JPH0357282B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ターボ機械等の回転装置に関するも
ので、特に高温度操作に対して翼及び羽根を熱的
に保護する為のセラミツク・シールドを有するセ
ラミツクタービン翼組立体に関するものである。

ポンプやタービン等のターボ機械の性能を改善
し、燃料効率を改善する為に、従来タービン入口
温度を上昇させてタービンを操作することが提案
されている。理論的には1315℃（2400〓）以上の
入口温度で操作することが望ましい。しかしなが
ら、この様な高温度は現在最も進んだ高強度金属
を使用したとしても、複雑で、高価な冷却方法を
必要とすることなしに使用するには操作限界を遥
かに越えている。複雑な冷却方法を使用すること
なしに高い入口温度を使用することが可能な最も
可能性の高いものは、高温度セラミツクを使用す
ることである。しかしながら、セラミツクは質的
に脆性であることが問題である。更に、高強度で
寸法精度の高い形状を有するものを従来技術の方
法では、ホツトプレスや研磨を必要としていたの
で、セラミツクのタービン部品を製造することは
高価であつた。従つて、セラミツク内の引張応力
を最小とし、セラミツクのタービン部品を製造す
る改善した方法を開発する為に何年もの研究開発
が行なわれており、多額の費用が使われてきた。
又、セラミツク部品は、例えば、石炭スラリー等
の物質の摺擦及び侵食に耐久可能なものとして提
案されている。多くのセラミツクロータ及びロー
タブレードが生産されテストされてきた。しかし
ながら、この様なロータや翼は遠心力場内で引張
力を受け極めて破壊し易い状態にある。

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであつ
て、上述した如き従来技術の欠点を解消したセラ
ミツクタービン翼組立体を提供するものである。
本発明に於いては、熱絶縁性のシールド乃至スリ
ーブをセラミツク材料で形成して居り、一方金属
を使用して遠心力の引張力に対する強度を与えて
いるものであり、セラミツクのシールドは遠心力
による圧縮力のみを受けるようにセラミツクシー
ルドを熱的に保護した金属構成体に取りつけてな
るものである。更に、本発明は、セラミツク部品
を安価に大量生産することが可能であり、極めて
高い均一性を有すると共に、複雑な形状の場合で
も、強度、密度及び表面仕上げの点で優れた特性
を有するセラミツク部品を製造することが可能で
あるインジエクシヨンモールド技術を提供するも
のである。

従つて、本発明の目的とする処は、改良したセ
ラミツクタービン翼組立体を提供するものであ
る。

本発明の別の目的とする処は、約1315℃（2400
〓）以上の入口温度を使用し得るタービン部品を
提供することである。

更に本発明の別の目的とする処は、セラミツク
材料を使用してターボ機械の部品を製造する寸法
及び装置を提供することである。

本発明の特定の目的としては、圧縮荷重のみが
付与され、金属要素を囲撓して遠心力及び引張力
に対する抵抗力を付与したセラミツク材料で形成
した熱絶縁性のフイールド乃至スイーブを有する
ターボ機械部品を提供することである。

以下、本発明の具体的実施の態様につき添付の
図面を参考にして説明する。最近のターボ機械に
於ける高温・侵食特性を充足する為に、従来技術
に於いては第１図に番号２で示したようなタービ
ンホイールの如き部品をセラミツク部品として使
用することを提案している。従来技術のセラミツ
クターボンホイールには、通常、複数個の翼４を
有して居り、該翼は、番号８で示した如く、ター
ビンハブ６と一体形成することも可能であり、又
は、ハブ６内に設けた適当なスロツト１２と係合
可能な脚部１０を有する着脱可能なインサートと
して形成することも可能である。しかしながら、
ホイール２が回転された場合に、翼４には遠心力
が引張りの形で作用し、その状態を矢印１４で第
１図に示してある。セラミツクは脆性であり、特
に、引張破壊を起こし易いので、この様な従来技
術のセラミツクターボ機械部品は満足するもので
はなかつた。

第２図乃至第４図は本発明に基づいて構成され
たタービンホイール１６を示して居り、この場合
には金属ハブ１８が番号20で示した如く複数個の
複数翼を担持している。翼２０の各々は、セラミ
ツクシールド２２を有して居り、該シールド２２
は第４図に最もよく示した如く適当な流体力学的
外部形状を有して居り、又第３図に示した如く、
ハブ１８に取り付けた金属コア２４を囲撓してい
る。シールド２２は、金属キヤツプ部材２６によ
つてコア２４に固着されている。コア２４は、ハ
ブ１８と一体的に形成することが可能であり、こ
の場合を第２図及び第３図に於いて番号28で示し
てある。一方コア２４は、第２図の脚部３０で示
した如く適当な手段によつてハブ１８に固着させ
ることも可能である。同様に、第２図に番号32で
示した如く、キヤツプ部材２６をコア２４と一体
形成することも可能であり、一方接着剤３４等の
適当な保持手段でコア２４に固着させることも可
能である。この様な構成を有するので、ホイール
１６が回転されるとセラミツクシールド２２は力
Ｆを受けてキヤツプ部材２６に押圧され、この場
合の引張荷重は金属コア２４及びキヤツプ部材２
６によつて受けられることになる。従つて、セラ
ミツクシールドは圧縮荷重のみを受けることとな
る。尚、セラミツクは圧縮荷重に対しては高強度
特性を有することが知られている。

タービンホイール１６を駆動する高温気体が入
口導管及び出口導管（不図示）に通流する。従つ
て、高温気体は第３図に番号36で示した領域部に
於いて翼２０と接触する。従つて、セラミツクシ
ールド２２はコア２４に対し熱遮蔽を行なう。

シールド２２に肩部３８を設けキヤツプ部材２
６に対して熱保護を与えることが望ましい。この
様な構成とすることにより、空間４０が形成され
るのでシールド２２の半径方向の熱膨張を吸収す
ることが可能となる。更に、必要により又は所望
により、ハブ１８内に冷却通路４２を設けてセラ
ミツクシールド２２と金属コア２４との間に冷却
用流体を供給すると良い。第３図及び第４図に示
した如く、セラミツクシールドに適当な凹所４４
を設けて冷却流体をシールド２２とコア２４との
間の凹所４４を通流させて、キヤツプ部材２６と
シールド２２との間に形成された流路４６を介し
て排出させることも可能である。一方、第５図に
示した如く、第４図に示した凹所４４と同様の冷
却用凹所４８をコア２４の外表面上に形成するこ
とも可能である。ステータ部材は、遠心力が付加
されないので、回転部材と比べより条件は緩和さ
れている。従つて、ステータ（不図示）のキヤツ
プ部材は、セラミツクで形成することが可能であ
り、更にシールドと一体的に形成することも可能
である。

第６図は、タービンホイール５２と一体形成さ
れた金属翼コア５０を有する第２図のタービン翼
の別の実施例を示す分解図である。しかしなが
ら、コア５０は別体に形成することも可能であ
り、適当な任意の取り付け手段を用いてホイール
５２に固着させることも可能である。セラミツク
シールド５４は、所望の流体力学的形状を与える
如く形成された外部表面５６を有して居り、翼コ
ア５０上に容易に外挿され両者間に空間を与える
ような形状に形成された中央開口５８が形成され
ている。波型形状の金属で形成された翼シート６
０がコア５０とシールド５４（第３図内に番号44
で示した空間内に於いて）の間に介装されて柔軟
層を形成している。該層はコア５０とシールド５
４の熱膨張差を吸収し、シールド５４とコア５０
との間の流体力学的荷重を減衰させると共に、番
号62及び64の点線で示した如くホイール５２内に
形成した適当な入口及び出口通路によつてコア５
０とシールド５４との間に導入させる冷却流体用
の複数個のチヤンネルを画定している。翼キヤツ
プ６６は開口５８の外側端を閉塞している。キヤ
ツプ６６の下端部に番号68で示した如く複数個の
隆起部を形成することも可能であり、この様に形
成することによりコア５０の外側端から冷却流体
を流出させることが可能である。一方、第３図の
翼に示した如く適当な接着剤（不図示）を使用し
て翼キヤツプ６６及びシールド５４をコア５０に
固着させることも可能である。

以上、本発明の特定の実施例につき詳細した
が、本発明は上述の具体例に限定されるべきもの
ではなく、本発明の技術的範囲内に於いて種々の
変形例が可能なことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のセラミツクターボ機械部品を示
した説明図、第２図は本発明に基づきシールドし
た翼を有するタービンホイールの部分断面図、第
３図は第２図のタービンホイールの一部断面図、
第４図は第２図のタービンホイールの翼の横断面
図、第５図は第２図のタービンホイールの別の実
施形態の翼の横断面図、第６図は第２図のタービ
ンホイールの翼の分解図。 （符号の説明）、１６：タービンホイール、１
８：金属ハブ、２０：翼、２２：セラミツクシー
ルド、２４：金属コア、２６：キヤツプ部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクタービン翼組立体において、金属
   翼コア、動作中においても所定の空間をもつて前
   記翼コアが挿入される開口を持つたセラミツクシ
   ールド、前記翼に固着されており前記シールドを
   所定の位置に維持するために前記シールドと係合
   可能であるキヤツプ部材、前記空間内において前
   記コアの周りに位置される柔軟な波形形状をした
   区画壁、を有しており、前記波形形状をした区画
   壁が前記コアと係合可能な内側に突出する隆起部
   と前記シールドと係合可能な外側に突出する隆起
   部とを持つており、それにより前記空間内に前記
   コアの周面上をその長手軸方向に沿つて冷却流体
   を流すための複数個の内側通路と複数個の外側通
   路とを画定していることを特徴とするセラミツク
   タービン翼組立体。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記金属翼
   コアは、タービンロータハブに固着された基端部
   を持つていることを特徴とするセラミツクタービ
   ン翼組立体。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項において、
   前記セラミツクシールドは流体力学的形状をした
   外部表面を有することを特徴とするセラミツクタ
   ービン翼組立体。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項の内のいず
   れか１項において、前記キヤツプ部材の底部に複
   数個の突起が設けられており、前記複数個の通路
   を少なくとも部分的に外部と連通させていること
   を特徴とするセラミツクタービン翼組立体。 ５ 特許請求の範囲第２項乃至第４項の内のいず
   れか１項において、前記ロータハブから供給され
   た冷却流体が前記波形形状の区画壁によつて形成
   された通路を通過して流れることが可能であるこ
   とを特徴とするセラミツクタービン翼組立体。