JP4834222B2 - ガス・タービン用のブレードおよびロータ、ならびにブレード部品を接合する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ガス・タービン用のブレードおよびロータ、ならびにガス・タービンのブレード部品を接合する方法に関し、ブレードボディ・セクションと、少なくとも１つのさらなるブレード部品とが提供される。
【０００２】
ガス・タービン用ブレードは、本質的にブレードボディおよびブレード・ルートを備え、それらを用いてブレードが回転子（ロータ）または固定子（ステータ）に固着される。流体制御用に、ブレード、すなわち案内ブレードと移動ブレードの両方が、内部および／または外部シュラウド・バンドを有することができる。この場合、強度面での理由から、ブレードボディとブレード・ルートまたはシュラウド・バンド（ｓｈｒｏｕｄ ｂａｎｄｓ）とを異なる材料から作成する、したがってまずそれらを個別に提供し、次いで互いに接合することが必要な場合がある。後者は、ブレードボディが例えば粉末冶金によってＴｉＡｌから作成され、最終ブレードを製造するために鋳造または鍛造することができないとしても当てはまる。
【０００３】
米国特許第３７６８１４７号が、鋳造ブレードボディブランクおよび鍛造ブレード・ルートからブレードを製造する方法を開示しており、この方法では、ブレードボディブランクが、断面積をかなり拡大されたルートと、同様に拡大された、接合領域を有する接合セクションとを有し、そこにブレード・ベースの接合領域が位置合せされた状態で位置決めされ、ブレードボディブランクとブレード・ベースが摩擦溶接によって互いに溶接され、次いで例えば機械加工によって、ブレードボディがブレードボディブランクから製造され、ブレード・ルートがブレード・ベースから製造される。この場合、摩擦溶接に必要な接合領域を提供するためにブランクとしてブレードボディとブレード・ルートの両方を提供しなければならないという欠点が判明している。これは、材料が相当使用されることに加え、多くの製造ステップからなる費用と時間のかかる再加工をもたらす。さらに、溶接中、接合領域内にかなりのビードが生じ、このビードも同様に除去しなければならない。
【０００４】
本発明の課題は、可能な限り完成形で個別のブレード部品を接合すること、製造の観点からできるだけ簡単に、すなわち多数の追加機械加工ステップを伴わずに一体型ブレードまたはロータを作成すること、およびそのための方法を提供することである。
【０００５】
本発明によると、ブレード部品の結合に関する問題の解決法は、ブレードボディ・セクションに、少なくとも１つの端部結合エリアと別のブレード部品を提供するか、または必要ならば、複数の別の部品に端部結合エリアが提供され、誘導器（ｉｎｄｕｃｔｏｒ）がブレードボディ・セクションと第２のブレード部品の結合エリアに隣接するように配置され、ブレードボディ・セクションと第２のブレード部品の結合エリアは、実質上一直線になるように相互に離して置かれ、ブレードボディ・セクションおよび他のブレード部品は、誘導器に高周波電流で電圧を加え、結合エリアが相互に接するように移動することよって相互に溶接されることに特徴づけられる。
【０００６】
本発明による方法の１つの利点は、誘導された高周波電流が、反対側の結合エリアに集中し、加熱により、後者は、表面に近接した領域だけペースト状または融けた状態になり、その結果、ブレードボディ・セクションと別のブレード部品は相互に比較的小さな力で非常に短期間だけプレスされることにある。このため、この方法は、特に壁の薄い、機械的に精密な（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ）または中空のブレードボディ・セクションにも適用することができる。
【０００７】
この方法の好ましい改良では、誘導器は、結合シームの円周、すなわちブレードボディ・セクションと他のブレード部品の結合エリアの円周に配置される。この場合、誘導器は、加熱に影響を与えるために、ブレード・リーディング・エッジとブレード・トレーリング・エッジの領域の結合シームから、ブレードの中央の領域におけるよりも大きな距離をとって配置することができる。
【０００８】
少なくともブレードボディ・セクションおよび／または他のブレード部品は、位置決め中は摩擦による方法で保持されるのが好ましい。比較的圧力が低いために、これはブレードボディの領域で容易に実行することも可能である。
【０００９】
この応用例に基づいて、別法として、プラスティック・ブロックなどの中などでの位置決め中は、少なくともブレードボディ・セクションおよび／または他のブレード部品は正ロッキングの方法で保持されるのが好都合な場合がある。
【００１０】
この方法の改良では、端部結合エリアを有する第２のブレードボディ・セクションを伴うブレード・ルートが、他のブレード部品として提供されており、ブレード・ルーツが、たとえばロータまたはステープルに取りし可能な留め具のためのあり継手またはピンまたはフックを有することが可能である。
【００１１】
別の改良では、端部結合エリアを有する第２のブレードボディ・セクションを伴うシュラウド・バンドが、別のブレード部品として提供されており、別の別法による例示的実施形態では、ブレードボディ・セクションの第１の結合エリアは、第２のブレードボディ・セクションと端部結合エリアとを有するブレード・ルートに溶接され、反対側の、ブレードボディ・セクションの第２の端部結合エリアは、第２のブレードボディ・セクションと端部結合エリアを有するシュラウド・バンド・セクションに溶接されている。
【００１２】
別法による例示的１実施形態では、一体型にブレードの付いたロータを提供するために、一体型にブレードの付いたロータキャリアが、ロータキャリアの円周表面上に第２のブレード部品として提供され、複数の突き出たスタブ・セクションが各場合に端部エリアを形成する。
【００１３】
本発明によると、ブレードに関する問題点の解決法は、ブレードボディ・セクションと他のブレード部品は、各場合に端面に提供されるそれらの結合エリアで、高周波電流を用いた誘導溶接によって相互に溶接される。
【００１４】
そのようなブレードは、個々のブレード部品が、複雑な再加工ステップなしで最終フォームに相互に結合することができるので、費用対効果のある製造に利点がある。さらに、継ぎ目の構造は、高強度を有する。
【００１５】
好ましい改良では、ブレードは移動ブレードであり、別のブレード部品は、端部結合エリアを有する第２のブレードボディ・セクションを伴うブレード・ルートである。
【００１６】
本発明によると、ロータに関する問題点の解決法は、ブレードボディ・セクションとスタブ・セクションが、各場合に端面で提供されるそれらの結合エリアで、高周波電流を用いた誘導溶接によって相互に溶接されることに特徴づけられる。
【００１７】
ここでは、また、特に、ディスクまたはリングとして設計されるような比較的大きなロータキャリアのために、結合されるべきブレード部品がすでにその最終フォームに存在し、溶接操作を比較的迅速に実行することができ、複雑な再加工ステップが必要ないことが有利であることを証明する。
【００１８】
本発明の別の改良は、サブクレームで説明する。
【００１９】
本発明は、以下で例示的実施形態と図面を参照することによって、より詳細に説明する。
【００２０】
図１は、接合領域２を有するブレードボディを示す。接合領域２で、ブレードボディ・セクション１は、本発明による方法の構成にある少なくとも１つのより遠いブレード部分に溶接されている。ブレードボディ・セクション１は、空洞であり、粉末冶金によってＴｉＡ１で作成されている。代替として、ＮｉまたはＣｏベースの合金のブレードボディ・セクション１、および固体のブレードボディ・セクション１、またはさらに、これらの材料あるいは幾何学的形も、本発明による方法で溶接することができる。
【００２１】
第１接合領域２に対抗する端面において、ブレード・セクション１は、さらに遠いブレード部分に接合する第２端接合領域３を有する。
【００２２】
ガス・タービンの内部（可動）ブレードを作成するために、ブレードボディ・セクション１の他に、端接合領域６を有する第２ブレードボディ・セクション５を有するブレード・ルート４が提供されている。その形状とサイズについて、ブレード・ルート４の接合領域６は、本質的に、ブレードボディ・セクション１の接合領域２に対応している。接合領域２、３、６は、例えば、本質的に平坦、または本質的に湾曲するように設計することが可能である。接合領域６から遠い端では、ブレード・ルート４は、着脱式にロータのリムを締め付ける「ダブテール」（ｄｏｖｅ ｔａｉｌ）を有する。
【００２３】
ブレードボディ・セクション１の接合領域２、３と、ブレード・ルート４の接合領域６の両方は、最終的または完了した断面積のサイズを有しており、過大サイズを備えない。さらに、溶接操作を改良するため、またはブレードボディ・セクション１あるいはブレード・ルート４を保持するために厚くすることなどは、ブレードボディ・セクション１上でも、ブレード・ルート４の第２ブレードボディ・セクション５の上でも、提供されていない。
【００２４】
この場合、ブレード・ルート４は、保持ブロック７の固定位置に保持されている。ブレードボディ・セクション１は、破線によって示した可動保持装置８で保持されている、一方、例えば２つのグリッパを有する摩擦方式で、または、例えばプラスチックで作成されたブロックの押込み式ロッキングの方式で、これを実行することが可能である。
【００２５】
図１からわかるように、ブレードボディ・セクション１とブレード・ルート４の接合領域２と６は、本質的に互いに位置合わせされて配置されており、溶接操作以前には、互いにわずかに離れて配置されている。インダクタ１０（区分して示している）は、接合領域２、６の周囲を取り囲む隣接した位置に構成されており、図４で概略的に示す電圧ソースに本質的に接続されている。インダクタ１０は、約５ｍｍの厚さを有する本質的に平坦な銅板から形成されており、溶接電流を溶接するブレードの部分に移送する。図４によれば、ブレード前縁とブレード後縁１３、１４の領域におけるインダクタ１０またはそのカットアウトの内縁１２と、ブレードボディ・セクション１の接合領域２またはブレード・ルート４の接合領域６との間の距離は、後続の溶接操作中に、それぞれフレード本体セクション１またはブレード・ルート４の接合領域２、６の均一な加熱を達成するために、中央領域１５における距離より大きい。用途に応じて、インダクタ１０のカットアウトまたは内縁１２の幾何学的形状は、迅速な溶接操作を可能にし、可能な限り、溶接操作後に接合が加工し直すことを回避するために、接合においてのみ表面付近の領域で、すなわち接合領域２、６で、材料が、ペースト状から（事実上）融解状態になるように、選択される。
【００２６】
後者は、約１．２ＭＨｚの周波数で、高周波数の電流をインダクタ１０に給電することによって達成することができる。この周波数は、接合領域の幾何学的形状の関数として選択され、一般に、０．７５ＭＨｚより大きい。溶接操作中、保持装置８に保持されているブレードボディ・セクション１は、図１の矢印に従って移動し、表面付近の領域でのみペースト状である、それぞれブレードボディ・セクション１またはブレード・ルート４の接合領域２および６は、互いに接触し、互いに溶接され、平面的な方式では、比較的少量の材料のみを外向きに押し付ければよく、強固に鍛造した構造を形成する。
【００２７】
図２は、第１接合領域２を有するブレードボディ・セクション１を有し、第１接合領域２に対して、わずかに離れて、本質的に位置合わせされたブレード・ルート４の接合領域６が配置されている、図１と同様の構成を示す。カットアウトと内縁１２を有するインダクタ１０（区分して示している）は、接合領域２、６の周囲に配置されている。ブレードボディ・セクション１は、可動式に保持装置８に保持されている。図３に関連してより詳細に説明したさらに例示的な実施形態では、第２接合領域３が、ブレードボディ・セクション１の第１節行領域２に対抗する端面に提供されている。この第２接合領域３は、シュラウド・バンド・セクション（ｓｈｒｏｕｄ ｂａｎｄ ｓｅｃｔｉｏｎ）１６で、高周波数電流の誘導溶接によって接合領域１８を有する第２ブレードボディ・セクション１７に溶接されている。
【００２８】
図３は、図２に概略的に示した構成を示し、この場合、ブレード・ルート４は、本発明による方法の例示的な実施形態では、高周波数電流による誘導溶接によって、ブレードボディ・セクション１の第１接合領域２に、すでに接合領域６で溶接されている。図３は、接合シーム２０の領域で、比較的小さいビード１９を示している。接合シームは、わずかに突き出しており、用途に応じて、許容することができるか、または極わずかに加工し直さなければならない。
【００２９】
図１の配置と同様の方式で、シュラウド・バンド・セクション１６は、溶接工程の準備のために、その接合領域１８がブレードボディ・セクション１の第２接合領域３と基本的に一直線に並び、そこからわずかな距離で配置されるように、固定ホルダ７内に保持される。
【００３０】
同一の方式で、カットアウトおよび内部エッジ１２を有するインダクタ１０は、溶接される接合領域３および１８の周囲の周りに配置される。インダクタ１０は、溶接するコンポネントに溶接電流を伝達するために、図４に従って電圧源１１と電気的に接続され、最大電流は、表面に近い接合領域の領域内に流れる。溶接工程中、摩擦的またはポジティブロッキングな従来の方式で保持装置８中に保持されるブレードボディ・セクション１は、矢印の方向にシュラウド・バンド・セクション１６の接合領域１８上に移動され、ペースト状（ｐａｓｔｙ）になった、すなわち表面に近いその領域内でおそらくは実質的に融解している接合領域３および１８が互いに接触するようにする。本発明による方法の２段階からなるこの例示的実施形態では、個々のブレード部分１、４、１６から一体の（可動（ｍｏｖｉｎｇ））ブレードを生成するために、高周波電流を用いた誘導溶接により、したがってまずブレード・ルート４が第１接合領域２に溶接され、次いでシュラウド・バンド・セクション１６が、ブレードボディ・セクション１の反対側の第２接合領域３に溶接される。
【００３１】
図４によると、電圧源１１に接続され、カットアウトを有するインダクタ１０が平面図に表され、一方で、接合シーム２０またはブレードボディ・セクション１の接合領域２、３、６、１８の周囲からのこのインダクダ１０の内部エッジ１２の距離と、これに対し、ブレード・ルート４またはシュラウド・バンド・セクション１６の距離は、中心領域１５よりもブレード・リーディング・エッジ１３およびブレード・トレーリング・エッジ１４の領域中の方が長い。
【００３２】
図５は本発明による方法の他の例示的実施形態を示し、この場合、一体型方式でブレードされるロータキャリア２１は、追加のブレード部分として提供される。ロータキャリア２１は、円盤または輪として設計してよく、コンプレッサロータまたはガス・タービン中のタービンロータとして使用してよい。ロータキャリア２１の周囲表面２２から突き出しているのは、一般的には等距離で配置された複数のスタブ・セクション２３であり、これはそれぞれに、端面に接合領域２４を有し、その外側表面は強度および空気力学上のアスペクトにより、ロータキャリア２１の周囲表面２２と同じになる。
【００３３】
コンプレッサロータでもタービンロータでもよい、一体型方式でブレードされたロータを製造するために、それぞれの場合、ブレードボディ・セクション１はその接合領域２とともに、スタブ・セクション２３の端部接合領域２４と一直線に、かつそこからわずかな距離で配置される。インダクタ１０は上記の方式で、ブレードボディ・セクション１の接合領域２の周囲９、およびスタブ・セクション２３の接合領域２４の周囲９の周りにそれぞれ配置される。溶接工程のためには、インダクタ１０は高周波電流で励振され、ブレードボディ・セクション１およびロータキャリア２１はともに付けられて、その表面近くの層だけが溶解した加熱接合領域２および２４が互いに接触して互いに溶接される。この場合、ブレードボディ・セクション１を可動にし、ロータキャリア２１を固定位置に保持すると好都合である。この工程はその後すべての他のスタブ・セクション２３について繰り返され、ロータキャリア２１と、スタブ・セクション２３に溶接された、本質的に放射状に延びるブレードボディ・セクション１とからなる、高周波電流を用いて一体型方式でブレードされたロータが最終的に得られる。
【００３４】
ブレード部分を接合するこの方法は、可動ブレードおよびガイドブレードに、および例えばＴｉＡＬなど種々の材料でできたガス・タービンのロータリムに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による方法の例示的実施形態で、相互に溶接されるブレードボディ・セクションとブレード・ルートの透視図および概略図である。
【図２】 シュラウド・バンド・セクションをブレードボディ・セクションの反対側の結合エリアに示す、図１のブレードボディの透視図および概略図である。
【図３】 本発明による方法の別の例示的実施形態で、シュラウド・バンド・セクションに溶接されたブレード・ルートを有するブレードボディ・セクションの透視図および概略図である。
【図４】 電源に接続された誘導器がその周囲に本発明による方法の構成に配置されている結合エリアの概略図である。
【図５】 本発明による方法の別の例示的実施形態で、その円周スタブ・セクションがそれぞれブレードボディ・セクションに溶接されている、ロータの透視図および概略図である。

Claims (12)

1. ブレードボディ・セクション（１）と、少なくとも１つのさらなるブレード部品（４、１６、２１）とが提供され、ブレードボディ・セクション（１）が少なくとも１つの端部接合領域（２、３）を備え、前記さらなるブレード部品（４、１６、２１）が１つの端部接合領域（６、１８、２４）を備え、ブレードボディ・セクション（１）と前記さらなるブレード部品（４、１６、２１）の接合領域（２、３、６、１８、２４）が、互いに位置合せされた状態で、かつ互いにある距離をもって位置決めされ、ブレードボディ・セクション（１）と前記さらなるブレード部品（４、１６、２１）とが、インダクタ（１０）に通電することによって、かつセクション（１）と部品（４、１６、２１）をそれらの接合領域（２、３、６、１８、２４）が互いに接触する状態で一つにすることによって互いに溶接されるガス・タービンのブレード部品を接合する方法であって、
   インダクタ（１０）が、ブレードボディ・セクション（１）および前記さらなるブレード部品（４、１６、２１）の接合領域（２、３、６、１８、２４）の周縁部の周りで且つ該接合領域の外側に配置され、インダクタ（１０）が、ブレード先導縁部（１３）およびブレード追従縁部（１４）の区域内で、ブレードの中心区域（１５）よりも大きな距離を離隔して配置され、かつインダクタ（１０）が、０．７５ＭＨｚ〜１．２ＭＨｚの範囲内にある周波数での高周波電流を通電され、
   誘導された高周波電流が、対向する接合領域に集中し、加熱により、互いに対向する接合領域の両表面に近接した領域がペースト状または融けた状態になり、ブレードボディ・セクション（１）とブレード部品（４、１６、２１）とがプレスされて互いに溶接されることを特徴とする方法。
2. ブレードボディ・セクション（１）と前記さらなるブレード部品（４、１６、２１）との接合領域（２、３、６、１８、２４）が、互いに２ｍｍの距離だけ離して位置決めされていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも前記ブレードボディ・セクション（１）または前記さらなるブレード部品（４、１６、２１）が、位置決め中に摩擦によって保持されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 少なくとも前記ブレードボディ・セクション（１）または前記さらなるブレード部品（４、１６、２１）が、位置決め中に互いの係止によって保持されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 溶接ステップが多くとも３秒間だけ行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ブレードボディ・セクション（１）と前記さらなるブレード部品（４、１６、２１）を、それらを一つにするステップにおいて、それらの接合領域（２、３、６、１８、２４）が互いに接触した後にさらに多くとも１ｍｍだけ互いに向けて移動させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 端部接合領域（６）を有する第２のブレードボディ・セクション（５）を備えるブレード・ルート（４）が、さらなるブレード部品として提供されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 端部接合領域（１８）を有する第２のブレードボディ・セクション（１７）を備えるシュラウド・バンド・セクション（１６）が、さらなるブレード部品として提供されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
9. ブレードボディ・セクション（１）の第１の接合領域（２）が、第２のブレードボディ・セクション（５）および端部接合領域（６）を有するブレード・ルート（４）に溶接され、ブレードボディ・セクション（１）の反対側の第２の端部接合領域（３）が、第２のブレードボディ・セクション（１７）および端部接合領域（１８）を有するシュラウド・バンド・セクション（１６）に溶接されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 一体型でブレードを付けられたロータキャリア（２１）がさらなるブレード部品として提供され、ロータキャリア（２１）の円周面（２２）に、端部接合領域（２４）を各々に有する複数の突出スタブ・セクション（２３）が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
11. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法によって接合されたブレード。
12. 請求項１０記載の方法によって接合されたロータ。

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