JP2016524081A - ガスタービンとガスタービン用の熱シールド - Google Patents

Abstract

本発明は、高温ガス路（１５）内に同軸に設けられたリング状のいくつかの動翼列（１６）と、動翼列（１６）の間に設けられたリング状のいくつかの静翼列（１８）とを含むガスタービン（２）であって、少なくとも直接隣り合う２つの静翼列（１８）の間には、これらの隣り合う２つの静翼列（１８）の間に配置される動翼列（１６）を円周状に包囲し、かつ複数のリングセグメント（２６）を備える熱シールド（３０）が配置されており、リングセグメント（２６）の少なくとも１つはアブレイダブルコーティング（３６）を備え、リングセグメント（２６）の少なくとも１つはアブレイダブルコーティング（３６）を備えていない、ガスタービン（２）に関する。

Description

本発明は、高温ガス路内に同軸に設けられたリング状のいくつかの動翼列と、動翼列の間に設けられたリング状のいくつかの静翼列とを含むガスタービン、および当該ガスタービン用の熱シールドに関する。

ガスタービンは、多くの領域において、たとえばジェネレータのような作動機械を駆動するために使用される。これは、燃料に貯蔵されたエネルギーの一部をタービンシャフトの回転運動を生み出すのに用いる燃焼機関である。燃料はこのために、空気圧縮機内で圧縮された空気と混合されて燃焼室で燃焼される。燃料・空気混合気の燃焼によって燃焼室内で作られ、かつ高圧の高温ガスは続いて、燃焼室に後置された中空円筒状あるいは中空円錐状の、タービンユニットの高温ガス路に誘導されて、そこで最終的に作業効率的に減圧される。

その際タービンシャフトの回転運動を生み出すために、当該タービンシャフトに、通常はリング状あるいは冠状の動翼列にまとめられたいくつかの動翼が設けられており、当該動翼は、高温ガスからの衝撃伝達を介してタービンシャフトを駆動する。さらに、高温ガスの流れを有利にガイドするために通常は、隣り合う動翼列の間に、タービンハウジングと接合され、かつリング状あるいは冠状の静翼列にまとめられた静翼が設けられている。これらは通常、中空円筒状あるいは中空円錐状の静翼キャリアに固定されている。

そのようなガスタービンを設計する際、大抵は、達成可能な出力だけでなく、できる限り高い効率も顧慮される。その際効率の向上は、たとえば高温ガスが燃焼室から流出してタービンユニットへ流入する出口温度を上げることで達成できる。その際、対応するガスタービンのために目下の温度が約１２００℃から１５００℃に届くよう努力され、かつ達成される。

しかしながら、高温ガスがこのように高温の場合、この高温ガスにさらされるコンポーネントと部材は、高い熱負荷にさらされる。それゆえ高温ガス路は通常、高温ガス路の内壁を熱の過負荷から保護し、それによって熱シールドとして作用するいわゆるリングセグメントが張られている。これらはしばしば連結要素を介して固定されており、リングセグメントは周方向に、静翼キャリアと同様に、中空円錐状あるいは中空円筒状の構造を形成する。

その際ガスタービンの部材は、異なる運転状態における異なる熱膨張によって変形し、これが動翼と高温ガス路の内壁との間の半径方向間隙の大きさに直接的影響を及ぼす。この場合半径方向間隙の大きさは、ガスタービンの始動時と停止時で変化し、これらの運転状態においては、通常運転時とは異なる値を取る。ガスタービンの構成では、運転状態に関係なく半径方向間隙が充分に大きく、その結果ガスタービンの運転時に破損を見込む必要がないように、すべての部材が寸法付けられなくてはならない。しかしながら、半径方向間隙を大きめに設計すると、ガスタービンの効率を著しく損ねることになる。

以上のことから、本発明の課題は、有利に形作られたガスタービンと当該ガスタービン用の熱シールドとを提供することである。

この課題は、本発明に従えば、請求項１の特徴を有するガスタービンによって解決される。引用する請求項は、部分的に有利でかつ部分的にそれ自体進歩性のある、本発明の発展形態を含有する。

その際ガスタービンは、高温ガス路内に同軸に設けられたリング状のいくつかの動翼列と、動翼列の間に設けられたリング状のいくつかの静翼列とを含んでおり、少なくとも直接隣り合う２つの静翼列の間には、これらの隣り合う２つの静翼列の間に配置される動翼列を周状に包囲し、かつ少なくとも１つはアブレイダブルコーティングでコーティングされている複数のリングセグメントを備える熱シールドが配置されている。この場合リングセグメントは、これらの隣り合う２つの静翼列の間にある、高温ガス路の一部分を有用に被覆するために使われ、この目的のためにリングセグメントは、この部分の内壁にたとえば連結要素によって取り付けられている。リングセグメントは一緒になって、リング状の構成部品を形成し、構成部品は高温ガス路の幾何学形状に応じて、典型的には中空円錐状あるいは中空円筒状に形作られている。

しかしながらこの場合、熱シールドは、その背後にあるコンポーネントや部材を熱の過負荷から保護するためだけに使われるのではなく、半径方向間隙の大きさを設計する際の冒頭で述べられた葛藤を解決するためにも使われる。その際半径方向間隙は、構成の枠内において、いくらか小さめに設計される傾向があるので、特定の運転状態においては、動翼の先端と高温ガス路の内壁との間で接触が起こりかねない。しかしながらまさに高温ガス路の内壁のこの領域に、リングセグメントから成る熱シールドが配置され、これらのリングセグメントの少なくとも１つは、アブレイダブルコーティングを備える。このアブレイダブルコーティングは比較的柔らかい性質なので、動翼の先端が接触した場合、動翼が損傷することはなく、アブレイダブルコーティングが徐々に摩耗することだけを覚悟すればよい。それでアブレイダブルコーティングは、ガスタービンの運転時に次第に削り取られる一種の犠牲コーティングとして機能する。この方法で、一方では半径方向間隙を非常に小さく実施できて、ガスタービンの効率にとって有利になり、他方ではガスタービンの運転時に、動翼が高温ガス路の内壁と接触することで損傷するリスクを小さいままにできる。

しかもリングセグメントはこの場合、好ましくは消耗部品として設計されており、それに応じて特定の時間間隔でメンテナンス作業の枠内において交換される。その結果アブレイダブルコーティングを有するリングセグメントも、特定の時間間隔で交換されるので、見込まれ得るアブレイダブルコーティングの徐々の削取が、これによって補償され得る。

原則的にガスタービンは、各動翼列の領域にリングセグメントから成る熱シールドが配置され、さらにリングセグメントの各々がアブレイダブルコーティングでコーティングされているように、形作ることができた。しかしガスタービンの実施形態によっては、対応する熱シールドをガスタービンの燃焼室の最も近くにある動翼列の領域に配置すれば充分であることが分かった。なぜなら、ここで熱負荷が最も高くなり、かつここで半径方向間隙の値の変動が最も大きいことが見込まれ得るからである。それに対応して、燃焼室から最も遠く離れている１つの動翼列あるいは複数の動翼列の領域に、熱シールドが配置されていないか、あるいは少なくともアブレイダブルコーティングを有するリングセグメントを有する熱シールドが配置されていない、ガスタービンの変形態が好ましいものとなる。

さらに、すべてのリングセグメントがアブレイダブルコーティングを備える熱シールドの実施形態を用いる場合に、ガスタービンの運転時のアブレイダブルコーティングの削取が、すべてのリングセグメントで同程度に起こるわけではないことが分かった。その代わり、いくつかのリングセグメントでは削取がほとんど生じないが、他方で個々のリングセグメントでは重大な削取が起こる。この理由から、リングセグメントの少なくとも１つがアブレイダブルコーティングを備え、同じ熱シールドのリングセグメントの少なくとも１つがアブレイダブルコーティングを備えていない、ガスタービンの形態が好ましいものとなる。それに対応してアブレイダブルコーティングは、それが実際に必要とされる場所でのみ使われ、その他のリングセグメントでは、対応するアブレイダブルコーティングはいらない。対応するアブレイダブルコーティングを有するリングセグメントの製造は、対応するアブレイダブルコーティングがないリングセグメントの製造よりもコストが高くつくので、これによって明らかなコスト削減を達成でき、調達コストだけでなく日常の運転コストにも影響を及ぼす。なぜなら、先に説明したように、リングセグメントは典型的には消耗品として形成されており、それに対応して、特定の時間をおいて再三交換されるからである。

熱シールドのどのリングセグメントをアブレイダブルコーティングでコーティングするべきであり、どれをコーティングしなくてよいかという決定をする際に、好ましくは計算だけでなく、得られた経験値もさらに考慮される。特に、新しいモデルシリーズあるいは新しいモデル世代を作る場合には、ガスタービンの損傷を確実に回避できるようにするために、最初の運転段階において、まず熱シールドのすべてのリングセグメントをアブレイダブルコーティングでコーティングすることが意図されている。メンテナンス作業の枠内で、リングセグメントが初めて交換された後、リングセグメントの検査によって、熱シールドのどのリングセグメントを実際にアブレイダブルコーティングでコーティングするべきかと、これについての計算が的確であるかどうかとを確定できる。

その際、１０％より多く５０％より少ない、熱シールドのリングセグメントがアブレイダブルコーティングを備えるガスタービンの形態が、機能的であることが証明された。

その際好適には、アブレイダブルコーティングのために、およそチョークの強度あるいは硬さを備える耐熱性のセラミック材料が用いられる。この方法で、削取の際に、問題なく高温ガスとともに搬出されて外部に排出される細かい粉末が、摩擦による破片として形成される。それによって、破片が高温ガス路内にたまり、それに対応して動翼あるいは静翼が汚れるのを回避する。

その上、すべてのリングセグメントが、基体に塗布されている熱コーティングを備えるガスタービンの形態が、有利である。そうであれば基体は、より単純でかつより耐温度性の低い材料から製造でき、直接高温ガスと触れる熱コーティングのみが、高価で特に大きい熱負荷をかけることのできる材料から作られる。これによっても、リングセグメントの生産コストを削減することができ、しかも原則的に、リングセグメントの基体を再利用しかつ熱コーティングだけを新しくする可能性がある。この変形態は、エコの観点からも有利である。リングセグメントのための対応する熱コーティングが備わっていれば、アブレイダブルコーティングは有用に、それが備えられる限りにおいて、熱コーティングに塗布される。

ガスタービンの有効性にとって重要なのは、一方では動翼の先端と高温ガス路の内壁との間の半径方向間隙をできる限り小さい値にし、他方では高温ガス路内の流れ特性をできる限り良好にすることである。この理由から、熱シールドのリングセグメントはすべて、ここで紹介されたガスタービンでは、好ましくは厚さが同じ、つまりガスタービンのタービンユニットの円筒対称性に対して半径方向での広がりが同じである。それに対応して、リングセグメントとそのコンポーネントの寸法を確定する際には、どのリングセグメントにアブレイダブルコーティングが備わり、どのリングセグメントに備わっていないかを考慮しなくてはならない。熱コーティングを有するリングセグメントを実施する場合に、アブレイダブルコーティングなしのリングセグメントでは、アブレイダブルコーティングを有するリングセグメントよりも熱コーティングの厚さが大きいあるいは層厚が大きいことによって、好ましくはすべてのリングセグメントの厚さの統一が実現される。これによって、すべてのリングセグメントの基体を同じ寸法で実施でき、すべてのリングセグメントの統一の厚さの規準値は、熱コーティングの層厚が異なることによって満たされる。その際分かるのは、典型的な熱コーティングは通常、適したアブレイダブルコーティングよりも、製造コストがはるかに少なくて済むということである。

本発明の実施例は、以下において概略図に基づいてより詳細に説明される。図に示されるのは以下である。

熱シールドを有するガスタービンの２分割された縦断面の側面図である。 熱シールドの横断面図である。

互いに対応する部品は、すべての図において、それぞれ同じ符号が付けられている。

以下において実例を挙げて記述されるガスタービン２は、図１において略図で表わされ、それ自体知られるように、圧縮機４と燃焼室６とタービンユニット８とを備える。

この場合、リング燃焼室のように実施される燃焼室６は、液状あるいはガス状の燃料を燃焼させるためのいくつかのバーナー１４が装備されており、タービンユニット８内の高温ガス路１５に合流する。

タービンユニット８と圧縮機４はさらに、タービンロータとも呼ばれる共通のタービンシャフト１０に設けられており、一緒に表されていない作動機械が当該タービンシャフト１０と力接続的に接合されており、当該タービンシャフト１０はタービン軸１２回りに回転可能に軸受されている。その上タービンユニット８は、高温ガス路１５内に設けられかつタービンシャフト１０と接合されかつこのタービンシャフト１０を介して回転可能に軸受されているいくつかの動翼１６を備える。その際動翼１６はリング状あるいは冠状にタービンシャフト１０に設けられており、動翼１６から成る各リングは、動翼列を形成する。しかもタービンユニット８は、固定されているいくつかの静翼１８を含み、当該静翼１８はリング状あるいは冠状の静翼列を形成し、タービンユニット８の静翼キャリア２０にそれぞれ固定されている。

この場合、燃焼室６における燃料あるいはむしろ燃料・空気混合気の燃焼によって発生し、かつタービンユニット８の高温ガス路１５を通ってガイドされる高温ガスからの衝撃伝達によってタービンシャフト１０を駆動するために、動翼１６は使われる。これに対して静翼１８は、高温ガスの流れ方向２１で見て互いに連続するそれぞれ２つの動翼列の間の中間領域で、高温ガス路１５内の高温ガスを流れガイドするために使われる。その際１つの静翼列と１つの動翼列とから成る互いに連続するペアは、タービン段とも呼ばれる。

各静翼１８はさらに、それぞれの静翼１８をタービンユニット８の静翼キャリア２０に固定するのに使われ、しかも高温ガス路１５の内壁あるいは内壁要素として作用する静翼翼根２２を備える。静翼翼根２２はそれに対応して、静翼１８とまったく同様に比較的大きい熱負荷がかかる部材であり、当該部材は、タービンユニット８を貫流する高温ガスのための高温ガス路１５の外側の境界を形成する。各動翼１６は同様に、動翼翼根２４を介してタービンシャフト１０に固定されている。

高温ガスの流れ方向２１で見て互いに距離を置いて設けられている、隣り合う２つの静翼列の静翼翼根２２の間に、それぞれリングセグメント２６が設けられており、タービンユニット８の静翼キャリア２０に解除可能に取り付けられている。各リングセグメント２６の、高温ガス路１５に対向する表面はその際、同様に高温ガスにさらされ、それによって比較的大きい熱負荷がかかる。

この場合、タービン段とひいては動翼列とに対向するリングセグメント２６は、動翼列の領域とひいては２つの静翼列の間の中間領域とにおいて高温ガス路１５の内壁に張られた、リング状の熱シールド３０を形成する。この熱シールド３０は、その背後にあるコンポーネントと部材とを、熱による過負荷から保護し、特定の時間をおいてメンテナンス作業の枠内において交換される消耗部品として形成されている。

ここで実例を挙げて記述されるガスタービン２の場合では、各タービン段につき１つの熱シールド３０が備えられており、それに応じて付随する静翼キャリア２０に取り付けられている。しかしながらその際熱シールド３０は、同一に形作られておらず、とりわけ、熱シールド３０が配置されている対応する領域において熱負荷の大きさが異なることが見込まれるため、異なる耐熱性で実施されている。しかも熱シールド３０は、異なる数および／あるいは異なる大きさのリングセグメント２６から構成されており、それは高温ガス路１５の円錐状の幾何学形状によるものである。

しかしながら対応するリングセグメント２６は原則的に、高温ガス路１５に対向する表面の領域において熱コーティング３４で覆われている基体３２を備える。耐熱性の適合を実現するために、様々なタービン段のための様々な熱シールド３０のリングセグメント２６が、層厚の異なる熱コーティング３４を備える。すなわち、燃焼室６に最も近い熱シールド３０のリングセグメント２６の層厚が最も厚く、他方で燃焼室６から最も遠く離れて配置されている熱シールド３０のリングセグメント２６の層厚が最も薄い。

動翼列の動翼１６と、動翼列を円周状に包囲する熱シールド３０のリングセグメント２６との間に、動翼１６の自由回転を可能にする半径方向間隙がある。その際この半径方向間隙の値つまり半径方向２８の広がりは、半径方向間隙を通る高温ガスのガス流を最小限に減少させるために、非常にぎりぎりに算定されている。その上半径方向間隙の値は、様々な部材にしかも異なった大きさで現れる熱膨張により、ガスタービン２の運転状態に応じて変化する。その結果第１タービン段つまり燃焼室６に最も近い動翼列の動翼１６の先端は、ガスタービン２のいくつかの運転状態において、このタービン段に対向しかつ対応する静翼キャリア２０に取り付けられている熱シールド３０に触れる。

しかしながら動翼１６の先端と熱シールド３０との間の対応する接触は、この熱シールド３０のすべてのリングセグメント２６に該当するわけではなく、４つの領域において熱シールド３０の円周に対して設けられているリングセグメント２６だけが該当する。図２において、該当する熱シールド３０の横断面図が原則的に表わされているが、寸法の大きさの比率は代表的なものではない。動翼１６と熱シールド３０との間の接触に該当する領域は、このイラストにおいては、上部（１２時）と下部（６時）と左側（９時）と右側（３時）とにある。これらの領域においてリングセグメント２６は、基体３２に塗布されている熱コーティング３４だけではなく、その他にさらに熱コーティング３４の上に塗布されているアブレイダブルコーティング３６も備える。このアブレイダブルコーティング３６は、比較的柔らかく安定しているので、このアブレイダブルコーティング３６と接触しても対応する動翼１６は損傷せず、アブレイダブルコーティング３６が損傷するだけである。それに応じて、この熱シールド３０のリングセグメント２６のアブレイダブルコーティング３６は、徐々にガスタービン２の運転時に削り取られるが、しかしながらこれは問題ではない。なぜなら、熱シールド３０のリングセグメント２６はいずれにせよ、特定の時間をおいてメンテナンス作業の枠内において交換されるからである。

個々のリングセグメント２６の付加的なコーティングによって、つまりアブレイダブルコーティング３６によって、流れ特性に不利な影響を与えないために、かつ半径方向間隙に異なる値を認めるために、熱シールド３０のリングセグメント２６の厚さはすべて同じ、つまり半径方向２８の広がりがすべて同じである。このような厚さの統一を実現するために、アブレイダブルコーティング３６を備えていないリングセグメント２６の熱コーティング３４はより厚く実施されており、それも正確にアブレイダブルコーティング３６の層厚に相当する層厚の分だけ厚く実施されている。

実施例において、第１タービン段の熱シールド３０の正確に８つのリングセグメント２６がアブレイダブルコーティング３６を備え、この熱シールドの残りのリングセグメント２６すべてと残りの熱シールド３０の残りのリングセグメント２６すべては、アブレイダブルコーティング３６を備えていない。その際アブレイダブルコーティング３６を有するリングセグメント２６の数は、ガスタービン２のそれぞれの実施形態に従っており、それに応じて変化してよい。

本発明は、前に記述された実施例に限定されるものではない。むしろ、本発明の別の変形態が、本発明の対象から離れることなく、当業者によって本発明から導き出されてもよい。特にさらに、実施例との関連で記述されたすべての個々の特徴が、本発明の対象から離れることなく、別の方法で互いに組み合わせ可能である。

２ ガスタービン
４ 圧縮機
６ 燃焼室
８ タービンユニット
１０ タービンシャフト
１２ タービン軸
１４ バーナー
１５ 高温ガス路
１６ 動翼
１８ 静翼
２０ 静翼キャリア
２１ 流れ方向
２２ 静翼翼根
２４ 動翼翼根
２６ リングセグメント
２８ 半径方向
３０ 熱シールド
３２ 基体
３４ 熱コーティング
３６ アブレイダブルコーティング

本発明は、高温ガス路内に同軸に設けられたリング状のいくつかの動翼列と、動翼列の間に設けられたリング状のいくつかの静翼列とを含むガスタービン、および当該ガスタービン用の熱シールドに関する。

ガスタービンは、多くの領域において、たとえばジェネレータのような作動機械を駆動するために使用される。これは、燃料に貯蔵されたエネルギーの一部をタービンシャフトの回転運動を生み出すのに用いる燃焼機関である。燃料はこのために、空気圧縮機内で圧縮された空気と混合されて燃焼室で燃焼される。燃料・空気混合気の燃焼によって燃焼室内で作られ、かつ高圧の高温ガスは続いて、燃焼室に後置された中空円筒状あるいは中空円錐状の、タービンユニットの高温ガス路に誘導されて、そこで最終的に作業効率的に減圧される。

その際タービンシャフトの回転運動を生み出すために、当該タービンシャフトに、通常はリング状あるいは冠状の動翼列にまとめられたいくつかの動翼が設けられており、当該動翼は、高温ガスからの衝撃伝達を介してタービンシャフトを駆動する。さらに、高温ガスの流れを有利にガイドするために通常は、隣り合う動翼列の間に、タービンハウジングと接合され、かつリング状あるいは冠状の静翼列にまとめられた静翼が設けられている。これらは通常、中空円筒状あるいは中空円錐状の静翼キャリアに固定されている。

そのようなガスタービンを設計する際、大抵は、達成可能な出力だけでなく、できる限り高い効率も顧慮される。その際効率の向上は、たとえば高温ガスが燃焼室から流出してタービンユニットへ流入する出口温度を上げることで達成できる。その際、対応するガスタービンのために目下の温度が約１２００℃から１５００℃に届くよう努力され、かつ達成される。

しかしながら、高温ガスがこのように高温の場合、この高温ガスにさらされるコンポーネントと部材は、高い熱負荷にさらされる。それゆえ高温ガス路は通常、高温ガス路の内壁を熱の過負荷から保護し、それによって熱シールドとして作用するいわゆるリングセグメントが張られている。これらはしばしば連結要素を介して固定されており、リングセグメントは周方向に、静翼キャリアと同様に、中空円錐状あるいは中空円筒状の構造を形成する。

その際ガスタービンの部材は、異なる運転状態における異なる熱膨張によって変形し、これが動翼と高温ガス路の内壁との間の半径方向間隙の大きさに直接的影響を及ぼす。この場合半径方向間隙の大きさは、ガスタービンの始動時と停止時で変化し、これらの運転状態においては、通常運転時とは異なる値を取る。ガスタービンの構成では、運転状態に関係なく半径方向間隙が充分に大きく、その結果ガスタービンの運転時に破損を見込む必要がないように、すべての部材が寸法付けられなくてはならない。しかしながら、半径方向間隙を大きめに設計すると、ガスタービンの効率を著しく損ねることになる。

それで、たとえば特許文献１から知られているのは、流れの境界として、閉じたリングではなく開いたリングを、動翼の先端に対して設けることである。リングの直径を自動的にあるいは制御して望ましい大きさに適合させることができるようにするために、リング間隙には、バネあるいは油圧または空気圧で操作されるリフト装置が設けられることになる。しかしながら、リングが開いた形状をしているので、作動媒体の漏れと場合によっては特別なパッキング構想とが必要であり、それゆえこの解決法は不利だと感じられる。

欧州特許出願公開第１９２５５１２号明細書

以上のことから、本発明の課題は、有利に形作られたガスタービンと当該ガスタービン用の熱シールドとを提供することである。

この課題は、本発明に従えば、請求項１の特徴を有するガスタービンによって解決される。引用する請求項は、部分的に有利でかつ部分的にそれ自体進歩性のある、本発明の発展形態を含有する。

その際ガスタービンは、高温ガス路内に同軸に設けられたリング状のいくつかの動翼列と、動翼列の間に設けられたリング状のいくつかの静翼列とを含んでおり、少なくとも直接隣り合う２つの静翼列の間には、これらの隣り合う２つの静翼列の間に配置される動翼列を周側で取り囲み、かつ少なくとも１つはアブレイダブルコーティングでコーティングされている複数のリングセグメントを備える熱シールドが配置されている。この場合リングセグメントは、これらの隣り合う２つの静翼列の間にある、高温ガス路の一部分を有用に被覆するために使われ、この目的のためにリングセグメントは、この部分の内壁にたとえば連結要素によって取り付けられている。リングセグメントは一緒になって、リング状の構成部品を形成し、構成部品は高温ガス路の幾何学形状に応じて、典型的には中空円錐状あるいは中空円筒状に形作られている。

しかしながらこの場合、熱シールドは、その背後にあるコンポーネントや部材を熱の過負荷から保護するためだけに使われるのではなく、半径方向間隙の大きさを設計する際の冒頭で述べられた葛藤を解決するためにも使われる。その際半径方向間隙は、構成の枠内において、いくらか小さめに設計される傾向があるので、特定の運転状態においては、動翼の先端と高温ガス路の内壁との間で接触が起こりかねない。しかしながらまさに高温ガス路の内壁のこの領域に、リングセグメントから成る熱シールドが配置され、これらのリングセグメントの少なくとも１つは、アブレイダブルコーティングを備える。このアブレイダブルコーティングは比較的柔らかい性質なので、動翼の先端が接触した場合、動翼が損傷することはなく、アブレイダブルコーティングが徐々に摩耗することだけを覚悟すればよい。それでアブレイダブルコーティングは、ガスタービンの運転時に次第に削り取られる一種の犠牲コーティングとして機能する。この方法で、一方では半径方向間隙を非常に小さく実施できて、ガスタービンの効率にとって有利になり、他方ではガスタービンの運転時に、動翼が高温ガス路の内壁と接触することで損傷するリスクを小さいままにできる。

しかもリングセグメントはこの場合、好ましくは消耗部品として設計されており、それに応じて特定の時間間隔でメンテナンス作業の枠内において交換される。その結果アブレイダブルコーティングを有するリングセグメントも、特定の時間間隔で交換されるので、見込まれ得るアブレイダブルコーティングの徐々の削取が、これによって補償され得る。

原則的にガスタービンは、各動翼列の領域にリングセグメントから成る熱シールドが配置され、さらにリングセグメントの各々がアブレイダブルコーティングでコーティングされているように、形作ることができた。しかしガスタービンの実施形態によっては、対応する熱シールドをガスタービンの燃焼室の最も近くにある動翼列の領域に配置すれば充分であることが分かった。なぜなら、ここで熱負荷が最も高くなり、かつここで半径方向間隙の値の変動が最も大きいことが見込まれ得るからである。それに対応して、燃焼室から最も遠く離れている１つの動翼列あるいは複数の動翼列の領域に、熱シールドが配置されていないか、あるいは少なくともアブレイダブルコーティングを有するリングセグメントを有する熱シールドが配置されていない、ガスタービンの変形態が好ましいものとなる。

さらに、すべてのリングセグメントがアブレイダブルコーティングを備える熱シールドの実施形態を用いる場合に、ガスタービンの運転時のアブレイダブルコーティングの削取が、すべてのリングセグメントで同程度に起こるわけではないことが分かった。その代わり、いくつかのリングセグメントでは削取がほとんど生じないが、他方で個々のリングセグメントでは重大な削取が起こる。この理由から、リングセグメントの少なくとも１つがアブレイダブルコーティングを備え、同じ熱シールドのリングセグメントの少なくとも１つがアブレイダブルコーティングを備えていない、ガスタービンの形態が好ましいものとなる。それに対応してアブレイダブルコーティングは、それが実際に必要とされる場所でのみ使われ、その他のリングセグメントでは、対応するアブレイダブルコーティングはいらない。対応するアブレイダブルコーティングを有するリングセグメントの製造は、対応するアブレイダブルコーティングがないリングセグメントの製造よりもコストが高くつくので、これによって明らかなコスト削減を達成でき、調達コストだけでなく日常の運転コストにも影響を及ぼす。なぜなら、先に説明したように、リングセグメントは典型的には消耗品として形成されており、それに対応して、特定の時間をおいて再三交換されるからである。

熱シールドのどのリングセグメントをアブレイダブルコーティングでコーティングするべきであり、どれをコーティングしなくてよいかという決定をする際に、好ましくは計算だけでなく、得られた経験値もさらに考慮される。特に、新しいモデルシリーズあるいは新しいモデル世代を作る場合には、ガスタービンの損傷を確実に回避できるようにするために、最初の運転段階において、まず熱シールドのすべてのリングセグメントをアブレイダブルコーティングでコーティングすることが意図されている。メンテナンス作業の枠内で、リングセグメントが初めて交換された後、リングセグメントの検査によって、熱シールドのどのリングセグメントを実際にアブレイダブルコーティングでコーティングするべきかと、これについての計算が的確であるかどうかとを確定できる。

その際、１０％より多く５０％より少ない、熱シールドのリングセグメントがアブレイダブルコーティングを備えるガスタービンの形態が、機能的であることが証明された。

その際好適には、アブレイダブルコーティングのために、およそチョークの強度あるいは硬さを備える耐熱性のセラミック材料が用いられる。この方法で、削取の際に、問題なく高温ガスとともに搬出されて外部に排出される細かい粉末が、摩擦による破片として形成される。それによって、破片が高温ガス路内にたまり、それに対応して動翼あるいは静翼が汚れるのを回避する。

その上、すべてのリングセグメントが、基体に塗布されている熱コーティングを備えるガスタービンの形態が、有利である。そうであれば基体は、より単純でかつより耐温度性の低い材料から製造でき、直接高温ガスと触れる熱コーティングのみが、高価で特に大きい熱負荷をかけることのできる材料から作られる。これによっても、リングセグメントの生産コストを削減することができ、しかも原則的に、リングセグメントの基体を再利用しかつ熱コーティングだけを新しくする可能性がある。この変形態は、エコの観点からも有利である。リングセグメントのための対応する熱コーティングが備わっていれば、アブレイダブルコーティングは有用に、それが備えられる限りにおいて、熱コーティングに塗布される。

ガスタービンの有効性にとって重要なのは、一方では動翼の先端と高温ガス路の内壁との間の半径方向間隙をできる限り小さい値にし、他方では高温ガス路内の流れ特性をできる限り良好にすることである。この理由から、熱シールドのリングセグメントはすべて、ここで紹介されたガスタービンでは、好ましくは厚さが同じ、つまりガスタービンのタービンユニットの円筒対称性に対して半径方向での広がりが同じである。それに対応して、リングセグメントとそのコンポーネントの寸法を確定する際には、どのリングセグメントにアブレイダブルコーティングが備わり、どのリングセグメントに備わっていないかを考慮しなくてはならない。熱コーティングを有するリングセグメントを実施する場合に、アブレイダブルコーティングなしのリングセグメントでは、アブレイダブルコーティングを有するリングセグメントよりも熱コーティングの厚さが大きいあるいは層厚が大きいことによって、好ましくはすべてのリングセグメントの厚さの統一が実現される。これによって、すべてのリングセグメントの基体を同じ寸法で実施でき、すべてのリングセグメントの統一の厚さの規準値は、熱コーティングの層厚が異なることによって満たされる。その際分かるのは、典型的な熱コーティングは通常、適したアブレイダブルコーティングよりも、製造コストがはるかに少なくて済むということである。

本発明の実施例は、以下において概略図に基づいてより詳細に説明される。図に示されるのは以下である。

熱シールドを有するガスタービンの２分割された縦断面の側面図である。 熱シールドの横断面図である。

互いに対応する部品は、すべての図において、それぞれ同じ符号が付けられている。

以下において実例を挙げて記述されるガスタービン２は、図１において略図で表わされ、それ自体知られるように、圧縮機４と燃焼室６とタービンユニット８とを備える。

この場合、リング燃焼室のように実施される燃焼室６は、液状あるいはガス状の燃料を燃焼させるためのいくつかのバーナー１４が装備されており、タービンユニット８内の高温ガス路１５に合流する。

タービンユニット８と圧縮機４はさらに、タービンロータとも呼ばれる共通のタービンシャフト１０に設けられており、一緒に表されていない作動機械が当該タービンシャフト１０と力接続的に接合されており、当該タービンシャフト１０はタービン軸１２回りに回転可能に軸受されている。その上タービンユニット８は、高温ガス路１５内に設けられかつタービンシャフト１０と接合されかつこのタービンシャフト１０を介して回転可能に軸受されているいくつかの動翼１６を備える。その際動翼１６はリング状あるいは冠状にタービンシャフト１０に設けられており、動翼１６から成る各リングは、動翼列を形成する。しかもタービンユニット８は、固定されているいくつかの静翼１８を含み、当該静翼１８はリング状あるいは冠状の静翼列を形成し、タービンユニット８の静翼キャリア２０にそれぞれ固定されている。

この場合、燃焼室６における燃料あるいはむしろ燃料・空気混合気の燃焼によって発生し、かつタービンユニット８の高温ガス路１５を通ってガイドされる高温ガスからの衝撃伝達によってタービンシャフト１０を駆動するために、動翼１６は使われる。これに対して静翼１８は、高温ガスの流れ方向２１で見て互いに連続するそれぞれ２つの動翼列の間の中間領域で、高温ガス路１５内の高温ガスを流れガイドするために使われる。その際１つの静翼列と１つの動翼列とから成る互いに連続するペアは、タービン段とも呼ばれる。

各静翼１８はさらに、それぞれの静翼１８をタービンユニット８の静翼キャリア２０に固定するのに使われ、しかも高温ガス路１５の内壁あるいは内壁要素として作用する静翼翼根２２を備える。静翼翼根２２はそれに対応して、静翼１８とまったく同様に比較的大きい熱負荷がかかる部材であり、当該部材は、タービンユニット８を貫流する高温ガスのための高温ガス路１５の外側の境界を形成する。各動翼１６は同様に、動翼翼根２４を介してタービンシャフト１０に固定されている。

高温ガスの流れ方向２１で見て互いに距離を置いて設けられている、隣り合う２つの静翼列の静翼翼根２２の間に、それぞれリングセグメント２６が設けられており、タービンユニット８の静翼キャリア２０に解除可能に取り付けられている。各リングセグメント２６の、高温ガス路１５に対向する表面はその際、同様に高温ガスにさらされ、それによって比較的大きい熱負荷がかかる。

この場合、タービン段とひいては動翼列とに対向するリングセグメント２６は、動翼列の領域とひいては２つの静翼列の間の中間領域とにおいて高温ガス路１５の内壁に張られた、リング状の熱シールド３０を形成する。この熱シールド３０は、その背後にあるコンポーネントと部材とを、熱による過負荷から保護し、特定の時間をおいてメンテナンス作業の枠内において交換される消耗部品として形成されている。

ここで実例を挙げて記述されるガスタービン２の場合では、各タービン段につき１つの熱シールド３０が備えられており、それに応じて付随する静翼キャリア２０に取り付けられている。しかしながらその際熱シールド３０は、同一に形作られておらず、とりわけ、熱シールド３０が配置されている対応する領域において熱負荷の大きさが異なることが見込まれるため、異なる耐熱性で実施されている。しかも熱シールド３０は、異なる数および／あるいは異なる大きさのリングセグメント２６から構成されており、それは高温ガス路１５の円錐状の幾何学形状によるものである。

しかしながら対応するリングセグメント２６は原則的に、高温ガス路１５に対向する表面の領域において熱コーティング３４で覆われている基体３２を備える。耐熱性の適合を実現するために、様々なタービン段のための様々な熱シールド３０のリングセグメント２６が、層厚の異なる熱コーティング３４を備える。すなわち、燃焼室６に最も近い熱シールド３０のリングセグメント２６の層厚が最も厚く、他方で燃焼室６から最も遠く離れて配置されている熱シールド３０のリングセグメント２６の層厚が最も薄い。

動翼列の動翼１６と、動翼列を周側で取り囲む熱シールド３０のリングセグメント２６との間に、動翼１６の自由回転を可能にする半径方向間隙がある。その際この半径方向間隙の値つまり半径方向２８の広がりは、半径方向間隙を通る高温ガスのガス流を最小限に減少させるために、非常にぎりぎりに算定されている。その上半径方向間隙の値は、様々な部材にしかも異なった大きさで現れる熱膨張により、ガスタービン２の運転状態に応じて変化する。その結果第１タービン段つまり燃焼室６に最も近い動翼列の動翼１６の先端は、ガスタービン２のいくつかの運転状態において、このタービン段に対向しかつ対応する静翼キャリア２０に取り付けられている熱シールド３０に触れる。

しかしながら動翼１６の先端と熱シールド３０との間の対応する接触は、この熱シールド３０のすべてのリングセグメント２６に該当するわけではなく、４つの領域において熱シールド３０の円周に対して設けられているリングセグメント２６だけが該当する。図２において、該当する熱シールド３０の横断面図が原則的に表わされているが、寸法の大きさの比率は代表的なものではない。動翼１６と熱シールド３０との間の接触に該当する領域は、このイラストにおいては、上部（１２時）と下部（６時）と左側（９時）と右側（３時）とにある。これらの領域においてリングセグメント２６は、基体３２に塗布されている熱コーティング３４だけではなく、その他にさらに熱コーティング３４の上に塗布されているアブレイダブルコーティング３６も備える。このアブレイダブルコーティング３６は、比較的柔らかく安定しているので、このアブレイダブルコーティング３６と接触しても対応する動翼１６は損傷せず、アブレイダブルコーティング３６が損傷するだけである。それに応じて、この熱シールド３０のリングセグメント２６のアブレイダブルコーティング３６は、徐々にガスタービン２の運転時に削り取られるが、しかしながらこれは問題ではない。なぜなら、熱シールド３０のリングセグメント２６はいずれにせよ、特定の時間をおいてメンテナンス作業の枠内において交換されるからである。

個々のリングセグメント２６の付加的なコーティングによって、つまりアブレイダブルコーティング３６によって、流れ特性に不利な影響を与えないために、かつ半径方向間隙に異なる値を認めるために、熱シールド３０のリングセグメント２６の厚さはすべて同じ、つまり半径方向２８の広がりがすべて同じである。このような厚さの統一を実現するために、アブレイダブルコーティング３６を備えていないリングセグメント２６の熱コーティング３４はより厚く実施されており、それも正確にアブレイダブルコーティング３６の層厚に相当する層厚の分だけ厚く実施されている。

実施例において、第１タービン段の熱シールド３０の正確に８つのリングセグメント２６がアブレイダブルコーティング３６を備え、この熱シールドの残りのリングセグメント２６すべてと残りの熱シールド３０の残りのリングセグメント２６すべては、アブレイダブルコーティング３６を備えていない。その際アブレイダブルコーティング３６を有するリングセグメント２６の数は、ガスタービン２のそれぞれの実施形態に従っており、それに応じて変化してよい。

本発明は、前に記述された実施例に限定されるものではない。むしろ、本発明の別の変形態が、本発明の対象から離れることなく、当業者によって本発明から導き出されてもよい。特にさらに、実施例との関連で記述されたすべての個々の特徴が、本発明の対象から離れることなく、別の方法で互いに組み合わせ可能である。

２ ガスタービン
４ 圧縮機
６ 燃焼室
８ タービンユニット
１０ タービンシャフト
１２ タービン軸
１４ バーナー
１５ 高温ガス路
１６ 動翼
１８ 静翼
２０ 静翼キャリア
２１ 流れ方向
２２ 静翼翼根
２４ 動翼翼根
２６ リングセグメント
２８ 半径方向
３０ 熱シールド
３２ 基体
３４ 熱コーティング
３６ アブレイダブルコーティング

Claims (8)

1. 高温ガス路（１５）内に同軸に設けられたリング状の複数の動翼列（１６）と、該動翼列（１６）の間に設けられた複数のリング状の静翼列（１８）と、を含むガスタービン（２）において、
   少なくとも直接隣り合う２つの静翼列（１８）の間には、前記隣り合う２つの静翼列（１８）の間に配置される前記動翼列（１６）を円周方向に包囲するとともに複数のリングセグメント（２６）を備える熱シールド（３０）が配置されており、
   前記リングセグメント（２６）の少なくとも１つはアブレイダブルコーティング（３６）を備え、かつ前記リングセグメント（２６）の少なくとも１つはアブレイダブルコーティング（３６）を備えていないことを特徴とするガスタービン（２）。
2. 前記リングセグメント（２６）の１０％より多くかつ５０％未満が、アブレイダブルコーティング（３６）を備えることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン（２）。
3. アブレイダブルコーティング（３６）は、セラミック材料から成ることを特徴とする請求項１あるいは２に記載のガスタービン（２）。
4. すべてのリングセグメント（２６）が、熱コーティング（３４）を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスタービン（２）。
5. アブレイダブルコーティング（３６）を備える前記リングセグメント（２６）では、前記アブレイダブルコーティング（３６）は熱コーティング（３４）の上に塗布されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のガスタービン（２）。
6. リングセグメント（２６）はすべて、厚さが同じであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のガスタービン（２）。
7. すべてのリングセグメント（２６）の厚さの統一を実現するために、アブレイダブルコーティング（３６）なしの前記リングセグメント（２６）では、アブレイダブルコーティング（３６）を有する前記リングセグメント（２６）におけるよりも前記熱コーティング（３４）の厚さが大きいことを特徴とする請求項４および６に記載のガスタービン（２）。
8. ガスタービン（２）、特に請求項１から７のいずれか１項に記載のガスタービン（２）の高温ガス路（１５）のための熱シールド（３０）であって、前記高温ガス路（１５）の一部分を被覆するために前記高温ガス路（１５）の壁に取り付け可能でありかつ完全な取り付け状態において共同でリング状の構成部品を形成する複数のリングセグメント（２６）を含む、熱シールド（３０）において、
   前記リングセグメント（２６）の少なくとも１つはアブレイダブルコーティング（３６）を備え、前記リングセグメント（２６）の少なくとも１つはアブレイダブルコーティング（３６）を備えていないことを特徴とする熱シールド（３０）。

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