JPH0711905A - ハイブリッドセラミック静翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ハイブリッドセラミック静翼に求められる機能
を保持しつつ、より簡単な構造で信頼性を低下させるこ
となく、製造コストを可及的に抑える。 【構成】金属製の外側シュラウド１および内側シュラウ
ド４と、芯金２の外周部に装着され両シュラウド１，４
間に保持されるセラミックス製の翼形スリーブ３と、こ
の翼形スリーブ３と外側シュラウド１との間に介装され
るスペーサ７とを具備し、両シュラウド１，４の窪み部
内面およびスペーサ７の下面に、組成が金属から遮熱材
へ徐々に変化する傾斜機能材層１５および遮熱材層のい
ずれか一方を形成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービン静翼に係
り、特にセラミックス部材，耐熱合金部材および傾斜機
能部材を適所に採用したハイブリッドセラミック静翼に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ガスタービンの高効率化を図る
ためには、タービン入口温度を高温化することが有効で
あるため、従来から耐熱合金材料の開発と冷却方式の改
良が行われてきた。

【０００３】ところが、現在タービン入口温度は約１３
００℃に到達する一方、タービン高温部に使用される耐
熱合金材料の使用限界温度は８００〜９００℃程度のた
め、翼等の高温部材のメタル温度を多量の冷却空気によ
り使用限界温度まで低下させるように設計される。通
常、冷却空気は圧縮機の吐出空気または抽気エアーを用
いるので、さらなる高温化のための冷却空気量の増加は
逆に効率低下を招くことになる。

【０００４】そこで、金属材料よりも優れた耐熱性を有
するセラミックス材料を採用することにより、高温部材
の無冷却化あるいは冷却空気量が大幅に削減されてより
高温化、高効率化が実現される。

【０００５】しかしながら、現状のセラミックス材料
は、耐熱合金材料に比べて強度的に劣り、単体では構造
部材として成立しない。このため、高温かつ圧縮応力部
にセラミックス部材を適用し、引張応力部に耐熱合金部
材を適用した種々のハイブリット構造の静翼が提案され
ている。

【０００６】図８は本出願人による特願平３−１８６９
３号のハイブリッドセラミック静翼を示す。このハイブ
リッドセラミック静翼は、金属製芯金２と、この芯金２
の両端に配置される金属製の外側シュラウド１および内
側シュラウド４と、芯金２の外周部に装着され外側シュ
ラウド１と内側シュラウド４との間に保持されるセラミ
ックス製翼形スリーブ３とからなる組立構造である。

【０００７】また、ハイブリッドセラミック静翼は、セ
ラミックス材料と耐熱合金材料との間の熱膨張率および
使用部位の温度条件の相違によって発生する熱伸び差を
吸収するため、外側シュラウド１に翼形スリーブ３を常
に内側シュラウド４側へ押圧するスプリング８，スプリ
ングピン９，スプリング押えプラグ１０，スプリングホ
ルダ１１から構成されるばね機構と、セラミックス材料
と耐熱合金材料との間の温度差によってセラミックス材
料側に発生する過大な熱応力を緩和するために翼形スリ
ーブ３の両端に介装される断熱材１８と、およびこの断
熱材１８への集中荷重による破壊を防止するための金属
押え板１９とを具備するものである。

【０００８】そして、上記ばね機構により翼形スリーブ
３と断熱材１８との間のシール性が良好に保持されるの
で、芯金２と翼形スリーブ３との間の空気層に高温の作
動ガスが流入することにより、芯金２のメタル温度の上
昇は防止される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、特願平３−
１８６９３号に示された従来例では、ハイブリッドセラ
ミック静翼に求められる機能は一応満足されているもの
の、既存の耐熱合金製冷却翼に比べると、構造が複雑で
部品点数もかなり増加するため、性能向上の反面、コス
トアップと総合的な観点からの信頼性の低下が生じる。

【００１０】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、ハイブリッドセラミック静翼に求められる機能
を保持しつつ、より簡単な構造で信頼性を低下させるこ
となく、製造コストを可及的に抑えたハイブリッドセラ
ミック静翼を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
するため、本発明に係るハイブリッドセラミック静翼の
請求項１は、金属製の芯金と、この芯金の両端部にそれ
ぞれ配置される金属製の外側シュラウドおよび内側シュ
ラウドと、前記芯金の外周部に装着され前記両シュラウ
ド間に保持されるセラミックス製の翼形スリーブと、こ
の翼形スリーブと前記外側シュラウドとの間に介装され
るスペーサと、このスペーサを前記翼形スリーブ側に押
圧するばね部材とを具備し、前記両シュラウドの窪み部
内面および前記スペーサの下面に、組成が金属から遮熱
材へ徐々に変化する傾斜機能材層および遮熱材層のいず
れか一方を形成したものである。

【００１２】また、請求項２は金属製の芯金と、この芯
金の両端部にそれぞれ配置される金属製の外側シュラウ
ドおよび内側シュラウドと、前記芯金の外周部に装着さ
れ前記両シュラウド間に保持されるセラミックス製の翼
形スリーブと、この翼形スリーブと前記外側シュラウド
との間に介装されるスペーサと、このスペーサを前記翼
形スリーブ側に押圧するばね部材とを具備し、このばね
部材は、前記スペーサと前記外側シュラウドおよび内側
シュラウドのいずれか一方との間に介装され、熱膨張係
数が徐々に変化する傾斜機能材料で構成したものであ
る。

【００１３】

【作用】本発明に係るハイブリッドセラミック静翼の請
求項１においては、外側シュラウドおよび内側シュラウ
ドの窪み部内面とスペーサの下面に、熱伝導率が小さ
く、遮熱性の高い傾斜機能材層および遮熱材層のいずれ
か一方を形成したことにより、翼形スリーブを直接接触
させても翼形スリーブ側の接触面における熱応力の発生
が防止され、断熱材は不要になる。

【００１４】また、請求項２においては、ばね部材を熱
膨張係数の異なる材料を組み合わせた傾斜機能材料で構
成して部材自身の熱変形を利用するため、小型で構造が
簡素化され、高温部に好適である。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係るハイブリッドセラミック
静翼の第１実施例を図面を参照して説明する。

【００１６】図３および図４は、本発明に係るハイブリ
ッドセラミック静翼の一例として、１セグメント２枚綴
りのガスタービンハイブリッドセラミック静翼を示すも
のであり、図１は図４のＢ−Ｂ線断面図を、図２は図１
のＡ−Ａ線断面図を示す。なお、従来の構成と同一また
は対応する部分には図８と同一の符号を用いて説明す
る。

【００１７】このハイブリッドセラミック静翼は、図１
に示すように、耐熱合金製の外側シュラウド（ノズルダ
イアフラム外輪）１と一体成形される芯金２を備えてお
り、この芯金２の外周部には、図１、図２および図３に
示すように、セラミックス製の翼形スリーブ３が装着さ
れ、この翼形スリーブ３は芯金２と接触しないように外
側シュラウド１と内側シュラウド（ノズルダイアフラム
内輪）４との間で保持されるようになっている。

【００１８】内側シュラウド４は、外側シュラウド１と
同様に耐熱合金製であり、この内側シュラウド４は、図
１に示すように、芯金２の先端部が内側シュラウド４の
窪み部に嵌合されるとともに、その先端部に形成された
ねじ部２ａにナット５およびロックナット６を装着して
締め付けることにより、芯金２の内端に一体に連結固定
されるようになっている。

【００１９】また、図１に示すように内側シュラウド４
の窪み部内面および上面（ガス通路側）には、溶射によ
って傾斜機能材層１５が形成され、図８に示すような断
熱材１８および押え板１９を無くして傾斜機能材層１５
を翼形スリーブ３と直接接触させる。

【００２０】これは、内側シュラウド４の窪み部内面お
よび上面の翼形スリーブ３と直接接触させる面を遮熱材
に近い組成とすることにより、翼形スリーブ３の接触面
における過大な熱応力の発生を抑えることができる。

【００２１】他方、外側シュラウド１と翼形スリーブ３
との間には、翼形スリーブ３の押圧面に溶射により傾斜
機能材層１５を形成したスペーサとしての押え板７を介
装し、内側シュラウド４の窪み部内面および下面（ガス
通路側）に溶射により傾斜機能材層１５を形成して、そ
れぞれ翼形スリーブ３と直接接触可能とする。

【００２２】ここで、傾斜機能材とは組成を金属から遮
熱材へ徐々に変化させるものであり、つまり合金と遮熱
材とを複合化して組成を徐々に変化させることで、熱伝
導率が小さく、遮熱性を高くしたものである。

【００２３】外側シュラウド１の押え板７の上面側に
は、図１、図３および図４に示すように、ばね機構を構
成するスプリングホルダ１１が各翼形スリーブ３に対し
２個ずつ設けられ、このスプリングホルダ１１内には、
スプリングピン９を介し押え板７を翼形スリーブ３側に
押圧するコイルスプリング８が配置され、このコイルス
プリング８のばね力は、スプリングホルダ１１の外端に
螺装されるスプリング押えプラグ１０を調節することに
より調整されるようになっている。

【００２４】このスプリング押えプラグ１０には、図１
および図４に示すように、スプリングホルダ１１内のコ
イルスプリング８のばね力が過熱により弱まるのを防止
するため、プラグ冷却孔１２が穿設されており、このプ
ラグ冷却孔１２を介してスプリングホルダ１１内に冷却
空気を導入できるようになっている。

【００２５】なお、図１および図３において、符号１３
はノズル内輪であり、図２および図４において、符号１
４は外側シュラウド１および芯金２に設けられた芯金冷
却孔である。

【００２６】次に、本実施例の作用について説明する。

【００２７】耐熱合金製の芯金２とセラミックス製の翼
形スリーブ３との半径方向の熱伸び差は、ガスタービン
運転中のホット時に最大となり、この時コイルスプリン
グ８のばね長は最大となる。したがって、この時に翼形
スリーブ３と外側シュラウド１の窪み部および翼形スリ
ーブ３と押え板７のそれぞれの間のシール性が適正に保
たれるばね力が得られるように、予めスプリング押えプ
ラグ１０を調節してコイルスプリング８に最適な予荷重
をかけておくことにより、コールド時およびホット時を
通じて翼形スリーブ３と外側シュラウド１の窪み部およ
び翼形スリーブ３と押え板７のそれぞれの間のシール性
が確保される。

【００２８】この時、芯金２と翼形スリーブ３との間に
最適の厚さで形成された空気層は、断熱層として作用す
るため、翼形スリーブ３の内外面間の温度差が最小とな
り、発生する定常熱応力を極力小さく抑えることができ
るとともに、芯金２に要する冷却空気量を耐熱合金製冷
却翼に要するよりも低減させ、ガスタービンの効率向上
に寄与することができる。

【００２９】また、翼形スリーブ３は、押え板７を介し
て常時コイルスプリング８により機械的圧縮力が掛かっ
た状態に保たれるので、セラミックス部材の弱点である
引張応力場の問題を回避することができる。

【００３０】しかして、本実施例によれば、外側シュラ
ウド１と内側シュラウド４の窪み部内面、および押え板
７の下面に、翼形スリーブ３側に熱伝導率が小さく、遮
熱性の高い傾斜機能材層１５を溶射により形成したこと
により、両者を直接接触させても翼形スリーブ３側の接
触面における熱応力の発生が防止され、図８に示す断熱
材１８を使用しなても同様の効果が得られる。この断熱
材１８は比較的損傷の可能性が高く、万一破損した場合
翼形スリーブ３に重大な影響を及ぼすことを考慮する
と、本実施例ではより簡単な構造で信頼性を高めること
ができる。

【００３１】なお、本実施例では外側シュラウド１と内
側シュラウド４の窪み部内面、および押え板７の下面
に、傾斜機能材層１５を溶射して形成したが、これ以外
にセラミックス系材料とその複合材料からなる遮熱材層
を溶射により形成しても同様の効果が得られる。

【００３２】図５、図６および図７は本発明の第２実施
例を示すもので、前記第１実施例と同一の部分には同一
の符号を付して説明する。

【００３３】この第２実施例では、第１実施例における
ばね機構、すなわちコイルスプリング８、スプリングピ
ン９、スプリング押えプラグ１０、およびスプリングホ
ルダ１１に代えて、図５に示すように傾斜機能材スプリ
ング１６を押え板７とともに翼形スリーブ３と外側シュ
ラウド１との間に介装したものである。

【００３４】この傾斜機能材スプリング１６は、図６に
示すように棒状または円弧状を成し、熱膨張係数が徐々
に変化する傾斜機能材料で成形され、また図７に示すよ
うに、押え板７側に高熱膨張係数組成材面１６ａ、外側
シュラウド１側に低熱膨張係数組成材面１６ｂを配して
熱膨張係数が異なるようにし、両面の温度差により破線
で示す温度上昇前形状から実線で示す温度上昇後形状へ
の熱変形を利用したばね部材である。

【００３５】しかして、本実施例によれば、第１実施例
のばね機構に代えて傾斜機能材スプリング１６を介装し
たので、外側シュラウド１周りの構造が簡略化されて製
作が容易となり、前記第１実施例における組立後のスプ
リング押えプラグ１０のねじ込みによるコイルスプリン
グ８のばね力の調整作業が省略される。

【００３６】なお、その他の点については、前記第１実
施例と同一構成となっており、作用も同一である。

【００３７】なお、本実施例では傾斜機能材スプリング
１６および押え板７を翼形スリーブ３と外側シュラウド
１との間に介装する場合について説明したが、上下を逆
にして翼形スリーブ３側に押え板７、内側シュラウド４
側に傾斜機能材スプリング１６を配置しても第２実施例
と同様の効果が得られる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
よれば、外側シュラウドおよび内側シュラウドの窪み部
内面とスペーサの下面に、傾斜機能材層および遮熱材層
のいずれか一方を形成したことにより、翼形スリーブを
直接接触させても翼形スリーブ側の接触面における熱応
力の発生が防止され、その結果セラミックス製静翼にお
ける過大な熱応力の発生による静翼の破損が回避され、
高ガス温度化、低冷却空気量化による高効率ガスタービ
ンに加え、より単純に構造で信頼性の高いハイブリッド
セラミック静翼を提供することができる。

【００３９】また、請求項２によれば、ばね部材を熱膨
張係数の異なる材料を組み合わせた傾斜機能材料で構成
して部材自身の熱変形を利用するため、外側シュラウド
または内側シュラウド周りの構造が簡略化されて製作が
容易となり、高温部に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るハイブリッドセラミック静翼の第
１実施例を示すもので、図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】１セグメント２枚綴りのガスタービンハイブリ
ッドセラミック静翼をガス流入方向から見た全体正面
図。

【図４】図３の平面図。

【図５】本発明の第２実施例を示すハイブリッドセラミ
ック静翼の要部断面図。

【図６】図５のＣ−Ｃ線断面図。

【図７】傾斜機能材スプリングの熱変形を示す説明図。

【図８】従来のハイブリッドセラミック静翼を示す要部
断面図。

【符号の説明】

１ 外側シュラウド ２ 芯金 ３ 翼形スリーブ ４ 内側シュラウド ７ 押え板（スペーサ） ８ スプリング ９ スプリングピン １０ スプリング押えプラグ １１ スプリングホルダ １５ 傾斜機能材層 １６ 傾斜機能材スプリング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製の芯金と、この芯金の両端部にそ
   れぞれ配置される金属製の外側シュラウドおよび内側シ
   ュラウドと、前記芯金の外周部に装着され前記両シュラ
   ウド間に保持されるセラミックス製の翼形スリーブと、
   この翼形スリーブと前記外側シュラウドとの間に介装さ
   れるスペーサと、このスペーサを前記翼形スリーブ側に
   押圧するばね部材とを具備し、前記両シュラウドの窪み
   部内面および前記スペーサの下面に、組成が金属から遮
   熱材へ徐々に変化する傾斜機能材層および遮熱材層のい
   ずれか一方を形成したことを特徴とするハイブリッドセ
   ラミック静翼。
2. 【請求項２】 金属製の芯金と、この芯金の両端部にそ
   れぞれ配置される金属製の外側シュラウドおよび内側シ
   ュラウドと、前記芯金の外周部に装着され前記両シュラ
   ウド間に保持されるセラミックス製の翼形スリーブと、
   この翼形スリーブと前記外側シュラウドとの間に介装さ
   れるスペーサと、このスペーサを前記翼形スリーブ側に
   押圧するばね部材とを具備し、このばね部材は、前記ス
   ペーサと前記外側シュラウドおよび内側シュラウドのい
   ずれか一方との間に介装され、熱膨張係数が徐々に変化
   する傾斜機能材料で構成したことを特徴とするハイブリ
   ッドセラミック静翼。