ＮＥＤＯ省エネルギー技術フォーラム 2015 省エネルギー革新技術開発事業/戦略的省エネルギー技術革新プログラムフェーズ名：実用化開発＜発電ガスタービン用レニウムフリー単結晶合金・動翼鋳造技術の開発＞事業実施法人名：三菱日立パワーシステムズ（株）研究開発期間：2012年12月～2015年2月１．研究開発の背景、目的、目標１．1．背景 2 ・原子力発電の今後の展望が不透明 ⇒火力発電割合の増加（約９割）・火力発電設備からの炭酸ガスの排出量も増加 ⇒炭酸ガス排出削減が大きな課題高温強度に優れた単結晶(SC)動翼を適用・冷却空気削減、・燃焼ガスの高温化・ガスタービンの熱効率向上・コンバインド発電プラントの熱効率向上 ●狙い・大幅な省エネ効果の達成し、炭酸ガスの排出量を削減 8百30万ｋｌ/年（2030年度）１．研究開発の背景、目的、目標 3 940 ＜従来の課題＞ SC動翼の低コスト化（DS翼と同等レベルの価格）＊低コスト化が実用化のキイポイント耐用温度（℃）１．２．従来の課題、目的、目標第2世代SC合金 920 日立開発合金 ②大型翼SC化鋳造技術の開発・多数本取りSC翼鋳造条件の確立 GE （F7H） 3%Re GE（F7FA） 880 Siemenｓ（SGT-1000F） 860 第1世代SC合金 0%Re 現用DS合金 840 5 10 素材コスト比（現用DS合金：1） 100 航空機用小型動翼 80 合格率（％） ①低コスト単結晶合金の開発・０％ReのSC合金 1.4%Re 900 0 ＜目的、目標＞ Siemenｓ（SGT-800） 60 開発動翼（ DS動翼と同等） H25動翼 40 （NEDO/助成実績）発電用大型動翼（DOE報告） 20 0 0 100 200 300 SC動翼の大きさ（ｍｍ） 400 ２．研究開発体制、研究開発内容 4 ２．１．研究開発体制研究開発責任者三菱日立パワーシステムズ株式会社研究所吉成明＊）委託先等は無し研究所火力システム研究部研究所ターボ機械研究部２．研究開発体制、研究開発内容２．２．研究開発内容（１）レニウムフリ－単結晶合金の開発 ●開発手法 ①Rｅフリー ⇒ 低コスト化・RｅをW、Taで置換 ②耐酸化性の向上 ⇒ 高温化対応・Mo量の低減、Siの添加 ③結晶粒界強化元素（Ｃ，Ｂ、Ｈｆ）を添加・異結晶許容による合格率のアップ 940 耐用温度（℃） ●目標：・０％ReのSC合金・Re3％のSC合金と同等の強度・異結晶許容型合金・現用DS材と同等の耐食/耐酸化性・大型動翼の単結晶化が容易 5 第2世代SC合金 920 日立開発合金 Siemenｓ（SGT-800） 1.4%Re 900 GE （F7H） 3%Re GE（F7FA） 880 Siemenｓ（SGT-1000F） 860 第1世代SC合金 0%Re 現用DS合金 840 0 5 素材コスト比（現用DS合金：1） 10 ２．研究開発体制、研究開発内容 6 ２．２．研究開発内容（２）大型レ二ウムフリー単結晶動翼鋳造技術の開発 ●目標：・多数本（４翼/回）取り鋳造条件の確立４本鋳造/回の条件で、 SC翼合格率：50％・プラットホーム単結晶化 ●開発手法・翼部、プラットホーム部は単結晶（異結晶許容無し）パイパス形状の最適化・温度の低い部位での異結晶の許容（シャンク、ダブティル部等）粒界強度の評価手法の確立許容基準の策定異結晶許容 DS翼（現状）本開発（SC動翼）３．成果、実績、展望等 7 ３．１．成果（１）レニウムフリ－単結晶合金の開発① ●耐用温度910℃（開発目標：900℃）の単結晶合金を開発耐用温度： 910℃ 図開発単結晶合金のクリープ破断強度３．成果、実績、展望等３．１．成果 8 （１）レニウムフリ－単結晶合金の開発② ●単結晶合金の異結晶部は現用DS材と同等の強度を確保し、異結晶を許容・異結晶粒界図試験片採取位置図異結晶模擬（DS/T方向）部の引張り強度３．成果、実績、展望等３．１．成果 9 （１）レニウムフリ－単結晶合金の開発③ ●2結晶材の疲労試験と結晶FEMにより疲労強度への影響を評価・500℃：2結晶材の疲労寿命は、結晶の方位差によらず公称応力で評価可能・900℃：2結晶材の疲労寿命は、粒界での相当応力で評価可能 500℃ DS/L方向疲労試験片 ● 試験片 900℃ 疲労試験片引張り/クリープ試験片高サイクル疲労試験片曲げ疲労試験片曲げ疲労試験片・異結晶粒界 (a）２結晶試験片・2結晶試験片 (b）一方向凝固試験片図 2結晶材の低サイクル疲労試験結果３．成果、実績、展望等３．１．成果 10 （１）レニウムフリ－単結晶合金の開発④ バリヤ型TBCでは、高温・長時間の暴露後もバリヤ層により、コーティング・基材の相互拡散による基材の組織変質を抑制。現用TBC 拡散バリヤ型TBC ボンドコート 45mm 基材 15mm 70mm 図コーティング・基材反応に伴う組織変質（1000℃×1000h（900℃×32000h相当）暴露後３．成果、実績、展望等３．１．成果 11 （１）レニウムフリ－単結晶合金の開発⑤ ・耐酸化性は現用DS材より優れ、耐食性は現用DS材と同等。図 ① ② ⑤ ⑥ 図図酸化試験結果溶融塩腐食試験方法 ③ ④ ①,②：開発合金 ③,④：現用DS合金 ⑤,⑥：他社高CrSC合金溶融塩腐食試験後の試験片外観３．成果、実績、展望等３．１．成果 12 （2）大型レ二ウムフリー単結晶動翼鋳造技術の開発① ●要素試験でバイパス形状を検討し、単結晶化が可能な形状を決定課題：プラットホーム等軸晶 PF P F 等軸晶断熱材サセプタ翼翼背側腹側鋳型高周波コイルバッフル水冷リングバイパスの適用、形状最適化課題：シールフィンの結晶粒界割れ PF 翼水冷チルプレート鋳型引き出し図単結晶動翼の鋳造法等軸晶 PF 翼 PF PF 翼 PF 割れ補強翼翼３．成果、実績、展望等３．１．成果 13 （2）大型レ二ウムフリー単結晶動翼鋳造技術の開発② ①翼部単結晶化率：80％、 ②P/F部単結晶化率：60％ ●翼の単結晶化合格率：60％（3/5）表６本取り鋳造試験結果 P/F部 No 中子折れ翼部パス形状結果 1 ○ ○ ×（等軸晶） A 2 ○ ×（柱状晶） ×（等軸晶） B 3 ○ ○ ○ A 4 ○ ○（スリバー） ○ A 5 ○ ○ ○ A 4/5 3/5 6 合格湯漏れ（鋳型割れ） 5/5 等間隔に配置 TE部を内側図６本取り鋳造方案パスA パスB ３．成果、実績、展望等３．１．成果（2）大型レ二ウムフリー単結晶動翼鋳造技術の開発③ ●試鋳翼の実体強度は、開発目標を達成 14 ３．成果、実績、展望等３．２．実績等学会発表等 3件 15 ３．成果、実績、展望等３．３．今後の展望（１）結晶粒界での変形、き裂発生等のメカニズムの解明・異結晶の許容範囲を更に拡大し、合格率向上。 ⇒更なる低コスト化（２）開発SC合金をベースにしたDS合金への改良（異結晶許容の概念をDS合金開発へ展開）・燃焼温度上昇によるガスタービンの高効率化には、後段（3段、4段）動翼のクリープ強度向上が必要。＊後段動翼は長翼のため、単結晶化は不適。（３） SC合金、DS合金の適用による高効率化 16 ３．成果、実績、展望等３．４．原油換算省エネ効果 17 １）既設ガスタービンH100への適用 ⇒冷却空気量を26％削減 ⇒相対熱効率1.5％向上 2,516 kL/年の省エネ（原油換算、8000ｈ/年運転） 2）SC翼適用高効率GT（燃焼温度を約50℃上昇） ⇒熱効率は約1.1％（相対効率は3.0％）向上 5,032 kL/年の省エネ（原油換算、8000ｈ/年運転）指標B：２０２０年、２０３０年時点の市場導入（普及）量 1）SC翼適用H100ガスタービン国内：（リプレース＋新規）２台/年(＊：マーケット規模：既設機17台、新規2台/年）海外：（リプレース＋新規）5台/年、(＊：マーケット規模：既設機900台、新規23台/年） 2020年国内国外 2030年国内国外省エネルギー効果量（ｋＬ/年） 5,032 0 55,352 1,448,650 2020～2030年間の累計（ｋＬ） 5,032 0 332,112 7,967,575