JPH1150944A

JPH1150944A - 水力機器

Info

Publication number: JPH1150944A
Application number: JP9207911A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Saito; 正弘齋藤; Masashi Takahashi; 雅士高橋; Toshihiro Watanabe; 俊寛渡邊; Akashi Oguma; 証小熊; Kazuaki Ikeda; 一昭池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 1999-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】耐蝕・耐摩耗性が大幅に向上し、高速の土砂噴
流に対して損傷を受け難く、長時間の耐用寿命の延命を
図ることにある。【解決手段】河川水を用いた高速の土砂噴流に晒される
流路を有する水力機器において、前記流路はその表面が
中心線平均粗さＲａ２μm 〜８μm 、最大高さＲmax ３
０μm 〜７０μm の被溶射体の下地処理による粗さを有
し、かつその粗面に耐蝕性及び耐摩耗性の粉末状溶射材
料が高速ガス炎溶射あるいは超高速ガス炎溶射により被
覆された保護皮膜を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は土砂噴流に対する流
路の耐蝕、耐摩耗性を大幅に向上させ得るようにした水
力機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばペルトン水車のような水力機器
は、ケーシングを通して導入された水によりランナを回
転駆動し、このランナに連結された発電機を駆動して発
電を行っている。

【０００３】図８はペルトン水車の構成を示す断面図で
ある。この水車は、水１を取入れる曲管状のケーシング
２と、導入された水を高速噴流として噴出するニードル
弁状のノズル部３と、このノズル部３からの噴流を受け
てハウジング４内で回転駆動されるランナ５の外周に設
置された水動力伝達用のバケット６等を備えた構成とな
っている。

【０００４】このようなペルトン水車において、河川か
ら導入された水１はケーシング２を通過した後、ノズル
部３で高速水に加速され、噴射口３ａからジェット水１
ａとなって噴出する。このときジェット水１ａはランナ
５の外周に設置されるバケット６に衝突し、水動力を伝
達した後、勢いを失って低速の水流となり、排水口７へ
排水された後、図示しない放水路を通って流れ去る。

【０００５】上記ランナ５はジェット水１ａと相対運動
をしながらジェット水１ａの水動力を機械的回転動力に
変えて、水車主軸を通して発電機へと水動力を伝達す
る。また、ノズル部３はケーシング２の先端部をなすニ
ードルヘッド内の中心部に円錐形のニードルチップ８を
配置した構成となっている。そして、このニードルチッ
プ８をニードルシステム９を介してサーボモータ１０で
軸方向に進退制御し、このニードルチップ８の位置によ
ってノズル部３の絞り量を定めることにより、バケット
６に衝突するジェット水１ａの流量調節を行い、バケッ
ト６への噴流制御、即ち出力制御を行うようになってい
る。

【０００６】ところで、国内の地域、時期あるいは天候
等によって作動用の河川水に土砂噴流が水車内に導入さ
れると、水車を構成する流路面と土砂噴流との接触によ
って機器の損傷を受ける。

【０００７】例えばペルトン水車の健全なバケット６
は、図９に示すように表面が滑らかで水切りが尖鋭な回
転長円面型であるが、高速のジェット水１ａがバケット
６の衝突面６ａの表面に接触したような場合には図１０
に示すようにバケット６の特に衝突面６ａの水切り周辺
が摩耗損傷６ｂを発生し、これにより水車効率の低下、
機器の信頼性低下等をもたらす。特に土砂が多い場合に
はこのような変形が１ケ月、または１週間程度の短期間
で発生する。バケット６が損傷すると水力機器の効率低
下を招くだけでなく、補修のために長期間の運転停止が
強いいられ、著しい稼働率低下をきたす。

【０００８】また、周期的に設備のメンテナンスを繰返
すと、多くのコストもかかる。そこで、従来では水力機
器の流路面の耐蝕、耐摩耗性の向上を図るため、種々の
対策が考えられている。例えば公知文献１（松縄朗、レ
ーザによる表面改質、レーザ研究第１６巻第８号、466
〜475 、1988) では、レーザにより表面材料を焼入れ硬
化することで表面改質を行い、これにより損傷防止を図
る技術が提案されている。

【０００９】また、公知文献２（山田他、金属溶射の水
力機械への応用、日立評論、VOL.64、No.2、45〜50、19
82) では、大気溶射によって材料表面を改質し、耐蝕・
耐摩耗性の向上を図る技術が提案されている。

【００１０】さらに、公知文献３（古久保、ＷＣ−Ｃｏ
減圧溶射皮膜の摩耗特性、溶射、VOL.27、No.4、47〜5
4、1990) では、減圧プラズマ溶射によって材料表面を
改質し、耐蝕・耐摩耗性の向上を図る技術が提案されて
いる。

【００１１】最近の公知文献（例えば特開平８−３３３
６７０号公報、特開平８−１９３５６８号公報、特開平
９−１０９８５号公報）では、硬質皮膜を被覆して損傷
を防ぐ対策が提案されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の表面改質技術では次のような種々の問題がある。レー
ザにより材料表面を焼入れ硬化する公知文献１の方法で
は、焼入れ深さを深くすることが困難であり、材料によ
っては靭性低下により亀裂発生等の問題を生じる。ま
た、大型部品や広範囲な部位へのレーザ照射は難しく、
加工範囲に限界がある。

【００１３】また、大気プラズマ溶射によって材料表面
を改質する公知文献２の方法では、溶射皮膜の気孔率が
高く、運転時に気孔を通って内部に侵入し、腐食が進行
して基体部と改質皮膜との界面の密着強度が低下するた
め、皮膜の剥離が招じる恐れがある。さらに、溶射皮膜
の粒子間結合力は比較的弱く、その皮膜が高流速の土砂
噴流との衝突によって損傷を受けやすい。例えば溶射施
工による膜厚は、アーク溶接で数mm、プラズマ溶射で数
百μm であり、比較的短時間で損傷が基材に達する。

【００１４】さらに、減圧プラズマ溶射によって材料表
面を改質する公知文献３の方法では、減圧プラズマ溶射
施工時に基材及びタングステンカーバイド（以下ＷＣと
記す）合金系皮膜１２が高温に加熱されるため、図１１
に示す二層積層体の有限要素法による応力解析結果の通
り、冷却時に両者材料の熱膨脹係数の差によって接合界
面１２ａにおいて最大の残留応力１２ｂが発生する。こ
の残留応力１２ｂは図１２に示すようにＷＣ合金系皮膜
１２の割れ・界面での剥離１３を促進させ、ＷＣ系の材
料は厚膜形成が困難であった。

【００１５】このように、従来の対策では高流速の土砂
噴流に対して必ずしも十分な硬化が得られず、耐蝕・耐
摩耗対策に苦慮しているのが実情である。本発明は上記
のような事情に鑑みなされたもので、製造時に発生する
残留応力を低減し、皮膜表面の割れや界面での剥離を防
止して、厚膜形成を可能とし、また高硬度で組織が緻密
で皮膜中に酸化物の巻き込みがなく、粒子間結合力に優
れた皮膜が基体部に強接合状態で形成でき、これにより
土砂噴流に対する耐蝕・耐摩耗性の向上を図ることがで
きる水力機器を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため次のような手段を講じたものである。請求項
１に対応する発明は、河川水を用いた高速の土砂噴流に
晒される流路を有する水力機器において、前記流路はそ
の表面が中心線平均粗さＲａ２μm 〜８μm 、最大高さ
Ｒmax ３０μm 〜７０μm の被溶射体の下地処理による
粗さを有し、かつその粗面に耐蝕性及び耐摩耗性の粉末
状溶射材料が高速ガス炎溶射あるいは超高速ガス炎溶射
により被覆された保護皮膜を有する。

【００１７】上記請求項１に対応する水力機器とすれ
ば、被溶射体と溶射皮膜との密着力を高めることができ
る。請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発
明の水力機器において、下地処理はスチールブラスト材
料、アルミナブラスト材料等のブラスト材料を用い、圧
縮空気供給方式のブラスト処理とするものである。

【００１８】上記請求項２に対応する水力機器とすれ
ば、請求項１に対応する発明の作用効果に加えて現場で
の汎用性が高く、被溶射体の表面を均一にすると共に、
皮膜の密着性に優れた表面粗さにできる。

【００１９】請求項３に対応する発明は、請求項２に対
応する発明の水力機器において、ブラスト処理時のブラ
スト材料は２５０μm 〜７００μm の粒径である。請求
項４に対応する発明は、請求項２に対応する発明の水力
機器において、圧縮空気供給方式のブラスト処理時の圧
力は３．３〜６kg/cm ² である。

【００２０】上記請求項３及び請求項４に対応する水力
機器とすれば、請求項２に対応する発明の作用効果に加
えて被溶射体の表面を均一にＲａ２μm 〜８μm 、Ｒma
x ３０μm 〜７０μm の表面粗さとすることができる。

【００２１】請求項５に対応する発明は、請求項１に対
応する発明の水力機器において、下地処理としてグライ
ンダーを用いる。上記請求項５に対応する水力機器とす
れば、請求項１に対応する発明の作用効果に加えて簡便
に被溶射体の表面をＲａ２μm 〜８μm 、Ｒmax ３０μ
m 〜７０μm の表面粗さとすることができる。

【００２２】請求項６に対応する発明は、請求項１に対
応する発明の水力機器において、保護皮膜は１mm以上の
膜厚である。上記請求項６に対応する水力機器とすれ
ば、請求項１に対応する発明の作用効果に加えて高速土
砂噴流による流路面の損傷寿命を延命することができ
る。

【００２３】請求項７に対応する発明は、請求項１に対
応する発明の水力機器において、粉末状溶射材料は被覆
溶射後の限界破壊ひずみが２０００×１０^-6以上の材料
である。

【００２４】上記請求項７に対応する水力機器とすれ
ば、請求項１に対応する発明の作用効果に加えて延性に
優れた皮膜となり、高速土砂噴流との接触及び衝突時の
衝撃を低減し、皮膜の割れ、剥離を低減できる。

【００２５】請求項８に対応する発明は、請求項１に対
応する発明の水力機器において、粉末状溶射材料は造粒
粉砕粉、スプレードライ粉、焼結粉砕粉、加熱中空球状
粉、電融粉砕粉の何ずれかである。

【００２６】請求項９に対応する発明は、請求項１に対
応する発明の水力機器において、保護皮膜は気孔率が３
％以下である。上記請求項８及び請求項９に対応する水
力機器とすれば、請求項１に対応する発明の作用効果に
加えて緻密で密着性が高く、高硬度で延性に優れた皮膜
とすることができる。

【００２７】請求項１０に対応する発明は、請求項１に
対応する発明の水力機器において、前記保護皮膜はその
中に含まれる酸化物量が４％以下である。上記請求項１
０に対応する水力機器とすれば、請求項１に対応する発
明の作用効果に加えて皮膜中の気孔を少なくし、高硬度
で皮膜粒子間結合を高めた皮膜とすることができる。

【００２８】請求項１１に対応する発明は、請求項１に
対応する発明の水力機器において、保護皮膜はその中の
未溶融粒子の量が２％以下である。上記請求項１１に対
応する水力機器とすれば、請求項１に対応する発明の作
用効果に加えて粒子間結合力を高め、緻密で高硬度の皮
膜とすることができる。

【００２９】請求項１２に対応する発明は、請求項１に
対応する発明の水力機器において、粉末状溶射材料は
０．５ＭＰａ以上の圧力を有する高圧差動型内燃燃焼方
式の溶射ガンを用いて被覆溶射されるものである。

【００３０】上記請求項１２に対応する水力機器とすれ
ば、請求項１に対応する発明の作用効果に加えて緻密で
密着性が高く、高硬度で延性に優れた皮膜を溶射するこ
とができる。

【００３１】請求項１３に対応する発明は、請求項１に
対応する発明の水力機器において、粉末状溶射材料は高
速ガス炎溶射あるいは超高速ガス炎溶射により音速の２
倍以上の速度で被溶射体に衝突させて被覆溶射されるも
のである。

【００３２】上記請求項１３に対応する水力機器とすれ
ば、請求項１に対応する発明の作用効果に加えて皮膜の
気孔を低減し、皮膜の粒子間結合力及び皮膜の密着力を
高め，皮膜に圧縮の残留を作用させ、厚膜を被覆でき
る。

【００３３】請求項１４に対応する発明は、請求項１に
対応する発明の水力機器において、粉末状溶射材料は高
速ガス炎溶射あるいは超高速ガス炎溶射により2700℃以
上の燃焼温度で被覆溶射されるものである。

【００３４】上記請求項１４に対応する水力機器とすれ
ば、請求項１に対応する発明の作用効果に加えて皮膜の
気孔を低減し、皮膜の粒子間結合力及び皮膜の密着力を
高めることができる。

【００３５】請求項１５に対応する発明は、請求項１又
は請求項６に対応する発明の水力機器において、保護皮
膜は皮膜中に作用する残留応力が圧縮又は零となるよう
にしたものである。

【００３６】上記請求項１５に対応する水力機器とすれ
ば、請求項１又は請求項６に対応する発明の作用効果に
加えて皮膜に発生する割れや剥離を防止することができ
る。請求項１６に対応する発明は、請求項１、請求項
６、請求項９乃至請求項１１、請求項１５の何ずれか一
つの項に対応する発明の水力機器において、保護皮膜は
その表面粗さがＲａ２μm 〜１０μm である。

【００３７】上記請求項１６に対応する水力機器とすれ
ば、請求項１、請求項６、請求項９乃至請求項１１、請
求項１５の何ずれかに対応する発明の作用効果に加えて
高速土砂噴流との接触及び衝突時の摩擦抵抗を低減する
と共に、溶射皮膜の剥離を低減できる。

【００３８】請求項１７に対応する発明は、請求項１に
対応する発明の水力機器において、被溶射体は炭素鋼、
ステンレス鋳鍛鋼、セラモックス、樹脂、ゴムの何ずれ
かあるいは２種以上で構成されたものである上記請求項
１７に対応する水力機器とすれば、請求項１に対応する
発明の作用効果に加えて機種、容量に限定されない溶射
施工ができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図１（ａ），（ｂ）は本発明の第１
の実施の形態として下地処理による基材表面粗さと溶射
皮膜の密着強度の関係を示した図である。

【００４０】ここでは基材として水車の流路に多用され
ている１３Ｃｒ鋳鋼品を用い、超高速ガス炎溶射法によ
り溶射材料を溶射してＷＣ−１２Ｃｏ皮膜を求めた実験
値である。この場合、皮膜と基材の密着強度はテーパピ
ン法を用いて評価した。ブラスト条件は後述する最適値
を用いた。すなわち、アルミナブラスト材、粒径２８０
μm 、ブラスト圧力５kg/cm ² 、ブラスト距離１００mm
にて１０秒間処理を行ったものである。

【００４１】図から明らかなように中心線平均粗さＲａ
が１μm 近傍から１０μm 近傍までの間の皮膜と基材の
密着強度についての関係を調べたところ、Ｒａが増加す
るにしたがって皮膜の密着強度も増加するが、Ｒａが７
μm を過ぎると密着強度は再度低下を始めることが判明
した。

【００４２】このような実験値より皮膜の密着強度は、
従来の大気プラズマ溶射による皮膜の密着強度の最大が
８０ＭＰａであるところから、本実施の形態の設計値で
は８０ＭＰａ以上としている。すなわち、皮膜と基材の
密着強度が８０ＭＰａ以上となる基材表面粗さは、中心
線平均粗さＲａが２〜８μm 、最大高さＲmax が３０〜
７０μm であることが分かる。

【００４３】したがって、高速の土砂噴流が接触あるい
は衝突する流路に耐蝕性及び耐摩耗性の粉末状の溶射材
料を被覆溶射する際、被溶射体の下地処理による表面粗
さをＲａ２μm 〜８μm 、Ｒmax ３０〜Ｒmax ７０とし
て溶射材料を被覆溶射することで、被溶射体と溶射皮膜
との密着力を高めることができる。

【００４４】なお、上記は超高速ガス炎溶射にて被覆す
る場合であるが、高速ガス炎溶射で被覆する場合も同様
である。ここで、水車の流路表面を上述する粗さとする
場合の具体的な下地処理について述べる。

【００４５】図２はブラスト粒子径及びブラスト圧力と
表面粗さの関係を示した図である。図２に示した値は、
１３Ｃｒ鋳鋼品にブラスト条件を変えてブラスト処理を
行い、その後表面粗さ計により基材表面の粗さを測定し
て求めた実測値である。図から明らかなようにブラスト
の粒径を大きくするほど表面粗さは粗くなることが分か
る。

【００４６】また、ブラスト圧力を高くすることによっ
ても、表面粗さは粗くなることが分かる。表面粗さを粗
くするには、ブラストの粒径、ブラスト圧、ブラスト材
料をそれぞれ変えることで可能である。図より最適な基
材表面粗さＲａ２μm 〜８μm は、ブラストの粒径２５
０μm 〜７００μm を用いることで得られ、この時のブ
ラスト圧力は、３．３〜６kg/cm ² であることが分か
る。

【００４７】したがって、溶射前の下地処理としてブラ
スト粒径２５０μm 〜７００μm 、ブラスト圧力は３．
３〜６kg/cm ² の条件にてブラスト処理を行うことで、
密着強度の高い皮膜を得ることができる。

【００４８】次に水車の流路表面を上記のように下地処
理による粗さとした後、粉末状の溶射材料を被覆溶射し
て皮膜を形成する場合の実施の形態を述べる。図３は本
発明の第２の実施の形態として運転年数と土砂摩耗試験
による皮膜の損傷深さの関係を示した図である。

【００４９】ここでは基材表面に耐蝕性及び耐摩耗性の
粉末粒子を１mm以上被覆溶射した場合の運転年数と土砂
摩耗試験による皮膜の損傷深さをそれぞれ計測したもの
である。この場合、ＷＣ−１２Ｃｏの溶射皮膜への高速
土砂噴流の吹付け角度は、溶射皮膜の損傷が最大を示す
９０度とした。また、ＷＣ−１２Ｃｏの溶射皮膜は、超
高速ガス炎溶射法により５mmの膜厚を溶射した。

【００５０】実験結果から得られた単位時間当たりの損
傷深さを実機の運転時間に換算し、基材３０に損傷の及
ばない溶射皮膜３１の膜厚を求めた。図から明らかなよ
うに基材の損傷深さＡに比べて溶射皮膜３１の損傷深さ
は少ない。実機の土砂摩耗による皮膜損傷時間として
は、１日８時間運転、１年間に２００日運転、水力機器
の定期点検間隔２年に交換あるいは補修するとした場合
で、基材に損傷が及ばない溶射皮膜の膜厚は１mmである
ことが分かった。

【００５１】したがって、高速の土砂噴流が接触あるい
は衝突する流路に耐蝕性及び耐摩耗性の粉末粒子を１mm
以上被覆溶射することで、高速土砂噴流による水力機器
の流路面の損傷寿命を延命することができる。

【００５２】図４は本発明の第３の実施の形態としてビ
ッカース硬さと皮膜限界破壊ひずみの関係を示した図あ
る。ここでは被覆溶射材料として被覆溶射後の皮膜限界
破壊ひずみが２０００×１０^-6ストレイン以上のひずみ
を有することが必要であることを示した皮膜のビッカー
ス硬さと皮膜限界破壊ひずみの関係を示している。すな
わち、基材表面に市販の粉末状の溶射材料を超高速ガス
炎溶射法により溶射し、皮膜の３点曲げ試験を実施して
求めた皮膜の破壊ひずみである。この破壊ひずみは溶射
皮膜にひずみゲージを貼付して３点曲げ試験で破壊する
ひずみを求めた。

【００５３】また、同様に皮膜の硬さをビッカース硬さ
計により測定した。河川水を用いた高速の土砂噴流に
は、主に硅砂が多く含まれており、その硬さはＨｖ１０
００以上である。すなわち、河川水を用いた高速の土砂
噴流に対抗するには、硅砂の硬さＨｖ１０００以上の硬
質皮膜（設計値）が必要であることは明かである。

【００５４】しかしながら、溶射施工条件によっては皮
膜が硬たければ皮膜の靭性は低下し、硬さと靭性が相反
する特性を示す。皮膜には硬さと靭性が要求されるた
め、本実施の形態では最適溶射施工条件を用いること
で、皮膜の硬さと靭性が両立した硬質皮膜を得た。

【００５５】したがって、溶射材料として図から明らか
なようにＨｖ１０００以上を有する皮膜の限界破壊ひず
みが２０００×１０^-6ストレン以上のひずみを必要とす
ることが分かる。

【００５６】また、延性に優れた皮膜であることは、高
速土砂噴流との接触及び衝突時の衝撃を低減し、皮膜の
割れ、剥離を低減できる優れた効果が得られる。図５は
本発明の第４の実施の形態として被覆溶射後の保護皮膜
の気孔率及び未溶融粒子量と皮膜の密着強度の関係を示
した図である。

【００５７】ここでは耐蝕性及び耐摩耗性の粉末粒子を
被覆溶射して保護皮膜を形成するが、そのときの気孔率
及び未溶融粒子量と皮膜の密着強度の関係を次のように
するものである。即ち、皮膜の密着強度は基材の表面粗
さ、皮膜中の未溶融粒子の量、気孔率、皮膜の硬さ、皮
膜の残留応力によって異なる。

【００５８】また、皮膜中に巻込まれる酸化物量、使用
する溶射粉末の種類や形状によっても異なる。そこで、
市販の造粒粉砕粉、スプレードライ粉、焼結粉砕粉、加
熱中空球状粉、電融粉砕粉のいずれかの溶射粉末を用い
て気孔率、未溶融粒子量、皮膜の密着強度の関係につい
て求めた。

【００５９】本実施の形態の実験結果より明らかなよう
に、皮膜の気孔率が多くなるにしたがって、皮膜の密着
強度は急激に低下することが明かである。これは皮膜の
粒子間結合力が低下することも示しており、気孔率３３
及び未溶融粒子量３４が多くなるにしたがって、気孔が
少なく、未溶融粒子量も少ない皮膜が必要であることが
分かる。

【００６０】図から皮膜の密着強度を８０ＭＰａ（設計
値）とした場合、皮膜の気孔率は３％以下、皮膜の未溶
融粒子量は２％以下とすることが最適である。この時の
皮膜中に巻込まれる酸化物量を定量分析により測定した
結果、４％以下の酸化物であることが分かった。

【００６１】したがって、気孔率３％以下、未溶融粒子
量２％以下、酸化物量４％以下とすることで、皮膜が緻
密で皮膜粒子間結合力を高めると共に、密着強度が高
く、高速土砂噴流との接触および衝突時の皮膜損傷を低
減することができる。

【００６２】上記各実施の形態において、高速ガス炎溶
射あるいは超高速ガス炎溶射にて被覆する際、実験によ
り高速ガス炎溶射あるいは超高速ガス炎溶射装置の施工
条件を変えて最適な施工条件を求めた結果、０．５ＭＰ
ａ以上の圧力、２７００℃以上の燃焼温度、音速の２倍
以上の速度で衝突させ、粉末粒子を溶射する装置の燃料
に酸素、水素、アセチレン、プロピレン、灯油の何ずれ
かまたはその混合したものを用いて、高圧作動型内燃燃
焼方式の溶射ガンで被覆溶射することが最適な条件であ
る。

【００６３】すなわち、被覆溶射後の被覆中に作用する
残留応力をＸ線応力測定により求めた結果、皮膜に圧縮
または零となるような残留応力は溶射装置の圧力を高
く、粉末を溶融する燃焼温度を高く、粉末の飛行速度を
早くすることで得られた。この溶射後の皮膜に作用する
残留応力は、皮膜の割れ、剥離に関して重要な関係があ
る。特に皮膜の残留応力を圧縮することで、皮膜の亀裂
発生を低減すると共に、皮膜に発生した亀裂の進展を低
下させることができる。また、皮膜の残留応力を圧縮す
ることで、溶射施工時の剥離を防止することができるた
め厚膜の被覆が可能である。

【００６４】前述の条件にて溶射施工した皮膜の表面を
表面粗さ計で測定した結果、被覆溶射後の皮膜の表面粗
さはＲａ２μm 〜１０μm の範囲であることが分かっ
た。したがって、被覆溶射後の皮膜の表面粗さはＲａ２
μm 〜１０μm の範囲にすることで、高速土砂噴流との
接触及び衝突時の摩擦抵抗を低減すると共に、溶射皮膜
の剥離を低減できる。

【００６５】図６は本発明の第５の実施の形態として、
被溶射体と溶射ガンとの距離を変えた場合の被溶射体と
溶射ガンとの距離に対する皮膜気孔率の関係を示した図
である。図から明らかなように、被溶射体と溶射ガンと
の距離が大きくなると気孔率は低下し、１００〜２００
mmで最も気孔率が少なくなる。しかしながら、被溶射体
と溶射ガンとの距離が２００mmより大きくなると気孔率
が多くなるため、上昇曲線を描く。

【００６６】したがって、気孔率を本実施の形態の３％
以下とすれば、被溶射体と溶射ガンとの距離は１００mm
以上とすることが最適であることが分かる。被溶射体と
溶射ガンとの距離を１００mm以上とすることにより、緻
密で密着性が高く、高硬度で延性に優れた皮膜を被溶射
体に均一に被覆することができる。

【００６７】実際に高速ガス炎溶射あるいは超高速ガス
炎溶射にて、炭素鋼、ステンレス鋳鍛鋼品、セラミック
ス、樹脂、ゴムの何ずれかあるいは２種以上で構成した
被溶射体に被覆溶射したところ、同様の被溶射体と溶射
ガンとの距離を変えた場合の被溶射体と溶射ガンとの距
離に対する皮膜気孔率の関係が得られた。

【００６８】したがって、機種、容量に限定されない溶
射施工が可能であることが明らかである。ここで、実機
を想定した本発明の実験結果について説明する。

【００６９】図７に土砂摩耗試験結果によって得られた
溶射皮膜材料（ＷＣ−１２Ｃｏ）と基材（１３Ｃｒ鋳鋼
品）の損傷量を示す。土砂摩耗試験は、土砂として０．
０５mmのアルミナを用い、水に対する混合量を１０００
ppm とし、高速土砂噴流速度４０ｍ／秒にて高速土砂噴
流と試験片の衝突角度を３０〜９０度まで変化させた。

【００７０】試験前後の試験片重量を電子天秤により測
定し、得られた重量減量を使用した材料の比重で除して
損傷量とした。横軸には高速土砂噴流と試験片の衝突角
度を示し、縦軸には単位時間当たりの堆積損傷量を示
す。図から明らかなように、溶射皮膜の土砂摩耗の損傷
は、高速土砂噴流と試験片の衝突角度が垂直になるほど
増加することが分かる。一方、基材の土砂摩耗の損傷
は、溶射皮膜とは反対に高速土砂流と試験片の衝突角度
が垂直になるほど低下することが分かる。

【００７１】溶射皮膜の土砂摩耗損傷形態は、高速土砂
流による疲労破壊によるものであり、皮膜に靭性が乏し
いことから、皮膜の結晶粒子単位で亀裂が発生し、剥離
が繰返される。基材の土砂摩耗損傷形態については、高
速土砂噴流による引掻きが主である。また、基材は溶射
皮膜に比べて延性が高いために、結晶単位の破壊より高
速土砂噴流に含まれる土砂の形状によって左右されるも
のと考えられる。

【００７２】したがって、溶射皮膜の場合には未溶融粒
子の量が少なく、皮膜が緻密であるほど高速土砂噴流に
よる損傷は低下するものと考えられる。ところが、図か
ら明らかなように皮膜の土砂摩耗損傷は基材の土砂摩耗
損傷の反対で、高速の土砂噴流が低角度に衝突する場合
には有効であるが、高速の土砂噴流と垂直の角度では損
傷が大きいために適用に当たっては適用する部位を十分
考慮した皮膜溶射を行う必要がある。

【００７３】即ち、溶射皮膜は高速の土砂噴流との衝突
角度が６０度以下の部位に適用することが有効である。
但し、土砂流や土砂噴流の速度によって変ることがある
ので、土砂噴流との衝突角度は６０度以上であっても適
用することが可能である。

【００７４】なお、上記各実施の形態では、本発明を水
車に適用する場合について述べたが、例えば水中ポンプ
を含む他の水力機器に対しても前述同様に適用実施でき
るものである。

【００７５】

【発明の効果】以上本発明によれば、耐蝕・耐摩耗性が
大幅に向上し、高速の土砂噴流に対して損傷を受け難
く、長時間の耐用寿命を有し、補修が簡単で機器の信頼
性を向上させることができる水力機器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するための下
地処理による基材表面粗さと溶射皮膜の密着強度の関係
を示した図。

【図２】第１の実施の形態において、下地処理の具体例
としてブラスト粒子径及びブラスト圧力と表面粗さの関
係を示した図。

【図３】本発明の第２の実施の形態を説明するための運
転年数と土砂摩耗試験による皮膜の損傷深さの関係を示
した図。

【図４】本発明の第３の実施の形態を説明するためのビ
ッカース硬さと皮膜限界破壊ひずみの関係を示した図。

【図５】本発明の第４の実施の形態を説明するための気
孔率及び未溶融粒子量と皮膜の密着性の関係を示した
図。

【図６】本発明の第５の実施の形態を説明するための被
溶射体と溶射ガンとの距離に対する気孔率の関係を示し
た図。

【図７】実機を想定した本発明の実験結果を説明するた
めの皮膜と基材の土砂摩耗損傷量を示した図。

【図８】ペルトン水車の構成例を示す断面図。

【図９】同水車のランナ部に設けられている正常なバケ
ットの形状を示す図。

【図１０】同じく異常状態となったバケットの形状を示
す図。

【図１１】二層積層体の有限要素法応力解析による接合
界面の残留応力を示す図。

【図１２】従来のＷＣ合金皮膜の割れ、剥離状態を示す
図。

【符号の説明】

１……水１ａ……ジェット水２……ケーシング３……ノズル部３ａ……噴射口４……ハアジング５……ランナ６……バケット６ａ……衝突面６ｂ……摩耗損傷７……排水口８……ニードルチップ９……ニードルシステム１０……サーボモータ１１……基体部構造材１２……ＷＣ系合金皮膜１２ａ……接合界面１２ｂ……二層積層体の残留応力１２ｃ……傾斜組成材の残留応力１３……割れ・界面での剥離３０……基材３１……溶射皮膜３３……皮膜の気孔率３４……皮膜中の未溶融粒子量

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】河川水を用いた高速の土砂噴流に晒され
る流路を有する水力機器において、前記流路はその表面が中心線平均粗さＲａ２μm 〜８μ
m 、最大高さＲmax ３０μm 〜７０μm の被溶射体の下
地処理による粗さを有し、かつその粗面に耐蝕性及び耐
摩耗性の粉末状溶射材料が高速ガス炎溶射あるいは超高
速ガス炎溶射により被覆された保護皮膜を有することを
特徴とする水力機器。
【請求項２】請求項１記載の水力機器において、下地
処理はスチールブラスト材料、アルミナブラスト材料等
のブラスト材料を用い、圧縮空気供給方式のブラスト処
理とすることを特徴とする水力機器。
【請求項３】請求項２記載の水力機器において、ブラ
スト処理時のブラスト材料は２５０μm 〜７００μm の
粒径であることを特徴とする水力機器。
【請求項４】請求項２記載の水力機器において、圧縮
空気供給方式のブラスト処理時の圧力は３．３〜６kg/c
m ² とすることを特徴とする水力機器。
【請求項５】請求項１記載の水力機器において、下地
処理としてグラインダーを用いたことを特徴とする水力
機器。
【請求項６】請求項１記載の水力機器において、前記
保護皮膜は１mm以上の膜厚としたことを特徴とする水力
機器。
【請求項７】請求項１記載の水力機器において、前記
粉末状溶射材料は被覆溶射後の限界破壊ひずみが２００
０×１０^-6以上の材料であることを特徴とする水力機
器。
【請求項８】請求項１記載の水力機器において、前記
粉末状溶射材料は造粒粉砕粉、スプレードライ粉、焼結
粉砕粉、加熱中空球状粉、電融粉砕粉の何ずれかである
ことを特徴とする水力機器。
【請求項９】請求項１記載の水力機器において、前記
保護皮膜は気孔率が３％以下であることを特徴とする水
力機器。
【請求項１０】請求項１記載の水力機器において、前
記保護皮膜はその中に含まれる酸化物量が４％以下であ
ることを特徴とする水力機器。
【請求項１１】請求項１記載の水力機器において、前
記保護皮膜はその中の未溶融粒子の量が２％以下である
ことを特徴とする水力機器。
【請求項１２】請求項１記載の水力機器において、粉
末状溶射材料は０．５ＭＰａ以上の圧力を有する高圧差
動型内燃燃焼方式の溶射ガンを用いて被覆溶射されたこ
とを特徴とする水力機器。
【請求項１３】請求項１記載の水力機器において、粉
末状溶射材料は高速ガス炎溶射あるいは超高速ガス炎溶
射により音速の２倍以上の速度で被溶射体に衝突させて
被覆溶射されたことを特徴とする水力機器。
【請求項１４】請求項１記載の水力機器において、粉
末状溶射材料は高速ガス炎溶射あるいは超高速ガス炎溶
射により2700℃以上の燃焼温度で被覆溶射されたことを
特徴とする水力機器。
【請求項１５】請求項１又は請求項６記載の水力機器
において、保護皮膜は皮膜中に作用する残留応力が圧縮
又は零となるようにしたことを特徴とする水力機器。
【請求項１６】請求項１、請求項６、請求項９乃至請
求項１１、請求項１５の何ずれか一つの項に記載の水力
機器において、保護皮膜はその表面粗さがＲａ２μm 〜
１０μm であることを特徴とする水力機器。
【請求項１７】請求項１記載の水力機器において、被
溶射体は炭素鋼、ステンレス鋳鍛鋼、セラモックス、樹
脂、ゴムの何ずれかあるいは２種以上で構成されたもの
である水力機器。