成果報告書詳細
管理番号20110000000541
タイトル*平成22年度中間年報 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 高効率ガスタービン用タービン翼部材の研究開発
公開日2011/5/10
報告書年度2010 - 2010
委託先名三菱重工業株式会社 独立行政法人物質・材料研究機構
プロジェクト番号P09015
部署名エネルギー対策推進部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
エネルギー資源の約8 割を海外に依存している我が国は、世界的なエネルギー需給動向により、社会・経済が大きな影響を受ける。近年、世界のエネルギー需要量は増加しており、特に中国等アジア地域でのエネルギー需要量が著しく増加している。現在、我が国の電源構成の約6 割は火力発電所が占めており、その発電効率は40.9%(平成17 年度一般電気事業者の平均発電端熱効率)と既に世界最高レベルに達しているが、エネルギーセキュリティーの確保及び地球環境問題双方への対応から更なる発電効率向上への取組が求められている。我が国の天然ガス火力発電については、三菱重工業(株)にて、1980 年代初頭から大容量・高効率ガスタービンの開発が行われており、2004 年度からは国家プロジェクト「1700℃級ガスタービン要素技術開発」が開始されている。本国家プロジェクトでは、1700℃級ガスタービンの実現に不可欠な各種要素技術の開発が進められているが、タービン翼材以外の研究要素(コーティング、冷却、燃焼、空力)については、経産省エネ庁のプロジェクトとして実用化技術開発研究が進められており、着実に実用化に向けて進展している。一方、タービン翼材向けの超耐熱合金の開発については、挑戦的な要素研究であったことから、国家プロジェクト外で三菱重工業(株)および(独)物質・材料研究機構と連携して研究が進められてきた。その中で基本的材料特性が良好な候補合金が見出されてきており、研究を発展させてタービン翼材の製造技術開発と材料特性安定化により実用化の目処付けができれば、1700℃級ガスタービン自体の実用化、普及に向けて大きく前進することとなる。そこで本研究では、上記候補合金を対象に、量産技術開発研究へつなげるための先導研究として、方向凝固翼鋳造技術の開発と材料特性安定化研究を主眼に以下の研究を実施した。
英文要約Title: Research and Development on Turbine Blade Materials for High Thermal Efficiency Gas Turbine (FY2010-FY2012) FY2010 Annual Report
In past collaboration research between NIMS and MHI, Ni base single crystal alloy which have fine basic material properties and is expected to be used for 1700 deg-C class gas turbine have been developed. In this project, research and development for directional solidifying technology and material property stabilizing technology is now in practice as advanced research leading to mass production technology development. In this year, following works were carried out. 1. Development on directional solidification technology (MHI): Casting condition and basic specification for high thermal gradient casting equipment to achieve thermal gradient target were investigated. Gas cooling technology was focused. Elemental heat transfer test was carried out to make it possible to evaluate forced-convection heat transfer coefficient distribution by CFD. Using these results, castability test and casting simulation, right condition for defect suppression have been made clear. Meanwhile material properties of single crystal alloy are severely affected by crystal orientation. To utilize crystal growth analysis for casting condition development, material parameters for crystal growth were estimated. With using these parameters, trial analysis and experiment were carried out, and it was confirmed that analysis result have good agreement with experiments in cylindrical shape casting test. In following year development of casting technologies to keep deviation of crystal grain orientation within 15 degrees will be worked out. 2. Investigation for stabilizing turbine blade material property (NIMS): Although the alloy developed by NIMS and MHI have fine material property, sufficient amount of tests in wide range conditions. Effect of major elements composition variation on material properties was evaluated. 10 trial alloys, which have slightly composition change from mother alloy and expected not to have so much property change from mother composition, were designed with alloy designing program developed by NIMS and manufactured experimentally. It was confirmed that these alloys have uniform solidification microstructure and fine gamma prime precipitates. These alloys also have fine anti oxidation properties in short period test condition. In following year more detail evaluation will be worked out and range of alloy composition, crystal orientation and heat treatment condition with more than 950 deg-C durable temperature. 3. Property evaluation of turbine blade (MHI): For practical application of candidate alloy, fine material property even in large size turbine blade castings. Thermo-mechanical fatigue property of large scale castings with heat treatment in mass-production furnace was evaluated. As a result it was made clear that effect of cooling rate after solution heat treatment was large and specimens with more than certain cooling rate level have good fatigue property. In following year more detail evaluation will be worked out.
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