JPH08200004A

JPH08200004A - タービン動翼植込部の緩衝材

Info

Publication number: JPH08200004A
Application number: JP811895A
Authority: JP
Inventors: Masateru Nishi; 正輝西; Takashi Sugita; 孝志杉田; Tomotake Taoka; 智毅田岡; Yasuhiro Shigegaki; 康弘茂垣; Yoshimi Iioka; 佳美飯岡
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 1996-08-06

Abstract

(57)【要約】【目的】食い付きによって生じるタービン停止時の動
翼の圧壊を未然に防止し得るタービン動翼植込部の緩衝
材を提供する。【構成】タービンディスク１の溝３とこれに収容され
る動翼２の植込部４との間に介設される緩衝材５におい
て、上記溝３のくびれ部８と上記植込部４の肩部６との
間に位置される緩衝部７を、上記肩部６側に設けられ、
塑性変形が大きな軟質金属等による緩衝層３０と、上記
くびれ部８側に設けられ、上記緩衝層３０よりも塑性変
形が小さな硬質金属等からなり、上記くびれ部８との間
にすべり面を形成するすべり層３１とから形成したもの
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、動翼への応力集中を緩
和すべく、タービンディスクの溝と動翼の植込部との間
に介設される緩衝材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの性能は、タービン入口温
度の高温化によって飛躍的にその向上が図られる。現状
のタービンは各要素が耐熱合金製となっており、これら
を冷却しながら用いて高温化を促進してはいるものの、
冷却による効率低下や温度的な限界は免れず、もはや耐
熱合金製要素による高温化も限界に達しつつある。

【０００３】一方、ガスタービンの構成要素として、極
めて耐熱性に優れたセラミックス製部品の使用が考えら
れる。セラミックスは無冷却で1500°Ｃ前後での使用が
可能であるため、これを用いれば大巾な効率向上が期待
できる。このような背景から、特に現在では、温度条件
がとりわけ厳しい動翼のセラミックス化が推進されてい
る。動翼をセラミックス化できれば、高温化による効率
向上と共に大巾な軽量化も可能となる。

【０００４】しかし、一般にセラミックスは脆性で伸び
が期待できず、局所的な応力集中が発生すると一気に破
壊に及んでしまう欠点がある。特に植込型のセラミック
ス製動翼を採用した場合、加工誤差や熱変形量の相違に
起因する金属製タービンディスクとの形状不整があり、
これによって応力集中が発生し動翼が破壊する虞があ
る。よってこれを防ぐため、動翼とタービンディスクと
の間に緩衝材を介在させて応力集中を緩和させる提案が
種々なされている。

【０００５】図６に示すように、耐熱合金製タービンデ
ィスク１の外周部には開口部がくびれた断面逆Ω状の溝
３が形成され、またセラミックス製動翼２には溝３に適
合する断面球根状の植込部４が形成され、この植込部４
が溝３内にスライド的に嵌め込まれることで、動翼２は
タービンディスク１に取り付けられる。溝３と植込部４
との間には、本出願人によっても種々提案されている緩
衝材５が介設されている（実願平 5-35219号等）。この
緩衝材５は、Ｎｉ等の比較的軟らかい、即ち塑性変形し
易い耐熱性金属から一体的に形成され、これはタービン
ディスク１のくびれ部８と、植込部４の両方の肩部６と
の間に位置される緩衝部７を有する。そしてこの緩衝部
７が、運転中の遠心力による肩部６からの押し付けによ
り、互いの形状不整を吸収するよう塑性変形を行って、
特に肩部６に生ずる応力集中を実質的に緩和する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、タービン運
転時、動翼２の受ける遠心力Ｆにより、緩衝部７は圧縮
力Ｎ及びせん断力Ｒを受けて圧縮歪及びせん断歪を生
じ、即ち径方向外方に流れるように変形する。またこの
とき、金属製タービンディスク１はセラミックス製動翼
２より大きく熱膨張し、よって溝３の熱膨脹により植込
部４が溝３に対して相対的に径方向外方に移動すること
になる。

【０００７】一方、この状態でタービンを停止させる
と、タービンディスク１が動翼２に比べ急速に冷却され
て収縮しようとする。ところが、緩衝部７が肩部６やく
びれ部８の凹凸に食い込んで両者を食い付かせてしまう
ため（所謂アンカー効果）、肩部６の離脱或いは植込部
４の元の位置への復帰を拘束し、結果的に溝３が植込部
４を強力に締め付けて圧壊させてしまう問題がある。

【０００８】そこで、上記課題を解決すべく本発明は創
案されたものであり、その目的は、食い付きによって生
じるタービン停止時の動翼の圧壊を未然に防止し得るタ
ービン動翼植込部の緩衝材を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、タービンディスクの溝とこれに収容される
動翼の植込部との間に介設される緩衝材において、上記
溝のくびれ部と上記植込部の肩部との間に位置される緩
衝部を、上記肩部側に設けられ、塑性変形が大きな軟質
金属等による緩衝層と、上記くびれ部側に設けられ、上
記緩衝層よりも塑性変形が小さな硬質金属等からなり、
上記くびれ部との間にすべり面を形成するすべり層とか
ら形成したものである。

【００１０】

【作用】タービン運転中、溝のくびれ部にはすべり層が
当接されており、タービン停止に伴う溝の収縮が生じる
と、すべり層がくびれ部の面上ですべることで植込部は
元の位置に移動する。

【００１１】

【実施例】以下本発明の好適実施例を添付図面に基づい
て詳述する。

【００１２】〔第１実施例〕図１に示すように、タービ
ンディスク１の外周部には溝３が形成されている。ター
ビンディスク１はＣｏ基等の耐熱合金からなり、溝３は
ブローチやワイヤー加工により精密に加工される。この
溝３内には、溝３と適合する断面形状を有した動翼２の
植込部４が収容される。動翼２はセラミックスで一体的
に形成され、よって植込部４もセラミックス製であり、
またその植込部４と溝３との間には隙間が形成され、そ
の隙間に緩衝材５が設けられている。

【００１３】溝３は、その開口部がくびれた断面形状と
されてこれによりくびれ部８が形成される。くびれ部８
はその内面が当り面１０とされ、これと対応して植込部
４の両方の肩部６外面が当接面１１となる。当り面１０
と当接面１１とは、溝３或いは動翼２の軸線Ｃに対し傾
斜角θをもって対称的に傾斜された断面ハ字状とされ、
且つ互いの面同士が適合し合うよう最小の誤差範囲内で
極めて平滑に仕上げられている。そして植込部４の肩部
６より下側の部分は、前記従来例と異なり断面コ字状と
される。本実施例で傾斜角θは30°とされ、当り面１０
はその表面粗さがＲmax ≦２μｍとされて極めて平滑に
仕上げられている。

【００１４】図２にも示すように、緩衝材５は、その当
り面１０と当接面１１との間に位置される部分が緩衝部
７とされる。また緩衝材５は、植込部４の表面部に密着
して被せられる軟質金属板１２と、軟質金属板１２の表
面部に密着して被せられる硬質金属板１３との２枚の金
属板から構成されている。そしてこれにより、緩衝部７
は、肩部６側に設けられる軟質金属板１２による緩衝層
３０と、くびれ部８側に設けられる硬質金属板１３によ
るすべり層３１とからなる二層構造とされている。

【００１５】緩衝層３０を形成する軟質金属板１２の材
質としては、Ｐｔ，Ｎｉ，Ｎｉ基合金，Ｃｏ基合金等を
焼なまして軟質化させたもの（調質材）が用いられる。
これは常温から高温に至るまで柔軟性、成形性に富み、
塑性変形が大きく且つ溶融しない金属である。軟質金属
板１２の厚さは30〜 250μｍ程度とされ、形状精度誤差
等に応じて最適な厚さが選択される。特に本実施例では
50μｍとされる。

【００１６】他方、すべり層３１を形成する硬質金属板
１３の材質としては、Ｎｉ，Ｎｉ基合金，Ｃｏ基合金，
Ｔｉ，Ｔｉ基合金，ＳＵＳ等であり、これらは焼なまし
されず硬質の状態で使用され、即ち軟質金属板１２より
も塑性変形が小さい。また他に、ＣｕＡｌ，Ｆｅ₂Ａ
ｌ，Ｔｉ₂Ａｌ，Ｎｉ₂Ａｌ等の金属間化合物を用いる
こともでき、これらは反応によりセラミックスに近い性
状を呈する。硬質金属板１３の厚さは 1〜 750μｍ程度
とされ、特に本実施例では50μｍとされ、特に当り面１
０との当接面は、その表面粗さがＲmax ≦２μｍとされ
て極めて平滑に仕上げられている。

【００１７】これら軟質及び硬質金属板１２，１３は、
本実施例では互いに独立した板材とされて組立時に重ね
合わされるが、接合によって一体化させてもよく、その
方法としては摩擦圧接、爆着、溶着等がある。また、メ
ッキ、ＣＶＤ、ＰＶＤ等で一方の金属板に他方を積層す
るようにしてもよい。

【００１８】次に上記実施例の作用について説明する。

【００１９】前述した通り、タービン運転中、動翼２は
遠心力Ｆにより溝３に対して径方向外方に移動する。こ
のとき緩衝材５の緩衝部７においては、緩衝層３０が肩
部６に軟らかく当接し、当接面１１の凹凸や形状不整を
吸収するよう塑性変形して応力集中を防止する。一方、
すべり層３１は、これが塑性変形の小さな硬質金属板１
３から形成されるため、当り面１０への食い付きなくこ
れを圧縮方向から強力に押圧する。

【００２０】他方、タービン停止時、溝３がその熱収縮
により緩衝部７を介して植込部４を締め付けるが、この
締付力は当り面１０上におけるすべり層３１のすべりを
生じさせる。つまり、すべり層３１はすべり面を形成し
て植込部４を順次溝３内に移動させる。従って植込部４
は元の位置に戻ることができ、これにより植込部４即ち
動翼２の圧壊を完全に防止することができる。

【００２１】ここで、すべり層３１を形成する上記材質
のうち、特にＮｉ及びＮｉ基合金はＣｏ基合金等に比べ
軟質で食い付きが懸念されることから、それらを用いる
場合は以下のようなゾルコーティングが施される。即
ち、Ｎｉ或いはＮｉ基合金からなる硬質金属板１３を、
超微粉セラミックスが拡散された水の中に浸漬して引き
上げ、これを乾燥させた後、800 °Ｃ程度の高温で焼き
付ける。こうすると、硬質金属板１３の表面に、アモル
ファス状且つオングストロームレベルのセラミックス薄
膜が形成され、これにより表面を硬質化させて当り面１
０上でのすべりを促進する。なお、上記いずれの材質で
も、耐熱合金製タービンディスク１とのマッチングは良
好である。

【００２２】〔第２実施例〕図３に示すように、本実施
例における緩衝材５は、上記第１実施例の構成に加え、
軟質金属板１２の植込部４側の表面部、特に緩衝層３０
の当接面１１側の表面部に薄い硬質層３２が形成されて
いる。即ち、本実施例の緩衝層３０はその表面部に硬質
層３２を有する。硬質層３２は具体的には、軟質金属板
１２の表面部に、硬質金属板１３と同材質の金属をメッ
キ、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の方法で積層してなり、これはオ
ングストロームレベルの極めて薄い厚さを有する。そし
て硬質層３２は、緩衝層３０の塑性変形を妨げることな
く変形可能であると同時に、当接面１１との当接による
摩擦係数を大巾に減じる。これにより、緩衝層３０の肩
部６への食い付きも防止でき、同時に硬質層３２をも当
接面１１上ですべらせて植込部４の圧壊を一層防止でき
る。なお硬質層３２は、薄い箔のようなもので分割して
構成することもできる。

【００２３】〔第３実施例〕図４に示すように、本実施
例における緩衝材５は、すべり層３１を形成する硬質金
属板１３、及び硬質層３２が上記第２実施例同様である
が、軟質金属板１２が別のものに置き換えられている。
即ち、セラミックス繊維を織ってセラミックスクロスを
形成してこれを母材とし、このセラミックスクロスに、
ＢＮ，ＭｏＳ ₂等による固体潤滑材を含浸固化させて緩
衝板３３を形成し、これを軟質金属板１２と置き換えて
緩衝層３０としている。そしてこの緩衝板３３の表面部
に、前記方法により硬質層３２が形成されている。これ
によれば、緩衝板３３と硬質金属板１３、即ち緩衝層３
０とすべり層３１との接触界面においても摩擦を減少で
き、これら間におけるすべりを促進して植込部４の圧壊
を一層防止できる。この緩衝板３３はセラミックスクロ
スを母材とするため、その弾性によって肩部６への応力
集中を緩和する。

【００２４】この緩衝板３３の他の母材しては、セラミ
ックス短繊維を絡み合わせてなるセラミックスフェルト
等が揚げられる。尚、ＣａＦ₂からなる固体潤滑材もあ
るが、これは窒化珪素Ｓｉ₃Ｎ₄と反応するためセラミ
ックス繊維が窒化珪素である場合には適用されない。セ
ラミックス繊維の材質としては、ＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄，
Ａｌ₂Ｏ₃，Ｚｒ₂Ｏ₃等がある。

【００２５】〔第４実施例〕図５に示すように、本実施
例における緩衝材５は、緩衝層３０を形成する緩衝板３
３、及び硬質層３２の構成が上記第３実施例同様である
が、硬質金属板１３が別のものに置き換えられている。
即ち、金属繊維を織って母材としての金属クロスを形成
し、この金属クロスに上記固体潤滑材を含浸固化させて
すべり板３４を形成し、これを硬質金属板１３と置き換
えてすべり層３１としている。この金属繊維の材質とし
てはＮｉ基、Ｃｏ基の合金等が揚げられる。これによっ
ても、緩衝層３０とすべり層３１との界面摩擦を減少で
き、特に当り面１０との摩擦は固体潤滑材の作用により
一層低減される。なおこの場合には、ＣａＦ₂からなる
固体潤滑材も使用可能である。

【００２６】このすべり板３４の他の母材としては、前
記金属繊維と同材質の金属粒子を1200〜1300°Ｃで焼結
させて形成した多孔質金属を用いることもできる。

【００２７】〔第５実施例〕図示省略するが、本実施例
における緩衝材５においては、上記第１実施例の軟質及
び硬質金属板１２，１３の全体に上記固体潤滑材が塗布
され、これにより緩衝層３０及びすべり層３１の表面部
に固体潤滑材による潤滑層が形成されている。なお軟質
金属板１２に塗布される固体潤滑材で、動翼２が窒化珪
素である場合にはＣａＦ₂が除かれる。この固体潤滑材
は、一方の金属板のみ、或いは必要な部分にのみ塗布す
るようにしてもよい。

【００２８】また変形として、上記第３実施例の緩衝板
３３を、セラミックスクロスを固体潤滑材でない別の溶
融金属で固化させ、これに固体潤滑材を塗布したものと
してもよい。

【００２９】以上実施例の他にも、本発明は様々な変形
例、組み合わせの変更が可能である。

【００３０】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００３１】（１）食い付きによる動翼の圧壊を未然に
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る緩衝材の第１実施例を示す縦断正
面図である。

【図２】図１の要部拡大断面図である。

【図３】第２実施例を示す要部拡大断面図である。

【図４】第３実施例を示す要部拡大断面図である。

【図５】第４実施例を示す要部拡大断面図である。

【図６】従来例を示す縦断正面図である。

【符号の説明】

１タービンディスク２動翼３溝４植込部５緩衝材６肩部７緩衝部８くびれ部３０緩衝層３１すべり層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者茂垣康弘東京都江東区豊洲三丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社技術研究所内 (72)発明者飯岡佳美東京都江東区豊洲三丁目１番15号石川島播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】タービンディスクの溝とこれに収容され
る動翼の植込部との間に介設される緩衝材において、上
記溝のくびれ部と上記植込部の肩部との間に位置される
緩衝部を、上記肩部側に設けられ、塑性変形が大きな軟
質金属等による緩衝層と、上記くびれ部側に設けられ、
上記緩衝層よりも塑性変形が小さな硬質金属等からな
り、上記くびれ部との間にすべり面を形成するすべり層
とから形成したことを特徴とするタービン動翼植込部の
緩衝材。
【請求項２】上記緩衝層が、セラミックス繊維からな
る母材に固体潤滑材を含ませて形成された請求項１記載
のタービン動翼植込部の緩衝材。
【請求項３】上記すべり層が、多孔質金属又は金属繊
維からなる母材に固体潤滑材を含ませて形成された請求
項１記載のタービン動翼植込部の緩衝材。
【請求項４】上記緩衝層又はすべり層が、その表面部
に固体潤滑材による潤滑層を有する請求項１記載のター
ビン動翼植込部の緩衝材。