JP4087665B2

JP4087665B2 - 熱遮蔽ブロックとその使用方法

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Publication number: JP4087665B2
Application number: JP2002247532A
Authority: JP
Inventors: バストウルリッヒ; レッティッヒウヴェ; タウトクリスティーナ
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2003176986A; CN1407281A; CN1328546C; EP1288601B1; EP1288601A1; DE50111316D1; US20030056515A1; US6711899B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温媒体に曝される高温側の面、この高温側の面に対向する壁側の面及びこの壁側の面と高温側の面に隣接する周側の面を備えた、特に燃焼器の壁を被覆する熱遮蔽ブロックに関する。さらに、本発明は、特に燃焼器の壁を被覆する熱遮蔽ブロックの使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば燃焼炉、高温ガス通路或いはガスタービンの燃焼器のように、高温媒体が作られおよび／又は通され、熱的及び／又は熱機械的に高度に負荷を受ける燃焼空間は、非常に高い熱負荷から保護する適当な被覆を備えている。この被覆は、普通、耐熱材料からなり、燃焼空間の壁を高温媒体との直接接触及びこれに伴う強い熱負荷から保護している。
【０００３】
米国特許第４８４０１３１号明細書は、炉壁へのセラミックス被覆の固定方法に係わる。この場合、炉壁に固定され、複数のセラミックスのレール部材を備えるレールシステムを設けている。このレールシステムにより、被覆部材を壁に保持する。被覆部材と炉壁の間に、更にセラミックス層、特に粗く、部分的に圧縮されたセラミックス繊維からなる層が設けられ、この層はセラミックスの被覆と少なくともほぼ同じ又はそれより大きい厚みを持つ。その際この被覆部材は、平らな表面を持つ長方体形を持ち、熱絶縁、耐火セラミックス繊維材からなる。
【０００４】
米国特許第４８３５８３１号明細書は、同様に耐火被覆の炉壁、特に垂直に配置された壁への取付けに関する。炉の金属壁にガラス、セラミックス或いは鉱物繊維からなる層が被着される。この層は金属クリップや接着剤によって壁に固定される。この層の上に、蜂の巣状の網目を持つ金網が取り付けられる。この金網は同様にセラミックス繊維からなる層が脱落するのを防ぐ作用をしている。このようにして固定された層に、適当なスプレーにより耐火材からなり一様に閉鎖された表面が設けられる。耐火材粒子を金属壁に直接スプレーする際、その耐火材粒子が跳ね返ることがあるが、上述の方法によれば、このようなスプレーの際に壁に衝突する耐火材粒子の跳ね返りが殆ど回避される。
【０００５】
熱的に強く負荷される燃焼空間、例えばガスタービンの燃焼器の内壁をセラミックスで被覆することは、ヨーロッパ特許出願出願公開第０７２４１１６号明細書に記載されている。この被覆は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）のような耐熱性構造セラミックスの壁部材からなる。該壁部材は、中央の固定ボルトにより燃焼器の金属支持構造（内壁）にばねにより機械的に固定されている。壁部材と燃焼器の内壁の間に厚い熱絶縁層が設けられているので、壁部材は燃焼器の内壁から幾分の間隔を置いている。絶縁層は壁部材に比べてほぼ３倍厚く、ブロック状に予め作られたセラミックス繊維材料からなる。この壁部材の寸法と外形は被覆すべき空間の形に整合する。
【０００６】
熱的に強く負荷される燃焼空間に対する他の方式の被覆は、ヨーロッパ特許第０４１９４８７号明細書に記載されている。この被覆は、燃焼空間の金属の内壁に機械的に保持された熱遮蔽部材からなる。この部材は金属の内壁に直接接触している。例えば熱遮蔽部材からの直接熱伝導により或いは互いに接している熱遮蔽部材によって形成された間隙に高温媒体が侵入することに伴い、内壁が余りに強く加熱されるのを回避するために、燃焼空間の内壁と熱遮蔽部材により形成される空間に冷却空気、所謂封止空気が突き当てられる。この封止空気により高温媒体が壁に迄前進するのが妨げられ、同時に内壁及び熱遮蔽部材が冷却される。
【０００７】
国際特許出願公開９９／４７８７４号明細書は、燃焼空間の壁セグメント並びにガスタービンの燃焼器に関する。これには、高温流体、例えば高温ガスが衝突する燃焼空間の壁セグメントとして、金属の支持構造とこの構造に固定された熱保護部材を備えたものが挙げられている。金属の支持構造と熱保護部材の間に、熱保護部材と支持構造の相対運動を吸収し、これを大幅に補償しようとする変形可能な隔離層が挿入される。かかる相対運動は、例えばガスタービンの燃焼器、特にリング状燃焼器において、使用された材料の異なる熱膨張挙動により、又は高温作動媒体を発生させるべく不規則に燃焼した際に、或いは共振効果により発生する燃焼器での脈動により起きる。同時に隔離層は、熱保護部材が部分的に隔離層に入り込んでいるから、相対的に非弾性の熱保護部材が隔離層及び金属支持構造に全体としてより平面的に載るように作用している。隔離層は、このようにその製作に基づき局部的に好ましくない力の作用を引起す、支持構造及び／又は熱保護部材における非平面性を補償することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特にセラミックスの熱遮蔽ブロックがその必要な弾性により、熱膨張に関してしばしば不充分にしか機械的荷重、例えば衝撃や振動に対して保護されていないという考察を基礎にしている。
【０００９】
本発明の課題は、従って、無制限の熱膨張に関しても、また機械的な、特に衝撃的な荷重に対する安定性に関しても充分な動作確実性を保証する熱遮蔽ブロックを提供することにある。さらに本発明のもう１つの課題は、このような熱遮蔽ブロックを、特に燃焼空間の壁の被覆としての使用を提示することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
熱遮蔽ブロックに関する課題は、本発明によれば、高温媒体に曝される高温側の面、該高温側の面に対向する壁側の面及び該壁側の面と高温側の面との間にあって前記各面に直交する２つの対向する周側の面を備える燃焼器の壁を被覆する熱遮蔽ブロックにおいて、前記少なくとも一方の周側の面に、初期応力が印加される引張部材が取り付けられ、その際、前記初期応力が印加された引張部材によって前記熱遮蔽ブロックの損傷を抑制し、かつ熱遮蔽ブロックが破損した場合に、その断片の熱遮蔽ブロックからの分離が阻止されるように取り付けられ、さらに、前記引張部材は、常温時は無応力の状態にあり、常温以上の使用温度において引張部材に初期応力が印加されるようにしたことによって解決される。
【００１１】
本発明は、熱遮蔽ブロックを衝撃や振動による高加速に対し長期にわたり保護する全く新規な方法を提案するものである。本発明は、通常燃焼空間の壁の被覆として使用される熱遮蔽ブロックに、燃焼空間の壁における定常的及び／又は一時的な振動により、それに応じた振動が励起されるという認識から出発する。その場合、特に共振時、限界加速度以上の大きな加速度が生じ、熱遮蔽ブロックは燃焼空間の壁から離脱し、次に再び衝突する。強固な又は部分的にダンピングされた燃焼空間壁へのこのような衝突は、熱遮蔽ブロックに非常に大きな力で作用し、かなりの損傷、例えば破損を招く。加えて、熱遮蔽ブロックに高温媒体が衝突することで熱遮蔽ブロックの非常に大きな熱負荷が稼働中に生ずる。その結果、熱遮蔽ブロックの壁側の面にも高温側の面にも初期クラックが生じ、更に稼働時にそのクラックが成長して熱遮蔽ブロックから材料が離脱する危険がある。この結果熱遮蔽ブロックの耐久性が著しく低下し、特にこの種初期クラックは材料を貫通する完全クラック、そしてその結果熱遮蔽ブロック全体の破損と完全な損傷を招きかねない。そのため、破片が燃焼空間に達し、燃焼器のその他の構造部分や、例えばガスタービンに使用した場合、タービンブレードを備えた鋭敏なブレ−ディング範囲を大きく損傷させる危険がある。
【００１２】
周側の面に初期応力が印加される引張部材を備えた本発明による熱遮蔽ブロックにより初めて、熱遮蔽ブロックに対し極めて効果的なかつ長期にわたる安全性が確保される。この場合、この引張部材は周方向に初期応力が印加可能であると好ましく、これにより熱遮蔽ブロックの内部に該ブロックを結束する圧縮応力が生ずる。それ故、熱遮蔽ブロックはこの引張部材により圧縮応力下に保持され、熱遮蔽ブロックに作用する曲げ応力が減少し、その結果クラックの成長が遅くなる。少なくとも部分的に熱遮蔽ブロックの内方に向かうこの圧縮応力により、熱遮蔽ブロックは引張部材の初期応力が比較的小さい場合でも保持される。これにより、例えば衝撃荷重や熱負荷による材料の初期クラックに対し有効に対処できる。材料にこのような初期クラックがあっても、該クラックは、引張部材を幾何学的に適当に構成・配置することで、全く或いは限られた程度にしか熱遮蔽ブロックの高温側の面に沿って進行或いは拡張しない。この引張部材は熱遮蔽ブロックを言わば結束し、これを一方では材料の初期クラック、他方では材料の完全クラックから保護する。この第一義的な保護機能の他に、材料の完全クラックや破損が発生した場合も、小さい又は大きい断片が離脱し或いは脱落する危険にも有効に対処できる。引張部材の初期応力によりもたらされる圧縮応力は、破損の際に生ずる断片の分離を阻止する。
【００１３】
従来の構成に対し熱遮蔽ブロックの受動的な安全性の向上も特に有利である。材料の初期クラックや完全クラックに対しても、初期応力を加えられた引張部材が対処し、完全クラックの場合に熱遮蔽ブロックの断片の分離を抑制する。
【００１４】
引張部材を備えた熱遮蔽ブロックの構成により、更に熱遮蔽ブロックを問題なく予め製作でき、例えば燃焼器に組込むべく、簡単に装着できるという利点が生ずる。引張部材は簡単に周側の面に取り付けられ、要求に応じ周方向に予め応力を印加され、その際予め印加された引張応力が引張部材に加わる。しかしまた、装着時引張部材に予め応力を印加しないようにし（初期応力＝０）、この初期応力を稼動中に高温で、即ち引張部材と熱遮蔽ブロックの異なる熱膨張係数により発生させてもよい。一方ではこの高い柔軟性、他方では達成可能な耐用年数が、経済的な観点に関しても特に有益である。例えばガスタービンの燃焼器に適用する場合、特に熱遮蔽ブロックに対する点検や保守間隔を延長できる。熱遮蔽ブロックが破壊した場合、その運転を設備の点検のために直ちに中止する必要はない。安全性が向上しているため、所定の点検時点迄、それどころかそれ以上にさらに運転を続けることが可能だからである。従ってこの熱遮蔽ブロックは、特別の非常運転特性の点で優れている。
【００１５】
特に好ましい構成例では、引張部材は常温において応力を予め印加されず、常温以上の使用温度において引張部材に応力が加わるように設計される。その場合この引張部材は、熱遮蔽ブロックと引張部材間の熱膨張係数の計画的なミスマッチにより、稼動中、即ち熱遮蔽ブロックの高温側の面に衝突する高温媒体の１２００℃迄の使用温度において、引張部材の初期応力により伝達され、充分に大きな圧縮応力を熱遮蔽ブロックに与えるように設計するとよい。この初期応力は、しかし同時に、これが引張部材のクリープ変形や緩和をもたらすものでなく或いは引張部材の最大許容初期応力の大きさには至らない程度に小さく設定するのが好ましい。引張部材が初期応力を印加されていない常温とは、この場合、室温、即ち約２０℃でよく、これにより装着の際に引張部材を熱遮蔽ブロックの周側の面に容易に取り付けることができる。
【００１６】
特にこの初期応力は周方向に向いた、即ち熱遮蔽ブロックの周方向に向いた少なくとも１つの成分を持っているとよい。周方向は、その場合、高温側の面又は壁側の面に対しほぼ垂直である。これにより、熱遮蔽ブロックの万一生じた断片が対応する圧縮応力により周方向に圧縮される。断片が高温側の面の表面法線方向に分離することは、この断片のくさび効果により抑止される。
【００１７】
好ましい一構成例において周側の面は周面溝を備え、これに引張部材が嵌め込まれる。その場合この周面溝は、引張部材を殆ど熱遮蔽ブロックに組み入れるように構成される。
【００１８】
一般に、熱遮蔽ブロックは周方向に２つの所謂「ブロックホルダー対」によって保持されているので、周方向に破壊した際各断片は各ブロックホルダー対だけで保持される。このブロックホルダー対は、その場合、熱遮蔽ブロックの周側の面で互いに対向する側に配置され、熱遮蔽ブロックの第一の軸を支持する。この第一の軸に対し垂直に向き、一般に熱遮蔽ブロックの高温側の面に沿った高温媒体の流れ方向に一致する第二の軸に沿って、熱遮蔽ブロックは周側の面に引張部材を収納する周面溝を備える。この第二の軸に沿って互いに対向する周側の面を、熱遮蔽ブロックの端面とも呼ぶ。この各端面は各々１つの周面溝を備え、これに稼動中初期応力が印加される各１つの引張部材が嵌め込まれる。この引張部材の周面溝への特に好ましくかつ確実な係合のため、周面溝は付加的に穴、例えば袋穴を周面溝の各端部に備える。これにより、引張部材が隠され、従って言わば完全に熱遮蔽ブロックに埋め込まれて装着又は挿入され、この結果流入する高温ガスに直接曝されることはない。機械的又は熱機械的な応力の過度の上昇を回避するため、周面溝又は付加的な穴は円形部を持つ構造とされる。
【００１９】
特に周側の面は周側表面を備え、引張部材は周面溝に、この引張部材が周側表面に対し引っ込んで又はこれと面一になるように嵌め込まれる。引張部材は、この場合、構造的に異なる形に構成されるが、応力の少ない構成と、コスト的に有利な製造方法の組み合わせが可能な形状とされる。引張部材の断面は長方形や円形又は楕円形に形成される。この場合、引張部材にもまた周面溝或いは場合によっては熱遮蔽ブロックにおける付加的な穴においても鋭い角や稜が生じないようにすると望ましい。
【００２０】
特に簡単で好ましい形状構成として、引張部材は、平板部片と、その軸方向端に各１個の、平板部片に対しほぼ垂直に延びる指状固定部片とを備える。この場合、平板部片と舌片はほぼ同じ形状と断面を持つ。引張部材を熱遮蔽ブロックの周側の面に取り付けた後、指状固定部片は熱遮蔽ブロックの各穴に突入し、平板部片が周面溝に係合する。この場合、平板部片は周表面と面一に配置し、引張部材と周面溝との間に若干の間隙を設けるのがよく、その結果、一般に稼動中に発生する熱遮蔽ブロックの熱湾曲が高温側の面の表面法線の方向に許容される。
【００２１】
引張部材はセラミックス材料、特にＳｉ₃Ｎ₄をベースとするセラミックスからなるとよい。このガスタービン雰囲気下での高温適用に特別に開発された、耐熱、耐クリープかつ耐食ベースセラミックスは、典型的にはおよそ１０００℃、しかしまた時には１２００℃迄の高温動作温度において引張部材の適用に対し特に好適であると思われる。その場合、この引張部材は熱遮蔽ブロックの内部に嵌め込まれる引張部材の指状固定部片が、付加的に弾性繊維セラミックス材料で被覆される固体セラミックスで作られる。これにより引張部材が熱遮蔽ブロックに特に強固にかつ永続的に固定される。
【００２２】
特に引張部材は接着剤で固定するのがよい。引張部材は、少なくとも部分的に熱遮蔽ブロックに接着され、この引張部材と熱遮蔽ブロックの間の結合部は指状固定部片の範囲に設けられる。この接着結合により、引張部材は分離から付加的に保護され、従って耐用年数がそれだけ向上する。引張部材を熱遮蔽ブロックに接着する際に、従来の接着剤もまた耐熱性の接着剤も使用できる。また優れた接着性と大きな耐熱性を持ち、ケイ酸塩をベースとする接着剤も使用できる。接着結合において、引張部材に対しセラミックス材料の使用は特に有利であることが実証されている。
【００２３】
また特に好ましい構成では、引張部材は、これを固定するための接着剤を注入可能な通路を備える。
【００２４】
このため引張部材はセラミックスの中空材料から作られ、これにより通路或いは引張部材に対する対応の多数の通路が実現される。
【００２５】
１つの平板部片を備え、これから各軸方向端においてこの平板部片に対し垂直に指状固定部片が分岐している引張部材の構成において、この指状固定部片は特にその軸方向全長及び全周にわたり開口を備えている。その他に、接着剤を通路に注入するための充填開口が設けられている。引張部材を熱遮蔽ブロックに装着した後、接着剤はこの充填開口から通路及び多数の通路に注入され、指状固定部片の開口から押し出される。接着剤の硬化後、これにより熱遮蔽ブロックと引張部材との間に指状固定部片の範囲で大面積かつ強固な結合が得られる。
【００２６】
引張部材に対向して、もう１つの引張部材を反対側の周側の面に設けるとよい。
【００２７】
その場合、引張部材とこのもう１つの引張部材とは、熱遮蔽ブロックの各端面に取り付けるとよく、これにより高温ガスの流れ方向におけるクラックの成長や熱遮蔽ブロックの破壊が回避される。
【００２８】
熱遮蔽ブロックは、セラミックス母材、特に耐火性セラミックスからなるとよい。熱遮蔽ブロックの母材としてセラミックスを選択することで熱遮蔽ブロックを非常な高温迄使用することが確実に保証され、同時に、熱遮蔽ブロックの高温側の面に高温媒体、例えば高温ガスが衝突する際に発生する酸化及び／又は腐食作用を熱遮蔽ブロックに対して殆ど無害にできる。引張部材は、これにより熱遮蔽ブロックのセラミックス母材に良好に接続可能である。強固な結合は、その場合、上述したように、分解可能な結合として形成することもできる。接着の他に引張部材を適当な固定部材によって周側の面に、例えば適当なクリップ結合やねじ結合で結合することも考えられる。少なくとも部分的にセラミックス材料からなる引張部材を選択することで、熱遮蔽ブロックのセラミックス母材に熱機械的性質に関して良好な整合性が得られる。引張部材を母材に強固に固定することで、熱遮蔽ブロックは、少なくとも高温の使用温度において、引張部材との強固な結合体となるように構成される。これにより熱遮蔽ブロックを大きな熱的及び／又は機械的負荷においてすら極めて高い耐用性と受動的な安全性とを持ち、コンパクトな構成・構造にすることができる。このことは、熱遮蔽ブロックを燃焼器に使用するときに特に有利である。熱遮蔽ブロックの熱遮蔽作用は、その材料に初期クラックや完全クラックが生じた後でも保証され、特に破壊断片が燃焼器空間に到達することがないからである。
【００２９】
このことから、一方では、通常運転時熱遮蔽ブロックを備える燃焼器の特別な保守及び／又は検査も不要という経済的な利点が生ずる。他方、熱遮蔽ブロックは、事故の発生時、緊急動作特性を示し、その結果、タービン、例えばタービンブレ−ドの損傷を回避することができる。燃焼器は、少なくとも通常の保守サイクルで運転されるが、しかしまた、引張部材により向上した受動的な安全性により耐用時間の延長が得られる。
【００３０】
熱遮蔽ブロックの使用方法に関する課題は、上述の構成による熱遮蔽ブロックを燃焼空間、特にガスタービンの燃焼器において使用することにより解決される。燃焼空間、特にガスタービンの燃焼器での熱遮蔽ブロックの使用に伴なう利点は、熱遮蔽ブロックに対する構成に応じて同様に生ずる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を参照して詳しく説明する。
【００３２】
図１は熱遮蔽ブロック１の側面を示す。このブロック１は高温側の面３と、この高温側の面３に対向する壁側の面５を備える。この高温側の面３と壁側の面５に、熱遮蔽ブロック１の周側の面７が隣接する。この周側の面７は周表面９を備える。高温側の面４は、熱遮蔽ブロック１の使用時、高温媒体Ｍ、例えば高温ガスの流れを受ける。熱遮蔽ブロック１の周側の面７に、周方向１７に初期応力を与えた引張部材１１を設けてある。この際この引張部材１１は、初期応力Ｆ_Zを予め与えられている。周側の面７は周面溝１３を備え、これに引張部材１１が係合している。この引張部材１１の初期応力Ｆ_Zにより熱遮蔽ブロック１の材料には圧縮応力Ｆ_Pが作用し、これが例えば表面部材Ａに作用する。その場合、引張部材１１は圧縮応力Ｆ_Pがほぼ周方向１７に沿って熱遮蔽ブロック１の中心に向かって作用するよう予め応力を印加されている。周方向１７に初期応力Ｆ_Zを発生させるため、引張部材１１はある程度の弾性を持っている。引張部材１１と熱遮蔽ブロック１の母材の材料を整合することで、常温で引張部材１１に応力が加わらない、即ちＦ_Z＝０であるようにできる。この場合常温とは、好ましくは室温、即ち約２０℃である。これにより、引張部材１１を周面溝１３に挿入することで、特に簡単に引張部材１１を熱遮蔽ブロック１の周側の面７に装着できる。このため付加的に、装着状態において引張部材１１と周面溝１３との間にある程度の間隙が設けられている。なお、これは間隙１９により達成される。
【００３３】
熱遮蔽ブロック１の母材と引張部材１１との熱膨張係数を適切に設定することで、熱遮蔽ブロック１の動作時に充分大きな初期応力Ｆ_Zが熱遮蔽ブロック１に加わるようにできる。このため熱遮蔽ブロック１の母材の熱膨張係数は、引張部材１１の熱膨張係数より大きく選ばれる。ガスタービンにおいて熱遮蔽ブロック１を使用する場合１２００℃迄になる、常温以上の使用温度において、引張部材１１は初期応力Ｆ_Zが予め印加されるようにされている。これは熱遮蔽ブロック１の母材と引張部材１１との間の相対熱膨張によりもたらされる。引張部材１１は、その場合、クリップのように熱遮蔽ブロック１１に挿入され、中央に向かう圧縮応力Ｆ_Pを熱遮蔽ブロック１に与える。この引張部材１１のクリップ作用により、熱遮蔽ブロックは使用温度での動作条件下で強固に結束される。この引張部材１１により燃焼空間、例えばガスタービンの燃焼器において使用した際、熱遮蔽ブロック１の受動的な安全性、従って耐用年数の明らかな向上が得られる。熱遮蔽ブロック１は、高温側の面３、壁側の面５或いは周側の面７において、特にクラックの形成やクラックの拡張に対して大幅に保護されている。
【００３４】
この事情を図解するため、図２は引張部材１１を装着した熱遮蔽ブロック１を示す。この場合、クラック２１は高温側の面３から壁側の面５に迄完全に熱遮蔽ブロック１の母材を通して延びている。この場合熱遮蔽ブロック１の破損は、熱遮蔽ブロック１の真ん中の範囲で発生している。熱遮蔽ブロック１のこのようなクラック２１は、例えばここには示さないガスタービンの燃焼器壁への衝撃による大きな機械的及び／又は熱的な負荷により起きる。このクラックは、熱遮蔽ブロック１を第一の断片５７Ａと第二の断片５７Ｂに分割する。引張部材１１を経て熱遮蔽ブロック１に伝えられる圧縮応力Ｆ_Pにより、これらの断片５７Ａ、５７Ｂは周方向１７に沿って互いに圧縮される。この結果、破損の際に生じた断片５７Ａ、５７Ｂの分離が阻止される。これに対し、初期応力Ｆ_Zを予め印加された引張部材１１なしでは、断片５７Ａ、５７Ｂがほぼ高温側の面３の表面法線に平行な方向に分離する危険がある。これらの断片５７Ａ、５７Ｂは図示しないガスタービンの燃焼器に達し、燃焼器のその他の部分や、例えばガスタービンでの使用時に、タービンブレードの敏感なブレード範囲に重大な損傷を起す危険がある。この危険は、引張部材１１を設けることで有効に対処できる。図２に示す熱遮蔽ブロックは、これを図示しない燃焼器壁に固定する固定溝１５を備え、これに保持部材２５Ａが係合している。もう１つの保持部材２５Ｂは固定溝１５に係合し、周方向１７に沿って保持部材２５Ａに対向して配置されている。壁側の面５は、熱遮蔽ブロック１が装着されている場合、燃焼器の対応の図示しない壁に向いており、熱遮蔽ブロック１は保持部材２５Ａ、２５Ｂを経てその弾性により図示しない壁に固定されている。
【００３５】
熱遮蔽ブロック１を、図３に分解斜視図で示す。熱遮蔽ブロック１は、ほぼ直方体状をなし、流れ方向２７と周方向１７に延びている。流れ方向２７は、熱遮蔽ブロック１をガスタービンの燃焼器に使用する場合、好ましくは同時に、高温媒体Ｍが流れ、高温側の面３に作用する（図１、２参照）方向を形成している。固定溝１５と周面溝１３により、周側の面７は、高温側の面３と壁側の面５に隣接する周側の面７の部分範囲を形成する幾つかの範囲３５Ａ、３５Ｂ、３７Ａ、３７Ｂに機能的に分かれている。固定溝１５を備えている周側の面の部分範囲は固定側の面３５Ａ、３５Ｂとし、一方引張部材１１Ａ、１１Ｂを収納する周面溝１３を備える部分範囲は３７Ａ、３７Ｂとする。図３の分解斜視図では、２つの引張部材１１Ａ、１１Ｂを、分かり易くするために周面溝１３に挿入せず、これから出した状態で示している。その場合引張部材１１Ａは、部分範囲３７Ａの周面溝１３に対応しており、一方引張部材１１Ｂは部分範囲３７Ａに流れ方向に沿って対向する部分範囲３７Ｂに設けられている。これら引張部材１１Ａ、１１Ｂは各々クリップ状に形成されており、１つの平板部片２９と各２個の指状固定部片３１を備えている。この固定部片３１は平板部片２９の両端に配置され、ほぼ長さ方向に垂直に熱遮蔽ブロック１の内部方向に向かって延びている。この固定部片３１に対応して、周面溝１３はこの指状固定部片３１の数に応じて穴３３、例えば袋穴を持っている。引張部材１１Ａ、１１Ｂを装着した際、これら穴３３の各々に指状固定部片３１の各々が挿入され、引張部材１１Ａ、１１Ｂを各部分範囲３７Ａ、３７Ｂに係止する。
【００３６】
熱遮蔽ブロック１を第一の断片５７Ａと第二の断片５７Ｂに分離する、主として真ん中に起るクラック２１は引張部材１１Ａ、１１Ｂにより圧接される。この引張部材１１Ａ、１１Ｂに予め印加されている初期応力Ｆ_Zにより、図１、２に関連して既に説明したように、断片５７Ａ、５７Ｂの分離は阻止される。
【００３７】
引張部材１１Ａ、１１Ｂを固定、即ち係止するため、幾つかの方法が採用できるが、図４と５にその内の２例を示す。この両例において、指状固定部片３１は熱遮蔽ブロック１のセラミックス母材４９に接着されている。このため、図４では接着剤３９を穴３３に指状固定部片３１を挿入する前に注入している。その際指状固定部片３１は接着剤３９に圧入される。接着剤３９、例えばセラミックス接着剤が硬化した後、指状固定部片３１と熱遮蔽ブロック１のセラミックス母材４９との間には確実かつ永続的な接着結合が生ずる。周側の面７は周表面９を備え、引張部材１１Ａ、１１Ｂ又は引張部材１１Ａ、１１Ｂの平板部片２９は、この引張部材１１Ａ、１１Ｂが周表面９と面一になるよう、周面溝１３に係合している。しかし、引張部材１１Ａ、１１Ｂが熱遮蔽ブロック１の内部の方向に周表面に対しやや引っ込んでいるようにしてもよい。このような構成により引張部材１１Ａ、１１Ｂは被覆されかつ言わば熱遮蔽ブロック１に一体化して装着され、それにより万一高温媒体Ｍが流れ込んでも直接的にこれに曝されることはない。引張部材１１Ａ、１１Ｂとの間にギャップ１９の形で設けた間隙で、動作時に熱遮蔽ブロック１が妨げられずに熱的に充分湾曲することが可能になる。
【００３８】
図５は、穴３３の範囲で引張部材１１Ａ、１１Ｂを熱遮蔽ブロック１のセラミックス母材４９に接着する図４の方法に代わる例を示す。このため引張部材１１は通路４１を備える。該通路４１は、引張部材１１の外面において周側の面７とは反対の平板部片側に開口４３を備える。この通路４１は分岐し、指状固定部片３１において多数の出口開口４５に連通している。その場合平板部片２９と指状固定部片３１を備えた引張部材１１は、好適にはセラミックス材料、例えばＳｉ₃Ｎ₄をベースとするセラミックスからなる。図５の実施例において、引張部材１１はセラミックス中空材からなる。指状固定部片３１は、例えば固定部片３１の全軸方向寸法にわたりかつ固定部片の全周囲にわたり配分された出口開口４５を備える。引張部材１１を熱遮蔽ブロック１の母材３９に穴３３の範囲で接着するため、接着剤３９、例えばセラミックス接着剤が入口開口４３を経て通路４１に注入される。接着剤３９は、好ましくは入口開口に注入され、その結果接着剤が全通路４１に一様かつ完全に分配され、出口開口４５から流出することが可能になる。この結果、熱遮蔽ブロック１のセラミックス母材４９と指状固定部片３１とは大きな面で結合する。指状固定部片３１は、この実施例では、中空の固定部片として働き、これを経て接着剤３９が穴３３の接着範囲にもたらされる。
【００３９】
引張部材１１としてセラミックス中空材を使用する他に、例えば図４に示すように、中実セラミックスを使用することも可能である。接着のために接着剤３９を使用するのに加えて、引張部材１１を熱遮蔽ブロック１に係合するための指状固定部片３１を弾性のセラミックス繊維材で被覆してもよい。これにより固定部片３１と熱遮蔽ブロック１のセラミックス母材４９との間の、袋穴３３における接着結合が補強され、耐用年数が延びる。
【００４０】
以下に続く図６〜１４は、熱遮蔽ブロック１に取り付けられる引張部材１１の種々の変形例を示す。これら例において、引張部材１１の断面と引張部材１１を収納する対応の周面溝１３は形状的に種々変わっている。ただ注意すべきは、引張部材１１にも周面溝１３にも鋭い角や稜が存在しないことである。このため引張部材１１とそれに対応する周面溝１３の境界範囲に曲面部５１を設けている。図７と８は、図６の熱遮蔽ブロック１に装着される引張部材１１の２つの側面を示す。指状固定部片３１は平板部片２９に対しほぼ垂直に延び、軸範囲とその軸範囲５３に続く終端部５５を備えている。該終端部５５は、その断面が軸範囲５３に対しやや拡大しており、固定部片３１が穴３３に特に良好に固定される。
【００４１】
図１０、１１は、図９の実施例による熱遮蔽ブロック１に取り付けられる引張部材１１を示す。この場合引張部材の断面は、ほぼ長方形であるが、正方形としてもよい。このような形状に応じ、周面溝１３はギャップ１９と曲面部５１を備えた形状とされている。図６〜８の実施例と同様に、引張部材１１は軸部５３と終端部５５を持つ指状固定部片３１を備えている。同様に図１２〜１４も、引張部材１１がほぼ円形又は楕円形の断面を持つ本発明の実施例を示している。
【００４２】
上述の全実施例において、引張部材の熱遮蔽ブロック１への固定は、接着剤３９、例えばセラミックス接着剤による接着で行われる。接着は、熱遮蔽ブロックを高温の使用温度で使用する燃焼器において熱遮蔽ブロック１を取り付けるために特に好適であることが実証されている。その場合引張部材１１の接着は、使用温度以下の常温において、即ち特に引張部材が応力を受けていないときに、熱遮蔽ブロック１から引張部材１１が離脱するのを阻止する。その場合接着は、その硬化後に引張部材１１が熱遮蔽ブロック１と結合するように行われる。これにより引張部材は、硬化した接着剤３９が壊れても、脱落することはない。硬化した接着剤の断片が接着しているからである。これに代わる構成として、引張部材１１と熱遮蔽ブロック１の間を形状的に結合させてもよい。このときは、接着剤３９を全く使用せずにすますことができる。この場合、ある程度の初期応力Ｆ_Zが常温、即ち室温において引張部材１１に与えられる。この初期応力は組み立て時に引張部材１１を熱遮蔽ブロック１に固定する保持力となる。
【００４３】
本発明による熱遮蔽ブロックの利点は、燃焼器、例えばガスタービンの熱的に高負荷される燃焼器において、熱遮蔽ブロックを使用する際の動作安定性が明らかに向上することにある。特に、熱遮蔽ブロックの破壊や完全クラックによる機械的損傷（これは熱遮蔽ブロックの熱的及び／又は機械的負荷によって起る）が大きな確実性をもって回避できる。と言うのは、破壊の際に形成される断片が分離するのを引張部材により阻止できるからである。これにより熱遮蔽ブロックの寿命が、一方ではクラックの成長が遅延し、他方ではかなり大きいクラック長でもその交換限界迄その使用が許されるので、明らかに延びる。従って、燃焼器の強制停止の数と期間の減少が可能であり、これにより特にまた燃焼器を被覆する熱遮蔽ブロックの使用において設備の使用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】引張部材を備えた熱遮蔽ブロックの側面図を示す。
【図２】引張部材を備えた熱遮蔽ブロックの側面図を示す。
【図３】熱遮蔽ブロックの分解斜視図を示す。
【図４】熱遮蔽ブロックと引張部材との接着の１つの例を示す。
【図５】熱遮蔽ブロックと引張部材との接着の異なる例を示す。
【図６】引張部材を備えた熱遮蔽ブロックの側面図を示す。
【図７】図６に示された熱遮蔽ブロックの引張部材を側面で示す。
【図８】図６に示された熱遮蔽ブロックの引張部材を他の側面で示す。
【図９】周面溝及び引張部材を備えた熱遮蔽ブロックを示す。
【図１０】図９に示された引張部材を側面で示す。
【図１１】図９に示された引張部材を異なる側面で示す。
【図１２】周面溝に嵌め込まれている引張部材を備えた熱遮蔽ブロックを示す。
【図１３】図１２に示された引張部材を１つの側面で示す。
【図１４】図１２に示された引張部材を異なる側面で示す。
【符号の説明】
１熱遮蔽ブロック
３高温側の面
５壁側の面
７周側の面
９周表面
１１、１１Ａ、１１Ｂ引張部材
１３周面溝
１５固定溝
１７周方向
１９ギャップ
２１クラック
２５Ａ、２５Ｂ保持部材
２７流れ方向
２９平板部片
３１指状固定部片
３３穴
３５Ａ、３５Ｂ固定側の面範囲
３７Ａ、３７Ｂ端面範囲
３９接着剤
４１通路
４３入口開口
４５出口開口
４７引張部材のセラミックス材
４９熱遮蔽ブロックの母材
５１指状固定部片の曲面部
５３指状固定部片の軸
５５指状固定部片の軸端
５７Ａ、５７Ｂ断片
Ｍ高温媒体
Ｆ_P 圧縮応力
Ｆ_Z 初期応力
Ａ表面部分

Claims

高温媒体（Ｍ）に曝される高温側の面（３）、該高温側の面（３）に対向する壁側の面（５）及び該壁側の面（５）と高温側の面（３）との間にあって前記各面に直交する２つの対向する周側の面（７）を備える燃焼器の壁を被覆する熱遮蔽ブロックにおいて、
前記少なくとも一方の周側の面（７）に、初期応力（Ｆ _Z）が印加される引張部材（１１）が取り付けられ、その際、前記初期応力が印加された引張部材（１１）によって前記熱遮蔽ブロックの損傷を抑制し、かつ熱遮蔽ブロックが破損した場合に、その断片（５７Ａ、５７Ｂ）の熱遮蔽ブロックからの分離が阻止されるように取り付けられ、さらに、前記引張部材（１１）は、常温時は無応力の状態にあり、常温以上の使用温度において引張部材（１１）に初期応力（Ｆ _Z ）が印加されるようにしたことを特徴とする燃焼器の壁を被覆する熱遮蔽ブロック。
初期応力（Ｆ _Z）が周方向（１７）に向いていることを特徴とする請求項１記載の熱遮蔽ブロック。
周側の面（７）が、引張部材（１１）が嵌め込まれる周面溝（１３）を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱遮蔽ブロック。
周側の面（７）が周表面（９）を備え、引張部材（１１）が周面溝（１３）内に、この引張部材（１１）の周表面（９）と平行な表面が周表面（９）に対し引っ込んで或いはこれと面一になるように配置されたことを特徴とする請求項３記載の熱遮蔽ブロック。
引張部材（１１）がセラミックス材料（４７）からなることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の熱遮蔽ブロック。
セラミックス材料（４７）がＳｉ ₃ Ｎ ₄ からなることを特徴とする請求項５に記載の熱遮蔽ブロック。
引張部材（１１）が接着剤（３９）により、前記熱遮蔽ブロックに部分的に固定されたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の熱遮蔽ブロック。
引張部材（１１）が、それ自体に、接着剤（３９）が注入可能な入口と出口とを有する通路（４１）を備えることを特徴とする請求項７に記載の熱遮蔽ブロック。
引張部材（１１Ａ）およびもう１つの引張部材（１１Ｂ）が、前記熱遮蔽ブロックの２つの対向する周側の面（７）に、互いに対向して取り付けられたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の熱遮蔽ブロック。
前記熱遮蔽ブロックの母材（４９）が、耐火性のセラミックスからなることを特徴とする請求項１から９の１つに記載の熱遮蔽ブロック。
ガスタービンの燃焼器において使用する請求項１から１０の１つに記載の熱遮蔽ブロックの使用方法。