JP2007120478A - 蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料 - Google Patents

Abstract

【課題】空力的な損失や信頼性の低下、大幅なコストアップを伴うことなく、効果的に湿りの影響を低減させ高効率かつ高信頼性を有する蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料を得る。
【解決手段】本発明に係る蒸気タービンは、タービンロータ外周面、前記ノズル２０表面、前記動翼表面または前記タービンケーシング内周面のうち、少なくとも一箇所の全領域もしくはその一部分に親水性コーティング部を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気タービンの性能向上に関し、特に、エロージョン防止のための親水性コーティング皮膜を施したノズル、動翼、ケーシングおよびタービンロータで構成された蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料に関する。

蒸気タービンは、ボイラから供給された高温高圧蒸気のエネルギーをノズル（静翼）と動翼を組合わせた翼列に供給して回転エネルギーに変換する。図９は、このような蒸気タービンを用いた発電システムの概念を示したものである。

ボイラ１で発生した蒸気は、加熱器２でさらに加熱され、蒸気タービン３へ導かれる。図１０で示す蒸気タービン３は、タービンロータ４の周方向に植設された動翼５と、ケーシング１３で支持されるノズル（静翼）６の組み合わせからなる段落７をタービンロータ４の軸方向に複数段並べて配置されている。

そして、蒸気タービン３に導かれた蒸気が、蒸気通路８内で膨張することにより、その高温・高圧のエネルギがタービンロータ４に回転エネルギとして変換される。この回転エネルギは、図９に示すように、タービンロータ４に接続された発電機９に伝わり電気エネルギーへと変換される。

一方、そのエネルギを失った蒸気は蒸気タービン３から排出され、復水器１０へと導かれ、ここで海水等による冷却媒体１１により冷却され、凝縮して復水となる。この復水は給水ポンプ１２で再びボイラ１へ供給される。

ところで、蒸気タービン３は供給される蒸気の温度・圧力の条件により、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンに分けて構成されている。そして、上記のような発電システムの場合、特に、低圧タービン最終段落近傍の蒸気は、温度の低下に伴い１０％程度の水分を含むいわゆる湿り蒸気となっている。また、原子力発電用の蒸気タービンにおいては、もともと供給される蒸気が飽和蒸気であるため、高圧タービンの段落においても湿り蒸気で運転されている。

この湿り蒸気は、ノズル（静翼）６を通過する際、蒸気中に含まれる水分がノズル６の表面において集積することにより水滴が形成され、さらにこの水滴同士が合体することにより粗大な水滴を形成する。そして、この粗大な水滴は、蒸気流とともにノズルの下流側に位置する動翼５に飛散、衝突し、その回転力を制動する力として働き、全体としてタービン３の性能を低下させている。同時に、この粗大化した水滴は、動翼５の表面に対してエロージョンを起こす原因にもなっており、このエロージョンにより動翼５の減肉が発生し、その寿命を低下させていた。このエロージョンの問題はタービン最終段落における翼（羽根）の長翼化が進むに連れて益々大きな問題となっている。

以下に、実際に湿り蒸気中で運転された場合の動翼およびノズルにおける水滴の挙動等について詳述する。

図１１は、湿り蒸気で運転される翼列における蒸気と水滴の挙動を模式的に示した図である。

蒸気中の湿分１４は、主にノズル６の腹側で翼面に付着し水膜１５を形成する。水膜１５は、ノズル６の中途より顕著となり、その厚みを増しながら後縁に至り、水滴となって主流（駆動蒸気）中に放出される。このとき、水膜が厚いと放出される水滴の径も大きくなり粗大化した水滴１６となる。図中には、蒸気と粗大な水滴１６の挙動の相違を速度三角形で示しているが、後縁から放出された粗大な水滴１６は蒸気に比べ速度が遅く、このため動翼５に対する相対流入速度が蒸気に比べて大きくなる。また、粗大な水滴１６は蒸気と大きく異なる角度で動翼５に衝突する。このため、動翼５の先端、特に背側では粗大な水滴１６の衝突による浸食（エロージョン）が顕著となる。

図１２は、ノズル６の腹側における水滴の挙動を模式的に示した図である。

ノズル６の翼面上に形成された水膜１５は実際には均一なものではなく、局所的な水膜流１７となる。水膜流１７は後縁部分で集合し、厚さを加速的に増加させ、主流中に粗大な水滴１６として放出されるが、これはノズル６の高さ方向全体に渡って均質に発生するものではなく、局所的かつ非定常的な現象である。このように局所的に水膜流１７が形成され、後縁部分における水膜厚さが他の部分に比べて極端に厚い部分を生じることが、特に径の大きい粗大な水滴１６を発生させる原因となっている。

図１３は、水滴１６の径とその水滴１６が衝突した翼におけるエロージョンによる浸食量の関係を示した図である。

図１３に示すように、水滴１６の径が増加するとエロージョンによる浸食量は加速的に増加することが分かる。このため、エロージョンによる浸食を低減するためには、粗大な水滴１６の発生を防止することが重要とされている。

図１４は、翼高さ方向の湿り度の分布を示したものである。

図１４から、動翼５は回転による遠心力の影響により、またノズル６の場合は、蒸気流れの旋回の影響を受けることにより、水滴が外周側に多く集積され、水膜流１７も外周側に顕著に偏ることが分かる。この結果、動翼５およびノズル６における粗大な水滴１６の発生も外周側に顕著となる。

このような湿り蒸気による影響の低減技術の１つとして、発生した粗大な水滴１６を蒸気流中から分離する方法がある。例えば、特許文献１に見られるように、動翼５の外周側のケーシングに吸引孔を設けて、流れの遠心力を利用して外周側から水滴を除去するドレンキャッチャや、特許文献２に見られるように、ノズル翼面にスリットを設け、ここから水滴を吸引するスリットノズルなどが実機に適用されている。

さらに、図１５に示すように、動翼５の翼面に半径方向の溝１８を設けることで水滴１６を積極的に外周側に移動、飛散させ、上述のドレンキャッチャー１９などで除去する方法もとられている。また、ノズル６と動翼５の間隔を広げることによって水滴１６の微細化と加速を促進し、動翼５に対する水滴１６の衝突速度を小さくすることによって影響を低減させる方法もある。

一方、翼のエロージョン対策としては、例えば、特許文献３に見られるように、翼先端の前縁部に耐エロージョン性の優れた硬質のコーティング皮膜や材料、例えば１２Ｃｒ合金鋼に対してはＣｏ系のステライト材、チタン合金に対してはＴｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ系皮膜を形成することが行われている。
特開平８−２１０１０５号公報 特開平７−４２５０６号公報 特開平１０−２８０９０７号公報

上述した公知の蒸気タービンにおける湿り蒸気の影響を低減させる技術のうち、水滴を除去する方法は、かなり複雑な除去機構が必要となるため、製作上のコストアップにつながる。また、水滴を除去するため、蒸気通路に水滴除去用の開口部を設けたり、翼面に付帯的な構造を設けることは空力的な損失を発生させる可能性があり、蒸気タービンの性能低下を招く。さらに、水滴だけを選択的に蒸気中から分離、排出することは容易ではなく、本来、仕事をすべき蒸気をも同時に排出させ、蒸気タービンの効率低下にもつながる等の問題があった。

一方、ノズル６と動翼５の間隔を広げることは、空力的な損失を発生させる可能性のあることはもちろん、機械的な寸法が大きくなり、タービンロータ軸長が長くなることに伴う振動等の発生の可能性が高くなり、信頼性確保の面で設計上の制約となることなどの問題があった。

さらに、耐エロージョン材のような硬質材や皮膜を動翼に付加、形成することは、高度な接合技術を必要とし、ロウ付けによる翼母材の強度が低下する等の問題があった。加えて、硬質材自体が高価であると同時に、動翼の長翼化による水滴の衝突速度が高速になっているため、皮膜の密着強度等において十分な信頼性が確保されないなどの問題もあった。

このように、公知の湿り蒸気の影響の低減技術については、いずれも、湿りの影響を低減する代わりに性能・信頼性・コストを犠牲にする可能性があり、その課題を解決することが急務とされていた。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、空力的な損失や信頼性の低下、大幅なコストアップを伴うことなく、効果的に湿りの影響を低減させ高効率かつ高信頼性を有する蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料を得ることを目的とする。

本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、タービンロータと、このタービンロータに植設される動翼と、この動翼の上流側に配設されるノズルと、このノズルを支持するとともに前記タービンロータ、動翼およびノズルを内包するタービンケーシングとから構成され、前記動翼と前記ノズルとの対により一つの段落を形成するとともに前記タービンロータ軸方向に複数の段落を並べて蒸気通路を形成した蒸気タービンにおいて、前記タービンロータ外周面、前記ノズル表面、前記動翼表面または前記タービンケーシング内周面のうち、少なくとも一箇所の全領域もしくはその一部分に親水性コーティング部を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記親水性コーティング部は、前記ノズルおよび前記動翼の後縁端から上流側に向かって少なくとも１０ｍｍ以上の領域に備えていることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記親水性コーティング部は、前記ノズルおよび前記動翼の翼高さをＨ、親水性コーティングが施されている領域の高さをｈとしたとき、前記ノズルおよび前記動翼の
［数３］
０．３≦ｈ／Ｈ≦１．０
の領域に備えていることを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、前記親水性コーティング部は、前記動翼の翼高さをＨ、親水性コーティング皮膜が施されている領域の高さをｈ、翼弦長Ｃ、親水性コーティング皮膜が施されている領域の動翼前縁端からの翼弦長方向の距離をＬとしたとき、前記動翼の
［数４］
０≦Ｌ／Ｃ≦０．５
の領域に備えていることを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、前記ノズルにその内部と連通するスリットを設けるとともに、前記親水性コーティング部を、前記スリットが設けられているノズル表面全体に施されていることを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、前記親水性コーティング部は、前記スリットよりも上流側の予め決められた領域に施されていることを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、前記タービンケーシング内周面には開口部を設けるとともに、前記親水性コーティング部をこのタービンケーシング内周面に施すことを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、前記タービンケーシング内周面の前記ノズル後縁下流側で、かつ前記ノズル翼の下流側に位置する前記動翼に前縁側となる領域に開口部を設け、前記親水性コーティング部をこの開口部周辺に施すことを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、前記親水性コーティング部は、その皮膜領域に隣接して撥水性コーティング皮膜領域を有していることを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービンは、親水性コーティング部が、水による接触角を２０°以下であること特徴とするものである。なお、図１６は水滴２８に対する親水性コーティング部２１との接触角θの定義を概略的に示したものである。ここで水滴２８を直径２ｒとし、水滴２８の高さをｈとし、親水性コーティング部２１との接触角をθとするとき、接触角θは、
［数５］
θ＝２ｔａｎ−１（ｈ／ｒ）
と定義する。本発明において、親水性コーティング部の水に対する接触角を２０°以下に限定したのは、接触角が２０°より大きい場合、水滴の微細化や保持・薄膜化の度合いが不十分であり、性能向上やエロージョン低減の効果も小さいためである。

また、本発明に係る蒸気タービンに適用する親水性コーティング材料は、酸化物セラミックスから成ることを特徴としている。ここで酸化物セラミックスとは、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の金属酸化物である。一般的に酸化物セラミックスは他の材料に比較してより親水性を示すことが知られている。特に、酸化ケイ素は、その製造プロセスによっては高い親水性を示す場合があり、その一方、酸化チタンは光触媒として注目されており、設置された環境、特に、紫外線照射下においては超親水性（親水性の度合いがかなり高い）を示すのである。

また、本発明に係る蒸気タービンに適用する親水性コーティング材料の酸化ケイ素は、非晶質であることを特徴としている。すなわち、強固なセラミックス皮膜を得るためには、セラミックス被膜を形成するための原料として有機金属化合物等の無定形金属化合物の前駆体を用いることが有利である。基材にこれらの無定形金属化合物を塗布した後熱処理を行う場合、金属基材の劣化を抑えるためにできるだけ低い温度で熱処理することが好ましいが、この場合、形成されるセラミックスの被膜は非晶質（アモルファス）にするためである。

さらに、本発明に係る蒸気タービンに適用する親水性コーティング材料による親水性コーティング部の膜厚は、０．０５μｍ以上、１５０μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以上、５μｍ以下であることを特徴としている。このようにセラミックスから成る被膜部の膜厚を、膜厚０．０１μｍ以上に限定したのは、被膜部が０．０５μｍ未満の場合には、部分的に被膜の形成されていない部位が生じたり、あるいはわずかな摩耗により被膜部が失われてしまうため、十分な親水性を維持することができず、本発明の目的を達成することができない。その一方、１５０μｍ以下に限定したのは、被膜部の膜厚が１５０μｍより厚い場合、密着強度が落ち、剥がれ等の問題が生じるためで、この場合も同様に十分な親水性を維持することができない。

また、本発明に係る蒸気タービンに適用する親水性コーティング材料らによる親水性コーティング部の開気孔率が３０％以下であることを特徴とする。

セラミックから成るコーティング部の開気孔率を３０％以下に限定したのは、開気孔率が３０％より大きいとき、コーティング部の強度や耐摩耗特性等の機械的性質が著しく減少、実機への適用が難しくなるためである。なお、下限はゼロ％でも問題はない。

本発明に係る蒸気タービンは、ノズル表面、動翼表面、ケーシング内周面、ロータ外周面の全部あるいは一部に親水性コーティング部を形成しているため、例えばノズルを例に採ると、粗大な水滴の生成を阻害し、水滴を微細化することにより、タービン効率の向上と相俟って翼に対するエロージョンを低減させることができる。

以下、本発明に係る蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

（第１の実施形態）
図１および図２を用いて、本発明の第１の実施形態を説明する。

本実施形態では、湿り条件で運転される段落のノズル２０の腹側後縁寄りで、かつ半径方向外径側の限定された領域について親水性コーティング部２１が施工されている。

すなわち、上述の図１２で説明したように、湿り領域で運転される翼列の作動流体中の湿分１４は、主にノズル６の腹側で翼面に付着し、水膜１５を形成する。水膜１５はノズルの中途より顕著となり、その厚みを増しながら後縁に至り、水滴１６となって主流（駆動蒸気）中に放出される。このときの水膜１５が厚いと、放出される水滴も径の大きい粗大な水滴１６となる。

本実施の形態では、図２に示すように、粗大な水滴１６が発生する原因となる水膜１５を、親水性コーティング部２１で拡散、均質化し、親水性コーティング施工領域を広く分布させる。このようにすることにより、従来のように、後縁部分で極端に水膜１５の厚さが厚い部分を生じることが無くなり、ノズル２０の後縁から放出される水滴１６の径は微細化されて粗大な水滴１６の発生が防止されるのである。

なお、親水性コーティング部２１は、ノズル２０の翼面全体に施工しても良いが、上述のように、後縁領域に施工されていればその効果が期待できる。具体的には、後縁端から上流側に向って少なくとも１０ｍｍ以上の領域に施されていれば十分である。また、前述のように、水膜１５は翼の後縁全体に分布するのではなく、局所的、特に翼の先端側に多く分布するため、必ずしも後縁全体に親水性コーティング部２１を施工する必要はなく、その施工領域の望ましい範囲は、翼の高さをＨ、親水性コーティング部２１が施されている領域をｈとした際に、０．３≦ｈ／Ｈ≦１．０程度で良い。

また、親水性コーティング部２１は、後述するようなＳｉＯ_２など比較的強固な皮膜であるが、後縁領域における水滴１６の衝突はほとんど無いため、皮膜部が損傷する確率はきわめて低く、長期にわたる効果も期待できる。また、親水性コーティング部２１の施工領域を限定する場合でも、後縁領域に確実に施工されていれば効果が期待されるため、上流側、ノズル２０の翼長さ方向の境界は必ずしも厳密である必要はなく、施工時に必要なマスキング等の作業も不要もしくは簡易なもので十分である。このため、親水性コーティング部２１の施工コストは極めて低廉である。

また、親水性コーティング部２１の皮膜厚さは１μｍ以下で十分な効果が期待できるため、翼面本来の形状になんら影響を与えるものではなく、その表面粗さにも悪影響を与えない。

このように、本実施形態によれば、性能上の悪影響やコストの大幅な増加なしに、翼面上の水脈流を均質拡散させて水膜厚さを低減することによって後縁から放出される水滴径を最小化することが可能となり、この結果、水滴が次段動翼に及ぼす浸食（エロージョン）量を低減することができる。

（第２の実施形態）
図３を用いて、本発明に係る蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。

本実施形態においては、ノズル２０の腹側外周側に向かって特定の幅の親水性コーティング部２１が施工されている。上述の第１実施形態で説明したように、ノズル２０の背側翼面では水滴が付着・集積されながら後縁にいたる水膜流が形成されるが、親水性コーティング部２１に至ると、これに沿って外周側へと移動の向きを変える。このとき、ノズルの外周側には、図１５に示したように、ドレンキャッチャー１９を備えているので、外周側に移動した親水性コーティング部２１に沿って外周壁に誘導された水膜流２９は、最終的に主流外へと分離、排出される。

本実施形態によれば、従来の翼面上に溝を施工することにより発生する空力的な損失や、機械加工に必要なコスト増加を伴うこと無しに同等の湿分分離効果を得ることができる。

したがって、本実施の形態によれば、ノズル翼面上からのドレンの分離・除去を簡単な親水性コーティング部２１の追加によって効率的に実施することが可能となり、しかも性能上の悪影響やコストの大幅な増加なしに、翼面上の水脈流２９を均質拡散させて水膜厚さを低減することによって後縁から放出される水滴径を最小化することができる。

（第３の実施形態）
図４を用いて本発明に係る蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料の第３実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。

本実施形態においては、ノズル２０の翼面に施工されたスリット２２の上流側に親水性コーティング部２１が施工されている。スリット２２の施工範囲は湿分分離の観点から広いほうが望ましいが、ノズル強度、空力的な影響からは最小限度に留める必要がある。本実施形態においては、スリット２２の上流側の広い範囲から次第にスリット幅に至る領域まで親水性コーティング部２１が施工されている。

本実施形態によれば、広い範囲に付着、集積した湿分から生成した水膜流２９を最小限の幅のスリット２２に誘導、吸引することができ、翼の浸食量を低減させることができる。

（第４の実施形態）
図５を用いて本発明に係る蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料の第４実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。

本実施例においては、動翼６の翼面の前縁側の予め決められた領域に親水性コーティング部２１が施工されている。

主流中の湿分や、上流側のノズル２０で発生した水滴は親水性コーティング部２１の領域に付着し、捕獲・集積されると同時に、動翼２３の大きな遠心力によって親水性コーティング部２１に沿って外周側（翼頂側）に移動し、最終的外周側翼端から飛ばされ、タービンケーシング２４側に設けられたドレンキャッチャー２５によって主流外に分離される。

なお、親水性コーティングを施工する領域は、動翼に対して直接水滴が衝突する範囲に施工されていれば十分であり、発明者等の実験によると、その領域は、動翼の翼弦長をＣ、施工範囲の翼弦長方向の前縁からの距離をＬとしたときに、０≦Ｌ／Ｃ≦０．５である。

このように、本実施形態は、動翼２３の前縁側に親水性コーティング部２１を設けたので、翼面上の水脈流２９を均質拡散させて水膜厚さを低減して浸食量を低減させることができる。

（第５の実施形態）
図６を用いて、本発明に係る蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料の第５実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態においては、ノズルダイアフラム外輪２６の蒸気通路側表面およびドレンキャッチャー２５を構成する流路表面に親水性コーティング部２１が施工されている。また、動翼２３の前縁側の予め決められた領域にも親水性コーティング部２１が施されている。

従来より、ノズル２０あるいは動翼２３の翼面上に付着した湿分のうちかなりの部分は、遠心力によってノズルダイアフラム外輪２６の壁面に集積され、水幕流２９および水膜２７を形成しており、この水膜２７から蒸気流に乗って粗大な水滴２８が発生する場合があった。このため、従来よりノズルダイアフラム外輪２６の壁面上の水膜２７および作動流体中の水滴２８を系外に分離するためのドレンキャッチャー２５を設け、動翼２３の面上の水膜をノズルダイアフラム外輪２６へ誘導していたが、水膜２７は一様ではなく、かつ不安定であり、粗大な水滴２８として主流中に再放出されてしまい、ドレンキャッチャー２５では有効に分離されない場合がある。

本実施形態によれば、親水性コーティング部２１をノズルダイアフラム外輪２６の蒸気通路側表面およびドレンキャッチャー２５を構成する流路表面に施すことによって、この部分に形成される水膜２７を均質に拡散させ、壁面に保持することができるため、ドレンキャッチャー２５からの湿分の効果的な分離が可能となる。また、ドレンキャッチャー２５を有しない場合、壁面の水膜流２９からの水滴２８の再放出を抑制するため、ノズルダイアフラム外輪２６面への親水性コーティング部２１を施工することによってエロージョン防止効果を得ることができる。

（第６の実施形態）
図７を用いて、本発明に係る蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料の第６実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態においては、図１および図２で説明した第１実施形態に、さらにノズル２０の後縁端部分のみに撥水コーティング部３０を施工するものである。

本実施形態によれば、親水性コーティング部２１によって保持、集積された水膜２９は十分に拡散された状態で撥水コーティング部３０領域に到達してノズル２０の表面から強制的に放出される。このため、放出される水滴２８は十分径が小さくなり、後段の動翼（図示せず）に与える影響を十分小さくさせ、第１実施形態の効果をより高めることができる。

なお、本実施形態において、ノズル２０の翼面上に対する施工例を説明したが、このように親水性コーティング部２１と撥水コーティング部３０を組み合わせ、使い分けることによって、本来の蒸気タービンの空力特性に対して何等悪影響を与えること無く、蒸気タービンの翼面もしくは通路壁面上の湿分をコントロールすることが可能となる。

（第７の実施形態）
次に、本発明に係る蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料の第１乃至第６の実施形態のうち、親水性コーティング部２１がＳｉＯ_２からなる材料について説明する。

まず、本実施形態は、テトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）から成る有機金属化合物に少量の水と酢酸を加えたものをエタノールで希釈してコーティング用塗布液を得た。この塗布液をノズル（静翼）にスプレー法により塗布し、常温で一昼夜、乾燥・加水分解させた後、大気中にて１００℃の熱風を２０時間当てて熱処理を行った。このときのコーティング皮膜は非晶質であり、膜厚は０．２μｍ、開気孔率は約１０％であった。

図１６は、このような親水性コーティング部２１を形成したとの成果を纏めたものである。

実験は、矩形の板材に同一のスリット幅ではあるが、そのスリット端部の形状の異なるものを５種類用意し、それぞれその表面に親水性コーティング部２１がある場合と無い場合の２種類、合計１０枚の板材を準備した。そして、この板材を傾斜させた状態で、その一方の端部から一定量の水を流し、スリットから板材下部に流れ落ちる水の量と、板材の他方の端部で回収された水の量とを測定した。

図１６中、「投入水量に対するスリットでの捕獲水量割合」とは、「スリット下部で回収された水量」と「一端から流した水の量」との比率であり、「投入水量に対する回収水量の割合」とは、「他端で回収された水量」と「スリットで回収された水量」との和と「一端から流した水の量」との比率である。

図１６から分かるように、各スリットにおけるコーティングの有無での、「投入水量に対する回収水量の割合」は、若干の誤差のあるものの、略近似した割合を示している。しかし、「スリットで回収された水量」は、明らかにコーティング有りの方が、いずれのスリット形状においても割合が大きくなっていることが分かる。すなわち、本実施形態に係る親水性コーティング部２１の効果を顕著に示していると言え、特に、翼の腹側と同じ凹面形状であるスリット形状Ｅの場合は、より顕著にその傾向が表れている。

そして、このような親水性コーティング部２１を、本発明に係る蒸気タービンのノズル２０、動翼２３、タービンロータ、タービンケーシング２４、ダイアフラム外輪２６等に適用した。その結果、皮膜が形成されていないものと比較して、放出された水滴は細かくなり、次段落以降の翼の耐エロージョン性が向上した。

（第８の実施形態）
本実施形態は、第７の実施形態と同様に、図１に示した蒸気タービンにおけるノズル（静翼）の腹側後縁寄りで、かつ半径方向外側の限定された部分に、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ）を有するシリコンの有機金属化合物を主成分とするコーティング剤をスプレー法により塗布し、１００℃の熱風で２０時間加熱し硬化させた。このときの親水性コーティング部２１は、酸化ケイ素から成る非晶質であり、膜厚は約１μｍ、開気孔率は約７％であった。

この場合も、親水性コーティング部２１が形成されていないものと比較して、放出された水滴は細かくなり、次段落以降の翼の耐エロージョン性が向上した。

（第９の実施形態）
本実施形態は、本発明の第４の実施形態を示す図５に示す蒸気タービンの動翼前縁の半径方向外側の限定された部分にＴｉＯ_２の皮膜を形成したものである。

本実施形態に係る親水性コーティング材料は、テトライソプロポキシチタン（Ｔｉ（Ｏ−Ｓｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_４）から成る有機金属化合物に少量のエチルアミン（Ｃ_２Ｈ_７）を加えたものをエタノールで希釈してコーティング用塗布液を得た。この塗布液を、図５に示した蒸気タービンにおける動翼２３の前縁の半径方向外側の限定された部分にディップ法により塗布し常温で加水分解させた後、大気中４００℃で３時間熱処理した。なお、ディップ法にてコーティングを施工する際には、上記限定された部分のみに施工するためにマスキングを行った。このときのコーティング被膜は酸化チタンから成る非晶質であり、膜厚は約０．５μｍ、開気孔率は約８％であった。

この場合も親水性コーティング部２１が形成されていないものと比較して、放出された水滴は細かくなり、次段以降の翼の耐エロージョン性が向上した。

（第１０の実施形態）
本実施形態に係る親水性コーティング材料は、まずテトライソプロポキシチタンから成る有機金属化合物に少量のエチルアミンを加えたものをエタノールで希釈した。この溶液に平均粒子径８ｎｍの酸化ケイ素粒子を分散させ懸濁液を作成し、コーティング用塗布液を得た。この塗布液を、図５に示した蒸気タービンにおける動翼２３の前縁の半径方向外側の限定された部分にディップ法により塗布し常温で加水分解させた後、大気中４００℃で３時間熱処理した。このときのコーティング膜の組成はモル比で酸化チタン：酸化ケイ素＝１：１であり、膜厚は約１μｍ、開気孔率は約８％であった。

上記のように動翼２３の前縁の半径方向外側の限定された部分にＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の混合相から成る皮膜を形成した蒸気タービンは、親水性コーティング部２１が形成されていないものと比較してタービン性能が向上し、また耐エロージョン性も向上した。

（第１１の実施形態）
本実施形態に係る親水性コーティング材料は、まず、テトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）から成る有機金属化合物に少量の水と酢酸を加えたものをエタノールで希釈した。この溶液に平均粒子径６ｎｍの酸化チタン粒子を分散させ懸濁液し、コーティング用塗布液を得た。この塗布液を、図１に示した蒸気タービンにおけるノズル（静翼）２０の腹側後縁寄りで、かつ半径方向外側の限定された部分にスプレー法により塗布し常温で乾燥させた。このときのコーティング膜の組成は、モル比で酸化ケイ素：酸化チタン＝２：１であり、膜厚は約１．２μｍ、開気孔率は約７％であった。

上記のようにノズル（静翼）の腹側後縁寄りで、かつ半径方向外側の限定された部分にＳｉＯ_２から成る皮膜を形成した蒸気タービンは、皮膜が形成されていないものと比較してタービン性能が向上し、また耐エロージョン性も向上した。

本発明の第１実施形態であって、ノズルに親水性コーティング部を被覆したことを説明する図。 本発明の第１実施形態であって、ノズルに親水性コーティング部を被覆したときの水滴、水膜の挙動を説明する図。 本発明の第２実施形態を説明する図。 本発明の第３実施形態を説明する図。 本発明の第４実施形態を説明する図。 本発明の第５実施形態を説明する図。 本発明の第６実施形態を説明する図。 親水性コーティング部に水滴が付着したとき、その水滴の親水性コーティング部に対する接触角の定義を表わすための図。 蒸気タービンを組み込んだ従来の火力発電プラントを示す概略系統図。 従来の蒸気タービンにおける翼列を示す図。 従来の蒸気タービンにおけるノズルおよび動翼と水滴との速度三角形を示す図。 蒸気タービンのノズルにおける水滴の挙動を示す図。 水滴径とエロージョンによる浸食量の関係を示す図。 従来の蒸気タービンにおけるノズルの翼高さと湿り度との関係を示す図。 従来の蒸気タービンにおける湿分分離装置を例示として示す図。 スリットに親水性コーティング部を被覆した場合と、被覆しない場合とに分けたとき、投入した水量に対するスリットの捕獲水量の割合を説明する図。

符号の説明

１ ボイラ
２ 加熱器
３ 蒸気タービン
４ タービンロータ
５ 動翼
６ ノズル
７ 段落
８ 蒸気通路
９ 発電機
１０ 復水器
１１ 冷却媒体
１２ 給水ポンプ
１３ ケーシング
１４ 湿分
１５ 水膜
１６ 水滴
１７ 水膜流
１８ 溝
１９ ドレンキャッチャー
２０ ノズル
２１ 親水性コーティング部
２２ スリット
２３ 動翼
２４ タービンケーシング
２５ ドレンキャッチャー
２６ ノズルダイアフラム外輪
２７ 水膜
２８ 水滴
２９ 水膜流
３０ 撥水コーティング部

Claims (17)

1. タービンロータと、
   このタービンロータに植設される動翼と、
   この動翼の上流側に配設されるノズルと、
   このノズルを支持するとともに前記タービンロータ、動翼およびノズルを内包するタービンケーシングとから構成され、
   前記動翼と前記ノズルとの対により一つの段落を形成するとともに前記タービンロータ軸方向に複数の段落を並べて蒸気通路を形成した蒸気タービンにおいて、
   前記タービンロータ外周面、前記ノズル表面、前記動翼表面または前記タービンケーシング内周面のうち、少なくとも一箇所の全領域もしくはその一部分に親水性コーティング部を備えた
   ことを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記親水性コーティング部は、前記動翼の背側かつ前縁側の領域に備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
3. 前記親水性コーティング部は、前記動翼の翼高さ方向の予め決められた領域に施されている
   ことを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
4. 前記親水性コーティング部は、前記ノズルおよび前記動翼の後縁端から上流側に向かって少なくとも１０ｍｍ以上の領域に備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
5. 前記親水性コーティング部は、前記ノズルおよび前記動翼の翼高さをＨ、親水性コーティングが施されている領域の高さをｈとしたとき、前記ノズルおよび前記動翼の
   ［数１］
   ０．３≦ｈ／Ｈ≦１．０
   の領域に備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
6. 前記親水性コーティング部は、前記動翼の翼高さをＨ、親水性コーティング皮膜が施されている領域の高さをｈ、翼弦長Ｃ、親水性コーティング皮膜が施されている領域の動翼前縁端からの翼弦長方向の距離をＬとしたとき、前記動翼の
   ［数２］
   ０≦Ｌ／Ｃ≦０．５
   の領域に備えている
   ことを特徴とする請求項２記載の蒸気タービン。
7. 前記ノズルにその内部と連通するスリットを設けるとともに、前記親水性コーティング部を、前記スリットが設けられているノズル表面全体に施されている
   ことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
8. 前記親水性コーティング部は、前記スリットよりも上流側の予め決められた領域に施されている
   ことを特徴とする請求項７記載の蒸気タービン。
9. 前記タービンケーシング内周面には開口部を設けるとともに、前記親水性コーティング部をこのタービンケーシング内周面に施す
   ことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
10. 前記タービンケーシング内周面の前記ノズル後縁下流側で、かつ前記ノズル翼の下流側に位置する前記動翼に前縁側となる領域に開口部を設け、前記親水性コーティング部をこの開口部周辺に施す
    ことを特徴とする請求項９記載の蒸気タービン。
11. 前記親水性コーティング部は、その皮膜領域に隣接して撥水性コーティング皮膜領域を有している
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の蒸気タービン。
12. 請求項１乃至請求項１１記載の親水性コーティング部は、水による接触角が２０°以下であること特徴とする蒸気タービン。
13. 請求項１乃至１２記載の親水性コーティング部は、酸化物セラミックスから成ることを特徴とする蒸気タービンの親水性コーティング材料。
14. 酸化物セラミックスは、酸化ケイ素および酸化チタンの中から選ばれる少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする請求項１３記載の蒸気タービンの親水性コーティング材料。
15. 酸化ケイ素は、非晶質であることを特徴とする請求項１４記載の親水性コーティング材料。
16. 請求項２乃至請求項４記載の親水性コーティング部は、膜厚０．０５μｍ以上、１５０μｍ以下であることを特徴とする蒸気タービン。
17. 請求項２ないし請求項４記載の親水性コーティング部は、開気孔率が３０％以下であることを特徴とする蒸気タービン。

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