JPH03505246A - 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子まれてきた。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 とがあるが、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、特に冷却技術の同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 対するものトシて開発された。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くなることが判 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、高強度のセラミツり部材がエンジンに採用される。セラミッ ク部材は金属に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造体に 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難であった。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・金属製のロータ構造体を提供することにある。

更に詳しく説明するに、本発明の１目的は軸方向及び半径方同に所定関係を維持 してセラミック製のタービンロータ部と金属製のシャフト部とを連結し、その間 の異なる熱及び遠心力による相対移動を許容する構造体を提供することにある。

本発明の別の目的はセラミック製のタービンロータ部及び軸方向に隣接する金属 製のコンプレッサロータ部がトルク伝達可能に同軸に連結されタービンエンジン のロータ部材の実質的な部分を構成するタービンエンジンを提供することにある 。

従って、本発明によれば１．外側へ開口し軸方向に延びる第１の開口部と第１の 開口部の口部から離間して第１の開口部に形成される環形段部とを有する第１の セラミック部と、第１のセラミック部と軸方向に隣接して配置された第２の部分 と、第１の開口部内に挿入され軸方向に且つ円周方向に亘って配置された半径方 回に弾性を持つ複数のフィンガ部を有する金属製で環形のフレット部材と、第２ の部分に向かって軸方向に延びる引張装置とを備え、複数のフィンガ部の離れた 端部の近傍には半径方向外側へ延び段部と協働する肩部が具備され、引張装置は コレット部材と協働して軸方向の引張力をコレット部材に与え、この引張力が第 ２の部分を経て動作するように設けられ、第２の部分及び第１の部分としてのコ レット部材を軸方向に共に固定してなるハイブリッドセラミック・金属製の構造 体が提供される。

本発明の利点の１は各材料の好適な特性を最大に利用するハイブリッドセラミッ ク・金属製のタービンエンジンロータ部材を提供することにある。

本発明の別の利点は、本発明によるロータ部材のセラミック製及び金属製の部分 間に軸方向及び遠心トルク伝達関係が確実に達成されることにある。

更に、セラミック製及び金属製のロータ部材の部分が高度に同心状に配置される ので、セラミック部分の半径方向外側且つ軸方向に延びる円筒状面を採用してジ ャーナルベアリング面を構成し得る。即ち、ロータ部材はセラミック部の外面に よりタービンエンジン内に枢支され得、ロータ部材を好適に支承するために１個 のベアリングを付加するだけで良い。

この１個の付加されたベアリングはタービンエンジンの比較的低温の部分に配置 可能である。

本発明の他の目的及び利点は添付図面に沿い本発明の−の好ましい実施例に沿っ て以下に詳述する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であり、簡素 化のため一部省略して示しである。第３図はタービンエンジンのタービンロータ 装置部の分解斜視図であり、図面の明確化のため一部を破断図で示しである。

（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ＩＯ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 連設され流体を移動させた湾曲流路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内には全体を３０で示される燃焼器構造体が軸方向に延設される。燃焼器 構造体８０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１８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内側へと延 びる。

タービンロータ部４４の下流においては、湾曲流路１８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。取 付部材５０を内部に受容するセラミックスペーサ５２により排気ダクト部材４６ ．４８が離間される。

排気ダクト部材４６．４８簡に連続して湾曲流路１８は排気チャンバ５４に向か って延びる。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１６を経て外気へ連 通される。

タービンエンジンＩＯの説明から明らかなように、燃焼器構造体３０内において は、燃料がコンプレッサロータ部２２カラノ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 ２ａはコンプレッサロータ部２２．２４の間に配置された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シャフト部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３図を参照するに、ハイブリッドセラミック・金属製のロータ部 材２０には金属製のコンプレッサロータ部２２、セラミック製のタービンロータ 部４４、金属製の出力シャフト部６０に加え、トルクを伝達し同心性を保持する 連結構造体６２と軸方向に保持する連結構造体６４が包有されることが理解され よう。連結構造体６２．６４は協働してコンプレッサロータ部２２、タービンロ ータ部４４並びに出力シャフト部６０を一体化しロータ部材２０を構成する。

金属製のコンプレッサロータ部２２及びセラミック製のタービンロータ部４４の 双方には個々のハブ部６６．６８が包有される。

同様に、コンプレッサロータ部２２及びタービンロータ部４４の夫々には円周方 向に配置された複数の一体羽根部７０．７２が包有され、羽根部７０．７２はハ ブ部６６．６８上を軸方向及び半径方向外側へ延びている。タービンロータ部４ ４には軸方向に延びる段付き円筒ボス部７４が形成され、ボス部７４はタービン ロータ部４４からコンプレッサロータ部２２へ延設される。円筒状のボス部７４ の小径端部７６上には金属製のカラ一部材７８が嵌められる。カラ一部材７８の 片側には半径方向及び軸方向に延び、円周方向に位置した複数の湾曲連結歯部８ ０が具備されており、歯部８０はコンプレッサロータ部２２のハブ部６６に形成 された同様の構成の湾曲歯部８２と噛合可能に設けられる。歯部８０．８２が互 いに噛合うため、ハブ部６６とカラ一部材７８とがトルクの伝達可能に連結され 、また同時に互いに同心に保持されていて、これらの部材の熱あるいは遠心力に よる膨張が許容される。

タービンロータ部４４の円筒状のボス部７４と一体化するため、カラ一部材７８ にタービンロータ部４４並びに小径端部７６を囲繞し軸方向に延びるバンド部８ ４が具備される。バンド部８４及び小径端部７６によってそれらの間に締まり嵌 めが構成され、カラ一部材７８がタービンロータ部４４に対し強固に連結される 。

好ましくは、タービンロータ部４４のバンド部８４と小径端部７６との間の締ま り嵌めはカラ一部材７８を加熱し一方これとは別個に小径端部７６を冷却するこ とにより達成される。タービンロータ部４４のカラ一部材７８と小径端部７６と の間にこの温度差が存在すると、この２個の部材が連結され、その後両者の温度 は平衡状態になる。この種の締まり嵌めは従来焼き嵌めとも呼ばれている。

円筒状のボス部７４の半径方向外側に配置された長手の円筒面８６はジャーナル ベアリング５６により半径方向外側に周設されるごとは理解されよう。即ち、円 筒面８６にはロータ部材２０用のジャーナル面が形成され、これによりロータ部 材がハウジング１２内に回転可能に支承される。ノ１ウジング１２内の。−夕部 材２０の軸方向の位置はロ″−タ部材２０の出力シャフト部６０（第１図併照） と協働するローリング部材ベアリング（図面には図示せず）とにより決定される 。ベアリング５８はまた、軸方向の力をロータ部材２Ｇからハウジング１２へ伝 達するスラストローリング部材のベアリングとして機能する。

また軸方向に延びる段付きの盲穴８８がタービンロータ部４４に形成されている 。コンプレッサロータ部２２には盲穴８８と合致する貫通開口部２２゛が形成さ れる。盲穴８８の半球状の端壁９０がほぼロータ部のハブ部６８内に配置される 。盲穴８８の終端部は小径端部７６内の開口部９２となり、盲穴８８の段部９４ は端壁９０に向かい且つ端壁９０と開口部９２との間に配置される。段部９４は 小径口径部９６と盲穴８８の残部との協働により形成される。

長手で金属製で環形のコレット部材９８が盲穴８８内に挿入される。コレット部 材９８には円周方向に配置した半径方向に弾性を持つ複数のフィンガ部１０Ｇが 具備されており、フィンガ部１００はコレット部材９８のリング部１０２と一体 に形成され且つリング部１０２から軸方向に延びている。各フィンガ部１００に は半径方向外側へ延びる肩部１０４と半径方向内側へ延びる段部１０６とが形成 される。フィンガ部１００は全体として半径方向外側へ延びる単一の肩部１０４ と半径方向内側へ延びる単一の段部１０６を有するものにし得る。フィンガ部１ ００の肩部１０４は夫々盲穴８８の段部９４と係合され、一方金属製のスリーブ 部材１０８はフィンガ部１００内に挿入されてその段部１０６と係合される。コ レット部材９８のリング部１０２にはネジ山部１１０が形成され、金属製で長手 の連結ボルト部材１１４の端部１１２が螺入される。端部１１２によりスリーブ 部材１０ｇがフィンガ部１００　内に保持され段部９４からの逸脱が確実に阻止 される。端部１１２の対向部には連結ボルト部材１１４が配設され、連結ボルト 部材１１４のネジ山部１１４’上にはナツト（図示せず）が螺合されてロータ部 材２０の出力シャフト部６０に支承される。従って、コレット部材９８及び連結 ボルト部材１１４に張力が加えられ、コレット部材９８の右手のロータ部材２０ の残部が圧縮されて挿入状態になる。

上述から、連結構造体６２は連結構造体６４による軸方向の保持作用によりトル ク伝達可能な位置に保持されることは容易に理解されよう。またコンプレッサロ ータ部２２及び出力シャフト部６０によってその間に湾曲連結が得られ、タービ ンロータ部４４からのトルクが出力シャフト部６０を介しタービンエンジン１０ の外部へ伝達され得ることも理解されよう。

またロータ部材２０の製造中、コレット部材９８が開口部９２を経て外側から小 径開口部９６内に挿入され、フィンガ部１００が半径方向内側へ弾性を利用して 曲げられ得ることが理解されよう。フィンガ部１００がこのように曲げられたと き、肩部１０４が小径開口部９６を通過し段部９４を越えて盲穴８８の残部内に 挿入される。その後金属製のスリーブ部材１０８がコレット部材９８内に挿入さ れ、このためフィンガ部１００が半径方向内側へ湾曲することが抑止され、段部 ９４の外側において肩部１０４を通過する。スリーブ部材１０８がコレット部材 ９８に挿入されている場合、連結ボルト部材１１４の端部１１２はコレット部材 ９８に螺合されている。従ってスリーブ部材１０８はコレット部材９８内に保持 され、コレット部材９８は盲穴８８内に保持される。熱論必要ならば組立手順の 逆の動作を行うことによりロータ部材２０を分解し各構成部材に分離できる。

マタタービンエンジンｌＯの動作中タービンロータ部４４は高温圧縮燃焼生成物 流に曝されることも理解されよう。この燃焼生成物流の温度は２０００°Ｆ（１ ０９０°Ｃ）〜２５００°Ｆ（１３７０°Ｃ）の範囲、またはそれ以上であり、 酸化作用が高いことものと考えられる。従って、軸方向のハブ部６８に最至近の 円筒面８６の端部で受ける温度は約１２００°Ｆ　（６５０ｃ′Ｃ）である。こ のような条件下では金属製の円筒面８６は充分に耐用出来ない。即ち、円筒面８ ６は金属製の場合酸化され劣化してジャーナルベアリング５６の動作状態に悪影 響を与え動作寿命が短くなるが、上記のタービンロータ部４４の円筒面８６は酸 化雰囲気内の１２００　’Ｆ（６５０°Ｃ）の動作温度に十分耐え、平滑な支承 面が与えられ、ジャーナルベアリング５６の寿命が長められる。

以上の説明に加え、ジャーナルベアリング５６の左端部に隣接する円筒面８６の 動作温度が１２００°Ｆ（６５０°Ｃ）になるため、連結構造体６４が約１２０ ０°Ｆ（６５０°Ｃ）を越える範囲の温度に対し耐用性を持たせる必要があるこ とが容易に理解されよう。

連結構造体６４がこのように高温となるので従来の焼き嵌め、ろう付けあるいは セラミック・金属の接着結合等の全ての連結構成を採用できない。これらの従来 のセラミック・金属結合構造では連結構造体６４が十分に耐え得る動作環境に置 くことが出来ない。

最後に（本発明にあっては）タービンロー９　部４４　ニはハブ部６８から連結 構造体６２．６４へ向かって右手に延び、幾分制限された熱伝達路が形成される ことは理解されよう。即ち、タービンロータ部４４には内部において第２図の軸 方向右手へ熱を伝達する盲穴８８及び円筒面８６間において半径方向に延びる環 形の熱伝達路のみが形成される。この熱伝達路の寸法が比較的制限され連結構造 体６２のハブ部６８からの距離が確保されるため、カラ一部材７８で受ける動作 温度が十分に低下され、従って締まり嵌めによるセラミック・金属結合構成をと ることが許容され十分に好適に機能し得ることになる。

手続補正書 平成３年７月３１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．外側へ開口し軸方向に延びる第１の開口部（８８）と第１の開口部（８８） の開口（９２）から離間して第１の開口部（８８）に形成された環形段部（９４ ）とを有する第１のセラミック部（６８）と、第１のセラミック部（６８）と軸 方向に隣接して配置される第２の部分（２２）と、第１の開口部（８８）内に挿 入され軸方向に長手で円周方向に位置する半径方向に弾性を持つ複数のフインが 部（１００）を有した金属製で環形のコレット部材（９８）と、第２の部分（２ ２）に向かって軸方向に延びる引張装置（１１４）とを備え、複数のフインが部 （１００）の離れた端部近傍には半径方向外側へ延び段部（９４）と協働する肩 部（１０４）が具備され、引張装置（１１４）はコレット部材（９８）と協働し て軸方向の引張力をコレツト部材（９８）に与え、この引張力が第２の部分（２ ２）を経て作用し第２の部分（２２）及び第１の部分としてのコレツト部材（９ ８）を軸方向に共に固定するように設けられてなるハイブリッドセラミック・金 属製の構造体（２０）。 ２．第２の部分（２２）には第１の開口部（８８）と同軸で軸方向に延びる第２ の開口部（２２′）が具備され、引張装置には端部（１１２）近傍においてコレ ツト部材（９８）と協働し第１の部分（６８）から第２の開口部（２２′）内へ 延びる長手の連結ボルト部材（１１４）が包有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・金属製の構造体（２０）。 ３．第２の開口部（２２′）が第２の部分（２２）を軸方向に貫通して延び、連 結ボルト部材（１１４）が第２の部分（２２）を貫通して延び、引張装置には更 に端部（１１２）と対向する第２の端部（１１４）に隣接した連結ボルト部材と 協働するナット部材が包有され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・金属製の構造体（２０）。 ４．第１の部分（６８）及び第２の部分（２２）により、一方で第１及び第２の 部分コンプレツサロータ部（２２、６８）間にトルクを伝達し他方で第１及び第 ２の部分コンプレッサロータ部（２２、６８）を同軸に整合して維持する協働装 置（８０、８２）が構成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・金属製の構造体（２０）。 ５．協働装置（２２、６８）には金属製のカラー部材（７８）を固定保持する第 １のセラミック部（６８）が包有され、金属製のカラー部材（７８）には軸及び 半径方向に延び円周方向に位置した第１の複数の歯部（８０）が具備され、第２ の部分（２２）には軸及び半径方向に延び円周方向に位置し第１の複数の歯部（ ８０）と噛み合う第２の複数の歯部（８２）が具備されてなる特許請求の範囲第 ４項記載のハイブリッドセラミック・金属製の構造体（２０）。 ６．第１のセラミック部（６８）には軸方向に延びる円筒状のボス部（７４）が 具備され、カラー部材（７８）には他部と協働し溝を形成するバンド部（８４） が包有され、ボス部（７４）が溝内に挿入されバンド部（８４）と締り嵌めを構 成するように設けられてなる特許請求の範囲第５項記載のハイブリッドセラミッ ク・金属製の構造体（２０）。 ７．更に、コレット部材（９８）内に挿入されフインが部（１００）により半径 方向に係合可能でフインが部（１００）が段部（９４）から離間することを阻止 するロック部材（１０８）を備え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・金属製の構造体（２０）。 ８．ロック部材（１０８）にはフインが部（１００）内に軸方向に挿入される長 手のスリーブ部材（１０８）が包有され、フインが部（１００）には半径方向内 側へ延びスリーブ部材（１０８）を介して係合されスリーブ部材（１０８）の軸 方向の一方向への移動を阻止可能な第２の段部（１０６）が具備されてなる特許 請求の範囲第７項記載のハイブリッドセラミック・金属製の構造体（２０）。 ９．引張装置（１１４）には第２の段部（１０６）と対向し軸方向に離間してス リーブ部材（１０８）を介し係合され、スリーブ部材（１０８）を間に保持可能 な当接面（１１２）が具備されてなる特許請求の範囲第８項記載のハイブリッド セラミック・金属製の構造体（２０）。 １０．導入部（１４）と導出部（１６）とロータ部材（２０）との回転に応じて それらの間に流体（２４）を送る流路（１８）を形成したハウジング（１２）及 びハイブリッドセラミック・金属製のロータ部材（２０）と、導入部（１４）を 経て外気を導入し圧縮して燃焼器部（３０）へ送るコンプレッサ部（２２）と、 燃料を燃焼器部（３０）内の圧縮空気に対し供給し高温で圧縮された燃焼生成物 （１８′′）を生成する装置（３２）と、燃焼生成物を膨張させロータ部材（２ ０）を回転するための機械的動力を抽出するタービン部（４０、４２）とを備え 、ロータ部材（２０）にはセラミックタービン部（４２）が包有され、タービン 部（４２）はセラミック製のハブ部（６８）と半径方向外側へ延びる複数の流体 力学的に動作する羽根部（７２）とを有し、羽根部（７２）から軸方向に向かっ て一体にセラミック製のボス部（４４）が形成され、ボス部（４４）には軸方向 に延びる第１の中央開口部（８８）が具備され、第１の中央開口部（８８）は１ 端部（７６）で開口され、第１の中央開口部（８８）は他部と協働し開口（９２ ）から離間して位置する段部（９４）を有した外部の小径開口部（９６）を有し 、軸方向の次段に隣接するロータ部材（２２）がボス部（４４）と対向し第１の 中央開口部（８８）と整合する軸方向に延びた第２の開口部（２２′）を有し、 ターピンロータ部（４２）及び軸方向に隣接したロータ部材（２２）に所定の軸 方向関係の保持構成を介しトルクを伝達し半径方向に同軸状に互いに整合させる 協働装置（８０、８２）が包有され、金属製で環形のコレット部材（９８）が第 １の中央開口部（８８）内に軸方向に向かって挿入され、コレット部材（９８） には環形のリング部（１０２）と円周方向に位置し軸方向に延び且つ半径方向に 弾性を有した複数のフインが部（１００）とが具備され、フインが部（１００） はリング部（１０２）から延びその終端部が端部（１０４、１０６）をなし、複 数のフインが部は協働して端部（１０４、１０６）近傍に半径方向外側へ延びる 肩部（１０４）が形成され、段部（９４）と係合して第１の中央開口部（８８） 内にコレット部材（９８）が保持され、リング部（１０２）と螺合可能な長手の 連結ボルト部材（１１４）が第２の開口部（２２′）内に挿入され、軸方向の引 張力をコレット部材（９８）に与え、引張力が軸方向の次段に隣接するロータ部 材（２２）を経て動作し軸方向の次段に隣接するロータ部材（２２）が第１のセ ラミック製のターピン部（４２）と所定の軸方向関係で保持されてなる高温ター ピンエンジン（１０）。