CN103573302B - 涡轮机，其制造方法，和发电系统 - Google Patents

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Abstract

根据实施例的涡轮机包括：目标形成构件；正对构件；和密封部。目标形成构件是静止部分和转动部分中的一个。正对构件是静止部分和转动部分中的另一个。所述目标形成构件上的密封部被结构用于减少所述目标形成构件和所述正对构件之间的燃烧气体泄漏。所述密封部包括陶瓷层。所述陶瓷层具有比所述目标形成构件的导热率低的导热率，并且在其表面上具有凹凸形状。所述陶瓷层不与所述正对构件接触，或具有比所述正对构件的硬度高的硬度，使得在所述正对构件和所述陶瓷层相互接触时所述正对构件优先被磨损。

Description

涡轮机，其制造方法，和发电系统
技术领域
这里描述的实施例总体涉及涡轮机，其制造方法，以及发电系统。
背景技术
在应用于发电系统的涡轮机中，密封部被提供于静止部分和转动部分之间的缝隙中，以减少工作流体从静止部分和转动部分之间的缝隙泄漏，并且用于提高性能。传统地，由金属材料制成的金属密封件被用作密封部。此外，由陶瓷材料制成的陶瓷密封件被用作高温密封部。从使静止部分和转动部分之间的间隙很小并且抑制静止部分或转动部分的破坏的角度来说，陶瓷密封件，具有在静止部分和转动部分之间有意进行磨损的可磨蚀性功能的密封件已知了。多孔并且具有很高气孔率的密封件被已认为是具有可磨蚀性功能的陶瓷密封件。
此外，通过加工在转子叶片的端部和与其面对的护罩部段之间的或在静叶片隔板（内环）和与其面对的涡轮机转子之间的正对部件的一侧或两侧，形成为凹凸形状的迷宫式密封部被提供，用于减少上述正对部件之间的工作流体的泄漏并且提供运转效率。
近年来，从发电效率的角度来看，提高了对制造高温高压涡轮机的需要。作为被制造为高温高压的涡轮机，对CO2涡轮机的使用进行了研究。在CO2涡轮机中，其中燃料例如天然气，氧气，和CO2被混合并燃烧的燃烧气体被供给，并且转动部分被转动同时使用超临界CO2作为介质，用于发电。在CO2涡轮机中，可以收集燃烧产生的CO2，并且因此，从全球环境保护的角度已经聚焦于此，因为可以有效地利用CO2，此外不排出NOx。
然而，与传统的涡轮机相比，在CO2涡轮机中，部件很容易变成高温，因为燃烧气体变成高温高压，并且燃烧气体的热传递很大。因此，存在通过传统的金属密封件不能达到预期密封效果的可能性。也就是，存在燃烧气体泄漏的可能性，并且保持转动部分的上游侧和下游侧之间的压差变得不可能。
此外，陶瓷密封件，尤其是具有可磨蚀性功能的陶瓷密封件也已知。一般而言，其被应用于不要求强度的部件，而正对部件通过加工金属材料而形成具有锋利尖端的叶片。因而，具有平坦表面、多孔并且具有高气孔率的涂层膜被用于传统的陶瓷密封件。另一方面，与常规涡轮机相比，在CO2涡轮机中，其中燃烧气体变成高温高压并且燃烧气体的热传递很大，必须使陶瓷还正对着凹凸部，并且强度低的传统陶瓷密封件不必然是适合的。
此外，当提供迷宫式密封部时，迷宫式密封部的翅片的温度也变高，这成为厚度减小式破坏的原因。当厚度减小式破坏的程度变大时，因为工作流体的泄漏增加所以涡轮机的性能降低。
附图说明
图1是示意出根据第一实施例的涡轮机的局部断面图。
图2是示意出第一结构示例的密封部的断面图。
图3是示意出第一结构示例的密封部的改型示例的断面图。
图4是示意出第一结构示例的密封部的另一改型示例的断面图。
图5是示意出第二结构示例的密封部的断面图。
图6是示意出第二结构示例的密封部的改型示例的断面图。
图7是示意出通过热喷涂法形成密封部的形成方法的示例的视图。
图8是示意出通过电子束蒸发法形成密封部的形成方法的示例的视图。
图9是示意出根据实施例的发电系统的结构图。
图10是示意出根据第二实施例的涡轮机的局部示意断面图。
图11是示意出第一结构示例的迷宫式密封部的断面图。
图12是示意出第二结构示例的迷宫式密封部的断面图。
图13是示意出第三结构示例的迷宫式密封部的断面图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。
在一个实施例中，涡轮机包括：目标形成构件；正对构件；和密封部。目标形成构件是静止部分和转动部分中的一个。正对构件是静止部分和转动部分中的另一个。目标形成构件上的密封部被构造成用于减少目标形成构件和正对构件之间的燃烧气体泄漏。密封部包括陶瓷层。陶瓷层具有比目标形成构件的导热率低的导热率并且在其表面上具有凹凸形状。陶瓷层不与正对构件接触，或其硬度比正对构件的硬度高，使得在正对构件和陶瓷层相互接触时正对构件优先磨损。
在另一实施例中，涡轮机包括：静止部分；转动部分；和迷宫式密封部。迷宫式密封部被构造成用于减少静止部分和转动部分之间的燃烧气体泄漏。迷宫式密封部包括由陶瓷材料制成的构件。该构件具有设置在静止部分上的第一部分，和以翅片的形式朝向转动部分伸出的第二部分。
（根据第一实施例的涡轮机）
图1是示意出具有密封部的涡轮机的实施例的局部子午横断面图。
涡轮机10是CO2涡轮机，例如。CO2涡轮机通过利用燃烧其中混合有CO2的燃料产生的燃烧气体而使转动部分旋转。涡轮机10包括位于外壳11内的涡轮机转子14。涡轮机转子14在轴向方向上具有多个转子盘12。请注意涡轮机转子14穿过多个转子盘12。复数个动叶片13被植入每个转子盘12的外围。静叶片（喷嘴）15设置在动叶片13的前面，并且一个涡轮机级由静叶片15和动叶片13构成。此外，静叶片15通过护罩部段16，保持环17，和支撑环18而被外壳11支撑。从燃烧气体流动方向的上游侧朝向下游侧（图1中的箭头方向），这样的涡轮机级被称为第一级，第二级，和第三级。
请注意外壳11，静叶片15，护罩部段16，保持环17，和支撑环18对应于静止部分。此外，转子盘12，动叶片13，和涡轮机转子14对应于转动部分。
在涡轮机10中，燃料例如天然气，氧气，和CO2被在未示出的燃烧器中以混合状态燃烧而产生燃烧气体。燃烧气体被引入到包括多个涡轮机级的涡轮机部分内，所述多个涡轮机级分别由静叶片15和动叶片13通过未示出的过渡件构成。引入到涡轮机部分内的燃烧气体在涡轮机部分内膨胀而在植入动叶片13的地方转动涡轮机转子14。发电机等利用涡轮机转子14的转动而被回转驱动，以进行发电。
密封部21设置在涡轮机10中，用于减少燃烧气体从静止部分和转动部分之间的正对部分的间隙泄漏出。密封部21至少设置在选自静止部分和转动部分中的一个构件（目标形成构件）上，特别是设置在与另一构件（正对构件）的正对部分上。此外，密封部21具有用于面对着目标形成构件的另一构件（正对构件）的适当间隙。密封部21不具有所谓的通过接触构件自身被磨损而将间隙调整到最小的可磨蚀性（abradability）功能。请注意可磨蚀性功能可提供在正对构件上，使得在接触期间正对构件优先被磨损，从而抑制对密封部21的破坏。密封部21可以是迷宫式密封部。
例如，构成如图1所示的转动部分的动叶片13可被列为设置有密封部21的目标形成构件。在这种情况下，密封部21设置在动叶片13的径向方向上的外端部。此外，密封部21被提供有相对于正对构件，也就是，护罩部段16，的间隙。请注意密封部21可以至少设置在多个级的一部分上，并且它不必须设置在所有级上。
设置有密封部21的目标形成构件可以是构成静止部分的构件。例如，其可以是面对着动叶片13的径向方向上的外端部的护罩部段16。在这种情况下，密封部21被形成在护罩部段16的内表面，也就是，形成在与动叶片13的径向方向上的外端部正对的正对表面上。在这种情况下，密封部21具有相对于正对构件，也就是，动叶片13，的适当间隙。
密封部21可以设置在动叶片13或护罩部段16任一个上。在动叶片13上设置密封部21是经济的，因为可以通过在动叶片13上提供密封部21而减少零件数目，并且可以同时为动叶片13提供绝热涂层。此外，在设置在动叶片13上的情况下，其很容易从涡轮机10或从涡轮机转子14脱开，从而维修和重新生成很容易。
（密封部的第一结构示例）
图2是示意出密封部21的第一结构示例的断面图。请注意在图2中，设置有密封部21的目标形成构件20被共同示出了。这里，动叶片13和护罩部段16可以如上所述地被列为目标形成构件20。
第一结构示例的密封部21在目标形成构件20的基本上平坦的表面上至少被提供有陶瓷层211。陶瓷层211的导热率低于目标形成构件20的导热率，并且陶瓷层211在其表面上具有凹凸形状。该目标形成构件20的表面基本上是平坦的，并且因此，通常陶瓷层211的后表面侧是平坦的，并且前表面侧的一部分被去除，以形成密封部21上的凹凸形状。
因此，密封部21具有导热率低于目标形成构件20的导热率并且在其表面上具有凹凸形状的陶瓷层211。因此，可以保持可靠性，即使它被应用于燃烧气体是高温高压并且热传递较大的情况下，例如CO2涡轮机。因此，可以通过抑制燃烧气体的泄漏而保持上游侧和下游侧之间的压差，并且可以提高CO2涡轮机的性能。
具体地，由于具有适当间隙，所以陶瓷层211被提供成不与正对构件接触，或正对构件的表面被设置有小于陶瓷层211硬度的硬度，使其具有可磨蚀性功能。因此，可以抑制对正对构件的损坏，即使陶瓷层211自身没有可磨蚀性功能，并且不必须使其像具有可磨蚀性功能的装置一样气孔率很高。此外，凹凸形状被预先提供，并且因此，可以有效地抑制燃烧气体的泄漏，以及通过保持上游侧和下游侧之间的压差来提高CO2涡轮机的性能。
在凹凸形状中，例如，凹部设置成狭槽的情况。凹部形成在陶瓷层211厚度方向的一部分上，例如，如图2所示。凹部可被形成为在陶瓷层211的厚度方向上穿透，虽然没有示出这种情况。凹部和凸部的横断面形状是四边形形状，例如方形形状，例如，如图所示。其横断面形状可以是三角形形状，梯形形状等，虽然没有示意这些情况。其横断面形状不必须进行限制。
陶瓷层211在室温下的导热率优选是5W/（m/K）或以下，因为构成目标形成构件20的一般镍基超合金在室温下的导热率是10W/（m/k）或以下。氧化物陶瓷优选作为陶瓷层211的构成材料，并且例如，氧化锆（ZrO2），二氧化铪（HfO2），氧化铈（CeO2），氧化镝（Dy2O3），氧化钆（Gd2O3)，氧化钇（Y2O3），烧绿石型锆酸盐（X2Zr2O7：其中X指La，Ce，Gd，Eu，Er，Pr，Nd，Dy，或Yb），可以引用。请注意陶瓷层211的构成材料不必须限制于上述构成材料，并且它可以是氮化硅，硅铝氧氮聚合材料，氮化钛，氮化铝等。
优选陶瓷层211的气孔率是10%或以下。此外，陶瓷层211的洛氏表面硬度（硬度计（scale）15-Y）优选超过80，并且更优选超过100。通过如上所述地设置气孔率和硬度，可以进一步提高密封部21的可靠性并且提高CO2涡轮机的性能。
可以根据涡轮机10的结构，密封部21的位置，陶瓷层211的构成材料等适当地改变陶瓷层211上凸部的宽度w，凸部的高度h1（对应于陶瓷层211的厚度），和凸部的节距p。
凸部的宽度w优选是0.5mm至5mm。当凸部的宽度w小于0.5mm时，凸部的强度变得不足并且存在发生破坏的可能性。当其超过5mm时，在该构件上能够形成的凸部的数目变得不足，从而会降低密封性能。
凸部的高度h1优选是0.5mm至5mm。当凸部的高度h1小于0.5mm时，流体的压降变得很小，从而发生密封性能低下。当其超过5mm时，凸部的强度变得不足并且发生破坏的可能性变高。
凸部的节距p优选是2mm至10mm。当凸部的节距p小于2mm时，燃烧气体的停滞部分（stagnantpart）变小，从而发生密封性能低下。当其超过10mm时，凸部的数目变得不足，从而会降低密封性能。
凹部的深度h2优选是h1至h1-0.5mm。当凹部的深度h2大于h1时，存在在对凹部进行加工处理时基体金属暴露出来的可能性。在这种情况下，金属被直接暴露于高温燃烧气体中，并且因此，在使用期间存在很高的发生性能低下的可能性。当它小于h1-0.5mm时，膜厚变得太厚，在使用期间由于热应力发生破坏的可能性变高。
图3是示意出第一结构示例的密封部21的改型示例的断面图。密封部21可以是其中金属层212和陶瓷层211以此顺序堆叠在目标形成构件20上而形成的密封部。金属层212被提供，因此例如，可以提高目标形成构件20在高温下的抗腐蚀性和抗氧化性，而且陶瓷层211的形成变得容易。优选使用由其中铬或铝的浓度高于目标形成构件20的金属材料制成的金属层212，以及使用由在高温下抗腐蚀性和抗氧化性极好的M-Cr-Al-Y合金（M指选自Ni，Co，
和Fe中的至少一种元素）材料制成制成的金属层。当提供金属层212时，优选其为0.01mm或以上，更优选0.05mm或以上，并且一般，近似0.1mm是足够的。
图4是示意出第一结构示例的密封部21的另一改型示例的断面图。陶瓷211可由例如多个层构成，例如从目标形成构件20一侧开始按顺序为第一陶瓷层211a和第二陶瓷层211b。在具有多个层的情况下，每一层的厚度优选是至少0.05mm或以上，并且更优选0.1mm或以上。
请注意在具有多个层的情况下，凹凸形状可以只形成在最上层，并且凹凸形状可被形成为到达其下层。此外，对于多个层来说，上述凸部的宽度w，凸部的高度h1，和凸部的节距p可以与单一层的情况类似设置。
在具有多个层的情况下，优选每一层的气孔率从目标形成构件20一侧的最下层朝向表面侧的最上层逐渐降低，并且最上层的气孔率优选是12%或以下。最上层的气孔率被降低，并且因此，可以提高密封部21的可靠性并且提高CO2涡轮机10的性能。此外，最上层的气孔率设置为8%或以下，可以进一步提高密封部21的可靠性并且提高涡轮机10的性能。
（密封部的第二结构示例）
图5是示意出密封部21的第二结构示例的断面图。目标形成构件20可以在其表面上具有由目标形成构件20的构成材料制成的凸部201。也就是，密封部21可以是通过利用在目标形成构件20的表面上的凸部201而具有凹凸形状。
如图中所示的三角形形状可以认为是凸部201的横断面形状的代表形状，但它也可以是四边形形状例如方形形状，梯形形状，或类似。当提供凸部201时，实质上可以提供与第一结构示例的密封部21相同的陶瓷层211，并且如果必要可以提供金属层212。
对于第二结构示例的密封部21来说，可以根据涡轮机10的配置，密封部21的位置，密封部21的构成材料等，适当地改变凸部的宽度w，凸部的高度h，和陶瓷层211的凸部的节距p，但例如，优选具有如下所述的范围。请注意当陶瓷层211的凸部的横断面形状是三角形时，凸部的宽度w是凸部根部的宽度，凸部的高度h是从陶瓷层211的后表面部分（平坦部分）到凸部的尖端的高度，并且凸部的节距p是相邻凸部的根部之间的长度。
凸部的宽度w优选是0.5mm至5mm。当凸部的宽度w小于0.5mm时，凸部的强度变得不足并且存在发生破坏的可能性。当其超过5mm时，在该构件上能够形成的凸部的数目变得不足，从而会降低密封性能。
凸部的高度h优选是0.5mm至5mm。当凸部的高度h小于0.5mm时，流体的压降变得很小，从而发生密封性能低下。当其超过5mm时，凸部的强度变得不足并且发生破坏的可能性变高。
凸部的节距p优选是2mm至10mm。当凸部的节距p小于2mm时，因为燃烧气体的停滞部分变小，从而发生密封性能低下。当其超过10mm时，凸部的数目变得不足，从而会降低密封性能
请注意陶瓷层211的厚度优选是0.05mm至0.2mm。当陶瓷层211的厚度小于0.05mm时，存在表面层的强度变得不足的可能性。当其超过0.2mm时，担心可能发生由于陶瓷层211产生的热应力而发生剥离的可能。
图6是示意出第二结构示例的密封部21的改型示例的断面图。
目标形成构件20的凸部201可由与目标形成构件20的构成材料不同的材料构成。在这种情况下，优选凸部201由熔点高于目标形成构件20的熔点的高熔点材料制成。凸部201从目标形成构件20的表面突出，并且因此，与平坦部分相比，很容易受燃烧气体的高温影响。凸部201的构成材料被设置为熔点高于目标形成构件20的熔点的高熔点材料，并且因此，可以抑制由于高温造成的凸部201可靠性低下。
作为构成凸部201的高熔点材料，例如，优选使用W，Nb，Ta，Mo，或这些的合金。请注意，一般，高熔点材料的抗腐蚀性和抗氧化性不必须很好，并且因此，优选提供由其中铬或铝的浓度高于目标形成构件20的金属材料制成的金属层212，例如，由M-Cr-Al-Y合金制成。当提供金属层212时，优选0.01mm或以上，更优选0.05mm，并且一般，近似0.1mm足够。
（密封部的形成方法）
下文中，描述密封部21的形成方法。
首先，描述第一结构示例的密封部21的形成方法。请注意在下面，图4中示出的密封部21被举例描述。
金属层212能够，通过热喷涂法、电子束蒸发法等，在目标形成构件20的表面上以均匀的涂层膜状态沉积M-Cr-Al-Y合金等的金属层构成材料的粒子，簇，或分子而形成。
陶瓷层211可以如下所述地形成。首先，将要成为第一陶瓷层211a的陶瓷材料的粒子，簇，分子，或类似物被通过热喷涂法，电子束蒸发法等以均匀的涂层膜状态沉积在金属层212上。然后，将要成为第二陶瓷层211b的陶瓷材料的粒子，簇，分子，或类似物被通过热喷涂法，电子束蒸发法等以均匀的涂层膜状态沉积。之后，第二陶瓷层211b的一部分被去除以形成凹凸状态。
可以应用公众已知的方法来进行去除操作，例如，其可以通过沟槽磨削法，纯水射流法，磨料水射流法，激光法等来进行。通过磨石等进行去除的方法可以称为沟槽磨削法。在纯水射流法中，用喷流进行去除。磨料水射流法是用喷流加速磨料微粒以主要利用这些磨料微粒进行去除的方法。
陶瓷层211，也就是第一陶瓷层211a和第二陶瓷层211b，的导热率可以通过适当地选择用于热喷涂法，电子束蒸发法等的陶瓷材料的类型，并且通过适当地调整气孔率而进行调节。气孔率可以通过如下进行调节：例如，适当地选择形成方法的类型，例如热喷涂法，电子束蒸发法，以及例如，在热喷涂方法中适当地选择热喷涂温度，热喷涂速度，用于热喷涂的粉末颗粒大小等。此外，其厚度可以通过调整热喷涂法，电子束蒸发法等的形成时间而设定。
下面，描述第二结构示例的密封部21的形成方法。
如图5所示的目标形成构件20，也就是，其中凸部201由目标形成构件20的构成材料制成的目标形成构件20，可以被制造成使得除凸部201之外的部分通过应用对于表面是平坦的目标形成构件20来说公众已知的方法去除，例如，沟槽磨削法，纯水射流法，磨料水射流法，激光法，以留下凸部201。另一方面，如图6所示的目标形成构件20，也就是，其中凸部201由与目标形成构件20的构成材料不同的材料制成的目标形成构件20，可以通过，对于表面是平坦的目标形成构件20来说，利用堆焊方法，激光熔覆方法，摩擦搅拌焊方法，冷喷涂方法，热喷涂法，粉末等离子堆焊方法等形成凸部201来获得。
此外，陶瓷层211，金属层212可以通过利用热喷涂法，电子束蒸发法等输入和沉积每个层的构成材料，例如用于形成有凸部201的目标形成构件20的陶瓷材料，M-Cr-Al-Y合金，的粒子，簇或分子而形成。请注意当在目标形成构件20上形成凸部201时，在凸部201的表面上均匀地形成陶瓷层211和金属层212很不容易，因为凸部201的表面倾斜等原因。因此，优选根据本形成方法进行如下所述地形成操作。
在使用热喷涂法时，例如，优选进行热喷涂，对于形成有凸部201的目标形成构件20来说，使得热喷涂枪41的热喷涂火焰42的方向变成相对于目标形成构件20该表面的正交方向倾斜角度θ的方向，如图7所示。例如，角度θ优选使热喷涂火焰42的方向垂直于凸部201的表面的尺寸，但不必须限制于此，只要在凸部201的表面上可以均匀地形成陶瓷层211和金属层212即可。
在热喷涂法中，除上述外，优选在箭头所指的左右移动方向43上移动目标形成构件20。此外，根据需要，更可取的是从相反方向类似地进行热喷涂。因此，不但在目标形成构件20的表面上而且在凸部201的表面上，可以使陶瓷层211和金属层212均匀地形成为合适的厚度。
在使用电子束蒸发法时，例如，蒸发物块51被设置成面对着形成凸部201的目标形成构件20，如图8中所示，以通过向蒸发物块51辐射电子束52而进行蒸发。这时，较好地是使定心在枢轴53上的目标形成构件20在如箭头所示的顺时针和逆时针的旋转方向54上交替转动某一角度。此外，较好地是在箭头所指的左右移动方向55上水平移动目标形成构件20的同时进行。
一般而言，在使用电子束蒸发法时，蒸发材料被发射而定心在蒸发物块51的辐射电子束52的那部分上，并且存在不可能使陶瓷层211和金属层212在凸部201的表面上均匀地形成合适的厚度的可能性。定心在枢轴53上，目标形成构件20被转动，并且在水平左右移动的同时进行蒸发，因此，不但在目标形成构件20的表面上而且在凸部201的表面上可以使陶瓷层211和金属层212均匀地形成合适的厚度。
（发电系统）
下面，描述应用第一实施例的涡轮机10的发电系统。
图9是示意出作为发电系统实施例的热发电系统的结构示例。
近年来，已经研究使热发电系统能够具有高环境和谐性，其中，CO2被用作涡轮机的工作流体，并且发电和CO2的分离和/收集能够同时进行。例如，使用超临界压力CO2的氧气燃烧的循环系统被构建，CO2被有效地利用，并且因此，使得不排放NOX的零排放系统能够实现。
在热发电系统中，例如，天然气例如甲烷作为燃料，和氧气，被引入燃烧器并且燃烧。涡轮机被转动以进行发电，同时使用燃烧产生的高温CO2作为工作流体。从涡轮机排出的气体（CO2和水蒸汽）通过热交换器冷却，并且湿气被分离。之后，用高压泵压缩CO2以获得高压CO2。高压CO2的一大部分被热交换器加热以循环至燃烧器。剩余的高压CO2被收集以用于其它用途。
在图9中示出的热发电系统60是具有高环境和谐性的热发电系统，其中CO2被用作涡轮机10的工作流体，并且发电和CO2的分离/收集能够同时进行。在热发电系统60中，使用超临界压力CO2的氧气燃烧的循环系统被构建，CO2被有效利用，并且因此，不排放NOX的零排放系统能够实现。
在图9中示出的热发电系统60包括涡轮机10，燃烧器61，发电机62，热交换器63，冷却器64，湿气分离器65，和高压泵66，作为主要部件。请注意燃烧器61可以与涡轮机10是一体的。
在燃烧器61中，通过循环来自涡轮机10的排放气体获得的高压CO2被引入，并且作为燃料的甲烷和氧气也被引入而进行燃烧，并且产生高温（例如，约1150℃C）CO2。氧气通过，例如，连接到燃烧器61的未示出的氧气发生器提供。氧气发生器由空气产生氧气以供给到燃烧器61。
在涡轮机10中，从燃烧器61产生的高温CO2作为工作流体被引入到涡轮机10内膨胀做功，通过动叶片13，涡轮机转子14被转动。另一方面，低温（例如，约400℃）CO2被从热交换器63中流动路径的半途作为冷却和密封流体引入到涡轮机10内，以进行动叶片13及其外围部件（内壳体等）的冷却。因此，密封过程防止工作流体朝向外部泄漏。完成膨胀做功和冷却和密封过程中每一项的气体（CO2和水蒸汽）被排出。
发电机62与涡轮机10共轴设置，并且根据涡轮机10的转动产生电能。热交换器63从涡轮机10排放的气体（CO2和水蒸汽）中除热，并且通过热交换将热量供给重新引入到涡轮机10内的CO2。在这种情况下，例如，热交换器63供应约700℃的CO2至燃烧器61。从热交换器63中流动路径的半途获得的约400℃的CO2被供给至涡轮机10。
冷却器64还冷却热量被热交换器63去除了的气体。湿气分离器65从冷却器64冷却的气体中分离湿气，并且输出湿气被去除了的CO2。高压泵66压缩湿气被湿气分离器65去除后的CO2，输出高压CO2。高压CO2的大部分被供给至热交换器63用于重新引入涡轮机内。另一方面，剩余的高压CO2被供给至其它设备。
在如上所述的结构中，通过循环从涡轮机10的排气获得的高压CO2被引入到燃烧器61内，作为燃料的甲烷和氧气被引入并且燃烧，然后产生高温CO2。从燃烧器61产生的高温CO2作为工作流体被从涡轮机10的上游侧从上面引入。另一方面，从热交换器63中流动路径的半途供应的低温CO2作为冷却流体和密封流体被从涡轮机10的下游侧从下面引入。高温CO2在涡轮机10内膨胀做功，通过动叶片转动涡轮机。另一方面，低温CO2执行对动叶片及其外围部件（内壳体等）的冷却和密封过程。当涡轮机10的涡轮机转子14转动时，发电机62产生电能。
完成膨胀做功和冷却和密封过程的气体（CO2和水蒸汽）被从涡轮机10排出。气体的热量被热交换器63去除。之后，气体通过冷却器64进一步冷却，湿气通过湿气分离器65分离。之后，湿气被去除了的CO2被取出。湿气被湿气分离器65去除后的CO2被高压泵66压缩，作为高压CO2输出。其大部分被供给至热交换器63用于再次引入涡轮机内。另一方面，剩余的高压CO2被供给至其它设备。热交换器63将热量供应至供给热交换器63的高压CO2，然后高压CO2被供给至燃烧器61，并且温度低于高压CO2的低压CO2被供给到涡轮机10。
如上所述地进行结构，可以收集到高纯度和高压的CO2，而不需要提供分离和收集CO2的附加设备（CCS）。此外，所收集的高压CO2能够被存储，另外，它能够被有效地使用，使得其能够应用于在石油钻井现场使用的提高石油采收率技术（EOR：EnhancedOilRecovery）。EOR是通过在老油井的钻井现场注射高压CO2来提高钻探的石油量的方法。因此，从全球环境保护的角度看，热发电系统60是有效的。
（根据第二实施例的涡轮机）
下面，参考附图描述具有迷宫式密封部的涡轮机的实施例。
图10是示意性示出涡轮机10中迷宫式密封部的应用点的视图。请注意，在图10中，虚线表示的箭头表示从转动部分和静止部分之间泄漏的工作流体的流动。
具有迷宫式密封部22的涡轮机10可以被应用于已经描述的热发电系统60。此外，除了设有迷宫式密封部22之外，可以具有与上述具有密封部的涡轮机10（根据第一实施例的涡轮机）实质上类似的结构。
也就是，具有迷宫式密封部22的涡轮机10是其工作流体是高温CO2的单一排放型涡轮机。涡轮机10具有其轴通过轴承（轴颈，推力轴承等）支撑的涡轮机转子（转动部分）14，包围涡轮机转子14的外壳（静止部分）11等，作为主要部件。
涡轮机转子14包括沿轴向方向的多级动叶片13。外壳11包括多级静叶片15，它们根据所述多级动叶片13在涡轮机转子14侧的位置设置。静叶片隔板（内环）15a设置在每个静叶片15上，以面对着涡轮机转子14。静叶片隔板（内环）15a面对着涡轮机转子14的端部靠近涡轮机转子14的表面。
此外，用于保护外壳11不受高温工作流体（高温CO2）影响并且用于调整工作流体经过的部分的间隙的护罩部段16被沿涡轮机转子14的轴向方向设置在外壳11的内侧。护罩部段16通过未示出的钩件被静叶片15保持。护罩部段16上面对着动叶片13端部的表面靠近动叶片13的端部表面。此外，被引入涡轮机10内用于冷却的流体（低温CO2）经由在外壳11中加工出的冷却路径流入静叶片15内部的冷却路径。此流体在静叶片隔板（内环）15a和护罩部段16内部的冷却路径中流动以冷却每个部件。
迷宫式密封部22被形成在，例如，静叶片隔板（内环）15a的表面上，尤其是，形成在靠近涡轮机转子14表面的表面上。此外，迷宫式密封部22被形成在，例如，护罩部段16的表面上，尤其是，形成在靠近动叶片13的端部表面的表面上。
（迷宫式密封部的第一结构示例）
图11是示意出迷宫式密封部22的第一结构示例的视图。
下文中，当形成迷宫式翅片的零件是护罩部段16时，特别地，形成在护罩部段16上靠近动叶片13的端部表面的部分被描述。形成迷宫式密封部22的地方的基体材料（目标形成构件）可以是静叶片隔板（内环）15a，尤其是，是静叶片隔板（内环）15a上靠近涡轮机转子14的部分。
请注意，第一结构示例的迷宫式翅片不是通过加工护罩部段16自身的基体材料形成。第一结构示例的迷宫式翅片通过加工绝热涂层（热障涂层：TBC）的表面而形成，该绝热涂层被涂敷以通过结合涂层形成在基体材料上。
护罩部段16具有由耐热合金制成的基体材料，主要构成部分是选自下述的至少一种元素：例如，Ni，Co，和Fe。可以根据用途等适当地选择和使用各类公众已知的耐热合金用作基体材料的构成材料。
例如，诸如IN738，IN939，Mar-M247，RENE80，CMSX-2，CMSX-4的镍基超合金，诸如FSX-414，Mar-M509的钴基超合金，等可用作作为基体材料有效的耐热合金。
结合涂层23被涂敷而形成在基体材料的表面上，也就是形成在正对着作为正对部件的动叶片13的端部表面的表面上。较好地是用M-Cr-Al-Y合金（M指选自下述的至少一种元素：Ni，Co，和Fe）形成结合涂层23，其抗腐蚀性和抗氧化性极好，并且具有在基体材料和后面描述的绝热涂层24之间的中间热膨胀系数。
由M-Cr-Al-Y合金制成的结合涂层23保证了抗腐蚀性和抗氧化性，并且使得能够释放由于基体材料和绝热涂层24之间的热膨胀差异导致的热应力。
结合涂层23可以通过应用沉积方法而形成，例如等离子热喷涂法，高速气体火焰喷涂（HVOF）方法，PVD（物理气相沉积）方法，和CVD（化学气相沉积）方法。
绝热涂层24被涂敷而形成在上述结合涂层23上。绝热涂层24由，例如，陶瓷材料制成，其耐热性极好，并且导热率低于金属材料等。
作为绝热涂层24的形成材料，陶瓷材料例如氧化锆，二氧化铪，氧化铝，氮化硅，硅铝氧氮聚合材料，氮化钛，和氮化铝可被使用。其中，较佳地是应用氧化锆（ZrO2）和二氧化铪（HfO2），因为其导热率特别低，热膨胀系数很大，并且相当接近金属。包含氧化钇，氧化钙，氧化镁，等作为抑制相变稳定剂的氧化锆和二氧化铪更优选使用。
在第一结构示例中，绝热涂层24的面对着动叶片13的表面被加工为沿涡轮机转子14的轴向方向以预定的间隔形成的凹凸状态。朝向动叶片13的端部表面延伸并且靠近动叶片13的端部表面的迷宫式翅片24a以复数个形成在护罩部段16和动叶片13之间的间隙部分中。迷宫式翅片24a被如上所述地形成，并且因此，基体材料和转动部分之间的间隙部分的形状成为工作流体的阻力，并且因此工作流体的泄漏减少。
形成有迷宫式翅片24a的绝热涂层24如上所述在耐热性方面极好。因而，可以防止由于经过此迷宫式翅片的工作流体的高温导致的迷宫式翅片的厚度减小式破坏，这不同于迷宫式翅片通过加工基体材料自身而形成的情况。因此可以防止工作流体从基体材料和转动部分之间间隙部分的泄漏增加，否则该泄漏增加将导致迷宫式翅片的厚度减小式破坏变大并且涡轮机10的性能变低。
（迷宫式密封部的第二结构示例）
下面，描述迷宫式密封部的第二结构示例。
在第二结构示例的迷宫式密封部中，迷宫式翅片被如下所述地形成。首先，在静叶片隔板（内环）15a，护罩部段16，等的基体材料中沿涡轮机转子14的轴向方向以预定的间隔形成复数个沟槽。然后陶瓷构件例如陶瓷板被插入每个沟槽内。
图12是示意出迷宫式密封部的第二结构示例的断面图。在第二结构示例中，根据下述顺序执行过程，以在静叶片隔板（内环）15a，护罩部段16，等的基体材料中靠近正对部件的部分处形成迷宫式密封部。
这里，示意了在护罩部段16上靠近动叶片13的端部表面的部分上形成迷宫式翅片的结构示例。然而，在静叶片隔板（内环）15a靠近涡轮机转子14的部分上形成迷宫式翅片是相同的。
首先，结合涂层23被涂敷以与第一结构示例相同地形成，例如，形成在护罩部段16的基体材料上靠近作为正对部件的动叶片13的端部表面的表面上。然后绝热涂层24被涂敷以形成在结合涂层23上。
从形成的绝热涂层24的表面，特别是从面对着动叶片13的端部表面的表面，朝向位于基体材料预定深度的部分，通过结合涂层23沿涡轮机转子14的轴向方向以预定的间隔形成复数个沟槽。
陶瓷板25被插入每个形成的沟槽内。陶瓷板25的一个端部从沟槽的入口部朝向作为基体材料正对部件的动叶片13的端部表面伸出。陶瓷板25的该一个端部靠近动叶片13的端部表面。此陶瓷板25具有与绝热涂层24相同的耐热性。
执行如上所述的形成过程，并且因此，与第一结构示例的迷宫式密封部相同地为基体材料形成迷宫式翅片，可以防止由于经过此迷宫式翅片的工作流体的高温导致的迷宫式翅片的厚度减小式破坏。因而，可以防止由于迷宫式翅片的厚度减小式破坏变大而导致的工作流体泄漏增加和涡轮机的性能变低。
此外，在第二结构示例中，迷宫式翅片通过使用陶瓷板25而形成，并且因此，可以形成直线形式的迷宫式翅片。因此，与第一结构示例的迷宫式翅片相比，可以提高对工作流体的阻力并且可以增强防止工作流体泄漏的效果。
（迷宫式密封部的第三结构示例）
下面，描述迷宫式密封部的第三结构示例。
第三结构示例的迷宫式密封部在沿涡轮机转子14的轴向方向以预定的间隔形成迷宫式翅片的地方具有陶瓷材料的块。对于静叶片隔板（内环）15a，护罩部段16，等的基体材料，陶瓷材料的块被附接。
图13是示意出根据第三结构示例的迷宫式密封部的结构示例的断面图。
这里，示出了在护罩部段16靠近动叶片13的端部表面的部分上形成迷宫式翅片的结构示例。其中迷宫式翅片被形成在静叶片隔板（内环）15a靠近涡轮机转子14的部分上的结构是相同的。
在第三结构示例中，在形成迷宫式翅片26a的地方附接有由陶瓷材料制成的块材料26。用于保持块材料26的T形沟槽形成在基体材料上。迷宫式翅片26a以复数个沿涡轮机转子14的轴向方向以预定的间隔形成在块材料26的表面上，特别是，形成在靠近作为正对部件的动叶片13的端部表面的表面上，以朝向动叶片13的端部表面延伸并且靠近动叶片13的端部表面。
块材料26被加工成T形状，以适配形成于基体材料上的沟槽，并且被引入到基体材料的沟槽内，使得迷宫式翅片26a靠近正对部件的表面。此外，基体材料的沟槽被形成为当引入块材料26时具有缝隙27。该缝隙被如上所述地形成，以在块材料26和基体材料之间存在热膨胀差异时不会对块材料26和基体材料之间的合作状态具有不利影响。
执行如上所述的形成过程，并且因此，与第一结构示例相同地为基体材料形成迷宫式翅片，并且可以防止由于经过此迷宫式翅片的工作流体的高温导致的迷宫式翅片的厚度减小式破坏。因而，可以防止由于迷宫式翅片的厚度减小式破坏变大而导致的工作流体泄漏增加和涡轮机的性能变低。
此外，在第三结构示例中，除基体材料之外，形成迷宫式翅片的块材料被制备，此块被引入基体材料的沟槽内，并且因此，可以提供靠近正对部件表面的迷宫式翅片。因此，与第二结构示例相比，可以很容易在基体材料上形成靠近正对部件表面的迷宫式翅片。
虽然已经描述了一些实施例，但这些实施例仅通过示例呈现，并且不意于限制本发明的范围。相反，这里描述的新颖实施例可以体现为多种其它形式；另外，在不偏离本发明的实质的情况下，可以对这里描述的实施例的形式进行各种省略、替代和改变。附属的权利要求和它们的等效内容意于覆盖落在本发明的实质和范围内的这些形式或修改。

Claims (17)

1.一种涡轮机，包括：
目标形成构件，其是静止部分和转动部分中的一个；
正对构件，其是静止部分和转动部分中的另一个；和
所述目标形成构件上的密封部，其被构造成用于减少所述目标形成构件和所述正对构件之间的燃烧气体泄漏，所述密封部包括陶瓷层，
所述陶瓷层具有比所述目标形成构件的导热率低的导热率，并且在其表面上具有凹凸形状，
所述陶瓷层不与所述正对构件接触，或具有比所述正对构件的硬度高的硬度，使得在所述正对构件和所述陶瓷层相互接触时所述正对构件优先被磨损，以及
所述目标形成构件和所述密封部之间的凸部，所述凸部由熔点高于所述目标形成构件的熔点的高熔点材料制成，
其中，所述密封部包括金属层和位于所述金属层上的所述陶瓷层，所述金属层包括比所述目标形成构件高的铬或铝浓度。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，
其中，所述目标形成构件是动叶片。
3.根据权利要求1所述的涡轮机，
其中，所述目标形成构件是护罩部段。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，
其中，所述陶瓷层包括氧化物陶瓷。
5.根据权利要求1所述的涡轮机，
其中，所述陶瓷层具有10％或以下的气孔率。
6.根据权利要求1所述的涡轮机，
其中，所述目标形成构件包括位于其表面上的由所述目标形成构件的构成材料构成的凸部。
7.根据权利要求1所述的涡轮机，
其中，所述涡轮机是二氧化碳涡轮机。
8.根据权利要求1所述的涡轮机，
其中，所述密封部是迷宫式密封部，并且所述陶瓷层具有设置在所述静止部分上的第一部分，和以翅片的形式朝向所述转动部分延伸的第二部分。
9.根据权利要求8所述的涡轮机，其中，所述迷宫式密封部还包括：
涂敷于基体材料的结合涂层；和
涂敷于所述结合涂层并且包括所述翅片的绝热涂层。
10.根据权利要求8所述的涡轮机，其中，所述迷宫式密封部还包括：
涂敷于基体材料的结合涂层；
涂敷于所述结合涂层的绝热涂层；和
陶瓷构件，其被经由所述绝热涂层和所述结合涂层插入所述基体材料内，并且包括所述翅片。
11.根据权利要求8所述的涡轮机，其中，所述迷宫式密封部还包括：
设置在基体材料上的沟槽；和
被引入到所述沟槽内并且包括所述翅片的块材料。
12.根据权利要求8所述的涡轮机，
其中，所述涡轮机是所述转动部分被包括二氧化碳的燃烧气体转动的二氧化碳涡轮机。
13.一种发电系统，包括：
根据权利要求1所述的涡轮机；和
连接到所述涡轮机的发电机。
14.一种发电系统，包括：
根据权利要求9所述的涡轮机；和
连接到所述涡轮机的发电机。
15.根据权利要求1所述的涡轮机的制造方法，包括：
在所述目标形成构件的表面上形成凸部；和
通过从相对于所述目标形成构件的所述表面的正交方向的倾斜方向输入陶瓷材料的粒子，簇，或分子，而在所述目标形成构件的表面上形成的凸部的表面上形成陶瓷层。
16.根据权利要求1所述的涡轮机的制造方法，包括：
在所述目标形成构件的表面上形成由陶瓷材料制成的均匀的涂层膜；和
去除所述涂层膜的一部分以形成所述陶瓷层。
17.根据权利要求1所述的涡轮机的制造方法，包括：
在所述目标形成构件的表面上形成均匀的第一涂层膜，所述均匀的第一涂层膜由陶瓷材料制成；
在所述第一涂层膜的表面上形成第二涂层膜，所述第二涂层膜由陶瓷材料制成，并且具有比所述第一涂层膜低的气孔率；和
去除所述第二涂层膜的一部分以形成所述陶瓷层。
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