JP6045389B2 - タービンノズル及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンノズル及びその製造方法に関する。本発明は、特に、ロケットエンジン用ターボポンプの部品であるタービンノズル及びその製造方法に関する。

ロケットエンジンでは、燃料や酸化剤の供給にターボポンプが用いられる（特許文献１参照）。そのターボポンプの部品の１つとして、タービンノズル（ｔｕｒｂｉｎｅ ｎｏｚｚｌｅ）がある。タービンノズルは、ガスを膨張・減圧させるとともに、ガスがタービンブレードに対して最適な角度で衝突するようにガスの流れ方向を変える働きをする部品である。

特開２００９−２２２０１０号公報

従来、タービンノズルは、一部品として一体的に成形加工されていた。ここで、より小型なタービンノズルが要求されるようになると、狭小な流路を機械加工で作成することが難しくなるため、加工方法が制限されることになる。しかしながら、例えば放電加工の場合は、製造コスト及び製造時間が増大するという問題がある。鋳造の場合も、製造時間は長く、また、少量生産ではコストが割高になるという問題がある。

本発明の１つの目的は、タービンノズルの製造にかかるコスト及び時間を低減することができる技術を提供することにある。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の１つの観点において、タービンノズル（１）の製造方法が提供される。タービンノズル（１）は、内径リング部（１０）と、内径リング部（１０）より径の大きい外径リング部（２０）と、内径リング部（１０）と外径リング部（２０）との間に挟まれた翼（３０）と、を備える。製造方法は、（Ａ）内径リング部（１０）と外径リング部（２０）のうち一方と翼（３０）とを一体的に備える第１部品（ＰＡ）を成形するステップと、（Ｂ）内径リング部（１０）と外径リング部（２０）のうち他方を第２部品（ＰＢ）として成形するステップと、（Ｃ）内径リング部（１０）の外側面（１２）と外径リング部（２０）の内側面（２１）とが対向するように、第１部品（ＰＡ）と第２部品（ＰＢ）とを組み合わせるステップと、ここで、第１部品（ＰＡ）の翼（３０）と第２部品（ＰＢ）との間には隙間（５０）が形成され、（Ｄ）ろう材（６０）を溶かして隙間（５０）に流し込み、第１部品（ＰＡ）の翼（３０）と第２部品（ＰＢ）とをろう付けするステップと、を含む。

製造方法は、上記（Ｃ）ステップと（Ｄ）ステップとの間に、隙間（５０）にスペーサ（７０）を挿入するステップを更に含んでもよい。

ろう材（６０）は、隙間（５０）に隣接する位置の翼（３０）の上面上に設置されてもよい。

ろう材（６０）は、ワイヤろう材（６０）と粉末ろう材（６０）の両方を含んでいてもよい。

好適には、第１部品（ＰＡ）は、内径リング部（１０）と翼（３０）とを一体的に備える。一方、第２部品（ＰＢ）は、外径リング部（２０）である。

本発明の他の観点において、タービンノズル（１）が提供される。そのタービンノズル（１）は、内径リング部（１０）と、内径リング部（１０）より径の大きい外径リング部（２０）と、内径リング部（１０）と外径リング部（２０）との間に挟まれた翼（３０）と、を備える。内径リング部（１０）と外径リング部（２０）のうち一方と翼（３０）とは、第１部品（ＰＡ）として一体的に形成されている。内径リング部（１０）と外径リング部（２０）のうち他方は、第２部品（ＰＢ）である。第１部品（ＰＡ）の翼（３０）と第２部品（ＰＢ）とは、ろう付けされている。

本発明によれば、タービンノズルの製造にかかるコスト及び時間を低減することが可能となる。

図１は、タービンノズルの構成を概略的に示す上面図である。 図２は、タービンノズルの翼の断面構造を概略的に示す側面図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を概念的に示す上面図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための上面図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための側面図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための上面図である。 図７は、本発明の第２の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための側面図である。 図８は、本発明の第３の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための側面図である。 図９は、本発明の第４の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を概念的に示す上面図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

１．第１の実施の形態
図１は、本実施の形態に係るタービンノズル１の構成を概略的に示す上面図である。タービンノズル１は、内径リング部１０、外径リング部２０、及び翼３０を備えている。

内径リング部１０及び外径リング部２０は共に、リング形状を有する部材である。内径リング部１０は、内側面１１と外側面１２を有している。外径リング部２０は、内側面２１と外側面２２を有している。外径リング部２０の径は、内径リング部１０の径よりも大きい。より詳細には、外径リング部２０の内側面２１の径は、内径リング部１０の外側面１２の径よりも大きい。よって、外径リング部２０のリング内に内径リング部１０を配置可能であり、そのとき、内径リング部１０の外側面１２と外径リング部２０の内側面２１とが対向する。

翼３０は、内径リング部１０と外径リング部２０との間に挟まれている。図２は、図１中の方向Ａから見た際の翼３０の断面構造を概略的に示している。図２に示されるように、各々の翼３０は、断面翼形状を有している。そして、図１に示されるように、複数の翼３０が、内径リング部１０と外径リング部２０との間の空間に環状に配置されている。隣り合う翼３０間の隙間がガス流路である。

より小型なタービンノズルが要求されるようになると、このガス流路も狭小となる。タービンノズルを一部品として一体的に成形加工する場合、そのような狭小なガス流路を機械加工で精密に作成することは困難である。そこで、本実施の形態では、図３に示されるような新たな製造方法が提案される。

まず、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢが別々に成形される。第１部品ＰＡは、内径リング部１０と翼３０とを一体的に備える部品である。一方、第２部品ＰＢは、外径リング部２０である。第１部品ＰＡを成形する際は、ガス流路を形成するために複雑な形状の貫通孔を開ける必要はなく、外部に露出している面を加工して翼３０を形成すればよい。すなわち、第１部品ＰＡの成形に機械加工を適用することが可能である。

続いて、第２部品ＰＢ（外径リング部２０）のリング内に、第１部品ＰＡが配置される。つまり、内径リング部１０の外側面１２と外径リング部２０の内側面２１とが対向するように、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢとが組み合わされる。そして、第１部品ＰＡの翼３０と第２部品ＰＢとが「ろう付け」により接合される。これにより、タービンノズル１が完成する。このようにして作成されたタービンノズル１は、翼３０と第２部品ＰＢとの間にろう付け部４０（ろう材による接合部）を有することになる。

図４及び図５は、それぞれ、上記の「ろう付け」についてより詳しく説明するための上面図及び側面図である。第２部品ＰＢ（外径リング部２０）のリング内に第１部品ＰＡが配置された際、図４に示されるように、翼３０と第２部品ＰＢ（外径リング部２０）の内側面２１との間には、僅かな隙間５０が形成される。逆に言えば、僅かな隙間５０ができるように、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢのサイズ及び形状が設計される。この隙間５０にろう材６０を溶かして流し込むことにより、第１部品ＰＡの翼３０と第２部品ＰＢとがろう付けされる。

ろう材６０は、母材である第１部品ＰＡ及び第２部品ＰＢよりも融点の低い合金である。例えば、ニッケル系のろう材６０が用いられる。そのようなろう材６０が、隙間５０あるいはその近傍に設置される。典型的には、隙間５０は非常に狭いため、図４及び図５に示されるように、ろう材６０は、隙間５０に隣接する位置の翼３０の上面上に設置される。ろう材６０の設置後、加熱が行われる。この加熱により、ろう材６０が溶融し、隙間５０に流れ込む。このようにして、第１部品ＰＡの翼３０と第２部品ＰＢとがろう付けされる。

以上に説明されたように、本実施の形態によれば、タービンノズル１は、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢをろう付けすることにより作成される。タービンノズル１が小型化すると、ガス流路も狭小になるが、タービンノズル１を一部品として一体的に成形加工する場合、そのような狭小なガス流路を機械加工で精密に作成することは困難である。一方、本実施の形態によれば、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢは機械加工により簡易に作成可能である。よって、放電加工や鋳造の場合と比較して、タービンノズル１の製造にかかるコスト及び時間を低減することが可能となる。

２．第２の実施の形態
図６及び図７は、それぞれ、第２の実施の形態におけるろう付けについて説明するための上面図及び側面図である。上述の通り、第２部品ＰＢのリング内に第１部品ＰＡが配置された際、僅かな隙間５０が形成される。従って、ろう付け後、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢとの間で“芯ズレ”が発生する可能性がある。そのような芯ズレの発生を防ぐため、第２の実施の形態によれば、隙間５０にスペーサ７０が挿入される。隙間５０へのスペーサ７０の挿入後、第１の実施の形態の場合と同様に、ろう材６０が溶かされ、隙間５０に流し込まれる。

スペーサ７０としては、ニッケル箔が例示される。このようなスペーサ７０が、翼３０の外側面と外径リング部２０の内側面２１との間に挟み込まれる。スペーサ７０の設置位置は、芯ズレの発生が防止される限り任意であるが、隙間５０の全周にわたって均等に配置されると好ましい。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の場合と同じ効果が得られる。それに加えて、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢとの間で“芯ズレ”が発生することが防止される。

３．第３の実施の形態
図８は、第３の実施の形態におけるろう材６０を説明するための概略図である。第３の実施の形態では、ろう材６０は、ワイヤろう材６１に加えて粉末ろう材６２を含んでいる。粉末ろう材６２は、ワイヤろう材６１よりも溶けやすい性質を有している。そして、粉末ろう材６２が溶けると、それが誘い水となり、ワイヤろう材６１も溶け始める。つまり、粉末ろう材６２が用いられる場合、粉末ろう材６２がない場合と比較して、ワイヤろう材６１が溶けやすくなる。

粉末ろう材６２は、例えば、ろう材６０の端部に設けられる。図８に示される例では、ワイヤろう材６１の両端に、粉末ろう材６２が塗布されている。これにより、ろう材６０が全体として溶けやすくなる。

上述の第２の実施の形態と第３の実施の形態の組み合わせも可能である。

４．第４の実施の形態
上述の実施の形態では、内径リング部１０と翼３０とが一体的に形成されていた。第４の実施の形態では、それに代えて、外径リング部２０と翼３０とが一体的に形成される。図９を参照して、第４の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明する。

まず、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢが別々に成形される。本実施の形態では、第１部品ＰＡは、外径リング部２０と翼３０とを一体的に備える部品である。一方、第２部品ＰＢは、内径リング部１０である。

続いて、第１部品ＰＡのリング内に、第２部品ＰＢ（内径リング部１０）が配置される。つまり、内径リング部１０の外側面１２と外径リング部２０の内側面２１とが対向するように、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢとが組み合わされる。そして、第１部品ＰＡの翼３０と第２部品ＰＢとが「ろう付け」により接合される。ろう付けの方法は、既出の実施の形態と同様である。このようにして作成されたタービンノズル１は、翼３０と第２部品ＰＢとの間にろう付け部４０（ろう材による接合部）を有することになる。

但し、内径リング部１０の外側面１２に翼３０を形成する方が、外径リング部２０の内側面２１に翼３０を形成するよりも容易である。その意味では、既出の実施の形態の方が第４の実施の形態よりも好適である。

以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

１ タービンノズル
１０ 内径リング部
１１ 内側面
１２ 外側面
２０ 外径リング部
２１ 内側面
２２ 外側面
３０ 翼
４０ ろう付け部
５０ 隙間
６０ ろう材
６１ ワイヤろう材
６２ 粉末ろう材
７０ スペーサ
ＰＡ 第１部品
ＰＢ 第２部品

Claims (5)

1. リング形状を有する内径リング部と、リング形状を有する外径リング部であって、前記内径リング部より径の大きい外径リング部と、前記内径リング部と前記外径リング部との間に挟まれた翼とを備えるタービンノズルの製造方法であって、
   （Ａ）リング形状を有する前記内径リング部とリング形状を有する前記外径リング部のうち一方と前記翼とを一体的に備える第１部品を成形するステップと、
   （Ｂ）前記内径リング部と前記外径リング部のうち他方を第２部品として成形するステップと、
   （Ｃ）前記内径リング部の外側面と前記外径リング部の内側面とが対向するように、前記第１部品と前記第２部品とを組み合わせるステップと、ここで、前記第１部品の前記翼と前記第２部品との間には隙間が形成され、
   （Ｄ）ろう材を溶かして前記隙間に流し込み、前記第１部品の前記翼と前記第２部品とをろう付けするステップと
   を含み、
   前記（Ｃ）ステップと前記（Ｄ）ステップとの間に、前記隙間にスペーサを挿入するステップを更に含む
   タービンノズルの製造方法。
2. 請求項１に記載のタービンノズルの製造方法であって、
   前記ろう材は、前記隙間に隣接する位置の前記翼の上面上に設置される
   タービンノズルの製造方法。
3. 請求項１または２に記載のタービンノズルの製造方法であって、
   前記ろう材は、ワイヤろう材と粉末ろう材の両方を含んでいる
   タービンノズルの製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のタービンノズルの製造方法であって、
   前記第１部品は、前記内径リング部と前記翼とを一体的に備え、
   前記第２部品は、前記外径リング部である
   タービンノズルの製造方法。
5. 内径リング部と、
   前記内径リング部より径の大きい外径リング部と、
   前記内径リング部と前記外径リング部との間に挟まれた翼と
   を備え、
   前記内径リング部と前記外径リング部のうち一方と前記翼とは、第１部品として一体的に形成され、
   前記内径リング部と前記外径リング部のうち他方は、第２部品であり、
   前記第１部品の前記翼と前記第２部品との間にろう付け部を備え、
   前記第１部品の前記翼と前記第２部品とは、前記ろう付け部によってろう付けされており、
   前記第１部品の前記翼と前記第２部品との間には、スペーサが挿入されている
   タービンノズル。
   

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