JPH09125907A - タービン動翼のシュラウド構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミックスガスタービンの信頼性の向上を
図る 【解決手段】 本発明のタービン動翼のシュラウド構造
は、放射状に配置されたセラミック製タービン動翼を囲
繞して配置された金属製タービンケーシングの内面に円
環状のセラミックス製シュラウド固定リングを配設し、
該シュラウド固定リングの内面にシュラウドを配置して
なり、該シュラウドは内周面に、上記タービン動翼の先
端が接触したときに摩耗するセラミック多孔体製のアブ
レーダブルシールを有しているタービン動翼のシュラウ
ド構造であって、上記シュラウドは円周方向に並んで、
かつ、互に当接して配置された複数のシュラウドユニッ
トからなり、各当接面は放射方向を向いており、各シュ
ラウドユニットは外側のモノリシックセラミックス層と
内側のアブレーダブルシールとが焼結により結合されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック製ター
ビン動翼の先端とタービンケーシング内面に設けられた
シュラウドとの間隔を可及的に狭め、タービン効率の向
上を図るタービン動翼のシュラウド構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンのタービン部分は、回転軸
に設けられたタービンディスクに周方向に間隔を隔てて
複数のタービン動翼を植設し、これらタービン動翼の先
端から僅かな隙間を隔てて円筒状のシュラウドを設け、
それらをタービンケーシング内に配して構成されてい
る。

【０００３】上記タービン動翼先端とシュラウド内周面
との隙間は、そこから作動ガスが漏れるとタービン効率
が低下するため、できるだけ狭い方が好ましい。しか
し、余りに狭め過ぎると、タービンディスクの高速回転
により動翼が伸びてその先端がシュラウドの内周面に接
触し、動翼が破損する虞がある。これは、動翼をセラミ
ック製にした場合には致命的である。ケーシング内周面
に接触して割れた破片が、後流側のセラミック製動翼を
順次破損させる虞があるからである。

【０００４】そこで、本願出願人は、先に、金属製のタ
ービンケーシング内周面にセラミック多孔体からなるア
ブレーダブルシールを設け、タービン動翼先端が接触し
たとき動翼に損傷を与えることなく、そのアブレーダブ
ルシールのみが削れるようにしたものを開発した（特願
平５─１５８３６３号）。

【０００５】しかし、金属製のタービンケーシングにセ
ラミック製のアブレーダブルシールを積層すると、金属
とセラミックとは大きな熱膨張差があるため、起動・停
止の熱サイクルを繰り返すことによりアブレーダブルシ
ールに剥離・割れが生じる虞がある。この対策として、
タービンケーシングとアブレーダブルシールとの間に熱
膨張差を吸収する中間層を介設することも考えられる
が、構造が複雑となる上に中間層部分から剥離すること
も考えられ、好ましくない。

【０００６】また、金属製のタービンケーシングでは、
たとえインコネル等の耐熱金属を用いたとしても、セラ
ミック動翼を用いるような超高温（１８００〜２０００
°Ｃクラス）のガスタービンでは、超高温の燃焼ガスか
ら防護するためにタービンケーシングを冷却する必要が
あり、その分だけ作動ガスの温度が下がってタービン全
体の熱効率が悪化する。

【０００７】このような事情を考慮して本願出願人はさ
らにケーシングをセラミックス製とし、その内面にセラ
ミック多孔体製のアブレーダブルシールを配したタービ
ンケーシング構造を創案し特許出願を行った（特願平６
─１１６８５５号（未公開））。

【０００８】この発明は、放射状に配置されたセラミッ
ク製タービン動翼の外方を囲繞して配置された筒状のタ
ービンケーシングをセラミック緻密体により形成し、そ
の内周面に、上記タービン動翼の先端が接触したとき摩
耗する、セラミック多孔体からなるアブレーダブルシー
ルを設けたタービンケーシング構造であり、上記セラミ
ック緻密体とセラミック多孔体とが、焼きばめ、冷やし
ばめ、圧入（以下焼きばめ等という）または焼結により
一体化されている。

【０００９】アブレーダブルシールとタービンケーシン
グとが共にセラミックから形成されているため、両者の
熱膨張差がなくなり、タービンの運転・停止の熱サイク
ルに起因するアブレーダブルシールの剥離・割れが防止
される。

【００１０】また、タービンケーシング自体をセラミッ
ク緻密体としているため、セラミック製タービン動翼を
用いた超高温（１８００〜２０００°Ｃクラス）のガス
タービンであっても、タービンケーシングを冷却する必
要がなく、熱効率が向上する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のタービ
ンケーシング構造には次のような問題がある。 （１）焼きばめ等の固定方法では、アブレーダブルシー
ルやシュラウドリングに残留応力が残り高温の燃焼ガス
に曝された時、その残留応力によって破損などの事故が
発生する。 （２）焼きばめ等の固定方法では、強度の低いアブレー
ダブルシールの強度を維持するためにアブレーダブルシ
ールの厚みを厚くする事が必要であり構造部品であるシ
ュラウドリングの肉厚さを犠牲にせねばならず、強度低
下を招く。 （３）アブレーダブルシールの組立構造は、焼きばめ等
や溶射による方法が取られる。しかし、セラミックスの
溶射法は、未確立技術で接合面の信頼性がない。また、
焼きばめは、金属と異なり、線膨張率が低いために、６
００度前後に加熱が必要で正確に挿入しにくく、傾きな
どが発生するために応力集中を発生させやすい。 （４）焼きばめ等の固定方法の場合、アブレーダブルシ
ールが破損を起こした時に締め代が開放されて、動翼と
の衝突を起こす可能性が高く、その場合、セラミックス
部品は致命的なダメージを受ける。 （５）ケーシングは大きいので一体に成形し焼結すると
欠陥がでやすい。

【００１２】本発明は従来技術の上記問題点に鑑み案出
されたもので、運転時の信頼性が高く、かつ、製作の容
易なセラミック製タービン動翼のシュラウド構造を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のタービン動翼のシュラウド構造は、放射状に配
置されたセラミック製タービン動翼を囲繞して配置され
た金属製タービンケーシングの内面に円環状のセラミッ
クス製シュラウド固定リングを配設し、該シュラウド固
定リングの内面にシュラウドを配置してなり、該シュラ
ウドは内周面に、上記タービン動翼の先端が接触したと
きに摩耗するセラミック多孔体製のアブレーダブルシー
ルを有しているタービン動翼のシュラウド構造であっ
て、上記シュラウドは円周方向に並んで、かつ、互に当
接して配置された複数のシュラウドユニットからなり、
各当接面は放射方向を向いており、各シュラウドユニッ
トは外側のモノリシックセラミックス層と内側のアブレ
ーダブルシールとが焼結により結合されている。

【００１４】次に本発明の作用を説明する。本発明では
アブレーダブルシールを有するシュラウドを複数のシュ
ラウドユニットに分割しており、各ユニットは外側のモ
ノシリックセラミック層と内側のアブレーダブルシール
とが焼結により結合されていてアブレーダブルシールが
シュラウドリングに焼きばめされていないので、 （１）シュラウドリングやアブレーダブルシールに残留
応力が残らない。 （２）アブレーダブルシール自体に圧縮強度が要求され
ず、アブレーダブルシールの厚さを薄くすることができ
る。 （３）焼結により結合されているので、外側のモノシリ
ックセラミックス層とアブレーダブルシールとは強固な
接合面が得られる。したがってアブレーダブルシールが
脱落して動翼と衝突することがない。

【００１５】また各シュラウドユニットの当接面は放射
方向に向いているので楔効果があり、一部のユニットが
内方に脱落することもない。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下本発明のタービン動翼のシュ
ラウド構造の一実施形態について図面を参照しつつ説明
する。図１はセラミックス製動翼を有するタービンの１
部分の側断面図である。図２は図１のＡ−Ａ矢視図であ
り、動翼の一部を取り除いて示している。これらの図に
おいて１はセラミックス製タービン動翼であり、コバル
ト系の耐熱合金製のタービンディスク２の外周に刻設さ
れた溝２ａ内に、根元の部分１ａを挿入することによ
り、タービンディスク２に放射状に取付けられている。
３は耐熱合金製のタービンケーシングであり、タービン
動翼を囲繞して設けられている。ケーシング３には図示
しない冷却空気通路が設けられていて空冷されている。
４は窒化けい素系のモノリシックセラミックス製で円環
状のシュラウド固定リングであり、タービンケーシング
３の内面に嵌め込まれている。

【００１７】５はシュラウドであり、シュラウド固定リ
ング４の内面に配設されており、該シュラウド５の内周
面にはタービン動翼１の先端が接触したときに容易に摩
耗するセラミック多孔体製のアブレーダブルシール６を
有している。シュラウド５は周方向に並んで配された複
数（本実施形態では８個）のシュラウドユニット５ａに
分割されており、各ユニット５ａは互に当接し、当接面
５ｂは放射方向を向いている。

【００１８】各シュラウドユニット５ａは外側の窒化け
い素系のモノリシックセラミックス層５ｃと内側のアブ
レーダブルシール６とからなり、それらは焼結により結
合されている。７はモノリシックセラミックス製の静翼
固定リングであり、８はケーシング３に固定された固定
リングである。シュラウド５はラジアル方向にはシュラ
ウド固定リング４により、軸方向には静翼固定リング７
とリング８によりそれぞれ固定されている。９はノーズ
コン、１０は静翼、１１は高温燃焼ガスの流れを示す矢
印である。

【００１９】シュラウドユニット５ａは一体的に成形さ
れる。すなわちモノリシックセラミックス層５ｃと多孔
体セラミックス製のアブレーダブルシール６とを別々に
等方静圧プレス（ＣＩＰ）成形法、鋳込成形法または一
軸プレス金形成形法によって成形し、それらを重ね合わ
せてＣＩＰにより、成形時の圧力より高い圧力をかけて
一体化する。一体化した成形体を５００°〜６００°Ｃ
で脱脂を行い、その後１５００°〜２０００°Ｃの高温
で焼成し焼結する。

【００２０】成形方法は上記に限らず、先に成形したモ
ノリシックセラミックス層５ｃの素材の内面に鋳込や吹
き付けによってアブレーダブルシール６の素材を形成し
これを脱脂し、焼結してもよい。

【００２１】次に本実施形態の作用を説明する。タービ
ンが高温高圧の燃焼ガス１１により回転するとタービン
動翼１は、金属ディスクの熱膨張や遠心力の作用により
伸びて、先端がアブレーダブルシール６と接触する。ア
ブレーダブルシール６はタービン動翼１の先端との摩擦
によって摩耗しタービン動翼１とのクリヤランスを最小
に維持する。したがってタービン動翼１とシュラウド５
との間の燃焼ガス１１のリークが少くなり、タービン効
率を向上させることができる。

【００２２】本発明ではシュラウド５を円周方向に複数
に分割し、内面のアブレーダブルシール６は外面のモノ
リシックセラミックス層に焼結により結合されているの
で接合界面強度が飛躍的に改善され、界面からアブレー
ダブルシール６が脱落を起すことがなく信頼性が向上す
る。分割された各シュラウドユニット５ａの当接面は放
射方向を向いているので楔効果があり、一部のシュラウ
ドユニット５ａが内方に脱落する虞はない。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明のタービン動
翼のシュラウド構造は、シュラウドを円周方向に複数の
シュラウドユニットに分割し、各ユニットは外側のモノ
リシックセラミックス層と内側のアブレーダブルシール
を焼結により結合し、かつ各ユニット相互の当接面は放
射方向を向いているので次のような効果がある。 （１）シュラウドに応力集中や残留応力が発生しないの
でセラミックスガスタービンの信頼性が飛躍的に向上す
る。 （２）焼きばめ方式による固定方法で発生するようなア
ブレーダブルシールの局所破壊による応力の開放によっ
てアブレーダブルシールがシュラウドとの界面で分離さ
れ動翼との衝突等の重大な破損は、モノリシックセラミ
ックス層とアブレーダブルシールの一体形成のシュラウ
ドでは強固な界面によって起こらない。 （３）分割構造であるため、偏った摩耗などが発生した
場合破損したユニットを交換する事で対処できる。 （４）アブレーダブルシールが１ｍｍ程度まで薄く製作
できるため、モノリシックセラミックス層の厚さを増す
ことが可能となりシュラウドの強度が増すので、ガスタ
ービンの信頼性が飛躍的に向上する。 （５）アブレーダブルシールが、多孔質材料である場
合、断熱性がよいのでモノリシックセラミックス層とア
ブレーダブルシール間に熱応力が発生するが、薄くする
事によって伝熱距離は短くなり、温度勾配が小さくなる
ので熱応力も小さくできる。 （６）分割したことで、円周方向に発生する熱応力が分
断されることからも有利である。 （７）分割構造にすることによって、成形方法の選択が
広がり、有利であり大型化もしやすい。 （８）楔効果があるので一部のシュラウドユニットが内
側に脱落する虞もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタービン動翼のシュラウド構造の側断
面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。

【符号の説明】

１ タービン動翼 ３ タービンケーシング ４ シュラウド固定リング ５ シュラウド ５ａ シュラウドユニット ５ｂ シュラウドユニットの当接面 ５ｃ モノリシックセラミックス層 ６ アブレーダブルシール

フロントページの続き (72)発明者 崎田 武史 東京都江東区豊洲３丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内 (72)発明者 浅田 繁信 東京都江東区豊洲３丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放射状に配置されたセラミック製タービ
   ン動翼を囲繞して配置された金属製タービンケーシング
   の内面に円環状のセラミックス製シュラウド固定リング
   を配設し、該シュラウド固定リングの内面にシュラウド
   を配置してなり、該シュラウドは内周面に、上記タービ
   ン動翼の先端が接触したときに摩耗するセラミック多孔
   体製のアブレーダブルシールを有しているタービン動翼
   のシュラウド構造であって、上記シュラウドは円周方向
   に並んで、かつ、互に当接して配置された複数のシュラ
   ウドユニットからなり、各当接面は放射方向を向いてお
   り、各シュラウドユニットは外側のモノリシックセラミ
   ックス層と内側のアブレーダブルシールとが焼結により
   結合されていることを特徴とするタービン動翼のシュラ
   ウド構造。