JP4782225B2 - 熱流体機械の静翼セグメント、その製造方法並びに熱流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、翼台座に少なくとも１つの翼形部（羽根部）が配置され、翼台座の翼形部とは反対のほぼ平らな側に、静翼ホルダに静翼セグメントを取り付けるための複数の取付け要素が配置されている、熱流体機械特にガスタービンの静翼セグメントに関する。

ガスタービンは発電機や作動機械を駆動するために多くの分野で採用されている。その場合、燃料の含有エネルギがタービン軸の回転運動を発生するために利用される。そのため、燃料が燃焼器で燃焼され、その際、圧縮機で圧縮された空気が導入される。燃焼器において燃料の燃焼によって発生された高温高圧の作動媒体が、燃焼器に後置接続されたタービン装置に導かれ、そこで、仕事をしながら膨張する。

タービン軸の回転運動を発生するために、一般に翼群や翼列の形にまとめられた多数の動翼がタービン軸に配置され、これらの動翼が流れ媒体による衝撃伝達を介してタービン軸を駆動する。タービン装置における流れ媒体の案内のために、通常、隣り合う動翼列間に静翼列が配置され、この静翼列の静翼はタービン車室に取り付けられている。タービン翼特に静翼は、一般に、作動媒体を適切に案内するために、翼軸線に沿って延びる翼形部を有している。タービン翼を対応した保持体に取り付けるために翼形部の端面に、翼軸線に対して直角に延びる翼台座が一体形成されている。翼台座の翼形部の側の内面は、ガスタービンの燃焼ガスを案内する流路における外側境界部を形成している。

タービン車室に結合された静翼ホルダに簡単に且つ確実に組み立て固定するために、それぞれの静翼の翼台座は、通常、その翼形部とは反対の裏面あるいは背面に、複数のフック状の取付け要素を有している。隣り合うタービン段の静翼列間の軸方向隙間を囲い込む案内輪の同じようなフック状の取付け方式は、例えば欧州特許出願公開第１５０５２５９号明細書で知られている。静翼は、その取付けのために、取付け要素あるいは取付けフックが静翼ホルダの対応した受け溝に挿入され、整列され、続いて、適当な様式で、例えばかしめ板によって固定される。上述の案内輪の場合、欧州特許出願公開第１５０５２５９号明細書に応じて補助取付け具も利用され、その補助取付け具によって、案内輪のフックが静翼ホルダに一層締付け固定される。

製造費あるいは組立費を低減するために、静翼列のガスタービンの円周方向に互いに隣接する複数の静翼翼形部を共通翼台座に配置することもできる。これにより、以下において静翼セグメントと呼ぶ翼ユニット全体が、翼台座側の取付けフックによって対応した静翼ホルダに軸方向あるいは円周方向に挿入でき固定できる。表現を簡単化するために、用語「静翼セグメント」には以下において特に請求項においても、翼形部しか備えていない個々の静翼も常に、これがはっきり排除されていない限りにおいて含まれる。

通常、静翼あるいは静翼セグメント全体は鋳造法で製造され、これにより、翼台座および翼台座側取付け要素は、静翼あるいは静翼セグメントの一体鋳造部分である。そのために、第１工程において、静翼あるいは静翼セグメントのいわゆる「ろう型」が製造され、続いて、そのろう型がセラミックス材料の中に繰り返して浸けることによってセラミックス被膜が付けられる（ロストワックス法）。この被膜が十分な厚さを有するや否や、セラミックス被膜付きろう型が焼かれ、その際、セラミックスが硬化され、液化又は気化したろうが除去される。このようにして得られたセラミックス製母型に続いて、金属翼材料が鋳込まれる。その溶融物が凝固しシェル状外側鋳型を除去した後、場合によっては、翼本体内に空洞や冷却通路を形成するために予めはめ込まれ翼本体内にまだ残存するセラミックス中子が、苛性ソーダ液などによる洗い流しによって除去される。

翼台座からフック状に突出する取付け要素は、製造工程上において幾つかの観点で問題を生ずる。取付けフックを形成するために複数のいわゆるマスキング要素やスライダを備えた比較的複雑なろう型成形工具が必要であるので、ろう型の製造自体が非常に煩雑である。取付けフックは、鋳造技術上においても、シェル型を構成する際にアンダーカットがサンドブラストを困難にし、続く鋳造過程の際にその露出状態のために常に、鋳巣（空洞域）を発生する傾向があり、即ち、冷える部品における熱収縮により引き起こされる材料欠陥を生ずるために問題がある。

また、特に比較的小さな曲率を有する形態の場合、取付けフックを対応した受け溝にぴったり置くために必要な公差を維持することがしばしば困難である。従ってその箇所において、将来のタービン運転中に漏れ止め問題も生ずることがある。また、取付けフックがしばしば運転負荷時におけるその摩耗挙動に関しておよび許容最大負荷受容に関してもタービン翼の弱点箇所となることが確認されている。

本発明の課題は、鋳造技術上の問題を回避して簡単に且つ安価に製造でき、静翼ホルダへの特に確実で安全な固定に対して設計できる、冒頭に述べた形式の静翼セグメントを提供することにある。また、静翼セグメントを製造するために適した方法を提供することにある。

静翼セグメントに関する課題は、少なくとも１個の取付け要素の少なくとも１個の部分部材が、別個に製造され翼台座の翼形部とは反対側に固く結合された部品であることによって解決される。

本発明は、高い運転安全性と、構造的安定性と、高温作動媒体に直に曝される部分部位特にガスタービンの流路に突出する翼形部および翼台座の流路側の内面のできるだけ長い寿命とを保証するために、静翼セグメントに対する鋳造材料が、通常、大きな耐熱強度について最適化されねばならない、という考えから出発している。しかし、そのような設計は、今までに明らかに分かっているように、翼セグメントの残り部分から機能的および構造的に切り離されたフックを含む取付け要素に対しては最適ではないであろう。その取付け要素は、一方では、前置された翼台座によって比較的僅かな熱的負荷しか受けないが、他方では、比較的大きな機械的負荷と支持力あるいは保持力を受けねばならない。従来存在する欠点を除去するために、ここで挙げられた構想に応じて、静翼セグメントの残り部分から機能的に切り離された取付け要素、つまり、取付けフックを、それぞれの技術的機能に徹底して合わされた材料を利用して別個に製造し、それに続いて、適切な接合方法によって取付け要素の残り部分に結合すること、あるいは例えば信頼のおける鋳造技術で製造され、即ち、一体形成された静翼セグメントの残り部分の翼台座に結合することを提案する。

それぞれの取付け要素は、静翼あるいは静翼セグメントの翼台座に永続的に結合するために、好適には、接触設置面で翼台座の燃焼ガスとは反対側の背面に接する接続要素を有している。接触設置力あるいは結合力の特に一様な分布のためにおよび翼台座に対する取付け要素の正確なアラインメントのために、接続要素は、目的に適って、平らな接触設置面を備えた平らな接続板の形態に形成されている。低い構造高さを実現するために、接続要素あるいは接続板を、翼台座の対応した凹所に沈めて配置することができ、その場合、特にこれによって、鋳造製造においてやりにくい静翼セグメントフックの幾何学形状が取り除かれているので、簡単に製造できる静翼セグメントが得られる。

それぞれの取付け要素の翼台座の外側部分部材だけを別個に製造し、この外側部分部材を、翼台座に一体形成された内側部分部材に、例えば「均等」接合によって、特にろう付けによって結合することが有利である。これによって、翼台座および取付け要素の一体形成部分部材を含む鋳造部品を、比較的粗く選定された公差で製造することができる。しかし、取付け要素全体を別個の部品として製造することが特に有利である。

静翼セグメントのこの少なくとも二構成形態において、取付け要素に対する材料選択が、静翼ホルダへの「引っ掛け」取付け（フック取り付け）の要件に関して最良にされるだけなく、例えば、負荷受容、摩耗および／又は漏れ止めに対しても最良にされ、さらに、例えば上述したろう型の製造時あるいは鋳造過程時の問題も無くなる。接合過程に伴って現れる追加的製造工程にもかかわらず、静翼セグメントの製造は全体として非常に簡単化される。

特に目的に適った実施態様において、それぞれの取付け要素は、翼台座から突出する角形に折り曲げられた取付けフックを有し、この取付けフックはその形状および輪郭が静翼ホルダの対応した受け溝に合わされている。それに代わる形態は、タービン車室における横断面が多角形の受け部に挿入されるほぼ直線的な形鋼部材である。

この接続要素は有利に、この接続要素の形状に合わされた翼台座の凹所あるいは溝にかみ合い結合で固定されている。かかるかみ合い結合は例えば、翼台座が凹所あるいは溝の周縁部位に複数の張出し部を有し、これらの張出し部が接続要素をその接触設置面とは反対の側で掴むことによって生ずる。取付け要素を翼台座に組み立てるために、例えば接続要素が翼台座の凹所あるいは受け溝に横に挿入され、続いて適切な方式で、例えばかみ合い結合、摩擦結合および／又は材料結合で横ずれに対して固定される。結合力が主に接続要素をかみ合い結合で掴み込む張出し部によって受けられるので、補助的固定は比較的僅かな負荷に対して設計するだけで済む。

接続要素と翼台座とのかみ合い結合の代わりに、あるいはそれに加えて、好適には、ろう付けあるいは溶接による材料結合を利用することができる。

好適には、それぞれの取付け要素は、大きな機械的負荷容量に対して単一構成のワーク（材料）から一体に製造されている。その場合、例えば取付けフックは直線的な形鋼部材として切削加工あるいは押出し形成され、第２作業工程で必要な半径に曲げることができる。好適には、取付け要素は、静翼セグメントの残り部分に比べて低い耐熱性であるがより高い靱性を有する材料で製造されている。

目的に適って、静翼あるいは静翼セグメントは、静翼ホルダへの確実な固定のために、複数の取付け要素を有し、その場合、好適には、各取付け要素は、上述したように別個に製造され形成された部品である。

通常、ガスタービンは複数のタービン段を有し、その各タービン段は、流路の周りに円周方向にタービン車室に配置された多数の静翼を有し、これらの静翼は全体で静翼列を形成している。既に述べたように、隣り合う複数の静翼を１つの静翼セグメントや１つの多翼用セグメントの形にまとめることができる。各静翼あるいは各静翼セグメントは、目的に適って、フック状取付け要素付き翼台座を有し、曲げ角および／又は曲げ半径についてのフック形状に対する仕様は、一般に、組込み位置に伴って変化し、即ち、特にタービン段ないし静翼列に左右される。特にこの関係において、接続要素およびその取付け要素をそれぞれの翼台座に結合する、対応した翼台座側の受け部あるいは凹所が規格化あるいは標準化されることが有利である。曲げによって取付けフックを生じさせるそれぞれの形鋼部材も、本来の「素材状態」においてすべての取付け要素に対して同じ外観にすることができる。従って、同一の取付け要素は、原理的にタービンの全タービン段に対して利用でき、取付けフックの曲げ半径および／又は曲げ角がそれぞれの使用場所ないしそれぞれの利用目的に合わされるだけで済む。目的に適って、形鋼部材の曲げは、取扱いおよび曲げ工程の実施が容易であるために、静翼セグメントの翼台座と接続要素との結合前に行われる。しかし原理的には、取付け要素と翼台座との結合後にはじめて取付けフックを所望形状あるいは必要形状に曲げることもできる。

本発明によって得られる利点は特に以下の点にある。即ち、
− 取付け要素に対する材料選択が、特に負荷受容、摩耗および／又は漏れ止めに関して 、引っ掛け要件について最適化される。
− 静翼あるいは静翼セグメントの製造が、全体として非常に簡単となる。
− 公差を簡単に設定ないし維持することができる。
− フック形状が、ほぼすべてのタービン段／出力級に対して標準化して利用でき、種々 の曲げ半径によってそれぞれの利用目的に合わせることができる。
− 鋳造部品において、鋳造技術上の問題が回避される。
− 静翼に対するろう型成形工具が簡単となり、僅かな組物やスライダしか存在しない。

共通翼台座に複数の翼形部が存在する静翼セグメントの場合、個別翼よりも強固であるという利点がある。

以下本発明の実施例を図を参照して詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号が付されている。

図１に部分断面概略側面図で示された静翼２は、翼軸線４の方向に延びる翼形部（羽根部）６を有している。この翼形部６において翼根元部位に、翼軸線４に対してほぼ直角に延びる翼台座８が一体形成されている。静翼２の組立状態において、翼台座８の翼形部６の側に向いた「内面」１０は、ガスタービン（図示せず）の燃焼ガス（高温ガス）を案内する流路における外側境界部を形成している。翼台座８の翼形部６とは反対側のほぼ平らな「裏面」１２に、複数のフック状取付け要素１４が存在している。静翼２はタービン車室における対応した静翼ホルダ（図示せず）にそのフック状取付け要素１４で掛けられ／取り付けられる。ここで示された図では１つの取付け要素１４しか見えず、この取付け要素１４は軸方向１６に関して翼形部６の出口縁（後縁）の近くに設けられ、もう１つの取付け要素はここでは図示されていない入口縁（前縁）の近くに配置されている。

取付け要素１４は、簡単で安価な製造において静翼ホルダにおける引っ掛けに伴う機械的負荷に固有に合わされる。そのために、取付け要素１４は、静翼２の残り部分と無関係に製造され後ではじめてそれに結合される別個の部品として形成され、その場合、取付け要素１４に採用される材料は、翼形部６および翼台座８用の材料よりも低い耐熱性を有するが高い靱性を有している。

取付け要素１４は、翼台座８の背面１２から突出するほぼ直角に折り曲げられた取付けフック１８のほかに、それに一体形成された矩形底面の接続板２０を有している。この接続板２０は翼台座８の対応した凹所２１にかみ合い結合で固定されている。接続板２０はその平らな接触設置面２２で凹所２１の底面２１に平らに接している。凹所２１の深さは接続板２０の厚さに相当し、これによって、周縁領域において翼台座裏面に対して段差無しの移行が生ずる。

図１の実施例において、かみ合い結合を実現するために、接続板２０の両側長手辺２４は、接続板長手辺２４に対して相補的で、これに平行に延びる張出し部２６によって翼台座側凹所２１の縁で掴まれるか囲い込まれるように斜めに切られている。これによって、その張出し部２６は紙面に対して垂直に延びるレール状の案内・取付け溝を形成し、接続板２０は取付け要素１４の組立のためにそのレール状の案内・取付け溝にはめ込まれる。この方向における望ましくないずれ落ちや変位を防止するために、ここでは図示されていない補助固定手段を設けることができる。他の２つの空間方向における変位、即ち、一方では翼軸線４に対して平行な変位と他方では軸方向１６における変位は、かみ合い結合設置によって防止される。相応した支持・保持力は、まずは接続板２０の斜めの長手辺２４およびこれに対応した翼台座側張出し部２６によって受けられる。接続板２０の辺長が大きく選定されている場合には、単位長さに働く有効力は比較的小さく、従って、良好に支配できる。当該技術者が、図１に示されたかみ合い結合原理から逸脱することなしに、取付け要素１４と翼台座８との結合の多くの細部を変更することができることは自明である。

図２に示された取付け要素１４は、図１における取付け要素１４に類似して、その接続板２０が翼台座８の対応した凹所２１に沈めて配置されているが、図１の取付け要素１４とは異なって、かみ合い結合で固定されていない。この接続板２０は接触設置面２２間における複数のろう付け点やろう付け箇所２８によって翼台座８に材料結合されている。その必要な高温ろう付けに対して、多くのろう付け／熱処理方式を経済的に利用することが可能であり、そのろう付け箇所の幾何学形状は、目的に適って、完全に平らにされなければならない。ろう付け法の選択は主に、ろう付けにおける使用条件、材料対およびほかの熱処理要件との両立性によって影響される。

さらに図３は、取付け要素１４の外側部分部材３０だけが別個に製造された部品であり、取付け要素１４の残り部分が翼台座８に一体形成されているか一体鋳造されている変形例を示している。いわば「アダプター」として有効な外側部分部材３０は、びんや管に対する蓋のような囲い３２を有し、外側部分部材３０は取付け要素１４の外側端における翼台座側構成要素をその囲い３２によって包囲している。その寸法は、接合手段の設置前に緩くて隙間があるはめ合いが生ずるように選定され、そのはめ合いは、それぞれの設置場所に存在する幾何学的仕様に合わせることができ、その際、製造上の公差および変異を補償するようになっている。かかる位置合わせ後に、取付け要素１４の両構成要素は、隙間３４に詰められ続いて凝固されるろう材料３６によって互いに結合される。

本発明に基づく取付け要素付き静翼の第１実施例の部分側面図。 本発明に基づく取付け要素付き静翼の第２実施例の部分側面図。 本発明に基づく取付け要素付き静翼の第３実施例の部分側面図。

符号の説明

２ 静翼、静翼セグメント
６ 翼形部（羽根部）
８ 翼台座
１４ 取付け要素
１８ 取付けフック
２０ 接続板
２１ 凹所
２２ 接触設置面
２６ 張出し部
３０ 部分部材

Claims (11)

1. 翼台座（８）に少なくとも１つの翼形部（６）が配置され、翼台座（８）の翼形部（６）とは反対の平らな側に、静翼ホルダに静翼セグメント（２）を取り付けるための複数の取付け要素（１４）が設けられている、熱流体機械における静翼セグメント（２）であって、少なくとも１個の取付け要素（１４）の少なくとも１個の部分部材が、別個に製造され翼台座（８）の翼形部（６）とは反対側に固く結合された部品である静翼セグメントにおいて、
   各取付け要素（１４）が、翼台座（８）から突出する取付けフック（１８）と、接触設置面（２２）で翼台座（８）に埋設された接続要素とを有していることを特徴とする熱流体機械における静翼セグメント。
2. 取付け要素（１４）全体が別個に製造された部品であることを特徴とする請求項１に記載の静翼セグメント。
3. 取付け要素（１４）が単一構造の材料から一体に製造されていることを特徴とする請求項２に記載の静翼セグメント。
4. 各取付け要素（１４）が、翼台座（８）および翼形部（６）に比べて靱性の高い材料で製造されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の静翼セグメント。
5. 接続要素が接続板（２０）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の静翼セグメント。
6. 接続要素が、翼台座（８）の前記接続要素の形状に合わされた凹所（２１）あるいは溝にかみ合い結合で固定されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の静翼セグメント。
7. 翼台座（８）が凹所（２１）あるいは溝の周縁部位に複数の張出し部（２６）を有し、これらの張出し部（２６）が、接続要素をその接触設置面（２２）とは反対の側で掴んでいることを特徴とする請求項６に記載の静翼セグメント。
8. 取付け要素（１４）あるいはその別個に製造された部分部材（３０）が、翼台座（８）あるいは取付け要素（１４）の残り部分に、ろう付けによって材料結合されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の静翼セグメント。
9. 共通の翼台座（８）に複数の翼形部（６）が存在していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の静翼セグメント。
10. 請求項１ないし９のいずれか１つに記載の少なくとも１個の静翼セグメント（２）を備えていることを特徴とする熱流体機械。
11. 形鋼部材が曲げ加工によって取付けフック（１８）の形に形成され、続いて、前記取付けフック付の取付け要素（１４）が翼台座（８）に摩擦結合又は材料結合で結合されることによって、静翼セグメントが製造されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の静翼セグメント（２）の製造方法。

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