(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼先端部と翼脚部（２）と翼形部（３）とを備えたタービン翼（１）であって、このタービン翼（１）の内部における流れ経路（６）に沿って冷却ガスが貫流する個々の通路（１２）から成る内部通路系（５）を備え、冷却ガスの流量に影響を与える絞り装置（１１）を有し、更にタービン翼（１）の後縁（２１）に冷却ガスをタービン翼（１）から流出させるための流出開口（１８）を備え、通路（１２）において冷却ガスを翼脚部（２）から翼形部（３）を通って翼先端部迄導き、そこで逆方向に転向させて導くタービン翼（１）、特にガスタービン翼において、絞り装置（１１）が、流れ経路（６）の後部範囲において流出開口（８）の上流に設けられたことを特徴とするタービン翼。
【請求項２】
絞り装置（１１）が、通路（１２）の転向個所（１３）に設けられたことを特徴とする請求項１記載のタービン翼。
【請求項３】
絞り装置（１１）が、流出開口（８）の上流の最終転向個所（１３）に設けられた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】
絞り装置（１１）が、鋳造技術上生ずる貫通開口（１０）に設けら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】
貫通開口（１０）が、絞り装置（１１）によって開放不能に閉じられたことを特徴とする請求項４記載のタービン翼。
【請求項６】
絞り装置（１１）がタービン翼脚部（２）に配置されたことを特徴とする請求項４又は５記載のタービン翼。
【請求項７】
絞り装置（１１）が、プラグ（２０）の絞り突起（１７）で形成されたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載のタービン翼。
【請求項８】
絞り装置（１１）が、プラグ（２０）に固着されたねじ（１４）の脚部（１６）で形成されたことを特徴とする請求項７記載のタービン翼。
【請求項９】
プラグ（２０）が溶接されたことを特徴とする請求項７又は８記載のタービン翼。
【請求項１０】
翼先端部と翼脚部（２）と翼形部（３）を備えたタービン翼（１）であって、該翼（１）の内部の流れ経路（６）に沿って冷却ガスが貫流する個々の通路（１２）から成る内部通路系（５）を備え、冷却ガスの流量に影響を与える絞り装置（１１）を持ち、かつタービン翼（１）の後縁（２１）に冷却ガスをタービン翼（１）から流出させる流出開口（１８）を備え、通路（１２）内で冷却ガスを翼脚部（２）から翼形部（３）を通り翼先端部迄導き、そこで逆方向に転向させて導く請求項１から９の１つに記載のタービン翼（１）、特にガスタービン翼を、中子（２８）と外枠（３１）とを有する鋳型（２７）による鋳造過程を含む製法で製造する方法において、鋳造過程後に、冷却ガスの貫流に影響を与える絞り装置（１１）を、流れ経路（６）の後部範囲において流出開口（８）の上流に設け、鋳造技術上生ずる貫流開口（１０）における冷却ガスの流量を測定しながら冷却ガスの貫流パラメータの設定値を得るべく調整し、続いて絞り装置（１１）を絞り位置に開放不能に固定することを特徴とする方法。
【請求項１１】
鋳造過程中、タービン翼（１）の脚部（２）において、中子（２８）を中子押え（２９）により外枠（３１）に対する相対位置を保持し、中子押え（２９）により生ずる貫通開口（１０）に、絞り装置（１１）をはめ込むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
種々の絞り突起（１７）を備えた各プラグ（２０）のはめ込み後に個々に冷却ガス流量の測定を行い、冷却ガスの設定流量を生じさせるプラグ（２０）を溶接することを特徴とする請求項１０又は１１記載の方法。
【請求項１３】
流れ経路（６）内に突出する絞り突起（１７）を持つ絞りねじ（１４）を備えたプラグ（２０）を、鋳造技術上生ずる貫通開口（１０）の中にはめ込み、該ねじ（１４）を調整しながら流量測定を行い、このねじ（１４）を最終的に所望の絞り位置において固着することを特徴とする請求項１０から１２の１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、翼先端部と翼脚部と翼形部とを備えたタービン翼であって、該翼の内部の流れ経路に沿って冷却ガスが貫流する個々の通路から成る内部通路系を備え、冷却ガスの流量に影響を与える絞り装置を有し、かつタービン翼の後縁に冷却ガスをタービン翼から流出させる流出開口を備え、通路において冷却ガスを翼脚部から翼形部を通って翼先端部迄導き、そこで逆方向に転向させて導く、タービン翼、特にガスタービン翼に関する。また本発明は、請求項１０の前文に記載のタービン翼の製造方法に関する。
【０００２】
活動流体で駆動されるタービン、特にガスで駆動されるガスタービンの運転時に高効率を得るため、活動流体を高温に加熱する。高温ガスを発生する燃焼器を備えたガスタービンの場合、燃焼器直後の静翼と動翼に、該タービン翼の製造に利用する材料の臨界温度を幾分上回る高い温度に耐えるようにすべく、冷却ガスを貫流させる。このガスにより、タービン翼とその内部の温度を低下させ、この結果、かかる条件下でのタービン翼の機械的強度と機能性を保障する。
【０００３】
この冷却方式の場合、活動流体で洗流されるタービン翼の外側壁は、冷却ガスを繰り返しタービン翼の翼脚部から翼先端部迄導き、そして再び翼脚部に導く蛇行した通路系を取り囲む。冷却ガス入口管の範囲は入口縁部位と呼び、冷却ガス出口管の範囲は出口縁部位と呼ぶ。出口縁部位に、タービン翼の通路系を活動流体が貫流する外側室に接続する多数の出口開口を設けてある。冷却ガスは、タービンの運転中、タービン翼の通路系から外側壁の表面迄流出する。
【０００４】
冷却ガスを節約し、これによりガスタービンの出力を増大するため、タービン翼に対し、過熱を防止する上で無条件に必要な量の冷却ガスしか利用しないようにせねばならない。翼の損傷を防止すべく慣習的に採用されている、異なった熱伝達についての多くの仮定を翼設計に取り入れ、かつタービン翼の実際の幾何学的構成を鋳造終了後に初めて決定するので、翼を貫流する冷却ガスの流量は、鋳造後に後から調整する。このため通常、タービン翼への冷却ガスの入口縁の範囲に、翼への冷却ガスの流入を絞る入口縁孔や孔開き絞りを設けている。しかしこの場合、絞り装置がかなりの損失係数を有し、かつ冷却ガスの入口範囲で流れの剥離が生じ、このためタービン翼のその範囲での十分な冷却を保障できないという欠点がある。またこの構成は入口縁部位をも害する。即ち、この入口縁部位において、最初の冷却室と外側の高温ガスとの間の圧力差が低下する。
【０００５】
本発明の課題は、入口縁における冷却ガスの流れに影響を与えることなしに冷却ガスの流量を調整できる絞り装置を備えた、冒頭に述べた形式のタービン翼を提供し、かつ副次的な課題としてそのようなタービン翼の、個々に適合可能な構造的に簡単な製造方法を提供することにある。
【０００６】
この課題は、絞り装置を、流れ経路の後部範囲において流出開口の上流に設けることで解決できる。
【０００７】
絞り装置のそのような配置により、冷却ガスの貫流を、冷却ガスの流れに不利な影響を与えることなく絞れる。入口縁の流れはほとんど乱れない。絞りは流れ経路の後部範囲においてはじめて行う。冷却ガス流は、その流れ経路の大部分を辿って流れ、十分な流速により放熱目的を満たす。最初の冷却室と周囲の高温活動流体との圧力差が保たれるので、翼内に高温ガスは侵入せず、従って高温ガスの侵入による大きな損傷を避けられる。この結果、タービン翼の確実な冷却を保障できる。同時に、冷却ガスの消費量が最少になる。タービン翼に対し、過熱を防止する上で無条件に必要な量の冷却ガスしか用いない。このようにして、タービン翼の最良の冷却を行い、同時にタービンの良好な効率を得られる。
【０００８】
冷却ガス流量の流体的に良好な調整は、絞り装置を通路の転向個所に設けることで行う。ここで、通路の横断面積、従って冷却ガスの流量は、簡単に所定の大きさに設定できる。ガスタービンの製造時に生ずる万一の寸法差は、絞り装置で無害になる。この結果、種々の型式のタービン翼に、同じ絞り装置を採用可能となる。これは、タービン翼に必要な、各種部品の点数の減少に資する。
【０００９】
特に、絞り装置を流出開口に前置した最終転向個所に設けると有利である。この個所で流れ経路が広がるので、その後では高効率の十分な絞りは行えない。同時に冷却ガスは最大の流れ経路を持ち、従って、通路系の内側面との最大接触面を有し、これにより、冷却作用が最良となる。
【００１０】
特に、絞り装置を鋳造技術上生ずる貫通開口に設けると有利である。鋳造時、例えば中子押えにより生ずる貫通開口は、かくして有効に利用できる。通常、その貫通開口は単に板により閉じられる。絞り装置はその閉鎖の機能を果たし、同時に冷却ガス流を絞る。この絞り装置によって、流量の追加的な調整と、鋳造後の万一の寸法誤差の補償ができる。即ち、貫通開口を利用することで、製造工程を節約し、これにより、製造費用を著しく低減できる。
【００１１】
運転中の絞り装置の紛失を防止し又は絞り装置の通路系への不所望の侵入を防ぐため、貫通開口を絞り装置で開放不能に閉じるとよい。例えばタービン翼が熱的・機械的に大きく負荷された際、絞り装置が緩み、通路系内に侵入すると、タービン翼が大きく損傷し、又は冷却作用が完全に休止してしまい、このため、タービンが短時間で故障してしまう。また、タービンの内部で、タービン翼外に存在する絞り装置が大きな損傷をひき起こす。更に、絞り装置の紛失により開いた貫通開口を通り、冷却ガスが不適当な個所から大気に流出するのに伴い、冷却作用が減少する。
【００１２】
絞り装置を、タービン翼脚部に配置するとよい。この結果、タービン翼の点検時、絞り装置に問題なく接近でき、かつ漏れ止めと絞り作用を検査できる。
【００１３】
絞り装置をプラグの絞り突起により形成した場合、良好な強度と機能性が保障される。プラグはその都度、プラグがはめ込まれる開口の外径寸法に個々に適合するように形成される。これは、特に開口が鋳造技術上生ずる貫通開口であるとき、その開口寸法が種々のタービン翼型式に応じ変化するので有利である。絞りは絞り突起により行われ、該突起は非常に単純な構造でもその機能を満たす。従って絞り突起は、その機能を保障しつつ安定して形成され、この結果、絞り装置は点検不要であり、確実に作動する。冷却ガスの流量が大きく、これに伴い圧力が高く、かつ負荷が大きく変動するときも、絞り作用を確実に保障する。
【００１４】
絞り装置を、プラグに固着したねじの脚部により形成するとき、冷却ガス流量を精確に設定できる。該ねじは、貫通開口に取り付けたプラグにはめ込まれる。かくして、鋳造タービン翼へのねじの設置を避けられる。プラグにはめ込んだねじは無段調整でき、流出縁部位の流れ要件に、絞りを個々に適合させられる。ねじの固着によって、ねじは所望の位置に固着できる。
【００１５】
プラグを溶接することで、固着保持を保障できる。これにより、プラグは単純な処置で、プラグがはめ込まれるタービン翼にある開口の所望の位置に、例えば周囲の材料の変形なしに固着され、保持される。その開口は鋳造技術上生ずる貫通開口であり、又は鋳造後にタービン翼等に穿孔によって設けた開口でもよい。その場合、絞り装置の個所が、型式と鋳造に関する要件に良好に合わされる。
【００１６】
タービン翼の製造方法についての副次的な課題は、鋳造過程後に、冷却ガスの貫流に影響を与える絞り装置を、流れ経路の後部範囲において流出開口に前置して設け、鋳造技術上生ずる貫流開口における冷却ガスの流量を測定しながら冷却ガスの貫流パラメータの設定値が得られるように調整し、続いて絞り装置を絞り位置に開放不能に固定することで解決できる。
【００１７】
この処置により、鋳造過程自体で、所定の冷却ガス絞りを考慮する必要がなくなる。これは鋳造過程を容易にし、鋳型を単純化し、不良品を減らす。例えば中子をその位置に保持する中子と外枠との接続部（中子押え）により生ずる、鋳造に伴う開口を、かくして利用できる。同時に、絞り装置が貫通開口を閉鎖する。この結果、さもなければ必要な作業工程を省ける。冷却ガスの流量を後から測定することで、冷却ガス流量を、単純な処置で個々に、タービン翼の必要冷却ガス量に適合させられる。その調整は、絞り作用を外から簡単に調整できることから容易に行える。続く絞り装置の貫通開口への固定は、場合により外側から行う。その固定は、タービン翼を損傷することなしに、冷却ガス流量の測定によって直接検査され、必要な場合に繰り返される。
【００１８】
鋳造過程中、タービン翼の脚部において、中子押えにより外枠に対する中子の相対位置を保持し、中子押えに基づき生ずる貫通開口に絞り装置をはめ込むことで、その製造工程は、種々のタービン翼に対し殆ど同じになる。この結果、製造工程を単純化し、種々の型式のタービン翼を製造する際、切換時間と、使用部品の点数とを減少できる。
【００１９】
種々の絞り突起を備えたプラグのはめ込み後、個々に冷却ガス流量を測定し、設定量の冷却ガス流を生じさせるプラグを溶接することで、安価な材料費による特に簡単・良好で再現可能な製造法が得られる。プラグの選定により、絞り突起も予め決定できる。これに伴い、プラグを同系列のタービン翼に対するモデル寸法とほぼ同じにできる。このため作業工程が単純化し、製造費用が低下する。
【００２０】
流れ経路内に突出する絞り突起を持つ絞りねじを備えたプラグを、鋳造技術上生ずる貫通開口内にはめ込み、その絞りねじを調整しながら流量測定を行い、この絞りねじを最終的に所望の絞り位置において固着することで、冷却空気流を個々に調整できる。そのねじの位置は、連続測定中に無段階に変更できる。これは、冷却要件に適合した非常に精確な調整を可能にする。ねじの固着は、タービン翼の材料を損傷することなく、確実に固定する働きをする。ほぼ同じ冷却要件と冷却通路内部構造を持つ系列のタービン翼に対し、模範的な冷却流測定時に予め決定したねじの位置をマークし、設定する。そして、調整済みねじを備えたプラグを、タービン翼に直接はめ込み、ねじを固着する。
【００２１】
以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。
【００２２】
図１は、ガス冷却形タービン翼１の脚部２と通路系５の一部を縦断面で示す。通路系５は、主にタービン翼１の翼形部（羽根）３に存在する。通路系５はタービン翼１の脚部２で流れ経路６の始点に入口開口２２を有し、タービン翼１の後縁部位２１に出口開口８を持つ。入口開口２２を通し冷却ガスを通路系５に導入し、その冷却ガスを流れ経路６の終端で出口開口８を通り通路系５から出す。冷却ガスは流れ経路６内で、隔壁２１により分離して形成した複数の通路１２をタービン翼１の翼脚部２から翼先端部（図示せず）迄、そして転向後再び翼脚部２迄繰り返し蛇行して流れる。それら通路１２は、翼脚部２や翼先端部に隣接する転向個所１３で互いにつながっている。冷却ガスの流量に影響を与える絞り装置１１を、流れ経路６の後方範囲内の、出口開口８上流に設けている。この結果、入口開口２２の範囲での流れは乱れず、同時に必要冷却ガス量は減少する。
【００２３】
図２は、絞りプラグ２０を備えたタービン翼脚部２を縦断面図で示す。絞りプラグ２０は段部２６により貫通開口１０に保持している。プラグ２０は絞り突起１７を有し、組み立てた状態では、その絞り突起１７で冷却ガス流を減らす。プラグ２０は、冷却ガスが通路系５から流出する前の最終転向個所１３で、翼脚部２の壁３２にある開口に設けてある。プラグ２０は鋳造技術上生ずる開口内に設けるのがよく、こうするとタービン翼１の製造工程を節約し、プラグ２０を同時に、絞りに対し好適な個所に、即ち通路１２の転向個所１３に置ける。この個所には、鋳造時、特に図６に示すように、中子押え２９が存在する。中子押え２９は、中子２８をその周囲の外枠３１に対して固定し、所定の寸法を維持する。
【００２４】
転向個所１３で、湾曲案内リブ１８は流れ経路６を２つの部分流経路に分けている。即ち、タービン翼脚部２に直接隣接する第１部分流経路２３と、案内リブ１８により分離した第２部分流経路２４とに分けている。両部分流経路を貫流した冷却ガス部分流は、案内リブ１８の通過後に再び合流し、出口開口８を通ってタービン翼１から出る。絞り装置１１は第１冷却ガス部分流を絞る。第２冷却ガス部分流はプラグ２０による絞り作用の強さと無関係に、一定した大きさの通路２５を貫流する。これに伴い、常に最少の冷却ガス流を保障できる。
【００２５】
図３は、鋳造技術上生ずる貫通開口１０と、該開口１０を塞ぐプラグ２０とを持つタービン翼１の脚部２を斜視図で示す。該開口１０は、図６に示すようにタービン翼１の鋳造時に生ずる。貫通開口１０は、中子押え２９に対し逆の形を持つ。通路系５を形成する中子２８は、中子押え２９で外枠３１に結合され、この結果、中子２８は、鋳造中とその後の鋳造材料の冷却中、所望の位置に保持される。この場合、貫通開口１０は４面の側壁１９で細長い形に形成されている。
【００２６】
図４は、プラグ２０と絞りねじ１４とからなる絞り装置付きの転向個所１３を詳細に示す。プラグ２０は貫通開口１０内に固定し、好適には溶接する。絞りねじ１４はプラグ２０にねじ込んである。絞りねじ１４は、その絞り突起として用いる脚部１６がプラグ２０から絞り範囲１５内に突出し、従って、第１冷却ガス部分流中に突出している。絞りねじ１４により、脚部１６の位置は連続的に変化できる。図示しない流量測定装置で冷却ガス流量を測定し、絞りねじ１４の位置を、所望の流量が得られる迄変更する。続いて絞りねじ１４をプラグ２０に固着する。このため、ねじをかしめ、ろう付けあるいは溶接する。
【００２７】
図５は、図４に示すタービン翼脚部２を、図４に対し９０°ずらした縦断面図で示す。絞りねじ１４は絞り位置にあり、貫通開口１０に固定したプラグ２０にねじ込んである。絞り突起１７は、第１冷却ガス部分流が貫流する絞り範囲１５を閉じている。図５に示すように、ねじ脚部１６の大きさに応じ、流れ経路の一部のみが閉じられるので、そのねじ脚部を絞り範囲に精確に合わせることもでき、その結果、この範囲で流れ経路全体を遮断できる。
【００２８】
図６は、中子２８と外枠３１とを備えた鋳型２７を示す。中子２８は外枠３１に、幅木とも呼ばれる中子押え２９を介して結合している。鋳造材料は湯口３０を通して鋳型２７の内部に注がれ、凝固する。中子押え２９は、中子２８を鋳造中および鋳造材料の冷却中正しい位置に保持し、寸法要件を満たす作用をする。鋳造過程後、中子押え２９を除去すると、その個所に鋳造技術上の理由から、タービン翼１の脚部２に貫通開口１０が生ずる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  タービン翼における絞り装置付き脚部の縦断面図。
【図２】  タービン翼におけるプラグ付き脚部の縦断面図。
【図３】  タービン翼におけるプラグ付き脚部の斜視図。
【図４】  プラグと絞りねじとを備えたタービン翼脚部の縦断面図。
【図５】  図４におけるタービン翼脚部を９０°ずらした縦断面図。
【図６】  中子付き鋳型の断面図。
【符号の説明】
１    タービン翼
２    脚部
３    翼形部（羽根）
５    通路系
６    流れ経路
８、１８  流出開口
１０    貫通開口
１１    絞り装置
１２    通路
１３    転向個所
１４    絞りねじ
１６    ねじ脚部
１７    絞り突起
２０    プラグ
２１    タービン翼の後縁
２８    中子
２９    中子押え
３１    外枠
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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【図６】
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