JP3848155B2

JP3848155B2 - Gas turbine combustor

Info

Publication number: JP3848155B2
Application number: JP2001391064A
Authority: JP
Inventors: 秀行有川; 国弘市川; 雄二杉田; 伸夫篠原; 秀行松岡
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP2003193866A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、火力発電用ガスタービンのトランジションピース（尾筒）に用いられる摩耗損傷防止のための被覆シール材を用いたガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンバインド発電システムなどの火力発電プラントで用いられるガスタービンは、燃焼ガス温度が１３００〜１５００℃までに上昇していることから、耐熱性に優れたガスタービン材料の開発が数多く行われている。
【０００３】
また、ガスタービン運転時には、ローターの回転，高速で流れる高温ガスや冷却空気の通過等に伴って、様々な個所で振動が発生する。嵌合（嵌め込み）により組み上げられた部材で振動が発生した場合には、部材同士の接触部で摩耗が発生し、特に、高温下で摩耗損傷が生じる場合がある。摩耗損傷が生じる個所には、耐摩耗性に優れた材料やコーティング処理が必要とされる。
【０００４】
これまでに耐摩耗コーティングとして、コバルト合金のステライトを大気プラズマ溶射した例や、Ｃｒ₃Ｃ₂等のクロム炭化物相を高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：Ｈigh Ｖelocity Ｏxy-Ｆuel）により、ガスタービン材料に施工した例が報告されている。特願平８−５３４９４号および特願平９−１９１５５４号公報においては、ＨＶＯＦによるクロム炭化物コーティングをガスタービン部材に適用することで、高温下での摩耗損傷を低減できることが報告されている。しかしながら、プラズマ溶射やＨＶＯＦ等による耐摩耗コーティングは、平板上への成膜は容易であるが、複雑形状部品の表面や、細いスリットの内面等の部位に対して、均質な皮膜を施工するのは困難な場合が多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
著しく摩耗を受けるガスタービン部材の一つに、燃焼器ライナで点火した高温ガスをタービン入口に導くトランジションピース（尾筒）がある。トランジションピースはＮ２６３等のニッケル基合金で構成され、前方部が円形、後方部が矩形という複雑な形状を有している。最後部に取付けられた矩形の額縁と呼ばれる部分の周囲にスリットを設けて、スリット間に金属薄板のシール材を挟み込んで額縁同士を固定している。同様の構造で額縁と初段静翼間も固定している。額縁同士を嵌合するシールをサイドシールと呼び、静翼と額縁を嵌合するシールをフローティングシールと呼ぶ。
【０００６】
ガスタービン稼動時において、トランジションピースの額縁部は、５００℃を超える高温と、１００Ｈｚ以上の高い周波数の振動に同時に曝されるため、長時間運転後には額縁とシールの接触部で大きな摩耗損傷が生じる。特に、シール材については、厚さが２ｍｍ程度と非常に薄いため、摩耗損傷の対策が十分でないと減肉により損傷孔が貫通し、その結果、シール部分から燃焼用空気が流入する等のガスタービンの運用に支障が生じる可能性もある。
【０００７】
前述の溶射による耐摩耗コーティングを検討した場合、額縁のスリット内部へのコーティングの施工は、極めて困難である。また、断面が湾曲した形状であるフローティングシールにおいても、シール内面において摩耗損傷が発生するため、溶射による耐摩耗コーティングの施工は難しい。
【０００８】
発明者等は、上記トランジションピース及びシール材の高温摩耗損傷を防止する手段として、切削工具の保護皮膜として使用されている硬質セラミックコーティングに着目した。
【０００９】
複数のセラミックコーティングについて高温摩耗特性を評価した結果、厚さ数μｍのアルミナ皮膜をＣＶＤ（Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition）等の手法により、シール材の表面に均一に被覆することで、摩耗損傷を大きく低減できることが明らかとなった。その一方で、ガスタービンで一般的に使用されるニッケル基，コバルト基の耐熱合金を、アルミナコーティング材と摺動させた場合は、アルミナ皮膜が相手材を切削して大きな摩耗損傷を与えてしまう。従ってコーティング材の相手材にも耐摩耗特性の改善が必要になる。
【００１０】
本発明の目的は、上記に鑑み、耐摩耗特性の優れた被覆シール材、並びに、それを用いたガスタービン燃焼器を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、アルミナコーティング材の相手材として、ステライトＮｏ.６等の炭素を１.０重量％程度含んだコバルト−クロム合金を用いると、摩耗減量が大きく減少することを見出した。前記目的を達成する本発明の要旨は次ぎのとおりである。
【００１２】
ガスタービン燃焼器の隣接するトランジションピース（尾筒）同士またはトランジションピースと初段静翼とをシール材を介して嵌合，取付けたガスタービン燃焼器において、前記シール材は、炭化物あるいは窒化物からなる皮膜を下地とし、最表面にアルミナ膜を設けた耐摩耗性コーティング層を有するコバルト基合金で構成され、トランジションピースの嵌合部のシール材との接触部に、クロム１５〜３５重量％、炭素０.７〜１.５重量％含有するコバルト基合金製の保護板を取付けたことを特徴とする。
【００１３】
これによって、ガスタービン運転時の高温振動下で生じる嵌合部の摩耗損傷を低減することが可能となる。
【００１４】
また、炭素含有量が０.２重量％以下と比較的少ないコバルト基合金をシール材とし、シール材の表面に炭化物または窒化物の皮膜を下地として有する厚さ０.５〜６μｍのアルミナ膜を成膜し、相手側のトランジションピース額縁部におけるシール材との接触部に、クロム１５〜３５重量％、炭素０.７〜１.５重量％を含有するコバルト基合金製の板材（保護板）を取付けトランジションピースの嵌合部を構成することによって、トランジションピースの摩耗損傷を少なくすることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
シール材表面のコーティング層としては、最表面層にアルミナを使用することが高温耐摩耗特性を向上するために好ましい。ＴｉＮ，ＴｉＣ，ＳｉＣのような炭化物や窒化物の皮膜は、高温大気中で長時間使用した際に酸化が進行し、皮膜が劣化して摩耗特性を維持することができない。一方、酸化物であるアルミナは高温で非常に安定であるため、酸化による耐摩耗性の低下は生じない。
【００１６】
しかし、アルミナ皮膜は金属との密着性が低く、シール材に直接成膜すると剥離し易いため、その下に炭化物あるいは窒化物で構成される１層または２層の中間層を設けることが必要となる。中間層の材質としては、硬度と密着性の観点からＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮが好ましい。
【００１７】
最表面のアルミナ皮膜の厚さは、０.５μｍ未満ではその効果が十分ではなく、６μｍを超えると皮膜が剥離し易くなるため好ましくない。従って、０.５〜６μｍとすることが好ましい。
【００１８】
下地の中間層の厚さは、１μｍ未満の場合は表面のアルミナ皮膜に損傷が生じ易くなる。一方、１０μｍを超えると皮膜が剥離し易くなるため好ましくない。従って、中間層の厚さは、１〜１０μｍとすることが好ましい。また、中間層を２層とすることも可能である。一方で最表面のアルミナ皮膜に中間層を加えた全皮膜の厚さが、合計で１５μｍを超えると皮膜が剥離し易くなるため、全皮膜の厚さは合計で２〜１５μｍとすることが好ましい。
【００１９】
コーティング層の成膜にはＰＶＤ（Ｐhysical Ｖapor Ｄeposition），ＣＶＤ（Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition）等の手法を用いることができる。最表面のアルミナの成膜には、ＣＶＤの方がＰＶＤに較べて均一な結晶粒が形成されて、密着力が向上するために、ＣＶＤを用いるのがより好ましい。
【００２０】
シール材としては、ニッケル基合金に比べて耐摩耗特性に優れるコバルト基耐熱合金を用いることが好ましい。シール材は製造工程で、冷間での曲げ，プレス等の加工が施されるため加工，成形性のよいことが重要である。従って、シール材の化学的組成においては、炭素の添加をできるだけ少なくして炭化物生成を抑制し、加工性を高めることが好ましい。
【００２１】
シール材の炭素含有量が０.２重量％を超えると加工，成形性が低下するため、０.２重量％以下が好ましい。同様にシール材のクロム含有量が１５重量％未満になると、高温耐酸化性が低下し、３５重量％を超えると材料が脆化するため好ましくない。従って、シール材のクロム含有量は１５〜３０重量％の範囲が好ましい。
【００２２】
コーティングの相手材となるトランジションピースの保護板には、シール材よりも炭素含有量を増やして、耐摩耗性を向上したコバルト基合金を使用する。保護板は熱間の鍛造、圧延等で２ｍｍ以下の厚さまで加工した後、溶接により額縁のシールとの接触部に取付けることが好ましい。
【００２３】
コバルト基合金を板ではなく、肉盛溶接により額縁部に施工することも可能であるが、この場合は、高温で長時間使用後にコバルト合金の成分が額縁部のニッケル合金内部まで拡散し、額縁部の高温強度が低下する可能性があるため好ましくない。また、溶射などのコーティングによりコバルト合金を額縁部に成膜する方法も、皮膜が剥離する可能性があるため好ましくない。
【００２４】
保護板用コバルト基合金の化学組成において、炭素の含有量は０.７重量％未満では耐摩耗性が不十分で、１.５重量％を超えると加工，成形性が低下し、板材への加工が困難になるため好ましくない。またクロムの含有量は、１５重量％未満では高温耐酸化性が不足し、３５重量％を超えると材料の脆化が生じるため好ましくない。保護板の方は、シール材に比べてクロム炭化物の生成量が多いため、マトリックスに固溶するクロム濃度を高める目的で、クロム含有量を高めることが好ましい。
【００２５】
〔実施例１〕
本発明を実施例により具体的に説明する。図１は、トランジションピース材（Ｎ２６３），シール材（ＨＳ２５），アルミナコーティング材、および、ステライト板材の４種類の材料を用いて、種々の材料組合せに対して高温滑り摩耗試験を実施して、摩耗損傷量を評価した結果を示すグラフである。試験温度は７００℃、試験時間を５時間とし、振動条件は振幅１.０ｍｍ、周波数は１００Ｈｚとした。
【００２６】
摩耗試験片は全長４０ｍｍの蒲鉾型とし、形状が同じ一対の試験片の曲面部分を交差して接触させ、５ｋｇの荷重を加えて摺動させた。また、摩耗量の数値は、試験片表面の摩耗部を表面粗さ計により凹凸のプロファイルを測定し、プロファイル中の最大摩耗深さ（μｍ）を表示した。
【００２７】
ＨＳ２５は、シール材として用いられているコバルト基耐熱合金（Ｃｏ−２０Ｃｒ−１５Ｗ−１０Ｎｉ−０.１Ｃ）である。
【００２８】
アルミナコーティング材は、シール材のＨＳ２５の表面に、ＴｉＣとアルミナをＣＶＤにより成膜したものである。ここで下地のＴｉＣ層の厚さは約５μｍ、表面のアルミナ層の厚さは約３μｍとした。
【００２９】
ステライト板材は、ステライトＮｏ.６（Ｃｏ−２８Ｃｒ−４Ｗ−１Ｃ）に、鍛造，圧延等の熱間加工を加えて厚さ６ｍｍの板材に加工した素材から、摩耗試験片を切出して試験に供した。
【００３０】
次に、図１の▲１▼〜▲６▼までの組合せに対しての試験結果を説明する。▲１▼〜▲５▼は比較材、▲６▼が本発明材の結果である。図１の各組合せに対して、左側のグラフがシール材、右側のグラフが額縁材（保護板材）の結果に対応しており、各組合せにおいて２回の試験を実施した。
【００３１】
▲１▼は、シール材のＨＳ２５とトランジションピース材のＮ２６３を直接摺動した結果である。ＨＳ２５は約１５０〜２５０μｍ、Ｎ２６３は３３０〜４００μｍの摩耗減量を示す。コバルト基合金のＨＳ２５に比べて、ニッケル基合金のＮ２６３の摩耗減量は大きい。コバルト基合金は、摺動時に発生した摩耗紛が表面に堆積して、密着性の高い付着層を容易に形成する傾向があり、この付着層が摩擦抵抗を低下させて摩耗損傷を抑制していると推測される。
【００３２】
▲２▼は、ＨＳ２５同士の試験結果である。実機ガスタービンにおいてこの組合せは、トランジションピース額縁の接触部にＨＳ２５の保護板を貼り付けることで実現可能である。▲１▼に比べると、額縁側の摩耗量は改善されるが、シール材の状況には改善は見られない。
【００３３】
▲３▼，▲４▼は、アルミナコーティング材に対してＮ２６３，ＨＳ２５をそれぞれ組合せた場合の結果である。アルミナ材の摩耗量は、▲３▼の２回目（１５１μｍ）を除き、いずれも１００μｍ以下となっており、コーティング前と較べて明らかに改善されていることが分かる。
【００３４】
一方、相手材の摩耗量はＮ２６３、ＨＳ２５は、それぞれ３９４μｍ，４２６μｍと大きな値となる。特に、▲４▼のＨＳ２５については、▲１▼，▲２▼の組合せよりも摩耗損傷が増大しており、アルミナコーティングによる表面の切削が生じていることが推測される。
【００３５】
▲３▼，▲４▼のアルミナコーティング材において、その摩耗部表面および断面の微細組織をＳＥＭ（Ｓcanninng Ｅlectron Ｍicroscope），ＥＰＭＡ（ＥlectronＰrobe Ｍicro Ａnalyzer）で観察したところ、いずれの試験材も摩耗領域の中心部付近で、アルミナ皮膜が剥離，消失している領域の存在を確認した。
【００３６】
アルミナ皮膜の剥離部の面積は、摩耗量の増加に伴って広がる傾向があり、摩耗量が１５１μｍの試験片（▲３▼の２回目）では、摩耗部のほぼ全域でアルミナ皮膜が消失していた。一方で、摩耗量が３０μｍ程度の試験片（▲３▼の１回目、▲４▼の２回目）では、アルミナ皮膜の消失は摩耗部中心の比較的小さな領域でのみ確認された。
【００３７】
▲５▼のＨＳ２５とステライト板材の磨耗試験結果では、ステライト板の摩耗量は５０μｍ以下と非常に小さな値になっており、ステライト板が優れた耐摩耗性を示すことが分かる。また、相手材のＨＳ２５の摩耗量も２回共に１００μｍ以下と小さく、▲１▼，▲２▼，▲４▼の組合せよりも摩耗量は減少している。このようにステライト板との組合せによりＨＳ２５の摩耗損傷も低減することが分かった。
【００３８】
本発明材である▲６▼のアルミナ材とステライト板材の組合せでは、アルミナの摩耗量は２０μｍ以下と非常に小さな値になっており、シール材として最も優れた摩耗特性を示している。また、相手材のステライト板材の摩耗量も、５０μｍ程度かそれ以下の小さな値であり、▲３▼、▲４▼で見られたようなアルミナの作用による摩耗量の増大は生じていない。
【００３９】
このように、アルミナコーティングにステライト板を組合せることで、シールと額縁の両方の材料の摩耗を大きく低減できることが分かる。
【００４０】
▲６▼におけるアルミナ皮膜の状態を調べた結果、１回目の摩耗量が８μｍの試験片では、摩耗部の全域でアルミナ皮膜が残っており、摩耗減肉は、摩耗部に基材の変形による僅かな窪みが生じた結果であることを確認した。また、２回目の摩耗量が１７μｍの試験片では、摩耗部の一部でアルミナ皮膜の剥離が認められたが、▲３▼、▲４▼の試験片に比べると剥離部の面積は非常に小さく、皮膜の損傷が少ないことを確認した。
【００４１】
図１の▲１▼〜▲６▼の組合せでは、本発明材の▲６▼が非常に優れた耐摩耗特性を示しているが、比較材である▲５▼のＨＳ２５とステライト板材の組合せも、シール材のＨＳ２５の摩耗量が、▲６▼のアルミナに較べて若干大きいことを除けば、摩耗量は非常に少ない。▲５▼と▲６▼に見られる摩耗特性の改善には、ステライト板の耐摩耗性の効果も大きいと考えられる。しかし、摩耗試験の時間を、より長時間に延長すると、本発明材のアルミナとステライト板の組合せの効果がより明瞭に現れる。
【００４２】
図２は、図１の▲５▼、▲６▼の材料組合せに対して、７００℃で３０時間の摩耗試験を実施した場合の結果を示すグラフである。振幅，周波数は図１の場合と同じとし、同じ条件で３回の試験を実施してグラフに示した。図１と比較すると、ＨＳ２５とステライト板材の組合せた比較材では、試験時間の増加により摩耗量が大きく増大している。
【００４３】
一方、本発明材のアルミナとステライト板の組合せでは、３０時間試験後も摩耗量値は５時間の場合と較べても殆ど変化しないことが分かる。
【００４４】
比較材のＨＳ２５とステライト板の組合せでは、短時間の摩耗減量は非常に小さいが、時間の経過につれて徐々に摩耗が進行するのに対し、本発明材のアルミナとステライト板の組合せでは、長時間経過後も摩耗はほとんど進行しないと考えられる。
【００４５】
上記の結果から、本発明の材料組合せであるシール用材料へのアルミナコーティングの施工と、額縁シール接触部へのステライト材の適用により、高温下での摩耗損傷を大きく低減することができ、また、比較的長時間の使用においても、その摩耗低減効果は継続することが確認された。
【００４６】
〔実施例２〕
本発明で提示した耐摩耗性に優れるアルミナコーティングとステライト板材の組合せを、実機ガスタービンのトランジションピースに適用した場合を説明する。図３は、本発明材を適用したトランジションピースの概略斜視図である。
【００４７】
トランジションピース本体１の後方の額縁部２において、額縁上下に取付ける静翼と額縁を嵌合するシールをフローティングシールと呼び、額縁側面に取付ける額縁同士を嵌合するシールをサイドシールと呼ぶ。
【００４８】
図４は、トランジションピース本体の額縁へのシール取付け状態を示す概略斜視図である。フローティングシール３，３’の断面は、湾曲した形状であるのに対して、サイドシール４，４’は平板形状となっている。
【００４９】
４本の各シールは、額縁部２の外周部に設けたシール溝５に図４（ａ）に示す状態で取付け、これらのシール取付け後の状態を図４（ｂ）に示す。上下のフローティングシール３，３’の後方に張出した部分はトランジションピース本体１の静翼と嵌合し、左右のサイドシールの外側は隣接したトランジションピース本体１の額縁側面と嵌合する。
【００５０】
本実施例においては、まず、ＨＳ２５の素材を加工してフローティングシール３，３’とサイドシール４，４’を作製し、各シール材にＴｉＣとアルミナをＣＶＤによりコーティングした。その際、サイドシール４，４’には表裏の全面に成膜を施したが、フローティングシール３，３’は成膜時に摩耗損傷が少ない部分をマスキングし、大きな摩耗損傷が生じる領域にのみシール材のコーティングを行なった。マスキングにはシール表面を金属製の板材で覆うことで行なった。
【００５１】
次に額縁とシールとの接触部に、ステライトＮｏ.６製の薄板を溶接により取付けることで保護板７とした。上記の部材を組合せてトランジションピースを構成し、実機ガスタービンに適用した。
【００５２】
図５および図６は、上記摩耗対策を施した上記シール材と額縁を実機ガスタービンに取付けた際の構造を示す模式断面図で、図５は、図４（ｂ）の断面Ａにおける上部フローティングシール３の取付け部の断面図である。
【００５３】
ＨＳ２５からなるフローティングシール３と、Ｎ２６３からなる額縁部２の間では、シールが静翼側から額縁側に押えられるような力が作用し、額縁の最後部とフローティングシール内面の接触部で顕著な摩耗が発生する。そのため図５で示すように、コーティング６（アルミナ／ＴｉＣ）は、フローティングシール３の内面部のみとする。一方、ステライト保護板７の取付けは額縁の静翼８側の部位に対してのみ行なった。
【００５４】
また、額縁シール溝５や静翼シール溝９とフローティングシール３との接触部においては、摩耗損傷は比較的小さい。従って図５に示すように、フローティングシール３の内面以外の部分では、アルミナコーティングは施工せず、額縁２、静翼シール溝９へのステライト保護板の取付けも行なっていない。
【００５５】
額縁シール溝５とフローティングシール３の内面部は、アルミナとＮ２６３の接触となるが、この部分では接触面に加わる力が小さく、アルミナの切削による額縁部２の減肉が生じる可能性が低いことから、シール溝へのステライト保護板の取付けは行なっていない。
【００５６】
下部のフローティングシールにおいても、コーティングと保護板の取付け位置は図５と同じとした。
【００５７】
図６は、図４（ｂ）の断面Ｂにおけるサイドシール４の取付け部の断面図である。サイドシール４では両面にアルミナコーティングを施工し、隣接したトランジションピース本体１の額縁側面の額縁シール溝５の内面両側にステライト保護板７をサイドシール４を挟込む形で取付けた。
【００５８】
上記のシール材へのアルミナコーティング、額縁部２へのステライト保護板７取付けの摩耗対策を施したトランジションピースを、実機ガスタービンに取付けて運転試験を行なった結果、摩耗防止対策を行なわない場合に較べてシール材，額縁材共に摩耗損傷を大きく改善できることを確認した。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、アルミナコーティングとコバルト基合金保護板の組合せによる高温耐摩耗構造をガスタービンのトランジションピースに適用することにより、摩耗損傷を大幅に低減することが可能となる。その結果、トランジションピース額縁材やシール材の寿命が向上でき、それらの交換頻度の低減、並びに、ガスタービンの信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明材と比較材の高温滑り摩耗試験（７００℃，５時間）における摩耗損傷量示すグラフである。
【図２】本発明材と比較材の高温滑り摩耗試験（７００℃，３０時間）における摩耗損傷量示すグラフである。
【図３】本発明材を適用したトランジションピースの概略斜視図である。
【図４】トランジションピース本体の額縁へのシール取付け状態を示す概略斜視図である。
【図５】摩耗対策を施したシール材と額縁を実機ガスタービンに取付けた際の上部フローティングシール取付け部の模式断面図である。
【図６】サイドシールの取付け部の模式断面図である。
【符号の説明】
１…トランジションピース本体、２…額縁部、３，３’…フローティングシール、４，４’…サイドシール、５…額縁シール溝、６…コーティング、７…ステライト保護板、８…静翼、９…静翼シール溝、１０…額縁側面部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas turbine combustor using a coated sealing material for preventing wear damage used for, for example, a transition piece (tail tube) of a gas turbine for thermal power generation.
[0002]
[Prior art]
In recent years, gas turbines used in thermal power plants such as combined power generation systems have increased in combustion gas temperature to 1300-1500 ° C., so many gas turbine materials with excellent heat resistance have been developed. .
[0003]
Further, during the operation of the gas turbine, vibrations are generated at various locations with the rotation of the rotor and the passage of high-temperature gas or cooling air flowing at high speed. When vibration is generated in a member assembled by fitting (fitting), wear occurs at a contact portion between the members, and wear damage may occur particularly at a high temperature. Where wear damage occurs, a material having excellent wear resistance and a coating process are required.
[0004]
So far, as an anti-wear coating, it has been applied to gas turbine materials by high-pressure flame spraying (HVOF) of examples in which cobalt alloy stellite is sprayed in air plasma or chromium carbide phase such as Cr ₃ C ₂ . Examples have been reported. In Japanese Patent Application Nos. 8-53494 and 9-191554, it is reported that wear damage at high temperatures can be reduced by applying a chromium carbide coating by HVOF to a gas turbine member. However, wear-resistant coating by plasma spraying, HVOF, etc. is easy to form on a flat plate, but a uniform film is applied to parts such as the surface of complex shaped parts and the inner surface of thin slits. Is often difficult.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
One of the gas turbine members that are significantly worn is a transition piece (tail) that guides the hot gas ignited by the combustor liner to the turbine inlet. The transition piece is made of a nickel-base alloy such as N263, and has a complicated shape with a circular front part and a rectangular rear part. A slit is provided around a portion called a rectangular frame attached to the rearmost part, and a metal sheet sealing material is sandwiched between the slits to fix the frames. The frame and the first stage stationary blade are also fixed with the same structure. A seal that fits the frames together is called a side seal, and a seal that fits the stationary blade and the frame is called a floating seal.
[0006]
When the gas turbine is in operation, the frame part of the transition piece is exposed to high temperatures exceeding 500 ° C. and vibrations with a high frequency of 100 Hz or higher at the same time. Arise. In particular, the seal material is very thin with a thickness of about 2 mm, so if there are insufficient measures against wear damage, the damage hole penetrates due to thinning, and as a result, gas such as combustion air flowing in from the seal part Turbine operation may be hindered.
[0007]
When the above-described wear resistant coating by thermal spraying is examined, it is extremely difficult to apply the coating inside the slit of the frame. In addition, even in a floating seal having a curved cross section, wear damage occurs on the inner surface of the seal, so that it is difficult to apply an abrasion resistant coating by thermal spraying.
[0008]
The inventors paid attention to a hard ceramic coating used as a protective film of a cutting tool as a means for preventing high-temperature wear damage of the transition piece and the sealing material.
[0009]
As a result of evaluating the high-temperature wear characteristics of multiple ceramic coatings, wear damage can be greatly reduced by uniformly coating the surface of the sealing material with an alumina film with a thickness of several μm using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Became clear. On the other hand, when a nickel-based or cobalt-based heat-resistant alloy commonly used in gas turbines is slid with an alumina coating material, the alumina coating cuts the counterpart material and causes significant wear damage. . Therefore, it is necessary to improve the wear resistance of the counterpart material of the coating material.
[0010]
In view of the above, an object of the present invention is to provide a coated sealing material having excellent wear resistance and a gas turbine combustor using the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have found that when a cobalt-chromium alloy containing about 1.0% by weight of carbon such as stellite No. 6 is used as the counterpart material of the alumina coating material, the wear loss is greatly reduced. The gist of the present invention for achieving the above object is as follows.
[0012]
In a gas turbine combustor in which transition pieces (tail tubes) adjacent to each other in a gas turbine combustor or a transition piece and a first stage stationary blade are fitted and attached via a seal material, the seal material is made of carbide or nitride. Consists of a cobalt-based alloy with a wear-resistant coating layer with an alumina film on the outermost surface, with a coating as the base, 15 to 35 wt% chromium, carbon in contact with the sealing material of the fitting part of the transition piece A protective plate made of a cobalt base alloy containing 0.7 to 1.5% by weight is attached.
[0013]
As a result, it is possible to reduce wear damage of the fitting portion that occurs under high-temperature vibration during gas turbine operation.
[0014]
Further, an alumina film having a thickness of 0.5 to 6 μm having a cobalt base alloy having a carbon content of 0.2% by weight or less as a sealing material and a carbide or nitride film as a base on the surface of the sealing material. Cobalt-based alloy plate material (protective plate) containing 15-35 wt% chromium and 0.7-1.5 wt% carbon in contact with the seal material at the frame portion of the transition piece on the other side It is possible to reduce wear damage of the transition piece by configuring the fitting portion of the transition piece.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As the coating layer on the surface of the sealing material, it is preferable to use alumina for the outermost surface layer in order to improve the high temperature wear resistance. When a carbide or nitride film such as TiN, TiC, or SiC is used in a high temperature atmosphere for a long time, the oxidation proceeds and the film deteriorates and cannot maintain its wear characteristics. On the other hand, alumina, which is an oxide, is very stable at a high temperature, so that wear resistance does not deteriorate due to oxidation.
[0016]
However, since the alumina film has low adhesion to metal and easily peels off when directly formed on a sealing material, it is necessary to provide one or two intermediate layers made of carbide or nitride underneath. Become. The material for the intermediate layer is preferably TiC, TiN, TiCN, or TiAlN from the viewpoint of hardness and adhesion.
[0017]
If the thickness of the outermost alumina film is less than 0.5 μm, the effect is not sufficient, and if it exceeds 6 μm, the film is easily peeled off, which is not preferable. Therefore, it is preferable to set it as 0.5-6 micrometers.
[0018]
When the thickness of the underlying intermediate layer is less than 1 μm, the surface alumina film is easily damaged. On the other hand, when the thickness exceeds 10 μm, the coating is easily peeled off, which is not preferable. Therefore, the thickness of the intermediate layer is preferably 1 to 10 μm. Further, the intermediate layer can be formed of two layers. On the other hand, if the thickness of the total film obtained by adding the intermediate layer to the outermost alumina film exceeds 15 μm in total, the film easily peels off, so the total film thickness is preferably 2 to 15 μm in total. .
[0019]
Methods such as PVD (Physical Vapor Deposition) and CVD (Chemical Vapor Deposition) can be used for forming the coating layer. For the film formation of the outermost alumina, it is more preferable to use CVD because CVD forms uniform crystal grains as compared with PVD and improves adhesion.
[0020]
As the sealing material, it is preferable to use a cobalt-based heat-resistant alloy that is superior in wear resistance as compared to a nickel-based alloy. Since the sealing material is subjected to processing such as cold bending and pressing in the manufacturing process, it is important that the processing and moldability are good. Therefore, in the chemical composition of the sealing material, it is preferable to reduce the addition of carbon as much as possible to suppress the formation of carbides and improve the workability.
[0021]
When the carbon content of the sealing material exceeds 0.2% by weight, the workability and moldability deteriorate, so 0.2% by weight or less is preferable. Similarly, if the chromium content of the sealing material is less than 15% by weight, the high-temperature oxidation resistance decreases, and if it exceeds 35% by weight, the material becomes brittle. Therefore, the chromium content of the sealing material is preferably in the range of 15 to 30% by weight.
[0022]
For the protective plate of the transition piece, which is the counterpart material for coating, a cobalt-based alloy with increased carbon content and improved wear resistance than the seal material is used. The protective plate is preferably attached to the contact portion with the frame seal by welding after being processed to a thickness of 2 mm or less by hot forging, rolling or the like.
[0023]
It is also possible to apply cobalt-based alloy to the frame part by overlay welding instead of a plate, but in this case, the cobalt alloy components diffuse into the nickel alloy inside the frame part after a long period of use at high temperature. This is not preferable because the high-temperature strength of the part may decrease. Also, a method of forming a cobalt alloy film on the frame portion by coating such as thermal spraying is not preferable because the film may be peeled off.
[0024]
In the chemical composition of the cobalt-based alloy for the protective plate, if the carbon content is less than 0.7% by weight, the wear resistance is insufficient. Since processing becomes difficult, it is not preferable. Further, if the chromium content is less than 15% by weight, the high-temperature oxidation resistance is insufficient, and if it exceeds 35% by weight, the material becomes brittle, which is not preferable. Since the protective plate produces more chromium carbide than the sealing material, it is preferable to increase the chromium content for the purpose of increasing the concentration of chromium dissolved in the matrix.
[0025]
[Example 1]
The present invention will be specifically described with reference to examples. FIG. 1 shows that a high temperature sliding wear test was performed on various material combinations using four kinds of materials, transition piece material (N263), seal material (HS25), alumina coating material, and stellite plate material. It is a graph which shows the result of having evaluated the amount of wear damage. The test temperature was 700 ° C., the test time was 5 hours, the vibration condition was an amplitude of 1.0 mm, and the frequency was 100 Hz.
[0026]
The wear test piece was a saddle type with a total length of 40 mm, and the curved surface portions of a pair of test pieces having the same shape were crossed and brought into contact with each other, and a load of 5 kg was applied and slid. The numerical value of the amount of wear was obtained by measuring the profile of the unevenness of the worn part on the surface of the test piece with a surface roughness meter and displaying the maximum wear depth (μm) in the profile.
[0027]
HS25 is a cobalt-based heat-resistant alloy (Co-20Cr-15W-10Ni-0.1C) used as a sealing material.
[0028]
The alumina coating material is formed by depositing TiC and alumina on the surface of the sealing material HS25 by CVD. Here, the thickness of the underlying TiC layer was about 5 μm, and the thickness of the surface alumina layer was about 3 μm.
[0029]
The stellite plate material was cut out from a material that was processed into a 6 mm thick plate material by applying hot working such as forging and rolling to stellite No. 6 (Co-28Cr-4W-1C) for use in testing. did.
[0030]
Next, test results for combinations (1) to (6) in FIG. 1 will be described. (1) to (5) are the comparative materials, and (6) are the results of the inventive material. For each combination in FIG. 1, the graph on the left corresponds to the result of the seal material, and the graph on the right corresponds to the result of the frame material (protection plate material), and two tests were performed for each combination.
[0031]
(1) is the result of direct sliding between the sealing material HS25 and the transition piece material N263. HS25 shows a weight loss of about 150 to 250 μm, and N263 shows a weight loss of 330 to 400 μm. Compared with HS25 of a cobalt base alloy, the wear loss of N263 of a nickel base alloy is large. Cobalt-based alloys tend to easily form an adhesion layer with high adhesion due to the accumulation of wear powder generated during sliding, and this adhesion layer reduces frictional resistance and suppresses wear damage. It is estimated that
[0032]
(2) is the test result between HS25. In an actual gas turbine, this combination can be realized by attaching a protective plate of HS25 to the contact portion of the transition piece frame. Compared with (1), the amount of wear on the frame side is improved, but the situation of the sealing material is not improved.
[0033]
(3) and (4) are the results when N263 and HS25 are combined with the alumina coating material, respectively. Except for the second time (151 μm) of (3), the wear amount of the alumina material is 100 μm or less, and it can be seen that it is clearly improved as compared with before coating.
[0034]
On the other hand, the wear amount of the counterpart material is N263 and HS25, which are large values of 394 μm and 426 μm, respectively. In particular, with respect to HS25 of (4), wear damage is increased more than the combination of (1) and (2), and it is presumed that the surface is cut by alumina coating.
[0035]
In the alumina coating materials of (3) and (4), the surface of the worn part and the microstructure of the cross section were observed with a scanning electron microscope (SEM) and an EPMA (Electron Probe Micro Analyzer). In the vicinity of the part, the existence of a region where the alumina film peeled off and disappeared was confirmed.
[0036]
The area of the peeled part of the alumina film tends to increase as the amount of wear increases, and in the test piece having the wear amount of 151 μm (second time of (3)), the alumina film disappears in almost the entire area of the worn part. It was. On the other hand, in the test piece having the wear amount of about 30 μm (the first time of (3) and the second time of (4)), the disappearance of the alumina film was confirmed only in a relatively small region at the center of the worn part.
[0037]
According to the results of wear test of HS25 and stellite plate material (5), the wear amount of the stellite plate is a very small value of 50 μm or less, and it can be seen that the stellite plate exhibits excellent wear resistance. Further, the wear amount of the mating material HS25 is also less than 100 μm in both cases, and the wear amount is smaller than the combination of (1), (2), and (4). Thus, it was found that wear damage of the HS 25 is reduced by the combination with the stellite plate.
[0038]
In the combination of the alumina material and the stellite plate material of the present invention material (6), the wear amount of alumina is as small as 20 μm or less, and shows the most excellent wear characteristics as a seal material. In addition, the wear amount of the stellite plate material of the counterpart material is also a small value of about 50 μm or less, and the increase in wear amount due to the action of alumina as seen in (3) and (4) does not occur.
[0039]
Thus, it can be seen that the wear of both the seal and the frame material can be greatly reduced by combining the stellite plate with the alumina coating.
[0040]
As a result of examining the state of the alumina film in (6), in the test piece with the first wear amount of 8 μm, the alumina film remains in the entire worn part, and wear thinning is caused by deformation of the base material in the worn part. It was confirmed that this was the result of a slight depression. In addition, in the test piece with the second wear amount of 17 μm, peeling of the alumina film was observed in a part of the worn part, but the area of the peeled part was much larger than the test pieces of (3) and (4). It was small and confirmed that there was little damage to the film.
[0041]
In the combination of (1) to (6) in FIG. 1, (6) of the present invention material shows very excellent wear resistance characteristics, but the combination of HS25 and the stellite plate material of (5), which is a comparative material, is also possible. The wear amount is very small except that the wear amount of the sealing material HS25 is slightly larger than that of the alumina of (6). It is considered that the effect of wear resistance of the stellite plate is also great in improving the wear characteristics seen in (5) and (6). However, when the wear test time is extended to a longer time, the effect of the combination of the alumina of the present invention and the stellite plate appears more clearly.
[0042]
FIG. 2 is a graph showing the results of a 30-hour wear test conducted at 700 ° C. for the material combinations (5) and (6) in FIG. The amplitude and frequency were the same as in FIG. 1, and the test was carried out three times under the same conditions and shown in the graph. Compared with FIG. 1, in the comparative material in which HS25 and the stellite plate material are combined, the wear amount is greatly increased due to the increase in the test time.
[0043]
On the other hand, in the combination of the alumina of the present invention and the stellite plate, it can be seen that even after the 30-hour test, the wear amount value hardly changes even when compared with the case of 5 hours.
[0044]
In the combination of the comparative material HS25 and the stellite plate, the wear loss in a short time is very small, but the wear gradually progresses as time passes, whereas in the combination of the alumina material of the present invention and the stellite plate, it takes a long time. It is considered that the wear hardly progresses even after the lapse.
[0045]
From the above results, it is possible to greatly reduce wear damage under high temperature by applying alumina coating to the sealing material which is the material combination of the present invention and applying stellite material to the frame seal contact portion. It has been confirmed that the wear reduction effect continues even after relatively long use.
[0046]
Example 2
The case where the combination of the alumina coating excellent in wear resistance and the stellite plate material presented in the present invention is applied to a transition piece of an actual gas turbine will be described. FIG. 3 is a schematic perspective view of a transition piece to which the material of the present invention is applied.
[0047]
In the frame portion 2 at the rear of the transition piece main body 1, a seal that fits the stationary blades attached to the top and bottom of the frame and the frame is called a floating seal, and a seal that fits the frames attached to the side surfaces of the frame is called a side seal.
[0048]
FIG. 4 is a schematic perspective view showing a state where the seal is attached to the frame of the transition piece body. The cross sections of the floating seals 3 and 3 ′ are curved, whereas the side seals 4 and 4 ′ are flat.
[0049]
Each of the four seals is attached to the seal groove 5 provided in the outer peripheral portion of the frame portion 2 in the state shown in FIG. 4A, and the state after these seals are attached is shown in FIG. 4B. The portions of the upper and lower floating seals 3 and 3 ′ that protrude rearward are fitted with the stationary blades of the transition piece main body 1, and the outer sides of the left and right side seals are fitted with the frame side surfaces of the adjacent transition piece main bodies 1.
[0050]
In this example, first, the material of HS25 was processed to produce floating seals 3, 3 ′ and side seals 4, 4 ′, and TiC and alumina were coated on each sealant by CVD. At that time, the side seals 4 and 4 ′ were formed on the entire front and back surfaces. However, the floating seals 3 and 3 ′ masked a portion with little wear damage during the film formation and sealed only in a region where the large wear damage occurred. The material was coated. Masking was performed by covering the seal surface with a metal plate.
[0051]
Next, a protective plate 7 was obtained by attaching a thin plate made of Stellite No. 6 to the contact portion between the frame and the seal by welding. A transition piece was constructed by combining the above-mentioned members and applied to an actual gas turbine.
[0052]
5 and 6 are schematic cross-sectional views showing the structure when the seal material and the frame having the above-mentioned anti-wear measures are attached to an actual gas turbine, and FIG. 5 is an upper floating view in cross-section A of FIG. 4 (b). FIG. 4 is a cross-sectional view of a mounting portion of the seal 3.
[0053]
A force is applied between the floating seal 3 made of HS25 and the frame portion 2 made of N263 so that the seal is pressed from the stationary blade side to the frame side, and significant wear occurs at the contact portion between the rearmost portion of the frame and the inner surface of the floating seal. Occurs. Therefore, as shown in FIG. 5, the coating 6 (alumina / TiC) is only the inner surface portion of the floating seal 3. On the other hand, the stellite protection plate 7 was attached only to the portion of the frame on the stationary blade 8 side.
[0054]
Further, wear damage is relatively small at the contact portion between the frame seal groove 5 and the stationary blade seal groove 9 and the floating seal 3. Therefore, as shown in FIG. 5, no alumina coating is applied to the portion other than the inner surface of the floating seal 3, and the stellite protection plate is not attached to the frame 2 and the stationary blade seal groove 9.
[0055]
The inner surface portion of the frame seal groove 5 and the floating seal 3 is in contact with alumina and N263, but the force applied to the contact surface is small in this portion, and there is a low possibility that the thinning of the frame portion 2 due to cutting of alumina will occur. Therefore, the stellite protective plate is not attached to the seal groove.
[0056]
Also in the lower floating seal, the attachment positions of the coating and the protective plate were the same as in FIG.
[0057]
FIG. 6 is a cross-sectional view of the attachment portion of the side seal 4 in the cross section B of FIG. In the side seal 4, alumina coating was applied to both surfaces, and a stellite protective plate 7 was attached to both sides of the inner surface of the frame seal groove 5 on the side surface of the adjacent transition piece body 1 with the side seal 4 interposed therebetween.
[0058]
When the above-mentioned transition piece with the alumina coating on the sealing material and the wear countermeasures for attaching the stellite protective plate 7 to the frame 2 is mounted on the actual gas turbine and the operation test is conducted, the wear prevention measures are not taken. In comparison, it was confirmed that both the seal material and the frame material can greatly improve wear damage.
[0059]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to significantly reduce wear damage by applying a high temperature wear resistant structure by a combination of an alumina coating and a cobalt base alloy protective plate to a transition piece of a gas turbine. As a result, the life of the transition piece frame material and the seal material can be improved, the replacement frequency thereof can be reduced, and the reliability of the gas turbine can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the amount of wear damage in a high-temperature sliding wear test (700 ° C., 5 hours) of a material of the present invention and a comparative material.
FIG. 2 is a graph showing the amount of wear damage in a high-temperature sliding wear test (700 ° C., 30 hours) of the present invention material and a comparative material.
FIG. 3 is a schematic perspective view of a transition piece to which the material of the present invention is applied.
FIG. 4 is a schematic perspective view showing a state in which a seal is attached to a frame of a transition piece main body.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an upper floating seal mounting portion when a seal material and a frame with anti-wear measures are mounted on an actual gas turbine.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a side seal attachment portion.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transition piece main body, 2 ... Frame part, 3, 3 '... Floating seal, 4, 4' ... Side seal, 5 ... Frame seal groove, 6 ... Coating, 7 ... Stellite protective plate, 8 ... Stator blade, 9 ... Stator blade seal groove, 10.

Claims

Insert adjacent transition pieces (tail tubes) of gas turbine combustor or transition piece and first stage stationary blade into floating seal material inserted into frame seal groove of transition piece and sealing groove of stationary blade, and said frame seal groove In the gas turbine combustor fitted and connected via the side seal material, the floating seal material is made of a cobalt base alloy and has a curved cross section, and the frame seal groove and the static seal It is inserted into the blade sealing groove, wherein the side in contact with the transition piece of the floating seal member and a film of a carbide or nitride as a base, wear-resistant coating layer provided an alumina skin layer on the outermost surface is formed, and the transition piece Contact portion of the floating sealing material with the wear-resistant coating layer To lunge Deployment piece, chromium 15 to 35 wt%, the gas turbine combustor, characterized in that attaching the cobalt-based alloy of the protective plate containing 0.7 to 1.5 weight percent carbon.

Insert adjacent transition pieces (tail tube) of gas turbine combustor or transition piece and first stage stator blade into frame seal groove of transition piece and seal groove of stator blade and the above-mentioned frame seal groove In the gas turbine combustor fitted and connected via the side seal material, the floating seal material and the side seal material are made of a cobalt base alloy, and the floating seal material has a shape with a curved cross section. The wear-resistant coating layer is inserted into the frame seal groove and the stationary blade seal groove, and has a carbide or nitride film on the side contacting the transition piece of the floating seal material and an alumina film on the outermost surface. The side seal material is formed with a carbide or nitride film. And an abrasion-resistant coating layer provided with an alumina film on the outermost surface, 15-15% by weight of chromium in the transition piece at the contact portion between the transition piece and the wear-resistant coating layer of the floating sealing material, A gas turbine combustor comprising a protective plate made of a cobalt base alloy containing 0.7 to 1.5% by weight of carbon.

2. The gas turbine combustor according to claim 1, wherein a coating of one layer or two layers selected from TiC, TiN, TiCN, and TiAlN is formed as each underlayer of the wear-resistant coating layer of the floating sealing material.

3. The gas turbine combustor according to claim 2, wherein a coating of one or two layers selected from TiC, TiN, TiCN, and TiAlN is formed as each underlayer of the wear-resistant coating layer of the floating sealing material and the side sealing material.

The film thickness of each undercoat layer of the wear-resistant coating layer of the floating seal material and side seal material is 1 to 10 μm, the thickness of the outermost alumina film is 0.5 to 6 μm, and the total film thickness is 2 to 15 μm. The gas turbine combustor according to claim 2.

The gas turbine combustor according to claim 4 or 5, wherein a chromium content in the cobalt-based alloy of the floating seal material and the side seal material is 15 to 30 wt% and a carbon content is 0.2 wt% or less.