(57)【要約】高温媒体に曝される高温側面（５）と、この高温側面（５）と反対側の壁側面（７）と、高温側面（５）および壁側面（７）に隣接する周囲面（６９）とを備えた、特に燃焼器壁を内張りするための断熱煉瓦（１、１Ａ、１Ｂ）に関する。本発明に基づき、周囲面（６９）に緩衝要素（３、３Ａ、３Ｂ）が設けられる。これに伴い、断熱煉瓦（１、１Ａ、１Ｂ）が破損した際にその破片（８１、８１Ａ）が断熱煉瓦（（１、１Ａ、１Ｂ）から脱落するのを、非常に効果的に防止できる。本発明はまた、そのような断熱煉瓦で内張りされた燃焼器及びそのような燃焼器を備えたガスタービンに関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温媒体に曝される高温側面（５）と、該面（５）と反対側の壁側面（７）と、前記両面に隣接する周囲面（６９）とを備え、特に燃焼器壁を内張りするための断熱煉瓦（１、１Ａ、１Ｂ）において、周囲面（６９）に緩衝要素（３、３Ａ、３Ｂ）が設けられたことを特徴とする断熱煉瓦。
【請求項２】
緩衝要素（３、３Ａ、３Ｂ）が平らであることを特徴とする請求項１記載の断熱煉瓦。
【請求項３】
緩衝要素（３、３Ａ、３Ｂ）が織物、特に織物マットとして形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の断熱煉瓦。
【請求項４】
緩衝要素（３、３Ａ、３Ｂ）がセラミックス材料（５）、特にセラミックス繊維材料から成ることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の断熱煉瓦。
【請求項５】
緩衝要素（３、３Ａ、３Ｂ）が、珪酸系の接着剤での接着により設けられたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の断熱煉瓦。
【請求項６】
周囲面（６９）が、端面（７１、７１Ａ、７１Ｂ）と該端面に対し傾斜した取付け面（７３、７３Ａ、７３Ｂ）とを有し、端面（７１、７１Ａ、７１Ｂ）に緩衝要素が設けられたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の断熱煉瓦。
【請求項７】
取付け面（７３、７３Ａ、７３Ｂ）が、取付け要素（２５）を受ける溝（３９）を有することを特徴とする請求項６記載の断熱煉瓦。
【請求項８】
請求項１から７の１つに記載の断熱煉瓦（１、１Ａ、１Ｂ）で内張りされたことを特徴とする燃焼器。
【請求項９】
請求項８記載の燃焼器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】
【０００１】
本発明は、高温媒体に曝される高温側面と、該面と反対側の壁側面と、両面に隣接する周囲面とを備え、特に燃焼器壁を内張りするための断熱煉瓦に関する。本発明はまた、この種燃焼器壁付きの燃焼器並びにガスタービンに関する。
【０００２】
高温媒体を発生および／又は案内する、例えば燃焼炉、高温ガス路或いはガスタービンの燃焼器等の燃焼室が知られている。熱的および／又は熱機械的に大きく負荷される燃焼室は、過度に高い熱的負荷から保護すべく、ライニング（内張り）を備える。燃焼室のライニングは、通常耐火材から成り、燃焼室壁が高温媒体、例えば高温燃焼ガスと直に接触して大きな熱的負荷を受けないよう保護している。また燃焼ガスは酸化および／又は腐食成分も含み、それら成分は燃焼室壁に直に触れた際にその燃焼室壁を害する。従って、燃焼室のライニングの開発および改良は非常に重要である。
【０００３】
米国特許第４８４０１３１号明細書で、炉壁へのセラミックスライニング要素の取付け法が公知である。そこでは、多数のセラミックスレール要素を有し、壁に取り付けられるレール装置を利用する。ライニング要素はレール装置で壁に保持される。ライニング要素と炉壁の間に別のセラミックス層、特に部分圧縮された緩いセラミックス繊維から成る層が設けられ、該層は、少なくともセラミックスライニングと同じか、より大きな厚さを有する。この際、ライニング要素は平らな表面の長方形をなす。この要素は耐火断熱性のセラミックス繊維から成る。
【０００４】
炉壁への耐火ライニングの設置方式が米国特許第４８３５８３１号明細書にも示されている。このライニングは、特に垂直壁に配置される。金属炉壁に、ガラス、セラミックス或いは鉱物繊維から成る層が設けられる。該層は金属クランプや接着剤で壁に取り付けられる。この層上に、ハニカム状網目の金網が設けられる。この金網はセラミックス繊維の層の脱落防止に役立つ。かく取り付けられた層上に、適当な吹き付け法で、耐火材料から成る一様な閉鎖表面が設けられる。この方法によれば、吹き付け中に衝突する耐火粒子のはね返りが防止される。もし耐火粒子を金属壁に直接吹き付けると、耐火粒子のはね返りが生ずる。
【０００５】
熱的に大きく負荷される燃焼室の別のライニング方式が、欧州特許第０４１９４８７号明細書に記載されている。このライニングは燃焼室の金属壁に機械的に保持される断熱（熱遮蔽）要素から成る。該要素は金属壁に直に接する。例えば断熱要素から直接熱が伝わり或いは互いに隣接する断熱要素で形成された隙間の中に高温媒体が侵入することで、壁が過熱される。これを防止すべく、燃焼室壁と断熱要素とで形成された空間に、冷却空気、所謂封じ空気が供給される。封じ空気は高温媒体が壁迄侵入するのを阻止し、同時に壁と断熱要素を冷却する。
【０００６】
欧州特許出願公開第０７２４１１６号明細書で、熱的に大きく負荷される燃焼室、例えばガスタービン燃焼器の壁に対するセラミックスライニングが知られている。そのライニングは耐熱性の構造セラミックス、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）或いは窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から成る壁要素で構成されている。該要素は中央取付けボルトで、機械的に弾力的に燃焼室の金属支持構造物（壁）に取り付けられる。壁要素と燃焼室の壁と間に厚い断熱層が介在し、それに応じて、壁要素は燃焼室の壁から間隔を隔てられる。壁要素に対し約３倍の厚さを持つ断熱層は、予めブロックの形に作られたセラミックス繊維材料から成る。壁要素の寸法と外形は、内張りすべき空間の幾何学形状に合わされる。
【０００７】
燃焼室とガスタービン燃焼器に対する壁要素が、国際公開第９９／４７８７４号パンフレットに記載されている。その場合、高温流体に曝される燃焼室に対する壁要素は、金属支持構造物とこの構造物上に固定された断熱要素で構成されている。金属支持構造物と断熱要素の間に、金属支持構造物と断熱要素の相対移動を吸収し補償する変形可能な分離層がはめ込まれている。かかる相対移動は、例えばガスタービンの燃焼器、特に環状燃焼器において、利用される材料の異なった熱膨張挙動や、燃焼室内における脈動によりひき起こされる。その脈動は、高温作動媒体を発生する際の不規則な燃焼や共振作用に伴い生ずる。断熱要素が少なくとも部分的に分離層に入り込むことで、分離層はまた、非常に硬い断熱要素を全体として分離層および金属支持構造物に平面的に接触させている。かくして分離層は、支持構造物および／又は断熱要素の製造上の非平坦性も補償する。そのような非平坦性は、局所的に不利な点状の力伝達を生じる。
【０００８】
本発明は、特にセラミックス断熱煉瓦が、熱膨張のために必要な柔軟性を考慮に入れているため、通常、例えば衝撃や振動のような機械的負荷に対し十分に保護されないという認識から出発する。従って本発明の課題は、特に上述の要件に対し高い運転信頼性を保障する改良形断熱煉瓦を提供することにある。また本発明の別の課題は、そのような断熱煉瓦のライニングを備えた燃焼器並びにそのような燃焼器付きのガスタービンを提供することにある。
【０００９】
断熱煉瓦に関する課題は、本発明に基づき、高温媒体に曝される高温側面と、該面と反対側の壁側面と、両面に隣接する周囲面とを備え、特に燃焼器壁を内張りする断熱煉瓦において、周囲面に緩衝要素を備えることにより解決される。
【００１０】
本発明は、断熱煉瓦を衝撃や振動による大きな加速から永続的に保護する全く新たな方式を提供する。本発明は、燃焼器壁を内張りすべく通常利用される燃焼器壁が、燃焼器壁の定常および／又は過渡振動により振動するという認識から出発する。特に共振時、限界加速度を上回る大きな加速度が生じ、その際、断熱煉瓦が燃焼器壁から浮き上がり、続いて再び激しくぶつかる。かかる中実燃焼器壁への衝突は、断熱煉瓦に非常に大きな力を加え、断熱煉瓦を大きく損傷させてしまう。このため、断熱煉瓦の寿命が大幅に縮まる。極端な場合、衝突時に断熱煉瓦が割れ、その破片がばらばらになり、燃焼室内に入る恐れがある。続いて、燃焼室で小さな破片や大きな破片が、燃焼室の構成要素をひどく損傷する。そのため、特に断熱煉瓦をガスタービンに採用した際、ガスタービンの燃焼器、例えば環状燃焼器に後置接続されたタービンがひどく損傷される。
【００１１】
本発明によれば、特にセラミックス材料から成る断熱煉瓦から、その破片が脱落する危険が著しく減少する。断熱煉瓦の周囲面に設けた本発明に基づく緩衝要素は、２つの機能を満たす。まずこの要素は、断熱煉瓦を燃焼器に採用したことに伴う衝撃荷重を減衰する。周囲面に緩衝要素を設けることで、特に衝撃や周囲面への局所的な他の力伝達を効果的に減衰させる。燃焼室を互いに平面的に並べて配置した多数の断熱煉瓦で内張りする場合、断熱煉瓦相互の相対運動が、周囲面にそのような衝撃を生じさせる。従って緩衝要素によって既に、破損の危険が事前に減り、これによって、運転信頼性が高まる。
【００１２】
本発明の構想に基づく緩衝要素は、上述の目的の他に、断熱煉瓦を燃焼器に利用する際、破片を生じる損傷を防ぐ追加的な役目も果たす。つまり、かなり大きな衝撃荷重のため、燃焼器煉瓦に亀裂や材料割れが生じてしまった際、緩衝要素は、同時に燃焼器煉瓦に対する保護要素の役割を果たす。緩衝要素は、壊れ易くなっているか既に破損している断熱煉瓦を、そこから１つ或いは複数の破片が脱落しないよう保護する機能を果たす。この結果、本発明により、衝撃破損事故時の断熱煉瓦の受動的保護が達成される。
【００１３】
本発明による緩衝・保護要素で、断熱煉瓦の長期にわたる使用を保障できる。断熱煉瓦は、特別な状態の際、緩衝要素により非常運転特性を付与され、この結果、例えば連鎖的なタービン翼の損傷を防止できる。これは、特に燃焼器に断熱煉瓦を採用する場合に大きな価値がある。と言うのは、破損後でも断熱煉瓦の断熱機能をなお保障し、特に燃焼器内に破片が到達しないからである。通常時、断熱煉瓦を有する燃焼器の臨時的な点検および／又は修理が不要であると言う別の経済的な利点が生ずる。この断熱煉瓦を備えた燃焼器は、少なくとも通常の点検周期で運転でき、それでも、大きな受動的保護性のため、寿命が延びる。
【００１４】
本発明の有利な実施態様では、緩衝要素を平面的に設ける。これに伴い、周囲面が緩衝要素に平面的に接続される。緩衝要素と保護要素とのこの平面的な結合は、衝撃破損後や別の形で起った材料亀裂や材料割れ後における断熱煉瓦の破片の脱落防止を十分に保障する。緩衝要素の平面的な設置に伴い、断熱煉瓦をその周囲面で少なくとも部分的に平面的に覆って保護できる。材料割れは、高温側面から壁側面迄延び、断熱煉瓦を少なくとも２つの破片に裂き、最悪の場合に周囲面迄伝播する。かかる破片は、周囲の緩衝要素によりつなぎ止められる。この緩衝要素による保持効果で、破片は実際上ばらばらにならず、或いは少なくとも非常にばらばらになり難い。緩衝・保護要素は、破片を一緒に結び合せて、断熱煉瓦がその機能を満たすよう作用する。
【００１５】
周囲面への緩衝要素の配置と形成に伴い、亀裂や材料割れが予期される個所を的確に保護できる。平面的な設置により、周囲面の大きな範囲を保護し、これによって、考え得る材料亀裂や割れを橋渡しし、もって、例えばこの断熱煉瓦をガスタービン燃焼器に利用した場合、継続運転が急に害されることはない。
【００１６】
緩衝要素は織物、特に織物マットとして形成するとよい。その場合、十分な減衰特性（減衰定数）と、例えば燃焼器に採用する際に予期せねばならない高温に対する耐熱性とを有する織物や織物マットを利用する。また織物マットを用いると、それを所望の大きさに裁断し、断熱煉瓦の周囲面に簡単に設置できる利点が生ずる。織物マットが、例えば平面的な設置により断熱煉瓦にぴったり接触するので、織物マットの材料は、マット材料と断熱煉瓦材料との間の望ましくない化学反応を起さぬよう選定せねばならない。緩衝・保護要素は編物、フリース或いはスポンジ状に形成できる。緩衝要素はまた、それが有効である場所では、部分的にそれらの組織的に異なった外形を組み合わせて構成してもよい。
【００１７】
緩衝・保護要素を織物、特に織物マットとして形成することで、周囲面への平面的な設置が容易になり、断熱煉瓦の幾何学形状に良好に適合可能という利点が得られる。織物組織は、この結果、亀裂の橋渡しに関し優れた保護・支持機能を果たすので、非常に有利である。
【００１８】
緩衝要素がセラミックス材料、特にセラミックス繊維材料から成ると有利である。セラミックス材料は耐熱性、耐酸化性或いは耐腐食性を有し、従って、燃焼器での採用に特に適する。また、セラミックス材料、特にセラミックス繊維材料から成る織物マットは、経済的に入手できる。
【００１９】
セラミックスマット、特にセラミックス繊維マットは、例えば１２００℃迄の使用に適するセラミックス繊維から成る。その化学的組成は、例えば６２重量％のＡｌ２Ｏ３、２４重量％のＳｉＯ、１４重量％のＢ２Ｏ３である。この繊維は約１０〜１２μｍの直径を持つ多数の個々の糸で構成される。最大結晶寸法は代表的に約５００ｎｍである。セラミックス繊維材料から、所望の大きさと厚さを持つ織物、編物又はフリースが簡単に製造できる。断熱煉瓦に対する緩衝・保護要素として、多層のセラミックス緩衝マットも製造できる。該多層マットは互いに緩衝要素の形に縫合され又は留められる。このセラミックス繊維マットの大きな破断強度と耐熱性は、断熱煉瓦の高い運転信頼性と非常運転特性を保障する。
【００２０】
また、緩衝要素を、特に珪酸系の接着剤による接着で設けるとよい。しかし、緩衝要素はクランプやねじ止めで周囲面に設けてもよい。緩衝要素は少なくとも部分的に断熱煉瓦の基礎材料に、例えば注型や圧入ででも設けられる。基礎材料に挿入緩衝物を接着する際、通常の接着剤や耐熱接着剤が利用できる。また上述の如く、優れた接着性と耐熱性を持つ珪酸系の接着剤も採用できる。これは、ガスタービン燃焼器に採用する際に特に有利である。
【００２１】
結合に際し、セラミックス又は金属のマット、特にセラミックス織物マットの利用が有利である。これは、それらマットが織物組織に伴い通気性（多孔性）を有し、このため緩衝・保護要素と断熱煉瓦の基礎材料との確実な結合が促進されるからである。その場合、断熱煉瓦の基礎材料は、例えばセラミックス材料、特に耐火セラミックスである。
【００２２】
本発明の他の有利な実施態様では、周囲面が端面とこの端面に対し傾斜した取付け面とを有し、端面には緩衝要素が設けられる。断熱煉瓦が燃焼室、例えばガスタービン燃焼器に採用される際に存在する種々の幾何学的外形と種々の使用状態とに基づき、周囲に種々の面、即ち端面と取付け面を設けるとよい。端面が取付け面に対し断熱煉瓦の幾何学形状に関係する傾斜角だけ傾斜しているので、通常、端面と取付け面は周囲面の異なった範囲となる。緩衝要素は、端面に設けるとよい。しかし緩衝要素は、要件と荷重状態に応じ、少なくとも部分的に取付け面に設けてもよい。これは、取付け面への緩衝要素の設置に伴い、断熱煉瓦の支障ない取付けが妨げられない場合に可能である。荷重状態と構造幾何学形状に関係して、端面と選択的に補助的な取付け面に、緩衝要素を設置するとよい。
【００２３】
この場合、例えば断熱煉瓦が特に正方形基礎面を備えた直方体形状をなし、直方体の周囲面は幾何学形状に基づいて４つの部分面に分けられる。そのうち、対向して位置する２つの部分面が直方体の端面を形成し、それらに９０°の角度を成して隣接する直方体の面が取付け面である。従って、各断熱煉瓦に複数の端面や取付け面を設けることもできる。多角形基礎面を備えた角錐形断熱煉瓦も考えられる。更に、例えば高温側面や壁側面を湾曲面にすることも考えられる。その場合また、好適には、断熱煉瓦の周囲面に複数の緩衝要素が設けられる。
【００２４】
取付け面が、特に取付け要素を受ける溝を有するとよい。断熱煉瓦を燃焼器、例えばガスタービン燃焼器に採用する場合、断熱煉瓦を燃焼器壁に適当な方法で取り付ける必要がある。この目的は、断熱煉瓦溝とも呼べる燃焼器煉瓦の溝で達せられる。断熱煉瓦を取付け要素、例えばクランプ、フック又はボルトにより燃焼器の壁に取り付ける。この際、断熱煉瓦の取付けは、釈放可能に行なえ、断熱煉瓦をばね弾性的に保持できる。これは、断熱煉瓦の緩衝特性に有利に作用し、衝撃割れを予防する。
【００２５】
燃焼器に関する課題は、本発明に基づき、上述した実施例の断熱煉瓦で内張りした燃焼器により解決される。
【００２６】
ガスタービンに関する課題は、本発明に基づき、上記の燃焼器を備えたガスタービンにより解決される。
【００２７】
ガスタービンと燃焼器の利点は、上述した断熱煉瓦の説明に応じて生ずる。
【００２８】
以下図を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２９】
図１は断熱煉瓦１を斜視図で示す。この断熱煉瓦１は、特に基礎面が正方形をなす直方体状に形成されている。断熱煉瓦１は高温側面５と、この面５と反対側の壁側面７とを有している。断熱煉瓦１を、例えばガスタービンの燃焼器に採用する場合、高温側面５は高温媒体、例えば高温燃焼ガスに曝される。高温側面５と壁側面７に周囲面６９が隣接している。この周囲面は、直方体状断熱煉瓦１の４つの側面で形成される。周囲面６９は端面７１、７１Ａと、これら端面７１、７１Ａに対し傾斜した取付け面７３とを有する。取付け面７３は取付け要素（図示せず）を受けるための溝３９、特に断熱煉瓦溝を有する（図２とその説明参照）。この溝３９は高温側面５と壁側面７とで規定された平面に対し平行に延びる。周囲面６９に緩衝要素３ともう１つの緩衝要素３Ａを設けている。これら緩衝要素３、３Ａは、セラミックス材料１５、特にセラミックス繊維材料を含む織物マット１３から成る。緩衝要素３、３Ａは各々接着剤６７で周囲面６９に付けられている。この結果、繊維マット１３と断熱煉瓦１の基礎材料１９、例えば耐火セラミックスとの固い結合が達成される。
【００３０】
緩衝要素３、３Ａと周囲面６９との結合は、接着以外の方式でも行なえる。例えば緩衝要素３、３Ａをねじ止めやクランプ等で設け、その際固く又は釈放可能に結合できる。緩衝要素３、３Ａは、一方の緩衝要素３を端面７１に設け、他方の緩衝要素３Ａを端面７１と反対側の端面７１Ａに設けるよう配列する。その両端面７１、７１Ａは平らであり、特に各緩衝要素３、３Ａと全面でぴったり接する。この結果、断熱煉瓦、特にその端面側を、衝撃および／又は熱的にひき起こされる断熱煉瓦１の亀裂発生や材料割れおよび衝撃に対し効果的に保護する。振動および／又は端面７１、７１Ａへの衝撃が緩衝する他、受動的保護性が向上し、且つ非常運転特性が生ずる。例えば断熱煉瓦１の高温側面５から壁側面７迄通して延び、おそらく端面７１、７１Ａ迄伝播する亀裂は、緩衝要素３、３Ａにより確実につなぎ止められる。
【００３１】
図２は支持構造物２３を示し、その支持構造物２３に断熱煉瓦１Ａともう１つの断熱煉瓦１Ｂが固定されている。その固定のため、支持構造物２３は、長手軸線７７に対し平行に延びる取付け溝３７を有する。この溝３７は、例えば支持構造物２３に切削加工されている。断熱煉瓦１Ａ、１Ｂは長手軸線７７に沿って互いに隣接し、各々取付け要素２５を経て支持構造物２３に固定されている。その固定のため、取付け要素２５が溝３９、特に断熱煉瓦１Ａ、１Ｂの断熱煉瓦溝に係合している。断熱煉瓦１Ａ、１Ｂは、溝３９付きの取付け面６９が、長手軸線７７に対し直角に延びる横軸７９に対して平行に延びるよう、配列されている。緩衝要素３、３Ａ付きの端面６７、６７Ａは、長手軸線７７に対し平行に延びている。断熱煉瓦１Ａは、横軸７９に沿って片側端面６７から反対側端面６７Ａまで延びる割れ目７５を有する。この割れ目７５は片側端面６７で緩衝・保護要素３によりそして反対側端面６７Ａで緩衝・保護要素３Ａにより、各々橋渡しされている。緩衝要素３、３Ａが断熱煉瓦１Ａに亀裂ブリッジの形に固く結合されているので、破片８１Ａ、８１Ｂが支持構造物２３から緩むことはない。従って、断熱煉瓦１Ａはその機能と断熱特性を維持する。これに伴い、破片８１Ａ、８１Ｂの脱落の恐れを非常に効果的に防止できる。
【００３２】
図２に示す断熱煉瓦１Ａ、１Ｂ付きの支持構造物２３は、例えば燃焼器壁、一例としてガスタービン燃焼器の燃焼器壁のライニングとして利用される。燃焼器壁は、通常断熱煉瓦１Ａ、１Ｂで平面的に内張りされている。上述の形状の断熱煉瓦１Ａ、１Ｂを備えた燃焼器によれば、支持構造物２３における断熱煉瓦１Ａ、１Ｂの緩衝形保持、特に弾力的保持が達成される。この結果、燃焼器ライニングが衝撃や振動に対し特に強くなる。緩衝・保護要素３、３Ａを持つ断熱煉瓦１Ａ、１Ｂは、高温媒体の高温、例えばガスタービンにおける１４００℃に及ぶ高温の作用並びに衝撃および／又は振動による大きな機械エネルギ作用に対し耐える。緩衝要素３、３Ａ、３Ｂにより、燃焼器やそのような燃焼器を有するガスタービンの受動的保護性が著しく高まる。断熱煉瓦１Ａ、１Ｂは、特別な状態における非常運転特性を与えられ、例えばガスタービンのタービン部分の連鎖的損傷を確実に防止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
緩衝要素付き断熱煉瓦の斜視図。
【図２】
断熱煉瓦が固定された支持構造物の側面図。
【符号の説明】
１　断熱煉瓦、３　緩衝要素、５　高温側面、７　壁側面、
１５　セラミックス材料、６９　周囲面、７１　　端面
【国際公開パンフレット】
2004509316.tif 000003
2004509316.tif 000004
2004509316.tif 000005
2004509316.tif 000006
2004509316.tif 000007
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2004509316.tif 000009
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2004509316.tif 000012
2004509316.tif 000013
2004509316.tif 000014
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2004509316.tif 000018
2004509316.tif 000019
2004509316.tif 000020
2004509316.tif 000021
【国際調査報告】
2004509316.tif 000022
2004509316.tif 000023
2004509316.tif 000024
2004509316.tif 000025
2004509316.tif 000026
2004509316.tif 000027