(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気から吸い込んだ空気を断熱圧縮する圧縮機、圧縮空気に燃料を混合し燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、燃焼ガスを膨張させ、回転動力を発生し、発電機を駆動するタービンを有するガスタービンであって、前記タービンは、外周に複数の動翼を嵌合されたロータディスクと、前記ロータディスクと一体化されたロータシャフトとを有するロータアッセンブリを有するタービンロータを有し、
前記タービンロータディスクのタービン動翼植込み部は、溶射により形成されたニッケル又はクロム或いは両者の合金層からなる多層の溶射層を有し、前記溶射層は、断面積比で２５〜３３％の酸化物を含むことを特徴とするガスタービンのロータアッセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載されたガスタービンのロータアッセンブリにおいて、前記溶射された溶射層の厚さは０．０２〜１ｍｍであることを特徴とするガスタービンのロータアッセンブリ。
【請求項３】
請求項１に記載されたガスタービンのロータアッセンブリにおいて、前記溶射層は、タービンロータディスクの動翼植込み部の動翼と接する部分のうち、少なくとも一部の凹部に設けられていることを特徴とするガスタービンのロータアッセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載されたガスタービンのロータアッセンブリにおいて、前記溶射層は、更にタービンロータディスクに設けられたロータシャフトと接する凸部の付け根に設けられていることを特徴とするガスタービンのロータアッセンブリ。
【請求項５】
ロータシャフトと、前記ロータシャフトに固定されるロータディスクと、前記ロータディスクに固定される動翼とを有するタービンのロータアッセンブリであって、
前記ロータディスクの動翼植込み部の少なくとも一部に、溶射により形成されたニッケルからなる多層の溶射層を有し、前記溶射層は、断面積比で２５〜３３％の酸化物を含むことを特徴とするタービンのロータアッセンブリ。
【請求項６】
請求項５に記載されたタービンのロータアッセンブリであって、
前記ニッケル溶射層は、前記ロータディスクの動翼植込み部の凹部に設けられていることを特徴とするタービンのロータアッセンブリ。
【請求項７】
請求項５に記載されたタービンのロータアッセンブリにおいて、前記溶射層は、更にタービンロータディスクに設けられたロータシャフトと接する凸部の付け根に設けられていることを特徴とするタービンのロータアッセンブリ。
【請求項８】
請求項５に記載されたタービンのロータアッセンブリにおいて、前記溶射層の厚さは０．０２〜１ｍｍであることを特徴とするタービンのロータアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンのロータアッセンブリに関し、特に、ガスタービンの構成要素であるロータと動翼との嵌合部の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ガスタービン設備においては、夏場の電力需要の増大に対応するために出力の増大化が、また省エネルギーを目的とした高効率化が求められるようになってきた。出力の増大化の手段としては、ガスタービンの環状流路面積、すなわち寸法の増大が図られる。また高効率化の手段としては圧縮機圧力比の上昇、および燃焼温度の向上の傾向がある。これに伴いタービンロータについても使用条件，使用環境が厳しくなっている。
【０００３】
ガスタービンは、大気から吸い込んだ空気を断熱圧縮する圧縮機、圧縮空気に燃料を混合し燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、燃焼ガスを膨張させ、回転動力を発生するタービンにより、発電機を駆動する。また、タービンには、燃焼ガスで回転するタービンロータを有し、ロータはロータシャフトと、ロータシャフトと一体化されているロータディスクよりなる。また、ロータディスクには、動翼が固定されている。動翼は、ロータディスクに設けられた溝など（動翼植込み部）に固定される。本発明で言うロータアッセンブリとは、ロータシャフト、ロータディスク及びロータディスクに植設された動翼とからなるものである。
【０００４】
高温による腐食を防止するため、特許文献１には、タービンエンジンに腐食を防止するコーティングを設けることが記載されている。また、特許文献２には、腐食疲労に対する抵抗力を危うくすることなく耐摩耗性を与える耐摩耗性コーティングを設けることが記載されている。
【０００５】
特許文献３においては、地熱蒸気タービンロータのロータシャフトと翼溝と翼脚を地熱蒸気の腐食性成分に対する防食層で覆った構成が開示されている。腐食防止層の材料としては、燐片状の二硫化モリブデン粉末とエポキシ樹脂の結合材との混合物が開示されている。
【０００６】
特許文献４においては、タービン、具体的には蒸気タービンにおいて、ディスクと動翼の接合面に亜鉛層を形成し、亜鉛の電位がディスク材及び動翼材の電位よりも低いことを利用してタービン材の応力腐食割れや腐食披露、孔食などの腐食損傷を防止することが記載されている。
【０００７】
特許文献５においては、蒸気タービンロータの軸部と円板部の嵌合部分の隙間にシール材を設けたものが開示されている。シール材としては、溶射、溶接、ゴム・油脂が記載され、これを隙間に圧入等によって設けると記載されているが、材料についての具体的な記載はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１６９７８６号公報
【特許文献２】特開２００６−３２９１９５号公報
【特許文献３】特開２００４−２０４７６０号公報
【特許文献４】特開２０００−２０４９０２号公報
【特許文献５】特開平７−４２５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来知られている対策では、ガスタービンにおける高温度，高応力環境下におけるき裂発生の抑制には充分でない。そこで本発明の目的は、高温化／大型化に対応した、信頼性の高いガスタービンのロータアッセンブリを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、その特徴は、大気から吸い込んだ空気を断熱圧縮する圧縮機、圧縮空気に燃料を混合し燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器、燃焼ガスを膨張させ、回転動力を発生し、発電機を駆動するタービンを有するガスタービンであって、前記タービンは、外周に複数の動翼を嵌合されたロータディスクと、前記ロータディスクと一体化されたロータシャフトを有するタービンロータを有し、前記タービンロータディスクのタービン動翼植込み部は、溶射により形成されたニッケル又はクロム或いは両者の合金からなる多層に積層された溶射層を有し、前記溶射層は、断面積比で２５〜３３％の酸化物を含むガスタービンのロータアッセンブリにある。ただし上記クロム又はその合金の溶射層は６価クロムを含まない物であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、動翼とロータディスクとの嵌合部に形成されたニッケル層又はクロム層により、動翼植込み部の耐酸化性を向上させ、ガスタービン運転時に生じるガスタービンロータの高応力部の酸化を防止し、ロータ材の疲労寿命を延ばし、機器の信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ガスタービンロータディスクの翼の植込み部の全面へのコーティングを示した概略断面図。
【図２】Ｎｉコーティング膜施工材料の疲労寿命を検証した結果を示す図。
【図３Ａ】本発明の実施例における溶射層のき裂の進展メカニズムを説明する断面図。
【図３Ｂ】比較例の溶射層におけるき裂の進展メカニズムを説明する断面図。
【図４】ガスタービンロータディスクの応力集中部への選択的溶射層を形成した概略断面図。
【図５】ガスタービンロータディスクの凸部に溶射層を形成した概略断面図。
【図６】一般的なガスタービンの構造を示す断面図。
【図７】ガスタービンロータディスクと動翼の嵌合部を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明によるガスタービンのロータアッセンブリは、ロータディスクのガスタービンロータ動翼の植込み部など、タービンロータの高応力部に耐酸化コーティングを設けた物である。特に具体的には、外周に複数のガスタービン動翼を嵌合されたＮｉ基合金やＦｅ基合金よりなるガスタービンロータディスクの、動翼の植込み部にニッケル又はクロム或いはそれらの合金からなる溶射層を施工した物である。本発明のタービンのロータアッセンブリは、Ｎｉ基もしくはＦｅ基タービンロータディスクのタービン動翼植込み部に上記溶射層を施すことにより製造される。この溶射層は粉末或いはワイヤの溶射法により形成され、多層の積層膜である。
【００１４】
本発明はガスタービンのロータアッセンブリを対象とするものであり、従って、前記特許文献３〜５に記載したような蒸気タービン用耐食性材料では使用できない。また、特許文献１に記載された熱可塑性アルミニウム粉コーティングよりも本発明で使用される含酸化物ニッケル又はクロム溶射層は耐熱性に優れている。更に、特許文献２に記載したシリコーン（ケイ素有機化合物）とアルミナ粉からなるコーティングで、有機物を含んでいる。従って、熱的に本発明の含酸素溶射膜に比べて劣ることが懸念される。
【００１５】
本発明において溶射とは、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、フレーム溶射、プラズマ溶射、アーク溶射を含み得るが、成膜速度、コスト、溶射膜の密着性、溶射膜の緻密性の観点からは、プラズマ溶射が最も適している。しかしＨＶＯＦ溶射も溶射膜自体の性能が優れており、好ましい方法である。
【００１６】
本発明における溶射層は、溶射により形成されたニッケル又はクロム或いは両者の合金からなる多層に積層された溶射層であり、当然のことながら有機物、或いは低融点金属などは含まず、従って、高温での耐熱性、耐食性が優れている。
【００１７】
本明細書においては、溶射法自体はコーティング法としてよく知られている技術であるので、詳細な説明は省略する。
【００１８】
溶射により形成されたニッケル溶射層又はクロム溶射層は酸化物を含み、特に、酸化物量が断面積比で２５〜３０％であることが好ましい。また、このようなニッケル層又はクロム層は、少なくともロータディスクの動翼植込み部の凹部のみ又は該動翼植込み部の凹部とロータシャフトとの嵌合部の凹部など、応力の集中する部分に設けられることが好ましい。
【００１９】
図６にガスタービンの一般的な構造断面図を示す。ガスタービンは大きくわけて圧縮機１，燃焼器２およびタービン３から構成されている。圧縮機１は大気からガスパス４へ吸い込んだ空気を作動流体として断熱圧縮し、燃焼器２は圧縮機１から供給された圧縮空気に燃料を混合し燃焼することで高温高圧のガスを生成し、そしてタービン３は燃焼器２から導入した燃焼ガスの膨張の際に回転動力を発生する。タービン３からの排気は大気中に放出される。タービン３にて発生した回転動力から圧縮機１を駆動する動力を差し引いた残りの動力が、ガスタービンの発生動力となり発電機（図示していない）を駆動する。
【００２０】
図７にタービンロータディスク５への動翼の植込み構造を示す。ロータディスクの外周に複数の翼溝を設け、合致する形状の植込み部を持つタービン動翼６を嵌合する。タービン運転時にはタービン動翼６に遠心力１１が生じるため動翼およびロータディスクの嵌合部には応力集中による高い応力が生じる。そのため嵌合部の形状および構造は低応力となるような構造が検討されている。
【００２１】
そこでタービンロータ材料には、優れたクリープ強度を持つ、鉄もしくはＮｉ等の超合金、またはそれらを組み合わせた素材が用いられている。ただし、これらの材料においては、素材の酸化によってき裂進展速度が加速する例が報告されている。特に、図７に示すタービンロータにおける翼植込み部の応力集中部８は高温環境に加えタービン動翼による遠心力が加わる厳しい負荷条件である。その結果、高温，高応力により疲労き裂が進展しやすい。
【００２２】
さらに、ガスタービンは効率および出力の向上に伴い、タービンホイールの大型化・高温化が進められており、それに伴いガスタービンロータの高応力負荷部において酸化による疲労寿命低下が生じる。ガスタービンロータの翼植込み部の酸化を防止することで耐酸化性を向上させ、疲労強度信頼性を向上したガスタービンのロータアッセンブリを実現できる。
【００２３】
高応力負荷部に設けられる耐酸化コーティングは、純ニッケル粉末又は純クロム粉末或いはそれらの合金の粉末を大気プラズマ溶射することで形成される層を使用する。このコーティング層は、酸化物を断面積比で２５〜３３％含むことが好ましい。なお、溶射材としてのニッケル粉末又はクロム粉末は純金属でなくともよく、それらの合金でもよい。
【００２４】
溶射層は、１回の溶射で形成するよりも、多層溶射層の方が亀裂に対して抵抗性が高い。そのメカニズムは図３Ａ，図３Ｂを用いて追って説明する。従って、溶射の回数は、５〜３０回、特に１０〜２０回が好ましい。溶射層の厚さは、合計で０．０１〜２ｍｍの範囲が好ましく、特に０．０２〜１ｍｍの範囲が好ましい。
【００２５】
以上のように、溶射層を形成することにより、タービンロータの応力集中部で、ロータ基材と空気の接触を遮断し、酸化の抑制により強度低下の防止を行うことが可能である。特に、タービンロータの翼植込み部、および締結ボルト孔などの疲労寿命の長寿命化を図ることが可能であり、これによりタービン全体の信頼性を向上させることが可能である。
【実施例１】
【００２６】
図１に、タービンロータディスク５の翼植込み部の全体に耐酸化コーティングとしてＮｉ溶射膜９を施工した例を示す。ニッケル粉を溶射する方法は大気プラズマ溶射法を使用した。このように、全面にコーティングを設けることにより、耐酸化性の向上効果が得られる。
【００２７】
もちろん、本発明は減圧式溶射法も採用し得る。減圧式溶射法は非処理物を真空容器に入れて行うのでコストが上昇すると言う問題が有る。
【００２８】
本実施例では、溶射速度を変化させ、二種類のコーティングを施工した。溶射層９は１０〜２０層重ねて設けた。その結果、図３Ａの左側に示すように、溶射時の層ごとの表面に酸化物層１０を有するＮｉコーティング層を得た。このコーティング層の断面を撮影し、ニッケル部分９（白色部）と酸化物部分１０（黒色部）とを画像認識処理して酸化物層を観察したところ、一方には断面積比で３０％、他方には断面積比で２０％の酸化物が含まれていた。このＮｉ基ロータ材を模した試験片に対し、高温環境中で実機相当の発生ひずみを与えた疲労負荷で、破断回数を評価した。
【００２９】
図２に上記の実施例の効果を示す。従来例のコーティングのない部材の評価結果を１とすると、ニッケルコーティングを施工することで、断面積比で３０％の酸化物を含む部材では寿命（タービンディスクに見立てた試験片と、その試験片に植設した動翼に見立てた試験片との接合部の破壊に至る時間）が約２０％改善された。一方、酸化物の断面積比が２０％のニッケルコーティング膜については、逆に寿命が低下する傾向にあることが見出された。
【００３０】
図３Ａ及び図３Ｂに基づいて、ぞれぞれの寿命延長メカニズムを説明する。図３Ａに示すように、ニッケルコーティング内に酸化物層１０を充分に含む場合には、コーティング膜に発生したき裂が基材に到達した場合、き裂は酸化物の積層される方向に進展する。また、コーティング膜と基材との接合が、基材に比べて強固でない。その結果、基材へのき裂の進展などの影響を防止できる。一方、図３Ｂに示す、酸化物層１０の少ないコーティング膜は基材との接合力が高い。また、コーティング膜自体の強度は、基材そのものよりは強度が弱いため、き裂が入りやすくなる。その結果、コーティング膜に発生したき裂がそのまま基材に進展するため、かえって寿命の低下を招くこととなる。本願発明者らの検討の結果、タービンロータを長寿命化させるためには、コーティング膜の２５％以上（断面積比）が酸化物である必要があることが分かった。
【００３１】
一方、酸化物が多すぎると、き裂の進展抑制の効果は得られるものの、コーティング膜自体が剥がれやすくなり、耐酸化性が付与できない場合がある。従って、酸化物はコーティング膜の１／３以下（断面積比で３３％以下）とすることが好ましい。よって、耐酸化コーティングとしてニッケルを溶射するにあたっては、ニッケルコーティング内に含まれる酸化物が断面積比で２５％〜３３％の間にあることが望ましい。酸化物量は、溶射の温度，速度，雰囲気，皮膜厚さなどを制御することにより適宜調整が可能である。
【００３２】
また、タービンロータディスク５の翼植込み部の応力集中部８にのみ耐酸化コーティングのニッケル膜９を施工してもよい。図４は、応力の集中する翼植込み部のディスク側凹部にコーティングを行った例である。このように一部にコーティングを施工する場合には
、応力集中部を中心に、四角形状、又は円／楕円形状にコーティングを行う。複雑な凹凸形状を有する部分では、広範囲の均一な溶射は困難であるため、一部のみにコーティング層を設けると信頼性が向上する。また、動翼植え込み部では、動翼根との寸法公差が限られているため、膜厚さの調整を行いやすく好ましい。
【００３３】
なお、本実施例で使用したニッケルの他、Ｃｒ又はＮｉとＣｒの合金粉末を溶射によりコーティングした場合であっても、上記のニッケル層と同様に高温耐食性，延性のあるコーティング膜を提供可能である。但し、Ｃｒを用いると、Ｎｉと同様に酸化物層の入ったコーティング膜が得られるため、同様に信頼性の高いタービンが得られると予想される。
【実施例２】
【００３４】
次に、タービンロータディスクの一部に実施例１と同様にＮｉ溶射膜を施工した例を示す。図５にタービンロータディスクの断面の一部（図１のＡ−Ａ′断面図）を示す。タービンロータディスクはＢ−Ｂ′を中心軸として回転させたような環状の形状を有し、それぞれの動翼に応じた溝が設けられている。タービンロータディスクは、タービンロータと中心軸を一致させるため、タービンロータ表面に合致する凸部を有する。凸部根元に耐酸化コーティングとしてニッケル溶射膜１３を施工した。
【００３５】
なお、上記の凸部には、図５の紙面上下方向に貫通させたタービンロータとの締結ボルト孔を有する。締結ボルト孔へも、上記の凸部根元部分と同時に、もしくは別々にＮｉコーティング膜を設けてもよい。
【００３６】
このようなコーティング膜を施すことで、タービンロータディスクの長寿命化を図ることが可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１  圧縮機
２  燃焼器
３  タービン
４  ガスパス
５  タービンロータディスク
６  タービン動翼
７  タービンロータシャフト
８  応力集中部
９  ニッケル溶射膜
１０  酸化物層
１１  遠心力
１２  タービンロータ
１３  ニッケル溶射膜
【図１】
0005498408.tif 000002
【図２】
0005498408.tif 000003
【図３Ａ】
0005498408.tif 000004
【図３Ｂ】
0005498408.tif 000005
【図４】
0005498408.tif 000006
【図５】
0005498408.tif 000007
【図６】
0005498408.tif 000008
【図７】
0005498408.tif 000009