JP3839389B2 - ベーンの修理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスタービンエンジンにおいて使用されるベーンの修理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
再エアフォイル化（re-airfoiling）は、元のプラットフォームを再利用しつつ、タービンベーンのエアフォイル部分を新たな鋳造したエアフォイルと交換する手法である。この種の修理方法は工業用のジェットエンジン内の第１段タービンベーンについて使用されている。この種の修理方法では、エアフォイル内において突合せ溶接された接合部によってエアフォイルはプラットフォームに接合される。
【０００３】
さらに別の修理方法においては、第１段ベーンに関してベーン全体の修理が行われる。この形式の修理方法では、エアフォイル内において単一の突合せ溶接を使用してエアフォイルおよび外側のプラットフォームは完全に交換される。
【０００４】
これらいずれの修理方法においても、全ての接合が完了した後でエアフォイルを再製作ないし改鋳（re-strike）することでベーンノズル領域が維持される。より効率的な修理ベーンの修理技術に対する必要性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、修理されたベーンのエアフォイル部分に溶接部を残さない、ベーンの修理方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の別の目的は、追加的ないし付加的な再製作工程に代えて、接合部表面の機械加工によりベーンノズル領域の調整が可能である、ベーンの修理方法を提供することにある。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、新しいベーンと同程度の、バッフルのベーンへの嵌め合いを提供する、ベーンの修理方法を提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、プラットフォームの機械加工を殆ど必要とせず、また元の外側プラットフォームのグランド面（ground surface）、シールスロットつまりシール用溝、およびボルト用穴などを維持できる、ベーンの修理方法を提供することである。
上述の目的は本発明の修理方法により達成される。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，ガスタービン内で使用されるベーンの修理方法が提供される。本発明の修理方法は、概略的には、第１のプラットフォーム、第１のバトレス、第２のプラットフォーム、第２バトレス、および第１のプラットフォームと第２プラットフォームとの間に延在するエアフォイルを有してなる、修理されるベーンを準備（用意）するステップと、第１のプラットフォーム、第１のバトレスおよびエアフォイルを完全に取り外すと共に機械加工されたベーン部分を残して第２プラットフォームと第２バトレスの一部を取り外すステップと、交換用の第１のプラットフォーム、交換用の第１のバトレス、および交換用のエアフォイルを少なくとも有する交換用細部（交換用部分品）を準備つまり用意するステップと、交換用細部を機械加工されたベーン部分に対して配置するステップと、機械加工されたベーン部分と交換用細部との間に接合部を形成するステップと、を有してなる。
【００１０】
本発明に係わるベーンの修理方法のその他の詳細およびその他の目的や特長は、以下の詳細な説明および添付図面に説明されている。添付図面において、同じ参照番号は同様な構成要素を示している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、修理されるベーン１０が例示されている。ベーン１０は内側プラットフォーム１１、内側バトレス１２、外側プラットフォーム１３、外側バトレス１４、および内側プラットフォーム１１と外側プラットフォーム１４の間に延在するエアフォイル１６を有している。外側バトレス１４は、ベーン１０をその他のエンジン部品と接合させるための複数のボルト穴１８を有している。
【００１２】
図２には、ベーン１０が機械加工され、内側プラットフォーム１１、内側バトレス１２、およびエアフォイル１６が完全に取り外された後に残ったベーン１０の一部１５、外側プラットフォーム１３の中央部、および外側バトレス１４の一部が例示されている。ベーン１０の上記部分は、研削、ミリング（圧延）あるいはワイヤ放電加工などの、従来公知の任意の適切な方法を用いて取り外される。図２から明らかなように、取り外しステップの結果、外側バトレス１４の後方バトレスフランジ２３にノッチ（切り欠き部）２２が形成される。ノッチ２２は好ましくはバトレス後縁延長部の表面２４よりも上方に延在する。さらに図２から明らかなように、後方バトレスフランジ２３と前方バトレスフランジ３０の間の外側プラットフォーム１３の中央部２８が、プラットフォームのサイドレール３２および３４を残して取り外される。中央部２８を取り外すために使用された切断部（切り口）ができたことで、図３に例示された交換用細部４０をプラットフォームのサイドレール３２と３４の間に差し込む場合において、交換用細部４０のエアフォイル４２の部分が修理されたベーン１０’内に正しくずらして結合できて、交換用のエアフォイル４２と隣接するベーンのエアフォイルとの間に適切な流路が提供される。ノズル領域は、プラットフォームのサイドレール３２と３４が切断される角度と、交換用細部４０上の各合わせ面（接合面）の角度とによって調整される。これにより交換用のエアフォイル４２全体を回転させてノズル領域に適合させることが可能となる。
【００１３】
図３には、ベーン１０を修理するために用いられる交換用細部４０が例示されている。交換用細部４０は、一体化して形成された、交換用の内側プラットフォーム４３、交換用の内側バトレス４４、および交換用のエアフォイル４２を有している。交換用細部４０はさらに、プラットフォームサイドレール３２と３４の間に位置すべき、一体化して形成された新しい中央部４６を有しており、この中央部は、交換用の外側プラットフォーム部４５、ノッチ２２内に位置すべき一体化して形成された***部分４８、および一体化して形成された交換用のバトレス後縁延長部５０を含んでおり、***部分４８は中央部４６の表面の上部に延在している。交換用細部４０は、上述の特長を有した鋳造構造体である。交換用細部４０は、ベーン１０を形成する材料と同じ材料、または適合性ないし相容性（相溶性）の材料で形成される。
【００１４】
図４には、交換用細部４０が、機械加工されたベーン部分１５に対して配置され、またそこに接合された後の、修理されたベーン１０’が例示されている。交換用細部４０と機械加工されたベーン部分１５は、従来公知の任意の適切な接合技術やろう付け技術などを用いて接合される。好ましくは拡散ろう付け技術を用いて、交換用細部４０と機械加工されたベーン部分１５が接合される。拡散ろう付けは、ホウ素含有コバルトベースのろう付け合金のようなろう付け材料（接合材料）を交換用細部４０と機械加工されたベーン部分１５の各表面に適用つまり付け、接合させることで実施される。ろう付け材料が適用された後、機械加工されたベーン部分１５と交換用細部４０が炉内に配置される。修理されたベーン１０’は次いで、２１９０°F（約１１９９℃）から２２４０°F（約１２２７℃）までの第１の温度で１分間から２０分間の間、０．０００５トールまたはそれより低い圧力において加熱される。その後、修理されたベーン１０’は、２１２５°F（約１１６３℃）から２１７５°F（約１１９１℃）までの第２の温度で、１分間から１０分間の間、０．０００５トールまたはそれより低い雰囲気圧力（大気圧）で加熱される。その後修理されたベーンは、約２０８５°F（約１１４０℃）から約２１１５°F（約１１５７℃）までの第３の温度で、好ましくは毎分約１°F（約０．５５５℃）の冷却率で冷却される。次いで修理されたベーンは、第３の温度に８時間から１２時間の間だけ保持される。この初期冷却期間が完了した後、修理されたベーン１０’は室温つまり約６８°F（約２０℃）になるまで冷やされる。
【００１５】
本発明の修理方法によれば、エアフォイル内に溶接部のない修理されたベーンとすることができる。溶接あるいは拡散ろう付けのいずれでも接合部内での材料の強度はベース合金より小さい。より耐久性のあるベーンを提供する一方で、エアフォイルはエアフォイル内においては最高温度および高張力にさらされている。さらに、接合部はエアフォイルよりも低い温度に曝されることから、接合部における必要条件は低い。
【００１６】
上述のとおり、本発明による修理方法は、再製作工程を追加することに代えて、接合部の表面を機械加工することで、ベーンノズル領域の調整を可能とするものである。ベーンの再製作は、ノズル領域を補正するためにエアフォイルのキャンバつまり反りが変わる。また再製作は、変形された部分、特に後縁のルート部および先端部に微細亀裂（微少割れ）が生じることがある。再製作によりエアフォイルの最良の形状が変化する。これらの理由により再製作は望ましくないものである。
【００１７】
上記のように、本発明では、ノズル領域は、機械加工されたベーン部分および交換用細部上で接合部の表面により作り出される角度によって調整される。エアフォイル全体は領域に適合するように回転される。
【００１８】
通常、エアフォイルの冷却は、内側バッフルと内側ベーン壁面との間に厳密に調整された嵌め合いを維持することでなされる。エアフォイル内で溶接継手部が一致しないと冷却効果が低減する。本発明による修理方法は、新しいベーンと同程度に従来の内側バッフルのベーンへの嵌め合いが可能であることから、十分に効果的である。
【００１９】
本発明の方法で使用される二次元的な接合構造においては、研削、ミリングあるいはワイヤ放電加工などによる単純な機械加工が可能である。接合部の嵌め合いは、拡散ろう付けなどのろう付け工程で使用するために必要な許容誤差つまり公差まで調整することができる。
【００２０】
ベーン全体の修理方法に対して、本発明による修理方法は、元の外側プラットフォームのグランド面、シールスロットおよびボルト用穴などを維持しつつ、プラットフォームの機械加工を必要としない。さらに、外側プラットフォームの機械加工された表面を基準面（基準点）として用いて、任意の内側プラットフォームの機械加工を行うことができる。
【００２１】
本発明による修理方法の結果として、エアフォイルの負荷の殆どは接合部を通らずに交換用細部を介して内側および外側の鋳造構造体に直接的に伝達され、接合部に対する強度の必要条件が下がる。１００%の接合破壊が発生した場合でも、エンジンのガス流路内へ部品が遊離することがない。
【００２２】
以上の説明では、内側プラットフォームと内側バトレスの全体を取り外し、また外側のプラットフォームと外側のバトレスの一部を取り外すという修理方法について例示したが、その代わりに外側プラットフォームと外側のバトレスの全体および内側プラットフォームと内側バトレスの一部が取り外される場合であれば類似したベーンにおいて本発明の方法は同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】修理されるベーンの斜視図である。
【図２】内側プラットフォーム、内側バトレス、エアフォイルを有し、また外側プラットフォームと外側バトレスの一部が取り外された図１のベーンの斜視図である。
【図３】本発明の方法において使用される交換用細部の斜視図である。
【図４】本発明により修理されたベーンの斜視図である。
【符号の説明】
１０、１０’ベーン
１１ 内側プラットフォーム
１２ 内側バトレス
１３ 外側プラットフォーム
１４ 外側バトレス
１６ エアフォイル
４０ 交換用細部
４２ エアフォイル
４３ 内側プラットフォーム
４４ 内側バトレス
４５ 外側プラットフォーム

Claims (18)

1. タービンエンジンで使用されるベーンを修理する方法であって、
   第１のプラットフォーム、第２のプラットフォーム、および前記第１のプラットフォームと前記第２のプラットフォームとの間に延在するエアフォイルを少なくとも有する、修理されるべきベーンを準備するステップ、
   前記ベーンから前記第１のプラットフォームと前記エアフォイルを完全に取り外すと共に機械加工されたベーン部分を残して前記第２のプラットフォームの一部を取り外すステップ、
   交換用のエアフォイルおよび交換用の第１のプラットフォームを少なくとも有する交換用細部を準備するステップ、
   前記交換用細部を前記機械加工されたベーン部分に対して配置するステップ、および
   前記機械加工されたベーン部分の面と前記交換用細部の面との間に接合部を形成するステップを有してなり、
   前記修理されるべきベーンが、第１のバトレスと、後縁の延長部を有する第２のバトレスとをさらに有し、および
   前記取り外すステップが、前記第１のバトレスを完全に取り外すと共に前記第２のバトレスの一部および前記後縁の延長部を取り外して前記第２のバトレス内にノッチを作るステップを有してなる、ことを特徴とする方法。
2. 前記第２のプラットフォームの一部を取り外すステップが、前記第２のプラットフォームの中央部を取り外して第１のプラットフォームのサイドレールと第２のプラットフォームのサイドレールを形成するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記交換用細部を準備するステップが、新しい中央の第２のプラットフォーム部分、***部分、および交換用バトレスの後縁延長部分を備えた交換用細部を準備するステップであり、また、前記配置するステップが、前記***部分が前記ノッチ内に嵌め合わされると共に前記新しい中央の第２のプラットフォーム部分が前記プラットフォームの各サイドレールの間に嵌め合わされるように、前記交換用細部を配置するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記接合部を形成するステップの前に、前記機械加工されたベーン部分と前記交換用細部の一緒に接合される各表面に接合材料を付けるステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記接合材料を付けるステップが、前記各表面にろう付け合金を付けることを有してなる、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記接合材料を付けるステップが、ホウ素を含有するコバルトベースのろう付け合金を前記各面に付けるステップを有してなる、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
7. 前記接合部を形成するステップが、前記交換用細部と前記機械加工されたベーン部分の各面を溶接するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記接合部を形成するステップが、前記交換用細部と前記機械加工されたベーン部分の各面をろう付けするステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記接合部を形成するステップが、前記交換用細部と前記機械加工されたベーン部分の各面を拡散ろう付けするステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. タービンエンジンで使用されるベーンを修理する方法であって、
    第１のプラットフォーム、第２のプラットフォーム、および前記第１のプラットフォームと前記第２のプラットフォームとの間に延在するエアフォイルを少なくとも有する、修理されるべきベーンを準備するステップ、
    前記ベーンから前記第１のプラットフォームと前記エアフォイルを完全に取り外すと共に機械加工されたベーン部分を残して前記第２のプラットフォームの一部を取り外すステップ、
    交換用のエアフォイルおよび交換用の第１のプラットフォームを少なくとも有する交換用細部を準備するステップ、
    前記交換用細部を前記機械加工されたベーン部分に対して配置するステップ、および
    前記機械加工されたベーン部分の面と前記交換用細部の面との間に接合部を形成するステップを有してなり、
    前記接合部を形成するステップが、前記交換用細部と前記機械加工されたベーン部分の各面を拡散ろう付けするステップを有してなり、
    前記拡散ろう付けするステップが、前記接合部を形成するステップの前に一緒に接合されるべき前記各面にろう付け材料を付けるステップと、前記ろう付け材料を付けるステップの後に前記機械加工されたベーン部分を前記交換用細部と共に炉の内部に配置するステップと、前記機械加工されたベーン部分と前記交換用細部を２１９０°Ｆ（約１１９９℃）から２２４０°Ｆ（約１２２７℃）の第１の温度で１分から２０分の間だけ加熱するステップとを有してなる、ことを特徴とする方法。
11. 前記拡散ろう付けステップが、前記機械加工されたベーン部分と前記交換用細部を２１２５°Ｆ(約１１６３℃）から２１７５°Ｆ（約１１９１℃）の第２の温度で１分から１０分の間だけ加熱するステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記拡散ろう付けステップが、前記機械加工されたベーン部分と前記交換用細部を前記第２の温度から約２０８５°Ｆ（１１４０℃）から約２１１５°Ｆ（１１５７℃）までの第３の温度に冷却し、また前記第３の温度を８時間から１２時間まで間だけ保持するステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記冷却ステップが、毎分約１°Ｆ（約０．５５５℃）の冷却率で実施される、ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記拡散ろう付けステップが前記機械加工されたベーン部分と前記交換用細部を前記第３の温度から室温まで冷却させるステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１２記載の方法。
15. タービンベーンの修理において使用される交換用細部であって、第１のプラットフォームと、第２のプラットフォームの一部と、前記第１のプラットフォームと前記第２のプラットフォームの一部との間に延在する交換用のエアフォイルとを有してなり、
    前記第２のプラットフォーム面の表面の上方に延在する***部分、および交換用バトレスの後縁延長部をさらに有してなる、ことを特徴とする交換用細部。
16. 前記第１のプラットフォームと一体化して形成された第１のバトレスをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１５記載の交換用細部。
17. 前記第１のプラットフォーム、前記第２のプラットフォームの一部、および前記交換用エアフォイルが一体化して形成されている、ことを特徴とする請求項１５記載の交換用細部。
18. 前記交換用細部が鋳造構造体である、ことを特徴とする請求項１５記載の交換用細部。

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