JP2753234B2 - Ceramic stationary blade - Google Patents

Ceramic stationary blade

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JP2753234B2
JP2753234B2 JP26637887A JP26637887A JP2753234B2 JP 2753234 B2 JP2753234 B2 JP 2753234B2 JP 26637887 A JP26637887 A JP 26637887A JP 26637887 A JP26637887 A JP 26637887A JP 2753234 B2 JP2753234 B2 JP 2753234B2
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ceramic
sidewall
blade
stationary blade
thermal stress
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石川  浩
俊夫 阿部
暢 久松
隆志 町田
寛 宮田
史郎 飯島
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Denryoku Chuo Kenkyusho
Hitachi Ltd
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Denryoku Chuo Kenkyusho
Hitachi Ltd
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はセラミツク・サイドウオールの低熱応力構造
に係り、特にガスタービン静翼の高効率化に必要な燃焼
ガス温度の高温化に不可欠な静翼の耐熱性を向上させ、
且つセラミツクウオールの強度信頼性の向上に好適な構
造に関する。 〔従来の技術〕 従来、高温ガスタービン静翼において、直接燃焼ガス
に曝される表面をセラミツクサイドウオールと翼部で、
該内部に強度部材として金属製の翼芯構造を設けてなる
セラミツクス/金属複合静翼があつた。しかしこの静翼
のセラミツクサイドウオール構造においては、サイドウ
オール部の熱応力の低域について考慮されていなかつ
た。なお、この種の装置としては例えば特開昭61−8990
6号,特開昭61−89908号公報等の技術が挙げられる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術はセラミツクサイドウオールの局部的な
高い表面熱伝達条件の点について配慮がされておらず、
高温燃焼ガス流中で生じる不均一な温度分布に基づく大
きな熱応力によるセラミツクサイドウオールの破壊の問
題があつた。 本発明の目的は、高効率化を図るためにもたらされた
高温燃焼ガス流中でも、大きな熱応力の発生を抑え、強
度的に信頼性の高いセラミツク静翼のセラミツクサイド
ウオールを提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記の目的は、セラミックサイドウオールの翼部の前
縁部に切欠きを設けることにより達成される。 〔作用〕 高温燃焼ガス流中に曝されたセラミックサイドウオー
ルの翼部の前縁部は熱伝達係数の急変部でありセラミッ
クの剛性による熱変形拘束で高い熱応力と高い圧縮応力
が発生するが、セラミックサイドウオールの翼部の前縁
部に切欠きを設けることにより、熱変形拘束が開放され
るので熱応力および圧縮応力が低減し、セラミックサイ
ドウオールの強度信頼性が確保できる。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例につき図に従つて説明する。先
ず第1図は本発明の一例に係るセラミツクサイドウオー
ルの斜視図である。更に本発明品の適用対象とするセラ
ミツク静翼の縦断面図を第2図に示す。尚第3図は従来
型の静翼の横断面図であつて、第2図は第3図のA−
A′断面図に相当する。 本発明を用いたセラミツク静翼がガスタービンのケー
シングに固定されたリテーナリング2に支持された状況
の断面図が第2図に示されている。セラミツクからなる
翼部1とこれに嵌合されたセラミツクサイドウオール3
は翼部1の内部を貫通する金属翼芯4により、支持板5
を介して締結保持されている。サイドウオール3は翼部
1の溝部との嵌合により位置決めされており、さらにセ
ラミツクスと金属部品との間には、変形緩衝層を兼ねた
遮熱層6が設けられている構造となつている。燃焼ガス
に直接曝されるサイドウオール3と翼部1は金属翼芯4
により保持されている。この静翼が高温燃焼ガスに曝さ
れると、静翼表面は定常的には燃焼ガス温度となる。ま
た静翼表面には壁面の圧力分布に基づく機械的な負荷が
作用するばかりでなく、燃焼ガスの脈動による振動負荷
の作用も考えられる。これに対して、静翼表皮は翼部及
びサイドウオールを耐熱性に優れたセラミツクスとして
いるため、高温に曝されても十分に耐えることができ
る。一方、燃焼ガスに伴う機械的負荷に対しては、遮熱
層6を介して金属翼芯4がこの負荷を分担するため、翼
部1には大きな機械的負荷は作用しない。このようにセ
ラミツク部品には、燃焼ガスに曝されることにより発生
する熱応力が負荷されるのみである。 従来のセラミツク静翼の構造概略図を第3図に示す。
この静翼を構成するセラミツクサイドウオールの1500℃
の高温燃焼ガス流中に曝された場合の熱応力解析結果例
を第4図に示す。第4図はセラミツクサイドウオールの
y軸方向応力の等応力線図を示す。第5図にサイドウオ
ールの概観図を示す。溝部11において、前縁部12に対応
する位置で高い応力を発生しており、その値は引張り応
力で約600MPaである。また、同時にこの高応力発生位置
に近接するサイドウオールの外周縁で極めて高い圧縮応
力が生じており、この値は約2000MPaに達している。セ
ラミツクスは本質的に圧縮に対して高強度であるといわ
れているが、当該部には引張り応力が近接して存在する
ことは、この近傍で変形状況が複雑に急変して大きな変
形拘束を生じていることを意味している。従つてこの変
形拘束を解放することがサイドウオールの上記熱応力の
低域に有効である。 それゆえサイドウオールの大きな変形拘束を受けてい
る部分に切込みあるいは部分的な分割を設けることによ
つて熱応力の低減を図ることが可能である。 さて、この熱応力発生の原因は主として燃焼ガスに曝
される面の熱伝達条件によるものである。この状況の解
析により求めた例を第6図に示す。次表はそのデータで
ある。 Tip;サイドウオール 入口全温;1553K(1280℃) 入口全圧;15ata この結果から明らかなように、熱伝達係数の急変する
部位は−あるいは−の近傍で、当該部位では第
4図に示す如く、高い熱応力と共に高い圧縮応力も発生
している。 以上の結果から、高い熱応力の軽減には上記の熱伝達
係数の急変する部位において、構造に不連続部を設ける
と効果的である。第1図は、この考え方を実現させた一
実施例である。効果的な部位である前縁部12に切欠き13
を設けたものである。これにより、熱変形の拘束が基本
的に解放されるため、当該部近傍の熱応力が低減し、セ
ラミツク・サイドウオールの強度信頼性が確保できる。
この効果は第7図に示す他の実施例によつても達成され
る。すなわち、切欠き13の代りに切込み14を設けても熱
応力低減の効果が得られる。第8図は他の実施例を示
す。切欠き13あるいは切込み14の代りに溝孔列15を設け
ても同様の効果が得られる。要は熱的条件の急変する前
縁部12に熱変形を自由にし得る何かを設ければ良い。 〔発明の効果〕 本発明によれば、温度差によつて生じる変形拘束を解
放することによつて、高温燃焼ガス流中でセラミツクス
部材に比較的小さな熱応力しか発生させず、強度信頼性
の高いセラミツク静翼を提供できる。また1300℃以上の
高温化が図れ、且つ冷却空気量を低減することができる
ので高効率化が期待できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a low thermal stress structure of a ceramic sidewall, and in particular, to a static gas which is indispensable to a high combustion gas temperature necessary for high efficiency of a gas turbine stationary blade. Improve the heat resistance of the wing,
The present invention also relates to a structure suitable for improving the strength reliability of the ceramic wall. [Prior art] Conventionally, in a high-temperature gas turbine vane, a surface exposed directly to combustion gas is formed by a ceramic sidewall and a blade portion.
A ceramic / metal composite vane having a metal blade core structure as a strength member was provided therein. However, in this ceramic sidewall structure of the stationary blade, no consideration has been given to the low range of the thermal stress in the sidewall portion. Incidentally, as this type of apparatus, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-8990
No. 6, JP-A-61-89908, and the like. [Problems to be Solved by the Invention] The above prior art does not take into account the local high surface heat transfer conditions of the ceramic sidewall,
There is a problem of destruction of ceramic sidewall due to large thermal stress due to uneven temperature distribution generated in high temperature combustion gas flow. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a ceramic side wall of a ceramic stator vane which suppresses generation of a large thermal stress even in a high-temperature combustion gas flow brought to achieve high efficiency and has high strength and reliability. is there. [Means for Solving the Problems] The above object is achieved by providing a cutout at the front edge of the wing of the ceramic sidewall. [Action] The leading edge of the wing portion of the ceramic sidewall exposed to the high-temperature combustion gas flow is a portion where the heat transfer coefficient changes rapidly, and high thermal stress and high compressive stress are generated due to thermal deformation constraint due to ceramic rigidity. By providing a notch at the front edge of the wing portion of the ceramic sidewall, the thermal deformation constraint is released, so that thermal stress and compressive stress are reduced, and the strength reliability of the ceramic sidewall can be secured. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a ceramic sidewall according to an example of the present invention. FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of a ceramic stator vane to which the present invention is applied. FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional vane, and FIG.
A 'corresponds to a sectional view. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which a ceramic stator vane using the present invention is supported by a retainer ring 2 fixed to a casing of a gas turbine. Wing part 1 made of ceramic and ceramic side wall 3 fitted thereto
Is a support plate 5 formed by a metal blade core 4 penetrating through the inside of the wing portion 1.
Is held fastened through. The sidewall 3 is positioned by fitting with the groove of the wing portion 1, and has a structure in which a heat shield layer 6 also serving as a deformation buffer layer is provided between the ceramics and the metal component. . The side wall 3 and the wing 1 that are directly exposed to the combustion gas
Is held by When the stationary blade is exposed to the high-temperature combustion gas, the surface of the stationary blade constantly reaches the combustion gas temperature. Further, not only a mechanical load based on the pressure distribution of the wall surface acts on the surface of the stationary blade, but also an effect of a vibration load due to pulsation of the combustion gas is considered. On the other hand, since the stationary blade skin has the wing portion and the side wall made of ceramics having excellent heat resistance, it can sufficiently withstand high-temperature exposure. On the other hand, with respect to the mechanical load caused by the combustion gas, the metal blade core 4 shares the load via the heat shield layer 6, so that a large mechanical load does not act on the blade 1. Thus, only the thermal stress generated by exposure to the combustion gas is applied to the ceramic component. FIG. 3 is a schematic diagram of the structure of a conventional ceramic stator vane.
1500 ℃ of the ceramic sidewall forming this stationary blade
FIG. 4 shows an example of the results of thermal stress analysis when exposed to a high-temperature combustion gas flow. FIG. 4 shows an iso-stress diagram of stress in the y-axis direction of the ceramic sidewall. FIG. 5 shows a schematic view of the sidewall. In the groove 11, a high stress is generated at a position corresponding to the leading edge 12, and its value is about 600 MPa as a tensile stress. At the same time, an extremely high compressive stress is generated at the outer peripheral edge of the sidewall close to the high stress generating position, and this value reaches about 2000 MPa. It is said that ceramics is inherently high strength against compression.However, the existence of tensile stress in the vicinity of this part causes the deformation situation to suddenly change in the vicinity of this part, causing a large deformation constraint. That means. Accordingly, it is effective to release the deformation constraint in the low thermal stress region of the sidewall. Therefore, it is possible to reduce the thermal stress by providing a cut or a partial division in a portion of the sidewall that is under large deformation constraint. The cause of the thermal stress is mainly due to the heat transfer conditions of the surface exposed to the combustion gas. FIG. 6 shows an example obtained by analyzing this situation. The following table shows the data. Tip; sidewall Inlet total temperature; 1553K (1280 ° C) Inlet total pressure; 15ata As is clear from these results, the portion where the heat transfer coefficient changes abruptly is near-or-, as shown in Fig. 4. In addition, high compressive stress is generated together with high thermal stress. From the above results, it is effective to reduce the high thermal stress by providing a discontinuous portion in the structure at the portion where the heat transfer coefficient changes suddenly. FIG. 1 shows an embodiment that realizes this concept. Notch 13 in leading edge 12 for effective area
Is provided. Thereby, since the restraint of the thermal deformation is basically released, the thermal stress in the vicinity of the portion is reduced, and the strength reliability of the ceramic sidewall can be secured.
This effect can also be achieved by another embodiment shown in FIG. That is, even if the notch 14 is provided instead of the notch 13, the effect of reducing the thermal stress can be obtained. FIG. 8 shows another embodiment. The same effect can be obtained by providing a slot row 15 instead of the notch 13 or the cut 14. In short, what is necessary is just to provide something which can make thermal deformation free in the leading edge portion 12 where the thermal condition changes rapidly. [Effects of the Invention] According to the present invention, by releasing the deformation constraint caused by the temperature difference, only a relatively small thermal stress is generated in the ceramics member in the high-temperature combustion gas flow, and the strength reliability is reduced. It can provide high ceramic stator vanes. In addition, a high temperature of 1300 ° C. or more can be achieved, and the amount of cooling air can be reduced, so that high efficiency can be expected.

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例に係るセラミツクサイドウオ
ールの斜視図、第2図は本発明の如きサイドウオールの
適用し得る静翼の縦断面図、第3図は従来例に係る静翼
の横断面図、第4図はサイドウオールに発生する熱応力
の解析図、第5図は一般的なセラミツクサイドウオール
の斜視図、第6図は本発明の一例のサイドウオール表面
の熱的条件の解析図、第7図,第8図は夫々本発明の他
の実施例を示すサイドウオールの斜視図である。 1……翼部、2……リテーナリング、3……セラミック
サイドウオール、4……金属芯、5……支持板、6……
遮熱層、7……サポーティング、8……冷却孔、9……
空気流入孔、11……溝部、12……前縁部、13……切欠
き、14……切込み、15……溝孔列。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view of a ceramic sidewall according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a stationary blade to which the sidewall as in the present invention can be applied, FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional stationary vane, FIG. 4 is an analysis diagram of thermal stress generated in a sidewall, FIG. 5 is a perspective view of a general ceramic sidewall, and FIG. 6 is an example of the present invention. FIGS. 7 and 8 are perspective views of a sidewall showing another embodiment of the present invention, respectively. 1 ... wing part, 2 ... retainer ring, 3 ... ceramic sidewall, 4 ... metal core, 5 ... support plate, 6 ...
Heat shielding layer, 7 Supporting, 8 Cooling holes, 9
Air inflow holes, 11 ... grooves, 12 ... front edge, 13 ... notches, 14 ... notches, 15 ... slots.

フロントページの続き (72)発明者 久松 暢 神奈川県横須賀市長坂2丁目6番1号 財団法人電力中央研究所横須賀究所内 (72)発明者 町田 隆志 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 宮田 寛 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内 (72)発明者 飯島 史郎 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−89909(JP,A)Continuation of front page    (72) Inventor Minoru Hisamatsu               2-6-1 Nagasaka, Yokosuka City, Kanagawa Prefecture               The Central Research Institute of Electric Power Industry Yokosuka Research Institute (72) Inventor Takashi Machida               502 Kandate-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Pref.               Hitachi Machinery Laboratory (72) Inventor Hiroshi Miyata               502 Kandate-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Pref.               Hitachi Machinery Laboratory (72) Inventor Shiro Iijima               4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Co., Ltd.               Hitachi Research Laboratory, Hitachi Research Laboratory                (56) References JP-A-61-89909 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.中空部を有するセラミック翼部と、このセラミック
翼部の中空部に挿入された表面に遮熱層を有する金属製
翼心と、前記セラミック翼部の幅方向両端面に勘合され
たセラミックサイドウオールと、このセラミックサイド
ウオールの前記セラミック翼部側とは反対側に前記遮熱
層を介して配置された金属製サイドウオール支持板を備
えたセラミック静翼において、前記セラミックサイドウ
オールの翼部の前縁部に切欠きを設けたことを特徴とす
るセラミック静翼。
(57) [Claims] A ceramic blade having a hollow portion, a metal blade core having a heat shield layer on a surface inserted into the hollow portion of the ceramic blade, and a ceramic sidewall fitted to both widthwise end surfaces of the ceramic blade. A ceramic sidewall having a metal sidewall support plate disposed on the side of the ceramic sidewall opposite to the ceramic blade portion side via the heat shield layer, wherein a leading edge of the blade portion of the ceramic sidewall is provided. A ceramic stationary blade characterized by having a notch in the section.
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