JP2010525229A - 被覆されたタービン動翼を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

被覆されたタービン動翼を製造するための方法および軸流タービンのロータ動翼輪。本発明は被覆されたタービン動翼（４０）を製造するための方法に関するものであり、これによりタービン動翼の振動数特性は所要の境界条件に特に簡単に適合させることができる。このため、タービン動翼（４０）の被覆後にタービン動翼（４０）の翼板（４２）の翼端（４８）に凹部を設けることが行われる。
【選択図】図４

Description

本発明は、被覆されたタービン動翼を製造するための方法であって、タービン動翼が少なくとも１つの保護層で被覆され、タービン動翼の固有振動数を調整するためにタービン動翼の翼板の翼端に少なくとも１つの凹部が設けられるものに関する。

ガスタービン内で作動時にタービン動翼が長い寿命を有するようにタービン動翼に保護層を備えることは知られている。その際しばしば、鋳造して仕上げられたタービン動翼にＭＣｒＡｌＹ型の腐食保護層が保護層として被着される。保護層の被着はガスタービンの作動時に高温ガスに曝される動翼表面領域において行われる。この領域はタービン動翼の翼板と翼板が一体成形されるプラットホームとを含む。それに加えて、高温ガスからタービン動翼母材への入熱を極力僅かなものに抑えるために腐食保護層の他に断熱層を前記領域に被着することができる。

さらに、ガスタービンの作動時にタービン動翼が振動励起に曝されることが知られている。振動励起はタービン動翼を固着されたロータの回転に基づいて起きる。タービン動翼の翼板がそれに衝突する高温ガスによって振動励起をさらに促進する。タービン動翼の翼板は‐高温ガスの流れ方向に見て‐タービン静翼の翼輪の背後で回転するので、翼板は周期的に衝突する高温ガスによって振動を励起される。それゆえに、各タービン動翼が十分に高い固有振動数を有し、ロータ回転数によって引き起こされる振動励起も高温ガスによって引き起こされる振動励起もそれぞれの励起振動数により翼板に許容外に高い振動を生じないことが必要である。それに応じて従来技術では、タービン動翼はその固有振動数が定置ガスタービンの励起振動数とは異なるように設計される。それゆえにタービン動翼の開発においては、出来上がったタービン動翼が固有共振に関する諸要求を全体として満足することに留意される。

それゆえにタービン動翼の製造プロセスでは、個々の各タービン動翼がその振動特性を点検される。タービン動翼が固有振動数の所定振動数値を満たさない場合には、このタービン動翼は廃棄しなければならず、または適切な措置によって、タービン動翼が作動に適したものとなりかつ固有振動数に対する諸要求を満足するようにタービン動翼を処理しなければならない。専らその振動特性のゆえにガスタービン内での利用を予定されていないタービン動翼をなお利用に供するために、タービン動翼の翼板に端面側で凹部を設け、これによりタービン動翼の振動する自由端の質量を低減できるようにすることが米国特許第４０９７１９２号明細書により知られている。タービン動翼の質量低減によって振動特性は肯定的影響を受ける。タービン動翼の固有振動数は、特にその外側末端の質量を減少することによって一層大きい固有振動数の方にずらすことができる。
それに加えて、既に使用可能状態の動翼の振動数を変更するための方法を国際公開第２００３／０６２６０号パンフレットが開示している。この方法によれば振動数を変更するために翼端の領域で翼板に金属被覆が被着され、被覆の厚さは翼後縁で、また翼根部に対して半径方向で、連続的に先細となっている。しかしこれは、こうして動翼の空気力学も変化するという欠点を有する。

さらに、予めガスタービンに植込まれたタービン動翼に寿命延長措置を施すことが知られている。これらの措置は一方で作動中に発生した亀裂の除去、他方でタービン動翼に設けられる保護層の修復を含む。

本発明の課題は、定置ガスタービンの内部で利用するための諸要求にその固有振動数が一致した被覆タービン動翼の製造方法を提供することである。

方法に関係した課題は請求項１の特徴による方法によって解決され、有利な諸構成は従属請求項に明示されている。

タービン動翼の被覆後に固有振動数を調整するために複数の凹部を設けることが行われねばならないとの認識から本発明は出発する。タービン動翼の被覆後にはじめてタービン動翼はその最終的形状と最終的重量とが決まることになり、タービン動翼の固有振動数（＝共振振動数）もそのことに依存している。特にタービン動翼への腐食層の被着は著しい質量増加を生じ、これにより当該タービン動翼の固有振動数が小さくなる。これにより、タービン動翼の固有振動数が複数のうちの１つの励起振動数の近傍に達する危険があり、ガスタービンの作動時にタービン動翼もしくは翼板の有害な振動励起または寿命を縮める振動励起が生じることになる。ガスタービンの作動中に持続的に振動励起を受けかつ持続的に振動するタービン動翼は破壊の危険が高まり、寿命が短くなる。振動励起によってタービン翼が受ける負荷はＨＣＦ（高サイクル疲労）負荷とも称される。

本発明は、特にその寿命の一部を既に使い果たし、いわゆる改修‐補修‐によって寿命延長を図らねばならない使用後のタービン動翼を定置ガスタービンでの作動用に適合させることを提案する。改修はしばしばタービン動翼の除層と前記領域における再被覆とを含むので、補修されたタービン動翼は被覆後に固有振動数の試験を受けねばならず、場合によっては翼板の翼端領域で質量を減少することによって固有振動数を改善することができる。タービン動翼の自由端で質量を減少することによって固有振動数は励起振動数から離れる方にずらされる。

タービン動翼の再処理時、許容高温ガス温度を高めることによって、ガスタービンの出力増加と効率改善がもたらされるようにしばしばガスタービンのいわゆるアップグレード（最新化）も行われる。許容される高温ガス温度の高まりによって、タービン動翼が高い温度にも耐えることができるように腐食保護層も断熱層も当初計画されたよりも厚い層厚で、除層されたタービン動翼に被着されねばならなくなる。層厚が厚くなると質量が増加することになる。質量増加を補償し、タービン動翼の元々の振動特性を再び達成するために、翼板の翼端の端面にタービン動翼の翼根部の方向に向いて孔が穿設され、これによりタービン動翼の自由端で振動に影響する質量を取り除くことができる。
その際、翼板中心線に沿って分散配置される複数の穿孔が実施される。翼板中心線は穿孔部を通過して延びている必要はない。穿孔部は翼板中心線の横で翼板中心線に沿って配置しておくこともできる。この配置によって全体としてタービン動翼の一体性と強度が損なわれることはない。所定の質量を翼板の穿孔によって除去しなければならないとき、大きな穿孔深さの穿孔部を僅かな数設けるよりも、むしろ穿孔深さの浅い穿孔部が多数設けられる。
次にタービンのロータに取付けられるとこれらのタービン動翼はタービンロータ用の複数のタービン動翼から成る本発明に基づく翼輪を形成し、この翼輪は高温ガスによって引き起こされる翼板振動励起に対して特別抵抗力がある。その際、翼輪のすべてのタービン動翼が本発明に係る方法で製造されていることが好ましい。

穿孔部の穿孔深さは翼板の‐定置ガスタービン内でのタービン動翼の取付位置を基準にした‐半径方向長さの５０％以下とすることができる。そのことが可能であるのは、この領域では翼板に発生する機械的荷重が比較的僅かであり、強い遠心力にもかかわらず材料横断面の弱化が許容されているからである。

本方法は、好ましくは、内部冷却可能な翼板を有するタービン動翼でも応用することができる。その場合、複数の穿孔部は、背側翼板壁と腹側翼板壁との間の複数の支持リブが翼板壁に合流する翼板箇所に設けることができる。それに加えて、またはこれに替わって、背側壁と腹側壁とが交わる後縁部分にこれらの穿孔部を設けることができる。穿孔部もしくは凹部の内部でのタービン動翼の腐食を防止するために、穿孔部を設けた後にそれらの開口部を栓または半田で表面を塞ぐことができる。しかしこれらの穿孔部は充填されるのでなく、空洞が残される。

図面を基に本発明が説明され、同じ符号は同一作用の部材を表す。

被覆されたタービン動翼を製造するための本発明に係る方法を示す。 使用後のタービン動翼を補修する手順および方法を示す。 穿孔部を翼端側に配置したタービン動翼の翼板の斜視図である。 本発明に係る内部冷却式タービン動翼の横断面図である。

本発明に係る方法１０が図１に示してある。被覆されたタービン動翼を製造するための方法１０は第１ステップ１２においてタービン動翼を保護層で被覆することを含む。好ましくは、この保護層はＭＣｒＡｌＹ型の腐食保護層である。これに替えて、ＭＣｒＡｌＹ型の層をボンディングコートとして含みかつこの層のさらに外側にセラミック断熱層（サーマルバリアコート‐ＴＢＣ）を被着した２層の保護層を設けておくこともできる。タービン動翼は一般に鋳造されており、それに応じて鋳造基体を含むので、保護層、特に腐食保護層の被着によってタービン動翼の質量はさらに高まる。質量増加に伴うタービン動翼固有振動数の変化は、第２方法ステップ１４においてタービン動翼の翼板翼端に複数の凹部を設けることによって補償することができる。その際、固有振動数に対する諸要求をタービン動翼が満足するまで、必要な数の、かつ必要な深さの凹部がタービン動翼の翼板の端面に設けられる。本発明に係る方法を応用するにもかかわらず、固有振動数が諸要求を満足するように固有振動数に十分に強い影響を及ぼすことのできないことが有り得る。その場合、このタービン動翼は利用するのに適していない。

図２に示す方法２０により、使用後のタービン動翼、すなわち定置ガスタービンの作動時に既に利用されたタービン動翼が補修プロセス‐いわゆる改修‐によって部分修復される。この改修はタービン動翼の寿命延長措置として役立つ。それによれば、タービン動翼は第１方法ステップ２２においてガスタービンの作動時にその高温ガスに曝される。ガスタービンの点検もしくは検査中、タービン動翼は分解され、再補修可能である限りで補修プロセスに供される。補修プロセスは、場合によっては、被覆されたタービン動翼が除層されるステップ２４を含む。除層が必要となるのは、例えば中程度の亀裂または大きな亀裂が保護層に存在し、または部分剥離または摩滅が実際の層厚を所要最低寸法以下に収縮させるときである。後続の選択的ステップ２６において、場合によってはタービン動翼の母材に発生した亀裂は公知の修理法によって除去することができる。次にステップ２８において単層または２層の保護層でタービン動翼の再被覆が行われ、最後に最終ステップ３０において固有振動数を調整するために、タービン動翼の翼根部の方向に向けて翼端の端面に孔の穿設を行うことができる。

図３にはタービン動翼４０が一部斜視図で示してある。知られているようにタービン動翼４０はクリスマスツリー形横断面の図示しない翼根部を含み、図示しない翼プラットホームが翼根部に続いている。翼プラットホームに自由端を有する翼板４２が配置されており、この翼板は横断面を水滴状に形成され、空気力学的に湾曲している。翼板４２は腹側４４と背側４６とを有する。図３には単に翼端４８が示してあり、この翼端は翼板４２のプラットホームに固着される末端とは反対側にある。翼端４８とプラットホームとの間で翼板４２が高さＨを有し、この高さは定置軸流ガスタービン内のその取付高さを基準に半径方向で把握することができる。空気力学的に湾曲した翼板４２が翼中心線５０を含み、この翼中心線は背側４６と腹側４４との間の中心で翼前縁から翼後縁へと延びている。翼板中心線５０は一点鎖線で示してある。翼板中心線５０に沿って例えば４つの凹部が穿孔部５２の態様で分散配置されており、これらの穿孔部は翼板４２の端面からタービン動翼４０の翼根部の方向に延びている。穿孔部５２によってタービン動翼４０の自由端で重量が低減され、これにより固有振動数は高い振動数の方にずらされている。

端面側に配置される穿孔部によって固有振動数の約１０％の振動数のずらしを行うことができる。図３に示す翼板４２は冷却されていない。

図４には本発明に係る方法で製造されたタービン動翼４０の翼板４２の横断面図が示してある。この断面図は翼端４８の領域に相当している。図４のタービン動翼４０は鋳造基体４１を含み、腹側でも背側でもこの基体に保護層５４が被着されている。保護層５４がタービン動翼４０の質量を著しく高め、これにより固有振動数は低い振動数の方に変化している。固有振動数のこのずれを補償するために翼板４２の端面から複数の穿孔部５２が設けられる。これらの穿孔部５２は翼板４２のうち、内部に設けられた複数の支持リブ５６が腹側または背翼壁４４、４６と結合される箇所に設けられている。背側翼壁４６が腹側翼壁４４と一体になるタービン動翼４０の後縁領域に穿孔部５２を設けることもでき、これらの穿孔部は好ましくは翼板中心線のこの部分に分散配置される。

こうして本発明は、その振動数特性を特に容易に所要の境界条件に適合させることのできる被覆されたタービン動翼４０を製造するための方法を全体として提案する。このため、タービン動翼４０の被覆後にタービン動翼４０の翼板４２の翼端４８に凹部を設けることが行われる。これにより、タービン動翼の振動特性を特別簡単かつ変更可能に調整することのできる方法が明示されている。こうしてタービン動翼４０の不良品を減らすことができる。同様に、設計変更のゆえに本来使用不能となったタービン動翼を少なくとも固有振動数に関する諸要求を再び満足するように適合させることが可能である。既に使用後のタービン動翼は本発明に係る方法でもって改修プロセスにおいて再利用できるように補修することもできる。

１０、２０ 方法
４０ タービン動翼
４２ 翼板
４８ 翼端
５０ 翼板中心線
５２ 孔
５４ 保護層

Claims (10)

1. 被覆されたタービン動翼（４０）を製造するための方法であって、タービン動翼（４０）が少なくとも１つの保護層（５４）で被覆され、タービン動翼（４０）の固有振動数を調整するためにタービン動翼（４０）の翼板（４２）の翼端（４８）に少なくとも１つの凹部が設けられるものにおいて、タービン動翼（４０）の被覆後に凹部を設けることが行われる方法（１０、２０）。
2. タービン動翼（４０）の翼根部の方向に向けて翼端（４８）に孔（５２）が凹部として穿設される請求項１記載の方法（１０、２０）。
3. 穿孔深さが翼板（４２）の‐タービン動翼（４０）の取付位置を基準にした‐半径方向長さの５０％以下である請求項１または２記載の方法（１０、２０）。
4. 翼板中心線（５０）に沿って分散配置される複数の穿孔（５２）が穿設される請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法（１０、２０）。
5. タービン動翼（４０）の除層後に実施される請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法（１０、２０）。
6. 内部冷却可能な翼板（４２）を有するタービン動翼（４０）に応用される請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法（１０、２０）。
7. 凹部が再び塞がれる請求項１ないし６のいずれか１つに記載の方法（１０、２０）。
8. 保護層（５４）として腐食保護層および／または断熱層がタービン動翼に被着される請求項１ないし７のいずれか１つに記載の方法（１０、２０）。
9. 軸流タービンのロータ動翼輪であって、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法に従って製造された多数のタービン動翼を有する動翼輪。
10. そのすべてのタービン動翼が請求項１ないし８のいずれか１つに記載の方法に従って製造された請求項９記載の動翼輪。

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