JPH03505116A - 高温タービンエンジン構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高温タービンエンジン構造体 （技術分野） 本発明は高温タービンエンジン構造体、特に金属並びにセラミックの両方の材料 で構成される高温タービンエンジン構造体に関する。

（背景技術） これまでのタービンエンジン技術ではエンジンの単位重量当たりの出力を増大す るため、より高温で動作させることが長年望まれてきた。理想的にはタービンエ ンジンは消費燃料からできる限り大きなエネルギを得るため理論燃焼で動作する ことが望まれるが、理論燃焼あるいはそれに近い燃焼で生じる温度はタービンエ ンジンを構成する金属部材の耐久レベルを越える。従って、タービンエンジンの 技術が進むに応じ、特に冷却技術の向上及び高温に曝されるエンジンの構成部材 としての温度・酸化に耐える金属材料の開発の双方に重点が置かれた。即ち、冷 却技術あるいは耐高温金属は各燃焼チャンバ、タービンステータノズル、タービ ン羽根に対するものとして開発された。この開発により総ての部材に対する冷却 法、方向性固定若しくは単結晶法に基づいて鋳造されるニッケルをベースとする “スーパアロイ”が開発された。特に金属部材で構成されたタービンエンジンの 、より高温での動作を研究した結果エンジンの製造が複雑となり製造費も高（な ることが判明した。タービンエンジンをより高温で動作させる別の方法も提案さ れている。この方法によれば、高強度のセラミック部材がエンジンに採用される 。セラミック部材は金属ニ比ペタービンエンジンの高温での酸化環境にも良好に 耐え得る。ここでセラミック構造体に関して用いる“高強度”の用語は適用され る構成体に応じてその程度が変わる。多くのセラミック材は優れた高温強度ある いは酸化抵抗性を示すが、セラミックの引張破砕強さまたは欠陥許容性は比較的 低く、これまでタービンエンジンへの採用が困ａでアラた。

従って、これらの材料の特性を利用してタービンエンジンの燃焼を理想レベルに 近ずけるハイブリッドセラミック・金属構造体の開発が長年求められていた。

従来のタービンエンジン技術または使用材料、更にはこの種のエンジンの製造法 の欠点を鑑み、本発明の主たる目的は高温のタービンエンジンに使用可能なハイ ブリッドセラミック・金属製の取付部材を提供することにある。

特に本発明の１目的はセラミック部がタービンエンジンの高温部に配置され、低 温エンジン部へ延設されて別のセラミック部材を支承し保持してなるハイブリッ ドセラミック・金属製の取付部材を提供することにある。取付部材の金属部はセ ラミック部と協働し、金属部には他の金属製のエンジン構造体と協働して取付部 材に引張力を与える装置が包有される。

更に詳述するに、本発明の１目的は共に軸方向の引張力を受ける長手のセラミッ ク部材と長手の金属部材との間に協働装置を設けることにある。

更に本発明は、長手のセラミック部と金属製の端部取付具とを備え、セラミック 部は一端部に比較的大きな直径の頭部と頭部から端部へ向かって軸方向に延び比 較的小さな直径の長手握り部とを有し、金属製の端部取付具には軸方向に延び内 部にネジ山部を有する特徴部が形成され、端部取付具及び長手握り部によりセラ ミック部と端部取付具とを同軸に対交差させて保持し、軸方向の引張力を保持す る協働装置が具備されてなる高温ハイブリッドセラミック・金属取付部材を提供 することにある。

本発明の利点は、各材料の好ましい特性を良好に利用するハイブリッドセラミッ ク・金属製の機械的取付部材を設けることにある。

本発明の別の利点は高温抵抗性を有するセラミック部材がハイブリッドセラミッ ク・金属取付部材により金属部材に対し固定されるタービンエンジンを提供する ことにある。即ち、セラミックエンジン部材及びハイブリッド取付部材は高温に 曝され、一方比較的低温の構造体に対し曝される金属構造体を用いてセラミック 部材が支承される。ハイブリッド取付部材の金属部はエンジンの金属支承構造体 と協働してハイブリッド取付部材に引張力を与えるように構成すること望ましい 。

本発明の更なる目的と利点は添付図面に沿い本発明の好ましい実施例の詳細な説 明が進むに応じ明らかとなろう。

（図面の簡単な説明） 第１図は本発明によるハイブリッドセラミック・金属製のタービンエンジンの長 手方向の部分断面図、第２図は第１図のエンジンの部分拡大断面図、第３図は本 発明のハイブリッドセラミック・金属製の取付部材の分解斜視図、第４図はハイ ブリッドセラミック・金属製の取付部材の分解斜視図、第５図は本発明のハイブ リッドセラミック・金属製の取付部材の一部を断面で示す分解図である。

（発明を実施するための最良の形態） 第１図を参照するに、ハイブリッドセラミック・金属製のタービンエンジン１０ が示される。タービンエンジン１０にはハウジング１２が包有されており、ハウ ジング１２には導入部１４と、導出部１６と、導入部１４と導出部１６との間に 連通され流体を移動させる湾曲流路１８とが具備されている。全体を参照番号２ ゜で示したハイブリッドセラミック・金属製のロータ部材はハウジング１２内に 枢支され、ハウジング１２と協働して湾曲流路１８を区画している。ロータ部材 ２０にはコンプレッサロータ部２２が具備され、コンプレッサロータ部２２の回 転により矢印２４で示されるように導入部１４から外気が導入され圧縮されて矢 印２６で示されるように流路部１８“へ送られることは理解されよう。

流路部１８′　はハウジング１２内に配置され環形のロータリ再生器２８の１８ ０度より幾分小さい領域に亙り軸方向に延びている。再生器２８の下流の湾曲流 路１８内には全体が３０で示される燃焼器構造体が軸方向に延びる。燃焼器構造 体３０はセラミック材料で作られ、燃焼器構造体３０の外部セラミックライナー ３２は一端部がほぼ円錐状の外部遷移部材３４に支承される。内部セラミックラ イナー３６は外部セラミックライナー３２内において同軸に配置され、一端部が セラミック遷移ダクト部材３８に支承されている。湾曲流路１８は矢印１８°゛ で示されるように内部セラミックライナー３６の一端部へ向かって軸方向に延び ている。セラミック遷移ダクト部材３８内では、セラミックタービンの背部を覆 う囲い部材４０とセラミックタービンステータ部材４２との協働により湾曲流路 】８が区画され、これらの囲い部材４０とセラミックタービンステータ部材４２ とはロータ部材２０のタービンロータ部４４に向かって半径方向外側へ延びてい る。

タービンロータ部４４の下流において、湾曲流路】８は互いに離間されて協働す る一対の廃棄ダクト部材４６．４８間を軸方向及び半径方向外側へ延びる。複数 のハイブリッドセラミック・金属取付部材５０（第１図にはそのうちの一方のみ が図示される）は廃棄ダクト部材４６及びハウジング１２と協働している。

これらの構造部材を介してハイブリッドセラミック・金属取付部材５０を挿入さ せる開口部５０′、ｓｏ”が区画されている。

排気ダクト部材４６．４８間に連続して湾曲流路１８は排気チャンバ５４に延び る。再生器２８の１８０度以下の領域が排気チャンバ５４に対し露呈される。従 って、湾曲流路１８は再び再生器２８を通り導出部〕６を経て外部へ連通される 。

タービンエンジンｌＯの説明から明らかなように、燃焼器構造体３０内において 、燃料がコンプレッサロータ部２２からの圧縮空気に加えられて燃焼が持続され ることは理解されよう。

この燃焼の結果、高温で圧縮された燃焼生成物が燃焼器構造体３０を下流に、更 に燃焼器構造体に連続する湾曲流路１８へ流動することになる。またロータ部材 ２０はコンプレッサロータ部２２．２４の間に配置されるジャーナルベアリング ５６と、ロータ部材２０の金属製の動力出力ンヤフト部６０（第１図には一部の みを示す）に近接して配置される回転ベアリング部材（図示せず）とによりハウ ジング１２内に枢支される。

さて第２図〜第５図を参照するに、ハウジング】２には金属製の外部支承構造部 ６２が包有されることが理解されよう。金属製の内部支承構造部６４が外部金属 支承構造部６２内に軸方向且つ半径方向に離間して配置され湾曲流路１８のコン プレッサ拡散部１８°゛′が区画される。金属製の外、内部支承構造部６２．６ ４内にはセラミック製でカップ状の断熱部材６６とセラミック製の排気ダクト部 材４６．４８が配置される。排気ダクト部材４６は上述したようにハイブリッド セラミック・金属取付部材５０を内部に挿入させるセラミックスペーサ５２を介 して排気ダクト部材４８から離間される。排気ダクト部材４８、断熱部材６６及 び金属製の内部支承構造部６４は互いに積層されている。金属製の内部支承構造 部６４はセラミックスペーサ５２の内部に挿入される金属製のスペーサ部材６８ により外部金属支承構造部６２から離間される。３個のセラミックスペーサ５２ が外部金属支承構造部６２に対し円周方向に等間隔で配置され、ノ＼ウジング」 ２内に排気ダクト部材４６．４８、内部支承構造部６４、ハイブリッドセラミッ ク・金１取付部材５０、及びスペーサ部材６８が支承され配列される。

ハイブリッドセラミック・金属取付部材５０にはセラミック部７０と、端部取付 具７２と、金属スリーブ部７４と、金属キャップ不ジリとが包有される。セラミ ック部７０は相対的に直径の大きな頭部７８と頭部７８から延び相対的に直径の 小さい端部８２を有した長手握り部８０とを具備する。端部８２には端部８２か ら離間されて巾方向に延び、且つ半径方向に対向した１対の平坦溝８６．８８が 形成される。１対の平坦部９０．９２が】対の平坦溝８６．８８の夫々から長手 握り部８０の端面８４へ延びている。平坦溝８６．８８及び平坦部９０．９２に より、長手握り部８０の端部８２に平坦な拡大部９６を持つ平坦舌部９４が形成 されることは理解されよう。

金属製の端部取付具７２は長手握り部８０の端部８２上に挿入される。端部取付 具７２の長手環形部９８には内部を軸方向に貫通し、ネジ山の切られた開口部１ ００が形成される。長手環形部９８から軸方向にほぼＪ状の】対の舌部１０２． １０４が延設される。

これらの舌部１０２．１０４は互いに協働してスロツ）１０６を区画し、スロッ ト］０６は幅が次第に狭まる不ツタ部１０８を有する。

金属製の端部取付具７２は長手握り部８０の端部８２上に巾方向に挿入され、こ れらの２部材は互いに軸方向に合致せしめられる。即ち平坦舌部９４がネック部 １０８内に挿入され、一方拡大部９６がスロット】０６の他部に挿入される。こ の後、金属スリーブ部７４に端部取付具７２が軸方向に挿入されてスロット１０ ６が閉鎖され、内部に端部８２が確保される。金属スリーブ部７４は端部取付具 ７２に対し溶接され、長手握り部８０及び端部８２が端部取付具７２内に永久的 に保持されることになる。周知の金属キャップネジ７６が開口部１００に螺合さ れ、ハイブリッドセラミック・金属取付部材５０に引張力が加えられる。

特に第３図、第４図及び第５図を参照するに、端部取付具７２により軸方向に延 び且つ半径方向に対句する１対の平坦部１１０．１１２が区画されることもまた 理解されよう。ハイブリッドセラミック・金属取付部材５０の組立て中金属キャ ップネジ７６が締結されるとき端部取付具７２に加わるトルクがセラミック部７ ０にかかることを防止するため、外部支承構造部６２に回転不可能に端部取付具 ７２を受容する貫通穴１１４が形成されている。換言するに、貫通穴１１４には 端部取付具７２の平坦部１１０．１１２と協働し軸方向に延びる一対の平坦部ｊ １６．１１８が具備される。しかして金属キャップネジ７６が締められるとき、 この締め付は力が外部支承構造部６２に加わり、セラミック部７０はトルクを受 けずに引張応力のみを受けることになる。

第３図を参照するに、金属キャップネジ７６は外部支承構造部６２と協働し、− 刃頭部７８は排気ダクト部材４６と協働することは理解されよう。ハイブリッド セラミック・金属取付部材５０の利点はセラミック部７０により軸方向の熱伝達 が大きく抑止され得ることにある。即ち、頭部７８及び頭部７８に隣接する長手 握り部８０の一部が約２５ＱＱ０Ｆ　（１３７０°Ｃ）のような高温に曝された ときでも、長手握り部８０が長手で且つ比較的低い熱伝導率を持つから端部取付 具７２に金属材料を使用可能になる。

手続補正書 平成３年７月３１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．長手のセラミック部（７０）と金属製の端部取付具（７２）とを備え、セラ ミック部（７０）は一端部に比較的大きな直径の頭部（７８）と頭部から端部（ ８２）へ向かって軸方向に延び比較的小さな直径の長手握り部（８０）とを有し 、金属製の端部取付具（７２）には軸方向に延び内部にネジ山部を有する特徴部 （１００）が具備され、端部取付具（７２）及び長手握り部（８０）によりセラ ミック部（７０）と端部取付具（７２）とを同軸に交差して保持し軸方向の引張 力を維持する協働装置（８０、１０２〜１０６）が形成されてなる高温ハイブリ ッドセラミック・金属取付部材（５０）。 ２．協働装置（８０、１０２〜１０６）には平坦拡大部（９６）を有する軸方向 に延びた平坦舌部（９４）が具備され、拡大部（９６）の端部が長手握り部（８ ０）の端面（８４）をなしており、端部取付具（７２）には巾方向に延び軸方向 に開口し平坦舌部（９４）及び拡大部（９５）と合致するスロット（１０６）が 具備され、端部取付具（７２）のスロット（１０６）には長手握り部（８０）の 端部（８２）が巾方向に同軸に整合して挿入されてなる特許請求の範囲第１項記 載のハイブリッドセラミック・金属取付部材（５０）。 ３．更に、端部取付具（７２）のスロット（１０６）内に長手握り部（８０）の 端部（８２）を保持する装置（７４）を備えてなる特許請求の範囲第２項記載の ハイブリッドセラミック・金属取付部材（５０）。 ４．巾方向のスロット（１０６）は端部取付具（７２）の反対端部において外側 へ開口し、保持装置（７４）には金属製の端部取付具（７２）が軸方向に近接し て受容され、スロット（１０６）を閉鎖して端部（８２）を内部に保持する長手 の金属スリーブ部（７４）が包有されてなる特許請求の範囲第３項記載のハイブ リッドセラミック・金属取付部材（５０）。 ５．ネジ山部が形成された特徴部（１００）にはセラミック部（７０）と同軸で 且つ軸方向に延びる開口部（１００）を有した端部取付具（７２）が包有され、 開口部（１００）にネジ山が具備されてなる特許請求の範囲第１項記載のハイブ リッドセラミック・金属取付部材（５０）。 ６．長手握り部（８０）の端部（８２）には半径方向に対向し巾方向に離間され 実質的に平行な２組の平坦部（８６、８８；９０、９２）が形成され、平坦部は 長手握り部（８０）に沿つ実質的に軸方向に離間され、各平坦部（８６、８８； ９０、９２）の長手握り部に対し巾方向の寸法を有し、長手握り部（８０）の端 面（８４）に近い一方の対の平坦部（平坦部９０、９２）の巾方向の寸法が２対 の平坦部（平坦溝▽▽、８８；９０、９２）の他方の対の平坦部（拡大部９６、 ８８）より大に設けられてなる特許請求の範囲第１項記載のハイブリッドセラミ ック・金属取付部材（５０）。 ７．導入部（１４）と、導出部（１６）と、導入部（１４）及び導出部（１６） との間において流体（２６）を送る流路（１８）と、導入部（１４）を介し外気 流を導入しこの圧縮空気を燃焼器構造体（３０）へ供給する回転可能なコンプレ ッサ（２２）と、燃料を燃焼器へ供給し圧縮空気の燃焼を椎持し高温の燃焼生成 物（１８′′）発生する装置と、燃焼生成物を膨張し導出部（１６）を経て外部 へ放出し機械的動力を得コンプレッサ（２２）を駆動するタービン（４４）と、 燃焼器（３０）がその下流の流路（１８）の一部に配置され高温燃焼生成物（１ ８′′）に曝されるセラミック部材（４６、４８）と、セラミック部材（４６、 ４８）を支承する金属製の支承構造部（６２）と、セラミック部材（４６、４８ ）及び支承構造部（６２）の夫々の開口部（５０′，５０′′）内に挿入されセ ラミック部材（４６、４８）と協働するセラミック部（７０）及び金属支承構造 部（６２）と協働する各金属部（７２）を有したハイブリッドセラミック・金属 取付部材（５０）とを備え、各セラミック部材（４６、４８）及び支承構造部（ ６２）には夫々軸方向に合致する開口部（５０′、５０′′）が具備され、取付 部材（５０）にセラミック部（７０）と金属部（７２）との間に引張力を協働し て与えセラミック部材（４６、４８）及び金属支承構造部（６２）を協働して保 持する装置（７６、１００）が包有されてなる燃焼タービンエンジン（１０）。 ８．取付部材（５０）のセラミック部（７０）には、その一端部にセラミック部 材（４６、４８）と協働する比較的大きな直径の頭部（７８）と、頭部７８から セラミック部材（４６、４８）の開口部（５０′）を経て軸方向に延びる長手の セラミック握り部（８０）とが具備され、長手握り部（８０）の終端部が端部（ ８２）をなし、取付部材（５０）の端部取付具（７２）は端部（８２）に挿入さ れ、端部取付具（７２）及び端部（８２）によってそれらの間に引張力の伝達を 維持する協働装置（９４、９６、１０６）が構成されてなる特許請求の範囲第７ 項記載の燃焼タービンエンジン（１０）。 ９．協働装置（９４、９６、１０６）の端部取付具（７２）には遠い側の端部に 拡大部（９６）を有する平坦舌部（９４）が具備され、端部取付具（７２）には 平坦舌部（９４）及び拡大部（９６）と巾方向に合致し軸方向に開口して巾方向 に延びるスロット（１０６）が具備され、端部取付具（７２）は握り部（８０） と実質的に軸方向に合致されて端部（８２）に巾方向に挿入されてなる特許請求 の範囲第８項記載の燃焼タービンエンジン。 １０．引張力印加装置（７６、１００）にはネジ山を有する特徴部（１００）を 有した端部取付具（７２）と、ネジ山を有する特徴部（１００）に螺合され、金 属製の支承構造部（６２）と協働して取付部材（５０）に引張力を与える金属キ ヤップネジ（７６）とが包有され、端部取付具（７２）及び金属支承構造部（６ ２）により、金属キヤツプネジ（７６）とネジ山を有する特徴部（１００）との 間に伝達されるトルクからセラミック部（７０）を離す協働装置（１１０、１１ ２、１１４）が構成されてなる特許請求の範囲第９項記載の燃焼タービンエンジ ン。