JP5214280B2 - タービンノズルセグメント及びその補修方法 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンで使用するタービンノズルセグメントの補修に関する。

ガスタービンエンジンは、燃焼器に加圧空気を供給する圧縮機を含む。空気は、燃焼器内で燃料と混合されかつ点火されて、高温燃焼ガスを発生する。これらのガスは、タービンセクションに向かって下流方向に流れ、タービンセクションにおいて、エネルギーを抽出して圧縮機を駆動しかつ航空機に動力を供給するような有用な仕事を行う。航空機エンジンは一般的に、タービンセクション内にガス流を導くことによってエンジン性能を高める固定タービンノズルを含む。複数段タービンセクション内において、タービンノズルは、各タービン段の入口に配置されて、該ノズルの下流に設置されたタービンロータ内に燃焼ガスを送る。タービンノズルは一般的に、円周方向にセグメント化されており、各ノズルセグメントは、ノズルを通って流れる高温燃焼ガスの半径方向流路境界を定める内側バンド及び外側バンド間に配置された１つ又はそれ以上のベーンを有する。これらのノズルセグメントは、エンジンケーシングに取付けられて隣接するタービン段のロータブレード間でベーンが半径方向に延びている環状アレイを形成する。

ノズルセグメントを製造しまた補修するための様々な方法が提案されてきた。１つの方法では、ノズルセグメントは、その各々が個々に鋳造された内側バンド、外側バンド及び１つ又はそれ以上のベーンを含む複数部品組立体である。内側及び外側バンドの両方には、スロットが形成され、ベーンの端部が、所定の位置でこのスロット内にロウ付けされてノズルセグメント組立体を形成する。別の方法は、単一部品鋳造品としてベーン、内側バンド及び外側バンドが一体に形成された状態でノズルセグメントを一体形に鋳造することである。

ノズルセグメントは、運転時にその実用有効寿命を制限する高温かつ腐食性のガスストリームに曝される。従って、ノズルセグメントは一般的に、耐食性及び／又は耐熱性材料で被覆された耐熱コバルト又はニッケル基超合金で製作される。ノズルセグメントは通常、その有効寿命を延ばすために、圧縮機から抽出した冷却空気で内部冷却される。このような努力によっても、ノズルセグメント、特にベーンの一部分は、割れ発生した状態、腐食を生じた状態、及びそれ以外で損傷した状態になり、補修又は交換のいずれかを行って安全かつ効率的なエンジン運転を維持するようにしなければならなくなる可能性がある。従来型の補修方法には、ノズルセグメントの損傷領域の溶接又は合金補修が含まれる。ノズルセグメントは、その設計が複雑であり、比較的高価な材料で製作されており、また製造するのに費用がかかっているので、そのようなノズルセグメントを新しいノズルセグメントと交換するよりもむしろ、可能な場合には常にそのようなノズルセグメントを補修するのが望ましい。

米国特許第６，４１６，２７８号（＞２７８特許）には、エンジン運転時に、その時点で公知の補修方法ではそれを補修することができないような部位に損傷を生じたノズルセグメントに言及している。この＞２７８特許は、ノズルセグメントから内側バンドを分離する段階と、その内側バンドを外側バンド及び少なくとも１つのベーンを有する新規に製造した交換用鋳造品に接合する段階とを含むタービンノズルセグメント補修方法を開示している。交換用鋳造品は、ベーンの一端部上に形成された取付けプラットフォームと該取付けプラットフォーム上に形成されたボスとを含む。内側バンドに対してカラーが接合され、カラーは、該カラーの内部に形成されたスロットを有する。次に、ボスがスロット内に挿入され、また取付けプラットフォームが内側バンド内に形成された陥凹部内に受けられる。ノズルセグメントに対してカラーを接合することは、カラーに対してボスをまた内側バンドに対して取付けプラットフォームを接合することによって達成される。しかしながら、この＞２７８特許に開示された補修方法の使用には、ノズルセグメントの寸法が不可欠である。本出願に開示した形式の第２段ＨＰＴノズルセグメントは、この＞２７８特許において述べられているような翼形部の再適用時に該ノズルセグメントがカラーを受けることができないようになる寸法のものである。この＞２７８特許に開示された補修方法はまた、何らかのクラックの長さ及び幅、母材の腐食の程度、及びノズルセグメントの壁厚さによっても制限される。

幾つかの実施例では、従来型の補修と対照的に、タービンノズルベーン翼形部の交換が必要である。現在のところ、このことは、ノズルセグメント全体を廃棄しかつそれを完全に新規な交換用部品と交換することによって達成される。このことは、磨耗又は損傷部品と共に有効寿命が残っているノズルセグメントの構成部品を廃棄することを伴う。具体的には、ノズルセグメントのハニカム裏当て金は、ノズルセグメントの残り部分が補修を超えて（補修できない程に）損傷又は磨耗した状態になったとしても残りの寿命を有する場合が多い。ハニカム裏当て金は、非常に高価な合金で製作されており、この構成部品を再利用することができることは、大きな節約をもたらすことになる。
米国特許第６，４１６，２７８号公報

従って、その他が補修を超えて損傷又は磨耗した状態になった、従って廃棄しかつ交換しなければならないノズルセグメントから取り外したハニカム裏当て金の再利用を可能にするタービンエンジンノズルセグメント補修方法に対する必要性が存在する。また、ノズルセグメントの磨耗部品を強化材料で製作した部品と交換してより大きな部品寿命及び作動効率を達成するのを可能にするタービンエンジンノズルセグメント補修方法に対する必要性が存在する。

本出願に開示しかつ特許請求した本発明は、外側バンド及び内側バンド間に配置された少なくとも１つのベーンを有するタービンノズルセグメントを補修する方法を提供することによって、その必要性を満たす。本方法は、他の方法では補修することができない現場から戻されたノズルセグメントからハニカム裏当て金残余物取り外しかつ再利用する段階と、取り外したハニカム裏当て金を外側バンド、内側バンド及び少なくとも１つのベーンを有する新規に製造した交換用鋳造品に接合する段階とを含む。交換用鋳造品は、ハニカム裏当て金の背面上に形成されたほぞ穴と係合する、内側バンド上に形成されたテノンを含む。

本発明の１つの態様によると、外側バンド及び内側バンド間に配置された少なくとも１つのベーンを有するタービンノズルセグメントを補修する方法を提供し、本方法は、タービンノズルセグメントの内側バンドから回収可能なノズル要素を分離する段階と、回収したノズル要素を外側バンド及び少なくとも１つのベーンを有する交換用鋳造品の内側バンドに取付ける段階とを含む。内側バンド上のテノン及びノズル要素上のほぞ穴を使用して、交換用鋳造品及び再利用ノズル要素を互いに接合することができる。

本発明の別の態様によると、外側バンド及び内側バンド間に配置された少なくとも１つのベーンを有するタービンノズルセグメントを補修する方法を提供し、本方法は、他の方法では回収不能なタービンノズルセグメントの内側バンドから回収可能なハニカム裏当て金を分離する段階と、ハニカム裏当て金の背面内にほぞ穴を機械加工する段階と、外側バンド及び少なくとも１つのベーンを有する一体形形成交換用鋳造品の内側バンド上にテノンを機械加工する段階とを含む。内側バンドのテノンは、ハニカム裏当て金のほぞ穴内に配置され、テノン及びほぞ穴は互いにロウ付けされる。

本発明のさらに別の態様によると、タービンノズルセグメントを提供し、本タービンノズルセグメントは、外側バンド及び内側バンド間に配置された少なくとも１つのベーンを有するタービンノズルセグメント鋳造品と、内側バンド上に形成されたテノンと、その背面内に形成され、テノン上に係合関係で配置されかつ該テノンに対して固定されたほぞ穴を有する内側バンド要素とを含む。

本発明のさらに別の態様によると、タービンノズルセグメント用の鋳造品を提供し、本タービンノズルセグメント用鋳造品は、外側バンド及び内側バンド間に配置された少なくとも１つのベーンを有する鋳造品と、内側バンド上に形成されかつその背面内に形成されてその上に係合関係で配置されると共にそれに対して固定されるほぞ穴を有する内側バンド要素を受けるようになったテノンとを含む。

本出願の主題は、添付図面の図と関連させて行った以下の記載を参照して説明する。

様々な図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表わしている図面を参照すると、図１は、下記で説明するような第２段ＨＰＴノズルセグメント１０の環状アレイを有する形式の高バイパス式タービンエンジンの斜視図である。実施例として図１に示すようなガスタービンエンジンは、これもまた図２に示すように、環状構成の形態で円周方向に配置された複数のノズルセグメント１０を含む。本明細書では、第２段ＨＰＴノズルの２ベーンノズルセグメントに対する本発明の補修方法を説明しているが、本出願に記載した補修方法は、あらゆる数のベーンを有しまた他のエンジン部位に利用されるノズルセグメントにも同様に適用可能である。

エンジン運転時に、ノズルセグメントは、例えば局所的ガスストリーム過熱又は異物衝突により損傷を受ける可能性がある。上述のように、ノズルセグメント１０の一部分は、公知の補修方法によっては補修することができないような箇所で損傷した状態になる場合がある。本発明は、ハニカム裏当て金は回収可能であるが、他のノズルセグメント構造体は補修可能でないようなノズルセグメントの補修方法に関するものである。本発明は、一体形鋳造ノズルセグメントに最も適用可能であるが、他の形式のノズルセグメントにも同様に使用することができる。さらに、ノズルセグメント構造体の交換は、これらの構造体を高い作動性及び長期耐用性を有する材料で製作するのを可能にする。その結果、ハニカム裏当て金を再利用することができること及びそれを寿命及び作動特性を強化した交換用鋳造品に取付けることができることの両方により、節約が得られる。

次に図３を参照すると、第１及び第２のノズルベーン１２を有するタービンノズルセグメント１０用の鋳造品を示している。ベーン１２は、アーチ形外側バンド１４及びアーチ形内側バンド１６と一体形に形成されかつそれらバンド間に配置される。ベーン１２は、燃焼ガスを下流のタービンロータ（図示せず）に向けるように構成された翼形部を形成する。外側及び内側バンド１４及び１６は、それぞれノズルセグメント１０を通るガス流の外側及び内側半径方向境界を定める。ノズルセグメント１０は、コバルト又はニッケル基超合金のような高品質超合金で製作するのが好ましく、また耐食性材料及び／又は熱バリア皮膜で被覆することができる。鋳造品、例えばＣＦＭ−３４型タービンエンジンのノズルセグメント用の鋳造品は、内側バンド１６上の従来型Ｔバーウエブを上述したテノン２０の形に変えるように機械加工される。従って、テノン２０は、図３及び図５で最もよく示すように、内側バンド１６に沿って延びる。

本補修方法は、他の方法では回収不能なノズルセグメントから、図４に示す使用可能なハニカム裏当て金１８を分離する段階と、次にハニカム裏当て金１８をそれから該ハニカム裏当て金１８を取り外したノズル構造体と交換した図３に示すような新規に製造した鋳造品に接合する段階とを含む。この補修方法を開始する前に、整備のために現場から戻されたエンジン使用済みノズルセグメントを検査して、使用可能なハニカム裏当て金残余物を有しているが、他のノズルセグメント構造体は回収不能であるようなノズルセグメントを識別する。

損傷したノズルセグメントから取り外したハニカム裏当て金１８は、清浄化され、腐食物又は他の残留物を剥ぎ取りかつ他の方法で再調整される。内側バンド１６のテノン２０を受けるような形状及び位置にされたほぞ穴２２は次に、図４及び図５に示すように、ハニカム裏当て金１８の背面内に機械加工される。

正確に配置されると、ハニカム裏当て金１８は、テノン２０に対してロウ付けされる。それに代えて、従来型の低エネルギー溶接法、電子ビーム溶接法又は他の好適な公知の接合法を使用することができる。本来的にノズルセグメント１０に施工されていたあらゆる耐食性又は耐熱性皮膜は、公知の方法で再施工される。その結果が、図６及び図７に示すような補修ノズルセグメント１０である。ノズルセグメント１０は、一体形に形成したハニカム裏当て金を備えた従来型のノズルセグメントと完全に互換性があり、また残りの有効寿命を有するハニカム裏当て金を再利用することができること及びノズルセグメントの損傷部品を性能及び有効寿命を強化した新規の鋳造品と交換することができることにより生じる節約が得られる。

以上は、タービンノズルセグメント補修方法並びに補修プロセスで使用するタービンノズル及びタービンノズルの交換用鋳造品について説明した。本発明の特定の実施形態について説明してきたが、提出した特許請求の範囲で定まる本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱せずに様々な改良を加えることができることは当業者には明らかであろう。

タービンノズルの円周方向アレイの設置位置を示すタービンエンジンの全体斜視図。 図１のタービンノズルアレイの全体拡大図。 一体形鋳造Ｔバーの領域内で内側バンド上にテノン（或いはほぞ）が形成されたタービンノズルセグメントの交換用鋳造品の斜視図。 背面上にほぞ穴が形成されたハニカム裏当て金の斜視図。 内側バンドのテノン上で所定の位置にハニカム裏当て金が配置されたタービンノズルセグメントの斜視図。 図３に示すタービンノズルセグメントの平面図。 ほぞ穴及びテノン取付けの詳細を示すタービンノズルセグメントの斜視図。

符号の説明

１０ ノズルセグメント
１２ 第１及び第２のノズルベーン
１４ 外側バンド
１６ 内側バンド
１８ ハニカム裏当て金
２０ テノン
２２ ほぞ穴

Claims (7)

1. 外側バンド（１４）及び内側バンド（１６）間に配置された少なくとも１つのベーン（１２）を有するタービンノズルセグメント（１０）を補修する方法であって、
   前記タービンノズルセグメント（１０）の内側バンド（１６）から回収可能なノズル要素を分離する段階と、
   前記ノズル要素の背面内にほぞ穴（２２）を形成する段階と、
   外側バンド（１４）及び少なくとも１つのベーン（１２）を有する交換用鋳造品の内側バンド（１６）上にテノン（２０）を形成する段階と、
   前記ノズル要素のほぞ穴（２２）内に前記内側バンド（１６）のテノン（２０）を配置する段階と、
   前記テノン（２０）及びほぞ穴（２２）を互いに固定する段階と、
   を含み、
   前記ノズル要素は、前記外側バンド、前記内側バンドおよび前記ベーンとは異なる要素である、
   方法。
2. 前記テノン（２０）及びほぞ穴（２２）を互いに固定する段階が、ロウ付け、従来型溶接又は電子ビーム溶接を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ノズル要素の背面内にほぞ穴（２２）を形成する段階が、該ほぞ穴（２２）を機械加工する段階を含む、請求項１記載の方法。
4. 前記交換用鋳造品の内側バンド（１６）上にテノン（２０）を形成する段階が、該テノン（２０）を機械加工する段階を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記交換用鋳造品の内側バンド（１６）上にテノン（２０）を形成する段階が、第２段ＨＰＴノズルセグメント（１０）の内側バンド（１６）上に該テノン（２０）を形成する段階を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記交換用鋳造品の内側バンド（１６）上にテノン（２０）を形成する段階が、一体形に形成したノズルセグメント鋳造品の内側バンド（１６）上に該テノン（２０）を形成する段階を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記タービンノズルセグメント（１０）の内側バンド（１６）から回収可能なノズル要素を分離する段階が、前記内側バンド（１６）からハニカム裏当て金（１８）を分離する段階を含む、請求項１記載の方法。
   

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