(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の外側のバンド（１６）および第１の内側のバンド（１８）の間に配置された修理可能なベーン（１２）および修理不能なベーン（１４）を持つタービンノズルセグメント（１０）を修理する方法であって、
第1の接合面（３６）を持つ第２の外側のバンド（３２）と、第２の接合面（３８）を持つ第２の内側のバンド（３４）との間に配置されたベーン（３０）を含む新しく製作されたシングレット（２８）を準備する段階と、
前記ノズルセグメント（１０）を前記修理可能なベーン（１２）を含む第１のシングレット（２４）と前記修理不能なベーン（１４）を含む第２のシングレット（２４）とに分離するために、且つ、前記第１のシングレット（２４）が、前記第１の外側のバンド（１６）上の第３の接合面（４０）と前記第1の内側のバンド（１８）上の第4の接合面（４２）とを含むように、前記ノズルセグメント（１０）の前記第１の外側のバンド（１６）および前記第１の内側のバンド（１８）を前記２つのベーン（１２，１４）の間で２つに切断する段階と、
前記第１のシングレット（２４）の損傷を修理する段階と、
前記第１および第３の接合面（３６，４０）を一緒に接着し、且つ、前記第２および第４の接合面（３８，４２）を一緒に接着することにより、前記第１のシングレット（２４）を前記新しく製作されたシングレット（２８）に接合する段階と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記新しく製作されたシングレット（２８）は、前記第２のシングレット（２４）よりも大きい製造過程形状を持つことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第1のシングレット（２４）の前記新しく製作されたシングレット（２８）への接合に続いて、前記ノズルセグメント（１０）に合金肉盛を適用する段階を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記新しく製作されたシングレット（２８）は、前記第1のシングレット（２４）と同じ材料から製作されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記新しく製作されたシングレット（２８）は、前記第1のシングレット（２４）が製作される材料に対して、強化された材料特性を持つ材料から製作されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は概してガスタービンエンジンの修理に関し、より具体的には、そのようなエンジンに用いられるタービンノズルセグメントの修理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは圧縮機を含み、圧縮機は燃焼器に圧縮空気を供給し、そこで空気が燃料と混合されて点火され、高温燃焼ガスを発生させる。これらのガスは、下流の１つまたはそれ以上のタービンに流れ、タービンはエネルギーをそこから抽出して、圧縮機に動力を供給し、且つ、航行中の航空機に動力を供給するなどの役に立つ仕事を供給する。一般に航空機のエンジンは、燃焼器の出口のところに配置された固定タービンノズルを含む。ノズルは、燃焼ガスをノズルの下流に設置されたタービンロータの中に導くような、円周沿いに間隔をおいて配置された複数のベーンを含む。タービンノズルは、通常その周囲に沿ってセグメントに分割されており、各々のノズルセグメントは、ノズルを通って流れる高温燃焼ガスの半径方向の流路の境界を定める内側および外側のバンド間に配置された１つまたはそれ以上のノズルベーンを持つ。
【０００３】
ノズルセグメントは、これらの部品の実効使用寿命を制限するような高温で腐食性のガスの流れに作動中さらされる。従ってノズルセグメントは、通常、高温コバルトまたはニッケル基超合金から製作され、しばしば耐食性、及び／又は、耐熱性材料で被覆される。更にノズルセグメントは、通常、使用寿命を延ばすために圧縮機から取り出される冷却空気で内部的に冷却される。そのような努力を払っても、ノズルセグメントのある部分、特にベーンは、亀裂が入ったり、腐食したり、または他の具合で損傷するおそれがあり、そのため、安全で効率のよいエンジン作動を維持するには、ノズルセグメントを修理するかまたは取り替えるかのどちらかをする必要がある。ノズルセグメントは設計が複雑な上に比較的高価な材料で作られ、更に製作費用もかさむので、できればそれらを修理するほうが一般にはより好ましい。
【０００４】
現存の修理工程は、エーロフォイル表面の亀裂修理や寸法復元などの技術を含む。、しかし、そのような現存の修理は、局部的な歪や、繰り返される修理や化学的剥離処理の結果で限度を超えた最小壁面厚のために制限されている。従ってノズルセグメントは、既知の修理工程では修理できないところまで損傷する可能性がある。２つまたはそれ以上のベーンを持つタービンノズルセグメントにおいては、それらのベーンの内の１つは修理可能であるが、他のベーンは修理不能であるということがよく起こる。そのような状況において、ノズルセグメント全体を廃棄するのを回避するために、ノズルセグメントの修理可能部分を回収するための技術が探求されてきた。
【０００５】
そのような技術の１つは、１９７９年１２月４日にジャック  Ｗ．リー他に付与された米国特許第４,１７６,４３３号に記述されている。この特許は、損傷したセグメントの修理可能なベーンがセグメントの修理不能な部分から分離されるような、ノズルセグメント（そこではタービンベーンクラスタと呼ばれている）の修理方法を開示している。回収されたベーンは、次いで別の損傷したセグメントから同様に回収された、補完し合う修理可能ベーンと組み合わされる。この技術は、そうしなければ廃棄されるような修理可能ベーンを回収するが、将来の可能な修理回数が制限される使用済みベーンを含むので、修理されたノズルセグメントの使用寿命はそれほど長く引き延ばされない。更にこの技術は、組み合わせるべき適切な補完用回収ベーンが利用できる限りにおいてのみ実行可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、ノズルセグメントの使用寿命が大いに改善されるような方法で修理可能ベーンが回収されるような、タービンノズルセグメントの修理方法が必要である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の必要性は、外側および内側のバンド間に配置される少なくとも２枚のベーンを持つタービンノズルセグメントの修理方法を提供する本発明により満たされる。その方法は、ノズルセグメントを修理可能なベーンを含む第１のシングレットと修理不可能なベーンを含む第２のシングレットとに分離し、そして第１のシングレットを第２のシングレットに類似の構造を持つ新しく製作されたシングレットに結合する段階を含む。
【０００８】
本発明、及び、従来技術に比べたその利点は、以下の詳細な記述および別記請求項を添付図面を参照しながら読めば明白になるであろう。
【０００９】
発明として見なされる主題は具体的に指摘され、且つ、明細書の冒頭部分にはっきりと請求される。本発明は、しかしながら、添付図面に関する以下の記述を参照することにより最もよく理解されるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
同じ参照符号が各図面を通して同じ要素を表わしている様々な図面を参照すると、図１は、第１および第２のノズルベーン１２および１４を持つタービンノズルセグメント１０を示す。ベーン１２および１４は、外側および内側の弓状バンド１６および１８の間に配置される。ベーン１２および１４は、燃焼ガスをその下流に設置されたタービンロータ（図示しない）に最適に方向づけるように配置されたエーロフォイルを画成する。外側および内側のバンド１６および１８は、ノズルセグメント１０を通るガスの流れの外側および内側の半径方向の境界を各々定める。ベーン１２及び１４は、複数の従来型冷却孔２０及びベーンに形成される後縁スロット２２を持つことが好ましい。ノズルセグメント１０は、コバルトまたはニッケル基超合金など高品質の超合金で作られることが好ましく、また耐食性材料、及び／又は、断熱皮膜で被覆することができる。ガスタービンエンジンは、環状の構成で円周上に配置された複数のそのようなセグメント１０を含むであろう。本発明の修理方法は、２−ベーン型ノズルセグメントに関してここで説明されるが、本発明は、３つ以上のベーンを持つノズルセグメントにも同様に適用できるということを理解する必要がある。
【００１１】
エンジン作動中、ノズルセグメント１０は、局所的なガス流の過熱、または異物がセグメントに衝突するなどから起こるような損傷を受けることがある。上述の通り、ノズルセグメント１０の一部は、既知の修理工程により修理できないところまで損傷する可能性がある。本発明は、ベーン１２及び１４の内の１つは修理不能であるが、他のベーンは修理可能である場合のノズルセグメントを修理する方法に関する。例として第１のベーン１２は、比較的軽い損傷を持つものとして図１に示されており、従って修理可能ベーンである。第２のベーン１４は、修理不能であるような広範囲の損傷を持つものとして図１に示されている。しかしながら、第１のベーン１２が修理不能で第２のベーン１４が修理可能である場合のノズルセグメントに対しても、本発明が同様に適用できることを理解する必要がある。
【００１２】
本発明は、修理不能なベーン１４と一部の随伴構造とが新しく製作された鋳造物と交換されるようなノズルセグメント１０の修理方法を含む。その方法は、外側および内側のバンド１６および１８に沿って切断することにより、修理可能なベーン１２を修理不能なベーン１４から分離するという基本的段階を含む。すなわち、セグメント１０は、第１の区分と第２の区分、つまり「シングレット」２４と２６とに分離される（図２参照）。ここで用いるように「シングレット」という用語は、外側のバンド１６の隣接部分と内側のバンド１８の隣接部分との間に配置される単一ベーンの組立体を意味する。第１のシングレット２４は、修理可能なベーン１２を包み故に回収可能であり、また第２のシングレット２６は、修理不能なベーン１４を包み故に回収不能である。回収可能なシングレット２４は、次に、修復されたノズルセグメントをもたらすために、回収不能なシングレット２６と同じ構造を持つ新しく製作されたシングレット２８に接合される。図３から分かる通り、新しいシングレット２８は、外側および内側のバンド部分３２および３４の間に配置されるベーン３０を含む。外側および内側のバンド部分３２および３４の左の縁部は（図３で見られるように）、接合面３６および３８を各々画成する。
【００１３】
より具体的には本発明の修理方法は、修理可能なベーン１つを持ち、もう１つのベーンが修理不能であるようなセグメント１０を識別するために、使用済みのノズルセグメントを点検する初期段階を含む。一旦適当なセグメント１０が識別されたら、存在するどのような被覆材料（例えば、耐食性または耐熱皮膜など）をも剥離する必要がある。その被覆材料は、グリットブラスト、化学浴など、またはそれに類似のいかなる適切な技術、またはそのような技術の組み合わせを用いて剥離することが可能である。更にセグメント１０内の残留応力が軽減される。応力軽減がなければ、次の機械加工や修理工程は、歪や、回収可能シングレット２４のバンド１６および１８と新しいシングレット２８の対応する外側および内側のバンド部分３２および３４との間の不整合を引き起こす可能性がある。応力軽減は、例えばノズルセグメント１０を比較的高温かつ制御された圧力に十分長い時間さらすなどの、いかなる既知の方法によっても達成できる。
【００１４】
次の段階は、修理可能なベーン１２を修理不能なベーン１４から分離することである。ベーンの分離は、被覆材料の剥離及び残留応力の軽減の前に行うことができる。しかしながら、応力軽減段階は分離の前になされることが好ましい。これは、一体成形のセグメント１０に対して応力を軽減すると、追加調整なしで設計寸法に近いバンド１６と１８とを保持するからである。バンド寸法を維持することは、次に続く新しいシングレット２８の回収可能なシングレット２４への接合を容易にする。
【００１５】
分離は、外側および内側のバンド１６および１８を、２つのベーン１２と１４との間に位置する実質的に軸線方向の切れ目に沿って２つに切断することによって達成される。切断は、切断砥石車や放電加工など、いかなる従来の手段によっても行うことができる。切断した後、回収可能シングレット２４は、外側および内側のバンド１６および１８の修理可能ベーン１２に隣接する部分を持ち続ける。図２に示す通り、外側および内側のバンドの一部１６および１８の切断面は、新しいシングレット２８上の対応する接合面３６および３８と接合されることになる接合面４０および４２を各々画成する。バンドの切り口（図１に幻影線で示す）は、回収可能なシングレット２４に余分なバンド材料を残すために、修理可能ベーン１２よりも修理不能ベーン１４により近く作られることが好ましい。以上でバンドの一部１６および１８の機械加工が可能となる。
【００１６】
分離後に、修理不能ベーン１４を含む回収不能シングレット２６は廃棄され、回収可能シングレット２４の外側および内側のバンドの一部１６および１８は、その接合面４０および４２が新しいシングレット２８の接合面３６および３８と寸法的に適合するように機械加工される。接合面４０および４２の機械加工はまた、回収可能なシングレット２４と新しいシングレット２８とが一緒に接合される時、第１のベーン１２と新しいシングレット２８のベーン３０との間隔がノズルセグメント１０のガス流区域の必要条件を満たすように、バンドの一部１６および１８が正しく寸法が合っていることを確実にする。
【００１７】
２つのシングレット２４と２８とを接合する前に行う次の段階は、合金ろう接や溶接、またはそれに類似な方法など、既知の修理方法を用いて修理可能ベーン１２の初期修理を実行することである。この初期修理段階の目的は、修理可能ベーン１２の小さな亀裂など比較的軽い損傷を修理することである。
【００１８】
新しいシングレット２８は、従来のノズルセグメントの製作に用いられるものと類似の鋳造および機械加工工程により製作されることが好ましいが、もちろん違いは、新しいシングレット２８は、単一ベーン３０を含むことである。回収可能シングレット２４に接合される前に、新しいシングレット２８は、余分な材料を除去するために予備的な機械加工を施される。更に新しいシングレット２８は、回収不能シングレット２６の設計形状よりも少し大きい製造過程形状に予備的に機械加工される。この製造過程形状は、接合および最終機械加工段階の後で、２つのシングレット間の滑らかな境界面を確実にする。
【００１９】
一旦シングレット２４および２８が準備されたら、ノズルセグメント１０を復元するため、図４に示す通り、それらのシングレットは一緒に接合される。２つのシングレット２４および２８は、回収可能シングレット２４の接合面４０および４２を、新しいシングレット２８の対応する接合面３６および３８に接着することにより一緒に接合される。接着は、ろう接、溶接、又は、拡散接合を含むいかなる適切な処理による従来の方法で達成することができる。
【００２０】
１つの好適な実施形態において、新しいシングレット２８は、回収可能シングレット２４と同じ材料から製作され、もとの材料特性を維持する復元されたノズルセグメント１０を作り出す。しかしながら、別の好適な実施形態において、新しいシングレット２８は、異なる材料、好ましくは強化された材料特性を持つ合金から製作される。ノズルセグメントのようなガスタービンエンジン部品の使用寿命の間に、そのような部品の使用に適する改良された合金が開発されることがしばしば起こる。伝統的にエンジンのオペレータは、強化された材料特性を実際に使うためには、現存の部品を改良された合金から製作された新しい部品と交換しなければならないであろう。しかしながら、新しいシングレット２８を改良された合金から製作することにより、修復されたノズルセグメント１０は、部分的に、強化された材料特性を得るであろう。更に、本発明の方法を用いるノズルセグメント１０のその後の修理において、修理可能ベーン１２は、修理不能になる可能性がある。この場合、セグメント１０の回収不能な部分を改良された合金から製作された別の新しいシングレットと交換することは、交換部品全体を購入する費用をかけずに、強化された材料特性を持つセグメント１０全体をもたらすであろう。
【００２１】
２つのシングレット２４および２８を一緒に接合した後には、以前に使用していた部分（回収可能シングレット２４に対応）と、新しく製作された部分（新しいシングレット２８に対応）とを持つ修復されたノズルセグメント１０が存在する。次の段階は、修理可能ベーン１２および随伴構造の修理を完了することである。上記の初期修理段階は、比較的軽い損傷を修理したが、大きな亀裂や摩耗した表面など、より広範囲の修理可能な損傷を修理する必要があるであろう。そのような追加の修理は、標準的な合金肉盛技術を用いて達成される。一般にこれは、ノズルセグメント１０を適当な合金粉末またはペーストで被覆し、次に、その加えられた合金を拡散接合するためにセグメント１０を加熱することを伴う。その後、新しく製作された部分を含むセグメント１０全体は、その設計形状に機械加工される。２つのシングレット２４および２８が接合された後で合金肉盛処理および最終機械加工を実行することで、２つのシングレットの境界面に段差も不連続も存在しないことが確実になる。最後に、元の製作に使われていた耐食性または耐熱皮膜の何れも、既知の方法で再度適用される。
【００２２】
上記の通り本発明の修理方法は、修理可能ベーンと修理不能ベーンとを持つセグメントを識別するために行う使用済みノズルセグメントの点検に負うところが大きい。この方法においては、修理可能ベーンと修理不能ベーンとを持つと判断されたセグメントだけが本発明の修理方法の対象になるであろう。代わりに、本発明の修理方法は、計画に基づいて行うことが可能である。例えば図５は、ベーンが上記の方法を用いて定期的に新しく製作されたシングレットと交換される、２−ベーン式ノズルセグメント用の１つの計画を示す。１つの可能な計画が説明されているが、他の計画も同様に利用可能である。
【００２３】
図５においてノズルセグメント１０は、その使用寿命を通じて、様々な時において概略的に表わされている。各々の時間において、ブロックの左半分は一方のシングレットを表わし、ブロックの右半分は他方のシングレットを表わす。図の最左端の描写は、新しい部品の時のセグメントを表わす。すなわち、Nで示される各シングレットは新品である。次の描写は、その最初の修理の時のセグメントである。ここで、どちらのベーンにも異常な損傷がないと仮定して、各々のシングレットは、従来通りの修理を受ける。すなわち、Ｒ１で示される各シングレットは、１度修理されたものである。次の描写は、その２度目の修理の時のセグメントである。今度は、より悪い状態のシングレットは、他方のシングレットから分離されて、上記の段階を用いて新しく製作されたシングレットと交換されるが、その他方のシングレットに対する標準的な修理もここに含まれる。すなわち、１つのシングレットは新しく（Nで示される）、もう一方のシングレットは、２度修理されたことになる（R２で示される）。次の描写は、その３度目の修理の時のセグメントである。今度は、２度目の修理の時に交換されなかったシングレットは、新しく製作されたシングレットと交換され、もう一方のシングレットは標準的な修理を受ける。すなわち、１つのシングレットは新しく（Nで示される）、もう一方のシングレットは、１度修理されたことがある（R1で示される）。最後の描写は、その４度目の修理の時のセグメントである。ここでは、３度目の修理の時に交換されなかったシングレットは、新しく製作されたシングレットと交換され、もう一方のシングレットは標準的な修理を受ける。すなわち、１つのシングレットは新しく（Nで示される）、もう一方のシングレットは、１度修理されたことがある（R1で示される）。ここからは、新しい交換シングレットが左側と右側とを交互に入れ替わるようにしてこの工程順序が続くであろう。
【００２４】
ノズルセグメントの使用寿命が大いに改善されるタービンノズルセグメントの修理方法は、上記の通り説明された。本発明の特定な実施形態が説明されてきたが、別記請求項で定められる発明の精神と範囲とから逸脱することなく、本発明に対する様々な変更が可能であるということは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  修理を必要とするタービンノズルセグメントの斜視図。
【図２】  ２つのベーンが分離された後の図１のタービンノズルセグメントの斜視図。
【図３】  本発明の修理方法において用いられる新しいノズルシングレットの斜視図。
【図４】  本発明の方法により修理された図１のタービンノズルセグメントの斜視図。
【図５】  本発明の１つの修理計画を示すブロック図。
【符号の説明】
１０  タービンノズルセグメント
１２  第１のノズルベーン
１４  第２のノズルベーン
１６  外側の弓状バンド
１８  内側の弓状バンド
２０  従来型冷却孔
２２  後縁スロット
【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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