JP4668636B2

JP4668636B2 - ガスタービン燃焼器

Info

Publication number: JP4668636B2
Application number: JP2005029145A
Authority: JP
Inventors: 慶享児島; 国弘市川; 恭太千代延; 静馬新谷; 秀高西田; 泰孝和田; 勉新田; 堅也永久
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: JP2006214671A

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器に係り、特に、トランジションピースの燃焼器ライナやガスタービン静翼との連結部におけるシール効果を長期に亘って維持できるガスタービン燃焼器に関する。

一般に、ガスタービン燃焼器は、燃焼器ライナとトランジションピースとの連結部、及びトランジションピースとガスタービンの静翼との連結部に、夫々スプリングシール材及びフローティングシール材を設けている。そして、トランジションピースは５００℃を超える高温と１００Ｈｚ以上となる高周波数での振動とに同時に曝されるので、前記シール材に大きな摩耗損傷が発生する。

このようなシール材の摩耗損傷を抑え、シール効果を長期に亘って維持するために、シール材を、炭化物又は窒化物の皮膜を下地材とし、その最表面にＡｌ酸化物の皮膜を設けた耐摩耗性を有するコバルト基合金で形成することが、例えば、特許文献１に示すように、既に提案されている。

特開２００３−１９３８６６号公報

特許文献１に記載の技術によれば、耐摩耗性の優れたシール材を得ることができるが、さらにシール効果を長期に亘って維持できるように、Ａｌ酸化物の皮膜を厚くした場合、厚くした分だけＡｌ酸化物の皮膜とコバルト基合金製のシール材との熱膨張差に起因する熱応力によって、Ａｌ酸化物の皮膜がシール材から剥離する問題がある。

したがって、熱膨張差を考慮すると、Ａｌ酸化物の皮膜の厚さは、最大で６μｍ程度であり、この程度皮膜厚さでは、長期に亘ってシール効果を維持することは困難である。

本発明の目的は、耐摩耗性材の剥離や脱落がなく、長期に亘ってシール効果を維持することができるガスタービン燃焼器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、本発明者等は、耐熱性を有する種々の化合物皮膜の高温での耐摩耗性について検討し、比較的短時間で厚膜が形成できる溶射膜において、耐摩耗性と高温での使用を考慮し、熱応力緩和機能を有する多層型セラミック溶射皮膜に着目した。

化合物皮膜成形法としては、溶射のほかに、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の種々な方法がある。

耐摩耗性の観点から云えば、耐摩耗性に優れた材料からなる皮膜を厚く形成したほうが長期に亘って耐摩耗性を維持できる上で望ましい。この観点から、ＰＶＤ法やＣＶＤ法では、皮膜の厚さが最大で１０μｍ程度が限界であるが、溶射法では、数百μmmから数mmまでの厚膜の形成が比較的短時間に行えるので有利である。

高温での耐摩耗性について種々の化合物皮膜成形法について検討した結果、高温での耐摩耗性の点で、Ａｌ酸化物が優れていることが判明した。しかし、Ａｌ酸化物は、線熱膨張係数が約５×１０^−６であり、コバルト基合金製材の線熱膨張係数の約１８×１０^−６に比べて大きく異なり、高温での摩耗試験において熱応力差によりＡｌ酸化物がコバルト基合金製材から剥離することが確認された。

そこで、熱応力を緩和し、適度な耐摩耗性を有する化合物を検討したところ、ＺｒＯ２系材料が適していることが判明した。即ち、ＺｒＯ２系材料は、線熱膨張係数が約１０×１０^−６であり、コバルト基合金製材とＡｌ酸化物の中間に近い値である。

さらに、ＺｒＯ２系材料とコバルト基合金製材との密着性を確保するために、高温耐酸化性に優れたＮｉＣｒ合金あるいはＭＣｒＡｌＹ（ＭはＣｏ，Ｎｉ）合金の溶射皮膜を、ＺｒＯ２系材料とコバルト基合金製材との間に介在させることが有効であることが確認された。

上述した検討を考慮し、本発明は、燃焼器ライナと、この燃焼器ライナの下流側外周にスプリングシール材を介して嵌合されるトランジションピースと、このトランジションピースの下流側とガスタービンの静翼に跨って係合するフローティングシール材とを備えたガスタービン燃焼器において、前記各シール材とこれらシール材に対して摺動する相手側部材とをコバルト基合金材で形成すると共に、これらコバルト基合金材で形成された前記各シール材及び相手側部材との摺動面に、下地層としてＺｒＯ２系溶射皮膜を形成し、かつこの下地層の上の表面層としてＡｌ酸化物の溶射皮膜を形成したのである。

さらに、前記各シール材及び相手側部材と前記下地層との間に、ＮｉＣｒ合金又はＭＣｒＡｌＹ（ＭはＣｏ，Ｎｉ）合金よりなる溶射皮膜を形成したのである。

上記構成とすることで、コバルト基合金材で形成された各シール材や相手側部材に対して、Ａｌ酸化物の溶射皮膜を形成するに際し、ＺｒＯ２系溶射皮膜が熱応力緩和機能を発揮するので、Ａｌ酸化物の溶射皮膜の剥離や脱落がなく、したがって、Ａｌ酸化物の溶射皮膜の厚さを厚くして長期に亘って耐摩耗性を保つことができるので、シール効果を維持することができる。また、各シール材及び相手側部材とＡｌ酸化物の溶射皮膜の間に、ＮｉＣｒ合金又はＭＣｒＡｌＹ（ＭはＣｏ，Ｎｉ）合金よりなる溶射皮膜を形成することで、ＺｒＯ２系材料とコバルト基合金製シール材及び相手側部材との密着性を確保でき、厚く形成したＡｌ酸化物の溶射皮膜をより安定して被覆できるので、長期に亘って耐摩耗性を安定して維持することができる。

以上説明したように本発明によれば、耐摩耗性材の剥離や脱落がなく、長期に亘り安定したシール効果を維持できるガスタービン燃焼器を得ることができる。

以下本発明の一実施の形態を図１〜図７に示すガスタービン燃焼器に基づいて説明する。

ガスタービン燃焼器は、燃焼器ライナ１とトランジションピース２とで構成されており、燃焼器ライナ１は円筒状をなし、その下流側３の外周に弾性機能を有するスプリングシール材４を設けており、このスプリングシール材４を設けた下流側３を前記トランジションピース２の上流側５に円形状に形成した開口に嵌合し前記スプリングシール材４を上流側５の内周面に押圧させている。

前記トランジションピース２の下流側６は、ほぼ角形の額縁７が形成されており、この額縁７が後述するガスタービンの静翼１１側に接続される。前記額縁７の外周には、シール溝８が形成され、シール溝８の上下には浮動するフローティングシール材９Ａ，９Ｂが係合され、シール溝８の両側には側シール材１０Ａ，１０Ｂが装着される。

前記フローティングシール材９Ａ，９Ｂは、Ｕ字状に形成された一方の脚１３Ａを前記シール溝８内に挿入して係合し、他方の脚１３Ｂには外方に直角に延在する係合辺１４を形成している。そして、この係合辺１４は、トランジションピース２の下流側６の額縁７に対向して位置する静翼１１に形成したシール溝１２に挿入されて係合している。

ところで、上記構成のガスタービン燃焼器においては、燃焼ガスの燃焼や流動による振動によって、図３に示すスプリングシール材４と相手側部材であるトランジションピース２の上流側５の内周面との間、及び図７に示すフローティングシール材９Ａ（９Ｂ）の脚１３Ｂと相手側部材である額縁７の端面との間が摺動する。そのために、この間に耐摩耗性の優れた耐摩耗被覆層１５を形成している。

この耐摩耗被覆層１５を形成するに際し、まずスプリングシール材４と相手側部材であるトランジションピース２の上流側５の内周面との摺動対向面においては、基材となるスプリングシール材４及びトランジションピース２の上流側５の内周面を、例えば、Ｃｒ：２０重量％，Ｎｉ：１０重量％，Ｗ：１５重量％，Ｆｅ：１．５重量％，Ｃ：０．１重量％，Ｍｎ：１．５重量％，Ｓｉ：１重量％以下からなるコバルト基合金材で形成し、その上に、耐摩耗被覆層１５を形成した。

耐摩耗被覆層１５は、図１に示すように、コバルト基合金材で形成したスプリングシール材４及びトランジションピース２の上流側５との対向面に、プラズマ溶射によってＮｉ−５０％Ｃｒの被覆層１７を５０μｍ、その上にＺｒＯ２−８％Ｙ２Ｏ３の下地層１８を２００μｍ、その上に表面層１９として２００μｍのＡｌ２Ｏ３を形成した。

一方、トランジションピース２の額縁７側は、フローティングシール材９Ａ（９Ｂ）が静翼１１側から額縁７側に押し付けられるような力が作用し、額縁７の端面とフローティングシール材９Ａ（９Ｂ）の脚１３Ｂで顕著な摩耗が発生する。そこで、フローティングシール材９Ａ（９Ｂ）もコバルト基合金材で形成すると共に、その脚１３Ｂと対向する額縁７の端面には、コバルト基合金材で形成した当て板１６を溶接により固定し、これらフローティングシール材９Ａ（９Ｂ）と当て板１６との摺動面に、夫々プラズマ溶射によってＮｉ−５０％Ｃｒの被覆層１７を５０μｍ、その上にＺｒＯ２−８％Ｙ２Ｏ３の下地層１８を２００μｍ、その上に表面層１９として２００μｍのＡｌ２Ｏ３を形成した。

他方、額縁７のシール溝８や静翼１１のシール溝１２とフローティングシール材９Ａ（９Ｂ）との接触部においては、摩耗損傷が比較的少ないことから、耐摩耗被覆層１５は不要とした。

このように、耐摩耗被覆層１５を形成したスプリングシール材４とフローティングシール材９Ａ，９Ｂ及び相手側部材であるトランジションピース２の上流側５の内周面と当て板１６とをガスタービン燃焼器に組み込み、これをガスタービンに適用して実機運転試験を行ったところ、本実施の形態による耐摩耗被覆層１５を形成しないガスタービン燃焼器に比べて、各シール材や相手側部材共に摩耗損傷が大きく改善されたことを確認できた。
〔確認試験〕
各種耐熱合金を組合わせた場合の高温滑り摩耗試験を行い、その試験に摩耗損傷量の結果を表１に纏めた。

試験条件として、試験温度は７００℃、振動条件は振幅１．０mmで周波数は１００Ｈｚとした。摩耗試験片は、全長４０mmの蒲鉾型とし、これを２つ１組として蒲鉾型の凸曲面部を交差させて５ｋｇ及び１０ｋｇの荷重を加えて５時間及び３０時間摺動させた。即ち、表１中の試験条件ａが荷重１０ｋｇで５時間摺動させたもの、試験条件ｂが荷重１０ｋｇで３０時間摺動させたもの、試験条件ｃが荷重５ｋｇで３０時間摺動させたものである。

摩耗量の数値は、試験片表面の摩耗部において、表面粗さ計を用いて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を摩耗量とした。また、試験後の摩耗面の表面観察や磨耗部の断面観察も一部行った。

試験基材として、固溶体型コバルト基合金ＨＳ２５（１０％Ｎｉ，２０％Ｃｒ，１５％Ｗ，１，５％Ｆｅ，１．５％Ｍｎ，１．０％Ｓｉ，０．１５％Ｃ，残量Ｃｏ）及びＣの含有量が０．０２〜１．５％，Ｃｒが１５〜３５％，Ｎｉが５％以下の範囲である低Ｎｉ固溶体型コバルト基合金を用いた。

そして、本実施形態による耐摩耗被覆層１５として、低Ｎｉ固溶体型コバルト基合金を基材とし、夫々プラズマ溶射により厚さ０．０５mmのＮｉＣｒ合金層を形成し、その上に厚さ０．２mmのＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３セラミック層（以下、ＹＳＺと略称する）を形成し、最表面に厚さ０．２mmのＡｌ２Ｏ３層を形成した。尚、ＮｉＣｒ合金層の組成は５０％Ｎｉ−５０％Ｃｒ、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３は８％Ｙ２Ｏ３で残りはＺｒＯ２である。

本実施の形態によるプラズマ溶射は、何れの皮膜とも大気中溶射で、溶射条件はプラズマガスがＡｒ−Ｈ２、プラズマ出力が３５〜５０Ｋｗ、溶射距離が７５〜１２０mm、溶射時の基材温度が２００℃以下で行った。

さらに、比較材として、固溶体型コバルト基合金ＨＳ２５の基材に高速ガス溶射で厚さ０．２mmのクロム炭化物皮膜を形成した材料（ＣｒＣ）と、固溶体型コバルト基合金ＨＳ２５の基材にプラズマＣＶＤ法で厚さ４μｍのＴｉＣ皮膜を下地層とし最表面層として厚さ５μｍのＡｌ２Ｏ３の皮膜を形成した材料（アルミナコート）を作成した。クロム炭化物皮膜形成においては、Ｃｒ_３Ｃ_２粒子とバインダーとしてのＮｉ―Ｃｒ合金を混合した粉末を原料とした。その際、Ｃｒ_３Ｃ_２粒子の含有量は体積比で８０％とした。比較材として、固溶体型コバルト基合金ＨＳ２５，低Ｎｉ固溶体型コバルト基合金，ステライトＮｏ．６を用いた。固溶体型コバルト基合金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、低Ｎｉ固溶体型コバルト基合金は、Ｎｉ含有量を５％以下にすることで、高温での加工硬化を強化した材料である。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。

摩耗試験は、試験片Ａと試験片Ｂとを高さ摺動させた。試験Ｎｏ．１〜６の本発明材料では、試験時間が５時間の場合、摩耗量は約２０μｍで極めて少ないことが確認された。３０時間の試験時間でも、摩耗量が５０〜５８μｍと少なく、何れの試験条件ａ〜ｃでも試験後の表面観察、断面観察の結果で、各皮膜に損傷や剥離等は認められず、高温耐磨耗性に優れていることが確認された。

試験Ｎｏ．７〜９の比較材では、５ｋｇの低荷重での摩耗量は少ないが、１０ｋｇでは摩耗量が大きくなり、試験後の表面観察の結果、摩耗部のＡｌ２Ｏ３の一部に剥離が認められた。このような剥離は、滑り摩耗の際の面圧（荷重）による固溶体型コバルト基合金ＨＳ２５製基材の組成変形にＣＶＤ法で形成した緻密なＡｌ２Ｏ３皮膜が追従できず皮膜に縦クラックが生じ、その後、部分的な剥離に至ったものと推測される。この傾向は、面圧が大きい場合、顕著になると予測され、その結果、荷重１０ｋｇの高面圧試験でＡｌ２Ｏ３皮膜の部分剥離を招き、固溶体型コバルト基合金ＨＳ２５製基材同士の摩耗が生じ、摩耗量が大きくなったものと推定できる。

一方、本実施の形態によるＡｌ２Ｏ３溶射皮膜は、溶融粒子の積層構造であり、緻密さで若干劣る。その結果、緻密な皮膜に比べ、見かけ上の塑性変形能を有しており、さらに、本実施の形態による溶射皮膜では厚さが約１０倍以上で、基材の塑性変形も生じ難い。その結果、試験後の観察でも、何等損傷が認められなかった。このような本実施の形態による耐摩耗被覆層１５の特徴は、長時間高温環境下で摩耗を受ける燃焼器部品の耐摩耗性を維持する上で有効である。

試験Ｎｏ．１０〜１２のＡｌ２Ｏ３／ＮｉＣｒの２層構造の溶射皮膜では、摩耗量は試験Ｎｏ．１〜６の本発明材とほぼ同程度であるが、試験後の断面観察の結果、Ａｌ２Ｏ３皮膜内に横クラックが生じ、一部、剥離も認められた。このような剥離形態はＡｌ２Ｏ３とコバルト基合金（低ＮＩ化ＨＳ２５）との熱膨張の相違によるのものであり、摩耗試験時の摺動部での摩擦熱による局部的温度上昇の寄与していると考えられる。したがって、Ａｌ２Ｏ３／ＮｉＣｒの２層構造では、熱応力の緩和機能が無いため、高温での耐摩耗性を十分に発揮できないことが明確になった。一方、ＺｒＯ２系皮膜を熱応力緩和層とした本発明材の３層構造（試験Ｎｏ．１〜６）では、試験後の断面観察ではいずれの皮膜内にも、剥離の原因となるクラックは認められず、長時間にわたって高温での耐摩耗性を維持できることが確認された。

試験Ｎｏ．１３〜１６の比較材では、本発明材による試験片Ａの摩耗量は比較的少ないが、相手側部材である試験片Ｂの摩耗量が大きく、摩耗部での摺動面はＡｌ２Ｏ３皮膜同士が有効であることが判る。また、これらの試験結果で、本発明材の相手側部材が低Ｎｉ化ＨＳ２５材、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３の場合、比較的摩耗量が少なくい。即ち、比較的剛体構造のトランジションピースの当て板１６と比較的柔構造のフローティングシール材９Ａ，９Ｂの両方にＡｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３／ＮｉＣｒの３層構造の本発明材を設けた場合、機械的な問題等で比較的柔構造であるシール材の最表面層のＡｌ２Ｏ３が損傷し、下部層、或いは、基材との組合わせとなっても、摩耗量が比較的少なくなると予想される。

試験Ｎｏ．１７〜１９の比較材は、いずれも摩耗量が大きく、逆に本発明材の有効性が立証された結果となった。

尚、上記確認試験において、表面層１９のＡｌ酸化物皮膜の厚さは、０．１mm以下では耐摩耗性の効果が長時間にわたって十分発揮できず、０．５mm以上では下地層１８のＺｒＯ２系合金の熱応力緩和効果が十分に効かず表面層１９が剥離し易くなることが確認された。したがって、表面層１９のＡｌ酸化物皮膜の厚さは、０．１mm〜０．５mmが好ましい。一方、下地層１８のＺｒＯ２系合金の厚さは、０．１mm以下では表面層１９のＡｌ酸化物皮膜に対する熱応力緩和の効果が十分発揮できず、０．５mm以上では、ＺｒＯ２系合金層と基材であるＣｏ基合金との熱膨張差による熱応力が大きくなりＺｒＯ２系合金層の損傷剥離し易くなることが確認された。したがって、下地層１８のＺｒＯ２系合金層の厚さは、０．１mm〜０．５mmが好ましい。しかしながら、表面層１９のＡｌ酸化物皮膜の厚さと下地層１８のＺｒＯ２系合金の厚さとの関連に、特に制限はないので、上記各層の厚さの範囲内において、耐摩耗性の確保と熱応力を緩和する目的を達成できる厚さの組合わせればよい。

また、本発明材の実施例として、熱応力緩和機能の皮膜として、ＺｒＯ２−８％Ｙ２Ｏ３を用いたが、ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３，ＺｒＯ２−ＣａＯ，ＺｒＯ２−ＭｇＯのいずれを用いても同様の結果が得られることが確認された。また、密着力向上機能の皮膜として、５０％Ｎｉ−５０％Ｃｒ合金を用いたが、Ｎｉ−Ｃｒ，ＭＣｒＡｌＹ(ＭはＮｉ,Ｃｏ)のいずれの合金を用いても同様の結果が得られることも確認された。

さらに、各皮膜の厚さについても、本発明の範囲内であれば、同様の結果が得られることが判った。

本発明によるガスタービン燃焼器に用いられる耐摩耗被覆層を示す断面図。本発明によるガスタービン燃焼器に用いられる燃焼器ライナを示す斜視図。本発明によるガスタービン燃焼器に用いられる燃焼器ライナとトランジションピースとの連結部を示す断面図。本発明によるガスタービン燃焼器に用いられるトランジションピースを示す斜視図。図４のトランジションピースの額縁部を示す拡大斜視図。図４のトランジションピースの額縁部とシール材との係合状態を示す図５相当図。図６のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。

符号の説明

１…燃焼器ライナ、２…トランジションピース、３…下流側、４…スプリングシール材、５…上流側、６…下流側、７…額縁、８…シール溝、９Ａ，９Ｂ…フローティングシール材、１１…静翼、１３Ａ，１３Ｂ…脚、１５…耐摩耗被覆層、１６…当て板、１７…被覆層、１８…下地層、１９…表面層。

Claims

燃焼器ライナと、この燃焼器ライナの下流側外周にスプリングシール材を介して嵌合されるトランジションピースと、このトランジションピースの下流側とガスタービンの静翼に跨って係合するフローティングシール材とを備えたガスタービン燃焼器において、前記各シール材とこれらシール材に対して摺動する相手側部材とをコバルト基合金材で形成すると共に、これらコバルト基合金材で形成された前記シール材及び相手側部材との摺動面に、下地層としてＺｒＯ２系溶射皮膜を形成し、かつこの下地層の上の表面層としてＡｌ酸化物の溶射皮膜を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
燃焼器ライナと、この燃焼器ライナの下流側外周にスプリングシール材を介して嵌合されるトランジションピースと、このトランジションピースの下流側とガスタービンの静翼に跨って係合するフローティングシール材とを備えたガスタービン燃焼器において、前記各シール材とこれらシール材に対して摺動する相手側部材とをコバルト基合金材で形成し、これらコバルト基合金材で形成された前記シール材及び相手側部材との摺動面に、下地層としてＺｒＯ２系合金の溶射皮膜を形成し、かつこの下地層の表面に表面層としてＡｌ酸化物の溶射皮膜を形成すると共に、前記下地層と前記シール材及び相手側部材の摺動面との間に、ＮｉＣｒ合金又はＭＣｒＡｌＹ（ＭはＣｏ，Ｎｉ）合金よりなる溶射皮膜の被覆層を形成したことを特徴とするガスタービン燃焼器。
前記下地層は、ＺｒＯ２系合金を主成分とし、安定化材としてＣａＯ，ＭｇＯ又はＹ２Ｏ３を含む請求項１又は２記載のガスタービン燃焼器。
前記下地層の厚さが０．１〜０．５mmで、前記表面層の厚さが０．１〜０．５mmであることを特徴とする請求項１又は２記載のガスタービン燃焼器。