JP5951801B2 - 分離接合部を有するターボ機械コンポーネントおよび当該ターボ機械コンポーネントを有する蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、分離接合部を有するターボ機械コンポーネントと、当該ターボ機械コンポーネントを有する蒸気タービンとに関する。

たとえば蒸気タービンのようなターボ機械は、中に蒸気タービンのロータが軸受されているハウジングを備える。たとえばロータをハウジングから取り出すために、ハウジングを開けることができるように、当該ハウジングは水平の分離接合部を備えており、その結果ハウジングは下部分と上部分との２つに分かれる。分離接合部での水蒸気の漏れを阻止するために、分離接合部では下部分にも上部分にも、間にたとえばシールリングがはめ込まれているシール面を備える必要がある。フランジを備えることによって、下部分と上部分とを互いに螺合することができ、シール面の互いに対する予め決められた押圧力を発生させることができる。

シール面は、蒸気タービンの駆動時に、たとえばエロージョン・コロージョンや、圧力勾配と温度勾配とによる負荷のような摩耗プロセスにさらされている。その上、蒸気タービンの駆動時の振動現象によって、下部分と上部分との相対的運動が起こりかねず、それによってシール面での摩擦コロージョンが起こりかねない。シール面の摩耗および／またはコロージョンは、シール能力の低下に至り、その結果最終的に水蒸気の漏れが生じかねない。従来、摩耗プロセスに耐えるために、かつ下部分と上部分の高い強度を達成するために、下部分も上部分も高合金でそれゆえ高価な鋼から作られている。

本発明の課題は、互いに線接触するシール面を有するターボ機械コンポーネントと、当該ターボ機械コンポーネントを有する、低価格で製造可能な蒸気タービンとを提供することである。

本発明に係るターボ機械コンポーネントは、分離接合部によって分離されておりかつ分離接合部にそれぞれ１つのシール面を備える、少なくとも２つの部分コンポーネントを備え、両シール面の少なくとも１つは、その頂部において凸状構造が形成されており(crowned)、その結果、両シール面の線接触が形成されており、シール面の少なくとも１つには、厚さが最大３０μｍで気相蒸着法によって塗布された、硬質材料を備えるコーティングまたは、厚さが最大３０μｍで気相蒸着法によって塗布されたかあるいは厚さが最大３００μｍで溶射法によって塗布された、クロム含有合金を備えるコーティングを備える。

本発明に従えば、コーティングは非透過性に形成される。その上、コーティングと部分コンポーネントとの間には、付加的な潤滑膜は設けられていない。

分離接合部は、ターボ機械コンポーネントの２つの部分コンポーネントが接触するあらゆる場所に形成されている。これはたとえば、２つに分けられたハウジングに当てはまり、同様に考えられ得るのは、分離接合部が静翼支持体とハウジングとの間に形成されていることである。ターボ機械コンポーネントは、化学的に耐性があり、摩耗および／またはエロージョンに対して耐久性があるコーティングを備え、それによって有利には、ターボ機械コンポーネント全体を、化学的に耐性があり、摩耗および／またはエロージョンに対して耐久性がある材料で作る必要がなく、それによってターボ機械コンポーネントの製造は低価格になる。選択されたコーティング法と、それに属するコーティング材料と、挙げられた層厚との組み合わせによって、コーティングがターボ機械コンポーネントに良好に付着することになり、それによって、互いに線接触するシール面のためのコーティングは、充分な強度を備える。

好ましくは、合金は１０質量％以上の分量のクロム、特に１５質量％から２５質量％のクロムを備える。その上、合金がニッケル特に７５質量％から８５質量％のニッケルを備えることが好ましい。

溶射法によって塗布され得るコーティングは好ましくは、さらなる硬質材料の粒子を備える。これによって、摩耗に対するコーティングの耐久性が、有利に高まる。粒子は好ましくは、セラミック粒子である。さらなる硬質材料は好適には、炭化物、特に炭化タングステン、炭化チタンおよび／または炭化クロムを備える。さらなる硬質材料は好ましくは、コーティングにおいて、７０質量％から８０質量％の質量分量を有する。溶射法は好ましくは、高速フレーム溶射あるいは低温ガス溶射あるいはデトネーション溶射である。

硬質材料は好適には、窒化物、特に窒化クロム、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、あるいはホウ化物、特にホウ化チタンを備える。気相蒸着法は好適には、ＰＶＤ（物理的蒸着）あるいはＣＶＤ（化学的蒸着）のグループの方法である。気相蒸着法は特に、小さいターボ機械コンポーネントに適している。

本発明に係る蒸気タービンは、ターボ機械コンポーネントである分けられた蒸気タービンハウジングを備える。蒸気タービンハウジングは、その分離接合部に、コーティングを有するシール面を備え、それによってシール面は、化学的に耐性があり、摩耗に対して耐久性がある。コーティングを備えることによって有利には、蒸気タービンハウジング全体を高合金の高価な材料で作る必要がない。

以下において、本発明に係るターボ機械コンポーネントの好ましい実施形態が、添付の概略図に基づいて説明される。図に示されるのは以下である。

分離接合部と当該分離接合部の詳細図ＩＩとを有する、ターボ機械のハウジングの断面図である。 図１の詳細図ＩＩである。

図１から分かるように、ターボ機械である蒸気タービン１は、ターボ機械コンポーネントであるハウジング２を備える。ハウジング２の内部では、流体１１、特に水蒸気が流通可能である。ハウジング２は、当該ハウジング２を第１部分コンポーネント４と第２部分コンポーネント５とに分割する、水平に設けられた分離接合部３を備える。分離接合部３に、第１部分コンポーネント４は第１シール面６を備え、第２部分コンポーネント５に第２シール面７を備える。両シール面６、７は凸型に成形されており、その結果、シール面６、７はその頂部において凸状球形構造が形成される。ハウジング２が組み立てられた状態では、シール面６、７は、これらが互いに当接し合う箇所に、接触線８を形成する。接触線８の形成によって、流体１１がハウジング２から流出するのを阻止する。

シール面６、７は、蒸気タービン１において、エロージョン・コロージョンにさらされかねない。蒸気タービン１の駆動時に振動が起これば、シール面６、７は互いに相対的に動きかねず、それによってシール面６、７に磨滅および／または摩擦コロージョンが生じかねない。これらの種類のコロージョンは、シール面６、７を摩耗させ、その結果流体１１がハウジング２から流出しかねない。

図２において示されているのは、第１シール面６に第１コーティング９が付けられており、第２シール面７に第２コーティング１０が付けられていることである。コーティング９、１０が溶射層である場合には、コーティング９、１０の厚さは最大３００μｍである。コーティング９、１０が気相蒸着法によって塗布されている場合には、コーティング９、１０の厚さは最大３０μｍである。

たとえば、コーティング９、１０は、厚さが２００μｍで、かつ８０質量％のニッケルと２０質量％のクロムとから成る合金から作られていてよいであろう。そうであればコーティング９、１０は、低温ガス溶射によってシール面６、７に塗布されている。

代替的に、コーティング９、１０は、厚さが２５０μｍで、かつ１５質量％のクロムと８５質量％のニッケルとを備える合金のマトリックスから作られていてよいであろう。マトリックスには、炭化クロムの粒子が入れられており、その際当該粒子は、分量がコーティング９、１０の７５質量％である。コーティング９、１０は、高速フレーム溶射によってシール面６、７に塗布されている。

さらなる模範的な一実施形態において、コーティング９、１０は、厚さが２０μｍで、かつ窒化クロムから作られている。その際コーティング９、１０は、物理的蒸着法（ＰＶＤ）によってシール面６、７に塗布されている。

原則的に考えられ得るのは、両シール面６、７が異なる種類のコーティングも備えているか、あるいは両シール面６、７の１つだけがコーティングされているということである。第１シール面６はたとえば、化学的蒸着法によって塗布されている、ホウ化チタンから成る厚さが３０μｍのコーティング９を備える。第２シール面７はたとえば、デトネーション溶射によって塗布されている、８５質量％のニッケルと１５質量％のクロムとから成る合金から成る厚さが１００μｍの層を備える。

図１と図２の実施形態とは異なって、たとえば、第１シール面が平らで第２シール面が、その頂部において球形の構造を有するよう形成されることによっても、接触線が同様に形成され得るであろう。さらに考えられ得るのは、両シール面が平らに実施されていて、シール面の間にシールリングが設けられており、その結果シール面とシールリングとの間にそれぞれ１つの接触線が形成されていることである。

本発明は、好ましい実施例によって、細部においてより詳細に図解されかつ記述されたが、本発明は開示された例によって限定されるものではなく、別のヴァリエーションが、本発明の保護範囲から離れることなく、当業者によって本発明から導き出されてよい。

１ 蒸気タービン
２ ハウジング
３ 分離接合部
４ 第１部分コンポーネント
５ 第２部分コンポーネント
６ 第１シール面
７ 第２シール面
８ 接触線
９ 第１コーティング
１０ 第２コーティング
１１ 流体

Claims (15)

1. ターボ機械コンポーネントであって、
   分離接合部（３）によって分離されておりかつ該分離接合部（３）にそれぞれ１つのシール面（６、７）を備える、少なくとも２つの部分コンポーネント（４、５）を有し、
   ２つの前記シール面（６、７）の少なくとも１つは、２つの前記シール面（６、７）の間に線接触が形成されるように、その頂部において凸状構造になされており、
   該シール面（６、７）の少なくとも１つには、厚さが最大３０μｍで気相蒸着法によって取り付けられた、硬質材料を備えるコーティング（９、１０）、または、厚さが最大３０μｍで気相蒸着法によって取り付けられたかあるいは厚さが最大３００μｍで溶射法によって塗布された、クロム含有合金を備えるコーティング（９、１０）を備え、
   該コーティングは非透過性となるように形成されており、
   前記ターボ機械コンポーネント（１）が、分けられた蒸気タービンハウジングである、ターボ機械コンポーネント。
2. 前記コーティングと前記部分コンポーネント（４、５）との間に付加的な潤滑膜がない、請求項１に記載のターボ機械コンポーネント。
3. 前記合金におけるクロムの割合は、１０質量％以上である、請求項１あるいは２に記載のターボ機械コンポーネント。
4. 前記合金は、ニッケルを備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のターボ機械コンポーネント。
5. 溶射法によって塗布される前記コーティング（９、１０）は、さらなる硬質材料の粒子を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のターボ機械コンポーネント。
6. 前記粒子はセラミック粒子である、請求項５に記載のターボ機械コンポーネント。
7. 前記さらなる硬質材料は、炭化物を備える、請求項５あるいは６に記載のターボ機械コンポーネント。
8. 前記さらなる硬質材料は、前記コーティング（９、１０）において、７０質量％から８０質量％の質量分量を有する、請求項５から７のいずれか１項に記載のターボ機械コンポーネント。
9. 溶射法は、高速フレーム溶射あるいは低温ガス溶射あるいはデトネーション溶射である、請求項１から８のいずれか１項に記載のターボ機械コンポーネント。
10. 前記硬質材料は、窒化物あるいはホウ化物を備える、請求項１に記載のターボ機械コンポーネント。
11. 気相蒸着法は、ＰＶＤ（物理的蒸着）あるいはＣＶＤ（化学的蒸着）のグループの方法である、請求項１あるいは１０に記載のターボ機械コンポーネント。
12. 前記合金におけるクロムの割合は、１５質量％から２５質量％である、請求項１あるいは２に記載のターボ機械コンポーネント。
13. 前記合金は、７５質量％から８５質量％のニッケルを備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のターボ機械コンポーネント。
14. 前記さらなる硬質材料は、炭化タングステン、炭化チタンおよび／または炭化クロムを備える、請求項５あるいは６に記載のターボ機械コンポーネント。
15. 前記硬質材料は、窒化クロム、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、あるいはホウ化チタンを備える、請求項１に記載のターボ機械コンポーネント。

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