JP6240406B2 - 放電堆積法及びガスタービンの補修システム - Google Patents

Description

本出願は、一般に、ガスタービン部品の補修に関する。本出願は、より具体的には、放電堆積方法を用いたガスタービンの主燃料ノズルの補修に関する。

ガスタービンエンジンは燃焼燃料を燃焼器部品に送る燃料ノズルを含んでいる。長期間にわたる使用の間に燃料ノズルは、例えばノズルチップの縁の周りに、劣化を生じ得る。現在のところ、ノズルチップとノズル本体との間にろう付け継手を用いて製造された主燃料ノズルを補修するのに利用できる効率的な方法はない。従来の融接により金属層を設ける方法はいずれも、ろう付け継手が溶接プロセス時に加わる熱で損傷しかねないというリスクがある。また、溶接プロセスによって誘発された歪みが、主燃料ノズルのようなタービン部品に要求される許容範囲を超えることもある。融接に伴うリスクを回避するには、低い入熱の方法を使用しなければならない。レーザークラッディングはノズルチップを正しい寸法に回復させるのに充分に低い温度である可能性があるが、レーザークラッディング技術を用いてノズルの縁に金属を堆積するのは困難である。

放電堆積（ＥＳＤ；electrospark deposition）プロセスは非常に低い入熱量であることが知られている。ＥＳＤは蓄積エネルギーを消耗性電極、例えば、炭化物（Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ等）ステンレス鋼、アルミニウム、その他の電極組成物に移す。電極の先端の温度は約５０００〜約１００００℃の範囲である。電極材料はイオン化されて基板表面に移り、基板と合金を生成して合金化電極−基板界面上に堆積する。堆積層は合金化基板及び電極材料と金属接合する。

米国特許第６４１７４７７号

ＥＳＤはガスタービン部品の表面補修に使用される。ＥＳＤプロセスが克服しなければならない１つの問題は電極及び例えば燃料ノズル内の局所的な基板の過熱であり、そこでは溶接又はＥＳＤ技術により生じた局所的な加熱によって、ろう付け継手が損なわれ得る。必要とされていることは、電極及び局所的な基板を過熱することなく燃料ノズル上にＥＳＤを提供する局所的な冷却方法である。

開示されているシステム及び／又は方法の目的とする利点は、これらのニーズの１以上を満たし、又はその他の有利な特徴を提供する。その他の特徴と利点は本明細書から明らかとなろう。開示されている教示は、上述のニーズの１以上を達成するかどうかに関わらず、特許請求の範囲内に入る実施形態に拡張される。

本開示の一実施形態は金属基板を補修する方法に関し、この方法は基板を準備する段階と、消耗性電極を備えた放電堆積装置を準備する段階と、遮蔽ガスを準備する段階と、遮蔽ガスを冷却してガスの温度を周囲温度以下に下げる段階と、電極と基板の間に連続スパークを確立する段階と、遮蔽ガスの流れを電極、基板及びスパークの界面に導く段階と、所望の膜厚が得られるまで合金化皮膜を堆積させる段階とを含む。

別の実施形態は、放電装置と、電極ホルダー内に着脱自在に支持された電極とを備える金属基板の補修システムに関する。放電装置は、金属基板と接触して配置したときに材料の皮膜を施工する。冷却装置は遮蔽ガス流の温度を周囲温度以下に下げる。遮蔽ガスの流れを電極と基板の界面に導いて皮膜を受ける基板の領域を冷却するように導管が配置される。

本開示は、近接するろう付け継手を損なうことのない、非常に低い入熱で主燃料ガスノズルチップを補修する方法について記載する。ＥＳＤプロセスの現在の技術では、酸化を防止するために、遮蔽ガスを使用して電極のみを冷却する。本開示においては、アルゴン又は窒素の冷却遮蔽ガスを、電極及び電極と接触する基板の領域の両方に適用する。

別の利点は、開示されているＥＳＤプロセスが、必要とされる膜厚を堆積するのに必要な時間にわたって連続的に作動させ得ることである。

さらに別の利点は、電極上で測定される温度が２００°Ｆ未満であるという、電極と基板の低い温度である。

さらにもう１つ別の利点は、ある種のガスノズルを救助するのに充分な２〜１０ミルの膜厚を得ることができるということである。また、必要であれば、より厚いＥＳＤの皮膜を堆積させ得る。

代わりの代表的な実施形態は、特許請求の範囲に広く記載され得る他の特徴及び特徴の組合せに関する。

図１は、ガスタービンエンジンの代表的な燃料ノズルを示す。 図２は、燃料ノズルチップと燃料ノズルの本体との間のろう付け継手の部分断面図である。 図３は、ＥＳＤ及び基板のための代表的な冷却装置を示す。 図４は、代表的な補修ノズルチップの拡大断面図である。 図５は、本発明の方法のフローチャートである。

図１及び２を参照して、燃料ノズル１０は、ノズル本体１６と流体連通したノズルチップ１２及びそこを通る燃料ガス流１４を含んでいる。ノズルチップ１２はろう付け継手１８によってノズル本体１６に接続されている（図２）。

次に、図３を参照すると、放電堆積（ＥＳＤ）プロセスが示されている。ＥＳＤは、基板、例えば燃料ノズルチップ１２（図１）の補修に適した厚さの電極材料を提供する。放電装置２１は消耗性電極２０を支持し駆動する。電極２０は、この例では模式的にノズルチップ１２を表す金属基板２２と接触して配置される。電極２０は、基板２２との金属接合の形成に適した材料で構成されている。遮蔽ガス流２４がまず最初に冷却装置２６に導入され、遮蔽ガス流２４の温度を周囲温度以下に下げる。遮蔽ガス、例えばアルゴン、窒素、又はヘリウムの冷却装置は当業者に公知である。電極２０及び被加工物１２の周囲の基板２２は冷却装置２６から供給導管２８を通って流れる遮蔽ガス２４によって冷却される。供給導管２８は遮蔽ガス２４の流れを電極２０と基板２２の界面３０に導く。

ガス燃料ノズルチップ１２は回転速度調節機能をもつ回転可能な位置決め器に装着される。ＥＳＤ電極２０はトルクをかけてノズルチップ１２に固定され、電極２０と補修される基板１２、２２との間に連続スパークを確立する。ＥＳＤ電極の回転速度も調整可能である。次に、冷却遮蔽ガス２４が電極２０と基板１２、２２の界面３０に供給される。遮蔽ガス２４はスパーク領域において基板１２、２２表面と電極先端の両方を冷却する。この低下したプロセス温度により、所望の膜厚が達成されるまでコーティングプロセスを連続的に作動させることができる。一実施形態では、ＥＳＤプロセス中の電極先端及び電極先端を取り巻く領域の温度は２００°Ｆ未満に低下し得る。一実施形態では、２〜１０ミルの範囲の膜厚が施工される。約２〜１０ミルの厚さはある種の摩耗したガスノズルを回復させるのに充分である。別の実施形態では、必要であればＥＳＤのより厚い皮膜を堆積させ得る。

次に図４を参照すると、補修ノズルチップ１２の拡大断面図は、ＥＳＤ皮膜３４とノズルチップ１２との間の溶融接合界面３６を示す。このノズルチップ１２を、上に説明したＥＳＤコーティングプロセスを用いて補修した。このＥＳＤコーティングプロセス後、ろう付け継手１８は損傷されない。

次に図５を参照すると、本開示の方法を説明するためにフローチャートが提供される。段階１００において、本方法はＥＳＤ電極をノズルチップと接触させて配置することから始まる。段階１０２において、本方法は遮蔽ガス流を冷却してガスの温度を下げることで進行する。次に、段階１０４で、ガス燃料ノズルチップを、回転速度調節機能をもつ回転可能な位置決め器に取り付ける。段階１０６において、本方法はＥＳＤ電極とノズルチップの基板との間に連続スパークを確立するように進行する。次に、段階１０８で、本方法は冷却遮蔽ガスを供給導管に通して、遮蔽ガスの流れを電極と基板の界面に向けることで進行する。最後に、段階１１０において、本方法は、ノズルチップの表面で所望の膜厚が施工されるまで、ＥＳＤコーティングプロセスを実施することで続けられる。

本出願は以下の説明に記載し又は図に示した詳細又は方法論に限定されることはないものと理解されたい。また、本明細書で使用した語法及び用語は説明のためのみのものであり、限定するものと考えるべきではないものと理解されたい。

様々な代表的な実施形態に示したＥＳＤシステムの構築及び構成は例示のみであることに留意することが重要である。本開示では二、三の実施形態のみを詳細に説明して来たが、本開示を参照した当業者には、特許請求の範囲に記載した主題の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正が可能であることが容易に理解されよう（例えば、様々な要素の大きさ、寸法、構造、形状及び割合、パラメーターの値、取り付け方法、材料の使用、色、配向、等の変化）。例えば、一体的に形成されるとして示した要素は複数の部分又は要素から構築され得、要素の位置は反転又はその他変化させ得、別々の要素又は位置の種類又は数は変更又は変化し得る。従って、かかる修正は全て本出願の範囲内に入るものである。あらゆるプロセス又は方法段階の順序又は配列は代わりの実施形態に従って変更又は再配列し得る。特許請求の範囲において、機能的記載は標記の機能を果たすものとして本明細書に記載された構造を包含し、構造上の均等物のみでなく均等な構造を包含するものである。本出願の範囲から逸脱することなく、代表的な実施形態の設計、作動条件及び構成において、その他の置換、修正、変更及び省略をなすことができる。

本明細書の図は方法段階の特定の順序を示し得るが、これらの段階の順序は示されているものと変わってもよいと理解されることに留意されたい。また、２以上の段階を同時に、又は一部を同時に実施してもよい。かかる変形は選択するソフトウェア及びハードウェアシステムに依存し、また設計者の選択に依存する。かかる変形は全て本出願の範囲内に入るものと理解される。同様に、ソフトウェアの実行は、ルール依存論理及びその他の論理を用いる標準的なプログラミング技術で達成することができ、様々な接続ステップ、プロセシングステップ、比較ステップ及び決定ステップを達成することができよう。

図に示し本明細書に記載した代表的な実施形態は現在のところ好ましいが、これらの実施形態は例としてのみ示したものであると理解されたい。従って、本出願は特定の実施形態に限定されることはなく、修正にも関わらず後記特許請求の範囲内に入る様々な改変に拡張される。プロセス又は方法のあらゆる段階の順序又は配列は代わりの実施形態に従って変更又は再配列し得る。

Claims (10)

1. 金属基板を補修する方法であって、当該方法が、
   基板を準備する段階と、
   調整可能な回転速度で消耗性電極を保持するように構成された放電堆積装置を準備する段階と、
   遮蔽ガスを準備する段階と、
   遮蔽ガスを冷却してガスの温度を周囲温度未満に低下させる段階と、
   電極と基板の間に連続スパークを確立する段階と、
   遮蔽ガスの流れを電極、基板及び連続スパークの界面に導く段階と、
   所望の膜厚が得られるまで合金化皮膜を連続的に堆積させる段階と
   を含んでおり、遮蔽ガスの流れが消耗性電極及び基板を冷却する、方法。
2. さらに、基板の表面に所望の膜厚が施工されるまで放電堆積コーティングプロセスを連続的に実施する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. さらに、基板の回転速度を電極に対して調整することを含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. さらに、電極の回転速度を基板に対して調整することを含む、請求項３記載の方法。
5. さらに、基板を回転自在に位置決め器に据え付けることを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. 遮蔽ガスを冷却する段階が、さらに、遮蔽ガスを冷却装置中に導入することを含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
7. 合金化皮膜を堆積させる段階が、さらに、合金化皮膜を、基板上のろう付け継手に隣接して、ろう付け継手を熱的に損傷することなく、放電堆積装置で堆積させることを含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 基板が燃料ガスノズルである、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
9. 電極と基板の間に連続スパークを確立する段階が、電極と基板とが接触するようにトルクをかけて電極を基板に固定する段階をさらに含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 金属基板（２２）の補修システムであって、
    電極ホルダー及び電極ホルダー内に着脱自在に支持された消耗性電極（２０）を備える放電装置（２１）であって、消耗性電極（２０）と基板（２２）との間に連続スパークを確立して所望の膜厚が得られるまで合金化皮膜を連続的に堆積するように構成及び配置された放電装置（２１）と、
    遮蔽ガス流（２４）の温度を周囲温度未満に低下させる冷却装置（２６）と、
    冷却装置（２６）からの遮蔽ガス流を受け取って遮蔽ガス流（２４）を消耗性電極（２０）、基板（２２）及び連続スパークの界面（３０）に導いて、遮蔽ガス流によって消耗性電極及び基板を冷却するように構成及び配置された導管（２８）と
    を備えるシステム。