JPH10103012A

JPH10103012A - ガスタービンシュラウド装置

Info

Publication number: JPH10103012A
Application number: JP25968796A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Asayama; 雅弘浅山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-04-21

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックス材料を用いた場合でも、その特性
を有効に生かすことができ、かつ、主流ガスの冷却側へ
の流出防止を図って高温下での使用に耐え得る実用的な
シュラウド構造を構築する。【解決手段】ガスタービンシュラウド装置９は、ガスタ
ービンケーシング内の主流ガス通路の動翼の外周側に配
置され且つケーシングに支持される円筒状シュラウド１
１と、セラミックス繊維束１２とを備える。円筒状シュ
ラウド１１を、その周方向Ｃに沿って分割される円弧板
状の複数個の防熱セグメント１３…１３で構成する。こ
の複数個の防熱セグメント１３…１３の外周側にセラミ
ックス繊維束１２を径方向の一定厚さｔをもって周方向
Ｃに沿って密に巻き付ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガスタービンシ
ュラウド装置に係り、とくにセラミックス材料を用いた
場合の最適なシュラウド構造の工夫に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、火力発電等の発電事業では、高
温、高圧、および高速の燃焼ガスでタービンを回転させ
て大出力を得る発電システムが主流となってきている。
このような発電システムでは、ガスタービンの高効率
化、特にガスタービン入口温度の高温化を図って、発電
効率を向上させる傾向にある。

【０００３】このガスタービン入口温度の高温化対策と
して、ガスタービンの高温部を構成する各種構造部材の
金属材料の改良及び冷却技術の改善が行われているが、
近年のより一層の高温化要求を満足させるためには材料
及び冷却の両面でのより高度な技術開発が必要とされて
いる。

【０００４】このため、動翼の周囲で高温に晒されるガ
スタービンシュラウド等の高温部を成す構造部材では、
一般に金属材料よりも耐熱性に優れたセラミックス材料
の適用化が期待され、その研究開発が精力的に進められ
ている。このようにセラミックス材料への適用化が期待
されている従来のガスタービンシュラウド装置の一例を
図５に示す。

【０００５】図５は、ガスタービンケーシング内の主流
ガス通路の動翼に対向する外周側の位置に配置され、か
つ、ケーシングに支持される円筒状シュラウドの構成部
品であって、その周方向に複数個に分割された円弧板状
の防熱セグメントを説明するものである。

【０００６】この防熱セグメント１００は、通常、ケー
シングの内側に取り付けられた円筒状のシュラウド支持
体（図示しない）で支持されている。この支持体の内周
面側には、その周方向に沿って溝が形成され、その溝内
の開口側に防熱セグメント１００が配置される。即ち、
この防熱セグメント１００は、その内周側が主流ガス通
路の動翼に対向して高温主流ガスに晒されると共に、そ
の主流ガスによる温度上昇を抑制するためにケーシング
内の冷却通路（図示しない）からシュラウド支持体の溝
内に供給される冷却空気を外周側で受けることにより、
その外周側の金属部を主流ガス通路から熱的に隔離する
ようになっている。

【０００７】具体的に、この防熱セグメント１００は、
図示の如く、円筒状シュラウドの軸方向ＡＸの端部に凹
部１０１、１０１を形成し、これをシュラウド支持体の
溝内の対向面に形成された凸部に引っ掛けるように嵌め
込んで取り付けられている。また、防熱セグメント１０
０の中央部には、主流ガス側の外表面（外周面）と冷却
側の内表面（内周面）との温度差による熱衝撃を緩和す
るために、その周辺部よりも肉厚の薄い肉薄部１０２が
形成されている。さらに、防熱セグメント１００の周方
向Ｃの端部には、継ぎ目用の対を成す凹部１０３および
凸部１０４が形成され、この凹凸部１０３、１０４を用
いた防熱セグメント１００、１００間の嵌合構造でセグ
メント間の隙間からの主流ガスの冷却側への流出防止を
図るようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来例のガスタービンシュラウド装置にあっては、主
流ガスの冷却側への流出防止を図る等の制約下で、嵌合
構造等を前提とした段部や角部などが多い複雑形状の防
熱セグメントで構成されていたため、セラミックス材料
の適用化に際しては、以下のような不都合があった。

【０００９】即ち、角部などが多い複雑形状部品では、
セラミックス材料の焼結時の制約により加工が極めて難
しく、またセラミックス形成段階で複雑な金型が必要と
なるために必ずしも実用的ではない。仮に上記のような
複雑形状部品をセラミックスで作製したとしても、一般
にセラミックスは金属と異なり脆性が大きいため、衝撃
を受けたときに段部や角部等から亀裂が発生して割れや
すいといった問題もあった。

【００１０】従って、従来例のガスタービンシュラウド
装置では、その防熱セグメントを単に金属材料からセラ
ミックス材料に置き換えても、セラミックスで期待され
る耐熱性に優れた特性を必ずしも有効に発揮させること
ができない。

【００１１】この発明は、このような従来の問題を考慮
してなされたもので、セラミックス材料を用いた場合で
も、その特性を有効に生かすことができ、かつ、主流ガ
スの冷却側への流出防止を図って高温下での使用に耐え
得る実用的なシュラウド構造を構築することを、目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するため、セラミックス材料を用いた場合のガスタ
ービンシュラウドに要求される特性、即ち１）：高温主
流ガスに対する耐熱性を十分に発揮させてその動翼周辺
の構造体を成す金属の高温化を抑制すること、２）：動
翼が振動してシュラウドに接触した場合でも脆性的かつ
壊滅的な破壊を回避すること等について各種の検討・研
究を行ってきた。

【００１３】例えば、従来の金属高温化の抑制策では、
防熱セグメント間の隙間からの主流ガス流入を嵌合構造
で抑制していたが、同様の構造をセラミックスに要求す
ることは、上述した加工面および脆性面の問題点があ
り、得策ではないことが分かった。

【００１４】また、セラミックスの靭性強化策として、
近年脚光を浴びているセラミックス基繊維複合材料を用
いることも想到されるが、この場合にも上記と同様に嵌
合構造などの複雑形状部品を精度よく加工するには時間
およびコストが係り、実用的ではない。しかも、複合材
料から各種加工により作製された防熱セグメントでは、
繊維に過大な損傷を生じやすいほか、仮に繊維が健全で
あったとしても、高温主流ガスが嵌合部に流入する際に
嵌合部の形状に依存した熱応力が発生しやすく、靭性強
化のメリットを必ずしも十分に活用できないことが分か
った。

【００１５】そこで、本発明者は、防熱セグメント間の
隙間を段部を用いた嵌合構造ではなく、比較的単純な形
状で埋める新たなシュラウド構造に着目し、その結果、
長繊維を防熱セグメントの冷却側に密に巻き付けること
で主流ガスの流入を有効に抑制できる知見を得て、以下
の発明を完成するに至った。

【００１６】即ち、この発明では、ガスタービンケーシ
ング内の主流ガス通路の動翼の外周側に配置され且つ上
記ガスタービンケーシングに支持される円筒状シュラウ
ドを有し、この円筒状シュラウドをその周方向に沿って
分割される円弧板状の複数個の防熱セグメントで構成
し、この複数個の防熱セグメントにより外周側の金属部
を上記主流ガス通路から隔離するガスタービンシュラウ
ド装置において、上記複数個の防熱セグメントの外周側
にセラミックスの繊維束を径方向の一定の厚さをもって
周方向に沿って密に巻き付けたことを特徴とする。

【００１７】このようにセラミックスの繊維束を配置す
れば、隣接する防熱セグメント間の周方向の隙間から流
入する主流ガスを繊維束でより一層効果的に抑制するこ
とができる。従って、防熱セグメントに従来要求されて
いた嵌合構造の制約がなくなって、非嵌合状態を前提と
した段部等を必要としない単純形状の防熱セグメントを
構築できることから、セラミックス材料を用いた場合で
も容易に加工でき、その利点を十分に発揮させて高温下
での使用に耐え得る実用的なガスタービンシュラウドを
提供できる。

【００１８】この発明の好ましい態様では、前記複数個
の防熱セグメントは、前記周方向に沿って非嵌合状態で
並設されるものとする。前記複数個の防熱セグメント
は、好ましくはセラミックス材料で構成され、このセラ
ミックス材料としてはセラミックス基繊維複合材料が好
ましい。この場合には、繊維の複合化により靭性を強化
できることから、例えば異物が受けたときのダメージを
最小限にくい止めるといった利点がある。

【００１９】前記セラミックスの繊維束は、好ましくは
ＳｉＣ系の繊維束で構成する。また、前記セラミックス
の繊維束は、ブレーディング等の製法により製織された
織物構造体が好ましい。この場合には、防熱セグメント
の外周側への巻き付け回数を低減できる利点がある。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係るガスタービ
ンシュラウド装置の一実施形態を図１及び図２に基づい
て説明する。この実施形態は、主流ガス通路の第一段動
翼の外周側に配置されるガスタービンシュラウド装置に
適用したものである。

【００２１】図１は、ガスタービンケーシング１内の第
一段静翼２、第一段動翼３、および第二段静翼４に沿っ
た主流ガス通路Ｆ１の周辺部を示すものである。この主
流ガス通路Ｆ１の外周側には円筒状の複数の構造部材が
配置されている。

【００２２】この複数の構造部材は、ケーシング１に支
持されており、具体的には第一段および第二段静翼２、
４を支持する支持体５及び６、この支持体５の外周側に
配置され且つケーシング１に取り付けられるシール壁体
７、動翼２に対向する側に配置されるシュラウド支持体
８、この支持体８の内周側に配置される、この発明を成
すガスタービンシュラウド装置９で構成されている。こ
れらの構造部材内には、軸方向および周方向に沿ってそ
の一部が主流ガス通路に連絡する冷却通路１０が形成さ
れており、この冷却通路１０に沿って冷却空気を通流さ
せることにより、通路内壁からの高温の主流ガスによる
温度上昇を抑制するようになっている。

【００２３】シュラウド支持体８の内壁側には、冷却通
路１０に接続される溝８ａが周方向に形成され、その溝
８ａ内の主流ガス通路Ｆ１の軸方向ＡＸの対向面には、
対を成す凹部８ｂ、８ｂが形成されている。このシュラ
ウド支持体８は、その凹部８ｂ、８ｂ内にガスタービン
シュラウド装置９の軸方向の端部を嵌め込んで支持する
ことで、そのシュラウド装置９の冷却空気を受ける外周
側の金属部を主流ガス通路Ｆ１から熱的に隔離させてい
る。

【００２４】ガスタービンシュラウド装置９は、主流ガ
ス通路Ｆ１の動翼３の外周側に配置され且つシュラウド
支持体８で支持される円筒状シュラウド１１と、このシ
ュラウド１１の外周側に配置されるセラミックス繊維束
１２とを備えている。

【００２５】円筒状シュラウド１１は、図２に示すよう
に、その周方向Ｃに沿って分割され且つ一定間隔で支持
体８の溝８ａ内に配置される円弧板状の複数個（例え
ば、５０〜６０個）の防熱セグメント１３…１３で構成
される。

【００２６】防熱セグメント１３…１３の夫々は、例え
ばＳｉＣセラミックス材料で成り、図１〜図４に示すよ
うに、支持体８の溝８ａ内の開口側に配置され且つ周方
向Ｃに円弧状に延びるベース１３ａと、このベース１３
ａの軸方向ＡＸの両端部から溝８ａ内の底部側に突出
し、その軸方向ＡＸの外側に位置する支持体８の凹部８
ｂ、８ｂ側に嵌め込み可能につば状に延びる２つの側壁
１３ｂ、１３ｂとを有し、このベース１３ａ及び両側壁
１３ｂ、１３ｂで外周側にチャンネル（凹部）ＣＨを形
成したチャンネル構造を成す部品で構成されている。

【００２７】セラミックス繊維束１２は、例えばＳｉＣ
系長繊維を束ねたものをブレーディング等で製織した織
物構造体で成り、図２〜図４に示すように、複数個の防
熱セグメント１３…１３のチャンネルＣＨ…ＣＨ内に径
方向の一定の厚さｔをもって周方向Ｃに密に巻き付ける
ことにより、隣接する防熱セグメント１３、１３間の周
方向Ｃの隙間を埋めるようになっている。

【００２８】従って、この実施形態では、防熱セグメン
トの外周側に繊維束を巻き付けたことにより、隣接する
防熱セグメント間の隙間から冷却側への主流ガスを繊維
束で抑制でき、冷却側に流れ込む主流ガスに起因する動
翼周辺の金属製の構造部材の高温化をより効果的に回避
できる。

【００２９】また、従来の嵌合構造ではなく、一定間隔
で配置可能な単純形状の防熱セグメントを新たに構築で
き、その結果、セラミックス材料を用いた実用的なガス
タービンシュラウド装置を比較的安価に提供できる。

【００３０】なお、この実施形態では防熱セグメントを
チャンネル構造で形成してあるが、この発明は必ずしも
これに限定されるものではなく、少なくとも円筒状シュ
ラウドの外周側に繊維束を密に巻き付け可能な構造であ
ればよい。

【００３１】また、この実施形態では第一段動翼のガス
タービンシュラウド装置に適用してあるが、これに限ら
ず、主流ガス通路の第二段以降の動翼の外周側に配置さ
れるガスタービンシュラウド装置に適用しても、上記と
同様の効果を発揮させることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、セラミックスの繊維束を複数個の防熱セグメントの
外周側に径方向の一定の厚さをもって周方向に沿って密
に巻き付けたため、防熱セグメント間の隙間から冷却側
に流出する主流ガスを繊維束で効果的に抑制でき、主流
ガスに起因する動翼周辺の金属部の高温化を効果的に回
避できる。

【００３３】また、従来の嵌合構造ではなく、一定間隔
で配置可能な単純形状の防熱セグメントを新たに構築で
き、その結果、セラミックス材料を用いた実用的なガス
タービンシュラウド装置を比較的安価に提供できる。こ
の効果は、特に防熱セグメントをセラミックス材料、好
ましくはセラミックス基繊維材料で形成する場合、セラ
ミックス繊維をＳｉＣ系繊維で形成する場合、繊維束を
織物構造体で構成する場合などに最大限に発揮させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るガスタービンシュラウド装置が
配置される主流ガス通路の周辺部を示す概略側面図。

【図２】ガスタービンシュラウド装置の要部構造を示す
概略斜視図。

【図３】ガスタービンシュラウド装置を外周側からみた
概略平面図。

【図４】図３中のＡ−Ａ線に沿ってガスタービンシュラ
ウド装置をみた概略図。

【図５】従来の防熱セグメントを説明する概略斜視図。

【符号の説明】

１ガスタービンケーシング２第一段静翼３第一段動翼４第二段静翼５、６支持体７シール壁体８シュラウド支持体８ａ溝８ｂ凹部９ガスタービンシュラウド装置１０冷却通路１１円筒状シュラウド１２セラミックスの繊維束１３防熱セグメント１３ａベース１３ｂ側壁ＣＨチャンネル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービンケーシング内の主流ガス通
路の動翼の外周側に配置され且つ上記ガスタービンケー
シングに支持される円筒状シュラウドを有し、この円筒
状シュラウドをその周方向に沿って分割される円弧板状
の複数個の防熱セグメントで構成し、この複数個の防熱
セグメントにより外周側の金属部を上記主流ガス通路か
ら隔離するガスタービンシュラウド装置において、上記複数個の防熱セグメントの外周側にセラミックスの
繊維束を径方向の一定の厚さをもって周方向に沿って密
に巻き付けたことを特徴とするガスタービンシュラウド
装置。
【請求項２】前記複数個の防熱セグメントは、前記周
方向に沿って非嵌合状態で並設された請求項１記載のガ
スタービンシュラウド装置。
【請求項３】前記複数個の防熱セグメントは、セラミ
ックス材料で構成された請求項１又は２記載のガスター
ビンシュラウド装置。
【請求項４】前記セラミックス材料は、セラミックス
基繊維複合材料である請求項３記載のガスタービンシュ
ラウド装置。
【請求項５】前記セラミックスの繊維束は、ＳｉＣ系
の繊維束である請求項１乃至４のいずれか１項記載のガ
スタービンシュラウド装置。
【請求項６】前記セラミックスの繊維束は、織物構造
体で構成された請求項１乃至５のいずれか１項記載のガ
スタービンシュラウド。