JPH0729201Y2 - タービン翼端のシール装置 - Google Patents
タービン翼端のシール装置Info
- Publication number
- JPH0729201Y2 JPH0729201Y2 JP1988145818U JP14581888U JPH0729201Y2 JP H0729201 Y2 JPH0729201 Y2 JP H0729201Y2 JP 1988145818 U JP1988145818 U JP 1988145818U JP 14581888 U JP14581888 U JP 14581888U JP H0729201 Y2 JPH0729201 Y2 JP H0729201Y2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- turbine blade
- turbine
- bending strength
- seal ring
- ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Description
【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、ガスタービン、ジエツトエンジンなどにお
けるタービン翼先端とこれに対向するタービンシユラウ
ドの内周面との間に形成されるチツプクリアランスをで
きるだけ小さく抑えるために、上記タービンシユラウド
の内周部にアブレイダブルシールリングを設けてなるタ
ービン翼端のシール装置に関するものである。
けるタービン翼先端とこれに対向するタービンシユラウ
ドの内周面との間に形成されるチツプクリアランスをで
きるだけ小さく抑えるために、上記タービンシユラウド
の内周部にアブレイダブルシールリングを設けてなるタ
ービン翼端のシール装置に関するものである。
（従来の技術） 近年、燃焼ガスのタービン入口温度を高めて熱効率およ
び出力を向上させるために、タービン翼およびタービン
シユラウドをセラミツク化することが考えられている。
び出力を向上させるために、タービン翼およびタービン
シユラウドをセラミツク化することが考えられている。
このようなセラミツク製タービン翼を使用するものにお
いて、そのタービン翼の先端に対向するタービンシユラ
ウドの内周部にアブレイダブルシールリングとしては、
従来周知のメタルを主体としたシールリング（特開昭61
-149506号公報参照）の使用が考えられる。
いて、そのタービン翼の先端に対向するタービンシユラ
ウドの内周部にアブレイダブルシールリングとしては、
従来周知のメタルを主体としたシールリング（特開昭61
-149506号公報参照）の使用が考えられる。
（考案が解決しようとする課題） しかしながら、メタルを主体としたシールリングは、耐
熱性が低いので、タービンシユラウドの内周を流れる高
温燃焼ガスによつて容易に軟化し、場合によつては溶融
するので適用することが困難であつた。
熱性が低いので、タービンシユラウドの内周を流れる高
温燃焼ガスによつて容易に軟化し、場合によつては溶融
するので適用することが困難であつた。
このことは、特公昭59-5808号公報で開示されているよ
うに、金属基質の内周面に複数のセラミツク被覆層をプ
ラズマトーチやレーザなどによる溶射層で形成した場合
でも、ほぼ同様の課題がある。
うに、金属基質の内周面に複数のセラミツク被覆層をプ
ラズマトーチやレーザなどによる溶射層で形成した場合
でも、ほぼ同様の課題がある。
すなわち、金属基質の内周面にセラミツク被覆層を溶射
層で形成した場合、その溶射層は周知のとおり、きわめ
て薄肉でかつ脆弱であり、しかも、上記金属基質との結
合強度も弱いから、タービン翼の先端が強力な回転エネ
ルギでもつて摺接すると、容易に破壊や剥離が発生し
て、セラミツク被覆層本来の初期の目的を達成すること
が不可能である。
層で形成した場合、その溶射層は周知のとおり、きわめ
て薄肉でかつ脆弱であり、しかも、上記金属基質との結
合強度も弱いから、タービン翼の先端が強力な回転エネ
ルギでもつて摺接すると、容易に破壊や剥離が発生し
て、セラミツク被覆層本来の初期の目的を達成すること
が不可能である。
また、上記タービン翼として、金属製に換えて、特公昭
61-48604号公報で開示されているようなセラミツク製と
した場合でも、ほぼ同様の課題がある。
61-48604号公報で開示されているようなセラミツク製と
した場合でも、ほぼ同様の課題がある。
この考案は、上記のような課題を解消するために鋭意研
究したもので、アブレイダブルシールリングの耐熱性を
高めて、高温下での使用に際してもタービン翼の損傷を
防止し、セラミツク製のタービン翼を使用することによ
る高い熱効率および出力を長期にわたり維持することが
できるタービン翼のシール装置を提供することを目的と
する。
究したもので、アブレイダブルシールリングの耐熱性を
高めて、高温下での使用に際してもタービン翼の損傷を
防止し、セラミツク製のタービン翼を使用することによ
る高い熱効率および出力を長期にわたり維持することが
できるタービン翼のシール装置を提供することを目的と
する。
（課題を解決するための手段） 本件考案者は種々研究を重ねた結果、セラミツクの曲げ
強さと摩滅特性とが密接な相関性を有することを発見
し、曲げ強さの小さいセラミツクはアブレイダブルシー
ルリング（シユラウド内周部）として使用可能であるこ
とを見出した。
強さと摩滅特性とが密接な相関性を有することを発見
し、曲げ強さの小さいセラミツクはアブレイダブルシー
ルリング（シユラウド内周部）として使用可能であるこ
とを見出した。
この考案はこのような研究結果に基づいてなされたもの
で、この考案に係るタービン翼端のシール装置は、ター
ビン翼を10Kg/mm2以上の曲げ強さを有するかさ密度が3.
2g/cm3以上の緻密質焼結体からなる耐熱セラミツク部材
で構成するとともに、上記タービン翼の先端に対向する
タービンシユラウドの内周部を、ほぼ10Kg/mm2またはそ
れ以下の曲げ強さを有するかさ密度が1.97g/cm3以下の
焼結体からなるセラミツク部材で構成したことを特徴と
するものである。
で、この考案に係るタービン翼端のシール装置は、ター
ビン翼を10Kg/mm2以上の曲げ強さを有するかさ密度が3.
2g/cm3以上の緻密質焼結体からなる耐熱セラミツク部材
で構成するとともに、上記タービン翼の先端に対向する
タービンシユラウドの内周部を、ほぼ10Kg/mm2またはそ
れ以下の曲げ強さを有するかさ密度が1.97g/cm3以下の
焼結体からなるセラミツク部材で構成したことを特徴と
するものである。
（作用） この考案によれば、シユラウドの内周部がタービン翼を
成すセラミツク材よりも曲げ強さの小さい、換言すれ
ば、緻密質焼結体からなるタービン翼に対して、タービ
ンシュラウドの内周部がかさ密度の小さいポーラスなセ
ラミック部材で構成されているから、タービン翼の摩滅
特性に比べてシュラウド内周部の方が摩耗し易くしてシ
ユラウド内周部に要求れさるアブレイダブル性を確保し
つつ、このシユラウド内周部の耐熱性を高めてやれば、
タービン翼と接触しても焼付きがおこりにくくなり、そ
の結果、タービン翼の損傷を極力抑制することができ
る。
成すセラミツク材よりも曲げ強さの小さい、換言すれ
ば、緻密質焼結体からなるタービン翼に対して、タービ
ンシュラウドの内周部がかさ密度の小さいポーラスなセ
ラミック部材で構成されているから、タービン翼の摩滅
特性に比べてシュラウド内周部の方が摩耗し易くしてシ
ユラウド内周部に要求れさるアブレイダブル性を確保し
つつ、このシユラウド内周部の耐熱性を高めてやれば、
タービン翼と接触しても焼付きがおこりにくくなり、そ
の結果、タービン翼の損傷を極力抑制することができ
る。
しかも、上記タービンシユラウドの内周部を構成するセ
ラミツク部材は焼結体であるから、従来のように金属基
質の内周面にセラミツク被覆層を溶射層で形成した場合
に比較して、厚肉でかつ結合強度が高いから、タービン
翼の先端が強力な回転エネルギでもつて摺接したとして
も、容易に破壊することなく、セラミツク部材本来の初
期の目的を達成することができる。
ラミツク部材は焼結体であるから、従来のように金属基
質の内周面にセラミツク被覆層を溶射層で形成した場合
に比較して、厚肉でかつ結合強度が高いから、タービン
翼の先端が強力な回転エネルギでもつて摺接したとして
も、容易に破壊することなく、セラミツク部材本来の初
期の目的を達成することができる。
（実施例） 以下、この考案の一実施例を図面にもとづいて説明す
る。
る。
第１図は、この考案の一実施例によるガスタービンにお
ける要部の断面図であり、同図において、１は耐熱セラ
ミツク製のタービンシユラウドで、このタービンシユラ
ウド１はハウジング３にたとえば、焼きばめにて固定さ
れている。４はシユラウド内周部、つまりアブレイダブ
ルシールを構成するセラミツク製のリングで、このシー
ルリング４は窒化ケイ素（Si3N4）を主成分とし、曲げ
強さにおいてほぼ10Kg/mm2またはそれ以下の曲げ強さを
有するかさ密度の小さいポーラスな焼結体からなるセラ
ミツク部材で構成されており、かつ上記タービンシユラ
ウド１の内周面側に取替え可能な状態に接合されてい
る。
ける要部の断面図であり、同図において、１は耐熱セラ
ミツク製のタービンシユラウドで、このタービンシユラ
ウド１はハウジング３にたとえば、焼きばめにて固定さ
れている。４はシユラウド内周部、つまりアブレイダブ
ルシールを構成するセラミツク製のリングで、このシー
ルリング４は窒化ケイ素（Si3N4）を主成分とし、曲げ
強さにおいてほぼ10Kg/mm2またはそれ以下の曲げ強さを
有するかさ密度の小さいポーラスな焼結体からなるセラ
ミツク部材で構成されており、かつ上記タービンシユラ
ウド１の内周面側に取替え可能な状態に接合されてい
る。
５はタービン翼で、このタービン翼５は、例えば常圧焼
結の窒化ケイ素など曲げ強さにおいて数10Kg/mm2以上の
緻密質の耐熱セラミツク材料から構成されており、かつ
図示省略したタービンロータの外周に周方向に適当な間
隔を置いて数十枚固定されている。このタービン翼５の
先端とこれに対向する上記シールリング４との間に僅小
なチツプクリアランスＣが形成されている。
結の窒化ケイ素など曲げ強さにおいて数10Kg/mm2以上の
緻密質の耐熱セラミツク材料から構成されており、かつ
図示省略したタービンロータの外周に周方向に適当な間
隔を置いて数十枚固定されている。このタービン翼５の
先端とこれに対向する上記シールリング４との間に僅小
なチツプクリアランスＣが形成されている。
次に、本考案者がシールリング４としての好適なセラミ
ツク材料を見い出すために実行した摩滅試験の要領およ
びその試験結果について詳しく説明する。
ツク材料を見い出すために実行した摩滅試験の要領およ
びその試験結果について詳しく説明する。
第２図は摩滅試験機の概略構成図であり、同図におい
て、10はタービン翼５に対応する模擬ブレード11を外周
に複数個固定して一定速度で回転する回転体、12はシー
ルリング４に対応する供試サンプル13を固定保持するサ
ンプルホルダーで、このサンプルホルダー12はモータ14
およびねじ軸を利用したスライド機構15を介して、固定
保持した供試サンプル13を回転状態の模擬ブレード11に
押し付ける方向に移動可能である。
て、10はタービン翼５に対応する模擬ブレード11を外周
に複数個固定して一定速度で回転する回転体、12はシー
ルリング４に対応する供試サンプル13を固定保持するサ
ンプルホルダーで、このサンプルホルダー12はモータ14
およびねじ軸を利用したスライド機構15を介して、固定
保持した供試サンプル13を回転状態の模擬ブレード11に
押し付ける方向に移動可能である。
上記構成の摩滅試験機による摩滅試験に供したサンプル
の種類と特性は次に示す表１のとおりである。
の種類と特性は次に示す表１のとおりである。
なお、同表中の各サンプルはSN系（窒化ケイ素系）のセ
ラミツクである。
ラミツクである。
上記の表１で示したシールリングサンプルNo.1〜No.5を
第２図の摩滅試験機におけるサンプルホルダー12に次々
と固定させて、回転体10を介して一定速度で回転する模
擬ブレード11に第２図の矢印Ｐで示す径方向から一定の
速度で押し付けたときに発生する押し付け荷重、つまり
径方向荷重の大きさの時間的な変化を測定した。
第２図の摩滅試験機におけるサンプルホルダー12に次々
と固定させて、回転体10を介して一定速度で回転する模
擬ブレード11に第２図の矢印Ｐで示す径方向から一定の
速度で押し付けたときに発生する押し付け荷重、つまり
径方向荷重の大きさの時間的な変化を測定した。
第３図は上記の測定結果の代表例を示すもので、第３図
（ａ）はサンプルNo.4の径方向荷重曲線、第３図（ｂ）
はサンプルNo.2の径方向荷重曲線を示し、両者を比較し
た場合、サンプルNo.2の径方向荷重の大きさ（Kg）の時
間的な変化はサンプルNo.4の径方向荷重の大きさ（Kg）
の時間的な変化よりも非常に小さいことが解る。これ
は、サンプルNo.2がサンプルNo.4よりもかさ密度が小さ
く、ポーラスで摩耗しやすいために、径方向荷重が増大
しないものと推定される。つまり、サンプルNo.2がアブ
レイダブルシールとして適している。
（ａ）はサンプルNo.4の径方向荷重曲線、第３図（ｂ）
はサンプルNo.2の径方向荷重曲線を示し、両者を比較し
た場合、サンプルNo.2の径方向荷重の大きさ（Kg）の時
間的な変化はサンプルNo.4の径方向荷重の大きさ（Kg）
の時間的な変化よりも非常に小さいことが解る。これ
は、サンプルNo.2がサンプルNo.4よりもかさ密度が小さ
く、ポーラスで摩耗しやすいために、径方向荷重が増大
しないものと推定される。つまり、サンプルNo.2がアブ
レイダブルシールとして適している。
以上の測定結果と表１で示す各サンプルの特性とを観察
してみると、径方向荷重、つまり、摩滅特性は材料の曲
げ強さと密接な相関性を有することが理解できる。すな
わち、セラミツク材料の粒子間の結合力は曲げ強さと摩
滅特性の両方に深い関連性を有すると考えられる。
してみると、径方向荷重、つまり、摩滅特性は材料の曲
げ強さと密接な相関性を有することが理解できる。すな
わち、セラミツク材料の粒子間の結合力は曲げ強さと摩
滅特性の両方に深い関連性を有すると考えられる。
かかる観点に立つて、上記表１で示すサンプルNo.1〜サ
ンプルNo.5の径方向荷重の最大値と曲げ強さとの相関関
係をとつてみると、第４図のような結果が得られた。
ンプルNo.5の径方向荷重の最大値と曲げ強さとの相関関
係をとつてみると、第４図のような結果が得られた。
この第４図において、シールリングとして要求されるア
ブレイダブル性を満足するのはサンプルNo.1とサンプル
No.2で、これらは曲げ強さにおいてほぼ10Kg/mm2または
それ以下であり、この結果からシールリングとしての好
適なセラミツク材料は、第４図中に１点鎖線で示す推定
曲線（Ｘ）以下の曲げ強度を有するものであることが理
解されよう。
ブレイダブル性を満足するのはサンプルNo.1とサンプル
No.2で、これらは曲げ強さにおいてほぼ10Kg/mm2または
それ以下であり、この結果からシールリングとしての好
適なセラミツク材料は、第４図中に１点鎖線で示す推定
曲線（Ｘ）以下の曲げ強度を有するものであることが理
解されよう。
なお、上記実施例では、シールリング４の構成材料とし
て、窒化ケイ素を主成分とするセラミツク材料を示した
が、この窒化ケイ素と比重、化学的性質の近いSiCやSi3
N4＋Al2O3の固溶体であるサイアロン等から成るセラミ
ツク部材を使用しても良い。
て、窒化ケイ素を主成分とするセラミツク材料を示した
が、この窒化ケイ素と比重、化学的性質の近いSiCやSi3
N4＋Al2O3の固溶体であるサイアロン等から成るセラミ
ツク部材を使用しても良い。
また、表１には、窒化ケイ素質焼結体についての曲げ強
さと、気孔率とを開示したけれども、セラミツク部材の
曲げ強さは、気孔率と無関係に、添加する焼結助剤や雰
囲気などの焼成条件により、その曲げ強さを適宜設定で
きる。
さと、気孔率とを開示したけれども、セラミツク部材の
曲げ強さは、気孔率と無関係に、添加する焼結助剤や雰
囲気などの焼成条件により、その曲げ強さを適宜設定で
きる。
したがつて、タービン翼５とシールリング４を構成する
セラミツク部材の主成分が全く異なるものであつても、
前述した曲げ強さと磨滅特性との相関関係が成立する。
セラミツク部材の主成分が全く異なるものであつても、
前述した曲げ強さと磨滅特性との相関関係が成立する。
（考案の効果） 以上説明したように、この考案によれば、耐熱セラミツ
ク製タービン翼の先端に対向するシユラウド内周部を、
タービン翼を成すセラミツク材よりも曲げ強さの小さい
セラミツク部材で構成したので、曲げ強度と密接な関連
性を有するシユラウド内周部の摩滅特性はタービン翼に
比べて十分に小さくなり、シユラウド内周部としての良
好なアブレイダブル性が確保できるので、高温下での焼
付きの発生を防止することができるので、タービン翼の
先端の損傷を極力抑制でき、これによつて、セラミツク
製タービン翼の使用による高い熱効率、高出力を長期に
わたつて維持することができる。
ク製タービン翼の先端に対向するシユラウド内周部を、
タービン翼を成すセラミツク材よりも曲げ強さの小さい
セラミツク部材で構成したので、曲げ強度と密接な関連
性を有するシユラウド内周部の摩滅特性はタービン翼に
比べて十分に小さくなり、シユラウド内周部としての良
好なアブレイダブル性が確保できるので、高温下での焼
付きの発生を防止することができるので、タービン翼の
先端の損傷を極力抑制でき、これによつて、セラミツク
製タービン翼の使用による高い熱効率、高出力を長期に
わたつて維持することができる。
第１図はこの発明の一実施例を示す要部の断面図、第２
図は摩滅試験機の概略構成図、第３図は供試サンプルの
径方向荷重の変化の測定例を示すグラフ、第４図は供試
サンプルの径方向荷重の大きさと曲げ強さとの相関説明
図である。 １……タービンシユラウド、４……シールリング（シユ
ラウドの内周部）、５……タービン翼。
図は摩滅試験機の概略構成図、第３図は供試サンプルの
径方向荷重の変化の測定例を示すグラフ、第４図は供試
サンプルの径方向荷重の大きさと曲げ強さとの相関説明
図である。 １……タービンシユラウド、４……シールリング（シユ
ラウドの内周部）、５……タービン翼。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 前田 辰巳 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ株 式会社総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−5808（ＪＰ，Ａ) 特公 昭61−48604（ＪＰ，Ｂ１)
Claims (1)
- 【請求項１】タービン翼を数10Kg/mm2以上の曲げ強さを
有するかさ密度が3.2g/cm3以上の緻密質焼結体からなる
耐熱セラミック部材で構成するとともに、上記タービン
翼の先端に対向するタービンシュラウドの内周部を構成
するシールリングを、ほぼ10Kg/mm2またはそれ以下の曲
げ強さを有するかさ密度が1.97g/cm3以下の非酸化物系
のセラミック部材としたことを特徴とするタービン翼端
のシール装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1988145818U JPH0729201Y2 (ja) | 1988-11-08 | 1988-11-08 | タービン翼端のシール装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1988145818U JPH0729201Y2 (ja) | 1988-11-08 | 1988-11-08 | タービン翼端のシール装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0267003U JPH0267003U (ja) | 1990-05-21 |
| JPH0729201Y2 true JPH0729201Y2 (ja) | 1995-07-05 |
Family
ID=31414741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1988145818U Expired - Lifetime JPH0729201Y2 (ja) | 1988-11-08 | 1988-11-08 | タービン翼端のシール装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0729201Y2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4422648A (en) * | 1982-06-17 | 1983-12-27 | United Technologies Corporation | Ceramic faced outer air seal for gas turbine engines |
| JPS6148604A (ja) * | 1984-08-10 | 1986-03-10 | Matsushita Refrig Co | パワ−エレメント |
-
1988
- 1988-11-08 JP JP1988145818U patent/JPH0729201Y2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0267003U (ja) | 1990-05-21 |
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