成果報告書詳細
管理番号20090000000159
タイトル平成19年度-平成20年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー使用合理化技術実証研究/単結晶動翼によるガスタービンの熱効率向上に関する研究開発
公開日2010/3/24
報告書年度2007 - 2008
委託先名株式会社日立製作所
プロジェクト番号
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約単結晶初段動翼1リングを、五井コーストエナジー(株)殿所有のH25ガスタービン(当社製、出力:29.3MW、借用して使用)に搭載して、実証試験を実施した。単結晶動翼は、量産化技術確立において、鋳造歩留まり評価のために量産したものであり、冷却空気量を26%削減している。H25ガスタービンへの組込みは、定期点検に合わせ2008年5月に実施した。組込み後、単結晶動翼搭載での起動停止特性を確認すると共に、定常運転時における出力測定を行い、初期の熱効率向上を評価し、単結晶動翼適用による0.6%(相対効率では1.8%)の熱効率向上を確認した。また、4000時間、起動停止78回(約7ヶ月)連続的に運用した後にボアスコープ検査を実施し、単結晶動翼に問題無いことを確認した。単結晶動翼の量産化技術確立のため、多数本取りの鋳造試験を行い、単結晶化に良好な1回の鋳造で翼を5ヶ鋳造する方案を採用した。また、鋳造試験と並行して1リングの単結晶動翼の量産化鋳造を行い、量産化に伴う課題を明らかにした。また、量産した翼は、自社で機械加工、及び高耐久性熱遮蔽コーティング(TBC)を施工し、製品化での量産化製造技術を確立すると共に、項目(1)の実証試験翼とした。単結晶翼の搭載に当っては、単結晶合金及びTBCの耐食性を評価し、実機環境化で使用可能であることを確認した。次に、量産化鋳造で明らかとなった課題に対し、鋳造方案、鋳造条件等を改良した鋳造試験を実施した。鋳造試験では、項目(3)の強度試験結果を踏まえ、鋳造歩留まりに大きく影響する異結晶等のグレイン欠陥に対する許容範囲拡大を検討し、最終鋳造試験において単結晶動翼鋳造歩留まり70%以上を達成した。更に、量産化での単結晶動翼の低コスト化技術を確立するため、異結晶の許容範囲拡大に必要なグレイン欠陥部の材料データの取得、及び単結晶翼の鋳造時に発生する湯道等のスクラップを、鋳造用マスターインゴットの原材料として再利用するのに必要な不純物を含む単結晶材の材料データ取得を行なった。グレイン欠陥部の材料データの取得では、結晶粒界の角度を変化させ、グレイン欠陥部を模擬した試験片及び一方向凝固試験片の引張り試験、クリープ試験、疲労試験等を実施した。単結晶翼の鋳造時に発生するスクラップを、鋳造用マスターインゴットの原材料として再利用する技術確立では、不純物を添加した単結晶材の引張り試験、クリープ試験、腐食試験、及び酸化試験を行い、単結晶材として特性上問題の無い不純物量の上限を明らかにした。また、実証試験翼の量産時に発生したスクラップを実際に再溶解してマスターインゴット(リターン材)を溶製し、リターン材を用いた単結晶翼の鋳造試験を行い、単結晶鋳造性、介在物欠陥、偏析に伴う融点低下、及び強度等を評価し、単結晶翼として問題無い事を確認した。また、リターン材で単結晶試験片を作成し、各種試験を行い、単結晶合金としても問題無いことを確認した。上記の試験結果を総合的に評価し、不純物量の規格を拡大することで、スクラップ利用率50%で、インゴット価格を40%以上低減するスクラップの再利用技術を確立した。
英文要約Title:Research and development on improvement in thermal efficiency of gas turbine by application of single crystal blade(FY2007-FY2008)Final Report Verification test of whole stage 1 single-crystal turbine blade was carried out Goi coast energy site. Single-crystal test pieces were installed into H25 (manufactured by HITACHI: 29.3MW, owned by Goi coast energy).Single crystal blades were mass-produced to assess yield ratio during casting process. The developed turbine blades enable us to reduce cooling air up to 26%.In May 2008, installation of the blades had just been completed in time for the routine inspection.After the instillation, start-and-stop performance with single crystal blades has confirmed as well as thermal efficiency. During steady operation, 0.6%(relative efficiency 1.8%) improvement in thermal efficiency has been achieved by using single crystal. Moreover, bore scope inspection revealed that there are no indications of damage after 4000h operation (78 cycles, approx. 7 menthes).In order to establish mass production capability, multiple casting tests were carried out. Based on the result, we adopted the process that cast 5 blades at once. In addition to the casting tests, mass production of single crystal for whole stage 1 blades have been made, and it showed the issue associated with mass production.The mass-produced turbine blades were machined and processed thermal barrier coating (TBC) then used as demonstration blade shown in item (1). Corrosion resistance of single crystal alloy as well as TBC was examined. The results showed that the alloy and TBC have ability to withstand actual corrosion environments.After that, to solve the issue regarding the mass production, modified casting process and condition were tested. In the casting test, based on the result of mechanical test shown in item (3), allowable ranges on grain defect (e.g. Miss oriented grain), which have significant impact on yield rate have been considered. Eventually, over 70% yield rate accomplished at final casting test.To develop the low cost casting technique, information about grain defect which necessary for expanded allowable ranges of miss oriented grain have been acquired. In order to reuse scraps generated during casting as feedstock, properties of single crystal alloy containing impurities were also investigated. Tensile, creep and fatigue test for alloys with different grain angles were carried out for the specimen having grain defect and directionally solidified alloy respectively.In the development of recycling technique, tensile, creep, corrosion and oxidation tests for single crystal with impurities were conducted, and results showed that maximum levels of impurity without any detrimental effects. In addition, master ingot (return material) was made from re-melted scraps, and then casting test for return material have been conducted to evaluate its castability, inclusion, malting point decrease accompanied with segregation, and mechanical properties. The result exhibits that single crystal made from return material has acceptable properties.From above mentioned results, we developed recycling technique, which reduce ingot price over 40%( scraps usage 50%) by ease allowance of impurity.
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