JPH09125905A

JPH09125905A - 多連式セラミック静翼及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09125905A
Application number: JP28604995A
Authority: JP
Inventors: Taketoshi Tsutsumi; 武敏堤; Kiyoshi Oiwa; 清大岩; Yoshimichi Hara; 嘉道原; Sadaaki Hirai; 貞昭平井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 1997-05-13

Abstract

(57)【要約】【課題】射出成形等では２つ以上の翼部を有するセラ
ミック静翼を成形できなかったので、従来のセラミック
静翼は１つの翼部を有していた。セラミック静翼をガス
タービンに用いるときに、互いに隣接するセラミック静
翼で、シュラウド部とシュラウド部との間のクリアラン
スから燃焼ガスが漏れてガスタービンの熱効率が低下し
た。【解決手段】射出成形等で得られた２個以上の成形体
を等方加圧成形により一体化した。２つ以上の翼部（１
２）と一対のシュラウド部（２０、３０）とを有する多
連式セラミック静翼。射出成形等により、１つの翼部と
一対のシュラウド部とを有するセラミック成形体を２個
以上成形し、２個以上のセラミック成形体を等方加圧成
形により一体化し、次いで、この一体化した成形体を焼
結する多連式セラミック静翼の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン等に
好適に用いられるセラミック静翼に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは、作動流体の推力によ
りロータを回転させるものである。ガスタービンは、発
電、ロケットエンジン等に用いられている。ガスタービ
ンのロータの中心にはシャフトがあり、また、ロータの
径方向には多数の動翼が設けられている。燃焼ガス等の
作動流体が動翼を回転させることにより、ロータが回転
する。動翼に向かう作動流体の流れを調整してエネルギ
ー変換効率を向上するために、ステータノズルが用いら
れる。ステータノズルは、円環形状の支持リングと、支
持リングが支える多数の静翼を有する。ステータノズル
の静翼が、作動流体が動翼に向かって流れる方向を調整
する。また、ガスタービンでは、作動流体たる燃焼ガス
の温度が１０００℃以上になる場合もあるので、高温に
おける機械強度、熱衝撃性に優れたセラミック製の静翼
が近年注目されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のセラミック静
翼は、１つの翼部と、一対のシュラウド部とを有してい
た。このため、個々のセラミック静翼を支持リングに取
り付ける際、取り付け作業が煩雑であった。また、セラ
ミック静翼を支持リングに取り付けたときに、互いに隣
接するセラミック静翼において、シュラウド部とシュラ
ウド部との間にクリアランスを設ける必要があった。こ
れは互いのシュラウド部同士が干渉して、クラック等が
発生したり、破損したりする場合があるからである。そ
して、作動流体がかかるクリアランスから漏れてガスタ
ービンの熱効率が低下した。ガスタービンを発電機等に
用いるときには、熱効率の僅かな低下が省エネに大きな
影響を与える。

【０００４】一方、従来のセラミック静翼は、一つの
翼部と一対のシュラウド部を有していて、いわゆる三次
元自由曲面形状を有していた。そして、従来のセラミッ
ク静翼は射出成形、鋳込み成形等により成形し、次い
で、この成形体を焼成することにより製造していた。し
かし、２つ以上の翼部と一対のシュラウド部とを有する
三次元自由曲面形状のセラミック静翼は、従来の射出成
形、鋳込み成形等では製造できなかった。図３は、２つ
の翼部を有する２連式セラミック静翼の断面形状の一実
施態様である。燃焼ガスの流速を増すために、静翼１２
の間隔、１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、１８ａ＞１８ｂ＞
１８ｃの順序になっているので、２つ以上の翼部と一対
のシュラウド部とを有するセラミック静翼の成形体は、
射出成形等の成形型から離型することができない。これ
が、従来の射出成形、鋳込み成形等の製造方法では、２
つ以上の翼部を有する多連式セラミック静翼を製造でき
なかった理由である。なお、特公平２−２９６３３号公
報は、等方加圧成形工程を有するタービンロータの製造
方法を記載しているが、セラミック静翼については一切
記載していない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、上記の課題を
解決するため、射出成形、鋳込み成形等で得られた２個
以上の成形体を等方加圧成形により一体化することによ
り、２つ以上の翼部を有する多連式セラミック静翼を得
ることとした。

【０００６】即ち、本発明によれば、２つ以上の翼部
と、当該翼部を挟む一対のシュラウド部とを有すること
を特徴とする多連式セラミック静翼が提供される。ま
た、本発明において、当該翼部の各々が、前縁及び後
縁、並びに、凹側面及び凸側面を有し、当該前縁から当
該後縁へ翼弦に沿って、当該凹側面及び当該凸側面が形
成されていることが好ましい。更に、当該シュラウド部
の各々は、ほぼ円弧形状を有する一断面を有することが
好ましい。また、本発明によれば、一つの翼部と、当該
翼部を挟む一対のシュラウド部とを有するセラミック静
翼成形体を２個以上成形する工程と、２個以上の当該セ
ラミック静翼成形体を等方加圧成形により一体化する工
程と、この一体化した成形体を焼結する工程とを有する
ことを特徴とする多連式セラミック静翼の製造方法が提
供される。更に、本発明によれば、２つ以上の翼部と当
該翼部に連続する一つのシュラウド部を有するセラミッ
ク成形体及び一つのシュラウド部を有するセラミック成
形体を成形する工程と、これらのセラミック成形体を等
方加圧成形により一体化する工程と、この一体化した成
形体を焼結する工程とを有することを特徴とする多連式
セラミック静翼の製造方法が提供される。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の多連式セラミック静翼
は、２つ以上の翼部を有する。翼部の数には特に制限は
なく、一対のシュラウド部がリング形状となる場合でも
製造できるが、製造し易さという観点からは、翼部の数
は、２つ以上、翼部全体の数の１／３以下であることが
好ましい。本発明の多連式セラミック静翼では、従来の
セラミック静翼に比較して、支持リングに取り付けるセ
ラミック静翼の数が減少する。これに伴って、シュラウ
ド部におけるクリアランスの数が減少し、ガスタービン
の熱効率が向上する。

【０００８】図１及び図２は、本発明の多連式セラミ
ック静翼１０の斜視説明図である。図３及び図４は、そ
の断面説明図である。多連式セラミック静翼１０は、二
つの翼部１２と、一対のシュラウド部２０、３０とを有
する。図３で、各々の翼部１２は、前縁１３及び後縁１
４を有し、前縁１３から後縁１４へ翼弦に沿って、凹側
面１５及び凸側面１６が形成されている。翼部１２は、
前縁１３から後縁１４に向かって、ある部分まで厚くな
っていき、その部分より更に後縁１４に向かって細くな
っていく。

【０００９】流体は、翼部１２の前縁１３より後縁１
４に流れる。図３で、流体は、方向１９ａより流入し、
翼部１２により方向が調整され、方向１９ｂに流出す
る。２つの翼部１２は、流体の流れを所定の方向に調整
するように互いに配置される。図４で、それぞれの翼部
１２がシュラウド部２０からシュラウド部３０に径方向
に伸びている。図３で、隣接する翼部１２との間隔１８
ａが、翼部１２の翼幅１７より小さい。翼部１２の翼幅
１７とは、翼部１２の前縁１３と後縁１４との直線距離
をいう。

【００１０】図４の断面では、シュラウド部２０、３
０は同心円の円弧形状を有し、シュラウド部２０が内側
の同心円に位置し、シュラウド部３０が外側の同心円に
位置し、翼部１２がシュラウド部２０とシュラウド部３
０に挟まれている。図４では、多連式セラミック静翼１
０が支持リング４０に取り付けられていて、シュラウド
部３０の外周面３２が支持リング４０の内周面４２に接
する。隣合う多連式セラミック静翼１０において、シュ
ラウド部２０、３０と隣のシュラウド部２０、３０の間
にクリアランス２３、３３がそれぞれ設けられている。
クリアランス２３、３３により、隣合うシュラウド部同
士が接触して、クラック等が発生したり、破損したりす
ることを防止する。シュラウド部２０の内周面２２に
は、ステップ２６が形成され、ステップ２６に更にステ
ップ２７が形成されている。しかし、ステップ２６、２
７は、本発明に必須の要素ではなく、必要に応じて適
宜、設計変更しうるものに過ぎない。

【００１１】本発明の多連式セラミック静翼の製造方
法は、一つの翼部と一対のシュラウド部を有するセラミ
ック静翼の成形体を成形する工程と、２つ以上の当該成
形体を接合一体化する等方加圧成形工程と、一体化され
た成形体を焼成する焼成工程とを有する。成形工程で
は、セラミック静翼の使用環境に応じて選択されるセラ
ミック粉末を所望の形状に成形する。通常は、窒化珪
素、炭化珪素が用いられる。

【００１２】成形工程では、射出成形、鋳込み成形又
はプレス成形及び機械加工により成形する。射出成形で
は、セラミック粉末と樹脂、ワックス等の有機バインダ
ーとを含有する成形材料をインラインスクリュー型等の
成型機で成形し、次いで、有機バインダーを除去するた
めに加圧下又は大気圧下で脱脂し、成形体を得る。鋳込
み成形では、セラミック粉末と少量の有機バインダーと
解膠剤と溶媒とを含有するスラリーを固形鋳込み、加圧
鋳込み等により成形し、次いで、乾燥、有機バインダー
除去を行い、成形体を得る。プレス成形及び機械加工で
は、セラミック粉末と少量の有機バインダーとを含有す
る顆粒粉末を低圧でプレス成形し、加熱して有機バイン
ダーを除去し、マシニングセンター等でセラミック静翼
を削りだし、成形体を得る。マシニングセンターを用い
た機械加工では、湿式、乾式の何れでもよく、湿式の場
合は、成形体の強度を付与するため、仮焼するのが好ま
しい。乾式の場合は、マシニングセンターを用いた機械
加工の後に、有機バインダーを除去してもよい。

【００１３】等方加圧成形をする際には、２つ以上の
成形体の接合面が予め互いに相補う形状を有することが
好ましい。即ち、成形体の接合面の間に隙間を形成する
ことなく、接合面が密接することができる形状に、成形
体が形成されることが好ましい。図５で、セラミック成
形体１０ａ、１０ｂは、それぞれ、１個の翼部１２ａ、
１２ｂと、翼部１２ａ、１２ｂを挟む一対のシュラウド
部２０ａ、３０ａ、２０ｂ、３０ｂとを有する。セラミ
ック成形体１０ａ、１０ｂは、それぞれ、シュラウド部
２０ａ、３０ａの接合面２１ａ、接合面３１ａが、それ
ぞれシュラウド部２０ｂ、３０ｂの接合面２１ｂ、接合
面３１ｂに密接するように形成される。射出成形、鋳込
み成形等で成形体を成形した場合には、接合面の形状精
度に応じて、白加工を施しても良い。

【００１４】等方加圧成形では、シュラウド部２０ａ
の接合面２１ａ及びシュラウド部２０ｂの接合面２１ｂ
の接合、並びに、シュラウド部３０ａの接合面３１ａ及
びシュラウド部３０ｂの接合面３１ｂの接合を同時に行
う。等方加圧成形をする際には、これらの接合面にセラ
ミックペーストを予め介在して組み合わされても良い
し、セラミックペーストを介在することなく、接合面ど
うしを直接に接触させて組み合わせても良い。セラミッ
クペーストには、成形体と同じ材質のものが好適に用い
られる。この組み合わせ体の全ての外表面がラテックス
ゴム等の弾性体により被覆される。図５では、２個のセ
ラミック成形体が等方加圧成形により一体化されたが、
本発明では、３個以上のセラミック成形体が等方加圧成
形により同時に一体化されてもよい。

【００１５】等方加圧成形とは、コールドアイソスタ
チック成形（ＣＩＰ）又は静水圧加圧成形ともいい、加
圧媒体中で、成形体全面に圧力を均一に加える成形方法
である。通常は、加圧媒体として液体を用いる。等方加
圧成形では、加圧媒体の侵入を防止するため接合体の表
面にゴム等を被覆して、加圧媒体中で接合体を加圧して
接合して、次いで、加圧媒体から取り出した接合体より
ゴム等を除去する。被覆には、例えば、市販の氷嚢、ア
メゴムチューブ、ラテックス等を用いることができる。
焼成には、セラミック粉末に応じた雰囲気、温度を選定
すればよい。通常は、窒化珪素では、窒素雰囲気中で約
１７００℃に保持すればよく、炭化珪素では、アルゴン
雰囲気中で約２０００℃に保持すればよい。

【００１６】以上、従来のセラミック静翼の形状を有
する２個以上の成形体を等方加圧成形により一体化する
製造方法を説明した。しかし、本発明の多連式セラミッ
ク静翼は、２つ以上の翼部と一つのシュラウド部を有す
るセラミック成形体と、シュラウド部の形状を有するセ
ラミック成形体とを等方加圧成形により一体化すること
によっても製造することができる。後者の製造方法は、
セラミック成形体の形状のみが前者の製造方法と異な
り、製造工程自体は基本的に同じである。以下、セラミ
ック成形体の形状を中心に説明する。

【００１７】図６及び図７では、セラミック成形体１
０ｃは、２つの翼部１２ｃと一つのシュラウド部３０ｃ
を有する。かかる形状も、上記した成形工程、即ち、射
出成形、鋳込み成形又はプレス成形及び機械加工で得る
ことができる。セラミック成形体２０ｃは、シュラウド
部の形状を有する。セラミック成形体１０ｃの翼部１２
ｃの各々は、その端部に接合面１１を有し、セラミック
成形体２０ｃの外周面は、セラミック成形体１０ｃとの
接合面２２ａを有する。これらの接合面の間に隙間を形
成することなく、接合面が密接しうる形状に、セラミッ
ク成形体１０ｃ、２０ｃが形成される。等方加圧成形で
は、セラミック成形体１０ｃの翼部１２ｃの接合面１１
と、セラミック成形体２０ｃの接合面２２ａとを同時に
接合する。

【００１８】図６及び図７では、一方の成形体が、２
つ以上の翼部と外側のシュラウド部を有していて、他方
の成形体が内側のシュラウド部を有していた。しかし、
本発明の製造方法では、一方の成形体が、２つ以上の翼
部と内側のシュラウド部を有していて、他方の成形体が
外側のシュラウド部を有していてもよい。また、図６及
び図７では、セラミック成形体２０ｃの接合面２２ａ
は、外周面と連続していて、面一に形成されている。し
かし、本願発明では、セラミック成形体２０ｃの外周面
に、セラミック成形体１０ｃの翼部１２ｃの端部を密着
して挿入することができる凹部を形成していてもよい。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。ただし、本発明は下記実施例により制限されるもの
ではない。（実施例１〜３及び比較例）平均粒径が１．０μｍの窒
化珪素粉末１００重量部、ＳｒＣＯ₃２重量部、ＭｇＯ
３重量部及びＣｅＯ₂３重量部を調合した。この調合粉
末１００重量部に対して、パラフィンワックスが主成分
である有機バインダー２０重量部を添加した。この混合
物を用いて、射出成形により、１つの翼部と一対のシュ
ラウド部を有するセラミック成形体１０ａを複数個得
た。１時間当たり３℃で昇温し、４５０℃で１０時間保
持して脱脂した。

【００２０】脱脂後に、セラミック成形体１０ａのシ
ュラウド部２０ａ、３０ａの接合面２１ａ、３１ａが、
それぞれ、隣のセラミック成形体１０ｂのシュラウド部
２０ｂ、３０ｂの接合面２１ｂ、３１ｂに密接するよう
に、シュラウド部２０ａ、３０ａの接合面２１ａ、３１
ａ及びシュラウド部２０ｂ、３０ｂの接合面２１ｂ、３
１ｂを白加工により面出しした。次いで、所定の数のセ
ラミック成形体をシュラウド部の接合面が密接するよう
に組み合わせて、ラテックスゴムを被覆した。実施例
１、２、３では、それぞれ、２個、５個、１０個のセラ
ミック成形体を組み合わせた。一方、比較例では、一個
のセラミック成形体の表面にラテックスゴムを被覆し
た。７，０００kgf/cm²の圧力で等方加圧成形を行っ
た。加圧媒体は、水とエチレングリコールが重量比で、
５０：５０の混合液を用いた。

【００２１】次いで、窒素雰囲気中１７００℃で３時
間焼結した後、セラミック焼結体を仕上げ加工し、セラ
ミック静翼を製造した。このセラミック静翼を支持リン
グ４０を有するガスタービンに取り付けた。このガスタ
ービンは発電機に用いられる。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１の「取り付け時間」の欄は、セラミ
ック静翼を、支持リング４０を有するガスタービンに取
り付けたときの作業時間を示す。この支持リング４０に
は、４０個の翼部が取り付けられ、実施例１〜３及び比
較例で、同一の支持リングを用いた。実施例１では、２
個の翼部を有する２連式セラミック静翼２０個が取り付
けられた。実施例２では、５個の翼部を有する５連式セ
ラミック静翼８個が取り付けられた。実施例３では、１
０個の翼部を有する１０連式セラミック静翼４個が取り
付けられた。一方、比較例では、従来のセラミック静翼
４０個を取り付けた。本発明の多連式セラミック静翼で
は、取り付ける静翼の数が減少するので取り付け時間も
短くなり、製造コストが低減する。

【００２４】ガスタービンにおける熱効率を表１に示
す。熱効率は、その理想値が４２％である条件で測定し
た。本発明の多連式セラミック静翼では、シュラウド部
におけるクリアランスの数が減少することにより、作動
流体の漏れが少なくなり、熱効率が３０％から実施例３
では３３％にまで向上した。ガスタービンにおいて、熱
効率が１％上昇することは顕著な効果であり、熱効率を
１％向上するためには、様々な創意工夫が凝らされるも
のである。

【００２５】

【発明の効果】本発明の多連式セラミック静翼では、
支持リングに取り付ける作業が効率化し、ガスタービン
に用いるときには、ガスタービンの熱効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多連式セラミック静翼の斜視説明図
である。

【図２】本発明の多連式セラミック静翼の斜視説明図
である。

【図３】本発明の多連式セラミック静翼の断面説明図
である。

【図４】本発明の多連式セラミック静翼の断面説明図
である。

【図５】従来のセラミック静翼の断面説明図である。

【図６】本発明のセラミック静翼を製造する際のセラ
ミック成形体の断面説明図である。

【図７】本発明のセラミック静翼を製造する際のセラ
ミック成形体の斜視説明図である。

【符号の説明】

１０・・・多連式セラミック静翼、１０ａ、１０ｂ・・・成形
体、１０ｃ・・・成形体、１１・・・接合面、１２・・・翼部、
１２ａ、１２ｂ・・・翼部、１２ｃ・・・翼部、１３・・・前
縁、１４・・・後縁、１５・・・凹側面、１６・・・凸側面、１
７・・・翼部の翼幅、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ・・・隣の翼部
との間隔、１９ａ・・・流体の流入方向、１９ｂ・・・流体の
流出方向、２０・・・シュラウド部、２０ａ、２０ｂ・・・シ
ュラウド部、２０ｃ・・・シュラウド部、２１・・・端面、２
１ａ、２１ｂ・・・接合面、２２・・・内周面、２２ａ・・・接
合面、２３・・・クリアランス、２６・・・ステップ、２７・・
・ステップ、３０・・・シュラウド部、３１・・・端面、３１
ａ・・・接合面、３１ｂ・・・接合面、３２・・・外周面、３３・
・・クリアランス、４０・・・支持リング、４２・・・内周面

フロントページの続き (72)発明者平井貞昭愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つ以上の翼部と、当該翼部を挟む一対
のシュラウド部とを有することを特徴とする多連式セラ
ミック静翼。
【請求項２】当該翼部の各々が、前縁及び後縁、並び
に、凹側面及び凸側面を有し、当該前縁から当該後縁へ
翼弦に沿って、当該凹側面及び当該凸側面が形成されて
いることを特徴とする請求項１に記載の多連式セラミッ
ク静翼。
【請求項３】当該シュラウド部の各々は、ほぼ円弧形
状を有する一断面を有することを特徴とする請求項１又
は２に記載の多連式セラミック静翼。
【請求項４】一つの翼部と、当該翼部を挟む一対のシ
ュラウド部とを有するセラミック静翼成形体を２個以上
成形する工程と、２個以上の当該セラミック静翼成形体を等方加圧成形に
より一体化する工程と、この一体化した成形体を焼結する工程とを有することを
特徴とする多連式セラミック静翼の製造方法。
【請求項５】２つ以上の翼部と当該翼部に連続する一
つのシュラウド部を有するセラミック成形体及び一つの
シュラウド部を有するセラミック成形体を成形する工程
と、これらのセラミック成形体を等方加圧成形により一体化
する工程と、この一体化した成形体を焼結する工程とを有することを
特徴とする多連式セラミック静翼の製造方法。