JP2009530535A - 遮熱層システム - Google Patents

Abstract

高い表面温度および温度過渡による、特にガスタービンにとって典型的な負荷下での遮熱層の耐性を一層改善するために、熱的に保護したい構成部分（３０）に隣接して配置するために設けられた第１の主面（２）と、高温の周辺環境（４）に隣接して配置するために設けられた第２の主面（３）とを備えた遮熱層システム（１）において、当該遮熱層システム（１）が、互いに異なる熱膨張率を有する複数の区分（５，６）を有していることを特徴とする遮熱層システムが提案される。

Description

本発明は、熱的に保護したい構成部分に隣接して配置するために設けられた第１の主面と、高温の周辺環境に隣接して配置するために設けられた第２の主面とを備えた遮熱層システムに関する。

ガスタービンにおけるセラミック製の遮熱層の効果的な使用のための前提条件は、廉価なプロセステクノロジの他に、とりわけ構造的な安定性、ひいてはガスタービンの典型的な使用条件下での遮熱層の信頼性である。そこで、たとえば動力プラント用途の領域では、故障なしの機能が２５０００運転時間にわたって保証されなければならない。この時間は目標とされる検査インターバルに相当する。遮熱層が早期に故障してしまうと、基本材料の過熱や、場合によってはタービン損傷が生じる恐れがある。これにより生ぜしめられた運転中止・修理コストはかなりの額となり、事情によっては遮熱層の技術的な有用性を相殺してしまう恐れがある。

資源や環境にやさしいエネルギ発生を求めるためには、効率向上が極めて重要となる。ガスタービンの効率向上のための決定的なパラメータはタービン入口温度である。ガスタービンの効率を、１２３０℃（ＩＳＯ）のタービン入口温度における約３８％から４５％にまで向上させるためには、タービン入口温度を約１３５０℃にまで引き上げることが必要となる。この目的は改善された基本材料および有効な冷却方法の使用と共に、セラミック製の遮熱層の使用下に達成され得る。この場合、セラミック製の遮熱層の遮熱作用により、同じ冷却条件の維持下に遮熱層の厚さに応じて許容表面温度を数１００Ｋだけ上昇させることができる。

高い表面温度および温度過渡（Temperaturtransienten）もしくは時間的温度変化による、ガスタービンにとって典型的な負荷を受けた遮熱層の耐性を保証しかつ改善し得るようにするためには、公知先行技術に基づき種々の手段が知られている：
１．抵抗力のある焼結セラミック材料の使用により、遮熱層の温度抵抗を改善することができる。これにより、遮熱層材料の圧縮増大、ひいては高い温度における遮熱層の振動過程を制限することができる。

２．マイクロ亀裂または溝構造、つまり「彫刻（Engraving）」を遮熱層に意図的に導入することにより、遮熱層の歪み公差（Dehnungstoleranz）を高めることができる。この場合、負荷軽減亀裂および負荷軽減溝の細かい網状構造が意図的に形成され、これにより、深刻な欠陥の発生に関する負荷限界を高めることができる。

３．たとえばイットリウムドーピングによりＺｒＯ_２の正方晶の相を安定化させることにより、規定の温度範囲における相転移を抑制し、ひいてはこれに伴う効果、たとえば変換時における体積歪みもしくは体積膨張を抑制することによって、遮熱層負荷の著しい低減が得られる。

４．遮熱層の熱膨張率を、熱的に保護したい構成部分の、使用された金属製の基本材料に適合させることによっても、遮熱層の損傷の低減が行われる。遮熱層の熱膨張率を基本材料の熱膨張率に同化させることにより、遮熱層における熱的な誤適合によって生じた歪みを、特に遮熱層と、基本材料に対する接着助剤層との間の境界面の近傍において減少させることができる。

本発明の課題は、高い表面温度および温度過渡による、特にガスタービンにとって典型的な負荷下での遮熱層の耐性を一層改善することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有する遮熱層システム、すなわち当該遮熱層システムが、互いに異なる熱膨張率を有する複数の区分を有していることを特徴とする遮熱層システムにより解決される。本発明の有利な構成は請求項２以下に記載されている。

本発明による遮熱層システムは、熱的に保護したい構成部分に隣接して配置するために設けられた第１の主面と、高温の周辺環境に隣接して配置するために設けられた第２の主面とを備えている。本発明によれば、当該遮熱層システムが、互いに異なる熱膨張率を有する複数の区分を有している。

本発明の根底を成す認識は、遮熱層の熱膨張率と、熱的に保護したい構成部分の基本材料の熱膨張率とを同化させることによって、たしかに遮熱層と、該遮熱層と前記基本材料とを結合する接着助剤層との間の境界面の近傍において遮熱層の歪みの低減を達成することができることである。しかしこのことが原因となって、遮熱層の第２の主面と遮熱層の、前記境界面を形成する第１の主面との間の大きな温度差に基づいて、第２の主面に著しい歪みが生じてしまう恐れがある。このことは特に加熱ショックまたは冷却ショックの際に云える。歪みはこの場合、遮熱層の熱膨張率の大きさおよび第１の主面と第２の主面との間の温度差と共に増大する。それゆえに、一般に金属（たとえばニッケル主体の超合金）から成る基本材料の比較的大きな熱膨張率に遮熱層の熱膨張率を片側でのみ適合させることは、第２の主面において不都合に作用する。特に冒頭で述べた表面温度増大傾向と共に、増大する損傷危険が与えられている。

それゆえに、このような問題を回避するために、本発明によれば、互いに異なる熱膨張率を有する複数の区分を有する遮熱層システムが提案される。これによって、遮熱層システムの第２の主面の範囲における過度に大きな歪みを回避することができる。これによって、損傷危険は減じられている。

本発明の特別な構成では、当該遮熱層システムの、熱的に保護したい構成部分に隣接した第１の区分が、該構成部分の熱膨張率に適合された第１の熱膨張率を有している。さらに、当該遮熱層システムの少なくとも１つの第２の区分が、第１の熱膨張率よりも小さな第２の熱膨張率を有している。これによって、本発明の根底を成す原理は、遮熱層システムにわたって温度が増大するにつれて熱膨張率を区分毎に減少させることである。

第２の主面に隣接した第２の区分が、当該遮熱層システムの最小の熱膨張率を有している。これによって、遮熱層システムの第２の主面における歪みは最小限に抑えられている。第２の主面に隣接した第２の区分の前記第２の熱膨張率は、第２の主面に典型的な運転条件で生じる歪みが、規格化された所定の範囲内に位置するように設定されている。このような規格化された範囲は、遮熱層システムの温度に関連して歪み公差の測定によって決定され得る。熱膨張率の最適な大きさは、負荷シミュレーションの結果と、測定された歪み公差範囲との比較から求められ得る。

当該遮熱層システムが、熱的に保護したい構成部分に面している第１の遮熱層と、高温の周辺環境に面している第２の遮熱層とから成る複合体もしくはアッセンブリとして形成されていれば十分となる。単に２つの遮熱層を設けることにより、できるだけ単純な構造が得られるので、遮熱層システムは簡単にかつ比較的廉価に製作可能となる。もちろん、遮熱層システムを２つよりも多い層から成る複合体として形成されていることも排除されていない。

第１の遮熱層が、１．０・１０^−５Ｋ^−１の範囲の熱膨張率を有していると有利であることが判った。その場合、第２の遮熱層は１実施態様では８．０・１０^−６Ｋ^−１の範囲の熱膨張率を有している。

当該遮熱層システムは以下に挙げる複数の材料組合せのうちの１つから形成されていてよく、ただし一番目の値は第１の遮熱層の材料を表し、二番目の値は第２の遮熱層の材料を表す：
−７ＹＳＺ／Ｌａ２Ｈｆ２Ｏ７；
−７ＹＳＺ／ＢａＺｒＯ３；
−７ＹＳＺ／ＬａＹｂＯ３、
この場合、７ＹＳＺ＝酸化イットリウム７重量％を用いて安定化された酸化ジルコニウムである。１０００℃の温度では、熱膨張率ＣＴＥは以下の通りである：
−ＣＴＥ_７ＹＳＺ〜１０^−５Ｋ^−１；
−ＣＴＥ_{ＬａＨｆＯ}〜８．０・１０^−６Ｋ^−１；
−ＣＴＥ_{ＢａＺｒＯ}〜８．３・１０^−６Ｋ^−１；
−ＣＴＥ_{ＬａＹｂＯ}〜８．６・１０^−６Ｋ^−１。

高い機械的な安定性を達成するためには、第１の遮熱層と第２の遮熱層とが、プラズマ溶射法により互いに結合されている。

以下に、本発明およびその利点を図面につき詳しく説明する。

図１は、熱的に保護したい構成部分に被着されている、本発明による遮熱層システムの横断面図であり、
図２は、遮熱層の表面における、ガスタービンの典型的な運転条件のもとで生じる歪みを表すｘ−ｙ線図である。

図１には、本発明による遮熱層システム１が横断面図で図示されている。この遮熱層システム１は第１の主面２と第２の主面３とを有している。遮熱層システム１は第１の主面２によって接着助剤層３１を介して、熱的に保護したい構成部分３０に被着されている。熱的に保護したい構成部分３０は、たとえば金属、たとえばニッケル主体の超合金から成っている。熱的に保護したい構成部分３０は、たとえばガスタービンの翼を成していてよい。遮熱層システム１の第２の主面３は高温の周辺環境４にさらされている。

遮熱層システム１は、たとえば第１の区分５と第２の区分６とを有しており、第１第２の両区分５，６は互いに異なる熱膨張率ＣＴＥ１，ＣＴＥ２を有している。第１の区分５の熱膨張率ＣＴＥ１は構成部分３０の材料の熱膨張率に適合されているのに対して、第２の区分６の材料は、第１の区分５よりも低い熱膨張率ＣＴＥ２を有する熱安定的な材料から形成されている。

遮熱層システム１は第１の遮熱層８と第２の遮熱層９とから成る複合体として形成されている。第１第２の両遮熱層８，９は、たとえばプラズマ溶射法で境界平面の範囲において互いに結合されている。この場合、第１の遮熱層８は第１の区分５を形成しており、第２の遮熱層９は第２の区分６を形成している。

遮熱層システム１が区分毎に互いに異なる熱膨張率を有することに基づき、特に冷却時における遮熱層の損傷危険を著しく低減させることができる。他面において、許容表面温度、すなわち遮熱層システム１の第２の主面３における温度を増大させることも可能になる。これにより、冒頭で説明したように、ガスタービンにおける使用時の向上された効率が得られる。

これによって、本発明の思想は、遮熱層システム１の厚さとの関係において予想され得る空間的および時間的な温度経過に対する付加的な適合によって、構成部分３０の使用された基本材料に対する遮熱層の熱膨張率の、これまで行われていた適合を拡張させることにある。これにより、遮熱層もしくは遮熱層システム１に生じる機械的な負荷を減少させることができ、そして特に最大表面温度に関する使用限界を高めることができる。

図１に例示的に図示されているように、第１の遮熱層８と第２の遮熱層９とは、ほぼ等しい厚さを有していてよい。本発明による遮熱層システム１の全厚さは慣用の遮熱層の厚さにほぼ相当している。熱的に保護したい構成部分３０に隣接した第１の遮熱層８は、たとえば７ＹＳＺ（酸化ジルコニウム、酸化イットリウム７重量％を用いて安定化された）から成っており、この場合、この材料は、１０００℃で約１０^−５Ｋ^−１の熱膨張率を有している。熱い周辺環境４に隣接した第２の遮熱層９の材料は、たとえば以下に挙げる材料のうちの１種から形成されており、この場合、括弧内にはそれぞれ１０００℃における熱膨張率が記載されている：
−７ＹＳＺ／Ｌａ２Ｈｆ２Ｏ７、ただしＣＴＥ_{ＬａＨｆＯ}（１０００℃）〜８．０・１０^−６Ｋ^−１；
−７ＹＳＺ／ＢａＺｒＯ３、ただしＣＴＥ_{ＢａＺｒＯ}（１０００℃）〜８．３・１０^−６Ｋ^−１；
−７ＹＳＺ／ＬａＹｂＯ３、ただしＣＴＥ_{ＬａＹｂＯ}（１０００℃）〜８．６・１０^−６Ｋ^−１。

図２には、遮熱層システム１の歪み（Dehnung）を遮熱層システム１の厚さｘとの関係で示す線図が示されている。ｘ軸には、遮熱層システム１における正規化された位置ｘがとられている。ｘ_０によって、接着助剤層３１に対する遮熱層システム１の境界面（つまり第１の主面２）が表されている。ｘ_１によって、表面、つまり遮熱層システム１の第２の主面３が表されている。ｙ軸には、各遮熱層、つまり第１の遮熱層８（熱膨張率ＣＴＥ１を有する）および第２の遮熱層９（熱膨張率ＣＴＥ２を有する）における歪みがとられている（「ＷＤＳ歪み」）。この場合に、負の値は圧縮歪み（Druckdehnung）を表し、正の値は引張歪み（Zugdehnung）を表す。

図２には、冷却後の運転状態における歪みの曲線が描かれている。この場合、熱的に保護したい構成部分３０に被着されている遮熱層システム１から成る全装置が、高い温度での運転時に応力なしの状態にあると仮定する。

本発明を分かり易くするために、図２の線図には合計３つの歪み曲線ＤＶ１，ＤＶ２，ＤＶ３が描き込まれている。ＤＶ１は、熱的に保護したい構成部分３０に隣接して設けられている第１の遮熱層８における歪み曲線を表す。ＤＶ１は実線で描かれている。ＤＶ２は、高温の周辺環境４に隣接している第２の遮熱層９における歪み曲線を表す。ＤＶ２は破線により描かれている。歪み曲線ＤＶ１，ＤＶ２は、説明の目的でそれぞれ全厚さｘにわたって描き込まれており、当該遮熱層８；９においてのみ描き込まれているのではない。ＤＶ３は、第１の遮熱層８と第２の遮熱層９との間の範囲に形成された境界平面７の範囲においてジャンプ（飛躍的変化）を有する、本発明による遮熱層システム１における歪み曲線を表す。

第２の遮熱層９の材料の、低減された熱膨張率ＣＴＥ２は、遮熱層システム１の表面（ｘ軸のｘ_１）における、典型的な運転条件で生じる歪みが、歪み公差の規格化された範囲ＤＴ内にあることを生ぜしめる。この範囲ＤＴは、遮熱層システム１の温度に関連した歪み公差の測定により決定され得る。その場合、曲線の、ｘ＝０．５とｘ＝１．０との間の範囲に延びる区分の勾配に設定されている熱膨張率の最適な値は、負荷シミュレーションの結果と、測定された歪み公差範囲との比較から求められなければならない。

本発明による手段により、遮熱層システム１における歪み経過は引張歪み範囲には設定されなくなる（範囲ｘ_１において、規格化された範囲ＤＴ内に位置する歪み曲線ＤＶ３参照）。これにより、表面（第２の主面３）における、装置全体を損なう垂直応力を回避することができる。

熱的に保護したい構成部分に被着されている、本発明による遮熱層システムの横断面図である。 遮熱層の表面における、ガスタービンの典型的な運転条件のもとで生じる歪みを表すｘ−ｙ線図である。

Claims (9)

1. 熱的に保護したい構成部分（３０）に隣接して配置するために設けられた第１の主面（２）と、高温の周辺環境（４）に隣接して配置するために設けられた第２の主面（３）とを備えた遮熱層システム（１）において、当該遮熱層システム（１）が、互いに異なる熱膨張率を有する複数の区分（５，６）を有していることを特徴とする遮熱層システム。
2. −当該遮熱層システム（１）の、熱的に保護したい構成部分（３０）に隣接した第１の区分（５）が、該構成部分（３０）の熱膨張率に適合された第１の熱膨張率を有しており、
   −当該遮熱層システム（１）の少なくとも１つの第２の区分（６）が、第１の熱膨張率よりも小さな第２の熱膨張率を有している、
   請求項１記載の遮熱層システム。
3. 第２の主面（３）に隣接した第２の区分（６）が、当該遮熱層システム（１）の最小の熱膨張率を有している、請求項１または２記載の遮熱層システム。
4. 第２の主面（３）に隣接した第２の区分（６）の前記第２の熱膨張率は、第２の主面（３）に典型的な運転条件で生じる歪みが、規格化された所定の範囲内に存在するように設定されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の遮熱層システム。
5. 当該遮熱層システム（１）が、熱的に保護したい構成部分（３０）に面している第１の遮熱層（８）と、高温の周辺環境（４）に面している第２の遮熱層（９）とから成る複合体として形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の遮熱層システム。
6. 第１の遮熱層（８）が、１．０・１０^−５Ｋ^−１の範囲の熱膨張率を有している、請求項５記載の遮熱層システム。
7. 第２の遮熱層（９）が、８．０・１０^−６Ｋ^−１の範囲の熱膨張率を有している、請求項５または６記載の遮熱層システム。
8. 当該遮熱層システム（１）が、以下に挙げる複数の材料組合せのうちの１つから形成されており、ただし一番目の値は第１の遮熱層（８）の材料を表し、二番目の値は第２の遮熱層（９）の材料を表す：
   −７ＹＳＺ／Ｌａ２Ｈｆ２Ｏ７；
   −７ＹＳＺ／ＢａＺｒＯ３；
   −７ＹＳＺ／ＬａＹｂＯ３、
   この場合、７ＹＳＺ＝酸化イットリウム７重量％を用いて安定化された酸化ジルコニウムである、
   請求項５から７までのいずれか１項記載の遮熱層システム。
9. 第１の遮熱層（８）と第２の遮熱層（９）とが、プラズマ溶射法により互いに結合されている、請求項５から８までのいずれか１項記載の遮熱層システム。

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