JP4548705B2 - 静翼または動翼構成要素の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１個の羽根が少なくとも１個のリング要素と互いに接合される静翼構成要素または動翼構成要素の製造方法に関する。前記羽根は、静翼に用いられて作用時にガス流を案内または偏向することを意図される場合は、しばしばガイドベーンと呼ばれる。動翼に用いられる場合は、前記羽根は、一般に案内と動力伝達との両方に用いられる。リング要素という用語は、連続環、周縁方向に断続する環体、または他の同様の部品と共同で環体を形成することを意図される部品を意味する。

本発明を以下に、主として前記リング要素がカバーと呼ばれうるものを形成する場合において説明する。このカバーは、羽根の外側または内側において半径方向に、前記羽根と接触して配置されて、動作時に羽根の加圧側から吸込み側への漏れと振動とを阻止するようになっている。このような漏れは、効率の損失に関連し、振動は、疲労亀裂の増加に関連する。本発明は、この用途に制限されるものと見なされるべきではなく、その他の用途にも用いられうる。

一例によれば、静翼構成要素または動翼構成要素は、円形路上において互いに間隔を有して配置されるとともに、ハブとして知られる中心部から半径方向に突出する複数個の羽根からなる。前記カバーは、これらの羽根の外側において半径方向に連続環の形態をなして配置される。

本発明は、特に、極めて薄い羽根縁部と精密許容差とが必要とされる特定の用途を目的とする。

したがって、静翼構成要素または動翼構成要素は、静的用途（静翼）および動的用途（動翼）のいずれにも用いられうる。この構成要素は、さらにまた、タービンおよび圧縮機のいずれにも用いられうる。動翼の場合は、この構成要素は、一般に「ブリスク（羽根付き円盤）」または「ブリング（羽根付きリング）」と呼ばれる。

静翼構成要素または動翼構成要素は、たとえば、宇宙用のターボポンプに配設されうる。ターボポンプは、少なくとも１個のタービンと該タービンにより駆動されるポンプ部とからなる装置を意味する。本発明は、この用途に制限されるものと見なされるべきではなく、たとえばガスタービンまたはジェットエンジンにも用いられうる。前記構成要素の利用分野は、たとえば自動車および航空機用エンジン、船舶用動力設備および発電所である。

従来技術によれば、カバー部は、羽根の一部分を貫通することを意図される半径方向の貫通開口を有して製造される。正確には、羽根は、カバー部の他方側において突出する程度に前記開口内へと案内される。その後、羽根は、堅固にカバー部に半田付けまたは溶接され、それが適切な場合には、羽根の突出部分が切断および研磨されて、本質的に平滑な表面が形成される。

本発明の目的は、従来技術に対してより時間効率的かつ／または費用効果的な静翼構成要素または動翼構成要素の製造方法を提供することにある。本発明は、さらにまた、優れた強度と高い効率とを有する構成要素を創出しうる製造方法を達成することを目的とする。

この目的は、接合材料が羽根とリング要素との少なくとも一方に接触して配置され、羽根とリング要素とが、加熱時に突合せ継手を介して互いに接合されるような態様に互いに対して配置され、その後、前記接合材料が、固化時に前記部品を互いに接合する溶融物を形成するような熱処理が行なわれることによって達成される。このことにより、従来技術より少ない作業工程数からなる単純な製造技術を得る機会が得られる。換言すれば、羽根とリング要素とは、Ｔ継手として知られるものを形成する。特に、Ｔ継手は、リング要素の一部分がＴの横線部分を形成し、羽根の半径方向外側部分が前記横線部分と結合するＴの縦線部分を形成することを意味する。

リング要素と羽根と接合材料との材料組成を適切に選択することにより、均質な強い接続を得ることが可能になる。この方法を調整して、接合材料が自ら溶融するようにするか、または隣接部分の母材と反応することにより溶融物を形成するようにすることができる。

開き継手形状は、従来の方法を用いて単純かつ費用効果的な非破壊検査の機会を提供する。表面傷は、たとえば蛍光浸透剤を用いて、内部の欠陥は超音波を用いて探知されうる。

本発明の好適な実施例によれば、複数個の前記羽根は、リング要素と該リング要素の周縁方向に互いに間隔を有して互いに接合される。このことは、前記リング要素を周縁方向にほとんどまたは全く相互接合しなくても環体が形成されることを意味する。好適な開発によれば、リング要素は、羽根に取り付けられる前から、連続環の形状をなしている。

また他の好適な実施例によれば、前記リング要素は、外側リングを形成し、羽根は、リング要素から半径方向内方に突出するような態様でリング要素と互いに接合される。多くの静翼および動翼用途では、半径方向内側のハブが存在し、羽根は該ハブから半径方向に突出する。前記の接合技術により、環状カバーが羽根の外側において半径方向に、かつ前記羽根と接触して配置される。

前記実施例のひとつの開発によれば、前記リング要素は、半径方向に突出して配置される複数個の前記羽根を有する円盤状または環状部材と互いに接合され、リング要素と円盤状または環状部材との一方は、少なくとも部分的に自身の中心軸に対して傾斜する半径方向内側面を有して設計され、リング要素と円盤状または環状部材との他方の半径方向外側面は、本質的に対応する角度を有して設計され、リング要素と円盤状または環状部材とは、前記傾斜面が互いに接触状態となるような態様で両者間において軸方向に相互移動することによって接続される。以下でカバーとも呼ばれるリング要素は、これにより、円盤状または環状部材のまわりにおいて意図される位置に単純かつ時間効率的態様で取り付けられうる。この接合面設計は、カバー環が取付け時に円盤状または環状部材の上において自己調整されることを意味する。前記円盤状または環状部材は、羽根がそれから突出する内側部品、すなわちハブ、または外側部品のいずれかを意味する。この部品は、前記羽根を保持しうるために、一般にカバーそのものより著しく丈夫である。

本発明の前記実施例のひとつの開発によれば、カバーの接触面は、円錐形状を有して設計される。このことは、心合わせに関する限り信頼性のある迅速な接続方法を可能にする。円盤状または環状部材の接触面は、円錐形状を形成するように適切に設計される。

また他の実施例によれば、前記接合材料は、層の形態をなして配置される。これは、接合材料を相互接合される部品の一方の表面上に吹き付けることにより、単純かつ費用効果的な態様で行なわれうる。

本発明のさらに他の有利な実施例は、以下の特許請求の範囲と説明とから明らかになる。

添付図面に示される実施例を参照して、以下に本発明をより詳細に説明する。

図１に、周縁方向に配置されるとともに半径方向に突出する複数個の羽根２またはガイドベーンを有する円盤状または環状部材１が示されている。これらの羽根２は、前記部材のまわりに延在する経路上において連続的に配置されて、ガス流を案内する。円盤状または環状部材１は、本質的に円形の断面形状を呈する。

図２に、第１の実施例にしたがった環状カバー３またはプラットホームの形態をなすリング要素が示されている。このカバーは、羽根２の外側において半径方向に、かつ前記羽根と接触して配置されることを意図されている。この環状カバー３は、周縁方向に連続するとともに、本質的に円形の形状を有する。カバー３は、さらにまた、帯形状を有するとともに、軸方向に、円盤状または環状部材１の軸方向における羽根の長さを若干上回る軸方向の長さを有する。このカバーは、円盤状または環状部材１に対して著しく薄い壁厚さを有するとともに、動作時において羽根の加圧側から吸込み側への漏れを阻止することを意図されている。

図３に、環状カバー３を円盤状または環状部材１に接続する方法が示されている。

カバー３は、少なくとも部分的に該カバーの中心軸に対して傾斜する半径方向内側面４を有して設計される。特に、カバー３の半径方向内側面４は、直円錐台の外側面の形状を有する。したがって、カバー３の内側面は、断面において本質的に直線状の表面を有する。この内側面４は、４５°未満、適切には２０°未満の傾斜角αを有する。内側面４は、好ましくは、カバーの中心軸に対して０．５〜１０°の傾斜角α、特に１〜６°の傾斜角を有する。

円盤状または環状部材１の半径方向外側面５は、カバー３の内側面４に本質的に対応する傾斜形状を有する。したがって、円盤状または環状部材１の半径方向外側面５は、本質的に前記直円錐台の外側面の形状を有する。換言すれば、前記直円錐台の外側面の形状を共同で形成するのは、羽根２の半径方向外側面である。羽根２は、周縁方向に互いに間隔を有して配置されるため、円盤状または環状部材１の外側面は、当然ながら、周縁方向に断続する。この外側面５は、カバー３の内側面の傾斜角に対応する傾斜角を有する。

カバー３の半径方向内側面は、接合材料の層６を備える。この材料は、加熱時にカバー３と円盤状または環状部材１とを互いに突合せ継手を介して接合することを意図されている。この接合材料は、接続前に、たとえばペーストの形態をなしてカバーの内側面上に吹き付けられうる。

カバー３と円盤状または環状部材１とは、より大きい直径の開口を有するカバー３の側部７がより小さい外径を有する円盤状または環状部材１の側部８の方へと移動せしめられるような態様で両者間において軸方向に相互移動することにより接続される。この相互移動が行なわれると、カバー３の内側面４は、層６により、円盤状または環状部材１の外側面５と相互作用する。図３によれば、これらの部品は、円盤状または環状部材１が支持体９上に配置されるとともに、カバー環３が軸方向に、すなわち垂直方向上方から前記部材１の方へ移動せしめられることによって接続される。カバー環の取付けは、図１において力の矢印Ｆにより示されている。接触面４、５の設計とカバー環３に対する重力の作用とにより、この接続は自己調整され、部品間におけるいかなる遊びも最小限に抑えられる。

カバー３と円盤状または環状部材１との接続後に、このようにして形成された静翼構成要素または動翼構成要素は、炉内に配置される。前記構成要素が加熱され、カバー３は、層６の接合材料が自ら溶融すること、および／またはカバー３と円盤状または環状部材１との接触面の材料とそれぞれ反応することによって境界層において溶融物を形成することにより、円盤状または環状部材１と互いに接合される。この加熱は、好ましくは接合材料の溶融温度に近いか、または前記温度を超えるが、羽根および静翼または動翼構成要素の溶融温度を下回る温度まで行なわれる。

接合材料は、接触面４、５を濡らすとともに、前記表面間において生じるあらゆる遊びと前記表面内のかき傷およびその他の凹凸とを埋め、これによって結合不良の危険が減少する。

均質な高強度接合を確実にするために、圧力が熱処理時にカバー３と円盤状または環状部材１とに加えられる。たとえば、圧力板を利用して、軸方向に圧力を加えることができる。これに代わる加圧方法は、ばね力によるものである。さらに他の方法によれば、着脱可能な環状要素がカバー環の上に締結されるとともに、熱処理中はその位置に維持される。

図４に、前記の製造方法の結果として得られる静翼構成要素または動翼構成要素１０が示されている。仕上がった静翼構成要素または動翼構成要素１０をたとえば宇宙用タービンに取り付けるときは、前記構成要素は、動作時に生じる圧力差によりカバー３が円盤状または環状部材１に堅固に圧接せしめられるように内向きに配置されることが適切であるが、必ずしもそうでなくてもよい。

図５に、第２の実施例にしたがったリング要素１１と該リング要素と互いに接合される羽根２とが示されている。このような複数個のリング要素は、周縁方向に互いに接続されて、連続的な環状カバー（破線参照）を形成することを意図されている。羽根もまた、リング要素と反対側に位置する端部において、たとえば環体の形状をなす中央部品（図示せず）に接続される。

図６に、前記の静翼構成要素または動翼構成要素のまた他の態様１２が示されている。この場合は、円盤状または環状部材１４の羽根２は、半径方向内方に突出し、カバー１３は、羽根の内側において半径方向に配置される。この構成要素１２の製造は、図３と関連して上記に説明した態様と同様の態様で行なわれる。この場合は、前記円錐形状を備えるのは、円盤状または環状部材１４の半径方向内側面とカバー１３の半径方向外側面とである。

接合材料は、たとえばはんだによって構成され、前記部品は互いにはんだ付けされうる。半田付け技術は、また、拡散ろう付けであってもよい。

円盤状または環状部材は、円盤状または環状の基礎加工物の外側面を前記円錐形状に旋削することによって製造される。次に、羽根が、基礎加工物からフライス加工されて、前記円盤状または環状部材が形成される。カバー環の円錐面もまた旋削により製作される。

前記方法にしたがって製造される静翼構成要素または動翼構成要素は、軸方向の流れに用いられることを意図されている。

カバーおよび円盤状または環状部材は、たとえばステンレス鋼によって構成されうる。接合材料は、たとえばニッケルおよび金からなる合金によって構成されうる。

前記の説明から、「接合材料が羽根とリング要素との少なくとも一方に接触して配置され、羽根とリング要素とが、加熱時に突合せ継手を介して互いに接合されるような態様に互いに対して配置される」という表現は、必ずしも経時的な順序で連続する２つの異なる段階を意味するわけではなく、これらの段階が本質的に同時に、または逆の順序で行なわれうることは明らかである。

本発明は、前記の例証的実施例に制限されると見なされるべきではなく、数多くのさらに他の態様および改変が、以下の特許請求の範囲内において考えられうる。

たとえば、カバー環および円盤状または環状部材のいずれの、接触を意図される表面も前記の平滑円錐面と異なる設計を有して互いに嵌合しうる。これらの接触面は、たとえば丸みのある設計を有しうる。すなわち、第１の接触面は、凸状の形状を有し得、第２の接触面は、凹状の形状を有しうる。

接合材料を吹付けによりカバーの接触面に施して前記層を形成させる方法に代わる方法によれば、接合材料は、フィルム、すなわち固形のまた他の別途の部品の形態で配設されうる。このフィルムは、０．０２〜０．２ｍｍの厚さを有することが適切である。

構成要素部分の寸法は、変動しうる。たとえば、図１の円盤状または環状部材１は、本質的にカバー３と同じ壁厚さを有しうる。

羽根を基礎加工物から半径方向にフライス加工する方法に代わる方法によれば、羽根をたとえば鋳造により個別に製造することが可能である。これらの羽根は、その後、Ｔ継手と前記方法とにより上側と下側との両方においてリングに接合される。

カバーを羽根のまわりに取り付ける前記技術に代わる方法によれば、カバーは、弾性を有するとともに周縁方向に断絶する単一の環状部品として設計されうる。このカバーは、その後、羽根の上にかぶせられて、然る後にカバーの２つの端部が引き合わせられ、かつ接続される。また他の方法によれば、カバーは、羽根の上において収縮せしめられる連続環によって形成される。

所望の溶融物と固化時の相互接合とを達成するために、接合材料の溶融温度は、必ずしも羽根および静翼構成要素または動翼構成要素の溶融温度を下回らなくてもよい。

ガス流を案内することを意図される複数個の羽根を有する円盤状または環状部材の斜視図である。 第１の実施例にしたがったカバーの形態をなすリング要素の斜視図である。 図１にしたがった円盤状または環状部材と図２にしたがったリング要素との接続時における部分側断面図である。 本発明の方法によって得られる静翼構成要素または動翼構成要素の斜視図である。 第２の実施例にしたがったカバーの形態をなすリング要素の斜視図である。 図４にしたがった静翼構成要素または動翼構成要素のまた他の形態の斜視図である。

Claims (12)

1. 径方向に突出して配置される複数個の羽根（２）からなる円盤状または環状部材（１、１４）内の少なくとも１個の羽根（２）が少なくとも１個のリング要素（３、１１、１３）と互いに接合され、接合材料が前記羽根（２）と前記リング要素（３、１１、１３）との少なくとも一方と接触して配置され、前記羽根（２）と前記リング要素（３、１１、１３）とは、加熱時に突合せ継手を介して互いに接合されるような態様に互いに対して配置され、その後、前記接合材料が、固化時に前記羽根（２）と前記リング要素（３、１１、１３）とを互いに接合する溶融物を形成するような熱処理が行なわれる静翼構成要素または動翼構成要素（１０、１２）の製造方法において、
   前記複数個の羽根（２）は、周方向に互いに間隔を有し断続的に配置されており、
   前記リング要素（３、１１、１３）と前記羽根（２）との一方は、少なくとも部分的に自身の中心軸に対して傾斜する径方向内側面（４）を有して設計され、他方は、前記径方向内側面（４）に本質的に対応して傾斜する径方向外側面（５）を有して設計され、前記リング要素（３、１１、１３）と前記羽根（２）とは、前記両傾斜面が互いに接触状態となるような態様で両者間において軸方向に相互移動することにより接続され、
   前記加熱時に、前記リング要素と前記羽根とに、対向する方向から圧力が加えられることで接合が得られることを特徴とする方法。
2. 複数個の前記羽根（２）が前記リング要素（３、１３）と、該リング要素の周縁方向に互いに間隔を有して互いに接合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記リング要素（３、１３）は、周縁方向に連続する環体を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記リング要素（１１）の１個以上が周縁方向に互いに接合されて、連続環を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
5. 前記リング要素は、外側リング（３）を形成し、前記羽根（２）は、前記リング要素から径方向内方に突出するような態様で前記リング要素と互いに接合されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 前記リング要素（１３）は、内側リングを形成し、前記羽根（２）は、前記リング要素から径方向外方に突出するような態様で前記リング要素と互いに接合されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
7. 各々の前記傾斜面（４、５）は、円錐形状を形成するような態様に設計されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
8. 前記羽根（２）は、基礎加工物から半径方向にフライス加工されて前記円盤状または環状部材（１、１４）を形成することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 前記接合材料は、層（６）の形態をなして配置されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
10. 前記接合材料は、前記リング要素と前記羽根とが互いに接合される前に、前記羽根（２）と接触することが意図される前記リング要素（３、１３）の面に施されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 前記接合材料は、連続的な層（６）を形成するように施されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記接合材料は、フィルムの形態をなして配設されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。

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