JP6446267B2 - ロータシールワイヤの溝補修 - Google Patents

Description

本明細書で説明する技術は、総括的にはシールワイヤと組み合わせて使用される溝の修復、詳細には、このような溝の輪郭を修復する方法、より詳細には、このような修復のための溶射法に関する。

多くのガスタービンエンジン組立体は、回転ディスク及び固定構造体などのような可動及び非可動部品の隣接する表面間、又はこれらの係合する表面の間にクリアランスを有する部品間にシールを含む。このようなシールにおける１つの一般的な構造は、１つ又はそれ以上のセグメントで形成されたシールワイヤを利用することであり、このシールワイヤは、１つの部品内の溝に挿入されてシール係合状態で対向する部品に当接して付勢される。

運転時において、シールワイヤと係合面との間の一定の接触により、シールワイヤの摩耗及び／又はその溝内でのシールワイヤの移動が発生する。シールワイヤは一般的に、当接する端部が円周部周りの１つ又はそれ以上の位置に設置された状態で、１つ又はそれ以上のセグメントから構成されるので、溝内でのシールワイヤの移動は、シールワイヤ端部の動きに起因する溝のフレッティング及び／又は他の摩耗を生じる可能性がある。ある期間にわたる溝のこうしたフレッティング又は摩耗は溝を拡大し、シールワイヤ装置の有効性を低下させる。

補修及び分解修理の作業時には、シールワイヤ及び溝組立体をオリジナル又は他の好適な寸法及び公差に修復するのが望ましい。しかしながら、最新の補修方法の限界に起因して、ロータ組立体を廃棄して、適正な溝寸法を有する新しいものと交換することが必要となる場合が多い。

米国特許第４，９２４，５８１号明細書

耐久性があり且つ経済的な方式で溝の幾何形状を修復する補修方法の必要性が依然としてある。

１つの態様では、外側表面及び内側表面を有する環状構造を形成し、且つ新品時にオリジナル輪郭を定めるシールワイヤ溝を補修する方法であって、溝のオリジナル輪郭の環状ではなくなった部分を取り除いて、内側及び外側表面の少なくとも一方の損傷部分を取り除き、これによって空隙部を形成するステップと、空隙部に新しい材料を付加するステップと、新しい材料を成形して、溝の新しい輪郭を形成するステップとを含む。

例示的なガスタービンエンジン組立体の断面図。 その他の説明のために典型的な位置を示した例示的な圧縮機スプールの断面正面図。 圧縮機スプール上に取り付けられた圧縮機ブレードの拡大部分正面断面図。 関連寸法を図示し且つ定めた更に拡大した部分正面断面図。 設置されたシールワイヤセクションを含む圧縮機スプールの全周の断面図。 使用中のシールワイヤの動きに起因したフレッティング摩耗を示す図４と同様の図。 損傷部分の材料除去後の圧縮機スプールの一部分を示す図６と同様の図。 除去の端部を示すために材料除去の中間位置で見た、図７の圧縮機スプールの一部分の斜視図。 新しい補修材料が付加された後の図７と同様の図。 図９の新しい補修材料が正しい輪郭に機械加工された後の図９と同様の図。

図１は、長手方向軸線１１を有する例示的なガスタービンエンジン組立体１０の概略断面図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２及びコアガスタービンエンジン１３を含む。コアガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、及び高圧タービン１８を含む。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、低圧タービン２０、多段ブースタ圧縮機３２、及び多段ブースタ圧縮機３２を実質的に囲むスプリッタ３４を含む。

ファン組立体１２は、その前方部分が流線型スピナー２５によって密閉されるロータディスク２６から半径方向外向きに延びたファンブレード２４のアレイを含む。ガスタービンエンジン組立体１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。ファン組立体１２、ブースタ２２、及びタービン２０は、第１のロータシャフト１１によって互いに結合され、また圧縮機１４及びタービン１８は、第２のロータシャフト２２によって互いに結合される。

運転時には、空気は、ファン組立体１２を通って流れ、この空気流の第１の部分５０は、ブースタ３２内に送られる。ブースタ３２から吐出された加圧空気は、圧縮機１４を通って送られ、ここで空気流は、更に加圧されて燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの高温燃焼生成物（図１には示さず）は、タービン１８及びタービン２０を駆動するのに利用され、タービン２０は、シャフト２１によってファン組立体１２及びブースタ３２を駆動するのに利用される。ガスタービンエンジン組立体１０は、設計作動条件と設計外作動条件との間のある範囲の作動条件で作動可能である。

ファン組立体１２から吐出される空気流の第２の部分５２は、バイパスダクト４０を通って送られ、ファン組立体１２からの空気流の一部分をコアガスタービンエンジン１３の周りにバイパスさせる。より具体的には、バイパスダクト４０は、ファンケーシング又はシュラウド３６とスプリッタ３４との間に延びる。従って、ファン組立体１２からの空気流の第１の部分５０は、上述のようにブースタ３２を通り、次に圧縮機１４内に送られ、またファン組立体１２からの空気流の第２の部分５２は、バイパスダクト４０を通って送られて、例えば航空機の推力を発生させる。スプリッタ３４は、流入する空気流をそれぞれ第１及び第２の部分５０及び５２に分割する。ガスタービンエンジン組立体１０はまた、ファン組立体１２に対して構造上の支持を与えるファンフレーム組立体６０を含み、ファン組立体１２をコアガスタービンエンジン１３に結合するのにも利用される。

ファンフレーム組立体６０は、半径方向外側取付けフランジと半径方向内側取付けフランジとの間で実質的に半径方向に延び、且つバイパスダクト４０内で円周方向に間隔を置いて配置された複数の出口ガイドベーン７０を含む。ファンフレーム組立体６０はまた、半径方向外側取付けフランジと半径方向内側取付けフランジとの間に結合された複数のストラットを含むことができる。１つの実施形態では、ファンフレーム組立体６０は、その内部でフランジが出口ガイドベーン７０及びストラットに結合されるアーチ形セグメントの形態で作製される。１つの実施形態では、出口ガイドベーン及びストラットは、バイパスダクト４０内で同軸に結合される。任意選択的に、出口ガイドベーン７０は、バイパスダクト４０内でストラットから下流側で結合することができる。

ファンフレーム組立体６０は、ガスタービンエンジン組立体１０内で様々な構成部品の向きを維持するのを可能にするのに使用される、ガスタービンエンジン組立体１０の様々なフレーム及び支持組立体の１つである。より具体的には、このようなフレーム及び支持組立体は、固定構成部品を相互接続し、ロータ軸受支持を提供する。ファンフレーム組立体６０は、バイパスダクト４０内でファン組立体１２から下流側で結合され、出口ガイドベーン７０及びストラットがファン組立体１２の出口の周りに円周方向に間隔を置いて配置され且つファン組立体１２から放出される空気流路を横切って延びるようになる。

図２は、図１の圧縮機１４の一部を形成し、以下のより詳細な説明のために円及び参照符号３で示した代表的な位置を示す、例示的な圧縮機スプール９０の正面断面図である。

図３は、圧縮機スプール９０上に取り付けられた圧縮機ブレード９１の拡大部分正面断面図である。図３に示すように、圧縮機ブレード９１は、翼形部９２、ダブテール９３、及び翼形部９２とダブテール９３との間のプラットフォーム９５のような複数の要素を含む。ダブテール９３は、圧縮機スプール９０のダブテールスロット９７に収まり、ブレード９１をスプール９０に固定するようなサイズ及び形状にされる。スプール９０及びダブテールスロット９７は、環状構造であり、複数のブレード９１が円周部に沿ってスプール９０に固定されるが、明瞭にするために単一のブレードのみが例示されている。また、図３に示したものは、プラットフォーム９５とスプール９０との間にシールを形成するシールワイヤを収容するシールワイヤ溝９４であり、作動時の圧縮機１４の効率を向上させ、これによりガスタービンエンジン組立体１０の燃料消費を改善する。

図４は、図３の要素の更に拡大された部分正面断面図である。図４に示すように、シールワイヤ溝９４は、ショルダー部９９を形成する寸法Ａと、溝９４の外側に水平面を形成する寸法Ｂとによって圧縮機スプール９０のディスク部分９８の端縁から内向きに間隔を置いて配置される。これらの形状及び寸法は、これらが対象としている特定のガスタービンエンジン組立体１０に合わせたサイズ、形状、及び構成にされ、従って、本明細書における例証は例示的なものであり、幾何形状に関して限定するものではない。プラットフォーム９４は一般的に、ディスク部分９８の半径方向外側表面と相補形の形状を有する。図４に示すように、シールワイヤ９６は、シールワイヤ溝９４内に設置され、通常はプラットフォーム９４の下側に当接して半径方向外向きに付勢される。ディスク部分９８は、金属材料で形成することができ、この場合、溝９４の内側及び外側表面は金属材料で形成される。シールワイヤ９６もまた、金属材料で形成することができ、その断面はほぼ矩形とすることができる。

図５は、溝９４内に設置されたシールワイヤ９６のセクションを含む圧縮機スプール９０の全周の断面図である。シールワイヤ９６は一般的に、材料の複数（１つよりも多い）の要素を含み、従って、少なくとも２つの端部１００を有する。図５に示した例示的な実施形態では、シールワイヤ９６は、符号１００で表記された６つの端部を有する３つのセクションで形成される。端部１００の各々は、シールワイヤ溝９４の摩耗に対する潜在的な要因となる。

使用時に、シールワイヤ９６が受ける振動、圧力、及び熱作用は、様々な方向での移動に起因して、端部１００の周辺の溝９４の表面に「フレッティング」摩耗を生じることが多い。この摩耗により、図５の摩耗ゾーン１０１において示したような溝９４の表面から材料が除去され、その結果、溝９４は断面が拡大され、新しい条件にある時に溝９４のオリジナル輪郭から逸脱するようになる。摩耗は、外側表面（ショルダー部９９の近く）、反対側の内側表面、或いはその両方で発生する可能性がある。このことにより、シールワイヤ９６のシール能力が低下し、摩耗の程度が増大するにつれてシールワイヤの端部１００がより多くの移動の自由度を有するので、摩耗を更に促進させる可能性がある。

図６は、使用時におけるシールワイヤ９６の端部１００の動きに起因したフレッティング摩耗を描いた図４と同様の図である。図４に示した表面及び要素の状態とは対照的に、図６に示すように、溝９４の一部分は摩耗し拡大しており、溝９４の表面が、新品同様の製造したままの状態であった時の溝９４のオリジナル輪郭ともはや一致しないようになる。この図におけるシールワイヤ９６の表面はまた、不規則で摩耗したものとして示されている。一般的に、シールワイヤ９６の状態は、シールワイヤ９６が一般的には補修時に新しいシールワイヤと置き換えられるので、溝９４の状態よりも問題は少ないが、経済的な理由から、引き続き使用するために溝９４の輪郭を補修及び修復して、スプール９０のディスク部分９８を保持することが望ましい。

図７は、摩耗ゾーン１０１における損傷部分の材料除去の後の圧縮機スプール９０の一部分を示す、図６と同様の図である。表面溝９４の摩耗した、不規則で、汚損した、又はその他の劣化した部分の材料除去は、溝９４を補修する方法における第１のステップである。この除去により、オリジナル輪郭１０３（図７に点線で示す）とは異なり、比較的堅固で、滑らかで、均一な特徴の表面を有する新しい輪郭１０２を備えた空隙部が形成される。図示の例示的な実施形態では、補修方法は、溝９４の外側表面（ショルダー部９９の近く）で実施されているが、対向する内側表面又は両方の表面に等しく適用することができる。新しい輪郭１０２を生成する材料除去は、のこぎり刃又は研磨ディスクのような回転ツールによる機械加工などの機械式手段、又は化学的又は電気機械加工法などの他の手段によって達成することができ、またワンパスで、もしくは複数のステップ又は段階で行うことができる。適切な輪郭を有するツールを使用することができ、又は適正な輪郭を形成するように制御される汎用の輪郭を備えたツールを使用することができる。

図８は、端部１０４の除去を示すために材料除去セクション（新しい輪郭１０２）の中間部位で見た、図７の圧縮機スプール９０におけるディスク部分９８の一部分の斜視図である。材料除去は、環状ディスク９８の環状ではなくなった部分又はセグメントで行うので、これは、事実上、材料除去毎に少なくとも２つの端部１０４を有する空隙部を形成し、局部的な補修領域を定める。ディスク９８のオリジナル材料の残りの部分によって定められるこれらの端部１０４は、溝９４のオリジナル輪郭１０３を修復するために付加される新しい材料に対し安定性及び支持を与えると考えられる。出口半径のような端部１０４の角度及び半径特性における優位性は、材料除去に使用される治工具及び技法、並びに付加される新しい材料についての接着及び最小厚さ要件の両方で決定することができる。その断面が薄すぎるか又は比較的弱い接着特性の新しい材料で行われる補修は、エンジン運転中に剥離する傾向になる可能性がある。

図９は、新しい補修材料１０４’が溝９４のオリジナル輪郭１０３に等しいか又は大きい材料を取り戻すために付加された後の図７と同様の図である。上記の異なる新しい材料が空隙部の体積を超えて付加される。新しい材料の付加は、付加される材料の量及び種類に応じて、並びにディスク９８が構成されるサイズ、形状、及び材料に応じてあらゆる好適な方法又は装置によって達成することができる。

金属溶射法は、好適な材料付加プロセスの部類の１つである。例示的な実施形態では、材料付加は、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）法を使用してスプレーされるＩＮＣＯ７１８材料とすることができる。ＩＮＣＯ７１８だけでなく、この方法を使用して様々な金属を施工することができる。プラズマスプレーのような他の金属溶射法も利用することができる。代表的なプロセスには、図９に示すような状態を達成するために、補修される部品の目標領域にてノズルを通じて溶融金属をスプレーし、シールワイヤ溝９４内に材料を肉盛りするステップが含まれる。ＨＶＯＦ法は、より少量の空隙部を示すことが分かっており、他の何らかの可能性のあるプロセスよりも所望の仕上げ輪郭に機械加工するのが容易である。ＨＶＯＦ法はまた、補修領域の母材温度を溶解又は融点未満に保持するので、最少量の母材損傷（即ち、除去輪郭１０２又はそれ以下のディスク輪郭に対する）となることも分かっている。一般的な溶接法のような他の特定のプロセスでは、金属粒状構造を変えるか又は微細亀裂を引き起こす可能性がある温度まで当該領域を加熱する可能性がある。

図１０は、図９の新しい補修材料１０４’が、機械加工などにより適正な仕上げ輪郭１０５の形状にされた後のディスク９８の図９と同様の図である。新しい仕上げ輪郭１０５は一般的に、図７及び図８に示したオリジナルの製造時の輪郭１０３と同じか又は実質的に同様となる。しかしながら、特定の状況下では、新しい輪郭１０５は、特に異なる幾何形状を有する交換シールワイヤ９６が使用されることになった場合には、異なる可能性がある。このような状況では、シールワイヤ溝９４の円周部の残りの部分は、新しい輪郭１０５に適合するように機械加工することができるか、或いは機械加工することができない。

仕上げ輪郭１０５を生成するための新しく付加された補修材料の材料除去又は成形は、のこぎり刃又は研磨ディスクのような回転ツールによる機械加工などの機械的手段によって、又は化学的又は電気機械加工法などの他の手段によって達成することができ、またワンパスで又は複数のステップ又は段階で行うことができる。適切な輪郭を備えたツールを使用することができ、或いは適正な輪郭を形成するように制御される汎用の輪郭を備えたツールを使用することもできる。

上述のステップは、溝の周りの異なる環状位置で複数回繰り返すことができ、同時に又は順次的に実施することができる。

この説明のほとんどはこの補修についての状況として航空機ガスタービンエンジンに焦点を当てたが、このような方法は、ワイヤ式シールが相補形溝と共に使用され且つ再生が必要とされる他の環境、例えば、蒸気タービン又は他のターボ機械などで使用するのに好適とすることができることは予期される。

種々の特定の実施形態について本発明を説明してきたが、請求項の技術的思想及び範囲内にある修正により本発明を実施することができる点は、当業者であれば理解されるであろう。

１０ ガスタービンエンジン組立体
１１ 長手方向軸線
１１ 第１のロータシャフト
１２ ファン組立体
１３ コアガスタービンエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタ
２２ 第２のロータシャフト
２４ ファンブレード
２５ 流線型スピナー
２６ ロータディスク
２８ 吸気側
３０ 排気側
３２ 多段ブースタ圧縮機
３２ ブースタ
３４ スプリッタ
３６ シュラウド
４０ バイパスダクト
５０ 空気流の第１の部分
５２ 空気流の第２の部分
６０ ファンフレーム組立体
７０ 出口ガイドベーン
９０ 圧縮機スプール
９１ 圧縮機ブレード
９２ 翼形部
９３ ダブテール
９４ シールワイヤ溝
９５ プラットフォーム
９６ シールワイヤ
９７ ダブテール溝
９８ ディスク部分
９９ ショルダー部
Ａ 寸法
Ｂ 寸法
１００ 端部
１０１ 摩耗ゾーン
１０２ 新しい輪郭
１０３ オリジナル輪郭
１０４ 端部
１０４’新しい補修材料
１０５ 新しい仕上げ輪郭

Claims (16)

1. ガスタービンエンジン圧縮機ディスクにおいて、外側表面及び前記外側表面より圧縮機ディスクのショルダー部から離れた内側表面を有する環状構造を形成し、且つ新品時にオリジナル輪郭を定めるシールワイヤ溝を補修する方法であって、
   前記溝のオリジナル輪郭の環状ではなくなった部分を取り除いて、前記内側表面及び外側表面の少なくとも一方の損傷部分を取り除き、これによって空隙部を形成するステップと、
   金属溶射法により前記空隙部に新しい材料を付加するステップと、
   前記新しい材料を成形して、前記溝の縁部分を含む前記外側表面および前記内側表面のうちの少なくとも一方の新しい輪郭を形成するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記新しい輪郭が、前記オリジナル輪郭と実質的に同じである、請求項１に記載の方法。
3. 前記新しい材料が、前記空隙部の体積を超えて付加される、請求項１に記載の方法。
4. 前記ステップが、前記溝の周りの様々な環状位置で複数回繰り返される、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記金属溶射法が、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）法である、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記取り除くステップが、機械加工によって行われる、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記成形ステップが、機械加工によって行われる、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記溝の内側表面及び外側表面が、金属材料で形成される、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記成形ステップが、輪郭形成機械加工ツールを使用して行われる、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 前記取り除くステップが、前記環状ではなくなった部分において少なくとも２つの端部を形成する、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記取り除くステップが、前記溝の３箇所の環状ではなくなった部分を取り除く、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記溝が、ほぼ矩形断面のシールワイヤを受け入れるように構成される、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記成形ステップの後に少なくとも１つのシールワイヤを設置する前記ステップを更に含む、請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記空隙部が、局部的補修領域を定める、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記成形ステップが、ワンパスで行われる、請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
16. ガスタービンエンジン圧縮機ディスクにおいて、外側表面及び前記外側表面より圧縮機ディスクのショルダー部から離れた内側表面を有する環状構造を形成し、且つ新品時にほぼ矩形断面のシールワイヤ受け入れるように構成されたオリジナル輪郭を定めるシールワイヤ溝を補修する方法であって、
    機械加工により前記溝のオリジナル輪郭の環状ではなくなった部分を取り除いて、前記内側表面及び外側表面の少なくとも一方の損傷部分を取り除き、これによって局部補修領域を定める空隙部を形成するステップと、
    高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）法により前記空隙部に新しい材料を付加するステップと、
    機械加工により前記新しい材料を成形して、前記オリジナル輪郭と実質的に同じである、前記溝の縁部分を含む前記外側表面および前記内側表面のうちの少なくとも一方の新しい輪郭を形成するステップと、
    を含む、方法。