JP2002195004A - 低圧蒸気タービン - Google Patents

低圧蒸気タービン

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JP2002195004A JP2001347948A JP2001347948A JP2002195004A JP 2002195004 A JP2002195004 A JP 2002195004A JP 2001347948 A JP2001347948 A JP 2001347948A JP 2001347948 A JP2001347948 A JP 2001347948A JP 2002195004 A JP2002195004 A JP 2002195004A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属表面における液膜の形成を防止し、かつ
このことによって湿り損失を低減し、かつタービンの効
率を向上し、かつ同時に液滴衝突エロージョンに対する
強度が保証されている低圧タービン翼を提供する。 【解決手段】 静止した案内翼と回転する動翼とが植設
された低圧タービンにおいて、少なくとも案内翼のブレ
ードが、疎水性で、かつ平滑な表面を有する被覆を有し
ている。 【効果】 翼を解体し、被覆し、かつ再度取り付けるこ
とができるので、安価で、既存の低圧タービンの効率の
向上のためにも適切である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低圧タービンの翼
および特に低圧タービンの効率を向上するためのタービ
ン翼の被覆に関する。
【０００２】
【従来の技術】低圧タービン中のタービン蒸気が復水器
の圧力にまで拡張すると、通常は湿り蒸気の範囲に達す
る。湿った排気中で凝縮水の質量割合は１４％にまでな
りうる。タービン蒸気の全質量流の衝撃は、凝縮水の含
有率とは無関係のままである。しかし、タービンの回転
エレメントおよび静止エレメント中に液相が存在するこ
とによって高い散逸的損失が生じる。いわゆる湿式低圧
タービンの場合、質量流の約１２〜１４％が水として生
じる。この湿り損失によって生じる低圧タービンの効率
損失は、約６〜７％となり、これは蒸気発電所全体にお
いて約１〜２％の効率損失に相応する。複合発電所およ
び原子力発電所の場合、全装置出力に対する低圧タービ
ンの出力の貢献が比較的高いので、湿り損失に基づく全
効率の損失は、約２〜２．３％もしくは３〜３．５％と
なる。
【０００３】損失の度合いは大部分、水滴の大きさに依
存する。蒸気相中にはたいてい、マイクロメートル範囲
の小さい滴のみが含有されている。この滴は最近の理解
によれば、その大きさを維持し、かつより大きな滴へ凝
集するのではなく、蒸気中に浮遊または流動して残留す
る。この滴は霧と同様に、翼に対して衝撃を与える蒸気
流と一緒に流れる。滴がこの小さなサイズ範囲に留まる
限り、タービンの運転も出力も損なわれない。
【０００４】しかし、案内翼および動翼を通過する際
に、滴が成長する。金属表面、おそらく特に案内翼の凹
面形の金属表面と接触している間に、表面上の小さな凝
縮液滴が拡散し、かつ閉じた凝縮液膜を形成し、該膜は
案内翼上で、蒸気流の剪断力の作用下に、凹面形もしく
は凸面形の面を流れる。案内翼の端部で液膜は表面から
離れ、かつその際に回転する羽根車によって加速され、
かつ分散する。この分散によって生じる滴は、凝縮から
自然に発生する滴よりも直径が大きい。遠心力により、
この比較的大きな滴は、回転する翼からタービン車室の
方向へと外側に向かって飛ばされる。このことによって
作業媒体の衝撃の一部は翼へ伝達されず、かつ湿り損失
が生じ、この損失によって低圧タービンの効率が低下す
る。この現象は、滴の大きさおよび質量ひいては遠心力
が増大するほど顕著である。
【０００５】さらに低圧タービンの車室の内面に水が蓄
積することによって、回転する翼先端および翼カバーに
おいて散逸的な摩擦損失が生じる。
【０００６】最後に、１００〜２００μｍの範囲の直径
を有し、かつ２５０ｍ／ｓを上回る範囲の速度を有す
る、成長した滴は、液滴衝突エロージョンの原因とな
る。このエロージョンは材料に著しく依存しており、こ
の場合、低圧タービンの大きな翼において有利に使用さ
れるチタンおよびチタン合金からなる翼材料は、この侵
食を受ける傾向が著しい。
【０００７】タービンのブレードに、翼の耐食性を向上
し、かつこのことによって翼の寿命を延長する被覆を設
ける努力はすでに以前から行われていた。
【０００８】ＤＥ３７２４６２６には、蒸気タービンの
ブレードのための被覆が記載されており、これは硬質で
耐摩耗性のセラミックからなるか、または活性金属から
なる多層の被覆とセラミックからなる被覆層とからな
る。セラミックからなる被覆は、ブレードの耐食性の向
上に役立ち、その一方で、活性金属からなる層は被覆の
付着を改善する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】冒頭に記載した、蒸気
流中の凝縮液滴により生じる低圧タービンの損失および
損傷から、本発明の課題は、タービンの金属表面におけ
る閉じた液膜の形成を防止し、かつこのことによって湿
り損失を低減し、かつタービンの効率を向上し、かつ同
時に液滴衝突エロージョンに対する強度が保証されてい
る低圧タービン用の翼を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によ
り、静止した案内翼と回転する動翼とが植設された低圧
タービンにおいて、少なくとも案内翼のブレードが、疎
水性で、かつ平滑な表面を有する被覆を有していること
を特徴とする、低圧タービンによって解決される。本発
明によれば、低圧タービン中の少なくとも静止している
案内翼のブレードが、疎水性もしくは撥水性であり、か
つ平滑な表面を有する。
【００１１】ブレードの被覆の疎水性によって、蒸気相
中に含有されている小さな滴は、被覆されているブレー
ド上に衝突する際にその同一性を維持する。つまり、滴
がより大きな滴へと凝集する、もしくは閉じた液膜を形
成することが防止される。その代わりに、全ての滴は被
覆面を転がる。翼から転がった後に、滴は浮遊する滴と
して残り、該滴は蒸気流に従い、ひいては別の翼への衝
撃を与える。このことによって、本発明によって被覆さ
れた翼を有する低圧タービンの場合、湿り損失が十分に
回避される。従って低圧タービンの効率もまた向上す
る。
【００１２】さらに本発明により、疎水性被覆が、ブレ
ードまたはその他のタービン部材における大きな滴によ
る液滴衝突エロージョンを間接的に防止するという別の
利点が生じる。被覆が疎水性であるために、ブレード上
には大きな滴が形成されず、かつ翼縁部で分散して大き
な滴になるような液膜も生じない。従って液滴衝突エロ
ージョンを引き起こす大きな滴は生じない。平滑な被覆
はさらに、小さな滴の迅速な転動と、大きな滴への凝集
の防止とに貢献する。
【００１３】
【実施例】本発明の第一の実施態様では、疎水性被覆が
非晶質炭素を含有している。これは水素含有率１０〜５
０原子％および０．１〜０．９のｓｐ３対ｓｐ２−結合
の比を有するその後の水素含有の炭素層と理解すべきで
ある。一般に、疎水性であり、かつ以下に記載する単一
層または積層構造を製造するための非晶質炭素の機械的
もしくは化学的特性を有するのであれば、炭素の前駆体
または炭化水素の前駆体を用いて製造される全ての非晶
質もしくは緻密な炭素層またはプラズマ重合ポリマー、
ポリマーに類似した、もしくは緻密な炭素層および炭化
水素層を使用することができる。非晶質炭素は、ダイヤ
モンドに類似した炭素ともよばれるが、その優れた硬
度、化学的安定性ならびにその弾性に関して一般に公知
である。さらに、非晶質炭素は特定の条件下で、水の表
面張力と比較して低い表面エネルギーを有しているため
に、疎水性もしくは撥水性を生じる。その際、非晶質炭
素の硬度は、被覆を製造するためのパラメータを変更す
ることにより変えることができる。（非晶質炭素の硬度
範囲内での）軟質層は、硬質層と比較して単に硬度が低
いと理解するのみである。軟質もしくはそれほど硬質で
ない層は特に著しい疎水性を有する。この理由から、有
利な実施態様では、該被覆は非晶質炭素もしくはプラズ
マ重合したポリマーを有し、厚さ１〜８マイクロメート
ルおよび硬度５００〜１５００ビッカースを有する疎水
性の単一層を有する。有利には厚さが２〜４マイクロメ
ートルである。
【００１４】さらに、非晶質炭素もしくはプラズマ重合
したポリマーは、典型的な翼材料上に極めて良好に付着
するので、翼材料の粗面化によって十分な付着をもたら
す必要がない。従って非晶質炭素またはプラズマ重合ポ
リマーは、タービンにおけるブレードのような長期間の
適用のために特に適切である。
【００１５】被覆のもう１つの実施態様では、非晶質炭
素またはプラズマポリマーを有する疎水性の単一層は、
勾配層として形成されている。勾配層は、その深さを通
して段階的に変化する硬度を有し、その際、その最下部
の深さ範囲が最も硬質であり、かつその最上部の深さ範
囲が最も軟質である。勾配層の最上部の深さ範囲は、こ
の場合、硬度５００〜１５００ビッカースおよび厚さ
０．１〜２マイクロメートルを有する。疎水性勾配層の
最下部の深さ範囲は、１５００〜３０００ビッカースの
硬度および０．１〜６マイクロメートル、有利には１〜
３マイクロメートルの厚さを有する。
【００１６】別の実施態様では、疎水性被覆はふたたび
非晶質炭素またはプラズマ重合したポリマーを有してい
る。しかし該被覆は特に、非晶質炭素を有する少なくと
も１つの硬質層と、非晶質炭素もしくはプラズマ重合ポ
リマーを有する少なくとも１つの軟質層を有する不連続
な積層構造を有し、その際、硬質層および軟質層は、交
互にブレードの表面上に施与されている。その際、第一
の層は硬質層であり、かつ最後の層は軟質層であり、そ
の際、軟質層は第一の実施態様における被覆に類似して
おり、かつ疎水性を有する。
【００１７】本発明による被覆は、液滴衝突エロージョ
ンからの保護という付加的な利点をもたらす。すでに記
載したように、比較的大きな滴の形成を回避することに
よって、一方ではブレード、翼カバーおよび車室部材に
液滴衝突エロージョンを生じうる大きさの滴がほとんど
存在しない。他方では、それぞれ硬質および軟質（もし
くはそれほど硬質でない）層の第二の実施態様の積層構
造によって、衝突する滴の衝撃を吸収することにより、
液滴衝突エロージョンからの付加的な保護が保証され
る。液滴の衝突から出発する圧縮波を、硬質層および軟
質層の対が干渉により消すことによって、衝突する液滴
の衝撃は軟質層および硬質層により吸収される。圧縮波
の消滅は、それぞれ高い屈折率および低い屈折率の薄層
の対により生じる光線波の消滅に似ている。圧縮波の消
滅は、硬質層と軟質層との層の対を複数有するの積層構
造によってさらに向上する。もう１つの実施態様では、
本発明による被覆は、それぞれ、非晶質炭素の硬質層１
つおよび軟質層１つの層の対を複数有する。
【００１８】本発明のもう１つの実施態様では、案内翼
のブレードのみではなく、動翼のブレードもまた本発明
による被覆を備えている。この場合、案内翼ならびに動
翼の表面上での凝縮液による膜の形成が回避される。こ
のことにより凝縮液が蒸気流中の小さな滴の形で維持さ
れることによって、低圧タービンの効率の向上がさらに
保証される。さらに動翼は付加的に液滴衝突エロージョ
ンから保護される。
【００１９】本発明による被覆は、一般に公知の種々の
製造方法、たとえば炭素含有前駆体からなるプラズマ中
でのグロー放電による堆積、イオンビーム被覆および水
素含有の作業ガス中で炭素のスパッタリングにより実現
することができる。
【００２０】これらの方法の場合、支持体を数百ｅＶの
イオン流に暴露する。グロー放電の場合、支持体を反応
室中で、容量１３．５６ＭＨｚのＲＦ発生装置に接続さ
れているカソードと接触させて配置する。この場合、接
地したプラズマ室の壁が、大きな対電極を形成する。こ
の配置において、それぞれの炭化水素蒸気またはそれぞ
れの炭化水素ガスを、被覆のための第一の作業ガスとし
て使用することができる。特別な層特性、たとえば異な
った表面エネルギー、硬度、光学的特性などを得るため
に、種々の気体を第一の作業ガスに添加する。窒素、フ
ッ素もしくはケイ素含有ガスを添加して、たとえば高
い、もしくは低い表面エネルギーが得られる。さらに、
窒素の添加は、得られる層の硬度の向上につながる。さ
らに、電極によってバイアス電圧を１００〜１０００Ｖ
の間で変更することにより、得られる層の硬度を制御す
ることができ、その際、高いバイアス電圧は硬質の非晶
質炭素層を生じ、かつ低い電圧は軟質の非晶質炭素層を
生じる。勾配層を得るためには製造パラメータ、たとえ
ば反応室中のプラズマの組成を段階的に変更する。
【００２１】本発明の１実施態様では、層の対の硬質層
の硬度は、１５００〜３０００ビッカースであり、その
一方で、層の対の軟質層の硬度は、８００〜１５００ビ
ッカースである。この場合、個々の層の厚さは、積層構
造において複数の層を順次施与する場合には、０．１〜
２μｍ、有利には０．２〜０．８μｍである。さらに硬
質層および軟質層の厚さが、その硬度に反比例する場合
に有利である。
【００２２】本発明による被覆の付着は、多くの支持体
タイプにおいて良好に保証される。特にカーバイドを形
成する材料、たとえばチタン、鉄およびケイ素ならびに
アルミニウムの場合にも付着は良好であるが、しかし貴
金属、銅または銅−ニッケル線合金上では不良である。
この場合、支持体表面、つまりブレードの表面の粗面化
は不要である。
【００２３】付着をさらに改善するために、ブレードの
表面上に接着層を実現することも可能であり、その後、
該接着層の上に本発明による積層構造を施与する。接着
層としてたとえばチタンが適切である。
【００２４】従って本発明による被覆は、翼のために使
用される種々の支持体材料、たとえばチタン、ステンレ
ス鋼、クロム鋼、アルミニウムならびに全てのカーバイ
ド形成材料上に適用することができる。
【００２５】本発明による被覆は特に、既存の低圧ター
ビンの効率の向上（レトロフィット）のためにも適切で
ある。というのも、翼を解体し、被覆し、かつそれ以上
費用をかけずに再度取り付けることができるからであ
る。
フロントページの続き (72)発明者 ハラルト ライス ドイツ連邦共和国 ハイデルベルク ライ ンハルト−ホッペ−シュトラーセ ６ Ｆターム(参考） 3G002 EA05 GA07 GA10 GB04

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 静止した案内翼と回転する動翼とが植設
    された低圧タービンにおいて、少なくとも案内翼のブレ
    ードが、疎水性で、かつ平滑な表面を有する被覆を有し
    ていることを特徴とする、低圧タービン。
  2. 【請求項２】 疎水性被覆が、非晶質炭素またはプラズ
    マ重合したポリマーを含有する、請求項１記載の低圧タ
    ービン。
  3. 【請求項３】 疎水性被覆が、１〜８マイクロメートル
    の厚さを有する単一層である、請求項２記載の低圧ター
    ビン。
  4. 【請求項４】 疎水性単一層が、５００〜１５００ビッ
    カースの硬度を有する、請求項３記載の低圧タービン。
  5. 【請求項５】 疎水性被覆が、勾配層として施与された
    単一層である、請求項２記載の低圧タービン。
  6. 【請求項６】 勾配層の上部の深さ範囲が比較的軟質で
    あり、かつ５００〜１５００ビッカースの硬度を有す
    る、請求項５記載の低圧タービン。
  7. 【請求項７】 勾配層の上部の深さ範囲が、０．１〜２
    マイクロメートルの厚さを有する、請求項５記載の低圧
    タービン。
  8. 【請求項８】 疎水性単一層の下部の深さ範囲が、１５
    ００〜３０００ビッカースの硬度および０．１〜６マイ
    クロメートルの厚さを有する、請求項５記載の低圧ター
    ビン。
  9. 【請求項９】 被覆が、非晶質炭素を有する少なくとも
    １つの硬質層および非晶質炭素もしくはプラズマ重合し
    たポリマーを有する少なくとも１つの軟質層を有する不
    連続の積層構造を有し、かつ少なくとも１つの硬質層お
    よび少なくとも１つの軟質層が交互にブレードの表面に
    施与されており、かつ積層構造の最下層は非晶質炭素も
    しくはプラズマ重合したポリマーを有する硬質層であ
    り、かつ積層構造の最終層は、非晶質炭素もしくはプラ
    ズマ重合したポリマーを有する軟質層であり、かつ少な
    くとも最後の軟質層は、疎水性を有する、請求項２記載
    の低圧タービン。
  10. 【請求項１０】 非晶質炭素もしくはプラズマ重合した
    ポリマーを有する硬質層がそれぞれ１５００〜３０００
    ビッカースの硬度を有し、かつ非晶質炭素もしくはプラ
    ズマ重合したポリマーを有する軟質層が５００〜１５０
    ０ビッカースの硬度を有する、請求項９記載の低圧ター
    ビン。
  11. 【請求項１１】 不連続の積層構造の硬質層および軟質
    層がそれぞれ０．１〜２マイクロメートルの厚さを有す
    る、請求項９記載の低圧タービン。
  12. 【請求項１２】 不連続の積層構造の硬質層および軟質
    層の厚さが、その硬度に反比例している、請求項９記載
    の低圧タービン。
  13. 【請求項１３】 ブレードの表面と被覆との間に接着層
    が施与されている、請求項１から１２までのいずれか１
    項記載の低圧タービン。
  14. 【請求項１４】 低圧タービンの静止した案内翼のブレ
    ードおよび回転する動翼のブレードの表面に被覆が施与
    されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載
    の低圧タービン。
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