JP4294736B2 - 燃焼室がセラミックブロックで内張りされているガスタービン設備 - Google Patents

Description

本発明は、中実のセラミックブロックで内張りされた燃焼室、動翼が固定されたロータおよび静翼が固定された車室を備え、特に少なくとも第１段のタービン翼がセラミック断熱層を有しているガスタービン設備に関する。
この種のガスタービンは、例えばドイツ特許出願公開第４３４３３１９号明細書で知られている。非常に高い入口温度を実現するために、最新のガスタービンにおいて燃焼室、特にその炎筒は熱的に極端に大きく負荷できるように形成されている。この目的のために、燃焼室の内壁はセラミック断熱層で覆われるか、あるいは中実のセラミックブロックからなるシールドが設けられる。
これに加えて、ガスタービン設備のタービン翼、特に燃焼室に隣接する第１段のタービン翼には、しばしば熱保護層としてセラミック断熱層が設けられている。このセラミック断熱層は、例えば酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウム層から成っている。
実験の結果、燃焼室の内張りに中実のセラミックブロックを利用する場合、敏感なセラミック断熱層を備えたタービン翼との関連において、このセラミック断熱層がひどい機械的摩耗を受けることが確認されている。
本発明の課題は、冒頭に述べた形式のガスタービン設備において、一方では燃焼室およびタービン翼を熱的過負荷から保護し、他方ではタービン翼の寿命を長くすることができるような処置を講ずることにある。
この課題は本発明に基づいて、セラミックブロックが表面に被覆層を備えていることによって解決される。
セラミックブロックは他の材料、例えば耐熱合金から成る断熱板よりも高い材料温度にすることができ、且つ許容されるという利点を有する。またセラミックブロックの固定要素を冷却するだけでよい。この結果、例えば高い許容材料温度のために、燃焼室内張りの表面に到達する不完全燃焼粒子はそこで完全燃焼し、これによって排気ガス中における有毒な一酸化炭素（Ｃ０）が無害な二酸化炭素（Ｃ０２）に変換されるために少量となる。その上に、金属内張りに比べて必要な冷却空気量が少量となり、その分の空気は燃焼用に利用できる。これによって火炎温度が低下し、環境を汚染する窒素酸化物の発生量が著しく減少する。従って効率上並びに環境上の理由から中実のセラミックブロックによって燃焼室を内張りすることが有利である。しかしこのようなセラミックブロックを利用する場合、その表面から粒子が剥がれ落ち、この粒子が燃焼ガス流とタービン翼との大きな相対速度のために弾丸のようにタービン翼に衝突し、激しい摩耗作用を生ずるという問題がある。
セラミックブロックを本発明に基づいて被覆することによって、セラミックブロックの表面からのそのような粒子の剥げ落ちは有効に防止される。この場合特に、セラミックブロックが燃焼室壁に取り付けられる前に、これを被覆することが有利である。この被覆はそのために、熱的な繰り返し負荷の際における剥げ落ちを防止するために、セラミックブロックへの良好な接着および被覆層の良好な結合が保証されるように実施しなければならない。これによってセラミックブロックの被覆層は表面粒子を固定するための層を形成する。従って、燃焼室内張りとして中実のセラミックブロックをタービン翼におけるセラミック断熱層と組み合わせて利用することができる。
本発明の実施形態において、被覆層は金属材料から成り、特に真空プラズマスプレイ（ＶＰＳ）法によって設けられる。
このためにＶＰＳ法で種々に形成できる腐食保護層を利用することができ、例えばＭＣｒＡｌＹ（ここでＭはＮｉあるいはＣｏである）を利用することができる。
セラミックカバー層と、接着剤としての金属ボンドコート（Bondcoat）とから成る複合被覆層を採用することもできる。そのセラミックカバー層は、有利にはエアプラズマスプレイ（ＡＰＳ）法によって設けられる。
ＶＰＳ・ボンドコートを設けることなく、セラミック層でセラミックブロックを直接被覆することも考えられる。
セラミックブロックとセラミックＡＰＳ・被覆層との熱膨張係数の僅かな差が熱的繰り返し負荷に対する強度に有効に作用する。断熱層としてセラミック層を利用することにより、燃焼室内張りを冷却するために必要な冷却空気量が一層減少されるという追加的な利点が得られる。そのセラミック層として、例えばＹ₂Ｏ₃安定化ＺｒＯ₂のような通常の断熱層あるいはまたＳｉＯ₂ないしＡｌ₂Ｏ₃が考えられる。
本発明においてまた、セラミックカバー層がエアプラズマスプレイ（ＡＰＳ）法によって設けられることが有利である。
ＡＰＳ法はＶＰＳ法に比べてコスト的に有利である。
特にセラミックブロックを多層構造で被覆することも、熱的な観点あるいは被覆層の良好な結合の観点から有利である。
全般的に接着層並びにその外側の層は、熱膨張挙動および化学的組成が層の厚さに関して連続的に変化するような段階層として形成される。
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
図１はガスタービン設備の部分概略縦断面図、
図２は被覆層を明瞭にするために歪曲して拡大して描いた燃焼室壁の部分横断面図である。
図１には本発明に基づくガスタービン設備が縦断面図で示されている。このガスタービン設備は車室１とロータ２とを備え、この車室１には静翼３、４が、ロータ２には動翼５、６がそれぞれ固定されている。燃焼室７にバーナ１４、１５を介して燃料が注入され、この燃料は圧縮機１６からの空気で燃焼される。この圧縮機１６はガスタービン設備の入口部分として示されている。流入空気（矢印１７、１８）は燃焼室７に流入する前に、この入口部分内において圧縮される。
燃焼ガスの膨張がタービンを駆動する働きをする。電気エネルギを発生するために、タービンロータに接続された連結軸１９によって発電機２０が駆動される。
図２には環状燃焼室の表面部位が拡大横断面図で示されている。例えば金属から成る燃焼室壁１１に、セラミックブロック１０が固定要素８、９によって固定されている。このセラミックブロック１０は、例えば酸化けい素あるいは酸化アルミニウムから成っている。
図２にはセラミックブロック１０の二つの層から成る被覆層が拡大して示されている。その下側層は接着層（ボンドコート）１２であり、上側層はこの上側層１２に特に良好に付着するセラミック層１３である。これらの下側層１２および上側層１３は一緒に、セラミックブロック１０を覆い、このセラミックブロック１０の表面から剥げ落ちる粒子を結合する固い層を形成している。これによってそのような粒子が車室あるいはまたロータにあるタービン翼の断熱層に侵食作用を与えることはなくなる。その接着剤層１２は、好適には金属・クロム・アルミニウム・イットリウム・合金（ＭＣｒＡｌＹ）から成り、断熱層１３は好適には酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウム、ＳｉＯ₂あるいはＡｌ₂Ｏ₃から成っている。
図２には範囲２１に例えばセラミックブロックの単一被覆層２２が示されている。この被覆層はセラミックスから成っている。

Claims (3)

1. 中実のセラミックブロック（１０）で内張りされた燃焼室（７）、動翼（５、６）が固定されたロータ（２）および静翼（３、４）が固定された車室（１）を備え、特に少なくとも第１段のタービン翼がセラミック断熱層を有しているガスタービン設備において、セラミックブロック（１０）が表面に被覆層（１２、１３）を備え、前記被覆層は、熱膨張挙動および化学的組成が層の厚さに関して連続的に変化するように形成されており、前記被覆層（１２、１３）が金属材料から成り、真空プラズマスプレイ（ＶＰＳ）法によって設けられることを特徴とするガスタービン設備。
2. 中実のセラミックブロック（１０）で内張りされた燃焼室（７）、動翼（５、６）が固定されたロータ（２）および静翼（３、４）が固定された車室（１）を備え、特に少なくとも第１段のタービン翼がセラミック断熱層を有しているガスタービン設備において、セラミックブロック（１０）が表面に被覆層（１２、１３）を備え、前記被覆層は、熱膨張挙動および化学的組成が層の厚さに関して連続的に変化するように形成されており、前記被覆層がボンドコートとセラミックカバー層とから成り、セラミックカバー層（１３）がエアプラズマスプレイ（ＡＰＳ）法によって設けられることを特徴とするガスタービン設備。
3. セラミックブロック（１０）が多層構造をしていることを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービン設備。

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