JP2002515338A - 金属中空体の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの空洞（３，５，１７）とこの空洞を包囲する壁（２３）とを備えた中空体（１）を、この空洞を形成するために少なくとも１つの中子（３３，３５，４７）を有する外型を使用して製造する装置において、外型は少なくとも２つの型部分（２９Ａ，２９Ｂ）に分割可能に形成され、中子（３３，３５，４７）が壁（２３）内に冷却空気開口（２５）を形成するための少なくとも１つの結合要素（５３）を介して外型の型部分（２９Ａ，２９Ｂ）に結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、少なくとも１つの空洞を備えた金属中空体、特に、１つの冷却空
気通路と、複数の冷却空気開口とを備えたタービン翼の製造方法並びに装置に関
する。

【０００２】 空洞を有する金属中空体を製造するために色々な方法が知られているが、その
中でも注型法が特に重要視されている。注型法は精密な仕上げ寸法の構造部品の
製造を可能とし、その際構造部品の実質的な形状形成は１つの工程で、即ち注型
で行われ、必要に応じてただ精密加工のための処理工程を必要とするに過ぎない
。このような注型法は従ってタービン翼、特にガスタービンのタービン翼の製造
に特に適している。運転時、永続的に高温に耐えることができるように、タービ
ン翼は例えば金属中空体であり、その空洞が冷却空気を流される冷却空気通路と
して形成される。いわゆる膜冷却方式のタービン翼はその外表面に冷却空気通路
に連通している付加的な冷却空気開口を備え、タービン翼の外表面に冷却空気の
膜を冷却のために形成する。

【０００３】 ドイツ特許第３８２３２８７号公報には、空洞を形成するための中子をワック
ス製外被で包囲する注型法が提示されている。このワックス製外被の厚さは注型
される構造部品の壁の壁厚に一致する。このワックス製外被には、内端が中子に
接触するピンが挿入され、他方このピンの外端はワックス製外被から突出してい
る。このピンを備えたワックス製外被は次にセラミック流動体に浸され、これに
包囲され、次いで加熱される。それにより、セラミック流動体が硬化し、セラミ
ックス製外型が形成される。この加熱中にワックス製外被は溶解し、その際ピン
により保持されていた中子がその位置に固定されたまま残る。硬化したセラミッ
ク流動体は多くの場合同様にセラミックス製中子と共に鋳型を形成し、次にこれ
に溶融金属が注入される。ピンの材料、例えば白金は溶融金属によって溶解し、
この中に拡散する。ピンの材料はその場合殆ど局所的な有害な合金を形成しない
ように選ばれている。金属構造部品の硬化中に、例えばセラミックス製外型に突
入しているピンでの熱損失によって発生する欠陥を回避するために、ピンには熱
保持キャップが設けられ、これによりこのピンでの急速な熱損失を回避している
。膜冷却方式のタービン翼を製造するために、次いで、空洞に通じている冷却空
気開口が外壁に孔明けされる。

【０００４】 この方法の欠点は、ピン端部が出来上がった構造部品の表面から突出する程ピ
ンが外型に入っているので、構造部品の後処理をする必要があるということにあ
る。さらに、ピンは、中子をその位置に固定するために、任意の幅に選べない。
さもないと、局所的に望ましくない合金が生ずるからである。その上、コストの
点からも白金からなる任意の数のピンを中子の固定のために使用することはでき
ない。

【０００５】 出来上がった構造部品の後処理を回避するために、ドイツ特許出願公開第３３
１２８６７号公報には、空洞を形成する中子を、注型される構造部品の表面から
突出しない外径寸法の支持体によって取り囲む方法が提示されている。この中子
はその支持体と共に、次いでワックス製外被によって包囲され、セラミック流動
体に浸される。この中子の支持体はその場合注型された合金に溶解し、構造部品
の特性に不利に影響しない材料からなる。この場合も、付加的な処理工程で冷却
空気開口をタービン翼の壁に孔明けせねばならないという欠点がある。

【０００６】 この２つの方法は、さらに、ワックス製外被を除去する際にピンもしくは支持
体と中子との熱膨張特性が異なることにより、その後に作られる外壁に関して中
子のずれが生じて、壁厚が変動するという欠点を持っている。

【０００７】 この発明の課題は、金属中空体の製造方法を提示することにある。さらに、こ
の発明の課題は、金属中空体、特にガスタービンのタービン翼の製造装置を提示
することにある。

【０００８】 装置に関する課題は、この発明によれば、少なくとも１つの空洞とこの空洞を
包囲する壁とを備えた金属中空体を製造するために、この空洞を形成するための
少なくとも１つの中子を有する外型を備えた金属中空体の製造装置において、外
型が少なくとも２つの型部分に分割可能に形成され、中子が壁に空洞への貫通孔
を形成するために利用される少なくとも１つの結合要素を介して外型の１つの型
部分に結合される金属中空体の製造装置によって解決される。

【０００９】 この発明は、ワックスで被覆された中子を使用して形成された鋳型は注型され
る構造部品の望ましい壁厚に関して既にワックスから解放された空洞のずれを有
しているという認識から出発している。中子の位置がその所望の位置からずれて
いることは、特に、セラミックス製中子、金属製ピンもしくは支持体及び外被を
形成するワックスの熱膨張が異なることから生ずる。鋳型によって形成された空
洞に溶融金属を注入し、次いでこの金属を硬化する際にさらにずれを生じること
がある。その場合、鋳型の中子及びピンもしくは支持体に加わる異なる熱作用に
より異なる熱膨張が生じ、これにより、好ましくない状態では中子の捩じれ、従
って付加的な、局所的な壁厚のずれが生じる。

【００１０】 この発明は、鋳型を、失われるワックス製外被を使用することなく形成し、中
子を鋳型の残りの部分により良く固定することができ、その結果望ましくない壁
厚の変化を生じる中子の、残りの鋳型に対する相対運動は起こり得ないという考
え方から出ている。

【００１１】 このことは、この発明によれば、金属中空体用として分割可能な鋳型を形成す
る装置によって解決される。この分割可能な鋳型は数個の型部分に分割可能な外
型と結合要素を備えた少なくとも１つの中子とを有している。この外型は、主と
して注型される中空体の外表面のネガであり、一方中子は空洞を形成するために
使われる。この中子は少なくとも１つの結合要素を介して外型の少なくとも１つ
の型部分に固定結合される。この結合要素は中子をその位置に関して外型に固定
し、注型される構造部品の壁を貫通する貫通孔を形成する。各結合要素は、その
ために、その寸法及びその位置が注型される構造部品の壁を通して中子によって
形成される空洞へ通じる貫通孔の寸法及び位置に一致するように形成されている
。結合要素の数は特に注型される構造部品に設けられる貫通孔の数に一致する。
外型に相対的に中子の位置を固定するために、結合要素は中子の表面から外型に
まで達し、後に注型する際に注型材料が結合要素と外型もしくは中子との間に達
しないように、型部分に接触している。これにより、中子と外型とが、注型され
る構造部品の壁厚に一致するある定まった相互間隔を持つという利点が得られる
。注型される構造部品用の鋳型は、互いに結合されて外型を構成する複数の型部
分と、中子と、この中子を結合する結合要素とからなる。鋳型はワックス製外被
なしで製作されるので、ワックス製外被が溶解する際に中子、外型及び／又は結
合要素の異なる熱膨張により中子が外型に対する望ましくない位置変化を起こす
ことはない。

【００１２】 特に中子は少なくとも１つの結合要素を介して外型の１つの型部分に固定結合
するのが有利である。これにより、中子が鋳型に液状金属を注入する際にその外
型に対する位置を変えることがないという利点が生ずる。

【００１３】 特に、１つの中子がきっちり１つの型部分に結合されるのがよい。これにより
、出来上がった鋳型が少なくとも２つの個々のコンポーネントから構成可能とな
る。その場合各コンポーネントは、場合によっては１つの中子にそれに付設され
た結合要素を介して固定されているきっちり１つの型部分からなる。中子と型部
分との固定結合のために使用された結合要素の他に、中子にはさらに貫通孔を形
成するための別の結合要素を付設することができる。

【００１４】 構造部品を注型する際に鋳型の高温、これに伴う大きな熱負荷に耐えることが
できるように、外型はセラミックス材料からなるのがよい。同様に中子もセラミ
ックス材料から作られるのがよい。

【００１５】 特に複雑に形成された空洞（例えば、１つ或いは複数の狭隘部を持つ空洞）を
持った中空体の場合、複数の中子をこの空洞を形成するために使用するのがよい
。これにより各個々の中子の形状配置を比較的簡単に構成することができ、これ
により鋳型をコスト的に有利に製作することができる。

【００１６】 空洞が例えばタービン翼に冷却空気を供給するための供給通路として設けられ
る場合、この供給通路を形成する中子はこのタービン翼の主伸長方向に沿って延
び、この主伸長方向に垂直にほぼ台形状或いは三角形状の断面を持つのがよい。
これにより、２つの異なる供給通路を形成し、２つの異なる型部分に固定される
２つの中子が歯形のように互いに噛み合って、型部分を組み合わせて鋳型に構成
することが妨げられないという利点が生ずる。

【００１７】 空洞が冷却ポケット、例えばタービン翼の冷却ポケットを形成する場合、この
冷却ポケットを形成する中子はほぼ板状に形成するのがよい。冷却ポケットに冷
却空気を供給する供給通路を形成するための中子は、その場合、この板状の中子
を介して外型に結合される。

【００１８】 注型される構造部品が複数の空洞を持っている場合、複数の中子を異なる空洞
を形成するために使用するのがよい。鋳型の安定性をさらに向上させ、異なる空
洞を形成するための中子が互いに相対的にずれるのを回避するために、このよう
な中子は少なくとも１つの結合要素、特に間隔片を介して、互いに間隔が保持さ
れる。

【００１９】 前述の装置は、少なくとも１つの空洞とこの空洞を取り囲む壁とを備えた金属
中空体、特にガスタービンのタービン翼を製造するために使用され、その際空洞
はタービン翼の冷却通路として形成され、この冷却通路のための複数の冷却空気
開口が設けられ、この各冷却空気開口は貫通孔によって形成されている。この装
置を使用することにより、注型により出来上がったタービン翼はある定まった壁
厚を備え、それ故タービン翼を冷却するために必要な冷却空気の量をタービン翼
の最大許容表面温度に合わせることができるという利点が生ずる。全体として冷
却空気必要量は極めて少なくなり、これはガスタービンの高い効率を生じる。さ
らに、タービン翼は鋳型を除去した後に後処理する必要がないことにより、さら
に別の利点も生ずる。特に、冷却空気開口の孔明けはする必要はなく、或いはま
た鋳型の中子を従来の技術に従って金属製ピンでその位置に固定した場合、外表
面から突出したピンを除去することも必要ない。さらに、鋳型を製作するために
貴金属（例えば、白金）製ピンは必要としないから、これにより一方では製造コ
ストが下がり、他方では局所的な合金形成の危険が回避される。

【００２０】 方法に関する課題は、この発明によれば、少なくとも１つの空洞とこの空洞を
包囲し貫通孔を持つ壁とを備えた金属中空体を製造するために、この空洞を形成
するための１つの中子を少なくとも１つの結合要素を介して少なくとも２つの型
部分に分割可能に形成された外型の１つの型部分に結合し、次いでこの型部分を
組み合わせて外型を構成し、この外型、結合要素及び中子からなる鋳型に金属を
注入し、最後にこの鋳型を除去する方法により解決される。

【００２１】 中空体の鋳型はこのように部分ごとに構成される。鋳型の各コンポーネントは
、その場合、外型の少なくとも１つの型部分と、必要に応じて１つ又は複数の中
子と、コンポーネントを外型に固定する結合要素とからなる。各コンポーネント
もまた、小さい単位から構成される構造部品である。このようにして、複雑に形
成された中空体のための鋳型を比較的簡単な配置を持つ複数の小さい要素から部
分ごとに組み合わせて構成することが可能である。これにより、予め製作された
或いは部分的に予め製作された要素（例えば結合要素、中子）の多数を鋳型のコ
ンポーネントを構成するために使用することができ、これにより構造上の経費、
従って製作コストを削減することができるという利点がある。予め製作されたコ
ンポーネントの外型は次いで中空体の鋳型に合わせて互いに固定結合される。次
に、出来上がった鋳型は公知の方法で液状金属を注入され、金属の硬化後除去さ
れる。

【００２２】 図面に示された実施例を参照してこの発明による中空体の製造装置及び方法を
詳しく説明する。なお、各図において同一の機能を持つ部分は同一の符号で示さ
れている。

【００２３】 図１において、中空体１としてタービン翼板範囲２を備えたガスタービンのタ
ービン翼を側面図で示す。タービン翼１は、図２においてタービン翼板範囲２を
図１のＩ−Ｉ線による切断面で示すように、多数の空洞３、５、７、９、１１、
１３、１５、１７、１９、２１を持っており、これらは壁２３により包囲されて
いる。空洞３、５、７、９、１１、１３、１５、１７、１９、２１は冷却通路３
、５、９、１５、１９、２１並びに冷却空気を与えられる冷却空気ポケット７、
１１、１３、１７を形成している。タービン翼１の壁２３は多数の貫通孔２５（
冷却空気開口２５とも呼ばれる）を備え、これらは冷却空気ポケット７、１１、
１３、１７並びに冷却通路３に通じている。これらの冷却空気開口２５を通して
冷却空気はタービン翼１内の冷却通路から壁２３の外表面２４に漏出し、そこに
冷却空気膜を形成することができる。

【００２４】 図３はタービン翼１の製造装置を示す。この装置は、２つの型部分２９Ａ、２
９Ｂに分割された外型２９を有するセラミックス製鋳型２７からなる。さらに、
鋳型２７は、空洞３、５、９、１５、１９、２１を形成するための多数のセラミ
ックス製中子３３、３５、３７、３９、４１、４３、４５、４７、４９、５１を
有している。中子３３、３７、４１はセラミックス製結合要素５３を介して型部
分２９Ａに、中子４３、４７、５１は同様に型部分２９Ｂに結合されている。中
子３５、３９は同様にそれぞれ結合要素５３（間隔片）を介して隣接した中子３
３、３７及び３７、４１に結合され、他方残りの中子４５、４９はそれぞれ１つ
の中子４３もしくは４７に結合要素５３を介して結合されている。

【００２５】 それぞれ異なる中子３３〜５１はそれにより形成される空洞の目的に応じて異
なる形に形成されている。冷却空気ポケット７、１１、１３、１７は例えば板状
の中子３７、４１、４３、４７により形成される。この板状の中子は孔６７（図
５を参照）を備えており、これは冷却ポケット７、１１、１３、１７の図示され
ていないステーを形成するために使われる。これらのステーは壁２３の範囲にお
けるタービン翼１の機械的安定性を補強する。板状の中子３７、４１、４３、４
７には結合要素５３が固定され、これはまた型部分２９Ａもしくは２９Ｂの１つ
に接着されている。セラミックス製結合要素５３はその寸法及びその位置がこれ
らにより形成されるタービン翼１の冷却空気開口２５に一致し、従って特に円筒
状の断面を持っている。

【００２６】 図４には型部分２９Ａ、２９Ｂ並びに中子３３、３５、３７、３９、４１、４
３、４５、４７、４９、５１及び結合要素５３から構成された鋳型２７の断面が
示されている。型部分２９Ａ、２９Ｂはここでは互いに固く結合されている。鋳
型２７の中心範囲に中子３５、３９、４５、４９が歯形のように互いに噛み合い
、かくして型部分２９Ａ、２９Ｂの容易な組み合わせを可能にしている。各中子
が両型部分２９Ａ、２９Ｂの１つに固定結合されていることによって、隣接した
中子に対する各中子の位置及び型部分２９Ａ、２９Ｂにより形成された外型に対
する各中子の位置が一義的に決められている。

【００２７】 図５は図３の一部を斜視図で示す。この場合、中子３７、３５は、分かりやす
くするために、それぞれまだ型部分２９Ａ及び中子３７に結合されていない。板
状の中子３７は、冷却空気通路５から冷却空気を供給される冷却ポケット７を形
成するために使われる。この冷却空気通路５を形成するための中子３５はその主
伸長方向５５に沿って延びている。中子３５の主伸長方向５５に対して垂直な断
面５７はほぼ三角形をしている。結合要素５３は一方では冷却空気開口２５もし
くは中子３５の後にできる冷却通路から中子３７の後にできる冷却ポケットへの
接続部を形成し、他方では中子３７、３５の間もしくは中子３７及び型部分２９
Ａの間の固定間隔を維持している。

【００２８】 タービン翼１の鋳型２７は複数の工程で構成される。結合要素５３は円筒状断
面を持っているから、これらは棒状の原材料から必要な長さに切断され、冷却空
気開口２５の位置で中子３３、３７、４１、４３、４９に例えば接着により結合
される。次に、結合要素５３を接着した板状の中子３７、４１もしくは４３、４
７並びに中子３３もしくは５１が結合要素５３を介して固く型部分２９Ａもしく
は２９Ｂに接着される。次いで、冷却空気通路を冷却空気ポケット７、１１、１
３、１７に冷却空気を供給するために形成する中子３５、３９、４５、４９がそ
れらに対応する中子３７、４１、４３、４７に結合要素５３（間隔片）を介して
結合される。型部分２９Ａ、２９Ｂはそれから鋳型２７に纏められ、互いに固く
結合される。タービン翼１を形成するために鋳型２７には液状金属が注入される
。この金属が硬化した後鋳型２７は例えばアルカリ液で洗い流され、完成された
タービン翼１が出来上がる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 中空体の側面図。

【図２】 図１の中空体をＩ−Ｉ線に沿って切断した断面図。

【図３】 図１の中空体のための鋳型を外型の型部分に分割した状態の図。

【図４】 外型の型部分を組み合わせて構成した図１の中空体のための鋳型。

【図５】 図３の一部の斜視図。

【符号の説明】

１ 中空体（タービン翼） ２ タービン翼板 ３，５，７，９ 空洞 １１，１３，１５ 空洞 １７，１９，２１ 空洞 ２３ 壁 ２４ 外表面 ２５ 貫通孔（冷却空気開口） ２７ 鋳型 ２９Ａ，２９Ｂ 型部分 ３３，３５，３７，３９，４１ 中子 ４３，４５，４７，５１， 中子 ５３ 結合要素 ５５ 主伸長方向 ６７ 孔

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１つの空洞（３、５、１７）とこの空洞を包囲する
   壁とを備えた金属中空体（１）を製造するために、この空洞を形成するための少
   なくとも１つの中子（３３、３５、４７）を有する外型を備えた金属中空体の製
   造装置において、外型が少なくとも２つの型部分（２９Ａ、２９Ｂ）に分割可能
   に形成され、中子（３３、３５、４７）が壁（２３）に空洞（３、５、１７）へ
   の貫通孔（２５）を形成するために利用される少なくとも１つの結合要素（５３
   ）を介して外型の１つの型部分（２９Ａ、２９Ｂ）に結合されていることを特徴
   とする金属中空体の製造装置。
2. 【請求項２】中子（３３）が少なくとも１つの結合要素（５３）を介して外
   型の型部分（２９Ａ、２９Ｂ）に固定結合されていることを特徴とする請求項１
   記載の装置。
3. 【請求項３】外型がセラミックス材料からなることを特徴とする請求項１又
   は２記載の装置。
4. 【請求項４】中子（３３、３５、４７）がセラミックス材料からなることを
   特徴とする請求項１又は２記載の装置。
5. 【請求項５】中子（３３、３５、４７）がきっかり１つの型部分（２９Ａ、
   ２９Ｂ）に結合されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置
   。
6. 【請求項６】複数の中子（３３、３５、４７）が空洞を形成するために利用
   されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の装置。
7. 【請求項７】結合要素（５３）が円筒状に形成されていることを特徴とする
   請求項１乃至６の１つに記載の装置。
8. 【請求項８】複数の中子（３３、３５、４７）が少なくとも２つの空洞を形
   成するために設けられていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の装
   置。
9. 【請求項９】異なる空洞を形成するための少なくとも２つの中子（３３、３
   ５、４７、５１）が結合要素（５３）を介して結合され、互いに間隔をおいて配
   置されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の装置。
10. 【請求項１０】冷却空気の供給通路（３、５、１５）を形成するための中子
    （３３、３５、４５）が主伸長方向（５５）に沿って延び、この主伸長方向（５
    ５）に対して垂直なほぼ台形状或いは三角形状の断面（５７）を備えていること
    を特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の装置。
11. 【請求項１１】冷却ポケット（７、１１、１３、１７）を形成するためのほ
    ぼ板状に形成された中子（３７、４１、４３、４７）が一方で外型に、他方で冷
    却ポケット（７、１１、１３、１７）に冷却空気を供給する供給通路（５、９、
    １５）を形成するための中子（３５、３９、４５）に結合されていることを特徴
    とする請求項１乃至１０の１つに記載の装置。
12. 【請求項１２】結合要素（５３）が中子（３３、３５、４７）及び／又は外
    型とは別の材料からなることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の装置
    。
13. 【請求項１３】少なくとも１つの空洞（３、５、１７）とこの空洞を包囲す
    る壁（２３）とを備えた金属中空体（１）を製造するために、この空洞（３、５
    、１７）を形成するための少なくとも１つの中子（３３、３５、４７）を有する
    外型を備え、この外型が少なくとも２つの型部分（２９Ａ、２９Ｂ）に分割可能
    に形成され、中子（３３、３５、４７）が壁（２３）に空洞（３、５、１７）へ
    の貫通孔（２５）を形成するために利用される少なくとも１つの結合要素（５３
    ）を介して外型の１つの型部分（２９Ａ、２９Ｂ）に結合されている製造装置が
    、空洞（３、５、１７）が冷却通路として形成されこの冷却通路のために複数の
    冷却空気開口が設けられこの各冷却開口が壁（２３）を貫通する貫通孔（２５）
    によって形成されているガスタービンのタービン翼（１）を製造するために使用
    される金属中空体の製造装置。
14. 【請求項１４】少なくとも１つの空洞（３、５、１７）とこの空洞を包囲し
    貫通孔（２５）を有する壁（２３）とを備えた金属中空体（１）を、鋳型（２７
    ）に金属を注入して製造する方法において、 ａ）空洞（３、５、１７）を形成するための中子（３３、３５、４７）を少な
    くとも１つの結合要素（５３）を介して少なくとも２つの型部分（２９Ａ、２９
    Ｂ）に分割された外型の１つの型部分（２９Ａ、２９Ｂ）に結合し、 ｂ）この型部分（２９Ａ、２９Ｂ）を合せて外型を構成し、 ｃ）この外型、結合要素（５３）及び中子（３３、３５、４７）からなる鋳型
    （２７）に金属を注入し、 ｄ）この鋳型（２７）を除去する ことを特徴とする金属中空体の製造方法。