JP2004169701A - タービンノズルセグメント及びその修理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外側及び内側バンド間に配置された少なくとも１つの羽根（１２）を有するタービンノズルセグメント（１０）を修理する方法が提供される。
【解決手段】 該方法は、内側バンド（１６）をノズルセグメント（１０）から分離する段階と、該内側バンド（１６）を外側バンドと羽根（３４）とを有する新たに製造された交換鋳造品（３０）に接合する段階とを含む。交換鋳造品（３０）は、翼形部スタブ（４４）を含む。翼形部スタブ（４４）は、内側バンド（１６）内に形成された凹部内に受けられる。接合する段階は、翼形部スタブ（４４）を内側バンド（１６）に接合することにより完了される。交換鋳造品（３０）は、新たに製造されたシングレット鋳造品から改造することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンで用いられるタービンノズルセグメントの修理に関する。

ガスタービンエンジンは、加圧された空気を燃焼器に供給する圧縮機を含み、燃焼器内で空気は燃料と混合され点火されて、高温の燃焼ガスを発生する。これらのガスは、タービンセクションに向けて下流に流れ、該タービンセクションは高温燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を供給しまた飛行中の航空機に動力を供給するような有用な仕事を行う。航空機エンジンは一般的に、タービンセクション内部のガス流及び圧力に適切に影響を与えることによってエンジン性能を向上させる固定タービンノズルを含む。多段タービンセクションにおいては、タービンノズルは、各タービン段の入口に配置されて、燃焼ガスを該ノズルの下流に設置されたタービンロータ内に導く。タービンノズルは一般的に、その円周の周りでセグメント化され、各ノズルセグメントは、該ノズルを通って流れる高温燃焼ガスのための半径方向流路境界を形成する内側及び外側バンド間に配置された１つ又はそれ以上の羽根を有する。これらのノズルセグメントは、エンジンケーシングに取付けられて、隣接するタービン段のロータブレード間で羽根が半径方向に延びた状態の環状配列を形成する。

ノズルセグメントを製造するための様々な方法が、今まで提案されてきた。１つの一般的な方法では、ノズルセグメントは、１つ又はそれ以上の「シングレット」鋳造品を含む複数部品組立体であり、各シングレット鋳造品は、羽根と、外側バンドの接在部分と、内側バンドの接在部分とを含む。次ぎに、これらシングレットは、内側及び外側バンド部分の端縁部において、例えばろう付けにより互いに接合される。

運転中、ノズルセグメントは、高温の腐食性ガス流に曝され、そのことによりこれら構成部品の有効耐用年数が制限される。従って、ノズルセグメントは一般的に、耐熱性のコバルト又はニッケル基超合金から製作され、かつ多くの場合、耐食性及び／又は耐熱性材料で被覆される。更に、ノズルセグメントは通常、耐用年数を延ばすために、圧縮機から抽出された冷却空気で内部が冷却される。そのような対策にも拘わらず、ノズルセグメントの一部分、特に羽根は、亀裂を生じ、腐食され、またその他の損傷を受ける場合があり、安全かつ効率的なエンジン運転を維持するためにノズルセグメントは、修理されるか又は交換されなければならなくなる。ノズルセグメントは、設計が複雑であり、比較的高価な材料で作られており、また製造するのに費用が掛かるので、一般的に可能な場合はいつでもそれらを修理するのがより望ましい。

現在の修理方法は、翼形部表面の亀裂修理及び寸法復元のような技術を含む。しかしながら、このような現在の修理は、局部的な歪み及び最小下限壁厚さにより制限され、繰り返しの修理及び化学的ストリッピング（剥ぎ取り）処理の結果、この最小下限壁厚さを超えることになる。従って、ノズルセグメントは、公知の修理方法では修理できないほどに損傷を受ける可能性がある。一体鋳造されたノズルセグメントにおける熱応力及び機械的応力により、内側バンドは修理可能であるが他のノズルセグメント構造体は修理不能であるようなことがよく起こる。従って、このような状況におけるノズルセグメント全体を廃棄することを避けるためには、ノズルセグメントの修理可能な部分を回収する方法があることが望ましいと思われる。

上記の必要性は、外側及び内側バンド間に配置された少なくとも１つの羽根を有するタービンノズルセグメントを修理する方法を提供する本発明により満たされる。本発明の方法は、内側バンドをノズルセグメントから分離する段階と、該内側バンドを外側バンドと羽根とを有する新たに製造された交換鋳造品に接合する段階とを含む。交換鋳造品は、翼形部スタブを含む。翼形部スタブは、内側バンド内に形成された凹部内に受けられる。接合する段階は、翼形部スタブを内側バンドに接合することにより完了される。交換鋳造品は、新たに製造されたシングレット鋳造品から改造することができる。

本発明及び従来技術に優るその利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を読むことにより明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と同時に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘されかつ明確に請求されている。しかしながら、本発明は、添付の図面の図と関連してなされる以下の説明を参照することにより最も良く理解することができる。

図面においては様々な図全体を通して同一の参照符号は同じ要素を表しているが、その図面を参照すると、図１は、第１及び第２のノズル羽根１２を有するタービンノズルセグメント１０を示す。羽根１２は、円弧形の外側バンド１４と円弧形の内側バンド１６との間に配置される。羽根１２は、燃焼ガスをその下流に設置されたタービンロータ（図示せず）に最適に向けるように構成された翼形部を形成する。外側バンド１４及び内側バンド１６は、ノズルセグメント１０を通るガス流のそれぞれ外側及び内側の半径方向境界を形成する。羽根１２は、該羽根に形成された複数の従来型の冷却孔１８及び後縁スロット２０を備えることができる。最も一般的には、冷却孔は、第１段ノズルセグメントにおいて用いられ、後段のノズルセグメントは、通常そのような冷却孔を用いない。ノズルセグメント１０は、コバルト又はニッケル基超合金のような高品質の超合金で作られるのが好ましく、また耐食性材料及び／又は断熱皮膜で被覆することができる。

ノズルセグメント１０は、個々の鋳造品である２つ又はそれ以上のシングレット１３から構成することができ、各シングレット１３は、羽根１２と、外側バンド１４の接在部分と、内側バンド１６の接在部分とを含む。個々のシングレット１３は、接合線１５に沿って、例えばろう付けにより接合されて、完全なノズルセグメント１０を形成する。ガスタービンエンジンは、環状の構成で円周方向に配列された複数のこのようなセグメント１０を含むことになる。本発明の修理方法は、２枚羽根ノズルセグメントに関してここでは説明するが、本発明は、任意の数の羽根を有するノズルセグメントに同様に適用可能であることを理解されたい。

エンジン運転時、ノズルセグメント１０は、局部的なガス流過熱又は該ノズルセグメントに衝突する異物から生じる可能性のあるような損傷を受ける場合がある。上述のように、ノズルセグメント１０の１部分が、公知の修理方法によっては修理できないほどに損傷される場合がある。本発明は、内側バンドは修理可能であるが、他のノズルセグメント構造体は修理不能であるようなノズルセグメントを修理する方法を目的としている。実例として、羽根１２は、修理不能であるような過度の損傷を受けているものとして図１に示され、一方、内側バンド１６は比較的軽微な損傷を受けていて修理可能である。

修理方法は、主要な段階として、内側バンド１６をノズルセグメント１０から分離する段階と、次にその内側バンド１６を、該内側バンド１６が除去された構造体と置き換える２つ又はそれ以上の新たに製造された鋳造品に接合する段階とを含む。図２に示すように、回収可能な内側バンド１６は、低温側２２（高温のガス流路の反対側に面する側）と高温側２４（高温ガス流路に面する側）とを有し、かつフランジ２６のような従来型の構造を含む。フランジ２６は、内側バンド１６に構造的支持を与え、同時にノズルセグメント１０がエンジン内に取付けられると、シーリング機能をもたらす。図３は、以後は交換鋳造品３０と呼ぶ新たに製造された鋳造品の１つを示す。交換鋳造品３０の各々は、後でより詳細に説明するが、外側バンド部分３２と、羽根３４と、翼形部スタブ４４とを有する一体鋳造部品である。

より具体的には、修理方法の最初の段階は、整備のために現場から戻されたエンジン運転したノズルセグメントを点検して、修理可能な内側バンド１６を有するが、他のノズルセグメント構造体は修理不能であるようなセグメント１０を識別することである。適当なノズルセグメント１０が特定されると、該ノズルセグメントは、存在する可能性のあるあらゆる皮膜材料（耐食性又は耐熱性皮膜のような）を剥ぎ取られなければならない。皮膜材料は、グリットブラスト、化学薬品浴等のような任意の適当な技術又はそのような技術の組み合わせを用いて剥ぎ取ることができる。次の段階は、合金ろう付け、合金肉盛り、溶接等のような公知の修理技術を用いて、内側バンド１６内の亀裂を修理し、フランジ２６の寸法回復を行うことである。これらの従来の修理は、内側バンド１６の状態次第で必要に応じて行われることになる。元から使われていたいかなる耐食性又は耐熱性皮膜も、この時点では再施行されない。

次の段階は、内側バンド１６をノズルセグメント１０の残り部分から分離することである。分離は、内側バンド１６の付近の両方の羽根１２を荒切断することによって達成される。切断は、切断砥石車又は放電加工のような任意の従来型の手段により行うことができる。分離した後に、回収不能な構造体は廃棄され、また内側バンド１６は、交換鋳造品３０に接合するために準備される。

次に、内側バンド１６には、交換鋳造品３０に接合するための準備が施される。図２に示すように、２つの凹部４０が、内側バンド１６の高温側２４に形成される。凹部４０の周囲は、羽根３４の翼形部輪郭に近似したものとされる。翼形部形状の凹部４０を形成する１つの好ましい方法は、放電加工装置（ＥＤＭ）を各凹部４０に押し込むことである。これは、翼形部形状を有するＥＤＭ電極を用いて行われる。電極は、流路壁を除去するが支持フランジ２６内には入り込まない深さにだけ押し込まれる。しかしながら、凹部４０は、図示するように幾つかの位置で内側バンド１６のかなりの部分を破過することになる。

図３は、例示的な交換鋳造品３０を示す。交換鋳造品３０の各々は、外側バンド部分３２と羽根３４とを有する一体鋳造部品である。外側バンド部分３２は、後述の組み立て工程時に、隣接する交換鋳造品３０の対応する側方端縁部と接合される対向する側方端縁部２９を含む。外側バンド部分３２及び羽根３４は、完全なノズルセグメント１０上の外側バンド部分及び羽根と同一にすることができ、同一の内部冷却通路を含む。羽根３４は、その半径方向の内側端部上に形成された翼形部スタブ４４を含む。翼形部スタブ４４は、羽根３４の周囲を取り巻いている。翼形部スタブ４４は、羽根の表面を越えて側方に延びており、接合面４５を含む。フィレット４３が、羽根３４と翼形部スタブ４４との間に配置される。この構成は、ろう付け接合部をフィレット４３から離れるように位置させる。このことにより、接合部がフィレット４３に位置する場合に比較して、より充分なろう付け接合部の形成を可能にし、更に必要に応じてフィレット４３内部に冷却用特徴形状を組み入れることを可能にする。例えば、公知のタイプのフィルム冷却孔（図示せず）を、フィレット４３を貫通させて形成することができる。

従来技術の修理方法は、多くの場合、特製の交換鋳造品を用いることを必要とする。本発明は、特製の交換鋳造品を用いることができるが、更に交換鋳造品３０として標準生産部品の鋳造品を用いることも可能にする。図５は、交換鋳造品３０を作るのに用いることができる例示的な新たに製造されたシングレット鋳造品１３を示す。上述のように、新たに製造された鋳造品１３は一般的に、羽根３４と、外側バンド３２の接在部分と、内側バンド３５の接在部分とを含むシングレットである。シングレット１３は、切断線１７に沿って例えばワイヤ放電加工機により内側バンド３５を切断することによって交換鋳造品３０として用いる準備がなされる。次ぎに内側バンド３５は、分離されて廃棄され、残りの構造体が、図３及び図４に示す交換鋳造品３０を形成する。切断線１７の位置は、内側バンド３５が除去された後に、上述の翼形部スタブ４４が羽根３４の半径方向内側端部に残るように選定される。

羽根３４の内側バンド１６の厚さ及び翼形部スタブ４４は、所望のラップ接合表面積を形成して適当な強度のろう付け接合部を得るのに十分なほどの大きさでなければならない。一部の場合では、交換鋳造品３０及び内側バンド１６の接合面が、すでに充分な面積になっているであろう。しかしながら、必要であれば、後述する１つ又はそれ以上のカラーを、内側バンド１６の低温側２２又は羽根３４の翼形部スタブ４４に取付けて、ラップ接合部の表面積を増大させることができる。

例示的な内側バンドカラー３８が、図６に示されている。各内側バンドカラー３８は、内側バンド１６の湾曲に適合するような形状にされており、内側バンド１６の低温側２２と面接合する表面を有する。内側バンドカラー３８は、凹部４０の周囲に追従しかつフランジ２６の周りに嵌まるように配置することができる。例えば、図６は、４つの翼形部形状のカラーを示しており、各凹部４０に対して１つはフランジ２６の前方にあり、１つはフランジ２６の後方にある。他のカラー配置を用いて、特定の用途に合うようにすることができる。必要な場合、平坦なポケット（図示せず）を、内側バンド低温側２２内に機械加工して、輪郭付けした内側バンド１６の低温側にカラー３８を嵌めるのを容易にすることができる。内側バンドカラー３８は、内側バンド１６と同一又は類似の材料、或いは少なくとも内側バンド１６及び交換鋳造品３０に接合するのに適合性のある材料で作られるのが好ましい。各内側バンドカラー３８はまた、付加的ろう付け接合面積を形成するその内周に沿った接合面３９を有する。半径方向に測定したカラー３８の厚さは、交換鋳造品３０を内側バンド１６にろう付けするための適当な表面積を得るように選ばれる。内側バンドカラー３８は、仮付け溶接により内側バンド１６に取付けることができる。

例示的な羽根カラー４１が、より詳細に図３及び図４に示されている。羽根カラー４１は、使用する場合には、充分なろう付け接合部に必要とされる付加的な接合面積の大きさに応じて、翼形部スタブ４４の周囲の周りを全周にわたって延びる単一カラー（図３参照）又は部分カラー（図４参照）とすることができる。いずれの場合においても、羽根カラー４１は、翼形部スタブ４４の半径方向内側表面に一致する内側表面と所望のラップ接合面積を形成するのに必要とされる厚さ（半径方向高さ）とを有する。各羽根カラー４１はまた、付加的なろう付け接合面積を形成するその外周に沿った接合面４２を含む。内側バンドカラー３８の場合と同様に、羽根カラー４１は、内側バンド１６と同一又は類似の材料、或いは少なくとも内側バンド１６及び交換鋳造品３０に接合するのに適合性のある材料で作られるのが好ましい。羽根カラー４１は、仮付け溶接により翼形部スタブ４４に取付けることができる。

内側バンド機械加工が完了し、またカラー３８及び４１（使用する場合には）が取付けられた後に、内側バンド１６及び交換鋳造品３０が組み立てられて図７に示す修理されたノズルセグメント５４を形成する。内側バンド１６及び交換鋳造品３０は、翼形部スタブ４４を図７に示すように対応する凹部４０内に設置することによって組み立てられる。次に各部品は、以下の接合面、すなわち内側バンド高温側２４上の翼形部スタブと内側バンドの接合面と、羽根カラーと羽根の接合面（羽根カラー４１を使用する場合）と、内側バンド低温側２２上の内側バンドカラーと内側バンドの接合面（内側バンド上にカラーを使用する場合）と、外側バンド部分３２の接合端縁部２９とに沿って結合することにより互いに接合される。カラーを使用する場合には、羽根カラー４１の接合面４２もまた、内側バンドカラー３８の接合面３９に結合される。結合は、ろう付け又は溶接のような従来の方法で達成することができるが、エンジン運転時に部品が受ける熱勾配を考えると、一般的にろう付けが好ましい。１つの好ましい接合作業は、最初に各羽根スタブ４４をそれぞれの凹部４０に仮付け溶接し、次に外側バンド３２をそれらの接合端縁部において互いに仮付け溶接することである。次の段階は、内側バンド高温側２４をろう付け材粉末でパックし、翼形部スタブと内側バンドの接合面上にスラリーを施すことである。低温側２２上において、ろう付け合金が、カラーとバンドの接合面又は内側バンドと羽根の接合面に施される。羽根カラー４１を使用する場合には、翼形部スタブ４４を凹部４０内に挿入する前に、ろう付け合金が、羽根カラーと翼形部スタブの接合面に施される。組立体は次に、炉内に置かれ、内側バンド１６と正しく位置決めされ、公知のろう付けサイクルを用いてろう付けされる。

最後に、元から使われていたあらゆる防食又は耐熱皮膜が、公知の方法で再施工される。その結果、以前使用されていたセクション（内側バンド１６に対応する）と新規製造セクション（交換鋳造品３０に対応する）を有する修理されたノズルセグメント５４が得られる。

１つの実施形態では、交換鋳造品３０は、内側バンド１６と同一の材料から製作されて、元のノズルセグメント１０の材料特性を保持する修理されたノズルセグメント５４を形成する。しかしながら、別の実施形態では、交換鋳造品３０は、異なる材料、好ましくは改善された材料特性を有する合金から製作される。ノズルセグメントのようなガスタービンエンジン構成部品の耐用年数の間に、このような構成部品に用いるのに適した改良された合金が開発されることは、よくあることである。従来から、エンジンオペレータは、現用の構成部品を改良された合金から製作された新しい構成部品と交換して、改善された材料特性を実現しなければならなかった。しかしながら、交換鋳造品３０を改良された合金から製作することによると、修理されたノズルセグメント５４は、改善された材料特性を部分的に得ることになる。

交換鋳造品３０はまた、元のノズルセグメント１０と比較して改良された設計の特徴形状を有することが可能である。上述の合金の場合と同様に、ノズルセグメントのようなガスタービンエンジン構成部品の耐用年数の間に、改良された構成部品設計が開発されることは、よくあることである。ノズルセグメント１０は、特定の空気力学的、熱力学的、及び機械的形態を有する第１の設計を含むことができる。例えば、羽根１２は、第１の後縁冷却構成（すなわち、加圧された冷却空気を羽根１２の後縁に導くスロット、孔及び内部通路の構成）を組み入れた第１の翼形部構成に従って形成されることができる。交換鋳造品３０は、改良された設計を含むことが可能である。改良された設計は、第１の後縁冷却構成とは異なる構成のスロット、孔及び内部鋳造品特徴形状を有し、かつ第１の後縁冷却構成に対して改良された冷却性能を得ることを目的とする、公知のタイプの第２の後縁冷却設計を含むことが可能である。羽根３４の空気力学的設計もまた、その性能を高めるように改良されることができる。本発明のこの実施形態は、ノズルセグメント全体を交換する必要なく、改良された構成部品設計の特徴形状の利点を得る修理されたノズルセグメント５４を提供する。更に、本発明のこの態様は、上述の改良された合金と組み合わせることができる。つまり、元のノズルセグメント１０は、第１の合金及び第１の設計が組み入れられることになるが、交換鋳造品３０は、改良された設計の特徴形状が組み入れられ、改善された材料特性を有する合金で構成されることができる。

以上は、修理工程において用いられるタービンノズルセグメントの組み立て式修理方法を説明してきた。本発明の特定の実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載したような本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなくそれら実施形態に対して様々な変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に示した参照符号は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、それらを容易に理解することを意図するものである。

エンジン運転したタービンノズルセグメントの斜視図。 図１のノズルセグメントから分離された内側バンドの斜視図。 本発明の修理方法で用いられる交換鋳造品の斜視図。 図３の交換鋳造品の別の斜視図。 図３の交換鋳造品を作るのに用いられる例示的な生産鋳造品の斜視図。 その半径方向内側、すなわち「低温」側を示す、図２の内側バンドの斜視図。 修理されたタービンノズルセグメントの斜視図。

符号の説明

２９ 外側バンド部分の側方端縁部
３０ 交換鋳造品
３２ 外側バンド部分
３４ 羽根
４１ 羽根カラー
４２ 羽根カラーの接合面
４３ フィレット
４４ 翼形部スタブ
４５ 翼形部スタブの接合面

Claims (10)

1. 外側及び内側バンド間に配置された少なくとも２つの羽根（１２）を有するタービンノズルセグメント（１０）を修理する方法であって、
   前記内側バンド（１６）を前記ノズルセグメント（１０）から分離する段階と、
   前記内側バンド（１６）内の損傷を修理する段階と、
   前記内側バンド（１６）を、各々が外側バンド部分とその上に翼形部スタブ（４４）が形成された羽根（３４）とを有する少なくとも２つの新たに製造された交換鋳造品（３０）に接合する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 羽根カラー（４１）を前記翼形部スタブ（４４）に接合する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 内側バンドカラー（３８）を前記内側バンド（１６）に接合する段階を更に含むことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記内側バンドカラー（３８）を前記羽根カラー（４１）に接合する段階を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 内側バンドカラー（３８）を前記内側バンド（１６）に接合する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記ノズルセグメント（１０）の前記羽根（１２）が第１の設計を有し、また前記交換鋳造品（３０）の前記羽根が改良された設計を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 内側バンド（１６）と、
   各々が外側バンド部分と前記外側及び内側バンド間に配置された羽根（３４）とを含む少なくとも２つの交換鋳造品（３０）と、を含み、
   前記内側バンド（１６）は、以前に使用されていて修理された構造体であり、また前記交換鋳造品（３０）は、新たに製造された構造体である、
   ことを特徴とするタービンノズルセグメント。
8. 前記内側バンド（１６）及び前記交換鋳造品が、同一材料から製作されていることを特徴とする、請求項７に記載のノズルセグメント。
9. 前記交換鋳造品は、前記内側バンド（１６）が製作されている材料に対して改善された材料特性を有する材料から製作されていることを特徴とする、請求項７に記載のノズルセグメント。
10. 前記ノズルセグメントの前記羽根（１２）は、第１の設計を有し、また前記交換鋳造品（３０）の前記羽根は、改良された設計を有することを特徴とする、請求項７に記載のタービンノズルセグメント。

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