(57)【要約】【課題】中空翼形部の製造方法を提供する。【解決手段】この方法は、正圧面と負圧面の少なくとも一方にポケットを有するスチール製の翼形部プリフォームを形成するステップと、ポケットに対するカバープレートを形成するステップと、カバープレートをポケットに溶接するステップとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼形部の製造方法であって、
正圧面と負圧面の少なくとも一方にポケットを有する翼形部プリフォームを形成するステップと、
ポケットに対するカバープレートを形成するステップと、
カバープレートをポケットに溶接するステップと
を含む方法。
【請求項２】
翼形部プリフォームを形成するステップが、合金を用いて翼形部プリフォームを形成するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
翼形部プリフォームを形成するステップが、正圧面又は負圧面に複数のポケットを備えた翼形部プリフォームを形成するステップを含み、
カバープレートを形成するステップが、複数のポケットのそれぞれに対するカバープレートを形成するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
翼形部プリフォームを形成するステップが、選択された合金の鋳造及び鍛造ビレット材料を用いる通常の鍛造プロセスを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
翼形部プリフォームを形成するステップが、粉末金属と鋳造及び鍛造ビレットの少なくとも一方又は両方を用いるニアネットシェイプ型鍛造を含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
カバープレートを形成するステップが、翼形部プリフォームの寸法と適合する可変の厚さを有するカバープレートを形成するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
カバープレートを形成するステップが、
実質的に一様の厚さを有するカバープレートを形成するステップと、
翼形部プリフォームのプロファイルと一致するカバープレートを機械加工するステップと
を含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
溶接するステップが、レーザ溶接と電子ビーム溶接の少なくとも一方を含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
溶接継手を検査して修繕するステップと、
最適化された溶接後熱処理を実行するステップと
をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
翼形部の製造方法であって、
正圧面又は負圧面に複数のポケットを備えた翼形部プリフォームを形成するステップと、
複数のポケットのそれぞれに対するカバープレートを形成するステップと、
カバープレートのそれぞれを複数のポケットの対応するものに溶接するステップと
を含む方法。
【請求項１１】
翼形部プリフォームを形成するステップが、合金を用いて翼形部プリフォームを形成するステップを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
翼形部プリフォームを形成するステップが、粉末金属と鋳造及び鍛造ビレットの少なくとも一方又は両方を用いるニアネットシェイプ鍛造を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
カバープレートのそれぞれを形成するステップが、翼形部プリフォームの局所的寸法と適合する可変の厚さを有するカバープレートのそれぞれを形成するステップを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
カバープレートのそれぞれを形成するステップが、
実質的に一様の厚さを有するカバープレートのそれぞれを形成するステップと、
翼形部プリフォームの局所的なプロファイルと一致するカバープレートのそれぞれを機械加工するステップと
を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
溶接するステップが、レーザ溶接と電子ビーム溶接の少なくとも一方を含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１６】
溶接継手を検査して修繕するステップと、
溶接後熱処理を実行するステップと
をさらに含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１７】
翼形部であって、
正圧面と負圧面の少なくとも一方に画成されたポケットを有する翼形部本体と、
ポケットをカバーするように構成されたカバープレートと、
カバープレートを翼形部本体に接続するように形成された溶接継手と
を備える翼形部。
【請求項１８】
翼形部本体が合金を含む、請求項１７記載の翼形部。
【請求項１９】
ポケットとカバープレートとが翼形部の半径方向に延長している、請求項１７記載の翼形部。
【請求項２０】
翼形部本体が正圧面と負圧面とに複数のポケットを有するように画成されており、
複数のポケットのそれぞれ対応する１つをカバーするようにそれぞれが構成されている複数のカバープレートと、
複数のカバープレートのそれぞれを、複数のポケットの対応するものに接続するように形成された複数の溶接継手と
をさらに備える、請求項１７記載の翼形部。
【請求項２１】
複数のポケットが格子状に配列されており、複数のポケットの内の隣接するポケットの間に挿入されているリブをさらに備える、請求項２０記載の翼形部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示されている主題は、翼形部に関し、さらに詳しくは、中空翼形部の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス、蒸気、及び水力タービンのための典型的な翼形部は、ルートダブテール部とブレード／バケット部とを備えている。ルートダブテール部は、タービンロータ上の対応ダブテールスロット部に取り付け可能であり、ブレード／バケット部は、ルート部から半径方向に外向きに延長している。したがって、ブレード／バケット部は、タービンの流路を通じて延長可能である。作業流体は、流路に沿って流れ、回転しているブレード／バケット部と空気力学的に相互作用する。
【０００３】
翼形部が半径方向に顕著な長さを有することが要求されるいくつかの応用例では、翼形部は、ロータのダブテールだけでなく翼形部における応力を低下させるために、チタンなど低密度の材料で作られる。しかし、そのような材料を用いると、製造上の困難に加えて、材料コストの高騰を招くことになる。実際、通常よりも長い翼形部部分が要求される高度なタービンでは、たとえ軽量の材料であったとしても、ロータを、非常に高価であるか又は製造が困難となりうる強度がはるかに高い材料での置き換えが必要になることが確実になる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８２５１６６４号
【発明の概要】
【０００５】
本発明のある態様によると、翼形部の製造方法が提供される。この方法は、正圧面又は負圧面にポケットを有する翼形部プリフォームを形成するステップと、ポケットに対するカバープレートを形成するステップと、カバープレートをポケットに溶接するステップとを含む。
【０００６】
本発明の別の態様によると、翼形部の製造方法が提供され、この方法は、正圧面又は負圧面に複数のポケットを有する翼形部プリフォームを形成するステップと、複数のポケットのそれぞれに対するカバープレートを形成するステップと、カバープレートのそれぞれをそれぞれの対応ポケットに溶接するステップとを含む。
【０００７】
本発明の別の態様によると、翼形部が提供され、この翼形部は、正圧面と負圧面の少なくとも一方に画成されたポケットを有する翼形部本体と、ポケットをカバーするように構成されたカバープレートと、カバープレートを翼形部本体に接続するように形成された溶接継手とを含む。
【０００８】
以上の及びそれ以外の効果と特徴とは、図面と共に以下の説明を考察することによって、さらに明らかになるであろう。
【０００９】
本主題は、本発明として見なされるのであるが、本明細書の結論部分に置かれている特許請求の範囲において、特に指摘され、特徴的に特許請求されている。本発明の上述した及びそれ以外の特徴と利点とは、次に述べる添付の図面と共に以下の詳細な説明を考察することにより、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態による翼形部の全体図である。
【図２】図１の翼形部の側面図である。
【図３】図１に示す翼形部のポケットの拡大図である。
【図４】図３に示す翼形部のポケットの側面図である。
【図５】図１の翼形部などの翼形部の製造方法を図解する流れ図である。
【図６】別の実施形態を表すカバープレート構成の概略図である。
【図７】別の実施形態を表すカバープレート構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この詳細な説明では、これらの図面を参照し、例によって特徴を説明している。
【００１２】
以下で述べるように、長く部分的に中空スチール製ブレード／バケットが、ガス又は蒸気タービンのために製造されることがある。そのようなブレード／バケットは、重量を大幅に軽減し、高価なチタン製ブレードの代わりに長いスチール製ブレードを可能にし、タービン効率を向上させ、蒸気タービンにおいてダブルフローではなくシングルフローの低圧（ＬＰ）部を可能にする。これらの利点により、余分なＬＰ部のフードを不要とすることができ、更なるコスト及び材料の節約につなげることができる。
【００１３】
図１〜４を参照すると、翼形部１０が、ルートダブテール部１１とブレード／バケット部１２とを備えている。ルート部１１は、タービンロータ上の対応ダブテールスロットに取り付け可能であるように構成されており、ブレード／バケット部１２は、ルート部１１から先端１２２へ半径方向に外向きに延長するように構成されている。したがって、ブレード／バケット部は、高度なタービンにおける性能要件を満たすために、半径方向に延長可能な場合がありうる。
【００１４】
翼形部１０は、ロータに取り付けられている複数の翼形部を含むブレード／バケット段の一部として構成されることがあり、このために複数の翼形部はロータの回転と共に回転することがある。翼形部１０は、前縁１３と、後縁１４と、正圧面１５と、負圧（凹）面１６とを含む。前縁１３と後縁１４とは、作業流体の優勢な流れの方向に従って定義される。正圧面１５と負圧面１６とは、相互に対向して配置され、前縁１３と後縁１４との間に延長する。
【００１５】
いくつかの実施形態によると、翼形部１０は、合金で形成された翼形部本体２０を含む。別の実施形態によると、翼形部２０は、スチール、及び／又はチタンや合金など他の金属で作られている場合がある。翼形部本体２０は、第１の半径方向に内側の部分２１と、第２の半径方向に外側の部分２２とを有する。第１の半径方向に内側の部分２１と第２の半径方向に外側の部分２２とは、それぞれが、正圧面１５又は負圧面１６に１以上のポケット２３が形成されるように、形成されうる。翼形部本体２０は、さらに、１以上のカバープレート３０と、１以上の溶接継手４０とを含む。それぞれのカバープレート３０は、ポケット２３の対応するものをカバーするように構成されている。溶接継手４０は、それぞれが、カバープレート３０のそれぞれを、対応ポケット２３のそれぞれにおける翼形部本体２０に接続するように形成されている。
【００１６】
図１及び３に示すように、ポケット２３は、それぞれが、翼形部１０の半径方向に延長している場合がある。カバープレート３０は、それぞれが、対応ポケット２３と実質的に類似する形状を有しているべきであり、したがって同じように翼形部１０の半径方向の寸法に延長している場合がある。ポケット２３は、それぞれが、実質的に直線的で平行な側２３１と、丸まった又は扇形の端部２３２とを有しうる。ポケット２３とカバープレート３０との形状は本明細書に開示されている例示的な形状には限定されないことが、理解されるべきである。
【００１７】
いくつかの場合には、図１の例示的な図示した通り、複数のポケット２３と対応カバープレート３０とは、第１の半径方向に内側の部分２１と第２の半径方向に外側の部分２２の例示的な２ｘ３の格子とにおける特異な外形として、配置されることがありうる。翼形部１０は、さらに、隣接するポケット２３の間に挿入されているリブ５０を含むことがある。リブ５０は、翼形部１０に構造的な堅牢性を提供し、翼形部１０を支持するように機能する。複数のポケット２３のこのような構成は有益であると思われるが、その理由は、翼形部１０における動作上の応力が、翼形部１０の重量、特に翼形部１０の先端１２２に向かう部分の重量の結果として、生じるからである。特に先端１２２に近い内部質量を除去して重量を軽減することで、複数のポケット２３により、より高価な材料（すなわち、チタン）の利用に頼ることなく、安価な合金（すなわち、スチール）で作ることが可能で、通常よりも長い翼形部１０（すなわち、半径方向の長さが約４０インチ（＝１０１．６ｃｍ）を超える翼形部）を用いることが可能になる。長い翼形部によって、流れの体積を増加させることも可能になるため、それに対応して、タービンの効率を向上させることができる。
【００１８】
図５を参照すると、図１の翼形部１０などの翼形部の製造方法が提供されている。開示されているこの方法によると、製造におけるいくつかの困難に対処するが、これには、プリフォームの実質的なタイトフィットと継手ギャップ及び溶接シーム経路における許容限度とを達成し、溶接の品質要件と完全な継手融合とを満たすこと、継手の頂面及び基部における溶接体積の縮小と適切な溶接ビードの幾何学的形状とを伴う高品質な溶接を達成すること、溶接の欠陥（多孔性、アンダーカット、融合不足）、収縮ひずみ、及び変形を回避すること、溶接後熱処理を最適化して継手間で特性の目標（引張り強度、延性、切欠靭性、高サイクル疲労（ＨＣＦ）、低サイクル疲労（ＬＳＦ）、疲労き裂成長速度、応力腐食割れ（ＳＣＣ）抵抗性）を達成すること、主要な寸法についての延伸要件を満たすこと、及び材料の除去、熱処理、仕上げ機械加工、溶接及び溶接後熱処理動作の間の変形を回避すること、が含まれる。
【００１９】
この方法は、正圧面又は負圧面に１以上のポケットを有する翼形部プリフォームを形成するステップ（動作１００）と、それぞれのポケットに対するカバープレートを形成するステップ（動作１１０）と、それぞれの対応ポケットにそれぞれのカバープレートを溶接して翼形部を作るステップ（動作１２０）と、ポケットのカバープレートと溶接継手とを、翼形部の形状と一致するように粗く機械加工するステップ（動作１３０）とを含む。この方法は、さらに、これらに限定されないがＸ線透視法、超音波検査、磁粉検査（ＭＰＩ）、及び流体粒子検査（ＦＰＩ）を含みうる１以上の技術を用いて溶接継手を非破壊的に評価（ＮＤＥ）するステップ（動作１４０）と、動作１４０において受入不可能な溶接欠陥が検出された場合には、オプションであるが溶接修繕を実行するステップ（動作１５０）と、所望の特性を達成するために翼形部の溶接後熱処理を実行するステップ（動作１６０）とを含む。最後に、この方法は、さらに、寸法に関する及び表面仕上げに関する要件を満たすために仕上げ機械加工をするステップ（動作１７０）と、溶接され機械加工された表面上の表面一体性を達成するために翼形部のショットピーニングを行うステップ（動作１８０）と、所望の表面仕上げを達成するためにタンブリングやドラッグ仕上げなどの穏やかなプロセスを用いて翼形部表面の研磨を行うステップ（動作１９０）と、最終的な寸法の検査と設計図面との一致の確認とを行うステップ（動作２００）とを含む。
【００２０】
いくつかの実施形態によると、動作１００の翼形部プリフォームの形成と、動作１１０のカバープレートの形成とは、スチールやそれ以外の合金などの合金を用いて翼形部プリフォームとカバープレートとを形成して機械加工するステップを含みうる。例えば、翼形部プリフォームとカバープレートとの形成は、鋳造され鍛造ビレットプリフォームを用いた翼形部プリフォームとカバープレートとの型鍛造と、それに続く翼形部プリフォームとカバープレートとのアニーリング及び機械加工とを含みうる。或いは、翼形部プリフォームとカバープレートとの形成は、粉末金属又は鋳造及び鍛造超微細粒ビレットのどちらか一方を用いる翼形部プリフォームとカバープレートとのニアネットシェイプ鍛造と、それに続く機械加工とを含みうる。機械加工動作は、溶接後及び熱処理後の機械加工動作が許容されるように、プリフォームに余分のエンベロープを残すようなものでもよい。
【００２１】
動作１２０の対応ポケットにおけるカバープレートの翼形部プリフォームへの溶接は、レーザ溶接又は電子ビーム溶接又はそれ以外の適切な溶接プロセスのいずれかを用いて実行することができる。
【００２２】
溶接動作の後には、動作１３０の溶接継手の粗い機械加工が続くことがあり、その後には、動作１４０のＮＤＥが続くことがある。これらの検査が受入不可能な溶接欠陥を検出した場合には、品質上の要件を満たすために、動作１５０の溶接修繕を実行することができる。検査の後には、ブレードの全体が、溶接継手とベース材料とに対する特性要件を満たすために、動作１６０の溶接後熱処理の対象となりうる。この熱処理は、高温（例えば、華氏１７００度（＝摂氏約９２６．７度）から華氏２０００度（＝摂氏約１０９３．３度））で実行されるのが典型的である溶液アニーリング処理を含むことがあり、その後に、ブレード材料に適した条件における焼き入れ処理又は焼き戻し処理が続く。
【００２３】
熱処理の後では、翼形部は、寸法に関する及び表面仕上げの要件を満たすために、動作１７０の仕上げ機械加工の対象となりうる。オプションであるが、仕上げ機械加工動作の後で、溶接継手に対して、追加的なＮＤＥ検査が実行される場合がある。翼形部１０は、次に、溶接継手に加えて機械加工された表面に対しても圧縮応力を生じさせて表面の一体性を提供するために、動作１８０のショットピーニングの対象となりうる。ショットピーニングの要件（圧縮ケース深度、粗さ、変形）は、ショットタイプ（ガラスビード、鋳鋼、調整カットワイヤ）、ショットサイズ、及びピーニングの方法（例えば、デュアルピーン）の選択を通じて設定可能である。ショットピーニングの後では、ブレードは、研磨媒体の中での振動タンブリングなどのプロセスを用いて、動作１９０の研磨において研磨を行い、表面仕上げを修復することができる。その後で、仕上げのなされたブレード／バケットを、動作２００において、確認のために寸法を検査する場合がありうる。
【００２４】
図６を参照すると、いくつかの実施形態では、カバープレート３０のそれぞれの形成は、翼形部プリフォーム１０の局所的な寸法と適合する可変の厚さ（すなわち、ポケット２３の一端における厚さＴ１から、ポケット２３の他端における厚さＴ２まで）を有するカバープレート３０のそれぞれを形成するステップを含みうる。この場合、それぞれのカバープレート３０の外側表面は、カバープレート３０がポケット２３に配置されるときには、翼形部プリフォーム１０の外側表面と実質的に並ぶことになる。次に、溶接プロセスが、可変の厚さが変化するときに要求される可変の溶接の深さを考慮するように設定されている所定のアルゴリズムに従って、実行される。例えば、溶接が電子ビーム溶接を含む場合には、カバープレート３０が厚さＴ１を有するときに要求される溶接の深さは、カバープレート３０が厚さＴ２を有するときの溶接の深さよりも大きいことが理解されるであろう。
【００２５】
ここで別の実施形態による図７を参照すると、それぞれのカバープレート３０の形成は、実質的に一様な初期の厚さ（すなわち、ポケット２３の長さ全体での厚さＴ１）でそれぞれのカバープレート３０を形成するステップと、次いで、形成されたプリフォームからＥＤＭ（放電加工）切断することができる第２の周辺部材３２を組み立て、この部材３１がカバープレート部３０と同一平面になるように適合させ、溶接継手シームを画成するステップと、次いで、溶接するステップと、その後翼形部プリフォーム１０の局所的な厚さと一致するようにそれぞれのカバープレート３０を機械加工するステップとを含んでもよい。これらの実施形態のためには、溶接プロセスは、カバープレート３０のそれぞれに関して実質的に一様に実行することが可能であり、可変な溶接の深さが溶接用ツールにプログラムされることを必要としない。
【００２６】
以上では、限られた数のみの実施形態との関係で、本発明について詳細に説明したのであるが、本発明がこれらの開示された実施形態に限定されないことは、容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、以上で説明されていなくとも本発明の精神及び範囲に相応する変更、改変、置換、又は均等な構成であるならば、任意の数だけ組み入れるような修正が可能である。さらに、以上では本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明のいくつかの形態が、説明された実施形態の一部だけを含む場合もありうることを理解すべきである。したがって、本発明は、以上の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２７】
１０  翼形部
１１  ルート部
１２  ブレード／バケット部
１２２  先端
１３  前縁
１４  後縁
１５  正圧面
１６  負圧面
２０  翼形部本体
２１  第１の半径方向に内側の部分
２２  第２の半径方向に外側の部分
２３  ポケット
２３１  側
２３２  端部
３０  カバープレート
４０  溶接継手
５０  リブ
動作１００  翼形部プリフォームの形成
動作１１０  カバープレートの形成
動作１２０  カバープレートのポケットへの溶接
動作１３０  粗い機械加工
動作１４０  溶接継手の非破壊評価（ＮＤＥ）
動作１５０  溶接修繕の実行
動作１６０  溶接後熱処理の実行
動作１７０  仕上げ機械加工
動作１８０  ショットピーニング
動作１９０  研磨
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014218996.tif 000007
【図６】
2014218996.tif 000008
【図７】
2014218996.tif 000009
【外国語明細書】
2014218996000001.pdf