特許 7520878 タービンのケーシング部品及びその修復方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-12

(45)【発行日】2024-07-23

(54)【発明の名称】タービンのケーシング部品及びその修復方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/24 20060101AFI20240716BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20240716BHJP

   B23P 6/04 20060101ALI20240716BHJP

   B23K 31/00 20060101ALI20240716BHJP

   B23K 9/00 20060101ALI20240716BHJP

   B32B 15/01 20060101ALI20240716BHJP

【ＦＩ】

F01D25/24 R

F02C7/00 E

F02C7/00 C

F02C7/00 D

B23P6/04

B23K31/00 D

B23K9/00 501G

B32B15/01 D

F01D25/24 N

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021560674

(86)(22)【出願日】2020-04-13

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-17

(86)【国際出願番号】 US2020027893

(87)【国際公開番号】W WO2020214514

(87)【国際公開日】2020-10-22

【審査請求日】2023-04-03

(31)【優先権主張番号】19461528.2

(32)【優先日】2019-04-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】515322297

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ８， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100151286

【弁理士】

【氏名又は名称】澤木 亮一

(72)【発明者】

【氏名】ディナク、クシシュトフ

(72)【発明者】

【氏名】スウェード、シャロン トロンブリー

(72)【発明者】

【氏名】パク、チュンヨン

(72)【発明者】

【氏名】ミエクス、マレク

(72)【発明者】

【氏名】シェブチック、トーマス マイケル

(72)【発明者】

【氏名】レブコースキー、ロバート

【審査官】津田 真吾

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２３４１６２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１００８０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／０１０５１２（ＷＯ，Ａ２）

【文献】米国特許第４８１７８５９（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００８－２２９７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１１７０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第５６７８７５３（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

Ｆ０２Ｃ ７／００

Ｂ２３Ｐ ６／０４

Ｂ２３Ｋ ３１／００

Ｂ２３Ｋ ９／００

Ｂ３２Ｂ １５／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービン内に流路（２２）の一部を形成するように構成されたケーシング部品（１０）であって、当該ケーシング部品（１０）が、
ノジュラー鋳鉄製の基部（１２）と、
前記基部（１２）内の修復領域（１４）であって、前記基部（１２）上に施工されたバター層（３２）、及び前記バター層（３２）上に施工された充填層（３４）から構成される修復領域（１４）と
を備えており、前記バター層（３２）が、ニッケル合金、ニッケル鉄合金又はニッケル鉄マンガン合金から構成され、前記充填層（３４）が炭素鋼から構成される、ケーシング部品（１０）。

【請求項2】

前記修復領域（１４）が、前記基部内の空洞又は凹部の形態である、請求項１に記載のケーシング部品（１０）。

【請求項3】

前記タービンが、ガスタービン又は蒸気タービンである、請求項１又は請求項２に記載のケーシング部品（１０）。

【請求項4】

タービン内の流路（２２）の一部を形成するケーシング部品（１０）を修復するための方法（４０）であって、
第１のパス間温度で、基材（１２）上にバター層（３２）を施工するステップ（４４）と、
第２のパス間温度で、前記バター層（３２）上に充填層（３４）を施工するステップ（４６）と
を含み、
前記第１のパス間温度は前記第２のパス間温度よりも低い、方法（４０）。

【請求項5】

前記バター層（３２）が、ニッケル合金、ニッケル－鉄合金又はニッケル－鉄－マンガン合金から構成される、請求項４に記載の方法（４０）。

【請求項6】

前記充填層（３４）が、炭素鋼又は低炭素鋼から構成される、請求項４又は請求項５に記載の方法（４０）。

【請求項7】

前記基材（１２）が鋳鉄又はノジュラー鋳鉄から構成される、請求項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の方法（４０）。

【請求項8】

前記バター層（３２）を施工する前記ステップ（４４）が、複数のバター層（３２）を施工することを含む、請求項４乃至請求項７のいずれか一項に記載の方法（４０）。

【請求項9】

前記第１のパス間温度が、周囲温度から約２０４℃（４００°Ｆ）の間である、請求項４乃至請求項８のいずれか一項に記載の方法（４０）。

【請求項10】

前記第２のパス間温度が、周囲温度から約４００℃（７５０°Ｆ）の間である、請求項４乃至請求項８のいずれか一項に記載の方法（４０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、タービン又はターボ機械のケーシング部品に関し、より具体的には、その材料組成、構築及び修復方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ダクタイル鋳鉄グレードＧＧＧ４０（ＤＩＮ）などのノジュラー鋳鉄は、発電に使用されるタービンのケーシングを製造するために使用される一般的な材料である。ケーシングは通常大きく、非連続生産で鋳造される。プロセスが完全に最適化されていないため、これは鋳造欠陥につながることが多い。さらに、鋳造物は、切削工具の損傷又は誤ったプロセス設定に起因して、機械加工中に損傷を受ける恐れがある。

【0003】

タービンのケーシングは、動作中に高い機械的負荷にさらされる。振動は、材料の疲労、ひいては亀裂の形成を招くおそれがある。ガスタービンの始動シーケンス及び停止シーケンス中に熱応力が発生する。これらの温度変動及びそれに伴うハウジング／ケーシングの膨張及び収縮は、亀裂の形成に寄与する可能性があり、既存の亀裂の拡張を促進する。亀裂が設計限界を超えると、ケーシングは廃棄される可能性があり、新しいケーシングが必要になり、製造コストに起因するだけではなく、タービンの始動動作の遅延にも起因する高コストにつながる。可能であれば、欠陥のある鋳造物は、機械的に修復され、プロセスの困難さのために溶接によって修復される頻度は低い。溶接部は、多くの場合、溶接プロセス中、冷却時、又は使用時間中に亀裂が入ることが多い。

【0004】

冷間溶接及び熱間溶接と呼ばれる、鋳鉄を溶接するための２つの典型的な方法が存在する。熱間溶接は、欠陥領域にノジュラー鋳鉄材料を堆積させることを含む。このプロセスは、ケーシングの変形につながる恐れがある５９４℃（１，１００°Ｆ）以上の高い予熱を必要とする。そのため、仕上げ加工部品を熱間溶接することはできない。冷間溶接は、Ｎｉ、Ｎｉ－Ｆｅ又はＮｉ－Ｆｅ－Ｍｎ合金製の溶接ワイヤ又は電極を使用することを伴う。Ｎｉ合金は、通常、ノジュラー鋳鉄よりも強度が低い。Ｎｉ－Ｆｅ及びＮｉ－Ｆｅ－Ｍｎ合金は、ノジュラー鋳鉄の強度に匹敵するが、それらの合金は非常に低い熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。このことは溶接を容易にするが、大規模な修復では、ＣＴＥの不一致による応力の増加に起因して、ケーシングの熱サイクル中に故障を引き起こす可能性が高くなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１７５９９１号明細書

【発明の概要】

【0006】

ノジュラー鋳鉄ケーシングの配合及び製造方法並びにその修復方法を提供する。

【0007】

一態様によれば、ケーシング部品は、ガス又は蒸気タービンの一部である。ケーシング部品は、ノジュラー鋳鉄製の基部と、基部内の修復領域とを含む。修復領域は、基部上に施工されたバター層と、バター層上に施工された充填層とを含む。

【0008】

別の態様によれば、ガス又は蒸気タービンの一部であるケーシング部品を修復するための方法が提供される。本方法は、基材上にバター層を施工するステップを含む。バター層は、第１のパス間温度で施工される。第２のステップでは、充填層をバター層上に施工し、充填層は第２のパス間温度で施工される。第１のパス間温度は、第２のパス間温度よりも低い。

【0009】

本開示の他の態様及び利点は、本発明の例示的な態様又は実施形態を例示する添付の図面に関連して解釈される以下の説明から明らかになるであろう。

【0010】

例として、本開示の実施形態は、添付の図面を参照して以下により十分に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の例示的な態様を適用することができる蒸気タービンの一部の断面図である。

【図2】例示的な態様の修復領域を示す図１の断面の拡大図である。

【図3】例示的な態様による、１つ又は複数のバター層及び充填層を含む修復領域の断面図である。

【図4】蒸気又はガスタービンの流路の一部を形成するケーシング部品を修復するための方法のフローチャートを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

ここで、本開示の例示的な実施形態を図面を参照して説明するが、全体を通して同様の要素を参照するために同様の参照番号が使用されている。以下の説明では、説明のために、本開示の完全な理解を提供するために多数の具体的な詳細を記載している。しかしながら、本開示は、これらの具体的な詳細なしで実施されてもよく、本明細書に開示される例示的な実施形態に限定されない。

【0013】

本明細書で使用される冠詞「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」は、明細書及び特許請求の範囲に記述される本発明の実施形態の任意の特徴に適用されるときには、１つ又は複数を意味する。「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」の使用は、その意味を単一の特徴に限定する旨を特に言及していない限り、その意味を限定しない。単数若しくは複数の名詞又は名詞句の前の冠詞「その（ｔｈｅ）」は、具体的に特定された１つ又は複数の特徴を示しており、使用される文脈に応じて単数又は複数の意味合いを有することがある。形容詞「任意の（ａｎｙ）」は、数量のいかんにかかわらず、１つ、一部、又はすべてを意味する。

【0014】

図１は、例示的な実施形態を適用することができる軸流蒸気タービンの断面図である。ケーシング部品１０と、蒸気流路２２と、固定ベーン列１６及び下流回転ブレード列１８を含む最終段２０とが示されている。

【0015】

ケーシング部品１０は、軸方向蒸気流路２２の半径方向外側の限界を形成し、それによって軸方向蒸気流路２２を部分的に画定する。ケーシング部品１０はさらに、１つ又は複数の固定ベーン列１６を担持するためのキャリア手段を提供することができる。ケーシング部品１０は、蒸気タービンのケーシングの一部のみを形成してもよい。すなわち、ケーシング部品１０は、いくつかの部品のうちの１つの部品である。あるいは、ケーシング部品１０は、蒸気タービンのケーシングを画定してもよい。

【0016】

図１に示すように、軸方向蒸気流路２２内には、固定ベーン列１６と、それぞれの下流、すなわち、流路２２を通る公称流れ方向又は作動流体に対応する軸方向に続く回転ブレード列１８とが含有される。流路２２内に含有される最終ベーン列１６／ブレード列１８の組み合わせが、タービンの最終段２０を画定する。

【0017】

図２に示す例示的な実施形態では、ケーシング部品１０は、ノジュラー鋳鉄（又は延性鉄）製の基部１２と、蒸気流路２２に露出した領域内の基部１２に位置する修復領域１４とを含む。修復領域１４は、充填材又は充填層の下にあるバター層からなる。例示的な実施形態では、修復領域１４は、回転ブレード列１８と基部１２との間の半径方向の領域に位置し、半径方向は、回転ブレード列１８の回転軸に垂直な方向に画定される。しかしながら、修復領域１４は、ケーシング１０内又はケーシング１０上の任意の場所に位置してもよい。

【0018】

図３は、本開示の一態様による、１つ又は複数のバター層３２及び充填層３４を含む修復領域１４の断面図を示す。基板又は基部１２は、延性鉄、ダクタイル鋳鉄、球状黒鉛鉄又は球状黒鉛鋳鉄とも呼ばれ得るノジュラー鋳鉄から構成される。ダクタイル鋳鉄又はノジュラー鋳鉄では、グラファイトは、ねずみ鋳鉄のような薄片ではなく、球又はノジュールの形態である。ねずみ鋳鉄では、鋭利なグラファイトフレークが金属マトリックス内に応力集中点を作り出す。対照的に、ノジュラー鋳鉄中の丸みを帯びた又は球状のノジュールは、亀裂の発生を抑制し、延性の向上及び優れた機械的特性を提供する。修復の前に、領域１４は、空洞又は凹部の形態をとることができ、この凹部は、修復を構築するための安定した基部を提供するためにさらに掘削することができる。次いで、基板又は部品は、任意選択の予熱ステップに供されてもよく、基板は最大２０４℃（４００°Ｆ）まで加熱される。この任意選択の加熱ステップは、望ましくない水分レベルの除去を容易にするためのものである。

【0019】

良好な基部形状が得られた後、２層以上のバター層又はバタリング層３２が基部１２に施工される。各バター層３２は、ニッケル、ニッケル合金、ニッケル鉄合金又はニッケル鉄マンガン合金から構成されてもよい。バター層３２は比較的柔らかく、鋳鉄基部１２からのカーボンピックアップが多いために脆いミクロ組織を形成しない。バター層３２は、好ましくは、低い入熱、２０４℃（４００°Ｆ）未満のパス間温度、及び予熱なしの低温で施工される。パス間温度は、後続の溶接ランが堆積される溶接部位の温度であり、特定の最大パス間温度は、溶接金属のミクロ組織の発達を制御し、オーステナイト系ニッケル及びニッケル合金の凝固又は液化割れのリスクを最小限に抑えるように選択される。溶接者は、局所温度が所望のパス間温度を超える場合、別のパスを行う前に溶接部位が冷却するのを待たなければならない。

【0020】

充填層３４が、バター層３２上に施工される。充填層３４は、低炭素鋼の１つ又は複数の層から構成されてもよい。低炭素鋼材又は溶接電極は、炭素含有量が約０．２５％を超えず、マンガン含有量が約１．６５％を超えないものである。炭素鋼材は、ノジュラー鋳鉄と同様の平均熱膨張係数を有し、ケーシングの熱サイクル中に溶接領域が基材とほぼ同じ速度で膨張及び収縮することを保証する。充填層３４は、所望のプロファイルが得られるまで、１回又は複数回のパスで施工することができる。充填層３４を使用する利点は、バター層３２よりも高速で、かつ４００℃（７５０°Ｆ）までのより高いパス間温度で堆積させることができることにある。

【0021】

バター層３２は、溶接電極又は溶接ワイヤを使用することによって堆積されてもよい。溶接／バタリング電極の材料組成（重量基準）の一例は、鉄（Ｆｅ）が残部、ニッケル（Ｎｉ）が約５６．８％、炭素（Ｃ）が約１．１８％、ケイ素（Ｓｉ）が約０．４９％及びマンガン（Ｍｎ）が約０．４９％である。得られた溶接金属の機械的特性は、約４８０Ｎ／ｍｍ２又は７０ｋｓｉの引張強度、約１８％の伸び率及び約１７０～１９０ＨＶ又は８５～９０ＨＲＢの硬度である。溶接／バタリング電極材料組成物のさらなる例は、Ｎｉが残部、Ｆｅが０．８０％～５．３％、Ｃが０．４３％～１．２％、マンガンが０．２５％～２．５％、Ｓｉが０．３２％～０．７０％である。さらに、ニッケル又はニッケル合金の溶接／バタリング電極を、バター層３２の特定の施工に利用することもできる。適切なＮｉ合金は、少なくとも８５％のＮｉの組成を有し、Ｎｉ－Ｆｅ合金は、４５％～７５％のＮｉを有し、残部がＦｅであり、Ｎｉ－Ｆｅ－Ｍｎ合金は、最低３５％のＮｉ、１０％～１５％のＭｎ、及び残部がＦｅである。ニッケル合金は、微量又は少量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ａｌ及び最大３％の強力な炭化物形成元素を有してもよい。

【0022】

図４は、タービンの流路の一部を形成するケーシング部品を修復するための方法４０のフローチャートを示す。タービンは、ガスタービン又は蒸気タービンであってもよい。この方法は、基材を準備する準備ステップ４２を含む。基材１２は、ダクタイル鋳鉄又はノジュラー鋳鉄である。準備ステップ４２は、修復又は保守が必要な領域を特定するステップと、この領域を掘削するステップと、領域を洗浄するステップとを含むことができる。掘削は、緩んだ基材を除去すること、又はその後の修復／保守のために領域の形状を所望の形状に輪郭形成することを伴う場合がある。基材が準備された後、施工ステップ４４では、基材１２に１つ又は複数のバター層３２を施工する。バター層３２は、第１の予熱温度及び第１のパス間温度で基材１２上に施工される。第１の予熱温度は、ほぼ室温又は周囲温度から２０４℃（４００°Ｆ）までとすることができる。パス間温度は、周囲温度から２０４℃（４００°Ｆ）の範囲である。

【0023】

第２の施工ステップ４６では、バター層３２上に１つ又は複数の充填層３４を施工する。充填層３４は、周囲温度から４００℃（７５０°Ｆ）の範囲の第２のパス間温度で施工される。第１の入熱レベルは、第２の入熱レベルよりも低くてもよい。充填層３４はまた、第１の堆積速度よりも速い第２の堆積速度で適用されてもよい。仕上げステップ４８を使用して、修復領域の表面を所望の形状プロファイル又は表面粗さに機械加工又は研磨することができる。

【0024】

ある要素又は層が別の要素又は層に対して「上に」、「係合される」、「接続される」、又は「結合される」と言及される場合には、他の要素又は層に対して直接的に上に、係合され、接続され、又は結合されてもよいし、あるいは介在する要素又は層が存在してもよい。逆に、ある要素が別の要素又は層に対して「直接上に」、「直接係合される」、「直接接続される」、又は「直接結合される」と言及される場合には、介在する要素又は層は存在しなくてもよい。要素間の関係について説明するために使用される他の語も、同様に解釈されるべきである（例えば、「～の間に」に対して「直接～の間に」、「～に隣接して」に対して「直接～に隣接して」など）。本明細書で使用する場合、「及び／又は」という用語は、関連する列挙された項目のいずれか及び１つ又は複数のすべての組み合わせを含む。

【0025】

本明細書は、最良の態様を含む本発明を開示するため、及びどのような当業者も、任意の装置又はシステムの作製及び使用並びに任意の組み込まれた方法の実行を含む本発明の実践を可能にするために、実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。

【符号の説明】

【0026】

１０ ケーシング部品
１２ 基部、基材、鋳鉄基部
１４ 修復領域
１６ 固定ベーン列、最終ベーン列
１８ 回転ブレード列、最終ブレード列
２０ 最終段
２２ 蒸気流路、軸方向蒸気流路
３２ バター層、バタリング層
３４ 充填層
４０ 方法
４２ ステップ
４４ ステップ
４６ ステップ
４８ ステップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】