JPH0571761B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ガスタービン静翼に関する。

従来の技術 ガスタービンの性能を向上させる効果的な方法
は、タービン入口ガス温度を上昇さあることにあ
り、そのために、超耐熱合金の開発および冷却方
式の研究が従来からなされているが、これらは現
状ではほぼ限界に達したとされており、近時で
は、耐熱性に優れ、かつ高強度および高靭性をも
つセラミツクスの利用という先端技術が採用され
つつある。

発明が解決しようとする課題 しかるに、該セラミツクスは、圧縮応力下では
強さを発揮するが、引張応力に対しては弱いとい
う欠陥があり、そのために、大形ガスタービンの
静翼に適用して良好な成果を得た例は未だ見当ら
ない。いま、前記のセラミツクが引張応力に弱い
理由を考察すると、セラミツクスの微細構造中の
瑕疵（欠陥）に応力が集中して、理論強度よりも
極端に低い応力で破壊することとなるからであ
る。したがつて、セラミツクスには、主に設計上
圧縮応力を分担させ、引張応力を金属部分に負荷
させる構造上の新技が業界の課題になつている。

本発明は、このような課題を解決するためにな
されたもので、セラミツクスおよび金属材を適所
に混用してガスタービンの性能を格段に向上させ
ることができるガスタービン静翼を提供すること
を目的とする。

課題を解決するための手段 上記の課題を解決するために、本発明は、ガス
タービン静翼において、内側金属製シユラウドと
一体の金属製芯金と、この芯金に対し間〓を設け
た状態で挿入され、翼部内側および外側セラミツ
クス製シユラウドと一体のセラミツクス製翼部と
を、前記金属製芯金に嵌め合わせた外側金属製シ
ユラウドおよび前記金属製芯金の先端に設けられ
たＴ字状の溝に嵌めたＴ形根部を有する止め金具
で固定したものである。

作 用 上記の手段によれば、セラミツクス部分すなわ
ちセラミツクス製の翼部およびその翼部内外側シ
ユラウドと金属製芯金との間〓に空気が停滞して
空気層が形成され、その断熱効果のためにセラミ
ツクス部分の温度が均一になつて熱応力の発生を
防ぐとともに、金属製芯金の温度の上昇を低減さ
せ、さらに金属部分すなわち金属製の芯金および
内外側シユラウドが一体の剛性部品を構成して各
種外力の大部分を負担するのでセラミツクス部分
の引張応力が減少にさせられる。

また、Ｔ字状溝のひつかかり部を止め金具にて
締めあげることで金属部分を強固に固定しながら
セラミツクス部分には過度の締め付け力を与えな
いことができる。そして、金属製の芯金と外側シ
ユラウドとは嵌め合い構造とされているので、組
合せにおいて十分な強度が与えられ、この部分で
ガス流体より受ける力を十分に支えることができ
る。

実施例 以下、図面を参照して本発明の実施例について
詳細に説明する。

まず、本発明の第１実施例について説明すれ
ば、第１，２，３および４図において、金属部分
は、内側シユラウド１、この内側シユラウド１に
個所ａで全周にわたつて隅肉溶接された芯金２、
および外側シユラウド５の部分である。そして、
芯金２の頂部にはＴ字状の溝ｂを配設してあり、
該溝ｂ内に止め金具３のＴ形根部ｃを挿入させる
とともに、そのねじ部３ａに上部から外側シユラ
ウド５の頂部孔を嵌入させ、該ねじ部３ａに回り
止め金具１０を介装してナツト４を緊締させるこ
とによつて、芯金２と外側シユラウド５とが一体
構造になつている。

一方、セラミツクス部分は、翼部内側シユラウ
ド６、翼部７および翼部外側シユラウド８の部分
であり、これらは一体に成形し、あるいは翼部７
に翼部内外側シユラウド６，８を接着させて成形
してもよい。このセラミツクス部分の翼部７を前
記金属部分の芯金２に上方から挿嵌し、さらに金
属部分の外側シユラウド５を挿入して止め金具３
にナツト４を締結させると、セラミツクス部分
６，７，８が金属部分の内外側シユラウド１，５
間に挟まれて固定されて、ガスタービン静翼が形
成されることになる。

なお、外側シユラウド５にはＴ字状溝が、第２
および３図において、ほぼ翼弦方向に直交して配
設してあり、芯金２のＴ字状溝ｂに止め金具３の
Ｔ形根部ｃを嵌入させてナツト４を緊締させるこ
とによつて、芯金２の係止部ｄを介して静翼の構
成部品が所定の面圧の下で組立てられる。

また、外側シユラウド５には第２図に示す空間
部ｅを配設してあり、この空間部ｅは止め金具３
を芯金２のＴ字状溝ｂ内に挿入するときに使用さ
れる。

さらに、外側シユラウド５と芯金２との間の相
対位置は第３図に示す面部ｆの嵌合、また金属部
分とセラミツクス部分との間の相対位置は第１図
に示す円周方向側面ｇおよびｈによつて夫々決定
され、該面は運転中もセラミツクス製の翼部７に
負荷される軸方向推力によつて密着する。

また、セラミツクス部分すなわちセラミツクス
製の翼部７および翼部内外側シユラウド６，８と
金属製の芯部２との間には、特に第４図に詳細に
示すように、間〓ｉが芯金全周にわたつて設けら
れている。そして、この間〓ｉに空気が停滞して
空気層が形成され、その断熱効果のためにセラミ
ツクス部品６，７，８の温度が均一になつて熱応
力の発生を防ぐとともに、金属製芯金２の温度の
上昇を低減させる。

さらに、金属部分すなわち金属製の芯金２およ
び内外側シユラウド１，５が一体の剛性部品を構
成して各種外力の大部分を負担するので、セラミ
ツクス部分の引張応力が極少にさせられる。

したがつて、本実施例によれば、セラミツクス
の欠点とされる引張応力および脆弱性破壊の問題
を解決することができ、よつてガスタービン入口
ガス温度を上昇させることができて熱効率の向上
を実現させられる。

また、Ｔ字状溝ｂのひつかかり部を止め金具３
にて締めあげることで金属部分を強固に固定しな
がら、セラミツクス部分には角の締め付け力を与
えないことができる。そして、金属製の芯金２と
外側シユラウド５とは嵌め合い構造とされている
ので、組合せにおいて十分な強度が与えられ、こ
の部分でガス流体より受ける力を十分に支えるこ
とができる。

さらに、翼部内側シユラウド６、翼部７および
翼部外側のシユラウド８が一体のセラミツクス静
翼となつているので、構造が簡単で一番望ましい
形となる。したがつて、本実施例は小型翼および
熱応力的に厳しくない箇所、ガス濃度の比較的低
い箇所、並びにSi₃N₄材等に有効である。

次に、本発明の第２実施例について説明する
と、第５，６および７図において、第１図に示し
たセラミツクス部分の翼部内側シユラウド６、翼
部７および翼部外側のシユラウド８を夫々別々に
セラミツクス成形品で製作し、翼部外側シユラウ
ド８には第６図に示すように翼プロフイルｐ−１
形状をもつた深さｓ（第５図）の窪みを設け、ま
た翼部内側シユラウド６には第７図に示すように
翼プロフイルＰ−２形状をもつた深さｓ（第５図）
の窪みを設け、これら翼部内外側シユラウド６，
８を翼部７に組付けてから、前述第１実施例同様
に組立てを行なうもので、その効果はまた同様で
あるが、一体成形によるものに比較すると製作が
容易となる利点がある。またこれは、大型翼およ
び熱応力的に厳しい箇所、並びにSiC材等への適
用に有利である。

次に、本発明の第３実施例について説明する
と、第８，９および１０図に示すように、金属部
分の内外側シユラウド１および５の夫々とセラミ
ツクス部分の翼部内外側シユラウド６および８の
夫々との間に、それれ緩衝材１１および１２を介
装したもので、これら緩衝材１１，１２の平面形
状は夫々第９および１０図において格子状ハツチ
ングによつて例示してある。

したがつて、この第３実施例によれば、前述し
た第１および２実施例による効果に加えて、セラ
ミツクス部材の熱応力および金属部分から伝達さ
れる振動をともなつた外力を緩衝材により除去す
る効果があるから、極めて高信頼性のセラミツク
スを使用したガスタービン静翼が得られる。

また、緩衝材の弾性変形を利用することにより
セラミツクス部材を固定する方法として過度な締
め付けを防止でき、さらに緩衝材に断熱材として
の目的をもたせ遮熱を行い、かつセラミツクスの
固定は広い面にて行うため、セラミツクスの破損
する恐れを少なくすることができる。

最後に、本発明の第４実施例について説明する
と、第１１，１２，１３および１４図において、
芯金２の内部にほぼ等ピツチに複数の空気孔ｔを
上下方向に貫設させ、その両外側の該空気孔ｔを
外側シユラウド５に貫設させてある空気孔ｕに連
通させるとともに、内側の空気孔ｔは芯金２の頂
部に配設してあるＴ字状溝ｂ内に開口させ、また
該芯金２の底部には翼外に連通する空気穴集合溝
ｖを削設させて前記空気孔ｔを該溝ｖ内に開口さ
せたものである。

そして、外側シユラウド５の空気孔ｕおよびＴ
字状溝ｂに例えば軸流圧縮機の吐出空気あるいは
冷却処理した該吐出空気を供給し、それから芯金
２の各空気孔ｔを通過させて空気穴集合溝ｖから
排出することにより、金属製の芯金２は冷却され
るので、該芯金２の熱膨張が低減させられてセラ
ミツクス部材の熱膨張量を下回ることになり、前
記金属およびセラミツクス両部材間接合面の間〓
が増すことがなくなるから、該間〓内に挿設させ
た緩衝材１１，１２が緩衝機能を失うことがなく
なる上に、止め金具３のねじ部の焼付きが防止さ
れ、さらに内側シユラウド１に突設させてある翼
支持部９をも冷却することになり、信頼性が格段
に向上する。

発明の効果 上述したように、本発明によれば、ガスタービ
ン静翼において、内側金属製シユラウドと一体の
金属製芯金と、この芯金に対し間〓を設けた状態
で挿入され、翼部内側および外側セラミツクス製
シユラウドと一体のセラミツクス製翼部とを、前
記金属製芯金に嵌め合わせた外側金属製シユラウ
ドおよび前記金属製芯金の先端に設けられたＴ字
状の溝に嵌めたＴ形根部を有する止め金具で固定
した構成としたことにより、セラミツクス部分す
なわちセラミツクス製の翼部およびその翼部内外
側シユラウドと金属製芯金との間〓に空気が停滞
して空気層が形成され、その断熱効果のためにセ
ラミツクス部分の温度が均一になつて熱応力の発
生を防ぐとともに、金属製芯金の温度の上昇を低
減させ、さらに金属部分すなわち金属製の芯金お
よび内外側シユラウドが一体の剛性部品を構成し
て各種外力の大部分を負担するのでセラミツクス
部分の引張応力が減少にさせられ、したがつてセ
ラミツクスの欠点とされる引張応力および脆弱性
破壊の問題を解決することができ、よつてガスタ
ービン入口ガス温度を上昇させることができて熱
効率の向上を実現させることができる。

また、Ｔ字状溝のひつかかり部を止め金具にて
締めあげることで金属部分を強固に固定しながら
セラミツクス部分には過度の締め付け力を与えな
いことができ、かつ金属製の芯金と外側シユラウ
ドとを嵌め合い構造として、組合せにおいて十分
な強度を与え、この部分でガス流体より受ける力
を十分に支えることができるので、ガスタービン
の信頼性を向上させることができる。

さらに、セラミツクス部材による部品を組立自
在に分割構成させて製作を容易にさせ、またセラ
ミツクスおよび金属両部材間に緩衝材を介装して
信頼性を一層高め、また金属部分に冷却用空気孔
を穿設してセラミツクス部材間との熱膨張差を低
減させさらに信頼性を向上させるなどによつて、
ガスタービン性能を大幅に増大できるから、その
産業上の利用価値は多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す要部の縦断
側面図、第２図は第１図の−線断面図、第３
図は第２図の−線断面図、第４図は第１図の
−線断面図、第５図は本発明の第２実施例に
係るセラミツクス部材の側面図、第６および７図
はそれぞれ第５図のＺ−ＺおよびＹ−Ｙ線矢視
図、第８図は本発明の第３実施例を示す要部の縦
断側面図、第９および１０図はそれぞれ第８図の
Ａ−ＡおよびＢ−Ｂ線断面図、第１１図は本発明
の第４実施例を示す要部の縦断側面図、第１２図
は第１１図のＣ−Ｃ線断面図、第１３図は第１２
図のＤ−Ｄ線断面図、第１４図は第１１図のＥ−
Ｅ線断面図である。 １……内側シユラウド、２……芯金、３……止
め金具、５……外側シユラウド、６……翼部内側
シユラウド、７……翼部、８……翼部外側シユラ
ウド、１１，１２……緩衝材、ｂ……Ｔ字状溝、
ｉ……間〓、ｔ……空気孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内側金属製シユラウドと一体の金属製芯金
   と、この芯金に対し間〓を設けた状態で挿入さ
   れ、翼部内側および外側セラミツクス製シユラウ
   ドと一体のセラミツクス製翼部とを、前記金属製
   芯金に嵌め合わせた外側金属製シユラウドおよび
   前記金属製芯金の先端に設けられたＴ字状の溝に
   嵌めたＴ形根部を有する止め金具で固定したこと
   を特徴とするガスタービン静翼。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のガスタービン静
   翼において、前記翼部内側、外側セラミツクス製
   シユラウドと前記セラミツクス製翼部とがそれぞ
   れ独立であることを特徴とするガスタービン静
   翼。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のガスタービン静
   翼において、前記翼部内側セラミツクス製シユラ
   ウドと前記内側金属製シユラウドとの間と、前記
   翼部外側セラミツクス製シユラウドと前記外側金
   属製シユラウドとの間に、それぞれ緩衝材を介装
   したことを特徴とするガスタービン静翼。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のガスタービン静
   翼において、前記金属製芯金に冷却用空気孔を穿
   設したことを特徴とするガスタービン静翼。