JP4353981B2 - ガスタービンブレード又はブレード一体化ガスタービンロータを製造又は修理する際に、ブレードをブレード付け根部もしくはロータディスクへ接合する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンブレード又はブレード一体化ガスタービンロータを製造又は修理する際に、ブレードをブレード付け根部もしくはロータディスクへ接合する方法に関する。

例えば、航空機エンジンのようなガスタービンは、少なくとも一つのコンプレッサ並びに少なくとも一つのタービンを有し、前記又は各コンプレッサ、並びに前記又は各タービンは、少なくとも一つのステージを有し、各コンプレッサの前記又は各ステージ、並びに各タービンの前記又は各ステージは、固定ガイドベーンリング、並びに回転ロータブレードリングよりなる。前記又は各回転ロータブレードリングのロータブレードの各々は、空力学的形状のブレードを有し、各ロータブレードのブレードは、ロータディスクの対応する凹部においてブレード付け根部によって固定されるか、或いは、ロータディスクに永久的に接合されてブレード一体化ガスタービンロータを形成する。また、ブレード一体化ガスタービンロータは、ブリスク（ブレード付きディスク）又はブリング（ブレード付きリング）と呼ばれる。

ガスタービンのロータブレードは、特に、ガスタービンの作動中に大きく酸化する、腐食する、或いは浸食する状態に曝され、それによって、これらのロータブレードは、実質的な磨耗を受ける。このように、例えば、ブレード一体化ロータを取り扱っていると、ブレード一体化ガスタービンロータを修理するために、損傷されたブレードを交換することが必要となる。そしてこれには、損傷ブレードを除去した位置に新たなブレードをガスタービンロータのロータディスクへ接合することを必要とする。ブレード一体化ガスタービンロータを再製造する際には、ブレードの全てをロータディスクへ接合しなければならない。個別のガスタービンブレードを再製造する場合、ブレードを対応するブレード付け根部へ接合することが必要である。

関連技術の方法としては、ガスタービンブレード又はブレード一体化ガスタービンロータを製造又は修理する際にブレードをブレード付け根部やロータディスクへ接合するために、線形摩擦溶接や誘導高周波加圧溶接を用いることが提案されている。線形摩擦溶接並びに誘導高周波加圧溶接は共に、特に高温抵抗材料を加工する場合に高価となり、またこれらの溶接は処理の安全性に関してリスクをもたらす。

このような背景に対して、本発明の目的は、ガスタービンブレード又はブレード一体化ガスタービンロータを製造又は修理する際に、ブレードをブレード付け根部やロータディスクへ接合するための新規な方法を発明することにある。

この目的は、請求項１に示される、ガスタービンブレード又はブレード一体化ガスタービンロータを製造する際に、ブレードをブレード付け根部やロータディスクへ接合するための方法によって達成される。
本発明に係る方法は、少なくとも以下のステップ、即ち、
ａ） ブレードと、このブレードに接合されるブレード付け根部もしくはブレードへ接合されるロータディスクとを、ブレード及びブレード付け根部もしくはロータディスクが同様の接合部分に厚肉化領域を有するように、予め製造するステップと；
ｂ） 相互接合されるブレードとブレード付け根部もしくはロータディスクとにおける部分を機械加工して凹部を形成するステップと；
ｃ） 続いて、ブレードをブレードに接合されるブレード付け根部もしくはロータディスクに対して相互に位置合わせし、相互に対向する凹部により少なくとも一つの溝形状溶接準備部を画定するステップと；
ｄ） レーザ粉末肉盛溶接を使用し、ブレードとブレード付け根部もしくはロータディスクとを各溶接準備部のエリアで接合するステップと；
ｅ） 相互に接合されたブレードとブレード付け根部もしくはロータディスクとを機械加工し、所定の幾何学的外形を有するガスタービンブレード又はブレード一体化ガスタービンロータを得るステップと；
を含むものである。

本発明の好適な実施の形態は、添付の特許請求の範囲と以下の説明から導かれる。本発明は、例示される実施の形態に基づいて以下で更に詳細に説明されるが、そのような実施の形態により制限されるものではない。図面は参照される。

図１ａ〜１ｇは、ブレード一体化ガスタービンロータの修理の際にブレードをロータディスクへ接合する本発明の方法に係る、ある特定の実施の形態を明らかにするものである。本発明の方法に従って、以下の手順が、ブレード一体化ガスタービンロータの修理の際に採用される。

図１ａは、損傷したブレード１１を有するブレード一体化ガスタービンロータ１０を示しており、図１ａに示されるガスタービンロータ１０を修理するために、損傷したブレード１１をガスタービンロータ１０のロータディスク１２から除去し、それを新たなブレードで交換しようとするものである。ブレード一体化ガスタービンロータ１０のロータディスク１２からの損傷ブレード１１の切断に先立って、厚肉化領域１３が少なくとも後の分離位置のエリアに予め形成される。これには、分離位置の全領域にわたり実質的に連続的な又は均一な所期厚さの外形を確実に得るために、ブレード１１の負圧側並びに正圧側の両方に対してレーザ粉末肉盛溶接（laser powder build-up welding）が用いられる。続いて、損傷ブレード１１は、図１ａで点線として示される分離線１４に沿ってロータディスク１２から分離される。損傷ブレード１１のロータディスク１２からの分離によって図１ｂに示される構造が得られ、ロータディスク１２の一部のエリア１５において延在する厚肉化領域１３は、レーザ粉末肉盛溶接によって予め製造されるものであり、そこには新たに、予め製造されたブレードがガスタービンロータ１０を修理するために取り付けられる。

ロータディスク１２におけるこのように予め形成された部分１５は、新たなブレード１６（図１ｄ乃至図１ｇを参照）が取り付けられるものであり、少なくとも一つの凹部１７が部分１５に形成されるように本発明の方針に沿って機械加工される。これに関して、図１ａ乃至１ｇに例示される実施の形態において、唯一つの凹部１７が部分１５に包含されており、この凹部１７は、部分１５の軸方向長さの全体にわたり延在している。これは、特に、図１ｃから推察される。

予め製造された新たなブレード１６は、部分１８のエリアにおいて対応する凹所１９を同様に備え、図１ｄから推察されるように、この凹所１９を介してブレード１６がロータディスク１２の部分１５へ取り付けられる。新たなブレード１６の部分１８において連続的又は均一な厚さの外形が予め形成されるように、ブレード１６の部分１８は対応する厚肉化領域２０を備える。同様に、部分１８のエリアにおける一方側にのみ、凹部１９がブレード１６へ導入されており、この凹部１９はブレード１６の軸方向長さの全体にわたり延在している。

図１ｄから推察され得るように、続いて、ロータディスク１２と新たなブレード１６は、それらの位置的に正確な接合を可能とするように互いに位置合わせされ、ロータディスク１２とブレード１６とにおいて領域１５と１８、及び凹部１７と１９が対向し、溝形状の溶接準備部２１が形成される。換言すると、溝形状溶接準備部２１は、相互に接合される部分１５及び１８のエリアにおいて、ブレード１６とロータディスク１２の軸方向長さの全体にわたり延在しており、図１ａ〜１ｇに例示される実施の形態では、正確には、ブレード１６の一方側にのみ存在しているが、この側はブレード１６の負圧側でも正圧側でもよい。

続いて、図１ｄの方針に沿ってロータディスク１２に対して位置合わせされたブレード１６は、溶接準備部２１のエリアでレーザ粉末肉盛溶接プロセスを行うことによってロータディスク１２に接合される。要するに、図１ｅに斜線影付けで示されるように、レーザ粉末肉盛溶接によって溶接準備部２１が充填されており、それによってブレード１６が、溶接準備部２１のエリアにおける部分１５と１８とにおいてロータディスク１２に接合される。

図１ａ〜１ｇに例示される実施の形態では、続いて、他の溝型溶接準備部２２（図１ｆ参照）がブレード１６の反対側に導入される。ここは、ブレード１６がロータディスク１２に接合されていない、つまり溶接準備部２１へ導入される溶接継目の背面側である。ブレード１６とロータディスク１２とが既に接合されている溶接準備部２１がブレード１６の正圧側に位置する場合、次に、追加の溶接準備部２２が負圧側に導入されることになる。このプロセスにおいて、追加の溶接準備部２２は、相互に接合されるロータディスク１２及びブレード１６における部分１５及び１８へ導入され、それによって、レーザ粉末肉盛溶接により溶接準備部２１へ導入された溶接継目の付け根部のエリアにおけるニック（切り傷）及び／又は欠陥が除去される。

図１ｇに示されるように、続いて、レーザ粉末肉盛溶接プロセスは、追加の溶接準備部２２の領域において実行され、この領域において、ブレード１６とロータディスク１２との間に同様の溶接接合が形成される。

ブレード１６がロータディスク１２に対して両側で接合されるとともに、続いてロータディスク１２は厚肉化領域１３及び２０のエリアでそれぞれ機械加工され、それによって、所定の幾何学的、空気力学的に好ましい外形を有するブレード一体化ガスタービンロータが最終的に形成され、使用可能な状態となる。これは、フライス加工によって、特に適応制御フライス加工によって好適に達成される。これに関して、ロータディスク１２とブレード１６との相互接合部分１５及び１８のエリアにある厚肉化領域１３及び２０は、ロータディスク１２及びブレード１６のエリアにおける図１ｇに一点鎖線で示される輪郭を得るように除去される。厚肉化領域１３及び２０は、ブレード１６とロータディスク１２の両側（負圧側と正圧側）のエリアに延在するだけでなく、流入口エッジと流出口エッジのエリアにも延在しており、そのため、厚肉化領域１３及び２０により備わる材料は、一点鎖線の輪郭を超えて、全ての側で除去される。

ここに、図１ａ〜１ｇに例示される実施の形態では、ブレード一体化ガスタービンロータ１０を修理するために、ブレード１６とロータディスク１２とが次のように溶接される点が注目される。すなわち、それらはレーザ粉末肉盛溶接を使用して先ず一方の側で接合され、続いて、未接合の側では追加の溶接準備部が形成され、そこでは、次に、別個のレーザ粉末肉盛溶接プロセスが実行され、ブレード１６がロータディスク１２に完全に接合される。また、この点に関して、本発明では、ブレード１６をロータディスク１２へ接合するプロセスを同時に両側で実行できることが判る点も強調される。そしてこれは、相互接合されるブレード１６及びロータディスク１２の部分１５及び１８の両側に、対応する凹部を導入することを必要とし、これによって、ブレード１６とロータディスク１２の位置的に正確な相互の位置合わせにより両側に溝型溶接準備部が得られる。この場合、ブレード１６は、レーザ粉末肉盛溶接によってロータディスク１２に同時に溶接できる。

図２ａ〜２ｄは、ガスタービンブレード２５を製造するためにブレード２３をブレード付け根部２４へ接合するときの、本発明に係る方法を例示する第２の実施の形態を示している。

このために、図２ａに従ってブレード付け根部２４が予め製造されており、これは、部分２７を有するブレード２３が取り付けられる或いは接合される部分２６に、厚肉化領域２８を有する。同様に、ブレード２３の部分２７は、対応する厚肉化領域２９を有する。厚肉化領域２８及び２９の目的は、換言すれば、相互接合されるブレード２３及びブレード付け根部２４の部分２８及び２９に、均一又は連続的な厚み分布を与えることにある。

続いて、ブレード２３並びにブレード付け根部２４（特に図２ｂ及び２ｃを参照）は、部分２６及び２７に機械加工が施され、凹部３０及び３１がそれぞれ形成される。この工程で、図２ａ〜２ｄに例示される実施の形態では、二つの凹部３０はブレード付け根部２４の部分２６のエリアに導入されており、これら二つの凹部の各々は、一方の側、即ち、正圧側並びに負圧側の両方において部分２６の軸方向長さの全体にわたり延在されている。同様に、二つの凹部３１がブレード２３の部分２７に導入され、これらの凹部はブレード２３の両側において、同じく軸方向長さの全体にわたり延在している。ブレード２３とブレード２４とが正確に且つ位置的に整合されると（図２ｃ参照）、溝型溶接準備部３２及び３３が両側、すなわち正圧側並びに負圧側の両側に形成され、その軸方向長さの全体にわたり延在される。次に、ブレード２３は、これら二つの溝型溶接準備部３２及び３３のエリアにレーザ粉末肉盛溶接を用いることによって、同時にブレード２３の両側でブレード付け根部２４に接合される。図２ｄは、斜線の陰影部において、レーザ粉末肉盛溶接によって造られた溶接継目が充填された溶接準備部３２及び３３を示している。

上述の方法でブレード２３がブレード付け根部２４に接合されると、次に、これらは、厚肉化領域２８と２９のエリアに機械加工が施されて、図２ｄに鎖線で示されるように、所定の幾何学的外形を有するガスタービンブレードとなる。この機械加工工程は、フライス加工によって、特に適応制御フライス加工によって好適に達成される。

本発明に係る方法は、ガスタービンブレードやブレード一体化ガスタービンロータを製造する又は修理する際に、ブレードとブレード付け根部との間、及びブレードとロータディスクとの間に高強度接合部を造ることを可能にする。また、本発明に係る方法は、相互接合される構成部材が高温抵抗材料から製造される場合に特に適する。

この技術の教示に関する当業者は、レーザ粉末肉盛溶接に関連する詳細はすでに精通しているので、このプロセスの更なる説明は必要ない。特に、本発明の方法の方針に沿ってブレード一体化ロータディスクを修理する際には、ブレード一体化ロータの隣接ブレード同士間で最小の空間が利用可能であるに過ぎないため、９０°までのビーム偏向が可能なレーザ溶接ヘッドを使用することのみが、ここで留意されることである。この場合、レーザ光、並びにレーザ粉末肉盛溶接に必要な粉末材料は半径方向から外部から供給され、且つレーザ光並びに粉末材料が位置的正確さをもって溶接準備部へ導入されるように、溝型溶接準備部のエリア内で９０°まで偏向される。

ブレード一体化ガスタービンロータを修理する際の本発明に係る方法を図示するために、一連の方法ステップにおけるロータディスクとブレードを高度に図式化したものである。 ガスタービンブレードを製造する際の本発明に係る方法を図示するために、一連の方法ステップにおけるブレード付け根部とブレードを高度に図式化したものである。

Claims (8)

1. ガスタービンブレード又はブレード一体化ガスタービンロータを製造する際に、ブレードをブレード付け根部もしくはロータディスクへ接合する方法であって、少なくとも以下のステップ、即ち、
   ａ） ブレード（１６；２３）と、このブレード（２３）に接合されるブレード付け根部（２４）もしくはブレード（１６）へ接合されるロータディスク（１２）とを、ブレード（１６；２３）及びブレード付け根部（２４）もしくはロータディスク（１２）が同様の接合部分（１５，１８；２６，２７）に厚肉化領域（１３，２０；２８，２９）を有するように、予め製造するステップと；
   ｂ） 相互接合されるブレード（１６；２３）とブレード付け根部（２４） もしくはロータディスク（１２）とにおける部分（１５，１８；２６，２７）を機械加工して凹部（１７，１９；３０，３１）を形成するステップと；
   ｃ） 続いて、ブレード（１６；２３）をブレードに接合されるブレード付け根部（２４）もしくはロータディスク（１２）に対して相互に位置合わせし、相互に対向する凹部（１７，１９；３０，３１）により少なくとも一つの溝形状溶接準備部（２１；３２，３３）を画定するステップと；
   ｄ） レーザ粉末肉盛溶接を使用し、ブレード（１６；２３）とブレード付け根部（２４） もしくはロータディスク（１２）とを各溶接準備部（２１；３２，３３）のエリアで接合するステップと；
   ｅ） 相互に接合されたブレード（１６；２３）とブレード付け根部（２４） もしくはロータディスク（１２）とを機械加工し、所定の幾何学的外形を有するガスタービンブレード（２５）又はブレード一体化ガスタービンロータ（１０）を得るステップと；
   を含む方法。
2. ガスタービンブレード又はブレード一体化ガスタービンロータを修理する際に、ブレードをブレード付け根部もしくはロータディスクへ接合する方法であって、少なくとも以下のステップ、即ち、
   ａ） 損傷ブレード（１１）の切断前に、ブレード（２３）に接合されるブレード付け根部（２４）もしくはブレード（１６）へ接合されるロータディスク（１２）の接合部分（１５；２６）に、厚肉化領域（１３；２８）を形成し、ブレード（１６；２３）の接合部分（１８；２７）には、厚肉化領域（２０；２９）を有するように予め形成するステップと；
   ｂ） 相互接合されるブレード（１６；２３）とブレード付け根部（２４） もしくはロータディスク（１２）とにおける部分（１５，１８；２６，２７）を機械加工して凹部（１７，１９；３０，３１）を形成するステップと；
   ｃ） 続いて、ブレード（１６；２３）をブレードに接合されるブレード付け根部（２４）もしくはロータディスク（１２）に対して相互に位置合わせし、相互に対向する凹部（１７，１９；３０，３１）により少なくとも一つの溝形状溶接準備部（２１；３２，３３）を画定するステップと；
   ｄ） レーザ粉末肉盛溶接を使用し、ブレード（１６；２３）とブレード付け根部（２４） もしくはロータディスク（１２）とを各溶接準備部（２１；３２，３３）のエリアで接合するステップと；
   ｅ） 相互に接合されたブレード（１６；２３）とブレード付け根部（２４） もしくはロータディスク（１２）とを機械加工し、所定の幾何学的外形を有するガスタービンブレード（２５）又はブレード一体化ガスタービンロータ（１０）を得るステップと；
   を含む方法。
3. 凹部（１７，１９；３０，３１）と、各溶接準備部（２１；３２，３３）とを、ブレードの軸長の全体にわたりブレード（１６，２３）の流入口エッジと流出口エッジとの間に延在させる、請求項１または２記載の方法。
4. ステップｃ）の方針に沿う位置合わせプロセスに続いて、凹部（３０，３１）と、従って、溶接準備部（３２，３３）とを、ブレード（２３）の負圧側と正圧側の両方に延在させ、溶接準備部（３２，３３）のエリアにおける負圧側及び正圧側でレーザ粉末肉盛溶接を同時に行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. ステップｃ）の方針に沿う位置合わせプロセスに続いて、凹部（１７，１９）と、従って、溶接準備部（２１）とを、ブレード（１６）の負圧側もしくは正圧側のいずれか一方側にのみ延在させ、この一方側における一方の溶接準備部（２１）のエリアでレーザ粉末肉盛溶接を行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 他方側、即ち、すでに相互に接合されたブレード（１６）とブレード付け根部もしくはロータディスク（１２）とにおける正圧側又は負圧側に、他の溝形状溶接準備部（２２）を続いて形成し、それによって、レーザ粉末肉盛溶接によってすでに形成された溶接継目の付け根部のエリアのニック及び／又は欠陥を除去し、それに続いて、この追加の溶接準備部（２２）のエリアにおける前記他方側でレーザ粉末肉盛溶接プロセスを行う、請求項５に記載の方法。
7. 相互に接合されたブレード（１６；２３）とブレード付け根部（２４） もしくはロータディスク（１２）とを、ステップｅ）の方針に沿いフライスプロセスで機械加工する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. ステップａ）の方針に沿ってブレード一体化ガスタービンロータ（１０）を修理するために、損傷ブレード（１１）をブレード一体化ガスタービンロータ（１０）から分離し、レーザ粉末肉盛溶接を使用して、少なくとも分離位置（１４）のエリアに、対応する厚肉化領域（１３）を予め形成する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。

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