KR920009655B1

KR920009655B1 - 가스터빈용 연소기

Info

Publication number: KR920009655B1
Application number: KR1019840008240A
Authority: KR
Inventors: 노부유끼 이이즈까; 후미유끼 히로세; 나오다쓰 아사히; 요시다까 고지마
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1984-01-13
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1992-10-22
Also published as: JPH0311367B2; DE3561356D1; EP0149474A2; EP0149474A3; JPS60149828A; KR850005552A; US5009070A; EP0149474B1

Abstract

내용 없음.

Description

가스터빈용 연소기

제1도는 연소기의 단면도.

제2도는 본원 발명을 실시한 연소기의 라이너캡부의 단면도.

제3도는 제2도 B부의 상세단면도.

제4도는 제2도의 A화살표방향으로 본 정면도.

제5도는 제4도 D부의 상세도.

제6도 및 제7도는 라이너캡 벽면의 단면의 온도분포도.

제8도 내지 제10도는 온도특성을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 콘 2 : 소공

3 : 콜러 4 : 캘링

5 : 라이너 슬리브본체 6 : 물분무노즐

7 : 물 8 : 공간

9 : 연소가스화염 10 : 라이너캡

11 : 연료버너 20 : 콘

20a : 냉각측면 21 : 피복층

22 : 용적작업을 행하는 부분 23 : 소공부

24 : 내부 25 : 합금재료

26 : 캡링 27 : 캡콘

28 : 용접 29 : 연소측면

30 : 피복층 31 : 코너부

31a : 코너부 32 : 모재

33 : 라이너캡 34 : 라이너캡

35 : 균열 36 : 냉각용 소공부

본원 발명은 가스터빈용 연소기에 관한 것이며, 내구성이 우수한 연소기에 관한 것이다.

발전플래트용의 가스터빈장치는 공해대책을 위해 배기가스중의 유해성분을 될 수 있는 한 저감시키는 것이 요구되고 있다. 배기가스중의 유해성분인 질소산화물 이른바 NOx를 저감하기 위해 연소기내에 물 또는 수증기를 분사하는 것이 제안되어, NOx 저감에 효과를 거두고 있다.

그런데, 이와같은 목적으로 물 또는 증기를 분사하는 연소기에 있어서는, 물을 분사하지 않는 것에 비해 여러가지 문제가 생긴다.

물분사의 노즐은 통상 연료를 공급하는 연소버너와 조합한 구조이며, 물분사에 수반하는 문제는 연소버너와 연소기라이너본체를 접속하는 부재인 라이너캡부재에 생기기 쉽다. 즉, 물분무는 본래 연소가스중에 투입하도록 되어 있지만, 그 일부는 라이너캡부재의 공기 냉각용으로 형성한 공간 또는 구멍을 통해 연소가스중에 들어가게 된다. 이와같은 공기냉각용의 소공을 통한 물의 유입은 라이너캡부재에 큰 영향을 미쳐서, 라이너캡부재에 내구성을 저하시키는 요인으로 되어 있었다. 즉, 라이너캡(10)의 구조는 제1도와 같으며, 제1도중 콘(1)은 연소화염(9)에 직접 접촉하는 것은 아니지만, 연소화염(9)의 복사에 의해 부재의 온도가 높아지는 부분이다. 따라서, 콘(1)의 부분에는 냉각용의 소공(2)이 다수 있으며, 소공(2)의 부분에서 도입한 공기를 흐르게 하여 공냉작용이 생기도록 되어 있다. 연료버너(11)는 콜러(collar)(3)의 부분에 삽입되며, 캡링(4)의 부분은 라이너슬리브본체(5)에 삽입된다. 그런데, 물분무노즐(6)을 가진 연료버너(11)를 사용한 경우, 본래 연소화염(9)중에 직접 투입되어야 할 물(7)이 라이너캡(10)의 구조 또는 냉각용 공기의 흐름등의 영향 때문에, 라이너캡(10)의 공기냉각용의 공간(8) 또는 소공(2)을 지나 연소화염(9)중에 들어가게 되는 일이 자주 생긴다.

또, 이 현상은 라이너캡(10)의 원주방향으로 균일하게 생기는 것이 아니라 부분적으로 생기기 쉽다. 따라서, 이와같은 현상이 생기는 라이너캡(10)에서는 연소가스 화염(9)으로부터의 복사열에 의한 온도상승, 냉각용 공기에 의한 냉각작용외에, 물분무용 노즐로부터 유입하는 물의 영향이 있다. 본래 화염으로부터의 복사열과 냉각용 공기와의 밸런스에 의해 적절한 온도조건으로 되도록 설계되어 있는 라이너캡에 대해, 물분무용 노즐로부터 유입하는 물에 의해 라이너캡의 온도밸런스는 현저하게 손상된다. 즉, 적절한 온도밸런스를 유지하고 있는 라이너캡에 대해 순간적으로 물이 충돌함으로써, 그 부분의 온도는 급격히 저하된다. 또, 라이너캡의 원주방향의 어떤 특정의 부분만 물이 충돌할 경우는, 역시 그 부분의 온도는 다른 부분에 비해 현저하게 저하된다. 이와 같은 순간적인 온도저하 또는 국부적인 온도저하는 라이너캡을 구성하는 재료에 열응력을 발생시키는 원인으로 된다. 특히, 이와같은 열응력의 발생은 연소가스화염으로부터의 복사를 직접 받는 콘(1)의 부분에서 현저해진다. 또, 콘(1)의 부분은 공기에 의한 냉각을 행하기 위한 소공(2)이 다수있어서 응력집중이 생기기 쉽다. 소공의 개공구 부근에서 열응력 때문에 라이너캡을 구성하는 내열재료에 균열등의 손상이 생기기 쉽게 된다. 이와같은 손상이 커지면 라이너캡 자체의 파손에 이르고, 파손되어 비산한 부재편은 연소기라이너의 하류방향에 있는 블레이드, 노즐등에 큰 손상을 준다. 종래는, 이와 같은 열응력에 의한 라이너캡상을 방지하는 방법으로서, 물분무노즐의 개량 또는 응력집중이 생기기 쉬운 냉각용의 소공의 개공구 부근의 형상의 개량등의 방법이 행해지고 있었다. 그런데, 어떠한 방법도 라이너캡의 형상의 복잡성 때문에, 충분히 효과적인 것으로는 될 수 없는 것이었다.

즉, 전술한 것처럼 저 NOx형 물분무연소기의 종래의 구조의 문제점은 물분무용 노즐로부터 혼입하는 물의 영향에 기인한 것이다. 즉, 라이너캡에 있어서 연소가스와 접해 고온으로 되어 있는 부분에 급격히 물이 충돌했을 경우, 또는 국부적으로 전술한 바와같은 현상이 생겼을 경우의 라이너캡을 구성하는 기재(基材)중에 온도구배가 생겨 열응력이 발생한다. 라이너캡의 연소가스와 접하는 부분은 공기 냉각을 행하기 위한 소공이 다수 있어서 그 부분은 응력집중이 생기기 쉬운 형상으로 되어 있다. 따라서, 기재중에 열응력이 발생한 경우, 부재중에 현저한 응력집중이 일어나서, 기재를 구성하는 재료의 강도한계를 넘었을 경우, 부재의 파손으로 되어 버린다. 이밖에 다음과 같은 것을 들 수 있다. 물분무용 노즐로부터 혼입하는 물의 영향에 의한 라이너캡부재의 고온산화, 또는 수중의 불순물의 부착 등에 의한 부재표면상태의 열화에 의해, 냉각용 공기에 의한 부재의 냉각작용에 대한 열저항의 발생이 있다.

이와같이 냉각작용이 저하됨으로써 부재의 온도는 상승한다. 특히, 물분무용 노즐로부터의 물의 혼입이 라이너캡의 국부에 집중했을 경우, 전술한 바와 같은 냉각에 대한 열저항이 발생하는 현상으로 부재의 온도는 국부적으로 높아져 역시 부재에 열응력이 발생하게 된다. 한편, 물분사용 노즐로부터의 물이 라이너캡의 연소가스와 접촉하는 부분의 냉각용 공기의 유입공으로부터 연소가스중에 유입할때 냉각용 공기의 유입공으로부터의 유입공기량이 저하하여 가스의 연소의 공연비(空燃比)가 변화하고, 연소화염은 라이너캡의 표면에 가까와지게 된다. 이와 같은 물혼입의 영향에 의한 현상이 라이너캡의 다수의 냉각용 공기의 유입공내에서 국부적으로 온도가 상승하고, 부재중에 열응력이 생긴다. 이상과 같이, 물분무용 노즐로부터 혼입하는 물의 영향은 모두 부재내의 열응력의 발생을 초래하여 부재의 응력집중부에서 부재의 손상이 생기게 된다. 이와 같이 물분무용 노즐을 사용하는 저 NOx형 연소기의 라이너캡의 손상을 방지하는 방법으로서 라이너캡내에 열응력이 발생하지 않도록 하는 것이 가장 바람직하다. 열응력의 방지방법에 대하여는 물분무용 노즐 또는 라이너캡의 구조 등의 개선이 있지만, 냉각용 공기의 흐름, 연소가스의 영향등의 문제가 있고, 이와 같은 방법에 의해 해결하는 것은 매우 곤란하다.

본원 발명의 목적은 물을 분사하는 연소기의 균열의 발생을 방지한 긴 수명의 연소기를 제공하는데 있다.

그래서, 본원 발명자들은 물분무용 노즐로부터의 물이 혼입이 생겼을 경우에 있어서도 라이너캡에 열응력이 발생하지 않는, 즉 국부적인 온도상승이 생기지 않는 구조의 라이너캡을 개발하는 것에 대해 여러가지로 검토했다. 그 방법으로서, 국부적으로 생기는 1) 연소가스화염으로부터 부재에의 입열(入熱), 2) 고온상태의 부재에의 물의 충돌에 의한 온도구배의 변화, 3) 부재의 표면상태의 변화에 의한 냉각작용의 열저항의 발생, 등의 문제를 방지하는 것이 유효하다는 것을 발견했다. 그리고, 이와같은 문제는 모두 라이너캡부재에 표면처리를 행함으로써 해결할 수 있다는 것을 발견했다. 즉, 본원 발명자들은 연소기의 균열이 단지 물분사에 의한 급냉각에 의해서만 발생하는 것이 아니라, 국부적인 과열부가 생겼을 경우에 물로 급냉되었을때 생긴다는 것을 실험적으로 확인하고, 국부적인 과열부가 발생하지 않도록 하여 균열발생을 방지했다.

본원 발명은 연소화염의 복사열을 받지 않게 하기 위해 세라믹피복층을 형성하고, 뒷면은 공기냉각을 저해하는 산화물이 발생하지 않도록 내식금속재료의 피복층을 형성한 것을 특징으로 한다.

본원 발명은 가스터빈용 연소기에 있어서 가장 손상이 생기기 쉬운 연소가스와 접하는 부분(제1도의 콘(1)의 부분)에 표면처리를 행하는 것이다. 그런데, 고온가스터빈등의 고온조건하에서 사용되는 부재에 대해서는, 부재의 온도상승을 방지하는 방법으로서 세라믹코팅이 행해지고 있다. 이와 같은 세라믹코팅은 가스터빈부재의 연소기라니어본체, 블레이드, 노즐 등에 행해지고 있으며, 어느 부재에 있어서도 공기에 의한 냉각작용이 부족한 부분을 보완하여, 부재를 구성하는 재료 자체의 온도저감을 도모하는 방법으로서 실시되고 있다.

이와 같은 세라믹코팅은 열차폐코팅이라고 불리우고 있으며, 주로 ZrO₂계 재료가 피복된 것이다. 통상의 물분무를 수반하지 않는 구조의 연소기라이너에 있어서는, 라이너캡 자체의 온도는 400~500℃에 지나지 않으며, 부재를 구성하는 재료의 내열온도(약 700~800℃)에 비해 낮으므로 열차폐코팅등의 특별한 표면처리는 행해지고 있지 않다. 이와 같이, 종래 라이너캡에는 어느 것이든 표면처리를 한 예는 없다. 또, 연소기라이너본체, 블레이드, 노즐 등에 행해지고 있는 세라믹코팅을 물이 혼입하는 조건하에서 사용하는 예는 없다. 또, 물이 혼입하는 것과 같은 조건하에서의 코팅층의 효과를 명시한 예는 없으며, 오히려 그 효과로부터 물이 혼입하는 부분에서는 세라믹코팅층이 내구성상 바람직하지 못한 것이라고 생각되고 있었다. 이와 같은 기술적 배경하에서, 종래의 세라믹코팅을 포함하여 여러가지 코팅층을 행한 라이너캡에 대해 각종의 시험, 검토를 행하여, 다음에 기술하는 바와 같은 내구성이 우수한 물분무노즐이 장착되는 저 Nox형 연소기용 라이너캡의 구조를 명백히 했다.

본원 발명의 연소기용 라이너캡의 표면처리층이 구비해야 할 조건으로서는, 1) 연소가스화염으로부터의 입열에 의한 부재의 국부적인 온도상승의 방지, 2) 물분무노즐로부터 혼입하는 물의 충돌에 의한 부재에의 열충격의 완화가 주된 것이다. 1)의 조건은 라이너캡의 연소가스와 접하는 부분(연속측면)에 요구되며, 한편 2)의 조건은 라이너캡의 연소가스와 접하는 부분의 뒷면(냉각측면)에 주로 요구된다. 따라서, 본원 발명의 구조의 캡은 연소측면과 냉각측면의 양쪽면에 전술한 1)과 2)의 요구를 만족하는 표면처리를 행한 것을 특징으로 하는 것이다. 즉, 본원 발명에서는 물분무용 노즐로부터의 물의 혼입이 없는 상태에서 평형온도로 되어 있는 부재에 대해 외부로부터의 급격한 열변화가 가해졌을 때, 그 영향을 완화하여 부재의 평형상태의 온도를 급격하게 변화시키지 않도록 하는 것에 하나의 특징이 있다. 외부로부터의 열변화에 의한 부재의 온도변화의 완화작용은 열전도율이 작은 재료의 피복층을 형성함으로써, 피막두께 방향의 열확산을 작게 하고, 피막 자체의 온도상승에 의해 부재에의 입열량을 작게 함으로써 실현할 수 있다.

이와 같은 방법은 예를들면 부재에 대해 연소가스화염등이 정상의 연소위치에 비해 이상(異常)에 가까와진 경우의 부재의 열변화를 온화하는 방법으로서 유효하다. 한편, 또 하나의 방법으로서는 열전도율이 큰 재료의 피복층을 형성함으로써, 피막의 두께방향외에 피막내의 횡방향으로도 열확산을 촉진함으로써, 부재의 국부적인 과열을 방지함으로써 실현할 수 있다. 이와 같은 방법은 예를 들면 부재에 대해 물이 급격히 또한 국부적으로 충돌했을 경우의 부재의 열변화를 완화하는 방법으로서 유효하다. 즉, 전자의 완화작용은 라이너캡의 연소측면에 대해 유효하며, 후자는 냉각측면에 대해 유효하다.

본원 발명에 있어서, 이와 같은 작용을 가진 구조의 라이너캡을 실현함으로써, 물분무용 노즐을 장착할 수 있는 연소기라이너에 있어서의 라이너캡의 손상을 방지할 수 있다고 생각하여, 다음에 기술하는 바와 같은 여러가지 시험 및 검토를 행했다. 그 결과 물부눔용 노즐을 장착할 수 있는 저 Nox형 연소기에 있어서, 내구성이 우수한 구조의 라이너캡을 발생하기에 이르렀다.

제2도에 나타낸 바와같은 형상의 저 Nox형 연소기라이너용의 라이너캡에 대해 다음에 설명하는 방법에 의해 본원 발명의 구조의 라이너캡(33)을 제작했다. 라이너캡(33)은 하스텔로이-X(Hastelloy-X) 또는 그것과 대략 동등한 재료로 구성되어 있다. 먼저, 제2도에 나타낸 형상의 라이너캡(33)에 대해, 연소가스 화염에 노출되는 부분인 도면중 콘(20)부분의 냉각측면(20a)의 전체면에 대해 제3도와 같은 합금재료로 이루어지는 피복층(21)을 형성했다. 피복층(21)의 형성은 플라즈마용사법(溶射法)을 이용하여 행했다. 그 시공방법의 상세는 다음에 설명하는 바와 같다.

먼저, 용사를 행하기 전에 전처리로서 용제를 사용하여 용사를 행하는 부분을 탈지세정했다. 그후, 후공정으로 용접작업을 행하는 부분(22)에 대해 접착제부가 유리테이프를 붙이고, 다시 그 위로부터 실리콘고무를 도포한다고 하는 용사방지용의 마스킹처리를 행했다. 그 후, 용접을 행하는 부분에 대해 블라스트처리를 행하고, 부재표면의 산화물피복등을 제거하여 청정면으로 하고, 다시 그 표면을 조면화(粗面化)했다. 블라스트조건은 입경 약 0.7㎜의 알루미나제 그릿을 사용하며, 그릿의 분사용 공기의 압력은 약 5㎏/㎠이다. 그리고, 블라스트는 제3도의 냉각공기용 소공부(23)에 대해서는, 제3도의 소공부(23)의 단면확대도에 나타낸 내부(24)까지 블라스트를 행하도록 했다.

그후, 즉시 합금재료(25)를 용사했다. 용사용의 합금재료의 성분은 32% Ni-21% Cr-8% Al-0.5% Y-잔부 Co로 이루어지는 것으로서, 분말입경은 10~44㎛의 범위내의 것을 사용했다. 그리고, 용사를 행하기 전에 플라즈마아크를 사용하여 부재를 예열하고, 예열온도가 120℃ 이상 160℃ 이하의 범위에서 용사를 개시했다. 용사조건은 Ar-H₂혼합가스플라즈마를 사용하며, 플라즈마아크의 출력은 40kW이다. 부재는 회전용 지그(jig)에 장착되어 일정한 회전수로 회전하고 있다. 용사종료시의 부재온도가 180℃ 이하로 되도록 용사회수 또는 퍼지용 공기의 압력등을 설정했다.

이와 같이 부재를 온도관리함으로써, 양호한 밀착력을 가진 피복층(21)을 형성할 수 있다. 피복층(21)의 두께는 약 0.2㎜이며, 그 정밀도는 ±20㎛로 한다. 또, 제3도에 나타낸 냉각용 소공부(23)의 부분에 대해서도 플라즈마토치의 각도를 적절히 설정함으로써 용사되도록 했다. 이와 같이 냉각용의 소공부(23) 부분에 대해서도 용사하는 것은 라이너캡의 이 부분의 표면산화등에 의한 냉각공의 공기분출의 유효 단면적을 변화시키지 않는데 중요한 것이다. 그리고, 이 부분의 용사층 두께는 시공상의 문제가 있으며, 전술한 두께에 비해서 약 50% 얇은 것으로 되는 경향이 있다. 이와 같이, 먼저 냉각측면의 전체면에 대해 고온내산화성, 고온내식성이 우수한 합금재료의 피복층(21)을 형성한다. 그후, 제2도중 캡링(26)과 캡콘(27)의 부분을 용접(28)하고, 그 후 부재를 용체화처리한다. 다음에, 이와 같이하여 형성된 라이너캡의 연소측면(29)에 ZrO₂계 재료의 피복층(30)을 형성한다. 이 공정에 있어서도 시공방법은 팔르자마용사법이며, 그 전처리는 냉각측면(20a)의 경우와 같다. 피복층(30)은 ZrO₂-8% Y₂O₂로 이루어지는 ZrO₂계 재료이며, ZrO₂계 재료의 용사에 앞서, 먼저 전술한 합금성분으로 이루어지는 Co-Ni-Cr-Al-Y 합금의 용사층을 형성하여 ZrO₂계 재료의 용사층과 부재와의 결합력을 강화하도록 했다.

이와 같은 결합층의 용사조건 등은 상기 냉각측면의 조건과 같다. 결합층의 두께는 0.1±0.02㎜이다. 이어서, ZrO₂계 재료를 용사했다. 용사조건은 결합층인 합금층과 대략 같지만, 그 플라즈마출력은 55㎾이다. 또, 부재의 예열온도는 120℃ 이상 160℃ 이하이며, 용사종료후의 온도가 220℃이하로 되도록 용사조건을 설정했다. 이와 같은 조건으로 용사함으로써 부재의 밀착력이 우수한 ZrO₂계 재료의 용사층을 형성할 수 있다. ZrO₂계 재료의 용사층의 두께는 0.2±0.02이다. 그리고, 본원 발명의 라이너캡을 제작할 때에는, 제3도에 나타낸 냉각용 소공부(23)에 대해 본래의 설정한 공기유입량을 확보하기 위해 부재를 성형할 때에 미리 피복층의 두께를 고려하여, 그 유효단면적의 크기를 설정하는 것도 중요하며, 본원 발명에 있어서는 소공부(23)의 코너부(31)의 처리로서, 피복층이 코너부(31)에서 두께 0으로 하고, 서서히 두껍게 하여 소정의 두께로 되도록 하고 있다. 그러나, 코너부(31a)에 대해서는 피복층이 벗겨지는 것을 고려하여 콘모재(32)의 판두께 방향에도 피복층을 형성하도록 하고 있다.

이상과 같이 제작한 본원 발명의 라이너캡(33)을 저 NOx형 연소기라이너에 장착하여 실기계의 가스터빈의 가동시험을 했다. 그리고, 비교를 위해 종래의 구조의 라이너캡(34)에 대해서도 같은 가동조건으로 시험을 실시했다. 가동시간은 약 1000시간이며, 그 사이에 약 60회의 기동정지를 했다. 시험 후의 라이너캡 외관관찰의 결과, 종래의 구조의 라이너캡에 있어서는 제4도 및 제5도에 나타낸 바와같이 냉각용 소공부(36)의 사이에 균열(35)이 발생되어 있었다. 한편, 본원 발명의 구조의 라이너캡은 부재의 균열등의 손상은 없으며, 또한 연소측면의 피복층을 블라스트처리로 제거한 후에 관찰해도 부재의 손상은 볼 수 없었다. 이와 같이, 본원 발명의 구조의 라이너캡은 그 내구성이 충분히 우수한 것이라는 것이 명백해졌다.

본원 발명의 효과에 대해 온도선도를 이용하여 설명한다. 제6도 및 제7도는 제3도의 C-C단면에 상당하는 부분의 각 부분의 온도분포를 나타내고 있다.

제6도는 화염측에만 세라믹피복층(30)을 가지며, 반대측에는 국부적으로 산화막(37)이 붙은 상태를 나타내고 있다.

제6도에 있어서, 모재(32)의 냉각측면에 산화막이 없는 곳에서는 각 부분의 온도분포는 실선으로 나타낸 것처럼 연소가스온도(38)는 피복층표면에서 약간 낮은 온도(39)로 되며, 피복층(30)내에서 열전도율이 낮기 때문에, 상당한 온도강하를 나타내고, 모재(32)의 반대측에 있어서 흐르고 있는 냉각공기(42)의 온도(40)에 약간 가까와지는 경향으로 모재(32)내에서 완만하게 저하하는 상태로 된다.

그러나, 분무수에 의해 모재(32)의 표면에 산화막 등의 부착물(37)이 퇴적하면 본 도면중 파선으로 나타낸 온도선으로 된다. 즉, 부착물(37)의 피복층(30)과 같이 열전도율이 매우 낮아 냉각공기(42)에 의한 냉각효과가 나빠지기 때문에, 냉각측의 모재(32)의 온도(41)가 높아진다. 모재(32)의 냉각측의 면에서는 부착물이 있는 곳과, 비교적 산화막이 얇은 곳에서는 △T라는 온도차가 생긴다. 이 온도차에 의해, 모재(32)의 냉각측면에 커다란 열응력이 발생하여 냉각공기공의 예각부등에서 균열(35)(제5도)이 발생하는 원인으로 되어 있었다.

또, 모재(32)의 온도도 파선으로 나타낸 것처럼 높아져서, 부착부가 있는 부분이 과열되기 쉬운 것이다. 그래서, 본원 발명은 제7도에 나타낸 것처럼 냉각공기(42)가 흐르고 있는 측의 모재(32)의 표면에 고온내식성이 우수한 합금재료(25)를 용사하여, 모재(32)의 표면에 부착물(37)이 부착하는 것을 완전히 방지함으로써, 모재(32) : 의 열응력의 발생을 방지할 수 있도록 한 것이다. 합금재료(25)는 금속재료성분으로 이루어져 있는 것으로서, 모재(32)와 열전도율은 대략 같고, 연소가스온도(28) 및 피복층(30)의 표면의 온도(39)를 종래와 동등하다고 생각하면 온도선(43)은 제6도에 나타낸 부착물(37)이 없을 때의 실선의 온도선과 동일하게 되어, 부착물의 부착방지에 의해 열응력의 저감을 도모할 수 있는 것이다.

제7도의 온도분포에 의하면, 모재(32)의 온도도 낮고, 또한 냉각측면의 온도도 국부적으로 변동이 없기 때문에 열응력은 작아진다.

다음에, 세라믹층(30)의 뒷면이 수냉각될 경우 박리가 문제로 된다.

그래서, 먼저 이와 같은 문제를 해결하기 위해, ZrO₂계를 주성분으로 하는 산화물 및 그 밖의 2~3의 산화물에 대해 각종의 실험을 했다. 그리고, 본원 발명의 라이너캡의 피복층의 형성방법에 대해 특히 제한은 없지만, 시공시의 경제성등의 관점에서 고출력용사법, 특히 플라즈마용사법을 이용하는 것이 바람직하다. 표 1은 본원 발명자들이 검토한 결과의 일예를 나타낸 것이다. 피복층의 형성은 플라즈마용사법으로 행했다. 시험방법으로서는 800℃, 15㎜유지 후 25~30℃의 수중에 침지(浸漬)(15초) 한다고 하는 열사이클의 반복시험 및 산소ㆍ아세틸렌혼합가스화염으로 피복층표면을 가열하고, 그 표면온도를 1000℃로 하여, 5초 유지 후 가스화염을 제거하여 냉각(20초)한다고 하는 열사이클의 반복시험을 각각 행한 결과이다. 그리고, 가스화염을 사용한 시험에서는, 부재의 뒷면측을 항상 3㎏/㎠의 압력으로 실온의 압축공기를 분사냉각작용을 하도록 했다. 어떠한 피복층의 경우도 부재와 산화물층 사이에 금속합금층을 형성했다.

[표 1]

이와 같은 열사이클시험의 결과, 어떠한 방법에 있어서도 Al₂O₃계 산화물에 비해 ZrO₂계 산화물이 내구성에서 우수한 성질을 갖고 있었다. 또, ZrO₂계 산화물에 대해서도 각종 안정제를 첨가한 것에 대해 검토한 결과, Y₂O₃를 첨가한 것이 우수하는 것이 명백해졌다. 다음에, 이와 같은 세라믹피복층을 가진 부재에 대해 가스화염등의 열충격일 작용했을 때의 부재의 온도변화에 대해 검토했다. 시험방법은 부재의 표면을 가스화염으로 급격히 가열하고, 그때의 부재 뒷면의 온도변화를 측정했다. 그리고, 부재의 뒷면은 전술한 바와같이 압축공기로 냉각했다. 온도의 측정은 부재의 뒷면에 CA열전대(熱電對)를 용착하고, 가스화염에 대응하는 부분의 뒷면온도를 측정했다.

그 결과의 일예를 제8도에 나타낸다. 도면중 (101)은 세라믹피복층을 갖지 않은 부재, (102)는 Al₂O₃피복층, (103)은 ZrO₂계 산화물의 피복층을 형성한 부재의 결과이다. 부재 뒷면의 온도와 시간의 관계로 부터 ZrO₂계 산화물의 피복층을 형성한 부재가 그 온도상승의 정도가 가장 완만하다는 것이 명백해졌다. 이 결과는, 예를 들어 라이너캡의 연소측면에 국부적으로 연소가스화염이 접근했을 경우의 부재의 온도변화의 상태를 모의(模擬)한 것이다. 열전도율이 작은 ZrO₂계 산화물을 피복했을 경우, 급격한 열변화가 생겼을 때에도 피복층을 갖지 않은 부재에 비해 그 온도변화는 매우 완만하다.

또, 제9도 및 제10도는 상기 시험방법과 같은 방법으로 가열했을 때의 부재뒷면의 온도분포를 측정한 결과의 일예이다. 제9도는 ZrO₂계 산화물을 피복한 부재, 제10도는 세라믹피복층을 갖지 않은 부재의 결과이다. 어느 경우도 도면중 (201)의 곡선은 가스화염에 대응하는 뒷면부, (202)의 곡선은 가스화염중심으로 부터 10㎜, (203)의 곡선은 가스화염중심으로부터 20㎜ 떨어진 부분의 온도이다. 이 결과, 피복층을 갖지 않는 부재에서는 가스화염의 가열에 의한 부재 뒷면의 온도상승은 가열중심으로부터 한정된 부분에 현저하게 나타난다. 한편, ZrO₂계 산화물의 피복층을 가진 부재에 있어서는 부재의 온도상승이 완만한 동시에, 가열중심에 그 영향이 집중되지 않는다. 이들 결과는 국부적으로 급격한 열변화가 생겼을 경우에도, 피복층을 갖지 않은 종래의 구조의 라이너캡에 비해, 본원 발명의 구조의 라이너캡에서는 부재의 국부적인 온도상승을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있다.

그리고, 이상의 각종 검토를 행할 때에는 세라믹피복층의 두께의 영향에 대해서도 조사했다. 그 결과, 본원 발명의 라이너캡에 있어서, 약 0.1㎜ 이상의 두께의 ZrO₂계 산화물의 피복층을 형성함으로써, 제8도~제10도와 같은 효과가 얻어진다는 것을 알았다. 한편, 이와 같은 본원 발명의 효과를 충분히 발휘유지하는데는 표 1에 나타낸 바와 같은 각종 열사이클시험의 결과, 그 두께는 약 0.5㎜이하, 바람직하게는 0.3㎜정도로 하는 것이 바람직하다.

또, 본원 발명의 구조의 라이너캡은 제8도~제10도에서 명백한 것처럼 세라믹피복층은 부재의 전체의 온도를 균일하게 저감하는 열차폐효과라고 하는 종래공지인 부가적인 효과도 기대할 수 있다. 다음에, 라이너 캡의 냉각측면의 표면처리에 대해 검토했다. 열전도라고 하는 관점외에, 본원 발명의 라이너캡에서는 부재자체가 고온상태이며, 또한 연소가스중의 각종 불순물에 의한 부식생성물의 영향, 또한 물분무용 노즐로부터 혼입하는 물의 부착에 의한 부재표면의 산화, 또는 수중의 불순물의 영향등을 충분히 고려할 필요가 있다. 특히, 고온산화 또는 연소가스, 수중의 불순물에 의한 부식생성물의 부착은 냉각측면의 부재표면에서의 냉각효과를 현저하게 손상시킨다. 또한, 그 현상이 공기냉각작용의 소공 또는 작은 간극등에 생겼을 경우, 그 부분의 냉각효과를 현저하게 손상시킨다.

이와 같은 냉각효과의 저하, 특히 그것이 국부적으로 생긴 결과 상기와 같이 국부적인 부재온도의 상승을 초래하여 라이너캡의 수명을 현저하게 손상시키게 된다. 따라서, 냉각측면의 피복층재료는 이와 같은 점을 충분히 고려하여 선정하는 것이 본원 발명의 효과를 발휘하는데 특히 중요해진다. 그래서, 세라믹재에 비해 열전도율이 큰 각종 금속재료의 피복층에 대해 검토했다.

먼저, 각종 재료에 대해 고온산화, 고온부식시험을 행했다. 고온산화시험은 800℃ 중에서 100시간 유지하고, 고온부식시험은 760℃의 25% NaCl-75% Na₂SO₄용융염중에서 100시간 유지했다. Al, Fe, Ni등의 금속재료의 경우, 산화 또는 부식시험의 결과 피복층은 현저하게 손상된다. 또, Fe-Al, Ni-Al, Ni-Cr등의 합금재료에서는, 외관상의 손상정도는 약간이지만, 단면조직의 관찰결과 각각의 시험에 있어서 내부손상의 진행이 발견되었다. 한편, Ni-Cr-Al, Co-Cr-Al, Ni-Cr-Al-Y, Co-Cr-Al-Y, Co-Ni-Cr-Al-Y계 등의 합금재료는 외관상 또는 내부조직의 관찰결과 모두 피복층에 아무런 손상을 볼 수 없었다. 이와같은 검토결과, 본원 발명의 라이너캡은 전술한 바와 같은 고온내산화성, 고온내식성에 우수한 각종 합금계 재료를 사용한 피복층을 형성하는 것이 필요해진다.

이와 같은 합금재료로서는 그 성분범위에 관해 특히 제한은 없다. 또, 상기 합금원소외에 Ta, Hf, Si등의 원소를 첨가한 합금계라도 아무런 지장이 없다. 그래서 다음에, 상기와 같은 고온내산화성, 고온내식성에 우수한 합금재료를 피복한 부재를 사용하여 본원 발명의 라이너캡의 냉각측면의 표면처리효과에 대해 검토했다. 시험방법은 피복층을 가진 부재표면을 압축공기로 냉각하고, 또한 피복층을 갖지 않은 부재면을 산소ㆍ아세틸렌혼합가스화염으로 가열하여, 가열측의 표면의 온도를 방사온도계를 사용하여 측정했다. 시험은 가열ㆍ냉각의 조건을 일정하게 유지하여 부재의 온도가 500℃에서 평형상태에 달한 후, 피복층을 가진 부재면에 물을 분무하고, 그때의 부재온도의 시간변화를 측정했다.

비교로서, 피복층을 갖지 않은 부재에 대해서도 행했다. 그리고, 물분무용 노즐경에 대해 가열용 버너경이 큰 것을 사용하여, 부재의 온도분포의 영향을 무시할 수 있는 것으로 했다. 그 결과, 피복층을 갖지 않은 부재는 물분무용 노즐에 대응한 부분의 온도는 급격히 저하했다. 한편, 피복층을 가진 부재에서는 그 변화는 완만했다. 이와 같이 합금재료의 피복층을 가진 부재에서는 국부적으로 물의 충격이 발생했을 때도, 부재의 온도가 국부적으로 급격히 저하하지 않는다는 것이 명백해졌다. 또, 이와 같은 효과는 피복층의 두께를 여러가지로 변화시켜 검토한 결과, 약 0.1㎜ 이상 바람직하게는 0.3㎜ 정도이면 충분하다는 것을 알았다. 한편, 피복층의 두께가 지나치게 두꺼울 경우, 부재에 대한 공기냉각작용이 저하하며, 역으로 부재자체의 온도상승을 초래하게 된다.

또, 피복층을 형성할 때에 생기는 피복층중의 잔류응력의 증가도 초래하여, 실기계에서의 가동, 정지의 반복에 의한 열사이클에 의해 피복층의 박리등의 손상이 생긴다. 따라서, 이와 같은 점을 고려하고, 또한 피복층을 형성할 때의 경제성면에서의 그 두께는 0.5㎜이하로 하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 검토결과를 근거로 하여, 응력집중부를 가진 부재를 제작하고, 그 연소측면에 ZrO₂계 산화물, 냉각측면에 NiCrAlY 합금의 피복층을 형성한 시험편으로, 실기계의 라이너캡에서의 작용을 모의한 시험을 행했다. 시험편은 그 중앙부에 1㎜×10㎜의 슬릿형의 구멍을 형성하여, 그 코너부에 응력집중이 생기도록 했다. 가열은 전술한 가스화염을 사용하며, 냉각은 압축공기를 사용했다. 또, 냉각측면에의 물분무도 전술한 방법과 같다. 부재의 온도변화는 냉각측면의 온도를 측정하고, 700℃의 온도에서 부재가 평형 상태에 달한 다음, 슬릿공의 코너부에 직경 5㎜의 노즐로 물분무를 30초 행하고, 그 후 물분무를 멈추고, 가스화염을 시험편 밖으로 이동시켜 냉각했다. 이와 같은 사이클을 반복했다. 그 결과, 피복층을 갖지 않은 부재는 약 80회의 반복사이클에서 슬릿의 코너부에 균열이 발생했다. 한편, 냉각측면, 연소측면 양쪽에 피복층을 형성한 것은 약 500회의 반복사이클후에 있어서도, 외관 또는 단면조직의 관찰결과 부재중에 아무런 손상이 생기지 않았다.

그리고, 냉각측 또는 연소측의 어느 한쪽에만 피복층을 형성한 부재에서는, 약 150회에서 균열이 발생했다. 이와 같이, 본원 발명의 라이너캡에서는 연소측과 냉각측의 각각의 효과가 상승적으로 발휘된 결과, 그 효과가 현저해진다. 따라서, 본원 발명의 구조의 라이너캡에서는 양자의 피복층을 형성하는 것이 필요한 것으로 된다. 한편, 그와 같은 피복층의 형성방법은 전술한 바와 같다. 그리고, 냉각측면의 피복층의 형성방법으로서 플라즈마용사법을 이용하는 것에 의한 효과로서는, 고밀도피복막이며 공기냉각작용을 손상하는 열저항이 적고, 또한 용사층 특유의 피막표면의 수 μ오더의 요철(凹凸)은 공기냉각시의 유효면적을 크게 하는 효과가 있다. 또한, 이와 같은 요철은 물의 충격의 에너지를 분산시켜, 그 영향을 적게 한다고 하는 부가적인 효과도 있다.

그리고, 본 실시예는 라이너캡에 대해 설명했지만, 라이너슬리브본체(5)에 실시해도 좋다. 슬리브본체에 실시한 경우에는, 가스터빈이 해안 가까이에 설치되어 냉각공기에 염분이 포함되어 있어서, 슬리브본체가 부식되기 쉬운 분위기중에서 사용될 경우에 효과가 있다.

이상 설명한 바와같이, 본원 발명에 의하면 화염의 복사열을 받는 측에 세라믹피복층을 형성했으므로, 모재의 온도상승이 작아지고, 뒷면에 내식성 재료의 피복층을 형성했으므로, 열전도가 나쁜 부착물의 발생을 방지할 수 있고, 따라서 국부적인 과열부분이 생기지 않으므로, 균열의 발생을 방지할 수 있다.

Claims

벽면에 다수의 냉각공기공을 갖는 금속성 통형의 라이너와, 이 라이너의 끝면에 설치되고, 다수의 냉각공기공을 갖는 라이너캡과, 이 라이너캡과 상기 라이너로 형성되는 내부공간에 연료를 공급하는 연료노즐과, 상기 라이너캡의 배후에 배치되고, 연소가스중에 물을 분사공급하는 물분무노즐과, 상기 라이너를 에워싸고, 또한 라이너외벽면과의 사이에 공기 통로를 형성하고 있는 외통을 구비하여 이루어지는 가스터빈용 연소기에 있어서, 상기 라이너캡의 화염복사열을 받는 면에 세라믹피복층을 형성하고, 반대측의 면에 라이너를 구성하고 있는 모재금속보다 고온내식성이 우수한 내식금속재료의 피복층을 형성한 것을 특징으로 하는 가스터빈용 연소기.
제1항에 있어서, 상기 세라믹피복층은 ZrO₂를 주성분으로 하는 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스터빈용 연소기.