JPH0151883B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に燃焼タービン技術に関し、特に
燃焼タービンの翼形固定羽根構造に関するもので
ある。

当業者には周知のように、燃焼タービンのター
ビン固定羽根は、非常に苛酷な環境において作動
する。環状列に配設された燃焼器バスケツトから
排出される高温燃焼ガスの温度は、ガスが第１段
の固定羽根に到達した時に、一様ではない。大き
な温度変化が半径方向だけでなく円周方向にも存
在する。多翼固定羽根セグメントの典型的な現用
構造によれば、別々の翼部の不均等な加熱による
クリープ疲れのために、固定羽根セグメントが早
期に損傷する。

固定羽根セグメントは通常インベストメント鋳
造法によつて製造される。多翼鋳造の場合、熔融
金属の一様で制御された凝固を得ることは困難で
ある。多翼羽根セグメントの翼部と囲い板との交
差部領域の近傍には、極性即ち材料の不連続性と
マクロ偏析とを示す領域が一般に見出だされる。
これ等の鋳造欠陥は勿論羽根材料の低サイクルの
疲れ特性及びクリープ特性を劣化させる。

囲い板と翼部との交差部領域における高熱歪み
と結び付いた羽根材料特性の悪化によつて、多翼
羽根セグメントが早期に損傷する。高熱歪みは冗
長な多翼構造の一様でない加熱と冷却とによつて
生じる。従つて、熱歪みが減少し材料特性が改善
されれば羽根セグメントの鋳物の寿命を長くでき
ることは明らかである。

本発明は、鋳物を、１セグメント内に複数の翼
部を有する多翼羽根セグメントとは違つて、単一
翼羽根セグメントとすることから出発している。
単一翼羽根セグメントを用いる基本的思想は、米
国特許3689174号明細書に記載されているが、本
発明は幾つかの点で構造的に異なつた構成を含む
ため、前記米国特許に開示された構成よりも優れ
た利点をもたらすものと考えられる。

本発明の目的は、構造的な拘束及び不連続性を
少なくすることに加えて、高応力領域におけるイ
ンベストメント鋳物の機械的性質を改良する、タ
ービンの一体鋳造固定羽根構造を提供することに
ある。

上記の目的から、本発明は、羽根輪装置を含む
インベストメント鋳物の流体タービン用一体固定
子構造であつて、内側囲い板部分と、外側囲い板
部分と、単一の中空翼形の固定羽根部材とを備
え、該固定羽根部材は、凸状の外面を持つた壁部
及び凹状の外面を持つた反対側の壁部を有すると
共に、インベストメント鋳造過程で前記内側囲い
板部分及び前記外側囲い板部分に一体的に結合さ
れた半径方向の両端を有しており、前記固定羽根
部材の前記壁部の各々は、前記固定羽根部材の中
空壁部全体について所定の厚みを持ち、前記内側
囲い板部分及び前記外側囲い板部分の少なくとも
一方のものは、機械的応力集中を軽減するよう
に、該少なくとも一方のものが前記固定羽根部材
の前記中空壁部に交差する交差部の近傍におい
て、前記少なくとも一方のものの側部縁に沿つた
壁厚に対して実質的に減少した厚みを有し、更
に、前記一体固定子構造は、前記外側囲い板部分
の外面に設けられた該一体固定子構造を前記羽根
輪装置に結合する上流側及び下流側の支持レール
と、該上流側の支持レールの相対運動を円周方向
及び軸方向には拘束するが、半径方向には制限さ
れた量だけ許容するように前記上流側の支持レー
ルを前記羽根輪装置に取着する取着装置とを有
し、前記羽根輪装置は、前記下流側の支持レール
を受け入れる溝画成部を有し、該溝画成部及び前
記下流側の支持レールは、半径方向への前記溝画
成部及び前記下流側の支持レール間の相対運動を
限られた量だけ許容する〓間を形成する寸法に作
られ、前記外側囲い板部分の下流端は、前記羽根
輪装置に対向する下流端部分に、前記羽根輪装置
の対向部分の円弧の半径よりも小さい半径の円弧
を有していて、前記〓間よりも２〜３倍大きい別
の〓間を前記外側囲い板部分の前記下流端部分に
与えている、流体タービン用一体固定子構造を提
供する。

次に、図面に示した本発明の好適な実施例につ
いて更に詳述する。

第１図〜第３図に示したインベストメント鋳造
による一体鋳造固定羽根構造ないしは羽根セグメ
ントは、大体中空の単一の翼形羽根（固定羽根部
材）１０を有し、羽根１０の両端は、外側囲い板
（囲い板部分）１２及び内側囲い板（囲い板部分）
１４に鋳造の際に一体的に接合される。第２図に
最も良く示されるように、外側囲い板１２の全幅
に亙つて連続的に延長する入口端即ち上流側の支
持レール１６と、囲い板１２の幅の一部分のみに
ついて延長する出口端即ち下流側の支持レール１
８（タブ）とは、外側囲い板１２に鋳造の際に一
体化されている。入口端の支持レール１６は、ス
テム部分２０と、下流側に突出したフランジ部分
２２とを有し、出口端の支持レール１８も同様
に、ステム部分２４と、下流側に突出したフラン
ジ部分２６とを有し、ステム部分２０は、タービ
ン内における固定羽根セグメントの配置に関して
半径方向に細長い通し孔２８を備えている。

一般に中空の翼形羽根１０（第２図）は、中空
部全体に亙り対向する壁部３０，３２を有し、一
方の壁部３０は凸状の外面を、また反対側の壁部
３２は凹状の外面をそれぞれ備えている。

インベストメント鋳造は、羽根壁部と囲い板と
の間の交差部領域における囲い板の壁厚が囲い板
の側部縁の壁厚よりも実質的に小さくなるよう
に、図示したように形成されている。これは、第
２図及び第３図に最も良く示されており、外側囲
い板１２の厚みの小さな部分（交差部領域）は参
照数字３４，３６によつて、また外側囲い板１２
の側部縁の、厚みの大きな部分（交差部領域に隣
接した区域）は、参照数字３８，４０によつてそ
れぞれ示されている。第３図に示すように、内側
囲い板１４の厚みの小さい部分（交差部領域）は
参照数字４２，４４によつて、また内側囲い板１
４の側部縁の厚みの大きな部分（交差部領域に隣
接した区域）は参照数字４６，４８によつて、そ
れぞれ示されている。

図示した実施例による羽根セグメントのおおよ
その厚み比としては、囲い板１２，１４の側部縁
の厚さを厚みの小さな部分３４，３６，４２，４
４の厚みの約２倍とし、囲い板１２，１４の厚み
の小さな部分３４，３６，４２，４４の厚みは、
壁部３０，３２の厚みの約２倍とする。

羽根セグメントの厚みを上述したように定め
て、インベストメント鋳造法を適用し、複数の羽
根の代わりに単一の羽根を持つた羽根セグメント
を鋳造したことにより、鋳物が一様な凝固を受け
るため、翼形羽根１０と囲い板部分１２，１４と
の交差部における高熱応力領域において材料中に
生ずる不連続性及びマクロ偏析の度合が減少す
る。

上述したように本発明は、複数の翼形羽根を有
する羽根セグメントと異なつたものとしての単一
の翼形羽根の羽根セグメントを鋳造により形成す
ることを前提としている。ここに、複数の羽根を
有する羽根セグメントは、金属が全部の区画に供
給されてそれを満たすように鋳物を設計する必要
のため、どちらかと言えば鋳造上非常に複雑な構
造である。現在利用できる最良の鋳造技術によつ
ても、複数の羽根を持つた構造の不均質な凝固を
防止することは困難である。その１つの理由は、
単一翼部の凸面側と凹面側との両方が同一の冷却
空気温度に曝され、複数の羽根を有する羽根セグ
メントのように近接した翼部の存在又は不存在に
より放射を受けたり受けなかつたりすることのな
い単一翼の鋳物において凝固の過程がよりよく制
御され得ることに存する。

多翼羽根セグメントに対して単一翼羽根セグメ
ントが持つ別の利点は、運転中の熱応力が通常非
常に低いことにある。これは多翼羽根セグメント
の場合に金属材料温度が翼部ごとに変動し、より
高温の翼部はより低温の翼部との間隔を広げて、
より高温の翼部自身は歪みを受け、この拘束によ
つて大きな熱応力を生ずることによるものであ
る。しかし、単一翼羽根セグメントの構造は、隣
接翼部と独立して、自由に膨張又は収縮すること
ができる。尚、この利点は、いかなる単一翼羽根
セグメントについても、そのセグメントが本発明
の構成を備えているといないとに拘わらず得られ
ることは言うまでもない。

燃焼タービンの固定子構造は、羽根輪組体（羽
根輪装置）を含む二つの主要部分から成つてお
り、複数の羽根セグメントが該羽根輪組体の半径
方向内側部分に沿い環状列になつて羽根輪組体に
連結される。第４図及び第５図を参照して、羽根
輪本体５０は、一連の羽根輪セグメント５２と、
一連の絶縁輪５４セグメント（第５図）とを有
し、各羽根輪セグメント５２は、３つの別々の上
記羽根セグメントを収納する寸法を備えている。
上流側にある羽根輪セグメント５２は、羽根セグ
メントの上流側の支持レール１６を受け入れて支
持するための、後述する取着装置を有し、絶縁輪
セグメント５４は、羽根セグメントの下流側の支
持レール１８を支持するための、やはり後述する
装置を備えている。

図示した実施例によれば、羽根輪セグメント５
２は羽根輪本体５０にドエルボルト５６及び他の
２つのボルト５８（第４図）により固定されてい
る。第４図に最も良く図示されているように、３
個の単一翼羽根セグメントが各１つの羽根輪セグ
メント５２にボルト締めしてあり、羽根輪セグメ
ント５２の間の間〓は基本的に羽根セグメントの
間の間〓に整列され、どの羽根セグメントも２つ
の羽根輪セグメント５２に跨つて位置されること
はない。これは〓間に影響する後述の条件を回避
するために重要と考えられる。

第５図に最も良く示されるように、羽根セグメ
ントの下流側に突出するフランジ部分２２，２６
は、羽根輪セグメント５２の前方に突出するフラ
ンジ部分６０及び絶縁輪セグメント５４の前方に
突出するフランジ部分（溝画成部）６２にそれぞ
れ掛止めされている。この構成により羽根セグメ
ントが羽根輪装置から基本的に支持される。この
一般的な位置に羽根セグメントを固定することは
位置決め・締付け用のねじ６４（ボルトでもよ
い）によつて行なわれ、このねじは、上流側の支
持レール１６のステム部分２０にある半径方向に
細長い通し孔２８を通つて、フランジ部分６０の
通し孔中のインサート内にねじ止めされる。細長
い通し孔と位置決めねじとの構成（取着装置）の
ため、上記羽根セグメントは、タービン全体につ
いて、熱応力条件の下に半径方向に限定された運
動をすることは許容されるが、軸方向及び円周方
向の運動については固定される。

上流側に突出するフランジ部分６０と外側囲い
板１２の対向面との間の〓間は、この半径方向の
運動を許容するように、細長い通し孔の長さに関
連して定められる。

第５図において参照符号Ｃは、支持レール１８
のフランジ部分２６と絶縁輪セグメント５４のフ
ランジ部分６２との間の〓間の大きさを表してい
る。第６図には、外側囲い板１２の円弧６８が絶
縁輪セグメント５４のフランジ部分６２の対向す
る円弧７０の半径よりも小さい半径を持つように
機械加工されていることが跨張して示されてい
る。そのため外側囲い板１２とそれに対向する絶
縁輪セグメント５４との間に図示したように〓間
C^-が存在し、またフランジ部分２６，６２の間
には図示したように〓間Ｃが存在する。これ等の
〓間Ｃ，C^-はタービンが低温状態にある時に存
在する。

運転状態では、外側囲い板１２の厚さ方向の温
度勾配によつて、囲い板１２が真つ直ぐに、また
円弧６８が平坦になる傾向が生じるため、各部の
関係は第７図に示す状態に近くなり、外側囲い板
１２の両側の領域７２及びフランジ部分２６，６
２の間の領域７４において接触が成立する。第６
図の〓間Ｃは、貴重な冷却空気が失われないよう
に、最小にすべきであるが、組み立てのために多
少の〓間は必要である。第６図の〓間C^-は、外
側囲い板１２がその厚さを横切る方向の温度勾配
のために歪みを受けた時に発生する応力を逃がす
働きを勿論している。図示した好適な実施例で
は、〓間C^-は、第５図及び第６図に示すように
基本的な〓間Ｃの大きさの２〜３倍とすることが
できる。

第１図及び第２図に最も良く示すように、上流
側の支持レール１６は、外側囲い板１２の全幅に
亙り延長しているが、下流側の支持レール１８の
長さは、外側囲い板１２の幅に関して比較的制限
されている。この特別の構成とした理由は、下流
側支持レール１８の領域よりも冷却の容易な領域
に上流側支持レール１６が存在していることにあ
る。そのため上流端においての囲い板１２の高温
側と低温側との温度差は小さくなり、温度によつ
て生ずる応力に基づく構造的な拘束は減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による単一翼固定
羽根セグメントを、それを通る流れの方向に見た
立面図、第２図は、第１図の単一翼固定羽根セグ
メントを、その外側囲い板側から見た斜視図、第
３図は、第２図の−線に沿つて羽根の一部分
を破断して示す断面図、第４図は、羽根輪組体の
一部を、それに固着した幾つかの羽根セグメント
と共に示す立面図、第５図は、羽根輪組体及びそ
れに取り付けた単一翼羽根セグメントを、一部は
断面によつて、羽根セグメントを通る流れの方向
と直角に見て示す立面図、第６図は、絶縁輪セグ
メントを１点鎖線によつて示した、下流側支持レ
ールを有する羽根セグメントの一部分の図であ
り、タービンの低温状態においての〓間の大きさ
の変化を示すために幾つかの点で誇張して示す立
面図、第７図は、暖機状態にある各部の関係を示
すための第６図と同様の立面図である。 １０……固定羽根部材、１２……外側囲い板部
分、１４……内側囲い板部分、１６……上流側の
支持レール、１８……下流側の支持レール、３０
……凸状の外面を持つた壁部、３２……凹状の外
面を持つた壁部、３４，３６，４２，４４……厚
みの小さな部分（交差部領域）、３８，４０，４
６，４８……厚みの大きな部分（交差部領域に隣
接した区域）、２８，６４……取着装置を構成す
る細長い通し孔、位置決めねじ、５０，５２，５
４……羽根輪装置を構成する羽根輪本体、羽根輪
セグメント、絶縁輪セグメント、６２……フラン
ジ部分（溝画成部）、６８……外側囲い板の円弧、
７０……羽根輪装置の円弧。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 羽根輪装置を含むインベストメント鋳物の流
   体タービン用一体固定子構造であつて、内側囲い
   板部分と、外側囲い板部分と、単一の中空翼形の
   固定羽根部材とを備え、該固定羽根部材は、凸状
   の外面を持つた壁部及び凹状の外面を持つた反対
   側の壁部を有すると共に、インベストメント鋳造
   過程で前記内側囲い板部分及び前記外側囲い板部
   分に一体的に結合された半径方向の両端を有して
   おり、前記固定羽根部材の前記壁部の各々は、前
   記固定羽根部材の中空壁部全体について所定の厚
   みを持ち、前記内側囲い板部分及び前記外側囲い
   板部分の少なくとも一方のものは、機械的応力集
   中を軽減するように、該少なくとも一方のものが
   前記固定羽根部材の前記中空壁部に交差する交差
   部の近傍において、前記少なくとも一方のものの
   側部縁に沿つた壁厚に対して実質的に減少した厚
   みを有し、更に、前記一体固定子構造は、前記外
   側囲い板部分の外面に設けられ該一体固定子構造
   を前記羽根輪装置に結合する上流側及び下流側の
   支持レールと、該上流側の支持レールの相対運動
   を円周方向及び軸方向には拘束するが、半径方向
   には制限された量だけ許容するように前記上流側
   の支持レールを前記羽根輪装置に取着する取着装
   置とを有し、前記羽根輪装置は、前記下流側の支
   持レールを受け入れる溝画成部を有し、該溝画成
   部及び前記下流側の支持レールは、半径方向への
   前記溝画成部及び前記下流側の支持レール間の相
   対運動を限られた量だけ許容する〓間を形成する
   寸法に作られ、前記外側囲い板部分の下流端は、
   前記羽根輪装置に対向する下流端部分に、前記羽
   根輪装置の対向部分の円弧の半径よりも小さい半
   径の円弧を有していて、前記〓間よりも２〜３倍
   大きい別の〓間を前記外側囲い板部分の前記下流
   端部分に与えている、流体タービン用一体固定子
   構造。