JPH11343803A - Thermal insulation member having clearance control layer - Google Patents

Thermal insulation member having clearance control layer

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JPH11343803A
JPH11343803A JP15031198A JP15031198A JPH11343803A JP H11343803 A JPH11343803 A JP H11343803A JP 15031198 A JP15031198 A JP 15031198A JP 15031198 A JP15031198 A JP 15031198A JP H11343803 A JPH11343803 A JP H11343803A
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JP
Japan
Prior art keywords
ceramic
control layer
clearance control
base material
clearance
Prior art date
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Pending
Application number
JP15031198A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tadashi Natsumura
匡 夏村
Atsushi Sato
篤 佐藤
Akira Miyamoto
景 宮本
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IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
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Publication date
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal insulation member wherein the occurrence of breaking caused by peeling-off between a base material and a clearance control layer (abrasive layer) is difficult. SOLUTION: In a thermal insulation member prepared in such a manner that a clearance control layer installed to cover the outer periphery of a turbine moving blade and abraded for its surface by the outer periphery of the same to optimize a clearance with the turbine moving blade is formed in the surface of a base material 21, the base material 21 is made of a ceramic base composite material baked by further impregnating a preform made of fiber connected solid ceramic with ceramic, and by thermal spraying ceramic 22 to the surface thereof, the clearance control layer 23 made of porous ceramic is formed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばガスタービ
ンのタービンシュラウドとして利用可能な遮熱部材に係
り、特に、表面にクリアランスコントロール層(回転体
の外周に表面が削られることで回転体との間のクリアラ
ンスを最適化する層で、一般にアブレダビリティ層と呼
ばれる)を有する遮熱部材に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat shield member usable as, for example, a turbine shroud of a gas turbine. (A layer for optimizing the clearance between the layers, generally called an abradability layer).

【0002】[0002]

【従来の技術】図2はガスタービンの一部の概略を示し
ている。図2において、Lはタービン軸線、1はタービ
ンシュラウド、2はタービンケーシング、3はタービン
動翼、4はタービン静翼であり、タービンシュラウド1
は、タービン動翼(回転体)3の外周を覆うように配さ
れている。通常、このタービンシュラウド1は、複数の
セグメントを周方向に連結することでリング状に形成さ
れている。
2. Description of the Related Art FIG. 2 schematically shows a part of a gas turbine. In FIG. 2, L is a turbine axis, 1 is a turbine shroud, 2 is a turbine casing, 3 is a turbine rotor blade, 4 is a turbine vane, and the turbine shroud 1
Are arranged so as to cover the outer periphery of the turbine rotor blade (rotating body) 3. Usually, this turbine shroud 1 is formed in a ring shape by connecting a plurality of segments in a circumferential direction.

【0003】一般に、タービンシュラウド1は、タービ
ン動翼3の外周に表面が削られることでタービン動翼3
との間のクリアランスを最適化するクリアランスコント
ロール層(アブレダビリティ層)を、ベース材の表面に
形成してなる遮熱部材より構成されている。
In general, the turbine shroud 1 has a turbine blade 3
A clearance control layer (abradability layer) for optimizing the clearance between the base member and the base member is formed of a heat shielding member.

【0004】従来のタービンシュラウドは、図3に示す
ように、金属ベース材11に、ボンドコート層12を介
してアブレダビリティ作用を持つポーラス状のセラミッ
クス層(クリアランスコントロール層)13が溶射形成
された遮熱部材により構成されていた。
In a conventional turbine shroud, as shown in FIG. 3, a porous ceramic layer (clearance control layer) 13 having an abradability effect is formed on a metal base material 11 via a bond coat layer 12 by thermal spraying. And a heat shield member.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の遮
熱部材では、金属ベース材11とセラミックス層13の
線膨脹係数が大きく異なるため、金属ベース材11とセ
ラミックス層13間で剥がれによる破壊が生じる可能性
が高かった。また、アブレダビリティを持たせるために
ポーラス状としているセラミックス層13の中を酸素が
通過し、金属ベース材11に達することで金属ベース材
11が酸化することがあり、このため耐久性及び信頼性
が低いという問題があった。
However, in the above-mentioned conventional heat shielding member, the linear expansion coefficients of the metal base material 11 and the ceramic layer 13 are greatly different from each other. It was likely to occur. In addition, oxygen passes through the ceramic layer 13 which has a porous shape so as to have abradability, and reaches the metal base material 11 so that the metal base material 11 may be oxidized. There was a problem that the property is low.

【0006】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、ベース材とクリアランスコントロール層間の剥
がれによる破壊が生じにくい上、ベース材が酸化するこ
とによる耐久性及び信頼性の低下が生じず、高温燃焼ガ
スの熱遮蔽とクリアランスコントロールのためのアブレ
ダビリティ機能の両立を図ることのできる遮熱部材を提
供することを目的としている。
[0006] The present invention has been made in view of the above circumstances, it is difficult to cause destruction due to peeling between the base material and the clearance control layer, and does not cause a decrease in durability and reliability due to oxidation of the base material. It is another object of the present invention to provide a heat shielding member capable of achieving both heat shielding of a high-temperature combustion gas and an abradability function for clearance control.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段として、次のような構成を有する遮熱部材を採
用する。この遮熱部材は、回転体の外周を覆うように設
置され、回転体の外周により表面が削られることで、回
転体との間のクリアランスを最適化するクリアランスコ
ントロール層がベース材の表面に形成された遮熱部材で
あって、前記ベース材が繊維結合型立体セラミックスで
構成されるとともに、その表面にセラミックスが溶射さ
れることで、ポーラス状のセラミックスよりなる前記ク
リアランスコントロール層が形成されることを特徴とし
ている。
As means for solving the above-mentioned problems, a heat shielding member having the following configuration is employed. This heat shield member is installed so as to cover the outer periphery of the rotating body, and a surface is shaved by the outer periphery of the rotating body to form a clearance control layer on the surface of the base material that optimizes clearance between the rotating body and the rotating body. Wherein the base material is made of fiber-bonded three-dimensional ceramics, and the ceramics are sprayed on the surface to form the clearance control layer made of porous ceramics. It is characterized by.

【0008】前記ベース材は、繊維結合型立体セラミッ
クスにより形成されたプリフォームにさらにセラミック
スが含浸されたうえで焼成されたセラミックス基複合材
により構成されることが望ましい。
The base material is preferably made of a ceramic-based composite material obtained by further impregnating ceramic into a preform formed of fiber-bonded three-dimensional ceramics and then firing.

【0009】また、この遮熱部材は、前記回転体として
のタービン動翼を覆うように設けられたタービンシュラ
ウドとして、前記クリアランスコントロール層を前記タ
ービン動翼側に向けて使用されることが望ましい。
The heat shield member is preferably used as a turbine shroud provided so as to cover a turbine rotor blade as the rotating body, with the clearance control layer facing the turbine rotor blade side.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】本発明に係るクリアランスコント
ロール層を有する遮熱部材の一実施形態を図1に示して
説明する。図1は実施形態の遮熱部材の作り方の手順を
示す図である。実施形態の遮熱部材を得るには、まず図
1(a)に示すような形の繊維結合型立体セラミックス
製のプリフォームを作り、これにさらにセラミックスを
含浸させて焼成することで、セラミックス基複合材(C
MC)よりなるベース材21を製作する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of a heat shielding member having a clearance control layer according to the present invention will be described with reference to FIG. Drawing 1 is a figure showing a procedure of how to manufacture a heat shielding member of an embodiment. In order to obtain the heat shielding member of the embodiment, first, a preform made of a fiber-bonded three-dimensional ceramic having a shape as shown in FIG. 1 (a) is prepared, and further impregnated with ceramics and fired to obtain a ceramic base. Composite material (C
The base material 21 made of MC) is manufactured.

【0011】繊維結合型立体セラミックスは、例えば、
ポリチタノカルボシランを溶融紡糸した後、不融化、焼
成して合成されるSi-Ti-C-Oからなる無機質繊維
を原料繊維とし、この原料繊維からホットプレス時の加
圧方向に対して全ての繊維が垂直または斜めに延びる立
体織物を形成し、この立体織物を空気中で熱処理して表
面に酸化層を有する酸化繊維立体織物とし、この酸化繊
維立体織物を前記加圧方向に加圧しながらホットプレス
成形し、これにより表面の酸化層を互いに密着させてマ
トリックス化して製造されている。これにより、繊維結
合型立体セラミックスよりなるプリフォームを完成す
る。そして、これにさらにセラミックスを含浸させて焼
成することで、セラミックス基複合材(CMC)よりな
るベース材21を得る。
[0011] Fiber-bonded three-dimensional ceramics include, for example,
After melt-spinning polytitanocarbosilane, the material is made from inorganic fibers made of Si-Ti-C-O synthesized by infusibilization and firing, and the raw material fibers are pressed against the pressing direction during hot pressing. A three-dimensional fabric in which all the fibers extend vertically or diagonally is formed, and this three-dimensional fabric is heat-treated in air to form an oxidized fiber three-dimensional fabric having an oxidized layer on its surface, and the oxidized fiber three-dimensional fabric is pressed in the pressing direction. It is manufactured by hot press molding while making the oxide layers on the surface adhere to each other to form a matrix. Thus, a preform made of the fiber-bonded three-dimensional ceramic is completed. Then, this is further impregnated with ceramics and fired to obtain a base material 21 made of a ceramic-based composite material (CMC).

【0012】このベース材21は、プリフォーム段階
で、X軸方向に延びる繊維SXと、Y軸方向に延びる繊
維SYと、Z軸方向に延びる繊維SZとを立体的に織り
込んでいるから、板厚方向(Z軸方向)にも高い耐破壊
強度を持つ。また、3軸繊維SX、SY、SZが交差す
る部分に空げき(ポケット)を有している。
Since the base material 21 three-dimensionally weaves the fiber SX extending in the X-axis direction, the fiber SY extending in the Y-axis direction, and the fiber SZ extending in the Z-axis direction at the preform stage. It also has high fracture resistance in the thickness direction (Z-axis direction). In addition, a space (pocket) is provided at a portion where the triaxial fibers SX, SY, and SZ intersect.

【0013】そこで、このベース材21の表面に、図1
(a)に示すように、セラミックス22をプラズマ溶射
し、図1(b)に示すようなポーラス状のセラミックス
よりなるクリアランスコントロール層23を形成し、こ
れを遮熱部材としている。この場合の溶射セラミックス
22としては、従来と同様のYSZ(イットリア安定化
ジルコニア)等を用いている。
Therefore, the surface of the base material 21 is
As shown in FIG. 1A, a ceramic 22 is plasma-sprayed to form a clearance control layer 23 made of a porous ceramic as shown in FIG. 1B, which is used as a heat shielding member. In this case, YSZ (yttria-stabilized zirconia) or the like is used as the sprayed ceramics 22 as in the related art.

【0014】このようにして得た遮熱部材をタービンシ
ュラウドとして使用する場合は、クリアランスコントロ
ール層23をタービン動翼に接触する側に向けて、ター
ビン動翼の外周側に配置する。そうすることで、タービ
ン動翼の外周によりクリアランスコントロール層23の
表面が削られ、タービン動翼との間のクリアランスを最
適化することができる。
When the thus obtained heat shielding member is used as a turbine shroud, the clearance control layer 23 is arranged on the outer peripheral side of the turbine moving blade so as to face the side in contact with the turbine moving blade. By doing so, the surface of the clearance control layer 23 is shaved by the outer periphery of the turbine blade, and the clearance with the turbine blade can be optimized.

【0015】この場合、クリアランスコントロール層2
3として形成したポーラス状のセラミックス溶射層は、
繊維結合型立体セラミックスからなるベース材21の微
小空隙(ポケット)に入り込んでいるので、アンカー効
果が高まり、クリアランスコントロール層23がベース
材21から剥がれにくくなる。
In this case, the clearance control layer 2
The porous ceramic sprayed layer formed as 3 is
Since the anchoring effect is increased because the fine gaps (pockets) of the base material 21 made of the fiber-bonded three-dimensional ceramics are inserted, the clearance control layer 23 is hardly peeled off from the base material 21.

【0016】また、ベース材21も、クリアランスコン
トロール層23と同様のセラミックスでできているの
で、金属製ベース材を使用した場合と比べて、ベース材
21とクリアランスコントロール層23の熱膨脹差が小
さくなり、それが要因となる剥がれを防止できる。ま
た、熱遮へいに優れ、強度、じん性も高いセラミックス
基複合材(CMC)をベース材21として使用している
ので、金属製ベース材を用いた場合よりも、遮熱・強度
等の性能が高くなる。
Further, since the base material 21 is also made of the same ceramics as the clearance control layer 23, the difference in thermal expansion between the base material 21 and the clearance control layer 23 becomes smaller than when a metal base material is used. , Which can prevent peeling. In addition, since the ceramic base composite material (CMC) having excellent heat shielding, high strength, and high toughness is used as the base material 21, the performance such as heat shielding and strength is improved as compared with the case where a metal base material is used. Get higher.

【0017】なお、この遮熱部材は、タービンシュラウ
ド以外にも、広く適用することができるのはもちろんで
ある。
The heat shield member can be widely applied to other than the turbine shroud.

【0018】[0018]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る遮熱
部材は、ベース材に繊維結合型立体セラミックスあるい
はそれにさらにセラミックスを含浸焼成したセラミック
ス基複合材を用い、その表面にセラミックスを溶射する
ことで、ポーラス状のセラミックスよりなるクリアラン
スコントロール層を形成したので、ベース材とクリアラ
ンスコントロール層としてのセラミックス溶射層との間
の熱膨脹差が小さくなり、その境界面で剥がれにくくな
る。また、ベース材に使用した繊維結合型立体セラミッ
クスあるいはセラミックス基複合材にはポケットが存在
し、そのポケットにセラミックス溶射層を食い込ませる
ことができるので、一層剥がれを防ぐことができる。
As described above, the heat shielding member according to the present invention uses a fiber-bonded three-dimensional ceramic or a ceramic-based composite material obtained by impregnating and firing ceramic as the base material, and sprays the ceramic on the surface thereof. Thus, since the clearance control layer made of porous ceramics is formed, the difference in thermal expansion between the base material and the ceramic sprayed layer as the clearance control layer is reduced, and it is difficult to peel off at the boundary surface. In addition, the fiber-bonded three-dimensional ceramic or the ceramic-based composite material used for the base material has pockets, and the ceramic sprayed layer can penetrate the pockets, so that peeling can be further prevented.

【0019】ベース材が従来のように金属の場合は、ポ
ーラス状のセラミックス層(クリアランスコントロール
層)を通過した酸素によりベース材が酸化する心配があ
ったが、ベース材がセラミックスであることにより、酸
化の心配がなくなり、耐久性及び信頼性が向上する。さ
らに、繊維結合型立体セラミックスあるいはセラミック
ス基複合材の熱伝導率は金属製のベース材よりも低いの
で、部材の冷却空気量も削減できる。
When the base material is a metal as in the prior art, there is a concern that the base material is oxidized by oxygen passing through the porous ceramic layer (clearance control layer). There is no fear of oxidation, and durability and reliability are improved. Furthermore, since the thermal conductivity of the fiber-bonded three-dimensional ceramic or the ceramic-based composite material is lower than that of the metal base material, the cooling air amount of the member can be reduced.

【0020】また、本発明に係る遮熱部材をガスタービ
ンのタービンシュラウドに使用した場合は、ガスタービ
ンの効率の向上にも寄与することができる。
Further, when the heat shielding member according to the present invention is used for a turbine shroud of a gas turbine, it can contribute to improvement of the efficiency of the gas turbine.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の実施形態の遮熱部材の製造手順を示
す図であって、(a)はベース材の表面にセラミックス
を溶射している様子を示す図、(b)は溶射によりポー
ラス状のセラミックスよりなる所定厚のクリアランスコ
ントロール層が形成された状態を示す図である。
1A and 1B are diagrams showing a manufacturing procedure of a heat shielding member according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A shows a state in which ceramics are sprayed on a surface of a base material, and FIG. FIG. 4 is a view showing a state in which a clearance control layer having a predetermined thickness made of a ceramic is formed.

【図2】 ガスタービンの部分断面図である。FIG. 2 is a partial sectional view of the gas turbine.

【図3】 従来のタービンシュラウドの断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a conventional turbine shroud.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 タービンシュラウド(遮熱部材) 3 タービン動翼(回転体) 21 ベース材 22 セラミックス 23 クリアランスコントロール層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Turbine shroud (heat shielding member) 3 Turbine rotor blade (rotating body) 21 Base material 22 Ceramics 23 Clearance control layer

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 回転体の外周を覆うように設置され、回
転体の外周により表面が削られることで、回転体との間
のクリアランスを最適化するクリアランスコントロール
層がベース材の表面に形成された遮熱部材であって、 前記ベース材が繊維結合型立体セラミックスで構成され
るとともに、その表面にセラミックスが溶射されること
で、ポーラス状のセラミックスよりなる前記クリアラン
スコントロール層が形成されることを特徴とするクリア
ランスコントロール層を有する遮熱部材。
1. A clearance control layer that is installed so as to cover the outer periphery of a rotating body and is shaved by the outer periphery of the rotating body to optimize clearance between the rotating body and the base material. A heat shielding member, wherein the base material is made of a fiber-bonded three-dimensional ceramic, and the ceramics are sprayed on a surface of the base material to form the clearance control layer made of a porous ceramic. A heat shield having a characteristic clearance control layer.
【請求項2】 前記ベース材が、繊維結合型立体セラミ
ックスにより形成されたプリフォームにさらにセラミッ
クスが含浸されたうえで焼成されたセラミックス基複合
材により構成されることを特徴とする請求項1記載のク
リアランスコントロール層を有する遮熱部材。
2. The ceramic base composite material according to claim 1, wherein the base material is formed by impregnating a ceramic into a preform formed of a fiber-bonded three-dimensional ceramic and further firing the ceramic. Heat shielding member having a clearance control layer.
【請求項3】 前記回転体としてのタービン動翼を覆う
ように設けられたタービンシュラウドとして、前記クリ
アランスコントロール層を前記タービン動翼側に向けて
使用されることを特徴とする請求項1または2記載のク
リアランスコントロール層を有する遮熱部材。
3. A turbine shroud provided so as to cover a turbine rotor blade serving as the rotating body, wherein the clearance control layer is used facing the turbine rotor blade side. Heat shielding member having a clearance control layer.
JP15031198A 1998-05-29 1998-05-29 Thermal insulation member having clearance control layer Pending JPH11343803A (en)

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