JP2005291204A - 耐熱性フックを有しかつ粉末冶金法によって得られるタービンケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】ファスナフックが、良好な機械的強度を呈しかつ加熱によく耐える簡単な構造の組み立て手段によって前記ジャケットに固定される、改善されたタービンステータケーシングを提供する。
【解決手段】ジャケットと、タービンディストリビュータノズルを締め付けるためのファスナフック３ａ、３ｂとを備え、フックは、ジャケットの内側面から突出している、タービンステータケーシングであって、ジャケットは、金属粉末５を用いる熱間等方圧圧縮によって第１の合金で作られ、ファスナフック３ａ、３ｂは、第１の合金よりも耐熱性のある第２の合金から作られ、かつ熱間等方圧圧縮の間に拡散溶接によってジャケットに固着される。ケーシングは、また、ファスナフック３ａ、３ｂを通過しかつジャケットを通るインサート２０を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービンステータケーシングと、それを製造する方法に関する。より詳細には、本発明は、航空機ターボジェットにおけるタービンのためのステータケーシングに関する。

このようなケーシングは、概してフラストコニカル（ｆｒｕｓｔｏｃｏｎｉｃａｌ）形状のジャケットと、前記ジャケットに固定されかつその内側面から突出するファスナフックとを備えている。ファスナフックは、ステータブレードを支持しているリングまたはリングセグメントを支持するために使用され、それらはともに、一般にタービンのディストリビュータノズルと称されるアセンブリを形成している。ステータは、概して、複数のノズルを支持するためにジャケットの内側面に配分される、複数の一連のフックを備えている。これらのリングの間に、タービンロータの可動ブレードを支持するロータホイールが設置されている。ノズルとロータホイールによって構成される一対は、タービンの一つの段を構成する。

航空機ターボジェットのタービンは、非常に高温でタービンを通過する燃焼ガスを有し、したがって特に困難な温度条件のもとで動作する。それゆえ、燃焼ガス流と接触するファスナフックは、より大きな加熱を受け、ジャケットは、いずれにせよ、その外側面において、概して、このジャケットに冷却空気を吹き付ける穿孔されたパイプのシステムである、一般に「シャワーカラー」と称される冷却システムによって冷却される。

欧州特許出願公開第１２８８４４４号に示されるように、合金でそのようなファスナフックを作ることが知られており、合金は、高温によく耐え、かつジャケットの内側において前記フックの位置に応じて場合によっては異なってよい。より一般的な合金、フックの合金よりも耐熱性が低く、かつそれゆえ形成するのがより容易でかつより安価である合金で、ジャケットを作ることも知られている。

この知られている実施形態において、フックは、締まりばめによって、従来の溶接によって、またはボルト締めによって、ジャケットに固定される。それら種々の組み立て方法も、やはり欠点をもたらす。

例えば、溶融による従来の溶接は、溶融領域における高温割れ、および溶接の間に熱的に影響を受けた領域における割れの発生を助長する。ボルト締めは、ケーシングの構造を複雑にし、かつケーシングを作る部品の数を増大させる。そして、それらの組み立て手段には、疲労に対して一般的に満足すべき抵抗を示すものはない。
欧州特許出願公開第１２８８４４４号明細書

本発明は、ジャケットが、特別な製造の方法を用いて作られ、ファスナフックが、良好な機械的強度を呈しかつ加熱によく耐える簡単な構造の組み立て手段によって前記ジャケットに固定される、改善されたタービンステータケーシングに関する。

その最も一般的な形態においては、本発明は、ジャケットと、タービンディストリビュータノズルを締め付けるためのファスナフックとを備え、フックは、ジャケットの内側面から突出している、タービンステータケーシングであって、前記ジャケットは、金属粉末を用いる熱間等方圧圧縮によって第１の合金で作られ、前記ファスナフックは、第１の合金よりも耐熱性のある第２の合金で作られ、かつ熱間等方圧圧縮の間に拡散溶接によって前記ジャケットに固着されることを特徴とするケーシングを提供する。

熱間等方圧圧縮（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）（ここでは「ＨＩＣ」と称される）によってケーシングジャケットを作るという事実が、以下においてより詳細に説明されているように、知られている製造技術の利点による恩恵を受けることを可能とさせることが、最初に分かる。

本発明の他の利点は、拡散溶接によってファスナフックをジャケットに固定するために、ＨＩＣを実施するためのサイクルの利点が採用され、それゆえケーシングの製造の間の時間を節約するという事実にある。拡散溶接技術は、それらが異なる組成を有する合金からなっているが、それにもかかわらず拡散の観点から相容性があるときに、２つの部品がともに組み立てられることを可能とする知られている技術である。

したがって、本発明においては、フックは、例えば、少なくとも９００℃の温度に耐えることができるように、第１の合金よりも耐熱性のある第２の合金で作られているのに対して、ジャケットは、約７５０℃までの温度にのみ耐えることができる。当然、ジャケットの内側のフックの位置、およびそれらが受けるであろう温度に応じて、より大きなまたはより小さな範囲の耐熱性を有する、異なるタイプの第２の合金を使用することが可能である。あるタイプのターボジェットについて、タービンのいくつかの段階における温度が、１０５０℃にあるいは１１００℃にまでも達し得ることが知られている。

都合の良いことに、フックは、ニッケルおよび／またはコバルトを含有する鋳造合金で作られており、等軸単結晶（ｅｑｕｉａｘｉａｌ ｍｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）の鋳造法によって、あるいは方向付けされた凝固（ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）による鋳造によって作られることもできる。一般的に、タービンブレードを作るために使用される合金に類似した合金のフックを作ることが決定され得る。

ジャケットは、商標Ｗａｓｐａｌｏｙ（登録商標）のもとで販売される合金、または商標Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８（登録商標）のもとで知られる合金のような、航空機に通常使用される合金または超合金で作られる。このことは、損傷をこうむった後に、溶接、アセンブリ、または再充填（ｒｅ−ｆｉｌｌｉｎｇ）などの従来の修繕技術を用いて、そのようなジャケットを修繕するのを容易にする。例えば、製造または取り扱いの間の衝撃の結果として、ジャケットに対する損傷が生じるかもしれない。

要約すれば、ジャケットおよびフックについての使用における要求が異なっているから、異なる第１および第２の合金を使用することは有利である。フックは、非常に高い温度に耐えるために、上述の全てにおいて、良好な能力を呈していなければならないのに対して、ジャケットは、そのような良好な抵抗を呈する必要はないが、容易に修繕できなければならない。さらにまた、フックは、高い温度によく耐えるから、冷却空気でそれらフックを冷却する必要はない。

本発明の特別な実施形態においては、ケーシングは、ファスナフックおよび前記ジャケットを通過するインサートを含んでいる。都合の良いことに、インサートも、熱間等方圧圧縮の間に拡散溶接によって前記ジャケットに固定される。

たとえ、それらが、ケーシングの構造を若干複雑にしたとしても、このようなインサートは、いくつかの利点をもたらす。最初に、それらインサートは、ＨＩＣサイクルの間にフックが適切に配置されることを保証するように、ケーシングの製造の間に、フックをジャケットが形成される鋳型の一部に固定することを可能とする。その後は、インサートは、突出部を形成するように、ジャケットの外側面から突出することができる。これらの突出部は、次に要素、例えば冷却システムの要素を、ケーシングの外側に固定するために有用であり得る。各インサートに、突出部に開口するねじ山が切られた孔を設け、かつその孔に、ケーシングの外側の要素に固着されたネジが形成されたシャンクを、ネジ留めすることさえも可能である。

本発明は、第１の合金で作られたジャケットと、タービンディストリビュータノズルを締め付けるためのファスナフックとを備え、フックは、前記ジャケットの内側面から突出している、タービンステータケーシングを製造する方法であって、前記フックは、第１の合金よりも耐熱性のある第２の合金で作られ、フックは、鋳型の内部に配置され、鋳型は、第１の合金の金属粉末が充填されるとともに、フックは、前記粉末に接触するような態様で配置され、そして前記ジャケットが、前記金属粉末の熱間等方圧圧縮によって成形され、フックは、熱間等方圧圧縮の間に拡散溶接によってジャケットに固着されることを特徴とする方法をさらに提供する。

本発明のケーシングおよびケーシングを製造する方法の利点は、以下における本発明の特定の実施形態の詳細な説明を読めば、よりよく理解されるであろう。

図１、図３、および図４を参照すると、図示されたケーシング１の例は、ジャケット２に固定された２つのタイプのフック、すなわちフラットフック３ａおよびリップフック３ｂを有する、概してフラストコニカル形状のジャケット２を備えている。同一のタイプのフックは、湾曲されたセグメントの形状をなし、かつそれらフックは、ジャケット２の内側面にフックのリングを形成するように、端と端とをつなげて配置されている。

図１に示された例においては、ケーシング１は、フラットフック３ａの３つのリングおよびリップフック３ｂの３つのリングを有しており、これら異なるタイプのリングは、交互配置されている。

図４に示されるように、フック３ａおよび３ｂは、ステータブレード９を支持するリングまたはリングセグメントから構成されるタービンディストリビュータノズル６を支持するのに役立っている。これらのステータブレード９は、それらの根元部（ｒｏｏｔ）を介して、ノズル６の外側リング１０に結合されている。外側リング１０は、その前側および後側に、外側リング１０がファスナフック３ａおよび３ｂによって保持されるように、それぞれジャケット２のファスナフック３ａおよび３ｂと協働するのに適するフック１１およびフック１２が設けられている。

ケーシング１の構造が十分に理解され、次に、図２を参照して与えられる、ケーシングを製造する方法の説明に移る。この図は、熱間等方圧圧縮、すなわち圧力の印加に関連する特定の加熱サイクルに供されるために、第１の合金の金属粉末５がその中に注入される鋳型を作るために使用される金型（ｔｏｏｌｉｎｇ）を示している。

実際には、鋳型は、複数の内側金型部品Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、および外側金型部品Ｅ１およびＥ２から作られる。

これらの金型部品の設計は、高度に精密であり、特に、ジャケット２が形成されるＨＩＣの間における局所収縮のモデルを含む、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）を使用する。この特別な技術は、Ｉｓｏｐｒｅｃ（登録商標）方法の名前のもとに知られており、直接的な設計寸法で、ケーシングジャケットを得ることを可能にし、それによって後続の機械加工の必要性を低減する。

図２に示されるように、実質的に円筒状のインサート２０は、ＨＩＣの間に適正な位置にフック３ａまたは３ｂを保持するために使用される。説明された例においては、円環状に対称であるそのようなインサート２０は、フック３ａまたは３ｂに形成された円形開口部２３を通過するための円筒状本体２４を備え、かつ第１の端部に、フック３ａまたは３ｂに対する当接部となるように、開口部２３の直径よりも大きい直径を有する円環状肩部２２を備えている。例においては、本体２４の直径は、開口２３のそれよりも非常にわずかに小さく、インサートとフック３ａまたは３ｂとの間の間隔が、フックの係合が外れることなく、かつインサート２０の固定位置に残ることを確実にするためにさらに小さい。開口部２３に圧入として取り付けられるべくインサート２０を設けることも可能である。

第１の端部から遠く、従って外側を向いたインサート２０の第２の端部は、外側金型Ｅ１にこの目的のために設けられたハウジング２９に受け入れられるのに適している。孔は、この金型Ｅ１を貫通し、一端においてその外側表面に、かつその他端においてハウジング２９内に開口している。ねじ山が切られた他の孔２７は、インサート２０内に形成され、その第２の端部において開口している。これらの孔２７および２９は、ネジ２８が貫通するのを可能にする。ネジ２８が、ねじ切りされた孔２７内に締め付けられたとき、インサート２０の第２の端部は、ハウジング２９の端部に対して当接し、フック３ａまたは３ｂが固定位置に保持される。この位置は、フックの外側面３０が、内側金型Ｏ１、Ｏ２、およびＯ３の外側面Ｓと揃うような位置である。したがって外側面Ｓは、外側金型Ｅ１およびＥ２の内側面Ｓ’およびフック３ａおよび３ｂの外側面３０と協働し、金属粉末５が内部に注入される鋳型の壁部を形成する。それゆえ、フック３ａおよび３ｂの外側面３０は、ＨＩＣによって圧縮されるときに粉末５と接触する。

実際のＨＩＣを行うために、金型、フック、インサート、ネジ、および粉末によって構成されるアセンブリは、高圧および高温、例えば１０００バールの圧力および温度１２００℃のオートクレーブ内に配置される。アセンブリは、それから、温度および圧力の作用のもとで圧縮され、そして金属粉末は、ジャケット２を形成するために高密度化される。さらに、ジャケット２ならびにフック３ａおよび３ｂは、それらがともに拡散溶接によって溶接されることを可能とするように、相容性の組成を有する合金から作られるように選択される。従来のやり方においては、拡散溶接は、制御された時間の長さについて所定の圧力および温度のもとで、部品、この場合においては、ジャケット２ならびにフック３ａおよび３ｂを、接触状態に維持する方法である。この場合において、適切な温度および圧力条件が、ＨＩＣサイクルの間に到達される。部品の表面において作られる塑性変形は、接触が密であることを確実にし、かつ要素が、相容性のある合金からなるなら、部品間において移動するすなわち拡散することを確実にする。

拡散溶接方法は、フック３ａおよび３ｂの外側面３０が適切に調整されることが必要であることが、観察されるはずである。

都合の良いことに、第１の合金よりもより耐熱性があり、かつ拡散の観点から第１の合金と相容性がある、第２の合金と同一または類似している第３の合金で作られるインサート２０が使用される。

したがって、フック３ａおよび３ｂと同様に、インサート２０は、ＨＩＣサイクルの間に拡散溶接によってジャケット２に接合される。

図示される例においては、本体２４およびインサート２０にも周囲溝２６が存在する。この溝２６は、環状であり、本体２４が金属粉末５と接触する領域に形成される。それゆえ、粉末５は、製造の間にジャケット２の主要部の中に埋設される溝２６の内側に浸透する。任意の溝２６は、それゆえ、インサート２０とジャケット２との間の締め付けを改善する。

一旦ジャケット２が成形されると、例えば軟鋼からなる鋳型については、酸、例えば硝酸の中で溶解されることによって、鋳型は破壊され、その後にネジ２８はゆるめられる。

その後、ケーシングは、航空機ターボジェットの内側に取り付けられる。自由なねじが切られた孔２７は、次に対応するネジ付きタンクに嵌合され、それゆえ冷却するためにケーシング１に冷気が吹き付けられることを可能とする、穿孔されたパイプを締め付けるために使用され得る。

本発明のタービンステータケーシングの一例の斜視図である。 図１のケーシングのジャケットを成形するために使用される鋳型の一部を通る軸方向断面図である。 図１のケーシングの一部を通る軸方向断面図である。 ケーシングに取り付けられたステータブレードを支持するリングを有して、図３に示されるケーシングの一部を通る軸方向断面図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ ジャケット
３ａ、３ｂ フック
５ 金属粉末
６ ディストリビュータノズル
９ ステータブレード
１０ 外側リング
１１、１２ フック
２０ インサート
２３ 開口部
２４ 円筒状本体
２６ 周囲溝
２７ 孔
２８ ネジ
２９ ハウジング
３０ フック外側面
Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３、Ｅ１、Ｅ２ 金型部品

Claims (12)

1. ジャケット（２）と、タービンディストリビュータノズルを締め付けるためのファスナフック（３ａ、３ｂ）とを備え、ファスナフックが、ジャケット（２）の内側面から突出している、タービンステータケーシングであって、前記ジャケット（２）が、金属粉末（５）を用いる熱間等方圧圧縮によって第１の合金で作られ、前記ファスナフック（３ａ、３ｂ）が、第１の合金よりも耐熱性のある第２の合金で作られ、かつ熱間等方圧圧縮の間に拡散溶接によって前記ジャケット（２）に固着されることを特徴とする、タービンステータケーシング。
2. ファスナフック（３ａ、３ｂ）および前記ジャケット（２）を通過するインサート（２０）をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のタービンステータケーシング。
3. 前記インサート（２０）が、熱間等方圧圧縮の間に拡散溶接によって、前記ジャケット（２）に固着されることを特徴とする、請求項２に記載のタービンステータケーシング。
4. 各インサートは、ファスナフック（３ａ、３ｂ）の１つに対して当接する肩部（２２）が形成される第１の端部を呈することを特徴とする、請求項２または３に記載のタービンステータケーシング。
5. 各インサート（２０）が、突出部を形成するように、ジャケット（２）の外側面から突出する第２の端部を呈することを特徴とする、請求項２から４のいずれか一項に記載のタービンステータケーシング。
6. ねじ山を切られた孔（２７）が、前記インサート（２０）に形成されかつその第２の端部によって開口していることを特徴とする、請求項５に記載のタービンステータケーシング。
7. 各インサートが、前記ジャケット（２）の主要部に埋設された周縁溝（２６）を呈することを特徴とする、請求項２から６のいずれか一項に記載のタービンステータケーシング。
8. 前記第２の合金は、ニッケルおよび／またはコバルトを含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のタービンステータケーシング。
9. 第１の合金で作られたジャケット（２）と、タービンディストリビュータノズルを締め付けるためのファスナフック（３ａ、３ｂ）とを備え、フックが、前記ジャケット（２）の内側面から突出している、タービンステータケーシングを製造する方法であって、前記フック（３ａ、３ｂ）が、第１の合金よりも耐熱性のある第２の合金で作られ、フック（３ａ、３ｂ）が、鋳型の内部に配置され、鋳型は、第１の合金の金属粉末（５）が充填されるとともに、フック（３ａ、３ｂ）が、前記粉末（５）に接触するような態様で配置され、前記ジャケット（２）が、前記金属粉末（５）の熱間等方圧圧縮によって成形され、フック（３ａ、３ｂ）が、熱間等方圧圧縮の間に拡散溶接によってジャケット（２）に固着されることを特徴とする、方法。
10. 前記フック（３ａ、３ｂ）が、鋳物として作られることを特徴とする、請求項９に記載のタービンステータケーシングを製造する方法。
11. フック（３ａ、３ｂ）は、フック（３ａ、３ｂ）が熱間等方圧圧縮の間に適切に配置されることを保証するように、インサート（２０）によって前記鋳型に締め付けられることを特徴とする、請求項９または１０に記載のタービンステータケーシングを製造する方法。
12. 前記鋳型が、前記ジャケット（２）を成形した後に破壊されることを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載のタービンステータケーシングを製造する方法。

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