JPH06330703A - ガスタービン翼及び製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 翼の強度を高めると共に評価精度を高めて翼
の信頼性を向上させることにある。 【構成】 翼長手方向と結晶成長方向の角度θのずれを
１５度以内、結晶成長方向軸周りの回転角φを１０度以
内にコントロールした単結晶のガスタービン翼。 【効果】 結晶成長方向と、結晶成長方向に対する直角
方向との縦弾性係数を同一にするように翼の結晶方位を
コントロールすることにより、疲労強度の相違を無くし
翼の強度を高めることが出来る。また、各方向の縦弾性
係数を同一にすることにより、翼毎の方位のバラツキが
無くなり強度評価が容易となる。その結果、評価精度を
高めて翼の信頼性を向上させることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温燃焼ガスに接触す
るガスタービン翼に係り、特に、翼の長手方向と直角方
向で機械的性質や強度が等しいガスタービン翼に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスタービン翼は、燃焼器からの
燃焼ガス温度の向上に対応して、Ｎiを主成分とする普
通鋳造超合金が真空中で鋳造されている。そして、燃焼
ガスのの温度上昇に対して、結晶粒界が翼内部に存在し
ない単結晶翼や翼の遠心力応力発生軸に平行となる結晶
粒界を有する一方向凝固翼が実用化されつつある。

【０００３】一般に、高温燃焼ガスに接触するタービン
翼の故障の主要な機械的要因は起動、停止に伴う熱応
力、遠心応力の繰返しに伴う熱疲労と定格運転中に発生
する変形制御型応力の熱応力によるリラクゼーション損
傷と荷重制御型の遠心応力によるクリープ損傷である。

【０００４】遠心応力は一軸方向応力であり、これによ
るクリープ損傷は遠心応力発生軸と直角な方向の結晶粒
界を存在させないことによって減少させることができ
る。すなわち、タービン翼を単結晶翼や一方向凝固翼と
することにより、クリープ損傷を減少させることができ
る。

【０００５】一方、内面が冷空気によって冷却され、外
表面が高温燃焼ガスによって熱せられることにより、翼
の肉厚方向に発生する温度分布、さらに、翼長方向の高
温燃焼ガスの温度分布などにより、熱応力が発生する。
翼はこれらの熱応力による熱疲労損傷、リラクゼーショ
ン損傷をプラントの起動、停止、定格運転中に受ける。
しかし、遠心応力とは異なり、熱応力は３次元的に発生
する。すなわち、熱応力による損傷は、遠心応力が加わ
る翼の長手方向だけではなく、翼と直角方向や肉厚方向
にも与えられることになる。したがって、タービン翼の
熱応力損傷の評価に対しては、多軸応力に基づく評価が
必要となる。

【０００６】溶融金属を収容した鋳型を制御しながら冷
却し、翼の一端に始まる特定方向の単結晶組織としたも
のが単結晶翼であり、柱状結晶の集合組織となるように
製作したものが一方向凝固翼である。製造中、Ｎiを主
成分とする超合金は〔001〕方向の結晶方位が単結晶
化、一方向凝固化されやすく、また、クリープ破壊強度
も〔001〕方位が他の方位よりも高い。

【０００７】図５は典型的な翼形状と座標軸の関係を示
す斜視図である。

【０００８】図５に示すように、翼を製作する場合、ク
リープ強度が問題となる遠心応力発生軸方向(翼長手方
向)に、Ｚ〔001〕方位を採用している。一方、遠心応力
発生軸と直角な方向の結晶粒界をなくすようにした単結
晶翼や一方向凝固翼は、組織上の点より、遠心応力発生
軸とそれに直角な方向とでは、機械的性質や強度が異な
る異方的性質を有しており、一般的には、低サイクル疲
労強度は遠心応力発生軸の方が直角方向よりも高いと言
われている。遠心応力発生方向にＺ〔001〕方位を採用
しても、通常の製法では、遠心応力発生方向の直角方向
の方位は規定することができず、方位がコントロールさ
れない製品が製造される。すなわち、結晶成長方向は遠
心力発生方向に一致できても、直角方向の方位は鋳造し
た全部の翼が異なった方位になる可能性がある。このよ
うにして単結晶翼や一方向凝固翼などの結晶制御鋳造翼
においては、遠心応力負荷方向（翼長手方向）が結晶成
長方向に採られているが、結晶成長直角方向の方位は何
ら規定されていない。

【０００９】また、前述したように、翼には一軸状態の
遠心応力だけではなく、多軸状態にある熱応力が加わ
る。一軸状態の遠心応力は結晶成長方向の機械的性質、
強度性質より評価すればよいが、多軸状態にある熱応力
は結晶成長方向とそれの直角方向の機械的性質、強度性
質より評価する必要がある。

【００１０】前述したように、翼の直角方向の方位は、
鋳造した全部の翼で異なる恐れがあり、翼によって、縦
弾性係数や低サイクル疲労強度が異なることになる。翼
の強度、寿命評価を行うに際し、評価の精度向上を図る
ために、全翼について、翼一個毎の方位を測定して、翼
一個毎の機械的性質、強度性質から、翼一個毎の強度、
寿命の評価を行う必要が生じる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の単結晶翼や一方
向凝固翼などの結晶制御鋳造翼においては、遠心応力負
荷方向（翼長手方向）が結晶成長方向に採られている
が、結晶成長方向、直角方向の方位が製造時にコントロ
ールできない。そのため結晶成長方向と結晶成長方向直
角方向での方位が異なり、遠心応力負荷方向は機械的性
質や強度が全翼で一定であるため強度評価が行えるが、
翼直角方向では、鋳造翼毎に、結晶方位が異なり、機械
的性質や強度が異なっている。その結果、振動評価や寿
命評価を行うに際しても、翼毎に評価を行わねばなら
ず、非常に手間がかかるとともに、評価精度が問題とな
っている。

【００１２】本発明の目的は、翼の強度を高めると共に
評価精度を高めて翼の信頼性を向上させることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的は、溶融金属を
収容した鋳型を制御下に冷却して、翼部分の一端より始
まる単結晶を成長させたガスタービン単結晶翼におい
て、前記単結晶の翼長手方向と結晶成長方向の角度のず
れが１５゜以内で、結晶成長方向軸周りの回転角が１０
゜以内である立方晶の結晶方位を有することにより達成
される。

【００１４】上記目的は、溶融金属を収容した鋳型を制
御下に冷却し、翼部分の一端より始まる単結晶を成長さ
せるガスタービン単結晶翼の製造方法において、製造す
る単結晶の翼長手方向と直角方向の方位を決定し、該方
位が得られるような角度で小片を前記単結晶翼と同一金
属から切り出し、該小片を種結晶として鋳造することに
より達成される。

【００１５】

【作用】結晶成長方向と結晶成長方向に対する直角方向
での低サイクル疲労強度の相違が、結晶方位による機械
的性質、特に、縦弾性係数の相違によるものであるか
ら、結晶成長方向と結晶成長方向に対する直角方向との
縦弾性係数を同一にするように翼の結晶方位をコントロ
ールすることにより、上記低サイクル疲労強度の相違を
無くし翼の強度を高めることが出来る。

【００１６】また、結晶成長方向と結晶成長方向に対す
る直角方向の縦弾性係数を同一にすることにより、翼毎
の方位のバラツキが無くなり強度評価が容易となる。そ
の結果、評価精度を高めて翼の信頼性を向上させること
が出来る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。

【００１８】図１は本発明の実施例に係るガスタービン
翼の方位規定図である。

【００１９】図１に示すように、翼の縦弾性係数は結晶
成長方向Ｚ〔001〕と翼長手方向ｚとの角度のずれθ、
Ｚ〔001〕軸周りの回転角φに依存する。翼長手方向ｚ
と結晶成長方向Ｚ〔001〕の角度のずれを１５゜に制限
し、また、結晶成長方向Ｚ〔001〕の回転角の制限を１
０゜とした理由を以下に説明する。

【００２０】Ｎiを主成分とする単結晶合金や一方向凝
固超合金は立方晶の結晶構造を有している。立方晶の縦
弾性係数の方位依存性を以下に示す。立方晶の縦弾性係
数は結晶成長方向軸からの角度θ、軸周りの回転角φの
関数として次式で表される。

【００２１】

【数１】

【００２２】図２は本発明の実施例の翼長手方向と結晶
成長方向との角度のずれθと無次元縦弾性係数の関係を
示す図表である。

【００２３】その結果本図に示すように、結晶成長方向
軸（遠心応力発生軸）からの角度θと軸周りの回転角φ
により縦弾性係数は大きく変化し、角度θが45゜近傍の
時、また、回転角φが45゜近傍の時に最大となる。ま
た、結晶成長方向と直角方向は角度θ＝90゜であり、そ
の場合にはφ＝0の値がθ＝0のそれと同じであり、φ＝
45゜が最大となる。本図には、現在、使用されている普
通鋳造翼材料の弾性係数値も併記した。結晶成長方向の
縦弾性係数に対し、約１.６倍の値を示している。

【００２４】図３は本発明の実施例の単結晶翼の破損寿
命と全歪範囲の関係を示す図表である。

【００２５】本図は、結晶成長方向軸（遠心応力発生
軸）からの角度θと軸周りの回転角φの低サイクル疲労
強度に及ぼす影響を示し、破損寿命Ｎｆを全ひずみ範囲
Δεtで整理したものである。同一全ひずみ範囲におい
てφ＝45゜の寿命が最短であり、φ＝0゜が最長寿命を
示しているのが明白である。これは縦弾性係数が大きい
ほど、短寿命であり、小さいほど長寿命であることを示
す。すなわち、軸周りの回転角φを可能な限り小さくす
ることが、単結晶翼の縦弾性係数の増大を防ぎ、翼の低
サイクル疲労、熱疲労強度を向上させることになる。

【００２６】また、軸周りの回転角φを小さくすること
により、単結晶翼材料の縦弾性係数を普通鋳造翼材料よ
りも小さくでき、低サイクル疲労寿命を大きくすること
ができる。

【００２７】そして、φ＝0゜とすることにより、結晶
成長方向と直角方向の縦弾性係数を同一にすることがで
き、翼毎の方位のバラツキが無くなり強度評価が容易と
なる。その結果、評価精度を高めて翼の信頼性を向上さ
せることが出来る。

【００２８】更に、翼を製造する場合に翼の遠心力負荷
方向(翼長手方向ｚ)と結晶成長方向の軸Ｚ〔001〕が一
致するように計画されているが、実際には多少の製造誤
差が存在し、その誤差は約θ＝10゜、最大でも15゜に抑
制することが望ましい。

【００２９】図４は本発明の実施例の翼長手方向と結晶
成長方向との角度θと無次元縦弾性係数の関係を示す図
表である。

【００３０】本図は図２と同様に、縦軸は結晶成長方向
の縦弾性係数で各方位の縦弾性係数を無次元化したもの
であり、横軸は結晶成長方向軸（遠心応力発生軸）から
の角度θを採り、パラメータの結晶成長方向軸周りの回
転角φを0゜から10゜の範囲で変化させたものである。
従って、翼長手方向ｚと結晶成長方向の軸Ｚ〔001〕の
ずれ角度θ＝15゜を許容した場合の結晶成長方向軸周り
の回転φを定める必要がある。図４に示すように横軸の
ずれ角度θ＝15゜に対応する縦軸の縦弾性係数と等しい
結晶成長方向と直角方向即ち、角度θが＝90゜における
縦弾性係数はパラメータの結晶成長方向軸周りの回転角
φが10゜の時に得られる。

【００３１】以上の関連により、翼長手方向と結晶成長
方向の角度のずれθを１５゜に制限し、結晶成長方向の
回転角φの制限を１０゜と定めることにより、縦弾性係
数の変化を最小にでき、翼毎の方位のバラツキが無くな
り強度評価精度の向上を図ることができる。

【００３２】本発明の実施例の単結晶翼の製造方法を説
明する。

【００３３】まず、合金を真空炉などの炉を用いて溶解
し、その融点よりも高い温度に保持し、鋳型に注入す
る。鋳型には電気加熱装置を設け、溶湯を鋳型へ注入す
る前に、鋳型の合金の融点よりも高い温度に予め加熱す
る。鋳型の底部は鋳型支持部に支持され、その支持部は
冷却水などを用いて、冷却されることができるものであ
り、鋳造操作中、鋳型内の鋳造金属の冷却を実施する。
通常の方法では、鋳造金属の一端をこのようにして、冷
却することにより、柱状晶組織が得られる。さらに、鋳
型に角度変更等の結晶選択機能を持たせることにより、
多くの柱状晶の中より一個の結晶を選択し、成長させ、
単結晶翼を製作させる。この方法で製作した単結晶翼は
翼長手方向は(100)方向にコントロールできるが、長手
方向と直角方向の方位はコントロールできない。そこ
で、予め製造する翼の翼長手方向と直角方向の方位を決
定し、単結晶翼と同一の金属からその方位が得られる角
度で小片を切り出し、鋳造時にこの小片を種結晶として
使用することにより、目的の方位を有する翼を製造する
ことができる。この小片の結晶方位を本実施例では、長
手方向のθ＝0゜では、〔001〕方向の方位とし、長手方
向と直角方向のθ＝90゜においての回転角φは最大10゜
以内とすることにより、長手方向のθ＝0゜と長手方向
と直角方向のθ＝90゜における縦弾性係数の値を同一に
することができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、結晶成長方向と、結晶
成長方向に対する直角方向との縦弾性係数を同一にする
ように翼の結晶方位をコントロールすることにより、疲
労強度の相違を無くし翼の強度を高めることが出来る。

【００３５】また、結晶成長方向と結晶成長方向に対す
る直角方向との縦弾性係数を同一にすることにより、翼
毎の方位のバラツキが無くなり強度評価が容易となる。
その結果、評価精度を高めて翼の信頼性を向上させるこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るガスタービン翼の方位規
定図である。

【図２】本発明の実施例の翼長手方向と結晶成長方向と
の角度のずれθと無次元縦弾性係数の関係を示す図表で
ある。

【図３】本発明の実施例の単結晶翼の破損寿命と全歪範
囲の関係を示す図表である。

【図４】本発明の実施例の翼長手方向と結晶成長方向と
の角度θと無次元縦弾性係数の関係を示す図表である。

【図５】典型的な翼形状と座標軸の関係を示す斜視図で
ある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融金属を収容した鋳型を制御下に冷却
   して、翼部分の一端より始まる単結晶を成長させたガス
   タービン単結晶翼において、前記単結晶の翼長手方向と
   結晶成長方向の角度のずれが１５゜以内で、結晶成長方
   向軸周りの回転角が１０゜以内である立方晶の結晶方位
   を有することを特徴とするガスタービン単結晶翼。
2. 【請求項２】 溶融金属を収容した鋳型を制御下に冷却
   し、翼部分の一端より始まる単結晶を成長させるガスタ
   ービン単結晶翼の製造方法において、製造する単結晶の
   翼長手方向と直角方向の方位を決定し、該方位が得られ
   るような角度で小片を前記単結晶翼と同一金属から切り
   出し、該小片を種結晶として鋳造することを特徴とする
   ガスタービン単結晶翼の製造方法。