JP2007514094A - 蒸気タービンのケーシングに使用する断熱層及び蒸気タービン - Google Patents

Abstract

本発明は、蒸気タービンのケーシングに断熱層を使用して、構造部材の異なる加熱による異なる歪み特性を調整する、蒸気タービンのケーシングに断熱層を使用する方法及びその蒸気タービンに関する。本発明によれば、一方の側で高温に曝され、他方の側で低温に曝されるケーシングの高温の側に断熱層が設けられる。この断熱層により、動翼とケーシングとの間又は静翼の尖端と軸との間の半径方向の間隙が高温での動作中に低くなり、効率の向上が図れる。

Description

本発明は、請求項１と２記載の断熱層及び請求項２９に記載の蒸気タービンに関する。

構造部材上に施される断熱層は、例えば欧州特許第１０２９１１５号や国際公開第００／２５００５号パンフレットに記載の如く、ガスタービンの分野で公知である。

独国特許出願公開第１９５３５２２７号明細書から、蒸気タービン内に価格的に有利であるが、機械的特性に劣る材料を基板に使用できるように断熱層を設けることが公知である。その際、断熱層は蒸気流入領域の比較的低温の範囲に施されている。

英国特許第１５５６２７４号明細書は、タービンディスクの比較的薄い範囲の熱的損傷を低減すべく断熱層を設けたタービンディスクを開示している。

米国特許第４４０５２８４号明細書は、磨耗特性を改善するため２層から成るセラミックスの外側層を開示している。

米国特許第５６４５３９９号明細書は、軸方向の隙間を低減するため、ガスタービン内に断熱層を局所的に施すことを開示している。

独国特許第７２３４７６号明細書は、２分割されかつ厚く形成された外側セラミックス層を有するケーシングを開示している。この各ケーシングのケーシングの部分は、軸方向に並列せずに上下に配置されている。

断熱層は、専らその基本材料が許容する限り、構造部材を比較的高温で使用することを可能にし、或いはまたその使用期間を延長させる。

公知の基本材料は、最高で１０００〜１１００℃の使用温度を可能にするの対し、断熱層で被覆した場合１３５０℃迄の使用温度が可能になる。

ガスタービンに比べて、蒸気タービン内の構造部材の使用温度は明らかに低いが、流体の圧力及び密度は高く、また流体の種類も異なるため、蒸気タービンでは、材料に他の要件が課せられる。

回転子と固定子との間の半径方向及び軸方向の隙間は蒸気タービンの効率にとって重要である。蒸気タービンのケーシングの変形は、効率に決定的な影響を及ぼし、それらの機能は、とりわけ案内翼を軸に固定された回転翼に対し位置決めする。ケーシングの変形は、熱的損傷によるもの並びに構造部材のクリープ歪みや緩和による粘塑性分によるものを含んでいる。

蒸気タービンの他の構成要素（例えば弁のケーシング）の場合、許容されない粘塑性による歪みは、その機能（例えば弁の密閉性）に不利に作用する。

本発明は、上述した諸問題を解決することを課題とする。

この課題は、請求項１又は２記載の蒸気タービンのケーシング用の断熱層により解決される。

更にこの課題は、断熱層が局所的に異なるパラメータ（材料、気孔率、厚さ）を有する請求項２９記載の蒸気タービンにより解決される。局所的とは、タービンの１つ又は複数の構造部材の表面の、場所的に互いに限定された範囲のことを云う。

この断熱層は必ずしも、その使用温度範囲を上方にずらす目的に役立つばかりでなく、
ａ）１つのケーシング部分の不可欠な定常温度を、もう１つの別のケーシング部分に対し低下させ、
ｂ）非定常状態（始動、運転開始、負荷の変化）で著しく温度が変動する際に、その温度の変動する蒸気から構造部材を遮蔽し、
ｃ）ケーシング材料の高温時に減少する耐クリープ性による、また構造部材中の温度差により生ずる熱応力による粘塑性歪みを低減し、
目標に沿った歪み特性への確実な影響を及ぼす。

本発明による構造部材の他の有利な実施形態は従属請求項に示す。

従属請求項に挙げた形態は、それらを互いに組合せることも可能である。

タービンの回転子と固定子、即ちタービン翼とケーシングの間の半径方向の間隙の変形を、この半径方向の間隙を最小にすることにより制御することは有利な効果を生む。半径方向の間隙を最低限に抑えることで、タービンの効率を向上できる。

同様に歪み特性の制御により、蒸気タービン内、特に回転子とケーシングとの間の軸方向の間隙を制御調整し、最小化できる。

このケーシングの統合された温度が断熱層を施すことで軸の温度よりも低くなることは、特に好ましく作用し、従って半径方向の回転子と固定子、即ち動翼の尖端とケーシングとの間、もしくは静翼の尖端と軸との間の半径方向の間隙が、室温よりも高温の動作中に、温度が据付温度、即ち室温である時よりも小さくなるように作用する。ケーシングの非定常的な熱歪みの減少及び概して熱に比較的不活性なタービン軸の歪み特性に対する適応は、同様に予想される半径方向の隙間を減少させる。断熱層を施すことにより粘性のクリープ歪みを減少させ、また構造部材を一層長期に使用することを可能にする。

この断熱層は新規に製造され、既に使用され（但し修理不要の）、また修理して更新された構造部材の場合に使用できる。

本発明の実施例を、図面に基づき以下に詳述する。

図１は、本発明で使用する構造部材１第１の実施例を示す。この構造部材１は、構造部材又はケーシング、特に（ガス、蒸気）タービンの流入領域３３３のケーシング３３５、特に蒸気タービン３００、３０３（図８）の流入領域のケーシングであり、また基板４（例えば支持構造）とその上に設けられた断熱層７からなっている。

断熱層７は、例えば酸化イットリウム及び／又は酸化マグネシウムにより一部又は完全に安定化された酸化ジルコニウム及び／又は酸化チタンからなり、例えば０．１ｍｍ以上の厚さを有する特にセラミックス層である。従って１００％酸化ジルコンか、酸化チタンから成る断熱層７を使用できる。このセラミックス層は常圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）等の公知の被覆法や、化学又は物理的被覆法（ＣＶＤ、ＰＶＤ）により被着可能である。

図２は、本発明で構造部材１に使用する断熱層の別の実施形態を示す。基板４と断熱層７との間に、少なくとも１つの中間保護層１０を配置している。この保護層１０は、基板４を腐食及び／又は酸化から保護し及び／又は断熱層の基板４への接合を改善する役目をする。ここで断熱層７はセラミックス、基板４が金属からなる。

基板４を高温での腐食及び酸化から保護するため、中間保護層１０は、例えば主として以下に記載する成分を含んでいる（重量％）。

１１．５〜２０．０％ クロム、
０．３〜１．５％ ケイ素、
０．０〜１．０％ アルミニウム、
０．０〜０．７％ イットリウム及び／又はスカンジウム及び希土類の元 素を含む群の少なくとも１つの等価金属、
残 り 鉄、コバルト及び／又はニッケル並びに製造に由来する不純物。

特にその金属中間保護層１０は、重量％で
１２．５〜１４．０％ クロム
０．５〜１．０％ ケイ素
０．１〜０．５％ アルミニウム、
０．０〜０．７％ イットリウム及び／又はスカンジウム及び希土類の元 素から成る群からの少なくとも１つの等価金属、
残 り 鉄及び／又はコバルト及び／又はニッケル並びに製造に由来す る不純物。特に残りが鉄のみであると好ましい。

鉄をベースとする中間保護層１０の組成は、特に良好な特性を示し、そのため中間保護層１０は、フェライト基板４上に被着するのに極めて好適である。その場合基板４及び中間保護層１０の熱膨張係数は、互いに極めて良好に合わせることができ、或いは謂わば同じにすることもでき、従って基板４と中間保護層１０との間に、中間保護層１０の熱により剥落を起し得る、熱的ミスマッチによる応力の上乗せを生じることはない。これは、フェライト材料の場合、しばしばその拡散接合に熱処理を全く行わず、（中間）保護層１０を基板４上に殆ど粘着のみにより接着することから重要である。

その場合、特に基板４はフェライトベース合金、鋼又はニッケル或いはコバルトベースの超合金、特に（１％ＣｒＭｏＶ）鋼又は１０〜１２％のクロム鋼でできている。

この構造部材１の他の有利なフェライト基板４は、下記の何れかからなる。即ち、
軸用の１〜２％クロム鋼（タービン軸３０９、図４）、例えば３０ＣｒＭｏＮｉＶ５−１１又は２３ＣｒＭｏＮｉＷＶ８−８か、
ケーシング用の１〜２％クロム鋼（例えばケーシング３３５、図４）である、Ｇ１７ＣｒＭｏＶ５−１０又はＧ１７ＣｒＭｏ９−１０か、
軸用の１０％クロム鋼（タービン軸３０９、図４）、例えばＸ１２ＣｒＭｏＷＶＮｂ１０−１−１か、
ケーシング用の１０％クロム鋼（例えばケーシング３３５、図４）、例えばＧＸ１２ＣｒＭｏＷＶＮｂＮ１０−１−１又はＧＸ１２ＣｒＭｏＶＮｂＮ９−１。

図３は本発明に関した、構造部材１のもう１つの実施例を示す。この場合、断熱層７上で腐食保護層１３が外表面を形成している。この保護層は、特に金属又は金属合金から成り、構造部材１を腐食及び／又は損耗、特に蒸気タービン３００、３０３（図８）の場合に、平均流動速度が約５０ｍ／秒（即ち２０〜１００ｍ／秒）及び４００×１０⁵Ｐａ迄の圧力を有する過熱蒸気範囲内に酸化被膜が生ずるのを防止する。

この断熱層（７）ができるだけ良好に作用するよう、断熱層７は所定の開放性及び／又は閉鎖性を示す気孔を有する。

磨耗／腐食保護層１３が比較的高い密度を有し、鉄、クロム、ニッケル及び／又はコバルトをベースとする合金或いはＭＣｒＡｌＸ又は例えばＮｉ：Ｃｒが８
０：２０であり、又はホウ素（Ｂ）とケイ素（Ｓｉ）の添加物を含むＮｉＣｒＳｉＢ又はＮｉＡｌ（例えばＮｉが９５％、Ａｌが５％）からなるとよい。

特に蒸気タービン３００、３０３の蒸気流入領域（３３３）内で、流入温度が最高で８００℃或いは８５０℃であるため、金属の腐食保護層１３を使用するとよい。このような温度範囲での構造部材１の使用期間に亘って不可欠な、十分に大きな腐食保護を示す金属層がある。

ガスタービン内のセラミックス断熱層７上の金属性腐食保護層１３は、この層が外側層として最大で１３５０℃迄になる個々の温度に耐えられないため、どこにでも設置可能とは云えない。

セラミックスの腐食保護層１３にも同様のことが考えられる。

この腐食保護層１３に使用できる他の材料として、例えば炭化クロム（Ｃｒ₃Ｃ₂）や、例えば炭化タングステン７３重量％、炭化クロム２０重量％及びニッケル７重量％の炭化タングステン、炭化クロム及びニッケルの混合物（ＷＣ−ＣｒＣ−Ｎｉ）や、更には、例えば炭化クロム８３重量％とニッケル１７重量％のニッケルを混和した炭化クロム（Ｃｒ₃Ｃ₂−Ｎｉ）や、例えば炭化クロム７５重量％とニッケルクロム２５重量％を含む炭化クロムとニッケルクロムから成る混合物（Ｃｒ₃Ｃ₂−ＮｉＣｒ）や、例えば酸化ジルコン８０重量％と酸化イットリウム２０重量％の割合のイットリウムで安定化された酸化ジルコンが挙げられる。

同様に、図３の実施例に加え、更に中間保護層１０が存在する（図４）場合もある。

図５は、気孔率が勾配を有する断熱層７を示す。この断熱層７内には気孔１６がある。矢印で示す外表面の方向に向かい断熱層７の密度ρが増大している。

従って、基板４又は場合によっては存在する中間保護層１０に向かって、主として外表面又は腐食保護層１３に対する接触面の範囲内よりも大きな気孔率が存在している。

図６では、断熱層７の密度ρの勾配が図５とは逆方向（矢印の方向）になっている。

図７Ａ、Ｂは、構造部材１の熱に起因する歪み特性に対する断熱層７の影響を示す。

図７Ａは断熱層なしの構造部材を示す。基板４の対向する２つの側面は、異なる温度、高温Ｔ_maxと低温Ｔ_mixにあり、そのため半径方向の温度差ｄＴ（４）が生じている。従って基板４は、破線で示すように高温Ｔ_maxの範囲で熱膨張により明らかに低温Ｔ_minの範囲よりも膨張している。この異なる膨張はケーシングに不所望な歪みを生じさせる。

それに対して図７Ｂでは、基板４上に断熱層７が存在し、その際基板４と断熱層７とを合せて、例えば図７Ａにおける基板４と全く同じ厚さである。断熱層７は、仮に、その外側の温度Ｔ_max が図７Ａと同様に高くても、基板４の表面で著しく高い最高温度を温度Ｔ´_maxに低下させる。（これは、基板４の表面の比較的高温を有する断熱層７の外表面に対する間隙から生じるだけでなく、特に断熱層７の低い熱伝導率によっても生じる。断熱層７内には金属基板４内よりも極めて大きな温度勾配が存在している。このため、温度差ｄＴ（４，７）（＝Ｔ´_max− Ｔ_min）は図７ａに基づく温度差（ｄＴ（４）＝ｄＴ（７）＋ｄＴ（４，７）よりも小さくなる。その結果、破線で示すような温度Ｔ_minを有する表面と殆ど異ならない、著しく低い基板４の熱膨張が生じ、こうして局所的に異なる膨張は少なくとも均一化される。更に断熱層７はしばしば基板４よりも低い熱膨張係数を有する。図７ｂにおける基板４も、図７ａにおける基板と全く同じ厚さであってもよい。

図８は、例として回転軸３０６に沿って延びるタービン軸３０９を備えた蒸気タービン３００、３０３を示す。

この蒸気タービンは、各々内側ケーシング３１２とこれを囲む外側ケーシング３１５を持つ高圧部分タービン３００と中圧部分タービン３０３を備える。中圧部分タービン３０３はダブルフロー形である。この中圧部分タービン３０３をシングルフロー形に形成することもできる。

回転軸３０６に沿って、高圧部分タービン３００と中圧部分タービン３０３との間に軸受３１８が配置されており、タービン軸３０９は、軸受３１８内に軸受領域３２１を有する。タービン軸３０９は、高圧部分タービン３００の傍のもう１つの軸受３２４上に載っている。高圧部分タービン３００は、軸受３２４の範囲内に軸パッキン３４５を有する。タービン軸３０９は中圧部分タービン３０３の外側ケーシング３１５に対して、更に２つの軸パッキン３４５により密閉されている。

高圧蒸気流入領域３４８と蒸気流出領域３５１との間に、高圧部分タービン３００内のタービン軸３０９は高圧翼駆動領域３５４、３５７を有する。この領域３５４、３５７は回転翼（図示せず）と共に第１の翼駆動領域３６０を形成する。

中圧部分タービン３０３は、内側ケーシング３３５と外側ケーシング３３４を持つ中心の蒸気流入領域３３３を持つ。この蒸気流入領域３３３内で、タービン軸３０９は、一方で中圧部分タービン３０３を２方向の流れに蒸気流を分け、他方で過熱蒸気がタービン軸３０９と直接接触するのを阻止すべく、半径対称の軸遮蔽物、即ちカバープレートを有する。タービン軸３０９は、その中圧部分タービン３０３内の、中圧回転翼３５４、３４２を有する翼駆動領域のケーシング３６６、３６７内に第２の翼駆動領域を有する。この第２の翼駆動領域を貫流する過熱蒸気は、流出管３６９から成る中圧部分タービン３０３から流れ技術的に後方に接続された低圧部分タービン（図示せず）に流れる。

タービン軸３０９は、２つの部分タービン軸３０９ａと３０９ｂから構成され、その軸受３１８の範囲で互いに固く接合されている。

特蒸気タービンの形式を問わず、蒸気流入領域３３３にも断熱層７及び／又は腐食保護層１３を有する。

断熱層の被着によって制御された歪み特性により、特に蒸気タービン３００、３０３の効率を高めることができる。これは、例えば回転子の部分と固定子（ケーシング）との間の半径方向のギャップ（半径方向、即ち軸３０６に垂直な方向）を最低限に抑えることにより行われる（図１６、図１７）。同様に軸に対し平行なギャップ３７８は、回転子及びケーシングの翼駆動領域の制御された歪み特性により最低限に抑制できる。

断熱層７を使用に関する以下の記述は、蒸気タービン３００、３０３の構造部材１に関する極く一例に過ぎない。

図９は、局所的に異なる温度の、構造部材の軸方向の膨張特性に対する影響を示す。

図９Ａは、温度の上昇（ｄＴ）により膨張（ｄｌ）する構造部材１を示す。縦方向の熱膨張ｄ１を破線で示す。構造部材１の支え方、配列又は固定法は、膨張を可能にする。

図９Ｂは、やはり温度の上昇により膨張する構造部材１を示す。但しこの構造部材１の異なる範囲の温度は互いに異なっている。従って例えば中央の範囲、例えばケーシング３３５を有する流入領域３３３内で、温度Ｔ₃₃₃は隣接する翼駆動領域（ケーシング３６６）の温度Ｔ₃₆₆よりも高く、もう１つの隣接するケーシング３６７の温度（Ｔ₃₆₇）よりも高い。符号３３３_gleichを有し、破線で示す流入領域３３３の熱膨張は、全ての領域或いはケーシング、即ち３３３、３６６、３６７が一様な温度の上昇を受ける場合を示している。しかし、流入領域３３３の温度が周囲のケーシング３６６及び３６７内よりも高いことから、この流入領域３３３は破線３３３′で示す領域よりも著しく膨張する。ケーシング３６６と、もう１つのケーシング３６７との間に流入領域３３３が配置されていることから、該領域３３３は自由に膨張できず、従って一様でない歪み特性を生じる。断熱層７の被着により、その歪み特性を制御及び／又は対比調節する必要がある。

図１０は蒸気タービン３００、３０３の領域３３３を拡大して示す。蒸気タービン３００、３０３は、流入領域３３３の周辺で、例えば２５０〜３５０℃の温度を持つ外側ケーシング３３４と、例えば４５０〜６２０℃、但し８００℃迄の温度をも持つ内側ケーシング３３５から成り、そのため例えば２００℃以上の温度差が存在する。蒸気流入領域３３３の内側ケーシング３３５上の内側３３６に断熱層７を施す。例えばその外側３３７には断熱層７を施さない。断熱層７を施すことで、内側ケーシング３３５内への熱の侵入が減り、その結果流入領域３３３のケーシング３３５及びケーシング３３５、３６６、３６７の全ての歪み特性が影響を受ける。こうして内側ケーシング３３４又は外側ケーシング３３５の全ての歪み特性は制御調整され、均一化される。１個のケーシング又は複数のケーシング相互間の歪み特性の調整（図９ｂ）は断熱層７の厚さを変化させ（図１２）及び／又はケーシングの表面の異なる箇所に異なる材料を施すことにより行うことができ、例として図１３内の内側ケーシング３３５を参照されたい。同様に内側ケーシング３３５の異なる箇所で気孔率を異ならせてもよい（図１４）。断熱層７を局所的に限定し、例えば流入領域３３３の範囲内の内側ケーシング３３５内のみに施すこともできる。同様に断熱層７を翼駆動領域３６６内のみに局所的に施すことも可能である（図１１）。

本出願明細書において異なるケーシングとは、軸方向に互いに隣接しているケーシング（例えばケーシング３３６とケーシング３３５）を云い、例えば独国特許第７２３４７６号明細書に開示のような、半径方向に２つに（上半分と下半分に）分割されている、２つの部分から成るケーシングではない。

図１２は断熱層７を使用するもう１つの実施例を示す。ここでは断熱層７の厚さは流入領域３３３内で厚く、例えば蒸気タービン３００、３０３の翼駆動領域のケーシング３６６内よりも、例えば少なくとも５０％厚く形成されている。この断熱層７の厚さにより、その熱による損傷、また同時に熱膨張、また同時に、流入領域３３３と、翼駆動領域のケーシング３６６から成る内側ケーシング３３４の歪み特性は制御調整され、かつその軸の長さ方向において均一化される。

同様に、流入領域３３３の範囲に翼駆動領域のケーシング３６６内とは異なる材料が存在してもいてもよい。

図１３は、構造部材１の異なるケーシング３３５と３６６内で断熱層７の材料が異なることを示す。これらの範囲、即ちケーシング３３５、３６６内に断熱層７が施されている。但し流入領域３３３の範囲内の断熱層８は、第１の断熱層の材料からなり、それに対し翼駆動領域のケーシング３６６内の断熱層９は、第２の断熱層の材料からなっている。断熱層８、９の材料が異なるため、異なる断熱性能が得られ、それにより領域３３３とケーシング３６６の範囲の歪み特性が調整され、特に均一化される。その場合高温の領域３３３に高性能の断熱材を施す。断熱層８、９の厚さ及び／又は気孔率は同じであってもよい。同様に、勿論断熱層８、９上に腐食保護層１３を配置することも可能である。

図１４は、異なるケーシング３３５、３６６内で２０〜３０％の異なる気孔率を持つ構造部材１、３００、３０３を示す。従って、例えば断熱層８を有する流入領域３３３は、翼駆動領域のケーシングの断熱層９よりも気孔率が高く、そのため翼駆動領域のケーシング３６６内よりも流入領域３３３内に断熱層９により高い断熱性能が得られる。同様に断熱層８、９の厚さ及び材料も異なっていてもよい。それと同時に、例えば気孔率により、断熱層７の（断熱性能）は種々に調整され、こうして構造部材１の異なる範囲／ケーシング３３３、３６６の歪み特性を調整できる。

同様に上述した断熱層７を、蒸気発生機（例えばボイラ）の後から接続された配管（例えば図１５の溝４６、図８の流入領域３５１）内に、過熱した蒸気又は他の高温蒸気を搬送するための管及び例えばバイパス管、バイパス弁又は発電所の処理蒸気管のような装備の内側に断熱層７を各々施すことも可能である。

もう１つの有利な用途は、蒸気発生機（ボイラ）内の各々熱した媒質（煙道ガス又は過熱蒸気）に曝され、蒸気を運ぶ部材を断熱層７で被覆することにある。この種の構成要素の例は、蒸気の加熱に使用すべきではない面、もしくは他の理由から熱した媒質の攻撃から保護することを必要とするタンク又は貫流ボイラの部分である。

更に、ボイラ、特に貫流ボイラ、特にベンソンボイラの外側に設けた断熱層７により、燃料消費を削減させる断熱効果を獲得できる。

同様に断熱層８、９上に腐食保護層１３を設けてもよい。

図１１、１２及び１３に基づく措置により、熱膨張を、異なる温度又は熱膨張係数にも係らず適合可能（ｄｌ₃₃₃≒ｄｌ₃₆₆）なことから、回転子と固定子との間の軸方向の遊びが調整できる。それらの温度差は定常状態のタービンでも存続している。

図１５は、流入溝４６を通って過熱蒸気が流入する弁３１の弁ケーシング３４に断熱層７を使用する例を示す。

流入溝４６は、弁ケーシング３４に機械的欠陥を生じさせる。弁３１は、例えば壷型のケーシング３４と、蓋３７からなる。ケーシング３４の内側に、弁プラグ４０と、スピンドル４３から成るバブルピストンがある。構造部材のクリープによりケーシングと蓋３７の軸方向に一様ではない歪みが生じる。弁ケーシング３４は、破線で示す如く、流入溝４６の範囲内で軸方向に著しく膨張し、そのためスピンドル４３を持つ蓋３７を傾斜させることになり得る。こうして弁プラグ（４０）はもはや正しく載らず、その結果この弁３１の気密性が低下する。断熱層７をケーシング３４の内側に施すことで、その歪み特性が均一化し、こうしてケーシング３４と蓋３７の両端５２、５５は均等に膨張する。

結論として断熱層７の被着により、歪み特性を制御することができ、また同時に断熱層７が弁３１の密閉性を保証する役目をする。

図１６は固定子５８、例えばタービン３００、３０３のケーシング３３５、３６６、３６７と、回転部材６１（回転子）、特にタービン翼１２０、１３０、３４２、３５４を示す。

固定子５８と回転子６１の温度‐時間の特性曲線Ｔ（ｔ）は、例えばタービン３００、３０３の停止時に、固定子５８の温度Ｔが回転子６１の温度よりも急速に低下することを示す。そのためケーシング５８は回転子６１よりも著しく収縮し、ケーシング５８が回転子６１に接近する。それ故作動状態で回転子６１がケーシング５８に接触するのを阻止すべく、固定子５８と回転子６１の間に冷却状態で適切な間隔ｄが存在せねばならない。

大きな回転子の場合、半径方向の隙間は、そこで使用された６００Ｋの動作温度で３．０〜４．５ｍｍとなる。

５００Ｋの動作温度を有する比較的小さい蒸気タービンの場合、半径方向の間隙は２．０〜２．５ｍｍとなる。両方の場合に５０Ｋの温度差の低下により０．３〜０．５ｍｍもしくは０．８ｍｍ迄隙間を削減することができる。こうして、ケーシング５８とタービン翼６１との間の蒸気の流通量が減少し、効率は一層高まる。

図１７は、固定子（回転しない部材）５８上に施された断熱層７を示す。断熱層７は、より強く、或いは迅速に加熱される固定子５８、即ちケーシング３３５に大きな熱慣性を生じさせる。この温度と時間の関係図は、やはり固定子５８と回転子６1の温度Ｔの時間的推移を示している。固定子５８上の断熱層７により固定子５８の温度はそれほど急速に降下せず、かつ両曲線間の差は比較的僅かである。これは、回転子６１と固定子５８との間に室温の場合にも、比較的僅かな半径方向の間隔ｄ₇を可能にし、その結果タービン３００、３０３の効率は稼動中の比較的僅かな隙間により高められる。

断熱層７を、回転子６１、即ち例えばタービン翼３４２、３５４、３５７上に同じ効果を達成すべく形成してもよい。

この間隙と時間のグラフ図は、室温ＲＴで固定子５８と回転子６１を接触させることのない、比較的小さな間隙ｄ₇（ｄ₇＜ｄ_i＜ｄ_s）が存在することを示す。

この温度差とそれに伴う間隙の変化は、蒸気タービン３００、３０３の非定常状態（始動、負荷の変動、停止）により生じ、それに反して定常の稼動中に半径方向の間隙の変化により、何ら問題は起こらない。

図１８は断熱層７を再処理した構造部材上に施すことによる影響を示す。

再処理とは、修理された、即ち腐食及び酸化生成物を除去した構造部材、並びに間隙を場合によっては検出し、例えばろう材を詰めて修理することを意味する。構造部材１は全て完全に損傷する迄にある寿命を持つ。構造部材１、例えばタービン翼又は内側ケーシング３３４を時点ｔ_s迄に点検し、必要に応じ修理する度に、一定の割合での損傷する。この構造部材１の損傷の時間的経過を符号２２で示す。修理保全時点ｔｓの後、修理していない損傷曲線を破線２５を基にして更に延ばしている。それによると、残りの稼動時間は比較的短いものとなろう。断熱層７を、損傷した又は微細構造的に変化した構造部材１上に施すことで、該部材１の使用期間は著しく延びる。断熱層７により構造部材１の熱的損傷及び破損が減り、その結果、その寿命の経過は曲線２８を基に更に延びる。この曲線は曲線２５の延びに比べて明らかに緩やかに経過しており、このように被覆された構造部材１は少なくとも２倍は長く使用できる。

点検した構造部材の寿命を全ての場合に延長しようとするのではなく、専ら初回或いは２回目の断熱層７の被着により、ケーシング部分の歪み特性を、上述した回転子とケーシングの半径方向の間隙並びに回転子とケーシング軸の方向の隙間の調整により制御及び対比調節して、その効率を高めることを意図する。従って、断熱層７は修理を意図しない部材１、即ちケーシング部分上に設けることもできる。

蒸気タービンの構造部材に断熱層を使用する本発明の第１の実施例の断面図。 図１の断熱層と基板との間に中間保護層のある構造部材の断面図。 断熱層上に外側層として腐食保護層のある構造部材の断面図。 図３の構造部材に更に中間保護層を有する実施例の切断面図。 断熱層が気孔を持ち、その気孔率が外表面へと低下している図。 図５の断熱層の気孔率が外表面へと上昇している図。 断熱層を持たない基板の対向面の高い温度差及び熱膨張率を示す図。 断熱層のある基板の温度差が少なく、従って低い膨張率を示す図。 蒸気タービン設備の軸方向の断面図。 構造部材の縦方向の熱膨張ｄｌを破線で示す図。 流入領域３３３が周囲にあるケーシング３６６及び３６７内に配置されており、自由に膨張できず、一様ではない歪み特性を示すことから、断熱層を被着して歪み特性を制御調整する必要があることを示す図。 蒸気タービンの流入領域を拡大して示す図。 ケーシング３６６内のみに局所的に断熱層を施した図。 ケーシングの歪み特性を断熱層の厚さを変化させて相互調整する図。 構造部材の異なるケーシング３３５と３６６内で断熱層の材料を異ならせて断熱性能を異ならせて歪み特性を調整することを示す図。 異なるケーシング内の気孔率を異ならせて、断熱材の断熱性能を調整し、その歪み特性を調整する図。 断熱層を弁ケーシング３４に使用して流入溝により生じる一様でない歪み特性を調整する図。 固定子と回転子との間に適切な間隔ｄをあけ、両者の作動時の温度の差異による接近を回避する図、またその両者の温度と時間の曲線図を示す図。 固定子上に断熱層を施し、固定子に大きな熱慣性を生じさせ、より迅速に熱せられる固定子の温度の上昇を抑えることを示す図。 断熱層を修復した構造部材上に施した場合のグラフ図。

符号の説明

１、３００、３０３ 構造部材、４ 基板、７ 断熱層、８ 流入領域の断熱層、９ 翼駆動領域の断熱層、１０ 中間保護層、１３ 腐食保護層、１６ 気孔、３１ 弁（弁）、３４ 弁ケーシング、３７ 蓋ケーシング、４０ 弁プラグ、４３ スピンドル、４６ 流入溝、４９ 貫流ボイラの内側、５２、５５ 蓋の端部、５８ 固定子（ケーシング）、６１ 回転子、３００、３０３ タービン、３０６ 回転軸、３０９ タービン軸 ３０９ａ、ｂ ２つの部分タービン軸、３１２ 内側ケーシング、３１５ 外側ケーシング、３１８、３２４ 軸受、３２１ 軸受領域、３３３ 蒸気流入領域、３３４ 外側ケーシング、３３５ 内側ケーシング、３３６ 流入領域の内側、３３７ 内側ケーシングの外側、３５４、３４２ タービン翼、３６６、３６７ ケーシング、３４５ 軸パッキン、３４８ 高圧蒸気タービン領域、３６６ 翼駆動領域、３６９ 流出管、３７８ 軸平行割り

Claims (31)

1. 少なくとも１つのケーシング（３４、３７、３３４、３３５、３６６、３６７）を含む蒸気タービン（３００、３０３）に使用され、該ケーシングの異なる熱歪み特性、特に室温と稼動温度との異なる熱歪み特性を、少なくとも部分的に又は完全に適合させる断熱層（７）において、
   前記ケーシングが、一方の側（３３６）で高温に曝され、他方の側（３３７）で低温に曝されて、少なくとも２００℃の温度差を与えられる場合に、ケーシングの高温の側（３３６）に施されることを特徴とする断熱層。
2. 蒸気タービン（３００、３０３）内の半径方向の隙間を少なくするための断熱層であって、該タービンは駆動領域のための１つ又は複数のケーシング（３６６、３６７）を有し、前記断熱層（７）が翼駆動領域のケーシング（３６６、３６７）上及び／又はタービン翼（３４２、３５４、３５７）上に存在することを特徴とする蒸気タービンの断熱層。
3. １つの別のケーシング（３７、３６６、３６７）に隣接するケーシング（３４、３３４、３３５）に使用され、かつ該ケーシング（３４、３３４、３３５）の歪み特性を隣接する別のケーシング（３７、３６６、３６７）に適合させることを特徴とする請求項１又は２記載の断熱層。
4. 蒸気タービン（３００、３０３）の蒸気流入領域（３３３）の翼駆動領域の少なくとも１つのケーシング（３６６、３６７）に隣接するケーシング（３３５）に使用され、かつ蒸気流入領域（３３３）のケーシング（３３５）の歪み特性を隣接する翼駆動領域のケーシング（３６６、３６７）の歪み特性に適合させることを特徴とする請求項１記載の断熱層。
5. 少なくとも１つの弁（３１）のケーシング（３４、３７）に使用されることを特徴とする請求項１記載の断熱層。
6. 基板（４）と断熱層（７）から成り、該基板（４）が鉄、ニッケル又はコバルトベースの合金より成るケーシング（３４、３７、３３５、３６６、３６７）に使用されることを特徴とする請求項１〜５の１つに記載の断熱層。
7. 少なくとも部分的に酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）から成ることを特徴とする請求項１〜６の１つに記載の断熱層。
8. 少なくとも部分的に酸化チタン（ＴｉＯ₂）から成ることを特徴とする請求項１〜７の１つに記載の断熱層。
9. ケーシング（３４、３７、３３５、３６６、３６７）に使用される断熱層（７）であって、ケーシング（３４、３３５、３６６、３６７）の断熱層（７）の下方に中間保護層（１０）が存在することを特徴とする請求項１、２、７又は８記載の断熱層。
10. 少なくとも４５０℃、特に８００℃に達する温度で使用されることを特徴とする請求項１記載の断熱層。
11. 中間保護層（１０）として、重量比で
    １１．５〜２０％の クロム
    ０．３〜１．５％の ケイ素
    ０．０〜１％の アルミニウム、
    残り 鉄
    から成る材料を使用することを特徴とする請求項９記載の断熱層。
12. ケーシング（３４、３７、３３５、３６６、３６７）に使用され、かつ断熱層（７）上に腐食保護層（１３）が設けられることを特徴とする請求項１、２、７、８、９又は１１記載の断熱層。
13. 腐食保護層（１３）として鉄、ニッケル、クロム又はコバルトをベースとする合金が使用されることを特徴とする請求項１２記載の断熱層。
14. 断熱層（７）よりも気孔率の低い腐食保護層（１３）を備えることを特徴とする請求項１２記載の断熱層。
15. 気孔を有することを特徴とする請求項１、２、７、８又は１４記載の断熱層。
16. 気孔率が勾配を有することを特徴とする請求項１、２、７、８、１４又は１５に記載の断熱層。
17. 気孔率が外側範囲で最大であることを特徴とする請求項１６記載の断熱層。
18. 気孔率が外側範囲で最少であることを特徴とする請求項１６記載の断熱層。
19. 厚さが局所（ケーシング３３５、３６６、３６７）的に異なっていることを特徴とする請求項１又は２記載の断熱層。
20. 局所（ケーシング３３５、３６６、３６７）的に材料が異なることを特徴とする請求項１又は１９記載の断熱層。
21. 弁（３１）又はタービン（３００、３０３）のケーシング（３４、３７、３３４、３３５、３６６、３６７）の表面の所定範囲内に極く局所的に施されることを特徴とする請求項１、１９又は２０記載の断熱層。
22. 蒸気タービン（３００、３０３）の蒸気流入領域（３３３）内のみに設けられることを特徴とする請求項１又は２記載の断熱層。
23. 蒸気タービン（３００、３０３）の翼駆動領域の流入領域（３３３）及びケーシング（３６６）内に設けられることを特徴とする請求項１、１９、２０又は２１記載の断熱層。
24. 極く局所的に、翼駆動領域のケーシング（３６６）内に設けられることを特徴とする請求項１又は２１記載の断熱層。
25. 流入領域（３３３）のケーシング（３３５）内の断熱層（７）の厚さが、翼駆動領域のケーシング（３６６）内の断熱層よりも厚いことを特徴とする請求項１又は１９記載の断熱層。
26. 修理すべきケーシング（３４、３７、３３５、３６６、３６７）に設けられることを特徴とする請求項１又は２記載の断熱層。
27. 蒸気タービン（３００、３０３）内で、最大限の稼動温度を高めずに、弁（３１）又はケーシング（３３４、３３５、３６６、３６７）に使用されることを特徴とする請求項１又は２記載の断熱層。
28. 異なるケーシング（３４、３７、３３４、３３５、３６６、３６７）の全ての歪み特性が、断熱層（７）の気孔率又は厚さ或いはその材料を局所的に異ならせるようにして調整されたことを特徴とする請求項１５〜２１、２３、２６又は２７或いは３０の少なくとも１つに記載の断熱層。
29. 少なくとも２つのケーシング（３３５、３６６、３６７）の内、少なくとも１つのケーシング（３３５、３６６、３６７）が断熱層（７）を有する蒸気タービン（３００、３０３）において、断熱層（７、８、９）が互いに隣接する少なくとも２つのケーシング（３３５、３６６、３６７）に存在し、その際ケーシング（３３５、３６６、３６７）内の断熱層（７、８、９）が異なる断熱性能、特に異なる材料及び／又は異なる厚さ及び／又は異なる気孔率を、少なくとも２つのケーシング（３３５、３６６、３６７）内に有することを特徴とする蒸気タービン。
30. 断熱層（７）が流入領域（３３３）のケーシング（３３５）内に配置されたことを特徴とする請求項２９記載の蒸気タービン。
31. 断熱層（７）が稼動中に最高で８００℃迄、特に６５０℃迄の稼動温度に曝されることを特徴とする請求項２９又は３０に記載の蒸気タービン。

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