(57)【要約】 【課題】  タービン構成部品の選択区域に皮膜を堆積するための方法に関する。【解決手段】  エーロフォイルベーン（５２）及びプラットホーム（５０）を備えるガスタービンエンジン（１０）用ベーンセクタ（５０）を組み立てるための方法は、摩耗皮膜材料（１１０）をプラットホームの選択区域（１１４）に堆積する（１０２）段階と、プラットホームをエーロフォイルベーンに隣接して配置する（１０４）段階と、エーロフォイルベーンがプラットホーム部分に永久的に結合され、摩耗皮膜材料がプラットホームの所定区域（１１８）にわたり接合されるようにろう付け加工を行う（１０６）段階とを含む。【選択図】      図５
2005337249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（１０）用ベーンセクタ（５０）であって、
少なくとも１つのエーロフォイルベーン（５２）と、
前記エーロフォイルベーンにろう付けされた（１０６）少なくとも１つのプラットホーム（５４）と、
前記プラットホームが前記エーロフォイルベーンにろう付けされたときに、耐摩耗性皮膜が前記プラットホームの所定区域（１１８）だけにわたって接合されるように、前記プラットホームの選択区域（１１４）に堆積された（１０２）耐摩耗性皮膜材料（１１０）と、
を含むガスタービンエンジン（１０）用ベーンセクタ（５０）。
【請求項２】
前記耐摩耗性皮膜（１１０）が、前記プラットホーム（５４）の選択区域（１１４）に堆積した（１０２）摩耗テープ材料を含む請求項１記載のベーンセクタ（５０）。
【請求項３】
前記プラットホーム（５４）が摩擦表面（１１２）を含み、前記摩耗テープ材料（１１０）が前記摩擦表面に堆積される（１０２）請求項２記載のベーンセクタ（５０）。
【請求項４】
前記摩耗テープ材料（１１０）が、計画被覆区域（１１８）の大きさに基づいて可変的に選択される長さ（１２０）、幅（１２２）及び厚み（１２４）を含む請求項２記載のベーンセクタ（５０）。
【請求項５】
前記摩耗皮膜材料（１１０）が、前記プラットホーム（５４）の表面（１１２）に接着接合される請求項１記載のベーンセクタ（５０）。
【請求項６】
前記摩耗皮膜材料（１１０）が、該摩耗皮膜材料を前記プラットホーム（５４）の選択区域（１１４）に堆積する（１０２）前に予備焼結される請求項１記載のベーンセクタ（５０）。
【請求項７】
前記プラットホーム（５４）が、計画被覆区域（１１８）及び前記皮膜材料（１１０）を含み、前記摩耗皮膜が前記計画被覆区域を越えて広範囲に流れないように、前記皮膜材料が予め選択された温度で前記プラットホームにろう付け（１０６）される請求項１記載のベーンセクタ（５０）。
【請求項８】
前記ベーンセクタが、
複数のエーロフォイルベーン（５２）と、
前記複数のエーロフォイルベーンにろう付けされた（１０６）複数のプラットホーム（５４）と、
前記プラットホームの各々の選択区域（１１４）に堆積された（１０２）摩耗皮膜材料（１１０）と、
を含み、
前記プラットホームの各々が前記エーロフォイルベーンにろう付けされると、前記摩耗皮膜が、前記プラットホームの各々の所定区域（１１８）にわたって接合される請求項１記載のベーンセクタ（５０）。
【請求項９】
複数のベーンセクタ（５０）を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、
前記ベーンセクタの各々が、
少なくとも１つのエーロフォイルベーン（５２）と、
前記エーロフォイルベーンにろう付けされた（１０６）少なくとも１つのプラットホーム（５４）と、
前記プラットホームの選択区域（１１４）に堆積された（１０２）摩耗皮膜材料（１１０）と、
を含み、
前記プラットホームが前記エーロフォイルベーンにろう付けされると、前記摩耗皮膜が、前記プラットホームの所定区域（１１８）にわたって接合されることを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１０】
前記摩耗皮膜（１１０）が、前記プラットホーム（５４）の選択区域（１１４）に堆積された摩耗テープ材料を含む請求項９記載のガスタービンエンジン（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、タービン構成部品の選択区域に皮膜を堆積するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンは、正常なエンジン運転中に隣接する固定構成部品と接触又は「摩擦する」可能性がある回転構成部品を含む。例えば、圧縮機ロータブレードは、該ロータブレードの先端が隣接するシュラウドと「摩擦する」ような寸法にされており、そのため圧縮機ロータブレードとシュラウドとの間にシールが形成される。
【０００３】
圧縮機ロータブレードへの損傷の低減を助長するために、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンロータブレードは、耐摩耗性皮膜材料が被覆される。このような被膜は、一般に、ブレードが隣接するシュラウドと接触するときに起きるブレードの摩耗率を低下させるのを助長するために用いられる。他の摩耗皮膜は、タービンブレードの前縁に沿って堆積されて、運転中にタービンエンジンに入る環境粒子、例えば、塵埃、砂と接触することによって起きる摩耗を低減するのを助ける。別のタイプの公知の摩耗皮膜は、運転中に部品間の接触によって起きる摩耗を受けやすいタービンエンジンの構成部品にわたって堆積される。例えば、ガスタービンエンジンの高圧タービン（ＨＰＴ）及び／又は低圧タービン（ＬＰＴ）セクションにおいて、摩耗皮膜は、シュラウドハンガー又は圧力バランスシールのような隣接する構造体に接して摩擦する可能性があるベーンセクタの所定区域に堆積することができる。
【特許文献１】米国特許第５，７０５，２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガスタービンエンジンベーンセクタの表面に摩耗皮膜を堆積する少なくとも１つの公知の方法は、ベーンセクタの複数の個々の構成部品を機械加工し、機械加工された構成部品の外部表面に皮膜材料を堆積して、次いで被覆された構成部品をろう付けし、ガスタービンエンジンに取りつけることができる分離不能なガスタービンベーンセクタを生成することが必要とされる。しかしながら、個々の部品をろう付けする前に摩耗皮膜を施工することは、幾つかの段階を必要とする可能性がある。例えば、構成部品は、部品間の摩耗を受けない構成部品の部分に耐摩耗性皮膜が堆積されるのを防ぐためにマスクをする必要がある。従って、最終構成部品を組み立てる前に個別の構成部品を被覆することは、追加の製造コストを生じる可能性があり、これによって構成部品の全体コストが増大する可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様において、エーロフォイルベーン及びプラットホームを含むガスタービンエンジン用ベーンセクタを組み立てるための方法が提供される。本方法は、摩耗皮膜材料をプラットホームの選択区域に堆積する段階と、エーロフォイルベーンに隣接してプラットホームを配置する段階と、エーロフォイルベーンがプラットホーム部分に永久的に結合され、且つ摩耗皮膜材料がプラットホームの所定区域にわたって接合されるようにろう付け加工を行う段階とを含む。
【０００６】
別の態様においては、ガスタービンエンジン用ベーンセクタが提供される。このベーンセクタは、少なくとも１つのエーロフォイルベーンと、エーロフォイルベーンにろう付けされた少なくとも１つのプラットホームと、プラットホームの選択区域に堆積された摩耗皮膜材料とを含み、摩耗皮膜は、プラットホームがエーロフォイルベーンにろう付けされたときにプラットホームの所定区域にわたって接合される。
【０００７】
更に別の態様において、複数のベーンセクタを含むガスタービンエンジンが提供される。各ベーンセクタは、少なくとも１つのエーロフォイルベーンと、エーロフォイルベーンにろう付けされた少なくとも１つのプラットホームと、プラットホームの選択区域に堆積した摩耗皮膜材料とを含み、摩耗皮膜は、プラットホームがエーロフォイルベーンにろう付けされたときにプラットホームの所定区域にわたって接合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、ファン組立体１２と、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を備えるコアエンジン１３と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の列を含む。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市のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＧＥ９０である。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により結合され、圧縮機１４及びタービン１８は、第２のロータシャフト３２により結合される。
【０００９】
運転中、空気は、ファン組立体１２を通して軸方向に、すなわちエンジン１０を貫通して延びる中心軸３４にほぼ平行な方向に流れ、圧縮された空気が高圧圧縮機１４に供給される。高度に圧縮された空気が燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流（図１には示さず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３１によりファン組立体１２を駆動する。
【００１０】
図２は、（図１に示す）エンジン１０のようなガスタービンエンジンに用いることができる例示的なガスタービン圧縮機ベーンセクタ５０の斜視図である。ベーンセクタ５０は、半径方向外側バンド又はプラットホーム５４と半径方向内側バンド又はプラットホーム５６との間で結合される複数の円周方向に間隔を置いて配置されたエーロフォイルベーン５２を含む。この例示的な実施形態では、高圧圧縮機１４は、複数の段、及び互いに結合され且つ各圧縮機段の外周を取り巻く複数のベーンセクタ５０を含む。更に、図２では５つのエーロフォイルベーン５２を含むものとしてベーンセクタ５０を示しているが、ベーンセクタ５０は、任意の数量、例えば、２つ、３つ、４つ等のエーロフォイルベーンを含むことが可能であることを理解されたい。
【００１１】
各エーロフォイルベーン５２は、第１の側壁６０及び第２の側壁６２を含む。第１の側壁６０は、凹面形であり、エーロフォイルベーン５２の正圧側面を形成し、第２の側壁６２は、凸面形であり、エーロフォイルベーン５２の負圧側面を形成する。側壁６０及び６２は、エーロフォイルベーン５２の前縁６４及び軸方向に間隔を置いて配置された後縁６６で接合される。第１及び第２の側壁６０及び６２は、半径方向内側バンド５６から半径方向外側バンド５４までのスパンにわたってそれぞれ長手方向又は半径方向外向きに延びる。エーロフォイル根元７０は、内側バンド５６に隣接するものとして定義され、エーロフォイル先端７２は、外側バンド５４に隣接するものとして定義される。
【００１２】
図３は、ガスタービンエンジン用の（図２に示す）ベーンセクタ５０のような例示的なベーンセクタを組み立てるために用いることができる例示的な方法１００であり、該ベーンセクタは、少なくとも１つのエーロフォイルベーン及び少なくとも１つのプラットホームを含む。図４は、図３に例示された方法を用いて組み立てられた例示的な高圧圧縮機（ＨＰＣ）ベーンセクタ５０の斜視図である。図５は、図４で示され線５−５に沿って見たベーンセクタの一部の斜視図である。組み立て方法１００は、プラットホームの選択区域に摩耗皮膜材料を堆積する段階（１０２）と、エーロフォイルベーンに隣接してプラットホームを配置する段階（１０４）と、エーロフォイルベーンが永久的にプラットホーム部分に結合され、且つプラットホームの所定区域にわたって摩耗皮膜が付着、すなわち堆積されるようにろう付け加工を実施する段階（１０６）とを含む。本明細書の方法はベーンセクタに関して説明されるが、該方法はまた、多様なエンジン構成部品に適用することができる点を理解されたい。例えば、エンジン構成部品は、限定ではないが、圧縮機ベーンセクタのような任意の動作可能な形状、寸法及び構成のものとすることができる。
【００１３】
図４及び図５を参照すると、ベーンセクタ５０のようなエンジン構成部品の製造は、摩耗皮膜１１０を摩擦表面１１２と摩擦表面１１３のうちの少なくとも１つに施工しながら、ほぼ同時にエーロフォイル５２をプラットホーム５４及び５６のうちの少なくとも１つにろう付けする段階を含む。この例示的な実施形態では、摩耗皮膜１１０は、ベーンセクタ５０の摩擦面１１２又は１１３に施工される摩耗テープである。本明細書で用いられる摩擦面は、限定ではないが、圧縮機ケースのような隣接する構造物の表面に物理的に接触、すなわち摩擦するベーンセクタ５０の表面として定義される。より具体的には、摩耗皮膜１１０は、該摩耗皮膜１１０を施工するための特定の領域を表す区域１１４に施工される。この例示的な実施形態では、摩耗皮膜１１０は、摩耗材料で形成される第１のマトリックス相と、接合温度を下回る液相温度を有し、且つ摩耗材料を基体、例えば摩擦表面１１２又は１１３に接合する接合合金で形成される第２のマトリックス相を含む。１つの実施形態では、摩耗皮膜１１０は、或る長さの摩耗テープ１１０を摩擦表面１１２及び摩擦表面１１３の少なくとも一方に載置して、次いで該摩耗テープ１１０を摩擦表面１１２又は摩擦表面１１３に融着することによって堆積される。
【００１４】
この例示的な実施形態では、摩耗皮膜１１０は、所望のエンジン構成部品を共にろう付けするのに用いられる望ましい温度範囲にほぼ等しい接合温度範囲で製造される。接合温度はまた、摩耗皮膜１１０が高密度化して計画被覆区域１１８を越えて広範囲に流れないように設定される。使用時には、２つの粉末、すなわち摩耗材料及び接合合金は、基体に対して高密度接合を達成し且つ過剰の流れを低減するのを助けるような性能に基づいて選択され次いで所定の比率で共に混合される。より具体的には、摩耗材料は凝集体であり、接合材料はその凝集体の周りを流れる。
【００１５】
摩耗皮膜１１０は、エンジン構成部品の任意の方向表面上で本明細書で説明されるろう付けテープ加工を用いてエンジン構成部品に施工することができる。より具体的には、摩耗皮膜１１０は、摩擦表面が上下逆、つまり水平又は構成部品の底部表面（例えば、プラットホーム５６の底部表面）上に位置する摩擦表面から３６０度の場合にでも、摩擦表面１１２又は摩擦表面１１３のいずれかに施工することができる。摩耗皮膜１１０は、長さ１２０、幅１２２及び厚み１２４を有し、これらは、摩耗皮膜１１０がろう付け加工の間に接合されるときに、摩耗皮膜１１０が計画被覆区域１１８を越えて確実に広がらないよう可変的に選択される。
【００１６】
運転中、摩耗皮膜１１０は、摩擦表面１１２及び摩擦表面１１３のうちの少なくとも一方に施工される。１つの実施形態では、摩耗皮膜１１０は、例えば焼結ろう付けテープのようなプリフォームを用いて摩擦表面１１２、１１３に施工される。別の実施形態では、摩耗皮膜１１０は、ソルト・アンド・ぺッパ法（ｓａｌｔ  ａｎｄ  ｐｅｐｐｅｒ  ｍｅｔｈｏｄ）を用いて摩擦表面１１２、１１３に施工される。より具体的には、粉末は、表面上にスプレーされ、次いで接着剤が表面上にスプレーされる。この技術は、所望の皮膜厚みが摩擦表面１１２又は摩擦表面１１３に施工されるまで継続する。好適な接着剤は、ろう付け段階の間に完全に揮発し、例えば、限定ではないが酸化ポリエチレン及びアクリル材料を含むことができる。接着剤１２６は、限定ではないが、液体接着剤を用いて摩耗皮膜１１０を被覆するか、又は両面接着テープのマット又はフィルムを摩耗皮膜１１０に施工するなどの様々な技術の１つを利用して摩擦表面１１２又は１１３に塗布することができる。
【００１７】
摩耗皮膜１１０が摩擦表面１１２又は１１３に施工された後、エーロフォイルベーン５２がプラットホーム５４又は５６のうちの少なくとも１つに永久的に結合されるよう永久的に助長するようろう付け加工が行われ、その結果、摩耗皮膜材料１１０は、ろう付け加工とほぼ同時にプラットホームの所定区域１１８にわたり接合されるようになる。より具体的には、摩耗皮膜１１０は、摩擦表面１１２又は摩擦表面１１３に施工することができ、エーロフォイルベーン５２は、単一のろう付け加工によりプラットホーム５４又は５６のいずれかに永久的に結合することができる。ろう付け加工は、真空炉、或いは限定ではないが、例えば、アルゴン及び窒素のような保護雰囲気のうちの少なくとも１つを用いて行われる。
【００１８】
ろう付け加工の間、摩耗皮膜１１０は、摩耗表面１１２又は１１３に融着されるが、これに伴なう基体の溶融は実質的にない。ろう付け温度は、使用されるろう付け合金の種類に大きく依存するが、典型的には約９５０℃から約１２６０℃の範囲である。
【００１９】
１つの実施形態では、ろう付けは、真空又は不活性雰囲気などの制御された環境を含む炉内で行われる。制御された環境でのろう付けは、好都合には、加熱の間に基体を含むろう付け合金及びその下にある材料の酸化防止を助長し、部分温度及び温度の一様性のより精緻な制御を助長する。加熱に続いて、摩耗皮膜１１０がプラットホーム５４又は５６のいずれかに融着されて、ろう付け合金が冷却されるので、金属結合が下にある材料に接して形成され、従って摩耗皮膜１１０を摩擦表面１１２又は１１３に接して保持する。別の例示的な実施形態では、摩耗皮膜１１０は、予備焼結されて摩耗皮膜結合剤を除去をし、摩耗皮膜１１０の密度を高める。次いで摩耗皮膜１１０は、例えば、抵抗溶接を用いて摩擦表面１１２又は１１３に固着される。
【００２０】
本明細書で説明される方法は、水平に対する構成部品表面の傾斜角に関係なく、標準的なろう付け製造サイクル中に摩耗性皮膜を構成部品の摩擦表面に施工することを助長する。耐摩耗性皮膜は、過剰な流れを生じることなく施工することができるので、結果として摩耗皮膜は、皮膜に対して許容される寸法公差を維持しながら設計領域内に保持されるようになる。本明細書で説明される方法はまた、タービン構成部品をろう付けする前に、別個の摩耗皮膜施工の要件を排除することを助長する。
【００２１】
タービンエンジン構成部品の選択区域に摩耗皮膜を施工するための上述の方法及びシステムは、皮膜が要求される構成部品の一部分の被覆の促進、及び皮膜が要求されない構成部品の一部分への該皮膜の接触防止を助長することに対してコスト効果があり且つ高度に信頼性がある。結果として、本明細書に記載される方法及び装置は、コスト効果及び信頼性のある方法で構成部品の製造及びメンテナンスを容易にする。
【００２２】
ガスタービンエンジン構成部品と摩耗皮膜の組み合わせの例示的な実施形態を上記で詳細に説明した。この組み合わせは、本明細書で説明される特定の実施形態に限定されず、むしろ、各組み合わせの構成部品は、本明細書で説明される他の構成部品から独立して且つ別個に利用することが可能である。各組み合わせの構成部品はまた、他のシステム構成部品と組み合わせて用いることもできる。
【００２３】
様々な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、技術的範囲内にある変形形態で実施可能であることを当業者は認めるであろう。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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略図。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンに用いることができるベーンセクタの斜視図。
【図３】図１に示すガスタービンエンジンに使用可能なベーンセクタを組み立てるために用いることができる例示的な方法の図。
【図４】図３に例示する方法を用いて組み立てられるベーンセクタの斜視図。
【図５】図４に示すベーンセクタの一部分の斜視図。
【符号の説明】
【００２５】
１１０  耐摩耗性皮膜
１１２  摩擦表面
１１４  耐摩耗性皮膜を施工するための区域
１１８  計画皮膜区域
１２０  耐摩耗性皮膜の長さ
１２２  耐摩耗性皮膜の幅
１２４  耐摩耗性皮膜の厚み
１２６  接着剤
【図１】
2005337249.tif 000003
【図２】
2005337249.tif 000004
【図３】
2005337249.tif 000005
【図４】
2005337249.tif 000006
【図５】
2005337249.tif 000007