JP2008114289A - シュラウドを備えたｄｓタービンバケット内に優れた粒状組織を可能にするインベストメント鋳造法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】方向性凝固先端シュラウド式タービンブレード又はバケットが、該部品の根元内の結晶粒の量を増加させるのに加えて先端シュラウドを通って延びる連続粒状組織を有するのを可能にするインベストメント鋳造法及び装置を提供する。
【解決手段】インベストメント鋳造法は、ブレードの基部を形成するためのその鋳型空洞の一部分がその底部に位置しかつ前記ブレードの先端を形成するための該鋳型空洞の一部分がその垂直方向上端部に位置するように配向されたブレード鋳型を準備する段階と、前記鋳型の下方で延びるように熱除去機構を設ける段階と、前記鋳型の鋳型空洞内に溶融金属２３２を流し込む段階と、前記ブレードを前記基部から上向きに凝固させるのを可能にする段階と、を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、シュラウドを備えたＤＳタービンバケット内に優れた粒状組織を可能にするインベストメント鋳造法及び装置に関する。

ガスタービンは一般的に、加圧空気を生成する圧縮機セクションを含む。燃料が、加圧空気の一部分と混合され、１つ又はそれ以上の燃焼器内で燃焼され、それによって高温加圧ガスを生成する。高温加圧ガスは、タービンセクション内で膨張して回転シャフト出力を生成する。タービンセクションは一般的に、複数の交互列の固定ベーン（ノズル）及び回転ブレード（バケット）を含む。回転ブレードの各々は、翼形部分と、それによって翼形部分がロータに取付けられる根元部分とを有する。

多くの回転翼形部では、ブレードの半径方向外側端部上に一体形先端シュラウドを用いて、高温ガスがそれを通って流れなければならない通路の外側表面を形成する。翼形部の一部としてシュラウドを有することにより、エンジンの性能の増大が得られる。従って、外側表面全体が先端シュラウドによって覆われることが望ましい。しかしながら、回転翼形部上の一体形シュラウドは、回転速度によって加えられる機械的力のために高い応力を受ける部品である。この高い応力に高い温度環境が組合さることにより、ブレードの残部の全有効寿命にわたって効果的に機能することになるシュラウドを設計することが困難な課題となる。シュラウドの１つの脆弱領域は、翼形部と先端シュラウドとの間のフィレットである。この課題を解決するための１つの可能性のある策は、先端シュラウドフィレットに加わる応力を低減することである。１つの一般的方法は、張り出したシュラウドの一部分をスキャロップにするか又は除去し、従って加わる荷重を減少させることである。しかしながら、先端シュラウド被覆領域を物理的に除去することは、エンジン性能への悪影響をもたらす。
米国特許第６３６７５３８号公報 米国特許第６，２１７，２８６号公報 米国特許第４，３７２，７８９号公報

本発明は、例えば航空機エンジン、ガスタービン及び蒸気タービンなどのタービン用のブレードに関する。より具体的には、本発明は、方向性凝固先端シュラウド式タービンブレード又はバケットが、該部品の根元内の結晶粒の量を増加させるのに加えて先端シュラウドを通って延びる連続粒状組織を有するのを可能にするインベストメント鋳造法に関する。本発明は、陸上タービンバケット又は航空機エンジンタービンブレードに容易に適用することができる。

従って、本発明は、方向性凝固ブレードを形成するインベストメント鋳造法として具現化することができ、本インベストメント鋳造法は、ブレードの基部を形成するためのその鋳型空洞の一部分がその底部に位置しかつブレードの先端を形成するための該鋳型空洞の一部分がその垂直方向上端部に位置するように配向されたブレード鋳型を準備する段階と、鋳型の下方で延びるように熱除去機構を設ける段階と、鋳型の鋳型空洞内に溶融金属を流し込む段階と、ブレードを基部から上向きに凝固させるのを可能にする段階とを含む。

本発明はまた、方向性凝固ブレードを鋳造するためのインベストメント鋳造組立体として具現化することができ、本インベストメント鋳造組立体は、ブレードの基部を形成するためのその鋳型空洞の一部分がその底部に位置しかつブレードの先端を形成するための該鋳型空洞の一部分がその垂直方向上端部に位置するように配向されたブレード鋳型と、鋳型の下方で延びるように配置された熱除去機構と、鋳型の鋳型空洞内に溶融金属を流すための配管システムとを含み、それによって、鋳造ブレードは、基部から上向きに凝固することになる。

本発明のこれらの及びその他の目的及び利点は、添付図面と関連させて行った本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態の以下のより詳細な説明を入念に検討することによって、より完全に理解されかつ認識されるであろう。

図１には、先端シュラウド上を流れるようにブレード先端において流出する冷却通路を備えた一般的なブレードを概略的に示している。図１に概略的に示すように、各タービンブレード１０は、翼形部分１２と根元部分１４とを含む。翼形部分は、前縁と後縁とを有する。ほぼ凹面形の正圧表面及びほぼ凸面形の負圧表面が、翼形部の対向する側面上で前縁と後縁との間で延びる。図示した実施例では、ブレード根元１４は、シャンク１６と、ロータ上の対応するダブテール溝に係合してブレードをロータに固定するダブテール１８とを含む。

図１及び図２に示すように、シュラウド２０は、翼形部１２の先端に形成され、翼形部の外側で延びる。従って、シュラウドは、半径方向内側及び半径方向外側に面した表面を有し、タービンセクションを通って流れる高温加圧ガスに曝される。各シュラウドは、その全体にわたって該シュラウドが隣接するブレードのシュラウドと接触し、それによってブレードの振動を抑制する支持面２２、２４を有する。さらに、１つ又はそれ以上のバッフル２６が一般的に、シュラウドから半径方向外向きに延びて、それぞれのブレード列の周りでの高温ガスの漏れを防止する。幾つかの従来型のバケットブレード構造では、複数の冷却空気通路が、半径方向外向きにブレードを貫通してブレード先端内に延びる。その他の従来型のバケットブレード構造では、翼形部内に蛇行通路が形成される。図２に示すように、半径方向冷却空気通路は、従来通りに空気吐出孔２８で終端し、この空気吐出孔２８は、冷却空気をシュラウドの半径方向外側表面に吐出するのを可能にする。

一方向に凝固した（方向性凝固（ＤＳ））タービンブレード／バケット（図１）は、等軸粒状組織に比べてＤＳ粒状組織が示す優れた機械的特性のために、幾つかの用途では望ましい。一般的に、ＤＳ粒子は、チルプレートに対して垂直でありかつ該チルプレートから離れる方向に平行である所望の方向に成長することになるが、ある程度のみである。ＤＳ粒子は、約９０度の角度すなわちコーナ部では成長しないことになる。その上、例えばプラットフォーム又は先端シュラウドが翼形部と結合する範囲を通して、翼形部に多かれ少なかれ垂直であるこれら表面における粒状組織及び結晶粒成長方向は通常、結局のところ等軸又は同様のようなものになる。従って、先端シュラウドの部分のようなタービンブレード／バケットの領域内の粒状組織は、所望の又は必要な機械的特性を有しないことになる。本発明は、それによって部品の根元内の結晶粒の量を増加させるのに加えて特定のブレード／バケットの翼形部から先端シュラウドまでＤＳ粒状組織を得ることができる処理法を提供する。

ＤＳ及び単結晶（ＳＣ）鋳造法が生産可能になる前は、インベストメント鋳造タービンブレード及びバケットは、等軸粒状組織で鋳造されていた。これらの構成部品の幾何学形状、すなわち根元及びシャンク端部におけるより太い断面と先端端部におけるより薄い断面に向かう先細とのために、溶融金属を鋳型に注入しかつ充填させることができるゲートが、太い端部上に配置されていた。これら構成部品は通常、健全な鋳造品を製造するのに必要な充填及び給湯過程において重力を一部利用するように先端を下にした姿勢で鋳造される。先端を下にした姿勢によって、自然な充填及び給湯を行うことができ、この場合には、金属は、ゲート端部で最も長く溶融したままであり、鋳造品が冷却時に容量的に収縮したときに該鋳造に給湯するように使用可能な状態を保っていた。これら組織は、異なる結晶方向で異なる機械的特性を有する。

ブリッジマン法によって、インベストメント鋳造品を、制御した結晶方位で製造することが可能になり、特定の結晶方位の優れた特性を利用することができるようになった。ＤＳ法においては、結晶粒はチルプレート上で核形成し、その成長は、熱除去の方向及び方法によって制御される。結晶粒は、チルプレートに対して垂直方向に成長する。結晶粒は、角度を成して成長することができるが、一般的にコーナ部の周りでは成長しないことになる、すなわち結晶粒は通常、それらがチルプレートに平行に（或いは、該チルプレートから離れる方向に対して垂直に）なると、成長を中止することになる。結晶粒はまた、成長方向と交差する鋳型の表面（例えば、先端シュラウド又はプラットフォーム）によってその成長が遮断された場合／時に、所望の方向への成長を中止することになる。

従来型のＤＳ鋳造品は先端を下にした姿勢で製造されるので、結晶粒成長は、バケットの先端シュラウドの最外側表面で開始する。結晶粒が翼形部に向かって成長すると、チルプレート（鋳造品の外側にある）から先端シュラウドに入るこれらの結晶粒は、部品（鋳造材料）の翼形部ガス通路表面に遭遇し、更なる成長が中止される。これら結晶粒は、切頭ＤＳ粒子であり、部品をエッチングした時に等軸粒子の外観を有する。これらは、実際には等軸でなくて、ＤＳ粒子の短い部分であり、これら領域の特性は、ＤＳ粒状組織の横方向特性に最もよく匹敵しているようである。

構造全体における結晶粒の数は、結晶粒がそれを通って成長することが可能である最小断面によって制限される。図３を参照すると、タービンバケット又は航空機エンジンブレードの一般的な鋳造法では、結晶粒成長は、先端シュラウド１２０から、翼形部１１２の常に増加する断面を通してのより小さな断面、次にその全体を符号１１４で示すプラットフォーム並びにシャンク及びダブテールのさらに大きな断面を通って進むので、小さな先端シュラウド１２０を通って成長した結晶粒の数は増加せず、また実際には、より大きくかつより速く成長した結晶粒がより小さい成長結晶粒を吸収しまた押しのけるので、減少する可能性がある。従って、存在する限られた数の結晶粒で、部品の増大した断面及びボリュームを充填する必要があり、従って、ダブテールは、先端シュラウドよりも少ない結晶粒を有することになる。翼形部全体にわたっては、ダブテールまで又はダブテール内に延びていない多くの結晶粒が存在することになる。これら結晶粒は、それら結晶粒を隣接する結晶粒に結合する力によってのみ互いに保持される。可能な限り多くの結晶粒をダブテールに保持して、構成部品の強度が、粒界強度ではなく結晶粒の強度であるようにするのが望ましい。

従って、ブリッジマン法を使用する従来技術では、構成部品は、図３に示すように、熱除去機構１３０（これは、例えばチルプレートとすることができる）に取付けられた構成部品の先端シュラウド端部１２０と一直線になる。より具体的には、溶融金属１３２は、注入カップ１３４内に注入され、次に最終的には該溶融金属を部品１１０内に給湯する適当な配管システムを通って流れる。例えばチルプレートのような熱除去機構１３０は、鋳型の下方で水平方向に延びるように配置され、結晶粒核形成の始動装置として設けられる。図示した実施例では、配管システムは、単に中空管である垂直に配向した湯口１３６と、湯口１３６から鋳型まで延びる給湯管１３８とを含む。

図３に示すように、部品鋳型は、先端シュラウド１２０が熱除去機構に隣接して配置され、翼形部１１２が先端シュラウドからシャンク／ダブテール鋳型セクション１１４まで垂直方向に延び、また結晶粒成長がシャンク／ダブテールに向かう方向になるように構成される。これら部品は真空で鋳造され、すなわち存在する空気はなく、換気口の必要性もない。

本発明の目的は、バケット先端シュラウド内に粒状組織を形成することであり、そのようにすることは、従来技術の結果よりも望ましい。例えば、本発明により、バケット結晶粒を先端シュラウドフィレットの周りに成長させて、部品のこの高い応力領域において優れた機械的特性を作り出すことができる。優れた特性が本発明によって得られたとすると、タービンバケットは、より高温において又はより長期間にわたって作動するように設計することができる。先端シュラウドフィレットの実施例では、本発明は、先端シュラウドをスキャロップにする必要性を排除して、優れたエンジン性能を得ることができる。本発明の別の目的は、ダブテール（ここにおいて、部品はタービンホイールに取り付けられる）内の結晶粒の数を増加させることである。従来技術の処理法では、部品を通って先端シュラウド１２０からダブテール１１４まで延びる結晶粒の数は、翼形部１１２と翼形部をプラットフォーム／シャンクに取付ける該翼形部のフットプリントとを通って成長することができる結晶粒の数によって制限される。この小さなフットプリントすなわち窓が、ダブテール内に到達することになる所望の配向及び特性の結晶粒の数を制限していた。

本発明は、根元２１４が下に位置するように部品２１０用の鋳型を配向して、凝固並びに結晶粒開始及び成長が、従来技術に比べて構成部品の反対側端部で開始し、また凝固先端がタブテール２１４から先端シュラウド２２０に向かって移動し、すなわち従来技術の凝固及び結晶粒成長パターンからおよそ１８０度反対になるようになる。従って、図４に示す例示的な実施形態を参照すると、従来型の鋳造法におけるのと同様に、溶融金属２３２が、注入カップ２３４内注入され、その後、配管システムを通って部品２１０内に流れる。例えばチルプレートのような熱除去機構２３０が、結晶粒核形成の始動装置として鋳型の下方で水平方向に延びるように配置される。この図示した例示的な実施形態では、配管システムは、単に中空管である垂直に配向した湯口２３６と、湯口２３６から鋳型まで延びる給湯管２３８とを含む。別の実施形態として、非垂直湯口を通して部品空洞内に合金を導入することができ、また給湯管は別の配置、すなわち熱除去機構２３０付近又は部品鋳型に沿ってより高い位置のいずれかに配置することができる。

図３を参照して上述した従来型の処理法とは対照的に、本発明の実施形態によると、鋳型は、シャンク／ダブテール鋳型セクション２１４が熱除去機構２３０に隣接して配置され、翼形部２１２がシャンク／ダブテールから先端シュラウド２２０まで垂直方向上向きに延び、また結晶粒成長が先端シュラウド２２０に向かう方向になるように構成される。

本発明の処理法によると、熱除去機構２３０とのより大きな接触面積により、多数の適切に配向した結晶粒が開始し、これら結晶粒が次に、部品を通って大きな断面から縮小断面内に成長する。高い応力のダブテール領域２１４においてその優れた特性を備えたより正確に整列したＤＳ粒子を有することが望ましい。ダブテール内で開始しかつ保持されることになる同じ結晶粒が、翼形部２１２の全長を通って延びることになる。貫通して延びる結晶粒の量における増加により、構成部品の応力許容能力の増大が得られることになる。

現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、それどころか、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

先端シュラウドを備えたタービンブレードの概略斜視図。 シュラウドスキャロッピングを示す、従来型の先端シュラウドの概略平面図。 一般的なタービンブレード鋳造装置の概略図。 本発明の例示的な実施形態の処理法によるタービンブレード鋳造装置の概略図。

符号の説明

１０ タービンブレード
１２ 翼形部分
１４ 根元部分
１６ シャンク
１８ ダブテール
２０ シュラウド
２２、２４ 支持面
２６ バッフル
２８ 空気吐出孔
１１０ 部品
１１２ 翼形部
１１４ シャンク及びダブテール
１２０ 先端シュラウド
１３０ チルプレート
１３２ 溶融金属
１３４ 注入カップ
１３６ 湯口
１３８ 給湯管
２１０ 部品
２１２ 翼形部
２１４ シャンク／ダブテール鋳型セクション
２２０ 先端シュラウド
２３０ チルプレート
２３２ 溶融金属
２３４ 注入カップ
２３６ 湯口
２３８ 給湯管

Claims (10)

1. 方向性凝固ブレードを形成するインベストメント鋳造法であって、
   前記ブレードの基部を形成するためのその鋳型空洞の一部分（２１４）がその底部に位置しかつ前記ブレードの先端を形成するための該鋳型空洞の一部分（２２０）がその垂直方向上端部に位置するように配向されたブレード鋳型（２１０）を準備する段階と、
   前記鋳型の下方で延びるように熱除去機構（２３０）を設ける段階と、
   前記鋳型の鋳型空洞内に溶融金属（２３２）を流し込む段階と、
   前記ブレードを前記基部から上向きに凝固させるのを可能にする段階と、
   を含むインベストメント鋳造法。
2. 前記溶融金属が、前記鋳型空洞の底部（２１４）に給湯される、請求項１記載のインベストメント鋳造法。
3. 前記ブレード鋳型（２１０）に隣接して湯口（２３６）を設ける段階と、前記湯口から前記鋳型空洞に溶融金属を流すための給湯管（２３８）を設ける段階とをさらに含む、請求項１記載のインベストメント鋳造法。
4. 前記湯口（２３６）が、実質的に垂直に、前記ブレード鋳型（２１０）に隣接してかつ該ブレード鋳型（２１０）に平行に配向される、請求項３記載のインベストメント鋳造法。
5. 前記鋳型が、タービンバケットを形成するように構成され、前記鋳型空洞の底部が、前記タービンバケットのダブテール／シャンク（２１４）を形成するように構成され、かつ前記鋳型空洞の垂直方向上端部が、前記タービンバケットの先端シュラウド（２２０）を形成するように構成される、請求項１記載のインベストメント鋳造法。
6. 方向性凝固ブレードを鋳造するためのインベストメント鋳造組立体であって、
   前記ブレードの基部を形成するためのその鋳型空洞の一部分（２１４）がその底部に位置しかつ前記ブレードの先端を形成するための該鋳型空洞の一部分（２２０）がその垂直方向上端部に位置するように配向されたブレード鋳型（２１０）と、
   前記鋳型の下方で延びるように配置された熱除去機構（２３０）と、
   前記鋳型の鋳型空洞内に溶融金属（２３２）を流すための配管システム（２３６、２３８）と、を含み、
   それによって、前記鋳造ブレードが、前記基部から上向きに凝固することになる、
   インベストメント鋳造組立体。
7. 前記配管システムが、前記ブレード鋳型に隣接する湯口（２３６）と、前記湯口から前記鋳型空洞に溶融金属を流すための給湯管（２３８）とを含む、請求項６記載のインベストメント鋳造組立体。
8. 前記給湯管が、前記湯口から前記ブレード鋳型の底部（２１４）まで延びる、請求項７記載のインベストメント鋳造組立体。
9. 前記湯口の垂直方向上端部に溶融金属（２３２）を受けるための注入カップ（２３４）をさらに含む、請求項７記載のインベストメント鋳造組立体。
10. 前記鋳型が、タービンバケットを形成するように構成され、前記鋳型空洞の底部が、前記タービンバケットのダブテール／シャンク（２１４）を形成するように構成され、かつ前記鋳型空洞の垂直方向上端部が、前記タービンバケットの先端シュラウド（２２０）を形成するように構成される、請求項６記載のインベストメント鋳造組立体。

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