JP4350372B2 - タービン翼とその製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、両側の外側壁と、両外側壁間に配置された少なくとも１つの中空室とを備えたタービン用の翼を、両外側壁および少なくとも１つの中空室を形成するための外枠と複数の中子を利用して製造するための装置に関する。
【０００２】
本発明はまた、両側の外側壁と、両外側壁間に配置された少なくとも１つの中空室とを備えたタービン用の翼を、両外側壁および少なくとも１つの中空室を形成する外枠と複数の中子を利用して製造するタービン翼の製造方法に関する。
【０００３】
更に本発明は、両側の外側壁と、両外側壁間に配置された少なくとも１つの中空室とを備えたタービン用、特にガスタービン用の翼に関する。
【０００４】
タービン、特にガスタービン用の翼は、高い運転温度のため、内側から冷却せねばならない。この目的から、タービン翼は１つ又は複数の中空室を備える。従来公知のタービン翼の場合、中空室はタービン翼の片側外側壁から反対側外側壁迄延びる。各中空室を形成すべく、中子の切片を利用する。個々の切片は相互に結合している。タービン翼を鋳造法で製造すべく、中子は外枠の適当な中子受けで支持する。その場合、中子は比較的長寸になる。
【０００５】
内部冷却形タービン翼の場合、外側壁の壁厚は出来るだけ薄くすべきである。薄い壁厚により、冷却作用が大きく改善する。いずれの場合でも、最小壁厚は壁厚公差より大きくなければならない。さもないと、鋳造中に中子がずれおよび／又は中子が外枠と接触する程に変形する恐れがあり、その場合は、完成したタービン翼に孔が生ずる。従って、実際上比較的大きな壁厚にせざるを得ない。
【０００６】
公知の方法の他の欠点は、鋳造中の中子の変位が、タービン翼の両外側壁に影響を与えることにある。これは、中子が片側の外側壁から反対側の外側壁迄延びることに起因する。従って公知の方法の場合、中子は非常に高精度に作る必要がある。中子を製造する際に生ずる公差も、同様に考慮せねばならない。
【０００７】
冷却作用の改善のため、中空壁付きタービン翼は公知である。かかるタービン翼とその製造方法および装置は、本出願人出願の国際特許出願公開９９／５９７４８号明細書に開示してある。該明細書は、結合要素を介して相互におよび外枠に結合される多数の中子を利用することを提案する。それは複雑で経費のかかる製造法である。
【０００８】
本発明の課題は、壁厚の薄いタービン翼を製造するための単純で安価な装置と方法を提供することにある。本発明の他の課題は、壁厚の非常に薄い外側壁を有するタービン翼を提供することにある。
【０００９】
本発明に基づく装置は、各中子が少なくとも１つの切片を有し、該切片がそれに対応したタービン翼の外側壁から中央クロスピース迄、他方の外側壁の形成に関与することなしに延びるようにする。
【００１０】
本発明に基づく方法は、各中子の少なくとも１つの切片を、一方の中子の切片の外側面と外枠の内側面の間隔が、他方の中子の切片の外側面と外枠の内側面の間隔と無関係であるように支持し、両外側壁の壁厚を、少なくとも切片の範囲で互いに無関係に形成することを特徴とする。
【００１１】
冒頭に述べた形式のタービン翼に関する課題は、本発明に基づき、少なくとも１つの中空室が中央クロスピースによって２つの通路に分割され、その一方の通路が片側外側壁と中央クロスピースとの間に、他方の通路が中央クロスピースと反対側外側壁との間に配置されることにより解決される。
【００１２】
本発明の基本的な考えは、タービン翼の両側外側壁の製造を、少なくとも部分的に相互に無関係に行うことを基礎とする。タービン翼の少なくとも１つの中空室を、中央クロスピースで２つの通路に分割する。一方の通路は片側外側壁から中央クロスピース迄延び、他方の通路は中央クロスピースから反対側外側壁迄延びる。その際、複数の中子を用いる。第１中子は、片側外側壁と中央クロスピース間の通路を形成すべく、１つ又は複数の切片を備える。別の通路は、第１中子と別に用意した第２中子の切片により形成する。片側外側壁の壁厚を変化させる第１中子の変位と変形は、第２中子には伝達しない。従って、両側外側壁の壁厚は、少なくとも部位的に互いに無関係に形成できる。
【００１３】
本発明に基づく方法は、通路の形成に用いる各中子の切片を、最小の壁厚を保障できるように支持すべく考慮している。このため、外枠の内側面に設けた突起を利用するとよい。
【００１４】
中子製造時、外枠内側面に面する切片の外側面のみが、タービン翼の外側壁の壁厚にとり重要性を持つ。特に切片の中央クロスピース側の面は、非常に粗い公差にできる。従って、外側壁の壁厚にとり重要な中子外側面の製造精度を著しく改善できる。総合公差は中央クロスピースの範囲に移る。この結果、中央クロスピースはタービンを貫流する高温流体に直に曝されず、冷却作用に関し欠点は生じない。また中央クロスピースの両側面を通路により冷却できる。タービン翼の外側壁が薄い場合、中央クロスピースがタービン翼に必要な強度を与える。
【００１５】
本発明の有利な実施態様を従属請求項に示す。
【００１６】
本発明の有利な実施態様では、中子が外枠に固定するために突起を備える。鋳造中、中子は相互に支持され、外枠の内側面に押し付けられる。その支持は、剛性の、特にくさび状スペーサ又は弾性スペーサにより行われる。
【００１７】
この処置において、外側壁に対する最小の壁厚を確実に厳守できる。中子の内側への変位は、中子の相互支持により防止できる。これは、中子の製造に対し、外枠の内側面に面する外側面だけを高精度に製造すればよいことを意味する。両中子の相互支持により、残りの外側面における寸法精度の重要性は低下する。また、中子の相互支持に伴って、公知の方法と装置におけるより高い強度が得られる。従って、鋳造中の中子の変位や変形を減少できる。この結果、外側壁の壁厚の公差幅が著しく減少し、全体として薄い外側壁が得られる。
【００１８】
外枠に取付けるべく利用する突起は、中子から出て先細になっている。この突起は特に円錐状とする。これに伴い、外側壁に微少の冷却材しか貫流しない点状の開口のみを形成できる。従って、外枠の内側面に支持するにもかかわらず、所望の高い冷却効果が得られる。
【００１９】
中子は片側端又は両端で、外枠にある中子受けに、タービン翼の長手方向に固定される。中子の突起により横方向の支持を行えば、長手方向の固定だけで十分である。この結果、ワックス型の製造中と鋳造中、中子の姿勢を保持できる。
【００２０】
複数の中空室を形成すべく、両外側壁を複数のリブを介し互いに結合するとよい。この結果、タービン翼の個々の部位を高強度にし、的確な冷却が行える。
【００２１】
本発明に基づく有利な実施態様では、タービン翼の入口縁および／又は出口縁の中空室に中央クロスピースは存在しない。その理由は、入口縁の範囲で高い冷却作用が必要とされることにある。中央クロスピースの接続部位において冷却作用が害される。これは出口縁に対しても当てはまる。
【００２２】
本発明の有利な実施態様では、中央クロスピースの壁厚は外側壁の壁厚より大きい。その場合、タービン翼の所要の強度は、中央クロスピースと、場合によってはリブとにより保障される。それに応じ、外側壁の壁厚は減少できる。
【００２３】
以下、図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２４】
図１は、車室１１とロータ１２を備えたガスタービン１０の概略縦断面図である。車室１１に静翼１３の翼列、ロータ１２に動翼１４の翼列をそれぞれ設けている。タービン１０を、矢印１５の方向に高温媒体、特に高温ガスが貫流する。その流れにより、ロータ１２は回転軸線１６を中心とし車室１１に対して回転する。タービン翼１３、１４は高温に曝されるので、内側からの冷却を要する。
【００２５】
図２は、タービン１０の動翼１４を横断面図で示す。静翼１３も本質的に同じように構成している。動翼１４は両側の外側壁１７、１８を有し、該両外側壁１７、１８は３つのリブ１９、２０、２１を介して結合されている。これらのリブ１９、２０、２１は両外側壁１７、１８に対しほぼ垂直に延びている。両外側壁１７、１８は、一端が入口縁２２に、他端が出口縁２３に移行している。動翼１４は、矢印１５の方向に入口縁２２から出口縁２３迄高温ガスで洗流される。
【００２６】
両外側壁１７、１８間の空洞は、リブ１９、２０、２１で複数の中空室２４、２５、２６、２７に仕切られている。動翼１４の中央に位置する中空室２６、２７は、中央クロスピース２８により各々２つの通路２６ａ、２６ｂと、２７ａ、２７ｂに分割されている。通路２６ａ、２７ａは、第１外側壁１７と中央クロスピース２８の間にあり、通路２６ｂ、２７ｂは中央クロスピース２８と第２外側壁１８の間にある。入口縁２２と出口縁２３の範囲の中空室２４、２５には、中央クロスピース２８は存在しない。
【００２７】
中央クロスピース２８の壁厚Ｄは、両外側壁１７、１８の壁厚ｄより大きい。中央クロスピース２８は前部リブ１９から中央クロスピース２０を越えて後部リブ２１迄延びる。中央クロスピース２８は、動翼１４のほぼ軸方向中心に配置してある。中央クロスピース２８はリブ１９、２０、２１と共に、運転のために必要な動翼１４の強度を与える。従って外側壁１７、１８は薄く形成できる。
【００２８】
図３は、タービン翼１３、１４を製造するための、本発明に基づく装置２９を横断面図で示す。この装置は２つの型部分３１、３２から成る外枠３０を持つ。型部分３１、３２は、矢印３３の方向に移動し互いに接近又は離隔する。両型部分３１、３２間に、互いに別個に形成した２つの中子３４、３５をはめ込んでいる。第１中子３４は３つの切片３６ａ、３７ａ、３８ａを備える。切片３６ａ、３７ａは、通路２６ａ、２７ａを形成するために用いる。切片３８ａは、入口縁２２の範囲の中空室２４を形成する。
【００２９】
第２中子３５は、切片３６ａ、３７ａ、３８ａと略同様に形成してある。ここでも、通路２６ｂ、２７ｂを形成する２つの切片３６ｂ、３７ｂを設けている。出口縁２３の範囲の中空室２５は、切片３８ｂで形成する。中子３４、３５の各切片３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂは互いに結合してある。
【００３０】
通路２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂを形成する切片３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂは、外枠３０の内側面４０に固定する突起３９を備える。これら突起３９は先細になっており、円錐状をなす。これは、外枠の内側面とそれに対応した切片３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂの外側面４６ａ、４７ａ、４６ｂ、４７ｂとの最小間隔を規定する。この間隔は、両外側壁１７、１８の壁厚ｄに相当する。中央クロスピース２８の壁厚Ｄは、切片３６ａ、３７ａと切片３６ｂ、３７ｂとの間隔で定まる。
【００３１】
製造に際し、切片３６ａ、３７ａ、３６ｂ、３７ｂの外側面４６ａ、４７ａ、４６ｂ、４７ｂと、切片３８ａ、３８ｂの外側面４８ａ、４８ｂだけを高精度に加工するだけでよい。中子３４、３５の残りの表面は、外側壁１７、１８の壁厚ｄの決定に対し重要でない故、比較的大きな公差にできる。
【００３２】
図４と５は、本発明に基づく装置２９での中子３４、３５の支持方法を示す。各中子３４、３５は各々両端に、本発明に基づく装置２９の、破線で示す中子受け４３に固定するための突起４１、４２を備える。両中子３４、３５は、スペーサ４４、４５を介して相互に支持し合っている。この結果、突起３９は外枠３０の内側面４０に押し付けられる。図４では剛性のスペーサ４４、図５では弾性スペーサ、特に弾力的に形成したスペーサ４５を利用している。
【００３３】
従って本発明による装置の場合、中子３４、３５を突起３９で外枠３０の内側面４０に固定することで、外側壁１７、１８の最小壁厚ｄを保障できる。突起３９が先細なので、完成したタービン翼１３、１４の外側壁１７、１８に点状の開口しか生じない。中子３４、３５の相対移動は、スペーサ４４、４５で防げる。この結果、外側壁１７、１８の所望の壁厚ｄを確実に厳守でき、従来生じていた壁厚ｄの公差は著しく減少する。従って、公知のタービン翼１３、１４と装置２９に比べ、構造上初めから壁厚ｄを減少できる。
【００３４】
他の利点は、外側壁１７、１８の壁厚ｄが互いに無関係であることにある。中子３４の変位と変形で、外側壁１８の壁厚ｄに変化を生じない。また中子３５の変位および変形も、外側壁１７の壁厚ｄを変化させない。
【００３５】
図６は、図５の装置の平面図である。中子３４、３５の各切片３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂは、図示の如く、互いに固く結合している。中子３４、３５は弾性スペーサ４５を介し互いを支持し、外枠３０の内側面４０に押し付けている。中子３４、３５の全幅にわたり複数のスペーサ４５が分布していることで、鋳造中の中子３４、３５の変位と変形を著しく減少できる。
【００３６】
タービン翼１３、１４を製造すべく、まず所望の中子３４、３５を、適当な型枠（図示せず）で予め成形し、次に焼結する。その後、該中子３４、３５を予め用意した外枠３０内にはめ込む。両中子３４、３５の切片３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂの突起３９は、外枠３０の内側面４０に固定するために設けている。この目的のため、両中子３４、３５間に剛性又は弾性のスペーサ４４、４５を設けてある。その後、両中子３４、３５を中子受け４３に固定する。
【００３７】
中子３４、３５と外枠３０の内側面４０との中間空間に、適当な材料、特にワックスを注ぐ。ワックスの凝固後、外枠を外し、ワックス型に保護層を付ける。該保護層は中子３４、３５と同様にセラミック材料から形成する。
【００３８】
保護層を持つワックス型を燃焼させ、続いて保護層と中子３４、３５間の中間空間に、タービン翼１３、１４用の鋳造材料を鋳込む。該材料の凝固後、保護層と中子３４、３５を適当な方法で除去し、例えば酸やアルカリ液で洗浄する。
【００３９】
本発明に基づき、中子３４、３５、ワックス型および保護層を製造して定着する際、従来公知の方法と装置に存在していた製造公差と組立公差が著しく減少する。従って、タービン翼１３、１４の外側壁１７、１８の壁厚をかなり減少できる。これに伴い、良好な冷却作用が生ずる。タービン翼１３、１４の必要な強度は、中央クロスピース２８により保障する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンの概略縦断面図。
【図２】 タービンの動翼の横断面図。
【図３】 タービン翼を製造するための本発明に基づく装置の横断面図。
【図４】 本発明に基づく装置における中子の支持方式の概略側面図。
【図５】 本発明に基づく装置における中子の異なった支持方式の概略側面図。
【図６】 図５における支持方式の平面図。
【符号の説明】
１０ ガスタービン
１１ 車室
１２ ロータ
１３ 静翼
１４ 動翼
１７、１８ 翼外側壁
１９、２０、２１ リブ
２２ 入口縁
２３ 出口縁
２４、２５、２６、２７ 中空室
２８ 中央クロスピース
３０ 外枠
３４、３５ 中子
３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ 切片
３９ 突起
４０ 外枠の内側面
４６ａ、４６ｂ、４７ａ、４７ｂ 切片の外側面

Claims (10)

1. タービン（１０）用の翼（１３、１４）であって、
   この翼（１３，１４）がタービン（１０）において入口縁（２２）から出口縁（２３）に向かって流れる媒体により貫流され、
   両側の外側壁（１７、１８）と、両外側壁（１７、１８）間に配置された少なくとも１つの中空室（２４、２５、２６、２７）とを備え、
   入口縁（２２）から出口縁（２３）の方向に向かって先ず第1の中空室（２４）があり、これに入口縁（２２）から出口縁（２３）の方向に向かって少なくとも１つの第２の中空室（２６、２７）が続き、さらに、入口縁（２２）から出口縁（２３）の方向の最後に第３の中空室（２５）が配置されているように構成されているタービン用の翼において、
   前記の少なくとも１つの第２の中空室（２６、２７）のそれぞれが、入口縁（２２）から出口縁（２３）に向かって延び且つほぼ翼形部の中心部に配置された中央クロスピース（２８）によって２つの通路（２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ）に分割され、その一方の通路（２６ａ、２７ａ）が片側外側壁（１７）と中央クロスピース（２８）とで、他方の通路（２６ｂ、２７ｂ）が中央クロスピース（２８）と反対側外側壁（１８）とで区画されていることを特徴とするタービン翼。
2. 両外側壁（１７、１８）が、複数の中空室（２４、２５、２６、２７）を形成すべく複数のリブ（１９、２０、２１）を介して互いに結合されたことを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
3. タービン翼（１３、１４）の入口縁（２２）および／又は出口縁（２３）における中空室（２４、２５）に、中央クロスピース（２８）が存在しないことを特徴とする請求項２記載のタービン翼。
4. 中央クロスピース（２８）の壁厚（Ｄ）が、外側壁（１７、１８）の壁厚（ｄ）より大きい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. 請求項１から４の１つに記載のタービン翼（１３、１４）を製造するための装置であって、少なくとも１つの中空室（２４、２５、２６、２７）と両側の外側壁（１７、１８）とを形成するための２つの型部分（３１、３２）から成る外枠（３０）と、第１の中子（３４）および第２の中子（３５）を有する製造装置において、
   前記第１の中子（３４）は少なくとも１つの切片（３６ａ、３７ａ）を有し、前記第２の中子（３５）は少なくとも１つの切片（３６ｂ、３７ｂ）を有し、前記切片（３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ）は、製造されるべきタービン翼（１３、１４）の外側壁（１７、１８）から中央クロスピース（２８）迄、他方の外側壁（１８、１７）の形成に関与することなく延び、
   また、前記第１および第２の中子（３４、３５）は、外枠（３０）に固定するための突起（３９）を備え、かつ前記各中子（３４、３５）が、剛性のくさび状スペーサ（４４）又は弾性スペーサ（４５）によって相互に支持され、さらに、片側端又は両端で、前記外枠（３０）にある中子受け（４３）に、タービン翼（１３、１４）の長手方向に固定されたことを特徴とするタービン翼の製造装置。
6. 前記突起（３９）が前記各中子（３４、３５）から出て先細になり円錐状に形成されたことを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 請求項１から４の１つに記載のタービン翼（１３、１４）を鋳造により製造する方法であって、少なくとも１つの中空室（２４、２５、２６、２７）と両側の外側壁（１７、１８）とを形成するために、２つの型部分（３１、３２）から成る外枠（３０）と、第１の中子（３４）および第２の中子（３５）とが使用されるタービン翼の製造方法において、
   前記第１の中子（３４）は少なくとも１つの切片（３６ａ、３７ａ）を有し、前記第２の中子（３５）は少なくとも１つの切片（３６ｂ、３７ｂ）を有し、前記切片（３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ）は、製造されるべきタービン翼（１３、１４）の外側壁（１７、１８）から中央クロスピース（２８）迄、他方の外側壁（１８、１７）の形成に関与することなく延びるものとし、また、前記両中子（３４、３５）が互いに支持しあって前記外枠（３０）の内側面（４０）に押し付けられるように支持することにより、
   前記各中子（３４、３５）の少なくとも１つの切片（３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ）を、一方の中子（３４）の切片（３６ａ、３７ａ）の外側面（４６ａ、４７ａ）と外枠（３０）の内側面（４０）との間隔が、他方の中子（３５）の切片（３６ｂ、３７ｂ）の外側面（４６ｂ、４７ｂ）と外枠（３０）の内側面（４０）との間隔と無関係であるように支持し、これにより両外側壁（１７、１８）の壁厚（ｄ）を、少なくとも切片（３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ）の範囲で互いに無関係に形成することを特徴とするタービン翼の製造方法。
8. 両外側壁（１７、１８）の最小壁厚（ｄ）を保障すべく、両中子（３４、３５）を突起（３９）を介して外枠（３０）の内側面（４０）で支持することを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 両中子（３４、３５）を相互に支持し、外枠（３０）の内側面（４０）に押し付けることを特徴とする請求項７又は８記載の方法。
10. 両中子（３４、３５）を剛性又は弾性のスペーサ（４４、４５）により相互に支持することを特徴とする請求項９記載の方法。

Images