JPH06307202A - セラミック動翼の嵌合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、ガスタービンの動翼の耐熱性
を高めたセラミック動翼の嵌合構造を提供することにあ
る。 【構成】ガスタービンのホイールとホイールの外周の溝
に嵌合するセラミック動翼との嵌合部分にある側板の外
周部にテーパ溝を設け、この溝にワイヤを挿入し、ワイ
ヤをテーパ溝と動翼の根元に形成されるプラットフォー
ム側面と間に保持した。 【効果】本発明によれば、セラミック動翼をメタルホイ
ールに直嵌めできるので、強度信頼性が向上し、嵌合部
の温度を低くできるので、パッドの信頼性が向上する。
さらに、少ない冷却空気流量でセラミック動翼を使用で
きるので、プラント効率が飛躍的に向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミック動翼の嵌合
構造に係り、特に、ガスタービンの燃焼温度を高くした
際、その動翼の耐熱性を高めたセラミック動翼の嵌合構
造に係る。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスタービン動翼はメタル材であ
った。この例を図１に示す。尚、図中、(ａ)はガスター
ビン動翼の平面図、(ｂ)は同側面図、(ｃ)は同正面図で
ある。図１に示すように翼部１０１の下にシャンク部１
０２があり、その下にホイール１０４とその嵌合部１０
３とが形成される。この例では、嵌合部１０３のホイー
ル側の耐熱温度が低いという問題に対して、長いシャン
ク部１０２に温度勾配をつけて断熱している。

【０００３】又、翼部をセラミック材（シャンク部はメ
タル）に変えた例がある。この例は、例えば、特開平2
−230930 号公報に示されている。図２にこの例を示
す。尚、図中、(ａ)はガスタービン動翼の平面図、(ｂ)
は同側面図、(ｃ)は同正面図である。この場合、翼部２
０１が無冷却のためその温度が従来のメタル動翼より高
くなるので、セラミック翼の嵌合部２０２の周囲の金属
部品の耐熱性を高めることが必要である。しかし、この
実現は難しい。更に、定められた翼本数と回転半径との
関係からセラミック翼の嵌合部２０２，メタルシャンク
２０３の肉厚幅とには自ずと限界がある。尚、図中、符
号２０５はパッド部である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図２に示される例で
は、セラミック翼の遠心力によりメタルシャンク嵌合部
２０２の両端が、口が開く方向に大きく変形し易く、セ
ラミック材の強度信頼性が低くなるという問題点があっ
た。又、セラミック材は脆性材であるため、メタル材と
の嵌合部分はソフトな接触が望ましいことがわかった。

【０００５】本発明の目的は、以上のような問題点に鑑
みなされたものであり、強度の信頼性が高く、ガスター
ビンの動翼の耐熱性を高めたセラミック動翼の嵌合構造
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミック動翼
の嵌合構造は、ガスタービンのホイールとホイールの外
周の溝に嵌合し、この部分に動翼の翼根両側を覆う側板
を有するものであって、側板の外周部にテーパ溝を設
け、溝にワイヤを挿入し、ワイヤをテーパ溝と動翼の根
元に形成されるプラットフオーム側面との間に保持する
ことを特徴とする。

【０００７】更に、本発明のセラミック動翼の嵌合構造
は、前記の嵌合部分が、熱膨張差を吸収するために間隙
のある緩い嵌合とされ、接触部を固定するため動翼の翼
根の下端に板バネを挿入することを特徴とすることが好
ましい。

【０００８】更に、又、本発明のセラミック動翼の嵌合
構造は、板バネが円弧状に湾曲した形状を有し、側板か
ら板バネの両端を保持する突起を設けたことを特徴とす
ることが望ましい。

【０００９】また、接触部に緩衝材を挿入するいろいろ
な考え方があるが、本発明は以下の点でそれらのアイデ
アよりも優れる。

【００１０】例えば、セラミック動翼の強度はばらつき
が大きいので、嵌合部分への遠心力を極力小さくするこ
とが望ましい。このためには翼部と翼根部とは接近させ
る必要がある。この場合、翼根部の温度は高くなる傾向
にあるが、本発明を用いることによって、接触部分やメ
タル部分の温度を低くすることができ、この部分の温度
を材料が許容する温度まで下げることができる。また、
一般に嵌合部分の熱膨張差を吸収するため間隙を持つ緩
い嵌合とする。定格回転では遠心力が大きく接触部で固
定されるが起動時においては遠心力が無くトルク力によ
りセラミック動翼が傾斜して接触部が変わり、緩衝材の
位置が一定しないという問題が生じる。本発明では起動
時においても板バネで固定されるのでこの問題は解決さ
れる。これにより本発明は、強度信頼性が高く、接触位
置を固定する必要がない構造を提供することが出来る。

【００１１】また、例えば、嵌合部の温度を下げる手段
として、冷却空気の導入を行う。必要部分に空気を導く
には空気漏れを極力少なくする必要があるが、嵌合部は
翼部に近いこともあり、大きな熱変形に追従する確実な
シール構造が必要であることがわかった。

【００１２】また、接触部を固定するには常に所定の荷
重を掛けることが必要であり、熱変形にも追従させるた
め板バネを挿入する必要があることもわかった。この場
合、定格回転では遠心力が荷重となるので板バネは必要
ではないが、逆に板バネが遠心力で塑性変形しない配慮
が必要である。

【００１３】また、セラミツク動翼のプラットホーム部
間隙の嵌合部におけるプラットホーム部側面をテーパ上
に形成し、セラミツク製の丸棒形状のシールピンをプラ
ットホーム部間に挿入し、回転遠心力で、プラットホー
ム側面間に保持する構造を有することが好ましい。さら
に、高温ガスがセラミツク動翼のプラットホーム部間に
おいて、このシールピンを加熱して、シールピンの温度
が従来の金属ピンより上昇する。しかし、このシールピ
ンはセラミツク製のため耐えることができる。

【００１４】

【作用】本発明によるセラミツク動翼の嵌合構造は、ガ
スタービンのホイールとホイールの外周の溝に嵌合する
セラミック動翼との嵌合部分に、動翼の翼根両側を覆う
側板を有し、側板の外周部にテーパ溝を設けている。こ
れは、嵌合部の冷却空気を主流に逃がさないために設け
るものである。更に、テーパ溝にワイヤを挿入しワイヤ
をテーパ溝と動翼根元のプラットフォーム側面間に保持
する。この保持は、回転遠心力で行われる。このように
することによって、セラミック動翼をメタルホイールに
直嵌めでき、強度信頼性が向上する。

【００１５】また、間隙のある緩い嵌合とする。これは
嵌合部分の熱膨張差を吸収するためであり、動翼翼根の
下端に板バネを挿入するのは、接触部を固定するためで
ある。更に、板バネは円弧状に湾曲した形状であるが、
この板バネは遠心力で直線化するので、これを防止する
ため側板から板バネの両端を保持する突起を設けた。こ
のようにすることによって、嵌合部の温度を低くでき、
パッドの信頼性が向上する。さらに、最も大きな効果
は、少ない冷却空気流量でセラミック動翼を使用できる
ので、プラント効率が飛躍的に向上することである。

【００１６】

【実施例】本発明は、効率が高いコンバインドプラント
に用いる火力発電方式としてガスタービンの動翼に関す
るものである。特に、その材料として、セラミックを使
用したものであって、その嵌合部に関する。

【００１７】このようなプラントの効率は、ガスタービ
ンの燃焼温度を高めることにより更に高効率となる。燃
焼温度を高くするにはガスタービンの動静翼の耐熱性を
高める必要があり、耐熱性の良いセラミック材料を翼に
適用することが研究され、本発明はこうした研究に基づ
いて開発されたセラミック動翼を利用したものである。

【００１８】以下、図面を用いて、本発明の実施例を説
明する。

【００１９】図３、及び図４に本発明のガスタービン動
翼の嵌合構造部分を示す。図３は嵌合構造の正面図、図
４はその側面図をそれぞれ示す。セラミック動翼は、翼
部４０１とプラットフォーム部４０２と翼根部４０３と
により構成される。しかし、それぞれは部分名称であっ
て、セラミックス製の一体物である。翼根部４０３は緩
衝材であるパッド４０４を介してホイール４０５と接触
している。この接触部は他に、冷却空気が回転半径方向
に流れるのを遮る働きもしている。翼根部４０３の燃焼
ガス流入側には前側板４０６があり、燃焼ガス出口側に
は後側板４０７がある。翼部４０１には燃焼ガスが当た
るため燃焼ガス出口側に流体力が働くが、セラミック動
翼が燃焼ガス出口側に動かぬよう後側板がストッパーの
働きをしている。後側板４０７の形状は、後に説明する
冷却空気が、翼根部４０３の下部のみを通って翼部４０
１の燃焼ガス出口側に流出するのを防止するため、下部
が翼根部４０３の下部に接触し、翼根部４０３の上部に
対しては間隙を設けて冷却を終えた空気がプラットフォ
ーム部４０２の燃焼ガス出口側に排出できるようになっ
ている。これら前後側板間に冷却空気を下部の孔４０８
から導入する。前側板４０６の外周部にはテーパ溝４０
９が設けてあり、ワイヤ４１０を挿入する。このワイヤ
４１０は、断面が円形で挿入位置の回転半径に沿って円
弧状に加工されており、遠心力により外側に動き易くす
るために一周で複数個に分割する。ワイヤ４１０の材質
は通常セラミックス又は耐熱合金である。ワイヤ４１０
は遠心力により外側に動くときテーパ溝４０９に沿って
滑り、セラミック動翼のプラットフォーム部４０２の端
面に接触して、冷却空気が翼根部４０３側から翼部４０
１側に漏れるのを防止する。熱変形が生じても遠心力に
よって追従するので確実なシールができる。尚、図中、
符号４１１は板バネである。

【００２０】更に、前記実施例で示したセラミック動翼
の翼根部を図５に示す。図３及び図５により、冷却空気
が翼部４０１の燃焼ガス流入側に漏洩しないことが明ら
かになったが、さらに、図４，図５及び図６により翼部
と翼部との間に冷却空気が漏れるのを防止する構造につ
いて説明する。ここで、図６はシール構造部分を示す詳
細図である。又、これら図中に使用される符号は図３及
び図４に示されるものと同様である。

【００２１】セラミック動翼のプラットフォーム部４０
２間にはセラミックス製の丸棒形状のシールピン４１３
を入れる。プラットフォーム部４０２間の側面は図のよ
うなテーパ部４１４を設け、遠心力が掛かるとシールピ
ンはテーパ部４１４ａと414bとの間で接触して空気漏れ
を防ぐ。

【００２２】かくして、セラミック動翼の翼根部４０３
の下方に流入した冷却空気は、ホイール４０５を冷却し
つつ、パッド４０４の下の翼根部４０３を冷却し、翼根
部４０３と前側板４０６との間の間隙を通ってパッド４
０４上の翼根部４０３とホイール４０５との間の間隙を
通りながら翼根部４０３，プラットフォーム部402を冷
却して、後側板４０７と翼根部４０３との間の間隙より
翼部の燃焼ガス出口側に流出する。

【００２３】また、図３に示すように、翼根部４０３の
下端には円弧状の板バネ４１１を挿入して、常に翼を遠
心力方向に押して翼の位置を固定する。この板バネ４１
１は、起動時のトルクによってセラミック動翼が傾き、
パッド４０４の位置が起動の都度、変化するのをトルク
に打ち勝つ力により防止する働きもしている。

【００２４】一方、回転数が高くなると遠心力により板
バネ４１１は平板化する。変形が大きいと塑性変形を生
じてバネの力が低下するので、板バネ支持構造の図７に
示すように、前後側板に突起部４１２を設け、板バネ４
１１の変形を弾性範囲に限定する。この効果は、板バネ
支持構造の図８に示すように翼根部４０３の底面を板バ
ネ４１１の形状にやや合わせた円弧状とすることによっ
ても達成できる。尚、図７及び図８に示される符号も図
３及び図４に示されるものと同様である。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、セラミック動翼をメタ
ルホイールに直嵌めできるので、強度信頼性が向上す
る。また、嵌合部の温度を低くできるので、パッドの信
頼性が向上する。さらに、最も大きな効果は、少ない冷
却空気流量でセラミック動翼を使用できるので、プラン
ト効率が飛躍的に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術であるメタル翼を示す図である。

【図２】従来技術であるセラミック翼とメタルシャンク
とを示す図である。

【図３】本発明のガスタービンのセラミック動翼を示し
た正面図である。

【図４】本発明のガスタービンのセラミック動翼を示し
た側面図である。

【図５】本発明のガスタービンのセラミック動翼の翼根
部を示した正面拡大図である。

【図６】本発明のシール構造部分を示した詳細断面図で
ある。

【図７】本発明の板バネの支持構造部分を示した詳細断
面図である。

【図８】図７とは別の実施例を示す板バネの支持構造部
分の詳細断面図である。

【符号の説明】

１０１…翼部、１０２…シャンク部、１０３…ホイール
部、２０１…セラミック翼部、２０２…セラミック翼嵌
合部、２０３…メタルシャンク、４０１…セラミック動
翼翼部、４０２…セラミック動翼プラットフォーム部、
４０３…セラミック動翼翼根部、４０４…パッド、４０
５…ホイール、４０６…前側板、４０７…後側板、４０
８…冷却孔、４０９…テーパ溝、４１０…ワイヤ、４１
１…板バネ、４１２…板バネ支持用突起、４１３…シー
ルピン、４１４…テーパ部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 児嶋 日出虎 茨城県日立市幸町三丁目２番２号 株式会 社日立エンジニアリングサービス内 (72)発明者 寺前 哲夫 東京都調布市西つつじケ丘二丁目４番１号 東京電力株式会社技術研究所内 (72)発明者 浜田 晴一 東京都調布市西つつじケ丘二丁目４番１号 東京電力株式会社技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガスタービンのホイールと該ホイールの外
   周の溝に嵌合するセラミック動翼との嵌合部分であっ
   て、該部分に前記動翼の翼根両側を覆う側板を有するセ
   ラミック動翼の嵌合構造において、前記側板の外周部に
   テーパ溝を設け、該溝にワイヤを挿入し、該ワイヤを前
   記テーパ溝と前記動翼の根元に形成されるプラットフオ
   ーム前面との間に保持することを特徴とするセラミック
   動翼の嵌合構造。
2. 【請求項２】請求項１記載のセラミック動翼の嵌合構造
   において、前記の嵌合部分が、熱膨張差を吸収するため
   に間隙のある緩い嵌合とされ、接触部を固定するため動
   翼の翼根の下端に板バネを挿入することを特徴とするセ
   ラミック動翼の嵌合構造。
3. 【請求項３】請求項２記載のセラミック動翼の嵌合構造
   において、前記板バネは、円弧状に湾曲した形状を有
   し、前記側板から前記板バネの両端を保持する突起を設
   けたことを特徴とするセラミック動翼の嵌合構造。
4. 【請求項４】請求項１記載のセラミック動翼の嵌合構造
   において、前記セラミツク動翼のプラットホ−ム部間隙
   の嵌合部におけるプラットホ−ム部側面をテ−パ上に形
   成し、セラミツク製の丸棒形状のシ−ルピンをプラット
   ホ−ム部間に挿入し、回転遠心力で、プラットホ−ム側
   面間に保持する構造を有することを特徴とするセラミッ
   ク動翼の嵌合構造。