JP4303480B2 - タービン翼とその鋳造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、翼軸に沿って延びる翼形部を備え、該翼形部の先端に翼軸に対し直角に延びる翼台座が一体形成されたタービン翼に関する。本発明はまた、このようなタービン翼を製造するための鋳造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンは多くの分野で、発電機や作業機械を駆動するために用いられている。その場合、燃料に含まれるエネルギは、タービン軸を回転駆動するために利用される。そのため燃料は、空気圧縮機で発生した圧縮空気を供給される燃焼器で燃焼される。燃焼器での燃料の燃焼で発生した高温高圧の作動媒体は、燃焼器に後置接続されたタービン装置を経て導かれ、そこで仕事をしつつ膨張する。
【０００３】
タービン軸の回転運動を発生すべく、タービン軸に、通常翼群や翼列の形にまとめた多数の動翼が配置される。該動翼は、作動媒体から衝撃力を伝達され、タービン軸を駆動する。タービン装置内で作動媒体を案内するため、通常隣接する動翼列間に静翼列が配置され、該静翼列はタービン車室に固定される。その際、タービン翼、特に静翼は、通常作動媒体を適切に案内するため、翼軸に沿って延びる翼形部（羽根）を有している。タービン翼を各々支持体に固定するため、その翼形部の先端に、翼軸に対し直角に延びる翼台座が一体形成され、その翼台座の少なくとも終端部が、かみ合わせ台座として形成される。
【０００４】
かかるガスタービンは、特に高い効率を得るため、熱力学的理由から、通常燃焼器から出てタービン装置に流入する作動媒体の、約１２００〜１３００℃の特に高い出口温度に対し設計される。この高温のため、ガスタービンの構成要素、特にタービン翼は、非常に大きな熱負荷を受ける。そのような運転条件でも、各構成要素の高い信頼性と非常に長い寿命を保障すべく、通常、関連部品は冷却可能に形成される。
【０００５】
そのため近年のガスタービンでは、タービン翼を、通常所謂中空翼として形成する。そのため、翼形部はその内部範囲に、冷却材を導く翼コアとも呼べる空洞を持つ。従って、翼形部の熱的に大きく負荷される部位に、そのように形成した冷却材通路を経て、冷却材を供給する。冷却材通路が各翼形部の内部の比較的大きな空間範囲を占め、高温ガスに曝される表面のできるだけ近くに冷却材を導くので、特に良好な冷却作用、従って特に高い運転安全性が得られる。そのように設計する際、他方で十分な機械的強度と負荷容量を保障すべく、各タービン翼を多重通路で貫流させる。その場合、中空翼の内部に多数の冷却材通路を設け、それら冷却材通路を、非常に薄い隔壁で互いに分離し、各々冷却材を供給する。
【０００６】
この種タービン翼は、通常鋳造で作る。そのため第１鋳造工程で、その輪郭を所望のタービン翼に合わせた鋳型にワックスを注ぎ込む。その注型時に冷却材用の流路を形成すべく、鋳型内に例えばセラミック材料製の中子を配置する。この中子を鋳造過程後、翼体に対するワックス型から除去し、これに伴い冷却材通路に対する所望の空洞が生ずる。第１鋳造工程で得たワックス型に、続いて浸漬処理を繰り返し、セラミック被覆を設ける。その被覆が、必要に応じ数回にわたる浸漬処理で十分な厚さに達すると、セラミック被膜付きワックス型を燃す。その際セラミックが硬化し、ワックスは焼尽する。この結果、翼用のセラミック製鋳型が生じ、この鋳型には冷却通路等に対する中子も含まれる。第２鋳造工程で、該鋳型内に翼材料を鋳込む。ワックス型、特にその内の翼形部と、該翼形部に一体形成される、例えば翼台座やかみ合わせ台座等の構造部分を製造するため、それに応じて形成したシェル要素やスライダを、第１鋳造工程用の鋳型内に、製造すべき翼形に応じたワックス受入れ用中空室が注型中に残るよう配置する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、一方では、特に大きな熱的および機械的負荷容量に対し設計され、他方では、非常に少ない必要冷却材量で確実に冷却できるような、冒頭に述べた形式のタービン翼を提供することにある。また、そのタービン翼を製造するのに適した鋳造装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このタービン翼に関する課題は、本発明によれば、翼軸に沿って延びる翼形部を備え、該翼形部の先端に翼軸に対し直角に延びる翼台座が一体形成され、かつ翼台座の上側に、タービン翼を掛け止めして固定支持するための鈎状の固定用台座（かみ合わせ台座）が一体形成され、前記かみ合わせ台座は、翼台座から翼軸に沿って翼形部とは反対方向に延びた第１の部分と、この第１の部分の先端部において、第１の部分に対して直角方向に延びた第２の部分とを備えたタービン翼において、前記翼台座が翼台座板に比べて厚肉の外縁を有し、該外縁の翼形部側面が翼軸に対し傾斜してなることにより解決される。
【０００９】
本発明は、特に製造性の良いタービン翼は単結晶構造で形成せねばならないという考えから出発する。つまり単結晶構造のタービン翼は、既にその材料特性に基づき非常に大きな負荷に耐える。単結晶構造は、特にスライダとも呼ばれる鋳造用のシェル要素を利用することで良好に得られる。これに反し、それに代わって利用される所謂ロスト挿入物は、多結晶材料の核形成を助長し、そのため、単結晶構造翼に利用できない。従って、タービン翼はその輪郭形成に関し、翼台座凹所を形成するために利用するシェル要素の位置決めと鋳造後における除去が比較的簡単にできるよう設計せねばならない。この周辺条件を維持した場合でも、タービン翼は非常に少ない必要冷却材量に基づき設計せねばならない。これは、特に熱的負荷を受けるべく設計した翼台座が非常に薄肉で、従ってほんの僅かな使用材料で設計することで達成される。これは上述の仕様でも、タービン翼の鋳造前に多数のシェル要素を鋳型内に配置することで達成される。その際、翼台座の厚さを減少するためのシェル要素を、そのために考慮した空間範囲に入れる。この空間範囲内に、翼台座の上側に配置すべき型部品を迂回しても相応して前進でき、かつ特に翼中心の近くの空間範囲にも入り込めるようにすべく、タービン翼を、翼台座に配置した外縁における側面が傾斜するように設計する。
【００１０】
タービン翼の特に大きな機械的および熱的負荷容量のため、一方では機械的負荷を受けるべく用意した構成要素、他方では熱的負荷を受けるべく用意した構成要素の機能を分離するとよい。そのため、本発明の有利な実施態様では、翼形部先端の翼台座の上側に、かみ合わせ台座を形成する。つまり、確実に機械式に掛け止めするタービン翼において、熱的負荷に対し特に大きな安定性を得るため、タービン翼のかみ合わせ範囲で、翼台座とかみ合わせ台座を互いに構造的に切り離して形成する。その際、翼形部に一体形成した翼台座は、専らガスタービンの内部室を導かれる高温作動媒体による熱的負荷を、それに伴い機械的負荷を受けることなく補償するために用いる。この構成要素に対する必要冷却力を非常に小さくすべく、翼台座は特に非常に薄肉に形成する。これは特に、翼台座が全く機械的負荷を受けないことにより可能となる。該負荷は、翼台座の上側に配置されタービン壁又はタービン軸にある相応した構造部品に掛け止めされるかみ合わせ台座により受ける。その台座は、機械的負荷を受けるのに十分な寸法に設計するとよく、かみ合わせ台座の熱的負荷による荷重は、翼台座により防止する。従って、かみ合わせ台座に対する必要冷却力は非常に小さい。
【００１１】
翼台座の外縁は、特に翼軸に対しほぼ直線的に延びる側面、即ち断面において翼軸に対し平行に延びる側面を有する。従って外縁は、かかる形成において、その翼台座板側の部位が非常に厚肉に形成され、断面積がその翼台座板と反対側端に向けて徐々に小さくなっている。この場合、外縁の全空間範囲の確実な冷却を保障するため、外縁の比較的厚肉の下側空間部位に冷却材を供給する特別な処置を講ぜねばならない。そのため、翼台座の外縁の基部に多数の冷却孔を設ける。この孔は、本発明に基づく有利な実施態様では、運転を特に簡単にするため、出口側を共通冷却溝に開口させる。
【００１２】
このタービン翼はタービンの動翼としても利用できるが、ガスタービン、特に定置ガスタービンの静翼として適している。
【００１３】
そのようなタービン翼を製造する鋳造装置に対する課題は、本発明に基づき、鋳型内に置かれる第１シェル要素を備え、該第１シェル要素が翼台座板の境界面を与える凹所を有し、第１シェル要素内に、平面的に形成された第２シェル要素が、境界面を与える凹所に対し１０〜８０°の角度、好適には６０°以下の角度だけ傾いた方向に移動可能に導かれることにより解決される。
【００１４】
第１シェル要素は円周スライダ、第２シェル要素はポケットスライダとも呼ばれる。それら両シェル要素の共同作用に伴い、「ロスト挿入物」を利用することなく、側面が傾斜した翼台座ポケットを製造できる。従って、その鋳造装置は、特に単結晶タービン翼を製造するのに適し、即ち正に、「ロスト挿入物」の利用を意図的にやめることで、多結晶領域の核形成が特に少なくなる。その場合、本質的に平らな翼台座板を形成するため、第２シェル要素は、その基礎面に対して１０〜８０°の角度だけ傾いた端面を有するとよく、該端面が、第１シェル要素の凹所と共に、翼台座板に対する鋳造シェルを形成する。
【００１５】
本発明による利点は、特に第１シェル要素又は円周スライダ内に配置され、円周方向に傾斜して置かれた第２シェル要素或いは別個スライダによって製造される翼台座ポケットの傾斜側面により、かみ合わせ台座の係合リブとの干渉が回避されることにある。これに伴い、第１、第２の両シェル要素は鋳造過程の完了後に除去でき、「ロスト挿入物」を利用する必要がない。翼台座の外縁に配置した冷却孔により、翼台座の全空間範囲を非常に少ない必要冷却材量で確実に冷却できる。その場合、特に翼台座の外縁の基部が比較的幅広いため、冷却材消費量に大きく関係する衝突冷却面が非常に小さくなる。外縁の翼台座板の範囲（基部）が幅広いことから、タービン翼の運転時、比較的高温の部分が低温の部分に比べて特に大きいので、翼材料の熱膨張の妨害に伴う応力は非常に小さい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は、タービン翼を縦断面図で、鋳造装置の概略的に図示した構成要素と共に示す。
【００１７】
図１のタービン翼１は翼軸４に沿って延びる翼形部２を持つ。該翼形部２は、タービン装置内を流れる流れ媒体が最適に作用するように、湾曲および／又は曲げられている。
【００１８】
本実施例のタービン翼１は、ガスタービンの静翼として形成しているが、以下の原則に従い、動翼としても形成できる。即ちタービン翼１の先端の、図におけるタービン翼１の上端に、翼軸４に対し直角に延びる翼台座６を一体的に形成する。図１から解るように、翼台座６上又はその上側に、かみ合わせ台座８を一体形成する。この台座８をタービン車室に図示しない方法で固定する。かみ合わせ台座８は、タービン翼１を支持体に特に簡単に固定すべく、隣接する構造要素にかみ合わせる。この実施例のタービン翼１は、ガスタービンの作動媒体の流れ方向に見て２番目の静翼列に採用すべく設計している。そのため、かみ合わせ台座８は正面側と背面側を、構造要素に掛け止めするよう形成している。
【００１９】
このタービン翼１は、ガスタービンの熱的に非常に強く負荷される空間範囲に採用すべく形成している。そのため一方では、タービン翼１の熱的および機械的負荷を受ける機能を、異なる構造要素により徹底して分離している。これは翼台座６とかみ合わせ台座８を別個に配置することで保障される。即ち、翼台座６は機械的負荷を受けることなく、専らガスタービンを貫流する高温作動媒体から熱負荷を受ける目的で用いる。機械的負荷は、翼台座６から構造的に切り離した、かみ合わせ台座８で受ける。該台座８は、その前に翼台座６が置かれていることから、ごく僅かな熱的負荷しか受けない。タービン翼１の熱的により大きく負荷される空間範囲への採用を更に容易にすべく、タービン翼１を冷却可能に形成している。そのため、翼形部２を内部に空洞１０を備えた形に形成している。その空洞１０を経て、例えば冷却空気や冷却蒸気等の冷却材を導く。
【００２０】
翼台座６は比較的薄肉に形成した翼台座板（底）１２を持つ。該座板１２はその大きな平面形状で、タービンを貫流する作動媒体からの熱出力に対する熱放射遮蔽体として働く。周囲の構造要素に、例えば掛け止めにより結合しおよび／又は自己支持の機械的強度を強固にするため、翼台座６に厚肉の縁や補強リブを設け、そのため翼台座板１２に比べて厚肉の外縁１４を設ける。従って、その外縁１４と翼台座板１２により、凹所の形で所謂翼台座ポケットが生じている。
【００２１】
この翼台座ポケットを、「ロスト挿入物」を利用することなく、非常に簡単に製造可能とするため、タービン翼１は、外縁１４によって翼台座板１２と一緒に形成された凹所の中に型部分を、各空間範囲に突出するかみ合わせ台座８との干渉を回避し、従って各かみ合わせ台座８を迂回して、可逆的に入れられるように設計されている。これを保障するため、外縁１４の翼軸４側の側面１６は、翼軸４に対し傾斜している。この傾斜を特色づける角度αは、１０〜８０°、この実施例の場合には約４５°に選定されている。
【００２２】
従って、外縁１４はその翼台座板１２側の基部が、比較的幅広い横断面積を有する。この横断面積は、その翼台座板１２と反対側端１８の方向に徐々に狭まっている。外縁１４は正にその上端部が、材料が非常に僅かしか存在しないため、非常に単純な手段で、特にごく少量の冷却材で冷却できる。外縁１４の翼台座板１２側の非常に幅広く形成された下端部（基部）においても、ごく僅かな冷却材でそのような確実な冷却を可能にするため、外縁１４はその範囲に、冷却材が供給される多数の冷却孔２０を備えている。これら冷却孔２０は、その出口範囲が共通の冷却溝２２に開口している。
【００２３】
タービン翼１は、大きな機械的強度で大きな熱的負荷容量に対し設計されている。そのため、タービン翼１は単結晶構造に形成される。タービン翼１は、そのために課せられた周辺条件を維持し、図に概略的に示す鋳造装置３０を用いて鋳造で製造される。該装置３０は、主にタービン翼１に対するワックス型を製造するために利用され、基本要素として鋳型（詳細に図示せず）を含む。この鋳型内に多数のシェル要素が置かれる。これら要素は、全体として、製造すべきタービン翼１の輪郭に相当する中空室を空ける。その室内に、続く作業工程で流動ワックスが注型される。鋳造装置３０は、タービン翼１の輪郭形成に必要な他の要素の他に、特に周辺スライダの形で採用される第１シェル要素３２を持つ。このため、第１シェル要素３２は、構造を規定する他の型要素の他に、翼台座板１２の境界面を与える凹所３４を備える。
【００２４】
第１シェル要素３２は、翼台座６の最終的形状づけのため、第２シェル要素３６で補完される。該要素３６は略平面的に形成され、第１シェル要素３２内に移動可能に導かれる。図示の鋳造位置で、第２シェル要素３６は第１シェル要素３２の凹所３４内に、翼台座６の最終的形状に合わせた空間範囲だけが空くよう突出する。従って、この空間範囲は翼台座６の翼台座板１２と外縁１４を与える。
【００２５】
タービン翼１に対するワックス型の鋳込み後、「ロスト挿入物」を利用することなく、シェル要素３２、３６を単純に移動するだけでこれらを簡単に除去可能とすべく、第２シェル要素３６は、翼台座板１２の境界面を与える凹所３４に対し約４５°の角度βで傾けられ、二重矢印３８で示す方向に移動可能に配置される。かくして、タービン翼のワックス型の鋳込み後、第２シェル要素３６を、かみ合わせ台座８により害されることなく、二重矢印３８の方向に単純に移動して除去できる。そのため、かみ合わせ台座８はその横方向の寸法が、第２シェル要素３６に対する線４０で示す空間範囲を害することがないよう定められる。
【００２６】
翼台座６の形状づけを全体として最適化するため、第２シェル要素３６は、その基礎面４２に対しこの実施例の場合約４５°の角度γだけ傾けた端面４４を有する。該端面４４は、第１シェル要素３２の凹所３４と共に、翼台座板１２に対する鋳造シェルを形成する。
【００２７】
かかる形状と、第２シェル要素の第１シェル要素３２との共働により、タービン翼１のワックス型の鋳込み後、第２シェル要素３６を先ず成形体から、例えばかみ合わせ台座８との干渉による妨害なしに、単純な移動で除去できる。次に第１シェル要素３２を、二重矢印４６で示す円周方向の移動によって、即ち翼台座板１２に合わせた平行移動で除去できる。従って、タービン翼１のワックス型の確実な鋳込みを、スライダを用い、且つ「ロスト挿入物」を用いることなく行える。この結果、単結晶タービン翼１を特に簡単に製造できる。その製造時、翼軸４の範囲に、翼台座６の翼台座ポケットを境界づけるノーズ状突起５０が残る。該突起５０は衝突冷却板に対する接触設置部や固定手段として特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】タービン翼の縦断と鋳造装置の一部とを示す。
【符号の説明】
１ タービン翼
２ 翼形部
４ 翼軸
６ 翼台座
８ かみ合わせ台座
１０ 空洞
１２ 翼台座板
１４ 翼台座外縁
１６ 翼台座外縁の側面
１８ 翼台座外縁の先端
２０ 冷却孔
２２ 冷却溝
３０ 鋳造装置
３２ 第１シェル要素
３４ 凹所
３６ 第２シェル要素
３８ 第２シェル要素の移動方向矢印
４０ 線
４２ 第２シェル要素の基礎面
４４ 第２シェル要素の端面
４６ 第１シェル要素の移動方向矢印
５０ 突起
α、β、γ 角度

Claims (6)

1. 翼軸（４）に沿って延びる翼形部（２）を備え、該翼形部の先端に翼軸（４）に対し直角に延びる翼台座（６）が一体形成され、かつ翼台座（６）の上側に、タービン翼を掛け止めして固定支持するための鈎状の固定用台座（以下、かみ合わせ台座という。）が一体形成され、前記かみ合わせ台座は、翼台座（６）から翼軸（４）に沿って翼形部（２）とは反対方向に延びた第１の部分と、この第１の部分の先端部において、第１の部分に対して直角方向に延びた第２の部分とを備えたタービン翼（１）において、
   前記翼台座（６）が翼台座板（１２）に比べて厚肉の外縁（１４）を有し、該外縁（１４）の翼形部側面（１６）が翼軸（４）に対し傾斜してなることを特徴とするタービン翼。
2. 翼台座（６）の外縁（１４）が、その基部範囲に多数の冷却孔（２０）を備えることを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. 冷却孔（２０）の出口側が、各々共通の冷却溝（２２）に開口することを特徴とする請求項２記載のタービン翼。
4. ガスタービンの静翼として形成されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載のタービン翼。
5. 鋳型の中に置かれる第１シェル要素（３２）を備え、この第１シェル要素（３２）が翼台座板（１２）の境界面を与える凹所（３４）を有し、第１シェル要素（３２）内に、平面的に形成された第２シェル要素（３６）が、境界面を与える凹所（３４）に対して１０〜８０°の角度（β）だけ傾けられた方向に移動可能に導かれたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載のタービン翼を製造するための鋳造装置（３０）。
6. 第２シェル要素（３６）が、その基礎面（４２）に対し１０〜８０°の角度（γ）だけ傾けられた端面（４４）を有し、該端面（４４）が、第１シェル要素（３２）の凹所（３４）と共に、翼台座板（１２）に対する鋳造シェルを形成することを特徴とする請求項５記載の鋳造装置。

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