JP2020084928A - 動翼、タービン、および動翼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】き裂の進展を抑制し、破断に至るまでの寿命を延ばすことができる、タービン用の動翼を提供する。【解決手段】動翼１５は、翼部２５と、翼部２５の基端２６に形成され、かつタービン１のディスク１２に埋め込み可能な埋め込み部３０とを備えている。埋め込み部３０は、埋め込み部３０の表面を含む外側埋め込み部３１と、外側埋め込み部３１の内側に位置する内側埋め込み部３９とを備えている。外側埋め込み部３１は、Ｎｉ基超合金から構成されており、内側埋め込み部３９は、ＴｉＡｌ合金から構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、タービンに用いられる動翼、およびそのような動翼を備えたタービンに関する。また、本発明は、動翼の製造方法に関する。

従来から、燃焼ガス等から動力を得るタービンでは、タービンの動翼の破断が問題となっている。動翼が破断に至るまでには、き裂の発生と、き裂の進展という２つの段階がある。き裂の発生の原因は、腐食や、動翼に繰り返し荷重が作用することによって生じるいわゆるフレッティングによる疲労と考えられている。

き裂の進展の原因は、応力集中部における過大な応力であると考えられている。このような応力集中部における応力は、遠心力により生じる。動翼の材料として、耐高温材料であるＮｉ基超合金（例えば、一般的にＷａｓｐａｌｏｙと称される合金）が広く用いられているが、Ｎｉ基超合金の比重は大きく、応力集中部に過大な応力が発生する一因となっている。

特開２００６−９７０４２号公報 特開２０１５−１１７６２６号公報

き裂の進展を防ぐ方法として動翼の軽量化などが検討されてきた。動翼を軽量化することにより、応力集中部における応力を低減し、き裂の進展を抑制することで、破断に至るまでの寿命を延ばすことが可能である。その一方で、動翼の機械的強度を確保する必要がある。

そこで、本発明は、機械的強度を十分に確保しつつ軽量化することにより、き裂の進展を抑制し、破断に至るまでの寿命を延ばすことができる、タービン用の動翼、およびそのような動翼を備えたタービンを提供することを目的とする。さらに、本発明は、そのような動翼の製造方法を提供することを目的とする。

一態様では、タービン用の動翼であって、翼部と、前記翼部の基端に形成され、かつ前記タービンのディスクに埋め込み可能な埋め込み部とを備え、前記埋め込み部は、前記埋め込み部の表面を含む外側埋め込み部と、前記外側埋め込み部の内側に位置する内側埋め込み部とを備えており、前記外側埋め込み部は、Ｎｉ基超合金から構成されており、前記内側埋め込み部は、ＴｉＡｌ合金から構成されている、動翼が提供される。

一態様では、前記翼部は中空形状を有している。
一態様では、前記翼部の内部空間の断面の重心位置は、前記翼部全体の断面の重心位置に一致しており、かつ前記翼部の内部空間の断面積は、前記翼部全体の断面積より、５％〜２０％小さい。
一態様では、前記埋め込み部は、前記翼部の基端に形成されたプラットフォーム部と、先端部と、前記プラットフォーム部と前記先端部との間に形成された中間部から構成されており、前記プラットフォーム部は、前記プラットフォーム部の表面を含む外側プラットフォーム部と、前記外側プラットフォーム部の内側に位置する内側プラットフォーム部とを備えており、前記先端部は、前記先端部の表面を含む外側先端部と、前記外側先端部の内側に位置する内側先端部とを備えており、前記中間部は、前記中間部の表面を含む外側中間部と、前記外側中間部の内側に位置する内側中間部とを備えており、前記内側プラットフォーム部は、その断面の重心位置が、前記プラットフォーム部全体の断面の重心位置に一致するように配置されており、かつ前記内側プラットフォーム部の断面積は、前記プラットフォーム部全体の断面積より、５％〜２０％小さく、前記内側先端部は、その断面の重心位置が、前記先端部全体の断面の重心位置に一致するように配置されており、かつ前記内側先端部の断面積は、前記先端部全体の断面積より、５％〜２０％小さく、前記内側中間部は、その断面の重心位置が、前記中間部全体の断面の重心位置に一致するように配置されており、かつ前記内側中間部の断面の幅方向の長さは、前記中間部全体の断面の幅方向の長さより、５％〜２０％短い。

一態様では、シャフトと、前記シャフトに固定されたディスクと、前記ディスクの半径方向外側に延びる、上記記載の動翼と、前記動翼に隣接して配置された静翼と、前記シャフト、前記ディスク、前記動翼、および前記静翼を収容するケーシングとを備えている、タービンが提供される。

一態様では、タービン用の動翼の製造方法であって、翼部を成形し、前記タービンのディスクに埋め込み可能な埋め込み部を、前記翼部の基端に成形し、前記埋め込み部を成形する工程は、Ｎｉ基超合金によって、外側埋め込み部を成形する工程と、ＴｉＡｌ合金によって、内側埋め込み部を成形する工程とを含み、前記外側埋め込み部は、前記埋め込み部の表面を含んでおり、前記内側埋め込み部は、前記外側埋め込み部の内側に位置している、製造方法が提供される。

一態様では、前記埋め込み部を成形する工程は、前記外側埋め込み部を構成する前記Ｎｉ基超合金を中空状に成形する工程と、前記内側埋め込み部を、前記外側埋め込み部の内部空間に挿入する工程とを含む。
一態様では、前記内側埋め込み部を、前記外側埋め込み部の内部空間に挿入する工程は、前記内側埋め込み部を、前記外側埋め込み部に形成され、かつ前記外側埋め込み部の内部空間に連通する開口を通じて、前記外側埋め込み部の内部空間に挿入する工程を含む。
一態様では、前記埋め込み部を成形する工程は、前記外側埋め込み部を構成する前記Ｎｉ基超合金を中空状に成形する工程と、前記内側埋め込み部を構成する溶解されたＴｉＡｌ合金を、前記外側埋め込み部の内部空間に流し込む工程を含む。
一態様では、前記溶解されたＴｉＡｌ合金を、前記外側埋め込み部の内部空間に流し込む工程は、前記溶解されたＴｉＡｌ合金を、前記外側埋め込み部に形成され、かつ前記外側埋め込み部の内部空間に連通する通孔を通じて、前記外側埋め込み部の内部空間に流し込む工程を含む。
一態様では、前記埋め込み部を成形する工程は、三次元造形機によって、前記外側埋め込み部および前記内側埋め込み部を造形する工程を含む。
一態様では、前記埋め込み部を成形する工程は、前記埋め込み部の表面に沿った内面形状を有する鋳型を用意し、前記内側埋め込み部を、前記鋳型の内部空間に配置し、溶解されたＮｉ基超合金を、前記鋳型の内部空間に流し込む工程を含む。

本発明によれば、Ｎｉ基超合金から構成された外側埋め込み部の内側に、比重が小さいＴｉＡｌ合金を配置することで、動翼を軽量化することができる。さらに、タービンのディスクに接触する外側埋め込み部をＮｉ基超合金とすることで、動翼の耐食性やフレッティング耐性を確保することができる。結果として、き裂の進展を抑制し、破断に至るまでの動翼の寿命を延ばすことができる。

本発明の一実施形態に係るタービンを示す模式図である。 動翼の一実施形態を示す斜視図である。 図１のディスクおよび動翼をシャフトの軸方向から見た模式図である。 図３の模式図において、埋め込み部をディスクの半径方向に切断したときの、埋め込み部の断面図である。 動翼の製造方法の一実施形態を説明するフローチャートである。 ステップ１−１の工程を説明する模式図である。 ステップ１−３およびステップ１−４の工程を説明する模式図である。 動翼の製造方法の他の実施形態を説明するフローチャートである。 ステップ２−１およびステップ２−２の工程を説明する模式図である。 動翼の製造方法のさらに他の実施形態を説明するフローチャートである。 動翼の製造方法のさらに他の実施形態を説明するフローチャートである。 鋳型を示す模式図である。 ステップ４−３の工程を説明する模式図である。 ステップ４−４の工程を説明する模式図である。 動翼の他の実施形態を示す斜視図である。 図１５に示す翼部の断面図である。 動翼のさらに他の実施形態を示す斜視図である。 動翼の製造方法の他の実施形態を説明するフローチャートである。 動翼のさらに他の実施形態を示す埋め込み部の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るタービンを示す模式図である。図１に示すタービンは、燃焼ガスから動力を得るガスタービンの一実施形態である。図１に示すように、タービン１は、回転可能に支持されたシャフト１１と、シャフト１１に固定された複数のディスク１２と、ディスク１２に固定された動翼列５と、動翼列５に隣接して配置された静翼列６と、シャフト１１、ディスク１２、動翼列５、および静翼列６を収容するケーシング１９とを備えている。

ケーシング１９は、上流側ケーシング１９ａと、下流側ケーシング１９ｂとを含んでいる。ディスク１２、動翼列５、および静翼列６は、上流側ケーシング１９ａの内部に収容されている。シャフト１１は、下流側ケーシング１９ｂの内部に収容されている。静翼列６は、上流側ケーシング１９ａの内周面に固定されている。

複数の動翼列５と複数の静翼列６は、シャフト１１の軸ＣＬ方向において交互に配置されている。動翼列５は、ディスク１２の周方向において一定の間隔で配置された複数の動翼１５から構成されている。動翼１５は、ディスク１２の半径方向外側に延びている。静翼列６は、上流側ケーシング１９ａの内周方向において一定の間隔で配置された複数の静翼１６から構成されている。静翼１６は、上流側ケーシング１９ａの内周の半径方向内側に向かって延びている。

動翼列５と、動翼列５の上流側に配置された静翼列６の組み合わせによって、１つの段が形成されている。本実施形態のタービン１は、動翼列５と静翼列６の組み合わせを複数段備えているが、一実施形態では、動翼列５と静翼列６の組み合わせは１段でもよい。

燃焼ガスは、図１の矢印で示す方向に流れる。タービン１に流入する燃焼ガスの温度は、高温（約６００℃）である。燃焼ガスは、放物線状のノーズコーン２１に沿ってなめらかに加速され、さらに均一な流速分布となって静翼列６を通過し、動翼列５に導かれる。動翼１５は、燃焼ガスを受け、ディスク１２およびシャフト１１と一体に回転する。最も下流側の動翼列５を通過した燃焼ガスは、排気ノズル２２から排気される。

図２は、動翼１５の一実施形態を示す斜視図である。動翼１５は、燃焼ガスを受ける翼部２５と、くさび形状の表面を有する埋め込み部３０とを備えている。埋め込み部３０は、翼部２５の基端２６に形成されている。より具体的には、埋め込み部３０は、翼部２５の基端２６から翼部２５の長手方向に延びている。

図３は、図１のディスク１２および動翼１５をシャフト１１の軸ＣＬ方向から見た模式図である。ディスク１２の外周面には、周方向において一定の間隔で複数の凹部１２ａが形成されている。凹部１２ａは、くさび形状を有している。埋め込み部３０は、ディスク１２の凹部１２ａに埋め込み可能に構成されている。動翼１５は、埋め込み部３０がディスク１２の凹部１２ａに埋め込まれることによって、ディスク１２に固定されている。翼部２５が燃焼ガスを受けると、動翼１５は、図３の矢印で示す方向に回転する。動翼１５の上流側には、複数の静翼１６が、上流側ケーシング１９ａの内周方向において一定の間隔で配置されているため、動翼１５が回転したとき、静翼列６を通過した燃焼ガスによって、翼部２５に繰り返し荷重が作用し、すべりが発生することでフレッティングが発生する。結果として、埋め込み部３０の応力集中部Ｐに応力が発生する。

図４は、図３の模式図において、埋め込み部３０をディスク１２の半径方向に切断したときの、埋め込み部３０の断面図である。埋め込み部３０は、埋め込み部３０の表面を含む外側埋め込み部３１と、くさび形状を有する内側埋め込み部３９とを備えている。外側埋め込み部３１の外面は、ディスク１２の凹部１２ａに埋め込み可能に構成されている。内側埋め込み部３９は、外側埋め込み部３１の内側に配置されている。

翼部２５および外側埋め込み部３１は、Ｎｉ基超合金から構成されている。Ｎｉ基超合金の一例として、一般的にＷａｓｐａｌｏｙと称される合金が挙げられる。内側埋め込み部３９は、ＴｉＡｌ合金から構成されている。より具体的には、内側埋め込み部３９に使用されるＴｉＡｌ合金のＴｉの組成比は、４０原子パーセント〜６０原子パーセントであり、Ａｌの組成比は、４０原子パーセント〜６０原子パーセントである。

ＴｉＡｌ合金は、Ｎｉ基超合金よりも比重が小さいため、内側埋め込み部３９をＴｉＡｌ合金とすることで、機械的強度を十分に確保しつつ、動翼１５を軽量化することができる。さらに、ディスク１２に接触する外側埋め込み部３１をＮｉ基超合金とすることで、動翼１５の耐食性やフレッティング耐性を確保することができる。

また、Ｎｉ基超合金の一例であるＷａｓｐａｌｏｙの線膨張係数は、１２．２×１０^−６／℃であり、ＴｉＡｌ合金の線膨張係数は、１２．１×１０^−６／℃である。Ｎｉ基超合金の線膨張係数と、ＴｉＡｌ合金の線膨張係数は、近い値であるため、高温環境下において、埋め込み部３０の熱膨張によって、外側埋め込み部３１の内面と内側埋め込み部３９の外面との間に隙間が発生しにくく、外側埋め込み部３１と内側埋め込み部３９同士の圧迫も少ない。

本実施形態によれば、応力集中部Ｐに発生する応力を小さくすることができ、き裂の進展を抑制し、破断に至るまでの動翼１５の寿命を延ばすことができる。さらに本実施形態によれば、応力集中部Ｐに発生する応力が小さくなることにより、動翼１５が固定されたディスク１２は、高速で回転することができる。

以下、動翼１５の製造方法の一実施形態について、図５に示すフローチャートに沿って説明する。図６は、ステップ１−１の工程を説明する模式図である。ステップ１−１では、翼部２５、および外側埋め込み部３１の一部を構成する外側埋め込み部本体３２を成形する。外側埋め込み部３１は、外側埋め込み部本体３２と、後述する蓋３４とから構成されている。翼部２５および外側埋め込み部本体３２は、Ｎｉ基超合金によって成形される。

具体的には、外側埋め込み部本体３２は、翼部２５の基端２６に成形される。外側埋め込み部本体３２は、外側埋め込み部３１を構成するＮｉ基超合金を中空状に成形することによって成形される。これにより、内部空間３１ａが形成される。翼部２５および外側埋め込み部本体３２の成形方法の例として、鋳造や、三次元造形機による造形等が挙げられる。三次元造形機の一例として、公知の３Ｄプリンタが挙げられる。３Ｄプリンタによる製造方法の公知例として、金属粉材料にレーザビームを照射して、金属材料を溶融、凝固させて積層造形する方法（例えば、レーザー粉体肉盛溶接）や金属粉材料に電子ビームを照射して、金属材料を溶融、凝固させて積層造形する方法などが挙げられる。

ステップ１−２では、内側埋め込み部３９を成形する。内側埋め込み部３９は、ＴｉＡｌ合金によって成形される。具体的には、内側埋め込み部３９は、ＴｉＡｌ合金をくさび状に成形することによって、成形される。内側埋め込み部３９の成形方法の例として、鋳造や、三次元造形機による造形等が挙げられる。

図７は、ステップ１−３およびステップ１−４の工程を説明する模式図である。ステップ１−３では、内側埋め込み部３９を、外側埋め込み部３１の内部空間３１ａに挿入する。具体的には、外側埋め込み部本体３２に形成され、かつ外側埋め込み部３１の内部空間３１ａに連通する開口３１ｂを通じて、内側埋め込み部３９を、外側埋め込み部３１の内部空間３１ａに挿入する。内部空間３１ａは、くさび形状を有している。

ステップ１−４では、蓋３４を外側埋め込み部本体３２の端面３６に固定することによって、開口３１ｂを閉じる。蓋３４は、Ｎｉ基超合金によって成形される。蓋３４の成型方法の例として、鋳造や、三次元造形機による造形等が挙げられる。蓋３４は、外側埋め込み部３１の一部を構成する。一実施形態では、ステップ１−４を実施しなくてもよい。ステップ１−４を実施しない場合、外側埋め込み部３１は、外側埋め込み部本体３２のみから構成される。上記ステップ１−１〜１−４により、埋め込み部３０が翼部２５の基端２６に成形される。

次に、動翼１５の製造方法の他の実施形態について、図８に示すフローチャートに沿って説明する。図９は、ステップ２−１およびステップ２−２の工程を説明する模式図である。ステップ２−１では、図５を参照して説明したステップ１−１と同様の方法で、翼部２５および外側埋め込み部３１を成形する。具体的には、外側埋め込み部３１は、翼部２５の基端２６に成形される。外側埋め込み部３１は、外側埋め込み部３１を構成するＮｉ基超合金を中空状に成形することによって成形される。ステップ２−１では、さらに、外側埋め込み部３１の先端に、外側埋め込み部３１の内部空間３１ａに連通する複数の通孔３１ｃが形成される。内部空間３１ａは、くさび形状を有している。

ステップ２−２では、内側埋め込み部３９を構成する溶解されたＴｉＡｌ合金を、外側埋め込み部３１の内部空間３１ａに流し込む。具体的には、溶解されたＴｉＡｌ合金を、通孔３１ｃを通じて、内部空間３１ａに流し込む。

ステップ２−３では、ＴｉＡｌ合金が流し込まれた動翼１５を冷却し、ＴｉＡｌ合金を凝固させる。ＴｉＡｌ合金を凝固させることによって、内部空間３１ａの形状に沿って内側埋め込み部３９が成形される。上記ステップ２−１〜２−３により、埋め込み部３０が翼部２５の基端２６に成形される。

一実施形態では、図５を参照して説明した製造方法のステップ１−２およびステップ１−３の工程において、内側埋め込み部３９を外側埋め込み部３１の内部空間３１ａに挿入する代わりに、溶解されたＴｉＡｌ合金を、図７に示す開口３１ｂを通じて外側埋め込み部３１の内部空間３１ａに流し込むことによって、内側埋め込み部３９を成形してもよい。

次に、動翼１５の製造方法のさらに他の実施形態について、図１０に示すフローチャートに沿って説明する。本実施形態では、三次元造形機（図示せず）によって、外側埋め込み部３１および内側埋め込み部３９を含む動翼１５全体が造形される。具体的には、ステップ３−１では、Ｎｉ基超合金とＴｉＡｌ合金の金属粉材料を用意する。ステップ３−２では、ステップ３−１で用意した金属粉材料にレーザビームまたは電子ビームを照射して、金属粉材料を溶融、凝固させて、外側埋め込み部３１および内側埋め込み部３９を含む動翼１５全体を積層造形することによって、動翼１５全体を造形する。このような積層造形方法は公知の方法であり、三次元造形機の一例として、公知の３Ｄプリンタが挙げられる。

ステップ３−２では、翼部２５および外側埋め込み部３１は、Ｎｉ基超合金によって成形される。内側埋め込み部３９は、ＴｉＡｌ合金によって成形される。埋め込み部３０は、翼部２５の基端２６に成形される。

次に、動翼１５の製造方法のさらに他の実施形態について、図１１に示すフローチャートに沿って説明する。ステップ４−１では、図５を参照して説明したステップ１−２と同様の方法で、内側埋め込み部３９を成形する。ステップ４−２では、図１２に示すように、埋め込み部３０および翼部２５の表面に沿った内面形状を有する鋳型９０を用意する。ステップ４−３では、図１３に示すように、内側埋め込み部３９を、鋳型９０の内部空間９０ａに配置する。図１３は、内側埋め込み部３９を内側埋め込み部３９の長手方向から見た模式図である。

ステップ４−４では、図１４に示すように、外側埋め込み部３１および翼部２５を構成する溶解されたＮｉ基超合金を、鋳型９０の内部空間９０ａに流し込む。具体的には、溶解されたＮｉ基超合金を、鋳型９０に形成された流入口９０ｂを通じて、内部空間９０ａに流し込む。

ステップ４−５では、Ｎｉ基超合金が流し込まれた鋳型９０を冷却し、Ｎｉ基超合金を凝固させる。ＴｉＡｌ合金を凝固させることによって、内側埋め込み部３９および鋳型９０の内面形状に沿って外側埋め込み部３１が成形される。さらに、鋳型９０の内面形状に沿って翼部２５が成形される。上記ステップ４−１〜４−５により、埋め込み部３０が翼部２５の基端２６に成形される。

図１５は、動翼１５の他の実施形態を示す斜視図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図２乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の翼部２５は、中空形状を有している。より具体的には、翼部２５は、内部空間２５ａを有している。

図１６は、図１５に示す翼部２５の断面図である。図１６の切断方向は、図３の模式図におけるディスク１２の周方向である。翼部２５の内部空間２５ａの断面２５ｃの重心位置Ｘは、内部空間２５ａを含む翼部２５全体の断面２５ｄの重心位置Ｙに一致している。本明細書では、断面を薄い板状の物体と考えたときの重心の位置を、断面の重心位置と定義する。さらに、断面２５ｃの断面積は、断面２５ｄの断面積より、５％〜２０％小さい。

翼部２５を中空化することにより、動翼１５をさらに軽量化することができる。しかし、内部空間２５ａを大きくしすぎると機械的強度が保てなくなる。断面２５ｃの断面積を、断面２５ｄの断面積より、５％〜２０％小さくすることによって、翼部２５の機械的強度を保ちつつ、効率的に動翼１５を軽量化することができる。本実施形態の動翼１５は、図５、図８、図１０、図１１を参照して説明した製造方法と同様の方法で製造することができる。一実施形態では、翼部２５の内部空間２５ａは、ＴｉＡｌ合金で満たされていてもよい。

図１７は、動翼１５のさらに他の実施形態を示す斜視図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１５および図１６を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の翼部２５は、翼部本体２７と蓋２８から構成されており、外側埋め込み部３１には、外側埋め込み部３１の内部空間３１ａに連通する通孔３１ｄが形成されている。内部空間２５ａと内部空間３１ａは、通孔３１ｄを通じて連通している。

本実施形態の動翼１５は、図５、図８、図１０、図１１を参照して説明した製造方法と同様の方法で製造することができる。次に、本実施形態の動翼１５の製造方法の他の実施形態について、図１８に示すフローチャートに沿って説明する。

ステップ５−１では、図５を参照して説明したステップ１−１と同様の方法で、翼部本体２７および外側埋め込み部３１を成形する。外側埋め込み部３１は、外側埋め込み部３１を構成するＮｉ基超合金を中空状に成形することによって成形される。翼部本体２７は、翼部２５を構成するＮｉ基超合金を中空状に成形することによって成形される。

ステップ５−２では、内側埋め込み部３９を構成する溶解されたＴｉＡｌ合金を、外側埋め込み部３１の内部空間３１ａに流し込む。具体的には、溶解されたＴｉＡｌ合金を、内部空間２５ａおよび通孔３１ｄを通じて、内部空間３１ａに流し込む。

ステップ５−３では、ＴｉＡｌ合金が流し込まれた動翼１５を冷却し、ＴｉＡｌ合金を凝固させる。ＴｉＡｌ合金を凝固させることによって、内部空間３１ａの形状に沿って内側埋め込み部３９が成形される。上記ステップ５−１〜５−３により、埋め込み部３０が翼部２５の基端２６に成形される。

ステップ５−４では、蓋２８を翼部本体２７の端面２７ｂに固定する。蓋２８は、Ｎｉ基超合金によって成形される。蓋２８の成型方法の例として、鋳造や、三次元造形機による造形等が挙げられる。一実施形態では、ステップ５−４を実施しなくてもよい。ステップ５−４を実施しない場合、翼部２５は、翼部本体２７のみから構成される。

図１９は、動翼１５のさらに他の実施形態を示す埋め込み部３０の断面図である。図１９の切断方向は、図３の模式図におけるディスク１２の半径方向である。特に説明しない本実施形態の構成は、図２乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の埋め込み部３０は、翼部２５の基端２６に形成されたプラットフォーム部４０と、先端部５０と、プラットフォーム部４０と先端部５０との間に形成された中間部６０から構成されている。

プラットフォーム部４０は、プラットフォーム部４０の表面を含む外側プラットフォーム部４１と、外側プラットフォーム部４１の内側に位置する内側プラットフォーム部４９とを備えている。先端部５０は、先端部５０の表面を含む外側先端部５１と、外側先端部５１の内側に位置する内側先端部５９とを備えている。中間部６０は、中間部６０の表面を含む外側中間部６１と、外側中間部６１の内側に位置する内側中間部６９とを備えている。

内側プラットフォーム部４９と、内側中間部６９とは第１接続部７９によって接続されており、内側中間部６９と内側先端部５９とは第２接続部８９によって接続されている。言い換えれば、外側埋め込み部３１は、外側プラットフォーム部４１と、外側先端部５１と、外側中間部６１から一体に構成されており、内側埋め込み部３９は、内側プラットフォーム部４９と、内側先端部５９と、内側中間部６９と、第１接続部７９と、第２接続部８９から一体に構成されている。

内側プラットフォーム部４９は、内側プラットフォーム部４９の断面４９ａの重心位置Ｒが、内側プラットフォーム部４９を含むプラットフォーム部４０全体の断面４０ａの重心位置Ｓに一致するように配置されている。さらに、断面４９ａの断面積は、断面４０ａの断面積より、５％〜２０％小さい。

内側先端部５９は、内側先端部５９の断面５９ａの重心位置Ｔが、内側先端部５９を含む先端部５０全体の断面５０ａの重心位置Ｕに一致するように配置されている。さらに、断面５９ａの断面積は、断面５０ａの断面積より、５％〜２０％小さい。

内側中間部６９は、内側中間部６９の断面６９ａの重心位置Ｖが、内側中間部６９を含む中間部６０全体の断面６０ａの重心位置Ｗに一致するように配置されている。さらに、断面６９ａの幅方向の長さＬ１は、断面６０ａの幅方向の長さＬ２より、５％〜２０％短い。

本実施形態では、埋め込み部３０を上述の構成とすることによって、動翼１５の機械的強度を保ちつつ、効率的に動翼１５を軽量化することができる。本実施形態の埋め込み部３０は、図１５乃至図１７を参照して説明した動翼１５にも適用することができる。図１９と、図１５、図１７のいずれかとの組み合わせは、埋め込み部３０の応力集中部Ｐに発生する応力を２５％程度低下させることができる。結果として、動翼１５が固定されたディスク１２は、より高速で回転することができる。図１９を参照して説明した動翼１５は、図５、図８、図１０、図１１を参照して説明した製造方法と同様の方法で製造することができる。

上述した各実施形態の動翼１５の構成は、回転機械全般に適用することができる。一例として、原動機により発生したトルクを羽根車に伝達し、羽根車を回転させることで液体を移送するポンプ装置の羽根車の構造に適用してもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ タービン
５ 動翼列
６ 静翼列
１１ シャフト
１２ ディスク
１２ａ 凹部
１５ 動翼
１６ 静翼
１９ ケーシング
１９ａ 上流側ケーシング
１９ｂ 下流側ケーシング
２１ ノーズコーン
２２ 排気ノズル
２５ 翼部
２５ａ 内部空間
２５ｃ 断面
２５ｄ 断面
２６ 基端
２７ 翼部本体
２７ｂ 端面
２８ 蓋
３０ 埋め込み部
３１ 外側埋め込み部
３１ａ 内部空間
３１ｂ 開口
３１ｃ 通孔
３１ｄ 通孔
３２ 外側埋め込み部本体
３４ 蓋
３６ 端面
３９ 内側埋め込み部
４０ プラットフォーム部
４０ａ 断面
４１ 外側プラットフォーム部
４９ 内側プラットフォーム部
４９ａ 断面
５０ 先端部
５０ａ 断面
５１ 外側先端部
５９ 内側先端部
５９ａ 断面
６０ 中間部
６０ａ 断面
６１ 外側中間部
６９ 内側中間部
６９ａ 断面
７９ 第１接続部
８９ 第２接続部
９０ 鋳型
９０ａ 内部空間
９０ｂ 流入口

Claims (12)

1. タービン用の動翼であって、
   翼部と、
   前記翼部の基端に形成され、かつ前記タービンのディスクに埋め込み可能な埋め込み部とを備え、
   前記埋め込み部は、
   前記埋め込み部の表面を含む外側埋め込み部と、
   前記外側埋め込み部の内側に位置する内側埋め込み部とを備えており、
   前記外側埋め込み部は、Ｎｉ基超合金から構成されており、
   前記内側埋め込み部は、ＴｉＡｌ合金から構成されている、動翼。
2. 前記翼部は中空形状を有している、請求項１に記載の動翼。
3. 前記翼部の内部空間の断面の重心位置は、前記翼部全体の断面の重心位置に一致しており、かつ前記翼部の内部空間の断面積は、前記翼部全体の断面積より、５％〜２０％小さい、請求項２に記載の動翼。
4. 前記埋め込み部は、前記翼部の基端に形成されたプラットフォーム部と、先端部と、前記プラットフォーム部と前記先端部との間に形成された中間部から構成されており、
   前記プラットフォーム部は、前記プラットフォーム部の表面を含む外側プラットフォーム部と、前記外側プラットフォーム部の内側に位置する内側プラットフォーム部とを備えており、
   前記先端部は、前記先端部の表面を含む外側先端部と、前記外側先端部の内側に位置する内側先端部とを備えており、
   前記中間部は、前記中間部の表面を含む外側中間部と、前記外側中間部の内側に位置する内側中間部とを備えており、
   前記内側プラットフォーム部は、その断面の重心位置が、前記プラットフォーム部全体の断面の重心位置に一致するように配置されており、かつ前記内側プラットフォーム部の断面積は、前記プラットフォーム部全体の断面積より、５％〜２０％小さく、
   前記内側先端部は、その断面の重心位置が、前記先端部全体の断面の重心位置に一致するように配置されており、かつ前記内側先端部の断面積は、前記先端部全体の断面積より、５％〜２０％小さく、
   前記内側中間部は、その断面の重心位置が、前記中間部全体の断面の重心位置に一致するように配置されており、かつ前記内側中間部の断面の幅方向の長さは、前記中間部全体の断面の幅方向の長さより、５％〜２０％短い、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の動翼。
5. シャフトと、
   前記シャフトに固定されたディスクと、
   前記ディスクの半径方向外側に延びる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の動翼と、
   前記動翼に隣接して配置された静翼と、
   前記シャフト、前記ディスク、前記動翼、および前記静翼を収容するケーシングとを備えている、タービン。
6. タービン用の動翼の製造方法であって、
   翼部を成形し、
   前記タービンのディスクに埋め込み可能な埋め込み部を、前記翼部の基端に成形し、
   前記埋め込み部を成形する工程は、Ｎｉ基超合金によって、外側埋め込み部を成形する工程と、ＴｉＡｌ合金によって、内側埋め込み部を成形する工程とを含み、
   前記外側埋め込み部は、前記埋め込み部の表面を含んでおり、
   前記内側埋め込み部は、前記外側埋め込み部の内側に位置している、製造方法。
7. 前記埋め込み部を成形する工程は、前記外側埋め込み部を構成する前記Ｎｉ基超合金を中空状に成形する工程と、前記内側埋め込み部を、前記外側埋め込み部の内部空間に挿入する工程とを含む、請求項６に記載の製造方法。
8. 前記内側埋め込み部を、前記外側埋め込み部の内部空間に挿入する工程は、前記内側埋め込み部を、前記外側埋め込み部に形成され、かつ前記外側埋め込み部の内部空間に連通する開口を通じて、前記外側埋め込み部の内部空間に挿入する工程を含む、請求項７に記載の製造方法。
9. 前記埋め込み部を成形する工程は、前記外側埋め込み部を構成する前記Ｎｉ基超合金を中空状に成形する工程と、前記内側埋め込み部を構成する溶解されたＴｉＡｌ合金を、前記外側埋め込み部の内部空間に流し込む工程を含む、請求項６に記載の製造方法。
10. 前記溶解されたＴｉＡｌ合金を、前記外側埋め込み部の内部空間に流し込む工程は、前記溶解されたＴｉＡｌ合金を、前記外側埋め込み部に形成され、かつ前記外側埋め込み部の内部空間に連通する通孔を通じて、前記外側埋め込み部の内部空間に流し込む工程を含む、請求項９に記載の製造方法。
11. 前記埋め込み部を成形する工程は、
    三次元造形機によって、前記外側埋め込み部および前記内側埋め込み部を造形する工程を含む、請求項６に記載の製造方法。
12. 前記埋め込み部を成形する工程は、
    前記埋め込み部の表面に沿った内面形状を有する鋳型を用意し、
    前記内側埋め込み部を、前記鋳型の内部空間に配置し、
    溶解されたＮｉ基超合金を、前記鋳型の内部空間に流し込む工程を含む、請求項６に記載の製造方法。

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