(57)【要約】      （修正有）【課題】ターボ機械の回転構成要素のような回転ハードウェアを製作する方法、その製作で使用する接合法、及びそれによって形成した回転ハードウェアを提供する。【解決手段】構成要素３０の少なくとも２つの部分３２、３４を共に形成した少なくとも２つの部材５０，５２を製作するステップを含む。各部材５０，５２は、第１の部分３２が第２の部分３４から半径方向外側方向に位置し、接合することができる接合部表面を有する。部材５０，５２は、接合部表面が隣接領域３８よりも大きい軸方向厚さを有するパッド領域４６内に位置したジョイント接合部４４を形成するように共に接合される。ジョイント接合部４４は、構成要素３０の軸方向及び半径方向に対して垂直でない。パッド領域４６は、構成要素３０の半径方向に互いにオフセットして該構成要素３０の軸方向に完全にではないが部分的に互いにオーバラップするようになったエンボス加工部によって形成される。【選択図】図４
2011132955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸線を有する回転構成要素（３０）を製作する方法であって、前記構成要素（３０）の少なくとも２つの部分（３２、３４）を共に形成した少なくとも２つの部材（５０、５２）を製作するステップを含み、前記部材（５０、５２）の各々が、そこにおいて前記部分（３２、３４）の第１の部分（３２）が該部分（３２、３４）の第２の部分（３４）から半径方向外側方向に位置するように該部材（５０、５２）を接合することができる接合部表面を含み、該方法が、
前記部材（５０、５２）の接合部表面が前記構成要素（３０）の部分（３２、３４）の少なくとも１つに設置されたパッド領域（４６）内に位置したジョイント接合部（４４）を形成するように該部材（５０、５２）を共に接合するステップを含んでおり、
前記パッド領域（４６）が、該パッド領域（４６）から前記構成要素（３０）の半径方向に位置した該構成要素（３０）の隣接領域（３８）よりも大きい該構成要素（３０）の軸方向の厚さを有しており、
前記部材（５０、５２）の接合部表面が、前記ジョイント接合部（４４）が前記構成要素（３０）の軸方向及び半径方向に対して垂直でないように形成されており、
前記パッド領域（４６）が、前記構成要素（３０）の対向する軸方向表面上に設置されたエンボス加工部（４８ａ、４８ｂ）によって形成されており、また
前記エンボス加工部（４８ａ、４８ｂ）が、前記構成要素（３０）の半径方向に互いにオフセットして該構成要素（３０）の軸方向に完全にではないが部分的に互いにオーバラップするようになっている、ことを特徴とする、
方法。
【請求項２】
前記エンボス加工部（４８ａ、４８ｂ）が、約０％〜約７０％だけ互いにオーバラップする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記パッド領域（４６）が、前記構成要素（３０）の隣接領域（３８）の軸方向厚さの２倍よりも小さい軸方向厚さを有する、請求項１又は請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ジョイント接合部（４４）が、前記エンボス加工部（４８ａ、４８ｂ）の軸方向表面と交差する、請求項１から請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記部材（５０、５２）が、異なる合金で形成される、請求項１から請求項４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記回転構成要素（３０）が、ガスタービンエンジンの構成要素であり、
前記部分（３２、３４）が、前記構成要素（３０）のリム（３２）及び少なくとも１つのホイール（３４）を含む、
請求項１から請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記構成要素（３０）のパッド領域（４６）及び隣接領域（３８）が、完全に前記ホイール（３４）内に設置される、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記回転構成要素（３０）の第１の部分（３２）が前記第２の部分（３４）から半径方向外側方向に位置するように該回転構成要素（３０）をガスタービンエンジン内に据付けるステップをさらに含む、請求項１から請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
請求項１から請求項９の方法のいずれかによって形成された回転構成要素（３０）。
【請求項１０】
前記構成要素（３０）が、圧縮機スプール（３０）である、請求項９記載の回転構成要素（３０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には接合工程を含む製作方法に関する。より具体的には、本発明は、一例としてターボ機械の回転構成要素のような回転ハードウェアを製作する方法、その製作で使用する接合法、及びそれによって形成したハードウェアを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの燃焼器及びタービンセクション内の構成要素は、燃焼器で発生する高温燃焼ガスにより生じた高温の間に許容機械特性を達成するように超合金材料で形成されることが多い。最新式の高圧力比ガスタービンエンジンにおけるより高温の圧縮機出口温度もまた、スプール、ディスク及びその他の構成要素を含む圧縮機構成要素において高性能超合金を使用することを必要とする可能性がある。所定の構成要素のための好適な合金組成及び微細構造は、該構成要素が受ける特定の温度、応力及びその他の条件により決まる。例えば、圧縮機スプール、圧縮機ディスク及びタービンディスクを含むガスタービンエンジンの回転ハードウェアは一般的に、注意深く制御した鍛造、熱処理及び表面処理を行なって制御粒状組織及び所望の機械特性を生成させなければならない超合金で形成される。これらの用途のための注目すべき超合金には、ガンマプライム（γ’）析出強化ニッケル基超合金が含まれ、その非限定的な実施例は、Ｒｅｎｅ  ８８ＤＴである（Ｒ８８ＤＴは、Ｋｒｕｅｇｅｒ外の米国特許第４，９５７，５６７号を参照）。
【０００３】
図１は、ガスタービンエンジンにおける燃焼器ブースタシャフト又はスプール１０の一部分を断面で表している。圧縮機セクションの軸対称構成の故に、図１には示していないが該図１に示す部分の鏡像であるスプール１０の直径方向対向部分が存在することを理解されたい。スプール１０は、リム１２とディスク（ホイール）１４とを含み、ディスク（ホイール）１４の各々は、その半径方向最内側範囲におけるボア１６と相対的に薄いウェブ１８とを含む。リム１２は、圧縮機ブレード（図示せず）を固定するようになった特徴形状部２０とブレード段間における環状シール２２とを有する。ボア１６は、エンジンのタービンセクションによって駆動されるシャフト（図示せず）に対してそれによってスプール１０が取付けられる構造体を構成する。スプール１０のその他の態様並びに圧縮機及びエンジンの構造及び作動は、当技術分野では公知であり、従ってここでは詳細には説明しない。
【０００４】
図１のスプール１０は、単一合金の単体構造鍛造品として表しかつ航空機エンジンで使用するスプールを図示している。単一合金鍛造品の重量及びコストは、ガスタービンの回転ハードウェアにおける鍛造重量及びコストを低減することができる材料、製作方法及びハードウェア設計を開発する要望を促進してきた。１つのそのような取組みは、圧縮機スプール及びタービンディスクのボア及びウェブが、そのリムよりも低い作動温度を有し、従ってリムで要求されるものよりも劣る特性を備えた合金で形成することができるという事実によって促進される。そのような設計を実施するためには、異なる材料を接合する溶接又はその他の冶金学的ジョイントが、ウェブ内で必要となる。図２は、そのような溶接ジョイントの溶接ジョイント接合部２４を図示している。
【０００５】
溶接部に関連する厳しい寿命要件を満たすためには、ウェブ溶接ジョイントにおける半径方向応力は、単一合金鍛造品で形成した回転構成要素のウェブにおける応力よりも遙かに小さいことが好ましい。その目的のために、図２は、ウェブ１８の対向する表面上の隆起領域又はエンボス加工部２８によって形成された、本明細書では溶接パッド２６と呼ぶ該ウェブ１８の肉厚領域内に位置した溶接ジョイント接合部２４を示している。溶接ジョイント接合部２４は、両エンボス加工部２８の表面に対して垂直である。図３は、同様の取組みを表しているが、その接合部２４が両エンボス加工部２８の表面に対して垂直でないように溶接ジョイントを配向している点で図２と異なっている。図２及び図３に示す設計で得られる半径方向応力の低下は、応力低下を必要とする領域（溶接ジョイント）の断面積の増加に基づいている。具体的には、この取組みは、単純な力／面積計算を使用して応力を低下させている。例えば、一定の半径方向力であると仮定すると、応力は、溶接パッド２６内において断面積が２倍である場合に、半分に低下する。有限要素解析により取得したデータ（ｌｂｆ／ｉｎ２）を含む図３は、溶接ジョイント接合部２４における応力がおよそ５０％低下することを証明しており、この応力のおよそ５０％の低下は、ウェブ１８の残部より約２倍厚い溶接パッド２６により得られる。
【０００６】
図２及び図３に示すタイプの対称エンボス加工部２８は、ウェブ１８の溶接ジョイントにおける半径方向応力を低下させるが、溶接パッド２６は、回転ハードウェアに許容される又は望ましいものを超えてウェブ１８の重量を大幅に増加させるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，９５７，５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、一例としてターボ機械の回転構成要素のような回転ハードウェアを製作する方法、その製作で使用する接合法、及びそれによって形成した回転ハードウェアを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によると、回転構成要素を製作する方法は、構成要素の少なくとも２つの部分を共に形成した少なくとも２つの部材を製作するステップを含む。各部材は、そこにおいて部分の第１の部分が該部分の第２の部分から半径方向外側方向に位置するように該部材を接合することができる接合部表面を含む。部材は、該部材の接合部表面が構成要素の部分の少なくとも１つに設置されたパッド領域内に位置したジョイント接合部を形成するように共に接合される。パッド領域は、該パッド領域から半径方向に位置した構成要素の隣接領域よりも大きい該構成要素の軸方向の厚さを有する。部材の接合部表面は、ジョイント接合部が構成要素の軸方向及び半径方向に対して垂直でないように形成される。パッド領域は、構成要素の対向する軸方向表面上に設置されたエンボス加工部によって形成される。エンボス加工部は、構成要素の半径方向に互いにオフセットして該構成要素の軸方向に完全にではないが部分的に互いにオーバラップするようになっている。
【００１０】
本発明の別の態様は、回転軸線を有しかつ構成要素の少なくとも２つの部分を形成するように共に接合された少なくとも２つの部材を含む回転構成要素である。部分の第１の部分は、該部分の第２の部分から半径方向外側方向に配置される。パッド領域が、構成要素の部分の少なくとも１つ内に設置されかつ該パッド領域から半径方向に位置した構成要素の隣接領域より大きい該構成要素の軸方向の厚さを有する。パッド領域は、構成要素の対向する軸方向表面上に設置されかつ構成要素の半径方向に互いにオフセットして該構成要素の軸方向に完全にではないが部分的に互いにオーバラップするようになったエンボス加工部によって形成される。部材は、パッド領域内に位置しかつ構成要素の軸方向及び半径方向に対して垂直でないように配向されたジョイント接合部を形成するように接合される。
【００１１】
本発明の大きな利点は、付加的重量の発生を最小にしながら、ジョイント接合部における半径方向応力を低下させることができることである。本発明はまた、特に回転構成要素の異なる領域に良好に適合するように調整した又はその他の方法で整えた異なる材料の使用を可能にする。従って、本発明は、構成要素の最終重量及び性能に最小の影響しか及ぼさない接合法を使用することによって材料選択のより大きな設計自由度を可能にすることができる。従って、本発明は、ガスタービン及びその他のターボ機械で使用されるタイプの回転ハードウェアでの並びに回転機械での使用に良好に適合する。
【００１２】
本発明のその他の態様及び利点は、以下の詳細な説明から一層良好に分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術による高バイパス式ガスタービンエンジンで使用することができるタイプの単一合金鍛造スプールの部分断面図。
【図２】図１に示すようなタイプのものであるが、それによってスプールのリムに対してウェブを接合して従来技術により複数の鍛造品からスプールを製作するのを可能にする溶接パッド及び溶接ジョイントを含むように修正したスプールのウェブの一部分を表した図。
【図３】図１及び図２に表しているものと同様でありかつその上に有限要素解析によるデータを重ねて、リム、ウェブ及び溶接パッド内における相対応力レベルを示したスプールウェブの一部分を表した図。
【図４】本発明の実施形態による複数鍛造スプールの部分断面図。
【図５】図４に表しているスプールのウェブ内の溶接パッド領域の詳細図。
【図６】図５の溶接パッド領域上に有限要素解析によるデータを重ねて、リム、ウェブ及び溶接パッド内における相対応力レベルを示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、高バイパス式ガスタービンエンジンで使用するタイプの回転ハードウェアに関連して説明するが、本発明の方法及び利点は、広範な用途に適応させかつ使用することができることを理解されたい。
【００１５】
図４は、高バイパス式ガスタービンエンジンの圧縮機セクションで使用するタイプのブースタシャフト又はスプール３０の部分断面図を概略的に表している。図１に表した従来技術のスプール１０と同様に、スプール３０は、複数のディスク（ホイール）３４の半径方向外側に位置したリム３２を含み、ディスク（ホイール）３４は、その半径方向最内側範囲におけるボア３６とリム３２及びボア３６間における相対的に薄いウェブ３８とを含む。リム３２は、圧縮機ブレード（図示せず）を固定するようになった特徴形状部４０とブレード段間における環状シール４２とを有する。ホイール３４のボア３６は、エンジンのタービンセクションによって駆動されるシャフト（図示せず）に対してスプール３０を取付けて、スプール３０（及びそれに取付けられたハードウェア）が該スプール３０の回転軸線（図示せず）の周りで回転するようになるのを可能にする。スプール３０のその他の態様並びに圧縮機及びエンジンの構成及び作動は、当技術分野では公知であり、従ってここでは詳細には説明しない。
【００１６】
図１のスプール１０と対照的に、スプール３０は、複数の鍛造品５０及び５２で製作して該スプール３０を複数の合金で製造するのを可能にするものとして、図４に表している。具体的には、複数の鍛造品５０及び５２は、リム３２及びホイール３４を特に圧縮機内のそれらの特定の領域に存在する作動条件により最適に適合するように調整し又はその他の方法で整えるのを可能にする異なる合金で製造することができる。例えば、スプール３０のホイール３４は通常、リム３２よりも低い作動温度を有することになり、従って各ホイール３４の大部分を形成する鍛造品５２は、リム３２を形成した鍛造品５０に必要である特性よりも劣る特性を備えた合金で形成することができる。図４に示すこの設計の実施では、鍛造品５０及び５２は、共に接合されるものとして表している。より具体的には、リム３２及びホイール３４の半径方向最外側部分を形成した鍛造品５０並びに各ホイール３４の大部分を形成した各鍛造品５２は、共に溶接して溶接ジョイントを形成する時に、溶接ジョイント接合部４４を形成する相補形精密接合表面を有するように製作される。図４では、溶接ジョイント及びその接合部４４は、完全にウェブ３８内に形成された溶接パッド４６内に位置するものとして示している。
【００１７】
本発明の好ましい態様によると、溶接パッド４６及び溶接ジョイント接合部４４は、スプール３０及びガスタービンのその他の回転ハードウェアの場合にそうであるように、高い半径方向応力を受ける溶接部の厳しい寿命要件を満たす該スプール３０の能力を促進するように構成される。図４に表している溶接ジョイント接合部４４は、そのそれぞれのウェブ３８の対向する軸方向表面に対して垂直でない（また、従ってウェブ３８の半径方向に対して垂直でなくかつスプール３０の回転軸線に平行でない）。代わりに、接合部４４は、スプール３０の半径方向及び軸方向に対して約４５度の角度で配向されているものとして示している。接合部角度の好ましい範囲は一般的に、スプール３０の軸方向に対して約３０度〜約６０度であるが、これよりも小さい及び大きい角度を使用することもできる。
【００１８】
図２及び図３に表した対称溶接パッド２６と対照的に、図４に表している溶接パッド４６は、ウェブ３８上で互いに正反対に対向した状態になっていない２つのエンボス加工部４８ａ及び４８ｂによって形成された溶接パッド４６の結果として、非対称であると説明することができ、そのことは、図５からより明確に明らかである。具体的には、図２及び図３のエンボス加工部２８は、スプール１０の軸方向における１００％オーバラップを特徴とするが、一方、エンボス加工部４８ａ及び４８ｂは、スプール３０の軸方向に互いに部分的にのみオーバラップしている。図５において、エンボス加工部４８ａ及び４８ｂは、各エンボス加工部４８ａ及び４８ｂの半径方向寸法のおよそ２０％のオーバラップ５４を有し、エンボス加工部４８ａ及び４８ｂの残部は、互いに対向する方向において半径方向にオフセットした状態になっている。オーバラップ５４は必ずしも必要ではないが、半径方向最外側エンボス加工部（図５の４８ａ）の半径方向最内側範囲は、半径方向最内側エンボス加工部（図５の４８ｂ）の半径方向最外側範囲と少なくとも軸方向に整列しているのが好ましく、この軸方向に整列した状態が、約０％のオーバラップに相当する。エンボス加工部４８ａ及び４８ｂは、各エンボス加工部４８ａ及び４８ｂの半径方向寸法の約７０％ほどだけ互いにオーバラップすることができる。図５から明らかなように、溶接ジョイント接合部４４は、各エンボス加工部４８ａ及び４８ｂの軸方向表面と交差する必要がある。
【００１９】
図２及び図３の溶接パッド２６の場合と同様に、図４及び図５の溶接パッド４６は、そのそれぞれのウェブ３８の隣接する表面から軸方向に突出したエンボス加工部４８ａ及び４８ｂにより生じた該ウェブ３８の軸方向肉厚領域によって形成されて、パッド４６がウェブ３８の２つの半径方向隣接領域のいずれかよりも大きい軸方向厚さを有するようになる。しかしながら、図４の溶接パッド４６で得られた半径方向応力の低下は、図２及び図３に示す設計におけるものよりも著しく大きい。図３と同様に、図６は、有限要素解析により取得したデータ（ｌｂｆ／ｉｎ２）を表しており、本質的に同一の応力条件に曝された時に図３の設計に匹敵するレベルまで応力を低下させることができることを証明している。しかしながら、図３の溶接パッド２６とは対照的に、図６の溶接パッドは、周囲のウェブ３８に対するその軸方向の厚さが、同様の応力低下を達成するために図３の溶接パッド２６に必要な軸方向の厚さの相対的増大よりも大幅に小さい溶接パッド４６でこの低下を達成する。代表的な比較として、図３の溶接パッド２６は、ウェブ１８の隣接部分の軸方向厚さの約２倍の軸方向の厚さを有するが、一方、図５の溶接パッド４６の軸方向の厚さは、ウェブ３８の隣接部分の軸方向厚さの２倍よりも大幅に小さい。図６において、溶接パッド４６の軸方向厚さは、ウェブ３８の半径方向隣接部分の軸方向厚さよりも約２０％だけ大きい。従って、図２及び図３で使用した低下応力を求めるための単純な力／面積計算と対照的に、図４〜図６のエンボス加工部４８ａ及び４８ｂの非対称／オフセット構成は、単純な力／面積計算で予測されるものを超えたさらなる応力の低下を達成する。例えば、図３の溶接パッド２６は、周囲のウェブ１８よりも約１００％大きい軸方向厚さを有することによっておよそ半分だけ応力を低下させるが、一方、図４〜図６の溶接パッド４６の場合には、周囲のウェブ３８よりも約２０％だけ大きい軸方向厚さで同様の応力低下が達成される。従って、図４〜図６の非対称エンボス加工部４８ａ及び４８ｂは、付加的重量の発生をさらに小さくしながら、ウェブ３８の溶接ジョイント接合部４４における半径方向応力を大幅に低下させることができる。従って、溶接パッド４６は、図４に表しているタイプの回転ハードウェア並びにガスタービン及びその他のターボ機械のその他の回転ハードウェアでの使用にまた回転機械での使用に良好に適合する。
【００２０】
あらゆる特定の理論にとらわれることを望まないが、有限要素解析は、図４〜図６に表しているタイプの非対称／オフセット溶接パッドが、溶接ジョイント接合部４４がウェブ３８の対向する表面と交差する場所において半径方向応力の局所的低下を達成することを示した。より具体的には、図６に示しているデータは、図４〜図６に表しているオフセットエンボス加工部４８ａ及び４８ｂにより、非対称溶接パッド４６が、圧縮応力と、溶接パッド接合部４４がエンボス加工部４８ａ及び４８ｂの表面と交差する場所における低下応力と、溶接ジョイント接合部４４の合せ面において遮断される半径方向応力との組合せを達成して、半径方向応力の大部分が、ウェブ３８の軸方向表面ではなく該ウェブ３８の中心部に及び中心部に隣接して位置するようになる。この組合せは、溶接ジョイント接合部４４における半径方向応力レベル全体を低下させて、割れの進行及び成長を緩慢にすることによって溶接ジョイントが厳しい寿命要件を満たす能力を促進する。ウェブ３８の内部における割れは真空内に存在しかつ該ウェブ３８の外部表面における割れよりも非常に緩慢に伝播することになるので、より高い半径方向応力は、ウェブ３８の中心部においてより良好に許容されると考えられる。
【００２１】
上記のことを考慮して、上述したタイプの非対称溶接パッドは、特に回転構成要素の特定の領域に良好に適合するように調整した又はその他の方法で整えた材料の使用を可能にする。その結果、構成要素全体は、その特性が構成要素の限定領域の最も厳しい作動条件を満たさなければならないが、該構成要素のその他の領域に必要とされる特性を遙かに越えている単一材料で形成される必要はない。本発明はまた、構成要素の最終重量及び性能に最小の影響しか及ぼさない接合法を使用することによって、材料選択におけるより大きな設計自由度を可能にすることができる。
【００２２】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者がその他の形態を採用することができることは明らかである。従って、本発明の技術的範囲は、提出した特許請求によってのみ限定されるべきである。
【符号の説明】
【００２３】
１０  スプール
１２  リム
１４  ホイール
１６  ボア
１８  ウェブ
２０  特徴形状部
２２  シール
２４  接合部
２６  パッド
２８  エンボス加工部
３０  スプール
３２  リム
３４  ホイール
３６  ボア
３８  ウェブ
４０  特徴形状部
４２  シール
４４  接合部
４６  パッド
４８ａ  エンボス加工部
４８ｂ  エンボス加工部
５０  鍛造品
５２  鍛造品
５４  オーバラップ部
【図１】
2011132955.tif 000003
【図２】
2011132955.tif 000004
【図３】
2011132955.tif 000005
【図４】
2011132955.tif 000006
【図５】
2011132955.tif 000007
【図６】
2011132955.tif 000008