JP2016098817A - タービンバケットの改修されたバケットプラットフォームおよびタービンバケットのバケットプラットフォームを改修するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンバケットを改修することに関し、より具体的には、タービンバケットのバケットプラットフォームを改修する方法を提供する。【解決手段】タービンバケットの改修されたバケットプラットフォームおよびタービンバケットのバケットプラットフォームを改修するための方法を提供する。タービンバケットのバケットプラットフォームを改修するための方法は、所定の幾何学的形状を含む空隙を形成する工程と、複数の層に充填材料を積層して空隙を充填する工程と、を含む。【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、タービンバケットを改修することに関し、より具体的には、タービンバケットのバケットプラットフォームを改修することに関する。

工業的用途のためのタービンバケットは、１４００℃を超える動作温度を含むことがあり得る過酷な条件において、長期の運用サイクルを経験する場合があり得る。高温度性能合金（例えばニッケルおよびコバルト超合金など）は、これらのタービン部品の耐用年数を延ばすために利用することができる。しかし、これらの高性能合金であっても、侵食、酸化または他の損傷を受ける可能性がある。したがって、タービンバケットは、継続した運用を提供するために（例えば、修理、調整、アップグレードなどにより）改修を受けることがあり得る。例えば、バケットプラットフォームは、酸化や侵食の領域を潜在的に修復するための改修を受ける場合がある。しかし、このような高温度性能合金の改修は、特に局所的な領域だけを対象とする場合には、困難になる場合がある。さらに、各バケットはそれぞれ固有の考慮すべき事項を提示する場合があり、それは個別の改修につながる可能性がある。

したがって、代替的な改修されたタービンバケットおよびタービンバケットを改修するための方法は、当該技術分野において歓迎されるであろう。

米国特許第８４１４２６９号明細書

一実施形態では、タービンバケットのバケットプラットフォームを改修するための方法が開示される。本方法は、所定の幾何学的形状を含む空隙を形成する工程と、複数の層に充填材料を積層して空隙を充填する工程と、を含む。

別の実施形態では、複数のタービンバケットの複数のバケットプラットフォームを改修するための方法が開示される。本方法は、複数のバケットプラットフォームの各々から一部を除去して、複数のバケットプラットフォームの各々に空隙を形成する工程であって、各空隙が単一の所定の幾何学的形状を含む工程と、複数の層に充填材料を積層して空隙の各々を充填する工程と、を含む。

さらに別の実施形態では、改修されたタービンバケットが開示される。改修されたタービンバケットは、バケットプラットフォームから延在する翼形部と、バケットプラットフォームの対向する側から延在する根元部分と、を含む。改修されたタービンバケットは、所定の幾何学的形状を含む以前に形成された空隙を充填する複数の層に配置された充填材料を含むバケットプラットフォームをさらに含む。

本明細書に述べる実施形態によって提供されるこれらの特徴およびさらなる特徴は、図面と併せて、以下の詳細な説明からより完全に理解されよう。

図面に示された実施形態は、本質的に例証的且つ例示的なものであって、特許請求の範囲に規定される発明を限定するものではない。例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と併せて読めば、理解することができる。図面では、類似の構成は類似の符号で示している。

本明細書に図示し、または記載した１つまたは複数の実施形態による、タービンバケットのバケットプラットフォームを改修するための方法である。 本明細書に図示し、または記載した１つまたは複数の実施形態による、元のバケットプラットフォームを有するタービンバケットの斜視図である。 本明細書に図示し、または記載した１つまたは複数の実施形態による、空隙を形成するために除去されるバケットプラットフォームの一部を有するタービンバケットの斜視図である。 本明細書に図示し、または記載した１つまたは複数の実施形態による、図３に示した空隙の一部の拡大斜視図である。 本明細書に図示し、または記載した１つまたは複数の実施形態による、改修されたバケットプラットフォームを有するタービンバケットの斜視図である。

以下で、本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、例えばシステム関連および事業関連の制約条件への対応等実施に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施ごとに異なる可能性があることが理解されるべきである。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかるかもしれないが、にもかかわらず、この開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることが理解されるべきである。

本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合に、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」は１つまたは複数の要素があることを意味するものである。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味している。

図１〜図５を参照すると、タービンバケット１００を改修するための、より具体的には、タービンバケット１００のバケットプラットフォーム１２０を改修するための方法１０が示されている。図２に最もよく示されているように、タービンバケット１００は、一般に、バケットプラットフォーム１２０から延在する翼形部１１０と、シャンク１４２およびダブテール１４４を含み、バケットプラットフォーム１２０の対向する側から延在する根元部分１４０と、を含む。タービンバケット１００は、タービンホイール（図示せず）に配置された場合には、タービンホイールの周辺部の周りに固定されたタービンバケットの環状アレイの１つであることを理解されたい。本明細書では軸方向挿入型バケットを開示しているが、本明細書の実施形態は、接線方向挿入型バケットにも適用できることを理解されたい。さらに、図２〜図５は、方法１０の様々な段階におけるタービンバケット１００を示しているが、これらの図は例示に過ぎず、付加的または代替的な特徴を具体化する他のタービンバケット１００が実現されてもよい。

さらに図２を参照すると、タービンバケット１００のバケットプラットフォーム１２０は、翼形部１１０の各側にスラッシュ面１３０（例えば、縁部１４５）を含むことができる。スラッシュ面１３０は、前側１３１から後側１３９までバケットプラットフォーム１２０の全長Ｌを延長することができる。タービンホイールに装着された場合に、タービンバケット１００のスラッシュ面１３０は、隣接するタービンバケット（図示せず）の隣接するスラッシュ面に円周方向に対向して、それらの間に隙間を形成することができる。いくつかの実施形態では、各スラッシュ面１３０はまた、振動ダンパとして動作するダンパピン（図示せず）を受け取るための溝１３３を含むことができる。

タービンバケット１００は、高温度性能合金（例えば、ニッケルおよびコバルト系超合金）などの任意の好適な１つまたは複数の材料を含むことができる。さらに、タービンバケット１００は、任意のフレームタービンの任意の段タービンバケットを含むことができる。いくつかの特定の実施形態では、タービンバケット１００は、後段のタービンバケットよりもより高い動作温度を経験する第１段のタービンバケットを含むことができる。

ここで特に図１〜図５を参照すると、タービンバケット１００を改修するための、より具体的には、タービンバケット１００のバケットプラットフォーム１２０を改修するための方法１０が示されている。方法１０は、最初に、バケットプラットフォーム１２０の少なくとも一部を除去して空隙１５０を形成する工程を含む。空隙１５０は、その後、自動化された積層造形プロセスなどにより、空隙１５０が充填材料１３５の複数の層１３７で充填され得るように、所定の幾何学的形状を含む。所定の幾何学的形状を有する空隙１５０を用いることで、品質管理のより高いレベルで、より反復性が高く一貫性のある改修作業のための後続の層ごとの充填を容易にすることができる。

図３〜図４に最もよく示されているように、空隙１５０の所定の幾何学的形状は、複数の層１３７を介した後続の充填（例えば、積層造形充填プロセスによる）を容易にする所定の幾何学的形状を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、空隙１５０は、１つまたは複数の側壁１５１および／または１つまたは複数の床面１５２を含むことができる。いくつかの実施形態では、側壁１５１および／または床面１５２の少なくとも一方は、非垂直配向を含むことができる。非垂直配向とは、直線的な上下方向に横切っていない側壁１５１を意味する。例えば、非垂直配向は、図３〜図５に示すように床面１５２から離れる方向にテーパが付けられていることを含む。１つまたは複数の非垂直表面を設けることにより、図５に示すように、複数の層１３７に後続の充填材料１３５を配置するための１つまたは複数の機械の位置決めを、空隙１５０が容易にすることができる。例えば、非垂直配向は、個々の層の外側部分に向かって材料を堆積させるように、積層造形装置の堆積先端および対応するロボット位置決め装置を収容する追加のスペースを提供することができる。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の側壁１５１は、非垂直配向を提供するためにテーパを付けることができる。例えば図３〜図５に示されているように、空隙１５０は、空隙１５０の床面１５２からバケットプラットフォーム１２０の上面１４６まで延在する２つの側壁１５１を含むことができる。側壁１５１は、空隙１５０の上部開口が底面よりも大きくなるように、床面１５２から離れる方向にテーパを付けることができる。さらに、１つまたは複数の側壁１５１は、線形または非線形の構成を含むことができる。例えば、空隙１５０の所定の幾何学的形状は、湾曲した側壁１５１を有するスカラップ構成を含むことができる。

さらにいくつかの実施形態では、所定の幾何学的形状は、単一の所定の幾何学的形状、すなわち、同じ単一のタービンバケット１００または複数の異なるタービンバケット１００を含む、複数のタービンバケット改修作業に用いられる共通の共用の幾何学的形状を含むことができる。例えば、２つの異なるタービンバケット１００は、それぞれのバケットプラットフォーム１２０の改修を受けることができる。材料の一部が除去され、それぞれのバケットプラットフォーム１２０に空隙１５０を形成することができ、それぞれの空隙１５０は、同一の所定の幾何学的形状を有している。空隙１５０は、同じ相対位置に形成することができ（クラックが同じ相対位置にある場合など）、あるいは、空隙１５０は、異なる相対的位置に形成することもできる（クラックが異なる相対的位置にある場合など）。複数の空隙に用いられる単一の幾何学的形状は、すべての改修にわたって用いられる共通の材料充填作業を容易にすることができ、そうすることで、複数の層の特性（例えば、大きさ、数、厚みなど）は、すべての空隙１５０について同一になる。

方法１０の工程１２におけるバケットプラットフォーム１２０の一部の除去は、任意の適切なツール、方法、またはこれらの組み合わせによって行うことができ、そのようにして、所定の幾何学的形状の空隙１５０がバケットプラットフォーム１２０に形成される。例えば、いくつかの実施形態では、工程１２における除去は、フライス加工、研削、機械加工、ドリル加工、切削などにより行うことができ、自動か、手動か、あるいはこれらの組み合わせであってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、工程１２におけるバケットプラットフォーム１２０の一部を除去する工程は、放電加工（ＥＤＭ）を用いる工程を含んでもよい。工程１２における除去は、単一のパスにより、または複数の反復により行うこともできる。いくつかの実施形態では、工程１２における除去は、複数のプロセスを含むことができる。例えば、工程１２における除去は、ＥＤＭなどの初期バルク除去プロセス、およびそれに続くグリットブラストなどの表面仕上げ処理プロセスを含むことができる。

空隙１５０は、タービンバケット１００のバケットプラットフォーム１２０の様々な位置に形成することができる。いくつかの実施形態では、空隙１５０は、バケットプラットフォーム１２０の縁部１４５のうちの１つまたは複数に形成することができる。例えば、空隙１５０は、前側１３１、正圧側１４１、後側１３９、または負圧側１４３の縁部１４５に形成することができる。いくつかの特定の実施形態では、空隙１５０は、後側１３９よりも前側１３１により近接する正圧側１４１の縁部１４５に形成することができる。前記実施形態は、特に高い応力の領域の周囲のバケットプラットフォーム１２０の改修を可能にすることができる。さらに、空隙１５０の位置およびその所定の幾何学的形状に応じて、空隙１５０は、バケットプラットフォーム１２０の複数の表面間に延在する。例えば、空隙１５０は、バケットプラットフォーム１２０の上面１４６からバケットプラットフォーム１２０の側面１４７（正圧側１４１および／または前側１３１に沿った側面１４７など）まで延在することができる。

図２に示すように、いくつかの特定の実施形態では、空隙１５０を形成するために除去されたバケットプラットフォーム１２０の一部は、除去されるべき目標位置１４９を含むことができる。目標位置１４９は、改修されるべき特定の領域、例えば潜在的な亀裂、欠陥、酸化ゾーン、または修理を行う可能性があるその他の領域などを含むことができる。例えば、方法１０は、工程１２におけるバケットプラットフォームの一部の除去が目標領域の周囲の部分を除去することを含むように、目標領域を特定する初期工程１１を最初に含むことができる。

ここで図１および図４〜図５を参照すると、方法１０は、工程１４において、バケットプラットフォーム１２０の空隙１５０を充填するために、複数の層１３７に充填材料１３５（図５に示す）を積層する工程をさらに含む。複数の層１３７に充填材料１３５を積層することで、空隙１５０を任意の積層造形プロセスを用いて充填し、所定の幾何学的形状の一貫した改修を提供することができる。積層造形とは、材料の３次元的な堆積をもたらす任意のプロセスを意味しており、一度に一層ずつ対象物の形状を順次形成する工程を含む。積層造形プロセスとしては、例えば、３次元印刷、レーザネット形状製造技術、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、プラズマ移行型アーク、自由造形等が挙げられる。積層造形プロセスの１つの典型的なタイプは、レーザビームを用いて粉末材料を焼結または溶融させる。積層造形プロセスは、原料として粉末材料またはワイヤを使用することができる。積層造形プロセスは、一般に、複数の薄い単位層を順次積層して物体を製造する、対象物（物品、部品、パーツ、製品等）を製造する迅速な方法に関係することができる。例えば、粉末材料の層を設けて（例えば、載置して）、エネルギービーム（例えば、レーザビーム）を照射することができ、そのようにして各層内の粉末材料の粒子を順次焼結（融着）または溶融させて層を固化させることができる。

いくつかの実施形態では、充填材料１３５をレーザクラッディングにより複数の層１３７に積層することができる。いくつかの実施形態では、他の材料積層方法を、溶接やろう付けなどの複数の層を積層するために追加的または代替的に使用することができる。いくつかの実施形態では、複数の層１３７の各々は、複数のビードを含んでもよい（図５に示されるように）。

さらに、いくつかの実施形態では、工程１４における充填材料１３５を積層する工程は、共通の充填プロセスによることができる（すなわち、充填される各空隙１５０について同一寸法の同一量の層１３７を堆積させるために同一の充填プロセスを用いて）。いくつかの実施形態では、共通の積層造形プロセスを自動化することができる。このような実施形態は、複数のタービンバケット１００で同じ所定の幾何学的形状を有する空隙１５０が各々に設けられるように、それぞれのバケットプラットフォーム１２０の一部が除去される場合に、改修処理における再現性を容易にするのに役立つことができる。

いくつかの実施形態では、元のバケットプラットフォーム１２０の寸法を超えるように、充填材料１３５を空隙１５０に積層することができる。このような実施形態では、本明細書の記載から理解されるように、積層された充填材料１３５は、その後に、その最終的な寸法に機械加工することができる。

工程１４で積層される充填材料１３５は、タービンバケット１００のバケットプラットフォーム１２０で利用するための、複数の層１３７によって積層しやすい任意の好適な材料を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、工程１４で積層される充填材料１３５は、市販されているＨａｙｎｅｓ−２３０、Ｎｉｍｏｎｉｃ２６３、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５、ＧＴＤ−１１１（登録商標）、Ｒｅｎｅ’１４２などのうちの１つまたは複数を含むことができる。いくつかの実施形態では、充填材料１３５は、工程１２において、バケットプラットフォーム１２０から除去した同種の材料を含むことができる。しかし、いくつかの実施形態では、充填材料１３５は、バケットプラットフォーム１２０の元の材料とは異なる材料を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、新しい材料１３５は、元の材料よりも耐酸化性が高いものであってもよい。いくつかの実施形態では、充填材料１３５は、低サイクル疲労能力、酸化能力、および／またはクリープ能力に少なくとも部分的に基づいて選択された任意の他の好適な合金を含むことができる。

図１を参照すると、方法１０は、必要に応じて、工程１５で充填材料１３５を機械加工する工程をさらに含んでもよい。工程１５における機械加工は、積層する充填材料１３５を最終的な寸法に整形し、バケットプラットフォーム１２０の表面を好適な特性に仕上げ処理し、および／またはタービンバケット１００の使用の前に充填材料１３５を処理する任意の適用可能な処理を含むことができる。

例えば、いくつかの実施形態では、充填材料１３５が工程１４において積層された後に、充填材料１３５の一部は、フライス加工、研削などにより機械加工することができる。工程１５における機械加工は、自動か、手動か、またはこれらの組み合わせであってもよい。工程１５における機械加工は、単一のパスにより、または複数の反復により行うこともできる。機械加工は、充填材料１３５の寸法を改修されたタービンバケット１００の指定された許容範囲内にするように、工程１５で継続することができる。

図５に最もよく示されているように、本明細書に記載した方法は、改修されたタービンバケット１００を製造するために利用することができる。改修されたタービンバケット１００は、バケットプラットフォーム１２０から延在する翼形部１１０と、バケットプラットフォーム１２０の対向する側から延在する根元部分１４０と、を含む。バケットプラットフォーム１２０自体は、所定の幾何学的形状を含む以前に形成された空隙１５０を充填する複数の層１３７に配置された充填材料１３５を含む。

ここでタービンバケットのバケットプラットフォームは、材料を除去して（例えば、欠陥を除去して）所定の幾何学的形状の空隙を形成し、続いて複数の層に充填材料で空隙を充填する（例えば、自動化された製造プロセスにより）ことによって、改修することができることを理解されたい。所定の幾何学的形状の空隙を形成することにより、充填作業は、個々のタービンバケットまたは複数のタービンバケットの間で一貫した再現性のあるものになり得る。

本発明について限られた数の実施形態にのみ関連して詳述しているが、本発明がこのような開示された実施形態に限定されないことが直ちに理解されるべきである。むしろ、これまでに記載されていない任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むために、本発明を修正することができ、それらは本発明の趣旨と範囲に相応している。さらに、本発明の様々な実施形態について記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態のうちのいくつかのみを含んでもよいことを理解すべきである。したがって、本発明は、上記の説明によって限定されるとみなされるのではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されるだけである。

１０ 方法
１１ 工程（目標を特定する）
１２ 工程（除去する）
１４ 工程（積層する）
１５ 工程（機械加工する）
１００ タービンバケット
１１０ 翼形部
１２０ バケットプラットフォーム
１３０ スラッシュ面
１３１ 前側
１３２ 元の外縁部
１３３ 溝
１３５ 充填材料
１３７ 複数の層
１３９ 後側
１４０ 根元部分
１４１ 正圧側
１４２ シャンク
１４３ 負圧側
１４４ ダブテール
１４５ 縁部
１４６ 上面
１４７ 側面
１４９ 目標位置
１５０ 空隙
１５１ 側壁
１５２ 床面
Ｌ 長さ、全長

Claims (20)

1. タービンバケット（１００）のバケットプラットフォーム（１２０）を改修するための方法（１０）であって、
   前記バケットプラットフォーム（１２０）の一部を除去して、所定の幾何学的形状を含む空隙（１５０）を形成する工程（１２）と、
   複数の層（１３７）に充填材料（１３５）を積層して前記空隙（１５０）を充填する工程（１４）と、を含む方法（１０）。
2. 前記所定の幾何学的形状は、非垂直配向を含む１つまたは複数の側壁（１５１）を含む、請求項１に記載の方法（１０）。
3. 前記非垂直配向を含む前記１つまたは複数の側壁（１５１）は、前記空隙（１５０）の床面（１５２）から離れる方向にテーパが付けられている、請求項２に記載の方法（１０）。
4. 前記非垂直配向を含む前記１つまたは複数の側壁（１５１）は、非線形側壁を含む、請求項２に記載の方法（１０）。
5. 前記バケットプラットフォーム（１２０）の前記一部を除去する前に、前記バケットプラットフォーム（１２０）の目標位置（１４９）を特定する工程（１１）をさらに含み、 前記タービンバケット（１００）から除去された前記バケットプラットフォーム（１２０）の前記一部は、前記目標位置（１４９）を含む、請求項１に記載の方法（１０）。
6. 前記空隙（１５０）は、前記バケットプラットフォーム（１２０）の１つまたは複数の縁部（１４５）に形成される、請求項１に記載の方法（１０）。
7. 前記空隙（１５０）は、前記バケットプラットフォーム（１２０）の上面（１４６）から側面（１４７）まで延在する、請求項６に記載の方法（１０）。
8. 前記空隙（１５０）は、前記バケットプラットフォーム（１２０）の正圧側（１４１）に形成される、請求項１に記載の方法（１０）。
9. 前記空隙（１５０）は、前記バケットプラットフォーム（１２０）の後側（１３９）よりも前記バケットプラットフォーム（１２０）の前側（１３１）により近接している、請求項８に記載の方法（１０）。
10. 前記空隙（１５０）は、前記バケットプラットフォーム（１２０）の正圧側（１４１）の縁部（１４５）に形成される、請求項８に記載の方法（１０）。
11. 前記バケットプラットフォーム（１２０）の前記一部を除去する工程（１２）は、放電加工を用いる工程を含む、請求項１に記載の方法（１０）。
12. 前記複数の層（１３７）のうちの少なくとも１つは、前記充填材料（１３５）の複数のビードを含む、請求項１に記載の方法（１０）。
13. 前記充填材料（１３５）は、前記バケットプラットフォーム（１２０）と同じ材料を含む、請求項１に記載の方法（１０）。
14. 前記充填材料（１３５）の表面の仕上げ処理をする工程をさらに含む、請求項１に記載の方法（１０）。
15. 複数のタービンバケット（１００）の複数のバケットプラットフォーム（１２０）を改修するための方法（１０）であって、
    前記複数のバケットプラットフォーム（１２０）の各々から一部を除去して、前記複数のバケットプラットフォーム（１２０）の各々に空隙（１５０）を形成する工程であって、各空隙（１５０）が単一の所定の幾何学的形状を含む工程と、
    複数の層（１３７）に充填材料（１３５）を積層して前記空隙（１５０）の各々を充填する工程と、を含む方法。
16. 前記単一の所定の幾何学的形状は、非垂直配向を含む１つまたは複数の側壁（１５１）を含む、請求項１５に記載の方法（１０）。
17. 前記複数の層（１３７）に前記充填材料（１３５）を積層して前記空隙（１５０）の各々を充填する工程は、共通の充填プロセスによって行われる、請求項１５に記載の方法（１０）。
18. バケットプラットフォーム（１２０）から延在する翼形部（１１０）と、
    前記バケットプラットフォーム（１２０）の対向する側から延在する根元部分（１４０）と、を含み、
    前記バケットプラットフォーム（１２０）は、所定の幾何学的形状を含む以前に形成された空隙（１５０）を充填する複数の層（１３７）に配置された充填材料（１３５）を含む、改修されたタービンバケット（１００）。
19. 前記所定の幾何学的形状は、非垂直配向を含む１つまたは複数の側壁（１５１）を含む、請求項１８に記載の改修されたタービンバケット（１００）。
20. 前記改修されたタービンバケット（１００）は、第１段タービンバケットを含む、請求項１８に記載の改修されたタービンバケット（１００）。