JP5040743B2 - タービンのコーティング施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ケーシング内にロータを回転自在に配置したタービンのコーティング施工方法であって、特にシールフィン部のエロージョン・コロージョン等の腐食又は熱影響等による損傷を受け易い部位に適用するコーティング施工方法に関する。

従来のタービンを構成するロータ及びケーシングの対向面の損傷防止対策としてコーティング材をコーティングするコーティング施工方法としては、例えばタービンシャフトと動翼とを含む回転構造物の外周面に周接された円環状のシールフィンと、静翼と静翼内輪と静翼外輪とを含む静止構造物の内周面に、シールフィンに離間対向して周接された円環状のハニカムセルとを有し、シールフィンの表面に炭化クロムなどの高硬度皮膜を溶射によって形成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、静止側グランド部と対向する部位の本体部に対して着脱自在に嵌まり合う円筒状体に形成した回転側グランド部を装着するタービンロータを有し、回転グランド部の外周部に凸条状を形成し、この凸条を含む外周部に耐食性金属材を溶射法によって薄膜（例えば、１ｍｍ程度あるいはそれ以下）状の耐食層を形成することが知られている（例えば特許文献２参照）。

さらに、シールフィンとしては、動翼の外周端に設ける外側シュラウドの外周面又は翼間の内周面並びにロータ外周面の平滑部に、全周に亘り削設されたシールフィン溝内にその基端部が挿入され、この基端部をかしめワイヤでかしめることにより、シールフィン装置をシールフィン溝内に、固設するようにした構成が知られている。
特開２００１−１２３８０３号公報（段落番号「００４０」，「００４２」） 特開２００２−２０６４０６号公報（段落番号「００１５」，「００２１」）

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、シールフィンを断面が鋭角な針状に近い三角形状で円環状に形成しているので、炭化クロムなどの高硬度皮膜を溶射した場合に、壁面に所定膜厚の高硬度皮膜を形成することは困難であり、シールフィン周辺のエロージョン・コロージョン等による腐食損傷を確実に防ぐことはできないという未解決の課題がある。

また、特許文献２に記載の従来例にあっては、シールフィン部として凸条を形成するので、この凸条の外周面には耐食性金属材の溶射を確実に付着させることができるものであるが、シールフィンとして凸条を形成する必要があり、シールフィン構造が大型化してしまうという未解決の課題がある。
この特許文献２に記載の従来例の未解決の課題を解決するために、植え込み型のシールフィンを適用することが考えられるが、この場合には、シールフィンをシールフィン溝内に植え込み、かしめワイヤでかしめるので、シールフィン構造を簡略化することができる反面、シールフィン溝を形成する必要がある。このため、このシールフィン溝を構成する側壁が垂直面となり、溶射方向と平行な面となることから、シールフィン溝の側壁に高硬度皮膜を形成することができないという未解決の課題がある。特に、使用条件の厳しいプラント（例えば地熱タービン）においては、ロータ、ケーシングのエロージョン・コロージョン等による損傷により、植え込み式シールフィン構造ではシールフィンの脱落、削り出し式シールフィン構造ではシールフィン自身の損傷等のトラブルが発生する場合がある。

このようなトラブルを解決するためには、シールフィンを植え込んだり、削り出したりするロータやケーシングの材料を高耐食性材料にグレードアップするか、シールフィン周辺部のみステンレス肉盛溶接を実施するしか方法がない。しかし、材料のグレードアップには大幅なコストアップに繋がり、ステンレスの肉盛溶接は細心の注意を払わないと溶接変形等に繋がる可能性があり、何れも好ましいものではない。

他の対策として、植え込み式シールフィン構造の場合、シールフィン溝部周辺のロータ、ケーシング表面をコーティング層で覆うことが考えられる。しかし、シールフィン植え込み前にコーティング施工を行なった場合、エロージョン・コロージョン等の防止を目的とした範囲であるロータ・ケーシング表面のみならず、シールフィン溝内部にもコーティングが施されてしまう。この場合、シールフィン溝内部の寸法精度を保つことができず、その後のシールフィン植え込みが精度良く実施できないという問題がある。

また、シールフィン溝内部に堆積したコーティング層を除去しようとした場合、一般的にコーティング層はロータ、ケーシング材料よりも硬いため、コーティング層の除去が困難であり、多大な追加作業となる。シールフィン溝へのコーティング層堆積防止対策としてシールフィン溝のマスキング方法が考えられるが、マスキングした際に、ロータ、ケーシングとマスキング間に跨がって付着するコーティング層を縁切りすることもまた困難であり、無理な縁切りは健全なコーティング装置の剥離にもつながるため、マスキングによるコーティング層の付着防止もまた困難である。

さらに、コーティング施工後のシールフィン植え、翼植え時のかしめ等による衝撃によりコーティング層の損傷に繋がる可能性がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、植え込み式又は削り出し式のシールフィン構造を採用しても、コストアップや溶接変形等を考慮することなく、シールフィン周辺部に正確なコーティング皮膜を形成することができるタービンのコーティング施工方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係るタービンのコーティング施工方法は、ケーシング内にロータを回転自在に配置したタービンのコーティング施工方法であって、前記ケーシング及びロータの対向面の少なくとも一方にシールフィン挿入溝を形成し、該シールフィン挿入溝に植え込み式シールフィンを植え、次いで前記植え込み式シールフィンをコーキングワイヤでかしめてシールフィン部を形成した状態で、コーティング材を用いてコーティング施工を行なうことを特徴としている。

また、請求項２に係るタービンのコーティング施工方法は、請求項１に係る発明において、前記コーキングワイヤが、シールフィン溝の開放端面よりも内部側に位置し、前記シールフィン溝の軸方向の前記コーキングワイヤ側の端部にコーティング方向に対向して前記コーティング材が付着し易い面取り部が形成されていることを特徴としている。
さらに、請求項３に係るタービンのコーティング施工方法は、請求項１に係る発明において、前記シールフィン溝に植え込み式シールフィンを植え込み、前記コーキングワイヤでかしめたときに、当該コーキングワイヤのシールフィン溝の開放端面側の端面が前記ロータ及びケーシングの何れかの対向面と面一となるように調整されていることを特徴としている。

さらにまた、請求項４に係るタービンのコーティング施工方法は、請求項１乃至３の何れか１つの発明において、前記コーティング施工を行なう際に、前記シールフィン部に隣接するタービン翼を植えたままの状態でコーティング材によるコーティング施工を行なうことを特徴としている。

また、請求項５に係るタービンのコーティング施工方法は、請求項１乃至４の何れか１つの発明において、前記コーティング施工は、溶射法により行なうことを特徴としている。

さらに、請求項６に係るタービンのコーティング施工方法は、請求項５に係る発明において、前記溶射法は高速フレーム溶射法及びプラズマ溶射法の何れか一方であることを特徴としている。
さらにまた、請求項７に係るタービンのコーティング施工方法は、請求項１乃至６の何れか１つに係る発明において、前記コーティング施工時のコーティング皮膜厚さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴としている。
なおさらに請求項８に係るタービンのコーティング施工方法は、請求項１乃至６の何れか１つに係る発明において、前記コーティング施工時のコーティング皮膜厚さが０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴としている。

以上のように、本発明によれば、植え込み式シールフィン構造を採用したタービンにおいて、シールフィン溝のエロージョン及びコロージョン等による損傷を防止するために、コーティング施工を行なうが、このコーティング施工をシールフィン植え込み前ではなく、シールフィン植え込み後に施工するので、シールフィン植え込み精度を確保しながらコーティング施工を行なうことができるという効果が得られる。さらに、コーキングワイヤ間のコーティング施工漏れを防止することができ、コーティング層によるシールフィン脱落防止効果も期待できる。このため、前述したように、シールフィン植え込み前にコーティング施工を行なう場合の、コーティング層の除去作業、シールフィン溝部にマスキングを施す場合のマスキング除去時のマスキング材とコーティング層の縁切り精度の悪化を招くことなく精度のよいコーティング施工を行なうことができる。しかも、シールフィン植え込み前にコーティング施工を行なう場合には、後のシールフィン植え込みを行なう際に、コーキングワイヤのかしめ時にコーティング層の割れ又はシールフィン植えかしめ時のタガネ誤打によるコーティング層の損傷も防止することができる。

また、シールフィン溝の軸方向のコーキングワイヤ側の端部にコーティング方向に対向してコーティング材が付着し易い面取り部を形成することにより、シールフィン溝部の開口側にも正確にコーティング材を付着させることができる。
さらに、シールフィン溝に植え込み式シールフィンを植え込み、コーキングワイヤでかしめたときに、コーキングワイヤのシールフィン溝の開放端面側の端面がロータ及びケーシングの何れかの対向面と面一となるように調整することにより、シールフィン溝の垂直面が露出することがなくなり、この垂直面へのコーティング材の付着を考慮する必要がなくなり、コーティング施工を容易に行なうことができる。

さらにまた、シールフィンを削り出しによって形成した削り出し式シールフィン構造を有する場合も、削り出しシールフィンを形成してシールフィン部を構成した後に、当該削り出しシールフィン部全体にコーティング材を用いてコーティング施工を行なうことにより、全てのシールフィン部に確実にコーティング層を形成することができる。
なおさらに、コーティング施工を行なう際に、前記シールフィン部に隣接するタービン翼を植えたままの状態でコーティング材によるコーティング施工を行なうことにより、翼脚溝のマスキングが不要となり、また翼植え時の衝撃によるコーティング層の割れ、剥離を防止することができる。

また、コーティング施工を溶射法によって行なうことにより、高硬度皮膜を形成することができ、エロージョン・コロージョン等による腐食損傷を確実に防止することができる。

以下、本発明の第１の実施形態を図面について説明する。
図１は、地熱蒸気タービンのロータに適用した場合の第１の実施形態を示す断面図である。
図中、１は地熱蒸気タービンロータであって、この地熱蒸気タービンロータ１は、外周部に軸方向に複数の翼溝２を形成したロータシャフト３と、翼溝２と嵌合する翼脚４をそれぞれ基部に有する複数の動翼５とを備えており、ロータシャフト３の翼溝２に動翼５の翼脚４が嵌合されている。

そして、ロータシャフト３の各動翼５間には、ケーシング（図示せず）に配設された静翼の先端と対向してラビリンスを形成する植え込み式シールフィン部７が配設されている。これら植え込み式シールフィン部７は、図２に示すように、隣接する翼溝２間に軸方向に所定間隔を保って例えば４本の円環状のシールフィン溝８が穿設され、これらシールフィン溝８内に高さの小さい植え込みシールフィン９と高さの高い植え込みシールフィン１０とが交互に配設され、各シールフィン９及び１０がコーキングワイヤ１１によってかしめることにより、シールフィン溝８内に固定されている。

また、シールフィン溝８の植え込みシールフィン９及び１０のコーキングワイヤ１１側の端面に、後述するコーティング噴射方向に対向するロータシャフトの外周面からコーキングワイヤ１１の外周側端面に至るＣ面取り部１２が形成されている。
そして、上記構成を有する植え込み式シールフィン部７の全てに対する植え込みシールフィン９及び１０の植え込みが完了し、且つロータシャフト３の翼溝２に対する動翼５の翼脚４の嵌合が完了した時点で、図示しないグランド部を含めて、図３に示すように、ロータシャフト３の軸直角方向をコーティング噴射方向としてコーティング材をコーティングするコーティング施工を行なうことにより、コーティング層１３を形成する。ここで、コーティング施工時のコーティング皮膜厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であり、好ましくは０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下に設定することが好ましい。

このコーティング施工としては、高速フレーム溶射法、プラズマ溶射法等の溶射法を適用する。高速フレーム（ＨＶＯＦ：Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙｇｅｎ Ｆｕｅｌ）溶射法は、酸素と燃料を使用した高速度ジェットフレーム溶射であって、高圧の酸素及び燃料の混合ガスを燃焼室内で燃焼させ、その燃焼炎をノズルによって絞って大気にでた瞬間に急激なガス膨張が発生し、超音速のジェットとなり、高速エネルギーにより加速された溶射材料は殆ど酸化や組成変化せず高密度皮膜を形成することができる。基礎温度は１５０℃以下で制御するため、熱歪みや基材の劣化を生じることがない特徴を有する。高速フレーム溶射材料としては、皮膜硬度の高い（Ｈｖ１０００〜１３００）ＷＣ／１０Ｎｉ、ＷＣ／１２Ｃｏ、ＷＣ／１４ＣｏＣｒ、ＷＣ／１７Ｃｏ、ＷＣ／１７ＣｏＷＣ、ＷＣ／２０Ｃｒ７Ｎｉ、Ｃｒ３Ｃ２／ＮｉＣｒ等がある。

一方、プラズマ溶射法は、プラズマジェットを用いて溶射材料を加熱・加速し、溶融又はそれに近い状態にして基材に吹き付ける溶射法であり、陰極と陽極間に電圧をかけ直流アークを発生させることにより、後方から送給されるアルゴンガス等の作動ガスが電離しプラズマジェットを発生し、そのプラズマフレーム中に溶射粉末材料をアルゴンガスなどで送給することにより、基材に吹き付けて溶射皮膜を形成する。このプラズマ溶射材料としては、エロージョンによる腐食損傷に効果があるＺｒＯ₂／２０Ｙ₂Ｏ、ＺｒＯ₂／２４ＭｇＯ、ＮｉＣｒＡｌＭｏＳｉＢＦｅ等があげられる。

このように、植え込みシールフィン９及び１０を全ての植え込み式シールフィン部７に植え込んだ状態で、溶射法によってコーティング施工を行なうことにより、図３に示すように、ロータシャフト３の外周面は勿論、シールフィン溝８のＣ面取り部１２及びコーキングワイヤ１１の外周面に連続するコーティング層１３を形成することができ、正確なコーティングを行なうことができる。この場合には、植え込みシールフィン９及び１０を植え込み式シールフィン部７に全て植え込み、さらに、翼溝２に動翼５の翼脚４を嵌合させた後にコーティング施工を行なうので、シールフィン植え込み精度を確保しながらコーティング施工を行なうことができると共に、コーキングワイヤ間のコーティング施工漏れを防止することができ、さらに、コーティング層によるシールフィン脱落防止効果も期待できる。

したがって、前述したように、シールフィン植え込み前にコーティング施工を行なう場合の、コーティング層の除去作業、シールフィン溝部にマスキングを施す場合のマスキング除去時のマスキング材とコーティング層の縁切り精度の悪化を招くことなく精度のよいコーティング施工を行なうことができる。しかも、シールフィン植え込み前にコーティング施工を行なう場合の、後のシールフィン植え込みを行なう際に、コーキングワイヤのかしめ時に生じるコーティング層の割れ又はシールフィン植えかしめ時のタガネ誤打によるコーティング層の損傷も防止することができる。

また、動翼５も配置した状態で行なうので、翼溝２のマスキングが不要となり、また翼植え時の衝撃によるコーティング層の割れや剥離を防止することができる。
なお、上記第１の実施形態においては、シールフィン溝８のコーキングワイヤ１１側にＣ面取り１２を行なう場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図４に示すように、Ｃ面取り部１２に代えてＲ面取り部１５を形成するようにしても、上記第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図５について説明する。
この第２の実施形態においては、植え込みシールフィン９及び１０を植え込み式シールフィン部７に植え込む際に、コーキングワイヤ１１の外周面とロータシャフト３の外周とに段差を生じないようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図５に示すように、植え込みシールフィン９及び１０を植え込み式シールフィン部７に植え込む際に、植え込みシールフィン９及び１０を固定するためのコーキングワイヤ１１をその外周側端面がロータシャフト３の外周面と面一となるように巻回してかしめるようにし、これに応じて面取り部１２を省略したことを除いては、前述した第１の実施形態と同様の構成を有し、図２との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。

この第２の実施形態によると、植え込みシールフィン９及び１０をシールフィン溝８に植え込む際に、コーキングワイヤ１１がその外周面がロータシャフト３の外周面と面一となるように巻回しているので、このコーキングワイヤ１１によってシールフィン溝８の垂直な側面が外部に露出することがないので、前述した第１の実施形態のように面取り部を形成する必要がなく、均一なコーティング層を形成することができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、植え込み式シールフィン部７を有する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第３の実施形態として、図６に示すように、ロータシャフト３をシールフィン１０の突出長さと等しい外径に形成し、このロータシャフト３のシールフィン以外の部分を旋削することにより、削り出しシールフィン２０及び２１を有する削り出し式シールフィン部２２を形成する場合には、前述した第１及び第２の実施形態と同様に、削り出しシールフィン部２２を形成し、ロータシャフト３の翼溝２に動翼５の翼脚４を嵌合させた状態で、軸直角方向から高速フレーム溶射法又はプラズマ溶射法によって、溶射材料を溶射する。これにより、図６に示すように、一様なコーティング層２３を形成することができると共に、シールフィン部に隣接するタービン翼を植えたままの状態でコーティング材によるコーティング施工を行なうことにより、翼脚溝のマスキングが不要となり、また翼植え時の衝撃によるコーティング層の割れ、剥離を防止することができる。

また、上記第１〜第３の実施形態においては、植え込みシールフィン又は削り出しシールフィン単独でシールフィン部を形成している場合について説明したが、これに限定されるものではなく、植え込みシールフィンと削り出しシールフィンを混在させるようにしてもよい。
さらに、上記第１〜第３の実施形態においては、動翼５をロータシャフト３に装着した後に、コーティング施工を行なう場合について説明したが、これに限定されるものではなく、シールフィン部へのシールフィンの形成が完了した後に、動翼５をロータシャフト３へ装着する前に、コーティング施工を行なうようにしてもよい。この場合には、コーティング施工の際に、翼溝２をマスキングする必要がある。

さらにまた、上記実施形態においては、タービンロータ１に形成したシールフィン部をコーティング施工する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、タービンロータ１を収容するケーシングのシールフィン部にコーティング施工する場合にも本発明を適用することができる。
なおさらに、上記第１〜第３の実施形態においては本発明を地熱蒸気タービンに適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、他の用途のタービンにも本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施形態を示すタービンロータの断面図である。 図１のシールフィン部の拡大断面図である。 シールフィン部にコーティング施工を行なった状態の拡大断面図である。 第１の実施形態の変形例を示す図２と同様のシールフィン部の拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態を示すシールフィン部の拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態を示すコーティング施工後のシールフィン部の拡大断面図である。

符号の説明

１…地熱蒸気タービンロータ、２…翼溝、３…ロータシャフト、４…翼脚、５…動翼、７…植え込み式シールフィン部、８…シールフィン溝、９，１０…植え込みシールフィン、１１…コーキングワイヤ、１２…Ｃ面取り部、１３…コーティング層、１５…Ｒ面取り部、２０，２１…削り出しシールフィン、２２…削り出し式シールフィン部、２３…コーティング層

Claims (8)

1. ケーシング内にロータを回転自在に配置したタービンのコーティング施工方法であって、
   前記ケーシング及びロータの対向面の少なくとも一方にシールフィン挿入溝を形成し、該シールフィン挿入溝に植え込み式シールフィンを植え、次いで前記植え込み式シールフィンをコーキングワイヤでかしめてシールフィン部を形成した状態で、コーティング材を用いてコーティング施工を行なうことを特徴とするタービンのコーティング施工方法。
2. 前記コーキングワイヤが、シールフィン溝の開放端面よりも内部側に位置し、前記シールフィン溝の前記コーキングワイヤ側の端部にコーティング方向に対向して前記コーティング材が付着し易い面取り部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンのコーティング施工方法。
3. 前記シールフィン溝に植え込み式シールフィンを植え込み、前記コーキングワイヤでかしめたときに、当該コーキングワイヤのシールフィン溝の開放端面側の端面が前記ロータ及びケーシングの何れかの対向面と面一となるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンのコーティング施工方法。
4. 前記コーティング施工を行なう際に、前記シールフィン部に隣接するタービン翼を植えたままの状態でコーティング材によるコーティング施工を行なうことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のタービンのコーティング施工方法。
5. 前記コーティング施工は、溶射法により行なうことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のタービンのコーティング施工方法。
6. 前記溶射法は高速フレーム溶射法及びプラズマ溶射法の何れか一方であることを特徴とする請求項５に記載のタービンのコーティング施工方法。
7. 前記コーティング施工時のコーティング皮膜厚さが０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のタービンのコーティング施工方法。
8. 前記コーティング施工時のコーティング皮膜厚さが０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のタービンのコーティング施工方法。

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