JP4499351B2 - 流体機械とその動翼 - Google Patents

Description

【０００１】
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Ｆ_Zが生ずる。羽根７の密度が小さいことに伴い、その遠心力Ｆ_Z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Ｆ_Z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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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）。
5. 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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