JP2014531559A - 回転機械構成要素を修理する方法 - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンの構成要素（１００）を修理する装置および方法が提供されている。本方法は、構成要素の損傷領域（１０８、１１０）を位置決定するステップと、構成要素の残部を残して、損傷領域を含む構成要素の一部分を準備するステップと、コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）法を用いて、少なくとも１つの材料層を残部に溶接するステップと、所定の寸法まで、構成要素から過剰な材料を除去するステップとを含む。所定の寸法まで前記構成要素から過剰な材料を除去する前記ステップは、前記構成要素の所定の外径まで、前記構成要素から前記過剰な材料を除去することを含むことができる。【選択図】図２

Description

本開示の分野は、全般的に、タービンエンジンのシール組立体（ｓｅａｌｉｎｇ ａｓｓｅｍｂｌｙ）に関し、より具体的には、ガスタービンエンジンの構成要素を修理する方法および装置に関する。

ガスタービンエンジンの内部の少なくともいくつかの公知の構成要素は、エンジン内部での使用により磨耗し、故障する傾向がある。したがって、その構成要素の有効性は磨耗により大幅に低下する可能性がある。粉末金属合金構成要素は磨耗発生後に溶接するのが難しいので、この磨耗は、粉末金属合金から形成されているものを含むある構成要素に関して非常に問題がある可能性がある。

欧州特許第２１１３３３０（Ａ１）号

一実施形態では、ガスタービンエンジンの構成要素を修理する方法が、構成要素の損傷領域を位置決定するステップと、構成要素の残部を残して、損傷領域を含む構成要素の一部分を準備するステップと、コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ：ｃｏｌｄ ｍｅｔａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ）法を用いて、少なくとも１つの材料層を残部に溶接するステップと、所定の寸法まで、構成要素から過剰な材料を除去するステップとを含む。

別の実施形態では、粉末金属合金から製造されているシール歯を修理する方法が、シール歯の損傷領域を位置決定するステップと、回転シャフトからシール歯を除去するステップと、そのシャフトを中心軸を中心に回転させるステップと、回転中にコールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）法を用いて、少なくとも１つの材料層をシール歯に溶接するステップとを含む。

さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジンのシール歯は、ガスタービンエンジンのシャフトと一体的に形成されている根元部およびその根元部から径方向外側に延出している遠位端を含む第１の径方向内側歯部であり、シャフトの材料と同一の金属合金材料を含む、第１の径方向内側歯部と、遠位端上に積層された、円周方向にかつ外側径方向に拡張して構築された溶接物において、コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）アーク溶接法を用いて形成された、シール歯の第２の径方向外側部分とを含む。

本発明の例示的実施形態によるガスタービンエンジンの概略図である。 本発明の例示的実施形態による、図１に示されているガスタービンエンジンの内部で使用されてもよい、シール歯組立体の側面斜視図である。 図２に示されているロータディスクの構成要素などのガスタービンエンジン構成要素を修理する例示的方法の流れ図である。 本発明の別の例示的実施形態による、ガスタービンエンジン構成要素を修理する例示的方法の流れ図である。

図１は、ファン組立体１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６とを含む例示的ガスタービンエンジン１０の概略図である。また、エンジン１０は、高圧タービン１８と、低圧タービン２０とを含む。ファン組立体１２とタービン２０とは、第１のロータシャフト２４により連結されており、圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータシャフト２６により連結されている。

動作中、空気がファン組立体１２を通って軸方向に流動し、圧縮空気が高圧圧縮機１４に供給される。高度に圧縮された空気が燃焼器１６に送達される。燃焼器１６からの燃焼ガス流（図１に図示せず）が、タービン１８および２０を駆動する。タービン１８は、シャフト２６により圧縮機１４を駆動し、タービン２０は、シャフト２４によりファン組立体１２を駆動する。

図２は、本発明の例示的実施形態による、（図１に示されている）ガスタービンエンジン１０の内部で使用されてもよいシール歯組立体１００の側面斜視図である。当該例示的実施形態では、シール歯組立体１００は、シャフト（図２に図示せず）と一体的に形成されていてもよいか、または別個の組立体として形成されており、シャフトに連結されていてもよい。本明細書に用いられている用語「一体的に」は、一体である構成要素および／または一体構成要素として形成されている構成要素を指す。シール歯組立体１００は、シャフトから径方向外側に延出している列状の個々のシール歯１０２を含む。その歯は、シャフトの回転軸１０４に沿って軸方向に間隔を空けられている。

各歯は、歯の外周を巡って各歯に関して略一定の所定の高さ１０６を有する。各歯は、ケーシング（図２に図示せず）から径方向内側に延出しているハニカムシール部（図２に図示せず）に近接して延出するように、またはそれに係合するように構成されている。

動作中、歯１０８は、歯の非真円部（ｏｕｔ−ｏｆ−ｒｏｕｎｄｎｅｓｓ）を生じるのに十分にハニカム部に擦り付く可能性があり、例えば、歯の直径が歯の外周を巡る２点間で一定でない可能性がある。あるいは、歯１１０が、例えば歯の小部分が歯から抜け出た場合、欠ける可能性がある。そのような場合のいずれかでは、非真円部または欠けた領域により生じた間隙を通ってガス流が逃げられるようになることにより、シール歯組立体１００が効率的に動作しない。

シール歯１０２のいずれかの非真円状態、または欠け、またはひびからの修理後、修理済みシール歯１１２は、シャフトと一体的に形成されている根元部１１６を含む第１の径方向内側歯部１１４と、根元部１１６から径方向外側に延出している遠位端１１８とを含んでいてもよい。当該例示的実施形態では、第１の部分１１４は、シャフトの材料と同一の金属合金材料から形成されている。種々の実施形態では、第１の部分１１４は、シャフトの材料とは異なる材料から形成されている。他の種々の実施形態では、シール歯組立体１００は、シャフトとは別個に形成されており、そのシャフトに連結されている。シール歯１１２の第２の径方向外側部１２０が、遠位端１１８上に積層された、円周方向にかつ外側径方向に拡張して構築された溶接物において、コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）アーク溶接法を用いて形成されている。種々の実施形態では、第１の部分１１４は、クロム合金鋼、ニッケル基合金、チタン基合金、鉄基合金、またはそれらの組合せから形成されている。他の実施形態では、シール歯１１２は粉末金属合金から形成されている。

いくつかの実施形態では、シール歯１１２は、シール歯１１２の表面に施されるボンドコート１２２とボンドコート１２２を覆って施される上塗り１２４とを含む遮熱コーティングを含む。

この例では、コールドメタルトランスファ法などの改良ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ：Ｇａｓ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ）法を用いて、遠位端１１８に第２の部分１２０が付加される。公知の通り、コールドメタルトランスファは溶接の液滴形成を促進する。また、コールドメタルトランスファは、他の溶接法より熱を利用せず、メルトバックおよび熱影響域（ＨＡＺ：ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ）の減少を促進する。自動コールドメタルトランスファ溶接法および手動コールドメタルトランスファ溶接法はどちらも、遠位端１１８に第２の部分１２０の追加材料を付加するのに使用されてもよい。

図３は、図２に示されているシール歯１０２などの、粉末金属合金から成るガスタービンエンジン構成要素を修理する例示的方法２００の流れ図である。方法２００は、エンジン内部での使用により磨耗したニッケル合金シール歯での使用に関して記載される。当該例示的実施形態では、シール歯上の上塗りが除去される２０２。一実施形態では、上塗りは、酸化アルミニウムグリット媒体を有する乾式研磨グリットブラストを使用して除去される２０２。あるいは、本明細書に記載の構成要素の修理を促す、上塗りを除去する任意の方法を使用することができると考えられる。シール歯は、次いで、シール歯上のボンドコートを除去するために剥がされる２０４。一実施形態では、ボンドコートは少なくとも５％のアルミニウムを含む。一実施形態では、３３〜５０重量パーセントを有する硝酸洗浄液が使用されて、ボンドコートを除去する２０４。あるいは、本明細書に記載の構成要素の修理を促す、ボンドコートを除去する任意の方法を使用することができると考えられる。

当該例示的実施形態では、ボンドコートが除去された２０４後、シール歯は、修理を促すために、所定の高さまで機械加工される２０６。次いで、蛍光浸透探針検査（ＦＰＩ：ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｐｅｎｅｔｒａｎｔ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）に備えて、構成要素に酸エッチングが適用される２０８。一実施形態では、酸エッチングは、塩化第二鉄、蒸留水および／または脱イオン水、ならびに塩酸を含む。あるいは、ＦＰＩに備えて構成要素を準備する任意の酸エッチングを用いることができると考えられる。蛍光浸透探針検査は、次いで、シール歯の完全性または質を含む可能性がある任意の欠点が存在するかどうかを判定する２１０ために実施される。一実施形態では、かなりの欠点が存在する場合、シール歯は拒絶される２１２。あるいは、欠点がそれほど存在しないと判定された２１０場合、シール歯は、蛍光浸透剤を除去するために清浄化される２１４。一実施形態では、シール歯は蒸気を使用して清浄化される２１４。あるいは、蛍光浸透剤を除去する任意の方法を用いることができる。

当該例示的実施形態では、シール歯が負っていた任意の損傷または疲労を修理するために、シール歯は溶接される２１６。当該例示的実施形態では、コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）アーク溶接が用いられて、損傷しかつ／または疲労したシール歯を修理する。一実施形態では、溶接２１６中、使用により磨耗しているシール歯の部分が修理されかつ／または再構築される。そのような実施形態では、シール歯をその本来の大きさおよび形状に戻すことができる。あるいは、シール歯が意図されている通りに機能することを可能にする任意の所定の寸法を有するように、シール歯を修理することができる。多くの粉末金属構成要素は、他の公知の溶接方法を用いて修理することおよび／または再構築することが不可能ではないにせよ難しいので、粉末金属合金シール歯にＣＭＴ溶接を用いることにより、シール歯がより長い耐用年数を有することが可能になる。

当該例示的実施形態では、溶接２１６後、シール歯が加熱される２１８。シール歯を加熱すること２１８により、シール歯が溶接２１６中に生じた可能性がある内圧および／または内部応力を解放することが可能になる。一実施形態では、インコネル７１８を含む基材からシール歯が製造される場合、シール歯は、少なくとも１時間の間に約１４００°Ｆまで加熱されて、任意の潜在的な内圧および／または内部応力を解放する。あるいは、インコネル７１８を含む基材から製造されたシール歯を、少なくとも２時間の間に１１５０°Ｆまで加熱して、同様の所望の効果を達成することができる。別の実施形態では、Ｒｅｎｅ ８８ＤＴ粉末を含む基材からシール歯が製造される場合、シール歯は、少なくとも２時間の間に約１４００°Ｆまで加熱されて、任意の潜在的な内圧および／または内部応力を解放する。別の実施形態では、Ｒｅｎｅ ６５を含む基材からシール歯が製造される場合、シール歯は、少なくとも２時間の間に約１４００°Ｆまで加熱されて、任意の潜在的な内圧および／または内部応力を解放する。さらに別の実施形態では、例えばＴｉ６−４などの基材チタン合金からシール歯が製造される場合、シール歯は、少なくとも１時間の間に１０００°Ｆから２０００°Ｆまでの範囲まで加熱されて、任意の潜在的な内圧および／または内部応力を解放する。

一実施形態では、加熱処理２１８中にシール歯に付けられた任意の変色が除去される２２０。当該例示的実施形態では、ガラスビーズ媒体を含む乾式研磨グリットブラストを用いて変色が除去される２２０。あるいは、加熱処理による変色をかなり除去するであろう任意の方法により、変色を除去することができる２２０。当該例示的実施形態では、シール歯は、シール歯を所定の高さおよび幅に合わせるために、機械加工される２２２。

次いで、第２の蛍光浸透探針検査（ＦＰＩ）に備えて、構成要素に酸エッチングが適用される２２４。当該例示的実施形態では、第２の蛍光浸透探針検査が、シール歯の完全性または質を含んでいる可能性がある任意の欠点が存在するかどうかを判定する２２６ために実施される。一実施形態では、かなりの欠点が存在する場合、シール歯は拒絶される２１２。あるいは、欠点がそれほど存在しないと判定された２２６場合、シール歯は検査されて２２８、シール歯が所望の状態で機能することを可能にするために必要な寸法にシール歯が確実に対応するようにする。シール歯が所望の状態で機能することを可能にするために必要な寸法にシール歯が対応しない場合、シール歯は拒絶される２１２。

シール歯がその意図された機能を実施することを可能にするために必要な寸法にシール歯が対応すると判定された２２８場合、シール歯の最終的な機械加工が実施されてもよく２３０、次いで、シール歯にボンドコートおよび上塗りが施される２３２。当該例示的実施形態では、６０〜１２０個の酸化アルミニウムグリット媒体を含む乾式研磨グリットブラストが用いられて、ボンドコートに備えてシール歯を準備する。グリットブラスト後、ボンドコートおよび上塗りが施される２３２。一実施形態では、ボンドコートおよび上塗りは容射を用いて施される。容射は、プラズマ、火炎、電気アークを含むがそれらに限定されない、構成要素が本明細書に記載されている通り機能することを可能にする任意の容射を含む可能性がある。あるいは、ボンドコートおよび上塗りは、構成要素へのコーティングの十分な接着を可能にする任意の方法で施すことができる。

図４は、本発明の別の例示的実施形態による、粉末金属合金から形成されている、ガスタービンエンジン構成要素を修理する例示的方法４００の流れ図である。本例示的実施形態では、方法４００は、構成要素の損傷領域を位置決定するステップ４０２と、構成要素の残部を残して、損傷領域を含む構成要素の一部分を除去するステップ４０４と、その構成要素を中心軸を中心に回転させるステップ４０８と、コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）法を用いて、少なくとも１つの材料層を残部に溶接するステップ４１０と、所定の寸法まで、構成要素から過剰な材料を除去するステップ４１２とを含む。

構成要素の損傷領域を位置決定するステップは、例えば構成要素の非真円部または欠けた領域を位置決定するステップをさらに含んでいてもよい。非真円部は、シール歯がシール組立体の一部を形成するタービンケーシングまたはハニカム材料に衝突した場合に生じる可能性がある。

方法４００は、構成要素の所定の外径まで、構成要素から過剰な材料を除去するステップを含む。そのような除去は、例えば研削工程または機械加工工程を用いて起こる可能性があり、溶接再構築が施される準備された縁部を有する丸い歯で溶接再構築工程が開始するように、少なくとも歯への損傷の高さまで下方に歯の径方向外側部分を除去するように構成されている。

また、方法４００は、構成要素の損傷部分を除去しながら、かつコールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）法を用いて１つまたは複数の溶接物層を構成要素に溶接している間に、構成要素を中心軸を中心に回転させるステップを含んでいてもよい。種々の実施形態では、ＣＭＴ法はロボット制御で制御されて、溶接ヘッドを正確に配置し、溶接部位へのエネルギー送達を制御する。シール歯、または他の構成要素は、ニッケル基合金、チタン基合金、もしくは他の合金を含む粉末金属合金を含んでいてもよい。方法４００は、構成要素へのボンドコートおよび／または遮熱コーティングを施すなどの、修理工程中に構成要素から除去された任意のコーティングを復元するステップをさらに含む。

粉末金属合金の構成要素を含む合金構成要素を修理する前述の方法は、粉末冶金合金の構成要素に、より長い耐用年数をもたらす。より具体的には、前述のものなどの修理方法により、他の溶接技術では効果がないことが示されている場合に、ＣＭＴ溶接技術を用いることによる修理が可能になる。したがって、前述の方法により、構成要素の有効性にかなり影響を及ぼす磨耗が生じた後に、粉末金属合金構成要素が使用されたままであることが可能になる。

粉末金属合金構成要素を修理する方法の例示的実施形態が詳細に前述されている。本方法は、本明細書に記載されている特定の実施形態に限定されず、むしろ、装置の構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載されている他の構成要素および／またはステップから独立して、別々に利用されてもよい。例えば、本方法は、任意の粉末金属合金構成要素で使用されてもよく、本明細書に記載されているロータディスクのシール歯のみで実践することに限定されない。さらに、前述の方法は、任意の粉末金属合金で使用されてもよく、前述のニッケル合金で実践することに限定されない。例えば、前述の本方法は、ニッケル合金（例えば、Ｒｅｎｅ ８８ＤＴ）などの任意の粉末金属合金で使用されてもよい。

本発明の種々の実施形態の特定の特徴が、いくつかの図面に示されており、他のものに示されていない可能性があるが、これは単に便宜上のことである。本発明の原理に従って、図面の任意の特徴が、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて言及され、かつ／または特許請求されている可能性がある。

本明細書は、最良の形態を含めて、例を用いて本発明を開示し、また、任意のデバイスまたはシステムを作製することおよび使用すること、ならびに任意の援用されている方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実践することを可能にしている。本発明の特許性のある範囲は特許請求の範囲により定められ、当業者に思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言と僅かしか異ならない同等の構造要素を含む場合、特許性の範囲の範囲内に入るものとする。

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２４ 第１のロータシャフト
２６ 第２のロータシャフト
１００ シール歯組立体
１０２、１１２ シール歯
１０４ （シャフトの）回転軸
１０６ （歯の）所定の高さ
１０８、１１０ 歯
１１４ 第１の径方向内側歯部
１１６ （歯の）根元部
１１８ （歯の）遠位端
１２０ 第２の径方向外側部
１２２ ボンドコート
１２４ 上塗り
２００、４００ 方法
２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２１４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２ 方法２００のステップ
４０２、４０４、４０８、４１０、４１２ 方法４００のステップ
７１８ インコネル

Claims (20)

1. 超合金材料から形成されているガスタービンエンジン構成要素を修理する方法であって、
   前記構成要素の損傷領域を位置決定するステップと、
   前記損傷領域を含む前記構成要素の一部分を準備するステップと、
   コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）法を用いて、少なくとも１つの材料層を前記準備された部分に溶接するステップと、
   所定の寸法まで、前記構成要素から過剰な材料を除去するステップと
   を含む、方法。
2. 所定の寸法まで、前記構成要素から過剰な材料を除去する前記ステップは、前記構成要素の所定の外径まで、前記構成要素から前記過剰な材料を除去することを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記構成要素の損傷領域を位置決定する前記ステップは、前記構成要素の非真円部および前記構成要素の欠けた領域の少なくとも１つを位置決定することを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記損傷領域を含む前記構成要素の一部分を準備する前記ステップは、前記構成要素を研削することおよび機械加工することの少なくとも１つを用いて前記構成要素の前記一部分を除去して、前記損傷領域までの外径より小さい外径まで下方に前記構成要素の外周範囲を除去することを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記損傷領域を含む前記構成要素の前記一部分を除去しながら、前記構成要素を中心軸を中心に回転させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
6. 前記コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）法を用いて前記少なくとも１つの材料層を前記残部に溶接しながら、前記構成要素を中心軸を中心に回転させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
7. ガスタービンエンジンの合金構成要素を設けることは、ニッケル基合金を設けることをさらに含む、請求項１記載の方法。
8. ガスタービンエンジンの合金構成要素を設けることは、チタン基合金を設けることをさらに含む、請求項１記載の方法。
9. 前記構成要素に遮熱コーティングを施すステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
10. ＣＭＴ法を用いて、前記少なくとも１つの材料層を前記残部に溶接する前記ステップは、前記ＣＭＴ法をロボット制御で制御することを含む、請求項１記載の方法。
11. 粉末金属合金から製造されているシール歯を修理する方法であって、
    前記シール歯の損傷領域を位置決定するステップと、
    回転シャフトから前記シール歯を除去するステップと、
    前記シール歯を中心軸を中心に回転させるステップと、
    前記回転中にコールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）法を用いて、少なくとも１つの材料層を前記シール歯に溶接するステップと
    を含む、方法。
12. 所定の寸法まで、前記構成要素から過剰な材料を除去するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記シール歯の残部を残して、前記損傷領域を含む前記シール歯の一部分を除去するステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
14. 回転支持デバイス内に前記シール歯を取り付けるステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。
15. ガスタービンエンジンのシール歯であって、
    前記ガスタービンエンジンのシャフトと一体的に形成されている根元部および前記根元部から径方向外側に延出している遠位端を含む第１の径方向内側歯部であり、前記シャフトの材料と同一の金属合金材料を含む、第１の径方向内側歯部と、
    前記遠位端上に積層された、円周方向にかつ外側径方向に拡張して構築された溶接物において、コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）アーク溶接法を用いて形成されている、前記シール歯の第２の径方向外側部分と
    を含む、シール歯。
16. 前記第１の内側歯部は、クロム合金鋼、ニッケル基合金、チタン基合金、および鉄基合金の少なくとも１つから形成されている、請求項１５記載のシール歯。
17. 前記第２の部分を形成している材料が、前記第１の部分を形成している前記材料とは異なる、請求項１５記載のシール歯。
18. 前記シール歯に施されているボンドコートおよび前記ボンドコートを覆って施されている上塗りを含む遮熱コーティングを含む、請求項１５記載のシール歯。
19. 所定の寸法まで機械加工されるシール縁部を含む、請求項１５記載のシール歯。
20. 粉末金属合金を含む、請求項１５記載のシール歯。