JP6282786B2 - タービン翼、タービン翼の製造方法及び軸流タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、タービン翼、タービン翼の製造方法及び軸流タービンに関する。

従来から、蒸気や燃焼ガスなどが軸方向に流れる軸流タービンが、発電などに利用されている。このような軸流タービンのうち、例えば、ガスタービンでは、タービン効率向上のための主流ガスの高温化に対して、タービン翼（動翼及び静翼）内部の冷却を行うと共に、タービン翼表面へ遮熱コーティングを施すことによって、タービン翼の損傷を防いでいる。

タービン翼の保護のため遮熱コーティングの厚さを厚くしていくと、タービン翼の後縁部の厚さ（幅）が厚くなっていく。しかし、一般にタービン翼の空力性能は、後縁部の厚さが薄いほど良いことが知られている。したがって、遮熱コーティングの厚さを確保した上で後縁部の厚さを薄くするためには、遮熱コーティング施工前の翼素材の後縁部の厚さを薄くする必要がある。しかしながら、タービン翼の一般的な製造方法である精密鋳造の製造性を考慮すると薄肉化に限界がある。

そこで、タービン翼の後縁部の遮熱コーティングの厚さを漸減させて、遮熱コーティング施工後におけるタービン翼の後縁部の厚さを薄くすることが提案されている。また、タービン翼の後縁の圧力側部分を機械加工で除去して厚さを約４０パーセント減少させるとともに、内部冷却通路を露出させることが提案されている。

特許第５６６１０６０号公報 特開２０１１−２３６８９９号公報

しかしながら、遮熱コーティングの厚さを漸減させると、十分な遮熱効果を得ることができなくなり、耐久性が低下する可能性がある。また、遮熱コーティングの厚さを漸減させるためには、通常のコーティング作業とは異なる特別な施工管理が必要となる。

また、タービン翼の後縁の圧力側部分を機械加工で除去して内部冷却通路を露出させ、翼面から冷媒を放出させると、冷媒の量が増え、プラント効率が低下する。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、耐久性を確保しつつタービン翼の後縁部を薄肉化することができ、空力性能を向上させることのできるタービン翼、タービン翼の製造方法及び軸流タービンを提供することを目的とする。

実施形態のタービン翼は、軸流タービンの環状流路内に列状に配設されるタービン翼であって、凸状に湾曲する背面と、前記背面とは反対側の腹面と、作動流体の流れ方向上流側に配置される前縁と、作動流体の流れ方向下流側に配置される後縁と、前記後縁を含む少なくとも一部の領域に形成され、精密鋳造にて製造したタービン翼素材の前記背面又は前記腹面の少なくとも一方に追加工を施して厚さを減少させた薄肉部と、前記薄肉部の内部に、翼高さ方向に沿って形成された冷却孔と、を具備している。

実施形態のタービン翼の製造方法は、軸流タービンの環状流路内に列状に配設されるタービン翼の製造方法であって、凸状に湾曲する背面と、前記背面とは反対側の腹面と、作動流体の流れ方向上流側に配置される前縁と、作動流体の流れ方向下流側に配置される後縁と、を含むタービン翼素材を精密鋳造にて製造する工程と、前記タービン翼素材の前記後縁を含む少なくとも一部の領域の前記背面又は前記腹面の少なくとも一方に追加工を施し、厚さを減少させた薄肉部を形成する工程と、前記薄肉部の内部に、翼高さ方向に沿って冷却孔を形成する工程と、を具備している。

実施形態の軸流タービンは、環状流路の周方向に列状に配設された静翼と、前記静翼の下流側に配置され、タービンの回転中心軸に対して周方向に列状に配設された動翼とでタービン段落を構成する軸流タービンにおいて、前記静翼及び前記動翼のうち少なくとも１つは、凸状に湾曲する背面と、前記背面とは反対側の腹面と、作動流体の流れ方向上流側に配置される前縁と、作動流体の流れ方向下流側に配置される後縁と、前記後縁を含む少なくとも一部の領域に形成され、精密鋳造にて製造したタービン翼素材の前記背面又は前記腹面の少なくとも一方に追加工を施して厚さを減少させた薄肉部と、前記薄肉部の内部に、翼高さ方向に沿って形成された冷却孔と、を具備している。

実施形態の軸流タービンの縦断面構成を模式的に示す図。 実施形態のタービン翼の翼有効部の構成を模式的に示す図。 図２のタービン翼のＡ−Ａ断面構成を模式的に示す図。 タービン翼の後縁部の構成を模式的に示す図。 タービン翼の後縁部のＢ−Ｂ断面構成を模式的に示す図。 実施形態のタービン翼の製造方法を説明するための図であり、図６Ａは精密鋳造工程を示し、図６Ｂは追加工工程を示し、図６Ｃは冷却孔形成工程を示す。 遮熱コーティングを施したタービン翼の後縁部の断面構成を模式的に示す図。 タービン翼の後縁部の薄肉部の他の構成を模式的に示す図。 タービン翼の後縁部の薄肉部の他の構成を模式的に示す図。 他の実施形態のタービン翼の後縁部の断面構成を模式的に示す図。 タービン翼の後縁部のＣ−Ｃ断面構成を模式的に示す図。

以下、実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は、実施形態の軸流タービン１００の通路部の構造を示している。なお、軸流タービン１００は、例えば、現在の発電プラントで使用されている通常のガスタービン、超臨界ＣＯ_２サイクル発電に使用する所謂ＣＯ_２タービン等に適用することができる。軸流タービン１００は、ケーシング１０１を備え、このケーシング１０１内には、タービンロータ（タービン回転軸）１０２が貫設されている。なお、タービンロータ１０２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。

ケーシング１０１には、周方向に沿って配列された複数（図１には１つのみ示す。）のタービン静翼１０３が取り付けられている。また、タービンロータ１０２には、周方向に沿って配列された複数（図１には１つのみ示す。）のタービン動翼１０４が取り付けられている。タービン静翼１０３とタービン動翼１０４は、交互に配置されて環状流路を形成している。静翼翼列は、タービンロータ１０２の軸方向に動翼翼列と交互に複数段備えられている。そして、静翼翼列と、その直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。なお、以下ではタービン静翼１０３及びタービン動翼１０４を、タービン翼１２０と総称して説明する。

図２は精密鋳造翼であるタービン翼１２０の翼有効部１０５の構成を示しており、図３は、図２のＡ−Ａ断面構成を示している。図３に示すように、タービン翼１２０の翼有効部１０５は、凸状に湾曲する背面１０６と、凹状に湾曲する、背面１０６とは反対側の腹面１０７と、作動流体の流れ方向上流側に配置される前縁１０８と、作動流体の流れ方向下流側に配置される後縁１０９とを具備している。なお、図３では図示を省略しているが、後述するように、タービン翼１２０には、翼高さ方向（図２の上下方向）に沿って冷却孔が形成されている。

図４は、図２に示した翼有効部１０５の後縁１０９部分の構成を拡大して示しており、図５は、図４のＢ−Ｂ断面構成を示している。第１実施形態に係るタービン翼１２０では、腹面１０７側の後縁１０９を含む領域に、腹面側薄肉部１１０が形成されている。この腹面側薄肉部１１０は、後述するように、精密鋳造によって製造されたタービン翼素材に切削加工による追加工を行うことによって形成されている。そして、タービン翼１２０の後縁１０９の厚さＷは、腹面側薄肉部１１０を形成する際に切削した厚さ分、厚さが薄くなっている。なお、図５中点線で切削する前の状態を模式的に示してある。

また、腹面側薄肉部１１０の内部には、タービン翼１２０の翼高さ方向（図４の上下方向）に沿って冷却孔１１１が形成されている。また、第１実施形態では、腹面側薄肉部１１０以外の部位においても、内部に同様な冷却孔１１２が複数形成されている。これらの冷却孔１１１、冷却孔１１２の内部には、冷媒が通流され、高温の作動流体に晒されるタービン翼１２０を冷却する。

次に、図６を参照して、上記構成のタービン翼１２０の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法では、まず、図６の上部にその断面形状を示すように、精密鋳造工程によってタービン翼１２０の概略形状を有するタービン翼素材１２０ａを製造する（図６Ａ）。タービン翼素材１２０ａは、翼有効部１０５を具備している。また、翼有効部１０５は、凸状に湾曲する背面１０６と、凹状に湾曲する腹面１０７と、作動流体の流れ方向上流側に配置される前縁１０８と、作動流体の流れ方向下流側に配置される後縁１０９とを具備している。

次に、図６の中間部にその断面形状を拡大して示すように、タービン翼素材１２０ａの翼有効部１０５の後縁１０９側の腹面１０７の所定領域に対して、切削加工による追加工工程を実施し、表面部分を削り取る。これによって、タービン翼素材１２０ａの厚さを薄くした腹面側薄肉部１１０を形成する（図６Ｂ）。なお、図６Ｂ中に点線で切削する前の状態を模式的に示してある。

この切削加工によりタービン翼素材１２０ａの後縁１０９側を薄肉化する追加工工程では、タービン翼素材１２０ａを厚さ方向において１ｍｍ以下程度切削することが好ましく、例えば、０．５ｍｍ程度切削する。したがって、腹面側薄肉部１１０の厚さは、切削加工の前より、例えば０．５ｍｍ程度薄くなる。この場合、タービン翼素材１２０ａの厚さが、後縁１０９側に向けて漸減し、段差が生じないように切削加工を施すことが好ましい。

また、上記切削加工は、タービン翼素材１２０ａの後縁１０９と、後縁１０９の近傍の領域に施せばよい。この場合、タービン翼素材１２０ａの腹面１０７の後縁１０９から前縁１０８までの長さを１００％とした時、例えば、後縁１０９から前縁１０８に向けて５〜２０％程度の領域に切削加工を施せばよい。しかし、例えば後縁１０９から前縁１０８まで、腹面１０７の全面（１００％）に切削加工を施してもよい。

上記のように、タービン翼素材１２０ａの後縁１０９側の所定領域に切削加工による追加工を施して腹面側薄肉部１１０を形成することによって、腹面側薄肉部１１０の厚さを精度良く調整することができる。すなわち、精密鋳造では、タービン翼素材１２０ａの厚さを、例えば±０．５ｍｍ程度の精度でしか制御することができないが、切削加工によれば、例えば、±０．０５ｍｍ程度の精度以上で制御することができる。したがって、切削加工による追加工を施すことによって、タービン翼素材１２０ａの腹面側薄肉部１１０の部分の厚さを、所定厚さに精度良く制御することができる。

次に、図６の下部にその断面形状を拡大して示すように、上記した腹面側薄肉部１１０の内部に位置するように、翼高さ方向に沿った円孔からなる冷却孔１１１を形成する冷却孔形成工程を行う。この場合、上述したとおり、腹面側薄肉部１１０の部分の翼の厚さは高精度で所定厚さとされているので、この厚さが一定の面を基準として腹面側薄肉部１１０の内部に冷却孔１１１を形成することができる（図６Ｃ）。

したがって、厚さの薄い腹面側薄肉部１１０の内部の所定位置に、位置精度良く冷却孔１１１を形成することができる。なお、必要に応じて、腹面側薄肉部１１０以外の部分にも、内部に冷却孔１１２を形成する。これらの工程によって、タービン翼１２０を得ることができる。

また、上記工程の後、図７に示すように、必要に応じて、背面１０６、腹面１０７、前縁１０８、後縁１０９を含むように、タービン翼１２０の表面に遮熱コーティング１１３を施す。この遮熱コーティング１１３は、例えば、全面に均一な所定の厚さで形成することができる。このように、均一な厚さで遮熱コーティング１１３を形成することによって、十分な遮熱性を確保することができる。また、腹面側薄肉部１１０を形成しているので、遮熱コーティング１１３を形成した後におけるタービン翼１２０の後縁１０９の厚さを薄くすることができる。

以上のように、本実施形態では、精密鋳造によって製造したタービン翼素材１２０ａに切削加工による追加工を施すことによって、腹面側薄肉部１１０を形成し、後縁１０９側の厚さを薄くしたタービン翼１２０としている。したがって、タービン翼１２０の空力性能を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、タービン翼素材１２０ａの腹面１０７側に切削加工を施して腹面側薄肉部１１０を形成した場合について説明した。しかし、例えば図８に示すように、タービン翼素材１２０ａの背面１０６側に切削加工を施して背面側薄肉部１１４を形成してもよい。さらに、例えば図９に示すように、タービン翼素材１２０ａの背面１０６側及び腹面１０７側の両面に切削加工を施して、背面側薄肉部１１４及び腹面側薄肉部１１０の双方を形成してもよい。

次に、図１０、図１１を参照して、第２実施形態に係るタービン翼１３０の構成について説明する。図１０は、タービン翼１３０の翼有効部１０５の後縁１０９部分の構成を拡大して示しており、図１１は、図１０のＣ−Ｃ断面構成を示している。

第２実施形態に係るタービン翼１３０は、翼有効部１０５の後縁１０９の翼根元側及び翼先端側の隅Ｒ部１１５を除いた部分に、腹面側薄肉部１１０が形成されている。このような構成とすることによって、高い応力が発生し易い隅Ｒ部１１５の部分の肉厚を確保することができる。したがって、強度を確保した上で、後縁１０９の厚さを薄くし、空力性能を向上させることができる。また、隅Ｒ部１１５は、Ｒがついているため切削加工を施し難い部分である。この隅Ｒ部１１５に切削加工を施さないことによって、全体としての施工性を向上させることができる。

このように、第２実施形態に係るタービン翼１３０では、翼有効部１０５の後縁１０９を薄肉化することによる強度の低下を抑制しつつ、空力性能を向上させることができる。また、切削加工を施し難い隅Ｒ部１１５の加工を排除することにより、施工性の低下も抑制することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００……軸流タービン、１０１……ケーシング、１０２……タービンロータ、１０３……タービン静翼、１０４……タービン動翼、１０５……翼有効部、１０６……背面、１０７……腹面、１０８……前縁、１０９……後縁、１１０……、１１１……冷却孔、１１２……冷却孔、１１３……遮熱コーティング、１１４……背面側薄肉部、１１５……隅Ｒ部、１２０……タービン翼、１３０……タービン翼。

Claims (8)

1. 軸流タービンの環状流路内に列状に配設されるタービン翼であって、
   凸状に湾曲する背面と、
   前記背面とは反対側の腹面と、
   作動流体の流れ方向上流側に配置される前縁と、
   作動流体の流れ方向下流側に配置される後縁と、
   前記後縁を含む少なくとも一部の領域に形成され、精密鋳造にて製造したタービン翼素材の前記背面又は前記腹面の少なくとも一方に追加工を施して厚さを減少させた薄肉部と、
   前記薄肉部の内部に、翼高さ方向に沿って形成された冷却孔と、
   を具備したことを特徴するタービン翼。
2. 請求項１記載のタービン翼であって、
   前記薄肉部を含む前記背面及び前記腹面に形成された遮熱コーティング層を具備したことを特徴するタービン翼。
3. 請求項１又は２記載のタービン翼であって、
   前記タービン翼素材の後縁側の、隅Ｒ部以外の部分に前記薄肉部が形成されていることを特徴するタービン翼。
4. 請求項１乃至３いずれか１項記載のタービン翼であって、
   前記薄肉部以外の部分の内部に、翼高さ方向に沿って形成された冷却孔を具備したことを特徴するタービン翼。
5. 軸流タービンの環状流路内に列状に配設されるタービン翼の製造方法であって、
   凸状に湾曲する背面と、前記背面とは反対側の腹面と、作動流体の流れ方向上流側に配置される前縁と、作動流体の流れ方向下流側に配置される後縁と、を含むタービン翼素材を精密鋳造にて製造する工程と、
   前記タービン翼素材の前記後縁を含む少なくとも一部の領域の前記背面又は前記腹面の少なくとも一方に追加工を施し、厚さを減少させた薄肉部を形成する工程と、
   前記薄肉部の内部に、翼高さ方向に沿って冷却孔を形成する工程と、
   を具備したことを特徴するタービン翼の製造方法。
6. 請求項５記載のタービン翼の製造方法であって、
   前記薄肉部を含む前記背面及び前記腹面に、遮熱コーティング層を形成する工程を具備したことを特徴するタービン翼の製造方法。
7. 請求項５又は６記載のタービン翼の製造方法であって、
   前記タービン翼素材の後縁側の、隅Ｒ部以外の部分に前記薄肉部を形成することを特徴するタービン翼の製造方法。
8. 環状流路の周方向に列状に配設された静翼と、前記静翼の下流側に配置され、タービンの回転中心軸に対して周方向に列状に配設された動翼とでタービン段落を構成する軸流タービンにおいて、
   前記静翼及び前記動翼のうち少なくとも１つは、
   凸状に湾曲する背面と、
   前記背面とは反対側の腹面と、
   作動流体の流れ方向上流側に配置される前縁と、
   作動流体の流れ方向下流側に配置される後縁と、
   前記後縁を含む少なくとも一部の領域に形成され、精密鋳造にて製造したタービン翼素材の前記背面又は前記腹面の少なくとも一方に追加工を施して厚さを減少させた薄肉部と、
   前記薄肉部の内部に、翼高さ方向に沿って形成された冷却孔と、
   を具備したことを特徴する軸流タービン。

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