JP2002371801A - ターボ機械用ロータ及び該ロータの製作法 - Google Patents

ターボ機械用ロータ及び該ロータの製作法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 手間のかかる冷却無しでも高められた運転温
度に適しており且つ特に耐クリープ性の材料から成る構
成部材及び耐クリープ性の小さな材料から成る構成部材
から機械的な強度を損失させることなく溶接されている
ターボ機械用のロータ、並びにこのようなロータの製作
法を提供する。 【解決手段】 両ロータ区分（１１，１２）を結合する
ために、これらの両ロータ区分（１１，１２）間に粉末
冶金法で製作された移行域（１３，２１，２２）が配置
されており、該移行域の少なくとも一方の側が、両ロー
タ区分（１１，１２）の内の一方と溶接されており且つ
溶接されたロータ区分と同じ組成を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ機械用ロー
タであって、高い運転温度に晒されており且つ特に耐ク
リープ性の材料から成る、有利にはディスク形の少なく
とも１つの第１のロータ区分と、低下された運転温度に
晒されており且つ耐クリープ性の小さな材料から成る、
有利にはディスク形の少なくとも１つの第２のロータ区
分とを有しており、これらの第１のロータ区分と第２の
ロータ区分とが溶接技術によって互いに結合されている
形式のものに関する。更に本発明は、前記ロータの製作
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えばガスタービン等の回転式熱的機械
の効率は、運転温度が例えば６００℃以上に上昇するこ
とによって著しく改善することができる。この場合、例
えば６００℃以上の温度で使用するためのロータは、手
間のかかるロータ冷却を省略できるようにするために、
特に耐クリープ性の材料から製作されるのが望ましい。
このことは一般にガスタービン、蒸気タービン、ターボ
チャージャ、圧縮機及びポンプのロータについて云え
る。運転温度の上昇に伴い、十分な耐クリープ性が常に
保証されているためには低合金鋼からマルテンサイト高
合金鋼、オーステナイト鋼及びニッケルベース合金に変
えることが必要である。但し、ニッケルベース合金は低
合金鋼よりも著しく高価である。従ってロータのコスト
を最小限にするためには、ロータの高温域若しくは高温
区分だけが特に耐クリープ性の材料から成っている一方
で、その他の領域（例えばロータ端部）は適当な鋼から
製作されていてよい。
【０００３】一般にディスク形又はドラム形の複数のセ
グメントが一緒に溶接された前記のようなロータの製作
は、相応して異なる材料間の結合を必要とする。この結
合は、構成部材のねじ締結又は溶接によって生ぜしめら
れる。ねじ結合部は過度の機械的な応力に晒されてい
る。ねじ結合部は小型タービンにおいて既に使用されて
いるが、大型タービンに関する実績はない。
【０００４】既に述べたように、ロータの構成部材の溶
接においては同じ材料から成る２つの部材間の溶接結合
だけでなく、異なる材料間の溶接結合も必要になる。同
じ材料から成る部材間の溶接結合がどちらかといえば危
機的ではないのに対して、異なる材料から成る部材の溶
接では問題が生じる。即ち、溶融池の凝固が場合によっ
ては亀裂形成を生ぜしめる。
【０００５】米国特許第４３３３６７０号明細書では、
低合金炭素鋼と、多量のクロム成分を有する高温合金と
から成る管状の構成部材を結合するために移行結合
部（"transition joint"）が提案されており、この移行
結合部は、それぞれ独自の材料組成を有しており且つ結
合しようとする２つの管状の構成部材相互を徐々に適合
させることを可能にする、互いに溶接された多数の移行
部材のつなぎ合わせから成っている。但し、溶接された
複数の構成部材から成るこのような移行結合部の製作
は、特に大きな寸法の場合は非常に手間がかかる。更
に、このような移行結合部は結合しようとする構成部材
間に、ロータには供与されていない相当のスペースを要
求する。
【０００６】米国特許第４７４３１６５号明細書では、
超合金（ＩＮ１００）製のディスクが別の合金（ＩＮ７
１８）製のシール部材と溶接されるガスタービンのロー
タの製作において、特別な溶接法（「フライホイール式
摩擦圧接」）が使用される。超合金製の構成部材と鋼製
の構成部材との結合は提案されていない。
【０００７】最後に米国特許第４４８６３８５号明細書
では、溶接によって異なる鋼から成る環状部材を結合す
るために、粉末冶金法で製作され且つ長さにわたって可
変の、端部がそれぞれ結合しようとする環状部材の組成
と一致する組成を有する管状の移行部材を使用すること
が提案される。鋼部材とニッケルベース合金から成る部
材との間の溶接結合は提案されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、手間
のかかる冷却無しでも高められた運転温度に適しており
且つ特に耐クリープ性の材料から成る構成部材及び耐ク
リープ性の小さな材料から成る構成部材から機械的な強
度を損失させることなく溶接されているターボ機械用の
ロータ、並びにこのようなロータの製作法を提供するこ
とである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明では、両ロータ区分を結合するために、これら
の両ロータ区分間に粉末冶金法で製作された移行域が配
置されており、該移行域の少なくとも一方の側が、両ロ
ータ区分の内の一方と溶接されており且つ溶接されたロ
ータ区分と同じ組成を有しているようにした。更に本発
明では、金属粉末と同じ組成から成る移行域を、高温ア
イソスタティックプレス（ＨＩＰ）によって製作するよ
うにした。
【００１０】
【発明の効果】本発明の核心は、一方は耐クリープ性の
小さな材料から成っており、他方は特に耐クリープ性の
材料から成っている２つの構成部材若しくは区分の間を
溶接結合するために移行域が設けられており、この移行
域は粉末冶金法で製作されており且つ前記構成部材若し
くは区分の内の一方と溶接される側に、正に隣接する構
成部材若しくは区分の組成を有しているという点にあ
る。移行域が、各溶接結合部側の組成から溶接される構
成部材に適合されていることにより、機械的に高負荷可
能な確実な溶接結合が得られる。この場合、移行域は省
スペースで比較的簡単に製作することができる。
【００１１】本発明の第１の構成では、移行域は片側だ
けが１つの構成部材と溶接されており、他方の側は別の
結合部材と粉末冶金法によって結合されている。
【００１２】特に移行域は、組成が第２のロータ区分と
等しい耐クリープ性の小さな材料から成る層である。こ
の層は第１のロータ区分とは粉末冶金法で結合されてお
り且つ第２のロータ区分には溶接されている。この場
合、選択的に第１のロータ区分もやはり粉末冶金法で製
作されているか、又は鍛造されていてよい。
【００１３】しかし、移行域は組成が第１のロータ区分
に等しい、特に耐クリープ性の小さな材料から成る層で
あってもよい。この場合、この層は第２のロータ区分と
は粉末冶金法で結合されており且つ第１のロータ区分に
は溶接されている。
【００１４】第２の有利な構成では、移行域は両ロータ
区分と溶接された別個の移行部材によって形成され、こ
の場合、移行部材の組成は場所に関連しており且つ第１
のロータ区分に面した側は第１のロータ区分の組成に等
しく、第２のロータ区分に面した側は第２のロータ区分
の組成に等しい。
【００１５】特に、移行部材はリング形或いは孔無し又
は孔あきディスク形を有していてよい。
【００１６】この場合、耐クリープ性の小さな材料は鋼
であり、特に耐クリープ性の材料はニッケルベース合金
であってよい。
【００１７】本発明による方法の第１の有利な実施形態
は、移行域が第２のロータ区分と同じ耐クリープ性の小
さな材料から成る層であり、この層を第１のロータ区分
と一緒に粉末冶金法で製作することを特徴とする。
【００１８】本発明による方法の第２の有利な実施形態
は、移行域が第２のロータ区分と同じ耐クリープ性の小
さな材料から成る層であり、この層を第１のロータ区分
に粉末冶金法で付与することを特徴とする。
【００１９】本発明による方法の第３の有利な実施形態
は、移行域が第１のロータ区分と同じ特に耐クリープ性
の材料から成る層であり、この層と第２のロータ区分と
を一緒に粉末冶金法で製作することを特徴とする。
【００２０】本発明による方法の第４の有利な実施形態
は、移行域が第１のロータ区分と同じ特に耐クリープ性
の材料から成る層であり、この層を第２のロータ区分に
粉末冶金法で付与することを特徴とする。
【００２１】本発明による方法の更に別の有利な実施形
態は、移行域を形成するためにまず最初に粉末冶金法
で、第１のロータ区分に面した側の組成が第１のロータ
区分の組成に等しく、第２のロータ区分に面した側の組
成が第２のロータ区分の組成に等しい、場所に関連した
組成を有する別個の移行部材を製作し、次いでこの移行
部材を両ロータ区分と溶接するという点において優れて
いる。
【００２２】この場合、溶接シームの検査に関して、移
行部材を最初に第１のロータ区分に溶接し、移行部材を
第２のロータ区分と溶接する前に所属の溶接シームを特
にＸ線を用いて非破壊検査すると有利である。
【００２３】更に別の実施形態は従属請求項に記載され
ている。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。
【００２５】本発明の思想は、例えば鋼等の耐クリープ
性の小さな材料から成る構成部材と、例えばニッケルベ
ース合金等の特に耐クリープ性の材料から成る構成部材
との間の溶接結合のために移行部材を使用するという点
にある。この移行部材では、材料組成が移行部材の一方
の端部における耐クリープ性の小さな材料若しくは鋼の
組成から、移行部材の他方の端部における特に耐クリー
プ性の材料若しくはニッケルベース合金の組成に移行し
ている。当該移行部材は粉末冶金法で製作される。
【００２６】ニッケルベース合金製の高温耐久性の第１
のロータ区分１２が高温にあまり晒されない第２のロー
タ区分１１に溶接技術によって結合されている、図６に
示したガスタービン用のロータ１０には、ディスク状又
はドラム状の移行部材１３が必要となる。この移行部材
１３は左側を第１の溶接シーム１４を介してロータ区分
１１に溶接されており且つ右側を第２の溶接シーム１５
を介してロータ区分１２に溶接されている。勿論、蒸気
タービン、ターボチャージャ、圧縮器又はポンプも同様
に構成することができる。
【００２７】移行部材１３を製作するためには、まず最
初に図１に示した予備型１３′を製作し、この予備型１
３′内で鋼から成る粉末及びニッケルベース合金から成
る粉末を互いに混合し、ロータ区分１１に面した端部が
１００％鋼粉末から成り、ロータ区分１２に面した端部
が１００％ニッケルベース合金から成るようにする一方
で、前記両端部間において鋼粉末量及びニッケルベース
合金粉末量が常に変化するようにする。凝固時の亀裂形
成を防止するためには、移行部材１３を溶融せずに製作
することが重要である。ロータ１０を不必要に延長しな
いために、移行部材１３の軸方向長さは小さく保たれる
のが望ましいが、両溶接部の熱影響ゾーンがオーバラッ
プするほど短くはない。移行ゾーンには羽根固定部が位
置していないのが望ましい。この位置にはむしろ、対向
位置するケーシング部材の静翼が固定されていてよい。
【００２８】予備型１３′からは、高温及び高圧での高
温アイソスタティックプレス（ＨＩＰ）及び引き続く熱
処理により、１００％圧縮された、図２に示した移行部
材１３が製作される。この場合、移行部材１３において
鋼の成分は曲線２０に基づき左から右へ、例えば直線的
に１００％から０％に低下しているのに対して、ニッケ
ルベース合金の成分は曲線１９に基づき直線的に０％か
ら１００％へ増大している。
【００２９】完成した移行部材１３は図３及び図４に示
したように、１００％ニッケルベース合金から成る右側
の端部を以て、ニッケルベース合金製のロータ区分１２
に溶接される。この場合は適当な溶接電極が使用され
る。これにより、亀裂無しの溶接シーム１５が可能にな
る。
【００３０】ニッケルベース合金の溶接結合部、つまり
溶接シーム１５は、材料内の防音材料のために、超音波
によって満足に非破壊検査することができない。従っ
て、検査は溶接結合部の両側（内側及び外側）へのアク
セスを要求するＸ線撮影によって行われねばならない。
この理由から、まず最初に移行部材１３とロータ区分１
２との間の溶接結合部だけを製作する。次いでこの結合
部の溶接シーム１５を図示の様にＸ線撮影によって検査
する。この場合、例えばＸ線源１６を溶接シーム１５に
外側から照射して、内部に配置されたＸ線フィルムで以
て撮影を行う。
【００３１】溶接シーム１５の検査後に、鋼製のロータ
区分１１を移行部材１３の「鋼端部」に鋼電極を用いて
溶接し、次いで得られた溶接シーム１４を超音波テスト
ヘッド１８によって非破壊検査する。この場合はロータ
１０の内部へのアクセスは不要なので、ロータ区分１１
が（閉鎖された）ロータ端部であるのが望ましいとして
も問題は生じない。
【００３２】但し、本発明の枠内で、別個に製作された
移行部材１３の代わりに、結合しようとする両ロータ区
分１１，１２の一方の結合面に粉末冶金法で付与されて
該結合面に結合される、自由な面がそれぞれ別のロータ
区分に溶接される層（図７若しくは図８の符号２１，２
２）が使用される、溶接結合部の別の変化実施例も考え
られる。
【００３３】図７では、ニッケルベース合金から成るロ
ータ区分１２に、鋼粉末から成る層２１が粉末冶金法で
設けられる。このことは、ロータ区分１２と層２１とを
一緒に粉末冶金法で製作するか、又は層２１を高温アイ
ソスタティックプレスにより、鍛造仕上げされたロータ
区分１２に付与することによって行われる。
【００３４】次いで、このようにして用意した２つの構
成部材を鋼電極で溶接し、溶接シームを超音波で（外側
から）検査することができる。
【００３５】しかし図８に基づき、図７の場合と同様に
鋼製のロータ区分１１に粉末冶金法でニッケルベース合
金製の層２２を設けることも考えられ、この場合、ロー
タ区分１１は同時に粉末冶金法で製作するか、又は予め
別の方法で製作することができる。次いでニッケルベー
ス合金から成る２つの面の間で同種の溶接金属を用いて
溶接が行われる。この変化実施例は、ロータ区分１１が
ロータ端部の場合は溶接シームの非破壊検査に関してあ
まり好適ではなく、内室へのアクセスが欠如しているた
めにレントゲン検査は見合わせねばならない。しかしこ
の場合に有利なのは、ニッケルベース金属から成る溶接
金属が鋼から成る溶接金属よりも運転温度においてより
高い強度を有しているという事実である。
【図面の簡単な説明】
【図１】高温アイソスタティックプレス前の、本発明に
よるロータ用の粉末冶金法で製作された移行部材の概略
的な縦断面図である。
【図２】高温アイソスタティックプレス後の図１に示し
た移行部材及び所属の、場所に関連した組成の経過を例
示した図である。
【図３】図２に示した移行部材を高温耐久性のロータ区
分に溶接する図である。
【図４】図２に示した移行部材を高温耐久性のロータ区
分に溶接する図である。
【図５】Ｘ線撮影による、図４で製作された溶接シーム
の非破壊検査を示した図である。
【図６】移行部材の、耐クリープ性の小さな材料から成
るロータ区分（例えばロータ端部）との溶接及び超音波
による溶接シームの非破壊検査を示した図である。
【図７】特に耐クリープ性の材料から成るロータ区分と
粉末冶金法で結合された、耐クリープ性の小さな材料の
粉末から成る層の形の移行域と一緒に択一的な方法を示
した図である。
【図８】耐クリープ性の小さな材料から成るロータ区分
と粉末冶金法で結合された、特に耐クリープ性の材料の
粉末から成る層の形の移行域と一緒に別の択一的な方法
を示した図である。
【符号の説明】
１０ ロータ、 １１ 第２のロータ区分、 １２ 第
１のロータ区分、 １３ 移行部材、 １３′ 予備
型、 １４，１５ 溶接シーム、 １６ Ｘ線源、 １
８ 超音波テストヘッド、 ２１，２２ 層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｄ 29/28 Ｆ０４Ｄ 29/28 Ｒ 29/32 29/32 Ｋ // Ｇ０１Ｎ 23/04 Ｇ０１Ｎ 23/04 (72)発明者 マルクス シュタウプリ スイス国 ドッティコン ハウスハルデ ９ (72)発明者 ハンス ヴェットシュタイン スイス国 フィスリスバッハ クラーラシ ュトラーセ 12 Ｆターム(参考） 2G001 AA01 BA11 CA01 HA09 HA12 KA03 LA02 MA06 RA03 3G002 AA02 AA08 AA11 AA13 3H033 AA02 BB01 CC01 DD25 DD26 EE11 4E001 AA03 CB03 4E081 YG02

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ターボ機械用ロータ（１０）であって、
    高い運転温度に晒されており且つ特に耐クリープ性の材
    料から成る少なくとも１つの第１のロータ区分（１２）
    と、低下された運転温度に晒されており且つ耐クリープ
    性の小さな材料から成る少なくとも１つの第２のロータ
    区分（１１）とを有しており、これらの第１のロータ区
    分（１２）と第２のロータ区分（１１）とが溶接技術に
    よって互いに結合されている形式のものにおいて、 両ロータ区分（１１，１２）を結合するために、これら
    の両ロータ区分（１１，１２）間に粉末冶金法で製作さ
    れた移行域（１３，２１，２２）が配置されており、該
    移行域の少なくとも一方の側が、両ロータ区分（１１，
    １２）の内の一方と溶接されており且つ溶接されたロー
    タ区分と同じ組成を有していることを特徴とするターボ
    機械用ロータ。
  2. 【請求項２】 前記の耐クリープ性の小さな材料が鋼で
    ある、請求項１記載のロータ。
  3. 【請求項３】 移行域が、第２のロータ区分（１１）と
    組成の同じ鋼から成る層（２１）であり、該層（２１）
    が第１のロータ区分（１２）とは粉末冶金法によって結
    合されており且つ第２のロータ区分（１１）とは溶接さ
    れている、請求項２記載のロータ。
  4. 【請求項４】 第１のロータ区分（１２）もやはり粉末
    冶金法で製作されている、請求項３記載のロータ。
  5. 【請求項５】 第１のロータ区分（１２）が鍛造されて
    いる、請求項３記載のロータ。
  6. 【請求項６】 移行域が、第１のロータ区分（１２）と
    組成の同じ特に耐クリープ性の材料から成る層（２２）
    であり、該層（２２）が第２のロータ区分（１１）とは
    粉末冶金法によって結合されており且つ第１のロータ区
    分（１２）とは溶接されている、請求項１記載のロー
    タ。
  7. 【請求項７】 移行域が、両ロータ区分と溶接された別
    個の移行部材（１３）によって形成され、該移行部材
    （１３）の組成が場所に関連しており、第１のロータ区
    分（１２）に面した側では第１のロータ区分（１２）の
    組成に等しく、第２のロータ区分（１１）に面した側で
    は第２のロータ区分（１１）の組成に等しい、請求項１
    記載のロータ。
  8. 【請求項８】 移行部材（１３）がリング形或いは孔無
    し又は孔あきディスク形を有している、請求項７記載の
    ロータ。
  9. 【請求項９】 特に耐クリープ性の材料がニッケルベー
    ス合金である、請求項１から８までのいずれか１項記載
    のロータ。
  10. 【請求項１０】 金属粉末と同じ組成から成る移行域
    （１３，２１，２２）を、高温アイソスタティックプレ
    ス（ＨＩＰ）によって製作することを特徴とする、請求
    項１記載のロータの製作法。
  11. 【請求項１１】 移行域が第２のロータ区分（１１）と
    同じ耐クリープ性の小さな材料、特に鋼から成る層（２
    １）であり、該層（２１）と第１のロータ区分（１２）
    とを一緒に粉末冶金法によって製作する、請求項１０記
    載の方法。
  12. 【請求項１２】 移行域が第２のロータ区分（１１）と
    同じ耐クリープ性の小さな材料、特に鋼から成る層（２
    １）であり、該層（２１）を第１のロータ区分（１２）
    に粉末冶金法によって付与する、請求項１０記載の方
    法。
  13. 【請求項１３】 移行域が第１のロータ区分（１２）と
    同じ特に耐クリープ性の材料、特にニッケルベース合金
    から成る層（２２）であり、該層（２２）と第２のロー
    タ区分（１１）とを一緒に粉末冶金法によって製作す
    る、請求項１０記載の方法。
  14. 【請求項１４】 移行域が第１のロータ区分（１２）と
    同じ特に耐クリープ性の材料、特にニッケルベース合金
    から成る層（２２）であり、該層（２２）を第２のロー
    タ区分（１１）に粉末冶金法によって付与する、請求項
    １０記載の方法。
  15. 【請求項１５】 移行域を形成するために、まず最初に
    第１のロータ区分（１２）に面した側の組成が第１のロ
    ータ区分（１２）の組成に等しく、第２のロータ区分
    （１１）に面した側の組成が第２のロータ区分（１１）
    の組成に等しい、場所に関連した組成を有する別個の移
    行部材（１３）を粉末冶金法で製作し、次いで該移行部
    材を両ロータ区分（１１，１２）に溶接する、請求項１
    ０記載の方法。
  16. 【請求項１６】 移行部材（１３）をまず最初に第１の
    ロータ区分（１２）と溶接し、当該移行部材（１３）を
    第２のロータ区分（１１）と溶接する前に所属の溶接シ
    ーム（１５）を特にＸ線を用いて非破壊検査する、請求
    項１２記載の方法。
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