(57)【要約】  本発明の目的は、タービンの熱効率を高く維持すると共に、高温の燃焼ガスに晒されるタービン翼を簡便に高温損傷から防止することを可能にしたガスタービンを提供する。  本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮した空気を燃料と燃焼して燃焼ガスを発生させる燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、タービンの駆動によって発電する発電機と、これらのタービンと圧縮機と発電機とを同一軸線に配置するように連結したロータシャフトとを備えている。そして、タービンは複数枚のタービン翼を設置しており、このタービン翼には翼の本体を形成する基材の上層に高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層を形成し、この結合層の上層に酸化物系セラミックスからなる遮熱層を形成して、燃焼ガスに面するタービン翼の翼面にこの遮熱層が配置されるように該タービン翼を構成している。
2008075400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮した空気を燃料と燃焼して燃焼ガスを発生させる燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、タービンの駆動によって発電する発電機と、これらのタービンと圧縮機と発電機とを同一軸線に配置するように連結したロータシャフトとを備えたガスタービンにおいて、タービンに複数枚のタービン翼を設置し、このタービン翼には翼の本体を形成する基材の上層に高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層を形成し、この結合層の上層に酸化物系セラミックスからなる遮熱層を形成して、燃焼ガスに面するタービン翼の翼面にこの遮熱層が配置されるように構成したことを特徴としたガスタービン。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンにおいて、タービン翼の翼面に配置された前記遮熱層を形成する酸化物系セラミックスはジルコニア系セラミックスから形成されていることを特徴とするガスタービン。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のガスタービンにおいて、タービン翼の翼面に配置された酸化物系セラミックス又はジルコニア系セラミックスからなる遮熱層はタービン翼の少なくとも上流側の翼面の部分に形成させるように構成したことを特徴とするガスタービン。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載のガスタービンにおいて、タービン翼の翼面に配置された酸化物系セラミックス又はジルコニア系セラミックスからなる遮熱層はタービン翼の少なくとも上流側の翼面の部分にのみ形成されており、タービン翼の下流側の翼面は翼の本体を形成する基材が燃焼ガスに面するように構成したことを特徴とするガスタービン。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載のガスタービンにおいて、タービン翼の翼面に配置された酸化物系セラミックス又はジルコニア系セラミックスからなる遮熱層はタービン翼の少なくとも上流側の翼面の部分にのみ形成されており、タービン翼の下流側の翼面は翼の本体を形成する基材の上層に高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層を形成し、この結合層が燃焼ガスに面するように構成したことを特徴とするガスタービン。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、タービン翼の上流側から下流側にかけての翼面の縁部に酸化物系セラミックス又はジルコニア系セラミックスからなる別の遮熱層を形成したことを特徴とするガスタービン。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のガスタービンにおいて、前記ガスタービンは小容量のマイクロタービンであることを特徴とするガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンに係わり、特に遠心式のタービンを備えたマイクロガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンを用いた発電設備では、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気を燃焼器で燃料と共に燃焼して生成した燃焼ガスで駆動されるタービンと、このタービンの駆動によって回転して発電する発電機とを回転軸ロータの軸線に沿って一軸状に配置するように連結した発電設備の構造が一般的である。【０００３】
ＷＯ０１／８６１３０Ａ１の国際公表公報には、発電機と、圧縮機と、燃焼器と、遠心タービンとを回転軸ロータの軸線に沿って配置する一軸構造の小容量のマイクロガスタービンが開示されている。【０００４】
【特許文献１】ＷＯ０１／８６１３０Ａ１国際公表公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところでＷＯ０１／８６１３０Ａ１の国際公表公報に記載された構造のマイクロガスタービンでは、燃焼器で燃料を燃焼して発生した高温の燃焼ガスを遠心タービンにそのまま流入させると、高温の燃焼ガスによって遠心タービンのタービン翼が高温に晒され、高温特有の損傷、即ち、クリープ、熱疲労、高温酸化、エロージョンなどが高温の燃焼ガスに晒されたタービン翼に生じて該タービン翼が高温損傷に至る恐れがある。【０００６】
そのため、高温の燃焼ガスに対する一般的な対応策として、高温の燃焼ガスを空気で希釈して温度を下げて、この温度を低下させた燃焼ガスを遠心タービンに導入してタービン翼を高温損傷から防止する対策が講じられているが、高温の燃焼ガスを冷却して温度を下げた分だけガスタービンの熱効率を無駄に低下させてしまうという問題がある。【０００７】
本発明の目的は、タービンの熱効率を高く維持すると共に、高温の燃焼ガスに晒されるタービン翼を簡便に高温損傷から防止することを可能にしたガスタービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮した空気を燃料と燃焼して燃焼ガスを発生させる燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼ガスによって駆動されるタービンと、タービンの駆動によって発電する発電機と、これらのタービンと圧縮機と発電機とを同一軸線に配置するように連結したロータシャフトとを備えたガスタービンにおいて、タービンに複数枚のタービン翼を設置し、このタービン翼には翼の本体を形成する基材の上層に高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層を形成し、この結合層の上層に酸化物系セラミックスからなる遮熱層を形成して、燃焼ガスに面するタービン翼の翼面にこの遮熱層が配置されるように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、タービンの熱効率を高く維持すると共に、燃焼ガスからタービン翼に流入する熱を簡便に抑制して高温の燃焼ガスに晒されるタービン翼を高温損傷から防止することを可能にしたガスタービンを実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例であるマイクロガスタービンの構造を示す断面図。
【図２】図１示した実施例のマイクロガスタービンの内部構造の一部を示すガスタービンの斜視図。
【図３】図１示した実施例のマイクロガスタービンのタービン翼部に施されたコーティングの詳細を示す模式図。
【図４】本発明の他の実施例であるマイクロガスタービンの内部構造の他の一部を示すガスタービンの部分断面図。
【符号の説明】
【００１１】
２：タービン、２ａ：タービン翼、２ｂ：タービン端つかみ部、２ｃ：タービン接合ボ  
【００１２】
ス部、３：タイボルト、４：圧縮機、５：ベアリングカラー、６：ロータシャフト、７：発電機、７ａ：カバー、７ｂ：永久磁石、７ｃ：発電機コア、７ｄ：発電機後端リング、８：ロータ端、９：ベアリングカラー、１０：ナット、１１：ガスタービン、１２：タービン外ケーシング、１３：タービン内ケーシング、１４：ノズル翼、１５：スペーサ、１６ａ：締結ボルト、１６ｂ：締結ナット、１７：圧縮機ケーシング、１７ａ：ストラット、２２：発電機後端ケーシング、１８ｂ：発電機後部部材、１９：発電機、２０：発電機ケーシング、１９ａ：発電機コイル、１９ｂ：発電機コイル外ケーシング、１８ａ：発電機前部部材、２１：発電機前端ケーシング、２２ａ：通しボルト、２２ｂ：ボルト穴、２２ｃ：ナット、２３ａ：ラジアルベアリング、２３ｂ：後側スラストベアリング、２３ｃ：前側スラストベアリング、２３ｄ：ラジアルベアリング、３１：遮熱層、３２：冷却側翼部、３３：遮熱層。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態であるマイクロガスタービンを用いた発電設備について図面を用いて以下に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の一実施例であるマイクロガスタービンを用いた発電設備の全体構造を示す断面図である。【００１５】
図１に示したガスタービン１１は小容量のマイクロガスタービンであるが、このガスタービン１１はタービン２と、圧縮機４と、発電機１９とをタービンロータ６の軸線に沿って一軸状に配置する構造のガスタービンとなっている。【００１６】
詳細に説明すると、ガスタービン１１は、空気を圧縮する圧縮機４と、この圧縮機４で圧縮して吐出された空気と燃料とを混合させて燃焼させる燃焼器（図示せず）と、この燃焼器で燃焼して生成した燃焼ガスによって駆動されるタービン２と、このタービン２の駆動によって回転して発電する発電機７と、ロータシャフト６を備えている。【００１７】
そして、前記タービン２と圧縮機４とは両者の回転軸に形成された共通の通し穴６ａにタイボルト３を貫通して配設することでタービン２と圧縮機４とを連結している。【００１８】
また、タービン２、圧縮機４及び発電機７が同一軸線上に配置されるように、圧縮機４と発電機７との間に両者を相互に連結するロータシャフト６を備えている。【００１９】
ロータシャフト６にも軸心に沿って形成された共通の通し穴６ａの内部にタイボルト３が貫通して配設されており、この通し穴６ａはタービン２と発電機４と発電機７の各軸にも共通して形成されている。【００２０】
そして、これらの共通の通し穴６ａにタイボルト３を貫通させて配設することによってタービン２と圧縮機４とロータシャフト６と発電機７とをこのタイボルト３によって積み重ね、前記タイボルト３の両端部にナット１０を夫々取り付け、締め付けて固着している。【００２１】
タービン２は半径流タービンであり、タービン２の静止体側には複数枚のノズル翼１４を環状に配列し、このノズル翼１４の下流側となるタービン２の回転体側には複数枚のタービン翼２ａを環状に配列することによってタービン２を構成している。【００２２】
そして図示していない燃焼器で燃焼して生成しタービン２に導入された高温の燃焼ガスは、動作流体となって静止体のノズル翼１４を通過して整流され、回転体のタービン翼２ａに流入して膨張し、この燃焼ガスによってタービン翼２ａを駆動してタービン２を回転させる。【００２３】
タービン２の構成部材は高温の燃焼ガスに曝されるため、一般にはニッケル基超合金の材料で精密鋳造、鍛造、又は機械加工を施すことによって製作される。【００２４】
図２は本実施例のガスタービン１１のタービン２に設置した回転体のタービン翼２ａを中心にして３次元形状で示したタービン２の部分詳細図である。【００２５】
図１及び図２において、タービン翼２ａの外表面は、燃焼器から導入された高温の燃焼ガスに曝されているので、本実施例のガスタービン１１のタービン翼２ａにおいては、高温の燃焼ガスに曝されるタービン翼２ａの上流側部分は、翼の本体の材料を構成する其材２ａの上に、この基材２ａの材料に比べて高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる合金コーティングを形成した結合層２ａ２を設け、この結合層２ａ２の上に更に遮熱性に優れたジルコニア系セラミックスからなるセラミックスコーティングを形成した遮熱層３１を設けた構造とした。【００２６】
即ち、本実施例のタービン翼２ａの上流側部分となる高温の燃焼ガスに直接晒される外表面には、遮熱性に優れた下記した組成のジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３１を設け、この遮熱層３１の下層に基材２ａ１の材料に比べて高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２を設け、この結合層２ａ２の下層にタービン翼２ａの基材２ａ１が配置する構成とした。【００２７】
そして、タービン翼２ａの上流側部分に前記遮熱層３１と結合層２ａ２とを基材２ａ１の上層に設けたタービン翼２ａの下流側部分には、前記の遮熱層３１は形成していないが高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２を基材２ａ１の上層に設けた冷却側翼部３２を形成することによって、一本のタービン翼２ａを構成している。【００２８】
尚、マイクロガスタービンとしての燃焼ガスの温度条件を比較的低温に設定した場合には、タービン翼２ａの下流側部分に高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２の形成を省略して基材２ａ１がそのまま燃焼ガスに面するようにしても良い。【００２９】
タービン翼２ａの基材２ａ１の材料は、Ｎｉ基等の耐熱合金から形成されている。【００３０】
また、このタービン翼２ａの基材２ａ１の内側にはタービン翼２ａを冷却する温度Ｔｃの冷却空気を流下する冷却流路（図示せず）が配設されている。【００３１】
タービン翼２ａの上流側部分の最上層に設けた遮熱層３１を形成するジルコニア系セラミックスは、ＺｒＯ２を主成分とし、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＣｅＯ２、ＳｃＯ３、ＥｒＯ３、ＹｂＯ３、ＡｌＯ３、ＳｉＯ２、ＬａＯ３などの中から適宜組み合わされた成分を含んだもので形成されており、１０％程度の気孔率となっている。【００３２】
この遮熱層３１のジルコニア系セラミックスのコーティング材の具合例としては、Ａｌ２Ｏ３＋ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３＋ＭｇＯ、ＭｇＯ＋ＳｉＯ２等が考えられる。【００３３】
また、遮熱層３１を形成するセラミックスコーティング材には、前記したジルコニア系セラミックスのコーティング材以外の酸化物系セラミックスのコーティング材を用いても同等の遮熱効果が得られる。【００３４】
図１及び図２に示した本実施例のタービン２のタービン翼２ａにおいては、タービン翼２ａの上流側の翼面には、基材２ａ１の上層に結合層２ａ２を設けると共に、該結合層２ａ２の上層の燃焼ガスに晒される翼面に遮熱層３１を設け、そしてこのタービン翼２ａの下流側の翼面には、遮熱層３１は形成しないが高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２を基材２ａ１の上層に設けた冷却側翼部３２を形成させて、前記タービン翼２ａを構成している。【００３５】
よって、この遮熱層３１を設けたタービン翼２ａの上流側の翼面に流入した高温の燃焼ガスは、タービン翼２ａの上流側の翼面を流下しながら膨張してエンタルピーが低下する。【００３６】
そして、エンタルピーの低下で温度の下がった燃焼ガスが流れるタービン翼２ａの下流側の翼面には、丁度、遮熱層３１のない結合層２ａ２を外面に形成した冷却側翼部３２が位置するように構成されている。【００３７】
タービン翼２ａを上記のように構成したことによって、タービン２に流入する高温の燃焼ガスの流路に面したタービン翼２ａの上流側の翼面には遮熱層３１が形成されるので、このタービン翼２ａの上流側の翼面に面した高温の燃焼ガスから翼の内部に入る入熱は抑制される。【００３８】
更に、タービン翼２ａの下流側の翼面となる冷却側翼部３２は、エンタルピーが低下して温度の下がった燃焼ガスに晒されて冷却されることになるので、このタービン翼２ａの下流側の冷却側翼部３２と一体に形成されている遮熱層３１を設けたタービン翼２ａの上流側の翼の熱を冷却側翼部３２を通じて翼の内部から効果的に奪うことができる。【００３９】
この結果として、遮熱層３１を外表面に設けたタービン翼２ａに高温の燃焼ガスから入熱する熱を低減してタービン翼２ａの翼の温度を高温損傷が生じない温度レベルまで低下させることができる。【００４０】
上記したようにタービン翼２ａの上流側に遮熱層３１を設け、下流側に遮熱層３１を備えていない冷却側翼部３２を設けたタービン翼２ａを配設することによって、タービン２において最も高温となる燃焼ガスに曝されるタービン翼２ａの上流側は、翼の外表面となる最上層に設けた遮熱性に優れたセラミックスからなるセラミックスコーティングの遮熱層３１と、遮熱層３１の下層に設けた高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる合金コーティングの結合層２ａ２を基材２ａ１の上層に設けたことによって、高温の燃焼ガスの熱がタービン翼２ａに入る熱量を抑制してタービン翼２ａの高温損傷を防止する。【００４１】
即ち、高温の燃焼ガスからタービン翼２ａに入熱する熱は遮熱性に優れた遮熱層３１にて大幅に低減され、この遮熱層３１を経て入熱する熱は高温耐食耐酸化性に優れた結合層２ａ２によって更に低下させるので、基材２ａ１に入熱する熱を大幅に低下させることが可能となり、タービンの長寿命化を図ることができる。【００４２】
そして、このタービン翼２ａの上流側を通過して膨張し、エンタルピーが低下して低温となった燃焼ガスを、タービン翼２ａの下流側の遮熱層を有さない冷却側翼部３２に流下させている。【００４３】
図３には本発明を適用した実施例のマイクロガスタービンであるガスタービン１１において、遮熱コーティングを施工したタービン翼２ａの遮熱の効果を模式図として示した。【００４４】
図３に示した本実施例のガスタービン１１のタービン２に設置されたタービン翼２ａにおいて、タービン翼２ａの上流側の翼面となる高温の燃焼ガスに直接晒される外表面には、遮熱性に優れた下記した組成のジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３１を設け、この遮熱層３１の下層に基材２ａ１の材料に比べて高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２を設け、この結合層２ａ２の下層にタービン翼２ａの基材２ａ１が配置する構成とした。【００４５】
この遮熱層３１の遮熱コーティングを施工したタービン翼２ａの上流側では、遮熱層３１の外表面を流下する高温の燃焼ガスのガス温度はタービン翼２ａの表面で温度Ｔｇ１を有している。【００４６】
タービン翼２ａの上流側の翼面の最上層にジルコニア系セラミックスからなる遮熱性に優れた遮熱層３１を設けてあるため、高温の燃焼ガスからタービン翼２ａの内部に入熱される熱は遮熱性に優れたこの遮熱層３１によって大幅に低減され、遮熱層３１の下端では温度Ｔｇ３まで低下し、低減温度ΔＴ１（ΔＴ１＝温度Ｔｇ１−温度Ｔｇ３）として約６０〜１７０℃程度の温度低減効果が見込めることになる。【００４７】
即ち、タービン翼２ａの上流側の翼面の最上層に設けた遮熱層３１では、ジルコニア系セラミックスからなる遮熱性に優れた遮熱層３１の熱伝導率が金属に比べて低いために遮熱層３１が熱抵抗となり、この結果、タービン翼２ａの内部に入熱する熱を温度Ｔｇ１から温度Ｔｇ３にまで低減するのでタービン翼２ａの温度を低下させることができる。【００４８】
一般的なプラズマ溶射によるＹ２Ｏ３の安定化ジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３１をタービン翼２ａの最上層に設ける場合には、０．２５〜０．３ｍｍの遮熱層３１の厚さを形成すれば、約６０〜１７０℃程度の温度低減効果が期待できる。【００４９】
更に、タービン翼２ａの上流側の最上層に設けた遮熱性に優れた遮熱層３１の下層には高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２を基材２ａ１の上層に設けているので、この遮熱層３１を経て入熱する熱の温度Ｔｇ３は高温耐食耐酸化性に優れた結合層２ａ２によって更に低下させるので、結合層２ａ２の下端では温度Ｔｇ４まで低下して基材２ａ１に入熱する熱を大幅に低下させることが可能となる。【００５０】
図３に示したタービン翼２ａの上流側の翼面から翼内部に至る温度として、タービン翼２ａの上流側の翼面となる遮熱層３１の外面を流下するガス温度のＴｇ１は約１０００〜９００℃の高温であり、タービン翼２ａに形成された遮熱層３１の下端での温度Ｔｇ３は約８００℃である。また、タービン翼２ａの基材２ａ１の内部に形成した冷却流路を流れる冷却空気の温度Ｔｃは約７００〜６００℃である。【００５１】
そして、タービン翼２ａの基材２ａ１に温度Ｔｇ４で入熱した熱は基材２ａ１の下端となる冷却空気の冷却空気の流路側ではこの冷却空気の流路を流れる冷却空気の温度Ｔｃより少し高い程度の温度Ｔｇ５まで低下する。【００５２】
タービン翼２ａを流下する高温の燃焼ガスの温度Ｔｇ１がタービン翼２ａに形成した遮熱層３１、結合層２ａ２及び基材２ａ１を経てＴｇ５にまで低下してタービン翼２ａの翼温度を低下させてタービンの長寿命化を図る温度変化の状況は図３の模式図に実線で示した。【００５３】
また、タービン翼の寿命を従来と同程度にしてガスタービンの高効率化を図ることを考えた場合には、遮熱性に優れたセラミックスからなる遮熱層３１をタービン翼２ａの上流側の最上層に設けてタービン翼に入熱する温度を低下させている低減温度ΔＴ１（ΔＴ１＝温度Ｔｇ１−温度Ｔｇ３）の約６０〜１７０℃に見合った温度分だけ、燃焼ガスの温度を上昇させることが出来る。【００５４】
即ち、図３の模式図に実線で示した温度Ｔｇ１から破線で示した温度Ｔｇ２にまでタービン翌２ａに流入する燃焼ガスの温度を上昇させることが出来るので、この燃焼ガスの約６０〜１７０℃の温度上昇分に相当する分だけガスタービンの熱効率を向上させることが可能となる。【００５５】
ところで、本実施例のタービン２に設置された遮熱コーティングを施工したタービン翼２ａの上流側では、図２に示したように前記遮熱層３１を設けるタービン翼の部位は、燃焼ガスの流入部であるタービン翼２ａの上流側であるので、比較的、翼と翼との間隔が広く、遮熱層３１を形成する作業スペースが確保できるので前記遮熱層３１をタービン翼に設けやすい。【００５６】
タービン翼２ａの上流側に設ける遮熱層３１の施工方法は、大気プラズマ溶射または減圧プラズマ溶射によりＭＣｒＡｌＹ合金ボンドコートを形成後に、熱伝導率が小さく、かつ、熱膨張率がタービン２の材料に近い前述したジルコニア系セラミックスを大気プラズマ溶射にて施工する。【００５７】
この場合、タービン翼２ａの間隔が広い燃焼ガスの流入部であるタービン翼２ａの上流側にジルコニア系セラミックスを大気プラズマ溶射によって施工して遮熱層３１を形成する施工方法は、電子ビーム銃を入れるスペースがあるので施工がしやすい。【００５８】
次に、本実施例のガスタービンを用いた発電設備について、その構造の制作、組立方法も含めて以下に説明する。【００５９】
図１及び図２において、ガスタービン１１は圧縮機４と、タービン２と、発電機と、これらの機器をタービンロータ１で連結した構造を備えている。【００６０】
ガスタービン１１は、空気を圧縮する圧縮機４と、この圧縮機４で圧縮して吐出された空気と燃料とを混合させて燃焼させる燃焼器（図示せず）と、この燃焼器で燃焼して生成した燃焼ガスによって駆動されるタービン２と、このタービン２の駆動によって回転して発電する発電機７と、前記のタービン２、圧縮機４、及び発電機７とを同一軸上に相互に連結するロータシャフト６とを備えている。【００６１】
タイボルト３は、圧縮機４、ロータシャフト６、発電機７などの回転部品の軸心に形成した通し穴６ａを貫通して配設され、圧縮機４、ロータシャフト６、発電機７をタイボルト３によりロータシャフト６の軸方向に積み重ねて、タイボルト３のボルト部にナット１０を締めて締結する。【００６２】
圧縮機４は遠心圧縮機であり、環状に配列した翼４ａによって空気を圧縮する。圧縮機４には、タイボルト３を通すための通し穴６ａが設けてある。翼部４ａを備えた圧縮機４はチタン合金やアルミニウム合金の精密鋳造や鍛造、機械加工により製作される。【００６３】
ロータシャフト６は圧縮機４の次にタイボルト３によって重ね合わされる部材である。ロータシャフト６の発電機側にはベアリングカラー５が嵌合されている。このベアリングカラー５は、ラジアル荷重とスラスト荷重を支えるベアリングである。【００６４】
発電機１９はロータシャフト６の次にタイボルト３によって重ね合わされる。発電機１９を構成する回転体は、発電機コア７ｃと、発電機コア７ｃの外周側の永久磁石７ｂと、永久磁石７ｂの外周側のカバー７ａと、これらの発電機コア７ｃ、永久磁石７ｂ、カバー７ａの軸方向の一方の端部に設置された発電機後端リング７ｄと、カバー７ａの軸方向の他方の端部に設置されたロータ端８とを備えている。【００６５】
発電機コア７ｃは磁性材料により構成された円筒形状であり、その軸心に形成した通し穴６ａにタイボルト３が通される。永久磁石７ｂも円筒形状、または、分割された円筒形状であり、発電機コア７ｃの外周側にはめ込まれている。【００６６】
永久磁石７ｂの外周側にカバー７ａがはめ込まれており、永久磁石７ａが回転による遠心力を受けて飛散したり、発電機コア７ｃとの間でスリップすることを防止する。【００６７】
このカバー７ａを締まり嵌めの嵌合構造とすることにより、永久磁石７ｂを発電機コア７ｃに径方向の圧縮応力を作用させて押し付けている。【００６８】
カバー７ａには、ニッケル基合金のような高強度な非磁性金属リングやＦＲＰが用いられる。また、ロータ端８にはベアリングカラー９が嵌合されている。このベアリングカラー９は、ラジアル荷重を支えるベアリングである。【００６９】
次に、マイクロガスタービンであるガスタービン１１の回転体について説明すると、ガスタービン１１のタービン２は、静止体のノズル翼１４の下流側に回転体である複数枚のタービン翼２ａを環状に配列して回転可能に構成されている。【００７０】
このタービン翼２ａは、前述したようにタービン翼２ａの上流側の部分は、ジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３１と、高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２とを基材２ａ１の上層に設けて形成しており、このタービン翼２ａの下流側部分は、遮熱層３１は形成していないが高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２を基材２ａ１の上層に設けた冷却側翼部３２を形成させることによってタービン翼２ａを構成している。【００７１】
ガスタービン１１の静止体について説明すると、回転体のタービン翼２ａを覆うようにタービン内ケーシング１３と、このタービン内ケーシング１３の外周側のタービン外ケーシング１２とが設置されており、タービン翼２ａに近接したタービン内ケーシング１３には環状に配列されたノズル翼１４とが設置されている。【００７２】
そして、図示していない燃焼器で燃料を燃焼させて発生した高温の燃焼ガスをタービン内ケーシング１３の図１に矢印Ａで示した方向から流下してノズル翼１４にて整流され、回転体のタービン翼２ａに流入してこのタービン翼２ａを回転駆動する。【００７３】
このタービン翼２ａを回転駆動させて膨張し温度の低下した燃焼ガスは図１に矢印Ｂで示す方向から排出される。矢印Ｂの方向に排出した燃焼ガスは、図示していない再生熱交換器に導かれて燃焼ガスから熱が回収される。【００７４】
タービン外ケーシング１２とタービン内ケーシング１３は、溶接、一体精密鋳造などにより一体化して形成してもよいし、別部品として形成してもよい。また、ノズル翼１４は、本実施例では、タービン内ケーシング１３にピンで固定されている。【００７５】
圧縮機４は回転体となる環状に配列した翼４ａを圧縮機ケーシング１７内で回転させて空気を圧縮する。本実施例では、圧縮機ケーシング１７にストラット１７ａが設けられ、ストラット１７ａを介して発電機１９の発電機後端ケーシング２２と接続されている。【００７６】
この圧縮機４では、図１に矢印Ｃとして示す方向から空気を吸い込み、圧縮機４の翼４ａにより空気を圧縮して、矢印Ｄで示す方向に圧縮した空気を吐出する。【００７７】
矢印Ｄの方向に吐出された圧縮空気は、図示していない再生熱交換器に導かれ、矢印Ｂから排出された燃焼ガスから回収された熱によってこの圧縮空気を予熱して、図示していない燃焼器にて予熱した渇縮空気を燃料と共に燃焼して高温の燃焼ガスを発生させる。【００７８】
尚、この圧縮機ケーシング１７から吐出される圧縮空気出口には、圧力回復のためのベーンを設けてもよい。【００７９】
前記したタービン２と圧縮機３の流路形成のために、タービン外ケーシング１２の内部と圧縮機ケーシング１７の内部との間に両者を仕切るスペーサ１５が設けられている。【００８０】
タービン外ケーシング１２の内部と圧縮機ケーシング１７の内部から作動流体の漏れを防止するために、スペーサ１５にラビリンスシール、ハニカムシール、ブラシシールなどを設けることにより、タービン２や圧縮機４の性能を向上させることができる。【００８１】
また、圧縮機ケーシング１７とタービン外ケーシング１２にはスペーサ１５を間に挟んでフランジを夫々設け、これらのフランジに通された締結ボルト１６ａと締結ナット１６ｂとによって圧縮機ケーシング１７とタービン外ケーシング１２とを締結している。【００８２】
発電機１９の静止体は、発電機の外周に設置された発電機ケーシング２０と、発電機ケーシング２０の軸方向の一端に発電機前部部材１８ａを介して設置された発電機前端ケーシング２１と、発電機ケーシング２０の軸方向の他端に発電機後部部材１８ｂを介して設置された発電機後端ケーシング２２とを備えている。【００８３】
この発電機ケーシング２０と、発電機前部部材１８ａと、発電機後部部材１８ｂとで区画される発電機の静止体の内部には、巻線にて構成される発電機コイル１９ａと、この発電機コイル１９ａの外周側に該発電機コイル１９ａを固定する円筒状の発電機コイル外ケーシング１９ｂとが設けられており、発電機コイル外ケーシング１９ｂは発電機ケーシング２０の内側に嵌合されて取り付けられている。【００８４】
巻線にて構成される発電機コイル１９ａは、一般的には珪素鋼板を積層したコアに銅線を巻いて製作し、樹脂でモールドした構造である。【００８５】
発電機ケーシング２０には、この発電機ケーシング２０を軸方向に貫通したロータシャフト６と平行なボルト穴２２ｂを、発電機前端ケーシング２１と発電機後端ケーシング２２にも共通して形成して、この共通のボルト穴２２ｂに通しボルト２２ａを配設し、該通しボルト２２ａの両端にナット２２ｃを取り付けて締結する。【００８６】
即ち、共通のボルト穴２２ｂに通しボルト２２ａとナット２２ｃを取り付けることにより、発電機ケーシング２０の一端に発電機前部部材１８ａを介して発電機前端ケーシング２１を固着し、発電機ケーシング２０の他端に発電機後部部材１８ｂを介して発電機後端ケーシング２２を固着する構成である。【００８７】
また、発電機１９の静止体の内部で回転する回転体は、前述したように発電機コア７ｃと、発電機コア７ｃの外周側の永久磁石７ｂと、永久磁石７ｂの外周側のカバー７ａと、カバー７ａの軸方向の端部に設置された発電機後端リング７ｄとロータ端８を備えており、この回転体が発電機の前述した静止体内を回転することにより発電する。【００８８】
発電機１９の回転体を静止体の内部で回転させることによって発電機コイル１９ａに誘起された交流電流は、図示していない整流器により直流電流に変換され、同じく図示していないインバータにより交流電流に変換されて電力系統に供給される。【００８９】
前記した構成のガスタービン１１の静止体の全体はタービンサポート２４によって支持されており、このタービンサポート２４と静止体の全体との連結はタービンサポート２４及びタービン外ケーシング１２に形成した共通のタービンサポートボス２５に回転防止ピン２６とセンターピン２７を取り付けることによってなされている。【００９０】
発電機１９の発電機ケーシング２０の圧縮機側である発電機後端ケーシング２２の内周側には、ローターシャフト６に設置したベアリングカラー５に面してラジアルベアリング２３ａと、後側スラストベアリング２３ｂとが嵌合などにより設けられている。【００９１】
この発電機後端ケーシング２２に固着されている発電機後部部材１８ｂの内周側には、ローターシャフト６に設置したベアリングカラー５に面して前側スラストベアリング２３ｃが嵌合などにより設けられている。【００９２】
同様に、発電機ケーシング２０の発電機前端ケーシング２１に固着されている発電機前部部材１８ａの内周側には、発電機の回転体のローター端８の外周側に設置したベアリングカラー９に面してラジアルベアリング２３ｄが嵌合などにより設けられている。【００９３】
上記した各ベアリングには、空気軸受、水軸受、油軸受などの作動流体を用いた滑り軸受や転がり軸受、磁気軸受などの何れかを用いる。【００９４】
上記した本発明の実施例によれば、タービンの熱効率を高く維持すると共に、燃焼ガスからタービン翼に流入する熱を簡便に抑制して高温の燃焼ガスに晒されるタービン翼を高温損傷から防止することを可能にしたガスタービンを実現できるものである。
【実施例２】
【００９５】
図４は本発明の他の実施例であるマイクロガスタービンであるガスタービン１１を構成するタービン２に設置したタービン翼２ａを中心にして示したタービンの部分断面図である。【００９６】
本実施例のガスタービンは、図１に示した先の実施例のガスタービンと基本構成は同一であるので、両者に共通の構成については説明を省略し、相違した構成についてのみ以下に説明する。【００９７】
図４において、タービン２には静止体である複数枚のノズル翼１４が環状に配列されており、これらのノズル翼１４の下流側には該ノズル翼１４に対応して回転体である複数枚のタービン翼２ａが環状に配列されている。【００９８】
このタービン翼２ａは、前述した先の実施例のタービン翼２ａと同様にタービン翼２ａの上流側の部分は、ジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３１と、高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２とを基材２ａ１の上層に設けて形成しており、このタービン翼２ａの下流側部分は、遮熱層３１は形成していないが高温耐食耐酸化性に優れた合金からなる結合層２ａ２を基材２ａ１の上層に設けた冷却側翼部３２を形成させることによってタービン翼２ａを構成している。【００９９】
このタービン翼２ａには更に、図４に示したように、タービン翼２ａの上流側から下流側にかけての翼面の縁部にジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３３が設けられた構成となっている。【０１００】
タービン翼２ａの縁部に設けられたジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３３の材質は、図１乃至図３に示した先の実施例のタービン翼２ａの上流側の翼面に形成された遮熱層３１の材質であるジルコニア系セラミックスと同じ材質で形成されている。【０１０１】
本実施例のタービン翼２ａでは、タービン翼２ａの上流側の翼面にジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３１を形成するだけでなく、更にタービン翼２ａの上流側から下流側にかけての翼面の縁部にもジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３３を形成したことにより、高温の燃焼ガスからタービン翼２ａの内部に入る入熱を効果的に抑制することが出来る。【０１０２】
また、タービン翼２ａの上流側から下流側にかけての翼面の縁部に形成したジルコニア系セラミックスからなる遮熱層３３は、タービン２の静止体を構成する金属部材と比べると柔らかい材質である。【０１０３】
よって、タービン２の静止体側とタービン翼２ａとの間の間隙をタービンの効率向上を狙って狭くした際に、万一、タービン翼２ａの縁部がタービン２の静止体側と接触した場合でも、遮熱層３３を形成するジルコニア系セラミックスは金属に比べても柔らかい材質であるのでこの遮熱層３３の一部が磨耗するだけで、タービン２の静止体側の金属部材やタービン翼２ａが大きく損傷する事態は回避されるとの効果も発揮する。【０１０４】
上記した本発明の実施例によっても、タービンの熱効率を高く維持すると共に、燃焼ガスからタービン翼に流入する熱を簡便に抑制して高温の燃焼ガスに晒されるタービン翼を高温損傷から防止することを可能にしたガスタービンを実現できるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、小型のガスタービン及び小容量のマイクロガスタービンに適用することが出来る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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