JP2004003477A - セラミック製タービンシュラウド - Google Patents

Abstract

【課題】金属製外側シュラウド１２とセラミック製内側シュラウド１０とを有するガスタービンを提供する。
【解決手段】セラミック製内側シュラウド１０は、外側シュラウド１２上に支持されたフック１４，　１６により該外側シュラウド１２に固定される。外側シュラウド）上のフック１４，　１６はＴＢＣで被覆される。セラミック製内側シュラウド１０を外側シュラウド１０の前方フックに押し当てて保持するために、ピン及びばね装置１８が設けられる。セラミック製内側シュラウドの後方屈曲部を外側シュラウドの後方フック１６に押し当てて捕捉するために、回転防止ピン２６が設けられる。ガスタービンは更に、内側シュラウドに減衰を与えるために、外側シュラウドの内部の熱シールド２２とセラミック製内側シュラウドとの間に配置された減衰ばね及びピン装置２８を備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ガスタービンシュラウドに関し、より具体的には、セラミック材料から作られたガスタービンシュラウドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業用ガスタービンは、一般的に、タービン翼形部に取り付けられた流れ案内シュラウドがない状態で設計された第１段タービンセクションを有し、固定タービンシュラウドは、適当な環状の区域内に高温燃焼ガスを保持し、従ってタービン翼形部が適当にエネルギーを取り出すことを可能にしながら流路圧力を維持するという重要な機能を果たす。シュラウドは、該シュラウドの内部表面とタービン翼形部の先端との間の間隙を厳密に制御することにより、この機能を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の金属製タービンシュラウドには臨界温度限界があり、ガスタービンの作動空気流をその臨界温度限界より低く冷却された状態に保つ必要がある。この冷却空気の供給源は、燃焼器によりエネルギーが未だ付加されていない圧縮機の吐出空気からである。しかしながら、金属製タービン内側シュラウドを冷却するための空気を分岐させることは、ガスタービンの効率を低下させる。
【０００４】
その上、比較的多数の金属製内側シュラウドが必要とされるので、該金属製内側シュラウドの熱膨張の影響を無くすために、内側シュラウドの間の比較的多数の膨張間隙が用いられることになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
金属製内側シュラウドをより耐熱性のあるセラミック製内側シュラウドに置き換えることにより、冷却空気流の必要性が実質的に減少され又は完全に排除される。シュラウド温度を低下させるための冷却空気の必要性を排除することは、より多くの空気が燃焼器に流入し、該空気に燃料エネルギーが付加されることが可能になるので、タービンセクションはエネルギーを取り出すことができるようになる。この追加の燃焼空気量のために、ガスタービンは、発電機を駆動するためのより多くのエネルギーを取り出すことができ、それによってより多くの電気エネルギー出力をより高いガスタービン効率（単純サイクル及び複合サイクル）で発生することができる。従って、現在の金属製内側シュラウドをより高温能力がある複合セラミックシュラウドに置き換えることは、性能を失わせる冷却空気を排除又は減少させるのに役立つ。
【０００６】
更に、より高温能力をもつセラミックシュラウドを用いることは、使用する内側シュラウドの数を現在の金属製の設計より少なくすることを可能にする。本発明により実現される利点には、部品数がより少なくなること、漏洩経路がより少なくなること、及び、燃焼温度能力がより高くなることが含まれる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、ガスタービンの空気流れの方向に沿った複合セラミック製内側シュラウド設計の断面図を示す。内側シュラウド１０は、当業者には公知の処理方法を用いて長繊維複合セラミック（ＣＦＣＣ）材料で作られる。外側シュラウド１２は、金属から作ることができる。内側シュラウド１０の前方及び後方端は、図１の内側シュラウド１０に沿って左から右に向かう流路から遠ざかる方向に屈曲され、一方、流路に沿う表面の形状は、ＧＥ社の「Ｆ」級ガスタービンにおける第１段シュラウドの形状と同一である。
【０００８】
図２及び図３に示すように、一般的に、多数の内側シュラウドが、１つの外側シュラウド１２と組み合わされる。内側シュラウド１０は、互いに重なり合って高温燃焼ガスの吸込みに対してシールする。例えば、図３では、金属製外側シュラウド１２の各々に対して３つのセラミック製内側シュラウド１０が示されている。しかしながら、実際には、本発明は、１つの金属製外側シュラウド１２につき３つより少ないセラミック製内側シュラウド１０を使用してもよい。外側シュラウド１２は、該金属製外側シュラウド１２のより大きい膨張を可能にするために、該外側シュラウド間に内側シュラウド１０より比較的大きい間隙を有している。
【０００９】
内側シュラウド１０は、外側シュラウド１２にそれぞれ取り付けられた前方フック１４及び後方フック１６によって固定される。流路に露出された前方フック１４及び後方フック１６の表面には遮熱コーティング（ＴＢＣ）が施されて、断熱が得られる。ＴＢＣの薄いコーティングは、外側シュラウド１２に施されて、金属製構成部品とＣＦＣＣ製構成部品との間の接触域接合面として働く。これは、金属イオンとの接触によるＣＦＣＣの破損及び侵食を防止するために必要とされる。
【００１０】
ピン及びばね装置１８が、内側シュラウド１０を外側シュラウド１２の前方フック１４に押し当てて保持する。ピン及びばね装置１８は、外側シュラウド１２及び熱シールド２２を通り抜けて下方に内側シュラウド１０の前方屈曲部の上面まで至る金属製ピン２０を含む。金属製ピン２０の頭部もまたＴＢＣ被覆されて、金属表面とセラミック表面との間の分離を行う。ピン及びばね装置１８は、シールリング２４を含み、該シールリング２４は、高温燃焼ガスがばね装置に達するのを防止する自動車用ピストンリングと同様に機能する。熱シールド２２は、低温合金の外側シュラウド１２を高温燃焼ガスから保護するために必要である。
【００１１】
金属製回転防止ピン２６が、内側シュラウド１０の後方屈曲部を外側シュラウド１２の後方フック１６に押し当てて捕捉する。回転防止ピン２６は、外側シュラウド１２及び熱シールド２２を貫通して、内側シュラウド１０の後端部の頂部にあるＴＢＣ被覆された凹み内に嵌まる。ピン２６を凹み内に挿入することにより、内側シュラウド１０の横方向（円周方向）の動きが防止される。
【００１２】
熱シールド２２の中央部と内側シュラウド１０との間に、減衰ばね及びピン装置２８が配置され、該減衰ばね及びピン装置２８は、内側シュラウド１０に減衰を与える。図２に示すように、減衰ばね及びピン装置２８は、ピン３２、ばね３４、及びリーフシール３６を含む。図２及び図３においてより明確に分かるように、複数の減衰ばね及びピン組立体２８が、内側シュラウド１０と熱シールド２２との間で円周方向に配置される。
【００１３】
より分かり易くするために、図２にリーフシール３６のみを示す。リーフシール３６は、減衰ばね及びピン装置２８と協働して、タービン先端を迂回する高温燃焼ガスの量を最小にする。このシールは、ＧＥ社の航空機エンジン及び９／７Ｈ型ガスタービンに用いられているのと同じ形式である。
【００１４】
外側シュラウド１２により果たされる付加的な機能は、第１段ノズル（図示せず）からの軸方向の荷重に反力を与え、第１段ノズルの弦ヒンジシール３０に対するシール面を形成することである。弦ヒンジシール３０は、圧縮機の吐出流がガス流中に漏洩するのをシールする。弦ヒンジシール３０は、内側シュラウド１０のための前方フック１４を形成するのに加えて、第１段ノズルの荷重を外側シュラウド１２及び更に外側ケースに伝えて反力を与える機能を果たす。弦ヒンジシール３０はまた、シールするための外側シュラウド１２の表面を形成し、皿ボルト頭部によって該外側シュラウド上にボルト止めされ、所定位置（図示せず）に固定される。
【００１５】
本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例示的な実施形態の断面図。
【図２】図１の線２−２に沿った部分断面図。
【図３】図２の円周方向に拡大した断面図。
【符号の説明】
１０　内側シュラウド
１２　外側シュラウド
１４　前方フック
１６　後方フック
１８　ピン及びばね装置
２２　熱シールド
２６　回転防止ピン
２８　減衰ばね及びピン装置
３０　弦ヒンジシール

Claims (10)

1. 複数の内側シュラウド（１０）と複数の外側シュラウド（１２）とを有するガスタービンであって、
   前記複数の内側シュラウド（１０）がセラミック材料で作られている、
   ことを特徴とするガスタービン。
2. 前記セラミック材料が、長繊維複合セラミックであることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
3. 前記複数の外側シュラウド（１２）が金属で作られ、遮熱コーティング（ＴＢＣ）がセラミック／金属接合面に用いられていることを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
4. 前記複数の外側シュラウド（１２）の各々は、前記複数の内側シュラウド（１０）のうちのいくつかを該複数の外側シュラウド（１２）の１つに固定するための前方フック及び後方フックを有することを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
5. 前記前方フック（１４）及び後方フック（１６）の表面は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）で被覆されていることを特徴とする、請求項４に記載のガスタービン。
6. 前記複数のセラミック製内側シュラウド（１０）の各々を前記複数の外側シュラウド（１２）の対応する１つにある前記前方フック（１４）に押し当てて保持するための複数のピン及びばね装置（１８）を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載のガスタービン。
7. 前記複数のセラミック製内側シュラウド（１０）の各々を前記複数の外側シュラウド（１２）の対応する１つにある前記後方フック（１６）に押し当てて固定するための複数の回転防止ピン（２６）を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載のガスタービン。
8. 前記複数の外側シュラウド（１２）の各々の内部に配置された熱シールド（２２）と、各々が前記複数の内側シュラウド（１０）のうちのいくつかにある内面と前記熱シールド（２２）との間に設けられた複数の減衰ばね及びピン装置（２８）とを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービン。
9. 前方フック（１４）及び後方フック（１６）を備える金属製外側シュラウド（１２）と、
   セラミック製内側シュラウド（１０）と、
   該セラミック製内側シュラウド（１０）を前記金属製外側シュラウド（１２）の前記前方フック（１４）に押し当てて保持するためのピン及びばね装置（１８）と、
   前記セラミック製内側シュラウド（１０）を前記金属製外側シュラウド（１２）の前記後方フック（１６）に押し当てて固定するための回転防止ピン（２６）と、
   前記金属製外側シュラウド（１２）の内部に配置された熱シールド（２２）と前記セラミック製内側シュラウド（１０）の内面との間に固定された減衰ばね及びピン組立体（２８）と、
   を含むことを特徴とするガスタービン。
10. 遮熱コーティング（ＴＢＣ）が、セラミック／金属接合面に施されていることを特徴とする、請求項９に記載のガスタービン。

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