JPH0373723B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービン用タービンリング部材に
係る。

フランス特許FR−Ａ−2540937号、同FR−Ａ
−2540938号、同FR−Ａ−2540939号及び同FR−
Ａ−2371575号はガスタービン用タービンリング
のすべてを開示しており、各々のリングは、ター
ビンのケーシングの内側に固定された環状支持体
と、少なくとも１部が磁器の摩耗性材料で作られ
ており、前記環状支持体の内側に固定されたリン
グとを含んでいる。これらの実施例のほとんどに
おいて、環状支持体は金属材料で構成されてお
り、金属材料と磁器材料のそれぞれ膨張係数が異
なるため、磁器材料のリングは相互に独立し、前
記リングな半径が、タービンのさまざまな作動状
態に対して環状支持体のとるさまざまな温度変化
に対応し得るようにすなわち環状支持体の半径の
変化に従うことができるようにして、リングは
夫々の端部が結合されたセグメントによつて形成
されなければならず、このようにして磁器材料の
リングが構成材料からリングが破損するような応
力を受けるのを防いでいる。

フランス特許FR−Ａ−第2559834号は、その前
文で、数個のセグメントを並置することによつて
構成した磁器材料のリングの使用に関連する多数
の欠点について説明している。さらに、これらの
欠点は、磁器材料の環状支持体を構成し、単一部
品の摩耗性リングを構成することによつて一時的
にしのぐことができることも指摘されている。こ
のフランス特許出願に記載されたタービンリング
の好ましい１実施例では、寸法決定は更に、環状
支持体が摩耗性リングに、タービンの正規作動温
度で圧縮を及ぼすように設定されている。実際
に、摩耗性リングとその環状支持体とは、摩耗性
リング内に保持された挿入部材内にねじ締めされ
た径方向ねじによつて調整される。この構造の相
対的複雑さは、この構造から得られる、例えばそ
の摩耗部分の取替えのためにリングを容易に分解
できることで補われる。

他方では、先に指摘したいくつかの先行特許出
願では、タービンリングの構成部品の温度を調節
するための手段が備えられており、これらの手段
は例えばタービンの圧縮機から生じる冷却空気の
循環を行う。これらの冷却手段は一般に、タービ
ンリングの２個の主要部品、即ちその環状支持体
と単数又は複数個の摩耗性材料の部材に対して無
差別に作用するようになつている。従つて、例え
ば摩耗性リングの内面及び外面間の温度勾配は非
常に重要で、リング内にリングの寿命を縮める恐
れのある応力を生じさせる。

本発明の目的は、内面と外面間の温度差を極力
少なくしてタービンリングの寿命を縮める恐れの
ある応力を生じさせないように構成されたタービ
ンリングを備えたガスタービン用タービンリング
部材を提供することにある。

本発明によれば前記目的は、ガスタービンの径
方向に沿つて膨張・収縮自在となるようにケーシ
ングの内側に嵌合されており、前記ケーシングと
協働して相互に隣接する第１環状空間と第２環状
空間とを規定する金属製の環状部材と、前記ケー
シングに設けられており前記ケーシングの外部か
ら前記第１環状空間へ空気を導入する第１の開口
と、前記ケーシングに設けられており前記第２環
状空間から空気を前記ケーシングの外部へ排出す
る第２の開口と、前記環状部材に設けられてお
り、前記第１環状空間と前記第２環状空間とを連
通する流路と、内周壁と前記ケーシングの内側に
回動自在に設けられた回転翼の先端との間に遊隙
を形成するようにプレス嵌めによつて前記環状部
材の内周面に挿入されており、前記環状部材より
も大きい熱伝導率を有する摩耗製セラミツク製の
単一体のタービンリングとを含むガスタービン用
タービンリング部材によつて達成される。

本発明のガスタービン用タービンリング部材に
おいては、環状部材がガスタービンの径方向に沿
つて膨張・収縮自在にケーシングの内側に嵌合さ
れており、ケーシングの外部から第１の開口を介
して第１の環状空間へ導入された空気が流路を経
由して第２の環状空間から第２の開口を介してケ
ーシングの外部へ排出され、単一体のタービンリ
ングがプレス嵌めによつて環状部材の内周面に挿
入されており、金属製の環状部材よりも大きい熱
伝導率を有する摩耗性セラミツク製であるが故
に、加熱された環状部材を直接的に十分に冷却し
ても該環状部材の内周面と外周面との温度差によ
つて環状部材が損傷することがなくかつタービン
リングが間接的に冷却されるのでタービンリング
の内周面と外周面との温度差を小とし得、内周面
と外周面との温度差に起因するタービンリングの
破損を防止し得、タービンリングの寿命を長くし
得、加えてタービンリングの内周壁と回転翼の先
端との間に形成される遊隙を所定の間隔に維持し
得る。

本発明によるガスタービン用タービンリング部
材は、タービンリングの内径が環状部材の温度差
異によつて調節されること、及び環状部材が、部
品の温度を考慮して、環状部材へのタービンリン
グのプレス嵌めによる組立によつてタービンリン
グに適切な軸方向の圧縮をかけ得る。

本発明のタービンリング部材の実施例では環状
部材だけが冷却空気によつて直接冷却されるか
ら、摩耗性セラミツク製の単一体のタービンリン
グの内周壁及び外周壁間の温度勾配は比較的小さ
く、従つてその寿命を減らす恐れのある応力がリ
ング内に生じるのを防止し得る。これに反して、
環状部材の内部の径方向温度勾配は非常に大きい
が、但しこの環状部材は金属製だから、生じる温
度応力に容易に耐える。他方では、環状部材の温
度の調節手段は、例えば環状部材に設けられた流
路を介して第３の環状空間に供給される冷却空気
の流料を自動的に調節することによつて、タービ
ンのすべての作動状態において、即ち、定常状態
においても、種々の過渡状態においても、タービ
ンリングが環状部材によつて生じる軸方向の圧縮
を常時受け、このようにしてたがの役割を果すよ
うにして容易に調節され得る。このことは、ター
ビンのある種の作動状態において、タービンリン
グが、その結合力を破壊し、ともかくその寿命を
縮める恐れのある引張り応力又は圧力を受けるこ
とを防止し得る。実際に、ほとんどの磁器材料は
引張り応力又は圧力に対して強度がないことは知
られている。本発明に係るタービンリングの実施
例では、更に次のような追加的な利点をも提供す
る。タービンリングの内径は、環状部材の温度調
節手段の助けをかりて調節され得る。つまり、例
えば対応する冷却空気の流量を変化させることに
よつて調節でき、その結果、このタービンリング
とタービンの対応する回転翼先端間の遊隙の調整
が得られる。この有利な可能性は本発明に係るタ
ービンリングの実施例の構造によるものであつ
て、タービンの瞬間作動状態にこの遊隙を適用す
ることを可能にする点においては、特に有利であ
る。実際に、この遊隙は、タービンの定常ないし
過度のさまざまな状態において種々の値を有利に
提示するはずであることは周知である。

イギリス特許先願第2047354号は、内径すなわ
ち対応する回転翼端との間隔を、冷却空気の内部
及び場合によつては外部循環を含む、温度調整手
段によつて調節することが可能なタービンリング
を確かに開示している。このタービンリングは、
従来から知られており、そのため非常に複雑な内
部構造をもつていなければならない。空気の内部
循環はここで径方向管路によつて行われ、この管
路はタービンのケーシングを横切り、その内端上
には、リング全体が、前記リングが膨張するか圧
縮するかする時、径方向にスライドすることがで
きるよういにして取付けられている。その複雑さ
のため、この先行例は本発明タービンリングとは
かなり異なる。

本発明タービンリングと好ましい実施例におい
ては、軸方向の圧縮が、熱伝導率の低い、例えば
横断面積の小さい部材を介して、タービンリング
へ、環状部材によつて伝達される。これらの部材
は、例えば、環状支持体とタービンリングの相互
に向き合つた面の１つの径方向突起部によつて構
成される。この構造から、明らかに環状部材の外
面とその方へ向いた内面との間の熱交換をかなり
の程度減少させることによつて、タービンリング
の内面と外面の間の温度勾配をさらに弱めるとい
う結果が得られる。これは更にタービンリングの
内部の熱による応力を減少させる。

本発明タービンリングの実施例の、但し有利な
もうひとつの特徴によれば、その環状部材は、タ
ービンのケーシングの内面に固定された２個の径
方向フランジの間にやわらかい摩擦ではめ込まれ
ることでがき、更に例えばすべり溝と協働するこ
ま状部材を含む手段が、軸方向及び回転運動を抑
制するため、更に前記環状部材が膨張又は収縮す
る時、その中心決めを保持しながらこのリングを
径方向に案内するために備えられている。この構
造は、タービンリングの内径、従つて回転翼の先
端との遊隙を、広い限界の間で、例えば冷却空気
の流量を変化させながら、しかも対応する回転子
に対するリングの幾何学的位置が前記リングと前
記回転子を同軸に維持するために必要な精度で決
定されるのを止めることなしに変化させることを
可能にするかぎりにおいて、特に有利である。

以下に例として、ガスタービン用タービンリン
グ部材の１実施例並びに本実施例に適用される変
形例を説明し、更に添付図面に概略的に図解す
る。

第１図には、ガスタービンのケーシングの１部
を符号１で、ケーシング１の内壁にあらゆる適用
な手段、例えばボルト３Ａ及び３Ｂによつて固定
された２個の径方向フランジを符号２Ａ及び２Ｂ
で示した。フランジ２Ａ及び２Ｂの間には、ター
ビンリング部材１ａが取付けられている。符号４
は図示のガスタービンの回転翼の先端を示してお
り、他の部材は図示していない。この回転子は単
一体のタービンリング５によつて囲まれ、これは
摩耗性・セラミツク製材料でつくられ、これは次
のように選択されなければならない。つまり、少
なくとも1000℃に等しい温度に耐え、タービンの
他の部分を構成する材料のそれより低い膨張係数
を示さなければならない。更に高温ガスの作用に
よる侵食に対して優れた抵抗性を示し、かつ摩耗
性でなければならない。これらの要求を満たし、
かつリング５を形成するために利用することので
きる種々のタイプの摩耗性セラミツク材料が知ら
れている。

本実施例では、リング５の外周壁面はなめらか
で、例えば２個の環状体６ａ及び６ｂにより構成
し得る金属製の環状部材６の内面と直接的に接触
状態にある。この実施例では、環状部材６の内側
部分６ｂは、リング５の外周壁面５ａと、周壁面
によつてではなく、突起部６ｃによつて接触して
おり、突起部の径方向断面積の合計は−図の軸方
向に対して垂直−、リング５の外周壁面５ａの面
積よりはるかに狭い。これらの突起部６ｃは、リ
ング５の外周壁面５ａのほうに向いた環状部材６
の内周面上に径方向突起を形成し、リング５及び
部材６の間の熱交換を減少する熱伝導率の低い部
品を構成する。

本発明の実施例によれば、部材６は、熱を加え
ない状態で、リング５の外径より少し小さい内径
をもつており、熱を加えない状態のまま、リング
５を部材６の内周面上にプレス嵌めできるように
あらかじめ加熱されなければならない。部材６は
冷めることによつて、たがの方式でリング５上に
軸方向の圧縮を加える。全体は、ガスタービンの
定常及び過度といつた種々の状態でリング５及び
部材６が受ける温度を考慮した上で始めに寸法決
定されており、従つて部材６によるリング５のた
めが締めは前記タービンのあらゆる作動状態にお
いて存続し、即ち定常状態においても、種々の過
度状態においても、部材６はリング５に対し軸方
向の圧縮を及ぼすのを止めない。このことは、リ
ング５が、このセラミツク材料の結合力に影響
し、リング５の寿命を縮める恐れのある引張り応
力又は圧力を、少なくとも何らかのタービンの作
動条件において受けることのないようにしてい
る。

本発明によれば、特に図示の実施例では冷却空
気回路の形で部材６の温度調節手段だけが備えら
れており、この回路は次の方法で構成される。第
１の環状空間としての分配室７は、タービンのケ
ーシング１及び部材６内に設けられた環状通路６
ｄによつて、リングの外面上に開くようにして境
界をつけられている。図示しない公知手段によつ
てタービンの圧縮機（図示せず）から誘導される
冷却空気がケーシング１の第１の開口８によつて
分配室７に流入する。部材６の内面に対しほぼ平
行にリングの内側に、管１０によつて相互に連通
し、部材６内に設けられた通路１１によつて、断
面の閉じた分配室７から冷却空気を供給される空
洞９ａ，９ｂが配置されている。部材６は製造を
容易ならしめるため、先に説明したように、円筒
形結合面が空洞９ａ，９ｂと管１０を通過する２
個の環状体６ａ及び６ｂによつて形成されること
がきる。それ故、突起部６ｃ及び少なくとも１個
のツメ６ｅが設けられるのは最も内側の部分にお
いであつて、このツメは、相互に対して回転し易
いリング５及び部材６を不動化するため、リング
５の外周壁の１つを補う形状の切欠き内に嵌合す
る。冷却空気は、空洞９ａ及び９ｂを通過した
後、つづいて排出用の導管１２、第２の環状空間
としての環状収集室１３およびケーシング１の第
２開口１４から流出し、タービンの二次流束内に
送られるか、又は他の通気（例えば分配器BP）
のた再利用される。

他方では、部材６は２個の径方向フランジ２Ａ
及び２Ｂの間にやわらかい摩擦ではめ込まれ、こ
れらのフランジはタービンのケーシング１の内壁
に固定されている。図示の具体例では、少なくと
も３本のすべり溝１５が、部材６の対応する前面
に固定されたこま状部材１６を径方向に案内する
ため、フランジ２Ａ内に設けられている。同様
に、少なくとも３本のすべり溝１７が部材６の左
側部分に設けられており、更に対応する直径のこ
ま状部材１８がフランジ２Ｂの対応する面に固定
され、すべり溝にはめ込まれている。これらの構
造によつて、リング５及び部材６の膨張又は収縮
により生じる、フランジ２Ａ及び２Ｂに対する部
材６とリング５の移動は、こま状部材例えば１６
及び１８が、すべり溝例えば１５及び１７に、タ
ービン対応する回転子と正確に同軸にリング５及
び部材６を保持するようにして協働することによ
つて径方向に案内される。このことは、一方では
リング５の内周壁面と、他方ではタービンの回転
子の翼の先端４によつて形成される円筒面との間
の遊隙ｅが、軸方向へも円周方向へもすべての点
で適切な同一幅をもつためには不可欠である。こ
ま状部材例えば１６及び１８とすべり溝例えば１
５及び１７との協働は、さらにケーシング１に対
するリング５及び部材６の回転の不動化を確実に
行い、他方では径方向フランジ２Ａ及び２Ｂはそ
れら軸方向不動化を確実に行う。

フランジ２Ａの円形収容室内には、環状パツキ
ン１９が取付けられており、このフランジと部材
６の対応面の間の密閉性を、これら２部品が径方
向に相対移動した場合であつても確実する。別の
環状パツキン２０は、冷却空気の分配室７と収集
室１３の間の密閉性を確保する。このパツキン２
０は、ケーシング１の内面上に、通路６ｄの側壁
の１個を形成する径方向突起６ｆに面して設けら
れた径方向突起２１の円形みぞ内に収容されてい
る。

タービンの作動時に、回転子の翼の先端４のほ
うへ向けられたリング５の内面は例えばおよそ
1200℃の温度にまで達する。本発明の実施例によ
ればリング５の冷却手段何ら用意されていないか
ら、従つてその外面５ａは900℃に近い温度に達
し、従つてリング５は比較的弱い温度勾配しか受
けず、リグを構成するセラミツクの結合力を損う
不充分な熱応力しか生じさせることができない。
逆に、部材６の突起部６ｃとケーシング１の間に
は非常に強い温度勾配が存在し、但し生じる熱応
力は、部材６を形成する金属材料によつて、この
リング大部分が管１０及び通路１１並びに空洞９
ａ及び９ｂを通過する空気によつて中まで冷やさ
れるかぎり、容易に耐えられる。これらの空洞は
特に、部材６の最も内側の、つまり最も熱い環状
体６ｂと最も外側の環状体６ａの間に一種の温度
しやへいを形成するようにして配置することがで
きる。他方では、ケーシング１の開口８を横切つ
て送られる冷却空気の流量を変化させることによ
つて、リング５の温度を変えずに部材６の温度を
調節することができる。従つて部材６の内径を変
化させることができ、従つてリング５の軸方向の
圧縮及びその内径及び遊隙ｅの幅を、既に述べた
通り、タービンの種々の作動状態に適用させるた
ため、変化させることができる。環状支持体６の
内径、従つて遊隙ｅの可能な変化を広い振幅で得
るため、例えば10・10^-6と20・10^-6℃^-1の間に含
まれる膨張係数をもつ金属材料で部材６を構成す
るのが都合がよい。これに反して、リング５を構
成するため、比較的低い膨張係数及び／又は部材
６を構成する金属材料よりはるかに高い熱的転移
状態への応答時間をもつセラミツクを利用するこ
とができる。

本発明は先に述べた実施例のみに限定されな
い。本発明はそのすべての変形例を包括し、その
うちいくつかだけを非限定例として以下に挙げて
おく。

膨張又は収縮による部材６の径方向移動を軸方
向に案内するための手段は、先に説明した実施例
とは別に、種々の実施例が可能である。環状部材
の冷却回路の構造は、任意である。空洞例えば９
ａ及び９ｂの数及び配置は変えることができる。
しかしこれらは、好ましくは部材６の内面の近傍
に１又は数個の熱障壁を構成するようにして設け
られている突起部６ｃはリング５の外面に設けら
れた同種のとげ状部分と接触して位置することが
できよう。その他の手段を、リング５及び部材６
の間の熱伝導を減らすため例えば断熱介在物の形
で使用することができよう。突起部例えば６ｃ
は、例えばジルコン酸マグネシウムの突起の形で
外部熱の防御をそれ自体で受持つことができよ
う。他の変形例によれば、通風装置を金属／セラ
ミツクの境界面に、温度がたがの材料として容認
され得る限界を越える場合は備えることができ
る。この構造の１実施例が第２図に示してあり、
この場合は、有効な熱障壁を確保しながら、部分
によつて磁器に孔があくのを防ぐ。パツキン２２
によつてタービンリング部材１ａとの密閉性を確
保する円錐形壁２１が前記リングの上流に配置さ
れ、通風空気を導く。部材６の環状体６ｂの径方
向側部分は、軸方向に配置され、例えば部材６上
へろう接によつて固定された薄いリング２４によ
つて内径上で閉じられた環状空洞を構成する一連
の環状みぞ２３を含む。みぞ２３は軸方向フライ
ス穴２５によつて連通する。部材６は、その上流
側の側面上に、みぞ２３の回路内に通風空気を導
く一連の穴２６を含んでいる。部材６とリング５
の間の境界面には、通路２７が、みぞ２３内を循
環した空気を排出するために、下流側に設けられ
ている。

冷却空気回路を備える代りに、部材６の温度調
節手段は、例えば冷却液の回路を含むことがで
き、この液は冷却区域内で状態の変化を受けるこ
とも受けないこともある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るタービンリング部材の
実施例を備えるタービンのケーシングの軸方向半
平面に沿う部分断面図、第２図は、本発明に係る
タービンリング部材の変形例を備える第１図と同
様の部分断面図である。 １……ケーシング、１ａ……タービンリング部
材、２Ａ，２Ｂ……径方向フランジ、３Ａ，３Ｂ
……ボルト、４……回転翼の先端、５……リン
グ、６……環状部材、７……環状分配室、８，１
４……開口、１１……通路、１３……収集室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンの径方向に沿つて膨張・収縮自
   在となるようにケーシングの内側に嵌合されてお
   り、前記ケーシングと協働して相互に隣接する第
   １環状空間と第２環状空間とを規定する金属製の
   環状部材と、前記ケーシングに設けられており前
   記ケーシングの外部から前記第１環状空間へ空気
   を導入する第１の開口と、前記ケーシングに設け
   られており前記第２環状空間から空気を前記ケー
   シングの外部へ排出する第２の開口と、前記環状
   部材に設けられており、前記第１環状空間と前記
   第２環状空間とを連通する流路と、内周壁と前記
   ケーシングの内側に回動自在に設けられた回転翼
   の先端との間に遊隙を形成するようにプレス嵌め
   によつて前記環状部材の内周面に挿入されてお
   り、前記環状部材よりも大きい熱伝導率を有する
   摩耗性セラミツク製の単一体のタービンリングと
   を含むガスタービン用タービンリング部材。 ２ 前記流路は、前記環状部材の内部に設けられ
   た第３環状空間と、前記第１環状空間と前記第３
   環状空間とを連通する複数の通路と、前記第２環
   状空間と前記第３環状空間とを連通する導管とを
   含む特許請求の範囲第１項に記載のガスタービン
   用タービンリング部材。 ３ 前記環状部材は、前記内周面上に前記タービ
   ンリングの外周壁と密接する複数の突起部を有し
   ている特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   ガスタービン用タービンリング部材。