JP4576113B2

JP4576113B2 - ガスタービンエンジンディスク内のダブテールスロットの底部から所定量の材料を除去するための方法及び装置

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Publication number: JP4576113B2
Application number: JP2003402387A
Authority: JP
Inventors: ポール・イン−プー・パン; ジェラルド・ロジャー・ゲベルト; マイケル・ジェイ・ブランク
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2023-12-02
Also published as: US20040106359A1; CN100515670C; JP2004183658A; US6780089B2; EP1426141B1; CN1509840A; DE60331809D1; EP1426141A1

Description

本発明は、一般的にガスタービンエンジンディスク内のダブテールスロットの修理に関し、より具体的には、そのようなダブテールスロットの底部から所定量の材料を除去する装置及び方法に関する。

ガスタービンエンジンディスク、特に回転タービンディスクのダブテールスロット内の低サイクル疲労を減少させる能力を有する、高度に冷間加工された材料特性及び他の特性は、このようなダブテールスロットの製造時に生じる可能性があることが判明してきた。具体的には、変状材料は、ダブテールスロットの形成時における切れ味の悪いブローチ工具により引き起こされる可能性がある。このような変状材料を除去する従来の方法は、ダブテールをフライス加工するか又は該ダブテールを再度ブローチ加工することを含む。しかしながら、これらの方法の各々は、用いられる工具が鋭利である限りにおいてのみ有用である。更に、一般的に手作業によるバリ取り加工が必要であり、このことは、本質的に、高い応力が加えられるダブテール区域に工具の跡を生じるおそれが高くなることを伴う。

当技術分野では、ガスタービンエンジン構成部品の表面を研摩するか又は表面仕上げを施すために、該表面に研摩材料の流れを用いることが知られている。このような加工は、最小量（例えば、０．０００５インチ又は０．５ミル程度）の材料のみを除去することを伴う。このような方法の１つの例が、特許文献１に開示されており、この特許では、キャリヤ流体中に柔軟なショットを加えた流れが、プラグ及び隣接する表面に対して浅い入射角度で吐出されて、段部を形成するように選択的に研磨する。この場合、上述の方法は、加工物の選択的表面処理のためのものであり、材料の変状層又は浅い亀裂を除去するのに必要とされる程度に材料を除去することを含まないことが分かるであろう。
米国特許第６，１８３，３４７号

ガスタービンエンジンディスクから変状材料を除去する前述の方法は、その特定の目的のためには有用ではあるが、上述の制限を克服する、このような変状材料を除去する改良された方法が開発されることは、望ましいと思われる。更に、ダブテールスロットの正圧表面部分に影響を与えることなく該ダブテールスロットの底部表面における材料をほぼ均一に除去することを可能にするような、ダブテールスロットを通る流路を形成する装置が、開発されることもまた望ましいといえる。

本発明の第１の例示的な実施形態においては、ガスタービンエンジンディスク内のダブテールスロットの底部から所定量の材料を除去する方法が開示され、該方法は、ダブテールスロットを通る指定流路を構成する段階と、ほぼ均一量の材料がダブテールスロットの底部から除去されるように、流路を通して指定繰返し回数（サイクル回数）だけ研摩媒体の流れを供給する段階とを含む。該方法は更に、研摩媒体がダブテールスロットの正圧表面に当たって流れるのを防止するために、該正圧表面をシールする段階を含む。

本発明の第２の例示的な実施形態においては、それを通って長手方向軸線が延びている、ガスタービンエンジンディスク内のダブテールスロットの底面から所定量の材料を除去するための装置が、開示される。該装置は、指定流路を通して所定の圧力及び流量で研摩媒体の流れを前後に供給するための固定治具と、ダブテールスロットが指定流路と流れ連通するように、ガスタービンエンジンディスクを所定の位置に保持するための受け台と、ダブテールスロットを通る、研摩媒体のための指定流路を形成するための機構とを含む。次ぎに研摩媒体の流れが、ダブテールスロットの底面からほぼ均一量の材料を除去する。研磨材流れ用固定治具の指定流路は、ディスクの各ダブテールスロットへの加工がほぼ同時に行われることを可能にするように構成にされている。

図面においては図を通して同じ符号が同一の要素を示しているが、ここでこの図面を詳細に参照すると、図１は、ガスタービンエンジンのディスク１２に研磨材流れ加工を適用するための固定治具１０を示す。例示的な固定治具は、ペンシルベニア州アーウィン所在のExtrudehone Corp.により製作されているSpectrumという名で知られる固定治具である。本発明の研磨材流れ加工は、このようなガスタービンエンジンのタービン、圧縮機又はファンのディスクに用いることができるが、図示したディスク１２はタービンディスクであることを理解されたい。より具体的には、ディスク１２は、該ディスクの周辺部に形成された複数の周方向に間隔を置いて配置されたダブテールスロット１４を含み、該ダブテールスロットの各々は、隣接するポスト１６の間に設置され、その中に相補形状のダブテールセクション（図４〜図６を参照）を有するタービンブレード（図示せず）を保持するようにされている。各ダブテールスロット１４は、ほぼモミの木のような形状を有し、正圧面部分１８と底部分２０とを含むのが好ましい。

各ダブテールスロットの底部２０の表面２２から所定量の材料を除去するために、ディスク１２が、研磨材流れ用固定治具１０の受け台２４によって位置決めされて、摩削媒体２６が指定流路２８を通って移動すると、該摩削媒体２６が各ダブテールスロット１４を通って強制的に流れるようにされる。研磨材流れ用固定治具１０の指定流路２８は、周に沿って配置されかつ各ダブテールスロット１４と流れ連通する複数の分岐流路３０を含み、該分岐流路の全てがほぼ同時に加工することができるようになっているのが好ましいことが、図１から分かるであろう。固定治具１０内で使用される研磨媒体２６には、Extrudehone Corp.による型番９９５Ｌ又は６４９Ｓとして特定されるような、好ましくは炭化ホウ素、炭化ケイ素又は工業用ダイアモンドで作られたグリットをその中に含むキャリヤが含まれる。研磨媒体２６は、第１のシリンダ（図示せず）によって、所定の圧力及び流量で（圧力は流量の減少又は増加に対応してより高くなったりより低くなったりする可能性があるが、好ましくは約５００〜６００ｐｓｉ、毎秒約３〜５立方インチで）、研磨材流れ用固定治具の下方部分３４から指定流路２８、分岐流路３０、及びダブテールスロット１４を通って該研磨材流れ用固定治具の上方部分３６に強制的に流されることが分かるであろう。その後に、上方部分３６に隣接して設置された第２のシリンダ（図示せず）により、研磨媒体２６は、同じ所定の圧力及び流量で、指定流路２８、分岐流路３０、及びダブテールスロット１４を通って反対方向に強制的に下方部分３４に戻される。研磨媒体２６の下方部分３４から上方部分３６への移動と下方部分３４へ戻る移動とが、本明細書で用いる１サイクルを構成することを理解されたい。

各ダブテールスロット１４に関して、ダブテールスロット底部２０を通る、長手方向軸線４０（図３参照）を有する流路３８が形成され、該流路３８は、指定流路２８と流れ連通している（図２〜図４で最も良く分かるように）。流路３８を形成するために、一定の予め定められた輪郭を有するプラグ又はピン部材４２の形態の機構が、各ダブテールスロット１４内部に配置されるのが好ましい。流路３８は、通常は該流路３８を通る均一な断面を有しないことが分かるであろう。より具体的には、ピン部材４２の底面４４は、その軸方向の長さの少なくとも１部分においてほぼ円弧形部分４６を含み、流路３８には長手方向軸線４０に沿って可変断面が存在するようになる。底面４４の円弧形部分４６は、ダブテールスロット底部２２の最小軸方向長さ５０に比例した指定半径４８を有するのが好ましい。半径４８対最小軸方向長さ５０の比率は、好ましくは約１．０〜１．５の範囲内、より好ましいくは約１．２〜１．４の範囲内にある。

底面４４は、図４でもっとも良く分かるように、円弧形部分４６全体を通して周方向に（すなわち、長手方向軸線４０に対してほぼ垂直な方向に）円弧形であることが好ましいことも分かるであろう。従って、ダブテールスロット底部２０の表面２２における周方向半径５４に比例するのが好ましい周方向半径５２が存在するようになる。半径５２対半径５４の比率は、好ましくは約１．２〜１．８の範囲内、より好ましくは約１．４〜１．６の範囲内にある。

ディスク１２上に形成された対応するラベット６４及び６６と一致さるために、底面４４上にはそれぞれ前方端６０及び後方端６２に、ほぼ平坦な部分５６及び５８が、存在する。従って、平坦部分５６及び５８は、等しい軸方向長さを有することはできないが、底面４４は、それを横切る方向にはほぼ対称になっていることが分かるであろう。図１１〜図１４に示す別の構成に見られるように、非線形かつ非対称の底面４４を有するピン部材１４２を用いて、ダブテール底部２０の底面２２から所望量の材料が除去されるようにすることができる。

本明細書で臨界間隙６８として知られている最小断面を、流路３８内に維持して、該流路３８を通る研削媒体２６の適当な流量を保証するようにするのが好ましい。臨界間隙６８はまた、ダブテールスロット底部２０の表面２２とピン部材４２の底面４４との間の最小距離、又はピン部材４２の半径方向高さ７０とダブテールスロット底部２０の半径方向高さ７２との間の差として定義することができる。臨界間隙６８は一般的に、流路３８のほぼ中間点７１に設置されて、前方端６０及び後方端６２における間隙幅６９の約５０〜７０％である。従って、中間点７１における流路３８の対応する断面は、前方端６０及び後方端６２における断面の約３０〜５０％である。

臨界間隙６８は一般的に、研磨媒体２６に用いられる材料、研磨媒体２６が流路３８を通って強制的に流される所定の圧力及び流量、並びに軸方向及び周方向の両方向に視た流路３８の形状を含む幾つかのパラメーターの関数である。それにも拘わらず、ダブテールスロット底部２０の表面２２から材料を除去するという目的の加工の場合には、半径方向高さ７０対半径方向高さ７２の比率は、好ましくは約０．７５〜０．９０の範囲内、より好ましくは約０．８０〜０．８６の範囲内にあることが判明した。その結果、臨界間隙６８は、好ましくは約１４５〜２２０ミルの範囲内、より好ましくは約１６０〜２１０ミルの範囲内、最適には約１７０〜２００ミルの範囲内にあることになる。

ピン部材４２に関して、より具体的には、該ピン部材４２は、ダブテールスロット底部２０内に延びて流路３８を形成する第１の部分７４とダブテールスロット１４の正圧面部分１８内に取外し可能に保持される第２の部分７６とを含むことが分かるであろう。第１の部分７４は、ピン部材４２の底面４４を含む底部セクション７８を有する。一対のテーパ付き側壁８０及び８２は、底部セクション７８の一部分であり、それぞれダブテールスロット底部２０の側面８４及び８６との接触を回避するように構成される。中間セクション８８は、底部セクション７８の上面９０から延びており、好ましくは形状がほぼ平坦であり、また軸方向長さ９２を有する。中間セクション８８はまた、その中に形成された少なくとも1つの開口９４を含むのが好ましく、その目的は本明細書で後ほど説明する。中間セクション８８は、底部セクション７８の上面９０から延びる１つ又はそれ以上のシリンダのような他の構成を有してもよいことを理解されたい。

第１の部分７４は更に、中間セクション８８に対してほぼ垂直に配向された上部セクション９６を含み、該中間セクション８８及び上部セクション９６は共にほぼＴ字形状の断面を形成するのが好ましい。凹設部分９８が、上部セクション９６の頂面１００に形成されて、その形成過程で用いられるゲートが設けられるようにするのが好ましい。具体的には、第１の部分７４が、ロストワックス法を用いるインベストメント鋳造法などにより形成される場合、該第１の部分７４のあらゆる残り部分は頂面１００の下方に位置するので、滑らかさを気にすることはなくゲート尾部を容易に離脱させることが可能になることが理解されるであろう。第１の部分７４に用いられる材料は、Ａ２、Ｄ２又は耐摩耗性を向上させるために熱処理したダクタイル鋳鉄のような空気焼入れ工具鋼であることが好ましいことを理解されたい。第１の部分７４に用いることができる他の材料には、成形され燒結された焼結炭化タングステンが含まれる。いずれの場合にも、第１の部分７４の材料は、流路３８を通って流れる研磨媒体２６による研磨に耐えることができるように、ロックウェル尺度で約２５〜６０の範囲内の硬度を有することが好ましい。

ピン部材４２の第２の部分７６は、ダブテールスロット１４の正圧面部分１８内に容易に挿入することができるようなほぼダブテール形状を有し、該ピン部材４２が所定の位置に保持される。従って、一対の溝状部分７７及び７９は、それらと共に配置された一対のフレア部分８１及び８３が該溝状部分の両側に形成されるのが好ましい。第２の部分７６はまた、ダブテールスロットの正圧面部分１８と底部２０との間にシールを形成し、それによって研磨媒体２６は正圧表面部分１８から離れた状態に保たれる。第２の部分７６は、射出成形により形成されるのが一般的であり、かつ図１０に示すように第１の部分７４に接合されるようになっている。また、コネクタ部分（図示せず）が設けられ、該コネクタ部分は、第１の部分７４の開口９４を貫通して延びることができる。第２の部分７６は、ショア尺度で約Ｄ５０〜９０のデュロメータ示度の硬度を備えた状態で、熱硬化プラスチック、ナイロン又はウレタンのような第１の部分７４よりも柔軟な材料で作られるのが好ましい。従って、第２の部分７６は、正圧表面部分１８にかき傷又は他の傷を生じさせることなく、その意図した保持及びシール機能を果たすことができる。

第２の部分７６は、ディスク１２の各隣接するポスト１６の対応する段部１０２と一致するように上面８７の前部６０に沿って設置された段部８５を含むことができることに注目されたい。また、この段部を利用して、固定治具１０内への組み付け時に、各ピン部材４２が、ダブテールスロット１４内部に正しく挿入されていることを確認することができる。

研磨材流れ用固定治具１０、ピン部材４２、及び各ダブテールスロット１４を通る流路３８の上述の説明から、ディスク１２内の各ダブテールスロット底部２０の表面２２から所定量の材料を除去する方法は、各ダブテールスロット１４を通る流路３８を構成する段階と、ほぼ均一量の材料が各ダブテールスロット底部２０のターゲット区域から除去されるように、各流路３８を通して指定繰返し回数だけ研削媒体２６の流れを供給する段階とを含むことが、分かるであろう。この方法は更に、研削媒体２６が各ダブテールスロット１４の正圧表面部分１８に当たって流れるのを防止するために、該正圧表面部分１８を底部２０からシールする段階を含む。両方の機能は、ピン部材４２の第２の部分７６を各ダブテールスロット１４中に挿入することによって達成される。ピン部材４２を適切に輪郭付けすることによって、縮小断面区域が形成されて、最小又は臨界間隙４２が、各流路３８内に維持される。

ダブテールスロット底部２０の各表面２２から除去される所定量の材料は、好ましくは少なくとも約０．００２インチ（２．０ミル）、より好ましくは約０．００２〜０．００６インチ（２．０〜６．０ミル）の範囲内、また最適には約０．００２５〜０．００３５インチ（２．５〜３．５ミル）の範囲内であることを理解されたい。各ダブテールスロット底部から所定量の材料を除去するために固定治具１０に必要とされる指定繰返し回数を決定するために、ここでは半径方向高さ７２と呼ぶダブテールスロット底部２０の深さが、流路３８を通して研磨媒体２６を供給するのに先立って測定される。固定治具１０により任意の繰返し回数が実行された後に、ダブテールスロット底部２０の深さ（半径方向高さ７２）が再び測定される。所定量の材料が除去されかつ必要とされる繰返し回数が記録されるまで、この工程が繰り返される。指定繰返し回数が実行された後でも、少なくとも所定量の材料が除去されたことの確認がなされることが好ましい。更に、各ダブテールスロット１４におけるダブテールスロット底部２０は、材料除去の工程が行われた後に表面２２を強化するために、ショットピーニング加工を施されることができる。

本発明の好ましい実施形態を図示しかつ説明してきたが、研磨材流れ用固定治具１０、ダブテールスロット底部２０を通る流路３８、及び／又はピン部材４２を更に改良することができるが、それらも依然として本発明の技術的範囲内にあることになる。更に、ダブテールスロット底部２０から所定量の材料を除去する方法における各段階を、変更して、それでもなお意図した機能を果たすことができる。

なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明による、ダブテールスロットの底部に沿って材料を除去するように研磨材流れ用固定治具内部に配置されたタービンディスクの断面図。図１に示すような研磨材流れ用固定治具内部に配置されたタービンディスクの部分拡大断面図。図１及び図２に示すダブテールスロットの底部を通る流路の拡大側面図。図２及び図３に示すダブテールスロットの底部を通る流路の拡大正面図。そのようなダブテールスロットの底部に沿って材料を除去するのに備えて、輪郭付きピン部材がダブテールスロット内部に配置されたタービンディスクの部分正面図。図５に示すタービンディスクの部分背面図。分かり易くするために上部を削除した、図５及び図６に示す輪郭付きピン部材の側面斜視図。分かり易くするために上部を削除した、図７に示す輪郭付きピン部材の側面図。分かり易くするために上部を削除した、図７及び図８に示す輪郭付きピン部材の正面図。上部を備えた、図７〜図９に示す輪郭付きピン部材の側面斜視図。分かり易くするために上部を削除した、別の構成を有する輪郭付きピンの側面斜視図。分かり易くするために上部を削除した、図１１に示す別の構成を有する輪郭付きピンの底面斜視図。上部を備えた、図１１及び図１２に示す輪郭付きピンの側面斜視図。上部を備えた、図１１〜図１３に示す輪郭付きピンの底面斜視図。

符号の説明

１０固定治具
１２ディスク
１４ダブテールスロット
２４受け台
２６研磨媒体
２８指定流路
３０分岐流路
３４固定治具の下方部分
３６固定治具の上方部分

Claims

ガスタービンエンジンディスク（１２）内のダブテールスロット（１４）の底部（２０）から変状材料を除去する方法であって、
（ａ）前記ダブテールスロット（１４）を通る指定流路（３８）を構成する段階と、
（ｂ）均一量の材料が前記ダブテールスロットの底部（２０）から除去されるように、前記流路（３８）を通して指定繰返し回数だけ研摩媒体（２６）の流れを供給し、前記底部（２０）の変状層又は亀裂を除去する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
前記研摩媒体（２６）が前記ダブテールスロット（１４）の正圧表面（１８）に当たって流れるのを防止するために、該正圧表面をシールする段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記流路（３８）内に縮小断面を形成するように、前記ダブテールスロット（１４）内にピン部材（４２）を挿入する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
前記流路（３８）内に最小断面を維持する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
前記変状材料が前記ダブテールスロット底部（２０）から除去されるために必要とされる前記指定繰返し回数を決定する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
前記ダブテールスロット底部（２０）から除去される前記変状材料が、少なくとも０．０５０８ｍｍ（２ミル）であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
前記変状材料が、前記ダブテールスロット底部（２０）内のターゲット区域から除去されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
それを通って長手方向軸線（４０）が延びている、ガスタービンエンジンディスク（１２）内のダブテールスロット（１４）の底面（２２）から変状材料を除去するための装置であって、
（ａ）指定流路（２８）を通して第１の圧力及び流量で研摩媒体（２６）の流れを前後に供給するための固定治具（１０）と、
（ｂ）前記ダブテールスロット（１４）が前記指定流路（２８）と流れ連通するように、前記ガスタービンエンジンディスク（１２）を第１の位置に保持するための受け台（２４）と、
（ｃ）前記ダブテールスロット（１４）を通る、前記研摩媒体（２６）のための指定流路（３８）を形成するための機構（４２）と、
を含み、
前記研摩媒体（２６）の流れが、前記ダブテールスロット（１４）の底面（２２）から均一量の材料を除去して前記底部（２０）の変状層又は亀裂を除去する、
ことを特徴とする装置。
前記機構（４２）が、前記ダブテールスロット（１４）の正圧面（１８）を前記研摩媒体（２６）の流れからシールすることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
前記機構（４２）が、前記ダブテールスロット（１４）の前記指定流路（３８）を通る最小断面を形成することを特徴とする、請求項８または９に記載の装置。
前記機構（４２）が、前記ダブテールスロット（１４）を通る前記指定流路（３８）に該ダブテールスロット（１４）の長手方向軸線（４０）に沿う可変断面を形成することを特徴とする、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
前記機構（４２）が、前記ダブテールスロット（１４）を通る前記指定流路（３８）に前記ダブテールスロット（１４）の長手方向軸線（４０）に対して垂直な方向の可変断面を形成することを特徴とする、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
前記ディスク（１２）内の前記ダブテールスロット（１４）の各々を通る前記指定流路（３８）が、前記研摩媒体（２６）が該指定流路（３８）を通って同時に流れるように、前記研摩流れ用固定治具（１０）の前記指定流路（２８）と流れ連通していることを特徴とする、請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
前記指定流路（３８）を構成する段階（ａ）は、
前記指定流路（３８）の中間点（３８）における断面が、該指定流路（３８）の前方端（６０）及び後方端（６２）における断面の３０〜５０％となるように該指定流路（３８）を構成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
前記指定流路（３８）の中間点（３８）における断面が、該指定流路（３８）の前方端（６０）及び後方端（６２）における断面の３０〜５０％であることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の装置。