JPH1037701A - 熱負荷されるターボ機用ブレード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 タービンブレードの場合に、冷却空気を放出
することなしに、十分に高い耐熱度が得られるようにす
る。 【解決手段】 連結部を形成する手段及び又は摩擦接続
を生じさせる手段５ｂ，１６；６，１５，１７と作用接
続されたセラミック製前縁３，３ａ，３ｂが、ブレード
１の、流れの当たる先頭段４，４ａ，４ｂの少なくとも
一部を被覆するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱負荷されるター
ボ機用ブレードに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】タービンの効率を高める要求により、圧
力比が高い値にされることに加えて、タービン入口温度
が次第に高温にされるようになった。しかし、この種の
タービン用に現在使用可能なブレード材料は、相応に十
分な冷却なしでは、そうした高温には耐えられない。こ
の冷却に必要な冷却空気は、燃焼用空気流から分岐され
るため、加熱器内でのエネルギー供給には加わらない。
このため、発電設備の効率が低下する。

【０００３】冷却空気を節約するため、現在、多くの試
みがなされている。例えば、タービンのブレードをセラ
ミックの被覆で保護したり、ブレード全体をセラミック
材料製にしたりする。セラミックの被覆の場合、一般
に、組織に亀裂が生じる危険があり、０．５〜１．５ｍ
ｍという比較的厚手の層を形成せねばならない場合に
は、その危険が大きい。他方、より薄手の層を被覆する
場合には、これらの層を冷却空気で冷却する必要があ
る。このことは、熱絶縁層の本来の役割に矛盾する。全
体がセラミック製の大型のブレードは、現在のところ、
まだ、発生する種々の力や応力に、十分に長期の運転時
間にわたって耐えることはできない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これに対す
る対策を提供するものである。特許請求の範囲に記載の
本発明の根底をなす課題は、冒頭に述べた形式のブレー
ドの場合に、冷却空気を放出することなしに、十分に高
い断熱性が得られるようにすることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ブレー
ドの前縁をセラミック材料製にする一方、残りのブレー
ドは従来形式で構成できるようにする。こうすることに
より、次の利点が得られる：すなわち ａ） タービンの各ブレードの前縁の幾何寸法が、より
小さくなる。したがって、セラミック製構成部材が小型
になり、小型の部材の場合には、セラミックについての
既述の欠点は、ほとんど問題にならなくなる点、 ｂ） ブレードの力及びブレードに作用する力は、ブレ
ードの従来形式の金属部分で吸収し、セラミックは、温
度勾配による応力と、より低い程度ではあるが、発生す
る空気力学的な力とに耐えるだけでよい点、 ｃ） ブレードの前縁をセラミックに好都合に構成でき
る点、言い換えると、ゆるやかな丸み、一様の壁厚、好
都合な温度勾配、十分に広い接触面を得ることができる
点。

【０００６】

【発明の効果】これらの利点から得られる効果により、
著しく効率が改善され、特に第１タービン静翼列では、
空気力学特性の改善及び冷却空気の著しい節約が可能に
なる。

【０００７】本発明の解決策の別の有利かつ目的に適っ
た構成は、請求項２以下の各項に記載の通りである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の理解に直接関係のない部
材は、すべて図面から省略した。また、等しい部材に
は、図面が異なっても、等しい符号を付してある。

【０００９】図１は、通常、ガスタービン内に使用され
るブレード１を示している。このブレード１は、内側に
比較的大きい冷却通路１０を有し、この冷却通路を冷却
剤が流過する。この前部冷却通路１０は、ブレードの前
縁区域２用であり、ブレード１の後部用には、後部冷却
通路１１が設けられている。高価な金属から成るこれら
のブレード１の前縁区域２は、高価なセラミック材料か
ら成るシェル状前縁３を取付けるためのスペースを有し
ている。この前縁３は、以下では、簡単にセラミック製
前縁と呼ぶことにする。有利には、ブレード１とセラミ
ック製前縁３とは、連結状態で、双方の間に摩擦接続及
び又は係止接続を生じさせる手段を介して相互結合して
おく。この目的のために、ブレード１の先頭段４には、
この場合、吸込み側と加圧側に、それぞれ１つの凹部５
ａ，５ｂが設けられ、これら凹部によって、セラミック
製前縁３が、ブレード１の金属製の先頭段４へ機械式に
掛けはめ可能にされている。固定に必要な摩擦接続は、
一方の側、例えば凹部５ａの側では、少なくとも１個の
ばね部材６を介して行われる。この場合、ばね部材６
は、有利には円筒形に構成しておく。セラミック製前縁
３は、先ず凹部５ａ，５ｂに沿って掛けはめし、次いで
ばね部材６を半径方向へ押込むことで、固定される。セ
ラミック製前縁３は、したがって、２つの線状接触面に
より支えられ、一定の自由度のもとで、熱に応じてばね
部材６に対し自由に運動可能である。先頭段４とセラミ
ック製前縁３内側との間隙７は、熱絶縁材の機能を果た
している。なぜなら、そこには、前記線状接触面に沿っ
た漏れによって付加的に冷却されるエアクッションが形
成されているからである。間隙７には、一種の“シャワ
ー噴水口（showerhead）式冷却”（複数穴列による冷
却）が行われる。その場合、線状接触面を通過する空気
量は極めて僅かに制限されている。原則として、ブレー
ド１の先頭段４は、最適ではないまでも、十分な空気力
学的特性が保証されるように、構成される。更に、この
先頭段４は、数個の冷却空気孔８を介して冷却されるの
で、セラミック製前縁３なしで、限定された時間にわた
り、そのまま作動可能である。セラミック製前縁３は、
通常は３〜８ｍｍの壁厚を有している。ブレード１の前
縁区域２と残りの区域とのいずれにも、冷却空気孔１２
が設けられ、これらの冷却空気孔は、冷却空気通路１
０、１１から冷却空気を供給され、ブレード表面にフィ
ルム冷却を生ぜしめる。加えて、先頭段４と反対側の区
域には、別の冷却空気孔９が設けられ、これらの冷却空
気孔が、ブレード１のセラミック部分と金属部分との間
にフィルム冷却を生ぜしめ、それによって、この扱いに
くい箇所さえも、双方の部分間のその箇所に成立する連
結の上で、最適に冷却されることになる。従来のセラミ
ックのほか、新しい繊維強化セラミックの使用も可能で
ある。この種のセラミックは、特に機械的性質の有害な
作用に対し、はるかに大きな耐性を有している。セラミ
ック製前縁３のシェル状の形態は、繊維強化セラミック
で構成するのに好適である。より良く理解できるよう
に、ブレード１の前縁区域２を、図２に拡大して示して
あり、必要に応じて、更に説明する。

【００１０】図２には、図１について既に説明したブレ
ード１の前縁区域２が示してある。この図からは、掛け
はめされたセラミック製前縁３の構成と、この前縁３と
先頭段４とを連結し、双方の間に摩擦接続及び又は係止
接続を生ぜしめるための手段５ａ，５ｂとが、はっきり
と認められる。

【００１１】図３は、図１及び図２について既に説明し
たセラミック製前縁の斜視図である。セラミック製前縁
は、この場合、その特殊な構成のため、符号２０を付し
てある。組付けられた状態で、セラミック製前縁２０の
内部に発生する半径方向応力が過大となる場合には、そ
れに対して、対応策を取ることができる。すなわち、セ
ラミック製前縁２０を、半径方向に２分割もしくは３分
割するのである。その場合には、各部分の掛けはめ機構
に特別な措置を施さねばならない。

【００１２】図４からは、そのようなセラミック製前縁
２の分割の状態が分かる。この分割のための分離継ぎ目
１３は、斜めに延びている。これは、一方では、シール
長さを増大させ、他方では、高温ガスが、分離継ぎ目を
通過してセラミック製前縁２０の下に位置するブレード
先頭段のところへ直接に流れるのを防止するためであ
る。分離継ぎ目は、また、直角に延びるようにして、製
造を簡単にすることもできる。原則として、分離継ぎ目
は、任意に構成できる。

【００１３】図５には、セラミック製前縁３ａの係止形
式の別の変化形が示されている。先頭段４ａは、この場
合、図２の先頭段によく似ている。セラミック製前縁３
ａの掛けはめのためには、この先頭段４ａは、両側に比
較的大きい凹部１６ａ，１６ｂを有している。これらの
凹部の区域には、先頭段４ａの両側にスリット１４が、
例えば腐食処理によって形成され、これによって弾性を
有する舌状部１５、簡単にばね舌片と呼ぶ、が得られ
る。これらばね舌片によって、連結を要する双方の部分
の間に摩擦接続が実現される。この場合、異なる熱膨張
を補償するために、比較的強力なばね作用を得る必要が
ある。このため、セラミック製前縁３ａの組付け方向
は、半径方向とせねばならない。なぜなら、セラミック
製前縁３ａを前方からばね舌片１５上へ押しはめるに
は、ここで利用可能なばね行程では不十分だからであ
る。望ましいばね作用を得るためには、しかし、特にこ
のばね行程が２つの側に分けられているため、極めて小
さいばね行程しか必要ではない。

【００１４】図６には、あり形の中実の基部を有し、同
様に半径方向に組付けられたセラミック製前縁３ｂが示
されている。このブレード１の先頭段４は、この目的の
ために、開口を有する前縁部を備え、この前縁部の断面
が、あり形の基部の断面に合致している。言うまでもな
く、この組付けのための別の断面形状も可能である。セ
ラミック製前縁３ｂの基部は、前部冷却通路１０内に挿
入された弾性的な金属製挿入体１７を介して、先頭段４
ｂに押圧される。この冷却通路１０を流れる冷却空気
は、金属製挿入体１７の相応の冷却空気穴１８を通り、
最終的には、更に先頭段４ｂ内に一体注型された溝１９
に沿って流れる。これらの溝は、セラミック製前縁３ｂ
の内側形状に沿って形成されており、それによって、セ
ラミック部分の十分に広い冷却面が、金属部分のところ
に保証される。弾性的な金属製挿入体１７は、セラミッ
ク製前縁３ｂが無くなった場合には、先頭段４ｂにより
形成される開口の上方に位置して、その区域に十分な空
気力学的特性が保証されるように、構成されている。前
記冷却空気穴１８を介して行われる先頭段４ｂの冷却
も、同じように保証される。

【００１５】以上に提案したすべての解決策の場合、そ
こに流れる高温ガスと冷却空気との圧力差も、各セラミ
ック製前縁に一定の圧力を加える助けとなる。また、そ
れらの解決策は、セラミックに適した形状を有してい
る。なぜなら、一面では、発生する温度勾配によって、
セラミック製前縁に加わるのは、定常状態では、大部分
が圧縮応力に限られるからである。ばねによって生じる
応力を利用する解決策の場合、注意を要する点は、その
ために必要とされる最低のばね力が、負荷の移行区域で
失われないようすること、またセラミック製前縁に有害
な引張り応力が加わらないようにすることである。有利
には、ばね部材の十分な冷却が保証される場合には、常
にばね弾性が得られるようにする。原則として、類似の
解決策は、同じく高い熱応力にさらされるブレード後縁
にも、セラミック製部材を取付けることで可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミック製前縁を有するタービンブレードの
断面図である。

【図２】図１のタービンブレードのセラミック製前縁区
域の断面図である。

【図３】セラミック製前縁の斜視図である。

【図４】セラミック製前縁内の分離継ぎ目の図である。

【図５】セラミック製前縁の別の取付け形式を示した断
面図である。

【図６】セラミック製前縁の更に別の取付け形式を示し
た断面図である。

【符号の説明】

１ タービンブレード、 ２ 前縁区域、 ３，３ａ，
３ｂ セラミック製前縁、 ４，４ａ，４ｂ 先頭段、
５ａ，５ｂ 凹部、 ６ ばね部材、 ７間隙、
８，９ 冷却空気孔、 １０ 前部冷却空気通路、 １
１ 後部冷却空気通路、 １２ 冷却空気孔、 １３
分離継ぎ目、 １４ スリット、 １５ばね舌片、 １
６ 接触面、 １７ 金属製挿入体、 １８ 冷却空気
穴、１９ 冷却空気溝、 ２０ 分割されたセラミック
製前縁

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱負荷されるターボ機用ブレードにおい
   て、 セラミック材料から成る前縁（３，３ａ，３ｂ）が、連
   結部を形成する手段及び又は摩擦接続を生ぜしめる手段
   （５ｂ，１６；６，１５，１７）と作用接続され、ブレ
   ード（１）の、流れの当る先頭段（４，４ａ，４ｂ）の
   少なくとも一部を被覆していることを特徴とする、熱負
   荷されるターボ機用ブレード。
2. 【請求項２】 セラミック材料から成る前縁（３，３
   ａ）が、シェル形状を有している、請求項１記載のター
   ボ機用ブレード。
3. 【請求項３】 セラミック材料から成る前縁（３ｂ）
   が、連結部を形成する、あり形の基部を有している、請
   求項１記載のターボ機用ブレード。
4. 【請求項４】 セラミック材料から成る前縁（３，３
   ａ）の下面と、先頭段（４，４ａ）の端側との間に、エ
   アギャップ（７）が設けられ、このエアギャップ（７）
   に、ブレード（１）の冷却空気通路（１０）からの冷却
   空気を吹付け可能である、請求項１記載のターボ機用ブ
   レード。
5. 【請求項５】 摩擦接続を生ぜしめる手段が、弾性的な
   部材（６、１５、１７）である、請求項１記載のターボ
   機用ブレード。
6. 【請求項６】 セラミック材料から成る前縁（２０）
   が、半径方向に少なくとも１つの任意に延びる分離継ぎ
   目（１３）によって分割されている、請求項１記載のタ
   ーボ機用ブレード。
7. 【請求項７】 ブレード（１）の先頭段（４，４ａ）
   が、単独で、又は弾性的な部材（１７）と作用接続され
   て、空気力学的な形状を有している、請求項１記載のタ
   ーボ機用ブレード。