JPWO2018181559A1 - 遮熱コーティング皮膜およびタービン部材 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2017年3月28日に日本に出願された特願2017−62063号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
図1は、本発明の実施形態におけるガスタービンの概略構成図である。
図1に示すように、本実施形態におけるガスタービン1は、圧縮機2と、燃焼器3と、タービン本体4と、ロータ5とを備えている。
圧縮機2は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する。
燃焼器3は、圧縮機2にて圧縮された圧縮空気Aに燃料を混合して燃焼させる。
ロータ5は、タービン本体4の回転する動力の一部を圧縮機2に伝達して圧縮機2を回転させる。
図2は、本発明の実施形態における動翼の概略構成を示す斜視図である。
図2に示すように、動翼7は、動翼本体71と、プラットホーム72と、翼根73と、シュラウド74と、を備えている。動翼本体71は、タービン本体4のケーシング6内の燃焼ガスG流路内に配されている。プラットホーム72は、動翼本体71の基端に設けられている。このプラットホーム72は、動翼本体71の基端側において燃焼ガスGの流路を画成する。翼根73は、プラットホーム72から動翼本体71と反対側へ突出して形成されている。シュラウド74は、動翼本体71の先端に設けられている。このシュラウド74は、動翼本体71の先端側において燃焼ガスGの流路を画成する。
図3に示すように、動翼7は、母材10と、コーティング層11とにより構成されている。
母材10は、Ni基合金等の耐熱合金からなる。
コーティング層11は、母材10の表面を覆うように形成されている。このコーティング層11は、結合層12と、遮熱コーティング皮膜13とを備えている。
このようにYbSZからなる遮熱コーティング皮膜13の気孔率が溶融塩環境下での使用における耐久性に及ぼす影響は、後に実験例に従って詳細に説明するように、本発明者等の詳細な実験によって見出されたことである。
結合層12の厚みは特に限定されないが、一般には、例えば特許文献4の請求項4に示されるように、0.01mm〜1mm程度とすることが望ましい。
また遮熱コーティング皮膜13の厚みは、一般には、同じく特許文献4の請求項4に示されるように、0.01mm〜1mm程度が好ましい。0.01mm未満では、遮熱の効果を充分に発揮させることが困難となるおそれがある。一方、1mmを越えれば、遮熱性は高くなるものの、耐久性が低下傾向となるおそれがある。
遮熱コーティング皮膜13を溶射によって形成する際の溶射材の組成は、安定化材としての酸化イッテルビウム(Yb2O3)が、特許文献2の請求項6に示されると同様に、16〜20重量%、残部が実質的にジルコニア(ZrO2)であることが望ましい。
次に、上述したコーティング層11を母材10の表面に形成するタービン部材の形成方法の一例について説明する。
図4は、この発明の実施形態におけるタービンの形成方法のフローチャートである。
図4に示すように、まず、母材形成工程S1として、母材10を目的のタービン部材、例えば、動翼7の形状となるように形成する。この実施形態における母材10は、上述したNi基耐熱合金などを用いて形成する。
for the Saudi Arabian Market』によれば、ASLのRabighII原油では、Na+Kが2.1ppm、Vが0.5ppm、Sが0.1wt%程度含まれており、当該ガスタービンメーカも、このような原油を使用する場合に、これら成分が過剰に多い場合には、考慮が必要としている。さらに、本発明の遮熱コーティング皮膜は、油燃料に限らず、低質燃料として石炭ガス化燃料などを使用する場合にも有効である。
[http://www.energy.siemens.com/hq/pool/hq/energy-topics/pdfs/en/techninal%20paper/Siemens-Technical%20Paper-Latest-Developments-for-Saudi-Arabian-Market.pdf]
以下の実験は、本発明者等が開発した溶融塩浸透試験装置を用いて溶融塩浸透実験を行い、さらに溶融塩浸透実験後の試験片について、レーザ熱サイクル試験を行ったものである。そこで、先ず溶融塩浸透試験装置及びその装置を用いての溶融塩浸透実験について、図5〜図9を参照して説明する。
図5は、溶融塩浸透試験に供した試験片100の部分断面斜視図である。
図5に示すように、試験片100は、ガスタービンのタービン翼の表面を模擬して形成されている。この試験片100は、母材10と、その母材10上のコーティング層11とにより構成されており、コーティング層11は、母材側の結合層12と、表面側の遮熱コーティング皮膜13とによって構成されている。また試験片100は、円盤状に形成されている。
図6に示すように、溶融塩浸透試験装置50は、燃焼器51と、収容支持部53と、加速器54と、塩供給部60とを備えている。この溶融塩浸透試験装置50は、溶融塩を含む燃焼ガスを、上述した試験片100に衝突させる装置である。ユーザは、この溶融塩浸透試験装置50により試験を行った試験片100を観察することで、コーティング層11の溶融塩の浸透状態を評価することができる。ここで、コーティング層11について、溶融塩の浸透状態を評価することで、例えば、コーティング層11の劣化を判断することができる。
チャンバー57は、その内部に試験片100を収容する収容空間Sを備える。チャンバー57を構成する各壁部59も、上述した燃焼器51の容器51bと同様に、断熱性に優れた材料を用いて形成されている。つまり、チャンバー57は、壁部59の断熱性により収容空間Sを保温可能となっている。これら壁部59および容器51bは、断熱材自体により形成されるか、又は、躯体(図示せず)に断熱材が取り付けられて形成されている。
図6、図7に示すように、支持部本体58は、試験片100を下方から支持するとともに、試験片100の裏面側に露出する母材10を冷却する。この支持部本体58は、冷却空気供給部61と、支持環部62と、を備えている。
冷却空気供給部61は、外部から供給される冷却空気を、母材100に対して吹き付ける。この冷却空気供給部61は、空気供給管63と、箱体64とを備えている。
図6に示すように、この加速器54は、絞り部66と、直管部67と、を備えている。
絞り部66は、燃焼ガスGの流れる方向における上流側の端部が、燃焼器51に接続されている。この絞り部66は、燃焼ガスGの流れる方向で下流側に向かうほど流路断面積が漸次減少する管状に形成されている。この実施形態における絞り部66は、一定の傾斜角度で流路断面積が減少している。絞り部66は、例えば、内壁と外壁とからなる二重構造として、その間の空間に絞り部66の過熱を抑制するための冷却空気を流すようにしても良い。
図8に示すように、この実施形態における絞り部66の傾斜角度θは、燃焼ガスGの加速に必要な角度に形成されている。ここで、傾斜角度θは、軸線O1に垂直な水平面に対する角度である。
直管部67の内径D2は、燃焼器51の燃焼ガスGの量を基に、直管部67の出口における流速が、音速よりも低くなる大きさとされている。例えば、燃焼器51の負荷が100%のときの燃焼ガスGの量を「Q」(m3/s)、燃焼ガスGの音速を「Vc」(m/s)とすると、内径D2は、以下の(1)式で求めることができる。
D2=(Q/Vc×4/π)0.5・・・(1)
絞り部66のガス流速を「V1」、直管部67のガス流速を「V2」とすると、以下の(2)式が成り立つ。
V1/V2=D2/D1・・・(2)
圧縮機40は、一定の圧力で二流体ノズル43に向けて圧縮された空気を供給する。この圧縮機40は、上述した絞り部36に冷却空気を供給する圧縮機と共用するようにしても良い。
同様に、塩供給部60は、圧縮機40と二流体ノズル43との間にバルブV2を備えている。バルブV1は、二流体ノズル43へ水溶液を供給する際に開弁され、それ以外は閉弁される。一方で、バルブV2は、常時開弁されており、例えば、メンテナンス時等に閉弁される。
次に、上記の溶融塩浸透試験装置50による溶融塩浸透試験方法について説明する。
図9は、本例における溶融塩浸透試験方法のフローチャートである。
図9に示すように、まず、母材10の表面にコーティング層11を有する試験片100を作成する(ステップS01)とともに、塩の水溶液を作成する(ステップS02)。
その後、試験片100を支持部本体58にセットする(ステップS03)とともに、水溶液を溶液タンク41に貯留させる(ステップS04)。なお、溶液タンク41の中で塩と水とを混ぜて水溶液を作成しても良い。なお、ステップS01とステップS02との順番は逆にしたり、同時に行うようにしたりしても良く、同様に、ステップS04とステップS05との順番は、逆にしたり同時に行うようにしたりしても良い。
すると、燃焼器51において圧縮空気と燃料とが混合状態で燃焼されて、高温の燃焼ガスGが生成される。さらに、この高温の燃焼ガスGに対して、空気供給部55を介して圧縮空気が供給されて温度調整される。
さらに、塩供給部60のバルブV1,V2を開弁して、加速器54に霧化された水溶液の供給を開始する(ステップS06)。すると、燃焼ガスGにより水溶液に含まれる塩が加熱されて溶融塩となり、この溶融塩がさらにガス化する。ここで、水溶液に含まれる水は、加熱されて蒸発する。
ユーザは、この状態を所定時間継続した後(ステップS07)、溶融塩浸透試験装置50を停止させて(ステップS08)、試験片100を収容支持部53から取り出し、遮熱コーティング皮膜13の溶融塩の浸透状態などを評価する(ステップS09)。
さらに、観察窓部65を介してエロージョン試験中の試験片100の状態を観察することができる。そのため、試験片100の境界条件と、実機の境界条件との間にずれが生じることを抑制できる。
図10に示すように、熱サイクル試験装置80は、本体部83上に配設された試料ホルダ82に、母材10上にコーティング層11が形成された試料101を、コーティング層11が外側となるように配置し、この試料101に対してCO2レーザ装置84からレーザ光Lを照射することで試料101を、コーティング層11側から加熱するようになっている。また、CO2レーザ装置84による加熱と同時に本体部83を貫通して本体部83の内部の試料101裏面側と対向する位置に配設された冷却ガスノズル85の先端から吐出されるガス流Fにより試料101をその裏面側から冷却するようになっている。
図5に示すような試験片100を次のようにして作成した。
Ni基合金からなる母材10の表面に、特許文献2の実施例1に示されるCo−32Ni−21Cr−8Al−0.5Yなる組成のCoNiCrAlY合金からなるボンドコート層(結合層)を、低圧プラズマ溶射法により、厚さ0.1mmに形成した。
その結合層12の表面に、YbSZを大気圧プラズマ溶射法により溶射してトップコート層(遮熱コーティング皮膜)13を形成して、コーティング層11をトータル平均厚み0.5m厚で形成し、試験片No.1〜No.3とした。
・燃焼ガス温度:1500℃
・燃焼ガス種類:LPGガス
・燃焼ガス流速:300m/s
・TBC表面温度:1100℃
・ボンドコート温度:800℃
・供給溶融塩:硫酸ナトリウム(Na2SO4)水溶液
・供給濃度 :0.046%の濃度となるように純水と混合
・供給時間:8h
なおこれらの試験条件は,予備試験により通常のYSZを用いた遮熱コーティング皮膜内にNa2SO4が充分に浸透する条件を確認し、その条件に従ったものである。
そして、遮熱コーティング皮膜13の表面の温度T1と、遮熱コーティング皮膜13と結合層12の界面位置の温度T2との差ΔT(=T1−T2)を繰り返し付与し、遮熱コーティング皮膜の耐久性を調べた。ここで、上記の温度差ΔTの値は、遮熱コーティング皮膜における耐久性の程度を示す指標であり、そこで耐久性評価としては,1000サイクルを経過しても、剥離が生じない限界の温度差ΔT(剥離限界TBC内温度差)にて評価した。
これに対して溶射距離が長いNo.3およびYSZを用いた従来材のNo.4では、皮膜全体にわたりNaが多量に浸透していることが確認された。
ここで、図13、図14における熱サイクル耐久性評価は、従来材No.4の剥離限界TBC内温度差ΔTを基準値1とし、それに対するNo.1〜No3の試験片のΔTの相対値で示した。なお各試験片におけるトップコート層の気孔率は、既に説明したように、断面の光学顕微鏡写真(例えば図15)を画像処理により2値化して、その2値化画像(例えば図16)から気孔部分を抽出し、その気孔部分の面積率から求めた。
一方、YbSZを用い、溶射距離が長いNO.3も、通常のYSZを用いたNo.4に比べれば、高い耐久性を示すものの、No.1、No.2と比べれば、やや耐久性が低くなっている。
2:圧縮機
3:燃焼器
4:タービン本体
5:ロータ
6:ケーシング
7:動翼
8:静翼
10:母材
11:コーティング層
12:結合層(ボンドコート層)
13:遮熱コーティング皮膜(トップコート層)
Claims (6)
- 低質燃料を使用するガスタービンエンジンにおけるタービン部材を構成する耐熱合金からなる母材上に溶射形成されたセラミック材料からなる遮熱コーティング皮膜であって、
前記皮膜のセラミック材料としてイッテルビア部分安定化ジルコニアが用いられ、且つその皮膜の気孔率が5%以上、8%未満である遮熱コーティング皮膜。 - 請求項1に記載の遮熱コーティング皮膜において、前記気孔率が5〜6%の範囲内である遮熱コーティング皮膜。
- 皮膜形成のためのセラミック溶射粉末として、積算粒度10%粒径が30μm以上100μm以下とされる粒度分布を有し、かつ最大粒径が150μm以下とされ、粒径30μmの粒子を3%以下、粒径40μmの粒子を8%以下の割合で含有する溶射粉末が用いられている遮熱コーティング皮膜。
- 請求項1〜請求項3のいずれかの請求項に記載の遮熱コーティング皮膜が、母材上に形成されているタービン部材。
- 請求項4に記載のタービン部材において、前記遮熱コーティング皮膜が、前記母材の表面に結合層を介して形成されているタービン部材。
- 請求項4、請求項5のいずれかの請求項に記載のタービン部材において、その用途が重油焚きガスタービンであるタービン部材。
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