JP2002201962A - 冷却されるタービン部品を改造する方法及び改造された部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンエンジン部品（１０）の冷却方
式が、インベストメント鋳造の再設計をすることなく局
所冷却を改良するために改造される。 【解決手段】 改造は、溝（２８）が部品（１０）に接
続された冷却媒体供給源と流体連通するように、部品
（１０）に少なくとも１つの溝（２８）を形成すること
を含む。溝（２８）は次いで除去可能な材料（３６）で
部分的に充填され、除去可能な材料（３６）は、パッチ
材料（３８）で覆われ、溝（２８）を完全に充填する。
最後に、除去可能な材料（３６）は、冷却媒体供給源と
流体連通する部品（１０）の中に内部冷却通路（４０）
を作るため、溝（２８）から取り除かれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、ガスタービンエン
ジンに使用される特定の部品の補修及び／又は性能向上
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含み、燃焼器中で空気は燃料と
混合され点火されて高温燃焼ガスを発生する。これらの
ガスは、下流に向かって１つ又はそれ以上のタービン段
に流れ、タービン段はガスからエネルギーを抽出して圧
縮機に動力を供給し、また有用な仕事を行う。各タービ
ン段は、普通、固定タービンノズルを含み、次にタービ
ンロータがそれに続く。タービンロータは、エンジンの
中心軸線の周りを回転するロータディスクの周辺に取付
けられたロータブレード（時にはバケットと呼ばれる）
の列を含む。タービンロータが仕事をすることができる
ように燃焼ガスをタービンロータに導くノズルは、ロー
タブレードと半径方向に位置合わせされ円周方向に間隔
を置いて設置された複数のベーンを含む。タービンノズ
ルは一般に熱膨張を吸収するためにその円周方向周りに
セグメント化されている。各ノズルセグメントは、内側
及び外側バンドの間に配置された１つ又はそれ以上のノ
ズルベーンを持ち、内側及び外側バンドはノズルを通っ
て流れる高温燃焼ガスのための、半径方向の流路境界を
形成している。

【０００３】タービンセクションは燃焼器の出口に取付
けられ、そのため極度に高温の燃焼ガスに曝される。タ
ービン部品を高温燃焼ガスから保護するために、それら
はしばしば冷却媒体で冷却される。タービン翼形部部品
（例えば、ロータブレード及びノズルベーン）を冷却す
る１つの一般的な方法は、圧縮機から加圧空気の一部を
抽出し、この抽出空気を部品の内部通路に導くことであ
る。空気は内部通路を通って循環し、部品構造物から熱
を取り除く。空気は、翼形部表面に形成された小さいフ
ィルム冷却孔を通って出て行き、翼形部表面に冷却空気
の薄い層あるいはフィルムをつくることができる。フィ
ルム冷却は内側及び外側バンドにも使用できる。本件の
場合、バンドはそれを貫通して半径方向に延びるフィル
ム冷却孔を含む。冷却空気はフィルム冷却孔を通って流
れ、バンドの高温側に冷却空気フィルムを形成する。そ
の他の既知の冷却方法は、閉回路モードの中にあるガス
タービン部品のための冷却媒体として、複合ボトミング
サイクルエンジンからの蒸気を使用することを含む。閉
回路冷却空気をタービン部品に供給する、タービンとは
別の場所に設置した圧縮空気装置もまた、使用されてい
る。

【０００４】最近では、ロータブレード及びノズルセグ
メントのような冷却されるガスタービン部品は、一般に
インベストメント鋳造品で作られている。鋳造部品はそ
れらの鋳造構造の中に冷却方式（通路寸法と経路、及び
内部リブ渦流発生装置のような形状の位置と寸法のよう
な）の主要な設計上の特徴形状を含む。それ故に、冷却
方式の変更はインベストメント鋳造の再設計を必要と
し、多くの時間と費用がかかる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】冷却されるタービン部
品は、エンジン動作中の厳しい条件に曝されると、時と
して特定の局所部位が部品の意図される機能あるいは寿
命のためには不適切な冷却を受けることが見出されてい
る。このことは局所部位に焼付き、亀裂等のような損傷
を生じさせる可能性がある。そのような損傷は、部品の
早期整備あるいは寿命短縮の原因となるであろう。しば
しば、部品の冷却方式の改造により、局所的な損傷を軽
減することができる。しかしながら、上述のように、そ
のような改造は、通常、高価で時間がかかるインベスト
メント鋳造の再設計を必要とする。従って、インベスト
メント鋳造の再設計のための長期間にわたる高価な開発
サイクルを経ることなく、局所的に冷却を改良するため
に部品冷却方式を改造する方法が望まれている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の要求は、冷却媒体
供給源を持つ、ガスタービンエンジン部品を改造する方
法を提供する本発明により満たされる。この方法は、溝
が冷却媒体供給源と流体連通するように、部品の中に少
なくとも１つの溝を形成することを含む。次に、溝を除
去可能な材料で部分的に充填し、この取り除きできる材
料をパッチ材料で覆い、溝を完全に充填する。最後に、
部品の中に内部冷却用通路を作るために、除去可能な材
料は溝から取り除かれる。

【０００７】従来技術より優れた本発明及びその利点
は、以下の詳細な記述及び添付した特許請求の範囲を、
付随の図面を参照して読むことにより明らかになるであ
ろう。

【０００８】本発明とみなされる主題を、本明細書の冒
頭の部分に具体的に指摘し明確に請求している。しかし
ながら、本発明は、添付図面の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良く理解できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】多くの図を通して同じ参照番号は
同じ部品を表している図面を参照すると、図１は従来の
タービンノズルセグメント１０を示す。ノズルセグメン
ト１０は、外側バンド１４と内側バンド１６の間に配置
されたベーン１２を含むインベストメント鋳造品であ
る。取り付けフランジ１８が、固定エンジン構造物にノ
ズルセグメント１０を取付けるための、内側バンド１６
の半径方向内側（あるいは低温側）２０に形成される。
ベーン１２は翼形部表面を形成し、冷却媒体がそこを流
れて、ベーン１２を冷却することできる中空の内部キャ
ビティを持つ。複数のフィルム冷却孔２２が、内側バン
ド１６を貫通して半径方向に延び、内側バンド１６の半
径方向外側（あるいは高温側）２４を内側バンド１６の
低温側２０に位置するプレナム（図１に示さず）と連結
する。プレナムはフィルム冷却孔２２を通って流れる、
圧縮機吐出空気のような冷却媒体の供給源として機能す
る。従って、フィルム冷却孔２２は、そこから内側バン
ド１６の後方縁部に延びる、内側バンド高温側２４上に
冷却媒体フィルムをもたらす。しかしながら、冷却媒体
プレナムは内側バンド１６の構造上の要求から前方位置
に限定されているので、フィルム冷却孔２２は、一般的
に取り付けフランジ１８の前方に設置される。このこと
からフィルム冷却孔は実質的に内側バンド後方縁部の上
流域に置かれる。従って、内側バンド高温側の後方の隅
領域２６は冷却が不適切となり、過熱、熱応力、クリー
プあるいは大量の熱により生じる低サイクル疲労による
局所的な損傷を受ける可能性がある。

【００１０】図２〜図８を参照すると、インベストメン
ト鋳造の再設計をすることなくノズルセグメント１０の
冷却方式を改造する方法が記載されている。冷却方式の
改造の目的は、後方隅領域２６の冷却性を改良し、局所
的損傷の発生を最小化することである。この方法は補修
あるいは性能向上のために導入することができる。すな
わち、この方法は局所的損傷の再発を回避するために現
場での使用から戻される損傷を受けた部品の修理におい
て、あるいは初めての箇所での局所損傷を回避するため
に、使用に供される前に新品の部品を性能向上させるた
めに使用することができる。従って、以後使用する場
合、部品を「改造する」というのは鋳造工程後の部品の
構造的な変更を意味する。さらに、この方法はタービン
ノズルセグメントの内側バンド上の局所的な損傷を軽減
するという関連のもとに本明細書に記載されるが、この
方法は内側バンドあるいはさらにノズルセグメントに限
定されるものでないことに注目されたい。この方法は不
適切な冷却による局所的な損傷を示す傾向を持つ、冷却
されるどのようなタービン部品にも適用できる。

【００１１】特に図２〜図４を参照すると、本方法の第
１の段階は、１つ又はそれ以上の溝２８を内側バンドの
高温側２４に形成することである。溝２８は取り付けフ
ランジ１８の前方位置から始まり、内側バンド１６の後
方縁部に延び、それにより局所損傷を受け易い後方隅領
域２６を横断する。図３に示すように、溝２８は比較的
浅いが、取り付けフランジ１８の前方の内側バンド低温
側２０に位置する冷却媒体プレナム３０に連結するのに
十分な深さを持つ。溝２８は、従来の機械加工、放電加
工、水ジェット加工、電解加工、パルス式電解加工及び
レーザ加工を含む、いずれか好適な方法で形成すること
ができる。図４に示すように、各溝２８は２つの部分す
なわち下方部分３２及び上方部分３４を持っている。２
つの部分３２、３４は、下方部分３２がより深くより狭
い部分となり、そして上方部分３４がより浅くより広い
部分となる状態で互に平行に延びている。ここにおい
て、より深く及びより浅いというのは、各々の部分３
２、３４の底部が位置する高温側２４からの距離を意味
し、個々の部分の側壁の特定の寸法を意味するものでは
ない。図は矩形断面形状を持つ溝２８を示しているが、
溝は多様の形態及び形状寸法を持つことができることに
注目されたい。また、下方部分３２は、熱伝達を増加さ
せることにより冷却を高めるために設計される、渦流発
生部、ピン状フィン等のような構造上の特徴を備えるこ
とができる。

【００１２】一旦溝２８が形成されると、図５に示すよ
うに、各下方部分３２は除去可能な材料３６で充填され
る。本明細書で使用される際、「除去可能な材料」は、
溝２８が下記の方法で「パッチを当てられた」後に、ノ
ズルセグメント１０を別の方法で変更することなく取り
除かれることができる材料を意味する。好適な例には、
セラミック材料又は耐熱塩、あるいは銅−ニッケル合金
及び低炭素鋼のような溶出可能な材料を含む。

【００１３】図６に移ると、次ぎの段階は、各々の上方
部分３４を、除去可能な材料３６を覆い、溝２８を完全
に充填するパッチ材料３８で充填することである。パッ
チ材料３８は、金属プラズマ溶射、電子ビーム物理蒸
着、拡散接合あるいは被覆加工のようないずれか好適な
方法で施される。従って、パッチ材料３８は内側バンド
１６の一体部分となり、それにより、溝２８を「パッ
チ」する。パッチ材料３８は、ノズルセグメント１０の
母材と同じ材料（あるいは少なくとも類似の特性を持つ
相溶性材料）であるのが望ましいが、場合によっては同
一でない材料を使用することもできる。ガスタービンエ
ンジン部品の場合には、これは通常ステンレススチー
ル、チタン及び高温超合金のような金属材料である。

【００１４】図７及び図８に示すように、パッチが完了
した後、除去可能な材料３８をそれぞれの溝２８の下方
部分３２から取り除く。このことは除去可能な材料３６
の性質に依存した多くの方法で達成される。例えば、溶
出可能な材料は、材料３６を通して適切な溶剤を浸透さ
せることにより取り除かれ、それにより溝２８から材料
３６が溶出される。耐熱塩は、ノズルセグメント１０を
塩が液化し流れ出す温度まで加熱することにより取り除
かれる。セラミック材料は、ノズルセグメントを適切な
酸浴槽に浸すことで取り除かれる。除去可能な材料３６
を取り除いた後、部品に通常施されるように、ノズルセ
グメントは保護用の周囲被覆材及び／又は断熱被覆材の
添加のために処理される。

【００１５】除去可能な材料３６の取り除きにより、冷
却媒体プレナム３０から内側バンド１６の後方縁部まで
延びる、内側バンド１６内の内部冷却通路４０が作られ
る。従って、内部通路４０は後方隅領域２６を通る冷却
媒体の流れを提供し、それにより、そうでなければこの
領域で起こりがちな局所損傷を軽減する。

【００１６】上述のようにタービンノズルセグメント１
０は、単に本発明を記述するための例として本明細書に
使用された。本発明はノズルセグメントに限定されるも
のではなく、不適切な冷却による局所損傷を示す傾向が
ある、冷却されるどのようなタービン部品にも適用でき
る。設けられる冷却溝は、それらが冷却媒体供給源に連
結されているかぎり、多様の形態及び形状寸法をとるこ
とができる。さらに、パッチの表面区域は、パッチ強度
が部品基質材料の強度と同じ程度である必要がないよう
に、全体的に寸法を制限する必要がある。これでパッチ
表面が機械および熱応力に構造的に耐えることができる
ようになる。

【００１７】以上は、インベストメント鋳造の再設計を
することなく局所的冷却を改良するための方法を記述し
ている。本発明の特定の実施形態を説明したが、それに
対する多くの変更を、添付する特許請求の範囲に記載す
る本発明の技術思想及び技術的範囲から離れることな
く、なし得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】 従来技術のタービンノズルセグメントの斜視
図。

【図２】 その中に２つの溝が形成されているタービン
ノズルセグメントの斜視図。

【図３】 図２の線３−３に沿う縦方向断面図。

【図４】 図２の線４−４に沿う横断面図。

【図５】 溝に配置された除去可能な材料を示す横断面
図。

【図６】 溝を充填するパッチ材料を示す横断面図。

【図７】 溝から取り除かれた除去可能な材料を示す横
断面図。

【図８】 改造されたタービンノズルセグメントの斜視
図。

【符号の説明】

１０ 部品 １２ ベーン １４ 外側バンド １６ 内側バンド １８ フランジ ２２ 冷却孔 ２６ 後方隅領域 ２８ 溝

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却媒体供給源を持つガスタービンエン
   ジン部品（１０）を改造する方法であって、 前記冷却媒体供給源と流体連通している少なくと１つの
   溝（２８）を前記部品（１０）の中に形成する段階と、 前記溝（２８）を除去可能な材料（３６）で部分的に充
   填する段階と、 前記除去可能な材料（３６）をパッチ材料（３８）で覆
   い、前記溝（２８）を完全に充填する段階と、 前記部品（１０）の中に内部冷却用通路（４０）を作る
   ために、前記除去可能な材料（３６）を前記溝（２８）
   から取り除く段階と、を含むことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 前記内部通路（４０）が、局所損傷を受
   け易い前記部品（１０）の領域（２６）を横断すること
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記除去可能な材料（３６）が、溶出で
   取り除かれることを特徴とする、請求項１に記載の方
   法。
4. 【請求項４】 前記除去可能な材料（３６）が、該除去
   可能な材料（３６）を加熱することにより取り除かれる
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記除去可能な材料（３６）が、酸浴槽
   中に前記部品（１０）を置くことにより取り除かれるこ
   とを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記パッチ材料（３８）が、前記部品
   （１０）が作られている材料と同一であることを特徴と
   する、請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 冷却媒体供給源を持つガスタービンエン
   ジン部品（１０）を改造する方法であって、 前記冷却媒体供給源と流体連通し、より深くより狭い部
   分（３２）とより浅くより広い部分（３４）を持つ少な
   くとも１つの溝（２８）を前記部品（１０）の表面に形
   成する段階と、 前記溝（２８）の前記より深くより狭い部分（３２）
   を、除去可能な材料（３６）で充填する段階と、 前記溝（２８）の前記より浅くより広い部分（３４）を
   パッチ材料（３８）で充填し、前記除去可能な材料（３
   ６）を覆う段階と、 前記部品（１０）の中に内部冷却用通路（４０）を作る
   ために、前記溝（２８）から前記除去可能な材料（３
   ６）を取り除く段階と、を含むことを特徴とする方法。
8. 【請求項８】 前記内部通路（４０）が、局所損傷を受
   け易い前記部品（１０）の領域（２６）を横断すること
   を特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記除去可能な材料（３６）が、溶出で
   取り除かれることを特徴とする、請求項７に記載の方
   法。
10. 【請求項１０】 前記除去可能な材料（３６）が、該除
    去可能な材料（３６）を加熱することにより取り除かれ
    ることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記除去可能な材料（３６）が、酸浴
    槽中に前記部品（１０）を置くことにより取り除かれる
    ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
12. 【請求項１２】 前記パッチ材料（３８）が、前記部品
    （１０）が作られている材料と同一であることを特徴と
    する、請求項７に記載の方法。
13. 【請求項１３】 冷却媒体供給源を持つ改造されたガス
    タービンエンジン部品（１０）であって、該部品（１
    ０）が、 前記冷却媒体供給源と流体連通している少なくと１つの
    溝（２８）を前記部品（１０）の中に形成する段階と、 前記溝（２８）を除去可能な材料（３６）で部分的に充
    填する段階と、 前記除去可能な材料（３６）をパッチ材料（３８）で覆
    い、前記溝（２８）を完全に充填する段階と、 前記部品（１０）の中に内部冷却用通路（４０）を作る
    ために、前記除去可能な材料（３６）を前記溝（２８）
    から取り除く段階と、を含む方法によって改造されてい
    る、ことを特徴とする部品（１０）。
14. 【請求項１４】 冷却媒体供給源を持つ改造されたガス
    タービンエンジン部品（１０）であって、該部品（１
    ０）が、 前記冷却媒体供給源と流体連通し、より深くより狭い部
    分（３２）及びより浅くより広い部分（３４）を持つ少
    なくとも１つの溝（２８）を前記部品（１０）の表面に
    形成する段階と、 前記溝（２８）の前記より深くより狭い部分（３２）
    を、除去可能な材料（３６）で充填する段階と、 前記溝（２８）の前記より浅くより広い部分（３４）を
    パッチ材料（３８）で充填し、前記除去可能な材料（３
    ６）を覆う段階と、 前記部品（１０）の中に内部冷却用通路（４０）を作る
    ために、前記溝（２８）から前記除去可能な材料（３
    ６）を取り除く段階と、を含む方法によって改造されて
    いる、ことを特徴とする部品（１０）。