JPS6385227A - ガスタ−ビン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ケーシングに断熱材が内張すされたがスター
ビンに関するものである。

従来の技術 ガスタービンにおいては、高温の燃焼ガスが高速で流動
すること、およびタービン入口のガス温度が高いほど熱
効率が良いためなるべく燃焼ガス温度を高くすることが
望まれることから、ガスタービン構成材料にはきわめて
高度の耐熱性が要求される。そこでガスタービン構成材
料にはチタン、特殊耐熱合金、セラミックスなどの高度
耐熱性材料の採用が検討される。しかしながら、これら
特殊材料は概してきわめて高価であるし、また機械加工
が困難で加工費用も高くつくものが多い。したがって、
コスト面での制約がある場合にはこれらを全面的に採用
することはできず、経済的に使用可能な材料を用いるこ
とになるか呟選ばれた装置構成材料の耐熱温度がそのガ
スタービンにおけるガス温度（したがって熱効率）の上
限を決めてしまうのが普通である。

明が解゛しようとする問題点 ガスタービンにおいて燃焼室、熱交換器、タービン室等
のケーシングは、単なる殻体ではあっても、高温高速の
燃焼ガスにさらされることにおいて池の機能部品と変り
はない。したがって、この部分に安価なダクタイル鋳鉄
などを採用すると、短期間で表面が酸化され、次いで酸
化膜が剥れて高速ガス流に乗って飛散し、熱交換器等を
傷つけたりする。

使用金属量が比較的多く、したがってなるべく安価な材
料を採用することが望まれるケーシングな、その内面に
セラミッりａｍ’質断質材熱材設することにより、燃焼
ガス温度よりもがら、従来の断熱材内張りケーシングは
、断熱材の断熱性能および耐久性の点で改良の余地ある
ものであった。すなわち、従来、セラミック繊維質断熱
材層はセラミック繊維と結合材の可塑化混合物をケーシ
ング内面に塗布しためち焼成する方法により形ｒ＆され
ているが、この方法による断熱材層は、物性にムラがあ
って、熱的な衝撃やガスタービン運転中の振動により割
れ易いという問題があり、これによるトラブルを回避し
ようとすればかなり高密度のものにして強度を確保せざ
るを得す、したがって高度の断熱性を期待することはで
きなかった。また、表面の耐風速性が充分でないか呟そ
の上をさらにステンレス鋼板などで覆う必要があり、結
局その被覆板の耐熱性によって最高ガス温度が制限され
てしまうという問題もあった。

一方、特公昭６０−５１４２２号および同６０−５２１
０６号の各公報には、ガスタービンのケーシング内面な
ど高温にさらされる金属製部品にセラミック材料を積層
する方法が記載されている。第２図はこれらの方法によ
って取付けられたセラミック材料を有する金属製部品の
一例の断面を示し、金属ベース１１の内面に金属繊維の
マット１２とセラミ・ンク材料１３の積層体がマット１
２側でろう付けされている（１４はろう付けによる融着
層）。金属繊維のマットは、小さな応力で弾性変形が可
能であることにより、温度上昇があった場合、セラミッ
ク材料と金属ベースとの間の熱膨張量の差に基づく歪を
吸収してセラミック材料の破壊を防ぐ。しかしながらこ
の方法は、セラミック材料をプラズマ噴射により緻密に
形成させていることからも明らかなように、金属製部品
上に耐久性被覆としてのセラミック層を形成する手段と
して考えられたものと思われ、セラミック材料層の断熱
性については全く考慮が払われていない。

本発明は、従来のガスタービンにおける断熱材内張りケ
ーシングが上述のような欠点を持つものであったことに
鑑み、金属板による付加的な被覆がなくても良好な耐久
性を示し断熱性の点でもすぐれている断熱材により内張
りされたケーシングを持つガスタービンを提供しようと
するものである。

問題点を解決するための手段 上記目的を達成することに成功した本発明のガスタービ
ンは、ホウケイ酸ガラスを結合材とするセラミック繊維
の薄板状多孔質成形体（以下、セラミック繊維−ホウケ
イ酸ガラス質成形体という）の片面に釉薬を施し反対側
表面に薄い耐熱性繊維質マットを接着してなる断熱材が
その繊維質マット面を接合面としてケーシングに内張り
されていることを特徴とするものである。

本発明において、セラミック繊維−ホウケイ酸ガラス質
成形体は、あらかじめケーシング形状に合わせて、但し
ケーシング内面に取付けられるよう適宜分割された形で
、工場で製造されたちのである。この成形体の最も好ま
しいものは、次のような製法で作られる。すなわち、ケ
イ酸質セラミック繊維たとえばアルミノシリケー）１ｆ
ｆｉ！をまず鉱酸で処理して表面に多孔質のシリカリッ
チ層を形成させ、次いで窒化ホウ素、炭化ホウ素、酸化
ホウ素等のホウ素化合物の懸濁液中に分散させる。その
後、繊維を脱水成形して含水率５０〜３００％の成形体
とし、乾燥後、５００〜１５００°Ｃで１〜２０時間焼
成する。得られる成形体は、耐熱性の繊維骨格を残しな
がら表層部のみホウケイ酸ガラス化した繊維が空隙の多
い集合体を形成し、繊維交絡点でホウケイ酸ガラスによ
り接着された構造のものである。その好ましい嵩密度は
、０．１〜０．８ｇ／ｃｍ’である。これよりも高密度
のものは、断熱性能が悪くなるため、望ましくない程度
に厚くしない限り、本発明の目的を充分達成することは
難しい。またあまり低密度のものは、断熱性は良くても
機械的強度が不充分になる。

このような特殊構造を持つセラミック繊維−ホウケイ酸
ガラス質成形体は、結合材であるホウケイ酸ガラスが耐
熱性にすぐれ且つセラミック繊維に強固に融着している
ため、繊維間結合が反覆高温加熱によって破壊され難く
、苛酷な温度条件のがスタービン内に置いてもすぐれた
耐久性を示す。その代表的な一例（嵩密度０．３）につ
いて性能値を示すと、次のとおりである。

曲げ強さ：常態　　　　　　　　　５４．８　Ｋｇ／Ｃ
ｍ”１０００’ＣＸ５０時間加熱後　５４．３　　／１
圧縮強さ：　８．９　Ｋｇ／ｃ＋ｎ２ 加熱収縮率：　１０００°ＣＸ５０時間加熱後　０．０
％１２００’ＣＸ５０時間加熱後　０．３％セラミック
ｔＵｔ−ホウケイ酸ガラス質成形体の片面に施す釉薬は
、成形体の表面強度を高くし耐風速性を向上させるため
のもので、適当な厚さは約０．１〜０，５ｎ＋ｍである
。この釉薬層を形成させるには、成形体製造の焼成工程
において焼成に先立ちうわぐすりをかけるか、焼成済み
成形体にうわぐすりをかけて再度焼成する。焼成済み成
形体に、プラズマ噴霧法によりこれを形成させることも
可能である。いうまでもなく、釉薬としてはガスタービ
ンの常用燃焼ガス温度において充分な耐久性を示すもの
が選ばれ、その好ましい例としては、５ｉＯ２−８２０
，−Ｒ２０（但しＲはアルカリ金属）系のもの、Ｓ　ｉ
　Ｏ２−Ｂ　２０　ｚ　−Ａ　Ｉ　２０３　Ｌｆ）　モ
ｆ）　ナト７！ｌ’　アル。

釉薬層の反対側の耐熱性ＷＬ維質マットとしては、スチ
ールウールからなるフェルト、細い鋼鉄線からなる金網
などを使用することができる。この材料は、さきに第２
図に示して説明した公知技術における金属繊維マットと
同様に、高温におけるセラミックＭＩＬｍ−ホウケイ酸
〃ラス質成形体とケーシングとの・間の熱膨張量の差に
基づく歪を吸収し成形体の破壊を防ぐ作用をする。また
、ガスタービン運転時の激しい震動を緩衝してセラミッ
クｗＬ維−ホウケイ酸ガラス質成形体の剥落や亀裂発生
を防ぐとともに、それ自体断熱材としても作用する。そ
の適当な厚さは、０．５〜５１１ＩＩ１１である。この
マットは、セラミンク繊維−ホウケイ酸ガラス質成形体
をガスタービンケーシングに取付ける前に接着しておい
てもよく、また、ケーシングにこのマットのみを先に接
着またはろう付けしたのち釉薬層付セラミックに＆維−
ホウケイ酸〃ラス質成形体を接着することにより一体化
してもよい。接着には、アルミナ、コロイダルシリカ、
カオリンなどからなる耐熱性無機質接着剤を使用するこ
とができる。

上述の材料により本発明のケーシング内張りを得る場合
、分割されたケーシング内面に合わせて用意された複数
のセラミック繊維−ホウケイ酸ガラス質成形体を用いる
ことにより生じる成形体間間隙すなわち目地部には、適
当な間隙を設け、そこに望ましくは緩衝作用を有する充
填材を充填して、ガスタービン運転時の温度上昇による
セラミック繊維−ホウケイ酸ガラス質成形体の膨張に備
える。

上述のようなセラミック＃＆維質断熱材は、それを貼着
可能な場所である限りケーシング内面全体にわたって取
付けることが望ましいが、特に高温度になることにより
本発明の構造とすることの効果が顕著な部分、たとえば
燃焼室だけに取付けてもよい。

ヌ１勇 第１図は上述のようにして形成される本発明の断熱材付
きガスタービンケーシングの一例を示す部分断面図であ
る。この例は、ケーシング１の内面にまずスチールクー
ルのフェルト２を無機質接着剤（鉄粉とケイ酸ソーダを
主成分とするもの）３により接着し、その上に、下記製
法によって製造され且つホウケイ酸ガラス質釉薬４を施
されたセラミック繊維−ホウケイ酸ガラス質成形体（嵩
密度０’、　２５　ｇ／ａｍ’、厚さ１５＋＋＋ｍ）　
５を、無機質接着剤（アルミナ、カオリンおよびコロイ
ダルシリ々を主成分とする）６により接着したものであ
る。

なお目地部７には、セラミック繊維と無機質接着剤との
混合物である充填材８が充填されている。

［セラミック繊維−ホウケイ酸ガラス質成形体５の製法
ニアルミ／シリケート系セラミックａｍ・ファインフレ
ックスにチアス株式会社）１００重量部を１０％塩酸３
０００重量部に投入し、約６０°Ｃに加温して３時間撹
拌を続けたのち脱水し乾燥する。次いでこの酸処理済み
セラミック繊維と平均粒径０．３８μの窒化ホウ素粉末
３重量部とを水中に投入して混合し、固形分濃度約２重
量％のスラリーとしたのち凝集剤を少量加えて窒化ホウ
素粉末を繊維表面に定着させ、脱水成形後、１２０℃で
乾燥し更に１１５０℃で１０時間焼成する。］ 発明の効果 本発明によるガスタービンは、上述のように耐熱性や強
度のすぐれたセラミック繊維−ホウケイ酸がラス質成形
体に釉薬被覆を施して表面特性を強化したものを繊維質
マット層に弾性的に支持させることにより、高温加熱と
冷却の繰返しに耐え、高速燃焼〃ス流の風圧やガスター
ビン運転時の震動にもよく耐える耐久性断熱材内張りを
ケーシングに施したものであるから、ケーシングの温度
上昇を確実に抑制することができ、そのぶん、耐熱限界
温度が低い安価な材料をケーシングに使っても燃焼ガス
温度を高くして熱効率を良くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるがスタービンの一例のケーシング
部分を示す部分断面図、第２図は金属材料にセラミック
材料を積層する従来の方法の説明図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ホウケイ酸ガラスを結合材とするセラミック繊維
   の薄板状多孔質成形体の片面に釉薬を施し反対側表面に
   薄い耐熱性繊維質マットを接着してなる断熱材がその繊
   維質マット面を接合面としてケーシングに内張りされて
   いることを特徴とするガスタービン。
2. （２）セラミック繊維がアルミノシリケート繊維である
   特許請求の範囲第１項記載のガスタービン。
3. （３）多孔質成形体が嵩密度０．１〜０．８ｇ／ｃｍ＾
   ３のものである特許請求の範囲第１項記載のガスタービ
   ン。