(57)【要約】【課題】  ガスタービンの高温部材において、フィルム冷却よりも冷却空気量を低減してガスタービンの熱効率を向上する。【解決手段】  高温ガスにさらされる構造材１の表面を気孔率の異なる複数の多孔質金属２，３，４で被い、多孔質金属２，３，４の間に仕切り板６を設け、さらに多孔質金属２，３，４の表面を多孔質セラミック層５で被覆し、構造材１に冷却ガスの供給孔７を設けて構造材１側から多孔質金属２，３，４へ冷却ガスを供給して、多孔質セラミック層５の表面から冷却ガスをしみ出させて部材を冷却する。部材表面の高温ガス圧力の変化に応じて多孔質金属２，３，４の気孔率を変化させ、多孔質セラミック層５からしみ出してくる冷却ガス量を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガスにさらされる構造材の表面を多孔質金属で被い、該多孔質金属の表面を多孔質セラミック層で被い、前記構造材に冷却ガスの供給孔を設けたことを特徴とするガスタービンの高温部材。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンの高温部材において、
前記冷却ガス供給孔と高温ガス雰囲気との間の部材の流動抵抗を異ならしめたことを特徴とするガスタービンの高温部材。
【請求項３】
請求項１に記載のガスタービンの高温部材において、前記多孔質金属の気孔率を異ならしめたことを特徴とするガスタービンの高温部材。
【請求項４】
請求項３に記載のガスタービンの高温部材において、気孔率の異なる複数の多孔質金属を用い、異なる該多孔質金属の間に仕切り板を設けたことを特徴とするガスタービンの高温部材。
【請求項５】
請求項１に記載のガスタービンの高温部材において、
前記多孔質金属の厚みを異ならしめたことを特徴とするガスタービンの高温部材。
【請求項６】
請求項２−５のいずれかに記載のガスタービンの高温部材において、前記高温ガスの圧力分布に応じて、前記冷却ガス供給孔と高温ガス雰囲気との間の部材の流動抵抗が設定されたことを特徴とするガスタービンの高温部材。
【請求項７】
高温ガスにさらされる構造材の表面を多孔質金属で被い、該多孔質金属の表面を多孔質セラミック層で被覆し、前記構造材に冷却ガスの供給孔を設けたガスタービンの高温部材の冷却方法において、
前記供給孔から供給した冷却ガスを、該多孔質金属を経由させて該多孔質セラミック層からしみださせることを特徴とするガスタービンの高温部材の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガスに晒され、冷却を必要とするガスタービン設備の高温部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは圧縮機で圧縮した空気を燃料と混合して燃焼器で燃焼させ、発生した高温ガスでタービンに仕事をさせて動力を得るため、高温ガスに晒される部材を冷却する必要がある。冷却には圧縮機で圧縮された空気を一部抽気して使用するが、冷却空気の割合が増加するとシステムの熱効率が低下するため、できるだけ少ない冷却空気量で必要な冷却性能を達成する必要がある。
【０００３】
ガスタービン翼に代表されるように外部からの熱負荷が大きい部材の冷却には、従来からフィルム冷却と呼ばれる冷却方法が用いられている。フィルム冷却は部材に冷却媒体の噴出し孔を設け、冷却媒体を作動ガスである高温ガス中に流出して部材表面を覆うことにより、高温ガスからの入熱量を低減する。
【０００４】
フィルム冷却効率を向上させ、必要な冷却空気量を低減するため、フィルム冷却孔形状の最適化が試みられてきた。例えば、特開２００５−１８０３３９号公報，特開２００７−１３８７９４号公報，特開２００６−３０７８４２号公報などに記載の技術がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８０３３９号公報
【特許文献２】特開２００７−１３８７９４号公報
【特許文献３】特開２００６−３０７８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、フィルム冷却では部材表面を冷却空気で均一に覆うことが難しく、冷却効率を向上するためにフィルム冷却孔を増やすと、冷却空気量が増加して作動ガスの温度低下や空力損失の増大により熱効率が低下する。また部材強度が低下し、寿命の縮小や信頼性の低下につながる。
【０００７】
本発明の目的は、部材強度の低下を抑制した上で、必要な冷却空気量を低減して熱効率を向上することができるガスタービンの高温部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
高温ガスにさらされる構造材の表面を多孔質金属で被い、該多孔質金属の表面を多孔質セラミック層で被い、前記構造材に冷却ガスの供給孔を設けた。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガスタービンの高温部材において、部材強度の低下を抑制をした上で、必要な冷却空気量を低減して熱効率を向上することができるガスタービンの高効率化を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施例１）
図１は、本発明の一実施形態を示すガスタービンの高温部材の断面図である。本実施形態の高温部材では、高温ガスにさらされる構造材１の表面を気孔率の異なる複数の多孔質金属２，３，４で被い、多孔質金属の間に仕切り板６を設け、さらに多孔質金属の表面を多孔質セラミック層５で被覆し、構造材に冷却ガスの供給孔７を設けている。本実施形態の高温部材は、構造材側から多孔質金属２，３，４へ冷却ガスを供給して、多孔質セラミック層５の表面から冷却ガスをしみ出させて部材を冷却することに特徴がある。
【００１１】
冷却ガス量は高温ガスと冷却ガス供給口の圧力差と部材内部の流動抵抗で決定される。多孔質金属の気孔率を大きくすれば流動抵抗が小さくなって冷却ガス量は増加し、気孔率を小さくすれば流動抵抗が大きくなって冷却ガス量は減少する。したがって、部材表面の高温ガス圧力の変化に応じて多孔質金属の気孔率を変化させれば、高温ガスの圧力によらず多孔質セラミック層からしみ出してくる冷却ガス量を制御することができる。また、気孔率の異なる多孔質金属２，３，４を仕切り板６で分離していることにより、流動抵抗を決定する気孔率の設定が容易になる。
【００１２】
本実施例の高温部材は、高温ガスにさらされる構造材１の表面を多孔質金属２，３，４で被い、多孔質金属２，３，４の表面を多孔質セラミック層５で被い、構造材１に冷却ガス供給孔７が設けられている。このように構成されていることにより、冷却ガスを、しみ出させるように部材表面全体に流すことができ、フィルム冷却のように部分的に冷却ガスが過剰に流れることなく冷却性能の向上が図れ、冷却ガス量を低減してガスタービンの熱効率を向上することができる。さらに、冷却ガスは多孔質金属２，３，４の内部で分散されるため、構造材１に開いている冷却ガス供給孔７はフィルム冷却の場合に比べて少なくすることができ、部材の構造強度が向上する。
【００１３】
また本実施例の高温部材は、冷却ガス供給孔７と高温ガス雰囲気との間の部材である多孔質金属２，３，４の流動抵抗を異ならしめるよう構成されている。具体的には、多孔質金属２，３，４の気孔率が異ならしめられている。これにより、多孔質セラミック層５からの冷却ガスのしみ出し量を所望の傾向とするように異ならしめることができ、部材表面の熱負荷に応じて、必要な量の冷媒を効率よく供給することができる。さらに、気孔率の異なる複数の多孔質金属２，３，４を用い、これらの異なる多孔質金属の間に仕切り板６が設けられていることにより、多孔質金属２，３，４や多孔質セラミック層５の損傷を抑制することができる。
【００１４】
以上説明した実施例１は平板に関するものであるが、図２に示したように部材が曲率を持っていても同様の効果が得られる。特に高温ガスの圧力変化が大きいこのような形状に対して、本発明の効果はさらに有効となる。また多孔質金属の気孔率の種類は特に限定されるものではない。
【００１５】
（実施例２）
図３は、本発明の他の実施形態を示すガスタービンの高温部材の断面図である。本実施形態の高温部材では、多孔質金属２０２，２０３，２０４の間の仕切り板がない点が実施例１の高温部材と異なっており、構造が簡略化されたことにより製作性が向上する。ただし、多孔質金属間に冷却ガスの移動が発生し、多孔質セラミック層２０５からの冷却ガスのしみ出し量の制御が実施例１より難しくなる。したがって、本実施形態の構造は、高温ガスの圧力分布に大きな変動がなく、製作コストを削減したい場合に採用するのが効果的である。
【００１６】
また構造材にフィルム冷却孔を開けた場合に比べ、冷却ガスの供給孔を少なくすることができるので、構造強度が向上する。さらに仕切り板がないので構造材の形状がシンプルで済み、実施例１の高温部材よりも構造材の構造強度をさらに向上させることができる。
【００１７】
（実施例３）
図４は、本発明の他の実施形態を示すガスタービンの高温部材の断面図である。本実施形態の高温部材では、多孔質金属３０２の気孔率が連続的に変化しており、また多孔質金属の間の仕切り板がない点で実施例１の高温部材と異なっている。このような構造の場合、多孔質セラミック層３０５からの冷却ガスのしみ出し量をより細かく適切に制御できる。
【００１８】
実施例２の高温部材と同様に、構造が簡略化されたことにより部材の製作性が向上する。また構造材にフィルム冷却孔を開けた場合に比べ、冷却ガスの供給孔を少なくすることができるので、構造強度が向上する。さらに仕切り板がないので構造材の形状がシンプルで済み、実施例１の高温部材よりも構造材の構造強度をさらに向上させることができる。
【００１９】
（実施例４）
図５は、本発明の他の実施形態を示すガスタービンの高温部材の断面図である。本実施形態の高温部材では、高温ガスにさらされる構造材４０１の表面を多孔質金属４０２で覆い、さらに多孔質金属４０２の表面を多孔質セラミック層４０５で被覆し、構造材４０１に冷却ガスの供給孔４０７を設けている。構造材側から多孔質金属４０２へ冷却ガスを供給して、多孔質セラミック層４０５の表面から冷却ガスをしみ出させて部材を冷却することは実施例１の高温部材と同様であるが、多孔質金属４０２の厚みを位置ごとに変えていることに特徴がある。本実施例の高温部材は、部材の流動抵抗を異ならしめる手段として、多孔質金属４０２の厚みを異ならしめることにより、多孔質セラミック層４０５からの冷却ガスのしみ出し量が所望の傾向となるように異ならしめることができ、部材表面の熱負荷に応じて、必要な量の冷媒を効率よく供給することができる。
【００２０】
冷却ガス量は高温ガスと冷却ガス供給口の圧力差と部材内部の流動抵抗で決定される。多孔質金属４０２の厚みを薄くすれば流動抵抗が小さくなって冷却ガス量は増加し、厚みを厚くすれば流動抵抗が大きくなって冷却ガス量は減少する。したがって、部材表面の高温ガス圧力の変化に応じて多孔質金属の厚みを変化させれば、高温ガスの圧力によらず多孔質セラミック層４０５からしみ出してくる冷却ガス量を制御することができる。
【００２１】
この方法は、多孔質金属の気孔率を変えて冷却ガスのしみ出し量を制御する方法よりもさらに簡便な方法であるが、多孔質金属の厚みを変えることで高温ガスの流路形状が変化するため、高温ガスの流れが影響を受けても問題ないような場所への適用が好ましい。
【００２２】
以上の方法によると、部材表面の熱負荷に応じて、必要な冷却ガスを部材表面全体に流すことができ、かつフィルム冷却のように部分的に冷却ガスが過剰に流れることなく冷却性能の向上が図れ、冷却ガス量を低減してガスタービンの熱効率を向上することができる。
【００２３】
さらに、冷却ガスは多孔質金属４０２の内部で分散されるため、構造材に開いている冷却ガス供給孔はフィルム冷却の場合に比べて少なくすることができ、部材の構造強度を向上させることができる。
【００２４】
以上、図３，図４，図５を用いて説明した実施例２，３，４は平板に関するものであるが、実施例１の図２で示したように部材が曲率を持っていても同様の効果が得られる。なお、冷却ガスのしみ出し量は、多孔質セラミックの外側に存在する高温ガスの圧力に影響を受ける。したがって、各実施例の高温部材において、高温ガスの圧力分布に応じて部材の流動抵抗を設定すれば、より適切に、各部に最適な量の冷却媒体を供給することができる。
【００２５】
以上説明した各実施例の高温部材によると、高温ガスにさらされるガスタービンの高温部材において、供給孔から供給した冷却ガスを、多孔質金属を経由させて多孔質セラミック層からしみださせるようにして冷却しているため、フィルム冷却よりも少ない冷却ガス量で冷却性能の向上が図れ、ガスタービンの熱効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態を示すガスタービンの高温部材の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すガスタービンの高温部材の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すガスタービンの高温部材の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態を示すガスタービンの高温部材の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態を示すガスタービンの高温部材の断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１，１０１，２０１，３０１，４０１  構造材
２，３，４，１０２，１０３，１０４，２０２，２０３，２０４，３０２，４０２  多孔質金属
５，１０５，２０５，３０５，４０５  多孔質セラミック層
６，１０６  仕切り板
７，１０７，２０７，３０７，４０７  冷却ガス供給孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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