JPH02181035A - 耐熱セラミック複合構造体 - 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］ この発明は、例えばガスタービンにおいＪ、燃焼器から
の燃焼ガスを旋回させてタービンに導くスクロールや燃
焼器の内筒、タービンノズルなどのように、内壁か高温
な燃焼ガスにさらされる条件下て使用されるセラミック
複合構造体に関するものである。

［従来の技術］ 一般に、ガスタービンのスクロールや燃焼器の内筒、タ
ービンノズルなど、その内壁が高温燃焼ガスにさらされ
る構造体では、耐熱性の向上を図るためにセラミック製
としたものが知られている（たとえば、ＴＨＥ　ＡＭＥ
ＲＩＣＡＮ　ＳＯＣ：ＩＥＴＹ　ＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣ
ＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲ３ＰＡＰＥＲＮｏ、８Ｅｉ−Ｇ
Ｔ−９３，１９８８年８月学会発表） ［発明が解決しようとする課題］ ところで、スクロールなどガスタービンのセラミック製
構造体は比較的大形で、かつ複雑な形状をもつ。このよ
うな大形のセラミック製構造体は、それを一体形に製造
することがきわめてむずかしい。また、一体形に成形で
きても、タービンの運転開始や運転停止時に発生する熱
衝撃にともなう応力が局部的に集中し破損し易い。その
ため、上記のようなセラミック製構造体を複数に分割し
、それら複数の分割体を寄せ集めて所定の大きさ、形状
のセラミック製構造体とすることが考えられ、これによ
り、製造を容易にできるとともに、急激な温度変化や内
外の温度差があっても熱応力の発生を小さく抑えること
ができる。

しかしながら、セラミック製構造体を複数に分割する場
合は、それら複数の分割体を寄せ集めて所定の形状に組
立てた状態で、各分割体を安定よく支持させることがむ
ずかしく、それらの支持に工夫を要することになる。

この発明は上記実情に鑑みてなされたもので、複数に分
割して製造を容易にするとともに、熱応力の発生を抑え
つつ、各分割体の連結が容易で、しかも耐破壊性を向上
することができる耐熱セラミック複合構造体を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 」二記目的を達成するために、この発明に係る耐熱セラ
ミック複合構造体は、複数の分割体を寄せ集めたセラミ
ック酸の構造体の外周に、耐熱性合成繊維からなるフィ
ラメントの巻回体または織物が被装されている。

［作用］ この発明によれば、セラミック製構造体が複数の分割体
の寄せ集めからなるので、大形で、かつ複雑な形状のも
のであっても、製造がきわめて容易になるとともに、急
激な温度変化や内外の温度差による熱応力か小さくなる
。しかも、各分割体を寄せ集めて組立てたセラミック製
構造体の外周には耐熱性合成繊維からなるフィラメント
の巻回体または織物を被装しているので、各分割体どう
しを所定の形状に連結し複合化することが容易である。

また、組立てたセラミック製構造体の外周に耐熱性合成
繊維からなるフィラメントの巻回体または織物か存在す
るのて、大きな熱応力に対する耐破壊性か向上して、厳
しい温度条件下て使用される構造体の破壊に対する信頼
性を高め得る。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はガスタービンの概略断面図を示す。第１図にお
いて、■は遠心圧縮機、２は半径流型のデイフユーザ、
３は燃焼器、４は外ハウシンク、５は内ハウシンク、６
はスクロール、１５はタービンノズル、７はタービン、
１０は」−記内外ハウシング５．４間に形成された空気
通路、１１は内ハウシンク５とスクロール６との間に形
成された空気通路てあり、デイフユーザ２からの圧縮空
気Ｃか上記通路１０を経て熱交換器（図示せず）に供給
され、そこで熱交換された予熱空気Ｈが通路１１を経て
燃焼器３に導かれ。この燃焼器３からの燃焼ガスＧは、
上記スクロール６内で旋回しなからタービンノズル１５
を経てタービン７に導かれる。

上記スクロール６は８８などのセラミック酸て、第２図
のように、このスクロール６の径方向外方部を形成する
外筒８と、この外筒８に連結されて径方向内方部を形成
する内筒９とに分割されている。

上記外筒８は、さらに第３図のように、周方向にたとえ
ば４つに分割されており、第１の分割体８１および同一
形状の３つの第２の分割体８２から構成されている。そ
のうち、第１の分割体８１は、燃焼器３の内筒３Ａに連
通する燃焼ガス導入管部８４ａが一体形成されている。

上記第１および第２の分割体８１．８２の周方向の分割
端部には、それぞれ重ね代８１ｃ、８２ｃか一体形成さ
れており、これら重ね代８１ｃ、８２ｃか各分割体８２
．８１の内周面に当接することにより、−１−記外筒８
の形くずれが防止され、環状に保形されている。

一方、第１図および第２図の内筒９は、軸方向に２分割
されており、第１の内筒９１と、第２の内筒９２から構
成されている。そのうち、第１の内筒９１は、小環状部
９１ａとディフレクタ部９１ｂとをステー９１ｃを介し
て一体に連結して形成されており、燃焼ガスＧをセラミ
ック酸のノズル部１２に導入する通路１３を形成してい
る。

第２の内筒９２はテーバ円筒状に形成されており、上記
第１の内筒９１の小環状部９１ａおよび外筒８に当接し
ている。この第２の円筒９２と」二記外筒８とは、イン
ロー継手部９２ａで当接して燃焼ガスＧの漏洩か防止さ
れている。また、上記第１の内筒９１のディフレクタ部
９１ｂと外筒８とは、インロー継手部９２ｄて当接して
燃焼ガスＧの漏洩か防止されている。

以」二のように、周方向に４つに分割された外筒８と、
軸方向に２つに分割された内筒９との合計６つの分割体
を寄せ集めて組立てたセラミック製スクロール６の外側
に、耐熱性合成長繊維からなる織物１４を、たとえばズ
ボンをはかせる形てかふせて、第２図、第３図のように
、スクロール６の全外周を被覆して一体形に保形し複合
化する。

」二記織物１４は、炭素繊維やニカロン（商品名）、チ
ラノ（商品名）等のＳｉＣ＃ｌ！Ｍ、アルミナ（Ａ文２
０３）繊維などの耐熱性に優れた合成長繊維からなり、
伸縮性を有しており、その厚みは０．３〜３ｍｍ程度で
ある。

上記構成のセラミック製スクロールにおいては、スクロ
ール外筒８か第３図のように周方向に４分割されている
とともに、スクロール内筒９が軸方向に２分割されてい
るから、複雑な形状にもかかわらず、製造か容易てあり
、かつ各分割体８１．８２，９１．９２か互いに拘束し
ないため、急激な温度変化や温度分布の偏りかあっても
熱応答力の発生を小さく抑えられる。しかも、各分割体
８１，８２，９１．９２を寄せ集めて組立てられたスク
ロール６の外周りには、耐熱性合成ｍ維からなり、靭性
の優れた織物１４か被装されているから、上記分割体８
１，８２，９１．９２を所定の組立て形状に安定よく支
持させて、厳しい熱応力に対しても破壊が発生しにくい
。また、万一、タービンの運転中に分割体内に割れなど
が生しても、壊滅的な破壊につながらない。

ところで、上記のように、複数の分割体８１゜８２．９
１．９２を寄せ集めて組立てたスクロール６においては
、各分割体８１，８２，９１゜９２の相互間の合せ面か
らガス漏れか発生ずるおそれがある。これに対処するた
めに、上記織物１４の構成材料であるＳｉＣ＠維や炭素
繊維、アルミナ繊維の束やプリフォームの空間に、Ｓｉ
Ｃなとのマトリックス成分を混入して繊維強化セラミッ
ク（ＦＲＣ）に複合化し、上記合せ面のシール性を向上
させている。以下、その複合化のための具体的な方法を
例示する。

（１）キャンレスＨＩＰ（熱間性静水圧加圧）法この方
法は、マトリックス材料であるｌＯＯ％有機プリカーサ
（ポリカルボシラン）の微粒子をエチルメチルケトンや
ベンセン等の溶剤に分散する、または、サフミクロンの
ＳｉＣ粉末および有機プリカーサを溶剤に分散した耐熱
性、含浸性のよいスラリ、あるいは、加熱溶融した有機
プリカーサをセラミック製スクロール６に被装した耐熱
性合成繊維からなる織物１４に含浸させた上、これを蓋
のない加圧容器に入れて７００℃〜１，００００Ｃに加
熱された静水圧を数１０ｋｇ／ｃｍＺ〜数１，０００ｋ
ｇ／ｃ［１１２加圧することにより、ＳｉＣ化し、その
後）１，１００°Ｃ〜ｌ、７００６Ｃｆ７）高ｍ、！処
理ニヨリ、　ｍ維とマ）〜リックスを焼結させて、靭性
および強度に優れ、かつシール性のよい複合体を得るも
のである。

（２）ＣＶＩ（化学気相浸透）法 この方法は、織物１４を構成する耐熱性繊維の成形体（
プリフォーム）を炉内に置き、カルボシランなとマトリ
ックスの反応ガスに圧力をかけて、プリフォーム中に反
応ガスを流すことにより、そのガスをプリフォーム中て
反応させて高温側から徐々にプリフォームの空間にマト
リックス成分を化学的に沈積させ充填し、強度およびシ
ール性に優れた複合体を得るものである。

なお、上記（１）と（２）とては、複合化のための処理
時間において、（１）のキャンレスＨＩＰ法の方が短時
間ですむ。

第４図はこの発明の別の実施例を示す。この実施例ては
、第１図のガスタービンにおける燃焼器３の内筒３Ａに
適用したものて、ＳｉＣなどのセラミック製の燃焼器内
筒３Ａか、その筒軸方向に４つに分割されており、第１
〜第３の分割筒体３１〜３３の分割端部には、それぞれ
内外に嵌り合う重ね代３１ａ〜３３ａか一体に形成され
ている。これら第１〜第４の分割筒体３１〜３４を所定
形状に組立てたセラミック製の燃焼器内筒３Ａの外周に
、上記の耐熱性合成長繊維からなるフィラメントの巻回
体１４を被装させて、一体形に保形し複合化したもので
ある。シール製を向上させる必要かあるときは、前述の
方法により、ＳｉＣなとのマトリックス成分を上記巻回
体に含浸させてＦＲＣ化する。

第５図および第６図はこの発明のもう１つの実施例を示
す。この実施例は第１図のガスタービンにおけるタービ
ンノズル１５に適用したものである。このタービンノズ
ル１５は、第６図のように、同心に配置された内外二重
の円筒体１５Ａ。

１５Ｂを周方向に適当間隔を隔てて配置された多数の翼
板１５Ｃて相互に連結して、隣接する翼板１５Ｃ，１５
Ｃ間に燃焼ガス通路１５Ｄを形成してなる。このような
タービンノズル１５はセラミック酸て、周方向にたとえ
ば１２個に分割されており、各分割体３５は、上記内外
二重の円筒体１５Ａ、１５Ｂの１／１２円弧部と翼板１
５Ｃとを一体形成したものて、全て同一形成に構成され
ている。これら同一形状の１２個の分割体３５の分割端
部には、それぞれ互いに周方向に嵌合するに合突片３５
ａおよび嵌合用凹部３５ｂか形成されており、この嵌合
突片３５ａと凹部３５ｂとを嵌合させた状態で各分割体
３５を順次組＋−＋けることにより、所定形状のセラミ
ック製タービンノズル１５を組立てる。この組立てられ
たタービンノズル１５の外側円筒体１５Ｂの外周に、上
記の耐熱性合成繊維からなるフィラメントの巻回体１４
を被装させて、一体形に保形し複合化したものである。

シール性を向上させる必要があるときは、やはり前述の
キャンレスＨＩＰ法やＣＶＩ法により、ＳｉＣなどのマ
トリックス成分を上記巻回体１４に含浸させてＦＲＣ化
する。

上記第４図で示す構成のセラミック酸の燃焼器内筒３Ａ
の場合も、第５図および第６図で示す構成のセラミック
酸のタービンノズル１５の場合も、既述のスクロール６
の場合と同様に、熱応力の発生が抑えられるとともに、
各分割体を所定の形状に安定よく支持させて、厳しい熱
応力に対しても破壊が生じない。

なお、燃焼器内筒３Ａおよびタービノズル１５は、スク
ロール６にくらべて、形状が単純であるから、上記のよ
うに、フィラメントの巻回体１４を被装させたか、スク
ロール６と同様に、耐熱性合成繊維からなる織物を被装
させる型式としても良い。

また、上記各実施例は、ガスタービンにおけるセラミッ
ク酸の構成部品に適用した説明したが、それ以外ても高
温下で使用され、急激な温度変化や温度分布に偏りを生
しる条件下で使用されるセラミック酸の構造体であれば
、どんなものに適用しても同様の効果を奏する。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、セラミック製
構造体を複数に分割したもので、例えばガスタービンの
スクロールなどのように、比較的大形て、かつ複雑な形
状の構造体であっても、製造か容易になるとともに、急
激な温度変化等による熱応力の発生を抑えることができ
る。

しかも、分割体を寄せ集めて組立てられた構造体の外周
に耐熱性合成繊維からなるフィラメントの巻回体または
織物を被装したので、各分割体は破壊靭性の優れたフィ
ラメントの巻回体または織物で、しっかりと支持されて
いるのて、大きな熱応力に対する耐破壊性が著しく向上
する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すガスタービンの概略
断面図、第２図はスクロールの縦断側面図、第３図はス
クロールの縦断正面図、第４図はこの発明の別の実施例
を示す燃焼器内筒の縦断面図、第５図はこの発明のもう
１つの実施例を示すタービンノズルの縦断側面図、第６
図は第５図のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 ３Ａ・・・燃焼器内筒（構造体）、６・・・スクロール
（構造体）、１４・・・織物またはフィラメントの巻回
体、１５・・・タービンノズル（構造体）、３１〜３５
．８１，８２，９１．９２・・・分割体。 ｑ〕 Ｃつ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の分割体を寄せ集めたセラミック製の構造体
   を備え、この構造体の外周に、耐熱性合成繊維からなる
   フィラメントの巻回体または耐熱性合成繊維からなる織
   物が被装されてなる耐熱セラミック複合構造体。