(57)【要約】  ターボ機械のロータブレード（１０）であって、ブレード根元（１１）と、フロー前縁（１３）、フロー後縁（１４）、及び、前記フロー前縁（１３）と前記フロー後縁（１４）との間に延在する、フローを誘導する面（１５）を有するブレード（１２）と、を備えたロータブレード（１０）において、前記ブレード根元（１１）と、前記ブレード（１２）の径方向内側部分（１７）とは、鋼材から製造されており、前記ブレード（１２）の径方向外側部分（１８）は、より軽量な材料から製造されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械のロータブレード（１０）であって、
ブレード根元（１１）と、
フロー前縁（１３）、フロー後縁（１４）、及び、前記フロー前縁（１３）と前記フロー後縁（１４）との間に延在する、フローを誘導する面（１５）を有するブレード（１２）と、を備えたロータブレード（１０）において、
前記ブレード根元（１１）と、前記ブレード（１２）の径方向内側部分（１７）とは、鋼材から製造されており、
前記ブレード（１２）の径方向外側部分（１８）は、より軽量な材料から製造されており、軽金属合金材料から製造されている前記ブレード（１２）の前記径方向外側部分（１８）が、付加製造方法によって、前記ブレード（１２）の前記径方向内側部分（１７）上に堆積することを特徴とするロータブレード。
【請求項２】
前記より軽量な材料が、軽金属合金材料、又は、セラミック材料、又は、軽金属合金材料とセラミック材料との組み合わせであることを特徴とする、請求項１に記載のロータブレード。
【請求項３】
前記ブレード（１２）の前記径方向内側部分（１７）と前記ブレード（１２）の前記径方向外側部分（１８）との間には、移行領域（１９）が形成されており、前記移行領域は、鋼材と軽金属合金材料との混合物から製造されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のロータブレード。
【請求項４】
前記フロー前縁（１３）の領域において、前記径方向内側部分（１７）が、前記ブレード根元（１１）を始点として、前記ブレード（１２）の径方向高さの最小１０％かつ最大９８％まで、好ましくは最大６０％まで、特に好ましくは最大５０％まで延在していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項５】
前記フロー後縁（１４）の領域において、前記径方向内側部分（１７）が、前記ブレード根元（１１）を始点として、前記ブレード（１２）の径方向高さの最小１０％かつ最大９８％まで、好ましくは最大６０％まで、特に好ましくは最大５０％まで延在していることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項６】
前記ブレード（１２）の前記径方向内側部分（１７）と、前記ブレード（１２）の前記径方向外側部分（１８）とが、前記フロー前縁（１３）及び前記フロー後縁（１４）の領域において、同じ大きさの径方向延在部分を有していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項７】
前記ブレード（１２）の前記径方向内側部分（１７）が、前記フロー前縁（１３）の領域において、前記フロー後縁（１４）の領域におけるよりも小さな径方向延在部分を有しており、従って、前記ブレード（１２）の前記径方向外側部分（１８）は、前記フロー前縁（１３）の領域において、前記フロー後縁（１４）の領域におけるよりも大きな径方向延在部分を有していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項８】
前記ブレード（１２）の前記径方向内側部分（１７）が、前記フロー前縁（１３）の領域において、前記フロー後縁（１４）の領域におけるよりも大きな径方向延在部分を有しており、従って、前記ブレード（１２）の前記径方向外側部分（１８）は、前記フロー前縁（１３）の領域において、前記フロー後縁（１４）の領域におけるよりも小さな径方向延在部分を有していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項９】
前記ブレード（１２）の前記径方向内側部分（１７）と前記ブレード（１２）の前記径方向外側部分（１８）との間の移行領域（１９）には、材料凹所（２１）及び／又は材料厚化部（２０）が形成されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のロータブレード。
【請求項１０】
前記材料凹所（２１）及び／又は前記材料厚化部（２０）が、少なくとも前記フロー前縁（１３）の領域に形成されていることを特徴とする、請求項９に記載のロータブレード。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のターボ機械のロータブレード（１０）を製造するための方法であって、
鋼材から製造されている、前記ブレード根元（１１）と、前記ブレード（１２）の前記径方向内側部分（１７）とが、フライス加工又は鍛造によって製造されるステップと、
軽金属合金材料から製造されている前記ブレード（１２）の前記径方向外側部分（１８）が、付加製造方法によって、前記ブレード（１２）の前記径方向内側部分（１７）上に堆積するステップと、
を有する方法。
【請求項１２】
付加製造方法として、レーザー焼結又はレーザー肉盛溶接が用いられることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のおいて書きに記載の、ターボ機械のロータブレードに関する。本発明は、さらに、当該ロータブレードを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機等のターボ機械では、一方においてロータブレードが、他方においてガイドベーンが用いられる。ガイドベーンは、ステータ側の、固定された翼である。ロータブレードは、ロータ側の、すなわちシャフトと共に回転する翼である。
【０００３】
ターボ機械のロータブレードは、ブレード根元と、ブレードとを有している。ブレード根元は、ロータブレードを、シャフト又はロータ基部に固定するために用いられる。ブレードは、ブレード根元を始点として、径方向外側に向かって延在している。ロータブレードのブレードは、フロー前縁、フロー後縁、及び、フロー前縁とフロー後縁との間に延在する、フローを誘導する面を有している。典型的には、径方向外側において、ロータブレードは、ブレード先端によって区切られている。
【０００４】
実践から知られたロータブレードは、フライス加工又は鍛造によって製造されるアセンブリである。
【０００５】
より軽量なロータブレードを製造する必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この必要性から出発して、本発明の課題は、ターボ機械の新式のロータブレードと、当該ロータブレードを製造するための方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本課題は、請求項１に記載のロータブレードによって解決される。本発明によると、ブレード根元と、ブレードの径方向内側部分とは、鋼材から製造されている。ブレードの径方向外側部分は、より軽量な材料から製造されている。本発明によって、初めて、ブレードが、径方向内側部分において、鋼材から製造され、径方向外側部分において、より軽量な材料から製造されているターボ機械のロータブレードが提案される。より軽量な材料とは、軽金属合金材料、又は、セラミック材料、又は、これらの組み合わせである。これによって、より軽量な、ターボ機械のロータブレードが製造され得る。ここでは、ブレードの内側部分と外側部分とが、材料接続的に接続されているのであって、例えば形状接続的にのみ接続されているのではないということが指摘される。
【０００８】
有利なさらなる発展形態によると、ブレードの径方向内側部分とブレードの径方向外側部分との間には、移行領域が形成されており、当該移行領域は、鋼材と軽金属合金材料との混合物から製造されている。このような移行領域を、径方向内側部分と径方向外側部分との間に設けることによって、ブレードの径方向外側部分の、径方向内側部分への特に有利な結合が可能になる。
【０００９】
有利なさらなる発展形態によると、フロー前縁の領域において、径方向内側部分は、ブレード根元を始点として、ブレードの径方向高さの最小１０％かつ最大９８％まで、好ましくは最大６０％まで、特に好ましくは最大５０％まで延在している。フロー後縁の領域では、径方向内側部分は、ブレード根元を始点として、ブレードの径方向高さの最小１０％かつ最大９８％まで、好ましくは最大６０％まで、特に好ましくは最大５０％まで延在している。これによって、軽量のロータブレードを製造することが可能である。
【００１０】
好ましくは、ブレードの径方向内側部分は、フロー前縁の領域において、フロー後縁の領域におけるよりも小さい径方向延在部分を有し、従って、ブレードの径方向外側部分は、フロー前縁の領域において、フロー後縁の領域におけるよりも大きい径方向延在部分を有している。この本発明のさらなる発展形態は、フロー前縁の領域では、耐食性を改善するために、径方向外側部分が、フロー後縁の領域におけるよりもさらに径方向内側に向かって導かれる方が良いという認識に基づいている。
【００１１】
有利なさらなる発展形態によると、ブレードの径方向内側部分とブレードの径方向外側部分との間の移行領域には、材料ノッチ及び／又は材料厚化部が形成されている。移行領域における材料ノッチ及び／又は材料厚化部によって、腐食保護がさらに改善され得る。
【００１２】
本発明の好ましいさらなる発展形態は、従属請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明の実施例が、図面を用いて詳細に説明されるが、これに限定されるものではない。示されているのは以下の図である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る第１のロータブレードの概略図である。
【図２】本発明に係る第２のロータブレードの概略図である。
【図３】本発明に係る第３のロータブレードの概略図である。
【図４】本発明に係る第４のロータブレードの概略図である。
【図５】本発明に係る第５のロータブレードの概略図である。
【図６】本発明に係るさらなるロータブレードの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、ターボ機械のロータブレードに関する。ターボ機械のロータブレードは、ブレード根元とブレードとを有している。ブレード根元は、ロータブレードを、ロータ基部又はシャフトと接続するために用いられる。
【００１５】
図１は、本発明に係るターボ機械のロータブレード１０の第１の実施例を示している。ロータブレード１０は、ブレード根元１１とブレード１２とを有している。ブレード１２は、フロー前縁１３、フロー後縁１４、及び、フロー前縁１３とフロー後縁１４との間に延在する、フローを誘導する面１５を含んでいる。これらのフローを誘導する面１５の内の一方は、圧縮側として、他方は、吸込側として構成されている。
【００１６】
ロータブレード１０の、シャフト又はロータ基部への固定に用いられるブレード根元１１から見て、フローの誘導に用いられるブレード１２は、径方向高さ、又は、径方向Ｒにおける延在部分を有しており、ブレード根元１１に直接接する位置では、ブレード１２の径方向延在部分は、０％であり、ブレード先端１６の領域において径方向外側では、ブレード１２の径方向延在部分は、１００％である。
【００１７】
本発明において、ブレード根元１１と、ブレード１２の径方向内側部分１７とは、鋼材から、すなわち鉄合金材料から製造されている。ブレード１２の径方向外側部分１８は、軽金属合金材料から製造されている。
【００１８】
ブレード１２の径方向内側部分１７とブレード１２の径方向外側部分１８との間の移行領域１９は、図１において、直線状に形成されている。
【００１９】
図１の実施例では、フロー前縁１３の領域及びフロー後縁１４の領域において、ブレード１２の径方向内側部分１７が、ブレード根元１１から、ブレード１２の径方向高さの約５０％まで延在している。
【００２０】
これとは異なり、径方向内側部分１７の径方向延在部分と、径方向外側部分１８の径方向延在部分とは、フロー前縁１３の領域とフロー後縁１４の領域とで異なっていてもよい。
【００２１】
ブレード１２の径方向外側部分１８の軽金属合金材料は、好ましくはアルミニウム合金材料又はチタン合金材料である。
【００２２】
図２の実施例では、ブレード１２の径方向内側部分１７と径方向外側部分１８との間に、鋼材と軽金属合金材料との混合物から成る移行領域１９が形成されている。
【００２３】
好ましくは、移行領域１９における混合比は変化し、より正確には、移行領域１９において、径方向内側から径方向外側に向かって、鋼材の割合が減少し、軽金属合金材料の割合が増加する。これによって、ブレード１２の径方向外側部分１８と径方向内側部分１７との、移行領域１９を介した、特に有利な接続が保証され得る。
【００２４】
図３は、図１の実施例のさらなる発展形態を示しており、当該発展形態では、移行領域１９の領域に、材料厚化部２０が形成されており、より正確には、少なくともフロー前縁１３の領域に形成されている。この材料厚化部２０は、吸込側及び／又は圧縮側及び／又はフロー後縁１４の領域に入り込んで延在していてもよい。
【００２５】
図３の実施例において形成されているような材料厚化部２０とは異なり、図４に示されているように、移行領域１９に、材料凹所２１を形成してもよい。その際、材料凹所２１は、少なくともフロー前縁１３の領域に形成されており、吸込側及び／又は圧縮側及び／又はフロー後縁１４の領域に入り込んで延在していてもよい。
【００２６】
図１、図２、図３及び図４の実施例において、ブレード１２の径方向内側部分１７と、ブレード１２の径方向外側部分１８とは、フロー前縁１３及びフロー後縁１４の領域において、それぞれ同じ大きさの径方向延在部分を有している。
【００２７】
好ましくは、径方向内側部分１７の径方向延在部分は、ブレード１２の径方向延在部分の最小３０％かつ最大７０％、好ましくは最小３０％かつ最大６０％、特に好ましくは最小３０％かつ最大５０％である。
【００２８】
図５及び図６は、本発明の実施例を示しており、当該実施例においては、径方向内側部分１７の径方向延在部分と、径方向外側部分１８の径方向延在部分とが、フロー前縁１３の領域とフロー後縁１４の領域とで異なっている。つまり、図５及び図６の実施例の範囲では、ブレードの径方向内側部分１７が、フロー前縁１３の領域において、フロー後縁１４の領域におけるよりも小さな延在部分を有しており、従って、径方向外側部分１８は、フロー前縁１３の領域において、フロー後縁１４の領域におけるよりも大きな延在部分を有している。
【００２９】
その際、図５及び図６では、これらのブレード１２の部分１７、１８の間に、それぞれ移行領域１９が形成されており、移行領域１９内では、好ましくは再び、鋼材と軽金属合金材料とから成る混合物の組成が変化する。
【００３０】
その際、図６の実施例では、フロー前縁１３の領域において、移行領域１９内に、材料厚化部２０と、材料凹所２１とが形成されている。すなわち、径方向外側部分１８に隣接する移行領域１９において、材料凹所２１が形成され、径方向内側部分１７に隣接する移行領域１９において、材料厚化部２０が形成されている。
【００３１】
従って、本発明では、ブレード根元１１と、ブレード１２の径方向内側部分１７とが鋼から、好ましくはフライス加工又は鍛造によって製造された、ターボ機械のロータブレード１０が提案されている。鋼から製造されたブレード１２の径方向内側部分１７には、直接か、又は、好ましくはその組成に関して変化する移行領域１９を形成した上で、軽金属合金材料から製造されたブレード１２の径方向外側部分１８が続いている。このブレード１２の径方向外側部分１８をブレード１２の径方向内側部分１７上に堆積することは、好ましくは、レーザー焼結又はレーザー肉盛溶接等の付加製造方法(generative manufacturing method)を用いて行われる。
【００３２】
移行領域１９を、鋼と軽金属合金材料との変化する混合物で形成する際に、付加製造方法を用いる場合、堆積すべき材料の組成は、連続的に変化する。
【００３３】
ロータブレード１０の径方向外側部分１８に、より軽量な材料を使用することによって、周速が大きい場合に、ブレード根元１１に作用する力は、より小さくなる。これによって、ブレード根元１１の負荷が軽減される。これによって、ブレード根元１１を、より短く設計することが可能である。
【００３４】
本発明によって、ロータブレードの耐食性が、特にフロー前縁１３の領域においても、改善され得る。
【００３５】
本発明は、さらに、当該ロータブレード１０を製造するための方法に関する。まず、鋼材によって製造されているブレード根元１１と、ブレード１２の径方向内側部分１７とが、フライス加工又は鍛造によって製造される。次に、軽金属合金材料で製造されているブレード１２の径方向外側部分１８が、付加製造方法によって、ブレード１２の径方向内側部分１７上に堆積する。付加製造方法としては、好ましくは、レーザー焼結又はレーザー肉盛溶接が用いられる。
【００３６】
径方向外側部分１８が堆積する径方向内側部分１７の断面は、好ましくは平面状に、又は、平らに構成されている。図５及び図６の実施例では、断面は、互いに対して傾斜した２つの平面状の、又は、平らな部分から構成されている。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ロータブレード
１１  ブレード根元
１２  ブレード
１３  フロー前縁
１４  フロー後縁
１５  面
１６  ブレード先端
１７  径方向内側部分
１８  径方向外側部分
１９  移行領域
２０  材料厚化部
２１  材料凹所
Ｒ  径方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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