JP4092099B2 - 低圧蒸気タービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低圧タービンの翼および特に低圧タービンの効率を向上するためのタービン翼の被覆に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低圧タービン中のタービン蒸気が復水器の圧力にまで拡張すると、通常は湿り蒸気の範囲に達する。湿った排気中で凝縮水の質量割合は１４％にまでなりうる。タービン蒸気の全質量流の衝撃は、凝縮水の含有率とは無関係のままである。しかし、タービンの回転エレメントおよび静止エレメント中に液相が存在することによって高い散逸的損失が生じる。いわゆる湿式低圧タービンの場合、質量流の約１２〜１４％が水として生じる。この湿り損失によって生じる低圧タービンの効率損失は、約６〜７％となり、これは蒸気発電所全体において約１〜２％の効率損失に相応する。複合発電所および原子力発電所の場合、全装置出力に対する低圧タービンの出力の貢献が比較的高いので、湿り損失に基づく全効率の損失は、約２〜２．３％もしくは３〜３．５％となる。
【０００３】
損失の度合いは大部分、水滴の大きさに依存する。蒸気相中にはたいてい、マイクロメートル範囲の小さい滴のみが含有されている。この滴は最近の理解によれば、その大きさを維持し、かつより大きな滴へ凝集するのではなく、蒸気中に浮遊または流動して残留する。この滴は霧と同様に、翼に対して衝撃を与える蒸気流と一緒に流れる。滴がこの小さなサイズ範囲に留まる限り、タービンの運転も出力も損なわれない。
【０００４】
しかし、案内翼および動翼を通過する際に、滴が成長する。金属表面、おそらく特に案内翼の凹面形の金属表面と接触している間に、表面上の小さな凝縮液滴が拡散し、かつ閉じた凝縮液膜を形成し、該膜は案内翼上で、蒸気流の剪断力の作用下に、凹面形もしくは凸面形の面を流れる。案内翼の端部で液膜は表面から離れ、かつその際に回転する羽根車によって加速され、かつ分散する。この分散によって生じる滴は、凝縮から自然に発生する滴よりも直径が大きい。遠心力により、この比較的大きな滴は、回転する翼からタービン車室の方向へと外側に向かって飛ばされる。このことによって作業媒体の衝撃の一部は翼へ伝達されず、かつ湿り損失が生じ、この損失によって低圧タービンの効率が低下する。この現象は、滴の大きさおよび質量ひいては遠心力が増大するほど顕著である。
【０００５】
さらに低圧タービンの車室の内面に水が蓄積することによって、回転する翼先端および翼カバーにおいて散逸的な摩擦損失が生じる。
【０００６】
最後に、１００〜２００μｍの範囲の直径を有し、かつ２５０ｍ／ｓを上回る範囲の速度を有する、成長した滴は、液滴衝突エロージョンの原因となる。このエロージョンは材料に著しく依存しており、この場合、低圧タービンの大きな翼において有利に使用されるチタンおよびチタン合金からなる翼材料は、この侵食を受ける傾向が著しい。
【０００７】
タービンのブレードに、翼の耐食性を向上し、かつこのことによって翼の寿命を延長する被覆を設ける努力はすでに以前から行われていた。
【０００８】
ＤＥ３７２４６２６には、蒸気タービンのブレードのための被覆が記載されており、これは硬質で耐摩耗性のセラミックからなるか、または活性金属からなる多層の被覆とセラミックからなる被覆層とからなる。セラミックからなる被覆は、ブレードの耐食性の向上に役立ち、その一方で、活性金属からなる層は被覆の付着を改善する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
冒頭に記載した、蒸気流中の凝縮液滴により生じる低圧タービンの損失および損傷から、本発明の課題は、タービンの金属表面における閉じた液膜の形成を防止し、かつこのことによって湿り損失を低減し、かつタービンの効率を向上し、かつ同時に液滴衝突エロージョンに対する強度が保証されている低圧タービン用の翼を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、静止した案内翼と回転する動翼とが植設された低圧タービンにおいて、少なくとも案内翼のブレードが、疎水性で、かつ平滑な表面を有する被覆を有していることを特徴とする、低圧タービンによって解決される。本発明によれば、低圧タービン中の少なくとも静止している案内翼のブレードが、疎水性もしくは撥水性であり、かつ平滑な表面を有する。
【００１１】
ブレードの被覆の疎水性によって、蒸気相中に含有されている小さな滴は、被覆されているブレード上に衝突する際にその同一性を維持する。つまり、滴がより大きな滴へと凝集する、もしくは閉じた液膜を形成することが防止される。その代わりに、全ての滴は被覆面を転がる。翼から転がった後に、滴は浮遊する滴として残り、該滴は蒸気流に従い、ひいては別の翼への衝撃を与える。このことによって、本発明によって被覆された翼を有する低圧タービンの場合、湿り損失が十分に回避される。従って低圧タービンの効率もまた向上する。
【００１２】
さらに本発明により、疎水性被覆が、ブレードまたはその他のタービン部材における大きな滴による液滴衝突エロージョンを間接的に防止するという別の利点が生じる。被覆が疎水性であるために、ブレード上には大きな滴が形成されず、かつ翼縁部で分散して大きな滴になるような液膜も生じない。従って液滴衝突エロージョンを引き起こす大きな滴は生じない。平滑な被覆はさらに、小さな滴の迅速な転動と、大きな滴への凝集の防止とに貢献する。
【００１３】
【実施例】
本発明の第一の実施態様では、疎水性被覆が非晶質炭素を含有している。これは水素含有率１０〜５０原子％および０．１〜０．９のｓｐ^３対ｓｐ^２−結合の比を有するその後の水素含有の炭素層と理解すべきである。一般に、疎水性であり、かつ以下に記載する単一層または積層構造を製造するための非晶質炭素の機械的もしくは化学的特性を有するのであれば、炭素の前駆体または炭化水素の前駆体を用いて製造される全ての非晶質もしくは緻密な炭素層またはプラズマ重合ポリマー、ポリマーに類似した、もしくは緻密な炭素層および炭化水素層を使用することができる。非晶質炭素は、ダイヤモンドに類似した炭素ともよばれるが、その優れた硬度、化学的安定性ならびにその弾性に関して一般に公知である。さらに、非晶質炭素は特定の条件下で、水の表面張力と比較して低い表面エネルギーを有しているために、疎水性もしくは撥水性を生じる。その際、非晶質炭素の硬度は、被覆を製造するためのパラメータを変更することにより変えることができる。（非晶質炭素の硬度範囲内での）軟質層は、硬質層と比較して単に硬度が低いと理解するのみである。軟質もしくはそれほど硬質でない層は特に著しい疎水性を有する。この理由から、有利な実施態様では、該被覆は非晶質炭素もしくはプラズマ重合したポリマーを有し、厚さ１〜８マイクロメートルおよび硬度５００〜１５００ビッカースを有する疎水性の単一層を有する。有利には厚さが２〜４マイクロメートルである。
【００１４】
さらに、非晶質炭素もしくはプラズマ重合したポリマーは、典型的な翼材料上に極めて良好に付着するので、翼材料の粗面化によって十分な付着をもたらす必要がない。従って非晶質炭素またはプラズマ重合ポリマーは、タービンにおけるブレードのような長期間の適用のために特に適切である。
【００１５】
被覆のもう１つの実施態様では、非晶質炭素またはプラズマポリマーを有する疎水性の単一層は、勾配層として形成されている。勾配層は、その深さを通して段階的に変化する硬度を有し、その際、その最下部の深さ範囲が最も硬質であり、かつその最上部の深さ範囲が最も軟質である。勾配層の最上部の深さ範囲は、この場合、硬度５００〜１５００ビッカースおよび厚さ０．１〜２マイクロメートルを有する。疎水性勾配層の最下部の深さ範囲は、１５００〜３０００ビッカースの硬度および０．１〜６マイクロメートル、有利には１〜３マイクロメートルの厚さを有する。
【００１６】
別の実施態様では、疎水性被覆はふたたび非晶質炭素またはプラズマ重合したポリマーを有している。しかし該被覆は特に、非晶質炭素を有する少なくとも１つの硬質層と、非晶質炭素もしくはプラズマ重合ポリマーを有する少なくとも１つの軟質層を有する不連続な積層構造を有し、その際、硬質層および軟質層は、交互にブレードの表面上に施与されている。その際、第一の層は硬質層であり、かつ最後の層は軟質層であり、その際、軟質層は第一の実施態様における被覆に類似しており、かつ疎水性を有する。
【００１７】
本発明による被覆は、液滴衝突エロージョンからの保護という付加的な利点をもたらす。すでに記載したように、比較的大きな滴の形成を回避することによって、一方ではブレード、翼カバーおよび車室部材に液滴衝突エロージョンを生じうる大きさの滴がほとんど存在しない。他方では、それぞれ硬質および軟質（もしくはそれほど硬質でない）層の第二の実施態様の積層構造によって、衝突する滴の衝撃を吸収することにより、液滴衝突エロージョンからの付加的な保護が保証される。液滴の衝突から出発する圧縮波を、硬質層および軟質層の対が干渉により消すことによって、衝突する液滴の衝撃は軟質層および硬質層により吸収される。圧縮波の消滅は、それぞれ高い屈折率および低い屈折率の薄層の対により生じる光線波の消滅に似ている。圧縮波の消滅は、硬質層と軟質層との層の対を複数有するの積層構造によってさらに向上する。もう１つの実施態様では、本発明による被覆は、それぞれ、非晶質炭素の硬質層１つおよび軟質層１つの層の対を複数有する。
【００１８】
本発明のもう１つの実施態様では、案内翼のブレードのみではなく、動翼のブレードもまた本発明による被覆を備えている。この場合、案内翼ならびに動翼の表面上での凝縮液による膜の形成が回避される。このことにより凝縮液が蒸気流中の小さな滴の形で維持されることによって、低圧タービンの効率の向上がさらに保証される。さらに動翼は付加的に液滴衝突エロージョンから保護される。
【００１９】
本発明による被覆は、一般に公知の種々の製造方法、たとえば炭素含有前駆体からなるプラズマ中でのグロー放電による堆積、イオンビーム被覆および水素含有の作業ガス中で炭素のスパッタリングにより実現することができる。
【００２０】
これらの方法の場合、支持体を数百ｅＶのイオン流に暴露する。グロー放電の場合、支持体を反応室中で、容量１３．５６ＭＨｚのＲＦ発生装置に接続されているカソードと接触させて配置する。この場合、接地したプラズマ室の壁が、大きな対電極を形成する。この配置において、それぞれの炭化水素蒸気またはそれぞれの炭化水素ガスを、被覆のための第一の作業ガスとして使用することができる。特別な層特性、たとえば異なった表面エネルギー、硬度、光学的特性などを得るために、種々の気体を第一の作業ガスに添加する。窒素、フッ素もしくはケイ素含有ガスを添加して、たとえば高い、もしくは低い表面エネルギーが得られる。さらに、窒素の添加は、得られる層の硬度の向上につながる。さらに、電極によってバイアス電圧を１００〜１０００Ｖの間で変更することにより、得られる層の硬度を制御することができ、その際、高いバイアス電圧は硬質の非晶質炭素層を生じ、かつ低い電圧は軟質の非晶質炭素層を生じる。勾配層を得るためには製造パラメータ、たとえば反応室中のプラズマの組成を段階的に変更する。
【００２１】
本発明の１実施態様では、層の対の硬質層の硬度は、１５００〜３０００ビッカースであり、その一方で、層の対の軟質層の硬度は、８００〜１５００ビッカースである。この場合、個々の層の厚さは、積層構造において複数の層を順次施与する場合には、０．１〜２μｍ、有利には０．２〜０．８μｍである。さらに硬質層および軟質層の厚さが、その硬度に反比例する場合に有利である。
【００２２】
本発明による被覆の付着は、多くの支持体タイプにおいて良好に保証される。特にカーバイドを形成する材料、たとえばチタン、鉄およびケイ素ならびにアルミニウムの場合にも付着は良好であるが、しかし貴金属、銅または銅−ニッケル線合金上では不良である。この場合、支持体表面、つまりブレードの表面の粗面化は不要である。
【００２３】
付着をさらに改善するために、ブレードの表面上に接着層を実現することも可能であり、その後、該接着層の上に本発明による積層構造を施与する。接着層としてたとえばチタンが適切である。
【００２４】
従って本発明による被覆は、翼のために使用される種々の支持体材料、たとえばチタン、ステンレス鋼、クロム鋼、アルミニウムならびに全てのカーバイド形成材料上に適用することができる。
【００２５】
本発明による被覆は特に、既存の低圧タービンの効率の向上（レトロフィット）のためにも適切である。というのも、翼を解体し、被覆し、かつそれ以上費用をかけずに再度取り付けることができるからである。

Claims (13)

1. 静止した案内翼と回転する動翼とが植設された低圧タービンにおいて、少なくとも案内翼のブレードが、非晶質炭素またはプラズマ重合したポリマーを含有し、かつ平滑な表面を有する疎水性被覆を有していることを特徴とする、低圧タービン。
2. 疎水性被覆が、１〜８マイクロメートルの厚さを有する単一層である、請求項１記載の低圧タービン。
3. 疎水性単一層が、５００〜１５００ビッカースの硬度を有する、請求項２記載の低圧タービン。
4. 疎水性被覆が、勾配層として施与された単一層である、請求項１記載の低圧タービン。
5. 勾配層の上部の深さ範囲が比較的軟質であり、かつ５００〜１５００ビッカースの硬度を有する、請求項４記載の低圧タービン。
6. 勾配層の上部の深さ範囲が、０．１〜２マイクロメートルの厚さを有する、請求項４記載の低圧タービン。
7. 疎水性単一層の下部の深さ範囲が、１５００〜３０００ビッカースの硬度および０．１〜６マイクロメートルの厚さを有する、請求項４記載の低圧タービン。
8. 被覆が、非晶質炭素を有する少なくとも１つの硬質層および非晶質炭素もしくはプラズマ重合したポリマーを有する少なくとも１つの軟質層を有する不連続の積層構造を有し、かつ少なくとも１つの硬質層および少なくとも１つの軟質層が交互にブレードの表面に施与されており、かつ積層構造の最下層は非晶質炭素もしくはプラズマ重合したポリマーを有する硬質層であり、かつ積層構造の最終層は、非晶質炭素もしくはプラズマ重合したポリマーを有する軟質層であり、かつ少なくとも最後の軟質層は、疎水性を有する、請求項１記載の低圧タービン。
9. 非晶質炭素もしくはプラズマ重合したポリマーを有する硬質層がそれぞれ１５００〜３０００ビッカースの硬度を有し、かつ非晶質炭素もしくはプラズマ重合したポリマーを有する軟質層が５００〜１５００ビッカースの硬度を有する、請求項８記載の低圧タービン。
10. 不連続の積層構造の硬質層および軟質層がそれぞれ０．１〜２マイクロメートルの厚さを有する、請求項８記載の低圧タービン。
11. 不連続の積層構造の硬質層および軟質層の厚さが、その硬度に反比例している、請求項８記載の低圧タービン。
12. ブレードの表面と被覆との間に接着層が施与されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の低圧タービン。
13. 低圧タービンの静止した案内翼のブレードおよび回転する動翼のブレードの表面に被覆が施与されている、請求項１から１２でのいずれか１項記載の低圧タービン。