JP2010115708A - 多数翼セグメント及び鋳造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ろう型法によって鋳造する場合の鋳造欠陥を低減する。
【解決手段】プラットフォーム２と、プラットフォーム２から半径方向に延びた少なくとも３つの翼１０とが設けられており、該翼が、組み合わされた翼体積と、翼弦長１５と、翼厚１６とを有しており、プラットフォーム２から半径方向に間隔を置いて、翼１０の端部に配置されたシュラウド２０が設けられており、シュラウドが、シュラウド体積を有しており、シュラウド体積と、組み合わされた翼体積との比が、第１の比を規定しており、１．４：１以上の第１の比を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の翼及びシュラウドを含む工業用ガスタービン多数翼セグメントの鋳造に関する。

本明細書において、多数翼セグメントのシュラウドは、設置された場合に、工業用ガスタービンの長手方向軸線に関する多数翼セグメントの遠位端部を意味し、多数翼セグメントは、１つの一体に形成されたシュラウドと、シュラウドから同じ方向に延びた複数の翼とを含むと定義される。

ガスタービンは、翼をステータに固定するための固定手段を備えたシュラウドによって、鋳造ステータに結合された周方向に分配された一連の翼を有する。翼の各シュラウドは、隣接する翼のシュラウドに対して適切に封止される。封止は、アセンブリを著しく複雑にし、ガスタービンの全体的な効率を最適化するために翼設計において考慮されなければならない。したがって、封止長さを減じることが好ましい。これは、例えば、減じられた翼弦長を備える翼を設計することによって、ひいては、シュラウドの寸法を小さくし、ひいてはより小さい封止面積及びより短い封止長さを生じることによって、達せられることができる。しかしながら、空気力学的性能を改善するため以外の理由で翼寸法を変更することは、翼効率の全体的な損失を生じるおそれがある。

択一的に、翼は、各セグメントが共通のプラットフォームとシュラウドを有し、これらの間に２つ又は３つ以上の翼が形成されるように、多数翼セグメントとして製造されてよい。この形式では、翼ごとの全体的な封止長さが、与えられた設計に対して減じられ、設計技師が、翼の空気力学的性能を考慮するためのより大きな自由度を有する。

多数翼セグメントの例が米国特許出願公開第２００７／０１２２２６６号明細書に開示されており、この明細書は、翼が個々に共通のプラットフォームに封止されている多数翼配列を開示している。米国特許第６４３５８１３号明細書及び米国特許第７３７７７４３号明細書は、セグメントが一体に鋳造されてよい、別の多数翼配列を開示している。

鋳造は、例えば多数翼セグメント鋳造の形式を取ることによって、より大きくかつより複雑になるので、収縮の問題が増大し、鋳造プロセスパラメータを制御することがより困難になる。この公知の問題は、より高い不良率を生じる。その結果、小さな航空エンジン多数翼のために経済的に鋳造されることができる複雑な多数翼セグメント設計は、より大きな工業用ガスタービン多数翼セグメントとして鋳造する場合、許容できない高い不良率を生じる。

米国特許出願公開第２００７／０１２２２６６号明細書 米国特許第６４３５８１３号明細書 米国特許第７３７７７４３号明細書

本発明の課題は、より大きな工業用ガスタービンのための多数翼セグメントと、ろう型法によって鋳造する場合の鋳造欠陥を低減する、多数翼セグメントの鋳造方法とを提供することである。

この課題は、独立請求項の主題によって解決される。有利な実施形態は従属請求項に示されている。

本発明は、複雑な温度冷却制御を必要とすることなく、固化中に形成される鋳造における内部応力を最小限に抑制することによって、注入した後にシュラウド上への翼の好適な固化を促進する所定のシュラウド体積対翼体積を備える多数羽根セグメントを鋳造するという概念に基づく。

１つの態様は、ろう型法を用いて一体に鋳造されることができる工業用ガスタービン多数翼セグメントを提供し、この多数翼セグメントに、プラットフォームと、プラットフォームから半径方向に延びた少なくとも３つの翼とが設けられており、この翼が、組み合わされた翼体積と、翼弦長と、翼厚とを有しており、プラットフォームから半径方向に離れた翼の端部に配置されたシュラウドが設けられており、このシュラウドが、シュラウド体積を有しており、シュラウド体積と、組み合わされた翼体積との比が、第１の比を規定している。セグメントは、１．４：１以上の第１の比を有することを特徴とする。別の態様において、第１の比はさらに２：１未満に制限されている。この比の制限は、翼の固化を促進し、６５ｋｇの鋳造重量を有する３枚翼多数翼セグメントのための改善された鋳造品質を生じることが分かった。しかしながら、この比は、５５ｋｇ以上の重量を有するその他のろう型多数翼セグメント鋳造にも適用可能であると予想することは合理的である。

工業用ガスタービン多数翼セグメントを規定された第１の比に鋳造することは、別の態様において、多数翼セグメントを７：１以上の別の第２の比に鋳造することを可能にし、この場合、第２の比は、翼弦長と翼厚との比として定義される。このように、減じられたシュラウド封止長さによって経済的に鋳造可能に形成された、空気力学的に効率的な設計が提供される。

別の態様は、一体に鋳造するのに適した５５ｋｇよりも重い工業用ガスタービン多数翼セグメントを鋳造するための方法を提供し、多数翼セグメントに、プラットフォームと、プラットフォームから半径方向に延びた少なくとも３つの翼とが設けられており、これらの翼は、組み合わされた翼体積と、翼弦長と、翼厚とを有しており、シュラウドが設けられており、このシュラウドが、タービンの長手方向軸線に関する翼の半径方向遠位端部に配置されておりかつ、シュラウド体積を有している。多数翼セグメントは、さらに、シュラウド体積と、組み合わされた翼体積との比によって規定された第１の比と、翼弦長と、翼厚との比によって規定された第２の比とを有している。方法は、１．４：１以上の第１の比と７：１以上の第２の比とを備える多数翼セグメントをろう型法によって鋳造することを特徴とする。

本発明のその他の利点は、添付の図面に関連した以下の説明から明らかになるであろう。その説明においては、例として、発明の典型的な実施形態が開示されている。

例えば、発明の実施形態は、添付の図面に関連した以下により詳細に説明される。

ろう型鋳造法のフローチャートである。 本発明による寸法を備えた、図１の方法によって製造された工業用ガスタービンの多数翼セグメントを示す斜視図である。 工業用ガスタービン多数翼セグメントの、図２におけるＩＩ−ＩＩ線に沿って見た断面図である。

ここで本発明の好適な実施形態を図面に関連して説明する。図面において、同じ参照符号は、全体を通じて同じエレメントを表すために使用されている。以下の既述では、説明のために、本発明の十分な理解を提供するために、特定の具体的な数値が示されている。しかしながら、発明は、このような特定の具体的数値を用いずに実施されてもよい。

図１は、典型的なろう型鋳造法又はインベストメント鋳造法の工程を示している。第１に、多数翼セグメント１のろう型が、プラスチック、セラミック又はろうを射出することによって形成され、クラスターが組み立てられる。次いで、シェルモールドがろう型から製造される。次いで、シェルモールドは、例えば加圧された蒸気加圧釜において加熱することによって脱ろうされ、その後、シェルモールドは、プレキャスト製造及び予熱が行われる。次いで、鋳造物が注がれ、冷却及び固化させられる。固化の後、シェルは除去され、鋳造物は洗浄される。最後に、熱処理及びその他の仕上げ工程が行われ、その後検査及び品質許容が行われ、工程を完了させる。

図２は、図１のろう型法によって鋳造された工業用ガスタービン多数翼セグメント１を示している。多数翼セグメント１はプラットフォーム２を有しており、このプラットフォーム２は、プラットフォーム２から半径方向に延びた少なくとも３つの翼１０を有している。多数翼セグメントは、シュラウド２０を有しており、このシュラウド２０は、プラットフォーム２に対して翼１０の半径方向反対側の端部に配置されており、この端部は、タービンに取り付けられた場合、タービンの長手方向軸線ＬＡに関する多数翼セグメント１の遠位端部でもある。典型的な実施形態は３つの翼１０のみを示しているが、多数翼セグメント１は４つ以上の翼１０を有することができ、この場合、翼１０の数は、鋳造工場の製造能力、技術的及びプラント能力によって部分的に制限される。

シュラウド２０の体積と、組み合わされた翼体積、すなわち、多数翼セグメント１の全ての３つの翼１０によって押し退けられた組み合わされた体積、とによって規定された体積比の選択により、注入後にシュラウド２０が固化する前の翼１０の固化が促進される。この手段によって、固化の時に翼１０が収縮しながら液体金属がシュラウドから鋳造シェルの翼部分１０内へ引き込まれることができるので、鋳造欠陥を低減し、かつ／又は鋳造物における内部応力を最小限にすることが可能である。より大きくより複雑な鋳造物の個々の部分の固化温度を制御することはより困難であるので、これは、工業用ガスタービンタイプのより大きな多数翼セグメント１にとって特に有利である。したがって、これらの手段は、ほとんど多数翼セグメントが空気力学的要因のみに基づいて設計されていた場合よりも、鋳造不良率を低減させる。

好適な体積比範囲は、多数翼セグメント１における翼１０の数と、鋳造物の全体寸法又は重量とを含む多数の要因に依存することが分かっている。多数翼セグメント１が、少なくとも３つの翼１０を有しておりかつ、６５ｋｇを超える重量又は少なくとも５５ｋｇを超える重量を有する場合、好適には１．４：１以上の体積比が、シュラウド２０が固化する前に翼１０の固化を好適に保証する。シュラウド重量が増大すると、翼１０に対する運転荷重が増大するので、運転荷重と鋳造性能とを釣り合わせるために、体積比を２：１未満に制限することが好ましい。

例えば多数翼セグメント１における翼１０の数を減じることによって、又は択一的に鋳造物の重量を減じることによって、多数翼セグメント１の複雑さが低減される場合、収縮の効果が低減されるので、より広い範囲の体積比が依然として十分な鋳造品質を提供する。

図３は、典型的な多数翼セグメント１の断面図を示しており、翼弦長１５と、翼厚１６とを示している。

翼弦長１５は、前縁１１と後縁１２との間の距離に等しい長さである。三次元の翼の翼弦長１５は、翼１０の半径方向高さに沿って変化してよい。これを説明するために、この明細書では、翼弦長１５は、翼１０の半径方向高さ１７に沿った弦長１５の平均を意味すると解釈されるべきである。

同様に、与えられた半径方向高さ１７において規定された翼厚１６は、翼１０の圧力面１４と負圧面１３との間の最大垂直長さ（厚さ）である。翼厚１６は翼１０の半径方向高さ１７に沿って変化することができるので、本明細書を通じて用語に一貫した意味を与えるため、翼厚１６は、多数翼セグメント１の翼１０の半径方向高さ１７に沿った翼厚１６の平均を意味すると解釈されるべきである。

翼１０の空気力学的特性は、翼厚１６を減じる一方で翼弦長１５を増大することによって改善されるが、翼弦長１５の増大はより大きなシュラウド２０を必要とし、ひいては増大した封止長さを必要とする。さらに、翼厚１６が減じられると、翼１０の剛性が減じられる。少なくとも３つの翼１０を備える多数翼セグメント１０を鋳造することにより、全体的な封止長さが減じられ、これにより、プラットフォーム寸法の経済的な増大が達成されることができ、このこと自体は、翼弦長１５を増大する機会を提供する。

翼セグメントが、さらに、翼１０の半径方向遠位端部に配置された共通のシュラウド２０を有する多数翼セグメント１として構成されている場合、翼１０の有効剛性が増大させられ、より薄い翼１０設計を可能にする。

本発明の典型的な実施形態の明示された体積比を備える、多数翼セグメント１として工業用ガスタービン翼を鋳造することにより、５５ｋｇより重い、又は少なくとも６５ｋｇより重い、７：１以上の翼弦長１５と翼厚１６との長さの比を備える多数翼セグメント１を経済的に鋳造することが可能であり、改善された空気力学的特性を備える多数翼セグメント１を提供する。

本発明は最も実用的かつ好適な実施形態であると考えられるものに関して図示及び説明されているが、ここに説明された詳細に限定されるべきではない、あらゆる及び全ての均等な装置を含むために添付の請求の範囲の完全な範囲に一致させられる発明の範囲内で、逸脱が行われることができることが認識される。

２ プラットフォーム、 １０ 翼、 １１ 前縁、 １２ 後縁、 １３ 負圧面、 １４ 圧力面、 １５ 翼弦長、 １６ 翼厚、 １７ 半径方向高さ、 ２０ シュラウド

Claims (7)

1. ろう型法を用いて一体に鋳造されることができる工業用ガスタービンの多数翼セグメント（１）において、
   プラットフォーム（２）と、
   該プラットフォーム（２）から半径方向に延びた少なくとも３つの翼（１０）とが設けられており、該翼が、組み合わされた翼体積と、翼弦長（１５）と、翼厚（１６）とを有しており、
   前記プラットフォーム（２）から半径方向に離れた前記翼（１０）の端部に配置されたシュラウド（２０）が設けられており、該シュラウドが、シュラウド体積を有しており、
   シュラウド体積と、組み合わされた翼体積との比が、第１の比を規定しており、
   多数翼セグメントが、１．４：１以上の第１の比を有することを特徴とする、多数翼セグメント。
2. 前記第１の比が２：１未満であることを特徴とする、請求項１記載の多数翼セグメント。
3. 翼（１０）の翼弦長（１５）と、翼厚（１６）との比として規定される第２の比が、７：１以上であることを特徴とする、請求項１又は２記載の多数翼セグメント。
4. 多数翼セグメント（１）が５５ｋｇよりも重いことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の多数翼セグメント。
5. 多数翼セグメント（１）が６５ｋｇよりも重いことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の多数翼セグメント。
6. 多数翼セグメント（１）が３つの翼（１０）を有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の多数翼セグメント。
7. 一体に鋳造するのに適した、５５ｋｇよりも重い、工業用ガスタービンの多数翼セグメント（１）を鋳造する方法において、
   前記多数翼セグメントに、
   プラットフォーム（２）と、
   該プラットフォーム（２）から半径方向に延びた少なくとも３つの翼（１０）とが設けられており、該翼が、組み合わされた翼体積と、翼弦長（１５）と、翼厚（１６）とを有しており、
   前記プラットフォーム（２）から半径方向に離れて前記翼（１０）の端部に配置された、シュラウド（２０）が設けられており、該シュラウドが、シュラウド体積を有しており、
   多数翼セグメント（１）が、シュラウド体積と、組み合わされた翼体積との比によって規定される第１の比と、翼弦長（１５）と翼厚（１６）との比によって規定される第２の比とを有しており、
   ろう型法によって、１．４：１以上の第１の比と、７：１以上の第２の比とを備える多数翼セグメント（１）を鋳造することを特徴とする、工業用ガスタービンの多数翼セグメントを鋳造する方法。

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