JPH07332002A - Ceramic gas turbine rotor - Google Patents

Ceramic gas turbine rotor

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JPH07332002A
JPH07332002A JP15045094A JP15045094A JPH07332002A JP H07332002 A JPH07332002 A JP H07332002A JP 15045094 A JP15045094 A JP 15045094A JP 15045094 A JP15045094 A JP 15045094A JP H07332002 A JPH07332002 A JP H07332002A
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ceramic
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rotor
gas turbine
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Tetsuo Tatsumi
哲男 巽
Takeshi Takehara
勇志 竹原
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスタービンの構成部品の内で高速度で回転
するセラミック軸部を運転中のトルク変動に対抗し且つ
金属軸との熱膨張差によって緩むことも無く、必要な締
めつけ力を確保して安定的に結合状態を保て、また両者
の結合も容易で、確実に結合できるセラミックガスター
ビンロータを提供する。 【構成】 セラミック軸部11は、その結合端部11a
において、継手軸21のカップ形状部25にロウ付け又
は焼篏めにより結合されている。継手軸21とは別体で
ラビリンスシール32を備えたラビリンスリング31
が、カップ形状部25の外側を取り囲むように、カップ
形状部25の肩部25cに締着されている。
(57) [Abstract] [Purpose] It is necessary to counter the torque fluctuation during operation of the ceramic shaft that rotates at high speed among the components of the gas turbine and to prevent it from loosening due to the difference in thermal expansion from the metal shaft. (EN) Provided is a ceramic gas turbine rotor which secures a tightening force, maintains a stable connected state, and is easy to connect the both, and which can be securely connected. [Structure] The ceramic shaft portion 11 has a coupling end portion 11a.
In the above, it is joined to the cup-shaped portion 25 of the joint shaft 21 by brazing or sintering. Labyrinth ring 31 provided with labyrinth seal 32 separately from joint shaft 21
Is fastened to the shoulder portion 25 c of the cup-shaped portion 25 so as to surround the outside of the cup-shaped portion 25.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、セラミックタービン
部と一体のセラミック軸部を金属製ロータ軸に連結した
構造を有するセラミックガスタービンロータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic gas turbine rotor having a structure in which a ceramic shaft portion integrated with a ceramic turbine portion is connected to a metal rotor shaft.

【0002】[0002]

【従来の技術】昨今のセラミックの成形・焼成技術の急
速な進歩によって、各種耐熱構造部品から高い精度が要
求される内燃機関ピストン等の作動部品に至るまでセラ
ミックで製造されるようになった。ガスタービンにおい
ても、熱と電気の負荷変動に柔軟に対応でき且つ暖機運
転時間が短くて済むコージェネレーションシステムの普
及に伴いセラミック製部品の採用が注目され、またその
一層の熱効率の向上を図るべくセラミック製部品の採用
が具体化に向け検討されるようになった。その試みの一
つとして、セラミックを使用してノズルやタービンブレ
ード及びロータを製作し、燃焼器から高温の燃焼ガスを
冷却せずにそのままセラミック製スクロール内のガス通
路に通しノズルを介してタービンブレードに導くように
したものがある。このようなセラミックガスタービンで
は、タービン入口温度の向上や前述の無冷却化および再
生熱交換器におけるタービン排気ガスと燃焼器用吸入空
気との対向熱交換によって熱回収を行うことなどによっ
て、タービン熱効率を大幅に高めることができるように
なった。
2. Description of the Related Art Due to recent rapid progress in molding and firing technology for ceramics, ceramics have been manufactured from various heat resistant structural parts to working parts such as internal combustion engine pistons that require high accuracy. Even in gas turbines, the adoption of ceramic parts has attracted attention due to the spread of cogeneration systems that can flexibly respond to heat and electric load fluctuations and require only a short warm-up time, and further improve thermal efficiency. As a result, the adoption of ceramic parts came to be considered for practical use. As one of the attempts, a nozzle, a turbine blade and a rotor are manufactured by using ceramic, and the high temperature combustion gas is not cooled from the combustor and is passed through the gas passage in the ceramic scroll as it is, and the turbine blade is passed through the nozzle. There is something that I tried to lead to. In such a ceramic gas turbine, the turbine thermal efficiency is improved by improving the turbine inlet temperature, performing the above-mentioned non-cooling, and performing heat recovery by opposing heat exchange between the turbine exhaust gas and the combustor intake air in the regenerative heat exchanger. It has become possible to greatly increase it.

【0003】しかし、現段階ではセラミックで製作可能
な部品には、大きさや形状に制約があるため、高温の燃
焼ガスと直接に接触する箇所にだけセラミックの部品が
使用されている。最近では、例えば、PT(パワーター
ビン)ロータに比べて外径の小さいGGT(ガスジェネ
レータタービン)ロータのタービンを、セラミックで一
体的に製造できるようになってきたが、タービン部を取
り付けるためのロータ軸はセラミックで製作することに
は無理があり、現在は金属材料で形成されている。そこ
で、セラミック製のタービンを金属製のロータ軸の先端
に一体に結合する必要がある。このような種類の結合の
場合に、ロータ軸の先端部をカップ形状部に形成し且つ
そのカップ形状部の大きさをタービンブレード部の軸部
よりやや小さくし、カップ形状部を加熱して膨張させた
状態でタービンブレード部の軸部を挿入して冷却して収
縮させる、いわゆる焼嵌めおよびロウ付けにより結合す
る方法が提案され、実施されている。
However, at this stage, the parts that can be made of ceramics are limited in size and shape, and therefore, ceramic parts are used only at the portions that come into direct contact with high temperature combustion gas. Recently, for example, it has become possible to integrally manufacture a turbine of a GGT (gas generator turbine) rotor having an outer diameter smaller than that of a PT (power turbine) rotor by using ceramics. It is impossible to manufacture the shaft from ceramic, and it is currently formed from a metal material. Therefore, it is necessary to integrally connect the ceramic turbine to the tip of the metal rotor shaft. In the case of this type of coupling, the tip of the rotor shaft is formed into a cup-shaped portion, and the size of the cup-shaped portion is made slightly smaller than the shaft portion of the turbine blade portion, and the cup-shaped portion is heated and expanded. There has been proposed and implemented a method in which the shaft portion of the turbine blade portion is inserted in such a state, cooled, and contracted, so-called shrink-fitting and brazing are used for connection.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック製部品の寸法精度がある程度確保されるようになっ
たとは言え、金属製部品に比較して脆く且つ熱膨張係数
が非常に小さいために、セラミック軸部を金属製のカッ
プ形状部で焼篏めによって締め付けたりロウ付けで結合
したりすることにも難しい点があるが、焼嵌めによって
セラミック軸部と金属製ロータ軸のカップ形状部とを結
合できた場合にも、次のような不都合が生じる。
However, although the dimensional accuracy of the ceramic parts has been secured to some extent, the ceramic shaft is fragile and has a very small thermal expansion coefficient as compared with the metal parts. Although it is difficult to tighten the parts with a metal cup-shaped part by caulking or join them by brazing, it is possible to join the ceramic shaft part and the cup-shaped part of the metal rotor shaft by shrink fitting. In the case of failure, the following inconvenience occurs.

【0005】すなわち、使用中に高温の燃焼ガスとの接
触あるいは燃焼ガス雰囲気中で、カップ形状部が加熱さ
れることによって膨張し、結合状態に緩みを生じるおそ
れがある。とくに、ガスタービンの構造上、セラミック
タービン部の根元付近、つまり、金属製のロータ軸との
結合部付近に、ロータ軸を回動自在に支持するための軸
受の潤滑油の流出を防止するためのラビリンスシールを
取り付ける必要があるが、ラビリンスシールは非回転部
分に接触させているため、両者間で発生する摩擦熱によ
りロータ軸との結合部付近が加熱され、温度が上昇する
可能性がある。
That is, there is a possibility that the cup-shaped portion may expand due to being heated in contact with a high-temperature combustion gas or in a combustion gas atmosphere during use, resulting in loosening of the coupled state. In particular, in order to prevent the lubricating oil from flowing out of the bearing for rotatably supporting the rotor shaft near the root of the ceramic turbine part, that is, near the joint with the rotor shaft made of metal, due to the structure of the gas turbine. It is necessary to install a labyrinth seal, but since the labyrinth seal is in contact with the non-rotating part, the frictional heat generated between the two will heat the vicinity of the joint with the rotor shaft and the temperature may rise. .

【0006】本発明は上述の点に鑑みなされたもので、
タービンブレード部と一体に形成されるセラミック軸部
と金属製ロータ軸との結合上の上記不都合を解消するも
のであり、ガスタービンの構成部品の内で高速度で回転
するセラミック軸部を運転中のトルク変動に対抗し且つ
金属軸との熱膨張差によって緩むことも無く、必要な締
めつけ力を確保して安定的に結合状態を保ち得るセラミ
ックガスタービンロータを提供することを目的としてい
る。
The present invention has been made in view of the above points,
It is intended to eliminate the above-mentioned inconvenience in coupling a ceramic shaft portion integrally formed with a turbine blade portion and a metal rotor shaft, and to operate a ceramic shaft portion rotating at high speed among gas turbine component parts. It is an object of the present invention to provide a ceramic gas turbine rotor that can counteract the torque fluctuation of (1) and can be retained in a stable coupled state by securing a necessary tightening force without being loosened due to a difference in thermal expansion with a metal shaft.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のセラミックガスタービンロータは、a)セラミ
ックタービン部と一体のセラミック軸部を、金属製ロー
タ軸の先端に設けたカップ形状部に連結した構造を有す
るセラミックガスタービンロータにおいて、b)前記カッ
プ形状部を前記ロータ軸とは別体の低膨張合金製継手軸
の先端に設け、この軸継手を前記ロータ軸に接続し、c)
前記セラミック軸部を、前記継手軸先端のカップ形状部
に焼嵌め又はロウ付けにより結合し、d)前記カップ形状
部の周囲に、環状のラビリンスシールを取り付けてい
る。
To achieve the above object, a ceramic gas turbine rotor according to the present invention comprises: a) a cup-shaped portion in which a ceramic shaft portion integral with a ceramic turbine portion is provided at the tip of a metal rotor shaft. In a ceramic gas turbine rotor having a structure connected to, b) the cup-shaped portion is provided at the tip of a low expansion alloy joint shaft that is separate from the rotor shaft, and this shaft joint is connected to the rotor shaft, c )
The ceramic shaft portion is joined to the cup-shaped portion at the tip of the joint shaft by shrink fitting or brazing, and d) an annular labyrinth seal is attached around the cup-shaped portion.

【0008】請求項2記載のように、e)前記カップ形状
部の根元部分の周囲に、前記環状のラビリンスシールを
備えた環状体を取り付けることが望ましい。
As described in claim 2, e) it is desirable to mount an annular body provided with the annular labyrinth seal around the root portion of the cup-shaped portion.

【0009】請求項3記載のように、f)前記継手軸を円
筒状の軸で形成し、該継手軸の両端部付近にそれぞれ中
空内部と連通する空気流通孔を穿設して、継手軸内を冷
却用空気の流通路に構成するとなおよい。
According to a third aspect of the present invention, f) the joint shaft is formed of a cylindrical shaft, and air passage holes communicating with the hollow interior are formed near both ends of the joint shaft to form a joint shaft. It is more preferable that the inside is formed as a flow passage for cooling air.

【0010】請求項4記載のように、g)前記環状体の半
径方向に貫通して、空気流通孔を穿設することが好まし
い。
As described in claim 4, g) it is preferable that an air passage hole is bored through the annular body in the radial direction.

【0011】請求項5記載のように、h)前記環状体のほ
かに、環状のラビリンスシールを備えた圧縮機用羽根車
を含む複数の環状体を前記継手軸および前記ロータ軸の
周囲に連続的に配置し、前記カップ形状部と前記ロータ
軸の基端側螺合部に螺合させたナットとの間で締め付け
ることにより前記各環状体を固定して、前記ロータ軸と
一体的に前記各環状体を回転させるとともに、前記環状
体の一部を前記ラビリンシール間に配置した軸受で回動
自在に支持することができる。
As described in claim 5, h), in addition to the annular body, a plurality of annular bodies including an impeller for a compressor having an annular labyrinth seal are continuously provided around the joint shaft and the rotor shaft. Are fixedly arranged, and the annular bodies are fixed by tightening between the cup-shaped portion and a nut screwed to the proximal end side screwed portion of the rotor shaft, and the rotor shaft and the rotor shaft are integrated with each other. While rotating each annular body, a part of the annular body can be rotatably supported by a bearing arranged between the labyrinth seals.

【0012】[0012]

【作用】上記のように構成された本発明のセラミックガ
スタービンロータによれば、ロータ軸の先端のカップ形
状部内にセラミック製タービンロータのセラミックター
ビン部のセラミック軸部を嵌入することによって両者を
結合したセラミックガスタービンロータをガスタービン
に用いることにより、燃焼器から高温度の燃焼ガスを途
中で冷却すること無しに高温のまま、セラミック製のス
クロールやノズルを経てタービンブレードに導入するこ
とができるようになるため、冷却損失を大幅に低減する
ことができ、この大幅な冷却損失の低減と高温燃焼ガス
への排気熱回収と併せてタービン熱効率を飛躍的に向上
させることが可能になる。しかし、運転中にセラミック
タービン部とロータ軸とは一体に回転し、ロータ軸先端
のカップ形状部の周囲のラビリンスシールも回転してこ
のシールが接触する非回転部との間で摩擦熱が発生する
が、両者は高速回転するために両者の結合部は周囲の空
気にとって冷却されて温度の上昇が最小限に抑えられ、
またラビリンスシールが取り付けられている継手軸がロ
ータ軸とは別体の低膨張合金からなり、加熱されてもカ
ップ形状部が膨張しにくいため、セラミックタービン部
とロータ軸の結合部が緩むことがない。また別体の継手
軸にカップ形状部を設けるのでその加工が容易である。
According to the ceramic gas turbine rotor of the present invention constructed as above, the ceramic shaft portion of the ceramic turbine portion of the ceramic turbine rotor is fitted into the cup-shaped portion at the tip of the rotor shaft to couple the two. By using this ceramic gas turbine rotor in a gas turbine, it is possible to introduce high-temperature combustion gas from a combustor to a turbine blade through a ceramic scroll or nozzle without cooling it in the middle, at high temperature. Therefore, the cooling loss can be significantly reduced, and it is possible to dramatically improve the turbine thermal efficiency together with the significant reduction of the cooling loss and the exhaust heat recovery to the high temperature combustion gas. However, during operation, the ceramic turbine part and the rotor shaft rotate together, and the labyrinth seal around the cup-shaped part at the tip of the rotor shaft also rotates and friction heat is generated between the non-rotating part where this seal contacts. However, since both rotate at high speed, the joint between them is cooled by the surrounding air, and the temperature rise is minimized,
The joint shaft to which the labyrinth seal is attached is made of a low-expansion alloy that is separate from the rotor shaft, and the cup-shaped part does not expand easily even when heated, so the joint between the ceramic turbine part and the rotor shaft may loosen. Absent. In addition, since the cup-shaped portion is provided on the separate joint shaft, its processing is easy.

【0013】ガスタービンロータは一般にロータ軸を回
動自在に支持するために軸受が設けられており、この軸
受の潤滑油が流出しないようにラビリンスシールを上記
したとおり軸受の近傍に取り付けるが、請求項2のロー
タでは、金属製継手軸とは別体の、ラビリンスシールを
備えた環状体を継手軸のカップ形状部の根元部分の周囲
に設けているので、運転中にラビリンスシールが擦れて
発熱しても、直接熱がセラミック軸部と金属製継手軸と
の結合部に伝わらず、熱膨張の影響を回避して焼篏め又
はロウ付けによる結合強度を確保することができる。
A gas turbine rotor is generally provided with a bearing for rotatably supporting the rotor shaft, and a labyrinth seal is attached near the bearing as described above so that the lubricating oil of the bearing does not flow out. In the rotor of Item 2, since the annular body provided with the labyrinth seal, which is separate from the metal joint shaft, is provided around the base of the cup-shaped portion of the joint shaft, the labyrinth seal is rubbed during operation to generate heat. However, the heat is not directly transmitted to the joint between the ceramic shaft and the metal joint shaft, and the influence of thermal expansion can be avoided to secure the bonding strength by sintering or brazing.

【0014】請求項3記載のロータは、金属製の継手軸
内に冷却空気を流通させ、カップ形状部を冷却すること
により、タービンの運転時にカップ形状部付近の温度を
下げることができることから、セラミック軸部と金属製
の継手軸のカップ形状部との結合状態が緩むことがな
い。
In the rotor according to the third aspect of the present invention, the cooling air is circulated in the metal joint shaft to cool the cup-shaped portion, so that the temperature in the vicinity of the cup-shaped portion can be lowered during the operation of the turbine. The coupling state between the ceramic shaft portion and the cup-shaped portion of the metal joint shaft does not loosen.

【0015】請求項4記載のロータによれば、摩擦熱で
最も温度の高くなるラビリンスシールの近傍に冷却空気
を流通させ、ラビリンスシールとその周辺を冷却して温
度を下げるので、セラミック軸部と継手軸との結合部が
一層効果的に冷却され、結合状態の緩みが確実に阻止さ
れる。
According to the rotor of claim 4, the cooling air is circulated in the vicinity of the labyrinth seal having the highest temperature due to frictional heat to cool the labyrinth seal and its periphery to lower the temperature. The joint with the joint shaft is cooled more effectively, and the looseness of the joint is reliably prevented.

【0016】請求項5記載のロータでは、タービンブレ
ードを通過する燃焼ガスによりロータが回転し、これと
同時に回転する圧縮機用羽根車によって燃焼用空気など
を圧縮して送り込むことができる。ロータ軸の周囲に取
り付けられる環状体は、先端側のカップ形状部と基端側
のナットで締め付けて、いわゆる摩擦力により一体回転
可能に取り付けられるので、複数の環状体を同時に固定
できる。
In the rotor according to the fifth aspect of the present invention, the combustion gas passing through the turbine blades rotates the rotor, and at the same time, the impeller for the compressor can compress and send combustion air or the like. The annular body attached around the rotor shaft is fastened with the cup-shaped portion on the tip end side and the nut on the base end side so as to be integrally rotatable by so-called frictional force, so that a plurality of annular bodies can be fixed at the same time.

【0017】[0017]

【実施例】次に、本発明のセラミックガスタービンロー
タを実施例によって添付図を参照にして以下に詳細に説
明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The ceramic gas turbine rotor of the present invention will now be described in detail below by way of embodiments with reference to the accompanying drawings.

【0018】図1は本発明の一実施例にかかるセラミッ
クガスタービンロータのセラミックロータ軸部と圧縮機
用羽根車を取り付けた金属製ロータ軸との結合構造を示
す、ガスタービンの要部の縦断面図、図2は図1のガス
タービンの要部を拡大した縦断面図、図3は継手軸のカ
ップ形状部とラビリンスリングとの組合わせ状態を示す
斜視図、図4はセラミックガスタービンロータの全体を
示す中央縦断面図である。
FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of a main portion of a gas turbine showing a coupling structure of a ceramic rotor shaft portion of a ceramic gas turbine rotor according to an embodiment of the present invention and a metal rotor shaft to which a compressor impeller is attached. FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of an essential part of the gas turbine of FIG. 1, FIG. 3 is a perspective view showing a combination state of a cup-shaped part of a joint shaft and a labyrinth ring, and FIG. 4 is a ceramic gas turbine rotor. Is a central vertical cross-sectional view showing the whole of FIG.

【0019】図1から図4に示すように、本実施例に係
るガスタービンは、熱と電気の負荷変動に柔軟に対応で
き且つ暖機運転時間が短くて済むコージェネレーション
システムに好適なもので、セラミック製燃焼器等で発生
された高温燃焼ガスGをセラミック製スクロール5を経
てセラミック製ノズル6からセラミック製タービンブレ
ード7に導くようにしている。このガスタービンは、2
ステージの別々のタービンロータを有しており、第1ス
テージのGGT(タービン)ロータ1は燃焼器へ加圧さ
れた燃焼空気を供給するコンプレッサ(圧縮機)4を回
転駆動し、第2ステージのPT(タービン)ロータ(図
示は省略)は発電機を回転駆動するものである。
As shown in FIGS. 1 to 4, the gas turbine according to this embodiment is suitable for a cogeneration system which can flexibly cope with load fluctuations of heat and electricity and requires only a short warm-up time. A high temperature combustion gas G generated in a ceramic combustor or the like is introduced from a ceramic nozzle 6 to a ceramic turbine blade 7 via a ceramic scroll 5. This gas turbine has 2
The stage has separate turbine rotors, and the GGT (turbine) rotor 1 of the first stage rotatably drives a compressor (compressor) 4 that supplies pressurized combustion air to a combustor, and the GGT (turbine) rotor of the second stage of the second stage. A PT (turbine) rotor (not shown) rotationally drives a generator.

【0020】ここでは、本発明の特徴の一つであるセラ
ミックタービン部10のセラミック軸部11と金属製ロ
ータ軸24との結合構造を有するGGタービンロータ1
〜コンプレッサ4にかけての回転系について説明する。
タービンブレード7は、GGタービンロータ本体(セラ
ミックタービン部)10の周囲に一体的にセラミックに
よって成形されている。また、GGタービンロータ本体
10は、セラミック軸部11を一体に備えている。
Here, the GG turbine rotor 1 having a coupling structure of the ceramic shaft portion 11 of the ceramic turbine portion 10 and the metallic rotor shaft 24, which is one of the features of the present invention.
~ The rotating system up to the compressor 4 will be described.
The turbine blade 7 is integrally formed of ceramic around a GG turbine rotor body (ceramic turbine portion) 10. Further, the GG turbine rotor body 10 is integrally provided with the ceramic shaft portion 11.

【0021】金属製ロータ軸24の先端に、円筒状の金
属製継手軸21が螺合されて一体回転可能に接続されて
いる。継手軸21の先端部は半径方向に膨出するカップ
形状部25が形成されている。図4のようにロータ軸2
4の周囲には、コンプレッサロータ本体(羽根車)41
が緩挿され、そのサクション端面においてロータ軸24
の基部の螺合部のナット50で締めて、継手軸21のカ
ップ形状部25に向けてコンプレッサロータ本体41を
継手軸21の周囲に緩挿したスリーブ体23とスペーサ
28及びラビリンスリング31と共に4枚締めしてい
る。確実にGGタービンロータ本体10から回転トルク
を伝達する為に、コンプレッサロータ本体41とスリー
ブ体23とはフェース歯車42において噛合し、スリー
ブ体23と継手軸21とはスプライン22において噛合
している。なお、GGタービンロータ本体10からコン
プレッサロータ本体41に及ぶ回転系は、コンプレッサ
4のサクション側軸受51とGGタービンロータ本体4
1側軸受29とによって回動自在に支持されている。
A cylindrical metallic joint shaft 21 is screwed onto the tip of the metallic rotor shaft 24 and is connected so as to be integrally rotatable. A cup-shaped portion 25 that bulges in the radial direction is formed at the tip of the joint shaft 21. As shown in Fig. 4, the rotor shaft 2
4, the compressor rotor body (impeller) 41
Is loosely inserted, and the rotor shaft 24 is
Tighten with the nut 50 of the threaded portion of the base of the joint shaft 21, and the compressor rotor body 41 is loosely inserted around the joint shaft 21 toward the cup-shaped portion 25 of the joint shaft 21, together with the spacer 28 and the labyrinth ring 31. I have tightened the sheets. In order to reliably transmit the rotational torque from the GG turbine rotor body 10, the compressor rotor body 41 and the sleeve body 23 mesh with each other at the face gear 42, and the sleeve body 23 and the joint shaft 21 mesh at the spline 22. The rotation system extending from the GG turbine rotor body 10 to the compressor rotor body 41 includes a suction side bearing 51 of the compressor 4 and the GG turbine rotor body 4.
It is rotatably supported by the first side bearing 29.

【0022】セラミック製GGタービンロータ本体10
のセラミック軸部11は、その結合端部11aにおい
て、継手軸21のカップ形状部25にロウ付け又は焼篏
めにより結合されている。また、継手軸21の中空内部
は冷却空気通路21aに形成されており、コンプレッサ
4の圧力空気吐出部4aから矢印A1で示すように、継
手軸21の基部側に穿設された貫通孔21bから空気通
路21aに冷却用空気が供給される。さらに、カップ形
状部25の近傍にも、貫通孔25bが複数穿設されてい
る為に、セラミック軸部11とカップ形状部25の結合
箇所は強制冷却される。従って、その強制冷却と共に、
その高速度回転による周囲の空気との熱交換冷却とによ
って冷却されることになり、セラミック軸部11の結合
端部11aにおいて、継手軸21のカップ形状部25と
の結合状態が維持される。さらにセラミック軸部11と
カップ形状部25の結合箇所の冷却を強化するため、ラ
ビリンスリング31を半径方向に貫通する複数の空気流
通孔31aが穿設され、圧力のより高い冷却空気がカッ
プ形状部25に直接に吹き付けられるように構成してい
る。
Ceramic GG turbine rotor body 10
The ceramic shaft portion 11 is joined to the cup-shaped portion 25 of the joint shaft 21 at the joint end portion 11a thereof by brazing or sintering. Further, the hollow inside of the joint shaft 21 is formed in the cooling air passage 21a, and from the pressure air discharge portion 4a of the compressor 4, as shown by an arrow A1, from the through hole 21b formed on the base side of the joint shaft 21. Cooling air is supplied to the air passage 21a. Further, since a plurality of through holes 25b are also formed near the cup-shaped portion 25, the joint between the ceramic shaft portion 11 and the cup-shaped portion 25 is forcibly cooled. Therefore, with its forced cooling,
It is cooled by heat exchange cooling with the surrounding air due to the high speed rotation, so that the coupled end portion 11a of the ceramic shaft portion 11 maintains the coupled state with the cup-shaped portion 25 of the joint shaft 21. Further, in order to enhance the cooling of the joint portion between the ceramic shaft portion 11 and the cup-shaped portion 25, a plurality of air circulation holes 31a penetrating the labyrinth ring 31 in the radial direction are formed so that cooling air having a higher pressure can be cooled. It is configured so that it can be directly sprayed onto the 25.

【0023】継手軸21は、そのカップ形状部25近く
で軸受29で軸承されており、軸受29のインナーレー
ス29aは、継手軸21にスプライン22において噛合
したスリーブ軸23のGGタービンロータ側周囲に篏合
されている。この軸受29には、潤滑油が供給管P1か
ら供給されている為に、環状のラビリンスシール32に
よって潤滑油に対する液封が行われている。
The joint shaft 21 is supported by a bearing 29 near its cup-shaped portion 25, and an inner race 29a of the bearing 29 is provided around the sleeve shaft 23 meshed with the joint shaft 21 at a spline 22 on the GG turbine rotor side. It is integrated. Since the lubricating oil is supplied to the bearing 29 from the supply pipe P1, the annular labyrinth seal 32 seals the lubricating oil against the lubricating oil.

【0024】このラビリンスシール32は、そこに入っ
た潤滑油をコンプレッサー側に空気を介し押し戻すよう
に、環状体としてのラビリンスリング31の外周面に取
り付けられている。ラビリンスリング31は、ガスター
ビンケーシングの中心部シュラウド3に近接しており、
回転中に軽く接触して発熱することもあるが、その熱は
直接には継手軸21(のカップ形状部25)に伝わらな
い。これは、継手軸21とは別体のラビリンスリング3
1を、そのカップ形状部25の外側を取り囲むように設
けたからであり、ラビリンスリング31はカップ形状部
25の肩部25cに締着されている。このラビリンスシ
ール32にも、コンプレッサ4の吐出空気の動圧を静圧
に転換するディフューザ43の吐出部4bから矢印A2
で示すように、シュラウド3のラジアルホール3aを経
て冷却用空気が供給されており、熱伝達を阻止すると共
に、入った潤滑油をコンプレッサ4側に押し戻すような
構成となっている。これと同じ構成のラビリンスシール
36が、コンプレッサロータ本体41とスリーブ軸23
とのフェース歯車42の噛合部近傍にも設けられてい
る。
The labyrinth seal 32 is attached to the outer peripheral surface of the labyrinth ring 31 as an annular body so as to push back the lubricating oil contained therein to the compressor side via air. The labyrinth ring 31 is close to the central shroud 3 of the gas turbine casing,
Although it may lightly contact and generate heat during rotation, the heat is not directly transmitted to (the cup-shaped portion 25 of) the joint shaft 21. This is a labyrinth ring 3 separate from the joint shaft 21.
1 is provided so as to surround the outer side of the cup-shaped portion 25, and the labyrinth ring 31 is fastened to the shoulder portion 25c of the cup-shaped portion 25. The labyrinth seal 32 also has an arrow A2 from the discharge portion 4b of the diffuser 43 that converts the dynamic pressure of the discharge air of the compressor 4 into a static pressure.
As shown by, cooling air is supplied through the radial hole 3a of the shroud 3 to prevent heat transfer and push back the lubricating oil that has entered to the compressor 4 side. The labyrinth seal 36 having the same structure as that of the compressor rotor body 41 and the sleeve shaft 23
It is also provided in the vicinity of the meshing portion of the face gear 42 with.

【0025】上記継手軸21の先端部は円形横断面のカ
ップ形状部25を有し、セラミック軸部11はそれに対
応して円柱状になっているが、応力集中を起こさないよ
うに角を丸めた凹凸を相互に噛み合うようにカップ形状
部25とセラミック軸部11との結合周面に形成しても
よい。
The tip portion of the joint shaft 21 has a cup-shaped portion 25 having a circular cross section, and the ceramic shaft portion 11 has a cylindrical shape corresponding thereto, but its corners are rounded so as not to cause stress concentration. The concavities and convexities may be formed on the coupling peripheral surface of the cup-shaped portion 25 and the ceramic shaft portion 11 so as to mesh with each other.

【0026】また、上記実施例のように、ロータ軸24
に接続した継手軸21にカップ形状部25を設ける代わ
りに、ロータ軸24の先端にカップ形状部25を設ける
こともできる。
Further, as in the above embodiment, the rotor shaft 24
Instead of providing the cup-shaped portion 25 on the joint shaft 21 connected to, the cup-shaped portion 25 may be provided on the tip of the rotor shaft 24.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明のセラミックガスタービンロータには、次のよう
な優れた効果がある。
As is apparent from the above description,
The ceramic gas turbine rotor of the present invention has the following excellent effects.

【0028】(1) タービンブレード部と一体に形成され
るセラミック軸部と金属製ロータ軸との結合箇所が緩む
ことが無く、必要な締めつけ力を確保して安定的に結合
状態が保たれる。またロータ軸の先端のカップ形状部を
接続した別体の継手軸の先端に設けるので、カップ形状
部の形成(加工)が容易に行えるほか、ロータ軸と継手
軸の材質を変更できるなどの利便がある。。
(1) The connecting portion between the ceramic shaft portion integrally formed with the turbine blade portion and the metal rotor shaft is not loosened, the required tightening force is secured, and the stable connected state is maintained. . Also, because it is provided at the tip of a separate joint shaft that connects the cup-shaped portion at the tip of the rotor shaft, the cup-shaped portion can be easily formed (worked), and the materials of the rotor shaft and the joint shaft can be changed. There is. .

【0029】(2) 請求項2のロータでは、ロータ軸(あ
るいは継手軸)は、そのカップ形状部の外側を取り囲む
ように別体のラビリンスリングを備えている為に、運転
中ラビリンスシールが擦れて発熱しても直接熱がセラミ
ック軸部とカップ形状部との結合箇所に伝わらず、熱膨
張の影響を回避して焼篏めによる結合強度を安定的に確
保することができる。
(2) In the rotor of claim 2, since the rotor shaft (or the joint shaft) is provided with a separate labyrinth ring so as to surround the outside of the cup-shaped portion, the labyrinth seal rubs during operation. Even if the heat is generated, the heat is not directly transmitted to the joint between the ceramic shaft portion and the cup-shaped portion, the influence of thermal expansion can be avoided, and the joint strength due to the sintering can be stably ensured.

【0030】(3) 請求項3記載のロータでは、金属製の
継手軸内に冷却空気を流通させ、カップ形状部を冷却す
ることにより、タービンの運転時にカップ形状部付近の
温度を下げることができることから、セラミック軸部と
金属製の継手軸のカップ形状部との結合状態が緩むこと
がない。
(3) In the rotor according to the third aspect, cooling air is circulated in the metallic joint shaft to cool the cup-shaped portion, so that the temperature near the cup-shaped portion can be lowered during operation of the turbine. As a result, the coupling state between the ceramic shaft portion and the cup-shaped portion of the metal joint shaft does not loosen.

【0031】(4) 請求項4記載のロータは、摩擦熱で最
も温度の高くなるラビリンスシールとその周辺を冷却空
気で冷却するので、セラミック軸部と継手軸との結合部
の冷却が一層強化され、結合状態の緩みが確実に阻止さ
れる。
(4) In the rotor according to claim 4, since the labyrinth seal having the highest temperature due to frictional heat and its surroundings are cooled by the cooling air, the cooling of the joint portion between the ceramic shaft portion and the joint shaft is further strengthened. Therefore, the looseness of the coupled state is reliably prevented.

【0032】(5) 請求項5記載のロータでは、ロータ軸
の周囲に取り付けられる環状体は、先端側のカップ形状
部と基端側のナットで締め付けて、いわゆる摩擦力によ
り一体回転可能に取り付けられるので、複数の環状体を
同時に固定でき、着脱が容易である。
(5) In the rotor according to the fifth aspect, the annular body mounted around the rotor shaft is fastened with the cup-shaped portion on the tip end side and the nut on the base end side so as to be integrally rotatable by so-called frictional force. As a result, a plurality of annular bodies can be fixed at the same time, and can be easily attached and detached.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例にかかるセラミックガスター
ビンロータのセラミックロータ軸部と圧縮機用羽根車を
取り付けた金属製ロータ軸との結合構造を示す、ガスタ
ービンの要部の縦断面図である。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a main part of a gas turbine showing a coupling structure of a ceramic rotor shaft portion of a ceramic gas turbine rotor according to an embodiment of the present invention and a metal rotor shaft to which a compressor impeller is attached. Is.

【図2】図1のガスタービンの要部を拡大した縦断面図
である。
FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of a main part of the gas turbine of FIG.

【図3】継手軸のカップ形状部とラビリンスリングとの
組合わせ状態を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing a combined state of a cup-shaped portion of a joint shaft and a labyrinth ring.

【図4】セラミックガスタービンロータの全体を示す中
央縦断面図である。
FIG. 4 is a central longitudinal sectional view showing the entire ceramic gas turbine rotor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 セラミックタービンロータ 7 タービンブレード 10 タービンブ部 11 セラミック軸部 21 継手軸 25 カップ形状部 25b冷却用空気通路 31 ラビリンスリング(環状体) 31 ラビリンスシール DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic turbine rotor 7 Turbine blade 10 Turbine part 11 Ceramic shaft part 21 Joint shaft 25 Cup shape part 25b Cooling air passage 31 Labyrinth ring (annular body) 31 Labyrinth seal

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セラミックタービン部と一体のセラミッ
ク軸部を、金属製ロータ軸の先端に設けたカップ形状部
に連結した構造を有するセラミックガスタービンロータ
において、 前記カップ形状部を前記ロータ軸とは別体の低膨張合金
製の継手軸の先端に設け、この軸継手を前記ロータ軸に
接続し、 前記セラミック軸部を、前記継手軸先端のカップ形状部
に焼嵌め又はロウ付けにより結合し、 前記カップ形状部の周囲に、環状のラビリンスシールを
取り付けたことを特徴とするセラミックガスタービンロ
ータ。
1. A ceramic gas turbine rotor having a structure in which a ceramic shaft portion integrated with a ceramic turbine portion is connected to a cup-shaped portion provided at the tip of a metal rotor shaft, wherein the cup-shaped portion is the rotor shaft. Provided at the tip of a separate low-expansion alloy joint shaft, this shaft joint is connected to the rotor shaft, the ceramic shaft portion is joined to the cup-shaped portion of the joint shaft tip by shrink fitting or brazing, A ceramic gas turbine rotor, wherein an annular labyrinth seal is attached around the cup-shaped portion.
【請求項2】 前記カップ形状部の根元部分の周囲に、
前記環状のラビリンスシールを備えた環状体を取り付け
た請求項1記載のセラミックガスタービンロータ。
2. Around the root of the cup-shaped portion,
The ceramic gas turbine rotor according to claim 1, wherein an annular body having the annular labyrinth seal is attached.
【請求項3】 前記継手軸を円筒状の軸で形成し、該継
手軸の両端部付近にそれぞれ中空内部と連通する空気流
通孔を穿設して、継手軸内を冷却用空気の流通路に構成
した請求項1又は2記載のセラミックガスタービンロー
タ。
3. The joint shaft is formed of a cylindrical shaft, and air passage holes communicating with the hollow inside are formed near both ends of the joint shaft, and a cooling air flow passage is formed in the joint shaft. The ceramic gas turbine rotor according to claim 1 or 2, wherein the ceramic gas turbine rotor is configured as described above.
【請求項4】 前記環状体の半径方向に貫通して、空気
流通孔を穿設した請求項2又は3記載のセラミックガス
タービンロータ。
4. The ceramic gas turbine rotor according to claim 2, wherein an air passage hole is bored through the annular body in a radial direction.
【請求項5】 前記環状体のほかに、環状のラビリンス
シールを備えた圧縮機用羽根車を含む複数の環状体を前
記継手軸および前記ロータ軸の周囲に連続的に配置し、
前記カップ形状部と前記ロータ軸の基端側螺合部に螺合
させたナットとの間で締め付けることにより前記各環状
体を固定して、前記ロータ軸と一体的に前記各環状体を
回転させるとともに、前記環状体の一部を前記ラビリン
シール間に配置した軸受で回動自在に支持した請求項1
〜5のいずれかに記載のセラミックガスタービンロー
タ。
5. In addition to the annular body, a plurality of annular bodies including a compressor impeller provided with an annular labyrinth seal are continuously arranged around the joint shaft and the rotor shaft,
The annular bodies are fixed by tightening between the cup-shaped portion and a nut screwed into the proximal end side screwing portion of the rotor shaft, and the annular bodies are rotated integrally with the rotor shaft. And a part of the annular body is rotatably supported by a bearing arranged between the labyrinth seals.
The ceramic gas turbine rotor according to any one of items 1 to 5.
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EP2627909A4 (en) * 2010-10-13 2017-01-11 The Government of the United States of America as represented by the Secretary of the Navy Thermally insulating turbine coupling

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