JP4125891B2 - ガスタービン翼とガスタービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、羽根と、ガスタービンの高温ガス通路を境界付けるべく羽根に隣接して続く翼台座部位とを備え、高温ガス通路内に組み込まれるガスタービン翼に関する。本発明は、このガスタービン翼を備えたガスタービンにも関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドイツ特許出願公開第２６２８８０７号明細書にガスタービン翼が開示されている。そのガスタービン翼は翼長手軸線に沿って延び、その翼長手軸線に沿って羽根（翼形部）と翼台座部位とを有している。この翼台座部位において、翼長手軸線に対して横に羽根から離れて半径方向外側に翼台座が延びている。その翼台座は、ガスタービンを貫流する活動流体に対する流路の一部を形成している。その流路の中にタービン翼が組み込まれている。ガスタービンでは、この流路内に非常な高温が生ずる。このため、翼台座の高温ガスに曝される表面は熱的に強く負荷される。そのため翼台座の冷却が必要となる。翼台座を冷却するために、翼台座の反高温ガス側面の前に、孔開き壁要素が配置されている。その壁要素の孔を通して冷却空気が流入し、翼台座の反高温ガス側面に衝突する。ガスタービンにおいて、冷却すべき構造部品に対する冷却空気は、一般に、ガスタービンにおける燃焼用圧縮空気を発生する空気圧縮機から分岐される。冷却空気の分岐に伴い、燃焼に供する空気量が減少する。このためガスタービンの効率が低下する。従って、ガスタービンの冷却空気量をできるだけ少なくするよう努めている。
【０００３】
国際特許出願公開００／５７０３２号明細書に、鋳造過程での被覆技術を単純化するため、翼台座を別個の部品として形成したガスタービンの静翼が開示されている。その別個の翼台座部品はセラミック材料でも作れる。
【０００４】
米国特許第５２６９６５１号明細書は、静翼セラミック囲い輪を開示する。その囲い輪は、内側面が締付け要素の圧縮作用で移動可能に保持されている。その囲い輪は複数のピストンリング状要素に分割されている。この配置構造により、外部車室と内部車室との軸方向変位が補償される。
【０００５】
１９９０年２月５日発行の日本特許抄録、第０１４巻、第０６０号（Ｍ−０９３１）に、金属封入物で支持されたセラミック殻から成るガスタービン静翼が示されている。セラミック殻と金属封入物との間に断熱層が配置されている。
【０００６】
米国特許第３８６７０６５号明細書は、ガスタービン用の中実セラミック動翼列を示す。動翼列の内周内側面に、熱伝達および温度勾配を防止すべく、環状セラミック絶縁体を配置している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、必要冷却空気量が特に少なくて済むガスタービン翼を提供することにある。本発明の他の課題は、必要冷却空気量が特に少なくて済むガスタービンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガスタービン翼に関する課題を、羽根と、ガスタービンの高温ガス通路を境界づけるため羽根に隣接して続く翼台座部位とを備え、高温ガス通路内に組み込まれるガスタービン翼において、翼台座部位に金属台座を設け、前記ガスタービンに組込み済の各ガスタービン翼の前記台座にセラミックカバーを機械的取付け手段により交換可能に固定することで解決する。
【０００９】
本発明は、高温ガス通路を境界づけるガスタービン翼の翼台座に、機械的に固定されたセラミックカバーを設ける全く新たな方式を提案する。セラミックカバーにより、金属台座は、高温ガス通路を貫流する高温ガスから有効に遮蔽される。従って、金属台座をほんの僅か冷却するだけで済む。場合によっては、金属台座の冷却を全く省くこともできる。この結果、必要冷却空気量がかなり減少し、このガスタービン翼を組み込んだガスタービンの効率が増大する。
【００１０】
本発明に基づくガスタービン翼は、通常のガスタービン翼をその半径方向寸法について、セラミックカバーが高温ガス通路にぴったり合うよう、ほんの僅か変更するだけで済むので、非常に簡単に製造できる。その他の点について、ガスタービン翼は通常通りに製造でき、特に鋳造できる。その後で、セラミックカバーを機械的取付け手段によって金属台座に置き、固定する。特に、そのようなガスタービン翼を翼輪の形でガスタービンに組み込み、その組込み済みの各ガスタービン翼に、セラミックカバーを一つずつ接合できる。従って最終的に、セラミックカバーを補助的に脱落防止する完全閉鎖翼輪が生ずる。
【００１１】
セラミックカバーは、金属台座への単純な設置および取付け要素による固定によって、将来、例えば定期点検において簡単に交換することもできる。
【００１２】
ａ） 好適には、セラミックカバーは２つの半部から成る。その一方のセラミックカバー半部が羽根の背に隣接し、他方のセラミックカバー半部が羽根の腹に隣接していると有利である。この場合、セラミックカバーの設置は、セラミックカバーの両半部が羽根の周りに簡単に接合されるので、特に簡単に行える。
【００１３】
ｂ） 機械的取付け手段として、ガスタービン翼に固く結合されたばねが適する。従って、取付け手段によって、セラミックカバーの弾力的な固定が達成される。これは特に、ガスタービン翼の振動がいずれにしても減衰してセラミックカバーに伝達され、これによって、セラミックカバー損傷の恐れが減少するという利点を有する。好適には、ばねは、セラミックカバーの羽根に隣接する幅狭面に沿って延びる溝に係合する。
【００１４】
ｃ） セラミックカバーに係合する固定突起を金属台座に設けるとよい。この固定突起により、セラミックカバーは取付け要素によって補助的に固定され、金属台座上での滑りを防止される。
【００１５】
ｄ） 好適には、本発明に基づくガスタービン翼を、羽根を取り囲んで前記翼台座部位と反対側に位置する第２翼台座部位を備えた静翼として形成し、その第２翼台座部位に第２金属台座を設け、この台座に第２セラミックカバーを第２機械的取付け手段によって固定する。その第２翼台座部位は第２金属台座を有し、この台座上に、第２セラミックカバーを第２機械的取付け手段によって固定する。ガスタービン静翼は、通常両側端に翼台座部位を有する。一方の翼台座部位は、ガスタービン静翼がガスタービンの車室に固定されるガスタービン静翼の取付け部に隣接する。第２翼台座部位は、ガスタービンロータに対し高温ガス通路を境界づける。それら両翼台座部位に、セラミックカバーを設ける。
【００１６】
ｅ） セラミックカバーがそれと一体化されたマットを有し、セラミックカバーが破損した際、その破片が前記マットによって集塊物の形で保持されるようにするとよい。セラミックは金属よりも非常にもろく、例えば高温ガス通路内を流れる固形物が衝突した際、割れる恐れがある。セラミックカバーが破損した際、その破片は高温ガス通路に到達し、高温ガス通路内に続いて存在するタービン段のタービン翼を損傷する。これは、セラミックカバーに一体化されたマットによって防止する。セラミックカバーが破損した際、その破片をマットによってまとめて保持させる。マットは、例えばセラミックカバーに、その製造時に鋳込むことで接合する。しかしマットをセラミックカバーの下側に接合してもよい。
【００１７】
ｆ） セラミックカバーは、好ましくはムライトを含有する。ムライトは、耐熱性および耐酸・耐腐食性について良好な特性を有する特に適切な材料である。
【００１８】
ｇ） 好ましくは、セラミックカバーは粒子剥離防止用の外側シール層を備える。セラミックカバーはセラミック本体から成り、その表面は、固形物粒子を放散する性質を有する。固形物粒子は続く高温ガス通路内で、それに続くガスタービン翼の侵食作用を起こす。なお粒子の剥離はシール層により防止される。
【００１９】
上述のａ）〜ｇ）の実施態様は、互いに任意に組み合わせることもできる。
【００２０】
ガスタービンに向けられた課題は、本発明に基づいて、上述した実施態様のガスタービン翼を備えたガスタービンによって解決される。
【００２１】
ガスタービンの利点は、ガスタービン翼に関して上述した利点に対応する。
【００２２】
ガスタービン翼を高温ガス通路の軸方向において２つの動翼間に配置し、第２セラミックカバーを、それが動翼で擦られない程度に軸方向に延ばすとよい。これにより、セラミックカバーがそれに隣接し、回転する動翼によって、それに擦られて損傷するのを確実に防止できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下図を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号が付してある
【００２４】
図１はガスタービン１を概略的に示す。ガスタービン１は互いに直列接続された圧縮機３、燃焼器５、圧縮機３およびタービン７を備える。このタービン７は高温ガス通路９を有する。この通路９内に静翼１１が配置され、この静翼１１はタービン７の車室８に結合されている。高温ガス通路９内に、その高温ガスの流れ方向に沿い、静翼１１と互い違いに動翼１３が配置されている。この動翼１３はガスタービンロータ１５に結合されている。ガスタービン１の運転中、空気が圧縮機３で圧縮され、燃焼器５に導入される。そこで空気が添加されて燃料が燃える。その際に生じた高温ガス１７は高温ガス通路９を通って流れ、動翼１３に作用してガスタービンロータ１５を回転させる。その非常に高温のガス１７は、高温ガス通路９内に配置されたガスタービン翼１１、１３を熱的に非常に強く負荷する。このため、ガスタービン翼１１、１３を、圧縮機３から取り出した空気で内部から冷却する。圧縮機３からの冷却空気は、燃焼器５でもはや燃焼に供されない。このためガスタービン１の効率が低下する。この冷却空気を節約するための有効な処置については、図２〜４を参照して詳述する。
【００２５】
図２は、ガスタービン１の高温ガス通路９の一部を示す。燃焼器からの高温ガス１７は第１静翼１１ａを介して高温ガス通路９に導入される。この第１動翼１１ａは第１静翼輪（図示せず）の一部を成す。高温ガス１７の流れ方向において第１静翼１１ａに第１動翼１３ａが続く。この第１動翼１３ａに、高温ガス１７の流れ方向に第２静翼１１ｂが続き、該静翼１１ｂに、高温ガス１７の流れ方向に第２動翼１３ｂが続いている。高温ガス通路９内に、更に別のタービン段（動翼、静翼）を設けてもよい。第１静翼１１ａは、その取付け部位２１ａを介しガスタービン１の車室８に結合されている。この取付け部位２１ａに金属台座２３ａ付きの翼台座部位２２が続く。金属台座２３ａは高温ガス通路９側に表面２５ａを有し、その上にセラミックカバー２７ａが存在する。該カバー２７ａの取付け法については図４を参照して後述する。
【００２６】
第２静翼１１ｂも、同様にその取付け部位２１ｂを介し車室８に結合され、同様にその金属台座２３ｂにセラミックカバー２７ｂを有している。第２静翼１１ｂはセラミックカバー２７ｂに隣接して、高温ガス通路９を貫通して延びる羽根（翼形部）２４ｂを備える。この羽根２４ｂはその半径方向内側が第２セラミックカバー４７で境界づけられている。カバー４７は、第２翼台座部位４２に付属する第２金属台座４１の高温ガス通路９の側４８に置かれている。この台座４１は内側囲い輪４５を有する内側囲い輪取付け部４３に隣接する。第１静翼１１ａの半径方向内側も同じように形成されている。
【００２７】
セラミックカバー２７ａ、２７ｂ、４７により、それらの下にある金属台座２３ａ、２３ｂ、４１が高温ガス１７から保護される。大きな耐熱性を持つセラミックカバー２７ａ、２７ｂ、４７は、実際上冷却空気で冷却する必要はない。金属台座２３ａ、２３ｂ、４１についても、冷却の必要性は殆どない。この結果、ガスタービン１に必要な冷却空気量がかなり減少し、ガスタービン１の効率が増大する。セラミックカバー２７ａ、２７ｂ、４７を金属台座２３ａ、２３ｂ、４１に機械的に接合することで、製造技術的に非常に好ましい単純な構造が生じ、将来の修理作業においても、セラミックカバー２７ａ、２７ｂ、４７を交換することで、簡単、迅速且つ安価に補繕できる。
【００２８】
セラミックカバー４７は、それに隣り合う動翼１３ａ、１３ｂが擦り合わないよう寸法づけた軸方向長さＬを持つ。これによって、回転する動翼１３ａ、１３ｂがセラミックカバー４７を損傷するのを防止できる。セラミックカバー２７ａ、２７ｂ、４７はその本体がムライトから成り、固体粒子の剥離を防止する密封外側シール層５０を備える。さもなければ、そのような固体粒子は、高温ガス通路９内に配置されたガスタービン翼１１、１３を侵食する。各セラミックカバー２７ａ、２７ｂ、４７は、セラミック本体に一体に鋳込まれたマット５２を有する。各セラミックカバー２７ａ、２７ｂ、４７が万一破損しても、マット５２により破片が高温ガス通路９内に到達し、そこでガスタービン翼１１、１３を損傷するのを防止できる。破片は集塊物の形で保持される。損傷したセラミックカバーは、折りを見て交換する。
【００２９】
図３はガスタービン静翼１１を示す。この静翼１１は、図２におけるガスタービン静翼１１ｂに相当する。ここでは、セラミックカバー２７の構造を詳細に示している。このカバー２７は２つの半部２７ｄ、２７ｓから成り、その一方の半部２７ｓは羽根２４の背６１に隣接している。セラミックカバー２７はその幅狭面側にこの幅狭面をめぐって延びる環状溝６５を有している。
【００３０】
同じようにして、第２セラミックカバー４７も２つの半部４７ｄ、４７ｓに分けられ、同様に環状溝６５を有している。取付け部位２１は図２における取付け部位２１ｂに相当する。高温ガス通路側表面２５付きの金属台座２３は、図２における高温ガス通路側表面２５ｂ付きの金属台座２３ｂに相当している。
【００３１】
図４は、セラミックカバー２７がどのようにしてガスタービン静翼１１に結合しているかを示す。セラミックカバー２７は、少なくともその羽根２４側の幅狭面６７で、溝６５を介して機械的取付け手段７１に係合し、該機械的取付け手段７１はばね板として金属台座２３に結合している。セラミックカバー２７の弾力的な保持により、該カバー２７は確実に保持され、且つガスタービン静翼１１が受ける衝撃および振動を減衰する。金属台座２３の表面２５上での滑りを補助的に防止すべく、この表面２５上に設けた固定突起７３が使われる。この突起７３は、セラミックカバー２７の孔７５に係合する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンの概略構成図。
【図２】ガスタービンの高温ガス通路の一部断面図。
【図３】ガスタービン静翼の斜視図。
【図４】セラミックカバーの取付け構造の断面図。
【符号の説明】
１ ガスタービン
９ 高温ガス通路
１１ 静翼
１３ 動翼
２２、４２ 翼台座部位
２３、４１ 金属台座
２４ 羽根（翼形部）
２７ セラミックカバー
６５ 溝
７１ 取付け手段（ばね）

Claims (12)

1. 羽根（２４）と、ガスタービン（１）の高温ガス通路（９）を境界づけるべく羽根（２４）に隣接して続く翼台座部位（２２）とを備え、前記高温ガス通路（９）内に組込まれるガスタービン翼（１１、１３）において、翼台座部位（２２）が金属台座（２３）を有し、前記ガスタービンに組込み済の各ガスタービン翼の前記台座（２３）にセラミックカバー（２７）が機械的取付け手段（７１）により交換可能に固定されたことを特徴とするガスタービン翼。
2. セラミックカバー（２７）が２つの半部（２７ｄ、２７ｓ）から成ることを特徴とする請求項１記載の翼。
3. 一方のセラミックカバー半部（２７ｓ）が羽根（２４）の背（６１）に隣接し、他方のセラミックカバー半部（２７ｄ）が羽根（２４）の腹（６３）に隣接することを特徴とする請求項２記載の翼。
4. 機械的取付け手段（７１）が、ガスタービン翼（１１、１３）に固く結合されたばねであることを特徴とする請求項１記載の翼。
5. ばねが、セラミックカバー（２７）の羽根（２４）に隣接する幅狭面に沿って延びる溝（６５）に係合することを特徴とする請求項４記載の翼。
6. セラミックカバー（２７）に係合する固定突起（７３）が、金属台座（２３）に配置されたことを特徴とする請求項１記載の翼。
7. 羽根（２４）を取り囲んで前記翼台座部位（２２）と反対側に位置する第２翼台座部位（４２）を備えた静翼として形成され、該第２翼台座部位（４２）が第２金属台座（４１）を有し、ガスタービンに組込み済の各ガスタービン翼の前記台座（４１）に第２セラミックカバー（４７）が第２機械的取付け手段（７１）によって交換可能に固定されたことを特徴とする請求項１記載の翼。
8. セラミックカバー（２７）がそれと一体化されたマット（５２）を有し、セラミックカバー（２７）が破損した際、その破片が前記マット（５２）によって集塊物の形で保持されることを特徴とする請求項１記載の翼。
9. セラミックカバー（２７）がムライトを含有することを特徴とする請求項１記載の翼。
10. セラミックカバー（２７）が粒子剥離防止用の外側シール層（５０）を有することを特徴とする請求項９記載の翼。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１つに記載のガスタービン翼（１１、１３）を備えたガスタービン（１）。
12. ガスタービン静翼（１１、１３）が高温ガス通路の軸方向において２つの動翼（１３）間に配置され、第２セラミックカバー（４７）が、動翼（１３）で擦られない寸法で軸方向に延びることを特徴とする請求項７又は１１記載のガスタービン。

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