JP3927628B2 - タービン・ノズルとそのインベストメント鋳造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発電用並びに航空機用ガスタービン機関に用いる為のタービン・ノズルの鋳造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的には、ガスタービン機関のタービン部分には、タービン・ノズル（静翼とも呼ばれる）が動翼の前方に配置され、動翼を効率良く回転させるような最適の角度で高温の燃焼ガスを差向ける為に利用される。この動翼の回転によって、軸を回転させる為に使われる動力が発生される。この軸は、発電用のカスタービンの場合は、電力を発生する為に発電機に接続する事が出来る。
【０００３】
ガスタービン・ノズルは典型的には中空の金属構造であり、インベストメント鋳造法を用いて製造される。ガスタービン・ノズルの現在のインベストメント鋳造法では、ノズルの内部冷却材通路を定める中子（ｃｏｒｅ）、典型的には通常のアルミナ又はシリカをベースとしたセラミックの中子をろうで包囲し、このろうを整形してノズルの翼形部品をろうで形成する。次いで、このろう集成体は液体セラミック溶液内への一連の浸漬を受ける。毎回の浸漬の後、部品を乾かし、硬い外殻（ｏｕｔｅｒ ｓｈｅｌｌ）、典型的には普通のジルコニアをベースとしたセミラックの外殻を形成する。全ての浸漬が完了し、ろう集成体が硬化した幾層かのセラミックの外殻によって包囲された後、集成体を炉の中に配置し、そこで外殻内のろうを融かして除去する。後に残った鋳型はセラミックの中子、セラミックの外殻、及び前にはろうで埋められていた中子と外殻との間の空間で構成される。鋳型を再び炉内に配置し、鋳型の頂部にある開口から液体金属を注ぎ込む。溶融金属が、前にはろうが埋めていたセラミックの中子とセラミックの外殻との間の空間に入る。金属を冷まして凝固させた後、外殻を壊して除去して、前にろうが埋めていた空間の形状を持つ金属のノズル部品を露出させる。このノズル部品は、内側にセラミックの中子を包囲している。次に、このノズル部品をリーチング槽内に置き、そこでセラミックの中子を溶解する。この時、金属のノズル部品はろう成形体の形状を持つと共に、前にはセラミックの中子が埋めていた内部空所を有する。
【０００４】
セラミックの外殻及びセラミックの中子の材料の相対的な熱伸張が異なっており、この為、金属を注ぎ込んで冷ました後、外殻及び中子部品の相対的な収縮が異なる。この為、壁の一方の面が外殻によって定められ、壁の他方の面が中子と係合する金属ノズル部品の区域では、壁の厚さが変化する事がある。特に、後でさらに詳しく説明するが、翼形部が外側ノズル・バンドとによりフィレット（ｆｉｌｌｅｔ）を形成する領域は、従来、鋳物の壁厚を制御するのが非常に困難な領域であった。
【０００５】
図１には、典型的なタービン・ノズルが１０で示してある。ノズルは翼形部１２、外側ノズル・バンド１４、内側ノズル・バンド１６、内側取付けフランジ１８、翼形部１２が内側ノズル・バンド１６と出会う翼形部内側フィレット２０Ａ、翼形部１２が外側ノズル・バンド１４と出会う翼形部外側フィレット２０Ｂ（図２参照）、翼形部内部リブ２２、及び外側取付けフック２４を有する。タービン・ノズルはまた翼形部１２の周縁に沿って翼形部１２とは反対側の外側ノズル・バンドの所に配置された垂直向きのカラー２６を有し、図２に示されているように、その内の外側の垂直向きのカラー２６Ｂがフィレット２０Ｂと外側ノズル・バンド１４との間の界面に設けられており、また内側のカラー２６Ａがフィレット２０Ａと内側ノズル・バンド１６との間の界面に形成されている。
【０００６】
次に図２を参照して説明すると、図２には、前に説明したようにアルミナ又はシリカをベースとしたセラミックの中子２８とジルコニアをベースとしたセラミックの外殻３０との間の空間に溶融金属を注ぎ込んだ後のノズル１０の様子が示されている。ここで、図２に示すノズルが一時的なろう成形体と同じ形状を持っており、従ってろう成形体の面又は形状が金属ノズルの同一の面又は形状に対応する事に留意されたい。この為、本明細書でろう成形体又はその結果得られた金属ノズル構造について言う事は、事実上互換性がある。例えば垂直向きのカラー２６Ａ及び２６Ｂは、最初はろうで形成されていて、後で、ろうで占められていた空間内に注ぎ込まれた溶融金属によって形成される。これはこれから説明する図３及び４についても言える事である。
【０００７】
中子２８が（タービンにしっかりと固定しようとするノズルの固定端に）拡大端３２及び（自由端に）拡大端３４を持つ事に注意されたい。「固定端」では、セラミックの中子と外殻との間に相対的な膨脹はほとんどあるいは全く無い。しかし、「自由端」では、このような相対的な膨脹が容易に起る。金属を注ぎ込む前に鋳型を予熱する過程で、並びに金属を注ぎ込んだ後に鋳型を冷却する時、外殻３０及び中子２８は、それぞれのセラミック材料の特性が異なる為に、異なる速度で伸張及び収縮する。金属の外側及び内側ノズル・バンド１４，１６はそれぞれの両面が共に同じ外殻材料（これは、勿論、一様な熱伸張特性を持つ）と係合しているので、外側及び内側ノズル・バンド１４，１６の壁厚は上記の相対的な伸張現象の影響を受けない。従って、内側及び外側ノズル・バンドの区域では、比較的一貫性のある壁厚が容易に得られる。
【０００８】
内側ノズル・バンドの壁のフィレット２０Ａにおける厚さ寸法は、この端すなわち「固定端」では、外殻と中子が互いに抑えられているので、小さな、問題にならない程度にしか影響を受けない。この為、相対的な伸張が起り得る距離は一層小さく、その結果、固定端とは反対の区域に比べて、相対的な伸張の絶対値がずっと小さい。
【０００９】
しかし、翼形部が外側ノズル・バンドとフィレット２０Ｂを形成する領域では、すなわち「自由端」では、相異なる伸張及び収縮速度が容易に起り、この場所では熱膨脹の差が壁厚の寸法に著しい影響を与える。一般的に、この領域は、応力が高くて部品寿命が短い区域の１つになる傾向があり、壁厚制御が不可欠の重要な領域になっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主な目的は、翼形部が外側ノズル・バンドとフィレットを形成する領域において中子材料と外殻材料との熱膨脹の相対的な差を減らすことである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、外側ノズル・バンドの界面におけるフィレットの周縁に沿った垂直向きのカラーを除去して、この代わりに内部の水平向きのフラッシュ・リブ（ｆｌａｓｈ ｒｉｂ）を設ける。この設計変更は外側のフィレットで一層重要であるが、これは内側及び外側の両方のフィレットの所で用いても良い。さらに具体的に言うと、中子及び外殻のセラミック材料の熱膨脹の相対的な差を減らす為に、避けることの出来ない相対的な移動の向きを、翼形部の壁で観察したときの壁厚の変化が小さくなるような方向に向けるように、中子の位置が配置される。言い換えれば、中子と外殻との間の相対的な伸張及び収縮の差に対して外側のフィレットが影響されないようにする為、周縁の従来の垂直向きのカラーを上に述べた内部の水平向きのフラッシュ・リブに置換えて、外殻のセラミック材料をフィレットまで覆うように延在させる。その結果、外殻材料が外側フィレットの内外両面と係合して、それを包囲し、これによりこの重要な領域に良く制御された一貫性のある厚さを作る。
【００１２】
中子及び外殻の相対的な伸張を吸収する為、フラッシュ・リブは翼形部内で、フィレット及び翼形部が接線で接する点と整合する場所に作る。この特徴は、ろう成形体が（従来の垂直向きのカラーの代りに）水平向きのフラッシュ・リブを含むように、鋳型の中子及びろう成形体を設計変更する事によって達成する。前に述べたように外殻を形成する浸漬プロセスにより、この新しい構成が完成する。ろうを除去した後、ろうの後に残った空所（フラッシュ・リブを作る空間も含む）に溶融金属を注ぎ込む。中子と外殻との間に相対的な移動が起っても、その移動は、フィレットではなく、一方又は両方のフラッシュ・リブの厚さの変化によって吸収される。鋳造の後、フラッシュ・リブを加工して除くか、あるいは周知のようにノズルの翼形部内に一般的に配置される冷却用の衝突挿着体の為の取付け用の座として使う事が出来る。
【００１３】
従って、広義にみると、本発明は、外側ノズル・バンド、内側ノズル・バンド、及びこれらの両バンドの間に伸びている翼形部を持つタービン・ノズルのインベストメント鋳造方法を提供し、この方法は、鋳造に使われる一時的なろう成形体及び外殻及び中子部品を整形して、ろう成形体を取除く事によって出来た空間に溶融金属を注ぎ込んだ時、外側ノズル・バンドが翼形部と出会う外側フィレットの内外両面に同様な外殻材料が存在する様にすることを含む。
【００１４】
別の一面では、本発明は、外側ノズル・バンド及び内側ノズル・バンドと、これらの両バンドの間に伸びる翼形部であって、外側ノズル・バンドとの間に外側フィレット及び内側ノズル・バンドとの間に内側フィレットを持つ翼形部と、外側フィレットの下方で且つ外側フィレットに隣接した所で翼形部の内周に沿って伸びる第１の水平向きのリブとを有するガスタービン・ノズルを提供する。
【００１５】
本発明のこの他の目的及び利点は、以下詳しく説明するところから明らかになろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図３及び４について説明すると、本発明の特徴を取り入れたガスタービン・ノズル及び鋳型の構成が示されている。便宜上、図１及び２で用いた参照数字を図３及び４の対応する部品にも用いるが、それらの頭に数字“１”をつけ加えて示してある。すなわち、特に図３について説明すると、タービン・ノズル１０１が翼形部１１２、外側ノズル・バンド１１４、内側ノズル・バンド１１６、内側取付けフランジ１１８、翼形部内側フィレット１２０Ａ、翼形部外側フィレット１２０Ｂ、翼形部内部リブ１２２及び外側取付けフック１２４を有する。この実施例では、周縁カラー２６Ａ及び２６Ｂが除かれており、その代りに水平向きのフラッシュ・リブ１２６Ａ及び１２６Ｂが、図４に一番良く示されている様に、ノズルの翼形部の内部空所内で外側ノズル・バンド１１４の高さより下方の所および内側ノズル・バンド１１６の高さより上方の所にそれぞれ設けられている。
【００１７】
上に述べた構成を達成する為、セラミックの中子１２８は、図４に一番良く見られるように、寸法を縮小した端部分１３２及び１３４を持つように構成しなおしてある。ろう成形体がこのセラミックの中子に追加された時、ろう成形体はろうで作られた水平向きのフラッシュ・リブ１２６Ａ及び１２６Ｂを含み、それらがセラミックの中子の水平の肩１３５及び１３３とそれぞれ係合する。外殻１３０を形成するこの後の浸漬工程の際、外殻材料がろうのフラッシュ・リブと係合し、図４にはっきりと示されている様に、上側すなわち外側ノズル・バンド１１４の両面の空間と、下側すなわち内側ノズル・バンド１１６の両面の空間と、セラミックの中子の縮小端部１３２及び１３４の空間を埋める。
【００１８】
中子１２８及び外殻１３５を形成する材料は、それぞれ従来の方法で使われているのと同じアルミナ又はシリカをベースとしたセラミック及びジルコニアをベースとしたセラミックであって良い事に注意されたい。これらは、インベストメント鋳造に典型的に用いられる周知の市場で入手し得る材料である。しかし、本発明はこういう特定の材料を使うことに制限されない。
【００１９】
上に述べた構成によると、ろうを融かして鋳型から除き、前にはろうが埋めていた空所に溶融金属を注ぎ込んだ時、上側すなわち外側ノズル・バンド１１４の両面および下側すなわち内側ノズル・バンド１１６の両面に同じ材料（外殻材料）が係合して両バンドを取囲むことが理解されよう。この為、内側フィレット１２０Ａ及び外側フィレット１２０Ｂ（特に、外側フィレット１２０Ｂ）が一層制御しやすくなり、従って一層一様な肉厚を持つ。これは、フィレットが中子及び外殻のセラミックの間の相対的な伸張及び収縮の差の影響を受けないようにされているからである。
【００２０】
鋳造の後、金属のフラッシュ・リブ１２６Ａ、１２６Ｂは加工してノズル部品から除いても良いし、あるいは周知のようにノズルの翼形部に典型的に配置される冷却用の衝突挿着体に対する取付け用の座として使う事が出来る。
本発明を現在最も実用的で好ましい実施例と考えられるものについて説明したが、本発明がここで開示した実施例に制限されず、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で、この他の種々の変更及び均等物を含むものであることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のガスタービン機関のタービン・ノズルの斜視図である。
【図２】図１の線２−２で切った断面図である。
【図３】本発明を取入れたタービン・ノズルの斜視図である。
【図４】図３の線４−４で切った断面図である。
【符号の説明】
１１０ タービン・ノズル
１１２ 翼形部
１１４ 外側ノズル・バンド
１１６ 内側ノズル・バンド
１２０Ａ 内側フィレット
１２０Ｂ 外側フィレット
１２６Ａ 内側フラッシュ・リブ
１２６Ｂ 外側フラッシュ・リブ
１２８ 中子
１３０ 外殻

Claims (4)

1. 外側ノズル・バンド、内側ノズル・バンド、及びこれらの両ノズル・バンドの間に伸びている翼形部を含むタービン・ノズルをインベストメント鋳造する方法において、
   鋳造に使われるろう成形体、外殻及び中子の部品を成形して、前記ろう成形体を除いた後に出来た空間に溶融金属を注ぎ込んだ時に前記内側及び外側ノズル・バンドの内の少なくとも一方を翼形部に接続するフィレットの内外両面に外殻材料が存在するようにしたことを特徴とするタービン・ノズルのインベストメント鋳造方法。
2. 前記外殻の成形が複数回の浸漬工程によって実施される請求項１記載の方法。
3. 外側ノズル・バンド及び内側ノズル・バンドと、
   前記外側及び内側ノズル・バンドの間を伸びていて、前記外側ノズル・バンドとの間に外側フィレット及び前記内側ノズル・バンドとの間に外側フィレットを持つ翼形部と、
   前記外側フィレットの下方で且つ前記外側フィレットに隣接した所で前記翼形部の内周に沿って伸びている第１の水平向きのリブと
   を有することをを特徴とするガスタービン・ノズル。
4. 前記内側フィレットの下方で且つ前記内側フィレットに隣接した所で前記翼形部の内周に沿って伸びている第２の水平向きのリブを更に有する請求項３記載のガスタービン・ノズル。

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