JP5936530B2 - タービンの動翼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鍛造によって余肉部を含む翼部を成型するタービンの動翼の製造方法に関する。

一般的なタービン（例えば、蒸気タービン）は、ケーシングに回転軸であるロータが回転自在に支持され、このロータの外周部に動翼が設置されると共に、ケーシングの内壁に静翼が設置され、蒸気通路にこの動翼と静翼が交互に複数配設されている。そして、蒸気が蒸気通路を流れる過程で、動翼及びロータが回転駆動する。

このような蒸気タービンにおいて、動翼は、ロータのロータディスクに固定される翼根部と、翼根部に一体に形成されるプラットホームと、基端部がこのプラットホームに接合されて先端部側に延出する翼部と、翼部の先端部に連結されるシュラウドとを有している。そして、動翼は、基端部がロータディスクの外周部にその周方向に沿って複数並設するように固定され、先端部のシュラウド同士が接触するように、ロータの軸方向の周りに環状に配設されている。

このような蒸気タービンの動翼の製造方法として、例えば、特許文献１には、エロージョン（浸食）を防止することができる信頼性に優れたチタン合金製のタービンブレード（動翼）の製造方法が記載されている。この製造方法は、チタン合金よりなるタービンブレードを熱間型鍛造により形成する鍛造工程と、熱間型鍛造によって形成されたカバーを含むタービンブレードのブレード前縁部の先端側をブレード本体より早く冷却する工程と、冷却後のタービンブレードを熱処理する工程とからなることが記載されている。

特許第３５３１６７７号公報

上記のような製造方法においては、熱処理の工程後に、さらに、最終的な動翼の翼面形状となるように、削り出す機械加工工程が実施されるのが通常である。このように機械加工工程において動翼の削り出しを実施するためには、図１０に示すように、鍛造工程において、動翼の翼部１２３に対して、削り出す部分となる余肉部１３１ａを設けた状態で鍛造する必要がある。図１０は、具体的には、動翼の翼部１２３の翼面から余肉部１３１ａの表面までの距離が翼面全体で略均一となるように余肉部１３１ａが設けられた状態の翼部１２３の断面を示している。このような動翼を鍛造して形成した場合、余肉部１３１ａが設けられた翼部１２３は、翼長方向で板厚が厚い部分と、板厚が薄い部分とが存在する。そして、上記の鍛造工程が終了し、鍛造した余肉部１３１ａ付きの翼部１２３を冷却する工程においては、翼長方向の板厚が厚い部分と、板厚が薄い部分とに温度差が生じ、翼部１２３及び余肉部１３１ａの内部に熱応力が発生する。この温度差が大きくなるほど熱応力が大きくなり、特に板厚が薄い部分の翼部１２３及び余肉部１３１ａにおいて局所的に塑性変形が生ずる可能性がある。また、この局所的な塑性変形によって、残留応力が発生、及び翼部１２３全体のたわみ、曲げ又はねじれ（以下、「翼全体の変形」という）が発生する可能性がある。

図１１は、重量比と余肉部１３１ａの厚みとの各組み合わせにおける翼部１２３のプラットホームからの翼長方向の位置における翼全体の変形量を示している。「重量比」とは、翼部１２３自体の重量に対する翼部１２３及び余肉部１３１ａの重量の和の比を示す。図１１に示すように、板厚が大きい翼根側における翼全体の変形量は小さいが、板厚が小さい翼頂側に向かうに従って、翼全体の変形量が大きくなる傾向がある。このような翼全体の変形が起きた場合、後工程の熱処理の工程及び機械加工工程のために、手作業又は簡単なプレス等の冷間加工によって、最終的な翼部１２３の形状に沿った形状に戻す加工が必要となる。その結果、作業効率が低下する恐れがある。また、手作業又は簡単なプレス等により、最終的な翼部１２３の形状にバラつきが生じてしまう可能性がある。

さらに、前述のように、熱処理中に局所的な塑性変形が生じた場合や、後工程の熱処理の工程及び機械加工工程のために、翼全体の変形を最終的な翼部１２３の形状に沿った形状に修正するための手作業又は簡単なプレス等の冷間加工を施した場合には、翼に残留応力が残る。そして、バリ取り工程において、鍛造物の不要な部分（バリ）を除去するとき、又は、機械加工工程において、余肉部１３１ａを削り出すときに、この残留応力が解放されて、翼部１２３全体のたわみ、曲げ又はねじれが発生してしまう可能性がある。また、機械加工工程前に通常行われる熱処理工程においては、加熱によって降伏点が下がったときに、この残留応力が解放されて、翼部１２３全体のたわみ、曲げ又はねじれが発生してしまう可能性もある。また、この熱処理工程における鍛造物の加熱後の冷却時においても、翼長方向の板厚が厚い部分と、板厚が薄い部分とに温度差が生じ、翼部１２３及び余肉部１３１ａの内部に熱応力が発生する。この温度差が大きくなるほど熱応力が大きくなり、特に板厚が薄い部分の翼部１２３及び余肉部１３１ａにおいて局所的に塑性変形が生ずる可能性がある。また、この局所的な塑性変形によって、残留応力が発生し、また、翼部１２３全体のたわみ、曲げ又はねじれが発生する可能性もある。

本発明は、鍛造工程後において、余肉部が設けられた動翼全体のたわみ、曲げ又はねじれを抑制するタービンの動翼の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明に係るタービンの動翼の製造方法は、タービン内に回転自在に支持されたロータの外周に、その周方向に沿って複数並設されて固定される動翼の製造方法であって、前記動翼の翼部に余肉部を設け、前記翼部の翼長方向の所定位置から翼頂側に向けて、前記余肉部の厚みである余肉量を徐々に大きくした鍛造物を型鍛造して成型する鍛造工程と、前記鍛造物から前記余肉部を削り出して前記翼部を形成する機械加工工程と、を含むことを特徴とするものである。このうち、前記鍛造工程において、前記所定位置は、前記翼部の基端部から前記翼部の中央部までの間のいずれかの位置としてもよく、前記翼部の基端部から該翼部に形成されたスタブの位置までの間のいずれかの位置としてもよく、あるいは、前記翼部の基端部から該翼部の翼長方向の長さの１／４までの間のいずれかの位置としてもよい。

このようにすることで、鍛造工程における型鍛造によって成型された鍛造物（余肉部が設けられた翼部を含む）が、翼長方向において、板厚が大きい部分と板厚が小さい部分との厚みの差がほぼなくなるか又は小さくなるので、鍛造物全体の温度差は小さくなる。さらに、鍛造物全体の剛性が向上する。したがって、鍛造工程の次工程である冷却工程において、翼部及び余肉部の内部に熱応力が発生しにくくなり、翼部及び余肉部の翼長方向における局所的な塑性変形の発生を抑制することができる。局所的な塑性変形の発生の抑制によって、翼部全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができ、また、冷却工程に発生する残留応力も低減できる。また、翼全体の変形が起きた場合における手作業又は簡単なプレス等の冷間加工により最終的な翼部１２３の形状に沿った形状に戻す加工も不要になるか、このような手作業等が必要であっても最小限の作業で済むので、残留応力の発生を抑制し、翼部の形状のバラつきを抑制し、作業コストを低減できる。また、冷却工程時において残留応力の発生が抑制されるので、バリ取り工程において、鍛造物の不要な部分（バリ）を除去するとき、又は、機械加工工程において、余肉部を削り出すときに、残留応力の解放量が小さくなり、翼部全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。さらに、機械加工工程前に通常行われる熱処理工程においては、加熱によって降伏点が下がったときにおいても、残留応力の解放量が小さくなり、翼部全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。また、この熱処理工程における鍛造物の加熱後の冷却時においても、翼長方向の板厚が厚い部分と、板厚が薄い部分との温度差が小さくなるので、翼部及び余肉部の内部に熱応力が発生しにくくなり、翼部及び余肉部の翼長方向における局所的な塑性変形の発生を抑制することができる。局所的な塑性変形の発生の抑制によって、残留応力の発生を抑制、及び翼部全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。

前記鍛造工程において、前記翼部及び前記余肉部の翼長方向の少なくともいずれかの部分における前記翼長方向に垂直な断面について、前記余肉量を前記翼部の前記断面の周囲全体において略均一とした前記鍛造物を型鍛造して成型することが好ましい。

このようにすることで、上記の効果を有すると共に、鍛造工程後の冷却工程において、鍛造物の翼長方向における翼頂側部分がある程度局所的に塑性変形が発生したとしても、翼頂側部分の余肉量は翼根側部分の余肉量よりも大きいので、局所的に塑性変形が起きた鍛造物内に最終形状の翼部が収まる状態となる。その結果、手作業又は簡単なプレス等の冷間加工によって、最終的な翼部１２３の形状に沿った形状に戻す加工は不要となるので、この加工による残留応力が残ってしまうこともない。

前記鍛造工程において、前記翼部及び前記余肉部の翼長方向の少なくともいずれかの部分における前記翼長方向に垂直な断面について、前記断面の長手方向の両端部分であるエッジ部における前記余肉量を前記翼部の前記断面において前記翼部の板厚が最も厚い部分である最大直径部における前記余肉量よりも大きい前記鍛造物を型鍛造して成型することが好ましい。また、前記鍛造工程において、前記断面の前記エッジ部における前記鍛造物の板厚が、前記最大直径部における前記鍛造物の板厚以上となるように型鍛造することが好ましい。

このようにすることで、鍛造物の翼部及び余肉部の翼長方向に垂直な断面の長手方向において、板厚が厚い部分と板厚が薄い部分との厚みの差がほぼなくなるか又は小さくなる。このため、鍛造物全体の温度差は小さくなるので、鍛造工程の次工程である冷却工程において、翼部及び余肉部の内部に熱応力が発生しにくく、前述した断面の長手方向における局所的な塑性変形の発生を抑制することで、残留応力の発生を抑制、及び翼部全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。

また、本発明に係るタービンの動翼の製造方法は、前記鍛造工程において、前記翼部及び前記余肉部の翼長方向の少なくともいずれかの部分における前記翼長方向に垂直な断面の長手方向の両端部分であるエッジ部における前記余肉量について、前記断面の形状が凹状を呈する側の前記余肉量が、前記断面の形状が凸状を呈する側の前記余肉量よりも小さい前記鍛造物を型鍛造して成型することが好ましい。

このようにすることで、翼部及び余肉部の翼長方向に垂直な断面の長手方向の湾曲の度合いが小さくなるので、冷却工程において熱応力が発生しても、断面の長手方向における局所的な塑性変形が発生を抑制し、残留応力の発生を抑制し、翼部全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。

また、本発明に係るタービンの動翼の製造方法は、前記鍛造工程において、前記翼部のスタブが形成された位置における前記翼部及び前記余肉部の翼長方向に垂直な断面の前記スタブに設けられた前記余肉部の少なくとも一部の前記余肉量が、前記断面の前記スタブ以外の部分に設けられた前記余肉部の前記余肉量よりも小さい前記鍛造物を型鍛造して成型することが好ましい。

このようにすることで、翼部においてスタブが形成された位置における鍛造物の翼長方向に垂直な断面の面積と、その他の位置の断面の面積との差を小さくできる。その結果、鍛造工程の次工程である冷却工程において、鍛造物の内部に熱応力が発生しにくく、鍛造物の翼長方向における局所的な塑性変形の発生を抑制することで、残留応力の発生を抑制、及び翼部全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。

本発明は、鍛造工程後において、余肉部が設けられた動翼全体のたわみ、曲げ又はねじれを抑制するタービンの動翼の製造方法を提供することができる。

図１は、実施形態１に係る動翼が備えられた蒸気タービンの概略構成図である。 図２は、実施形態１の動翼を示す概略図である。 図３は、実施形態１の動翼の製造工程を示すフローチャートである。 図４は、実施形態１の鍛造後の余肉部が設けられた動翼の断面図である。 図５は、鍛造後の余肉部が設けられた動翼の各断面箇所における余肉量を表すグラフである。 図６は、鍛造後の余肉部が設けられた動翼の特定の断面箇所における余肉量を示す図である。 図７は、実施形態２の鍛造後の余肉部が設けられた動翼の断面図である。 図８は、実施形態３の鍛造後の余肉部が設けられた動翼の断面図である。 図９は、実施形態４の鍛造後の余肉部が設けられた動翼におけるスタブが形成された位置の断面図である。 図１０は、従来における鍛造後の余肉部が設けられた動翼の断面図である。 図１１は、従来における鍛造後の余肉部が設けられた動翼の翼長方向における塑性変形量を示すグラフである。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。

［実施形態１］
（蒸気タービン１の概略構成）
図１は、実施形態１に係る動翼が備えられた蒸気タービンの概略構成図である。以下、図１を参照しながら、実施形態１に係る蒸気タービン１の構造の概略について説明する。

図１に示すように、蒸気タービン１において、ケーシング１１は、中空形状を呈し、回転軸としてのロータ１２が複数の軸受１３によって回転自在に支持されている。ケーシング１１内には、動翼１５及び静翼１６が配設されている。動翼１５は、ロータ１２に形成された円盤状のロータディスク１４の外周にその周方向に沿って、複数並設され固定されている。静翼１６は、ケーシング１１の内壁にその周方向に沿って、複数並設され固定されている。これらの動翼１５及び静翼１６は、ロータ１２の軸方向に沿って交互に配設されている。

また、ケーシング１１内には、上記の動翼１５及び静翼１６が配設され、蒸気が通過する蒸気通路１７が形成されている。この蒸気通路１７には、蒸気が供給される入口として蒸気供給口１８が形成され、蒸気が外部に排出される出口として蒸気排出口１９が形成されている。

（蒸気タービン１の概略動作）
次に、図１を参照しながら、蒸気タービン１の動作の概略を説明する。

蒸気タービン１の蒸気供給口１８から蒸気通路１７に供給された蒸気は、静翼１６を通過する過程で膨張して高速の蒸気流となる。静翼１６を通過した高速の蒸気流は、動翼１５に吹き付けられて、複数の動翼１５及びこれらが取り付けられたロータ１２を回転させる。ロータ１２には、例えば、発電機等が連結されており、ロータ１２が回転することにより発電機が駆動されて電力が発生する。蒸気通路１７の静翼１６及び動翼１５が配設された部分を通過した蒸気は、蒸気排出口１９から外部に排出される。

（動翼１５の構造）
図２は、実施形態１の動翼を示す概略図である。図２を参照しながら、実施形態１の動翼１５の構造について説明する。

図２に示すように、動翼１５は、翼根部２１と、プラットホーム２２と、翼部２３と、シュラウド２４とを含む。

翼根部２１は、ロータディスク１４に埋設され、動翼１５をロータディスク１４に固定する。プラットホーム２２は、翼根部２１と一体となる湾曲したプレート形状物である。翼部２３は、基端部がプラットホーム２２に固定され、先端部がケーシング１１の内壁面側に延出しており、翼長方向に向かうに従って捩じられている。シュラウド２４は、翼部２３の先端部に固定されており、隣接する動翼１５のシュラウド２４と接触して、動翼１５を固定し、あるいは、動翼１５の振動を抑制する部材である。

また、翼部２３の両翼面における翼長方向の略中央部に、突起状のスタブ２５が形成されている。このスタブ２５は、隣接する動翼１５のスタブ２５と接触して、動翼１５を固定し、また動翼１５の振動を抑制する部分である。

（動翼１５の製造工程）
図３は、実施形態１の動翼の製造工程を示すフローチャートであり、図４は、実施形態１の鍛造後の余肉部が設けられた動翼の断面図である。図３及び図４を参照しながら、実施形態１の動翼１５の製造工程、特に、動翼１５の翼部２３の製造工程について説明する。

翼部２３の製造工程は、鍛造工程（ステップＳ１）と、冷却工程（ステップＳ２）と、バリ取り工程（ステップＳ３）と、熱処理工程（ステップＳ４）と、機械加工工程（ステップＳ５）とを含む。

ステップＳ１の鍛造工程においては、図４に示す余肉部３１が設けられた翼部２３の形状となるように加工された上下一組の金型内に、再結晶温度以上の高温に加熱した鍛造素材（例えば、ステンレス等）を設置し、熱間型鍛造を行う。熱間型鍛造が終了すると、図４に示すような余肉部３１が設けられた翼部２３の形状の鍛造物が成型される。次に、ステップＳ２の冷却工程へ進む。

ステップＳ２の冷却工程においては、鍛造工程において成型された高温状態の鍛造物を冷却する。鍛造物は、次工程のバリ取り工程に適した温度にまで冷却される。次に、ステップＳ３のバリ取り工程へ進む。

ステップＳ３のバリ取り工程においては、鍛造工程の型鍛造の際に、鍛造素材が上下の金型の隙間に入り込むこと等によって形成された鍛造物の不要な部分（バリ）を除去する。次に、ステップＳ４の熱処理工程へ進む。

ステップＳ４の熱処理工程においては、鍛造物に対して熱処理を施すことにより、前工程（鍛造工程）で鍛造物に発生した残留応力及び冷却過程で鍛造物に発生した熱応力を解放する。次に、ステップＳ５の機械加工工程へ進む。

ステップＳ５の機械加工工程においては、切削加工によって鍛造物の余肉部３１が切削される。また、機械加工工程では、切削加工により、翼部２３の基端部側（翼根側）にプラットホーム２２が形成され、先端部側（翼頂側）にシュラウド２４が形成される。このようにして、目的とする最終形状を有する動翼１５が形成される。その後、動翼１５には必要な熱処理（例えば、溶体化処理及び時効処理）等が施されて、動翼１５に必要な機械的特性が与えられる。

（鍛造物の成型方法）
図５は、鍛造後の余肉部が設けられた動翼の各断面箇所における余肉量を表すグラフである。図６は、鍛造後の余肉部が設けられた動翼の特定の断面箇所における余肉量を示す図である。図４〜図６を参照しながら、実施形態１の鍛造工程において成型される鍛造物について説明する。

実施形態１の翼部２３の製造工程における鍛造工程において、鍛造物は、図４に示すように、翼部２３及び余肉部３１の翼長方向に垂直な断面について、翼部２３の翼面から余肉部３１ａの表面までの距離（余肉量）が、同一の断面の周囲全体で略均一となるように、かつ、図５に示すように、翼長方向において、所定位置（Ｋ−Ｋ断面の位置）から翼頂側に向かって余肉部３１の厚みである余肉量が徐々に大きくなるように熱間型鍛造される。すなわち、図４に示すように、鍛造物は、蒸気タービン１の稼動時に、蒸気の圧力が高くなる翼部２３の圧力側における余肉量と、圧力側に対して負圧となるサクション側における余肉量とが略均一となるように熱間型鍛造される。

図５及び図６においては、翼長方向の翼部２３のＫ−Ｋ断面箇所から、翼頂側に向けて余肉量を徐々に大きくした例を示している。図６は、翼部２３のＣ−Ｃ断面図、Ｆ−Ｆ断面図、及びＫ−Ｋ断面図を示しているが、Ｃ−Ｃ断面の余肉部３１の余肉量が最も大きく、Ｋ−Ｋ断面の余肉部３１の余肉量が最も小さく、そして、Ｆ−Ｆ断面の余肉部３１の余肉量がその中間の大きさとなっている。また、図４は、翼部２３において、余肉量が大きくなり始めるＫ−Ｋ断面箇所から先端部までのいずれかの箇所の断面形状を示している。従来の翼部の余肉部は、翼長方向における断面の位置に関わらず翼面全体で略均一としているので、実施形態１の翼部２３の余肉部３１の余肉量Ｗ１は、従来の翼部２３の余肉部３１ａの余肉量Ｗ１ａよりも大きくなっている。

なお、本実施形態では、図５に示すように、翼部２３の余肉量が大きくなり始める位置をＫ−Ｋ断面箇所からとしているが、余肉量が大きくなり始める翼長方向の位置は、例えば、翼部２３の基端部から中央部までのいずれかの位置（例えば、翼部２３の基端部から翼部２３の翼長方向の長さの１／４の位置までの間のいずれかの位置等）とすればよい。余肉量が大きくなり始める翼長方向の位置は、これに限定されるものではなく、例えば、翼部２３は基端部から先端部にかけて板厚が薄くなるので、基端部のＮ−Ｎ断面箇所から翼頂側に向けて余肉量を徐々に大きくしてもよい。あるいは、余肉量が大きくなり始める翼長方向の位置は、翼部２３の基端部からスタブ２５が形成された位置までのいずれかの位置としてもよい。

また、図５に示すように、翼部２３の余肉量が翼長方向の所定位置から翼頂側に向けて直線状に徐々に大きくなるものとしているが、これに限定されるものではなく、任意の変化量に基づいて徐々に大きくなるようにしてもよい。

上述したように、動翼１５の製造工程における鍛造工程において、鍛造物は、翼部２３及び余肉部３１の翼長方向に垂直な断面について、翼部２３の余肉量が、同一の断面の周囲全体で略均一となるように、かつ、翼長方向において、所定位置から翼頂側に向けて余肉部３１の厚みである余肉量を徐々に大きくなるように熱間型鍛造される。このようにすることで、鍛造工程の型鍛造において成型された鍛造物（余肉部３１が設けられた翼部２３）は、翼長方向において、板厚が厚い部分と板厚が薄い部分との厚みの差がほぼなくなるか又は小さくなり、さらに、鍛造物全体の剛性が向上する。したがって、鍛造工程の次工程である冷却工程において、翼部２３及び余肉部３１の内部に熱応力が発生しにくく、翼部２３及び余肉部３１の翼長方向における局所的な塑性変形の発生を抑制することができる。局所的な塑性変形の発生の抑制によって、残留応力の発生を抑制し、翼部２３全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。また、局所的な塑性変形が起きた場合における手作業又は簡単なプレス等の冷間加工により塑性変形する前の状態に戻す加工が必要なくなるか、作業が発生したとしても最小限で済むので、残留応力の発生を抑制し、翼部２３の形状のバラつきを抑制し、作業コストを低減できる。また、冷却工程時において残留応力の発生が抑制されるので、バリ取り工程において、鍛造物の不要な部分（バリ）を除去するとき、又は、機械加工工程において、余肉部３１を削り出すときに、残留応力の解放量が小さくなり、翼部２３全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。さらに、機械加工工程前に通常行われる熱処理工程においては、加熱によって降伏点が下がったときにおいても、残留応力の解放量が小さくなり、翼部２３全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。また、この熱処理工程における鍛造物の加熱後の冷却時においても、翼長方向の板厚が厚い部分と、板厚が薄い部分との温度差が小さくなるので、翼部２３及び余肉部３１の内部に熱応力が発生しにくくなり、翼部２３及び余肉部３１の翼長方向における局所的な塑性変形の発生を抑制することができる。局所的な塑性変形の発生の抑制によって、残留応力の発生を抑制、及び翼部２３全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。

また、鍛造工程後の冷却工程において、鍛造物の翼長方向における翼頂側部分にある程度の翼全体の変形が発生したとしても、翼頂側部分の余肉量は、翼根側部分の余肉量よりも大きいので、翼全体の変形が発生した鍛造物内に最終形状の翼部２３が収まる状態となる。したがって、翼頂側部分の加工代が残っているため、この加工代を機械加工（例えば、切削加工）することができる。このため、手作業又は簡単なプレス等の冷間加工によって、最終的な翼部２３の形状に沿った形状に戻す加工を施す必要がなく、このような加工による残留応力の発生を抑制できる。

［実施形態２］
実施形態２の蒸気タービンの動翼の製造工程について、実施形態１の蒸気タービンの動翼の製造工程と相違する点を中心に説明する。なお、実施形態２の動翼の製造工程の全体の流れは、実施形態１の動翼の製造工程の全体の流れと同様である。

（鍛造物の成型方法）
図７は、実施形態２の鍛造後の余肉部が設けられた動翼の断面図である。図７を参照しながら、実施形態２の鍛造工程において成型される鍛造物について説明する。

実施形態２の翼部２３の製造工程における鍛造工程においては、鍛造物（余肉部３２が設けられた翼部２３を含む）が、図７に示すように、翼部２３及び余肉部３２の翼長方向に垂直な断面について、当該断面の長手方向の両端であるエッジ部２３ａにおける余肉量が、当該断面において翼部２３の板厚が最も厚い部分である最大直径部２６における余肉量よりも大きくなるように熱間型鍛造する。すなわち、翼部２３及び余肉部３２の翼長方向に垂直な断面の周囲の余肉量に分布を持たせている。具体的には、当該鍛造工程においては、エッジ部２３ａにおける鍛造物の板厚Ｗ３が、最大直径部２６における鍛造物の板厚Ｗ２以上となるように熱間型鍛造する。このようにすることで、図７に示すように、実施形態２における余肉部３２の最大直径部２６における余肉量は、実施形態１における余肉部３１の最大直径部２６における余肉量よりも小さくなっている。

また、実施形態２においても、実施形態１と同様に、鍛造工程において、鍛造物の翼長方向において、所定位置から翼頂側に向けて余肉量を徐々に大きくするように熱間型鍛造する。ただし、実施形態２においては、翼部２３及び余肉部３２の翼長方向に垂直な断面の周囲の余肉量に分布を持たせているので、当該分布を持った余肉量の平均値が、所定位置から翼頂側に向けて徐々に大きくなるように熱間型鍛造すればよい。

上述したように、動翼１５の製造工程における鍛造工程において、翼部２３及び余肉部３２の翼長方向に垂直な断面について、当該断面の長手方向の両端であるエッジ部２３ａにおける余肉量が、当該断面において翼部２３の板厚が最も厚い部分である最大直径部２６における余肉量よりも大きくなるように熱間型鍛造する。具体的には、当該鍛造工程において、エッジ部２３ａにおける鍛造物の板厚Ｗ３が、最大直径部２６における鍛造物の板厚Ｗ２以上となるように、熱間型鍛造する。すなわち、板厚の小さいエッジ部２３ａにおいて余肉量を大きくし、板厚の大きい最大直径部２６において余肉量を小さくしているので、翼部２３及び余肉部３２の断面の板厚が長手方向の全体に亘って略均一となる。このようにすることで、鍛造物の翼部２３及び余肉部３２の翼長方向に垂直な断面の長手方向において、板厚が大きい部分と板厚が小さい部分との厚みの差がほぼなくなるか又は小さくなる。したがって、鍛造工程の次工程である冷却工程において、翼部２３及び余肉部３２の内部に熱応力が発生しにくく、当該断面の長手方向における局所的な塑性変形の発生を抑制し、残留応力の発生を抑制、及び翼部２３全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。また、実施形態２は、実施形態１と同様の作用、効果を奏するのは言うまでもない。

［実施形態３］
実施形態３の蒸気タービンの動翼の製造工程について、実施形態２の蒸気タービンの動翼の製造工程と相違する点を中心に説明する。なお、実施形態３の動翼の製造工程の全体の流れは、実施形態１の動翼の製造工程の全体の流れと同様である。

（鍛造物の成型方法）
図８は、実施形態３の鍛造後の余肉部が設けられた動翼の断面図である。図８を参照しながら、実施形態３の鍛造工程において成型される鍛造物について説明する。

実施形態３の翼部２３の製造工程における鍛造工程においては、鍛造物（余肉部３３が設けられた翼部２３）は、図８に示すように、翼部２３及び余肉部３３の翼長方向に垂直な断面の長手方向の両端部であるエッジ部２３ａにおける余肉量について、当該断面形状が凹状を呈する圧力側の余肉量が、当該断面形状が凸状を呈するサクション側の余肉量よりも小さくなるように熱間型鍛造される。すなわち、上述した断面の周囲の余肉量に分布を持たせている。具体的には、当該鍛造工程において、鍛造物のエッジ部２３ａにおける当該断面形状が、凹状を呈する圧力側の余肉量Ｗ４ａ、Ｗ５ａが、それぞれ当該断面形状が凸状を呈するサクション側の余肉量Ｗ４ｂ、Ｗ５ｂよりも小さくなるように鍛造物が熱間型鍛造される。なお、当該鍛造工程において、鍛造物のエッジ部２３ａにおける板厚と、鍛造物の最大直径部２６における板厚との関係は、実施形態２と同様である。このようにすることで、実施形態３における翼部２３及び余肉部３３の翼長方向に垂直な断面の長手方向の湾曲の度合いは、実施形態２における翼部２３及び余肉部３２の翼長方向に垂直な断面の長手方向の湾曲の度合いより小さくなり、翼部２３及び余肉部３３の翼長方向に垂直な断面は長方形に近くなる。

上述したように、動翼１５の製造工程における鍛造工程において、鍛造物は、翼部２３及び余肉部３３の翼長方向に垂直な断面の長手方向の両端部であるエッジ部２３ａにおける余肉量について、当該断面形状が凹状を呈する圧力側の余肉量が、当該断面形状が凸状を呈するサクション側の余肉量よりも小さくなるように熱間型鍛造される。このような加工により、翼部２３及び余肉部３３の翼長方向に垂直な断面の長手方向の湾曲の度合いが小さくなるので、冷却工程において熱応力が発生しても、断面の長手方向における局所的な塑性変形の発生を抑制し、残留応力の発生を抑制、及び翼部２３全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。また、実施形態３は、実施形態１及び実施形態２と同様の作用、効果を奏するのは言うまでもない。

［実施形態４］
実施形態４の蒸気タービンの動翼の製造工程について、実施形態１の蒸気タービンの動翼の製造工程と相違する点を中心に説明する。なお、実施形態４の動翼の製造工程の全体の流れは、実施形態１の動翼の製造工程の全体の流れと同様である。

（鍛造物の形成方法）
図９は、実施形態４の鍛造後の余肉部が設けられた動翼におけるスタブが形成された位置の断面図である。図９を参照しながら、実施形態４の鍛造工程において成型される鍛造物について説明する。

図９は、翼部２３においてスタブ２５が形成された位置における翼部２３及び余肉部３４の翼長方向に垂直な断面を示している。実施形態４の翼部２３の製造工程における鍛造工程においては、鍛造物（余肉部３４が設けられた翼部２３を含む）は、図９に示すように、翼部２３においてスタブ２５が形成された位置における翼部２３及び余肉部３４の翼長方向に垂直な断面のスタブ２５における余肉量が、スタブ２５以外の部分の余肉量よりも小さくなるように、熱間型鍛造される。図９において、実施形態１における、余肉量が翼部２３の当該断面の周囲全体で略均一（図９に示すように、金型による型鍛造による制約で均一にできない部分がある）とする余肉部を余肉部３４ａとして示している。したがって、翼部２３においてスタブ２５が形成された位置における翼部２３及び余肉部３４の翼長方向に垂直な断面の面積は、当該位置における翼部２３及び余肉部３４ａの翼長方向に垂直な断面の面積よりも小さくなる。

このようにすることで、翼部２３においてスタブ２５が形成された位置における鍛造物の翼長方向に垂直な断面の面積と、その他の位置の断面の面積との差は、実施形態１の鍛造物と比較して小さくなる。したがって、鍛造工程の次工程である冷却工程において、実施形態１と比較して、鍛造物の内部に熱応力が発生しにくく、鍛造物の翼長方向における塑性変形の発生を抑制し、残留応力の発生を抑制、及び翼部２３全体のたわみ、曲げ又はねじれの発生を抑制することができる。

なお、前述の実施形態１〜４における動翼１５の製造方法は、蒸気タービンにおける動翼を対象として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ガスタービン等のその他の回転機械の動翼の製造方法にも適用できる。

以上、実施形態１〜４について説明したが、上述した内容により実施形態１〜４が限定されるものではない。また、上述した実施形態１〜４の構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、上述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、実施形態１〜４の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更を行うことができる。

１ 蒸気タービン
１１ ケーシング
１２ ロータ
１３ 軸受
１４ ロータディスク
１５ 動翼
１６ 静翼
１７ 蒸気通路
１８ 蒸気供給口
１９ 蒸気排出口
２１ 翼根部
２２ プラットホーム
２３ 翼部
２３ａ エッジ部
２４ シュラウド
２５ スタブ
２６ 最大直径部
３１、３１ａ、３２、３３、３４、３４ａ 余肉部
１２３ 翼部
１３１ａ 余肉部
Ｗ１、Ｗ１ａ 余肉量
Ｗ２、Ｗ３ 板厚
Ｗ４ａ、Ｗ４ｂ、Ｗ５ａ、Ｗ５ｂ 余肉量

Claims (9)

1. タービン内に回転自在に支持されたロータの外周に、その周方向に沿って複数並設されて固定される動翼の製造方法であって、
   前記動翼の翼部に余肉部を設け、前記翼部の翼長方向の所定位置から翼頂側に向けて、前記余肉部の厚みである余肉量を徐々に大きくした鍛造物を型鍛造して成型する鍛造工程と、
   前記鍛造物から前記余肉部を削り出して前記翼部を形成する機械加工工程と、
   を含むことを特徴とするタービンの動翼の製造方法。
2. 前記所定位置は、前記翼部の基端部から前記翼部の中央部までの間のいずれかの位置である、請求項１に記載のタービンの動翼の製造方法。
3. 前記所定位置は、前記翼部の基端部から前記翼部に形成されたスタブの位置までの間のいずれかの位置である、請求項１に記載のタービンの動翼の製造方法。
4. 前記所定位置は、前記翼部の基端部から前記翼部の翼長方向の長さの１／４の位置までの間のいずれかの位置である、請求項１に記載のタービンの動翼の製造方法。
5. 前記鍛造工程において、前記翼部及び前記余肉部の翼長方向の少なくともいずれかの部分における前記翼長方向に垂直な断面について、前記余肉量を前記翼部の前記断面の周囲全体において略均一とした前記鍛造物を型鍛造して成型する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンの動翼の製造方法。
6. 前記鍛造工程において、前記翼部及び前記余肉部の翼長方向の少なくともいずれかの部分における前記翼長方向に垂直な断面について、前記断面の長手方向の両端部分であるエッジ部における前記余肉量が、前記翼部の前記断面において前記翼部の板厚が最も厚い部分である最大直径部における前記余肉量よりも大きい前記鍛造物を型鍛造して成型する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンの動翼の製造方法。
7. 前記鍛造工程において、前記断面の前記エッジ部における前記鍛造物の板厚が、前記最大直径部における前記鍛造物の板厚以上となるように型鍛造する、請求項６に記載のタービンの動翼の製造方法。
8. 前記鍛造工程において、前記翼部及び前記余肉部の翼長方向の少なくともいずれかの部分における前記翼長方向に垂直な断面の長手方向の両端部分であるエッジ部における前記余肉量について、前記断面の形状が凹状を呈する側の前記余肉量が、前記断面の形状が凸状を呈する側の前記余肉量よりも小さい前記鍛造物を型鍛造して成型する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンの動翼の製造方法。
9. 前記鍛造工程において、前記翼部のスタブが形成された位置における前記翼部及び前記余肉部の翼長方向に垂直な断面の前記スタブに設けられた前記余肉部の少なくとも一部の前記余肉量が、前記断面の前記スタブ以外の部分に設けられた前記余肉部の前記余肉量よりも小さい前記鍛造物を型鍛造して成型する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のタービンの動翼の製造方法。

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