JP2001512205A - タービン翼及びタービン翼の製造方法 - Google Patents
タービン翼及びタービン翼の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、中心軸線（２）に沿って根元部（３）から中間部（４）を通って頭部（５）へ延びているタービン翼（１）に関する。中間部（４）には薄い壁厚の翼外壁（７）によって取り囲まれている冷却流体（１６）用供給部（６）が設けられている。少なくとも翼外壁（７）は従来方式で鋳造された材料の粒度の大きさにおける中程度の粒度を持つ無方向性の粒状構造の金属材料（８）を有している。さらに、本発明はタービン翼（１）の製造方法に関する。図２
Description
【０００１】 本発明は、中心軸線に沿って根元部から中間部を通って頭部へ延びるタービン
翼、特にガスタービン翼に関する。さらに、本発明はタービン翼、特にガスター
ビン翼の製造方法に関する。
翼、特にガスタービン翼に関する。さらに、本発明はタービン翼、特にガスター
ビン翼の製造方法に関する。
【０００２】 ドイツ連邦共和国特許出願公告第２２４２１１１号明細書には、方向性を持っ
て凝固された組織を有する鋳物、特にガスタービン翼の製造装置及び方法が記載
されている。この方法及び装置はできるだけ空洞のない鋳物を製造するために使
われる。単結晶組織又は柱状晶を有する方向性凝固は粒成長の開始を制御するこ
とによって得られる。この方法を実施する際、溶解した金属を満たされる鋳型が
冷却板の上に置かれ、鋳造される金属の融点温度以上の特に１５０℃の温度に加
熱される。溶解した金属がその鋳型内に注ぎ込まれ、冷却板が鋳型と共に冷却液
槽内に浸漬される。冷却液の温度は金属の融点より著しく低い。冷却板は鋳型内
へ金属を注ぎ込む前に既に冷却剤によって冷却されている。タービン翼を製造す
るために、金属として例えばＭａｒ−Ｍ２００のような超合金が使用される。冷
却液槽内への鋳型の浸漬は、冷却液槽の表面が固相レベルに急にならず、それゆ
え熱搬出が凝固される合金の広い領域から垂直に下方へ行われ、液相―固相境界
面がほぼ水平に保持されるような速度で行われる。これは単結晶の成長を保証し
かつ鋳型表面への粒子の核形成を防止しなければならない。タービン翼を単結晶
として製造する際、鋳型は１５００℃以上に加熱される。冷却液として、約２６
０℃の温度を有する液体すずが使用される。鋳型を液槽内へ浸漬する速度は約３
ｍ／ｈである。タービン翼はこの場合中実材料製翼として主にニッケル合金から
単結晶形状に全長約１０ｃｍの長さで鋳造される。
て凝固された組織を有する鋳物、特にガスタービン翼の製造装置及び方法が記載
されている。この方法及び装置はできるだけ空洞のない鋳物を製造するために使
われる。単結晶組織又は柱状晶を有する方向性凝固は粒成長の開始を制御するこ
とによって得られる。この方法を実施する際、溶解した金属を満たされる鋳型が
冷却板の上に置かれ、鋳造される金属の融点温度以上の特に１５０℃の温度に加
熱される。溶解した金属がその鋳型内に注ぎ込まれ、冷却板が鋳型と共に冷却液
槽内に浸漬される。冷却液の温度は金属の融点より著しく低い。冷却板は鋳型内
へ金属を注ぎ込む前に既に冷却剤によって冷却されている。タービン翼を製造す
るために、金属として例えばＭａｒ−Ｍ２００のような超合金が使用される。冷
却液槽内への鋳型の浸漬は、冷却液槽の表面が固相レベルに急にならず、それゆ
え熱搬出が凝固される合金の広い領域から垂直に下方へ行われ、液相―固相境界
面がほぼ水平に保持されるような速度で行われる。これは単結晶の成長を保証し
かつ鋳型表面への粒子の核形成を防止しなければならない。タービン翼を単結晶
として製造する際、鋳型は１５００℃以上に加熱される。冷却液として、約２６
０℃の温度を有する液体すずが使用される。鋳型を液槽内へ浸漬する速度は約３
ｍ／ｈである。タービン翼はこの場合中実材料製翼として主にニッケル合金から
単結晶形状に全長約１０ｃｍの長さで鋳造される。
【０００３】 ヨーロッパ特許出願公開第００１０５３８号明細書には、方向性凝固のための
速度制御方法及びこの方法に基づいて製造された鋳物が記載されている。鋳物の
方向性凝固のために、温度勾配Ｇと凝固速度Ｒとの比が特に重要である。共晶超
合金にとって、Ｇ対Ｒの比は方向性凝固が行われるためには所定の特性値を上回
っていなければならない。方向性凝固はこの場合主として柱状の粒状構造、単結
晶又は一次元の方向性共晶から成るガスタービン用鋳物を製造するために使用さ
れる。方向性凝固法はＵ−７００、Ｂ−１９００、Ｍａｒ−Ｍ２００及びＩＮ−
１００のような超合金に適用される。飛行機駆動装置の第１段用のガスタービン
翼を単結晶形状に製造するための試みは放射冷却の場合又は液体金属による冷却
の場合高い浸漬速度で行われている。この速度は放射冷却の場合７．５ｃｍ／ｈ
〜３３ｃｍ／ｈであった。方向性を持って凝固された鋳物は中実体として鋳造さ
れる。
速度制御方法及びこの方法に基づいて製造された鋳物が記載されている。鋳物の
方向性凝固のために、温度勾配Ｇと凝固速度Ｒとの比が特に重要である。共晶超
合金にとって、Ｇ対Ｒの比は方向性凝固が行われるためには所定の特性値を上回
っていなければならない。方向性凝固はこの場合主として柱状の粒状構造、単結
晶又は一次元の方向性共晶から成るガスタービン用鋳物を製造するために使用さ
れる。方向性凝固法はＵ−７００、Ｂ−１９００、Ｍａｒ−Ｍ２００及びＩＮ−
１００のような超合金に適用される。飛行機駆動装置の第１段用のガスタービン
翼を単結晶形状に製造するための試みは放射冷却の場合又は液体金属による冷却
の場合高い浸漬速度で行われている。この速度は放射冷却の場合７．５ｃｍ／ｈ
〜３３ｃｍ／ｈであった。方向性を持って凝固された鋳物は中実体として鋳造さ
れる。
【０００４】 「鉱物・金属・材料学会」（１９９６年）の刊行物「Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ
（超合金）」（１９９６年発行、第５３１頁〜第５３５頁）に掲載されたパトリ
ック．デー．フェロ、サンジェイ．ビー．シェンディの論文「Ａ ｔｈｅｒｍａ
ｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ （ＴＣＳ） ｔｒｉａｌｓ ｉｎｖｅｓｔｍ
ｅｎｔ ｃａｓｔｉｎｇｓ（インベストメント鋳造に試みられる熱的に制御され
た凝固の熱分析）」には、薄い壁構造物部分を有する大きな鋳物の熱的に制御さ
れた凝固方法が記載されている。この方法の基づいて製造された鋳物は方向性を
持って凝固された鋳物又は単結晶鋳物に比べて特に粒度が異なっている。方向性
を持って凝固された鋳物及び単結晶鋳物は大きな粒度及び中程度の粒度が特徴で
あり、それに対して熱的に制御された凝固方法に基づいて製造された鋳物は従来
方式で製造された鋳物と同じ中程度の粒度を有している。さらに、熱的に制御さ
れた凝固方法に基づいて製造された鋳物は鋳造部分全体に濃密で均一な粒度を有
している。熱的に制御された凝固方法の場合、同一方向に向けられた比較的小さ
い粒子を持ち収縮が最小である微小構造を生じるような温度勾配Ｇと凝固速度Ｒ
との比が使用される。この方法は真空炉内で実施されるが、この真空炉において
は鋳型が加熱領域内で誘導加熱装置によって加熱され溶解した金属の凝固のため
にこの加熱領域から出され、それにより溶解した金属の冷却と凝固とが放射冷却
によって行われる。鋳型の製造ならびにその炉の構成は米国特許第４７２４８９
１号明細書に記載されている。これにはタービン設備のケーシング部の製造が記
載されており、このケーシング部は一部分に、面積が３０ｃｍ2以上であり壁厚 が０．１２５ｃｍ以下であるような薄い壁構造物を有している。薄い壁厚部分と
そうではない壁厚部分との面積比は少なくとも４０である。
（超合金）」（１９９６年発行、第５３１頁〜第５３５頁）に掲載されたパトリ
ック．デー．フェロ、サンジェイ．ビー．シェンディの論文「Ａ ｔｈｅｒｍａ
ｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ （ＴＣＳ） ｔｒｉａｌｓ ｉｎｖｅｓｔｍ
ｅｎｔ ｃａｓｔｉｎｇｓ（インベストメント鋳造に試みられる熱的に制御され
た凝固の熱分析）」には、薄い壁構造物部分を有する大きな鋳物の熱的に制御さ
れた凝固方法が記載されている。この方法の基づいて製造された鋳物は方向性を
持って凝固された鋳物又は単結晶鋳物に比べて特に粒度が異なっている。方向性
を持って凝固された鋳物及び単結晶鋳物は大きな粒度及び中程度の粒度が特徴で
あり、それに対して熱的に制御された凝固方法に基づいて製造された鋳物は従来
方式で製造された鋳物と同じ中程度の粒度を有している。さらに、熱的に制御さ
れた凝固方法に基づいて製造された鋳物は鋳造部分全体に濃密で均一な粒度を有
している。熱的に制御された凝固方法の場合、同一方向に向けられた比較的小さ
い粒子を持ち収縮が最小である微小構造を生じるような温度勾配Ｇと凝固速度Ｒ
との比が使用される。この方法は真空炉内で実施されるが、この真空炉において
は鋳型が加熱領域内で誘導加熱装置によって加熱され溶解した金属の凝固のため
にこの加熱領域から出され、それにより溶解した金属の冷却と凝固とが放射冷却
によって行われる。鋳型の製造ならびにその炉の構成は米国特許第４７２４８９
１号明細書に記載されている。これにはタービン設備のケーシング部の製造が記
載されており、このケーシング部は一部分に、面積が３０ｃｍ2以上であり壁厚 が０．１２５ｃｍ以下であるような薄い壁構造物を有している。薄い壁厚部分と
そうではない壁厚部分との面積比は少なくとも４０である。
【０００５】 冷却のために冷却ガスの案内部を備えたガスタービンの静翼は米国特許第５４
１９０３９号明細書に記載されている。静翼は１つの鋳物として実施されるかも
しくは２つの鋳物から構成される。静翼はその内部にガスタービン設備の圧縮器
から与えられる冷却ガスの供給部を有している。静翼においてガスタービンの高
温ガスの流れに晒され供給部を取り囲む壁構造物には、片側を開いた鋳造冷却ポ
ケットが設けられている。これらは壁構造物の外面において高温ガスの流れ方向
にもまたその流れ方向に垂直で静翼の長さ方向に沿っても配置されている。各冷
却ポケット内には供給部から壁構造物の多数の孔を介して冷却空気が流入する。
冷却ポケットは高温ガスの流れ方向へ冷却空気によって貫流され、この冷却空気
は静翼の鋳造時に形成された開口部を通して高温ガスの流れの中に流出する。こ
れによって壁構造物の外表面では限定された大きさで膜冷却が達成される。冷却
ポケットには熱伝導を改善するために１つ又は複数の詳細には説明されていない
台座が設けられている。膜冷却を達成するために中心の冷却空気供給部と冷却空
気孔とを備えたガスタービン翼はヨーロッパ特許出願公開第０７４２３４７号明
細書に記載されている。
１９０３９号明細書に記載されている。静翼は１つの鋳物として実施されるかも
しくは２つの鋳物から構成される。静翼はその内部にガスタービン設備の圧縮器
から与えられる冷却ガスの供給部を有している。静翼においてガスタービンの高
温ガスの流れに晒され供給部を取り囲む壁構造物には、片側を開いた鋳造冷却ポ
ケットが設けられている。これらは壁構造物の外面において高温ガスの流れ方向
にもまたその流れ方向に垂直で静翼の長さ方向に沿っても配置されている。各冷
却ポケット内には供給部から壁構造物の多数の孔を介して冷却空気が流入する。
冷却ポケットは高温ガスの流れ方向へ冷却空気によって貫流され、この冷却空気
は静翼の鋳造時に形成された開口部を通して高温ガスの流れの中に流出する。こ
れによって壁構造物の外表面では限定された大きさで膜冷却が達成される。冷却
ポケットには熱伝導を改善するために１つ又は複数の詳細には説明されていない
台座が設けられている。膜冷却を達成するために中心の冷却空気供給部と冷却空
気孔とを備えたガスタービン翼はヨーロッパ特許出願公開第０７４２３４７号明
細書に記載されている。
【０００６】 本発明の課題は、冷却可能な壁構造物を備えたタービン翼を提供することにあ
る。他の課題はタービン翼の製造方法を提供することにある。
る。他の課題はタービン翼の製造方法を提供することにある。
【０００７】 本発明によれば、タービン翼に関する課題は、中心軸線に沿って根元部から中
間部を通って頭部へ延び、少なくとも中間部に、薄い壁厚の翼外壁によって取り
囲まれている冷却流体用供給部を有し、翼外壁が従来方式で鋳造された材料の粒
度の大きさにおける中程度の粒度を持つ無方向性の粒状構造の金属材料を有して
いるタービン翼によって解決される。
間部を通って頭部へ延び、少なくとも中間部に、薄い壁厚の翼外壁によって取り
囲まれている冷却流体用供給部を有し、翼外壁が従来方式で鋳造された材料の粒
度の大きさにおける中程度の粒度を持つ無方向性の粒状構造の金属材料を有して
いるタービン翼によって解決される。
【０００８】 このようなタービン翼、特に定置形ガスタービンのガスタービン翼は例えば熱
的に制御された凝固方法によって製造することができる。これによって、高い熱
伝導度が得られると共に、同時に方向性単結晶凝固法の場合に発生することがあ
った組織欠陥を回避することができる。それゆえ、翼外壁は方向性を持って凝固
された柱状晶も単結晶組織も有していない。組織は寧ろ、粒子が十分にパターン
化されていない配向を有する“等軸”粒状構造を有している、すなわち組織は準
等方性である。タービン翼は空洞及び細孔を有することなく凝固され、その場合
薄い平らな壁が十分な熱的及び機械的安定性を持って鋳造される。必要に応じて
熱伝達要素として配置されている細片を備えた中間部と中実の根元部、又はこの
根元部にもしくは場合によっては頭部に取付けられた中実板との間の壁厚差が大
きい場合、全ての領域において同一の結晶構造、従って同一の物理的特性が得ら
れる。タービン翼は、必要な強度要求がコバルト基合金によって満たされる場合
には、高い熱伝導度を持つコバルト基合金、例えばＭａｒ−Ｍ５０９又はＦＳＸ
４１４から製造することができる。タービン翼はニッケル基合金、例えばＲｅｎ
ｃ−８０、ＩＮ７３８ＬＣ又はＩＮ９３９からも製造することができる。合金、
特にコバルト基合金は炉の中で鋳造することもでき、その後炉の外で制御されて
冷却される。合金が精密鋳造品として鋳造されると好ましい。
的に制御された凝固方法によって製造することができる。これによって、高い熱
伝導度が得られると共に、同時に方向性単結晶凝固法の場合に発生することがあ
った組織欠陥を回避することができる。それゆえ、翼外壁は方向性を持って凝固
された柱状晶も単結晶組織も有していない。組織は寧ろ、粒子が十分にパターン
化されていない配向を有する“等軸”粒状構造を有している、すなわち組織は準
等方性である。タービン翼は空洞及び細孔を有することなく凝固され、その場合
薄い平らな壁が十分な熱的及び機械的安定性を持って鋳造される。必要に応じて
熱伝達要素として配置されている細片を備えた中間部と中実の根元部、又はこの
根元部にもしくは場合によっては頭部に取付けられた中実板との間の壁厚差が大
きい場合、全ての領域において同一の結晶構造、従って同一の物理的特性が得ら
れる。タービン翼は、必要な強度要求がコバルト基合金によって満たされる場合
には、高い熱伝導度を持つコバルト基合金、例えばＭａｒ−Ｍ５０９又はＦＳＸ
４１４から製造することができる。タービン翼はニッケル基合金、例えばＲｅｎ
ｃ−８０、ＩＮ７３８ＬＣ又はＩＮ９３９からも製造することができる。合金、
特にコバルト基合金は炉の中で鋳造することもでき、その後炉の外で制御されて
冷却される。合金が精密鋳造品として鋳造されると好ましい。
【０００９】 高温ガスによって洗流されるタービン翼の冷却効果を高めるために、このター
ビン翼がその内部に熱伝達要素を有し、この熱伝達要素が翼外壁と熱的に結合さ
れ、冷却流体、特にガスタービン設備の圧縮器から供給された冷却空気によって
洗流されると好ましい。タービン翼の中間部における壁は供給部を取り囲む内壁
を用いた二重壁によって構成することができ、それによって内壁と外壁との間に
は少なくとも１つの冷却部が形成され、これが入口を介して供給部に流れ技術的
に連通される。
ビン翼がその内部に熱伝達要素を有し、この熱伝達要素が翼外壁と熱的に結合さ
れ、冷却流体、特にガスタービン設備の圧縮器から供給された冷却空気によって
洗流されると好ましい。タービン翼の中間部における壁は供給部を取り囲む内壁
を用いた二重壁によって構成することができ、それによって内壁と外壁との間に
は少なくとも１つの冷却部が形成され、これが入口を介して供給部に流れ技術的
に連通される。
【００１０】 外壁へ熱的に結合された熱伝達要素が冷却流体の主流れ方向に前後に配置され
ていると好ましく、これによって冷却部内の冷却流体による有効な熱奪取が長い
区間に亘って可能になり、従って外壁の冷却が保証される。二重壁構造は壁構造
物の機能的な特性の減結合を可能にし、その場合機械的安定性に関する要求は外
壁に対しては内壁に対するよりも僅かしか出されない。従って、内壁は高温ガス
流に直接には晒されないので外壁よりも大きな壁厚で形成することができ、主と
してタービン翼のための機械的な支持機能を引き受ける。内壁と外壁との間の冷
却部の横断面積が冷却流体の高い速度を形成するために小さく形成され、特に外
壁の壁厚の範囲内にあると好ましい。冷却部の小さい貫流横断面積とそれによっ
て形成される高い速度とによって、非常に高い熱伝達率が得られる。
ていると好ましく、これによって冷却部内の冷却流体による有効な熱奪取が長い
区間に亘って可能になり、従って外壁の冷却が保証される。二重壁構造は壁構造
物の機能的な特性の減結合を可能にし、その場合機械的安定性に関する要求は外
壁に対しては内壁に対するよりも僅かしか出されない。従って、内壁は高温ガス
流に直接には晒されないので外壁よりも大きな壁厚で形成することができ、主と
してタービン翼のための機械的な支持機能を引き受ける。内壁と外壁との間の冷
却部の横断面積が冷却流体の高い速度を形成するために小さく形成され、特に外
壁の壁厚の範囲内にあると好ましい。冷却部の小さい貫流横断面積とそれによっ
て形成される高い速度とによって、非常に高い熱伝達率が得られる。
【００１１】 冷却流体はタービン翼を通る開放形冷却回路内を導かれ、その場合翼外壁が冷
却流体の出口を有する。タービン翼の冷却を閉鎖形冷却流体回路を用いて行うこ
とも可能であり、その場合タービン翼の内部に冷却流体の排出部が設けられ、こ
れが冷却部を介して流れ技術的に供給部に連通させられる。
却流体の出口を有する。タービン翼の冷却を閉鎖形冷却流体回路を用いて行うこ
とも可能であり、その場合タービン翼の内部に冷却流体の排出部が設けられ、こ
れが冷却部を介して流れ技術的に供給部に連通させられる。
【００１２】 開放形冷却回路の場合、冷却流体、特に冷却空気は冷却部から外壁を流出し、
高温ガスに晒される外壁表面に冷却膜を形成する（膜冷却）。
高温ガスに晒される外壁表面に冷却膜を形成する（膜冷却）。
【００１３】 冷却部内の熱伝達要素は１つの直線に沿って１つの列内に配置され、その場合
その直線は主流れ方向に対して好ましくは９０°の角度で傾いている。冷却部内
の冷却空気の主流れ方向は高温ガスの流れ方向に対して好ましくは平行又は逆平
行であり、従ってタービン翼の中心軸線に対してほぼ垂直である。熱伝達要素が
柱状に形成され、外壁から内壁にまで達していると好ましい。これは内壁にも強
固に結合することができる。熱伝達要素の横断面積はその都度熱伝達と流れ技術
とに関する要求に合せられ、例えば円形に、多角形に又は流れプロフィルの種類
に基づいて形成される。隣接する列の熱伝達要素が互いにずらされていると、特
に直線に沿って配置された２つの熱伝達要素の間隔の半分だけ互いにずらされて
いると好ましい。これによって、直線に沿って隣接する２つの熱伝達要素間を貫
流する冷却流体の部分流は主流れ方向に後置された熱伝達要素に熱奪取のために
ほぼ全部が接触するようになる。
その直線は主流れ方向に対して好ましくは９０°の角度で傾いている。冷却部内
の冷却空気の主流れ方向は高温ガスの流れ方向に対して好ましくは平行又は逆平
行であり、従ってタービン翼の中心軸線に対してほぼ垂直である。熱伝達要素が
柱状に形成され、外壁から内壁にまで達していると好ましい。これは内壁にも強
固に結合することができる。熱伝達要素の横断面積はその都度熱伝達と流れ技術
とに関する要求に合せられ、例えば円形に、多角形に又は流れプロフィルの種類
に基づいて形成される。隣接する列の熱伝達要素が互いにずらされていると、特
に直線に沿って配置された２つの熱伝達要素の間隔の半分だけ互いにずらされて
いると好ましい。これによって、直線に沿って隣接する２つの熱伝達要素間を貫
流する冷却流体の部分流は主流れ方向に後置された熱伝達要素に熱奪取のために
ほぼ全部が接触するようになる。
【００１４】 出口及び入口が１つの孔又は複数の孔として構成されると好ましい。これらは
漏斗状に拡大され、出口が冷却流体の主流れ方向に対して３５°以下の角度で傾
けられていると好ましい。このような鋭角によって、外壁表面への冷却膜の形成
が助成される。漏斗状の開口部を例えば侵食又はレーザビームによる加工によっ
て後から形成することもできる。入口が外壁に対して傾いている、特に外壁に垂
直に立っている軸線に沿って配設されていると好ましい。これによって補助的に
入口範囲における外壁の衝突冷却が達成される。冷却流体を逆平行に案内すると
逆流冷却が行われ、その場合冷却流体と高温ガスとは逆方向に流れる。逆流冷却
による冷却部がタービン翼の吸込み側面において流出範囲の周囲に、冷却流体の
出口が高温ガスの流れに関して低い圧力レベルで吸込み側面に沿って流れる高温
ガスの領域の上流に位置するように配置されると好ましい。これは特に空気力学
上有利であり、流出範囲における高温ガスの流れは出て行く冷却流体によって殆
ど影響を受けない。根元部と、中間部と、頭部と、内壁と、外壁と、熱伝達要素
とを備えたタービン翼は熱的に制御された凝固方法によって全部を１つの作業ス
テップで鋳造によって製造することができる。勿論、タービン翼を、適当な方法
（接合法）によって鋳造後に互いに強固に結合される２つ又はそれ以上の鋳造部
品から構成することもできる。入口ならびに出口が鋳造時に作成されると好まし
い。タービン翼がその中心軸線に沿ってならびに中心軸線に垂直な平面に多数の
冷却部を有すると好ましい。このタービン翼はこれを洗流する高温ガスの１００
０℃以上の温度が発生するようなガスタービン設備、特に定置形ガスタービンの
動翼又は静翼に特に適している。タービン翼は５ｃｍ〜５０ｃｍの高さの中間部
を有している。翼外壁及び／又は内壁の壁厚が０．５ｍｍ〜５ｍｍの最小値を有
すると好ましい。非常に薄い壁厚の場合、横断面には原理的に少数の粒子しか存
在しない。この場合、粒度は翼壁の範囲では約０．５〜５ｍｍであり、翼のその
他の範囲（例えば翼の根元）では４ｍｍ〜１０ｍｍである。
漏斗状に拡大され、出口が冷却流体の主流れ方向に対して３５°以下の角度で傾
けられていると好ましい。このような鋭角によって、外壁表面への冷却膜の形成
が助成される。漏斗状の開口部を例えば侵食又はレーザビームによる加工によっ
て後から形成することもできる。入口が外壁に対して傾いている、特に外壁に垂
直に立っている軸線に沿って配設されていると好ましい。これによって補助的に
入口範囲における外壁の衝突冷却が達成される。冷却流体を逆平行に案内すると
逆流冷却が行われ、その場合冷却流体と高温ガスとは逆方向に流れる。逆流冷却
による冷却部がタービン翼の吸込み側面において流出範囲の周囲に、冷却流体の
出口が高温ガスの流れに関して低い圧力レベルで吸込み側面に沿って流れる高温
ガスの領域の上流に位置するように配置されると好ましい。これは特に空気力学
上有利であり、流出範囲における高温ガスの流れは出て行く冷却流体によって殆
ど影響を受けない。根元部と、中間部と、頭部と、内壁と、外壁と、熱伝達要素
とを備えたタービン翼は熱的に制御された凝固方法によって全部を１つの作業ス
テップで鋳造によって製造することができる。勿論、タービン翼を、適当な方法
（接合法）によって鋳造後に互いに強固に結合される２つ又はそれ以上の鋳造部
品から構成することもできる。入口ならびに出口が鋳造時に作成されると好まし
い。タービン翼がその中心軸線に沿ってならびに中心軸線に垂直な平面に多数の
冷却部を有すると好ましい。このタービン翼はこれを洗流する高温ガスの１００
０℃以上の温度が発生するようなガスタービン設備、特に定置形ガスタービンの
動翼又は静翼に特に適している。タービン翼は５ｃｍ〜５０ｃｍの高さの中間部
を有している。翼外壁及び／又は内壁の壁厚が０．５ｍｍ〜５ｍｍの最小値を有
すると好ましい。非常に薄い壁厚の場合、横断面には原理的に少数の粒子しか存
在しない。この場合、粒度は翼壁の範囲では約０．５〜５ｍｍであり、翼のその
他の範囲（例えば翼の根元）では４ｍｍ〜１０ｍｍである。
【００１５】 タービン翼の製造方法に関する課題は、本発明によれば、中心軸線に沿って根
元部から中間部を通って頭部へ延び、少なくとも中間部に、薄い壁厚の翼外壁に
よって取り囲まれている冷却流体用供給部を有するタービン翼の製造方法におい
て、鋳型が、タービン翼の材料の溶融温度より高い加熱領域内に保持され、溶解
した材料を注がれ、そして、その材料が少なくとも翼外壁に従来方式で鋳造され
た材料の粒度とほぼ同じ中程度の粒度を持つ無方向性の粒状構造で凝固するよう
に加熱領域から出されることによって解決される。これによって、十分な熱的及
び機械的強度特性を備えたタービン翼を製造することができ、このタービン翼は
中実部分にもまた薄肉部分にもほぼ等しい粒状構造を有している。加熱領域の温
度、加熱領域から鋳型を出す速度等のパラメータはタービン翼の大きさと所望の
強度特性とに合せられる。この方法は、パトリック．デー．フェロ等の論文「Ｔ
ｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｒｏｍ Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒ
ｏｌｌｅｄ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ （ＴＣＳ） Ｔｒｉａｌｓ ｏｎ
Ｌａｒｇｅ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ Ｃａｓｔｉｎｇｓ（大形インベストメン
ト鋳造に試みられる熱的に制御された凝固の熱分析）」に記載された鋳物の熱的
に制御された凝固方法の発展形態として、薄い壁構造物、場合によっては二重壁
構造物を備えたタービン翼を鋳造するための特別な要件に合せられてもよい。
元部から中間部を通って頭部へ延び、少なくとも中間部に、薄い壁厚の翼外壁に
よって取り囲まれている冷却流体用供給部を有するタービン翼の製造方法におい
て、鋳型が、タービン翼の材料の溶融温度より高い加熱領域内に保持され、溶解
した材料を注がれ、そして、その材料が少なくとも翼外壁に従来方式で鋳造され
た材料の粒度とほぼ同じ中程度の粒度を持つ無方向性の粒状構造で凝固するよう
に加熱領域から出されることによって解決される。これによって、十分な熱的及
び機械的強度特性を備えたタービン翼を製造することができ、このタービン翼は
中実部分にもまた薄肉部分にもほぼ等しい粒状構造を有している。加熱領域の温
度、加熱領域から鋳型を出す速度等のパラメータはタービン翼の大きさと所望の
強度特性とに合せられる。この方法は、パトリック．デー．フェロ等の論文「Ｔ
ｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｒｏｍ Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒ
ｏｌｌｅｄ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ （ＴＣＳ） Ｔｒｉａｌｓ ｏｎ
Ｌａｒｇｅ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ Ｃａｓｔｉｎｇｓ（大形インベストメン
ト鋳造に試みられる熱的に制御された凝固の熱分析）」に記載された鋳物の熱的
に制御された凝固方法の発展形態として、薄い壁構造物、場合によっては二重壁
構造物を備えたタービン翼を鋳造するための特別な要件に合せられてもよい。
【００１６】 図面に示された実施例に基づいてタービン翼ならびにタービン翼の製造方法を
詳細に説明する。図面には説明に使用される構造的及び機能的特徴が概略的に示
されている。
詳細に説明する。図面には説明に使用される構造的及び機能的特徴が概略的に示
されている。
【００１７】 図１はガスタービンの動翼の縦断面図、 図２はガスタービンの静翼の横断面図、 図３は熱伝達要素を有する図２に示された静翼の冷却部の縦断面図、 図４はガスタービンの静翼の横断面図、 図５は静翼の熱的に制御された凝固装置の縦断面図を示す。 なお、図１乃至５において同一部分には同一符号が付されている。
【００１８】 図１には、中心軸線２に沿って根元部３から中間部４を通って頭部５へ延びる
タービン翼１、特に定置形ガスタービンの動翼１ａが示されている。中間部４は
翼外壁７と前縁部１１と後縁部９とを有している。詳細に図示されていないガス
タービンは高温流体１０すなわち高温ガスによって貫流される。この高温ガスは
タービン翼１の前縁部１１に流れて来て、外壁７の周囲を流れ、後縁部９へ流れ
去る。タービン翼１は根元部３を通って中間部４の中へ通じている冷却流体１６
用供給部６（図２参照）を有している。冷却流体１６はガスタービン設備の図示
されていない圧縮器からタービン翼１へ供給される特に圧縮された圧縮器空気で
ある。
タービン翼１、特に定置形ガスタービンの動翼１ａが示されている。中間部４は
翼外壁７と前縁部１１と後縁部９とを有している。詳細に図示されていないガス
タービンは高温流体１０すなわち高温ガスによって貫流される。この高温ガスは
タービン翼１の前縁部１１に流れて来て、外壁７の周囲を流れ、後縁部９へ流れ
去る。タービン翼１は根元部３を通って中間部４の中へ通じている冷却流体１６
用供給部６（図２参照）を有している。冷却流体１６はガスタービン設備の図示
されていない圧縮器からタービン翼１へ供給される特に圧縮された圧縮器空気で
ある。
【００１９】 図２によれば、タービン翼１の前縁部１１と後縁部９と圧力側面２４と吸込み
側面２３とには出口２０が設けられ、これを通って冷却空気１６が高温ガス１０
の流れの中に流れる。圧力側面２４と吸込み側面２３との範囲における出口２０
は外壁７に対してある角度、特に４５°以下の角度をなして傾いており、それに
より冷却空気１６は外壁７に接して流れ、これによって外壁７の外表面の膜冷却
が達成される。外壁７には内壁１８が割り当てられており、外壁７と内壁１８と
の間にはほぼ平面状に広がる多数の冷却部１９が配置されている。各冷却部１９
は入口１２を介して冷却流体１６用供給部６に、出口を介してタービン翼１の周
囲を洗流する高温ガス１０に流れ技術的に連通している。各冷却部１９は多数の
前後に配置された熱伝達要素１７を有し、これらは少なくとも外壁７へ熱的に結
合されている。冷却部１９を通って流れる冷却流体１６は熱伝達要素１７を介し
て並びに外壁７との直接接触によって外壁７から熱を受取り、これによって外壁
７を有効に冷却する。入口１２は特に外壁７に垂直に向けられており、それによ
って冷却部１９内へ流入する冷却流体１６が外壁７に衝突し、これによって付加
的に衝突冷却が達成される。
側面２３とには出口２０が設けられ、これを通って冷却空気１６が高温ガス１０
の流れの中に流れる。圧力側面２４と吸込み側面２３との範囲における出口２０
は外壁７に対してある角度、特に４５°以下の角度をなして傾いており、それに
より冷却空気１６は外壁７に接して流れ、これによって外壁７の外表面の膜冷却
が達成される。外壁７には内壁１８が割り当てられており、外壁７と内壁１８と
の間にはほぼ平面状に広がる多数の冷却部１９が配置されている。各冷却部１９
は入口１２を介して冷却流体１６用供給部６に、出口を介してタービン翼１の周
囲を洗流する高温ガス１０に流れ技術的に連通している。各冷却部１９は多数の
前後に配置された熱伝達要素１７を有し、これらは少なくとも外壁７へ熱的に結
合されている。冷却部１９を通って流れる冷却流体１６は熱伝達要素１７を介し
て並びに外壁７との直接接触によって外壁７から熱を受取り、これによって外壁
７を有効に冷却する。入口１２は特に外壁７に垂直に向けられており、それによ
って冷却部１９内へ流入する冷却流体１６が外壁７に衝突し、これによって付加
的に衝突冷却が達成される。
【００２０】 図３は多数の円形柱状の熱伝達要素１７、１７ａ、１７ｂを有する冷却部１９
の縦断面図を示す。熱伝達要素１７、１７ａ、１７ｂはそれぞれ列２８において
冷却流体１６の流れ方向に垂直に配置されている。直ぐ前後に配置されている列
２８における熱伝達要素１７、１７ａ、１７ｂは互いにずらされて配置され、そ
れによって１つの列内において隣接する熱伝達要素１７間を通流する冷却流体は
後続の列２８の熱伝達要素１７に衝突する。これによって冷却流体と熱伝達要素
１７、１７ａ、１７ｂとの特に長い接触時間が得られる。隣接する列２８は間隔
ｄ2で互いに離間し、１つの列２８において熱伝達要素１７、１７ａ、１７ｂは それぞれ間隔ｄ3で離間している。断面円形の熱伝達要素１７は直径ｄ1を有して
いる。２つの隣接する列２８間の間隔ｄ2は隣接する熱伝達要素１７間の間隔ｄ3 とほぼ等しいか又はそれより少し小さい。
の縦断面図を示す。熱伝達要素１７、１７ａ、１７ｂはそれぞれ列２８において
冷却流体１６の流れ方向に垂直に配置されている。直ぐ前後に配置されている列
２８における熱伝達要素１７、１７ａ、１７ｂは互いにずらされて配置され、そ
れによって１つの列内において隣接する熱伝達要素１７間を通流する冷却流体は
後続の列２８の熱伝達要素１７に衝突する。これによって冷却流体と熱伝達要素
１７、１７ａ、１７ｂとの特に長い接触時間が得られる。隣接する列２８は間隔
ｄ2で互いに離間し、１つの列２８において熱伝達要素１７、１７ａ、１７ｂは それぞれ間隔ｄ3で離間している。断面円形の熱伝達要素１７は直径ｄ1を有して
いる。２つの隣接する列２８間の間隔ｄ2は隣接する熱伝達要素１７間の間隔ｄ3 とほぼ等しいか又はそれより少し小さい。
【００２１】 図４はタービン翼１の図２と類似の横断面図を示す。図２に比べて、タービン
翼１は冷却流体１６用の少なくとも部分的に閉鎖された冷却循環路を有している
。このために供給部６の他に冷却流体１６の排出部２１がタービン翼１の中に設
けられている。冷却部１９は従って高温ガス１０へではなく排出部２１へ通じて
いる出口２０を有している。タービン翼１の他の構成に関しては図２の説明を参
照されたい。
翼１は冷却流体１６用の少なくとも部分的に閉鎖された冷却循環路を有している
。このために供給部６の他に冷却流体１６の排出部２１がタービン翼１の中に設
けられている。冷却部１９は従って高温ガス１０へではなく排出部２１へ通じて
いる出口２０を有している。タービン翼１の他の構成に関しては図２の説明を参
照されたい。
【００２２】 図５には、溶解金属、特にコバルト基又はニッケル基超合金の熱的に制御され
た凝固装置の概略縦断面図が示されている。冷却板２５上にはタービン翼１用の
下部を閉じられた鋳型１４が配置されている。この鋳型１４は誘導加熱装置２６
によって取り囲まれている加熱領域１５内に位置している。鋳型１４は垂直方向
へ冷却板２５によって加熱領域１５から制御された速度で引出すことができる。
鋳型１４は加熱領域１５内へ導入される前に予熱され、加熱領域１５内では特に
合金の融解温度以上の温度を有している。加熱領域１５は特に図示されていない
真空炉内に配置されている。溶解した合金が鋳型１４内に注ぎ込まれ、その後予
め定められた速度で加熱領域から外へ出されるかもしくは誘導加熱装置２６が予
め定められて速度で垂直方向へ鋳型１４から離れるように動かされる。鋳型１４
に関して垂直方向へ１１０℃以上の温度差が発生していると好ましい。合金の、
特にニッケル基又はコバルト基超合金の熱的に制御された凝固方法によって、従
来方式で鋳造された鋳物の組織に類似した微粒子組織を持つタービン翼が得られ
る。この場合、タービン翼１は薄い壁厚を持つ部分、厚い壁厚を持つ部分又は中
実材料から成る部分にほぼ同一の粒状構造を有し、殆ど細孔及び空洞を有してい
ない。
た凝固装置の概略縦断面図が示されている。冷却板２５上にはタービン翼１用の
下部を閉じられた鋳型１４が配置されている。この鋳型１４は誘導加熱装置２６
によって取り囲まれている加熱領域１５内に位置している。鋳型１４は垂直方向
へ冷却板２５によって加熱領域１５から制御された速度で引出すことができる。
鋳型１４は加熱領域１５内へ導入される前に予熱され、加熱領域１５内では特に
合金の融解温度以上の温度を有している。加熱領域１５は特に図示されていない
真空炉内に配置されている。溶解した合金が鋳型１４内に注ぎ込まれ、その後予
め定められた速度で加熱領域から外へ出されるかもしくは誘導加熱装置２６が予
め定められて速度で垂直方向へ鋳型１４から離れるように動かされる。鋳型１４
に関して垂直方向へ１１０℃以上の温度差が発生していると好ましい。合金の、
特にニッケル基又はコバルト基超合金の熱的に制御された凝固方法によって、従
来方式で鋳造された鋳物の組織に類似した微粒子組織を持つタービン翼が得られ
る。この場合、タービン翼１は薄い壁厚を持つ部分、厚い壁厚を持つ部分又は中
実材料から成る部分にほぼ同一の粒状構造を有し、殆ど細孔及び空洞を有してい
ない。
【００２３】 本発明は、内部を冷却流体によって冷却可能であり、中程度の粒状構造を持つ
組織を有する特にニッケル基又はコバルト基超合金から構成され、その粒状構造
が従来方式で鋳造された合金の粒状構造に相当し、空洞及び細孔を有していない
タービン翼を特徴とする。このタービン翼は適当に改善された熱的に制御された
凝固方法によって製造され、その場合単結晶製造法に比べて組織内の単結晶欠陥
が回避される。
組織を有する特にニッケル基又はコバルト基超合金から構成され、その粒状構造
が従来方式で鋳造された合金の粒状構造に相当し、空洞及び細孔を有していない
タービン翼を特徴とする。このタービン翼は適当に改善された熱的に制御された
凝固方法によって製造され、その場合単結晶製造法に比べて組織内の単結晶欠陥
が回避される。
【図１】 ガスタービンの動翼の縦断面図
【図２】 ガスタービンの静翼の横断面図
【図３】 熱伝達要素を有する図２に示された静翼の冷却部の縦断面図
【図４】 ガスタービンの静翼の横断面図
【図５】 静翼の熱的に制御された凝固装置の縦断面図
１ タービン翼 ２ 中心軸線 ３ 根元部 ４ 中間部 ５ 頭部 ６ 冷却流体用供給部 ７ 翼外壁 ９ 後縁部 １０ 高温流体、高温ガス １１ 前縁部 １２ 入口 １４ 鋳型 １５ 加熱領域 １６ 冷却流体 １７、１７ａ、１７ｂ 熱伝達要素 １８ 内壁 １９ 冷却部 ２０ 出口 ２１ 冷却流体用排出部 ２３ 吸込み側面 ２４ 圧力側面 ２５ 冷却板 ２６ 誘導加熱装置 ２８ 列
Claims (11)
- 【請求項１】 中心軸線（２）に沿って根元部（３）から中間部（４）を通
って頭部（５）へ延び、少なくとも中間部（４）に、薄い壁厚の翼外壁（７）に
よって取り囲まれている冷却流体（１６）用供給部（６）を有し、翼外壁（７）
が従来方式で鋳造された材料の粒度の大きさにおける中程度の粒度を持つ無方向
性の粒状構造の金属材料（８）を有しているタービン翼（１）、特にタービン翼
（１）。 - 【請求項２】 翼外壁（７）へ熱的に結合され冷却流体（１６）によって洗
流される熱伝達要素（１７）が設けられている請求項１記載のタービン翼（１）
。 - 【請求項３】 熱伝達要素（１７）が冷却流体（１６）の主流れ方向にずら
されて前後に配置されている請求項２記載のタービン翼（１）。 - 【請求項４】 供給部（６）を取り囲む内壁（１８）が設けられ、内壁（１
８）と翼外壁（７）との間に少なくとも１つの冷却部（１９）が形成され、この
冷却部（１９）が入口（１２）を介して供給部（６）に流れ技術的に連通してい
る請求項１乃至３の１つに記載のタービン翼（１）。 - 【請求項５】 冷却部（１９）を介して流れ技術的に供給部（６）に連通し
ている冷却流体（１６）用排出部（２１）が設けられている請求項４記載のター
ビン翼（１）。 - 【請求項６】 翼外壁（７）が冷却流体（１６）の出口（２０）を有してい
る請求項１乃至４の１つに記載のタービン翼（１）。 - 【請求項７】 中間部（４）の高さ（Ｈ）は５ｃｍ〜５０ｃｍである請求項
１乃至４の１つに記載のタービン翼（１）。 - 【請求項８】 材料（８）はニッケル基又はコバルト基超合金である請求項
１乃至７の１つに記載のタービン翼（１）。 - 【請求項９】 翼外壁（７）及び／又は内壁（１８）の壁厚は０．５ｍｍ〜
５ｍｍの最小値を有している請求項１乃至８の１つに記載のタービン翼（１）。 - 【請求項１０】 ガスタービン、特に定置形ガスタービンの動翼（１ａ）又
は静翼（１ｂ）である請求項１乃至９の１つに記載のタービン翼（１）。 - 【請求項１１】 中心軸線（２）に沿って根元部（３）から中間部（４）を
通って頭部（５）へ延び、少なくとも中間部（４）に、薄い壁厚の翼外壁（７）
によって取り囲まれている冷却流体（１６）用供給部（６）を有するタービン翼
（１）の製造方法において、鋳型（１４）がタービン翼（１）の材料（８）の溶
融温度より高い加熱領域（１５）内に保持され、鋳型（１４）が溶解した材料（
８）を注がれ、鋳型（１４）が、材料（８）が少なくとも翼外壁（７）に従来方
式で鋳造された材料と同じ中程度の粒度を持つ無方向性の粒状構造を有するよう
に加熱領域（１５）から出されるタービン翼（１）の製造方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19732653.6 | 1997-07-29 | ||
| DE19732653 | 1997-07-29 | ||
| PCT/DE1998/002037 WO1999006672A1 (de) | 1997-07-29 | 1998-07-20 | Turbinenschaufel sowie verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=7837264
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| JP2000505403A Expired - Fee Related JP4454845B2 (ja) | 1997-07-29 | 1998-07-20 | タービン翼及びタービン翼の製造方法 |
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|---|---|
| EP (1) | EP1000225B1 (ja) |
| JP (1) | JP4454845B2 (ja) |
| DE (1) | DE59804336D1 (ja) |
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| CN113623010B (zh) * | 2021-07-13 | 2022-11-29 | 哈尔滨工业大学 | 涡轮叶片 |
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1998
- 1998-07-20 DE DE59804336T patent/DE59804336D1/de not_active Expired - Lifetime
- 1998-07-20 JP JP2000505403A patent/JP4454845B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1998-07-20 EP EP98947319A patent/EP1000225B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1998-07-20 WO PCT/DE1998/002037 patent/WO1999006672A1/de active IP Right Grant
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| EP1000225B1 (de) | 2002-06-05 |
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| WO1999006672A1 (de) | 1999-02-11 |
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