JP5951387B2 - ラビリンスシール部およびタービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ラビリンスシール部およびタービンに関する。

タービンにおいて、ロータに取り付けられる動翼の端部と、対向するシュラウドセグメントとの間、または静翼ダイヤフラム（内輪）と、対向するロータとの間における作動流体のリーク（漏れ）が発生すると、タービンの運転効率が低下する原因となるので、このリークを低減する必要がある。このリークの低減のために、上述したように対向する部品の片側または両側を加工して凸凹状に形成したラビリンスシール部を設けている。

特開２０１２−６２８８７号公報

しかし、タービンにおけるロータに取り付けられる動翼の端部とシュラウドセグメントとの間、または静翼ダイヤフラムとロータとの間を流れる作動流体は高温であるので、ラビリンスシール部のフィンの温度が高温となり、減肉損傷の原因となる。この減肉損傷の程度が大きくなると、作動流体のリークが増加し、タービンの性能が低下する。

本発明が解決しようとする課題は、タービンにおける対向部品の間の作動流体の漏れを低減し、かつ、減肉損傷に起因する漏れの増加を防止することを可能にするラビリンスシール部およびタービンを提供することにある。

実施形態によれば、ラビリンスシール部は、タービンの回転部に対向して設けられる静止部の基材に対して取り付けられ、セラミック材からなるフィンが前記回転部に向かって延出する部材を有し、前記基材の表面に被覆形成されたボンドコーティング層と、前記ボンドコーティング層上に被覆形成され、前記フィンを含む遮熱コーティング層とを有する。
実施形態によれば、ラビリンスシール部は、タービンの回転部に対向して設けられる静止部の基材に対して取り付けられ、セラミック材からなるフィンが前記回転部に向かって延出する部材を有し、前記基材の表面に被覆形成されたボンドコーティング層と、前記ボンドコーティング層上に被覆形成された遮熱コーティング層と、前記遮熱コーティング層および前記ボンドコーティング層を介して前記基材に挿入され、前記フィンを含むセラミック部材とを有する。

本発明によれば、タービンにおける対向部品の間の作動流体の漏れを低減し、かつ、減肉損傷に起因する漏れの増加を防止することができる。

第１の実施形態に係る火力発電システムの概略構成の一例を示すブロック図。 第１の実施形態に係る火力発電システムのタービンにおけるラビリンスシール部の適用箇所を示す図。 第１の実施形態に係る火力発電システムのタービンにおけるラビリンスシール部の構成例を示す図。 第２の実施形態に係る火力発電システムのタービンにおけるラビリンスシール部の構成例を示す図。 第３の実施形態に係る火力発電システムのタービンにおけるラビリンスシール部の構成例を示す図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る火力発電システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
近年、タービンの作動流体としてＣＯ_２を使用し、発電とＣＯ_２の分離・回収を同時に行える、環境調和性の高い火力発電システムの実現が検討されている。
例えば超臨界圧のＣＯ_２を用いた酸素燃焼の循環システムを構成し、ＣＯ_２を有効活用することで、ＮＯ_ｘを排出しないゼロエミッションのシステムを実現することが可能となる。

このような火力発電システムでは、例えば、天然ガス（メタン等）および酸素を燃焼器に導入して燃焼させ、これにより発生する高温ＣＯ_２を作動流体としてタービンを回転させて発電を行い、タービンから排出されるガス（ＣＯ_２および水蒸気）を、熱交換器により冷却し、水分を分離した後、ＣＯ_２を高圧ポンプで圧縮し、高圧ＣＯ_２を得て、その大部分を熱交換器により加熱して燃焼器へ循環させる一方で、残りの高圧ＣＯ_２を回収して他の用途に使用する。

図１に示される火力発電システムは、タービンの作動流体としてＣＯ_２を使用し、発電とＣＯ_２の分離・回収を同時に行える、環境調和性の高い火力発電システムである。この火力発電システムでは、超臨界圧のＣＯ_２を用いた酸素燃焼の循環システムを構成し、ＣＯ_２を有効活用することで、ＮＯ_ｘを排出しないゼロエミッションのシステムを実現する。

図１に示される火力発電システムは、主な構成要素として、燃焼器１、タービン２、発電機３、熱交換器４、冷却器５、湿分分離器６、および高圧ポンプ７を有する。なお、燃焼器１はタービン２と一体化されていてもよい。

燃焼器１は、タービン２の排ガスからリサイクルして得られる高圧ＣＯ_２を導入するとともに、燃料のメタンおよび酸素を導入して燃焼し、高温（例えば約１１５０℃）のＣＯ_２を発生する。

タービン２は、燃焼器１から発生する高温のＣＯ_２をタービン内部に作動流体として導入し、膨張仕事をさせ、動翼を通じてロータを回転させる一方で、熱交換器４内の流路の途中から低温（例えば約４００℃）のＣＯ_２をタービン内部に冷却・シール流体として導入し、動翼やその周辺部（内部ケーシング等）の冷却や作動流体の外部への漏洩を防ぐシール処理を行わせ、膨張仕事および冷却・シール処理をそれぞれ終えたガス（ＣＯ_２および水蒸気）を排出する。

発電機３は、タービン２と同軸上に配置され、タービン２の回転に応じて発電する。
熱交換器４は、熱交換により、タービン２から排出されるガス（ＣＯ_２および水蒸気）から熱を奪うとともに、タービン２に再び導入されるＣＯ_２に対して熱を与える。この場合、熱交換器４は、例えば約７００℃のＣＯ_２を燃焼器１に供給するとともに、熱交換器４内の流路の途中から得られる例えば約４００℃のＣＯ_２をタービン２に供給する。

冷却器５は、熱交換器４により熱を奪われたガスをさらに冷却する。
湿分分離器６は、冷却器５により冷却されたガスから水分を分離し、水分が取り除かれたＣＯ_２を出力する。
高圧ポンプ７は、湿分分離器６により水分が取り除かれたＣＯ_２を圧縮し、高圧のＣＯ_２を出力し、その大部分をタービン再導入のために熱交換器４に供給する一方で、残りの高圧ＣＯ_２を他の設備へ供給する。

このような構成において、燃焼器１に、タービン２の排ガスからリサイクルして得られる高圧ＣＯ_２が導入され、燃料のメタンおよび酸素が導入されて燃焼すると、高温ＣＯ_２が発生する。燃焼器１から発生した高温ＣＯ_２は、タービン２の上流段側上方より作動流体として導入される一方で、熱交換器４内の流路の途中から供給される低温ＣＯ_２が、タービン２の上流段側下方より冷却流体・シール流体として導入される。高温ＣＯ_２は、タービン２内で膨張仕事をし、動翼を通じてタービンを回転させる一方で、低温ＣＯ_２は動翼やその周辺部（内部ケーシング等）の冷却やシール処理を行う。タービン２のロータが回転すると、発電機３が発電する。

膨張仕事および冷却・シール処理を終えたガス（ＣＯ_２および水蒸気）は、タービン２から排出され、熱交換器４により熱を奪われた後、冷却器５によりさらに冷却され、湿分分離器６により水分を分離された後、水分の取り除かれたＣＯ_２が取り出される。湿分分離器６により水分が取り除かれたＣＯ_２は、高圧ポンプ７により圧縮され、高圧ＣＯ_２として出力され、その大部分がタービン再導入のために熱交換器４に供給される一方で、残りの高圧ＣＯ_２が他の設備へ供給される。熱交換器４に供給された高圧ＣＯ_２は、熱交換器４により熱が与えられ、燃焼器１に供給されるとともに、この高圧ＣＯ_２よりも温度の低い高圧ＣＯ_２がタービン２に供給される。

このように構成することにより、ＣＯ_２を分離・回収する設備（ＣＣＳ）を別途設けることなく、高純度の高圧ＣＯ_２を回収することができる。また、回収される高圧ＣＯ_２は、貯留することができるほか、石油採掘現場で用いられているＥＯＲ（Enhanced Oil Recovery）にも適用できる等、有効に活用することができる。

図２は、第１の実施形態に係る火力発電システムのタービンにおけるラビリンスシール部の適用箇所を示す図である。なお、図２中の破線で示される矢印は、回転体と静止体の間からリークする作動流体の流れを表している。
本実施形態におけるタービン２は、図２に示されるように、高温ＣＯ_２を作動流体とする単流式のタービンであり、主な構成要素として、軸受（ジャーナル，スラスト軸受等）により車軸が支持されるロータ（回転体）１１、ロータ１１を囲むケーシング（静止部）１２を有する。

ロータ１１は、軸方向に沿った複数段の動翼１４を備えている。ケーシング１２は、ロータ１１側の複数段の動翼１４の位置に応じて配置された複数段の静翼（ノズル）１５を備え、この静翼１５には、ロータ１１と対向するように、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａが設けられ、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａにおけるロータ１１を向いた端部はロータ１１の表面に近接している。

また、ロータ１１の軸方向に沿って、ケーシング１２を高温の作動流体（高温ＣＯ_２）の熱から保護するとともに該作動流体が通る部分のクリアランスの調整を行うためのシュラウドセグメント１６がケーシング１２の内側に設けられて、図示しないフック部により静翼１５に保持される。このシュラウドセグメント１６における動翼１４の端部を向いた表面は、動翼１４の端部表面に近接している。また、タービン２内に導入された冷却用の流体（低温ＣＯ_２）が、ケーシング１２内に加工された冷却通路を介して、静翼１５の内部の冷却通路に流入し、この流体が静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａやシュラウドセグメント１６の内部の冷却通路に流入して各部を冷却できるようになっている。

本実施形態では、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａにおける、ロータ１１の表面に近接する表面にラビリンスフィン２０が形成される。また、本実施形態では、シュラウドセグメント１６における、動翼１４の端部表面に近接する表面にラビリンスフィン２０が形成される。

ただし、本実施形態では、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａやシュラウドセグメント１６の基材自体が加工されてラビリンスフィンが形成されるのではなく、この基材にボンドコーティング層を介して被覆形成した遮熱コーティング層（Thermal Barrier Coating：ＴＢＣ）の表面が加工されてラビリンスフィンが形成されることを特徴としている。

図３は、第１の実施形態に係る火力発電システムのタービンにおけるラビリンスシール部の構成例を示す図である。
以下、タービンの静止部の基材におけるラビリンスフィンを形成する部分が、シュラウドセグメント１６における、動翼１４の端部表面との近接部分である構成例を示すが、この基材は、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａにおける、ロータ１１との近接部分であってもよい。

図３に示した、シュラウドセグメント１６は、Ｎｉ、ＣｏおよびＦｅから選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とする耐熱合金からなる基材を有している。基材の構成材料には、使用用途などに応じて各種公知の耐熱合金を適宜選択して使用することができる。

基材に有効な耐熱合金としては、例えばＩＮ７３８、ＩＮ９３９、Ｍａｒ−Ｍ２４７、ＲＥＮＥ８０、ＣＭＳＸ−２、ＣＭＳＸ−４などのＮｉ基超合金、ＦＳＸ−４１４、Ｍａｒ−Ｍ５０９などのＣｏ基超合金などが挙げられる。

上記した基材における、対向部品である動翼１４の端部表面に対向する表面には、ボンドコーティング層２１が被覆形成されている。ボンドコーティング層２１は、耐食・耐酸化性に優れると共に、基材と後述する遮熱コーティング層２２との中間の熱膨張係数を有するＭ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金（ＭはＮｉ、ＣｏおよびＦｅから選ばれる少なくとも１種の元素を示す）で形成することが好ましい。

Ｍ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙ合金からなるボンドコーティング層２１は、耐食・耐酸化性を保証すると同時に、基材／遮熱コーティング層２２間の熱膨張差に起因する熱応力の緩和を図るものである。

ボンドコーティング層２１は、プラズマ溶射法、高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ）法、ＰＶＤ（物理的蒸着）法、ＣＶＤ（化学的蒸着）法などの成膜方法を適用して形成することができる。

上述したボンドコーティング層２１上には、遮熱コーティング層２２が被覆形成されている。遮熱コーティング層２２は、例えば耐熱性に優れると共に、金属材料などに比べて熱伝導性が低いセラミックス材料からなるものである。

遮熱コーティング層２２の形成材料としては、ジルコニア、ハフニア、アルミナ、窒化珪素、サイアロン、窒化チタン、窒化アルミニウムなどのセラミックス材料を使用することができる。これらのうちでも、特に熱伝導率が低く、かつ熱膨張係数が大きくて比較的金属に近いことから、ジルコニア（ＺｒＯ２）やハフニア（ＨｆＯ２）を適用することが好ましい。ジルコニアやハフニアは相変化を抑制するための安定化剤として、イットリア、カルシア、マグネシアなどを含有するものがより好ましく用いられる。

そして、本実施形態では、この遮熱コーティング層２２における、動翼１４を向く表面が、ロータ１１の軸方向に沿った所定間隔で凹凸状に加工されることで、シュラウドセグメント１６と動翼１４との間隙部分において、動翼１４の端部表面に向かって延出して、この動翼１４の端部表面に近接するラビリンスフィン２２ａが複数形成される。このように、ラビリンスフィン２２ａが形成されることで、基材と回転部との間隙部分の形状が作動流体の抵抗となるので、作動流体のリークが軽減される。

このラビリンスフィン２２ａが形成された遮熱コーティング層２２は、前述したように耐熱性に優れたものである。したがって、基材自体を加工してラビリンスフィンを形成する場合と異なり、このラビリンスフィンを通る作動流体が高温である事による、ラビリンスフィンの減肉損傷を防止することができる。よって、ラビリンスフィンの減肉損傷が大きくなることに起因する、基材と回転部との間隙部分からの作動流体のリークの増加および、タービンの性能の低下を防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態における火力発電システムの構成、およびタービンにおけるラビリンスシール部の適用箇所は第１の実施形態で示したものと基本的にほぼ同様であるので同一部分の説明は省略する。
本実施形態では、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａやシュラウドセグメント１６の基材に対し、ロータ１１の軸方向に沿った所定間隔で溝が複数形成され、この溝にセラミックプレートを挿入する事でラビリンスフィンが形成されることを特徴としている。

図４は、第２の実施形態に係る火力発電システムのタービンにおけるラビリンスシール部の構成例を示す図である。
本実施形態では、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａやシュラウドセグメント１６の基材の対向部品の近接部分にラビリンスシール部を形成する為に、以下の手順で加工を行なう。

ここでは、シュラウドセグメント１６における、動翼１４の端部表面との近接部分にラビリンスフィンを形成する構成例を示すが、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａにおける、ロータ１１との近接部分にラビリンスフィンを形成する構成も同様である。

まず、シュラウドセグメント１６の基材における、対向部品である動翼１４の端部表面に近接する表面には、第１の実施形態と同様にボンドコーティング層２１を被覆形成し、このボンドコーティング層２１上に遮熱コーティング層２２を被覆形成する。

そして、この形成した遮熱コーティング層２２における、対向する回転部の動翼１４の端部表面を向いた表面から、ボンドコーティング層２１を介する、基材における所定の深さの部分にかけて、ロータ１１の軸方向に沿った所定間隔で溝を複数形成する。

そして、この形成した溝のそれぞれに対してセラミックプレート３１を挿入し、セラミックプレート３１の一端部が、溝の入口部分から基材の対向部品である動翼１４の端部表面に向かって延出して、この動翼１４の端部表面に近接するようにする。このセラミックプレート３１は、遮熱コーティング層２２と同じく耐熱性を有するものである。

このような形成を行なうことにより、第１の実施形態と同じように、基材に対するラビリンスフィンが形成されることとなり、ラビリンスフィンを通る作動流体が高温である事による、ラビリンスフィンの減肉損傷を防止することができる。よって、ラビリンスフィン減肉損傷が大きくなることに起因する、作動流体のリークの増加および、タービンの性能の低下を防止することができる。

また、本実施形態では、セラミックプレート３１を用いてラビリンスフィンを形成するので、ラビリンスフィンを直線状に形成する事ができ、第１の実施形態と比較して、作動流体に対する抵抗を強める事ができるので、作動流体のリークの防止の効果を高める事ができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
本実施形態では、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａやシュラウドセグメント１６の基材に対し、ロータ１１の軸方向に沿った所定間隔でラビリンスフィンが形成された、セラミック材のブロックを取り付けることを特徴としている。

図５は、第３の実施形態に係る火力発電システムのタービンにおけるラビリンスシール部の構成例を示す図である。
ここでは、シュラウドセグメント１６における、動翼１４の端部表面との近接部分にラビリンスフィンを形成する構成例を示すが、静翼ダイヤフラム（内輪）１５ａにおける、ロータ１１との近接部分にラビリンスフィンを形成する構成も同様である。

本実施形態では、基材に対し、ラビリンスフィンが形成されたセラミック材でなるブロック材４１を取り付けて、これを保持するための、Ｔ字型をなす溝を形成する。
このブロック材４１における、対向部品である動翼１４の端部表面に近接させる側の表面には、ロータ１１の軸方向に沿った所定間隔で、動翼１４の端部表面に向かって延出して、この動翼１４の端部表面に近接するラビリンスフィン４１ａが複数形成される。

このブロック材４１は、基材に形成された溝にあわせてＴ字型に加工されており、ラビリンスフィン４１ａが対向部品の表面に近接するように基材の溝に組み込まれる。また、基材の溝は、ブロック材４１を組み込んだ際に隙間５０が生ずるように形成される。このように隙間を生じさせるのは、ブロック材４１と基材の間に熱膨張差が存在することによる、ブロック材４１と基材との間の組み込み状態への悪影響を生じさせないためである。

このような形成を行なうことにより、第１の実施形態と同じように、基材に対するラビリンスフィンが形成されることとなり、ラビリンスフィンを通る作動流体が高温である事による、ラビリンスフィンの減肉損傷を防止することができる。よって、ラビリンスフィン減肉損傷が大きくなることに起因する、作動流体のリークの増加および、タービンの性能の低下を防止することができる。

また、本実施形態では、ラビリンスフィンを形成したブロック材を基材とは別に用意し、このブロックを基材の溝に組み込めば、対向部品の表面に近接するラビリンスフィンを設ける事ができるので、第２の実施形態と比較して、基材に対する、対向部品の表面に近接するラビリンスフィンを容易に形成できる。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１…燃焼器、２…タービン、３…発電機、４…熱交換器、５…冷却器、６…湿分分離器、７…高圧ポンプ、１１…ロータ（回転体）、１２…ケーシング、１４…動翼、１５…静翼、１５ａ…静翼ダイヤフラム（内輪）、１６…シュラウドセグメント、２０…ラビリンスフィン、２１…ボンドコーティング層、２２…遮熱コーティング層、３１…セラミックプレート、４１…ブロック材。

Claims (4)

1. タービンの回転部に対向して設けられる静止部の基材に取り付けられ、セラミック材からなるフィンが前記回転部に向かって延出する部材を有し、
   前記基材の表面に被覆形成されたボンドコーティング層と、
   前記ボンドコーティング層上に被覆形成され、前記フィンを含む遮熱コーティング層とを有することを特徴とするラビリンスシール部。
2. タービンの回転部に対向して設けられる静止部の基材に取り付けられ、セラミック材からなるフィンが前記回転部に向かって延出する部材を有し、
   前記基材の表面に被覆形成されたボンドコーティング層と、
   前記ボンドコーティング層上に被覆形成された遮熱コーティング層と、
   前記遮熱コーティング層および前記ボンドコーティング層を介して前記基材に挿入され、前記フィンを含むセラミック部材と
   を有することを特徴とするラビリンスシール部。
3. 前記基材に加工された溝に組み込まれ、前記フィンを含むブロック材を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のラビリンスシール部。
4. 請求項１または２に記載のラビリンスシール部を有することを特徴とするタービン。

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