[发明专利]蒸气涡轮转子、使用了该蒸气涡轮转子的蒸气涡轮以及使用了该蒸气涡轮的火力发电机组

说明书

技术领域

本发明涉及蒸气涡轮转子的技术，尤其涉及作为转子轴使用以前的铁素体 类耐热钢，并且能够应对主蒸气温度的高温化的蒸气涡轮转子、使用了该蒸气 涡轮转子的蒸气涡轮以及使用了该蒸气涡轮的火力发电机组。

背景技术

近年来，从节能(例如，化石燃料的节约)以及地球环境保护(例如， CO₂气体的产生量抑制)的观点来看，期望火力发电机组的效率提高(例如， 蒸气涡轮的效率提高)。作为提高蒸气涡轮的效率的有效的手段之一，存在主 蒸气温度的高温化。例如，在目前的最先进的超超临界压(USC)发电机组中， 主蒸气温度成为600℃级(约600℃～约620℃)，但通过将该主蒸气温度提高 至650℃级(约650℃～约670℃)，能够期待热效率大幅度提高。

在600℃级的USC发电机组的蒸气涡轮部件(例如，蒸气涡轮转子)使 用多种耐热钢(例如，专利文献1所记载的铁素体类耐热钢、专利文献2所记 载的奥氏体类耐热钢)。此处，为了使主蒸气温度上升至650℃级，而需要维 持蒸气涡轮部件在该主蒸气温度下必要充分的机械强度(例如，蠕变强度)。

另一方面，在世界各国正在推进以比600℃级的USC发电机组更进一步 高效率化为目标的700℃级的先进超超临界(A-USC)发电机组的开发。作为 700℃级的A-USC发电机组的蒸气涡轮部件用的材料，开发了比耐热钢在高温 强度方面更优越的镍基超合金(例如，专利文献3所记载的镍基合金)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特公平8-30251号公报

专利文献2：日本特开平8-13102号公报

专利文献3：日本特开平7-150277号公报

全世界方面，地球环境保护的趋势高涨，另一方面，能量需要也继续增大。 为了应对这些对立的要求，针对火力发电机组(尤其是蒸气涡轮)强烈地要求 效率提高。而且，为了提高蒸气涡轮的效率，如上所述，主蒸气温度的高温化 非常有效。

700℃级的主蒸气温度为蒸气涡轮的长年的目标，从而进行了较多针对实 用化的研究开发，但遗憾的是700℃级的A-USC的蒸气涡轮至今仍未被实用 化。因此，在700℃级的A-USC发电机组之前，使650℃级的发电机组先实用 化的趋势近年来正在高涨。

然而，耐700℃级的主蒸气温度的镍基超合金的材料成本非常高，因此可 能会抵消掉将650℃级的发电机组实用化所带来的经济上的优势。另一方面， 铁素体类耐热钢制的转子轴的耐用温度若考虑施加于该转子轴的离心负载应 力，则通常620℃被称为极限，从而利用耐热钢组成控制等的以往的方法使该 转子轴的耐用温度向650℃级提高并不容易。

此外，通常，铁素体类耐热钢的矩阵晶粒中的转位密度比较低，因此具有 即使在高温长时间的环境下显微组织变化也较少且长期稳定性/可靠性优越的 优点，但具有高温下的机械强度比较低的弱点。奥氏体类耐热钢具有高温强度 与耐氧化性优越的优点，但由于热膨胀系数比较大，所以在温度变化而引起的 热疲劳方面具有弱点(即，在长期稳定性/可靠性方面具有弱点)。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种作为转子轴使用以往的低成本的铁素体 类耐热钢，并且能够应对主蒸气温度向650℃级的高温化的蒸气涡轮转子、使 用了该蒸气涡轮转子的蒸气涡轮以及使用了该蒸气涡轮的火力发电机组。

(I)为了实现上述目的，本发明的一方式提供一种具有转子轴与动叶片 的蒸气涡轮转子，该蒸气涡轮转子的特征在于，上述转子轴由铁素体类耐热钢 构成，上述动叶片由钛铝合金构成，上述钛铝合金的组成包含38原子％以上 45原子％以下的铝(Al)、0.5原子％以上2原子％以下的钒(V)、2原子％以 上6原子％以下的铬(Cr)以及/或者钼(Mo)，剩余部分为由钛(Ti)与不可 避免的杂质构成的钛铝合金(TiAl合金)。

本发明在上述的蒸气涡轮转子(I)的基础上，能够施加以下的改进、变 更。

(i)上述铁素体类耐热钢为12铬钢(12Cr钢)，上述钛铝合金在合计0.5 原子％以上3原子％以下进一步包含从铌(Nb)、钽(Ta)、钨(W)、铁(Fe)、 锰(Mn)以及镍(Ni)中选择的一种以上以及/或者进一步包含0.05原子％以 上0.2原子％以下的硼(B)。