JP2017002806A - タービン - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構造で、タービン静翼にかかる熱応力を抑えつつ、ガス流路の広い範囲をＣＭＣで構成することができ、その結果、ジェットエンジンのさらなる性能向上や燃費改善を実現することができるタービンを提供すること。【解決手段】翼部２０、アウタバンド部２１及びインナバンド部２２が連続する形状でＣＭＣからなるタービン静翼１１に対して、アウタバンド部２１の前部２１ｂ及び後部２１ｃを金属材料からなるハンガー１２の前掛止部１２ｂ及び後掛止部１２ｃにより掛止して、当該ハンガー１２を金属材料からなるタービンケース２に取り付ける。【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス基複合材料からなるタービン静翼がタービンケースに取り付けられるタービンに関する。
例えば航空機用のジェットエンジンにおいて、タービンは燃焼室からの高温高圧ガスに晒される。そのため、タービン静翼等のタービン部品には高い耐熱性を有するニッケル（Ｎｉ）合金（金属材料）の鋳物が主に使用されている。
一方で、近年では、金属材料よりも耐熱性が高く軽量であるセラミックス基複合材料(Ceramic Matrix Composites：以下ＣＭＣという)を、タービン部品に適用することが検討されている。
例えば、特許文献１には、ＣＭＣからなる翼部を、ガス流路を形成する径方向の内側及び外側の金属製プラットフォームに取り付けたタービンが示されている。
特開2007-85342号公報
上記特許文献１では、ガス流路を形成しているプラットフォームが金属材料であるが、ジェットエンジンのさらなる性能向上や燃費改善を図るべく、プラットフォームの部分も含めた広い範囲をＣＭＣで構成することが望まれる。
しかしながら、ＣＭＣは、一般にセラミックス繊維からなる織物を折り曲げて形を作り、そこにセラミックスマトリックスを含浸させて製造するため、形状に制約がある。例えば、ＣＭＣは、分岐部分を有する等の複雑な形状に成形することは困難であり、成形し得たとしても強度の低下等を招くおそれがある上、作業工数やコストの増加を招くおそれがある。
また、タービンケースに取り付けられるタービン部品を従来の金属製のものからＣＭＣ製のものへと単純に置き換えた場合、金属材料とＣＭＣとは線熱膨張係数が大きく異なっているため、線熱膨張係数の小さいタービン部品に大きな熱応力がかかるという問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡易な構造で、タービン部品であるタービン静翼にかかる熱応力を抑えつつ、ガス流路の極力広い範囲をＣＭＣで構成することができ、その結果、ジェットエンジンのさらなる性能向上や燃費改善を実現することができるタービンを提供することにある。
上記した目的を達成するために、第１の発明に係るタービンは、ジェットエンジンのタービンであって、セラミックス基複合材料からなり、前記ジェットエンジンの軸心に対して径方向に延びる翼部、前記翼部の外端から連続して前記ジェットエンジンの軸心に対して周方向の一側に延びるアウタバンド部、及び前記翼部の内端から連続して前記周方向の一側に延びるインナバンド部を有し、前記ジェットエンジンの軸心回りに複数並べられてタービンノズルを構成するタービン静翼と、金属材料からなり、前記アウタバンド部においてガス上流側に位置する前部を掛止する前掛止部及び前記アウタバンド部においてガス下流側に位置する後部を掛止する後掛止部を有する支持部材と、金属材料からなり、前記支持部材が取り付けられるタービンケースと、を備える。
第２の発明に係るタービンは、上記第１の発明において、前記アウタバンド部と前記支持部材との間に介装され、少なくとも前記アウタバンド部の前部と前記支持部材の前掛止部との間、及び前記アウタバンド部の後部と前記支持部材の後掛止部との間をシールするシール部材を備える。
第３の発明に係るタービンは、上記第１又は第２の発明において、前記支持部材の前掛止部及び後掛止部は溝を有し、前記前掛止部の溝に前記アウタバンド部の前部を、前記後掛止部の溝に前記アウタバンド部の後部を、それぞれ前記周方向に摺動させることで前記アウタバンド部を掛止可能である。
上記手段を用いる本発明によれば、翼部、アウタバンド部及びインナバンド部が連続する形状でＣＭＣからなるタービン静翼を、金属材料からなる支持部材により掛止して、当該支持部材を金属材料からなるタービンケースに取り付ける。これにより、簡易な構造で、タービン静翼にかかる熱応力を抑えつつ、ガス流路の極力広い範囲をＣＭＣで構成することができ、その結果、ジェットエンジンのさらなる性能向上や燃費改善を実現することができる。
本発明の一実施形態に係るタービンの一部を示す部分断面図である。 タービンノズル分割体の斜視図である。 タービン静翼単体の斜視図である。 分割体をタービン静翼、ハンガー、及びハンガーシールに分解した斜視図である。 分割体のシール部材を分解した斜視図である。 分割体のアウタバンド部における端面を示す斜視図（ａ）、及び（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図（ｂ）である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１から図６は本発明に係るタービンの一実施形態を示しており、この実施形態では、ジェットエンジンを構成する低圧タービンを例に挙げて説明する。なお、以下の説明において、ジェットエンジンの軸心方向に沿ってガス上流側を前方、ガス下流側を後方とし、軸心回りの方向を周方向とし、軸心に対し垂直な方向を径方向とし、当該径方向において軸心側を内側、軸心とは逆側を外側として説明する。
図１に示すように、ジェットエンジンを構成する低圧タービン１は、金属材料（例えばニッケル合金）からなるタービンケース２を備えている。このタービンケース２内には、エンジン軸心回りに回転する複数段のタービンディスク（図示省略）がエンジン軸心方向（図示左右方向）に適宜間隔をおいて配置されており、これらのタービンディスクの各周縁部には、複数のタービンブレード３がそれぞれ配置されている。
複数段のタービンディスクは、互いに一体で回転するように連結されており、これらのタービンディスクは、ジェットエンジンの前部に配置される図示しない低圧圧縮機の圧縮機ロータ及びファンのファンロータに一体的に連結されている。つまり、この低圧タービン１では、図示しない燃焼器からの高温ガスの膨張により複数段のタービンディスクを回転させることで駆動力を得て、複数段の低圧圧縮機ロータ及びファンロータを一体的に回転させるようになっている。
さらに、タービンケース２内には、複数段（図１では一段のみ示す）のタービンノズル４が、エンジン軸心方向に適宜間隔をおいて複数段のタービンディスクと交互に配置されている。
タービンノズル４は、複数のタービンノズル分割体（以下、分割体という）１０から構成されている。分割体１０は、図２に示すように、主に、複数（本実施形態では３つ）のタービン静翼１１と、ハンガー１２（支持部材）と、複数のシール部材１３とを備えている。
詳しくは、タービン静翼１１は、セラミックス基複合材料（以下、ＣＭＣという）からなる。ＣＭＣに用いられる強化繊維としては、例えば、炭化珪素ファイバ、カーボンファイバ、窒化珪素ファイバ、アルミナファイバ、窒化ホウ素ファイバのいずれかであるが、他の適宜のセラミックスよりなる繊維でもよく、またこれらの２以上の混合物であってもよい。
タービン静翼１１は強度確保に必要な厚さに応じて、好ましくは強化繊維が３次元的に織成された３次元織物を利用する。又は複数の２次元織物を積み重ねたもの、複数の２次元織物を積み重ねて強化繊維により互いに縫い合わせた織物を利用してもよい。織物の向きは、タービン静翼１１にかかる応力の向きを考慮して選択される。
タービン静翼１１は、強化繊維よりなる一枚の織物を仮成形し、含浸や焼結等の工程によりセラミックスを形成して織物と一体化させた後、機械加工されて製造されたものである。
図３に示すように、単体のタービン静翼１１は、全体として略コ字形状をなしている。詳しくは、タービン静翼１１は径方向に延びる翼部２０と、翼部２０の径方向外端から翼部２０の腹面２０ａ側に屈曲し周方向一側に延びるアウタバンド部２１と、翼部２０の径方向内端から翼部２０の腹面２０ａ側に屈曲し周方向一側に延びるインナバンド部２２とを有している。
アウタバンド部２１は、ガス流路を形成する基部２１ａに対して、前部２１ｂが径方向外側に向けて傾斜して延びている。またアウタバンド部２１の後部２１ｃは、基部２１ａに対して径方向外側に向けて傾斜し、且つ先端部分が軸心方向に突出して、端面略Ｓ字状をなしている。
インナバンド部２２は、ガス流路を形成する基部２２ａに対して、前部２２ｂが径方向内側に屈曲して延び、後部２２ｃが径方向内側に僅かに突出している。
アウタバンド部２１及びインナバンド部２２それぞれにおける周方向一側の端面２１ｄ、２２ｄは、翼部２０の背面２０ｂの形状に合わせた円弧状をなしている。これにより、図２に示すように、分割体１０として複数のタービン静翼１１を組み合わせた際には、各タービン静翼１１のアウタバンド部２１及びインナバンド部２２同士が密に接し合うこととなる。そして、アウタバンド部２１及びインナバンド部２２同士が接し合っている部分にはろう付けが施されている。
ハンガー１２は、金属材料（例えばニッケル合金）であり、図１、図２、図４に示すように、分割体１０の径方向外側に位置し、分割体１０を掛止しつつ、タービンケース２に取り付けられている。詳しくは、ハンガー１２は分割体１０の外周面と間隔をあけつつ当該外周面を覆う基部１２ａが形成され、当該基部１２ａの前辺には各タービン静翼１１のアウタバンド部２１の前部２１ｂを掛止する前掛止部１２ｂが形成されている。また、基部１２ａの後辺には各タービン静翼１１のアウタバンド部２１の後部２１ｃを掛止する後掛止部１２ｃが形成されている。
各掛止部１２ｂ、１２ｃは、ハンガー１２の内面側にて軸心方向中央に向けて開口した溝状をなし、前掛止部１２ｂの溝部分にアウタバンド部２１の前部２１ｂを、後掛止部１２ｃの溝部分にアウタバンド部２１の後部２１ｃを、それぞれ周方向に摺動させることでアウタバンド部２１を掛止可能である。
また、ハンガー１２の外面側には、前掛止部１２ｂからさらに斜め前方に延びるフロントリム１２ｄと、軸心方向中央部分から径方向外側に延びるリアリム１２ｅが形成されている。また、リアリム１２ｅには貫通孔１２ｆが複数形成されている（図１、図６（ａ）参照）。
このように構成されたハンガー１２は、リアリム１２ｅの先端部分がタービンケース２の係合部２ａに係合し、当該係合部２ａとともに貫通孔１２ｆにピン１４が挿入されることで、タービンケース２に取り付けられている。つまり、ハンガー１２は係合部２ａにより軸心方向の移動が拘束され、ピン１４により周方向及び径方向の移動が拘束されている。
一方、分割体１０の径方向内側については、例えば図２に示すように、複数のタービン静翼１１のうちの一部のタービン静翼１１（図２においては最も左側のタービン静翼）のインナバンド部２２における前部２２ｂの先端に、切欠２２ｅが形成されている。そして、分割体１０は、図１に示すように、各タービン静翼１１のインナバンド部２２における前部２２ｂが軸心側支持部１５の係合部１５ａに係合し、当該係合部１５ａとともに切欠２２ｅにピン１６が挿入されることで、当該軸心側支持部１５に取り付けられている。つまり、インナバンド部２２は係合部１５ａにより軸心方向の移動が拘束され、ピン１６により周方向の移動が拘束されている。
本実施形態のシール部材１３は、フックシール３０、ハンガーシール３１、アウタシール３２、インナシール３３を有している。
図１に示すようにフックシール３０はタービン静翼１１のアウタバンド部２１とハンガー１２との間に介装され、アウタバンド部２１の前部２１ｂ及び後部２１ｃとハンガー１２の前掛止部１２ｂ及び後掛止部１２ｃとの間をシールするものである。
詳しくは、図４に示すように、フックシール３０の基部３０ａは四辺と十字の骨格とから構成され、前辺３０ｂ及び後辺３０ｃはハンガー１２の前掛止部１２ｂ及び後掛止部１２ｃの溝形状に合わせて屈曲している。
フックシール３０の後辺３０ｃの２箇所には切欠３０ｄが形成されている。また、当該切欠３０ｄに対応して、ハンガー１２の後掛止部１２ｃ上面に貫通孔１２ｇが形成され（図１、図６（ａ）参照）、一部のタービン静翼１１（図４において両端のタービン静翼）のアウタバンド部２１の後部２１ｃに切欠２１ｅが形成されている。分割体１０は、これら切欠３０ｄ、２１ｅ及び貫通孔１２ｇにピン１７が挿入されていることで、ハンガー１２に対する、フックシール３０及び各タービン静翼１１の周方向の移動が拘束されている。
また、アウタバンド部２１の前部２１ｂ及び後部２１ｃとハンガー１２の前掛止部１２ｂ及び後掛止部１２ｃとの隙間及びフックシール３０の厚さ等は、ＣＭＣからなるタービン静翼１１及び金属材料からなるハンガー１２の各熱膨張の差を考慮して、ジェットエンジン運転時の高温状態においてタービン静翼１１にかかる熱応力を抑制し且つガスの漏れを防ぐように設定されている。
また、ハンガーシール３１、アウタシール３２、及びインナシール３３は、隣接する分割体１０同士の隙間をシールするものである。詳しくは、ハンガーシール３１は、図５及び図６（ａ）（ｂ）に示すようにハンガー１２の周方向端面に形成されたシール用の溝に設けられている。またハンガーシール３１の屈曲部分には補助シール３１ａが積層されている。
アウタシール３２は、フックシール３０の基部３０ａとアウタバンド部２１の径方向外側面との間と、アウタバンド部２１の後部２１ｃの周方向端面に形成されたシール用の溝に設けられている。インナシール３３は、インナバンド部２２の径方向内側面と、インナバンド部２２の前部２２ｂの周方向端面に形成された溝に設けられている。
このように、本実施形態におけるタービンでは、タービン静翼１１は、ガス流路を形成するアウタバンド部２１及びインナバンド部２２を含みつつ、全体が連続したコ字状をなしていることで、１枚の織物で成形可能な簡易な構造でありつつ、ガス流路のほとんどをＣＭＣにより構成することができる。
そして、タービン静翼１１は、アウタバンド部２１の前部２１ｂ及び後部２１ｃがハンガー１２の前掛止部１２ｂ及び後掛止部１２ｃに掛止され、当該ハンガー１２を介してタービンケース２に取り付けられている。ハンガー１２は、タービンケース２と同様に金属材料で構成され、ハンガー１２とタービンケース２との間で熱応力の問題は生じないことから、例えば金属製のタービン静翼が取り付けられていたタービンケース２に対しても、ハンガー１２が金属製のタービン静翼と同じ取付構造をなすことで、タービンケース２側の取付構造に変更を加えることなく、ハンガー１２を介してＣＭＣ主体の分割体１０を取付可能である。そしてハンガー１２の各掛止部１２ｂ、１２ｃとアウタバンド部２１の前部２１ｂ及び後部２１ｃとの隙間を適切に設定することで、タービン静翼１１を過度に拘束することなく、タービン静翼１１にかかる熱応力を抑制することができる。
さらに、ハンガー１２の各掛止部１２ｂ、１２ｃとアウタバンド部２１の前部２１ｂ及び後部２１ｃとの隙間にはフックシール３０を設け、且つ分割体１０同士の間にはハンガーシール３１、アウタシール３２及びインナシール３３を設けていることで、ガス流路からのガス流出を防ぐことができる。
また、ハンガー１２の各掛止部１２ｂ、１２ｃは溝状をなしており、当該掛止部１２ｂ、１２ｃにアウタバンド部２１の前部２１ｂ及び後部２１ｃを周方向に摺動させることで掛止可能であることから、容易な作業で且つ確実にタービン静翼１１を支持することができる。
このようにして、本実施形態におけるタービンによれば、簡易な構造で、タービン静翼にかかる熱応力を抑えつつ、ガス流路の広い範囲をＣＭＣで構成することができ、その結果、ジェットエンジンのさらなる性能向上や燃費改善を実現することができる。
以上で本発明に係るタービンについての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば上記実施形態においてはタービンをジェットエンジンの低圧タービンとしているが、本発明はタービン静翼を有するジェットエンジンのタービンであれば、形式等に限定されることなく適用可能である。
また、上記実施形態ではハンガー１２は、リアリム１２ｅがタービンケース２の係合部２ａに係合し、貫通孔１２ｆにピン１４が挿入されることで、タービンケース２に取り付けられているが、ハンガー１２とタービンケース２との取付構造はこれに限られるものではない。
また、上記実施形態では、シール部材１３としてフックシール３０、ハンガーシール３１、アウタシール３２、インナシール３３を設けているが、シール部材の形状、数、配置等はこれに限られるものではない。
１ 低圧タービン
２ タービンケース
２ａ 係合部
３ タービンブレード
４ タービンノズル
１０ タービンノズル分割体
１１ タービン静翼
１２ ハンガー（支持部材）
１２ａ 基部
１２ｂ 前掛止部
１２ｃ 後掛止部
１３ シール部材
２０ 翼部
２１ アウタバンド部
２２ インナバンド部
３０ フックシール
３１ ハンガーシール
３２ アウタシール
３３ インナシール

Claims (3)

  1. ジェットエンジンのタービンであって、
    セラミックス基複合材料からなり、前記ジェットエンジンの軸心に対して径方向に延びる翼部、前記翼部の外端から連続して前記ジェットエンジンの軸心に対して周方向の一側に延びるアウタバンド部、及び前記翼部の内端から連続して前記周方向の一側に延びるインナバンド部を有し、前記ジェットエンジンの軸心回りに複数並べられてタービンノズルを構成するタービン静翼と、
    金属材料からなり、前記アウタバンド部においてガス上流側に位置する前部を掛止する前掛止部及び前記アウタバンド部においてガス下流側に位置する後部を掛止する後掛止部を有する支持部材と、
    金属材料からなり、前記支持部材が取り付けられるタービンケースと、
    を備えるタービン。
  2. 前記アウタバンド部と前記支持部材との間に介装され、少なくとも前記アウタバンド部の前部と前記支持部材の前掛止部との間、及び前記アウタバンド部の後部と前記支持部材の後掛止部との間をシールするシール部材を備える請求項１記載のタービン。
  3. 前記支持部材の前掛止部及び後掛止部は溝を有し、前記前掛止部の溝に前記アウタバンド部の前部を、前記後掛止部の溝に前記アウタバンド部の後部を、それぞれ前記周方向に摺動させることで前記アウタバンド部を掛止可能である請求項１又は２記載のタービン。
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