JP5932538B2 - CO2 turbine, CO2 turbine manufacturing method, and power generation system - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、ＣＯ２タービン、ＣＯ２タービンの製造方法、および発電システムに関する。 Embodiments described herein relate generally to a CO 2 turbine, a CO 2 turbine manufacturing method, and a power generation system.
発電システムに適用されるタービンにおいては、静止部と回転部との隙間から漏出する流体量を低減させて性能を向上させるために、これら静止部と回転部との隙間にシール部が設けられる。従来、シール部として、金属材料からなるメタルシールが用いられている。また、高温用のシール部として、セラミックス材料からなるセラミックスシールが用いられている。セラミックスシールとしては、静止部と回転部とのクリアランスを小さくするとともに、静止部または回転部の損傷を抑制する観点から、静止部と回転部との間で意図的に摩耗させるアブレダビリティ機能を有するものが知られている。アブレダビリティ機能を有するセラミックスシールとしては、多孔質化された気孔率の大きなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。 In a turbine applied to a power generation system, a seal portion is provided in the gap between the stationary portion and the rotating portion in order to improve the performance by reducing the amount of fluid leaking from the gap between the stationary portion and the rotating portion. Conventionally, a metal seal made of a metal material is used as the seal portion. In addition, a ceramic seal made of a ceramic material is used as a high-temperature seal portion. The ceramic seal has an abradability function that intentionally wears between the stationary part and the rotating part from the viewpoint of reducing the clearance between the stationary part and the rotating part and suppressing damage to the stationary part or the rotating part. What you have is known. As a ceramic seal having an abradability function, a porous ceramic seal having a high porosity is known (for example, see Patent Document 1).
近年、発電の効率化の観点から、タービンの高温高圧化のニーズが高まっている。このような高温高圧化されたタービンとして、ＣＯ２タービンの使用が検討されている。ＣＯ２タービンは、天然ガス等の燃料、酸素、およびＣＯ２を混合して燃焼させた燃焼ガスを供給して、超臨界ＣＯ２を媒体として回転部を回転させて発電する。ＣＯ２タービンは、燃焼により生成するＣＯ２をそのまま回収することができるので、ＣＯ２を有効活用でき、NＯXを排出しないことから、地球環境保護の観点からも注目されている。 In recent years, there is an increasing need for high-temperature and high-pressure turbines from the viewpoint of improving power generation efficiency. As such a high-temperature and high-pressure turbine, use of a CO 2 turbine has been studied. The CO 2 turbine supplies a combustion gas obtained by mixing and burning fuel such as natural gas, oxygen, and CO 2 , and generates electric power by rotating a rotating portion using supercritical CO 2 as a medium. Since the CO 2 turbine can recover CO 2 generated by combustion as it is, CO 2 can be effectively used, and NO X is not discharged. Therefore, the CO 2 turbine is attracting attention from the viewpoint of protecting the global environment.
しかしながら、ＣＯ２タービンは、従来のタービンに比べて燃焼ガスが高温高圧となるとともに、燃焼ガスの熱伝達が大きくなることから、構成部品の高温化が容易に進行する。これにより、従来のメタルシールでは、高温化の進行により所望のシール効果を得られないおそれがある。すなわち、燃焼ガスが漏出して回転部の上流側と下流側との差圧を維持できなくなるおそれがある。 However, in the CO 2 turbine, the combustion gas has a higher temperature and pressure than the conventional turbine, and the heat transfer of the combustion gas increases, so that the temperature of the components easily increases. Thereby, in the conventional metal seal, there exists a possibility that a desired sealing effect may not be acquired by progress of high temperature. That is, there is a possibility that combustion gas leaks and the differential pressure between the upstream side and the downstream side of the rotating part cannot be maintained.
また、セラミックスシール、具体的にはアブレダビリティ機能を有するセラミックスシールが知られているが、従来は強度が必要のない部品に適用され、対向する部品は金属材料を加工して、先鋭な先端を持つ刃を形成する。このため、従来のセラミックスシールは平滑な表面を有し、かつ、多孔質化された気孔率の大きな皮膜が用いられている。これに対して、従来のタービンに比べて燃焼ガスが高温高圧となるとともに、燃焼ガスの熱伝達が大きいＣＯ２タービンでは、対向する凹凸の部分にもセラミックスを用いる必要があり、従来の強度に乏しいセラミックスシールは必ずしも適していない。 Also, ceramic seals, specifically ceramic seals with an abradability function, are known. Conventionally, they are applied to parts that do not require strength. Form a blade with. For this reason, a conventional ceramic seal has a smooth surface and a porous film having a large porosity. On the other hand, in the CO 2 turbine in which the combustion gas has a higher temperature and pressure than the conventional turbine and the heat transfer of the combustion gas is large, it is necessary to use ceramics for the uneven portions facing each other. Poor ceramic seals are not always suitable.
本発明が解決しようとする課題は、シール部の信頼性が向上されることにより性能の向上されたＣＯ２タービン、ＣＯ２タービンの製造方法、および発電システムを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a CO 2 turbine, a method for manufacturing a CO 2 turbine, and a power generation system that have improved performance by improving the reliability of the seal portion.
実施形態のＣＯ２タービンは、静止部と、回転部と、静止部と回転部との対向部分の隙間から漏出する燃焼ガスを低減するためのシール部とを有し、ＣＯ２が混合された燃料の燃焼により発生した燃焼ガスにより回転部を回転させるものである。シール部は、静止部および回転部から選ばれる一方の部材である被形成部材にこの被形成部材の熱伝導率よりも熱伝導率が低く、かつ表面に凹凸形状が設けられたセラミックス層を形成し、被形成部材と他方の部材である対向部材とが接触しない構造、もしくは、対向部材表面の方が前記セラミックス層より硬さが低く、接触時に優先的に削れる構造を有する。被形成部材は、表面に前記被形成部材の構成材料からなる凸部を有する。 The CO 2 turbine according to the embodiment has a stationary part, a rotating part, and a seal part for reducing combustion gas leaking from a gap between opposing parts of the stationary part and the rotating part, and CO 2 is mixed. The rotating part is rotated by combustion gas generated by the combustion of fuel. Seal portion has a thermal conductivity of thermal conductivity than the target member to be formed member which is one member selected from the stationary portion and the rotating portion is low and forming a ceramic layer which has irregularities provided on the surface In addition, it has a structure in which the member to be formed and the opposing member, which is the other member, do not contact each other, or the surface of the opposing member has a lower hardness than the ceramic layer and is preferentially scraped when in contact. The member to be formed has a convex portion made of the constituent material of the member to be formed on the surface.
本発明の実施形態によれば、所定のシール部を設けることで、シール部の信頼性を向上させて性能を向上できる。 According to the embodiment of the present invention, by providing the predetermined seal portion, the reliability of the seal portion can be improved and the performance can be improved.
以下、実施形態のＣＯ２タービン、ＣＯ２タービンの製造方法、および発電システムについて図面を参照して説明する。
図１は、ＣＯ２タービンの一実施形態を示す一部子午断面図である。
Hereinafter, a CO 2 turbine, a CO 2 turbine manufacturing method, and a power generation system according to embodiments will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partial meridional cross-sectional view illustrating one embodiment of a CO 2 turbine.
ＣＯ２タービン１０は、例えば、ケーシング１１内に、複数のロータディスク１２を軸方向に有し、各ロータディスク１２の周囲に動翼１３が複数枚植設されたタービンロータ１４が貫設されている。また、動翼１３の前方には静翼１５が配置されて、静翼１５と動翼１３とにより１つのタービン段落を構成している。また、静翼１５は、シュラウドセグメント１６、リテイニングリング１７、サポートリング１８を介してケーシング１１に支持されている。このタービン段落は、燃焼ガスの流れ方向（図１の矢印方向）の上流側から下流側へ向かって、第１段落、第２段落、第３段落と称される。
For example, the CO 2 turbine 10 has a plurality of
なお、ケーシング１１、静翼１５、シュラウドセグメント１６、リテイニングリング１７、およびサポートリング１８が、静止部に該当する。また、ロータディスク１２、動翼１３、タービンロータ１４が、回転部に該当する。
The casing 11, the
ＣＯ２タービン１０においては、図示しない燃焼器で、天然ガス等の燃料、酸素、およびＣＯ２を混合した状態で燃焼させて燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは、図示しないトランジションピースを介して、静翼１５および動翼１３からなる複数のタービン段落を備えるタービン部に導入される。タービン部に導入された燃焼ガスは、タービン部で膨張し、動翼１３が植設されたタービンロータ１４を回転させる。このタービンロータ１４の回転を利用して、発電機等を回転駆動して発電が行われる。
In the CO 2 turbine 10, combustion gas is generated by burning in a state in which fuel such as natural gas, oxygen, and CO 2 are mixed in a combustor (not shown). The combustion gas is introduced into a turbine section including a plurality of turbine stages including the
ＣＯ２タービン１０には、静止部と回転部との対向部分の隙間から漏出する燃焼ガスを低減するためにシール部２１が設けられる。シール部２１は、静止部および回転部から選ばれる少なくとも一方の部材（被形成部材）、特に他方の部材（対向部材）との対向部分に設けられる。また、シール部２１は、被形成部材に対向する他方の部材（対向部材）に
適当なクリアランスをもって設けられる。シール部２１は、部材自体が接触することで損耗し、クリアランスを最小に調節するいわゆるアブレダビリティ機能を有しないものである。ただし、対向する部材にアブレダビリティ機能を設けておき、接触時にこちらを優先的に削ることでシール部２１の損傷を抑制しても良い。
The CO 2 turbine 10 is provided with a
シール部２１が設けられる被形成部材としては、例えば、図１に示すような回転部を構成する動翼１３が挙げられる。この場合、シール部２１は、動翼１３の径方向外側端部に設けられる。また、シール部２１は、対向部材、すなわちシュラウドセグメント１６にクリアランスをもって設けられる。なお、シール部２１は、少なくとも一部の段落に設けられていればよく、必ずしも全ての段落に設けられている必要はない。
As a member to be formed on which the
シール部２１が設けられる被形成部材としては、静止部を構成する部材であってもよい。例えば、動翼１３の径方向外側端部において対向するシュラウドセグメント１６であってもよい。この場合、シール部２１は、シュラウドセグメント１６の内面に形成される。また、シール部２１は、対向部材、すなわち動翼１３に適当なクリアランスをもって設けられる。
The member to be formed on which the
シール部２１は、動翼１３およびシュラウドセグメント１６のいずれに設けられていてもよいが、動翼１３に設けることで、部品点数を少なくでき、また動翼１３への遮熱コーティングと一緒に施工できるために経済的である。また、動翼１３の場合、ＣＯ２タービン１０、またはタービンロータ１４からの取り外しが容易なことから、補修や再生が容易となる。
The
図２は、シール部２１の第１の実施形態の一例を示す断面図である。なお、図２には、シール部２１が設けられる被形成部材２０を併せて示す。ここで、被形成部材２０としては、上記したように動翼１３やシュラウドセグメント１６が挙げられる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the first embodiment of the
第１の実施形態のシール部２１は、基本的に被形成部材２０の表面が平坦とされ、この表面にセラミックス層２１１が少なくとも設けられて構成されている。セラミックス層２１１は、被形成部材２０の熱伝導率よりも熱伝導率が低く、かつ表面に凹凸形状を有する。このシール部２１では、基本的に被形成部材２０の表面が平坦であることから、通常、セラミックス層２１１の裏面側は平坦となり、表面側の一部が除去されて凹凸形状となっている。
The
このようなシール部２１によれば、被形成部材２０の熱伝導率よりも熱伝導率が低く、かつ表面に凹凸形状を有するセラミックス層２１１を有することから、ＣＯ２タービン１０のように燃焼ガスが高温高圧であって熱伝達が大きいものに適用したとしても、信頼性を維持できる。これにより、燃焼ガスの漏出を抑制して上流側と下流側との差圧を維持でき、ＣＯ２タービン１０の性能を向上できる。
According to such a sealing
特に、セラミックス層２１１は、対向部材と適当なクリアランスによって接触しないように設けられる、もしくは対向部材表面をセラミックス層の硬さより小さい硬さとすることでアブレイダビリティ機能をもたせることによって、セラミックス層２１１自体はアブレダビリティ機能を有していなくても対向部材の損傷を抑制でき、アブレダビリティ機能を有するもののように気孔率を高くしなくてもよい。また、予め凹凸形状が設けられていることから、燃焼ガスの漏出を効果的に抑制でき、上流側と下流側との差圧を維持してＣＯ２タービン１０の性能を向上できる。
In particular, the
凹凸形状は、例えば、凹部がスリット状に設けられている。凹部は、図２に示すようにセラミックス層２１１の厚さ方向の一部に形成されていてもよいし、図示しないがセラミックス層２１１の厚さ方向に貫通するように形成されていてもよい。また、凹部や凸部の断面形状は、図示するような正方形状等の四角形状であってもよいし、図示しないが、三角形状、台形状等であってもよく、その断面形状は必ずしも制限されない。
In the uneven shape, for example, the concave portion is provided in a slit shape. The recess may be formed in a part of the
セラミックス層２１１は、被形成部材２０となる一般的なＮｉ基超合金の室温での熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ／Ｋ）以下であることから、室温での熱伝導率が５Ｗ／（ｍ／Ｋ）以下であることが好ましい。セラミックス層２１１の構成材料としては、希土類元素の酸化物が好ましく、例えば、ジルコニウム酸化物（Ｚｒ２Ｏ３）、ハフニウム酸化物（Ｈｆ２Ｏ３）、セリウム酸化物（ＣｅＯ２）、ジスプロニウム酸化物（Ｄｙ２Ｏ３）、ガドニウム酸化物（Ｇｄ２Ｏ３）、イットリウム酸化物（Ｙ２Ｏ３）、パイロクロア型ジルコネート（Ｘ２Ｚｒ２Ｏ７：Ｘは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｅｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、またはＹｂを示す）が挙げられる。
The
セラミックス層２１１は、気孔率が１０％以下であることが好ましい。また、セラミックス層２１１は、ロックウェルスーパフイシャル硬さ（スケール１５−Ｙ）が８０を超えることが好ましく、１００を超えることがより好ましい。このような気孔率や硬さとすることで、シール部２１の信頼性をさらに向上させ、ＣＯ２タービン１０の性能を向上できる。
The
セラミックス層２１１における凸部の幅ｗ、凸部の高さｈ１（セラミックス層２１１の厚さに相当）、および凸部のピッチｐは、ＣＯ２タービン１０の構成、シール部２１の位置、セラミックス層２１１の構成材料等に応じて適宜変更できるが、例えば以下の範囲が好ましい。
The width w of the convex portion in the
すなわち、凸部の幅ｗは、０．５〜５ｍｍが好ましい。凸部の幅ｗが０．５ｍｍ未満の場合、凸部の強度が不足し、破壊を生じる可能性があり、５ｍｍを超えると、部材に形成できる凸部の数が不足してシール性能が低下する。また、凸部の高さｈ１は、０．５〜５ｍｍが好ましい。凸部の高さｈ１が０．５ｍｍ未満の場合、流体的な圧損が小さくなるためシール性能の低下を生じ、５ｍｍを超えると、凸部の強度が不足して破壊が生じる可能性が高くなる。さらに、凸部のピッチｐは、２〜１０ｍｍが好ましい。凸部のピッチｐが２ｍｍ未満の場合、燃焼ガスのよどみ部が小さくなるためシール性能の低下を生じ、１０ｍｍを超えると、凸部の数が不足してシール性能が低下する。また、凹部の深さｈ２は、ｈ１〜ｈ１−０．５ｍｍが好ましい。凹部の深さｈ２がｈ１より大きい場合、凹部を加工したときに素地金属が露出する可能性があり、この場合、金属が直接、高温の燃焼ガスに暴露されることから、使用時に劣化が生じる可能性が高く、ｈ１−０．５ｍｍより小さいと、膜厚が厚くなりすぎるため、熱応力によって使用時に破壊が生じる可能性が高くなる。 That is, the width w of the convex portion is preferably 0.5 to 5 mm. If the width w of the convex portion is less than 0.5 mm, the strength of the convex portion is insufficient and may cause breakage. If the width exceeds 5 mm, the number of convex portions that can be formed on the member is insufficient and the sealing performance is deteriorated. To do. Further, the height h 1 of the convex portion is preferably 0.5 to 5 mm. When the height h 1 of the convex portion is less than 0.5 mm, the fluid pressure loss is small, so that the sealing performance is deteriorated. When it exceeds 5 mm, the strength of the convex portion is insufficient, and there is a high possibility of breakage. Become. Furthermore, the pitch p of the convex portions is preferably 2 to 10 mm. When the pitch p of the protrusions is less than 2 mm, the stagnation part of the combustion gas becomes small, so that the sealing performance is deteriorated. When it exceeds 10 mm, the number of protrusions is insufficient and the sealing performance is deteriorated. The depth h 2 of the recess, h 1 to h 1 -0.5 mm is preferred. When the depth h 2 of the recess is larger than h 1 , the base metal may be exposed when the recess is processed. In this case, the metal is directly exposed to the high-temperature combustion gas, which deteriorates during use. If the thickness is smaller than h 1 -0.5 mm, the film thickness becomes too thick, so that there is a high possibility that breakage occurs during use due to thermal stress.
図３は、第１の実施形態のシール部２１の変形例を示す断面図である。シール部２１は、被形成部材２０上に、金属層２１２およびセラミックス層２１１がこの順に積層されたものでもよい。金属層２１２を設けることで、例えば、被形成部材２０の高温での耐食性および耐酸化性を向上できるとともに、セラミックス層２１１の形成も容易となる。金属層２１２としては、被形成部材２０よりもクロムまたはアルミニウムの濃度の高い金属材料からなるものが好ましく、特に高温での耐食性および耐酸化性に優れるＭＣｒＡｌＹ合金（ＭはＮｉおよびＣｏから選ばれる少なくとも一方）からなるものが好ましい。金属層２１２を設ける場合、０．０１ｍｍ以上が好ましく、０．０５ｍｍ以上がより好ましく、通常は０．１ｍｍ程度もあれば十分である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a modified example of the
図４は、第１の実施形態のシール部２１の他の変形例を示す断面図である。セラミックス層２１１は、例えば、被形成部材２０側から順に第１のセラミックス層２１１ａおよび第２のセラミックス層２１１ｂのように複数層から構成されていてもよい。複数層の場合、各層の厚さは少なくとも０．０５ｍｍ以上が好ましく、０．１ｍｍ以上がより好ましい。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another modification of the
なお、複数層の場合、最上層のみに凹凸形状が形成されていてもよいし、その下層に達するように凹凸形状が形成されていてもよい。また、複数層の場合についても、上記したような凸部の幅ｗ、凸部の高さｈ１、および凸部のピッチｐは、単層の場合と同様にできる。 In the case of a plurality of layers, the concavo-convex shape may be formed only in the uppermost layer, or the concavo-convex shape may be formed so as to reach the lower layer. In the case of a plurality of layers, the width w of the protrusions, the height h 1 of the protrusions, and the pitch p of the protrusions can be the same as in the case of a single layer.
複数層の場合、被形成部材２０側の最下層から表面側の最上層に向かって、徐々に各層の気孔率が低下することが好ましく、最上層の気孔率は１２％以下が好ましい。最上層の気孔率を低下させることで、シール部２１の信頼性を向上させ、ＣＯ２タービン１０の性能を向上できる。また、最上層の気孔率を８％以下とすることで、さらにシール部２１の信頼性を向上させ、ＣＯ２タービン１０の性能を向上できる。
In the case of a plurality of layers, it is preferable that the porosity of each layer gradually decreases from the lowermost layer on the forming
図５は、シール部２１の第２の実施形態の一例を示す断面図である。
被形成部材２０は、表面に被形成部材２０の構成材料からなる凸部２０１を有するものであってもよい。すなわち、シール部２１は、被形成部材２０の表面の凸部２０１を利用して凹凸形状となるものであってもよい。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the second embodiment of the
The member to be formed 20 may have a
凸部２０１の断面形状は、図示するような三角形状が代表的なものとして挙げられるが、正方形状等の四角形状や台形状等であってもよい。凸部２０１を設ける場合についても、基本的に第１の実施形態のシール部２１と同様にセラミックス層２１１を設けることができ、また必要に応じて金属層２１２を設けることができる。
The cross-sectional shape of the
第２の実施形態のシール部２１の場合についても、セラミックス層２１１の凸部の幅ｗ、凸部の高さｈ、および凸部のピッチｐは、ＣＯ２タービン１０の構成、シール部２１の位置、シール部２１の構成材料等に応じて適宜変更できるが、例えば以下の範囲が好ましい。なお、セラミックス層２１１の凸部が三角形状等の場合、凸部の幅ｗは凸部の付け根部分での幅、凸部の高さはｈはセラミックス層２１１の裏面部分（平坦部分）から凸部の先端までの高さ、凸部のピッチｐは隣接する凸部の付け根間での長さとする。
Also in the case of the
すなわち、凸部の幅ｗは、０．５〜５ｍｍが好ましい。凸部の幅ｗが０．５ｍｍ未満の場合、凸部の強度が不足し、破壊を生じる可能性があり、５ｍｍを超えると、部材に形成できる凸部の数が不足してシール性能が低下する。また、凸部の高さｈ１は、０．５〜５ｍｍが好ましい。凸部の高さｈ１が０．５ｍｍ未満の場合、流体的な圧損が小さくなるためシール性能の低下を生じ、５ｍｍを超えると、凸部の強度が不足して破壊が生じる可能性が高くなる。さらに、凸部のピッチｐは、２〜１０ｍｍが好ましい。凸部のピッチｐが２ｍｍ未満の場合、燃焼ガスのよどみ部が小さくなるためシール性能の低下を生じ、１０ｍｍを超えると、凸部の数が不足してシール性能が低下する。また、なお、セラミックス層２１１の厚さは、０．０５〜０．２ｍｍが好ましい。セラミックス層２１１の厚さが０．０５ｍｍ未満の場合、表面層の強度が不足する可能性があり、０．２ｍｍを超えると、表面層２１１に発生する熱応力によって剥離が生じることが懸念される。
That is, the width w of the convex portion is preferably 0.5 to 5 mm. If the width w of the convex portion is less than 0.5 mm, the strength of the convex portion is insufficient and may cause breakage. If the width exceeds 5 mm, the number of convex portions that can be formed on the member is insufficient and the sealing performance is deteriorated. To do. Further, the height h 1 of the convex portion is preferably 0.5 to 5 mm. When the height h 1 of the convex portion is less than 0.5 mm, the fluid pressure loss is small, so that the sealing performance is deteriorated. When it exceeds 5 mm, the strength of the convex portion is insufficient, and there is a high possibility of breakage. Become. Furthermore, the pitch p of the convex portions is preferably 2 to 10 mm. When the pitch p of the protrusions is less than 2 mm, the stagnation part of the combustion gas becomes small, so that the sealing performance is deteriorated. When it exceeds 10 mm, the number of protrusions is insufficient and the sealing performance is deteriorated. In addition, the thickness of the
図６は、第２の実施形態のシール部２１の変形例を示す断面図である。
被形成部材２０の凸部２０１は、被形成部材２０の構成材料とは異なる材料により構成されていてもよい。この場合、凸部２０１は、被形成部材２０の融点よりも融点の高い高融点材料からなることが好ましい。凸部２０１は、被形成部材２０の表面から突出していることから、平坦部分に比べて燃焼ガスの影響を受けて高温になりやすい。凸部２０１の構成材料を被形成部材２０の融点よりも融点の高い高融点材料とすることで、凸部２０１の高温化による信頼性の低下を抑制できる。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modified example of the
The
凸部２０１を構成する高融点材料としては、例えば、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、またはこれらの合金が好ましい。なお、一般的に、高融点材料は耐食性および耐酸化性が必ずしも良好でないことから、上記したような被形成部材２０よりもクロムまたはアルミニウムの濃度の高い金属材料、例えばＭＣｒＡｌＹ合金（ＭはＮｉおよびＣｏから選ばれる少なくとも一方）からなる金属層２１２を設けることが好ましい。金属層２１２を設ける場合、０．０１ｍｍ以上が好ましく、０．０５ｍｍ以上がより好ましく、通常は０．１ｍｍ程度もあれば十分である。
For example, W, Nb, Ta, Mo, or an alloy thereof is preferable as the high melting point material constituting the
以下、シール部２１の形成方法について説明する。
まず、第１の実施形態のシール部２１の形成方法について説明する。なお、以下では、図４に示すシール部２１を例に挙げて説明する。
Hereinafter, a method for forming the
First, a method for forming the
金属層２１２は、被形成部材２０の表面に、溶射法、電子ビーム蒸着法等により、ＭＣｒＡｌＹ合金（ＭはＮｉおよびＣｏから選ばれる少なくとも一方）等の金属層構成材料の粒子、クラスター、または分子を一様な被膜状に被着させて形成できる。
The
セラミックス層２１１は、例えば、金属層２１２の表面に、溶射法、電子ビーム蒸着法等によって、第１のセラミックス層２１１ａとなるセラミックス材料の粒子、クラスター、または分子等を投入して一様な被膜状に被着させ、さらに、溶射法、電子ビーム蒸着法等によって、第２のセラミックス層２１１ｂとなるセラミックス材料の粒子、クラスター、または分子を投入して一様な被膜状に被着させた後、第２のセラミックス層２１１ｂの一部を除去して凹凸形状とすることにより形成できる。
The
除去は、公知の方法を適用でき、例えば、溝研削法、ピュアウォータージェット法、アブレイシブウォータージェット法、レーザ法等により行うことができる。溝研削法としては、砥石等により除去を行う方法が挙げられる。ピュアウォータージェット法は、ジェット水流により除去を行うものである。アブレイシブウォータージェット法は、ジェット水流により研磨材粒子を加速させ、主としてこれらの研磨材粒子により除去を行うものである。 The removal can be performed by a known method, for example, a groove grinding method, a pure water jet method, an abrasive water jet method, a laser method, or the like. Examples of the groove grinding method include a method of removing with a grindstone or the like. In the pure water jet method, removal is performed by jet water flow. In the abrasive water jet method, abrasive particles are accelerated by a jet water stream, and removal is mainly performed by these abrasive particles.
セラミックス層２１１、すなわち第１のセラミックス層２１１ａおよび第２のセラミックス層２１１ｂの熱伝導率は、溶射法、電子ビーム蒸着法等に使用するセラミックス材料の種類を適宜選択することによって、また気孔率を適宜調整することによって調整できる。気孔率は、溶射法、電子ビーム蒸着法等の形成方法の種類を適宜選択するとともに、例えば溶射法では、溶射温度、溶射速度、溶射に使用する粉末の粒径等を適宜選択することにより調整できる。また、厚さは、溶射法、電子ビーム蒸着法等による形成時間の調整により行うことができる。
The thermal conductivity of the
次に、第２の実施形態のシール部２１の形成方法について説明する。
図５に示すような被形成部材２０、すなわち被形成部材２０の構成材料からなる凸部２０１が形成されたものは、表面が平坦な被形成部材２０に対して、公知の方法、例えば、溝研削法、ピュアウォータージェット法、アブレイシブウォータージェット法、レーザ法等を適用して、凸部２０１以外の部分を除去して凸部２０１を残すようにして製造することができる。一方、図６に示すような被形成部材２０、すなわち被形成部材２０の構成材料とは異なる材料からなる凸部２０１が形成されたものは、表面が平坦な被形成部材２０に対して、溶接肉盛法、レーザクラッディング法、摩擦攪拌肉盛法、コールドスプレー法、溶射法、プラズマ粉体肉盛法等により、凸部２０１を形成して得ることができる。
Next, a method for forming the
The formed
また、セラミックス層２１１、金属層２１２は、凸部２０１が形成された被形成部材２０に対して、溶射法、電子ビーム蒸着法等により、セラミックス材料、ＭＣｒＡｌＹ合金（ＭはＮｉおよびＣｏから選ばれる少なくとも一方）等の各層の構成材料の粒子、クラスター、または分子を投入して被着させることで形成できる。なお、被形成部材２０に凸部２０１が形成されている場合、凸部２０１の表面が傾斜していることなどから、凸部２０１の表面にセラミックス層２１１や金属層２１２を均一に形成することが容易でない。このため形成方法に応じて、以下のように形成を行うことが好ましい。
Further, the
溶射法の場合、例えば、図７に示すように、凸部２０１が形成された被形成部材２０に対して、溶射ガン４１の溶射フレーム４２の方向が被形成部材２０の表面の法線方向に対して角度θだけ傾斜した方向となるようにして溶射を行うことが好ましい。角度θは、例えば、溶射フレーム４２の方向が凸部２０１の表面に垂直となるような大きさが好ましいが、凸部２０１の表面にセラミックス層２１１や金属層２１２を均一に形成できれば必ずしもこのようなものに限定されない。
In the case of the thermal spraying method, for example, as shown in FIG. 7, the direction of the
溶射法の場合、上記のようにするとともに、被形成部材２０を矢印に示すような左右の移動方向４３に水平移動させながら行うことが好ましい。また、必要に応じて、反対方向からも同様にして溶射を行うことが好ましい。このようにすることで、被形成部材２０の表面だけでなく、凸部２０１の表面にも、セラミックス層２１１や金属層２１２を適切な厚さに均一に形成できる。
In the case of the thermal spraying method, it is preferable to perform as described above while horizontally moving the member to be formed 20 in the left and right moving
電子ビーム蒸着法の場合、例えば、図８に示すように、凸部２０１が形成された被形成部材２０に対向して蒸着インゴット５１を配置し、蒸着インゴット５１に電子ビーム５２を照射して蒸着を行う。この際、被形成部材２０を揺動軸５３を中心に矢印に示すような時計回りおよび半時計回りの回転方向５４に一定程度の角度で交互に回転させることが好ましく、また被形成部材２０を矢印に示すような左右の移動方向５５に水平移動させながら行うことが好ましい。
In the case of the electron beam vapor deposition method, for example, as shown in FIG. 8, a
一般に、電子ビーム蒸着法の場合、蒸着インゴット５１の電子ビーム５２が照射された部分を中心として蒸着材料が放出され、凸部２０１の表面にセラミックス層２１１や金属層２１２を適切な厚さに均一に形成できないおそれがある。被形成部材２０を揺動軸５３を中心に回転させるとともに、左右に水平移動させながら蒸着を行うことで、被形成部材２０の表面だけでなく、凸部２０１の表面にも、セラミックス層２１１や金属層２１２を適切な厚さに均一に形成できる。
In general, in the case of the electron beam vapor deposition method, the vapor deposition material is released centering on the portion of the
次に、実施形態のＣＯ２タービン１０が適用された発電システムについて説明する。
図９は、発電システムの一実施形態を示す構成図である。
Next, a power generation system to which the CO 2 turbine 10 of the embodiment is applied will be described.
FIG. 9 is a configuration diagram illustrating an embodiment of the power generation system.
この発電システム６０は、天然ガス等の燃料、酸素、およびＣＯ２を燃焼させて発生した高温の燃焼ガスでＣＯ２タービン１０を回転させて発電を行うものである。発電システム６０は、主として発電を行うＣＯ２タービン発電機６１を有する。このＣＯ２タービン発電機６１に実施形態のＣＯ２タービン１０が適用される。ＣＯ２タービン発電機６１には、高温ガスを発生させる燃焼器６２が接続されている。燃焼器６２には、空気から酸素を製造して供給する酸素製造装置６３が接続されている。また、燃焼器６２には、天然ガス等の燃料を供給する図示しない燃料供給装置が接続されている。さらに、燃焼器６２には、ＣＯ２を再生して供給する再生熱交換器６４が接続されている。
The power generation system 60 performs power generation by rotating the CO 2 turbine 10 with a high-temperature combustion gas generated by burning fuel such as natural gas, oxygen, and CO 2 . The power generation system 60 includes a CO 2 turbine generator 61 that mainly generates power. The CO 2 CO 2 turbine 10 embodiment the
燃焼器６２では、燃料供給装置から供給された燃料、酸素製造装置６３から供給された酸素、および再生熱交換器６４から供給されたＣＯ２を混合して燃焼させて、高温の燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスによりＣＯ２タービン発電機６１を回転させて発電が行われる。ＣＯ２タービン発電機６１から排出されたＣＯ２と蒸気とを含む燃焼ガスは、再生熱交換器６４を経て冷却器６５で冷却された後、湿分分離器６６によって水分が分離される。その後、水分が分離された燃焼ガスは、高圧ポンプであるＣＯ２ポンプ６７によって圧縮される。大部分のＣＯ２は再生熱交換器６４を介して燃焼器６２に循環されるが、一部のＣＯ２はそのまま回収される。
In the
発電システム６０は、超臨界圧のＣＯ２を用いた酸素燃焼の循環システムで構成されており、ＣＯ２を有効活用でき、かつＮＯｘの排出を抑制できる。すなわち、得られた高圧のＣＯ２は、貯留することもできるし、石油採掘現場で用いられているＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｏｉｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）に適用することもできる。ＥＯＲとは、老朽化した油田の採掘現場において高圧のＣＯ２を注入して、石油の採掘量を増大させる手法である。従って、発電システム６０は、地球環境保護の観点からも有用である。 The power generation system 60 is composed of an oxygen combustion circulation system using supercritical pressure CO 2 , and can effectively utilize CO 2 and suppress NOx emission. That is, the high-pressure CO 2 obtained can be stored or applied to EOR (Enhanced oil Recovery) used at oil mining sites. EOR is a technique for increasing the amount of oil extracted by injecting high-pressure CO 2 at an oil field. Therefore, the power generation system 60 is also useful from the viewpoint of protecting the global environment.
発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
１０…ＣＯ２タービン、１１…ケーシング、１２…ロータディスク、１３…動翼、１４…タービンロータ、１５…静翼、１６…シュラウドセグメント、１７…リテイニングリング、１８…サポートリング、２０…被形成部材、２１…シール部、２１１…セラミックス層、２１２…金属層、２１１ａ…第１のセラミックス層、２１１ｂ…第２のセラミックス層、２０１…凸部、４１…溶射ガン、４２…溶射フレーム、４３…移動方向、５１…蒸着インゴット、５２…電子ビーム、５３…揺動軸、５４…回転方向、５５…移動方向
10 ... CO 2 turbine, 11 ... casing, 12 ... rotor disk, 13 ... moving blades, 14 ... turbine rotor, 15 ... stator blades, 16 ...
Claims (10)
前記シール部は、前記静止部および前記回転部から選ばれる一方の部材である被形成部材に前記被形成部材の熱伝導率よりも熱伝導率が低く、かつ表面に凹凸形状が設けられたセラミックス層を形成し、前記被形成部材と他方の部材である対向部材とが接触しない構造、もしくは、前記対向部材表面の方が前記セラミックス層より硬さが低く、接触時に優先的に削れる構造を有し、
前記被形成部材は、表面に前記被形成部材の構成材料からなる凸部を有することを特徴とするＣＯ２タービン。 A stationary portion, a rotating portion, and a seal portion for reducing combustion gas leaking from a gap between opposing portions of the stationary portion and the rotating portion, and is generated by combustion of fuel mixed with CO 2 A CO 2 turbine for rotating the rotating part by combustion gas,
The seal portion, the stationary portion and a lower thermal conductivity than the thermal conductivity of the object member to be formed member which is one member selected from the rotary part, and the uneven shape on the surface is provided Ceramics forming a layer, the structure and the opposing member is a formation member and the other member is not in contact or the opposing member it is less hardness than the ceramic layer on the surface, have a preferentially scraped structure upon contact And
Wherein the forming member, CO 2 turbine and having a convex portion formed of a constituent material of the object member on the surface.
前記シール部は、前記静止部および前記回転部から選ばれる一方の部材である被形成部材に前記被形成部材の熱伝導率よりも熱伝導率が低く、かつ表面に凹凸形状が設けられたセラミックス層を形成し、前記被形成部材と他方の部材である対向部材とが接触しない構造、もしくは、前記対向部材表面の方が前記セラミックス層より硬さが低く、接触時に優先的に削れる構造を有し、 The sealing portion is a ceramic in which a member to be formed, which is one member selected from the stationary portion and the rotating portion, has a thermal conductivity lower than that of the member to be formed and has an uneven shape on the surface. A layer is formed, and the formed member and the opposing member which is the other member are not in contact with each other, or the surface of the opposing member is lower in hardness than the ceramic layer and is preferentially scraped when in contact. And
前記被形成部材は、表面に前記被形成部材の融点よりも融点の高い高融点材料からなる凸部を有し、前記シール部は、前記被形成部材上に形成され、かつ前記被形成部材よりもクロムまたはアルミニウムの濃度の高い金属材料からなる金属層と、前記金属層上に形成された前記セラミックス層とを有することを特徴とするＣＯThe member to be formed has a convex portion made of a high melting point material having a melting point higher than the melting point of the member to be formed on the surface, and the seal portion is formed on the member to be formed, and from the member to be formed CO having a metal layer made of a metal material having a high chromium or aluminum concentration and the ceramic layer formed on the metal layer ２2 タービン。Turbine.
前記ＣＯ２タービン発電機は、請求項１乃至６のいずれか１項記載のＣＯ２タービンを有することを特徴とする発電システム。 A power generation system having a combustor that generates a combustion gas by burning a fuel mixed with CO 2, and a CO 2 turbine generator that generates electric power using the combustion gas,
Power generation system wherein CO 2 turbine generator, characterized by having a CO 2 turbine according to any one of claims 1 to 6.
前記シール部は、前記静止部および前記回転部から選ばれる一方の部材である被形成部材に前記被形成部材の熱伝導率よりも熱伝導率が低く、かつ表面に凹凸形状が設けられたセラミックス層を形成し、前記被形成部材と他方の部材である対向部材とが接触しない構造、もしくは、前記対向部材表面の方が前記セラミックス層より硬さが低く、接触時に優先的に削れる構造を有するＣＯ２タービンの製造方法であって、
前記被形成部材の表面に凸部を形成した後、前記被形成部材の表面の法線方向に対して傾斜した方向からセラミックス材料の粒子、クラスター、または分子を投入して前記セラミックス層を形成することを特徴とするＣＯ２タービンの製造方法。 A stationary portion, a rotating portion, and a seal portion for reducing combustion gas leaking from a gap between opposing portions of the stationary portion and the rotating portion, and is generated by combustion of fuel mixed with CO 2 The rotating part is rotated by the combustion gas,
The sealing portion is a ceramic in which a member to be formed, which is one member selected from the stationary portion and the rotating portion, has a thermal conductivity lower than that of the member to be formed and has an uneven shape on the surface. A layer is formed, and the formed member and the opposing member which is the other member are not in contact with each other, or the surface of the opposing member has a lower hardness than the ceramic layer and is preferentially scraped when in contact. A method for manufacturing a CO 2 turbine, comprising:
After forming a convex portion on the surface of the member to be formed, the ceramic layer is formed by introducing particles, clusters, or molecules of ceramic material from a direction inclined with respect to the normal direction of the surface of the member to be formed. A method for producing a CO 2 turbine, wherein
前記シール部は、前記静止部および前記回転部から選ばれる一方の部材である被形成部材に前記被形成部材の熱伝導率よりも熱伝導率が低く、かつ表面に凹凸形状が設けられたセラミックス層を形成し、前記被形成部材と他方の部材である対向部材とが接触しない構造、もしくは、前記対向部材表面の方が前記セラミックス層より硬さが低く、接触時に優先的に削れる構造を有するＣＯ２タービンの製造方法であって、
前記被形成部材の表面にセラミックス材料からなる一様な第１の被膜を形成した後、前記第１の被膜の表面に、セラミックス材料からなり、かつ前記第１の被膜よりも気孔率の小さい第２の被膜を形成し、前記第２の被膜の一部を除去して、前記セラミックス層を形成することを特徴とするＣＯ２タービンの製造方法。 A stationary portion, a rotating portion, and a seal portion for reducing combustion gas leaking from a gap between opposing portions of the stationary portion and the rotating portion, and is generated by combustion of fuel mixed with CO 2 The rotating part is rotated by the combustion gas,
The sealing portion is a ceramic in which a member to be formed, which is one member selected from the stationary portion and the rotating portion, has a thermal conductivity lower than that of the member to be formed and has an uneven shape on the surface. A layer is formed, and the formed member and the opposing member which is the other member are not in contact with each other, or the surface of the opposing member has a lower hardness than the ceramic layer and is preferentially scraped when in contact. A method for manufacturing a CO 2 turbine, comprising:
After forming a uniform first film made of a ceramic material on the surface of the member to be formed, a first film made of a ceramic material and having a lower porosity than the first film is formed on the surface of the first film. A method for manufacturing a CO 2 turbine, comprising: forming a second coating, removing a part of the second coating, and forming the ceramic layer.
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