JPS5846642B2 - ガスタ−ビンエンジンの固定取付セラミツク要素の支持構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンエンジン用のセラミック製要素を
取り付ける構造に関するものである。

ガスタービンエンジン内の高温動作流体の通路にセラミ
ック製要素を使用することによって、耐熱合金を使用し
た場合よりも動作流体をより高温にすることができると
いうことは公知である。

更に、動作流体の温度が材料の温度限界を越えることを
許容するために冷却空気を通路構造に供給する場合には
、構造がセラミック材料によって製造されていれば冷却
空気を減少させることができ、結局タービンの効率を改
善することができる。

しかしながら、耐熱合金材料とは相違して、セラミック
材料は極めてもろく、従って、設計に際しては応力集中
が最小になるように細心の位意を必要とし、また一般に
十分な密度の高強度セラミックを製造するための周知の
等圧密度工程によって比較的容易に製造され得る形状に
しなければならない。

更に、ガスタービン内にセラミック要素を取り付ける際
に、振動を最小にする方法によって取り付けるように考
慮しなければならない。

強固に保持されていないと、通過する高温動作ガスの力
によって振動を生ずる固定部材については、特に注意を
要する。

取付構造は、温度の相違及び熱膨張係数の相違に基づく
セラミックと支持部材（一般に金属製）との間の膨張量
の差を吸収することができなければならない。

従って、セラミック要素の取付構造は、上記のような要
求を充足するために、セラミックと金属との合わせ面に
ついて独特の工夫を要することになる。

米国特許第４，００８，９７８号は、セラミック要素を
組み込んで動作ガス通路を形成したガスタービンを開示
している。

しかしながら、これに示された要素の支持手段は、本発
明による支持手段とは非常に相違したものである。

本発明は、ガスタービンエンジンの固定セラミック要素
のための改良された支持構造を得ることを目的とするも
のである。

本発明の要点は、 ガスタービンエンジンの固定的に取付けられたセラミッ
ク要素のための支持構造において、支持構造が タービンケースに取付けられて輪形リングを形成する複
数の中間弓形部分であって、二つの異なった内径によっ
て形成されると共にその結合部に暦表面を形成する段付
き形状を有する少くとも一つの開口を有す中間弓形部分
と、 組み立てられた形状において暦表面を与える外側段付表
面を有する２片軸方向分離コレットであって、組み立て
られた上記コレットは、半径方向内表面において開放さ
れ且つのど部分を形成すると共に反対端において拡大さ
れた室となって終了する内側空間を形成しており、また
上記段付表面は前記開口の形状にほぼ一致し、またコレ
ットの一部分が前記中間弓形部分から半径方向外側に突
出している、コレットと、 各セラミック要素と一体であり且つ各セラミック要素か
らほぼ半径方向に伸長するステムであって、前記空間に
受は入れられて係合するために前記空間とほぼ一致する
形状を有するステムと、コレットの突出する前記一部分
と係合する装置であって、中間弓形部分に対してコレッ
トをほぼ外側に押すと共に中間弓形部分及びコレットの
暦表面を互いに接触させる装置と を有することを特徴とする支持構造 にある。

上述のように、本発明は、ガスタービンエンジンの動作
流体通路内に固定セラミック要素を取り付ける構造を提
供する。

これらの固定セラミック要素とは、固定ベーン及び外側
シュラウドである。

各セラミック固定ベーンセグメント（例えば、各セグメ
ントに対して１ベーン）及び各セラミックシュラウドセ
グメントは、ガス通路の反対側表面上に、一定軸方向長
さの間だ円形周辺形状を有すると共にありみぞ終端とな
って終る中間シリンダ状形状を有する半径方向突出一体
ステムを有している。

複数の弓形中間金属（例えばステンレス鋼）セグメント
が公知の方法でタービンケース上に取付けられて環状の
配列を形成している。

各中間セグメントは半径方向に貫通する複数の開口を有
している。

この開口は中間部分の内径よりも大きい入口部内径を有
するシリンダ状の内側表面を形成しており、二つの内径
部は傾斜した暦表面によって結合されている。

三片金属（例えば、耐熱合金）コレット部材（各二半分
は長手方向軸に沿って他方とうり二つのものである）は
、二半分が組立てられたとき、ステムと係合して保持す
るためにベーン又はシュラウドのセラミック製ステムの
形状にほぼ対応する内側空間を形成する。

組立てられたコレットの外側表面は、中間セグメントの
開口の内側シリンダ状壁形状に対応する形状を形成する
。

コレットのねじ切りされた部分が中間セグメントの開口
から半径方向外側に突出し、その上に圧縮皿ワツシヤ及
びナツトがセグメントの外表面に押し付けられるように
配置され、コレット上に半径方向に外方に片より力を与
えている。

コレット之中間セグメントのシリンダ状壁形状との間の
傾斜層表面はコレットの内側空間をせばめるようにコレ
ットを圧縮し、コレットがセラミックステムを強固につ
かむようにする。

膨張によるコレットのいかなる伸びも、コレットがセラ
ミックステムと強固に係合するように保持するためのコ
レット及び中間セグメント間の圧縮力を維持する皿ワツ
シヤによって吸収される。

セラミックと金属表面との間には被覆層が設けられ、そ
の間の潤滑を行なっている。

コレットは比較的高温のセラミック要素と面対面係合を
しているので、金属の温度を許容温度範囲内に維持する
ために、コレットを貫通する冷却空気通路が設けられて
いる。

以下、本発明をその実施例を示す添付図面の第１〜６図
に基づいて説明する。

第１図には、ガスタービンエンジン１０のタービン部分
の一部を示す。

タービンは、任意の公知方法によってロータディスク１
４に取り付けられたブレード１２によって形成される複
数のロータ段を有している。

しかしながら、この実施例においては、タービン人口温
度が比較的高い（例えば、１０９３°Ｃ（２０００’Ｆ
）程度）ノテ、ブレート１２はセラミック製であるのが
好ましく、耐熱合金材料の中間片１８内のありみぞ状空
所１６内に取り付けられている。

中間片１８はロータディスク１４に対してもみの木の根
のような形状で取り付けられている。

ブレード台２０及びこれに隣接して回転可能に中間片１
８内の軸向き開放ありみぞ２２内に取り付けられた内側
シュラウド２４が、動作流体通路の内側境界を形成する
。

この特定の構造は本発明の構成部分ではないので、他の
どのような適当な取付構造であっても、セラミック製ブ
レード１２及び回転可能な内側シュラウド２４をローダ
ディスク１４に取り付けるために使用することができる
。

動作流体通路の外側境界は、隣接するロータ段間に配置
された固定ベーン２８の台２６と外側シュラウド３０と
によって定められる。

なお、ベーン２８及びシュラウド３０も動作流体の温度
に耐えるためにセラミックによって製造されている。

セラミック製固定ベーン２８及びセラミック製外側シュ
ラウド３０は、後述する特別の方法によって中間弓形部
分３２に取り付ｑられている。

耐熱合金製の中間弓形部分３２は、第１図に示すような
一般に公知の構造によってガスタービンの外側ケース３
４に取り付けられている。

円周ブレードリング３６は外側ケース３４に固着されて
いる。

各ブレードリング３６は、内側に向かって開放された丁
字形みぞ３８を有する軸方向に伸長する部分３７を有し
ている。

円周方向に伸長する丁字形隔離リング４０がみぞ３８内
にそう人されている。

軸方向に隣接する二つの隔離リング４０は中間弓形部分
３２内の軸方向に突出するフランジ４４を受は入れるた
めの軸方向向きのみぞ４２を有している。

タービンの圧縮機内の適当な段からの冷却空気は、ブレ
ードリング３６と外側ケース３４との間に形成された室
４８内に出口５０から吹込まれる。

なお、出口５０はブレードリング３６を貫通し、隣接す
る対向隔離リング４０及び中間弓形部分３２によって形
成される各周辺空間に達している。

第２図は、各中間弓形部材３２が複数のベーン２８又は
外側シュラウド３０を支持しているのを示す。

この例においては、四つのベーン２８及び三つのシュラ
ウド３０が各中間弓形部分３２に取り付けられているの
を示しである。

中間弓形部分３２とこれによって支持されたセラミック
片（ベーン２８又はシュラウド３０）との間の構造的関
係は、セラミック片がシュラウド３０又はベーン２８の
どちらであっても同じである。

従って、第３図においてベーン２８を支持する構造が示
されているが、シュラウド３０の場合も同様である。

第３図に示すようｌこ、セラミック製ベーン２８は翼部
分５２と台部分５４とを有している。

セラミック製ステム５６が台部分５４から半径方向外方
に伸長している。

ステム５６は、だ円形の周辺を有する第一の部分５８を
有している。

第一の部分５８は、はぼ円形の小径中間部分６０で終了
し、差込み部分を形威している。

ステム５６の終端６２は、ありみぞ形状６４を形成し、
外向き平面端６６となっている。

はぼ円筒状のコレット６８はステム５６を受は入れるた
めの室６９を形威し、この室６９はステム５６のだ円形
の第一の部分５８と係合し、またありみぞ形の終端６４
とかみ合い係合をしている。

コレット室６９の中間軸伸長部１０はのど部分７２より
も大きい内径を有している。

のど部分７２はステム５６のだ円形周辺と係合し、コレ
ット６８とステム５６の中間差込み部分との間に周辺空
間７４を形成する。

コレット６８は半径方向に外方に突出する小径外ねじ部
分７６となって終っている。

コレット６８は、コレット６８の外側形状に対応した形
状の開ロア８内に設けられている。

開ロア８は中間弓形部分３２を貫通して半径方向に伸長
しており、ここからねじ部分７６が外方に突出している
。

コレット６８の外側円筒状表面及び開ロア８の内側円筒
状表面はそれぞれ係合傾斜層表面８０及び８２を有して
いる。

従って、コレット６８の第３図で見て上の方向への中間
弓形部分３２に対する軸方向運動は、傾斜面８０．８２
に作用してコレット６８の室６９の内径を小さくする。

コレット６８の外側表面及び開ロア８の内側表面は円形
であるので、中間弓形部分３２の半径方向に外側の表面
に隣接するコレット６８の端部は、中間弓形部分３２の
隣接ノツチ８４と同じように、ノツチが設けられ、スプ
リングピン８６が隣接ノツチ８４によって形成される空
間にそう人され、これによって、二つの要素をインデッ
クスされた関係にキー止めし、中間弓形部分３２内にお
けるコレット６８の回転を阻止する。

皿ワツシヤ９０（圧縮した状態が示しである）が、中間
弓形部材３２の最外面９３に押し付けられて接触するよ
うにコレット６８のねじ部分１６上に置かれている。

内ねじを有する保持ナツト８８が、ワッシャ９０を中間
弓形部分３２に対で圧縮するために、コレットのねじ部
分７６上にねじ込まれている。

ナツト８８を締め込むとコレット６８は中間弓形部分３
２に対して上方向へ引かれ、その結果、層表面８０．８
２を介してコレット室ののど部分１２はステム５６の付
は根部分を強固につかむ。

コレット６８は、内径の上記のような変形を許すために
、軸方向に伸長するスリット９６（第４図に明確に示し
である）を有している。

冷却空気通路９２がコレット６８を貫通して半径方向に
伸長しており、この通路９２を介して冷却空気を流し、
中間弓形部分３２の温度を許容範囲内に維持する（中間
弓形部分３２は比較的高温のセラミック要素に密着して
いる）。

ステム５６上のありみぞ形状が対応する形状のコレット
室６９にステム５６を軸方向へそう人することを阻止し
ているので、第４図に示すように、コレット６８はそれ
ぞれ半径方向に伸長するコレットの半分を形成する二つ
の分離片＄８ａ及び６８ｂから作られている。

従って、コレット６８は分離片６８ａ及び６８ｂを別々
にセラミックステム部分５６上に配置することによって
組み立てられ、次いでそのように組み立てられた関係の
まま中間弓形部材３２内の開ロア８にそう人される。

再び第３図について説明すると、圧縮ばね９８がステム
５６の終端面とナツト８８の内側面との間に配置され、
これによってセラミックステム５６を半径方向内向きに
押して、対応するありみそ形状としっかりと係合させる
。

しかしながら、二つの表面間のせまいすきまをこのよう
なばねの必要性をなくすように維持するようにすること
もできることは明らかである。

第５図には、ステム５６のだ円状周辺がコレット６８の
のど部分７２によって係合された状態で示しである。

この構成においてセラミック片は（特にそれがベーン２
８であるならば）コレット６８内において回転すること
はできないことは明らかである。

更に、この図から、コレット６８はその長手方向に沿っ
て軸方向に分離した同一の二つの半休から形成されてい
ることも明らかである。

第６図は第５図と類似している。

しかしながら、ベーンを翼及び台の一体要素に組み込む
別の方法として、ベーンの翼部分５２ａは台部分５４ａ
から分離して作られており、また台部分５４ａは四分片
に分割されている。

各四分片はそこから突出するステム部分５６ａを有して
おり、また翼部分５２はそこから突出するステム部分５
６ａを有している。

これによって、これらの要素を中間弓形部分内に前述の
ように分離して取り付ける。

しかしながら、このような構成においては、各セラミッ
ク台部分５４ａの四分片に対するステム部分５６ａはそ
の応力が非常に小さいので翼部分を取り付けるためのそ
れと比較して断面積が小さくしである。

従って、コレット６８ａの大きさも小さい。

この構成によると、一体セラミックベーンの応力集中（
例えば、台及び翼部分の接合点の角における）は減少し
、形状の異なった片は別々の状態に維持され、従って、
形状が異なることによって生じる膨張率の変化は、セラ
ミック要素に応力を生じさせない。

すべてのセラミック対金属の結合面はその間に、金属面
にセラミックを取付る技術において公知の被覆層をはさ
み込んでいる。

すなわち、コレット室６９ののど部分及びステム５６の
ありみぞ形状６４と係合するコレット室６９ののど部分
は、めっき、スパッター、又は火炎噴霧等によって付着
された白金のようなうすい（例えば、５ミル）被覆層を
有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による支持構造を有するガスタービンエ
ンジンの一部を示す正断面図、第２図は第１図の側断面
図、第３図は本発明による支持構造の拡大断面図、第４
図は本発明による支持構造のコレット部材の斜視図、第
５図は第３図の正断面図、第６図は本発明の別の実施例
である支持構造の第５図と同様な断面図である。 １０はガスタービンエンジン ２８はベーン３０は外側
シュラウド、３２は中間弓形部分、３４はタービンケー
ス、５６はステム ６８はコレット、６８ａ及び６８ｂ
は軸方向に分離するコレットの２片、６９はコレットの
空間、１６は中間弓形部分から突出するコレットの一部
分（ねじ部分）、１８は中間弓形部分の開口、８ｏはコ
レットの層表面、８２は中間弓形部分の層表面、８８は
ナツト ９０は皿ワツシヤ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンエンジンの固定的に取付けられるセラ
   ミック要素のための支持構造において、支持構造が タービンケースに取付けられて輪形リングを形成する複
   数の中間弓形部分であって、二つの異なった内径によっ
   て形成されると共にその結合部に層表面を形成する段付
   き形状を有する少くとも一つの開口を有する中間弓形部
   分と、 組み立てられた形状において層表面を与える外側段付表
   面を有する２片軸方向分離コレットであって、組み立て
   られた上記コレットは、半径方向内側表面において開放
   され且つのど部分を形成すると共に反対端において拡大
   された室となって終了する内側空間を形成しており、ま
   た上記段付表面は前記開口の形状にほぼ一致し、またコ
   レットの一部分が前記中間弓形部分から半径方向外側に
   突出している、コレットと、 各セラミック要素と一体であり且つ各セラミック要素か
   らほぼ半径方向に伸長するステムであって、前記空間に
   受は入れられて係合するために前記空間とほぼ一致する
   形状を有するステムと、コレットの突出する前記一部分
   と係合する装置であって、中間弓形部分に対してコレッ
   トをほぼ外側に押すと共に中間弓形部分及びコレットの
   層表面を互いに接触させる装置と を有することを特徴とする支持構造。