JPH0814243B2 - 高温タービンエンジン構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は高温タービンエンジン構造体分野に係り、特
に金属製及びセラミツク製の構成部材からなる高温ター
ビンエンジン構造に関する。

（背景技術） タービンエンジン分野では、高熱力学的効率と単位エ
ンジン重量当たりの高出力とを得るためより高い動作温
度を得ることが長年求められている。理想的にはタービ
ンエンジンは燃焼燃料から最大エネルギ値を抽出するた
め理論燃焼で動作させることが必要である。一方理論燃
焼あるいは理論燃焼に近い燃焼から得られる温度は金属
製のタービンエンジンの構成部材の耐久温度を越えてい
る。従つてタービンエンジン技術が進歩するに応じ冷却
技術の開発あるいは最高温度を受けるエンジンの部材に
使用される金属の耐久温度若しくは酸化抵抗の向上に主
眼が置かれて来ている。即ち冷却技術あるいは高温金属
が各燃焼チヤンバ、タービンステータノズルおよびター
ビン羽根に適用されるよう開発されている。この結果全
ての構成部材に対し精巧な冷却技術が開発され、また方
向性を持たせて固化させる技術あるいは単結晶技術を用
いてニツケルを主成分とする各種のスーパーアロイ金属
が開発されている。概して、金属製の構成部材で作られ
たタービンエンジンの動作温度を高める開発の結果エン
ジンの構造が更に複雑化されその製造費用も高くなつて
いる。

タービンエンジンの高い動作温度を得るため別の構成
も提案されている。この場合エンジンが高強度のセラミ
ツク部材で構成される。セラミツク部材は金属に比ベタ
ービンエンジンの高温酸化環境に対する耐久性が優れて
いる。セラミツク構造体に関して用いる用語［高強度］
とは内容に応じて考慮する必要がある。多くのセラミツ
ク部材は高温強度若しくは酸化抵抗性に優れているが、
セラミツクは開発当初から引張破砕強度が比較的低く欠
陥許容度が低いため、これまでタービンエンジンに採用
することは困難であるものと考えられていた。従つて昨
今、タービンエンジンを理想燃焼あるいはそれに近い燃
焼をさせるべく各材料の特性を利用するセラミツクと金
属とのハイブリツドの構造体の開発が求められている。

（発明の開示） 本発明の主目的は周知のエンジン製造においてタービ
ンエンジン技術の困難性および構成部材の使用材料を考
慮して、高温タービンエンジンにセラミツクと金属との
ハイブリツドの構造体を採用することにある。

更に詳細には、本発明の一の目的はセラミツク部がタ
ービンエンジンの高温部に配置され別のセラミツク部材
を保持して、より低い温度部へ延びる構成のセラミツク
と金属とのハイブリツドの構造体を提供することにあ
る。構造体の金属部分はセラミツク部分と協働する。異
なる熱膨張に応じてエンジン構造体間の相対移動を可能
にするため、金属部分にはエンジン構造体の他の金属部
分と係合する装置が包有される。

更に詳述するに、本発明の一の目的はデイスク状の金
属部分が互いに同心でデイスク状のセラミツク部分から
軸方向に離間され、この２つの金属部分が構造体を含む
エンジンの動作中異なる温度での熱移動を受けても同心
状態に維持されてなるセラミツクと金属とのハイブリツ
ドの構造体を提供することにある。

更に本発明の別の一の目的は高温および物理的な荷重
の両方に耐用性を示し且つセラミツク製のエンジン部材
と金属製のエンジン部材との間で異なる温度での熱移動
が可能で、更にこれら部材を所定の幾何学的な関係を維
持して配置し得るセラミツクのスペーサ構造体を提供す
ることにある。

本発明によれば、垂直に延びる基準中心線を有した半
径方向に延びるデイスク状で金属製の第１の壁部材と、
第１の基準中心線と同軸で垂直に延びる基準中心線を有
した半径方向に延びるデイスク状で金属製の第２の壁部
材と、互いに連係する第１および第２の壁部材間におい
て軸方向に配置された離間装置と、離間装置と係合して
第１および第２の壁部材を固定する固定装置とを備え、
第１の壁部材は温度変化に応じて半径方向の寸法変化を
受容可能に設けられ、第２の壁部材は温度変化に応じて
半径方向の寸法変化を受容可能に設けられ、離間装置に
より壁部材が互いに平行で軸方向に離間され温度変化に
よる半径方向の寸法変化に関係なく夫々の基準中心線が
同軸に整合されて維持されてなることを特徴とするセラ
ミツクと金属とのハイブリツド構造体が提供される。

本発明の利点は、タービンエンジンのセラミツクと金
属とのハイブリツド構造体部分が本発明によるスペーサ
構造体を介し連結され、且つこの部分に生じる異なる熱
移動を制御し得ることにある。

本発明の他の利点は、エンジンの高温領域にセラミツ
ク部材を使用し、エンジンの低温領域に金属製の部材を
使用することにある。セラミツク部材および金属製部材
の異なる熱膨張による相対熱移動が制御されてこれら部
材について所定の整合状態が維持される。

本発明の別の目的および利点は、添付図面に沿つた本
発明の好ましい実施例に係る以下の詳細な説明から明ら
かとなろう。

（図面の簡単な説明） 第１図は本発明を具体化したセラミツクと金属とのハ
イブリツドでなるタービンエンジンの部分縦断面図、第
２図は第１図のエンジンの、円で囲んだ領域の部分拡大
断面図、第３図は本発明を具体化したセラミツクと金属
とのハイブリツド構造体の簡略斜視図、第４図は本発明
を具体化したセラミツクと金属とのハイブリツドの取付
・スペーサ装置の分解斜視図、第５図は第２図と同様
の、半径方向内側からみた本発明の他の実施例の部分断
面図である。

（発明を実施するための最良の形態） 第１図にはセラミツクと金属とのハイブリツドのター
ビンエンジン10が示される。タービンエンジン10のハウ
ジング12には導入部14と、導出部16と、導入部14と導出
部16とを連結し流体を運搬する湾曲流路18とが形成され
る。セラミツクと金属とのハイブリツドのロータ部材20
はハウジング12に支承され、ハウジング12と協働して湾
曲流路18を区画する。ロータ部材20にはコンプレツサロ
ータ部22が包有され、コンプレツサロータ部22の回転に
より外気が矢印24で示されるように導入部14を介し導入
され圧縮されて矢印26で示すように流路18′へ送られる
ことは理解されよう。

流路18′はハウジング12内に収納された部分環状の熱
交換器部材28に対し180度弱以下の円弧に沿つて軸方向
に矢印26′で示す如く連通している。熱交換器部材28の
下流において、矢印26′で示されるように湾曲流路18は
軸方向に延びる燃焼構造体30と連通している。燃焼構造
体30はセラミツク材料で作られており、燃焼構造体30の
セラミツクで作られた外側ライナ32は一端部がほぼ円錐
状をなす外側渡り部材34に支承される。セラミツク材料
で作られた内側燃焼ライナ36は外側ライナ32内に同軸に
且つ一端部が渡りダクト部材38に支承されて配設され
る。湾曲流路18は矢印26″により示されるように内側燃
焼ライナ36の軸方向の一端部において連通している。渡
りダクト部材38内においては、セラミツクのタービン背
部囲い部材40とセラミツクのタービンステータ部材42と
が協働して湾曲流路18の一部を区画しており、ロータ部
材20のセラミツクのタービンロータ部材44と半径方向内
向きに連通する。外側渡り部材34、渡りダクト部材38、
タービン背部囲い部材40およびタービンステータ部材42
は全てデイスク状のセラミツクのタービン囲い部材46に
支承されている。タービンローラ部材44の下流におい
て、湾曲流路18は互いに離間され且つ協働する一対のセ
ラミツクの排気ダクト部材48、50の間に軸方向および、
半径方向外向きに連通している。セラミツクと金属との
ハイブリツドの複数の取付・スペーサ部材52（その内１
個のみを第２図に図示）はタービン囲い部材46およびハ
ウジング12と協働する。排気ダクト部材48、50は協働し
てタービン囲い部材46および取付・スペーサ部材52によ
り支承されている。ハウジング12のデイスク状で金属製
の壁部54により取付・スペーサ部材52が支承される。壁
部54はハウジング12の金属製の外壁部56と協働してコン
プレツサロータ部22の下流に流路18′を区画する。

湾曲流路18は排気ダクト部材48、50の後部の排気チヤ
ンバ58に連通している。セラミツクの熱交換器部材28は
180度弱以下の円弧に沿い排気チヤンバ58に向つて露呈
されている。従つて湾曲流路18は熱交換器部材28と再び
連通し且つ導出部16を介し外気に連通される。

タービンエンジン10の説明の最後として、燃焼器30内
の燃料はコンプレツサロータ部22から導入される圧縮空
気に乗せられ、燃焼を維持する必要がある。この燃焼の
結果高温の圧縮燃焼生成物流が燃焼器30の下流へ、更に
湾曲流路18へ向つて流れる。またロータ部材20はコンプ
レツサロータ部22とタービンロータ部44との間に配設さ
れたジヤーナルベアリング60と、ロータ部材20の金属製
のパワー出力シヤフト部62に近接して配置されたローラ
ベアリング62とによりハウジング12内に枢支される。デ
イスク状で金属製の壁部54によりジヤーナルベアリング
60が、また外壁部56によりローラベアリング62がそれぞ
れ支承されることになる。

第２図〜第４図を参照するに、取付・スペーサ部材52
のボルト部材66は開口部68、70を貫通して延び、開口部
68、70は夫々タービン囲い部材46およびデイスク状で金
属製の壁部54に形成されることは理解されよう。ボルト
部材66のヘツド部72はセラミツクでなる中間ワツシヤ74
を貫通してタービン囲い部材に当接する。セラミツクで
デイスク状のタービン囲い部材46とハウジング12の金属
製のデイスク状の壁部54との間にはセラミツクのスペー
サ80が固定される。ボルト部材66はセラミツク製のスペ
ーサ80で囲繞されており、スペーサ80はその両端部にお
いてタービン囲い部材46とセラミツク製の中間ワツシヤ
82とに当接する。

タービンエンジン構造体全体の理解を容易にするた
め、第３図にデイスク状で金属製のタービン囲い部材46
とデイスク状で金属製の壁部54とが軸方向に離間され、
３個の取付・スペーサ部材52により連結された状態が簡
略に示される。壁部54には第２図および第４図に示すよ
うにそれぞれ溝84が具備されており、溝84は壁部54の中
央線86と半径方向において整合される。中央線86、はジ
ヤーナルベアリング60およびローラベアリング62により
決定されるようにロータ部材20の回転軸と合致されるこ
とはこれらのベアリングが壁部54および外壁部56に支承
されていることから理解されよう。第４図に示す如く、
溝84内には中間ワツシヤ82およびスペーサ80の端部88が
受容される。端部88には半径方向に対向する一対の平坦
部90、92（１個のみが第４図に示される）が形成され
る。平坦部90、92は溝84内に可動に受容され、スペーサ
80が壁部54に対し非回転にされる。従つて中央線86で交
わる溝84は第３図に示す如くスペーサ80の半径作用線94
をなす。即ち各スペーサ80は半径作用線94を含み、軸方
向に延びる作用線平面内において溝84内で揺動可能であ
る。これら作用線平面は中央線86と交差する。

第２図及び第４図に示す如く、各スペーサ80には対向
するクラウン面96、98が形成され、クラウン面96、98は
スペーサ80の中央を中心とし円筒状に形成されることは
理解されよう。即ちクラウン面96、98はタービン囲い部
材46および壁部54に対しスペーサ80の長さに等しい直径
の直円筒面の一部をなしている。クラウン面96、98はこ
れらの面の円筒中心が半径作用線94に対し垂直となるよ
うに配置される。

再び第３図の略図を参照するに、各スペーサ80は仮想
線で示される円筒状部材あるいはローラ100として示さ
れており、ローラ100は壁部54とタービン囲い部材46と
の間に配設される。局部的な半径方向における相対移動
に応じて各ローラがローリングする線が半径作用線94に
なる。これら半径作用線94はタービン囲い部材46および
壁部54の双方の中心線86と交差する。タービンエンジン
10の動作中、セラミツク製のタービン囲い部材46および
金属製の壁部54は温度変化を受けて半径方向に膨張ある
いは収縮する。この温度の変化による膨張あるいは収縮
は位相が同一である反面膨張あるいは収縮の割合が異な
るか、あるいは位相をも互いに異なる。換言するにター
ビン囲い部材46および壁部54は異なる割合で膨張あるい
は収縮するか、あるいは一方が膨張し他方が収縮するこ
とになる。従つて、タービン囲い部材46および壁部54は
タービンエンジン10の動作中局部的に半径方向に相対移
動され得る。この相対移動は矢印102により示される。
相対移動にも拘わらず、タービン囲い部材46の中心線86
を実質的に壁部54の中心線と合致させ維持させる必要が
ある。このように中心線を合致させることにより、ター
ビン囲い部材46とタービンロータ部44との間の走行間隙
が極めて小にされ、ロータ部材20のベアリングが壁部54
および外壁部56に支承される。従つて半径方向の移動10
2に拘わらず、これらの部材が同心状態に維持する必要
がある。この同心状態は、ローラ100のローリングと合
致する半径作用線94に沿つてスペーサ80の位置でタービ
ン囲い部材46および壁部54が相対的に自在に半径方向に
移動可能にされ（スペーサ80の揺動）、且つスペーサに
おける円周方向の相対移動を抑止することにより維持さ
れ得る。第３図に示すように、タービン囲い部材46と壁
部54との間の円周方向の相対移動はこれらの部材とロー
ラ100（スペーサ80）との間に滑りが存在しない限り抑
止されることは容易に理解されよう。スペーサ80は実際
上ローラ100のように完全な円筒形ではないが、夫々タ
ービン囲い部材46および壁部54に対しクラウン面96、98
の如き円筒面をなし、半径方向において制限されつゝ相
対移動可能な円筒状ローラとして機能する。

第２図を再び参照するに、ボルト部材66は中間ワツシ
ヤ74、78を貫通しタービン囲い部材46および壁部54と連
係されることは理解されよう。各中間ワツシヤ74、78に
は夫々スペーサ80の中心と合致する中心を有する円筒状
のクラウン面104、106が形成される。換言するにクラウ
ン面96、クラウン面98、クラウン面104、106は全てスペ
ーサ80の中心で同じ中心線を有している。圧縮固定力が
ボルト部材66により与えられるため、セラミツク製のク
ラウン面96、98はセラミツク製のタービン囲い部材46お
よびセラミツク製の中間ワツシヤ82と摩擦接合し、実質
的に滑りなく揺動可能になる。スペーサ80はボルト部材
66と半径方向の間隙108を形成し、従つてスペーサ80が
タービン囲い部材46と壁部54との間で揺動する際スペー
サとボルトの相対回転時に引つ掛かり若しくは干渉が生
じない。一方互いに半径方向に移動するため、クラウン
面104、106によりボルト部材66がタービン囲い部材46と
壁部54との間を垂直線から僅かに偏位した旋回位置を取
る。このようにボルト部材66の旋回の変化によりクラウ
ン面96上においてヘツド部72で、またクラウン面98上に
おいてナツト部76で揺動するが、その間に滑りは生じな
い。クラウン面104、106はクラウン面96、98から離間し
ているので、ボルト部材66の旋回の変化はスペーサ80の
旋回の変化より小さいことが予期されよう。一方ボルト
部材66およびスペーサ80の旋回の変化は同一方向に生じ
るから、相対的に小さな半径方向の間隙108に応じてボ
ルト部材とスペーサとの間の干渉を十分に抑止できる。

環形でリング状の第２のスペーサ部材110がスペーサ8
0の周囲に近接して配置される。第２のスペーサ部材110
により排気ダクト部材48、50が離間される。３個の取付
・スペーサ部材52上に支承された３個の第２のスペーサ
部材110が協働してタービン囲い部材46および壁部54の
双方に対し排気ダクト部材48、50の同心状態が維持され
る。即ち第２のスペーサ部材110の軸方向に延びるボス
部112は第２のスペーサ部材の他部と相俟つて肩部114を
形成する。排気ダクト部材48の外周部は円周方向に連続
しており、排気ダクト部材48には３個の周部116（第２
図には１個のみを図示）が形成され、夫々ボス部112と
半径方向において対向される。排気ダクト部材48はター
ビン囲い部材46と肩部114との間にタービン囲い部材46
の場合と同様に３個の周部116で３個のボス部114の半径
方向の協働により同心に配置されて捕捉される。同様に
排気ダクト部材50はその外周部において円周方向に連続
しており、排気ダクト部材50には３個の周部118（周部1
18の一部のみを第２図に示す）が具備される。周部118
は夫々スペーサ80と対向して排気ダクト部材50の同心状
態が維持される。弾性部材120により排気ダクト部材50
が第２のスペーサ部材110に当接されて第２のスペーサ
部材110および排気ダクト部材48がタービン囲い部材46
に向つて偏位される。スペーサ80の移動はタービン囲い
部材46と壁部54との半径方向の相対移動に応じて軸方向
に延びる平面内に実質的に制限されるため、排気ダクト
部材48、50の同心状態が３個の取付・スペーサ部材52の
周部116、118に対する協働により維持される。

第５図には本発明の別の実施例が示される。本発明に
よるこの実施例において、上述の実施例に用いた部材と
同様な機能および構造を有する部材には同一の番号にダ
ツシユを付して示してある。第５図は第２図と同様に断
面図であるが、半径方向内側に向けて断面図として示し
てある。タービンエンジン10′の金属製の壁部54′によ
り取付・スペーサ部材52′を介してセラミツク製のター
ビン囲い部材46′が支承される。取付・スペーサ部材5
2′のボルト部材66′およびナット部76′は上述の実施
例と同様である。同様に溝84′に受容される中間ワツシ
ヤ74′、78′、スペース80′及び中間ワツシヤ82′も上
述の実施例と同様である。一方第５図の実施例において
はスペース80′上の第２のスペーサ部材110′とタービ
ン囲い部材46′との間が好適に連係せしめられ、タービ
ン囲い部材の同心状態が確実に維持されており、タービ
ンエンジン10′の構成部材の製造公差が許容される。

第５図に示されるようにセラミツク製のタービン囲い
部材46′には半径方向に延び、壁部54′と溝84′と平行
な溝122が形成される。セラミツク製の第２のスペーサ
部材110′の軸方向に長手のボス部112′には、第２のス
ペーサ部材110′の他部と協働して排気ダクト部材48′
を設置するための肩部114′が形成される。ボス部112′
はまた溝122内に向つて延び、ボス部112′の外側直径面
124は僅かな間隙を介在させてタービン囲い部材と可動
に係合する。最後にボス部112′は意図的にスペーサ8
0′を近接して受容する第２のスペーサ部材110′の開口
部に対し偏心される。即ち外側直径面124は第２のスペ
ーサ部材110′の開口部およびスペーサ80′に対し僅か
に偏心される。

タービンエンジン10′の組み立て中、ロータ部材20に
代えて取付具を用いジヤーナルベアリング60、62に対し
タービン囲い部材46′を同心状態に設置できる。製造公
差のためタービン囲い部材46′の半径方向の溝122は壁
部54′の半径方向の溝84に対し円周方向には完全に整合
されない。この小さな円周方向に不整合が、ボス部11
2′をタービン囲い部材46′の夫々の溝122′内に受容す
るまでスペーサ80上で第２のスペーサ部材110を相対回
転することによつて吸収される。無論小さな半径方向の
不整合はスペーサ80′の自在な半径方向の揺動により吸
収され得る。一度ボルト部材66′がナツト部76′により
締め付けられると、上述したように整合と同心状態の主
な保持機構は滑りのない揺動接触状態にされる。一方壁
部54に対しタービン囲い部材46′を変位させるような大
きな横断加速力あるいは重力がある場合、外側直径面12
4が溝122においてタービン囲い部材46′と協働して更に
維持強度が増大される。

出願人は上記の両方の実施例を試作しテストした。い
ずれの場合も、熱サイクル中セラミツク製のタービン囲
い部材と金属製のハウジングとの間で許容可能な同心状
態が維持された。更に第１図〜第４図の実施例は揺動テ
ーブル上で最大8Gのレベルの横加速力を与えたが、満足
できる同心状態が維持された。実際、揺動テーブルでの
テスト後同心状態の欠陥は測定されなかつた。ローラ10
0の円筒軸は夫々２等辺三角形の１辺をなすことは当業
者には明らかであろう。３個のローラは外壁部56および
壁部54の同心状態を維持するに必要な最小限の数であ
る。一方ローラ100（スペーサ80）の数を増加すること
もできる。この場合各円筒状軸はローラ数に等しい辺数
を有する一定平面多角形の１辺をなすことになる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】温度変化に応じて半径方向の寸法の変化を
   受容可能に設けられ半径方向に延びるデイスク状で金属
   製の第１の壁部材と、第１の壁部材に対し平行に関係且
   つ同軸にして離間され、温度変化に応じて半径方向の寸
   法の変化を受容可能に設けられ、半径方向に延びるデイ
   スク状でセラミツク製の第２の壁部材と、曲面を持ち第
   １、第２の壁部材に夫々隣接した端面部を有する第１、
   第２の端部を含み、壁部材間において円周方向に離間し
   て配置された多数のスペーサ部材と、曲面を持つ第１、
   第２の端面部と接する第１および第２の壁部材を挟持し
   て温度変化に応じた半径方向の寸法の変化時に第１、第
   ２の壁部材を平行関係に且つ同軸に維持する多数の固定
   装置とを備えてなるセラミツクと金属とのハイブリツド
   構造体。