WO2014126234A1 - タービンノズル及びその製造方法 - Google Patents

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ring portion
brazing material
manufacturing
blade
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博道 平木
善博 川又
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三菱重工業株式会社
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    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/4932—Turbomachine making
    • Y10T29/49325—Shaping integrally bladed rotor

Definitions

  • the present invention relates to a turbine nozzle and a manufacturing method thereof.
  • the present invention particularly relates to a turbine nozzle that is a part of a turbo pump for a rocket engine and a method for manufacturing the same.
  • turbo pumps are used to supply fuel and oxidants (see Patent Document 1).
  • One of the components of the turbo pump is a turbine nozzle.
  • the turbine nozzle is a component that functions to expand and decompress the gas and change the flow direction of the gas so that the gas collides with the turbine blade at an optimum angle.
  • the turbine nozzle has been integrally molded as one component.
  • machining which limits the machining method.
  • electric discharge machining for example, there is a problem that manufacturing cost and manufacturing time increase. Even in the case of casting, the manufacturing time is long, and there is a problem that the cost is high in small-volume production.
  • One object of the present invention is to provide a technique capable of reducing the cost and time required for manufacturing a turbine nozzle.
  • a method for manufacturing a turbine nozzle includes an inner ring part, an outer ring part having a larger diameter than the inner ring part, and a blade sandwiched between the inner ring part and the outer ring part.
  • the manufacturing method includes: (A) a step of forming a first part integrally including one of the inner ring portion and the outer ring portion and a blade; and (B) the other of the inner ring portion and the outer ring portion.
  • Forming the second part (C) combining the first part and the second part such that the outer surface of the inner ring portion and the inner surface of the outer ring portion face each other; A gap is formed between the wing of the one part and the second part, and includes (D) melting and pouring the brazing material into the gap and brazing the wing of the first part and the second part.
  • the manufacturing method may further include a step of inserting a spacer into the gap between the step (C) and the step (D).
  • the brazing material may be installed on the upper surface of the wing at a position adjacent to the gap.
  • the brazing material may include both a wire brazing material and a powder brazing material.
  • the first part is integrally provided with an inner ring portion and a wing.
  • the second component is an outer diameter ring portion.
  • a turbine nozzle in another aspect of the present invention, includes an inner ring part, an outer ring part having a larger diameter than the inner ring part, and a blade sandwiched between the inner ring part and the outer ring part.
  • One of the inner diameter ring portion and the outer diameter ring portion and the wing are integrally formed as a first component.
  • the other of the inner ring portion and the outer ring portion is a second part.
  • the wing of the first part and the second part are brazed.
  • FIG. 1 is a top view schematically showing a configuration of a turbine nozzle.
  • FIG. 2 is a side view schematically showing a cross-sectional structure of a blade of the turbine nozzle.
  • FIG. 3 is a top view conceptually showing the method for manufacturing the turbine nozzle according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a top view for explaining the method for manufacturing the turbine nozzle according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a side view for explaining the method for manufacturing the turbine nozzle according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a top view for explaining the method for manufacturing the turbine nozzle according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a side view for explaining the turbine nozzle manufacturing method according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a side view for explaining the method for manufacturing the turbine nozzle according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a top view conceptually showing the method for manufacturing the turbine nozzle according to the
  • FIG. 1 is a top view schematically showing a configuration of a turbine nozzle 1 according to the present embodiment.
  • the turbine nozzle 1 includes an inner diameter ring portion 10, an outer diameter ring portion 20, and a blade 30.
  • Both the inner diameter ring portion 10 and the outer diameter ring portion 20 are members having a ring shape.
  • the inner ring portion 10 has an inner surface 11 and an outer surface 12.
  • the outer ring portion 20 has an inner surface 21 and an outer surface 22.
  • the diameter of the outer ring part 20 is larger than the diameter of the inner ring part 10. More specifically, the diameter of the inner surface 21 of the outer diameter ring portion 20 is larger than the diameter of the outer surface 12 of the inner diameter ring portion 10. Therefore, the inner diameter ring portion 10 can be disposed in the ring of the outer diameter ring portion 20, and at this time, the outer side surface 12 of the inner diameter ring portion 10 and the inner side surface 21 of the outer diameter ring portion 20 face each other.
  • FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of the blade 30 when viewed from the direction A in FIG.
  • each wing 30 has a cross-sectional wing shape.
  • the plurality of blades 30 are annularly arranged in the space between the inner ring portion 10 and the outer ring portion 20.
  • a gap between adjacent blades 30 is a gas flow path.
  • the first part PA and the second part PB are molded separately.
  • the first part PA is a part that integrally includes the inner diameter ring portion 10 and the blade 30.
  • the second component PB is the outer diameter ring portion 20.
  • the first part PA is arranged in the ring of the second part PB (outer diameter ring portion 20). That is, the first component PA and the second component PB are combined so that the outer side surface 12 of the inner diameter ring portion 10 and the inner side surface 21 of the outer diameter ring portion 20 face each other. Then, the blade 30 of the first part PA and the second part PB are joined by “brazing”. Thereby, the turbine nozzle 1 is completed.
  • the turbine nozzle 1 produced in this way has a brazing part 40 (joint part by brazing material) between the blade 30 and the second part PB.
  • FIG. 4 and 5 are a top view and a side view, respectively, for explaining the “brazing” in more detail.
  • the first part PA is arranged in the ring of the second part PB (outer diameter ring part 20), as shown in FIG. 4, the inner surface of the blade 30 and the second part PB (outer diameter ring part 20).
  • a slight gap 50 is formed between the two.
  • the sizes and shapes of the first part PA and the second part PB are designed so that a slight gap 50 is formed.
  • the gap is preferably constant, but is not limited thereto.
  • the brazing material 60 is an alloy having a lower melting point than the first part PA and the second part PB, which are the base materials.
  • a nickel-based brazing material 60 is used.
  • Such a brazing material 60 is installed in or near the gap 50.
  • the brazing material 60 is placed on the upper surface of the wing 30 at a position adjacent to the gap 50 as shown in FIGS. 4 and 5. After the brazing material 60 is installed, heating is performed. By this heating, the brazing material 60 is melted and flows into the gap 50. In this way, the blade 30 of the first part PA and the second part PB are brazed.
  • the turbine nozzle 1 is created by brazing the first part PA and the second part PB.
  • the gas flow path is also narrowed.
  • the turbine nozzle 1 is integrally molded as a single part, such a narrow gas flow path can be precisely created by machining. Have difficulty.
  • the first part PA and the second part PB can be easily created by machining. Therefore, it is possible to reduce the cost and time required for manufacturing the turbine nozzle 1 as compared with the case of electric discharge machining or casting.
  • [Second Embodiment] 6 and 7 are a top view and a side view, respectively, for explaining brazing in the second embodiment.
  • the spacer 70 is inserted into the gap 50. After the spacer 70 is inserted into the gap 50, the brazing material 60 is melted and poured into the gap 50 as in the case of the first embodiment.
  • the spacer 70 is exemplified by nickel foil. Such a spacer 70 is sandwiched between the outer side surface of the blade 30 and the inner side surface 21 of the outer diameter ring portion 20.
  • the installation position of the spacer 70 is arbitrary as long as the occurrence of misalignment is prevented, but it is preferable that the spacer 70 be disposed uniformly over the entire circumference of the gap 50.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained.
  • the “center misalignment” is prevented from occurring between the first part PA and the second part PB.
  • FIG. 8 is a schematic view for explaining the brazing material 60 in the third embodiment.
  • the brazing material 60 includes a powder brazing material 62 in addition to the wire brazing material 61.
  • the powder brazing material 62 has a property that it is easier to melt than the wire brazing material 61. And if the powder brazing material 62 melts, it will become invitation water and the wire brazing material 61 will also begin to melt. That is, when the powder brazing material 62 is used, the wire brazing material 61 is more easily melted than when the powder brazing material 62 is not provided.
  • the powder brazing material 62 is provided at the end of the brazing material 60, for example.
  • powder brazing material 62 is applied to both ends of wire brazing material 61. Thereby, the brazing material 60 becomes easy to melt as a whole.
  • the first part PA and the second part PB are molded separately.
  • the first part PA is a part that integrally includes the outer diameter ring portion 20 and the blade 30.
  • the second component PB is the inner diameter ring portion 10.
  • the second part PB (inner diameter ring portion 10) is arranged in the ring of the first part PA. That is, the first component PA and the second component PB are combined so that the outer side surface 12 of the inner diameter ring portion 10 and the inner side surface 21 of the outer diameter ring portion 20 face each other. Then, the blade 30 of the first part PA and the second part PB are joined by “brazing”.
  • the brazing method is the same as in the above-described embodiment.
  • the turbine nozzle 1 produced in this way has a brazing part 40 (joint part by brazing material) between the blade 30 and the second part PB.
  • JP2013-029430 This application claims convention priority based on the Japanese patent application number (JP2013-029430). The disclosure of which is incorporated herein by reference.

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Abstract

　タービンノズルの製造方法は、（Ａ）内径リング部と外径リング部のうち一方と翼とを一体的に備える第１部品を成形するステップと、（Ｂ）内径リング部と外径リング部のうち他方を第２部品として成形するステップと、（Ｃ）内径リング部の外側面と外径リング部の内側面とが対向するように、第１部品と第２部品とを組み合わせるステップと、ここで、第１部品の翼と第２部品との間には隙間が形成され、（Ｄ）ろう材を溶かして隙間に流し込み、第１部品の翼と第２部品とをろう付けするステップとを含む。

Description

タービンノズル及びその製造方法
　本発明は、タービンノズル及びその製造方法に関する。本発明は、特に、ロケットエンジン用ターボポンプの部品であるタービンノズル及びその製造方法に関する。
　ロケットエンジンでは、燃料や酸化剤の供給にターボポンプが用いられる（特許文献１参照）。そのターボポンプの部品の１つとして、タービンノズル（ｔｕｒｂｉｎｅ　ｎｏｚｚｌｅ）がある。タービンノズルは、ガスを膨張・減圧させるとともに、ガスがタービンブレードに対して最適な角度で衝突するようにガスの流れ方向を変える働きをする部品である。
特開２００９－２２２０１０号公報
　従来、タービンノズルは、一部品として一体的に成形加工されていた。ここで、より小型なタービンノズルが要求されるようになると、狭小な流路を機械加工で作成することが難しくなるため、加工方法が制限されることになる。しかしながら、例えば放電加工の場合は、製造コスト及び製造時間が増大するという問題がある。鋳造の場合も、製造時間は長く、また、少量生産ではコストが割高になるという問題がある。
　本発明の１つの目的は、タービンノズルの製造にかかるコスト及び時間を低減することができる技術を提供することにある。
　本発明の１つの観点において、タービンノズルの製造方法が提供される。タービンノズルは、内径リング部と、内径リング部より径の大きい外径リング部と、内径リング部と外径リング部との間に挟まれた翼とを備える。製造方法は、（Ａ）内径リング部と外径リング部のうち一方と翼とを一体的に備える第１部品を成形するステップと、（Ｂ）内径リング部と外径リング部のうち他方を第２部品として成形するステップと、（Ｃ）内径リング部の外側面と外径リング部の内側面とが対向するように、第１部品と第２部品とを組み合わせるステップと、ここで、第１部品の翼と第２部品との間には隙間が形成され、（Ｄ）ろう材を溶かして隙間に流し込み、第１部品の翼と第２部品とをろう付けするステップとを含む。
　製造方法は、上記（Ｃ）ステップと（Ｄ）ステップとの間に、隙間にスペーサを挿入するステップを更に含んでもよい。
　ろう材は、隙間に隣接する位置の翼の上面上に設置されてもよい。
　ろう材は、ワイヤろう材と粉末ろう材の両方を含んでいてもよい。
　好適には、第１部品は、内径リング部と翼とを一体的に備える。一方、第２部品は、外径リング部である。
　本発明の他の観点において、タービンノズルが提供される。そのタービンノズルは、内径リング部と、内径リング部より径の大きい外径リング部と、内径リング部と外径リング部との間に挟まれた翼と、を備える。内径リング部と外径リング部のうち一方と翼とは、第１部品として一体的に形成されている。内径リング部と外径リング部のうち他方は、第２部品である。第１部品の翼と第２部品とは、ろう付けされている。
　本発明によれば、タービンノズルの製造にかかるコスト及び時間を低減することが可能となる。
図１は、タービンノズルの構成を概略的に示す上面図である。 図２は、タービンノズルの翼の断面構造を概略的に示す側面図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を概念的に示す上面図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための上面図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための側面図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための上面図である。 図７は、本発明の第２の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための側面図である。 図８は、本発明の第３の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明するための側面図である。 図９は、本発明の第４の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を概念的に示す上面図である。
　添付図面を参照して、本発明の実施の形態によるタービンノズルを説明する。
［第１の実施の形態］
　図１は、本実施の形態に係るタービンノズル１の構成を概略的に示す上面図である。タービンノズル１は、内径リング部１０、外径リング部２０、及び翼３０を備えている。
　内径リング部１０及び外径リング部２０は共に、リング形状を有する部材である。内径リング部１０は、内側面１１と外側面１２を有している。外径リング部２０は、内側面２１と外側面２２を有している。外径リング部２０の径は、内径リング部１０の径よりも大きい。より詳細には、外径リング部２０の内側面２１の径は、内径リング部１０の外側面１２の径よりも大きい。よって、外径リング部２０のリング内に内径リング部１０を配置可能であり、そのとき、内径リング部１０の外側面１２と外径リング部２０の内側面２１とが対向する。
　翼３０は、内径リング部１０と外径リング部２０との間に挟まれている。図２は、図１中の方向Ａから見た際の翼３０の断面構造を概略的に示している。図２に示されるように、各々の翼３０は、断面翼形状を有している。そして、図１に示されるように、複数の翼３０が、内径リング部１０と外径リング部２０との間の空間に環状に配置されている。隣り合う翼３０間の隙間がガス流路である。
　より小型なタービンノズルが要求されるようになると、このガス流路も狭小となる。タービンノズルを一部品として一体的に成形加工する場合、そのような狭小なガス流路を機械加工で精密に作成することは困難である。そこで、本実施の形態では、図３に示されるような新たな製造方法が提案される。
　まず、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢが別々に成形される。第１部品ＰＡは、内径リング部１０と翼３０とを一体的に備える部品である。一方、第２部品ＰＢは、外径リング部２０である。第１部品ＰＡを成形する際は、ガス流路を形成するために複雑な形状の貫通孔を開ける必要はなく、外部に露出している面を加工して翼３０を形成すればよい。すなわち、第１部品ＰＡの成形に機械加工を適用することが可能である。
　続いて、第２部品ＰＢ（外径リング部２０）のリング内に、第１部品ＰＡが配置される。つまり、内径リング部１０の外側面１２と外径リング部２０の内側面２１とが対向するように、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢとが組み合わされる。そして、第１部品ＰＡの翼３０と第２部品ＰＢとが「ろう付け」により接合される。これにより、タービンノズル１が完成する。このようにして作成されたタービンノズル１は、翼３０と第２部品ＰＢとの間にろう付け部４０（ろう材による接合部）を有することになる。
　図４及び図５は、それぞれ、上記の「ろう付け」についてより詳しく説明するための上面図及び側面図である。第２部品ＰＢ（外径リング部２０）のリング内に第１部品ＰＡが配置された際、図４に示されるように、翼３０と第２部品ＰＢ（外径リング部２０）の内側面２１との間には、僅かな隙間５０が形成される。逆に言えば、僅かな隙間５０ができるように、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢのサイズ及び形状が設計される。この隙間は一定であることが好ましいが、それに限定される訳ではない。この隙間５０にろう材６０を溶かして流し込むことにより、第１部品ＰＡの翼３０と第２部品ＰＢとがろう付けされる。
　ろう材６０は、母材である第１部品ＰＡ及び第２部品ＰＢよりも融点の低い合金である。例えば、ニッケル系のろう材６０が用いられる。そのようなろう材６０が、隙間５０あるいはその近傍に設置される。典型的には、隙間５０は非常に狭いため、図４及び図５に示されるように、ろう材６０は、隙間５０に隣接する位置の翼３０の上面上に設置される。ろう材６０の設置後、加熱が行われる。この加熱により、ろう材６０が溶融し、隙間５０に流れ込む。このようにして、第１部品ＰＡの翼３０と第２部品ＰＢとがろう付けされる。
　以上に説明されたように、本実施の形態によれば、タービンノズル１は、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢをろう付けすることにより作成される。タービンノズル１が小型化すると、ガス流路も狭小になるが、タービンノズル１を一部品として一体的に成形加工する場合、そのような狭小なガス流路を機械加工で精密に作成することは困難である。一方、本実施の形態によれば、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢは機械加工により簡易に作成可能である。よって、放電加工や鋳造の場合と比較して、タービンノズル１の製造にかかるコスト及び時間を低減することが可能となる。
［第２の実施の形態］
　図６及び図７は、それぞれ、第２の実施の形態におけるろう付けについて説明するための上面図及び側面図である。上述の通り、第２部品ＰＢのリング内に第１部品ＰＡが配置された際、僅かな隙間５０が形成される。従って、ろう付け後、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢとの間で“芯ズレ”が発生する可能性がある。そのような芯ズレの発生を防ぐため、第２の実施の形態によれば、隙間５０にスペーサ７０が挿入される。隙間５０へのスペーサ７０の挿入後、第１の実施の形態の場合と同様に、ろう材６０が溶かされ、隙間５０に流し込まれる。
　スペーサ７０としては、ニッケル箔が例示される。このようなスペーサ７０が、翼３０の外側面と外径リング部２０の内側面２１との間に挟み込まれる。スペーサ７０の設置位置は、芯ズレの発生が防止される限り任意であるが、隙間５０の全周にわたって均等に配置されると好ましい。
　第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の場合と同じ効果が得られる。それに加えて、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢとの間で“芯ズレ”が発生することが防止される。
［第３の実施の形態］
　図８は、第３の実施の形態におけるろう材６０を説明するための概略図である。第３の実施の形態では、ろう材６０は、ワイヤろう材６１に加えて粉末ろう材６２を含んでいる。粉末ろう材６２は、ワイヤろう材６１よりも溶けやすい性質を有している。そして、粉末ろう材６２が溶けると、それが誘い水となり、ワイヤろう材６１も溶け始める。つまり、粉末ろう材６２が用いられる場合、粉末ろう材６２がない場合と比較して、ワイヤろう材６１が溶けやすくなる。
　粉末ろう材６２は、例えば、ろう材６０の端部に設けられる。図８に示される例では、ワイヤろう材６１の両端に、粉末ろう材６２が塗布されている。これにより、ろう材６０が全体として溶けやすくなる。
　上述の第２の実施の形態と第３の実施の形態の組み合わせも可能である。
［第４の実施の形態］
　上述の実施の形態では、内径リング部１０と翼３０とが一体的に形成されていた。第４の実施の形態では、それに代えて、外径リング部２０と翼３０とが一体的に形成される。図９を参照して、第４の実施の形態に係るタービンノズルの製造方法を説明する。
　まず、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢが別々に成形される。本実施の形態では、第１部品ＰＡは、外径リング部２０と翼３０とを一体的に備える部品である。一方、第２部品ＰＢは、内径リング部１０である。
　続いて、第１部品ＰＡのリング内に、第２部品ＰＢ（内径リング部１０）が配置される。つまり、内径リング部１０の外側面１２と外径リング部２０の内側面２１とが対向するように、第１部品ＰＡと第２部品ＰＢとが組み合わされる。そして、第１部品ＰＡの翼３０と第２部品ＰＢとが「ろう付け」により接合される。ろう付けの方法は、既出の実施の形態と同様である。このようにして作成されたタービンノズル１は、翼３０と第２部品ＰＢとの間にろう付け部４０（ろう材による接合部）を有することになる。
　但し、内径リング部１０の外側面１２に翼３０を形成する方が、外径リング部２０の内側面２１に翼３０を形成するよりも容易である。その意味では、既出の実施の形態の方が第４の実施の形態よりも好適である。
　以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。
　本願は、日本国特許出願番号（ＪＰ２０１３－０２９４３０）に基づいて条約上の優先権を主張する。その開示内容は、引用によりここに組み込まれる。

Claims (6)

  1. 　内径リング部と、前記内径リング部より径の大きい外径リング部と、前記内径リング部と前記外径リング部との間に挟まれた翼とを備えるタービンノズルの製造方法であって、
    　（Ａ）前記内径リング部と前記外径リング部のうち一方と前記翼とを一体的に備える第１部品を成形するステップと、
    　（Ｂ）前記内径リング部と前記外径リング部のうち他方を第２部品として成形するステップと、
    　（Ｃ）前記内径リング部の外側面と前記外径リング部の内側面とが対向するように、前記第１部品と前記第２部品とを組み合わせるステップと、ここで、前記第１部品の前記翼と前記第２部品との間には隙間が形成され、
    　（Ｄ）ろう材を溶かして前記隙間に流し込み、前記第１部品の前記翼と前記第２部品とをろう付けするステップと
    　を含む
    　タービンノズルの製造方法。
  2. 　請求項１に記載のタービンノズルの製造方法であって、
    　前記（Ｃ）ステップと前記（Ｄ）ステップとの間に、前記隙間にスペーサを挿入するステップを更に含む
    　タービンノズルの製造方法。
  3. 　請求項１又は２に記載のタービンノズルの製造方法であって、
    　前記ろう材は、前記隙間に隣接する位置の前記翼の上面上に設置される
    　タービンノズルの製造方法。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか一項に記載のタービンノズルの製造方法であって、
    　前記ろう材は、ワイヤろう材と粉末ろう材の両方を含んでいる
    　タービンノズルの製造方法。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか一項に記載のタービンノズルの製造方法であって、
    　前記第１部品は、前記内径リング部と前記翼とを一体的に備え、
    　前記第２部品は、前記外径リング部である
    　タービンノズルの製造方法。
  6. 　内径リング部と、
    　前記内径リング部より径の大きい外径リング部と、
    　前記内径リング部と前記外径リング部との間に挟まれた翼と
    　を備え、
    　前記内径リング部と前記外径リング部のうち一方と前記翼とは、第１部品として一体的に形成され、
    　前記内径リング部と前記外径リング部のうち他方は、第２部品であり、
    　前記第１部品の前記翼と前記第２部品とは、ろう付けされている
    　タービンノズル。
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