JPH1136805A - タービン翼 - Google Patents
タービン翼Info
- Publication number
- JPH1136805A JPH1136805A JP18795897A JP18795897A JPH1136805A JP H1136805 A JPH1136805 A JP H1136805A JP 18795897 A JP18795897 A JP 18795897A JP 18795897 A JP18795897 A JP 18795897A JP H1136805 A JPH1136805 A JP H1136805A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stress
- axes
- generated
- relationship
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- Pending
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- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】ガスタービンの温度が上昇し、効率向上のため
にクローズド冷却などが採用されると翼構造内の温度差
も著しく大きくなると共に、熱応力も大きくなり、強度
の許容値を越えてしまう課題が残されていた。 【解決手段】単結晶の直交する３つの結晶軸をそれぞれ
予め応力解析などで求めた発生応力の最大応力の発生す
る部位の主応力方向に一致させることやコード方向に平
行な断面内の応力で垂直応力が支配的な場合には該垂直
応力の方向に該結晶軸のいずれかを合わせることで解決
する。
にクローズド冷却などが採用されると翼構造内の温度差
も著しく大きくなると共に、熱応力も大きくなり、強度
の許容値を越えてしまう課題が残されていた。 【解決手段】単結晶の直交する３つの結晶軸をそれぞれ
予め応力解析などで求めた発生応力の最大応力の発生す
る部位の主応力方向に一致させることやコード方向に平
行な断面内の応力で垂直応力が支配的な場合には該垂直
応力の方向に該結晶軸のいずれかを合わせることで解決
する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンの動
静翼の材料の構造、製造方法あるいは製造装置の改良に
係わり、特に単結晶あるいは直交異方性材料を用いる場
合のタービン翼に生じる応力の応力低減に関するもので
ある。
静翼の材料の構造、製造方法あるいは製造装置の改良に
係わり、特に単結晶あるいは直交異方性材料を用いる場
合のタービン翼に生じる応力の応力低減に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンの効率は、燃焼器出口温度
もしくはタービン入り口温度の上昇とともに向上する。
しかしながら現状のガスタービンの燃焼器出口温度は１
３００℃から１５００℃に向かっており、すでに高温の
燃焼ガスに曝されるタービン翼表面温度は使用される耐
熱合金の限界温度を超えているため、圧縮機から抽気し
た空気をその内部に供給することによりタービン翼を冷
却し、タービン翼の温度を限界以下にして使用してい
る。
もしくはタービン入り口温度の上昇とともに向上する。
しかしながら現状のガスタービンの燃焼器出口温度は１
３００℃から１５００℃に向かっており、すでに高温の
燃焼ガスに曝されるタービン翼表面温度は使用される耐
熱合金の限界温度を超えているため、圧縮機から抽気し
た空気をその内部に供給することによりタービン翼を冷
却し、タービン翼の温度を限界以下にして使用してい
る。
【０００３】しかしながら、圧縮機から抽気した空気は
直接には仕事に関与しないため、ガスタービン全体の効
率は低下することになる。従ってタービン翼の冷却は圧
縮機からの空気の抽気量を可能な限り少なくできる構造
であることが望まれる。これに対応する従来技術の公知
例としては特開昭60−101202号公報の技術があげられ
る。本公知例においては、翼面内部の表面に乱流促進リ
ブを設けることにより冷却の熱伝達率を向上させ、冷却
効率を改善することにより冷却空気量を低減し、結果と
してガスタービン全体の効率を低下させることなく燃焼
器出口温度の上昇を可能としている。また公知例、特公
平6−102963 号公報ではタービュレンスプロモータやピ
ンフィンを用いて同様の効果を実現している。
直接には仕事に関与しないため、ガスタービン全体の効
率は低下することになる。従ってタービン翼の冷却は圧
縮機からの空気の抽気量を可能な限り少なくできる構造
であることが望まれる。これに対応する従来技術の公知
例としては特開昭60−101202号公報の技術があげられ
る。本公知例においては、翼面内部の表面に乱流促進リ
ブを設けることにより冷却の熱伝達率を向上させ、冷却
効率を改善することにより冷却空気量を低減し、結果と
してガスタービン全体の効率を低下させることなく燃焼
器出口温度の上昇を可能としている。また公知例、特公
平6−102963 号公報ではタービュレンスプロモータやピ
ンフィンを用いて同様の効果を実現している。
【０００４】しかしながら、上記公知例の従来技術では
冷却効率の改善により、タービン翼の温度を耐熱合金の
限界温度以下に設計できても、強度信頼性上の課題が残
されていた。タービン翼の翼面部は外表面より燃焼ガス
の熱流束により温度が上昇するが、隔壁部は翼面部外表
面からの燃焼ガスからの熱伝導よりも隔壁表面からの冷
却の熱伝達の効果が大きく翼面部ほど温度は上昇しな
い。このため翼面部と隔壁ではガスタービンのスパン方
向への熱膨張に差が生じ、結果として平均的には翼面部
には圧縮熱応力、隔壁部には引張熱応力が発生する。
冷却効率の改善により、タービン翼の温度を耐熱合金の
限界温度以下に設計できても、強度信頼性上の課題が残
されていた。タービン翼の翼面部は外表面より燃焼ガス
の熱流束により温度が上昇するが、隔壁部は翼面部外表
面からの燃焼ガスからの熱伝導よりも隔壁表面からの冷
却の熱伝達の効果が大きく翼面部ほど温度は上昇しな
い。このため翼面部と隔壁ではガスタービンのスパン方
向への熱膨張に差が生じ、結果として平均的には翼面部
には圧縮熱応力、隔壁部には引張熱応力が発生する。
【０００５】またタービン翼全体の温度分布の不均一は
局所的な熱応力も発生させ、強度上の許容値を超えてし
まう。これらの課題を解決するために従来技術では熱応
力の大きい前段部の静翼，動翼には、強度上の許容値の
大きな単結晶あるいは一方向凝固の耐熱合金がしばしば
用いられている。しかし、一方向凝固材では一方向のみ
強度が強く、他の方向は通常合金と同じである。
局所的な熱応力も発生させ、強度上の許容値を超えてし
まう。これらの課題を解決するために従来技術では熱応
力の大きい前段部の静翼，動翼には、強度上の許容値の
大きな単結晶あるいは一方向凝固の耐熱合金がしばしば
用いられている。しかし、一方向凝固材では一方向のみ
強度が強く、他の方向は通常合金と同じである。
【０００６】また、単結晶材は結晶方向によって強度が
異なっている。そのため、従来技術では最も大きな熱応
力が発生しやすいスパン方向に、剛性が低く応力が発生
しにくくかつ強度が一番高い、結晶軸の方向を一致させ
ている。
異なっている。そのため、従来技術では最も大きな熱応
力が発生しやすいスパン方向に、剛性が低く応力が発生
しにくくかつ強度が一番高い、結晶軸の方向を一致させ
ている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術では以下のような課題が残されていた。ガスタービン
の温度が上昇し、効率向上のためにクローズド冷却など
が採用されると翼構造内の温度差も著しく大きくなる。
熱応力もスパン方向のみならずコード方向に平行な断面
内に発生する熱応力も大きくなり、強度の許容値を越え
てしまう課題が残されていた。
術では以下のような課題が残されていた。ガスタービン
の温度が上昇し、効率向上のためにクローズド冷却など
が採用されると翼構造内の温度差も著しく大きくなる。
熱応力もスパン方向のみならずコード方向に平行な断面
内に発生する熱応力も大きくなり、強度の許容値を越え
てしまう課題が残されていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題は、単結晶の直
交する３つの結晶軸をそれぞれ予め応力解析などで求め
た発生応力の最大応力の発生する部位の主応力方向に一
致させることやコード方向に平行な断面内の応力で垂直
応力が支配的な場合には該垂直応力の方向に該結晶軸の
いずれかを合わせること、あるいはせん断応力が支配的
な場合はせん断応力の方向から４５°あるいは−４５°
回転した方向に該結晶軸のいずれかを一致させることで
解決する。
交する３つの結晶軸をそれぞれ予め応力解析などで求め
た発生応力の最大応力の発生する部位の主応力方向に一
致させることやコード方向に平行な断面内の応力で垂直
応力が支配的な場合には該垂直応力の方向に該結晶軸の
いずれかを合わせること、あるいはせん断応力が支配的
な場合はせん断応力の方向から４５°あるいは−４５°
回転した方向に該結晶軸のいずれかを一致させることで
解決する。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施例について図
面を用いて説明する。
面を用いて説明する。
【００１０】図１にタービン形状と結晶軸の関係を示
す。一般に単結晶耐熱合金は立方晶系となるので、直交
する３つの結晶軸を持つ。３つの結晶軸の方向はベクト
ル＜１００＞，＜０１０＞，＜００１＞で表わされる
が、それぞれは対称であり相互に交換可能である。従来
技術では、スパン方向の軸ｚと結晶軸の１軸は一致させ
るが、他の２軸と翼形状１との関係は任意であった。
す。一般に単結晶耐熱合金は立方晶系となるので、直交
する３つの結晶軸を持つ。３つの結晶軸の方向はベクト
ル＜１００＞，＜０１０＞，＜００１＞で表わされる
が、それぞれは対称であり相互に交換可能である。従来
技術では、スパン方向の軸ｚと結晶軸の１軸は一致させ
るが、他の２軸と翼形状１との関係は任意であった。
【００１１】本実施例ではｚ軸方向を＜００１＞と一致
させている。他の２軸はコード方向と平行になる。２軸
とコード方向翼断面２との関係は２軸が交換可能である
から、位相的には８本の対称軸を持つ。初期の位相関係
を０°とすると０°から45°の位相関係ですべての位相
関係が表現される。図１には結晶軸とコード方向翼断面
２との位相関係を０°，１５°，３０°，４５°の場合
について図示している。翼部のスパン方向に１／２の位
置でコード方向に平行な断面をＭＥＡＮ断面と呼ぶ。
させている。他の２軸はコード方向と平行になる。２軸
とコード方向翼断面２との関係は２軸が交換可能である
から、位相的には８本の対称軸を持つ。初期の位相関係
を０°とすると０°から45°の位相関係ですべての位相
関係が表現される。図１には結晶軸とコード方向翼断面
２との位相関係を０°，１５°，３０°，４５°の場合
について図示している。翼部のスパン方向に１／２の位
置でコード方向に平行な断面をＭＥＡＮ断面と呼ぶ。
【００１２】図２はタービン動翼のＭＥＡＮ断面の熱伝
導解析と応力解析結果の一例である。材料は直交異方性
材料としている。図３では図２の○でかこんだ要素（最
大応力発生部３）の断面内主応力ｐ１，ｐ２の方向を一
点鎖線の矢印で示す。コード方向に平行な２つの結晶軸
を実線で表わす。結晶軸と断面内主応力ｐ１の方向との
なす角をθとする。θを０°から４５°まで変化させ
て、その時の最大応力発生部３のミーゼス相当応力の変
化を求めた。
導解析と応力解析結果の一例である。材料は直交異方性
材料としている。図３では図２の○でかこんだ要素（最
大応力発生部３）の断面内主応力ｐ１，ｐ２の方向を一
点鎖線の矢印で示す。コード方向に平行な２つの結晶軸
を実線で表わす。結晶軸と断面内主応力ｐ１の方向との
なす角をθとする。θを０°から４５°まで変化させ
て、その時の最大応力発生部３のミーゼス相当応力の変
化を求めた。
【００１３】図４にθとミーゼスの相当応力との関係を
示す。ただし、ミーゼスの相当応力はθ＝０°の時のミ
ーゼスの相当応力σ０で正規化している。図４より応力
はθ＝５°を越えると急激に大きくなり、４５°では約
１.３５ 倍になる。以上より、応力を最小にするには３
つの結晶軸を主応力の方向に±５°以内で一致させれば
よい。
示す。ただし、ミーゼスの相当応力はθ＝０°の時のミ
ーゼスの相当応力σ０で正規化している。図４より応力
はθ＝５°を越えると急激に大きくなり、４５°では約
１.３５ 倍になる。以上より、応力を最小にするには３
つの結晶軸を主応力の方向に±５°以内で一致させれば
よい。
【００１４】あるいは、発生する応力のコード方向成分
の最大応力が発生する部位において、せん断応力が支配
的な場合は当該せん断応力の方向から断面に平行に４５
°あるいは−４５°回転した方向を３つの直交する結晶
軸のいずれかに最大±５°以内で一致させればよい。
の最大応力が発生する部位において、せん断応力が支配
的な場合は当該せん断応力の方向から断面に平行に４５
°あるいは−４５°回転した方向を３つの直交する結晶
軸のいずれかに最大±５°以内で一致させればよい。
【００１５】あるいは、発生する応力のコード方向成分
の最大応力が発生する部位において、当該垂直応力の方
向を直交する３つの結晶軸方のいずれかに最大±５°以
内で一致させればよい。
の最大応力が発生する部位において、当該垂直応力の方
向を直交する３つの結晶軸方のいずれかに最大±５°以
内で一致させればよい。
【００１６】請求項２，５，８の実施例を説明する。上
記の手段によって決定された結晶軸と翼断面形状の位相
に従って種結晶の方向を決定し、成長させることにより
上記条件をみたすタービン翼を製造することが可能とな
る。
記の手段によって決定された結晶軸と翼断面形状の位相
に従って種結晶の方向を決定し、成長させることにより
上記条件をみたすタービン翼を製造することが可能とな
る。
【００１７】また、請求項３，６，９は、上記種結晶の
方向を制御する手段を持つタービン翼製造装置である。
方向を制御する手段を持つタービン翼製造装置である。
【００１８】
【発明の効果】本発明によれば、スパン方向の応力のみ
ならず、コード方向の平行な断面内に発生する熱応力も
低減させ、かつ材料の許容値を挙げることが可能とな
る。
ならず、コード方向の平行な断面内に発生する熱応力も
低減させ、かつ材料の許容値を挙げることが可能とな
る。
【図１】本発明の実施例である翼形状と結晶方位との関
係を示す図。
係を示す図。
【図２】熱伝導解析と応力解析例との関係を示す図。
【図３】主応力の方向と結晶軸のなす角を示す特性図。
【図４】結晶軸と主応力がなす角θとミーゼス相当応力
を示す図。
を示す図。
１…翼形状、２…コード方向翼断面、３…最大応力発生
部。
部。
Claims (1)
- 【請求項１】単結晶あるいは直交異方性材料を用いて作
製されたタービン翼において、最大応力の発生する部位
における３つ主応力の方向それぞれに３つの直交する結
晶軸を最大±５°以内で一致させることを特徴とするタ
ービン翼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18795897A JPH1136805A (ja) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | タービン翼 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18795897A JPH1136805A (ja) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | タービン翼 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1136805A true JPH1136805A (ja) | 1999-02-09 |
Family
ID=16215150
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18795897A Pending JPH1136805A (ja) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | タービン翼 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1136805A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1217170A2 (en) * | 2000-12-14 | 2002-06-26 | General Electric Company | Method to tune the natural frequency of turbine blades by using the orientation of the secondary axes |
| EP1584871A2 (en) * | 2004-04-08 | 2005-10-12 | United Technologies Corporation | Single crystal articles having controlled crystallographic orientation |
-
1997
- 1997-07-14 JP JP18795897A patent/JPH1136805A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1217170A2 (en) * | 2000-12-14 | 2002-06-26 | General Electric Company | Method to tune the natural frequency of turbine blades by using the orientation of the secondary axes |
| EP1217170A3 (en) * | 2000-12-14 | 2003-10-15 | General Electric Company | Method to tune the natural frequency of turbine blades by using the orientation of the secondary axes |
| EP1584871A2 (en) * | 2004-04-08 | 2005-10-12 | United Technologies Corporation | Single crystal articles having controlled crystallographic orientation |
| EP1584871A3 (en) * | 2004-04-08 | 2008-11-19 | United Technologies Corporation | Single crystal articles having controlled crystallographic orientation |
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