JPH0633701A - ガスタービン用単結晶動翼及びその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 クリ−プ強度とクリープ疲労強度に優れたガ
スタービン用単結晶動翼及びその製造法を提供する。 【構成】 動翼内部に複雑な冷却孔を有し、遠心応力が
作用する長手方向の結晶方位が〈００１〉方位であり、
長手方向の〈００１〉方位に垂直な〈１００〉方位が、
翼部の最大熱応力の発生する面の法線方向となるよう
に、鋳型底部に種結晶をセットし一方向凝固法で単結晶
動翼を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービン用動翼に係
り、特にクリープ疲労強度に優れた単結晶動翼及びその
製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンの動翼材料は、従来から主
としてＮｉ基の超合金が使用されてきたが、ガスタービ
ンの熱効率向上を図るため、年々燃焼ガス温度が上昇し
てきた。そして、それに伴い動翼の耐熱強度を上げるた
め、普通鋳造による等軸晶翼から一方向凝固による柱状
晶翼、更には単結晶翼へと変化すると共に、翼内部に複
雑形状な空孔を設け、内部からの冷却を図ってきた。

【０００３】単結晶鋳物の大部分は、特公昭４５−４０
６６１号や特開昭５９−４２１７１号に示されるセレク
タを用いた一方向凝固法や、特公昭６０−４４１６８号
や特公平１−２６７９６号に示される種を用いた一方向
凝固法で製造されている。この方法は、加熱した炉の中
から鋳型を下方に引出し、下端から上方に漸次凝固させ
る方法である。この方法により、遠心応力が作用する長
手方向Ｚ軸の結晶方位を〈００１〉方位した単結晶動翼
が製造され、クリ−プ強度特性や熱疲労強度特性の飛躍
的に改善されてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、更に高効率化
を図るため、燃焼ガス温度を高めると共に、内部冷却を
強化すると、翼内外の温度差により大きな熱応力が発生
するようになってきた。この応力は翼厚さのほぼ中心を
境にして、燃焼ガスがぶつかり高温となっている外側で
は圧縮応力、冷却を受ける内側は引っ張り応力となる。
この状態で長時間使用すると、外側は圧縮クリープ変形
を受ける。一方内側は、引っ張りクリープ状態である
が、温度が低いためクリープ変形はほとんど生じない。
このような状態になっているとき、運転を停止すると、
翼温度が低下し熱収縮を生じる。このとき温度が高い外
側は、温度が低い内側より収縮量が大きいため、引っ張
り応力が発生する。これが繰り返されると、やがて亀裂
が発生してくる。このとき発生する引っ張り応力は使用
中のクリープ変形が大きいほど大きくなる。また、亀裂
は一般の熱疲労よりも短時間で発生し、使用中の翼外側
と内側の温度差が大きいほど発生しやすい。このように
燃焼ガス温度を高め、内部冷却を強化した翼では、クリ
ープ変形と疲労が組合わさったクリープ疲労が、ガスタ
ービンの亀裂発生の原因となり、翼寿命を決定する大き
な要因となってきた。単結晶は結晶方位によって特性が
大きく変化し、クリープ強度は、〈１１１〉方位が最も
優れ、次が〈１００〉方位、その次が〈１１０〉方位の
順である。一方、熱応力は、弾性率が小さいほど小さく
なることから、同じ温度差の場合、〈１００〉方位が最
も小さい熱応力となり、次が〈１１０〉方位、その次が
〈１１１〉方位となる。クリープ疲労強度を高めるに
は、クリープ強度を高め、熱応力を小さくすることが有
効であり、前記２つの要求を満たす方位は〈１００〉方
位となる。

【０００５】しかし、従来は、熱応力が小さくまた翼の
使用温度も低かったため、クリープ疲労を考慮する必要
がなく、そのため、クリ−プ特性のみを考慮し、遠心応
力が作用する長手方向Ｚ軸の結晶方位を〈００１〉方位
にさせるだけであり、横方向の方位については特に考慮
されていなかった。そのため、従来技術で製造した単結
晶動翼は、横方向の結晶方位が一定でなく、特性にばら
つきがあるため、最も弱い方位での熱疲労強度を基準と
しなければならなかった。横方向の方位を考慮し一定と
した場合でも、単純な熱疲労強度の向上を図ったもので
あり、クリープ疲労強度の向上に対しては不充分であっ
た。

【０００６】以上述べたように、上記従来技術による単
結晶動翼は、遠心応力の作用する長手方向の特性向上や
熱疲労寿命の向上を図ったものであり、翼断面内の熱応
力によるクリープ疲労については考慮されておらず、横
方向の方位が適正化されていないため、動翼の長寿命化
と熱効率の向上を図ることができなかった。

【０００７】本発明の目的は、クリ−プ強度とクリープ
疲労強度に優れたガスタービン用単結晶動翼及びその製
造法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係るガスタービン用動翼は、動翼内部に複
雑な冷却孔を有し、遠心応力が作用する長手方向Ｚ軸の
結晶方位が〈００１〉方位であり、長手方向Ｚ軸の〈０
０１〉方位に垂直な〈１００〉方位が、翼部のＺ軸に平
行な面での熱応力が最大となる断面の法線方向であるも
のである。

【０００９】また、本発明に係るガスタービン用動翼
は、長手方向Ｚ軸の結晶方位が〈００１〉方位であり、
長手方向Ｚ軸の〈００１〉方位に垂直な〈１００〉方位
が、翼部のＺ軸に平行な面での熱応力が最大となる断面
の法線方向との角度差が２０°以内であるものである。

【００１０】また、本発明に係るガスタービン用動翼
は、最大熱応力の発生する位置が翼先端部とプラットホ
−ム部のほぼ中間であり、且つ翼前縁部であるものであ
る。

【００１１】また、本発明に係るガスタービン用動翼は
翼内部に冷却孔を有し、前記冷却孔が数個の通路に仕切
られているものである。

【００１２】また、本発明に係る単結晶翼の製造方法
は、鋳型底部に、種の横方向の方位を〈１００〉方位と
し、この〈１００〉方位が翼部のＺ軸に平行な面での熱
応力が最大となる断面の法線方向と一致するように種結
晶をセットする工程と、鋳造原料を溶解後鋳型内に鋳込
む工程と、鋳型を高温の加熱炉から相対的に引き抜い
て、一端側から他端側へ漸次一方向凝固させる工程を含
むものである。

【００１３】

【作用】本発明に係るガスタービン用動翼は、遠心応力
が作用する長手方向Ｚ軸の結晶方位が〈００１〉方位で
あり、長手方向Ｚ軸の〈００１〉方位に垂直な〈１０
０〉方位が、翼部のＺ軸に平行な面での熱応力が最大と
なる断面の法線方向であることから、高クリ−プ強度と
高耐クリープ疲労強度を有する動翼とすることができ
る。

【００１４】

【実施例】図１は本発明に係るガスタービン用単結晶動
翼の斜視図を示し、図２は本発明の方法による前記動翼
の製造方法の概略を示した断面図である。

【００１５】図２において、最初、水冷銅チル４の上
に、種の横方向の方位を〈１００〉方位とし、この〈１
００〉方位が翼部Ｚ軸に平行な面での熱応力が最大とな
る断面の法線方向と一致するように種結晶５をセットし
たアルミナを主成分とするセラミック鋳型６を固定し、
それを鋳型加熱ヒ−タ７の中にセットし、セラミック鋳
型６をＮｉ基超合金の融点以上に加熱する。次に溶解し
たＮｉ基超合金をセラミック鋳型６の中に鋳込み、その
後水冷銅チル４を下方に引出し、一方向凝固させた。一
方向凝固させると種結晶５からエピタキシャル成長し拡
大部で大きな単結晶となり、長手方向Ｚ軸の結晶方位が
〈００１〉方位で、長手方向Ｚ軸の〈００１〉方位に垂
直な〈１００〉方位が、翼部のＺ軸に平行な面での熱応
力が最大となる断面の法線方向である単結晶動翼が得ら
れた。この場合、鋳型加熱ヒ−タ７はセラミック鋳型６
が完全に引出され、凝固が終了するまで高温に保った。
また、上記工程は、全て真空中で行った。

【００１６】表１に上記単結晶動翼の鋳造条件を示す。
表２に鋳造に用いたＮｉ基超合金の化学組成を示す。
尚、上記方法で鋳造した単結晶動翼は、鋳造後１３００
〜１３５０℃で、真空中２〜２０時間の溶体化処理を行
って、凝固によって形成された共晶γ’相と、凝固後の
冷却過程で形成された析出γ’相をγ相に変え、その後
９８０〜１０８０℃で４〜２０時間と、８００〜９００
℃で１０〜３０時間の時効熱処理を行い、γ相中に平均
０．３〜２μｍのγ’相を析出させた。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】図３に図１に示した単結晶動翼の翼先端と
プラットホ−ムの中間部横断面での最大熱応力発生領域
８を示す。有限要素法を用いた非弾性応力解析の結果、
図１に示した動翼は、最大熱応力発生領域８が前縁部で
あることが判った。そこで、最大熱応力発生領域８（曲
率半径の最も小さい部分）の中心位置での前縁部円弧の
接線方向を、〈１００〉方位とした。その結果、本発明
の遠心応力が作用する長手方向Ｚ軸の結晶方位を〈００
１〉方位とし、長手方向Ｚ軸の〈００１〉方位に垂直な
〈１００〉方位を、翼部のＺ軸に平行な面での熱応力が
最大となる断面の法線方向と一致させた単結晶動翼は、
従来の横方向の方位を制御しない単結晶動翼に対し、ク
リープ疲労寿命が２０００回から８０００回と約４倍向
上した。尚、従来の単結晶動翼の法線方向の方位は〈１
１０〉方位を仮定した。

【００２０】一方、３次元的に形状が変化している翼の
場合、長手方向Ｚ軸の〈００１〉方位に垂直な〈１０
０〉方位を、翼部のＺ軸に平行な面での熱応力が最大と
なる断面の法線方向と完全に一致させることが困難な場
合が多い。この場合ある程度の角度差を許容する必要が
ある。図４に〈１００〉方位からのずれとクリープ疲労
特性の関係を示す。〈１００〉方位からのずれが２０°
以内ではクリープ疲労特性の大巾な低下みられない。従
って、長手方向Ｚ軸の結晶方位が〈００１〉方位であ
り、長手方向Ｚ軸の〈００１〉方位に垂直な〈１００〉
方位と、翼部のＺ軸に平行な面での熱応力が最大となる
断面の法線方向との角度差が２０°以内であれば従来の
単結晶動翼よりも大幅な長寿命化が可能である。

【００２１】また、実施例では最大熱応力の発生する位
置が前縁部である動翼について示したが、最大熱応力の
発生する位置は翼形状や冷却方式により当然異なってく
る。しかし、この場合にも、長手方向Ｚ軸の〈００１〉
方位に垂直な〈１００〉方位を、翼部のＺ軸に平行な面
での熱応力が最大となる断面の法線方向とを一致させる
ことにより、実施例の場合と同様に長寿命化を図ること
ができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明に係るガスタービン用動翼によれ
ば、高クリ−プ強度と高耐クリープ疲労強度を有する動
翼が得られるため、動翼の長寿命化と燃焼ガス温度の上
昇によるガスタービンの熱効率向上を図ることに効果が
ある。

【００２３】また、本発明によるガスタービン用動翼の
製造法によれば、上記の動翼を容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガスタービン用単結晶動翼の斜視
図である。

【図２】図１に示したガスタービン用単結晶動翼の製造
法の概略を示す構成図である。

【図３】最大熱応力発生位置と〈１００〉方位との関係
を示す説明図である。

【図４】〈１００〉方位からのずれとクリープ疲労特性
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 〈００１〉方位 ２ 〈１００〉方位 ３ 〈０１０〉方位 ４ 水冷銅チル ５ 種結晶 ６ セラミック鋳型 ７ 鋳型加熱ヒ−タ ８ 最大熱応力発生位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯島 活巳 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 石田 忠美 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 岡山 昭 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 平根 輝夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 狩野 公男 宮城県仙台市青葉区一番町三丁目７番１号 東北電力株式会社内 (72)発明者 松崎 裕之 宮城県仙台市青葉区一番町三丁目７番１号 東北電力株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発電用ガスタービンに使用される動翼に
   おいて、遠心応力が作用する長手方向Ｚ軸の結晶方位が
   〈００１〉方位であり、長手方向Ｚ軸の〈００１〉方位
   に垂直な〈１００〉方位が、翼部のＺ軸に平行な面での
   熱応力が最大となる断面の法線方向であることを特徴と
   するガスタービン用単結晶動翼。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のガスタービン用単結晶
   動翼において、長手方向Ｚ軸の〈００１〉方位に垂直な
   〈１００〉方位と、翼部のＺ軸に平行な面での熱応力が
   最大となる断面の法線方向との角度差が２０°以内であ
   るガスタービン用単結晶動翼。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のガスタービン用
   単結晶動翼において、最大熱応力の発生する位置が翼先
   端部とプラットホ−ム部のほぼ中間であり、且つ翼前縁
   部であるガスタービン用単結晶動翼。
4. 【請求項４】請求項１、２又は３に記載のガスタービン
   用単結晶動翼において、単結晶動翼は翼内部に冷却孔を
   有し、前記冷却孔が数個の通路に仕切られているガスタ
   ービン用単結晶動翼。
5. 【請求項５】 鋳型底部に種結晶をセットする工程と、
   鋳造原料を溶解後鋳型内に鋳込む工程と、鋳型を高温の
   加熱炉から相対的に引き抜いて、一端側から他端側へ漸
   次一方向凝固させる工程を含むガスタービン用単結晶動
   翼の製造方法において、種の横方向の方位を〈１００〉
   方位とし、この〈１００〉方位が翼部のＺ軸に平行な面
   での熱応力が最大となる断面の法線方向とが一致するよ
   うに種と鋳型との相対的位置関係を一定としたガスター
   ビン用単結晶動翼の製造方法。