JP2009543967A - タービンブレードを補修するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、翼形要素の少なくとも一部分を交換することによって、タービンブレード（１）を補修するための方法であって、該方法は、ａ）交換用ブレード部品（３）が鋳型部品として生成されることと、ｂ）１つのブレード（２）が残存するように、標準切断面で破損部分が除去されることと、ｃ）交換用ブレード部品（３）が、残存ブレード（２）の実際の幾何学的形状に適合されることと、ｄ）高温溶接とビーム溶接との組合せによって、交換用ブレード（３）が残存ブレード（２）に結合されることと、の各ステップを含む方法、に関する。このようにして、本発明は、従来技術の欠点を排除する、タービンブレードを補修するための方法を提供する。損傷を受けた高圧タービンブレードのリペア性が特に著しく向上され、それによって、補修された部品の耐用年数が著しく改善される。

Description

本発明はタービンブレードを補修するための方法に関する。

ブレード先端部の領域の下方に生じるタービンブレード、特に高圧タービンブレード、の損傷は、現在、限られた程度にしか補修され得ない。これらの限界は、特に全体の亀裂長さおよび亀裂位置に関するものである。結合の品質に対する要求事項のため、交換部品を取り付けるために使用され得る方法には、特に、拡散接合（はんだ付け接続）や、例えばアーク溶接または電子ビーム溶接を使用して生成される結合などの、ビーム溶接が含まれる。これら両方の方法は、欠点を有する。例えば、ビーム溶接が使用される場合には、内壁は接合され得ない。拡散はんだ付けの場合には、検出が困難な接合ミスが生じ得る。

米国特許出願第２００５／００９１８４８Ａ１号は、タービンブレードを製造および補修する方法を説明している。ここでは、タービンブレードを補修するための方法は、翼形上に補修表面を形成するために、ブレード先端キャップと翼形のセグメントとをタービンブレードから除去することを含む。次いで、補修される表面に合わせられる、交換用ブレード先端部と交換用ブレードセグメントとを有する交換用ブレード先端部が、製造される。最終的に、交換用先端セグメントは、補修表面に接続される。交換部品と補修表面との間の接続は、熱的もしくは熱機械的拡散接合、高温はんだ付け、または溶接のいずれかを使用して行われる。

米国特許出願第２００５／００９１８４８Ａ１号明細書

ここでもまた、補修表面に交換部品を接合する際の上述の欠点は、回避されない。
したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点を回避する、タービンブレードを補修するための方法を提供することである。特に、損傷を受けた高圧タービンブレードのリペア性が、好ましくは高度に向上される。

この目的は、特許請求項１の特徴によって達成される。有利な特定の実施形態および展開は、下位請求項に示される。
翼形の少なくとも一部分を交換することによって、タービンブレード、特にガスタービンの高圧タービンブレード、を補修するための本発明による方法は、
ａ）鋳造部品として交換用ブレード部品を製造することと、
ｂ）残存ブレードを残して、損傷領域を標準切断面で分離することと、
ｃ）残存ブレードの実際の幾何学的形状に交換用ブレード部品を合わせることと、
ｄ）はんだ付け、特に高温はんだ付けと、溶接、特にビーム溶接、との組合せを使用して、残存ブレードに交換用ブレード部品を結合することと、
の各ステップを有する。

これにより、従来技術の欠点を回避する、タービンブレードを補修するための方法が提供される。特に、損傷を受けた高圧タービンブレードのリペア性が著しく向上され、したがって、補修部品の寿命が著しく改善される。

有利な展開においては、はんだ付け、特に高温はんだ付けの後、および溶接、特にビーム溶接の後、後処理および／または最終処理が行われる（ステップｅ））。ここで、例えば熱処理、機械的処理および／またはボーリングなどのステップが、実施されてもよい。さらに、続いて、すなわち、具体的にはステップｄ）の後またはステップｅ）（ステップｅ）がある場合）の後に、補修されたタービンブレードが試験される（ステップｆ））ようにしてもよい。

例えば、鋳造工程や、エンジン内でタービンブレード、特に高圧タービンブレード、が動作する結果、目標輪郭が、補修されるタービンブレードの実際の輪郭から著しく逸脱してしまうことがあり得る。したがって、方法ステップｃ）において、交換用ブレード部品は、残存ブレードの実際の幾何学的形状に適合される。特に、ステップｃ）では、切断点において、交換部品、すなわち交換用ブレード部品の、内側および外側の輪郭が、残存ブレードの内側および外側の輪郭と確実に一致するようにすることができる。さらに、有利な構造においては、確実に、残存ブレードから交換部品への移行が連続的に行われる、すなわち、内側および外側の輪郭における不連続な切替えが回避される。

これらの要件は、例えば以下のように満たされ得る。
内側および外側の輪郭上に過剰材料を有する交換部品を、好ましくは鋳造によって、製造する。有利な構造においては、この過剰分は、真の実際の輪郭の全部または少なくとも大きな部分が、結合される残存ブレードの表面上で「カバーされる」ように、選択される。

例えば画像処理や鋳型をとるなどの他の方法を使用して、残存ブレードの結合される表面の実際の幾何学的形状を取得する。

残存ブレードの実際の幾何学的形状に、交換部品を自動または手動で合わせる。切断点では、有利な構造においては、残存ブレードの外側および内側の輪郭と、交換部品の外側および内側の輪郭とが、一致しなければならない。これらの間の移行が好ましくは連続的でなければならないので、有利な展開においては、交換部品の輪郭は補間法を使用して合わされる。

交換部品を製造するための更なる可能な方法としては、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）として知られるものがある。この方法によれば、残存ブレードの実際の輪郭の測定に基づいて、カスタムカットの交換部品を生成することができる。しかし、この方法は、仕上げ、すなわち外側輪郭の最終処理を必要とする。

方法ステップｄ）においては、単一の結合方法のみ、例えば拡散はんだ付けまたはビーム溶接のみなどを使用すると欠点があるため、組み合わされた結合方法が示される。したがって、はんだ付け、特に高温はんだ付け、の方法と、溶接、特にビーム溶接、の方法とが組み合わされて使用される。これは、例えば以下のように実現され得る。

第１に、高温はんだ付けが実施される。この目的のために、再溶解温度が作業温度より高い適切なはんだが、切断点全体、または個々のチャンバを隔てるウェブのみ、具体的にはブレードもしくは残存ブレードもしくは交換部品内に位置するウェブのみ、のどちらかをはんだ付けするために、使用される。このはんだ付けは、例えば、はんだプリフォームを使用して、および／またはＰＶＤコーティングを使用して、および／またはペーストを使用して、行われ得る。

このはんだ付けの後、高温はんだ付けが、例えば真空オーブン内でまたは誘導的に保護ガス雰囲気下で行われる。続いて、少なくとも内側輪郭が結合され、適切な場合には、内側輪郭と外側輪郭との両方が結合される。

外側輪郭の結合は、溶接、好ましくはビーム溶接によって、行われる。外側輪郭がはんだ付け、特に高温はんだ付け、によって既に結合されている場合には、はんだシームの上から溶接が行われる。

溶接、特にビーム溶接は、レーザを使用して実施されることが好ましい。可能な変形例は、おそらくは結合ゾーンの（例えば誘導）予熱を伴う、突合せ溶接である。更なる変形例は、肉盛溶接による結合である。この目的のために、結合される部品同士は、外側輪郭において、Ｖ字形にまたは例えば４５°の角度Φに斜角をつけられるが、これはまた、異なる構造をとってもよい。続いて、肉盛溶接が使用されて、粉末またはワイヤなどの追加材料でＶ型の間隙を充填し、このようにして、追加材料と、交換部品と、残存ブレードとの間の接合が生成される。この変形例では、予熱、特に誘導予熱もまた、使用され得る。粉末またはワイヤの形の追加材料は、結合されている部品の材料と同一のタイプか、または異なるタイプであってよい。異なるタイプの追加材料が使用される場合には、この接合の冶金特性や溶接適性に対し正の影響が及ぼされ得る。

この構成部品に対しては高い要求事項があるため、方法ステップｆ）においては、補修が実施された後、結合ゾーンの１００％試験が行われることが好ましい。この試験はコンピュータ断層撮影によって、線検出器を使用して、実施されることが好ましい。

最後に、本発明によれば、上述の方法のうちの１つに従って製造されるタービンブレードが、提供される。

残存ブレードと、その上方の取付け用交換部品との斜視図である。 交換部品を結合した残存ブレードを示す。 レーザ光線で切断したはんだプリフォーム部品を断面図で示したものである。 Ｖ型の間隙を有する外側輪郭を肉盛溶接により結合した様子の図式的な詳細図である。

以下に、添付の図の説明に基づき、また例示的な実施形態に基づいて、本発明の例を説明する。
以下において、同一または同様の構成部品には、同一の参照符号が付されている。
図１は、タービンブレード１の斜視図を示す。図１の描写は、下部領域に、損傷を受けたブレード先端部分から既に分離されている、対応する残存ブレード２を示している。損傷を受けたブレード先端部の、残存ブレード２からの分離は、標準切断面４に沿って行われる。タービンブレード１は、それ自体の構造において、中空である。ウェブ５がタービンブレード１の内部にあり、チャンバ６が、ウェブ５によって形成されている。このことは、図１の残存ブレード２の領域において、明らかに見てとることができる。

残存ブレード２の上方に、ブレード先端部７を有する交換用ブレード部品３が示されている。
交換用ブレード部品３は、残存ブレード２の実際の幾何学的形状に合わせられる。すなわち、残存ブレード２の外側輪郭８は、交換用ブレード部品３の外側輪郭８と一致する。

損傷を受けたブレード部分を交換することによって、図１に一例として示した高圧タービンブレードを補修するためのステップは、この例示的な実施形態に従って、以下のように実施される。
ａ）交換用ブレード部品３を鋳造により製造する
ｂ）補修されるタービンブレードから標準切断面４に応じて損傷領域を分離する
ｃ）残存ブレード２の実際の幾何学的形状に交換用ブレード部品３を合わせる。このステップは、特に注意深さを必要とする。その理由は、高圧タービンブレードがジェットエンジン内で動作するために、目標輪郭が、補修されるタービンブレードの実際の輪郭と著しく異なってしまうことがあり得るからである。この理由のために、交換用ブレード部品３は、それ自体の内側および外側の輪郭上に過剰材料を有するように、製造される。ここで、この過剰材料は、結合される残存ブレード２の表面上で、現実の実際の輪郭の全部または大部分がカバーされ得るように、選択されなければならない。特に、内側および外側の輪郭に不連続な切替えが生じないように留意しながら、残存ブレード２の実際の輪郭に交換用ブレード部品を対応させて合わせた後、次の方法ステップが実施される。
ｄ）補修されたタービンブレードが、交換用ブレード部品を残存ブレード２に結合することによって生成される。この結合ステップは、拡散（はんだ付け）接合とビーム溶接との組合せを使用して行われる。拡散結合またははんだ付けは、例えば最初は高温はんだ付けとして実施され得る。このはんだ付けにおいては、適切なはんだを使用して、切断点全体、または個々のチャンバ６を互いから隔てるウェブ５のみ、のどちらかが、はんだ付けされる。このはんだ付けは、はんだプリフォームを使用して、またはＰＶＤコーティングを使用して、またはペーストを使用して、行われる。このはんだ付けの後、高温はんだ付けが、真空オーブン内で、または誘導的に保護ガス雰囲気内で行われる。続いて、内側輪郭が、適切な場合には外側輪郭と共に、結合される。外側輪郭の結合は、ビーム溶接を使用して行われる。外側輪郭８が、高温はんだ付けを使用して既に結合されている場合には、はんだシームの「上から溶接が行われる」。

このようにして補修されたタービンブレードが、図２の斜視図に示されている。
ここでは、ブレード先端部７を有する交換用ブレード部品３に残存ブレード２を接続している溶接シーム９が、はっきり見えている。ブレード前縁１０からブレード後縁１１まで、タービンブレード１には、補修されたタービンブレードの機能、特に空力特性、に悪影響を及ぼすであろう不連続な移行部がない。

図３は、ブレード前縁１０からブレード後縁１１まで残存ブレード２の外側輪郭８と一致している、上述のはんだプリフォーム１２の断面を示す。さらに、対応するウェブ５およびチャンバ６は、残存ブレード２内の、これらの反対側にあるウェブ５およびチャンバ６と同一であるように作られている。ここにおいても、切断面によって、交換用ブレード部品３が残存ブレード２に正確に合わされて結合されることができる。

最後に、図４は、肉盛溶接を使用した、溶接接合の更なる特定の実施形態を示す。この目的のために、結合される部品同士、すなわち、残存ブレード２と交換用ブレード部品３は、これらの外側輪郭上で通常は４５°の角度Φに斜角をつけられる。続いて、肉盛溶接が、粉末またはワイヤなどの追加材料でＶ型の間隙を充填するために使用され、追加材料と、交換用ブレード部品３と、残存ブレード２との間の接合を生成する。適切な場合、予熱、特に誘導予熱、もまた、この変形例において使用され得る。粉末またはワイヤの形の追加材料は、同一のタイプまたは異なるタイプであってよい。異なるタイプの追加材料が使用される場合、この接合の冶金特性や溶接適性に対し正の影響が及ぼされ得る。
本発明の具現化は、上述した好ましい例示的な実施形態に限定されるものではない。むしろ、基本的に異なる構造を有する実施形態において提供される解決策を利用する多くの変形例が、考えられ得る。

Claims (9)

1. 翼形の少なくとも一部分を交換することによってタービンブレードを補修するための方法であって、前記方法は、
   ａ）鋳造部品として交換用ブレード部品を製造することと、
   ｂ）残存ブレードを残して、損傷領域を標準切断面で分離することと、
   ｃ）前記残存ブレードの実際の幾何学的形状に前記交換用ブレード部品を合わせることと、
   ｄ）はんだ付け、特に高温はんだ付け、と、溶接、特にビーム溶接、との組合せを使用して、前記残存ブレードに前記交換用ブレード部品を接続または結合することと、
   の各ステップを有する、方法。
2. はんだ付け、特に高温はんだ付け、と溶接、特にビーム溶接との組合せを使用して、前記残存ブレードに前記交換用ブレード部品を結合した（ステップｄ））後、後続かつ最終の処理（ステップｅ））が行われ、続いて、適切な場合には、補修されたタービンブレードの試験が行われる（ステップｆ））ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記溶接、特にビーム溶接の後、前記はんだ付け、特に高温はんだ付けの後に、外側輪郭の結合がビーム溶接を使用して行われる、請求項１および２のいずれか１項に記載のタービンブレードを補修するための方法。
4. 前記溶接、特にビーム溶接が、レーザ溶接、突合せ溶接、または肉盛溶接による結合、として行われる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のタービンブレードを補修するための方法。
5. 前記交換用ブレード部品が、内側および外側の輪郭上に過剰材料を有して生成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のタービンブレードを補修するための方法。
6. 結合される前記残存ブレードの表面の実際の幾何学的形状が取得される、請求項５に記載のタービンブレードを補修するための方法。
7. 前記交換用ブレード部品が前記残存ブレードの前記実際の幾何学的形状に合わされる、請求項６に記載のタービンブレードを補修するための方法。
8. 前記交換用ブレード部品がＳＬＭ法を使用して製造される、請求項１に記載のタービンブレードを補修するための方法。
9. 請求項１〜８に記載の方法のいずれか１つを使用して製造される、タービンブレード。

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