JP2000199402A - 先端を切断した面取り部を持つタ―ビン動翼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】プラットホーム面取り部を具備するタービン動
翼の製造に関し改善方法を提供することが望ましい。 【解決手段】 ガスタービン動翼は翼形、プラットホー
ム、およびダブテールを具備する。動翼はそのプラット
ホームの端部の１つに沿って面取り部を設けて鋳造され
る。プラットホーム端部は次ぎに簡単かつ正確な方法で
機械切削され面取り部の先端を切断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】この発明は一般にはガスタービンエンジ
ンに関し、さらに詳細には、ガスタービンエンジンのタ
ービン動翼に関する。

【０００２】通常のガスタービンエンジンは、空気を加
圧する圧縮機を具備し、加圧空気を燃焼器で燃料と混合
して点火して高温の燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスが
タービンを通って下流に流れタービンにより燃焼ガスか
ら圧縮機の動力エネルギーを抽出する。タービンは支持
円板の外周から半径方向外側に伸張する円周方向に隣接
する多数の動翼を具備する。

【０００３】通常のタービン動翼は翼形の付け根から先
端まで半径方向に伸張する対向する翼前縁と翼後縁の間
で軸方向に伸張する概して凹形の正圧面および対向側の
概して凸形の負圧面を有する翼形を具備する。その動翼
は翼形の付け根に一体的に結合され燃焼ガスの流れ経路
の半径方向内側の境界を形成するプラットホームをも具
備する。作動中動翼を保持するため、プラットホームの
下に半径方向にダブテールが一体に伸張し、これが相補
関係にありローター円板を通って軸方向に伸張するダブ
テール溝に滑り係合している。

【０００４】タービン動翼およびローター 円板はター
ビンの空力的な効率を最大にし作動中の遠心力、圧力負
荷、および温度勾配からの応力を制限するため精密な寸
法を必要とする。しかしながら、タービン動翼および円
板は個別に製造されるので、それらは動翼をローター円
板に組み込む際に付随してくる組み込み公差の統計的変
動を含む寸法上の統計的変動の影響をうける。

【０００５】例えば、個々の動翼プラットホームは全体
としてタービン翼形上に流された燃焼ガスの流れ経路の
半径方向内側を形成する。プラットホーム外側面の軸方
向に沿ったタービン中心軸からの半径方向位置は円板の
円周の周りでプラットホーム毎にバラバラに変動する。
したがって、プラットホームのあるものは隣接するプラ
ットホームより半径方向で高くなりまたあるものはその
逆に低くなるが、どちらの状況においてもそれらの間に
円周方向のプラットホーム側面端部に沿って段差をもた
らす。燃焼ガスがこの段部にからむと、空力的効率に不
都合な影響を与えることがあり、突き出た段部が高温の
燃焼ガスにより局部加熱される。この局部加熱は動翼の
耐用年数に悪い影響を与える可能性があり望ましいもの
ではなく、ますます上昇する燃焼ガス温度で作動するタ
ービンについてはとりわけ望ましいものではない。

【０００６】プラットホームに段ができることの悪影響
は個々のプラツトホームの円周方向両側面端部に沿って
伸張する面取り部を設けることによって改善される。面
取り部があると、隣接するプラットホーム間の半径方向
の位置に小さな差異があるにもかかわらずプラットホー
ムからプラットホームへ比較的円滑な移動ができる。こ
のような面取り部を持つタービン動翼のプラツトホーム
はこの国で長年業務用としての成功を享受してきた。し
かしながら、その面取り部は製造工程と製造費用を追加
する必要がありまたさらに別の特徴として製造時に精密
に調整しなければならないことが挙げられる。

【０００７】さらに詳細に述べると、通常高温、高強度
の超合金材料で作られるので現代のタービン動翼は製造
が比較的複雑であり費用が掛かる。動翼は通常中空にな
っておりその中に種々の形の内部冷却通路を具備する。
この内部冷却通路に沿って圧縮機から抽気された加圧空
気の一部が流され、動翼の側面、翼前縁と翼後縁、およ
びその先端のいずれか１つに開けられた膜冷却および他
の複数の種種の穴を通って翼形から排気される。

【０００８】タービン動翼は通常従来のロストワックス
法で最終形状および寸法に近い形で鋳造される。その工
程は動翼全体の蝋製の形が最初に鋳造される主型または
蝋鋳型から出発する。動翼の内部冷却通路の形はそれに
対応する中子として別に形成される。中子および蝋製の
動翼は次ぎに適当な鋳型の中に置かれ、溶融金属が中子
のまわりの蝋と置き換わり凝固して鋳造動翼を形成す
る。

【０００９】鋳造金属製動翼はその後最終寸法または仕
上げ寸法を得るため追加の製造段階にかけられ、必要に
応じ種々の穴が翼形を通して開けられる。動翼はロータ
ー円板の外周の周りに列状に配置されているので、個々
のプラットホームの円周方向の幅は組み立て時にその間
の隙間が過度に大きくまたは過度に狭くなることを防ぐ
ため精密な寸法と公差を必要とする。

【００１０】プラットホーム側面端部は通常精密研削盤
を使用して機械切削され最終寸法にされる。端部面取り
部はその後、仕上げたプラットホーム側面端部の角を手
作業で落としてそこに面取り部を形成するため別個にペ
ンシル型研削盤のような他の適当な研削盤を使用して形
成される。

【００１１】この面取り作業は最終的な寸法のプラット
ホームを加工するため適切な配慮およびそれに付随する
追加費用が必要になる。また、それはそれ自体の製造変
動の影響を受ける。例えば、面取り部はプラットホーム
毎の半径方向位置の統計的差異を吸収するようにプラッ
トホームの側面端部全体に沿った範囲で均一であるべき
である。

【００１２】また、個々の翼形の翼後縁は側面端部の１
つに近接して配置されているので、この領域の面取り作
業は翼後縁の損傷を避けるため注意深く行わなければな
らない。翼後縁は作動中高温に晒され、高応力を受けや
すく、プラットホーム端部に隣接する場所での損傷は動
翼全体の廃棄が必要になる場合があり、それに応じて製
造努力および費用が浪費される。

【００１３】したがって、プラットホーム面取り部を具
備するタービン動翼の製造に関し改善方法を提供するこ
とが望ましい。

【００１４】

【発明の簡単な要約】ガスタービン動翼は翼形、プラッ
トホーム、およびダブテールを具備する。動翼はそのプ
ラットホームの１つの端部に沿って１つの面取り部があ
る状態で鋳造される。プラットホーム端部は次ぎに簡単
かつ正確な方法で面取り部の先端を切断するため機械研
削される。

【００１５】

【発明の詳細な記述】この発明は、好ましくかつ模範的
な実施態様により、そのほかの目的および利益と合わせ
て、添付図面を参照した次ぎの詳細な説明でより詳しく
説明される。

【００１６】ガスタービンエンジンのタービン１０の一
部分が図１に示してある。タービンはタービンローター
の円板１４から半径方向外側に伸張し円周方向に隣接し
ている多数のタービン動翼１２を具備する。

【００１７】複数の動翼は形状が同一でありそれぞれ翼
形１６、翼形に一体的に結合されたプラットホーム１
８、およびプラットホームの半径方向内側面上に一体的
に結合されたダブテール２０を、すべて単体かまたは一
体型の組立品として具備する。ローター１４は動翼のダ
ブテールを保持するためそれと相補関係にあるダブテー
ル溝を具備する。

【００１８】翼形１６は翼形の付け根から先端まで伸張
する翼前縁と翼後縁の間で軸方向に伸張する概して凹形
の正圧面とこれに対向する概して凸形の負圧面を具備す
る。翼形の付け根はプラットホーム１８の半径方向外側
の面上に配置され、プラットホームはガスタービンの作
動時に隣接する翼形の間を流れる燃焼ガスの流れ経路の
半径方向内側の境界を形成する。

【００１９】プラットホーム１８はそれぞれ、適切なシ
ール性をもたらすため軸方向に隣接するステーター部品
（図示してない）に係合する片持ち翼のかたちの軸方向
前方端部および後方端部と同様、円周方向に対向して位
置する１対の側面端部２２を具備する。

【００２０】しかし、プラットホーム側面端部２２につ
いては、個々のタービン動翼１０は種々の冷却通路を含
む従来のどのような形を有することができる。例えば、
動翼は通常、ガスタービンが作動する間動翼を冷却する
ためエンジンの圧縮機から抽出した空気の一部をその中
で循環するように中空になっている。翼形は通常それぞ
れ、動翼内に流入された空気の冷却効果を高めるため、
その中に種々の形式の乱流機構を有する曲がりくねった
冷却通路を備えており、この空気は翼形の正圧面、負圧
面、前縁と後縁、および先端のどれか１箇所または２箇
所以上の種々の穴を通して翼形から排出される。

【００２１】初めに図１に示したように、動翼のプラッ
トホーム１８がそれぞれ、ローター円板に取り付けたプ
ラットホーム１８の半径方向の位置の相違を吸収するた
め、この発明に従って２つのプラットホーム側面端部２
２にそれぞれ沿って軸方向に伸張する鋳造によって作ら
れた面取り部２４を具備する。図２でより詳細に示すよ
うに、個々のタービン動翼の最終寸法の統計的変動およ
び動翼をローター円板に組み込む際にそれに付随してく
る組み込み公差の変動により、プラットホーム１８の１
つが隣接したプラットホームより半径方向に見て低くな
ったり、または高くなったりすることが起きる。これは
図２で半径方向距離の差異Ａで表されるプラットホーム
外面の半径方向位置における段差をもたらす。前述のよ
うに、このようなプラットホームの段は、そこを流れる
燃焼ガスの流れを妨げて段になったプラットホーム端部
に沿って局部的な温度上昇をまねくため望ましくない。

【００２２】プラットホームに段ができることの悪影響
は側面面取り部２４を導入することによって改善され、
これによりプラットホーム間の半径方向段差にもかかわ
らずプラットホームからプラットホームへ円滑な移動が
できる。

【００２３】この発明によれば、面取り部２４は、発明
の背景の項に述べた機械切削された面取り部と異なり鋳
造物であることが特徴であり、そして工程数が少なくそ
れに応じ製造費も少ない、寸法精度を改善する新しい製
造方法として導入される。これは、初めにプラットホー
ムの側面端部２２に沿った面取り部２４を鋳造し、次に
側面端部を機械切削し最終的な円周方向幅Ｂが各プラッ
トホーム１８の側面の間に達成されるように鋳造した面
取り部２４を先端を切断して円周方向に短く正確に仕上
げることによってもたらされる。

【００２４】さらに詳述すると、図３に鋳物したプラッ
トホーム側面端部２２の面取り部２４の模範例が詳細に
示してあり、図４にそれに対応するタービン動翼の製造
方法が概略的に示してある。図４に示すように、タービ
ン動翼１２はそれぞれ初めに、図３に示すようにプラッ
トホーム１８の各側面端部２２に沿った鋳造面取り部を
備える動翼を鋳造して製造される。プラットホームの側
面端部２２は次ぎに、例えば、鋳造面取り部をその最終
の寸法およびプラットホーム幅Ｂまで円周方向に短くす
るかまたは先端を切り落とすために、従来の精密研削盤
２６を使用して機械切削される。

【００２５】鋳造技術には製造公差に限界があるため、
側面端部２２を次に機械切削してプラットホーム幅Ｂを
鋳造のみでは得られない非常に小さな製造公差に調節す
ることが好ましい。前述のように、タービンを適切に作
動するためには隣接したプラットホームの間に生ずる円
周方向の間隙はあまり狭くも大きくもできないので、個
々のプラットホーム１８の半径方向の幅Ｂはタービンの
適切な組立と作動にとって重要である。

【００２６】この発明の特別の利益は、面取り部が無い
従来のタービン動翼のプラットホーム側面端部を仕上げ
るのに以前使用した精密研削盤２６がそのまま鋳造面取
り部２４を有するプラットホーム１８についてその同じ
操作を行うためにも使用できるということにある。この
ようにして、各プラットホーム側面端部２２に沿って一
回研削操作を行うことで、適当な面取部幅を残して鋳造
面取り部２４の先端切断と同様、側面端部２２の最終仕
上げおよび最終寸法がもたらされる。面取り部２４それ
自体は鋳造によって十分に正確であり、効果をあげるた
めに精密な機械切削を行う必要はない。しかしながら、
プラットホーム側面端部２２はタービンで効果的に使用
するために精密な機械切削を必要とする。

【００２７】図３に示すように、面取り部２４はプラッ
トホーム１８の半径方向外側の面からその半径方向内側
の面に向かって伸張し、それらの間の適当な半径方向高
さＣでプラットホーム側面端部２２と交わる。

【００２８】図１に示すように、各翼形１６は円板の軸
方向前方側に弧状の翼前縁を具備し、円板の軸方向後方
側に幅が狭く鋭利な翼後縁を具備する。翼形１６は通常
半径方向にねじれており、翼後縁はプラットホーム１８
の正圧面側の端部２２に近接している。面取り部２４と
ともにプラットホーム側面端部２２は、従って翼形の翼
前縁と翼後縁の間を、燃焼ガスの流れ経路の内側境界を
形成するプラットホーム１８の大半の部分に渡って伸張
している。

【００２９】各プラットホーム１８の負圧面側の端部２
２は翼形の翼前縁と翼後縁の間を同様に伸張するが、翼
形がこの端部の近くで凸形であるので、翼前縁と翼後縁
はその負圧面側の端部２２から円周方向に離れた位置に
置かれる。したがって、正圧面側端部２２は比較的翼形
の翼後縁近くに位置するため、翼形付け根におけるあら
ゆる応力集中を妨ぐような面取り部２４の正確な位置が
要求される。面取り部２４は動翼１２の残りの部分とと
もに鋳造されるので、それらは翼後縁にその付け根近く
で許容できないほど接近することなく、それぞれの側面
端部２２に沿って正確に位置決めすることができる。

【００３０】さらに、図２に示すように、プラットホー
ムの両側の側面端部２２はその間のプラットホームの仕
上げ幅すなわち最終幅Ｂを得るために機械切削して両側
の鋳造面取り部２４の先端が切断される。したがって、
個々のプラットホーム１８の２つの側面端部に沿って面
取り部２４が正確に形成されるのみならず、対向する側
面端部２２を最終のプラットホーム幅に正確に仕上げる
のと同様、個々の面取り部の幅を完成する、両方に対し
て各側面端部に沿って一回の機械切削操作で十分であ
る。

【００３１】図３でより詳細に示すように、鋳造面取り
部２４は適切であればどのような形状をも持つことがで
きプラットホームの外側表面から約４５#の傾斜角Ｄを
有するのが好ましい。側面端部２２の最終的な機械切削
を可能にするため、それに対応して各端部はそれぞれ後
で研削盤２６によって取り除かれる余分の素材２８を円
周方向に具備する。プラットホーム１８は側面端部２２
の近くで最大の厚みＥを有し、この厚みは鋳造面取り部
２４によって小さな端部厚みＣに低減する。プラットホ
ームの厚みＥは比較的小さいので、面取りした端部厚み
Ｃはかなり小さい。余分の素材２８の高さが小さすぎる
と側面端部２２に好ましからざる損傷を与えることなく
側面端部２２を鋳造することができない。

【００３２】したがって、図３で説明した鋳造面取り部
２４は側面端部２２を機械切削する前は円周方向の断面
で概して凹形であることが好ましい。この凹形の断面は
面取り部２４を互いに鈍角の開先角度で交わる２つの平
らな部分で形成することによってもたらされる。このよ
うにして、余分な素材２８の面取り角は公称の面取り角
Ｄよりは小さく、そしてこの面取り角により機械切削し
ていない側面端部２２の最初の高さＣは増加されて図３
に鎖線で示すそうではなくて連続的に平らな場合の面取
り部２４の高さよりは大きくなる。側面端部２２の高さ
Ｃはわずか約０．５ミリメートル位まで小さくできこれ
によりこの明細書で後に詳細に述べるように面取り部２
４を初めに動翼１２全体とともに鋳造することができ
る。

【００３３】図３はプラットホーム側面端部２２および
それに沿っている面取り部２４の説明図であり、機械切
削する前の鋳造のままの状態を実線で、側面端部２２を
最終のプラットホーム幅Ｂになるよう機械切削した後の
部分を鎖線で表しており、この機械研削の結果面取り部
２４はおおむね平らな面すなわち断面が直線となる。最
初の鋳造面取り部２４は２つの異なった面取り角を有す
るが、余分の素材２８を取り除くことで２番目の面取り
角が除去され、単一の面取り角および単一のおおむね平
らな面の状態で面取り部２４を残す。

【００３４】中に鋳造面取り部２４を具備するプラット
ホーム側面端部２２はどのような通常の方法を用いても
最初に鋳造することができる。しかしながら、この発明
の特別の利益は費用を掛けずに鋳造した面取りの特徴を
採り入れるため既存の装置および鋳造方法を容易に手軽
にレトロフィットできることにある。図４に示すよう
に、既存の従来の蝋鋳型または金型３０はその中の図３
で説明した側面端部２２および面取り部２４の形状と相
補関係にあるくぼみ３２を鋳造のために機械加工するこ
とによって容易にレトロフィットできる。

【００３５】そのようにレトロフィットされた主型３０
は、それからプラットホーム、側面端部２２、および面
取り部２４を有する蝋製の動翼３４を鋳造するために使
用されるが、これらプラットホーム、側面端部２２、お
よび面取り部２４はこれらに対応する図３で説明した金
属性の相当品と、蝋製であることを除けば、殆ど同一の
ものである。

【００３６】いろいろな形をした動翼の内部冷却通路を
製造するため適当なセラミック製の中子３６が別に鋳造
される。その後鋳造した中子３６および蝋製動翼３４を
組み合わせて通常のロストワックス法で金属製動翼１２
を鋳造する。

【００３７】この結果鋳造された動翼１２は図３で説明
した鋳造面取り部２４および余分の素材２８を具備し、
仕上げ加工前の改善された中間品の動翼を与える。側面
端部２２はその後、各端部に沿って余分の素材を取り除
くために、図３で説明したように最終的に機械切削され
鋳造面取り部２４だけを残す。そのように先端を切断さ
れた鋳造動翼１２は、要求される高精度のプラットホー
ム幅Ｂと仕上げ端部２２に加え、従来の研削製造タイプ
と比較してより均一な面取り部２４に恵まれる。

【００３８】鋳造された面取り部２４および機械切削さ
れた側面端部２２は製造工程を著しく簡略化し、コスト
を低減し、そしてタービン動翼１２の改善をもたらすた
めの製造精度を改善する。そして、これとは異なる従来
のタービン動翼蝋鋳型によって鋳造面取り部２４を手直
しまたはレトロフィットにより容易に製造でき、それに
より既存の製造のタービン動翼の設計に最小費用しか追
加しない。

【００３９】この明細書ではこの発明の好ましい模範の
実施態様と考えられるものについて述べてきたが、この
発明の他の変更態様はこの明細書にある教示から当業者
に明白であろうし、それ故、この発明の本来の精神と範
囲の中に入るような変更態様は全て特許請求の範囲に確
保される。

【００４０】したがって、発明として確保されるべきは
特許請求の範囲に定義される。

【図面の簡単な説明】

【図１】支持するローター円板から半径方向外側に伸張
する多数の動翼を有するガスタービンエンジンのタービ
ン部分の等角図である。

【図２】この発明の模範実施態様による先端を切断した
面取りを示すため図１に示した３つの隣接するタービン
動翼の一部分を線２−２に沿ってみた断面立面図であ
る。

【図３】概略的に示した研削盤による機械切削で除かれ
る余分な素材を有する３の数字を付した鎖線の円で示し
た図２に例示されるプラットホーム側面面取り部のひと
つの拡大断面立面図である。

【図４】図１−３で示した先端を切断された面取り部を
有するタービン動翼を製造する模範的方法のフローチャ
ートである。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 翼形、プラットホーム、およびダブテー
   ルを有するガスタービン動翼の製造方法において、前記
   プラットホームの端部の１つに沿って面取り部を設けて
   前記動翼を鋳造することと、 前記プラットホーム端部を機械切削し前記面取り部の先
   端を切断することを含む方法。
2. 【請求項２】 前記面取り部が前記プラットホームの半
   径方向外側の面からそれの半径方向内側の面に向かって
   伸張する請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記翼形が翼前縁および翼後縁を具備
   し、 前記プラットホーム端部は円周方向の側面端部でありこ
   れに沿って前記面取り部が前記翼前縁と翼後縁の間を伸
   張する請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 前記プラットホームは、円周方向に対向
   して位置する１対の前記側面端部およびそれらに沿って
   伸張する面取り部を具備し、前記両側面端部はその間に
   前記プラットホームの仕上げ幅を得るために機械切削さ
   れて前記両面取り部が先端を切断される請求項３記載の
   方法。
5. 【請求項５】 前記鋳造面取り部は前記側面端部を機械
   切削する前は断面が概して凹形である請求項５記載の方
   法。
6. 【請求項６】 前記面取り部は前記側面端部を機械切削
   した後断面がおおむね平らである請求項５記載の方法。
7. 【請求項７】 前記動翼の鋳造が前記側面端部および面
   取り部を鋳造するくぼみを追加して含むように前記ター
   ビン動翼用の蝋鋳型をレトロフィットすることと、 前記蝋鋳型によって蝋製タービン動翼を鋳造すること
   と、 前記蝋製タービン動翼を使用して金属製の前記タービン
   動翼を鋳造することを含む請求項３記載の方法。
8. 【請求項８】 請求項３の方法で製造されたタービン動
   翼。
9. 【請求項９】 翼形と、 前記翼形に一体的に結合されたプラットホームと、 前記プラットホームに一体的に結合されたダブテール
   と、 を含み、前記プラットホームが対向して位置する１対の
   側面端部を具備し、その１対の側面端部がそれぞれそれ
   に沿って伸張する面取り部を有する、ガスタービン動
   翼。
10. 【請求項１０】 前記側面端部は機械切削で仕上げて先
    端を切断した前記鋳造面取り部を有する請求項９記載の
    動翼。