JPH09505651A - セラミック製ブレード取付システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 所定の熱膨張率を有するタービンブレード(102)は、このタービンブレード(102)の所定の熱膨張率よりも大きな所定の熱膨張率を有するタービンホイール(90)に取付けられる。タービンホイール(90)は一対の側壁(82)を有し、側壁(82)は、それらの間に形成された溝(80)と、半径方向に位置決めされた軸線方向に整列した孔(92)の対を有する。タービンブレード(102)は、ボア(116)を有す付け根部分(104)を有する。ブレード(102)の熱膨張率と実質的に等しい所定の熱膨張率のピン(130)が、軸線方向に整列した孔(92)とボア(116)の中に配置されて、ブレード(102)をタービンホイール(90)に取付ける。

Description

【発明の詳細な説明】 セラミック製ブレード取付システム技術分野 この発明は、一般的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳しくは、セラミ ック製プレードとタービンホイールとの間のジョイントに関する。背景技術 アメリカ合衆国は、米国エネルギ局によって認められたDE-AC02-92CE40960に 従う本発明に関する権利を有している。 ガスタービンエンジンの作動において、大気圧のエアが先ず圧縮機で圧縮され て、燃焼ステージに送られる。燃焼ステージでは、圧縮機から出たエアに燃料を 加えて燃焼させることによって、このエアに熱を加える。燃焼ステージでの燃料 の燃焼により生じるガスの流れは、タービンを通って膨張して、そのエネルギの 一部をタービンの駆動のために使い、機械的な力を生成する。 駆動トルクを得るために、軸流タービンは、一段以上のステージからなり、そ の各々が、一列の静止ノズルガイドベーンと、タービンディスクに取付けられた 一列の可動ブレードとを用いている。ノズルガイドベーンは、空気力学的に、流 入ガスを燃焼ステージからタービンブレードに差し向けるように設計されており 、これにより、運動エネルギをブレードに移す。 タービンに入るガスは、典型的に、８５０°F(453℃)ないし少なくとも１２０ ０°F(647℃)の入口温度を有する。タービンエンジンの効率および出力が流入ガ スの入口温度に関連するので、ガスタービンエンジン技術では、ガス温度を高め る傾向にある。この結果、ブレードおよびベーンの材料は、高い温度の作用に耐 えるという観点から益々重要になっていると思われる。 歴史的に、ノズルガイドベーンおよびブレードは、耐熱スチール、また、近年 では、ニッケル合金のような金属で作られており、溶融を防止するために、内部 冷却通路を作ることが必要であると考えられている。セラミック製コーティング によってノズルガイドベーンおよびブレードの耐熱性を高めることができること が分かった。特殊な例では、ノズルガイドベーンおよびブレードを全体的にセラ ミックで作り、一層高いガス入口温度に対する耐久性を与える。 しかしながら、ノズルガイドベーン及び／又はブレードをセラミックで作ると 、異なる化学組成、物性、金属製支持構造に対する熱膨張係数、かくして望まし くない応力を有するので、エンジン作動中、ノズルガイドベーン及び／又はブレ ードとこれらの支持体との間に熱応力の部分が出来る。 更に、ブレードとディスクとの間の在来のジョイントは、典型的には、もみの 木取付(fir tree attachment)又はルートデザイン(root design)を用いていた。 歴史的に、セラミック製ブレードでは、ダブテイルルートデザイン(dovetail ro ot design)が用いられ、ここでは、高応力の加わるセラミック製ブレードの付け 根と金属製タービンブレードとの間に、生じる相対動つまり摺動抵抗に順応する 金属のコンプライント層(compliant layer)材料が用いられる。セラミック製ブ レードと金属製ディスクとの間の摺動抵抗は、セラミックにその品位を低下させ る引っかき傷のような、面に生じる傷を作る。セラミックの面におけるこの品位 低下は、ブレードの付け根の引張応力ゾーンで生じ、それ故、面の傷が相当な大 きさになると、ブレードの付け根が破壊してしまう。 本発明の目的は、上述した一以上の問題を解決することにある。発明の開示 本発明の一つの局面にあっては、タービン組立体は、所定の熱膨張率を有し且 つ溝を備えた材料で作られたタービンを有する。この溝は一対の端壁の間に形成 され、対の端壁には、その各々に設けられた複数の軸線方向に整列した孔を有す る。この孔は、円弧状の面を有する。複数のブレードの各々は、タービンホイー ルの所定の熱膨張率よりも小さな所定の熱膨張率を有する材料で作られている。 ブレードは、環状溝の中に閉じ込められる付け根部分を有し、また、付け根部分 はボアを有する。ほぼ円柱状のピンが、複数のブレードの所定の熱膨張率にほぼ 等しい所定の熱膨張率の材料で作られ、また、ボアの各々に設けられて、軸線方 向に整列した孔を軸線方向に貫通している。図面の簡単な説明 図１は、本発明を具体化したガスタービンエンジンの部分側面図であり、例示 のために一部を断面で示してある。 図２は、セラミック製ブレードとディスクとの間のジョイントを図１の２−２ 線に沿って切断した拡大断面図。 図３は、セラミック製ブレードとディスクとの間のジョイントを図２の３−３ 線に沿って切断した断面図である。本発明の実施の態様 図１は、ガスタービンエンジン１０を示す。ガスタービンエンジン１０は、中 心軸線１４を有する外側ハウジング１２を備える。ハウジング１２の中には、圧 縮機セクション１６と、タービンセクション１８と、圧縮機セクション１６とタ ービンセクション１８との間に設けられて作動する燃焼器セクション２０とが、 軸線１４に中心合わせして設けられている。 エンジン１０の作動中、この適用例では軸流多段圧縮機３０又はその代わりと して遠心圧縮機または圧縮エアを生成するための任意の発生源を含む圧縮機セク ション１６によって、少なくともその一部が燃焼器セクション２０に連通する圧 縮エアの流れが作られる。燃焼器セクション２０は、この適用例では、環状燃焼 器３２を有する。燃焼器３２は、中心軸線１４の回りに同軸に配置されたほぼ円 筒形の外側シェル３４と、ほぼ円筒形の内側シェル３６と、ほぼ均一に間隔が隔 てられた複数の開口４０を備えた入口端３８と、出口端４２とを有する。この適 用例では、燃焼器３２は、ほぼ円錐状の複数のセグメント４４で構成されている 。各開口４０は、その中に配置されたインジェクタ５０を有する。環状燃焼器３ ２の代わりとして、発明の本質を変えることなく、複数のカン型燃焼器を組み込 んでもよい。 タービンセクション１８は、例えば発電機のような付属機器を駆動するために 連結される出力シャフト（図示せず）を備えた動力タービン６０を有する。ター ビンセクション１８の他の部分は、圧縮機セクション1６を駆動する関係で連結 されたガス発生タービン６２を有する。ガス発生タービン６２は、中心軸線１４ を中心に回転可能に設けられたタービン組立体６４を有する。タービン組立体６ ４は、外端７０に形成されたディスク６６を有する。ディスク６６の外端７０に はフランジ７６が設けられており、フランジ７６は、図２、図３に最もよく示す ように、ほぼ「Ｕ」字形状の環状溝８０を構成する外側部分７８を有する。この 環状溝８０は、外側部分７８の周面から半径方向内方に所定の距離延びている。 フランジ７６は一対の端壁８２で形成された略フォーク状の断面を有する。環状 溝８０は、一対の端壁８２の間でほぼ中心合わせされている。フランジ７６は、 所定の熱膨張率を有する。変形例として、溝は、環状溝でなく、外側部分７８の 周面の断続的な切欠で構成されてもよい。対の端壁８２は、その各々が、外面８ ４および内面８６を有する。内面８６は環状溝８０の側面に対応している。環状 溝８０は、更に、中心軸線１４から所定の半径だけ間隔が隔てられた底面８８を 有する。各端壁８２の外面８４は、フランジ７６の所定の幅を作り、また内面８ ６は環状溝８０の所定の幅を作る。フランジ７６は、この適用例にあっては、合 金鋼で作られ、またフランジ７６はタービンホイール９０を形成している。軸線 方向に延びる複数の孔９２は、対の端壁８２の各々において、外側部分７８の周 面と環状溝８０の底面８８との半径方向中間に配置されている。孔９２は、所定 の表面仕上げの内側円弧面９４を形成する所定の直径を有している。 図２および図３に最も良く示すように、環状溝８０の中には、複数のブレード １０２が設けられている。複数のブレード１０２の各々は、環状溝８０の中に閉 じ込められた付け根部分１０４と、付け根部分１０４から半径方向に延びるベー ス部分１０６と、ベース部分１０６から半径方向に延びるブレード部分１０８と を有する。ブレード１０２は、この実施例にあっては、炭化珪素、窒化シリコン のようなセラミック材料で作られ、また、フランジ７６の所定の熱膨張率よりも 小さな所定の熱膨張率を有している。付け根部分１０４は、一対の端面１１０と 、ベース部分１０６から延びる一対の側面１１２と、端面１１０と側面１１２と の間に延びるベース１１４とを有する。ベース１１４は、端面１１０と側面１１ ２との間に延びるほぼアーチ状の形状を有し、また、環状溝８０の底面８８から 所定の間隔が隔てられている。その変形例として、ベース１１４は、平坦であっ て もよく、あるいは、それ以外の方向に湾曲していてもよい。側面１１０は、環状 溝８０の内面８６および対の端壁８２に隣接して配置され、また、これから所定 の間隔が隔てられている。各ブレード1０２は、付け根部分１０４に設けられた ボア１１６を有する。ボア１１６は、両側面１１０の間で軸線方向に延びており 、また、対の端壁８２の孔９２と軸線方向に整列されている。ボア１１６は、内 面１１４の半径方向外方に設けられ、また、所定の直径を有している。 ほぼ円柱状のピン１３０は、対の端壁８２の孔９２の各々と、これに対応して 軸線方向に整列した各ブレード１０２の付け根部分１０４のボア１１６とを軸線 方向に貫通して延びている。円柱状ピン１３０は、タービンホイール９０の中に 各ブレード１０２を保持する。この適用例にあっては、円柱状ピン１３０は、ブ レード１０２の熱膨張率と実質的に等しい所定の熱膨張率を有する窒化シリコン 、炭化シリコンのようなセラミック材料で作られている。円柱状ピン１３０は、 ボア１１６の所定の直径よりも僅かに大きい所定の直径を有し、ピン１３０およ びブレード１０２は軽い圧嵌めで取付けられる。円柱状ピン１３０は、また、所 定の表面仕上げの外面１３２を有する。円柱状ピン１３０は、対の端壁８２の外 面８４によって規定される幅とほぼ等しい長さを有する。円柱状ピン１３０の外 面と孔９２の内面９４との界面は、中心合わせ嵌め(a line to line fit)で約0. 1mmないし0.2mmだけ離れている。変形例として、円柱状ピン１３０とブレード１ ０２との界面を、中心合わせ嵌めで約0.1mmないし0.2mmだけ離れている。円柱状 ピン１３０の外面１３２と孔９２の内面９４との界面は、圧嵌めあるいは締まり 嵌めであってもよい。その代わりとして、対の端壁８２の外面に取付けられた図 示しない一対のプレートのような外部手段によって、対の端壁８２の中で円柱状 ピン１３０を軸線方向に保持して、円柱状ピン１３０の軸線方向の移動を防止す るようにしてもよい。工業上の適用性 使用に際し、ガスタービンエンジン１０をスタートさせて暖気をし、また、適 当な動力機器に関係づけられている。負荷あるいは動力の要求が大きくなると、 エンジン１０出力に基づく負荷が燃料の増加によって増大し、その結果、エンジ ン１０内部の温度が高くなる。タービン組立体６４を作るのに用いられた構成部 品は、これらは異なる材料および異なる熱膨張率のものであるが、異なる率で成 長し、その結果生じ且つそこに働く力は、ガスタービンエンジン１０の寿命およ び効率を高めるために構造的に補償されなければならない。例えば、タービン組 立体６４が回転すると、遠心力によって個々のブレード１０２が円柱状ピン１３ ０およびフランジ７６に外側の力を及ぼす。円柱状ピン１３０の外面１３２およ びブレード１０２のボア１１６は、これらが圧嵌めによって取付けられ且つほぼ 同じ熱膨張率を有しているので、両者間の相対動は多くとも最小であり、ブレー ド１０２および円柱状ピン１３０は単一のユニットとして働く。かくして、ブレ ードの付け根部分１０４の引張応力の領域における摺動摩擦は最小限まで減じら れ或いは除去される。更に、円柱状ピン１３０の外面１３２および孔９２の内面 ９４が中心合わせ嵌めで離れているので、円柱状ピン１３０の外面１３２および 孔９２の内面９４は互いに関して自由に回動することができる。ベース部分１０ ６と外側部分７８の周面との接触は、ブレード１０２の回転動作を抑える。かく して、内面９４と外面１３２との間の界面は、こすれを低減あるいは削減するベ アリング面として働いて、寿命を伸ばす。荷重が円柱状ピン１３０とフランジ７ ６との間に及んで、表面９４、１３２を、表面に生じる傷を広がらせず破壊を招 く原因とならない高い圧縮荷重の状態に置く。スチール材料で作られたフランジ ７６が温度上昇によって膨張すると、その回転接触の機能を更に用いることがで きる。例えば、孔９２の相対的な幾何学形状が、セラミック材料で作られた円柱 状ピン１３０に関してより大きく成長する。かくして、遊嵌がタイトになるが、 圧嵌めの程度までではないので、その回転機能は保持される。 前述の点から、次のことが直ちに明らかになる。すなわち、本発明の構造は、 セラミック製ブレード１０２つまり所定の低い熱成長率の構成要素と、タービン ホイール９０つまりセラミック材料よりも高い所定の熱成長率の構成要素との間 の改善されたジョイントを提供できる。円柱状のピン１３０の外面１３２および ブレード１０２のボア１１６の構造上の構成がほぼ等しい熱膨張率を有している ので、両者間の相対動は最小である。ブレード１０２および円柱状のピン１３０ は単一のユニットとして働く。かくして、ブレードの付け根部分１０４の引張応 力の領域における摺動摩擦を最小限まで減じ或いは除去できる。円筒状ピン１３ ０の外面１３２及びこれが嵌り合い又は噛み合う孔９２の内面９４の構造上の構 成によって、表面に生ずる傷を減じ或いは削減する、一般的な回転ジョイントを 提供できる。更に、表面９４、１３２を、この表面に生じる傷を広がらせずセラ ミック製構成部品の破損を招く原因にならない高い圧縮荷重の状態に置くことが できる。 図面、詳細な説明および特許請求の範囲を検討することによって、本発明の他 の特徴、目的、利点を理解することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所定の熱膨張率を有し且つ環状溝(80)を有する材料で作られたタービンホイ ール(90)と、 前記環状溝(80)が一対の壁(82)の間に形成され、該壁は、対の壁の各々 に半径方向に位置決めされた円弧面(94)を形成する、軸線方向に整列し た複数の孔(92)を有し、 前記環状溝に設けられた複数のブレード(102)と、 該複数のブレード(102)の各々が、前記タービンホイール(90)の所定の 熱膨張率よりも小さな熱膨張率を有する材料で作られ、また、前記環状 溝(80)の中に閉じ込められる付け根部分(104)を有し、該付け根部分が ボア(116)を有し、 前記複数のブレード(102)の所定の熱膨張率と実質的に等しい所定の熱膨張 率の材料で作られ、また、ボア(116)の各々の中に設けられ且つ軸線方向に整列 した孔(92)の中を軸線方向に延びる円柱状のピン(130)と、を有するタービン組 立体(64)。 ２．前記ブレード(102)のボア(116)が内側円弧状面(118)を形成し、前記ピン(13 0)が外側円弧状面(132)を有し、該円柱状ピン(130)の外側円弧状面(132)および 前記ボア(116)の内側円弧状面(118)がそれらの間に界面を形成する、請求の範囲 第１項のタービン組立体(64)。 ３．前記外側円弧状面(132)と前記内側円弧状面(116)との間の前記界面が圧嵌め である、請求の範囲第２項のタービン組立体(64)。 ４．前記外側円弧状面(132)と前記内側円弧状面(116)との間の界面が中心合わせ 嵌めである、請求の範囲第２項のタービン組立体(64)。 ５．前記複数の軸線方向に整列した孔(92)が円弧状面(94)を形成し、また、前記 円柱状ピン(130)の外側円弧状面(132)および前記複数の軸線方向に整列した孔(9 2)の前記円弧面(94)がそれらの間に界面を形成する、請求の範囲第２項のタービ ン組立体(64)。 ６．前記円柱状ピン(130)の前記外側円弧状面(132)と前記複数の軸線方向に整 列した孔(92)の円弧状面(94)との間の界面が圧嵌めである。請求の範囲第５項の タービン組立体(64)。 ７．前記円柱状ピン(130)の前記外側円弧状面(132)と前記複数の軸線方向に整列 した孔(92)の前記円弧状面(94)との間の界面が遊嵌である、請求の範囲第５項の タービン組立体(64)。 ８．前記溝(80)が環状溝(80)である、請求の範囲第１項のタービン組立体(64)。