(57)【要約】      （修正有）【課題】  タービンノズルセグメントを修理する方法を提供する。【解決手段】  外側構造バンドと内側構造バンドとの間に配置された少なくとも１つのベーンを有する固定タービンノズルセグメント１０を修理する方法は、外側バンドと内側バンド（外側バンド１４及びベーン１２は以前に交換されたことのあるセグメントの部品であり、内側バンドはセグメント１０の当初からの部品である）との間に配置された少なくとも１つのベーンを有するタービンノズルセグメント１０を提供する工程と；内側バンドをタービンノズルセグメント１０から分離する工程と；外側バンド１４及び／又はベーンにおける損傷を修理する工程と；外側バンド１４及びベーンを新たに製造された交換用内側バンドセグメント３０に接合することとを含む。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンノズルセグメント（１０）を修理する方法において、
外側バンドと内側バンドとの間に配置された少なくとも１つのベーンを有するエンジンランタービンノズルセグメント（１０）であって、前記外側バンド（１４）及び前記ベーン（１２）が前記セグメントの以前に交換された部品であり、前記内側バンド（１６）が前記セグメントの当初からの部品であるようなタービンノズルセグメント（１０）を提供する工程と；
前記タービンノズルセグメント（１０）から前記内側バンド（１６）を分離する工程と；
前記外側バンド（１４）及び前記ベーンのうちの少なくとも一方における損傷を修理する工程と；
前記外側バンド（１４）及び前記ベーン（１２）を新たに製造された交換用内側バンドセグメント（３０）に接合する工程とを有し、
前記交換用内側バンドセグメント（３０）が第１の側面及びその反対側の第２の側面を含み、前記第１の側面に、前記ベーンを受け入れるための少なくとも１つのエーロフォイル形凹部が形成され、前記第２の側面には隆起したカラーが一体に形成されたことを特徴とする修理方法。
【請求項２】
前記外側バンド（１４）及び前記ベーンを前記交換用内側バンドセグメント（３０）に接合する工程は、
前記カラーに溝穴を形成する工程と；
前記ベーンの一部を前記溝穴に挿入する工程と；
前記ベーン（１２）を前記カラー及び前記交換用内側バンドセグメント（３０）に接合する工程とを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記内側バンドにポケットを形成する工程を更に含み、前記カラーは、前記ポケットにおいて、前記内側バンドに接合される請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ベーン（１２）は、ろう付けにより前記カラー及び前記交換用内側バンドセグメント（３０）に接合される請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記タービンノズルセグメント（１０）から前記内側バンド（１６）を分離する工程は、前記ベーンの付近で、前記タービンノズルセグメント（１０）の前記内側バンドを切削する工程を含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記切削は、前記ベーン（１２）の内側端部の周囲に、ほぼエーロフォイル形の装着用プラットフォームを規定するように実行され、前記装着用プラットフォームは、前記交換用内側バンドセグメント（３０）の前記凹部に嵌合するような形状に形成される請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記交換用内側バンドセグメント（３０）は、前記内側バンド（１６）が製造される材料に対して改善された材料特性を有する材料から製造される請求項１記載の方法。
【請求項８】
外側バンド（１４）と；
内側バンドを含む交換用内側バンドセグメント（３０）と；
前記外側バンドと前記内側バンドとの間に配置された少なくとも１つのベーン（１２）とを具備し、
前記外側バンド（１４）及び前記ベーンは、以前に使用され修理されたことのある構造であり、前期交換用内側バンドセグメント（３０）は、新たに製造された構造であることを特徴とするタービンノズルセグメント（５４）。
【請求項９】
前記内側バンド（１６）及び前記交換用内側バンドセグメント（３０）は、同一の材料から製造される請求項８記載のタービンノズルセグメント（５４）。
【請求項１０】
前記交換用内側バンドセグメント（３０）は、前記内側バンドが製造される材料に対して改善された材料特性を有する材料から製造される請求項８記載のタービンノズルセグメント（５４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、特に、そのようなエンジンにおいて使用されるタービンノズルセグメントの修理に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、燃焼器に加圧空気を供給する圧縮機を含む。燃焼器において、その空気は燃料と混合され、点火され、高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、下流側のタービン部分へ流れる。タービン部分は、圧縮機に動力を与えるためのエネルギーを燃焼ガスから取り出し、飛行中の航空機に動力を供給するなどの有用な仕事を実行する。航空機のエンジンは、通常、本明細書においてはベーンと呼ばれる固定タービンエーロフォイルを含む。ベーンは、タービン部分内部のガス流れ及び圧力に適切な影響を及ぼすことにより、エンジンの性能を向上する。多段タービン部分においては、ベーンの下流側に配置された回転タービンブレードへ燃焼ガスを搬送するために、タービンベーンは、各タービン段の入口に配置される。通常、タービンベーンは、その周囲に沿って複数のセグメントに分割される。本明細書においては、ベーンセグメントは、ノズルセグメントと呼ばれる。各ノズルセグメントは、そのノズルセグメントを通って流れる高温の燃焼ガスに対して半径方向流路境界を規定する内側バンドと外側バンドとの間に配置された１つ以上のベーンを有する。それらのノズルセグメントは、エンジンケーシングに装着され、環状アレイを形成する。ベーンは、隣接するタービン段の回転ブレードの間で、半径方向に延出する。
【０００３】
ノズルセグメントは、ガス流れの中に直接に配置されるため、動作中、高温の腐食性空気にさらされ、その結果、ノズルセグメントの有効寿命が制限されてしまう可能性がある。従って、通常、ノズルセグメントは、高温に耐えるコバルト系超合金又はニッケル系超合金から製造され、多くの場合、耐食材料及び／又は耐熱材料によって被覆される。更に、耐用年数を延ばすために、ノズルセグメントは、通常、圧縮機から取り出される冷却空気によって内部で冷却される。そのような努力をしても、ノズルセグメントの一部、特にベーンは、亀裂、腐食及び他の損傷を受けることがあり、安全で、効率のよいエンジン動作を維持するためには、ノズルセグメントを修理するか、又は交換することが必要になる。ノズルセグメントの構造は複雑であり、相対的に高価な材料から製造されており、製造コストが高いため、可能であるならば、一般に、ノズルセグメントを修理するほうが望ましい。
【０００４】
既存の修理技法の１つは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，４１６，２７８号（特許文献１）に記載される。この技法は、内側バンドを救済する工程と、外側バンド及び１つ以上のベーンを含む新たに製造された交換用内側バンドセグメントに、救済された内側バンドを装着する工程とを含む。これが可能であるのは、通常、他のノズルセグメント構造と比較して、内側バンドが、さほど過酷な動作条件にさらされず、より長い寿命を有するからである。しかし、以前に塗布された保護被覆膜を洗浄し、剥ぎ取るために使用される工程によって、内側バンドの基板材料まで除去されてしまい、それにより、部品の構造能力が低下するため、修理工程自体が、内側バンドの寿命を徐々に短くする。続く修理サイクルの際に、本明細書においては内側バンドセグメントと呼ばれる内側バンド構造のいくつかの部分に、そのような構造能力の低下が現れることがある。その結果、以前に交換された外側バンド及びベーンは、ほぼ新品であるにもかかわらず、内側バンドセグメントのいくつかの部分の壁厚は、再利用を可能にする許容最小限の壁厚に満たなくなる。
【特許文献１】米国特許第６，４１６，２７８号公報
【特許文献２】米国特許第３，８０２，０４６号公報
【特許文献３】米国特許第４，３０５，６９７号公報
【特許文献４】米国特許第４，３２６，８３３号公報
【特許文献５】米国特許第５，２４８，２４０号公報
【特許文献６】米国特許第５，２６９，０５７号公報
【特許文献７】米国特許第５，２７２，８０９号公報
【特許文献８】米国特許第５，６９０，４６９号公報
【特許文献９】米国特許第５，７５８，４１６号公報
【特許文献１０】米国特許第５，７９７，７２５号公報
【特許文献１１】米国特許第５，８１３，８３２号公報
【特許文献１２】米国特許第６，１５４，９５９号公報
【特許文献１３】米国特許第６，１７３，４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、上記のような状況において、ノズルセグメント全体を廃棄処分せずに済むようにするためには、以前に交換され、修理可能であるノズルセグメントの部分を救済するための方法を提供することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の要求は、本発明により満たされる。１つの面によれば、本発明は、タービンノズルセグメントを修理する方法を提供し、方法は、外側バンドと内側バンドとの間に配置された少なくとも１つのベーンを有するエンジンランタービンノズルセグメントであって、外側バンド及びベーンがセグメントの以前に交換された部品であり、且つ内側バンドがセグメントの当初からの部品であるようなタービンノズルセグメントを提供する工程と；内側バンドをタービンノズルセグメントから分離する工程と；外側バンド及びベーンにおける損傷を修理する工程と；例えば、鋳造、鍛造又は他の製造方法により新たに製造された交換用内側バンドセグメントに、外側バンド及びベーンを接合する工程とを含む。交換用内側バンドセグメントは、第１の側面及びそれとは反対側の第２の側面を有する内側バンドを含む。第１の側面に、ベーンを受け入れるための少なくとも１つのエーロフォイル形凹部が形成され、低温側には、隆起したカラーが一体に形成される。
【０００７】
本発明の別の面によれば、タービンノズルセグメントは、外側バンドと；内側バンドを含む交換用内側バンドセグメントと；外側バンドと内側バンドとの間に配置された少なくとも１つのベーンとを含む。外側バンド及びベーンは、以前に使用され、修理された構造であり、交換用内側バンドセグメントは、新たに製造された構造である。
【０００８】
本発明の別の面によれば、修理済みタービンノズルセグメントは、外側バンドと内側バンドとの間に配置された少なくとも１つのベーンを有し、ノズルセグメントは、内側バンドをノズルセグメントから分離する工程と；外側バンド及びベーンにおける損傷を修理する工程と；内側バンドを有する新たに製造された交換用内側バンドセグメントに、外側バンド及びベーンを接合する工程とから成る方法により修理される。
【０００９】
本発明の更に別の面によれば、タービンノズルセグメントを修理するときに使用するための交換用内側バンドセグメントは、高温側及びそれとは反対側の低温側を有する弓形内側バンドを含む。高温側に、少なくとも１つのエーロフォイル形凹部が形成され、低温側には、隆起したカラーが一体に形成される。
【００１０】
本発明は、添付の図面と関連する以下の説明を参照することにより、最もよく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図面中、同一の図中符号は、同一の要素を示す。図１は、第１及び第２のノズルベーン１２を有するタービンノズルセグメント１０を示す。ベーン１２は、弓形の外側バンド１４と弓形の内側バンド１６との間に配置される。ベーン１２は、ベーンの下流側に配置されたタービン回転子（図示せず）に向かって燃焼ガスを最適に誘導するように構成されたエーロフォイルを規定する。外側バンド１４は、ノズルセグメント１０を通過するガス流れの外側半径方向境界を規定し、内側バンド１６は、ガス流れの内側半径方向境界を規定する。ベーン１２の前方領域に、複数の従来通りの冷却穴１８があり、後縁部には、複数の溝穴２０が形成される。冷却穴１８は、第１段ノズルセグメントに見られるのが最も一般的であり、第２段以降のノズルセグメントは、通常、そのような冷却穴を利用しない。ノズルセグメント１０は、コバルト系超合金又はニッケル系超合金などの高品質超合金から製造されるのが好ましく、耐食材料及び／又は熱障壁被覆膜によって被覆されてもよい。ガスタービンエンジンは、このようなノズルセグメント１０を複数含み、それらのセグメントは、環状構成を成すように周囲に配列される。ここでは、２ベーンノズルセグメントに関して、本発明の修理方法を説明するが、どのような数のベーンを有するノズルセグメントに対しても、本発明を同等に適用可能であることを認識すべきである。
【００１２】
エンジンの動作中、ノズルセグメント１０は、高温のガス流れにより引き起こされる局所表面の温度上昇又は異物の衝突の結果として、亀裂を生じるか、又は損傷を受ける可能性がある。前述のように、ノズルセグメント１０の一部は、周知の修理方法では修理不可能な程度まで劣化してしまうこともある。外側バンド１４又はベーン１２が修理不可能である場合、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，４１６，２７８号に記載されるような方法によって、外側バンド又はベーンを交換してもよい。本発明は、内側バンド１６以外のノズルセグメント構造は周知の修理方法により修理可能であるが、内側バンド１６が修理不可能であるようなノズルセグメントを修理する方法に関する。現在知られている用途においては、内側バンド１６は、通常、それ以外のノズルセグメント構造ほど過酷な動作条件にさらされず、他のノズルセグメント構造より長い寿命を有するが、従来の修理であれ、’２７８号特許に記載されるような部品交換修理であれ、修理サイクルが実行されるたびに、使用される方法によって保護被覆膜が除去され、また、それに伴って基板材料も除去されるために、内側バンド１６の寿命は、徐々に短くなる。
【００１３】
修理方法は、内側バンド１６をノズルセグメント１０から分離する工程と、次に、内側バンド１６が除去された構造に、特別に設計され、新たに製造された交換用内側バンドセグメントを接合する工程という２つの主要な工程を含む。図２及び図３は、新たに製造された交換用内側バンドセグメント３０の１つを異なる方向から見た図を示す。図示される例においては、交換用内側バンドセグメント３０は、低温側２２（高温ガス流路には面していない側）と、高温側２４（高温ガス流路に面する側）とを有する一体鋳造部材であり、支持フランジ２６などの従来通りの構造を含む。支持フランジ２６は、内側バンド１６の構造支持体を形成すると共に、ノズルセグメント１０がエンジンに挿入されるときに、装着機能を果たす。
【００１４】
図２に示されるように、交換用内側バンドセグメント３０の低温側２２には、カラー３８と呼ばれる少なくとも１つの特徴的な補強部分が一体に形成される。カラー３８は、構造支持体の間で交換用内側バンドセグメント３０を補強する隆起した中実のブロックである。カラーは、１つの連続した横方向部材であってもよく、あるいは、図示されるように、２つ以上の隆起部分に分割されてもよい。図３に最もわかりやすく示されるように、交換用内側バンドセグメント３０の高温側２４には、２つの窪んだポケット４０が形成される。ポケット４０の周囲形状は、ベーン１２のエーロフォイル輪郭に類似する。凹部４０は、交換用内側バンドセグメント３０の一部として一体に形成されるが、別の作業により形成されてもよい。例えば、エーロフォイル形状を有する放電加工機（ＥＤＭ）電極を使用するプランジＥＤＭなどの加工方法により、ポケット４０を形成できるであろう。ポケット４０は、ノズルセグメントごとに、１つの平行プランジ軸に沿って整列される。各ポケット４０は、そのポケットの中に対応するそれぞれのベーン１２を適正に受け入れることができるように方向を定められる。各ポケット４０の底部に、受入れ溝穴４２が形成される。受入れ溝穴４２は、カラー３８を貫通して半径方向に延出する。受入れ溝穴４２も、プランジＥＤＭにより形成できる。この場合、平行軸上に２つの受入れ溝穴４２が形成される。これは、適切な位置及び形状の二重電極を使用して、１回の作業で実行できる。以下に更に詳細に説明される隆起ボス４６を挿入できるように、受入れ溝穴４２は平行である。
【００１５】
特に、修理方法の最初の工程は、整備のために現場から戻されたエンジンランノズルセグメントを点検し、内側バンド１６は修理不可能であるが、その他のノズルセグメント構造は、従来の方法により修理可能であるようなノズルセグメント１０を識別することである。内側バンド１６がノズルセグメント１０の当初からの部品であるのに対し、外側バンド１４及びベーン１２は、例えば、先に挙げた’２７８号特許に記載される修理の一環である以前の修理サイクルの間の設置時点で新たに製造された部品であったようなエンジンランノズルセグメントは、上記の条件を満たすノズルセグメントとして識別される場合が多い。適切なノズルセグメント１０が識別された後、そのセグメントが被覆材料（耐食被覆膜又は耐熱被覆膜など）で被覆されている場合、被覆材料を剥ぎ取らなければならない。被覆材料は、グリットブラスト、薬液浴などの何らかの適切な技法、あるいはそれらの技法の組み合わせを使用して剥ぎ取られてもよい。次の工程は、合金ろう付け、合金肉盛、溶接などの周知の修理技法を使用して、外側バンド１４及びベーン１２の亀裂を修理する。それらの従来の修理は、外側バンド１４及びベーン１２の状態に従って、必要に応じて実行される。この時点で、当初使用されていた耐食被覆膜又は耐熱被覆膜が再び塗布されることはない。
【００１６】
次の工程は、エーロフォイルを損傷することなく、内側バンド１６をノズルセグメント１０のその他の部分から分離する。分離は、２つのベーン１２の周囲に沿って、内側バンド１６を荒削りすることにより実行される。切削は、研磨切削ホイール又は放電加工などの従来の何らかの手段により実行できる。分離後、救済不可能な構造は廃棄され、交換用内側バンドセグメント３０への接合のため、外側バンド１４及びベーン１２の準備が実行される。図４に示されるように、内側バンド１６は分離され、各ベーン１２の半径方向内側の端部に一体に形成された装着用プラットフォーム４４を残すように加工されることがわかる。各々の装着用プラットフォーム４４は、分離工程の結果としてプラットフォームの下面に一体に形成された隆起ボス４６を有する。
【００１７】
ベーン１２の内側端部の装着用プラットフォーム４４の形状及び大きさは、ポケット４０と密接するように定められる。エーロフォイルベーン端部にある隆起ボス４６の大きさは、交換用内側バンドセグメント３０の受入れ溝穴４２に嵌合するように定められる。これらの面の全ては、２つのベーン１２の平行軸上で機械加工される。従って、隆起ボス４６は、同様に同一の平行軸上で加工された受入れ溝穴４２に挿入されるように向きを定められる。隆起ボス４６が、それぞれ対応するベーン１２の半径方向軸上で加工された場合、ボス４６の高さを考えると、収束する面の締め付けがあるために、ボスを受入れ溝穴４２に挿入することは不可能であろう。装着用プラットフォーム４４は、隆起ボス４６より著しく背が低く、交換用内側バンドセグメント３０のポケット４０に受け入れられる。
【００１８】
全ての亀裂修理が完了し、加工作業が終了した後、外側バンド１４、ベーン１２及び交換用内側バンドセグメント３０は、一体に組み立てられ、図５に示される修理済みノズルセグメント５４を形成する。先に指示した通り、ベーンの装着用プラットフォーム４４を内側バンドの対応するポケット４０に挿入し、ベーンの隆起ボス４６を内側バンドの対応する受け入れ溝穴４２に挿入することにより、交換用内側バンドセグメント３０は組み立てられる。その後、内側バンドの低温側２２におけるカラーとボスとの境界面に沿って接着することにより、これらの部品は一体に接合される。接着は、ろう付け又は溶接などの従来の方法で実行されてもよいが、一般に、ろう付けが好ましい。それは、エンジンの動作中に、部品が温度勾配にさらされるからであり、また、溶接ひずみがあると、悪影響が生じるからである。好ましい接合作業の１つによれば、まず、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接により、内側バンドの各々の受入れ溝穴４２をベーンの対応するボス４６に局所的に溶接する。次の工程は、部品間の間隙を合金及びろう粉末によって充填し、境界の露出した縁部に、ろうスラリを塗布することになるであろう。低温側２２では、カラーとボスとの境界及びカラーと内側バンドとの境界に、ろう合金が塗布される。高温側２４では、装着用プラットフォームとポケットとの境界に、ろう合金が塗布される。その後、組み立て構造は、交換用内側バンドセグメント３０を上にした状態で炉の内部に配置され、ろう付けされる。
【００１９】
最後に、当初使用されていた耐食被覆膜又は耐熱被覆膜が、周知の方法により再び塗布される。更に、改善された被覆膜を塗布することも可能であろう。その結果、以前に使用されていた部分（外側バンド１４及びベーン１２に対応する）と、新たに製造された部分（交換用内側バンドセグメント３０に対応する）とを有する修理済みノズルセグメント５４が得られる。内側バンドのカラー３８は、交換用内側バンドセグメントに対する構造的補強部材を形成する。カラー３８は、二次的保持機能も果たす。すなわち、装着用プラットフォームと内側バンドとの接合に障害が生じた場合、内側バンドのカラー３８の張り出しは、カラー３８が交換用内側バンドセグメント３０から引き抜かれるのを防止するため、カラー３８は、ベーン１２が交換用内側バンドセグメント３０から分離するのを防止するであろう。
【００２０】
一実施形態においては、当初のノズルセグメント１０の材料特性を保持する修理済みノズルセグメント５４を形成するために、交換用内側バンドセグメント３０は、当初の内側バンド１６と同一の材料から製造される。しかし、別の実施形態では、交換用内側バンドセグメント３０は、異なる材料、好ましくは、改善された材料特性を有する合金から製造される。ノズルセグメントなどのガスタービンエンジン部品の耐用年数が過ぎる間に、そのような部品と共に使用するのに適する改善された合金が開発される場合が多い。従来であれば、エンジンの運転担当者は、材料特性の向上を実現するために、既存の部品を、改善された合金から製造された新たな部品と交換しなければならないであろう。しかし、交換用内側バンドセグメント３０を改善された合金から製造することにより、修理済みノズルセグメント５４は、その一部で、向上した材料特性を獲得することになる。
【００２１】
以上、タービンノズルセグメントの製造修理方法並びに修理工程において使用される交換用内側バンドセグメントを説明した。本発明の特定の実施形態を説明したが、添付の特許請求の範囲において規定されるような本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、それらの実施形態に対して様々な変形を実施できることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガスタービンエンジンランタービンノズルセグメントの斜視図である。
【図２】本発明の修理方法において使用される交換用内側バンドセグメントの斜視底面図である。
【図３】図２の交換用内側バンドセグメントの斜視平面図である。
【図４】機械加工後の図１のタービンノズルセグメントの外側バンド及びベーンの斜視図である。
【図５】修理後のタービンノズルセグメントの斜視図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０…タービンノズルセグメント、１２…ベーン、１４…外側バンド、１６…内側バンド、３０…交換用内側バンドセグメント、３８…カラー、４０…ポケット、４２…受入れ溝穴、４４…装着用プラットフォーム、４６…隆起ボス、５４…修理済みノズルセグメント
【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】
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