JPH0331881B2 - - Google Patents

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JPH0331881B2
JPH0331881B2 JP58217652A JP21765283A JPH0331881B2 JP H0331881 B2 JPH0331881 B2 JP H0331881B2 JP 58217652 A JP58217652 A JP 58217652A JP 21765283 A JP21765283 A JP 21765283A JP H0331881 B2 JPH0331881 B2 JP H0331881B2
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JP
Japan
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disk
forged
groove
grooves
rotor
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JP58217652A
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Eru Asei Roi
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United Technologies Corp
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Publication date
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Publication of JPH0331881B2 publication Critical patent/JPH0331881B2/ja
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/34—Rotor-blade aggregates of unitary construction, e.g. formed of sheet laminae
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/36—Making machine elements wheels; discs with blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/006—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass turbine wheels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/4932—Turbomachine making
    • Y10T29/49325—Shaping integrally bladed rotor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
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    • Y10T29/49982—Coating

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はブレードと一体に形成されたデイスク
に係る。
自動車用ガスタービンエンジンや航空機用ガス
タービンエンジンのタービロータに使用される、
ブレードと一体に形成された鍛造デイスクは、デ
イスクの縁部に於て低サイクル疲労亀裂を生じや
すいことが知られている。この亀裂の発生は、高
温のタービンガスに直接さらされているデイスク
の縁部と比較的低温のデイスクの中央部との間に
存在する温度勾配によつて引き起こされる。従来
のブレード付きのデイスクに於てこの問題はな
い。何故ならば縁部はブレードプラツトフオーム
によつて高温から保護されており、又縁部に於て
デイスク金属が幾らか動くことを可能にすべく形
成されたブレード溝があるために縁部が不連続に
なつているからである。ブレードの一体に形成さ
れた鍛造デイスクの縁部に於ける応力を緩和する
ために、縁部のブレードとブレードとの間に穴又
は溝が形成される。これらの溝は縁部に於ける熱
応力を幾らか緩和する。それぞれの溝の底部或い
は半径方向の最も内側の位置に比較的大きな形を
有する穴がドリルによつて形成される。これらの
穴は亀裂が溝の底部に於て発生したデイスクの内
部へ進展することを防ぐ。ガス漏出を防ぐために
それぞれの穴へはリベツトが挿入されるが、溝自
体による漏出の発生はなくならない。望ましくな
いガスの漏出に加えて、応力緩和溝とそれに伴な
うリベツトはタービンロータのコストの大きな部
分を占めこの点からも望ましくない。
ロータのハブ或いはデイスク部分を鍛造する方
法を改善し、鍛造品の引き伸ばされた縁部をブレ
ードに加工する、もしくはデイスクをブレードと
完全に一体に鍛造するために、現在研究が進行中
である。かかる鍛造は（本特許と）共通の所有者
を有する米国特許第4051708号に記載されている
Gatorizing（登録商標）鍛造工程などによつて行
われる。これらの鍛造されたロータデイスクの縁
部に於ける温度勾配による亀裂の発生を防ぐこと
が望ましい。しかしながら、かかる亀裂の発生を
防ぐことにより生ずる従来技術に於て存在するガ
スの漏出とそれに伴なうコストの上昇を最小限に
押えることも必要である。
本発明の目的は、ブレードと一体に形成された
デイスクの縁部に於ける低サイクル疲労亀裂の発
生を除去することである。
本発明の他の一つの目的は、デイスクに亙つて
漏れ溝を形成することなしに、ブレードと一体に
形成されたロータの縁部に於て応力緩和を実現さ
れる手段を提供することである。
本発明によれば、ブレードと一体のロータデイ
スクを形成する方法は以下の二つの段階を含んで
いる。即ち、円周方向に隔置された複数の応力緩
和溝をデイスクの鍛造前部品の外周に形成し、溝
の表面が接着し合うことがないように鍛造によつ
て溝を閉じる。閉じられた溝は鍛造前部品から形
成されるブレードの間に配置される。
溝は鍛造によつて閉じられているが、ロータデ
イスク完成品の縁部に於て必要な応力緩和を円周
応力を除去することによつて提供する。溝が鍛造
によつて閉じられる際に溝の表面が接着し合うこ
とを防ぐために、表面がすでに酸化層を有してい
る場合を除いて、その表面は酸化物によつて被覆
されるか適当な熱処理によつて酸化される。
鍛造前部品のそれぞれの溝は、応力集中を避け
るためにその底部に於てある曲率半径を有するべ
く形成される。必ず必要な注意ではないが、閉じ
られた溝の底部が丸い形状を確実に維持するよう
に、溝が鍛造によつて閉じられる際に円形断面を
有する棒が溝の底部に配置されることも可能であ
る。
本発明の一つの実施例によれば、半径方向の溝
は外周に於てブレードに加工される部分を有する
板状の鍛造前部品の外周から内部に向かつて形成
されている。溝をつけられた鍛造前部品は溝の表
面を酸化するために空気炉の中で熱処理される。
鍛造前部品は適当な型板を有する鍛造プレス内に
置かれる。そして例えば本明細書に参考として記
載されている本特許と同一の所有者を有する米国
特許第3519503号及び第4051708号に記載されてい
るGatorizing鍛造工程などによつて、デイスクが
鍛造され溝が閉じられ同時にデイスクの外周に於
て閉じられた溝の間にブレードが形成される。
本発明はブレードと一体の鍛造タービンデイス
クの縁部に於ける応力緩和をデイスク内に漏出路
を導入することなしに実現させる安価な手段を提
供するものである。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。
ブレードと一体のロータデイスクを形成する方
法に関して多くの技術が知られているが、本発明
は少なくともロータのデイスク部分が鍛造によつ
て形成されているようなブレードと一体のロータ
に対して適用されるものである。
本文に於て、“鍛造前部品”という語は完成品
を形成するために少なくとももう一回の鍛造工程
を経なければならない鋼片或いは部品をさしてい
る。“皿状の”鍛造前部品は慨して円形或いは環
状の断面を有し且その外径がその厚さよりも大き
い鍛造前部品のことをさしている。
第１図及び第２図に図示されている通り、皿状
の鍛造前部品１０は縁もしくは外周１４から鍛造
前部品の中央へ向かつて延在している複数の溝１
２を有している。溝１２は鍛造前部品１０の外周
１４に於て円周上に配置され、鍛造前部品１０の
厚さ方向に亙つて延在してしる。又溝１２は、そ
れぞれが完成されたロータに於て隣接し合うブレ
ードの間に位置すべく配置されている。
溝１２は、例えば研磨盤を用いた加工方法など
によつて形成されることが可能である。鍛造前部
品１０自体が鍛造によつて作製される場合は、溝
１２は鍛造前部品の鍛造工程の間に適当な型板の
使用により形成されることが可能である。第１図
に示されている通り、応力集中を避けるためにそ
れぞれの溝１２の底部１６はある曲率半径を有す
べく形成されることが望ましい。
溝１２は次の鍛造過程に於て完全に閉じられ
る。この次の鍛造工程の結果として溝１２の表面
１８が互いに接着或いは溶着したとすると本発明
の目的は達成されないので、確実にかかる装着や
溶着が生じない様に工程がとられることが必要で
ある。はんだ付に於て使用されるぬれ停止剤
（Metals Handbook、8th Edition、Vol.6、
“Welding and Brazing”、pp.602−603、
American Society of Metals、Ohio（1971）参
照）と類似の酸化層が溝１２の表面１８に適用或
いは形成されることが望ましい。これは適切な熱
処理或いは単に溝１２の両面に適切なぬれ停止剤
（例えば窒化ホウ素）を塗布することによつて達
成される。例えば、鍛造前部品１０が焼結された
IN100の様なニツケル基超合金で作られている場
合、鍛造前部品１０を空気炉内に於て538℃以上
の温度のもとで30分以上加熱することによつて酸
化層が形成される。鍛造前部品１０が形成される
際に溝１２が鍛造前部品内に鍛造によつて形成さ
れる場合、鍛造時に酸化層が表面１８に生ずるの
で新たな酸化処理は必要ない。
溝が付けられた鍛造前部品１０は鍛造プレスの
中に置かれ、ロータデイスク１９へと加工され、
溝１２は完全に閉じられてそれぞれの溝の位置に
鍛造による重なり合い部分２０（第３図参照）が
形成される。実際にはこれらの鍛造による重なり
合い部分が肉眼によつて識別されることは困難で
あろう。溝１２が閉じられる際に同時にブレード
２２が鍛造によつて形成される場合とされない場
合とがある。例えば、新たな鍛造工程によつてデ
イスクが整形されブレードが形成されることが可
能である。又、溝が閉じられた後に鍛造されたデ
イスクの外周部分から（例えば電気化学的或いは
放電加工などによつて）ブレードが加工されるこ
とが可能である。
低サイクル疲労亀裂の主な発生要因は、デイス
ク内に亙つて存在する半径方向の著しい温度勾配
によつて高い円周応力が引き起こされることであ
る。溝（鍛造による重なり合い）が円周を切断す
ることによりこれらの応力は緩和される。鍛造に
よる重なり合いの底部２４に於て円周が再び形成
されるが、底部２４からデイスクの中央部までに
亙る温度勾配はより小さいので円周応力はかなり
小さくなる。完成されたロータに於ける重なり合
い２０の底部２４に於て低サイル疲労亀裂が発生
しない程応力が低くなる様に、鍛造前部品１０に
形成される溝１２が長さが選ばれる。最小の溝長
さは最初理論解析によつて決定され得るが、最終
的には試行錯誤が必要とされるであろう。鍛造に
よる重なり合い２０の長さは勿論デイスク１９の
半径Ｔ以下である。
鍛造による重なり合い２０の底部２４に於て応
力集中が生じるために低サイクル疲労亀裂が発生
する問題がなお残つている場合は、溝が鍛造され
て閉じられる際に溝の底部に沿つて円形断面を有
する棒が配置され溝の底部がその周りを包む形で
閉じられることによつて溝の底部は閉じられた後
に適当に大きな曲率半径を維持することが出来
る。“棒”という語は針金やリベツト等を含んだ
広義の意味で用いられている。棒は鍛造前部品と
同一の材料或いは鍛造前部品と同一の膨張係数を
有する金属によつて作られている。
第４図は本発明によるブレードと一体に形成さ
れたデイスク２５の一部を図示しており、この図
に於て応力緩和溝が溝の底部に沿つて配置された
棒２６（断面図で示されている）の周りに於て鍛
造されて閉じられている。図からわかる通り、棒
２６は幾分楕円形に圧縮されているが閉じられた
溝の底部に於てある曲率半径を維持している。
本発明の方法は前述のGatorizing鍛造工程と結
合されて使用されることが特に以下に言及され
る。適当な大きさを有する円柱鋼片、或いは（整
形のために）平板の間もしくは型板の間に於てア
プセツトされた鋼片が鍛造前部品として使用され
よう。前述の米国特許第3519503号に詳細に説明
されている通り、鍛造前部品の材料となる鍛造前
部品或いは鋼片は圧縮、例えば押し出し等の手段
によつて加工されたものでなければならない。こ
の圧縮加工の条件は、この圧縮加工の結果として
この後に続く等温鍛造過程に於ける歪み速度と温
度とのもとで合金が著しい結晶粒成長を受けずに
超塑性挙動を呈するべく設定される。合金は鍛造
された後、従来の熱処理方法によつて通常の高強
度及び硬さを有する状態に回復されることが可能
である。Gatorizing工程は、チタン、ニツケル、
コバルト、鉄などの合金に限定されるような高強
度の析出硬化型合金に対して有効である。
Gatorizing工程が本発明と結合されて使用され
るために、半径方向に適当な長さを有し円周状に
隔置された適当な数の溝は、Gatorizing工程の要
求通りに加工された適切な外形を有する鍛造前部
品の厚さ方向全体に亙つて（例えばカーバイド研
磨盤等により）加工される。溝は最終的に完成さ
れたロータの複数のブレードの間の中央部に位置
すべく配置される。例えば鍛造前部品の材料がニ
ツケル基超合金であるIN100である場合、溝の内
面は窒化ホウ素によつて被覆されよう。被覆され
た鍛造前部品は、本明細書に参考として記載され
且鍛造装置に関する詳細な情報が記載されている
同一の所有者を有する米国特許第4074559号の中
で示されている型のGatorizing鍛造プレスの中に
置かれる。鍛造前部品の外周付近の超塑性材料は
円周状に配置されたブレード形成型板の間に押し
込まれ、同時にデイスクがほぼその最終的な形状
に形づくられる時に溝は鍛造によつて閉じられ
る。その後ブレードと一体のデイスクは型板から
取外され、該デイスクの材料である合金は従来の
熱処理方法によつて通常の高強度及び硬さを有す
る状態に回復される。
一つの実施試験によれば、皿状の鍛造前部品は
約120.9mmの直径と約11.68mmの厚みを有してい
た。本発明に関しては重要な点ではないが、鍛造
前部品はセンタ孔を有しておらず鍛造前部品の側
面から外向きに延在する長さ約31.75mm、直径
22.22mmの棒と一体に形成されていた。この鍛造
前部品はGatorizing鍛造工程により温度1921〜
1135℃、初期歪み速度0.5cm／cm／min.の条件の
もとに、焼結された析出硬化型ニツケル基合金
（AF−1DA）の円柱鋼片から鍛造された。その
後鍛造前部品の厚さ方向全体に亙つて円周上に隔
置された10個の溝が加工された。それぞれの溝は
13.20mmの長さと17.78mmの幅とを有し且その底部
に於て曲率半径を有していた。溝をつけられた鍛
造前部品は空気中に於て982℃の温度のもとで１
時間加熱され、全ての表面に酸化被膜が形成され
た。鍛造前部品と類似の（しかしより低い耐熱性
を有する）材料からなり且前記溝の幅とほぼ等し
い直径を有する棒がそれぞれの溝の底部に配置さ
れた。その後溝をつけられた鍛造前部品は
Gatorizng工程によつて再び鍛造され、約10.16mm
の長さを有する30個のブレードを含む最終形状が
形成された。Gatorizing工程の温度は前述のもの
と同一であつたが、今回の鍛造過程を通して歪み
速度は0.1cm／cm／min.に維持された。このブレ
ード形成過程の間に溝は完全に閉じられる。そし
て、最終的にロータの直径と厚さ（ブレードを除
く）とは溝をつけられた鍛造前部品のそれらとほ
ぼ等しくなつていた。完成された部品は第４図に
示されるブレード付きのロータと類似の形状を有
していた。この部品は871℃の縁部温度と316℃の
中央部温度との（つまり温度差ΔTは555℃）条
件下で稼働すべく設計されていた。稼働時の応力
を大まかにシミユレートすべく設計されたこの部
品のサイクル試験に於て、縁部は加熱され一方中
央部は比較的低温に維持された。サイクル試験の
間、デイスクに於ける亀裂の発生は生じなかつ
た。
以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではなく、本発明の範囲内にて種々の
実施例が可能であることは当業者にとつて明らか
であろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による溝を有する鍛造前部品
を示す正面図である。第２図は、第１図の鍛造前
部品を慨して線２−２に沿つて見た部分断面図で
ある。第３図は、本発明によつて第１図の鍛造前
部品から形成されたブレードと一体に形成された
ロータデイスクを示す。第４図は、本発明の他の
別の実施例によるブレードと一体に形成されたロ
ータデイスクの一部分を示す。 １０……鍛造前部品、１２……溝、１４……外
周、１６……溝の底部、１８……溝の表面、１９
……ロータデイスク、２０……重なり合い部分、
２２……ブレード、２４……重なり合い部分の底
部、２５……ブレードと一体に形成されたデイス
ク、２６……棒。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ タービンロータにして、前記タービンロータ
    は外周部と前記外周部から半径方向外向きに延在
    し且前記外周部と一体に形成された複数の円周上
    に隔置されたブレードとを有する鍛造されたデイ
    スクを含んでおり、前記デイスクは複数の円周状
    に隔置された鍛造による閉じた重なり合い部分を
    含み、前記重なり合い部分は前記デイスクの外周
    部から前記デイスクの半径よりも小さい距離に亙
    つて半径方向内向きに延在し且デイスクの厚み全
    体に亙つて軸方向に延在しており、それぞれの前
    記重なり合いは一対の隣接する前記ブレードの間
    に配置されており、前記重なり合いの内面どうし
    は接触しているが接着してはいないことを特徴と
    するタービンロータ。 ２ 縁部を有する皿状の鍛造前部品からブレード
    と一体に形成されたロータデイスクを形成する方
    法にして、前記鍛造前部品の円周上に隔置され、
    底部を有し、前記縁部から前記底部までに亙つて
    延在し、且前記鍛造前部品の厚み全体に亙つて軸
    方向に延在する複数の溝を形成する段階と、前記
    鍛造前部品から前記ロータブレードを形成し前記
    鍛造前部品からデイスクを鍛造し同時に前記溝の
    内面を接着されることなく前記溝を鍛造によつて
    閉じる段階とを含み、前記閉じられた溝は円周上
    に隣接する前記ブレードの間に配置されているこ
    とを特徴とする方法。
JP58217652A 1982-11-22 1983-11-18 タ−ビンロ−タ及びロ−タディスクの形成方法 Granted JPS59105902A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US443516 1982-11-22
US06/443,516 US4536932A (en) 1982-11-22 1982-11-22 Method for eliminating low cycle fatigue cracking in integrally bladed disks

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS59105902A JPS59105902A (ja) 1984-06-19
JPH0331881B2 true JPH0331881B2 (ja) 1991-05-09

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ID=23761097

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP58217652A Granted JPS59105902A (ja) 1982-11-22 1983-11-18 タ−ビンロ−タ及びロ−タディスクの形成方法

Country Status (9)

Country Link
US (1) US4536932A (ja)
JP (1) JPS59105902A (ja)
CA (1) CA1209924A (ja)
DE (1) DE3341953A1 (ja)
FR (1) FR2536316B1 (ja)
GB (1) GB2130927B (ja)
IT (1) IT1194470B (ja)
NO (1) NO159816C (ja)
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