JP2020097893A - タービン車室の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を向上させることを容易に実現が可能なタービン車室の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係るタービン車室の製造方法は、フェライト系耐熱鋼で形成されている外部車室と、外部車室の内部に設置されており、オーステナイト系耐熱鋼で形成されている内部車室と備え、タービン段落で仕事をした作動媒体が排気される排気室が、内部車室によって覆われているタービン車室の製造方法である。ここでは、鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材を用いて内部車室を製造する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、タービン車室の製造方法に関する。

超臨界ＣＯ_２発電システムは、超臨界状態の二酸化炭素（ＣＯ_２）を主成分として含む作動流体を用いる発電システムであって、環境への配慮から注目が高まっている。この発電システムは、発電時に生じる超臨界ＣＯ_２を随時回収することが可能であって、ＣＣＳ（Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｔｏｒａｇｅ）やＣＣＵ（Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ Ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）を組み合わせて用いることで、大気中へ放出されるＣＯ_２を劇的に削減することができる。

超臨界ＣＯ_２発電システムを構成する超臨界ＣＯ_２タービン１０の構造の一例について、図７を用いて説明する。図７は、鉛直面（ｘｚ面）の一部断面を示しており、縦方向が鉛直方向ｚであり、横方向が第１水平方向ｘであり、紙面に直交する方向が第２水平方向ｙである。また、図７では、作動媒体Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の流れに関して太い実線の矢印で示しており、左側が上流側Ｕｓであって右側が下流側Ｄｓである。さらに、図７では、冷却媒体ＣＦ１，ＣＦ２，ＣＦ３，ＣＦ４の流れに関して太い破線の矢印で示している。

図７に示すように、超臨界ＣＯ_２タービン１０は、タービン車室２０とタービンロータ４０とを備えており、超臨界状態の二酸化炭素（ＣＯ_２）を主成分として含む作動媒体Ｆ１が供給されることによって、タービン車室２０の内部においてタービンロータ４０が回転するように構成されている。ここでは、超臨界ＣＯ_２タービン１０は、多段式の軸流タービンであって、タービンロータ４０の回転中心軸ＡＸに沿った軸方向（第１水平方向ｘ）に、複数のタービン段落６０が並んでいる。

超臨界ＣＯ_２タービン１０を構成する各部の具体的内容について順次説明する。

タービン車室２０は、内部車室２１と外部車室２２とを有し、内部車室２１が外部車室２２の内部に収容された二重構造である。

タービン車室２０は、内部車室２１として、第１内部車室２１１、第２内部車室２１２、および、第３内部車室２１３を含み、上流側Ｕｓから下流側Ｄｓへ向かって第１内部車室２１１と第２内部車室２１２と第３内部車室２１３とが順次並んでいる。

タービン車室２０の内周面には、グランド部２３が設けられている。グランド部２３は、第１パッキンヘッド２３１と第２パッキンヘッド２３２とを含む。第１パッキンヘッド２３１は、第３内部車室２１３の内周面に設けられている。第２パッキンヘッド２３２は、外部車室２２の内周面であって第３内部車室２１３が位置する側の端部に設けられている。第１パッキンヘッド２３１と第２パッキンヘッド２３２との間には、軸方向シール部材２３３が設けられている。

そして、外部車室２２、第１内部車室２１１、第１パッキンヘッド２３１、および、第２パッキンヘッド２３２のそれぞれの内周面には、パッキンリング２４が設けられている。パッキンリング２４は、フィンを有しており、タービンロータ４０との間に介在する隙間を狭めることによってリークを抑制するために設置されている。

第３内部車室２１３と第１パッキンヘッド２３１との間には、環状の排気室Ｓ２１３が介在している。排気室Ｓ２１３の内部にはディフューザ２５が設けられている。ディフューザ２５は、第２内部車室２１２に固定されている。また、第３内部車室２１３とディフューザ２５との間には、径方向シール部材２５１が設けられている。

タービンロータ４０は、円柱状の棒状体であって、回転中心軸ＡＸが第１水平方向ｘに延在するように、タービン車室２０の内部に収容されている。タービンロータ４０は、発電機（図示省略）に連結されており、タービンロータ４０の回転によって発電機（図示省略）が駆動し、発電が行われる。

タービン段落６０は、静翼６１と動翼６２とを含む。

静翼６１は、内部車室２１において、第１内部車室２１１の内周面と第２内部車室２１２の内周面とのそれぞれに設置されている。静翼６１は、タービンロータ４０の回転方向Ｒ（周方向）に複数が配置されており、複数の静翼６１が静翼翼列を構成している。静翼翼列は、複数段であって、複数段の静翼翼列がタービンロータ４０の回転中心軸ＡＸに沿った軸方向（ｘ）に沿って並んでいる。

動翼６２は、タービンロータ４０の回転方向Ｒに複数が配置されており、複数の動翼６２が動翼翼列を構成している。動翼翼列は、静翼翼列と同様に、複数段であって、複数段の動翼翼列がタービンロータ４０の回転中心軸ＡＸに沿った軸方向（ｘ）に沿って並んでいる。つまり、静翼翼列と動翼翼列とが軸方向（ｘ）に沿って交互に並んでいる。

超臨界ＣＯ_２タービン１０は、燃焼器（図示省略）を構成する燃焼器ケーシング８０がボルト８１を用いて外部車室２２の入口部分に接合されている。

そして、超臨界ＣＯ_２タービン１０には、入口案内管８０１が設けられている。入口案内管８０１は、一端が燃焼器（図示省略）に連結され他端が初段のタービン段落６０に連結されている。入口案内管８０１は、燃焼器ケーシング８０の内部を貫通すると共に、外部車室２２の入口部分に形成された貫通孔、および、第１内部車室２１１に形成された貫通孔の内部を貫通するように設置されている。ここで、外部車室２２の入口部分に形成された貫通孔および第１内部車室２１１に形成された貫通孔には、入口スリーブ８０２が設けられており、入口案内管８０１は、入口スリーブ８０２の内部を貫通している。

超臨界ＣＯ_２タービン１０は、外部車室２２の出口部分に設けられた管胴部２２ａに、排気管９０が溶接部９１を介して接合されている。排気管９０は、外部車室２２に接合された一端に対して反対側に位置する他端が、溶接部９２を介して、現地配管９３に接合されている。

そして、超臨界ＣＯ_２タービン１０には、出口スリーブ９０１が設けられている。出口スリーブ９０１は、外部車室２２の管胴部２２ａを貫通しており、一端が第３内部車室２１３の管胴部２１３ａに連結され、他端が排気管９０に連結されている。

以下より、上記の超臨界ＣＯ_２タービン１０において、作動媒体Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が流れる動作、および、冷却媒体ＣＦ１，ＣＦ２，ＣＦ３，ＣＦ４が流れる動作に関して順次説明する。

超臨界ＣＯ_２タービン１０において、作動媒体Ｆ１は、超臨界状態の二酸化炭素（ＣＯ_２）を主成分として含む媒体であって、燃焼器（図示省略）から入口案内管８０１を介してタービン段落６０へ導入される。そして、作動媒体Ｆ１は、回転中心軸ＡＸに沿った軸方向に流れることによって、複数のタービン段落６０のそれぞれにおいて仕事を行う。そして、タービン段落６０の最終段落を流れた作動媒体Ｆ２が排気室Ｓ２１３へ排出される。その後、排気室Ｓ２１３から作動媒体Ｆ３が出口スリーブ９０１および排気管９０を介して現地配管９３へ排出される。

超臨界ＣＯ_２タービン１０において、冷却媒体ＣＦ１は、たとえば、二酸化炭素であって、作動媒体Ｆ１よりも温度が低い媒体である。冷却媒体ＣＦ１は、燃焼器ケーシング８０の内周面と入口案内管８０１の外周面との間に設けられている流路に導入される。そして、冷却媒体ＣＦ１は、入口スリーブ８０２の内周面と入口案内管８０１の外周面との間に設けられている流路を流れる。そして、図示を省略しているが、冷却媒体ＣＦ１は、静翼６１と動翼６２とのそれぞれに設けられた孔に導入され、静翼６１、動翼６２、および、タービンロータ４０を冷却した後に、たとえば、排出口（図示省略）を介して超臨界ＣＯ_２タービン１０の外部へ排出されるか、作動媒体Ｆ１や冷却媒体ＣＦ２に混流させる。

上記の他に、超臨界ＣＯ_２タービン１０においては、第３内部車室２１３と外部車室２２との間に介在する空間を冷却媒体ＣＦ２が流れる。この冷却媒体ＣＦ２は、たとえば、二酸化炭素であって、作動媒体Ｆ２よりも温度が低い媒体である。また、この冷却媒体ＣＦ２は、第３内部車室２１３と外部車室２２との間に介在する空間に連通する導入管（図示省略）から導入される。これにより、対流や輻射による熱に起因して外部車室２２の温度が上昇することが防止される。

その後、外部車室２２の出口部分に設けられた管胴部２２ａの内周面と出口スリーブ９０１の外周面との間に位置する流路を冷却媒体ＣＦ３が流れる。これにより、対流や輻射による熱に起因して外部車室２２の温度が上昇することが防止される。そして、排気管９０の内周面と出口スリーブ９０１の外周面との間に位置する流路を冷却媒体ＣＦ４が流れた後に、たとえば、排気管９０に形成された排出口（図示省略）を介して冷却媒体ＣＦ４が超臨界ＣＯ_２タービン１０の外部へ排出される。

なお、外部車室２２の出口部分に設けられた管胴部２２ａの内周面と、出口スリーブ９０１の外周面との間に位置する流路に、冷却媒体（図示省略）を外部から導入してもよい。

以下より、上記の超臨界ＣＯ_２タービン１０において使用される材料などに関して説明する。

タービン車室２０において、外部車室２２は、内部の圧力を考慮して、大きな強度を得るために、厚くする必要がある。また、外部車室２２は、サイズが大きい。このため、外部車室２２は、一般に、鋳造で製造される。

超臨界ＣＯ_２タービン１０において、燃焼器から供給される入口に導入される作動媒体Ｆ１は、温度が８００℃以上であって、圧力が２０ＭＰａ以上である。そして、外部車室２２の出口から排出される作動媒体Ｆ３は、温度が６５０℃以上であって、圧力が２ＭＰａ以上である。６５０℃以上の温度において高い強度と優れた耐酸化性を得るためには、フェライト系耐熱鋼でなく、Ｎｉ基合金などのオーステナイト系耐熱鋼を使用して各部を形成することが考えられる。

しかし、Ｎｉ基合金などのオーステナイト系耐熱鋼でサイズが大きな鋳物を製造する場合には、鋳造の欠陥が発生する可能性が高く、かつ、金属組織の偏析や異方性が問題になる場合がある。この場合には、結晶粒の肥大化が生ずるために、内部欠陥検査が困難になるので、製品品質を確保することが容易でない。材質によっては、製造を行うことが技術的に不可能な場合がある。さらに、材料の単価が高い。これらの点を考慮すると、外部車室２２の全体について、Ｎｉ基合金などのオーステナイト系耐熱鋼を用いて形成することは、現実的でない。

上記のような事情により、上記の超臨界ＣＯ_２タービン１０では、外部車室２２は、フェライト系耐熱鋼を用いて鋳造を行うことによって製造されている。そして、高温な排気に直接触れる部分（第３内部車室２１３、第１パッキンヘッド２３１、出口スリーブ９０１、排気管９０、ディフューザ２５）については、Ｎｉ基合金などのオーステナイト系耐熱鋼を用いて鋳造を行うことによって製造されている。そして、上述したように、外部車室２２が耐熱温度を超える温度になることを防止するために、冷却媒体ＣＦ１，ＣＦ２，ＣＦ３，ＣＦ４を用いて冷却を行っている。

特許第５９１７３２４号 特許第６０１３２８８号

上記の超臨界ＣＯ_２タービン１０において、第３内部車室２１３の内部に設けられた排気室Ｓ２１３では、温度が６５０℃以上である作動媒体Ｆ３が流れる。排気室Ｓ２１３においては、作動媒体Ｆ３の流れが速く、熱伝達率が高い。このため、第３内部車室２１３の内面は、作動媒体Ｆ３の温度に近い高温状態になる。

これに対して、第３内部車室２１３の周囲には、外部車室２２の温度が作動媒体Ｆ３などの熱によって高くなることを防止するために、冷却媒体ＣＦ２が流れる。このため、第３内部車室２１３の外面は、低温状態になる。

このように、第３内部車室２１３は、高温状態の内面と低温状態の外面との間で温度差があるために、大きな熱応力が発生する。そして、その熱応力に起因して、第３内部車室２１３に熱変形が生ずる場合がある。

第３内部車室２１３において他の部品（第１パッキンヘッド２３１や径方向シール部材２５１など、以下シール部品という）を支持する部分に大きな熱変形が生じた場合には、熱変形したこれらシール部品と、シール部品と向かい合う部品との間から作動媒体が漏れてタービン性能の悪化や、タービンロータ４０とパッキンリング２４のフィンとの間が接触するラビングの発生などの問題が生ずる場合がある。

熱応力による変形が塑性変形を伴う場合には、疲労破壊が引き起こされ、割れが発生する場合がある。これに伴い、補修のために溶接作業が必要になり、長期的な品質が悪化する場合がある。

発電システムについて高効率化を実現するために作動媒体の高温高圧化が行われた場合には、第３内部車室２１３の内面と外面との間の温度差は、より大きくなる。その結果、上記のように熱応力に起因する問題は、さらに深刻になる。

一般に、肉厚を薄くすることで、内面と外面との間の温度差が小さくなるので、熱応力を低減させることができる。

第３内部車室２１３の内部に設けられた排気室Ｓ２１３において、作動媒体Ｆ３は、圧力が高い場合がある（２ＭＰａ以上）。そして、第３内部車室２１３は、サイズが比較的大きい。このため、一般的には、第３内部車室２１３は、鋳造で製造される。しかしながら、Ｎｉ基合金などのオーステナイト系耐熱鋼は、材料組織が偏析しやすく、湯流れも悪い。このため、Ｎｉ基合金などのオーステナイト系耐熱鋼を用いて、肉厚が薄い第３内部車室２１３を鋳造で製造することは、困難である。

上記の他に、熱応力の低減のためには、第３内部車室２１３に遮熱コーティングを形成することや、第３内部車室２１３に防熱板を設置することなどの方策が考えられる。しかしながら、第３内部車室２１３を鋳造で製造した場合には、製造された鋳物の表面に凹凸が形成され、自由曲線が多い状態になるので、上記方策を適用することが容易でない。

更に他の冷却構造として、ガスタービンのように、外部から多数の冷却孔を介して内部へ冷却媒体を押し込んで染み込ませるフィルム冷却（染み出し冷却）構造がある。こうすると、第３内部車室２１３の温度を全体的に下げることが出来る。内外面の温度差が小さくなって熱応力も小さくし易いが、第３内部車室２１３が比較的大きいため、冷却媒体流量が非常に大きくなり、性能へのインパクトが大きくなるデメリットがある。

このような事情により、超臨界ＣＯ_２タービン１０を構成するタービン車室２０では、第３内部車室２１３などの内部車室において熱応力を低減させることが容易でないので、信頼性を十分に向上させることが容易でない。

超臨界ＣＯ_２タービン１０以外のタービン（蒸気タービン、ガスタービン、媒体タービンなど）においても同様に、熱応力に起因して、信頼性が不十分になる場合がある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、信頼性を向上させることを容易に実現が可能なタービン車室の製造方法を提供することである。

実施形態に係るタービン車室の製造方法は、フェライト系耐熱鋼で形成されている外部車室と、外部車室の内部に設置されており、オーステナイト系耐熱鋼で形成されている内部車室と備え、タービン段落で仕事をした作動媒体が排気される排気室が、内部車室によって覆われているタービン車室の製造方法である。ここでは、鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材を用いて内部車室を製造する。

図１は、第１実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図２は、第２実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図３は、第３実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図４は、第４実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図５Ａは、第５実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図５Ｂは、第５実施形態に係るタービンにおいて、第３内部車室の一部を拡大して示す図である。 図６Ａは、第６実施形態に係るタービンの要部を示す図である。 図６Ｂは、第６実施形態に係るタービンにおいて、第３内部車室の一部を拡大して示す図である。 図７は、関連技術に係るタービンの要部を示す図である。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る超臨界ＣＯ_２タービン１０について、図１を用いて説明する。図１は、図７と同様に、鉛直面（ｘｚ面）の一部断面を示している。

図１に示すように、本実施形態においては、外部車室２２と、外部車室２２の内部に設置された内部車室２１（図１では、第２内部車室２１２と第３内部車室２１３とが図示）とを含み、タービン段落で仕事をした作動媒体Ｆ２が排気される排気室Ｓ２１３が、第３内部車室２１３によって覆われている。外部車室２２は、フェライト系耐熱鋼で形成されている。第３内部車室２１３は、Ｎｉ基合金などのオーステナイト系耐熱鋼で形成されている。また、外部車室２２と第３内部車室２１３との間に介在する空間に、排気室Ｓ２１３の内部を流れる作動媒体Ｆ２よりも温度が低い冷却媒体ＣＦ２が流れるように構成されている。

しかしながら、本実施形態では、第３内部車室２１３の形状が、上記した関連技術の場合（図７参照）と相違している。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、上記の関連技術の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。

本実施形態では、第３内部車室２１３は、図１に示すように、複数の部材２１３ａ〜２１３ｅを用いて作製されている。各部材２１３ａ〜２１３ｅは、上述したように、Ｎｉ基合金などのオーステナイト系耐熱鋼で形成されている。ここでは、管胴部２１３ａ、ラッパー部２１３ｂ、第１の側壁部２１３ｃ、第２の側壁部２１３ｄ、および、連結部２１３ｅが、第３内部車室２１３を構成する部材の一例として用いられている。

具体的には、管胴部２１３ａは、円筒形状の管状体である。管胴部２１３ａは、管軸がタービンロータ４０の径方向（図１では鉛直方向ｚに相当）に沿うように、ラッパー部２１３ｂの外周面に設置されている。

ラッパー部２１３ｂは、円筒形状の管状体であって、タービンロータ４０と同軸になるように設置されている。つまり、ラッパー部２１３ｂは、管軸がタービンロータ４０の軸方向（図１では水平方向ｘに相当）に沿うように設置されている。ラッパー部２１３ｂは、タービンロータ４０の径方向に貫通する貫通孔を備えており、その貫通孔に管胴部２１３ａが設置されている。

第１の側壁部２１３ｃは、円環状の板状体であって、タービンロータ４０と同軸になるように設置されている。第１の側壁部２１３ｃは、ラッパー部２１３ｂにおいて下流側Ｄｓ（図１では右側）に位置する一端に設置されている。第１の側壁部２１３ｃは、外周側の部分がラッパー部２１３ｂに接合されている。そして、第１の側壁部２１３ｃの内周側には、第１パッキンヘッド２３１に形成された凹部に嵌合するために、凸部が形成されている。

第２の側壁部２１３ｄは、第１の側壁部２１３ｃと同様に、円環状の板状体であって、タービンロータ４０と同軸になるように設置されている。第２の側壁部２１３ｄは、ラッパー部２１３ｂにおいて上流側Ｕｓ（図１では左側）に位置する他端に設置されている。つまり、第１の側壁部２１３ｃと第２の側壁部２１３ｄとがタービンロータ４０の軸方向において対面している。第２の側壁部２１３ｄは、外周側の部分がラッパー部２１３ｂに接合されている。そして、第２の側壁部２１３ｄの内周側には、径方向シール部材２５１が設けられている。

連結部２１３ｅは、柱状体であって、径方向の内周側がラッパー部２１３ｂの外周面に接合されている。そして、連結部２１３ｅの外周側には、外部車室２２の内周面に形成された凸部が嵌合するように、凹部が形成されている。

第３内部車室２１３の作製を行う際には、管胴部２１３ａ、ラッパー部２１３ｂ、第１の側壁部２１３ｃ、第２の側壁部２１３ｄ、および、連結部２１３ｅの各部材２１３ａ〜２１３ｅを準備する。本実施形態では、各部材２１３ａ〜２１３ｅは、鍛造で作製された鍛造部品と圧延で作製された圧延部品との少なくとも一方である。

そして、その準備した各部材２１３ａ〜２１３ｅを組み立てる。ここでは、各部材２１３ａ〜２１３ｅについて溶接で接合することによって、第３内部車室２１３を作製する。

具体的には、ラッパー部２１３ｂにおいて貫通孔が形成された部分に、管胴部２１３ａを溶接で接合する。また、第１の側壁部２１３ｃの外周側の部分および第２の側壁部２１３ｄの外周側の部分を、たとえば、隅肉溶接や開先溶接などの溶接によってラッパー部２１３ｂに接合する。この他に、連結部２１３ｅにおいて径方向の内周側をラッパー部２１３ｂの外周面に溶接で接合する。ラッパー部２１３ｂ、第１の側壁部２１３ｃ、および、第２の側壁部２１３ｄのそれぞれは、たとえば、上半部分と下半部分とを組み合わせることで構成される。

以上のように、本実施形態では、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材２１３ａ〜２１３ｅを用いて第３内部車室２１３を製造する。このため、本実施形態では、関連技術の場合のように第３内部車室２１３を鋳造で製造した場合よりも、第３内部車室２１３の肉厚を薄くすることが可能である。

したがって、本実施形態においては、第３内部車室２１３に加わる熱応力を低減させることができるので、信頼性を十分に向上させることが可能である。

なお、各部材２１３ａ〜２１３ｅは、全てを同一の材料で形成する必要はない。必要な機能に応じて、適宜、好適な材料を用いることができる。たとえば、変形、酸化、強度などに関して各部位で要求されるレベルに応じて、適宜、材料を選択して用いることができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る超臨界ＣＯ_２タービン１０について、図２を用いて説明する。図２は、鉛直面（ｘｚ面）の一部断面を示しており、図１の一部を拡大した図に相当する。

図２に示すように、本実施形態においては、第３内部車室２１３の一部が、上記した第１実施形態の場合（図１参照）と相違している。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。

本実施形態の第３内部車室２１３では、第１の側壁部２１３ｃは、第１実施形態の場合（図１参照）と異なり、側壁本体部３１と嵌合部３２とを含む。側壁本体部３１は、円環状の板状体であって、外周側の部分がラッパー部２１３ｂに接合されている。そして、側壁本体部３１の内周側の部分に、嵌合部３２が接合されている。嵌合部３２は、第１パッキンヘッド２３１に形成された凹部に嵌合する凸部を含むように形成されている。当然ながら、嵌合部３２は、第１パッキンヘッド２３１に形成された凸部が嵌合する凹部を含むように形成されていてもよい。

本実施形態において、側壁本体部３１は、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である。これに対して、嵌合部３２は、鋳造で作製された鋳造部品である。

以上のように、本実施形態において第３内部車室２１３を製造する際には、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である側壁本体部３１の他に、鋳造部品（鋳物）である嵌合部３２を用いる。

上記の嵌合部３２は、圧力損失の低減などの目的で、流れを考慮した自由曲線を含む形状である。鋳造では、自由曲線を含む形状の物品を容易に作製することができる。

したがって、本実施形態では、第１実施形態で奏される作用および効果に加えて、圧力損失の低減などを容易に実現可能であるので、タービン性能の向上を更に容易に実現可能である。

なお、上記の実施形態は、一例であって、別の部位に関して同様に構成してもよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る超臨界ＣＯ_２タービン１０について、図３を用いて説明する。図３は、鉛直面（ｘｚ面）の一部断面を示しており、図１の一部を拡大した図に相当する。

図３に示すように、本実施形態においては、上記した第１実施形態の場合（図１参照）と異なり、第３内部車室２１３に遮熱コーティング５０が形成されている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。

遮熱コーティング５０は、図３に示すように、第３内部車室２１３において内側の面を被覆するように設けられている。ここでは、遮熱コーティング５０は、第３内部車室２１３において鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材２１３ａ〜２１３ｄの内面に形成されている。

図示を省略しているが、遮熱コーティング５０は、たとえば、ボンド層とトップ層とを順次積層した積層体である。ボンド層は、たとえば、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ：ＮｉやＣｏが主成分）などの金属材料で形成されている。これに対して、トップ層は、たとえば、イットリア部分安定化ジルコニア（Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２）などのセラミック材料で形成されている。

本実施形態では、第1実施形態の場合と同様に、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材２１３ａ〜２１３ｅを用いて第３内部車室２１３を製造している。このため、本実施形態では、第３内部車室２１３において内側の面は、鋳造で形成された部材の面と異なり、自由曲線がない、単純な平面または曲面である。その結果、本実施形態では、遮熱コーティング５０の膜厚を容易に均一化することができる。特に、機械による自動的な塗布でも膜厚の均一化が容易である。

したがって、本実施形態では、第１実施形態で奏される作用および効果に加えて、遮熱コーティング５０の施工が容易であるので、遮熱機能の向上を実現可能である。

なお、上記実施形態では、第３内部車室２１３の内面に遮熱コーティング５０を形成する場合について説明したが、これに限らない。第３内部車室２１３の外面に遮熱コーティング５０を形成してもよい。ただし、塗布に対して障害になる障害物（フランジなど）が第３内部車室２１３の外面に設けられている場合には、第３内部車室２１３の内面に遮熱コーティング５０を形成する方が好ましい。遮熱の効果も高温側に実施した方が高い。

＜第４実施形態＞
第４実施形態に係る超臨界ＣＯ_２タービン１０について、図４を用いて説明する。図４は、鉛直面（ｘｚ面）の一部断面を示しており、図１の一部を拡大した図に相当する。

図４に示すように、本実施形態においては、上記した第１実施形態の場合（図１参照）と異なり、第３内部車室２１３に防熱板５１が設置されている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。

防熱板５１は、図４に示すように、第３内部車室２１３において外側の面に設けられている。ここでは、防熱板５１は、第３内部車室２１３において鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材２１３ａ〜２１３ｄの外面にギャップを隔てて支持されている。

防熱板５１は、たとえば、オーステナイト系耐熱鋼で形成された板状体であって、たとえば、リベット、ボルトなどの締結部材を用いて第３内部車室２１３に固定されている。その他、溶接によって防熱板５１を固定してもよい。

本実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、鍛造部品と圧延部品との少なくとも一方である部材２１３ａ〜２１３ｅを用いて第３内部車室２１３を製造している。このため、本実施形態では、第３内部車室２１３において内側の面は、鋳造で形成された部材の面と異なり、自由曲線がない、単純な平面または曲面である。その結果、本実施形態では、防熱板５１を容易に取り付けることができる。

したがって、本実施形態では、第１実施形態で奏される作用および効果に加えて、防熱板５１の施工が容易であるので、遮熱機能の向上を実現可能である。

なお、上記実施形態では、第３内部車室２１３の外面に防熱板５１を設置する場合について説明したが、これに限らない。第３内部車室２１３の内面に防熱板５１を設置してもよい。ただし、第３内部車室２１３の内面に防熱板５１を設置したときに防熱板５１の脱落が生じた場合のリスクを考慮すると、第３内部車室２１３の外面に防熱板５１を設置した方が好ましい。

＜第５実施形態＞
第５実施形態に係る超臨界ＣＯ_２タービン１０について、図５Ａ，図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは、鉛直面（ｘｚ面）の一部断面を示しており、図１の一部を拡大した図に相当する。そして、図５Ｂは、第３内部車室２１３の一部（上半部分）の断面を拡大して示している。

本実施形態では、第３内部車室２１３は、図５Ａ，図５Ｂに示すように、第１実施異形態の場合と同様に、複数の部材２１３ａ〜２１３ｅを用いて作製されている。しかしながら、本実施形態では、ラッパー部２１３ｂと第１の側壁部２１３ｃとを連結する方法、および、ラッパー部２１３ｂと第２の側壁部２１３ｄとを連結する方法が、上記した第１実施形態の場合（図１参照）と相違している。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。

図５Ａ，図５Ｂに示すように、ラッパー部２１３ｂは、内周面（図５Ｂでは下側の面）に、被挿入部５５１，５５２が設けられている。

ここでは、ラッパー部２１３ｂにおいて下流側Ｄｓ（図５Ｂでは右側）に位置する一端部分に、被挿入部５５１が設けられている。被挿入部５５１は、凹部を備えており、第１の側壁部２１３ｃの外周部分が挿入されることによって第１の側壁部２１３ｃを嵌合する。

また、ラッパー部２１３ｂにおいて上流側Ｕｓ（図５Ｂでは左側）に位置する他端部分に、被挿入部５５２が設けられている。被挿入部５５２は、凹部を備えており、第２の側壁部２１３ｄの外周部分が挿入されることによって第２の側壁部２１３ｄを嵌合する。

このように、第３内部車室２１３は、複数の部材２１３ａ〜２１３ｅの全てが一体的に連結した構造でなくてもよい。

以上のように、本実施形態では、ラッパー部２１３ｂと第１の側壁部２１３ｃとの間が、溶接でなく、嵌合によって接合されている。同様に、ラッパー部２１３ｂと第２の側壁部２１３ｄとの間が、溶接でなく、嵌合によって接合されている。このため、本実施形態では、溶接部の近傍において硬化が生じて割れが発生することを抑制可能である。また、ラッパー部２１３ｂと第１および第２の側壁部２１３ｃ，２１３ｄとの間を異なる材料で形成した場合には、溶接境界面において組織の安定性が低下する場合があるが、本実施形態では、この問題の発生を防止することができる。

その結果、溶接作業の工数を低減可能であって、溶接部の検査作業および補修作業の低減などを実現可能である。したがって、本実施形態では、工期の短縮と長期的な信頼性の向上を実現することができる。

なお、第１の側壁部２１３ｃに凹部が形成され、その凹部に挿入される凸部がラッパー部２１３ｂに形成されていてもよい。また、当然ながら、第２の側壁部２１３ｄに凹部が形成され、その凹部に挿入される凸部がラッパー部２１３ｂに形成されていてもよい。

＜第６実施形態＞
第６実施形態に係る超臨界ＣＯ_２タービン１０について、図６Ａ，図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、図５Ａと同様に、鉛直面（ｘｚ面）の一部断面を示している。そして、図６Ｂは、図５Ｂと同様に、第３内部車室２１３の一部（上半部分）の断面を拡大して示している。

本実施形態では、第３内部車室２１３は、図６Ａ，図６Ｂに示すように、第５実施異形態の場合と同様に、複数の部材２１３ａ〜２１３ｅを用いて作製されている。しかしながら、本実施形態では、ラッパー部２１３ｂと第１の側壁部２１３ｃとを連結する方法、および、ラッパー部２１３ｂと第２の側壁部２１３ｄとを連結する方法が、上記した第５実施形態の場合（図５Ａ，図５Ｂ参照）と相違している。更に、第３内部車室２１３の作製では、他の部材２１３ｈ，２１３ｇが用いられている。この点、および、これに関連する点を除き、本実施形態は、第５実施形態の場合と同様である。このため、重複事項に関しては、適宜、説明を省略する。

図６Ａ，図６Ｂに示すように、ラッパー部２１３ｂは、内周面（図６Ｂでは下側の面）に、挿入部５６１，５６２が設けられている。ここでは、ラッパー部２１３ｂにおいて下流側Ｄｓ（図５Ｂでは右側）に位置する一端部分に、挿入部５６１が設けられている。そして、ラッパー部２１３ｂにおいて上流側Ｕｓ（図５Ｂでは左側）に位置する他端部分に、挿入部５６２が設けられている。挿入部５６１，５６２は、凸部を備えている。

第１の側壁部２１３ｃは、外周部分（図６Ｂでは上側部分）に被挿入部５７１が設けられている。第１の側壁部２１３ｃに設けられた被挿入部５７１は、ラッパー部２１３ｂに設けられた挿入部５６１に挿入される。

また、第２の側壁部２１３ｄは、第１の側壁部２１３ｃと同様に、外周部分に被挿入部５７２が設けられている。第２の側壁部２１３ｄに設けられた被挿入部５７２は、ラッパー部２１３ｂに設けられた挿入部５６２に挿入される。

第１の側壁部２１３ｃの被挿入部５７１には、第３の側壁部２１３ｈが設けられている。第３の側壁部２１３ｈは、円環状の板状体であって、タービンロータ４０と同軸になるように設置されている。第３の側壁部２１３ｈは、第１の側壁部２１３ｃの被挿入部５７１において下流側Ｄｓ（図６Ｂでは右側）に位置する一端に設置されている。第３の側壁部２１３ｈにおいて外周側の部分は、外部車室２２の内周面に形成された凹部に挿入されて嵌合されている。第３の側壁部２１３ｈにおいて内周側の部分は、第１の側壁部２１３ｃの被挿入部５７１に溶接で接合されている。そして、第３の側壁部２１３ｈには、軸方向に貫通する貫通孔５８１が形成されている。貫通孔５８１は、回転方向に複数設けられている。

第２の側壁部２１３ｄの被挿入部５７２には、第４の側壁部２１３ｇが設けられている。第４の側壁部２１３ｇは、円環状の板状体であって、タービンロータ４０と同軸になるように設置されている。第４の側壁部２１３ｇは、第２の側壁部２１３ｄの被挿入部５７２において上流側Ｕｓ（図６Ｂでは左側）に位置する他端に設置されている。第４の側壁部２１３ｇにおいて外周側の部分は、外部車室２２の内周面に形成された凹部に挿入されて嵌合されている。第４の側壁部２１３ｇにおいて内周側の部分は、第２の側壁部２１３ｄの被挿入部５７２に溶接で接合されている。そして、第４の側壁部２１３ｇには、軸方向に貫通する貫通孔５８２が形成されている。貫通孔５８２は、回転方向に複数設けられている。

本実施形態では、冷却媒体ＣＦ２は、第３内部車室２１３と外部車室２２との間に介在する空間において、第４の側壁部２１３ｇの貫通孔５８２と、第３の側壁部２１３ｈの貫通孔５８１とを順次介して流れる。

さらに、冷却媒体ＣＦ３は、第４の側壁部２１３ｇの貫通孔５８２および第３の側壁部２１３ｈの貫通孔５８１を介して、外部車室２２の出口部分に設けられた管胴部２２ａの内周面と出口スリーブ９０１の外周面との間に位置する流路を流れる。

以上のように、本実施形態では、第５実施形態の場合と同様に、ラッパー部２１３ｂと第１の側壁部２１３ｃとの間が、溶接でなく、嵌合によって接合されている。また、ラッパー部２１３ｂと第２の側壁部２１３ｄとの間が、溶接でなく、嵌合によって接合されている。このため、本実施形態では、溶接部の近傍において硬化が生じて割れが発生することを抑制可能である。また、ラッパー部２１３ｂと第１および第２の側壁部２１３ｃ，２１３ｄとの間を異なる材料で形成した場合には、溶接境界面において組織の安定性が低下する場合があるが、本実施形態では、この問題の発生を防止することができる。

その結果、溶接作業の工数を低減可能であって、溶接部の検査作業および補修作業の低減などを実現可能である。したがって、本実施形態では、工期の短縮と長期的な信頼性の向上を実現することができる。

なお、図示を省略しているが、上記と異なり、ラッパー部２１３ｂに被挿入部が設けられ、第１の側壁部２１３ｃおよび第２の側壁部２１３ｄに挿入部が設けられていてもよい。また、冷却媒体ＣＦ２の流れは、上記の場合に対して逆であってもよい。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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、変更を行うことができる。これら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。

たとえば、上記の実施形態においては、超臨界ＣＯ_２発電システムを構成する超臨界ＣＯ_２タービン１０に関して説明したが、これに限らない。超臨界ＣＯ_２発電システムを構成する超臨界ＣＯ_２タービン１０以外のタービン（蒸気タービン、ガスタービン、媒体タービンなど）においても同様に、排気室を覆う内部車室に関して鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材を用いて製造すること等を適用可能である。これにより、上記の実施形態と同様な作用および効果を奏することができる。上述した作動媒体の温度条件および圧力条件は、作動媒体が超臨界状態の二酸化炭素（ＣＯ_２）を主成分として含む場合の値であり、作動媒体に応じて任意に設定可能である。

１０…超臨界ＣＯ_２タービン、２０…タービン車室、２１…内部車室、２２…外部車室、２２ａ…管胴部、２３…グランド部、２４…パッキンリング、２５…ディフューザ、３１…側壁本体部、３２…嵌合部、４０…タービンロータ、５０…遮熱コーティング、５１…防熱板、６０…タービン段落、６１…静翼、６２…動翼、８０…燃焼器ケーシング、８１…ボルト、９０…排気管、９１…溶接部、９２…溶接部、９３…現地配管、２１１…第１内部車室、２１２…第２内部車室、２１３…第３内部車室、２１３ａ…管胴部、２１３ｂ…ラッパー部、２１３ｃ…第１の側壁部、２１３ｄ…第２の側壁部、２１３ｅ…連結部、２１３ｇ…第３の側壁部、２１３ｈ…第４の側壁部、２３１…第１パッキンヘッド、２３２…第２パッキンヘッド、２３３…軸方向シール部材、２５１…径方向シール部材、５５１…被挿入部、５５２…被挿入部、５６１…挿入部、５６２…挿入部、５７１…被挿入部、５７２…被挿入部、５８１…貫通孔、５８２…貫通孔、８０１…入口案内管、８０２…入口スリーブ、９０１…出口スリーブ、ＡＸ…回転中心軸、ＣＦ１，ＣＦ２，ＣＦ３，ＣＦ４…冷却媒体、Ｄｓ…下流側、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３…作動媒体、Ｓ２１３…排気室、Ｕｓ…上流側

Claims (6)

1. フェライト系耐熱鋼で形成されている外部車室と、前記外部車室の内部に設置されており、オーステナイト系耐熱鋼で形成されている内部車室と備え、タービン段落で仕事をした作動媒体が排気される排気室が、前記内部車室によって覆われているタービン車室の製造方法であって、
   鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材を用いて前記内部車室を製造することを特徴とする、
   タービン車室の製造方法。
2. 前記タービン車室は、前記外部車室と前記内部車室との間に介在する空間に、前記排気室の内部を流れる前記作動媒体よりも温度が低い冷却媒体が流れるように構成されている、
   請求項１に記載のタービン車室の製造方法。
3. 鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材の他に、鋳造で製作された部材を用いて前記内部車室を製造する、
   請求項１または２に記載のタービン車室の製造方法。
4. 鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材に遮熱コーティングを設ける、
   請求項１から３のいずれかに記載のタービン車室の製造方法。
5. 鍛造と圧延との少なくとも一方で製作された部材に防熱板を設ける、
   請求項１から４のいずれかに記載のタービン車室の製造方法。
6. 前記タービン車室において、前記作動媒体は、超臨界状態のＣＯ_２ガスを含む、
   請求項１から５のいずれかに記載のタービン車室の製造方法。

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