(57)【要約】タービンインペラは、主成分をアルミニウムとする母材と、母材の表面を覆う耐エロージョン被膜部と、を備える。これにより、回転するタービンインペラに液滴が流入しても、母材より先に耐エロージョン被膜部に液滴があたるので、エロージョンによって母材が損傷することが抑制される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分をアルミニウムとする母材と、
前記母材の表面を覆う耐エロージョン被膜部と、
を備えるタービンインペラ。
【請求項２】
前記耐エロージョン被膜部は、ニッケル及びリンを含むめっき層である請求項１に記載のタービンインペラ。
【請求項３】
前記母材の硬度は、ビッカース硬さＨＶ１００以上、ＨＶ１６０以下である請求項１又は２に記載のタービンインペラ。
【請求項４】
前記耐エロージョン被膜部の硬度は、ＨＶ５００以上である請求項１〜３の何れか一項に記載のタービンインペラ。
【請求項５】
前記母材には、軸線方向に貫通する貫通孔が形成され、
前記母材の前記軸線方向の端面には、前記耐エロージョン被膜部が設けられていない請求項１〜４の何れか一項に記載のタービンインペラ。
【請求項６】
前記母材には、軸線方向に貫通する貫通孔が形成され、
前記貫通孔の内周面には、前記耐エロージョン被膜部が設けられていない請求項１〜５の何れか一項に記載のタービンインペラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、タービンインペラに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、タービンインペラは、作動媒体の流れを受けることにより、軸の回りに回転する。特許文献１は、エロージョン対策のために、タービンインペラに被膜処理を施す技術を開示する。特許文献１の技術は、被膜処理として、窒化硬質層に物理蒸着硬質層を形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００７／０８３３６１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
タービンインペラの高速回転化が求められている。これにより、タービンインペラの母材としてアルミニウムを使用することが検討されている。例えば、非常時に、液滴を含んだ作動媒体がタービンインペラに流入することがある。この場合には、エロージョンによってタービンインペラが損傷するおそれがある。本開示は、エロージョンによるタービンインペラの損傷を抑制可能なタービンインペラを説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一態様に係るタービンインペラは、主成分をアルミニウムとする母材と、母材の表面を覆う耐エロージョン被膜部と、を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、エロージョンによるタービンインペラの損傷が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本開示の一実施形態のタービンインペラを含むバイナリー発電装置の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、図１に示すタービン発電機の部分断面図である。
【図３】図３は、図２に示すタービンインペラの断面図である。
【図４】図４は、母材の表面に設けられた被膜部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示の一態様に係るタービンインペラは、主成分をアルミニウムとする母材と、母材の表面を覆う耐エロージョン被膜部と、を備える。
【０００９】
本開示のタービンインペラには、耐エロージョン被膜部が設けられている。その結果、液滴がタービンインペラに流入した場合には、液滴は、母材より先に耐エロージョン被膜部に当たる。従って、エロージョンによる母材の表面の損傷が抑制される。
【００１０】
耐エロージョン被膜部は、ニッケル及びリンを含むめっき層であってもよい。これにより、耐エロージョン被膜部の硬度を母材の硬度より高めることができる。硬度を高めた耐エロージョン被膜部によれば、エロージョンによるタービンインペラの損傷を抑制することができる。
【００１１】
母材の硬度は、ビッカース硬さＨＶ１００以上且つＨＶ１６０以下でもよい。耐エロージョン被膜部の硬度は、ビッカース硬さＨＶ５００以上でもよい。
【００１２】
母材には、軸線方向に貫通する貫通孔が形成されてもよい。母材の軸線方向の端面には、耐エロージョン被膜部が設けられていなくてもよい。この構成によれば、母材の端面の表面粗さを容易に管理できる。例えば、回転軸は、回転軸本体と、回転軸本体よりも小径である棒状部材と、を含む。この構成によれば、貫通孔に棒状部材を挿通させて、棒状部材の基端部を回転軸本体に連結し、棒状部材の先端部のネジ部に対してナットを締結させることができる。ナットによって、タービンインペラを回転軸本体に押しつけて、回転軸に対してタービンインペラを取り付けることができる。この構成によれば、タービンインペラの端面の表面粗さを設計値に容易に管理できる。その結果、タービンインペラの端面と端面に密着する面との間に、適切な摩擦力を生じさせることができる。従って、回転軸に対するタービンインペラの位置ズレを抑制することができる。
【００１３】
母材には、軸線方向に貫通する貫通孔が形成されてもよい。貫通孔の内周面には、耐エロージョン被膜部が設けられていなくてもよい。この構成によれば、貫通孔の内周面の寸法を容易に管理できる。貫通孔の内周面の寸法の管理が容易になると、貫通孔と、貫通孔に挿通される棒状部材との嵌め合いの精度の低下を抑制することができる。
【００１４】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付す。重複する説明は省略する。
【００１５】
図１に示されるバイナリー発電装置１は、発電を行うシステムである。バイナリー発電装置１は、例えば熱源として温水を利用する。バイナリー発電装置１は、例えば工場等に設置される。バイナリー発電装置１は、例えば焼却施設、ボイラー設備、温泉施設、地熱発電所及びその他の排熱利用設備等に設置されていてもよい。バイナリー発電装置１は、例えばオーガニック・ランキン・サイクル（Organic  Rankine  Cycle；ＯＲＣ）を採用する。バイナリー発電装置１は、熱源と作動媒体との間で熱交換を行う。バイナリー発電装置１で使用される作動媒体の沸点は、水の沸点よりも低い。作動媒体は、例えば代替フロン等である。作動媒体として、例えば不活性ガスを用いてもよい。作動媒体として、その他の流体を用いてもよい。
【００１６】
バイナリー発電装置１は、蒸発器２、タービン発電機３（膨張発電機）、凝縮器４及び循環ポンプ５を備える。バイナリー発電装置１は、循環ライン６を備える。循環ライン６は、蒸発器２、タービン発電機３、凝縮器４及び循環ポンプ５を接続する。循環ライン６は、第１配管７、第２配管８、第３配管９及び第４配管１０を含む。第１配管７は、蒸発器２をタービン発電機３に接続する。第２配管８は、タービン発電機３を凝縮器４に接続する。第３配管９は、凝縮器４を循環ポンプ５に接続する。第４配管１０は、循環ポンプ５を蒸発器２に接続する。作動媒体は、循環ライン６を通る。作動媒体は、蒸発器２、タービン発電機３、凝縮器４及び循環ポンプ５といった機器を循環する。
【００１７】
蒸発器２は、熱交換器である。蒸発器２は、熱源の熱によって作動媒体を蒸発させる。蒸発器２として例えばプレート式熱交換器を使用することができる。蒸発器２は、プレート式熱交換器に限定されない。蒸発器２は、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器でもよい。蒸発器２は、その他の方式を備えた熱交換器でもよい。蒸発器２には、配管１１及び配管１２が接続されている。熱源である温水は、配管１１の内部を流れる。そして、温水は、蒸発器２に流入する。作動媒体は、第４配管１０の内部を通る、そして、作動媒体は、蒸発器２に流入する。蒸発器２では、温水の熱が作動媒体に伝えられる。その結果、加熱された作動媒体は、蒸発する。蒸発した作動媒体は、第１配管７の内部を流れる。そして、作動媒体は、蒸発器２からタービン発電機３に流入する。温度が低下した温水は、配管１２を流れる。そして、温水は、排出される。
【００１８】
タービン発電機３の説明は、後述する。凝縮器４は、熱交換器である。凝縮器４は、冷却源を用いて作動媒体を冷却することによって、作動媒体を凝縮させる。凝縮器４は、例えばプレート式熱交換器を使用することができる。凝縮器４は、プレート式熱交換器に限定されない。凝縮器４は、シェル・アンド・チューブ式の熱交換器でもよい。凝縮器４は、その他の方式を備えた熱交換器でもよい。凝縮器４には、配管１３及び配管１４が接続されている。冷却源である冷却水は、配管１３の内部を流れる。そして、冷却水は、凝縮器４に流入する。タービン発電機３から排出された作動媒体は、第２配管８の内部を流れる。そして、作動媒体は、凝縮器４に流入する。凝縮器４では、作動媒体の熱が冷却水に伝わる。冷却された作動媒体は凝縮される。その結果、作動媒体は、液化する。液化した作動媒体は、凝縮器４から排出される。そして作動媒体は、第３配管９の内部を流れる。凝縮器４において作動媒体の排熱を回収した冷却水は、配管１４の内部を流れる。そして、作動媒体は、排出される。
【００１９】
循環ポンプ５は、作動媒体を循環させる。循環ポンプ５は、例えばターボ式ポンプを使用することができる。作動媒体は、第３配管９の内部を流れる。そして作動媒体は、循環ポンプ５に流入する。循環ポンプ５から排出された作動媒体は、第４配管１０の内部を流れる。そして、作動媒体は、蒸発器２に供給される。
【００２０】
次に、図２を参照して、タービン発電機３について説明する。タービン発電機３は、タービン１５、発電機１６及び回転軸１７を備える。タービン１５は、タービンインペラ１８及びタービンハウジング１９を含む。発電機１６は、発電機ハウジング２０、ロータ部２１及びステータ部２２を備える。タービン発電機３のハウジング２３は、タービンハウジング１９及び発電機ハウジング２０を含む。タービンハウジング１９は、発電機ハウジング２０に対して固定されている。タービンハウジング１９と発電機ハウジング２０との間には、隔壁２４が設けられている。回転軸１７は、隔壁２４を貫通する。回転軸１７は、発電機ハウジング２０の内部からタービンハウジング１９の内部にまで延在している。
【００２１】
回転軸１７は、一対の軸受２５によって回転可能に支持されている。図２は、一方の軸受２５のみを図示する。一方の軸受２５は、隔壁２４の貫通孔に保持されている。他方の軸受は、回転軸１７の軸線方向において、隔壁２４とは反対側の壁体に保持されている。回転軸１７は、発電機ハウジング２０の内部に配置された回転軸本体２６と、タービンハウジング１９の内部に配置された小径部２７（棒状部材）とを含む。回転軸本体２６は、発電機ハウジング２０の内部に配置されている。小径部２７（棒状部材）は、タービンハウジング１９の内部に配置されている。小径部２７の外径は、回転軸本体２６の外径より小さい。回転軸１７には段差面１７ａが形成されている。段差面１７ａは、回転軸本体２６の端面である。
【００２２】
発電機ハウジング２０の内部には、ロータ部２１及びステータ部２２が配置されている。ロータ部２１は、磁石２８と筒状部材２９とを含む。磁石２８は、回転軸本体２６の外周に取り付けられている。磁石２８は、例えば円筒状を成す。磁石２８は、回転軸本体２６に装着されている。筒状部材２９は、磁石２８を覆う。筒状部材２９は、磁石２８の外周面を覆うように、磁石２８に装着されている。回転軸１７の軸線Ｌの方向において、磁石２８の端面は、リング部材３０によって覆われている。リング部材３０は、回転軸１７の軸線Ｌの方向において、磁石２８の両側に配置されている。
【００２３】
ステータ部２２は、ロータ部２１を包囲するように発電機ハウジング２０の内側に保持されている。ステータ部２２は、円筒状のコア部と、コイル部とを含む。コア部は、ロータ部２１を包囲するように配置されている。コイル部は、コア部に導線が巻回されて形成されている。ロータ部２１が回転軸１７と共に回転する。その結果、ステータ部２２のコイル部に電流が流れる。これにより、タービン発電機３は、発電する。
【００２４】
小径部２７の基端部は、回転軸本体２６に連結されている。回転軸本体２６の軸線と小径部２７の軸線とは互いに同軸である。タービンハウジング１９には、吸入口（不図示）、スクロール部３１及び吐出口３２が形成されている。吸入口は、回転軸１７が延在する方向と交差する方向に開口されている。スクロール部３１は、吸入口に連通されている。スクロール部３１は、回転軸１７の周方向に旋回するように形成されている。吐出口３２は、回転軸１７の軸線Ｌの方向に開口されている。
【００２５】
タービンインペラ１８は、図３に示されるように、インペラ本体３３及び翼３４を含む。インペラ本体３３には、軸線Ｌの方向に貫通する貫通孔３５が形成されている。インペラ本体３３は、基端側ボス部３３ａ及び先端側ボス部３３ｂを含む。基端側は、回転軸本体側（図示右側）である。先端側は、回転軸本体とは反対側（図示左側）である。インペラ本体３３の外径は、基端側から先端側に向かって小さくなっている。軸線Ｌに沿って切った断面において、インペラ本体３３の外周面３３ｃは、径方向に沿う方向から軸線Ｌの方向に沿う方向に繋がるように湾曲している。翼３４は、インペラ本体３３の外周面３３ｃから外方に張り出している。タービンインペラ１８は、周方向に離間して配置された複数の翼３４を備えている。
【００２６】
タービンインペラ１８の貫通孔３５には、図２に示されるように、小径部２７が挿通されている。小径部２７の先端部にはおねじ部が形成されている。おねじ部にはナット３６が装着されている。ナット３６を締め付けることにより、タービンインペラ１８は、回転軸本体２６側に押し当てられる。タービンインペラ１８は、回転軸１７に対して取り付けられて固定されている。基端側ボス部３３ａの端面は、軸線Ｌの方向において、回転軸本体２６の端面に密着している。先端側ボス部３３ｂの端面は、軸線Ｌの方向において、ナット３６の端面に密着している。小径部２７は、貫通孔３５に嵌合されている。貫通孔３５の内周面は、小径部２７の外周面に密着している。タービンインペラ１８は、その他の方法により、回転軸１７に対して取り付けられていてもよい。
【００２７】
タービン１５において、吸入口から吸引された作動媒体は、スクロール部３１の内部を旋回するように流れる。作動媒体は、径方向の外側からタービンインペラ１８に流入する。作動媒体は、タービンインペラ１８の外周部に導入される。換言すると、作動媒体は、タービンインペラ１８の径方向の外側に導入される。作動媒体は、軸線Ｌの方向においてタービンインペラ１８の基端側に導入される。作動媒体は、複数の翼３４に当たる。その結果、タービンインペラ１８は軸線Ｌの周りに回転する。作動媒体は、軸線Ｌの周りに旋回しながらインペラ本体３３の外周面３３ｃに沿って流れる。作動媒体は、先端側から導出される。そして、作動媒体は、軸線Ｌに沿って流れた後に、吐出口３２を通じて排出される。
【００２８】
タービンインペラ１８の母材３７（図４参照）は、アルミニウムによって形成されている。タービンインペラ１８の母材３７は、アルミニウム合金でもよい。アルミニウム合金は、アルミニウムを主成分とし、その他の成分を含む。インペラ本体３３及び翼３４は、一体として同一の材質から形成されている。
【００２９】
タービンインペラ１８は、図４に示されるように、被膜部３８（耐エロージョン被膜部）を備える。被膜部３８は、母材３７の表面３７ａを覆う。被膜部３８は、例えばニッケル及びりんを含むめっき層である。被膜部３８は、インペラ本体３３の外周面３３ｃ、及び翼３４の表面に設けられている。被膜部３８の膜厚は、例えば１０μｍ以上とすることができる。インペラ本体３３の基端側ボス部３３ａの端面３３ｄには被膜部３８が設けられていない。インペラ本体３３の先端側ボス部３３ｂの端面３３ｅには被膜部３８が設けられていない。インペラ本体３３の貫通孔３５の内周面３５ａには被膜部３８が設けられていない。インペラ本体３３の背面部には、被膜部３８が設けられていてもよい。換言すると、インペラ本体３３の先端側とは反対側の面には、被膜部３８が設けられていてもよい。
【００３０】
母材３７であるアルミニウムの硬度は、例えばビッカース硬さＨＶ１００以上であってもよい。また、アルミニウムの硬度は、例えばビッカース硬さＨＶ１６０以下でもよい。被膜部３８の硬度は、例えばビッカース硬さＨＶ５００以上でもよい。これらの硬度は、例えばビッカース硬さ試験（ＪＩＳＺ２２４４）を行って得ることができる。また、被膜部３８の硬度は、その他の硬さ試験の結果をビッカース硬さに換算することにより、得てもよい。被膜部３８の硬さ試験は、例えば母材３７に被膜部３８が施工された状態で行うことができる。
【００３１】
被膜部３８であるめっき層は、例えば無電解めっきによって形成される。次に、ニッケル−りんめっきの施工方法について説明する。ニッケル−りんめっきの施工方法として、例えば亜鉛置換法を採用することができる。前処理として、母材３７の脱脂、エッチング及び酸洗等を行う。前処理後、亜鉛置換液にアルミニウムである母材３７を浸漬する。これによりアルミニウムの表面に亜鉛を置換析出させる。次に、無電解ニッケル−りんめっき液にアルミニウムを浸漬させる。その結果、めっき層が形成される。その後、熱処理を行う。これにより、母材３７の表面３７ａに、ニッケル−りんめっき層である被膜部３８を施工することができる。被膜部３８が施工されない部分であるインペラ本体３３の基端側ボス部３３ａの端面３３ｄ、先端側ボス部３３ｂの端面３３ｅ及び貫通孔３５の内周面３５ａには、マスキングを行う。この対応により、これらの部分にめっき層が形成されない。
【００３２】
バイナリー発電装置１では、タービンインペラ１８の母材３７として、アルミニウムが採用されている。従って、タービンインペラ１８の軽量化を図ることができる。その結果、タービンインペラ１８を高速に回転させることができる。タービンインペラ１８の回転数は、例えば２万ｒｐｍ以上とすることができる。また、タービンインペラ１８の回転数は、例えば３万ｒｐｍ以下とすることができる。
【００３３】
バイナリー発電装置１では、通常の運転において、作動媒体の液滴がタービンインペラ１８に流入するおそれは低い。バイナリー発電装置１では、例えば、タービン１５を迂回するバイパス流路を設けることにより、非常時における液滴のタービンインペラ１８への流入を防止することができる。バイナリー発電装置１は、その他の方法によって、タービンインペラ１８への液滴の流入を防止してもよい。
【００３４】
本開示のタービンインペラ１８では、被膜部３８が設けられている。従って、仮に液滴がタービンインペラ１８に流入しても、液滴は母材３７より先に被膜部３８に接触する。その結果、母材３７の表面３７ａのエロージョンによる損傷が抑制される。被膜部３８は、母材３７よりも硬度が高い。つまり、被膜部３８は、母材３７よりも硬い。従って、液滴が被膜部３８に当たっても、減耗しにくい。その結果、母材３７の損傷が抑制されるので、タービンインペラ１８の回転安定性の低下が抑制される。従って、タービン発電機３の信頼性を向上させることができる。
【００３５】
タービンインペラ１８のインペラ本体３３の端面３３ｄ，３３ｅには、被膜部３８が設けられていない。これにより、端面の３３ｄ，３３ｅの表面粗さを容易に管理できる。従って、端面３３ｄ，３３ｅの表面粗さを設計値に管理しやすくなる。さらに、インペラ本体３３の端面３３ｄと、端面３３ｄに密着する回転軸１７の段差面１７ａと、の間で適切な摩擦力を生じさせることができる。同様に、インペラ本体３３の端面３３ｅと、端面３３ｅに密着するナット３６の端面３６ａと、の間で、適切な摩擦力を生じさせることができる。従って、タービンインペラ１８の回転軸１７に対する周方向の位置ズレを抑制することができる。その結果、タービンインペラ１８の回転安定性の低下が抑制される。
【００３６】
タービンインペラ１８のインペラ本体３３の貫通孔３５の内周面３５ａには、被膜部３８が設けられていない。その結果、貫通孔３５の内周面３５ａの寸法を容易に管理できる。従って、貫通孔３５の内周面３５ａの寸法を設計値に容易に管理できる。さらに、貫通孔３５と、この貫通孔３５に挿通される小径部２７と、の嵌め合いの精度の低下を抑制することができる。
【００３７】
本開示は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。
【００３８】
上記の実施形態では、被膜部３８として、ニッケル−りんめっき層を形成している。しかし、被膜部３８は、ニッケル−りんめっきとは異なる耐エロージョン被膜部でもよい。被膜部は、母材３７の表面３７ａに施工された硬質コーティング（耐エロージョン被膜部）であってもよい。硬質コーティングは、例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＰＶＤ（physical vapor deposition）によって形成される。
【００３９】
上記の実施形態では、端面３３ｄ、３３ｅに被膜部３８が施工されていないタービンインペラ１８について説明した。しかし、被膜部３８は、端面３３ｄ、３３ｅに設けられていてもよい。例えば、被膜部は、ナット３６と接触しない部分に形成されていてもよい。被膜部は、回転軸１７の段差面１７ａと接触しない部分に形成されていてもよい。同様に、被膜部は、貫通孔３５の内周面３５ａに形成されていてもよい。インペラ本体３３の外周面３３ｃは、被膜部が形成されていない部分を含んでもよい。翼３４の表面は、被膜部が形成されていない部分を含んでもよい。
【００４０】
上記の実施形態では、タービン発電機３を備えるバイナリー発電装置１について説明した。タービン発電機３は、その他の発電装置として利用することができる。タービンインペラ１８は、タービン発電機３に適用されるものに限定されない。タービンインペラ１８は、その他のコンプレッサー（圧縮機）等の回転機器に適用することができる。例えば、その他の圧縮機に、本開示のタービンインペラ１８を適用する場合に、タービンインペラ１８の回転数は、２万ｒｐｍ以上、６万ｒｐｍ以下としてもよい。タービンインペラ１８の回転数は、用途に応じて適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  バイナリー発電装置
３  タービン発電機
１８  タービンインペラ
３３ｄ  基端側ボス部の端面
３３ｅ  先端側ボス部の端面
３５  貫通孔
３５ａ  内周面
３７  母材
３７ａ  表面
３８  被膜部（耐エロージョン被膜部）
Ｌ  軸線
【図１】
2019235588.tif 000003
【図２】
2019235588.tif 000004
【図３】
2019235588.tif 000005
【図４】
2019235588.tif 000006
【国際調査報告】
2019235588.tif 000007
2019235588.tif 000008
2019235588.tif 000009