(57)【要約】【課題】軽量化するとともに強度を確保し、品質の低下および製造時間の増大を防止する。【解決手段】実施の形態によるタービン動翼１０は、翼背面２０ａを有する背側部分２０と、翼腹面２１ａを有し、背側部分２０との間に中空部２２を形成する腹側部分２１と、中空部２２を通り、背側部分２０と腹側部分２１とを連結する梁部分２３と、を備えている。梁部分２３は、背側部分２０および腹側部分２１にシームレスで一体に形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼背面を有する背側部分と、
翼腹面を有し、前記背側部分との間に中空部を形成する腹側部分と、
前記中空部を通り、前記背側部分と前記腹側部分とを連結する梁部分と、を備え、
前記梁部分は、前記背側部分および前記腹側部分にシームレスで一体に形成されていることを特徴とするタービン動翼。
【請求項２】
前記梁部分は、前記翼背面または前記翼腹面の法線方向から見たときに、ハニカムメッシュ状または格子メッシュ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン動翼。
【請求項３】
前記背側部分、前記腹側部分および前記梁部分は、チタン合金により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記背側部分、前記腹側部分および前記梁部分は、三次元積層造形技術を用いて形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービン動翼。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の前記タービン動翼を備えたことを特徴とするタービン。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の前記タービン動翼を製造するタービン動翼の製造方法であって、
三次元積層造形技術を用いて形成することを特徴とするタービン動翼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、タービン動翼、タービンおよびタービン動翼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電などの発電プラントに設置されるタービンは、発電効率を向上させるために、タービン動翼（以下、単に動翼と記す）を長翼化する傾向にある。この場合、回転時の動翼の遠心力が増大するため、動翼の材料には、遠心力に耐えるために強度特性が良好な材料が使用される。
【０００３】
しかしながら、強度特性が良好な材料を使用した場合であっても、長翼化の程度によっては、増大する遠心力に耐え得る強度を動翼に持たせることが困難になる場合があった。
【０００４】
従来技術として、中空構造を構成するメッシュ状の部材（ハニカムスキン）を先端部に設けて、軽量化を図った動翼が知られている。この場合、回転時の動翼の遠心力を効果的に低減することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１０６８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したメッシュ状の部材は、動翼の支持構造に溶接などによって接合されている。このことにより、溶接時に発生する熱が、動翼に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００７】
例えば、溶接時には動翼が局部的に加熱されるため、局部的に残留応力が発生し得る。残留応力が発生すると、動翼の実際の応力分布が、解析などにより想定され得る応力分布と異なり、これにより、想定とは異なる箇所で変形または破損が生じ得るという課題がある。また、応力腐食割れも懸念される。
【０００８】
一方、残留応力は、熱処理を行うことにより除去することが可能である。しかしながら、動翼が中空構造を有している場合、動翼の内部構造が複雑化されるため、所望の箇所を意図通りに熱処理することが困難になり得る。このため、熱処理を行った場合であっても、残留応力を除去することが困難になるという課題がある。
【０００９】
また、動翼の支持構造に上述したメッシュ状の部材を溶接する場合、当該部材の構造が複雑であることにより溶接作業が困難になり得る。この場合、溶接の品質が低下するとともに、溶接作業に多くの時間が費やされるという課題がある。さらに、溶接の検査を行う際には、内部構造が複雑化されているために、溶接欠陥の検出も困難になる。
【００１０】
このように中空構造を構成するための部材を支持構造に溶接で接合する場合、品質の低下および製造時間の増大という課題が生じ得る。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、軽量化するとともに強度を確保し、品質の低下および製造時間の増大を防止することができるタービン動翼、タービンおよびタービン動翼の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
実施の形態によるタービン動翼は、翼背面を有する背側部分と、翼腹面を有し、背側部分との間に中空部を形成する腹側部分と、中空部を通り、背側部分と腹側部分とを連結する梁部分と、を備えている。梁部分は、背側部分および腹側部分にシームレスで一体に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態における蒸気タービンの一例を示す断面構造図である。
【図２】図１の蒸気タービンにおけるタービン動翼の一例を示す外形図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面構造の一例を示す図である。
【図４】タービン動翼の製造方法の一例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態におけるタービン動翼、タービンおよびタービン動翼の製造方法について説明する。
【００１５】
ここでは、まず、タービンの一例として、蒸気タービンについて図１を用いて説明する。図１は、蒸気の圧力が比較的低い低圧蒸気タービンの例を示す。
【００１６】
図１に示すように、蒸気タービン１は、ケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に設けられたタービンロータ３と、タービンロータ３に取り付けられた複数の動翼翼列４と、を備えている。動翼翼列４は、周方向に所定の間隔で配置された複数のタービン動翼（図２参照、以下、単に動翼と記す）１０により構成されている。一方、ケーシング２には、動翼翼列４と交互に配置された複数の静翼翼列５が取り付けられている。静翼翼列５は、周方向に所定の間隔で配置された複数の静翼（ノズル）により構成されている。各動翼翼列４は、対応する静翼翼列５と共にタービン段落を構成している。複数のタービン段落のうち最も高圧側（上流側）のタービン段落は第１段落６といい、最も低圧側（下流側）のタービン段落は、最終段落７という。
【００１７】
ケーシング２には、図示しないボイラ等において生成された蒸気を作動蒸気としてタービン段落に供給する蒸気管８が連結されている。この蒸気管８により供給された蒸気は、第１段落６に入り、各タービン段落を通って下流側に流れて、最終段落７から抜けていくようになっている。この間、蒸気の膨張仕事を動翼１０が受けてタービンロータ３が回転する。このことにより、タービンロータ３に連結された発電機（図示せず）において発電が行われる。また、最終段落７から抜けた蒸気は、ケーシング２外の復水器（図示せず）に送られて復水が生成され、生成された復水は、上述したボイラに供給される。
【００１８】
本実施の形態においては、図２に示すように、上述した動翼１０が中空構造を有している。例えば、第１段落６から最終段落７まで複数の動翼１０が設けられているが、このうち最終段落７の動翼１０が最も長翼化されるため、当該動翼１０が中空構造を有していることが好適である。しかしながらこのことに限られることはなく、他の段落の動翼１０が中空構造を有していてもよく、複数の段落の動翼１０若しくは全て段落の動翼１０が中空構造を有していてもよい。また、中空構造は、動翼１０の一部（好適には先端部）に設けられていてもよく、あるいは動翼１０の全体にわたって設けられていてもよい。
【００１９】
以下に、動翼１０について詳細に説明する。
【００２０】
図２に示すように、動翼１０は、動翼本体１１と、動翼本体１１の一方の端部に設けられた植込み部１２と、を備えている。このうち植込み部１２は、タービンロータ３のロータディスクに設けられた植込み溝（いずれも図示せず）に係合可能になっており、植込み部１２が植込み溝に係合して、動翼１０がタービンロータ３に取り付けられるようになっている。
【００２１】
動翼本体１１は、図３に示すように、翼背面２０ａを有する背側部分２０と、翼腹面２１ａを有する腹側部分２１と、を有している。背側部分２０と腹側部分２１との間には、中空部２２が形成されている。このようにして、動翼本体１１が中空構造を有し、軽量化されている。
【００２２】
背側部分２０と腹側部分２１とは、中空部２２を通る梁部分２３によって連結されている。このことにより、中空構造を有する動翼本体１１の強度を確保している。このような梁部分２３は、翼背面２０ａまたは翼腹面２１ａの法線方向から見たときに（図２の紙面に垂直な方向から見たときに）、ハニカムメッシュ状または格子メッシュ状に形成されることが好適である。このことにより、中空部２２における動翼本体１１の強度を効果的に確保しながら動翼１０の軽量化を図ることができる。図２においては、格子メッシュ状に形成されている例を示している。なお、梁部分２３の形状は、ハニカムメッシュ状または格子メッシュ状に限られることはない。例えば、複数の別個の梁部分が、背側部分２０と腹側部分２１とを連結するようにしてもよい。また、梁部分２３の配置は、均一化させていなくてもよく、応力解析などの結果に基づいて、適切な箇所に配置するようにしてもよい。この場合、動翼本体１１の強度を効果的に確保することができるとともに、より一層の軽量化を図ることができる。また、上述した中空部２２および梁部分２３は、動翼本体１１の一部に設けられていてもよく、あるいは、動翼本体１１の全域にわたって設けられていてもよい。後者の場合には、動翼１０をより一層軽量化することができる。
【００２３】
図３に示すように、梁部分２３は、背側部分２０および腹側部分２１にシームレスで一体に形成されている。すなわち、本実施の形態においては、三次元積層造形技術を用いて、背側部分２０、腹側部分２１および梁部分２３が、一体に、一部品として形成されている。例えば、背側部分２０、腹側部分２１および梁部分２３を、それぞれ別々の部品として形成して溶接等で接合した場合、各部品の境界部にシーム（継ぎ目）が形成され得るが、本実施の形態による動翼本体１１においては、このようなシームが形成されていない。すなわち、本実施の形態におけるシームレスとは、背側部分２０、腹側部分２１および梁部分２３が別々に形成されてこれらを溶接等で接合した場合に形成されるシームが無いという意味で用いている。このようなシームレスの動翼本体１１は、例えば三次元積層造形機（３Ｄプリンター）を用いて、背側部分２０、腹側部分２１および梁部分２３を一部品として一体に形成することにより、作製することができる。
【００２４】
また、本実施の形態による動翼１０の背側部分２０、腹側部分２１および梁部分２３は、例えばチタン（Ｔｉ）合金素材により形成されていることが好適である。このことにより、動翼１０に一般に用いられるチタン合金素材を用いて動翼１０を形成することができ、動翼１０の強度、耐熱性などの性能を確保することができる。
【００２５】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用、すなわち、動翼１０の製造方法について図４を用いて説明する。本実施の形態による動翼１０は、三次元積層造形技術を用いて形成される。
【００２６】
まず、１層目として、三次元積層造形装置３０のノズル３１からチタン合金素材などの金属粉末が吐出され、ステージ３２上に第１金属層４１が形成される（図４（ａ）参照）。
【００２７】
続いて、第１金属層４１に、レーザ光Ｌ（または電子ビーム）が照射される（図４（ｂ）参照）。レーザ光Ｌは、動翼１０の３次元ＣＡＤデータに基づいて、第１金属層４１において動翼１０の形状に対応する領域に照射される。第１金属層４１のうちレーザ光Ｌが照射された部分は、溶融して凝固し、一体化された凝固部分４１ａが形成される。
【００２８】
次に、２層目として、ノズル３１から金属粉末が吐出され、第１金属層４１上に第２金属層４２が形成される（図４（ｃ）参照）。
【００２９】
続いて、第２金属層４２に、当該第２金属層４２において動翼１０の形状に対応する領域にレーザ光Ｌが照射される（図４（ｄ）参照）。このことにより、第２金属層４２のうちレーザ光Ｌが照射された部分が、溶融して凝固し、一体化された凝固部分４２ａが形成される。この際、第２金属層４２の凝固部分４２ａは、第１金属層４１の凝固部分４１ａにも一体化される。
【００３０】
このような処理を繰り返すことにより、金属粉末の凝固部分が積層され、各層の凝固部分が一体化されて動翼１０の形状に形成される（図４（ｅ）参照）。この時点では、凝固部分の周囲に、各層の凝固していない金属粉末が残存している。
【００３１】
その後、金属粉末の凝固していない部分が除去されて、動翼１０が得られる（図４（ｆ）参照）。
【００３２】
なお、上述した処理は、各層の厚さを薄くして、きめ細かく積層することにより、ＣＡＤデータに即した所望の形状で凝固部分を形成することができる。また、図４においては、積層方向は、動翼１０の長手方向（図４（ｅ）における上下方向）である例について示しているが、これに限られることはなく、積層方向は動翼１０の長手方向に直交する方向であってもよい。
【００３３】
得られた動翼１０は、タービンロータ３に取り付けられ、当該タービンロータ３がケーシング２に取り付けられて、図１に示すような蒸気タービン１が得られる。
【００３４】
このように本実施の形態によれば、翼背面２０ａを有する背側部分２０と、翼腹面２１ａを有する腹側部分２１との間に中空部２２が形成されている。このことにより、動翼１０を軽量化することができ、回転時の遠心力を低減することができる。また、軽量化した動翼１０は、輸送時および施工時にも有利である。
【００３５】
また本実施の形態によれば、背側部分２０と腹側部分２１との間の中空部２２を通る梁部分２３が、背側部分２０と腹側部分２１とを連結している。このことにより、梁部分２３は、背側部分２０と腹側部分２１とを支持することができ、中空部２２を有する動翼１０の強度を確保することができる。この場合、蒸気タービン１の運転時に、動翼１０がねじれることやたおれることを防止することができる。
【００３６】
さらに本実施の形態によれば、動翼１０が三次元積層造形技術を用いて形成され、梁部分２３が、背側部分２０および腹側部分２１にシームレスで一体に形成されている。このことにより、中空部２２および梁部分２３を有するような複雑な構造の動翼１０であっても、溶接等によって各部を接合することが不要となり、動翼１０を、高品質に短時間で容易に形成することができる。また、梁部分２３が、背側部分２０および腹側部分２１にシームレスで一体に形成されているため、梁部分２３と背側部分２０との間、および梁部分２３と腹側部分２１との間にシームが形成されることを回避でき、梁部分２３の強度を向上させることができる。
【００３７】
ここで、中空部２２や梁部分２３を有する動翼１０は、鍛造や鋳造によって形成することも可能ではあるが、この場合、金型の作製に時間を要し、コストがかかるという課題がある。また、中空部２２や梁部分２３の構造が複雑化すると、鍛造や鋳造によって動翼１０を形成することは困難になり得る。例えば、鍛造で形成可能な構造の複雑さの程度には限界がある。鋳造の場合であっても、複雑さの程度によっては溶湯を流すことが困難になり得る。また、鍛造または鋳造後に切削加工をする場合であっても、切削工具が複雑な構造の内部に達することができずに加工が困難になるという課題が起こり得る。
【００３８】
これに対して本実施の形態によれば、動翼１０が三次元積層造形技術により形成されるため、高品質で、短時間で動翼１０を形成することができる。また、三次元積層造形技術を用いることにより、鍛造や鋳造により形成する場合に比べて、より複雑な形状を有する動翼１０を短時間で容易に形成することができる。さらに言えば、三次元積層造形技術を用いることにより、より一層複雑な構造を形成することができ、中空部２２や梁部分２３の形状や構造を、鍛造や鋳造により形成する場合に比べて最適化させることができ、軽量化や強度の点で優れた動翼１０を形成することが可能となる。
【００３９】
以上述べた本実施の形態によれば、軽量化するとともに強度を確保し、品質の低下および製造時間の増大を防止することができる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４１】
例えば、上述した本実施の形態においては、動翼１０の動翼本体１１に中空部２２および梁部分２３が設けられる例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、植込み部１２にも中空部および梁部分が設けられるようにしてもよい。この場合、動翼１０をより一層軽量化することができる。
【００４２】
また、上述した実施の形態においては、タービン動翼が、低圧蒸気タービンに適用される例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、高圧蒸気タービン、中圧蒸気タービン、さらにガスタービンにも、上記実施の形態によるタービン動翼を適用することができる。
【実施例】
【００４３】
上述した本実施の形態に基づいて、動翼１０の縮小モデルを、三次元積層造形技術を用いて作製した。
【００４４】
具体的には、チタン合金材料の粉末を用いて、三次元積層造形機により、３分の１サイズの動翼１０を製造した。この動翼１０には、中空部２２と梁部分２３とを設けた。
【００４５】
製造された動翼１０には、外見上の欠陥は認められなかった。また、背側部分２０、腹側部分２１、梁部分２３および植込み部１２の機械的特性試験を行い、各部で所定の基準を満たしていることが確認できた。この結果、三次元積層造形技術を用いて動翼１０を健全に製造可能であることが確認できた。
【符号の説明】
【００４６】
１      蒸気タービン
１０    動翼
２０    背側部分
２０ａ  翼背面
２１    腹側部分
２１ａ  翼腹面
２２    中空部
２３    梁部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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