JPH08100601A - ターボ機械のエーロフォイル - Google Patents

ターボ機械のエーロフォイル

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JPH08100601A
JPH08100601A JP7198275A JP19827595A JPH08100601A JP H08100601 A JPH08100601 A JP H08100601A JP 7198275 A JP7198275 A JP 7198275A JP 19827595 A JP19827595 A JP 19827595A JP H08100601 A JPH08100601 A JP H08100601A
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turbomachine
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Alec G Dodd
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Rolls Royce PLC
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 表面の不規則部分が小さいか、それが無い鋳
造されかつ高温アイソスタチックプレス処理されたター
ボ機械のエーロフォイルの提供。 【解決手段】 鋳造されかつ高温アイソスタティックプ
レス処理されたガンマチタニウムアルミニドタービン翼
２６は、凹形状の圧力面４４と凸形状の吸引面４６とを
有するエーロフォイル部分３８を有する。凹形状面は、
ターボ機械の鋳造されたエーロフォイルの空所への高温
アイソスタティックプレス処理の作用によって生じる表
面の不規則部分を有し、この不規則部分は、タービンの
動翼２６の作動時に表面の不規則部分４８の空気力学的
な効果を最小限にするように、空気力学的な分離が生じ
る凹形状圧力面４４の領域５０に配置されている。凹形
状の圧力面の他の部分と凸形状の吸引面４６の全体は、
表面の不規則部分がない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ機械のエー
ロフォイルに関し、特に鋳造及び高温アイソスタチィッ
クプレス処理によって製造されたターボ機械のエーロフ
ォイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】ターボ機械の動翼またはターボ機械の静
翼のいずれであっても溶融金属を成形型で鋳造し、溶融
金属を成形型で冷却し、成形型によって規定された形状
をとることによってターボ機械のエーロフォイルを製造
することは公知である。鋳造処理と関連する１つの問題
は、完成した鋳造部品内に空所または孔が生じることで
ある。また、高温アイソスタチックプレス処理を使用す
ることによって望ましくない空所または孔を除去するこ
とは当業者にはよく知られている。これは、完成した鋳
造部材をオートクレーブ、すなわち、耐圧釜に配置し、
オートクレーブを密封し、オートクレーブの耐圧釜に高
圧高温を適用する。
【０００３】高度の空所または多孔性を示す金属または
合金に関する問題は、例えば、ガンマチタニウムアルミ
ニドは、表面の不規則部分、すなわち、くぼみが鋳造体
及び高温アイソスタシー加圧部品の表面に生じることで
ある。ターボ機械のエーロフォイルの場合、表面の不規
則部分は、ターボ機械エーロフォイルの性能に悪影響を
与える。
【０００４】問題を克服する１つの方法は、部品を大き
目に鋳造し、寸法及び形状を寸法及び形状を正確にする
ためにアイソスタチック圧力ターボ機械エーロフォイル
及び鋳造体を機械加工する。しかし、この機械加工作業
は、非常に高価である。この問題を克服する他の方法
は、部品を寸法及び形状通りに鋳造し、例えば、溶接デ
ポジションによって鋳造及び高温アイソスタチックプレ
スターボ機械エーロフォイル上の表面の不規則部分を埋
めることである。
【０００５】従って、本発明の目的は、表面の不規則部
分が小さいか、それが無い鋳造されかつ高温アイソスタ
チックプレス処理されたターボ機械エーロフォイルを提
供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】従って、本発明は、凹形
状面と凸形状面とを有し、前記凹形状面は、作動時に空
気力学的な分離、逆流、遅い流れ、または停滞流が生じ
る凹形状面の領域に配置され、鋳造ターボ機械のエーロ
フォイルの空所に高温アイソスタティックプレス処理の
作用によって生じる表面の不規則部分を有し、凹形状の
圧力面と凸形状面の他の部分は表面の不規則部分がな
い、鋳造されかつ高温アイソスタティックプレス処理さ
れたターボ機械のエーロフォイルを提供する。
【０００７】好ましくは、ターボ機械のエーロフォイル
は、エーロフォイルの一端に配置されたシュラウドを有
し、前記シュラウドは、エーロフォイルから離れる方向
に面する表面に溝を有する。
【０００８】好ましくは、ターボ機械のエーロフォイル
はガスタービンエンジン用の動翼または静翼である。
【０００９】ターボ機械のエーロフォイルは、タービン
動翼または静翼、コンプレッサ動翼またはコンプレッサ
静翼である。
【００１０】ターボ機械のエーロフォイルは、ガンマチ
タニウムアルミニドから鋳造される。
【００１１】凸形状面及び凹形状面の曲率は、エーロフ
ォイルの厚さの配分と凹形状面の曲率とを生じるように
配置され、前記凹形状の曲率は、作動時に空気力学的な
分離、逆流、遅い流れ、または停滞流が生じる凹形状面
の領域にすべての表面の不規則部分を配置する。
【００１２】また、本発明は（ａ）凸形状面とターボ機
械のエーロフォイルの凹形状面とを規定する表面を有す
る、ターボ機械のエーロフォイルを鋳造する成形型を製
造する工程と、（ｂ）溶融金属、または溶融合金を成形
型に注入する工程と、（ｃ）成形型にある間、溶融金属
または溶融合金を冷却して鋳造体ターボ機械のエーロフ
ォイルを製造する工程と、（ｄ）鋳造体ターボ機械のエ
ーロフォイルをオートクレーブに配置する工程と、
（ｅ）オートクレーブにある間鋳造体ターボ機械のエー
ロフォイルに熱と圧力を加えて、鋳造体ターボ機械のエ
ーロフォイル内の空所を除去し、鋳造体ターボ機械のエ
ーロフォイルに表面の不規則部分を形成する工程とを有
するターボ機械のエーロフォイルの製造方法であって、
成形型の製造は、作動中の空気力学的な分離、逆流、遅
い流れまたは停滞流が生じるターボ機械のエーロフォイ
ルの凹形状面の領域にのみ鋳造体ターボ機械のエーロフ
ォイル内の空所に熱と圧力を連続的に加えることによっ
て生じる表面の不規則部分が配置されるように、ターボ
機械のエーロフォイルの厚さの配分と、ターボ機械のエ
ーロフォイルの凹形状面の曲率とを生じるように成形型
の表面を配置する工程を有するターボ機械のエーロフォ
イルの製造方法を提供する。
【００１３】好ましくは、ターボ機械のエーロフォイル
は、エーロフォイルから離れるように面するシュラウド
の表面に溝を規定する表面を有するように成形型を配置
する。
【００１４】好ましくは、鋳造体ターボ機械のエーロフ
ォイルは、工程（ｃ）の後、工程（ｄ）の前に成形型か
ら除去される請求項８に記載の方法。
【００１５】合金は、ガンマチタニウムアルミニドであ
る。
【００１６】好ましくは、ターボ機械は、金属または合
金及び成形型の間に形成された反応生成物を除去するた
めにエッチング加工されブラスト加工される。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面を
参照して詳細に説明する。
【００１８】図１に示すガスタービンエンジン１０は、
流れに直列する方向に、インテーク１２と、ファン部分
１４と、コンプレッサ部分１６と、燃焼部分１８と、タ
ービン部分２０と、排出孔２２とを有する。タービン部
分２０は、軸（図示せず）を介してファン部分１４のフ
ァン（図示せず）とコンプレッサ部分１６のコンプレッ
サローター（図示せず）とを駆動するように配置された
複数のタービンローター２４を有する。図面にはタービ
ン部分１４のタービンロータ２４の１つだけを示す。タ
ービンロータ２４の各々は、複数のタービン動翼２６を
支持している。またタービン部分は、複数のタービン静
翼３０を支持するタービン静翼ケーシング２８を有す
る。タービン静翼の各段は複数のタービン静翼３０を有
する。
【００１９】タービンロータ２４とそれに関連するター
ビン動翼２６を図２にさらに詳しく示す。各タービン動
翼２６は、基部部分３２と、シャンク部分３４と、プラ
ットフォーム部分３６とエーロフォイル部分３８とシュ
ラウド部分４０とを有する。プラットフォーム部分３６
とシュラウド部分４０は、タービン部分２０を通過する
高温ガスの流通路の内外の境界部の一部を規定する。ま
たシュラウド部分４０は、タービンケーシング２８と協
働してシュラウド４０の周りで高温ガスが漏れることを
防止するために密封フィン４２を有する。基部部分３２
は、タービン動翼２６をタービンロータ２４に保持する
ためにタービンロータのリムに対応する形状の溝に配置
されるようになっている。エーロフォイル部分３８は、
図６及び図７にさらにはっきりと示すように、凹形状圧
力面４４と、凸形状の吸引面４６とを有する。凹形状圧
力面４４と凸形状の吸引面４６とはエーロフォイル部分
３８の前縁５２から後縁５４に伸びている。
【００２０】タービン部分２０の下方圧力と下方の温度
段のタービン動翼２６とタービン静翼に使用することに
適する新しい合金がある。これらの新しい合金または金
属間化合物は、チタニウムアルミニド、特に数字が成分
の原子百分率を示す、例えばＴｉ48，Ａｌ48，Ｍｎ2，
Ｎb2として知られている。これらのガンマチタニウムア
ルミニド金属間化合物を鋳造するときに、１つの問題が
生じる。なぜならば、鋳造タービン動翼または鋳造ター
ビン静翼において同様の超合金鋳造と比較した場合、比
較的に大量の空所、孔部があることである。空所は、オ
ートクレーブのガンマチタニウムアルミニド金属間化合
物鋳造を高温アイソスタティックプレスすることによっ
て除去される。これは、鋳造体及び高温アイソスタチッ
クプレスガンマチタニウムアルミニドタービン動翼また
は静翼の表面に表面の不規則部分、すなわちくぼみを生
じる。これらの表面の不規則部分は、タービン動翼、ま
たはタービン静翼を大きめに鋳造し、その後それを寸法
通り機械加工するか、または溶接デポジッションによっ
て表面の不規則部分を埋めるかによって正規に除去され
る。
【００２１】本発明は、鋳造体及び高温アイソスタチッ
クプレスタービン動翼２６、またはタービン静翼３０に
おいて、動作中、空気力学的な分離が起こる領域５０、
すなわち、図７に示すような逆流または循環流がある領
域５０、または動作中、表面の不規則部分の深さと等し
いまたは大きい寸法であるか、または凹形状の表面の境
界層より大きな寸法である、凹形状の表面に続く非常に
遅い流れ、すなわち停滞流が生じる領域５０に表面の不
規則部分４８を配置する概念に基づいている。これは、
タービン動翼２６の周りのガス流への空気力学的な効果
を最小限にする効果を有する。従って、表面の不規則部
分に対して機械加工するか充填（ｆｉｌｌ）する必要は
ない。ガス流Ｄは、タービン動翼２６のエーロフォイル
部分３８の前縁５２で凸状吸引面４６上の流れＥと凹形
状圧力面４４上の流れＦに分かれる。凹形状圧力面４４
に分離領域Ｇがあるが、メインガス流Ｆは、低い空気力
学的な損失で再び加速され凹形状圧力面４４に付着す
る。
【００２２】この目的を達成するために、タービン動翼
２６またはタービン静翼３０のエーロフォイル部分３８
の凸形状吸引面４６及び凹形状の圧力面４４の曲率は、
エーロフォイル部分３８に厚さの配分と凹形状の圧力面
４４を形成するように配置されており、これらは、凹形
状の圧力面４４の領域５０にのみ、作動中に空気力学的
な分離、遅い流れ、または停滞流が生じる表面の不規則
部分を配置する。凹形状の圧力面４４上の空気力学的な
効果は、その曲率に依存する。空所または多孔性は、空
気力学的な部分３８の厚さの配分に依存する。エーロフ
ォイル部分３８の厚さの配分は、凹形状の吸引面４６と
凹形状の圧力面４４の曲率に依存する。従って、凹形状
の圧力面４４と凸形状の圧力面４６の曲率を調整するこ
とによって、鋳造タービン動翼のすべての空所は、空気
力学的な分離、遅い流れ、または停滞流が生じる領域５
０にあるようにすることができる。
【００２３】タービン動翼、またはタービン静翼を製造
する方法を図３乃至図８に示す。最初にタービン動翼の
所定の大きさ及び形状を規定するためにワックスパター
ン６０を製造する。ワックスパターン６０は、完成した
タービン動翼２６またはタービンの静翼３０のエーロフ
ォイル部分３８に必要な面に対応する凹形状面６２と凸
形状面６４とを有する。排出後に迅速にゲル化する液体
セラミックスラリにワックスパターン６０を含浸し、セ
ラミックスラリでカバーされたワックスパターン６０上
に耐火性を強化する粒子を散布してワックスパターン６
０上にセラミック層を形成することによってワックスパ
ターンの周りにシェル成形型６６が形成される。この処
理は、幾度か繰り返されて、セラミック層を生じ、この
層は、図３乃至図５に示すように、ワックスパターン６
０上で約１／４インチ（６ｍｍ）乃至１／２インチ（１
２ｍｍ）の全体の厚さを有するセラミック層をつくる。
ワックスは、溶けてワックスパターン６０の形状と同一
の内側の空洞を有するセラミックスシェル成形型６６を
出て流れる。セラミックシェル成形型６６は、９５０℃
と１１００℃の間の高温まで加熱され、残留するワック
スのすべてを除去し、それと同時にセラミックシェル成
形型６６を硬化することによってそれを純化する。セラ
ミックシェル成形型６６は鋳造炉に移される。一回分の
ガンマチタニクムアルミニドがセラミックシェル成形型
６６に注がれ、セラミックシェル成形型６６が室温まで
冷却し、その後、セラミックシェル成形型６６は、図６
に示すように、鋳造タービン動翼２６またはタービン静
翼３０から除去される。タービン動翼２６の空所または
孔部５６は、弦の長さに関して領域５０にのみ存在し、
この領域５０で空気力学的な分離、ゆっくりした流れま
たは停滞流が生じる。
【００２４】次に鋳造タービン動翼２６がオートクレー
ブに配置され、オートクレーブが密封される。このオー
トクレーブは、真空にされ、不活性ガス、例えばアルゴ
ンガスがオートクレーブに導入される。温度は１１５０
℃と１３２０℃の間まで上昇し、圧力は６９ＭＰａと３
１０ＭＰａとの間まで増加する。これらの温度及び圧力
は、数時間にわたって、例えば４時間にわたってほぼ一
定に維持され、次に温度は大気温度まで下げられる。図
７及び図８に示すような統合されたタービン動翼２６
は、空所または孔が除去されているが、表面の不規則部
分は、作動時に遅い流れまたは停滞流が生じる凹形状圧
力面４４の領域に現れ、凸形状の吸引面４６の全体は、
ほぼ表面の不規則部分がない。
【００２５】この例において、タービン動翼２６は、シ
ュラウド部分４０を有する。シュラウド部分は、エーロ
フォイル部分３８から離れる方向に面する表面に溝４１
を有する。溝４１は、ワックスパターン６０のシュラウ
ドの対応面に溝６５を規定することによってつくられ
る。この溝４１の効果は、鋳造タービン動翼２６のシュ
ラウド部分４０に最も近いエーロフォイル部分３８の領
域の空所または孔を溝４１に向かって移動させ、高温の
アイソスタティックプレス処理中に溝４１の大きさを増
大することである。
【００２６】高温のアイソスタティイクプレス処理の後
に、エーロフォイル部分３８の表面をエッチング加工
し、またはブラスト加工し、ガンマチタニウムアルミニ
ドとセラミックシェルモールドとの間に形成された反応
生成物を除去する。基部部分３２とシャンク部分３４
は、全体的に機械加工される。
【００２７】本発明は、４８原子％のチタニウム、４８
原子％のアルミニウム、２原子％ｎｏニオビウム及び２
原子％のマンガンから成るガンマチタニウムアルミニド
に関して説明したが、４０乃至５２％原子チタニウム、
４４乃至５２原子％アルミニウム及び０．０５乃至８原
子％の間の量のクロミウム、カーボン、ガリウム、モあ
リブデン、マンガン、ニオビウム、ニッケル、シリコ
ン、タンタル、バナジウム及びタングステン１つまたは
それ以上の成分から成る他のガンマチタニウムアルミニ
ドを使用することも可能である。これらのガンマチタニ
ウムアルミニドは、０．５乃至２０％の容量の間の量の
チタニクムジボライドジスパーソイドを有する。また本
発明は、鋳造するとき、比較的大きな量の空所または孔
を有し、高温アイソスタティックプレス処理によって統
合されたとき、表面の不規則部分を生じる他の金属合金
または金属間化合物にも適用可能である。また本発明
は、ガスタービンエンジンコンプレッサの翼、すなわち
コンプレッサの翼及び蒸気タービン翼に使用するのに適
している。また本発明は、シュラウドを有さないターボ
機械のエーロフォイルに適用可能である。
【００２８】本発明は、表面の不規則部分の溶接フィリ
ングを行う必要がなく、ターボ機械のエーロフォイルを
正確な寸法及び形状に鋳造することができるか、または
大きい寸法で成形し、表面に不規則な部分を有する過剰
な金属または合金を機械加工で除去し、必要とされる正
確な寸法及び形状にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるターボ機械のエーロフォイルを有
するガスタービンエンジンの一部を破断した側面図であ
る。
【図２】ターボ機械のエーロフォイルを示す図１のガス
タービンエンジンを通る拡大長手方向の断面図である。
【図３】本発明によるターボ機械のエーロフォイルを生
じる成形型を通る長手方向の断面図である。
【図４】図３の矢印Ａ−Ａの方向の断面図である。
【図５】図３の矢印Ｂ−Ｂの方向の断面図である。
【図６】鋳造体ターボ機械のエーロフォイルを通る断面
図である。
【図７】高温アイソスタチックプレス処理の後、ターボ
機械の鋳造されたエーロフォイルを通る断面図である。
【図８】高温のアイソスタチックプレス処理の後、ター
ボ機械の鋳造されたエーロフォイルの凹形状の圧力面の
図６の矢印Ｃの方向からの図面である。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン １２ インテーク １４ ファン部分 １６ コンプレッサ部分 １８ 燃焼部分 ２０ タービン部分 ２２ 排気口 ２６ タービン翼 ３８ エーロフォイル部分 ４４ 凹形状圧力面 ４６ 凸形状吸引面 ４８ 不規則部分

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 凹形状面と凸形状面とを有し、前記凹形
    状面は、作動時に空気力学的な分離、逆流、遅い流れ、
    または停滞流が生じる凹形状面の領域に配置され、鋳造
    ターボ機械のエーロフォイルの空所に高温アイソスタテ
    ィックプレス処理の作用によって生じる表面の不規則部
    分を有し、前記凹形状の圧力面と凸形状面の他の部分は
    表面の不規則部分がない、鋳造されかつ高温アイソスタ
    ティックプレス処理されたターボ機械のエーロフォイ
    ル。
  2. 【請求項２】 前記ターボ機械のエーロフォイルは、エ
    ーロフォイルの一端に配置されたシュラウドを有し、前
    記シュラウドは、エーロフォイルから離れる方向に面す
    る表面に溝を有する請求項１に記載のターボ機械のエー
    ロフォイル。
  3. 【請求項３】 前記ターボ機械のエーロフォイルはガス
    タービンエンジン用の動翼または静翼である請求項１ま
    たは２に記載のターボ機械のエーロフォイル。
  4. 【請求項４】 前記ターボ機械のエーロフォイルは、タ
    ービン動翼または静翼である請求項１または２に記載の
    ターボ機械のエーロフォイル。
  5. 【請求項５】 前記ターボ機械のエーロフォイルは、コ
    ンプレッサ動翼またはコンプレッサ静翼である請求項３
    に記載のターボ機械のエーロフォイル。
  6. 【請求項６】 前記ターボ機械のエーロフォイルは、ガ
    ンマチタニウムアルミニドから鋳造される請求項１に記
    載のターボ機械のエーロフォイル。
  7. 【請求項７】 前記凸形状面及び凹形状面の曲率は、エ
    ーロフォイルの厚さの配分と凹形状面の曲率とを生じる
    ように配置され、前記凹形状の曲率は、作動時に空気力
    学的な分離、逆流、遅い流れ、または停滞流が生じる凹
    形状面の領域にすべての表面の不規則部分を配置する請
    求項１に記載のターボ機械のエーロフォイル。
  8. 【請求項８】 （ａ）凸形状面とターボ機械のエーロフ
    ォイルの凹形状面とを規定する表面を有する、ターボ機
    械のエーロフォイルを鋳造する成形型を製造する工程
    と、 （ｂ）溶融金属、または溶融合金を成形型に注入する工
    程と、 （ｃ）成形型にある間、溶融金属または溶融合金を冷却
    して鋳造体ターボ機械のエーロフォイルを製造する工程
    と、 （ｄ）鋳造体ターボ機械のエーロフォイルをオートクレ
    ーブに配置する工程と、 （ｅ）オートクレーブにある
    間鋳造体ターボ機械のエーロフォイルに熱と圧力を加え
    て、鋳造体ターボ機械のエーロフォイル内の空所を除去
    し、鋳造体ターボ機械のエーロフォイルに表面の不規則
    部分を形成する工程とを有するターボ機械のエーロフォ
    イルの製造方法であって、 成形型の製造は、作動中の空気力学的な分離、逆流、遅
    い流れまたは停滞流が生じるターボ機械のエーロフォイ
    ルの凹形状面の領域にのみ鋳造体ターボ機械のエーロフ
    ォイル内の空所に熱と圧力を連続的に加えることによっ
    て生じる表面の不規則部分が配置されるように、ターボ
    機械のエーロフォイルの厚さの配分と、ターボ機械のエ
    ーロフォイルの凹形状面の曲率とを生じるように成形型
    の表面を配置する工程を有するターボ機械のエーロフォ
    イルの製造方法。
  9. 【請求項９】 前記ターボ機械のエーロフォイルは、エ
    ーロフォイルから離れるように面するシュラウドの表面
    に溝を規定する表面を有するように成形型を配置する請
    求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記鋳造体ターボ機械のエーロフォイ
    ルは、工程（ｃ）の後、工程（ｄ）の前に成形型から除
    去される請求項８に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記合金は、ガンマチタニウムアルミ
    ニドである請求項８に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記ターボ機械は、金属または合金及
    び成形型の間に形成された反応生成物を除去するために
    エッチング加工されブラスト加工される請求項８に記載
    の方法。
JP7198275A 1994-09-30 1995-08-03 ターボ機械のエーロフォイル Withdrawn JPH08100601A (ja)

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