, 제1 대향면의 면적이 실질적으로 감소하여, 제1 대향면의 평균 면압이 상승하게 되지만, 이 경우라도, 제1 대향면의 표면 상에 피복층을 형성해 두면, 평균 면압 상승에 의한 프레팅 마모 및 피로를 방지할 수 있다.

또한, 상기 (3)의 구성에 따르면, 제2 연결부의 제2 대향면의 측부 에지에 연속되는 제2 경사면을 마련함으로써, 제2 대향면 사이에서의 부분 접촉의 발생을 억제할 수 있다. 이로 인해, 제2 대향면에 작용하는 피크 응력이 저감되어, 프레팅에 의한 제2 연결부의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

한편, 제2 경사면을 마련한 경우, 제2 대향면의 면적이 실질적으로 감소하여, 제2 대향면의 평균 면압이 상승하게 되지만, 이 경우라도, 제2 대향면의 표면 상에 피복층을 형성해 두면, 평균 면압 상승에 의한 프레팅 마모 및 피로를 방지할 수 있다.

(4) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 구성에 있어서, 상기 제1 연결부는, 상기 제1 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제1 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제1 만곡면을 갖고,

상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 만곡면을 갖는다.

상기 (4)의 구성에 따르면, 제1 연결부의 제1 대향면의 선단 에지에 연속되는 제1 만곡면을 마련함으로써, 제1 대향면 사이에서의 부분 접촉의 발생을 더욱 확실하게 억제할 수 있다. 이로 인해, 제1 대향면에 작용하는 피크 응력이 저감되어, 프레팅에 의한 제1 연결부의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

한편, 제1 만곡면을 마련한 경우, 제1 대향면의 면적이 실질적으로 감소하여, 제1 대향면의 평균 면압이 상승하게 되지만, 이 경우라도, 제1 대향면의 표면 상에 피복층을 형성해 두면, 평균 면압 상승에 의한 프레팅 마모나 프레팅 피로를 방지할 수 있다.

또한, 상기 (4)의 구성에 따르면, 제2 연결부의 제2 대향면의 선단 에지에 연속되는 제2 만곡면을 마련함으로써, 제2 대향면 사이에서의 부분 접촉의 발생을 더욱 확실하게 억제할 수 있다. 이로 인해, 제2 대향면에 작용하는 피크 응력이 저감되어, 프레팅에 의한 제2 연결부의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

한편, 제2 만곡면을 마련한 경우, 제2 대향면의 면적이 실질적으로 감소하여, 제2 대향면의 평균 면압이 상승하게 되지만, 이 경우라도, 제12 대향면의 표면 상에 피복층을 형성해 두면, 평균 면압 상승에 의한 프레팅 마모나 프레팅 피로를 방지할 수 있다.

(5) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 구성에 있어서,

상기 제1 연결부는, 상기 제1 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제1 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제3 경사면을 갖고,

상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제4 경사면을 갖는다.

상기 구성 (5)에 의해서도, 상기 구성 (4)의 경우와 마찬가지로, 제3 경사면 및 제4 경사면을 마련함으로써, 프레팅에 의한 제1 연결부 및 제2 연결부의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

단, 제1 대향면이나 제2 대향면에 있어서, 선단 에지에 발생하는 국소 응력은, 측부 에지의 그것에 비해 높아지는 것에 착안하여, 상기 구성 (4)에서는, 측부 에지에는 경사면을 연결하는 한편, 선단 에지에는 만곡면을 연결하고 있다. 국소 응력이 높아지는 선단 에지에 만곡면을 연결함으로써, 부분 접촉을 확실하게 억제하여, 프레팅 마모나 프레팅 피로를 더욱 확실하게 방지할 수 있다.

(6) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (2)의 구성에 있어서,

상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 측부 에지에 대해 비스듬히 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 경사면을 가짐과 함께, 상기 제2 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 만곡면을 갖는다.

상기 구성 (6)에 따르면, 제2 대향면의 측부 에지에 연속되는 제2 경사면을 마련하고, 제2 대향면의 선단 에지에 연속되는 제2 만곡면을 마련함으로써, 프레팅에 의한 제2 연결부의 손상을 더욱 확실하게 방지할 수 있다.

(7) 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한, 증기 터빈의 동익렬을 구성하기 위한 하나의 증기 터빈 동익은,

날개부, 상기 날개부의 일단측에 설치된 익근부, 상기 날개부의 타단측에 설치되고 또한 제1 대향면을 갖는 제1 연결부, 및 상기 날개부의 중간에 설치되고 또한 제2 대향면을 갖는 제2 연결부를 갖는 동익 본체이며, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면은, 상기 동익렬에 있어서 인접하여 배치되는 다른 동익 본체의 제1 대향면 및 제2 대향면과 각각 대향 배치되도록 구성된 동익 본체와,

상기 제2 대향면의 표면 상에 형성된 내 프레팅 마모재로 이루어지는 피복층을 구비하고,

상기 제2 연결부를 갖는 위치에 있어서의 상기 동익 본체의 횡단면에 있어서, 상기 날개부의 전방 에지와 후방 에지를 연결한 결선과, 상기 제2 대향면이 이루는 각이 예각이고, 또한 상기 제2 대향면의 수선이 상기 날개부와 교차하고,

상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 측부 에지에 대해 비스듬히 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 경사면을 갖는다.

제2 연결부가 날개부에 설치되고, 제2 연결부를 갖는 위치에 있어서의 동익 본체의 횡단면에 있어서, 날개부의 전방 에지와 후방 에지를 연결한 결선과, 제2 대향면이 이루는 각이 예각이고, 또한 제2 대향면의 수선이 날개부와 교차하고 있는 경우, 제2 대향면의 측부 에지에 연속되는 면을 가공할 때, 공작 기계가 제2 연결부 근본의 날개부와 간섭하므로, 수작업이 되지만, 상기 측부 에지에 연속되는 면을 단순한 경사면으로 함으로써 작업을 간단하고 또한 안정된 것으로 할 수 있다.

(8) 몇 가지의 실시 형태에서는, 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나의 구성에 있어서, 상기 동익 본체는 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어진다.

동익 본체가 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어지는 경우, 성형된 동익 본체에는 열처리, 예를 들어 용체화 처리 및 시효 경화 처리가 순차 실시되어, 스테인리스강의 경도가 적당한 값으로 조정된다. 열처리 후에 동익 본체가 가열된 경우, 경도를 조정하기 위해 다시 열처리가 필요해진다. 혹은, 열처리 후에 동익 본체에 대해 무언가의 처리를 행하고자 하는 경우, 동익 본체의 온도가 열처리 온도를 넘지 않도록 온도 관리를 행할 필요가 있다.

이 점, 상기 (8)의 구성에 따르면, 고속 프레임 용사 시, 동익 본체는 거의 가열되지 않는다. 이로 인해, 고속 프레임 용사에 의해 동익 본체의 경도가 변화되는 일은 없어, 동익 본체를 위한 특별한 온도 관리를 필요로 하는 일 없이, 피복층을 용이하게 형성할 수 있다.

또한, 석출 경화형 스테인리스강의 마찰 계수는, 티타늄 합금에 비해 낮아, 종래, 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어지는 동익에서는 프레팅 마모 및 피로의 우려는 거의 없었다. 그러나, 최근의 증기 터빈에 있어서의 고출력화나 동익의 장익화에 수반하여, 제1 대향면이나 제2 대향면에 작용하는 피크 응력도 증대되고 있어, 제1 연결부나 제2 연결부에 있어서 프레팅에 기인하는 손상이 발생할 가능성이 높아지고 있는 것을 알게 되었다.

따라서, 상기 (8)의 구성에서는, 동익 본체가 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어지는 경우라도, 제1 대향면 및 제2 대향면 중 적어도 한쪽의 표면 상에 피복층을 형성함으로써, 프레팅에 의한 손상이 방지된다.

여기서, 증기 터빈에서는, 최종단 동익의 장대화에 의해, 환상 면적을 증대시켜 배기 손실의 저감이 도모되어 있다. 이 점, 상기 (1) 내지 (8)의 구성의 터빈 동익은, 장대화되어도, 인접하는 터빈 동익의 접촉 부위에 있어서의 프레팅에 의한 손상이 방지되므로, 증기 터빈의 최종단 동익으로서 유용하다.

(9) 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 따르면, 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나의 증기 터빈 동익을 구비하는 증기 터빈이 제공된다.

(10) 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한, 증기 터빈의 동익렬을 구성하기 위한 하나의 증기 터빈 동익의 제조 방법은,

날개부, 상기 날개부의 일단측에 설치된 익근부, 상기 날개부의 타단측에 설치되고 또한 제1 대향면을 갖는 제1 연결부, 및 상기 날개부의 중간에 설치되고 또한 제2 대향면을 갖는 제2 연결부를 갖는 동익 본체이며, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면은, 상기 동익렬에 있어서 인접하여 배치되는 다른 동익 본체의 제1 대향면 및 제2 대향면과 각각 대향 배치되도록 구성된 동익 본체를 준비하는 공정과,

상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면 중 적어도 한쪽의 표면 상에, 고속 프레임 용사에 의해 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층을 형성하는 고속 프레임 용사 공정을 구비하고,

상기 고속 프레임 용사 공정에서는, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면 중 피복 대상인 대향면에 대해, 당해 대향면의 법선에 대해 0°이상 60°이하의 각도로 Co기 합금으로 이루어지는 분말이 분사된다.

대향면의 법선에 대한 분사 방향의 각도가 0°이상 60°이하의 범위 내에 있는 경우, 피복층에 있어서의 기공률을 낮게 하여, 피복층의 내 프레팅 성능을 높게 할 수 있다.

본 발명의 적어도 일 실시 형태에 따르면, 터빈 동익이 서로 접촉하는 부위에 있어서의, 프레팅에 기인하는 손상이 방지된 증기 터빈 동익, 증기 터빈 동익의 제조 방법 및 증기 터빈이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는 증기 터빈의 개략적인 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 3은 최종단 동익렬을 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 4는 최종단 동익렬에 속하는 하나의 동익을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 5는 제1 연결부와 함께 날개부의 일부를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 6은 복수의 제1 연결부를 개략적으로 도시하는 전개도이며, 확대된 원 내에는, 직경 방향 직교 단면이 개략적으로 나타나 있다.
도 7은 제2 연결부와 함께 날개부의 일부를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 8은 복수의 제2 연결부를 개략적으로 도시하는 전개도이며, 확대된 원 내에는, 직경 방향 직교 단면이 개략적으로 나타나 있다.
도 9는 최종단 동익의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
도 10은 프레팅 피로 시험 후에 있어서의, 제2 연결부의 제2 대향면 상에 형성된 피복층의 광학 현미경에 의한 단면 관찰 결과이다.
도 11은 도 8 중의 XI-XI선을 따르는 개략적인 단면도이다.
도 12는 다른 실시 형태에 관한 하나의 제1 연결부를 개략적으로 도시하는 전개도이다.
도 13은 다른 실시 형태에 관한 하나의 제2 연결부를 개략적으로 도시하는 전개도이다.
도 14는 스텔라이트(등록 상표) ＃6을 고속 용사 프레임하여 얻어진 실시예의 피복층의 금속 조직의 단면을 나타내는 도면이다.
도 15는 Cr3C2와 NiCr의 혼합 분말(Cr3C2-25NiCr)을 고속 용사 프레임하여 얻어진 비교예의 피복층의 금속 조직의 단면 및 미소 경도 시험 결과를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지의 실시 형태에 대해 설명한다. 단, 실시 형태로서 기재되어 있거나, 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지는 아니며, 단순한 설명예에 불과하다.

예를 들어, 「어느 방향으로」, 「어느 방향을 따라」, 「평행」, 「직교」, 「중심」, 「동심」 혹은 「동축」 등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그러한 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은 동일한 기능이 얻어지는 정도의 각도나 거리를 갖고 상대적으로 변위되어 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.

예를 들어, 「동일」, 「동등한」 및 「균질」 등의 사물이 동등한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동등한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차, 혹은 동일한 기능이 얻어지는 정도의 차가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.

예를 들어, 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과가 얻어지는 범위에서, 요철부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.

한편, 하나의 구성 요소를 「가진다」, 「마련한다」, 「구비한다」, 「포함한다」, 또는 「갖는다」라고 하는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 발전 시스템은, 복합 발전 시스템이며, 가스 터빈(1)과, 증기 터빈(3)과, 배열 회수 보일러(5)와, 발전기(7, 9)를 구비한다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 발전 시스템은, 배열 회수 보일러(5) 대신에, 연료를 내부에서 연소시켜 증기를 발생시키는 보일러와, 증기 터빈(3)을 구비하는 종래형의 발전 시스템이다. 몇 가지의 실시 형태에서는, 발전 시스템은 자가용이고, 몇 가지의 실시 형태에서는, 발전 시스템은 사업용이다.

가스 터빈(1)은, 압축기(11)와, 연소기(13)와, 터빈(15)을 구비한다. 압축기(11)는, 터빈(15)의 출력의 일부를 이용하여 공기를 압축하고, 압축된 공기가 연소기(13)에 공급된다. 연소기(13)에는 압축 공기와 연료가 공급되어, 연료가 연소된다. 연료의 연소에 의해 발생한 연소 가스는, 터빈(15)에 공급되고, 연소 가스를 이용하여 터빈(15)이 출력으로서의 토크를 발생시킨다.

터빈(15)은, 발전기(7)에 접속되고, 터빈(15)의 출력의 일부를 이용하여 발전기(7)가 발전한다.

터빈(15)에서 일을 한 연소 가스(이하, 배기 가스라고도 함)는, 배열 회수 보일러(5)에 공급된다. 배열 회수 보일러(5)는, 연소 가스의 열(배열)을 이용하여 증기를 발생시킨다.

예를 들어, 배열 회수 보일러(5)는, 이코노마이저(17), 헤더(19), 증발기(21), 과열기(23), 재열기(25) 및 탈초기(27)를 갖는다. 물은, 이코노마이저(17), 증발기(21) 및 과열기(23)에 의해 가열되고, 이에 의해 과열 증기가 얻어진다. 과열 증기는, 증기 터빈(3)에 공급된다. 증기 터빈(3)에 공급된 증기는, 배열 회수 보일러(5)에 한 번 복귀되어 재열기(25)에 공급된다. 재열기(25)는, 증기를 가열하고, 가열된 증기가 증기 터빈(3)에 공급된다.

탈초기(27)는, 배기 가스에 포함되는 NO_x를 제거하는 기능을 갖는다. 배열 회수 보일러(5)로부터 배출된 배기 가스는, 예를 들어 굴뚝(29)을 통해 방출된다.

증기 터빈(3)은, 발전기(9)에 접속되어 있다. 증기 터빈(3)은, 증기를 이용하여 토크를 발생시키고, 발전기(9)는 토크를 이용하여 발전한다. 예를 들어, 증기 터빈(3)은 고압 터빈(31), 중압 터빈(33) 및 저압 터빈(35)을 갖고, 고압 터빈(31), 중압 터빈(33) 및 저압 터빈(35) 각각이 증기를 이용하여 토크를 발생시킨다.

증기 터빈(3)에는, 복수기(37)가 접속되고, 증기 터빈(3)의 저압 터빈(35)으로부터 방출된 증기는, 복수기(37)에 의해 응축되어 물이 된다. 복수기(37)는, 복수 펌프(39)를 통해 배열 회수 보일러(5)에 접속되고, 복수 펌프(39)에 의해, 복수기(37)에서 얻어진 물이, 배열 회수 보일러(5)에 공급된다.

도 2는, 증기 터빈(3)의 개략적인 구성을 도시하는 종단면도이다.

도 2의 증기 터빈(3)은, 고압 터빈(31), 중압 터빈(33) 및 저압 터빈(35)이 일체로 형성된 단차실형 증기 터빈이다. 몇 가지의 실시 형태에서는, 증기 터빈은, 고압 터빈, 중압 터빈 및 저압 터빈이 별개로 형성된 복차실형이다. 복차실형 증기 터빈은, 탠덤형이도 되고, 크로스형이어도 된다.

도 2의 증기 터빈(3)은, 차실을 형성하는 하우징(41)과, 로터(43)와, 하우징(41)에 고정된 정익렬과, 로터(43)에 고정된 복수의 동익렬을 갖는다. 로터(43)는, 레이디얼 베어링(44, 45)에 의해 회전 가능하게 지지되고, 로터(43)의 적어도 일부는, 하우징(41) 내를 연장하고 있다. 로터(43)의 일단측에, 발전기(9)가 접속되어 있다.

하우징(41)과 로터(43) 사이에는 통 형상의 내부 유로(46)가 형성되고, 내부 유로(46)에 정익렬 및 동익렬이 배치된다. 정익렬 및 동익렬에는, 고압 터빈(31)에 속하는 것, 중압 터빈(33)에 속하는 것, 및 저압 터빈(35)에 속하는 것이 있다. 각 정익렬은, 로터(43)의 주위 방향으로 배열된 복수의 정익으로 이루어지고, 각 정익은 하우징(41)에 대해 고정되어 있다. 각 동익렬은, 로터(43)의 주위 방향으로 배열된 복수의 동익으로 이루어지고, 각 동익은, 로터(43)에 대해 고정되어 있다. 각 정익렬에서는, 증기의 흐름이 가속되고, 각 동익렬에서는, 증기의 에너지가 로터(43)의 회전 에너지로 변환된다.

증기의 유동 방향에서 최하류에 위치하는 저압 터빈(35)의 동익렬(이하, 최종단 동익렬이라고도 칭함)(47)은, 증기 터빈(3)에 차지하는 출력의 분담이 크다. 배기 손실의 저감에 의해 증기 터빈(3)의 효율을 개선하는 것을 목적으로 하여, 최종단 동익렬(47)의 장대화가 도모되어 있다.

도 3은 최종단 동익렬(47)을 개략적으로 도시하는 평면도이고, 도 4는 최종단 동익렬(47)에 속하는 하나의 동익(이하, 최종단 동익이라고도 칭함)(49)을 개략적으로 도시하는 사시도이다.

동익(49)은, 동익 본체(50)를 갖고, 동익 본체(50)는, 날개부(51), 익근부(53), 제1 연결부(55) 및 제2 연결부(57)를 갖는다.

날개부(51)는, 서로 반대 방향의 고압면(복면)(51a) 및 저압면(배면)(51b)을 갖는다. 인접하는 날개부(51)의 고압면(51a)과 저압면(51b) 사이에 증기의 유로가 형성되고, 유로를 흐르는 증기로부터 날개부(51)가 에너지를 수취한다. 날개부(51)의 고압면(51a) 및 저압면(51b)은, 소정의 폭을 갖고, 로터(43)의 직경 방향으로 각각 연장되어, 직경 방향과 직교하는 날개부(51)의 단면 형상은 소정의 단면 형상으로 형성되어 있다. 또한, 날개부(51)의 주속은, 직경 방향 내측과 외측에서 상이한 것을 고려하여, 날개부(51)의 고압면(51a) 및 저압면(51b)은, 로터(43)의 직경 방향에서 내측으로부터 외측을 향해 서서히 비틀린 형상을 갖는다.

익근부(53)는, 로터(43)의 직경 방향에서 날개부(51)의 일단측(근원측)에 일체로 설치되고, 로터(43)에는, 익근부(53)와 결합 가능한 결합부가 설치된다. 따라서, 익근부(53)를 통해 최종단 동익(49)이 로터(43)에 고정된다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 익근부(53)는, 로터(43)의 축 방향과 직교하는 단면에서, 크리스마스 트리형의 형상을 갖는다. 이 경우, 로터(43)에는 결합부로서 축 방향으로 연장되는 홈이 형성되고, 익근부(53)는 로터(43)의 홈에 대해 축 방향으로 삽입된다.

제1 연결부(55)는, 로터(43)의 직경 방향에서 날개부(51)의 타단측(선단측)에 일체로 설치되어 있다. 도 5는, 제1 연결부(55)와 함께 날개부(51)의 일부를 개략적으로 도시하고 있다. 도 6은, 복수의 제1 연결부(55)를 개략적으로 도시하는 전개도이다.

제1 연결부(55)는, 인테그랄 슈라우드라고도 칭해지고, 장대화된 최종단 동익렬(47)의 진동의 진폭이나 모드 수를 감소시키기 위해 설치되어 있다. 즉, 인접하는 최종단 동익(49)을, 로터(43)의 직경 방향 외측에서 제1 연결부(55)를 통해 연결함으로써 일체화하고, 이에 의해 최종단 동익렬(47)의 진동의 진폭이나 모드 수를 감소시키고 있다.

구체적으로는, 제1 연결부(55)는, 로터(43)의 주위 방향에서 양측에 제1 대향면(59)을 갖는다. 인접하는 최종단 동익(49)의 제1 대향면(59)은 서로 대향하도록 배치된다. 또한, 서로 대향하는 제1 대향면(59)은, 증기 터빈(3)의 운전 시, 원심력의 작용에 의해 날개부(51)가 언트위스트 변형되었을 때, 서로 평행하게 되도록 성형되어 있다.

예를 들어, 제1 연결부(55)는, 로터(43)의 주위 방향에서 양측에 삼각기둥 형상의 돌기(61)를 갖고, 돌기(61)의 일 측면이 제1 대향면(59)을 구성하고 있다.

제2 연결부(57)는, 날개부(51)의 고압면(51a) 및 저압면(51b) 각각에, 로터(43)의 직경 방향에서 중간에 일체로 설치되어 있다. 도 7은, 제2 연결부(57)와 함께 날개부(51)의 일부를 개략적으로 도시하고 있다. 도 8은, 복수의 제2 연결부(57)를 개략적으로 도시하는 전개도이다.

제2 연결부(57)는, 인테그랄 스터브라고도 칭해지고, 주로, 장대화된 최종단 동익렬(47)의 구조 감쇠를 높이기 위해 설치되어 있다. 즉, 인접하는 최종단 동익(49)을 로터(43)의 직경 방향 중간에서 제2 연결부(57)를 통해 연결함으로써 일체화하고, 이에 의해 최종단 동익렬(47)의 구조 감쇠를 높이고 있다.

구체적으로는, 제2 연결부(57)는, 제2 대향면(63)을 갖는다. 인접하는 최종단 동익(49)의 제2 대향면(63)은 서로 대향하도록 배치된다. 또한, 서로 대향하는 제2 대향면(63)은 증기 터빈(3)의 운전 시, 원심력의 작용에 의해 날개부(51)가 언트위스트 변형되었을 때, 서로 평행하게 되도록 성형되어 있다.

예를 들어, 제2 연결부(57)는 삼각기둥 형상을 갖고, 제2 연결부(57)의 일 측면이 제2 대향면(63)을 구성하고 있다.

또한 예를 들어, 도 8에 도시한 바와 같이, 제2 연결부(57)를 갖는 위치에 있어서의 동익 본체(50)의 횡단면에 있어서, 날개부(51)의 전방 에지와 후방 에지를 연결한 결선 Lc와, 제2 대향면(63)이 이루는 각 θa가 예각이고, 또한 제2 대향면(63)의 수선 Lr이 날개부(51)와 교차하고 있다.

상술한 제1 대향면(59) 및 제2 대향면(63) 중 적어도 한쪽의 표면 상에는, 고속 프레임 용사에 의해 형성된 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층(65)이 형성되어 있다. 그리고, 피복층(65)과 그 하지의 표면 사이의 확산층의 두께는 10㎛ 이하이다.

Co기 합금은, 내 프레팅 마모성이 우수한 내 프레팅 마모재이다. Co기 합금으로서는, 예를 들어 스텔라이트 합금, 트리할로이 합금 등을 들 수 있다. 내 프레팅 마모재로서는, Co기 합금 외에, Cu 베이스의 합금으로서 CuNiIn, CuAl, CuTi 등을 사용할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 도 6 및 도 8의 원 내에 확대하여 개략적으로 도시한 바와 같이, 제1 대향면(59) 및 제2 대향면(63)의 양방에 피복층(65)이 형성되어 있다. 이 경우, 인접하는 최종단 동익(49) 사이에서는, 대향하는 제1 대향면(59) 상의 피복층(65)이 서로 접촉하고, 대향하는 제2 대향면(63) 상의 피복층(65)이 서로 접촉한다.

예를 들어, 피복층(65)은, 대향하는 제1 대향면(59)의 서로 접촉하는 범위의 전역, 및 대향하는 제2 대향면(63)의 서로 접촉하는 범위의 전역에 형성되어 있다.

이하, 상술한 최종단 동익(49)의 제조 방법을 설명한다.

도 9는, 최종단 동익(49)의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 먼저, 동익 본체(50)가, 예를 들어 단조에 의해 성형된다(S10). 성형된 동익 본체(50)는 열처리되어, 동익 본체(50)의 강도나 경도가 조정된다(S12). 예를 들어 열처리는, 켄칭 공정(용체화 처리 공정)과 템퍼링 공정(시효 경화 처리 공정)을 포함한다.

예를 들어, 용체화 처리 공정의 온도는, 1020℃ 이상 1060℃ 이하의 범위 내에 있고, 시효 경화 처리 공정의 온도는, 470℃ 이상 660℃ 이하의 범위 내에 있다.

예를 들어, 열처리된 동익 본체(50)의 표면 경도는, JIS Z2244 2008에 규정된 비커스 경도 시험에 있어서, 500HV0.5 이상이다.

열처리된 동익 본체(50)에는, 예를 들어 연마에 의한 산화막 제거 처리가 실시되어, 표면의 산화막이 제거된다(S14).

산화막이 제거된 동익 본체(50)에는, 제1 대향면(59) 및 제2 대향면(63)에 조면화 처리가 실시된다(S16). 조면화 처리(S16)는, 제1 대향면(59) 및 제2 대향면(63)의 표면 조도를 거칠게 하는 것이며, 예를 들어 블라스트에 의해 행해진다. 몇 가지의 실시 형태에서는, 뾰족한 입자를 사용한 그리트 블라스트에 의해 조면화 처리(S16)가 행해진다.

예를 들어, 조면화 처리된 제1 대향면(59) 및 제2 대향면(63)의 표면 조도는, JIS B0601 2013에 규정된 산술 평균 조도 Ra로, 6.0㎛ 이상 7.0㎛ 이하의 범위 내에 있다.

또한, 조면화 처리(S16) 시, 제1 대향면(59) 및 제2 대향면(63) 이외의 영역에 대해서는 마스킹함으로써, 표면이 거칠어지는 것을 방지한다.

조면화 처리된 동익 본체(50)에는, 제1 대향면(59) 및 제2 대향면(63) 상에 고속 프레임 용사에 의해 피복층(65)이 형성된다(S18).

고속 프레임 용사(S18)는, 예를 들어 HVOF(High Velocity Oxygen Fuel) 용사 또는 HVAF(High Velocity Air Fuel) 용사에 의해 행해진다. 고속 프레임 용사(S18)에서는, 산소 또는 공기와 연료의 연소에 의해 발생시킨 고속의 연소 가스에 의해, 분말 재료를 피복 대상에 분사함으로써, 피복층(65)을 형성할 수 있다.

본 실시 형태에서는, HVOF 용사가 채용된다.

피복층(65)을 형성하기 위한 분말 재료는, 피복층(65)과 동일한 조성의 Co기 합금으로 이루어진다.

예를 들어, 분말 재료의 입경은, JIS Z8819-2 2001에 규정되는 산술 평균 입자경으로, 10㎛ 이상 70㎛ 이하의 범위 내에 있다.

또한 예를 들어, 피복 대상인 제1 대향면(59) 또는 제2 대향면(63)의 법선에 대한 분말 재료의 분사 방향의 기울기, 즉, 입사각 θi는, 도 8을 참조하면, 0°이상 60°이하의 범위 내에 있다. 분사 방향의 기울기가 0°이상 60°이하의 범위 내에 있는 경우, 피복층(65)에 있어서의 기공률을 낮게 하여, 피복층(65)의 내 프레팅 성능을 높게 할 수 있다. 예를 들어, 피복층(65)에 있어서의 기공률은 5％ 이하이다.

상술한 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 증기 터빈(3)에서는, 제1 대향면(59) 및 제2 대향면(63) 중 적어도 한쪽의 표면 상에는 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층(65)이 형성되어 있고, 인접하는 최종단 동익(49)에서는, 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층(65)이 서로 접촉한다. 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층(65)은 내 프레팅성이 우수하여, 피복층(65)이 형성된 제1 연결부(55) 및 제2 연결부(57)에 있어서의 프레팅에 의한 손상이 방지된다.

한편, 피복층(65)은 고속 프레임 용사에 의해 제1 대향면(59) 또는 제2 대향면(63)의 표면 상에 형성되어 있고, 고속 프레임 용사 후에 열확산 처리가 행해져 있지 않다. 이 때문에, 피복층(65)과 그 하지의 표면 사이에 존재하는 확산층의 두께가 10㎛ 이하이다. 이로 인해, 가령 피복층(65)에 프레팅 피로에 의해 균열이 발생하였다고 해도, 균열이 하지인 제1 연결부(55)나 제2 연결부(57)로 진행되는 일이 없다. 따라서, 만일, 프레팅에 의해 손상을 받았다고 해도, 그 손상은, 다시, 고속 프레임 용사에 의해 Co기 합금을 코팅하여 수복하면 충분하며, 날개 자체를 교체할 필요는 없다. 그로 인해, 수복을 위한 비용을 저감시킬 수 있음과 함께, 복구에 필요로 하는 공사 기간도 단축할 수 있어, 증기 터빈의 가동률을 높일 수 있다.

또한, 증기 터빈(3)의 운전 시, 최종단 동익렬(47)의 외주부에 위치하는 제1 연결부(55)의 주위는 습한 영역에 있지만, 제1 대향면(59)끼리는 서로 대향하고 있어, 제1 대향면(59)에 에로전이 발생할 가능성은 거의 없다. 또한, 최종단 동익렬(47)의 날개 중간부에 위치하는 제2 연결부(57)의 주위는, 습한 영역에 있지는 않고, 또한 제2 대향면(63)끼리는 서로 대향하고 있어, 제1 대향면(59)과 마찬가지로, 제2 대향면(63)에 있어서도, 에로전이 발생할 가능성은 거의 없어, 에로전을 방지하기 위한 보호막을 형성할 필요성은 없다.

그러나, 최근의, 최종단 동익의 장대화나 터빈의 고출력화에 의해, 종래, 구조 감쇠를 높이기 위해 설치되고, 대향면에 작용하는 피크 응력은 그다지 크지 않다고 여겨지고 있던 제2 연결부의 제2 대향면에 있어서까지도, 접촉 부위에 있어서, 피크 응력이 상승하고 있는 것을 알게 되어, 프레팅에 기인하는 손상을 방지하기 위해, 대향면에 프레팅성이 높은 피복층을 형성하는 등, 처치를 강구하는 것이 바람직하다는 지견을 얻었다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 피복층(65)은, 제1 대향면(59) 또는 제2 대향면(63)의 표면 상에 직접 적층된다.

도 10은, 프레팅 피로 시험 후에 있어서의, 제2 연결부(57)의 제2 대향면(63) 상에 형성된 피복층(65)의 광학 현미경에 의한 단면 관찰 결과이다. 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 고속 프레임 용사에 의해 피복층(65)을 형성한 경우, 확산층의 두께는 10㎛ 이하이고, 실질적으로 0이다. 그리고, 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 피복층(65)에 발생한 크랙(균열)은, 하지(모재)와의 계면에 도달 후, 계면을 따라 횡방향 크랙으로 되어 있어, 균열이 하지의 내부까지 진행되어 있지 않다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 피복층(65)을 구성하는 Co기 합금은, 표 1에 예시한 조성(64Co-28Cr-4W-1C-3Fe)을 갖는 스텔라이트(등록상표) No.6이다.

피복층(65)의 두께는, 몇 가지의 실시 형태에서는, 0.1㎜ 이상 0.6㎜ 이하의 범위 내에 있고, 몇 가지의 실시 형태에서는 0.3㎜ 이상 0.5㎜ 이하의 범위 내에 있다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 피복층(65)은, 적어도 제2 대향면(63)의 표면 상에 형성되어 있다.

이 점, 상기 구성에 따르면, 피복층(65)이 제2 연결부(57)의 제2 대향면(63)의 표면 상에 형성되어 있으므로, 프레팅에 기인하는 제2 연결부(57)의 손상을 방지할 수 있다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 최종단 동익(49)은, 날개 높이가 40인치급 이상인 동익이다.

도 11은, 도 8 중의 XI-XI선을 따르는 개략적인 단면도이다. 몇 가지의 실시 형태에서는, 도 7 및 도 11에 도시한 바와 같이, 제2 연결부(57)는, 제2 대향면(63)의 양 측부 에지에 대해 각각 비스듬히 연속되어, 최종단 동익렬(47)에 있어서 인접하는 제2 연결부(57)의 간격을 확대하도록 구성된 제2 경사면(69)을 갖는다.

또한, 제2 연결부(57)의 양 측부 에지는, 로터(43)의 직경 방향, 바꾸어 말하면, 최종단 동익(49)의 높이 방향으로 서로 이격되어 있고, 제2 경사면(69)은 최종단 동익(49)의 높이 방향에 대해 경사져 있다.

상기 구성에 따르면, 제2 연결부(57)의 제2 대향면(63)의 양 측부 에지에 각각 연결되는 제2 경사면(69)을 마련함으로써, 제2 대향면(63) 사이에서의 부분 접촉, 즉, 국소적인 접촉의 발생이 방지된다. 이로 인해, 제2 대향면(63)에 작용하는 피크 응력이 저감되어, 프레팅에 의한 제2 연결부(57)의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

한편, 제2 경사면(69)을 마련한 경우, 제2 대향면(63)의 면적이 실질적으로 감소하여, 제2 대향면(63)의 평균 면압이 상승하게 되지만, 이 경우라도, 제2 대향면(63)의 표면 상에 피복층(65)을 형성해 두면, 평균 면압 상승에 의한 프레팅 마모 및 피로를 방지할 수 있다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 제2 경사면(69)의 표면 상에도 피복층(65)이 형성된다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 도 5의 원 내에 확대하여 개략적으로 도시한 바와 같이, 제1 연결부(55)는 제1 대향면(59)의 양 측부 에지에 대해 각각 비스듬히 연속되어, 최종단 동익렬(47)에 있어서 인접하는 제1 연결부(55)의 간격을 확대하도록 구성된 제1 경사면(67)을 갖는다.

또한, 제1 연결부(55)의 양 측부 에지는, 로터(43)의 직경 방향, 즉, 최종단 동익(49)의 높이 방향으로 서로 이격되어 있고, 제1 경사면(67)은, 최종단 동익(49)의 높이 방향에 대해 경사져 있다.

상기 구성에 따르면, 제1 연결부(55)의 제1 대향면(59)의 양 측부 에지에 연속되는 제1 경사면(67)을 각각 마련함으로써, 제1 대향면(59) 사이에서의 부분 접촉의 발생이 방지된다. 이로 인해, 제1 대향면(59)에 작용하는 피크 응력이 저감되어, 프레팅에 의한 제1 연결부(55)의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

한편, 제1 경사면(67)을 마련한 경우, 제1 대향면(59)의 면적이 실질적으로 감소하여, 제1 대향면(59)의 평균 면압이 상승하게 되지만, 이 경우라도, 제1 대향면(59)의 표면 상에 피복층(65)을 형성해 두면, 평균 면압 상승에 의한 프레팅 마모 및 피로를 방지할 수 있다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 제1 경사면(67)의 표면 상에도 피복층(65)이 형성된다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 연결부(55)는, 제1 대향면(59)의 선단 에지에 연속되어, 최종단 동익렬(47)에 있어서 인접하는 제1 연결부(55)의 간격을 확대하도록 구성된 제1 만곡면(71)을 갖는다.

상기 구성에 따르면, 제1 연결부(55)의 제1 대향면(59)의 선단 에지에 연속되는 제1 만곡면(71)을 마련함으로써, 제1 대향면(59) 사이에서의 부분 접촉의 발생이 방지된다. 이로 인해, 제1 대향면(59)에 작용하는 피크 응력이 저감되어, 프레팅 마모 및 피로에 의한 제1 연결부(55)의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

한편, 제1 만곡면(71)을 마련한 경우, 제1 대향면(59)의 면적이 실질적으로 감소하여, 제1 대향면(59)의 평균 면압이 상승하게 되지만, 이 경우라도, 제1 대향면(59)의 표면 상에 피복층(65)을 형성해 두면, 평균 면압 상승에 의한 프레팅 마모 및 피로를 방지할 수 있다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 제1 만곡면(71)의 표면 상에도 피복층(65)이 형성된다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 제2 연결부(57)는, 제2 대향면(63)의 선단 에지에 연속되어, 최종단 동익렬(47)에 있어서 인접하는 제2 연결부(57)의 간격을 확대하도록 구성된 제2 만곡면(73)을 갖는다.

상기 구성에 따르면, 제2 연결부(57)의 제2 대향면(63)의 선단 에지에 연속되는 제2 만곡면(73)을 마련함으로써, 제2 대향면(63) 사이에서의 부분 접촉의 발생이 방지된다. 이로 인해, 제2 대향면(63)에 작용하는 피크 응력이 저감되어, 프레팅 마모 및 피로에 의한 제2 연결부(57)의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

한편, 제2 만곡면(73)을 마련한 경우, 제2 대향면(63)의 면적이 실질적으로 감소하여, 제2 대향면(63)의 평균 면압이 상승하게 되지만, 이 경우라도, 제1 대향면(59)의 표면 상에 피복층(65)을 형성해 두면, 평균 면압 상승에 의한 프레팅 마모 및 피로를 방지할 수 있다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 제2 만곡면(73)의 표면 상에도 피복층(65)이 형성된다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 도 12 및 도 13에 각각 도시한 바와 같이, 제1 연결부(55)는, 제1 만곡면(71) 대신에 제3 경사면(75)을 갖고, 제2 연결부(57)는 제2 만곡면(73) 대신에 제4 경사면(77)을 갖는다.

제3 경사면(75)은, 제1 대향면(59)의 선단 에지에 연속되어, 동익렬에 있어서 인접하는 제1 연결부(55)의 간격을 확대하도록 구성되어 있다.

제4 경사면(77)은, 제2 대향면(63)의 선단 에지에 연속되어, 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부(57)의 간격을 확대하도록 구성되어 있다.

이 구성에 의해서도, 제1 만곡면(71) 및 제2 만곡면(73)을 마련한 경우와 마찬가지로, 제3 경사면(75) 및 제4 경사면(77)을 마련함으로써, 프레팅에 의한 제1 연결부(55) 및 제2 연결부(57)의 손상이 더욱 확실하게 방지된다.

단, 제1 대향면(59)이나 제2 대향면(63)에 있어서, 선단 에지에 발생하는 국소 응력은, 측부 에지의 그것에 비해 높아지는 것에 착안하여, 도 5 및 도 7의 구성에서는, 측부 에지에는 제1 경사면(67) 또는 제2 경사면(69)을 연결하는 한편, 선단 에지에는 제1 만곡면(71) 또는 제2 만곡면(73)을 연결하고 있다. 국소 응력이 높아지는 선단 에지에 제1 만곡면(71) 또는 제2 만곡면(73)을 연결함으로써, 부분 접촉을 확실하게 억제하여, 프레팅 마모나 프레팅 피로를 더욱 확실하게 방지할 수 있다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 동익 본체(50)는 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어진다.

동익 본체(50)가 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어지는 경우, 성형된 동익 본체(50)에는 열처리, 예를 들어 용체화 처리 및 시효 경화 처리가 순차 실시되어, 스테인리스강의 경도가 적당한 값으로 조정된다. 열처리 후에 동익 본체(50)가 가열된 경우, 경도를 조정하기 위해 다시 열처리가 필요해진다. 혹은, 열처리 후에 동익 본체(50)에 대해 무언가의 처리를 행하고자 하는 경우, 동익 본체(50)의 온도가 열처리 온도를 넘지 않도록 온도 관리를 행할 필요가 있다.

이 점, 고속 프레임 용사에 의해 피복층(65)을 형성한 경우, 동익 본체(50)는 거의 가열되지 않는다. 이로 인해, 동익 본체(50)가 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어지는 경우라도, 고속 프레임 용사에 의해 동익 본체(50)의 경도가 변화되는 일은 없다. 따라서, 동익 본체(50)를 위한 특별한 온도 관리를 필요로 하는 일 없이, 피복층(65)을 용이하게 형성할 수 있다.

또한, 석출 경화형 스테인리스강의 마찰 계수는, 티타늄 합금에 비해 낮아, 종래, 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어지는 동익에서는 프레팅 마모 및 피로의 우려는 거의 없었다. 그러나, 최근의 증기 터빈에 있어서의 고출력화나 동익의 장익화에 수반하여, 제1 대향면(59)이나 제2 대향면(63)에 작용하는 피크 응력도 증대되고 있어, 제1 연결부(55)나 제2 연결부(57)에 있어서 프레팅에 기인하는 손상이 발생할 가능성이 높아지고 있는 것을 알게 되었다.

따라서, 몇 가지의 실시 형태에서는, 동익 본체(50)가 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어지는 경우라도, 제1 대향면(59) 및 제2 대향면(63) 중 적어도 한쪽의 표면 상에 피복층(65)을 형성함으로써, 프레팅 마모 및 피로에 의한 손상이 방지된다.

몇 가지의 실시 형태에서는, 석출 경화형 스테인리스강은, 표 2에 예시한 조성을 갖는 17-4PH(SUS630)이다.

하지가 석출 경화형 스테인리스강이고, 피복층(65)이 Co기 합금인 경우, 전자 막압계에 의해 피복층(65)의 두께를 용이하게 계측할 수 있다. 이로 인해, 피복층(65)의 박리나 마모를 용이하게 파악할 수 있어, 필요에 따라서 신속하게 피복층(65)을 수복할 수 있다. 그리고, 고속 프레임 용사에 의하면, 동익 본체(50)의 온도 관리가 특별히 필요하지 않으므로, 피복층(65)을 용이하게 수복할 수 있다.

여기서, 도 14는, 스텔라이트(등록 상표) ＃6을 고속 프레임 용사하여 얻어진 실시예의 피복층의 단면의 금속 조직을 나타내고 있다. 도 14로부터, 실시예의 피복층의 금속 조직은 얼룩진 조직으로는 되어 있지 않고, 대략 균일한 것을 알 수 있다. 실시예의 피복층의 복수의 개소에서 미소 경도 시험(Hv0.002)을 행한바, 미소 경도는, 피복층의 모든 영역에서, 대략 800∼1200이었다. 이 점으로부터도, 실시예의 피복층의 금속 조직은 대략 균일한 것을 알 수 있다.

한편, 도 15는, Cr3C2와 NiCr의 혼합 분말(Cr3C2-25NiCr)을 고속 용사 프레임하여 얻어진 비교예의 피복층의 금속 조직의 단면 및 미소 경도 시험 결과를 나타내고 있다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 비교예의 피복층에 있어서는, Cr3C2와 NiCr의 복합물이므로, 금속 조직의 형태 및 그 미소 경도의 측정 결과로부터, 균질 조직이 아니라, 영역에 따라 경도에 큰 차이가 있는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 비교예의 피복층에 있어서는, 도 15에 나타낸 바와 같이, 백색 영역 1, 백색 영역 2 및 회색 영역의 존재가 확인되고, 영역 사이에서 미소 경도에 큰 차이가 있다.

여기서, 넓은 면적에서 접촉하여, 접촉부에 다소의 면압 분포밖에 발생하지 않는 부위에 적용하는 경우에는, 바인더에 NiCr을 사용하여, 크롬 카바이드(Cr3C2)를 고속 프레임 용사에 의해 시공한 피복층(용사 피막)을 사용하는 것도 가능하다고 생각된다. 즉, 일본 특허 공개 제2014-163371호 공보에 기재된 발명에서는, Ti재의 미끄럼 이동성 개선을 위해, 바인더에 NiCr을 사용하여, 크롬카바이드(Cr3C2)를 고속 프레임 용사에 의해 시공한 피복층이 시공되어 있지만, 이것은, 일본 특허 공개 제2014-163371호 공보에 기재된 발명에서는, 날개에 있어서, 슈라우드, 스터브 콘택트면 모두 「전면 접촉」을 상정하고, 바인더에 NiCr을 사용하여, CrC를 고속 프레임 용사에 의해 피막 시공하는 것이 좋다고 여겨진 것이라고 생각된다.

그러나, 본 발명자들의 지견에 따르면, 증기 터빈 날개와 같이 국소면 접촉이 발생하는 경우에는, 본 발명의 실시 형태, 단일 조성의 Co기 합금을 고속 프레임 용사하여 얻어지는 피복층(65)의 쪽이, 복합물을 고속 프레임 용사하여 얻어지는 피복층에 비해, 조직적으로 경도의 불균일이 없어, 내마모성 등에 있어서 우위에 있다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에서는, 국소면 접촉을 고려하여, 균질한 조직 및 경도 분포를 갖는 피복층(65)을 형성할 수 있도록, 단일 조성의 Co기 합금, 바람직하게는 스텔라이트(등록 상표) ＃6을 고속 프레임 용사하여 피복층(65)을 형성하고 있는 것이다.

본 발명은, 상술한 실시 형태에 한정되는 일은 없으며, 상술한 실시 형태에 변형을 가한 형태나, 이들 형태를 적절하게 조합한 형태도 포함한다.

또한, 최종단 동익(49)에 사용된 동익은, 최종단 이외의 증기 터빈 동익에도 적용 가능하지만, 가장 사용 조건이 엄격한 저압 증기 터빈의 최종단에 적합하다.

이것은, 피복층(65)의 형성을 고속 프레임 용사에 의해 행하므로, 피복층(65)의 형성 시, 하지에 부여하는 열영향이 작아, 하지의 물성이 변화되지 않기 때문이다. 이에 의해, 예를 들어 피복층(65)을 형성하였다고 해도, 습증기 하에서의 동익 본체(50)에 있어서의 응력 부식 균열의 발생을 방지할 수 있다.

1 : 가스 터빈
3 : 증기 터빈
5 : 배열 회수 보일러
7, 9 : 발전기
11 : 압축기
13 : 연소기
15 : 터빈
17 : 이코노마이저
19 : 헤더
21 : 증발기
23 : 과열기
25 : 재열기
27 : 탈초기
29 : 굴뚝
31 : 고압 터빈
33 : 중압 터빈
35 : 저압 터빈
37 : 복수기
39 : 복수 펌프
41 : 하우징(차실)
43 : 로터
44, 45 : 레이디얼 베어링
46 : 내부 유로
47 : 최종단 동익렬
49 : 최종단 동익
50 : 동익 본체
51 : 날개부
51a : 고압면
51b : 저압면
53 : 익근부
55 : 제1 연결부
57 : 제2 연결부
59 : 제1 대향면
61 : 돌기
63 : 제2 대향면
65 : 피복층
67 : 제1 경사면
69 : 제2 경사면
71 : 제1 만곡면
73 : 제2 만곡면
75 : 제3 경사면
77 : 제4 경사면

Claims (10)

1. 증기 터빈의 동익렬을 구성하기 위한 하나의 증기 터빈 동익에 있어서,
   날개부, 상기 날개부의 일단측에 설치된 익근부, 상기 날개부의 타단측에 설치되고 또한 제1 대향면을 갖는 제1 연결부, 및 상기 날개부의 중간에 설치되고 또한 제2 대향면을 갖는 제2 연결부를 갖는 동익 본체이며, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면은, 상기 동익렬에 있어서 인접하여 배치되는 다른 동익 본체의 제1 대향면 및 제2 대향면과 각각 대향 배치되도록 구성된 동익 본체와,
   상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면 중 적어도 한쪽의 표면 상에 고속 프레임 용사에 의해 형성된 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층이며, 당해 피복층과 상기 표면 사이의 확산층의 두께가 10㎛ 이하인 상태로 상기 표면 상에 형성된 피복층을 구비하는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈 동익.
2. 제1항에 있어서,
   상기 피복층은, 적어도 상기 제2 대향면의 표면 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈 동익.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 연결부는, 상기 제1 대향면의 측부 에지에 대해 비스듬히 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제1 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제1 경사면을 갖고,
   상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 측부 에지에 대해 비스듬히 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈 동익.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 연결부는, 상기 제1 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제1 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제1 만곡면을 갖고,
   상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 만곡면을 갖는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈 동익.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 연결부는, 상기 제1 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제1 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제3 경사면을 갖고,
   상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제4 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈 동익.
6. 제2항에 있어서,
   상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 측부 에지에 대해 비스듬히 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 경사면을 가짐과 함께, 상기 제2 대향면의 선단 에지에 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 만곡면을 갖는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈 동익.
7. 증기 터빈의 동익렬을 구성하기 위한 하나의 증기 터빈 동익에 있어서,
   날개부, 상기 날개부의 일단측에 설치된 익근부, 상기 날개부의 타단측에 설치되고 또한 제1 대향면을 갖는 제1 연결부, 및 상기 날개부의 중간에 설치되고 또한 제2 대향면을 갖는 제2 연결부를 갖는 동익 본체이며, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면은, 상기 동익렬에 있어서 인접하여 배치되는 다른 동익 본체의 제1 대향면 및 제2 대향면과 각각 대향 배치되도록 구성된 동익 본체와,
   상기 제2 대향면의 표면 상에 형성된 내 프레팅 마모재로 이루어지는 피복층을 구비하고,
   상기 제2 연결부를 갖는 위치에 있어서의 상기 동익 본체의 횡단면에 있어서, 상기 날개부의 전방 에지와 후방 에지를 연결한 결선과, 상기 제2 대향면이 이루는 각이 예각이고, 또한 상기 제2 대향면의 수선이 상기 날개부와 교차하고,
   상기 제2 연결부는, 상기 제2 대향면의 측부 에지에 대해 비스듬히 연속되어, 상기 동익렬에 있어서 인접하는 제2 연결부의 간격을 확대하도록 구성된 제2 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈 동익.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 동익 본체는 석출 경화형 스테인리스강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈 동익.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 터빈 동익을 구비하는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈.
10. 증기 터빈의 동익렬을 구성하기 위한 하나의 증기 터빈 동익의 제조 방법에 있어서,
    날개부, 상기 날개부의 일단측에 설치된 익근부, 상기 날개부의 타단측에 설치되고 또한 제1 대향면을 갖는 제1 연결부, 및 상기 날개부의 중간에 설치되고 또한 제2 대향면을 갖는 제2 연결부를 갖는 동익 본체이며, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면은, 상기 동익렬에 있어서 인접하여 배치되는 다른 동익 본체의 제1 대향면 및 제2 대향면과 각각 대향 배치되도록 구성된 동익 본체를 준비하는 공정과,
    상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면 중 적어도 한쪽의 표면 상에, 고속 프레임 용사에 의해 단일 조성의 Co기 합금으로 이루어지는 피복층을 형성하는 고속 프레임 용사 공정을 구비하고,
    상기 고속 프레임 용사 공정에서는, 상기 제1 대향면 및 상기 제2 대향면 중 피복 대상인 대향면에 대해, 당해 대향면의 법선에 대해 0°이상 60°이하의 각도로 Co기 합금으로 이루어지는 분말이 분사되는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈 동익의 제조 방법.

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