JP2759754B2

JP2759754B2 - セラミックガスタービンロータ

Info

Publication number: JP2759754B2
Application number: JP6150450A
Authority: JP
Inventors: 哲男巽; 勇志竹原
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JPH07332002A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、セラミックタービン
部と一体のセラミック軸部を金属製ロータ軸に連結した
構造を有するセラミックガスタービンロータに関する。

【０００２】

【従来の技術】昨今のセラミックの成形・焼成技術の急
速な進歩によって、各種耐熱構造部品から高い精度が要
求される内燃機関ピストン等の作動部品に至るまでセラ
ミックで製造されるようになった。ガスタービンにおい
ても、熱と電気の負荷変動に柔軟に対応でき且つ暖機運
転時間が短くて済むコージェネレーションシステムの普
及に伴いセラミック製部品の採用が注目され、またその
一層の熱効率の向上を図るべくセラミック製部品の採用
が具体化に向け検討されるようになった。その試みの一
つとして、セラミックを使用してノズルやタービンブレ
ード及びロータを製作し、燃焼器から高温の燃焼ガスを
冷却せずにそのままセラミック製スクロール内のガス通
路に通しノズルを介してタービンブレードに導くように
したものがある。このようなセラミックガスタービンで
は、タービン入口温度の向上や前述の無冷却化および再
生熱交換器におけるタービン排気ガスと燃焼器用吸入空
気との対向熱交換によって熱回収を行うことなどによっ
て、タービン熱効率を大幅に高めることができるように
なった。

【０００３】しかし、現段階ではセラミックで製作可能
な部品には、大きさや形状に制約があるため、高温の燃
焼ガスと直接に接触する箇所にだけセラミックの部品が
使用されている。最近では、例えば、ＰＴ（パワーター
ビン）ロータに比べて外径の小さいＧＧＴ（ガスジェネ
レータタービン）ロータのタービンを、セラミックで一
体的に製造できるようになってきたが、タービン部を取
り付けるためのロータ軸はセラミックで製作することに
は無理があり、現在は金属材料で形成されている。そこ
で、セラミック製のタービンを金属製のロータ軸の先端
に一体に結合する必要がある。このような種類の結合の
場合に、ロータ軸の先端部をカップ形状部に形成し且つ
そのカップ形状部の大きさをタービンブレード部の軸部
よりやや小さくし、カップ形状部を加熱して膨張させた
状態でタービンブレード部の軸部を挿入して冷却して収
縮させる、いわゆる焼嵌めおよびロウ付けにより結合す
る方法が提案され、実施されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック製部品の寸法精度がある程度確保されるようになっ
たとは言え、金属製部品に比較して脆く且つ熱膨張係数
が非常に小さいために、セラミック軸部を金属製のカッ
プ形状部で焼篏めによって締め付けたりロウ付けで結合
したりすることにも難しい点があるが、焼嵌めによって
セラミック軸部と金属製ロータ軸のカップ形状部とを結
合できた場合にも、次のような不都合が生じる。

【０００５】すなわち、使用中に高温の燃焼ガスとの接
触あるいは燃焼ガス雰囲気中で、カップ形状部が加熱さ
れることによって膨張し、結合状態に緩みを生じるおそ
れがある。とくに、ガスタービンの構造上、セラミック
タービン部の根元付近、つまり、金属製のロータ軸との
結合部付近に、ロータ軸を回動自在に支持するための軸
受の潤滑油の流出を防止するためのラビリンスシールを
取り付ける必要があるが、ラビリンスシールは非回転部
分に接触させているため、両者間で発生する摩擦熱によ
りロータ軸との結合部付近が加熱され、温度が上昇する
可能性がある。

【０００６】本発明は上述の点に鑑みなされたもので、
タービンブレード部と一体に形成されるセラミック軸部
と金属製ロータ軸との結合上の上記不都合を解消するも
のであり、ガスタービンの構成部品の内で高速度で回転
するセラミック軸部を運転中のトルク変動に対抗し且つ
金属軸との熱膨張差によって緩むことも無く、必要な締
めつけ力を確保して安定的に結合状態を保ち得るセラミ
ックガスタービンロータを提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のセラミックガスタービンロータは、a)セラミ
ックタービン部と一体のセラミック軸部を、金属製ロー
タ軸の先端に設けたカップ形状部に連結した構造を有す
るセラミックガスタービンロータにおいて、b)前記カッ
プ形状部を前記ロータ軸とは別体の低膨張合金製継手軸
の先端に設け、この軸継手を前記ロータ軸に接続し、c)
前記セラミック軸部を、前記継手軸先端のカップ形状部
に焼嵌め又はロウ付けにより結合し、d)前記カップ形状
部の根元部分の周囲に、環状のラビリンスシールを備え
た環状体を取り付け、e)前記継手軸を円筒状の軸で形成
し、該継手軸の両端部付近にそれぞれ中空内部と連通す
る空気流通孔を穿設して、継手軸内を冷却用空気の流通
路に構成し、f)前記環状体の半径方向に貫通して、空気
流通孔を穿設している。

【０００８】請求項２記載のように、g)前記環状体のほ
かに、環状のラビリンスシールを備えた圧縮機用羽根車
を含む複数の環状体を前記継手軸および前記ロータ軸の
周囲に連続的に配置し、前記カップ形状部と前記ロータ
軸の基端側螺合部に螺合させたナットとの間で締め付け
ることにより前記各環状体を固定して、前記ロータ軸と
一体的に前記各環状体を回転させるとともに、h)前記環
状体の一部を前記ラビリンシール間に配置した軸受で回
動自在に支持することができる。

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【作用】上記のように構成された本発明のセラミックガ
スタービンロータによれば、ロータ軸の先端のカップ形
状部内にセラミック製タービンロータのセラミックター
ビン部のセラミック軸部を嵌入することによって両者を
結合したセラミックガスタービンロータをガスタービン
に用いることにより、燃焼器から高温度の燃焼ガスを途
中で冷却すること無しに高温のまま、セラミック製のス
クロールやノズルを経てタービンブレードに導入するこ
とができるようになるため、冷却損失を大幅に低減する
ことができ、この大幅な冷却損失の低減と高温燃焼ガス
への排気熱回収と併せてタービン熱効率を飛躍的に向上
させることが可能になる。しかし、運転中にセラミック
タービン部とロータ軸とは一体に回転し、ロータ軸先端
のカップ形状部の周囲のラビリンスシールも回転してこ
のシールが接触する非回転部との間で摩擦熱が発生する
が、両者は高速回転するために両者の結合部は周囲の空
気にとって冷却されて温度の上昇が最小限に抑えられ、
またラビリンスシールが取り付けられている継手軸がロ
ータ軸とは別体の低膨張合金からなり、加熱されてもカ
ップ形状部が膨張しにくいため、セラミックタービン部
とロータ軸の結合部が緩むことがない。また別体の継手
軸にカップ形状部を設けるのでその加工が容易である。

【００１３】ガスタービンロータは一般にロータ軸を回
動自在に支持するために軸受が設けられており、この軸
受の潤滑油が流出しないようにラビリンスシールを上記
したとおり軸受の近傍に取り付けるが、摩擦熱で最も温
度の高くなるラビリンスシールの近傍に冷却空気を流通
させ、ラビリンスシールとその周辺を冷却して温度を下
げるので、セラミック軸部と継手軸との結合部が一層効
果的に冷却され、結合状態の緩みが確実に阻止される。

【００１４】また、金属製の継手軸内に冷却空気を流通
させ、カップ形状部を冷却することにより、タービンの
運転時にカップ形状部付近の温度を下げることができる
ことから、セラミック軸部と金属製の継手軸のカップ形
状部との結合状態が緩むことがない。

【００１５】また、金属製継手軸とは別体の、ラビリン
スシールを備えた環状体を継手軸のカップ形状部の根元
部分の周囲に設けているので、運転中にラビリンスシー
ルが擦れて発熱しても、直接熱がセラミック軸部と金属
製継手軸との結合部に伝わらず、熱膨張の影響を回避し
て焼篏め又はロウ付けによる結合強度を確保することが
できる。

【００１６】請求項２記載のロータでは、タービンブレ
ードを通過する燃焼ガスによりロータが回転し、これと
同時に回転する圧縮機用羽根車によって燃焼用空気など
を圧縮して送り込むことができる。ロータ軸の周囲に取
り付けられる環状体は、先端側のカップ形状部と基端側
のナットで締め付けて、いわゆる摩擦力により一体回転
可能に取り付けられるので、複数の環状体を同時に固定
できる。

【００１７】

【実施例】次に、本発明のセラミックガスタービンロー
タを実施例によって添付図を参照にして以下に詳細に説
明する。

【００１８】図１は本発明の一実施例にかかるセラミッ
クガスタービンロータのセラミックロータ軸部と圧縮機
用羽根車を取り付けた金属製ロータ軸との結合構造を示
す、ガスタービンの要部の縦断面図、図２は図１のガス
タービンの要部を拡大した縦断面図、図３は継手軸のカ
ップ形状部とラビリンスリングとの組合わせ状態を示す
斜視図、図４はセラミックガスタービンロータの全体を
示す中央縦断面図である。

【００１９】図１から図４に示すように、本実施例に係
るガスタービンは、熱と電気の負荷変動に柔軟に対応で
き且つ暖機運転時間が短くて済むコージェネレーション
システムに好適なもので、セラミック製燃焼器等で発生
された高温燃焼ガスＧをセラミック製スクロール５を経
てセラミック製ノズル６からセラミック製タービンブレ
ード７に導くようにしている。このガスタービンは、２
ステージの別々のタービンロータを有しており、第１ス
テージのＧＧＴ（タービン）ロータ１は燃焼器へ加圧さ
れた燃焼空気を供給するコンプレッサ（圧縮機）４を回
転駆動し、第２ステージのＰＴ（タービン）ロータ（図
示は省略）は発電機を回転駆動するものである。

【００２０】ここでは、本発明の特徴の一つであるセラ
ミックタービン部１０のセラミック軸部１１と金属製ロ
ータ軸２４との結合構造を有するＧＧタービンロータ１
〜コンプレッサ４にかけての回転系について説明する。
タービンブレード７は、ＧＧタービンロータ本体（セラ
ミックタービン部）１０の周囲に一体的にセラミックに
よって成形されている。また、ＧＧタービンロータ本体
１０は、セラミック軸部１１を一体に備えている。

【００２１】金属製ロータ軸２４の先端に、円筒状の金
属製継手軸２１が螺合されて一体回転可能に接続されて
いる。継手軸２１の先端部は半径方向に膨出するカップ
形状部２５が形成されている。図４のようにロータ軸２
４の周囲には、コンプレッサロータ本体（羽根車）４１
が緩挿され、そのサクション端面においてロータ軸２４
の基部の螺合部のナット５０で締めて、継手軸２１のカ
ップ形状部２５に向けてコンプレッサロータ本体４１を
継手軸２１の周囲に緩挿したスリーブ体２３とスペーサ
２８及びラビリンスリング３１と共に４枚締めしてい
る。確実にＧＧタービンロータ本体１０から回転トルク
を伝達する為に、コンプレッサロータ本体４１とスリー
ブ体２３とはフェース歯車４２において噛合し、スリー
ブ体２３と継手軸２１とはスプライン２２において噛合
している。なお、ＧＧタービンロータ本体１０からコン
プレッサロータ本体４１に及ぶ回転系は、コンプレッサ
４のサクション側軸受５１とＧＧタービンロータ本体４
１側軸受２９とによって回動自在に支持されている。

【００２２】セラミック製ＧＧタービンロータ本体１０
のセラミック軸部１１は、その結合端部１１ａにおい
て、継手軸２１のカップ形状部２５にロウ付け又は焼篏
めにより結合されている。また、継手軸２１の中空内部
は冷却空気通路２１ａに形成されており、コンプレッサ
４の圧力空気吐出部４ａから矢印Ａ１で示すように、継
手軸２１の基部側に半径方向に貫通して穿設された空気
流通孔２１ｂから空気通路２１ａに冷却用空気が供給さ
れる。さらに、カップ形状部２５の近傍にも、空気流通
孔２５ｂが半径方向に貫通して複数穿設されている為
に、セラミック軸部１１とカップ形状部２５の結合箇所
は強制冷却される。従って、その強制冷却と共に、その
高速度回転による周囲の空気との熱交換冷却とによって
冷却されることになり、セラミック軸部１１の結合端部
１１ａにおいて、継手軸２１のカップ形状部２５との結
合状態が維持される。さらにセラミック軸部１１とカッ
プ形状部２５の結合箇所の冷却を強化するため、ラビリ
ンスリング３１を半径方向に貫通する複数の空気流通孔
３１ａが穿設され、圧力のより高い冷却空気がカップ形
状部２５に直接に吹き付けられるように構成している。

【００２３】継手軸２１は、そのカップ形状部２５近く
で軸受２９で軸承されており、軸受２９のインナーレー
ス２９ａは、継手軸２１にスプライン２２において噛合
したスリーブ軸２３のＧＧタービンロータ側周囲に篏合
されている。この軸受２９には、潤滑油が供給管Ｐ１か
ら供給されている為に、環状のラビリンスシール３２に
よって潤滑油に対する液封が行われている。

【００２４】このラビリンスシール３２は、そこに入っ
た潤滑油をコンプレッサー側に空気を介し押し戻すよう
に、環状体としてのラビリンスリング３１の外周面に取
り付けられている。ラビリンスリング３１は、ガスター
ビンケーシングの中心部シュラウド３に近接しており、
回転中に軽く接触して発熱することもあるが、その熱は
直接には継手軸２１（のカップ形状部２５）に伝わらな
い。これは、継手軸２１とは別体のラビリンスリング３
１を、そのカップ形状部２５の外側を取り囲むように設
けたからであり、ラビリンスリング３１はカップ形状部
２５の肩部２５ｃに締着されている。このラビリンスシ
ール３２にも、コンプレッサ４の吐出空気の動圧を静圧
に転換するディフューザ４３の吐出部４ｂから矢印Ａ２
で示すように、シュラウド３のラジアルホール３ａを経
て冷却用空気が供給されており、熱伝達を阻止すると共
に、入った潤滑油をコンプレッサ４側に押し戻すような
構成となっている。これと同じ構成のラビリンスシール
３６が、コンプレッサロータ本体４１とスリーブ軸２３
とのフェース歯車４２の噛合部近傍にも設けられてい
る。

【００２５】上記継手軸２１の先端部は円形横断面のカ
ップ形状部２５を有し、セラミック軸部１１はそれに対
応して円柱状になっているが、応力集中を起こさないよ
うに角を丸めた凹凸を相互に噛み合うようにカップ形状
部２５とセラミック軸部１１との結合周面に形成しても
よい。

【００２６】また、上記実施例のように、ロータ軸２４
に接続した継手軸２１にカップ形状部２５を設ける代わ
りに、ロータ軸２４の先端にカップ形状部２５を設ける
こともできる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明のセラミックガスタービンロータには、次のよう
な優れた効果がある。

【００２８】(1) タービンブレード部と一体に形成され
るセラミック軸部と金属製ロータ軸との結合箇所が緩む
ことが無く、必要な締めつけ力を確保して安定的に結合
状態が保たれる。またロータ軸の先端のカップ形状部を
接続した別体の継手軸の先端に設けるので、カップ形状
部の形成（加工）が容易に行えるほか、ロータ軸と継手
軸の材質を変更できるなどの利便がある。。

【００２９】(2) また、金属製の継手軸内に冷却空気を
流通させ、カップ形状部を冷却することにより、タービ
ンの運転時にカップ形状部付近の温度を下げることがで
きることから、セラミック軸部と金属製の継手軸のカッ
プ形状部との結合状態が緩むことがない。

【００３０】(3) さらに、摩擦熱で最も温度の高くなる
ラビリンスシールとその周辺を冷却空気で冷却するの
で、セラミック軸部と継手軸との結合部の冷却が一層強
化され、結合状態の緩みが確実に阻止される。

【００３１】(4) また、ロータ軸（あるいは継手軸）
は、そのカップ形状部の外側を取り囲むように別体のラ
ビリンスリングを備えている為に、運転中ラビリンスシ
ールが擦れて発熱しても直接熱がセラミック軸部とカッ
プ形状部との結合箇所に伝わらず、熱膨張の影響を回避
して焼篏めによる結合強度を安定的に確保することがで
きる。

【００３２】(5) 請求項２記載のロータでは、ロータ軸
の周囲に取り付けられる環状体は、先端側のカップ形状
部と基端側のナットで締め付けて、いわゆる摩擦力によ
り一体回転可能に取り付けられるので、複数の環状体を
同時に固定でき、着脱が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例にかかるセラミックガスター
ビンロータのセラミックロータ軸部と圧縮機用羽根車を
取り付けた金属製ロータ軸との結合構造を示す、ガスタ
ービンの要部の縦断面図である。

【図２】図１のガスタービンの要部を拡大した縦断面図
である。

【図３】継手軸のカップ形状部とラビリンスリングとの
組合わせ状態を示す斜視図である。

【図４】セラミックガスタービンロータの全体を示す中
央縦断面図である。

【符号の説明】

１セラミックタービンロータ７タービンブレード１０タービンブ部１１セラミック軸部２１継手軸２５カップ形状部２５ｂ冷却用空気通路３１ラビリンスリング（環状体）３１ラビリンスシール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭57−200601（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−170727（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−5701（ＪＰ，Ｕ) 実開昭47−29003（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01D 5/02 F01D 25/00 F02C 7/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックタービン部と一体のセラミッ
ク軸部を、金属製ロータ軸の先端に設けたカップ形状部
に連結した構造を有するセラミックガスタービンロータ
において、前記カップ形状部を前記ロータ軸とは別体の低膨張合金
製の継手軸の先端に設け、この軸継手を前記ロータ軸に
接続し、前記セラミック軸部を、前記継手軸先端のカップ形状部
に焼嵌め又はロウ付けにより結合し、前記カップ形状部の根元部分の周囲に、環状のラビリン
スシールを備えた環状体を取り付け、前記継手軸を円筒状の軸で形成し、該継手軸の両端部付
近にそれぞれ中空内部と連通する空気流通孔を穿設し
て、継手軸内を冷却用空気の流通路に構成し、前記環状体の半径方向に貫通して、空気流通孔を穿設し
たことを特徴とするセラミックガスタービンロータ。
【請求項２】前記環状体のほかに、環状のラビリンス
シールを備えた圧縮機用羽根車を含む複数の環状体を前
記継手軸および前記ロータ軸の周囲に連続的に配置し、
前記カップ形状部と前記ロータ軸の基端側螺合部に螺合
させたナットとの間で締め付けることにより前記各環状
体を固定して、前記ロータ軸と一体的に前記各環状体を
回転させるとともに、前記環状体の一部を前記ラビリン
シール間に配置した軸受で回動自在に支持した請求項１
記載のセラミックガスタービンロータ。