JP4933294B2 - タービンエンジンのロータ及びロータを溶接する装置 - Google Patents

Description

本発明は、概略的にはタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンエンジンのロータの溶接に関する。

公知のタービンエンジンロータには数個のロータ部分を含むものが少なくとも幾つかあり、各ロータ部分は、異なる温度および／または異なる動作条件で動作することがある。例えば、そのようなロータは、高圧ロータ部分、中圧ロータ部分、および低圧ロータ部分を含むことがある。ロータ部分が異なると、例えば、ロータ内の動作温度と動作圧力も異なるので、公知のロータ部分の少なくとも幾つかは異なる材料で製造される。異なるロータ部分を結合する公知の方法には、その部分を互いにボルト留めするものおよび／または溶接するものがある。一般的に採用される２つの結合方法の間では、各部分を互いにボルト留めする方が通常望ましくない、というのは、フランジおよびボルトを使用すると、通常、タービンロータは所望するより長くなり、ロータのもとの重量が増加するからである。

ロータ部分を溶接する公知の方法では、そうした溶接工程が複数のパス、途中での機械加工、および／または複数の熱処理を必要とする場合に、ロータに不具合をもたらすことがある。特に多パス溶接は、完了した溶接に不具合が生じる危険性を増大させる恐れがある。例えば、各パスは、スラグ混入、溶解不足、またはポリシティに対する危険性を増大させることがあり、それらは深刻な亀裂が発生するきっかけとなる恐れがある。

ロータ部分の相互溶接に関連した危険の低減を容易にするために、少なくとも１つの溶接方法では、溶接棒を使用して溶接する接合部の両側に層を作る。しかし、この溶接技術は溶接接合部の幅を増やし、それにより、スラグ混入および／またはポロシティ生成の危険性が増加する恐れがある。代替の溶接技術では、異なる複合材料から作られた層状の中間部材を使用する。しかし、一般的にそうした中間部材は、ロータの他の部分より材料強度が低い。その結果として、中間部材に損傷を与えたり、弱めたりするのを回避するために、特別に注意してロータを取り扱わなければならない。さらに、そのようなロータの両端部は熱処理されなければならず、それにより、複合中間材料は過度の温度を受ける。

ここでは、それぞれが溶接面を含むロータの２つの部分を互いに溶接する方法が開示される。この方法は、第１のロータ部分の溶接面を第２のロータ部分の溶接面に密着させて配置することを含む。その方法はまた、さねはぎ継ぎがそれら間で形成されるように、第１の部分を囲むフランジに実質的に密着させて第２の部分を配置することも含む。

１つの態様では、タービンエンジン用のロータが提供される。ロータは、溶接面およびフランジを含む第１のロータ部分を有する。ロータはまた、溶接面を含む第２のロータ部分も有する。第１のロータの溶接面は、第２のロータの溶接面と実質的に密着して配置され、第２のロータ部分は、さねはぎ継ぎが第１のロータ部分と第２のロータ部分との間で形成されるようにフランジに実質的に密着する。

別の態様では、ロータの２つの部分を溶接するシステムが提供される。ロータの両方の部分は溶接面を含む。第１のロータ部分の溶接面は、第２のロータ部分の溶接面に実質的に密着して配置され、第２のロータ部分は、さねはぎ継ぎがそれらの間で形成されるように第１のロータ部分を囲むフランジに密着する。システムは、ロータに結合されたケーシングを有しており、そのケーシングによって画定されたチャンバは接合部を実質的に囲む。チャンバーは真空ポンプで減圧されて真空になるかまたは不完全真空になる。システムはまた、チャンバ内の接合部を溶接するための電子ビーム発生器も有する。

図１は、溶接するべき少なくとも２つのロータ部分を有するタービンロータ１００の典型的な図である。具体的には、ロータ１００は、溶接接合部１０６で互いに結合される第１のロータ部分１０２および第２のロータ部分１０４を有する。接合部１０６は、半径方向外側部分１０７と接合部外側部分１０７から半径方向内側にある半径方向内側部分１０８とを有する。空洞１０９は、ロータ部分１０２とロータ部分１０４との間で接合部１０６内に画定される。ケーシング１１０はロータ１００に結合されて、接合部１０６を囲むチャンバ１１１を画定し、ロータ１００の円周周りに延在する。チャンバ内のすべての空気は真空ポンプを使用して抜かれるので、チャンバ１１１内は真空になる。次に、減圧電子ビーム発生器１１２がチャンバ１１１内でケーシング１１０に連結され、ロータ部分１０２および１０４の溶接を容易にするために電子ビームを接合部外側部分１０７に向けることができるように整列される。

図２は、ロータ部分１０２および１０４の溶接に使用することができる典型的な溶接接合部１０６の図である。接合部１０６は第１の部分の面１１４を形成され、整列、加圧されて第２の部分の面１１６と実質的に密着して接触する。さねはぎ溝部１１８は、第１の部分の内側面１２０に沿って外側に伸長し、典型的な実施形態では、第１の部分の面１１４に対して実質的に垂直になっている。さねはぎ溝部１１８は、第１の部分の内側面１２０に対して実質的に平行で、第１の部分の面１１４に対して実質的に垂直な半径方向上側面１２４を含む。第２の部分の内側面１２２は、さねはぎ継ぎ１２５が接合部内側部分１０８に沿って形成されるようにさねはぎ溝上側面１２４と実質的に密着している。

溶接作業を始める前に、ロータ部分１０２および１０４は、接合部１０６を画定するために互いに位置決めされる。具体的には、第２の部分の面１１６は、第１の部分の面１１４と実質的に密着して配置され、第２の部分の内側面１２２は、さねはぎ溝上側面１２４と実質的に密着して配置されてさねはぎ継ぎ１２５を形成する。さねはぎ継ぎ１２５は、部分１２０と部分１０４の結合を容易にする。部分１０２と部分１０４の結合はまた空洞１０９を画定する、これに代えて、ロータ１００は複数の部分によって画定された複数の接合部１０６を有してもよい。

ケーシング１１０は、接合部１０６を実質的に囲むチャンバ１１１を画定するようにロータ１００に結合される。空気がチャンバ１１１から抜かれ、接合部１０６の周囲は真空になる。チャンバ１１１はロータ１００の限定した部分を囲むので、真空の収容部を大きくする必要はなくなる。

チャンバ１１１内が真空になった後で、溶接工程が実行される。具体的にいうと、典型的な実施形態では、溶接は電子ビーム発生器１１２によって行われる。電子ビーム発生器１１２は、ロータの円周まわりを移動できるように、チャンバ１１１内でケーシングに連結される。電子ビーム発生器１１２は、接合部１０６に対して整列されて、電子ビームが接合部内側部分１０８まで貫通できる強度で電子ビームを接合部外側部分１０７に向けることができるようになる。

電子ビーム発生器１１２は、電子ビームを接合部外側部分１０７に向けながら、ロータ１００の円周の周りを回転される。あるいは、電子ビームは止まったまま、ロータが回転してビームとロータ円周部との間に相対移動が生じる。回転中に、電子ビームは第１の部分の面１１４と第２の部分の面１１６を加熱して溶接金属を生成する。面１１４からの溶接金属は、面１１６からの溶接金属と融合するので、部分１０２と部分１０４は接合されて一体部品になる。電子ビーム発生器１１２は、面１１４および１１６を接合するのに接合部１０６の円周の周りを完全に１回転することだけを必要とするので、多パスを必要とする溶接技術に比べて溶接欠陥を容易に低減できる。具体的には、さねはぎ継ぎ１２５は、部分１０２と部分１０４との間のより密着した嵌合を容易にするので、電子ビームは、電子ビーム発生器１１２を１回パスするだけで構造上より堅固な溶接部を形成することができる。その結果として、溶接欠陥および溶接変形の発生しづらい構造上強固な溶接部が形成される。

溶接工程中に、さねはぎ溝部１１８は、溶接金属および／またはスラグを含む材料が空洞１０９に落ちるのを防止して、面１１４の溶接金属と面１１６の溶接金属との融合が最適化されるのを容易にする。したがって、部分１０２と部分１０４との間に設けた接合部は構造上堅固になり、溶接部の脆弱性および亀裂を容易に低減できる。さらに、溶接金属が空洞１０９に落ちるのを防止することで、部分１０２と部分１０４との間でより完璧な接合を行うことができて、そのため、欠陥が少なくなる。

典型的な実施形態では、電子ビーム発生器１１２は、電子ビームの強度を指す出力域間で作動する。接合部外側部分１０７は接合部内側部分１０８より円周が長いので、内側部分は、図３に示すように、外側部分が完了する前に３６０°溶接される。電子ビームの出力は、電子ビーム発生器１１２が内側部分の溶接を完了したときに、弱められなくてはならない。これは、表面への溶接侵入深さが漸進的に変わるのを助けるためになされる。これは、外側部分の溶接が完了すると同時に最大ビーム強度であったものが突然停止された場合に見られるポロシティもしくはボイドなどの溶接欠陥を防止する。

溶接が完了すると、接合部付近の領域に応力除去用の熱処理工程が局所的に適用される。これは２つの理由から必要とされる。任意の溶接工程は接合部にある程度の残留応力を残すことが第１の理由である。ほとんどの材料は溶接熱影響部で冶金学的変質を受け、そのことは、材料の機械特性を変える恐れがあることが第２の理由である。熱処理温度の選択は、溶接する材料に応じてなされる。熱処理工程後には、接合部の材料特性は、最初の母材特性の近くまでほとんど戻る。

図４は、溶接部分１０２と溶接部分１０４との間に挿入したシム１３０を含む接合部１０６の部分拡大図である。典型的な実施形態では、第１の部分１０２および第２の部分１０４は異なる材料から作られており、異なる材料は、それらの材料特性のために、脆弱性もしくは亀裂が接合部１０６で進展する可能性を高めることなく、互いに直接接触して溶接することができない。シム１３０は第１の部分１０２と第２の部分１０４との間に挿入されて、溶接時に２つの材料が適切に溶解するのを助ける。具体的には、シム１３０が部分１０２と部分１０４との間に配置されると、第１のシム面１３２は第１の部分の面１１４と実質的に密着し、反対側の第２のシム面１３４は、第２の部分の面１１６と実質的に密着する。さらに、シム１３０が部分１０２と部分１０４との間に挿入されると、シム内側面１３６は、さねはぎ溝部の上側面１２４と実質的に密着する。シム１３０は、第２の部分の内側面１２２をさねはぎ溝部の上側面１２４と実質的に密着させて配置することができる寸法とされた幅１３８を有する。

シム１３０の製造に使用する材料は、第１の部分１０２および第２の部分１０４の製造に使用する材料に基づいて選択される。例えば、ＣｒＭｏＶ鋼がＮｉＣｒＭｏＶ鋼と溶接される場合、２つの鋼合金の中間組成で作られたシムを使用することができる。さらに、例えば、鋼材料がニッケルベースの合金と結合される場合、合金６２５もしくは合金６１７などの合金を使用することができる。各実施形態では、適切な厚さのシム材料が選択されて、溶接金属の特性を維持しながら、潜在的に有害な相が溶接部にできるのを容易に防止できるようにする。典型的な実施形態では、上記の溶接工程および熱処理工程と同じ工程が、シム１３０を部分１０２と部分１０４との間に挿入した場合にも利用される。

溶接作業を始める前に、ロータ部分１０２および１０４とシム１３０が互いに位置決めされて溶接部１０６を画定する。具体的には、第１のシム面１３２は第１の部分の面１１４と実質的に密着して配置され、第２のシム面１３４は第２の部分の面１１６と実質的に密着して配置される。さらに、シム内側面１３６はさねはぎ溝部の上側面１２４と実質的に密着して配置される。シム幅１３８は、第２の部分の内側面１２２がさねはぎ溝部の上側面１２４と実質的に密着して配置されるような寸法とされる。部分１０２および１０４とシム１３０の結合はまた、空洞１０９も画定する。代替方法として、ロータ１００は、多数の部分と多数のシムによって画定される数カ所のの接合部１０６を有してもよい。

ケーシング１１０は、チャンバ１１１が実質的に接合部１０６を囲むようにロータ１００に結合される。空気はチャンバ１１１から抜かれ、接合部１０６の周囲は真空になる。チャンバ１１１はロータ１００の部分を限定して囲むので、真空の収容部を大きくする必要はなくなる。チャンバ１１１が真空になると、チャンバ１１１内でケーシング１１０に連結された電子ビーム発生器１１２を使用して溶接工程が実行される。

電子ビーム発生器１１２がロータ１００の周りを回転している間、電子ビームは面１１４および面１１６を加熱して溶接金属を生成する。さらに、シム１３０は電子ビームによって溶融される。溶融したシム１３０は両側でロータ金属と融合し、部分１０２と部分１０４を接合して一体部品とする。典型的な実施形態では、電子ビーム発生器１１２は接合部１０６の円周周りを完全に１回転する。さらに、電子ビーム発生器１１２の強度は、回転が終わりに近づくと弱められる。

溶接が終了すると、接合部付近の領域に応力除去用の熱処理工程が局所的に適用される。これは、接合部の残留応力を除去し、金属の材料特性を元に戻すのに必要とされる。この熱処理温度の選択は、溶接する材料に応じてなされる。熱処理工程後には、接合部の材料特性は、最初の母材特性の近くまでほとんど戻る。

上記の方法およびシステムは、接合部の脆弱性が弱められ、かつ／または接合部での亀裂の発生が低減される溶接接合を用いて、タービンロータが効率よく溶接されるのを容易にする。具体的には、さねはぎ継ぎがロータの各部分を互いに結合するのを容易にし、ロータの各部分は、電子ビーム発生器を１階だけパスすることで溶接することができる。したがって、ロータの２つの部分は、溶接部内のスラグ混入やポロシティなどの欠陥を容易に低減できる技術を使用して溶接される。さらに、本明細書に記載の方法およびシステムは、異なる材料で作られた２つのロータ部分を溶接するのに使用することができる。本明細書に記載のシムは、少なくとも２つのロータ部分を、それぞれ材料特性が異なっているにもかかわらず、互いに適切に接合できるようにする。さらにシムは、電子ビーム発生器を１階だけパスするという要求に影響を与えることはない。その結果、ロータ部分は、コスト効率がよく、信頼でき、構造上堅固な接合で互いに溶接することができる。

ここで使用しているように、単数形で記載されており、単数不定冠詞「１つ」を冠した要素またはステップは、この種の除外が明確に詳述されない限り、かかる要素またはステップを複数備えることを除いて理解してはならない。本発明が「１つの実施形態」と称する場合、列挙した特徴も盛り込んださらなる実施形態の存在を除外すると解釈されることを意図するものではない。

本明細書に記載の方法およびシステムがタービンロータの溶接に関連させて説明されたが、当然ながら、本明細書に記載の溶接方法および溶接システムはタービンロータに限定されるものではい。同様に、図示した溶接システムの構成要素は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、本明細書に記載した他の構成要素から独立、分離して利用することができる。

本発明が様々な具体的実施形態によって説明されたが、本発明は請求項の精神と範囲内で修正できることが当業者には分かるであろう。

溶接すべき少なくとも２つの部分を含むタービンロータの典型的な図である。 図１に示すロータ部分の結合に使用できる典型的な溶接接合の図である。 電子ビームエネルギが溶接サイクルの終了に向かってどのような軌跡を描くかを示す典型的な溶接接合の断面図である。 図２に示す接合の部分図であり、互いに溶接される接合部分間に挿入されたシムを含む。

符号の説明

100 タービンロータ
102 溶接ロータ部分
104 第２のロータ部分
106 溶接部
107 接合部外側部分
108 接合部内側部分
109 空洞
110 ケーシング
111 チャンバ
112 電子ビーム発生器
114 第１の部分の面
116 第２の部分の面
118 さねはぎ溝部
120 第１の部分の内側面
122 第２の部分の内側面
124 さねはぎ溝上側面
125 さねはぎ継ぎ
130 シム
132 第１のシム面
134 第２のシム面
136 シム内側面
138 幅

Claims (5)

1. タービンエンジン用のロータ（１００）であって、
   （ｉ）半径方向内側面（１２０）と、第１の溶接面（１１４）と、該第１の溶接面（１１４）から軸方向に延びるフランジとを有する第１のロータ部分（１０２）であって、前記フランジが前記第１の溶接面（１１４）に垂直な半径方向外側面を含んでいる、第１のロータ部分（１０２）と、
   （ｉｉ）半径方向内側面（１２２）と、前記第１の溶接面（１１４）に平行な第２の溶接面（１１６）とを有する第２のロータ部分（１０４）であって、前記第２のロータ部分の半径方向内側面（１２２）が、該第２のロータ部分と前記フランジとの間にさねはぎ継ぎ（１２５）が形成されるように、前記フランジの半径方向外側面に当接して配置され、該さねはぎ継ぎが、前記第１のロータ部分（１１２）の前記半径方向内側面（１２０）と前記第２のロータ部分（１０４）の前記半径方向内側面（１２２）との間に延びる空洞（１０９）を形成するとともに、該さねはぎ継ぎが、前記第１の溶接面（１１４）及び第２の溶接面（１１６）から軸方向に離間していて、ロータ（１００）の溶接時に溶接材料が前記空洞（１０９）に落ちるのを防ぐ、第２のロータ部分（１０４）と、
   （ｉｉｉ）前記第１の溶接面（１１４）と第２の溶接面（１１６）との間に挿入され、第１の溶接面（１１４）及び第２の溶接面（１１６）と密着して溶接接合部（１０６）を形成するシム（１３０）であって、前記フランジの半径方向外側面と接する半径方向内側面を有するシム（１３０）と、
   （ｉｖ）前記第１のロータ部分（１０２）及び第２のロータ部分（１０４）に結合したケーシング（１１０）であって、前記ケーシング（１１０）とロータの間に画定されたチャンバ（１１１）が前記溶接接合部（１０６）を実質的に囲み、前記第１のロータ部分（１０２）と第２のロータ部分（１０４）とシム（１３０）は、前記溶接接合部と該ケーシング（１１０）の間のチャンバ内に減圧を生じるように構成されている、ケーシング（１１０）と、
   （ｖ）前記チャンバ（１１１）内に配置され、前記ケーシング（１１０）に連結した電子ビーム発生器（１１２）であって、前記溶接接合部（１０６）の周りを１回転する間に前記溶接接合部（１０６）を溶接するように構成された電子ビーム発生器（１１２）と
   を備えるロータ（１００）。
2. 前記ケーシング（１１０）が、前記チャンバを減圧状態に維持するように構成されている、請求項１に記載のロータ（１００）。
3. 前記シム（１３０）は合金材料からなる、請求項１又は請求項２に記載のロータ（１００）。
4. 前記電子ビーム発生器（１１２）の強度は、前記溶接接合部（１０６）の溶接を容易にするために調整することができる請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のロータ（１００）。
5. 前記溶接接合部（１０６）は内側部分（１０８）を有し、前記電子ビーム発生器（１１２）の強度は、前記内側部分の溶接を容易にするために調整することができる請求項４に記載のロータ（１００）。
   

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