JP2001132408A - タービンノズル壁の厚みを鋳造後放電加工で低減する方法 - Google Patents

タービンノズル壁の厚みを鋳造後放電加工で低減する方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱応力を低減するだけでなく鋳造の歩留まり
も改善するタービンノズルの壁厚を低減する方法。 【解決手段】 タービンのノズル静翼の空洞の内面から
素材（３４）を取り除くために鋳造後に放電加工（ＥＤ
Ｍ）工程が用いられる。細い電極（２８）がノズル静翼
（１６）の対向する端の間の空洞（１８）内を通りノズ
ル内壁に沿って前もって設定した経路に従って移動して
素材（３４）を取り除き、その結果ノズルの空洞と外面
の間の壁の壁厚を低減する。別の形態においては、電極
として輪郭形状体（４２）を使用するＥＤＭ工程で輪郭
形状体が空洞（１８）に配置され最終的な壁厚が達成さ
れ内壁面の形状が輪郭形状体表面と相補的になるまで壁
に向けて前進されて壁から素材を取り除く。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は放電加工（ＥＤＭ）装
置を使用してタービンノズル壁の厚みを低減する方法に
関し、特に鋳造後にＥＤＭ装置を使用してノズルの対向
する端の内部および間に伸びる空洞の内壁から素材を取
り除き熱応力を低減して鋳造の歩留まりを改善する操作
に関する。
【０００２】
【発明の背景】ガスタービンの設計において、軸方向に
間隔をとって配置される複数の環状ノズル配列はタービ
ンの各ノズル段を形成し、各配列はタービンローター軸
のまわりに円周方向に配列される複数のノズル部分を含
む。各ノズル部分は、鋳造素材、例えば、ニッケル基合
金で一体的に形成されるのが好ましい１個以上の静翼お
よび内側と外側の各バンドセクションを含む。これらバ
ンドセクションの間のノズル静翼内部にノズルを冷却す
るための冷却媒体を流す空洞が鋳造される。ノズル空洞
内を流れる熱媒体とタービンの高温ガス通路に沿って流
れる燃焼高温ガスとの間には温度差が存在することが了
解されよう。その温度差はノズルの素材内部の熱応力の
原因となる。空洞の内面とノズルの外面間の壁厚、特に
ノズルの翼前縁に隣接する壁厚を減らすことによって温
度差に起因するこれらの熱応力を最小にすることができ
る。しかしながら、薄壁のノズルをインベストメント鋳
造法で製造することは難しい。素材の健全性と同様、公
差の制御も壁厚によって影響を受ける。一般に、壁の厚
さが薄ければ薄いほど、ノズルを鋳造することが難しく
なり、その結果鋳造の歩留まりが低減する。したがっ
て、熱応力を低減するだけでなく、鋳造の歩留まりも改
善するタービンノズルの壁厚を低減する方法が必要とさ
れている。
【０００３】
【発明の簡単な要約】この発明の好ましい実施態様によ
れば、タービンノズルの内壁から素材を取り除いてノズ
ル壁厚を低減し、従って熱により引き起こされる応力を
低減しながら鋳造の歩留まりを改善する方法が提供され
る。特に、ノズルの空洞の内壁から素材を取り除くため
に鋳造後に放電加工工程が用いられる。好ましい実施態
様においては、ＥＤＭ法はノズルの空洞内に配置され空
洞の内壁に沿って移動可能で素材を取り除きその結果内
壁の壁厚を望ましい厚さに低減できる細い電極を使用す
る。ノズルを鋳造した後にこの加工操作を行なうことに
よって、鋳造公差の制御と素材の健全性はおおきく改善
され、その結果鋳造の歩留まりが増加し、同時に壁厚を
減らしたことによって望み通りの熱応力の低減が得られ
る。
【０００４】この発明の他の好ましい実施態様において
は、輪郭形状体の形体の電極およびプランジ切削を使用
するＥＤＭ法を用いることもできる。この実施態様にお
いては、表面が最終的な空洞の内壁面の輪郭に一致する
輪郭形状体が空洞の内壁に対して当接される。空洞の内
壁に当接させて輪郭形状体を進めていくのにともない、
素材が取り去られて輪郭形状体の表面と内壁面がほぼ相
補的な形状になる。輪郭形状体の前進は、望ましい壁厚
が得られるまで継続する。
【０００５】これら好ましい実施態様の両方において、
粗くした内壁面を形成することもできる。例えば、粗く
した細い電極を用意するために電極表面上に突起を形成
することができ、これを使って表面を粗くした電極を空
洞の内壁に沿って移動し電極の粗くした表面と形状が相
補的になる最終的な内壁面を形成することができる。輪
郭形状体も同じように表面を粗くすることができその結
果、空洞内壁面の最終的な輪郭は粗くした輪郭形状体表
面と相補的に同じように粗くなる。
【０００６】この発明による好ましい実施態様において
は、ノズルがノズルの半径方向内側と外側の対向する端
の間に開口する空洞を有するガスタービンの薄壁のノズ
ルを形成する方法において、この空洞を内蔵するノズル
を鋳造する工程と、電極を含む放電加工装置を使用して
鋳造後の空洞の内壁に沿って鋳造した素材を取り除いて
最終的な内壁面を形成し、それによってノズルの外面と
最終的な空洞内壁面の間の壁の厚みを低減する工程とを
含む方法が提供される。
【０００７】
【発明の詳細な記述】図１について説明すると、総じて
１０で示され、単一のノズル静翼１６の対向する端にそ
れぞれ隣接する内側バンドセクション１２および外側ハ
ンドセクション１４を有するノズル部分が示されてい
る。例示されているノズル部分はタービンローター軸の
まわりに円周方向に整列して配置されてタービンの1つ
のノズル段を形成する複数のノズル部分の1つを形成
し、内側バンドセクション１２および外側バンドセクシ
ョン１４がノズル段の内側および外側バンドの部分をそ
れぞれ形成していることが了解されよう。また、内側バ
ンドセクション１２および外側ハンドセクション１４の
間に単一の静翼１６が示されているが、これらバンドセ
クションの間に２個以上の静翼を設置して、例えば、二
重の静翼または三重の静翼を形成することができること
が了解されよう。例示のように、ノズル静翼１６は、内
側バンドセクション１２および外側ハンドセクション１
４と同様に、静翼の全長に及ぶ内部の空洞を有する。例
えば、図１に示したように、翼前縁の空洞１８が中間の
空洞２０、２２、２４および翼後縁の空洞２６の前方に
示される。この発明の一部を形成してはいないが、これ
らの空洞はタービンの高温ガス通路に沿って流れる燃焼
高温ガスに晒される内側と外側のバンドおよび静翼を冷
却する熱媒体を流す通路を与えることが了解されよう。
例えば、バンドおよびノズルを冷却するために空気、蒸
気または空気と蒸気の両方をそれぞれの空洞に通すこと
ができる。
【０００８】ノズル部分１０は鋳造素材、好ましくはニ
ッケル合金で形成される。ノズル内の熱応力は燃焼高温
ガスおよび空洞を通って流れる冷却媒体に晒される壁の
厚みを減らすことによって最小にすることができ、この
ことは静翼の翼前縁まわりの壁に関して特にあてはまる
ことが了解されよう。鋳造品の壁厚を減少すると鋳造の
歩留まりが減少するので公差および壁厚の制御は益々困
難になることが了解されよう。この発明の好ましい実施
態様によれば、鋳造の歩留まりの改善並びに壁厚、特に
翼前縁の外面と翼前縁の空洞の内壁面の間の壁厚の低減
は、鋳造後に行なう放電加工法により空洞の壁の内面か
ら素材を取り除くことによって達成できる。
【０００９】特に、図１および図２について説明する
と、この発明の好ましい形において、放電加工装置の一
部を形成する電極２８（図１）、例えば、薄いロッドが
対向する端の間の、例えば、内側バンドセクション１２
および外側ハンドセクション１４をそれぞれ通る静翼１
６の空洞および翼前縁の空洞１８の内部へ通される。放
電加工装置はそれ自体従来からあるものである。この装
置を使用するこの発明において、細い電極２８は対向す
る端に据え付けられ、鋳造した空洞、例えば空洞１８の
壁３１に沿って前もって設定した経路に従ってロボット
操作で移動できることが好ましいことが了解されよう。
図２に示すように、壁３１は鋳造されており鋳造した内
壁面３０と外壁面３３の間に静翼１６の翼前縁の所で相
当の厚みを有する。鋳造品の壁厚は図２の外壁面３３と
鎖線３０間の距離によって示される。この壁の厚みを減
らすために、細い電極２８が空洞１８中を通過させられ
移動されて、図２の実線３２で示される目的とする内壁
面に対応する表面を写実再生し、れこにより望ましい壁
厚を形成する。細い電極２８がその望ましい経路に沿っ
て移動されるにつれて、空洞内壁の素材が切削されこれ
を単一片、例えば図１に示す素材片３４として取り除く
ことができる。したがって、細い電極２８は目的とする
内壁面３２に対応する経路を写実再生し、これによって
空洞１８の壁３１に沿って切削して、その結果目的とす
る薄壁形状が鋳造後に形成されることが了解されよう。
【００１０】図３について説明すると、壁３１に沿った
電極２８の移動経路は図３の静翼の上端および下端また
は静翼の外部における基準点３６、３８でそれぞれ示さ
れる。この電極に基準点３６および３８を順次通過させ
ることにより、空洞の内壁に沿って目的とする複合曲面
を形成することができる。電極２８は直線的に伸張し、
空洞の壁に沿って電極が移動するときもその直線度を維
持することが了解されよう。
【００１１】熱伝達特性は、例えば、冷却媒体と冷却さ
れる表面との間に粗くした表面を使用することにより改
善することができることは公知である。したがって、壁
厚が低減されている時、薄くなった空洞の内壁面３２を
粗くすることが望ましい。このことを達成するために、
細い電極２８は、図４に示すように、表面４０を粗くす
ることができる。細い電極が前もって設定された経路に
沿って移動されるにつれて、内壁面は熱効果を高めるた
めに表面を粗くしたワイヤー電極と相補的な粗い形状に
なる。
【００１２】図５、図６Ａおよび図６Ｂについて説明す
ると、ＥＤＭプランジ切削法が用いられる。特に、細い
電極の代りに輪郭形状体の形体の電極が使用される。図
５に示すように、輪郭形状体４２はＥＤＭ装置の電極を
形成し、細い電極２８と同様に空洞１８を通って伸び
る。輪郭形状体４２は、ＥＤＭ工程が完了した後の目的
とする最終的な内部空胴の内壁面に対応する前面４４を
有する。このように、輪郭形状体４２を空洞１８に挿入
することによって、輪郭形状体４２の前面４４は図６Ａ
に示すように空洞１８の現存する鋳造した内壁面４６に
当接される。目的とする内壁面の形状４８に向けて輪郭
形状体４２を前進することによって、最終的な壁面４８
を形成することができる。すなわち、図６Ｂの矢印によ
って示れるように輪郭形状体４２を前進させて鋳造した
内壁面４６と係合させ、輪郭形状体４２の前面４４と内
壁面４８がお互いに相補的になり空洞内の適切な位置に
あって望ましい壁厚を形成するまで輪郭形状体４２を前
進し続け素材は切削されて除かれる。輪郭形状体４２は
細い電極の場合と同様、熱伝達を改善するために空洞の
最終の内壁面４８が表面を粗くした輪郭形状体と相補的
な粗い形状になるように輪郭形状体表面５０を粗くする
ことができる（図５）こともまた了解されよう。
【００１３】この開示された方法の結果として、鋳造の
歩留まりがおおいに改善される。同時に、壁厚は精密な
公差に制御されて熱伝達を改善するだけでなく熱応力も
低減することができる。
【００１４】現在もっとも実用的で好ましい実施態様と
考えられるものに関してこの発明の説明をしたが、この
発明は開示された実施態様に限定されるものではなく、
むしろ、特許請求の範囲の意図および範囲に含まれる数
多の変更態様および同等の構成を網羅するものであるこ
とが理解されねばならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ノズル部分のノズル静翼の内部空洞から素材を
取り除く位置にある放電加工装置の電極を示すノズル部
分の斜視図である。
【図２】放電加工処理前後の空洞の内壁をそれぞれ破線
および実線位置によって示す静翼の翼前縁の空洞の部分
略図である。
【図３】基準点で取り除かれる素材を示すノズル部分の
外側バンドと静翼の翼前縁の空洞の内部を示す部分平面
図である。
【図４】空洞の内壁に沿って粗くした表面を形成するＥ
ＤＭ装置の電極を示す拡大部分断面図である。
【図５】輪郭形状体の形体の電極を使用して内部空洞壁
をプランジ研削するＥＤＭ工程を示す図１に類似の図で
ある。
【図６】Ａは輪郭形状体を使用したプランジ研削の切削
前、Ｂは輪郭形状体を使用したプランジ研削の切削後の
説明図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パルバンガダ・ガナパシー・ボジャパ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、ステイト・ストリート、225番 (72)発明者 フランシス・ローレンス・キルクパトリッ ク アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ガルウ ェイ、ルート・29、1274番 (72)発明者 マーガレット・ジョーンズ・スコッチ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、クリフ トン・パーク、ストーニー・クリーク・ド ライブ、63番 (72)発明者 ラジブ・ラジャン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ガイル ダーランド、エーピーティー．シー、ビシ ョップス・ゲート、67番 (72)発明者 ビン・ウェイ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、メカニ ックビル、ダンフォース・ロード、８番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ノズル（１０）がノズルの半径方向内側
    と外側の対向する端の間に開口する空洞（１８）を有す
    るガスタービンの薄壁のノズルを形成する方法におい
    て、 この空洞を内蔵するノズルを鋳造する工程と、 電極（２８、４２）を含む放電加工装置を使用して鋳造
    後の前記空洞の内壁に沿って鋳造した素材（３４）を取
    り除いて最終的な内壁面を形成し、それによってノズル
    の外面と最終的な前記空洞の内壁面の間の壁の厚みを低
    減する工程とを含む方法。
  2. 【請求項２】 鋳造した素材を取り除くために細い電極
    （２８）の放電加工法を用いることを含む請求項１記載
    の方法。
  3. 【請求項３】 前記空洞の前記内壁に沿って前記細い電
    極（２８）を導くことを含む請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 空洞（１８）は前記ノズルの翼前縁に隣
    接した位置にあり前記翼前縁と対向する前記空洞の内壁
    に沿って鋳造した素材を取り除く請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 放電加工工程で使用される電極は表面
    （４０）が粗くしてあり、前記空洞内に概して相補的な
    粗い形状の内壁面を形成するために前記内壁に前記電極
    を当てる請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 鋳造した素材を取り除く電極を有する放
    電加工装置を使用し、前記電極は表面が粗くしてあり、
    前記空洞内に概して相補的な粗い形状の内壁面を形成す
    るために前記内壁に前記電極を当てることを含む請求項
    １記載の方法。
  7. 【請求項７】 放電加工装置は輪郭形状体（４２）を含
    み、最終的な前記空洞の前記内壁面の輪郭に一致する輪
    郭形状体の表面（４４）を形成し、前記輪郭形状体の表
    面と内壁面がお互いに実質的に相補的になるまで鋳造し
    た素材を取り除くために前記輪郭形状体を前記空洞の前
    記内壁に当てることを含む請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記輪郭形状体表面上に粗くした表面
    （５０）を形成し、前記内壁に前記輪郭形状体を当てて
    相補的に粗くした前記空洞の前記内壁面を形成すること
    を含む請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 放電加工工程で使用される電極は表面
    （４０）を粗くした細い電極（２８）であり、前記空洞
    は前記ノズルの翼前縁に隣接する位置にあり、前記翼前
    縁と対向する前記空洞の前記内壁に沿って前記表面を粗
    くした細い電極を導いて前記空洞内に概して相補的な粗
    くした内壁面を形成する工程を含む請求項１記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 放電加工装置は輪郭形状体（４２）を
    含み、最終的な前記空洞の前記内壁面の輪郭（４８）に
    一致する輪郭形状体の表面を形成する工程と、前記輪郭
    形状体の表面（４４）と内壁面（４８）がお互いに実質
    的に相補的になるまで鋳造した素材を取り除くために前
    記輪郭形状体を前記空洞（１８）の前記内壁（４６）に
    当てる工程とを含む請求項１記載の方法。
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