JP2003232205A

JP2003232205A - タービン翼とその鋳造装置

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Publication number: JP2003232205A
Application number: JP2003005500A
Authority: JP
Inventors: Peter Tiemann; ティーマンペーター
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2003-08-22
Anticipated expiration: 2023-01-14
Also published as: CN1451846A; CN100447374C; JP4303480B2; US20050111963A1; EP1331361B1; US6923620B2; DE50214427D1; ATE467749T1; EP1331361A1

Abstract

(57)【要約】【課題】翼軸（４）に沿って延びる翼形部（２）を備
え、該翼形部の先端に翼軸に対して直角に延びる翼台座
（６）が一体形成されたタービン翼（１）において、こ
れを、一方では、特に大きな熱的・機械的負荷容量に対
して設計し、他方では、非常に少ない必要冷却材量で確
実に冷却可能とする。さらにタービン翼を製造するのに
適した鋳造装置を提供する。【解決手段】翼台座が、翼台座板（１２）に比べて厚
肉の外縁（１４）を有し、該外縁の翼形部側の側面（１
６）は、翼軸に対し傾斜している。このタービン翼を製
造するための鋳造装置（３０）は、鋳型内に置かれる第
１シェル要素（３２）を備え、該要素内に、ほぼ平面的
に形成された第２シェル要素（３６）を、１０〜８０°
の角度（β）だけ傾けた方向に移動可能に導く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、翼軸に沿って延び
る翼形部を備え、該翼形部の先端に翼軸に対し直角に延
びる翼台座が一体形成されたタービン翼に関する。本発
明はまた、このようなタービン翼を製造するための鋳造
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンは多くの分野で、発電機や
作業機械を駆動するために用いられている。その場合、
燃料に含まれるエネルギは、タービン軸を回転駆動する
ために利用される。そのため燃料は、空気圧縮機で発生
した圧縮空気を供給される燃焼器で燃焼される。燃焼器
での燃料の燃焼で発生した高温高圧の作動媒体は、燃焼
器に後置接続されたタービン装置を経て導かれ、そこで
仕事をしつつ膨張する。

【０００３】タービン軸の回転運動を発生すべく、ター
ビン軸に、通常翼群や翼列の形にまとめた多数の動翼が
配置される。該動翼は、作動媒体から衝撃力を伝達さ
れ、タービン軸を駆動する。タービン装置内で作動媒体
を案内するため、通常隣接する動翼列間に静翼列が配置
され、該静翼列はタービン車室に固定される。その際、
タービン翼、特に静翼は、通常作動媒体を適切に案内す
るため、翼軸に沿って延びる翼形部（羽根）を有してい
る。タービン翼を各々支持体に固定するため、その翼形
部の先端に、翼軸に対し直角に延びる翼台座が一体形成
され、その翼台座の少なくとも終端部が、かみ合わせ台
座として形成される。

【０００４】かかるガスタービンは、特に高い効率を得
るため、熱力学的理由から、通常燃焼器から出てタービ
ン装置に流入する作動媒体の、約１２００〜１３００℃
の特に高い出口温度に対し設計される。この高温のた
め、ガスタービンの構成要素、特にタービン翼は、非常
に大きな熱負荷を受ける。そのような運転条件でも、各
構成要素の高い信頼性と非常に長い寿命を保障すべく、
通常、関連部品は冷却可能に形成される。

【０００５】そのため近年のガスタービンでは、タービ
ン翼を、通常所謂中空翼として形成する。そのため、翼
形部はその内部範囲に、冷却材を導く翼コアとも呼べる
空洞を持つ。従って、翼形部の熱的に大きく負荷される
部位に、そのように形成した冷却材通路を経て、冷却材
を供給する。冷却材通路が各翼形部の内部の比較的大き
な空間範囲を占め、高温ガスに曝される表面のできるだ
け近くに冷却材を導くので、特に良好な冷却作用、従っ
て特に高い運転安全性が得られる。そのように設計する
際、他方で十分な機械的強度と負荷容量を保障すべく、
各タービン翼を多重通路で貫流させる。その場合、中空
翼の内部に多数の冷却材通路を設け、それら冷却材通路
を、非常に薄い隔壁で互いに分離し、各々冷却材を供給
する。

【０００６】この種タービン翼は、通常鋳造で作る。そ
のため第１鋳造工程で、その輪郭を所望のタービン翼に
合わせた鋳型にワックスを注ぎ込む。その注型時に冷却
材用の流路を形成すべく、鋳型内に例えばセラミック材
料製の中子を配置する。この中子を鋳造過程後、翼体に
対するワックス型から除去し、これに伴い冷却材通路に
対する所望の空洞が生ずる。第１鋳造工程で得たワック
ス型に、続いて浸漬処理を繰り返し、セラミック被覆を
設ける。その被覆が、必要に応じ数回にわたる浸漬処理
で十分な厚さに達すると、セラミック被膜付きワックス
型を燃す。その際セラミックが硬化し、ワックスは焼尽
する。この結果、翼用のセラミック製鋳型が生じ、この
鋳型には冷却通路等に対する中子も含まれる。第２鋳造
工程で、該鋳型内に翼材料を鋳込む。ワックス型、特に
その内の翼形部と、該翼形部に一体形成される、例えば
翼台座やかみ合わせ台座等の構造部分を製造するため、
それに応じて形成したシェル要素やスライダを、第１鋳
造工程用の鋳型内に、製造すべき翼形に応じたワックス
受入れ用中空室が注型中に残るよう配置する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、一方
では、特に大きな熱的および機械的負荷容量に対し設計
され、他方では、非常に少ない必要冷却材量で確実に冷
却できるような、冒頭に述べた形式のタービン翼を提供
することにある。また、そのタービン翼を製造するのに
適した鋳造装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このタービン翼に関する
課題は、本発明に基づき、翼台座が翼台座板に比べて厚
肉の外縁を有し、該外縁の翼形部側の側面が翼軸に対し
傾斜され、翼形部の先端で翼台座の上側に、かみ合わせ
台座が形成されることにより解決される。

【０００９】本発明は、特に製造性の良いタービン翼は
単結晶構造で形成せねばならないという考えから出発す
る。つまり単結晶構造のタービン翼は、既にその材料特
性に基づき非常に大きな負荷に耐える。単結晶構造は、
特にスライダとも呼ばれる鋳造用のシェル要素を利用す
ることで良好に得られる。これに反し、それに代わって
利用される所謂ロスト挿入物は、多結晶材料の核形成を
助長し、そのため、単結晶構造翼に利用できない。従っ
て、タービン翼はその輪郭形成に関し、翼台座凹所を形
成するために利用するシェル要素の位置決めと鋳造後に
おける除去が比較的簡単にできるよう設計せねばならな
い。この周辺条件を維持した場合でも、タービン翼は非
常に少ない必要冷却材量に基づき設計せねばならない。
これは、特に熱的負荷を受けるべく設計した翼台座が非
常に薄肉で、従ってほんの僅かな使用材料で設計するこ
とで達成される。これは上述の仕様でも、タービン翼の
鋳造前に多数のシェル要素を鋳型内に配置することで達
成される。その際、翼台座の厚さを減少するためのシェ
ル要素を、そのために考慮した空間範囲に入れる。この
空間範囲内に、翼台座の上側に配置すべき型部品を迂回
しても相応して前進でき、かつ特に翼中心の近くの空間
範囲にも入り込めるようにすべく、タービン翼を、翼台
座に配置した外縁における側面が傾斜するように設計す
る。

【００１０】タービン翼の特に大きな機械的および熱的
負荷容量のため、一方では機械的負荷を受けるべく用意
した構成要素、他方では熱的負荷を受けるべく用意した
構成要素の機能を分離するとよい。そのため、本発明の
有利な実施態様では、翼形部先端の翼台座の上側に、か
み合わせ台座を形成する。つまり、確実に機械式に掛け
止めするタービン翼において、熱的負荷に対し特に大き
な安定性を得るため、タービン翼のかみ合わせ範囲で、
翼台座とかみ合わせ台座を互いに構造的に切り離して形
成する。その際、翼形部に一体形成した翼台座は、専ら
ガスタービンの内部室を導かれる高温作動媒体による熱
的負荷を、それに伴い機械的負荷を受けることなく補償
するために用いる。この構成要素に対する必要冷却力を
非常に小さくすべく、翼台座は特に非常に薄肉に形成す
る。これは特に、翼台座が全く機械的負荷を受けないこ
とにより可能となる。該負荷は、翼台座の上側に配置さ
れタービン壁又はタービン軸にある相応した構造部品に
掛け止めされるかみ合わせ台座により受ける。その台座
は、機械的負荷を受けるのに十分な寸法に設計するとよ
く、かみ合わせ台座の熱的負荷による荷重は、翼台座に
より防止する。従って、かみ合わせ台座に対する必要冷
却力は非常に小さい。

【００１１】翼台座の外縁は、特に翼軸に対しほぼ直線
的に延びる側面、即ち断面において翼軸に対し平行に延
びる側面を有する。従って外縁は、かかる形成におい
て、その翼台座板側の部位が非常に厚肉に形成され、断
面積がその翼台座板と反対側端に向けて徐々に小さくな
っている。この場合、外縁の全空間範囲の確実な冷却を
保障するため、外縁の比較的厚肉の下側空間部位に冷却
材を供給する特別な処置を講ぜねばならない。そのた
め、翼台座の外縁の基部に多数の冷却孔を設ける。この
孔は、本発明に基づく有利な実施態様では、運転を特に
簡単にするため、出口側を共通冷却溝に開口させる。

【００１２】このタービン翼はタービンの動翼としても
利用できるが、ガスタービン、特に定置ガスタービンの
静翼として適している。

【００１３】そのようなタービン翼を製造する鋳造装置
に対する課題は、本発明に基づき、鋳型内に置かれる第
１シェル要素を備え、該第１シェル要素が翼台座板の境
界面を与える凹所を有し、第１シェル要素内に、平面的
に形成された第２シェル要素が、境界面を与える凹所に
対し１０〜８０°の角度、好適には６０°以下の角度だ
け傾いた方向に移動可能に導かれることにより解決され
る。

【００１４】第１シェル要素は円周スライダ、第２シェ
ル要素はポケットスライダとも呼ばれる。それら両シェ
ル要素の共同作用に伴い、「ロスト挿入物」を利用する
ことなく、側面が傾斜した翼台座ポケットを製造でき
る。従って、その鋳造装置は、特に単結晶タービン翼を
製造するのに適し、即ち正に、「ロスト挿入物」の利用
を意図的にやめることで、多結晶領域の核形成が特に少
なくなる。その場合、本質的に平らな翼台座板を形成す
るため、第２シェル要素は、その基礎面に対して１０〜
８０°の角度だけ傾いた端面を有するとよく、該端面
が、第１シェル要素の凹所と共に、翼台座板に対する鋳
造シェルを形成する。

【００１５】本発明による利点は、特に第１シェル要素
又は円周スライダ内に配置され、円周方向に傾斜して置
かれた第２シェル要素或いは別個スライダによって製造
される翼台座ポケットの傾斜側面により、かみ合わせ台
座の係合リブとの干渉が回避されることにある。これに
伴い、第１、第２の両シェル要素は鋳造過程の完了後に
除去でき、「ロスト挿入物」を利用する必要がない。翼
台座の外縁に配置した冷却孔により、翼台座の全空間範
囲を非常に少ない必要冷却材量で確実に冷却できる。そ
の場合、特に翼台座の外縁の基部が比較的幅広いため、
冷却材消費量に大きく関係する衝突冷却面が非常に小さ
くなる。外縁の翼台座板の範囲（基部）が幅広いことか
ら、タービン翼の運転時、比較的高温の部分が低温の部
分に比べて特に大きいので、翼材料の熱膨張の妨害に伴
う応力は非常に小さい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下図を参照して本発明の実施例
を詳細に説明する。図１は、タービン翼を縦断面図で、
鋳造装置の概略的に図示した構成要素と共に示す。

【００１７】図１のタービン翼１は翼軸４に沿って延び
る翼形部２を持つ。該翼形部２は、タービン装置内を流
れる流れ媒体が最適に作用するように、湾曲および／又
は曲げられている。

【００１８】本実施例のタービン翼１は、ガスタービン
の静翼として形成しているが、以下の原則に従い、動翼
としても形成できる。即ちタービン翼１の先端の、図に
おけるタービン翼１の上端に、翼軸４に対し直角に延び
る翼台座６を一体的に形成する。図１から解るように、
翼台座６上又はその上側に、かみ合わせ台座８を一体形
成する。この台座８をタービン車室に図示しない方法で
固定する。かみ合わせ台座８は、タービン翼１を支持体
に特に簡単に固定すべく、隣接する構造要素にかみ合わ
せる。この実施例のタービン翼１は、ガスタービンの作
動媒体の流れ方向に見て２番目の静翼列に採用すべく設
計している。そのため、かみ合わせ台座８は正面側と背
面側を、構造要素に掛け止めするよう形成している。

【００１９】このタービン翼１は、ガスタービンの熱的
に非常に強く負荷される空間範囲に採用すべく形成して
いる。そのため一方では、タービン翼１の熱的および機
械的負荷を受ける機能を、異なる構造要素により徹底し
て分離している。これは翼台座６とかみ合わせ台座８を
別個に配置することで保障される。即ち、翼台座６は機
械的負荷を受けることなく、専らガスタービンを貫流す
る高温作動媒体から熱負荷を受ける目的で用いる。機械
的負荷は、翼台座６から構造的に切り離した、かみ合わ
せ台座８で受ける。該台座８は、その前に翼台座６が置
かれていることから、ごく僅かな熱的負荷しか受けな
い。タービン翼１の熱的により大きく負荷される空間範
囲への採用を更に容易にすべく、タービン翼１を冷却可
能に形成している。そのため、翼形部２を内部に空洞１
０を備えた形に形成している。その空洞１０を経て、例
えば冷却空気や冷却蒸気等の冷却材を導く。

【００２０】翼台座６は比較的薄肉に形成した翼台座板
（底）１２を持つ。該座板１２はその大きな平面形状
で、タービンを貫流する作動媒体からの熱出力に対する
熱放射遮蔽体として働く。周囲の構造要素に、例えば掛
け止めにより結合しおよび／又は自己支持の機械的強度
を強固にするため、翼台座６に厚肉の縁や補強リブを設
け、そのため翼台座板１２に比べて厚肉の外縁１４を設
ける。従って、その外縁１４と翼台座板１２により、凹
所の形で所謂翼台座ポケットが生じている。

【００２１】この翼台座ポケットを、「ロスト挿入物」
を利用することなく、非常に簡単に製造可能とするた
め、タービン翼１は、外縁１４によって翼台座板１２と
一緒に形成された凹所の中に型部分を、各空間範囲に突
出するかみ合わせ台座８との干渉を回避し、従って各か
み合わせ台座８を迂回して、可逆的に入れられるように
設計されている。これを保障するため、外縁１４の翼軸
４側の側面１６は、翼軸４に対し傾斜している。この傾
斜を特色づける角度αは、１０〜８０°、この実施例の
場合には約４５°に選定されている。

【００２２】従って、外縁１４はその翼台座板１２側の
基部が、比較的幅広い横断面積を有する。この横断面積
は、その翼台座板１２と反対側端１８の方向に徐々に狭
まっている。外縁１４は正にその上端部が、材料が非常
に僅かしか存在しないため、非常に単純な手段で、特に
ごく少量の冷却材で冷却できる。外縁１４の翼台座板１
２側の非常に幅広く形成された下端部（基部）において
も、ごく僅かな冷却材でそのような確実な冷却を可能に
するため、外縁１４はその範囲に、冷却材が供給される
多数の冷却孔２０を備えている。これら冷却孔２０は、
その出口範囲が共通の冷却溝２２に開口している。

【００２３】タービン翼１は、大きな機械的強度で大き
な熱的負荷容量に対し設計されている。そのため、ター
ビン翼１は単結晶構造に形成される。タービン翼１は、
そのために課せられた周辺条件を維持し、図に概略的に
示す鋳造装置３０を用いて鋳造で製造される。該装置３
０は、主にタービン翼１に対するワックス型を製造する
ために利用され、基本要素として鋳型（詳細に図示せ
ず）を含む。この鋳型内に多数のシェル要素が置かれ
る。これら要素は、全体として、製造すべきタービン翼
１の輪郭に相当する中空室を空ける。その室内に、続く
作業工程で流動ワックスが注型される。鋳造装置３０
は、タービン翼１の輪郭形成に必要な他の要素の他に、
特に周辺スライダの形で採用される第１シェル要素３２
を持つ。このため、第１シェル要素３２は、構造を規定
する他の型要素の他に、翼台座板１２の境界面を与える
凹所３４を備える。

【００２４】第１シェル要素３２は、翼台座６の最終的
形状づけのため、第２シェル要素３６で補完される。該
要素３６は略平面的に形成され、第１シェル要素３２内
に移動可能に導かれる。図示の鋳造位置で、第２シェル
要素３６は第１シェル要素３２の凹所３４内に、翼台座
６の最終的形状に合わせた空間範囲だけが空くよう突出
する。従って、この空間範囲は翼台座６の翼台座板１２
と外縁１４を与える。

【００２５】タービン翼１に対するワックス型の鋳込み
後、「ロスト挿入物」を利用することなく、シェル要素
３２、３６を単純に移動するだけでこれらを簡単に除去
可能とすべく、第２シェル要素３６は、翼台座板１２の
境界面を与える凹所３４に対し約４５°の角度βで傾け
られ、二重矢印３８で示す方向に移動可能に配置され
る。かくして、タービン翼のワックス型の鋳込み後、第
２シェル要素３６を、かみ合わせ台座８により害される
ことなく、二重矢印３８の方向に単純に移動して除去で
きる。そのため、かみ合わせ台座８はその横方向の寸法
が、第２シェル要素３６に対する線４０で示す空間範囲
を害することがないよう定められる。

【００２６】翼台座６の形状づけを全体として最適化す
るため、第２シェル要素３６は、その基礎面４２に対し
この実施例の場合約４５°の角度γだけ傾けた端面４４
を有する。該端面４４は、第１シェル要素３２の凹所３
４と共に、翼台座板１２に対する鋳造シェルを形成す
る。

【００２７】かかる形状と、第２シェル要素の第１シェ
ル要素３２との共働により、タービン翼１のワックス型
の鋳込み後、第２シェル要素３６を先ず成形体から、例
えばかみ合わせ台座８との干渉による妨害なしに、単純
な移動で除去できる。次に第１シェル要素３２を、二重
矢印４６で示す円周方向の移動によって、即ち翼台座板
１２に合わせた平行移動で除去できる。従って、タービ
ン翼１のワックス型の確実な鋳込みを、スライダを用
い、且つ「ロスト挿入物」を用いることなく行える。こ
の結果、単結晶タービン翼１を特に簡単に製造できる。
その製造時、翼軸４の範囲に、翼台座６の翼台座ポケッ
トを境界づけるノーズ状突起５０が残る。該突起５０は
衝突冷却板に対する接触設置部や固定手段として特に有
用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】タービン翼の縦断と鋳造装置の一部とを示す。

【符号の説明】

１タービン翼２翼形部４翼軸６翼台座８かみ合わせ台座１０空洞１２翼台座板１４翼台座外縁１６翼台座外縁の側面１８翼台座外縁の先端２０冷却孔２２冷却溝３０鋳造装置３２第１シェル要素３４凹所３６第２シェル要素３８第２シェル要素の移動方向矢印４０線４２第２シェル要素の基礎面４４第２シェル要素の端面４６第１シェル要素の移動方向矢印５０突起 α、β、γ 角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】翼軸（４）に沿って延びる翼形部（２）
を備え、該翼形部の先端に翼軸（４）に対し直角に延び
る翼台座（６）が一体形成されたタービン翼（１）にお
いて、翼台座（６）が翼台座板（１２）に比べて厚肉の
外縁（１４）を有し、該外縁（１４）の翼形部側面（１
６）が翼軸（４）に対し傾斜し、翼形部（２）の先端
の、翼台座（６）の上側にかみ合わせ台座（８）が形成
されたことを特徴とするタービン翼。
【請求項２】翼台座（６）の外縁（１４）が、その基
部範囲に多数の冷却孔（２０）を備えることを特徴とす
る請求項１記載のタービン翼。
【請求項３】冷却孔（２０）の出口側が、各々共通の
冷却溝（２２）に開口することを特徴とする請求項１又
は２記載のタービン翼。
【請求項４】ガスタービンの静翼として形成されたこ
とを特徴とする請求項１から３の１つに記載のタービン
翼。
【請求項５】鋳型の中に置かれる第１シェル要素（３
２）を備え、この第１シェル要素（３２）が翼台座板
（１２）の境界面を与える凹所（３４）を有し、第１シ
ェル要素（３２）内に、平面的に形成された第２シェル
要素（３６）が、境界面を与える凹所（３４）に対して
１０〜８０°の角度（β）だけ傾けられた方向に移動可
能に導かれたことを特徴とする請求項１から４の１つに
記載のタービン翼を製造するための鋳造装置（３０）。
【請求項６】第２シェル要素（３６）が、その基礎面
（４２）に対し１０〜８０°の角度（γ）だけ傾けられ
た端面（４４）を有し、該端面（４４）が、第１シェル
要素（３２）の凹所（３４）と共に、翼台座板（１２）
に対する鋳造シェルを形成することを特徴とする請求項
６記載の鋳造装置。