JP2001514090A - ガスタービン翼とその製造方法 - Google Patents
ガスタービン翼とその製造方法Info
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Abstract
Description
羽根体から成るガスタービン翼に、電子ビーム蒸着あるいはプラズマ溶射によっ
て薄い外皮を設けることは、例えば米国特許第5640767号明細書で知られ
ている。周知のように羽根壁の厚さが薄くなるほど冷却作用が良くなるので、こ
のガスタービン翼によって、空気冷却の冷却作用を改善しようとしている。しか
し支持羽根壁の厚さが薄くなった場合、それに伴って、明らかに構造部品の強度
が低下する。
献「スーパーアロイ 1996」の第523〜529頁に掲載の論文“アドバン
スド エアフォイル ファブリケーション(進歩的翼製造法)”に記載され、こ
れは、厚い内側壁が発生する力を受け、薄い外側壁がただ流線型の良好に冷却さ
れる外皮となっているような二重壁翼を鋳造する試みに比べて、既に改善が見ら
れる。そのような二重壁翼は、製造に経費がかかり、内側支持壁の厚さと外側の
薄い壁との良好な比率を得ることができないために、冷却作用はあまり改善され
ない。
造法)”に記載の方法およびそれで得られるガスタービン翼の場合、溝状冷却通
路における流れ抵抗が大きく、専ら内部冷却がこの溝状冷却通路によって行われ
るために、その冷却作用は最良でない。このようなタービン翼はまた、米国特許
第5640767号明細書にも記載されている。
この場合、中空の内室を包囲する壁の外側面に、その中空の内室に冷却空気供給
通路を介して接続された冷却ポケットが設けられている。
特に簡単に実施できるガスタービン翼の製造方法を提供することにある。また、
そのように形成されたガスタービン翼を提供することにある。
根体の羽根の外側表面に多数の隆起部を製作し、隆起部間に、金属羽根体の外側
表面から中空の内室に通じる衝突冷却孔を穿孔し、隆起部間の中間空間を充填し
衝突冷却孔を閉じる除去可能な耐熱材料から成る被覆を設け、隆起部の特に金属
露出面に固着する表面層を設け、金属羽根体の隆起部と表面層との間の中間空間
から材料を除去する工程を含むガスタービン翼の製造方法によって解決される。
できるようにするために、外側表面層にできるだけ強力に冷却空気を供給する必
要があるという考えから出発している。これは、表面層が好適には特にピン状の
隆起部を介してただ点状にしか羽根に結合されておらず、表面層と、支持金属羽
根体の外側表面との間に自由な中間空間が存在していることにより解決される。
この中間空間内に、冷却空気が衝突冷却孔を通して導入され、表面層の内側面が
衝突冷却によって強力に冷却される。
いように形成されている。ピン状隆起部と並べて、細長いか別の形状をした隆起
部あるいは種々の形状の隆起部を一緒に羽根に形成することもできる。隆起部の
幾何学形状および羽根上に延びる隆起部の分布を適当に選定することによって、
この隆起部を通しての熱流を的確に設定することができる。その場合、隆起部の
分布は設置すべき表面層についての安定条件に左右される。
同時に製作される、即ち一緒に鋳造される。これは追加的な加工過程を省き、特
に羽根と個々の隆起部とを確実に結合することを可能とする。
に製造でき、衝突冷却孔の穿孔も同様に好適にはレーザ加工によって簡単に実施
できる。
、これは設置後、乾燥され、焼結される。このセラミックス材料は、中空の支持
羽根体を鋳造する際に中子材料としても利用される材料でよい。特にこの材料は
溶解して取り除くこともできる。
羽根体の表面は、被覆の乾燥および焼結の後に、隆起部の天頂面に金属面が露出
するように研磨加工される。
あってもよい表面層材料は、プラズマ溶射によって設けることもできる。金属表
面層は、これが良好な熱伝導性を有し、隆起部の金属露出面との間の金属相互間
の結合が保証されるという利点を有する。この金属表面層上になお、補助的な酸
化および腐食保護層を設けることもできる。
される。この熱処理によって拡散過程が引き起こされ、この拡散過程は表面層と
金属羽根体との間の確実な金属間結合を生じさせる。
た冷却孔が設けられる。その場合、運転中に、流出する冷却空気は外側表面に沿
って流れる冷却膜を形成する。
によってはその後で、これに例えばイットリウムで少なくとも部分安定化された
ZrO2層から成る、もう1つのセラミック被覆を設けることもできる。そのよ うなセラミック被覆はまた、中空の支持羽根体の内側表面に設けることもできる
。
基づいて、羽根の外側表面上における多数の隆起部、この隆起部間にある多数の
衝突冷却孔および隆起部の天頂面上に固着する薄い表面層を備えた中空の支持金
属羽根体から成るガスタービン翼が使われる。
好適には約0.1〜0.5mm、特に180〜300μmである。衝突冷却孔を
通って流れる冷却空気は、衝突冷却によって表面層の内側面を冷却する。冷却空
気は少なくとも部分的に傾斜した冷却孔を通して表面層の外側面に流出し、冷却
膜を形成する。衝突冷却空気の衝突範囲は、好適には膜冷却孔の入口開口に対し
て、例えば衝突冷却孔の間隔の4分の1あるいは2分の1だけずらされている。
その場合、表面層は金属から成り、場合によっては補助的な酸化および腐食保護
層、例えばいわゆるMCrAlY合金で被覆される。外側表面のほかに、中空の
羽根体の内側表面にもセラミック層が設けられる。好適には内側面に保護層が被
覆され、特にクロムめっきされるかあるいはアリット化される。隆起部は好適に
はピン状をしている。
造工程が理解できる。まず、図1における側面図および図2における断面図に示
されているように、精密鋳造法により、例えば耐熱ニッケル合金から中空の支持
金属羽根体1が鋳造される。この金属羽根体1は取付け脚2および羽根3から成
り、この羽根3は中空の内室4を有している。羽根3の外側表面に多数のピン状
隆起部5が配置されている。
ばレーザ加工で設けられることが示されている。
料が充填される。その際、衝突冷却孔8は、図4に示されているように閉じられ
る。この被覆11は、中空の支持金属羽根体1を鋳造する際に中子材料としても
利用されるセラミックス材料から構成される。被覆11はピン状隆起部5の高さ
に相当する厚さを有しているので、隆起部5の天頂面6は露出している。溶解し
て除去することが可能な被覆11を備えた金属羽根体1の表面は、この被覆11
の乾燥および焼結後に、場合によっては、被覆11の内部において隆起部5の天
頂面6の金属がきれい露出するように、研磨加工される。
いない装置の中に置かれる。図5には、設置された表面層9が示されている。こ
の表面層9は、好適には同様に耐熱材料、例えば金属羽根体1を鋳造するために
使ったものと同じ金属で構成される。表面層9の設置は、真空内で電子ビーム蒸
着によって行われる。この方法は、上述の論文“アドバンスド エアフォイル
ファブリケーション(進歩的翼製造法)”に記載され、特に金属表面層9を設け
るために適している。
設けることもできる。
表面層として設けられる。
に表面層9を確実に結合させる。
で除去され、特に溶解して取り除かれる。
れる。これによって、運転中に、衝突冷却孔8を通して中間空間7に流入する冷
却空気の少なくとも一部が、傾斜した冷却孔10を通ってガスタービン翼の外側
面に流出し、この外側表面に膜冷却層を形成することが、保証される。
て行われる。そして、中空の支持金属羽根体1と、流線型の良好に冷却される薄
い外側壁とを備えたガスタービン翼完成品が得られる。
。
Claims (19)
- 【請求項1】 中空の支持金属羽根体(1)を鋳造し、この金属羽根体(1
)の羽根(3)の外側表面に、多数の隆起部(5)を製作し、隆起部(5)間に
、金属羽根体(1)の外側表面から中空の内室(4)に通じる衝突冷却孔(8)
を穿孔し、隆起部(5)間の中間空間(7)を充填し衝突冷却孔(8)を閉じる
除去可能な耐熱材料から成る被覆(11)を設け、隆起部(5)の特に金属露出
面(6)に固着する表面層(9)を設け、金属羽根体(1)の隆起部(5)と表
面層(9)との間の中間空間(7)から材料を除去する工程を含んでいることを
特徴とするガスタービン翼の製造方法。 - 【請求項2】 隆起部(5)を、金属羽根体(1)を鋳造する際に、特にピ
ン状隆起部として一緒に製作することを特徴とする請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 除去可能な耐熱材料(11)を、溶解して取り除くことを特
徴とする請求項1又は2記載の方法。 - 【請求項4】 衝突冷却孔(8)の穿孔をレーザ加工によって行うことを特
徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項5】 被覆(11)がセラミックス材料から成り、乾燥され焼結さ
れることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項6】 乾燥および焼結後に、被覆済み金属羽根体(1)の表面を、
隆起部(5)の天頂面(6)の金属が露出するように研磨加工することを特徴と
する請求項1ないし5のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項7】 金属表面層(9)を、真空内で電子ビーム蒸着によって設け
ることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項8】 表面層(9)を、プラズマ溶射によって設けることを特徴と
する請求項1ないし7のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項9】 金属表面層(9)に、補助的に酸化および腐食保護層を設け
ることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項10】 表面層(9)付き金属羽根体(1)を、拡散によって表面
層(9)を隆起部(5)の天頂面(6)に確実に結合するために熱処理すること
を特徴とする請求項1ないし9のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項11】 表面層(9)に、多数の傾斜した冷却孔(10)を穿孔す
ることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項12】 羽根の外側表面を精密加工しおよび/又は平滑に研磨する
ことを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項13】 羽根体(1)の中空の内室(4)および/又は羽根の外側
表面に、セラミックスから成る保護層を設けることを特徴とする請求項1ないし
12のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項14】 羽根(3)の外側表面上における多数の隆起部(5)、こ
の隆起部(5)間にある多数の衝突冷却孔(8)、および隆起部(5)の天頂面
(6)上に固着する薄い表面層(9)を備えている中空の支持金属羽根体(1)
から成っていることを特徴とするガスタービン翼。 - 【請求項15】 隆起部(5)が、ピン状隆起部であることを特徴とする請
求項14記載のガスタービン翼。 - 【請求項16】 表面層(9)が多数の斜め膜冷却孔(10)を備えている
ことを特徴とする請求項14又は15記載のガスタービン翼。 - 【請求項17】 表面層(9)が、金属表面層であることを特徴とする請求
項14ないし16のいずれか1つに記載のガスタービン翼。 - 【請求項18】 補助的な酸化および腐食保護層をさらに備えていることを
特徴とする請求項14ないし17のいずれか1つに記載のガスタービン翼。 - 【請求項19】 補助的な内側セラミックス層をさらに備えていることを特
徴とする請求項14ないし18のいずれか1つに記載のガスタービン翼。
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