JP3696576B2 - タービンブレードを補修する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンブレードを補修する方法に関し、特に、タービンブレードのルート後縁部のクラックを補修する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業用途に用いられるタービンブレードにおいては、ルート後縁部の冷却孔から発する軸方向のクラックが生じる。この種のクラックは熱的機械的疲労によって起こる。通常、クラックはルート後縁部冷却孔の凹面側と凸面側の両方から出発して、ブレードの前縁部に向かって軸方向に走る。ここで、タービンブレードはその他の点では使用可能であることから、この種のクラックを効果的に補修する方法が求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、タービンブレードの後縁部のクラックを補修する方法を提供することである。
本発明の他の目的は、ルート後縁部冷却孔から出発するクラックを補修するのに特に有用である、上記の補修方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、補修されたタービンブレードの使用可能寿命を延ばす、上記の補修方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の各目的は本発明の方法によって達成される。
【０００５】
本発明によれば、タービンブレードの後縁部にクラックを有するタービンブレードを補修する方法が提供される。本方法は、概略的には、後縁部に隣接する凹面と凸面の後縁部を、クラックの長さよりも大きな深さに亙って削り落とす（削減する）ことから構成される。削り落とし作業と同時ないし並行して、プラットフォームと削り落とし後の後縁部との間のタービンブレードの部分を複合半径（compound radius）を用いて整形し、つまり、複数の半径を持つように整形して、後縁部に尖った部分が生じないようにする。さらに、削り落とし作業の後に残る縁部を平滑な半径にブレンド（blend）またはブレンディング（blending）、つまり手直しして、応力集中および空力的損失を最小にする。また削り落とし後の後縁部を、好ましくは翼長のほぼ中間点において、元の後縁部プロファイルに滑らかに整形し、空力的な衝撃を最小にする。
【０００６】
本発明によれば、ブレードの使用可能寿命を延ばすために、補修されたタービンブレードに断熱コーティングが施される。断熱コーティングを施す前に、タービンブレードの先端長さを、補修されたタービンブレードの基材温度低下を考慮し、この基材温度低下に対応して修正する。
【０００７】
本発明の補修方法のその他の詳細、およびそれに伴うその他の目的および利点は以下の詳細な説明および添付図面に示されており、また類似の要素は類似の参照符号で表されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図面を参照して、図１は補修を要するタービンブレード１０の一部を示している。図面から判るように、タービンブレード１０の後縁部１２は複数の冷却孔１４を備えている。使用中において、冷却孔１４のうちルート後縁部冷却孔として知られる最低位置の冷却孔１４’の近傍に、１つまたはそれ以上のクラック１６が生じる。通常、クラックはタービンブレード１０のエアフォイル部２２の凹面側１８と凸面側２０の両方から出発する。それぞれのクラック１６はブレード１０の前縁部２４に向かって軸方向に伸びる。クラック１６の許容使用限界は好ましくは約１．２７ミリメートル（０．０５インチ）以下であり、かつ所要のブレードによって決定されるが、この範囲にあるクラックは本発明の方法を用いて補修し得ることがわかった。
【０００９】
クラック１６を補修するには、ルート後縁部として知られる後縁部２６の一部を、凹面側１８と凸面側２０の両方で削り落とす。この削り落としは図２および図３に示されている。これらの図面にそれぞれ示されているように、元の後縁部１２は距離または深さＬだけ削り落とされて、削り落とし後の後縁部２８を形成している。本発明の好ましい実施例によれば、距離ないし深さＬはクラック１６の長さよりも大である。この削り落としは、クラック１６が位置する（存在する）領域の材料を除去して、クラックやマイクロクラックのない新鮮な材料に達する。距離または深さＬは好ましくは後縁部１２の半径より小である。
【００１０】
ルート後縁部２６の削り落としは、当業界で知られる任意の適当な手段を用いて実施することができる。好ましくは、削り落としは凹面側１８および凸面側２０の各々を研削加工またはフライス加工することによって行われる。
【００１１】
側面１８および２０の各々の削り落としとへ同時ないし並行して、削り落とし後の後縁部２８をタービンブレードのプラットフォーム３０にブレンドすることが必要である。ブレンドは、削り落とし後の後縁部２８とプラットフォーム３０との間に滑らかな移行が生じるように行う必要がある。本発明独自の特徴は、この滑らかな移行を達成するのに複合半径を用いることにある。複合半径は高応力のかかる場所には大きな半径を与える一方、既存のプラットフォームのプロファイルへは急速に移行させる。この急速な移行によって、空力的損失を増加させるような後縁部１２上の大きなずんぐりした領域が除去される。図４からわかるように、大きい方の半径Ｒ_１と小さな方の半径Ｒ_２を有する複合半径が、削り落とし後の後縁部２８とプラットフォーム３０との間に用いられている。複合半径は好ましくは約９．５２５ミリメートル（０．３７５インチ）から約４．７６２５ミリメートル（０．１８７５インチ）の間にある。この複合半径のブレンド手法を用いることによって、後縁部に尖り（突起）が生じることが避けられる。
【００１２】
凹面側と凸面側を削り落とす際には、これらをタービンブレード１０のエアフォイル部２２の全翼長に亙って削り落とすのではない。好ましくは元の後縁部１２の先端側の半分３２はそのまま残される。次いで削り落とし後の後縁部２８を元の後縁部のプロファイルへ流れるように整形して、空力的衝撃を最小にすることが必要である。削り落とし後の後縁部２８を元の後縁部のプロファイルへ流れるように整形するには、当業界で知られる任意の適当な技術を用いることができる。このような技術はタービンブレード１０の後縁部の形状において唐突な変化／不連続性を最小にし、かつ流れ領域、振動、および構造的一体性に対しては悪影響を及ぼさない。図５および図６に示されるように、好ましくは翼長の約５０％の点において、削り落とし後の後縁部２８が元の後縁部プロファイルへ流れるように整形される。
【００１３】
削り落とし、プラットフォームのブレンド、および後縁部の整形の各ステップが所望の深さまで完了したならば、残っている全ての縁部を機械加工または手作業で滑らかな半径にブレンドし、応力集中および空力的損失を最小にする。通常ブレンドを要する縁部３４、３６、３８、４０、４２および／または４４が図７に示されている。本発明の補修方法の好ましい実施例においては、縁部３４、３６、３８、４０、４２および／または４４は約０．１２７ミリメートル（０．００５インチ）ないし約０．３８１ミリメートル（０．０１５インチ）の滑らかな半径にブレンドされる。
【００１４】
必要があれば、冷却孔１４を当業界で知られる任意の適当な技術を用いて再生してもよい。
【００１５】
上述のように補修されたタービンブレード１０の使用可能寿命は、タービンブレード１０に断熱コーティングを施すことによって約２倍またはそれ以上に延び得ることがわかった。断熱コーティングは当業界で知られる任意の適当な断熱コーティングであっても良く、これらは当業界で公知の任意の適当な手段を用いて施すことができる。例えば断熱コーティングはＭＣｒＡｌＹコーティングであって、ここでＭは参考文献として本明細書に組み込まれる米国特許第４，３２１，３１１号に示されるもののように、鉄、ニッケル、コバルト、およびニッケルとコバルトの混合物からなるグループから選ばれてもよい。別法として、断熱コーティングはＭＣｒＡｌＹコーティングであって、このＭは参考文献としてここに組み込まれている米国特許第４，５８５，４８１号に示されるもののように、ニッケルまたはコバルトであり、これが０．１ないし７．０重量％のシリコンと、０．１ないし２．０重量％のハフニウムの添加によって改良されてもよい。また断熱コーティングは参考文献としてここに組み込まれている米国特許第６，１１７，５６０号に示されるもののように、パイロクロール構造（パイロクロア構造）を有する断熱性セラミックコーティングであってもよい。また断熱コーティングは参考文献としてここに組み込まれている米国特許第６，１７７，２００号に示されるもののように、ガドリニアおよびジルコニアを含有する断熱性セラミックコーティングであってもよい。断熱コーティングは上述の各米国特許に示される任意の技術を用いて、タービンブレードに施すことができる。
【００１６】
タービンブレード１０に断熱性セラミックコーティングを施す前に、タービンブレード１０の先端部４６を修正して長さを増加させるのが望ましいことがわかった。これは断熱性のセラミックコーティングの結果として起こるであろうタービンブレード１０の基材温度低下に対応するためである。先端部４６を修正するには、好ましくは溶接材料を先端部４６に施し、次いでタービンブレード１０を所定の長さに機械加工する。先端部４６に施される溶接材料は、当業界で知られている任意の適当な溶接材料またはろう付け材料からなってよいが、ニッケルベース合金の溶接材料を先端部４６に付加するのが好ましい。付加された溶接材料は、断熱性のセラミックコーティングを施すことによる隙間効果への悪影響を避けるのに役立つ。断熱性のセラミックコーティングがあると、タービンブレード１０は当初の設計通りには熱膨張しない。タービンブレード１０はより低温になるためにより少なく膨張する。これによって先端部４６における半径方向のギャップが、漏れ／密封の観点から、また性能の観点から望ましい値よりも大きくなる。そこで先端部の膨張が減るのに対応して、先端部４６を溶接材料で肉盛りし、次いで所望の長さに機械加工する。
【００１７】
補修されたタービンブレード１０に断熱コーティングを付加することの重要な利点の一つは、これによってブレードの金属の温度勾配が減少することである。温度勾配の減少は、後縁部壁厚の増加およびフィレット半径の増加と相まってエアフォイルのルートの応力を低下させ、ブレードの使用可能寿命を延ばす。特に補修されたブレードの熱的機械的疲労寿命は２倍またはそれ以上に延びる。
【００１８】
また、本明細書に説明された方法は各種のブレードの補修に利用可能であり、それによって元のブレードよりも使用可能寿命の長い補修済みブレードが得られるという点も本発明の範囲内のことであり、当業者に認識されるべきである。
【００１９】
本発明によれば、前述の目的、手段、および利点を完全に満足する、タービンブレード後縁部のクラック補修方法が提供されることは明らかである。本発明をその特定の実施例について説明したが、上記説明を読んだ当業者には他の別法、修正、および変形が明らかとなるであろう。したがって添付の広い特許請求の範囲はこれらの別法、修正、および変形を包含するように意図されたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】補修すべきタービンブレードのルート部分の斜視図である。
【図２】タービンブレードのエアフォイル凹面側におけるルート後縁部の側面図である。
【図３】タービンブレードのエアフォイル凸面側におけるルート後縁部の側面図である。
【図４】タービンブレードのルート後縁部の側面図であり、削り落とし後の後縁部をタービンブレードのプラットフォームに対してブレンドするために用いられる複合半径曲線を示している。
【図５】本発明によって補修されたタービンブレードの側面図である。
【図６】図５のタービンブレードの斜視図である。
【図７】図５のタービンブレードの後面図である。
【符号の説明】
１０ タービンブレード
１２ 後縁部
１４ 冷却孔
１６ クラック
１８ 凹面側
２０ 凸面側
２２ エアフォイル部
２４ 前縁部
２６ 後縁部
２８ 削り落とし後の後縁部
１ プラットフォーム

Claims (16)

1. ブレードの後縁部にクラックを有するタービンブレードを補修する方法であって、
   前記クラックが位置するブレード後縁部の近傍のタービンブレードの第１の表面を削り落とすステップと、
   前記クラックが位置するブレード後縁部の近傍のタービンブレードの第２の表面を削り落とすステップとを有してなり、
   各々の前記削り落としステップは、前記それぞれの表面を前記クラックの長さよりも大きく且つ後縁部の半径よりも小さな深さに亙って削り落として、前記クラックを除去し、削り落とし後の後縁部を形成することを有してなる、ことを特徴とするタービンブレードを補修する方法。
2. 各々の前記削り落としステップは、前記それぞれの表面を前記後縁部のルート部分の近傍の第１の点から、タービンブレードの翼長のほぼ中間にある第２の点まで削り落とすことを有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記削り落とし後の後縁部を、元の後縁部の一部へブレンドするステップをさらに有することを特徴とする、請求項２記載の方法。
4. 前記削り落とし後の後縁部を前記タービンブレードのプラットフォーム部へブレンドする、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記ブレンドステップは、複合半径を用いて前記タービンブレードの後縁部上の尖りを除去することを有してなる、ことを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 残存する縁部を滑らかな半径にブレンドして応力集中を最小にするステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項４記載の方法。
7. 前記削り落としステップの後に、前記タービンブレードに断熱コーティングを施すステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 断熱コーティングを施すステップの前に、タービンブレードの先端部長さを修正して基材温度の低下に対応させるステップをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記修正ステップは、前記断熱コーティングを施すステップの前に前記タービンブレードの先端部に溶接材料を施し、次いで前記タービンブレードを所定の長さに機械加工することを有してなる、ことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記溶接材料を施すステップは、ニッケルベース合金の溶接材料を前記先端部に施すことを有してなる、ことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記断熱コーティングを施すステップは、断熱性のセラミックコーティングを施すことを有してなる、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
12. 前記断熱コーティングを施すステップは、ＭＣｒＡｌＹコーティングを施すことからなり、Ｍは、鉄、ニッケル、コバルト、およびニッケルとコバルトの混合物からなるグループから選ばれる、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
13. 前記断熱コーティングを施すステップは、ＭＣｒＡｌＹコーティングを施すことを有してなり、Ｍは、シリコンおよびハフニウムを含有するニッケルまたはコバルトである、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
14. 前記断熱コーティングを施すステップは、断熱性のセラミックコーティングを施すことを有してなる、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
15. 前記断熱性のセラミックコーティングは、立方晶パイロクロール構造を有する、ことを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 前記断熱コーティングを施すステップは、ガドリニアまたはジルコニアからなる断熱性セラミックコーティングを施すことからなることを特徴とする、請求項７記載の方法。

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