JP4172913B2 - 燃焼器用壁セグメントおよび燃焼器 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は高温流体に曝される燃焼器、特にガスタービンの燃焼器用の壁セグメントに関する。本発明はまた燃焼器にも関する。
【０００２】
高温流体が発生および／又は案内される、例えば炉、高温ガス通路あるいはガスタービンの燃焼器のように大きく熱負荷される燃焼室は、過度に高い熱負荷から保護するためのライニングを備える。このライニングは耐火材料から成り、燃焼室の壁面を高温流体との直接接触からおよびそれに伴う大きな熱負荷から保護する。
【０００３】
米国特許第４８４０１３１号明細書に、炉壁へのセラミックスライニング要素の改良された固定装置が記載されている。この固定装置はレール装置を備え、このレール装置は炉壁に固定され、ライニング要素を保持する多数のレール要素を有する。ライニング要素と、炉壁との間に別のセラミックス層が設けられ、これは特にセラミックスライニング要素と少なくとも同じ厚さを有するか、より大きな厚さを持ち、部分的に圧縮された緩いセラミックス繊維から成る層を有する。そのライニング要素は平らな表面を持つ矩形形状を有し、断熱耐火セラミックス繊維材料から成っている。
【０００４】
米国特許第４８３５８３１号明細書には、炉壁、特に垂直壁への耐火ライニングの設置方法が記載されている。ガラス繊維、セラミックス繊維あるいは鉱物繊維から成る層が金属炉壁に設けられてる。この層は、金属製のクランプあるいは接着剤によって炉壁に固定されている。この層上にハニカム状網目を備えた金網が設けられている。この金網はセラミックス繊維層の脱落防止のためにも使われている。このように固定された層の上に、適当な吹付け法によって、耐火材料が連続閉鎖表面を形成するように被着される。この方法により、吹付け中に衝突する耐火粒子が跳ね返るのを十分に防止できる。そのような耐火粒子の跳ね返りは、耐火粒子を金属壁に直接吹き付けるときに生ずる。
【０００５】
ヨーロッパ特許出願公開第０７２４１１６号明細書に、大きな熱負荷を受ける燃焼室の壁面に対するライニングが記載されている。そのライニングは、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）あるいは窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）のような耐熱構造セラミックスから成り、燃焼器の金属支持構造物（壁面）に取付けボルトによって機械的に固定されている。壁要素を燃焼室の壁面から間隔を隔てるべく、壁要素と燃焼室の壁面との間に厚い絶縁層が設けられている。壁要素の３倍の厚さを持つ絶縁層はセラミックス繊維材料から成り、予めブロックの形に作られる。熱遮蔽要素の寸法および外形は、内張りすべき燃焼室の幾何学形状に合わされる。
【０００６】
大きな熱負荷を受ける燃焼室の別種のライニングが、ヨーロッパ特許第０４１９４８７号明細書に記載されている。そのライニングは、燃焼室の金属壁に機械的に保持された熱遮蔽要素から成る。この熱遮蔽要素は金属壁面に直接接触している。例えば熱遮蔽要素からの直接的な熱伝達によりあるいは隣接する熱遮蔽要素間に形成された隙間内に高温流体が侵入することにより、壁面が過熱されるのを防止するため、燃焼室の壁面と熱遮蔽要素とにより形成された空間に、冷却空気、いわゆる漏れ止め空気が供給される。この漏れ止め空気は高温流体が壁面まで侵入することを防止し、同時に壁面および熱遮蔽要素を冷却する。
【０００７】
本発明の課題は、高温流体に曝される燃焼器、特にガスタービン燃焼器用の壁セグメントを提供することにある。他の課題は、耐火燃焼器を提供することにある。
【０００８】
この壁セグメントに係る課題は、本発明に基づき金属支持構造物と、この金属支持構造物上に固定された熱遮蔽要素とを備え、高温流体に曝される燃焼器用の壁セグメントにおいて、金属支持構造物が少なくとも部分的に薄い耐火分離層を備え、この分離層が金属支持構造物と熱遮蔽要素との間に設けられることにより解決される。その代わりにあるいはまたこれに加えて、上述の課題は、本発明に基づき支持構造物と熱遮蔽要素との間に少なくとも部分的に金属耐火分離層を設けることによって解決される。なおこの金属分離層は薄くて足りる。
【０００９】
本発明は、熱遮蔽要素および燃焼室の壁面が、主として、例えば構造セラミックスおよび金属のような比較的非弾性の材料から成っているという知見から出発している。そのように形成された燃焼室のライニングは、熱遮蔽要素が燃焼室の壁面に直接接触するという欠点がある。製造技術上の理由および壁面と熱遮蔽要素との異なった熱膨張のために、熱遮蔽要素は壁面に常に平らには接触しない。このため、接触点に局所的に大きな力が発生する。熱遮蔽要素および壁面が異なった熱膨張挙動を呈するとき、燃焼室の運転状態が変化した際、例えばガスタービンの負荷が変動した際、悪い条件の下で接触点により大きな力が加わり、これに伴って熱遮蔽要素および／又は壁面が損傷してしまう。この結果、熱遮蔽要素と壁面との接触点間における壁面と、熱遮蔽要素との間に隙間が生じ、ここで両者間の接触が行われない結果、この隙間は高温流体の入口通路となってしまう。この場合、その高温流体の侵入を防止するために、壁面と熱遮蔽要素との間に多量の漏れ止め空気を供給しなければならない。
【００１０】
本発明に基づく壁セグメントの形成は、金属支持構造物と熱遮蔽要素との間に挿入した変形可能な分離層が、熱遮蔽要素と支持構造物との間に起こる相対運動を吸収し補償するという利点を有する。そのような相対運動は、例えばガスタービンの燃焼器、特に環状燃焼器において、利用する材料の異なった熱膨張挙動によりあるいは高温流体を発生するための燃焼時の異常燃焼により生ずる燃焼室内の脈動あるいは共振作用により引き起こされる。熱遮蔽要素が部分的に分離層にもぐり込むので、分離層は同時に、比較的非弾性の熱遮蔽要素を分離層および金属支持構造物に全体として平らに接触させるように作用する。そのようにして分離層はまた、局所的に点状の力が加わってしまう不都合をもたらす、支持構造物および／又は熱遮蔽要素の製造上の制約に基づく非平坦さをも補償する。
【００１１】
熱遮蔽要素と金属支持構造物との間に挿入された耐火分離層は、熱遮蔽要素によって弾性および／又は塑性変形するという利点を持つ。熱遮蔽要素はそのようにして部分的に耐火分離層の中にもぐり込み、これを変形させ、製造上および／又は設備の運転によって生ずる熱遮蔽要素および／又は支持構造物の接触面の非平坦さを補償する。これにより、非弾性的な熱遮蔽要素と支持構造物とが少なくとも部分的に点状に直接接触する場合よりも、熱遮蔽要素には全体として十分に平らな力がかかり、熱遮蔽要素および／又は金属支持構造物が損傷する恐れが小さくなる。更に熱遮蔽要素により分離層が部分的に変形することにより、熱遮蔽要素と分離層との間の隙間開口が減少し、これにより熱遮蔽要素の背面を流れる高温流体の量が減少する。熱遮蔽要素の背面における高温流体流を防止するか少なくとも減少するために、熱遮蔽要素および金属支持構造物で形成された中空室に漏れ止め空気が供給される。この隙間開口の減少および分離層による中空室容積の縮小によって、必要な漏れ止め空気量が減少する。
【００１２】
分離層が熱遮蔽要素の高さより小さい層厚を有していると有利である。ここで熱遮蔽要素の高さとは、金属支持構造物の表面に対して垂直な方向における熱遮蔽要素の寸法を意味する。その高さは熱遮蔽要素の層厚に正に相当する。これに対して、湾曲形あるいは曲がり形あるいは帽子状の熱遮蔽要素の場合、その高さは熱遮蔽要素の壁厚よりも大きい。分離層は数ｍｍまでの層厚を有する。好適にはその層厚は１ｍｍ以下であり、特に１０分の数ｍｍ迄である。
【００１３】
耐火分離層が、熱遮蔽要素によって変形させられるハニカム状小室付きの金属格子を有していると有利である。好適には、金属格子のハニカム状小室に変形可能な充填材料を詰める。ハニカム状小室は、例えばニッケル基合金から成る僅か１０分の数ｍｍの薄い板金で作られる。充填材料は好適には粉末状をなし、金属および／又はセラミックスからなる。セラミックス粉末はプラズマジェットにより加熱され、搬送される（大気プラズマスプレイ）。粉末の種類およびスプレイ条件に応じて、粉末で作られた層は多少多孔質に形成される。ハニカム状小室は、好適には多孔質であり、従って容易に変形できる良好な絶縁層で充填される。金属充填材料は、例えばガスタービン翼を被覆する際に利用されるような耐熱合金であるのが望ましい。金属充填材料は、特にＭＣｒＡｌＹ種の基礎耐熱合金であり、ここでＭはニッケル、コバルトあるいは鉄、Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウム、Ｙはイットリウムあるいはその他の反応性の希土類元素を意味する。この変形可能な充填材料は、変形する際および熱遮蔽要素が分離層にもぐり込む際、接触面間に存在する隙間開口を閉鎖するかあるいは縮小する。これによって、必要な漏れ止め空気量が減少する。分離層は更に、熱遮蔽要素と支持構造物によって形成された中空室の容積も減少し、これによって漏れ止め空気は一層減少される。ガスタービンの場合、漏れ止め空気が燃焼室に流入した際、高温流体がその冷たい漏れ止め空気によって冷却され、このために高温流体で運転されるガスタービン設備の総合効率が低下する。本発明の場合漏れ止め空気量が減少することにより、分離層なしの熱遮蔽要素を備えたガスタービン設備の場合よりも、総合効率の低下も僅かとなる。
【００１４】
耐火分離層が細い金属線から成るフェルトを有していても有利である。そのような金属フェルトは、非常に小さな曲率半径の輪郭にも敷設でき、従って特に、例えばガスタービンの燃焼器において漏れ止め空気が供給される熱遮蔽要素を受けるための金属支持構造物のような、不規則な形に形成された支持構造物に対する分離層として特に適している。この金属フェルトの厚さは、熱遮蔽要素および支持構造物の接触面間の大きな隙間開口も金属フェルトで塞がれるかあるいは少なくとも大きく縮小されるように選定される。これによって、そのように形成された壁セグメントは、利用できる漏れ止め空気量が制限されている設備においても採用できる。
【００１５】
金属支持構造物とそれに付属した熱遮蔽要素との間に生ずる隙間開口が非常に小さく一様なら、耐火分離層を金属支持構造物上の薄い層として設けるとよい。
【００１６】
侵入する高温流体による負荷に対抗し、かつ金属支持構造物を有効に保護するために、支持構造物と熱遮蔽要素との間に設置される耐火分離層は、５００℃以上、特に約８００℃迄の温度において不燃にされている。
【００１７】
熱遮蔽要素は燃焼室の金属支持構造物に機械的に結合していると有利である。機械的な結合装置によって、熱遮蔽要素を支持構造物に機械的に押し付けて保持し、これにより耐火分離層を変形させる押圧力を調整することができる。即ち、残存する隙間開口およびこれにより生ずる必要な漏れ止め空気量は、運転条件およびその都度の設置個所の有用な漏れ止め空気量に合わされる。
【００１８】
熱遮蔽要素がボルトによって支持構造物に保持されていると有利である。そのボルトは、押圧力をできるだけ熱遮蔽要素の中心に導入するため、熱遮蔽要素のほぼ中央に作用する。耐火分離層は、熱遮蔽要素のボルトが金属支持構造物に固定される範囲の場所に切欠きを有する。特にガスタービンにおいて、支持構造物が、これと熱遮蔽要素とによって形成された中空室への漏れ止め空気の供給通路を備える個所の分離層内に、別の切欠きおよび開口が設けられる。そのようにして漏れ止め空気は中空室に流入でき、熱遮蔽要素および／又は分離層の背面に高温の活動流体が流れることが防止される。
【００１９】
熱遮蔽要素を、バネ−キー継手により金属支持構造物に結合してもよい。
【００２０】
燃焼器に係る課題は、本発明に基づき燃焼器、特にガスタービンの燃焼器の燃焼室を上述の壁セグメントにより形成することにより解決される。燃焼室の耐火ライニングを得るために、熱遮蔽要素が壁セグメントの金属支持構造物に設けられる。この熱遮蔽要素は、例えば縁が直線的にあるいは湾曲して延びる平らなあるいは湾曲した多角形をなすか、平らな正多角形をなす。これは燃焼室の外側壁面を形成する金属支持構造物を、熱遮蔽要素間に設けられた伸び補償隙間を含めて完全に覆う。高温流体は、伸び補償隙間の中に壁セグメントの耐火分離層迄しか侵入できず、熱遮蔽要素の背面を流れることはない。これによって、熱遮蔽要素および金属支持構造物の機械的な保持装置は、高温流体による損傷から十分に保護される。
【００２１】
以下、図に示した実施例を参照し、本発明に基づく燃焼器用壁セグメントおよび燃焼器を詳細に説明する。
【００２２】
図１は、ガスタービンの燃焼室２を形成する燃焼器（図示せず）の壁セグメント１を示す。この壁セグメント１は金属支持構造物３を有し、この支持構造物３の燃焼室２側の内側壁面５に耐火分離層７が設けられている。この耐火分離層７は、ハニカム状小室を備えた、詳しくは図示しない金属格子から成る。金属格子の、ハニカム体状小室を形成する金属帯は、分離層７の厚さに相当する高さを有する。金属格子のハニカム状小室には、変形可能な充填材料が詰められている。
【００２３】
分離層７の燃焼室側にセラミックス製の熱遮蔽要素９が設けられている。このセラミックス熱遮蔽要素９は、ボルト１１によって金属支持構造物３に取付けられている。セラミックス製の熱遮蔽要素９は、その高温ガス側の面２１の垂線に対して平行に延びる孔１０を有し、ボルト１１はその孔１０を通して熱遮蔽要素９の中央部位を貫通して延びる。これによって、ボルト１１によって発生される押圧力Ｆが、熱遮蔽要素９の中央に導入される。ボルト１１の一端は、支持構造物３の孔１２を貫通して突出する。ボルト１１のこの突出端にナット１３がねじ込まれ、このナット１３と支持構造物３との間にバネ１５が配置されている。ボルト１１を介して熱遮蔽要素９に供給される締付け力Ｆは、ナット１３によって調整できる。これにより、同時に熱遮蔽要素９の分離層７へのもぐり込み深さ、従ってその変形量も調整できる。熱遮蔽要素９を耐火分離層７に押し付ける押圧力Ｆが大きくなればなるほど、熱遮蔽要素９は分離層７に深くもぐり込む。図２は、熱遮蔽要素９が押圧力Ｆによって分離層７をどのように変形させ、この分離層７に部分的にどのようにもぐり込むかを示している。
【００２４】
熱遮蔽要素９および分離層７付き支持構造物３により中空室１９が形成され、金属支持構造物３に複数の通路１７が設けられている。これらの通路１７を通して中空室１９の中に漏れ止め空気Ｓが供給される。そのため、分離層７は支持構造物３の通路１７が設けられた場所に開口（詳細に示せず）を備え、この開口を通して漏れ止め空気Ｓが中空室１９に流入する。分離層７は、ボルト１１が金属支持構造物３に保持された部位に、ボルト１１を貫通して導く開口（詳細に図示せず）を有する。
【００２５】
ガスタービンの運転中、燃焼器の燃焼室２内において高温流体Ａが発生される。この高温流体Ａは壁セグメント１の熱遮蔽要素９により形成された燃焼室側の高温ガス側面２１に沿って案内される。熱遮蔽要素９は、高温流体Ａと金属支持構造物３との直接接触を阻止する。壁セグメント１の隣接する熱遮蔽要素９間に、熱遮蔽要素９の熱膨張を補償するための伸び補償隙間２２が設けられている。高温流体Ａは、この伸び補償隙間２２内に分離層７迄侵入する。耐火分離層７の変形可能な充填材料は、高温流体Ａと金属支持構造物３との直接接触を阻止し、中空室１９を侵入する高温流体Ａに対して密封し、かくして熱遮蔽要素９の背面を高温流体Ａが流れるのを防止する。分離層７は、伸び補償隙間２１の範囲において、熱遮蔽要素９の熱膨張により僅かに湾曲し、そして侵入する高温流体Ａに対して中空室９をより強く密封する。分離層７および熱遮蔽要素９の漏れ止め作用を強化するために、通路１７を経て中空室９に漏れ止め空気Ｓが供給される。この漏れ止め空気Ｓは、図２に示すように、分離層７によって高温流体Ａを完全に密封できない個所において伸び補償隙間２２内に流出する。漏れ止め空気Ｓにより発生される中空室１９から燃焼室２までの圧力勾配によって、中空室１９への高温流体Ａの侵入が阻止される。
【００２６】
ガスタービンの負荷変動時、熱遮蔽要素９と金属支持構造物３とは異なった熱膨張を生じ、そのために熱遮蔽要素９と支持構造物３が相対運動する。しかもこの相対運動は、不規則な燃焼により引き起こされる、燃焼室２内での脈動あるいは共振によっても生ずる。運転中に生ずるそのような相対運動は、部分的に弾性変形する分離層７によって同様に補償される。例えば瞬間的な圧力上昇により熱遮蔽要素９の接触面に加わる力が増加し、この力の増加は、分離層７の圧縮、従ってそれに応じた接触面の増加によって補償される。
【００２７】
図３は、ガスタービン用の燃焼室２を形成する燃焼器（図示せず）の壁セグメント１の異なった実施例を示す。この壁セグメント１は、金属支持構造物２３、耐火分離層２５および金属熱遮蔽要素２７を有する。金属支持構造物２３は、熱遮蔽要素２７に対する接触面を形成する複数の突条２９を備える。これらの突条２９は、それらに対応した熱遮蔽要素２７の縁部範囲の支持構造物側面が突条２９に接するように配置されている。熱遮蔽要素２７は、突条２９および支持構造物２３の一部により形成された凹所を蓋状に覆っている。２つの突条２９間に、それぞれ漏れ止め空気Ｓを導入するための少なくとも１つの通路３１が設けられている。金属熱遮蔽要素２７は、図１におけるボルトに類似したボルト２９により、金属支持構造物２３に弾力的に保持されている。
【００２８】
分離層２５は、詳しくは図示しない細い耐火金属線から成るフェルトとして形成され、支持構造物２３の燃焼室２側の内側面を覆っている。分離層２５はボルト２９が支持構造物２３を貫通する貫通孔２６の部位および通路３１の開口３２の部位にそれぞれ開口を有する。ボルト２９は貫通孔２６を貫通して延び、漏れ止め空気Ｓは別の開口を通して通路３１から熱遮蔽要素２７および支持構造物２３によって形成された中空室３３に流入する。熱遮蔽要素２７は突条２９の範囲において分離層２５を変形させる。熱遮蔽要素２７と突条２９との接触面間に生ずる、詳細には図示しない隙間開口は、分離層２５によって閉じられ又はその開口断面積を減少されている。これによって、隣接する熱遮蔽要素２７間に生じた伸び補償隙間３５内に中空室３３から漏れ止め空気Ｓが流出するのが阻止され又は減少される。またこれによって、高温流体Ａは金属支持構造物２３まで侵入できないか又は熱遮蔽要素２７の背面を流れることができない。
【００２９】
図４は、壁セグメント１の更に異なる実施例を示す。この壁セグメント１は、熱遮蔽要素４７付きの金属支持構造物４１を備える。この熱遮蔽要素４７は、図１に示すボルトと類似したボルト４９により、支持構造物４１の内側壁面４３に弾力的に結合されている。支持構造物４１の燃焼室２側の面と、熱遮蔽要素４７の反燃焼室側の面５１との間において、支持構造物４１上に耐火分離層４５が設けられている。この耐火分離層は、金属支持構造物４１上に薄い層４５として形成されている。この変形可能な薄い層４５は、熱遮蔽要素４７と支持構造物４１との間の全空間を充填しているので、製造時あるいは設備の運転中に生ずる支持構造物４１および／又は熱遮蔽要素４７の非平坦さが補償される。更に高温流体Ａが熱遮蔽要素４７の背面を流れることはない。高温流体Ａは隣り合う熱遮蔽要素４７で形成された伸び補償隙間２２を通り耐火層４５まで侵入する。この耐火層４５は、高温流体Ａと金属支持構造物４１との直接接触を阻止する。熱遮蔽要素４７と支持構造物４１との相対運動は、耐火層４５の弾性および／又は塑性変形により補償される。これによって、熱遮蔽要素４７および支持構造物４１の損傷が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく壁セグメント（湾曲支持構造物上にハニカム状小室付き金属格子から成る分離層を備えた壁セグメント）の断面図である。
【図２】 図１における一部拡大詳細図である。
【図３】 本発明に基づく壁セグメントの異なった実施例（突条付き支持構造物上に金属フェルトから成る分離層を備えた壁セグメント）の断面図である。
【図４】 本発明に基づく壁セグメントの更に異なった実施例（支持構造物上に分離層として設けられた薄い層を備えた壁セグメント）の断面図である。
【符号の説明】
１ 壁セグメント
２ 燃焼室
３、２３、４１ 支持構造物
５、４３ 内側壁面
７、２５、４５ 耐火分離層
９、２７、４７ 熱遮蔽要素
１０、１２ 孔
１１、２９、４９ ボルト
１３ ナット
１５ バネ
１７、３１ 通路
１９、３３ 中空室
２２、３５ 補償隙間
２６ 貫通孔
２９ 突状
Ａ 高温流体
Ｓ 漏れ止め空気

Claims (12)

1. 金属支持構造物（３）とこの支持構造物（３）上に固定された熱遮蔽要素（９）とを備え、高温流体（Ａ）に曝される燃焼器用の壁セグメント（１）において、
   金属支持構造物（３）が少なくとも部分的に金属耐火分離層（７）を備え、この分離層（７）が金属支持構造物（３）と熱遮蔽要素（９）との間に位置し、
   この分離層（７）が熱遮蔽要素（９）によって弾性変形および／又は塑性変形可能であり、かつ
   熱遮蔽要素（９）による分離層（７）の部分的な変形により熱遮蔽要素（９）と分離層（７）の間の隙間開口が減少することを特徴とする燃焼器用壁セグメント。
2. 分離層（７）が熱遮蔽要素（９）の高さより小さい層厚を有することを特徴とする請求項１記載の壁セグメント。
3. 分離層（７）が数ｍｍまでの層厚を有することを特徴とする請求項１又は２記載の壁セグメント。
4. 分離層（７）がハニカム状小室付きの金属格子を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の壁セグメント。
5. 分離層（７）のハニカム状小室に変形可能な充填材料を詰めたことを特徴とする請求項４記載の壁セグメント。
6. 分離層（７）が金属線から成るフェルトを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の壁セグメント。
7. 分離層（７）が金属支持構造物（３）上の薄い層であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の壁セグメント。
8. 分離層（７）が５００℃以上、特に約８００℃までの温度において不燃であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の壁セグメント。
9. 熱遮蔽要素（９）を、支持構造物（３）に機械的に結合したことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の壁セグメント。
10. 熱遮蔽要素（９）を、バネ（１５）と、ボルト（１５）およびナット（１３）とによって支持構造物（３）に結合したことを特徴とする請求項９記載の壁セグメント。
11. 熱遮蔽要素（９）を、ボルト（１１）によって支持構造物（３）に結合したことを特徴とする請求項９記載の壁セグメント。
12. 壁セグメント（１）がガスタービンの燃焼器の一部であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の壁セグメントを備えた燃焼器。

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