JP3925661B2 - ガスタービンエンジンの羽根アッセンブリーの修理 - Google Patents

Description

発明の背景
この発明は、ガスタービンエンジンの羽根アッセンブリーに関し、さらに詳しくは、蝋付けされた羽根アッセンブリーを修理するための改良された方法と装置とに関するものである。
本発明が直接関与する形式のガスタービンエンジンにおいては、ワーキング媒体ガスが燃焼セクションにおいて燃焼し、タービンセクションにおいて膨張する。該タービンセクション内には、一列または複数列のステーターヴェーン（固定羽根）が配置されていて、羽根アッセンブリーにおけるワーキング媒体ガスをローターブレードの下流方向列へ好ましい角度でアプローチさせるようになっている。
該タービンの羽根は、耐用寿命に限りがあり、取り分け、ガスタービンエンジンの部品類は、最も損傷を受けやすい。羽根類を横切る媒体ガスは、極めて高熱であって、腐食成分を含んでいる。例えば、最近のタービンにおける最初の列のステーターヴェーンは、１０９３℃（２０００°Ｆ）を遥かに越す温度のガスにさらされる。媒体ガスに含まれている腐食成分には、未反応の酸素および硫黄酸化物が含まれる。ステーターヴェーン上流の激しいエネルギー反応によって、羽根にアプローチする媒体ガスの同質性をコントロールすることは至難である。したがって、複数の羽根は、均等に摩耗せず、羽根セット全体を交換する前に羽根個々を修理したり、交換したりする必要がある。
羽根類の取り付けを容易にし、エアロダイナミック・パフォーマンスを考慮にいれて、インナープラットホーム（台座）およびアウタープラットホーム（台座）にそれぞれ取り付けられた複数のエーロフォイルからなる羽根アッセンブリーからステーターヴェーンを配列することが通常行われている。羽根アッセンブリーは、ワーキング媒体フローパスを円周状に囲んで、端と端とを突き合わせた状態で配置される。図３に示すような対になったエーロフォイルが普通使用されているが、各アッセンブリーは、３枚または、それ以上のエーロフォイルからなる。
このような羽根アッセンブリーは、構造が複雑で、製造コストが嵩むものである。したがって、ガスタービンエンジンの運転で摩耗したり、損傷を受けたりした羽根アッセンブリーは、交換するよりも修理するほうが望ましい。そのような摩耗または損傷の大部分は、羽根アッセンブリーのエーロフォイル、例えば、エーロフォイルのリーディングエッジまたはトレイリングエッジに起こることが分かっている。しかしながら、エーロフォイルおよび／またはプラットホーム（台座）の修理は、これらコンポーネンツが該アッセンブリーにおいて、互いにくっついた状態になっている構造により、極めて面倒なものである。したがって、修理が必要な部分へのアクセスは、限られてしまっている。
発明の概要
本発明の主たる目的は、ガスタービンエンジン羽根アッセンブリーを修理する改良された方法ならびに装置を提供することにある。
他の目的は、エーロフォイルを蝋付けされた羽根アッセンブリーから分離して、該コンポーネンツを修理し、再びアッセンブリーすることを可能にする方法と装置とを提供することである。
要するに、本発明は、ガスタービンエンジン羽根アッセンブリーのベースメタルの固相線以下の温度で、かつ、蝋付け結合の液相線以上の温度でガスタービンエンジン羽根アッセンブリーを予熱し、このような温度を維持しながらエーロフォイルとプラットホーム（台座）とを離すように引いたり、押したりして、エーロフォイルをプラットホーム（台座）から分離するガスタービンエンジン蝋付け羽根アッセンブリーを修理する方法と装置とを提供するものである。分離さえすれば、種々の修理操作がエーロフォイルおよび／またはプラットホーム（台座）で行え、その後エーロフォイルとプラットホーム（台座）とを再度組付けて蝋付け羽根アッセンブリーにすることができる。
エーロフォイルからプラットホーム（台座）を分離するために用いる装置は、以下のものを含む：
前記アッセンブリーを予熱する加熱手段およびプラットホーム（台座）からエーロフォイルを機械的に分離する間、前記アッセンブリーを所定の温度に維持する制御システム；羽根アッセンブリーのインナープラットホーム（台座）をグリップする第１の固定手段および羽根アッセンブリーのアウタープラットホーム（台座）をグリップする第２の固定手段；および第１の固定手段と第２の固定手段ならびに、これらによってグリップされているプラットホーム（台座）へ反対の動きと力とを作用し、プラットホーム（台座）からエーロフォイルを分離するモーションシステム。
図面の簡単な記述
図１は、蝋付け羽根アッセンブリーを分離するのに用いられる装置の斜視図である。
図２は、該装置の断面図である。
図３は、二つのエーロフォイルをもつ蝋付けされた羽根アッセンブリーの代表例の斜視図である。
図４は、該装置の加熱チャンバーの平面図である。
発明の詳細な記述
本発明は、蝋付けされた羽根アッセンブリーのコンポーネンツの分離のための、特に、一つ、又は、複数のエーロフォイルをインナープラットホーム（台座）とアウタープラットホーム（台座）に蝋付け（図３参照）することによって製造した一群の高圧タービン羽根を分離するための方法と装置とに関するものである。この発明に先立ち、該パーツのこの形状は、分離できないアッセンブリーで、修理が難しく、修理を行うことは困難な場合が多く、原のコンポーネント構造条件に合致しないものとみなされていた。図３に示すように、蝋付けされた羽根アッセンブリー１は、前エーロフォイル２と後エーロフォイル３とを有する対になったエーロフォイル２，３と、インナープラットホーム（台座）４ならびにアウタープラットホーム（台座）５とから構成されている。エーロフォイル２，３は、蝋付け結合６によってプラットホーム（台座）４，５に取り付けられている。羽根アッセンブリーは、エーロフォイルの枚数を問わないが、図示の対になったエーロフォイルが通常用いられている。
これらの羽根アッセンブリーがサービスを受ける不利な作業条件のために、修理プロセスには、クーリングホール、ストレスクラックおよび焼損、面輪郭、ノズル領域復元およびガスタービンエンジンにおける羽根アッセンブリーの機能に重要な寸法条件を修理することで、エーロフォイルおよびプラットホームをオリジナルの構成に復元する可能性が要求される進んだプロセスが必要になる。プラットホームからエーロフォイルを取り外すことで、コンポーネンツのすべての復元が達成できる。したがって、オリジナルのコンポーネント・デザイン基準を得ることができ、したがって、オリジナルのエンジニアリング・メカニカル要件を満たす高い品質の製品が得られる。
プラットホーム（台座）からエーロフォイルを分離し、除去することは、該コンポーネントを羽根アッセンブリーのベースメタルの固相線以下で、蝋付け結合の液相線以上の温度に予熱することで行える。
該アッセンブリーは、９８２℃から１２３２℃（１８００°Ｆから２２５０°Ｆ）の範囲にある温度、好ましくは、１２０４℃（２２００°Ｆ）に予熱され、維持される。羽根アッセンブリーのベースメタルは、固相線が１２３２℃から１３７１℃（２２５０°Ｆから２５００°Ｆ）の範囲にあるＲｅｎｅ １４２，Ｎ５，Ｍａｒ Ｍ５０９またはＸ−４０のようなニッケルまたはコバルトをベースとする合金から概ねなるものである。同封の表Ｉは、適用できる合金組成を示す。予熱と分離の間、温度は、ベースメタルの性質に逆効果を与えないよう、そして、劣化とひずみとを避けるために、羽根アッセンブリーのベースメタルの固相線以下に維持される。
予熱と分離の間、蝋付け結合を軟化させて、プラットホーム（台座）からエーロフォイルを分離しやすくするために、前記温度を蝋付け結合の液相線以上に維持する。蝋付け羽根アッセンブリーに用いられる蝋付け結合の代表的なものは、ニッケル又はコバルトをベースとする合金からなるものであって、ゼネラル・エレクトリックの蝋付け合金、Ｂ−９３およびＢ−２８を含む。同封の表IIは、これら蝋付け結合の組成とそれらの液相線を示す。
予熱工程は、充分な時間をとって行われ、所望の温度で羽根アッセンブリーを均一に加熱する。該アッセンブリーの温度勾配をコントロールして、分離の間のエネルギー効率を最大にし、ベースメタルの性質をコントロールして、劣化とひずみを防ぐ。予熱の間、一般的には、分離温度で１０分から１５分にわたり均熱を行う。
予熱された蝋付け羽根アッセンブリーのコンポーネンツの分離は、予熱温度を維持しながら、プラットホーム（台座）とエーロフォイルとが離れるように引っ張ったり、押したりして行われる。分離は、インライン固定装置でのシングルアクシスモーションで行われる。プラットホーム（台座）と羽根を別々に引っ張るのに要する力は、ほぼ１３．８から１３７．８ｋＰａ（２〜２０psi）の範囲、好ましくは２０．７〜３４．５ｋＰａ（３〜５psi）の範囲のものである。コンポーネンツの酸化または他の劣化を防ぐために、予熱工程と分離工程とを不活性雰囲気、即ち、アルゴンのような不活性ガス雰囲気下またはヴァキュウム状態で行うのが好ましい。
図１に示すように、分離プロセスに用いられる装置７のコンポーネンツは、ヒーター８とモーションシステム９の制御システムを含み、これは、チャートリコーダー１０、パワーサプライ／ヒーター８のヒーターコントローラー１１、シングルアクシス・モーションシステム９を備え、該モーションシステムは、チャンバー１２を通り抜けていて、ＣＮＣコントローラー１３で制御される。チャンバー１２は、カバー１４を有し、このカバーでチャンバー１２が覆われてシールされ、加熱工程と分離工程の間、チャンバー１２内の温度を所望の温度に維持し、そして、チャンバー１２内を不活性雰囲気にするための不活性ガス１５の供給が行われるようにする。
図２と図４に示すように、羽根アッセンブリー１は、水銀ランプヒーター８により加熱され、アウタープラットホーム（台座）５をグリップする分離治具１６に保持され、インナープラットホーム（台座）４をグリップする分離治具１７に保持される。分離治具１６，１７は、分離工程中、モーションシステム９により、直線運動で、互いに反対方向へ動かされる。４つのサーモカップル１８の使用によって、ヒートインプットがモニターされ、ヒーターコントローラー１１（図１に示されている）からのフィードバックループでコントロールされる。
羽根アッセンブリーがランプされ、所望の温度へ予熱されると、ＣＮＣコントローラーがタイマーをスタートさせ、特定時間（ソーキング）にわたり該温度を維持する。所望の温度は、オリジナルの蝋付け結合の温度、その共融温度、ベース合金マテリアルによって決定される。ついで、モーションシステムを動作させ、前記コンポーネンツのガスパス面（プラットームの内側部分）へ力を集中させエーロフォイルをプッシュアウトする対向する力を加え、このようにして、包み込んでいるプラットホーム（台座）（複数）の蝋付けされたキャビティからエーロフォイルを剥ぎ取る。作業の間、ワークエリア（前記アッセンブリーを保持しているチャンバー）には、不活性ガス（例えば、アルゴン）が充填されて、分離が行われている間の合金コンポーネンツの酸化率を最低にする。さらに、分離する力は、モーションシステムの駆動モーターの電圧をモニターするフィードバックループによりコントロールされるもので、したがって、分離されるコンポーネンツに対するプリセット・フォース・パラメーターがコントロールされる。このコントロール・メカニズムを用いることで、望ましくないストレスを最低にしたり、除去することができ、これによって、分離の間における歪みや金属劣化を減らす。
羽根アッセンブリーのコンポーネンツを分離した後は、個々のユニットとしてのエーロフォイルおよび／またはプラットホーム（台座）について種々の修理作業を行うことができ、その後にオリジナルの製造状態へ組み戻すことができる。羽根アッセンブリーの分離されたコンポーネンツについて行うことができる修理作業には、コーティング、傷んだ蝋付け、溶接またはクラッディング領域の除去、保護コーティングの付与、耐熱コーティング、孔あけ、精密マシニングなどが含まれる。エーロフォイルは、また、トレイリングエッジを除去し、同じ合金で作った新しいトレイリングエッジに交換し、電子ビーム、ＴＩＧ溶接で溶接され、そして高温蝋付けプロセスで結合され、その後再蝋付けでアッセンブリーとして再組立される。エーロフォイルの内の一つのようなコンポーネントの傷みが激しいときは、このコンポーネントを新品に交換し、再蝋付けして、オリジナルの製造者仕様に合致するアッセンブリーに仕上げることができる。
このプロセスで修理を効率良く、経済的に行うことが可能となり、羽根アッセンブリーの構成により容易でなかった修理を可能にするものである。
実施例
Ｘ−４０ベースメタルからなり、Ｂ−９３蝋付け結合の図３に示したような構成のＣＦＭ−５６タービン羽根セグメント・アッセンブリーを図１，２，４に示した装置内に配置した。アルゴンガスを供給し、不活性雰囲気にした。１５分かけて温度を上げて、羽根アッセンブリーを温度１２０４℃（２２００°Ｆ）に予熱し、この温度で１０分間保持した。この温度を維持する間、３４．５ｋＰａ（５psi）の力をモーションシステムにより加えて、プラットホーム（台座）からエーロフォイルを分離した。
ついでエーロフォイルとプラットホーム（台座）を溶接、ベンチング、ホールドリリング、グレージング、マシニング、熱間成形およびコーティングにより修理した。修理後、コンポーネンツを再組立し、Ｂ−９３蝋付け合金を用いて蝋付けした。

Claims (12)

1. 以下のことからなるプラットホーム（台座）へ蝋付けにより取り付けられたエーロフォイルを有するガスタービンエンジン蝋付け羽根アッセンブリーを修理するプロセス：
   蝋付けされた羽根アッセンブリーを該羽根アッセンブリーのベースメタルの固相線以下で、蝋付けマテリアルの液相線以上の温度に予熱し；
   単軸上の直線的な動きにより該プラットホーム（台座）とエーロフォイルを引き離すことで、該エーロフォイルから該プラットホーム（台座）を分離する間、前記温度を維持し；かくして分離したエーロフォイルおよびプラットフォームの一方または両方を修理し、ついで羽根アッセンブリーに再組立すること。
2. 予熱温度は、９８２℃から１２３２℃（１８００°Ｆから２２５０°Ｆ）の範囲にある請求項１のプロセス。
3. 羽根アッセンブリーは、前エーロフォイル、後エーロフォイル、インナープラットホームおよびアウタープラットホームを有する請求項２のプロセス。
4. 分離は、不活性雰囲気下で行われる請求項３のプロセス。
5. 不活性雰囲気は、アルゴンガスである請求項４のプロセス。
6. プラットホームとエーロフォイルのベースメタルは、ニッケルまたはコバルトをベースとする合金である請求項３のプロセス。
7. 蝋付け合金は、ニッケルまたはコバルトをベースとする合金である請求項６のプロセス。
8. 予熱温度は、約１２０４℃（約２２００°Ｆ）である請求項７のプロセス。
9. エーロフォイルとプラットホームとを引っ張るために使用する力は、１３．８〜１３７．８ｋＰａ（２〜２０ｐｓｉ）の範囲のものである請求項３のプロセス。
10. エーロフォイルまたはプラットホームのいずれかを新しいコンポーネントに置換し、その後に羽根アッセンブリーに再組立する請求項１のプロセス。
11. エーロフォイルとプラットホームとを再蝋付けすることで、羽根アッセンブリーを再組立する請求項１のプロセス。
12. プラットホームのインサイド部分へ力を集中させ、エーロフォイルへ反対方向の力を加え、プラットホームの蝋付けされたキャビティからエーロフォイルを引き出すか／押し出すかして、プラットホームをエーロフォイルから分離する請求項１のプロセス。

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