JPH10103014A - ガスタービンシュラウド構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セグメントの構成簡素化が図れ、それにより製
作が容易に行えるとともに、角部等が少なく脆性等に対
する信頼性の向上が図れ、また部品数および組み立て工
数の低減等が図れるセラミックス性のガスタービンシュ
ラウド構造を提供する。 【解決手段】円筒状シュラウド７を周方向に分割した複
数の円弧板状のセグメント８によって構成する。各セグ
メント８の主流ガス方向に沿う両端縁を、ガスタービン
ケーシング９の内周側に固定した支持部材１０に支持さ
せる。各セグメント８をセラミックスで構成する。セグ
メント８をセラミックスにより断面が角形、台形、Ｉ形
その他の中空な構成とする。これにより、セグメント８
を長くして、部品数の減少等が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はガスタービンの動翼
外周側に配置されるガスタービンシュラウドの構造に係
り、特に同シュラウドにセラミックスを適用する場合の
改良技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、火力発電等に適用されるガスター
ビンについては、効率向上等の面から燃焼ガス温度の一
層の高温化が進められており、それに伴うガスタービン
主機部分の入口温度の高温化に対処するために、主流ガ
ス通路構成部分を高耐熱化するための技術も種々開発さ
れてきている。特にガスタービン第１段動翼の外周側に
配置する主流ガス通路外壁の構成要素である円筒状シュ
ラウドについては、動翼回転に伴う遠心方向への熱流が
大きく作用することから高耐熱性が必要となってきてお
り、セラミックスの適用等が考えられている。

【０００３】図７は、このような見地に基づいて構成さ
れた従来のガスタービン入口部のシュラウド構造を例示
したものである。同図に示すように、ガスタービン１の
主流ガス通路２には第１段静翼（入口ノズル）３、第１
段動翼４および第２段静翼５とが順次に配置されてお
り、これらの翼間を燃焼ガスａが流通するようになって
いる。この主流ガス流路２を囲む外壁６の構成要素とし
て、動翼４の外周側に配置する円筒状シュラウド７が備
えられている。この円筒状シュラウド７は、タービン軸
心回りで周方向に分割された複数の円弧板状のセグメン
ト８によって構成されるとともに、この各セグメント８
の主流ガス方向に沿う両端縁８ａが、ガスタービンケー
シング９の内周側に固定した金属製の支持部材１０によ
って支持されている。

【０００４】このセグメント８によって主流ガス通路２
側と、支持部材１０側とが熱的に隔離されている。な
お、支持部材１０には冷却流路１１が形成されており、
この冷却流路１１を流通する冷却媒体によって金属部分
の冷却が行われるようにしてある。冷却媒体として空気
を使用する場合には、冷却空気ｂが支持部材１０内で冷
却流動した後に、円筒状シュラウド７の支持部の隙間等
を介して主流ガス通路３側に流出され、外壁６等のフィ
ルム冷却が行われるようになっている。

【０００５】図８は、図７に示した円筒状シュラウド７
を構成するセグメント８を拡大して示す斜視図である。
従来では、これらの図７および図８に示すように、セグ
メント８が略四角形の駒状に構成されており、全体とし
て複雑な凹凸形状を有するものとなっている。即ち、セ
グメント８は、支持部材１０から主流ガス通路２側に突
出し主流ガス方向で対向する一対の鍔部１０ａで支持さ
れるようになっており、これらの支持部１０ａの対向面
に凹凸状の支持部１２が形成され、これらの支持部１２
に嵌合するようにセグメント８の主流ガス方向の両端縁
に溝１３が形成されている。

【０００６】また、セグメント８同士は互いに周方向で
嵌合状態で連結されるように、周方向に沿う一端部に凸
部１４が形成され、また同方向他端部に凹部１５が形成
されている。また、熱応力を緩和するために、セグメン
ト８全体の薄肉化等を図る目的で一部（例えば主流ガス
通路２に面する部位）の肉厚が小さく形成され、外周側
が窪んだ形状等とされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ガスタービ
ンシュラウドの高耐熱化を図るため、セグメント７をセ
ラミックスによって構成しようとする場合、上記の構成
では形状が複雑で加工が極めて面倒で製作が容易に行え
ないという問題がある。また、上記の構成では角部が多
いため、脆性が高いセラミックスの特質から衝撃欠損や
亀裂が発生し易く、高信頼性を得ることが困難であると
いう実用面での問題もある。さらに、各セグメント７の
周方向長さが短く、したがって部品点数が多くなるとと
もに、組立て工数も多くなるという問題もある。

【０００８】したがって、従来ではガスタービンシュラ
ウドにセラミックスを適用するうえで、加工性、信頼
性、部品点数、組立て工数等の面で問題があり、これら
が実用化に際して解決すべき課題となっていた。

【０００９】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、セグメントの構成簡素化が図れ、
それにより製作が容易に行えるとともに、角部等が少な
く脆性等に対する信頼性の向上が図れ、また部品点数お
よび組立て工数の低減等も有効的に図れるセラミックス
製のガスタービンシュラウド構造を提供することにあ
る。

【００１０】

【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、請求項１記載の発明は、ガスタービンの主流ガス
通路を囲む外壁の構成要素として動翼の外周側に配置す
る円筒状シュラウドを備え、この円筒状シュラウドを周
方向に分割した複数の円弧板状のセグメントによって構
成するとともに、この各セグメントの主流ガス方向に沿
う両端縁を、ガスタービンケーシングの内周側に固定し
た支持部材に支持させ、これらセグメントによって前記
主流ガス通路側と前記支持部材側とを熱的に隔離するガ
スタービンシュラウド構造において、前記各セグメント
をセラミックスにより断面が角形、台形、Ｉ形その他の
中空な構成としたことを特徴とする。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１記載のガスタ
ービンシュラウド構造において、セグメントを、セラミ
ックスマトリックスにセラミックス繊維を複合したセラ
ミックス複合材料によって構成したことを特徴とする。

【００１２】請求項３の発明は、請求項２記載のガスタ
ービンシュラウド構造において、セグメントを構成する
セラミックス繊維を、ブレーディング織りによって構成
したことを特徴する。

【００１３】請求項４の発明は、請求項１〜３記載のガ
スタービンシュラウド構造において、各セグメントの周
方向一端部を凸形状とし、隣接配置されるセグメントの
周方向他端部の開口部に嵌合したことを特徴とする。

【００１４】請求項５の発明は、請求項１から４までの
いずれかに記載のガスタービンシュラウド構造におい
て、セグメントの外周側壁に周方向に沿うスリットを形
成し、このスリットに通した挟持部材によって前記セグ
メントを支持部材に固定したことを特徴とする。

【００１５】請求項６の発明は、請求項１から５までの
いずれかに記載のガスタービンシュラウド構造におい
て、セグメントを構成するセラミックス材料はＳｉＣで
あることを特徴とする。

【００１６】請求項７の発明は、請求項６記載のガスタ
ービンシュラウド構造において、セグメントを構成する
ＳｉＣは、反応焼結ＳｉＣであることを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスタービン
シュラウド構造の一実施形態を図１〜図５を参照して説
明する。なお、円筒状シュラウド以外の構成については
従来構造と略同様であるから、図７も以下の実施形態の
説明に参照する。

【００１８】本実施形態によるガスタービンシュラウド
構造においては、図７に示したように、ガスタービン１
の主流ガス通路２を囲む外壁の構成要素として動翼４の
外周側に配置する円筒状シュラウド７を備えている。こ
の円筒状シュラウド７は周方向に分割された複数の円弧
板状のセグメント８によって構成されるとともに、この
各セグメント８の主流ガス方向に沿う両端縁が、ガスタ
ービンケーシング９の内周側に固定された支持部材１０
によって支持され、これらセグメント８によって主流ガ
ス通路２側と支持部材１０とが熱的に隔離されている。

【００１９】このような構成のもとで、本実施形態で
は、各セグメント８が図１に示すように、セラミックス
により断面四角形状の中空な構成とされている。このセ
ラミックス材料は、セラミックスマトリックスＡにセラ
ミックス繊維Ｂを複合したセラミックス複合材料とされ
ている。また、セラミックスとしてはＳｉＣが適用され
ており、マトリックスのＳｉＣは、予備成形体に反応焼
結によって溶融Ｓｉを含浸させて反応焼結を行わせるこ
とにより成形される反応焼結ＳｉＣとされている。即
ち、ＳｉＣで形成した予備成形体にＳｉＣおよびＣのス
ラリーを加圧含浸させ、その後乾燥させたものに、真空
加圧焼結炉において溶融Ｓｉを含浸させ、反応焼結を行
わせたものである。

【００２０】また、本実施形態では、セラミックス繊維
で予備成形体を構成する場合、ブレーディング織りを採
用して中空な筒状の織物を構成している。即ち、複数本
の繊維束を断面四角形状の金属製の芯（金属中子）の周
囲に順次に供給しながら織り込み、その後芯を抜き外し
て中空織物を製織する方法である。このような方法で製
織すれば、種々の断面形状、長さ、密度のものを、任意
に形成することができる。

【００２１】例えば図２および図３に、このようなブレ
ーディング織りを採用して形成したセグメント８の変形
例を示している。図２のものは断面Ｉ形としたものであ
り、図３のものは断面台形としたものである。なお、図
示しないが他の種々の断面形状の中空な構成とすること
は勿論可能である。

【００２２】また、上記方法によって構成される本実施
形態のセグメント８は、種々の長さが任意に設定できる
ことから、図１に示したように、従来に比して周方向長
さの大きいものが製作可能である。このセグメント８の
長さを大きくすることにより、従来に比して部品点数が
減少でき、また組立て工数も低減することができる。

【００２３】図４は、本実施形態のガスタービンシュラ
ウド構造において適用される、各セグメント８の連結合
構造の一例を示している。

【００２４】即ち、セグメント８ａの周方向一端部を凸
形状とし、その凸部１８を、隣接配置されるセグメント
８ｂの周方向他端部の開口部１９に嵌合することによ
り、各セグメント８ｂの連結を行うものである。これに
より、比較的簡易な構成でありながらも、セグメント連
結が確実に行えるとともに、シール効果を向上すること
により、燃焼ガスの流出防止等が確実に行えるようにな
る。

【００２５】なお、このような凸部１８を有するセラミ
ックス部品の製造は通常困難であるが、前記のブレーデ
ィング織りの採用によって容易に行えるものである。

【００２６】また、図５は、本実施形態による各セグメ
ント８の連結構造の他の例を示したものである。同図
（Ａ）はセグメント連結構造を示し、同図（Ｂ）は連結
部材２０の構成を示している。

【００２７】この例では、各セグメント８ａ，８ｂ間に
介在できる駒状の連結部材２０を備え、この連結部材２
０に、各セグメント８ａ，８ｂの周方向端部の開口部１
９に嵌合できる凸部２１を形成したものである。この連
結部材２０もブレーディン織りを採用して形成したもの
である。

【００２８】このような構成によると、セグメント８
ａ，８ｂが長尺な場合、そのセグメント８ａ，８ｂ同士
を直接連結する場合に比して、連結作用が容易となり、
変形や寸法差等を吸収してシール効果向上することがで
きる。

【００２９】図６は、本実施形態によるセグメント８の
支持部材１０に対する連結構造を例示したものである。
同図（Ａ）は支持状態を示す側面図であり、同図（Ｂ）
は断面図である。なお、適用するセグメント８は、図１
に示した断面角形のものである。

【００３０】この例では、セグメント８の外周側壁２２
に周方向に沿うスリット２３を形成し、このスリットに
通した挟持部材、例えばボルト２４およびブッシュ２５
によってレール状の支持部材１０に締結固定するように
してある。

【００３１】この場合、図６（Ｂ）に示すように、支持
部材１０とセグメント８との間に緩衝部材２６を設ける
ことが望ましい。それによって締結を確実にすることが
できる。本実施形態では、緩衝部材２６がセラミックス
繊維の集合体、例えばセラミックスシートで構成されて
いる。セラミックス繊維の集合体は繊維間の空間により
スプリング効果を発揮でき、耐熱性とともに高熱化の緩
衝用として有効なものとなる。

【００３２】以上の本実施形態のガスタービンシュラウ
ド構造によれば、円筒状シュラウド７となるセグメント
８を比較的簡単な構成としたことにより、成形等の加工
が容易に行えるようになり、製造にかかる時間やコスト
が従来の構成に比して大幅に削減できる。また、形状が
単純化され、角部等が少ない構成となることから、熱衝
撃等によって破壊する危険性を低減することができる。
さらに、セグメント８の周方向長さを大きくすることに
より、部品点数を減少し、組立て工数を低減することも
できる。

【００３３】なお、以上の実施形態では第１段動翼の外
周側に位置する円筒状シュラウドのセグメントについて
説明したが、第２段以降のものについても適用できるこ
とは勿論である。

【００３４】

【発明の効果】以上の実施形態で詳述したように、本発
明に係るガスタービンシュラウド構造によれば、円筒状
シュラウドとなるセグメントを比較的簡単な構成とした
ことにより、成形等の加工が容易に行えるようになり、
製造にかかる時間やコストが従来の構成に比して大幅に
削減でき、また形状が単純化され、角部等が少ない構成
となることから、熱衝撃等によって破壊する危険性を低
減することができ、さらにセグメントの周方向長さを大
きくすることにより、部品点数を減少し、組立て工数を
低減することもできるる等の各種の効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガスタービンシュラウド構造の一
実施形態を示すもので、セグメントの斜視図。

【図２】図１に示したセグメントの変形例を示す斜視
図。

【図３】図１に示したセグメントの他の変形例を示す斜
視図。

【図４】図１に示したセグメントの連結構造の一例を示
す側面図。

【図５】（Ａ）はセグメントの連結構造の他の例を示す
側面図、（Ｂ）は連結部材を示す斜視図。

【図６】（Ａ）はセグメントの支持構造を示す側面図、
（Ｂ）は同断面図。

【図７】従来例によるガスタービンシュラウド構造を示
す断面図

【図８】図７におけるセグメントを拡大して示す斜視
図。

【符号の説明】

１ ガスタービン ２ 主流ガス通路 ３ 第１段静翼 ４ 第１段動翼 ５ 第２段静翼 ６ 外壁 ７ 円筒状シュラウド ８，８ａ，８ｂ セグメント ９ ガスタービンケーシング １０ 支持部材 １１ 冷却流路 １８ 凸部 １９ 開口部 ２０ 連結部材 ２１ 凸部 ２２ 外周側壁 ２３ スリット ２４ ボルト ２５ ブッシュ ２６ 緩衝部材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービンの主流ガス通路を囲む外壁
   の構成要素として動翼の外周側に配置する円筒状シュラ
   ウドを備え、この円筒状シュラウドを周方向に分割した
   複数の円弧板状のセグメントによって構成するととも
   に、この各セグメントの主流ガス方向に沿う両端縁を、
   ガスタービンケーシングの内周側に固定した支持部材に
   支持させ、これらセグメントによって前記主流ガス通路
   側と前記支持部材側とを熱的に隔離するガスタービンシ
   ュラウド構造において、前記各セグメントをセラミック
   スにより断面が角形、台形、Ｉ形その他の中空な構成と
   したことを特徴とするガスタービンシュラウド構造。
2. 【請求項２】 請求項１記載のガスタービンシュラウド
   構造において、セグメントを、セラミックスマトリック
   スにセラミックス繊維を複合したセラミックス複合材料
   によって構成したことを特徴とするガスタービンシュラ
   ウド構造。
3. 【請求項３】 請求項２記載のガスタービンシュラウド
   構造において、セグメントを構成するセラミックス繊維
   を、ブレーディング織りによって構成したことを特徴す
   るガスタービンシュラウド構造。
4. 【請求項４】 請求項１〜３記載のガスタービンシュラ
   ウド構造において、各セグメントの周方向一端部を凸形
   状とし、隣接配置されるセグメントの周方向他端部の開
   口部に嵌合したことを特徴とするガスタービンシュラウ
   ド構造。
5. 【請求項５】 請求項１から４までのいずれかに記載の
   ガスタービンシュラウド構造において、セグメントの外
   周側壁に周方向に沿うスリットを形成し、このスリット
   に通した挟持部材によって前記セグメントを支持部材に
   固定したことを特徴とするガスタービンシュラウド構
   造。
6. 【請求項６】 請求項１から５までのいずれかに記載の
   ガスタービンシュラウド構造において、セグメントを構
   成するセラミックス材料はＳｉＣであることを特徴とす
   るガスタービンシュラウド構造。
7. 【請求項７】 請求項６記載のガスタービンシュラウド
   構造において、セグメントを構成するＳｉＣは、反応焼
   結ＳｉＣであることを特徴とするガスタービンシュラウ
   ド構造。