(57)【要約】ガスタービン（１）の燃焼器（４）を内張りするための熱シールド要素（２６）は、大きな強度で出来るだけ長い寿命を有していなければならない。そのために、熱シールド要素（２６）は、本発明に基づいて、注型成形されたセラミックス材料で形成された熱シールド要素本体（２８）を備え、この熱シールド要素本体（２８）に多数の補強要素（３０）が組み入れられている。注型法を採用することで、本体（２８）の構造を自由に変更でき、熱的負荷の変動時でも特に大きな負荷容量を保証できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器（４）を内張りするための熱シールド要素（２６）において、注型成形されたセラミックス材料で形成された本体（２８）を備え、この本体（２８）に多数の補強要素（３０）が組み入れられたことを特徴とする熱シールド要素。
【請求項２】
１つの或いは各補強要素（３０）がセラミックス複合材で形成されたことを特徴とする請求項１記載の熱シールド要素。
【請求項３】
１つの或いは各補強要素（３０）が多数の溝および／又は厚肉部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の熱シールド要素。
【請求項４】
１つの或いは各補強要素（３０）が、熱シールド要素本体（２８）の表面に対し平行に間隔を隔てて配置された平らな板を有することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の熱シールド要素。
【請求項５】
板状に形成された補強要素（３０）が多数の空所を有することを特徴とする請求項４記載の熱シールド要素。
【請求項６】
１つの或いは各補強要素（３０）が格子組織を有することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の熱シールド要素。
【請求項７】
補強要素（３０）が棒状形を有し、熱シールド要素本体（２８）の周縁に沿って延びることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の熱シールド要素。
【請求項８】
補強要素（３０）が十字形をなし、その各先端が熱シールド要素本体（２８）の角の部位に置かれたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の熱シールド要素。
【請求項９】
補強要素（３０）が無端リング形をなし、本体（２８）の周囲に沿って延びることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の熱シールド要素。
【請求項１０】
請求項１から９の１つに記載の熱シールド要素（２６）から成る内壁内張りを備えることを特徴とする燃焼器。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃焼器（４）を備え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、特に燃焼器や炉を内張りするための熱シールド要素に関する。本発明は、該要素で形成された内張りを備える燃焼器と該燃焼器を備えたガスタービンにも関する。
【０００２】
例えば燃焼炉のような熱的および／又は熱力学的に大きく負荷される燃焼室、高温媒体が発生および／又は案内されるガスタービンにおける燃焼ガス通路や燃焼器は、熱的過負荷から保護するために内張りを備えている。内張りは一般に耐火材から成り、燃焼室の壁に高温媒体が直に接触し、それに伴い熱的に大きく負荷されるのを防ぐ。
【０００３】
米国特許第４８４０１３１号明細書は、炉壁へのセラミックス内張り要素の固定に関している。それは壁に固定されたレール装置を利用している。内張り要素は平らな表面を持つ矩形をなし、熱絶縁性で耐火性のセラミックス繊維材料から成っている。
【０００４】
米国特許第４８３５８３１号明細書も同様に、炉の壁、特に垂直に配置された壁から成る耐火性内張りの設置に関している。炉の金属壁に、ガラス繊維、セラミックス繊維或いはミネラル繊維から成る層が設けられている。この層は金属クランプ或いは接着により壁に固定されている。層上には、ハニカム状網目を持つ金網が設けられている。該金網はセラミックス繊維から成る層が脱落するのを防止するために使われる。そのうえ、ボルトによって、耐火材から成る一様に閉鎖された表面が設けられている。その方法によって、金属壁に耐火材粒子が直に吹き付けられるような場合、その耐火材粒子吹付け中に衝突する耐火材粒子が跳ね返さるのを十分に防止できる。
【０００５】
例えばガスタービン燃焼器の、熱的に大きく負荷される燃焼室の壁のセラミックス内張りが、欧州特許出願公開第０７２４１１６号明細書に記載されている。該内張りは、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）等の耐熱性構造セラミックス製の壁要素から成っている。該壁要素は燃焼器の金属支持構造物に、中央固定ボルトにより機械的にばね弾性的に固定されている。壁要素と燃焼室壁との間に、燃焼器の壁から間隔を隔てて、厚い熱絶縁層が設けられている。壁要素と比べ約３倍の厚さを持つ熱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製造されている。壁要素の外側寸法と外側形状は内張りすべき室の幾何学形状に合わされる。
【０００６】
熱的に大きく負荷される燃焼室の異なった内張り方式が欧州特許出願公開第０４１９４８７号明細書に記載されている。この内張りは、燃焼室の金属壁に機械的に保持された熱シールド要素から成る。例えば熱シールド要素からの直接熱伝達による壁の過熱或いは互いに隣接する熱シールド要素間に形成された隙間を通しての高温媒体の侵入による壁の過熱を防止すべく、燃焼室壁と熱シールド要素で形成された空間に、冷却又は漏れ止め空気が供給される。この空気は、高温媒体が壁に達する迄侵入することを防止し、同時に壁および熱シールド要素を冷却する。
【０００７】
国際公開第９９／４７８７４号パンフレットは燃焼室の壁セグメントおよびガスタービンの燃焼室に関している。その場合、高温流体、例えば燃焼ガスに曝される燃焼室の壁セグメントは、金属支持構造物およびこの金属支持構造物に固定された熱シールド要素で構成されている。金属支持構造物と熱シールド要素との間に、熱シールド要素と金属支持構造物との間で起こり得る相対運動を吸収し相殺する、変形可能な分離層がはめ込まれている。この相対運動は、例えばガスタービンの燃焼器、特に環状燃焼器において、利用した材料の異なった熱膨張挙動および高温作動媒体を発生するための不規則な燃焼時に生ずる燃焼室における脈動によって引き起こされる。熱シールド要素が部分的に分離層内に侵入しているので、分離層は、同時に比較的弾力のない熱シールド要素が全体として分離層上および金属支持構造物上に平面的に接するように作用する。分離層はそのようにして支持構造物および／又は熱シールド要素における製造上の非平坦性を補償する。そのような非平坦性は局所的に望ましくない点状の力伝達を生じさせる。
【０００８】
特に例えば加圧下で運転されるガスタービン燃焼器等の高温ガス炉の壁支持構造物は、適当な燃焼器内張りで高温ガスから防護せねばならない。そのために、金属材料に比べて大きな耐熱性に基づき、セラミックス材料が耐食性と低熱伝導性を理想的に提供する。
【０００９】
運転時に生ずる温度差（停止時には常温、全負荷運転時には最高温度）の下での材料特有の熱膨張特性のため、熱膨張の阻害に伴う構造部品に有害な熱応力を防止すべく、セラミックス熱シールドの熱膨張による熱的運動を保証せねばならない。これは、燃焼ガスの作用から保護すべき壁を、大きさの制限された個々の多数のセラミックス熱シールド、例えば工業セラミックスから成る熱シールド要素により内張りすることで達成される。既に欧州特許出願公開第０４１９４８７号明細書に関連して記述したとおり、各セラミックス熱シールド要素間に、安全上から高温状態でも設計上決して完全に塞がらない伸び補償隙間を設け、燃焼ガスが伸び補償隙間を通って支持壁構造物を過熱しないようにせねばならない。ガスタービン燃焼器において過熱を防止するための最も単純で確実な方式は、伸び補償隙間に空気、所謂漏れ止め空気を供給して冷却することにある。そのために、元々セラミックス熱シールドに対する保持要素を冷却するために必要な空気が利用できる。
【００１０】
本発明の課題は、強度が大きく特に長寿命の熱シールド要素を提供することにある。また本発明は、特に点検が少なくて済む燃焼器と該燃焼器を備えたガスタービンを提供することにある。
【００１１】
熱シールド要素に関する課題は、本発明に基づき注型成形したセラミックス材料で形成した熱シールド要素本体を設け、該本体に多数の補強要素を組み込むことで解決できる。
【００１２】
本発明は、特に長寿命用に設計した熱シールド要素は、過酷な使用条件に特に良好に適合すべきとの考えから出発する。これを可能にし、個々の適合処置に対し特に大きな自由度を得るべく、熱シールド要素の従来普通の圧縮成形による製造から転じて、注型成形による製造を行う。尤も、注型成形したセラミックス熱シールドでは、特に該要素の縦および横方向における非常に小さな引張り強度のため、熱シールド要素の寿命が制限される。従って、注型成形で得られる造形上の自由度を利用すべく、注型成形した熱シールド要素本体を基礎とする熱シールド要素を、燃焼器で採用可能とするため、長寿命と大きな受動的安全性に対し、熱シールド要素本体を構造的に補強するための特別な処置を講ぜねばならない。その処置は、特に亀裂発生時に熱シールド要素本体の結合性を改善する。
【００１３】
従って、特に引張り強度を増大し、かつ熱的荷重と熱機械的荷重によって生ずる亀裂長を短縮すべく、熱シールド要素本体に組み入れた補強要素を利用する。ここで、この補強要素は、補強要素の引張り強度の材料特性を熱シールド要素に転移すべく、熱シールド要素に固く結合せねばならない。この機能は、熱シールド要素の内部に置いた補強要素により満たされ、該要素はセラミックス注型材料によって熱シールド要素本体に埋設され、この結果熱シールド要素本体ないしセラミックスに固く結合される。
【００１４】
熱シールド要素の成形時に注型技術を利用することに伴う構造的自由度は、特に適当な幾何学形状や材料固有パラメータの局所的変更により、熱シールド要素の熱的負荷の変動時でも特に大きな負荷容量を保証するために有効に利用できる。
【００１５】
補強要素が熱シールド要素の受ける高温に適合し、更に注型成形過程時にセラミックス注型材料と固く結合するように、補強要素は、セラミックス材料、特にＡｌ2Ｏ3含有量が少なくとも６０重量％、ＳｉＯ2含有量が高々２０重量％の酸化セラミックス材料で形成するとよい。補強要素は比較的大きな引張り強度を有し、同じセラミックス材料からなることから凝固時に注型材料に固く結合する。更に、補強材料の熱膨張性は熱シールド要素の残りのセラミックス材料のそれに近似し、温度変動時でも、熱シールド要素に不利な熱応力は生じない。また、補強要素は、例えばＣＭＣ材料（セラミックス基複合材料）のようなセラミックス繊維や、有孔率が高々１０％の組織セラミックス材料でも作れる。
【００１６】
補強要素は、鉄筋の形で長く伸ばしたセラミックス丸棒の形に形成するとよい。補強要素を、特に固く熱シールド要素に組み入れ、補強要素の剛性を高めるべく、補強要素に、多数の溝および厚肉部を設けるとよい。補強要素はその溝と厚肉部で周囲のセラミックス材料に係留され、この結果補強要素の引張り強度は熱シールド要素全体に伝播する。棒状の場合、補強要素はその終端部に厚肉部を有し、骨の形となる。この厚肉端、即ちリブ状厚肉部により、補強要素と熱シールド要素本体とのかみ合い結合を保証できる。その代わりに又はそれに加えて、例えば焼結過程或いは造粒による摩擦結合でも結合できる。
【００１７】
熱シールド要素を全面にわたり補強すべく、補強要素を板状に形成してもよく、その場合、特に熱シールド要素の表面に対し平行に間隔を隔てて配置した平らな板を利用する。作動媒体の側に板を置き、かつ熱シールド要素の冷却側にも補強用の板を設ける。
【００１８】
板として形成した補強要素とその周囲のセラミックス材料とのできるだけ強固な材料結合を達成すべく、この板に多数の空所を設けるとよい。これに伴い、熱シールド要素の注型形成時、セラミックス注型材料が空所に到達し、そこでも凝固する。板は特に孔空き板として形成でき、孔の数、大きさおよび位置は、所期の目的および材料パラメータに関係して適当に選択できる。
【００１９】
別の又は追加的な実施態様では、熱シールド要素の補強要素は、格子組織を有する。格子要素は菱形又は正方形の空所で組織化された格子を形成する。補強要素は、格子状組織が生ずるように互いに一様な間隔を隔てて置いた、円形空所を持つ板でも形成できる。
【００２０】
熱シールド要素を、特に側縁で固定し或いは補強すべく、補強要素を棒状に形成し、熱シールド要素の周縁に沿って置くとよい。
【００２１】
仮に亀裂が発生した際にも熱シールド要素の全周にわたる構造的一体性を保証すべく、補強要素を無端リングとし、熱シールド要素の周囲に沿って延ばすとよい。
【００２２】
このリング状補強要素の強度、従って熱シールド要素の強度も一層高め、即ちできるだけ大きな曲げ剛性を与えるべく、補強要素を円環リングとして形成するとよい。
【００２３】
熱シールド要素の角の安定と補強のため、補強要素を十字形とし、その各先端を熱シールド要素の角部に置くとよい。引張り強度を高める熱シールド要素における十字形補強要素の適当な控えのため、十字形補強要素の各先端を厚くし、もって補強要素を熱シールド要素に係留する。
【００２４】
上述の形式の熱シールド要素は、燃焼器の内張り部品である。この燃焼器はガスタービンの構成部品である。該燃焼器はサイロ状燃焼器或いは複数の小形燃焼装置で構成された燃焼器として形成できるが、環状燃焼器として形成するとよい。
【００２５】
本発明による利点は、特に型成形法に起因し、これに伴う造形上の自由度により、特に高い引張り強度を有する熱シールド要素を製造できることにある。注型成形セラミックス材料から成る熱シールド要素への補強要素の一体組入れで、特に引張り強度等の補強要素の材料特性を熱シールド要素に転移できる。その際、熱シールド要素の造形は柔軟に保たれる。本発明の他の利点は、補強要素の種々の形態の選択可能性と、熱シールド要素内での補強要素の位置づけとで、熱シールド要素に作用する熱的および機械的負荷への個別の適合が可能な点にある。熱シールド要素の強度の増大に基づき、亀裂の伝播が減り、部品の構造的完全性（受動的安全性）が高まる故、熱シールド要素の寿命も延びる。
【００２６】
注型成形の利点は、複雑な形状の熱シールド要素が製造可能な点にある。即ち、一方では、外側基本形状を非常に簡単に且つ安価に変更できる。他方では、注型成形時に、熱シールド要素を燃焼器壁に固定するための装置を埋設可能な点にある。即ち、注型成形した熱シールド要素に、例えば溝、孔、ねじ或いは保持要素を埋設できる。
【００２７】
以下図を参照し、本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において、同一部分には同一符号を付している。
【実施例１】
【００２８】
図１のガスタービン１は、燃焼空気用の圧縮機２、燃焼器４および圧縮機２と発電機又は作業機械（図示せず）とを駆動するタービン６を備える。そのため、タービン６と圧縮機２を、タービンロータとも呼ばれる共通のタービン軸８上に配置している。軸８は、中心軸線９を中心に回転可能に支持され、発電機や作業機械と結合している。環状燃焼器として形成された燃焼器４は、液体又は気体燃料を燃焼させる多数のバーナ１０を備える。
【００２９】
タービン６はタービン軸８に取り付けられた多数の動翼１２を有する。該動翼１２はタービン軸８に輪状に配置され、このため多数の動翼列を形成している。タービン６は多数の静翼１４をも備える。これら静翼１４も同様に輪状に配置されて静翼列を形成し、タービン６の内部車室１６に取り付けられている。動翼１２は、タービン６を貫流する作動媒体Ｍの衝撃伝達により、タービン軸８を駆動するために使われる。これに対して静翼１４は、作動媒体Ｍの流れ方向に連続する２つの動翼列間で、作動媒体Ｍの流れを案内するために使われる。互いに連続して位置する一対の静翼輪或いは静翼列１４と、動翼輪或いは動翼列１２とは、タービン段とも呼ばれる。
【００３０】
各静翼１４は翼脚とも呼ばれる翼台座１８を有し、該台座１８は静翼１４をタービン６の内部車室１６に固定すべく、壁要素として配置されている。翼台座１８は、タービン６を貫流する作動媒体Ｍに対する燃焼ガス通路の外側境界部を形成し、熱的に非常に大きく負荷される部品である。各動翼１２も同様に、翼脚とも呼ばれる翼台座２０を介してタービン軸８に取り付けられている。
【００３１】
互いに隣接する静翼列の、互いに間隔を隔てて配置された静翼１４の翼台座１８間に、各々案内輪２１が配置され、タービン６の内部車室１６に固定されている。各案内輪２１の内側面も、同様にタービン６を貫流する高温の作動媒体Ｍに曝され、これに対向して位置する動翼１２の外側端２２から半径方向に隙間で間隔を隔てられている。隣接する静翼列間に配置された案内輪２１は、特に内部車室１６又は他の車室組込み物を、タービン６を貫流する高温作動媒体Ｍによる熱的過負荷から保護する覆い要素として使われる。
【００３２】
燃焼器４は、本実施例では図２に示すように、所謂環状燃焼器として形成されている。この環状燃焼器では、多数のバーナ１０が、タービン軸８の周囲に円周方向に分布して配置され、共通の燃焼室に開口している。そのために燃焼器４は、その全体形状が、タービン軸８の周りに位置づけられた環状構造物として形成されている。
【００３３】
大きな効率を得るべく、燃焼器４は、約１２００〜１５００℃の非常に高い作動媒体Ｍの温度に対応するよう設計されている。材料にとって不利なこの運転パラメータでも非常に長い運転期間を可能にすべく、燃焼器壁２４は作動媒体Ｍの側に、熱シールド要素２６で形成された内張りを備えている。燃焼器４の内部が高温なので、熱シールド要素２６に対する冷却系を設けている。
【００３４】
熱シールド要素２６は特に長い寿命を持つように設計され、このため高温や振動等の過激な影響による損傷は殆ど生じない。そのため、熱シールド要素は注型成形セラミックス材料で形成された本体２８から成り、該本体２８に補強要素３０が組み込まれている。補強要素は、適当な耐熱性を示すよう、セラミックス材料又は複合材料から成っている。そのために補強要素３０は、熱シールド要素２６に作用する影響に耐えるように設計される。図３から７は、補強要素３０付きの種々の実施例の熱シールド要素２６を示す。
【００３５】
図３は、板状補強要素３０付きの熱シールド要素２６を示す。該要素２６は、作動媒体Ｍ側の表面と、被冷却側の表面に、各々補強要素３０を備えている。図４から解る如く、板状補強要素３０は周囲のセラミックスとの良好な結合のために格子状構造を持ち又は格子として形成され、特に交差格子（図４ａ）や孔格子（図４ｂ）として形成される。
【００３６】
熱シールド要素２６の特に周縁部の補強のために、図５に示すように、棒状補強要素３０を採用している。該要素３０は熱シールド要素２６の側縁に沿って延び、周囲セラミックス２８への固い係留を保証すべく、溝又は厚肉部（図５ａ）或いは厚肉端（図５ｂ）を備えている。図６から解るように、熱シールド要素２６の補強のため、その周囲に沿って延びる環状構造物の形を持つ補強要素３０（図６ａ）を用い、環状構造物は特に好ましくは円形（図６ｂ）に形成される。図７に示す熱シールド要素２６では、熱シールド要素２６の角の安定した控え作用のため、十字形補強要素３０を利用し、この補強要素３０は各先端に各セラミックス材料２６への係留のために各々厚肉部を有している。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ガスタービンの半部断面図。
【図２】図１におけるガスタービンの燃焼器の部分破断斜視図。
【図３】板状補強要素付き熱シールド要素の斜視図。
【図４】格子状補強要素付き熱シールド要素の斜視図。
【図５】棒状補強要素付き熱シールド要素の斜視図。
【図６】環状補強要素付き熱シールド要素の斜視図。
【図７】十字形補強要素付き熱シールド要素の斜視図。
【符号の説明】
【００３８】
１  ガスタービン、４  燃焼器、２６  熱シールド要素、３０  補強要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
2007510121.tif 000008
【図５ｂ】
2007510121.tif 000009
【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
2007510121.tif 000012
【国際調査報告】
2007510121.tif 000013
2007510121.tif 000014
2007510121.tif 000015
2007510121.tif 000016
2007510121.tif 000017
2007510121.tif 000018