JPS61142301A - タービンロータおよびその製造方法 - Google Patents

タービンロータおよびその製造方法

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JPS61142301A
JPS61142301A JP60276178A JP27617885A JPS61142301A JP S61142301 A JPS61142301 A JP S61142301A JP 60276178 A JP60276178 A JP 60276178A JP 27617885 A JP27617885 A JP 27617885A JP S61142301 A JPS61142301 A JP S61142301A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はタービンロータおよびその製造方法に関する。
本発明はガスタービンエンジン等のタービンにおいて、
耐割れ強度、引つ張り強度が高いタービンロータとして
有効に利用される。
（従来の技術） ガスタービンエンジンに用いられる半径流型のタービン
ロータは極めて高い温度環境、厳しい温度変化に曝され
、且強度の遠心力を受ける。特にブレードリングは熱ガ
ス流の中心部に位置していて、この影響を直接受けるこ
とＫなシ、ブレードリングの導入先端部が西温に曝され
る結果亀裂が入り易くなシ、導入先端部の破砕して周囲
部材に当たると、終局的にはタービンが破壊されるとと
Ｋなる。またハブは放射方向に作用する極めて高い張力
を受け、且低サイクル疲労（タービンロータが低速度で
回転する１９Ｗ該ロータに加わる力によって生ずる金属
疲労）を受けて損傷を来たす。
この場合ブレードリングとハブとに充分な強度を持たせ
るため、二１に合金構造が取られる。即ちハブが高い引
つ張り強度と高い耐低サイクル疲労性を有する超合金材
により作成され、一方タービンプレート（エア・ブレー
ド）とリム部を含むブレードリングが超高温において高
い耐亀裂性を示す超合金で作成される。
この二重合金構造は高性能のタービンロータにおいて採
用されることになるが、これはブレードリングとして最
適の特性を有する材料は、ノ・ブに用いる場合充分に高
い引つ張り強度、耐低サイクル疲労強度を備えていない
ことに因る。
米国特許第４，３３５，９９７号には金属粉末により予
め円筒状の鼻部と外方に膨出した円錐状のスカート部を
有するハブが作成された上、ブレードリングが固定され
る二種合金製の半径流型タービンロータが開示されてい
る。このタービンロータのハブの外周面は熱間均衡プレ
ス法によって鋳造されたブレードリングに接合される。
またブレードリングの傾斜はブレードリングとハブとが
最適に緊着されるよう忙設計されている。
（発明が解決しようとする問題点） 通常の、従来のタービンロータの構成では、ブレードリ
ングのリム部に形成した鞍状部にクラックが発生する危
惧があった。即ち通常ブレードリンクには亀裂が伝播さ
れ易い材料で形成され、特にブレードリングにおけるリ
ム部局部に位置する鞍状部において充分に金属疲労に対
抗し得なかった。
一方上記米国特許第４，３３５，９９７号のタービンロ
ータには冷却路が具備されていて、冷却路の無い従来構
成に比ベリム部周部の温度は低下するから、亀裂の伝播
が抑止されるものの、この冷却路構成を採ることにより
相当に製造コストが高くなる問題があシ、従って冷却路
構成を具備しない反面、鞍状部における金属疲労あるい
はクラックの発生を抑止し得るタービンロータが望まれ
ていた。
しかして本発明の目的はタービンロータの鞍状部、特に
ブレードリングの円錐部周面における金属疲労あるいは
クラックの発生を来たさない、低コストの二種合金でな
る半径流型のタービンロータを提供することＫある。
また本発明の他の目的は冷却路を有さす、ブレードリン
グの導入先端部が約２０００’？　（約１０９３’Ｇ）
までのクラックの発生に抗力を持つ低コストの二種合金
でなる半径流型のタービンロータを提供することにある
。
（問題点を解決するための手段） 本発明によればこの目的は、耐亀裂性の高い第１の超合
金材でなるブレードリングと引つ張り強度が高く、且耐
低サイクル疲労性の高い第２の超合金材でなるハブを備
えた半径流型のタービンロータにおいて、ブレードリン
グが円筒状の鼻部と円錐状の後部と放射状外側に突出し
、且鞍状部によって互いに分離された複数の薄手のブレ
ードを有すると共に内側にハブ受は面を有したリム部を
備え、ハブはブレードリングのリム部の鼻部並びに円錐
部の内面に合致されて接合された円筒状の鼻部と円錐状
の後部を有し、且ブレードリングのリム部の円錐部の一
部が（最終仕上げにより）先細にされて鞍状部において
ハブの一部が露呈されるように設けることにより達成さ
れる。
（作用） 上述の構成によればタービンロータはハブの円錐部局部
に対し直径が大な鞍状部を具備すると共に、熱間均衡プ
レス法によりハプをブレードリングのリム部の内面に接
合した後、鞍状部においてブレードリングのリム部の一
部を除去しハブの一部が露呈せしめるから、ハブ材がブ
レードリング材よシ高い引つ張り強度並びに高い耐低サ
イクル疲労性を有していて、鞍状部を介し金属疲労ある
いはクラックの発生を抑止し得る作用を得れる。
（実施例） 第１図〜第５図を参照するに、本発明↓：よるタービン
ロータの半径流型（半径方向に作動流体を流動させる型
式）のタービンホイール１には２つの主要部材、即ちハ
ブ２と鋳込み成形されたブレードリンク３とが包有され
ており、ハブ２はブレードリング３内に収容され且ノ１
ブ２の局面がブレードリング３の内面１８に接合される
。ノ１プ２は円筒状の鼻部２Ａとほぼ截頭円錐状の後部
２Ｂとを有していて、ブレードリング３内に網状可能に
設けられ、内面１８に緊密に接合される。また／％ブ２
の鼻部側の端面には円筒状の凹所１１が設けられており
、この凹所１１はハブ２への圧力の緩和と重量軽減作用
を果たす。
ブレードリング３はリム部８を備えており、リム部８の
滑らかな内面１８がハブ２の鼻部２Ａ並びに後部２Ｂの
外面と緊密に接合され、且リム部８の外面には複数のタ
ービンプレート５が放射方向に延設されている。各ター
ビンプレート５はリム部８の大径部に隣接する最外の導
入先端部６とリム部８の最大径部より短径の領域から外
側に延びた導出部７を具備する。またタービンプレート
５にはプレードリンク３のリム部８の最大径部側に隣接
して延びる鞍状部４が連接され、タービンプレート５は
この鞍状部４によって相互に離間される。
上記ハブ２は作動時に高い遠心力を受け、且相当に高温
になるため高い引っ張９強度並びに耐低サイクル疲労強
度を具備させる必要があるが、多くの場合、強力なアス
トロイ（ＡｓｔｒＯ１ｏ７　）金属粉末材により作成し
て、超過速度による破砕を来たす限界点を引き上げ、同
時に耐低サイクル疲労限度を大にせしめることが好まし
い。鉄粉材によってハブ２を形成するときは米国ペンシ
ルバニア州の法人ユニバーサルサイクロープスペシャリ
テイ　スチールディビジョン（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｃ
！ｙｃｌｏｐｓＳｐｅｃｉａｌｔｙ　５ｔｅｅｌ　Ｄｉ
ｖｉｓｉｏｎ　）社製のものを用い、大気圧下で固化工
程を実行して完成品の形態に予め固化しておくことが望
ましい。
ハブ２の円錐部の傾斜即ちリム部８とハブ２との当接面
上のブレードリング３の内面１８がなす傾斜は、鞍状部
４を介在させてハブ２の引っ張り強度が高くなるような
最適の位置に固定され得るように設定される。ハブ２の
鼻部２Ａ並びに後部２Ｂの外面とブレードリング３の内
面１８とは約４ＯＲＭＳ（自乗値の平均平方根）の平滑
度に仕上げる。
上記の強力なアストロイ金属粉末材は米国法人スペシャ
ルメタルコーポレーション（ＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌ
ｓ　Ｃ！ｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　）等において製造され
ているようなニッケルをベースとした超合金材であり、
上記へプ２の作成に当って有用である。またハブ２の材
料としては商標名ＲＩＩＪＫ　９５、ＵＤ工ＭＥＴ７２
０等の他の耐熱性に富んだ平円盤状材も使用でき且将米
新規に開発される材料も使用できよう。
更にニッケル超合金以外の超合金も一定の条件下で使用
可能である。へプ２の鼻部２Ａ並びに後部２Ｂの外面と
ブレードリング３の内面１８とを４ＯＲＭＳ即ち紙表面
程度に平滑に仕上げることにより、接着剤を塗布して周
知の熱間均衡プレス法によりハブ２をブレードリング３
に緊密に固着し得る。尚第１図において点線１０は符号
８Ａで示したリム部８の一部を除去した状態において鞍
状部４の内側に現れるハブ２の輪郭を表わしている。
また同図において細かにハツチングを施した領域２２は
ハブ２の後部２Ｂが鞍状部４の内側に現われる状態を表
わしている。
またハブ２並びにブレードリンク３に対しては熱間均衡
プレス法を施す前に、周知の方法により合金溶着ビード
部をなすような密封リング（図示せず）あるいは溝（図
示せず）を具備させ、ハブ２とブレードリング３の内面
１８との接合面の終端部２０を密封せしめる。熱間均衡
プレス法によりハブ２とブレードリング３とを接合する
ことによって、接合面全体に亘り金属拡散結合を実現で
きる。一方路端部２０の密封工程並びに熱間均衡プレス
工程前に周知の清浄工程が行なわれる。尚熱間均衡プレ
ス法並びにブレードリング３の内面１８の終端部２０の
密封構成自体は当業者に周知であるから格別説明を要し
ないであろう。
本発明の一特徴によれば材料の特質を最大限引き出すよ
うに、プレードリンク３並びにハブ２に対し熱間均衡プ
レス工程を行なった後、鞍状部４近傍のリム部８の一部
を切除することにより、リム部８を符号２１に示す如く
先細にせしめる。この場合リム部８の一部８Ａを除去し
、且符号２２で示した部分も除去した後、露呈するハブ
２の部分が鞍状部４面と対向することになる。また導入
先端部６の半径方向内側はハブ２と同様（二耐低サイク
ル疲労が高く、高引っ張り強度を有するようなアストロ
イ金属粉末材によって形成する。
鞍状部４は最終的に、特に第２図に符号２５で示すよう
な彎曲した輪郭を持つように形成される。
また第２図並びに第５図に符号１４で示す如く、タービ
ンプレート５の一部が除去される。このとき鞍状部４近
傍において符号２２Ａで示すようにハブ２が露出される
。また第２図に示す線２５の上部は第１図に示す点線１
０と合致する。尚第５図に示す符号４は鞍状部４の一部
を線４Ｃで示す位置まで除去する領域を示しており、乱
点線８Ａはこの領域を除去する前のリム部８の輪郭を示
している。
従って第５因から明らかなように鞍状部４は切除されて
符号４Ａに示す如く形成されることになる。第５図にお
いても第２図と同様に符号２２Ａでハブ２の算出領域を
示しである。また同図において点線２１Ａは粉末材でな
るハブ２の露出部２２Ａとブレードリング３との境界部
を示している。且同図における点２１は第１図および第
２図における点２１と同一の位置を示している。
第１図の符号８Ａで示す領域はリム部８を作成した当初
ハブ２の後部２Ｂ周部に隣接するリム部８の延長部であ
り、上述の除去工程によりリム部８から除去され、これ
により金属粉末でなるハブ２が鞍状部４内において露呈
される。
一方金属粉末でなるハブ２の後部２Ｂを露呈させ得るブ
レードリング３を簡単には作成できない。
実際上単にリム部８の一部を除去しただけではブレード
リング３とハブ２との第５図に示す線２１Ａに沿う金属
拡散接合を達成し得ない。従って本発明の一特徴によれ
ば、タービンプレート５がタービンリング３の鋳造時に
成形される。またタービンプレート５の導入先端部６は
長手の粒子が半径方向に向くように形成することが好ま
しく、当該導入先端部６は約２ｏｏｏ’ｙ　（約１０９
３°Ｃ）までの耐熱性を有することになる。また符号２
３で示すタービンプレート５の中間部はタービンリング
３を鋳造するＭＡＲ−Ｍ　２４７超合金材で形成される
ことが好ましい。また各タービンプレート５の導出部７
は細粒の超合金材で形成されており、細粒の超合金物質
としては熱疲労の少なく、且耐サイクル疲労強度の高い
ものが選択され、タービンの作動中に振動により生ずる
圧力に高耐性を示し得る。
更に中間部２３はタービンプレート５の導入先端部６並
びに導出部７間に位置し、高温且高圧に曝される導入先
端部６に仮にクラック等が生じてもリム部８に達するこ
とを防ぐ。即ち導入先端部６を、粒子が一方向に向いた
材料で形成することにより、２０００’Ｆ　（約１０９
３＠（！　）までの温度並びにクラックに対し高い耐性
を示す。ハブ２に沿って延びる中間部２３を細粒の超合
金材で形成することにより、鞍状部４内に露呈するアス
トロイ金属粉末材と良好に接合して、鞍状部４に高熱疲
労耐力を与え、且クランクの発生を有効に防止する。
一方プレードリンク３を細粒の超合金で作成することに
よし、所定の耐熱疲労特性並びに高い耐低サイクル疲労
強度を有する。この場合ブレードリンク３の細粒度は全
体に亘って均一に作成する。
当該材料には米国インディアナ州の法人ホウメットター
ビン（Ｈｏｗｍｅｔ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　）社の商標名Ｇ
ＲＡ−工ＮＥＸを用いることができる。
熱間均衡プレスエ＆（通常熱間均衡プレス工程は好適な
熱間均衡プレス機内において１９７５〜２３００”Ｆ’
　（約１０７９〜１２６０’ｃ　）のアルゴン雰囲気中
で１５．０００〜２０，０００　ｐθ１の圧力を１時間
へ３時間加え、ハブ２とブレードリング３間を金属拡散
結合せしめるように実行する）の後、種々の加熱処理を
行なうことによりブレードリンク３とハブ２の物理的特
性を最大にし得る。例えばタービンロータを真空又はア
ルゴン雰囲気中で２〜４時間１９００〜２３００’Ｆ　
（約１０７９〜１２６０’Ｃ：　）まで加熱し、次にガ
スの導入によって毎分１００°Ｆ（約３８°Ｃ）以上の
低下速度で約１８０°Ｆ（約８２°Ｃ）まで急冷して焼
入れし、更に毎分７５°Ｆ（約２９°Ｃ）以上の速度で
１２００’Ｆ（約６４９°Ｃ）まで急冷する。次にター
ビンロータを１５００〜１７００°Ｆ（約８１６〜９２
７°Ｃ）の大気あるいは空気とアルゴンとの混合気中に
６〜８時間置装た後冷却して室温まで降温する。
その後再びタービンロータを１６００〜１８００’Ｆ　
（約８７１〜９８２°Ｃ）の大気あるいは空気とアルゴ
ンとの混合気中に２〜４時間置装た後冷却して室温まで
下げる。次いで１０００〜１２００°Ｆ（約５３８〜６
４９°ｃ　）の大気あるいは空気とアルゴンとの混合気
中に２０〜２４時間置いた装冷却して室温まで下げる。
更に最終的に１２００〜１４００’Ｆ　（約６４９〜７
６０°Ｃ）の大気あるいは空気とアルコンとの混合気中
に６〜８時間置装た後冷却して室温まで下げることによ
り熱処理を完了する。当業者においては異種の合金を接
合してなるタービンロータの特性を飯太限になすように
、上述の熱処理以外の各様の熱処理工程を採用できよう
。また第１図のタービンリング３にはホウメットタービ
ン社の商標名ＭＡＲ−Ｍ２４７材を用いて鋳造できる。
尚本発明においては多様の設計変更が可能である。例え
ばグレードリング３はその導入先端部６を単一の結晶構
造を持つように鋳造してもよい。
（発明の効果） 上述の如く構成された本発明によるタービンロータにお
いては極めて高度に安定した運転性を備え、高い引張り
強度並びに耐低サイクル疲労性を有する反面低廉にでき
、特にタービンプレート間に位置する餉域における熱疲
労を確実に抑止できる等々の顕著な効果を達成する。
本発明の実施態様を以下に簡潔に記載する。
１、ブレードリングとへプとを備えるタービンロータに
おいて、ブレードリングが第１の超合金材でなり、実質
的に円筒状の鼻部と円錐状の後部を持つハブ受は面を有
したリム部を備え、且リム部から延び、間に鞍状部を区
画する複数のブレードを有し、ハブは高い引張り強度を
有する第２の超合金材でなり、実質的に円筒状の鼻部と
円錐状の後部を有し、ブレードリングの鼻部と後部内に
収容可能に設けられ、ハブ受は面に接合され、且ハブの
後部の一部が鞍状部において露呈されてなることを特徴
とするタービンロータ。
２．９Ａ部の一部の厚さが、鼻部の局部からハブの露呈
部に沿う位置に向って先細にされてなる上記第１項記載
のタービンロータ。
３、ブレードリングの各ブレードの外側の導入先端部は
放射方向への方向性を持つ材料でなる上記第２項記載の
タービンロータ。
４、第１の超合金材が実質的に２０００°Ｆ（約１０９
３”ｃ　）までの高い耐亀裂性を有し、第２の超合金材
が高い引張り強度と実質的に１４００°Ｆ　（７６０”
Ｃ）まで耐低サイクル疲労性を有する上記第３項記載の
タービンロータ。
１ブレードリングとハブとを備えるタービンロータにお
いて、ブレードリングが実質的に２０００”ｙ　（約１
０９３°Ｃ）までの高い耐亀裂性を有する第１の超合金
材で鋳造物でなり、実質的に円筒状の鼻部と円錐状の後
部を持つ内側のハブ受は面を有するリム部を備え、且リ
ム部から外側に厄び、間に鞍状部を区画する複数の薄手
のブレードを有し、ハブは実質的に１４００°Ｐ　（７
６０°Ｃ）まで高い引張り強度と耐低サイクル疲労性を
有する第２の超合金材で形成され、実質的に円筒状の鼻
部と円錐状の後部を有し、ブレードリングの鼻部と後部
内に収容可能に設けられ、受は面に接合され、且ハブの
後部の一部が鞍状部の中央最上部において露呈され、リ
ム部の一部の厚さが鼻部の周部からハブの露呈部に沿う
位置に向って先細にされてなることを特徴とするタービ
ンロータ。
６、高い耐亀裂性を有する第１の超合金材でなり、鼻部
と円錐状の後部を持つ内側の面を有したリム部を備え、
且リム部から外側に突出し、且鞍状部によって分離され
た複数の薄手の刃部を有するタービンプレートを準備す
る工程と、高い引張り力を有する第２の超合金材でなり
、鼻部と円錐状の後部を有するハブを準備する工程と、
ハブをブレードリング内に収容する工程と、ハブとブレ
ードリングを接着する工程と、鞍状部においてブレード
リングの一部を除去してハブを露呈させる工程とを包有
してなるタービンロータの製造方法。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明によるタービンロータの一実施例におけ
る除去作業前の断面図、第２図は同除去作業後の断面図
、第３図は同組立て前の分解斜視図、第４図は同組立て
後の斜視図、第５図は同部分拡大斜視図である。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）ブレードリングとハブとを備えるタービンロータ
    において、ブレードリングが耐亀裂性を有する第１の超
    合金材でなり、実質的に円筒状の鼻部と円錐状の後部を
    持つ内側のハブ受け面を有したリム部を具備し、且リム
    部から外側に延び、間に鞍状部を区画する複数の薄手の
    ブレードを有し、ハブは高い引つ張り強度と耐低サイク
    ル疲労性を有する第２の超合金材でなり、実質的に円筒
    状の鼻部と円錐状の後部を有し、ブレードリングの鼻部
    と後部内に収容可能に設けられ、ハブ受け面に接合され
    、且ハブの後部の一部が鞍状部において露呈されてなる
    ことを特徴とするタービンロータ。
  2. （２）リム部の一部の厚さが、円筒状の鼻部の周部から
    ハブの露呈部に沿う位置に向つて先細にされてなる特許
    請求の範囲第１項記載のタービンロータ。
  3. （３）複数の薄手のブレードは非冷却構成である特許請
    求の範囲第２項記載のタービンロータ。
  4. （４）ブレードの外側の導入先端部は放射方向への方向
    性を持つ材料でなる特許請求の範囲第２項記載のタービ
    ンロータ。
  5. （５）ブレードの導出部は細粒の材料でなる特許請求の
    範囲第４項記載のタービンロータ。
  6. （６）ブレードは方向性を持つ細粒でなる部分とブレー
    ドリングの基部間に位置する中間部とを有してなる特許
    請求の範囲第５項記載のタービンロータ。
  7. （７）ブレードリング全体が細粒材料でなる特許請求の
    範囲第２項記載のタービンロータ。
  8. （８）ハブが強力なアストロイ金属粉末でなる特許請求
    の範囲第２項記載のタービンロータ。
  9. （９）ブレードがニッケル超合金材で鋳造されてなる特
    許請求の範囲第８項記載のタービンロータ。
  10. （１０）第１の超合金材が実質的に２０００°Ｆ（約１
    ０９３℃までの高い耐亀裂性を有し、第２の超合金材が
    高い引つ張り強度と実質的に１４００°Ｆ（７６０℃）
    まで耐低サイクル疲労性を有する特許請求の範囲第９項
    記載のタービンロータ。
  11. （１１）ハブが鞍状部の中央部において露呈されてなる
    特許請求の範囲第８項記載のタービンロータ。
  12. （１２）所定の温度まで高い耐亀裂性を有する第１の超
    合金材でなるブレードリングを準備し、ブレードリング
    に円筒状の鼻部と円錐状の後部を持つ内側面を有したリ
    ム部を具備させ、且リム部から外側に延び、間に鞍状部
    を区画する複数の薄手のブレードを形成する工程と、所
    定の温度まで高い引つ張り強度と耐低サイクル疲労性を
    有する第２の超合金材でなるハブを準備し、円筒状の鼻
    部と円錐状の後部を具備させる工程と、ハブをブレード
    リング内に収容させ、ハブの円筒状の鼻部と円錐状の後
    部を夫々ブレードリングの円筒状の鼻部と円錐状の後部
    内に着座させる工程と、ハブとブレードリングを熱間均
    衡プレス法により接着する工程と、鞍状部においてリム
    部の一部を除去しハブの一部を露呈させる工程とを包有
    してなるタービンロータの製造方法。
  13. （１３）ハブを準備する工程においてはハブの円錐状の
    後部の外周部に一定量の第２の超合金物質を用い、その
    一部分をハブの一部を露出させるとき除去する領域を形
    成してなる特許請求の範囲第１２項記載の方法。
  14. （１４）ブレードリングを準備する工程においては第１
    の超合金でタービンプレートの刃部の外側部に放射方向
    の方向性を持つ領域を鋳造してなる特許請求の範囲第１
    ３項記載の方法。
  15. （１５）ブレードリングを準備する工程においては第１
    の超合金でタービンプレートの刃部の内側部に細粒領域
    を鋳造し、同時に刃部の外側部と内側部との間の中間領
    域に別の粒子領域を形成してなる特許請求の範囲第１４
    項記載の方法。
  16. （１６）第１の超合金材によりブレードリング全体を細
    粒構造にしてなる特許請求の範囲第１３項記載の方法。
  17. （１７）アストロイ金属粉末を予め固化してハブを形成
    してなる特許請求の範囲第１５項記載の方法。
  18. （１８）第１の所定の温度が実質的に２０００°Ｆ（約
    １０９３℃）であり、第２の所定の温度が実質的に１４
    ００°Ｆ（７６０℃）である特許請求の範囲第１７項記
    載の方法。
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