JPH07310502A

JPH07310502A - タービン動翼

Info

Publication number: JPH07310502A
Application number: JP10558994A
Authority: JP
Inventors: Akinori Koga; 昭紀古閑; Hiroki Yamamoto; 浩喜山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-05-19
Filing date: 1994-05-19
Publication date: 1995-11-28

Abstract

(57)【要約】【目的】シャンク部の段差部分に結晶粒界が生じること
を未然に確実に防止し、機械的強度の低下を抑制し、単
結晶および一方向凝固柱状晶タービン翼を簡単かつ経済
的に製造することができるタービン動翼を提供する。【構成】燃焼ガスが通過する翼有効部１１と、ロータデ
ィスクへの取付部となる翼植込み部１２と、これら翼有
効部１１と翼植込み部１２とをつなぐシャンク部１３と
を単結晶または一方向凝固柱状晶として一体に形成す
る。シャンク部１３の上部に燃焼ガスの通路を形成する
プラットフォーム部１６を設ける。翼植込み部１２，シ
ャンク部１３およびプラットフォーム部１６の翼回転方
向に沿う両側面１２ａ，１３ａ，１６ａを円弧状の曲面
として構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンに用いられ
るタービン動翼に係り、特に単結晶または一方向凝固柱
状晶によって構成されるタービン動翼に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は代表的なタービン動翼の外形を示
し、図８は図７のＡ′矢視、図９は図８のＢ′−Ｂ′断
面、図１０は図８のＣ′−Ｃ′断面をそれぞれ示す。

【０００３】タービン動翼は図７に示すように、高温の
燃焼ガスが通過する翼有効部１と、ロータディスクへの
取付部である翼植込み部２と、これら翼有効部１と翼植
込み部２とをつなぐシャンク部３とにより一体的に構成
されている。シャンク部３には翼軽量化のため、ポケッ
ト部（段差部）４が設けられている。また、シャンク部
３の上部には、燃焼ガスの通路を形成するプラットフォ
ーム５が設けられ、その両側部にシールフィン６が設け
られている。また、翼植込み部２はクリスマストリー型
と呼ばれる形状をしており、その芯が植込み方向に直線
的に向く形状とされている。

【０００４】ガスタービンのタービン動翼は、高温下で
大きい遠心応力の下で使用されるため高温でのクリープ
強度の高い材料が使用される。このため、従来よりＮｉ
₃（Al，Ｔｉ）の組成からなるガンマプライム相の金属
間化合物で強化されたニッケル基超耐熱合金が使用さ
れ、複雑な形状を有するタービン動翼を普通鋳造法で製
造していた。普通鋳造法で製造された鋳造品は、多結晶
となるので、Ｃ，Ｂ，Ｚｒ，Ｈｆなどの粒界強化元素に
より強度を高くしている。

【０００５】最近では、粒界を無くして高温強度を一層
高くする単結晶ニッケル基超耐熱合金翼が使用され始め
ている。単結晶合金は、結晶粒界を強化する元素を含ん
でいないため、結晶粒界ができるとその部分の機械的強
度が著しく低下するという欠点を有している。したがっ
て、単結晶タービン動翼においては結晶粒界を形成する
ような異なる結晶の生成および成長、あるいは精密鋳造
後の熱処理中に生じる再結晶の発生等を防止しなければ
ならない。

【０００６】また、一方向凝固柱状晶合金のタービン動
翼も使用され始めている。このタービン動翼では、翼の
長手方向に結晶方位を揃えて遠心応力に対する強度を高
くしている。このため、高温強度低下の最大の原因は異
結晶や再結晶粒の成長による応力軸に垂直な方向の結晶
粒界の発生であるので、単結晶同様に異なる結晶の生
成，成長，再結晶の発生等を防止する必要がある。

【０００７】一般に、タービン初段側に用いる冷却翼で
は植込み部から翼有効部にかけて、冷却空気を通すため
の通路が設けられており（図示せず）、最終段のような
無冷却翼では冷却空気通路はない。代表的な方向凝固法
による単結晶や一方向凝固柱状晶の翼の精密鋳造では、
翼長手方向に沿って溶湯を一方向に凝固させる。なお、
単結晶の場合には、凝固開始部に設けられた単結晶セレ
クタまたは種結晶により単一の結晶を成長させる。ここ
で重要な点は、方向凝固の際、結晶の方位を揃えるため
に、凝固している界面を均一に保つことが必要なことで
ある。しかし形状が複雑または大型になると、凝固界面
を均一にすることが困難になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ガスタービンのタービ
ン動翼のシャンク部にポケット部がある場合、方向凝固
に際しては、鋳型引き抜き速度を変化させるなどの鋳造
条件の工夫をして単結晶を成長させているが、このよう
なポケット部は異結晶の発生の優先的な部位となるほ
か、鋳物形成後の熱処理中に再結晶が生じ易くなる。こ
の理由は、以下のように考えられる。

【０００９】鋳物の断面積の急激な変化を生じさせるポ
ケット部等の窪み部がある場合、方向凝固時に凝固界面
の温度勾配が変化し、均一な凝固界面が得られず、鋳型
に接している鋳物外周部からも新たな凝固が始まる。外
周部より凝固した部分は、鋳物主部とは独立に凝固し始
めるため、鋳物主部と結晶方位が異なり、凝固が進行し
て両者が接続する部分が結晶粒界となり、単結晶が得ら
れない。

【００１０】また、ポケット部等の窪み部には凝固時の
鋳型と鋳物との熱膨張差により生じた歪が蓄積し、その
後の熱処理中にこの残留歪を駆動力とする再結晶が生
じ、単結晶が得にくい。

【００１１】一方向凝固柱状晶の場合も同様の理由によ
り、タービン動翼が大きく、長いほど均一な凝固界面を
保つことが難しくなるため、異結晶および再結晶の生成
・成長が生じ易くなる。

【００１２】図７に示すタービン動翼のうち、最も高温
に曝され、高い高温強度が必要とされるのは、翼有効部
１であるので、翼有効部１は完全に単結晶である必要が
ある。一方、シャンク部３は翼有効部１ほどの高温にな
らないため、高温でのクリープ強度は必要ないが、比較
的低い温度での引張り強度などの機械的・物理的性質が
必要となるので、結晶粒界の形成により機械的強度が著
しく低下することは避けなければならない。

【００１３】したがって、上記のようなポケット部４の
あるタービン動翼を、単結晶および一方向凝固柱状晶に
て製造することは難しく、特に図１０に示すように、平
坦なシャンク部３に対してポケット部４の表面が湾曲面
状に形成されているものでは、ポケット深さａが深くな
り、製造困難性が増大する。

【００１４】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、タービン翼のシャンク部の段差部分に結晶粒
界が生じることを未然に確実に防止し、機械的強度の低
下を抑制し、単結晶および一方向凝固柱状晶タービン翼
を簡単かつ経済的に製造することができるタービン動翼
を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、燃焼ガスが通過する翼有
効部と、ロータディスクへの取付部となる翼植込み部
と、これら翼有効部と翼植込み部とをつなぐシャンク部
とを単結晶または一方向凝固柱状晶として一体に形成
し、前記シャンク部の上部に燃焼ガスの通路を形成する
プラットフォーム部を設けたタービン動翼において、前
記植込み部、シャンク部およびプラットフォーム部の翼
回転方向に沿う両側面を円弧状の曲面として構成したこ
とを特徴とする。

【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１記載のタ
ービン動翼において、シャンク部が翼回転方向に沿う側
面にポケット部を有し、このポケット部の表面を円弧状
の曲面として構成したことを特徴とする。

【００１７】請求項３記載の発明は、請求項１または請
求項２記載のタービン動翼の材料が、Ｎｉ₃（Ａｌ，Ｔ
ｉ）の組成からなるガンマプライム相の金属間化合物で
強化されたニッケル基超耐熱合金であることを特徴とす
る。

【００１８】

【作用】請求項１記載の発明に係るタービン動翼によれ
ば、翼植込み部、シャンク部およびプラットフォーム部
を曲線形状（カーブドエントリー型）として、プラット
フォーム部から植込み部にかけて断面形状の変化を小さ
くするので、この結果、凝固界面を均一に保って異結晶
の生成・成長を未然にかつ確実に防止して、機械的強度
の低下を抑制し、健全な単結晶または一方向凝固柱状晶
タービン動翼として高い高温強度を付与することができ
る。

【００１９】また、カーブドエントリー型にすることに
より、翼全体を曲線的に構成し、再結晶生成の駆動力と
なる残留歪を蓄積し易い鋭い角部や段差部を除去または
減少し、再結晶の生成を確実に防止して、熱処理を加え
ても健全な単結晶または一方向凝固柱状晶タービン動翼
を製造することができる。

【００２０】請求項２記載の発明に係るタービン動翼に
よれば、シャンク部のポケット部の表面を円弧状の曲面
とすることにより、シャンク部の曲面とポケット部の表
面とが接近する状態となって、再結晶の発生起点となる
ポケット深さを浅くすることができる。したがって、ポ
ケット部において凝固時の残留歪が蓄積されにくくな
り、再結晶の生成を抑制することができる。

【００２１】請求項３記載の発明に係るタービン動翼に
よれば、翼有効部、シャンク部および翼植込み部から成
るタービン翼を高温強度の高いＮｉ₃（Ａｌ，Ｔｉ）の
組成からなるガンマプライム相の金属間化合物で強化さ
れたニッケル基超耐熱合金により製造することで、高温
用タービン翼として優れた高温強度を確保できる。

【００２２】このように、本発明のタービン動翼によれ
ば、鋳造の歩留りが飛躍的に向上し、経済的で信頼性が
高く、かつ高温強度の優れたものとなる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付図面を参
照して説明する。

【００２４】（実施例１）図１はタービン翼の外観、図
２は図１のＡ矢視、図３は図２のＤ−Ｄ断面、図４は図
２のＢ−Ｂ断面、図５は図２のＣ−Ｃ断面をそれぞれ示
している。

【００２５】本実施例のタービン動翼は図１に示すよう
に、燃焼ガスが通過する翼有効部１１と、ロータディス
クへの取付部となる三段フックのクリスマストリー形の
翼植込み部１２と、翼有効部１１と翼植込み部１２とを
つなぐシャンク部１３とにより一体に構成されている。

【００２６】シャンク部１３の対ロータ軸方向に沿う側
面に突起として、燃焼ガスのロータディスクおよび翼植
込み部１２への流入を遮断するためのシールフィン１５
が、翼有効部１１下方のプラットフォーム部１６から張
出す形で突設されている。また、シャンク部１３の対ロ
ータ周方向に沿う側面、つまり回転方向に沿う両側面に
は、窪み状の段差であるポケット部１７が形成されてい
る。

【００２７】このものにおいて、本実施例では図３〜図
５に示すように、翼植込み部１２、シャンク部１３、シ
ールフィン１５およびプラットフォーム部１６の翼回転
方向に沿う両側面１２ａ，１３ａ，１５ａ，１６ａが、
例えば円弧状の曲面として構成されている。なお、植込
み部１２、シャンク部１３、シールフィン１５およびプ
ラットフォーム部１６のロータ軸方向に沿う側面１２
ｂ，１３ｂ，１５ｂ，１６ｂは平坦な平行面とされてい
る。

【００２８】また、シャンク部１３の翼回転方向に沿う
両側面１３ａに形成されたポケット部１７の表面および
シールフィン１５も、前記同様に湾曲方向が一致した円
弧状の曲面として構成されている。この結果、ポケット
部１７の深さａは、従来のものに比して浅く形成されて
いる。

【００２９】なお、本実施例では、タービン動翼構成材
がＮｉ₃（Ａｌ，Ｔｉ）の組成からなるガンマプライム
相の金属間化合物で強化されたニッケル基超耐熱合金と
されている。この合金としては、例えばＣＭＳＸ−２
（商品名）（Ｃｒ８．１％，Ｃｏ４．９５％，Ｍｏ１．
０５％，Ｗ８．１２％，Ｔａ５．８５％，Ａｌ５．６
％，Ｔｉ０．９８％，Ｎｂ０．１４％，残Ｎｉ）が用い
られている。

【００３０】このような構成のタービン翼の製造方法に
は、加熱炉内から鋳型を外部下方に引下げて上下方向に
沿う一方向凝固を行わせる一方向凝固法が採用されてい
る。

【００３１】以上の本実施例のタービン動翼によれば、
翼植込み部１２，シャンク部１３およびプラットフォー
ム部１６の回転方向に沿う両側面１２ａ，１３ａ，１６
ａを曲線形状として、プラットフォーム部１６から植込
み部１２にかけて断面形状の変化を小さくしたので、凝
固界面を均一に保って異結晶の生成・成長を未然にかつ
確実に防止して、機械的強度の低下を抑制し、健全な単
結晶または一方向凝固柱状晶タービン動翼として高い高
温強度を持たせることができる。

【００３２】また、本実施例によれば、翼全体が曲線に
て構成でき、再結晶生成の駆動力となる残留歪を蓄積し
易い鋭い角部や段差部を低減または除去し、再結晶の生
成を確実に防止して、熱処理を加えても健全な単結晶ま
たは一方向凝固柱状晶タービン動翼を製造することがで
きる。

【００３３】しかも、シャンク部１３のポケット部１７
の表面も湾曲面が一致する円弧状の曲面とすることによ
り、図５に示すように、再結晶の発生起点となるポケッ
ト深さａを図１０の従来例と比較して小さくすることが
できるので、凝固時の残留歪が蓄積されにくくなり、再
結晶の生成を抑制することができる。

【００３４】さらに、翼有効部１１、シャンク部１３お
よび翼植込み部１２から成るタービン動翼を高温強度の
高いＮｉ₃（Ａｌ，Ｔｉ）の組成からなるガンマプライ
ム相の金属間化合物で強化されたニッケル基超耐熱合金
により製造することで、高温用タービン翼として優れた
高温強度を確保できる。

【００３５】（実施例２）図６は本発明のタービン動翼
の他の実施例を示している。同図は図２のＣ−Ｃ断面に
相当するものである。

【００３６】本実施例が前記実施例と異なる点は、プラ
ットフォーム部１６の曲率中心がタービン上流側に偏位
し、軸方向に対して平均的に傾斜している点である。

【００３７】このような形状に設定された本実施例のタ
ービン動翼によると、翼有効部１１の根元部分の軸心ｂ
に対する平均的傾斜が比較的大きい場合に、断面形状の
変化を小さくすることができ、ポケット部１７を浅くす
るという効果が有効的に奏される。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、翼有効
部、シャンク部および翼植込み部からなる翼において、
単結晶化の阻害要因となる異結晶および再結晶の発生の
優先部位となるシャンク部の段差を小さくし、段差部に
異結晶および再結晶が生じるのを未然にかつ確実に防止
して、機械的強度の低下を抑制でき、タービン動翼を健
全な単結晶または一方向凝固柱状晶タービン動翼として
高い高温強度を持たせることができる。そして、このよ
うに段差部の機械的・物理的強度の劣化を有効に防止で
きるので、高い高温強度を有する信頼性の高いタービン
動翼を確実かつ経済的に製造することができる。

【００３９】即ち、請求項１記載の発明に係るタービン
動翼によれば、翼植込み部、シャンク部およびプラット
フォーム部を曲線形状として、プラットフォーム部から
植込み部にかけて断面形状の変化を小さくしたので、凝
固界面を均一に保って異結晶の生成・成長を未然にかつ
確実に防止して、機械的強度の低下を抑制し、健全な単
結晶または一方向凝固柱状晶タービン動翼として高い高
温強度を持たせることができる。

【００４０】また、翼全体を曲線的に構成したので、再
結晶生成の駆動力となる残留歪を蓄積し易い鋭い角部や
段差部を減少または除去することができ、再結晶の生成
を確実に防止して、熱処理を加えても健全な単結晶また
は一方向凝固柱状晶タービン動翼を製造することができ
る。

【００４１】請求項２記載の発明に係るタービン動翼に
よれば、シャンク部のポケット部の表面を円弧状の曲面
とすることにより、再結晶の発生起点となるポケット深
さを浅くすることができるので、凝固時の残留歪が蓄積
されにくくなり、再結晶の生成を抑制することができ
る。

【００４２】請求項３記載の発明に係るタービン動翼に
よれば、翼有効部、シャンク部および翼植込み部から成
るタービン翼を高温強度の高いＮｉ₃（Ａｌ，Ｔｉ）の
組成からなるガンマプライム相の金属間化合物で強化さ
れたニッケル基超耐熱合金により製造することで、高温
用タービン翼として優れた高温強度を確保できる。

【００４３】このように、本発明のタービン翼は鋳造の
歩留りが飛躍的に向上し、経済的で信頼性の高く、高温
強度の優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るタービン動翼の実施例１を示す斜
視図。

【図２】図１のＡ矢視図。

【図３】図２のＤ−Ｄ断面図。

【図４】図２のＢ−Ｂ断面図。

【図５】図２のＣ−Ｃ断面図。

【図６】本発明に係るタービン動翼の実施例２を示す斜
視図。

【図７】従来のタービン動翼を示す図。

【図８】図７のＡ′矢視図。

【図９】図７のＢ′−Ｂ′断面図。

【図１０】図７のＣ′−Ｃ′断面図。

【符号の説明】

１１翼有効部１２翼植込み部１３シャンク部１６プラットフォーム部１７ポケット部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼ガスが通過する翼有効部と、ロータ
ディスクへの取付部となる翼植込み部と、これら翼有効
部と翼植込み部とをつなぐシャンク部とを単結晶または
一方向凝固柱状晶として一体に形成し、前記シャンク部
の上部に燃焼ガスの通路を形成するプラットフォーム部
を設けたタービン動翼において、前記植込み部、シャン
ク部およびプラットフォーム部の翼回転方向に沿う両側
面を円弧状の曲面として構成したことを特徴とするター
ビン動翼。
【請求項２】請求項１記載のタービン動翼において、
シャンク部は翼回転方向に沿う側面にポケット部を有
し、このポケット部の表面を円弧状の曲面として構成し
たことを特徴とするタービン動翼。
【請求項３】請求項１または請求項２記載のタービン
動翼の材料は、Ni₃（Ａｌ，Ｔｉ）の組成からなるガン
マプライム相の金属間化合物で強化されたニッケル基超
耐熱合金であることを特徴とするタービン動翼。