JP2602929B2 - ターボ機械の動翼構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はガスタービンやターボジェットエンジン等の
ターボ機械の動翼構造に係り、特に燃料ガスの高温化に
有効なセラミック動翼を用いたターボ機械の動翼構造に
関する。

（従来の技術） ターボ機械として従来の高温ガスタービンには例え
ば、特開昭59−119001号公報に示すようにセラミック動
翼を用いたセラミック−金属複合羽根構造のものがあ
る。このセラミック動翼は耐熱性に優れたセラミック製
外被と機械的強度部材としての金属製翼軸部とを組み合
せた翼技術である。

従来のターボ機械に用いられるセラミック動翼は第８
図に示すように翼形をなすセラミック製外被１と高温強
度を有する金属製翼軸部２とから構成され、この金属製
翼軸部２はNi基合金等で製作される。金属製翼軸部２は
ロータに植設される内周側植込部2aと、タービン通路を
通る高温ガスがロータ側に侵入するのを防止するプラッ
トホーム2bと、セラミック製外被１を外周側に被着した
コア部2cとを有し、コア部2cの翼先端側には頂部カバー
３が一体に接合される。

前記金属製翼軸部２にセラミック製外被１を組み合せ
ることにより、圧縮応力に強く引張応力に弱いセラミッ
クの特性を利用してセラミック動翼を構成し、このセラ
ミック動翼にはセラミック製外被１に圧縮応力のみを作
用させ、セラミック本来の特性である耐熱性を有効に利
用している。第８図に示すセラミック動翼の場合、内周
側植込部2aは金属であるので、高い引張応力に耐えるこ
とができる。

このセラミック動翼は、金属製翼軸部２の翼先端側か
らセラミック製外被１を挿入し、その後翼軸部２の同一
金属製の頂部カバー３を装着し、次に、金属製翼軸部２
の頂部カバー３との接合面を高温雰囲気下で加圧し、接
合させ一体とすることにより製作される。

セラミック動翼の金属製翼軸部２はセラミック製外被
１や翼軸部自身の遠心力作用により高い応力がかかって
いる。高い応力が作用する金属製翼軸部２の温度を強度
上許容温度以下に下げるために、内部には１個あるいは
複数個の冷却空気流通孔４が軸方向に穿設されており、
冷却空気は内周側植込部2aから冷却空気流通孔４に流入
し、この冷却空気流通孔４内の空気流路を通って頂部カ
バー３に設けた冷却空気抜孔５から外部に抜出される。

（発明が解決しようとする課題） 従来のガスタービン動翼においては、冷却空気が金属
製翼軸部２の内部に形成される冷却空気流通孔（冷却空
気流路）４を通るために、金属製翼軸部２のコア部2c表
面と中心部との間に第９図に示すように大きな温度差が
生じ、コア部2cに高い熱応力が発生する。また、金属製
翼軸部２はタービン動翼の回転により高い遠心荷重を受
けており、この遠心荷重に熱応力が付加されて信頼性が
著しく低下するおそれがある。

また、このタービン動翼に高温の作動ガス（燃焼ガ
ス）が作用するので、熱はコア部2cの外周側から伝達さ
れるにも拘らず、金属製翼軸部２の内部を集中的に冷却
しているため、コア部全体を強度上の許容温度以下に冷
却する関係上多量の冷却空気を必要とする。ガスタービ
ンの冷却空気は一般には圧縮機の圧縮空気を抽気して使
用するため、多量の冷却空気を用いるとガスタービンの
タービン効率が低下する等の問題があった。

さらに、タービン動翼の頂部カバー３には高速の高温
燃焼ガスに直接晒されるため、頂部カバー３の温度を金
属材料の許容温度以下に下げるためには、複数の冷却空
気抜孔５から多量の冷却空気を消費させねばならないと
いう問題があった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、金
属製翼軸部に発生する熱応力を有効的に抑えて動翼の信
頼性を向上させるとともに、冷却空気流量を低減させて
タービン効率を高めたターボ機械の動翼構造を提供する
ことを目的とする。

本発明の他の目的は、高温燃焼ガスに晒される金属製
頂部カバーの強度を保ち、かつ冷却空気流量を低減さ
せ、動翼の信頼性を向上させ、高性能化を図ることがで
きるターボ機械の動翼構造を提供するにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明に係るターボ機械の動翼構造は上述した課題を
解決するために、金属製翼軸部とこの翼軸部に被着され
るセラミック製外被とを備えたターボ機械の動翼構造に
おいて、前記金属製翼軸部の頂部側に頂部カバーが一体
に接合されるとともに、上記金属製翼軸部とセラミック
製外被との間に耐熱合金製スリーブを配置し、前記頂部
カバーの外周側を覆う耐熱頂部外被を前記スリーブと一
体に成形し、このスリーブをセラミック外被の内周側に
緩衝材を介して位置決め支持し、上記スリーブと金属製
翼軸部との間に冷却空気流路を形成し、この冷却空気流
路を金属製翼軸部内に形成された冷却空気流通孔に連通
したものである。

また、本発明に係るターボ機械の動翼構造は、上述し
た他の目的を達成するために、金属製翼軸部とこの翼軸
部に被着されるセラミック製外被とを備えたターボ機械
の動翼構造において、前記金属製翼軸部の翼先端側に頂
部カバーを設け、この頂部カバーは金属製翼軸部のコア
部の頂部に一体に接合される金属製頂部押えとこの頂部
押えの外周側に被着された耐熱合金製の耐熱頂部外被と
に分割され、この耐熱頂部外被はその内周フランジが緩
衝材を介してセラミック製外被の頂部を支持したもので
ある。

さらに、本発明のターボ機械の動翼構造においては、
耐熱頂部外被は金属製翼軸部とセラミック製外被との間
に配置されるスリーブと一体に成形されたものである。

（作用） このターボ機械の動翼構造は、金属製翼軸部とセラミ
ック製外被との間にスリーブを配置し、このスリーブと
金属製翼軸部の間に冷却空気を流すことにより、金属製
翼軸部を均一に冷却し、熱応力の発生を有効的に抑えて
動翼の信頼性を向上させたものである。また、セラミッ
ク製外被は直接冷却されることがないのでセラミックに
発生する熱応力も低く抑えることができる。

また、金属製翼軸部は外周面側も冷却されるので冷却
効率が良好となり、冷却空気流量を減少させることがで
き、ガスタービン効率の向上を図ることができる。

さらに、頂部カバーを高温燃焼ガスに晒される耐熱頂
部外被と、この頂部外被の内側に設けられ、直接燃焼ガ
スに晒されない金属製頂部押えとに分割することによっ
て動翼冷却空気流量を減少させることができるので、動
翼の信頼性を向上させ、高性能化を図ることができる。

（実施例） 以下、本発明に係るターボ機械の動翼構造の実施例に
ついて添付図面を参照して説明する。

本発明はガスタービンやターボジェットエンジン等の
ターボ機械の動翼に適用することができ、第１図および
第２図はターボ機械としてガスタービンに適用したセラ
ミック動翼10を示す。このセラミック動翼10はNi基合金
等の耐熱金属材料で形成した金属製翼軸部11と耐熱性に
優れたセラミック製外被12とを組み合せたものである。
金属製翼軸部11はタービンシャフト（ロータ）に植設さ
れる内周側植込部13と、高温燃焼ガスがロータ側に侵入
するのを防止するプラットホーム14と、セラミック製外
被12を外周側に被着したコア部15とを有し、コア部15の
頂部側には頂部カバー16が設けられる。

金属製翼軸部11とセラミック製外被12との間には耐熱
性に優れたスリーブ18が配置される。このスリーブ18は
FSX414などのCo基合金のような耐熱性合金材料で作られ
る。スリーブ18はスリーブ自身の遠心力が圧縮応力とし
て作用するだけであり、高い機械的強度を必要としな
い。

また、スリーブ18はセラミック製外被12の内周側に第
１図に示すように非接触状態に緩衝材19,19を介して位
置決め支持される。緩衝材19はセラミック製外被12の軸
方向に離間して複数個設けられる、上記スリーブ18には
軸方向に離間した位置に複数の内方張出し部20が設けら
れ、この張出し部20が金属製翼軸部11のコア部15外周面
に当接してスリーブ18が支持され、これによりセラミッ
ク製外被12とスリーブ18が金属製翼軸部11に位置決めさ
れる。

スリーブ18に形成される内方張出し部20は第２図に示
すようにスリーブ内周側全周にわたって形成されている
のではなく、周方向に適宜間隔をおいて形成され、その
間に冷却空気流路21が形成される。この冷却空気流路21
は金属製翼軸部11の内部に軸方向に形成された冷却空気
流通孔22に内周側分岐孔23を介して連通している。

金属製翼軸部11に形成される冷却空気流通孔22は内周
側がタービンシャフト（ロータ）内の流通孔（図示せ
ず）を介して空気圧縮機に連通しており、この圧縮機か
らの抽気が冷却空気として冷却空気流通孔22に案内され
る。金属製翼軸部11に形成される冷却空気流通孔22は途
中で終端しており、その終端側から分岐流路孔24を介し
てコア部15とスリーブ18との間の冷却空気流路21に連通
される。

また、金属製翼軸部11の翼頂部側に設けられた頂部カ
バー16は、翼軸部と同一の耐熱性金属材料で形成され
る。頂部カバー16は金属製翼軸部11のコア部15の頂部側
と接合面Ａを介して一体に接合される。この接合は、例
えば高温雰囲気下で加圧し、拡散接合することにより行
なわれる。頂部カバー16の外周側は膨出したスリーブヘ
ッド25で覆われており、このスリーブヘッド25により頂
部カバー16が高温燃焼ガスに直接晒されないようになっ
ている。頂部カバー16を耐熱頂部外被としてのスリーブ
ヘッド25で覆うことにより、金属製翼軸部11の翼先端側
の頂部カバー16は、金属製頂部押えと耐熱頂部外被とに
２分割された頂部カバー構造と等価に構成される。その
際、セラミック製外被12の遠心荷重は頂部カバー16の段
部で負担され、スリーブヘッド25には実質的に作用しな
い。

さらに、頂部カバー16は冷却キャビディ27を内部に形
成しており、この冷却キャビティ27は連絡流入孔28を介
して前記冷却空気流路21に連通し、また連絡流出孔29を
介して頂部カバー16とスリーブヘッド25との間隙30に連
通している。

また、セラミック製外被12は翼先端側が緩衝材31を介
してスリーブ18のスリーブヘッド25に支持される。セラ
ミック製外被12の翼根元側は好ましくはシール部材を介
してプラットホーム14に支持され、このプラットホーム
14とスリーブヘッド25との間に挟持される。

次に、このセラミック動翼10の製造方法を説明する。

このセラミック動翼10を組み立てる場合には、始めに
金属製翼軸部11のコア部15にスリーブ18を装着するとと
もに、このスリーブ18にセラミック製外被12を披着し、
金属製翼軸部11の翼頂部側に頂部カバー16を設ける。こ
の頂部カバー16は金属製翼軸部11のコア部15に高温雰囲
気下で加圧し、拡散接合して一体構造に形成してセラミ
ック動翼10が製造される。

このセラミック動翼10は金属製翼軸部11とスリーブ18
との間に形成される冷却空気流路21が各分岐孔23,24を
介して冷却空気流通孔22に連通しており、空気圧縮機か
ら例えば300℃〜450℃程度の抽気が冷却空気流通孔22に
案内される。この冷却空気流通孔22に流入した冷却空気
は翼底部側から冷却空気流路21に流入し、コア部15の周
囲を冷却する。コア部15の内部には加熱源を備えていな
いので、コア部15の表面を冷却することにより、第３図
に示すように金属製翼軸部11の温度をほぼ均一にするこ
とができ、熱応力の発生を有効的に抑制できる。

また、金属製翼軸部11のコア部15の外表面を有効的に
冷却することができるので、必要な冷却空気流量を低減
させることができる。冷却の目的はコア部15を許容温度
以下に下げることであるが、コア部15を均一に冷却する
ことができるために、コア部15の平均温度を許容温度以
下の範囲で高くすることができ、必要な冷却空気流量を
低減させることができる。

スリーブ18を用いないで、冷却空気をコア部15とセラ
ミック製外被12との間に導くと、セラミック製外被12の
内壁が直接冷却されるため、セラミック製外被12に熱応
力が発生し、破壊に至るおそれがあるが、スリーブ18の
使用によりその不具合を回避できる。

また、金属製翼軸部11のコア部15を有効的に冷却した
冷却空気は冷却キャビティ27を経て頂部カバー16とスリ
ーブヘッド25との間の間隙30に案内され、この間隙30か
ら外部に吹き出される。その際、頂部カバー16の外周側
はスリーブヘッド25により覆われ、高温燃焼ガスに直接
晒されないので、頂部カバー16冷却用の冷却空気量も少
なくて済む。

なお、第１図および第２図に示すセラミック動翼にお
いては、金属製翼軸部11のコア部15および頂部カバー16
全体を１つのスリーブ18で覆うようにした例を示した
が、このスリーブ18は、周方向や長手方向に数分割して
製造や組立てを容易にしてもよい。

第４図はセラミック動翼の第２実施例を示すものであ
る。

この実施例に示されたセラミック動翼10Aは金属製翼
軸部11とスリーブ18との間に形成される冷却空気流路構
造に特徴があり、他の構造は第１図および第２図に示す
セラミック動翼10と異ならないので同一符号を付して説
明を省略する。

第４図のセラミック動翼10Aはスリーブ18の内周側に
形成される内方張出し部20aをスリーブの長手方向に延
設し、金属製翼軸部11とスリーブ18との間に形成される
冷却空気流路21aを周方向に複数に分離させたものであ
り、この分離により冷却空気が一部に偏って流れるのを
防止している。

第５図はセラミック動翼の第３実施例を示す。

この実施例に示されたセラミック動翼10Bは、冷却通
路構造を改良したものである。このセラミック動翼10B
は金属製翼軸部11内に穿設される冷却空気流通孔22aを
頂部カバー16の冷却キャビティ27まで導いた後、金属製
翼軸部11とスリーブ18との間に形成される冷却空気流路
21に翼先端側から流入して再び翼内径側に導き、スリー
ブフランジ33とプラットホーム14の間に形成される流出
溝34から外部に流出させるようになっている。

この冷通路構造の採用により、セラミック動翼10Bの
冷却効率が一層良好となり、プラットホーム14の冷却も
可能となる。また、このセラミック動翼10Bは金属製翼
軸部11の翼根元側に冷却空気用分岐孔を穿設する必要が
ないので、金属製翼軸部11の応力を軽減させることがで
きる。

なお、セラミック動翼の各実施例においてはスリーブ
とセラミック製外被12との間に複数の緩衝材を介装した
例を示したが、介装される緩衝材や断熱材の数を増加さ
せてもよい。その際、スリーブ18を使用すると、断熱材
や緩衝材が接合面Ａと接触しないために頂部カバー16の
接合作業が容易になる。

第６図および第７図はセラミック動翼の第４実施例を
示すものである。

このセラミック動翼10Cは金属製翼軸部11の翼先端側
に一体に設けられる頂部カバー16に特徴を有する。この
頂部カバー16は金属製翼軸部11のコア部15頂部に一体に
接合される金属製頂部押え36とこの頂部押え36の外周側
に被着される耐熱頂部外被37とに分割される。この頂部
カバー16は高温燃焼ガスに直接晒される耐熱部とセラミ
ック製外被12の押えのための強度部とに分離させたもの
である。

頂部カバー16の金属製頂部押え36は金属製翼軸部11の
コア部15に高温雰囲気下で一体に接合される。金属製頂
部押え36は頂部側に膨出したカバーヘッド36aを有し、
このカバーヘッド36aの段部に耐熱頂部外被37の内周フ
ランジ37aが係合され、この内周フランジ37aはセラミッ
クファイバ等からなる緩衝材38を介してセラミック製外
被12の先端側に当接し、セラミック製外被12をプラット
ホーム14との間で挟持している。

一方、頂部カバー16の金属製頂部押え36内には金属製
翼軸部11の冷却空気流通孔21aに連通する冷却キャビテ
ィ27が形成され、この冷却キャビティ27から複数の冷却
孔29が延設されている。各冷却孔29の中には、金属製頂
部押え36と耐熱頂部外被37との間隙39に通じるものと、
金属製頂部押え36の頂部リブ40側に通じるものとがあ
る。

次に、このセラミック動翼10Cの組立手順を説明す
る。

このセラミック動翼10Cを組み立てる場合、金属製翼
軸部11の翼頂部側からセラミック製外被12を挿入する。
挿入されたセラミック製外被12は緩衝材38を介して耐熱
頂部外被37で抑えられ、さらに金属製頂部押え36で全体
を押え込む。その後、頂部カバー16の金属製頂部押え36
と金属製翼軸部11のコア部15とを高温雰囲気下で加圧
し、一体接合してタービン動翼を構成する。

このセラミック動翼10Cの翼頂部は耐熱頂部外被37で
外周が覆われているので、この外被37とセラミック製外
被12の外周面のみが高温燃焼ガスに晒される。しかし、
セラミック製外被12の遠心荷重は金属製頂部押え36で分
担されるために、耐熱頂部外被37は強度的には自らの遠
心力を保持するだけでよい。すなわち、この耐熱頂部外
被37は耐熱・耐食・耐酸化機能を備えていればよく、高
い高温強度は要求されない。

これらの機能を満足する耐熱頂部外被37の材料には周
囲を流れる高温燃焼ガスの温度に応じてFSX−414やX45
等のCo基耐熱合金、Crを20％程度含む耐熱Ni基合金、酸
化物分散合金等がある。

一方、セラミック製外被12や耐熱頂部外被37の遠心荷
重を分担する金属製頂部押え36は、直接高温燃焼ガスに
晒されないため、各冷却孔29から流出される冷却空気に
よってそのメタル温度を許容温度以下に下げることがで
きる。各冷却孔29から噴出する冷却空気は、耐熱頂部外
被37の内周面に衝突するため、冷却効率のよいインピン
ジ冷却が施され、頂部外被の耐熱温度まで有効的に冷却
される。

また、金属製頂部押え36はタービン動翼のチップが相
対する静止側部材との間隙を最適化するために、耐熱頂
部外被37よりｈだけ高く設定し、頂部にリブ40を設ける
ことで、金属製頂部押え36の剛性を高めると同時に動翼
チップでの高温燃焼ガスの吹き抜けを最小限に保つこと
ができる。さらに、金属製翼軸部押え36の外縁とリブ40
で囲まれたチップ部空間に冷却空気の一部を導くことに
より、チップ部の冷却とともに高温燃焼ガスの吹き抜け
の効果を有する。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明に係るターボ機械の動翼構
造においては、金属製翼軸部の頂部側に頂部カバーが一
体に接合されるとともに、上記金属製翼軸部とセラミッ
ク製外被との間に耐熱合金製スリーブを配置し、前記頂
部カバーの外周側を覆う耐熱頂部外被を前記スリーブと
一体に成形し、このスリーブをセラミック外被の内周側
に緩衝材を介して位置決め支持し、上記スリーブと金属
製翼軸部との間に冷却空気流路を形成し、この冷却空気
流路を金属製翼軸部内に形成された冷却空気流通孔に連
通させたから、スリーブと耐熱頂部外被を一体成形で
き、加工が容易になるとともに、金属製翼軸部の外表面
を少ない冷却空気量でほぼ均一に冷却させ、冷却効率の
向上が図れる一方、耐熱合金製スリーブをセラミック外
被の内周側に緩衝材を介して位置決め支持したので、ス
リーブをセラミック外被に非接触状態に安定的に保つこ
とができ、スリーブのセラミックへの金属接触による腐
蝕反応を抑制できる。また、冷却空気でセラミック外被
を直接冷却することがないので、熱応力の発生を有効的
に抑制して動翼の信頼性を向上させることができる。

また、金属製翼軸部の冷却効率を高めることができる
ので冷却空気流量が減少し、タービン効率の向上を図る
ことができる。

さらに、頂部カバーを高温燃焼ガスに晒される耐熱合
金製の耐熱頂部外被と、この頂部外被の内側に設けら
れ、高温燃焼ガスに晒されない金属製頂部押えとに分割
することによって動翼冷却のための冷却空気量を減少さ
せることができ、また、耐熱頂部外被の内周フランジが
緩衝材を介してセラミック製外被の頂部を支持したこと
により、セラミック外被はその先端頂部が支持されて圧
縮応力しか作用しないので、脆性破壊が生じるのを有効
的に防止し、セラミック外被の破損や損傷を効果的に防
止でき、セラミック動翼の信頼性を向上させて高性能化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るターボ機械の動翼構造の一実施例
を示すセラミック動翼の構造断面図、第２図は第１図の
II−II線に沿う平面図、第３図は上記セラミック動翼の
平断面方向における温度分布を示す図、第４図は本発明
に係るターボ機械の動翼構造の第２実施例を示すセラミ
ック動翼の構造断面図、第５図は本発明の第３実施例を
示すセラミック動翼の構造断面図、第６図は本発明の第
４実施例を示すセラミック動翼の構造断面図、第７図は
第６図のVII−VII線に沿う平面図、第８図は従来のセラ
ミック動翼を示す構造断面図、第９図は従来のセラミッ
ク動翼の平断面方向における温度分布を示す図である。 10,10A,10B,10C……セラミック動翼、11……金属製翼軸
部、12……セラミック製外被、13……植込部、14……プ
ラットホーム、15……コア部、16……頂部カバー、18…
…スリーブ、21,21a……冷却空気流路、22,22a……冷却
空気流通孔、23,24……分岐孔、25……スリーブヘッ
ド、27……冷却キャビティ、33……スリーブフランジ、
36……金属製頂部押え、37……耐熱頂部外被。

フロントページの続き (72)発明者 和泉 敦彦 神奈川県横浜市鶴見区末広町２―４ 株 式会社東芝京浜事業所内 (56)参考文献 特開 昭59−23001（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−48903（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−106714（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属製翼軸部とこの翼軸部に被着されるセ
   ラミック製外被とを備えたターボ機械の動翼構造におい
   て、前記金属製翼軸部の頂部側に頂部カバーが一体に接
   合されるとともに、上記金属製翼軸部とセラミック製外
   被との間に耐熱合金製スリーブを配置し、前記頂部カバ
   ーの外周側を覆う耐熱頂部外被を前記スリーブと一体に
   成形し、このスリーブをセラミック外被の内周側に緩衝
   材を介して位置決め支持し、上記スリーブと金属製翼軸
   部との間に冷却空気流路を形成し、この冷却空気流路を
   金属製翼軸部内に形成された冷却空気流通孔に連通した
   ことを特徴とするターボ機械の動翼構造。
2. 【請求項２】金属製翼軸部とこの翼軸部に被着されるセ
   ラミック製外被とを備えたターボ機械の動翼構造におい
   て、前記金属製翼軸部の翼先端側に頂部カバーを設け、
   この頂部カバーは金属製翼軸部のコア部の頂部に一体に
   接合される金属製頂部押えとこの頂部押えの外周側に被
   着された耐熱合金製の耐熱頂部外被とに分割され、この
   耐熱頂部外被はその内周フランジが緩衝材を介してセラ
   ミック製外被の頂部を支持したことを特徴とするターボ
   機械の動翼構造。
3. 【請求項３】耐熱頂部外被は金属製翼軸部とセラミック
   製外被との間に配置されるスリーブと一体に成形された
   請求項２記載のターボ機械の動翼構造。