JP2005201242A - ガスタービンロータブレードを修理する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本出願は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンロータブレードを修理するための方法に関する。
【解決手段】 第１のブレード側壁（７０）及びブレード第２の側壁（７２）により定められた輪郭を有するガスタービンエンジンロータブレード（５０）の一部分（９０）を交換するための方法。本方法は、第１の側壁と第２の側壁との間でブレードの前縁（７４）からブレードの後縁（７６）まで切れ目（１１０）が延びるようにロータブレードを切断する段階と、切れ目の半径方向外側にあるロータブレードの一部分を除去する段階と、新しく形成されるロータブレード（１５０）が所定の空気力学的輪郭を備えて形成されるように交換ブレード部分（１２０）を残りのブレード部分（９８）に結合する段階とを含む。
【選択図】 図４

Description

本出願は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンロータブレードを修理するための方法に関する。

少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機を含み、圧縮された空気は燃料と混合されて燃焼器に流れ、そこで混合物が燃焼室内部で点火されて高温の燃焼ガスを発生する。高温燃焼ガスは、下流のタービンに流れ、該タービンは燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機に動力を供給すると共に、飛行中の航空機を推進させ、又は発電機などの負荷に動力を供給する。

公知の圧縮機は、少なくとも1列の円周方向に間隔を置いて配置されたロータブレードを備えるロータ組立体を含む。各ロータブレードは、前縁及び後縁で互いに接合された正圧側面及び負圧側面を備える翼形部を含む。各翼形部は、ロータブレードプラットホームから半径方向外向きに延びる。各ロータブレードは、また、プラットホームに結合されたシャンクから半径方向内向きに延びるダブテールを含む。該ダブテールを用いてロータ組立体内部のロータブレードをロータディスクすなわちスプールに装着する。少なくとも一部の公知の圧縮機では、ロータブレードは、ロータディスクすなわちスプールと一体的に形成される。
特開２００３−２０１８５９号公報 特表２００１−５０７０８２号公報

運転中、ブレードの前縁及び後縁、及び／又は圧縮機ブレードの先端は、限定ではないが、異物損傷（ＦＯＤ）、先端摩擦、酸化、熱疲労亀裂、又は流動するガス流内の研摩剤及び腐食剤により生じる腐食を含む、多くの損傷モードのいずれかに起因して劣化又は損傷を受ける恐れがある。このような運転上の影響の軽減を助長するために、ブレードは、損傷に関して定期的に点検されて、損傷及び／又は劣化の大きさの判定がなされる。ブレードがかなりの量の材料を失った場合には、ブレードは交換される。ブレードが僅かな量の材料を失った場合には、ブレードは修理せずに現用に戻すことができる。或いは、ブレードが材料を中程度に失った場合には、ブレードを修理することも可能である。

例えば、タービン圧縮機ブレードを修理する少なくとも1つの公知の方法は、摩耗及び／又は損傷した先端領域を研削などによって機械的に除去する段階と、次いで先端に材料被着物を添加して所要の寸法に先端を形成する段階を含む。材料被着物は、溶接及び／又は溶射を含む幾つかの処理により形成することができる。更に、特殊な工具も用いて圧縮機ブレードの元の部分と圧縮機ブレードの添加した部分との間に正確な寸法関係を達成する。このように、圧縮機ブレードの一部分を交換することは、時間が掛かり且つ高価な処理になる可能性がある。更に、より複雑な翼形部形状、例えば、三次元空気力学的構成により、修理されたブレードを溶接してブレンディングすることが難しくなり、従って結果として修理コストが増大することになる。

１つの態様では、ブレードの第１の側壁及びブレードの第２の側壁により定められる輪郭を有するガスタービンエンジンロータブレードの一部分を交換するための方法が提供される。この方法は、第１の側壁と第２の側壁との間でブレードの前縁からブレードの後縁に切れ目が延びるようにロータブレードを切断する段階と、切れ目の半径方向外側にあるロータブレードの一部分を除去する段階と、新たに形成されるロータブレードが所定の空気力学的輪郭を備えて形成されるように交換ブレード部分を残りのブレード部分に結合する段階とを含む。

別の形態では、前縁、後縁、第１の側壁、及び第２の側壁を含み、且つ第１の側壁及び第２の側壁により定められる輪郭を有するガスタービンエンジンロータブレードの一部分を交換する方法が提供される。この方法は、ロータブレードをガスタービンエンジンから切り離す段階と、第１の側壁と第２の側壁との間で前縁から後縁に切れ目が延びるようにロータブレードを切断する段階と、切れ目の半径方向外側のロータブレードの一部分を除去する段階と、交換ブレード部分を残りのブレード部分に結合する段階と、新たに形成されるロータブレードが所定の空気力学的輪郭を備えて形成されるように該交換ブレード部分を輪郭形成する段階とを含む。

更に別の態様では、前縁、後縁、第１の側壁及び第２の側壁を含み、且つ第１の側壁及び第２の側壁により定められた輪郭を有するガスタービンエンジンロータブレードの一部分を交換する方法が提供される。この方法は、圧縮機ロータブレードをガスタービンエンジンから切り離す段階と、第１の側壁と第２の側壁との間で前縁から後縁に切れ目が延びるようにロータブレードの一部分を切断する段階と、切れ目の半径方向外側のロータブレードの一部分を除去する段階と、交換ブレード部分を圧縮機ロータブレードの残りの部分に溶接する段階と、新たに形成された圧縮機ロータブレードが元の圧縮機ロータブレードの輪郭を実質的に反映する輪郭を有するように交換ブレード部分を輪郭形成する段階とを含む。

図１は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８、低圧タービン２０、及びブースター２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４のアレイを含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナチ所在のＧｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＧＥ９０である。別の実施形態では、エンジン１０は、低圧圧縮機を含む。ファン組立体１２及びタービン２０は、第１のロータシャフト３１によって結合され、圧縮機１４及びタービン１８は、第２のロータシャフト３２によって結合される。

運転中、空気は、ファン組立体１２を通って流れ、圧縮された空気は、ブースター２２を通って高圧圧縮機１４に供給される。高度に圧縮された空気は、燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流（図１には示さず）が、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０がシャフト３１によってファン組立体１２を駆動する。

図２は、（図１に示す）ガスタービンエンジン１０に用いることができる例示的なロータブレード５０の拡大斜視図である。図３は、（図１に示す）ガスタービンエンジン１０から除去することができる損傷したロータブレード５０の拡大斜視図である。図４は、本明細書で説明する方法を用いて修理されたブレード５０の拡大斜視図である。単一のロータブレード５０だけが示されているが、タービンエンジン１０は複数のロータブレード５０を含むことを理解されたい。各ロータブレード５０は、翼形部６０、プラットホーム６２、シャンク６４、及びダブテール６６を含む。

各翼形部６０は、第１の側壁７０及び第２の側壁７２を含む。第１の側壁７０は、凸面形の翼形部７０の負圧側面を形成し、第２の側壁７２は、凹面形の翼形部６０の正圧側面を形成する。側壁７０及び７２は、翼形部６０の前縁７４と軸方向に間隔を置いて配置された後縁７６とにおいて結合される。より具体的には、翼形部後縁７６は、翼弦方向で且つ翼形部前縁７４から下流側に間隔を置いて配置される。

第１及び第２の側壁７０及び７２は、それぞれ、プラットホーム６２に隣接して配置されたブレード根元７８からスパンにわたり長手方向又は半径方向外向きに翼形部先端８０まで延びる。翼形部先端８０は、内部冷却チャンバ８２の半径方向外側境界を定める。冷却チャンバ８２が、側壁７０と７２との間の翼形部６０内部で境界付けられ、プラットホーム６２を通り、シャンク６４を通ってダブテール６６に延びる。より具体的には、翼形部６０は、内部表面８３及び外部表面８４を含み、冷却チャンバ８２は、翼形部内部表面８３により定められる。

プラットホーム６２は、翼形部６０とシャンク６４との間で延びて、各翼形部６０は、各それぞれのプラットホーム６２から半径方向外向きに延びるようになる。シャンク６４は、プラットホーム６２から半径方向内向きにダブテール６６まで延びる。ダブテール６６は、シャンク６４から半径方向内向きに延びて、ロータブレード５０をロータディスク２６に固定するのを助長する。

ロータブレード５０の劣化及び／又は損傷した領域８６は、除去して本明細書で説明する方法を用いて交換することができる。より具体的には、前縁７４、後縁７６及び翼形部先端８０を含む翼形部６０の劣化及び／又は損傷した領域８６は、除去して本明細書で説明する方法を用いて交換することができる。ロータブレード５０がロータブレード５０の少なくとも１つの損傷した及び／又は劣化した部分８６を含むことをエンジン１０などのエンジンが示す場合には、該部分８６をエンジン１０から除去して本明細書で説明する方法を用いて修理される。

より具体的には、図３に示すように、この例示的な修理方法は、翼形部６０の上部損傷部分９０を機械加工又は切断段階を含む。１つの実施形態では、損傷部分９０は、損傷部分９０の上部表面９４から下部表面９６まで測定した半径方向高さ９２を含む。高さ９２を求めた後、ブレード５０は、損傷部分９０が翼形部６０の保持される部分、すなわち残りの部分９８から分離されるように機械加工又は切断される。より具体的には、線１１０で示される切断が、翼形部６０を貫通して行われ、切断１１０が前縁７４から後縁７６に、且つ第１の側壁７０から第２の側壁７２に延びるようにする。別の実施形態では、損傷部分９０は、切れ目１１０の半径方向外向きに翼形部先端８０まで延びるものとして定められる。次に、切れ目１１０の半径方向外向きに延びる翼形部６０の任意の部分が、損傷部分９０として定められて除去され、本明細書で説明する方法を用いて損傷していない上部部分（図示せず）と交換される。

図４は、本明細書で説明される方法を用いて修理されたロータブレード５０の拡大斜視図である。翼形部６０の損傷部分９０が保持部分９８から分離された後、交換部分１２０が部分９８に結合される。交換ブレード部分１２０は、除去した損傷部分９０の高さ９２にほぼ等しい高さ１２２を有する。より具体的には、例示的な実施形態では、部分１２０が保持部分９８に結合される。より具体的には、部分１２０は保持部分９８に抵抗溶接されて、部分１２０と保持部分９８を接合するのに用いられる材料１２６が保持部分９８及び部分１２０から得られるようにする。１つの実施形態では、損傷していない上部部分１２０は、対向する側壁７０及び７２により定められ、損傷した上部部分９０の輪郭に実質的に等しい所定のブレード輪郭を有するので、損傷していない上部部分１２０が保持される下部部分９８に結合されると、修理された翼形部６０は、元の輪郭と実質的に等しい輪郭を有するようになる。別の実施形態では、損傷していない上部部分１２０は、保持される下部部分９８に結合されて、修理された翼形部６０が元の輪郭から改善された所定の輪郭を有するようになる。より具体的には、損傷していない部分１２０は、改善された空気力学的形状を与える所定の輪郭を有するので、修理されたブレードは元のブレードと比較して空気力学的に向上した性能を有するようになる。具体的には、溶接材料１２６は、前縁７４から後縁７６まで且つ第１の側壁７０から第２の側壁まで線１１０に沿って形成される。例示的な実施形態では、溶接材料１２６は、ニッケル合金及びチタン合金のうちの少なくとも１つを含む。次いで、溶接材料１２６は機械加工されて所望の仕上り寸法が得られる。溶接材料１２６の機械加工には、溶接した交換部分を粗ブレンディングして最終ブレンディングする段階を含み、修理された圧縮機ロータブレード１５０は、損傷した圧縮機ロータブレード５０の輪郭が実質的に反映された輪郭を有するようになる。

１つの実施形態では、交換先端部１２０と保持された部分９８との間の接合部１５２が、簡単な幾何形状とすることができる場所に構成されて配置され、次いで高収率自動化処理を用いて溶接することができる。更に、損傷していない部分１２０は、損傷部分９０に類似の材料から作ることができ、これにより更に密接に適合するようになり、すなわち、鍛造物と鋳造物である。この例示的な実施形態では、本明細書で説明する方法は、限定ではないが、ニッケル基合金、チタン基合金、及び鉄基合金（すなわちＡ２８６）などの一般的なブレード合金を溶接するよう適合させることができる。更に、本明細書で説明する方法は、優れた溶接特性が得られ、他の公知の圧縮機ブレード修理方法と比較して歪みを低減すると共に翼形部形状及び配向の調整の改善を促進する。更に、他の公知の方法は多パス溶接材料肉盛りを必要とするので、単一の溶接接合部は溶接欠陥を低減するのに役立つ。従って、本明細書で説明される抵抗プロジェクション溶接法を用いて蛍光探傷検査又はＸ線に対する面積がより小さくなる。

本明細書で説明される修理方法は、圧縮機ブレードに関連して説明されているが、本明細書で説明される方法は、タービンロータブレード、出力タービンロータブレード、低圧圧縮機ロータブレード、及びファンロータブレードにも同様に適用される点を理解されたい。この修理方法は、これらの構成によりステータ翼形部の損傷部分を除去することが可能である場合には、ファン、圧縮機、又はタービンステータを修理するのにも用いることができる。

上述の翼形部修理方法により、その前縁及び／又は後縁に沿って延び、及び／又はその翼形部先端に沿って延びる損傷及び／又は劣化を有する翼形部を対費用効果が良く信頼性のある方法で修理することが可能になる。より具体的には、上述の翼形部修理方法は、損傷及び／又は劣化したブレードを元の寸法に回復するのを助長する。従って、説明される方法を用いて、ブレードの上端部全体が除去される。元のブレード輪郭と同じ輪郭を有するブレードの部分が、ブレードの復旧される部分に溶接され復元される。本明細書で説明する修理方法は、公知の方法に勝る複数の利点がある。具体的には、タービンブレード全体を除去して交換するのと比較して節減を向上させるか、或いはブレード先端に溶接充填金属を添加して先端を所望の寸法にまで増大させるよう助長する修理処理を用いて、タービン１０は使用に復帰する。

ブレード修理方法の例示的な実施形態が上に詳述されている。修理方法は、本明細書で説明する特定の実施形態に限定されず、むしろ、各修理方法の構成部品及び態様は、本明細書で説明する他の修理方法から独立して個別に実行及び利用することができる。そのうえ、上述の修理方法はまた、他の修理方法及び他のロータブレード又はステータ構成部品と組み合わせて用いることもできる。具体的には、上述の修理方法はまた、ブレード付きディスク、すなわち、ブリスク、一体化ディスク、及び単一の構成部品のブレードを修理するのにも用いることができる。

種々の特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は、請求項の技術的範囲内の変形形態で実施可能であることは当業者であれば理解するであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンに使用することができる例示的なロータブレードの拡大斜視図。 図１に示すガスタービンエンジンから除去された損傷したロータブレードの拡大斜視図。 本明細書に説明した方法を用いて修理された、図３に示すロータブレードの拡大斜視図。

符号の説明

６０ 翼形部
６２ プラットホーム
６４ シャンク
６６ ダブテール
７０ 翼形部の第１の側壁
７２ 翼形部の第２の側壁
７４ 翼形部前縁
７６ 翼形部後縁
７８ ブレード根元
８０ 翼形部先端
８２ 冷却チャンバ
８３ 翼形部内部表面
８４ 翼形部外部表面
９８ 翼形部の残りの部分
１１０ 翼形部の切れ目
１２０ 交換ブレード部分
１２６ 溶接材料
１５０ 修理された圧縮機ロータブレード
１５２ 接合部

Claims (10)

1. 第１のブレード側壁（７０）及びブレード第２の側壁（７２）により定められる輪郭を有するガスタービンエンジンロータブレード（５０）の一部分（９０）を交換する方法であって、
   前記第１の側壁と前記第２の側壁との間で前記ブレードの前縁（７４）から前記ブレードの後縁（７６）まで切れ目（１１０）が延びるように前記ロータブレードを切断する段階と、
   前記切れ目の半径方向外側にある前記ロータブレードの一部分を除去する段階と、
   新たに形成されるロータブレード（１５０）が所定の空気力学的輪郭を備えて形成されるように交換ブレード部分（１２０）を残りのブレード部分（９８）に結合する段階と、
   を含む方法。
2. 交換ブレード部分（１２０）を結合する段階が、前記交換ブレード部分を前記残りのブレード（９８）に溶接する段階を更に含む請求項１記載の方法。
3. 新たに形成されるロータブレード（１５０）が、前記元のブレード外形の輪郭を実質的に反映する輪郭を有するように前記溶接部を機械加工する段階を更に含む請求項２記載の方法。
4. 前記交換ブレード部分（１２０）を前記残りのブレード部分（９８）に自動的に溶接する段階を更に含む請求項２記載の方法。
5. 交換ブレード部分（１２０）を結合する段階が、前記元のロータブレード（５０）を作るのに用いられた同じ材料から作られている前記残りのブレード部分（９８）に結合する段階を更に含む請求項１記載の方法。
6. 前記ロータブレード（５０）を切断する段階が、圧縮機ロータブレード及びタービンロータブレードのうちの少なくとも１つを切断する段階を含む請求項１記載の方法。
7. 交換ブレード部分（１２０）を残りのブレード部分（９８）に結合する段階が更に、前記切れ目（１１０）に沿って延びる単一の溶接接合部（１５２）を用いて前記交換ブレード部分を前記残りのブレード部分に結合する段階を含む請求項１記載の方法。
8. 前縁（７４）、後縁（７６）、第１の側壁（７０）、及び第２の側壁（７２）を含み且つ前記第１の側壁及び第２の側壁により定められる輪郭を有するガスタービンエンジンロータブレード（５０）の一部分を交換する方法であって、
   前記ガスタービンエンジン（１０）から前記ロータブレードを切り離す段階と、
   前記第１の側壁と前記第２の側壁との間で前記前縁から前記後縁に切れ目（１１０）が延びるように前記ロータブレードを切断する段階と、
   前記切れ目の半径方向外側の前記ロータブレード（９０）の一部分を除去する段階と、
   交換ブレード部分（１２０）を前記残りのブレード部分に結合する段階と、
   新たに形成されるロータブレード（１５０）が所定の空気力学的輪郭を備えて形成されるように前記交換ブレード部分を輪郭形成する段階と、
   を含む方法。
9. 交換ブレード部分（１２０）を結合する段階が更に、前記交換ブレード部分を前記残りのブレード部分（９８）に溶接する段階を含む請求項８記載の方法。
10. 交換ブレード部分（１２０）を結合する段階が更に、前記交換ブレード部分を前記残りのブレード部分（９８）に自動的に溶接する段階を含む請求項９記載の方法。

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