JP2606745B2

JP2606745B2 - 高温タービンエンジン構造体

Info

Publication number: JP2606745B2
Application number: JP1510392A
Authority: JP
Inventors: エル．ボイド，ギヤリイ
Original assignee: アライド・シグナル・インコーポレーテツド
Priority date: 1988-12-06
Filing date: 1989-09-27
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: DE68915779T2; AU4337589A; DE68915779D1; WO1990006420A1; EP0447404A1; EP0447404B1; CA1333126C; JPH03505246A; US4934138A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は高温タービンエンジン構造体、特に金属並び
にセラミツクの両方の材料で構成される高温タービンエ
ンジン構造体に関する。

（背景技術）これまでのタービンエンジン技術ではエンジンの単位
重量当たりの出力を増大するためより高温で動作させる
ことが長年望まれてきた。理想的にはタービンエンジン
は消費燃料からできる限り大きなエネルギを得るため理
論燃焼で動作することがあるが、理論燃焼あるいはそれ
に近い燃焼で生じる温度はタービンエンジンを構成する
金属部材の耐久レベルを越える。従って、タービンエン
ジンの技術が進むに応じ、特に冷却技術の向上及び高温
に曝されるエンジンの構成部材としての温度・酸化に耐
える金属材料の開発の双方に重点が置かれた。即ち、冷
却技術あるいは高温金属は各燃焼チャンバ、タービンス
テータノズル、タービン羽根に対するものとして開発さ
れた。この開発により総ての部材に対する冷却法、方向
性固定若しくは単結晶法に基づいて鋳造されるニツケル
をベースとする“スーパアロイ”が開発された。特に金
属部材で構成されたタービンエンジンのより高温での動
作を研究した結果エンジンの製造が複雑となり製造費も
高くなることが判明した。タービンエンジンをより高温
で動作させる別の方法も提案されている。この方法によ
れば、高強度のセラミツク部材がエンジンに採用され
る。セラミツク部材は金属に比べタービンエンジンの高
温での酸化環境にも良好に耐え得る。ここでセラミツク
構造体に関して用いる“高強度”の用語は適用される構
造体に応じてその程度が変わる。多くのセラミツク材は
優れた高温強度あるいは酸化抵抗性を示すが、セラミツ
クの引張破砕強さまたは欠陥許容性は比較的低く、これ
までタービンエンジンへの採用が困難であつた。従つ
て、これらの材料の特性を利用してタービンエンジンの
燃焼を理想レベルに近ずけるハイブリツドセラミツク・
金属構造体の開発が長年求められていた。

従来のタービンエンジン技術または使用材料更にこの
種のエンジンの製造法の欠点を鑑み、本発明の主たる目
的は高温のタービンエンジンに使用可能なハイブリツド
セラミツク・金属製のロータ構造体を提供することにあ
る。

更に詳しく説明するに、本発明の１目的は軸方向及び
半径方向に所定関係を維持してセラミツク製のタービン
ロータ部と金属製のシヤフト部とを連結し、その間の異
なる熱及び遠心力による相対移動を許容する構造体を提
供することにある。

本発明の別の目的はセラミツク製のタービンロータ部
及び軸方向に隣接する金属製のコンプレツサロータ部が
トルク伝達可能に同軸に連結されタービンエンジンのロ
ータ部材の実質的な部分を構成するタービンエンジンを
提供することにある。

従つて、本発明によれば、．外側へ開口し軸方向に延
びる第１の開口部と第１の開口部の口部から離間して第
１の開口部に形成される環形段部とを有する第１のセラ
ミツク部と、第１のセラミツク部と軸方向に隣接して配
置された第２の部分と、第１の開口部内に挿入された軸
方向に且つ円周方向に亘つて配置された半径方向に弾性
を持つ複数のフインガ部を有する金属製で環形のコレツ
ト部材と、第２の部分に向かつて軸方向に延びる引張装
置とを備え、複数のフインガ部の離れた端部の近傍には
半径方向外側へ延び段部と協働する肩部が具備され、引
張装置はコレツト部材と協働して軸方向の引張力をコレ
ツト部材に与え、この引張力が第２の部分を経て動作す
るように設けられ、第２の部分及び第１の部分としての
コレツト部材を軸方向に共に固定してなるハイブリツド
セラミツク・金属製の構造体が提供される。

本発明の利点の１は各材料の好適な特性を最大に利用
するハイブリツドセラミツク・金属製のタービンエンジ
ンロータ部材を提供することにある。

本発明の別の利点は、本発明によるロータ部材のセラ
ミツク製及び金属製の部分間に軸方向及び遠心トルク伝
達関係が確実に達成されることにある。

更に、セラミツク製及び金属製のロータ部材の部分が
高度に同心状に配置されるので、セラミツク部分の半径
方向外側且つ軸方向に延びる円筒状面を採用してジヤー
ナルベアリング面を構成し得る。即ち、ロータ部材はセ
ラミツク部の外面によりタービンエンジン内に枢支され
得、ロータ部材を好適に支承するために１個のベアリン
グを付加するだけで良い。この１個の付加されたベアリ
ングはタービンエンジンの比較的低温の部分に配置可能
である。

本発明の他の目的及び利点は添付図面に沿い本発明の
一の好ましい実施例に沿つて以下に詳述するに応じ明ら
かとなろう。

（図面の簡単な説明）第１図は本発明によるハイブリツドセラミツク・金属
製のタービンエンジンの長手方向の部分断面図、第２図
は第１図のエンジンの部分拡大断面図であり、簡素化の
ため一部省略して示してある。第３図はタービンエンジ
ンのタービンロータ装置部の分解斜視図であり、図面の
明確化のため一部を破断図で示してある。

（発明を実施するための最良の形態）第１図を参照するに、ハイブリツドセラミツク・金属
製のタービンエンジン10が示される。タービンエンジン
10にはハウジング12が包有されており、ハウジング12に
は導入部14と、導出部16と、導入部14と導出部16との間
に連設され流体を移動させた湾曲流路18とが具備されて
いる。全体を参照番号20で示したハイブリツドセラミツ
ク・金属製のロータ部材はハウジング12内に枢支され、
ハウジング12と協働して湾曲流路18を区画している。ロ
ータ部材20にはコンプレツサロータ部22が具備され、コ
ンプレツサロータ部22の回転により矢印24で示されるよ
うに導入部14から外気が導入され圧縮されて矢印26で示
されるように流路部18′へ送られることは理解されよ
う。

流路部18′はハウジング12内に配置され、環形のロー
タリ再生器28の180度より幾分小さい領域に亙り軸方向
に延びている。再生器28の下流の湾曲流路18内には全体
を30で示される燃焼器構造体が軸方向に延設される。燃
焼器構造体30はセラミツク材料で作られ、燃焼器構造体
30の外部セラミツクライナー32は一端部がほぼ円錐状の
外部遷移部材34に支承される。内部セラミツクライナー
36は外部セラミツクライナー32内において同軸に配置さ
れ、一端部がセラミツク遷移ダクト部材38に支承されて
いる。湾曲流路18は矢印18″で示されるように内部セラ
ミツクライナー36の一端部へ向かって軸方向に延びてい
る。セラミツク遷移ダクト部材38内では、セラミツクタ
ービンの背部を覆う囲い部材40とセラミツクタービンス
テータ部材42との協働により湾曲流路18が区画され、こ
れらの囲い部材40とセラミツクタービンステータ部材42
とはロータ部材20のタービンロータ部44に向かつて半径
方向内側へと延びる。

タービンロータ部44の下流においては、湾曲流路18は
互いに離間されて協働する一対の廃棄ダクト部材46、48
間を軸方向及び半径方向外側へ延びる。複数のハイブリ
ツドセラミツク・金属取付部材50（第１図にはそのうち
の一方のみが図示される）は廃棄ダクト部材46及びハウ
ジング12と協働している。取付部材50を内部に受容する
セラミツクペーサ52により排気ダクト部材46、48が離間
される。

排気ダクト部材46、48間に連続して湾曲流路18は排気
チヤンバ54に向かつて延びる。再生器28の180度以下の
領域が排気チヤンバ54に対し露呈される。従つて、湾曲
流路18は再び再生器28を通り導出部16を経て外気へ連通
される。

タービンエンジン10の説明から明らかなように、燃焼
器構造体30内においては、燃料がコンプレツサロータ部
22からの圧縮空気に加えられて燃焼が持続されることは
理解されよう。この燃焼の結果、高温で圧縮された燃焼
生成物が燃焼器構造体30を下流に、更に燃焼器構造体に
連続する湾曲流路18へ流動することになる。またロータ
部材20はコンプレツサロータ部22、24の間に配置された
ジヤーナルベアリング56と、ロータ部材20の金属製の動
力出力シヤフト部60（第１図には一部のみを示す）に近
接して配置されるベアリング部材（図示せず）とにより
ハウジング12内に枢支される。

さて第２図〜第３図を参照するに、ハイブリツドセラ
ミツク・金属製のロータ部材20には金属製のコンプレツ
サロータ部22、セラミツク製のタービンロータ部44、金
属製の出力シヤフト部60に加え、トルクを伝達し同心性
を保持する連結構造体62と軸方向に保持する連結構造体
64が包有されることが理解されよう。連結構造体62、64
は協働してコンプレツサロータ部22、タービンロータ部
44並びに出力シヤフト部60を一体化しロータ部材20を構
成する。

金属製のコンプレツサロータ部22及びセラミツク製の
タービンロータ部44の双方には個々のハブ部66、68が包
有される。同様に、コンプレツサロータ部22及びタービ
ンロータ部44の夫々には円周方向に配置された複数の一
体羽根部70、72が包有され、羽根部70、72はハブ部66、
68上を軸方向及び半径方向外側へ延びている。タービン
ロータ部44には軸方向に延びる段付き円筒ボス部74が形
成され、ボス部74はタービンロータ部44からコンプレツ
サロータ部22へ延設される。円筒状のボス部74の小径端
部76上には金属製のカラー部材78が嵌められる。カラー
部材78の片側には半径方向及び軸方向に延び、円周方向
に位置した複数の湾曲連結歯部80が具備されており、歯
部80はコンプレツサロータ部22のハブ部66に形成された
同様の構成の湾曲歯部82と噛合可能に設けられる。歯部
80、82が互いに噛合うため、ハブ部66とカラー部材78と
がトルクの伝達可能に連結され、また同時に互いに同心
に保持されていて、これらの部材の熱あるいは遠心力に
よる膨張が許容される。

タービンロータ部44の円筒状のボス部74と一体化する
ため、カラー部材78にタービンロータ部44並びに小径端
部76を囲繞し軸方向に延びるバンド部84が具備される。
バンド部84及び小径端部76によつてそれらの間に締まり
嵌めが構成され、カラー部材78がタービンロータ部44に
対し強固に連結される。好ましくは、タービンロータ部
44のバンド部84と小径端部76との間の締まり嵌めはカラ
ー部材78を加熱し一方これとは別個に小径端部76を冷却
することにより達成される。タービンロータ部44のカラ
ー部材78と小径端部76との間にこの温度差が存在する
と、この２個の部材が連結され、その後両者の温度は平
衡状態になる。この種の締まり嵌めは従来焼き嵌めとも
呼ばれている。

円筒状のボス部74の半径方向外側に配置された長手の
円筒面86はジヤーナルベアリング56により半径方向外側
に周設されることは理解されよう。即ち、円筒面86には
ロータ部材20用のジヤーナル面が形成され、これにより
ロータ部材がハウジング12内に回転可能に支承される。
ハウジング12内のロータ部材20の軸方向の位置はロータ
部材20の出力シヤフト部60（第１図併照）と協働するロ
ーリング部材ベアリング（図面には図示せず）とにより
決定される。ベアリング58はまた、軸方向の力をロータ
部材20からハウジング12へ伝達するスラストローリング
部材のベアリングとして機能する。

また軸方向に延びる段付きの盲穴88がタービンロータ
部44に形成されている。コンプレツサロータ部22に盲穴
88と合致する貫通開口部22′が形成される。盲穴88の半
球状の端壁90がほぼロータ部のハブ部68内に配置され
る。盲穴88の終端部は小径端部76内の開口部92となり、
盲穴88の段部94は端壁90に向かい且つ端壁90と開口部92
との間に配置される。段部94は小径口径部96と盲穴88の
残部との協働により形成される。

長手で金属製で環形のコレツト部材98が盲穴88内に挿
入される。コレツト部材98には円周方向に配置した半径
方向に弾性を持つ複数のフインガ部100が具備されてお
り、フインガ部100はコレツト部材98のリング部102と一
体に形成され且つリング部102から軸方向に延びてい
る。各フインガ部100には半径方向外側へ延びる肩部104
と半径方向内側へ延びる段部106とが形成される。フイ
ンガ部100は全体として半径方向外側へ延びる単一の肩
部104と半径方向内側へ延びる単一の段部106を有するも
のにし得る。フインガ部100の肩部104は夫々盲穴88の段
部94と係合され、一方金属製のスリーブ部材108はフイ
ンガ部100内に挿入されてその段部106と係合される。コ
レツト部材98のリング部102にはネジ山部110が形成さ
れ、金属製で長手の連結ボルト部材114の端部112が螺入
される。端部112によりスリーブ部材108がフインガ部10
0内に保持され段部94からの逸脱が確実に阻止される。
端部112の対向部には連結ボルト部材114が配設され、連
結ボルト部材114のネジ山部114′上にはナツト（図示せ
ず）が螺合されてロータ部材20の出力シヤフト部50に支
承される。従つて、コレツト部材98及び連結ボルト部材
114に張力が加えられ、コレツト部材98の右手のロータ
部材20の残部が圧縮されて挿入状態になる。

上述から、連結構造体62は連結構造体64による軸方向
の保持作用によりトルク伝達可能な位置に保持されるこ
とは容易に理解されよう。またコンプレツサロータ部22
及び出力シヤフト部60によつてその間に湾曲連結が得ら
れ、タービンロータ部44からのトルクが出力シヤフト部
60を介しタービンエンジン10の外部へ伝達され得るとこ
とも理解されよう。

またロータ部材20の製造中、コレツト部材98が開口部
92を経て外側から小径開口部96内に挿入され、フインガ
部100が半径方向内側へ弾性を利用して曲げられ得るこ
とが理解されよう。フインガ部100がこのように曲げら
れたとき、肩部104が小径開口部96を通過し段部94を越
えて盲穴88の残部内に挿入される。その後金属製のスリ
ーブ部材108がコレツト部材98内に挿入され、このため
フインガ部100が半径方向内側へ湾曲することが抑止さ
れ、段部94の外側において肩部104を通過する。スリー
ブ部材108がコレツト部材98に挿入されている場合、連
結ボルト部材114の端部112はコレツト部材98に螺合され
ている。従つてスリーブ部材108はコレツト部材98内に
保持され、コレツト部材98は盲穴88内に保持される。無
論必要ならば組立手順の逆の動作を行うことによりロー
タ部材20を分解し各構成部材に分離できる。

またタービンエンジン10の動作中タービンロータ部44
は高温圧縮燃焼生成物流に曝されることも理解されよ
う。この燃焼生成物流の温度は2000゜F（1090℃）〜250
0゜F（1370℃）の範囲、またはそれ以上であり、酸化作
用が高いことものと考えられる。従つて、軸方向のハブ
部68に最至近の円筒面86の端部で受ける温度は約1200゜
F（650℃）である。このような条件下では金属製の円筒
面86は充分に耐用出来ない。即ち、円筒面86は金属製の
場合酸化され劣化してジヤーナルベアリング56の動作状
態に悪影響を与え動作寿命が短くなるが、上記のタービ
ンロータ部44の円筒面86は酸化雰囲気内の1200゜F（650
℃）の動作温度に十分耐え、平滑な支承面が与えられ、
ジヤーナルベアリング56の寿命が長められる。

以上の説明に加え、ジヤーナルベアリング56の左端部
に隣接する円筒面86の動作温度が1200゜F（650℃）にな
るため、連結構造体64が約1200゜F（650℃）を越える範
囲の温度に対し耐用性を持たせる必要があることが容易
に理解されよう。連結構造体64がこのように高温となる
ので従来の焼き嵌め、ろう付けあるいはセラミツク・金
属の接着結合等の全ての連結構成を採用できない。これ
らの従来のセラミツク・金属結合構造では連結構造体64
が十分に耐え得る動作環境に置くことが出来ない。

最後に（本発明にあつては）タービンロータ部44には
ハブ部68から連結構造体62、64へ向かつて右手に延び、
幾分制限された熱伝達路が形成されることは理解されよ
う。即ち、タービンロータ部44には内部において第２図
の軸方向右手へ熱を伝達する盲穴88及び円筒面86間にお
いて半径方向に延びる環形の熱伝達路のみが形成され
る。この熱伝達路の寸法が比較的制限された連結構造体
62のハブ部68からの距離が確保されるため、カラー部材
78で受ける動作温度が十分に低下され、従つて締まり嵌
めによるセラミツク・金属結合構成をとることが許容さ
れ十分に好適に機能し得ることになる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外側へ閉口し軸方向に延びる開口部（88）
と開口部（88）の開口（92）から離間して開口部（88）
に形成された環形段部（94）とを有したセラミツク材で
なる第１の部分（68）と、第１のセラミツク部（68）と
軸方向に隣接して配置された金属材でなる第２の部分
（22）と、開口部（88）内に挿入され軸方向に長手で円
周方向に位置する半径方向に弾性を持つ複数のフインガ
部（100）を有した金属製で環形のコレツト部材（98）
と、第２の部分（22）に向かつて軸方向に延びる引張装
置（114）とを備え、複数のフインガ部（100）の、第１
のセラミツク部（68）側の端部近傍に半径方向外側へ延
び段部（94）と協働する肩部（104）が具備され、引張
装置（114）はコレツト部材（98）と協働して軸方向の
引張力をコレツト部材（98）に与え、この引張力が第２
の部分（22）を経て働き第２の部分（22）及び第１の部
分としてのコレツト部材（98）を軸方向に共に固定する
ように設けられてなるハイブリツドセラミツク・金属製
の構造体（20）。
【請求項２】第２の部分（22）には第１の開口部（88）
と同軸で軸方向に延びる第２の開口部（22′）が具備さ
れ、引張装置には端部（112）近傍においてコレツト部
材（98）と協働し第１の部分（68）から第２の開口部
（22′）内へ延びる長手の連結ボルト部材（114）が包
有されてなる特許請求の範囲第１項記載のハイブリツド
セラミツク・金属製の構造体（20）。
【請求項３】第２の開口部（22′）が第２の部分（22）
を軸方向に貫通して延び、連結ボルト部材（114）が第
２の部分（22）を貫通して延び、引張装置には更に端部
（112）と対向する第２の端部（114）に隣接した連結ボ
ルト部材と協働するナツト部材が包有されてなる特許請
求の範囲第２項記載のハイブリツドセラミツク・金属製
の構造体（20）。
【請求項４】第１の部分（68）及び第２の部分（22）に
より、一方で第１及び第２の部分コンプレツサロータ部
（22、68）間にトルクを伝達し他方で第１及び第２の部
分コンプレツサロータ部（22、68）を同軸に整合して維
持する協働装置（80、82）が構成されてなる特許請求の
範囲第１項記載のハイブリツドセラミツク・金属製の構
造体（20）。
【請求項５】協働装置（22、68）には金属製のカラー部
材（78）を固定保持する第１のセラミツク部（68）が包
有され、金属製のカラー部材（78）には軸及び半径方向
に延び円周方向に位置した第１の複数の歯部（80）が具
備され、第２の部分（22）には軸及び半径方向に延び円
周方向に位置し第１の複数の歯部（80）と噛み合う第２
の複数の歯部（82）が具備されてなる特許請求の範囲第
４項記載のハイブリツドセラミツク・金属製の構造体
（20）。
【請求項６】第１のセラミツク部（68）には軸方向に延
びる円筒状のボス部（74）が具備され、カラー部材（7
8）には他部と協働し溝を形成するバンド部（84）が包
有され、ボス部（74）が溝内に挿入されバンド部（84）
と締り嵌めを構成するように設けられてなる特許請求の
範囲第５項記載のハイブリツドセラミツク・金属製の構
造体（20）。
【請求項７】更に、コレツト部材（98）内に挿入されフ
インガ部（100）により半径方向に係合可能でフインガ
部（100）が段部（94）から離間することを阻止するロ
ツク部材（108）を備えてなる特許請求の範囲第１項記
載のハイブリツドセラミツク・金属製の構造体（20）。
【請求項８】ロツク部材（108）にはフインガ部（100）
内に軸方向に挿入される長手のスリーブ部材（108）が
包有され、フインガ部（100）には半径方向内側へ延び
スリーブ部材（108）を介して係合されスリーブ部材（1
08）の軸方向の一方向への移動を阻止可能な第２の段部
（106）が具備されてなる特許請求の範囲第７項記載の
ハイブリツドセラミツク・金属製の構造体（20）。
【請求項９】引張装置（114）には第２の段部（106）と
対向し軸方向に離間してスリーブ部材（108）を介し係
合され、スリーブ部材（108）を間に保持可能な当接面
（112）が具備されてなる特許請求の範囲第８項記載の
ハイブリツドセラミツク・金属製の構造体（20）。
【請求項１０】導入部（14）と導出部（16）とロータ部
材（20）との回転に応じてそれらの間に流体（24）を送
る流路（18）を形成したハウジング（12）及びハイブリ
ツドセラミツク・金属製のロータ部材（20）と、導入部
（14）を経て外気を導入し圧縮して燃焼器部（30）へ送
るコンプレツサ部（22）と、燃料を燃焼器部（30）内の
圧縮空気に対し供給し高温で圧縮された燃焼生成物（1
8″）を生成する装置（32）と、燃焼生成物を膨張させ
ロータ部材（20）を回転するための機械的動力を抽出す
るタービン部（40、42）とを備え、ロータ部材（20）に
はセラミツクタービン部（42）が包有され、タービン部
（42）はセラミツク製のハブ部（68）と半径方向外側へ
延びる複数の流体力学的に動作する羽根部（72）とを有
し、羽根部（72）から軸方向に向かつて一体にセラミツ
ク製のボス部（44）が形成され、ボス部（44）には軸方
向に延びる第１の中央開口部（88）が具備され、第１の
中央開口部（88）は１端部（76）で開口され、第１の中
央開口部（88）は他部と協働し開口（92）から離間して
位置する段部（94）を有した外部の小径開口部（96）を
有し、軸方向の次段に隣接するロータ部材（22）がボス
部（44）と対向し第１の中央開口部（88）と整合する軸
方向に延びた第２の開口部（22′）を有し、タービンロ
ータ部（42）及び軸方向に隣接したロータ部材（22）に
所定の軸方向関係の保持構成を介しトルクを伝達し半径
方向に同軸状に互いに整合させる協働装置（80、82）が
包有され、金属製で環形のコレツト部材（98）が第１の
中央開口部（88）内に軸方向に向かつて挿入され、コレ
ツト部材（98）には環形のリング部（102）と円周方向
に位置し軸方向に延び且つ半径方向に弾性を有した複数
のフインガ部（100）とが具備され、フインガ部（100）
はリング部（102）から延びその終端部が端部（104、10
6）をなし、複数のフインガ部は協働して端部（104、10
6）近傍に半径方向外側へ延びる肩部（104）が形成さ
れ、段部（94）と係合して第１の中央開口部（88）内に
コレツト部材（98）が保持され、リング部（102）と螺
合可能な長手の連結ボルト部材（114）が第２の開口部
（22′）内に挿入され、軸方向の引張力をコレツト部材
（98）に与え、引張力が軸方向の次段に隣接するロータ
部材（22）を経て動作し軸方向の次段に隣接するロータ
部材（22）が第１のセラミツク製のタービン部（42）と
所定の軸方向関係で保持されてなる高温タービンエンジ
ン（10）。