JP3738397B2 - 亀裂排斥方法 - Google Patents
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Description
この出願は、継続中の米国特許出願SN08/319,346「ターボ機関用のレーザショックピーニング処理ロータ部品」、同07/(GE代理人整理番号13DV−12128)「ターボ機関用のレーザショックピーニング処理ロータ部品」、同07/(GE代理人整理番号13DV−12141)「ガスタービンエンジンのレーザショックピーニング処理ファンブレード端縁」、同07/(GE代理人整理番号13DV−12136)「ガスタービンエンジンのレーザショックピーニング処理ブレード先端」、同07/(GE代理人整理番号13DV−12142)「ガスタービンエンジンのレーザショックピーニング処理圧縮機エアーホイル端縁」、同07/GE代理人整理番号13DV−12148)「レーザショックピーニング処理ブレード端縁のひずみ制御」の要旨と関連している。
発明の背景
技術分野
この発明は、ガスタービンエンジンに生じる亀裂(クラック)に関し、特に亀裂を亀裂に敏感な区域からそらせるとともに、亀裂が本発明を適用しない場合に生じるより温和なモードで伝播するように亀裂をそらせる技術に関する。
関連技術の説明
ガスタービンエンジンの静止構造および部品は、ガスタービンエンジンのロータとは対照的に、熱、圧力、振動または飛行負荷による亀裂を受け、このため静止部品は疲労破壊や寿命短縮をこうむる。代表的にはチタン材料から作製される静止タービンベーン・エアーホイルは、曲げモードおよびねじれたわみモードのエアーホイルの種々の刺激のため応力を受ける。ガス流の衝突から生じる翼弦および翼幅方向曲げモードと、ロータブレードがステータベーンの横を通過することと、そしてフラッタとの組み合わせにエアーホイルが応答することの結果として、エアーホイル破壊が生じるおそれがある。これらの刺激に対する応答の特徴として、エアーホイル上に節(ノーダル)パターンが現れ、その結果、エアーホイルまたは他の静止プレート型部品のパネルセクションが共振周波数で振動することになる。亀裂が生じ、節パターンの節線に沿って伝播する。節線は、それに沿ってベーンエアーホイルまたはプレートの部分が曲がり、したがって最大応力レベルを受ける直線または曲線である。異なる節線、モードおよび破壊モードは、その共振次数、すなわち第1次、第2次、第3次などとして区別される。
破壊モードが異なると、損害の度合いも異なる、つまりひどい損害度合いとなったり、それより幾分か過酷でない、すなわち温和な損害度合いとなる。たとえば、可変角度ベーンはトラニオン付きベーンであり、第8次破壊モードに基づいて亀裂開始点から進展する亀裂(クラック)が、(ベーンの厚さの変動に依存して)第9次破壊モードに移ることがある。第8次破壊モードの結果としては、ベーンエアーホイルの下隅部分がはがれ、下流の圧縮機ブレードおよびエンジン部品にわずかなダメージを与えるが、経験によれば、エンジンは作動し続ける。第9次破壊モードの結果として、第8次破壊モードではがれる部分よりいちじるしく大きい下部トラニオン部分がはがれ、これは下流にいちじるしく大きなダメージをもたらすことが確認されており、極端な場合にはエンジンの破壊または停止をもたらすおそれがある。
したがって、ガスタービンエンジン静止部品が2つ以上の共振破壊モードを受ける場合、破壊が起こったとしたら、それが小さなダメージしかもたらさないものとなる、つまり他のものより温和な(良性な)ものとなるように、静止部品を設計し、構成するのが特に望ましい。この発明は、このような目的を達成するためのもので、レーザショックピーニングにより深い圧縮性残留応力を付与された少なくとも1つの領域が、2つの共振破壊モードの2つの節線の間の区域に配置されている。ガスタービンエンジンの静止部品、特にトラニオン付き可変ステータベーンエアーホイルを提供する。
この発明が対象としているもう一つの分野は、亀裂(クラック)がケーシングのある部位で始まり、疲労誘引破壊をもっと受けやすい敏感な区域へ伝播する事象である。燃焼器ケースは、一体に形成された環状フランジ間に軸線方向に延在する、環状シェルまたはパネルを有し、これらの環状フランジを隣接するケーシングの隣接フランジにボルト連結するようになっている。ゼネラル・エレクトリック社のT39エンジンに見られるような圧縮機ケーシングは、水平な軸線方向に延在するフランジを有する水平方向に分割されたケースを有し、これらの水平フランジが隣接する燃焼器ケーシングの環状フランジにボルト連結された環状フランジで終端する。水平な軸線方向に延在するフランジが環状フランジで終端する点は、燃焼器ケーシングの環状フランジに大きな局在応力を与える部位であり、これが原因で亀裂がフランジで始まり、燃焼器ケーシングのシェルにおける疲労破壊点まで伝播する。シェルはフランジと較べて薄く、熱および圧力荷重のせいで疲労破壊を受けやすい。燃焼器ケーシングシェル上の燃料ノズル用ボスも、疲労破壊を一層受けやすいシェルの区域、たとえば燃料ノズルより軸線方向下流のより高温の運転区域に進展するおそれのある亀裂を開始し得る部位である。したがって、このような亀裂を生じやすいガスタービンエンジンの静止部品、たとえば燃焼器ケーシングを、シェルに取り付けられたある部位(付加物)から開始される亀裂をそらせ、亀裂がシェルの疲労破壊を一層受けやすい区域に伝播するのを防止する、亀裂回避手段を設けるように設計し、構成することが特に望まれている。この発明は、このような目的を達成するためのもので、ガスタービンエンジンの静止燃焼器シェルにおいて、レーザショックピーニングにより深い圧縮性残留応力を付与された少なくとも1つの領域が、亀裂開始部位と部品ケーシングのシェル間の区域に配置されている、静止燃焼器シェルを提供する。
この発明にしたがってレーザショックピーニングにより深い圧縮性残留応力を付与された領域は、米国特許第5,235,838号「真の加工品を調整またはまっすぐにする方法および装置」に開示されているような、レーザビームを用いて、加工品を局部的に加熱し硬化する、硬化操作により誘引される局部的に限定された圧縮性残留応力を含む加工品の表面層区域と混同してはならない。この発明では、米国特許第3,850,698号「物質の特性を変える方法」、同第4,401,477号「レーザショック加工」、同第5,131,957号「材料特性」に開示された方法と同様に、大電力パルスレーザからの多重放射パルスを用いて、加工品の表面に衝撃波を生成する。レーザピーニングは、当業界で理解されている通り、またここで用いられている通り、レーザビーム源からのレーザビームを用いて、表面の一部に局在化された強い圧縮力を生成することを意味する。米国特許第4,937,421号「レーザピーニング装置および方法」に開示されているように、レーザピーニングは、加工品の外面に圧縮応力を付与された保護層を生成するのに用いられており、このような保護層が加工品の耐疲労破壊性をいちじるしく増加することが知られている。しかし、従来技術では、この発明の請求の範囲に記載されている型式のファンブレード前縁や、その製造方法は開示されていない。この発明は、このような目的を達成することをめざしている。
発明の開示
この発明は、静止部品上の部位から開始される亀裂を受けやすい直線状のまたは湾曲した金属製パネルセクションを有する、ガスタービンエンジンの静止部品において、レーザショックピーニング(LSP=laser shock peening)により深い圧縮性残留応力を付与された細長いレーザショックピーニング処理領域を、亀裂開始部位とパネルセクションの部分との間に配置し、こうしてレーザショックピーニング処理領域により、前記部位から伝播する亀裂をパネルセクションの部分から遠ざかる方へそらせるように構成した、静止部品を提供する。レーザショックピーニング処理領域が静止部品を貫通するのが好ましく、また第1および第2レーザショックピーニング処理表面区域を同時にレーザショックピーニングして、レーザショックピーニング処理領域を形成するのが好ましい。
この発明の1実施例において、静止部品はガスタービンエンジンのケーシングであり、パネルセクションは2つの環状端部フランジ間に軸線方向に延在する環状シェルである。特に好適な実施例において、細長いレーザショックピーニング処理領域が環状であり、前記フランジの少なくとも1つに、フランジに沿って環状に延在し等間隔に配列された多数のボルト穴とシェルとの間に配置されている。この発明は、環状フランジ上のボルト穴の数個に対応する位置で終端する水平なフランジを有する、隣接する水平方向に分割された圧縮機ケーシングに取り付ける、ガスタービンエンジンの燃焼器ケーシングに適用することができ、この場合、細長いレーザショックピーニング処理領域を、環状フランジ上に、数個のボルト穴とシェルとの間で円弧状に配置する。この発明の別の好適な実施例においては、燃焼器ケーシングは、環状フランジ間のシェルにだいたい環状に配列されたボスが溶接され、細長いレーザショックピーニング処理領域がボスと後方環状フランジとの間に配置されたシェル中の環状領域である。
この発明の別の実施例では、少なくとも2つの所定の節線(ノーダルライン)を有する金属製パネルセクションを有するガスタービンエンジンの静止部品において、パネルセクションは、2つの共振モードおよび所定の節線と関連した2つの異なる共振誘引亀裂線を生じ得る少なくとも2つの共振破壊モードを受ける。だいたい細長いレーザショックピーニング処理表面区域を、パネルセクション上の節線のうち1つだけに交差して配置し、レーザショックピーニング(LSP)により深い圧縮性残留応力を付与された領域が、レーザショックピーニング処理表面区域からパネルセクション中に進入する。この発明の1実施例においては、共振モードが順次の共振モードである。
この発明の好適な実施例においては、静止部品が可変角度ベーンであり、パネルセクションがベーンに取り付けられたエアーホイルである。さらに好適な実施例では、一体に形成されたトラニオンを有する(代表的には上下2つのトラニオンを有する)ベーンが提供され、第1節線がトラニオンに交差せず、第2節線がトラニオンに交差する。共振モードは順次の共振モードであり、好適な実施例では、第8次および第9次共振モードであり、第9次共振モードはトラニオンの軸線にクロスオーバする第9次節線を有する。
効果
この発明の効果として、高応力および振動応力場で長時間作動するように設計されたガスタービンエンジンの静止部品を、安全に製造し、疲労破壊をこうむることなく、安全に作動させることができる。この発明の別の効果として、疲労破壊を、この発明を適用しない場合に起こる疲労破壊より、過酷でない直接なまた副次的なダメージにて、より温和な態様で起こさせる、ガスタービンエンジンの静止部品が提供される。この発明には、静止部品の厚さや重量を増加することなく、より長い商用寿命期間を有する静止部品を製造することができる、という効果もある。この発明によれば、このような静止部品のオーバーホールから交換までの時間を安全に延長することができる。この発明によれば、関連する疲労誘引亀裂が発見されないか発見不可能な点検と点検の間、ガスタービンエンジンの作動をより安全なより信頼できるものとすることができる利点も得られる。
【図面の簡単な説明】
この発明の上述したような観点と特徴を、以下に添付の図面を参照しながら説明する。
図1は、この発明による航空機ガスタービンエンジンの1例を示す断面図である。
図2は、図1に示した航空機ガスタービンエンジンのエンジンケーシングの一部分の斜視図である。
図2Aは、図2に示した航空機ガスタービンエンジンのケーシングのフランジの一部の拡大斜視図である。
図3は、図1に示したのと同様の航空機ガスタービンエンジンに用いることのできる従来の可変ベーンの斜視図である。
図4は、図1の航空機ガスタービンエンジンに示したようなこの発明による可変ベーンの斜視図である。
発明を実施する好適な態様
図1に、この発明の2つの実施例に係る、燃焼器ケーシング6および可変圧縮機ベーン8を含む具体的な航空機ガスタービンエンジン10を線図的に示す。ガスタービンエンジン10は、エンジン中心線11のまわりに円周方向に配置され、直流流れ関係で、ファンセクション12、高圧圧縮機16、燃焼器セクション18、高圧タービン20および低圧タービン22を有する。燃焼セクション18、高圧タービン20および低圧タービン22は、通常エンジン10のホットセクションと称される。高圧ロータシャフト24は高圧タービン20を高圧圧縮機16に駆動関係で連結し、低圧ロータシャフト26は低圧タービン22をファンセクション12に駆動関係で連結する。
ファンセクション12を通過するファン空気9の大部分は、ファンセクション12と高圧圧縮機16に続くブースタファン13との間に入口またはスプリッタ32を有するバイパスダクト30を通って、ブースタファン13、高圧圧縮機16およびホットセクションをバイパスする。可変圧縮機ベーン8は、通常、ゼネラルエレクトリック社のTF−39およびCF−6エンジンなどの航空機ガスタービンエンジンに見られるような、高圧圧縮機16に用いられている。
燃料を燃焼セクション18で燃焼させて、きわめて高熱なガス流28を生成し、これを高圧タービン20および低圧タービン22に導き、エンジン10のパワーを生成する。燃焼器36は、外側燃焼器ケーシング6と内側燃焼器ケーシング40との間の圧縮機排出流れ38内に配置されている。燃焼器36は、環状燃焼器ドーム42および後方に延在する外側および内側環状燃焼器ライナー43および44を有するものとして図示されている。外側および内側環状燃焼器ライナー43および44は互いに半径方向に離間して、相互間に環状燃焼流路または燃焼領域45の一部を画定している。燃料と空気の混合物を複数の燃料ノズル46から燃焼領域に吐出して、点火し、燃焼させる。外側燃焼器ケーシング6に設けたボス48を貫通する燃料管47により、燃料を燃料ノズル46に導入する。
図2および図2Aに、隣接する水平方向に分割された圧縮機ケーシング50に取り付けた環状燃焼器ケーシング6を示す。燃焼器ケーシング6は、環状前端フランジ53および環状後端フランジ54間に軸線方向に延在する環状圧力シェル51の形態の湾曲パネルセクションを有する静止部品である。環状前端フランジ53および環状後端フランジ54はそれぞれ、隣接するケーシング(たとえば水平分割圧縮機ケーシング50)およびそのフランジへの取付け用のボルト穴57があけられたリング55を有する。水平分割圧縮機ケーシング50は水平方向フランジ58を含み、これらのフランジは前端フランジ53上のリング55の数個のボルト穴57の一群59に対応する位置60で終端する。燃焼器ケーシング6のこの構成は、ボルト穴の一群59により表わされる部位からシェル51に伝播する亀裂(クラック)60を開始することができ、このような亀裂の進展は、構造的一体性の減少に、そしてついにはシェルのまったく望ましくない破損につながるおそれがある。
したがって、このような事態を防止するために、この発明によれば、前方フランジ53にボルト穴群59とシェル51との間の位置で、レーザショックピーニングを施すことにより深い圧縮性残留応力を付与した細長い円弧状のレーザショックピーニング処理領域66を設ける。細長いレーザショックピーニング処理領域66は、多数の円が重なった線70により示される細長いレーザショックピーニング処理表面区域68に沿って、そのレーザショックピーニング処理表面区域68から前方フランジ53中に進入する。多数の円70は、レーザビームが当たるスポットを示し、そこにレーザビームがレーザショックピーニング処理表面区域68を形成する。レーザショックピーニング処理領域66が、前方フランジ53の後向き側面Aから前向き側面Fまで、前方フランジ53の厚さ全体にわたって延在するのが好ましい。前方フランジ53の両側面を同時にレーザショックピーニングして、後向き側面Aおよび前向き側面F両方にレーザショックピーニング処理表面区域68を形成するとともに、両者の間にレーザショックピーニング処理領域66を形成するのが好ましい。
図2に、クラック開始部位が、燃焼器ケーシング6のシェル51のまわりに円周方向に配列され、シェルを貫通する燃料ライン用穴82を有する燃料ライン用溶接付けボス48である、この発明の別の実施例を示す。溶接付けボス48は、そこから伝播する亀裂86を開始することができ、この亀裂は溶接付けボス48から軸線方向後方へ伝播し、さらに後方へシェル51上で互いに出会い、かくして構造的一体性の減少に、そしてついにはシェルのまったく望ましくない破損につながるおそれがある。レーザショックピーニングを施すことにより深い圧縮性残留応力を付与した環状のレーザショックピーニング処理領域84が、環状のレーザショックピーニング処理表面区域68に沿う多数の円の線70で示されるように、シェル51のまわりを一周している。環状のレーザショックピーニング処理領域84がシェル51の厚さ全体に延在するのが好ましい。多数の円70は、レーザビームが当たるスポットを示し、そこにレーザビームがレーザショックピーニング処理表面区域68を形成する。シェル51の両側面を同時にレーザショックピーニングして、シェル51の内側Iおよび外側O両方にレーザショックピーニング処理表面区域68を形成するとともに、両者の間にレーザショックピーニング処理領域84を形成するのが好ましい。
図3および図4にこの発明の他の実施例を示す。この実施例では、静止部品が、金属パネルセクションとして薄い中実エアーホイル91を有する可変圧縮機ベーン8であり、クラック開始部位が、1例では順次の第8および第9次共振モードに対応する所定の第1および第2節線92および94である。エアーホイル91には、上部スピンドル106および下部スピンドル108を含む上部トラニオン100および下部トラニオン102が一体に形成され、エアーホイル91は、所定の隣接する第1節線92および第2節線94に沿って2つ以上の共振破壊モードにさらされる。上部スピンドル106は、エアーホイル91の角度を変えるためにエアーホイル91を付勢するのに用いるレバーアーム107に取り付けられている。第8および第9次共振モードは、2つの共振モードと関連する2つの異なる共振誘導された亀裂線を生じ得る。これらは通常第1節線92および第2節線94で示すような第8および第9節線に従う。この結果、エアーホイル91が破損し、通常第1節線92および第2節線94で境界を定められた第1片110と第2片112がエアーホイル91からはずれる。亀裂が第1節線92に沿って始まり、エアーホイル91の自由端113に交差し、しかしその後、第2節線94に沿って進行し、その結果、下部トラニオン102を含む大きな第2片112がエアーホイル91からはずれることになる。
図4についてさらに詳述すると、大きな第1片110が割れてはずれるのを防止するために、レーザショックピーニング(LSP)を施すことにより深い圧縮性残留応力を付与しただいたい細長いレーザショックピーニング処理領域116を、第9次共振モードに対応する第2節線94のみに交差させて配置する。エアーホイル91をその圧力側Pおよび吸引側Sでレーザショックピーニングして、1側面に1つずつ2つの細長いレーザショックピーニング処理表面区域68を形成し、これによりレーザショックピーニング処理領域116を形成するのが好ましく、こうすれば、(レーザスポットを示す)円の線70で示される全長に沿って、処理領域116がエアーホイル91の全厚Tに延在する。
レーザショックピーニング処理領域におけるレーザビームショックにより誘引された深い圧縮性残留応力は、通常約50−150kpsi(kilo pounds per square inch)で、レーザショックピーニング処理表面区域からレーザショックにより誘引された圧縮性残留応力領域中に深さ約20−50ミルまで及ぶ。レーザビームショックにより誘引された深い圧縮性残留応力を生成するには、塗料で被覆されたレーザショックピーニング処理表面区域またはその少し上または下に焦点を合わせた高エネルギーレーザビームを繰り返し発射して、ギガワット/cm2のオーダのピークパワー密度を生成する。レーザビームを、塗装されたレーザショックピーニング処理表面区域に流れる流水のカーテンを通して発射し、塗料をはがし、プラズマを発生し、これにより材料の表面に衝撃波を与える。衝撃波は流水カーテンにより塗装表面に再度向けられ、塗装表面下の材料中に進行衝撃波(圧力波)を発生する。この衝撃波の振幅と量が圧縮応力の深さと強さを決める。塗料はターゲット表面を保護するとともにプラズマを発生するために用いる。はがされた塗料は流水カーテンで洗い流される。このようなレーザショックピーニング法は、米国特許出願SN08/319,346「ターボ機関用のレーザショックピーニング処理ロータ部品」およびSN08/363,362「フライ・レーザショックピーニング」にもっと詳しく開示されている。
以上、この発明の原理を説明するためにその好適な実施例を詳しく記載したが、この発明の要旨から逸脱しない範囲内で、これらの実施例に種々の変更や改変を加えることができる。
Claims (10)
- ガスタービンエンジンの静止部品が、部品の亀裂開始部位に隣接する金属製パネルセクションを備え、
レーザショックピーニング(LSP)により深い圧縮性残留応力を付与された全体に細長いレーザショックピーニング処理領域が、前記亀裂開始部位と前記パネルセクションの一部分との間に設けられ、
前記レーザショックピーニング処理領域は、このレーザショックピーニング処理領域が、前記部位から伝播する亀裂を前記パネルセクションの部分から遠ざかる方へそらすように配置されることを特徴とする静止部品。 - 前記部品が互いに反対向きの第1側面および第2側面を有し、前記レーザショックピーニング処理領域が第1側面から第2側面まで延在する、請求項1に記載の静止部品。
- 前記レーザショックピーニング処理領域が、前記パネルセクションに伝播する疲労亀裂をそらすのに十分な長さを有する、請求項1に記載の静止部品。
- 前記静止部品がガスタービンエンジン・ケーシングであり、前記パネルセクションが環状シェルであり、
前記環状シェルが2つの環状端部フランジ間に配置され、前記レーザショックピーニング処理領域が環状であり、
前記フランジに環状に配列された多数のボルト穴とシェルとの間に前記環状レーザショックピーニング処理表面区域が配置されている、請求項1に記載の静止部品。 - 前記ガスタービンエンジン・ケーシングが水平なフランジを有する隣接する水平方向に分割された圧縮機ケーシングに取り付ける燃焼器ケーシングであり、
前記水平なフランジが前記環状フランジの多数のボルト穴のうち数個に対応する位置で終端し、
前記レーザショックピーニング処理領域が、前記環状フランジに、多数のボルト穴のうちの数個とシェルとの間で円弧状に配置されている、請求項4に記載の静止部品。 - 前記ガスタービンエンジン・ケーシングが、ほぼ環状に配列されたボスが前記環状フランジ間で前記シェルに溶接された燃焼器ケーシングであり、
前記レーザショックピーニング処理領域が前記ボスと後方の環状フランジとの間で前記シェルに配置された環状領域である、請求項4に記載の静止部品。 - 前記静止部品が可変角度ベーンであり、前記パネルセクションが前記ベーンに取り付けられたエアーホイルであり、
前記金属製パネルセクションが、第1および第2共振モードならびに所定の第1および第2節線とそれぞれ関連した第1および第2共振誘引亀裂線を生じ、
前記亀裂開始部位は前記第1節線が前記エアーホイルの自由端と交差する点であり、
前記レーザショックピーニング処理領域が前記パネルセクション上に前記第2節線を横切って配置された、請求項1に記載の静止部品。 - 前記ベーンが少なくとも一部が前記パネルセクションと一体に形成されたトラニオンを含み、前記第1節線が前記トラニオンに交差せず、前記第2節線が前記トラニオンに交差する、請求項7に記載の静止部品。
- 前記共振モードが順次の共振モードである請求項8に記載の静止部品。
- 前記共振モードが第8および第9次共振モードからなる順次の共振モードであり、前記第9次共振モードが前記トラニオンの軸線とクロスオーバする第9次節線を有する、請求項9に記載の静止部品。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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