JP6685800B2 - タービン翼の設計方法、タービン翼の製造方法及びタービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料を用いて形成されるタービン翼の設計方法、タービン翼の製造方法及びタービン翼に関するものである。

従来、蒸気タービン翼の翼先端部を局所加熱して、局所的に結晶粒を微細化することで、高硬度部を局所的に形成した耐エロージョン性を有する蒸気タービン長翼を製造する蒸気タービン長翼の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１７０５５８号公報

蒸気タービン翼の他、ガスタービン等のタービン翼は、ガスタービンの運転時において高温の燃焼ガスにより加熱される。タービン翼は、比較的広範な温度範囲での燃焼ガスに加熱されることで、拡散クリープと転位クリープとを含むクリープが発生する。拡散クリープは、高温となる温度域で発生し易く、一方で、転位クリープは、低温となる温度域で発生し易い。つまり、タービン翼は、高温となる高温部位において、拡散クリープが支配的となり易く、低温となる低温部位において、転位クリープが支配的となり易い。

ここで、特許文献１のタービン翼では、翼先端部の結晶粒を微細化しているが、結晶粒を微細化すると、拡散クリープが支配的な領域で強度が不利となる。すなわち、翼先端部が高温部位となる場合、拡散クリープが支配的となり、結晶粒は微細なものであることから、耐久性が低下してしまう可能性がある。

そこで、本発明は、拡散クリープと転位クリープを含むクリープに対する耐久性の向上を図ることができるタービン翼の設計方法、タービン翼の製造方法及びタービン翼を提供することを課題とする。

本発明のタービン翼の設計方法は、加熱によって拡散クリープと転位クリープとを含むクリープが発生する金属材料を用いて形成されるタービン翼を設計するタービン翼の設計方法において、前記拡散クリープが前記転位クリープよりも発生し易い温度域を、拡散クリープ温度域とし、前記転位クリープが前記拡散クリープよりも発生し易く、前記拡散クリープ温度域に比して低温となる温度域を、転位クリープ温度域とし、前記拡散クリープ温度域及び前記転位クリープ温度域の一方の温度域から他方の温度域に遷移する温度域を、遷移温度域とし、前記拡散クリープ温度域、前記転位クリープ温度域及び前記遷移温度域を含む温度域である加熱温度域と、前記タービン翼に発生する前記クリープのクリープ強度と、前記タービン翼の前記金属材料の結晶粒度と、を関連付けた相関データが予め用意され、前記相関データは、加熱される前記タービン翼の温度が前記遷移温度域となるときの所定の前記クリープ強度に対応する前記結晶粒度を基準結晶粒度とすると、加熱される前記タービン翼の温度が前記拡散クリープ温度域であるとき、所定の前記クリープ強度に対応する前記タービン翼の前記結晶粒度が前記基準結晶粒度に比して粗粒となり、加熱される前記タービン翼の温度が前記転位クリープ温度域であるとき、所定の前記クリープ強度に対応する前記タービン翼の前記結晶粒度が前記基準結晶粒度に比して細粒となるように、前記加熱温度域、前記クリープ強度及び前記結晶粒度が関連付けられており、加熱される前記タービン翼の温度分布に関する温度分布データを取得する温度分布取得工程と、加熱される前記タービン翼に要求される前記クリープ強度の分布に関するクリープ強度分布データを取得するクリープ強度取得工程と、前記温度分布データ及び前記クリープ強度分布データに基づいて、前記相関データから、前記タービン翼の前記拡散クリープ温度域となる高温部位における前記結晶粒度を、前記基準結晶粒度に比して粗粒に設定し、前記タービン翼の前記転位クリープ温度域となる低温部位における前記結晶粒度を、前記基準結晶粒度に比して細粒に設定する結晶粒度設定工程と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、タービン翼の温度分布及びクリープ強度分布に応じて、適切な結晶粒度を設定することができる。つまり、タービン翼の高温部位において結晶粒度を粗粒とすることで、拡散クリープに対して耐久性を高くすることができ、また、タービン翼の低温部位において結晶粒度を細粒とすることで、転位クリープに対して耐久性を高くすることができる。このため、拡散クリープ及び転位クリープを含むクリープが発生するタービン翼の耐久性の向上を図ることができる。なお、金属材料としては、例えば、Ｎｉ基合金またはＣｏ基合金が適用されるが、拡散クリープと転位クリープとが発生し得る金属材料であれば、ステンレス鋼であってもよく、特に限定されない。また、温度分布取得工程とクリープ強度取得工程とは、各工程の実施が相前後してもよく、温度分布取得工程を先に行ってもよいし、クリープ強度取得工程を先に行ってもよい。

また、前記タービン翼は、基端部側に設けられる翼根部と、前記翼根部の先端部側に連なって設けられる翼形部と、を有し、前記結晶粒度設定工程では、前記タービン翼の前記翼形部において、前記結晶粒度を前記基端部側から前記先端部側へ向かって粗粒となるように設定することが好ましい。

この構成によれば、翼形部の先端部が高温となり、翼形部の基端部が低温となる場合、翼形部の先端部を粗粒とすることで、先端部の拡散クリープに対する耐久性を高くすることができ、また、翼形部の基端部を細粒とすることで、基端部の転位クリープに対する耐久性を高くすることができる。

また、前記タービン翼は、前記翼形部の前記基端部側の内部に設けられる冷却室と、前記翼形部の内部において、前記冷却室の前記先端部側に連通して設けられる複数の冷却通路と、をさらに有し、前記結晶粒度設定工程では、前記タービン翼の前記冷却室において、前記結晶粒度を前記基準結晶粒度に比して細粒に設定することが好ましい。

この構成によれば、冷却室を細粒とすることで、冷却室の転位クリープに対する耐久性を高くすることができる。

本発明のタービン翼の製造方法は、上記のタービン翼の設計方法によって設計された前記タービン翼を製造するタービン翼の製造方法において、前記タービン翼の鋳型に、溶融させた前記金属材料である溶湯を注湯する注湯工程と、前記タービン翼の前記高温部位の冷却速度を、前記低温部位の冷却速度に比して遅くし、前記タービン翼の前記低温部位の冷却速度を、前記高温部位の冷却速度に比して速くして、前記溶湯を冷却する冷却工程と、前記鋳型を除去して、固化後の前記溶湯である前記タービン翼を取り出す鋳型除去工程と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、タービン翼の高温部位における冷却速度を遅くすることで、高温部位の結晶粒度を粗粒とすることができ、タービン翼の低温部位における冷却速度を速くすることで、低温部位の結晶粒度を細粒とすることができる。このため、拡散クリープ及び転位クリープを含むクリープに対して耐久性の高いタービン翼を製造することができる。

本発明のタービン翼は、加熱により拡散クリープと転位クリープとを含むクリープが発生する金属材料を用いて形成されるタービン翼において、前記拡散クリープが前記転位クリープよりも発生し易い拡散クリープ温度域となる高温部位と、前記転位クリープが前記拡散クリープよりも発生し易く、前記拡散クリープ温度域に比して低温となる転位クリープ温度域となる低温部位と、を有し、前記拡散クリープ温度域及び前記転位クリープ温度域の一方の温度域から他方の温度域に遷移する温度域を遷移温度域とし、前記遷移温度域であるときの前記タービン翼の結晶粒度を基準結晶粒度とすると、前記高温部位の結晶粒度は、前記基準結晶粒度に比して粗粒となり、前記低温部位の結晶粒度は、前記基準結晶粒度に比して細粒となっていることを特徴とする。

この構成によれば、タービン翼の高温部位において結晶粒度を粗粒とすることで、拡散クリープに対して耐久性を高くすることができ、また、タービン翼の低温部位において結晶粒度を細粒とすることで、転位クリープに対して耐久性を高くすることができる。このため、拡散クリープ及び転位クリープを含むクリープに対して耐久性の高いタービン翼とすることができる。

また、基端部側に設けられる翼根部と、前記翼根部の先端部側に連なって設けられる翼形部と、をさらに備え、前記翼形部の前記結晶粒度は、前記基端部側から前記先端部側へ向かって粗粒となっていることが好ましい。

この構成によれば、翼形部の先端部が高温となり、翼形部の基端部が低温となる場合、翼形部の先端部を粗粒とすることで、先端部の拡散クリープに対する耐久性を高くすることができ、また、翼形部の基端部を細粒とすることで、基端部の転位クリープに対する耐久性を高くすることができる。

また、前記翼形部の前記基端部側の内部に設けられる冷却室と、前記翼形部の内部において、前記冷却室の前記先端部側に連通して設けられる複数の冷却通路と、をさらに備え、前記冷却室は、前記低温部位となっていることが好ましい。

この構成によれば、低温部位となる冷却室を細粒とすることで、冷却室の転位クリープに対する耐久性を高くすることができる。

本発明の他のタービン翼は、金属材料を用いて形成されるタービン翼において、基端部側に設けられる翼根部と、前記翼根部の先端部側に連なって設けられる翼形部と、を備え、前記翼形部の結晶粒度は、前記基端部側から前記先端部側へ向かって粗粒となっていることを特徴とする。

この構成によれば、翼形部の先端部が高温となり、翼形部の基端部が低温となる場合、翼形部の先端部を粗粒とすることで、先端部の拡散クリープに対する耐久性を高くすることができ、また、翼形部の基端部を細粒とすることで、基端部の転位クリープに対する耐久性を高くすることができる。

図１は、本実施形態に係るタービン翼を示す断面図である。 図２は、本実施形態に係るタービン翼の設計方法に用いられる相関データに関するグラフである。 図３は、本実施形態に係るタービン翼に与えられる負荷及び結晶粒度に関する説明図である。 図４は、本実施形態に係るタービン翼の設計方法に関するフローチャートである。 図５は、本実施形態に係るタービン翼の製造方法に関するフローチャートである。 図６は、本実施形態に係るタービン翼の他の一例に関する説明図である。 図７は、本実施形態に係るタービン翼の他の一例に関する説明図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態］
図１は、本実施形態に係るタービン翼を示す断面図である。図２は、本実施形態に係るタービン翼の設計方法に用いられる相関データに関するグラフである。図３は、本実施形態に係るタービン翼に与えられる負荷及び結晶粒度に関する説明図である。図４は、本実施形態に係るタービン翼の設計方法に関するフローチャートである。図５は、本実施形態に係るタービン翼の製造方法に関するフローチャートである。

本実施形態に係るタービン翼１は、金属材料を用いて形成されており、本実施形態のタービン翼の設計方法によって設計されるものである。タービン翼１は、例えば、ガスタービンに設けられる動翼であり、金属材料としては、例えば、Ｎｉ基合金またはＣｏ基合金が適用されている。先ず、図１を参照して、設計対象となるタービン翼１について説明する。なお、本実施形態では、タービン翼１を動翼に適用して説明するが、静翼であってもよく、特に限定されない。

図１に示すように、タービン翼１は、基端部側から順に、翼根部１１と、翼形部１２と、シュラウド１３とを含んで構成されている。

翼根部１１は、例えば、ツリー形状となっており、ガスタービンのロータに取り付けられる部位となっている。翼形部１２は、翼根部１１の先端部側に設けられており、翼根部１１から先端部側へ向かって長手方向（ロータの径方向）に延びて形成されている。

翼形部１２は、その周面が翼面となっており、この翼面に、ガスタービンの燃焼器において発生する高温の燃焼ガスが吹き当たる。翼形部１２は、長手方向における長さが翼高さとなっている。シュラウド１３は、翼形部１２の先端側に設けられ、燃焼ガスが流通するケーシングの内周面に対向して設けられている。このシュラウド１３は、隣接する他のタービン翼１のシュラウド１３に連結可能となっている。

また、タービン翼１の内部には冷却構造２０が形成されている。冷却構造２０は、翼根部１１側に形成される冷却空気導入流路２１と、冷却空気導入流路２１に対して翼形部１２側に形成される冷却室２２と、冷却室２２に対して翼形部１２側に形成される複数の冷却通路２３とを有している。冷却空気導入流路２１は、翼根部１１の端面から冷却室２２まで伸びる流路であり、タービン翼１の外部から内部へ冷却空気を導入している。冷却室２２は、冷却空気導入流路２１に連通しており、冷却空気導入流路２１から冷却空気が導入される。また、冷却室２２は、複数のピンフィン２５が設けられている。複数のピンフィン２５は、冷却室２２内を流通する冷却空気によって冷却されることにより、タービン翼１の翼形部１２の基端側を冷却する。複数の冷却通路２３は、冷却室２２に連通しており、冷却室２２からの冷却空気が流通する。複数の冷却通路２３を流通する冷却空気は、タービン翼１の翼形部１２の先端側を冷却する。なお、複数の冷却通路２３を流通した後の冷却空気は、図示しないリターン流路によって、タービン翼１の翼根部１１から排出されたり、または、各冷却通路２３に連通する図示しない噴出孔からタービン翼１の外側へ排出されたりする。

上記のタービン翼１は、ガスタービンのロータに取り付けられて回転させられることにより、遠心力によって応力が与えられる。タービン翼１は、応力が与えられた状態で加熱されることでクリープが発生する。このため、タービン翼１は、応力及び加熱温度に応じて発生するクリープに対して、要求性能を満足する所定のクリープ強度となるように設計される。

ここで、クリープは、拡散クリープと、転位クリープとがある。拡散クリープは、加熱温度が高い高温域において支配的となる。つまり、高温域は、拡散クリープが転位クリープよりも発生し易い温度域（拡散クリープ温度域）であり、拡散クリープ支配域となっている。また、拡散クリープは、拡散クリープ温度域において、タービン翼１を構成する金属材料の結晶粒径が細粒となるほど（小さいほど）、クリープ変形速度が速くなる。換言すれば、拡散クリープ温度域において、タービン翼１を構成する金属材料の結晶粒径が粗粒となるほど（大きいほど）、クリープ変形速度を遅くできる。転位クリープは、加熱温度が低い低温域において支配的となる。つまり、低温域は、転位クリープが拡散クリープよりも発生し易い温度域（転位クリープ温度域）であり、転位クリープ支配域となっている。また、転位クリープは、転位クリープ温度域において、タービン翼１を構成する金属材料の結晶粒径が粗粒となるほど（大きいほど）、クリープ変形速度が速くなる。換言すれば、転位クリープ温度域において、タービン翼１を構成する金属材料の結晶粒径が細粒となるほど（小さいほど）、クリープ変形速度を遅くできる。そして、拡散クリープ温度域及び転位クリープ温度域の一方の温度域から他方の温度域に遷移する温度域が遷移温度域となっている。つまり、遷移温度域においては、拡散クリープと転位クリープとの発生がほぼ同じ割合となる温度域となっている。なお、拡散クリープ温度域、転位クリープ温度域及び遷移温度域は、使用する金属材料の種類によって異なる温度域となる。

次に、図２を参照して、本実施形態のタービン翼１の設計方法に用いられる相関データについて説明する。図２に示すように、相関データは、タービン翼１の加熱温度域と、タービン翼１に発生するクリープのクリープ強度と、タービン翼１の金属材料の結晶粒度と、を関連付けたデータとなっている。図２は、その縦軸がクリープ強度となっており、その横軸が粒度となっている。また、ラインＬ１が、拡散クリープ温度域となる高温側の温度域におけるクリープ強度の変化であり、ラインＬ２が、転位クリープ温度域となる低温側の温度域におけるクリープ強度の変化である。なお、ラインＬ１とラインＬ２とが交差する点が、遷移温度（遷移温度域）となっており、この遷移温度における結晶粒度を、基準結晶粒度とする。

図２の相関データにおいて、ラインＬ１を見ると、基準結晶粒度に比して粗粒である場合、クリープ強度が高くなっている。すなわち、拡散クリープ温度域において、粗粒となる場合、クリープ強度が高くなる。一方で、基準結晶粒度に比して細粒である場合、クリープ強度が低くなっている。すなわち、拡散クリープ温度域において、細粒となる場合、クリープ強度が低くなる。また、ラインＬ２を見ると、基準結晶粒度に比して粗粒である場合、クリープ強度が低くなっている。転位クリープ温度域において、粗粒となる場合、クリープ強度が低くなる。一方で、基準結晶粒度に比して細粒である場合、クリープ強度が高くなっている。すなわち、転位クリープ温度域において、細粒となる場合、クリープ強度が高くなる。

次に、図３を参照して、タービン翼１に与えられる熱及び応力を含む負荷について説明すると共に、図４を参照して、上記の相関データを用いて、タービン翼１を設計するタービン翼の設計方法について説明する。

図４に示すように、先ず、タービン翼１の設計方法では、ガスタービンの運転時において加熱されるタービン翼１の温度分布に関する温度分布データを解析等により取得する温度分布取得工程（ステップＳ１１）を実施する。本実施形態において、図１に示すタービン翼１は、冷却構造２０を有していることから、温度分布取得工程Ｓ１１で取得されるタービン翼１の温度分布は、タービン翼１の内部側が低温（転位クリープ温度域）となり、外部側に向かって高温（拡散クリープ温度域）となる温度分布となっている。つまり、タービン翼１は、内部側が低温部位となり、外部側が高温部位となる。

また、図３に示すように、タービン翼１は、その翼形部１２の基端部側が低温（転位クリープ温度域）となり、翼形部１２の先端部に向かって高温（拡散クリープ温度域）となる温度（メタル温度）分布となっている。つまり、タービン翼１は、基端部側が低温部位となり、先端部側が高温部位となる。また、タービン翼１は、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側において、所定の温度範囲となる低温部位となっている。このため、タービン翼１は、翼形部１２の基端部側から冷却構造２０の冷却室２２の先端部側まで連続的に温度が高くなり、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側において温度がさらに高くなり、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側から翼形部１２の先端部側まで連続的に温度が高くなっている。このように、タービン翼１は、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側を挟んで、その前後の温度が段階的に高くなっている。

次に、温度分布取得工程Ｓ１１の実施後、加熱されるタービン翼１に要求されるクリープ強度の分布に関するクリープ強度分布データを解析等により取得するクリープ強度取得工程（ステップＳ１２）を実施する。本実施形態において、図１に示すタービン翼１は、その基端部側の応力が高く、温度が低い低温高応力側となり、その先端部側の応力が低く、温度が高い高温低応力側となる。つまり、図３に示すように、タービン翼１は、遠心力によって基端部の応力が高く、先端部に向かって応力が低くなっている。また、タービン翼１は、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側において、所定の範囲となる応力となっている。このため、タービン翼１は、翼形部１２の基端部側から冷却構造２０の冷却室２２の先端部側まで連続的に応力が低くなり、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側において応力がさらに低くなり、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側から翼形部１２の先端部側まで連続的に応力が低くなっている。このように、タービン翼１は、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側を挟んで、その前後の応力が段階的に低くなっている。そして、クリープ強度取得工程Ｓ１２では、低温高応力となる基端部に発生するクリープを許容する所定のクリープ強度となり、また、高温低応力側となる先端部に発生するクリープを許容する所定のクリープ強度となるようなクリープ強度データを取得する。

次に、クリープ強度取得工程Ｓ１２の実施後、温度分布データ及びクリープ強度データに基づいて、上記の相関データから、タービン翼１の結晶粒度を設定する結晶粒度設定工程（ステップＳ１３）を実施する。具体的に、結晶粒度設定工程Ｓ１３では、タービン翼１の拡散クリープ温度域となる高温部位における結晶粒度を、基準結晶粒度に比して粗粒に設定し、タービン翼１の転位クリープ温度域となる低温部位における結晶粒度を、基準結晶粒度に比して細粒に設定している。

ここで、図３に示すように、タービン翼１は、基端部の結晶粒度（結晶粒径）が細粒となり、先端部に向かって結晶粒度が粗粒となっている。また、タービン翼１は、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側において、所定の範囲となる粒径となっている。このため、タービン翼１は、翼形部１２の基端部側から冷却構造２０の冷却室２２の先端部側まで連続的に粒径が大きくなり、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側において粒径がさらに大きくなり、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側から翼形部１２の先端部側まで連続的に粒径が大きくなっている。このように、タービン翼１は、冷却構造２０の冷却室２２の先端部側を挟んで、その前後の粒径が段階的に大きくなっている。

なお、結晶粒度設定工程Ｓ１３では、低温部位から高温部位に段階的に結晶粒度が大きくなるように設定したが、低温部位から高温部位に連続的に結晶粒度が大きくなるように設定してもよく、特に限定されない。

このように、ステップＳ１１からステップＳ１３を実施することで、タービン翼１の設計方法において、タービン翼１の結晶粒度を設定する。

次に、図５を参照して、上記の設計方法により設計されたタービン翼１を製造するタービン翼の製造方法について説明する。

図５に示すように、先ず、タービン翼１の製造方法では、タービン翼１を形成するための鋳型を準備する鋳型準備工程（ステップＳ２１）を実施する。鋳型準備工程Ｓ２１では、例えば、鋳型を加熱炉内に配置し、鋳型の予熱を行うことで、鋳物（タービン翼１）の製造時に鋳型に溶湯（溶融させた金属材料）を注入した際に鋳型が損傷することを抑制している。

鋳型準備工程Ｓ２１の実施後、鋳型の開口から溶湯を注湯する注湯工程（ステップＳ２２）を実施する。注湯工程Ｓ２２の実施後、溶湯を冷却する冷却工程（ステップＳ２３）を実施する。冷却工程Ｓ２３では、タービン翼１の高温部位の冷却速度を、低温部位の冷却速度に比して遅くしている。換言すれば、冷却工程Ｓ２３では、タービン翼１の低温部位の冷却速度を、高温部位の冷却速度に比して速くしている。冷却速度は、鋳型の厚みを調整したり、鋳型の周りに設けられる保温材の厚みを調整したりすることで、冷却速度を制御することが可能である。

冷却工程Ｓ２３の実施後、鋳型を除去して、固化後の溶湯であるタービン翼１を取り出す鋳型除去工程Ｓ２４を実施する。鋳型除去工程Ｓ２４では、例えば、鋳型を破砕して除去することで、タービン翼１を取り出している。なお、取り出されたタービン翼１は、適宜、後処理が実施されることで、製品としてのタービン翼１が得られる。

このような製造方法により製造された、図１に示すタービン翼１は、高温部位の結晶粒度が、基準結晶粒度に比して粗粒となり、低温部位の結晶粒度が、基準結晶粒度に比して細粒となっている。具体的に、図１に示すタービン翼１は、タービン翼１の内部側（冷却構造２０周り）の結晶粒度が細粒となり、タービン翼１の外部側（表面側）の結晶粒度が内部側に比して粗粒となるように形成されている。また、図１に示すタービン翼１は、図３に示すように基端部側の結晶粒度が細粒となり、タービン翼１の先端部側の結晶粒度が基端部側に比して粗粒となるように形成されている。また、タービン翼１は、冷却構造２０の冷却室２２の結晶粒度が細粒となるように形成されている。

以上のように、本実施形態によれば、タービン翼１の温度分布及びクリープ強度分布に応じて、適切な結晶粒度を設定することができる。つまり、タービン翼１の高温部位において結晶粒度を粗粒とすることで、拡散クリープに対して耐久性を高くすることができ、また、タービン翼１の低温部位において結晶粒度を細粒とすることで、転位クリープに対して耐久性を高くすることができる。このため、拡散クリープ及び転位クリープを含むクリープが発生するタービン翼１の耐久性の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、翼形部１２の先端部が高温となり、翼形部１２の基端部が低温となる場合、翼形部１２の先端部を粗粒とすることで、先端部の拡散クリープに対する耐久性を高くすることができ、また、翼形部１２の基端部を細粒とすることで、基端部の転位クリープに対する耐久性を高くすることができる。

また、本実施形態によれば、冷却室２２を細粒とすることで、冷却室２２の転位クリープに対する耐久性を高くすることができる。

また、本実施形態によれば、タービン翼１の高温部位における冷却速度を遅くすることで、高温部位の結晶粒度を粗粒とすることができ、タービン翼１の低温部位における冷却速度を速くすることで、低温部位の結晶粒度を細粒とすることができる。このため、拡散クリープ及び転位クリープを含むクリープに対して耐久性の高いタービン翼１を製造することができる。

なお、本実施形態では、金属材料として、Ｎｉ基合金またはＣｏ基合金等の合金を適用したが、拡散クリープと転位クリープとが発生し得る金属材料であれば、ステンレス鋼であってもよく、特に限定されない。この場合、拡散クリープ温度域、転位クリープ温度域及び遷移温度域は、使用する金属材料に応じて異なる温度域となる。

また、本実施形態では、温度分布取得工程Ｓ１１を先に行った後に、クリープ強度取得工程Ｓ１２を実施したが、クリープ強度取得工程Ｓ１２を先に行った後、温度分布取得工程Ｓ１１を実施してもよく、特に限定されない。

また、本実施形態の設計方法は、タービン翼１に適用したが、タービン翼１に限らず、配管等の他の製品に適用してもよい。

また、本実施形態では、図１に示すタービン翼１の場合について説明したが、例えば、図６に示すタービン翼３０及び図７に示すタービン翼４０に適用してもよい。図６及び図７は、本実施形態に係るタービン翼の他の一例に関する説明図である。

図６に示すタービン翼３０は、図１に示すタービン翼１の冷却構造２０において、冷却室２２を省いた構成となっている。つまり、図６に示すタービン翼３０において、内部に設けられる冷却構造２０は、冷却空気導入流路２１と、冷却空気導入流路２１に対して翼形部１２側に形成される複数の冷却通路２３とを有している。なお、冷却空気導入流路２１及び複数の冷却通路２３は、図１と同様であるため、説明を省略する。

図６に示すタービン翼３０において、加熱によるタービン翼３０の温度分布は、タービン翼３０の内部側が低温（転位クリープ温度域）となり、外部側に向かって高温（拡散クリープ温度域）となる温度分布となっている。また、タービン翼３０は、基端部側が低温（転位クリープ温度域）となり、先端部に向かって連続的に高温（拡散クリープ温度域）となる温度分布となっている。つまり、タービン翼３０は、基端部側が低温部位となり、先端部側が高温部位となる。

図６に示すタービン翼３０は、その基端部側が、応力が高い高応力側となり、その先端部側が、応力が低い低応力側となる。そして、タービン翼３０は、基端部側から先端部側へ向かって連続的に応力が低くなっている。

また、図６に示すタービン翼３０は、基端部側の結晶粒度が細粒となり、タービン翼１の先端部側の結晶粒度が基端部側に比して粗粒となるように形成されている。そして、タービン翼３０は、基端部側から先端部側へ向かって連続的に粒度が大きくなるように形成されている。

図７に示すタービン翼４０は、図１に示すタービン翼１の冷却構造２０を省いた構成となっている。つまり、図７に示すタービン翼４０は、内部が中実となる無冷却のタービン翼となっている。図７のタービン翼４０は、温度分布、応力分布及び結晶粒度の分布が、図６のタービン翼３０と同様となっていることから、説明を省略する。

１，３０，４０ タービン翼
１１ 翼根部
１２ 翼形部
１３ シュラウド
２０ 冷却構造
２１ 冷却空気導入流路
２２ 冷却室
２３ 冷却通路
２５ ピンフィン

Claims (7)

1. 加熱によって拡散クリープと転位クリープとを含むクリープが発生する金属材料を用いて形成されるタービン翼を設計するタービン翼の設計方法において、
   前記拡散クリープが前記転位クリープよりも発生し易い温度域を、拡散クリープ温度域とし、
   前記転位クリープが前記拡散クリープよりも発生し易く、前記拡散クリープ温度域に比して低温となる温度域を、転位クリープ温度域とし、
   前記拡散クリープ温度域及び前記転位クリープ温度域の一方の温度域から他方の温度域に遷移する温度域を、遷移温度域とし、
   前記拡散クリープ温度域、前記転位クリープ温度域及び前記遷移温度域を含む温度域である加熱温度域と、前記タービン翼に発生する前記クリープのクリープ強度と、前記タービン翼の前記金属材料の結晶粒度と、を関連付けた相関データが予め用意され、
   前記相関データは、
   加熱される前記タービン翼の温度が前記遷移温度域となるときの所定の前記クリープ強度に対応する前記結晶粒度を基準結晶粒度とすると、
   加熱される前記タービン翼の温度が前記拡散クリープ温度域であるとき、所定の前記クリープ強度に対応する前記タービン翼の前記結晶粒度が前記基準結晶粒度に比して粗粒となり、
   加熱される前記タービン翼の温度が前記転位クリープ温度域であるとき、所定の前記クリープ強度に対応する前記タービン翼の前記結晶粒度が前記基準結晶粒度に比して細粒となるように、前記加熱温度域、前記クリープ強度及び前記結晶粒度が関連付けられており、
   加熱される前記タービン翼の温度分布に関する温度分布データを取得する温度分布取得工程と、
   加熱される前記タービン翼に要求される前記クリープ強度の分布に関するクリープ強度分布データを取得するクリープ強度取得工程と、
   前記温度分布データ及び前記クリープ強度分布データに基づいて、前記相関データから、前記タービン翼の前記拡散クリープ温度域となる高温部位における前記結晶粒度を、前記基準結晶粒度に比して粗粒に設定し、前記タービン翼の前記転位クリープ温度域となる低温部位における前記結晶粒度を、前記基準結晶粒度に比して細粒に設定する結晶粒度設定工程と、を備えることを特徴とするタービン翼の設計方法。
2. 前記タービン翼は、基端部側に設けられる翼根部と、前記翼根部の先端部側に連なって設けられる翼形部と、を有し、
   前記結晶粒度設定工程では、前記タービン翼の前記翼形部において、前記結晶粒度を前記基端部側から前記先端部側へ向かって粗粒となるように設定することを特徴とする請求項１に記載のタービン翼の設計方法。
3. 前記タービン翼は、基端部側に設けられる翼根部と、前記翼根部の先端部側に連なって設けられる翼形部と、前記翼形部の前記基端部側の内部に設けられる冷却室と、前記翼形部の内部において、前記冷却室の前記先端部側に連通して設けられる複数の冷却通路と、をさらに有し、
   前記結晶粒度設定工程では、前記タービン翼の前記冷却室において、前記結晶粒度を前記基準結晶粒度に比して細粒に設定することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン翼の設計方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン翼の設計方法によって設計された前記タービン翼を製造するタービン翼の製造方法において、
   前記タービン翼の鋳型に、溶融させた前記金属材料である溶湯を注湯する注湯工程と、
   前記タービン翼の前記高温部位の冷却速度を、前記低温部位の冷却速度に比して遅くし、前記タービン翼の前記低温部位の冷却速度を、前記高温部位の冷却速度に比して速くして、前記溶湯を冷却する冷却工程と、
   前記鋳型を除去して、固化後の前記溶湯である前記タービン翼を取り出す鋳型除去工程と、を備えることを特徴とするタービン翼の製造方法。
5. 加熱によって拡散クリープと転位クリープとを含むクリープが発生する金属材料を用いて形成されるタービン翼において、
   前記拡散クリープが前記転位クリープよりも発生し易い拡散クリープ温度域となる高温部位と、
   前記転位クリープが前記拡散クリープよりも発生し易く、前記拡散クリープ温度域に比して低温となる転位クリープ温度域となる低温部位と、を備え、
   前記拡散クリープ温度域及び前記転位クリープ温度域の一方の温度域から他方の温度域に遷移する温度域を遷移温度域とし、前記遷移温度域であるときの所定のクリープ強度に対応する前記タービン翼の結晶粒度を基準結晶粒度とすると、
   前記高温部位の結晶粒度は、所定の前記クリープ強度における前記基準結晶粒度に比して粗粒となり、
   前記低温部位の結晶粒度は、所定の前記クリープ強度における前記基準結晶粒度に比して細粒となっていることを特徴とするタービン翼。
6. 基端部側に設けられる翼根部と、
   前記翼根部の先端部側に連なって設けられる翼形部と、をさらに備え、
   前記翼形部の前記結晶粒度は、前記基端部側から前記先端部側へ向かって粗粒となっていることを特徴とする請求項５に記載のタービン翼。
7. 基端部側に設けられる翼根部と、
   前記翼根部の先端部側に連なって設けられる翼形部と、
   前記翼形部の前記基端部側の内部に設けられる冷却室と、
   前記翼形部の内部において、前記冷却室の前記先端部側に連通して設けられる複数の冷却通路と、をさらに備え、
   前記冷却室は、前記低温部位となっていることを特徴とする請求項５または６に記載のタービン翼。

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