JP2851518B2 - タービン動翼 - Google Patents

タービン動翼

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JP2851518B2 JP27715093A JP27715093A JP2851518B2 JP 2851518 B2 JP2851518 B2 JP 2851518B2 JP 27715093 A JP27715093 A JP 27715093A JP 27715093 A JP27715093 A JP 27715093A JP 2851518 B2 JP2851518 B2 JP 2851518B2
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邦彦 萱場
正夫 永井
孝 真家
潔 石井
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BOEICHO GIJUTSU KENKYU HONBUCHO
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンエンジン
等に使用されるタービン動翼に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ガスタービンエンジン等に使用されるタ
ービン動翼は、円盤状のディスクの外周面に周方向に間
隔をおいて形成される植込溝にそれぞれ植え込まれ、該
ディスクの外周面に放射状に複数配設される。そして、
その翼部を筒状のケーシング内に形成される筒状のガス
通路に配して、該ガス通路に流通する高速ガスを翼部に
挿通させることによってケーシングの周方向に、500
m/s程度の周速度で高速回転させられるようになって
いる。
【0003】一方、ガス通路に流通させられる高速ガス
は、例えば、1500℃程度の高温ガスであるので、該
ガス通路内に配されるタービン動翼が、高温状態に加熱
されることになる。このため、タービン動翼は、例え
ば、ニッケル合金等の耐熱性の高い金属材料により構成
されるとともに、その翼表面に遮熱のための断熱層を形
成している。該断熱層としては、例えば、翼表面にセラ
ミックスを溶射するサーマルバリアコーティング(TB
C)が提案されている。
【0004】該サーマルバリアコーティングは、例え
ば、耐蝕性・耐酸化性に優れるNiCoCrAlYを下
地として、耐熱疲労性に優れるZrO2・Y23を配し
た2層コーティングが採用されることが多い。そして、
このサーマルバリアコーティングをタービン動翼の先端
面を除く翼表面全体に被覆・形成することによって、過
熱状態の高温ガスに対してタービン動翼が健全な状態に
保持されるようになっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
タービン動翼は、高速ガスのエネルギを有効に回転力に
変換するために、該高速ガスを洩れなく受け止めること
が必要である。このために、ケーシング内面とタービン
動翼の先端面との間隔寸法を小さくしてタービンに回転
力を与えずに通過する高速ガスを極力少なくすることが
行われる。
【0006】しかしながら、このようにケーシング内面
とタービン動翼の先端面との間隔寸法を小さくすると、
高速回転による振動や偏心等によって、タービン動翼の
先端面がケーシングの内面に接触することが考えられ、
その場合には、該タービン動翼先端部近傍の前記サーマ
ルバリアコーティングが部分的に欠けてしまうことがあ
る。
【0007】また、高温ガスの流通するガス通路内にお
けるタービン動翼の温度分布は、抽気等により冷却され
かつ周速度の最も高いタービン動翼の先端部近傍で比較
的低く、冷却効果の少ない翼前縁部および翼後縁部で高
い温度を示すことが知られている。この場合の温度差
は、200〜300℃程度にも達するため、タービン動
翼には、該温度差による熱的なストレスが発生すること
になる。その結果、該ストレスによる変形を最も生じや
すい自由端であるタービン動翼先端のサーマルバリアコ
ーティングが欠けてしまうことが考えられる。
【0008】そして、このようにして欠けたサーマルバ
リアコーティングが、ガス通路中に飛散した場合には、
他のタービン動翼、その他の各部に損傷を与えることが
考えられ、空力特性の変化等が発生してエンジン性能の
低下をきたすという不都合が考えられる。
【0009】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
のであって、断熱効果を有効に保持しつつ振動、偏心、
熱変形等によっても欠損を生じない断熱層をその表面に
施したタービン動翼を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、次の2つの手段を提案している。第1の
手段は、筒状のケーシング内面に間隔を空けてその先端
面を近接状態に配置されかつ該間隔を保持しつつケーシ
ングの周方向に沿って高速回転させられるタービン動翼
であって、耐熱材よりなる断熱層を翼面に被覆状態に設
けてなり、前記先端面およびその近傍に位置する翼面
に、該先端面および翼面を露出状態とする断熱層の無被
覆部が形成されているタービン動翼を提案しており、第
2の手段は、筒状のケーシング内面に間隔を空けてその
先端面を近接状態に配置されかつ該間隔を保持しつつケ
ーシングの周方向に沿って高速回転させられるタービン
動翼であって、翼面全体を被覆状態に形成される耐蝕材
よりなる耐蝕層と、該耐蝕層を被覆状態に形成される耐
熱材よりなる耐熱層とを設けてなり、前記先端面の近傍
に位置する耐蝕層表面に、該耐蝕層を露出状態とする耐
蝕層の無被覆部が形成されていることを特徴とするター
ビン動翼を提案している。
【0011】
【作用】本発明の第1の手段に係るタービン動翼によれ
ば、先端面およびその近傍に位置する翼面に、無被覆部
が形成されているので、ケーシング内面とタービン動翼
の先端面との間隔寸法を小さくして、該タービン動翼の
振動等により両者が接触した場合であっても、その衝撃
が断熱層に直接作用しないことになる。また、熱的なス
トレスによりタービン動翼先端部に変形が発生した場合
であっても、該先端部に断熱層が設けられていないの
で、該変形による断熱層の欠損を回避することが可能と
なる。タービン動翼先端部は、周速度が高く、外部から
も冷却されるので、その温度が比較的低く、断熱層を形
成しない場合であっても、タービン動翼自体の健全性が
維持されることになる。また、第2の手段に係るタービ
ン動翼によれば、タービン動翼の先端面とケーシング内
面とが接触した場合にあっても、その衝撃が耐熱層に直
接作用しないことになり、該耐熱層の欠損が回避される
ことになる。また、耐熱層の無被覆部にあっても、耐蝕
層が翼面に被覆されているので、翼面の耐蝕性を向上す
ることが可能となる。
【0012】
【実施例】以下、本発明に係るタービン動翼の第1実施
例について、図1および図2を参照して説明する。本実
施例のタービン動翼1は、図2に示すように、円盤状の
ディスク2の外周面の植込溝3に植え込まれる翼根部4
と、該翼根部4が植込溝3に植え込まれたときに、ディ
スク2の半径方向に放射状に突出させられる翼部5とを
具備している。該翼部5および翼根部4は、例えば、ニ
ッケル合金等の耐熱性の高い母材よりなり、一体的に成
形されている。
【0013】前記翼部5は、突出方向に30〜80mm
程度の長さ寸法を有し、翼形の最長寸法は約20mm程
度に形成されている。該翼部5の表面には、断熱層6が
形成されている。該断熱層6は、図1に示すように、耐
蝕性・耐酸化性に優れる材料、例えば、NiCoCrA
lYからなる耐蝕コーティング層6a(耐蝕層)と、耐
熱疲労性に優れる材料、例えば、ZrO2・Y23から
なる耐熱コーティング層6b(耐熱層)とを配した2層
に形成されている。これら各コーティング層6a・6b
は、それぞれ約0.2mm程度の厚さに形成されてい
る。
【0014】本実施例のタービン動翼1は、上述した点
において従来例と共通しているが、断熱層6の被覆範囲
において従来例と相違している。すなわち、本実施例に
おけるタービン動翼1の断熱層6は、図1に示すよう
に、タービン動翼1の先端面5aおよび該先端面5aに
接続する翼面5bにおいて、母材が露出させられる部分
(無被覆部)が形成されている。該無被覆部7は、ター
ビン動翼1の長手方向(前記突出方向)に1〜5mm程
度の長さに形成されている。
【0015】前記耐蝕コーティング層6aは、前記翼部
5表面に滑らかに接続する形状に形成され、耐熱コーテ
ィング層6bは該耐蝕コーティング層6aの表面に滑ら
かに接続する形状に形成されており、これによって、空
力特性が悪化しないように配慮されている。
【0016】このように構成されたタービン動翼1は、
燃焼器(図示略)からの高速ガスを流通させるガス通路
A内に配置され、該ガス通路Aを形成するケーシングX
内面にその先端面5aが近接状態に配される。そして、
高速ガスによって回転力を付与され、ディスク2の軸心
回りに先端部の周速度約500m/sで高速回転させら
れる。
【0017】この場合にあって、本実施例のタービン動
翼1であると、高速回転による振動等により、その先端
面5aとケーシングX内面とが接触した場合であって
も、接触の発生する先端面5a近傍に断熱層6が設けら
れていないので、該接触による衝撃が直接断熱層6に伝
達されることがなく、該断熱層6の欠損の発生が回避さ
れることになる。また、当該断熱層6の無被覆部7は、
周速度が速いタービン動翼1の先端に設けられ、かつ、
該先端が配されるケーシングX内面近傍は、外部からの
冷却により比較的低温状態におかれるため、その部分に
断熱層6が形成されていない状態であっても、母材自体
の耐熱強度によって十分に健全性が保持されることにな
る。
【0018】次に、本発明に係るタービン動翼の第2実
施例について図3を参照して説明する。本実施例のター
ビン動翼10は、翼部5の表面に、断熱層6が形成され
ており、該断熱層6が、耐蝕性・耐酸化性に優れる材
料、例えば、NiCoCrAlYからなる耐蝕コーティ
ング層6aと、耐熱疲労性に優れる材料、例えば、Zr
2・Y23からなる耐熱コーティング層6bとを配し
た2層に形成されている点で第1実施例と共通してい
る。しかし、本実施例のタービン動翼10にあっては、
耐蝕コーティング層6aが翼部5の表面全体を被覆する
ように形成され、先端面5a近傍の翼面5bにおいて、
該耐蝕コーティング層6aが露出させられる部分(無被
覆部)11を形成するように耐熱コーティング層6bが
配設されている点で、上記第1実施例と相違している。
【0019】このように構成されたタービン動翼10で
あると、その先端面5aがケーシングX内面に接触した
場合であっても、先端面5a近傍に耐熱コーティング層
6bが形成されていないので、該耐熱コーティング層6
bに接触による衝撃が作用することがないことになる。
したがって、本実施例のタービン動翼10によれば、無
被覆部11によって、比較的剥落し易い耐熱コーティン
グ層6bの健全性が保持されるとともに、該無被覆部1
1にあっても、耐蝕コーティング層6aが形成されてい
るので、タービン翼10自体の耐食性を向上することが
できるという利点がある。
【0020】なお、本発明のタービン動翼1・10にあ
っては、以下の技術を採用することができる。 タービン動翼1・10をニッケル合金よりなること
としたが、これに代えて、他の任意の耐熱材料を使用す
ること。また、各部の寸法を任意に調整すること。 各コーティング層6a・6bの厚さを0.2mm程
度としたが、タービン動翼1・10の大きさに合わせ
て、任意に調整すること。 2層よりなる断熱層6を採用したが、これに代え
て、1層あるいは3層以上の多層構造とすること。 無被覆部7・11の寸法を任意に調整すること。
【0021】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の第1の手
段に係るタービン動翼は、耐熱材よりなる断熱層を翼面
に被覆状態に設けてなり、先端面およびその近傍に位置
する翼面に、断熱層の無被覆部が形成されているので、
以下の効果を奏する。 タービン動翼の先端部のケーシング内面との接触に
よる衝撃が直接断熱層に伝達されることが回避され、タ
ービン動翼自体およびエンジン全体の健全性を維持する
ことができる。 翼面の先端部を除く遮熱の必要な部分のみに断熱層
を形成したので、断熱層の内部に配されるタービン動翼
の母材の健全性を向上することができる。また、第2の
手段に係るタービン動翼は、翼面全体を被覆状態に形成
される耐蝕材よりなる耐蝕層と、耐蝕層を被覆状態に形
成される耐熱材よりなる耐熱層とを設けてなり、先端面
の近傍に位置する耐蝕層表面に、耐熱層の無被覆部が形
成されているので、上記効果に加えて、タービン動翼の
翼面を露出させることがなく、タービン動翼自体の耐食
性を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るタービン動翼の第1実施例を示す
縦断面図である。
【図2】図1のタービン動翼の適用例を示す縦断面図で
ある。
【図3】本発明に係るタービン動翼の第2実施例を示す
縦断面図である。
【符号の説明】
X ケーシング A ガス通路 1・10 タービン動翼 2 ディスク 3 植込溝 4 翼根部 5 翼部 5a 先端面 5b 翼面 6 断熱層 6a 耐蝕コーティング層(耐蝕層) 6b 耐熱コーティング層(耐熱層) 7・11 無被覆部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 真家 孝 東京都西多摩郡瑞穂町殿ケ谷229番地 石川島播磨重工業株式会社 瑞穂工場内 (72)発明者 石井 潔 東京都田無市向台町三丁目5番1号 石 川島播磨重工業株式会社 田無工場内 (72)発明者 正木 彰樹 東京都田無市向台町三丁目5番1号 石 川島播磨重工業株式会社 田無工場内 (56)参考文献 特開 昭59−76839(JP,A) 特開 昭60−62603(JP,A) 特開 昭63−115501(JP,A) 実開 昭54−66005(JP,U) 実開 平4−33649(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F01D 5/20 F01D 5/28

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 筒状のケーシング内面に間隔を空けてそ
    の先端面を近接状態に配置されかつ該間隔を保持しつつ
    ケーシングの周方向に沿って高速回転させられるタービ
    ン動翼であって、耐熱材よりなる断熱層を翼面に被覆状
    態に設けてなり、前記先端面およびその近傍に位置する
    翼面に、該先端面および翼面を露出状態とする断熱層の
    無被覆部が形成されていることを特徴とするタービン動
    翼。
  2. 【請求項2】 筒状のケーシング内面に間隔を空けてそ
    の先端面を近接状態に配置されかつ該間隔を保持しつつ
    ケーシングの周方向に沿って高速回転させられるタービ
    ン動翼であって、翼面全体を被覆状態に形成される耐蝕
    材よりなる耐蝕層と、該耐蝕層を被覆状態に形成される
    耐熱材よりなる耐熱層とを設けてなり、前記先端面の近
    傍に位置する耐蝕層表面に、該耐蝕層を露出状態とする
    耐熱層の無被覆部が形成されていることを特徴とするタ
    ービン動翼。
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US6077036A (en) 1998-08-20 2000-06-20 General Electric Company Bowed nozzle vane with selective TBC
EP2662529A1 (en) * 2012-05-09 2013-11-13 Siemens Aktiengesellschaft Airfoil with PtAl bond coating and TBC, corresponding airfoil arrangement and manufacturing method
WO2014095758A1 (en) 2012-12-20 2014-06-26 Siemens Aktiengesellschaft Vane segment for a gas turbine coated with a mcraly coating and tbc patches

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