JP2024515716A - タービンベーンの表面処理用固定リングの円筒状積層体 - Google Patents

Abstract

本発明は、固定具のセグメントに関し、固定具は、固定リングを形成するように配置されたいくつかのそのようなセグメントを備え、セグメントは、担持セグメント及び上蓋セグメントを備える。

Description

本発明は、表面処理において処理される複数の基材のための取付台に関する。

表面層の用途、材料及び構造に応じた、被加工材の表面層を研磨するための一連の様々なプロセスが知られている。研磨の目的には、単に表面で材料を除去することに加えて、表面の粗さを低減させることがしばしば含まれる。これは、例えば光沢のある表面を生成するためなどの、例えば、純粋に審美的な理由のために所望され得るか、又は、例えば摩擦係数を低減するため、必要な表面の多孔性が維持されるように異物粒子の付着若しくは包含を最小限に抑えるため、又は表面の汚れを防止するためなどの、技術的要求のために必要とされ得る。これにより、空気力学を改善し、効率を高めて、石油消費量を減少させることができる。当技術分野では、原則として、固体の表面の粗さは、対応する技術文献に見出すことができる様々な粗さ測定パラメータによって特徴付けられる。

これらの粗さ測定パラメータの１つは、いわゆる「平均粗さ値Ｒａ」であり、これは、予め設定可能な測定経路における中心線からの粗さプロファイルの絶対量の平均偏差としての、表面の粗さの尺度であり、粗さの程度に応じて、例えばマイクロメートル（μｍ）で与えられる。

すでに述べたように、表面の粗さを低減するために、用途に応じて様々な方法が用いられる。例えば、航空機タービン用又は電気エネルギー生成用の陸上ガスタービン用のタービンベーンには、例えば、金属合金の層、特にＭＣｒＡｌＹ層が設けられ、Ｍはニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）又は鉄（Ｆｅ）などの金属を表し、ＣｒＡｌＹ（クロム、アルミニウム、イットリウム）は、この目的及び他の目的のために非常によく知られた超合金を指す。これらの層は、例えば、５０μｍ～２５０μｍの厚さで真空チャンバ内に適用することができ、表面粗さＲａは、典型的には約６μｍ～１２μｍに達する。更に、前述のＭＣｒＡｌＹ層に、当業者がしばしばＴＢＣコーティング（遮熱コーティング）とも呼ぶ断熱層を設けることが必要であることが多い。そのようなＴＢＣコーティングは、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ_２）ベースで製造することができ、典型的な例では、断熱層は、約１００μｍ～最大５００μｍの厚さ、特別な場合には１ｍｍを超え、９２％のＺｒＯ_２と、安定化のために８％の酸化イットリウムＹ_２Ｏ_３とを実質的に含むことができる。層を構成する粒子の粒径は、例えば、４５μｍ～１２５μｍであり得、断熱層の多孔率は、典型的には５％～２０％に達する。ＴＢＣコーティングの粗さの典型的な値は、９μｍ～１６μｍの範囲に見られる。前述の層のパラメータ及びそれらの化学組成は、特定の場合、前述の例とはかなり異なり得ることをこの時点で指摘しておくべきである。

一般に、それでも例えばＴｉＡｌＮ又はＡｌＴｉＮなどの他のコーティングを代替として用いてもよい。

しかしながら、被加工材への塗布後に層が示す表面粗さは許容できないことが多く、例えば研磨によって低減しなければならない。陸上用タービンのタービンベーンの実施に重要な例において、表面粗さＲａの値は、航空宇宙用途では最大０．３μｍ、発電用タービンでは最大０．８が必要とされる。

ＭＣｒＡｌＹ層、又は一般に金属若しくは金属合金表面では、様々な方法を用いて必要とされる表面粗さを達成することができ、従来のサンドブラストと同様に、例えば、微細コランダムを用いた通例の研磨ブラスト技術によって、硬鋼体、無錆鋼体若しくはセラミックブラスト体を用いたショットピーニング又はカットワイヤピーニングによって達成することができる。

可能な限り最高の表面品質、すなわち材料表面の最小粗さ及び又は均一な粗さを達成するために、研磨作用を有する研磨要素と組み合わせて振動研磨するための様々な方法が利用可能である。

しかしながら、ほとんどのＴＢＣ層の研磨には、最後に述べた振動研磨の方法のみが用いられており、これは、それらが研磨プロセスにおいて表面を十分に穏やかに処理し、その結果、微小な裂孔状の損傷、表面領域の剥離又は多孔質ＴＢＣコーティングでの同様の損傷を回避することができるからである。

振動研磨を実施するために、研磨装置の２つの変形形態、すなわちいわゆる回転振動器及びトレイ式振動器が広く使用されている。

トレイ式振動器は、対応する研磨要素を含み、適切な機器によって振動させることのできる研磨容器を実質的に含む装置である。最も簡素な場合では、処理される被加工材が研磨容器内に配置され、粘性液体と同じような全体的挙動を振動下で有する研磨要素によって研磨される。

隣接する被加工材が研磨容器内で互いに接触又は損傷するのを防止する仕切りスライドを設けることができ、被加工材の外側に取り付けることもできる。被加工材の特定の表面領域をカバーで覆うことによって、被加工材の一部のみが平滑化できるように、及び／又は、例えば、危険にさらされた縁部が保護されるように、更に保護することができる。

従来技術から知られているこれらの装置には、ＴＢＣコーティングを有するタービンベーンなどの、特に回転非対称の被加工材及び／又は多孔質表面を有する被加工材の研磨において不十分な結果をもたらす欠点がある。

例えば、許容できない高さの機械的歪みが、トレイ式振動器で処理される外部締付けされた被加工材に作用する可能性があり、最悪の場合、被加工材及び／又は処理される表面、特に多孔質及び／又は脆い表面に損傷を与える可能性がある。研磨される被加工材が従来技術に従ってトレイ式振動器の研磨容器内に直接、すなわち外部固締なしで配置される場合、被加工材がトレイ式振動器の壁又は存在し得る仕切りスライド及び／若しくは隣接する被加工材と直接接触する可能性があり、それによって被加工材又は被加工材表面の繊細な領域、特に縁部の損傷を防ぐことができないという危険性が存在する。特に、例えば、被加工材表面と、隣接する境界壁との距離が、被加工材表面と隣接する境界壁との間に研磨要素が詰まるような、研磨要素２つ分に満たない距離とされる場合、被加工材表面に非常に多くの点歪みが生じる結果となり得る危険性が存在する。

前述した種類の損傷は、危険な表面領域を適切に覆うことによって低減できることは明らかである。しかしながら、これは、研磨される必要がない表面領域についてのみ可能である。更に、この方法は、適切な覆いによって、それぞれの場合に２つ以上の表面領域を別々に保護しなければならないことが多く、対応する部品の複雑な設置又は除去を伴い、したがって経済的観点から効率性が低いため、実行する上では非常に複雑である。更なる実質的な欠点は、特に陸上用途又は航空機タービンエンジン用のタービンベーンなどの回転非対称被加工材において、既知の方法では、不十分な表面粗さ、及び／又は特に不均一に研磨された領域、すなわち被加工材の表面に不均一な粗さを有する領域を生じるという事実である。例えばタービンベーンの質量分布が非対称であることにより、タービンベーンは、研磨容器内の研磨要素間で不均一に回転するのみとなり、タービンベーンの様々に配向された表面は、研磨要素によって研磨中に様々な研磨圧力で作用され、最終的には、様々な表面粗さを有する様々な表面領域が生じ、また、タービンベーンの特定の表面では、十分な表面粗さに全く到達しない。上記で述べたことは、被加工材が外部固締される研磨方法に関しても別の点で当てはまる。前述の欠点は、その問題がここで例として説明されているタービンベーンの研磨において発生するだけでなく、振動研磨、特に回転非対称被加工材の振動研磨においても一般に発生する。

これらの欠点を少なくとも部分的に克服するために、Ｔａｎｎｅｒの米国特許第６８１７０５１号明細書は、多孔質表面コーティングを有する被加工材用の振動研磨装置であって、研磨容器と、研磨容器内で被加工材を案内し保持するために容器内に配置された案内装置とを備え、案内装置は、少なくとも１つのスペーサによって離間された第１及び第２の案内部材と、案内部材間に被加工材を位置決めし保持するための保持器とを有し、案内装置は、研磨中に被加工材が研磨容器に接触するのを防止しながら、自由に移動可能、自由に回転可能であり、研磨容器に対して任意の位置をとることができるように研磨容器内に形成及び配置されている、振動研磨装置を開示している。

一方では、これは、縁部を損傷することなくタービンベーンの滑らかな表面を実現するための優れた解決策である。しかしながら、この解決策には２つの主な問題がある。
ｉ）一般に、多くのこれらのタービンベーンは研磨する必要がある。ベーンを案内装置に固定するために、多くの手動操作が含まれる。それには時間がかかり、プロセス全体に経済的魅力をもたらさない。
ｉｉ）案内装置が、自由に移動可能、自由に回転可能で、研磨容器に対して任意の位置をとることができるように形成及び配置されるという事実は、振動が間接的にのみベーンに伝達されるため、研磨プロセスを非効率的なものとする。

したがって、本発明は、表面処理装置に関し、特に、上述の問題を少なくとも部分的に克服する表面研磨装置に関する。

本発明は、いくつかの原理に従う。
－容器に直接接続された固定具を使用することによって容器の振動を固定具に直接伝達すること、
－複数の基材が平面内に配置され、それらが半径方向に配向され、一端が円の中心に配向され、他端が中心から離れて半径方向に延在し、すべての基材が中心に対して同じ距離となり、固定リングを構成するように、複数の基材が配置され得る固定具を使用すること、
－いくつかの固定リングが積み重ねられて積層固定リングになり得るように、固定リングを形成することであって、積層体のすべての固定リングは、中心軸を形成する１本の軸上に中心を有すること。固定リングの積層体は、円筒状の積層体となること。

本発明の好ましい実施形態によれば、固定リングは、分解可能なセグメントによって形成される。

別の好ましい実施形態によれば、円筒状積層体の外面が閉じられることによって、研磨される基材の外側端部が覆われる。

別の好ましい実施形態によれば、研磨される基材の内側端部は、固定リングによって設けられる内側リングによって覆われる。

別の好ましい実施形態によれば、外側セグメントは、スペーサ部によって形成された下部ソケット基部を備え、及び／又は上蓋セグメントは、スペーサ部によって形成された上部ソケット基部を備え、間に取り付けられたタービンベーンの基部を保持及び遮蔽する。

別の好ましい実施形態によれば、内側セグメント又はリングは、保護のためにタービンベーンの先端に当接するように形成された半径方向の延在部を担持する。好ましくは、半径方向の延在部は、先端部で延在部を内側リングに接続するベース部を有し、タービンブレードの延在部のように、セグメントに取り付けられたタービンベーンの先端部の形状及び曲率に一致するように形成される。

別の好ましい実施形態によれば、セグメントは、外側セグメントの半径方向外側に配置された外面セグメントを備え、外側セグメントは、タービンベーン基部が、ベーンを半径方向外側及び半径方向内側に延在させてその上に配置され得るような形状となっている。内側セグメントは、内側に延在するタービンベーンの先端を遮蔽するように実現され、外面セグメントは、外側に延在するタービンベーンの先端を遮蔽するように実現される。任意選択により、外面セグメント若しくは内側セグメントのいずれか又は両方は、保護のためにタービンベーンの先端に当接するように形成された半径方向の延在部を担持する。

別の好ましい実施形態によれば、セグメントは、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）材料及び／又は誘導体から作製される。

本発明の一態様によれば、円筒状積層体は、底部リングと、少なくとも１つの固定リングと、閉止リングとを備える。好ましい実施形態では、底部リングは、鉛直方向かつ中心軸に平行に延在する少なくとも２本の心棒を備え、この心棒を用いて底部リングと閉止リングとを互いに固定することによって、少なくとも１つの円形リングを堅固に挟むことができる。少なくとも１つの円形リングが分離可能なセグメントから構成される場合、セグメントごとに少なくとも２本の心棒を有することが非常に好ましく、これらの心棒がセグメント内の対応する穴を貫通することによって、それらをリングの所定の位置に保持する。

ここで本発明について、例に基づき、図面を用いて詳細に説明する。

本発明による固定リングを示す図である。 分解されたセグメントを示す図であり、いくつかのセグメントが組み合わされて本発明による固定リングを形成する。 本発明の第２の実施形態による、図２に示すものと同様の、分解されたセグメントを示す図である。 図３による、組み立てられたセグメントの上面図である。 本発明の第３の実施形態による、図２から図５に示すものと同様の、分解されたセグメントを示す図である。 図２、図３又は図６による固定リングに配置される、取付シュー構成を有するタービンベーンの組立及び分解構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態による、分解されたセグメント構成を示す図である。 本発明による、組み立てられた円筒状積層体の切断図である。

タービンベーンは、上部にブレードを有する基体を有する。このブレードの基体から最も遠い端部は、通常、ブレードの先端と呼ばれる。

図１は、７つのセグメント１０３、１０５、１０７、１０９、１１１、１１３、１１５によって構築された、本発明による固定リング１０１を示す図である。これらのセグメントには、タービンベーン（破線で示す）が配置され、タービンベーンは、基体がリングの中心から最も遠く、ブレード先端がリングの中心に最も近くなるように配向される。基体は、固定リングの外側リングによって覆われ、先端ブレードは、内側リングによって被覆される。ブレードの残りの部分は、上方及び下方から自由に到達可能である。図１は、タービンベーンが部分的にのみ装填された固定リングを示しており、特にセグメント１０３及び１０５のみに装填されている。図は、リング中心からいくつかのタービンベーンへの、いくつかの案内線も示しており、タービンベーンの半径方向の向きを示している。

図２は、担持セグメント２０３及び上蓋セグメント２２１を有する、分解されたセグメント２０１を示す。担持セグメントには、破線で示す３つのタービンベーンが装填されている。担持セグメント２０３内に装填される第４のタービンベーンも破線で示している。

担持セグメント２０３は、セグメントが固定リングに組み立てられたときに外側リング及び内側リングを形成する、外側セグメント２０５及び内側セグメント２０７を備える。外側セグメント２０５及び内側セグメント２０７は、セグメント端板２０９及び２１１によって共に固定されている。担持セグメント２０３の安定性を高めるために、２つの接続アーム２１３及び２１５が用いられ、外側セグメント２０５及び内側セグメント２０７を更に安定させる。更に、担持セグメント２０３は、少なくとも２つの穴２１７を備える（図２では、第２の穴２１７は、すでに担持セグメントに装填されたタービンベーンの背後にあるため見えない）。これらの穴を使用して、底部リングの心棒がセグメント２０１を貫通できるようにし、セグメントをいわゆる串刺しにして正確に配置することができる。更に、担持セグメントは、少なくとも２つのねじ穴２１９を備える（図２では、第２のねじ穴２１９は、すでに担持セグメントに装填されたタービンベーンの背後にあるため見えない）。これらのねじ穴は、ねじ２２３及び２２５を用いて上蓋セグメント２２１を担持セグメント２０３上に固定するために使用される。

担持セグメント２０３の外側リング２０５は、タービンベーンをその上に配置することができるように形成される。形状は、例えば、タービンベーンの基体をその上に配置するためのステップ形状であってもよい。言い換えれば、外側リング２０５の形状は、タービンベーンの基体の形状に適合される。

担持セグメント２０３の内側リング２０７は、ブレード先端を遮蔽する機能を主に有する。これは、担持セグメント２０３上に装填されたときにブレードの先端が接触するだけの、構造化されていない表面であってもよい。

上蓋セグメント２２１は、担持セグメント２０３に固定されると、担持セグメント２０３内に装填されたタービンベーンを堅固に固定する役割を果たす。したがって、上蓋セグメント２２１の形状もまた、タービンベーンの基体の形状に適合される。タービンベーンが装填された担持セグメント２０３に上蓋セグメント２２１を取り付けるために、上蓋セグメント２２１は、担持セグメント２０３のねじ穴２１９に対応する穴２２７及び２２９を備える。

上蓋セグメント２２１は更に、少なくとも２つの穴２３１及び２３３を備える。これらの穴を使用して、底部リングの心棒がセグメント２０１を貫通できるようにし、セグメントをいわゆる串刺しにして正確に配置することができる。

担持セグメント２０３にタービンベーンが装填され、上蓋セグメント２２１が担持セグメントに取り付けられると、タービンベーン本体は担持セグメント２０３と上蓋セグメント２２１との間に締付けされ、したがって堅固に固定され、完全に覆われる。更に、ブレード先端は、担持セグメント２０３の内側リング２０７によって覆われる。しかしながら、タービンベーンのブレードは、上部及び底部から完全に到達可能であり、例えば研磨材料は、障害物なしにそれぞれの表面に到達することができる。

図３及び図４は、本発明による第２の実施形態を示す。図２に関連してすでに説明した構成要素及び特徴とは別に、このセグメント２０１も、担持セグメント２０３及び上蓋セグメント２２１を備え、両方ともいくつかのスペーサ部２０４、２２２を有する。担持セグメント２０３において、それらは外側セグメント２０５に下部ソケット領域２０６を形成する。

上蓋セグメント２２１は、上部ソケット領域２２４を形成するためのスペーサ部２２２を備える。下部ソケット領域２０６及び上部ソケット領域２２４は、担持セグメント２０３及び上蓋セグメント２２１がタービンブレードを間に取り付けて組み立てられるときに、タービンブレードの足部を包むための２部式ソケットを形成する。

更に、担持セグメント２０３の内側セグメント又は内側リング２０７は、取り付けられたタービンブレードの方向に半径方向に延在し、好ましくは、内側リングに向かって内側方向に広くなる延在部のようにブレードの形状及び曲率に一致する、保護延在部２０８を担持する。

セグメント２０１の第３の実施形態（図５）では、タービンブレードの更なる保護及び支持保持構成を実現することができる。下部ソケット領域２０６及び上部ソケット領域２２４を形成するスペーサ部２０４及び２２２に加えて、下部切欠部２１０及び上部切欠部２２６を形成して、担持セグメント２０３と上蓋セグメント２２１とが互いに取り付けられ固定されたときに、ブレードの足部を下部ソケット間隙２０６及び上部ソケット間隙２２４に押し込むことができる。

これらのソケット領域２０６及び２２４に加えて、追加の保護ソックスのようにブレードの足部を保護する、追加の薄肉シェル２２６を設けることができる（図６）。これらの２つのシェル２２６は非常に薄く、ブレードの足部の形状に一致する。それらは、好ましくは、ＴＰＵ又は同様のものなどの、弾性を有しながらも強い材料で作製され、タービンブレードを、担持セグメント２０３と上蓋セグメント２２１との間に、弾性を有しながらも非常に堅牢に固定できるようにする。

図７は、担持体４０３内のブレードの二重円配置を可能にする、第４の実施形態のセグメント４０１を示す。担持セグメント０３は、下部ソケット領域４０６を有する中央取付リング０５を形成する外側セグメントと、半径方向内側に延在する、取り付けられたブレードの先端を保護するための内側セグメントリング４０７と、半径方向外側に延在する、取り付けられたブレードの先端を保護するための外側セグメントリング４０９を形成する外面セグメントとを備える。上蓋セグメント４２１は、ねじによってセグメント４０３に固定することができる。

研磨中にタービンブレードを強力ながらも弾性を有して封じ込められるようにするために、セグメントは、好ましくは、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）材料及び誘導体などの、強力ながらも弾性も有する材料から製造される。

図８は、本発明による、組み立てられた円筒状積層体３０１の切断図である。円筒状積層体３０１は、底部リング３０３と、第１、第２、第３及び第４固定リング３０５、３０７、３０９及び３１１と、閉止リング３１３とを備える。底部リング３０３は、切断図に破線を加えて完成させている。これにより、各セグメントを底部リング３０３に積み、それらを固定リングに位置合わせすることを可能にする、例えば３１５及び３１７などの心棒が示される。

次いで、底部リング及び固定リングの積層体の上に閉止リング３１３が置かれ、ねじで固定される。積層体の中央には中央軸が設けられ、この中央軸には、底部リング及び閉止リングがアームを介して接続される。

次いで、積層体全体を振動容器に固定することができ、この機構をトレイ式システム及び／又は回転システムとして使用することができる。

１０１ 固定リング
１０３，１０５，１０７，１０９，１１１，１１３，１１５ セグメント
２０１ セグメント
２０３ 担持セグメント
２０５ 外側セグメント（外側リング）
２０７ 内側セグメント（内側リング）
２０９，２１１ セグメント端板
２１３，２１５ 接続アーム
２１７ 穴（心棒用）
２１９ ねじ穴（ねじ用）
２２１ 上蓋セグメント
２２３，２２５ ねじ
２２７，２２９ 穴（ねじ穴２１９に対応）
２３１，２３３ 穴（穴２１７に対応）
３０１ 円筒状積層体
３０３ 底部リング
３０５，３０７，３０９，３１１ 固定リング
３１３ 閉止リング
３１５，３１７ 心棒
２０４，２２２ スペーサ部
２０６ 下部ソケット領域
２２４ 上部ソケット領域
２０８ 延在部
２１０，２２６ 上下切欠部
２２６ シェル
４０１ セグメント
４０３ 担持体（担持セグメント）
４０５ 中央取付リング（外側セグメント）
４０６ 下部ソケット領域
４０７ 内側セグメントリング
４０９ 外面セグメントリング
４２１ 上蓋セグメント

Claims (10)

1. 固定具のセグメントであって、前記固定具は、固定リングを形成するように配置されたいくつかのそのようなセグメントを備え、前記セグメントは、担持セグメント及び上蓋セグメントを備える、セグメント。
2. 前記担持セグメントが、セグメントを１つの固定リングに組み立てたときに外側リング及び内側リングを形成する外側セグメント及び内側セグメントを備える、請求項１に記載のセグメント。
3. 前記外側セグメントが、タービンベーン基部をその上に配置することができるような形状とされ、前記内側セグメントが、前記タービンベーンの先端を遮蔽するように実現される、請求項２に記載のセグメント。
4. 前記外側セグメントが、スペーサ部によって形成された下部ソケット間隙を備え、及び／又は前記上蓋セグメントが、スペーサ部によって形成された上部ソケット間隙を備え、前記タービンベーンの基部を保持及び遮蔽するために形成される、請求項３に記載のセグメント。
5. 前記内側セグメントが、保護のために前記タービンベーン先端に当接するように形成された半径方向の延在部を担持する、請求項３又は４に記載のセグメント。
6. 前記半径方向の延在部が、前記延在部を前記内側リングに接続するベース部と、タービンブレードの延在部のように、前記セグメントに取り付けられた前記タービンベーンの前記先端の形状及び曲率に一致するように形成される先端部とを有する、請求項５に記載のセグメント。
7. 前記外側セグメントの半径方向外側に配置された外面セグメントを備え、前記外側セグメントは、前記タービンベーン基部が、ベーンを半径方向外側及び半径方向内側に延在させてその上に配置され得るような形状とされ、前記内側セグメントは、内側に延在する前記タービンベーンの先端を遮蔽するように実現され、前記外面セグメントは、外側に延在する前記タービンベーンの先端を遮蔽するように実現される、請求項３に記載のセグメント。
8. 前記セグメントが、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）材料及び誘導体から作製される、請求項１～７のいずれか一項に記載のセグメント。
9. 互いに積み重ね可能な２つ以上のリングを解放可能に固定することを可能にする手段が想定されることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のセグメントによって形成された固定リング。
10. 請求項９に記載の固定リングの円筒状積層体。

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