JP2016525641A - 可変ベーンを補修するための方法 - Google Patents

Abstract

エアフォイルと、内側トラニオン軸と、外側トラニオン軸と、を備えると共に、前記外側トラニオン軸がネジ穴と、外側トラニオン軸の周囲に延在する溝と、を有する可変ベーンは、軸のスタブを残して外側トラニオン軸の一部を除去することによって補修される。補修細部は公称外径を有する外周軸部を備えるものとして準備される。補修細部は前方に延在し且つ公称外径の外径よりも小さい外径を有する案内部を有する。軸のスタブは残存する孔部を有し、これはネジ穴の一部である。案内部は、残存する孔部内に受け入れられるように寸法決めされる。案内部は残存する孔部に挿入される。補修細部は軸のスタブに溶接される。補修された可変ベーンも開示されている。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は２０１３年７月１２日に出願された米国仮出願第６１／８４５，３８６号に基づく優先権を主張する。

本出願は、ガスタービンエンジンで使用する可変ベーンを補修するための方法に関する。

ガスタービンエンジンは、典型的には、コアエンジンに空気を送出し、さらにコアエンジンの外側に空気を推進力のためのバイパス流として送出する、ファンを含んでいる。コアエンジンに送られる空気は、圧縮機セクションに入り、ここでブレードを有する圧縮機ロータによって圧縮され、そして燃焼部に供給される。圧縮された空気は燃料と混合されて燃焼部で点火され、この燃焼生成物はタービンロータを横切って下流に流れ、ロータを回転駆動する。

典型的には、圧縮機ロータに亘る複数の圧縮段がある。それらの段は、それぞれ複数の回転ブレードを含んでいる。ブレードの次の列に向かって下流へと進む空気の流れを適切に調整するために、ブレードの複数の列の中間にベーンを配置することが知られている。ベーンの一つのタイプは、可変ベーンである。可変ベーンは、ガスタービンエンジンを運転する様々な条件に応じて、付随するエアフォイルを様々な角度で受けるように配置される。一般的に、アクチュエータが、可変ベーンのエアフォイルを駆動してその角度を変化させるように回転させる。

可変ベーンは、一般的に内側トラニオンと外側トラニオンを有していて、外側トラニオンはアクチュエータよって駆動されるようになっている。可変ベーンは使用していると摩損し、可変ベーン上のいくつかの部位は補修が必要となる場合がある。

ベーン上の多くの領域を補修することは比較的容易であるが、他の領域は補修が困難であって、結果として破損したベーンは廃棄しなければならなくなっている。

主な実施形態では、エアフォイルと、内側トラニオン軸と、外側トラニオン軸と、を備えると共に、外側トラニオン軸が、ネジ穴と、外側トラニオン軸の周囲に延在する溝と、を有する可変ベーンの補修方法が、エアフォイルと、溝と、の間の部位で、外側トラニオン軸のスタブ（shaft stub）を残すように外側トラニオン軸の一部を除去する工程を含んでいる。補修細部（repair detail）が、公称外径（nominal outer diameter）を有する外周軸部を有するものとして準備される。補修細部はさらに、前方に延在し且つ公称外径の外径よりも小さい外径を有する案内部を有する。軸のスタブは、残存する孔部を有しており、これはネジ穴の一部である。案内部は残存する孔部内に受け入れられるように寸法決めされる。案内部は残存する孔部に差し込まれる。補修細部は、軸のスタブに溶接される。

前述の実施形態に従った別の実施形態では、補修細部は、新たなネジ孔を形成し、かつ、残存する孔部から案内部を除去するように穿孔される。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、溝及びスロットは、補修細部に形成される。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、補修細部には、その補修細部を通じて延在する案内孔が形成されるが、残存する孔部よりも小径である。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、溶接は、電子ビーム溶接である。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられる。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、溝及びスロットは、補修細部に形成される。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、補修細部には、その補修細部を通じて延在する案内孔が形成されるが、残存する孔部よりも小径である。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、溶接は、電子ビーム溶接である。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられる。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、補修細部には、その補修細部を通じて延在する案内孔が形成されるが、残存する孔部よりも小径である。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、溶接は、電子ビーム溶接である。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられる。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、溶接は、電子ビーム溶接である。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられる。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられる。

別の主な実施形態では、エアフォイルと、内側トラニオン軸と、外側トラニオン軸と、を備え、外側トラニオン軸がネジ穴と、外側トラニオン軸の周囲に延在する溝と、を有する、可変ベーンの補修方法が、エアフォイルと、溝と、の間の部位で、外側トラニオン軸のスタブを残すようにその外側トラニオン軸の一部を除去する工程を含んでいる。補修細部は、公称外径を有する外周軸部を備えるものとして準備される。補修細部はさらに、前方に延在し且つ公称外径の外径よりも小さい外径を有する案内部を有する。軸のスタブは、残存する孔部を有しており、これがネジ穴の一部である。案内部は、残存する孔部に受け止められるように寸法決めされる。案内部は、残存する孔部に挿入される。補修細部は、軸のスタブに溶接される。補修細部は、新たなネジ孔を形成し、かつ残存する孔部から案内部を除去するように穿孔され、補修細部に溝及びスロットが形成される。補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられる。

前述の実施形態に従った別の実施形態では、補修細部には、その補修細部を通じて延在する案内孔が形成されるが、残存する孔部よりも小径である。

前述の実施形態のいずれかに従った別の実施形態では、溶接は、電子ビーム溶接である。

別の主な実施形態では、補修された可変ベーンが、エアフォイルと、内側トラニオン軸と、外側トラニオン軸と、を備えている。外側トラニオン軸は、互いに溶接された２つの部分から形成される。２つの部分のうちの第一の部分は、その２つの部分のうちの第二の部分から、エアフォイルから離れる方向に延在している。溝及びスロットは、２つの部分のうちの第二の部分に形成される。

実施形態、実施例及び前述の段落、特許請求の範囲、または以下の説明及び図面の選択肢は、それらの様々な態様またはそれぞれ個々の機能のいずれかを含んで、独立して、または任意の組み合わせで考察することができる。一実施形態に関連して説明する特徴は、このような特徴に互換性がない場合を除いて、全ての実施形態に適用することが可能である。

これら及び他の特徴は、以下の図面及び明細書から最もよく理解することができる。

ガスタービンエンジンを概略的に示す図である。 可変ベーンを示す図である。 第１の補修工程を示す図である。 次の補修工程を示す図である。 その次の工程を示す図である。 さらに別のその次の工程を示す図である。 最後の工程を示す図である。

図１は、ガスタービンエンジン２０を概略的に示している。ガスタービンエンジン２０は、一般的にファンセクション２２、圧縮機セクション２４、燃焼器セクション２６及びタービンセクション２８を組み込んだ二スプールターボファンとして本明細書に開示されている。代替エンジンでは、他のシステムや機能の中でオーグメンタセクション（図示せず）が含まれる場合がある。ファンセクション２２はナセル１５内に画成されたバイパスダクト内のバイパス流路Ｂに沿って空気を駆動する一方、圧縮機セクション２４は圧縮のためコア流路Ｃに沿って空気を駆動し、空気は燃焼器セクション２６へ送られ、次に膨張のためにタービンセクション２８に供給される。開示される非限定的な実施形態では、二スプールターボファンガスタービンエンジンとして示されているが、本明細書で説明する概念は、その教示が三スプールアーキテクチャを含む他のタイプのタービンエンジンにも適用することができるため、二スプールターボファンの使用に限定されないことは理解されるべきである。

例示的なエンジン２０は、複数の軸受システム３８を介して、エンジンの静的構造体３６に関してエンジンの長手方向中心軸Ａの周りで回転するように取り付けられた低速スプール３０と高速スプール３２を一般的に備えている。様々な軸受システム３８を様々な箇所で代替的または追加的に設けることもでき、軸受システム３８の位置は用途の必要に応じて変更することができることを理解すべきである。

低速スプール３０は、一般的にファン４２、低圧圧縮機４４及び低圧タービン４６を相互接続する内側シャフト４０を備える。内側シャフト４０は、変速機構を介してファン４２に接続され、例示的なガスタービンエンジン２０においては、低速スプール３０よりも低い速度でファン４２を駆動するギヤードアーキテクチャ４８として図示されている。高速スプール３２は、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４とを接続する外側シャフト５０を備えている。燃焼器５６は、例示的なガスタービン２０においては高圧圧縮機５２と高圧タービン５４との間に配置される。一般的に、エンジンの静的構造体３６の中間タービンフレーム５７は、高圧タービン５４と低圧タービン４６との間に配置されている。中間タービンフレーム５７はさらに、タービンセクション２８内で軸受システム３８を支持している。内側シャフト４０と外側シャフト５０は同心であり、それらの長手方向軸と同一直線上にあるエンジンの長手方向中心軸Ａを中心に軸受システム３８を介して回転する。

コア空気流は、低圧圧縮機４４によって圧縮され、その後、高圧圧縮機５２によって圧縮され、燃焼器５６内で燃料と混合されて燃焼し、高圧タービン５４及び低圧タービン４６において膨張される。中間タービンフレーム５７は、コア空気流路Ｃ内にエアフォイル５９を備えている。膨張に応じて、タービン４６、５４が低速スプール３０と高速スプール３２のそれぞれを回転駆動する。ファンセクション２２、圧縮機セクション２４、燃焼器セクション２６、タービンセクション２８、及びファン駆動ギアシステム４８の各位置を変えることができることは理解されよう。例えば、ギアシステム４８は、燃焼器セクション２６の後方またはタービン部２８の後方であってもよく、ファンセクション２２をギアシステム４８の前方位置または後方位置に配置してもよい。

一実施例では、エンジン２０は高バイパスギアード航空機エンジンである。さらなる実施例では、エンジン２０のバイパス比は約６(６)より大きく、例示的な実施形態では約１０(１０)よりも大きく、ギヤードアーキテクチャ４８は、遊星歯車システムまたはその他のギアシステムのような遊星歯車列であるが、ここでは約２．３よりも大きい減速比を呈し、低圧タービン４６は約５より大きい圧力比を有している。開示される一実施形態では、エンジン２０のバイパス比は約１０以上であり（１０：１）、ファンの直径は低圧圧縮機４４よりも顕著に大きく、低圧タービン４６は約５（５：１）より大きい圧力比を有している。低圧タービン４６の圧力比は、排気ノズルより前の低圧タービン４６の出口における圧力に関連して、低圧タービン４６の入口より前で測定された圧力である。ギヤードアーキテクチャ４８は、約２．３：１よりも大きいギア減速比を有する遊星歯車システムまたは他のギアシステムのような遊星歯車列であってもよい。しかしながら、上記のパラメータはギヤードアーキテクチャ・エンジンの一実施形態の単なる例示であり、本発明は、ダイレクトドライブターボファンを含む他のガスタービンエンジンに適用可能であることは理解されるべきである。

推力のかなりの量は、高バイパス比に起因するバイパス流Ｂによって提供される。エンジン２０のファンセクション２２は、典型的にはマッハ約０．８及び約３５，０００フィートで巡航するような特定の飛行条件のために設計されている。また、「バケットクルーズスラスト燃料消費率（ＴＳＦＣ）」としても知られている最高の燃費エンジンを伴ったマッハ０．８と３５，０００フィートの飛行条件は、燃焼する燃料のｌｂｍが、エンジンがその最低点で生成する推力のｌｂｆで除算される業界標準パラメータである。「低ファン圧力比」とは、ファン出口ガイドベーン（「ＦＥＧＶ」）システムなしで、単独でファンブレードを横切る圧力比である。非限定的な一実施形態によれば、本明細書に開示されるような低いファン圧力比は約１．４５未満である。「低補正ファン先端速度」とは、［（Ｔ_ram°Ｒ）／（５１８．７°Ｒ）］^0.5の業界標準温度補正で除算したフィート／秒における実際のファン先端速度である。非限定的な一実施形態によれば、本明細書に開示されるような「低補正ファン先端速度」は、約１１５０フィート／秒未満である。

図２は、連続する圧縮機ロータ段のブレード間に配置することができる可変ベーン１００を示している。内側トラニオン軸１０２は支持軸受９９に支持されている。外側トラニオン軸１０６は外側トラニオン支持体９８に支持され、エアフォイル２０１を旋回させ角度を変えるようにアクチュエータ９７によって駆動される。この構造体は公知であり、概略的に示されている。典型的には、旋回軸Ｘを中心とするエアフォイル２０１の角度は、エンジンの運転の異なる周期において変更される。

本出願の目的のため、「内側」と「外側」という用語は、半径方向内側または外側の位置に場所を限定するものではない。むしろ、用語「外側」は、アクチュエータ９７によって実際に駆動されている端部であると解釈することができる。換言すれば、ほとんどの可変ベーン１００は半径方向外側のアクチュエータによって駆動される一方で、半径方向内側のアクチュエータで駆動することができる可変ベーンもあり、このようなシステムのために、用語「外側」は、アクチュエータに関連付けられている半径方向内側トラニオンに言及することになる。

保持タブ１０１は内側トラニオン１０２に関連付けられている。壊れたり破損したり或いは摩耗した場合には、これらは補修することができる。破損または摩耗した場合、外側トラニオン軸１０６も容易に補修することができる。

外側トラニオン１０６に関連するスロット１１０も容易に補修することができる。しかし、外側トラニオンの溝１０８は簡単には補修されない。さらに、ネジ穴１１２が破損し、ネジ山が摩耗している場合には、簡単には補修されない。ボルトがネジ穴１１２内で壊れた場合、これを補修することは可能である。しかし、ネジ穴１１２のネジ山損傷や摩耗は、簡単には補修することはできない。外側トラニオン１０６に支持体９８を固定するため、符号１１１で概略的に示されたボルトをネジ穴１１２が受け止めることを理解すべきである。

溝１０８またはネジ穴１１２の補修が必要な場合、図３Ａ〜３Ｅがその方法の工程を図式的に提示している。図２Ａに示すように、最初に損傷が溝１０８またはネジ穴１１２のいずれかに識別される。図３Ａに示すように、外側トラニオン軸１０６上のカットオフポイント２１０を特定する。外側トラニオン軸１０６はこのポイント２１０で切断され、切断点の外側の軸の部分は廃棄することができる。

図３Ｃに示すように、補修細部２５０が、外側トラニオン軸１０６の外周部すなわちカットオフポイント２１０での切断後に残存している外側トラニオン軸のスタブ（切り残り）２１２の外周部とほぼ等しい外周を有する本体２５２を備えるように準備される。符号２１４で示されるように、元のネジ穴１１２（図３Ａ参照）の一部４１２はスタブ２１２の内部に延在している。さらに、補修細部２５０は、位置合わせのための案内孔２５４と案内部２５６を有している。案内部２５６は、孔部２１４に挿入され固定（clamped）される。案内部は、スタブ２１２に対する補修細部２５０の適切な位置合わせのための支持部を提供する。図３Ｄに示すように、２つの部分が互いに固定され、電子ビーム溶接３００が適用されて、２つの構成要素間に溶接材料２６４を堆積させる。もちろん、特にガスタングステンアーク溶接やレーザー溶接など他の代替溶接技術を使用することも可能である。

また、溝２６０及びスロット２６２は、補修細部２５０に機械加工することができる。

図３Ｅに示すように、その後、案内孔２５４で始め、補修細部２５０の本体全体２５２を貫通穿孔することによって、ドリル２８０が挿入される。さらに、スタブ２１２の孔部分２８４がボア２８２と同じ直径となるように、ドリル２８０は、さらに穿孔し案内部２５６を除去する。図示するように、溶接継手の一部２６６はそのまま残る。

残っているものは、図２の符号１００で示されるものに酷似する補修された可変ベーンである。

その後、補修された可変ベーンは、取付台３８、および支持軸受９９を含む可変ベーンの駆動システムに、及びガスタービンエンジン内に再度組み込まれる。

一般的に、可変ベーン１００は、エアフォイル２０１、内側トラニオン軸１０２、および外側トラニオン軸１０６を有している。外側トラニオン軸１０６は、ネジ穴１１２と、外側トラニオン軸の周囲に延在する溝１０８と、を有している。補修方法は、軸のスタブを残して、エアフォイル２０１と溝１０８との間の部位２１０で外側トラニオン軸１０６の一部を除去する。補修細部２５０は、公称外径を有する外周軸部を有する。さらに、補修細部２５０は、前方に延在し、公称外径の外径よりも小さい外径を有する案内部２５６を有している。軸のスタブは残存する孔部２１４を有しており、これがネジ孔１１２の一部である。案内部２５６は、残存する孔部２１４内に受け入れられるように寸法決めされる。挿入される案内部２５６は残存する孔部２１４に挿入され、補修細部２５０は軸のスタブに溶接される。

補修された可変ベーンは、エアフォイル２０１、内側トラニオン軸１０２、及び外側トラニオン軸１０８を備えている。外側トラニオン軸は互いに溶接された２つの部分２６４で形成されている。２つの部分のうちの第一の部分２５０は、２つの部分のうちの第二の部分２１２から、エアフォイル２０１から離れる方向に延在している。溝２６０及びスロット２６２は、２つの部分のうちの第一の部分２５０に形成される。

本発明の実施形態を開示してきたが、当業者であれば、一定の修正は本開示の範囲内に入るであろうことを認識するであろう。そのため、以下の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲及び内容を判断するために検討する必要がある。

Claims (20)

1. エアフォイルと、内側トラニオン軸と、外側トラニオン軸と、を備えると共に、前記外側トラニオン軸が、ネジ穴と、前記外側トラニオン軸の周囲に延在する溝と、を有する、可変ベーンの補修方法であって、
   前記エアフォイルと、前記溝との間の部位で、前記外側トラニオン軸のスタブを残すように前記外側トラニオン軸の一部を除去する工程と、
   補修細部を準備する工程であって、前記補修細部は公称外径を有する外周軸部を備えると共に、前記補修細部はさらに、前方に延在し且つ前記公称外径の外径よりも小さい外径を有する案内部を有し、前記軸のスタブは前記ネジ穴の一部である残存する孔部を有し、前記案内部は前記残存する孔部に受け入れられるように寸法決めされる、補修細部を準備する工程と、
   前記案内部を前記残存する孔部に挿入し、前記補修細部を前記軸のスタブに溶接する工程と、
   を備えた、可変ベーンの補修方法。
2. 新たなネジ穴を形成し、かつ前記残存する孔部から前記案内部を除去するように、前記補修細部を穿孔する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記補修細部に溝及びスロットを形成する工程をさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記補修細部には、該補修細部を通じて延在する案内孔が形成されるが、前記残存する孔部よりも小径であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記溶接は、電子ビーム溶接であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記補修細部に溝及びスロットを形成する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記補修細部には、該補修細部を通じて延在する案内孔が形成されるが、前記残存する孔部よりも小径であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記溶接は、電子ビーム溶接であることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記補修細部には、該補修細部を通じて延在する案内孔が形成されるが、前記残存する孔部よりも小径であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 前記溶接は、電子ビーム溶接であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記溶接は、電子ビーム溶接であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
15. 補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 補修された可変ベーンは、ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに組み入れられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
17. エアフォイルと、内側トラニオン軸と、外側トラニオン軸と、を備えると共に、前記外側トラニオン軸が、ネジ穴と、前記外側トラニオン軸の周囲に延在する溝と、を有する、可変ベーンの補修方法であって、
    前記エアフォイルと、前記溝との間の部位で、前記外側トラニオン軸のスタブを残すように前記外側トラニオン軸の一部を除去する工程と、
    補修細部を準備する工程であって、前記補修細部は公称外径を有する外周軸部を備えると共に、前記補修細部はさらに、前方に延在し且つ前記公称外径の外径よりも小さい外径を有する案内部を有し、前記軸のスタブは前記ネジ穴の一部である残存する孔部を有し、前記案内部は前記残存する孔部に受け入れられるように寸法決めされる、補修細部を準備する工程と、
    前記案内部を前記残存する孔部に挿入し、前記補修細部を前記軸のスタブに溶接する工程と、
    前記補修細部に溝及びスロットを形成するとともに、新たなネジ孔を形成し、かつ前記残存する孔部から前記案内部を除去するように、前記補修細部を穿孔する工程と、
    ガスタービンエンジン内の可変ベーンシステムに補修された可変ベーンを組み入れる工程と、
    を備えた可変ベーンの補修方法。
18. 前記補修細部には、該補修細部を通じて延在する案内孔が形成されるが、前記残存する孔部よりも小径であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 前記溶接は、電子ビーム溶接であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
20. 修復された可変ベーンであって、
    エアフォイルと、内側トラニオン軸と、外側トラニオン軸と、を備え、
    前記外側トラニオン軸は互いに溶接された２つの部分から形成され、前記２つの部分のうちの第一の部分は、前記２つの部分のうちの第二の部分から、エアフォイルから離れる方向に延在しており、溝及びスロットが前記２つの部分のうちの前記第二の部分に形成された、可変ベーン。

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