JP3150417B2 - セラミック動翼 - Google Patents
セラミック動翼Info
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- JP3150417B2 JP3150417B2 JP13216392A JP13216392A JP3150417B2 JP 3150417 B2 JP3150417 B2 JP 3150417B2 JP 13216392 A JP13216392 A JP 13216392A JP 13216392 A JP13216392 A JP 13216392A JP 3150417 B2 JP3150417 B2 JP 3150417B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はセラミック動翼に係り、
特に高温ガスタ−ビンにおいて高温で高強度を有するセ
ラミック動翼と金属ディスク若しくはシャンクとの嵌合
構造に関するものである。
特に高温ガスタ−ビンにおいて高温で高強度を有するセ
ラミック動翼と金属ディスク若しくはシャンクとの嵌合
構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ガスタ−ビンの性能は、タ−ビン入口温
度を高くすることで飛躍的に向上させることができる。
しかしながら現状の耐熱合金製の要素では使用温度に限
界があるため、動翼などの要素内に複雑な冷却空気の流
路を形成し、圧縮機から抽気した冷却空気を送り込むこ
とにより使用を可能としている。しかし冷却空気の使用
は効率の低下をもたらすため、タ−ビン入口温度は頭打
ちの状況にある。
度を高くすることで飛躍的に向上させることができる。
しかしながら現状の耐熱合金製の要素では使用温度に限
界があるため、動翼などの要素内に複雑な冷却空気の流
路を形成し、圧縮機から抽気した冷却空気を送り込むこ
とにより使用を可能としている。しかし冷却空気の使用
は効率の低下をもたらすため、タ−ビン入口温度は頭打
ちの状況にある。
【０００３】一方、セラミックスは、１４００℃近い耐
熱性を有するため、動翼をはじめとするガスタ−ビン部
材に使用できれば無冷却化若しくは冷却空気の大幅な低
減が図られ、性能向上が可能となる。
熱性を有するため、動翼をはじめとするガスタ−ビン部
材に使用できれば無冷却化若しくは冷却空気の大幅な低
減が図られ、性能向上が可能となる。
【０００４】しかしながら、セラミックスは塑性変形能
の小さい低靭性材料であり、寸法精度や表面仕上げの面
で金属に劣るため、金属製動翼と同様のダブテイル若し
くはクリスマスツリ−形状の翼根部を形成してディスク
若しくはシャンクに嵌合すると、セラミック翼根部とデ
ィスク（若しくはシャンク）の溝の整合の悪い部分で局
所的に接触し、セラミック翼が遠心力作用時に圧壊する
可能性が高い。
の小さい低靭性材料であり、寸法精度や表面仕上げの面
で金属に劣るため、金属製動翼と同様のダブテイル若し
くはクリスマスツリ−形状の翼根部を形成してディスク
若しくはシャンクに嵌合すると、セラミック翼根部とデ
ィスク（若しくはシャンク）の溝の整合の悪い部分で局
所的に接触し、セラミック翼が遠心力作用時に圧壊する
可能性が高い。
【０００５】この問題を解決するための従来技術として
は特開昭５７−１４３１９６号公報若しくはハイテンプ
ラチャ−テクノロジ−（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ｎｏｖ．１９８４ ｐｐ．
２２５−２２８等に記載されている。
は特開昭５７−１４３１９６号公報若しくはハイテンプ
ラチャ−テクノロジ−（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）Ｎｏｖ．１９８４ ｐｐ．
２２５−２２８等に記載されている。
【０００６】これらの例によれば、セラミック翼根部
は、軟質の金属薄板、若しくは通常パッドと呼ばれる金
属片を介して、金属製ディスク若しくはシャンクの溝部
に嵌合されるので、局所的な接触を防止することができ
る。
は、軟質の金属薄板、若しくは通常パッドと呼ばれる金
属片を介して、金属製ディスク若しくはシャンクの溝部
に嵌合されるので、局所的な接触を防止することができ
る。
【０００７】しかしながら、軟質金属を介してセラミッ
ク翼と金属製ディスク若しくはシャンクの溝部を嵌合さ
せた場合、翼根部に働く遠心力は定格回転時に数トンに
および、軟質金属ではクリ−プ変形が生じるため、局所
的な接触を防止できても、荷重伝達部材としての機能を
満足することには問題がある。
ク翼と金属製ディスク若しくはシャンクの溝部を嵌合さ
せた場合、翼根部に働く遠心力は定格回転時に数トンに
および、軟質金属ではクリ−プ変形が生じるため、局所
的な接触を防止できても、荷重伝達部材としての機能を
満足することには問題がある。
【０００８】それ故ある程度硬質な材料を選定すること
は不可避であるが、この場合薄板若しくはパッドとセラ
ミック翼根部の接触端部は応力特異場となり、高い応力
が発生し、接触端部よりセラミック翼が破壊する可能性
がある。
は不可避であるが、この場合薄板若しくはパッドとセラ
ミック翼根部の接触端部は応力特異場となり、高い応力
が発生し、接触端部よりセラミック翼が破壊する可能性
がある。
【０００９】このようにセラミック部品と金属部品を接
触状況で使用する場合において、接触端部からの破壊発
生を防止する従来技術としては、特開昭６４−３３０８
１号公報に記載の例がある。この例によれば、セラミッ
ク部材には溝が配設されているため、溝の応力集中が高
くなり、破壊の可能性のある位置を、接触端部から溝部
へ変えることが可能である。
触状況で使用する場合において、接触端部からの破壊発
生を防止する従来技術としては、特開昭６４−３３０８
１号公報に記載の例がある。この例によれば、セラミッ
ク部材には溝が配設されているため、溝の応力集中が高
くなり、破壊の可能性のある位置を、接触端部から溝部
へ変えることが可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来技術
により、セラミック翼の破壊発生点を接触端部から溝部
に変えることは可能となったが、以下の問題が残されて
いる。
により、セラミック翼の破壊発生点を接触端部から溝部
に変えることは可能となったが、以下の問題が残されて
いる。
【００１１】すなわちセラミック部品に溝を設けること
は、セラミック動翼のような翼長方向の遠心力が作用す
る部材においては、溝部底の応力集中が高くなり、溝部
強度は大幅に低下し、接触端部における破壊は防止でき
ても溝部から破壊するため、全体としての信頼性は低下
することになる。
は、セラミック動翼のような翼長方向の遠心力が作用す
る部材においては、溝部底の応力集中が高くなり、溝部
強度は大幅に低下し、接触端部における破壊は防止でき
ても溝部から破壊するため、全体としての信頼性は低下
することになる。
【００１２】本発明の目的はかかる問題を解決するため
に、セラミック動翼の破壊を防止できる動翼とディスク
（若しくはシャンク）の嵌合構造を提供することにあ
る。
に、セラミック動翼の破壊を防止できる動翼とディスク
（若しくはシャンク）の嵌合構造を提供することにあ
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的は、少なくとも
パッドの上下端部のみの剛性を下げることにより、接触
端部における高い応力の発生を防止することで達成され
る。
パッドの上下端部のみの剛性を下げることにより、接触
端部における高い応力の発生を防止することで達成され
る。
【００１４】本発明のセラミック動翼は、ダブテイル状
の翼根部を有するセラミック翼を２枚以上の金属板より
なるパッドを介して金属製のディスク若しくはシャンク
の溝部に嵌合させてなり、ディスク若しくはシャンクと
の接触面並びにセラミック翼との接触面を除き、少なく
とも各パッドの上下両面端部の剛性を該パッド中心より
も下げたことを特徴とする。
の翼根部を有するセラミック翼を２枚以上の金属板より
なるパッドを介して金属製のディスク若しくはシャンク
の溝部に嵌合させてなり、ディスク若しくはシャンクと
の接触面並びにセラミック翼との接触面を除き、少なく
とも各パッドの上下両面端部の剛性を該パッド中心より
も下げたことを特徴とする。
【００１５】この場合、少なくとも各パッドの上下端部
を中心より薄肉化すること、少なくとも各パッドの上下
端部に溝を設けること、少なくとも各パッドの上下端部
を中心部とは異なる材質としこの各端部に中心部より剛
性の低い材料を適用すること等が挙げられる。
を中心より薄肉化すること、少なくとも各パッドの上下
端部に溝を設けること、少なくとも各パッドの上下端部
を中心部とは異なる材質としこの各端部に中心部より剛
性の低い材料を適用すること等が挙げられる。
【００１６】
【作用】本発明によれば、セラミック翼と金属製ディス
ク（若しくはシャンク）とを介するパッドの少なくとも
上下端部は薄肉化等により剛性が低下するため、定格時
にセラミック動翼に遠心力が作用してもセラミック翼根
部のパッドとの接触端の応力特異性は消失し、接触端に
高い応力が発生することを防止できる。
ク（若しくはシャンク）とを介するパッドの少なくとも
上下端部は薄肉化等により剛性が低下するため、定格時
にセラミック動翼に遠心力が作用してもセラミック翼根
部のパッドとの接触端の応力特異性は消失し、接触端に
高い応力が発生することを防止できる。
【００１７】この結果、接触端における破壊を防止する
ことが可能で、信頼性を向上させることができる。
ことが可能で、信頼性を向上させることができる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。
る。
【００１９】図５は、セラミック翼を金属パッドを介し
てシャンク（若しくはディスク）に嵌合してなる従来の
構造を示す。
てシャンク（若しくはディスク）に嵌合してなる従来の
構造を示す。
【００２０】セラミック翼１は、通常窒化けい素若しく
は炭化けい素等の構造用セラミックスからなり、その一
端にダブテイル状の翼根部を有し、金属製のシャンク２
に金属パッド３を介して嵌合されている。
は炭化けい素等の構造用セラミックスからなり、その一
端にダブテイル状の翼根部を有し、金属製のシャンク２
に金属パッド３を介して嵌合されている。
【００２１】金属パッド３は、セラミック翼１に作用す
る遠心力をシャンク２若しくはディスクに伝達する強度
部材であるとともに、セラミック翼１を直接シャンク２
若しくはディスクに嵌合したときに生じ易い片当たりや
局所的な接触を緩和する働きがある。
る遠心力をシャンク２若しくはディスクに伝達する強度
部材であるとともに、セラミック翼１を直接シャンク２
若しくはディスクに嵌合したときに生じ易い片当たりや
局所的な接触を緩和する働きがある。
【００２２】このため、一般にパッド３の外面及びシャ
ンク２の溝の内面は、図５に示すように同心円形状を採
り、回転を許す構造としたり、若しくはパッド３の滑り
を許す構造にして、拘束を軽減する例が多い。
ンク２の溝の内面は、図５に示すように同心円形状を採
り、回転を許す構造としたり、若しくはパッド３の滑り
を許す構造にして、拘束を軽減する例が多い。
【００２３】パッド材質としては、セラミック翼１との
接触部分で不均一な接触が生じた場合、変形することに
よりセラミックスに発生する過大な接触応力を緩和でき
るように軟質金属であることが理想とされるが、一方で
高温下で遠心力によりクリ−プ変形しないことが要求さ
れるため、実際に使用される材質は通常の耐熱合金であ
ることが多い。
接触部分で不均一な接触が生じた場合、変形することに
よりセラミックスに発生する過大な接触応力を緩和でき
るように軟質金属であることが理想とされるが、一方で
高温下で遠心力によりクリ−プ変形しないことが要求さ
れるため、実際に使用される材質は通常の耐熱合金であ
ることが多い。
【００２４】このような塑性変形能が充分でないパッド
３とセラミック翼１の翼根との接触端は、応力が集中す
る特異場となり、セラミック翼１はこの接触端の集中応
力で破損することが問題となっている。
３とセラミック翼１の翼根との接触端は、応力が集中す
る特異場となり、セラミック翼１はこの接触端の集中応
力で破損することが問題となっている。
【００２５】次に本発明の実施例につき図１を用いて説
明する。
明する。
【００２６】本実施例ではセラミック１とシャンク２
（若しくはディスク）の嵌合を介しているパッド３の接
触端付近を薄肉化してある。
（若しくはディスク）の嵌合を介しているパッド３の接
触端付近を薄肉化してある。
【００２７】この結果、パッド３の接触端である両端部
分の剛性が低下するため、定格運転時にセラミック翼１
に遠心力が作用しても、翼根部とパッド３の接触端は応
力の特異場にならず、破壊を防止し信頼性を向上するこ
とができる。
分の剛性が低下するため、定格運転時にセラミック翼１
に遠心力が作用しても、翼根部とパッド３の接触端は応
力の特異場にならず、破壊を防止し信頼性を向上するこ
とができる。
【００２８】上記の薄肉化は、パッド３との接触端にお
けるセラミック翼根部に高い応力が発生することを防止
するため、金属シャンク２（若しくはディスク）との接
触側を減肉することが必要である。
けるセラミック翼根部に高い応力が発生することを防止
するため、金属シャンク２（若しくはディスク）との接
触側を減肉することが必要である。
【００２９】図２には同様の効果を得られるパッド形状
の他の例を示す。（ａ）は従来のパッド形状を示す。
（ｂ）はパッド両端部を直線的に薄肉化した例である。
（ｃ）はパッドの両端部の側面に溝を設けた例であり、
接触面積を変えずに剛性を下げることが可能である。ま
た（ｄ）には図１の拡大図を示す。
の他の例を示す。（ａ）は従来のパッド形状を示す。
（ｂ）はパッド両端部を直線的に薄肉化した例である。
（ｃ）はパッドの両端部の側面に溝を設けた例であり、
接触面積を変えずに剛性を下げることが可能である。ま
た（ｄ）には図１の拡大図を示す。
【００３０】図３は本発明の別の実施例であり、パッド
の両端部のみ低剛性材料４とすることで同様の効果を得
た例である。この実施例では遠心力はパッド中心部の高
剛性材料５で支持することができ、また両端部に低剛性
材料４の領域があるため接触端部の過大な応力の発生を
防止することができる。
の両端部のみ低剛性材料４とすることで同様の効果を得
た例である。この実施例では遠心力はパッド中心部の高
剛性材料５で支持することができ、また両端部に低剛性
材料４の領域があるため接触端部の過大な応力の発生を
防止することができる。
【００３１】低剛性材料４と高剛性材料５とは、拡散接
合等により接合することにより充分な接合強度が確保さ
れる。
合等により接合することにより充分な接合強度が確保さ
れる。
【００３２】図４には本発明の効果を解析により求めた
応力分布の結果で示す。図中にはセラミック翼根部のパ
ッドとの接触領域に発生する垂直応力分布を示すが、
（ａ）の従来形式のパッドの場合、接触端部で応力が発
散している。これに対し（ｂ）の本発明の実施例では、
応力の特異場は消失し、接触端部での応力は零となり、
大幅な信頼性の向上を図ることが可能である。
応力分布の結果で示す。図中にはセラミック翼根部のパ
ッドとの接触領域に発生する垂直応力分布を示すが、
（ａ）の従来形式のパッドの場合、接触端部で応力が発
散している。これに対し（ｂ）の本発明の実施例では、
応力の特異場は消失し、接触端部での応力は零となり、
大幅な信頼性の向上を図ることが可能である。
【００３３】また、低剛性化は必ずしもパッドの両端で
ある必要はなく、応力集中の厳しい一方(通常は上側)の
みでもよい。
ある必要はなく、応力集中の厳しい一方(通常は上側)の
みでもよい。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、サラミック翼とディス
ク若しくはシャンクを介しているパッドの接触端部分を
低剛性化することにより、セラミック翼根部のパッドと
接触端部に発生する過大な応力集中を軽減することが可
能で、セラミック動翼の信頼性向上に効果がある。
ク若しくはシャンクを介しているパッドの接触端部分を
低剛性化することにより、セラミック翼根部のパッドと
接触端部に発生する過大な応力集中を軽減することが可
能で、セラミック動翼の信頼性向上に効果がある。
【図１】本発明の実施例装置の端部を薄肉化したパッド
を用いたセラミック動翼の断面図である。
を用いたセラミック動翼の断面図である。
【図２】本発明の実施例装置のパッド部の他のパタ−ン
を説明する断面図である。
を説明する断面図である。
【図３】本発明の更に他の実施例装置を示す断面図であ
る。
る。
【図４】本発明の効果を示す応力分布図である。
【図５】従来例を示すセラミック動翼の断面図である。
１…セラミック翼、２…シャンク、３…パッド、４…低
剛性材料、５…高剛性材料。
剛性材料、５…高剛性材料。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮田 寛 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 (72)発明者 古瀬 裕 東京都調布市西つつじヶ丘二丁目４番１ 号 東京電力株式会社 技術研究所内 (72)発明者 寺前 哲夫 東京都調布市西つつじヶ丘二丁目４番１ 号 東京電力株式会社 技術研究所内 (72)発明者 鳥山 彰 東京都町田市相原町4241番地 (72)発明者 竹佐 和彦 神奈川県横浜市泉区西ヶ岡一丁目28番６ 号 (56)参考文献 特開 昭58−150100（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−15903（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F01D 5/30
Claims (4)
- 【請求項１】ダブテイル状の翼根部を有するセラミック
翼を、２枚以上の金属板よりなるパッドを介して、金属
製のディスク若しくはシャンクの溝部に嵌合させてなる
セラミック動翼において、前記ディスク若しくはシャン
クとの接触面並びにセラミック翼との接触面を除き、少
なくとも各パッドの上下両面端部の剛性を該パッド中心
よりも下げたことを特徴とするセラミック動翼。 - 【請求項２】請求項１において、少なくとも各パッドの
上下端部を中心より薄肉化したことを特徴とするセラミ
ック動翼。 - 【請求項３】請求項１において、少なくとも各パッドの
上下端部に溝を設けたことを特徴とするセラミック動
翼。 - 【請求項４】請求項１において、少なくとも各パッドの
上下端部を中心部とは異なる材質とし、該各端部に中心
部より剛性の低い材料を適用したことを特徴とするセラ
ミック動翼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13216392A JP3150417B2 (ja) | 1992-05-25 | 1992-05-25 | セラミック動翼 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13216392A JP3150417B2 (ja) | 1992-05-25 | 1992-05-25 | セラミック動翼 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05321603A JPH05321603A (ja) | 1993-12-07 |
| JP3150417B2 true JP3150417B2 (ja) | 2001-03-26 |
Family
ID=15074843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13216392A Expired - Fee Related JP3150417B2 (ja) | 1992-05-25 | 1992-05-25 | セラミック動翼 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3150417B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102506731B1 (ko) * | 2016-05-13 | 2023-03-06 | 엔제루 구루푸 가부시키가이샤 | 사용이 끝난 플레잉 카드의 폐기상자 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5823745A (en) * | 1996-08-01 | 1998-10-20 | General Electric Co. | Method of repairing a steam turbine rotor |
| US10605100B2 (en) * | 2017-05-24 | 2020-03-31 | General Electric Company | Ceramic matrix composite (CMC) turbine blade assembly, dovetail sleeve, and method of mounting CMC turbine blade |
-
1992
- 1992-05-25 JP JP13216392A patent/JP3150417B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102506731B1 (ko) * | 2016-05-13 | 2023-03-06 | 엔제루 구루푸 가부시키가이샤 | 사용이 끝난 플레잉 카드의 폐기상자 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05321603A (ja) | 1993-12-07 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |