JP4096301B2

JP4096301B2 - 動翼及びそのコーティング方法

Info

Publication number: JP4096301B2
Application number: JP2002295966A
Authority: JP
Inventors: 宏行落合; 光敏渡辺; 剛山川; 昭悟津組; 淳酒井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: JP2004150272A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタービンや圧縮機等で用いられる動翼及びそのコーティング方法に関し、特に翼先端部に最適なアブレーシブコーティングを施した動翼及びそのコーティング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの運転時には、動翼は先端部に遠心力による伸びと熱による伸びとが生じるため、ケーシングやシュラウドとのチップクリアランスを適正に保つように設定する必要がある。接触を恐れてチップクリアランスを大きくし過ぎるとガスタービンの効率が低下し、逆に小さくし過ぎるとケーシングやシュラウドと接触して動翼の先端部が破損しガスタービンの故障の原因となってしまうからである。
【０００３】
そこで、動翼の先端部に、ケーシングやシュラウドとの接触を考慮した耐摩耗用のアブレーシブコーティング（ＡｂｒａｓｉｖｅＣｏａｔｉｎｇ）を施す一方で、ケーシングやシュラウド側にはアブレイダブルコーティング（ＡｂｒａｄａｂｌｅＣｏａｔｉｎｇ）を施し、その硬度の差により、ガスタービン駆動時に動翼の先端部でケーシングやシュラウド側のコーティングを削り取り、チップクリアランスを最小限に保つようにしている。
【０００４】
ここで、図３は従来の動翼の一例を示す図であり、（Ａ）は通常のタービン動翼の斜視図、（Ｂ）はチップシュラウド付タービン動翼の斜視図、（Ｃ）は圧縮機翼の斜視図である。なお、これらの図では、ディスク側のプラットホームやダブテールの図は省略してある。
図３（Ａ）、（Ｃ）に示すタービン及び圧縮機の動翼１の場合には、その翼先端部の全域（図の裏側も含む）に渡ってアブレーシブコーティング２が施されている。一方、図３（Ｂ）に示すチップシュラウド付動翼３では、チップシュラウド４に設けられたチップフィン５の先端部の全域に渡ってアブレーシブコーティング６が施されている。
【０００５】
上記アブレーシブコーティング２，６のコーティング材には、アブレイダブルコーティングのコーティング材よりも硬い材料であるジルコニア（ＺｒＯ₂）やＣＢＮ（ＣｕｂｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ）、タングステンカーバイド（ＷＣ）等が用いられ、肉盛溶接・メッキ・溶射等によりコーティングされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のアブレーシブコーティングでは、動翼の先端部全域に施されているため、コーティングする範囲が広く、製品の歩留まりが悪いという問題があった。また、ＣＢＮ等のコーティング材は高価なものが多く、コストが高いという問題もあった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、アブレーシブコーティングの範囲を最適化することによって、歩留まりを向上させるとともに、コストの低減を図ることができる動翼及びそのコーティング方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、先端部にアブレーシブコーティングの施された動翼であって、アブレーシブコーティング（７，８）は、動翼（１，３）の回転進行方向の角部又は回転進行方向の面に施されていることを特徴とする動翼が提供される。
【０００９】
本発明によれば、アブレーシブコーティングの範囲が最適化されていることから歩留まりを向上させることができ、また作業時間の短縮及びコーティング材の節約をすることができることからコストの低減を図ることができる。
【００１０】
さらに、本発明によれば、動翼の先端部にアブレーシブコーティングを施すコーティング方法であって、動翼（１，３）及び放電電極（９）を加工液中に浸し、動翼（１，３）の回転進行方向の角部又は回転進行方向の面部の近傍に放電電極（９）を設置し、これらの間で放電させることによって、動翼（１，３）の回転進行方向の角部にのみアブレーシブコーティング（７，８）を施す、ことを特徴とする動翼のコーティング方法が提供される。
【００１１】
本発明によれば、いわゆる放電コーティングを用いることによって、容易かつ安価に動翼の回転進行方向の角部にのみ又は回転進行方向の面にのみアブレーシブコーティングを施すことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１３】
図１は、本発明の動翼を示す斜視図であり、（Ａ）は通常のタービン動翼、（Ｂ）はチップシュラウド付タービン動翼、（Ｃ）は圧縮機動翼である。なお、これらの図では、ディスク側のプラットホームやダブテールの図は省略してある。
【００１４】
図１（Ａ）において、ａ-１は通常のタービン翼、ａ-２は薄い翼、ａ-３は先端にコーティング無しの場合である。
ａ-１の通常のタービン動翼１では、動翼の回転進行方向の角部、すなわち動翼先端部の背側の側面と端面にのみ、又は回転進行方向の面、すなわち、先端部の背側面にのみ、アブレーシブコーティング７が施されている。
ａ-１の薄いタービン動翼では、先端全面にコーティングを施し、反対の面はコーティング無しでもよい。
ａ-３のタービン動翼では、先端全面がコーティング無しである。
【００１５】
図１（Ｂ）において、ｂ-１は通常のチップシュラウド付タービン翼、ｂ-２は小さい翼、ｂ-３は先端にコーティング無しの場合である。
ｂ-１の通常のチップシュラウド付動翼３では、チップフィン５の先端部の回転進行方向の角部にのみ、又は回転進行方向の面、すなわち、先端部の背側面にのみ、アブレーシブコーティング８が施されている。なお、チップシュラウド４は、ガスタービンの高速回転時に動翼３の共振を防止するとともに、高温ガスが動翼３の外側に漏洩するのを防止するために設けられるものである。
ｂ-２の小さい翼では、先端全面にコーティングを施し、反対の面はコーティング無しでもよい。
ｂ-３のタービン動翼では、先端全面がコーティング無しである。
【００１６】
図１（Ｃ）において、ｃ-１は通常の圧縮機動翼、ｃ-２は先端にコーティング無しの場合である。
ｃ-１の通常の圧縮機動翼１では、動翼の回転進行方向の角部、すなわち動翼先端部の腹側の側面と端面にのみ、又は回転進行方向の面、すなわち、先端部の腹側面にのみ、アブレーシブコーティング７が施されている。
ｃ-２の圧縮機動翼では、先端全面がコーティング無しである。
【００１７】
上述したように、アブレーシブコーティングは、ケーシングやシュラウド側に施されたアブレイダブルコーティングとの硬度の差により、ガスタービン駆動時に動翼１，３の先端部でアブレイダブルコーティングを削り取り、チップクリアランスを最小限に保つようにするために施されるものである。そして、この現象は、動翼１，３の回転進行方向の角部が接触することによって始まり、ケーシングやシュラウドが削り取られることによって終了する。つまり、この角部が接触した後は、同一翼の他の部分がケーシングやシュラウドに接触することはほとんどないのである。この事実に鑑みれば、従来のように翼先端部の全域に渡ってアブレーシブコーティングを施す必要はなく、本発明が示すように、回転進行方向の角部にのみ、又は回転進行方向の面にのみアブレーシブコーティング７，８が施されていれば十分である。このようにコーティングする範囲を最適化することにより、コーティングする範囲は狭まり、製品の歩留まりが向上し、作業時間の短縮や高価なコーティング材の節約もすることができ、コストを低減することができる。
【００１８】
図２は、図１（Ａ）に示した動翼のコーティング方法を示す図である。本発明のコーティング方法では、動翼１及び放電電極９を加工液（油）で満たされた加工槽１０の中に浸し、動翼１の回転進行方向の角部近傍に放電電極９を設置し、これらの間で放電させることによって、動翼１の回転進行方向の角部にのみアブレーシブコーティング７を施している。
このアブレーシブコーティング７は、１０〜２０μｍと非常に薄いので（図ではわかり易くするために誇張してある）、従来どおりに動翼１を成形した後に、回転進行方向の角部に又は回転進行方向の面にのみアブレーシブコーティング７を施すだけで十分である。もちろん、アブレーシブコーティング７の厚み分だけ動翼１の角部を機械加工で削るようにしたり、予めその分を考慮した鋳型を用いて動翼１を成形するようにしたりしてもよい。
また、翼厚の薄い翼では、回転進行方向面と先端面全体にアブレーシブコーティングを施すことを含む。ただし進行と反対の面に施すことはない。
なお、図２に示す動翼１及び放電電極９は、その断面のみを示している。
【００１９】
このコーティング方法では、動翼１の回転進行方向の角部にのみ放電コーティングできるように、動翼先端部の背側の側面と端面のみを覆うような形状の放電電極９を用いるのが好ましい。例えば、この放電電極９は、断面が略Ｌ字状であって、翼の背側に沿って湾曲した形状をしている。
なお、図示しないが、図１（Ｂ）に示すチップシュラウド付タービン動翼３の場合には、チップフィン５の回転進行方向の角部を覆うような電極を用いればよい。
【００２０】
放電コーティングでは、加工液中に浸した動翼１と放電電極９とに電圧を印加することによって対峙した面で放電を発生させ、この放電によって放電電極９の表面を溶融し、溶融した元素を動翼１の表面に付着させ合金化させている。放電電極９には、コーティング材を固化したものが用いられる。
放電コーティングは、コーティングの厚さを数μｍで制御できるため、動翼１のような精密部品に最適なコーティング方法である。また、コーティングしたい箇所に局部的に入熱できるのでマスキング等の前処理が不要であり、動翼の熱変形も生じないので後処理も不要である。
【００２１】
図１に示した動翼のアブレーシブコーティングは、従来の方法と同様に、肉盛溶接、メッキ及び溶射によっても施すこともできる。メッキコーティングの場合には、ＣＢＮ砥粒をニッケルメッキで電着すればよいし、溶射コーティングの場合には、母材（翼）との熱膨張差を緩和するためにＮｉ−Ｃｒ−Ｃｏ合金を溶射した後にジルコニアやＣＢＮを溶射すればよい。
【００２２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、コーティング材として、ＳｉＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂やＷＣを用いる等、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、アブレーシブコーティングの範囲を最適化しているため、製品の歩留まりを向上させることができ、また、作業時間の短縮及びコーティング材の節約をすることができることからコストの低減を図ることができる。さらに、いわゆる放電コーティングを用いることによって、容易かつ安価に動翼の回転進行方向の角部にのみ又は回転進行方向の面にのみアブレーシブコーティングを施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動翼を示す斜視図であり、（Ａ）は通常のタービン動翼、（Ｂ）はチップシュラウド付タービン動翼、（Ｃ）は圧縮機動翼の図である。
【図２】動翼のコーティング方法を示す図である。
【図３】従来の動翼を示す斜視図であり、（Ａ）は通常のタービン動翼、（Ｂ）はチップシュラウド付タービン動翼、（Ｃ）は圧縮機動翼の図である。
【符号の説明】
１動翼
２，６，７，８アブレーシブコーティング
３チップシュラウド付動翼
４チップシュラウド
５チップフィン
９放電電極
１０加工槽

Claims

先端部にアブレーシブコーティングの施された動翼であって、アブレーシブコーティング（７，８）は、動翼（１，３）の回転進行方向の角部又は回転進行方向の面に施されている、ことを特徴とする動翼。
動翼の先端部にアブレーシブコーティングを施すコーティング方法であって、動翼（１，３）及び放電電極（９）を加工液中に浸し、動翼（１，３）の回転進行方向の角部又は回転進行方向の面部の近傍に放電電極（９）を設置し、これらの間で放電させることによって、動翼（１，３）の回転進行方向の角部にのみアブレーシブコーティング（７，８）を施す、ことを特徴とする動翼のコーティング方法。