JPH04256829A - セラミックス製燃焼器部品の保証試験装置 - 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】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン等に用い
られるセラミックス製燃焼器に係わり、特にその部品の
最低強度を保証する保証試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のようにセラミックス材料は、耐熱
性、耐食性、耐摩擦性及び軽量性などに優れた特性を有
し、高負荷の構造用部品としての適用が進みつつある。 例えば自動車用エンジン部品のターボチャージャーや特
殊な環境での使用が期待されるセラミックスベアリング
などがその代表的なものである。ところがセラミックス
材料は、上記のような優れた特性を有する反面、脆性で
材料強度のばらつきが大きいという欠点も持ち合わせて
いる。このため、セラミックス材料を機械構造部品へ適
用する場合には、部品の最低強度を保証する保証試験が
重要な技術課題となっている。

【０００３】金属材料の機械部品の品質保証試験として
は、Ｘ線透過試験や蛍光浸透探傷試験などの非破壊試験
によって欠陥の有無を確認する方法が一般的である。と
ころがセラミックス材料の場合には、良品として判定で
きる程度の強度を支配している欠陥の大きさは数十μｍ
からせいぜい百数十μｍであり、現在の非破壊検査技術
では、このような大きさの欠陥を検出することは検出確
率を考慮しての現実問題としてほとんど不可能である。 このため、セラミックス部品の最低強度を保証する手段
としては、実機供用前の全部品に所定の負荷を与え、破
壊しない部品を合格品とするスクリーニング試験法（全
品保証試験法）が一般的に行われている。スクリーニン
グ試験で部品に負荷を与える方法としては、一般に実際
状態にできるだけ近い状態で負荷試験が行われる。例え
ば、遠心力に対する発生応力が強度上問題となる部品の
場合、スクリーニング試験として常温回転試験が行われ
る。また、熱応力が問題となる部品の場合には、加熱試
験や熱衝撃試験などがスクリーニング試験として実施さ
れている。

【０００４】図３は、ガスタービンに用いられるセラミ
ックス製燃焼器の外観を示す。このセラミックス製燃焼
器は、最外周の金属リング１、内筒部のセラミックスリ
ング２、セラミックスタイル３および図示しない断熱材
やリングプレート等の部品から構成されている。金属リ
ング１は、セラミックス製燃焼器内外圧力差に対する圧
力隔壁であると同時に、セラミックスリング２等を固定
する支持構造体であり、断熱材と外面の対流冷却により
一定の温度以下に保たれている。しかして、セラミック
スタイル３は、図４に示すようにリングを円周方向に沿
って当分割した形状であり、組合わせることによって１
つの円筒形状をなす。このセラミックスタイル３は、部
品により空気孔や温度計測用の穴が加工されており、セ
ラミックス部品の形状としては複雑であり、急激な温度
変化により熱応力が発生しやすい。また、セラミックス
リング２は、図５に示すように形状は単純な円筒状であ
るが、セラミックスタイル３との接合部端面を微小の円
弧状に加工している。このようにセラミックス部品は、
基本的には円筒形状であり、素材段階では同一の円筒素
材から加工される。

【０００５】図６は、ガスタービンの実運転において最
も厳しい熱応力が発生する条件であるトリップ時のセラ
ミックスタイル３に生ずる熱応力分布を示す。最大熱応
力は、他の部分に比べて肉厚が比較的薄く、かつ急激な
形状変化を伴う部分に発生しており、当該部分は隣接す
るセラミックスタイルとの接合部であるなどの特徴があ
る。他の部分についても部品の端部付近は比較的熱応力
が高い。

【０００６】したがって、セラミックス燃焼器のセラミ
ックス部品に対する保証試験としては、このような急減
な温度変化によって発生する熱応力に対して最低強度を
保証する必要があり、スクリーニング試験としては、セ
ラミックス部品に実機相当の熱衝撃を与える試験、すな
わち熱衝撃試験が必要となる。図７は、熱衝撃試験装置
の一例を示し、端部から空気４を吸込み、実機のセラミ
ックス製燃焼器と同様に金属製燃焼器５で高温に加熱し
、その空気を高温燃焼ガスとともに供試体チャンバー６
に吐き出し、この内部にセットした供試体（セラミック
ス部品）７を高温に加熱するものである。最大熱応力は
、トリップ時に発生するので、金属製燃焼器５の燃焼を
瞬間的に遮断して、供試体７に熱衝撃を与える。

【０００７】この保証試験によれば、実機で生ずる温度
差と同等の温度差で試験し、試験後に供試体７の割れを
検査し、合否を判定することによってセラミックス部品
の熱応力に対する最低強度を保証することができる。し
かしながら、このようなスクリーニング試験においては
、スクリーニング試験中のセラミックス部品の強度低下
を十分に考慮することが必要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】セラミックス部品の保
証試験においては、スクリーニング試験の除荷過程の負
荷によってセラミックス部品の強度が低下することが知
られており、最悪の場合、スクリーニング試験に合格し
たセラミックス部品の強度が、スクリーニング試験で負
荷した応力σｐよりも低下することもある。このような
現象はＲｉｔｔｅｒらが実験によって（Ｊ．　Ｍａｔｅ
ｒ．　Ｓｃｉ．，　１５（１９８０），　２２７５）、
さらに市川氏が強度低下のメカニズムについて理論的解
析（機械の研究，４０（１９８８），　９７）を行って
いる。スクリーニング試験中の強度低下のメカニズムと
しては、基本的にはセラミックス材料特有の遅れ破壊の
現象に起因している。すなわち、セラミックス材料は、
初期欠陥からの亀裂進展にともなって強度が低下する遅
れ破壊現象を示し、長時間の負荷に対しては、比較的低
応力でも破壊に至ることが知られている。 スクリーニング試験後の強度低下は、このような亀裂進
展に起因するもので、スクリーニング試験で負荷した応
力σｐで破壊しない部品でも、除荷中に亀裂が進展し、
結果的に強度が低下してしまう。そこで、このようなス
クリーニング試験後の強度低下を極力小さくするために
は、スクリーニング試験で所定の応力σｐを負荷した後
、急速に除荷することが必要である。

【０００９】ここで、セラミックス製燃焼器のセラミッ
クス部品のスクリーニング試験について検討すると、熱
衝撃試験で発生する熱応力の除荷は、セラミックス部品
の冷却過程で徐々に生ずる。ところが、除荷中に発生す
る熱応力は、冷却に要する時間が長いため、除荷中にも
材料に応力が継続的に負荷される状態となる。そこで、
セラミックス部品には遅れ破壊による亀裂進展が生じ、
材料強度が低下することになる。また、急速な冷却は、
セラミックス部品にさらに熱衝撃による熱応力を与える
ことになるため、急冷も不可となる。このように熱衝撃
試験によってセラミックス部品のスクリーニング試験を
行う場合には、熱応力の除荷にかなりの時間を要するた
め、スクリーニング試験合格品の強度が低下することは
避けられないものとなる。

【００１０】さらに、保証試験の実施上の課題がある。 すなわち、全数に対して、個々に熱衝撃試験を実施した
場合、試験時間に莫大な時間を要し、しかも保証試験応
力を燃焼ガスの遮断による温度差で与えているため、供
試体チャンバー６内に設置したセラミックス部品位置、
金属製燃焼器５内の温度分布等種々の要因によって発生
する熱応力が異なる。このため、各セラミックス部品に
対する保証試験応力がばらつくという問題を生じる。ま
た、このことは逆に保証試験応力が性格に捉えにくく、
保証試験自体の信頼性向上の阻害要因にもなることを示
している。そこで、精度の良い保証試験応力で、除荷が
急速に行え、除荷中にセラミックス部品に強度低下を与
えないスクリーニング試験法の開発が重要課題となって
いた。

【００１１】そこで、本発明の目的は、セラミックス製
燃焼器のセラミックス部品の保証試験に際し、スクリー
ニング試験応力として実機でのトリップ時熱応力に相当
する保証試験応力を精度良く負荷することができ、スク
リーニング試験の除荷過程での強度低下を防止したセラ
ミックス製燃焼器部品の保証試験装置を提供することに
ある。 ［発明の構成］

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、円筒状のセラ
ミックス部品を軸方向から保持し、液体の圧力による内
圧を負荷可能としかつ着脱可能とした一対の試験治具と
、この一対の試験治具のセラミックス部品の内側に取付
けられ、内圧をセラミックス部品に間接的に負荷する円
筒状の弾性体と、一対の試験治具とセラミックス部品の
両端面との間に介挿する援衝部材と、一対の試験治具に
液体を給排する液体給排装置とを具備し、液圧による円
周応力により保証試験を行うようにしたことを特徴とす
るセラミックス製燃焼器部品の保証試験装置。

【００１３】

【作用】セラミックス部品は、軸方向に保持されるから
、軸方向に生じる荷重は一対の試験治具に負荷されてセ
ラミックス部品には軸方向応力が生じない。保証試験応
力と負荷する内圧が一対一で対応しているから、保証試
験応力の精度が大幅に向上し、保証試験の信頼性が大幅
に向上する。最大熱応力に相当する内厚まで液体の圧力
を上昇させた後急速に低下させることができるので、従
来の熱衝撃試験では避けられなかった除荷時の強度低下
がまったく生じず、保証試験による強度低下をなくすこ
とができる。セラミックス部品には環状の弾性体を介し
て内圧を負荷するので、内面に露出している空孔に液体
が侵入したり内面に液体が付着することがないので、保
証試験を連続的にかつ短時間で行うことができ、内面に
多少の凹凸のある素材段階での保証試験も可能であるか
ら、セラミックスタイルのような完全なリング形状でな
い部品でも、タイル形状に加工する前の素材（円筒状）
段階で保証試験をすることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の一実施例を示す断面図である
。同図において、保証試験装置１０は、下部試験台治具
１１と、この下部試験台１１の上部に、保証試験時に生
じる軸荷重が十分に保持できるようにボルト等の締結部
品１２を介して取付けられた上部試験治具１３と、下部
試験台治具１１に液体を給排して供試体（セラミックス
部品）に内圧の負荷と除荷をする液体給排装置１４で構
成されている。なお、保証試験時に供試体が破損し、破
片や液体が外部に飛散するのを防止するため、下部試験
台治具１１，上部試験台治具１３等を箱体１５に収容す
る。この箱体１５は、着脱自在の蓋を設けている。

【００１５】しかして、下部試験台治具１１は、下部の
フランジ部１１ａと上方に突出する円柱状部１１ｂとか
ら成り、円柱状部１１ｂには上下方向のほぼ中央部に直
径方向に伸びる部分とこれに連通し軸方向に沿ってフラ
ンジ１１ａの下端面まで伸びる部分とを有する加圧用の
液体導入孔１１ｃと、保証試験前に保証試験装置１０（
ただし、液体給排装置１４を除く）内にある空気を逃が
し、保証試験後の液体を排出する際空気を導入するため
の細孔１１ｄが設けられている。上部試験治具１３は、
下面に下部試験台治具１１の円柱状部１１ｂの上部が挿
入される円形状の凹部１３ａを設け、この凹部１３ａと
円柱状部１１ｂの上部との間に、保証試験時に導入され
る液体の漏れを防止するためＯリング等のシール１６を
取付ける。下部試験台治具１１のフランジ１１ａには円
柱状部１１ｂと同心の環状の溝１１ｅを設け、この溝１
１ｅに対して上部試験治具１３の下面に円形状の切欠部
１３ｂを設け、溝１１ｅと切欠部１３ｂに両端部が密着
するように円筒状のゴム状弾性体１７を取付ける。ここ
で、ゴム状弾性体１７は、供試体となるセラミックス部
品１８の内側に位置させる。また、セラミックス部品１
８が金属材より形成されている下部試験治具１１のフラ
ンジ部１１ａおよび上部試験治具１３と直接接触し、保
証試験時の軸方向荷重により端部が破損しないようにす
るためセラミックス部品１８の両端部と、これらの間に
援衝材１９を介挿する。液体給排装置１４は、液圧ポン
プ２０を含む液体の供給配管系２１と、保証試験後の液
体を排出する排出配管系（図示しない）を有し、これら
の配管系にはバルブその他必要なものを接続している。 なお、下部試験台治具１３の細孔１１ｄには、空気抜き
配管２２が接続されている。

【００１６】次に、以上のように構成された実施例の作
用を説明する。まず、供試体であるセラミックス部品１
８を図１に示すように援衝部材１９を介してセットする
。この後液圧ポンプ２０を作動して、液体を下部試験台
治具１１の液体導入孔１１ｃに供給し、同時に細孔１１
ｄに接続している空気抜き配管２２のバルブを開いて保
証試験装置１０内の空気を抜く。この空気抜きは空気抜
き配管２２より液体が噴出するまで行い、噴出時点でバ
ルブを閉じる。下部試験台治具１１の円柱状部１１ｂの
外周部に液体が充満すると、ゴム状弾性体１７を介して
、液体の厚欲がセラミックス部品１８に負荷される。そ
こで、液体の圧力を、セラミックス部品１８に生ずる円
周方向応力が試験応力に達するまで徐々に上昇させ、保
証試験応力に達した時点で、空気抜き配管２２のバルブ
を開き、排出配管系（図示しない）を介して急速に圧力
を下げる。内部の液体を排出した後、セラミックス部品
１８を取出す。連続的に多数のセラミックス部品１８を
保証試験する場合には、上部試験治具１３を取出しセラ
ミックス部品１８のみを交換して行うことができるため
、保証試験装置１０（ただし、液体給排装置１４を除く
）内の液体の圧力を若干下げればよく、全部除去する必
要はない。図２は、熱衝撃試験によって生じる供試体の
応力と本実施例による保証試験での応力の時間的変化を
比較して示したものである。両試験とも保証試験応力で
ある最大応力に達するまでの時間は短いが、熱衝撃試験
では冷却に多大の時間がかかるため、欠陥からの亀裂の
進展が生じ、結果として破断強度の低下を招くが、本実
施例では除荷が短時間であるために除荷時に亀裂進展を
まったく生ぜず保証試験応力における破断強度が確実に
保証される。

【００１７】以上のような保証試験を行い、破壊に至ら
なかったセラミックス部品を合格品とする。すなわち、
保証試験後に目視検査、蛍光浸透探傷検査等を実施して
割れ発生の有無を確認する。なお、セラミックス部品１
８の破損時には箱体１５が防護壁となって、セラミック
ス部品１８の破片や液体が外部に飛散するのを防ぐ。

【００１８】したがって、以上のように構成された本実
施例は、供試体であるセラミックス部品に保証試験応力
を負荷した後、短時間で除荷をすることが可能となるの
で、除荷時に欠陥からの亀裂進展を生ずることがなく、
保証試験後の強度低下をまったく無くすことができる。 また、試験応力が液体応力と一対一で対応しているため
、熱衝撃試験のように温度差により保証試験応力を与え
る方法に比べて保証試験応力の制御精度が大幅に向上し
、保証試験の信頼性が向上すると共に、セラミックス部
品の保証試験応力のばらつきが減少する等の効果が得ら
れる。さらに、セラミックス部品に直接液体が接触する
ことがないので、セラミックス部品に液体が付着したり
微小空孔内に液体が封入するといった不都合を生ずるこ
となく保証試験を実施することができ、短時間での保証
試験を可能とし、下部試験台治具に円柱状を設けて中実
部分を多く残し、この円柱状部に液体導入孔を設けて液
体圧力が作用するようにしたので、液圧負荷時に生ずる
軸方向力を最小限に抑えて、保証試験装置を構成する締
結部品の寸法を小さくし、保証試験の作業性を向上し、
保証試験装置内に満たされる液体の量も軽減することが
できて、セラミックス部品の破損時に飛散する液体の量
を最小限に抑える等の２次的効果も得られる。

【００１９】一方、熱衝撃試験により保証試験を実施す
る場合、従来はセラミックス部品を最終仕上げ形状まで
機械加工してはじめて保証試験が可能となるが、本実施
例ではセラミックス部品にゴム状弾性体を介して応力を
負荷できるので、表面に多少凹凸のあるセラミックス部
品の素材段階でも保証試験が可能となる。このためセラ
ミックス部品の素材チェックが可能となり、許容できな
い欠陥を有する材料に対して最終部品形状まで仕上加工
を実施する必要がなくなる。したがって、セラミックス
タイル３は、円筒状の素材で保証試験を行い、良品と判
定された素材を機械加工により所定の形状とすることに
よって保証試験を行うことができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、セ
ラミックス部品は軸方向に保持され、環状の弾性体を介
して内圧を負荷し、この内圧は保証試験応力まで上昇さ
せた後急速に低下させることができるので、保証試験に
よる強度低下をなくし、保証試験応力の精度向上と信頼
性の高い保証試験ができ、連続的でかつ短時間の保証試
験を実施可能とし、素材段階での保証試験も可能として
機械加工の効率向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図。

【図２】本発明の一実施例による保証試験時の応力変化
を示す説明図。

【図３】本発明の対象とするセラミックス製燃焼器の構
成を示す斜視図。

【図４】図３に示すセラミックス製燃焼器の構成部品を
示す斜視図。

【図５】図３に示すセラミックス製燃焼器の図４とは異
なる構成部品を示す斜視図。

【図６】図４に示すセラミックス製燃焼器の構成部品に
生ずる熱応力の分布図。

【図７】従来の熱衝撃試験装置の一例を示す断面図。

【符号の説明】

１１…下部試験台治具、１１ｃ…液体導入孔、１３…上
部試験治具、１４…液体給排装置、１５…箱体、１７…
ゴム状弾性体、１８…セラミックス部品、１９…援衝部
材、２０…液体ポンプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　円筒状のセラミックス部品を軸方向か
   ら保持し、液体の圧力による内圧を負荷可能としかつ着
   脱可能とした一対の試験治具と、この一対の試験治具の
   前記セラミックス部品の内側に取付けられ、前記内圧を
   前記セラミックス部品に間接的に負荷する円筒状の弾性
   体と、前記一対の試験治具と前記セラミックス部品の両
   端面との間に介挿する援衝部材と、前記一対の試験治具
   に液体を給排する液体給排装置とを具備し、前記液圧に
   よる円周応力により保証試験を行うようにしたことを特
   徴とするセラミックス製燃焼器部品の保証試験装置。