JP6049724B2 - 中子を用いる鋳造によりダイヤフラムを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、蒸気タービン、ガスタービン、およびエキスパンダに使用するためのダイヤフラムの鋳造に関する。

ダイヤフラムは、蒸気タービン、ガスタービン、およびエキスパンダの流路に不可欠な部品である。ダイヤフラムは、内側端と外側端とで捉えられ実質的に均一に周方向に離間する半径方向のベーン、又は略半径方向のベーンを支持する内側リング（小径）および外側リング（大径）を備える構造体である。ベーン通路（リングの端壁とベーンとの間の領域）を通って方向付けられる軸流は、熱エネルギーを、角運動量をタービンロータに与えて機械力を生じる運動エネルギーに変換する。タービンは、流体熱エネルギーを、それが連結された駆動装置へ伝達する。これらのダイヤフラムは通常、翼形状の予め成形されたベーンを内側および外側リングに溶接することによって、または予め成形されたベーンを内側および外側リングに鋳込むことによって製造される。しかし、この鋳造工程は、ベーンをダイヤフラム内に適切に位置決めするよう複雑なパターンおよび中子構成ツールに依拠しており、これらのパターンおよび中子構築ツールは、精度が低く、時が経つにつれて摩耗する。その結果、鋳造ダイヤフラム中子におけるベーンの位置と配向は、正確に調整できない。ベーンの位置および／または配向のどのいかなる偏差もベーンスロート面積の偏差の原因となり、それが実質的に流体流量を支配して、エネルギー伝達の質に影響を及ぼす。従って、ベーン位置および配向を正確に管理することは、流量および出力に対する性能要件を満たすために不可欠である。

鋳造中子におけるダイヤフラムベーンをより正確に位置決めする技術は「３次元プリンティング」と呼ばれる。それは既に急速鋳造技術の一部であり、米国特許第５２０４０５５号および第６１４６５６７号に開示されている。これらの特許に記載されているように、３次元部品は、多孔質材料の連続層を、結合剤材料の液滴を用いて接合することによって作成できる。複数アレイのオン・オフ制御ノズルは、結合剤をプリントライン上に載置するプリントラインのインターレースを用いて、複数パスにおいて多孔質材料のベッド表面上を走査される。この方法により、層による方式(layer-wise fashion)で構築される３次元砂中子の作成が可能となる。

現在、鋳造ダイヤフラムの製造で用いられているのは、正確なベーン位置決めおよび良好なダイヤフラム端壁表面仕上げが容易ではない非常に旧式のダイヤフラム中子構築技術である。本発明は、ダイヤフラムベーンの配向とスロート面積の精度を向上し、鋳物製造時間を低減し、端壁表面品質を向上する。この新しい発明により、いずれのベーンプロフィル形状も、従来の円筒形状から湾曲した端壁まで、任意の端壁プロフィル形状とともに採用することができ、ベーン通路における二次損失を低減することができる。ダイヤフラムのスロート面積およびベーンの配向を向上させる結果、タービンまたはエキスパンダの性能の予測がより正確になる。
内側および外側リングを有し、両リング間に予備成形ベーン（あらかじめ成形されたベーン）が周方向に離間するダイヤフラムを鋳造して製造する方法が開示される。砂中子のデジタル表現（３次元モデル）（３次元プリンタで使用できるデジタルのデータ）が作成される。砂中子は、鋳造後にベーン通路および臨界のスロート面積を含むことになる容積部に置き換えられる。このデジタル表現に基づき、砂中子は、結合剤材料液滴の噴射を供給するノズルを有する結合剤プリントヘッドを用いて結合剤材料の液滴により砂の連続層を接合することによって作製される。複数のベーンが砂中子のキャビティに挿入され、溶湯が流路に漏出しないよう、中子端壁表面にあるベーンの間に耐熱性のパテが塗布される。次いで、砂中子は、少なくとも外側リングの外周を画成する（定める、定義する）鋳型内に置かれ、鋳型に液体金属が充填される。液体金属が固化し、冷却した後、砂中子は鋳物から除去される。

本発明は、添付の図面を参照してさらに詳細に説明する。

本発明の方法の一実施の形態を示すフローチャートである。

鋳造ダイヤフラムの透視図である。

挿入されたベーンを有する完成した砂中子の透視図である。

鋳造前の挿入されたベーンの配置の部分透視図である。

本発明はダイヤフラムを鋳造して製造する方法であって、その一実施の形態を図１に示す。図２に示す鋳造ダイヤフラムは内側リング２２と外側リング２０とを備え、両リング間には複数の予備成形ベーン４０が周方向に離間して配置されている。

本方法は、砂中子のデジタル表現（デジタル３次元モデル）を作成することを含んでいる（図1のステップＳ１）。中子のデジタル表現すなわち３次元モデルは、周知のコンピュータ支援設計コンピュータプログラムを用いて構築することができる。中子の外周は、外側リングの内周を画成し、中子の内周は、内側リングの外周を画成する。この砂中子のデジタル表現に基づき、砂中子３０は、結合剤材料液滴の噴射を供給するノズルを有する結合剤プリントヘッドを用いて結合剤材料の液滴により砂の連続層を接合することによって作製される（ステップＳ２）。スライシング（薄切り）アルゴリズムを用いて、プリントヘッドの所与のパスへの砂／結合剤液滴の分注を制御するために、３次元モデルの選択されたスライス（薄層）を特定してもよい。図３による砂中子３０は内側リング２２と外側リング２０との間の空間を画成し、予備成形ベーン４０を受け入れる周方向に離間したキャビティ４２を有する。砂中子３０の作成後、複数の予備成形ベーン４０は、砂中子３０の、径方向に開いたキャビティ４２へ手で挿入され（図1のステップＳ３）、中子の内面および外面においてベーンプロフィル（ベーンの輪郭）の周りに耐熱性のパテが手で塗られる。砂中子３０は鋳型内に配置される（ステップＳ４）。鋳型は、ダイヤフラムの外側リングの外周と、内側リングの内周とを画成する円筒壁を有する円筒空間を画成する。このとき砂中子の軸線は鋳型の軸線に整列する。従って、鋳型の円筒壁に当接する予備成形ベーンの端部は、ベーンの径方向位置を正確に規定する。液体金属が鋳型に注入される（ステップＳ５）。液体金属が固化して冷却された後、砂中子３０は鋳型から取り出され（ステップＳ６）、残留した余分な砂は鋳造されたダイヤフラムから除去される（ステップＳ７）。

好ましい実施の形態によれば、キャビティ４２の径方向縁部はわずかに面取りされており、これは、キャビティにベーンを挿入した後に、面取りによって与えられた空間が耐熱性のペーストで充填されてキャビティを封止し、キャビティ内に漏出する金属による少量のはみ出しを防ぐという点で有用である。

複数の予備成形ベーン４０は、径方向端から径方向端まで均一に離間する径方向の湾曲面を有するのが好ましい。複数の予備成形ベーン４０は、図４に示すような貫通孔４４を有するのが好ましい。これらの貫通孔４４は各ベーンの径方向縁部の近傍に位置して、鋳造中に充填される。貫通孔４４を用いることにより、予備成形ベーン４０を内側リング２２と外側リング２０へ確実に固定できる。

砂中子３０のキャビティ４２は、複数の予備成形ベーン４０の締り嵌めを許容する大きさであるのが好ましい。これにより、予備成形ベーンは鋳型に挿入されると動かなくなり、ダイヤフラムの鋳造時には、より高い精度が保証される。砂中子３０の円柱軸線は鋳型の円柱軸線と一致するように位置決めされるのが好ましい。

２０ 外側リング
２２ 内側リング
３０ 砂中子
４０ 予備成形ベーン
４２ キャビティ
４４ 貫通孔

Claims (6)

1. 内側および外側リングを備え、前記両リング間にあらかじめ成形されたベーンが半径方向に捕捉され周方向に均一に離間する、ダイヤフラムを鋳造して製造する方法であって：
   前記ダイヤフラムの前記内側と外側リングの間にベーン通路とスロート空間とを画成し、前記あらかじめ成形されたベーンを受け入れるための実質的に均一に周方向に離間する径方向キャビティを有する環状の砂中子の３次元モデルを作成するステップと；
   前記砂中子の３次元モデルに基づき、結合剤材料液滴の噴射を供給するノズルを有する結合剤プリントヘッドを用いて結合剤材料の液滴により砂の連続層を接合することによって前記砂中子を作製するステップと；
   複数の前記あらかじめ成形されたベーンを前記砂中子の前記キャビティに挿入するステップと；
   前記砂中子の軸線と前記鋳型の軸線とを整列させ、前記外側リングの外周のひとつの面、及び前記内側リングの内周のひとつの面を画成する鋳型内に前記砂中子を置くステップと；
   前記鋳型に液体金属を注入するステップと；
   液体金属が冷却されて、固化した後、前記鋳型から前記砂中子を除去するステップと；
   残った砂を鋳造されたダイヤフラムから除去するステップとを備える；
   ダイヤフラムを鋳造して製造する方法。
2. 前記複数のあらかじめ成形されたベーンは各ベーンの径方向縁部近傍に位置する貫通孔を有し、前記貫通孔は鋳造中に充填され、よって前記ベーンを前記内側および外側リングへ確実に固定する、
   請求項１記載の方法。
3. 前記複数のあらかじめ成形されたベーンは、湾曲形状を有する、
   請求項１記載の方法。
4. 前記複数のあらかじめ成形されたベーンは、径方向端から径方向端まで均一に離間する湾曲面を有する、
   請求項１記載の方法。
5. 前記砂中子の前記キャビティは、前記複数のあらかじめ成形されたベーンの締り嵌めを許容する大きさである、
   請求項１記載の方法。
6. 前記砂中子の円筒軸線は鋳型の円筒軸線と一致するように位置決めされる、
   請求項１記載の方法。

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