JPH01244118A - セラミックスガスタービンにおける排気ディフューザの取付構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高温高圧のガスに曝される部分をセラミック
スにより構成したセラミックスガスタービンにおける排
気ディフューザの取付構造に関するものである。

（従来の技術） 従来のガスタービンは、金属製の部品を組立てることに
より構成されていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら上記従来の構成では、無冷却で１０００℃
以上のガス温度での運転は不可能であり、効率が充分で
はなかった。また空気冷却構造を取れば１０００℃以上
の運転も可能であるが、この場合、空気冷却のためのパ
ワーロスが生じる。

そこで、高温高圧のガスに曝される部分を耐熱性に優れ
たセラミックスにより構成することが考えられるが、耐
熱性に優れたセラミックスは硬くて割れやすいため、熱
膨張時に拘束力が作用した場合、容易に損傷してしまう
。本発明はこのようなセラミックス部品のうちの排気デ
ィフューザを熱膨張による損傷を生じさせることなく金
属製のケーシングに取付けることのできる取付構造を提
供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するため、本発明のセラミックスガスタ
ービンにおける排気ディフューザの取付構造は、圧縮機
により圧縮された圧縮空気と燃料との混合気を燃焼させ
る燃焼圏と、この燃焼器から高温高圧のガスを供給され
て前記圧縮機を駆動するガス発生器タービン部と、この
ガス発生器タービン部に連通してパワータービンロータ
を口軽駆動するパワータービン部とを各々セラミックス
により構成したセラミックスガスタービンにおいて、前
記パワータービン部の排気ディフューザをセラミックス
により別個に成型し、この排気ディフューザを外側筒体
と内側筒体とを備えた二重筒構造にすると共に、内側筒
体の内周に半径方向に対して傾斜した環状の突出部を一
体に突設し、この突出部をケーシング側の環状でかつ半
径方向に沿う断面がほぼ三角形状の凹部に遊嵌させると
共に、突出部とケーシング側との間に突出部の傾斜面を
凹部側壁の傾斜面に押圧する環状の板ばねを介装したも
のである。

（作用） 排気ディフューザはケーシング側にボルト・ナツト等で
強固に固定されているのではなく、板ばねの付勢力によ
り結合されているので、排気ディフューザが熱膨張した
場合、排気ディフューザが半径方向に若干変形して突出
部の傾斜面と凹部側壁の傾斜面とが相対的にすべり、排
気ディフューザが軸芯方向に変位する。この変位により
セラミックス製の排気ディフューザと金属製のケーシン
グ側との熱膨張の差が吸収される。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図〜第８図に基づいて説
明する。

第１図は本発明の一実施例におけるセラミックスガスタ
ービンの一部切欠平面図、第２図は同要部縦断正面図で
、１はメインケーシングであり、このメインケーシング
１には燃焼器ケーシング２（第２図）が複数のボルト３
により取付けられている。メインケーシング１の内部に
は、圧縮機５とガス発生器タービン部６とパワータービ
ン部７と熱交換器８とが設置され、燃焼器ケーシング２
の内部には燃焼器９が設置されており、圧縮機５により
圧縮された空気が熱交換器８を通過する間に加熱されて
燃焼器９に流入し、燃焼器９で燃料と混合されて燃焼し
、これにより発生した高温高圧のガスはガス発生器ター
ビン部６に供給されて圧縮機５を駆動し、さらにガス発
生器タービン部６からパワータービン部７に供給されて
出力を発生させる。

前記ガス発生器タービン部６は、外周に複数のロータ羽
根１１が円周方向適当間隔おきに一体に突設されたロー
タ１２と、ロータ羽根１１の一端側に近接対向するほぼ
環状のバックプレート１３と、ロータ羽根１１の他端側
に近接対向するほぼ環状のタービンシュラウド１４と、
バックプレート１３とタービンシュラウド１４との間に
挾まれてロータ羽根１１の外周に近接対向する環状のタ
ービンノズル１５と、内周部をバックプレート１３とタ
ービンシュラウド１４との間に挾まれてタービンノズル
１５の外周に当接するほぼ環状のタービン入口ダクト１
６と、半径方向に沿う断面がほぼＬ字状のタービンシュ
ラウド１４の内周部の突出端に一端が当接する筒状の第
１のアウター中間ダクト１７と、この一端から他端にか
けて次第に大径になる第１のアウター中間ダクト１７の
内周に半径方向に所定間隔をあけて中央部よりも一端側
が遊嵌するコーン状のインナー中間ダクト１８とにより
構成されており、これらは窒化硅素系あるいは炭化硅素
系等の耐熱性に優れたセラミックスにより成型されてい
る。前記タービンノズル１５は、多数の分割片が円周方
向に隣接配置された構造であって、各分割片には各々１
個のブレード１５ａが一体に形成されている。前記パッ
クブレート１３とタービンノズル１５との間にはセラミ
ックス製のウェーブスプリング１つが介装されており、
このウェーブスプリング１９は環状で、円周方向１つ割
りに成型されている。前記タービンシュラウド１４の内
周部の突出端と第１のアウター中間ダクト１７の一端と
の当接部は、軸芯方向と半径方向との双方に対向してお
り、半径方向の対向面間にはセラミックス製のシールリ
ング２０が介装されている。前記バックプレート１３と
タービン入口ダクト１６との当接面２１は、水平方向に
対して３９″以上の傾斜面になされている。

前記第１のアウター中間ダクト１７とインナー中間ダク
ト１８とはそれらに円周方向適当間隔おきに半径方向に
沿って形成された複数の孔に各々遊嵌するセラミックス
製のピン２２により連結されており、このビン２２は、
第３図〜第５図に詳細に示すように、頭部に切欠部２３
が形成されていると共に、ガス流の抵抗を小さくするた
めに第１のアウター中間ダクト１７とインナー中間ダク
ト１８との間隙に位置する部分が翼２４を構成している
。そして切欠部２３は底面が円筒面の一部を構成する形
状であり、ＴＡ２４は両端部が断面半゛円形でかつ一端
側から他端側にかけて次第に細くなっている。

前記パワータービン部７は、一端が前記第１のアウター
中間ダクト１７の他端に当接しかつ前記インナー中間ダ
クト１８の中央部よりも他端側の外周に半径方向に所定
間隔をあけて遊嵌する円筒状の第２のアウター中間ダク
ト２６と、外側筒体２７ａと内側筒体２７ｂとからなる
二重筒状でかつ外側筒体２７ａの一端が第２のアウター
中間ダクト２６の他端に当接する排気ディフューザ−２
７と、第２のアウター中間ダクト２６の他端部とインナ
ー中間ダクト１８の他端部との間に円周方向適当間隔お
きに配置された多数のパワータービンノズル２８と、外
側筒体２７ａの一端部内周側に周方向適当間隔おきに多
数配置されたパワータービンブレード２９とにより構成
されており、これらは窒化硅素系あるいは炭化硅素系等
の耐熱性に優れたセラミックスにより構成されている。

前記多数のパワータービンノズル２８は、一体に形成さ
れた円柱状突出部２８ａが前記第２のアウター中間ダク
ト２６の他端部により構成されるパワータービンシュラ
ウド２６ａの孔を貫通して外周側へ突出しており、この
突出部分を金属製の連結具３０により互いに連結されて
いる。したがってパワータービンノズル２８を円柱状突
出部２８ａの軸芯周りに任意の角度回動させることによ
り、ガス流に対するパワータービンノズル２８の角度を
自在に調整できる。前記第２のアウター中間ダクト２６
の他端外周部からは、フランジ部２６ｂが一体に軸芯方
向に突出しており、このフランジ部２６ｂの内周と前記
排気ディフューザ−２７の外側筒体２７ａの外周との間
にはセラミックス製のシールリング３１が介装されてい
る。

前記燃焼器９は、第２図のように、一端側が他端側より
も大径のほぼ筒状でかつ一端が前記タービン入口ダクト
１６のフランジ部１６ａの開口端に当接するトランジシ
ョンダクト３３と、このトランジションダクト３３の他
端に一端が当接する筒状の燃焼器ライナー３４と、この
燃焼器ライナー３４の他端に一端が当接するほぼ環状の
第１のライナーサポート３５とにより構成されており、
これらは窒化硅素系あるいは炭化硅素系等の耐熱性に優
れたセラミックスにより構成されている。

前記第１のライナーサポート３５の他端にはセラミック
ス製でかつほぼ筒状の第２のライナーサポート３６の一
端が当接しており、前記燃焼器ライナー３４には孔３７
が形成されていると共に前記燃焼器ケーシング２に固定
された点火プラグ３８の先端部が嵌入している。前記ト
ランジシランダクト３３の他端と燃焼器ライナー３４の
一端との当接面、および燃焼器ライナー３４の他端と第
１のライナーサポート３５の一端との当接面は、球面の
一部を構成する形状になされている。

前記ロータ１２の一端部は、両端部を軸受４０゜４１に
より回動自在に支持された金属製で中空状の回転軸４２
の他端部に嵌合Ｉｉ！ｉ１着されており、この回転軸４
２の外周には前記圧縮機５の多数のブレード５ａが円周
方向適当間隔おきに固着されている。前記バックプレー
ト１３の外周には、半径方向外側に突出する複数の突起
１３ａが円周方向適当間隔おきに一体に突設されており
、これら突起１３ａは、前記メインケーシング１に取付
けられた金属製の環状板４３に当接している。そしてこ
れら突起１３ａと環状板４３との双方の孔に遊嵌するピ
ン４４が設けられており、各ピン４４の先端部に植設さ
れたコツタ４５と環状板４３との間にはコイルばね４６
が介装されている。

前記第１のアウター中間ダクト１７は、第６図および第
７図のように、他端部外周面に複数の突起１７ａが円周
方向適当間隔おきに一体に突設されており、各突起１７
ａには軸芯方向に沿う孔４８が形成されている。前記第
２のアウター中間ダクト２６の一端部も同様の構成であ
って、第１のアウター中間ダクト１７の他端部および第
２のアウター中間ダクト２６の一端部の外周は金属製で
環状のセパレータ４９の内周に当接しており、このセパ
レータ４９の内周部と第１のアウター中間ダクト１７の
他端部および第２のアウター中間ダクト２６の一端部の
外周部とはセラミックス製の環状の中間ダクト取付はリ
ング５０と金属製の環状板５１とにより挾まれている。

そして中間ダクト取付はリング５０の孔と第１のアウタ
ー中間ダクト１７の孔４８と第２のアウター中間ダクト
２６の孔と環状板５１の孔とに遊嵌する複数のピン５２
が円周方向適当間隔おきに設けられており、これら各ピ
ン５２の先端部に植設されたコック５３と環状板４３と
の間にはコイルばね５４が介装されている。前記中間ダ
クト取付はリング５０の内周部は軸芯方向一端側へ突出
して前記ピン２２の切欠部２３に係合しており、これに
よりピン２２の回動が阻止されている。

前記多数のパワータービンブレード２９の内周縁部は、
パワータービンロータ５６の外周に円周方向適当間隔お
きに軸芯方向に沿って形成された多数の溝に各々嵌合し
ており、パワータービンロータ５６の外周部とパワータ
ービンブレード２９の内周部とは１対の金属板５７によ
り挾まれ、これら１対の金属板５７はパワータービンロ
ータ５６を軸芯方向に貫通するリベット５８により互い
に連結されている。パワータービンロータ５６は、両端
部を軸受５９，６０により回動自在に支持されたパワー
タービンシャフト６１の一端に固着されており、このパ
ワータービンシャフト６１は図外の減速機を介して出力
軸６２に連結されている。

前記排気ディフューザ−２７の内側筒体２７ｂの内周に
は、環状の突出部２７ｃが半径方向に対して傾斜した状
態で一体に突設され、この突出部２７Ｃは、前記メイン
ケーシング１のベアリング受け１８部分とベアリング押
え６３との外周に形成された環状で半径方向の断面が三
角形の凹部に嵌入しており、突出部２７ｃとベアリング
押え６３との間には金属製で環状の板ばね６４が介装さ
れている。

前記燃焼器９のトランジションダクト３３には、一端部
外周の所定箇所にフランジ部３３ａが一体に突設されて
おり、このフランジ部３３ａは、前記メインケーシング
１に取付けられた金属板６６上に載置されている。これ
らフランジ部３３ａおよび金属板６６の孔にはボルト６
７が遊嵌しており、ボルト６７の頭部とフランジ部３３
ａとの間にはコイルばね６８が介装されている。前記第
２のライナーサポート３６の他端と前記燃焼器ケーシン
グ２に取付けられたばね押え６９との間にはコイルばね
７０が介装されており、このコイルばね７０により第２
のライナーサポート３６は軸芯方向一端側に付勢されて
いる。そして前記フランジ部３３ａのボルト６７貫通部
分の位置は、第２のライナーサポート３６の軸芯の延長
線上にある。

第２のライナーサポート３６の内周には燃料噴射ノズル
７１が嵌合しており、この燃料噴射ノズル７１は燃料供
給ロア２から供給された灯油あるいは軽油等の燃料を燃
焼器ケーシング２内に噴射する。

前記セパレータ４９の半径方向外側には前記メインケー
シング１から一体に突設された環状フランジ７４が配置
されており、これらセパレータ４９の外周部と環状フラ
ンジ７４の内周部とは共に断面略し字状で、軸芯方向と
半径方向との双方に対向している。そして軸芯方向の対
向面間にはコイルばね７５が介装されている。

前記排気ディフューザ２７の突出部２７ｃは、第８図に
詳細に示すように、軸芯方向他端側の傾斜面２７ｄが、
前記ベアリング押え６３の他端外周部と前記ベアリング
受け１ａの一端外周部との間に形成された凹部の傾斜面
１ｂに当接しており、耐熱合金製の前記板ばね６４によ
り傾斜面２７ｄが傾斜面１ｂに押圧されている。なお前
記排気ディフューザ２７は全体が一体に成型されており
、前記外側筒体２７ａと内側筒体２７ｂとは、外側筒体
２７ａの他端部内周と内側筒体２７ｂの他端部外層との
間に円周方向適当間隔おきに配置された複数の連結部２
７ｅにより一体に連結されている。

次に作用を説明する。圧縮機５により圧縮された空気は
、通路７８を通って熱交換器８に送り込まれ、熱交換器
８を通過する間に加熱されて空間７９に至る。そして燃
焼器ライナー３４の孔３７から燃焼器９の内部に流入す
る。一方、燃料供給ロア２から供給された燃料は、燃料
噴射ノズル７１から燃焼器９の内部に噴射され、圧縮空
気と混　　　　　−合されて混合気が形成される。そし
て点火プラグ３８から火花が発生すると、混合気が燃焼
して高温高圧のガスが発生する。この高温高圧のガスは
タービン入口ダクト１６を通ってタービンノズル１５か
ら噴射され、ロータ羽根１１に円周方向の分力を与える
。これによりロータ１２が回動し、ロータ１２と一体に
回転軸４２が回転して、圧縮機５の運転が継続される。

ロータ１２を回転駆動した高温高圧のガスは、第１のア
ウター中間ダクト１７とインナー中間ダクト１８との間
の環状空間および第２のアウター中間ダクト２６とイン
ナー中間ダクト１８との間の環状空間を通ってパワータ
ービンノズル２８から噴射され、パワータービンブレー
ド２９に円周方向の分力を与える。これによりパワータ
ービンロータ５６が回転し、パワータービンロータ５６
と一体にパワータービンシャフト６１が回転して、図外
の減速機を介して出力軸６２が駆動される。パワーター
ビンロータ５６を駆動したガスは、排気ディフューザ−
２７の終端開口から空間８０と熱交換器８とを通って排
気口８１から放出される。

ここで、高温高圧のガスにより排気ディフューザ２７等
が熱膨張した場合、排気ディフューザ２７が半径方向に
若干変形して突出部２７ｃの傾斜面２７ｄと凹部側壁の
傾斜面１ｂとが相対的にすべり、排気ディフューザ２７
が軸芯方向に変位する。この変位によりセラミックス製
の排気ディフューザ２７と金属製のベアリング受け１ｂ
およびベアリング押え６３との熱膨張の差が吸収される
。

なお本実施例では、ガス発生器タービン部６とパワータ
ービン部７との接続部は、第１のアウター中間ダクト１
７の他端部と第２のアウター中間ダクト２６の一端部と
をボルト等で結合しているのではなく、熱膨張吸収手段
としてのコイルばね５４の付勢力により両者を結合して
いるだけであるので、熱膨張により両者の間に無理な力
が働くことはない。またガス発生器タービン部６と燃焼
器９との接続部は、タービン入口ダクト１６のフランジ
部１６ａの開口端とトランジションダクト３３の一端と
をボルト等で結合しているのではなく、熱膨張吸収手段
として両者を単に当接させているだけであるので、熱膨
張により両者の間に無理な力が働くことはない。さらに
、ガス発生器タービン部６のメインケーシング１への支
持部は、バックプレート１３をコイルばね４６の付勢力
により環状板４３に結合し、第１のアウター中間ダクト
１７の他端部を第２のアウター中間ダクト２６の一端部
と共にコイルばね５４の付勢力によりセパレータ４９に
結合し、かつセパレータ４９と環状フランジ７４との間
にコイルばね７５を介装しているので、ガス発生器ター
ビン部６とメインケーシング１との熱膨張の差はコイル
ばね４６とコイルばね５４とコイルばね７５との伸縮に
より良好に吸収される。またパワータービン部７のメイ
ンケーシング１への支持部は、第２のアウター中間ダク
ト２６の一端部を第１のアウター中間ダクト１７の他端
部と共にコイルばね５４の付勢力によりセパレータ４９
に結合し、かつセバレータ４９と環状フランジ７４との
間にコイルばね７５を介装しているので、パワータービ
ン部７とメインケーシング１との熱膨張の差はコイルば
ね５４とコイルばね７５との伸縮により良好に吸収され
る。また燃焼器９のメインケーシング１への支持部は、
トランジションダクト３３のフランジ部３３ａを金属板
６６にコイルばね６８の付勢力により結合し、燃焼器９
全体をコイルばね７０の付勢力によりフランジ部３３ａ
と金属板６６との結合部分に向けて押付けているので、
燃焼器９と燃焼器ケーシング２との熱膨張の差はコイル
ばね６８とコイルばね７０との伸縮により良好に吸収さ
れる。またセラミックス製品であるガス発生器タービン
部６とパワータービン部７と燃焼器９とをさらに細分化
して複数の部品により構成したので、製作が非常に容易
になり、しかも熱膨張による損傷も減少する。またバッ
クプレート１３とタービン入口ダクト１６との当接面２
１を水平面に対して３９＠以上の傾斜面にしたので、熱
膨張時にタービン入口ダクト１６が半径方向外側に若干
変形してバックプレート１３とタービン人口ダクト１６
とが当接面２１で相対的にすべり、バックプレート１３
とタービン入口ダクト１６との間に無理な力が作用する
のを防止できる。またバックプレート１３とタービンノ
ズル１５との間にセラミックス製のウェーブスプリング
１９を介装したので、このウェーブスプリング１９の変
形によっても熱膨張による変形を吸収できる。またガス
発生器タービン部６とパワータービン部７とをコイルば
ね５４の付勢力とコイルはね７５の付勢力との２段階の
変位許容機構を介してメインケーシング１に支持したの
で、熱膨張による変形を大きく吸収できる。また二重筒
状の中間ダクトを内側と外側すなわち第１および第２の
アウター中間ダクト１７゜２６とインナー中間ダクト１
８とに分割したので、パワータービンノズル２８の挿入
を容易に行うことができる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、圧縮機により圧縮
された圧縮空気と燃料との混合気を燃焼させる燃焼器と
、この燃焼器から高温高圧のガスを供給されて前記圧縮
機を駆動するガス発生器タービン部と、このガス発生器
タービン部に連通してパワータービンロータを口軽駆動
するパワータービン部とを各々セラミックスにより構成
したセラミックスガスタービンにおいて、前記パワータ
ービン部の排気ディフューザをセラミックスにより別個
に成型し、この排気ディフューザを外側筒体と内側筒体
とを備えた二重筒構造にすると共に、内側筒体の内周に
半径方向に対して傾斜した環状の突出部を一体に突設し
、この突出部をケーシング側の環状でかつ半径方向に沿
う断面がほぼ三角形状の凹部に遊嵌させると共に、突出
部とケーシング側との間に突出部の傾斜面を凹部側壁の
傾斜面に押圧する環状の板ばねを介装したので、排気デ
ィフューザはケーシング側にポルト・ナツト等で強固に
固定されているのではなく、板ばねの付勢力により結合
されていることから、排気ディフューザが熱膨張した場
合、排気ディフューザが半径方向に若干変形して突出部
の傾斜面と凹部側壁の傾斜面とが相対的にすべり、排気
ディフューザが軸芯方向に変位する。そしてこの変位に
よりセラミックス製の排気ディフューザと金属製のケー
シング側との熱膨張の差が吸収される。したがって排気
ディフューザの熱膨張による損傷を良好に防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるセラミックスガスタ
ービンの一部切欠平面図、第２図は同要部縦断正面図、
第３図はピンの正面図、第４図は同要部側面図、第５図
は第３図におけるｖ−■矢視断面図、第６図は第１のア
ウター中間ダクトの正面図、第７図は同縦断側面図、第
８図は排気ディフューザの突出部付近の拡大断面図であ
る。 １・・・メインケーシング、１ａ・・・ベアリング受け
、１ｂ・・・傾斜面、５・・・圧縮機、６・・・ガス発
生器タービン部、７・・・パワータービン部、９・・・
燃焼器、２７・・・排気ディフューザ、２７ａ・・・外
側筒体、２７ｂ・・・内側筒体、２７ｃ・・・突出部、
２７ｄ・・・傾斜面、５６・・・パワータービンロータ
、６３・・・ベアリング押え、６４・・・板ばね

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、圧縮機により圧縮された圧縮空気と燃料との混合気
   を燃焼させる燃焼器と、この燃焼器から高温高圧のガス
   を供給されて前記圧縮機を駆動するガス発生器タービン
   部と、このガス発生器タービン部に連通してパワーター
   ビンロータを回転駆動するパワータービン部とを各々セ
   ラミックスにより構成したセラミックスガスタービンに
   おいて、前記パワータービン部の排気ディフューザをセ
   ラミックスにより別個に成型し、この排気ディフューザ
   を外側筒体と内側筒体とを備えた二重筒構造にすると共
   に、内側筒体の内周に半径方向に対して傾斜した環状の
   突出部を一体に突設し、この突出部をケーシング側の環
   状でかつ半径方向に沿う断面がほぼ三角形状の凹部に遊
   嵌させると共に、突出部とケーシング側との間に突出部
   の傾斜面を凹部側壁の傾斜面に押圧する環状の板ばねを
   介装したことを特徴とするセラミックスガスタービンに
   おける排気ディフューザの取付構造。