JP5130582B2 - ブリスクの製造方法および方法を実施するための金型 - Google Patents

Description

本発明は、特に、ターボ機械ロータのための一体形ブレード付きディスクの製造に関する。より詳細には、本発明は、摩擦溶接によりこの種のディスクを製造する方法に関する。

２種類のブレード付きディスクが存在する。第１の種類のブレード付きディスクは、ディスクに取り外し可能なブレードを機械的に固定することにより得られ、ディスクおよびブレードは、それらを一体に固定する手段を備える。第２の種類のブレード付きディスクは、一体形ブレード付きディスク（または「ブリスク」）として知られており、固定手段を備えない単一部品として得られる。

第１の種類のブレード付きディスクでは、ディスクにブレードを固定する手段は、ディスクの回転中に受ける遠心力に耐えなければならず、したがってこれらは大きくて重くなる傾向にある。結果として、このようなディスクは、一般にブリスクより重い。航空分野では、軽量部品を使用することが好ましく、これは、ブリスクが極めて有利である理由である。

ブリスクの製造に関する第１の技術は、そのようなブリスクを鍛造により得られるブランクから機械加工することにある。この技術は、欧州特許第１２８５７１４号明細書に記載されている。

ブリスクの製造に関する第２の技術は、摩擦溶接を用いることにある。摩擦溶接は、機械的な溶接方法であって、この方法では、部品を相互に押し付けて、相互に組み立てる部品を擦ることにより、溶接に必要な熱が供給される。有利には、この溶接技術は、液体状の金属を加えることなく実行される。

ブリスクの製造における摩擦溶接の利用は、欧州特許第０９２４０１６号明細書および米国特許第６５２４０７２号明細書に示されている。欧州特許第０９２４０１６号明細書は、ディスクに対する摩擦運動がほぼ軸方向であるブレードを開示しているのに対して、米国特許第６５２４０７２号明細書は、ディスクに対する摩擦運動が接線方向であるブレードを開示している。例えば回転などの他の種類の摩擦運動を想定できる。各ブレードについて反復されなければならいこれらの方法は、単調で長い時間を要する。

さらに、欧州特許第０９２４０１６号明細書および米国特許第６５２４０７２号明細書に開示されている方法の実行には、ブレードがディスクに対する十分な運動に耐えることを前提とする。しかし、ブレードによっては、根元部を含む下端部に反して、上端部にシュラウドを含むものがある。シュラウドは、実質的にリングセクタの形状を有し、ターボ機械の外部空力ガス流れストリームを再構成することを可能にする。シュラウドは、したがって上部のプラットフォームに連結されることができる。すべてのブレードに対して同一のシュラウドを設計することは一般的な方法であり、このシュラウドは、隣接するシュラウドに嵌合できる形状を有する。端と端を結合された一式のシュラウドは、ともにリングを形成する。

シュラウドの特定の形状は、隣接するブレードのシュラウドが、ディスクに溶接されるシュラウドを備えるブレードの摩擦運動を妨害するため、ブリスクの製造において知られている摩擦溶接方法を適用することを妨げる。知られている従来技術の文献は、ディスク上にシュラウドを備えるブレードを製造し、摩擦溶接を用いる方法を提案していない。

さらに一般的には、同一の問題が、少なくとも１つの隣接ブレードと接触する少なくとも１つの要素を有する任意のブレードに関して発生する場合があり、この要素は、例えば、ターボ機械またはフィンの内部の空力ガス流れストリームを再構成する下部プラットフォームである可能性もあり、これは、米国特許第５４６０４８８号明細書に開示されているような中間プラットフォームにたとえることができる。

さらに、一般にプレストレスを、シュラウドを備えるブレードに加える必要があり、これが摩擦溶接を困難にする。プレストレスを加えることは、製造方法の実行中に、ブレードに圧縮力または引張り力を加えることにある。シュラウドを備えるブレードは、シュラウドのすべてが、必ずしもディスクの周辺整列に向けられることのないように、エーロフォイル角度ねじれを備えて直接機械加工される。この周辺配列を得るために、ブレードがそれらの根元部を介してディスク上に組み立てるとき、シュラウドは、機械的に一体に固定され、プレストレスを及ぼす。
欧州特許第１２８５７１４号明細書 欧州特許第０９２４０１６号明細書 米国特許第６５２４０７２号明細書 米国特許第５４６０４８８号明細書

本発明の第１の目的は、特に摩擦溶接により、溶接を可能にするブリスクを製造する方法を提案することであり、複数のブレードは、ディスク上の少なくとも１つの隣接するブレードと接触する少なくとも１つの要素を有する。

本発明の第２の目的は、溶接、特に摩擦溶接によりブリスクを製造する方法を提案することであり、この方法により、ディスク上に複数のブレードを同時に組み立てることができる。

本発明により提案される解決法は、予めともに固定したブレードのリングを、ディスク上に摩擦溶接により溶接することである。

この目的のために、本発明は、以下の連続ステップを含むブリスクの製造方法を提供する。すなわち、
回転対称性を有する金型２内にリング形状に複数のブレード１を配置するステップと、
金型２内のブレード１のリング上に、その融点を超える温度に予熱された分解性材料３を鋳造するステップと、
分解性材料３が凝固した後に得られる成形されたリング１０を取り出すステップと、
ディスク４に成形されたリング１０を溶接するステップと、
分解性材料３を除去するステップである。

有利には、本発明による方法の溶接は、摩擦溶接により実行される。

注目すべきは、本発明による方法は、隣接するブレードと接触する要素を含むブレードに適用できることである。

ディスク上にすべてのブレードを同時に溶接することにより、ブリスクの製造時間を節減する。

本発明はまた、上記のブリスク製造方法を実行するための金型に関する。

本発明は、以下の詳細な説明を読むことにより明確に理解され、その利点もさらに明らかになるであろう。説明は、添付図面を参照する。

図１に示されているとおり、ブレード１は、その下端にエーロフォイル１１および根元部１２を備える。ブレード１の翼形状のエーロフォイル１１は、予め機械加工される。ブレード１の根元部１２は、比較的大きく重いブロックからなる。このブロックは、その摩擦面１７上に過剰な材料を有し、この過剰な材料は、摩擦溶接中に消費されることを目的とする。さらに、根元部１２上に肩部１２ｂを設けて、溶接中にブレードが径方向に移動することを防止する。

特定の場合には、ブレード１はさらに、その上端にシュラウド１３を含む。シュラウド１３の下部面１３ａは、ターボ機械の外側の空力ガス流れストリームの一部の再構生を可能にする。図２において明確に示されるとおり、シュラウド１３の側方縁１３ｂおよび１３ｃの形状は相補的であり、そのため２つの隣接するブレード１の同一シュラウド１３は、一緒に嵌合できる。シュラウド１３の特定の形状は、ブレード１の先端におけるいずれの動きも防止する。シュラウド１３は、その先端に、ブリスクがターボ機械に取り付けられるとき、対向して配置されるケーシングシェルで封止される歯１４を含むことができる。シュラウド１３を備えるブレード１は、一般に、径方向軸１５に沿ってそのエーロフォイル１１の僅かなねじれ１６を備えるように機械加工される。

金型２の例は、図３に分解組立図で示されている。金型を形成する各種要素は、取り外し可能であり、好ましくは軸２０の周りで軸対称である。金型２は、下部リング２１、外部リング２２、および上部リング２３を備える。

平面状の下部リング２１は、内側周辺部に、ブレードの「幅」に対応する高さより上に、金型２の内部に向かって軸方向に延びる環状壁２１ａを提供される。外部リング２２は、内側周辺部に、金型２の内側に向かって軸方向に延びる外側環状壁２２ａを含む。平面状の上部リング２３は、ブレード１の根元部１２に圧力を加えることにより、金型２内の所定の位置にブレード１を堅固に保持することを目的としている。下部リング２１、外部リング２２、および上部リング２３は、ボルト接続により一体に固定され得る。この目的のために、タッピング２１ｂ、２１ｃ、２２ｂ、２３ａが、各これら要素に提供される。金型２の様々な要素２１、２２、２３の寸法は、ブレード１の寸法に応じる。

本発明によりブリスクを製造する方法を実行するために、ブレード１およびディスク４は、事前に製造される。

本発明による方法を実行する第１ステップでは、ブレード１は、その上にブレードが結合されるディスク４の周りの最終配置におけるのと同様に、下部リング２１上の金型２の軸２０に対して同一の径方向位置に、リング形状に配置されなければならない。ブレードの根元部１２は、それらの表面１７で下部リング２１の壁２１ａと接触する。プレストレスは、ブレード１の根元部１２を押し付ける上部リング２３によりブレード１に及ぼされ、これにより強制的にシュラウド１３を周辺に沿って整列させて、横方向の縁１３ｂおよび１３ｃを正確に配置し、一緒に嵌合させる。図４は、ブレード１が内部に配置される金型２の断面を示している。

方法の第２ステップによれば、融点を超える温度に予熱された分解性材料３は、少なくとも、ブレード１のエーロフォイル１１およびシュラウド１３を覆うように注がれる。材料３は低融点材料である。用語「低融点材料」は、本発明の文脈では、ブレード１またはディスク４の構成材料の融点を下回る融点を有する材料を意味すると理解される。このような分解性材料３の例は、以下に説明される。

方法の第３ステップによれば、成形されたリング１０は、材料３が凝固するまで冷却された後に取り出される。このために、金型２の様々な要素２１、２２および２３は取り除かれる。このとき、得られた成形されたリング１０は、プレストレスされたブレード１を含むリングになる。好ましくは、成形されたリング１０の可能性がある不完全性は、ばり取りにより除去される。

方法の第４ステップは、成形されたリング１０の摩擦溶接の実行にある。成形されたリング１０の摩擦面１７およびディスク４の摩擦面４１は、傾斜が付けられ、両方の摩擦面とも相補的な円錐台形状を有する。摩擦面１７および４１上に提供される過剰材料は、摩擦溶接中に消費されることを目的としている。摩擦溶接は、成形されたリング１０およびディスク４の相対的な回転により実行される。肩部１２ｂは、ブレードが径方向に動くことを防止するために根元部１２に設けられる。

２つの実施形態が可能である。第１の実施形態では、ディスク４は高速で回転され、成形されたリング１０は、軸方向にディスク４に押し付けられる。代替として、第２の実施形態では、成形されたリング１０は高速で回転され、ディスク４は、成形されたリング１０に軸方向に押し付けられる。このために、成形されたリング１０およびディスク４は、摩擦溶接作業中は、例えばチョックなどの、それぞれ保持装置５３および５４により保持される。図５は、溶接前の位置における成形されたリング１０およびディスク４を示している。

適用される摩擦溶接の種類は、有利には、慣性摩擦溶接である。この場合には、回転速度は予め決められ、そのため開始された回転が停止するとき、予測される溶接は、十分に達成される。

溶接作業後、方法の最終手順は、分解性材料３の除去にある。この除去は、用いられる分解性材料３の種類に応じて、化学的にまたは熱的に実行され得る。化学溶解による除去に関して、分解性材料３は、トルエンタイプの有機溶剤に溶解するポリウレタンまたはシリコーンタイプの樹脂であり得る。熱的な除去に関して、材料は、Ｓｅｒｏｂａｎ（登録商標）タイプの鉛すずベースの合金であり得る。分解性材料３が除去されると、シュラウド１３は、その後、プレストレスから解放され周辺に整列された状態を維持する。

得られたブリスクは、溶接部における機械加工およびブレード１のエーロフォイル１１の機械加工といった、他の追加仕上げ加工を施されてもよい。

上述の例は、本質的にシュラウド１３を備えるブレード１を参照しているが、本発明による方法は、隣接ブレードと接触する要素を備えるまたは備えない任意の種類のブレードに対して適用できる。

提案される溶接方法は、摩擦溶接であるが、アーク溶接、レーザ溶接、または拡散溶接などの他の溶接方法を考えることもできる。

ブレードの実質的な概観図を示す。 図１のブレードの立面図を示す。 本発明による金型の各種構成要素の分解組立図を示す。 本発明による組み立てられた金型の部分断面図を示し、金型内部にブレードが配置されている。 摩擦溶接を目的とする成形されたリングおよびディスクを示す。

符号の説明

１ ブレード
２ 金型
３ 分解性材料
４ ディスク
１０ 成形されたリング
１１ エーロフォイル
１２ 根元部
１２ｂ 肩部
１３ シュラウド
１３ａ 下端
１３ｂ、１３ｃ 側方縁
１５ 径方向軸
１６ ねじれ
１７、４１ 摩擦面
２０ 軸
２１ 下部リング
２１ａ 壁
２１ｂ、２１ｃ、２２ｂ、２３ａ タッピング
２２ 外部リング
２２ａ 外側環状壁
２３ 上部リング
５３、５４ 保持デバイス

Claims (14)

1. ブリスクを製造する方法であって、
   回転対称性を有する金型内にリング状に複数のブレードを配置するステップと、
   金型内にリング状に配置された複数のブレード上に、分解性材料の融点を超える温度に予熱された分解性材料を鋳造するステップと、
   分解性材料が凝固した後に得られる成形されたリングを取り出すステップと、
   ディスクに対して、前記成形されたリングを溶接するステップと、
   分解性材料を除去するステップとの連続するステップを含み、溶接が摩擦溶接により実行される、ブリスクの製造方法。
2. 溶接が、慣性摩擦溶接により実行される、請求項１に記載のブリスクの製造方法。
3. 成形されたリングおよびディスクの摩擦面に、傾斜が付けられ、両方の摩擦面とも相補的な円錐台形状を有する、請求項１または２に記載のブリスクの製造方法。
4. 摩擦溶接作業中に、ディスクが、成形されたリングに軸方向に押し付けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載のブリスクの製造方法。
5. 各ブレードが、隣接のブレードと接触する少なくとも１つの要素を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のブリスクの製造方法。
6. 隣接のブレードと接触する要素が、シュラウドである、請求項５に記載のブリスクの製造方法。
7. 隣接のブレードと接触する要素が、下部または中間プラットフォームである、請求項５に記載のブリスクの製造方法。
8. ブレードにプレストレスが加えられる、請求項５から７のいずれか一項に記載のブリスクの製造方法。
9. 分解性材料が、ブレードまたはディスクを構成する材料の融点を下回る融点を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のブリスクの製造方法。
10. 分解性材料が、化学的にまたは熱的に除去されることができる、請求項９に記載のブリスクの製造方法。
11. 分解性材料が樹脂である、請求項１０に記載のブリスクの製造方法。
12. 樹脂が、ポリウレタンまたはシリコーンベース樹脂である、請求項１１に記載のブリスクの製造方法。
13. 分解性材料が合金である、請求項１０に記載のブリスクの製造方法。
14. 合金が鉛すずベースである、請求項１３に記載のブリスクの製造方法。

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