(57)【要約】【課題】第１の密度Ｄ１を有する金属材料より成るロータ１を有しており、該ロータの周溝に動翼３，３′と中間部材４とが交互に組み付けられている形式の軸流熱タービン機械を改良して、重量が減少されてロータの耐用年数が高められるようにする。【解決手段】前記中間部材４が、第１の密度Ｄ１よりも小さい第２の密度Ｄ２を有する材料より成っている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流熱タービン機械であって、第１の密度（Ｄ１）を有する金属材料より成るロータ（１）を有しており、該ロータの周溝に動翼（３，３′）と中間部材（４）とが交互に組み付けられている形式のものにおいて、
前記中間部材（４）が、前記第１の密度（Ｄ１）よりも小さい第２の密度（Ｄ２）を有する材料より成っていることを特徴とする、軸流熱タービン機械。
【請求項２】
第２の密度（Ｄ２）を有する材料が金属間化合物である、請求項１記載の軸流熱タービン機械。
【請求項３】
金属間化合物がγ−チタン−アルミニド合金又は斜方晶系のチタン−アルミニウム合金である、請求項２記載の軸流熱タービン機械。
【請求項４】
γ−チタン−アルミニド合金が、化学組成（質量％）：Ｔｉ−（３０．５−３１．５）Ａｌ−（８．９−９．５）Ｗ−（０．３−０．４）Ｓｉを有している、請求項３記載の軸流熱タービン機械。
【請求項５】
第２の密度（Ｄ２）を有する材料がチタン合金である、請求項１記載の軸流熱タービン機械。
【請求項６】
タービン機械が、ステンレスのＣｒ−Ｎｉ鋼から主に成っているロータ（１）を有するガスタービンの高圧圧縮機である、請求項１から５までのいずれか１項記載の軸流熱タービン機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電技術の分野に関するものである。本発明は、第１の密度を有する金属材料より成るロータを有しており、該ロータの周溝に動翼と中間部材とが交互に組み付けられている形式の、従来技術と比較して節減されたロータ重量を有している軸流熱タービン機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱タービン機械、例えばガスタービン又はタービンのための例えば高圧圧縮機は、主に、動翼を装着したロータと、静翼が取り付けられているステータとから成っている。動翼と静翼とは、それぞれ１つの翼羽根及び翼付根を有している。ロータ若しくはステータに翼を固定できるように、ステータ内及びロータ軸に溝が形成されている。これらの溝内に静翼及び動翼の付根が嵌め込まれて、そこで固定されるようになっている。
【０００３】
定置の動翼は、圧縮若しくは放圧しようとするガス状の媒体の流れを、回転する動翼羽根に向けて変向させ、それによって最大可能な効率を有するエネルギー変換を得るという課題を有している。
【０００４】
翼を、単一の材料例えばガスタービン圧縮機用のステンレス鋼、又はガスタービン用のニッケル−基−超合金より製造し、このような同形式の翼を装着して１つの翼列を形成することは公知である。このような形式の翼を、以下では従来形式の翼と称呼することにする。
【０００５】
所定の使用のためには、翼列の標準的な質量は、ロータの支持能力によって限定されている。
【０００６】
そのための解決策として、ハイブリッド構造形式の翼を製造することが公知である。ハイブリッド構造形式においては、翼の最適な設計を得るために、翼を製造するために種々異なる物理的特性を有する種々異なる材料が互いに組み合わせられる。従って例えば、ドイツ連邦共和国特許公開第１０１１０１０２号明細書による、駆動装置のためのハイブリッドロータ翼が公知である。この公知のハイブリッドロータ翼においては、エアロダイナミックス（空気力学）的な機能だけを有する、翼羽根の後縁部が軽量材料有利には繊維複合材料例えば炭素繊維複合材料より製造されている。このような（軽量の）後縁部によって、有利には翼の重量が節減される。２つの翼羽根部分（重い金属製の前縁部と軽い後縁部とが繊維複合材料より成っている）の結合は、接着又はリベット固定によって行われる。
【０００７】
同様の解決策は国際公開第９９／２７２３４号明細書に記載されている。この明細書では、特に駆動装置のための、組み込まれた翼配列を有するロータが開示されており、ロータの外周部にロータ翼が配置されていて、この場合、ロータ翼は振動を減少させるために金属製の翼付根と、翼前縁部及びこの翼前縁部に隣接する翼面の領域の少なくとも一部を形成する金属製の翼羽根区分と、繊維強化プラスチックより成る翼羽根とを有している。この場合も、プラスチック製の翼羽根を、金属製の翼羽根区分に固定することは、接着／リベット又は緊締によって行われる。
【０００８】
このような従来技術は次に説明するような欠点を有している。つまり一方では、前記固定形式は長時間に亘って大きい負荷にさらさないが、他方では繊維強化プラスチックは所定の温度範囲内でしか使用することができないので、公知の技術的な解決策は特に駆動装置技術にだけ適している。しかも、翼羽根の特性（金属的な特性、抗酸化性、摩擦特性）は、単一の材料より成る翼羽根に対して変化しており、これは機械の運転特性に不都合に作用する。
【０００９】
またヨーロッパ特許第０５１３４０７号明細書によれば、ドーピング材料を含有するガンマ−チタン−アルミニドをベースとした合金より成るタービン翼が公知である。このタービン翼は、翼羽根、翼付根及び場合によって翼シュラウンドより成っている。このような翼を製造する際に、鋳造体は部分的に熱処理及び熱変形され、次いで翼羽根が、高い引張り強さ及び所定時間内のクリープ強さを生ぜしめる粒の粗い構造を有するようになっており、また翼付根及び／又は翼シュラウドは、翼羽根に対して高い延性を生ぜしめる粒の細かい構造を有している。このような翼を使用すると、従来の翼と比較してロータの質量が低減されるという利点はあるが、翼先端は運転中にステータと接触するとその脆性に基づいて破壊に至るという欠点がある。これは一般的には避けられない。
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許公開第１０１１０１０２号明細書
【特許文献２】国際公開第９９／２７２３４号明細書
【特許文献３】ヨーロッパ特許第０５１３４０７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、このような従来技術による欠点を避けることである。また、本発明の課題は、熱タービン機械を改良して、重量が減少されてロータの耐用年数が高められるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題を解決した本発明によれば、翼列の動翼間に配置された前記中間部材が、ロータ材料の密度よりも小さい密度を有する材料より成っている。このために有利な形式で、金属間化合物又はチタン合金が使用される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の利点は、本発明の特徴によって一方ではロータの重量が低減され、他方では金属間化合物としての中間部材の脆性が、機械の運転の危険性を高めることがない、という点にある。
【００１３】
中間部材が金属間のγ−ＴｉＡｌ化合物又は金属間の斜方晶のＴｉＡｌ化合物より成っていれば有利である。何故ならばこのような本発明による材料を使用することによって、ロータの重量が著しく削減されるからである。金属間のチタン−アルミニド化合物の固有密度は、ステンレスのＣｒ−Ｎｉ−Ｗ−鋼の密度の約５０％だけである。
【００１４】
中間部材のための材料として、チタン−アルミニド金属間化合物の代わりにチタン合金を使用しても有利である。この場合は、やや高い密度に基づいて、従来のロータに対するロータの重量削減はやや少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図面には本発明の実施例が示されている。図１は、ガスタービン用の高圧圧縮機の本発明によるロータの横断面図である。
【００１６】
以下に図１に示した実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
【００１７】
図１には、ガスタービンの高圧圧縮機用のロータ１の動翼列の横断面図が示されている。ロータ１はステータ２に包囲されている。ロータ１内には、このロータ１に形成された周方向溝内に動翼３，３′が組み込まれており、これに対してステータ２内には静翼５が取り付けられている。動翼３，３′及び静翼５は、例えば約３２バール（ｂａｒ）の圧力において、数千時間に亘って約６００℃の温度にさらされる。これらの翼は、次のような化学組成（質量％）：０．１２Ｃ，＜０．８Ｓｉ，＜１．０Ｍｎ，１７Ｃｒ，１４．５Ｎｉ，＜０．５Ｍｏ，３．３Ｗ，＜１Ｔｉ，＜０．０４５Ｐ，＜０．０３Ｓ，Rest Ｆｅを有するステンレスのＣｒ−Ｎｉ−Ｗ−鋼より製造されている。ロータ１の軸は同様に鋼より成っている。鋼の密度は約７．９ｇ／ｃｍ３である。
【００１８】
隣接し合う動翼３と３′との間には、ロータ１の動翼列内にそれぞれ中間部材４が、ロータ１の周方向溝内に組み付けられている。本発明によればこれらの中間部材４は、金属間化合物、ここではγ−チタン−アルミニド化合物（γ-Titan-Aluminid-Verbindung）より製造されている。
【００１９】
中間部材４を製造するために使用された金属間化合物は、次のような化学組成（質量％）を有している：
Ｔｉ−（３０．５−３１．５）Ａｌ−（８．９−９．５）Ｗ−（０．３−０．４）Ｓｉ
チタンとアルミニドとの金属間化合物は、平均的な温度範囲及び高い温度範囲において興味のある構造材料として見なされる幾つかの興味深い特徴を有している。それは、超合金及びステンレス鋼と比較して低い密度である。しかしながらその技術的な利用価値は、存在する形状では、しばしばその脆性と対抗することになる。
【００２０】
上記金属間化合物としてのγ−チタン−アルミニド化合物は、この実施例ではロータ及び翼のために使用された鋼よりも約５０％低い密度を特徴としている。さらにまたこの金属間化合物は、室温において１７１ＧＰａのＥ−モジュールを有し、２４Ｗ／ｍＫの熱伝導率λを有している。
【００２１】
表１には、２つの合金のその他の物理的特性が対比して示されている。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１：異なる材料の物理的特性
ガスタービン装置の高圧圧縮機の回転する構成部分は、約６００℃までの温度において強く負荷されるので、本発明によるロータの重量節減は、有利には機械の耐用年数を高めるように作用する。
【００２４】
金属間の中間部材の製造は、公知の形式で、鋳造、熱間静水圧圧縮成形、及び最小の機械的な後作業による熱処理によって行われる。
【００２５】
勿論、本発明は図示の実施例に限定されるものではない。
【００２６】
高圧圧縮機の中間部材４は、例えば、４．５５ｇ／ｃｍ３の密度を有する公知の金属間の斜方晶系のチタン−アルミニド合金より製造することもできる。斜方晶系のチタン−アルミニド合金は、整然とした化合物Ｔｉ２ＡｌＮｂをベースとしていて、次の化学組成：Ｔｉ−（２２−２７）Ａｌ−（２１−２７）Ｎｂを有している。例えば化学組成（質量％）：０．０６Ｃ，０．４Ｓｉ，５．８Ａｌ，４Ｓｎ，４Ｚｒ，０．５Ｍｏ，＜０．０５Ｆｅ，０．１１Ｏ，＜０．０３Ｎ，＜０．００６Ｈ，ＲｅｓｔＴｉを有する高温合金を本発明に従って使用することも考えられる。
【００２７】
さらにまた、本発明は、高圧圧縮機ロータのためにだけ使用するのではなく、超合金例えばニッケル−基−超合金より成るタービンブレードを備えたタービンロータのためにも使用することができる。このタービンロータでは、動翼間の中間部材は例えば金属間のγ−チタン−アルミニド合金又は金属間の斜方晶系のチタン−アルミニド合金より成っている。それによっても機械の耐用年数が高められ、また有利な重量削減が得られる。
【００２８】
金属間のＴｉ−Ａｌ−合金を前記のように本発明に従って使用する場合、その脆性は不都合な影響を与えることはない。何故ならばＴｉ−Ａｌ−合金は、中間部材としてすべり接触若しくは摩耗にさらされないからである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ガスタービン用の高圧圧縮機の本発明によるロータの横断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  ロータ、  ２  ステータ、  ３，３′  動翼、  ４  中間部材、  ５  静翼
【図１】
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