JP4097419B2 - タービンノズルセグメント及びその修理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、そのようなエンジンに用いられるタービンノズルセグメントの修理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、加圧空気を燃焼器に供給する圧縮機を備え、その燃焼器内で空気が燃料と混合され点火されて高温燃焼ガスを発生する。このガスは、下流のタービンセクションに流れ、タービンセクションは、そのガスからエネルギーを取出して圧縮機を駆動し、また飛行中の航空機に動力を供給するなどの有用な仕事を行なう。航空機エンジンは、一般的に固定タービンノズルを備え、このタービンノズルがタービンセクション内部のガスの流れと圧力に適切に影響を与えることによってエンジンの性能を増強させる。多段式のタービンセクションでは、タービンノズルは、ノズルの下流に位置するタービンロータ内に燃焼ガスを流すために各タービン段の入口に置かれる。タービンノズルは、典型的には、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、ノズルを通って流れる高温燃焼ガスのための半径方向の流路境界を定める内側及び外側バンドの間に配置された１つ又はそれ以上のベーンを有する。これらのノズルセグメントは、エンジンケーシングに取り付けられ、隣接するタービン段のロータブレードの間で、半径方向に延びるベーンを有する環状の配列を形成する。
【０００３】
ノズルセグメントを製造するための種々の方法が、提案されている。1つの通常の方法では、ノズルセグメントは、内側バンド、外側バンド及び１つ又はそれ以上のベーンを備える複合部品組立体であり、その各部品は個別に鋳造される。内側及び外側のバンドの両方にはスロットが設けられ、そのスロット内には、ベーンの端部が適所にろう付けされてノズルセグメント組立体を形成する。もう１つの通常の方法は、ノズルセグメントを一体鋳造することである。すなわち、ベーン、内側バンド及び外側バンドは、一体の単一部品鋳造体として、全て一体に形成される。
【０００４】
両方の方法とも、有利な点と不利な点を有する。例えば、複合部分の方法の1つの欠点は、ノズルセグメントがエンジンケーシングに外側バンドだけで通常取り付けられ、ベーン及び内側バンドが高温ガス流の中に本質的に片持ち支持されているという事実から生じる。従って、ノズルセグメント内の最も高い機械的応力は、ベーンと外側バンドの接合部で発生し、複合部品組立体内でのその接合部はろう付け継手であって、その強度は一体鋳造された接合部の強度より一般的に劣っている。また、複合部品ノズルセグメントは、その製造により経費がかかる可能性がある。従って、ノズルセグメントの多くは一体鋳造される。
【０００５】
ノズルセグメントは作動の間に、高温の腐食性ガス流に曝され、このことによりこれらの構成部品の有効耐用年数が限られる。従って、ノズルセグメントは、典型的には高温用コバルトあるいはニッケル基超合金で製作され、またしばしば、耐食性及び／又は耐熱性材料でコートされる。更に、ノズルセグメントは、通常、耐用年数を延ばすために、圧縮機から取出された冷却用空気を用いて内部冷却される。このような努力を行なっても、ノズルセグメントの各部分、特にベーンは、亀裂、腐食およびその他の損傷が起こる可能性があり、安全で効率的なエンジン作動を維持するためには、ノズルセグメントを修理あるいは交換しなければならない。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造られ、そして製造に費用がかかるので、一般的には可能なときは修理することがより望ましい。
【０００６】
現行の修理工程には、翼形部表面の亀裂修理及び寸法回復などの技術が含まれる。しかしながら、このような現行の修理には、局部的な変形により、また、繰返し修理や化学的剥離工程により過度に促進される最低壁厚さのために限界がある。従って、ノズルセグメントは、既知の修理工程では修理できない部位に損傷を受ける可能性がある。一体鋳造ノズルセグメント内の熱的及び機械的応力のために、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しばしば発生する。
【特許文献１】
米国特許５，２６９，０５７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、このような状態にあるノズルセグメント全体をスクラップ化することを避けるため、ノズルセグメントの修理可能な部分を回収するための方法を得ることが望まれている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の要求は、外側及び内側バンドの間に配置された少なくとも１つのベーン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。この方法は、ノズルセグメントから内側バンドを分離する工程と、その内側バンドを、外側バンド及び少なくとも１つのベーンを有する新たに製造された交換用鋳造体に結合する工程とを含む。交換用鋳造体は、ベーンの１端部上に形成された取付け台座及び該取付け台座上に形成された突出部を備える。カラーが内側バンドに結合され、カラーにはその中にスロットが形成されている。次に、突出部がスロットに挿入され、取付け台座が内側バンド内に形成された凹部に受け入れられる。結合は、カラーを突出部に結合し、取付け台座を内側バンドに結合することにより完了する。
【０００９】
本発明及び従来技術に優るその利点は、以下の詳細な記述及び添付した特許請求の請求を付属図面を参照して読むことにより明らかとなるであろう。
【００１０】
発明と考えられる主題は、本明細書の冒頭部分に特に示され、明確に請求されている。しかしながら、本発明は、付属図面の各図に関連してなされる以下の記述を参照することにより最もよく理解できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
多くの図にわたって同一の参照番号が同じ要素を示す図面を参照すれば、図１は、第１及び第２ベーン１２を有するタービンセグメント１０を示す。ベーン１２は、弓状の外側バンド１４と弓状の内側バンド１６の間に配置される。ベーン１２は、その下流に設けられたタービンロータ（図示せず）に、燃焼ガスを最適に導くような形状とされた翼形部を形成する。外側及び内側バンド１４、１６は、ノズルセグメント１０を通るガス流の外側及び内側の半径方向の境界をそれぞれ定める。ベーン１２は、その中に形成された複数の通常の冷却孔１８及び後縁スロット２０を有することができる。冷却孔は、最も典型的には第１段ノズルセグメントに使用され、後段のノズルセグメントは通例そのような冷却孔は用いない。ノズルセグメント１０は、コバルト基あるいはニッケル基超合金のような高級の超合金で造られることが好ましく、また耐食性材料及び／又は熱障壁コーティングでコートされることができる。ガスタービンエンジンは、環状の形態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を備えることになる。本明細書では、本発明の修理方法を２つのベーンを有するセグメントに関して記述しているが、本発明は、如何なる数のベーンを有するノズルセグメントにも等しく適用できることを理解されたい。
【００１２】
エンジン作動の間、ノズルセグメント１０は、過熱された局部的ガス流あるいはそれに衝突する異物により起こり得る損傷を受ける可能性がある。上述のように、ノズルセグメント１０の部分は、既知の修理工程では修理できない部位に損傷を受ける可能性がある。本発明は、内側バンドが修理可能であるが、他の構造体が修理不能であるノズルセグメントの修理方法に関する。例として、図１には、ベーン１２が修理不能なような大きい損傷を有するように示され、一方、内側バンド１６は比較的小さい損傷を有し修理可能であるように示されている。本発明は、一体鋳造のノズルセグメントに最もよく適用できるが、他の形式のノズルセグメントにも同様に用いることができる。
【００１３】
修理方法は、内側バンド１６をノズルセグメント１０から分離する工程と、次にその内側バンドを、内側バンドが取除かれた構造体に置き換わる、特別に設計され新たに製造された鋳造体に結合する工程との主要各工程を含む。図２に示すように、回収可能な内側バンド１６は、低温側面２２（高温ガス流路から離れて面している側面）及び高温側面２４（高温ガス流路に面している側面）を有し、フランジ２６及びダンプ孔２８のような通常の構造を備えている。ノズルセグメント１０がエンジンに設置されたとき、フランジ２６は、内側バンド１６に構造的支持を与え、またシール機能を果たす。ダンプ孔２８は、ノズルセグメントが損傷を受けていないとき、冷却用空気がそれによってベーン１２の内部冷却通路を出る手段である。図３は新たに製造された鋳造体の１つを示し、今後は交換用鋳造体３０と呼ぶ。以下により詳細に記述するが、交換用鋳造体３０は、外側バンド３２及び２つのベーン３４を有する一体鋳造品である。
【００１４】
より具体的にのべると、修理方法の最初の工程は、現場から補修のために返されてきたエンジン作動用のノズルセグメントを検査し、修理可能な内側バンド１６を有し、一方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。適したノズルセグメント１０が識別されたら、存在し得る何れものコーティング材料（耐食あるいは耐熱コーティングのような）が剥がされる。コーティング材料は、グリットブラスト、化学薬品浴その他、あるいはそのような技術の組合わせなどの、何れかの好適な方法を用いて剥離させることができる。次の工程は、ろう付け、ろう肉盛り、溶接その他の既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の寸法的な増加を行なうことである。これらの通常の修理は、内側バンド１６の状態により必要に応じて行なわれる。最初に用いられていた耐食あるいは耐熱コーティングの何れもが、この時点では再施工されていない。
【００１５】
次の工程は、内側バンド１６を、ノズルセグメント１０の残りの部分から分離することである。分離は、内側バンド１６の近傍で、両方のベーン１２を荒切断することにより行なわれる。切断は、切断といし車あるいは放電加工のような何れかの通常の手段により行なうことができる。分離後、回収できない構造体はスクラップ化され、内側バンド１６は、交換用鋳造体３０との結合のために前処理される。内側バンドの前処理の第１の工程は、図２に示すように、内側バンド低温側面２２内に２つの平坦なポケット３６を機械加工することである。２つのポケット３６は、２つのベーン３４の各々に対して一個づつのポケットが存在するように、設けられる。異なる数のベーンを有するノズルセグメントのためには、対応する数のポケットが用いられる。ポケット３６は、それぞれのダンプ孔２８の周りに形成され、比較的浅い。ダンプ孔２８は、ポケット３６を機械加工するために用いる工具の位置決めに用いることができる。
【００１６】
次の工程は、図４に示すように、ポケット３６の各々にカラー３８をタック溶接することである。カラー３８は、特定の寸法をもつ中実のほぼ直方体のブロックであり、各ポケット３６に接合する平坦な表面を有している。従って、ポケット３６は、内側バンド１６の輪郭を付けた低温側面２２上へのカラー３８の着座を容易にするために設けられる。カラー３８は、内側バンド１６と同一又は類似の材料で、あるいは、少なくとも内側バンド１６及び交換用鋳造体３０を結合するための適合性を有する材料で造られるのが好ましい。
【００１７】
図５及び図６を参照すれば、カラー３８を低温側面２２の適所にタック溶接した後、内側バンド１６に２つの機械加工作業を施す。第１の作業において、図５に示すように、２つの凹部４０が内側バンド１６の高温側面２４内に形成される。凹部４０の周囲は、ベーン３４の翼形部の輪郭と近似している。翼形部形状の凹部４０を形成する１つの好ましい方法は、各凹部４０に放電加工（ＥＤＭ）を施すことである。このことは、翼形部形状を有するＥＤＭ電極を用いて達成される。電極は、流路壁を取除く深さまでにのみ押し込まれ、支持フランジ２６内には押し込まれない。しかしながら、凹部４０は、図５及び図６で見ることができるように、ある場所では内側バンド１６を突き抜けている。しかし、カラー３８は凹部４０より広く、内側バンド構造体にかぶさり、凹部４０の開口部分は通過できない。
【００１８】
ダンプ孔２８は、ここでも、ＥＤＭ押し込み操作のためのＥＤＭ電極の位置決めに用いることができる。２つの凹部４０のためのＥＤＭの押し込みは、２つの平行でない軸線に沿って行なわれる。タービンノズルは、環状配列に配置されたノズルセグメントを備えているので、ベーンの全ては、エンジンの中心軸線に集中し従って並行でない、半径方向の軸線を形成している。交換用鋳造体３０のそれぞれのベーン３４の半径方向の軸線に一致した押し込み軸線に沿って凹部４０を加工することにより、各凹部は、それぞれのベーン３４が各凹部に適正に着座できるような方向に向けられる。
【００１９】
第２の機械加工作業においては、受入れスロット４２が、各カラー３８内に機械加工される。受入れスロット４２は、カラー３８を貫通して半径方向に延び、機械加工作業の間に取除かれるダンプ孔２８の位置にほぼ位置合わせされる。受入れスロット４２もまた、ＥＤＭを押し込むことによって形成できる。この場合には、両方の受入れスロット４２が平行な軸線で形成される。このことは、適切な形状の二重電極を用いた単一の操作で達成可能である。受入れスロット４２は平行であり、以下でより詳細に記述するが、交換用鋳造体３０の取付けを可能にする。
【００２０】
交換用鋳造体３０もまた、内側バンド１６へ結合するのに先立って、若干の機械加工を施される。再び図３を参照すると、交換用鋳造体３０は、外側バンド３２及び２つのベーン３４を有する一体鋳造部品であることが分かる。外側バンド３２及びベーン３４は、完全なノズルセグメント１０のそれらと同一であり、同一の内部冷却流路を備えている。しかしながら、交換用鋳造体３０は、内側バンドの代わりに各ベーン３４の半径方向内端部上に一体成形された取付け台座４４を有している。各取付け台座４４とベーン３４との接合部には応力を軽減させるためにフィレットが形成されている。各取付け台座４４は、その下面に一体形成された持ち上がった突出部４６を有している。ダンプ孔４８は、各突出部４６内に形成される。
【００２１】
当技術分野では公知のように、ノズルセグメント１０のような、完全な一体鋳造ノズルセグメントには、３つの主要基準点があり、その１つは内側バンド上に形成される。これらの主要基準点は、品質認定の目的のためノズルセグメントを検査するのに用いられる。従って、交換用鋳造体３０は、その前部に各取付け台座４４の端縁に形成された、小さい平坦面すなわち基準面５０を伴って鋳造される。小さい平坦部５０の１つは、交換用鋳造体３０が検査及び品質認定されることを可能にする第３の主要基準点として機能する。
【００２２】
取付け台座４４は、翼形凹部４０とほぼ同一形状を有するが、故意に大きい寸法とされる。従って、交換用鋳造体３０は、過剰の余肉材料を取除くために、ＥＤＭあるいはフライス加工のような予備的な機械加工を施される。機械加工される表面は、取付け台座４４の端縁及び底部表面、及び突出部４６の周縁部である。図７に示すように、取付け台座４４は翼形凹部４０内に嵌め込まれる大きさとされ、突出部４６は受入れスロット４２に嵌め込まれる大きさとされる。台座４４の端縁の機械加工は、小さい平坦部５０も取除くが、これは交換用鋳造体が品質認定された後はもはや不要である。これらの表面の全ては両方のベーンについて平行な軸線に沿って機械加工される。従って、突出部４６は、これもまた同じ平行な軸線で機械加工されている受入れスロット４２内に設置できるような方向に向けられる。もし突出部４６がそれぞれのベーン３４の半径方向の軸線に沿って機械加工された場合には、集束している表面は各突出部４６の高さ故に拘束するので、突出部４６はスロット４２内に設置されることができない。取付け台座４４は、突出部４６よりも著しく小さい深さを持つので、翼形凹部４０内に受け入れられる。
【００２３】
また、ダンプ孔ポケット５２がダンプ孔４８内に機械加工される。このポケット５２は、ダンプ孔４８を通ってそれぞれのベーン３４を出る冷却用空気の流量及び速度を維持する断面積及び深さに機械加工される。すなわち、ダンプ孔ポケット５２は、冷却用空気の流量及び速度が元のノズルセグメント１０におけるのと同一となるような寸法とされる。ポケット５２は、それぞれのベーン３４の半径方向の軸線に沿って、ＥＤＭを押し込むことにより形成されるのが好ましい。
【００２４】
機械加工作業が完了したのち、内側バンド１６及び交換用鋳造体３０は組立てられ、図８に示す修理されたノズルセグメント３０を形成する。（図８には、交換用鋳造体３０との接合部を明らかにするために、内側バンド１６を点線で示している。）上記で示したように、内側バンド１６及び交換用鋳造体３０は、取付け台座４４を対応する翼形凹部４０内に、また突出部４６を対応する受入れスロット４２内に設置することにより組立てられる。次いで、各部品は下記の接合面に沿って固着することにより互いに結合される。接合面には、内側バンドの高温側面２４上の取付け台座と内側バンドの接合面、カラーと突出部の接合面、及び内側バンドの低温側面２２上のカラーと内側バンドの接合面が含まれる。固着は、ろう付け又は溶接のような通常の方法で行なうことができるが、エンジン作動の間に部品が曝される熱勾配故に、ろう付けが一般的に好ましい。１つの好ましい結合作業は、最初に各カラー３８をそれぞれの突出部４６にタック溶接することである。次の工程で、内側バンド高温側面２４をろう付け用粉末で覆い、取付け台座と内側バンドの接合面上にスラリーを塗布する。低温側面２２上では、ろう付け用のろうをカラーと突出部、及びカラーと内側バンドの接合面に塗布する。次いで、組立体は、内側バンド１６が上方に位置するようにして炉中に置かれ、ろう付けされる。
【００２５】
最後に、元用いられていた耐食あるいは耐熱コーティングが既知の方法で再施工される。得られるものは、以前用いられていた部分（内側バンド１６に相当）及び新たに製作された部分（交換用鋳造体３０に相当）を有する修理されたノズルセグメント５４である。カラー３８は、ノズルセグメント５４に対して構造的強化をもたらす。カラー３８はまた、第２の保持形状を与える。すなわち、取付け台座と内側バンドの固着が破損した場合に、カラーの張り出しによりカラー３８が内側バンド１６から引き抜かれるのが防がれるので、カラー３８は、内側バンド１６からベーン３４が分離することを防止する。
【００２６】
1つの好ましい実施形態において、交換用鋳造体３０は、内側バンド１６と同じ材料で製作され、元のノズルセグメント１０の材料特性を保持している修理されたノズルセグメント５４を製造する。しかしながら、別の好ましい実施形態においては、交換用鋳造体３０は、異なる材料、好ましくは増強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、そのような構成部品に用いるのに好適な改良された合金が開発される場合がしばしばある。伝統的に、エンジン操作者は、既存の構成部品を、増強された材料特性を実現する改良された合金で製作された新しい構成部品に交換しなければならない。しかしながら、改良された合金で交換用鋳造体３０を製作することにより、修理されたノズルセグメントは、増強された材料特性を部分的に取得することができる。
【００２７】
以上の記載は、タービンノズルセグメントのための組立て式の修理方法及びその修理工程に用いられる交換用鋳造体を記述してきた。本発明の特定の実施形態を説明したが、添付された特許請求の範囲に記載した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、本発明に対して種々の変更を行なうことが可能であることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エンジン作動用のタービンノズルセグメントの斜視図。
【図２】 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。
【図３】 本発明の修理方法において用いられる交換用鋳造体の斜視図。
【図４】 カラーを取り付けられた、図２の内側バンドの斜視図。
【図５】 機械加工後の、図４の内側バンドの斜視図。
【図６】 機械加工後の、図４の内側バンドの、別の斜視図。
【図７】 機械加工後の、図３の交換用鋳造体の斜視図。
【図８】 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】
１６ 内側バンド
３０ 交換用鋳造体
３２ 外側バンド
３４ ベーン
３８ カラー
４４ 取付け台座
４６ 突出部
５４ ノズルセグメント

Claims (5)

1. 外側及び内側バンド（１４、１６）の間に配置された少なくとも１つのベーン（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、
   前記ノズルセグメント（１０）から前記内側バンド（１６）を分離する工程と、
   前記内側バンド（１６）を、外側バンド（３２）及び少なくとも１つのベーン（３４）を有する、新たに製造された交換用鋳造体（３０）に結合する工程と、
   を含み、
   前記内側バンド（１６）を前記交換用鋳造体（３０）に結合する工程が、
   前記内側バンド（１６）にカラー（３８）を結合する工程と、
   前記カラー（３８）にスロット（４２）を形成する工程と、
   前記交換用鋳造体（３０）の前記ベーン（３４）の一部分を前記スロット（４２）に挿入する工程と、
   前記交換用鋳造体（３０）の前記ベーン（３４）を前記カラー（３８）及び前記内側バンド（１６）に結合する工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記内側バンド（１６）内にポケット（３６）を形成する工程を更に含み、前記カラー（３８）が前記ポケット（３６）において前記内側バンド（１６）に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 外側及び内側バンド（１４、１６）の間に配置された１つ又はそれ以上のベーン（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、
   前記ノズルセグメント（１０）から前記内側バンド（１６）を分離する工程と、
   外側バンド（３２）及び１つ又はそれ以上のベーン（３４）を有し、該ベーン（３４）の各々が、その１端部上に形成された取付け台座（４４）及び該取付け台座（４４）上に形成された突出部（４６）を有する、新たに製造された交換用鋳造体（３０）を準備する工程と、
   前記交換用鋳造体（３０）の各ベーン（３４）のための１つのカラー（３８）を前記内側バンド（１６）の１つの側面に結合する工程と、
   前記交換用鋳造体（３０）の各ベーン（３４）のための１つの凹部（４０）を前記内側バンド（１６）の他の側面内に形成する工程と、
   各カラー（３８）内にスロット（４２）を形成する工程と、
   前記交換用鋳造体（３０）の各ベーンについて、前記突出部（４６）を対応する前記スロット（４２）内に、また前記取付け台座（４４）を対応する前記凹部（４０）内に挿入する工程と、
   前記交換用鋳造体（３０）の各ベーンについて、前記突出部（４６）を前記対応するカラー（３８）に、また前記取付け台座（４４）を前記内側バンド（１６）に結合する工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
4. 前記内側バンド（１６）内に各カラー（３８）のための１つのポケット（３６）を形成する工程を更に含み、各カラー（３８）は前記対応するポケット（３６）において前記内側バンドに結合されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. ろう付けにより、各カラー（３８）が前記内側バンド（１６）に結合され、各突出部（４６）が前記対応するカラー（３８）に結合され、また各取付け台座（４４）が前記内側バンド（１６）に結合されることを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の方法。

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