JP2014231096A - ガスタービンの羽根に設けられた開口を閉鎖する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】先端キャップまたはこれに類する部材を使用することなく、羽根の先端部に設けられた開口を閉鎖する方法を提供する。【解決手段】ガスタービンの羽根１００に設けられた開口を閉鎖する方法が、開口内にインサートを配置することなく、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接プロセスにより形成された溶接部１５０によって開口を閉鎖するステップを有している。【選択図】図３

Description

本発明は、ガスタービン、特にガスタービンの羽根に関し、より詳細には、ガスタービンの羽根に設けられた開口を閉鎖する方法であって、前記ガスタービンの前記羽根が、上面と下面とを備えた先端部を有しており、前記羽根の前記先端部に開口が形成されており、該開口が、周縁端部を有している、ガスタービンの羽根に設けられた開口を閉鎖する方法に関する。

ガスタービンの羽根は、根元部と、プラットフォーム部と、翼形部とを有している。通常、ガスタービンの羽根は、高い速度および温度で運転される。したがって、羽根を、比較的肉薄の凸面状のかつ凹面状の側壁を備えて形成するのが好ましい。この側壁は、冷却のための複数の内部冷却路を備えている。冷却効率の改善に関して、これらの内部冷却路は複雑な構造に設計されている。

羽根の重要な空気力学的な形状と、複雑な内部冷却路とを考慮して、羽根を製造するためには、通常、鋳造プロセスが採用されている。この鋳造プロセスでは、内部冷却路を形成するために、型内にセラミックス製のまたはガラス製の中子が配置される。この中子は、取扱いおよび位置決めのために、羽根の先端部を越えて延びていなければならないので、鋳造プロセスが終了した時には、結果として、１つ以上の開口が残される。その後、羽根の運転の間に冷却流体が漏出することを防止するために、羽根の先端部に設けられた開口をシールすることが必要となる。従来では、この開口は、鑞付けプレート、いわゆる「レターボックス」によってシールされる。

米国特許第６９８４８０１号明細書には、ガスタービン羽根の先端部に設けられた孔を塞ぐ方法が開示されている。この方法は、先端プラグとタービン羽根の先端部との間に突合せ区分を提供するために、タービン羽根の先端部に形成された孔内に先端プラグを嵌め込むステップと、先端プラグとタービン羽根の先端部との間の突合せ区分でレーザビームを用いて突合せ溶接を実施するステップと、孔を塞ぐステップとを有している。

米国特許出願公開第２００４００６０９６４号明細書には、タービン羽根閉鎖システムが開示されている。このタービン羽根閉鎖システムは、タービン羽根内の内側の中空室からの冷却流体の逃げ出しを防止するために、中空鋳造タービン羽根に設けられた開口内で摩擦溶接可能な閉鎖部材を有している。この閉鎖部材の異なる形状および開口に対する相応の処理も同明細書に開示されている。

米国特許出願公開第２００７０２５８８２５号明細書には、タービン羽根を製造する方法が開示されている。この方法は、（ａ）互いに反対の側の端部においてタービン羽根内側中子支持体を支持して、タービン羽根の半径方向内外の端部を鋳造の間に開放したままにしておくステップと、（ｂ）水平線に対して傾けられた半径方向外側の縁部を備えた翼形部分を含めて羽根を鋳造するステップと、（ｃ）翼形部分の半径方向外側の縁部を加工して、翼形部分に設けられた半径方向外側の開口を取り囲む周肩部を形成するステップと、（ｄ）この周肩部に先端キャップを装着しかつ位置固定する、たとえば羽根の翼形部分に先端キャップを溶接するステップとを有している。

上述した明細書から認めることができるように、先端キャップまたはこれに類する部材は、羽根の先端部に設けられた、鋳造プロセスから残された開口の閉鎖に際して、上述した明細書の解決手段の全てに採用されている。先端キャップは、羽根の先端部に設けられた開口をシールする全体的なプロセスを複雑にし、これによって、プロセスサイクルが延長されてしまう。また、このように、羽根の先端部に溶接された先端キャップが、ガスタービンの運転の間に早期の破損を招いてしまうことも知られている。その結果、保守および修理のための休止時間が長くなり、ひいては、多大なコストが発生してしまう。

米国特許第６９８４８０１号明細書 米国特許出願公開第２００４００６０９６４号明細書 米国特許出願公開第２００７０２５８８２５号明細書

本発明の課題は、上述した問題を除去するかまたは少なくとも軽減する、つまり、先端キャップまたはこれに類する部材を使用することなく、羽根の先端部に設けられた開口を閉鎖する方法を提供することである。

この課題を解決するために、本発明に係る方法では、該方法が、開口内にインサートを配置することなく、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接プロセスにより形成された溶接部によって開口を閉鎖するステップを有している。

本発明に係る方法の好ましい態様では、前記ＴＩＧ溶接プロセスを前記開口の前記周縁端部に沿って実施する。

本発明に係る方法の好ましい態様では、前記ＴＩＧ溶接プロセスを肉盛溶接によって実施する。

本発明に係る方法の好ましい態様では、前記ＴＩＧ溶接プロセスにより形成された前記溶接部が、それぞれ前記羽根の前記先端部の前記上面および前記下面を越えて延びている。

本発明に係る方法の好ましい態様では、前記方法が、前記閉鎖するステップ以前に、さらに、前記開口の前記周縁端部と、前記開口の前記周縁端部の、前記ＴＩＧ溶接プロセスにより影響が与えられる直近の部分とを清浄化するステップを有している。

本発明に係る方法の好ましい態様では、前記開口の前記周縁端部が、前記羽根の前記先端部の前記下面に対して相対的に、設定された角度を成すようにするために、前記方法が、前記閉鎖するステップ以前に、さらに、前記開口の前記周縁端部を面取りするステップを有している。

本発明に係る方法の好ましい態様では、前記溶接部の上面を前記羽根の前記先端部の前記上面に整合させるために、前記方法が、前記閉鎖するステップ以後に、さらに、前記ＴＩＧ溶接プロセスにより形成された前記溶接部を仕上げ加工するステップを有している。

本発明に係る方法の好ましい態様では、前記方法が、前記閉鎖するステップ以前に、さらに、前記羽根の前記先端部を熱処置するステップを有している。

本発明によって、従来使用されていた「レターボックス」、インサート、先端キャップおよびこれに類するものを使用することなしに、羽根の先端部に設けられた開口を閉鎖するための簡単で廉価な技術的な解決手段が提供される。このことを考慮して、開口を閉鎖するプロセスを簡略化することができ、発生するコストを減少させることができる。さらに、羽根の早期の破損が防止されている。

本発明の目的、利点および更なる特徴は、同じエレメントを表すために同一の参照符号を使用した添付の図面に相俟って、例示の目的のためにのみ記載した、限定されていない本発明の好適な実施の形態の以下の説明からさらに明らかとなる。

ガスタービンの羽根の先端部の概略的な平面図である。 溶接前の羽根の先端部の側方横断面図である。 溶接後の羽根の先端部の側方横断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、ガスタービンの羽根１００の先端部１１０の概略的な平面図が示してある。このガスタービンの羽根１００は、図２に示したように、上面１２０と下面１３０とを備えた先端部１１０を有している。羽根１００のこの先端部１１０には、たとえば鋳造プロセスによって開口１４０が形成されている。この開口１４０は、図２に示したように、周縁端部１４２を有している。本発明の１つの実施の形態によれば、開口１４０を閉鎖する方法が、開口１４０内にインサートを配置することなく、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接プロセスにより形成された溶接部１５０（図３参照）によって開口１４０を閉鎖するステップを有している。

本発明の１つの可能な実施の形態では、ＴＩＧ溶接プロセスが開口１４０の周縁端部１４２に沿って実施される。特にＴＩＧ溶接プロセスは、開口１４０の周縁端部１４２から始まって、開口１４０の中心に向かって螺線状に進行し、そこで、ＴＩＧ溶接プロセスが終了し、開口１４０が溶接部１５０によって閉鎖される。

本発明の１つの好適な実施の形態では、羽根１００、特に羽根１００の先端部１１０が、溶接前に熱処理にさらされてよく、これによって、羽根１００の先端部１１０がいっそう溶接可能となり、結果として生じる溶接部１５０における亀裂が回避される。したがって、本発明に係る方法は、羽根１００の先端部１１０を熱処理するステップを有していてよい。

当業者に自明であるように、厚さ、すなわち、羽根１００の先端部１１０の上面１２０と下面１３０との間の距離が、幾つかの羽根において極めて大きい場合には、溶接部１５０が先端部１１０の厚さ全体を埋め尽くすことができない。この場合、本発明の１つの好適な実施の形態によれば、ＴＩＧ溶接プロセスが肉盛溶接によって実施されてよく、これによって、先端部１１０の厚さが十分に埋め尽くされ、ひいては、溶接部１５０の十分な強度が保証される。

実際の用途では、種々の処理および組立て誤差のため、上面１２０と下面１３０とが平坦なままであることはない。この場合には、図３に示したように、ＴＩＧ溶接プロセスにより形成された溶接部１５０が、それぞれ羽根１００の先端部１１０の上面１２０と下面１３０とを越えて延びており、これによって、下面１３０の外観がそれほど重要でない場合でさえ、上面１２０と下面１３０とにおけるあらゆる凹凸が除去され、ひいては、溶接部１５０と上面１２０との強度および外観が保証される。

本発明の１つの好適な実施の形態によれば、本発明に係る方法が、閉鎖のステップ以前に、さらに、開口１４０の周縁端部１４２と、この開口１４０の周縁端部１４２の、ＴＩＧ溶接プロセスにより影響が与えられる直近の部分とを清浄化するステップを有している。この清浄化のステップは、開口１４０の周縁端部１４２と、この開口１４０の周縁端部１４２の、ＴＩＧ溶接プロセスにより影響が与えられる直近の部分とを覆うあらゆる酸化された金属を除去するために利用することができる。これによって、酸化された金属による溶接部１５０の品質の悪化を防止することができる。

付加的に、本発明の１つの可能な実施の形態では、図２に破線で示したように、開口１４０の周縁端部１４２が面取りされていてよい。したがって、本発明に係る方法は、閉鎖のステップ以前に、さらに、開口１４０の周縁端部１４２を面取りするステップを有しており、これによって、周縁端部１４２が、羽根１００の先端部１１０の下面１３０に対して相対的に、設定された角度を成している。したがって、形成された面取り部１４４が溶接プロセスおよび溶接部強度を促進することができる。面取り部１４４と下面１３０との間の角度に関して、当業者は、特別な用途に応じて、適切な角度、たとえば３０°、４５°およびこれに類する角度を選択してよい。

付加的に、本発明の１つの実施の形態に係る方法は、さらに、ＴＩＧ溶接プロセスにより形成された溶接部１５０を仕上げ加工するステップを有していてよく、これによって、溶接部１５０の上面が、羽根１００の先端部１１０の上面１２０に整合させられる。この仕上げ加工ステップは、工作機械によって実施されてもよいし、手動で行われてもよい。溶接部１５０の仕上げ加工された上面は、通常、羽根１００の先端部１１０の上面１２０と同一平面を成しており、これによって、後続の処理および組立てに対して平滑なかつ仕上げ加工された表面が提供される。

当業者に自明であるように、上述したステップおよびステップの実施順序は、特別な用途に応じて選択され、決定されてよい。上述したステップのあらゆる組合せが、実地作業の間に直面した技術的な問題に取り組む際の１つの可能な解決手段を成している場合には、この組合せが本発明の保護範囲に含まれていることが提案されている。

本発明を、ただ１つの限定した実施の形態に関連して詳細に説明したにもかかわらず、当然ながら、本発明はこのような上述した実施の形態に限定されるものではない。それどころか、本発明は、上述していないものの、本発明の精神および範囲に相応する変化形態、改良形態、代用形態または同等の配置形態を含めるために変更されてよい。付加的に、本発明の種々異なる実施の形態を説明したにもかかわらず、当然ながら、本発明の態様は、幾つかの説明した実施の形態だけを含むものであってもよい。したがって、本発明は、前述した説明によって限定されていると見なされるべきではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されたものでしかない。

１００ 羽根
１１０ 先端部
１２０ 上面
１３０ 下面
１４０ 開口
１４２ 周縁端部
１４４ 面取り部
１５０ 溶接部

Claims (8)

1. ガスタービンの羽根に設けられた開口を閉鎖する方法であって、前記ガスタービンの前記羽根が、上面と下面とを備えた先端部を有しており、前記羽根の前記先端部に開口が形成されており、該開口が、周縁端部を有している、ガスタービンの羽根に設けられた開口を閉鎖する方法において、該方法が、
   開口内にインサートを配置することなく、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接プロセスにより形成された溶接部によって開口を閉鎖するステップを有していることを特徴とする、ガスタービンの羽根に設けられた開口を閉鎖する方法。
2. 前記ＴＩＧ溶接プロセスを前記開口の前記周縁端部に沿って実施する、請求項１記載の方法。
3. 前記ＴＩＧ溶接プロセスを肉盛溶接によって実施する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記ＴＩＧ溶接プロセスにより形成された前記溶接部が、それぞれ前記羽根の前記先端部の前記上面および前記下面を越えて延びている、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記方法が、前記閉鎖するステップ以前に、さらに、前記開口の前記周縁端部と、前記開口の前記周縁端部の、前記ＴＩＧ溶接プロセスにより影響が与えられる直近の部分とを清浄化するステップを有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記開口の前記周縁端部が、前記羽根の前記先端部の前記下面に対して相対的に、設定された角度を成すようにするために、前記方法が、前記閉鎖するステップ以前に、さらに、前記開口の前記周縁端部を面取りするステップを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記溶接部の上面を前記羽根の前記先端部の前記上面に整合させるために、前記方法が、前記閉鎖するステップ以後に、さらに、前記ＴＩＧ溶接プロセスにより形成された前記溶接部を仕上げ加工するステップを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記方法が、前記閉鎖するステップ以前に、さらに、前記羽根の前記先端部を熱処置するステップを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

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