(57)【要約】【課題】  高温度の領域において耐熱性及び耐摩耗性に優れるガスタービン用のシュラウドを提供する。【解決手段】  シュラウド９ａは、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ等のモノリシックセラミックスまたはセラミックス繊維強化セラミックス複合材料またはセラミックス強化金属基複合材料等のセラミックスまたはセラミックスを含む複合材料であり、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性に優れている。シュラウド９の一部がセラミックスであればよく、特に、シュラウド９ａの動翼３側の端部がセラミックスであることが望ましい。使用するセラミックスまたはセラミックスを含む複合材料の種類は使用用途に応じて、例えば、炭素繊維、炭化ケイ素繊維等のセラミックス繊維を強化材として、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ等のセラミックスマトリックスに複合したセラミックス基複合材料である。ここで、セラミックス基複合材料の硬度は、ビッカース硬度で１０００以上となるように構成される。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンのケーシングの内面に配設されるシュラウドであって、
少なくとも一部がセラミックスにより構成されていることを特徴とするガスタービン用のシュラウド。
【請求項２】
前記セラミックスはモノリシックセラミックスであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用のシュラウド。
【請求項３】
前記セラミックスは、繊維材を強化材とするセラミックス基複合材料であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用のシュラウド。
【請求項４】
前記セラミックスは、セラミックス粒子又はセラミックス繊維を強化材とする金属基複合材料であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用のシュラウド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンのケーシング内面に配設されるシュラウドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石炭を燃料とする火力発電所等に使用されるガスタービンにおいて、ガスタービン内の動翼とシュラウドとの間に設けられているクリアランスが大きすぎると動翼本体の高圧側から低圧側へ流体が漏洩し、圧力損失が生じてガスタービンの運転効率が低下する。したがって、高圧流体の漏洩を低減し、ガスタービンの運転効率を向上させるために、動翼とシュラウドとのクリアランスを必要最小限まで小さくしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、動翼とシュラウドとのクリアランスを必要最小限まで小さくする方法では、クリアランスが小さいために、燃焼ガス流中に含まれる微細な石炭灰等の飛来物により金属製のシュラウドが著しく摩耗し、シュラウドの摩耗により生じた摩耗ダストが下流側に隣接する静翼に衝突し、静翼が損傷して破損する可能性があるという問題点があった。
【０００４】
さらに、シュラウドの摩耗程度を点検するために、ガスタービンを停止する際は、発電所の発電プラント全体も停止しなければならず、発電所の稼働率が低下するという問題点があった。さらに、ガスタービンを分解し、摩耗程度を点検するための工賃がかかるという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、高温度の領域において耐熱性及び耐摩耗性に優れるガスタービン用のシュラウドを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決する本発明のガスタービン用のシュラウドは、ガスタービンのケーシングの内面に配設されるシュラウドであって、少なくとも一部がセラミックスにより構成されていることを特徴とする（第１の発明）。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記セラミックスはモノリシックセラミックスであることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明において、前記セラミックスは繊維材を強化材とするセラミックス基複合材料であることを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１の発明において、前記セラミックスはセラミックス粒子又はセラミックス繊維を強化材とする金属基複合材料であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるガスタービン用のシュラウドによれば、少なくとも一部が耐摩耗性に優れたセラミックスにより構成されていることにより、シュラウドの摩耗状況を点検するための点検周期を延長することができるので、ガスタービンを停止する回数が少なくなり、発電所の稼働率を向上させることが可能となるとともに、シュラウドの材料費及び交換の工賃がなくなり、コスト削減が可能となる。
【００１１】
また、シュラウドの材質として、安価で、かつ耐熱性、耐酸化性に優れているモノリシックセラミックスを用いることにより、シュラウドの寿命が長くなるためにコスト削減が可能となる。
【００１２】
そして、シュラウドの材質として、靱性及び耐熱性に格段に優れているセラミックス基複合材を用いることにより、切り欠きや衝撃による微細な亀裂が生じても短時間での破壊を回避することが可能となる。
【００１３】
また、シュラウドの材質として、従来材である金属材料の優れた靭性を維持したままセラミックスを複合化した、特に靭性に格段に優れている金属基複合材料を用いることにより、部材組み込み時のハンドリング性の向上および衝撃を受けても金属が塑性変形することによる高破壊エネルギーを有し、短時間での破壊を回避することが可能となる。
【００１４】
したがって、本発明によるガスタービン用のシュラウドを用いることにより、シュラウドの摩耗状況を点検するための点検周期を延長することができ、発電プラントの連続運転可能時間を延長することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。  
図１は、本発明の第一実施形態に係るガスタービン用のシュラウド近傍部を示す断面図である。図１に示すように、ガスタービン１は、ロータの長手方向に所定の間隔で配設され、動翼３を有するタービン部５と、ガスタービン１のケーシング７内面に配設されるシュラウド９とを備える。
【００１６】
タービン部５は、ロータの燃焼ガス吸気側に位置し、小径の動翼３ａを有する第１段タービンディスク８ａと、第１段タービンディスク８ａの下流側に隣接し、中径の動翼３ｂを有する第２段タービンディスク８ｂと、ロータの最も下流側に位置し、大径の動翼３ｃを有する第３段タービンディスク８ｃから構成される。
【００１７】
シュラウド９は、第１段、第２段、第３段タービンディスク８ａ、８ｂ、８ｃにそれぞれ対向する位置となるガスタービン１のケーシング７内面に配設される第１段シュラウド９ａ、第２段シュラウド９ｂ、第３段シュラウド９ｃから構成される。さらに、第１〜３段シュラウド９ａ、９ｂ、９ｃは、それぞれケーシング７の周方向に分割された複数の円弧板状を有するシュラウド単体から構成される。そして、シュラウド９ａ、９ｂ、９ｃと動翼３ａ、３ｂ、３ｃとの間には所定のクリアランスが設けられている。
【００１８】
本実施形態では、第１段シュラウド９ａに本発明を適用し、説明する。  
図２は、本実施形態に係る第１段シュラウド９ａを示す図である。図２に示すように、本実施形態では、例えば、第１段シュラウド９ａは、冷却流路となる窪み部を有する凹形状を有し、材質は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ等のモノリシックセラミックスであり、耐摩耗性、耐熱性、耐酸化性に優れている。
【００１９】
使用するモノリシックセラミックスの種類は、使用用途に応じて 、例えば、高温で耐熱性が要求される場合においては、炭化ケイ素や窒化ケイ素を主成分とするものが用いられる。ここで、モノリシックセラミックスの硬度は、ビッカース硬度で１０００以上となるように構成される。
【００２０】
本実施形態によれば、シュラウド９の材質としてモノリシックセラミックスを用いることにより、耐摩耗性が向上する。このために、モノリシックセラミックスの摩耗状況を点検するための点検周期を延長することができるので、ガスタービン１を停止する回数が少なくなり、発電所の稼働率を向上させることが可能となるとともに、シュラウド９の材料費及び交換の工賃がなくなり、コスト削減が可能となる。
【００２１】
次に、本発明の第二実施形態に係る第１段シュラウド９ａについて説明する。なお、以下に示すシュラウド９の形状及び配置は、第一実施形態と同一であり、説明を省略する。
【００２２】
本実施形態においては、例えば、第１段シュラウド９ａの材質は、炭素繊維、炭化ケイ素繊維等のセラミックス繊維を強化材として、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ等のセラミックスマトリックスに複合したセラミックス基複合材料であり、耐摩耗性、耐熱性、靱性が格段に優れている。
【００２３】
セラミックス基複合材料は、連続繊維又はウィスカによる繊維強化型と粒子分散型との二つに大別され、特に強化材として、炭化ケイ素長繊維を組み合わせた場合においては、靱性は著しく向上する。炭化ケイ素長繊維は、ニカロン(日本カーボン株式会社製)又はチラノ(宇部興産株式会社製)等を用いる。ここで、セラミックス基複合材料の硬度は、ビッカース硬度で１０００以上となるように構成する。  
セラミックス基複合材料は、亀裂が発生しマトリックス中を進展しても、繊維がマトリックスと同時に破壊することなく、亀裂をブリッジングする機能を有する。
【００２４】
本実施形態によれば、シュラウド９の材質として、セラミックス基複合材を用いることにより、耐摩耗性、耐熱性、靱性が格段に向上する。このために、上述した実施形態と同様にセラミックス基複合材の摩耗状況を点検するための点検周期を延長することができるので、ガスタービン１を停止する回数が少なくなり、発電所の稼働率を向上させることが可能となるとともに、シュラウド９の材料費及び交換の工賃がなくなり、コスト削減が可能となる。
【００２５】
さらに、切り欠きや衝撃による微細な亀裂が生じても短時間での破壊を回避することが可能となる。
【００２６】
最後に、本発明の第三実施形態に係る第１段シュラウド９ａについて説明する。本実施形態においては、例えば、第１段シュラウド９ａの材質は、セラミックス粒子、又は炭素繊維、炭化ケイ素繊維等のセラミックス繊維を強化材として、ステンレス鋼やニッケルクロム鋼等の金属マトリックスに複合した金属基複合材料であり、耐摩耗性、耐熱性が格段に優れている。
【００２７】
強化材とマトリックスとの複合は、強化材とマトリックス金属の粉末を混合して焼結する方法又は強化材のプリフォームにマトリックス金属の溶湯を含浸させて複合する方法を用いる。ここで、金属基複合材料の硬度は、ビッカース硬度で１０００以上となるように構成する。
【００２８】
本実施形態によれば、シュラウド９の材質として、金属基複合材を用いることにより、耐摩耗性、耐熱性が格段に向上する。このために、上述した各実施形態と同様に金属基複合材の摩耗状況を点検するための点検周期を延長することができるので、ガスタービン１を停止する回数が少なくなり、発電所の稼働率を向上させることが可能となるとともに、シュラウド９の材料費及び交換の工賃がなくなり、コスト削減が可能となる。
【００２９】
なお、上述した各実施形態においては、第１段シュラウド９ａを用いて説明したが、これに限定されるものではなく、第２段及び第３段シュラウド９ｂ、９ｃに対して適用可能である。また、シュラウドの段数は３段を用いて説明したが、これに限定されるものではない。
【００３０】
なお、上述した各実施形態においては、シュラウド９本体をすべてセラミックスにて製作する方法について説明したが、これに限定されるものではなく、図３に示すように、従来の金属製のシュラウド９ｄに脱着可能なセラミックスのシュラウド９ｅを取り付ける分割方法でもよい。ここで、シュラウド９ｅは、シュラウド９ｄの動翼側の端部に配設されることが望ましい。この分割方法によるシュラウド９を用いる場合は、シュラウド本体すべてをセラミックスにした場合よりもセラミック系材料適用部に発生する熱応力が低減でき、摩耗発生時に交換が必要となる部位が少なくなるために材料費を低減することが可能となる。また、交換する部位が小さく、軽量であるために作業性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第一実施形態に係るガスタービン用のシュラウド近傍部を示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る第１段シュラウドを示す図であり、シュラウド全体にセラミックス系材料を適用した場合を示した図である。
【図３】本実施形態に係る第１段シュラウドを示す図であり、シュラウドの一部にセラミックス系材料を適用した場合を示した図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ガスタービン
３  動翼
３ａ  小径の動翼
３ｂ  中径の動翼
３ｃ  大径の動翼
５  タービン部
７  ケーシング
８ａ  第１段タービンディスク
８ｂ  第２段タービンディスク
８ｃ  第３段タービンディスク
９  シュラウド部
９ａ  第１段シュラウド
９ｂ  第２段シュラウド
９ｃ  第３段シュラウド
９ｄ  金属製のシュラウド
９ｅ  セラミックのシュラウド
【図１】
2007071185.tif 000003
【図２】
2007071185.tif 000004
【図３】
2007071185.tif 000005