JP5114800B2 - 鋳造製の金属インペラブレードおよびインペラブレードの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造製の金属インペラブレードおよびインペラブレードの製造方法に関する。

ターボ機械、例えば、ジェットエンジンは一般にファン、１つまたは複数の圧縮機段、燃焼チャンバ、１つまたは複数のタービン段、およびノズルを備える。ガスは、ファン、圧縮機、およびタービンのロータにより、ロータの外周に固定された径方向のインペラブレードの助けを借りて駆動される。

内側、外側、径方向、上流側、または下流側の位置もしくは配置の概念は、ターボ機械の主軸に対して、かつターボ機械のガスフローの方向に見て定義されたものである。

可動タービンインペラブレードは、ロータディスクに固定された脚部、ガス流路を画定する内壁の一要素を形成するプラットフォーム、径方向軸に沿って全体に延びて、ガスにより掃き流されるブレードを備える。モータとタービン段に応じて、ブレードの終端は脚部から遠隔の端部で、ヒールと呼ばれるブレードの全体軸（主軸）に対して横方向の要素に位置し、ヒールはガス流路を画定する外壁の一要素を形成する。

ヒールの外面は、ステータの壁に対向して、ガス機密性を確保するラビリンスシールを形成するようになされた１つまたは複数のプレート（またはタブ）を支持する。このために、上記ステータの壁は一般にアブレイダブル材料製のリングによって形成され、ここにプレートが摺接する。プレートは、ガスフローに対して横方向に延びる上流側面および下流側面を備える。

インペラブレードはモノブロック構造からなり得、脚部、プラットフォーム、ブレード、ヒールは一体形成される。インペラブレードは、鋳造により、いわゆる、当業者によく知られている「ロストワックス」法により製造される。方法は、以下の通りである：
予めインペラブレードの型がワックスで形成される、
この型は、焼成されるとシェルを形成する耐火セラミック材料のスリップに浸漬される、
ワックスが溶融され、排出されて、セラミック材料製の「シェル鋳型」が残り、この鋳型の内部体積がインペラブレードの形状を画定する、
溶融金属がシェル鋳型に導入され、複数のシェル金型は通常、共通の金属を供給して１つのクラスタにまとめて組み立てられる、
シェル金型が壊され、金属インペラブレードが残る。

シェル金型の金属供給部は、金型内に形成された金属インペラブレードに比較的厚い金属パイロット部を生成する。これは、インペラブレードが形成されると機械加工しなければならない。供給部は、ほぼインペラブレードのヒールの位置で行われる。この供給部はラビリンスシールの薄い厚さのプレートに近い位置ではあるが、供給ダクト、ひいては形成されるヒールの径は大きい。したがって、一回だけの供給の場合、シェル金型内の金属分布不良は、特にプレートの位置でのインペラブレードの多孔質の問題につながる。

この問題は２回供給投入することにより解決でき、したがって、供給ダクトの径は小さくなる。したがって、大きい径で一回供給するのではなく、互いに離れた、小さい径で２回供給することで、良好な金属分布を示し、多孔質になる問題を回避できる。

それでもやはり、一回の供給を維持しながら多孔質の問題を解決できるのが望ましい。

このために、本発明は、鋳造により形成されるターボ機械のインペラブレードに関する。インペラブレードはブレードを備え、一端部にブレードと一体形成されたヒールが設けられ、接続領域の位置でブレードにヒールが一体化され、ヒールは少なくとも１つの封止プレートが配設されたプラットフォームを備え、第１の槽がプラットフォームに配設されるインペラブレードにおいて、ブレードとヒールとの間の接続領域の位置に、第２の槽が第１の槽内に配設される。

ブレードとヒールとの間の接続領域の位置で槽内に槽があることで、この領域が厚くなりすぎるのを避けることができ、インペラブレードを鋳造する時に、金型内の液体金属の良好な分布を可能にする。この良好な分布により、一回で金属供給する鋳造方法を実施することができる。一回の供給でインペラブレードを製造することは、シェル金型をより単純にする利点があり、したがって、必要な場合には、シェル金型のクラスタをより単純にする利点があり、したがって、インペラブレードの製造コストの低減につながり、品質も向上する。

さらに、ヒールの位置における材料の量が最適化され、このことでインペラブレードの重量とコストを低減できる。

さらに、重量がより良好に分散されるので、ヒールおよび／またはブレードにかかる機械的応力はより最適化されて、インペラブレードによってさらに十分に吸収される。

一実施形態によれば、第１の槽は径方向面と底部により画定され、第２の槽は第１の槽の底部に配設される。

一実施形態によれば、第２の槽は、インペラブレードの主軸の方向に、ヒールとブレードとの間の接続領域に沿って形成される。

一実施形態によれば、ブレードは中実の壁で形成され、接続領域に内曲面と、内曲した径方向面および底面を備える第２の槽とを備える。第２の槽の内曲した径方向面は、接続領域のブレードの内曲面にほぼ平行に延在して、接続領域のインペラブレードを実質的に一定の厚さにする。

本発明はさらに、本発明の少なくとも１つのインペラブレードを備えるタービンに関する。

本発明はさらに、本発明の少なくとも１つのタービンを備えるターボ機械に関する。

本発明はさらに、ターボ機械のインペラブレードの製造方法に関する。製造方法は、以下のステップを含む：
ブレードを備え、一端部にブレードと一体形成されたヒールが設けられ、接続領域の位置でブレードにヒールが一体化され、ヒールは少なくとも１つの封止プレートが配設されたプラットフォームを備え、ブレードとヒールとの間の接続領域の位置で、第１の槽がプラットフォームに配設され、第２の槽が第１の槽内に配設されるインペラブレードの型をワックスで形成するステップ、
耐火材料のスリップにワックスのインペラブレードを浸漬するステップ、
耐火材料のシェル金型を形成するステップ、
一回の供給投入でシェル金型に溶融金属を供給するステップ、
シェル金型を壊し、インペラブレードを得るステップ。

本発明は、添付図面を参照して、以下の本発明のインペラブレードとその製造方法の好適な実施形態の説明を読めば、より理解できる。

本発明のタービンインペラブレードのプロファイル略図である。 上流側から見たインペラブレードのヒールの外側からの斜視図である。 図１の面ＩＩＩ−ＩＩＩにおける、インペラブレードの断面の横断面図である。 プロファイルとして見たインペラブレードのヒールの外側からの斜視図である。

図１では、本発明のインペラブレード１は主軸Ａに沿って全体に延在し、主軸Ａはインペラブレード１を含むターボ機械の軸Ｂに対して実質的に径方向である。ここでのブレードはジェットエンジンタービンのインペラブレードである。インペラブレード１は、内側に延びる脚部２と、プラットフォーム３と、ブレード４と、外側に延びるヒール５とを備える。ヒール５は、接続領域１５によりブレード４に接続される。脚部２は、ロータに固定するためのロータの凹部に受承されるための部分である。プラットフォーム３は、脚部２とブレード４との間で延在し、インペラブレード１の軸Ａに対して横方向に延びる面を備え、その内側でガス流路を画定する壁の要素を形成する。内壁は、関係するタービン段の並置されたインペラブレード１のプラットフォーム３の組により形成される。ブレード４はインペラブレード１の主軸Ａに沿って全体に延在し、当業者によく知られている方法で、使用に適した空気力学的形状を呈する。ヒール５は、ブレード４の外側端部でインペラブレード１の主軸Ａに対して実質的に横方向に延在するプラットフォーム５ａを備える。

図２および図４では、ヒール５のプラットフォームは、ガスフロー（このガスフローはジェットエンジンの軸Ｂにほぼ平行である）の方向に対して横方向に配向された上流側縁部６と下流側縁部７とを備える。これら２つの上流側横縁部６および下流側横縁部７は、いわゆるＺ型の輪郭を有する２つの側縁部８、９でつながる。それぞれの側縁部８、９は、ガスフローの方向に対して実質的に横方向である、または少なくとも斜めである部分８’、９’でそれぞれ互いにつながれた２つの長手部分（８ａ、８ｂ）、（９ａ、９ｂ）をそれぞれ備える。ヒール５がロータ上の２つの近接するインペラブレードのヒールと接触するのは、側縁部８、９に沿った位置である。より詳細には、作動時に受ける振動を緩和するために、インペラブレードは、一般に主軸Ａ周りのねじり応力でディスクに装着される。ヒール５は、インペラブレードが側縁部８、９の横部分８’、９’に沿った近接部で支承することにより、ねじり応力を加えられるように構成される。

ヒール５のプラットフォーム５ａの外面から、径方向の封止プレート１０、１１またはタブ１０、１１が延在する。この場合は２つのプレートであるが、単一のプレート、または３つ以上のプレートを配設することもできる。各プレート１０、１１は、ヒール５の側縁部８、９の２つの対向する長手部分（８ａ、９ａ）、（８ｂ、９ｂ）の間で、ヒール５のプラットフォームの外面からターボ機械の軸Ｂに対して横方向に延在する。

ヒール５のプラットフォーム５ａは、ターボ機械の軸Ｂに対して径方向角度αをなして全体に延在する。実際に、タービン内では、ガス流路の断面は上流側から下流側に向かって大きくなり、ガスが膨張できるようにする。したがって、ヒール５のプラットフォーム５ａは、上流側から下流側に向かってターボ機械の軸Ｂから離れ、その内面はガス流路の外境界を画定する。

第１の槽１２は、ヒール５のプラットフォーム５ａ内に（金型の形状で）形成される。この第１の槽１２は、ショルダ形成周囲面１３により形成されるキャビティであり、プラットフォーム５の外面から延び、槽１２の底部１４を形成する面１４につながる。この場合、周囲面１３は内側で内曲して実質的に径方向に延在し、プラットフォーム５ａの外面と槽１２の底面１４との接続部を形成する。これらの内曲した径方向面１３は、側縁部８、９およびヒール５のプラットフォーム５ａの横縁部６、７全体に平行に延び、上から見ると、（インペラブレード１の主軸Ａ方向に）内曲面１３は側縁部８、９および横縁部６、７の形に沿っている。ヒール５の特定の領域はそのような径方向面１３を備える必要はなく、槽１２の底面１４は側縁部（図２の縁部９ａ参照）に直接開口している（図４では、この領域は同じ位置に配置されていないことに留意されたい）。

このような槽１２は、すでに先行技術のインペラブレードに設けられていた。その機能は、ヒール５の機械的特性を保持しながら軽量化することである。ヒール５のプラットフォーム５ａの厚さは側縁部８、９に非常に近く、近接するインペラブレードと接触する側縁部８、９の側面は、インペラブレード１が回転すると高い応力を受けるが、あまり応力を受けないヒール５のプラットフォーム５ａの中心部は空洞にされ、第１の槽１２を形成する。

ヒール５はさらに、第１の槽１２内に、第２の槽と呼ばれる槽１６を備える。第２の槽１６は、ヒール５とブレード４との間の接続領域１５の位置で形成される。より詳細には、第２の槽は、ヒール５とブレード４との間の接続領域１５に沿って、インペラブレード１の主軸Ａ方向に形成される。

第２の槽１６は、ショルダ形成周囲面１７により形成されるキャビティであり、第１の槽１２の底面１４を第２の槽１６の底部形成面１８につなぐ（また第１の槽１２の底面１４の内側に配置されている）。周囲面１７は、この場合は内曲して、実質的に径方向に外側および内側に延び、第１の槽１２の底面１４と第２の槽１６の底面１８との接続を形成する。これらの内曲した径方向面１７は、ブレード４の表面全体に平行に延び、上から見ると、（インペラブレード１の主軸Ａ方向に）内曲面１７はブレード４の表面の形に沿っている（図４参照）。

第２の槽１６は、鋳造時に形成される（言い換えれば、インペラブレード１を形成するのに使用されるシェル金型の形は、この槽１６を形成するように構成される）。インペラブレード１は、前置きで説明したようにロストワックス鋳造法により形成される。

第２の槽１６があることで、ヒール５とブレード４との間の接続領域が厚くなりすぎるのを避けることができる。このような理由から、金属をシェル金型に導入する際に、一回の供給で金属が導入される場合でも金属がより均一に分散され、多孔質になるのを避けることができる。

したがって、インペラブレード１は、各シェル金型に対して一回だけ液体金属を供給投入する形のロストワックス鋳造方法により形成することができる。この方法はより簡単であり、したがってよりコストがかからない。複数の金型がクラスタに組み合わされる場合、そのクラスタはさらにより簡単である。さらに、一回の供給投入でシェル金型に供給するために、製造されたインペラブレードは、機械加工すべき残留パイロット部は一箇所のみとなる。この部分の機械加工は軽減される。

さらに、第２の槽１６があることで、インペラブレード１の重量、ひいてはそのコストが低減され、ヒール５にかかる応力およびブレード４にかかる応力はより分散され、したがって、インペラブレード１でより良好に支持できる。

ここで、ブレード４は中実の壁で形成され、すなわち、壁の厚さのスリーブまたは隙間により冷却されない。第２の槽１６の周囲面１７および底面１８は、インペラブレード１の厚さがヒール５とインペラブレード４との間の接続領域１５で実質的に一定であるように構成されるのが好ましい。この特徴は、図３で見ると明らかである。より詳細には、１５ａ、１５ｂがブレード４とヒール５との間の接続領域１５の位置におけるブレード４の内曲面を示す場合、第２の槽１６の内曲した径方向面１７は対向するブレード４の内曲面１５ａ、１５ｂに実質的に平行に延びるように構成されていることが、図３からわかる。示された実施形態では、第２の槽１６の内曲した径方向面１７の半径は、対向するブレード４の内曲面１５ａ、１５ｂの半径に等しくないが、これでもこれらの面は実質的に平行である。

図３の左に位置する第２の槽１６の部分には、第１の槽１２の内曲した径方向面１３、第１の槽１２の底面１４、第２の槽１６の内曲した径方向面１７の間で全く平らである部分がなく、連続して曲線をなしているのがわかる。一方、図３の右に位置する第２の槽１６の部分では、これらの各部分は非常にはっきりと区別されている。この異なる部分の相対配置は、（断面の）領域から見て、ブレード４の面に対するヒール５の面の位置により決まるのは明らかである。

本発明は、可動タービンインペラブレードに関して提示されたものである。実際には、一端部にブレードと共に一体形成されたヒールを配設したブレードを備える、鋳造により形成された任意のインペラブレードに適用できる。

１、３ インペラブレード
２ 脚部
４ ブレード
５ ヒール
５ａ プラットフォーム
６ 上流側横縁部
７ 下流側横縁部
８、９ 側縁部
８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ 長手部分
８’、９’ 横部分
１０、１１ 封止プレート
１２ 第１の槽
１３、１７ 周囲面
１４、１８ 底面
１５ 接続領域
１５ａ、１５ｂ 内曲面
１６ 第２の槽
Ａ インペラブレードの主軸
Ｂ ターボ機械の軸

Claims (6)

1. 鋳造により形成されるターボ機械のインペラブレードであって、
   ブレードを備え、一端部にブレードと一体形成されたヒールが設けられ、接続領域の位置でブレードにヒールが一体化され、ヒールが少なくとも１つの封止プレートが配設されたプラットフォームを備え、第１の槽がプラットフォームに配設されるインペラブレードにおいて、
   ブレードとヒールとの間の接続領域の位置で、第２の槽が第１の槽内に配設される、インペラブレード。
2. 第１の槽が径方向面と底部により画定され、第２の槽が第１の槽の底部に配設される、請求項１に記載のインペラブレード。
3. 第２の槽が、インペラブレードの主軸（Ａ）の方向に、ヒールとブレードとの間の接続領域に沿って形成される、請求項１に記載のインペラブレード。
4. ブレードが中実の壁で形成され、接続領域に、内曲面と、内曲した径方向面および底面を備える第２の槽とを備え、第２の槽の内曲した径方向面が、接続領域でブレードの内曲面とほぼ平行に延びて、接続領域におけるインペラブレードを実質的に一定の厚さにする、請求項３に記載のインペラブレード。
5. 請求項１に記載の少なくとも１つのインペラブレードを備える、タービン。
6. 請求項５に記載の少なくとも１つのタービンを備える、ターボ機械。

Images