(57)【要約】【課題】金属材料より成るロータ１を有し、該ロータの周溝に、金属間化合物より成る複数の動翼３が組み付けられて一列の翼列を形成している形式の軸流熱タービン機械を改良して、一方ではロータの全重量を減少させし、他方では翼の脆性破壊が避けられて、機械の耐用年数が高められるような熱タービン機械を提供する。【解決手段】延性材料より成る少なくとも２つの動翼３′が、互いに一様な間隔を保って、前記翼列内で前記金属間化合物の動翼３間に配置されており、この延性の材料より成る動翼３′が、金属間化合物より成る動翼３よりも著しく長く構成されているか、又は長さが同じで金属間化合物より成る動翼３とは異なる翼先端形状を有している。【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、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、金属間化合物より成る複数の動翼（３）が組み付けられて一列の翼列を形成している形式のものにおいて、
延性材料より成る少なくとも２つの動翼（３′）が、互いに一様な間隔を保って、前記翼列内で前記金属間化合物の動翼（３）間に配置されており、この延性の材料より成る動翼（３′）が、金属間化合物より成る動翼（３）よりも著しく長く構成されているか、又は長さが同じで金属間化合物より成る動翼（３）とは異なる翼先端形状を有していることを特徴とする、軸流熱タービン機械。
【請求項２】
翼列の隣接し合う２つの動翼（３，３′）間に付加的に、ロータ（１）の材料よりも軽量の材料より成る、有利には金属間化合物又はチタン合金より成る中間部材（４）が配置されている、請求項１記載の軸流熱タービン機械。
【請求項３】
動翼（３）及び中間部材（４）のための金属間化合物が、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１又は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】
動翼（３）の翼先端（５）が硬い層でコーティング可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載の軸流熱タービン機械。
【請求項６】
耐摩耗層がレーザー溶接によって翼先端に施される、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。
【請求項７】
タービン機械が、主としてステンレスのＣｒ−Ｎｉ−鋼より成るロータ（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６までのいずれか１項記載の軸流熱タービン機械。
【請求項８】
金属間化合物の動翼（３）と比較して延性が大きい動翼（３′）が、ステンレスのＣｒ−Ｎｉ−鋼又は耐熱性のタービン翼鋼又は超合金より成っている、請求項１から７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、金属材料より成るロータを有し、該ロータの周溝に、金属間化合物より成る複数の動翼が組み付けられて一列の翼列を形成している形式の、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。
【００１０】
このようなガンマ−チタン−アルミニドより成る翼を使用すると、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。このような摩擦は一般的には避けられない。
【００１１】
高圧圧縮機における鋼より成る翼は経験的に、ステータにおける摩耗層自体によって、動翼の翼先端が圧縮機の運転中に摩耗されることが分かった。これは、相当な摩擦力と結びついて、翼が延性でない場合に、翼の脆性破壊を生ぜしめる。
【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】
【００１２】
本発明の課題は、従来技術の前記のような欠点を避けることである。また本発明の課題は、一方ではロータの全重量を減少させることを特徴とし、他方では翼の脆性破壊が避けられて、機械の耐用年数が高められるような熱タービン機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題を解決した本発明によれば、延性材料より成る少なくとも２つの動翼が、互いに一様な間隔を保って、前記翼列内で前記金属間化合物の動翼間に配置されており、この延性の材料より成る動翼が、金属間化合物より成る動翼よりも著しく長く構成されているか、又は長さが同じで金属間化合物より成る動翼とは異なる翼先端形状を有している。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の利点は、一方では、金属間化合物より成る翼を使用したことによってロータの重量が減少され、それによってロータと翼との結合部の耐用年数が高められ、他方では、同じ翼列内に配置された、延性の材料より成る翼が摩擦力／摩耗力を吸収するので、金属間化合物の翼の脆性が、機械運転の危険性を高めることがないという利点を有している。
【００１５】
翼列の隣接し合う２つの動翼間に付加的に、ロータの材料よりも軽量の材料より成る、有利には金属間化合物又はチタン合金より成る中間部材がロータに配置されている。このような形式でロータの重量が付加的に減少される。
【００１６】
金属間化合物の動翼及び中間部材が、γ−ＴｉＡｌ化合物又は斜方晶系のＴｉＡｌ−化合物であれば有利である。何故ならば、このような本発明による材料を使用すれば、ロータの著しい材料削減が得られるからである。金属間のチタン−アルミニウム化合物の固有の密度は、例えばステンレスのＣｒ−Ｎｉ−Ｗ−鋼の密度の約５０％だけである。
【００１７】
また、翼先端が硬い層でコーティングされるか、又はレーザー溶接によって耐摩耗層を施して、翼先端の摩耗を阻止するか、若しくは摩擦力を減少させるようにすれば、有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に図１〜図３に示した本発明の実施例について詳しく説明する。
【００１９】
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。
【００２０】
本発明によれば、２種類の異なる形式の動翼３，３′を備えた動翼列が装着されている。重量削減のために、複数の動翼つまり一方の動翼３は、金属間化合物有利には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。これに対して他方の動翼３′は、一方の動翼３の材料よりも延性の材料例えばステンレスのＣｒ−Ｎｉ鋼より製造されている。互いに一様な間隔を保って配置されたこのような形式の少なくとも２つの延性の動翼３（図１の実施例では４つが示されている）は、金属間化合物の動翼３より成る翼列内に配置されている。延性の材料より成る動翼３′は、この実施例では、金属間化合物の動翼３よりも明らかに長い。つまり運転中に翼がステータに不都合に接触する際に、延性の翼が摩擦力を補償して、脆弱破壊が発生しないようになっている。これと同様の効果を得るために、別の実施例では、２つの形式の動翼３，３′が同じ長さを有していて、翼先端５の形状が異なって構成されていてもよい。例えば延性の動翼３′が有利には段付けされた翼先端５を有していてもよい。
【００２１】
図示の実施例では、動翼３′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。動翼３が製造されている金属間化合物は、次のような化学組成（質量％）：Ｔｉ−（３０．５−３１．５）Ａｌ−（８．９−９．５）Ｗ−（０．３−０．４）Ｓｉ、を有している。この合金の密度は、有利には４ｇ／ｃｍ３だけであるので、本発明によるロータ１は、従来の鋼製の翼を備えたロータに対して著しく軽量である。
【００２２】
図２には、本発明の実施例の詳細が示されている。図２に示されているように、ロータ１の翼列の隣接し動翼間で、ロータ１の周溝内に、金属間化合物（この実施例ではγ−チタン−アルミニド化合物）より成る中間部材４がそれぞれ組み付けられていれば、ロータ１の重量は付加的に減少される。
【００２３】
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、動翼３のために使用された前記化合物と同じ化学組成を有している。
【００２４】
チタンとアルミニドとの金属間化合物は、平均的な温度範囲内及びより高い温度範囲内において魅力的であると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。
【００２５】
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１及び翼３′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。
【００２６】
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。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
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。ロータ１内での翼付根固定部における応力が低減される。
【００２９】
金属間化合物の動翼３及び中間部材４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。
【００３０】
図３には、本発明の別の有利な実施例が示されている。動翼３が示されており、この動翼の翼先端５はコーティングされている。翼先端のコーティングは、硬い層によって行われるか、又はレーザー溶接によって耐摩耗層が施される。いずれの場合も、翼先端の摩滅は避けられるか若しくは摩擦力が減少される。
【００３１】
勿論、本発明は図示の実施例に限定されるものではない。
【００３２】
金属間化合物の動翼３若しくは中間部材４のための材料として、例えば、４．５５ｇ／ｃｍ３の密度を有する斜方晶系のチタン−アルミニド合金を使用することができる。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（質量％）：Ｔｉ−（２２−２７）Ａｌ−（２１−２７）Ｎｂを有している。
【００３３】
中間部材４は、金属間化合物のγ−チタン−アルミニド合金の代わりに安価なチタン合金を使用してもよい。この場合には、それほど大きい重量削減は得られない。
【００３４】
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化合物のγ−チタン−アルミニド合金又は金属間化合物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。
【００３５】
金属間化合物のＴｉ−Ａｌ−合金を前記のように本発明に従って使用する場合、その脆性が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り、また翼として使用した場合、相応の延性を有する翼は摩擦／摩耗力を補償するからである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】概略的に示された本発明による高圧圧縮機の動翼列の第１実施例の横断面図である。
【００３７】
【図２】金属間化合物より成る中間部材が動翼間でロータに配置されている、本発明の第２実施例の詳細を示す部分断面図である。
【００３８】
【図３】本発明の第３実施例による、コーティングされた翼先端を備えたＴｉＡｌ翼の概略的な断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  ロータ、  ２  ステータ、  ３，３′  動翼、  ４  中間部材、  ５  翼先端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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