WO2010110327A1

WO2010110327A1 - Ｃｍｃタービン静翼

Info

Publication number: WO2010110327A1
Application number: PCT/JP2010/055104
Authority: WO
Inventors: 洋佑棚橋; 高橋　晃; 広幸八木
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2010-09-30
Also published as: JP2010229837A; US20120009071A1; EP2412929A4; CA2752426C; US8926262B2; JP5321186B2; CA2752426A1; EP2412929B1; EP2412929A1

Abstract

　ＣＭＣタービン静翼１は、セラミックマトリックス複合材料または金属材料からなる翼２と、セラミックマトリックス複合材料からなり翼２を支持するバンド５とを備える。翼２は、バンド５が外嵌する部分である第１嵌合部３を有する。バンド５は、第１嵌合部３が内側に嵌合する第２嵌合部７を有する。ＣＭＣタービン静翼１は、さらに、翼２とバンド５とが固定されるように第１嵌合部３と第２嵌合部７の間に配置された可撓性のワイヤ８とを備える。第１嵌合部３の外周面には翼２の前後方向に延びる第１溝３ａが形成されている。第２嵌合部７ａの内周面には第１溝３ａに沿って延びる第２溝７ａが形成されている。ワイヤ８は第１溝３ａと第２溝７ａの間に配置されている。

Description

ＣＭＣタービン静翼

　本発明は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）で形成されたタービン翼に関し、特に翼とバンドとを簡単な構造で締結（結合）したＣＭＣタービン静翼に関する。

　タービン静翼は、ガスタービンエンジンにおいて、燃焼器からの燃焼ガスの流路となる構成部品である。図１に従来のタービン翼３０の一例を示す。タービン翼３０は、タービンの軸心周りに周方向に間隔をおいて配置された複数の翼３１と、各翼３１の両端部を支持して周方向に延びるバンド３２とを有する。

　タービン静翼３０の表面は、燃焼器からの高温の燃焼ガス（主流ガス）３４に曝されるため、タービン翼表面の熱による損傷を防止するために、翼の内部を冷却空気で冷却するとともに、翼及びバンドに設けた冷却孔から冷却空気を噴き出して、冷却空気の膜を形成し、翼及びバンドの表面を冷却するフィルム冷却が行われる。このようなフィルム冷却を行うために、タービン静翼は複雑な構造を有するため製造コストが高くなる。また、推力に寄与すべき高圧空気の一部を冷却空気として利用するため、推力を損失している。

　一方、航空エンジンにおいて、燃焼ガスの温度を向上させることでタービン出力と効率を向上できるため、燃焼ガスの高温化は、航空エンジンの高性能化に重要である。また、航空エンジンの高性能化のためには、構成部品の軽量化も求められる。このため、タービン静翼の構成材料として、金属材料よりも耐熱性に優れ、比重が小さいセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ：Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）を利用する研究が進められている。

　ＣＭＣは繊維織物とセラミックの複合材であり、強度を保つためには、部品の細部まで、繊維織物を配置することが必要である。フィルム冷却構造を有する翼は構造が複雑であり、また、翼とバンドでは機能・強度要求から繊維織物の構成方向が異なる。そのため、翼の部分とバンドの部分を繊維織物で一体的に形成することは、現状の技術では困難である。この理由から、翼とバンドを別々に製作し、両者を締結することでタービン静翼を形成する手法がとられている。

　しかし、ＣＭＣは金属と比べて強度が小さいため、ＣＭＣからなる部品同士を結合するに際しては、結合部の応力集中を緩和する対策を講じる必要がある。また、締結部において隙間があると、主流ガスの漏れが生じるため、このような漏れの低減についても対策を講じる必要がある。

　ところで、下記特許文献１には、翼とバンドを別々に製作し、両者を締結することでタービン翼を形成する先行技術が開示されている。
　図２Ａ及び図２Ｂは特許文献１において開示されたタービン翼４０を示す断面図である。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、翼４１とバンド（プラットフォーム）４２は別々に製作された部品であり、両者が結合されてタービン翼４０を構成している。図２Ａにおいて、翼４１とバンド４２は、両者を貫通する機械的締結手段（ボルト、クランプ、ピンなど）４３によって締結されている。図２Ｂにおいて、翼４１とバンド４２は、断面Ｕ字状の補強部材４４によって締結されている。

米国特許第６６４８５９７号

　しかし、図２Ａに示した締結構造では、翼４１とバンド４２を貫通する機械的締結手段４３で両者を締結する構造であるため、両者をしっかりと固定するためには機械的締結手段４３を複数ヶ所に取り付ける必要があり、また、翼４１が小型である場合には締結作業が困難となるなど、組み立ての作業性が悪いという問題がある。
　また、図２Ｂに示した締結構造も同様に、翼とバンドをしっかりと固定するためには補強部材４４を複数ヶ所に取り付ける必要があり、組み立ての作業性が悪いという問題がある。また、機械的締結手段を取り付けた部分に応力集中が発生するという問題がある。

　本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、翼とバンドの結合部の応力集中を低減でき、翼とバンドの間からのガスの漏れを低減でき、組立時に翼とバンドを簡単に締結できるＣＭＣタービン静翼を提供することを課題とする。

　上記の問題を解決するため、本発明のＣＭＣタービン静翼は、以下の技術的手段を採用する。
　本発明は、セラミックマトリックス複合材料からなる翼と、セラミックマトリックス複合材料または金属材料からなり前記翼を支持するバンドとを備え、前記翼と前記バンドが結合されて構成されるＣＭＣタービン静翼であって、前記翼は、前記バンドが外嵌する部分である第１嵌合部を有し、前記バンドは、前記第１嵌合部が内側に嵌合する第２嵌合部を有し、さらに、前記翼と前記バンドとが固定されるように前記第１嵌合部と前記第２嵌合部の間に配置された可撓性のワイヤを備え、前記第１嵌合部の外周面には翼の前後方向に延びる第１溝が形成され、前記第２嵌合部の内周面には前記第１溝に沿って延びる第２溝が形成され、前記ワイヤは前記第１溝と前記第２溝の間に配置されている、ことを特徴とする。

　上記の本発明の構成によれば、翼の第１嵌合部に形成された第１溝と、バンドの第２嵌合部に形成された第２溝の間に、翼とバンドとが固定されるように可撓性のワイヤが配置される。これにより、翼とバンドはワイヤを介して固定される。このため、翼とバンドとは物理的に一体化されているのではなく、ワイヤによって相対移動が拘束されているだけなので、翼とバンドとの締結部での応力集中を低減できる。また、ワイヤは可撓性であるため、翼とバンドの形状にフィットし、固定と同時にガスシールの役目も果たす。さらに、組み立ての際には、翼の第１嵌合部とバンドの第２嵌合部の間にワイヤを挿入することで翼とバンドが固定されるので、翼が小型である場合でも、簡単な作業で両者を締結できる。

　また上記のＣＭＣタービン静翼において、前記第１溝は、翼の腹側と背側において、前記第１嵌合部の外周面に形成されており、前記第２溝は、翼の腹側と背側において、前記第２嵌合部の内周面に形成されている。

　上記の構成によれば、翼の腹側と背側の両方においてワイヤを介して翼とバンドが固定されるので、締結力を強固にできる。

　また上記のＣＭＣタービン静翼において、前記第２嵌合部の前縁側の端部には第１切欠き部が形成され、前記第２嵌合部の後縁側の端部には第２切欠き部が形成され、前記ワイヤは、前記第１切欠き部と前記第２切欠き部の一方から両端部が突出し、前記第１切欠き部と前記第２切欠き部の他方において途中部分が折り返されている。

　上記の構成によれば、一方の切欠き部（例えば第１切欠き部）から背側又は腹側の第１溝と第２溝の間にワイヤの一端を挿入し、他方の切欠き部（例えば第２切欠き部）からワイヤの一端を出して、そこで折り返し、逆側の第１溝と第２溝の間にワイヤの一端を挿入して一方の切欠き部からワイヤの端部を出すことで、ワイヤを第１溝と第２溝の間に挿入することができる。したがって、ワイヤの配置作業を簡単に行うことができる。また、ワイヤを途中で折り返して配置するので１本のワイヤで翼とバンドを固定することができる。

　また上記のＣＭＣタービン静翼において、前記第１嵌合部の端部と前記第２嵌合部の端部は接着されている。

　上記の構成によれば、接着を併用することで、翼とバンドの固定を補強することができる。

　本発明のＣＭＣタービン静翼によれば、翼とバンドの結合部の応力集中を低減でき、翼とバンドの間からのガスの漏れを低減でき、組立時に翼とバンドを簡単に締結できる。

従来のタービン静翼の一例を示す図である。特許文献１に開示されたタービン翼の構造を示す図である。特許文献１に開示されたタービン翼の別の構造を示す図である。本発明に係るタービン静翼の第１実施形態を示す概略斜視図である。図３のＩＶ－ＩＶ線断面図である。図４のＡ部拡大図である。本発明に係るタービン静翼の実施形態の第１変形例を示す断面図である。本発明に係るタービン静翼の実施形態の第２変形例を示す断面図である。本発明に係るタービン静翼の第２実施形態を示す断面図である。

　以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

　図３は、本発明に係るタービン静翼１の第１実施形態を示す図であり、タービン静翼１を主流ガスの流れ方向の上流側から見た概略斜視図である。
　以下の説明において、「半径方向」とはタービンの半径方向を意味するものとする。

　図３において、ＣＭＣタービン静翼１は、タービンの軸心周りに周方向に間隔をおいて配置された複数の翼２と、各翼２の両端部を支持して周方向に延びるバンド５とを備える。本明細書では、半径方向内側（図３で下側）に位置するバンド５を第１バンド５Ａと定義し、半径方向外側（図３で上側）に位置するバンド５を第２バンド５Ｂと定義する。ただし、以下では、第１バンド５Ａと第２バンド５Ｂを区別して説明する必要がある場合を除き、両者を総称してバンド５と呼ぶ。

　翼２はセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）からなり、バンド５はＣＭＣまたは金属材料からなり、それぞれ別々に製作された部品であり、両者を締結することでタービン静翼１が構成される。翼２とバンド５を製作するＣＭＣプロセスにおいては、ＰＩＰ（ポリマー含浸焼成法）やＣＶＩ（化学気相含浸法）などの公知の手法を用いてよい。ＣＭＣにおける強化繊維は、セラミック材料でよく、例えば、炭化ケイ素を用いることができる。

　図３に示すＣＭＣタービン静翼１は、第１バンド５Ａと第２バンド５Ｂとの間に２枚の翼２を配置した構成で１つのセグメントを構成しており、ガスタービンの静翼部では、このようなセグメントがタービン軸心周りに３６０度にわたって配列される。ただし、本発明は図３の構成に限定されず、１つのセグメントに１枚または３枚以上の翼２を配置した構成であってもよい。

　ＣＭＣタービン静翼１の表面は、燃焼器からの高温の燃焼ガス（主流ガス）に曝されるので、タービン翼表面の熱による損傷を防止する。そのために、翼２の内部を冷却空気で冷却するとともに、翼２及びバンド５に設けた冷却孔から冷却空気を噴き出して、冷却空気の膜を形成し、翼２及びバンド５の表面を冷却するフィルム冷却が行われる。なお、図３では、簡略化のため、フィルム冷却用の冷却孔については図示を省略している。

　図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線断面図である。図３及び図４に示すように、翼２はバンドが外嵌する第１嵌合部３を有し、バンド５は第１嵌合部３が内側に嵌合する第２嵌合部７を有する。
　第１嵌合部３は、翼２の両端部に形成されている。第２嵌合部７は、第１嵌合部３に沿って半径方向に突出する部分である。具体的には、第１バンド５Ａの第２嵌合部７は周方向に延びるベース部６から半径方向内側に突出する部分であり、第２バンド５Ｂの第２嵌合部７は周方向に延びるベース部６から半径方向外側に突出する部分である。そして、このように構成された翼２とバンド５では、第２嵌合部７の内周に第１嵌合部３の外周が嵌ることで、翼２とバンド５が嵌合するようになっている。

　本発明のＣＭＣタービン静翼１は、さらに、翼２とバンド５とが固定されるように第１嵌合部３と第２嵌合部７の間に配置された可撓性のワイヤ８を備える。このような可撓性のワイヤ８は、たとえば金属で形成することができ、インコネル（登録商標）、ワスパロイ（登録商標）、ユディメット（登録商標）などの耐熱金属を用いることができる。

　図５は、図４のＡ部拡大図である。図５に示すように、第１嵌合部３の外周面には翼２の前後方向に延びる第１溝３ａが形成され、第２嵌合部７の内周面には第１溝３ａに沿って延びる第２溝７ａが形成され、ワイヤ８は第１溝３ａと第２溝７ａの間に配置されている。
　第１溝３ａと第２溝７ａは、例えば機械加工により第１嵌合部３と第２嵌合部７に形成することができる。代わりに、第１溝３ａと第２溝７ａが形成される形状に繊維織物を製作しておくことで、機械加工をすることなく第１溝３ａと第２溝７ａを形成するようにしてもよい。

　第１実施形態において、第１溝３ａは、翼２の腹側と背側において、第１嵌合部３の外周面に形成されており、第２溝７ａは、翼２の腹側と背側において、第２嵌合部７の内周面に形成されている。
　第１溝３ａ及び第２溝７ａは、翼２の腹側と背側のいずれか一方のみに形成されてもよいが、本実施形態のように翼２の腹側と背側の両方に形成されるのが好ましい。

　また図３に示すように、本実施形態では、第２嵌合部７の前縁側の端部には第１切欠き部１１が形成されており、これにより、第１嵌合部３の前縁側の端部が露出した状態となっている。また、第２嵌合部７の後縁側の端部には第２切欠き部１２が形成されており、これにより、第１嵌合部３の後縁側の端部が露出した状態となっている。
　またワイヤ８は、第１切欠き部１１と第２切欠き部１２の一方（図示例では第１切欠き部１１）から両端部が突出し、第１切欠き部１１と第２切欠き部１２の他方（図示例では第２切欠き部１２）において途中部分が折り返されている。

　また、本実施形態では、第１切欠き部１１から出たワイヤ８の両端部同士は接着剤などにより接合されている。なお、ワイヤ８の両端部の接合は、接着以外の方法によってもよい。また、ワイヤ８の両端部同士を接合する代わりに、両端部を別の部位（例えば、第２嵌合部７の外面など）に接合してもよい。

　次に、図３～図５を参照し、上記のように構成されたＣＭＣタービン静翼１を組み立てる手順を説明する。
　まず、ＣＭＣからなる翼２、第１バンド５Ａ及び第２バンド５Ｂを用意し、第１バンド５Ａの第２嵌合部７に翼２の半径方向内側の第１嵌合部３を嵌め込むとともに、第２バンド５Ｂの第２嵌合部７に翼２の半径方向外側の第１嵌合部３を嵌め込む。このとき、第１嵌合部３の第１溝３ａと、第２嵌合部７の第２溝７ａが、半径方向外側と半径方向内側の各位置で一致するように、翼２とバンド５の相対位置を調整する。

　続いて、一方の切欠き部（図示例では第１切欠き部１１）から背側又は腹側の第１溝３ａと第２溝７ａの間にワイヤ８の一端を挿入し、他方の切欠き部（図示例では第２切欠き部１２）からワイヤ８の一端を出して、そこで折り返し、逆側（最初にワイヤの一端を挿入した側が背側の場合は腹側、最初にワイヤの一端を挿入した側が腹側の場合は背側）の第１溝３ａと第２溝７ａの間にワイヤ８の一端を挿入して一方の切欠き部（図示例では第１切欠き部１１）からワイヤ８の端部を出す。これにより、第１溝３ａと第２溝７ａの間の全長にワイヤ８が挿入され、翼２とバンド５がワイヤ８を介して締結される。

　上述した本発明の実施形態によれば、翼２の第１嵌合部３に形成された第１溝３ａと、バンド５の第２嵌合部７に形成された第２溝７ａの間に、翼２とバンド５とが固定されるように可撓性のワイヤ８が配置される。これにより、翼２とバンド５はワイヤ８を介して固定される。このため、翼２とバンド５とは物理的に一体化されているのではなく、ワイヤ８によって相対移動が拘束されているだけなので、翼２とバンド５との締結部での応力集中を低減できる。また、ワイヤ８は可撓性であるため、翼２とバンド５の形状にフィットし、固定と同時にガスシールの役目も果たす。さらに、組み立ての際には、翼２の第１嵌合部３とバンド５の第２嵌合部７の間にワイヤ８を挿入することで翼２とバンド５が固定されるので、翼２が小型である場合でも、簡単な作業で両者を締結できる。

　また、図３～図５の構成例のように、翼２の腹側と背側の両側においてワイヤ８を介して翼２とバンド５が固定されることにより、締結力を強固にできる。
　また、図３の構成例のように、第２嵌合部７に第１切欠き部１１と第２切欠き部１２を形成することで、ワイヤ８を第１溝３ａと第２溝７ａの間に容易に挿入し、配置することができる。また、ワイヤ８を途中で折り返して配置するので１本のワイヤ８で翼２とバンド５を固定することができる。

　なお、上述の説明では、ワイヤ８を途中で折り返すことで、翼２の腹側と背側とで一本のワイヤ８を用いたが、これに代えて、翼２の腹側と背側とで別々のワイヤ８を用いてもよい。この場合、第１切欠き部１１と第２切欠き部１２の各位置で、切欠き部から出た各ワイヤ８の端部同士を接着などにより接合してもよいし、あるいは、各ワイヤ８の端部を、他の部位（例えば、第２嵌合部７の外面など）に接合してもよい。

　また、上述の説明では、第２嵌合部７には前後両側に切欠き部（第１切欠き部１１及び第２切欠き部１２）が形成されていたが、一方の切欠き部を省略してもよい。この場合、ワイヤ８を最初に挿入側した側と反対側の切欠き部においてワイヤ８を折り返すことは困難となるため、腹側と背側とで別々にワイヤ８を挿入すればよい。

　図６は、本発明のタービン静翼１の第１実施形態の第１変形例を示す断面図である。図６において、翼２の外周面には、翼２とバンド５を嵌め合わせたときに第１溝３ａと第２溝７ａがちょうど対向する位置にくるように、第１嵌合部３の挿入深さを決めるための段差部３ｂが設けられている。このような段差部３ｂを設けておくことにより、第１溝３ａと第２溝７ａの位置合わせが容易となるので、組立て作業性をさらに向上できる。なお、この変形例の他の部分の構成は、図３～図５に示した第１実施形態の構成と同じである。

　図７は、本発明のタービン静翼１の第１実施形態の第２変形例を示す断面図である。図７において、第１嵌合部３の外周面には半径方向に間隔をおいて複数（図示例では２つ）の第１溝３ａが形成されている。また、第２嵌合部７の内周面には半径方向に間隔をおいて、複数の第１溝３ａに対向する位置に、複数（図示例では２つ）の第２溝７ａが形成されている。また、複数の第１溝３ａと第２溝７ａの間の各隙間には、複数のワイヤ８が挿入され、配置されている。第１嵌合部３と第２嵌合部７において、第１溝３ａと第２溝７ａは、それぞれ３つずつ以上形成されてもよい。第２変形例の他の部分の構成は、図３～図５に示した第１実施形態の構成と同じである。
　このように構成された第２変形例によれば、半径方向の複数位置において、翼２とバンド５がワイヤ８を介して固定されるので、翼２とバンド５の固定をより強固にすることができる。

　図８は、本発明のタービン静翼１の第２実施形態を示す図であり、図４と同様の断面図である。第２実施形態において、第１嵌合部３の端部と第２嵌合部７の端部は接着部材１３によって接着されている。このような接着部材１３としては、接着部材１３が配置される環境の温度（例えば４００℃～５００℃以上）に耐えられるもの、例えば、セラミックボンドやアルミナ、シリカ、ムライト等をスラリー状にしたもののような接着剤やロウ材を用いることができる。また、フェルト状のシリカウールやセラミック繊維などを含んだ柔軟性のある接着剤を用いてもよい。第２実施形態の他の部分の構成は、図３～図５に示した第１実施形態の構成と同じである。

　上述のように構成された第２実施形態によれば、第１実施形態と共通する構成を備えるので、翼２とバンド５の結合部の応力集中を低減でき、翼２とバンド５の間からのガスの漏れを低減でき、組立時に翼２とバンド５を簡単に締結できる。
　また第２実施形態では、接着部材１３を併用するので、翼２とバンド５の固定を補強し、より強固に翼２とバンド５を締結できる。また、柔軟性のある接着剤を用いることで、より応力集中を低減することができる。

　なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１　ＣＭＣタービン静翼、２　翼、３　第１嵌合部、３ａ　第１溝、
３ｂ　段差部、５　バンド、５Ａ　第１バンド、５Ｂ　第２バンド、
６　ベース部、７　第２嵌合部、７ａ　第２溝、８　ワイヤ、
１１　第１切欠き部、１２　第２切欠き部、１３　接着部材

Claims

　セラミックマトリックス複合材料からなる翼と、セラミックマトリックス複合材料または金属材料からなり前記翼を支持するバンドとを備え、前記翼と前記バンドが結合されて構成されるＣＭＣタービン静翼であって、
　前記翼は、前記バンドが外嵌する部分である第１嵌合部を有し、
　前記バンドは、前記第１嵌合部が内側に嵌合する第２嵌合部を有し、
　さらに、前記翼と前記バンドとが固定されるように前記第１嵌合部と前記第２嵌合部の間に配置された可撓性のワイヤを備え、
　前記第１嵌合部の外周面には翼の前後方向に延びる第１溝が形成され、前記第２嵌合部の内周面には前記第１溝に沿って延びる第２溝が形成され、前記ワイヤは前記第１溝と前記第２溝の間に配置されている、ことを特徴とするＣＭＣタービン静翼。
　前記第１溝は、翼の腹側と背側において、前記第１嵌合部の外周面に形成されており、
　前記第２溝は、翼の腹側と背側において、前記第２嵌合部の内周面に形成されている、請求項１記載のＣＭＣタービン静翼。
　前記第２嵌合部の前縁側の端部には第１切欠き部が形成され、
　前記第２嵌合部の後縁側の端部には第２切欠き部が形成され、
　前記ワイヤは、前記第１切欠き部と前記第２切欠き部の一方から両端部が突出し、前記第１切欠き部と前記第２切欠き部の他方において途中部分が折り返されている、請求項２記載のＣＭＣタービン静翼。
　前記第１嵌合部の端部と前記第２嵌合部の端部は接着されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＣＭＣタービン静翼。