JP5787555B2 - Method for manufacturing gas turbine member - Google Patents
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本発明は、ガスタービンを構成し、内部を流通する冷却気体が冷却孔を介して表面に導かれるガスタービン部材の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a gas turbine member that constitutes a gas turbine and in which a cooling gas flowing through the inside is guided to the surface via a cooling hole.
ガスタービンを構成するガスタービン部材、例えば静翼や動翼は、ガスタービンの燃焼温度である1000℃以上の高温に曝される。従って、ガスタービン部材の素材として耐熱性に優れた金属材料が用いるとともに、ガスタービン部材を積極的に冷却する手段が必要となる。このガスタービン部材の冷却手段としては、冷却フィルムと呼ばれる薄い低温気流層をガスタービン部材の表面に形成する方法がある。ここで、この冷却フィルムは、ガスタービン部材の内部に形成された冷却路を流通する冷却気体を、冷却孔を介してガスタービン部材の表面に導くことによって形成される。 A gas turbine member constituting the gas turbine, for example, a stationary blade or a moving blade, is exposed to a high temperature of 1000 ° C. or more which is a combustion temperature of the gas turbine. Accordingly, a metal material having excellent heat resistance is used as a material for the gas turbine member, and means for actively cooling the gas turbine member is required. As a means for cooling the gas turbine member, there is a method of forming a thin low-temperature airflow layer called a cooling film on the surface of the gas turbine member. Here, the cooling film is formed by guiding the cooling gas flowing through the cooling path formed inside the gas turbine member to the surface of the gas turbine member through the cooling holes.
ここで、ガスタービン部材を貫通して冷却孔を形成する手段の1つとして、レーザ加工が挙げられる。しかし、レーザ加工を行った場合、ガスタービン部材を貫通したレーザ光によって冷却路の内壁面が損傷すると、ガスタービン部材が所定の強度を下回る、或いは冷却気体の流れに乱れが生じるという問題につながる。 Here, as one of means for forming the cooling hole through the gas turbine member, laser processing can be cited. However, when laser processing is performed, if the inner wall surface of the cooling path is damaged by the laser beam penetrating the gas turbine member, the gas turbine member is less than a predetermined strength or the flow of the cooling gas is disturbed. .
そこで、ガスタービン部材の製造に際しては、図8に示すように、レーザ光Lを吸収可能な染料を含んだ樹脂シート70を冷却路71の内壁面に沿って予め配置することにより、冷却路71の内壁面がレーザ光Lによって損傷するのを防止する方法が従来用いられている。
Therefore, when the gas turbine member is manufactured, as shown in FIG. 8, by arranging a
しかし、従来のガスタービン部材の製造方法によれば、図8に示すように、冷却路71において鋭角な角部71aの周辺やリブ71bが設けられた周辺では、冷却路71の内壁面に樹脂シート70を完全に密着させることができず、冷却路71の内壁面と樹脂シート70との間に隙間72が生じる場合がある。そうすると、ガスタービン部材を貫通したレーザ光Lがこの隙間72に入射することにより、樹脂シート70が配置されていない冷却路71の内壁面が損傷する問題が生じる。
However, according to the conventional method for manufacturing a gas turbine member, as shown in FIG. 8, the resin is applied to the inner wall surface of the
また、樹脂シート70の形状や冷却路71への配置の仕方によっては、隣接する樹脂シート70の間に隙間72が生じる場合がある。この場合も、前述と同様にこの隙間72に入射したレーザ光Lによって冷却路71の内壁面が損傷する問題が生じる。
Further, depending on the shape of the
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、冷却路に鋭角な角部やリブ等を有するガスタービン部材に対してレーザ加工によって冷却孔を形成する際に、ガスタービン部材を貫通したレーザ光によって冷却路の内壁面が損傷することを防止する手段を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and its purpose is to form a cooling hole by laser processing for a gas turbine member having sharp corners, ribs, etc. in the cooling path. Another object of the present invention is to provide means for preventing the inner wall surface of the cooling path from being damaged by the laser beam penetrating the gas turbine member.
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係るガスタービン部材の製造方法は、冷却気体が流通する冷却路を内部に有するガスタービン部材に対して、前記冷却気体を該ガスタービン部材の表面に導くための冷却孔をレーザ加工によって形成するガスタービン部材の製造方法において、前記冷却路内に、レーザ光を吸収可能であるとともに前記冷却路の少なくとも一部を圧縮状態で充填可能な伸縮性構造体を配置した状態で、前記レーザ加工を施すことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following means. That is, in the method for manufacturing a gas turbine member according to the present invention, a cooling hole for guiding the cooling gas to the surface of the gas turbine member is provided in the laser with respect to the gas turbine member having a cooling passage through which the cooling gas flows. In the method for manufacturing a gas turbine member formed by processing, in the cooling path, a stretchable structure that can absorb laser light and fill at least a part of the cooling path in a compressed state is disposed. The laser processing is performed.
このような製造方法によれば、ガスタービン部材の内部に形成される冷却路に、例えば鋭角な角部やリブが設けられていることによって狭小な領域が存在しても、冷却路に充填される伸縮性構造体がその領域の形状に応じて変形して冷却路の内壁面に密着することにより、伸縮性構造体と冷却路の内壁面との間に隙間が生じない。これにより、ガスタービン部材を貫通したレーザ光は冷却路の内壁面に照射することなく伸縮性構造体によって確実に吸収されるため、冷却路の内壁面が損傷するのを防止することができる。
さらに、このような製造方法によれば、圧縮状態で充填された伸縮性構造体には元の形状に復元しようとする力があるため、狭小な領域の形状に追従して伸縮性構造体が変形する。これにより、冷却路の内壁面に伸縮性構造体がより確実に密着する。
According to such a manufacturing method, even if a narrow area exists due to, for example, acute corners or ribs provided in the cooling path formed inside the gas turbine member, the cooling path is filled. The elastic structure that is deformed according to the shape of the region and is in close contact with the inner wall surface of the cooling path does not cause a gap between the elastic structure and the inner wall surface of the cooling path. Thereby, since the laser beam which penetrated the gas turbine member is reliably absorbed by the stretchable structure without irradiating the inner wall surface of the cooling path, it is possible to prevent the inner wall surface of the cooling path from being damaged.
Furthermore, according to such a manufacturing method, since the elastic structure filled in the compressed state has a force to restore the original shape, the elastic structure follows the shape of the narrow region. Deform. Thereby, a stretchable structure adheres more reliably to the inner wall surface of the cooling path.
また、本発明に係るガスタービン部材の製造方法は、前記伸縮性構造体を、前記レーザ加工の終了後に前記冷却路から抜き取ることを特徴とする。 Moreover, the method for manufacturing a gas turbine member according to the present invention is characterized in that the stretchable structure is extracted from the cooling path after the laser processing is completed.
このような製造方法によれば、伸縮性構造体が抜き出されることによって冷却路の内部が空洞状態となるため、冷却路に冷却気体を流通させることができる。 According to such a manufacturing method, since the inside of the cooling path is in a hollow state by extracting the stretchable structure, the cooling gas can be circulated through the cooling path.
また、本発明に係るガスタービン部材の製造方法は、前記レーザ加工の終了時に、前記レーザ光の照射によって前記伸縮性構造体に所定深さの溝が形成されるよう、前記伸縮性構造体の前記冷却路における体積占有率を予め設定したことを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a gas turbine member according to the present invention, at the end of the laser processing, the laser beam is irradiated with the laser beam so that a groove having a predetermined depth is formed in the elastic structure. The volume occupancy in the cooling path is preset.
このような製造方法によれば、伸縮性構造体に溝が形成されることにより、レーザ光および冷却孔の形成に用いるガスを滞留無く通り抜けさせ、また、レーザ光に溶融されたガスタービン部材の破片は、溝に収容される。これにより、冷却孔の形状精度が保たれるとともに、ガスタービン部材の破片が冷却路の内壁面に付着することによって、冷却路を流通する冷却気体の流れに乱れが生じるのを未然に防止することができる。 According to such a manufacturing method, by forming grooves in the stretchable structure, the gas used for forming the laser beam and the cooling hole can pass through without stagnation, and the gas turbine member melted by the laser beam Debris is received in the groove. As a result, the shape accuracy of the cooling holes can be maintained, and the turbulence of the flow of the cooling gas flowing through the cooling path can be prevented in advance by the fragments of the gas turbine member adhering to the inner wall surface of the cooling path. be able to.
本発明に係るガスタービン部材の製造方法によれば、冷却路に鋭角な角部やリブ等を有するガスタービン部材に対してレーザ加工によって冷却孔を形成する場合に、ガスタービン部材を貫通したレーザ光によって冷却路の内壁面が損傷することを防止することができる。 According to the method for manufacturing a gas turbine member according to the present invention, when a cooling hole is formed by laser processing on a gas turbine member having sharp corners, ribs, or the like in the cooling path, a laser penetrating the gas turbine member. It is possible to prevent the inner wall surface of the cooling path from being damaged by light.
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の実施形態に係るガスタービン部材の製造方法によって製造されるガスタービン部材について説明する。本実施形態では、ガスタービン部材の一例として、ガスタービンを構成するタービン静翼について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the gas turbine member manufactured by the manufacturing method of the gas turbine member which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. In this embodiment, a turbine stationary blade constituting a gas turbine will be described as an example of a gas turbine member.
図1は、本実施形態に係るタービン静翼10を備えたガスタービン1を示す全体構成図である。ガスタービン1は、流体の流通方向Fに沿って最も上流側の位置に設けられて圧縮空気を生成する圧縮機2と、その下流側に設けられて圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器3と、更にその下流側に設けられて燃焼ガスにより回転駆動されるタービン4と、を備えるものである。
FIG. 1 is an overall configuration diagram illustrating a gas turbine 1 including a turbine
タービン4は、図1に示すように、ロータ5の外周に設けられて内部に燃焼ガス流路(不図示)が形成されたタービンケーシング41と、ロータ5の外周面から突出して周方向に所定間隔で設けられた複数のタービン動翼42と、タービンケーシング41の内周面から突出して周方向に所定間隔で設けられた複数のタービン静翼10と、を有している。そして、タービン動翼42及びタービン静翼10は、ロータ5の軸線方向に沿って交互に複数段がそれぞれ設けられている。
As shown in FIG. 1, the
タービン静翼10は、燃焼ガスを減速して圧力上昇させる役割を果たすものである。図2は、タービン静翼10を示す概略斜視図である。尚、図2では説明の便宜上、その一部を破断した状態で示している。タービン静翼10は、図2及び図3に示すように、断面流線型を有しロータ5の径方向に延びる翼本体11と、この翼本体11の長手方向両端部にそれぞれ取り付けられた一対のシュラウド12A,12B(図2では一方の図示を省略)と、を備えるものである。
The turbine
翼本体11は、図2に示すように、その内部を貫通して形成された冷却路13と、その表面に形成された複数の冷却孔14と、冷却路13を横切るように形成されて翼本体11を構造的に補強するリブ15と、を有している。
As shown in FIG. 2, the
冷却路13は、冷却用の冷却気体(不図示)が流通する流路である。この冷却路13は、図2に示すように、翼本体11を長手方向に貫通して形成されて、その長手方向両端部は翼本体11の両端面にそれぞれ開口している。
The
冷却孔14は、冷却路13を流通する冷却気体を翼本体11の表面に導くための流路である。この冷却孔14は、図2に示すように、翼本体11の厚み方向すなわち長手方向と略直交する方向へ延びるように形成され、その一端が冷却路13に開口するとともに、その他端が翼本体11の表面11aに開口している。そして、この冷却孔14は、翼本体11の長手方向に所定間隔で列設されるとともに、長手方向に略直交する方向に複数列が形成されている。
The
一対のシュラウド12A,12Bは、周方向に複数設けられたタービン静翼10をその基端部及び先端部において周方向に互いに連結するものである。そして、図3に示すように、この一対のシュラウド12A,12Bを厚み方向に貫通して、翼本体11の冷却路13と略等しい断面形状を有する連通穴16A,16Bがそれぞれ形成されている。これにより、翼本体11の冷却路13は、その両端部がシュラウド12A,12Bの連通穴16A,16Bを介してそれぞれ外部に連通している。
The pair of shrouds 12 </ b> A and 12 </ b> B connects the turbine
次に、本発明の実施形態に係るタービン静翼10の製造方法、及びその作用効果について順を追って説明する。ここで、図3から図5は、タービン静翼10の製造工程を説明する概略斜視図であって、図3は伸縮性構造体を充填する工程を、図4はレーザ加工工程を、図5は伸縮性構造体を抜き取る工程をそれぞれ示している。
Next, the manufacturing method of the turbine
タービン静翼10を製造する作業者は、まずタービン静翼10の内部に伸縮性構造体を充填する。すなわち作業者は、図3に示すように、タービン静翼10を構成する一方のシュラウド12Aを治具Jに固定した後、他方のシュラウド12Bの連通穴16Bを通して、翼本体11の冷却路13に伸縮性構造体17を充填する。
An operator who manufactures the
この伸縮性構造体17は、有機系光吸収剤を含有する耐熱性樹脂を発泡成形することによって形成された伸縮性を有するスポンジ状の部材である。この伸縮性構造体17の断面は、図3に示すように、翼本体11の冷却路13の断面と比較して、略同形状であって且つ若干大きく形成されている。また、伸縮性構造体17の長手寸法は、冷却路13の長手寸法と同程度かそれより長く形成されている。従って、冷却路13に充填された状態で伸縮性構造体17は圧縮状態であって、元の形状に復元しようとする力を有している。これにより、冷却路13の内部に鋭角な角部18やリブ15が形成されることによって狭小な領域が存在する場合でも、狭小な領域の形状に追従して伸縮性構造体17が変形するため、冷却路13の内壁面13aに伸縮性構造体17が隙間なく密着する。
This
ここで、伸縮性構造体17の原料である耐熱性樹脂としては、融点が200℃以上、好ましくは250℃以上の熱可塑性樹脂を用いることが好適である。熱可塑性樹脂の具体例としては、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド66、ポリアミド46、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマーなどが挙げられる。
Here, as the heat resistant resin which is a raw material of the
また、耐熱性樹脂が含有する有機系光吸収剤は、特定の波長のレーザ光を吸収する特性を有するものであって、後述のレーザ加工工程で使用されるレーザ光の波長に応じて適宜選択することができる。例えば、Nd:YAGレーザを使用する場合、有機系光吸収剤としては、波長が1064nm近傍のレーザ光を吸収するものが好ましい。
特に、有機系光吸収剤としては、構成元素に金属を含有しないアジン系染料が好適である。このアジン系染料は、上記の波長領域のレーザ光を吸収するとともに、耐熱性及び耐光性に優れている。アジン系染料の具体例としては、オリエント化学工業社製LTW−8170C、LTW−8400C、LTW−8950H、LTW−8000C、LWT−8901H、LAW−4801などが挙げられる。
The organic light absorber contained in the heat-resistant resin has a property of absorbing laser light having a specific wavelength, and is appropriately selected according to the wavelength of the laser light used in the laser processing step described later. can do. For example, when an Nd: YAG laser is used, the organic light absorber is preferably one that absorbs laser light having a wavelength in the vicinity of 1064 nm.
In particular, as the organic light absorber, an azine dye that does not contain a metal as a constituent element is suitable. This azine-based dye absorbs laser light in the above wavelength region and is excellent in heat resistance and light resistance. Specific examples of the azine dye include LTW-8170C, LTW-8400C, LTW-8950H, LTW-8000C, LWT-8901H and LAW-4801 manufactured by Orient Chemical Industries.
尚、伸縮性構造体17としては、本実施形態のようなスポンジ状の部材の他に、3次元織物や、スチールウール状の部材や、綿状の部材や、ジェル状の部材を袋に詰めたものや、風船状の部材等を用いることができる。
In addition to the sponge-like member as in this embodiment, the
次に作業者は、レーザ加工によって翼本体11に冷却孔14を形成する。すなわち作業者は、図4に示すように、レーザ照射装置Sの先端ノズルNから翼本体11の表面11aに対してレーザ光Lを照射することにより、冷却路13まで達する冷却孔14を形成する。そして作業者は、レーザ照射装置Sの加工ヘッドHを駆動させて先端ノズルNの位置を鉛直方向及び水平方向に適宜移動させることにより、複数の冷却孔14を順次形成する。
Next, the operator forms a
ここで、図2に示すように、冷却路13において鋭角な角部18やリブ15が形成された狭小な領域でも、伸縮性構造体17が隙間なく冷却路13の内壁面13aに密着している。従って、レーザ光Lが翼本体11を貫通してこのような狭小な領域に入射しても、このレーザ光Lは伸縮性構造体17によって確実に吸収されるため、冷却路13の対向する内壁面13aには照射しない。これにより、レーザ光Lによって冷却路13の内壁面13aが損傷することに起因して翼本体11が所定の強度を下回る問題や、冷却路13を流通する冷却気体の流れに乱れが生じる問題を未然に防止することができる。
Here, as shown in FIG. 2, even in a narrow region where the
但し、伸縮性構造体17が冷却路13の内壁面13aに隙間なく密着している場合、冷却孔14の形成に用いるガスが内部に滞留するため、冷却孔14の形状精度が悪化するという問題が生じる。また、レーザ光Lが翼本体11を貫通する際に生じるスパッタやドロス、すなわち溶融した翼本体11の小さな破片が、伸縮性構造体17によって跳ね返されることにより、冷却路13の内壁面13aにおける冷却孔14の開口周辺に付着するという問題が生じる。そこで、この問題の発生を防止するためには、伸縮性構造体17を冷却路13に充填する際に、冷却路13における伸縮性構造体17の体積占有率を適切に設定することが好適である。
However, when the
より詳細には、図6に示すように、翼本体11を貫通したレーザ光Lが伸縮性構造体17に照射すると、伸縮性構造体17が溶けて気化することにより、当該箇所では冷却路13の内壁面13aと伸縮性構造体17との間に溝19が生じる。そうすると、レーザ光Lが翼本体11を貫通する際に、レーザ光Lおよび冷却孔14の形成に用いるガスが滞留無く冷却孔14を通り抜ける。また、レーザ光Lが翼本体11を貫通する際に生じたスパッタ20がこの溝19に溜まるため、冷却路13の内壁面13aにおける冷却孔14の開口周辺にスパッタ20が付着することを防止することができる。
More specifically, as shown in FIG. 6, when the
ここで、図7は、冷却路13における伸縮性構造体17の体積占有率と、レーザ光照射時の伸縮性構造体17の体積減少率との関係を示すグラフであって、横軸が体積占有率を、縦軸が体積減少率をそれぞれ示している。この図によれば、体積占有率が高いほど、すなわち伸縮性構造体17がより隙間なく冷却路13に充填されているほど、体積減少率が大きい、すなわちより多くの伸縮性構造体17が気化して広い空間が生じる傾向がある。しかし、体積減少率が大きすぎると、レーザ光Lが伸縮性構造体17を貫通することによって冷却路13の内壁面13aを傷付ける問題が生じる。一方、体積占有率が低すぎると、前述のように伸縮性構造体17と冷却路13の内壁面13aとの間に隙間が生じることにより、当該隙間に入射したレーザ光Lが冷却路13の内壁面13aを傷付ける問題が生じる。従って作業者は、このバランスを考慮しながら伸縮性構造体17の体積占有率を適切に設定することが必要である。
Here, FIG. 7 is a graph showing the relationship between the volume occupancy rate of the
最後に作業者は、タービン静翼10の内部から伸縮性構造体17を抜き取る。すなわち作業者は、図5に示すように、翼本体11の冷却路13に充填された伸縮性構造体17を、他方のシュラウド12Bの連通穴16Bを通してタービン静翼10の外部へ抜き取る。この時、伸縮性構造体17の溝19に収容されたスパッタ20も、タービン静翼10の外部へ回収される。
Finally, the operator pulls out the
尚、本実施形態では伸縮性構造体17を冷却路13の全体に充填したが、これに限られず、少なくともレーザ光Lを照射する箇所の周辺に伸縮性構造体17が充填すれば十分である。また、本実施形態では伸縮性構造体17を圧縮状態で冷却路13に充填したが、冷却路13の内壁面13aに隙間なく密着した状態であれば、必ずしも圧縮状態である必要はない。
In the present embodiment, the entire
また、本実施形態では本発明に係るガスタービン部材の一例としてタービン静翼10について説明したが、ガスタービン部材はタービン動翼42やその他の部材であってもよい。
Moreover, although this embodiment demonstrated the turbine
尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 The various shapes, combinations, operation procedures, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are merely examples, and various changes can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
1 ガスタービン
2 圧縮機
3 燃焼器
4 タービン
5 ロータ
10 タービン静翼
11 翼本体
11a 表面(翼本体)
12A シュラウド
12B シュラウド
13 冷却路
13a 内壁面(冷却路)
14 冷却孔
15 リブ
16A 連通穴
16B 連通穴
17 伸縮性構造体
18 角部
19 溝
20 スパッタ
41 タービンケーシング
42 タービン動翼
70 樹脂シート
71 冷却路
71a 角部
71b リブ
72 隙間
F 流通方向
H 加工ヘッド
J 治具
L レーザ光
N 先端ノズル
S レーザ照射装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas turbine 2 Compressor 3
14
Claims (3)
前記冷却路内に、レーザ光を吸収可能であるとともに前記冷却路の少なくとも一部を圧縮状態で充填可能な伸縮性構造体を配置した状態で、前記レーザ加工を施すことを特徴とするガスタービン部材の製造方法。 In a gas turbine member manufacturing method in which a cooling hole for guiding the cooling gas to the surface of the gas turbine member is formed by laser processing with respect to the gas turbine member having a cooling path through which the cooling gas flows.
A gas turbine characterized in that the laser processing is performed in a state in which a stretchable structure capable of absorbing laser light and filling at least a part of the cooling path in a compressed state is disposed in the cooling path. Manufacturing method of member.
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