JP2017214913A - 蒸気タービン翼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス皮膜の厚膜化を図るとともに、熱応力によるセラミックス皮膜の剥離を抑制する蒸気タービン翼を提供する。【解決手段】実施形態の蒸気タービン翼は、金属製の基材２３と、この基材２３表面の少なくとも一部にセラミックス又は金属のいずれかが形成された中間層２２と、この中間層２２表面にセラミックス皮膜を形成した耐酸化層２１とを備え、中間層２２の線膨張係数を、基材２３の線膨張係数と耐酸化層２１の線膨張係数との間の線膨張係数とした。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービン翼及びその製造方法に関する。

蒸気タービンは、ボイラから供給された高温・高圧蒸気の温度・圧力エネルギーを静翼と動翼を組み合せた翼列を用いて回転エネルギーに変換する発電機器である。蒸気タービンは、タービンロータの周方向に植設された動翼（ブレード）と、ケーシングで支持される静翼（ノズル）との組み合わせからなる段落を、タービンロータの軸方向に複数段並べて構成されている。そして、蒸気タービンに導かれた蒸気は、蒸気通路内で膨張することにより、その高温・高圧のエネルギーがタービンロータによって回転エネルギーに変換される。

このプロセスにおいて蒸気タービンは、必然的に高温蒸気に晒されることとなるため、蒸気タービンの蒸気通路においては、高温蒸気による酸化が生じる。なお、蒸気タービンは、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、低圧タービン等に分けて構成されている。上記のような発電システムの場合、特に高圧タービン、中圧タービンの段落では、高温に晒されるため、蒸気タービンの動翼、静翼部品等の酸化が顕著である。

蒸気タービンの動翼、静翼部品等は、実際のプラント中に使用された場合、初期の状態では表面粗さが小さいため高い空力性能を示す。しかし、徐々に表面の酸化が進むことにより表面粗さが次第に大きくなり、運転時間の経過とともに翼の空力性能が徐々に低下し、タービン全体の効率も低下するという問題が指摘されている。これらの問題に関連する技術として、以下のような提案がなされている。

例えば、従来では、蒸気タービン翼等に対し、溶射と熱処理の組み合わせによりＣｒ_２Ｏ_３の層を形成させ、耐食性を向上させる方法が提案されている。

また、従来では、マトリックス中にナノシートを分散させたセラミックス皮膜をコーティングし、耐酸化特性を向上させる方法が提案されている。

特開平８−７４０２４号公報 特開平８−７４０２５号公報 特開２０１０−１６９０８１号公報

上述した通り、蒸気タービンの酸化による表面粗さの増加を抑制する表面改質技術が幾つか提案されている。しかし、実際の蒸気タービンの運転年数を考慮すると、定期点検までは運転し続けることとなるため、運転開始から定期点検までの２年間程度は耐酸化特性が維持されることが好ましい。

また、蒸気タービンの動翼及び静翼の耐酸化特性を向上させる有効な方法として、表面にセラミックスコーティングを施工する技術がある。この手法の原理は、雰囲気中の酸素イオンの拡散をセラミックス皮膜が抑制すると考えられ、このセラミックス皮膜の厚さを厚くすれば、酸素イオンの拡散を一段と抑制できるようになるため、耐酸化特性の長期化が図れる。

しかしながら、一般に異材積層界面で温度変化が生じた場合は、線膨張係数差による熱応力が発生し、靱性に乏しいセラミックス皮膜が剥離するという問題が生じる。

本実施形態が解決しようとする課題は、セラミックス皮膜の厚膜化を図るとともに、熱応力によるセラミックス皮膜の剥離を抑制可能な蒸気タービン翼及びその製造方法を提供することにある。

本発明者等は、タービン性能維持のための蒸気タービン翼の構造に関し、鋭意研究を重ねた結果、蒸気タービン翼の基材に対し、セラミックス皮膜を厚膜に形成することにより、耐酸化性を向上させ、高温保持した場合の表面粗さ変化も極めて小さくすることができ、また、基材とセラミックス皮膜との間に中間層を形成し、この中間層の線膨張係数を、基材の線膨張係数とセラミック皮膜の耐酸化層の線膨張係数との間の線膨張係数としたことによって、異材積層界面で温度変化が生じた場合でも、線膨張係数差による熱応力を緩和させることが可能であることを見出し、本実施形態を完成したものである。

すなわち、本実施形態に係る蒸気タービン翼は、金属製の基材と、この基材表面の少なくとも一部にセラミックス又は金属のいずれかが形成された中間層と、この中間層表面にセラミックス皮膜を形成した耐酸化層とを備え、前記中間層の線膨張係数は、前記基材の線膨張係数と前記耐酸化層の線膨張係数との間の線膨張係数としたことを特徴とする。

本実施形態の蒸気タービンの製造方法は、蒸気タービン翼の基材表面の少なくとも一部にセラミックス又は金属のいずれかの中間層を形成する中間層形成工程と、前記中間層形成工程の後に、前記中間層表面にセラミックス皮膜の耐酸化層を形成する耐酸化層形成工程と、を有し、前記中間層の線膨張係数は、前記基材の線膨張係数と前記耐酸化層の線膨張係数との間の線膨張係数としたことを特徴とする。

本実施形態によれば、セラミックス皮膜の厚膜化を図るとともに、熱応力によるセラミックス皮膜の剥離を抑制することができる。

一実施形態が適用される蒸気タービンの構成を模式的に示す断面図である。 酸化物及び金属を中間層に用いた蒸気タービン翼の一部を示す断面図である。 気孔率を５０％とした酸化アルミニウム層を中間層に用いた蒸気タービン翼の一部を示す断面図である。

以下、本実施形態に係る蒸気タービン翼及びその製造方法について、図面を参照して説明する。

（一実施形態）
図１は一実施形態が適用される蒸気タービンの構成を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、蒸気タービン１１は、タービンロータ１２と、このタービンロータ１２に植設される動翼（ブレード）１３と、この動翼１３の上流側に配設される静翼（ノズル）１４と、この静翼１４を支持するとともにタービンロータ１２、動翼１３及び静翼１４を内包するタービンケーシング１５と、を具備している。そして、蒸気タービン１１は、動翼１３及び静翼１４の対により一つの段落１６を形成するとともに、タービンロータ１２の軸方向に複数の段落１６を並べて、蒸気通路１７を形成した構成になっている。

また、静翼１４及び動翼１３の基材表面の少なくとも一部（本実施形態では静翼１４及び動翼１３の表面全面）に、セラミックス皮膜（以下、耐酸化層ともいう。）が形成されている。これにより酸化による表面粗さの増大に伴う蒸気流のエネルギー損失を抑制することができる。なお、本実施形態では、上記の静翼１４、動翼１３、及び図示しないエンドウォール、プラットホームを含む蒸気通路１７全体を総称して蒸気タービン翼という。

上記構成の本実施形態では、静翼１４、動翼１３、及びエンドウォール、プラットフラットホームを含む蒸気通路１７からなる翼本体の基材表面の少なくとも一部に、セラミックスの緻密なコーティング皮膜（セラミックス皮膜）が形成されており、このコーティング皮膜によって酸素が基材に直接触れることがなくなるため、耐酸化性が向上し、高温保持した場合の表面粗さ変化も極めて小さくなる。したがって、実際にプラント中で運転した場合も長期に亘り初期の翼形状及び表面粗さを維持することができ、タービン全体の効率についても初期の高いレベルを長期間維持することが可能になる。

さらに、本実施形態では、上記セラミックス皮膜からなる耐酸化層と基材となる翼材との間に中間層を形成させることにより、界面における熱応力を緩和させることが可能となる。中間層の材料は、基材を構成する高クロム鋼と耐酸化層のそれぞれの中間線膨張係数を有する材料とする。

上記の耐酸化層を構成するセラミックスは、非晶質とした態様とすることができる。後述するように、セラミックス皮膜はゾルゲル法にて形成することが望ましいが、この方法では基材にダメージを与えない低温で熱処理することが望ましい。ここで、溶液法とは、金属アルコキシドのセラミックスの前駆体溶液を用いて皮膜を形成する方法であり、皮膜を形成するための溶液の塗布方法としては、ディッピング、スプレー、ブラッシング、スピンコーティング等の方法が例示される。但し、上記セラミックスは、非晶質に限定されるものではなく、基材にダメージを与えないような温度範囲において、熱処理温度を適宜選択することによって、結晶質とすることもできる。

セラミックスの前駆体溶液としては、例えば酸化アルミニウムの前駆体溶液等を使用することができる。酸化アルミニウムの前駆体溶液としては、アルミニウムのアルコキシドを加水分解して得られる酸化アルミニウムゾル、又は原料として水溶性の硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム等を用い、沈殿材として炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム等を用いて、公知の沈殿法により調製して得られるゾルが挙げられる。

（実施例１）
実施例１では、最大表面粗さ１．６μｍとした５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍの板状の基材である高クロム鋼表面に中間層として真空蒸着により１０μｍの酸化マグネシウム層を形成させた。

さらに、水とメタノールを配合した溶媒中に約６％のアルミニウムエトキシドを含有させた溶液をコーティングスラリーとし、このコーティングスラリーを、ナイロン（登録商標）製ブラシを用いたブラッシングによってセラミックス皮膜からなる耐酸化層を形成するために酸化アルミニウムを塗布した。

上記酸化アルミニウムの塗布後、常温で約１時間自然乾燥した後、大気中１５０℃で１５分間加熱処理してコーティング皮膜を形成した。このときのセラミックス皮膜の膜厚は、約１５μｍで、セラミックス皮膜は、アモルファスの酸化アルミニウムのコーティング皮膜であった。

このように構成された高クロム鋼の平板は、図２に示すように耐酸化層２１である酸化アルミニウムの線膨張係数が７×１０^−６／℃、基材２３である高クロム鋼の線膨張係数が１２×１０^−６／℃であり、その中間層２２として線膨張係数が９．７×１０^−６／℃の酸化マグネシウムを挟んだ構造となる。

このような構造とすることにより、中間層２２である酸化マグネシウムが熱応力を緩和するため、耐酸化層２１となる酸化アルミニウムの剥離を抑制することができる。

この耐酸化層２１及び中間層２２を有する基材２３に対し、耐酸化試験を行った。この耐酸化試験は水蒸気環境にて４００〜６０００℃で１０００時間保持した後、重量変化と表面粗さ変化を測定した。その結果、重量、及び表面粗さ変化はほとんど認められなかった。また、耐酸化層２１となる酸化アルミニウム層に剥離は見られなかった。

なお、本実施例では、上記酸化マグネシウムの代わりに酸化ジルコニウムを用いても、その線膨張係数が１０．５×１０^−６／℃であるため、同様な効果が得られた。

（実施例２）
実施例２では、中間層にマグネトロンスパッタ法よって成膜されたチタンを用いた。中間層であるチタンの膜厚は１０μｍであった。このように構成された高クロム鋼の平板は図２に示す通り、耐酸化層２１である酸化アルミニウムの線膨張係数が７×１０^−６／℃、基材２３である高クロム鋼の線膨張係数が１２×１０^−６／℃であり、その中間層２２として線膨張係数が８．５×１０^−６／℃のチタンを挟んだ構造となる。このような構造とすることにより、中間層２２であるチタンが熱応力を緩和するため、耐酸化層２１となる酸化アルミニウムの剥離を抑制することができる。

前記実施例１と同様の方法でコーティング及び耐酸化試験を行った。その結果、重量増、及び表面粗さ変化はほとんど認められなかった。また、耐酸化層２１となる酸化アルミニウムに剥離は見られなかった。

なお、本実施例では、上記チタンの代わりに白金を用いても、その線膨張係数が９．０×１０^−６／℃であるため、同様な効果が得られた。

（実施例３）
実施例３では、水とメタノールを配合した溶媒中に約６％のアルミニウムエトキシドを含有させた耐酸化層のコーティングスラリーをマグネティックスターラーで撹拌し、スラリー中に気泡を含有させたものを用意した。本スラリーは、成膜後に気孔率が５０％となるよう調整した。このコーティングスラリーをナイロン（登録商標）製ブラシで基材となる高クロム鋼の平板に塗布し、大気中１５０℃で１５分間加熱処理して中間層となるコーティング皮膜を形成した。

その後、気泡を含めていない（成膜後に気孔率が０％となるように調整した）同じ成分のコーティングスラリーを同様にナイロン（登録商標）製ブラシで塗布し、大気中１５０℃で１５分間加熱処理してセラミックス皮膜となるコーティング皮膜を形成した。

このように構成された高クロム鋼の平板は、図３に示すように耐酸化層３１である酸化アルミニウムと基材３４である高クロム鋼との間に、上記気泡により気孔３３を形成させて気孔率が５０％の酸化アルミニウム層（中間層３２）を挟んだ構造となる。

このような構造とすることにより、中間層３２の気孔率が５０％の酸化アルミニウム層が熱応力を緩和するため、耐酸化層３１となる酸化アルミニウムの剥離を抑制することができる。

ここで、本実施例では、中間層３２に気孔率が５０％の酸化アルミニウム層を用いた例を説明したが、その気孔率は、２５〜６０％のアルミニウム層でもほぼ同様の効果が得られる。気孔率が２５％未満では、熱応力を緩和する効果が得られなくなり、６０％を超えると基材３４である高クロム鋼との接合強度が低下することになる。したがって、気孔率は５０％に設定することが最も望ましい。

前記実施例１、前記実施例２と同様の方法でコーティング及び耐酸化試験を行った。その結果、重量増、及び表面粗さ変化はほとんど認められなかった。また、耐酸化層３１である酸化アルミニウム層に剥離は見られなかった。

（実施例４）
実施例４では、最大表面粗さ３．２μｍの基材３４である高クロム鋼表面に前記実施例３と同様のコーティング材料を成膜した。耐酸化層３１の成膜においてはディッピングを用いた。気泡を含有させたコーティングスラリーは形状裕度があり、その表面粗さは基材３４の表面粗さに影響されないため、成膜後の最大表面粗さで１．６μｍとすることができた。

基材３４は、その表面粗さを中間層３２の表面粗さより粗く形成してある。したがって、実施例４では、基材３４の表面粗さを粗くして基材３４の表面積が増加することにより、アンカー効果によって中間層３２の付着力を増加させることもできた。

このように形成した高クロム鋼の平板に対し、前記実施例１〜３と同じ方法でコーティング及び耐酸化試験を行った。その結果、重量増、及び表面粗さ変化はほとんど認められなかった。

また、耐酸化層３１である酸化アルミニウム層に剥離は見られなかった。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

なお、上記各実施例では、中間層に酸化マグネシウム、チタン又は酸化アルミニウムを用いた例について説明したが、これに限らず、線膨張係数が基材と耐酸化層との間の材料であれば、他のセラミックス又は金属材料を用いてもよい。

１１…蒸気タービン、１２…タービンロータ、１３…動翼、１４…静翼、１５…タービンケーシング、１６…段落、１７…蒸気通路、２１…耐酸化層、２２…中間層、２３…基材、３１…耐酸化層、３２…中間層、３３…気孔、３４…基材

Claims (8)

1. 金属製の基材と、この基材表面の少なくとも一部にセラミックス又は金属のいずれかが形成された中間層と、この中間層表面にセラミックス皮膜を形成した耐酸化層とを備え、
   前記中間層の線膨張係数は、前記基材の線膨張係数と前記耐酸化層の線膨張係数との間の線膨張係数としたことを特徴とする蒸気タービン翼。
2. 前記中間層は、セラミックスであり、そのセラミックスが酸化マグネシウム、酸化ジルコニウムから選択されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン翼。
3. 前記中間層は、金属であり、その金属がチタン、白金から選択されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン翼。
4. 前記中間層は、前記耐酸化層と同じ材料であり、内部に気孔が形成され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翼。
5. 前記基材は、その表面粗さを前記中間層より粗く形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼。
6. タービンロータと、前記タービンロータに植設される動翼と、前記動翼の上流側に配設される静翼と、前記静翼を支持するとともに前記タービンロータ、前記動翼及び前記静翼を内包するタービンケーシングとを具備し、前記動翼及び前記静翼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の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、前記静翼又は前記動翼として使用されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の蒸気タービン翼。
7. 蒸気タービン翼の基材表面の少なくとも一部にセラミックス又は金属のいずれかの中間層を形成する中間層形成工程と、
   前記中間層形成工程の後に、前記中間層表面にセラミックス皮膜の耐酸化層を形成する耐酸化層形成工程と、を有し、
   前記中間層の線膨張係数は、前記基材の線膨張係数と前記耐酸化層の線膨張係数との間の線膨張係数としたことを特徴とする蒸気タービン翼の製造方法。
8. 前記中間層形成工程がゾルゲル法により形成され、前記セラミックス皮膜のコーティングスラリーの塗布方法がブラッシング、ディッピング、スプレー塗布の中から選択されることを特徴とする請求項７に記載の蒸気タービン翼の製造方法。

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