JPS60500756A - ガスタ−ビンエンジンの燃焼器部品を矯正する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービンエンジンの燃焼器部品を矯正する方法技術分野 本発明はガスタービンエンジン用の金属製燃焼器の部品の熱間形成に係り、更に 詳細には、使用部品と再生部品との正しい寸法法めに係る。

発明の背景 航空機に於て用いられる近年のガスタービンエンジンは技術的に非常に複雑な機 械である。高度技術は特に、高温下で運転されるエンジンの部分に於て採用され ている。かかる部品は材料の劣化を引き起こす高温や腐蝕や熱疲労に曝されるの みならず、航空機内で用いられるということに応じてできる限り軽量に設計され なければならない。近年のガスタービンエンジン内の諸部品の多くは長い寿命を 有しているが、長期間の使用によるある程度の劣化は避けられない。これらの部 品は高度技術によって形成されているため、その値段が幾分高いので、でき得る 限り部品を修理若しくは再加工することが強く望まれている。

上述のように修理を要する部品の一つに、エンジンの燃焼器ライナがある。燃焼 器若しくはバーナはエンジンの一部であり、空気が圧縮空気と混合されて燃焼が 起こる場所である。図面に示されている燃焼器ライナは、内壁と外壁とを有する 環状構造物であり、燃料の噴射ノズルが延在する一つの端部に於て閉じ、ており 、燃焼による高温生成物がエンジンのタービン部分へ送込まれる他の一つの端部 に於て開いている。大型のガスタービンエンジンに於ては、このライナの外径は ３ｍで、内径はおよそ０．５８ｍで、長さはおよそ０．４３ｍ程度であろう。一 般に、ライナはハステロイＸといったニッケル鍛造超合金から作られており、約 １．１４３１１１Ｒ１の平均厚さを有している。以上のことから、この構造物は 大きさからすると比較的軽量であることが叩解されよう。使用時に於ては、時々 熱疲労き裂が発生し、更に一般的には構造物のそりや歪みが生ずる。

しかしながら従来技術に於ける矯正操作に於ては、使用によって生ずる歪み或い は溶接によって生ずる歪みが相当大ぎいという問題があった。このことはライナ の一部分を１／２インチ（１２、７’ｍｍ）にもわたって変形させて修正しなけ ればならないという必要梯を提供した。また、矯正機具の部分が固定されている のに拘らず、溶接後の燃焼器ライナは固定台によって決めらだ要求される寸法に 一致しないということが共通して観察された。これに対してこれまでに取られて きた主な方法は、構造物を冷間加工して要求されるに寸法にまで変形させてやる ことであった。しかし、ライナが複雑な構造物である故、このことはそう簡単に は達成されなかった。構造物の矯正部から隔れた位置に延在する部分の二次的な 歪みによって必要な寸法が得られなかったり、構造物の多くの部分にき裂が発生 したりした。

ハステロイＸは一般に冷間加工され得る材料と考えられているが、構造物の複雑 さと恐らく長期間に亙る使用による、材料の性質の変化とによって、当初よりも き裂が発生し易くなっているように思われる。このことから構造物を熱間加工す るということが浮かび上がってくる。しかし構造物の物理的な大きさと引き延ば しに用いられる機具が耐熱性を有している必要があるということを＃慮すると、 熱間加工も実行不可能であるようにも思われる。

発明の開示 本発明の目的は、特定のガスタービンエンジン用の環状燃焼器ライナを変形させ ることによって寸法を修正する手段を提供することである。本発明の他の一つの 目的は、燃料支持部分を溶接によって交換することを含みしかも終了時には構造 物が要求される寸法を有しているような、燃焼器ライナの矯正方法を提供するこ とである。

本発明によれば、ハステロイＸといった耐熱合金を材料とするガスタービンエン ジン用のライナの二つの環状の帯領域が選択的に加熱され、加熱されながらライ ナは、ライナと一体に形成された支持リングが半径方向外向きに移動ずべく、す 早く変形させられる。本発明が係る特定のライナは、円筒状の壁部とそれに取付 けられた半径方向に延在するフランジ部とから成る形状を有している。フランジ 部には複数の環状の支持リングが取付けられている。本発明の目的は、それらの 支持リングを正しい位置へ移動してやることである。

本発明の実施例に於ては、環状壁がフランジ部に近接する領域に延在する帯部と 、７リング部の半径方向への延長線上、即ち支持リングの環の半径方向反対側に 延在する帯部とが加熱される。ただ一つの領域のみが加熱されると、良好な結果 が得られず座屈やき裂の発生が生ずる。ハステロイＸから成るライナを有する本 発明の実施例に於ては、帯領域は比較的短時間内に約９８０℃まで加熱される。

このことにより、支持リングやライナの他の領域が６５０℃以上の瀉麿まで加熱 されることが避けられる。また、固定台の一部分が加熱されることも避けられる 。加熱には二つの同心の輪から成る誘導コイルによる誘導加熱が採用され、各々 の輪が前述の帯部のそれぞれに近接して取付けられることが望ましい。

本発明の他の一つの実施例に於７ては、支持リングが新しい支持リングと交換さ れ、改善された方法が開発された。

古い支持リングが取外される前に、前述の矯正操作が実行される。しかし、支持 リングは終了時の構造物に於て要求される位置よりも半径方向外側にまで移動さ せられる。その後、支持リングは取外され、新しい支持リングが従来技術の固定 方法によって所定位置に溶接される。新しい支持リングが取付けられライナが固 定台から取外された後、支持リングの位置は古いリングが移動した軌跡に沿って 逆向きに移動し、最終的な製品に於て要求される最終位置にまで達するというこ とが見出された。

本発明は、以前には廃棄されていたような古い部品を修復することを可能にする という利点を有している。このことは、著しい経済的利益を生み、不必要な浪費 の回避を提供する。再生された燃焼器ライナに於て精度の良い寸法が達成される と、ガスタービンエンジンの最適性能が達成される。

以下に添付の図参照しつつ、本発明を実施例について詳細に説明する。

図面の簡単な説明 第１図は、固定台内に加熱コイルと共に取付けられている環状燃焼器ライナの一 部分を示している。

第２図は、第１図に示されている燃焼器ライナ部分の断面図であり、燃焼器組立 体の他の部品も−・点鎖線で示されている。

第３図は、第１図に示されている燃焼器ライナと装置との部分断面図であり、ラ イナがどのよ・うに固定台に取付けられているかを示している。

第４図は、第１図に於てライナ部品の内側にほとんど隠されている装置の部分図 であり、この装置はライナの部分を半径方向外向きに移動させるために用いられ る。

発明を実施するための最良の形態 以下に、ブラット・アンド・ホイットニ・エアクラフト社のＪＴ９Ｄ　−５９／ ７０型或いはＪＴ９Ｄ−５９／７Ｑ型ガスタービンエンジンの燃焼器ライナに於 ける本発明の適用例に関して説明する。このライナは二つの部分から成っており 、鍛造された非硬化性の合金であるハステロイ×（重量比、Ｃｒ２２、ＣＯｌ、 ５、Ｇｏ、１０．Ｆｅ１８５、Ｍｏ９、Ｗｏ、６、その他Ｎｉ）によって作られ ている。このライナは、重なり合う多数の環状の部品が互いに連結されていると いう点と、冷却空気がライナの外側ボアからチャンバ内へ流入することを可能と する多数の貫通孔が上記の環状部品に形成されているという点とに於て典型的な 環状ライナである。本発明は、例えば米国特許Ｍ３゜９７８．６６２号、同第４ ，０５０，２４１号、同第３゜９９５．４２２号、同第４，０７７．２０５号、 やディアバ−・ガによる米国特許出願用４４０．６７５号等に記載されているよ うな、上述のライナに類似した特徴を有する燃焼器ライナに対しても適用され得 ７る。

典型的な環状ライナは、中心軸の周りに共心的に配置された連続的な環状内壁と 環状外壁（シュラウドとも呼ばれる）とによって構成されている。この中心軸は 使用時に於てはガスタービンエンジンの軸と一致する。内壁及び外壁は一端に於 てバルクヘッド若しくはドームとして知られている部分（以下に於てノランジ部 と呼ぶことにする）によって連結されている。バルクヘッドは一般に、一方の壁 （外壁）に取付けられ、もう一方の壁（内壁）とは取外されることが可能である ように連結されている。このことは燃焼器の製造と再生とを容易にしている。ふ ちどりが施されたバルクヘッドには、燃料ノズルを受けるより重いリング状の部 品が取付けられている。通常燃料ノズルは、燃料と少量の渦巻く空気を内壁及び 外壁とバルクヘッドとによって郭定される燃焼室の中へ供給するために採用され ている。

第１図には、本発明に用いられる装置の一部分と共に燃焼器ライナの外側部分２ ０（壁及び取付けられたバルクヘッド）が示されている。第２図はライナの断面 図であり、燃焼器組立体の他の部分は一点鎖線で示されている。明確さを保つた めに、各部品にあけられた小さい直径を有する孔のほとんどは、この断面図及び 本実施例の他の図面に於て省略されている。

第１図及び第２図を参照して、本発明に於ける外側部分２０の改良に関して説明 する。全体のライナは、中心軸２６の周囲に延在する円筒状の外壁２４と一点鎖 線で示された円筒状の内壁２８とによって構成されている。それらは共に、溶接 によって連結された環状の部品２２によって作られている。

外壁２４にはバルクヘッド若しくはフランジ様の部品３０が取付けられており、 この部品３ｏは中心軸２６へ向かって概して半径方向内向きに（中心軸に対する 傾斜角度Ａが７３度であるように）延在している。内壁部品２８は、バルクヘッ ド３０の舌若しくはボス３２と機械的に噛合っている。バルクヘッド３０の周囲 には、複数の支持リング３４が円周方向に隔置されており、所定の位置に溶接さ れている。燃焼器がガスタービンエンジン内で用いられる時、各々の支持リング は燃料ノズル３６（一点鎖線で示されている）を受ける。以下に於て説明される 過程の間、燃料ノズルと内側ライナとは登場しない。バルクヘッドが外壁ではな く内壁に固定されることが可能であり、その場合にも本発明が修理の際に同様に 有効であるということは明らかであろう。

第２図に於て、燃焼器ライナは多数の寸法標点を有している。それらは、外径Ｏ Ｄや内径ＩＤやボス３２と取イ１け柄３４Ｂとの間の軸方向距離、等である。こ れらの寸法のうち本発明が特に係っているのは、支持リング３４の適圧位置を決 める径ＳＲＤである。本発明はまた、各々の支持リング３４の面３６の中心軸２ ６に対する傾斜角度Ａを正しく得ることに係っている。一般に、使用後の燃焼器 ライナに於ける支持リング位置径ＳＲＤは、前記ライナが新品であるときの径Ｓ ＲＤよりも小さく、また４生工程に於て必要とされる径ＳＲＤよりも小さい。ま た一般に、占い女持リングはそれらが溶接されている周辺接点３８で切断されて 、新しい支持リングが挿入される。この交換作業の際に支持リングはライナの部 品３０と２４とに固定される。

ＧＴＡＷ溶接の後、溶接物は固定台から取除かれる。この固定台が高い精度を有 しているにも拘らず、径ＳＲＤがしばしば要求値よりも小さくなってしまうこと を我々は発見した。このことが矯正の必要性を提供したのである。

しかしながら全体の燃焼器ライナ組立体の形状は空気力及び燃焼を考慮に入れた 綿密な計算によって決められたものであって単純ではなく、従って不要な変形を 引起こした構造力学的要因は容易には理解されない。実際問題は、支持リングを 交換し、使用時或いは修理時に生じた歪みを無くすことである。しばしば径ＳＲ Ｄは７．５ｍｍといった大幅な増加を要する。しかしながら、径を増大させるた めに例えばすべての支持リングを同時に外向きに移動させてやるというような様 々な方法が試みられたところ、燃焼器ライナは歪められるか、工学的立場から溶 接補修も実行不可能であるような破壊を起こしてしまった。

本発明の原理が第１図と第３図と第４図とに図示されている。本発明に於ては、 ライナ部分２０のある局部的な部位が約９８０℃にまで注意深く加熱され、その 条件下に於て、複数の支持リングがある位置まで半径方向外向きに移動される。

このとき、燃焼器ライナ部分は固定台（第４図に断片的に示されている）に取付 けられる。前記固定台は、中央のテーパが付けられたコーン４６が油圧シリンダ ４８の作用によって下向きに移動すると、矢印４４で示されている如く半径方向 外向きに移動する複数のセグメント４２を含んでいる。セグメント４２の外向き の移動量は、コーン４６に取付けられた調節可能のストップナツト５０によって 制御される。ストップナツト５０はセグメント４２の上面５２に当る。約３４イ ンチ（８６３，６ｎ＋ｍ）の支持リング径周りに隔置された２０個の支持リング を有するライナに対して、８個の同一のセグメント４２を有する固定台が用いら れた。このように支持リングの２個若しくはそれ以上の個数の組が組合せられる と、すべての支持物の外向きの移動軌跡がほぼ半径方向に一致することは理解さ れよう。個々のセグメントも同様に移動する。本発明の矯正方法の基本は単純化 であり、経費をいくらか低減させる。

第３図に於て、各々の支持リングはボルト５４及びディスク５６によってセグメ ント４２に留められている。支持物の要求される傾斜角度Ａを提供する斜面を有 する固定台の面５８に対してリング３４がしっかりと固定されるように、ディス ク５６はフランジ部を有している。各々のセグメントは外周上にステップ６０若 しくは他の輪郭線を有し、前記ステップは矯正される燃焼器ライナ部分の外壁２ ４０部品２２の中に受けられる。

誘導加熱コイル６２及び６４が、燃焼器うイナの２個の部分に近接して周状に取 付けられている。これは第１図及び第３図に示されている。内側の］イル６２と 外側のコイル６４とは連結しており、単一の誘導加熱機へ接続された同一の連続 ループの部分である。勿論、並列に（適切なバランスを保ちつつ）接続された別 々のループや別々の加熱機へ接続された２本のループが用いられることも可能で ある。コイルがライナと電気的接触をすることを防ぎ、と同時にできるだけライ ナに近接して延在するように、各々のコイルには、例えばケイ酸アルミナ樹脂と いった繊維材の絶縁被覆６６及び６６′が施されている。燃焼器ライナが固定セ グメントにボルトによって固定されるとき、誘導加熱コイル６２及び６４は、図 示されている位置に於てライナにテープによって緩く留められている。

ライナを矯正すために、コイルに近接して延在する帯領域８８及び９０が、例え ばＴＯＣＣＯ社（オハイオ州クリーブランド）の２Ｃ８１−１型誘導加熱機とい った誘導加熱機が周波数１０．０ＯＯＨｚ　２００Ｖ１１２０ハ、２０ｋＷとい う条件下で用いられることにより、加熱される。

ライナはまず８７０℃まで加熱され、その状態が２分間保たれ、その後温度が９ ２５℃まで上げられその状態で３０秒間保たれ、更にその後温度が９８０℃まで 上げられその状態がおよそ１５〜２０秒間保たれる。温度はライナの選ばれた位 置に接触させられた熱雷体によって監視される。

加熱サイクルに於て温度段階的に変化させられる理由は、均等な加熱を確実に行 うためである。他の加熱サイクルが採用されることも可能である。矯正機具がそ の大きさと経済性との兼ね合いか−ら軟鋼性であり従って高温に耐えられないた めに、ライナが相当迅速に加熱されることが望ましい。９８０℃での短い保持期 間の後、矯正固定台の油圧シリンダ４８が作動させられ、これによって支持リン グが矢印４４で示される如くほんの数秒で半径方向外向きに押される。その後、 誘導コイルへの電流が止められ、ライナが固定台から容易に取外されることが可 能となるようにライナは捕捉的な強制冷却装置による冷却空気によって冷却され る。加熱されたライナの温度が４０＝９０℃に達した後、ライナは固定台から取 外され、矯正工程は終了する。

位置８８と位置９０とに延在する帯部の両方をそれぞれコイル６４と６２によっ て加熱することが必要であることが見出されている。

これらの加熱される領域は、外側円筒状部分２４とフランジ部３０との交わり部 に於ける比較的狭い帯部８８と。

支持リング環の反対側に延在する比較的狭い周辺帯９０とを含んでいる。領域９ ０は環状部分２４から最も遠い位置に於て横方向に延在するバルクヘッドの一部 分に延在している。第３図に於て、一般にバルクヘッドの内側部分に伴う更に別 の随伴構造物３２が図示されている。この構造物も付随的に誘導コイルによって 加熱されるが、本方法の主眼は領域９０にある。

当初、我々はライナの一つの部分、即ち、領域８８のみを加熱することを試みた 。しかしながら、燃焼器ライナの支持リング間の部分が座屈するか或いは破損し たり、さもなくば要求される寸法が得られないということが見出された。本発明 に於ては、内側と外側との両方の部分が加熱されなりればならない。そして図示 されている如（、本発明の手法は、概してバルクヘッド全体を加熱する方法とは 異なっている。これは困難であるが勿論実行可能であった。

しかし、矯正機具への著しい熱伝達が生じることが予想されたために、より長い 時間と高温とが必要と思われた。ライナの他の部分の過熱と撓みとが起こる可能 性もあった。

加熱機を、重要でありしかも固定台に直接密に接触しないような位置に選択的に 配置することによって、迅速な矯正が可能となった。かかる加熱帯から離れたラ イナの部分の温度はほぼ低温に保たれる。支持リングとそれらの間に延在するフ ランジ部３０の部品は目で見た限り非輻射性で、６５０℃以下に保たれている。

各々のディスク５８は、第３図の断面図の面を横切る方向に延在する孔５７を有 している。各々のディスクは、ディスクが浮上しないように十分強く、且ディス クが溝のＡリエンテーションによって許容される横方向、つまり円周方向のすべ り運動を起こさないように十分弱い力によって面５８にボルト留めされている。

このことによって、上述のように支持リングの数よりも少ない固定セグメン１〜 が用いられる場合に、矯正工程の際に支持リング間の間隔が均等に維持されるこ とが可能となる。ディスクに溝が延在しないと、矯正される部品は座屈を起こし やすくなる。

上述の方法が実行される時、支持リングの環は要求される位置に一致するまで動 かされる。固定台はリングが縦方向に動くことを防ぐ。しかしながら、支持リン グ環と関係のない他の寸法が正しく修正されなかったり逆に正しくない方向に変 えられるといったことが起こり得る。従って、他の機械的な矯正操作が行われる 。それらは時として、正しく修正されているＳＲＤ値を再び元の不良値へ戻して しまうであろう。こういう場合には、上述の矯正工程がもう一度、或いは必要と されるだけの回数、繰返して行われる。

しばしば支持リング以外の部品が溶接若しくは他の方法によって修理されなけれ ばならない場合がある。例えば、セグメント２２やセグメント同志を連結してい る溶接部などである。また、支持リング自体の位置とは関係ない部分を引ぎ延ば す操作も行われる。以前我々は、まず支持リングの交換を含むすべての修理を行 い、しかる後に上述の操作を実行していた。しかし我々は、支持リングが交換さ れるといった特別な場合に於て実行されるべき、以下のような改善された方法を 開発した。我々の方法によれば、オイルリングが取外される前に、径ＳＲＤを増 加させるためにセグメントが半径方向外向きに移動させられるとき、径ＳＲＤが 最終的な燃焼器ライナに於て要求される、値よりも大きくなるような位置まで支 持リングが移動される。大きめに取られる経の正しい値との差は経験から決めら れ、上述の燃焼器ライナに対しては一般におよそ０．８９ｍｍである。

上述の方法によってライナがまっすぐにされ第４図に示される引ぎ延ばし固定台 から取外された後、支持リングは切り取られ交換される。固定台に於て行われる この再溶接操作は可動セグメントが用いられないという点を除いて引き延ばし操 作に於て説明された操作と類似である。溶接操作中に生ずる歪みは径ＳＲＤを減 少させ、リングが引き延ばされたときの移動軌跡にほぼ沿って逆向きに（直径方 向に約０．７６〜１．３ｍＩｎ）リングを戻して最終的な製品において要求され る位置疼で移動させるということが見出された。本方法によれば、径ＳＲＤを要 求される値の±０．１３ｎｕｎの範囲に保つことが可能である。

勿論、本発明の他の実施例も本発明の範囲内で考えられ得る。上述の局所的加熱 手段として誘導加熱以外の方法が採用されることも可能である。例えば、レーザ 加熱や放射線加熱である。加えて、実際に観察されろライナの挙動や燃焼器ライ ナに於て用いられ得る他の金属材料の種類に応じて経験的に加熱温度を変えるこ とも可能である。

一般に我々の方法によれば、ハステロイＸはその熱間加工温度領域９８０〜１２ ’００℃の下限である９８０℃まで加熱された。その温度のもとてハステロイＸ の降伏応力は１０３ＭＰａにまで低下しており、この値は室温に於ける降伏応力 の約２５％である。一般に、バーナの材料となる高温合金は、若干の軟化を生じ させるために我々の方法に於けると同様に熱間加工温度領域の下限温度まで加熱 される。しかし、材料の特性や使用可能な固定力の大きさや観察される結果等に 応じて、熱間加工温度領域内のより高い温度が採用されるとも可能である。

以上に於ては、本発明を特定の実施例について詳細に説国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 耐熱合金を材料としガスタービンエンジン内にて使用され得る環状燃焼器ライナ を整形する方法にして、前８己ライナは中心軸周りに延在する概して円筒状の壁 部と、前記円筒状の壁部に取付けられ前記中心軸に対し概して横向きに延在する 環状のフランジ部と、前記フランジ部に取イ寸−られ且燃料ノズル等を受けるこ とに適したイＬを前記フランジ部に郭定づる複数の円周方向に隔置された１ノン グとを有しており、前記ライナの前記壁部が前記フランジ８■に近接する位置に 延在する第一の円周状の帯部と、前占己フランジ部の付近にして前記リングに関 し前記第一の帯部のちょうど反対側に延在する第二の円周状の帯部とを同８青加 熱し、前記帯部が加熱されている間に前記１ノングを最初の位置力＼ら離れた位 置にまで鋳記中心軸に対して概して半径方向に移動させることと、その後前記リ ングを変形後の位置に保ちつつ加熱された前記帯領域を冷却することを含む方法 。