JPH07189607A - ガスタービン用高温通路部構成品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】複雑形状故に従来製造困難とされていた部品の
製造を容易に行なえ、組立結合部の減少を図るととも
に、部品点数の減少、組立結合部からの冷却空気漏洩減
少により効率向上を図る。 【構成】セラミック繊維を素材として構成された内エン
ドウォール１２用のプリフォーム、外エンドウォール１
３用のプリフォームおよび静翼有効部１４用のプリフォ
ームと、これらを接合部位にて連結するセラミック繊維
からなる連結体２６と、この連結体によって連結された
各プリフォームに含浸固化したセラミックマトリックス
とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンの燃焼ガ
スが流動する通路部を構成する静翼，動翼，防熱セグメ
ント等のガスタービン用高温通路部構成品に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高効率の発電システムとして、例
えばコンバインドサイクル発電システムが、更なる高効
率化の手段として注目され、タービン入口温度の高温化
が図られている。これに伴い、耐熱材料の開発が進めら
れているが、現状の耐熱金属製部品と冷却技術との組合
せでは高温化のために逆に効率の低下を招くことが指摘
され、耐熱素材としてセラミックスの適用が検討されて
いる。

【０００３】しかし、セラミックスは金属材料に比べて
耐熱特性に優れているものの、破壊靭性値が低く、破壊
が急激に進展するため、外部からの異物の衝突による破
壊が致命的欠点となっている。

【０００４】そこで、このような欠点を補う材料とし
て、従来ではマトリックス（母相）となるセラミック材
料にセラミック繊維を混入したり、セラミック繊維を織
物状として積層したり、または編目状としてプリフォー
ム（予後成形体）をつくり、これにマトリックスとなる
セラミックスを含浸させて焼結した繊維強化セラミック
材料が注目されている。

【０００５】図１２は一般的なガスタービンの主要構成
部を示す断面図であり、本発明で対象とする高温通路部
構成品とは、静翼１，動翼２，防熱セグメント３等を指
している。

【０００６】図１３は、従来の代表的なセラミックス一
体型の静翼４を示す斜視図であり、図示の如く、この静
翼４は内エンドウォール部５，外エンドウォール部６お
よび静翼有効部７がセラミックス単体の焼結により全て
一体として構成され、前述したように信頼性に欠ける点
がネックとなっている。

【０００７】これに対し、繊維強化セラミック材料で全
体を構成すれば高信頼性が得られるが、この場合にはプ
リフォームの形成が極めて困難で、製作手間やコストが
多くかかる等の難点がある。

【０００８】そこで例えば図１４に示すように、ロータ
への植込み部８および芯金部９を金属材料で構成し、芯
金部９に繊維強化セラミック材料製のスリーブ１０を被
嵌させたハイブリッド型動翼１１が開発され、これによ
り両材料の特性を有効に発揮することが可能となってい
る。

【０００９】同様に静翼についても、図１５に示すよう
に、内エンドウォール部１２，外エンドウォール部１３
および芯金部１４を金属材料で構成し、芯金部１４に繊
維強化セラミック材料製のスリーブ１５を被嵌させたハ
イブリッド型静翼１６が開発されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらのハイ
ブリッド型の動翼１１および静翼１６では、繊維強化セ
ラミック材料製のスリーブ１０，１５をそれぞれ一体に
形成しているため、これらを被嵌する芯金部９，１４を
予め径方向で分断した構成としておき、後に接合部１
７，１８として拡散接合等により融合させる必要があ
り、製作が大掛りで面倒となる問題があった。

【００１１】一方、繊維強化セラミック材料では一般
に、プリフォームの形成が難しく、複雑かつ大形なター
ビン部品製作への適用が困難であった。

【００１２】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、ガスタービン用高温通路部構成品
について、（１）複雑形状故に従来製造困難とされてい
た部品の製造を容易に行なえるようにすること、（２）
２枚以上の翼を一体化したセグメント構造を可能として
組立結合部の減少を図るとともに、部品点数の減少、組
立結合部からの冷却空気漏洩減少により効率向上を図る
こと、（３）ハイブリッド型タービン翼の場合、芯金部
分の拡散接合を不要化し、工程短縮，設備縮小に寄与す
るとともに、万一セラミックスリーブによる翼有効部が
破損しても容易に再製，交換ができるようにすること、
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本願の発明は以下のように構成される。すなわち
請求項１の発明は、ガスタービンの燃焼ガスが流動する
通路部を構成する動的または静的部品としてのガスター
ビン用高温通路部構成品において、当該部品は、セラミ
ック繊維を素材として組立て可能に分割成形された２以
上のプリフォームと、このプリフォームを相互に連結す
るセラミック繊維からなる連結体と、この連結体によっ
て連結された前記各プリフォームに含浸固化したセラミ
ックマトリックスとからなることを特徴とする。

【００１４】請求項２の発明は、セラミック繊維を素材
として構成された内エンドウォール用プリフォーム、外
エンドウォール用プリフォームおよび静翼有効部用プリ
フォームと、これらを接合部位にて連結するセラミック
繊維からなる連結体と、この連結体によって連結された
前記各プリフォームに含浸固化したセラミックマトリッ
クスとからなることを特徴とする。

【００１５】請求項３の発明は、金属製の対ロータ植込
み部および芯金部と、この芯金部に被嵌されて動翼有効
部となるセラミックスリーブとを備えたガスタービン用
ハイブリッド型動翼において、前記セラミックスリーブ
を、動翼前半部用プリフォームと、動翼後半部用プリフ
ォームと、これらを互いに連結するセラミック繊維から
なる連結体と、この連結体によって連結された前記各プ
リフォームに含浸固化したセラミックマトリックスとか
らなることを特徴とする。

【００１６】請求項４の発明は、ガスタービンの燃焼ガ
スが流動する通路部の外周側に配設される防熱セグメン
トであって、セラミック繊維を素材として構成された本
体用プリフォームおよび防熱リブ用プリフォームと、こ
れらを接合部位にて連結するセラミック繊維からなる連
結体と、この連結体によって連結された前記各プリフォ
ームに含浸固化したセラミックマトリックスとからなる
ことを特徴とする。

【００１７】

【作用】請求項１〜４の発明によれば、ガスタービン高
温通路部構成品のように複雑な形状で従来製造不可能と
されていた部品の製造が可能となる。

【００１８】また、ガスタービン高温通路部構成品、特
に静翼は通常円環状に組合されるが、従来方法では単独
翼形状にしかできなかったセラミック静翼が、２枚以上
の翼を結合して金属製翼のようなセグメント（分割）構
造とすることが可能となり、従来の組立結合部の減少に
より部品点数の削減、組立結合部からの冷却空気の漏洩
減少による効率向上に寄与することができる。

【００１９】さらに、金属とセラミックスとを組合せた
ハイブリッド型動翼では、組立工程で金属の拡散接合技
術を使用していたが、本発明によれば、その必要がなく
なり工程短縮、設備縮小にも寄与することができる。

【００２０】同様のことがハイブリッド型静翼の場合に
も当てはまり、組立構造を省略することができる。

【００２１】さらに、万一セラミックス翼のみが破損し
た場合にも、本発明によれば新製品の場合と同様に、分
割されたセラミックス翼を組立・焼結することができる
ので容易に再製および交換が可能である。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２３】実施例１（図１〜図５） 本実施例は２枚の翼有効部を持つガスタービン静翼の全
体をセラミックスによって構成したものである。

【００２４】即ち、本実施例のセラミック静翼１１は、
図１に示すように、各１枚の内エンドウォール１２およ
び外エンドウォール１３と、一対の翼有効部１４とから
構成されている。これらの各部１２，１３，１４は図２
〜図４に示すように、予めそれぞれ個別部品として成形
され、後に組立てられ図５に示すように、一体に結合さ
れている。

【００２５】内エンドウォール１２は図２に示すよう
に、中央部に翼有効部１４を嵌合するための凹部１５お
よび結合用のセラミック繊維を挿通するための孔１６を
有し、タービン通路部内径の曲率に沿った板状をなして
いる。この内エンドウォール１２は、セラミック繊維か
らなるプリフォーム１７に、マトリックス１８となるセ
ラミック溶液を含浸させて焼結することにより形成され
ている。

【００２６】外エンドウォール１３は図３に示すよう
に、中央部に翼有効部１４を嵌合するための凹部１９お
よび結合用のセラミック繊維を挿通するための孔２０を
有し、ガスタービン通路部外径の曲率に沿った板状をな
している。この外エンドウォール１３は、セラミック繊
維からなるプリフォーム２１に、マトリックス２２とな
るセラミック溶液を含浸させて焼結することにより形成
されている。

【００２７】翼有効部１４は図４に示すように、中央部
に結合用のセラミック繊維を挿通するための孔２３を有
するスリーブ状をなしている。この翼有効部１４は、セ
ラミック繊維からなるプリフォーム２４に、マトリック
ス２５となるセラミック溶液を含浸させて焼結すること
により形成している。

【００２８】そして、図５に示すように、内エンドウォ
ール１２と外エンドウォール１３とを互いに対向させ、
これらの凹部１５，１９に翼有効部１４を嵌挿して組立
て、これらを各孔１６，２０，２３に挿通したセラミッ
ク繊維からなる連結体２６で締結後、連結部のマトリッ
クスとなるセラミック溶液を含浸させて焼結することに
より一体化し、これによりガスタービン用セラミック静
翼１１が構成されている。

【００２９】本実施例のセラミック静翼１１によれば、
複雑な形状故に従来製造困難とされていたガスタービン
用のセラミック一体形の静翼が、組立て可能に分割形成
されたセラミック繊維製の各プリフォーム１７，２１，
２４、およびそれらに含浸固化したセラミックスマトリ
ックス１８，２２，２５からなる内エンドウォール１
２、外エンドウォール１３および翼有効部１４の連結一
体化によって容易に製造できようになる。

【００３０】また、２枚の翼有効部１４を有する静翼セ
グメントとしたことにより、部品点数および組立工数が
削減できるとともに、組立時に生じる隙間が小さくな
り、運転効率の向上に寄与できるようになる。

【００３１】図６は本実施例の変形例を示している。こ
の例では翼有効部１４が中実翼形状で、その両端部に設
けた軸部１４ａが内エンドウォール１２および外エンド
ウォール１３の孔１６，２０にそれぞれ貫通している。
この貫通部分にセラミック繊維２７が巻付けられ、これ
による締結後にセラミック溶液の含浸および焼結が施さ
れている。

【００３２】このような構成の静翼であっても前記同様
の効果が奏される。

【００３３】実施例２（図７〜図９） 本実施例は、ハイブリッド型動翼に本発明を適用したも
のである。

【００３４】図７は全体構成、図８は金属により構成さ
れた芯金等の部分、図９は翼有効部としてのセラミック
スリーブの各部品を示したものである。

【００３５】図７に示すように、本実施例のハイブリッ
ド型動翼３０は、金属製の対ロータ植込み部３１，芯金
部３２および芯金キャップ部３２ａにより構成されてい
る。芯金部３２は図８に示すように、長さ方向（ロータ
径方向）に分割されず、予め一体に形成されている。

【００３６】翼有効部であるセラミックスリーブ３３は
図９に示すように、成形後の運転時にその接合部分の負
荷が最小となる分割面を設定して動翼前半部３４と、動
翼後半部３５とに分割されている。これら動翼前半部３
４と動翼後半部３５とは、それぞれセラミック繊維から
なる動翼前半部用プリフォーム３６と動翼後半部用プリ
フォーム３７、ならびにそれらに含浸固化したセラミッ
クスマトリックス３８，３９とからなっている。

【００３７】これら動翼前半部３４と動翼後半部３５と
が、図７に示すように、芯金部３２に被嵌され、互いに
セラミック繊維からなる連結体４０で締結されて、セラ
ミックスマトリックス４１の含浸固化によって一体化さ
れている。

【００３８】このように構成された本実施例に係るハイ
ブリッド型動翼３０によれば、従来行なわれていた芯金
部の拡散接合等が不要となり、工程短縮、設備縮小等に
寄与することができる。

【００３９】また、このような構成によれば、万一セラ
ミックスリーブからなる翼有効部のみが異物衝突等によ
って運転中に破損した場合でも、新製品と同様に、分割
されたセラミックスリーブの組立ておよび焼結等を行な
うことによって容易に再製することができ、また交換も
容易に行なえる。

【００４０】なお、本実施例ではハイブリッド型動翼に
本発明を適用したが、ハイブリッド型静翼に適用した場
合も、前記と殆ど同様の効果が奏される。

【００４１】実施例３（図１０および図１１） 本実施例は、ガスタービンの燃焼ガスが流動する通路部
の外周側に配設される防熱用セグメント（図１２参照）
に本発明を適用したものである。

【００４２】図１０は本実施例の防熱セグメント５０を
示し、図１１はその変形例を示している。

【００４３】本実施例の防熱セグメント５０は図１０に
示すように、板状部５１およびシェル部５２を有する本
体５０ａと、一対の防熱リブ５３とに分割された部品構
成となっている。

【００４４】本体５０ａは、セラミック繊維を素材とす
るプリフォーム５４とこれに含浸固化したセラミックマ
トリックス５５とにより構成され、シェル部５２には防
熱リブ５３嵌合用および連結体挿入用の孔５６が形成さ
れている。

【００４５】各防熱リブ５３は、中空棒状に構成され、
セラミック繊維からなるプリフォームにセラミックマト
リックスを含浸固化した構成とされている。この防熱リ
ブ５３が本体５０ａの孔５６に挿入され、セラミック繊
維製の連結体５７が防熱リブ５３の中空部および本体５
０ａの孔５６に挿通され、この連結体５７にマトリック
スとなるセラミックス５８を含浸して固化することによ
り、図１０に示す如く一体化されている。

【００４６】このような本実施例の防熱セグメント５０
の場合も、複数の部品に分割してそれぞれプリフォーム
形成が行なえることにより、複雑で大形なセグメント構
造であってもセラミックによって容易に構成することが
できる。

【００４７】なお、図１１に示した変形例では、シェル
５２を含む幅狭な複数の分割体としての本体５０ａと、
シェル５２および板状部５１を含む防熱リブ５３とが、
サイドイッチ状に接合され、接合面と直交する方向の端
部においてセラミック繊維からなる連結体５７を巻付け
て締結する構成となっている。

【００４８】このような構成でも前記実施例と同様の効
果が奏される。

【００４９】

【発明の効果】請求項１〜４の発明によれば、ガスター
ビン高温通路部構成品のように複雑な形状で従来製造不
可能とされていた部品の製造が可能となる。

【００５０】また、ガスタービン高温通路部構成品、特
に静翼は通常円環状に組合されるが、従来方法では単独
翼形状にしかできなかったものが、２枚以上の翼を結合
して金属製翼のようなセグメント（分割）構造とするこ
とが可能となり、従来の組立結合部の減少により部品点
数の削減、組立結合部からの冷却空気の漏洩減少による
効率向上に寄与することができる。

【００５１】さらに、金属とセラミックスとを組合せた
ハイブリッド型動翼では、組立工程で金属の拡散接合技
術を使用していたが、本発明によれば、その必要がなく
なり工程短縮、設備縮小にも寄与することができる。

【００５２】同様のことがハイブリッド型静翼の場合に
も当てはまり、組立構造を省略することができる。

【００５３】さらに、万一セラミックス翼のみが破損し
た場合にも、本発明によれば新製品の場合と同様に、分
割されたセラミックス翼を組立・焼結することができる
ので容易に再製および交換が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１によるガスタービン動翼を示
す全体図。

【図２】図１の部品図で、内エンドウォールを示す図。

【図３】図１の部品図で、外エンドウォールを示す図。

【図４】図１の部品図で、静翼有効部を示す図。

【図５】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図６】上記実施例１の変形例を示す図。

【図７】本発明の実施例２によるガスタービン動翼を示
す全体図。

【図８】図７の部品図で、芯金等の部分を示す図。

【図９】図７の部品図で、動翼有効部を示す図。

【図１０】本発明の実施例３による防熱セグメントを示
す全体図。

【図１１】上記実施例３の変形例を示す図。

【図１２】一般的なガスタービンの主要構成部を示す断
面図。

【図１３】従来の代表的なセラミックス一体型の静翼を
示す斜視図。

【図１４】従来のハイブリッド型動翼を示す断面図。

【図１５】従来のハイブリッド型静翼を示す断面図。

【符号の説明】

１ セラミック静翼 １２ 内エンドウォール １３ 外エンドウォール １４ 翼有効部 １５，１９ 凹部 １６，２０，２３，５６ 孔 １７，２１，２４，５４ プリフォーム １８，２２，２５ マトリックス ２６，５７ 連結体 ２７ セラミック繊維 ３０ ハイブリッド型動翼 ３１ 対ロータ植込み部 ３２ 芯金部 ３３ 芯金キャップ部 ３４ 動翼前半部 ３５ 動翼後半部 ３６ 動翼前半部用プリフォーム ３７ 動翼後半部用プリフォーム ３８，３９，４１，５５ セラミックマトリックス ４０ 焼結体 ５０ 防熱セグメント ５０ａ 本体 ５１ 板状部 ５２ シェル部 ５３ 防熱リブ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンの燃焼ガスが流動する通路
   部を構成する動的または静的部品としてのガスタービン
   用高温通路部構成品において、当該部品は、セラミック
   繊維を素材として組立て可能に分割成形された２以上の
   プリフォームと、このプリフォームを相互に連結するセ
   ラミック繊維からなる連結体と、この連結体によって連
   結された前記各プリフォームに含浸固化したセラミック
   マトリックスとからなることを特徴とするガスタービン
   用高温通路部構成品。
2. 【請求項２】 セラミック繊維を素材として構成された
   内エンドウォール用プリフォーム、外エンドウォール用
   プリフォームおよび静翼有効部用プリフォームと、これ
   らを接合部位にて連結するセラミック繊維からなる連結
   体と、この連結体によって連結された前記各プリフォー
   ムに含浸固化したセラミックマトリックスとからなるこ
   とを特徴とするガスタービン用静翼。
3. 【請求項３】 金属製の対ロータ植込み部および芯金部
   と、この芯金部に被嵌されて動翼有効部となるセラミッ
   クスリーブとを備えたガスタービン用ハイブリッド型動
   翼において、前記セラミックスリーブを、動翼前半部用
   プリフォームと、動翼後半部用プリフォームと、これら
   を互いに連結するセラミック繊維からなる連結体と、こ
   の連結体によって連結された前記各プリフォームに含浸
   固化したセラミックマトリックスとからなることを特徴
   とするガスタービン用ハイブリッド型動翼。
4. 【請求項４】 ガスタービンの燃焼ガスが流動する通路
   部の外周側に配設される防熱セグメントであって、セラ
   ミック繊維を素材として構成された本体用プリフォーム
   および防熱リブ用プリフォームと、これらを接合部位に
   て連結するセラミック繊維からなる連結体と、この連結
   体によって連結された前記各プリフォームに含浸固化し
   たセラミックマトリックスとからなることを特徴とする
   ガスタービン用防熱セグメント。