JP2015117626A - Turbine rotor blade, turbine, and method of manufacturing turbine rotor blade - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態は、タービン動翼、タービンおよびタービン動翼の製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a turbine blade, a turbine, and a method for manufacturing a turbine blade.
火力発電などの発電プラントに設置されるタービンは、発電効率を向上させるために、タービン動翼(以下、単に動翼と記す)を長翼化する傾向にある。この場合、回転時の動翼の遠心力が増大するため、動翼の材料には、遠心力に耐えるために強度特性が良好な材料が使用される。 A turbine installed in a power plant such as thermal power generation tends to make a turbine blade (hereinafter simply referred to as a blade) longer in order to improve power generation efficiency. In this case, since the centrifugal force of the moving blade at the time of rotation increases, a material having good strength characteristics is used for the material of the moving blade in order to withstand the centrifugal force.
しかしながら、強度特性が良好な材料を使用した場合であっても、長翼化の程度によっては、増大する遠心力に耐え得る強度を動翼に持たせることが困難になる場合があった。 However, even when a material with good strength characteristics is used, it may be difficult to give the moving blade sufficient strength to withstand the increasing centrifugal force depending on the degree of the longer blades.
従来技術として、中空構造を構成するメッシュ状の部材(ハニカムスキン)を先端部に設けて、軽量化を図った動翼が知られている。この場合、回転時の動翼の遠心力を効果的に低減することが可能となる。 As a prior art, there is known a moving blade which is provided with a mesh-like member (honeycomb skin) constituting a hollow structure at a tip portion to reduce the weight. In this case, the centrifugal force of the moving blades during rotation can be effectively reduced.
しかしながら、上述したメッシュ状の部材は、動翼の支持構造に溶接などによって接合されている。このことにより、溶接時に発生する熱が、動翼に悪影響を及ぼすおそれがある。 However, the mesh-like member described above is joined to the moving blade support structure by welding or the like. As a result, heat generated during welding may adversely affect the rotor blades.
例えば、溶接時には動翼が局部的に加熱されるため、局部的に残留応力が発生し得る。残留応力が発生すると、動翼の実際の応力分布が、解析などにより想定され得る応力分布と異なり、これにより、想定とは異なる箇所で変形または破損が生じ得るという課題がある。また、応力腐食割れも懸念される。 For example, since the moving blade is locally heated during welding, residual stress may be locally generated. When the residual stress is generated, the actual stress distribution of the moving blade is different from the stress distribution that can be assumed by analysis or the like, and there is a problem that deformation or breakage may occur at a location different from the assumption. There is also concern about stress corrosion cracking.
一方、残留応力は、熱処理を行うことにより除去することが可能である。しかしながら、動翼が中空構造を有している場合、動翼の内部構造が複雑化されるため、所望の箇所を意図通りに熱処理することが困難になり得る。このため、熱処理を行った場合であっても、残留応力を除去することが困難になるという課題がある。 On the other hand, the residual stress can be removed by performing a heat treatment. However, when the moving blade has a hollow structure, the internal structure of the moving blade is complicated, and it may be difficult to heat-treat a desired portion as intended. For this reason, even if it is a case where heat processing is performed, there exists a subject that it becomes difficult to remove a residual stress.
また、動翼の支持構造に上述したメッシュ状の部材を溶接する場合、当該部材の構造が複雑であることにより溶接作業が困難になり得る。この場合、溶接の品質が低下するとともに、溶接作業に多くの時間が費やされるという課題がある。さらに、溶接の検査を行う際には、内部構造が複雑化されているために、溶接欠陥の検出も困難になる。 Moreover, when welding the mesh-shaped member mentioned above to the support structure of a moving blade, welding work may become difficult because the structure of the said member is complicated. In this case, there is a problem that the quality of welding is deteriorated and a lot of time is spent on the welding work. Furthermore, when performing a weld inspection, the internal structure is complicated, so that it is difficult to detect welding defects.
このように中空構造を構成するための部材を支持構造に溶接で接合する場合、品質の低下および製造時間の増大という課題が生じ得る。 Thus, when the member for comprising a hollow structure is joined to a support structure by welding, the subject of the fall of quality and the increase in manufacturing time may arise.
本発明が解決しようとする課題は、軽量化するとともに強度を確保し、品質の低下および製造時間の増大を防止することができるタービン動翼、タービンおよびタービン動翼の製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a turbine rotor blade, a turbine, and a method of manufacturing a turbine rotor blade that can reduce weight and ensure strength, and prevent deterioration in quality and increase in manufacturing time. is there.
実施の形態によるタービン動翼は、翼背面を有する背側部分と、翼腹面を有し、背側部分との間に中空部を形成する腹側部分と、中空部を通り、背側部分と腹側部分とを連結する梁部分と、を備えている。梁部分は、背側部分および腹側部分にシームレスで一体に形成されている。 A turbine rotor blade according to an embodiment includes a back side portion having a blade back surface, a ventral portion having a blade abdominal surface and forming a hollow portion with the back side portion, and passing through the hollow portion. And a beam portion connecting the side portions. The beam portion is seamlessly and integrally formed on the back side portion and the ventral side portion.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態におけるタービン動翼、タービンおよびタービン動翼の製造方法について説明する。 Hereinafter, a turbine blade, a turbine, and a method for manufacturing the turbine blade according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
ここでは、まず、タービンの一例として、蒸気タービンについて図1を用いて説明する。図1は、蒸気の圧力が比較的低い低圧蒸気タービンの例を示す。 Here, first, a steam turbine will be described with reference to FIG. 1 as an example of a turbine. FIG. 1 shows an example of a low pressure steam turbine with a relatively low steam pressure.
図1に示すように、蒸気タービン1は、ケーシング2と、ケーシング2内に回転自在に設けられたタービンロータ3と、タービンロータ3に取り付けられた複数の動翼翼列4と、を備えている。動翼翼列4は、周方向に所定の間隔で配置された複数のタービン動翼(図2参照、以下、単に動翼と記す)10により構成されている。一方、ケーシング2には、動翼翼列4と交互に配置された複数の静翼翼列5が取り付けられている。静翼翼列5は、周方向に所定の間隔で配置された複数の静翼(ノズル)により構成されている。各動翼翼列4は、対応する静翼翼列5と共にタービン段落を構成している。複数のタービン段落のうち最も高圧側(上流側)のタービン段落は第1段落6といい、最も低圧側(下流側)のタービン段落は、最終段落7という。
As shown in FIG. 1, the
ケーシング2には、図示しないボイラ等において生成された蒸気を作動蒸気としてタービン段落に供給する蒸気管8が連結されている。この蒸気管8により供給された蒸気は、第1段落6に入り、各タービン段落を通って下流側に流れて、最終段落7から抜けていくようになっている。この間、蒸気の膨張仕事を動翼10が受けてタービンロータ3が回転する。このことにより、タービンロータ3に連結された発電機(図示せず)において発電が行われる。また、最終段落7から抜けた蒸気は、ケーシング2外の復水器(図示せず)に送られて復水が生成され、生成された復水は、上述したボイラに供給される。
Connected to the
本実施の形態においては、図2に示すように、上述した動翼10が中空構造を有している。例えば、第1段落6から最終段落7まで複数の動翼10が設けられているが、このうち最終段落7の動翼10が最も長翼化されるため、当該動翼10が中空構造を有していることが好適である。しかしながらこのことに限られることはなく、他の段落の動翼10が中空構造を有していてもよく、複数の段落の動翼10若しくは全て段落の動翼10が中空構造を有していてもよい。また、中空構造は、動翼10の一部(好適には先端部)に設けられていてもよく、あるいは動翼10の全体にわたって設けられていてもよい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the above-described moving
以下に、動翼10について詳細に説明する。
Hereinafter, the moving
図2に示すように、動翼10は、動翼本体11と、動翼本体11の一方の端部に設けられた植込み部12と、を備えている。このうち植込み部12は、タービンロータ3のロータディスクに設けられた植込み溝(いずれも図示せず)に係合可能になっており、植込み部12が植込み溝に係合して、動翼10がタービンロータ3に取り付けられるようになっている。
As shown in FIG. 2, the moving
動翼本体11は、図3に示すように、翼背面20aを有する背側部分20と、翼腹面21aを有する腹側部分21と、を有している。背側部分20と腹側部分21との間には、中空部22が形成されている。このようにして、動翼本体11が中空構造を有し、軽量化されている。
As shown in FIG. 3, the rotor blade
背側部分20と腹側部分21とは、中空部22を通る梁部分23によって連結されている。このことにより、中空構造を有する動翼本体11の強度を確保している。このような梁部分23は、翼背面20aまたは翼腹面21aの法線方向から見たときに(図2の紙面に垂直な方向から見たときに)、ハニカムメッシュ状または格子メッシュ状に形成されることが好適である。このことにより、中空部22における動翼本体11の強度を効果的に確保しながら動翼10の軽量化を図ることができる。図2においては、格子メッシュ状に形成されている例を示している。なお、梁部分23の形状は、ハニカムメッシュ状または格子メッシュ状に限られることはない。例えば、複数の別個の梁部分が、背側部分20と腹側部分21とを連結するようにしてもよい。また、梁部分23の配置は、均一化させていなくてもよく、応力解析などの結果に基づいて、適切な箇所に配置するようにしてもよい。この場合、動翼本体11の強度を効果的に確保することができるとともに、より一層の軽量化を図ることができる。また、上述した中空部22および梁部分23は、動翼本体11の一部に設けられていてもよく、あるいは、動翼本体11の全域にわたって設けられていてもよい。後者の場合には、動翼10をより一層軽量化することができる。
The
図3に示すように、梁部分23は、背側部分20および腹側部分21にシームレスで一体に形成されている。すなわち、本実施の形態においては、三次元積層造形技術を用いて、背側部分20、腹側部分21および梁部分23が、一体に、一部品として形成されている。例えば、背側部分20、腹側部分21および梁部分23を、それぞれ別々の部品として形成して溶接等で接合した場合、各部品の境界部にシーム(継ぎ目)が形成され得るが、本実施の形態による動翼本体11においては、このようなシームが形成されていない。すなわち、本実施の形態におけるシームレスとは、背側部分20、腹側部分21および梁部分23が別々に形成されてこれらを溶接等で接合した場合に形成されるシームが無いという意味で用いている。このようなシームレスの動翼本体11は、例えば三次元積層造形機(3Dプリンター)を用いて、背側部分20、腹側部分21および梁部分23を一部品として一体に形成することにより、作製することができる。
As shown in FIG. 3, the
また、本実施の形態による動翼10の背側部分20、腹側部分21および梁部分23は、例えばチタン(Ti)合金素材により形成されていることが好適である。このことにより、動翼10に一般に用いられるチタン合金素材を用いて動翼10を形成することができ、動翼10の強度、耐熱性などの性能を確保することができる。
In addition, it is preferable that the
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用、すなわち、動翼10の製造方法について図4を用いて説明する。本実施の形態による動翼10は、三次元積層造形技術を用いて形成される。
Next, the operation of the present embodiment having such a configuration, that is, a method for manufacturing the moving
まず、1層目として、三次元積層造形装置30のノズル31からチタン合金素材などの金属粉末が吐出され、ステージ32上に第1金属層41が形成される(図4(a)参照)。
First, as the first layer, a metal powder such as a titanium alloy material is discharged from the
続いて、第1金属層41に、レーザ光L(または電子ビーム)が照射される(図4(b)参照)。レーザ光Lは、動翼10の3次元CADデータに基づいて、第1金属層41において動翼10の形状に対応する領域に照射される。第1金属層41のうちレーザ光Lが照射された部分は、溶融して凝固し、一体化された凝固部分41aが形成される。
Subsequently, the
次に、2層目として、ノズル31から金属粉末が吐出され、第1金属層41上に第2金属層42が形成される(図4(c)参照)。
Next, as the second layer, metal powder is discharged from the
続いて、第2金属層42に、当該第2金属層42において動翼10の形状に対応する領域にレーザ光Lが照射される(図4(d)参照)。このことにより、第2金属層42のうちレーザ光Lが照射された部分が、溶融して凝固し、一体化された凝固部分42aが形成される。この際、第2金属層42の凝固部分42aは、第1金属層41の凝固部分41aにも一体化される。
Subsequently, the
このような処理を繰り返すことにより、金属粉末の凝固部分が積層され、各層の凝固部分が一体化されて動翼10の形状に形成される(図4(e)参照)。この時点では、凝固部分の周囲に、各層の凝固していない金属粉末が残存している。 By repeating such a process, the solidified portions of the metal powder are laminated, and the solidified portions of the respective layers are integrated to form the moving blade 10 (see FIG. 4E). At this time, the non-solidified metal powder of each layer remains around the solidified portion.
その後、金属粉末の凝固していない部分が除去されて、動翼10が得られる(図4(f)参照)。 Thereafter, the non-solidified portion of the metal powder is removed to obtain the moving blade 10 (see FIG. 4 (f)).
なお、上述した処理は、各層の厚さを薄くして、きめ細かく積層することにより、CADデータに即した所望の形状で凝固部分を形成することができる。また、図4においては、積層方向は、動翼10の長手方向(図4(e)における上下方向)である例について示しているが、これに限られることはなく、積層方向は動翼10の長手方向に直交する方向であってもよい。
In the above-described processing, the solidified portion can be formed in a desired shape in accordance with the CAD data by reducing the thickness of each layer and laminating finely. 4 shows an example in which the stacking direction is the longitudinal direction of the moving blade 10 (the vertical direction in FIG. 4E), but the present invention is not limited to this, and the stacking direction is the moving
得られた動翼10は、タービンロータ3に取り付けられ、当該タービンロータ3がケーシング2に取り付けられて、図1に示すような蒸気タービン1が得られる。
The obtained moving
このように本実施の形態によれば、翼背面20aを有する背側部分20と、翼腹面21aを有する腹側部分21との間に中空部22が形成されている。このことにより、動翼10を軽量化することができ、回転時の遠心力を低減することができる。また、軽量化した動翼10は、輸送時および施工時にも有利である。
Thus, according to this Embodiment, the hollow part 22 is formed between the back |
また本実施の形態によれば、背側部分20と腹側部分21との間の中空部22を通る梁部分23が、背側部分20と腹側部分21とを連結している。このことにより、梁部分23は、背側部分20と腹側部分21とを支持することができ、中空部22を有する動翼10の強度を確保することができる。この場合、蒸気タービン1の運転時に、動翼10がねじれることやたおれることを防止することができる。
Moreover, according to this Embodiment, the
さらに本実施の形態によれば、動翼10が三次元積層造形技術を用いて形成され、梁部分23が、背側部分20および腹側部分21にシームレスで一体に形成されている。このことにより、中空部22および梁部分23を有するような複雑な構造の動翼10であっても、溶接等によって各部を接合することが不要となり、動翼10を、高品質に短時間で容易に形成することができる。また、梁部分23が、背側部分20および腹側部分21にシームレスで一体に形成されているため、梁部分23と背側部分20との間、および梁部分23と腹側部分21との間にシームが形成されることを回避でき、梁部分23の強度を向上させることができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the moving
ここで、中空部22や梁部分23を有する動翼10は、鍛造や鋳造によって形成することも可能ではあるが、この場合、金型の作製に時間を要し、コストがかかるという課題がある。また、中空部22や梁部分23の構造が複雑化すると、鍛造や鋳造によって動翼10を形成することは困難になり得る。例えば、鍛造で形成可能な構造の複雑さの程度には限界がある。鋳造の場合であっても、複雑さの程度によっては溶湯を流すことが困難になり得る。また、鍛造または鋳造後に切削加工をする場合であっても、切削工具が複雑な構造の内部に達することができずに加工が困難になるという課題が起こり得る。
Here, the
これに対して本実施の形態によれば、動翼10が三次元積層造形技術により形成されるため、高品質で、短時間で動翼10を形成することができる。また、三次元積層造形技術を用いることにより、鍛造や鋳造により形成する場合に比べて、より複雑な形状を有する動翼10を短時間で容易に形成することができる。さらに言えば、三次元積層造形技術を用いることにより、より一層複雑な構造を形成することができ、中空部22や梁部分23の形状や構造を、鍛造や鋳造により形成する場合に比べて最適化させることができ、軽量化や強度の点で優れた動翼10を形成することが可能となる。
On the other hand, according to the present embodiment, since the moving
以上述べた本実施の形態によれば、軽量化するとともに強度を確保し、品質の低下および製造時間の増大を防止することができる。 According to the embodiment described above, the weight can be reduced and the strength can be secured, and the deterioration of quality and the increase of manufacturing time can be prevented.
本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
例えば、上述した本実施の形態においては、動翼10の動翼本体11に中空部22および梁部分23が設けられる例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、植込み部12にも中空部および梁部分が設けられるようにしてもよい。この場合、動翼10をより一層軽量化することができる。
For example, in the present embodiment described above, the example in which the hollow portion 22 and the
また、上述した実施の形態においては、タービン動翼が、低圧蒸気タービンに適用される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、さらにガスタービンにも、上記実施の形態によるタービン動翼を適用することができる。 Moreover, in embodiment mentioned above, the turbine rotor blade demonstrated the example applied to a low pressure steam turbine. However, the present invention is not limited to this, and the turbine blade according to the above embodiment can be applied to a high-pressure steam turbine, an intermediate-pressure steam turbine, and a gas turbine.
上述した本実施の形態に基づいて、動翼10の縮小モデルを、三次元積層造形技術を用いて作製した。
Based on this Embodiment mentioned above, the reduction | decrease model of the moving
具体的には、チタン合金材料の粉末を用いて、三次元積層造形機により、3分の1サイズの動翼10を製造した。この動翼10には、中空部22と梁部分23とを設けた。
Specifically, a one-third
製造された動翼10には、外見上の欠陥は認められなかった。また、背側部分20、腹側部分21、梁部分23および植込み部12の機械的特性試験を行い、各部で所定の基準を満たしていることが確認できた。この結果、三次元積層造形技術を用いて動翼10を健全に製造可能であることが確認できた。
No apparent defects were observed in the manufactured moving
1 蒸気タービン
10 動翼
20 背側部分
20a 翼背面
21 腹側部分
21a 翼腹面
22 中空部
23 梁部分
DESCRIPTION OF
Claims (6)
翼腹面を有し、前記背側部分との間に中空部を形成する腹側部分と、
前記中空部を通り、前記背側部分と前記腹側部分とを連結する梁部分と、を備え、
前記梁部分は、前記背側部分および前記腹側部分にシームレスで一体に形成されていることを特徴とするタービン動翼。 A dorsal portion having a wing back;
A ventral portion having a wing belly surface and forming a hollow portion with the dorsal portion;
A beam portion that passes through the hollow portion and connects the dorsal portion and the ventral portion; and
The turbine blade according to claim 1, wherein the beam portion is formed seamlessly and integrally with the back portion and the ventral portion.
三次元積層造形技術を用いて形成することを特徴とするタービン動翼の製造方法。 A turbine rotor blade manufacturing method for manufacturing the turbine rotor blade according to any one of claims 1 to 4,
A method for manufacturing a turbine rotor blade, which is formed using a three-dimensional additive manufacturing technique.
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