JP3851161B2

JP3851161B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP3851161B2
Application number: JP2001391062A
Authority: JP
Inventors: 秀行有川; 国弘市川; 静馬新谷; 秀高西田; 康光三好
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP2003185140A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電用ガスタービンのトランジションピース（尾筒）の摩耗損傷を防止したガスタービン燃焼器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンバインド発電システムなどの火力発電プラントで用いられるガスタービンは、燃焼ガス温度が１３００〜１５００℃と上昇していることから、耐熱性に優れたガスタービン材料の開発が数多く行われている。
【０００３】
また、ガスタービン運転時には、ローターの回転や、高速で流れる高温ガス、冷却空気の通過等に伴って、様々な個所で振動が発生する。
【０００４】
嵌合（はめ込み）により組み上げられた部材で振動が発生した場合には、部材同士の接触部で摩耗が発生し、高温下で摩耗損傷が生じる場合がある。摩耗損傷が生じる個所には、耐摩耗性に優れた材料やコーティング処理の適用が必要とされる。
【０００５】
これまでに耐摩耗コーティングとして、Ｃｏ合金のステライトを大気プラズマ溶射した例や、Ｃｒ₃Ｃ₂等のクロム炭化物相をニッケル−クロム合金のバインダ材料と混合して、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ：Ｈigh Ｖelocity Ｏxｙ-Ｆuel）によりガスタービン材料に施工した例が報告されている。
【０００６】
クロム炭化物コーティングを、ガスタービン部材に適用して摩耗損傷を低減した例としては特願平８−５３４９４号，特願平９−１９１５５４号公報等が挙げられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービン部材で生じる高温摩耗損傷は、そのメカニズムが複雑で部材の使用環境により摩耗状態は大きく変化する。そのため部材に応じて、適用するコーティング材料の種類、および、接触部材の組合せの適切な選択が必要となる。
【０００８】
摩耗条件が厳しいガスタービン部材の一つに、燃焼器ライナから高温ガスをタービン入口に導くトランジションピース（尾筒）がある。
【０００９】
トランジションピースは、高温強度を考慮してＮ２６３等のニッケル基合金で構成され、前部が円形、後方部が矩形という複雑な形状を有する。そして、最後部に取付けられた矩形の額縁と呼ばれる部分の周囲にスリットを設け、該スリット間に金属薄板のシール材を挟み込んで、トランジションピースと初段静翼とを嵌合している。また、同様のシール構造で隣接するトランジションピース同士も嵌合している。
【００１０】
ガスタービン稼動時において、トランジションピースの額縁部は５００℃を超える高温と、１００Ｈｚ以上の高周波数の振動とに同時に曝されるため、長時間の運転により額縁とシールの接触部で大きな摩耗損傷が生じる。特に、トランジションピースと初段静翼とを嵌合するフローティングシールと呼ばれる部材においては、静翼側から額縁側にシールが押し付けられるような力が作用するため、額縁最後部とフローティングシールの接触部で顕著な摩耗が発生し、問題となる場合が多い。
【００１１】
ここで、トランジションピースの接触部にクロム炭化物をコーティングしても、摩耗損傷を十分に防止できない場合がある。これは振動周波数が１００Ｈｚ以上と比較的高い場合には、額縁とシールの両面にコーティングを施して摺動すると、クロム炭化物粒子が相手側コーティング中の炭化物粒子を削り取り、クロム炭化物の脱落が生じるためである。
【００１２】
また、クロム炭化物コーティングをトランジションピース材のニッケル基合金と摺動させると、硬質なクロム炭化物がニッケル基合金表面を切削するアブレッシブ摩耗の状態となり、ニッケル基合金の摩耗損傷を増大する結果となる。
【００１３】
このように、クロム炭化物コーティングをトランジションピース額縁部へ適用しても、相手材の選択が適切でない場合は、コーティング層あるいは相手材のいずれかを大きく摩耗してしまう結果となる。
【００１４】
本発明の目的は、上記に鑑み、燃焼器トランジションピースの額縁部とフローティングシール嵌合部で発生する摩耗損傷を防止するための耐摩耗構造を有するガスタービン燃焼器を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、クロム炭化物コーティングの相手材について検討し、耐摩耗性に優れた耐熱材料としてコバルト基合金に着目した。ステライトＮｏ.６のような耐摩耗性に優れたコバルト基合金は通常、組織中に多量の炭化物を含むことから、炭化物の効果により耐摩耗性が優れると従来は考えられている。
【００１６】
しかし、このステライトＮｏ.６をクロム炭化物コーティングの相手材として高温下で摺動させた場合には、クロム炭化物コーティング側に大きな摩耗損傷が生じてしまい、好ましい結果が得られなかった。
【００１７】
一方、炭素含有量が０.１重量％と少なく炭化物の形成が非常に少ないＨＳ２５のようなコバルト基合金を、クロム炭化物コーティングの相手材として選び試験した場合には、両者共に摩耗損傷が小さくなり、非常に優れた耐摩耗性を示すことを見出した。
【００１８】
炭化物の形成が少ないコバルト基合金（固溶体型コバルト基合金）は、高温で摩耗を受けると摺動表面に摩耗紛が堆積して、緻密な付着層を形成する。このコバルト基合金の付着層は密着性が高く、摺動の際の摩擦抵抗を低下させて、摩耗損傷を減少すると推測される。一方、ニッケル基合金が摩耗した際に摺動部表面に形成される付着層は、密着性が低いため容易に表面から脱落し、摩耗損傷の低下に繋がらないと考えた。
【００１９】
また、固溶体型コバルト基合金を、クロム炭化物コーティングの相手材として高温ですべり摩耗させた場合には、コーティング層の摺動表面に相手材のコバルト基合金摩耗紛がより多く付着する傾向がある。これにより、コーティングのクロム炭化物粒子が付着層に覆われるため、クロム炭化物のコーティングからの脱落や、クロム炭化物の切削による相手材の損傷が無くなり、摩耗損傷が著しく低下することを見出した。
【００２０】
上記に基づき、トランジションピースの高温摩耗損傷を抑制するのに最も有効な方法は、額縁とフローティングシールの接触部を、固溶体型コバルト基合金とクロム炭化物コーティングとの組合せとすることである。ＨＳ２５等の固溶体型コバルト基合金は、容易に薄板状に加工することが可能で、コバルト基合金でシールを作製し額縁側にクロム炭化物コーティングを施工することが最も容易な対策である。
【００２１】
しかし、トランジションピースは厳しい摺動環境下で使用されるため、タービン運転中にクロム炭化物コーティング層に損傷が生じて、部分的に剥離を起こす可能性も考えられる。
【００２２】
ニッケル基合金表面にクロム炭化物をコーティングした場合には、コーティング層に剥離が生じた場合、ニッケル基合金が直接摩耗を受けるため、摩耗損傷が加速される懸念がある。従って、この構成の場合は、長期安定性の点で課題がある。
【００２３】
一方、本発明のコバルト基合金上にコーティングを施した場合は、コーティングが剥離しても基材のコバルト基合金にある程度の耐摩耗性があるため、摩耗損傷が加速度的に進行すると云う問題は解消される。
【００２４】
トランジションピースの摩耗損傷低減に最も有効な対策として、本発明は、炭素含有量の少ない固溶体型コバルト基合金でフローティングシールを作製し、シール材と同材質の薄板材をトランジションピース額縁側摺動面に溶接により取付けて、フローティングシールと額縁貼板表面のいずれか一方にのみ、クロム炭化物を主体とした耐摩耗コーティングを施すことにある。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明のクロム炭化物コーティングにおいて、硬質相の炭化物には高温安定性に優れたＣｒ₃Ｃ₂粒子を使用することが好ましい。また、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子のみを溶射原料とすると、皮膜の脆化や密着性低下が生じるため、粒子のバインダとして延性なニッケル−クロム合金粉末と混合して成膜することが好ましい。
【００２６】
皮膜中のＣｒ₃Ｃ₂粒子の含有量が高いほど高温耐摩耗特性は向上するが、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子の含有量が９５％を超えると皮膜の延性が低下し好ましくない。一方、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子含有量が６５％未満の場合は、耐摩耗特性が不足するため好ましくない。
【００２７】
バインダのニッケル−クロム合金においては、クロム含有量が１５％未満では高温耐酸化特性が不足し、３５％を超えると延性が低下する。従ってバインダ合金中のクロム含有量は１５〜３５％とすることが好ましい。
【００２８】
成膜プロセスとしては、緻密で密着性の高い皮膜を形成できるＨＶＯＦを用いることが好ましい。大気中または減圧雰囲気中でプラズマ溶射により成膜を行うと、原料粉末が高温に加熱されるため、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子が分解し、構造変化や皮膜の軟化が生じて、耐摩耗性が低下する可能性があるので好ましくない。
【００２９】
コーティング層の厚さについては、厚さが０.１ｍｍ未満の場合は長時間使用中に皮膜が摩滅し、耐摩耗性が不足するため好ましくない。また、厚さが０.６ｍｍを超えると皮膜の剥離が生じ易くなるため好ましくない。従って、コーティング層の厚さは０.１〜０.６ｍｍとすることが好ましい。
【００３０】
〔実施例１〕
図１は、各種耐熱合金を組合せた場合の高温すべり摩耗試験による摩耗損傷量を示すグラフである。試験温度は７００℃とし、振動条件は振幅１.０ｍｍ、周波数は１００Ｈｚとした。また、摩耗試験片は全長４０ｍｍの蒲鉾型とし、形状が同じ１対の試験片の曲面部分を交差して接触させ、５ｋｇの荷重を加えて摺動させた。
【００３１】
摩耗量の数値は、試験片表面の摩耗部において、表面粗さ計により凹凸のプロファイルを測定し、プロファイル中の最大摩耗深さを記録した場合の値である。なお、摩耗面に相手材の摩耗粒子が付着して盛上りが生じた際の最大盛上り高さを、摩耗量の負の値で示した。
【００３２】
合金試験材として、トランジションピース材のニッケル基合金Ｎ２６３，固溶体型コバルト基合金のＨＳ２５および析出強化型コバルト基合金のＦＳＸ４１４を使用した。またコーティング材としては、ＨＳ２５の表面にＨＶＯＦによりクロム炭化物を成膜した材料（ＣｒＣコート）と、大気溶射によりステライトＮｏ.６を成膜した材料を使用した。試験に使用した合金およびステライトＮｏ.６の化学組成を表１に示す。
【００３３】
【表１】

ＨＳ２５は、炭素の添加量が０.１％と少ないために組織中の炭化物量が少なく、加工性に優れている。一方、ＨＳ２５の比較材として用いたＦＳＸ４１４は、炭素量が０.２５％と多いため組織中に多量のクロム炭化物やタングステン炭化物が析出して材料が強化されている。そのためＨＳ２５に較べて高温強度に優れているが、延性は低下する。
【００３４】
また、ステライトＮｏ.６は耐摩耗性を高めるために炭素の添加量を１％以上に増加している。クロム炭化物コーティングにおいては、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子とバインダのニッケル−クロム合金の混合粉末を原料とした。その際、Ｃｒ₃Ｃ₂粒子の含有量は体積比で８０％とした。
【００３５】
図１の上段部に示した３つの比較材としては、それぞれＮ２６３同士、ＨＳ２５とＮ２６３、ＨＳ２５同士の合金素材間による摩耗試験結果である。
【００３６】
Ｎ２６３の場合は、同種材の組合せとＨＳ２５とを組合せた場合の両方で、摩耗量は３００〜４００μｍ以上の大きな値を示している。
【００３７】
一方、ＨＳ２５の場合は、Ｎ２６３との組合せ、同種材の組合せの両方の試験結果共に、上記のＮ２６３の場合に較べて摩耗量が低下しており、摩耗損傷の低減効果があることが分かる。
【００３８】
しかしながら、ＨＳ２５同種材の組合せにおいても、試験材の片方が２００μｍ以上摩耗しており、合金素材同士の接触では摩耗損傷の防止に十分な効果が得られないことが明らかになった。
【００３９】
図１の４段目以下にはＣｒＣコート材を用いた試験結果を示す。比較材のＣｒＣコートとＮ２６３の組合せにおいては、ＣｒＣコート側は摩耗減量が数μｍ程度であり、殆ど減肉が生じておらず、耐摩耗保護層として優れていることが分かる。しかし、相手材のＮ２６３の摩耗量は４００μｍ以上と非常に大きく、金属素材の組合せよりも損傷が増大している。
【００４０】
一方、５段目に示す本発明のＣｒＣコート材とＨＳ２５を組合せた場合には、ＣｒＣコート材には減肉が起こらず、相手材の粒子が付着した盛上りが生じるだけであった。相手材のＨＳ２５摩耗量も約１００μｍとなり、金属素材の中では最小の値を示した。ＣｒＣコート材には３０μｍ以上の盛上りが見られるが、これはＨＳ２５の摩耗紛が摩耗面から排出されずに付着したためである。
【００４１】
相手材がＮ２６３の場合にも盛上りが見られるが、ＨＳ２５の方の盛上り高さが約２倍になり、摩耗紛の凝着が促進されることが分かった。
【００４２】
このＣｒＣコート表面の安定な付着層の形成により、摺動面の摩擦抵抗が低下してＨＳ２５の摩耗量が低下したものと推定される。
【００４３】
一方、下段に示す比較材のＣｒＣコート材とＦＳＸ４１４の組合せでは、ＣｒＣコート側に４００μｍ程度の大きな摩耗減量が生じている。これはＦＳＸ４１４が炭化物で強化されているために、この炭化物によりＣｒＣコート側の炭化物が切削されて脱落したためと推定される。
【００４４】
また、比較材のＣｒＣコート材とステライトコート材の組合せにおいても、ＦＳＸ４１４の場合と同様に、ＣｒＣコート側に３００μｍ以上の大きな摩耗減量が認められた。これもステライトが多量の炭化物を含むことで生じたと考えられる。
【００４５】
最下段のＣｒＣコート材同士の比較材同士の組合せでは、それぞれの試験材が１８０μｍ程度の損傷を受けている。これも互いのクロム炭化物粒子が相手側コーティング中の炭化物粒子を削り取り、クロム炭化物の脱落が生じたためと推定される。
【００４６】
このように、耐熱合金にクロム炭化物コーティングを施した場合の高温すべり摩耗現象は、相手材の組合せにより挙動が大きく変化する。相手材が延性な金属の場合は、クロム炭化物コーティングには殆ど摩耗による減肉が起こらず、コーティングの保護効果が非常に有効に作用する。しかし、その反面、相手金属にある程度の耐摩耗特性が備わっていないと、相手材の摩耗損傷を低減することはできない。
【００４７】
また、クロム炭化物コーティング同士や、硬質粒子を含む金属を相手材とした場合には、相手側の硬質粒子により炭化物が切削されて、コーティングが損傷してしまう。摩耗損傷の低減に最も有効なのは、接触面をクロム炭化物コーティングと、ＨＳ２５のような固溶体型コバルト基合金の組合せとすることである。
【００４８】
〔実施例２〕
本発明で提示した、クロム炭化物コーティングと固溶体型コバルト基合金の耐摩耗性に優れた材料の組合せを、実機ガスタービンのトランジションピースに適用した例を説明する。
【００４９】
図２は、本実施例で用いたトランジションピースの概略を示す斜視図である。トランジションピース本体１の後方の額縁２の上下に取付けられ、静翼と額縁を嵌合するシールがフローティングシール３，３’である。また、額縁２の側面に取付けられ額縁同士を嵌合するシールをサイドシール４，４’と呼ぶ。
【００５０】
図３は、額縁２へのフローティングシールの取付け状態を示す斜視図である。フローティングシール３，３’は、湾曲した断面形状を有する薄板材であり、上下２本の各シールは、額縁２の外周部のシール溝５に図３（ａ）に示す状態で取付けられる。シール取付け後の状態を図３（ｂ）に示した。上下のフローティングシール３，３’の後方に張出した部分は初段静翼と嵌合する。
【００５１】
本実施例においては、まず、ＨＳ２５の素材を加工してフローティングシールを作製し、シールの摩耗損傷が生じる部分に、ＨＶＯＦによりクロム炭化物コーティングを施工した。
【００５２】
次に、額縁２とシールとの接触部にはＨＳ２５の保護板６を溶接により取付け、上記部材を組合せてトランジションピースを作製した。
【００５３】
図４は、本発明の摩耗対策を施したフローティングシールと額縁を実機ガスタービンに取付けた際の構造を示す模式断面図である。図４は、図３（ｂ）の断面Ａにおける上部フローティングシール取付け部の模式断面図である。
【００５４】
フローティングシール３と額縁２との間では、シールが静翼側から額縁側に押し付けられるような力が作用し、額縁の最後部とフローティングシール内面の静翼側の接触部で顕著な摩耗が発生する。そのため、図４で示すようにフローティングシール３および額縁２の部位に対して、コーティング施工と保護板６の取付けを行った。
【００５５】
一方、額縁のシール溝５や静翼シール溝８とフローティングシール３間の接触部においては、摩耗損傷は比較的小さいことから、コーティングや保護板取付けの摩耗対策は行なっていない。なお、下部のフローティングシールにおいても、コーティングと保護板の取付け位置は同じとした。
【００５６】
上記したフローティングシールへのクロム炭化物コーティング、および、額縁２への保護板６の取付けの摩耗対策を施したトランジションピースを、実機ガスタービンに取付けて運転試験を行なった。その結果、摩耗防止対策を行なわない場合に比べてフローティングシール，額縁材共に摩耗損傷が大きく改善されることを確認した。
【００５７】
〔実施例３〕
本実施例では、額縁２に取付けたＨＳ２５製の保護板６の表面に、ＨＶＯＦによりクロム炭化物コーティングを施工する一方で、フローティングシール側にはコーティングを施工しない状態でトランジションピースを構成し、実機ガスタービンに適用した。
【００５８】
図５は、フローティングシール（上部）の取付け構造の模式断面図を示す。額縁２の保護板６の取付け位置は実施例２と同様とし、溶接により保護板６を取付けた後にコーティングを施工した。
【００５９】
本実施例のコーティングは、実施例２と逆の額縁側に施工しているが、フローティングシールと額縁の接触部における材料組合せは、クロム炭化物コーティングとＨＳ２５である。これらも実機ガスタービンによる運転試験により、実施例２と同様に摩耗防止対策を行なわない場合に比べて、摩耗損傷の防止に有効なことを確認した。
【００６０】
【発明の効果】
本発明のクロム炭化物コーティングと固溶体型コバルト基合金保護板の組合せによる高温耐摩耗構造を、ガスタービンのトランジションピースに適用することにより、摩耗損傷を大幅に低減することが可能となる。その結果、トランジションピース額縁材およびシール材の使用寿命の延長による交換頻度の低減や、ガスタービンの信頼性向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各種耐熱合金を組合せた場合の高温すべり摩耗試験による摩耗損傷量を示すグラフである。
【図２】実施例２で用いたトランジションピースの概略を示す斜視図である。
【図３】実施例２で用いたトランジションピースへのフローティングシールの取付け状態を示す斜視図である。
【図４】実施例２の摩耗対策を施したフローティングシールと額縁とを実機ガスタービンに取付けた模式断面図である。
【図５】実施例３の摩耗対策を施したフローティングシールと額縁とを実機ガスタービンに取付けた模式断面図である。
【符号の説明】
１…トランジションピース本体、２…額縁、３，３’…フローティングシール、４，４’…サイドシール、５…シール溝、６…保護板、７…静翼、８…静翼シール溝。

Claims

発電用ガスタービンの燃焼器トランジションピース（尾筒）と初段静翼とを、シール材を介して嵌合したガスタービン燃焼器において、前記トランジションピースの額縁シール溝と初段静翼に設けられた静翼シール溝にそれぞれ挿入されたフローティングシール材及びサイドシール材を介して前記トランジションピースと静翼とが嵌合、接続され、前記フローティングシール材及びサイドシール材は、クロムを１５〜３０重量％、炭素を０．０５〜０．２重量％含有するコバルト基合金であって、前記フローティングシール材はその断面が湾曲しており、前記サイドシール材は平板であり、前記フローティングシール材とトランジションピースとの間にクロム１５〜３５重量％、炭素０ . ０５〜０．２５重量％を含有するコバルト基合金製の保護板が設けられ、該保護板は前記トランジションピースに固定され、前記保護板と前記フローティングシール材の接触面の一方にクロム炭化物を主成分とする耐摩耗性コーティング層が形成されていることを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記耐磨耗コーティング層のクロム炭化物層のバインダ相がニッケルークロム合金であり、前記耐磨耗コーティング層のクロム炭化物含有量が体積比で、６５〜９５％である請求項１記載のガスタービン燃焼器。