(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの回転ディスク（３）に装着され、内部冷却システムのための複数の供給路（４）及び１つの分配室（５）を有している翼根元部（２）を備え、前記複数の供給路（４）に、この供給路（４）と分配室（５）を介して連通しているディスク（３）内の導入路（６）により冷却材が導入可能であり、前記分配室（５）は鋳造により形成されている冷却材の貫流する鋳造ガスタービン翼（１）において、
前記分配室（５）は、楕円面状に丸く加工され、かつ、丸く加工されエッジのない前記複数の供給路（４）の入口開口（７）を有し、
前記複数の供給路（４）の入口開口（７）は、最下端の縦リブ（１３）とその上にある縦リブ（１３'）との間の移行側面の高さ（１６）にあることを特徴とするガスタービン翼。
【請求項２】
前記丸く加工された入口開口（７）が流れ的に最適化されるように、互いに隣接している、或いは、互いに部分的に重なることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン翼。
【請求項３】
前記導入路（６）の断面（８）と、分配室（５）の断面（９）の局部的変化とが流路的に後続された入口開口（７）の断面（１０）に合わせられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン翼。
【請求項４】
異なる断面（１０）を持つ複数の供給路（４）及びそれぞれそれに適合した入口開口（７）の移行断面（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のガスタービン翼。
【請求項５】
翼根元部（２）がディスク（３）のアンダカット（１２）に係合する縦リブ（１３．１３'）を持ち、この中の最下端のリブ（１３）、即ちガスタービンの回転軸線（１４）に最も近いリブがガスタービン翼（１）の主軸線(１５)に沿って延長されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のガスタービン翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの回転ディスクに装着され、内部冷却システムのための複数の供給路及び１つの分配室を有している翼根元部を備え、供給路に、この供給路と分配室を介して連通しているディスク内の導入路により冷却材を導入可能である、冷却材の貫流する鋳造ガスタービン翼、特にガスタービン動翼に関する。本発明は、さらに、ガスタービン翼を、供給路を形成するリブを持った鋳造中子を使用して鋳造により形成するための装置並びに鋳造ガスタービン翼の製造方法に関する。
【０００２】
米国特許第４３４４７３８号明細書から、ガスタービンの回転ディスクの横溝に装着される翼根元部を備え、このディスクがガスタービンに冷却材を供給するための導入路を備えているガスタービン翼が公知である。この導入路は翼根元部の下側において翼根元部を収納するためのディスク横溝に開口している。翼根元部から供給路が分岐し、これを通して冷却材が内部冷却システムに導入される。供給路は主としてエッジを持っている入口開口を備えている。
【０００３】
米国特許第４９９２０２６号明細書は内部冷却システムを備えた冷却材の貫流するガスタービン翼を開示している。この場合、冷却材は導入路を通して翼根元部に導入され、供給路を通して内部冷却システムに導入される。供給路はその移行部において翼根元部から直角に設置されたエッジを持っている。
【０００４】
ガスタービン翼の内部冷却は、高い作動温度により発生し、重大な損傷にもつながりかねない翼材料の強い加熱を阻止しようとするものである。このために冷却材は特にその流入領域から遠く離れた、最大の負荷にさらされているガスタービン翼部分に問題なく到達することが必要である。殆ど冷却の必要がない供給路の入口の近くに、しかしながら、例えば上述の米国特許第４３４４７３８号或いは第４９９２０２６号明細書に開示されているように、内部冷却システムに導く供給路の入口が強くエッジを持っている構造においてはデッドゾーンが生じ、その流れが理想的な層流から大きく偏倚する。これは例えば停滞を形成する大きな危険や特に大きな流れ抵抗の原因となる。冷却材は高い圧力で初めて供給路を通して押し込まれるが、これはしばしば充分な程度には行われない。
【０００５】
下側の翼根元部において供給路領域を形成する別の方法はいわゆる分配室を設け、内部冷却システムのための供給路をこの分配室から出発させ、この供給路にディスクの導入路から冷却材を導入することである。分配室は実質的に冷却材を供給路に確実にかつ均等に分配するように作用し、この場合冷却材の僅かな損失しか発生することが許されない。この分配室は通常の鋳造工程では一般に直角状に形成され、特に供給路から分配室に至る直角状の移行部を備えている。供給路の入口のエッジを持つ構造により強い流れ渦が発生し、基本的にその回りを流れる範囲の良好な冷却を保証する。しかしながら、分配室は翼根元部にあるので、この部分は強い熱負荷を受けることがなく、従って冷却を僅かしか必要としない。
【０００６】
この状態は、分配室における供給路の入口を鋳造工程の後機械的に再加工することによって改善することができる。しかしながら、これは翼根元部の形状や翼材料の特性により主として手作業で行われなければならず、それ故、非常に作業の集約を必要とする。さらに、この方法でも、ガスタービン翼のすべての供給路が所望の形状をもしくは１種類の全てのガスタービン翼が同じ流れ抵抗を持つことを保証できない。このことは、しかしながら、冷却材の流れ特性及び最適利用に関して高い質的要求を満足する見積もり計算のために必要である。
【０００７】
本発明の課題は、従って、分配室から供給路に至る流路的に最適な移行部を備え、即ち分配室の出口開口において流路抵抗が小さい、冷却材の貫流する鋳造ガスタービン翼、特にガスタービン翼を提供することにある。そしてその際、分配室と供給路はただ１回の製造工程、即ち鋳造で製造可能とされるようにすることにある。
本発明の別の課題は、このような冷却材の貫流する、分配室を備えた鋳造ガスタービン翼の製造装置並びに方法を提供することにある。
【０００８】
冷却材の貫流する鋳造ガスタービン翼に関する課題は、鋳造により形成される分配室が供給路の丸く或いは平らに加工された入口開口を備えていることにより解決される。
【０００９】
分配室に接する供給路の入口開口が丸く或いは平らに加工されることにより、特に分配室から供給路に至る移行部における冷却材の流路抵抗が最小になることが保証される。冷却材の流れは主に層流を維持する。冷却材は、それ故、導入路から供給路への移行部が同様にエッジを持たない場合、殆ど妨げられることなく分配室に流入り、供給路を通ってそれから流出し、このようにして迅速にかつ少ない損失で内部冷却システムに達する。このことは、特にガスタービン翼の高温そして冷却材の集中する範囲に対して、例えば冷却材がかすめて流れるエッジ範囲の耐久時間を著しく長くする。導入された冷却材はよりよく利用される。
【００１０】
ディスクの導入路を通して導入された媒体は最早２回９０°の角度を回って内部冷却システムに導入されるのではなく、スムーズな連続的な流れ運動で直接内部冷却システムに導かれる。冷却材が向きを変えて流れる場合に、冷却材がデッドゾーンにある場合のように停滞するキャビテーションが発生しない。導入された冷却材は入口開口が丸くもしくは平らに加工されていることにより非常に僅かにしか渦流を生じない。
【００１１】
供給路の入口開口は直接分配室に隣接し、１回の製造工程で分配室と一緒に作られる。丸くもしくは平らな構成は鋳造工程で再現可能に形成される。これにより一連のガスタービン翼が入口開口及び分配室に対して同一の所定のサイズつまり寸法を得ることができる。これにより冷却材需要もしくは冷却材機能の確実な前もっての決定のための基礎が提供される。これは、ガスタービン翼の離れた部分も確実に冷却し、従って過熱による消耗を最小にすることを確実にするために、特に重要である。
【００１２】
本発明により冷却材は、既に低い圧力で小さい流路抵抗により分配室を通して供給路に導入されるので、ガスタービンの翼根元部と回転ディスクとの間の中間空間に僅かなしか漏出しない。これにより冷却材の損失は最小となり、冷却材が最適に利用される。
【００１３】
分配室が楕円面状に丸く形成されていることにより、冷却材は特に有利に供給路に導入される。分配室は、その場合、特に半楕円面の形に構成されるのがよい。その底面は同時に楕円面の最大断面に一致し、ガスタービン翼がディスクの溝に装着されるとディスクによって画成される。半楕円面の側面及びこの側面の間の移行部も丸めて形成されている。この簡単な形状は容易に作ることができ、導入された冷却材が停滞するデッドゾーンの形成を確実に阻止する。エッジがないことにより分配室の壁にただ僅かな渦流しか発生しないので、流路損失を無視することができる。楕円面状の形状により、楕円面のそれぞれ異なる範囲に接する供給路への冷却材の流入を的確に制御できる。
【００１４】
丸く或いは平らに加工された入口開口が流れ的に最適化されるように、互いに隣接している、或いは、互いに部分的に重なることにより、さらに冷却材の流れを最適化できる。流路的に最適化とは、２つの入口開口もしくは分配室及び入口開口の相対状態に起因する必要な流れの転向ができるだけ小さい流れ渦で行われることを意味する。これは、特に、入口開口のそれぞれの丸くされた部分が互いに部分的に重なることによって生ずるエッジを再び丸くすることによって行われる。流れ渦を妨げる形状の最適化は、丸くされた一体の鋳造中子を使用することによって、特定のガスタービン型に課せられる要求に合わせることが可能で、再加工なしで鋳造工程で作ることができる。
【００１５】
所定の冷却材の供給は、導入路の断面と、分配室の断面の局部的変化とを流路的に後続された入口開口の断面に合わせることにより容易に設定できる。分配室の断面変化は例えば高さ及び幅において半楕円面の型に一致する。入口開口の間のもしくは入口開口の周りの移行部を移行部断面と称する。入口開口を丸くもしくは平らにすることによって直接分配室に比較的大きな入口開口断面が生じ、これは移行部において供給路に向かって減少していく。導入路はほぼ一定の断面を持っているが、流れ特性を改善するために導入路を丸くもしくは平らにすることもでき、これによりその断面が分配室に向かって拡大される。記載された断面は互いに合わせられ、即ち、冷却材供給に合わせた所定の断面比が考慮されている。このことは、例えば高温作動温度により、もしくはガスタービン翼の内部冷却システムが冷却材の高圧を必要としもしくは高い漏洩率を持っているような特殊構成により、高い冷却需要があるときに必要である。
【００１６】
内部冷却システムの種々の位置においてそれぞれ異なる冷却材量が必要な場合には、異なる断面を持つ複数の供給路を設け、入口開口をそれぞれそれに適合した移行断面とするのが有利である。これにより冷却材は個々にガスタービン翼の種々の範囲の冷却材需要に合わせることができる。これにより冷却材の消費は必要な程度に削減される。異なる大きさの供給路もしくは異なる大きさの断面を作ることは鋳造の際の製造工程において可能である。このためにはただ鋳造中子のリブの直径を適合させればよい。
【００１７】
流れ渦を減少した大きな分配室を得るためには、翼根元部の最下端のリブ、即ちガスタービンの回転軸線に最も近いリブをガスタービン翼の主軸線に沿って延長するのがよい。翼根元部は、それが係合するディスク溝のアンダカットにその縦リブにより保持される。最下端の縦リブには冷却材のための分配室が納められている。できるだけ大きい分配室を、従って冷却材の少ない渦流形成を得るために、翼根元部は最下端の縦リブの範囲において延長される。この延長はガスタービンの主軸線に沿って、即ちガスタービン翼を装着した際にディスクの周囲に対して垂直に行われる。下側の縦リブを延長して形成することにより翼根元部における保持装置の安定性がさらに保証され、この延長はガスタービン翼の製造工程において、鋳造中子の脚を厚く形成することにより容易に実現される。
【００１８】
ガスタービン翼の製造、特に翼根元部の後加工のために、また充分な安定性を保証するために、供給路の入口開口が最下端の縦リブとその上にある縦リブとの間の移行側面の高さにあるようにするのがよい。これにより、分配室の範囲が最下端の縦リブによって確実に包囲される。２つの縦リブの間にそれぞれ１つの移行側面があり、その高さによりガスタービン翼の根元部がディスクのアンダカットに確実に保持される。供給路のこのような配置により、鋳造後の翼根元部の後加工が特定の範囲において翼を損傷することなく行われ、分配室の範囲は常に最下端の縦リブの中にある。縦リブの延長は従って殆ど任意に設定できる。
【００１９】
分配室を備えたガスタービン翼の製造装置に関する課題は、供給路を形成する中子リブを備えた鋳造中子によりガスタービン翼を鋳造する製造装置により解決される。この場合、鋳造中子は中子リブを一体に形成され分配室を成形する中子脚を持ち、中子脚から中子リブに至る流線状の移行部が存在している。
【００２０】
鋳造装置は外殻の他に鋳造中子を備えている。鋳造中子はガスタービン翼の鋳造の際に、ガスタービン翼の内部範囲を鋳造材料から空けておくために使用される。この空けておいた範囲は内部冷却システム、供給路及び分配室を含む。供給路は鋳造中子の長手方向の突条いわゆる縦リブによって空けられる。分配室は中子リブに対して広げられ、ある厚さと高さを持つ範囲（いわゆる中子脚）によって形成される。中子脚は中子リブと一体に形成されている。鋳造中子の両部分を一体に形成することにより供給路と分配室との間の移行部を丸く形成することができる。
【００２１】
供給路と分配室との間の移行部を丸く形成することは、常に同一の方法で鋳造中子の型による基準に従って行われる。これにより所定の寸法を確実に維持することができる。ガスタービン翼の内部冷却システムの所望の寸法を、ガスタービン翼の全シリーズに対して再生産可能に確実に設定することができる。これにより内部冷却のガスタービン翼のコスト的に有利で信頼性のある製作の基礎が得られる。
【００２２】
鋳造中子は、一体に形成することにより、溶融物が硬化することによって発生する歪みに対しもて非常に安定する。
【００２３】
中子脚から中子リブに至る移行は、中子リブの断面が中子脚に向かって特に連続的に増大することにより、流線的に行われるように、常に構成されている。鋳造工程の後中子リブから中子脚へ流線的に移行することにより、流路抵抗を確実に小さくするために供給路の入口開口を再加工することは必要がない。これによりガスタービン翼の製造の際に１つの作業工程を省略できる。
【００２４】
中子リブが断面を順次増大して、この中子リブの厚さより大きい厚さを持つ中子脚に移行するのは有効である。このようにして冷却材流の流れ抵抗をなお大幅に削減することができる。
【００２５】
丸く形成された中子リブが中子脚で終わる湾曲面に移行することによって、分配室から供給路への移行部の流れ特性をさらに改善することができる。この面は供給路の本来の入口の前に置かれる狭隘部を形成し、これにより冷却材流の連続的なかつ渦流の少ない方向転換を可能にする。さらに、このような鋳造中子は容易に製造することができ、その流れ特性に関してもよりよく計算することができる。
【００２６】
上述の鋳造装置を使用してガスタービン翼を鋳造により製造する方法に関する課題は、分配室及び供給路が一体の鋳造中子を使用して鋳造により形成されることにより解決される。
【００２７】
鋳造工程は一体の鋳造中子を使用することにより寸法が正確になりかつ同時に時間もかからない。鋳造中子の個々の部分を一緒に調整できるからである。分配室はこの方法では最早後で機械的に仕上げる必要がない。この煩わしい、主として手作業で行われる手段は分配室を備えたガスタービンの翼の製作における時間及びコストのかかる工程である。この工程は一体の鋳造中子を使用することにより今や不必要になる。その上に、寸法、従って供給路の入口開口及び分配室を通る冷却材の流量を再現可能に設定することができる。
【００２８】
それでもなお分配室もしくは供給路の入口開口について何らかの変更が必要もしくは望まれる場合には、分配室は機械的に再加工することができる。これは、既に鋳造工程によって削り取られる材料の大部分がないことによって、通常の機械加工に対して簡単に行える。それ故、比較的僅かな製造コストを必要とする小さい修正を実施すればよい。
【００２９】
図面に示された実施例を参照してガスタービン翼、鋳造分配室を備えたガスタービン翼の製造装置及び方法を詳しく説明する。
【００３０】
図１に、ガスタービンのディスク３に装着された、ガスタービン翼１の根元部の基本的構造が概略でかつ寸法的に正確ではなく示されている。ディスク３はガスタービンの回転軸線１４を中心に回転可能である。ガスタービン翼１は、２つの縦リブ１３，１３’を備えた根元部２によりディスク３のディスク横溝６０に保持されている。翼根元部２はディスク３のアンダカット１２に、回転軸線１４を中心にして回転するディスク３においてガスタービン翼１の主軸線１５に対して平行に作用する遠心力に抗して支持されている。
【００３１】
ディスク３は導入路６を、翼根元部２は分配室５を通して互いに流路的に接続している複数の供給路４を備えている。この管路システムにより冷却材８０はディスク３からガスタービン翼１の内部冷却システムに導入される。冷却材８０は好ましくは冷却空気である。分配室５は供給路４の丸くされた或いは平らにされた入口開口７を備えている。これにより導入された冷却材８０は分配室５を通して供給路４に内部冷却システムに最小の流れ損失で導入される。
【００３２】
分配室５はその底面７０において導入路６に向かって開口している。この底面７０ではそれ故殆ど流れ損失は生じない。分配室５は楕円面状に丸くされている。分配室５の断面形状は底面７０に対して平行に減少する楕円の形を持っている。分配室５のこれに垂直な断面９（図４ｂに図示される）は連続して変化する断面を備えた半楕円の断面形状を持っている。この半楕円形状は丸くされた入口開口７によって中断されている。供給路４の入口開口７と分配室５の半楕円との間の移行部は丸く構成されているので、大きな流れ抵抗を形成していない。なお、入口開口７は直接互いに並列する、即ち互いに突き合うようにも或いは互いに隣接するようにもできる。
【００３３】
供給路４の入口開口７の間の範囲は流れが最適になるように丸くされている。即ち、何らのエッジも存在しない。このことはガスタービンディスク３の導入路６の断面についても言える。導入路６の断面８は分配室５の断面９の局部的変化に合わせてその底面７０に対して垂直に、流路的に後続された入口開口７の断面１０と同様に合わせられている。このようにしてガスタービン翼１の最遠範囲の冷却のために必要な冷却材８０を確実に設定することができる。供給路４は異なる断面１０とそれぞれこれに適合し、分配室５に移行する移行部断面１１でもって分配室５に接している。このようにして、供給路４の断面１０に関係する異なる強さの冷却材８０が内部冷却システムの所定の範囲に導かれる。これにより、個々に適した冷却が可能になる。
【００３４】
図１に示すガスタービン翼１はただ１回の鋳造工程で作られる。その際、分配室５は供給路４を鋳造材料から空けておくリブ１９を備えた鋳造中子１８によって形成される。分配室５は、翼根元部２の下側縦リブ１３の下側部分からそれに続く縦リブ１３’に移行する距離の高さ１６にほぼ一致する高さ９０を持っている。大きく、そしてできるだけ流路抵抗の少ない分配室５を得るために、下側縦リブ１３はガスタービン翼１の主軸線に沿って延長されているのがよい。このように拡大された分配室５の場合、分配室５の内部においてまた入口開口７に移行する際に、冷却材流８０の僅かな部分しか渦流が確認されない。
【００３５】
図２は翼根元部２の底面７０の上面を斜視図で示す。分配室５から、供給路４の丸くされたもしくは平らにされた入口開口７が分岐している。縦リブ１３，１３’はアンダカット１２で形成されている。
【００３６】
図３は翼根元部２の下側を直接見た図を示す。供給路４は、流れに都合よい卵形もしくは楕円状の形状を持っている。それに応じて入口開口７も楕円状に合わせられており、この楕円状の入口開口７の断面は分配室５から供給路４に向かって連続的に減少している。
【００３７】
図４ａは翼根元部２とディスク３の縦断面を示す。冷却材流８０は直径８を持つ導入路６から分配室５に入り、入口開口７を通して供給路４に入る。入口開口７及び分配室５は導入路６の開口１１０と同様に丸く加工されているので、これらを通して冷却材８０は妨げられることなくガスタービン翼１の内部冷却システムに導入される。分配室５は最大高さ９０を持っている。
【００３８】
図４ｂは図３の横断面を示す。ガスタービン翼１の翼根元部２は分配室５によって切断されて示されている。分配室５は断面９を備えた楕円状の断面を持っている。
【００３９】
図５は、ガスタービン翼１の鋳造装置の重要な構成要素である鋳造中子１８を示す。この鋳造中子１８は中子リブ１９と中子脚２０を備えている。厚さ２１を持つ中子リブ１９は鋳造の際にガスタービン翼１の供給路４を形成する。中子脚２０と中子リブ１９は一体に形成され、中子リブ１９は漸次増大する断面２１をもって中子脚２０に移行している。この移行は常に増大する断面２１で行われるので、厚さが急激に変化することはない。中子リブ１９は丸く加工されて、中子脚２０で終わる湾曲面２４に移行している。このようにして分配室５は鋳造後特に流れに都合よく構成されている。図６は中子脚２０及び中子リブ１９を通る断面で中子リブ１９の厚さ２３が中子脚２０の厚さ２２に連続的に移行していることを示す。
【００４０】
上述の鋳造中子１８は上述のガスタービン翼１を製造する際に使用される。この中子は、大きな分配室５並びに分配室５からガスタービン翼１の供給路４までの移行部を、ガスタービン翼１のこの範囲を再加工する必要なく、容易に製造することを可能にする。勿論、このように鋳造されたガスタービン翼１の分配室５を、例えばガスタービン翼１を変化した要求に後から合わせるために或いは同じ鋳造中子１８を異なる型に使用するために、機械的に再加工することも直ちに可能である。中子脚２０により、その場合、加工される材料の主要部は空にされる。後の機械的加工は、従って、ただ速やかにかつコスト的に有利に行われる修正に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ディスク及び翼根元部の一部の側面斜視図
【図２】  翼根元部と分配室を下から見た斜視図
【図３】  分配室、入口開口及び供給路を下から見た平面図
【図４】  ディスクの導入路、翼根元部の分配室及び供給路を示し、図４ａは図３のＩＶａ−ＩＶａ線に沿った断面図、図４ｂは図３のＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図
【図５】  鋳造中子の下側部分の側面斜視図
【図６】  図５の中子リブ及び中子脚の断面図
【符号の説明】
１          ガスタービン翼
２          翼根元部
３          回転ディスク
４          供給路
５          分配室
６          導入路
７          入口開口
８          導入路の断面
９          分配室の断平面
１０          入口開口の断面
１１          移行部断面
１２          ディスクのアンダカット
１３，１３’  翼根元部の縦リブ
１４          ガスタービンの回転軸線
１５          翼の主軸線
１６          翼根元部の下側リブとその上のリブとの間隔の高さ
１８          鋳造中子
１９          中子リブ
２０          中子脚
２１          中子リブの厚さ
２２          中子脚の厚さ
２３          中子リブの厚さ
２４          湾曲面
６０          ディスクの溝
７０          翼根元部の底面
８０          冷却材
９０          分配室の最大高さ
１１０        導入路の開口
【図１】
0004567206.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
0004567206.tif 000005
【図４ｂ】
0004567206.tif 000006
【図５】
0004567206.tif 000007
【図６】
0004567206.tif 000008