JP4109038B2 - ロータのモノブロックタービンディスクの製造方法及び当該ディスク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータのモノブロックタービンディスクの製造方法と、この方法によって得られる特徴的な形状のディスクとに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ここでは、未加工ディスクから構成される中実の（ｐｌｅｉｎ）形状から、ディスクの羽根を加工することが問題となる。大半径のフライスでディスクを予備加工することにより、羽根のブランク（ｅｂａｕｃｈｅ）を残しながら、ディスクを切り込むことができる。ディスクは、最終的な形状にするまでさらに細かい加工が必要である。フライス削りはよく用いられており、特に特別な形状のフライス、円錐形のフライス、また丸みを帯びた先端に向かって細くなって、非常に正確な加工を実施可能にするフライスが、よく用いられている。
【０００３】
知られている方法は、フライスの回転軸が、ディスクに対して径方向に配向され、ディスクのリムに向かって徐々に押し込まれながら各羽根の周りを回転し、螺旋状の軌道によって羽根を加工する先端フライス削りである。フライスの回転軸は、実際には、加工する羽根から離れて、フライスの丸みを帯びた先端によって主に加工を行うように、わずかに傾斜している。パスの高さ（ｈａｕｔｅｕｒ）、すなわち螺旋のピッチは約１／２ｍｍであるので、羽根は、数百回のパス後、ようやく加工が終了する。従って、この方法は、かなり時間がかかり、適用できる羽根の高さが制限される。
【０００４】
同じく円錐形で、先端が丸みを帯びているが、円錐部分がもっと長いフライスにより、側面からフライス削るする方法、すなわち接線フライス削り（ｆｒａｉｓａｇｅ ｔａｎｇｅｎｔｉｅｌ）方法も考案された。フライスは、前述の方法と同様に径方向に配置されているが、この方法では、羽根の端が、ただ１回の広幅パスで円錐部分により削られ、羽根の基部は、前述の方法と同様に、小さいパスで主にフライス先端により削られる。工具の進行速度を遅くしなければならない場合でも、広幅パスにより、前述の方法に比べて時間を節約できる。しかし、フライス削りをもっと速くすると、羽根の振動および撓みを伴い、かなり高さのある羽根には適用できなくなる。しかも、この方法は、羽根に穴を開けてしまうおそれがあるため、実施が難しく、穴を開けてしまえば、既に加工した部分に対し、円錐部分による意図しない望ましくない加工が追加されることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明を考案することにより、フライス削りによるモノブロックタービンディスクの適切な製造方法を追求した。ここで提案されている方法は、高速で、あらゆる高さの羽根に適用される。この方法は、羽根の面をファセット、刻面、あるいは切子面（ｆａｃｅｔｔｅ）にし、見かけが粗く（ｇｒｏｓｓｉｅｒ）、流動性が多少よくないという欠点があるが、適度の不規則性を受け入れるだけで、対応する効率（ｒｅｎｄｅｍｅｎｔ）損失をきわめて少なくできることが判明している。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かくして、最も一般的な実施形態では、本発明は、ロータのモノブロックタービンディスクの製造方法に関し、未加工ディスクを切り込んで羽根のブランクを形成した後、前記ディスクに対してほぼ径方向の連続パスをたどるとともに、各パスの後に前記ディスクに対する接面上で切子面の角度が変えられる工具によって、接線フライス削りで羽根のブランクを削ることからなることを特徴とする。
【０００７】
この方法の特徴は、フライスの丸みを帯びた先端よりも、むしろ（特に円錐形の）主部の作用により主に羽根の形が得られることにある。パスは、平行で重なりが少ない。パスの高さは、フライスの主部の高さにほぼ等しく、すなわち数ミリである。フライス削りを行う面積は、全ての方法で同じであるので、どの地点でパスの数が減るかを予測し、従って加工時間を予測することができる。
【０００８】
工具は、円錐形の中央部と、丸みを帯びた端部と、回転軸を備え、回転軸に向かって細くなる丸みを帯びた接合部とを有し、前記中央部が端部に向かって細くなり、エッジを形成せずに滑らかに端部と接合部とに結合される。
【０００９】
本発明の重要な長所は、羽根の先端をつなぐ外リングを残せることにあり、この外リングが、羽根の先端の剛性を高め、フライス削り中、この先端を保持するので、振動および撓みが著しく少なくなる。外リングは、未加工ディスクの残存部分であり、そのため羽根とモノブロックになっている。外リングは、羽根が最終的な形状をとった後で行われる最終加工により、羽根から分離される。
【００１０】
本発明の特徴であるモノブロックのタービンディスクは、ほぼ径方向の細長い切子面から形成される面を有する。このディスクは、上記の方法によって得られるが、別の方法で得ることも可能である。切子面は、特に羽根の上面（ｅｘｔｒａｄｏｓ）では直接継ぎ合わされるが、主にフライスの丸みを帯びた先端による加工によって形成される下面（ｉｎｔｒａｄｏｓ）では、少なくとも、接合凹部によって分離可能である。
【００１１】
切子面は、最大幅５ｍｍであり、向きは、隣接切子面に対して５゜未満の角度をなすので、羽根の空気力学的な性能を殆ど低下させない。さらに、３°未満とした場合、完全に滑らかな羽根と比べた性能損失は、取るに足りないものである。
【００１２】
次に、図を参照しながら本発明について説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に参照符号１で示した、羽根の加工用に用いられる従来のフライスは、丸みを帯びた、より詳しくは半球形の先端３に続く円錐形の主部２を含む。部分２、３は、切刃を備え、フライス１は、詳しくは図示していないデジタル制御装置５が駆動する回転軸４を中心として回転する。最初に述べた、このような工具を用いる、突き合わせ溶接法（ｓｏｕｄａｇｅ ｅｎ ｂｏａｔ）または点溶接法では、加工中、同様の他の羽根およびリム７と共に、モノブロックタービンディスク８を構成する羽根６に、先端３を押し当てる。軸４およびフライス１は、（ディスク８の主方向からみて）わずかに接線方向に傾斜しながらほぼ径方向に配向される。フライス１は、シートに対して垂直移動し、高さｈによって分離される羽根６の各高さのところで連続パスを実施する。参照符号９は、次のパスで除去される削り屑の断面を示す。
【００１４】
図２のフライス１０は、半球形の先端３と前述のフライス１で既に示した回転軸４との間に、主部２よりも長さのある円錐形の主部２’を含む。その場合、羽根６は、主部２’によって１回で加工される部分１１を含む。リム７に近い羽根６の補足的な部分１２は、フライス１０の先端３による連続パスで加工される。ここでもまた、軸４は、わずかな傾斜を伴ってほぼ径方向の位置に保持されている。
【００１５】
次に、図３、４、５を参照しながら、本発明による方法について説明する。ブランク状態にある羽根、リム、およびディスクには、同様に参照符号６、７、８を付す。未加工状態のディスクは中実であり、最終状態の羽根６の外径よりもわずかに大きい円周１３で囲まれている。
【００１６】
第一のステップは、未加工状態にあるディスクを切り込み、羽根６のブランクを分離することからなる。中間材料は、様々な割合で除去可能である。
【００１７】
好適な実施形態では、円筒または円錐形の大型フライスで処理して、適度な深さの切り込み１４をつけ、その後、羽根６の最終形状から遠くないところを通る偏心穴１５を形成し、ディスクのブランクの外側にリング１６を残す。このリングは、羽根６の先端をつないでアセンブリの剛性を高めるように構成される。
【００１８】
ここで、本発明による工具１７を近づけることができる。これは、同様にフライスであり、エッジが軸と約１０゜の角度をなす円錐形の中央部１８と、丸みを帯びた先端部１９と、同じく丸みを帯びていて軸２１に向かって細くなる回転軸２１を備えた接合部２０との、３つの部分が識別される。中央部１８および先端部１９は、知られている工具の部分２、３に似ているが、多少差異がある。かくして、主部１８は短く、フライス１７が半仕上げ工具である場合は１０ｍｍであり、仕上げ工具である場合は５ｍｍしかない。端部１９は、必ずしも半球形ではなく、平らである。端部１９および接合部２０の曲率半径は、主部１８との接合部では１０ｍｍであり、他ではもっと小さい。フライス１７の母線はなめらかでなければならず、すなわち、各部分の間の接合部にエッジが形成されてはならない。フライス１７の直径は、最大２０ｍｍである。
【００１９】
回転軸２１は、ここでは、ほぼディスク８の軸に沿って配向され、図４が示すように接線方向か、図５が示すように径方向に、わずかに傾斜している。これらの傾斜は、主に、主部１８のテーパを補正し、所望の方向に加工面を得るようにするために設けられている。テーパによって、フライス削りを行う面から離れた回転軸２１でフライス削りを行えるという長所がある。接線方向の傾斜は、厳密な意味において羽根６を削る場合につけられ、フライス１７は、パスの端２２で、リム７またはリング１６に対して、ほぼ径方向の面上で傾斜している。パスは、羽根６に沿って平行であり、または垂直である。図３では、パスが、穴１５の前から開始され、羽根の中間部周囲の閉じた外周上をすすみ、羽根６の一つに沿って下降し、リム７に沿って進んだ後で、隣接する羽根６の反対面に沿って上昇し、リング１６で終了することが分かる。図３、５では、各パスで加工される帯に、参照符号２２を付している。帯の幅は、加工作業の大部分を実施する主部１８の高さにほぼ対応し、主部１８は、それだけで、羽根６の最終形状を殆ど形成する。従って、先に述べた構成とは逆に、ほぼもっぱら接線方向のフライス削りが実施される。フライス削りは、まず、半仕上げ工具により、次いで仕上げ工具により行われる。二つの工具は、双方ともフライス１７の説明に記載されたとおりであるが、仕上げ工具の主部１８は、ずっと高さが低い。
【００２０】
フライス１７は、毎回切り込み１４に深く押し込まれ、連続パス２２を実施する。フライス１７は、２回のパス２２の間に、ディスク８の接面で最大５゜の切子面の角度だけ傾けられる。ディスク８の全ての羽根６を加工したとき、リング１６を除去できる。すなわち、羽根６のブランクが、そのために端で切り込まれ、放電加工装置のワイヤ２３が設置される。本発明が改良をもたらすわけではないので詳しく説明しないが、羽根６の前縁および後縁の加工が済むと、羽根６の最終形状が得られる。
【００２１】
図６は、羽根６の表面の外観を示している。図７が示すように、各パスにより細長い切子面２３が現れ、羽根６の上面の連続切子面２３が、鋭角２４によって分離される一方で、下面の切子面２３が、端部１９によるフライス削りで形成された凹部２５によって接合されている。いずれの場合にも、隣接する切子面２３の方向の変化が、３゜未満であることが望ましい。これによって、流体力学的な効率損失は、約０．０１％を越えることがなく、しかも、ディスク８を介した空気の加熱が０．１゜Ｃを越えない。実際には、およそ５゜に及ぶ角度変化が許容される。羽根６のために構成された滑らかな輪郭２６と、実際の輪郭との差異は、このとき、幅５ｍｍの切子面２３に対してわずか０．０２ｍｍ未満である。フライスを短くし、パスの数を多くして切子面２３を狭くすれば、損失がさらに少なくなる。
【００２２】
保持リング１６は、本発明の適切な実施形態で必ずしも必要というわけではないが、フライス削り中、共鳴周波数で羽根６を励起しないようにし、また、リム７の距離に応じて変わる羽根６の偏向による工具位置を調整することによって、振動による撓みや静的な撓みの危険から羽根６を守らなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による方法の全体図である。
【図２】従来技術による方法の全体図である。
【図３】本発明による方法による加工ディスク部分を３本の主軸に沿って示す図である。
【図４】本発明による方法による加工ディスク部分を３本の主軸に沿って示す図である。
【図５】本発明による方法による加工ディスク部分を３本の主軸に沿って示す図である。
【図６】形成された羽根を示す図である。
【図７】羽根の輪郭の詳細図である。
【図８】羽根の輪郭の詳細図である。

Claims (10)

1. ロータのモノブロックタービンディスク（８）の製造方法であって、未加工ディスクを切り込んで羽根のブランク（６）を形成した後、工具（１７）によって接線フライス削りで羽根のブランクを削ることからなり、該工具が、前記ディスクに対してほぼ径方向の連続パス（２２）をたどるとともに、各パスの後に前記ディスクに対する接面上で切子面の角度を変えることを特徴とする方法。
2. 前記工具が、円錐形の中央部（１８）と、丸みを帯びた端部（１９）と、回転軸を備え、回転軸（２１）に向かって細くなる丸みを帯びた接合部（２０）とを有し、前記中央部が、端部（１９）に向かって細くなり、エッジを形成せずに端部と接合部とに結合されることを特徴とする、請求項１に記載のタービンディスクの製造方法。
3. 前記パスが、ディスクのリム（７）から羽根のブランクを結合する外部保持リング（１６）まで延びており、前記リングが、羽根のブランク（６）にフライス削りを行った後で、羽根から分離されることを特徴とする、請求項１または２に記載のタービンディスクの製造方法。
4. 前記リングが、ワイヤ（２３）による放電加工で羽根から分離されることを特徴とする、請求項３に記載のタービンディスクの製造方法。
5. 前記工具（１７）が、ほぼ径方向の面上においてパスの少なくとも一端で傾斜することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンディスクの製造方法。
6. 羽根のブランクが、完全に２回フライス削りされ、工具（１７）が、半仕上げ工具であり、次いで仕上げ工具であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンディスクの製造方法。
7. 前記半仕上げ工具の中央部（１８）が、仕上げ工具より高さが高いことを特徴とする、請求項２および６に記載のタービンディスクの製造方法。
8. ほぼ径方向の細長い切子面（２３）からなる面を備えた羽根（６）を含むことを特徴とする、モノブロックタービンディスク（８）。
9. 前記切子面が、少なくとも羽根の下面において接合凹部（２５）によって分離されることを特徴とする、請求項８に記載のモノブロックタービンディスク。
10. 隣接する切子面の角度変化が５゜未満であり、好適には、３゜未満であって、最大幅が５ｍｍであることを特徴とする、請求項８または９に記載のモノブロックタービンディスク。

Images