JPH0886202A - セラミックブレードの取付構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 高温ガスに晒されるセラミックブレードを比
較的大径のタービンディスクの周辺部に、取付孔を設け
ることなしに安定的に取り付け、また回転バランス的に
も優れ、部品点数の少ないセラミックブレードの取付構
造を提供する。 【構成】 セラミック製ブレード１５を、その係合突起
部１８において金属製タービンディスク１１の外周部１
１ａの係合溝１２に嵌合させて取り付けるガス取付構造
１で、ディスク１１の各係合溝間外周面１１ｂの一方の
ディスク端面側に、他方のディスク端面側からディスク
外周部１１ａの係合溝１２に嵌挿されたタービンブレー
ド１５のプラットフォーム部１７の一端に当接する当接
部１３を設けると共に、ディスク外周部１１ａの他方の
ディスク端面に、係合溝１２に係合したタービンブレー
ド１５の係合突起部１８に他方のディスク端面側で当接
して押さえる押えリング２０を保持する係止溝１４を形
成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高温燃焼ガスをセラ
ミック製ノズルを経てセラミック製タービンブレードに
導いて回転力を得るガスタービンに関し、詳しくは半円
弧断面形プラットホーム部の外周側にブレード部を、内
周側に係合突起部をそれぞれ備えた多数のセラミック製
タービンブレードを、その係合突起部にて金属製ガスタ
ービンディスクの外周部の各係合溝に嵌合させて取り付
けるセラミックブレードの取付構造に関する。

【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の普及に伴い
注目されるようになったが、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
のガス通路を経てセラミックノズルを介してセラミック
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、タービンのガス入口
温度が大幅に上昇し、例えば１３５０°Ｃにも達するよ
うになり、また、冷却損失が大幅に減少させることがで
き、さらに、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
ことで、熱効率をかなり（例えば４２％程度）まで高め
ることが出来るようになった。

【０００３】しかし、セラミック製部品の寸法精度が確
保されるようになってタービンブレードのような耐熱性
が要求される部分に積極的に使用され得るようになった
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、セラミック製部品と金属製部品を
タイトに締め付けて組み合わせても高温状態で緩んでが
たついたり又は締め付け力が増大してセラミック製部品
に割れが生じると言った事態によく遭遇するようになっ
た。従って、セラミック製部品の高温になる部位での固
定には、熱応力の増大を回避しつつ保持する必要があ
る。

【０００４】このような点を考慮し上記のような優れた
熱効率を達成したセラミックガスタービンにおいて、セ
ラミックタービンブレードを金属製ディスクの外周部に
取り付ける取付構造の先行技術として、実開平１−１４
４４０１号公報に開示されているものがある。その取付
構造では、図５に示すように、ブレード部５１とプラッ
トフォーム部５２と係合突起部５３とを有するセラミッ
ク製タービンブレード５０を、その係合突起部５３にお
いて金属製タービンディスク５５の外周部の係合溝５６
に係合させて取付けると共に、タービンディスク５５の
両側面の外周部全周に渡ってセラミック製シールプレー
ト６１を配設してこのシールプレート６１を外側から固
定プレート６２で保持してタービンブレード５０を軸方
向で拘束している。ここで、シールプレート６１は、高
速運転時の大きな遠心応力に耐えるように複数に分割さ
れている。固定プレート６２は、タービンディスク５５
の周辺部に設けられた貫通する複数の取付孔５７に通し
たボルト６３とナット６４によって固定されている。ま
た冷却空気を供給孔５８からタービンディスク５５の外
周部に供給し熱負荷の軽減を図っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、小型のガスタ
ービンでは、作動ガスの漏れや摩擦抵抗の影響を受けや
すく熱効率を悪化させる惧がある。このため、回転数を
高めてそれらの影響を相対的に小さくし作動ガスの単位
流量当りの比出力を増大するのが有利である。従って、
セラミック製タービンブレードを使用したガスタービン
では、タービンブレード先端の周速度で５７０ｍ／ｓに
も達するものが製造されつつあり、耐熱性特殊合金で造
られたタービンディスク５５でも、高温になりまた上記
のような高い周速度で回転する場合、比較的大径の周辺
部で周方向に取付孔５７を設けると大きな遠心力によっ
てその取付孔５７の周りに大きな応力集中が発生する惧
がある。また分割されたシールプレート６１やボルト６
３及びナット６４等の多くの部材を使用しており、部品
点数が増え、構造が複雑である。他方、冷却空気の消費
量が、分割形シールプレート６１のために多いという不
都合もある。

【０００６】本発明は、上述のような高温になり且つ周
速度が大きくなる部位でのセラミック製部品の取付け構
造上の問題を解消するものであり、高温ガスに晒される
セラミックタービンブレードを比較的大径のタービンデ
ィスクの周辺部に穴を設けることなしに安定的にタービ
ンディスクに取り付けることが出来、また回転バランス
的にも優れ、部品点数が少なく構造の簡単なセラミック
ブレードの取付構造を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明に係るセラミックブレードの取付構造は、a)
半円弧断面形プラットホーム部の外周側にブレード部
を、内周側に係合突起部をそれぞれ備えた多数のセラミ
ック製ブレードを、その係合突起部にて金属製タービン
ディスクの外周部の各係合溝に嵌合させて取り付けるセ
ラミックブレードの取付構造において、b)上記タービン
ディスクの各係合溝間の一方のディスク端面側に、他方
のディスク端面側から上記ディスク外周部の係合溝に嵌
挿される上記ブレードのプラットフォーム部の一端に当
接する当接部を設けると共に、c)上記タービンディスク
外周部の他方のディスク端面に、上記タービンディスク
外周部の係合溝に嵌合した上記ブレードの係合突起部に
当接させて押さえる押えリングの係止溝を形設してい
る。

【０００８】請求項２記載のように、上記タービンディ
スクに、上記各係合溝の底に開口して冷却用空気を供給
する冷却用空気供給孔を貫通して設けることが好まし
い。

【０００９】また、請求項３記載のように、上記押えリ
ングに、ワスパロイなどの耐熱性合金から成るスナップ
リングを用いることができる。

【００１０】さらに、請求項４記載のように、上記押え
リング用係止溝を、上記押えリングの外周縁係止部と内
周側係止部とに各々係合する外周側と内周側の二つの係
止溝から構成しより大きな係止力を得るのが好ましい。

【００１１】さらにまた、請求項５記載のように、上記
係合溝は、当接部の突設された一方のディスク端面側が
軸線に対して高く、押えリングが係止される他方のディ
スク端面側が低い傾斜状態でタービンディスクの外周部
に形成され、高速回転時に負荷が押えリングにかからな
いようにすることが、より好ましい。

【００１２】

【作用】上記の構成を有する本発明のセラミックブレー
ドを用いることによって、燃焼器等で発生させた高温燃
焼ガスをセラミック製スクロール等のセラミックから成
るガス通路を経て、冷却空気を介さずに高温のままセラ
ミックノズルを介してセラミックブレードに導入するこ
とにより、サイクル温度を上昇させ、冷却損失を大幅に
低減でき、高温燃焼ガスへの排気熱回収と併せて大幅に
熱効率を向上させることが出来る。因みにタービンへの
導入燃焼ガス温度が、従来は９６０°Ｃ前後に抑制され
ていたものが、セラミックの採用によって冷却すること
なく１３５０°Ｃ程度まで高めることができるようにな
り、対向流式熱交換器等を利用して排気熱を導入燃焼ガ
ス生成用吸入空気に回収させることによっ熱効率を大幅
に（４２％前後まで）高めることが出来るようになっ
た。各セラミックブレードは、その係合突起部において
金属製ディスクの外周部の係合溝に嵌挿して取り付けら
れ、高速回転時の大きな遠心力に耐えるようになってい
る。

【００１３】また、セラミック（タービン）ブレードの
軸方向の拘束は、一方のディスク端面側において金属製
ディスクの各係合溝間外周面に設けられた当接部に、他
方のディスク端面側からディスク外周部の係合溝に嵌挿
されたセラミックブレードのプラットフォーム部の一端
を当接させると共に、ディスク外周部の他方のディスク
端面側に係止した押えリングによってブレードの係合突
起部及び若しくはプラットフォーム部の他端を押さえる
ことで達成している。押えリングの取付は、ディスク外
周部の他方のディスク端面に形成された係止溝を使用し
て行われる。

【００１４】請求項２のように、上記タービンディスク
に、その外周部に形成された上記係合溝の底に開口する
冷却用空気供給孔を設けることで、供給冷却用空気の圧
力と燃焼ガスの上流側と下流側との圧力差を利用して係
合溝内に冷却用空気が供給され、タービンディスクの外
周部を冷やして熱負荷を軽減すると共に、高温燃焼ガス
が係合溝に流入してくるのを阻止し、他方は押えリング
によって流路が塞がれていることにより、冷却空気の消
費量も少なくて済む。

【００１５】請求項３のように、上記押えリングを耐熱
性合金から成るスナップリングで構成すると、押えリン
グの着脱を容易に行うことが出来る。さらに、請求項４
のように、上記押えリング用係止溝を、上記押えリング
の外周縁係止部と内周側係止部とに各々係合する外周側
と内周側の二つの係止溝から構成すると、押えリングの
係止力を高めることが出来る。

【００１６】請求項５のように、上記係合溝を、当接部
の設けられた一方のディスク端面側が軸線に対して高
く、押えリングが係止される他方のディスク端面側が低
い傾斜状態でディスクの外周部に形成すると、高速回転
時の遠心力の軸方向分力によってセラミックブレードは
ディスク外周面上の当接部側へ付勢されることになり、
押えリングに負荷がかかりにくくなる。

【００１７】

【実施例】次に、本発明にかかるセラミックブレードの
取付構造をその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。

【００１８】図１は本発明の一実施例に係るガスタービ
ンのセラミックタービンブレード取付構造を示すセラミ
ックガスタービン要部の縦断面図、図２は図１における
矢視線IIから見た部分斜視図、図３は同実施例で使用さ
れているタービンブレード用押さえリングの正面図、図
４は図３におけるIVーIV矢線に沿った拡大縦断面図であ
る。

【００１９】図１において、この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のガス通路Ｐか
らセラミック製ガスジェネレータタービンノズル６及び
セラミック製タービンブレード８を経てセラミック製パ
ワータービンノズル９を介してセラミック製パワーター
ビンブレード１５へ導くようにしている。タービンロー
タディスク７は、外径が比較的小さいこともあってター
ビンブレード８と共にセラミックで一体に造られてい
る。これに対しパワータービンロータ１０は、外径が比
較的大きいためにセラミックによる一体成形が困難であ
る。従ってパワータービンロータ１０は、タービンディ
スク１１を耐熱合金などの金属材で造り，その外周部１
１ａに多数のセラミック製タービンブレード１５を均等
に植設して構成されている。

【００２０】このセラミックガスタービンでは、パワー
タービンロータ１０の回転数を高くしているために、タ
ービンブレード１５が受け持つトルクが軽減されてお
り、セラミック製タービンブレード１５にとって有利で
ある。ただ高温ガスに晒され且つ回転数を高くしている
分だけ遠心力が大きくなるため、本実施例のユニークな
セラミックブレードの取付構造１が重要になる。

【００２１】図１及び図２に示すように、このブレード
取付構造１では、セラミック製タービンブレード１５が
半円弧断面形プラットホーム部１７の外周側にブレード
部１６を、プラットホーム部１７の内周側に係合突起部
（ダブテール部）１８をそれぞれ備え、その係合突起部
１８において金属製タービンディスク１１の外周部１１
ａの各係合溝１２に嵌挿して取り付けられており、係合
溝１２の外周側膨出部（タング部）１２ａによって半径
方向外側へ離脱するのが阻止されている。

【００２２】タービンディスク１１は、その各係合溝間
の外周面１１ｂに、一方のディスク端面側（上流側）に
おいて、他方のディスク端面側（下流側）から各係合溝
１２に嵌挿されるタービンブレード１５のプラットフォ
ーム部１７の上流側の端に当接する当接部１３を突設し
ている。タービンブレード１５のプラットフォーム部１
７は、作動ガスＧの膨張に対応してブレード部１６が下
流側へ行くに従って高さが高くなっているために傾斜し
ている。さらに、これに対応して、タービンディスク外
周面１１ｂと係合溝１２とは、当接部１３の突設された
上流側が軸線Ｘに対して高く、後述のタービンブレード
用押えリング２０が係止される下流側が低い傾斜状態と
なっている。このため、高速回転時の遠心力の軸方向分
力によってタービンブレード１５はタービンディスク外
周面１１ｂ上の上流側の当接部１３へ付勢されることに
なり、押えリング２０に負荷がかからないことになる。
当接部１３は、タービンブレード１５への熱伝達を防ぐ
各係合溝１２間の外周面１１ｂとプラットフォーム部１
７との間の隙間Ｃに、高温作動ガスＧが流入して来るの
を防ぐ役目もしている。

【００２３】他方、タービンディスク外周部１１ａの下
流側のディスク端面には、ディスク外周部１１ａの各係
合溝１２に嵌挿され係合したタービンブレード１５の係
合突起部１８に、上流側で当接して押さえる押えリング
２０を保持する係止溝１４が形成されている。この押え
リング用係止溝１４は、押えリング２０の外周縁係止部
２４ａと内周側係止部２４ｂを各々係止する二つの係止
溝１４ａ、１４ｂから構成されている。係止溝１４には
軸方向に曲率の大きな部分が存在しているが、周方向に
は曲率が小さく、該タービンブディスク１１が高速度で
回転しても遠心応力（フープストレス）の集中を起こす
ことが無く、取付孔を用いずに安定的に押えリング２０
を保持することが出来る。

【００２４】さらに、ガスタービンディスク１１は、そ
の外周部１１ａの各係合溝１２の底１２ａとディスク下
流側中間部１１ｃとの間を貫通して各々開口し、下流側
中間部１１ｃ側から係合溝底１２ａに冷却用空気を圧力
差で供給する冷却用空気供給孔１９を放射状に形成して
いる。冷却空気は、タービンディスク１１自体とその外
周部１１ａ及び押えリング２０を冷やして熱負荷を軽減
すると共に、高温の作動ガスＧが係合溝１２に流入して
来るのを阻止する役目をする。冷却空気が係合溝１２か
ら流出する際、その溝１２は下流側が押えリング２０で
塞がれ且つ上流側で作動ガス流の抵抗を受けるために、
その消費量は比較的少ない。因みに、この冷却用空気の
供給源は、タービンロータ７によって回転駆動される空
気圧縮ブローアの圧力空気出口部からタービンロータ軸
用ラビリンス部を経てロータ軸周囲空間に導入されて提
供されている。

【００２５】図３及び図４に詳細に示すように、押えリ
ング２０は、ワスパロイ等の耐熱性合金から成るスナッ
プリングで、相互にオーバラップした向かい合った斜面
から成るスリット２１で半径方向に弾力的に若干拡縮可
能となっている。また、押えリング２０は、スリット２
１の両側内周部に係止溝１４に対し装着又は取外す際に
使用する開閉工具の爪と係合可能な穴２２ａを有するタ
ブ２２を突設すると共に、これらタブ２２に対向するよ
うに、装着又は取外す際に押えリング２０を補助的に支
持するため及び回転バランスのために、同じような工具
の爪を係合する穴２３ａを有したタブ２３を突設してい
る。さらに、上述したように、このリング２０の係止部
２４として、外周縁係止部２４ａと内周側係止部２４ｂ
とが相互補完的に外側に向け突設されている。係止溝１
４に装着された押えリング２０は、タービンブディスク
１１が高速度で回転すると遠心力で開く傾向になるが、
各係止部２４ａ、２４ｂは外側を向いているためにより
強く係止溝１４に受け止められることになる。この押え
リング２０が、タービンディスク外周部１１ａの下流側
のディスク端面に装着されると、従来例で述べたシール
プレートと同様に高温ガスＧがタービンディスク外周部
１１ａの係合溝１２を貫流するのを防ぎ、タービンディ
スク外周部１１ａが過熱しないようにしている。

【００２６】押えリング２０は、上記耐熱性合金などの
金属材料に代えてコイルスプリング等にも使用される種
類のセラミックから形成してもよく、また上記スナップ
リング形に代えて各種形状の形状記憶合金から成るリン
グで形成してもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クブレードの取付構造によれば、 (1) 高温ガスに晒され、高い周速度で旋回するセラミッ
クブレードを比較的大径の金属製タービンディスクの周
辺部に遠心応力集中を起こすことなしに安定的に取り付
けることが出来、また、回転バランス的にも優れ、部品
点数が少なく構造が簡単で耐久性に富む。

【００２８】(2) 請求項２の取付構造では、タービンデ
ィスクに、その外周部に形成された係合溝の底に開口す
る冷却用空気供給孔を設けることで、係合溝に冷却用空
気を供給し、タービンディスクの外周部を冷やして熱負
荷を軽減すると共に、高温作動ガスが係合溝に流入して
来るのを阻止することが出来、また冷却空気の消費量も
相対的に少なくて済む。

【００２９】(3) 請求項３の取付構造では、押えリング
を耐熱性合金から成るスナップリングで構成したこと
で、押えリングの着脱を容易に行うことが出来ると共
に、高温作動ガスが係合溝を貫流するのを防止すること
が出来る。

【００３０】(4) 請求項４の取付構造では、押えリング
用係止溝を、押えリングの外周縁係止部と内周側係止部
とに各々係合する外周側と内周側の二つの係止溝から構
成すると、押えリングの係止力を高めることが出来る。

【００３１】(5) 請求項５の取付構造では、係合溝を、
当接部の設けられた一方のディスク端面側が軸線に対し
て高く、押えリングが係止される他方のディスク端面側
が低い傾斜状態でガスタービンディスクの外周部に形成
するとにより、高速回転時の遠心力の軸方向分力によっ
てセラミックブレードはタービンディスク外周面上の当
接部へ付勢されがちになり、押えリングに負荷がほとん
どかからなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るセラミックブレードの
取付構造を示すセラミックガスタービン要部の縦断面図
である。

【図２】図１における矢視線IIから見た部分斜視図であ
る。

【図３】図１の実施例で使用されているタービンブレー
ド用押えリングを示す正面図である。

【図４】図３におけるIVーIV矢線に沿った拡大縦断面図
である。

【図５】従来例に係るセラミックブレードの取付構造を
示す要部の縦断面図である。

【符号の説明】

１ セラミックブレード取付構造 １１ａディスク外周部 １１ｂ外周部上面 １２ 係合溝 １２ａ係合溝底 １３ 当接部 １４ 係止溝 １４ａ外周側係合溝 １４ｂ内周側係合溝 １５ タービンブレード １６ ブレード部 １７ プラットフォーム部 １８ 係合突起部 １９ 冷却用空気供給孔 ２０ 押えリング（スナップリング） ２４ａ外周縁係止部 ２４ｂ内周側係止部 Ｇ 高温燃焼ガス Ｐ ガス通路 Ｘ 軸線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半円弧断面形プラットホーム部の外周側
   にブレード部を、内周側に係合突起部をそれぞれ備えた
   多数のセラミック製ブレードを、その係合突起部にて金
   属製タービンディスクの外周部の各係合溝に嵌合させて
   取り付けるセラミックブレードの取付構造において、 上記タービンディスクの各係合溝間の一方のディスク端
   面側に、他方のディスク端面側から上記ディスク外周部
   の係合溝に嵌挿される上記ブレードのプラットフォーム
   部の一端に当接する当接部を設けると共に、 上記タービンディスク外周部の他方のディスク端面に、
   上記タービンディスク外周部の係合溝に嵌合した上記ブ
   レードの係合突起部に当接させて押さえる押えリングの
   係止溝を形設したことを特徴とするセラミックブレード
   の取付構造。
2. 【請求項２】 上記タービンディスクに、上記各係合溝
   の底に開口して冷却用空気を供給する冷却用空気供給孔
   を貫通して設けた請求項１記載のセラミックブレードの
   取付構造。
3. 【請求項３】 上記押えリングは、耐熱性合金らなるス
   ナップリングである請求項１記載のセラミックブレード
   の取付構造。
4. 【請求項４】 上記押えリング用係止溝は、上記押えリ
   ングの外周縁係止部と内周側係止部とに各々係合する外
   周側と内周側の二つの係止溝から構成されている請求項
   １記載のセラミックブレードの取付構造。
5. 【請求項５】 上記係合溝は、当接部の設けられた一方
   のディスク端面側が軸線に対して高く、押えリングが係
   止される他方のディスク端面側が低い傾斜状態でタービ
   ンディスクの外周部に形成される請求項１又は２記載の
   セラミックブレードの取付構造。