JP5920856B2 - ターボ機械用のセグメント化された内環を備えるステータ構成部材 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載のターボ機械のステータ構成部材に関する。

従来技術
従来技術において、高温の作業ガスが貫流するホットガスパスから主として形成されている、内燃機関のタービンケーシングが公知となっている。このような運転に基づいて、好ましくは、耐熱性の材料から製造されるライニングが、このホットガスパスの内壁面に設けられ、ケーシングのその他の金属表面が高温の作業ガスと直接接触することを防止することができる。通常、この耐熱ライニングは、複数の部分セグメントからなっている。複数の部分セグメントは、タービンケーシングの内面に周方向で配置されており、その結果、それ自体１つの環を形成している。高温時の熱膨張の問題を回避するために、それぞれの部分セグメントは、周方向で互いに間隔を置いている。

欧州特許第１２２５３０８号明細書において公知のタービンケーシングは、分割された複数の部分セグメントを有する分割環からなり、これらの部分セグメントは、ガスタービンケーシングの内壁に周方向で所定の間隔を置いて、動翼と作用結合する１つの環を形成するように配置されている。部分セグメントの各々は、周方向に２つの端面を有しており、両端面は、隣接する部分セグメントの端部に対向している。この従来技術では、部分セグメントの両端面の少なくとも１つは、移行面を有している。移行面は、円柱状又は球面状の表面として形成されている。つまり、この刊行物において重要であることは、個々の部分セグメント相互の、従来技術で知られた間隔に手を加えることではなく、動翼に対する間隙内の流動に影響を及ぼす目的で、部分セグメントの個々の端面の移行部を周方向で異形に形成することである。

発明の概要
ここで本発明は解決手段を提供する。特許請求の範囲に記載される本発明の根底にある課題は、周方向での個々の部分セグメント相互のかつ動翼先端に対する個々の部分セグメントの特別な間隔、特に部分セグメントのロータ側の表面の形成を省略可能なステータ構成部材を提案することである。また本発明の課題は、熱膨張及び圧縮応力の問題を簡単に解決可能な部分セグメントの構成及び配置を提案することである。

その際、ターボ機械のステータ構成部材は、主として外環及び内環を備え、外環は、個々の部分セグメントから形成される内環のホルダとして機能する。部分セグメントは、外環により囲繞されて、ロータ側に連なった円形の周方向表面を形成するように、相並んで配置されている。内環のこれらの部分セグメントは、半径方向で、すなわちターボ機械に組み付けられた状態でターボ機械の回転軸線に対して垂直な断面で見て、台形又は略台形の断面を有している。この台形の平行又は略平行な辺は、環の半径方向の内面あるいは半径方向の外面を形成している。部分セグメントは、互いに結合されて、設計点でのターボ機械の運転時に略均等な周方向圧及び半径方向圧の下、自立型の内環を形成する。

各部分セグメントの画成表面は、外環の内側の周方向面に対向して、略平面状、凹面状、凸面状又は球面状に延びる表面を有している。部分セグメント自体は、モノリシックに構成される唯一の材料からか、又はそれぞれ異なる寸法若しくは組成を有する複数の複合材料からなっていてもよい。このような部分セグメントを形成するための、このために使用される材料又はこのために使用される複合材料は、一様な組織構造及び／又は一様でない組織構造を有している。

こうして形成された部分セグメントは、ターボ機械の負荷領域に応じて、予め決められた応力特性及び膨張特性を有している。部分セグメントの膨張特性は、半径方向及び／又は軸方向で、分化された構造に基づいてそれぞれ異なって形成され、このことは、部分セグメントの半径方向及び軸方向で支配しているそれぞれ異なる温度と相関関係にある。

一態様において、ターボ機械のステータ構成部材は、主として、少なくとも１つの軸方向の外環及び内環を備え、外環は、複数の部分セグメントからなる内環のホルダとして機能し、部分セグメントは、組み付けられた状態ではロータ側において動翼の回転運動に対向して円形の内環を形成するように、相並んで配置されている。この場合、部分セグメントは、一様に構成される材料からか、又は少なくとも半径方向で漸次あるいは段階的に変化するように構成される材料からか、又は少なくとも半径方向でそれぞれ異なる材料から構成される複数の部分体からなっている。こうして形成された部分セグメントは、ターボ機械の運転中にターボ機械の負荷領域に応じて加熱されて、半径方向内側から外側に向かって温度勾配が生じるようになっており、部分セグメント内の材料成層構造（Ｍａｔｅｒｉａｌｓｃｈｉｃｈｔｕｎｇ）は、内側に位置する材料が、外側に位置する材料よりも小さな膨張係数を有し、その結果、内環の部分セグメント間における周方向での部分セグメントの膨張により生じる圧縮応力が、所定の応力プロフィールを示すように選択されているか、
別の態様において、部分セグメントは、周方向で互いに、鋭角状の間隙を形成しながら突き合わされており、間隙内の間隔は、運転中の温度勾配に基づいて、隣接する部分セグメント間に、部分セグメントの半径方向の延び全体又は半径方向の一区分のみにわたって部分セグメント間の圧縮応力の所定のプロフィールに至る力結合（Ｋｒａｆｔｓｃｈｌｕｓｓ：摩擦力等の力による束縛）を生じるように維持されているか、
さらに別の態様において、部分セグメントは、周方向で互いに、歯列を形成しながら係合し、歯列は、運転中の温度勾配に基づいて、隣接する部分セグメント間に、部分セグメントの半径方向の延び全体又は半径方向の一区分のみにわたって部分セグメント間の圧縮応力の所定のプロフィールに至る力結合を生じるように、半径方向で間隔を置いているか、
さらに別の態様において、部分セグメント内の材料成層構造は、内側に位置する材料が、外側に位置する材料よりも小さな膨張係数を有し、その結果、周方向での部分セグメントの膨張が、互いに突き合わされた部分セグメント間の周方向で鋭角状の間隙と組み合わされてか、若しくは間隔を置いた歯列でもって半径方向で互いに係合する部分セグメントと組み合わされて、部分セグメント間の圧縮応力の所定のプロフィールに至るように選択されている。

圧縮応力の所定のプロフィールは、均等な半径方向圧であるか、又は実質一定の圧力プロフィールであることができる。これは、例えば、部分セグメントが互いに突き合わされる面積の少なくとも８０％にわたって応力の平均値からの偏差が２０％以下である圧力プロフィールである。

本発明の主要な利点は、エレメントとして形成される部分セグメントが実質的に、その運転使用に基づいて、特にターボ機械のフル稼働に至る過渡負荷領域中、応力値及び膨張値に関する定性的かつ定量的な異なる特性を満たすセラミック材料からなる点に見出せる。

この目的を達成するために、セラミック製の部分セグメントは、運転に依存した異なる膨張特性及び応力特性を可能にする一様な材料構造又は漸次変化するように構成される材料構造を有するように形成される。

さらに、部分セグメントのそれぞれの材料構造あるいは部分構造の材料は、例えば運転中のエレメントの必要な強度及び負荷容量を保証するために、運転上必要な化学的特性及び物理的特性を有している。

部分セグメントは、互いに合体されるそれぞれ異なる部分体からなっていてもよく、部分体は、それぞれ異なる化学的特性及び物理的特性を有するセラミック材料から構成されていてもよい。

１つの部分セグメントを形成する合体される部分体は、所定の運転状態で所定の物理的作用を生じる互いに異なる材料構造を有していてもよい。

このような部分セグメントの特に重要な特性は、生じる間隙サイズに関してターボ機械のそこで動作する動翼と作用結合する、ターボ機械の様々な運転状態における膨張特性に関する。

つまり、セラミック製の部分セグメントが、運転に依存した膨張特性及び強度可変性あるいは熱負荷に対する信頼性を有していると、これにより、ターボ機械全体の運転信頼性は、最大化される。

さらに、セラミック製のエレメントの、運転に依存した膨張特性は、例えばステータ／動翼領域における動翼先端の漏れが最小化され得ることによって、ターボ機械の効率に対しても肯定的に働く。

原則、セラミック材料から形成されるエレメント（部分セグメント）は、特にターボ機械がガスタービンであるとき、有利にはヒートシールドとして機能するのに好適である。これは、セラミック材料が一般に極めて高い耐熱性を有する材料であるからである。

このような突当て方向で、セラミック製のエレメントは、単に一部の割合だけがセラミックからなっていてもよく、残りの割合は、耐熱性がそれよりも低い材料からなっていてもよい。このような部分セグメントが如何なる膨張特性あるいは応力特性を充足しなければならないかに応じて、一方の特性は、他方の特性を促進あるいは抑制するように、許容可能な限度の範囲内で設計される。

運転状況が許容する限り、膨張特性は、使用されるエレメントの、その化学的特性及び物理的特性に基づいて最良の前提を提供する材料の割合によってのみ提供され得る。

エレメント、つまり部分セグメントとして提供される物体は、圧縮されたセラミック粉末から焼結により製造可能である。このことは、材料選択時の高い可変性を可能にする。こうして、エレメントの組成は、最終材料の様々な化学的特性及び物理的特性、とりわけ多孔性、硬さ、熱伝導率又はその他の機械的特性、電気的特性、熱的特性及び／若しくは磁気的特性に関する様々な化学的特性及び物理的特性が得られるように変更可能である。

その他、セラミック製のエレメントは、巨視的に見て１つの一様（ｓｏｌｉｄ）な構造を有していても、又はやはり巨視的に構成され、その接合が堅固な結合を生じる複数の異なる部分体からなっていてもよい。

さらにエレメントは、種々の役割を果たし得る適当な構造化された中空室を含んでいてもよい。一方では、これらの中空室は、セラミック製又は略セラミック製のエレメントの内部冷却のために使用可能であり、この冷却は、少なくともその膨張特性に対して動的に影響を及ぼすように運転されてもよい。他方では、これらの中空室は、それ自体が適応した膨張特性のための尺度を生じるように設計されてもよい。これらの両構造の、新たな最終的な目的への組み合わせも可能である。

セラミック製又は略セラミック製のエレメントは、ロータ側に好ましくは摩滅適合性の層を担持している。この摩滅適合性の層は、一般に、動翼に対向して、シール兼摩耗層として形成されている。良好なシールは、好ましくは、この摩耗層が擦過層と一致する特性を有している場合に達成される。これは、摩耗層が、動翼先端の膨張に起因する擦過に基づいて、少なくともターボ機械の通常運転中に翼先端とエレメントとの間の最大化されたシール作用を生じるノッチあるいはキャビティを許容する場合に該当する。

このような摩滅適合性の層をエレメントの端面側に設ける可能性にかかわらず、本発明は、エレメントの膨張特性が、ロータあるいは動翼の膨張に応じて内的な材料配置により促進されることで、最大化されたシール作用を保証することが重要であるときに採用される。この内的な材料配置は、付加的に摩滅適合性の層の上述の作用を促進する。

セラミック製又は略セラミック製のエレメントの形状に関する構成に関して、その物体の広がりは、好ましくは、環全体の狭く限られたセクタを形成するように形成されている。好ましくは、ロータ側の内環は、複数のエレメントにより形成される。これらのエレメントは、好ましくは同じ形状及びサイズであり、半径方向で３〜８ｃｍの厚さを有している。周方向でエレメントは、例えば１０〜１５°の円弧角度を有している。これにより、環全体は、２４〜３６個の個々の部分セグメントからなる。

それぞれのセラミック製又は略セラミック製のエレメントは、好ましくは半径方向で（組み付けられた状態でターボ機械の回転軸線に対して垂直な断面で見て）台形又は略台形の形状を有している。このことは、外環との関連において自立型の構造のための前提に対して肯定的な影響を及ぼす。部分セグメントの幾何学的な形状が如何なる形状を基礎としているかにかかわらず、部分セグメントにより形成されるロータ側の周方向表面は、ターボ機械の、そこを擦過するように回転する動翼のための、連なった同一円の面を形成する。

原則、エレメントにより形成されるロータ側の内環は、既に上述したように、全体的に１つのセラミック材料からなっていてもよい。場合によっては、７０％まで又は７０％以上の質量パーセント又は体積パーセントの組成が、１つのセラミック材料からなっており、１００％までの残分が、所定の膨張特性及び応力特性に応じて、他の材料からなっていてもよい。他の材料の、このようなエレメントの最終的な特性に関する適合性は、調整されていなければならない。つまり、エレメントが完全に１つのセラミック材料からなるわけではない場合、このようなエレメントを本明細書ではしばしば略セラミック製のエレメントと称呼する。

原則、説明するステータ構成部材は、環としてターボ機械の軸方向で動翼の全段にわたって動作可能に延在してもよい。部分セグメントからなる内環を軸方向で、動作する動翼の領域にのみ設けてもよい。

さらに、それぞれ異なる段において、部分セグメントの材料に関する組成が、所定の膨張特性及び強度特性に基づいて相応に調整されるようにしてもよい。

一般に、セラミック製又は略セラミック製のエレメントは、半径方向の延在方向で見て外側の金属環により囲繞される。金属環は、結合体をなした個々のエレメントの安定性を供与する。この安定性は、個々のエレメントが運転中１つの連なった堅固な物体に変化するようにする上で、極めて重要である。

金属環の内側の周方向表面に対向して、これらのエレメントは、凹面状又は凸面状の対応形状を有していてもよい。この対応形状は、特に組み立て中、金属環に対するこれらのエレメントの位置決めが付加的に形状結合（Ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｓｓ：形状による束縛）を介したはめあいを生じることに寄与する。

セラミック製又は略セラミック製のエレメントは、既に上で短く暗示したように、中間の切欠きを有していてもよい。この切欠きは、必要に応じて冷却媒体が貫流可能となっていてもよい。加えて、例えば相並んで位置決めされる個々のエレメントの側方の、半径方向で延びる境界面の領域に、溝が設けられる。これらの溝は、一方では、確かに、隣接する２つのエレメント間の有効突き当て面を減少させるが、他方では、エレメント相互間の所定の十分な形状結合を介した突き当て面とすることに寄与する。半径方向で延びるこれらの溝は、冷却路としても使用可能である。冷却路の冷却作用は、少なくとも互いに隣接するエレメントの領域において働く。この選択肢も、ターボ機械の所定の運転状態におけるエレメントの膨張特性に対して適当に影響を及ぼすために用いられてもよい。すべての事例において、個々のエレメントは、組み合わされて１つの環を形成すべきである。この組み合わされた環において、隣接するエレメントの突き当て面は、特にターボ機械の運転中、ガスに対して密又は略密な結合を形成する。

一般に、ステータ構成部材における外環と、部分セグメントにより形成される内環との間のはめあいは、組み立て時、少なくとも１つの形状結合が得られるように、場合によっては当初最小化された力結合成分で設計される。当初の力結合は、運転中増大されるが、個々のエレメント間の最大で許容可能な圧縮応力が超過されないように設計されねばならない。

しかし、ある設計態様においては、エレメントが運転中に素材結合（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：分子間・原子間の化学結合を介した束縛）又は凖素材結合（ｑｕａｓｉ−ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）を介したはめあいへと変化可能であるようにエレメントを設けることも、何ら問題なく可能である。この場合、信頼性上の理由があれば、凖素材結合を介したはめあいが使用される。部分セグメントのために使用されるセラミックに関して、セラミックは、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムからなることができ、部分セグメント又はその成分は、異なるセラミックの異なる割合から構成されていてもよい。又、上記酸化物、即ち酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムは、５０〜１００質量％又は体積％を有する。又、部分セグメントは、内環の軸方向又は周方向で、それぞれ異なる材料から形成される複数の部分体からなる。

部分セグメントの応力特性及び膨張特性に関して、ロータ側の表面は、すべての材料の剛性、熱膨張係数の温度依存性及び厚さ比に基づいて、すべての運転温度に関して０ＭＰａより大きく５００ＭＰａまでの圧縮応力を有している。これにより、部分セグメントは、ターボ機械の運転負荷領域全体をカバーすることが可能である。好ましくは、部分セグメント相互の圧縮応力は、初期組み付け時、５０ＭＰａまでに制限される。このことは、一方では、十分な形状を介したはめあいに至り、他方では、フル稼働のための十分に大きな応力しろ（Ｓｐａｎｎｕｎｇｓｒｅｓｅｒｖｅ）を生じる。材料は、内環の半径方向内面に最小の熱膨張係数を有し、熱膨張係数が外面に向かって増大するように層をなしている。膨張係数の比は、内側から外側に向かって、冷間での組み付けと熱間での運転との温度上昇と、膨張係数との積が、すべての半径方向位置に関して一定あるいは実質一定であるように選択されている。実質一定とは、例えば、形状を介したはめあいにおける平均的な圧縮応力に対する、周方向での局所的な圧縮応力間の２０％以下の差に至る、一定の値からの偏差と解すべきである。その際、形状を介したはめあいの縁部領域又は局所的な欠陥箇所は、もちろん、より高い偏差に至る可能性がある。別の態様において、特に環直径に対する環高さの比が大きい（例えば環直径に対する環高さが０．１より大きい、特に０．２より大きい）環のために、膨張係数の比は、内側から外側に向かって、冷間での組み付けと熱間での運転との温度上昇と、円周と、膨張係数との積が、すべての半径方向位置に関して一定あるいは実質一定であるように選択される。

隣接する部分セグメントは、互いに、歯列を設けた表面を有していてもよい。歯列を設けた表面は、組み付けられた状態で、半径方向の延在方向でラビリンス類似のシールとなる。このように構成されている場合、隣接する部分セグメント相互のそれぞれ異なる膨張特性は、半径方向でも周方向でも、始動中及び運転中、こうして形成されたラビリンスに沿った間隙サイズの当初の適当な配置により考慮されるようになっていなければならない。つまり、間隙サイズは、部分セグメントの半径方向で減少可能である。この関連において、間隙サイズ、つまり隣接する部分セグメント間の間隔は、特にセラミック製又は略セラミック製のエレメントが、例えば多孔性、粒径、化学的組成等に関して、半径方向でそれぞれ異なる層からか、又は材料組成のそれぞれ異なる部分体からなる場合、膨張に関する重なり分を有する。又、ステータ構成部材の外環は、単数又は複数の部材から形成されている。

本発明の直接的な理解にとって重要でないすべての要素を省略し、同一の要素には、他の図面でも同一の符号を付した。

外環と、部分セグメントからなる内環とを有する連結体からなるステータ構成部材を示す図である。 ステータ構成部材の一部の半径方向断面図である。 互いに間隔を置いた部分セグメントを示す図である。 隣接する部分セグメント間のラビリンス状の間隔を示す図である。 部分セグメントの冷却に関する構成を示す図である。 部分セグメントの冷却に関する別の構成を示す図である。 部分セグメントから冷却媒体が流出する流出部の構成を示す図である。

発明の説明
図１は、金属環１０の概略図である。金属環１０は、個々の部分エレメント２０（部分セグメントともいう）の領域で環としてステータの一部を形成している。その際、この外環１０は、環状に組み立てられる複数の部分エレメント２０のより良好な結合のために１回だけ又は複数回にわたって分割１１されていてもよい。１つの連なった外環１０も排除されない。しかし、このことは、最後の部分エレメントを装入する際の何らかの事前対策により部分セグメント２０の組み付けが保証されていることを前提とする。原則、外環１０は、金属材料からなる一方、部分セグメント２０は、少なくとも部分的にセラミック材料からなる。ステータの軸方向で外環１０は、動翼列に対して作用結合だけするように配置可能である。

好ましくは、初期組み付け時の部分セグメント相互の圧縮応力は、最大５０ＭＰａまでに制限される。このことは、一方では、形状を介した十分なはめあいに至り、他方では、フル稼働のための、より高い応力に対する十分に大きな応力しろを生じる。

部分セグメントの応力特性及び膨張特性に関して、ロータ側の表面は、すべての材料の剛性、熱膨張係数の温度依存性及び厚さ比に基づいて、すべての運転温度に関して０ＭＰａより大きく５００ＭＰａまでの圧縮応力を有している。これにより、部分セグメントは、ターボ機械の運転負荷領域全体をカバーすることが可能である。

図２は、部分セグメント２０の領域におけるステータ構成部材の一部の概略図である。図２に示し、セラミック材料又は略セラミック材料から形成されるエレメントは、図１に特に顕著に看取される１つの連なった内環の一部を形成している。

部分セグメント２０は、ここでは一様に構成された物体として図示されている。この一様な物体は、一様な材料からなるか、又はそれぞれ異なる材料からなることができ、これらの材料は、例えば焼結により接合されてモノリシック体を形成する。このように焼結された物体は、漸次変化する所望かつ所定の化学的特性及び物理的特性を有していてもよい。しかし、これ自体は必須ではない。それというのも、内環の応力特性及び膨張特性が運転中予め決められた値を充足するという最終的な目的で、部分セグメントが少なくとも半径方向で複数の部分体からなり、これらの部分体が互いにそれぞれ異なる材料組織を有するそれぞれ異なる材料からなっていてもよいからである。したがって、このような変更は、何ら問題なく部分セグメントの軸方向にも該当し得る。さらに、部分セグメント２０全体がすべてセラミック材料からなることは、必須ではない。金属部分の組み込みがまさに所定の応力特性及び膨張特性の前決定にとって有益であり得る構成も、何ら問題なく可能である。部分セグメント２０の幾何学的な構成は、少なくとも半径方向で、角隅側において純然たる長方形の形状から逸脱した多角形状を有している。このことは、このような構成とすることで、部分セグメント２０の、応力面で臨界的な稜２２の負荷が、組み付けられた状態で大幅に軽減されるという点で、有利である。部分セグメントの半径方向の膨張領域には、シールエレメントが、外環の外径と内環の内径との間に設けられている。シールエレメントは、作業媒体が主流動通路からステータ内に半径方向で流れることを一般に阻止する。

これらのシールエレメントは、部分セグメント２０に作用する位置決めエレメント２３の構成部材である。位置決めエレメント２３は、部分セグメントと外環との間の膨張が少なくとも軸方向で吸収可能であるように働く。シールエレメントがこの動的な位置決めエレメント２３の構成部材であることにより、運転中のシールエレメントの能動的な作用は、最大化される。

これらのシールエレメントは、各々の部分セグメントの領域で、部分セグメントの両側にかつ周方向で配置される。部分セグメントのロータ側の表面は、アブレーダブル層２１を有している。アブレーダブル層２１は、ターボ機械の所定の運転構成時、動翼３０の先端がアブレーダブル層に擦過するように回転することで、アブレーダブル層が能動的に除去されるということに基づき、部分セグメントと翼先端との間の間隙を最小化し、ひいては翼先端の漏れを最小化することに寄与する。さらに外環１０には、供給通路２４が貫設されており、供給通路２４を介して冷却媒体が、部分セグメント２０に向かって導かれる。

図３及び図４は、隣接する部分セグメントをまとめるにあたっての択一的な態様を示している。これらの態様では、隣接する部分セグメントは、組み付けの際に直接的な形状結合又は力結合が形成されることなく、周方向で、鋭角状の間隙２９を形成しながら、程度の差こそあれ緩やかに突き合わされている。この間隙２９は、半径方向で先鋭に先細りするように延びている。角度αは、５°〜３０°に維持されている。この構成の背後にある基本思想は、膨張が温度プロフィールの結果として半径方向で減少すること、つまり内側の間隔を外側の間隔より大きくしなければならないという事実である。形成する間隙は、図３に示すように、部分セグメントの半径方向の延び全体にわたって形成してもよい。しかし、間隙が半径方向の延びの一部にしか存在しないようにしてもよい。間隙は、好ましくは部分セグメントのロータ側の領域に形成されている。間隙は、直線状に形成されても、曲線状に形成されてもよい。その間隔は、運転中には、隣接する部分セグメント間に、部分セグメントの半径方向の延び全体にわたってか、又は部分セグメントの半径方向の一区分のみにわたって、圧縮応力の所定のプロフィールに至らしめる力結合が生じるように、維持されている。一態様では、圧縮応力は、一様あるいは略一様となる。

図４は、内環の円形表面の平面図として、隣接する両部分セグメント２０の歯列が如何に形成可能であるかを示している。歯列は、ラビリンス状に延在するように形成され、部分セグメント間の高温の作業ガスの貫流を阻止している。その間隔は、運転中には、隣接する部分セグメント間に、部分セグメントの半径方向の延び全体にわたってか、又は部分セグメントの半径方向の一区分のみにわたって今や略一様な力結合が生じるように、維持されている。一様な力結合は、矢印Ｘ及びＹにより示すように、当初はそれぞれ異なる間隙サイズを設けることによって生じる。ラビリンス構成とした場合、ラビリンスの形状結合自体がシールを提供するので、すべての箇所に力結合が存在している必要はない。各部分が冷間にある状態、つまり、例えばガスタービンに組み付ける際には、典型的には局所的にのみ形状結合が生じる。これらの部分は、運転中に加熱され、これにより膨張すると、周方向で互いに押し込まれる。これにより、形状結合が改善されるとともに、力結合が生じる。

部分セグメント２０が半径方向でそれぞれ異なる膨張係数を有するそれぞれ異なる材料から構成されている場合、このことは、間隙サイズ２８を設計する際、所望の力結合が運転中に隣接する部分セグメントに沿って達成されるように、適当に考慮されねばならない。つまり、総括すると、部分セグメントのこの膨張特性は、半径方向で、分化された構造にしたがって大きく影響されると云え、このことは、部分セグメントの半径方向で当然に支配しているそれぞれ異なる温度と相関関係にある。このような組み付け時においても、運転中の圧縮応力が５００ＭＰａよりも大きくあるべきではないことは当てはまる。

図５、図５ａ及び図６は、冷却媒体の供給通路２４を出発点とする部分セグメントの可能な冷却構成を示している。部分セグメント２０は、周方向で、供給通路２４と作用結合していて、すべての部分セグメント２０を介して連なる内部の室２５を有している。この室２５から、複数の屈曲した流動通路２６が分岐しており、流動通路２６は、部分セグメントの統合型の冷却を保証する。冷却媒体は、その後、流動通路２６毎に設けられた延長部２７を介して外部に導出される。図５ａは、室２５ａがそれぞれ１つの部分セグメント２０毎に配置されており、その結果、相当数の供給通路２４が設けられねばならないことを示している。

図５及び図６には詳細は示していないが、相並んで位置決めされる個々の部分セグメント２０の側方の、半径方向で延びる境界面の領域に、溝が設けられてもよい。これらの溝は、一方では、確かに、隣接する２つのエレメント間の有効突き当て面を減少させるが、他方では、エレメント相互間の所定の十分な形状結合を介した突き当て面とすることに寄与する。半径方向で延びていて、図面に詳細は示さないこれらの溝は、冷却路としても使用可能である。冷却路の冷却作用は、少なくとも互いに隣接する部分セグメントの領域において働く。この選択肢も、ターボ機械の所定の運転状態における部分セグメント相互の膨張特性に対して適当に影響を及ぼすために用いられてもよい。

すべての態様において、個々の部分セグメントは、隣接するエレメントの突き当て面が特にターボ機械の運転中にガスに対して密な結合を形成し、その上、５００ＭＰａ以下の圧縮応力が生じるように、組み合わされて、１つの環を形成可能であることが望ましい。

Claims (21)

1. ターボ機械のステータ構成部材であって、主として、
   少なくとも１つの軸方向の外環及び内環を備え、
   前記外環は、複数の部分セグメントからなる内環のホルダとして機能し、前記部分セグメントは、組み付けられた状態ではロータ側において動翼の回転運動に対向して円形の内環を形成するように、相並んで配置されている、
   ターボ機械のステータ構成部材において、
   前記部分セグメントは、一様に構成される材料、少なくとも半径方向で漸次変化するように構成される材料、及び少なくとも半径方向でそれぞれ異なる材料から構成される複数の部分体のいずれか１つからなっており、
   前記部分セグメントは、前記ターボ機械の運転中に該ターボ機械の負荷領域に応じて加熱されて、半径方向内側から外側に向かって温度勾配が生じるようになっており、前記部分セグメント内の材料成層構造は、内側に位置する材料が、外側に位置する材料よりも小さな膨張係数を有し、その結果、前記内環の部分セグメント間における周方向での前記部分セグメントの膨張により生じる圧縮応力が、所定の応力プロフィールを示すように選択されており、
   この場合、前記部分セグメントは、下記Ｉ）〜ＩＩＩ）のいずれか１つから構成されており、
   Ｉ）前記部分セグメントは、周方向で互いに、鋭角状の間隙を形成しながら突き合わされており、該間隙内の間隔は、運転中の温度勾配に基づいて、隣接する前記部分セグメント間に、前記部分セグメントの半径方向の延び全体又は半径方向の一区分のみにわたって前記部分セグメント間の圧縮応力の所定のプロフィールに至る力結合を生じるように維持されており、
   ＩＩ）前記部分セグメントは、周方向で互いに、歯列を形成しながら係合し、該歯列は、運転中の温度勾配に基づいて、隣接する前記部分セグメント間に、前記部分セグメントの半径方向の延び全体又は半径方向の一区分のみにわたって前記部分セグメント間の圧縮応力の所定のプロフィールに至る力結合を生じるように、半径方向で間隔を置いており、
   ＩＩＩ）前記部分セグメント内の材料成層構造は、内側に位置する材料が、外側に位置する材料よりも小さな膨張係数を有し、その結果、周方向での前記部分セグメントの膨張が、互いに突き合わされた前記部分セグメント間の周方向で鋭角状の間隙と組み合わされてか若しくは間隔を置いた歯列でもって半径方向で互いに係合する部分セグメントと組み合わされて、前記部分セグメント間の圧縮応力の所定のプロフィールに至るように選択されている、
   ことを特徴とする、ターボ機械のステータ構成部材。
2. 圧縮応力の所定のプロフィールは、実質一定であるか、又は前記部分セグメントが互いに突き合わされる面積の少なくとも８０％にわたって応力の平均値からの偏差が２０％以下である、請求項１記載のステータ構成部材。
3. 前記部分セグメントは、全体的又は部分的にセラミック材料からなる、請求項１又は２記載のステータ構成部材。
4. 前記部分セグメントは、少なくとも７０質量％又は体積％のセラミックからなる、請求項３記載のステータ構成部材。
5. 前記セラミック材料は、主として酸化ジルコニウム及び／又は酸化アルミニウム及び／又は酸化マグネシウムから構成されている、請求項４記載のステータ構成部材。
6. 前記酸化物は、５０〜１００質量％又は体積％を有する、請求項５記載のステータ構成部材。
7. 前記部分セグメントは、前記内環の軸方向又は周方向で、それぞれ異なる材料から形成される複数の部分体からなる、請求項１記載のステータ構成部材。
8. 前記外環は、全体的又は部分的に金属材料からなる、請求項１記載のステータ構成部材。
9. 前記ステータ構成部材の前記外環は、単数又は複数の部材から形成されている、請求項１記載のステータ構成部材。
10. 前記部分セグメントは、少なくとも半径方向で角柱状又は略角柱状の形状であり、前記外環の内側の周方向表面に対向して、略平面状、凹面状、凸面状又は球面状に延びる表面を有する、請求項１記載のステータ構成部材。
11. つなぎ合わされて１つの結合体を形成する複数の前記部分セグメントは、周方向及び／又は半径方向で、形状結合、力結合又は素材結合を介したはめあいを形成する、請求項１から１０までのいずれか１項記載のステータ構成部材。
12. 前記内環を形成する前記部分セグメントの組み付けは、力結合により実現され、隣接する前記部分セグメント間の力結合は、０ＭＰａより大きく、５０ＭＰａより小さい圧縮応力を有する、請求項１１記載のステータ構成部材。
13. 個々の前記部分セグメント間の力結合は、運転中、５００ＭＰａまでの圧縮応力を有する、請求項１２記載のステータ構成部材。
14. 前記内環を形成する前記部分セグメントの組み付けは、形状結合により実現され、形状結合は、運転中、力結合へと変化する、請求項１１記載のステータ構成部材。
15. 前記内環を形成する前記部分セグメントの組み付けは、形状結合により実現され、形状結合は、軸方向又は略軸方向に配向されるラビリンス状のはめあいを有する、請求項１１記載のステータ構成部材。
16. 隣接する前記部分セグメント間の前記ラビリンス状のはめあいは、少なく半径方向に、減少する間隔を有する、請求項１５記載のステータ構成部材。
17. 半径方向で前記外環の外径と前記内環の内径との間に、少なくとも１つのシールエレメントが組み付けられている、請求項１から１６までのいずれか１項記載のステータ構成部材。
18. 前記シールエレメントは、前記ステータ構成部材の側面に周方向で延在する、請求項１７記載のステータ構成部材。
19. 前記部分セグメントは、ロータ側にアブレーダブル層を有する、請求項１から１８までのいずれか１項記載のステータ構成部材。
20. 前記部分セグメントは、冷却媒体が貫流する内部の貫流通路を有する、請求項１から１９までのいずれか１項記載のステータ構成部材。
21. 前記外環は、動翼列と作用結合するように軸方向で寸法設定されている、請求項１から２０までのいずれか１項記載のステータ構成部材。

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