JPH05113134A - セラミツクスガスタービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 コンプレッサータービン側ハウジング23と出
力タービン側ハウジング24との間に、セラミックス製の
シュラウド４と、固定ノズル５と、シム16と、セラミッ
クス製の中間ダクト７の外周壁7aと、可変ノズル８を支
持するセラミックス製支持部材９とが弾性部材26を介し
挟まれる。そのシュラウド４の中間ダクト側部材4bと中
間ダクトの外周壁7aとによりスクロール２の内周壁が構
成される。 【効果】 シュラウドの中間ダクト側部材と中間ダクト
の外周壁とスクロールの内周壁との熱応力による破損防
止。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックスガスタービ
ンに関し、そのセラミックス製部材の破損の防止を図る
ものである。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスガスタービンとして特開平
２‐１１５５３３号公報に開示されたものがある。これ
は、図７に示すように、ガス燃焼器１０１に接続される
セラミックス製の環状スクロール１０２と、このスクロ
ール１０２の径方向内方に配置されると共にコンプレッ
サー１０３のタービンローター１１５の外周に設けられ
たコンプレッサータービンブレード１０４を覆うセラミ
ックス製のシュラウド１０５と、そのスクロール１０２
の内部とシュラウド１０５の内部を連通する環状の固定
ノズル１０６と、そのシュラウド１０５から出力タービ
ンローター１１６の外周に設けられた出力タービンブレ
ード１０７に燃焼ガスを導くセラミックス製の中間ダク
ト１０８と、この中間ダクト１０８の出口に周方向に沿
って配置される複数の可変ノズル１０９と、この可変ノ
ズル１０９を支持する環状のセラミックス製支持部材１
１０とを備えている。

【０００３】そのシュラウド１０５は環状のコンプレッ
サータービン側部材１０５ａと、環状の中間ダクト側部
材１０５ｂとにより構成され、このコンプレッサーター
ビン側部材１０５ａと中間ダクト側部材１０５ｂとによ
り固定ノズル１０６が挟まれる。そのシュラウド１０５
の中間ダクト側部材１０５ｂはコンプレッサータービン
ブレード１０４に近接するように径方向に沿う部分１０
５ｂ′と軸方向に沿う部分１０５ｂ′′とを有する形状
とされている。そのコンプレッサー１０３から燃焼器１
０１に供給された圧縮空気は、保持部材１１４により保
持される燃料噴射ノズル１１２から噴射される燃料と混
合され、プラグ１１９が火花を発生することで燃焼す
る。その燃焼ガスは、燃焼器１０１のセラミックス製ラ
イナー１１３からスクロール１０２に導入され、このス
クロール１０２から固定ノズル１０６のノズル孔１０６
ａを通ってコンプレッサータービンブレード１０４に吹
き付けられる。これによりローター１１５が回転してコ
ンプレッサー１０３が駆動される。しかる後に燃焼ガス
は、シュラウド１０５の内部から中間ダクト１０８を通
り、可変絞り１０９により流量調節されて出力タービン
ブレード１０７に吹き付けられ、出力タービンローター
１１６を回転させる。この出力タービンローター１１６
の回転が動力として取り出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のセラミック
スガスタービンにあっては、スクロール１０２の内周壁
１０２ａ、シュラウド１０５の中間ダクト側部材１０５
ｂおよび中間ダクト１０８の外周壁１０８ａは、内部が
最も高温の燃焼ガスにさらされると共に、外部が大気に
さらされる。そのため、その内外の温度差による熱応力
によって破損するおそれがあった。

【０００５】また、シュラウド１０５、中間ダクト１０
８の外周壁１０８ａおよび可変ノズル１０９の支持部材
１１０は、コンプレッサータービン側ハウジング１１７
と出力タービン側ハウジング１１８とに取り付ける必要
があるが、セラミックス製で割れを生じ易いため、ボル
トのような締結具を用いて取り付けることはできない。
そのため、それらシュラウド１０５、中間ダクト１０８
の外周壁１０８ａおよび可変ノズル１０９の支持部材１
１０を、バネ１１５のバネ力で環状支持部材５００を介
し、コンプレッサータービン側ハウジング１１７と出力
タービン側ハウジング１１８とで挟み込んで保持してい
た。そのバネ１１５を介し保持することで、熱による軸
方向の変位を吸収していた。しかし、シュラウド１０５
の中間ダクト側部材１０５ｂは、効率向上のためにコン
プレッサータービンブレード１０４に近接して配置され
る。そのため、シュラウド１０５の中間ダクト側部材１
０５ｂが熱膨張により中間ダクト１０８の外周壁１０８
ａに軸方向から押し付けられ、この軸方向力により変形
してコンプレッサータービンブレード１０４に接触し、
そのブレード１０４を破損するおそれがあった。

【０００６】また、燃焼器１０１のライナー１１３が急
激な温度変化により破損し、その破片が飛散してタービ
ン全体に損傷を与えるおそれがあった。また、燃焼器１
０１のライナー１１３は、その内部に飛び込んできた物
体と衝突して破損することがあった。また、ライナー１
１３と燃料噴射ノズル１１２の保持部材１１４とはセラ
ミックス同志の接触になるため、高温での接着現象によ
り破損したり、振動により破損するおそれがあった。

【０００７】本発明は上記従来技術の問題を解決するこ
とのできるセラミックスガスタービンを提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、ガス燃焼器に接続されるセラミックス製の環状ス
クロールと、このスクロールの径方向内方に配置される
と共にコンプレッサータービンブレードを覆うセラミッ
クス製のシュラウドと、そのスクロールの内部とシュラ
ウドの内部を連通する環状の固定ノズルと、そのシュラ
ウドから出力タービンブレードに燃焼ガスを導くセラミ
ックス製の中間ダクトと、この中間ダクトの出口に周方
向に沿って配置される複数の可変ノズルと、この可変ノ
ズルを支持する環状のセラミックス製支持部材とを備
え、そのシュラウドが環状のコンプレッサータービン側
部材と環状の中間ダクト側部材とにより構成され、その
コンプレッサータービン側部材と中間ダクト側部材との
間に前記固定ノズルがシムを介し挟まれ、そのシュラウ
ドの中間ダクト側部材がコンプレッサータービンブレー
ドに近接する径方向に沿う部分と軸方向に沿う部分とを
有する形状とされ、そのシュラウドの中間ダクト側部材
と可変ノズルの支持部材との間に中間ダクトの外周壁が
配置され、コンプレッサータービン側ハウジングと出力
タービン側ハウジングとの間に、シュラウドと固定ノズ
ルと中間ダクトの外周壁と可変ノズルの支持部材とが弾
性部材を介し挟まれているセラミックスガスタービンに
おいて、前記シュラウドの中間ダクト側部材と中間ダク
トの外周壁とによりスクロールの内周壁が構成される点
にある。

【０００９】そのシュラウドの中間ダクト側部材がスク
ロール側部材とブレード側部材とに分割され、そのブレ
ード側部材と中間ダクトの外周壁との軸方向間に、熱膨
張吸収用の隙間が設けられているのが好ましい。

【００１０】そのガス燃焼器が燃料噴射ノズルを保持す
るセラミックス製の筒状保持部材と、この保持部材に連
結される筒状のセラミックス製ライナーとを有し、その
ライナーがセラミックス繊維製のカバーにより覆われて
いるのが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明の構成によれば、シュラウドの中間ダク
ト側部材と中間ダクトの外周壁とによりスクロールの内
周壁が構成されるため、これらシュラウドの中間ダクト
側部材、中間ダクトの外周壁およびスクロールの内周壁
が外気にさらされることはない。これにより、スクロー
ル、シュラウドおよび中間ダクトの内部を流動する高温
の燃焼ガスと外気との温度差による熱応力の発生はな
い。

【００１２】シュラウドの中間ダクト側部材がスクロー
ル側部材とブレード側部材とに分割され、そのブレード
側部材と中間ダクトの外周壁との軸方向間に、熱膨張吸
収用の隙間が設けられることにより、そのブレード側部
材が軸方向に熱膨張しても、中間ダクトの外周壁に押し
付けられることはない。これにより、シュラウドのブレ
ード側部材は、軸方向力により変形することはないの
で、コンプレッサータービンブレードに当接するのが防
止される。

【００１３】ガス燃焼器のライナーがセラミックス繊維
製のカバーに覆われることで、その内部に飛び込む物体
による破損や、燃料噴射ノズルの保持部材との直接接触
による破損を防止することができる。また、急激な温度
変化によってライナーが破損しても、その破片が分散す
ることはなく、タービン全体に損傷を与えるのが防止さ
れる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１５】図１に示すセラミックスガスタービンは、
ガス燃焼器１に接続されるセラミックス製の環状スクロ
ール２と、このスクロール２の径方向内方に配置される
と共にコンプレッサータービンブレード３を覆うセラミ
ックス製のシュラウド４と、そのスクロール２の内部と
シュラウド４の内部を連通する環状の固定ノズル５と、
そのシュラウド４から出力タービンブレード６に燃焼ガ
スを導くセラミックス製の中間ダクト７と、この中間ダ
クト７の出口に周方向に沿って配置される複数の可変ノ
ズル８と、この可変ノズル８を支持する環状のセラミッ
クス製支持部材９とを備えている。

【００１６】そのガス燃焼器１は、図２に示すように燃
料噴射ノズル（図示省略）を保持する筒状のセラミック
ス製保持部材１１と、この保持部材１１に連結される筒
状のセラミックス製第１ライナー１２と、この第１ライ
ナー１２に接続される筒状の第２ライナー１３とを有す
る。各ライナー１２、１３には複数の空気導入孔１４が
開口され、各空気導入孔１４には、熱応力による亀裂発
生を防止するため筒状の保護部材１５が嵌合されてい
る。

【００１７】そのスクロール２は外周壁２ａと内周壁と
により主構成され、その外周壁２ａにガス燃焼器１の第
２ライナー１３との接続口２ｂが形成されている。

【００１８】そのコンプレッサータービンブレード３
は、コンプレッサー５０の駆動用ローター５１の外周に
取り付けられ、そのローター５１の回転によりコンプレ
ッサー５０は駆動される。そのコンプレッサー５０は従
来と同様の公知のものを用いることができ、また、コン
プレッサータービン側ハウジング２３により覆われてい
る。

【００１９】そのシュラウド４は、環状のコンプレッサ
ータービン側部材４ａと、環状の中間ダクト側部材４ｂ
とにより構成されている。その中間ダクト側部材４ｂ
は、コンプレッサータービンブレード３に近接する径方
向に沿う部分４ｂ′と軸方向に沿う部分４ｂ′′とを有
する形状とされている。その径方向に沿う部分４ｂ′と
コンプレッサータービンブレード３との軸方向間には図
中δ１で示す隙間が形成され、その軸方向に沿う部分４
ｂ′′とコンプレッサータービンブレード３との径方向
間には図中δ２で示す隙間が形成されている。

【００２０】その固定ノズル５には、周方向に沿って複
数の貫通孔５ａが形成され、この貫通孔５ａを通って燃
焼ガスがスクロール２の内部からシュラウド４の内部に
導入される。この固定ノズル５とシュラウド４の中間ダ
クト側部材４ｂとの軸方向間にはシム１６が介在されて
いる。

【００２１】その中間ダクト７は外周壁７ａと内周壁７
ｂとを有する。その外周壁７ａおよび内周壁７ｂは共に
中空の円錐台形状とされ、この外周壁７ａと内周壁７ｂ
の内外周間が燃焼ガスの流路７ｃとされている。この流
路７ｃの入口がコンプレッサータービンブレード３に対
向し、出口が出力タービンブレード６に対向する。中間
ダクト７の外周壁７ａは、シュラウド４の中間ダクト側
部材４ｂと可変ノズル８の支持部材９との間に配置され
ている。本実施例では、中間ダクト７の外周壁７ａはシ
ュラウド側部材７ａ′と出力ブレード側部材７ｂ′の２
部材を接合することで構成されている。

【００２２】その中間ダクト７の出口に配置される各可
変ノズル８は、径方向外方に突出する回転軸２０を有
し、この回転軸２０が支持部材９に回転可能に支持され
ている。また、その回転軸２０の突出端に歯車２１が嵌
合され、支持部材９にリングギヤ２２が回転可能に取り
付けられ、このリングギヤ２２に各歯車２１が噛み合わ
されている。そのリングギヤ２２は図外駆動装置により
回転駆動され、このリングギヤ２２の回転が、歯車２１
を介して可変ノズル８に伝達され、可変ノズル８が軸２
０中心に回転する。この可変ノズル８の回転により中間
ダクト７の流路７ｃの絞り度が変化し、出力タービンブ
レード６に吹き付けられる燃焼ガスの流量が調節され、
出力の調節が成される。

【００２３】その出力タービンブレード６はローター２
５の外周に取り付けられ、このローター２５の回転が図
外減速機を介して動力として取り出される。その出力タ
ービンブレード６は出力タービン側ハウジング２４によ
り覆われている。

【００２４】そして、コンプレッサータービン側ハウジ
ング２３と出力タービン側ハウジング２４との間に、シ
ュラウド４と固定ノズル５と中間ダクト７の外周壁７ａ
と可変ノズル８の支持部材９とが弾性部材２６を介し挟
まれている。本実施例では、その弾性部材２６はコイル
バネとされ、周方向に複数配置され、出力タービン側ハ
ウジング２４と支持部材９との間に介在されている。ま
た、シュラウド４のコンプレッサータービン側部材４ａ
とコンプレッサータービン側ハウジング２３との間には
キー５５を介して調節用プレート２７が介在され、この
調節用プレート２７はボルト２８によりコンプレッサー
タービン側ハウジング２３に取り付けられている。その
ボルト２８の挿入孔２７ａはボルト２８の径より大きく
され、ボルト２８を緩めることで調節プレート２７は径
方向に変位可能とされている。

【００２５】これにより、シュラウド４と固定ノズル５
と中間ダクト７の外周壁７ａと支持部材９とは、弾性部
材２６の弾性力によりコンプレッサータービン側ハウジ
ング２３に押し付けられて保持される。また、固定ノズ
ル５とシュラウド４の中間ダクト側部材４ｂとの間のシ
ム１６の厚さ調節により、前記コンプレッサータービン
ブレード３と中間ダクト側部材４ｂとの軸方向間の隙間
δ１の調節が可能とされている。また、調節プレート２
７を径方向に変移させることで、コンプレッサータービ
ンブレード３とシュラウド４の中間ダクト側部材４ｂと
の径方向間の隙間δ２の調節が可能とされている。その
各隙間δ１、δ２の調節により機関効率の向上が図られ
ている。

【００２６】そして、シュラウド４の中間ダクト側部材
４ｂと、中間ダクト７の外周壁７ａのシュラウド側部材
７ａ′とで、スクロール２の内周壁が構成されている。

【００２７】なお、本実施例では、スクロール２の外周
壁２ａと中間ダクト７の外周壁７ａのシュラウド側部材
７ａ′との間にリング状部材３０が介在され、このリン
グ状部材３０と中間ダクト７の出力タービンブレード側
部材７ａ′′との間にリング状の波状バネ３１が介在さ
れている。また、スクロール２の外周壁２ａは、そのリ
ング状部材３０に、鉛直方向に対し傾斜する環状の面２
ａ′を介し当接し、シュラウド４のコンプレッサーター
ビン側部材４ａに、鉛直面に対し傾斜する環状の面２
ａ′′を介し当接する。これにより、スクロール２の外
周壁２ａも出力タービン側ハウジング２４とコンプレッ
サータービン側ハウジング２３との間に挟まれる。

【００２８】上記構成によれば、コンプレッサー５０に
より圧縮された空気はガス燃焼機１の内部に供給され、
燃料噴射ノズルから噴射される燃料と混合され、プラグ
（図示省略）が火花を発生することで燃焼される。この
燃焼ガスがスクロール２に導入され、このスクロール２
から固定ノズル５の貫通孔５ａを通ってシュラウド４の
内部に導入され、コンプレッサータービンブレード３に
吹き付けられてローター５１を回転させる。このロータ
ー５１の回転力によりコンプレッサー５０が駆動され
る。このシュラウド４に導入された燃焼ガスは、中間ダ
クト７を通って出力タービンブレード６に吹き付けら
れ、出力タービンローター２５を回転させ、このロータ
ー２５の回転が出力として取り出される。その中間ダク
ト７から噴出される燃焼ガスの流量が可変ノズル８によ
り調節されることで出力調節が成される。

【００２９】そして、スクロール２の内周壁がシュラウ
ド４の中間ダクト側部材４ｂと中間ダクト７の外周壁７
ａとにより構成されることにより、高温の燃焼ガスにさ
らされるスクロール２の内周壁、シュラウド４の中間ダ
クト側部材４ｂおよび中間ダクト７の外周壁７ａは外気
にさらされることはなく、外気と燃焼ガスの温度差によ
る熱応力の作用を受けることはなく、亀裂が発生して破
損するのを防止できる。

【００３０】前記ガス燃焼器１の第１ライナー１２は、
セラミックス繊維製のカバー４０により覆われる。その
カバー４０は、第１ライナー１２を覆う以前においては
図３に示すように筒状とされ、第１ライナー１２に挿入
される。この挿入後に図４に示すように折り返されるこ
とで、カバー４０は第１ライナー１２を覆う。その折り
返し後に図５に示すように、一端の外周と他端の外周と
が縫い合わされることで、カバー４０は第１ライナー１
２から外れることはない。また、この固定後において前
記空気導入孔１４に対応する部分に開口４０ａが形成さ
れる。なお、セラミックス繊維としては、例えばＳｉ‐
Ｔｉ‐Ｃ‐Ｏ繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ長繊維で
あって、直径１０ミクロン前後のものを用いるのが好ま
しい。

【００３１】これにより、内部に飛び込んできた物体に
よる第１ライナー１２の破損や、第１ライナー１２と燃
焼器ノズルの保持部材１１との直接接触や第１ライナー
１２と第２ライナー１３との直接接触による破損が防止
される。また、第１ライナー１２が急激な熱変化により
破損しても、その破片が飛散することはないので、ター
ビン全体の損傷が防止される。さらに、カバー４０によ
り保護部材１５の開口１４からの脱落が防止される。な
お、第２ライナー１３をセラミックス製繊維により覆う
ようにしてもよい。

【００３２】図６は本発明の第２実施例を示す。上記実
施例との相違は、シュラウド４の中間ダクト側部材が、
スクロール側部材４ｂ１とブレード側部材４ｂ２とに分
割され、そのブレード側部材４ｂ２と中間ダクト７の外
周壁７ａとの軸方向間に熱膨張吸収用の隙間Ｓが形成さ
れている点にある。また、スクロール側部材４ｂ１は径
方向に沿う部分４ｂ１′と軸方向に沿う部分４ｂ１′′
とを有する形状とされ、同様にブレード側部材４ｂ２
は、径方向に沿う部分４ｂ２′と軸方向に沿う部分４ｂ
２′′とを有する形状とされている。

【００３３】これにより、シュラウド４の中間ダクト側
部材４ｂは、そのスクロール側部材４ｂ１が中間ダクト
７の外周壁７ａに当接し、弾性部材２６の弾性力を伝達
することができるので、シュラウド４と固定ノズル５と
中間ダクト７の外周壁７ａと支持部材９とを弾性部材２
６の弾性力によりコンプレッサータービン側ハウジング
２３に押し付けて保持することができる。そして、シュ
ラウド４の中間ダクト側部材４ｂのブレード側部材４ｂ
２は、中間ダクト７の外周壁７ａとの間に隙間Ｓが形成
されることで、軸方向に熱膨張しても中間ダクト７の外
周壁７ａに当接することはなく軸方向力の作用を受ける
ことはない。これにより、そのブレード側部材４ｂ２は
変形することはなく、コンプレッサータービンブレード
３と衝突することはないので、コンプレッサータービン
ブレード３の破損を防止することができる。

【００３４】他は上記実施例と同様で同一部分は同一符
号で示す。

【００３５】

【発明の効果】本発明によるセラミックスガスタービン
によれば、シュラウドの中間ダクト側部材と中間ダクト
の外周壁とスクロールの内周壁とは、外気にさらされる
ことがないため、熱応力により破損するのが防止され
る。

【００３６】また、シュラウドの中間ダクト側部材がス
クロール側部材とブレード側部材とに分割され、そのブ
レード側部材と中間ダクトの外周壁との軸方向間に、熱
膨張吸収用の隙間が形成されることで、コンプレッサー
タービンブレードがシュラウドの中間ダクト側部材に当
接して破損するのを防止できる。

【００３７】また、ガス燃焼器のライナーがセラミック
ス繊維製のカバーにより覆われることで、その破損を防
止することができると共に、たとえ破損しても破片が飛
散することはないためタービン全体に損傷を与えるのが
防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るセラミックスガスタービ
ンの要部の断面図

【図２】本発明の実施例に係る燃焼器のライナーの断面
図

【図３】本発明の実施例に係る燃焼器のライナーのカバ
ーの構成説明図

【図４】本発明の実施例に係る燃焼器のライナーのカバ
ーの構成説明図

【図５】本発明の実施例に係る燃焼器のライナーのカバ
ーの構成説明図

【図６】本発明の異なった実施例に係るセラミックスガ
スタービンの要部の断面図

【図７】従来例に係るセラミックスガスタービンの断面
図

【符号の説明】

１ ガス燃焼器 ２ スクロール ３ コンプレッサータービンブレード ４ シュラウド ５ 固定ノズル ６ 出力タービンブレード ７ 中間ダクト ８ 可変ノズル ９ 支持部材 １２ ライナー １６ シム ２６ 弾性部材 ４０ カバー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス燃焼器に接続されるセラミックス製
   の環状スクロールと、このスクロールの径方向内方に配
   置されると共にコンプレッサータービンブレードを覆う
   セラミックス製のシュラウドと、そのスクロールの内部
   とシュラウドの内部を連通する環状の固定ノズルと、そ
   のシュラウドから出力タービンブレードに燃焼ガスを導
   くセラミックス製の中間ダクトと、この中間ダクトの出
   口に周方向に沿って配置される複数の可変ノズルと、こ
   の可変ノズルを支持する環状のセラミックス製支持部材
   とを備え、そのシュラウドが環状のコンプレッサーター
   ビン側部材と環状の中間ダクト側部材とにより構成さ
   れ、そのコンプレッサータービン側部材と中間ダクト側
   部材との間に前記固定ノズルがシムを介し挟まれ、その
   シュラウドの中間ダクト側部材がコンプレッサータービ
   ンブレードに近接する径方向に沿う部分と軸方向に沿う
   部分とを有する形状とされ、そのシュラウドの中間ダク
   ト側部材と可変ノズルの支持部材との間に中間ダクトの
   外周壁が配置され、コンプレッサータービン側ハウジン
   グと出力タービン側ハウジングとの間に、シュラウドと
   固定ノズルと中間ダクトの外周壁と可変ノズルの支持部
   材とが弾性部材を介し挟まれているセラミックスガスタ
   ービンにおいて、前記シュラウドの中間ダクト側部材と
   中間ダクトの外周壁とによりスクロールの内周壁が構成
   されることを特徴とするセラミックスガスタービン。
2. 【請求項２】 シュラウドの中間ダクト側部材がスクロ
   ール側部材とブレード側部材とに分割され、そのブレー
   ド側部材と中間ダクトの外周壁との軸方向間に、熱膨張
   吸収用の隙間が設けられていることを特徴とする請求項
   １に記載のセラミックスガスタービン。
3. 【請求項３】 ガス燃焼器が燃料噴射ノズルを保持する
   セラミックス製の筒状保持部材と、この保持部材に連結
   される筒状のセラミックス製ライナーとを有し、そのラ
   イナーがセラミックス繊維製のカバーにより覆われてい
   ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセ
   ラミックスガスタービン。