JP2017020501A - タービンブレード補修のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本願はタービンブレードの補修方法を提供する。
【解決手段】この方法は、既存のスキーラーチップの全体又は一部をタービンブレードから取り除くステップと、積層造形システムにタービンブレードを配置するステップと、タービンブレードの交換用スキーラーチップの拡張部の全体又は一部を積層するステップとを含み得る。
【選択図】図１

Description

本願及び結果として得られる特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、より長い部品寿命のために、改良された冷却幾何形状を内部に有する、３次元的なタービン翼形部スキーラーチップ補修のためのシステム及び方法に関する。

鋳造タービンブレードは、「スキーラーチップ」として知られる構造をしばしば含む。スキーラーチップは、ブレードの比較的小さな拡張部である。スキーラーチップは、ブレードの形状と一致する断面形状を有し、ブレードの径方向外端と一体であるか、径方向外端に取り付けられている場合がある。稼働してしばらくすると、スキーラーチップは、高温燃焼ガスの影響により、エロージョン、酸化、及び／又は腐食されることがある。タービンブレードは製造するのが高価であり得るため、可能であれば、損傷を受けたブレードの補修又は改修が望まれる場合がある。タービンブレードのスキーラーチップは、損傷を受けた材料を削り取り、交換材料を溶接又は別の方法で取り付けることによって補修され得る。スキーラーチップの冷却も、全般的な部品の耐用寿命を延ばす場合がある。しかしながら、冷却することは、製造上の制約のために困難であった。

したがって、タービンブレードのスキーラーチップ補修及び改修のための改良システム及び方法が望まれている。さらに、このような改良されたシステム及び方法は、全般的な部品寿命を延ばすために、内部にスキーラーチップの冷却経路を提供し得る。

米国特許出願公開第２０１５０１５９２５７号明細書

本願及び結果として得られる特許は、タービンブレードの補修方法を提供する。この方法は、既存のスキーラーチップの全体又は一部をタービンブレードから取り除くステップと、積層造形システムにタービンブレードを配置するステップと、タービンブレードの交換用スキーラーチップの拡張部の全体又は一部を積層するステップとを含み得る。交換用スキーラーチップを積層することは、拡張部を通る１以上の冷却経路を作り出すことを含み得る。

本願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンで用いられるタービンブレードをさらに提供する。タービンブレードは、翼形部及び翼形部に積層されているスキーラーチップを含んでもよい。スキーラーチップは、内部に冷却経路を含んでもよい。スキーラーチップは、積層造形プロセスに好適な超合金から作られていてもよい。

本願及び結果として得られる特許は、タービンブレードの補修方法をさらに提供する。この方法は、既存のスキーラーチップの全体又は一部をタービンブレードから取り除くステップと、積層造形システムにタービンブレードを配置するステップと、タービンブレードに交換用スキーラーチップの超合金拡張部の全体又は一部を積層するステップと、超合金拡張部を通る冷却経路を作り出すステップとを含み得る。

本願及び結果として得られる特許の上記及び他の特徴と改良点は、いくつかの図面及び特許請求の範囲と連関させて、以下の詳細な説明を検討することにより、当業者には明らかになるだろう。

圧縮機、燃焼器、タービン、及び負荷を示す、ガスタービンエンジンの概略図である。 スキーラーチップの内側に割れがあるタービンブレードの斜視図である。 スキーラーチップが取り除かれた図２のタービンブレードの斜視図である。 本明細書で説明され得るような、改良されたスキーラーチップを備える、補修されたタービンブレードの斜視図である。 冷却経路を備える、図４のスキーラーチップの部分断面図である。 本明細書で説明され得るような、スキーラーチップを補修する例示的なステップを示すフローチャートである。

以下では図面を参照するが、図面ではいくつかの図を通して、同様の番号が同様の要素を示している。図１は、本明細書で用いられ得るような、ガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含み得る。圧縮機１５は、空気２０の流入流れを圧縮する。圧縮機１５は、空気２０の圧縮流れを燃焼器２５に送達する。燃焼器２５は、空気２０の圧縮流れを燃料３０の加圧流れと混合し、この混合物に点火して、燃焼ガス流３５を作り出す。１つの燃焼器２５のみが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含み得る。次に、燃焼ガス流３５は、タービン４０に送達される。燃焼ガス流３５は、機械的作用を生み出すために、タービン４０を駆動する。タービン４０において生み出された機械的作用は、シャフト４５及び発電機などの外部負荷５０を介して、圧縮機１５を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、液体燃料、及び／又は他の種類の燃料及びその混合を用いてもよい。ガスタービンエンジン１０は、これらに限定されるわけではないが、７又は９シリーズの重構造ガスタービンなどを含む、ゼネラルエレクトリック社（Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）が提供する、多数の異なるガスタービンエンジンのうちのいずれかであってもよい。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有してもよく、他の種類の部品を用いてもよい。他の種類のガスタービンエンジンも、本明細書で用いられ得る。多重ガスタービンエンジンその他の種類のタービン、及び他の種類の発電装置も、本明細書で共に用いられ得る。

図２は、タービンブレード５５の一例の斜視図である。本明細書では、任意の種類のブレードが用いられ得るが、この例において、タービンブレード５５は、第１段動翼であってもよい。概して記載されているように、タービンブレード５５は、翼形部６０を含む。翼形部６０は、腹面側外壁６６及び背面側外壁６８を備え、前縁６２から後縁６４に延びていてもよい。タービンブレード５５はまた、下方延長軸部７０及び取付部をダブテール部７５の形状で含んでいてもよい。プラットフォーム８０は、翼形部６０と、軸部７０及びダブテール部７５との間を横断するように延びていてもよい。翼形部６０の半径方向端部は、スキーラーチップ８５を含んでいてもよい。スキーラーチップ８５は、外側壁６６、６８の拡張部であってもよい。スキーラーチップ８５は、そこで凹型先端キャップ９０を画定していてもよい。本明細書で説明されるタービンブレード５５及びスキーラーチップ８５は、例示のみを目的としている。他の多くの設計及び構成が、既知であり得る。

上述の通り、スキーラーチップ８５は、高温にさらされることがあり、固定シュラウドなどの封止構造と擦れ合うことがあり得る。結果として、温度により生じたストレス、及び酸化などによる材料の損失のため、スキーラーチップ８５に、割れ９５が発生し得る。タービンブレード５５を補修するために、スキーラーチップ８５は、割れ９５、又は他の種類の摩耗、損傷、もしくは他の欠陥がある箇所を取り除くため、図３に示されているように機械加工され得る。スキーラーチップ材料は、従来の方法で機械加工されていてもよい。

図４及び図５は、本明細書で説明されるように改良されたタービンブレード１００を示す。タービンブレード１００は、機械加工されたスキーラーチップ８５を備え、かつ、その上に積層されている改良されたスキーラーチップ１１０を備える、上述のタービンブレード５５であってもよい。改良されたスキーラーチップ１１０は、その上に作られたスキーラーチップ拡張部１２０を、外側壁６６、６８から半径方向上方に延びるように含んでいてもよい。スキーラーチップ拡張部１２０は、任意の好適な大きさ、形状、又は構成で積層されていてもよい。

改良されたスキーラーチップ１１０は、スキーラーチップ拡張部１２０に組み込まれた、又はその他の方法で作られた、１以上の冷却経路を含んでいてもよい。冷却経路１３０は、任意の好適な大きさ、形状、又は構成を有してもよい。冷却経路１３０は、圧縮機１５又は他の場所から翼形部６０を通って拡がる空気などの、冷却媒体源と連通していてもよい。冷却経路１３０の内部は、全体的な熱伝導の効果を向上させるために、ディンプル又は他の種類の表面などの粗面を有してもよい。上昇した温度において酸素耐性を向上させるために、アルミナイド被覆なども、冷却経路１３０の内部で用いられ得る。他の部品及び他の構成が、本明細書で用いられ得る。

翼形部６０にスキーラーチップ拡張部を従来のように溶接、又は取り付ける代わりに、この例では、積層造形プロセス、すなわち３Ｄプリンティングで、スキーラーチップ拡張部１２０が、翼形部６０に積層されていてもよい。具体的には、スキーラーチップ拡張部１２０は、任意の好適な大きさ、形状、又は構成で、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）プロセスなどにより、プリント又は積層されてもよい。ＤＭＬＳは、レーザを用いて金属粉末材料を焼結し、材料を結合させて立体構造物を作り出す、積層造形プロセスである。選択的レーザ焼結及び他の種類の焼結、及び／又は溶融技術又は他の種類の積層造形プロセスなども、本明細書で用いられて、スキーラーチップ１１０又は他の部品を作り出してもよい。さらに、ＤＭＬＳプロセス又は他の種類の３Ｄプリンティングの使用は、冷却経路１３０又は他の種類の複雑な内部幾何形状を可能にする。ＤＭＬＳ又は他の種類の３Ｄプリンティングプロセスは、改良された冷却を提供するために、所望の幾何形状で内部に作り出された冷却経路１３０を可能にする。電子ビーム（ＥＢ）溶接プロセスなども、本明細書で用いられ得る。

３Ｄプリンティングは溶接プロセスであるため、適切な溶接性を有する材料が用いられ得る。例えば、最初の翼形部６０に隣接する粉末材料は、「バタリング」又は最初の積層のために、溶接が容易な範囲にある超合金粉末（合金の歪み時効割れ感受性チャート（Ｃｈａｒｔ ｏｆ Ｓｔｒａｉｎ Ａｇｅ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ）によればＡｌ≦−０．５Ｔｉ＋３）であってもよい。好適な材料は、Ｈａｙｎｅｓ２３０、Ｈａｙｎｅｓ２８２、及び類似の材料を含んでもよい。次いで、スキーラーチップ拡張部１２０を積層するために、溶接が困難な超合金粉末（Ａｌ≧−０．５Ｔｉ＋３）が用いられてもよい。好適な材料は、Ｈａｙｎｅｓ２１４、ＧＴＤ１１１、Ｒｅｎｅ１０８、及び類似の材料を含んでもよい。超合金材料は、概して高い耐酸化性を有し得る。他の種類の材料も、本明細書で用いられ得る。

図６は、本明細書で説明される方法の全体又は一部を実行する、例示的なステップのフローチャートを示す。ステップ１４０では、図３で示されるように、既存のスキーラーチップ８５が、翼形部６０において機械加工されてもよい。ステップ１５０では、ＤＭＬＳ機器又は他の装置のビルドプレートが、タービンブレード５５の翼形部６０を受けるように修正されてもよい。ステップ１６０では、ＤＭＬＳ機器が、改良されたスキーラーチップ１１０のスキーラーチップ拡張部１２０を翼形部６０に直接プリント又は積層してもよい。このプリント又は積層のステップは、その中に冷却経路１３０又は他の種類の内部幾何形状を作り出すことも含み得る。次いで、改良されたタービンブレード１００は、使用又は他の種類のプロセスに対応しうる。本明細書で説明される方法ステップは、排他的ではない。スキーラーチップ１１０又は本明細書の他の部品を作り出すために、他の方法ステップ又は異なる方法ステップが、所望の順序で用いられ得る。

このように、本明細書で説明されるシステム及び方法は、改良された耐酸化性を有する、先進の超合金材料を用いて、タービンブレード及びスキーラーチップの迅速かつ効果的な補修に備える。さらに、改良されたタービンブレード１００は、冷却方法の改良及び全般的な部品寿命の向上のために、スキーラーチップ１１０の内部に冷却経路１３０を含んでもよい。このような冷却経路１３０は、一般に、既存の製造上の制約のために、可能ではなかった。さらに、本明細書で説明されるシステム及び方法は、このような冷却性能を備える既存のタービンブレードの性能を向上させるために用いられ得る。

上述の内容が、本願及び結果として得られる特許の特定の実施形態にのみ関わることは明らかである。以下の特許請求の範囲、及びその等価物によって定義される、本発明の一般的な趣旨及び範囲を逸脱することなく、本明細書には、多くの変更及び修正がなされ得る。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス流
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 外部負荷
５５ タービンブレード
６０ 翼形部
６２ 前縁
６４ 後縁
６６ 腹面側外壁
６８ 背面側外壁
７０ 下方延長軸部
７５ ダブテール部
８０ プラットフォーム
８５ スキーラーチップ
９０ 凹型先端キャップ
９５ 割れ
１００ タービンブレード
１１０ スキーラーチップ
１２０ スキーラーチップ拡張部
１３０ 冷却経路
１４０ 機械加工ステップ
１５０ 修正ステップ
１６０ プリントステップ

Claims (20)

1. タービンブレードの補修方法であって、
   既存のスキーラーチップの全体又は一部をタービンブレードから取り除くことと、
   積層造形システムにタービンブレードを配置することと、
   タービンブレードに交換用スキーラーチップの拡張部の全体又は一部を積層することと
   を含む、方法。
2. タービンブレードから既存のスキーラーチップを取り除くステップが、既存のスキーラーチップの全体又は一部を機械加工すること含む、請求項１に記載の方法。
3. 積層造形システムにタービンブレードを配置するステップが、直接金属レーザ焼結システム又は電子ビーム溶接システムにタービンブレードを配置することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 積層造形システムにタービンブレードを配置するステップが、タービンブレードに適応させるために、直接金属レーザ焼結システムのビルドプレートを修正することを含む、請求項３に記載の方法。
5. 交換用スキーラーチップの拡張部を積層するステップが、直接金属レーザ焼結を含む、請求項１に記載の方法。
6. 交換用スキーラーチップの拡張部を積層するステップが、金属粉末材料を焼結及び結合することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 金属粉末材料を焼結及び結合するステップが、Ａｌ≦−０．５Ｔｉ＋３の超合金粉末を焼結及び結合することを含む、請求項６に記載の方法。
8. 金属粉末材料を焼結及び結合するステップが、Ａｌ≧−０．５Ｔｉ＋３の超合金粉末を焼結及び結合することを含む、請求項６に記載の方法。
9. 金属粉末材料を焼結及び結合するステップが、高い耐酸化性を有する超合金粉末を焼結及び結合することを含む、請求項６に記載の方法。
10. 交換用スキーラーチップの拡張部を積層するステップが、拡張部の内部に冷却経路を作り出すことを含む、請求項１に記載の方法。
11. 交換用スキーラーチップの拡張部を積層するステップが、内部に粗い表面を備える拡張部の内部に冷却経路を作り出すことを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 交換用スキーラーチップの拡張部を積層するステップが、アルミナイド被覆を備える拡張部の内部に冷却経路を作り出すことを含む、請求項１０に記載の方法。
13. ガスタービンエンジン用のタービンブレードであって、
    翼形部と、
    翼形部に積層されているスキーラーチップと、
    内部に冷却経路を含むスキーラーチップと、
    積層造形プロセスに好適な超合金を含むスキーラーチップと
    を含むタービンブレード。
14. スキーラーチップが、交換用スキーラーチップを含む、請求項１３に記載のタービンブレード。
15. スキーラーチップが、翼形部に積層されているスキーラーチップ拡張部を含む、請求項１３に記載のタービンブレード。
16. タービンブレードの補修方法であって、
    既存のスキーラーチップの全体又は一部をタービンブレードから取り除くことと、
    積層造形システムにタービンブレードを配置することと、
    タービンブレードに交換用スキーラーチップの超合金拡張部の全体又は一部を積層することと、
    超合金拡張部を通る冷却経路を作り出すことと
    を含む、方法。
17. タービンブレードから既存のスキーラーチップを取り除くステップが、既存のスキーラーチップの全体又は一部を機械加工することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 積層造形システムにタービンブレードを配置するステップが、直接金属レーザ焼結システム又は電子ビーム溶接システムにタービンブレードを配置することを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 積層造形システムにタービンブレードを配置するステップが、タービンブレードに適応させるために、直接金属レーザ焼結システムのビルドプレートを修正することを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 交換用スキーラーチップの超合金拡張部を積層するステップが、金属粉末材料の直接金属レーザ焼結を含む、請求項１６に記載の方法。