JPH02230903A - セラミツク動翼の嵌合構造 - 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、セラミック動翼を有する高温ガスタービンに
係り、特に高温で高強度を有するセラミック動翼と金属
ディスクもしくはシャンクとの嵌合構造に関する． 〔従来の技術〕 ガスタービンの性能はタービン入口温度を高くすること
により飛躍的に向上する．しかしながら現状では、ター
ビン動翼用耐熱合金には使用温度限界があるため、限界
を越えて使用するに際しては，動翼内に複雑な冷却空気
流路を形成し、圧縮機から冷却空気を送り込むことによ
り可能としている．しかしながら、冷却空気を大量に使
用することはガスタービンとして大きな効率低下となる
ため，タービン入口温度は、頭打ちの状況にある．この
耐熱合金に代る有力候補材料として、セラミクスが近年
盛んに検討されている．炭化珪素、窒化珪素等のセラミ
クスは１４００℃近い耐熱温度を有するため，セラミク
スを動翼材料として用いると無冷却化もしくは冷却空気
量の大幅な低減が図られ、性能向上が可能となる．しか
しながら、セラミクスは，金属材料に較べ脆くまた焼結
材料であるため寸法精度や表面仕上げの点で劣っている
． そのため、セラミクス製の動翼をディスクもしくはシャ
ンクに接合すると，運転時に遠心力が働いた場合に、動
翼根のタブテイルとのディスクもしくはシャンクの溝と
が局所的に接触し、大きな応力集中が生じるため、脆い
セラミック動翼が破壊することが多かった． この問題を解決するための従来の技術としては特開昭５
７−１４３１９６号公報に記載された例があげられる．
この例によれば、翼根部のダブテイルは、金属薄板を介
してディスク溝に嵌合されているため、遠心力が作用し
た場合、金属薄板の変形により局所的な接触を防げるの
で、大きな応力集中が生じることはない． 〔発明が解決しようとする課題〕 以上のように、上記従来技術によりセラミック動翼とデ
ィスク溝の局所的な接触は回避されたが、以下の問題点
が残されている． すなわち、セラミック動翼を用いることによりタービン
燃焼ガス温度はおよそ１３００℃以上まで上げられるが
，動翼と嵌合されるディスクもしくはシャンクは構造上
の問題から合金であることが望ましく、冷却により５０
０℃程度に押える必要がある．従って、動翼からディス
ク（シャンクフへの嵌合層にはおよそ６００℃の大きな
温度差が生じることになる．この嵌合層を従来技術のよ
うに熱伝導率の高い金属で楕成すると、セラミック動翼
翼根表面は容易に冷却され温度が下がる．この結果とし
てセラミック動翼翼根は内部に温度差が生じ、熱応力に
より破壊し易くなる．本発明はかかる問題を解決するた
めに，高温においてもセラミック動翼の破壊を防ぐこと
のできる動翼とディスク（もしくはシャンク）の嵌合構
造を提供することにある． 〔課題を解決するための手段〕 上記目的は，嵌合層を種々の機能をもつ層からなる多層
構造とすることにより達成される．すなわち本発明の嵌
合構造は、ダブテイル状の翼根部を有するセラミック動
翼を金属製のディスクもしくはシャンクに嵌合させてな
るガスタービン動翼において、嵌合層を多層構造とする
ことを特徴とする． 最適構造は、常温から高温までの範囲で変形吸収能を有
する層と嵌合する際には流動性を有し、後処理で固化す
る層を少なくとも含むものである。

この場合において、変形吸収能を有する層としてセラミ
ックシ一トもしくはセラミック織布を用い、固化する層
をディスクもしくはシャンクの耐熱温度以下で焼結する
ことが可能なセラミクスで構成することが好ましい． また、低温領域で嵌合層が複数個に分割されていること
が望ましい． 〔作用〕 従来の金属薄板による嵌合構造では、金属の変形により
セラミック動翼とディスクもしくはシャンクの溝の局所
的な接触による応力の集中は防ぐことができたが，高い
熱伝導性のためセラミック動翼の熱応力による破壊を防
ぐことはできなかった． 本発明によれば、嵌合層は多層構造であるため各層を変
形吸収能を有する層、熱伝導率の低い物質からなる層、
嵌合による締結を強固にする層等の種々の機能を有する
層とすることにより、上記の問題を解決することが可能
である． 〔実施例〕 以下，本発明の実施例を図を用いて説明する．第７図は
、セラミック動翼を金属薄板を介してディスクに嵌合さ
せてなる従来の構造を示す．セラミック動翼１はダブテ
イル状の翼根を有し、金属製のディスク２に金属薄板３
を介して嵌合されている。この従来の嵌合構造では、ガ
スタービンの運転により生じる遠心力は、嵌合層である
金属薄板３を介して、ディスク２に伝えられる．金属薄
板３がない場合には、金属材料のように塑性変形の期待
できないセラミック動翼１はディスク２と片当たり等に
より局所的に接触することが避けられないため，大きな
応力集中を受け圧壊する可能性が高い．嵌合層である金
属薄板３は、かかる状況において容易に変形して、セラ
ミック動翼１とディスク２の当たりを良好なものとして
セラミック動翼１の圧壊を防ぐことができる．しかし、
ガスタービン運転時には、セラミック動翼１の温度は約
１１００℃となり，またディスク２は，金属製であるた
め５００℃程度に冷却する必要がある．このため嵌合層
には約６００℃の温度差があり、熱伝導率の高い金属薄
板３で嵌合層を構成するとセラミック動翼１は容易に冷
却され，動翼内部に温度差が生じ熱応力により破壊する
問題があった． 第８図は、セラミック動Ｘ１をシャンク４に嵌合させて
なる構造で，嵌合の原理は第７図の例と同じである． 次に本発明の実施例を第１図を用いて説明する．本実施
例は、セラミック動翼とシャンクを嵌合する構造の場合
に，本発明を適用した例で，ディスクに嵌合する場合に
ついても構造は全く同様である．嵌合層は、変形吸収層
６と嵌合物質層７とからなる構造であり、セラミック動
翼１とシャンク４を強固に嵌合する．変形吸収層６はガ
スタービンの運転によりセラミック動翼に遠心力が働く
際に，セラミック動翼翼根部の寸法不整や、嵌合部での
片当たりによって生ずる局所的な接触を避け，セラミッ
ク動翼に局所的な応力集中が生じることを防ぐ作用をす
る．嵌合物質Ｍ７は、セラミック動翼１とシャンク４の
間隙を充填し強固な締結を可能とする作用をする． このような嵌合物貿層７を構成する物質としては、組立
時にはある程度流動性もしくは粘性をもち，容易にセラ
ミック動翼１をシャンク４に挿入することを可能とし、
組立後は後処理により十分に固化し、締結を強固にする
ものが好ましい．例えば、常温では液状もしくはペース
ト状であり、シャンクの耐熱温度以下で熱処理すること
により固化するセラミクスが考えられる。一般にはムラ
イト系もしくはアルミナ系のものを使用することにより
上記の製作は可能となる．また、このような嵌合物質は
、金属と比較して極めて熱伝導率が低いため遮熱性に優
れ、従来技術では問題となった嵌合層内の温度差を吸収
保持し，セラミック動翼１の熱応力による破壊を防ぐこ
とができる．また変形吸収層６としては、常温からガス
タービン運転温度まで劣化しない物質が好ましい．この
ような物質としては、炭化珪素，窒化珪素，アルミナ等
を主体としたセラミックファイバーが考えられる．例え
ば，このようなセラミックファイバーより構成する織布
もしくはペーパーは、高温で劣化することなく，また十
分な変形吸収能を有するため本発明の目的を達成する．
さらにセラミック織布は，上記の嵌合物質より一般に高
強度で且つ間隙に嵌合物質が入り込めるため、嵌合物質
層７の保持や補強材としての効果があり好適である． 第２図は，本発明の他の実施例の一つであり、嵌合層の
構造を示したものである．嵌合層は、セラミック動翼１
とシャンク４の間に構成され、遮熱層８，変形吸収層６
，嵌合物質層７および分離層９よりなる多層の構造をと
る．遮熱層８は、セラミック動翼１からの熱の移動を防
ぐ機能を有し，例えばムライト等により構成される．変
形吸収層６と嵌合物質層７は第１図の実施例と同様の機
能を有し、セラミックファイバー、低温焼結されるセラ
ミクス等により構成するのが好ましい．分離層９は、嵌
合物質層７に常温で流動性を示し，後処理で固化する嵌
合物質を用いる場合に、嵌合物質が、遮熱層８に浸透す
ることを防ぐための層で高温で安定な物質が好ましい．
このような物質としてはセラミックペーパー等が好適で
ある．第３図は、本発明により構成したセラミック動翼
とシャンクの嵌合構造の配置図であり、セラミック動翼
１とシャンク４の間に嵌合Ｍ５が配置されている． 第４図は、同様に本発明の多層構造嵌合層の配置の実施
例の一つである．本実施例では嵌合層５は、シャンク４
に設けられた溝の底部で２つに分割されている．これは
、遠心力の作用により嵌合層が力を受け変形する際に、
第３図の実施例のように嵌合層が一体であると当該嵌合
層内で構造として拘束が強く嵌合層に大きな力が働き破
損する可能性がある．ところが、本実施例のように嵌合
層５を分割すると，嵌合層内の拘束が緩和されるため、
変形が容易になり破損を防ぐことができる．しかしなが
ら、嵌合層は効果の一つとして遮熱性を必要とするため
、分割位置はセラミック動翼１の翼端から出来るだけ離
れた低温領域が好ましい．本実施例では，以上の点に鑑
みてシャンク４に設けた溝の最下部において分割してい
る．第５図は，同様に多層構造嵌合層を分割した実施例
で，本実施例では嵌合層５をシャンク４に設けた溝底の
端部で３つに分割しており、より拘束を緩和した例であ
る． 第６図は，変形吸収層のみを分割した実施例である．上
記で述べた遠心力を受ける場合の嵌合層内部の変形の拘
束は、主として最も強度が高い変形吸収層６に基づくこ
とが多い．そこで、変形吸収層６を構成するセラミック
織布等のみを分割し、嵌合層全体としては分割しないこ
とにより、遮熱性を低下することなく、変形の拘束のみ
を緩和することが可能である． 〔発明の効果〕 本発明によれば、セラミック動翼とシャンクもしくはデ
ィスクとの嵌合層を多層構造としたことにより、嵌合性
が向上し、また遠心力作用時の局所的応力集中によるセ
ラミック動翼の破壊を防ぐことができる．さらに、嵌合
層の遮熱性が向上することにより，セラミック動翼に発
生する熱応力を小さくし破壊を防ぐ効果がある．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多脛構造をなす嵌合層の一実施例の断
面図、第２図は本発明の実施例の一つで嵌合層が４層か
ら構成される例を示す断面図、第３図，第４図及び第５
図は夫々本発明の実施例に係る嵌合層の配置関係を示す
断面図、第６図は変形吸収層のみを分割した本発明の一
実施例の断面図、第７図は金属薄板を介してセラミック
動翼とディスクを嵌合させた従来の技術を示す断面図、
第８図はセラミック翼とシャンクを嵌合する場合の全体
を示す斜視図である． １・・・セラミック動翼、２・・・ディスク、３・・・
金属薄板、４・・・シャンク，５・・・嵌合層，６・・
・変形吸収層、７・・・嵌合物質層，８・・・遮熱層、
９・・・分ｌａＭ．ぐ一／ 第　２国 茅　３Ｉ￥１ 茅　１　艷 芋 Ｌ 凹 第 図 ５・・ 孜古層 昇 関 茅 ム 図 茅 圀

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ダブテイル状の翼根部を有するセラミック動翼を金
   属製のディスクもしくはシャンクに嵌合させてなるガス
   タービン動翼において、嵌合層を多層構造とすることを
   特徴とするセラミック動翼の嵌合構造。 ２、常温から高温までの範囲で変形吸収能を有する層と
   嵌合する際には流動性を有し、後処理で固化する層を少
   なくとも含むことを特徴とする請求項１記載のセラミッ
   ク動翼の嵌合構造。