[go: up one dir, main page]

WO2009157174A1 - 蒸気タービン及び蒸気タービン翼 - Google Patents

蒸気タービン及び蒸気タービン翼 Download PDF

Info

Publication number
WO2009157174A1
WO2009157174A1 PCT/JP2009/002838 JP2009002838W WO2009157174A1 WO 2009157174 A1 WO2009157174 A1 WO 2009157174A1 JP 2009002838 W JP2009002838 W JP 2009002838W WO 2009157174 A1 WO2009157174 A1 WO 2009157174A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
blade
steam turbine
surface treatment
turbine
stationary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2009/002838
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佐谷野顕生
高橋雅士
齋藤正弘
中島一嘉
田沼唯士
浅井知
上村健司
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toshiba Industrial Technology Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Industrial Technology Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Toshiba Industrial Technology Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2010517750A priority Critical patent/JP5367705B2/ja
Publication of WO2009157174A1 publication Critical patent/WO2009157174A1/ja
Priority to US12/977,548 priority patent/US9309773B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/286—Particular treatment of blades, e.g. to increase durability or resistance against corrosion or erosion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/1204—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material inorganic material, e.g. non-oxide and non-metallic such as sulfides, nitrides based compounds
    • C23C18/1208—Oxides, e.g. ceramics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/90—Coating; Surface treatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/60—Structure; Surface texture

Definitions

  • the present invention relates to a steam turbine and a steam turbine blade used in a power plant or the like.
  • FIG. 2 shows a conceptual diagram of a power generation system using such a steam turbine.
  • the steam generated in the boiler 1 is further heated by the heater 2 and guided to the steam turbine 3.
  • the steam turbine 3 is configured by arranging a plurality of stages in the axial direction of the turbine rotor 4, each including a combination of a moving blade implanted in the circumferential direction of the turbine rotor 4 and a stationary blade supported by a casing. Then, the steam guided to the steam turbine 3 expands in the steam passage, whereby the high-temperature and high-pressure energy is converted to the turbine rotor 4 as rotational energy.
  • Rotational energy of the turbine rotor 4 is transmitted to the generator 9 connected to the turbine rotor 4 and converted into electric energy.
  • the steam that has lost its energy is discharged from the steam turbine 3 and led to the condenser 10 where it is cooled and condensed by the cooling medium 11 such as seawater to become condensed water.
  • This condensed water is supplied again to the boiler 1 by the feed water pump 12.
  • the steam turbine 3 is divided into a high-pressure turbine, an intermediate-pressure turbine, a low-pressure turbine, and the like depending on the temperature and pressure conditions of the supplied steam.
  • a high-pressure turbine since the high pressure turbine and the intermediate pressure turbine are exposed to high-temperature steam, oxidation of the moving blades and stationary blade components of the steam turbine is remarkable.
  • the surface roughness is minimized as much as possible by spraying fine particles on the surface when incorporating them as parts. This is because when the surface roughness of the parts is large, the flow of fluid is disturbed on the surface of the blades, etc., causing aerodynamic characteristics as the blades by causing separation, which causes the efficiency of the entire turbine to be reduced. is there.
  • high-temperature members such as steam turbine blades are nickel-plated and then subjected to boriding by immersion to form a layer of iron boride and nickel boride on the blade surface.
  • a method for improving the erosion property has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
  • the present invention has been made in response to such a conventional situation, and suppresses the change in the surface roughness of the steam turbine blades due to oxidation and the accompanying decrease in the aerodynamic characteristics of the steam turbine blades. It is an object of the present invention to provide a steam turbine and a steam turbine blade that can be maintained for a long time.
  • the present inventors have conducted extensive research on the steam turbine blade structure for maintaining the turbine performance. As a result, for the steam turbine blades, by suppressing the change in surface roughness due to oxidation, the deterioration of the aerodynamic characteristics of the steam turbine blades is suppressed, and by maintaining the initial high aerodynamic characteristics, the turbine performance is maintained at a high level for a long time.
  • the present invention has been completed.
  • one aspect of the steam turbine of the present invention supports a turbine rotor, a moving blade implanted in the turbine rotor, a stationary blade disposed on the upstream side of the moving blade, and the stationary blade.
  • One aspect of the steam turbine blade of the present invention supports a turbine rotor, a moving blade implanted in the turbine rotor, a stationary blade disposed on the upstream side of the moving blade, and the stationary blade. And a turbine casing containing the turbine rotor, the moving blade and the stationary blade, and a pair of the moving blade and the stationary blade forms one paragraph and a plurality of paragraphs in the axial direction of the turbine rotor
  • a steam turbine blade used as the stationary blade or the moving blade in a steam turbine in which steam passages are formed side by side, and a surface treatment for suppressing an increase in surface roughness due to oxidation on at least a part of the surface It is characterized by that.
  • FIG. 1 shows a configuration of a steam turbine and a steam turbine blade according to an embodiment of the present invention.
  • the steam turbine 3 includes a turbine rotor 4, a moving blade 5 implanted in the turbine rotor 4, a stationary blade 6 disposed on the upstream side of the moving blade 5, and a stationary blade 6.
  • a turbine casing 13 that supports and includes the turbine rotor 4, the moving blade 5, and the stationary blade 6 is provided.
  • a pair of rotor blades 5 and stationary blades 6 forms one paragraph 7 and a plurality of paragraphs 7 are arranged in the axial direction of the turbine rotor 4 to form a steam passage 8.
  • At least part of the surface of the stationary blade 6 and the surface of the moving blade 5 is subjected to a surface treatment for suppressing an increase in surface roughness due to oxidation. Thereby, the energy loss of the vapor
  • the entire passage 8 including the stationary blade 6 and the moving blade 5, the end wall 14, and the platform 15 is collectively referred to as a steam turbine blade.
  • the initial blade shape and surface roughness can be maintained for a long time. Therefore, the initial high level of the efficiency of the entire steam turbine 3 can be maintained for a long time.
  • the above surface treatment can be performed on at least a part of the stationary blades 6 of the high pressure stage and the medium pressure stage.
  • the stationary blade 6 is limited to the high-pressure stage and the intermediate-pressure stage in particular.
  • the high-pressure stage and the intermediate-pressure stage are about 350 ° C. to 610 ° C. compared with the low pressure stage (350 ° C. to 20 ° C.). This is because the effect of the surface treatment is greater because the temperature is high and the oxidation easily proceeds.
  • the surface treatment may be performed on at least a part of the moving blades 5 of the high pressure stage and the intermediate pressure stage.
  • the rotor blades 5 are particularly limited to those of the high pressure stage and the medium pressure stage.
  • the high pressure stage and the intermediate pressure stage are approximately 350 ° C. to 610 ° C. compared with the low pressure stage (350 ° C. to 20 ° C.). This is because the effect of the surface treatment is greater because the temperature is high and the oxidation easily proceeds.
  • the stationary blade 6 and the moving blade 5 can be made of ferritic steel.
  • ferritic steel is used for the stationary blade 6 and the moving blade 5 of the steam turbine 3 in view of the balance between material properties such as fatigue strength and creep resistance and cost.
  • ferritic steel is defined as iron having a body-centered cubic structure. Even in the case where such ferritic steel is used, in the present embodiment, since the surface treatment is performed to suppress the increase in the surface roughness due to oxidation, the steam flow accompanying the increase in the surface roughness due to oxidation is reduced. Energy loss can be suppressed.
  • ferritic steel is high chromium steel.
  • the stationary blade 6 and the moving blade 5 can be made of a super heat resistant alloy. Recently, in order to improve turbine efficiency, the plant operating temperature has been increased, and as a material of the stationary blade 6 and the moving blade 5, a super heat-resistant alloy is sometimes used instead of conventional ferritic steel.
  • the super heat-resistant alloy is defined as a cobalt-based or nickel-based material. Also in this case, since the surface treatment for suppressing the increase in surface roughness due to oxidation is performed, it is possible to suppress the energy loss of the vapor flow accompanying the increase in surface roughness due to oxidation.
  • the surface treatment is preferably a surface treatment that does not increase the surface roughness of the base material of the stationary blade 6 and the moving blade 5.
  • the main point of the present invention is not to increase the surface roughness. Therefore, even if the surface treatment for improving the oxidation resistance is performed, it is not preferable that the surface treatment increases the surface roughness of the stationary blade 6 and the moving blade 5.
  • almost all surface treatment methods that are currently applied to or are being applied to steam turbine blades, such as thermal spraying increase the surface roughness and reduce the aerodynamic characteristics of the steam turbine blades. Resulting in.
  • the surface treatment it is possible to employ a surface treatment including a step of applying a ceramic precursor to the surfaces of the stationary blade 6 and the moving blade 5 and a step of decomposing the ceramic precursor by heat treatment. it can.
  • a surface treatment including a step of applying a ceramic precursor to the surfaces of the stationary blade 6 and the moving blade 5 and a step of decomposing the ceramic precursor by heat treatment. It can.
  • this surface treatment since a ceramic thin film can be formed uniformly, the surface roughness change due to the surface treatment is extremely small. Therefore, the initial aerodynamic characteristics of the stationary blade 6 and the moving blade 5 are not deteriorated. Further, the ceramic film formed by thermally decomposing the applied precursor suppresses the oxidation of the stationary blade 6 and the moving blade 5, and it is possible to maintain the initial high blade aerodynamic performance over a long period of time. . Accordingly, it is possible to maintain a high level of the turbine performance of the plant over a long period of time.
  • the surface roughness after the surface treatment preferably has a maximum height of 1.6 ⁇ m or less.
  • Rmax is 1.6 ⁇ m or less, there is little turbulence in the steam flow, and the blade aerodynamic performance is not affected, but when the maximum surface roughness height is greater than 1.6 ⁇ m. This is because the steam flow is disturbed and the blade aerodynamic performance is degraded.
  • the film formed by the surface treatment is preferably an oxide ceramic. This is because the oxide ceramics are excellent in oxidation resistance and corrosion resistance. This coating made of oxide ceramics can eliminate direct contact between the vapor and the metal substrate.
  • the average thickness of the film formed by the above surface treatment is preferably 0.01 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the film thickness of the coating film is set to 0.01 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less for the following reason. That is, when the film thickness is thinner than 0.01 ⁇ m, the coating film cannot uniformly cover the substrate, the substrate is partially exposed, and the oxidation resistance of the substrate is drastically reduced. is there. On the other hand, when the film thickness is thicker than 50 ⁇ m, the adhesion strength of the coating film to the substrate is lowered, so that the coating film is cracked, the oxidation resistance of the substrate is lowered, and the coating film from the substrate This is because problems such as peeling occur.
  • the film formed by the surface treatment is preferably at a position less than 10 mm and on the back side from the rear edge ends of the stationary blade 6 and the moving blade 5 toward the upstream side.
  • the reason is that the position less than 10 mm from the trailing edge of the stationary blade 6 and the moving blade 5 toward the upstream side and the back side are important parts that determine the aerodynamic characteristics of the stationary blade 6 and the moving blade 5. This is because the surface roughness of the turbine greatly affects the turbine efficiency.
  • a TiO 2 ceramic precursor was applied to the entire surface of the steam passage including the platform of the stationary vane 6 made of all high-chromium steel in the middle and high pressure stages of the steam turbine, and then heat treated at 400 ° C. for 10 minutes And the precursor was thermally decomposed to form a titanium oxide ceramic film.
  • Rmax maximum height of the surface roughness
  • the film thickness at this time was 0.8 ⁇ m.
  • a film was formed by exactly the same method except that the film thickness was 0.008 ⁇ m, and evaluation was performed by the same method.
  • Rmax maximum height of surface roughness
  • a film was formed in exactly the same manner except that the film thickness was changed to 60 ⁇ m, and evaluation was performed in the same manner.
  • Rmax the maximum height of the surface roughness
  • the formation site (coating application site) of the coating film 17 by surface treatment is applied to all the moving blades and stationary blades of the high pressure stage and the intermediate pressure stage (the hatched lines in FIG.
  • the evaluation was performed in the same manner, with the rear blade edge of the stationary blade 6 and the moving blade 5 being located at a position less than 10 mm and the back side from the rear edge of the stationary blade 6 to the upstream side.
  • the coating application site was the entire stationary blade 6 and the moving blade 5
  • the turbine efficiency was compared with the coating film formed on the entire surface, no difference was found between the two.
  • the change in the surface roughness of the steam turbine blade due to oxidation and the accompanying decrease in the aerodynamic characteristics of the steam turbine blade are suppressed, and the initial high turbine efficiency level is maintained for a long time. can do.
  • the steam turbine and steam turbine blades of the present invention can be used in the field of steam turbines for power generation in power plants. Therefore, it has industrial applicability.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

　蒸気タービン３は、タービンロータ４と、タービンロータ４に植設される動翼５と、動翼５の上流側に配設される静翼６と、静翼６を支持するとともにタービンロータ４、動翼５及び静翼６を内包するタービンケーシング１３とを具備し、動翼５と静翼６との対により一つの段落７を形成するとともにタービンロータ４の軸方向に複数の段落７を並べて蒸気通路８を形成した構成となっている。静翼６表面、動翼５表面の少なくとも一部に、酸化による表面粗さの増大を抑制するための表面処理が施されている。

Description

蒸気タービン及び蒸気タービン翼
　本発明は、発電プラント等に用いられる蒸気タービン及び蒸気タービン翼に関する。
　蒸気タービンでは、ボイラから供給された高温高圧蒸気の圧力・温度エネルギーを静翼と動翼を組合せた翼列を用いて回転エネルギーに変換する。図２は、このような蒸気タービンを用いた発電システムの概念図を示したものである。
　図２に示すように、ボイラ１で発生した蒸気は加熱器２でさらに加熱され、蒸気タービン３へ導かれる。
　蒸気タービン３は、タービンロータ４の周方向に植設された動翼と、ケーシングで支持される静翼の組み合わせからなる段落をタービンロータ４の軸方向に複数段並べて構成されている。そして、蒸気タービン３に導かれた蒸気が、蒸気通路内で膨張することにより、その高温・高圧のエネルギーがタービンロータ４に回転エネルギーとして変換される。
　上記タービンロータ４の回転エネルギーは、タービンロータ４に接続された発電機９に伝わり電気エネルギーへと変換される。一方、そのエネルギーを失った蒸気は蒸気タービン３から排出され復水器１０へと導かれ、ここで海水等による冷却媒体１１により冷却され凝縮して復水となる。この復水は給水ポンプ１２で再びボイラ１へ供給される。
　蒸気タービン３は、供給される蒸気の温度・圧力の条件により、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンなどに分けて構成されている。そして、上記のような発電システムの場合、特に高圧タービン、中圧タービンの段落では高温の蒸気に晒されるため、蒸気タービンの動翼、静翼部品等の酸化が顕著である。
　蒸気タービンの動翼、静翼等においては、部品として組み込む際、表面に微細な粒子を吹き付けたりするなどの方法により表面粗さをできるだけ小さくしている。これは、部品の表面粗さが大きい場合、翼等の表面において流体の流れが乱れ、剥離を起こすことによって翼としての空力特性が低下し、これがタービン全体の効率を低下させる原因となるためである。
　これらの部品は、実際のプラント中において使用された場合、初期の状態では表面粗さを小さくしているため高い空力性能を示す。しかし、徐々にこれらの部品の表面の酸化が進むことにより表面粗さが次第に大きくなり、運転時間の経過とともに翼の空力性能が徐々に低下する。したがって、タービン全体の効率も低下するという問題がある。蒸気タービン部品の表面処理に関連する技術として、以下のような提案がなされている。
　蒸気タービン部品等の耐エロージョン性、耐酸化性及び疲労強度を向上させるために、窒化硬質層（ラジカル窒化層）を形成させた後、その上にさらにＣｒＮ、ＴｉＮ、ＡｌＣｒＮ等の物理蒸着硬質層を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
　また、蒸気タービン翼等の高温用部材に対し、ニッケルメッキをした後、浸漬によるホウ化処理を行い、翼表面に鉄ホウ化物とニッケルホウ化物からなる層を形成し、翼の耐食性、高温耐エロージョン性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
　また、蒸気タービン翼等に対し、溶射と熱処理の組み合わせによりＣｒ２３Ｃ６の層を形成させ、耐食性、耐摩耗性、耐エロージョン性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献３、特許文献４参照。）。
　また、蒸気タービンブレードを対象として、組成を厳密にコントロールしたコバルト系合金を基材に接触配置した後、レーザを用いてこれを溶解・接着する、いわゆるレーザめっきにより耐腐食性を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。
　また、蒸気タービンブレードを対象として、高温高圧ガス炎溶射により炭化物セラミックス（Ｃｒ３Ｃ２）を形成することにより固体粒子に対する侵食（エロージョン）を低減させることが提案されている（例えば、特許文献６参照。）。
特開２００６－３７２１２公報 特開２００２－３８２８１公報 特開平８－７４０２４号公報 特開平８－７４０２５号公報 特開２００４－１６９１７６公報 特開２００４－２３２４９９公報
　しかしながら、上記の提案のいずれの場合も、翼の耐久性向上を目的としたもので、酸化による表面粗さ変化、及びそれに伴う翼の空力特性低下という観点から検討されたものではない。従って、これまで酸化による表面粗さ変化、及びそれに伴う翼の空力特性低下という観点に立って表面処理を行う提案はなされていなかった。
　本発明はこのような従来の事情に対処してなされたもので、酸化による蒸気タービン翼の表面粗さ変化、及びそれに伴う蒸気タービン翼の空力特性低下を抑制し、初期の高いタービン効率レベルを長期間維持することのできる蒸気タービン及び蒸気タービン翼を提供しようとするものである。
　本発明者等は、タービン性能維持のための蒸気タービン翼構造に関し、鋭意研究を重ねた。この結果、蒸気タービン翼に対し、酸化による表面粗さ変化を抑制することにより蒸気タービン翼の空力特性低下を押さえ、初期の高い空力特性を維持させることによりタービン性能を長期間高いレベルに維持することが可能であることを見出し、本発明を完成したものである。
　すなわち、本発明の蒸気タービンの一態様は、タービンロータと、前記タービンロータに植設される動翼と、前記動翼の上流側に配設される静翼と、前記静翼を支持するとともに前記タービンロータ、前記動翼及び前記静翼を内包するタービンケーシングとを具備し、前記動翼と前記静翼との対により一つの段落を形成するとともに前記タービンロータの軸方向に複数の段落を並べて蒸気通路を形成した蒸気タービンであって、前記静翼表面、前記動翼表面の少なくとも一部に、酸化による表面粗さの増大を抑制するための表面処理が施されたことを特徴とする。
　また、本発明の蒸気タービン翼の一態様は、タービンロータと、前記タービンロータに植設される動翼と、前記動翼の上流側に配設される静翼と、前記静翼を支持するとともに前記タービンロータ、前記動翼及び前記静翼を内包するタービンケーシングとを具備し、前記動翼と前記静翼との対により一つの段落を形成するとともに前記タービンロータの軸方向に複数の段落を並べて蒸気通路を形成した蒸気タービンに、前記静翼又は前記動翼として使用される蒸気タービン翼であって、表面の少なくとも一部に、酸化による表面粗さの増大を抑制するための表面処理が施されたことを特徴とする。
本発明の一実施形態に係る蒸気タービン及び蒸気タービン翼の要部断面構成を模式的に示す図。 蒸気タービン発電システムにおけるランキンサイクルの概念図。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービン翼の要部構成を模式的に示す図。
　以下、本発明の詳細を一実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る蒸気タービン及び蒸気タービン翼の構成を示すものである。図１に示すように、蒸気タービン３は、タービンロータ４と、タービンロータ４に植設される動翼５と、動翼５の上流側に配設される静翼６と、静翼６を支持するとともにタービンロータ４、動翼５及び静翼６を内包するタービンケーシング１３とを具備している。そして、動翼５と静翼６との対により一つの段落７を形成するとともにタービンロータ４の軸方向に複数の段落７を並べて蒸気通路８を形成した構成となっている。静翼６表面、動翼５表面の少なくとも一部に、酸化による表面粗さの増大を抑制するための表面処理が施されている。これにより酸化による表面粗さの増大に伴う蒸気流のエネルギー損失を抑制することができる。なお、上記の静翼６及び動翼５、およびエンドウォール１４、プラットフォーム１５を含む通路部８全体を総称して蒸気タービン翼という。
　上記構成の本実施形態では、静翼６表面、動翼５表面の少なくとも一部に、酸化による表面粗さ増大を抑えるための表面処理がなされている。このため、高温に長期間保持した場合でも表面粗さ変化が小さく、実際にプラント中で運転した場合も長期に亘り初期の翼形状や表面粗さを維持することができる。したがって、蒸気タービン３全体の効率についても初期の高いレベルを長期間に亘り維持することが可能となる。
　上記の表面処理は、高圧段及び中圧段の少なくとも一部の静翼６に施す態様とすることができる。ここで静翼６を特に高圧段、及び中圧段のものに限定したのは、高圧段及び中圧段は、約３５０℃～６１０℃と低圧段（３５０℃～２０℃）に比較して温度が高く酸化が進みやすいため、表面処理による効果がより大きいためである。
　また、上記の表面処理は、高圧段及び中圧段の少なくとも一部の動翼５に施す態様とすることができる。ここで動翼５を特に高圧段、及び中圧段のものに限定したのは、高圧段及び中圧段は、約３５０℃～６１０℃と低圧段（３５０℃～２０℃）に比較して温度が高く酸化が進みやすいため、表面処理による効果がより大きいためである。
　上記静翼６、動翼５は、フェライト鋼から構成することができる。通常、蒸気タービン３の静翼６及び動翼５には、疲労強度、耐クリープ特性等の材料特性とコストとのバランスからフェライト鋼が使用されている。そして、これらの静翼６及び動翼５を実際のプラントで使用した場合、従来においては、徐々に酸化が進み表面粗さが増大することによってタービン性能が低下していた。ここでフェライト鋼とは、体心立方構造をもつ鉄と定義される。このようなフェライト鋼を使用した場合においても、本実施形態では、酸化による表面粗さの増大を抑制するための表面処理が施されているので、酸化による表面粗さの増大に伴う蒸気流のエネルギー損失を抑制することができる。フェライト鋼の一例として、高クロム鋼を挙げることができる。また、上記静翼６、動翼５は、超耐熱合金から構成することができる。最近では、タービン効率向上のため、プラント運転温度はより高温化しており、静翼６及び動翼５の材質として、場合によっては従来のフェライト鋼ではなく超耐熱合金が使われる場合がある。ここで超耐熱合金とは、コバルト基、またはニッケル基材料と定義される。この場合も、酸化による表面粗さの増大を抑制するための表面処理が施されているので、酸化による表面粗さの増大に伴う蒸気流のエネルギー損失を抑制することができる。
　また、上記表面処理は、静翼６及び動翼５の基材の表面粗さを増大させない表面処理とすることが好ましい。本発明の主眼は、表面粗さを増大させないということにある。従って、耐酸化性の向上する表面処理を行っても、表面処理することにより、静翼６及び動翼５の表面粗さが増大するものは好ましくないからである。なお、溶射をはじめ、現状蒸気タービン翼に適用されている、あるいは適用しようとしているほとんどすべての表面処理方法では、表面処理を施すことにより表面粗さが増大し、蒸気タービン翼の空力特性が低下してしまう。
　上記の表面処理としては、静翼６及び動翼５の表面にセラミックスの前駆体を塗布する工程と、加熱処理によりこのセラミックスの前駆体を分解する工程とを具備した表面処理を採用することができる。この表面処理によれば、セラミックスの薄膜が均一に形成できるため、表面処理を行うことによる表面粗さ変化は極めて小さい。従って、静翼６及び動翼５の初期の空力特性を低下させることがない。また、塗布した前駆体が加熱分解することにより形成されるセラミックの皮膜により、静翼６及び動翼５の酸化が抑制され、長期に亘り初期の高い翼空力性能を維持することが可能となる。従って、プラントのタービン性能についても高いレベルを長期に亘り維持することが可能となる。
　表面処理後の表面粗さは、最大高さが１．６μｍ以下であることが好ましい。表面粗さの最大高さＲｍａｘが１．６μｍ以下の場合は蒸気流にほとんど乱れが生じず、翼空力性能に影響を与えないが、表面粗さの最大高さが１．６μｍより大きい場合には、蒸気流に乱れが発生し翼空力性能が低下するためである。
　また、表面処理により形成される皮膜は、酸化物セラミックスであることが好ましい。これは、酸化物セラミックスの耐酸化特性、及び耐食性が優れているためである。この酸化物セラミックスからなる皮膜により、蒸気と金属基材が直接接触することをなくすことができる。
　また、上記の表面処理により形成される皮膜の平均厚さは、０．０１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。ここで、コーティング皮膜の膜厚を０．０１μｍ以上、５０μｍ以下とするのは、以下の理由による。すなわち、膜厚が０．０１μｍより薄い場合、コーティング皮膜が基材を均一に覆うことができず、部分的に基材が露出してしまい、基材の耐酸化性が急激に低下するためである。一方、膜厚が５０μｍより厚い場合、コーティング皮膜の基材に対する密着強度が低下するため、コーティング皮膜にき裂が生じ、基材の耐酸化性が低下し、また、基材からのコーティング皮膜の剥離等の問題が発生するからである。
　また、上記表面処理により形成される皮膜は、静翼６及び動翼５の後縁端から上流側に向かって１０ｍｍ未満の位置かつ背側にあることが好ましい。その理由は、静翼６及び動翼５の後縁端から上流側に向かって１０ｍｍ未満の位置かつ背側は、静翼６及び動翼５の空力特性を決める重要な部位であり、この部分の表面粗さがタービン効率に大きな影響を与えるからである。
　実施例として、ＴｉＯ２系のセラミックス前駆体を蒸気タービン中・高圧段の全ての高クロム鋼からなる静翼６のプラットフォーム部を含む蒸気通路部表面全体に塗布した後、４００℃で１０分間熱処理を施し前駆体を加熱分解させて酸化チタン系のセラミックス皮膜を形成した。
　皮膜を形成後、表面粗さを測定したところ、静翼６の基材の仕様であるＲｍａｘ（表面粗さの最大高さ）が１．６μm以下であることがわかった。また、このときの膜厚は０．８μｍであった。この蒸気タービンを４００℃で１０００時間試運転した後、各静翼６の表面粗さを測定した結果、顕著な表面粗さの上昇は認められなかった。
　もう１つの実施例として、膜厚を０．００８μｍとした以外はまったく同じ方法で皮膜を形成し、同じ方法で評価を行った。その結果、４００℃で１０００時間の試運転前ではＲｍａｘ（表面粗さの最大高さ）が１．６μm以下であったのに対し、試運転後はＲｍａｘが４μｍとなり表面粗さの上昇が認められた。
　もう１つの実施例として、膜厚を６０μｍとした以外はまったく同じ方法で皮膜を形成し、同じ方法で評価を行った。その結果、４００℃で１０００時間の試運転前ではＲｍａｘ（表面粗さの最大高さ）が１．６μm以下であったのに対し、試運転後は皮膜の剥離が観察され、またＲｍａｘも６μｍとなり表面粗さの上昇が認められた。
　もう１つの実施例として、図３に示すように、高圧段と中圧段の全ての動翼、静翼に対し、表面処理による皮膜１７の形成部位（コーティング施工部位）（図３中斜線を付して示す。）を、静翼６及び動翼５の後縁端から上流側に向かって１０ｍｍ未満の位置かつ背側とし、同じ方法で評価を行った。その結果、コーティング施工部位を静翼６及び動翼５全体とし、全体に皮膜を形成したものとタービン効率を比較した場合、両者に差は認められなかった。
　上記の実施形態の蒸気タービン及び蒸気タービン翼によれば、酸化による蒸気タービン翼の表面粗さ変化、及びそれに伴う蒸気タービン翼の空力特性低下を抑制し、初期の高いタービン効率レベルを長期間維持することができる。
　本発明の蒸気タービン及び蒸気タービン翼は、発電プラントにおける発電用の蒸気タービンの分野等で利用することができる。したがって、産業上の利用可能性を有する。

Claims (16)

  1. 　タービンロータと、前記タービンロータに植設される動翼と、前記動翼の上流側に配設される静翼と、前記静翼を支持するとともに前記タービンロータ、前記動翼及び前記静翼を内包するタービンケーシングとを具備し、前記動翼と前記静翼との対により一つの段落を形成するとともに前記タービンロータの軸方向に複数の段落を並べて蒸気通路を形成した蒸気タービンであって、
    　前記静翼表面、前記動翼表面の少なくとも一部に、酸化による表面粗さの増大を抑制するための表面処理が施されたことを特徴とする蒸気タービン。
  2. 　前記表面処理が、高圧段及び中圧段の少なくとも一部の前記静翼表面に施されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
  3. 　前記表面処理が、高圧段及び中圧段の少なくとも一部の前記動翼表面に施されていることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
  4. 　前記静翼及び前記動翼が、フェライト鋼または超耐熱合金から構成されていることを特徴とする請求項１項記載の蒸気タービン。
  5. 　前記表面処理は、前記静翼及び前記動翼の基材の表面粗さを増大させないことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
  6. 　前記表面粗さは、表面処理後の最大高さＲｍａｘが１．６μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
  7. 　前記表面処理により形成される皮膜は、酸化物セラミックスであることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
  8. 　前記表面処理により形成される皮膜の平均厚さは、０．０１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
  9. 　前記表面処理により形成される皮膜は、前記静翼、前記動翼の後縁端から上流側に向かって１０ｍｍ未満の位置かつ背側にあることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
  10. 　タービンロータと、前記タービンロータに植設される動翼と、前記動翼の上流側に配設される静翼と、前記静翼を支持するとともに前記タービンロータ、前記動翼及び前記静翼を内包するタービンケーシングとを具備し、前記動翼と前記静翼との対により一つの段落を形成するとともに前記タービンロータの軸方向に複数の段落を並べて蒸気通路を形成した蒸気タービンに、前記静翼又は前記動翼として使用される蒸気タービン翼であって、
    　表面の少なくとも一部に、酸化による表面粗さの増大を抑制するための表面処理が施されたことを特徴とする蒸気タービン翼。
  11. 　前記蒸気タービン翼は、フェライト鋼、または超耐熱合金から構成されていることを特徴とする請求項１０記載の蒸気タービン翼。
  12. 　前記表面処理により基材の表面粗さを増大させないことを特徴とする請求項１０記載の蒸気タービン翼。
  13. 　前記表面粗さは、表面処理後の最大高さＲｍａｘが１．６μｍ以下であることを特徴とする請求項１０記載の蒸気タービン翼。
  14. 　前記表面処理により形成される皮膜は、酸化物セラミックスであることを特徴とする請求項１０記載の蒸気タービン翼。
  15. 　前記表面処理により形成される皮膜の平均厚さは、０．０１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０記載の蒸気タービン翼。
  16. 　前記表面処理により形成される皮膜は、蒸気タービン翼の後縁端から上流側に向かって１０ｍｍ未満の位置かつ背側にあることを特徴とする請求項１０項記載の蒸気タービン翼。
PCT/JP2009/002838 2008-06-23 2009-06-22 蒸気タービン及び蒸気タービン翼 Ceased WO2009157174A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010517750A JP5367705B2 (ja) 2008-06-23 2009-06-22 蒸気タービン及び蒸気タービン翼
US12/977,548 US9309773B2 (en) 2008-06-23 2010-12-23 Steam turbine and steam turbine blade

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008163209 2008-06-23
JP2008-163209 2008-06-23

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US12/977,548 Continuation US9309773B2 (en) 2008-06-23 2010-12-23 Steam turbine and steam turbine blade

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009157174A1 true WO2009157174A1 (ja) 2009-12-30

Family

ID=41444247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/002838 Ceased WO2009157174A1 (ja) 2008-06-23 2009-06-22 蒸気タービン及び蒸気タービン翼

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9309773B2 (ja)
JP (1) JP5367705B2 (ja)
WO (1) WO2009157174A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014105363A (ja) * 2012-11-28 2014-06-09 Kunitomo Nekko Kk フェライト系表面改質金属部材およびフェライト系表面改質金属部材の製造方法
US11719132B2 (en) 2019-02-27 2023-08-08 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Turbine stator blade and steam turbine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000282805A (ja) * 1999-03-29 2000-10-10 Toshiba Corp 蒸気タービン設備
JP2003176727A (ja) * 2001-12-10 2003-06-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高温部品の補修方法及び補修された高温部品
JP2007120478A (ja) * 2005-10-31 2007-05-17 Toshiba Corp 蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料
JP2007119802A (ja) * 2005-10-25 2007-05-17 Central Res Inst Of Electric Power Ind 耐熱金属材料の耐酸化性の改善方法および耐熱金属部材の製造方法
JP2008050699A (ja) * 2006-08-23 2008-03-06 Siemens Ag 皮膜系を有する構成部材

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3315800B2 (ja) * 1994-02-22 2002-08-19 株式会社日立製作所 蒸気タービン発電プラント及び蒸気タービン
JP2986715B2 (ja) 1994-06-27 1999-12-06 株式会社荏原製作所 炭化物系複合皮膜の形成方法および複合皮膜
US5789077A (en) 1994-06-27 1998-08-04 Ebara Corporation Method of forming carbide-base composite coatings, the composite coatings formed by that method, and members having thermally sprayed chromium carbide coatings
JP2981152B2 (ja) 1994-06-27 1999-11-22 株式会社荏原製作所 炭化クロム溶射被覆部材
JP3302589B2 (ja) * 1997-02-06 2002-07-15 株式会社日立製作所 セラミック被覆ガスタービン動翼
US6296945B1 (en) * 1999-09-10 2001-10-02 Siemens Westinghouse Power Corporation In-situ formation of multiphase electron beam physical vapor deposited barrier coatings for turbine components
US6294260B1 (en) * 1999-09-10 2001-09-25 Siemens Westinghouse Power Corporation In-situ formation of multiphase air plasma sprayed barrier coatings for turbine components
JP2002038281A (ja) 2000-07-27 2002-02-06 Tocalo Co Ltd 耐食性および高温耐エロージョン性に優れた高温用部材およびその製造方法
US7144302B2 (en) * 2000-12-27 2006-12-05 Siemens Aktiengesellschaft Method for smoothing the surface of a gas turbine blade
EP1219389A1 (de) * 2000-12-27 2002-07-03 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Glättung der Oberfläche einer Gasturbinenschaufel
CH695689A5 (de) * 2001-05-23 2006-07-31 Sulzer Metco Ag Verfahren zum Erzeugen eines wärmedämmenden Schichtsystems auf einem metallischen Substrat.
FR2830857B1 (fr) * 2001-10-15 2004-07-30 Pechiney Aluminium Precurseur de revetement et procede pour revetir un substrat d'une couche refractaire
US6607358B2 (en) * 2002-01-08 2003-08-19 General Electric Company Multi-component hybrid turbine blade
ITMI20022056A1 (it) 2002-09-27 2004-03-28 Nuovo Pignone Spa Lega a base cobalto per il rivestimento di organi soggetti ad erosione da liquido.
US6893750B2 (en) * 2002-12-12 2005-05-17 General Electric Company Thermal barrier coating protected by alumina and method for preparing same
JP2004232499A (ja) 2003-01-28 2004-08-19 Toshiba Corp タービン動翼およびその皮膜形成方法
US7364802B2 (en) * 2003-12-30 2008-04-29 General Electric Company Ceramic compositions useful in thermal barrier coatings having reduced thermal conductivity
JP3861097B2 (ja) 2004-07-30 2006-12-20 三菱重工業株式会社 回転機械
US20080107920A1 (en) * 2006-01-06 2008-05-08 Raymond Grant Rowe Thermal barrier coated articles and methods of making the same
EP1808508A1 (de) * 2006-01-17 2007-07-18 Siemens Aktiengesellschaft Im Strömungskanal einer Strömungsmaschine anzuordnendes Bauteil und Spritzverfahren zum Erzeugen einer Beschichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000282805A (ja) * 1999-03-29 2000-10-10 Toshiba Corp 蒸気タービン設備
JP2003176727A (ja) * 2001-12-10 2003-06-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高温部品の補修方法及び補修された高温部品
JP2007119802A (ja) * 2005-10-25 2007-05-17 Central Res Inst Of Electric Power Ind 耐熱金属材料の耐酸化性の改善方法および耐熱金属部材の製造方法
JP2007120478A (ja) * 2005-10-31 2007-05-17 Toshiba Corp 蒸気タービンおよびその親水性コーティング材料
JP2008050699A (ja) * 2006-08-23 2008-03-06 Siemens Ag 皮膜系を有する構成部材

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014105363A (ja) * 2012-11-28 2014-06-09 Kunitomo Nekko Kk フェライト系表面改質金属部材およびフェライト系表面改質金属部材の製造方法
US11719132B2 (en) 2019-02-27 2023-08-08 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Turbine stator blade and steam turbine

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2009157174A1 (ja) 2011-12-08
US9309773B2 (en) 2016-04-12
JP5367705B2 (ja) 2013-12-11
US20110150641A1 (en) 2011-06-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2548973C (en) Use of a thermal barrier coating for a housing of a steam turbine, and a steam turbine
CN1890456B (zh) 带有绝热层和抗侵蚀保护层的部件
JP5244495B2 (ja) 回転機械用の部品
CN101198713B (zh) 用于包含热障层和金属防蚀层的构件的层体系、制造工艺以及操作蒸汽涡轮的方法
JP2008163449A (ja) 耐浸食性コーティング及び製法
JP5210984B2 (ja) タービン用高信頼性メタルシール材
JP2010043351A (ja) 遮熱コーティング及びその製造法
CA2675107A1 (en) Device for protecting components having a flammable titanium alloy from titanium fire and production method therefor
US9103035B2 (en) Erosion resistant coating systems and processes therefor
RU2680169C1 (ru) Двухсплавная лопатка
EP2847438A1 (en) Airfoil arrangement with ptal bond coating and thermal barrier coating, and corresponding manufacturing method
US10526903B2 (en) Method of protecting a component of a turbomachine from liquid droplets erosion, component and turbomachine
JP5367705B2 (ja) 蒸気タービン及び蒸気タービン翼
CN106574506A (zh) 蒸汽涡轮动叶片、蒸汽涡轮动叶片的制造方法及蒸汽涡轮
JP2005529231A5 (ja)
KR20160107244A (ko) 마멸성 코팅을 가지는 구성요소 및 마멸성 코팅을 코팅하기 위한 방법
CN101133173A (zh) 合金，防止构件高温腐蚀和/或氧化的保护层及构件
JP6077104B2 (ja) 機能性被覆を備えたターボ機械部品
JP2003027206A (ja) エロージョン防止皮膜の作成方法
JP2010265493A (ja) コーティング材料、同材料を用いたタービン部材のコーティング方法及び同方法を用いたタービン部材
MXPA06005274A (en) Use of a thermal insulating layer for a housing of a steam turbine and a steam turbine

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09769884

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE1 Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010517750

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 269/KOLNP/2011

Country of ref document: IN

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09769884

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1