JP4499351B2 - 流体機械とその動翼 - Google Patents
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Description
本発明は流体機械の動翼並びに動翼を備えた流体機械に関する。
【0002】
流体機械の動翼、例えば蒸気タービンの高圧部タービン、中圧部タービン、低圧部タービンの動翼、或いはガスタービンの圧縮機用又はタービン用の動翼は、通常均質な合金で作られている。その動翼の製造に、フライス加工の他に、鋳造および鍛造技術も使用される。その場合、金属素材がまず溶融され、続いて棒材に圧延加工されるか、翼半製品に鍛造される。
【0003】
かかる流体機械は、個々の翼車や軸方向に直列配置された多数の翼車を有し、その動翼は運転中に気体又は蒸気状の流れ媒体で洗流される。流れ媒体は動翼に力を与え、この力が翼車にトルクを生じさせ、これに伴い動力が生じる。そのために動翼は、通常流体機械の回転軸に配置され、それに対応した案内車に、静翼が配置されている。該静翼は、流路を形成した状態で回転軸を取り囲む静止ハウジング、即ち流体機械ハウジングに配置されている。
【0004】
流体機械が圧縮機として動作する場合、流れ媒体に機械エネルギが供給され、タービンとして動作する場合、貫流する流れ媒体から機械エネルギが取り出される。運転中に回転する軸と静止ハウジングとを備えた通常の流体機械の場合、遠心力が軸に固定された動翼に引張り荷重を発生させ、この荷重に、流れ媒体の流れ力に伴いひき起こされる曲げ荷重が重畳される。このために、曲げ・引張り応力および遠心力による引張り応力が重畳される翼脚および軸の個所に、危険な荷重が生ずる。この危険な荷重のため、翼の半径方向高さが制限され、この結果、タービン機械の効率が制限される。
【0005】
蒸気タービン低圧部の動翼は、主に軸の回転による遠心力で荷重される。その荷重は使用する翼材料の密度に正比例する。その翼材料の密度は鉄の密度に非常に類似しているので、長い低圧動翼における荷重は、所定の翼長を超過できない程に大きくなる。これは特に低圧翼の高い段に対し重大であり、その半径方向寸法は遠心力荷重の限界に伴い限定される。限られた翼長のため、流れ媒体に対し限られた出口横断面積しか得られず、この結果流れ媒体、例えば低圧タービンの排気蒸気は、高速で、従って大きな損失を伴って流体機械から流出する。
【0006】
低圧動翼に対する従来の解決策は、極めて大きな翼長の際、チタン合金から成る材料を使用することにあった。チタン合金は鉄基、コバルト基、ニッケル基の合金に比べ小さな密度を有し、従ってこの材料から成る動翼は、同寸なら、従来の通常の金属材料から成る動翼より小さな応力を生ずる。しかしこの解決策は、チタン合金が非常に高価であり、たとえ僅かとは言え、遠心力荷重の問題が依然として残る欠点がある。
【0007】
本発明の課題は、流体機械の動翼を、流体機械での所定の負荷時に許容応力を越えず、しかも流体機械を高効率で運転できるよう形成することにある。また本発明は、高効率で高度の使用に耐える流体機械を提供することを課題とする。
【0008】
動翼に関する課題は、本発明に基づき、流体機械の動翼が少なくとも部分的に多孔性材料から成ることにより解決される。
【0009】
本発明は、流体機械、例えばガスタービンや蒸気タービンにおける従来通常の動翼の形成法と異なり、全く新たな動翼の形成法を提案する。動翼には今まで均質な金属材料が採用されてきたが、本発明は、動翼の組織上の形成および動翼を形成する材料に関連する。動翼に多孔性材料を採用することで、動翼の平均密度がかなり減少する。多孔性組織は、従来通常の均質な材料よりかなり小さな密度を保障する。本発明による動翼は、多孔性材料の的確な部分的配置により、遠心力による非常に僅かな応力しか生じない。従って、多孔性材料を使用した場合、かなり長い動翼が実現でき、これを流体機械における動翼に採用すると、小損失の大きな流れ横断面積が実現できる。
【0010】
また、多孔性材料は均質な材料より大きな内部減衰作用を持ち、この結果、多孔性材料は発生した振動を特に効果的に減衰する効果がある。更に、多孔性材料は良好な剛性特性を有し、これは、高い比強度により、匹敵する均質材料の許容荷重とほぼ同等である。これは、特に大きな熱的負荷を受ける流体機械に使用する際に特に有利である。動翼での多孔性材料の使用個所を的確に選定すれば、動翼を負荷に適合した形に設計できる。従って、用途に応じ、動翼の種々の部分に多孔性材料が使用できる。
【0011】
好適には、動翼は多孔性材料を備えた翼形部を有する。動翼の羽根は動翼の他の部分に比べ回転中心線から大きな半径方向距離を持つ。このため、動翼を流体機械に採用した際、正に動翼の羽根は、遠心力作用に伴い特に大きな翼応力を生ずる。多孔性材料を有する羽根は、大幅に小さな密度に基づき、相応した小さな遠心力荷重を生ずる。
【0012】
動翼が取付け部、特に翼脚を有し、該取付け部に多孔性材料を用いるとよい。動翼は通常、回転軸に取り付けられ、動翼の取付け部が回転軸上の対応した凹所に結合される。種々の翼取付け方式、例えば断面クリスマスツリー状或いはH形溝継手が知られ、本発明の動翼には、これら全ての翼取付け方式が使用できる。動翼の取付け部に多孔性材料が存在することで、取付け部でも、翼応力を相応に減少できる。動翼の多孔性材料を持つ部分を種々組み合わせることで、各負荷に的確に適応できる。多孔性材料は、例えば羽根や取付け部に使用される。
【0013】
動翼は全体を多孔性材料で構成でき、この場合、匹敵する中実材料と比べて密度が低いため、動翼全体の軽量構造化が達成される。動翼の多孔性構造は、中実軽量金属、例えばチタン合金を使用した場合に比べ、重量、硬さ、たわみ性等の物理的特性に関しかなり優れている。
【0014】
本発明の有利な実施態様では、動翼は内側部とこの内側部を包囲する外被部を有し、その外被部および/又は内側部に多孔性材料が使用される。
【0015】
また好適には、多孔性材料はセルに対して閉じた組織の外側表面を形成する。これは特に、その外側面が羽根の部分面である場合に有利であり、その羽根は運転中に流れ媒体で駆動される。外側面を閉鎖組織に形成することで、例えば羽根等の表面は、それに応じ小さな表面粗さにされる。多孔性組織の外側面が流れ媒体に曝される場合、流れ抵抗、従って流れ損失はそれに応じて小さい。材料の多孔性組織により、横流れによる二次損失に対しても大きく減衰作用をする外側面を用意するとよい。このため、その表面は起こり得る横流れに対するバリアを有する。この障壁は、多孔性組織の互いに隣接するセルに沿って形成される。
【0016】
特に有利な実施態様では、多孔性材料は発泡金属である。発泡金属は、大きな使用性と広い用途分野を持つ軽量構造材料として公知である。発泡金属は種々の製法、例えば溶融法、粉末冶金法、スパッタリング法で得られる。粉末冶金法の場合、金属粉末と駆動材、例えば金属水素化合物との混合により、互換材料を製造し、続く軸方向熱間圧延又は押出し成形後に、半製品の形に圧縮し、該半製品を各最終製品に精確な形に成形加工し、金属の融点のすぐ上迄加熱することで規則的に発泡させる。その際、半製品に含まれる駆動材が加熱時に分解し、水素ガスを生ずる。駆動材として、代表的にはチタンの水素化物を用いる。生成したガス状水素は、駆動ガスとして金属溶融物内に気泡を生ずる。その気泡により生ずる発泡金属の多孔度は、発泡過程の継続時間により的確に設定できる。
【0017】
好適には、発泡金属の密度は、中実材料の密度の約5〜50%、特に約8〜20%である。
【0018】
発泡金属は耐熱材料、特にニッケル又はコバルト基合金から成るとよい。耐熱金属材料の選定は、特にタービン入口温度が1200℃に及ぶガスタービンでの使用に際し特に有利である。蒸気温度が600℃を越える高い蒸気状態の蒸気タービンにおける使用も、この発泡金属の材料選定によって可能である。
【0019】
動翼は、ガスタービン動翼、蒸気タービン動翼、特に低圧蒸気タービン動翼、或いは圧縮機動翼として形成するとよい。本発明に基づく動翼を特に低圧蒸気タービンに採用すると、多孔性材料、例えば発泡金属の使用に伴い、従来通常の動翼に比べ小さな遠心力荷重を生ずる長い翼が実現できるので、特に有利である。これは、流体機械、例えば低圧蒸気タービンの効率に直接有利に作用する。
【0020】
流体機械に関する課題は、上述の動翼を備えた流体機械により解決される。
【0021】
流体機械は、好適にはガスタービン、蒸気タービン、特に低圧蒸気タービン或いは圧縮機として形成される。
【0022】
このような流体機械の利点は、動翼についての上述の説明に応じて生ずる。
【0023】
以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号を付している。
【0024】
図1は、翼長手軸線25に沿って延びる動翼1を斜視図で示す。動翼は翼長手軸線に沿って順次取付け部9、翼台座23、翼形部7を有する。取付け部9に翼脚11が形成され、翼脚11は図1に示さない流体機械(図8参照)の軸に動翼1を取り付けるべく使用される。翼脚11は断面T形をなす。翼脚11は、断面クリスマスツリー形や断面ダブテール形にも形成できる。従来の動翼1では、通常動翼1のこれら全ての部分9、23、7に中実の金属材料を使用していた。動翼1は、鋳造法、鍛造法、フライス加工又はそれらの組合せで作られる。
【0025】
図2は本発明に基づく動翼1を示す。この動翼1は、図1に示す従来通常の動翼1と異なり、部分的に多孔性材料5から成っている。この際、材料5は動翼1の翼形部(羽根)7に使用され、その羽根7全体が多孔性材料5をからなる。多孔性材料5は多数のセル17、17A、17Bを有する。多孔性材料5は独立セル組織が得られるよう構成され、各セル17、17A、17Bは閉じられ独立している。多孔性材料の異なる構成では、セル17、17A、17Bを少なくとも部分的に開いた組織に形成する。羽根7に多孔性材料5が存在することで、羽根7は、従来通常の中実材料を使用した動翼1に比べかなり小さな材料密度の部分7を有する。これは材料5の多孔性組織に基づき得られる。動翼1の運転中、即ち例えば動翼1を流体機械に用いたとき、動翼1に、翼長手軸線25に沿い半径方向外側に向く遠心力FZが生ずる。羽根7の密度が小さいことに伴い、その遠心力FZによる荷重はかなり減少する。回転中心からの大きな半径方向距離に基づき大きな遠心力FZを生ずる動翼1の部分、即ち羽根7に、目的に応じて特定的に多孔性材料が使用されている。本発明によれば、用途および動翼1にかかる荷重に関係するその都度の要件に適合させられる。この場合、従来通常の構想と異なり、まず材料の組織上の特性を考慮して採用するとよい。
【0026】
多孔性材料5は動翼1の種々の部分9、23、7に使用できる。この適応性を明示すべく、多孔性材料5の設置に関し図2に示す動翼1と異なった動翼1を図3に斜視図で示す。これは分かり易く単純し、動翼1の部分X1、X2に示している。部分X1では取付け部9、部分X2では翼台座23に、多孔性材料5を用いている。それら部分X1、X2は、各々取付け部9から翼台座23の部分部分を表す。有利な形態では、取付け部9全体および/又は翼台座23の部分を多孔性材料5で構成してもよい。この材料5は多数のセル17を含んでいる。
【0027】
図4は、図3の動翼1のIV−IV線に沿う断面図を示す。動翼1は前縁31と後縁33を有する。また動翼1は、翼の腹35とその反対側に位置する翼の背37とを備える。この結果典型的な翼形が形成される。動翼1は内側部13およびこの内側部13を包囲する外被部15を有する。外被部15は動翼1の外側面39を形成し、外側面39は運転中に流れ媒体、例えば高温ガスや蒸気で駆動される。図4において、外被部15は詳述しない従来通常の、例えば金属中実材料27で構成される。内側部13は少なくとも部分的に多孔性材料5で構成され、該多孔性材料5は互いに隣接する多数のセル17を備えた発泡金属21で形成されている。内側部13に冷却通路29、29A、29Bが設けられ、これによって、動翼1は運転中に内部冷却されるように設計されている。この場合、冷却通路29、29A、29Bには冷却材、例えば冷却空気或いは冷却蒸気が供給される。例えば冷却通路29は冷却材を導入し、冷却通路29A、29Bは冷却材を排出するため使われる。これら冷却通路29、29A、29Bは、内側部13内での多孔性材料5の相応した凹所により形成している。この際、図3の翼は、例えば翼形を形成する薄肉の外被部15を、発泡金属21と共に中空体として射出成形することで製造する。その際、冷却通路29、29A、29Bを形成する中子を、発泡金属の射出前に内側部13内に置き、発泡金属の射出後に除去又は取り出す。図示の動翼1の構成で薄肉外被部15が製造され、該外被部15は、内側部13内における支持構造物としての多孔性材料15で支持される。
【0028】
図5は、図4に示す翼形と異なる実施例を示す。この場合、外被部5は内側部3を包囲する発泡金属21からなる。内側部13は動翼1に空洞を形成し、従って内部冷却ができる。外被部15は運転中に流れ媒体で駆動される外側面39を持つ。図4に示す実施例と異なり、発泡金属21が外側面39を形成する。
【0029】
図6は動翼1の異なる実施例を断面図で示す。この場合、翼形部は全体が多孔性材料5から成り、ここでもそのために発泡金属21を用いている。同時に図5に関連して述べたように、発泡金属21が外側面39を形成している。従って、動翼1の内側部13と外被部15が多孔性材料5から成っている。
【0030】
図7は、図6に示す動翼1の部分VIIを拡大して示さす。この図は発泡金属21で形成した材料5の多孔性組織を示す。多数のセル17、17A、17Bが存在し、そのうちのセル17A、17Bは互いに隣接し、動翼1の表面39の部分を形成している。また外側面39を形成しないセル17も設けている。これらセル17を内部セルと呼ぶ。セル17、17A、17Bは、例えば断面多角形の構造を持つ。これは三次元的に見て、多面体又は多面体線形結合に相当する。多孔性材料5は、セル17A、17Bの組織と配列とにより、セル17A、17Bに対して閉じた組織の外側面39を形成する。この結果、十分に小さな表面粗さを持つ動翼1の外側面39を形成し、従って該動翼1を流体機械(図8参照)に使用した際、小さな流れ損失を保障する。これにより、できるだけ平滑な表面に関しても、最善ではないが、従来通常の動翼1に対し競争に耐える解決策が得られる。互いに隣接する表面近くのセル17A、17Bの範囲の局所的な表面組織は、特に横流れによる二次損失をかなり低減できる付加的効果を持つ。
【0031】
図8は、低圧蒸気タービン59を例として、流体機械3を縦断面図で概略的に示す。低圧蒸気タービン59は、回転中心軸線41に沿って延びるロータ43を持つ。また低圧蒸気タービン59は、その回転中心軸線41に沿い順に入口範囲49、翼範囲51、出口範囲53を持つ。翼範囲51には動翼1と静翼45がある。動翼1をタービンロータ43に取付け、タービンロータ43を包囲する静翼ホルダ47に静翼45を配置している。タービンロータ43と翼範囲51と静翼ホルダ47とにより、流れ媒体A、例えば高温蒸気に対する環状流路を形成している。媒体Aを導入すべく使用する入口範囲49は、静翼ホルダ47の上流側に結合した入口ハウジング55で、半径方向を境界づけている。静翼ホルダ47の下流側に出口ハウジング57を配置し、該ハウジング57で出口範囲53を半径方向で境界づけている。蒸気タービン59の運転中、媒体A、ここでは高温蒸気を入口範囲49から翼範囲51に供給する。媒体Aは膨張しつつ仕事をし、その後出口範囲53を経て蒸気タービン59から出る。続いて媒体Aは、出口範囲53に後置接続した蒸気タービン59の復水器(図8に図示せず)に集まる。
【0032】
流れ媒体Aは翼範囲51の貫流中に膨張し、動翼1で仕事をし、これによって、動翼1を回転させる。低圧蒸気タービン59の動翼1は、少なくとも部分的に、図2〜図7で説明した多孔性材料5から成っている。
【0033】
この結果、動翼1は従来通常の動翼1(図1参照)に比べ小さな密度を持ち、従って遠心力により大きく負荷されない。その動翼1は低圧蒸気タービン59の低圧翼部を形成している。動翼1に多孔性材料5を部分的に使用することで、密度的な利点により、大きな半径方向寸法の動翼1が使用でき、この結果、蒸気タービン59に対し小さな流れ損失の大きな流れ断面積が実現できる。
【0034】
動翼1の他に、静翼45も部分的に多孔性材料5で構成できる。これに伴い、翼範囲51で軽量構造の動翼1と静翼45が採用できる。更に、異種の流体機械3にも本発明に基づく翼構想が使用できる。即ちガスタービン、圧縮機、蒸気タービン設備における高圧或いは中圧タービンの翼範囲における動翼1および/又は静翼45を、多孔性材料5、特に発泡金属21で構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来における流体機械の動翼の斜視図。
【図2】 部分的に多孔性材料で構成された本発明に基づく流体機械の動翼の斜視図。
【図3】 本発明に基づく動翼の図2と異なる実施例の斜視図。
【図4】 図3におけるIV−IV線に沿った断面図。
【図5】 本発明に基づく動翼の図4と異なる実施例の断面図。
【図6】 本発明に基づく動翼の図4と異なる実施例の断面図。
【図7】 図6における動翼の部分VIIの拡大詳細図。
【図8】 動翼を備えた流体機械の概略断面図。
【符号の説明】
1 動翼 3 流体機械 5 多孔性材料 7 翼形部 9 取付け部13 内側部 15 外被部 17 セル 21 発泡金属
59 蒸気タービン
Claims (5)
- 翼形部(7)を備えた流体機械(3)の動翼(1)であって、前記翼形部(7)は、空洞からなる内側部(13)と、この内側部を包囲する外被部(15)とを有し、前記外被部(15)は、多孔性材料(5)であって発泡金属(21)からなり、前記発泡金属(21)はニッケル又はコバルト基合金からなり、
さらに、前記多孔性材料(5)は、複数の独立セル(17、17A、17B)から構成され、前記セル(17、17A、17B)に対して閉じられた組織の外側表面(39)を形成することを特徴とする流体機械の動翼。 - 動翼(1)が、翼脚(11)を有する取付け部(9)を備え、該取付け部(9)に多孔性材料(5)が使用されたことを特徴とする請求項1記載の動翼。
- ガスタービン動翼、蒸気タービン動翼として形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の動翼。
- 請求項1から3の1つに記載の動翼を備えることを特徴とする流体機械(3)。
- ガスタービン、蒸気タービン(59)として形成されたことを特徴とする請求項4記載の流体機械。
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