CN102227548B - 蒸汽装置 - Google Patents

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Abstract

蒸汽装置具备：高温构件(1)，一侧的面暴露在高温蒸汽(3)中，另一侧的面被比高温蒸汽(3)温度低的冷却蒸汽(4)冷却；低温构件(2)，配置为隔着冷却蒸汽(4)的流路与高温构件(1)对置，由比高温构件(1)耐热性低的材料形成。具有第一高反射率被膜(6)和第二高反射率被膜(10)中的至少某个高反射率被膜，所述第一高反射率被膜(6)形成在高温构件(1)的暴露在高温蒸汽(3)中的面上，对红外线的反射率高于高温构件(1)；所述第二高反射率被膜(10)形成在低温构件(2)的与高温构件(1)对置的面上，对红外线反射的反射率高于低温构件(2)。

Description

蒸汽装置
技术领域
本发明涉及蒸汽装置。
背景技术
在内部流动有高温蒸汽的蒸汽装置中，例如在以往的火力发电设备中的蒸汽涡轮机中，蒸汽温度低于600℃。因此，考虑到经济性和制造性，通常蒸汽涡轮机的高温部(涡轮转子、动叶轮等)的主要部件利用铁素体类耐热钢。
此外，近年来，在保护环境的背景下，为了使火力发电设备高效化，利用600℃程度的高温蒸汽的蒸汽涡轮机在得以运用。在这样的蒸汽涡轮机中，在铁素体类耐热钢的情况下会因蒸汽温度被高温化而使高温强度不够。因此，还存在适用以镍为主成分的耐热合金或奥氏体类耐热钢的情况。
当前，在研究开发着使用大于等于650℃高温的高温蒸汽的蒸汽涡轮机的同时，还公开有从经济性和制造性等观点出发，尽量减少耐热合金或奥氏体类耐热钢的使用部分来构成蒸汽涡轮机发电设备的技术(例如，参照专利文献1-3)。
该蒸汽涡轮机设备在1个轴上连结有超高压涡轮部、高压涡轮部、中压涡轮部、低压涡轮(1)、低压涡轮(2)以及发电机，超高压涡轮和高压涡轮组装在同一外部壳体上且相互独立。在该蒸汽涡轮机设备中，对超高压涡轮部的尤其高温部限制耐热合金或奥氏体类耐热钢的使用。
但是，为了实现如超过700℃这样的蒸汽温度的高温化，由于仅靠基材金属的耐热温度的上升具有限度，所以利用冷却蒸汽对高温部件进行冷却的冷却技术是不可缺少的(例如，参照非专利文献1)。还公开了与该冷却技术相关的专利(例如，参照专利文献4)。
而且，在燃气涡轮机的领域中，为了保护使用了高强度的Ni基超合金或Co基超合金的构件免受高温的燃烧气体的影响，一直应用着在表面设置低热传导的陶瓷层来对高温部件的内表面进行冷却的隔热涂层技术。通常使用喷镀法来形成该陶瓷层，但是，为了使表面平滑化等，还在研究开发着利用了陶瓷的前驱体的泥浆/凝胶涂层法(slurry/gel coating)(例如，参照专利文献5)。但是，在蒸汽涡轮机的情况下，由于蒸汽为红外线辐射的热放射性气体，所以存在如辐射传热变得更重要、不仅对受热的构件而且对散热的构件也要求隔热性能等这样技术上不同的问题。此外，在由主流的喷镀法进行的燃气涡轮机用陶瓷隔热涂层的方法中，通过在陶瓷层含有气孔而实现了低热传导化。但是，在蒸汽涡轮机中，可能会存在因高热传导率的蒸汽进入该气孔部中而使热传导率上升的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-247806号公报
专利文献2：日本特开2000-282808公报
专利文献3：日本特许登录第3095745号说明书
专利文献4：日本特开2004-353603公报
专利文献5：日本特开2001-226759公报
非专利文献
非专利文献1：日本“功能材料”2008年1月期，vol.28，p.6-18
发明内容
发明所要解决的技术问题
针对在上述的如超过700℃这样的蒸汽温度的蒸汽涡轮机中保证燃气涡轮机构成部件的强度的方法，进行着各种各样的研究。在以往的火力发电设备中，蒸汽涡轮机所使用的涡轮转子、喷嘴、动叶轮、喷嘴箱(蒸汽室)、蒸汽供给管等涡轮结构部件使用改良的耐热钢。但是，若蒸汽温度超过700℃，则很难通过该耐热钢保证这些涡轮结构部件的强度。
因此，期待如下的技术，即，在蒸汽涡轮机中，在低温部使用经济性和可靠性优良的以往的改良的耐热钢，限定于暴露在高温蒸汽中的部分使用耐热性高的材料，并在两者之间导入冷却蒸汽。但是，例如，由于从与涡轮的初级对应的构件开始使用以往的材料而要通过冷却蒸汽对涡轮转子和壳体进行冷却，为此需要有达到干流的百分之几的冷却蒸汽量。此外，由于冷却蒸汽流入蒸汽通路部内，所以产生叶栅性能降低所伴随的涡轮单体的内部效率降低的问题。
本发明为了解决上述的问题而做出，其目的在于提供能够使用高温蒸汽而提高了热效率并且经济性以及可靠性优良的蒸汽装置。
用于解决技术问题的技术手段
本发明的蒸汽装置的一方式，蒸汽装置具备：第一构件，一侧的面暴露在高温蒸汽中，另一侧的面被比上述高温蒸汽温度低的低温蒸汽冷却；以及第二构件，配置为隔着上述低温蒸汽的流路与上述第一构件对置，由比上述第一构件耐热性低的材料形成；其特征在于，该蒸汽装置具有第一高反射率被膜和第二高反射率被膜中的至少某个高反射率被膜，其中，所述第一高反射率被膜形成在上述第一构件的暴露在上述高温蒸汽中的面上，该第一高反射率被膜对红外线的反射率高于上述第一构件对红外线的反射率；所述第二高反射率被膜形成在上述第二构件的与上述第一构件对置的面上，该第二高反射率被膜对红外线的反射率高于上述第二构件对红外线的反射率。
本发明的蒸汽装置的另一个方式，蒸汽装置具备：第一构件，一侧的面暴露在高温蒸汽中，另一侧的面被比上述高温蒸汽温度低的低温蒸汽冷却；以及第二构件，配置为隔着上述低温蒸汽的流路与上述第一构件对置，由比上述第一构件耐热性低的材料形成；其特征在于，该蒸汽装置具有低放射率被膜，所述低放射率被膜形成在上述第一构件的被上述低温蒸汽冷却的面上，该低放射率被膜的放射率低于上述第一构件的放射率。
本发明的蒸汽装置的另一个方式，蒸汽装置具备：第一构件，一侧的面暴露在高温蒸汽中，另一侧的面被比上述高温蒸汽温度低的低温蒸汽冷却；以及第二构件，配置为隔着上述低温蒸汽的流路与上述第一构件对置，由比上述第一构件耐热性低的材料形成；其特征在于，该蒸汽装置具有第一高反射率被膜和第二高反射率被膜中的至少某个高反射率被膜，其中，所述第一高反射率被膜形成在上述第一构件的暴露在上述高温蒸汽中的面上，该第一高反射率被膜对红外线的反射率高于上述第一构件对红外线的反射率；所述第二高反射率被膜形成在上述第二构件的与上述第一构件对置的面上，该第二高反射率被膜对红外线的反射率高于上述第二构件对红外线的反射率；并且该蒸汽装置具有低放射率被膜，所述低放射率被膜形成在上述第一构件的被上述低温蒸汽冷却的面上，该低放射率被膜的放射率低于上述第一构件的放射率。
发明效果
根据本发明提供能够使用高温蒸汽而提高了热效率并且经济性以及可靠性优良的蒸汽装置。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的一个实施方式的主要部分剖面结构的图。
图2是表示温度所引起的黑体放射能量波谱的变化的图。
图3是表示层叠折射率不同的电介质薄膜而成的被膜的结构例的图。
图4是用于说明介电氧化物的低折射率材料与高折射率材料组合例的图。
图5是表示用于构成被膜的红外线反射颗粒的剖面结构的图。
图6是表示使用了图5所示的红外线反射颗粒的被膜的剖面结构的图。
图7是示意性的表示其他实施方式的主要部分剖面结构的图。
图8是表示使用氧化物的填料的情况下的填料含量与反射率之间的关系的曲线图。
图9是表示使用金属的填料的情况下的填料含量与反射率之间的关系的曲线图。
图10是示意性地表示变形例的主要部分剖面结构的图。
图11是示意性地表示其他变形例的主要部分剖面结构的图。
图12是表示填料的平均粒径与反射率之间的关系的曲线图。
图13是表示高温蒸汽涡轮机的上半壳体部的剖面结构的图。
图14是表示将本发明应用于蒸汽涡轮机的蒸汽流入管部的实施方式的图。
图15是表示将本发明应用于蒸汽涡轮机的喷嘴箱部的实施方式的图。
图16是表示将本发明应用于蒸汽涡轮机的热室部的实施方式的图。
具体实施方式
以下，参照附图，基于实施方式说明本发明的详细结构。
图1是示意性地表示本发明的实施方式的蒸汽涡轮机的主要部分剖面结构的图。在使用了超过铁素体类耐热钢的耐热温度550℃的高温蒸汽(例如600℃～700℃程度)的蒸汽涡轮机中，在通过低温蒸汽对该蒸汽涡轮机的高温构件(耐热性高的构件)进行冷却的情况下，如图1所示，暴露在高温蒸汽3中的高温构件(耐热性高的构件)1和主要来保证蒸汽涡轮机的强度的低温构件(耐热性比高温构件低的构件)2隔着冷却蒸汽4的流路对置。另外，在图1中，附图标记5表示大气。
作为这样的构件中的热量的流动，热量从高温蒸汽3传递至高温构件1之后，热量的一部分在高温构件1的内部朝向温度低的蒸汽下游侧传递，同时，剩余的热量用于使冷却蒸汽4温度上升而被消耗。冷却蒸汽4温度上升最终引起低温构件2温度上升。
在本实施方式中，在暴露在高温蒸汽3中的高温构件1的表面，形成有对红外线的反射率高于高温构件1的第一高反射率被膜6。从高温蒸汽3向高温构件1的热传递通过对流传热和放射传热来进行。因此，通过形成第一高反射率被膜6，能够抑制来自蒸汽的传热，从而减少高温构件1的温度上升。
此外，若为了提高隔热效果而在高温构件1的暴露在高温蒸汽3中的一侧的面上设置第一低热传导被膜7，则能够进一步提高隔热效果。在图1中，第一低热传导被膜7形成在第一高反射率被膜6和高温构件1之间，但是，在第一低热传导被膜7的红外线的透射率高的情况下，能够在第一高反射率被膜6的外侧设置第一低热传导被膜7，使第一低热传导被膜7具有保护红外线反射膜不受到水蒸汽或腐蚀环境影响的功能。此外，能够无关于热传导率地在最表面等上另外追加形成红外线的透射率高且具有进行保护而使得不受到水蒸汽或腐蚀环境影响的作用的被膜。作为第一低热传导被膜7的材料，优选使用热传导率在小于等于5W/mK的材料。关于这一点，后述的其他的低热传导被膜也相同。
在对蒸汽涡轮机部件进行蒸汽冷却的情况下，高温构件1使用耐热温度高的合金等，因此具有足够的高温强度，但是低温构件2考虑适用通常的铁素体钢，因此低温构件2的温度上升引起蒸汽涡轮机的严重损伤劣化的可能性更高。因此，降低从高温构件1向冷却蒸汽4的散热量，抑制冷却蒸汽4的温度上升，来减少低温构件2的温度上升，有利于降低部件的损伤。
为了降低向冷却蒸汽4的散热量，在高温构件1的冷却蒸汽流路侧的表面设置放射率低于高温构件1的低放射率被膜9很有效。理论上来讲，由于电磁波的放射率与反射率、吸收率相加为1，所以如果吸收率不变化，则认为低放射率与高反射率具有相同的意义。因此，第一高反射率被膜6和低放射率被膜9能够使用相同的材料。这样，例如，能够在泥浆中浸渍高温构件1，在高温构件1的高温蒸汽3侧和冷却蒸汽4侧的2个表面上同时形成被膜，在简化制造工序方面是优选的。
此外，关于抑制冷却蒸汽4的温度上升这一点，在高温构件1的冷却蒸汽4侧的表面上设置第二低热传导被膜8也很有效。但是，就该散热侧的第二低热传导被膜8而言，在冷却蒸汽量较多而低温构件2的温度上升不构成设计方面的问题的情况下，积极地促进传热来降低高温构件1的温度反而会更有效，因此也存在优选不设置第二低热传导被膜8而相反地设置放射率和热传导率高的被膜的情况或部位。
而且，为了抑制从冷却蒸汽4传递来的热量，在低温构件2的与高温构件1对置的一侧的面上，形成有对红外线的反射率高于低温构件2的第二高反射率被膜10。此外，若在低温构件2的与高温构件1对置的一侧的面上形成第三低热传导被膜11，则能够进一步改善隔热效果。
在上述结构的实施方式中，上述的第一高反射率被膜6、第二高反射率被膜10、低放射率被膜9中至少设置任意1个即可，也可以设置其中的任意2个，也可以全部设置。此外，第一低热传导被膜7、第二低热传导被膜8、第三低热传导被膜11不是必须进行设置，可以设置其中任意1个、任意2个或全部。
此外，图1所示的第一高反射率被膜6、第二高反射率被膜10、低放射率被膜9、以及第一低热传导被膜7、第二低热传导被膜8、第三低热传导被膜11的形成工艺没有特别限定，例如能够使用喷镀法、物理蒸镀法、化学蒸镀法、泥浆法等来形成。
图2表示假设为黑体放射的情况下的因温度引起的放射波谱的变化。另外，在图2中，附图标记12为700℃时的波谱，附图标记13为600℃时的波谱，附图标记14为500℃时的波谱。这样，在500℃～700℃程度的温度范围内，在波长2.5微米至4微米(2500nm～4000nm)程度处出现能量密度的峰值，推测出该波段的对红外线的反射率高的被膜、特别是第一高反射率被膜6、第二高反射率被膜10的性能优良。
因此，就第一高反射率被膜6、第二高反射率被膜10而言，相对于波长为2.5微米至4微米(2500nm～4000nm)的电磁波的反射率越高越好，但是，实际上只要反射率大于等于60％，那么与没有形成被膜的情况相比就能够得到足够的效果。此外，在高温构件1的散热面侧加工的低放射率被膜9的放射率越低越好，但是实际上只要放射率小于等于40％，那么与没有形成低放射率被膜9的情况相比就能够得到足够的效果。
为了提高被膜的红外线反射率或者降低放射率，能够使用对折射率不同的介电物质进行层叠、利用界面处的反射光的干涉来提高反射率的方法。图3示出了使用这样的多层构造的被膜的实施方式的例子。图3所示的多层构造的被膜的结构例中，第一高反射率被膜6具有如下的结构，即，在高温构件1的表面将n层高折射率层(1)15～高折射率层(n)17、与n层低折射率层(1)16～低折射率层(n)18交替地层叠。
上述高折射率层(1)15～高折射率层(n)17、低折射率层(1)16～低折射率层(n)18的材料，从高温下具有优良的稳定性的观点出发，优选为氧化物类的介电材料。图4示出了按照折射率的顺序对候补材料进行归纳而成的表。以折射率2前后为界限进行材料选择是具有实用性的，能够根据对象材料将该界限附近的HfO2、NiO、ZrO2等能够选择为高折射率层以及低折射率层中某层的材料。
若考虑高温水蒸汽环境下的长期的稳定性，则优选从高耐环境性的能够有效地作为保护被膜的Al2O3、Y2O3、HfO2、ZrO2、ZrO2+TiO2、Ta2O5、Ce2O3、Cr2O3、Nb2O5、TiO2中进行选择。另外，作为反射膜的形成方法，由于需要按照微米精度要求对膜厚进行控制，所以优选作为物理蒸镀法的一种的溅射法、或通过电子束进行的物理蒸镀法。另外，各层的膜厚由于在光路长度为设计波长的1/4的情况下反射增强，所以优选0.01～10微米程度的膜厚。
图5是表示用于说明构成其他构造的高反射率被膜的例如球状的红外线反射颗粒25的图。在图5中，附图标记19为氧化物颗粒，在该氧化物颗粒19的表面形成有上述的由折射率不同的介电氧化物构成的高折射率层(1)21、高折射率层(2)23、以及低折射率层(1)22、低折射率层(2)24。此外，在氧化物颗粒19的内部形成有真空区域20。另外，红外线颗粒25的形状不限于球状。这样，若使用在氧化物颗粒19的内部形成有真空区域20的中空颗粒，则热传导率也降低，所以更加优选。另外，氧化物颗粒19的材料优选ZrO2、HfO2、CeO2这样的低热传导的材料，但是还能够使用SiO2、Al2O3等。
图6示出了使用了图5所示的红外线反射颗粒25的其他构造的高反射率被膜构造的例子。该被膜为在红外线反射颗粒25的间隙中填入结合材料26的构造。另外，结合材料26可以使用无机物、有机物中的任意一种，但是，从耐热性、耐环境性的观点出发，优选胶体二氧化硅、硅酸锂、硅酸钠、磷酸铝、或者水泥(cement)等无机粘合剂。
图7是示意性地表示使用了其他构造的高反射率被膜的实施方式的结构的图。在该实施方式中，该高反射率被膜由气孔率小于等于3％的致密层130形成，该致密层130以含有氧化硅的氧化物为基质(matrix)131，含有由与基质131不同的氧化物的颗粒或金属的颗粒形成的填料132。在填料132由氧化物的颗粒形成的情况下，填料132的含量为20至80体积％。此外，在填料132由金属的颗粒形成的情况下，填料132的含量为10至80体积％。其理由后面描述。
基质131使用以形成玻璃质相的SiO2(二氧化硅)为主成分的陶瓷。使用这样的形成玻璃质相的陶瓷的理由是因为能够形成缺陷少的致密层130。另外，基质131不仅能够使用纯二氧化硅，还能够使用由氧化铝和二氧化硅生成的莫来石那样的硅铝酸盐化合物等。
作为填料132，只要是对蒸汽所放射的波长的红外线进行反射的材料即可，能够利用金属、与基质131不同的氧化物(陶瓷)的各种材料，但是，在其选定时，重要地是考虑致密层130的被暴温度。即，在被用于低于600℃这样的温度比较低的部位的情况下，优选使用具有金属光泽、反射率高的铝、银、铂、金等金属填料，但是，若变为高温则有可能会因氧化而使反射率显著降低。因此，在被用于超过600℃的高温的部位的情况下，若使用作为白色系的颜料被广泛利用的以氧化钛、氧化铝、氧化锆等为主成分的材料，则能够长时间维持隔热效果。此外，还能够使用以硅酸盐化合物为主成分的填料。
形成该致密层130的方法优选使用泥浆/凝胶的方法。即，将混合了形成二氧化硅基质的氧化物前驱体与填料原料而成的泥浆/凝胶状的材料，通过喷射涂层在基材上，或者，对基材进行浸渍而形成含有水分、有机成分的被膜，然后通过干燥、烧结过程使水分、有机成分挥发，由陶瓷的前驱体形成以二氧化硅为主成分的基质。根据该方法，即使是蒸汽涡轮机的高温部件那样的具有复杂形状的部件，也能够比较容易地形成致密层130。作为在室温下具有泥浆/凝胶状的形态的、通过高温烧结形成SiO2等含有硅元素的化合物的材料，能够使用各种具有封端官能团的含有硅氧烷键的化合物、或各种硅乳胶材料等。
图8的坐标图将纵轴作为红外线反射率，将横轴作为填料含量(体积％)，示出了将TiO2用作填料132，其含量在0体积％至90体积％之间变化时的红外线反射率(波长2.7微米)的变化。红外线的反射率具有从填料132的含量为20体积％程度开始急剧增加、随着填料132进一步增加红外线的反射率稍微增加的倾向。因此，在将TiO2等氧化物(陶瓷)用作填料132的情况下，需要其含量大于等于20体积％。
另一方面，图9的坐标图将纵轴作为红外线反射率，将横轴作为填料含量(体积％)，示出了将金属用作填料132，其含量在0体积％至90体积％之间变化时的红外线反射率(波长2.7微米)的变化。对于红外线的反射率，若填料132的含量大于等于10体积％，则反射率超过70％。因此，在将金属用作填料132的情况下，填料132的含量只要大于等于10体积％即可。另外，通常，如果透射率为0，则反射率与放射率的关系如下式所示。
反射率＝1-放射率
表面没有实施涂层的金属基材在没有产生氧化的情况下，反射率为0.7程度，放射率为0.3程度。因此，优选致密层130的反射率高于0.7。然而，通常金属基材会因氧化而反射率显著降低，但是只要抑制在高温水蒸汽中的氧化，即使表面的初期的反射率或放射率与金属基材为同等程度，也能够得到足够的放射传热的抑制效果。
此外，为了评价致密层130的粘接性，实施基于JIS K5600的通过粘接带的粘贴和剥离而进行的试验。结果表明，不管是金属填料还是氧化物填料，只要含量超过80体积％，在剥离粘接带后，在带侧都残留有致密层130，致密层的粘接性较低。该结果的原因在于，若成为基质的以二氧化硅为主成分的氧化物的量极少，则致密层130的强度降低。因此，填料含量需要小于等于80体积％。
根据以上内容，在将氧化物(陶瓷)用作填料132的情况下，使填料含量为20～80体积％，在将金属用作填料132的情况下，使填料含量为10～80体积％，由此能够确保需要的反射率，并且能够确保膜所需要的粘接性以及强度。另外，如图2所示，致密层130所反射的蒸汽的吸收波谱具有很宽的波长范围，尤其是在2.7微米(2700nm)程度处具有高吸收的波峰，因此如果使用以该波长为中心具有高反射率的致密层130，则能够形成对蒸汽具有高反射率的被膜。上述结构的致密层130具有如下的作用，即，抑制来自蒸汽的传热或抑制从构件向冷却蒸汽的放射的同时，还防止蒸汽进入后述的下部的多孔质陶瓷层140。
作为在上述的致密层130的下层设置的第一～三低热传导被膜，在本实施方式中使用气孔率为5～50％的多孔质陶瓷层140。该多孔质陶瓷层140的厚度越大越耐热，并且对由于基材(高温构件1)与致密层130之间的热膨胀系数之差而产生的热应力进行缓和的效果越好，因此，优选多孔质陶瓷层140的厚度大于等于100微米。
此外，多孔质陶瓷层140的气孔率越大，则对降低热传导率、以及缓和与基材(高温构件1)之间的热膨胀系数之差所引起的热应力越有效，优选该气孔率大于等于5％，更优选大于等于10％。但是，若气孔率过高，裂纹会如连结气孔之间那样传播，强度降低，因此，优选将气孔率抑制为小于等于50％，更优选抑制为小于等于25％。该多孔质陶瓷层140例如能够通过大气等离子喷镀法来形成。在该方法中，使用喷镀枪，在大气中向高速的电弧等离子流的内部投入陶瓷粉末并使该陶瓷粉末熔融，使该该陶瓷粉末的液滴以高速冲击基材表面，使其在基材上凝固而形成被膜。通常，使喷镀枪扫描来进行层叠，由此在大面积的基材上形成几百微米至几毫米的陶瓷的厚膜。能够通过作为投入的粉末利用中空的粉末，或通过对等离子的输出或喷镀枪与基材之间的距离进行控制，来控制被膜内部的气孔率。
此外，多孔质陶瓷层140的材料只要是具有低热传导率和高温稳定性的材料即可，但是鉴于至今的实际情况和在陶瓷中热膨胀系数大等的情况，优选使用由氧化钇进行了相稳定化的氧化锆。但是，若作为稳定剂的氧化钇的量少，或使用氧化钇产生了偏析的材料，则会因水蒸汽产生腐蚀，因此，氧化钇的含量至少大于等于5质量％，优选使用氧化钇的含量为大于等于8质量％的氧化锆。此外，能够使用氧化铪或氧化铈等、具有与氧化锆相同的萤石型结晶构造的氧化物，但是在该情况下，为了避免在水蒸汽中形成不稳定的相，需要控制氧化钇或稀土类氧化物等稳定剂的添加量。此外，还能够使用钇或镧等的稀土类氧化物。
图10示出了上述实施方式的变形例的结构，在该变形例中，在致密层130和多孔质陶瓷层140之间设有陶瓷接合层150。作为陶瓷接合层150，优选使用接合强度高且热膨胀系数为多孔质陶瓷层140与致密层130中间的材料。此外，可以使用由不含有填料132的基质131形成的层。根据这样的结构，能够提高各层的粘接性。
图11示出了其他变形例的结构，在该变形例中，如图11中左侧所示，填料132的含量(体积％)在致密层130的厚度方向上存在倾斜，在表面侧填料132的含量多，在多孔质陶瓷层140侧含量少。如果设成这样构造的致密层130，则能够成为与多孔质陶瓷层140的粘接性高且能够良好地反射红外线的被膜。
图12是以纵轴为反射率，以横轴为填料平均粒径，表示在Si类的基质中以体积率50％分散TiO2填料132而成的厚度10微米的膜中的、反射率与平均粒径之间的关系的坐标图。若填料132的平均粒径小于红外线的波长的1/4，则红外线透射率大，膜的反射率降低。因此，优选填料132的平均粒径大于等于红外线的波长的1/4。此外，若填料132的平均粒径大于膜厚的1/2，则概率上来讲红外线不与填料132碰触而从膜穿透的量变多，因此优选填料132的平均粒径小于等于膜厚的1/2。
另外，上述结构的致密层130作为高反射率的被膜或低放射率的被膜，还能够用于图1所示构造的蒸汽装置以外的所有结构的蒸汽装置。在该情况下，作为形成致密层130的基材，例如能够使用铁素体类钢铁材料、奥氏体类钢铁材料或以镍为主成分的合金等所有的基材。此外，为了提高隔热性，优选在致密层130与基材之间设置低热传导率的多孔质陶瓷层140。
图13示出了作为发明的适用对象的高温蒸汽涡轮机的上半壳体部的剖面结构的一例。如图13所示，蒸汽涡轮机具备由内部壳体35与其外侧的外部壳体36构成的双重构造的壳体，在这些壳体之间形成由热室(heat chamber)38，在内部流动有冷却蒸汽。在内部壳体35的中央部贯穿设置有涡轮转子28。而且，在内部壳体35的内表面固定有喷嘴隔板外圈33，并配设有多级的喷嘴31。此外，在涡轮转子28侧，对应于各喷嘴地经由轮部27埋设动叶轮32。另外，初级喷嘴31a成为固定在成为高温蒸汽从蒸汽流入管29向涡轮部流入的流入路径的喷嘴箱30上的构造。
暴露在温度为700℃程度至约550℃的高温蒸汽中的蒸汽流入管29、喷嘴箱30、喷嘴31a、31、动叶轮32a、32、喷嘴隔板外圈33、喷嘴隔板内圈34等，适用高温强度特性(例如10万小时蠕变断裂强度)高且耐水蒸汽腐蚀性优良的耐腐蚀性耐热合金。作为这样的合金正在研究适用例如英科奈尔(Inconel)公司制的Inco625、Inco617、Inco713(都是商品名称)等Ni基合金。另外，在图13中，附图标记37为冷却蒸汽流路。
图14中对上述高温蒸汽涡轮机的上半壳体部的蒸汽流入管29的部分进行了放大表示。将蒸汽流入管29设为内侧的高温套管39与外侧的流入管壳体40或者内部壳体35的双重构造，成为在两者的间隙中流动冷却蒸汽4的构造。通过形成这样的结构，能够有效地对由于从蒸汽流入管29朝向位于外部的壳体等使用耐热温度低的材料的构件进行放射或热传递而引起的热传导进行抑制，或者能够对热量从高温蒸汽3进入蒸汽流入管29进行抑制，从而能够实现蒸汽流入管29的可靠性的提高及长寿化。
在上述高温套管39的内表面形成有与图1所示的第一高反射率被膜6相当的受热面侧被膜42a。如上所述，该受热面侧被膜42a为至少具有红外线反射功能的被膜，也可以是同时具有红外线反射功能和隔热功能的被膜。此外，作为受热面侧被膜42a，可以使用将图1所示的第一高反射率被膜6和第一低热传导被膜7层叠后的构造的被膜。如果这样形成受热面侧被膜42a，则能够降低高温套管39的温度，能够减少损伤劣化。
此外，在高温套管39的外表面形成有与图1所示的低放射率被膜9相当的散热面侧被膜43。该散热面侧被膜43至少为低放射率的被膜即可，可以是低放射率并且具有隔热功能的被膜。此外，作为散热面侧被膜43，可是使用将图1所示的低放射率被膜9和第二低热传导被膜8层叠后的构造的被膜。而且，在流入管壳体40的内表面形成有与图1所示的第二高反射率被膜10相当的受热面被膜42b。该受热面被膜42b为至少具有红外线反射功能的被膜，也可以为同时具有红外线反射功能和隔热功能的被膜。此外，作为受热面侧被膜42b，可以使用将图1所示的第二高反射率被膜10和第三低热传导被膜11层叠后的构造的被膜。
如上所述，若形成散热面侧被膜43以及受热面侧被膜42b，则能够防止耐热强度低的流入管壳体40的温度上升，能够减少劣化损伤。但是，对于散热面被膜43，有时由于使用环境的不同，需要特性完全不同的被膜。即可以想到，在冷却蒸汽4的流量足够多时不设置散热面被膜43，或者，形成热传导率、放射率高的被膜来降低高温套管39的温度。此外，上述的各被膜的实施部位能够根据装置的设计来决定。
另外，在很难将上述各被膜直接形成在构件表面的情况下，或在若直接在构件上形成被膜就会出现剥离的情况下，能够形成为制作由耐热材料形成的板状块体例如耐热性砖、在其表面形成被膜后将该耐热性砖固定在构件表面上而成的构造。这一点在以下说明的各实施方式中也相同。
图15中对在图13所示的高温蒸汽涡轮机的上半壳体部设置的、将高温蒸汽3导向涡轮部的喷嘴箱30的部分进行放大表示。如图15所示，具有喷嘴箱30的外周面被冷却蒸汽4冷却的构造，喷嘴箱30的内表面形成有受热面侧被膜42a，在喷嘴箱30的外表面尤其是与转子对置的表面，形成有散热面侧被膜43。而且，在与喷嘴箱对置的涡轮转子28的表面形成有受热面侧被膜42b。另外，上述的受热面侧被膜42a、受热面侧被膜42b、散热面侧被膜43的结构与上述的图14所示的实施方式的情况相同。通过形成这样的结构，能够有效地对从高温的喷嘴箱30向位于外侧的壳体部等传递热量进行抑制，或有效地对热量从高温蒸汽3进入喷嘴箱30进行抑制，降低热应力，由此能够改善喷嘴箱30的可靠性和寿命。另外，散热面侧被膜43的需求特征根据冷却蒸汽流量等的不同而变化，这与上述的蒸汽流入管29的情况相同。此外，根据蒸汽涡轮机的规格，有时不使用喷嘴箱，而将内部壳体作为高温蒸汽的流入路径，但是在这样的情况下，在内部壳体形成被膜也能够得到与具有喷嘴箱时相同的效果。
图16中对图13所示的高温蒸汽涡轮机的上半壳体部的热室38的部分进行了放大表示。如图16所示，在双重的壳体构造的蒸汽涡轮机中，在内部壳体35与外部壳体36之间具有热室38。在该内部壳体35的外表面形成有散热面侧被膜43，在设置在内部壳体35的外侧且与内部壳体35对置的外部壳体36的内侧的面上，形成有受热面侧被膜42b。另外，上述的受热面侧被膜42b、散热面侧被膜43的结构与上述的图14所示的实施方式的情况相同。通过形成这样的结构，能够有效地对热量从内部壳体35进入外部壳体36进行抑制，抑制热室38内的温度上升，抑制外部壳体36损伤劣化，有利于蒸汽涡轮机的可靠性提高。另外，散热面侧被膜43的需求特征根据冷却蒸汽流量等的不同而变化，这与上述的蒸汽流入管29的情况相同。
产业上的可利用性
本发明的蒸汽装置能够利用于发电厂中的发电用蒸汽涡轮机的领域等。因此，在产业上具有可利用性。
附图标记说明
1...高温构件、2...低温构件、3...高温蒸汽、4...冷却蒸汽、5...大气、6...第一高反射率被膜、7...第一低热传导被膜、8...第二低热传导被膜、9...低放射率被膜、10...第二高反射率被膜、11...第三低热传导被膜。

Claims (28)

1.一种蒸汽装置，具备：
第一构件，一侧的面暴露在高温蒸汽中，另一侧的面被比上述高温蒸汽温度低的低温蒸汽冷却；以及
第二构件，配置为隔着上述低温蒸汽的流路与上述第一构件对置，由比上述第一构件耐热性低的材料形成；其特征在于，
该蒸汽装置具有第一高反射率被膜和第二高反射率被膜中的至少某个高反射率被膜，其中，
所述第一高反射率被膜形成在上述第一构件的暴露在上述高温蒸汽中的面上，该第一高反射率被膜对红外线的反射率高于上述第一构件对红外线的反射率，且该第一高反射率被膜层叠形成有热传导率小于等于5W/mK的被膜；
所述第二高反射率被膜形成在上述第二构件的与上述第一构件对置的面上，该第二高反射率被膜对红外线的反射率高于上述第二构件对红外线的反射率，且该第二高反射率被膜层叠形成有热传导率小于等于5W/mK的被膜。
2.根据权利要求1所述的蒸汽装置，其特征在于，还具备：
低放射率被膜，形成在上述第一构件的被上述低温蒸汽冷却的面上，放射率低于上述第一构件的放射率。
3.根据权利要求1所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述第一以及第二高反射率被膜具有将低折射率材料层和折射率比该低折射率材料层高的高折射率材料层进行层叠而成的构造。
4.根据权利要求2所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述低放射率被膜具有将低折射率材料层和折射率比该低折射率材料层高的高折射率材料层进行层叠而成的构造。
5.根据权利要求3所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述低折射率材料层以及上述高折射率材料层由介电氧化物形成，并且，上述低折射率材料层的折射率低于上述高折射率材料层的折射率，其中，所述介电氧化物包含有从氧化铝（Al2O3）、氧化硅（SiO2）、氧化镓（Ga2O3）、氧化镁（MgO）、氧化钐（Sm2O3）、氧化钇（Y2O3）、氧化锆（ZrO2）、氧化镍（NiO）、氧化铪（HfO2）、氧化铈（Ce2O3）、氧化铬（Cr2O3）、氧化铌（Nb2O5）、氧化钽（Ta2O5）、氧化钨（WO3）、氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）中选出的至少一种。
6.根据权利要求1所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述第一以及第二高反射率被膜具有通过由无机物或有机物形成的物质，对在氧化物颗粒的表面上层叠有折射率不同的至少两种介电氧化物的层的多个颗粒进行结合而成的构造。
7.根据权利要求2所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述低放射率被膜具有通过由无机物或有机物形成的物质，对在氧化物的颗粒的表面上层叠有折射率不同的至少两种介电氧化物的层的多个颗粒进行结合而成的构造。
8.根据权利要求2所述的蒸汽装置，其特征在于，
在上述低放射率被膜上层叠有热传导率小于等于5W/mK的被膜。
9.根据权利要求1所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述第一以及第二高反射率被膜由气孔率小于等于3%的致密层构成，所述致密层以含有氧化硅的氧化物为基质，含有20至80体积%的由与上述基质不同的氧化物的颗粒形成的填料。
10.根据权利要求2所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述低放射率被膜由气孔率小于等于3%的致密层构成，所述致密层以含有氧化硅的氧化物为基质，含有20至80体积%的由与上述基质不同的氧化物的颗粒形成的填料。
11.根据权利要求9所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述填料以从氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、氧化钛（TiO2）中选出的至少一种氧化物为主成分。
12.根据权利要求1所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述第一以及第二高反射率被膜由气孔率小于等于3%的致密层构成，所述致密层以含有氧化硅的氧化物为基质，含有10至80体积%的由金属的颗粒形成的填料。
13.根据权利要求2所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述低放射率被膜由气孔率小于等于3%的致密层构成，所述致密层以含有氧化硅的氧化物为基质，含有10至80体积%的由金属的颗粒形成的填料。
14.根据权利要求12所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述填料以从铝、银、铂、金中选出的至少一种为主成分。
15.根据权利要求9所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述致密层对波长2.7微米的红外线的放射率小于等于0.3，或者上述致密层对波长2.7微米的红外线的反射率大于等于0.7。
16.根据权利要求9所述的蒸汽装置，其特征在于，
在上述致密层的下层形成有热传导率比该致密层低的隔热陶瓷层。
17.根据权利要求16所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述隔热陶瓷层的气孔率为5%至50%。
18.根据权利要求16所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述隔热陶瓷层由氧化锆、氧化铈、氧化铪、氧化钇、硼化物中的某个形成。
19.根据权利要求1所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述第一构件为蒸汽涡轮机的蒸汽流入管的高温套管，上述第二构件为对上述高温套管的周围进行包围的流入管壳体。
20.根据权利要求1所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述第一构件为将蒸汽涡轮机的流入蒸汽导入涡轮部的喷嘴箱部的结构构件，上述第二构件为与上述喷嘴箱部的结构构件对置的涡轮转子。
21.根据权利要求1所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述第一构件为对蒸汽涡轮机的喷嘴隔板进行固定的内部壳体，上述第二构件为位于上述内部壳体的外侧的外部壳体。
22.根据权利要求1所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述第一或第二高反射率被膜形成在耐热性的砖的表面上，上述耐热性的砖固定于上述第一或第二构件。
23.根据权利要求2所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述低放射率被膜形成在耐热性砖的表面上，上述耐热性砖固定于上述第一构件。
24.根据权利要求10所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述填料以从氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、氧化钛（TiO2）中选出的至少一种氧化物为主成分。
25.根据权利要求13所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述填料以从铝、银、铂、金中选出的至少一种金属为主成分。
26.根据权利要求10所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述致密层对波长2.7微米的红外线的放射率小于等于0.3，或者上述致密层对波长2.7微米的红外线的反射率大于等于0.7。
27.根据权利要求10所述的蒸汽装置，其特征在于，
在上述致密层的下层形成有热传导率比该致密层低的隔热陶瓷层。
28.根据权利要求27所述的蒸汽装置，其特征在于，
上述隔热陶瓷层的气孔率为5%至50%。
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