(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体供給源を持つガスタービンエンジン部品（１０）を改造する方法であって、
前記部品（１０）の表面に、前記冷却媒体供給源と流体連通し、上方部分（３４）と該上方部分（３４）より狭く前記表面から離れた下方部分（３２）とを持つ少なくとも１つの溝（２８）を形成する段階と、
前記溝（２８）の下方部分（３２）を除去可能な材料（３６）で充填する段階と、
前記溝の上方部分（３４）を前記部品と同一又は相溶性材料からなるパッチ材料（３８）で充填して前記除去可能な材料（３６）を覆って、前記パッチ材料が前記部品の表面と一体部分をなすように前記溝（２８）を完全に充填する段階と、
前記部品（１０）の中に内部冷却用通路（４０）を作るために、前記除去可能な材料（３６）を前記溝（２８）から取り除く段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記内部通路（４０）が、局所損傷を受け易い前記部品（１０）の領域（２６）を横断することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記除去可能な材料（３６）が、溶出で取り除かれることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記除去可能な材料（３６）が、該除去可能な材料（３６）を加熱することにより取り除かれることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記除去可能な材料（３６）が、酸浴槽中に前記部品（１０）を置くことにより取り除かれることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項６】
前記パッチ材料（３８）が、前記部品（１０）が作られている材料と同一であることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記下方部分（３２）は前記部品の表面から前記上方部分（３４）より更に深いことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記ガスタービンエンジン部品が、内側バンド（１６）と外側バンド（１４）と該内側バンド（１６）及び外側バンド（１４）の間に配置されたベーン（１２）とを含むタービンノズルセグメントであり、前記内側バンドの半径方向内側（２０）には、固定エンジン構造物に前記ノズルセグメントを取り付けるための取り付けフランジ（１８）が形成されており、
前記溝を形成する段階が、前記内側バンドの半径方向外側（２４）の表面に、前記取り付けフランジに対応する位置から前記内側バンドの後方縁部までのびるように前記溝を形成することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンに使用される特定の部品の補修及び／又は性能向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンは、加圧空気を燃焼器に供給する圧縮機を含み、燃焼器中で空気は燃料と混合され点火されて高温燃焼ガスを発生する。これらのガスは、下流に向かって１つ又はそれ以上のタービン段に流れ、タービン段はガスからエネルギーを抽出して圧縮機に動力を供給し、また有用な仕事を行う。各タービン段は、普通、固定タービンノズルを含み、次にタービンロータがそれに続く。タービンロータは、エンジンの中心軸線の周りを回転するロータディスクの周辺に取付けられたロータブレード（時にはバケットと呼ばれる）の列を含む。タービンロータが仕事をすることができるように燃焼ガスをタービンロータに導くノズルは、ロータブレードと半径方向に位置合わせされ円周方向に間隔を置いて設置された複数のベーンを含む。タービンノズルは一般に熱膨張を吸収するためにその円周方向周りにセグメント化されている。各ノズルセグメントは、内側及び外側バンドの間に配置された１つ又はそれ以上のノズルベーンを持ち、内側及び外側バンドはノズルを通って流れる高温燃焼ガスのための、半径方向の流路境界を形成している。
【０００３】
タービンセクションは燃焼器の出口に取付けられ、そのため極度に高温の燃焼ガスに曝される。タービン部品を高温燃焼ガスから保護するために、それらはしばしば冷却媒体で冷却される。タービン翼形部部品（例えば、ロータブレード及びノズルベーン）を冷却する１つの一般的な方法は、圧縮機から加圧空気の一部を抽出し、この抽出空気を部品の内部通路に導くことである。空気は内部通路を通って循環し、部品構造物から熱を取り除く。空気は、翼形部表面に形成された小さいフィルム冷却孔を通って出て行き、翼形部表面に冷却空気の薄い層あるいはフィルムをつくることができる。フィルム冷却は内側及び外側バンドにも使用できる。本件の場合、バンドはそれを貫通して半径方向に延びるフィルム冷却孔を含む。冷却空気はフィルム冷却孔を通って流れ、バンドの高温側に冷却空気フィルムを形成する。その他の既知の冷却方法は、閉回路モードの中にあるガスタービン部品のための冷却媒体として、複合ボトミングサイクルエンジンからの蒸気を使用することを含む。閉回路冷却空気をタービン部品に供給する、タービンとは別の場所に設置した圧縮空気装置もまた、使用されている。
【０００４】
最近では、ロータブレード及びノズルセグメントのような冷却されるガスタービン部品は、一般にインベストメント鋳造品で作られている。鋳造部品はそれらの鋳造構造の中に冷却方式（通路寸法と経路、及び内部リブ渦流発生装置のような形状の位置と寸法のような）の主要な設計上の特徴形状を含む。それ故に、冷却方式の変更はインベストメント鋳造の再設計を必要とし、多くの時間と費用がかかる。
【特許文献１】
米国特許３，６１３，２０７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
冷却されるタービン部品は、エンジン動作中の厳しい条件に曝されると、時として特定の局所部位が部品の意図される機能あるいは寿命のためには不適切な冷却を受けることが見出されている。このことは局所部位に焼付き、亀裂等のような損傷を生じさせる可能性がある。そのような損傷は、部品の早期整備あるいは寿命短縮の原因となるであろう。しばしば、部品の冷却方式の改造により、局所的な損傷を軽減することができる。しかしながら、上述のように、そのような改造は、通常、高価で時間がかかるインベストメント鋳造の再設計を必要とする。従って、インベストメント鋳造の再設計のための長期間にわたる高価な開発サイクルを経ることなく、局所的に冷却を改良するために部品冷却方式を改造する方法が望まれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の要求は、冷却媒体供給源を持つ、ガスタービンエンジン部品を改造する方法を提供する本発明により満たされる。この方法は、溝が冷却媒体供給源と流体連通するように、部品の中に少なくとも１つの溝を形成することを含む。次に、溝を除去可能な材料で部分的に充填し、この取り除きできる材料をパッチ材料で覆い、溝を完全に充填する。最後に、部品の中に内部冷却用通路を作るために、除去可能な材料は溝から取り除かれる。
【０００７】
従来技術より優れた本発明及びその利点は、以下の詳細な記述及び添付した特許請求の範囲を、付随の図面を参照して読むことにより明らかになるであろう。
【０００８】
本発明とみなされる主題を、本明細書の冒頭の部分に具体的に指摘し明確に請求している。しかしながら、本発明は、添付図面の図に関連してなされる以下の記述を参照することにより最も良く理解できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
多くの図を通して同じ参照番号は同じ部品を表している図面を参照すると、図１は従来のタービンノズルセグメント１０を示す。ノズルセグメント１０は、外側バンド１４と内側バンド１６の間に配置されたベーン１２を含むインベストメント鋳造品である。取り付けフランジ１８が、固定エンジン構造物にノズルセグメント１０を取付けるための、内側バンド１６の半径方向内側（あるいは低温側）２０に形成される。ベーン１２は翼形部表面を形成し、冷却媒体がそこを流れて、ベーン１２を冷却することできる中空の内部キャビティを持つ。複数のフィルム冷却孔２２が、内側バンド１６を貫通して半径方向に延び、内側バンド１６の半径方向外側（あるいは高温側）２４を内側バンド１６の低温側２０に位置するプレナム（図１に示さず）と連結する。プレナムはフィルム冷却孔２２を通って流れる、圧縮機吐出空気のような冷却媒体の供給源として機能する。従って、フィルム冷却孔２２は、そこから内側バンド１６の後方縁部に延びる、内側バンド高温側２４上に冷却媒体フィルムをもたらす。しかしながら、冷却媒体プレナムは内側バンド１６の構造上の要求から前方位置に限定されているので、フィルム冷却孔２２は、一般的に取り付けフランジ１８の前方に設置される。このことからフィルム冷却孔は実質的に内側バンド後方縁部の上流域に置かれる。従って、内側バンド高温側の後方の隅領域２６は冷却が不適切となり、過熱、熱応力、クリープあるいは大量の熱により生じる低サイクル疲労による局所的な損傷を受ける可能性がある。
【００１０】
図２〜図８を参照すると、インベストメント鋳造の再設計をすることなくノズルセグメント１０の冷却方式を改造する方法が記載されている。冷却方式の改造の目的は、後方隅領域２６の冷却性を改良し、局所的損傷の発生を最小化することである。この方法は補修あるいは性能向上のために導入することができる。すなわち、この方法は局所的損傷の再発を回避するために現場での使用から戻される損傷を受けた部品の修理において、あるいは初めての箇所での局所損傷を回避するために、使用に供される前に新品の部品を性能向上させるために使用することができる。従って、以後使用する場合、部品を「改造する」というのは鋳造工程後の部品の構造的な変更を意味する。さらに、この方法はタービンノズルセグメントの内側バンド上の局所的な損傷を軽減するという関連のもとに本明細書に記載されるが、この方法は内側バンドあるいはさらにノズルセグメントに限定されるものでないことに注目されたい。この方法は不適切な冷却による局所的な損傷を示す傾向を持つ、冷却されるどのようなタービン部品にも適用できる。
【００１１】
特に図２〜図４を参照すると、本方法の第１の段階は、１つ又はそれ以上の溝２８を内側バンドの高温側２４に形成することである。溝２８は取り付けフランジ１８の前方位置から始まり、内側バンド１６の後方縁部に延び、それにより局所損傷を受け易い後方隅領域２６を横断する。図３に示すように、溝２８は比較的浅いが、取り付けフランジ１８の前方の内側バンド低温側２０に位置する冷却媒体プレナム３０に連結するのに十分な深さを持つ。溝２８は、従来の機械加工、放電加工、水ジェット加工、電解加工、パルス式電解加工及びレーザ加工を含む、いずれか好適な方法で形成することができる。図４に示すように、各溝２８は２つの部分すなわち下方部分３２及び上方部分３４を持っている。２つの部分３２、３４は、下方部分３２がより深くより狭い部分となり、そして上方部分３４がより浅くより広い部分となる状態で互に平行に延びている。ここにおいて、より深く及びより浅いというのは、各々の部分３２、３４の底部が位置する高温側２４からの距離を意味し、個々の部分の側壁の特定の寸法を意味するものではない。図は矩形断面形状を持つ溝２８を示しているが、溝は多様の形態及び形状寸法を持つことができることに注目されたい。また、下方部分３２は、熱伝達を増加させることにより冷却を高めるために設計される、渦流発生部、ピン状フィン等のような構造上の特徴を備えることができる。
【００１２】
一旦溝２８が形成されると、図５に示すように、各下方部分３２は除去可能な材料３６で充填される。本明細書で使用される際、「除去可能な材料」は、溝２８が下記の方法で「パッチを当てられた」後に、ノズルセグメント１０を別の方法で変更することなく取り除かれることができる材料を意味する。好適な例には、セラミック材料又は耐熱塩、あるいは銅−ニッケル合金及び低炭素鋼のような溶出可能な材料を含む。
【００１３】
図６に移ると、次ぎの段階は、各々の上方部分３４を、除去可能な材料３６を覆い、溝２８を完全に充填するパッチ材料３８で充填することである。パッチ材料３８は、金属プラズマ溶射、電子ビーム物理蒸着、拡散接合あるいは被覆加工のようないずれか好適な方法で施される。従って、パッチ材料３８は内側バンド１６の一体部分となり、それにより、溝２８を「パッチ」する。パッチ材料３８は、ノズルセグメント１０の母材と同じ材料（あるいは少なくとも類似の特性を持つ相溶性材料）であるのが望ましいが、場合によっては同一でない材料を使用することもできる。ガスタービンエンジン部品の場合には、これは通常ステンレススチール、チタン及び高温超合金のような金属材料である。
【００１４】
図７及び図８に示すように、パッチが完了した後、除去可能な材料３８をそれぞれの溝２８の下方部分３２から取り除く。このことは除去可能な材料３６の性質に依存した多くの方法で達成される。例えば、溶出可能な材料は、材料３６を通して適切な溶剤を浸透させることにより取り除かれ、それにより溝２８から材料３６が溶出される。耐熱塩は、ノズルセグメント１０を塩が液化し流れ出す温度まで加熱することにより取り除かれる。セラミック材料は、ノズルセグメントを適切な酸浴槽に浸すことで取り除かれる。除去可能な材料３６を取り除いた後、部品に通常施されるように、ノズルセグメントは保護用の周囲被覆材及び／又は断熱被覆材の添加のために処理される。
【００１５】
除去可能な材料３６の取り除きにより、冷却媒体プレナム３０から内側バンド１６の後方縁部まで延びる、内側バンド１６内の内部冷却通路４０が作られる。従って、内部通路４０は後方隅領域２６を通る冷却媒体の流れを提供し、それにより、そうでなければこの領域で起こりがちな局所損傷を軽減する。
【００１６】
上述のようにタービンノズルセグメント１０は、単に本発明を記述するための例として本明細書に使用された。本発明はノズルセグメントに限定されるものではなく、不適切な冷却による局所損傷を示す傾向がある、冷却されるどのようなタービン部品にも適用できる。設けられる冷却溝は、それらが冷却媒体供給源に連結されているかぎり、多様の形態及び形状寸法をとることができる。さらに、パッチの表面区域は、パッチ強度が部品基質材料の強度と同じ程度である必要がないように、全体的に寸法を制限する必要がある。これでパッチ表面が機械および熱応力に構造的に耐えることができるようになる。
【００１７】
以上は、インベストメント鋳造の再設計をすることなく局所的冷却を改良するための方法を記述している。本発明の特定の実施形態を説明したが、それに対する多くの変更を、添付する特許請求の範囲に記載する本発明の技術思想及び技術的範囲から離れることなく、なし得る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】  従来技術のタービンノズルセグメントの斜視図。
【図２】  その中に２つの溝が形成されているタービンノズルセグメントの斜視図。
【図３】  図２の線３−３に沿う縦方向断面図。
【図４】  図２の線４−４に沿う横断面図。
【図５】  溝に配置された除去可能な材料を示す横断面図。
【図６】  溝を充填するパッチ材料を示す横断面図。
【図７】  溝から取り除かれた除去可能な材料を示す横断面図。
【図８】  改造されたタービンノズルセグメントの斜視図。
【符号の説明】
１０  部品
１２  ベーン
１４  外側バンド
１６  内側バンド
１８  フランジ
２２  冷却孔
２６  後方隅領域
２８  溝
【図１】
0004398616.tif 000002
【図２】
0004398616.tif 000003
【図３】
0004398616.tif 000004
【図４】
0004398616.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004398616.tif 000007
【図７】
0004398616.tif 000008
【図８】
0004398616.tif 000009