JPS5846641B2 - ガスタ−ビンエンジン用しみ出し冷却式羽根 - Google Patents

ガスタ−ビンエンジン用しみ出し冷却式羽根

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JPS5846641B2
JPS5846641B2 JP55148245A JP14824580A JPS5846641B2 JP S5846641 B2 JPS5846641 B2 JP S5846641B2 JP 55148245 A JP55148245 A JP 55148245A JP 14824580 A JP14824580 A JP 14824580A JP S5846641 B2 JPS5846641 B2 JP S5846641B2
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ceramic
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radially
blade
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/182—Transpiration cooling

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンエンジン用しみ出し冷却式羽根、
特にセラミック翼部を有するしみ出し冷却式羽根に関す
る。
冷却式タービン羽根は技術的にはよく知られている。
大きなポテンシャルを与える羽根冷却手段の１つはしみ
出し冷却と呼ばれ、冷却流体を、流体のしみ出しのため
の微細通路により多孔性となった翼部表皮を有する羽根
の中空翼部、に入れることにより行なわれる。
これは羽根内の熱を流体に伝達することにより羽根を冷
却し、そしてその流体は羽根表面に境界層をつくって高
温動力ガスが羽根表面に直接接触するのを防止する。
しかし、このような冷却は、ガスタービンエンジンに対
して５０〜５５％の効率〔そのときタービン入口温度は
１３７０〜１６５０’Ｃ（２５００〜３０００’Ｆ）に
近づかなければならない〕を得るのに必要な運転温度の
予定範囲にある場合に有効であるので、大低の羽根が製
造される合金は高温で次第に酸化し、そうして微細なし
み出し流路がふさがれることになる。
上記のことを考慮して、セラミック羽根の使用が積極的
に調べられている。
しかし、セラミック（Ｓ ｉ３Ｎ４と５ｉＣ）は張力に
おいては限られた強度を有し、また内部欠陥でガラスの
ようになり、高温では侵食するようになりがちである。
そこで、たとえセラミックでより高温のタービン入口温
度が許されるとしても、このようなセラミック羽根に高
温での破損可能性を減するまでの冷却を与えるのは好ま
しいであろう。
従って、しみ出し冷却式セラミック羽根は１６５０’Ｃ
（３０００’Ｆ）の範囲にあるタービン入口温度を許容
する１つの解決法を与える。
このような羽根の１つは米国特許第３，２４０，４６８
号明細書に開示されていて、それには、羽根を横切る熱
勾配による内部応力を逃すため、異なった量の冷却流体
が冷却羽根の別々の部分へ向けられている。
さらに、本発明が羽根の翼部を形成している複数の積重
穴あき板から組立てられた羽根を含んでいる点について
は、米国特許第３，３０１，５２６号明細書と第３，５
１５，４９９号明細書とが、冷却羽根を形成するため積
み重ねられた複数の翼形状の薄片から成る先行技術のタ
ービン羽根を示しているので、関係している。
本発明の目的はガスタービンエンジンのための改良され
たしみ出し冷却式羽根を提供することである。
本発明は、羽根の翼部を形成するため、翼形状の横断面
を有し且つ互いの上に半径方向に積み重ねられた複数の
中空セラミック穴あき板、半径方向で最も外側の穴あき
板をおおい且つ羽根先端を定める金属蓋、胴部とロータ
円板に係合する突起部とを限定する金属羽根根部、半径
方向で最も内側の穴あき板と羽根根部との間に配置され
たセラミック台部、前記根部内から前記翼部内まで冷却
材流が連通できるようにするため、前記蓋に固定され、
そしてそこから翼部と、台部及び胴部にある半径方向に
整列した開口とを通って大体半径方向に延び、前記根部
にある空洞内で終わっている穴あき金属連結管、前記連
結管を引張るための前記空洞内の緊張装置を備え、前記
セラミック穴あき板は、羽根の前記翼部のしみ出し冷却
のため、翼部内からその外側までの冷却材のしみ出しの
ためにセラミック穴あき板を貫通する冷却材流路を含ん
でいることを特徴とするガスタービンエンジン用しみ出
し冷却式羽根に存する。
上で簡単に記述されているように、本発明は翼部が多数
の別々の翼形状の中空セラミック穴あき板から組立てら
れた合成羽根を提供する。
穴あき板は別個のセラミック台部の上に半径方向に積み
重ねられ、最も外側の穴あき板をおおう金属蓋により蓋
をされ、中空羽根を形成する。
中空金属連結管は蓋に溶接され１．下方に伸びセラミッ
ク翼部を貫通し且つ台部にある開口を貫通して、別個の
金属根部にある空洞まで伸び、その上に台部が位置して
いる。
この空洞にある連結管の末端は連結管を引張り且つセラ
ミック構成要素に圧縮力をかける緊張装置である止めナ
ツトの受けのためねじ山が切られている。
また連結管は翼部を貫通する部分に穴を含み、該翼部は
、根部内に配置した連結管に入った冷却流体のための冷
却流体出口を与える。
セラミック穴あき板は、機械加工あるいはエツチングの
ような種々の手段により多孔性にされているので、冷却
材流体はしみ出し冷却のためそこを貫流できる。
こうして、個々のセラミック片は応力除去をもたらし、
金属蓋、連結管そして根部は、周囲の高温から保護され
た金属の構成要素により引張応力を吸収しながらセラミ
ック穴あき板に圧縮力がかけられるのを許容し、そして
、セラミック穴あき板は、容易に多孔性にできる機械加
工あるいは熱間圧造により普通製造されるセラミック部
を提供する。
本発明は添付図面を考慮して、以下の好適な実施例の説
明からさらに明らかとなろう。
本発明の羽根は、最終的な羽根を形成するべく互いに固
定された別々の部分の集合体である。
従って第１図と第２図を参照すると、主構成要素は金属
根部１２、セラミック台部１４、セラミック翼部１６、
金属羽根蓋又は先端１８、そして金属連結管２０である
。
根部１２は技術的に周知のようにガスタービンエンジン
のロータ円板内にある補完的形状の溝との保合のための
こば形状をしている突起部２２を備え、そして半径方向
の外方で、大体子たい頂面２５（第２図参照）を有する
比較的長い胴部２４で終わっている。
胴部は、頂面２５に隣接して伸びた細長い長方形通路又
は空洞２６を含んでいる。
半径方向に伸びた空気通路３０は空洞２６と根部の先端
の間に伸び、同心の開口３２は頂面２５と空洞２６との
間を伸びている。
セラミック台部１４は硝酸ケイ素又は炭化ケイ素（Ｓ
ｉ ３Ｎ４又は５ｉＣ）のどちらかであり高密度にする
ため熱間圧造されて台部の最終的な形に精確に近いから
、必要な機械加工即ち機械仕上げは最小限度であり、こ
れはまた、記載されているセラミック翼部１６の特徴で
もある。
台部１４は根部の頂面２５をおおって配置され、その上
での該台部の正しい整合のため一対のたれ下がって対向
したリブ３４を含む。
台部の上面２８は、適正な整列状態で翼部を受は容れる
ため翼部の大きさと形状に合致する凹部３６を有する。
下向きに内側へ傾斜した開口３８は、根部にある開口３
２と同心になっていて、半径方向に台部を貫通している
。
弾力性をもったなじみやすい材料からなる境界層４０は
、台部と羽根の根部との対向する表面間に配置され、か
つ開口３８に沿って並んでいる。
翼部１６は複数の個々のセラミック穴あき板４２（すな
わち中空薄片）を備え、その各々は特有の翼形状を有し
ていて、半径方向に一緒に積み重ねられるとき羽根の翼
部が形成される。
隣接する穴あき板と向かい合う穴あき板の半径方向の対
向面４４は、積重位置におけるそれらの間のかみ合い係
止のため符号４５で示すような斜角が付けられている。
後で説明するように、セラミック穴あき板４２は翼部の
内部から外部まで冷却材流体を通すため多孔性である。
翼状金属蓋４６は羽根の先端１８を形威し、その周縁は
半径方向において最も外側のセラミック穴あき板４２の
外表面と係合するたれ下がった舌状部４８を定めていて
、中空翼部を囲う蓋の最外側セラミック穴あき板上にお
ける適正な位置決めを可能にしている。
蓋は開口５０を有し、そこを通じて該開口が中空の金属
で実質的に円筒形の連結管５２の一端を受け、該連結管
５２は中空翼部を半径方向に貫通している。
反対側の端５２Ａは下向きに内側へ傾斜した部分５４を
有していて、該傾斜部分５４は大体開口３８と共にセラ
ミック台部を貫通しそして最後に外側にねじが切られた
部分５５で終っていて、該ねじ部分は根部の胴部にある
空洞２６内へ伸びている。
緊張装置である張力調整ナツト５６は、これから説明さ
れるように半径方向内方に連結管５２を引くためにねじ
部分に螺着されている。
金属短管５８は、根部先端から連結管までの限られた流
路のため、連結管内から羽根根部にある冷却材通路内ま
で伸びている。
中空翼部内の連結管の部分は、しみ出し冷却のため、セ
ラミック穴あき板を通るしみ出しが可能なように、冷却
材を中空部に向けるための複数の穴６０を含んでいる。
また、連結管の半径方向最外端にある小さな開口６２に
より冷却材の一部がそこを貫流して金属蓋４６を冷却し
、蓋と隣接するシュラウド構造物との間のシールを造り
先端を横切って流れる動力ガスの量を減少させる。
上述の説明から、羽根の組立ては次の通りであることが
分かる。
最初に、弾性材料の境界層４０をその一部を開口３８に
張って台部の下面に置く。
次に、セラミック台部１４を金属根部の平面２５上に適
正な整合状態で置く。
この整合状態は、図示のように、各開口が同心であり、
且つ台部にあるリブが根部の周縁に係合することによっ
て定められる。
その後、堅固に係止された短管を有する金属連結管のね
じ部分を開口から挿入して空洞２６の中に入れ、そして
張力調整ナツトを該ねじ部分に螺着し、このように組立
てた諸構成要素に対して少なくともある限られた剛性が
与えられる程度まで最初に締付ける。
それから、セラミック穴あき板４２を台部上に積み重ね
翼部を形成する。
次に金属蓋を、連結管５２が貫通している翼部をおおう
ように置く。
蓋と連結管５２との外側で組合う面は斜角が付けられ、
管の周囲に切欠きを形成している。
それから、金属面、即ち蓋４６と連結管５２の２つの金
属表面を互いに溶接し一体とする。
張力調整ナツトは好ましいトルクまで十分締付けられて
張力を連結管に与え、その結果、セラミック片すなわち
穴あき板と、台部とが圧縮力を受け、そしてまた台部を
貫通している連結管と開口との間の封止を弾性材料との
緊密な傾斜係合により完成させる。
このような組立て状態において、積重翼における蓋に対
する溶接あるいは幾つかの不整のような何らかの最終機
械加工を行なうことができ、その後に羽根はロータ円板
への組付けの準備が整う。
第３図と第４図を参照すると、多孔性セラミック穴あき
板を組立てるもう１つの手段が、例示されている。
セラミック形成粉末を熱間圧造する前に粉末内に金属繊
維又は素線を入れ、その後圧縮して最終的なセラミック
片を形威し、この状態のもとて素線は主に圧縮方向に垂
直に整夕１ル、それによりセラミックの引張応力特性を
向上させることはすでに知られているが、類似の製造技
術が多孔性セラミック穴あき板を得るのに用いられる。
第３図に示されているセラミック穴あき板では、多孔性
セラミック穴あき板とするために、セラミック穴あき板
の厚さより５０％位長く且つ０．０２５４〜０．０７６
２Ｃ７７Ｚ（０，０１０〜０．０３０ ｉｎ、）位の直
径のタングステン又はタンタル素線を２０容積％まで熱
間圧造前にセラミック粉末と混合する。
熱間圧造中に、主にこれらの素線は壁を貫通する。
その後、各金属が高揮発性酸化物を形成するにつれて繊
維が暖気炉で酸化されるか又は化学的に浸出する。
−担素線又は繊維がこのように除去されると、その結果
として生じるセラミック片は第３図にある微細通路６５
により示されている不規則な多孔性となる。
第４図は丸い半月形溝６６を含むセラミック穴あき板４
２を示していて、該半月形溝６６はその勾配付接触面上
に規則的な形状をした間隔で機械加工されている。
これらの溝は丸くかなり大きな半径をもっており、特に
過渡的熱負荷による応力集中を最小化している。
これらの加工溝は、内面から外面まで伸びていて、冷却
材が通過するための流路を与える。
セラミック穴あき板は第５図に示されているような形状
を有することもでき、翼形状の後縁は一部の冷却流体を
この翼後縁から排出するためのスリット６８をもってい
る。
この形状は洗たくばさみ形状と呼ばれていて、羽根が実
際の使用中に熱くなるとスリット６Ｂが閉じる傾向を有
しており、熱膨張により生じた応力を逃しそこを通る冷
却材の量を制限する。
羽根の翼部は洗たくばさみ形状のものとセラミック穴あ
き板とを交互に積み重ねることにより形成してもよく、
それにより完全にセラミック洗たくばさみ構造から形成
される場合よりもより大きな剛性とより少ない後縁から
の冷却漏れとを与える。
従って、本発明の羽根は高温原動流体により接触され且
つしみ出し冷却により効果的に冷却されるセラミック部
を含み、セラミック構成要素の破損を生じることなく動
力ガスに対してさらに一層広い温度範囲を可能にする。
さらに、羽根は諸都市からかなり容易に製造且つ組立て
られ、該諸都市は、最初、組立て後に最小の最終機械加
工を必要とするような最終形状に形成することができ、
且つそれらの独自性により、羽根表面を横切る熱勾配に
よる応力を逃す特性を備えている。
さらに、羽根のセラミック構成要素はそれにかかる圧縮
力により組立て位置に維持され、それによりガス曲げ負
荷によるどちらかと言えば最小の引張応力が、運転条件
下で、セラミックの物理的強度の範囲内におさまること
がわかる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の羽根の分解等角投影図、第２図は羽根
の半径方向断面図、第３図はセラミック穴にあるしみ出
し空気通路を示す拡大詳細図、第４図は機械加工された
空気通路を示す第３図と類似の図、第５図は本発明の羽
根の翼部のセラミック穴あき板のもう一つの形状を示す
図である。 １２・・・・・・金属羽根根部、１４・・・・・・セラ
ミック台部、１６・・・・・・翼部、１８・・・・・・
羽根先端、２０・・・・・・穴あき金属連結管、２２・
・・・・・突起部、２４・・・・・・胴部、２６・・・
・・・空洞、３２・・・・・・開口、３８・・・・・・
開口、４２・・・・・・中空セラミック穴あき板、４６
・・・・・・金属蓋、５６・・・・・・緊張装置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 羽根の翼部を形成するため、翼形状の横断面を有し
    且つ互いの上に半径方向に積み重ねられた複数の中空セ
    ラミック穴あき板、半径方向で最も外側の穴あき板をお
    おい且つ羽根先端を定める金属蓋、胴部とロータ円板に
    係合する突起部とを限定する金属羽根根部、半径方向で
    最も内側の穴あき板と羽根根部との間に配置されたセラ
    ミック台部、前記根部内から前記翼部内まで冷却材流が
    連通できるようにするため、前記蓋に固定され、そこか
    ら翼部と、台部及び胴部にある半径方向に整列した開口
    とを通って大体半径方向に延び、前記根部にある空洞内
    で終わっている穴あき金属連結管、前記連結管を引張る
    ための前記空洞内の緊張装置を備え、前記セラミック穴
    あき板は、羽根の前記翼部のしみ出し％ ４Ｊのため、
    翼部内からその外側までの冷却材のしみ出しのためにセ
    ラミック穴あき板を貫通する冷却材流路を含んでいるこ
    とを特徴とするガスタービンエンジン用しみ出し冷却式
JP55148245A 1979-10-25 1980-10-24 ガスタ−ビンエンジン用しみ出し冷却式羽根 Expired JPS5846641B2 (ja)

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JPS5696102A JPS5696102A (en) 1981-08-04
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JP (1) JPS5846641B2 (ja)
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