JP2001090505A - セラミック・タービンノズル - Google Patents

セラミック・タービンノズル

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JP2001090505A JP2000220197A JP2000220197A JP2001090505A JP 2001090505 A JP2001090505 A JP 2001090505A JP 2000220197 A JP2000220197 A JP 2000220197A JP 2000220197 A JP2000220197 A JP 2000220197A JP 2001090505 A JP2001090505 A JP 2001090505A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンエンジンの厳しい環境に耐える
セラミックから形成された改良されたタービンノズル。 【解決手段】 タービンノズルはセラミックの外側及び
内側バンドを含み、セラミック羽根前部分が一体的にこ
れらに結合される。セラミック羽根後部分はバンドの相
補的ソケットに嵌合された両端を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は概してガスタービン
エンジンに関し、より具体的にはそのタービンノズルに
関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンでは、空気がコン
プレッサーで加圧され、燃焼器で燃料と混合されそして
点火されて高温の燃焼ガスを発生し、この高温の燃焼ガ
スが下流のタービン中に流れ込み、タービンでガスから
エネルギーを抽出する。タービンは、一体の外側及び内
側バンドにより支持された複数の円周方向に離れて配置
されたノズル羽根を有するタービンノズルを含む。高圧
タービンノズルは最初に、最も高温の燃焼ガスを燃焼器
から受け、支持ディスクから半径方向外方に延びる複数
の円周方向に離れて配置された動翼を有するタービンロ
ータにそれらのガスを流す。
【０００３】全体的なエンジン効率は燃焼ガスの温度に
直接関係し、燃焼ガスの温度はガスによって熱せられる
様々なタービン構成部品を保護するために制限されなけ
ればならない。高圧タービンノズルは、適当な耐用寿命
を考えて燃焼器からの高温燃焼ガスに耐えなければなら
ない。これは一般に高温で強度を保持する超合金材料を
用いることと、コンプレッサの空気の一部をタービンノ
ズルにおける冷却媒体として使用する目的で分流するこ
ととによって実現される。
【０００４】超合金の強度には限度があり、分流される
コンプレッサの空気はエンジンの全体的な効率を減ず
る。従って、エンジンの効率は、適当な超合金の利用可
能性及びタービンノズルを冷却するためにコンプレッサ
の空気を分流する必要性により事実上制限される。
【０００５】タービンノズルの温度性能をさらに増し、
タービンノズルのために分流される冷却空気の使用を削
減するようにタービンノズルを改善するために、セラミ
ック系材料が考えられている。しかしながら、この目的
のために利用可能な従来のセラミック材料は、延性がほ
とんどなくその耐用年数を制限するその破損損傷を防ぐ
ためには特別な取り付け構造を必要とする。
【０００６】ノズルは、三次元の空力荷重及びそれを通
しての温度勾配の影響下にある羽根の環状の組立体であ
るため、タービンノズルの設計はさらに複雑になってい
る。タービンノズルは、運転中に膨張したり収縮したり
し、その結果熱応力を生じる。
【０００７】モノリシック・セラミックは簡単に成形で
きるが、その一体的な接合点で比較的に脆弱である。セ
ラミック母材の複合材（CMC）は、機械的強度を増大さ
せる意図でセラミック母材にセラミック繊維を採り入れ
る。繊維は結合母材に強度を与える。しかしながら、セ
ラミック繊維はほとんど延性を有しないため、曲げたり
またタービンノズルのような複雑な三次元構成部品にお
いて要求される移行に対応するには不十分な能力しか備
わっていない。
【０００８】従って、ガスタービンエンジンの厳しい環
境に耐えるためにセラミックから形成される改良された
タービンノズルを供給することが望まれる。
【０００９】
【発明の開示】タービンノズルはセラミックの外側及び
内側バンドを含み、セラミック羽根前部分がそれに一体
的に結合されている。セラミック羽根後部分は両端でバ
ンドの相補的ソケットに嵌合して（とじ込められて）い
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】好ましいかつ例示的な実施形態に
従って、本発明を、そのさらなる目的と利点とともに、
添付の図面に関連してなされる以下の詳細な記述により
具体的に説明する。
【００１１】図１に示されるのは、ガスタービンエンジ
ン用の環状の高圧タービンノズル１０の１部であり、高
温の燃焼ガス１２をノズルに排出するガスタービンエン
ジンの燃焼器の下流に位置している。ノズルはセラミッ
クのアーチ形になった外側及び内側バンド１４，１６を
含む。バンドはリングのセグメントであってもよいしあ
るいは要求があれば連続したリングであってもよい。
【００１２】円周方向に離れて配置された複数のセラミ
ック羽根１８が外側及び内側バンドの間に取り付けられ
るが、図１には、例示的なノズルセグメントを示すため
に２枚の羽根が図示されている。それぞれの羽根は図２
により詳細に示されるような適当な翼形状を有し、軸方
向に対向する前縁１８ａ及び後縁１８ｂを含み、それら
が円周方向即ち横方向に対向する正圧側面１８ｃ及び負
圧側面１８ｄを互いに結合する。従来の慣行に従って燃
焼ガスの向きを変える必要から、正圧側面１８ｃは普通
凹状であり負圧側面１８ｄは普通凸状である。
【００１３】実際に役立つセラミック・タービンノズル
を構成するためには、それぞれの羽根１８が１組の相補
的な羽根部分によって画成される。羽根前部２０は、構
造的強度を備えるために単体のすなわち一体型の組立体
として半径方向の両端でバンド１４，１６のうちの対応
するバンドと一体的に結合される。羽根後部２２は、バ
ンド１４，１６のうちそれぞれのバンドにある相補的ソ
ケット２４に嵌合される対向する半径方向外側及び内側
端２２ａを有する。
【００１４】この構成では、羽根部２０，２２は両方と
も、低い延性のセラミックが用いられているにもかかわ
らず、運転中に適当な強度を実現するようにタービンノ
ズルに必要な複雑な三次元構成においてセラミックで形
成され得る。
【００１５】図１及び図２に示される好ましい実施形態
においては、各羽根前部分２０は、環状のタービンノズ
ルが調整された方向性強度を有し、そして一体型のバン
ド１４，１６と強力に結合するために従来のセラミック
母材の複合材（CMC）を用いて形成され得る。これらの
図に概略的に示されるように、前部分２０は適当なセラ
ミック母材２０ｂ中にセラミック繊維編組２０ａを含む
のが望ましい。従来のセラミック母材の複合材が利用可
能であるが、炭化ケイ素母材（ＳｉＣ）中に炭化ケイ素
繊維（SｉＣ）を含むものとすることができる。その繊
維と母材は、最初は、一般的に柔軟性がある素地の状態
の適当な母材に含まれており、処理されつまり硬化して
最終的なセラミック状態になる。
【００１６】図３に示される好ましい実施形態において
は、セラミック繊維編組２０ａは最初は途切れることの
ない管状の連続した繊維の形状をしている。その管は羽
根前部分の所望の輪郭を有する適当な工具類を用いて簡
単に成形される。外側及び内側バンド１４，１６は、強
度を増大するため前部分編組２０ａと共に適当に積層さ
れ得るCMC積層体１４ａ，１６ａの形状であることが望
ましい。
【００１７】もっと具体的に言えば、図３に示される編
組管２０ａは、バンド積層体と共に積層するための一体
的移行部を備えた張り広げられたつまりキノコ状をした
両端２０ｃの形状にスリットを入れられた長手方向両端
を有することが望ましい。前部２０及びバンド１４，１
６は両方とも、望ましくは同一のセラミック母材に同一
のセラミック繊維を用いたCMCで形成されることが望ま
しい。
【００１８】編組管２０ａは、バンド間に必要な半径方
向の広がりをもって完成した翼形部の前縁部を形成する
ように構成され、そして、張り広げられた端２０ｃは部
分的にそれらのバンドを形成するように対応するバンド
に沿って向け直され得る。円周方向に隣接する前部分の
張り広げられた端は、バンドの周囲に沿ってお互いに隣
接し、バンドはその他は必要なバンドの形状になるよう
にCMCテープまたは織物積層体を用いて完成される。処
理されすなわち硬化すると、素地の前部分及びバンドは
その最終セラミック状態で堅まり、これらの構成部品の
一体構造組立体となる。
【００１９】この組立体の特別な利点は、羽根前部分２
０がそれの織り合わされた繊維により最高の強度性能を
有する編組管で形成されることである。それらの繊維は
セラミックであるので、ほとんど延性を有しないがそれ
でも張り広げられた端２０ｃのあるなしにかかわらずバ
ンドと一体的に形成され得る。
【００２０】図３に示されるように、編組２０ａ中のセ
ラミック繊維は、前部分とバンドの間に形成される最終
のコーナー丸み部分にわたって羽根前部分から対向する
外側及び内側バンドへ傾斜角度Aで移行するのが望まし
い。比較的に剛性のあるセラミック繊維による羽根とバ
ンドの交差部での結果として生じる丸みを最小にするた
めには、好ましい実施形態では傾斜角度は約４５°まで
ならよい。
【００２１】従って、張り広げられた編組端２０ｃは、
そこに積層される外側及び内側バンド１４，１６との一
体構造を提供し、タービンノズルに対して主たる強度を
提供する。編組端はバンド積層体とクロスステッチにす
るかまたはバンド積層体と重ね合せにすることができ
る。羽根前部分及びバンド中のセラミック繊維は、運転
中に受ける三次元の荷重及び温度差に対して要求される
方向でのノズル強度を最大にする方向に優先的に向ける
ことができる。
【００２２】図２で初めに示されるように、それぞれの
羽根１８は、比較的に大きい半径の前縁１８ａ及び比較
的に薄い半径の後縁１８ｂを備える空気力学的な三日月
形の輪郭を有する。後縁の半径は、ノズルの空力性能を
最大にするために必要な一般に約１０ミルである。その
ような薄い後縁は、セラミック構造に固有の制約を考慮
すると複合材のタービンノズルの設計をさらに複雑なも
のにする。セラミック繊維はほとんど延性を備えていな
いので、それらの繊維を薄い後縁に必要な小さな半径の
周りに曲げるのは一般的に不可能である。さらに、CMC
複合材の層の厚さもまた一般的には薄い羽根後縁の厚さ
よりは大きい。
【００２３】羽根は燃焼ガスを流すように構成されるて
いので、羽根は運転中にガス圧によって高い負荷を受
け、またガスの高温に曝され温度差による熱膨張及び収
縮を引き起こす。そして、羽根後縁は比較的に薄いの
で、それの冷却を行える空間を設ける余地はほとんどな
い。
【００２４】従って、図１から図３までに示される好ま
しい実施形態においては、各羽根後部分２２はその中に
強化セラミック繊維のないモノリシック・セラミックか
ら成る。モノリシック・セラミックは窒化ケイ素（Sｉ3
Ｎ4）のような従来型のものである。羽根後部分２２は
高靭性モノリシック・セラミックで形成されるのが望ま
しいけれども、それらは一般に前部分２０に見られる向
きとは異なる向きにその中の強化セラミック繊維を備え
たセラミック複合材で形成してもよい。
【００２５】例えば、前部分２０中の繊維は傾斜方向の
角度Ａに向いているのが望ましいのに対して、後部分22
に用いられる繊維は、後縁の半径方向の強度を増すため
に後部分の両端の間で半径方向に延びるていのが望まし
いであろう。後部分における繊維の好適な半径方向の向
きを考慮すると、或いは後部分の他の態様のモノリシッ
ク構造を考慮すると、後部分の外側及び内側バンドへの
特別な取付けがノズル組立体及びその強度を補ってい
る。
【００２６】上記のように、羽根後部分２２は一体にな
った前部分及びバンドから分離し異なるものであること
が望ましい。前部分及びバンドにより画成される構造枠
を用いて、個々の後部分をそれらが対応する前部分に隣
接する位置に機械的に嵌合し、個々の空力羽根を完成す
るのが有利である。
【００２７】図１及び図３に示されるように、各後部分
の半径方向の外側及び内側両端２２ａには、後部分から
延び出る軸方向に細長い支持キーを形成するのが望まし
い。その支持キー２２ａは、対応する外側及び内側バン
ドに形成される相補的な座すなわちソケット２４に簡単
に嵌合され、それぞれの後部分を外側及び内側バンドの
間に保持し羽根にかかるトルクをバンドに搬送する。こ
の構造では、後部分は、それらが嵌合される外側及び内
側バンドに対して半径方向に膨張したり収縮したりする
ことが可能である。そして、後部分にかかる空力トルク
負荷は、支持キー２２ａを介して対応するバンドで担持
される。
【００２８】このようにして、CMC羽根前部分２０は、
セラミック繊維で強化された外側及び内側バンドと共に
構造枠を構成する。また、薄い羽根後部分は空力性能を
最大にするために特別の輪郭形状とすることができ、嵌
合によってバンドの間に保持することができる。したが
って、他の実施形態では、後部分は実行可能なら繊維で
強化しているが、モノリシック・セラミックは後部分に
選択的に有利に用いることができる。
【００２９】例えば図２に示される２部分からなる構造
においては、望ましくは羽根後部分２２は羽根前部分２
０から間隔を置いて配置され、それらの間に小さな間隙
２６を設けている。羽根部分２０，２２のどちらか一方
又は両方はコンプレッサの抽気空気等の冷却媒体２８を
その中に流すために、半径方向に中空にすることができ
る。各部分はまた間隙内に隠された列になった吐出孔３
０を含むこともでき、運転中に間隙の中へ冷却媒体を吐
出する。このようにして、冷却媒体がなんらかの適当な
方法でその内部冷却するために各羽根部分を貫通して流
され、その後冷却媒体は間隙２６の中へ吐出され後部分
の外側表面を覆うように下流に流れるにつれて、冷却空
気の膜を形成する。
【００３０】差圧が運転中に各羽根の両側面１８ｃと１
８ｄとの間に生じるので、各羽根は図２に示すように間
隙２６内で羽根前部分２０と後部分２２の間に配置され
るシール３２を含み、そこを流れる流体をシールするの
が望ましい。シール３２は、間隙２６を画成する面の相
補的な凹陥に嵌装されたセラミックロープのシールのよ
うなどのような適当な構成をしていてもよい。シールは
高温の燃焼ガスが間隙２６を介して流れるのを阻止する
一方、シールの両横方向側面上を間隙２６を介して冷却
媒体２８が吐出するのを可能にしている。
【００３１】図３は、図１及び図２に示されるセラミッ
ク・タービンノズル１０の好ましい製造法の概略を示
す。各羽根後部分２２は、例えばモノリシック材料を後
部分の所望の構成に成形する等どのような適当な方法で
でも予備成形されることが望ましい。
【００３２】個々のセラミック繊維管２０ａは、その素
地の状態で羽根前部分の所望の形状に形成され、対応す
る後部分２２を補完し、両者によって個々の羽根１８を
構成する。各前部分の張り広げられた端２０ｃはその後
素地の状態で外側及び内側バンドのセラミック織物と積
層される。
【００３３】このようにして、前部分及びバンドのセラ
ミック構成要素は適当な工具または型枠を使って要求さ
れる形に形成されるかモールドされ、個々の予備成形さ
れた後部分２２がそれに組み合わされる。したがって、
後部分は組立工程においてバンドの間であって対応する
前部分の後方に嵌合される。
【００３４】次ぎに、素地のバンドと前部分は従来の方
法で処理されるかまたは硬化され、後部分がその中に機
械的に嵌合された硬化したセラミックノズルを形成す
る。
【００３５】この好ましい構成では、羽根後部分２２
は、強化セラミック繊維をもたないモノリシック・セラ
ミックのような前もって硬化処理されたセラミックであ
ることが望ましい。そして、羽根前部分２０及びバンド
１４，１６は、その中に強化セラミック繊維を有するセ
ラミック母材の複合材構造であり、構造的に一体のもの
となりまた組立体全体に強度を与える。
【００３６】この構造では、管編組２０ａの強度上の利
点が羽根前部分をバンドと一体化するために用いられ、
羽根後部分２２はバンドに機械的に保持されるか又は嵌
合される。後部分は軸方向及び円周方向にバンドに保持
されるが、支持ソケット２４内でバンド間で半径方向に
自由に膨張したり収縮したりする。
【００３７】セラミック母材の複合材及びモノリシック
・セラミックのそれぞれの利点を選択的に用いて、ター
ビンノズルをその一体性と耐久性を最大にするように構
成する。羽根前部分及び後部分２０、２２の相対的な大
きさは、CMC及びモノリシック・セラミック材料の製造
能力の要求に合わせて調整することができる。
【００３８】本明細書では本発明の好ましい例示的な実
施形態と思料するものについて説明してきたが、本発明
のその他の形態は本明細書の教示内容から当業者には自
明であり、本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する
かかる形態すべてが特許請求の範囲で保護されることを
望むものである。
【００３９】従って、特許による保護を望むのは、請求
項に規定され特徴付けられた発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的な実施形態による環状のセラ
ミック・タービンノズルのセグメントの等角図。
【図２】 図１に示されたセラミック羽根の１つを線２
−２に沿って見た半径方向断面図。
【図３】 図１及び図２に示されたセラミック・タービ
ンノズルの例示的な製造法のフローチャート図。

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックの外側及び内側バンドと、 両端で前記バンドと一体に結合されたセラミック羽根前
    部分と、 前記バンドの相補的ソケットに嵌合される両端を有する
    セラミック羽根後部分とを備えてなるタービンノズル。
  2. 【請求項２】 前記羽根前部分がセラミック母材の複合
    材からなる請求項１に記載のノズル。
  3. 【請求項３】 さらに、前記羽根前部分がセラミック母
    材中にセラミック繊維編組を含む請求項２に記載のノズ
    ル。
  4. 【請求項４】 前記編組が、前記バンドに積層された張
    り広げられた両端を有する管からなる請求項３に記載の
    ノズル。
  5. 【請求項５】 前記編組中の前記セラミック繊維が前記
    羽根前部分から前記バンドに傾斜角度をもって移行する
    請求項３に記載のノズル。
  6. 【請求項６】 前記バンドが、前記羽根前部分と積層さ
    れたセラミック母材の複合材からなる請求項３に記載の
    ノズル。
  7. 【請求項７】 前記羽根後部分がモノリシック・セラミ
    ックからなる請求項３に記載のノズル。
  8. 【請求項８】 前記羽根後部分が、前記相補的ソケット
    に嵌合されるその両端の支持キーを含み、前記羽根後部
    分を前記バンド間に保持し、羽根にかかるトルクをバン
    ドに搬送する請求項７に記載のノズル。
  9. 【請求項９】 前記羽根後部分が、前記羽根前部分から
    間隔を置いて配置され、その間に間隙を画成する請求項
    ８に記載のノズル。
  10. 【請求項１０】 前記羽根前部分及び後部分の少なくと
    も１つがそれを通して冷却媒体を流すために中空であ
    り、前記１つの部分が冷却媒体を前記間隙に吐出すため
    の列をなした吐出孔を含む請求項９に記載のノズル。
  11. 【請求項１１】 さらに、前記間隙内で前記前部分と後
    部分の間にそこを通って流体が流れるのをシールするた
    めに配置されたシールを備えてなる請求項１０に記載の
    ノズル。
  12. 【請求項１２】 セラミックの外側及び内側バンドと、 両端で前記バンドに一体に結合されたセラミック母材の
    複合材の羽根前部分と、 前記バンドの相補的ソケットに嵌合される両端を有する
    モノリシック・セラミック羽根後部分とを備えてなるタ
    ービンノズル。
  13. 【請求項１３】 前記羽根前部分が、セラミック母材中
    に前記バンドに積層される張り広げられた両端を有する
    セラミック繊維管状編組をさらに備えてなる請求項１２
    に記載のノズル。
  14. 【請求項１４】 前記羽根後部分が、前記相補的ソケッ
    トに嵌合されるその両端の支持キーを含み、前記羽根後
    部分を前記バンド間に保持し、羽根にかかるトルクをバ
    ンドに搬送する請求項１３に記載のノズル。
  15. 【請求項１５】 前記編組中の前記セラミック繊維が前
    記羽根前部分から前記バンドに傾斜角度をもって移行す
    る請求項１４に記載のノズル。
  16. 【請求項１６】 セラミック羽根後部分を形成すること
    と、 前記後部分と相補的な関係にある羽根前部分に素地のセ
    ラミック繊維管を形成することと、 前記前部分を素地の外側及び内側バンドと積層すること
    と、 前記後部分を前記バンドの間で前記前部分の後側に嵌合
    することと、 前記素地のバンドと前部分を硬化させ、そこに嵌合され
    る前記後部分とで前記セラミックノズルを形成すること
    とを含むセラミック・タービンノズルを製造する方法。
  17. 【請求項１７】 前記後部分が前もって硬化処理された
    セラミックである請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記後部分がモノリシック・セラミッ
    クである請求項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記前部分及びバンドがセラミック母
    材の複合材である請求項１８に記載の方法。
JP2000220197A 1999-09-24 2000-07-21 セラミック・タービンノズル Expired - Lifetime JP4912522B2 (ja)

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