專利名稱：蒸汽裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及蒸汽裝置。
背景技術：
在內(nèi)部流動有高溫蒸汽的蒸汽裝置中，例如在以往的火力發(fā)電設備中的蒸汽渦輪機中，蒸汽溫度低于600°C。因此，考慮到經(jīng)濟性和制造性，通常蒸汽渦輪機的高溫部(渦輪轉(zhuǎn)子、動葉輪等)的主要部件利用鐵素體類耐熱鋼。此外，近年來，在保護環(huán)境的背景下，為了使火力發(fā)電設備高效化，利用600°C程度的高溫蒸汽的蒸汽渦輪機在得以運用。在這樣的蒸汽渦輪機中，在鐵素體類耐熱鋼的情況下會因蒸汽溫度被高溫化而使高溫強度不夠。因此，還存在適用以鎳為主成分的耐熱合金或奧氏體類耐熱鋼的情況。當前，在研究開發(fā)著使用大于等于650°C高溫的高溫蒸汽的蒸汽渦輪機的同時，還公開有從經(jīng)濟性和制造性等觀點出發(fā)，盡量減少耐熱合金或奧氏體類耐熱鋼的使用部分來構成蒸汽渦輪機發(fā)電設備的技術(例如，參照專利文獻1-3)。該蒸汽渦輪機設備在1個軸上連結有超高壓渦輪部、高壓渦輪部、中壓渦輪部、低壓渦輪(1)、低壓渦輪O)以及發(fā)電機，超高壓渦輪和高壓渦輪組裝在同一外部殼體上且相互獨立。在該蒸汽渦輪機設備中，對超高壓渦輪部的尤其高溫部限制耐熱合金或奧氏體類耐熱鋼的使用。但是，為了實現(xiàn)如超過700°C這樣的蒸汽溫度的高溫化，由于僅靠基材金屬的耐熱溫度的上升具有限度，所以利用冷卻蒸汽對高溫部件進行冷卻的冷卻技術是不可缺少的 (例如，參照非專利文獻1)。還公開了與該冷卻技術相關的專利(例如，參照專利文獻4)。而且，在燃氣渦輪機的領域中，為了保護使用了高強度的M基超合金或Co基超合金的構件免受高溫的燃燒氣體的影響，一直應用著在表面設置低熱傳導的陶瓷層來對高溫部件的內(nèi)表面進行冷卻的隔熱涂層技術。通常使用噴鍍法來形成該陶瓷層，但是，為了使表面平滑化等，還在研究開發(fā)著利用了陶瓷的前驅(qū)體的泥漿/凝膠涂層法(slurry/gel coating)(例如，參照專利文獻5)。但是，在蒸汽渦輪機的情況下，由于蒸汽為紅外線輻射的熱放射性氣體，所以存在如輻射傳熱變得更重要、不僅對受熱的構件而且對散熱的構件也要求隔熱性能等這樣技術上不同的問題。此外，在由主流的噴鍍法進行的燃氣渦輪機用陶瓷隔熱涂層的方法中，通過在陶瓷層含有氣孔而實現(xiàn)了低熱傳導化。但是，在蒸汽渦輪機中，可能會存在因高熱傳導率的蒸汽進入該氣孔部中而使熱傳導率上升的問題。現(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開平7-M7806號公報
專利文獻2 日本特開2000-282808公報專利文獻3 日本特許登錄第3095745號說明書專利文獻4 日本特開2004-353603公報
5
專利文獻5 日本特開2001-2^759公報非專利文獻非專利文獻1 日本“功能材料” 2008年1月期，vol. 28，p. 6-18

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的技術問題針對在上述的如超過700°C這樣的蒸汽溫度的蒸汽渦輪機中保證燃氣渦輪機構成部件的強度的方法，進行著各種各樣的研究。在以往的火力發(fā)電設備中，蒸汽渦輪機所使用的渦輪轉(zhuǎn)子、噴嘴、動葉輪、噴嘴箱(蒸汽室)、蒸汽供給管等渦輪結構部件使用改良的耐熱鋼。但是，若蒸汽溫度超過700°C，則很難通過該耐熱鋼保證這些渦輪結構部件的強度。因此，期待如下的技術，S卩，在蒸汽渦輪機中，在低溫部使用經(jīng)濟性和可靠性優(yōu)良的以往的改良的耐熱鋼，限定于暴露在高溫蒸汽中的部分使用耐熱性高的材料，并在兩者之間導入冷卻蒸汽。但是，例如，由于從與渦輪的初級對應的構件開始使用以往的材料而要通過冷卻蒸汽對渦輪轉(zhuǎn)子和殼體進行冷卻，為此需要有達到干流的百分之幾的冷卻蒸汽量。此外，由于冷卻蒸汽流入蒸汽通路部內(nèi)，所以產(chǎn)生葉柵性能降低所伴隨的渦輪單體的內(nèi)部效率降低的問題。本發(fā)明為了解決上述的問題而做出，其目的在于提供能夠使用高溫蒸汽而提高了熱效率并且經(jīng)濟性以及可靠性優(yōu)良的蒸汽裝置。用于解決技術問題的技術手段本發(fā)明的蒸汽裝置的一方式，蒸汽裝置具備第一構件，一側的面暴露在高溫蒸汽中，另一側的面被比上述高溫蒸汽溫度低的低溫蒸汽冷卻；以及第二構件，配置為隔著上述低溫蒸汽的流路與上述第一構件對置，由比上述第一構件耐熱性低的材料形成；其特征在于，該蒸汽裝置具有第一高反射率被膜和第二高反射率被膜中的至少某個高反射率被膜， 其中，所述第一高反射率被膜形成在上述第一構件的暴露在上述高溫蒸汽中的面上，該第一高反射率被膜對紅外線的反射率高于上述第一構件對紅外線的反射率；所述第二高反射率被膜形成在上述第二構件的與上述第一構件對置的面上，該第二高反射率被膜對紅外線的反射率高于上述第二構件對紅外線的反射率。本發(fā)明的蒸汽裝置的另一個方式，蒸汽裝置具備第一構件，一側的面暴露在高溫蒸汽中，另一側的面被比上述高溫蒸汽溫度低的低溫蒸汽冷卻；以及第二構件，配置為隔著上述低溫蒸汽的流路與上述第一構件對置，由比上述第一構件耐熱性低的材料形成；其特征在于，該蒸汽裝置具有低放射率被膜，所述低放射率被膜形成在上述第一構件的被上述低溫蒸汽冷卻的面上，該低放射率被膜的放射率低于上述第一構件的放射率。本發(fā)明的蒸汽裝置的另一個方式，蒸汽裝置具備第一構件，一側的面暴露在高溫蒸汽中，另一側的面被比上述高溫蒸汽溫度低的低溫蒸汽冷卻；以及第二構件，配置為隔著上述低溫蒸汽的流路與上述第一構件對置，由比上述第一構件耐熱性低的材料形成；其特征在于，該蒸汽裝置具有第一高反射率被膜和第二高反射率被膜中的至少某個高反射率被膜，其中，所述第一高反射率被膜形成在上述第一構件的暴露在上述高溫蒸汽中的面上，該第一高反射率被膜對紅外線的反射率高于上述第一構件對紅外線的反射率；所述第二高反射率被膜形成在上述第二構件的與上述第一構件對置的面上，該第二高反射率被膜對紅外線的反射率高于上述第二構件對紅外線的反射率；并且該蒸汽裝置具有低放射率被膜，所述低放射率被膜形成在上述第一構件的被上述低溫蒸汽冷卻的面上，該低放射率被膜的放射率低于上述第一構件的放射率。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明提供能夠使用高溫蒸汽而提高了熱效率并且經(jīng)濟性以及可靠性優(yōu)良的蒸汽裝置。


圖1是示意性地表示本發(fā)明的一個實施方式的主要部分剖面結構的圖。圖2是表示溫度所引起的黑體放射能量波譜的變化的圖。圖3是表示層疊折射率不同的電介質(zhì)薄膜而成的被膜的結構例的圖。圖4是用于說明介電氧化物的低折射率材料與高折射率材料組合例的圖。圖5是表示用于構成被膜的紅外線反射顆粒的剖面結構的圖。圖6是表示使用了圖5所示的紅外線反射顆粒的被膜的剖面結構的圖。圖7是示意性的表示其他實施方式的主要部分剖面結構的圖。圖8是表示使用氧化物的填料的情況下的填料含量與反射率之間的關系的曲線圖。圖9是表示使用金屬的填料的情況下的填料含量與反射率之間的關系的曲線圖。圖10是示意性地表示變形例的主要部分剖面結構的圖。圖11是示意性地表示其他變形例的主要部分剖面結構的圖。圖12是表示填料的平均粒徑與反射率之間的關系的曲線圖。圖13是表示高溫蒸汽渦輪機的上半殼體部的剖面結構的圖。圖14是表示將本發(fā)明應用于蒸汽渦輪機的蒸汽流入管部的實施方式的圖。圖15是表示將本發(fā)明應用于蒸汽渦輪機的噴嘴箱部的實施方式的圖。圖16是表示將本發(fā)明應用于蒸汽渦輪機的熱室部的實施方式的圖。
具體實施例方式以下，參照附圖，基于實施方式說明本發(fā)明的詳細結構。圖1是示意性地表示本發(fā)明的實施方式的蒸汽渦輪機的主要部分剖面結構的圖。 在使用了超過鐵素體類耐熱鋼的耐熱溫度^(TC的高溫蒸汽(例如600°C 700°C程度)的蒸汽渦輪機中，在通過低溫蒸汽對該蒸汽渦輪機的高溫構件(耐熱性高的構件)進行冷卻的情況下，如圖1所示，暴露在高溫蒸汽3中的高溫構件(耐熱性高的構件)1和主要來保證蒸汽渦輪機的強度的低溫構件(耐熱性比高溫構件低的構件)2隔著冷卻蒸汽4的流路對置。另外，在圖1中，附圖標記5表示大氣。作為這樣的構件中的熱量的流動，熱量從高溫蒸汽3傳遞至高溫構件1之后，熱量的一部分在高溫構件1的內(nèi)部朝向溫度低的蒸汽下游側傳遞，同時，剩余的熱量用于使冷卻蒸汽4溫度上升而被消耗。冷卻蒸汽4溫度上升最終引起低溫構件2溫度上升。在本實施方式中，在暴露在高溫蒸汽3中的高溫構件1的表面，形成有對紅外線的反射率高于高溫構件1的第一高反射率被膜6。從高溫蒸汽3向高溫構件1的熱傳遞通過對流傳熱和放射傳熱來進行。因此，通過形成第一高反射率被膜6，能夠抑制來自蒸汽的傳熱，從而減少高溫構件1的溫度上升。此外，若為了提高隔熱效果而在高溫構件1的暴露在高溫蒸汽3中的一側的面上設置第一低熱傳導被膜7，則能夠進一步提高隔熱效果。在圖1中，第一低熱傳導被膜7形成在第一高反射率被膜6和高溫構件1之間，但是，在第一低熱傳導被膜7的紅外線的透射率高的情況下，能夠在第一高反射率被膜6的外側設置第一低熱傳導被膜7，使第一低熱傳導被膜7具有保護紅外線反射膜不受到水蒸汽或腐蝕環(huán)境影響的功能。此外，能夠無關于熱傳導率地在最表面等上另外追加形成紅外線的透射率高且具有進行保護而使得不受到水蒸汽或腐蝕環(huán)境影響的作用的被膜。作為第一低熱傳導被膜7的材料，優(yōu)選使用熱傳導率在小于等于5W/mK的材料。關于這一點，后述的其他的低熱傳導被膜也相同。在對蒸汽渦輪機部件進行蒸汽冷卻的情況下，高溫構件1使用耐熱溫度高的合金等，因此具有足夠的高溫強度，但是低溫構件2考慮適用通常的鐵素體鋼，因此低溫構件2 的溫度上升引起蒸汽渦輪機的嚴重損傷劣化的可能性更高。因此，降低從高溫構件1向冷卻蒸汽4的散熱量，抑制冷卻蒸汽4的溫度上升，來減少低溫構件2的溫度上升，有利于降低部件的損傷。為了降低向冷卻蒸汽4的散熱量，在高溫構件1的冷卻蒸汽流路側的表面設置放射率低于高溫構件1的低放射率被膜9很有效。理論上來講，由于電磁波的放射率與反射率、吸收率相加為1，所以如果吸收率不變化，則認為低放射率與高反射率具有相同的意義。 因此，第一高反射率被膜6和低放射率被膜9能夠使用相同的材料。這樣，例如，能夠在泥漿中浸漬高溫構件1，在高溫構件1的高溫蒸汽3側和冷卻蒸汽4側的2個表面上同時形成被膜，在簡化制造工序方面是優(yōu)選的。此外，關于抑制冷卻蒸汽4的溫度上升這一點，在高溫構件1的冷卻蒸汽4側的表面上設置第二低熱傳導被膜8也很有效。但是，就該散熱側的第二低熱傳導被膜8而言，在冷卻蒸汽量較多而低溫構件2的溫度上升不構成設計方面的問題的情況下，積極地促進傳熱來降低高溫構件1的溫度反而會更有效，因此也存在優(yōu)選不設置第二低熱傳導被膜8而相反地設置放射率和熱傳導率高的被膜的情況或部位。而且，為了抑制從冷卻蒸汽4傳遞來的熱量，在低溫構件2的與高溫構件1對置的一側的面上，形成有對紅外線的反射率高于低溫構件2的第二高反射率被膜10。此外，若在低溫構件2的與高溫構件1對置的一側的面上形成第三低熱傳導被膜11，則能夠進一步改善隔熱效果。在上述結構的實施方式中，上述的第一高反射率被膜6、第二高反射率被膜10、低放射率被膜9中至少設置任意1個即可，也可以設置其中的任意2個，也可以全部設置。此外，第一低熱傳導被膜7、第二低熱傳導被膜8、第三低熱傳導被膜11不是必須進行設置，可以設置其中任意1個、任意2個或全部。此外，圖1所示的第一高反射率被膜6、第二高反射率被膜10、低放射率被膜9、以及第一低熱傳導被膜7、第二低熱傳導被膜8、第三低熱傳導被膜11的形成工藝沒有特別限定，例如能夠使用噴鍍法、物理蒸鍍法、化學蒸鍍法、泥漿法等來形成。圖2表示假設為黑體放射的情況下的因溫度引起的放射波譜的變化。另外，在圖2 中，附圖標記12為700°C時的波譜，附圖標記13為600°C時的波譜，附圖標記14為500°C時的波譜。這樣，在5001 7001程度的溫度范圍內(nèi)，在波長2.5微米至4微米O500nm 4000nm)程度處出現(xiàn)能量密度的峰值，推測出該波段的對紅外線的反射率高的被膜、特別是第一高反射率被膜6、第二高反射率被膜10的性能優(yōu)良。因此，就第一高反射率被膜6、第二高反射率被膜10而言，相對于波長為2. 5微米至4微米O500nm 4000nm)的電磁波的反射率越高越好，但是，實際上只要反射率大于等于60%，那么與沒有形成被膜的情況相比就能夠得到足夠的效果。此外，在高溫構件1的散熱面?zhèn)燃庸さ牡头派渎时荒?的放射率越低越好，但是實際上只要放射率小于等于40%， 那么與沒有形成低放射率被膜9的情況相比就能夠得到足夠的效果。為了提高被膜的紅外線反射率或者降低放射率，能夠使用對折射率不同的介電物質(zhì)進行層疊、利用界面處的反射光的干涉來提高反射率的方法。圖3示出了使用這樣的多層構造的被膜的實施方式的例子。圖3所示的多層構造的被膜的結構例中，第一高反射率被膜6具有如下的結構，即，在高溫構件1的表面將η層高折射率層(1) 15 高折射率層 (η) 17、與η層低折射率層(1) 16 低折射率層(η) 18交替地層疊。上述高折射率層(1)15 高折射率層(η) 17、低折射率層(1) 16 低折射率層 (η) 18的材料，從高溫下具有優(yōu)良的穩(wěn)定性的觀點出發(fā)，優(yōu)選為氧化物類的介電材料。圖4 示出了按照折射率的順序?qū)蜓a材料進行歸納而成的表。以折射率2前后為界限進行材料選擇是具有實用性的，能夠根據(jù)對象材料將該界限附近的HfO2、NiO, ZrO2等能夠選擇為高折射率層以及低折射率層中某層的材料。若考慮高溫水蒸汽環(huán)境下的長期的穩(wěn)定性，則優(yōu)選從高耐環(huán)境性的能夠有效地作為保護被膜的 A1203、Y2O3>HfO2,ZrO2,Zr02+TiO2,Ta2O5,Ce2O3>Cr2O3>Nb2O5,TiO2 中進行選擇。 另外，作為反射膜的形成方法，由于需要按照微米精度要求對膜厚進行控制，所以優(yōu)選作為物理蒸鍍法的一種的濺射法、或通過電子束進行的物理蒸鍍法。另外，各層的膜厚由于在光路長度為設計波長的1/4的情況下反射增強，所以優(yōu)選0. 01 10微米程度的膜厚。圖5是表示用于說明構成其他構造的高反射率被膜的例如球狀的紅外線反射顆粒25的圖。在圖5中，附圖標記19為氧化物顆粒，在該氧化物顆粒19的表面形成有上述的由折射率不同的介電氧化物構成的高折射率層(1)21、高折射率層0)23、以及低折射率層 (1)22、低折射率層0)24。此外，在氧化物顆粒19的內(nèi)部形成有真空區(qū)域20。另外，紅外線顆粒25的形狀不限于球狀。這樣，若使用在氧化物顆粒19的內(nèi)部形成有真空區(qū)域20的中空顆粒，則熱傳導率也降低，所以更加優(yōu)選。另外，氧化物顆粒19的材料優(yōu)選&02、Hf02、 CeO2這樣的低熱傳導的材料，但是還能夠使用Si02、Al2O3等。圖6示出了使用了圖5所示的紅外線反射顆粒25的其他構造的高反射率被膜構造的例子。該被膜為在紅外線反射顆粒25的間隙中填入結合材料沈的構造。另外，結合材料沈可以使用無機物、有機物中的任意一種，但是，從耐熱性、耐環(huán)境性的觀點出發(fā)，優(yōu)選膠體二氧化硅、硅酸鋰、硅酸鈉、磷酸鋁、或者水泥(cement)等無機粘合劑。圖7是示意性地表示使用了其他構造的高反射率被膜的實施方式的結構的圖。在該實施方式中，該高反射率被膜由氣孔率小于等于3%的致密層130形成，該致密層130以含有氧化硅的氧化物為基質(zhì)(matrix) 131，含有由與基質(zhì)131不同的氧化物的顆?；蚪饘俚念w粒形成的填料132。在填料132由氧化物的顆粒形成的情況下，填料132的含量為20 至80體積％。此外，在填料132由金屬的顆粒形成的情況下，填料132的含量為10至80體積％。其理由后面描述?；|(zhì)131使用以形成玻璃質(zhì)相的SiO2 (二氧化硅)為主成分的陶瓷。使用這樣的形成玻璃質(zhì)相的陶瓷的理由是因為能夠形成缺陷少的致密層130。另外，基質(zhì)131不僅能夠使用純二氧化硅，還能夠使用由氧化鋁和二氧化硅生成的莫來石那樣的硅鋁酸鹽化合物寸。作為填料132，只要是對蒸汽所放射的波長的紅外線進行反射的材料即可，能夠利用金屬、與基質(zhì)131不同的氧化物(陶瓷)的各種材料，但是，在其選定時，重要地是考慮致密層130的被暴溫度。即，在被用于低于600°C這樣的溫度比較低的部位的情況下，優(yōu)選使用具有金屬光澤、反射率高的鋁、銀、鉬、金等金屬填料，但是，若變?yōu)楦邷貏t有可能會因氧化而使反射率顯著降低。因此，在被用于超過600°C的高溫的部位的情況下，若使用作為白色系的顏料被廣泛利用的以氧化鈦、氧化鋁、氧化鋯等為主成分的材料，則能夠長時間維持隔熱效果。此外，還能夠使用以硅酸鹽化合物為主成分的填料。形成該致密層130的方法優(yōu)選使用泥漿/凝膠的方法。即，將混合了形成二氧化硅基質(zhì)的氧化物前驅(qū)體與填料原料而成的泥漿/凝膠狀的材料，通過噴射涂層在基材上， 或者，對基材進行浸漬而形成含有水分、有機成分的被膜，然后通過干燥、燒結過程使水分、 有機成分揮發(fā)，由陶瓷的前驅(qū)體形成以二氧化硅為主成分的基質(zhì)。根據(jù)該方法，即使是蒸汽渦輪機的高溫部件那樣的具有復雜形狀的部件，也能夠比較容易地形成致密層130。作為在室溫下具有泥漿/凝膠狀的形態(tài)的、通過高溫燒結形成SiO2等含有硅元素的化合物的材料，能夠使用各種具有封端官能團的含有硅氧烷鍵的化合物、或各種硅乳膠材料等。圖8的坐標圖將縱軸作為紅外線反射率，將橫軸作為填料含量(體積％ )，示出了將TW2用作填料132，其含量在0體積％至90體積％之間變化時的紅外線反射率(波長 2. 7微米)的變化。紅外線的反射率具有從填料132的含量為20體積％程度開始急劇增加、隨著填料132進一步增加紅外線的反射率稍微增加的傾向。因此，在將TW2等氧化物 (陶瓷)用作填料132的情況下，需要其含量大于等于20體積％。另一方面，圖9的坐標圖將縱軸作為紅外線反射率，將橫軸作為填料含量(體積％ )，示出了將金屬用作填料132，其含量在0體積％至90體積％之間變化時的紅外線反射率(波長2.7微米)的變化。對于紅外線的反射率，若填料132的含量大于等于10體積％，則反射率超過70%。因此，在將金屬用作填料132的情況下，填料132的含量只要大于等于10體積％即可。另外，通常，如果透射率為0，則反射率與放射率的關系如下式所示。反射率=1-放射率表面沒有實施涂層的金屬基材在沒有產(chǎn)生氧化的情況下，反射率為0.7程度，放射率為0.3程度。因此，優(yōu)選致密層130的反射率高于0.7。然而，通常金屬基材會因氧化而反射率顯著降低，但是只要抑制在高溫水蒸汽中的氧化，即使表面的初期的反射率或放射率與金屬基材為同等程度，也能夠得到足夠的放射傳熱的抑制效果。此外，為了評價致密層130的粘接性，實施基于JIS K5600的通過粘接帶的粘貼和剝離而進行的試驗。結果表明，不管是金屬填料還是氧化物填料，只要含量超過80體積％， 在剝離粘接帶后，在帶側都殘留有致密層130，致密層的粘接性較低。該結果的原因在于，若成為基質(zhì)的以二氧化硅為主成分的氧化物的量極少，則致密層130的強度降低。因此，填料含量需要小于等于80體積％。
根據(jù)以上內(nèi)容，在將氧化物(陶瓷)用作填料132的情況下，使填料含量為20 80體積％，在將金屬用作填料132的情況下，使填料含量為10 80體積％，由此能夠確保需要的反射率，并且能夠確保膜所需要的粘接性以及強度。另外，如圖2所示，致密層130 所反射的蒸汽的吸收波譜具有很寬的波長范圍，尤其是在2. 7微米O700nm)程度處具有高吸收的波峰，因此如果使用以該波長為中心具有高反射率的致密層130，則能夠形成對蒸汽具有高反射率的被膜。上述結構的致密層130具有如下的作用，S卩，抑制來自蒸汽的傳熱或抑制從構件向冷卻蒸汽的放射的同時，還防止蒸汽進入后述的下部的多孔質(zhì)陶瓷層140。作為在上述的致密層130的下層設置的第一 三低熱傳導被膜，在本實施方式中使用氣孔率為5 50%的多孔質(zhì)陶瓷層140。該多孔質(zhì)陶瓷層140的厚度越大越耐熱，并且對由于基材(高溫構件1)與致密層130之間的熱膨脹系數(shù)之差而產(chǎn)生的熱應力進行緩和的效果越好，因此，優(yōu)選多孔質(zhì)陶瓷層140的厚度大于等于100微米。此外，多孔質(zhì)陶瓷層140的氣孔率越大，則對降低熱傳導率、以及緩和與基材(高溫構件1)之間的熱膨脹系數(shù)之差所引起的熱應力越有效，優(yōu)選該氣孔率大于等于5%，更優(yōu)選大于等于10%。但是，若氣孔率過高，裂紋會如連結氣孔之間那樣傳播，強度降低，因此，優(yōu)選將氣孔率抑制為小于等于50%，更優(yōu)選抑制為小于等于25%。該多孔質(zhì)陶瓷層140 例如能夠通過大氣等離子噴鍍法來形成。在該方法中，使用噴鍍槍，在大氣中向高速的電弧等離子流的內(nèi)部投入陶瓷粉末并使該陶瓷粉末熔融，使該該陶瓷粉末的液滴以高速沖擊基材表面，使其在基材上凝固而形成被膜。通常，使噴鍍槍掃描來進行層疊，由此在大面積的基材上形成幾百微米至幾毫米的陶瓷的厚膜。能夠通過作為投入的粉末利用中空的粉末， 或通過對等離子的輸出或噴鍍槍與基材之間的距離進行控制，來控制被膜內(nèi)部的氣孔率。此外，多孔質(zhì)陶瓷層140的材料只要是具有低熱傳導率和高溫穩(wěn)定性的材料即可，但是鑒于至今的實際情況和在陶瓷中熱膨脹系數(shù)大等的情況，優(yōu)選使用由氧化釔進行了相穩(wěn)定化的氧化鋯。但是，若作為穩(wěn)定劑的氧化釔的量少，或使用氧化釔產(chǎn)生了偏析的材料，則會因水蒸汽產(chǎn)生腐蝕，因此，氧化釔的含量至少大于等于5質(zhì)量％，優(yōu)選使用氧化釔的含量為大于等于8質(zhì)量％的氧化鋯。此外，能夠使用氧化鉿或氧化鈰等、具有與氧化鋯相同的螢石型結晶構造的氧化物，但是在該情況下，為了避免在水蒸汽中形成不穩(wěn)定的相，需要控制氧化釔或稀土類氧化物等穩(wěn)定劑的添加量。此外，還能夠使用釔或鑭等的稀土類氧化物。圖10示出了上述實施方式的變形例的結構，在該變形例中，在致密層130和多孔質(zhì)陶瓷層140之間設有陶瓷接合層150。作為陶瓷接合層150，優(yōu)選使用接合強度高且熱膨脹系數(shù)為多孔質(zhì)陶瓷層140與致密層130中間的材料。此外，可以使用由不含有填料132 的基質(zhì)131形成的層。根據(jù)這樣的結構，能夠提高各層的粘接性。圖11示出了其他變形例的結構，在該變形例中，如圖11中左側所示，填料132的含量(體積％ )在致密層130的厚度方向上存在傾斜，在表面?zhèn)忍盍?32的含量多，在多孔質(zhì)陶瓷層140側含量少。如果設成這樣構造的致密層130，則能夠成為與多孔質(zhì)陶瓷層140 的粘接性高且能夠良好地反射紅外線的被膜。圖12是以縱軸為反射率，以橫軸為填料平均粒徑，表示在Si類的基質(zhì)中以體積率 50%分散TiO2填料132而成的厚度10微米的膜中的、反射率與平均粒徑之間的關系的坐標圖。若填料132的平均粒徑小于紅外線的波長的1/4，則紅外線透射率大，膜的反射率降
11低。因此，優(yōu)選填料132的平均粒徑大于等于紅外線的波長的1/4。此外，若填料132的平均粒徑大于膜厚的1/2，則概率上來講紅外線不與填料132碰觸而從膜穿透的量變多，因此優(yōu)選填料132的平均粒徑小于等于膜厚的1/2。另外，上述結構的致密層130作為高反射率的被膜或低放射率的被膜，還能夠用于圖1所示構造的蒸汽裝置以外的所有結構的蒸汽裝置。在該情況下，作為形成致密層130 的基材，例如能夠使用鐵素體類鋼鐵材料、奧氏體類鋼鐵材料或以鎳為主成分的合金等所有的基材。此外，為了提高隔熱性，優(yōu)選在致密層130與基材之間設置低熱傳導率的多孔質(zhì)陶瓷層140。圖13示出了作為發(fā)明的適用對象的高溫蒸汽渦輪機的上半殼體部的剖面結構的一例。如圖13所示，蒸汽渦輪機具備由內(nèi)部殼體35與其外側的外部殼體36構成的雙重構造的殼體，在這些殼體之間形成由熱室(heat chamber) 38，在內(nèi)部流動有冷卻蒸汽。在內(nèi)部殼體35的中央部貫穿設置有渦輪轉(zhuǎn)子觀。而且，在內(nèi)部殼體35的內(nèi)表面固定有噴嘴隔板外圈33，并配設有多級的噴嘴31。此外，在渦輪轉(zhuǎn)子28側，對應于各噴嘴地經(jīng)由輪部27埋設動葉輪32。另外，初級噴嘴31a成為固定在成為高溫蒸汽從蒸汽流入管四向渦輪部流入的流入路徑的噴嘴箱30上的構造。暴露在溫度為700°C程度至約550°C的高溫蒸汽中的蒸汽流入管四、噴嘴箱30、噴嘴31a、31、動葉輪32a、32、噴嘴隔板外圈33、噴嘴隔板內(nèi)圈34等，適用高溫強度特性(例如10萬小時蠕變斷裂強度)高且耐水蒸汽腐蝕性優(yōu)良的耐腐蝕性耐熱合金。作為這樣的合金正在研究適用例如英科奈爾anconel)公司制的hco625、hco617、hco713 (都是商品名稱)等Ni基合金。另外，在圖13中，附圖標記37為冷卻蒸汽流路。圖14中對上述高溫蒸汽渦輪機的上半殼體部的蒸汽流入管四的部分進行了放大表示。將蒸汽流入管四設為內(nèi)側的高溫套管39與外側的流入管殼體40或者內(nèi)部殼體35 的雙重構造，成為在兩者的間隙中流動冷卻蒸汽4的構造。通過形成這樣的結構，能夠有效地對由于從蒸汽流入管四朝向位于外部的殼體等使用耐熱溫度低的材料的構件進行放射或熱傳遞而引起的熱傳導進行抑制，或者能夠?qū)崃繌母邷卣羝?進入蒸汽流入管四進行抑制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)蒸汽流入管四的可靠性的提高及長壽化。在上述高溫套管39的內(nèi)表面形成有與圖1所示的第一高反射率被膜6相當?shù)氖軣崦鎮(zhèn)缺荒?2a。如上所述，該受熱面?zhèn)缺荒? 為至少具有紅外線反射功能的被膜，也可以是同時具有紅外線反射功能和隔熱功能的被膜。此外，作為受熱面?zhèn)缺荒?2a，可以使用將圖1所示的第一高反射率被膜6和第一低熱傳導被膜7層疊后的構造的被膜。如果這樣形成受熱面?zhèn)缺荒?2a，則能夠降低高溫套管39的溫度，能夠減少損傷劣化。此外，在高溫套管39的外表面形成有與圖1所示的低放射率被膜9相當?shù)纳崦鎮(zhèn)缺荒?3。該散熱面?zhèn)缺荒?3至少為低放射率的被膜即可，可以是低放射率并且具有隔熱功能的被膜。此外，作為散熱面?zhèn)缺荒?3，可是使用將圖1所示的低放射率被膜9和第二低熱傳導被膜8層疊后的構造的被膜。而且，在流入管殼體40的內(nèi)表面形成有與圖1所示的第二高反射率被膜10相當?shù)氖軣崦姹荒?2b。該受熱面被膜42b為至少具有紅外線反射功能的被膜，也可以為同時具有紅外線反射功能和隔熱功能的被膜。此外，作為受熱面?zhèn)缺荒?42b，可以使用將圖1所示的第二高反射率被膜10和第三低熱傳導被膜11層疊后的構造的被膜。
如上所述，若形成散熱面?zhèn)缺荒?3以及受熱面?zhèn)缺荒?2b，則能夠防止耐熱強度低的流入管殼體40的溫度上升，能夠減少劣化損傷。但是，對于散熱面被膜43，有時由于使用環(huán)境的不同，需要特性完全不同的被膜。即可以想到，在冷卻蒸汽4的流量足夠多時不設置散熱面被膜43，或者，形成熱傳導率、放射率高的被膜來降低高溫套管39的溫度。此外， 上述的各被膜的實施部位能夠根據(jù)裝置的設計來決定。另外，在很難將上述各被膜直接形成在構件表面的情況下，或在若直接在構件上形成被膜就會出現(xiàn)剝離的情況下，能夠形成為制作由耐熱材料形成的板狀塊體例如耐熱性磚、在其表面形成被膜后將該耐熱性磚固定在構件表面上而成的構造。這一點在以下說明的各實施方式中也相同。圖15中對在圖13所示的高溫蒸汽渦輪機的上半殼體部設置的、將高溫蒸汽3導向渦輪部的噴嘴箱30的部分進行放大表示。如圖15所示，具有噴嘴箱30的外周面被冷卻蒸汽4冷卻的構造，噴嘴箱30的內(nèi)表面形成有受熱面?zhèn)缺荒?2a，在噴嘴箱30的外表面尤其是與轉(zhuǎn)子對置的表面，形成有散熱面?zhèn)缺荒?3。而且，在與噴嘴箱對置的渦輪轉(zhuǎn)子觀的表面形成有受熱面?zhèn)缺荒?2b。另外，上述的受熱面?zhèn)缺荒?2a、受熱面?zhèn)缺荒?2b、散熱面?zhèn)缺荒?3的結構與上述的圖14所示的實施方式的情況相同。通過形成這樣的結構，能夠有效地對從高溫的噴嘴箱30向位于外側的殼體部等傳遞熱量進行抑制，或有效地對熱量從高溫蒸汽3進入噴嘴箱30進行抑制，降低熱應力，由此能夠改善噴嘴箱30的可靠性和壽命。另外，散熱面?zhèn)缺荒?3的需求特征根據(jù)冷卻蒸汽流量等的不同而變化，這與上述的蒸汽流入管四的情況相同。此外，根據(jù)蒸汽渦輪機的規(guī)格，有時不使用噴嘴箱，而將內(nèi)部殼體作為高溫蒸汽的流入路徑，但是在這樣的情況下，在內(nèi)部殼體形成被膜也能夠得到與具有噴嘴箱時相同的效果。圖16中對圖13所示的高溫蒸汽渦輪機的上半殼體部的熱室38的部分進行了放大表示。如圖16所示，在雙重的殼體構造的蒸汽渦輪機中，在內(nèi)部殼體35與外部殼體36之間具有熱室38。在該內(nèi)部殼體35的外表面形成有散熱面?zhèn)缺荒?3，在設置在內(nèi)部殼體35 的外側且與內(nèi)部殼體35對置的外部殼體36的內(nèi)側的面上，形成有受熱面?zhèn)缺荒?2b。另外，上述的受熱面?zhèn)缺荒?2b、散熱面?zhèn)缺荒?3的結構與上述的圖14所示的實施方式的情況相同。通過形成這樣的結構，能夠有效地對熱量從內(nèi)部殼體35進入外部殼體36進行抑制，抑制熱室38內(nèi)的溫度上升，抑制外部殼體36損傷劣化，有利于蒸汽渦輪機的可靠性提高。另外，散熱面?zhèn)缺荒?3的需求特征根據(jù)冷卻蒸汽流量等的不同而變化，這與上述的蒸汽流入管四的情況相同。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的蒸汽裝置能夠利用于發(fā)電廠中的發(fā)電用蒸汽渦輪機的領域等。因此，在產(chǎn)業(yè)上具有可利用性。附圖標記說明1...高溫構件、2...低溫構件、3...高溫蒸汽、4...冷卻蒸汽、5...大氣、6...第
一高反射率被膜、7...第一低熱傳導被膜、8...第二低熱傳導被膜、9...低放射率被膜、 10...第二高反射率被膜、11...第三低熱傳導被膜。
權利要求
1.一種蒸汽裝置，具備第一構件，一側的面暴露在高溫蒸汽中，另一側的面被比上述高溫蒸汽溫度低的低溫蒸汽冷卻；以及第二構件，配置為隔著上述低溫蒸汽的流路與上述第一構件對置，由比上述第一構件耐熱性低的材料形成；其特征在于，該蒸汽裝置具有第一高反射率被膜和第二高反射率被膜中的至少某個高反射率被膜， 其中，所述第一高反射率被膜形成在上述第一構件的暴露在上述高溫蒸汽中的面上，該第一高反射率被膜對紅外線的反射率高于上述第一構件對紅外線的反射率；所述第二高反射率被膜形成在上述第二構件的與上述第一構件對置的面上，該第二高反射率被膜對紅外線的反射率高于上述第二構件對紅外線的反射率。
2.一種蒸汽裝置，具備第一構件，一側的面暴露在高溫蒸汽中，另一側的面被比上述高溫蒸汽溫度低的低溫蒸汽冷卻；以及第二構件，配置為隔著上述低溫蒸汽的流路與上述第一構件對置，由比上述第一構件耐熱性低的材料形成；其特征在于，該蒸汽裝置具有低放射率被膜，所述低放射率被膜形成在上述第一構件的被上述低溫蒸汽冷卻的面上，該低放射率被膜的放射率低于上述第一構件的放射率。
3.一種蒸汽裝置，具備第一構件，一側的面暴露在高溫蒸汽中，另一側的面被比上述高溫蒸汽溫度低的低溫蒸汽冷卻；以及第二構件，配置為隔著上述低溫蒸汽的流路與上述第一構件對置，由比上述第一構件耐熱性低的材料形成；其特征在于，該蒸汽裝置具有第一高反射率被膜和第二高反射率被膜中的至少某個高反射率被膜， 其中，所述第一高反射率被膜形成在上述第一構件的暴露在上述高溫蒸汽中的面上，該第一高反射率被膜對紅外線的反射率高于上述第一構件對紅外線的反射率；所述第二高反射率被膜形成在上述第二構件的與上述第一構件對置的面上，該第二高反射率被膜對紅外線的反射率高于上述第二構件對紅外線的反射率；并且該蒸汽裝置具有低放射率被膜，所述低放射率被膜形成在上述第一構件的被上述低溫蒸汽冷卻的面上，該低放射率被膜的放射率低于上述第一構件的放射率。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述第一以及第二高反射率被膜具有將低折射率材料層和折射率比該低折射率材料層高的高折射率材料層進行層疊而成的構造。
5.根據(jù)權利要求2或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述低放射率被膜具有將低折射率材料層和折射率比該低折射率材料層高的高折射率材料層進行層疊而成的構造。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述低折射率材料層以及上述高折射率材料層由介電氧化物形成，并且，上述低折射率材料層的折射率低于上述高折射率材料層的折射率，其中，所述介電氧化物包含有從氧化鋁(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化鎵(Ga2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化釤(Sm2O3)、氧化釔 (Y2O3)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鎳(NiO)、氧化鉿(HfO2)、氧化鈰(( )、氧化鉻(Cr2O3)、氧化鈮 (Nb2O5)、氧化鉭(Tii2O5)、氧化鎢(WO3)、氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(SiO)中選出的至少一種。
7.根據(jù)權利要求1或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述第一以及第二高反射率被膜具有通過由無機物或有機物形成的物質(zhì)，對在氧化物顆粒的表面上層疊有折射率不同的至少兩種介電氧化物的層的多個顆粒進行結合而成的構造。
8.根據(jù)權利要求2或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述低放射率被膜具有通過由無機物或有機物形成的物質(zhì)，對在氧化物的顆粒的表面上層疊有折射率不同的至少兩種介電氧化物的層的多個顆粒進行結合而成的構造。
9.根據(jù)權利要求1或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，在上述第一高反射率被膜、上述第二高反射率被膜中的至少一個上層疊形成有熱傳導率小于等于5W/mK的被膜。
10.根據(jù)權利要求2或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，在上述低放射率被膜上層疊有熱傳導率小于等于5W/mK的被膜。
11.根據(jù)權利要求1或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述第一以及第二高反射率被膜由氣孔率小于等于3%的致密層構成，所述致密層以含有氧化硅的氧化物為基質(zhì)，含有20至80體積％的由與上述基質(zhì)不同的氧化物的顆粒形成的填料。
12.根據(jù)權利要求2或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述低放射率被膜由氣孔率小于等于3%的致密層構成，所述致密層以含有氧化硅的氧化物為基質(zhì)，含有20至80體積％的由與上述基質(zhì)不同的氧化物的顆粒形成的填料。
13.根據(jù)權利要求11所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述填料以從氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(&02)、氧化鈦(TiO2)中選出的至少一種氧化物為主成分。
14.根據(jù)權利要求1或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述第一以及第二高反射率被膜由氣孔率小于等于3%的致密層構成，所述致密層以含有氧化硅的氧化物為基質(zhì)，含有10至80體積％的由金屬的顆粒形成的填料。
15.根據(jù)權利要求2或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述低放射率被膜由氣孔率小于等于3%的致密層構成，所述致密層以含有氧化硅的氧化物為基質(zhì)，含有10至80體積％的由金屬的顆粒形成的填料。
16.根據(jù)權利要求14所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述填料以從鋁、銀、鉬、金中選出的至少一種為主成分。
17.根據(jù)權利要求11所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述致密層對波長2. 7微米的紅外線的放射率小于等于0. 3，或者上述致密層對波長 2. 7微米的紅外線的反射率大于等于0. 7。
18.根據(jù)權利要求11所述的蒸汽裝置，其特征在于，在上述致密層的下層形成有熱傳導率比該致密層低的隔熱陶瓷層。
19.根據(jù)權利要求18所述的蒸汽裝置，其特征在于， 上述隔熱陶瓷層的氣孔率為5%至50%。
20.根據(jù)權利要求18所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述隔熱陶瓷層由氧化鋯、氧化鈰、氧化鉿、氧化釔、硼化物中的某個形成。
21.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述第一構件為蒸汽渦輪機的蒸汽流入管的高溫套管，上述第二構件為對上述高溫套管的周圍進行包圍的流入管殼體。
22.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述第一構件為將蒸汽渦輪機的流入蒸汽導入渦輪部的噴嘴箱部的結構構件，上述第二構件為與上述噴嘴箱部的結構構件對置的渦輪轉(zhuǎn)子。
23.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述第一構件為對蒸汽渦輪機的噴嘴隔板進行固定的內(nèi)部殼體，上述第二構件為位于上述內(nèi)部殼體的外側的外部殼體。
24.根據(jù)權利要求1或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述第一或第二高反射率被膜形成在耐熱性的磚的表面上，上述耐熱性的磚固定于上述第一或第二構件。
25.根據(jù)權利要求2或3所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述低放射率被膜形成在耐熱性磚的表面上，上述耐熱性磚固定于上述第一構件。
26.根據(jù)權利要求12所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述填料以從氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(&02)、氧化鈦(TiO2)中選出的至少一種氧化物為主成分。
27.根據(jù)權利要求15所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述填料以從鋁、銀、鉬、金中選出的至少一種金屬為主成分。
28.根據(jù)權利要求12所述的蒸汽裝置，其特征在于，上述致密層對波長2. 7微米的紅外線的放射率小于等于0. 3，或者上述致密層對波長 2. 7微米的紅外線的反射率大于等于0. 7。
29.根據(jù)權利要求12所述的蒸汽裝置，其特征在于，在上述致密層的下層形成有熱傳導率比該致密層低的隔熱陶瓷層。
30.根據(jù)權利要求四所述的蒸汽裝置，其特征在于， 上述隔熱陶瓷層的氣孔率為5%至50%。
全文摘要
蒸汽裝置具備高溫構件(1)，一側的面暴露在高溫蒸汽(3)中，另一側的面被比高溫蒸汽(3)溫度低的冷卻蒸汽(4)冷卻；低溫構件(2)，配置為隔著冷卻蒸汽(4)的流路與高溫構件(1)對置，由比高溫構件(1)耐熱性低的材料形成。具有第一高反射率被膜(6)和第二高反射率被膜(10)中的至少某個高反射率被膜，所述第一高反射率被膜(6)形成在高溫構件(1)的暴露在高溫蒸汽(3)中的面上，對紅外線的反射率高于高溫構件(1)；所述第二高反射率被膜(10)形成在低溫構件(2)的與高溫構件(1)對置的面上，對紅外線反射的反射率高于低溫構件(2)。
文檔編號F01D25/14GK102227548SQ20098014748
公開日2011年10月26日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權日2008年11月27日
發(fā)明者中谷祐二郎, 和田國彥, 山下勝也, 巖井章吾, 犬飼隆夫, 豬亦麻子, 石渡裕, 鈴木悠介, 須賀威夫, 齊藤和宏 申請人:株式會社東芝