(57)【要約】【課題】地熱蒸気タービンノズルの耐食性とともに付着堆積するスケールを低減させると共に、付着後の剥離除去性を高めて、長期にわたって利用可能にした地熱蒸気タービンを提供するとともに、長寿命化を図った地熱蒸気タービンを提供する。【解決手段】地熱蒸気タービンノズルの地熱流体との接触部位の少なくとも一部に、セラミックス粒子が分散した樹脂材料を含んでなる被覆層が形成されてなる地熱蒸気タービンノズルであって、前記の被覆層は、その表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有することを特徴とする、地熱蒸気タービンノズル、  およびその製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地熱蒸気タービンノズルの地熱流体との接触部位の少なくとも一部に、セラミックス粒子が分散した樹脂材料を含んでなる被覆層が形成されてなる地熱蒸気タービンノズルであって、
前記の被覆層は、その表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有することを特徴とする、地熱蒸気タービンノズル。
【請求項２】
前記の被覆層は、前記のセラミックス粒子の含有率が０〜８０重量％の範囲内で厚さ方向で組成変動した傾斜組成を有するものである、請求項１に記載の地熱蒸気タービンノズル。
【請求項３】
前記の樹脂材料は、エポキシ樹脂またはポリエステル樹脂を含むものである、請求項１または２に記載の地熱蒸気タービンノズル。
【請求項４】
前記のセラミックス粒子は、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｌの炭化物および酸化物からなる群から選ばれるものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の地熱蒸気タービンノズル。
【請求項５】
前記のセラミックス粒子のうち、粒径が２０μｍを超える粒子の割合が１０重量％以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の地熱蒸気タービンノズル。
【請求項６】
前記被覆層は、その表面部側に、厚さ５０〜１００μｍの、前記セラミックス粒子の含有率が４０〜８０重量％の樹脂層を有するものである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の地熱蒸気タービンノズル。
【請求項７】
前記被覆層は、その深層部側に、厚さ２０〜４０μｍの、前記セラミックス粒子を含まない樹脂層を有するものである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の地熱蒸気タービンノズル。
【請求項８】
地熱蒸気タービンノズルの基材に、
セラミックス粒子が分散した樹脂材料からなり、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層を、少なくとも１層形成することを特徴とする、地熱蒸気タービンノズルの製造方法。
【請求項９】
前記の被覆層を、溶射処理によって形成する、請求項８に記載の地熱蒸気タービンノズルの製造方法。
【請求項１０】
前記の被覆層を、樹脂材料中のセラミックス粒子の含有率が異なる複数の溶射材料によりそれぞれ形成される複数の溶射層の累積によって形成する、請求項９に記載の地熱蒸気タービンノズルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、地熱蒸気タービンノズルおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地熱蒸気タービンは、地下のマグマによって加熱された蒸気（地熱蒸気）を、井戸を掘削して地上に導き出し、この蒸気を直接タービンに導入して作動流体とし、回転力を得るようにしたものである。
【０００３】
図１は、代表的な地熱蒸気タービンの概要を示すものである。
図１の地熱蒸気タービン１において、蒸気入口２から地熱蒸気として地熱蒸気タービン１に導入された地熱エネルギーは、地熱蒸気がタービン静翼３（タービンノズル３０）とタービン動翼４とからなるタービン段落を通って膨張することによって、速度エネルギーに変換され、この速度をもった地熱蒸気がタービン動翼４に作用して、このタービン動翼４が植設されたタービンロータ軸５を回転させる力を発生させる。その後、蒸気は、蒸気出口６から排出される。
【０００４】
一般的に、地熱蒸気は、地下水がマグマ等の地熱によって加熱されて発生する性質上、蒸気中に硫化水素、塩分などの腐食性成分や、シリカ、カルシウムなどのスケール成分、更には砂、泥、酸化鉄などの固体粒子を含んでいる。
【０００５】
また、地熱蒸気は、飽和状態あるいは飽和状態に近い状態にあるため、タービン内部では蒸気の湿り度が高く、地熱蒸気タービンとしては過酷な運用を強いられる状況にある。
【０００６】
さらには、地熱蒸気中に含まれる化学成分の種類や濃度、地熱蒸気タービンに持ち込まれる固体粒子の大きさや量、そして地熱蒸気の蒸気状態等は、地熱蒸気タービンが設置される地熱地帯や井戸によって異なり、また、同じ井戸でも経年的に大きく変化していくこと、新設された井戸においては地熱蒸気中に含まれる化学成分の種類や濃度、地熱蒸気タービンに持ち込まれる固体粒子の大きさや量の変動は経年使用された井戸とは大きく異なって、井戸開設当初が最も顕著であることが確認されており、地熱蒸気タービンの設計を一段と複雑なものにしている。
【０００７】
地熱蒸気中に硫化水素等の腐食性ガスが含まれていることは、材料の全面腐食による肌荒れによりシリカ、カルシウムなどのスケール成分が付着堆積しやすい環境を整えやすい要因を内在している。特に、地熱蒸気タービンの入口部の段落は腐食環境が活性のため腐食や孔食を受けやすく激しく肌荒れをしている例が見受けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２７０４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
地熱蒸気タービンノズルのスケール付着防止技術としては種々あるが、いずれも地熱タービンノズルの構造を大きく改造する必要があって、改造費用も高額になるとともに必ずしも期待どおりの効果が得られているとは言いがたかった。
【００１０】
本発明の実施形態は、地熱蒸気タービンノズルの構造を大きく変化させることなく、従来と同様の構造とし、定期点検時に地熱蒸気タービンノズルの表面に堆積したスケールを簡単に除去できる地熱蒸気タービンノズルを提供するものである。
【００１１】
さて、一般的に、地熱蒸気タービンを高効率で長期間かつ安定的に運転するためには、タービンの設置箇所にて行うことができる比較的容易な点検・保守作業と、タービン内部機構の分解や交換、更新等を伴う比較的大規模な点検・整備作業の両者が必要とされている。例えば、タービンノズルのスケール付着状況の確認や、簡単なスケール除去作業等は、前者の比較的容易な点検・保守作業としてタービンの運転事業者（例えば、発電事業者等）がタービンの設置箇所にて行なうことが多い。一方、後者の大規模な点検・整備作業は、要求される技術レベルや設備等の事情からタービン運転事業者が自ら行うことが困難であるので、例えばタービン製造メーカー等の管理の下、その工場等で行われることが多い。
【００１２】
仮に、タービン運転事業者がスケールの除去作業を丁寧に行っていたとしても、スケールを完全に除去したり、タービンノズル自体の劣化ないし損傷を完全に修復してタービンノズルの初期性能を回復することは容易ではない。そこで、これらの作業は、大規模な点検・整備作業の際に行われるのが一般的である。ここで、タービンノズルの表面に被覆層が設けられている場合、この被覆層の更新作業（即ち、劣化した被覆層の除去作業および新規の被覆層の形成作業）は、通常、大規模な点検・整備作業の際に行われることになる。
【００１３】
しかし、本発明者らが知る限りでは、従来の被覆層は、主として耐久性の向上や被覆強度の向上を主眼として開発されてきたためか、劣化した被覆層を複雑かつ精緻な表面形状をしているタービンノズルから除去することは、必ずしも容易であるとは言えなかった。
【００１４】
通常、地熱蒸気タービンノズルは、高温かつ高圧の湿り雰囲気中で、かつスケール原因物質にもなるケイ素等の化学物質の共存下で長時間使用されることから、その過程において被覆層の変質ないし劣化が避けがたい。従って、そのような過酷な運転状況における耐久性とともに、そのような使用後の被覆層の剥離性をも達成することは容易ではなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の実施形態は、上述した事情を考慮してなされたもので、地熱蒸気タービンノズルの耐食性の向上と共に、付着堆積するスケール量の低減と付着後の剥離除去性とを高めて長期にわたって利用可能にした地熱蒸気タービンを提供するとともに、長寿命化を図った地熱蒸気タービンを提供することを目的としている。
【００１６】
そして、本発明の実施形態は、タービンの運転によって劣化した被覆膜の除去が容易であり、かつ再度タービンの運転に用いられた時にも、良好なスケール付着防止性、スケールの除去性および耐久性等を有する地熱蒸気タービンノズルおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【００１７】
したがって、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、地熱蒸気タービンノズルの地熱流体との接触部位の少なくとも一部に、セラミックス粒子が分散した樹脂材料を含んでなる被覆層が形成されてなる地熱蒸気タービンノズルであって、
前記の被覆層は、その表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有すること、を特徴とする。
【００１８】
そして、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法は、地熱蒸気タービンノズルの基材に、
セラミックス粒子が分散した樹脂材料からなり、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層を、少なくとも１層形成すること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、スケール付着後の剥離除去を容易にし、地熱媒体と一緒に飛来してくる固体粒子による衝撃摩耗に耐える被覆膜を有するものであって、産業上の価値は極めて高いものといえる。
【００２０】
このような本発明の実施形態では、スケールを従来のハンマリングとグラインダによる除去方法から、例えばハンマリングのみで簡単に脱落させることが可能であり、ノズル基材に損傷等の影響を無くした地熱蒸気タービンノズルを提供するものである。
【００２１】
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層が形成されており、この被覆層と地熱蒸気タービンノズル基材との接触面にはセラミックス粒子が実質的に存在しない樹脂層が形成されている。このことから、地熱蒸気タービンノズル基材から被覆層を剥離することが容易であり、地熱蒸気タービンノズルの基材表面に被覆層が残存することが抑制されている。よって、地熱蒸気タービンノズルの基材から劣化した被覆層を剥離することが容易であり、かつ被覆層を剥離除去した後に、再度新しい被覆層を形成することが容易である。
【００２２】
そして、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層が形成されている。このことから、熱膨張係数の相違等に基づく応力の発生が抑制され、かつ被膜内での応力緩和や外部からの衝撃等の緩和が図れて、被覆層表面および被覆層内部での破断およびクラック発生が抑制されている。特に、地熱蒸気タービンノズル基材との接触面にはセラミックス粒子が実質的に存在しない樹脂層が形成されていることから、この樹脂層が衝撃吸収ないし応力緩和層として有効に機能して、被覆層全体の耐久性、耐エロージョン性を著しく向上させている。
【００２３】
また、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法によれば、所定の傾斜組成を有する被覆層を、容易にかつ効率的に形成することができる。例えば、手による刷毛塗りやスプレー塗布では、地熱蒸気タービンノズルの必要箇所に所定の傾斜組成を有する被覆層を均質に形成することは容易ではなかったが、溶射処理によれは従来よりも容易にかつ効率的に所定の被覆層を形成することができる。このような製造方法によれば、刷毛塗りやスプレー塗布では得らなかったような、均質かつ強靱であり、優れた耐エロージョン性、スケールの付着防止性およびスケール除去性を有する被覆膜を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】地熱蒸気タービンの概要を示す図。
【図２】地熱蒸気タービンの地熱流体の通路部の模式図。
【図３】本発明の好ましい実施形態による地熱蒸気タービンノズルの断面構造を示す模式図。
【図４】被覆層のエロージョン減量を示す図。
【図５】剥離除去性の評価に用いた蒸気タービンノズルを示す図。
【図６】耐固体粒子エロージョン性の評価に用いた蒸気タービンノズルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
＜地熱蒸気タービンノズル＞
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、地熱蒸気タービンノズルの地熱流体との接触部位の少なくとも一部に、セラミックス粒子が分散した樹脂材料を含んでなる被覆層が形成されてなる地熱蒸気タービンノズルであって、
前記の被覆層は、その表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有すること、を特徴とする。
ここで、「タービンノズル」とは、「蒸気のもつエネルギーを速度エネルギーに変換するための蒸気の噴出口」をいう。
【００２６】
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、例えば図１および図２の中に示されるように、タービン静翼３を複数を保持しているものであって、隣接して配置された他のタービン静翼３との間の空間を地熱流体の通路部ないし噴出口とするものである。代表的な地熱蒸気タービンノズルは、ダイヤフラムの外輪と内輪との間にダイヤフラムの直径方向に沿って配列した多数のタービン静翼３を挟持した構造をしている。
【００２７】
そして、地熱蒸気タービン１には、複数のタービンノズル（３０〜３６）がタービンケーシング７の内部に配設され、それぞれ固定されている。
【００２８】
図２に示される１つのタービンノズル３０に設けられた複数の静翼３は、地熱流体の流路の隔壁を形成しているところから、各静翼３の表面は、それぞれ地熱流体との接触部位となっている。
【００２９】
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルにおける「地熱流体との接触部位」には、地熱流体の流路、典型的には、上記のような静翼３の表面部、ならびにダイヤフラムの外輪およびダイヤフラム内輪における「地熱流体との接触部位」が包含される。
【００３０】
図２に示される静翼３においては、地熱流体の流入側（上流側）の領域Ｘは、地熱流体ないし地熱流体に混入した粒子等（例えば、水滴や、泥や岩石粉等の固体粒子）が衝突する頻度が高いので、一般的にエロージョンが進行しやすい領域である。一方、タービンノズルの地熱流体の流出側（下流側）の領域Ｙは、スケール８の堆積が進行しやすい領域である。なお、図２中の矢印９は、タービンロータの回転方向を示している。
【００３１】
このようなことから、タービンノズルの被覆層には、エロージョンに対する耐摩耗性と、スケールに対する付着防止性およびスケールの除去容易性が求めれることになる。
【００３２】
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、例えば図１および図２のタービンノズル３０〜３６と同様なタービンノズルとしての機能、目的および形態をとることができるものであって、上記のようなエロージョンに対する耐浸食性と、スケールに対する付着防止性およびスケールの除去容易性とが両立したものである。
【００３３】
そして、本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、劣化した被覆膜の除去が容易であり、かつ再度被覆膜を形成した後に、再びタービンの運転が行われた時にも、良好なスケールの付着防止性および除去性ならびに耐久性等を達成するものである。
【００３４】
＜樹脂材料＞
被覆層を形成する樹脂材料は、エポキシ樹脂またはポリエステル樹脂を含むものである。樹脂材料は、耐熱性が高いことが好ましく、例えば地熱蒸気温度が２８０℃であることから、樹脂材料の耐熱性が２５０℃以上の物を用いることが好ましい。
【００３５】
＜セラミックス粒子＞
被覆層を形成する樹脂材料には、セラミックス粒子が分散されている。セラミックス粒子としては、例えば、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｌの炭化物および酸化物からなる群から選ばれるものを用いることができ、好ましくは、Ｃｒ３Ｃ２、ＷＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ等の炭化物およびＣｒ２Ｏ３、Ａ２Ｏ３等の酸化物から選ばれる１種類以上のセラミックス粒子を用いることができる。これらのなかでも特に好ましいものは、ＷＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＴｉＣである。
【００３６】
前記のセラミックス粒子は、最大径が２５μｍ以下であることが好ましく、特に最大径が２０μｍ以下であることが好ましい。粒子径が２５μｍ以下であると球状であるが、これを超えた径になると多角形粒状となることが多く、被覆層にき裂を生じさせ易くなる。したがって、セラミックス粒子のうち、粒径が２５μｍを超える粒子は少ない方が好ましい。従って、粒径が２５μｍを超える粒子の割合は１０重量％以下が好ましく、特に５重量％以下であることが好ましい。
そして、セラミックス粒子の粒径は、５〜２５μｍであることが好ましい。
【００３７】
＜被覆層＞
図３は、本発明の特に好ましい実施形態による地熱蒸気タービンノズル３０ならびに被覆層１０の一具体例の断面構造を模式的に示す図である。
【００３８】
図３に断面が示される本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルは、地熱蒸気タービンノズルの地熱流体との接触部位の少なくとも一部に、セラミックス粒子Ｒが分散した樹脂材料からなる被覆層１０が形成されてなる地熱蒸気タービンノズルであって、
前記の被覆層１０は、その表面部Ａから深層部Ｂに向けて前記のセラミックス粒子Ｒの含有率が減少している傾斜組成を有するものである。
【００３９】
この図３に示される被覆層１０は、前記のセラミックス粒子の存在量が０〜８０重量％の範囲内で、被覆層１の厚さ方向で、組成変動した傾斜組成を有するものである。この被覆層１０の厚さは、好ましくは７５〜１００μｍ、特に好ましくは１２０〜１４０μｍ、である。
【００４０】
この図３に具体的に示される被覆層１０は、セラミックス粒子の含有率が異なる６層の樹脂層（層１１〜層１６）からなるものであるが、本発明の被覆層１０では樹脂層の数は限定されない。
【００４１】
なお、本発明の被覆層１０は、被覆層１０全体として傾斜組成を有していればよく、セラミックス粒子の配合割合が連続的に変化した傾斜組成を有しているものでも、セラミックス粒子の配合割合が段階的に変化した傾斜組成を有しているもの（即ち、各層の境界でセラミックス粒子の配合割合が階段状に変化しているもの）でもよい。
【００４２】
ここで、被覆層１０を形成している層１１〜１６においては「層」と表現されているが、これらの各層の境界線は常に明瞭に区別されるものでない。特に、一般的に、各層が同種の材料の溶射処理によって形成された場合、各層の境界は明瞭に判別できないのが普通である。このことから、層１１〜１６は、セラミックス粒子の含有率が段階的にもしくは連続的に変化している、境界が明瞭あるいは不明瞭な「領域」と捉えることも可能である。
【００４３】
被覆層１０の最深部に形成された、地熱蒸気タービンノズルの基材１７と接する層１１は、セラミックス粒子の含有率が、好ましくは０〜２０重量％、特に好ましくは０重量％、であるものである。すなわち、セラミックス粒子の含有率が少ないか、セラミックス粒子が存在しない樹脂層であることが好ましい。セラミックス粒子の含有率が２０重量％を超えると、樹脂層１１と地熱蒸気タービンノズルの基材１７の界面との密着性が低下する。ここで、地熱蒸気タービンノズルの基材１７としては、静翼３ならびにこの静翼３を保持しているダイヤフラムの外輪およびダイヤフラムの内輪等が対象になる。
【００４４】
この被覆層１０の最深部に形成された樹脂層１１の厚さは、好ましくは２０〜５０μｍ、特に好ましくは２０〜４０μｍ、である。この樹脂層１１の厚さが２０μｍ未満では、被膜が薄く基材との密着性が高すぎるために、剥離性に問題が生じることがある。一方、５０μｍを超える場合、樹脂層１１の層内で破断が生じやすく、被覆層の残存が生じやすくなる傾向がある。
【００４５】
一方、被覆層１０の表面部に形成された層１６は、被覆層１０の全体において最もセラミックス粒子の含有率が多い層である。この層１６におけるセラミックス粒子の含有率は、好ましくは４０〜８０重量％、特に好ましくは５０〜８０重量％、である。セラミックス粒子の含有率が４０重量％未満では、セラミックス粒子による耐熱性および耐摩耗性の向上効果を十分得られないことがある。セラミックス粒子の含有率が高いほど、被覆層１０の耐熱性および耐摩耗性が向上することから好ましいが、セラミックス粒子の含有率が８０重量％を超える場合、樹脂被覆の接着機能が低下することがある。
【００４６】
この層１６の厚さは、任意であって、例えば被覆膜１０の耐熱性、耐摩耗性、耐クラック性、寿命等を考慮して適宜定めることができる。例えば、次に予定される大規模な点検・整備作業（詳細前記）まで、十分な機能および効果が持続されるような厚さにすることが好ましい。したがって、この層１６の厚さは、好ましくは２０〜５０μｍ、特に好ましくは２０〜４０μｍ、である。
【００４７】
被覆層１０中の層１２〜１５は、それぞれ、前記の層１６よりもセラミックス粒子の含有率が少なく、かつ前記の層１１よりもセラミックス粒子の含有率が多い層であって、「被覆層１０がその表面部Ａから深層部Ｂに向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する」という条件を満たすような層である。
【００４８】
例えば、前記の層１６のセラミックス粒子の含有率が８０重量％であり、前記の層１１のセラミックス粒子の含有率が０重量％であるときは、層１５については７０重量％程度、層１４については６０重量％程度、層１３については５０重量％程度、層１２については４０重量％程度というように、セラミックス粒子の含有率を定めることができる。層１２〜１５の各層の厚さは、それぞれ適宜定めることができる。
【００４９】
なお、これらの層１２〜１５は、いずれも、本発明の実施形態による被覆層１０において必須のものでない。従って、これらの層１２〜１５のいずれか一層あるいは二層以上、あるいは層１２〜１５の全層を省略することが可能である。
【００５０】
これらの層１２〜１５のいずれかあるいは全層が不要な場合、被覆層１０の表面部に形成された層１６の厚さを、必要に応じて、前記の値よりも大きくすることができる。例えば、層１２〜１５が存在しない場合、層１６の厚さは、好ましくは４０〜８０μｍ、特に好ましくは４０〜１００μｍ、とすることができる。
【００５１】
表面部側に、厚さ４０〜１００μｍの、前記のセラミックス粒子の存在量が４０〜８０重量％の範囲内で組成変動した傾斜組成層を有し、かつ、深層部側に、厚さ２０〜４０μｍの、前記のセラミックス粒子が存在しない樹脂層を有する、被覆層が形成された、地熱蒸気タービンノズルは、本発明の特に好ましい地熱蒸気タービンノズルの一具体例に該当する。
【００５２】
なお、被覆層１０の全体の厚さならびに被覆層１０中の各層の厚さは、地熱蒸気タービンノズルの全領域で均一である必要はなく、部分的に異なることができる。例えば、エロージョンの発生や進行が局部的に速い場所があるときは、それに応じて、その部分の被覆層１０の全体の厚さあるいはいずれかの層（特に好ましくは層１６）の厚さを増加させることが好ましい。
【００５３】
＜地熱蒸気タービンノズルの製造方法＞
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法は、
地熱蒸気タービンノズルの基材に、
セラミックス粒子が分散した樹脂材料からなり、表面部から深層部に向けて前記のセラミックス粒子の含有率が減少している傾斜組成を有する被覆層を、
少なくとも１層形成すること、を特徴とする。
【００５４】
ここで、地熱蒸気タービンノズル、セラミックス粒子、樹脂材料、傾斜組成を有する被覆層等の詳細は、前記した通りである。
【００５５】
地熱蒸気タービンノズルの基材は、従来の地熱蒸気タービンノズルと同様に、例えば、１２ＣｒＭｏＶのような金属材料からなる。この地熱蒸気タービンノズルの基材は、その表面の平均粗さＲａが１２．５μｍ以下であることが好ましい。
【００５６】
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法では、前記の被覆層を溶射処理によって形成することが好ましい。
【００５７】
このような溶射処理によれば、前記の所定の傾斜組成を有する被覆層を容易にかつ効率的に形成することができる。例えば、手による刷毛塗りやスプレー塗布では、地熱蒸気タービンノズルの必要箇所に所定の傾斜組成を有する被覆層を均質に形成することは容易ではなかったが、溶射処理によれば従来よりも容易にかつ効率的に所定の被覆層形成することができる。また、溶射処理によれば、刷毛塗りやスプレー塗布では得らなかったような、均質かつ強靱であり、優れた耐エロージョン性、スケールの付着防止性や除去性を有する被覆膜を容易に得ることができる。
【００５８】
被覆層を溶射処理によって形成する方法は、任意である。本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの製造方法では、前記の被覆層を、好ましくは、例えば、樹脂材料中のセラミックス粒子の存在量が異なる複数の溶射材料によりそれぞれ形成される複数の溶射層の累積によって形成することができる。特に好ましくは、樹脂材料中のセラミックス粒子の含有率が異なる複数の溶射材料を用意し、セラミックス粒子の含有率が低い溶射材料から高い溶射材料へと順番に溶射材料を使用して、形成される各溶射層を重ね合わせるように複数回の溶射処理を行うことによって、傾斜組成を有する被覆層を得ることができる。
【００５９】
＜被覆層の除去＞
本発明の実施形態による地熱蒸気タービンノズルの被覆層は、傾斜組成を有するものであって、この被覆層と地熱蒸気タービンノズル基材とは接触界面はセラミックス粒子が実質的に存在しない樹脂層が形成されていることから、地熱蒸気タービンノズル基材から被覆層を剥離することが容易であって、地熱蒸気タービンノズルの基材表面に被覆層が残存することが抑制されている。
【００６０】
したがって、本発明の実施形態では、例えば、タガネ、ハンマ等によって、その被覆層を容易かつ短時間で剥離除去することができる。
【実施例】
【００６１】
＜実施例１＞（剥離除去性の評価）
基材の表面をブラスト処理した後、エポキシ樹脂を溶射施工を行って、基材表面に樹脂層が形成された「試料１」を作成した。これについて、２７０℃の地熱蒸気温度を模擬した電気炉にて長時間加熱時効を行い、コーティング層の剥離除去性を確認した。
【００６２】
エポキシ樹脂の代わりにポリエステル樹脂を用いた以外は上記と同様にして「試料２」を作成した。そして、エポキシ樹脂の代わりに炭化物セラミックスあるいは酸化物セラミックス用いた以外は上記と同様にして「試料３」および「試料４」を作成した。
【００６３】
これらの「試料２」〜「試料４」についても、上記と同じように、コーティング層の剥離除去性を確認した。
結果は、表１に記載される通りである。
【表１】
2017025781.tif 000003
【００６４】
セラミックスコーティング層は、機械的結合による密着強度が高く、基材から容易に剥離することは不可能であったが、樹脂コーティング層は、１００００時間加熱後でも、コーティング層の劣化もなく、基材からの剥離が容易に行うことができた。
【００６５】
＜実施例２＞（密着性の評価（その１））
機械的結合力が被膜剥離性に大きく影響することから、上記の「試料１」〜「試料４」のコーティング層の密着力と耐剥離性を接着剤を用いた試験によって評価した。
結果は、表２に記載される通りである。
【表２】
2017025781.tif 000004
【００６６】
密着強度が７０ＭＰａ以上では機械的結合力が高く、基材から容易に剥離することができない。これに対して、樹脂コーティング層の密着強度は４０ＭＰａ以下であり、この密着性強度が低いことにより基材から容易に剥離除去できる。
【００６７】
＜実施例３＞（密着性の評価（その２））
基材の表面をブラスト処理した後、エポキシ樹脂を溶射施工を行って、基材表面に厚さ１０μｍ、２０μｍ、４０μｍあるいは７０μｍの樹脂層が形成された試料を作成した。
【００６８】
また、基材の表面をブラスト処理した後、ポリエステル樹脂を溶射施工を行って、表面に厚さ１０μｍ、２０μｍ、４０μｍあるいは７０μｍの樹脂層が形成された試料を作成した。
なお、樹脂層の形成は、溶射による１パス当たりの被膜厚さを１０μｍに設定し、目的の厚さになるまで溶射を繰り返すことにより行った。
コーティング層の密着力と耐剥離性を接着剤を用いた剥離試験によって評価した。
結果は、表３に記載される通りである。
【表３】
2017025781.tif 000005
【００６９】
被膜厚さが１０μｍでは、被膜が薄く基材との密着性が良いために、剥離性に問題がある。被膜厚さが２０〜４０μｍでは基材の影響を受けず、剥離を容易に行うことができるが、７０μｍと厚くした場合では被膜の中央部で剥離を生じ、被膜が残存するため、厚さとしては２０〜４０μｍが剥離除去性としては最も良いことが確認された。
【００７０】
＜実施例４＞（耐固体粒子エロージョン性の評価（その１））
ノズル板基材の表面に、セラミックス含有量が４０％であるエポキシ樹脂を用いて溶射施工を行って、基材表面に樹脂層が形成された試料を作成した。これについて、粒子を衝突させることによって、耐エロージョン性の評価を行った。
【００７１】
また、セラミックス含有量が６０％あるいは７５％であるエポキシ樹脂を用いて溶射施工を行って、基材表面に樹脂層が形成された試料を作成し、同様に耐エロージョン性の評価を行った。
【００７２】
また、エポキシ樹脂の代わりにポリエステル樹脂を用いて溶射施工を行って、表面にセラミックス含有量が４０％、６０％あるいは７５％である、樹脂層が形成された「試料」を作成し、上記と同様に、耐固体粒子エロージョン性を評価した。
【００７３】
表４は、外層にセラミックスを添加した場合の耐固体粒子エロージョン性を示したもので、樹脂コーティングをバインダとして適用確認したものである。
【表４】
2017025781.tif 000006
【００７４】
上記表の耐固体粒子エロージョン性の数値は、ノズル板基材のエロージョン減量を１として表したときのものである。コーティング層の耐固体粒子エロージョン特性は、樹脂コーティングのみでは耐エロージョン性は全く認められないが、セラミックスを添加することにより耐エロージョン性が飛躍的に向上することが確認された。
【００７５】
＜実施例５＞（耐固体粒子エロージョン性の評価（その２））
ノズル板基材の表面に、セラミックス（ＷＣ）含有量が７５％である樹脂を用いて溶射施工を行って、基材表面に樹脂層が形成された試料を作成した。この試料にＦｅ３Ｏ４粒子を衝突させることによって、耐エロージョン性の評価を行った。
【００７６】
セラミックス（ＷＣ）含有量が８０％あるいは９１％である樹脂を用いて溶射施工を行って試料を作成し、同様に耐エロージョン性の評価を行った。
【００７７】
また、セラミックス（ＣｒＣ）含有量７５％、８０％あるいは９３％である樹脂を用いて溶射施工を行って試料を作成し、同様に耐エロージョン性の評価を行った。結果は、図４に記載される通りである。
【００７８】
ＷＣとＣｒＣ含有量を変化させ、地熱蒸気タービン運用条件よりも厳しい条件にて試験を行った結果、ＷＣは含有量に関係なく耐エロージョン性はほぼ一定であり、ＣｒＣは９３％と多量に含有させたものは靭性が劣るため８０％ＣｒＣ、７５％ＣｒＣよりも耐エロージョン性は劣るが、１２Ｃｒ鋼基材に比べると優れた耐食性を示した。
【００７９】
＜実施例６＞（剥離除去性の評価）
長期間使用した蒸気タービンノズルから耐食・耐摩耗コーティングが剥離除去できることを確認するために、蒸気タービンノズルへのコーティング施工部位を、図５のように、４区画に分け、各区画に
（１）ポリエステル樹脂＋ＷＣ
（２）エポキシ樹脂＋ＷＣ
（３）ＷＣ単独
（４）ＣｒＣ単独
にて溶射施工を行い、実機地熱蒸気タービン（蒸気温度２７０℃）にて２年間の実機試験を行った結果、ノズル板からの剥離性は樹脂コーティングを施工したものは簡単に剥離除去できたが、ＷＣ、ＣｒＣを単独で溶射施工を行ったノズルではコーティング層の除去はブラスト処理との併用で行っても多大な時間を要した。
【表５】
2017025781.tif 000007
【００８０】
＜実施例７＞（耐食性の評価）
実施例６と同様に、蒸気タービンノズル上に形成された四種類の被覆層について、それらの耐食性の評価を行った。耐食性の評価としてはコーティング層の気孔を介して腐食生成物が侵入し、基材との界面剥離とともに腐食にともなう重量増減も合わせて確認した。
【００８１】
基材とコーティング層との界面剥離については、いずれのコーティング層にも界面剥離は生じていなかった。
【表６】
2017025781.tif 000008
【表７】
2017025781.tif 000009
【００８２】
腐食試験において重量の増減はほとんど認められず、ＣｒＣ溶射材において腐食生成物の付着にともなう重量が若干増加していた。
その結果、上記の被覆層が形成された地熱蒸気タービンノズルは樹脂コーティング層を形成することによりノズル板からの剥離除去が簡単に行えることが確認されるとともに、耐食性、耐エロージョン性も有していることが確認された。
【００８３】
＜実施例８＞（耐固体粒子エロージョン性の評価（その３））
実機条件下で試験を行ったコーティングの耐摩耗性について新たに試験を実施し、確認を行った。地熱蒸気タービンノズルへのコーティング施工部位を６分割し、図６のように、図６のように、６区画に分け、各区画に
（１）ポリエステル樹脂
（２）エポキシ樹脂
（３）ポリエステル樹脂＋ＷＣ
（４）エポキシ樹脂＋ＷＣ
（５）ＷＣ単独
（６）ＣｒＣ単独
にて溶射施工を行い、実機地熱蒸気タービン（蒸気温度２７０℃）にて４９９２時間の実機試験を行った。
【００８４】
地熱蒸気中への岩石等の固体粒子の流入量が比較的少ないこともあり、コーティング厚さならびにコーティングの損傷等の異常は認められなかったが、樹脂コーティングを単独で施工したものはノズル板より固体粒子エロージョンにより侵食されていた。
【表８】
2017025781.tif 000010
【００８５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明の実施形態よる地熱蒸気タービンノズルによれば、耐食性の向上と共に、付着堆積するスケール量の低減と付着後の剥離除去性とを高めて長期にわたって利用可能にした地熱蒸気タービンを提供するとともに、長寿命化を図った地熱蒸気タービンが提供される。
【００８６】
そして、本発明の実施形態によれば、タービンの運転によって劣化した被覆膜の除去が容易であり、かつ再度タービンの運転に用いられた時にも、良好なスケール付着防止性、スケールの除去性および耐久性等を有する地熱蒸気タービンノズルおよびその製造方法が提供される。
【符号の説明】
【００８７】
１  地熱蒸気タービン
２  蒸気入口
３  タービン静翼
３０〜３６  タービンノズル
４  タービン動翼
５  タービンロータ軸
６  蒸気出口
７  タービンケーシング
８  スケール
９  タービンロータの回転方向
１０  傾斜組成を有する被覆層
Ａ  傾斜組成を有する被覆層の表面部
Ｂ  傾斜組成を有する被覆層の深層部
Ｒ  セラミックス粒子
１２〜１６  セラミックス粒子が分散した樹脂層
１７  地熱蒸気タービンノズルの基材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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