JPS6310282B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流体機械用特にガスタービン駆動装
置用のタービン回転羽根であつて、羽根足を有し
ている金属製の支持コアと、該支持コアを間隔を
おいて取囲むセラミツク製の羽根周壁とから成つ
ていて、該羽根周壁がほぼ自由に延伸可能に支持
コアに懸吊されている形式のものに関する。

最適な燃料利用及び最適な出力スペクトルのた
めに最近のガスタービン駆動装置特に飛行機用の
ガスタービンジエツト駆動装置では、しかしなが
らまた定置のガスタービン装置においても、ます
ます高いタービン入口温度が必要とされている。
設計上及び製作技術的に比較的高価な冷却プラン
を用いれば今日のガスタービン駆動装置技術の枠
内においても、部分的にはタービン羽根材料の融
点以上であるタービン入口温度で運転することが
可能である。しかしながらいずれにせよこれは、
極めて高品質で比較的高価な羽根材料と比較的大
きな製作技術上の手間を伴なつて初めて達成され
得る。またこの場合比較的大きな冷却空気量が必
要であり、しかも、比較的大きな高エネルギの冷
却空気量が羽根ないしは当該の羽根周壁から直接
ガス流に再び供給されねばならないことによつ
て、場合によつては当該タービンにおいて流動状
態に支障をきたすことがある。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第2834843号明
細書に基づいて公知のタービン回転羽根は、下部
に羽根足を有する金属製の支持コアと、該コアを
間隔をおいて取囲んでいるセラミツク製の羽根ブ
レードとから成つている。

この公知の解決策では支持コアはその上端部に
少なくとも片側に向かつて張り出したヘツドを有
しており、このヘツドに壁薄のセラミツク製の羽
根ブレード（羽根周壁）が、羽根内部に突入する
突出部によつて下から支持されている。

この公知の解決策の欠点は、羽根の組立てが比
較的複雑かつ面倒であることと、ほぼ支持コアの
幅にわたつて延在するヘツドと羽根周壁の突出部
とが大きな面積で接触していることにある。すな
わち、金属製の支持コアとセラミツク製の羽根周
壁との間の接触面つまり熱伝導面が比較的大きい
ことに基づいて、この公知の羽根の運転において
は羽根周壁から支持コアへの大きな熱流れを計算
に入れなくてはならない。例えばこのように熱伝
導面が大きいと、まさにこの接触面における支持
コアの熱膨張が促進され、金属とセラミツクとの
熱膨張係数が著しく異なつていることによつて、
運転中に羽根周壁が破損するおそれが生じる。ま
た羽根周壁と支持コアとの間における結合箇所の
接触面が大きければ大きいほど、羽根周壁の自由
な延伸性は妨げられるので、公知の羽根における
羽根周壁と支持コアとの結合形式は羽根周壁の延
伸に対して不都合に作用すると言える。

アメリカ合衆国特許第3867068号明細書に記載
されたガスタービン駆動装置用のタービン羽根に
はピン結合が用いられているが、しかしながらこ
のピン結合は、当該の羽根の中空室内に羽根挿入
体を固定するためにだけ働いていると思われる。
またこの公知の場合はセラミツクと金属とから成
る合成羽根ではないので、合成羽根における固有
の問題はこの公知の場合には存在せず、ゆえにそ
れに対する相応な解決策も記載されていない。

さらに、内側の鋼コアと該鋼コアの外側をおお
うセラミツク羽根周壁とから成るタービン羽根が
公知である。しかしながらこの公知の解決策に
は、セラミツク製の羽根周壁を、比較的高い回転
数において生じる遠心力負荷に対して申し分なく
運転確実にかつ同時に延伸可能に金属製の羽根コ
アに固定するのに適した相応な結合手段はまつた
く開示されていない。その上この公知の解決策で
は、セラミツク製羽根周壁と金属製コアとの間の
固定筒所の範囲において極めて僅かしか熱を伝え
ない熱伝導面と、セラミツク製羽根周壁の延伸可
能な固定形式との組合わせに関してまつたく言及
されていない。

ゆえに本発明の課題は、公知のタービン回転羽
根における上述の欠点を除去すべく、冒頭に述べ
た形式のタービン回転羽根を改良して、組立てが
比較的簡単で羽根構造が比較的単純であるにもか
かわらず、セラミツク製の羽根周壁から金属製の
支持コアへの不都合な熱流れが著しく僅かで比較
的少量の冷却空気しか必要なく、羽根周壁と支持
コアとの間の結合形式が、大きな遠心力負荷にも
かかわらず確実な運転を保証しかつ羽根周壁が延
伸できるように構成されしかも、場合によつては
損傷する羽根周壁の交換作業を容易に行なうこと
ができ、さらに運転中におけるタービンケーシン
グ内周壁とタービン回転羽根との接触による羽根
周壁の損傷をも確実に回避することができるター
ビン回転羽根を提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、
冒頭に述べた形式のタービン回転羽根において、 (イ) 金属製の支持コアに上から装着可能なセラミ
ツク製の羽根周壁が、上端部の範囲に一体成形
された比較的壁厚の横ウエブを有しており、該
横ウエブを介して羽根周壁が、同横ウエブに設
けられた孔を貫いて案内される少なくとも１つ
の金属製の保持ピンによつて支持コアに固定さ
れるようになつており、 (ロ) 半径方向に突出している羽根周壁端部によつ
て取囲まれていて横ウエブ上端部を起点として
延びている室のなかに、少なくとも１つの保持
ピンのねじ頭状に形成された端部と、該端部に
取付けられた多孔質の擦過層とが位置してい
て、該擦過層が隣接する羽根周壁端部を越えて
半径方向に突出しており、 (ハ) 擦過層に、有利には保持ピン縦軸線に位置す
る冷却通路を介して冷却空気が供給され、該冷
却空気によつて同擦過層が貫流されるようにな
つており、冷却通路が、羽根足側を起点として
延びている冷却空気供給部と接続されており、 (ニ) 金属製の支持コアないしは金属製の保持ピン
とセラミツク製の羽根周壁との接触範囲に、断
熱材ないしは断熱成形体が配設されている。

本発明のように構成されていると、まず(イ)の構
成によつて、ドイツ連邦共和国特許出願公開第
2834843号明細書に基づいて公知の羽根における
大きな欠点、すなわち、ほぼ支持コアの幅にわた
つて延在した大きなヘツドと対応する羽根周壁の
突出部との間における大きな接触面に基づく欠点
が回避される。つまり(イ)の構成によれば、羽根周
壁の延伸性を妨げる原因となつた、支持コアと羽
根周壁との間の大きな面積による結合形式の代わ
りに、羽根周壁の孔と該を貫通するピンとによる
局部的な結合形式が用いられており、この結合形
式によつて羽根周壁の自由な延伸性が促進され
る。またこの局部的な結合形式によつて羽根周壁
と支持コアとの間の熱伝導面積が公知のものに比
べて著しく小さくなり、両材料の異なつた膨張係
数に基づく羽根周壁破損のおそれもなくなる。ま
た比較的壁厚の横ウエブによつて結合部は十分な
強度を有している。支持コアと羽根周壁との間に
おける熱流れは(ニ)の構成によつてさらに減じられ
る。また(ロ)の構成によつて、合成回転羽根がター
ビンケーシング内周壁に沿つて擦過する際にセラ
ミツク製の羽根ブレードが損傷することは確実に
回避される。さらに多孔質の擦過層の過熱は、(ハ)
に記載したように冷却通路を介して送られる冷却
空気によつて防止され得る。

本発明によるタービン回転羽根においては合成
羽根の金属製部材が高熱ガス流によつて負荷され
ることはなく、熱線とセラミツク製の羽根ブレー
ドの出力とによつてのみ熱負荷されるので、従来
の高温回転羽根とは異なり冷却のためには比較的
僅かな空気量しか必要とされない。これによつ
て、約2000Kの温度使用限界が達成される。

さらにまた、高熱ガスにさらされかつ冷却され
ない羽根ブレード（羽根周壁）は修理に際して保
持ピンを取外すことによつて、公知のものとは異
なり極めて容易に交換することができる。

本発明の有利な実施態様によれば、当該の金属
製の支持コアが外側に高効率な冷却用輪郭形状を
有しており、該冷却用輪郭形状の、コア外周部に
位置している構成部分は薄板周壁によつて取囲ま
れている。この結果薄板周壁と支持コアとの間に
おいて可能な冷却空気循環は、周壁部分の過熱を
阻止する。金属製の支持コアにおける熱遮蔽をさ
らに改善するために、薄板周壁の、セラミツク製
の羽根周壁に向いている側に、熱線を反射する層
が設けられていると有利である。

次に図面につき本発明の実施例を説明する。

第１図に示されたタービン回転羽根例えばガス
タービン駆動装置のためのタービン回転羽根は、
羽根足１を有している金属製の支持コア２と、羽
根ブレード側において該支持コア２を間隔をおい
ておおつているセラミツク製の羽根周壁３とから
成つている。このセラミツク製の羽根周壁３は上
から金属製の支持コア２に装着可能であり、上端
部の範囲に、半径方向孔４，５，６を備えた横ウ
エブ７を有している（第４図参照）。この横ウエ
ブ７を介してセラミツク製の羽根周壁３は、半径
方向孔４，５，６に差込まれる金属製の保持ピン
８（第１図参照）によつて支持コア２に固定され
る。

第３図からさらにわかるように、半径方向に突
出している羽根周壁端部によつて取囲まれていて
横ウエブ上端部を起点として延びている室９のな
かには（第３図参照）、ねじ頭状に形成された保
持ピン端部１０と、該保持ピン端部１０に取付け
られた多孔質の擦過層１１の一部とが位置してい
る（第１図参照）。擦過層１１は隣接した羽根周
壁端部を越えて僅かに突出している。擦過層１１
には、ピン縦軸線に位置している冷却通路１２を
介して冷却空気が供給され、さらにこの冷却空気
によつて擦過層１１は貫流される。冷却通路１２
は羽根足側から延びている冷却空気供給部と接続
している。すなわち第１図に示されているよう
に、冷却空気は羽根足溝底部に隣接する中空室１
３を介して孔１４に供給される。この孔１４は溝
底部とは反対の側において、保持ピン８の当該の
孔によつて準備された袋孔端部１５に開口してい
る。しかしながら箇所１５が、３つのすべての保
持ピンの全冷却空気通路に同時に冷却空気を供給
するような通路を形成していてもよい。

多孔質の擦過層１１は例えば焼結金属又はフエ
ルト金属から成つており、例えばろう接又は拡散
結合によつてねじ頭状の保持ピン端部１０に固定
される。図面には示されていないが、保持ピンは
例えばろう接、拡散結合又はねじ締結によつて回
転羽根の金属製の支持コアに固定される。

第１図からわかるように、金属製の支持コアな
いしは金属製の保持ピンとセラミツク製の羽根周
壁との間の接触範囲には、例えばアルミニウムチ
タネート又は酸化ジルコニウムから成る断熱層な
いしは断熱成形体１６が配置されている。

第５図に示されているように、ブレード側の支
持コア２′の大部分は、セラミツク製の羽根周壁
３の内輪郭１７（第３図参照）に適合する薄板周
壁１８によつておおわれている。この薄板周壁１
８はそれ自体と支持コア２′のブレード側部分と
の間において、冷却空気を供給される通路系１９
を形成している。この通路系１９の輪郭形状は、
支持コア２′の、高効率な構成部材冷却を行なう
ように形成された外構造形状によつて規定され
る。第５図ではこの冷却系１９の輪郭形状に関し
て、周壁１８とコア２′との間の接触面である突
起２０だけが示されている。

図面には示されていないが、薄板周壁の、セラ
ミツク製の羽根周壁に向いている側に、付加的に
熱線を反射する層が設けられていてもよい。

支持コア２′において薄板周壁１８によつて取
囲まれた冷却通路系１９には、羽根足側から冷却
空気が供給される。冷却空気はまず初め、羽根足
溝底部に隣接する中空室１３から半径方向の通路
２１及び該通路２１に接続している単数又は複数
の別の通路２１′を介して支持コア２′を貫いてコ
ア上端部に向かつて導かれ、そこから横方向に延
びている分岐通路２１を介して冷却通路系１９
に供給される。供給された冷却空気を冷却通路系
１９からタービン通路に供給する共通の冷却空気
流出部は第５図において符号２２で示されてい
る。この共通の冷却空気流出部２２は羽根足プレ
ートにおいて開口している。

第３図に示されているセラミツク製の羽根周壁
３は先に述べたピン結合及びウエブ構成に基づい
て容易に交換可能である。

材料に関してまだ述べていない他の主要な構成
部材には以下に述べる材料が適している：すなわ
ち、 (イ) 金属製の支持コア２，２′にはインコネル
100、 (ロ) セラミツク製の羽根周壁には焼結炭化珪素又
は焼結窒化珪素、 (ハ) 金属製の保持ピン８にはインコネル100、 (ニ) 薄板周壁１８にはインコネル625 がそれぞれ材料として適している。

本発明は、流体機械の、高熱ガス側において負
荷されるすべての形式のタービンに、例えば定置
運転用のガスタービン駆動装置及び飛行機のガス
タービンジエツト駆動装置のようなタービンに適
している。

本発明の本質をなんら変えることなしに、金属
組の支持コアにセラミツク製の羽根周壁を固定す
るのにただ１つの金属製の保持ピンしか有してい
ないピン結合を用いる、図示の実施例とは異なつ
た実施例も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図の−線に沿つた本発明によ
るタービン回転羽根の半径方向断面図、第２図は
第１図に示されたタービン回転羽根の上から見た
平面図、第３図は第４図の−線に沿つたセラ
ミツク製羽根周壁の半径方向断面図、第４図は第
３図に示されたセラミツク製羽根周壁の上から見
た平面図、第５図は外側に冷却系を備えた金属製
の支持コアの半径方向断面図である。 １……羽根足、２，２′……支持コア、３……
羽根周壁、４，５，６……半径方向孔、７……横
ウエブ、８……保持ピン、９……室、１０……保
持ピン端部、１１……擦過層、１２……冷却通
路、１３……中空室、１４……孔、１５……袋孔
端部、１６……断熱成形体、１７……内輪郭、１
８……薄板周壁、１９……通路系、２０……突
起、２１，２１′，２１″……通路、２２……冷却
空気流出部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体機械用のタービン回転羽根であつて、羽
   根足を有している金属製の支持コアと、該支持コ
   アを間隔をおいて取囲むセラミツク製の羽根周壁
   とから成つていて、該羽根周壁がほぼ自由に延伸
   可能に支持コアに懸吊されている形式のものにお
   いて、 (イ) 金属製の支持コア２に上から装着可能なセラ
   ミツク製の羽根周壁３が、上端部の範囲に一体
   成形された比較的壁厚の横ウエブ７を有してお
   り、該横ウエブ７を介して羽根周壁３が、同横
   ウエブ７に設けられた孔４，５，６を貫いて案
   内される少なくとも１つの金属製の保持ピン８
   によつて支持コア２に固定されるようになつて
   おり、 (ロ) 半径方向に突出している羽根周壁端部によつ
   て取囲まれていて横ウエブ上端部を起点として
   延びている室９のなかに、少なくとも１つの保
   持ピン８のねじ頭状に形成された端部１０と、
   該端部１０に取付けられた多孔質の擦過層１１
   とが位置していて、該擦過層１１が隣接する羽
   根周壁端部を越えて半径方向に僅かに突出して
   おり、 (ハ) 擦過層１１に冷却通路１２を介して冷却空気
   が供給され、該冷却空気によつて同擦過層１１
   が貫流されるようになつており、冷却通路１２
   が、羽根足側を起点として延びている冷却空気
   供給部と接続されており、 (ニ) 金属製の支持コア２ないしは金属製の保持ピ
   ン８とセラミツク製の羽根周壁３との接触範囲
   に、断熱材ないしは断熱成形体１６が配設され
   ている ことを特徴とする、流体機械用のタービン回転羽
   根。 ２ 多孔質の接触層１１がろう接又は拡散結合に
   よつて少なくとも１つの保持ピンのねじ頭状の端
   部に固定されている特許請求の範囲第１項記載の
   タービン回転羽根。 ３ 少なくとも１つの保持ピン８がろう接、拡散
   結合又はねじ締結を介して金属製の支持コア２に
   固定されている特許請求の範囲第１項記載のター
   ビン回転羽根。 ４ 断熱材ないしは断熱成形体１６がアルミニウ
   ムチタネート又は酸化ジルコニウムから成つてい
   る特許請求の範囲第１項記載のタービン回転羽
   根。 ５ ブレード側の支持コア２′の大部分が、セラ
   ミツク製の羽根周壁３の内輪郭に適合した薄板周
   壁１８によつて取囲まれており、該薄板周壁１８
   がそれ自体と支持コアのブレード側部分との間
   に、冷却空気を供給される通路系１９を形成して
   いて、該通路系１９の輪郭形状が金属製の支持コ
   アの、高効率な構成部材冷却を行なうべく形成さ
   れた外輪郭形状によつて規定されている特許請求
   の範囲第１項から第４項までのいずれか１項記載
   のタービン回転羽根。 ６ 薄板周壁１８の、セラミツク製の羽根周壁３
   に向いている側に、熱線を反射する層が設けられ
   ている特許請求の範囲第５項記載のタービン回転
   羽根。 ７ 支持コア２′において薄板周壁１８によつて
   取囲まれた冷却通路系１９に羽根足側から冷却空
   気が供給されるようになつていて、該冷却空気が
   まず初め半径方向の通路２１，２１′を介して支
   持コア２′を貫いてコア上端部に向かつて案内さ
   れ、コア上端部から横方向の分岐通路２１″を介
   して冷却通路系１９に供給されるようになつてお
   り、該冷却通路系１９の共通の冷却空気流出部２
   ２が羽根足プレート１においてタービン通路に開
   口している特許請求の範囲第６項記載のタービン
   回転羽根。 ８ セラミツク製の羽根周壁３が保持ピン結合の
   解離後に交換可能である特許請求の範囲第１項か
   ら第７項までのいずれか１項記載のタービン回転
   羽根。 ９ セラミツク製の羽根周壁が金属製の支持コア
   に複数の金属製の保持ピンで固定されるようにな
   つていて、これらの保持ピンにそれぞれ少なくと
   も１つの冷却通路が設けられており、保持ピンの
   ねじ頭状の端部に擦過層１１が取付けられてい
   て、横ウエブ７が、使用される保持ピンの数に相
   当した連続する複数の半径方向孔４，５，６を有
   している特許請求の範囲第１項から第８項までの
   いずれか１項記載のタービン回転羽根。