JP5853451B2 - タービンブレードの鍛造成形方法 - Google Patents

Description

この発明はタービンブレードの鍛造成形方法に関する。

タービンブレードの製造方法として、従来、角材からの削り出しで製造する方法が一般に行われている。
しかしながら角材からタービンブレードを削り出す場合、材料の歩留りが著しく悪く、その歩留りは完成歩留りで約１０％程度である。
一方、タービンブレードを製造する際、タービンブレードを単体で鍛造することも行われている。

例えば下記特許文献１，特許文献２にタービンブレードを単体で鍛造する点が開示されている。
タービンブレードを鍛造成形する場合、材料の歩留りは向上するが、鍛造のための金型にコストがかかる問題がある。
またタービンブレードを単体で個々に鍛造する場合、鍛造のための工数が多くなるとともに、鍛造後においてタービンブレードを最終形状，寸法に仕上げるための機械加工に段取りを含む多くの手間と時間がかかる問題がある。

尚本発明に関連する先行技術として下記特許文献３には、２個の鍛造品を１つの金型で同時鍛造する２個取り鍛造成形方法が開示されている。
但しこの特許文献３に開示のものはコンロッドの鍛造に関するものであるとともに、２個の鍛造品を一体の連結体として鍛造するものではなく、本発明とは異なっている。

特開平２−８０１４９号公報 特開昭６３−１１２０３９号公報 特開平３−２３０２６号公報

本発明は以上のような事情を背景とし、従来に比べて材料歩留りを高くすることができ、また鍛造加工の工数を削減することのできるタービンブレードの鍛造成形方法を提供することを目的としてなされたものである。
また本発明の他の目的として、材料歩留りの向上と鍛造加工の工数の削減と併せて、タービンブレードを傷発生させることなく良好な形状で鍛造できるようにすることを目的とする。
更に本発明の他の目的として、鍛造加工のための所要の金型コストを効果的に低減することを目的とする。

而して請求項１のものは、複数のタービンブレードを、長手方向に一体の連結体として１つの金型にて同時に鍛造し、しかる後に各タービンブレードに分離するタービンブレードの鍛造成形方法であって、前記各タービンブレードはねじれ形状をなし、長手方向に互いに逆向きに向き合った状態で、該各タービンブレードのねじれ方向を逆方向とし、互いに形状が異なる前記各タービンブレードの隣接した端と端との間に、それら各端を繋ぐ余肉部分としての繋ぎ部分を設け、１回の鍛造回数にて該繋ぎ部分を介して各タービンブレードを長手方向に一体に連結する状態に鍛造し、前記繋ぎ部分は、直接突合せ状態にすると突合せ部分で段差が生じてしまう前記タービンブレードの一方の端と他方の端との間で、該一方の端の形状から該他方の端の形状に連続的に形状変化し、該一方の端から該他方の端に形状移行する形状移行部として設けておくことを特徴とする。

請求項２のものは、請求項１において、翼部に対して厚肉をなす厚肉部が、隣接する２つのタービンブレードの長手方向の両端に位置するように鍛造を行うことを特徴とする。

請求項３のものは、請求項２において、前記２つのタービンブレードが何れも回転側の動翼であって、前記厚肉部としての翼根が前記長手方向の両端に位置するように、長手方向の向きを逆向きとして鍛造を行うことを特徴とする。

請求項４のものは、請求項１〜３の何れかにおいて、前記複数のタービンブレードの少なくとも２つが、互いに段数の異なった異種類のタービンブレードであることを特徴とする。

請求項５のものは、請求項４において、前記段数の異なった異種類のタービンブレードが、段数が１つ違いの隣接した段のタービンブレードであることを特徴とする。

発明の作用・効果

以上のように本発明は、複数のタービンブレードを長手方向に一体の連結体として鍛造し、しかる後に各タービンブレードに分離するもので、本発明によれば、１つの鍛造素材から効率高く複数の鍛造品としてのタービンブレードを得ることができ、鍛造に際してのバリの発生量を少なくし得る等によって、タービンブレードを単体で鍛造する場合に比べて材料歩留りを高めることができる。
また本発明では、１回の鍛造にて複数のタービンブレードを鍛造するため、鍛造加工の工数を少なくでき、生産性を高めることができる。

鍛造されたタービンブレードは、一般にその後において最終形状，寸法に仕上げるための全面に亘る切削等の機械加工が施される。
その際、従来の鍛造成形方法にて得られる鍛造品は、個々の単体状態であるため、機械加工はそれら個々の鍛造品に対して個別に行われることとなる。

これに対し本発明の鍛造成形方法によれば、鍛造品としてのタービンブレードが複数長手方向に連結状態に一体に鍛造されるため、それら複数のタービンブレードを同時に機械加工することが可能である。
この場合、機械加工の工数を効果的に低減することが可能となる。

本発明では、各タービンブレードの互いに隣接した端と端との間に、それら各端を繋ぐ余肉部分としての繋ぎ部分を設け、その繋ぎ部分を介して各タービンブレードを長手方向に一体に連結する状態に鍛造する。

このようにタービンブレードとタービンブレードとの間に余肉部分としての繋ぎ部分を設けておけば、鍛造後において各タービンブレードを連結状態で機械加工する際、その繋ぎ部分を機械加工装置のチャックにて把持することが可能となり、連結状態で長く繋がったタービンブレードを、加工中の振れを防止可能に、しっかりと強固に把持することが可能となる。
つまりそのような繋ぎ部分があることによって、複数のタービンブレードを互いに連結状態で同時に機械加工することを現実的に可能ならしめることができる。

この場合においてその繋ぎ部分は、互いに形状の異なった一方の端の形状から他方の端の形状に連続的に形状変化し、一方の端から他方の端に形状移行する形状移行部として設けておく。

例えば、複数のタービンブレードを突合せ状態に直接連結した状態に鍛造することも可能である。
但しこの場合には、隣接するタービンブレードとタービンブレードとの突合せ部分で段差が生じるのを避け得ない。
而してそのような段差が生じると、鍛造加工時に鍛造品に傷を生ぜしめる要因となる。

しかるに本発明では上記の繋ぎ部分を形状移行部となしておくことで、隣接するタービンブレードとタービンブレードとの間で段差が生じるのを防止でき、その段差に起因して鍛造時に傷が生じるのを良好に防ぐことができ、傷の無い良好な形状の鍛造品を得ることが可能となる。

本発明では、翼部に対して厚肉をなす厚肉部が、隣接する２つのタービンブレードの長手方向の両端に位置するように鍛造を行うようになすことができる（請求項２）。
このようにすれば、鍛造後に複数のタービンブレードを一体に連結した状態のまま機械加工を行う際、２つのタービンブレードの長手方向の両端に位置する厚肉部を、機械加工装置のチャックにて掴むことで、連結状態の複数のタービンブレードを機械加工装置のチャックにより剛性高く強固に掴み、保持することができ、上記繋ぎ部分を設ける場合と同様に、複数のタービンブレードを連結状態で同時に機械加工することを実現可能ならしめることができる。

特に回転側の動翼の場合、これを単体状態で機械加工する場合には、長手方向の一端側については厚肉部である翼根をチャックにて把持することができるものの、他端側については薄肉の翼部をチャックで把持して機械加工を行うこととなり、この場合、チャックによる翼部の把持した部分を後に切除することが必要となる。

しかるに請求項３に従って、隣接する２つのタービンブレードを何れも動翼とし、厚肉部としての翼根を長手方向の両端に位置するように、長手方向の向きを逆向きとして鍛造を行うようにすれば、長手方向の両端に位置する２つの厚肉部としての翼根をチャックにて把持した状態で機械加工を行うことが可能となり、チャックによる薄肉の翼部自体に対する把持を不要化することが可能となる。

本発明では、請求項４に従って複数のタービンブレードの少なくとも２つを、互いに段数の異なった異種類のタービンブレードとなしておくことができる。
複数のタービンブレードの何れもが同じ段数の同じ種類のものである場合、鍛造すべきタービンブレードの種類に対応した数の異なった金型を必要とし、金型の所要数が多くなる。

しかるに複数のタービンブレードの少なくとも２つを、互いに段数の異なった異種類のタービンブレードとしておけば、１つの金型で少なくとも２種類のタービンブレードを鍛造することが可能となるため、所要の金型の数（種類）が少なくて済み、金型に要するコストを効果的に低減することができる。

タービンブレードは小量生産品であり、１つの鍛造品（タービンブレード）のコストに占める金型コストの比率は必然的に高くなる。
ここにおいて請求項４に従えば、１つの金型で少なくとも２種のタービンブレードを同時鍛造することができるため、鍛造品１個当りに占める金型コストを効果的に低減することができる。

この場合において請求項５に従い、段数の異なった異種類のタービンブレードを、段数が１つ違いの隣接した段のタービンブレードとしておくのが好適である。
段数が１つ違いの隣接した段のタービンブレードは形状的な違いが少ないため、形状的に大きな違いのある２種類のタービンブレードを、１つの金型で連結状態に鍛造する場合に比べて鍛造が容易となる。

本発明の適用対象の一例であるタービンブレードとしての動翼を単体状態と連結状態で示した図である。 本発明の実施形態の鍛造成形方法の工程説明図である。 図２の要部を実施形態に対する比較例とともに示した図である。 本発明の他の実施形態の要部を同実施形態に対する比較例とともに示した図である。

次に本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１（Ｂ）において、１０，１２は本実施形態の鍛造成形の適用対象としてのタービンブレード、具体的にはここではガスタービン用の動翼で、それぞれ肉厚の薄い翼部１４，１６と、厚肉部としての翼根１８，２０を一体に有している。
ここで動翼１０，１２としては材質がＪＩＳ ＳＵＳ４１０Ｊ１等が好適に用いられる。
この実施形態において、動翼１０，１２は段数の異なる異種類のものである。但しその段数の違いは１段のみで、大形の動翼１０はｎ段の、小形の動翼１２は（ｎ＋１）段のものである。
従って形状的には動翼１０と１２とは近似した形状のものである。

これら動翼１０，１２は、厚肉部としての翼根１８，２０においてロータのディスクに固定され、ロータと一体に回転運動する。
尚、薄肉の翼部１４，１６はねじれ形状をなしており、図１（Ｂ）に示しているように長手方向に互いに逆向きに向き合った状態で、それら翼部１４，１６のねじれの方向は逆方向となる。

図２は、これら動翼１０，１２を鍛造成形する本実施形態の方法の工程を示している。
同図において、２２は材質がＪＩＳ ＳＵＳ４１０Ｊ１から成る（但し他の材質であっても良い）棒状の鍛造素材で、この鍛造素材２２が工程（Ｉ）で荒地鍛造されて、両端に厚肉部を有する予備成形品２４に成形される。

次いでこの予備成形品２４に対して工程（II）の仕上げ鍛造が施されることで、動翼１０と１２とが長手方向に一体に連結した状態の連結体２６が、バリ２８付きの状態で仕上鍛造品として得られる。
その後、工程（III）でバリ抜きが行われて、連結体２６からバリ２８が分離除去される。

図１（Ａ）及び図２に示しているように、ここではタービンブレードとしての２つの動翼１０，１２が、長手方向に一体に連結した連結体２６として、１つの金型にて同時に鍛造される。
ここで動翼１０，１２は、それぞれの厚肉部としての翼根１８，２０を、連結体２６における長手方向の両端に位置させるように、長手方向の向きを逆向きとして一体に鍛造される。

連結体２６において、３０は動翼１０の端と１２の端との間に設けた、動翼１０及び１２の各端を繋ぐ余肉部分としての繋ぎ部分で、動翼１０，１２はこの繋ぎ部分３０を介して互いに連結状態で一体に鍛造される。
この繋ぎ部分３０は、互いに形状の異なった動翼１２の図中右側の端と、動翼１０の図中左側の端とを、自身の形状変化によって円滑に繋ぐ形状移行部として設けられている。

具体的には、繋ぎ部分３０は、図中左端の形状が動翼１２の図中右端の形状と同一形状、また図中右端の形状が動翼１０の図中左端の形状と同一形状をなしており、そして繋ぎ部分３０は、図中左端の形状から図中右端の形状へと連続的に形状変化し、動翼１２の右端形状から動翼１０の左端形状へと形状を連続移行させている。

例えば図３（Ａ）に示しているように、このような繋ぎ部分３０を設けずに、動翼１０と１２との各翼部１４，１６を直接突合せ状態にそれら動翼１０，１２を連結状態に鍛造するようにした場合、動翼１４と１６とは長手方向の向きが逆向きであって、ねじれの方向が逆方向であるとともに、幅寸法，厚み寸法もまた互いに異なっていることから、動翼１０及び１２における翼部１４，１６の突合せ部分で段差が生じてしまう（図３（Ａ）では理解を容易にするためにそれらを離間状態で示している）。
このような段差を有する形状の連結体２６を鍛造しようとすると、その段差に起因して鍛造品に傷が発生し易く、また鍛造に際して技術的な困難も伴う。

そのため、ここでは図３（Ｂ）に示しているように動翼１６の端と動翼１４の端とを繋ぐ繋ぎ部分３０を設け、且つこれを連続的に形状移行する形状移行部として設け、動翼１０と１２との間に段差を生ぜしめないようにしている。

従って動翼１０と１２とを互いに連結状態で連結体２６として鍛造するに際し、鍛造品に傷を生ぜしめることなく良好な形状に鍛造成形することができる。

本実施形態において、以上のようにして得られた連結体２６は、その後に動翼１０と１２とに分離される。
その際、動翼１０，１２は互いに単体に分離された後において、或いは互いに連結した状態、即ち連結体２６のままで、所望の最終形状，寸法に仕上げるための機械加工が施される。
後者の場合には、２つの動翼１０，１２を同時に機械加工できるため、機械加工の工数を効果的に少なくできて望ましいが、本実施形態に従って得た連結体２６は、長手方向の両端に厚肉部である翼根１８，２０を有しているため、更には長手方向の中間に繋ぎ部分３０を有しているため、機械加工に際して機械加工装置のチャックにてそれら両端の翼根１８，２０及び繋ぎ部分３０を把持することができ、連結体２６をしっかりと強固に保持することができ、その状態で連結体２６における振れを抑えつつ機械加工を施すことが可能となる。

以上のような本実施形態によれば１つの鍛造素材２２から効率高く２つの鍛造品としての動翼１０，１２（タービンブレード）を得ることができ、鍛造に際してのバリの発生量を少なくし得る等によって、動翼１０，１２を単体で鍛造する場合に比べて材料歩留りを高めることができる。
また１回の鍛造にて複数の動翼１０，１２を鍛造することができ、鍛造加工の工数を少なくでき、生産性を高めることができる。

また本実施形態の鍛造成形方法では、２つの動翼１０，１２が互いに連結した状態で得られるため、鍛造後の機械加工に際してそれらを同時に機械加工することが可能となる。

例えば、同じ段の同一種類の複数のタービンブレードを連結状態で鍛造することもできるが、その場合タービンブレードの種類に対応した数（種類）の金型を必要とする。
しかるに本実施形態では、タービンブレードとして互いに段数の異なった異種類の動翼１０，１２を連結状態で鍛造するようにしているため、１つの金型で２種類の動翼１０，１２を鍛造でき、所要の金型の数（種類）が少なくて済み、金型に要するコストを効果的に低減することができる。

動翼は少量生産品であり、１つの動翼のコストに占める金型コストの比率は必然的に高くなる。
ここにおいて本実施形態に従えば、１つの金型で２種の動翼１０，１２を同時鍛造することができるため、鍛造品１個当りに占める金型コストを効果的に低減することができる。

また動翼１０と１２とは、段数が１つ違いの隣接した段のものであるために形状的な違いが少なく、従って形状的に大きな違いのある２種類の動翼を１つの金型で連結状態に鍛造する場合に比べて、鍛造が容易である。

以上は動翼についての例であるが、本発明は固定側である静翼の鍛造にも適用することが可能である。
図４中３２，３４は静翼で、ここでは静翼３２と３４とは段数の異なったものとされている。具体的にはここでは静翼３２と３４とは段数が１段異なっている。
３６は静翼３２の翼部を、３８は静翼３４の翼部をそれぞれ表している。

静翼３２は、図中右端側にタービンケーシングに固定される厚肉部としての翼根（図示省略）が一体に設けられており、また静翼３４は、同様に翼部３８の図中左端側にタービンケーシングに固定される厚肉の翼根（図示省略）を一体に有している。

これら静翼３２，３４の場合、翼根とは反対側の端部に、即ちタービンケーシングへの固定状態で内周側の端部に、ロータの軸周りに環状をなす環状部材に固定されるシュラウド４０，４２を一体に有している。
４４はこれら静翼３２，３４を長手方向の向きを逆向きとして一体に連結した連結体を表している。
即ちここでも静翼３２，３４は長手方向の向きを逆向きとして、その長手方向に一体に連結されて連結体４４を構成している。

また隣合うシュラウド４０と４２とが、上記実施形態と同様に繋ぎ部分５０によって互いに繋がれている。
この実施形態においても、繋ぎ部分５０は形状移行部分としての働きを有している。
尚、２つの静翼３２，３４を連結体４４として鍛造する際の工程及び手順は、基本的に図２に示す動翼の鍛造の場合と同様である。
図４（Ａ）は、図３（Ａ）に対応した図であり、２つの静翼３２，３４を直接突合せ状態で連結状態に鍛造したときに、静翼３２と３４との突合せ部分で段差が生じることを表している。

この実施形態に従って、２つの静翼３２，３４を連結体４４として鍛造した場合においても、長手方向両端の翼根を機械加工装置のチャックにて把持して機械加工を行うことが可能である。
また併せて、中間部分の繋ぎ部分５０をチャックにより把持して機械加工を行うことが可能である。

以上本発明の実施形態を詳述したがこれはあくまで一例示である。
例えば上例では段数が１段だけ異なった異種類の２つのタービンブレードを連結状態に鍛造する場合の例であるが、本発明は段数が２段以上異なったもの同士を連結状態で鍛造するようになすことも可能である。
更に上記の例は２つのタービンブレードを連結状態に鍛造する場合の例であるが、特にサイズの小さいタービンブレードを鍛造する場合において、動翼，静翼何れについても３つ以上の複数を連結状態で鍛造するようになすことも可能である。
この場合、連結体の長手方向両端に厚肉部が位置するように連結体を構成するのが望ましい。
その他本発明はガスタービン以外のタービン用のブレードの鍛造に適用することも可能である等、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々変更を加えた形態で構成可能である。

１０，１２ 動翼（タービンブレード）
１４，１６，３６，３８ 翼部
１８，２０ 翼根
２６ 連結体
３０ 繋ぎ部分
３２，３４ 静翼

Claims (5)

1. 複数のタービンブレードを、長手方向に一体の連結体として１つの金型にて同時に鍛造し、しかる後に各タービンブレードに分離するタービンブレードの鍛造成形方法であって、
   前記各タービンブレードはねじれ形状をなし、長手方向に互いに逆向きに向き合った状態で、該各タービンブレードのねじれ方向を逆方向とし、
   互いに形状が異なる前記各タービンブレードの隣接した端と端との間に、それら各端を繋ぐ余肉部分としての繋ぎ部分を設け、１回の鍛造回数にて該繋ぎ部分を介して各タービンブレードを長手方向に一体に連結する状態に鍛造し、
   前記繋ぎ部分は、直接突合せ状態にすると突合せ部分で段差が生じてしまう前記タービンブレードの一方の端と他方の端との間で、該一方の端の形状から該他方の端の形状に連続的に形状変化し、該一方の端から該他方の端に形状移行する形状移行部として設けておくことを特徴とするタービンブレードの鍛造成形方法。
2. 請求項１において、翼部に対して厚肉をなす厚肉部が、隣接する２つのタービンブレードの長手方向の両端に位置するように鍛造を行うことを特徴とするタービンブレードの鍛造成形方法。
3. 請求項２において、前記２つのタービンブレードが何れも回転側の動翼であって、前記厚肉部としての翼根が前記長手方向の両端に位置するように、長手方向の向きを逆向きとして鍛造を行うことを特徴とするタービンブレードの鍛造成形方法。
4. 請求項１〜３の何れかにおいて、前記複数のタービンブレードの少なくとも２つが、互いに段数の異なった異種類のタービンブレードであることを特徴とするタービンブレードの鍛造成形方法。
5. 請求項４において、前記段数の異なった異種類のタービンブレードが、段数が１つ違いの隣接した段のタービンブレードであることを特徴とするタービンブレードの鍛造成形方法。

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