JP4588318B2 - タービンシュラウド支持体の一部分を交換する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンシュラウド支持体を交換する方法に関する。

少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、コアエンジンを含み、該コアエンジンは、直列の流れ配置で、エンジンに流入する空気流を加圧するファン組立体及び高圧圧縮機を有し、燃焼器が燃料と空気の混合気を燃焼させ、該燃焼した混合気は、次ぎにタービンノズル組立体を通して各々が複数のロータブレードを含む低圧タービン及び高圧タービンに向けて導かれ、該複数のロータブレードが燃焼器から流出する空気流から回転エネルギーを取り出す。

タービンノズル組立体は、ロータブレードの隣接する列の間に配置され、空気流をロータブレードに向けて下流方向に導く。より具体的には、少なくとも一部の公知のタービンノズルは、内側及び外側バンド間で半径方向に延びるベーンを含む。各ノズル組立体は、外側バンドから外向きに延びる複数のフック組立体により、ロータ組立体を囲むケーシングに結合される。より具体的には、少なくとも一部の公知のノズル組立体は、シュラウド支持体によってケーシングに結合される。

エンジン運転中、ノズルベーン組立体を通してシュラウド支持体に応力が生じる可能性がある。時間の経過と共に、このような応力に連続して曝されることは、シュラウド支持体に亀裂を生じさせる可能性がある。このような亀裂の発生がある状態で連続運転することは、シュラウド支持体の早期破壊を引き起こす可能性がある。従って、このような早期破壊を防止するのを可能にするために、シュラウド支持体は、日常的に亀裂発生の点検がなされる。
米国特許 3628880号明細書 米国特許 3907455号明細書 米国特許 4063847号明細書 米国特許 4303371号明細書 米国特許 4371311号明細書 米国特許 4693667号明細書 米国特許 4820116号明細書 米国特許 4844322号明細書 米国特許 5593276号明細書 米国特許 4946346号明細書 米国特許 5188507号明細書 米国特許 5201846号明細書 米国特許 5577884号明細書 米国特許 5749701号明細書 米国特許 5593277号明細書 米国特許 5772400号明細書 米国特許 5993150号明細書 米国特許 6142730号明細書 米国特許 6120242号明細書 米国特許 6241471号明細書 米国特許 6254345号明細書 米国特許 6367686号明細書 米国特許 6431820号明細書 米国特許 6508000号明細書 欧州特許 1079076号明細書 欧州特許 1174209号明細書

現在の修理方法は、ガスタングステンアーク溶接プロセスを用いて亀裂を溶接することを含む。しかしながら、支持体を現場使用に戻すことができるようにする前に各溶接プロセスには熱処理が必要であるので、このような技術は、時間のかかるものとなっている。更に、このようなプロセスは部品を基準状態に回復させることはできるが、時として、このようなプロセスは、実際にはシュラウドセグメントの過度の収縮を生じさせる場合があり、この過度の収縮が、時間の経過と共に亀裂発生の増加と、それに伴うシュラウド支持体の有効寿命の短縮を促進するおそれがある。

１つの態様において、ガスタービンエンジンのタービン支持体の一部分を交換する方法が提供される。タービン支持体は、本体と、該本体から各々が半径方向に延びる前方脚部と、後方脚部と、取付けフランジとを含む。前方脚部は、後方脚部及び取付けフランジの軸方向上流に位置する。取付けフランジは、後方脚部に対してほぼ軸方向に整列される。この方法は、本体、後方脚部、及び取付けフランジのうちの少なくとも１つを通る切断部を形成する段階と、前方脚部と該切断部の上流に位置する本体の少なくとも一部分とをエンジンから取外す段階と、該切断部の下流に位置するタービン支持体の部分に対して交換スパッドを結合する段階とを含む。

本発明の別の態様においては、タービン支持体の一部分をガスタービンエンジンの内部で交換する方法が提供される。タービン支持体は、第１の材料で製作され、かつ本体から半径方向内向きに延びる前方脚部及び後方脚部を含む。タービン支持体は更に、本体から半径方向外向きに延びる取付けフランジを含む。この方法は、タービン支持体を通る切断部を形成する段階と、支持体前方脚部と該支持体本体の少なくとも一部分とがガスタービンエンジンから除去されるように、該切断部の上流に位置する該タービン支持体の一部分を取外す段階と、該切断部の下流に位置するタービン支持体に対して該支持体の第１の材料とは異なる第２の材料で製作された交換スパッドを結合する段階とを含む。

更に別の態様においては、ガスタービンエンジン用のタービン支持体を修理する方法が提供される。タービン支持体は、少なくとも、前方脚部で本体に結合された前方取付け足部と後方脚部で本体に結合された後方取付け足部とを含む。この方法は、亀裂発生についてタービン支持体を点検する段階と、溶接プロセスを用いて見出された亀裂を修理する段階と、タービン支持体を通る切断部を形成して、後方取付け足部及び前方取付け足部のうちの少なくとも1つを含むタービン支持体の一部分が、タービンから取外し可能になるようにする段階と、タービン支持体の残りの部分に対して交換スパッドを結合する段階と、タービン支持体に対して交換スパッドが結合された後に、該タービン支持体を熱処理する段階とを含む。

図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図であり、該ガスタービンエンジン１０は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含む。エンジン１０は更に、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２２により結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２１により結合される。１つの実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓから市販されているＧＥ９０型エンジンである。

運転中、空気が低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送り込まれる。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動し、ノズル２４を通してガスタービンエンジン１０から流出する。

図２は、エンジン１０の部分断面図である。図３は、区域３（図２に示す）に沿ったエンジン１０の一部の拡大断面図である。より具体的には、図２は、高圧タービン１８の一部分の概略部分断面図である。タービン１８は、各々が複数のノズルベーン４２を備えた複数のノズルベーンセグメント４０を含み、該ノズルベーン４２は、エンジン１０の内部で該エンジン１０の回転軸の周りに円周方向に延びる。各ノズルベーン４２は、半径方向内側バンド４４と半径方向外側バンド４６との間でほぼ半径方向に延びる。

各ノズル外側バンド４６は、各々が該外側バンド４６の半径方向外側面５４から外向きに延びる前部フック組立体５０及び後部レール組立体５２を含む。より具体的には、各フック組立体５０は、前部レール５６によって外側バンド４６に結合された少なくとも1つのフック５５を含み、該フック組立体５０が、前部レール５６から上流方向にほぼ垂直に延びるようになっている。この例示的な実施形態では、後部レール５２は、前部レール５６とほぼ平行であり、該レール５２の上流側面６２及び下流側面６４間で該レール５２を貫通して延びる開口部６０を含む。ノズル後部レール５２は、ノズル外側バンド４６の後縁６８から距離６６だけ上流に配置され、該外側バンド４６の後部リテーナ部分７０が形成されるようになる。具体的には、後部リテーナ部分７０は、ノズル後部レール５２とノズル後縁６８との間で円周方向に延びる。

各ノズルベーンセグメント４０は、タービン１８の周りで円周方向に延びるシュラウド８０に固定される。より具体的には、シュラウド８０は、複数のシュラウドセグメント８２を含み、該シュラウドセグメント８２の各々は、各シュラウドセグメント８２の前縁８６から各セグメント８２内に延びる前部溝８４と各セグメント８２の後縁９０から上流方向に延びる後部溝８８とを含む。各シュラウドセグメント８２はまた、各シュラウドセグメント８２の半径方向内側面９４からセグメント前縁８６に沿って前部溝８４の方向に延びる前部凹設域９２を含む。

ノズルベーン前部フック組立体５０は、シュラウドセグメント後部溝８８に結合されて、ノズルベーンセグメント４０が、シュラウドセグメント８２内に挿入されかつ該シュラウドセグメント８２により支持されるようになる。ノズルベーン後部リテーナ部分７０は、シュラウドセグメント前部凹設域９２内に受けられ、後部レール開口部６０を貫通して延びる固締具９４により該シュラウドセグメント前部凹設域９２内に保持される。より具体的には、固締具９４は、開口部６０を貫通して延び、シュラウド支持体１００によりノズルベーンセグメント４０をシュラウドセグメント８２に結合する。

シュラウド支持体１００は、本体１０２、前方取付け足部１０４、後方取付け足部１０６、及び取付けフランジ１０８を含む。本体１０２は、上流側１１０と下流側１１２との間でほぼ軸方向に延びる。前方取付け足部１０４は、本体１０２からほぼ垂直にかつ半径方向内向きに延びる前方脚部１１４により該本体１０２に結合される。より具体的には、前方取付け足部１０４は、前方脚部１１４からほぼ垂直に下流方向に延びる。後方取付け足部１０６は、本体１０２からほぼ垂直にかつ半径方向内向きに延びる後方脚部１２０により該本体１０２に結合される。より具体的には、後方取付け足部１０６は、後方脚部１１４からほぼ垂直に下流方向に延びる。取付けフランジ１０８は、本体１０２からほぼ垂直にかつ半径方向外向きに延び、後方脚部１２０とほぼ軸方向に整列されかつ該後方脚部１２０の反対側に配置される。

固締具９４は、シュラウド支持体前方脚部１１４内に形成された開口部１３０を通して後部レール開口部６０を貫通して延びる。より具体的には、ノズルベーンセグメントがシュラウド支持体１００に結合された時、ノズルベーンセグメント４０が前部溝８４により支持されるように、前方取付け足部１０４は、シュラウドセグメント前部溝８４内に受けられる。

運転中、熱応力及び機械的荷重が、ノズルセグメント４０内に応力を生じさせ、この応力がシュラウド支持体１００に伝達されることになる。時間の経過と共に、このような応力が生じた状態での連続運転は、シュラウド支持体１００の内部に亀裂を発生させる可能性がある。このような亀裂の発生がある状態での連続運転は、シュラウド支持体１００の早期破壊を引き起こす可能性がある。一般的に、シュラウド支持体１００内部の亀裂発生は、前方脚部１１４及び／又は前方取付け足部１０４の内部のようなノズルベーンセグメント４０に隣接する位置でより厳しくなる可能性がある。

シュラウド支持体１００の有効寿命を延ばすのを可能にするために、シュラウド支持体１００の劣化した及び／又は損傷した領域は、本明細書に述べる方法を用いて取外して交換することが可能である。より具体的には、１つの実施形態では、前方脚部１１４、前方取付け足部１０４、及び本体１０２の一部分は、交換されることができる。別の実施形態では、後方脚部１２０及び後方取付け足部１０６もまた、前方脚部１１４、前方取付け足部１０４、及び本体１０２と共に交換されることができる。

エンジン１０のような現場から戻されたエンジンの点検により、シュラウド支持体１００が劣化していることが明らかになりかつ亀裂が発生している場合には、最初にシュラウド支持体１００をグリットブラストして、望ましくないことにシュラウド支持体１００に付着している可能性があるあらゆる汚染物質を除去するのを促進する。その時に位置が明らかになった亀裂は、次ぎにガスタングステンアーク溶接プロセス（ＧＴＡＷ）を用いて溶接される。点検によって、更に前方脚部１１４及び／又は前方取付け足部１０４が劣化していることが明らかになった場合には、シュラウド支持体１００を通して円周方向の切断部が形成される。具体的には、図３に示すように、線１４０で示すようなシュラウド支持体本体１０２を半径方向に通る切断部が形成されて、支持体１００の一部分が、エンジン１０内部に固定された状態で残されることになる。

しかしながら、点検により、本体１０２、後方脚部１２０、及び／又は後方取付け足部１０６も劣化していることが明らかになった場合には、本体１０２を通してではなくて取付けフランジ１０８を通して円周方向の切断部が形成されて、取付けフランジ１０８の一部分だけがエンジン１０内部に固定された状態で残されるようになる。より具体的には、この場合には、図３に示すように、線１５０で示すような取付けフランジ１０８を通る切断部が形成されて、前方脚部１１４、前方取付け足部１０４、本体１０２、後方取付け足部１０６、及び後方脚部１２０が、エンジン１０から取外し可能になるようになる。

シュラウド支持体１００の劣化した領域がエンジン１０から除去された後に、エンジン１０内部に残っているシュラウド支持体１００の部分に対して交換スパッド部分（図示せず）を結合することができる。交換スパッドは、交換された支持体１００の劣化した領域の元の寸法とほぼ同じ大きさとされており、シュラウド支持体１００が、ほぼ元の予め定められた寸法要件に回復されるようになる。

次ぎに、交換スパッドは、切断部１４０又は１５０の後方に位置するシュラウド支持体１００の部分に対して溶接される。より具体的には、交換スパッドの下流側（図示せず）が、切断部１４０又は１５０の後方に位置するシュラウド支持体１００の現存部分に対して溶接される。この例示的な実施形態では、電子ビーム（ＥＢ）溶接を用いて、エンジン１０内部に交換スパッドを固定する。

交換スパッドは、シュラウド支持体１００を製作するのに元々用いられている材料とは異なるバイメタル材料で製作される。より具体的には、交換スパッド材料は、シュラウド支持体１００を製作するのに元々用いられている材料と比べて改善された摩耗及び強度特性を有する。例えば、この例示的な実施形態では、シュラウド支持体１００は、Ｉｎｃｏ ７１８（登録商標）又はＷａｓｐａｌｌｏｙ（登録商標）のいずれかで製作されたものであり、またスパッドは、Ｒｅｎｅ’４１（登録商標）で製作されている。従って、交換スパッドは、シュラウド支持体１００の元の製作に用いられている材料に優る強化された強度及び靱性を備えている。

いったん所定の位置に溶接されると、スパッド及びシュラウド支持体１００は、熱処理され、次いで必要に応じて機械加工され、更に断熱皮膜材料のような金属皮膜で被覆されることができる。交換スパッドを製作するのに用いられている材料は、時間のかかる亀裂の再加工及びそれに関連する熱処理を減らすことにより修理時間を低減するのを可能にする。更に、材料は、元のシュラウド支持体材料よりも一層耐熱性があり、従って、シュラウド支持体の前方取付け足部１０４の収縮を減少させるのを可能にする。

劣化したシュラウド支持体は本明細書で説明した方法を用いて交換されるので、エンジン１０は、シュラウド支持体１００全体を取外して交換するのと比べて費用節減を可能にする交換プロセスを用いて、現場使用に戻される。更に、交換スパッドは、元々取付けられていたシュラウド支持体とほぼ同じになるように製作されるために、再設計及び寸法合わせの問題は事実上除去される。

上述のシュラウド支持体の交換／修理方法は、費用効果がありかつ高い信頼性がある。本発明の方法は、シュラウド支持体の劣化した部分を除去することができるように、シュラウド支持体から劣化した部分を取外す段階を含む。１つの実施形態では、劣化した部分は、シュラウド支持体本体を半径方向に通る切断部を形成して前方脚部及び前方取付け足部が取外し可能になるようにすることにより、除去される。別の実施形態では、取付けフランジを通る切断部が形成されて、後方脚部、後方取付け足部、及びシュラウド支持体本体も交換可能になるようになる。その結果、シュラウド支持体の劣化した部分が、費用効果がありかつ信頼性がある方法で取外されて交換されることを可能にする方法が提供される。

シュラウド支持体の交換及び修理の例示的な実施形態を、上記に詳述に説明した。この方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるのではなく、むしろ各方法の態様は、本明細書に記載した他の方法から独立してかつ別個に利用することができる。

特許請求の範囲に示した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるのではなくそれらを容易に理解することを意図するものである。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すエンジンの概略部分断面図。 区域３に沿った、図２に示すエンジンの一部の概略拡大断面図。

符号の説明

１００ シュラウド支持体
１０２ 本体
１０４ 前方取付け足部
１０６ 後方取付け足部
１０８ 取付けフランジ
１１４ 前方脚部
１２０ 後方脚部
１４０、１５０ 切断部

Claims (9)

1. 本体（１０２）と、前記本体から各々が半径方向に延びる前方脚部（１１４）と、後方脚部（１２０）と、取付けフランジ（１０８）とを含み、前記前方脚部が前記後方脚部及び前記取付けフランジの軸方向上流に位置し、前記取付けフランジが前記後方脚部に対して軸方向に整列されている、ガスタービンエンジンのタービン支持体（１００）の一部分を交換する方法であって、
   前記本体、前記後方脚部、及び前記取付けフランジのうちのいずれかを通る１つの切断部を形成する段階と、
   前記前方脚部と前記切断部（１４０）の上流に位置する前記本体の少なくとも一部分とを前記エンジンから取外す段階と、
   前記切断部の下流に位置する前記タービン支持体の部分に対して交換スパッドを結合する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 交換スパッドを結合する前記段階が、電子ビーム溶接を用いて前記タービン支持体（１００）に対して前記交換スパッドを結合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。
3. 前記本体（１０２）、前記後方脚部（１２０）、及び取付けフランジ（１０８）のうちの少なくとも１つを通る切断部を形成する前記段階が、前記後方脚部及び前記取付けフランジの上流において前記本体を半径方向に通る切断部を形成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。
4. 前記本体（１０２）、前記後方脚部（１２０）、及び取付けフランジ（１０８）のうちの少なくとも１つを通る切断部を形成する前記段階が、前記後方脚部の半径方向外側において前記取付けフランジを通る切断部を形成して、前記後方脚部が前記前方脚部（１１４）と共に前記エンジン（１０）から取外し可能になるように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。
5. 交換スパッドを結合する前記段階が、前記タービン支持体（１００）に対して該タービン支持体の残部とは異なる材料で製作された交換スパッドを結合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。
6. 前記タービン支持体（１００）に対して異なる材料で製作された交換スパッドを結合する前記段階が、前記タービン支持体に対して、該タービン支持体（１００）を製作するのに元々用いられている材料と比べて改善された摩耗及び強度特性を有する材料で製作された交換スパッドを結合する段階を更に含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記交換スパッドを金属皮膜で被覆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。
8. 第１の材料で製作されている前記取付けフランジ（１０８）に対して前記第１の材料とは異なる第２の材料で製作された交換スパッドを用い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。
9. 前記前方脚部（１１４）が劣化している場合には、前記本体（１０２）を半径方向に通るように前記切断部（１４０）を形成し、
   前記本体（１０２）及び後方脚部（１２０）の一方又は両方が劣化している場合には、取付けフランジ（１０８）を通るように前記切断部（１５０）を形成する
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。

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