JP2019509422A - 半径流ターボ機械用のブレード付きリングの製造方法および前記方法を使用して得られたブレード付きリング - Google Patents

Abstract

本発明は、環状ブロック（３１）を準備するステップと、第１、第２、第３および第４の軸方向セクション（３２、３３、３４、３５）を形成するように材料を除去して環状ブロック（３１）を粗加工するステップであって、第１のセクションが補強リング（２０）を形成し、第３のセクションがベースリング（１５）を形成する、ステップと、複数の分離要素（３６）の境界を形成するように材料を除去して第２の軸方向セクション（３３）を粗加工するステップであって、分離要素がベースリングを補強リングに軸方向に連結する、ステップと、分離要素に翼形ブレード（２２）の形状を与えるように材料を除去して分離要素（３６）を仕上げ加工するステップであって、ブレードの前縁部（２３）および後縁部（２４）がブレード付きリング（９、１４）の中心軸線（Ｘ−Ｘ）に略平行に延びる、ステップとを含む、半径流ターボ機械用のブレード付きリングの構築方法に関する。
【選択図】 図２

Description

本発明の目的は、半径流ターボ機械用のブレード付きリングの製造方法および前記方法によって得られたブレード付きリングである。

半径流ターボ機械とは、エネルギーを交換する流体の流れがターボ機械自体の内部に続く経路の少なくとも一部に向けて径方向に導かれるターボ機械を意味する。経路のこの径方向部分は、ターボ機械の羽根車の回転軸線に対する径方向に沿って流体が広く行き渡るように移動する少なくともブレード付きリングにより境界が画定される。

「ブレード付きリング」は、中心軸線から等しく離間して配設された複数のブレードであって、互いに軸方向に離間して配置された２つ以上の同心リングにより互いに接合された複数のブレードを備える。ブレードは、２つのリングの前縁部および後縁部が中心軸線に平行または略平行であるこれらリングの間に延びる。ブレード付きリングは、ステータ機能（ステータはターボ機械のケーシングに対して固定され、ブレードはステータブレードである）とロータ機能（すなわち、ロータは回転し、ロータのブレードはロータブレードであり、それゆえ、中心軸線は回転軸線である）の両方を有することができる。

本発明は、遠心半径流ターボ機械（アウトフロー）と求心半径流ターボ機械（インフロー）の両方に適用される。本発明は、ターボ機械（タービン）を駆動することと、ターボ機械（圧縮機）を作動させることの両方に適用される。好ましくは、排他的ではないが、本発明は、膨張タービンに関する。好ましくは、排他的ではないが、本発明は、電気的および／または機械的エネルギーの生成のための膨張タービンに関する。好ましくは、排他的ではないが、本発明は、好ましくはランキン水蒸気サイクルまたは有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）により、地熱源を利用するエネルギーの生産のための装置に使用される膨張タービンに関する。

公開文献である米国特許第９１１，６６３号明細書は、まず細い金属ストリップブレードの端部を接合し、次いで、細い金属ストリップブレードを頑丈な補剛リングに接合することを想定する、特に半径流型の、ガスタービン用の一連のブレードの生産方法を例示している。金属ストリップはまず、ブレードの端部が内部に挿入され固定される穴が設けられた直線状のストリップとして実現される。ストリップは円弧状または円周状である。ブレードの端部は、トーチ吹管またはボルタアークによってストリップに溶接される。金属ストリップは、例えば溶接または曲げ加工により、補剛リングに強固に固定される。その後、ブレードの突出端部および他の余分な部分が機械加工により除去される。

公開文献である米国特許第９３３，３７９号明細書は、リングが、連結ストリップに固定された一連のブレードにより形成され、かつ補剛リングが連結ストリップ用に設けられる、タービン用のブレード付きリングの実現方法を例示している。ブレードの端部は、ストリップに形作られたスロットに挿入され、吹管またはボルタアークを使用した溶接によってストリップに固定される。ストリップはまず、スロットが設けられた直線状のストリップとして作製され、次いで、円弧形状または円周形状に形作られる。方法は、前記凸部の縁部の据え込み加工によりまたは介在する更なる連結部材の変形により互いに連結されるように構成された凸部／凹部をストリップおよびリングに形成することを含む。更なる連結部材は、伸線、軟鋼、真鍮、銅またはニッケルとすることができる。

公開文献である米国特許第９６８，８６２号明細書は、タービン用のブレード付きリングの実現方法を例示している。ブレードの端部は、リング状に形作られた通路に挿入され、次いで、通路に溶接される。ブレード付きリングは、例えば蟻継ぎによって支持リングに接合することができる。

公開文献である米国特許第１，８３１，１０４号明細書は、軸方向に離間して配置された２つ以上の連結リングと、介在する複数のブレードとにより構成されたブレード付きリングの構築方法を例示している。連結リングの各々は、内側に向かって軸方向に開口して径方向内面から径方向に延びる、例えば蟻継ぎされる、複数の溝を有する。このような溝は、ブレード用の固定用袋状部を形成するようにそれぞれの連結リングの材料を部分的に貫通して延びる。ブレードの各々は、連結リングの径方向内側における前述の袋状部に挿入される、例えば蟻継ぎされる、頭部をブレードの端部に有する。頭部は、フランジを頭部に対して曲げ加工することにより溝内に固定される。

同じ出願人名義の、公開文献である国際公開第２０１４／０６４５６７号パンフレットは、各ブレードの第１の端部および第２の端部が２つの連続する支持リングに連結され、径方向に沿った弾性降伏連結部分を形成するために、ブレードのそれぞれの端部に属する少なくとも第１の半部と、それぞれの支持リングに属するそれぞれの第２の半部とを、レーザ溶接により、接合し、ブレードの端部に属する少なくともエンドラン部分を、径方向に沿って、それぞれの支持リングの少なくとも停止要素に対向するように配置する、遠心半径流タービン段の構築方法を例示している。弾性降伏連結部分は、段がタービンの作動負荷を受けたときにエンドラン部分が停止要素に接触することを可能にする。

文献である米国特許第６９４２４６０号明細書は、各々が正圧面と負圧面とを有する複数のブレードが設けられた円形主板を備える半径流タービン用の羽根車を例示している。ブレードの正圧面と隣接するブレードの負圧面との間の主要ディスクの周縁部は、窪みを形成するように切削される。

公開文献である英国特許出願公告第６５２５９１号明細書は、それぞれの補強リングとの単一部片としてブレードを作製できる、半径流タービン用のブレード付きリングを例示している。

本文脈において、出願人は、既知のタイプのブレード付きリングの品質および構築精度、ひいてはブレード付きリングが設置されるターボ機械の信頼性および効率を改善する必要性を認識している。

出願人は、実際に、文献である米国特許第９１１，６６３号明細書および米国特許第９３３，３７９号明細書で説明されている（すなわち、単一の部品の組立中に、それらの部品が、部品の形状を変化させる、機械加工および／または高温により機械的応力を受け、必然的に最終的な再加工を必要とするので、後に組み立てられる複数の部品で作製される）ものなどのブレード付きリングが、幾何学的にあまり精密ではない可能性があることに留意している。

例えば、米国特許第９１１，６６３号明細書では、ブレードを補剛リングに連結するように意図された金属ストリップが、吹管またはボルタアークによりブレードに溶接される。金属ストリップと補剛リングとの接合もまた、一実施形態では、吹管またはボルタアークを使用した溶接により実行される。このように加えられた熱は、ブレードの機械的特性および形状ならびに／またはブレードが連結されるストリップに対するブレードの位置／向きを変えることができる。ブレードとの連結に続いて、ストリップは更に、材料を除去するために加工される。米国特許第９１１，６６３号明細書で説明されている、異なる実施形態では、金属ストリップが、その部分の曲げ加工／変形によって補剛リングに強固に固定される。これらの機械加工もまた、幾何学的設計特性を変化させることができる。

米国特許第９３３，３７９号明細書では、吹管またはボルタアークを用いた溶接によるストリップへのブレードの接合と同様に、凸部の縁部の据え込み加工および更なる連結部材の変形も、これにより得られたブレード付きリングの最終的な幾何学的特性の精密な制御を可能にしない。

出願人は、今述べた連結システムまたは文献である米国特許第１，８３１，１０４号明細書で説明されている連結システムなどの連結システムが、例えば始動過渡期に発生する熱勾配に十分に耐えることができないことにも留意している。これらの過渡期に、高温蒸気は、ブレードとターボ機械のケーシングのいくつかの部分とにのみ当たる。次いで、蒸気が当たる部分からターボ機械の他の部分に向かって熱が拡散する。ブレードとリングとが異なるように膨張して、組立体がその強度を失う傾向がある。この現象は、遠心力を受けるロータブレード付きリングにおいてより深刻である。

出願人は、国際公開第２０１４／０６４５６７号パンフレットおよび米国特許第９６８，８６２号明細書と同様の（すなわち、中間連結金属ストリップまたはリングなしの）、ブレードと支持リングとの直接接合によるロータブレード付きリングの実現を想定するこれらの解決策では、ブレードの重量に起因する応力から遠心力に起因する応力を分離することがより困難であることにも留意している。特に、出願人は、遠心力に起因する周方向内部応力が、ブレードとの連結領域に、特にブレードの出口縁部に最大集中箇所を有することに留意している。最大応力集中のこれらの領域は、構造的に危険である。

それゆえ、出願人は、以下の目的、すなわち、ブレード付きリングの品質および構築精度、ひいてはブレード付きリングが設置されるターボ機械の信頼性および効率の改善を可能にするブレード付きリングの構築方法を提供することと、迅速かつ比較的簡単であるブレード付きリングの製造方法を提供することと、応力の集中が制限されるかまたはいずれにしても深刻ではないブレード付きリングを提供することとを追求する。

出願人は、中実のブレード付きリングを実現することにより、すなわち、好ましくは環状である出発ブロックによる材料の除去により、前述の目的および他の目的を達成できることを見出した。

特に、前述および他の目的は、添付の請求項の１つまたは複数によるおよび／または以下の態様の１つまたは複数による、半径流ターボ機械用のブレード付きリングの構築方法とブレード付きリングと半径流ターボ機械とにより実質的に達成される。

本説明および添付の特許請求の範囲において、「軸方向」という形容詞は、ブレード付きリングの中心軸線またはターボ機械の回転軸線「Ｘ−Ｘ」に平行に延在する方向を定義するように意図されている。「径方向」という形容詞は、ブレード付きリングの中心軸線またはターボ機械の回転軸線「Ｘ−Ｘ」に直交する半径方向に向いた方向を定義するように意図されている。「周方向」という形容詞は、ブレード付きリングの中心軸線またはターボ機械の回転軸線「Ｘ−Ｘ」と同軸の円周の接線方向を定義するように意図されている。

より具体的には、独立した態様によれば、本発明は、半径流ターボ機械用のブレード付きリングの製造方法に関する。

方法は、環状ブロックを準備することと、第１の軸方向セクションと第２の軸方向セクションと第３の軸方向セクションと第４の軸方向セクションとを形成するように材料を除去することにより環状ブロックを粗加工するステップであって、第１の軸方向セクションが補強リングを形成し、第３の軸方向セクションがベースリングを形成するものである、ステップを想定する。

方法は、複数の分離要素の境界を画定するように材料を除去することにより第２の軸方向セクションを粗加工するステップであって、前記分離要素がベースリングを補強リングに軸方向に連結するものである、ステップを含む。

方法は、分離要素に翼形ブレードの形状を与えるように材料を除去することにより前記分離要素の各々を仕上げ加工するステップであって、前記ブレードの前縁部および前記ブレードの後縁部がブレードリングの中心軸線に略平行となるものである、ステップを含む。

好ましい実施形態において、方法は、半径流ターボ機械に対するベースリングの環状固定付属部の境界を画定するように材料を除去することにより第４の軸方向セクションを粗加工するステップを更に含む。

異なる独立した態様によれば、本発明は、
ベースリングと、
ベースリングと同軸でかつ前記ベースリングから軸方向に離間して配置された補強リングと、
半径流ターボ機械に対するベースリングの可能な環状固定付属部と、
ベースリングを補強リングに軸方向に連結する複数のブレードと
を備える半径流ターボ機械用のブレード付きリングであって、
各ブレードの前縁部および各ブレードの後縁部は、ブレード付きリングの中心軸線に略平行に延び、
ブレード付きリングは単一の部片である、つまり、ブレード付きリングは出発ブロックで作製される、半径流ターボ機械用のブレード付きリングに関する。

異なる態様によれば、本発明は、本発明によるおよび／または本発明の方法に従って実現されたブレード付きリングに関する。

異なる態様によれば、本発明は、本発明によるおよび／または本発明の方法に従って実現されたブレード付きリングを少なくとも１つ備える半径流ターボ機械用のステータまたはロータに関する。

異なる態様によれば、本発明は、本発明によるおよび／または本発明の方法に従って実現されたブレード付きリングを少なくとも１つ備える半径流ターボ機械に関する。

出願人は、本発明の製造方法が、ブレード付きリングの品質および精度、ひいてはブレード付きリングが設置されるターボ機械の信頼性および効率の改善を可能にすることを検証した。実際、このように、算出された設計パラメータに対する完成したリングの幾何学的形状の違いが、組み付けられた単一の部品により構成されたブレード付きリングに対して低減または排除される。実際に、組立中に前記部品を変形／変化させるおよび／または接合が正確に実行されないというリスクがない。

出願人はまた、本発明の製造方法をほぼ完全に自動化でき、それゆえ、より簡単で、より高速でかつより安全なものにできることを検証した。

出願人は更に、本発明に従って作製されたブレード付きリングが、特にターボ機械の始動の際に発生する熱応力に関連する問題の防止を可能にすることを検証した。

この方法は、異なる形状を有するブレード輪郭に、程度の異なる作用および反応段階の両方のブレード付きリングに、適用可能である。

本発明の更なる態様を以下に説明する。

出発ブロックの材料は、金属、好ましくはステンレス鋼、例えばＡＩＳＩ４１０、ＡＩＳＩ４２０、ＡＩＳＩ６３０（１７−４ＰＨ）、１３−４ＰＨである。

出発ブロックは好ましくは鍛造される。

好ましくは、各ブレードの径方向翼弦「Ｃｒ」と呼ばれる、ブレードにおいて測定されたブレードリングの外径「Ｒｅ」と内径「Ｒｉ」との差、ブレード付きリング（実質的に出発ブロックでもある）の軸方向長さ「Ｌ」と前記径方向翼弦「Ｃｒ」との比は２よりも大きい。

径方向翼弦「Ｃｒ」は、好ましくは、約２ｍｍ〜約２００ｍｍの間に含まれる。

外径「Ｒｅ」は、好ましくは、約５０ｍｍ〜約５００ｍｍの間に含まれる。

各ブレードの軸方向長さ「Ｌｐ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、好ましくは、約０．１〜約２０の間に含まれる。

補強リングの軸方向長さ「Ｌａ１」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、好ましくは、約０．１〜約１００の間に含まれる。

ベースリングの軸方向長さ「Ｌａ２」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、好ましくは、約０．１〜約１００の間に含まれる。

環状ブロックを粗加工することは、好ましくは、環状ブロックを旋盤加工および／またはフライス加工することを含む。通常は上述の旋盤加工により（但し、上述のフライス加工または他の工程によっても）行われる、この第１の粗加工ステップでは、上述の異なる４つの軸方向セクション、すなわち、１．このステップで好ましくは仕上げられる、補強リング（第１の軸方向セクション）、２．ブレードが作製されるリング（第２の軸方向セクション）、３．このステップで好ましくは仕上げられる、ベースリング（第３の軸方向セクション）、４．環状固定付属部が作製されるリング（第４の軸方向セクション）を備えたリングを得るために材料が除去される。

好ましくは、第２の軸方向セクションを粗加工することは、前記第２の軸方向セクションをフライス加工することを含む。好ましくは、第２の軸方向セクションを粗加工することは、第２の軸方向セクションに溝を作製することを含む。好ましくは、前記溝は、径方向内側および／または径方向外側から作製される。好ましくは、前記溝は、止まり溝および／または径方向貫通溝である。

前記溝は、好ましくは、貫通開口を成形するために径方向内側からおよび径方向外側から作製され、隣り合う２つの貫通開口は、それら貫通開口の間に分離要素のうちの１つの境界を画定する。

好ましくは、第１の止まり溝は、径方向内側からまたは径方向外側から作製され、かつ第２の溝は、径方向外側からまたは径方向内側から作製されて、第１の止まり溝を開放して貫通開口を形成する。

溝を作製することは、好ましくは、フライスを直進方向に沿って移動させることを含む。

ブレードの粗加工ステップにおいて、材料は、好ましくは、最短時間で最大量の材料を除去する目的で、フライスの直線移動により、すなわち補間なしに、例えば正面または外周フライス加工により、簡単な幾何学的形状を有する「溝」を作製することにより除去される。ブレードのこの第１の粗加工ステップの目的は、最終的なブレードを各々含むような体積を有するか、または、言い換えれば各セクションのブレードの輪郭を含む横断面により特徴付けられる、分離要素（通常は角柱状でありかつ同じ高さを有する）により互いに接合された２つのリング（補強リングおよびベースリング）を得ることである。ブレードのこの粗加工ステップの際に、好ましくは、表面品質（粗さＲａは通常０．８よりも大きい）および精度（例えば＋／−０．０５ｍｍ〜２ｍｍの間に含まれる）を十分に考慮する必要がない。

溝を作製することは、好ましくは、第２の軸方向セクションに対してフライスを径方向外側位置に配設し、フライスを第２の軸方向セクションに係合させるまでフライスを内方に移動させ、次いで、フライスを軸方向に移動させ、その後、第２の軸方向セクションからフライスを引き抜くためにフライスを外方に移動させることを含む。これらのステップは、径方向外側の溝を実現するために１回以上実行される。

溝を作製することは、好ましくは、第２の軸方向セクションに対してフライスを径方向内側位置に配設し、フライスを第２の軸方向セクションに係合させるまでフライスを外方に移動させ、次いで、フライスを軸方向に移動させ、その後、第２の軸方向セクションからフライスを引き抜くためにフライスを内方に移動させることを含む。これらのステップは、径方向内側の溝を実現するために１回以上実行される。

好ましくは、フライスを内方および／または外方に移動させることは、フライスを径方向に向け、フライスを前記径方向に沿って変位させることを含む。代替的に、フライスを内方および／または外方に移動させることは、フライスを径方向に対して斜め方向に向け、フライスを前記径方向に沿って変位させることを含む。

フライスの前進速度は、好ましくは、約３００ｍｍ／分〜約１２０００ｍｍ／分の間に含まれる。フライスの切削深さは、好ましくは、約０．０２ｍｍ〜約１５ｍｍの間に含まれる。フライスの接線速度は、好ましくは、約１０〜約１５０ｍ／分の間に含まれる。フライスの回転速度は、好ましくは、約２００ＲＰＭ〜約４００００ＲＰＭの間に含まれる。フライスのトルクは、好ましくは、約４〜約１０００Ｎｍの間に含まれる。フライスの軸方向速度は、好ましくは、０ｍ／分〜約１８０ｍ／分である。

好ましくは、分離要素の各々を仕上げ加工することは、分離要素の各々をフライス加工することを含む。フライスの前進速度は、好ましくは、約１００ｍｍ／分〜約８０００ｍｍ／分の間に含まれる。切削深さは、好ましくは、約０．００５ｍｍ〜約５ｍｍの間に含まれる。フライスの接線速度は、好ましくは、約６０ｍ／分〜約２００ｍ／分の間に含まれる。フライスの回転速度は、好ましくは、約１０００ＲＰＭ〜約１０００００ＲＰＭの間に含まれる。フライスのトルクは、好ましくは、約２Ｎｍ〜約１０００Ｎｍの間に含まれる。フライスの軸方向速度は、好ましくは、０ｍ／分〜約１５０ｍ／分である。

分離要素の各々を仕上げ加工するステップが、好ましくは、分離要素の各々を放電加工に供することを含む。好ましくは、分離要素の各々を放電加工に供することは、得られる翼形部と反対形状をなす少なくとも２つの電極を分離要素の各々に適用することを含む。少なくとも第１の電極は、好ましくは、径方向内側から適用され、かつ少なくとも第２の電極は径方向外側から適用される。電極の使用／ピーク電流は、好ましくは、約４０Ａ〜約８００Ａの間に含まれる。
軸方向速度＝１５ｍ／分
Ｘ、ｙ、ｚ軸分解能＝０．０５μｍ

各電極の前進速度は、好ましくは、約１０ｍｍ／分〜約１０００ｍｍ／分の間に含まれる。

ブレード仕上げステップ中に、材料は、例えば正面フライス加工によって、例えば球状フライスを用いて、および／または放電加工により、完成ブレードを得るために除去される。その目的は、表面品質（粗さＲａは通常０．０２〜３２の間に含まれる）および精度（例えば＋／−０．０１ｍｍ〜＋／−０．５ｍｍの間に含まれる）を考慮して最短時間で最大量の材料を除去することである。

第４の軸方向セクションを粗加工することは、好ましくは、第４の軸方向セクションを旋盤加工またはリーマ加工することを含む。

第４の軸方向セクションを粗加工することは、好ましくは、弾性的降伏リングおよび連結足部を得ることを含む。弾性降伏リングはベースリングに直接連結され、かつ連結足部は弾性降伏リングの端部に位置決めされる。弾性降伏リングは、ターボ機械の負荷（遠心力、温度）を受けたときに弾性降伏リングの径方向の変形を可能にする。

このステップ中に、第４の軸方向セクションは、ベースリングと連結足部とを連結するための弾性降伏リングと、弾性降伏リングをターボ機械に（特にターボ機械の回転ディスクに）連結する足部との両方を形作るために加工される。通常、このステップは、連結足部のタイプに応じて旋盤加工またはリーマ加工および他の加工を含む。

弾性降伏リングの軸方向長さ「Ｌｅ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、好ましくは、約０．１〜約２００の間に含まれる。

連結足部の軸方向長さ「Ｌｇ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、好ましくは、約０．０１〜約１０の間に含まれる。

弾性降伏リングの厚さ「ｓ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、好ましくは、約１／１００〜約１の間に含まれる。

ブレードは、好ましくは、仕上げ後に研磨される。ブレードを研磨するステップは、表面粗さを更に低減することと、場合により、先行するステップのいかなる微小な加工欠陥も排除するために小さな材料層を除去することを可能にする。

好ましくは、各ブレードと補強リングとの間、および各ブレードとベースリングとの間にフィレットが作成される。この細部が、ブレード後縁部の近傍における応力を低減することを可能にする。フィレットは円形輪郭を有することができ、または、応力状況を更に改善するために、フィレットは、楕円形輪郭を有することができる。

好ましくは、周方向溝は、ベースリングおよび／またはブレードの後縁部の近傍におけるベースリングに作製される。この周方向溝は、環状壁の境界を画定する。補強リングおよび／またはベースリングは、ブレードの後縁部の近傍に位置する周方向溝を有し、前記周方向溝は環状壁の境界を画定する。

周方向溝は、好ましくは、ベースリングおよび／または補強リングの径方向外面に設けられる。

周方向溝の径方向深さ「ｄ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、好ましくは、約０．１〜約０．９の間に含まれる。

周方向溝の幅「ｗ」と径方向深さ「ｄ」との比は、好ましくは、約０．１〜約２の間に含まれる。

周方向環状壁の厚さ「ｔ」と幅「ｗ」との比は、好ましくは、約０．１〜約１０の間に含まれる。

ブレード付きリングは、好ましくは、ブレードの後縁部の近傍に位置するベースリングおよび／または補強リングに周方向溝を有し、前記周方向溝は、環状壁の境界を画定し、前記環状壁の終端縁部は、波状の形状を有し、前記縁部の波頂がブレードの後縁部に位置決めされる。

好ましくは、前記環状壁の終端縁部に波状の形状を与え、前記縁部の波頂が前記ブレードの後縁部に配置されることが想定される。それゆえ、環状壁は、波状の形状を備えた終端縁部を有し、前記終端縁部の波頂がブレードの後縁部に配置される。

換言すれば、径方向の負荷除去は、ベースリングおよび／または補強リング（周方向溝）において実行され、かつ残りのリング（環状壁）は、後縁部の近傍にブレードの周りに輪郭付けられる。この解決策は、リング（ベースリングまたは補強リング）の回転により発生する周方向応力とブレードの撓みモーメントにより与えられる応力とを分離するので、局所的応力状態を更に改善することを可能にする。実際に、これを行うことにより、「波」における無負荷のリングの残りの部分は、回転に対する周方向の抵抗に関与せず、つまり、周方向応力の状態に見舞われずに、ブレードによりもたらされる撓みモーメントのみに対する抵抗に抗する。その結果、局所的応力が低減される。

更なる特徴および利点は、本発明による半径流ターボ機械用のブレード付きリングおよびブレード付きリングの構築方法の好ましいが排他的ではない実施形態の詳細な説明からより完全に現出するであろう。

本説明は、例示のそれゆえ非限定的な目的でのみ提供される、添付の図面を参照して以下に提示される。

図１は、本発明による、ブレード付きリングを備える半径流ターボ機械の子午線断面図を示す。 図２は、図１のブレード付きリングの１つの一部切欠斜視図である。 図３は、図２のブレード付きリングの径方向の部分平面に沿った断面図である。 図４は、図３の拡大部分である。 図５は、図２、図３および図４のブレード付きリングの中心軸線に直交する平面に沿った一部分の断面図である。 図６は、図２〜図５のブレード付きリングを構築するために使用される環状ブロックである。 図７は、環状ブロックの図６の平面ＶＩに沿った断面部分を破線で、かつ第１の粗加工後のブロックの対応する断面部分を実線で図示する。 図８は、本発明によるブレード付きリングの構築方法に従って材料を除去する加工を図示する。 図９は、図８の加工ステップを図示する。 図１０は、図９のステップの変形例を図示する。 図１１は、図８、図９および図１０の加工後の中心軸線に直交する平面の断面図である。 図１２は、本発明による構築方法の材料を除去する更なる加工ステップを図示する。 図１３は、図１２の加工ステップの変形例を図示する。 図１４Ａは、図８の加工ステップの変形例を示す。 図１４Ｂは、図８の加工ステップの変形例を示す。 図１４Ｃは、図８の加工ステップの変形例を示す。

前述の図を参照すると、参照符号１は、全体として半径流ターボ機械を示している。

図１に図示する径方向流ターボ機械１は、単一のロータ２を備えた半径流遠心型の膨張タービンである。例えば、タービン１は、地熱資源を電源として利用する、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）または蒸気ランキンサイクルのいずれかの、ランキンサイクル型の電気エネルギー発生プラントの分野において使用することができる。

タービン１は、回転可能であるようにロータ２が収納される固定ケーシング３を備える。この目的を達成するために、ロータ２は、中心軸線「Ｘ−Ｘ」（シャフト４およびロータ２の回転軸線と一致する）に沿って延びかつ適切な軸受５により固定ケーシング３内に支持されるシャフト４に強固に連結される。ロータ２は、シャフト４に直接連結されかつ前面７と反対側の後面８とが設けられたロータディスク６を備える。前面７は、中心軸線「Ｘ−Ｘ」と同心かつ同軸である複数のロータブレード付きリング９を突出状に支える。

固定ケーシング３は、ロータディスク６の前面７の前方に位置する前壁１０と、ロータディスク６の後面８の前方に位置する後壁１１とを備える。前壁１０は、作動流体用の軸方向入口１２を形成する開口を有する。軸方向入口１２は、中心軸線「Ｘ−Ｘ」に位置し、かつ円形であり、かつ軸線「Ｘ−Ｘ」と同心である。固定ケーシング３は、ロータ２の外側の径方向周縁位置に位置しかつ固定ケーシング３から、図示しない、出口と流体連通する作動流体の通過用渦形室１３を更に有する。

前壁１０は、中心軸線「Ｘ−Ｘ」と同心かつ同軸である複数のステータブレード付きリング１４を突出状に支える。ステータブレード付きリング１４は、軸方向入口１２から流入する作動流体であって、通過用渦形室１３内に流入し、次いで、図示しない、前記出口を通って固定ケーシング３から流出するまでロータディスク２の周縁部に向かって径方向に遠ざかって膨張する作動流体の径方向経路を規定するために、固定ケーシング３の内部でロータディスク６に向かって延び、ロータブレード付きリング９と径方向に交互に配置される。

ロータブレード付きリング９とステータブレード付きリング１４とは構造的に互いに類似している。それゆえ、以下では、ロータブレード付きリング９について説明がなされる。

図２および図３を参照すると、ブレード付きリング９は、ロータディスク６の前面７に固定されるように意図された第１の支持リング１５またはベースリングを備える。

図２および図３に見られるように、ベースリング１５は、上述の断面では矩形または正方形である、第１の環状中央本体１６を有し、第１の環状中央本体１６から、環状固定付属部１７は、一方側に軸方向に延び、かつ連結足部１９で終端する弾性降伏リング１８を備える。弾性降伏リング１８はベースリング１５に直接連結され、かつ連結足部１９は、第１の環状中央本体１６と反対側の弾性降伏リング１８の端部に位置決めされる。弾性降伏リング１８は、運転時にターボ機械の負荷（遠心力、温度）を受けたときに弾性降伏リングの径方向の変形を可能にする。連結足部１９は、ロータ２内に形作られた、図示しない、適切な座部内に安定して係合するように構成される。

ブレード付きリング９は、第２の支持リング２０または補強リングを備える。図３は、補強リング２０の、軸方向平面における、断面を示している。見られるように、第２の支持リング２０は、上述の断面では矩形または正方形である、第２の環状本体２１を有する。

ブレード付きリング９は、ベースリング１５と補強リング２０との間に延びる翼形部を備えた複数のブレード２２を備える。ベースリング１５および補強リング２０は、同軸でありかつ軸方向に互いに離間して配置される。各ブレード２２は、ブレード付きリング９の中心軸線「Ｘ−Ｘ」に平行な前縁部２３および後縁部２４を有する。図示のターボ機械１は、作動流体が径方向外側に向かって移動する遠心半径流タービンであるので、各ブレード２２の前縁部２３は径方向内側に、すなわち前記中心軸線「Ｘ−Ｘ」側に面し、かつ後縁部２４は径方向外側に面する。

ブレード２２は、中心軸線「Ｘ−Ｘ」から等しく離間して配設され、かつ一定のピッチだけ互いに周方向に離間して配置される。ブレード２２は、ブレード２２において測定されたブレード付きリング９の外径「Ｒｅ」と内径「Ｒｉ」との差により規定された径方向翼弦「Ｃｒ」を有する（図３）。

各ブレード２２は、互いに対向するとともにベースリング１５および補強リング２０にそれぞれ連結された第１の軸方向端部２５および第２の軸方向端部２６を有する（図３）。

周方向溝２７は、ベースリング１５と補強リング２０の両方の径方向外面に形作られ、この周方向溝２７は、環状壁２８を形成するようにブレード２２の近傍に位置する（図４）。環状壁２８は、径方向外方に延び、かつ前記終端縁部２９の波頂３０がブレード２２の後縁部２４に位置決めされる、波状の形状を有する終端縁部２９を有する（図２および図５）。

例として、径方向翼弦「Ｃｒ」は約１０ｍｍである。ブレード付きリング９の軸方向長さ「Ｌ」と前記径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば１０であり、結果として、軸方向長さ「Ｌ」は約１００ｍｍである。各ブレード２２の軸方向長さ「Ｌｐ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば５であり、結果として、各ブレード２２の前記軸方向長さ「Ｌｐ」は約５０ｍｍである。補強リング２０の軸方向長さ「Ｌａ１」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば２であり、結果として、補強リング２０の前記軸方向長さ「Ｌａ１」は約２０ｍｍである。ベースリング１５の軸方向長さ「Ｌａ２」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば２であり、結果として、ベースリング１５の軸方向長さ「Ｌａ２」は約２０ｍｍである。

弾性降伏リング１８の軸方向長さ「Ｌｅ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば約２であり、結果として、弾性降伏リング１８の軸方向長さ「Ｌｅ」は約２０ｍｍである。連結足部１９の軸方向長さ「Ｌｇ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば０．５であり、結果として、連結足部１９の軸方向長さ「Ｌｇ」は約５ｍｍである。弾性降伏リング１８の厚さ「ｓ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば約０．１２５であり、結果として、前記厚さ「ｓ」は約１．２５ｍｍである。周方向溝２７の径方向深さ「ｄ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば０．５であり、結果として、径方向深さ「ｄ」は約５ｍｍである。周方向溝２７の幅「ｗ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば０．１５であり、結果として、前記幅「ｗ」は約１．５ｍｍである。周方向環状壁２８の厚さ「ｔ」と径方向翼弦「Ｃｒ」との比は、例えば約０．０８であり、結果として、前記厚さ「ｔ」は約０．８ｍｍである。

ブレード付きリング９は、単一部片である、つまり、例えば鍛造により得られた金属で作製された環状の出発ブロック３１（図６）で作製される。

本発明の半径流ターボ機械用のブレード付きリングの構築方法によれば、環状の出発ブロック３１はまず、第１の軸方向セクション３２と第２の軸方向セクション３３と第３の軸方向セクション３４と第４の軸方向セクション３５とを形成するために材料の除去（旋盤加工またはリーマ加工）により粗加工される（図７）。第１の軸方向セクション３２および第２の軸方向セクション３３、第３の軸方向セクション３４および第４の軸方向セクション３５は、順番に隣接して単一の本体を形成する環状要素である。

第１の軸方向セクション３２は、このステップでは実質的に既に仕上げられている、補強リング２０を形成する。ブレード２２は、以下に詳細に説明するように、第２の軸方向セクション３３から形作られる。第３の軸方向セクション３４は、このステップでは実質的に既に仕上げられている、ベースリング１５を形成する。弾性降伏リング１８および連結足部１９は、第４の軸方向セクション３５から形作られる。

ブレード２２を形成する目的で、第２の軸方向セクション３３は、ベースリング１５を補強リング２０に軸方向に連結する複数の角柱状の分離要素３６を形成するように材料を除去することにより粗加工される。これらの角柱状の分離要素３６の各々は、最終的なブレード２２を各々含むような体積を有するか、または、言い換えれば各セクションのブレード２２の空力学的輪郭を含む横断面により特徴付けられる。図１１は、複数の角柱状の分離要素３６の形成後の中心軸線「Ｘ−Ｘ」に直交する平面内の第２の軸方向セクション３３の断面を図示している。前記角柱状の分離要素３６の横断面は、ブレード２２の輪郭と同様に、破線として視認でき、ブレード２２は、それら要素３６の各々から形作られる。

角柱状の分離要素３６を形成するために、フライス３７は、第２の軸方向セクション３３に対して径方向内側位置に位置決めされ、かつ径方向に沿って向けられる（図８、図９および図１０）。フライス３７は、第２の軸方向セクション３３の径方向内面３８に係合されるまで外側に向けて径方向に移動させる。その後、フライス３７は、第２の軸方向セクション３３の、すなわち、各ブレード２２の軸方向長さ「Ｌｐ」全体にわたって軸方向に変位させ、次いで、第２の軸方向セクション３３から引き抜かれる。これらのステップは、径方向内側の止まり溝３９（すなわち、第２の軸方向セクション３３の厚さを貫通しない）を実現するために、１回（図９の場合）または複数回（図１０の場合）実行される。次いで、別の溝３９を実現するために、フライス３７を周方向に沿って１ステップだけ変位させる。径方向内側の溝３９は、ブレード２２と同じ数で実現される。

同じフライス３７または別のフライス４０は、第２の軸方向セクション３３に対して径方向外側位置に位置決めされ、かつ径方向に対して斜め方向に向けられる（図８）。更なるフライス４０は、第２の軸方向セクション３３の径方向外面４１に係合されるまで前記斜め方向に沿って内側に向けて移動させる。その後、更なるフライス４０は、第２の軸方向セクション３３の、すなわち、各ブレード２２の軸方向長さ「Ｌｐ」全体にわたって軸方向に変位させ、次いで、第２の軸方向セクション３３から引き抜かれる。これらのステップは、径方向外側の溝４２を実現するために１回以上実行される（図８）。次いで、別の溝４２を実現するために、フライス４０を周方向に沿って１ステップだけ変位させる。径方向外側の溝４２は、ブレード２２と同じ数で実現される。図８に見られるように、径方向外側の各溝４２は、それぞれの径方向内側の溝３９に位置し、かつ前記２つの径方向内側の溝３９および径方向外側の溝４０は、貫通開口または径方向通路４３を開口するように共に貫通する（図１１）。

フライス３７、４０は、直進方向に沿って、すなわち、動きの複雑な補間なしに移動させる。ブレード２２のこの粗加工ステップの際に、表面の粗さＲａは通常、０．８よりも大きく、かつ精度は、例えば＋／−０．０５ｍｍ〜２ｍｍの間に含まれる。

フライス３７、４０の機能パラメータが、例えば、以下の表１に報告されている。

それゆえ、角柱状の分離要素３６は、所望の翼形輪郭を備えるブレード２２であって、所望の表面品質（例えば０．０２〜３２の間に含まれる粗さＲａ）および精度（例えば＋／−０．０１ｍｍ〜＋／−０．５ｍｍの間に含まれる）のブレード２２を形成するために材料を除去するように加工される。

方法によれば、仕上げは、球状フライス４４を用いた正面フライス加工により実行される（図１２）。フライス４４の機能パラメータが、例えば、以下の表２に報告されている。

代替的に、仕上げは、放電加工により実行される（図１３）。この目的で、２つの電極４５、４６が、得られる翼形部と反対形状をなす、分離要素３６の各々に適用される。第１の電極４５は、径方向に沿って径方向内側から適用され、かつ少なくとも第２の電極４６は、径方向に従って径方向外側から適用される。留意され得るように、第１の電極４５は、ブレード２２の下面と反対形状をなす第１の動作面４７を有し、かつ第２の電極４６は、ブレード２２の上面と反対形状をなす第２の動作面４８を有する。電極の機能パラメータが、例えば、以下の表３に報告されている。

上で説明したブレード２２の仕上げの際に、フィレット４９は、各ブレード２２の第１の軸方向端部２５と補強リング２０との間、および各ブレード２２の第２の軸方向端部２６とベースリング１５との間に作成される。図４で視認できる、フィレット４９は、円形輪郭または楕円形輪郭を有し、かつブレード２２の表面とそれぞれのベースリング１５または補強リング２０との間の接合領域にブレード２２の全周にわたって延びることができる。

ブレード２２の仕上げ後に、ベースリング１５および補強リング２０における周方向溝２７ならびに各環状壁２８が、上述の波状の形状を各環状壁２８の終端縁部２９に与えるために後縁部２４の近傍にブレード２２の周りに形作られる。

この時点で、依然として図７の形状を有する、第４の軸方向セクション３５は、弾性降伏リング１８および連結足部１９を得るために旋盤加工またはリーマ加工される。

最後に、ブレード２２は、例えば、表面粗さを更に低減するためにかつ／または先行するステップの加工でのいかなる微小な加工欠陥も排除するために研磨される。

Claims (14)

1. 半径流ターボ機械用のブレード付きリングの製造方法であって、
   環状ブロック（３１）を準備するステップと、
   第１の軸方向セクション（３２）と第２の軸方向セクション（３３）と第３の軸方向セクション（３４）と第４の軸方向セクション（３５）とを形成するように材料を除去することにより前記環状ブロック（３１）を粗加工するステップであって、前記第１の軸方向セクション（３２）が補強リング（２０）を形成し、前記第３の軸方向セクション（３４）がベースリング（１５）を形成するものである、ステップと、
   複数の分離要素（３６）の境界を画定するように材料を除去することにより前記第２の軸方向セクション（３３）を粗加工するステップであって、前記分離要素（３６）が前記ベースリング（１５）を前記補強リング（２０）に軸方向に連結するものである、ステップと、
   前記分離要素（３６）に翼形ブレード（２２）の形状を与えるように材料を除去することにより前記分離要素（３６）の各々を仕上げ加工するステップであって、前記ブレード（２２）の前縁部（２３）および前記ブレード（２２）の後縁部（２４）が前記ブレード付きリング（９、１４）の中心軸線（Ｘ−Ｘ）に略平行に延びるものである、ステップと
   を含む、製造方法。
2. 前記第２の軸方向セクション（３３）を粗加工するステップが、前記第２の軸方向セクション（３３）に溝（３９、４２）を作製して貫通開口（４３）を形成するステップを含み、隣り合う２つの貫通開口（４３）が、前記貫通開口の間に前記分離要素（３６）のうちの１つの境界を画定する、請求項１に記載の製造方法。
3. 径方向内側からまたは径方向外側から第１の止まり溝（３９）を作製するステップと、径方向外側からまたは径方向内側から第２の溝（４２）を作製して、前記第１の止まり溝（３９）を開放して前記貫通開口（４３）を形成するステップとを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記溝（３９、４２）を作製するステップが、フライス（３７、４０）を直進方向に沿って移動させるステップを含む、請求項２または３に記載の製造方法。
5. 前記分離要素（３６）が角柱状である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 前記分離要素（３６）の各々を仕上げ加工するステップが、前記分離要素（３６）の各々を放電加工に供するステップを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の製造方法。
7. 前記分離要素（３６）の各々を放電加工に供するステップが、得られる翼形部と反対形状をなす少なくとも２つの電極（４５、４６）を前記分離要素（３６）の各々に適用するステップを含む、請求項６に記載の製造方法。
8. 少なくとも第１の電極（４５）が径方向内側から適用され、少なくとも第２の電極（４６）が径方向外側から適用される、請求項７に記載の製造方法。
9. 各ブレード（２２）と前記補強リング（２０）との間、および各ブレード（２２）と前記ベースリング（１５）との間にフィレット（４９）が作製される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の製造方法。
10. 前記ブレード（２２）の前記後縁部（２４）において前記ベースリング（１５）および／または前記補強リング（２０）に周方向溝（２７）が作製され、前記周方向溝（２７）が環状壁（２８）の境界を画定する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の製造方法。
11. 前記環状壁（２８）の終端縁部（２９）に波状の形状を与えるステップを含み、前記終端縁部（２９）の波頂（３０）が前記ブレード（２２）の前記後縁部（２４）に配置される、請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記周方向溝（２７）の径方向深さ（ｄ）と径方向翼弦（Ｃｒ）との比が約０．１〜約０．９の間に含まれ、前記周方向溝（２７）の幅（ｗ）と径方向深さ（ｄ）との比が約０．１〜約２の間に含まれ、前記周方向環状壁（２８）の厚さ（ｔ）と幅（ｗ）との比が約０．１〜約１０の間に含まれる、請求項１０または１１に記載の製造方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の製造方法に従って実現されたブレード付きリング。
14. 請求項１３に記載のブレード付きリングを少なくとも１つ備える半径流ターボ機械。

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