JP5517587B2 - ガスタービン翼の中間加工品、ガスタービン翼及びガスタービン、並びに、ガスタービン翼の中間加工品の製造方法及びガスタービン翼の製造方法 - Google Patents
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特に、ガスタービンにおいては、ガスタービン自身の性能、また、コンバインドプラントとしての性能の向上のため、タービンガス温度の上昇が行われている。このため、従来はガス温度が低くて冷却不要だった後方段の長大翼について冷却が必要になってきた。さらに、ガスタービン性能向上のため翼の長翼化も行われている。そしてこのような長翼に二次加工において内面加工として冷却穴加工する場合、外面加工として実施する一般機械加工用の公差に入っている中間加工品でも、冷却穴加工により上記壁破れが起こることがあり、中間加工品の廃却率が高くなってしまうという問題があった。特に歪取りができず高価な一方向性凝固(DS)翼では、歪取りによって冷却穴加工を可能とすることができずに廃却率が高くなってしまう。そして、この問題を回避するためには、従来は翼の肉厚を厚くして冷却穴加工を可能とするのと引き換えに、翼の空力性能を犠牲にせざるを得なかった。
本発明は、外面に開口する穴を有するガスタービン翼の前記外面の形状及び前記穴を機械加工する前のガスタービン翼の中間加工品であって、前記外面に設けられ、許容範囲となる形状に前記外面を加工可能となるように、予め設けられた複数の第一の基準点となる点から測定された前記外面との相対位置に基づいて算出された調整量だけ、当該点を加工することで形成され、前記外面の形状を機械加工する際に位置決めをするための複数の第一の基準点からなる第一の基準点群と、前記外面に設けられ、許容範囲となるように前記穴を加工可能となるように、予め設けられた複数の第二の基準点となる点から測定された前記穴と対応する位置での前記外面との相対位置に基づいて算出された調整量だけ、当該点を加工することで形成され、前記穴を機械加工する際に前記第一の基準点群で位置決めした場合と異なる位置及び向きとして位置決めするための複数の第二の基準点からなり、その内の少なくとも一箇所が前記第一の基準点と異なる位置に設けられた第二の基準点群とを備えることを特徴としている。
また、本発明は、外面に開口する穴を有するガスタービン翼の前記外面の形状及び前記穴を機械加工する前のガスタービン翼の中間加工品であって、前記外面に設けられ、許容範囲となる形状に前記外面を加工可能な位置及び向きに位置決めされるように予め加工され、前記外面の形状を機械加工する際に位置決めをするための複数の第一の基準点からなる第一の基準点群と、前記外面に設けられ、許容範囲となるように前記穴を加工可能な位置及び向きに位置決めされるように予め加工され、前記穴を機械加工する際に前記第一の基準点群で位置決めした場合と異なる位置及び向きとして位置決めするための複数の第二の基準点からなり、その内の少なくとも一箇所が前記第一の基準点と異なる位置に設けられた第二の基準点群とを備えることを特徴としている。
また、上記ガスタービン翼の中間加工品において、前記第一の基準点は、予め設けられた当該第一の基準点となる点から測定された前記外面との相対位置に基づいて算出された調整量だけ、当該点を加工することで形成され、前記第二の基準点は、予め設けられた当該第二の基準点となる点から測定された前記外面との相対位置に基づいて算出された調整量だけ、当該点を加工することで形成されることを特徴としている。
また、本発明のガスタービンは、上記のガスタービン翼の製造方法で製造されたガスタービン翼を備えることを特徴とする。
これらの構成によれば、それぞれ所望の精度を確保して外面及び穴が形成されるので、加工精度を考慮して部材断面を大きく確保する必要がない。このため、ガスタービン翼を、性能を確保する上で最小限の大きさとすることができ、該ガスタービン翼を備えたガスタービンとして性能向上を図ることができる。
本発明のガスタービン翼の中間加工品の製造方法によれば、外面加工及び内部加工とも二次加工として所望の精度を確保して行うことが可能な中間加工品を製造することができる。このため、ガスタービン翼製造に伴う廃却率の低減を図ることができる。また、内部加工による壁破れの防止のために翼の肉厚を必要以上に確保するような断面形状とする必要がなく、製造された当該中間加工品から最小限の肉厚を有するガスタービン翼を製造することができ、空力性能の向上を図ることができる。
また、本発明のガスタービン翼によれば、外面及び穴とも、所望の精度を有するものとし、最小限の肉厚とした断面形状として空力性能の向上を図ることができる。また、製造に伴う廃却率の低減により低コストのものとすることができる。
また、本発明のガスタービン翼の製造方法によれば、外面及び穴とも、所望の精度を有するものとし、最小限の肉厚とした断面形状で製造することができ、空力性能の向上を図ることができる。また、製造に伴う廃却率の低減により低コストのものを製造することができる。
また、本発明のガスタービンによれば、ガスタービン翼の空力性能向上によりタービン効率が向上するため、高い熱効率を実現することができる。
本実施形態では、本発明のガスタービン翼の例としてガスタービンのタービン動翼を例に挙げて説明をする。図1は、ガスタービンの概要を示している。図1に示すように、ガスタービン1は、圧縮空気を生成する圧縮機3と、圧縮機3から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスGを生成する燃焼器4と、燃焼器4から供給される燃焼ガスGにより回転駆動するタービン5とを備える。圧縮機3は、ロータ2の外周に配された圧縮機ケーシング3aと、ロータ2に固定されて環状に配列された複数の圧縮機動翼3bと、圧縮機ケーシング3aに支持されて環状に配列された複数の圧縮機静翼3cとを備え、圧縮機動翼3b及び圧縮機静翼3cは、タービン軸方向Pに複数段交互に配されている。また、タービン5は、ロータ2の外周に配されて内部を燃焼ガス流路Fとするタービンケーシング5aと、ロータ2に固定され環状に配列された複数のタービン動翼5bと、タービンケーシング5aに支持されて環状に配列された複数のタービン静翼5cとを備え、タービン動翼5b及びタービン静翼5cは、タービン軸方向Pに複数段交互に配されている。
そして、欠陥が検出されない場合には歪除去を実施する(ステップS113)。まず、被加工体30において、翼本体10となる部分において断面形状を計測する。断面形状の計測には、例えば予定される断面形状と対応する形状を有するゲージを利用し、該ゲージとの離間距離を各位置で測定することで行われる。そして、計測した断面形状と予定される断面形状とが許容値より大きい差を有して異なる場合には、歪取りを実施する。そして、これを繰り返して、計測した断面形状が予定される断面形状に対して許容値以内となったら次工程に移行する。
そして、図17に示すように、被加工体30の形状N30において、翼本体10の測定点M10a〜M10jが設定された各断面で、基準形状N31における翼本体10の対応する断面との間で、周面位置のずれ量Uを求め、該ずれ量Uが許容値以内か否か判断する(ステップS131)。そして、各断面の各測定点M10a〜M10jにおける各ずれ量Uがいずれも許容値内である場合には、加工可能と判定する。次に、図18に示すように、被加工体30の形状N30をX軸方向、Y軸方向に移動させるとともに、Z軸回りに回転させて位置調整することで、基準形状N31が被加工体30の形状N30内に納まる場合には、機械加工により基準形状N31から許容範囲となる形状に加工することが可能となると判断する(ステップS132)。
すなわち、まず内部加工工程S21として冷却孔15を形成する。冷却孔15は、例えば、硝酸電解加工や放電加工により形成される。より具体的には、まず中間加工品20を第二の基準点22で位置決めして(ステップS21a)、例えば硝酸電解加工機に設置する。この状態で、冷却孔15と対応する径、長さ、形状を有し、通電された状態の電極棒を冷却孔15の開口となる位置に向かって進出させながら、電極棒の先端から電解液となる硝酸ソーダを供給させる。これにより電極棒と、中間加工品20との間に電解作用が生じ、電極棒の周囲で中間加工品20が溶解し冷却孔15となる穴が形成されていくこととなる(ステップS21b)。この際、中間加工品20は予め加工して調整された第二の基準点22で位置決めされているが、第二の基準点22の調整は、位置測定工程S12の第二のステップS122において壁厚T1、T2が薄くなる翼本体10の外面の位置を測定し、この測定結果に基づいて壁厚T1、T2を評価した後に加工を行っていることから、必要壁厚Tcを確実に確保した状態で冷却孔15を形成することができる。さらに、位置測定工程S12の第二のステップS122では、単に翼本体10の外面の位置を測定するのではなく、冷却孔15となる位置と対向する位置で外面の位置を測定していることから、より確実に壁厚T1、T2を確保することができる。
5b タービン動翼(ガスタービン翼)
20 中間加工品
21 第一の基準点
22 第二の基準点
23 補助基準点
30 被加工体
S11 一次加工工程
S12 位置測定工程
S121 第一のステップ
S122 第二のステップ
S13 第一の判定工程
S14 第二の判定工程
S15 第一の基準点加工工程
S16 第二の基準点加工工程
S21 内部加工工程
S22 外面加工工程
Claims (11)
- 外面に開口する穴を有するガスタービン翼の前記外面の形状及び前記穴を機械加工する前のガスタービン翼の中間加工品であって、
前記外面に設けられ、許容範囲となる形状に前記外面を加工可能となるように、予め設けられた複数の第一の基準点となる点から測定された前記外面との相対位置に基づいて算出された調整量だけ、当該点を加工することで形成され、前記外面の形状を機械加工する際に位置決めをするための複数の第一の基準点からなる第一の基準点群と、
前記外面に設けられ、許容範囲となるように前記穴を加工可能となるように、予め設けられた複数の第二の基準点となる点から測定された前記穴と対応する位置での前記外面との相対位置に基づいて算出された調整量だけ、当該点を加工することで形成され、前記穴を機械加工する際に前記第一の基準点群で位置決めした場合と異なる位置及び向きとして位置決めするための複数の第二の基準点からなり、その内の少なくとも一箇所が前記第一の基準点と異なる位置に設けられた第二の基準点群とを備えることを特徴とするガスタービン翼の中間加工品。 - 外面に開口する穴を有するガスタービン翼の前記外面の形状及び前記穴を機械加工する前のガスタービン翼の中間加工品であって、
前記外面に設けられ、許容範囲となる形状に前記外面を加工可能な位置及び向きに位置決めされるように予め加工され、前記外面の形状を機械加工する際に位置決めをするための複数の第一の基準点からなる第一の基準点群と、
前記外面に設けられ、許容範囲となるように前記穴を加工可能な位置及び向きに位置決めされるように予め加工され、前記穴を機械加工する際に前記第一の基準点群で位置決めした場合と異なる位置及び向きとして位置決めするための複数の第二の基準点からなり、その内の少なくとも一箇所が前記第一の基準点と異なる位置に設けられた第二の基準点群とを備えることを特徴とするガスタービン翼の中間加工品。 - 請求項2に記載のガスタービン翼の中間加工品において、
前記第一の基準点は、予め設けられた当該第一の基準点となる点から測定された前記外面との相対位置に基づいて算出された調整量だけ、当該点を加工することで形成され、
前記第二の基準点は、予め設けられた当該第二の基準点となる点から測定された前記外面との相対位置に基づいて算出された調整量だけ、当該点を加工することで形成されることを特徴とするガスタービン翼の中間加工品。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のガスタービン翼の中間加工品の前記第一の基準点で位置決めして、前記外面の形状が加工されるとともに、前記中間加工品の前記第二の基準点で位置決めして前記穴が加工されたことを特徴とするガスタービン翼。
- 請求項4に記載のガスタービン翼を備えることを特徴とするガスタービン。
- 外面に開口する穴を有するガスタービン翼の前記外面の形状及び前記穴を機械加工する前のガスタービン翼の中間加工品の製造方法であって、
前記外面の形状を機械加工する際に位置決めをするための複数の第一の基準点からなる第一の基準点群、及び、前記穴を機械加工する際に位置決めをするための複数の第二の基準点からなる第二の基準点群を、前記第一の基準点と前記第二の基準点とが互いに少なくとも一箇所で異なる位置として設けた被加工体を形成する一次加工工程と、
前記第一の基準点及び前記第二の基準点のそれぞれと、前記被加工体の前記外面との相対位置を測定する位置測定工程と、
該位置測定工程の測定結果に基づいて、前記第一の基準点で位置決めした際に前記被加工体が前記外面の形状を機械加工可能な位置及び向きに位置決めされるように、前記被加工体に対する各前記第一の基準点の相対位置を調整する第一の基準点加工工程と、
前記位置測定工程の測定結果に基づいて、前記第二の基準点で位置決めした際に前記被加工体が前記穴を機械加工可能な位置及び向きに位置決めされるように、前記第二の基準点を加工する第二の基準点加工工程とを備えることを特徴とするガスタービン翼の中間加工品の製造方法。 - 請求項6に記載のガスタービン翼の中間加工品の製造方法において、
前記位置測定工程は、前記被加工体を前記第一の基準点で位置決めして、前記被加工体の前記外面の位置を測定する第一のステップと、
前記被加工体を前記第二の基準点で位置決めして、前記被加工体の前記外面の内、前記穴と対応する位置を測定する第二のステップとを有し、
前記第一の基準点加工工程は、前記第一のステップでの測定結果に基づいて、前記被加工体に対する各前記第一の基準点の相対位置を調整し、
前記第二の基準点加工工程は、前記第二のステップでの測定結果に基づいて前記第二の基準点を加工することを特徴とするガスタービン翼の中間加工品の製造方法。 - 請求項6または請求項7に記載のガスタービン翼の中間加工品の製造方法において、
前記位置測定工程の結果に基づいて、前記被加工体の前記外面を機械加工することにより、許容範囲内となるように該外面を加工可能か否かの判定を行う第一の判定工程と、
前記位置測定工程の結果に基づいて、前記被加工体の前記穴を機械加工することにより、許容範囲内となるように該穴を加工可能か否かの判定を行う第二の判定工程とを備え、
前記第一の判定工程で加工可能と判定された場合のみ前記第一の基準点加工工程を実施し、
前記第二の判定工程で加工可能と判定された場合のみ第二の基準点加工工程を実施することを特徴とするガスタービン翼の中間加工品の製造方法。 - 請求項6から請求項8のいずれか一項に記載のガスタービン翼の中間加工品の製造方法において、
前記一次加工工程では、前記被加工体として前記第一の基準点の少なくとも一つの代わりをなす補助基準点が設けられたものを形成し、
前記第一の基準点加工工程では、前記第一の基準点の少なくとも一つに代えて、前記補助基準点を加工することで、該補助基準点を新たな第一の基準点の一つとして構成させることを特徴とするガスタービン翼の中間加工品の製造方法。 - 請求項6から請求項9のいずれか一項に記載のガスタービン翼の中間加工品の製造方法で製造された前記中間加工品を、前記第一の基準点で位置決めして前記外面の形状を機械加工する外面加工工程と、
前記中間加工品を前記第二の基準点で位置決めして前記穴を機械加工する内部加工工程とを備えることを特徴とするガスタービン翼の製造方法。 - 請求項10に記載のガスタービン翼の製造方法で製造されたガスタービン翼を備えることを特徴とするガスタービン。
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