JP2008045541A - タービンブレードのシュラウド修復方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シュラウド付きタービンブレードのノッチ隅肉部にできる深さが約０．０３インチ（約０．８ミリメートル）を超えるクラックを修復する方法を得る。
【解決手段】タービンブレードのシュラウドの損傷したノッチ隅肉半径部をブレンドアウトし、損傷したノッチ隅肉半径部の近傍に位置する硬質面構造体を除去する。硬質面ナゲット３０は硬質面構造体とほぼ同一の形状を持ち、その高さ方向の寸法は少なくともＤｃであり、幅方向の寸法は少なくともＤｄである。硬質面ナゲット３０は、新しい縁１６ａと補修溶接部２６の成形された縁部２８とにおいて、シュラウド１２に溶接される。硬質面ナゲット３０をシュラウド１２に溶接することにより、新しい硬質面ナゲットの縁１６ｃの残りの部分が少なくとも元来の縁１６の位置まで延びる。
【選択図】図８

Description

本発明は一般に、シュラウド付きタービンブレードの修復の分野に関し、詳しくは、シュラウド付きタービンブレードのノッチ隅肉半径部を修復する方法に関する

シュラウド付きタービンブレードは、航空機エンジンの中で高温や激しい振動のような苛酷な環境に曝されることが多い。このような環境に耐えるために、通常シュラウド付きタービンブレードはニッケル基合金で形成される。また、シュラウド付きタービンブレードは通常、ノッチ隅肉半径部(notch fillet radius)内に、周囲の環境からの振動の力を散逸させる硬質面構造体(hardface structure)を含む。シュラウド付きタービンブレードは耐摩耗性があるかもしれないが、シュラウド付きタービンブレードおよびその部品に応力が加えられた場合は、シュラウド付きタービンブレードの弱い部分にクラックが生じる可能性がある。例えば、シュラウド付きタービンブレードにおけるノッチ隅肉半径部では、クラックがノッチの隅肉半径部の縁から半径方向内側に向かって生じやすい。これをそのまま放置すると、環境による熱および振動応力のために、クラックが内側に向かって延び、シュラウド付きタービンブレードの破損に至る可能性がある。

ノッチ隅肉半径部の外縁に生じるクラックの修復について問題の一つは、硬質面構造体が典型的にはコバルト基合金のような割れやすい材料から形成されることである。このコバルト基合金は、シュラウド付きタービンブレードを形成する、もっと軟らかいニッケル基合金と対照的である。よってこれまでの修復方法は、損傷部位を取り除くためのブレンディングという方法に限定されている。この現行の修復方法は、クラックの寸法がノッチ隅肉半径部の外縁から内側に深さ約０．０３インチ（約０．８ミリメートル）以下の場合のみに、シュラウド付きタービンブレードのノッチ隅肉半径部を修復できるというものがほとんどである。クラックの深さが約０．０３インチ（約０．８ミリメートル）より大きいと、通常はシュラウド付きタービンブレードの全体を交換しなければならない。この処置にはコストがかかり、特に、クラックが１本だけ、あるいはシュラウド付きタービンブレードのわずかな部分だけが損傷している場合には割高になる。従って、もっと広い範囲を残すことができるように、シュラウド付きタービンブレードのノッチ隅肉半径部内の深さが約０．０３インチ（約０．８ミリメートル）を超えるクラックを修復する方法を得ることが望まれている。

タービンブレードのシュラウドにおける損傷したノッチ隅肉半径部を修復する方法について述べる。損傷したノッチ隅肉半径部をブレンドアウトし、損傷したノッチ隅肉半径部に近接する硬質面構造体を除去する。補修用ノッチ隅肉半径部を溶接材料で形成し、硬質面ナゲット(hardface nugget)を補修用ノッチ隅肉半径部の少なくとも一部分に溶接する。その後、従来の方法で、タービンブレードを使用可能な状態に復元する。これらの方法により、深さが約０．１インチ（約２．５ミリメートル）までのクラックを修復することができる。

ここで説明するタービンブレードの損傷したシュラウドを修復するための新しい方法では、深さ約０．１インチ（約２．５ミリメートル）までのクラックを修復することができる。クラックは、シュラウドのノッチ隅肉半径部に位置し、シュラウドの外縁から半径方向内側に延びる。クラックおよびクラック周囲の損傷部位は、最初に局所的にブレンドアウトされる(blended out)。その後、シュラウドの硬質面構造体が切削加工される(machined)か、あるいは削り取られる(ground off)。ノッチの隅肉半径部のクラックを取り除いた箇所に補修溶接部を形成する。シュラウド上に補修溶接部を形成してから、表面を硬質面ナゲットを受け入れやすいように処理する。その後、硬質面構造体があった同じ領域で、シュラウドおよび補修溶接部上に硬質面ナゲットを溶接する。その後、従来の方法で、タービンブレードを使用可能な状態に復元する。

図１、図２はそれぞれ、タービンブレード１０の斜視図と、タービンブレード１０のシュラウド１２の上面図であり、これらに関連して考察する。タービンブレード１０は一般に、タービンブレード１０の上端１４に位置するシュラウド１２を含む。シュラウド１２は元来の縁１６を有し、一般に空気シール１８、ノッチの隅肉半径部２０、および硬質面構造体２２を含む。ノッチの隅肉半径部２０は、シュラウド１２の元来の縁１６に形成される。硬質面構造体２２は、ノッチの隅肉半径部２０に隣接する元来の縁１６に溶接され、硬質面構造体２２が隣接するブレード硬質面部とこすれ合ったときに、振動エネルギーを散逸させるように機能する。運転時に、シュラウド１２の各ノッチ隅肉半径部２０が、シュラウド１２のいずれの側でも隣接するシュラウドの硬質面構造体２２と当接するように、隣接するタービンブレードのシュラウドが互いの隣に配置される。タービンブレード１０は、ジェットタービンエンジン内に存在する高温および振動の応力に曝されるが、ここで荷重はシュラウド１２の元来の縁１６、特にノッチの隅肉半径部２０に定常的にかかっている。そのため、ノッチの隅肉半径部２０とノッチの隅肉半径部２０に近接する部位には、概ね半径方向に向かって延びるクラックが生じる可能性がある。現行の修復方法は深さ約０．０３インチ（約０．８ミリメートル）以下のクラックしか修復できないが、ここで説明する新しいクラック修復方法は深さが約０．１インチ（約２．５ミリメートル）までのクラックを修復することができる。これにより、多くの部品を廃棄せずに修復することが可能になる。

図３は、シュラウド１２の元来の縁１６、ノッチの隅肉半径部２０、およびシュラウド１２の硬質面構造体２２の拡大図である。元来の縁１６はシュラウド１２の外周を形成する。ノッチ隅肉半径部２０は、シュラウド１２の元来の縁１６から放射状に延びるクラック２４を持つ。クラック２４は、シュラウド１２が置かれた環境における高温および振動応力によって生じる。クラック２４は高さ方向の寸法がＤａ、幅方向の寸法がＤｂである。クラックの寸法Ｄａが縁１２から測って約０．０３インチ（約０．８ミリメートル）に達すると、シュラウド１２は通常のブレンディングあるいは研磨による方法では十分に修復できない。下記の修復方法を用いると、寸法Ｄａが約０．１インチ（約２．５ミリメートル）までのクラックを修復することができる。

図４は、シュラウド１２からクラック２４（図３参照）を除去した後の、元来の縁１６と硬質面構造体２２の拡大図である。シュラウド１２を使用可能な状態に修復するためには、シュラウド１２からクラック２４を完全に除去しなければならない。そのため、クラック２４およびクラック２４の近傍の部位を、高さ方向の寸法が少なくともＤａ、また幅方向の寸法が少なくともＤｂの範囲にわたってブレンドアウトし、ノッチの隅肉半径部２０（図３参照）がシュラウド１２からほぼ取り除かれるようにする。元来の縁１６の部分はノッチ隅肉半径部２０の近傍でシュラウド１２から取り除かれ、ノッチの隅肉半径部２０において新しい縁１６ａが形成されるようにする。クラック２４およびクラック２４の近傍の部位は、ブレンディング、研磨、切削その他既知の方法で取り除くことができる。元来の縁１６は、シュラウド１２の面に対して垂直に、あるいは補修部材を溶接できる表面積を大きくするためにシュラウド１２に対して角度を付けて、シュラウド１２からブレンドアウトすることができる。

図５は、シュラウド１２からノッチの隅肉半径部２０と硬質面構造体２２を除去した後の新しい縁１６ａの拡大図である。クラック２４（図３参照）およびクラック２４の近傍の部位がシュラウド１２からブレンドアウトされた後で、硬質面構造体２２（図４参照）もシュラウド１２から取り除かれる。硬質面構造体２２は、切削あるいは研磨のような種々の適切な方法により、シュラウド１２から取り除くことができる。クラック２４、クラック２４の近傍の部位および硬質面構造体２２を取り除くことにより、元来の縁１６（図３参照）が基本的にすべて除去され、新しい縁１６ａがシュラウド１２の新しい外周として形成される。

図６は、補修溶接部２６を取り付けた新しい縁１６ａとノッチの隅肉半径部２０の拡大図である。クラック２４と硬質面構造体２２（図３参照）がシュラウド１２から取り除かれると、新しい縁１６ａの部分に沿って補修溶接部２６が溶接材料で形成される。補修溶接部２６は、クラック２４をブレンドアウトすることにより除去されたノッチの隅肉半径部の後を埋めるように形成され、高さ方向の寸法が少なくともＤａであり、幅方向の寸法が少なくともＤｂである。従って補修溶接部２６は、事前に除去されたノッチ隅肉半径部２０の形状を持ち、新しい補修溶接部の縁１６ｂを延ばしてノッチの隅肉半径部において少なくとも元来の縁１６の位置まで戻す。種々の適切な溶接材料を使用できるが、一実施形態では、ニュージャージー州Saddle Brook所在のInternational Nickel Inc.社から調達可能なインコネル６２５が、適切な溶接材料として使用される。

図７は、元来の縁１６、新しい補修溶接部の縁１６ｂ、およびノッチ隅肉半径部２０の拡大図であり、補修溶接部２６の縁部２８が、硬質面ナゲット（図８参照）を受け入れる形状に成形された状態を示す。硬質面ナゲット３０をシュラウド１２に溶接する前に、硬質面ナゲット３０を受け入れる形状に補修溶接部２６の縁部２８を成形しなければならない。硬質面構造体２２（図４参照）は高さ方向の寸法Ｄｃと幅方向の寸法Ｄｄを持っていたので、硬質面ナゲット３０を受け入れるように縁部２８と新しい縁１６ａを準備するためには、補修溶接部２６の縁部２８と新しい補修溶接部の縁１６ｂを新しい縁１６ａから高さ方向に少なくともＤｃ、幅方向に少なくともＤｄの寸法に成形しなければならない。補修溶接部２６の縁部２８は、切削加工その他の種々の適切な方法で、硬質面ナゲット３０を受け入れる形状に形成できる。

図８は、新しい補修溶接部の縁１６ｂ、新しい硬質面ナゲットの縁１６ｃ、およびノッチ隅肉半径部２０の拡大図であり、シュラウド１２と補修溶接部２６とに硬質面ナゲット３０が溶接された状態を示す。硬質面ナゲット３０は硬質面構造体２２（図３参照）とほぼ同一の形状を持ち、その高さ方向の寸法は少なくともＤｃであり、幅方向の寸法は少なくともＤｄである。硬質面ナゲット３０は、新しい縁１６ａと補修溶接部２６の成形された縁部２８とにおいて、シュラウド１２に溶接される。硬質面ナゲット３０をシュラウド１２に溶接することにより、新しい硬質面ナゲットの縁１６ｃの残りの部分が、少なくとも元来の縁１６の位置まで延びる。一実施形態では、電流値が約１０Ａから約２５Ａの間でのガスタングステン溶接により、硬質面ナゲット３０をシュラウド１２に溶接するが、他の種々の適切な溶接方法を採用してもよい。硬質面ナゲット３０をシュラウド１２に溶接してから、従来のノッチ修復方法を用いて、硬質面ナゲット３０と周囲の部分（すなわち補修溶接部２６）とを使用可能な状態に修復することができる。適切な従来のノッチ修復方法の例としては研磨(grinding)、脱脂(degreasing)、応力除去(stress-relieving)、ショットピーニング(shot peening)などがあるが、これらに限定されない。

図９は、ノッチの隅肉半径部２０にクラック２４が生じたシュラウド１２を修復するための、例示的で非限定的な方法１００のフローチャートである。従来の修復方法では、深さ約０．０３インチ（約０．８ミリメートル）までのクラックしか修復できない。方法１００は、深さ約０．１インチ（約２．５ミリメートル）までのクラックを修復することができる。始めに、クラック２４とノッチ隅肉半径部２０の周囲の損傷した部位とを局所的にブレンドアウトする（ステップ１０２）。次に、硬質面構造体２２を切削や研磨加工によりシュラウド１２から取り除く（ステップ１０４）。新しい縁１６ａおよびノッチ隅肉半径部２０において、ステップ１０２で除去された部位を溶接充填材で埋めて、補修溶接部２６を形成する（ステップ１０６）。補修溶接部２６をシュラウド１２上に形成してから、補修溶接部２６の縁部２８を切削加工することにより、シュラウドが、硬質面ナゲット３０を受け入れる形状に整えられる（ステップ１０８）。硬質面構造体２２があった同じ領域で、硬質面ナゲット３０をシュラウド１２と補修溶接部２６とに溶接する（ステップ１１０）。硬質面ナゲット３０をシュラウド１２に溶接した後に、研磨、脱脂、応力除去、ショットピーニングなどを含む従来のノッチ修復方法を使用して、シュラウド１２を使用可能な状態に修復する（ステップ１１２）。

本発明を好適な実施形態について説明してきたが、本発明の趣旨と範囲から逸脱せずに形態および詳細に対して変更が行えることが、当業者によって理解されよう。

タービンブレードの斜視図。 タービンブレードのシュラウドの拡大した上面図。 タービンブレードのノッチ隅肉半径部に生じたクラックの拡大図。 クラックが除去された状態を示すノッチ隅肉半径部の拡大図。 タービンブレードの硬質面構造体が除去された状態を示すノッチ隅肉半径部の拡大図。 補修溶接部を取り付けた状態を示すノッチ隅肉半径部の拡大図、。 補修溶接部が硬質面ナゲットを受け入れるように形成された状態を示すノッチの隅肉半径部の拡大図。 硬質面ナゲットを取り付けたノッチ隅肉半径部の拡大図。 タービンブレードのノッチ隅肉半径部の損傷部位を修復する方法のフローチャート。

符号の説明

２０…ノッチの隅肉半径部
２２…硬質面構造体
２６…補修溶接部
３０…硬質面ナゲット

Claims (19)

1. タービンブレードのシュラウドの損傷したノッチ隅肉半径部を修復する方法において、
   前記損傷したノッチ隅肉半径部をブレンドアウトするステップと、
   前記損傷したノッチ隅肉半径部の近傍に位置する硬質面構造体を除去するステップと、
   溶接充填材料を使って補修用ノッチ隅肉半径部を形成するステップと、
   前記補修用ノッチ隅肉半径部の少なくとも一部に硬質面ナゲットを溶接するステップと、
   を含む方法。
2. 前記硬質面ナゲットの溶接が、ガスタングステンアーク溶接であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記硬質面ナゲットの溶接が、約１０Ａから約２５Ａの間の電流の電力で行う溶接であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 溶接充填材料を使って補修用ノッチ隅肉半径部を形成することが、ニッケル基合金の使用を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記ニッケル基合金が、インコネル６２５からなることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記溶接ステップの前に、前記硬質面ナゲットに対して前記補修用ノッチ隅肉半径部を整えることを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記硬質面ナゲットに対して前記補修用ノッチ隅肉半径部を整えることが、前記硬質面ナゲットを受け入れるように前記補修用ノッチ隅肉半径部を成形することからなることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. タービンブレードのシュラウドの外側ノッチ隅肉半径部に生じたクラックを修復する方法において、
   前記外側ノッチ隅肉半径部の一部と前記クラックの近傍の前記外側ノッチ隅肉半径部の硬質面構造体とを除去するステップと、
   充填材を使って前記外側ノッチ隅肉半径部に補修溶接部を形成するステップと、
   硬質面ナゲットを受け入れるように前記補修溶接部を成形するステップと、
   前記補修溶接部の少なくとも一部に前記硬質面ナゲットを溶接するステップと、
   含む方法。
9. 前記補修溶接部の形成が、ニッケル基合金の使用を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記ニッケル基合金がインコネル６２５からなることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記外側ノッチ隅肉半径部の縁からのクラックの深さが約０．１インチ（約２．５ミリメートル）以内であることを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. 前記外側ノッチ隅肉半径部の縁からのクラックの深さが約０．０３インチ（約０．８ミリメートル）より大きいことを特徴とする請求項８に記載の方法。
13. 前記外側ノッチ隅肉半径部の一部を除去することにより、前記外側ノッチ隅肉半径部の縁に溝が生じることを特徴とする請求項８に記載の方法。
14. 補修溶接部の形成が、前記外側ノッチ隅肉半径部の少なくとも前記溝の中に前記補修溶接部を形成することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. タービンブレードのシュラウドの損傷したノッチ隅肉半径部を修復する方法において、
    前記損傷したノッチ隅肉半径部の縁部を削り取るステップであって、前記損傷したノッチ隅肉半径部が第一の材料で形成されているステップと、
    前記損傷したノッチ隅肉半径部の近傍に位置する構造体を除去するステップであって、前記構造体が第二の材料で形成されているステップと、
    前記ノッチ隅肉半径部から延びる補修溶接部を構築するステップであって、前記補修溶接部が前記第一の材料で形成されているステップと、
    硬質面材を受け入れるように前記補修溶接部を成形するステップであって、前記硬質面材が前記第二の材料で形成されているステップと、
    少なくとも前記補修溶接部の一部に前記硬質面材を溶接するステップと、
    を含む方法。
16. 前記第一の材料がニッケル基合金であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記第一の材料がインコネル６２５であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記損傷したノッチ隅肉半径部の深さが約０．１インチ（約２．５ミリメートル）以内であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 前記損傷したノッチ隅肉半径部の深さが約０．０３インチ（約０．８ミリメートル）より大きいことを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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