JP6677969B2 - タービン翼及びタービン並びにタービン翼の製造方法 - Google Patents

Description

本開示はタービン翼及びタービン並びにタービン翼の製造方法に関する。

タービンに用いられるタービン翼として、鋳造で製作された部品を溶接で接合して得られるタービン翼が知られている。
例えば、特許文献１には、鋳造された翼部及びシュラウド部を溶接で接合して得られるタービン静翼が開示されている。このタービン静翼では、シュラウドの熱変形の拘束を和らげるため、翼部とシュラウド部とがシュラウドの冷却面側からシュラウドの厚さ方向に部分的に溶接されており、翼部とシュラウドとの間においてシュラウドの高温流体面近傍に隙間（未溶着部）が残される構造となっている。

実開昭６０−５７７０５

特許文献１に記載のタービン静翼のように、翼部とシュラウド部とが、シュラウドの厚さ方向において部分的に溶接されて間隙が形成される場合、タービン翼に外力や熱が加わった際に翼部及びシュラウド部の僅かな変形が前記間隙によって許容されているため、前記間隙を残さずに全体的に溶接される場合に比べて応力が低減される。一方、翼部とシュラウド部とが部分的に溶接されることで形成される間隙が燃焼ガスの流路と溶接部との間に存在すると、高温の燃焼ガスが間隙に侵入することにより溶接部の温度が上昇し、溶接部が熱によって損傷するリスクが生じ、タービン翼の寿命が短くなる可能性がある。
そこで、タービン翼における溶接部の温度上昇を抑制することが望まれる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、溶接部の温度上昇を抑制可能なタービン翼を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン翼は、
タービンの径方向に沿って設けられるタービン翼であって、
前記タービンの流体流路内に位置する翼型部と、
前記径方向における前記翼型部の内側又は外側に位置し、且つ、前記翼型部の端部が嵌合される開口を有するシュラウド部と、を備え、
前記シュラウド部の前記開口を形成する壁面と前記翼型部の前記端部の外周面との間には、間隙が形成されており、
前記シュラウド部の前記壁面と前記翼型部の前記外周面とは、前記間隙を挟んで前記流体流路とは反対側において、溶接部を介して互いに接合されており、
前記シュラウド部又は前記翼型部の少なくとも一方には、前記間隙に開口し且つ前記間隙に冷却流体を供給するように構成された冷却孔が設けられる。

上記（１）の構成によれば、シュラウド部と翼型部との間に形成された間隙によって翼型部及びシュラウド部の僅かな変形が許容されるので、タービン運転中における溶接部への応力集中を抑制できる。また、シュラウド部又は翼型部の少なくとも一方に設けた冷却孔から、シュラウド部と翼型部との間に形成された間隙に冷却流体が供給されるので、流体流路を流れる高温の流体が間隙に侵入するのを防止することができる。これにより、間隙を挟んで流体流路とは反対側に位置する溶接部の温度上昇を抑制することができ、タービン翼の寿命を向上させることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記シュラウド部は、前記径方向において前記翼型部の内側および外側にそれぞれ設けられ、且つ、前記開口をそれぞれ有する内側シュラウド及び外側シュラウドを含み、
前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの各々の前記壁面と前記翼型部の各々の端部の前記外周面との間には、前記間隙が形成されており、
前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの各々の前記壁面と前記翼型部の各々の端部の前記外周面とは、前記間隙を挟んで前記流体流路とは反対側において、前記溶接部を介して互いに接合されている。
上記（２）の構成では、内側シュラウドと翼型部との間、及び、外側シュラウドと翼型部との間のそれぞれに形成された間隙に冷却孔から冷却流体が供給されるので、より効果的に高温の流体が間隙に侵入するのを防止することができる。これにより、各々の間隙を挟んで流体流路側とは反対側に位置する各々の溶接部の温度上昇を抑制することができ、タービン翼の寿命をより向上させることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記翼型部は、前記冷却流体が流れるように構成された中空部を有し、
前記冷却孔は、前記翼型部の前記中空部と前記間隙とを連通させるように構成された第１冷却孔を含む。
上記（３）の構成によれば、翼型部の中空部と間隙とを連通させるように構成された第１冷却孔を介して、中空部を流れる冷却流体を間隙に供給することができ、高温の流体が間隙に侵入するのを防止することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、
前記シュラウド部内に設けられ、前記冷却流体が流れるように構成された冷却通路を前記シュラウド部の内壁面とともに形成する遮蔽板をさらに備え、
前記冷却孔は、前記シュラウド部内の前記冷却通路と前記間隙とを連通させるように構成された第２冷却孔を含む。
上記（４）の構成によれば、シュラウド部の内壁面と遮蔽板とにより形成される冷却通路と間隙とを連通させるように構成された第２冷却孔を介して、冷却通路を流れる冷却流体を間隙に供給することができ、高温の流体が間隙に侵入するのを防止することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）のいずれかの構成において、前記溶接部は、前記間隙の延在方向に沿った第１溶接部を含む。
（６）また、幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）のいずれかの構成において、前記溶接部は、前記間隙の幅方向に沿った第２溶接部を含む。
上記（５）又は（６）の構成によれば、第１溶接部及び／又は第２溶接部により、翼型部とシュラウド部とを強固に接合することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）のいずれかの構成において、
前記シュラウド部には、前記流体流路に開口するように前記間隙の周囲に設けられ、且つ、前記冷却流体を噴出するように構成された噴射孔が形成されており、
前記噴射孔は、前記流体流路側に向かうにつれて前記翼型部に近づくように前記径方向に対して傾斜している。
上記（７）の構成によれば、間隙の周囲においてシュラウド部に設けられた噴射孔から翼型部に向けて冷却流体が噴射されるので、流体流路内の高温流体の間隙への侵入を抑制できる。よって、間隙への高温流体の流入が阻害され、溶接部の温度上昇を抑制するとともに、翼型部の温度上昇を抑制することができる。これにより、タービン翼の寿命をより向上させることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）のいずれかの構成において、前記シュラウド部のうち、前記流体流路に面する前記開口の縁は、前記翼型部の延在方向に沿った断面形状が湾曲形状である。
上記（８）の構成によれば、タービン翼の組み立て時において翼型部の端部をシュラウド部の開口に嵌入する際、シュラウド部の開口の縁と翼型部とが接触してしまっても、シュラウド部の開口の縁が湾曲状の滑らかな断面形状を有するので、翼型部の表面に損傷が生じ難い。これにより、タービン翼の寿命をより向上させることができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンは、上記（１）〜（８）の何れかの構成を有するタービン翼を含むロータを備える。

上記（９）の構成によれば、シュラウド部と翼型部との間に形成された間隙によって翼型部及びシュラウド部の僅かな変形が許容されるので、タービン運転中における溶接部への応力集中を抑制できる。また、シュラウド部又は翼型部の少なくとも一方に設けた冷却孔から、シュラウド部と翼型部との間に形成された間隙に冷却流体が供給されるので、流体流路を流れる高温の流体が間隙に侵入するのを防止することができる。これにより、間隙を挟んで流体流路とは反対側に位置する溶接部の温度上昇を抑制することができ、タービン翼の寿命を向上させることができる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン翼の製造方法は、
タービンの流体流路内に設けられる翼型部と、前記翼型部の端部が嵌合される開口を有するシュラウド部と、を含むタービン翼の製造方法であって、
前記シュラウド部又は前記翼型部の少なくとも一方に形成された冷却孔が、前記シュラウド部の前記開口を形成する壁面と前記翼型部の前記端部の外周面との間に形成される間隙に開口するように、前記シュラウド部の前記開口に前記翼型部の前記端部を嵌入するステップと、
前記冷却孔を挟んで前記流体流路とは反対側において、前記シュラウド部の前記壁面と前記翼型部の前記外周面とを溶接するステップと、を備え、
前記溶接するステップでは、少なくとも前記冷却孔の開口位置と該開口位置よりも前記流体流路側において前記間隙が残るように、前記冷却孔からみて前記流体流路とは反対側においてのみ前記間隙に溶接部を形成する。

上記（１０）の方法で得られるタービン翼によれば、シュラウド部と翼型部との間に形成された間隙によって翼型部及びシュラウド部の僅かな変形が許容されるので、タービン運転中における溶接部への応力集中を抑制できる。また、シュラウド部又は翼型部の少なくとも一方に設けた冷却孔から、シュラウド部と翼型部との間に形成された間隙に冷却流体が供給されるので、燃焼ガス流路を流れる高温の流体が間隙に侵入するのを防止することができる。これにより、間隙を挟んで流体流路とは反対側に位置する溶接部の温度上昇を抑制することができ、タービン翼の寿命を向上させることができる。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、前記翼型部及び前記シュラウド部をそれぞれ鋳造する鋳造ステップをさらに備える。
上記（１１）の方法によれば、翼型部及びシュラウド部をそれぞれ鋳造により作製するので、翼型部及びシュラウド部を一体的に鋳造する場合に比べて、鋳造品の構造が比較的簡素になる。このため、鋳造時の欠陥を低減し、歩留まりを向上させることができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１０）又は（１１）の構成において、
前記シュラウド部は、前記翼型部の一端側及び他端側にそれぞれ設けられ、且つ、前記開口をそれぞれ有する内側シュラウド及び外側シュラウドを含み、
前記嵌入するステップでは、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの各々の前記開口を形成する前記壁面と前記翼型部の各々の端部の前記外周面との間に形成される前記間隙に前記冷却孔が開口するように、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの各々の前記開口に前記翼型部の各々の端部を嵌入し、
前記溶接するステップでは、前記冷却孔を挟んで前記流体流路とは反対側において、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの前記壁面と前記翼型部の各々の端部の前記外周面とを溶接する。
上記（１２）の方法で得られるタービン翼によれば、内側シュラウドと翼型部との間、及び、外側シュラウドと翼型部との間のそれぞれに形成された間隙に冷却孔から冷却流体が供給されるので、より効果的に高温の流体が間隙に侵入するのを防止することができる。これにより、各々の間隙を挟んで流体流路側とは反対側に位置する各々の溶接部の温度上昇を抑制することができ、タービン翼の寿命をより向上させることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、溶接部の温度上昇を抑制可能なタービン翼が提供される。

一実施形態に係るタービンを備えるガスタービンを示す概略構成図である。 一実施形態に係るタービン翼を含む静翼示す斜視図である。 一実施形態に係るタービン翼を示す斜視図である。 図３に示すＣ−Ｃ矢視断面図である。 一実施形態に係るタービン翼を示す図であって、図４に示すＡ部に該当する部分の拡大断面図である。 一実施形態に係るタービン翼を示す図であって、図４に示すＡ部に該当する部分の拡大断面図である。 一実施形態に係るタービン翼を示す図であって、図４に示すＡ部に該当する部分の拡大断面図である。 一実施形態に係るタービン翼を示す図であって、図４に示すＡ部に該当する部分の拡大断面図である。 一実施形態に係るタービン翼を示す図であって、図４に示すＡ部に該当する部分の拡大断面図である。 一実施形態に係るタービン翼を示す図であって、図４に示すＡ部に該当する部分の拡大断面図である。 一実施形態に係るタービン翼を示す図であって、図４に示すＡ部及びＢ部に該当する部分の拡大断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

まず、本実施形態に係るタービン翼及びタービンの適用先の一例であるガスタービンについて、図１を参照して説明する。図１は、一実施形態に係るタービンを備えるガスタービンを示す概略構成図である。

図１に示すように、一実施形態に係るガスタービン１は、圧縮空気を生成するための圧縮機２と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器４と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン６と、を備える。発電用のガスタービン１の場合、タービン６には不図示の発電機が連結され、タービン６の回転エネルギーによって発電が行われるようになっている。

ガスタービン１における各部位の具体的な構成例について説明する。
圧縮機２は、圧縮機車室１０と、圧縮機車室１０の入口側に設けられ、空気を取り込むための空気取入口１２と、圧縮機車室１０及び後述するタービン車室２２を共に貫通するように設けられたロータ８と、圧縮機車室１０内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、空気取入口１２側に設けられた入口案内翼１４と、圧縮機車室１０側に固定された複数の静翼１６と、静翼１６に対して交互に配列されるようにロータ８に植設された複数の動翼１８と、を含む。なお、圧縮機２は、不図示の抽気室等の他の構成要素を備えていてもよい。このような圧縮機２において、空気取入口１２から取り込まれた空気は、複数の静翼１６及び複数の動翼１８を通過して圧縮されることで高温高圧の圧縮空気となる。そして、高温高圧の圧縮空気は圧縮機２から後段の燃焼器４に送られる。

燃焼器４は、ケーシング２０内に配置される。図１に示すように、燃焼器４は、ケーシング２０内にロータ８を中心として環状に複数配置されていてもよい。燃焼器４には燃料と圧縮機２で生成された圧縮空気とが供給され、燃料を燃焼させることによって、タービン６の作動流体である燃焼ガスを発生させる。そして、燃焼ガスは燃焼器４から後段のタービン６に送られる。

タービン６は、タービン車室２２と、タービン車室２２内に配置された各種の翼と、を備える。各種の翼は、タービン車室２２側に固定された複数の静翼２４と、静翼２４に対して交互に配列されるようにロータ８に植設された複数の動翼２６と、を含む。複数の静翼２４又は複数の動翼２６は、以下に詳細に説明するタービン翼１００を含む。各段の静翼５は、ロータ８の周方向に環状に等しい間隔をあけて配列され、それぞれタービン車室２２側に固定されると共にロータ８側に向けて放射状に複数延設されるタービン静翼本体（翼型部３０）を備えている。また、各段の動翼２６は、ロータ８の周方向に環状に等しい間隔をあけて配列され、ロータ８側に固定されると共にタービン車室２２側に向けて放射状に延設されるタービン動翼本体（翼型部３０）を備えている。
また、タービン６には、圧縮機２内部の空気が圧縮機２から燃焼器４を迂回（バイパス）して供給される図示しないバイパス流路が設けられている。このバイパス流路を通してタービン６に供給された空気は、冷却流体Ｇ２（図３参照）としてタービン静翼本体及びタービン動翼本体それぞれの内部を流通するようになっている。

なお、タービン６は、出口案内翼等の他の構成要素を備えていてもよい。タービン６においては、燃焼ガスＧ１（図３参照）が複数の静翼２４及び複数の動翼２６を通過することでロータ８が回転駆動する。これにより、ロータ８に連結された発電機が駆動されるようになっている。
タービン車室２２の下流側には、排気車室２８を介して排気室２９が連結されている。タービン６を駆動した後の燃焼ガスは、排気車室２８及び排気室２９を介して外部へ排出される。

次に、一実施形態に係るタービン翼１００として、静翼２４に適用されるタービン翼の構成について説明する。図２は、一実施形態に係るタービン翼を含む静翼を示す斜視図である。図３は、一実施形態に係るタービン翼の斜視図である。図４は、図３に示すＣ−Ｃ矢視断面図である。断面図である。なお、他の実施形態では、タービン翼１００は動翼２６に適用されてもよい。

図２及び図３に示すように、タービン翼１００は、タービン６の径方向に沿って設けられており、タービン６において、燃焼器４からの燃焼ガスＧ１が流れる流体流路７２内に位置する翼型部３０と、翼型部３０に対して、タービン６の径方向において外側又は内側に位置するシュラウド部４０と、を備える。シュラウド部４０は、タービン６の径方向において翼型部３０の外側に設けられる外側シュラウド４０Ａと、翼型部３０の内側に設けられる内側シュラウド４０Ｂとを含む。

図２に示すように、１つの翼型部３０と、その翼型部３０に対して設けられる１対の外側シュラウド（４０Ａ，４０Ｂ）とからなるタービン翼１００の単位構造Ｕが、タービン６の周方向に複数連結されて１段の静翼２４が構成されていてもよい。
各単位構造Ｕの各シュラウド部４０（４０Ａ，４０Ｂ）は連結部４０ａを有しており、当該連結部４０ａにおいて、隣接する単位構造Ｕの連結部４０ａを介して連結可能になっていてもよい。
燃焼ガスＧ１が流れる流体流路７２は、外側シュラウド４０Ａ及び内側シュラウド４０Ｂを隔壁として翼型部３０が配列した範囲に形成される。

図３及び図４に示すように、シュラウド部４０（４０Ａ，４０Ｂ）は開口４２（４２Ａ，４２Ｂ）を有し、この開口４２（４２Ａ，４２Ｂ）には、翼型部３０の端部３２（３２Ａ，３２Ｂ）が嵌合している。そして、翼型部３０とシュラウド部４０（４０Ａ，４０Ｂ）とは、溶接部５１Ａを介して互いに接合されている。
また、翼型部３０は、タービン６の径方向に沿って貫通するように設けられた中空部７４を有する。この中空部７４には、圧縮機２からの冷却流体Ｇ２が流れるようになっており、冷却流体Ｇ２によって翼型部３０を冷却することで、流体流路７２を流れる高温流体（燃焼ガスＧ１）の熱による損傷から翼型部３０を保護するようになっている。翼型部３０には、中空部７４と流体流路７２を連通する図示されない孔が複数設けられており、中空部７４からの冷却流体Ｇ２がこの孔を通過して、翼型部３０をより効果的に冷却するようになっていてもよい。

なお、いくつかの実施形態では、タービン翼１００は、上述の構成を備える外側シュラウド４０Ａと内側シュラウド４０Ｂのうち一方のみを備えていてもよい。

図５〜図１１は、一実施形態に係るタービン翼を示す図であって、図５〜図１０は、図４に示すＡ部又に該当する部分の拡大断面図であり、図１１は、図４に示すＡ部及びＢ部に該当する部分の拡大断面図である。なお、図４のＡ部は、翼型部３０と外側シュラウド４０Ａとが接合された溶接部５１Ａ付近を示すが、翼型部３０と内側シュラウド４０Ｂとが接合された溶接部５１Ｂ付近の部分であるＢ部も、図５〜図１０に示すＡ部の構成と同様の構成を有していてもよい。なお、以下の説明においては、「外側シュラウド４０Ａ」を「シュラウド部４０」として説明するとともに、符号において外側シュラウド側の要素であることを示す「Ａ」を省略して記載する。

図５〜図１１に示すように、タービン翼１００において、シュラウド部４０の開口４２を形成する壁面４３と、翼型部３０の端部３２の外周面３３との間に間隙５０が形成されている。そして、シュラウド部４０の壁面４３と翼型部３０の端部３２の外周面３３とは、間隙５０を挟んで流体流路７２とは反対側において、溶接部５１を介して接合されている。
シュラウド部４０と翼型部３０との間に形成された間隙５０によって、翼型部３０及びシュラウド部４０の僅かな変形が許容されるので、タービン６の運転中における溶接部５１への応力集中を抑制できる。

図５〜図８及び図１０に示す実施形態に係るタービン翼１００では、溶接部５１は、間隙５０の延在方向（図５〜図８においては翼型部３０の延在方向）に沿った第１溶接部５２を含む。
また、図９〜図１１に示す実施形態に係るタービン翼１００では、溶接部５１は、間隙５０の幅方向に沿った第２溶接部５４（５４ａ〜５４ｃ）を含む。
このようにタービン翼１００は、第１溶接部５２又は第２溶接部５４（５４ａ〜５４ｃ）により、翼型部３０とシュラウド部４０とを強固に接合することができる。また、図１０に示すように、間隙５０の延在方向に沿った第１溶接部５２及び間隙５０の幅方向に沿った第２溶接部５４（５４ａ〜５４ｃ）の両方を設けることにより、翼型部３０とシュラウド部４０とをより強固に接合することができる。

タービン翼１００において、シュラウド部４０又は翼型部３０の少なくとも一方には、間隙５０に開口し且つ間隙５０に冷却流体Ｇ２を供給するように構成された冷却孔（３４，４４）が設けられる。
この冷却孔（３４，４４）から、シュラウド部４０と翼型部３０との間に形成された間隙５０に冷却流体Ｇ２が供給されるので、流体流路７２を流れる高温の流体（燃焼ガスＧ１）が間隙５０に侵入するのを防止することができる。これにより、間隙５０を挟んで流体流路７２とは反対側に位置する溶接部５１（５２，５４）の温度上昇を抑制することができ、タービン翼１００の寿命を向上させることができる。

図５〜図１１に示すタービン翼１００においては、冷却孔は、翼型部３０に設けられた第１冷却孔３４を含む。第１冷却孔３４は、翼型部３０の中空部７４と間隙５０とを連通させるように設けられている。このように構成された第１冷却孔３４を介して、中空部７４を流れる冷却流体Ｇ２を間隙５０に供給することができるので、流体流路７２を流れる高温流体（燃焼ガスＧ１）が間隙５０に侵入するのを防止することができる。
このような第１冷却孔３４は、翼型部３０において、周状に複数設けられていてもよく、タービン６の径方向において複数設けられていてもよい。第１冷却孔３４を複数設けることで、流体流路７２を流れる高温流体（燃焼ガスＧ１）が間隙５０に侵入するのをより効果的に防止することができる。

また、図６に示すタービン翼１００においては、冷却孔は、シュラウド部４０に設けられた第２冷却孔４４を含む。このタービン翼１００は、シュラウド部４０内に設けられた遮蔽板４８を備えており、シュラウド部４０の内壁面４５と遮蔽板４８との間には、圧縮機２からの冷却流体Ｇ２が流れるように構成された冷却通路４９が形成されている。そして、第２冷却孔４４は、シュラウド部４０内の冷却通路４９と間隙５０とを連通させるようにけられている。このように構成された第２冷却孔４４を介して、冷却通路４９を流れる冷却流体を間隙５０に供給することができ、流体流路７２を流れる高温流体（燃焼ガスＧ１）が間隙５０に侵入するのを防止することができる。
このような第２冷却孔４４は、シュラウド部４０において、周状に複数設けられていてもよく、タービン６の径方向において複数設けられていてもよい。第２冷却孔４４を複数設けることで、流体流路７２を流れる高温流体（燃焼ガスＧ１）が間隙５０に侵入するのをより効果的に防止することができる。

図５〜図１１に示す実施形態では、タービン翼１００の各々には、第１冷却孔３４が設けられているが、他の実施形態では、第１冷却孔３４は設けられず、第２冷却孔４４のみが設けられていてもよい。また、図６に示すように、タービン翼１００には、第１冷却孔３４及び第２冷却孔４４の両方が設けられていてもよい。

タービン翼１００において、シュラウド部４０には、冷却孔（第２冷却孔４４）とは異なる噴射孔４６が設けられていてもよい。図７に示す実施形態では、シュラウド部４０には、間隙５０の周囲において、流体流路７２に開口するように噴射孔４６が設けられている。また、このタービン翼１００は、図６に示す実施形態と同様に、シュラウド部４０内に設けられた遮蔽板４８を備えており、シュラウド部４０の内壁面４５と遮蔽板４８との間には、圧縮機２からの冷却流体Ｇ２が流れるように構成された冷却通路４９が形成されている。そして、噴射孔４６は、冷却通路４９から流体流路７２側に向かうにつれて翼型部３０に近づくようにタービン６の径方向に対して傾斜して形成されており、シュラウド部４０内の冷却通路４９を流れる冷却流体を噴出するように構成されている。
このタービン翼１００では、シュラウド部４０に設けられた噴射孔４６から翼型部３０に向けて冷却流体が噴射されるので、流体流路７２内の高温流体の間隙５０への侵入をさらに抑制することができる。

また、図８に示すように、タービン翼１００において、シュラウド部４０のうち、流体流路７２に面する開口４２の縁４１は、翼型部３０の延在方向に沿った断面形状が湾曲形状であってもよい。
シュラウド部４０の縁４１が上述のような湾曲形状であることにより、タービン翼１００の組み立て時において翼型部３０の端部３２をシュラウド部４０の開口４２に嵌入する際、シュラウド部４０の開口４２の縁４１と翼型部３０とが接触してしまっても、翼型部３０の表面に損傷が生じ難い。これにより、タービン翼１００の寿命をより向上させることができる。

次に、以上において図２〜図１１を用いて説明したタービン翼１００の製造方法について説明する。
一実施形態に係るタービン翼１００の製造方法は、以下に説明する嵌入ステップ及び溶接ステップを備える。
まず、シュラウド部４０の開口４２に翼型部３０の端部３２を嵌入する。この際、シュラウド部４０の開口４２を形成する壁面４３と翼型部３０の端部３２の外周面３３との間に間隙５０が形成されるようにするとともに、シュラウド部４０又は翼型部３０の少なくとも一方に形成された冷却孔（第１冷却孔３４又は第２冷却孔４４）が、間隙５０に開口するようにする（嵌入ステップ）。
次に、冷却孔（第１冷却孔３４又は第２冷却孔４４）を挟んで流体流路７２とは反対側において、シュラウド部４０の壁面４３と翼型部３０の外周面３３とを溶接する（溶接ステップ）。溶接ステップでは、冷却孔（第１冷却孔３４又は第２冷却孔４４）の開口位置と、該開口位置よりも流体流路７２側において間隙５０が残るように、冷却孔（第１冷却孔３４又は第２冷却孔４４）からみて流体流路７２とは反対側においてのみ間隙５０に溶接部５１を形成する。

図５〜図８及び図１０に示す間隙５０の延在方向に沿った第１溶接部５２は、シュラウド部４０のフランジ４７が形成する開口４２の壁面４３と、翼型部３０の端部３２の外周面３３とを、両者を突き合わせたＩ形の開先形状として、流体流路７２とは反対側から溶接を行うことで形成される。そして、溶接の際、貫通溶接とせずに不完全溶け込み溶接とすることで、シュラウド部４０の開口４２の壁面４３と、翼型部３０の端部３２の外周面３３との間にスリット（間隙５０）が形成される。
溶接方法としては、例えば、レーザ溶接、電子ビーム溶接、プラズマ溶接、TIG溶接等、各種の溶接方法を用いることができる。
なお、形成されるスリットの深さ（間隙５０の延在方向における長さ）は、溶接時の溶け込み深さによって決まるが、溶接時の溶け込み深さは、溶接条件で制御することができる。

また、溶接の際に形成されるスリット（間隙５０）の幅を調節することで、冷却ガスの流量を調節することができる。すなわち、燃焼ガスＧ１が間隙５０に潜り込まない程度の圧力で、冷却孔（第１冷却孔３４又は第２冷却孔４４）に冷却流体Ｇ２を流して、燃焼ガスＧ１が間隙５０入り込むのを防ぐことができる。このようにして、冷却孔（第１冷却孔３４又は第２冷却孔４４）を流れる冷却流体Ｇ２の流量を適切に調節することでタービン６の効率を適切に維持することができる。

図９〜図１１に示す間隙５０の幅方向に沿った第２溶接部５４（５４ａ〜５４ｃ）は、シュラウド部４０の開口４２の壁面４３と、翼型部３０の端部３２の外周面３３とを、両者を突き合わせて、側方から貫通溶接を行うことで形成される。溶接は、シュラウド部４０の壁面のうち、間隙５０を形成する壁面４３とは反対側の壁面７６側から、又は翼型部３０の内周側から行うことができる。
このように側方から溶接を行う場合、溶接の層を増やすことで溶け込み深さを増加させることができるため、所望の溶け込み深さとすることが比較的容易である。よって、シュラウド部４０の開口４２の壁面４３と、翼型部３０の端部３２の外周面３３との間にスリット（間隙５０）が比較的容易に形成される。なお、図９〜図１１では、第２溶接部５４は、５４ａ〜５４ｃで示される３つの層によって形成されている。
溶接の手段としては、例えば、レーザ溶接、電子ビーム溶接等、各種の溶接方法を用いることができる。

また、図１１に示すタービン翼１００は、翼型部３０の両端部（３２Ａ，３２Ｂ）において、翼型部３０又はシュラウド部４０のうち、一方がフランジを有し、他方はフランジに当接する当接面を有する。図１１に示す例では、翼型部３０の端部のうち外側シュラウド４０Ａ側の端部３２Ａでは、翼型部３０がフランジ１０１を有し、外側シュラウド４０Ａは、フランジ１０１に当接する当接面８４を有する。一方、翼型部３０の端部のうち内側シュラウド４０Ｂ側の端部３２Ｂでは、内側シュラウド４０Ｂがフランジ１０２を有し、翼型部３０は、フランジ１０２に当接する当接面８６を有する。
このように、翼型部３０又はシュラウド部４０のうち一方のフランジ（１０１，１０２）と他方の当接面（８４，８６）を合わせることで、溶接の際に、タービン６の径方向における位置合わせが容易となる。
この場合、まず、翼型部３０又はシュラウド部４０のうち一方のフランジ（１０１，１０２）と他方の当接面（８４，８６）との合わせ面を接合するように溶接を行うことで第２溶接部（５４ａ，５４ｄ）を形成し、次いで、溶接部所望の深さになるように溶接の層（第２溶接部（５４ｂ，５４ｃ，５４ｅ，５４ｆ））を形成することで、所望の長さの第２溶接部５４を容易に形成することができ、所望の長さのスリット（間隙５０）を得ることができる。

なお、シュラウド部４０の開口４２の壁面４３と、翼型部３０の端部３２の外周面３３とを、両者を突き合わせて、側方から貫通溶接を行うことで第２溶接部５４を形成する場合、溶接の条件によっては、溶接後に、シュラウド部４０又は翼型部３０の一部が残存してしまう場合がある。図９において、翼型部３０及びシュラウド部のうちこのように残存した部分を残存部（３０’，４０’）として示す。このような残存部（３０’，４０’）が残っていると、溶接部５１で接合された部分を挟んで両側にスリット（間隙）が形成されてしまい、溶接部５１の強度が低下してしまう。そこで、溶接によって残存部（３０’，４０’）が形成されたときには、この残存部（３０’，４０’）を切削等により取り除くことで、強度の低下を防止するようにしてもよい。

幾つかの実施形態に係るタービン翼１００の製造方法は、翼型部３０及びシュラウド部４０（外側シュラウド４０Ａ及び／又は内側シュラウド４０Ｂ）をそれぞれ鋳造する鋳造ステップをさらに備える。そして、鋳造ステップで鋳造された翼型部３０及びシュラウド部４０を用いて、上記の嵌入ステップ及び溶接ステップを実施することで、タービン翼１００を製造する。
このように、翼型部３０及びシュラウド部４０をそれぞれ鋳造により作製することで、翼型部３０及びシュラウド部４０を一体的に鋳造する場合に比べて、鋳造品の構造が比較的簡素になる。このため、鋳造時の欠陥を低減し、歩留まりを向上させることができる。

鋳造の方法としては、様々な鋳造法を限定されずに採用することができるが、精密な鋳造品を作製するのに適した精密鋳造法を採用してもよく、例えば、ロストワックス法により、複雑な構造を有する翼型部３０及びシュラウド部４０を作製することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

また、本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
４ 燃焼器
５ 静翼
６ タービン
８ ロータ
１０ 圧縮機車室
１２ 空気取入口
１４ 入口案内翼
１６ 静翼
１８ 動翼
２０ ケーシング
２２ タービン車室
２４ 静翼
２６ 動翼
２８ 排気車室
２９ 排気室
３０ 翼型部
３２ 端部
３３ 外周面
３４ 第１冷却孔
４０ シュラウド部
４０Ａ 外側シュラウド
４０Ｂ 内側シュラウド
４０ａ 連結部
４１ 縁
４２ 開口
４３ 壁面
４４ 第２冷却孔
４５ 内壁面
４６ 噴射孔
４７ フランジ
４８ 遮蔽板
４９ 冷却通路
５０ 間隙
５１ 溶接部
５２ 第１溶接部
５４ 第２溶接部
７２ 流体流路
７４ 中空部
７６ 壁面
８４ 当接面
８６ 当接面
１００ タービン翼
１０１ フランジ
１０２ フランジ
Ｕ 単位構造

Claims (12)

1. タービンの径方向に沿って設けられるタービン翼であって、
   前記タービンの流体流路内に位置する翼型部と、
   前記径方向における前記翼型部の内側又は外側に位置し、且つ、前記翼型部の端部が嵌合される開口を有するシュラウド部と、を備え、
   前記径方向に沿った断面において、前記シュラウド部の前記開口を形成する壁面と前記翼型部の前記端部の外周面との間には、間隙が形成されており、
   前記断面において、前記シュラウド部の前記壁面と前記翼型部の前記外周面とは、前記間隙を挟んで前記流体流路とは前記径方向にて反対側において、前記シュラウド部の前記壁面と前記翼型部の前記外周面との間にて前記径方向にて前記間隙に隣接して設けられる溶接部を介して互いに接合されており、
   前記シュラウド部又は前記翼型部の少なくとも一方には、前記断面において前記径方向にて前記溶接部に隣接する前記間隙に開口し且つ前記間隙に冷却流体を供給するように構成された冷却孔が設けられ、
   前記冷却孔の一端が、前記溶接部に隣接する前記間隙のうち前記溶接部側から前記流体流路側に向かって間隙幅が拡大していない間隙幅非拡大領域に開口する
   ことを特徴とするタービン翼。
2. 前記シュラウド部は、前記径方向において前記翼型部の内側および外側にそれぞれ設けられ、且つ、前記開口をそれぞれ有する内側シュラウド及び外側シュラウドを含み、
   前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの各々の前記壁面と前記翼型部の各々の端部の前記外周面との間には、前記間隙が形成されており、
   前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの各々の前記壁面と前記翼型部の各々の端部の前記外周面とは、前記間隙を挟んで前記流体流路とは反対側において、前記溶接部を介して互いに接合されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼。
3. 前記翼型部は、前記冷却流体が流れるように構成された中空部を有し、
   前記冷却孔は、前記翼型部の前記中空部と前記間隙とを連通させるように構成された第１冷却孔を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン翼。
4. 前記シュラウド部内に設けられ、前記冷却流体が流れるように構成された冷却通路を前記シュラウド部の内壁面とともに形成する遮蔽板をさらに備え、
   前記冷却孔は、前記シュラウド部内の前記冷却通路と前記間隙とを連通させるように構成された第２冷却孔を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービン翼。
5. 前記溶接部は、前記間隙の延在方向に沿った第１溶接部を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のタービン翼。
6. 前記溶接部は、前記間隙の幅方向に沿った第２溶接部を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のタービン翼。
7. 前記シュラウド部には、前記流体流路に開口するように前記間隙の周囲に設けられ、且つ、前記冷却流体を噴出するように構成された噴射孔が形成されており、
   前記噴射孔は、前記流体流路側に向かうにつれて前記翼型部に近づくように前記径方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のタービン翼。
8. 前記シュラウド部のうち、前記流体流路に面する前記開口の縁は、前記翼型部の延在方向に沿った断面形状が湾曲形状であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のタービン翼。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のタービン翼を含むロータを備えることを特徴とするタービン。
10. タービンの流体流路内に設けられる翼型部と、前記翼型部の端部が嵌合される開口を有するシュラウド部と、を含むタービン翼の製造方法であって、
    前記シュラウド部又は前記翼型部の少なくとも一方に形成された冷却孔が、前記シュラウド部の前記開口を形成する壁面と前記翼型部の前記端部の外周面との間に形成される間隙に開口するように、前記シュラウド部の前記開口に前記翼型部の前記端部を嵌入するステップと、
    前記冷却孔を挟んで前記流体流路とは反対側において、前記シュラウド部の前記壁面と前記翼型部の前記外周面とを溶接するステップと、を備え、
    前記溶接するステップでは、前記タービンの径方向に沿った断面において、少なくとも前記冷却孔の開口位置と該開口位置よりも前記流体流路側において前記間隙が残るように、前記冷却孔からみて前記流体流路とは反対側においてのみ前記間隙に溶接部を形成し、かつ、前記断面において、前記シュラウド部の前記壁面と前記翼型部の前記外周面との間の前記溶接部を、残された前記間隙に対して前記径方向にて隣接させるとともに、
    前記冷却孔の前記開口位置が、前記溶接部に隣接する前記間隙のうち前記溶接部側から前記流体流路側に向かって間隙幅が拡大していない間隙幅非拡大領域に含まれる
    ことを特徴とするタービン翼の製造方法。
11. 前記翼型部及び前記シュラウド部をそれぞれ鋳造する鋳造ステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のタービン翼の製造方法。
12. 前記シュラウド部は、前記翼型部の一端側及び他端側にそれぞれ設けられ、且つ、前記開口をそれぞれ有する内側シュラウド及び外側シュラウドを含み、
    前記嵌入するステップでは、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの各々の前記開口を形成する前記壁面と前記翼型部の各々の端部の前記外周面との間に形成される前記間隙に前記冷却孔が開口するように、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの各々の前記開口に前記翼型部の各々の端部を嵌入し、
    前記溶接するステップでは、前記冷却孔を挟んで前記流体流路とは反対側において、前記内側シュラウド及び前記外側シュラウドの前記壁面と前記翼型部の各々の端部の前記外周面とを溶接することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のタービン翼の製造方法。

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