(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンにおけるブレード一体型ロータ段用のディスクとエアフォイルの基部とを結合させるための方法であって、
ブレード一体型ロータ段の前記ディスクを用い、前記ディスクは、径方向外側面を有する径方向外側リム部を有し、この径方向外側リム部は、長手方向軸を有するスロット部を有し、該径方向外側面は、該スロット部に隣接した部分を有し、該スロット部は、凹面によって画定されており、
前記エアフォイルの基部を用い、このエアフォイルの基部は、該エアフォイルを支持するための長手方向に延びる支持部の反対側に面する長手方向に延びる根部を有し、この根部は、根部面を備え、該支持部は、外側面を備え、この外側面は、側方端を有し、
前記基部における前記根部の前記根部面と前記スロット部を境界づける前記凹面とを接触させ、
前記基部と前記リム部との間に圧力を加えるとともにこれらの部材を相対的に移動させることによって、前記凹面の領域にわたって該根部面と該凹面とが実質的に接触するようにし、これにより、前記基部と前記リム部との間で実質的に連続する線形摩擦溶接部が得られることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記リム部における前記径方向外側面の前記隣接部と実質的に同一面でない前記外側面の前記側方端を、前記リム部における前記径方向外側面の前記隣接部と実質的に同一面となるように形成することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記基部と前記リム部との間に圧力を加えるとともにこれらの部材を相対的に移動させることによって、前記外側面の前記側方端が、前記リム部の前記径方向外側面の隣接部と実質的に同一面となることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記エアフォイルは、前記基部と一体となっていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記スロット部は、少なくとも実質的かつ区分的に滑らかな形状の断面を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記スロット部の前記断面は、１７５度以下の角度を有する角部を含まないことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記径方向外側リム部に前記スロット部を機械加工することが含まれることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記リム部は、２つの端部を備え、前記スロット部は、前記端部の一方から他方へと長手方向に延びることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記凹面は、前記リム部の径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は、約４５度以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記凹面は、前記リム部の径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は、約２０度以下であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記スロット部は、実質的に滑らかな湾曲形状の断面を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記スロット部は、円筒面形状であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記基部の長手方向軸は、前記エアフォイルの翼弦と実質的に平行であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記基部の長手方向軸は、前記エアフォイルの基部の翼弦と実質的に平行であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記リム部は、二つの端部を有し、前記スロット部は、前記端部の一方から他方へと長手方向に延び、前記凹面は、前記リム部の前記径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は４５度以下であり、前記スロット部は、実質的に滑らかな湾曲形状を有する断面を備えていることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項１６】
前記リム部は、二つの端部を有し、前記スロット部は、前記端部の一方から他方へと長手方向に延び、前記凹面は、前記リム部の前記径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は４５度以下であり、前記スロット部は、実質的に滑らかな湾曲形状を有する断面を備えていることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項１７】
前記リム部は、二つの端部を有し、前記スロット部は、前記端部の一方から他方へと長手方向に延び、前記凹面は、前記リム部の前記径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は４５度以下であり、前記スロット部は、実質的に滑らかな湾曲形状を有する断面を備えていることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項１８】
ガスタービンエンジンにおけるブレード一体型ロータ段用のディスクとエアフォイルの基部とを含む一体型アセンブリであって、
ブレード一体型ロータ段の前記ディスクを用い、前記ディスクは、径方向外側面を有する径方向外側リム部を有し、この径方向外側リム部は、長手方向軸を有するスロット部を有し、該径方向外側面は、該スロット部に隣接した部分を有し、該スロット部は、凹面によって画定されており、
前記エアフォイルの基部を用い、このエアフォイルの基部は、該エアフォイルを支持するための長手方向に延びる支持部の反対側に面する長手方向に延びる根部を有し、この根部は、根部面を備え、該支持部は、外側面を備え、この外側面は、側方端を有し、
前記基部における前記根部の前記根部面と前記スロット部を境界づける前記凹面とを接触させ、
前記基部と前記リム部との間に圧力を加えるとともにこれらの部材を相対的に移動させることによって、前記凹面の領域にわたって該根部面と該凹面とが実質的に接触するようにし、これにより、前記基部と前記リム部との間で実質的に連続する線形摩擦溶接部が得られるようにした方法によって製造されたことを特徴とするアセンブリ。
【請求項１９】
前記方法に、前記リム部における前記径方向外側面の前記隣接部と実質的に同一面でない前記外側面の前記側方端を、前記リム部における前記径方向外側面の前記隣接部と実質的に同一面となるように形成することが含まれることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２０】
前記方法において、前記基部と前記リム部との間に圧力を加えるとともにこれらの部材を相対的に移動させることによって、前記外側面の前記側方端が、前記リム部の前記径方向外側面の隣接部と実質的に同一面となることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２１】
前記エアフォイルは、前記基部と一体となっていることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２２】
前記スロット部は、少なくとも実質的かつ区分的に滑らかな形状の断面を有することを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２３】
前記スロット部の前記断面は、１７５度以下の角度を有する角部を含まないことを特徴とする請求項２２記載のアセンブリ。
【請求項２４】
前記径方向外側リム部に前記スロット部を機械加工することが含まれることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２５】
前記リム部は、２つの端部を備え、前記スロット部は、前記端部の一方から他方へと長手方向に延びることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２６】
前記凹面は、前記リム部の径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は、約４５度以下であることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２７】
前記凹面は、前記リム部の径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は、約２０度以下であることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２８】
前記スロット部は、実質的に滑らかな湾曲形状の断面を有することを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項２９】
前記スロット部は、円筒面形状であることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項３０】
前記基部の長手方向軸は、前記エアフォイルの翼弦と実質的に平行であることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項３１】
前記基部の長手方向軸は、前記エアフォイルの基部の翼弦と実質的に平行であることを特徴とする請求項１８記載のアセンブリ。
【請求項３２】
前記リム部は、二つの端部を有し、前記スロット部は、前記端部の一方から他方へと長手方向に延び、前記凹面は、前記リム部の前記径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は４５度以下であり、前記スロット部は、実質的に滑らかな湾曲形状を有する断面を備えていることを特徴とする請求項１９記載のアセンブリ。
【請求項３３】
前記リム部は、二つの端部を有し、前記スロット部は、前記端部の一方から他方へと長手方向に延び、前記凹面は、前記リム部の前記径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は４５度以下であり、前記スロット部は、実質的に滑らかな湾曲形状を有する断面を備えていることを特徴とする請求項２０記載のアセンブリ。
【請求項３４】
前記リム部は、二つの端部を有し、前記スロット部は、前記端部の一方から他方へと長手方向に延び、前記凹面は、前記リム部の前記径方向外側面に対する傾斜角を有し、この傾斜角は４５度以下であり、前記スロット部は、実質的に滑らかな湾曲形状を有する断面を備えていることを特徴とする請求項２１記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は摩擦溶接を用いてエアフォイルとディスクとを結合する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なガスタービンエンジンは、圧縮セクションを通じて作動流体を導くための軸方向に延びる環状の流路と、燃焼セクションと、タービンセクションとを有する。圧縮セクション及びタービンセクションは、ブレードを備える複数のロータアセンブリをそれぞれ有し、各アセンブリは、ロータディスクの径方向外側周辺部に周方向に離間されるとともにこの部分に固定された複数のブレードを有する。
【０００３】
従来のブレードを含むロータアセンブリでは、ロータディスクは、その径方向外側周辺部に複数の軸方向スロット部を有する。それぞれのブレードは、根部、プラットフォーム、及びエアフォイルを備える。プラットフォームは、それぞれ反対の方向に面した面を有する。根部は、この一方の面に取り付けられ、エアフォイルは、他方の面に取り付けられる。スロット部及び根部は、相補的な形状となっており、通常は、タブテール形もしくはもみの木形である。根部は、スロット部と結合し、ブレードは、そこから径方向外向きに延びる。このタイプのロータアセンブリは、比較的重いので、ロータディスクは、この重いブレードによって生じる応力に対応するように十分に頑丈である必要があり、従って、ロータディスクは重くなってしまう。
【０００４】
ブレード一体型のロータアセンブリ(integrally bladed rotor assembly-IBR)を形成するように、ブレードを接着や溶接によってロータディスクに固定することもできる。ブレード一体型のロータアセンブリの主な利点は、ブレードより延びるブレード根部またはブレードプラットフォームを設ける必要がないことが多いことである。エアフォイルは、ロータディスクの径方向外側周辺部に直接固定することができる。このブレードには、ブレードより延びる根部及びブレードプラットフォームがないので、従来ブレードよりも軽いブレードとなる。ブレードが軽くなることによって、比較的硬くなく、かつ軽いロータディスクを使用することができ、ブレード一体型のロータアッセンブリの総重量は、ブレードを含む従来のロータアッセンブリに比べてかなり軽量となる。
【０００５】
ブレードをロータディスクに接着または溶接する所望の方法は、線形摩擦溶接によるものである。この方法では、ブレード上の面は、ディスク上の面と接触（接合）する。これらの接合面は、通常補足的な形状寸法即ち同様の長さ及び幅を有する。これらの２つの部分は、往復（前後）運動の即ちいうならば線形タイプの振動方式で互いにこすりあわされる。振動軸は、通常接合面の長手方向（縦方向）軸即ち端部から端部までとおおよそ整列されている。部材が互いにこすれあう時に、接合面を高圧下に置くために圧縮力が加えられる。接合面では、摩擦熱が発生し、各部材からの材料が熔融状または望ましくは可塑状態に変化する。このような材料の一部は、それぞれ部材の間から流れでて(鋳ばり流(flash flow))、厚み即ち部材に圧力が加わる方向（接合面に垂直な方向）の寸法を徐々に減少させる。この工程が終了すると、鋳ばり流はなくなり、接合面では、それぞれの材料の残った可塑状態材料が冷却されて固体状に戻り、この材料が結合材として機能して２つの部材を結合される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ロータディスクにブレードを線形摩擦溶接する方法は、２つの異なる方法によって行われている。第一の方法では、ロータディスクの周辺部に設けられたわずかに高くなった面即ちスタッブ部にブレードの基部上の面を接合させる。振動軸は、ブレードの翼弦とおおよそ整列される。この方法は、多くの欠点を有する。スタッブ部を備えたディスクの製造は、例えば５軸のミリングなどの複雑な機械加工を要し、このため困難でかつコストが高い。更に、このスタッブ部の強度即ち線形摩擦溶接における耐性に関して多くの懸念がある。当初の部品の製造工程では、溶接工程に耐え得るのに十分な構造及び剛性をスタッブ部に持たせるために、過大寸法の部材即ち余分な材料を設けることができる。その後、過剰な材料を除去して最終形状を得るために複雑な（従って幾分コストが高い）機械加工が行われる。しかし、修理を行う場合には、損傷された部分を取り除くと、既に最終形状とされたスタッブ部が露出してしまう。なんらかの追加手段を講じなければ、最終形状のスタッブ部は、線形摩擦溶接に要する力に耐え得る十分な剛性を有しないおそれがある。
【０００７】
ギルバンクス等に付与された米国特許第５，３６６，３４４号に開示された第二の方法では、それぞれ反対側に面した収束面を備えた全体的にウェッジ形状の根部を有するブレードを、ディスクの周辺部に設けられた対向する分岐面を有する軸方向スロット部と接合させる。この方法も欠点を有する。この方法は、ブレード上に２つとディスク上に２つの計４つの接合面を要するので、２つの接合面のみを要するものよりも更にコストが高くかつ困難であり得る。更に、この方法では、溶接欠陥の原因となる不純物を含み得る鋳ばり材料がスロット部の底部に集積してしまう。この鋳ばり材料は、取り除くことができるが、このような作業はコストが高く、かつこの作業によってスロット部の基部に孔が残される。更に、軸方向のスロットを使用した場合には、エアフォイルの翼弦がディスクに対するブレードの線形振動に干渉してしまうこともあり、いくつかの圧縮機ロータでは、この方法を使用することができないおそれがある。これに加えて、接合面は、圧縮力の方向に対して垂直ではないので、結合される接合面に十分な圧力を加えるためには、より大きな圧縮力が必要となり得る。
【０００８】
ペトリエ等に付与されたイギリス特許第１，０５３，４２０号（出願第３２７５１号（１１／８／６４））は、ブレード一体型ディスクを開示しており、この一体型ディスクは、断面が曲線となった複数の軸方向の溝を周辺部にわたって含むディスクと、この溝に溶接によって固定された根部を有するブレードと、を含む。しかし、この特許では、線形摩擦溶接については触れていない。更に、この特許で開示された寸法を有するブレードを、軸方向の溝内で振動させると、隣接するブレードに干渉してしまう。この特許では、むしろ電子ビーム溶接によって根部を溝内に溶接することを提案している。電子ビームでは、溶接工程を通して、溶接されるそれぞれの構造は、互いに対して振動することなく互いに対して静止している点で線形摩擦溶接とは異なる。また、この特許に開示されたブレード一体型ディスクは、根部、プラットフォーム、及びエアフォイルを有する従来のブレードを使用しており、ブレード一体型ロータアセンブリに求められる軽量であるという主な利点を有していない。更に、根部が延びることによって、プラットフォーム及びエアフォイルがディスクの周辺部から径方向外向きに配置されている。
【０００９】
本発明の目的は、ガスタービンエンジンのブレード一体型ロータアセンブリの製造において使用される改善された方法を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、ガスタービンエンジンのブレード一体型ロータアセンブリのディスクにエアフォイルの基部を結合させるための改善された方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ガスタービンエンジンのブレード一体型ロータ段のディスクにエアフォイルの基部を結合させるための方法は、径方向外側面を備えた径方向外側リム部を有するディスクを用意することを含む。この径方向外側リム部は、凹面によって画定されるスロット部を有する。この方法は、更に、エアフォイルを支持するための長手方向に延びる支持部の反対側に面した長手方向に延びる根部を備えた基部を用意することを含む。上記根部は、根部面を備え、上記支持部は、外側面を備える。この方法は、また更に、根部の根部面と、スロット部を境界づける凹面と、を接触させ、圧力を加えるとともに基部とリム部とを相対的に移動させることによって、溶接中に、凹面の領域にわたって根部面と凹面とを実質的に接触させ、これにより、基部とリム部との間で実質的に連続的な線形摩擦溶接部を得ることを含む。
【００１２】
本発明は、ブレード一体型ロータ段を製造及び修理するために使用される改善された方法を提供する。スタッブ部を用いた従来技術のものと異なり、本発明の方法は、当初の装置製造だけでなく、修理でも使用することができる。更に、線形摩擦溶接部は、エアフォイルではなくリム部内に設けられるため、溶接部にかかる応力はかなり少なくなる。このような応力は、例えば、好適実施例において、スタッブ部を用いた従来技術の溶接部に比べてエンジン作動時に５０％減少する。また、本発明では、線形摩擦溶接工程において、凹面の領域にわたって根部面と凹面とが実質的に接触するので、鋳ばりがスロット基部に集積することが防止される。従って、それぞれ反対側に面した収束面を備える全体的にウェッジ形状の根部と対向する分岐面を有する軸方向のスロット部とを使用する従来の方法よりも、基部とディスクとの間に形成される溶接部は、実質的に連続するとともに、不純物が少なく即ち高品質でかつ欠陥が少なくなる。更に、少なくとも実質的かつ区分的に滑らかな形状の断面または約４５度以下の傾斜角を有する凹面を備えたスロット部を含む本発明の実施例では、更に高品質の接合部が形成される。実質的かつ区分的に滑らかな形状とは、ここでは、実質的に曲線状または角度を有する角部を備えることができる実質的かつ区分的に線形の断面をいうが、上記のような角部は少ないほど、またはっきりしないほどよい。また、好適実施例では、支持部の外側面は、ディスクの径方向外側面と実質的に同一平面となり、これにより、ブレードより延びた根部やプラットフォームを有する従来のブレードを使用する従来のブレード一体型ロータアセンブリよりも、かなり軽量のブレード一体型ロータを形成することが可能となる。更に、通常、隣接ブレード間にシールを設ける必要がなくなり、線形摩擦溶接の端部は、通常、流路内に位置する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を、図１に示したタイプのガスタービンエンジンで使用するための好適実施例に関して説明する。図１を参照すると、従来のガスタービンエンジン１０は、長手方向軸１８を中心に配置されるとともにエンジンケース２０に包囲された圧縮機１２、燃焼器１４、及びタービン１６のそれぞれのセクションを含む。空気などの作動流体の一次流路２２は、軸１８を中心として長手方向に延びる。作動流体の二次流路２４は、一次流路２２に平行にかつその径方向外側で延びる。
【００１４】
圧縮機１２は、ファン部２８、低圧圧縮機３０、高圧圧縮機３２を含むことができる。ファン部２８は、１つまたはそれ以上のブレード一体型ロータ段３８を有するロータアセンブリ３６を含む。
【００１５】
図２では、ブレード一体型ファンロータ段３８は、ディスク４２とブレード４４とを含む。ディスク４２は、径方向内側面４７と径方向外側面４８とを備える外側リム部４６を有する。各ブレード４４は、基部５４と先端部５６とを有するエアフォイルを含む。各エアフォイルは、その基部５４でリム部４６の径方向外側面４８と接続され、ここから径方向外向きに延びる。ブレード４４は、ディスク４２に接続された複数のブレード４４の内３つのみを示したものである。ディスク４２は、更に、ガス流路２２に対する上流端６０と下流端６２とを含む。ブレード４４も、上流端６４と下流端６６とを有する。
【００１６】
ブレード一体型ロータ段３８は、エアフォイルの表面とリム部４６に近接するフィレット部７０即ち半径を有する湾曲した角部を通常含む。このフィレット部７０によって、エアフォイルとリム部４６とが接続される部分での応力の集中が減少される。フィレット部７０も、その基部７２の表面がディスクリム部４６に対して正接する部分で高い応力の集中が起こり得る。
【００１７】
複数の翼弦７４は、それぞれ対応するエアフォイルの基部５４の翼弦即ちエアフォイル基部５４の上流端６０と下流端６２との間に引かれた線を示す。複数の翼弦７４は、通常、長手方向軸１８と同様の方向を有する。これらの翼弦７４は、ディスクリム部４６に対する翼弦の所望位置を示す対応する複数の翼弦線７６上にそれぞれ位置する。
【００１８】
図２においては、ブレード一体型ロータ段３８上の一つのエアフォイル４４が、損傷された部分８０を含む。このような損傷は、例えば異物（図示省略）即ちエンジン１０（図１参照）に吸入された異物との衝突によって起こり得る。エンジンが最大の性能で作動することができるようにブレード一体型ロータ段３８を修理することが望ましい。
【００１９】
図３を参照すると、ブレード一体型ロータ段３８を修理するための方法は、損傷されたエアフォイル（図２参照）を取り除き、ディスクリム部４６にスロット部９０を形成し、このスロット部９０に線形摩擦溶接される交換ブレード９２を提供することを含む。スロット部９０は、長手方向軸９４を有し、ディスクリム部４６の径方向外側面４８と端部９８，１００で交わる凹面９６によって画定即ち境界づけられる。交換ブレード９２は、基部１２２とエアフォイル１２０とを含む。基部１２２は、エアフォイル１２０を支持する外側面１２８を備えた支持部１２４と、上記外側面１２８と実質的に反対側に面した根部面１３０を備えた根部１２６と、を有する。
【００２０】
図４では、線形摩擦溶接の準備として、基部１２２の根部１２６がスロット部９０（図３参照）内に配置されている。根部面１３０は、凹面９６と接触し、線形摩擦溶接のための初期接合面１３２を構成する。好適実施例では、初期接合面１３２は、それぞれの面の実質的に大部分を含むが、このことは必要な条件ではではない。
【００２１】
線形摩擦溶接は、基部１２２に圧縮力１３４及び振動性の力１３６を加えることによって開始される。圧縮力１３４は、ディスクリム部４６の表面におおよそ垂直な方向に加えられる。振動性の力１３６は、スロット部９０の長手方向軸９４におおよそ平行な軸に沿って加えられる。これらの力によって、根部１２６と凹面９６との間の接合面１３２に高い圧力が加わるとともに、リム部４６に対して基部１２２が前後に振動される。接合面１３２では、摩擦熱が発生し、各部材からの材料が可塑状態に変化する。この材料の一部は、部材の間から鋳ばりとして流出し、これらの部材の厚みを徐々に減少させる。接合面１３２は、凹面９６の実質的に全ての点を含むようになり、即ち根部面１３０と凹面９６とは凹面９６の領域にわたって実質的に接触するようになり、これにより、スロット部の基部で鋳ばりが集積することが防止される。この工程が終了すると、各部材の残った可塑状態材料は、冷却されて固体状に戻り、この材料が結合材として働いて上記２つの部材を結合させる。溶接中に、根部面１３０と凹面９６とは、凹面９６の領域にわたって実質的に接触するので、基部１２２とリム部４６との間の溶接部は、実質的に連続するものとなる。
【００２２】
基部１２２は、線形摩擦溶接において交換ブレード９２の保持位置として機能する長手方向に反対向きの一対の面１４２及び側面方向に反対向きの一対の面１４４を含むことができる。エアフォイル１２０の変形や損傷を避けるために、エアフォイル１２０ではなく、面１４２，１４４で交換ブレードを保持することが望ましい。長手方向に反対向きの面１４２は、振動性の力１３６（図４参照）に対して垂直な方向に設けられ、外側面１２８は、圧縮力１３４（図４参照）に対して垂直な方向に設けられ、また側面方向に反対向きの面１４４は、圧縮力１３４に対して平行に設けられる。
【００２３】
好適実施例では、基部１２２をディスク４２に対して線形摩擦溶接するための装置は、（仮想線によって概略が示された）シャトル１５０と、（仮想線によって概略が示された）固定された取付具１５２と、コンピュータ制御された線形摩擦溶接装置（図示省略）を含む。シャトル１５０は、基部１２２を保持する。固定された取付具１５２は、リム部４６を固定する。シャトル１５０と取付具１５２は共に線形摩擦溶接装置（図示省略）に取り付けられている。シャトル１５０は、外側面１２８、長手方向に反対向きの面１４２、及び側面方向に反対向きの面１４４によって基部１２２を保持することが望ましい。シャトル１５０は、線形摩擦溶接装置から圧縮力１３４及び振動性の力１３６を受ける。シャトル１５０は、外側面１２８を通じて基部１２２に圧縮力１３４を伝達し、長手方向に反対向きの面１４２を通じて振動性の力１３６を基部１２２に伝達する。固定された取付具１５２は、リム部４６が移動してしまうのを防ぐとともに線形摩擦溶接においてリム部４６が損傷されるのを防止するようにこれを支持するためにこの部分をその径方向内側面４７、上流端６０、及び下流端６２で固定及び支持するクラムシェルタイプであることが望ましい。
【００２４】
交換ブレード９２が一旦リム部４６に結合されると、ブレード９２は、シャトルから外され、ブレード４４と同様の最終形状に形成される。続いて図５を参照すると、仕上げ加工では、通常、外側面１２８とエアフォイル１２０の面との間にフィレット部１６０が機械加工され、外側面１２８の側方端１６２がディスク４２の径方向外側面４８と実質的に同一の面となるように外側面１２８が機械加工される。フィレット部１６０の半径は、機械加工工程のコストをできる限り低く保つために均一であることが望ましい。エンジンの作動時には、このフィレット部１６０の基部１６４のディスクリム部４６に正接する部分で高い応力の集中が起こり得る。
【００２５】
再び図３を参照すると、スロット部９０は、端部断面１７０が実質的に滑らかな曲線形状となった円筒形状であることが望ましい。この円筒形状は、円状（アーク状）、楕円状、及び放物線状のものを含むがこれらに限定されるものではない。これらの形状によって、接合を容易とする単一の連続面が形成される。アーク形状は、例えば円形の底部を備えたカッタを用いた三軸ミリング等のミリングによって比較的直線的に形成できる点で有利である。しかし、このスロット部は、他の適切な形状の端部断面を有することができ、このような端部断面には、少なくとも実質的かつ区分的に滑らかな形状１１０（図６参照）も含まれる。次に図６を参照すると、実質的かつ区分的に滑らかな断面は、角度１７４を有する複数の角部１７２を含み得る実質的に曲線状もしくは実質的かつ区分的に線形の断面として定義されるが、角部１７２は、少ないほど、またはっきりしないほどよい。以下で説明するように、線形摩擦溶接における接合面１３２（図４参照）での圧力は、面の傾斜角１７８（図７参照）によって異なる。角部１７２は、二つの異なる傾斜角によって形成されるので、角部１７２の一方側にかかる圧力とその他方側にかかる圧力とが大きく異なるおそれがある。この圧力差は、角部１７２における圧力の大きさの不連続性を示しており、このことは、溶接工程に影響を与え得る。不連続性の大きさ即ち圧力差が過剰であれば、欠陥が生じ得る。従って、角部１７４は、少なくとも１６０度の大きさに設けることが推奨される。１６０度の角度を有する角部よりも１７０度の角度を有する角部が望ましく、更に１７５度の角度を有する角部がより望ましい。
【００２６】
図３を再び参照すると、スロット部９０は、リム部４６の上流端６０から下流端６２まで延びることが望ましい。スロット部９０は、シャトル１５０（図４参照）及び鋳ばりのために十分な間隙が確保されるように、隣接ブレード４４から十分に離間して配置する必要がある。スロット部９０の幅１７６は、フィレット部１６０の基部１６４の応力が高い領域と溶接部との距離が少なくとも確実にフィレット部１６０の半径と同じ大きさとなるように、十分に大きく設けられることが望ましい。十分な離間距離を設けることは、溶接部に過剰な応力の集中が確実に起こらないようにすることに寄与する。また、スロット部９０は、浅いことが望ましい。
【００２７】
図７では、凹面９６は、ディスク４２のリム部４６の径方向外側面４８に対する傾斜角１７８を有する。線形摩擦溶接で要求される圧縮力の大きさは、この角度によって決まってくる。傾斜角１７８が大きければ大きいほど、線形摩擦溶接で十分な圧力を得るために必要となる圧縮力が大きくなる。傾斜角１７８は、４５度以下であることが望ましく、２０度以下であることがより望ましいが、適切な傾斜角は用途によって異なる。
【００２８】
再び図３を参照すると、基部１２２は、長手方向軸１８０、長さ１８２、及び幅１８４を有する細長い形状であることが望ましい。基部１２２の長手方向軸１８０は、交換ブレード９２のエアフォイル１２０における基部１２２の翼弦１８６と実質的に平行であることが望ましい。このような方向に設けることによって、基部１２２及びスロット部９０の幅を最小とし、線形摩擦溶接のための表面積を減少させることができ、これにより、使用される圧縮力の大きさを最小とすることができる。また、このような方向決めにより、長手方向軸１８０が軸方向に即ちエンジン及びディスク４２の長手方向軸１８に対して平行に設けられた場合に比べて、交換ブレード９２のエアフォイル１２０と隣接ブレード４４のエアフォイルとの間の間隙をより大きく保ちながら、リム部４６に対して基部１２０を振動させることができる。エアフォイル間の間隙は、圧縮セクションに関する実施例において特に重要であり、このセクションでは、軸方向にスロット部を設けた場合には、ブレード９２を線形摩擦溶接するための間隙が不十分となるおそれがある。
【００２９】
基部１２２とディスクリム部４６とが、凹面９６の上流端部及び下流端部を交互に露出させることなく、互いに対して振動することができるように、基部１２２の長さ１８２は、スロット９０の長さよりも長いことが望ましい。上記端部が交互に露出することを防止することは、接合面１３２の上流及び下流の端部において質の高い結合を得ることに寄与する。基部１２２の幅１８４は、スロット９０の幅にほぼ一致するように設けられることが望ましいが、実施例によっては、幾分大きなもしくは小さな幅に設けることもできる。根部１２６は、スロット部９０の断面に実質的に一致する端部断面を有する形状であることが望ましい。凹面９６及び根部面１３０は、溶接接合面１３２での実質的に均一な接合が容易となるとともに鋳ばりが部材の間から流れやすくなるような長手方向の輪郭を有することが望ましい。
【００３０】
交換ブレード９２は、一体として製造されることが望ましい。ブレード９２製造の望ましい方法には、従来から使用されている鍛造があり、この方法を用いてエアフォイルとブロックとを有するブレードをまず形成することができる。ブロックは、続いて基部１２２を形成するように機械加工される。他の実施例では、エアフォイル１２０と基部１２２とは、別々に製造された後に連結することができる。このような実施例では、基部１２２にエアフォイル１２０を溶接して、続いてディスク４２のリム部４６に基部を溶接するかもしくはディスク４２のリム部４６に基部を溶接して、続いて基部にエアフォイルを溶接することができる。
【００３１】
リム部４６に関連する必要条件には、種々のものがある。リム部４６は、線形摩擦溶接に耐え得るのに十分頑丈であり、その温度がリム部４６と固定された取付具１５２との間で溶接部即ち第二の溶接部となるような温度まで上昇することが確実にないように十分な質量を有することが必要である。これらの必要条件を満たすために、スロット部下部の上流及び下流の端部６０，６２におけるリム部４６の厚みは、少なくとも０．０７５インチ（１．９ミリ）であることが望ましく、少なくとも０．１２５インチ（３．２ミリ）であることがより望ましい。好適実施例では、軽量化を図るために端部がテーパ状となった従来のディスクリム部とは異なり、リム部４６を、その上流及び下流の端部６０，６２で実質的にテーパ状としないことによって上記厚みを得ることができる。
【００３２】
リム部４６及び交換ブレード９２に使用される材料は、例えば大きさ、温度、応力、他の負荷、速度、修理の利便性などを含む用途設計基準を満たすようにその用途によって選択する必要がある。このような材料としては、チタン合金やニッケル合金が好ましい。線形摩擦溶接に必要な圧縮力の大きさも、リム部４６及び交換ブレード９２に使用される材料やこれらの寸法、及び接合面１３２の断面積を考慮して選択される必要がある。
【００３３】
次に、図８を参照すると、ブレード一体型ロータ段を修理する工程の第二の実施例では、交換ブレード２００は、基部２０２及びエアフォイル２０４を含む。基部２０２は、エアフォイル２０４を支持する外側面２０８を備える支持部２０６と、外側面２０８と実質的に反対側に面する根部面２１２を備えた根部２１０と、を有する。根部２１０と根部面２１２は、上記で説明した根部１２６及び根部面１３０（図３参照）と実質的に同じである。
【００３４】
線形摩擦溶接の前に、支持部２０６の外側面２０８における少なくともエアフォイル２０４の基部に隣接する部分に仕上げ加工が施されることが望ましい。仕上げ加工には、外側面２０８とエアフォイル２０４の面との間にフィレット部２１４を形成することが含まれることが望ましい。フィレット部２１４は、交換ブレード９２（図３参照）のフィレット部１６０と実質的に同じである。エンジンの作動時には、フィレット部２１４の基部２１６において、フィレット部２１４の表面が支持部２０６の外側面２０８に対して正接する部分で高い応力の集中が起こるおそれがある。
【００３５】
基部２０２は、長手方向軸２１８と幅２２０を有する細長い形状を有することが望ましい。基部２０２の長手方向軸２１８は、交換ブレード２００のエアフォイル２０４の基部における翼弦に対して実質的に平行に設けられることが望ましい。基部２０２の幅２２０は、スロット９０の幅とほぼ一致するように設けられることが望ましいが、実施例によっては、幾分大きいかまたは小さい幅とすることもできる。
【００３６】
２つの耳部２２２が基部２０２に取り付けられており、これらの耳部２２２は、線形摩擦溶接時に基部２０２を保持するために使用される。従って、基部２０２は、基部１２２（図３参照）上に設けられた反対向きの面１４２，１４４と同様の長手方向及び側面方向に反対向きの面を有する必要がない。線形摩擦溶接において、耳部２２２を通じて基部２０２に振動性の力が加えられる。これらの耳部２２２は、更に圧縮力を伝達するために使用することもできるが、圧縮力は、外側面２０８を通じて基部に加えられる方が望ましい。一つの実施例では、耳部２２２は、長手方向に反対向きの一対の面２２４と側面方向で反対向の一対の面２２６を有し、これらの面２２４，２２６は、（仮想線で示された）シャトル２３０が耳部２２２を保持するための位置として機能する。線形摩擦溶接時には、シャトル２３０は、線形摩擦溶接装置（図示省略）から力を受け、耳部２２２を通じてこの力を基部２０２に伝達する。他の実施例では、耳部２２２は、耳部２２２を保持するかまたはこれに力を加えるための位置として機能する（仮想線で示された）孔２３２を有する。
【００３７】
残りの修理工程は、前述した基部１２２をリム部４６（図４及び図５参照）に線形摩擦溶接するための方法と同様であるが、この実施例では、支持部２０６の外側面２０８における側方端２３４がディスク４２の径方向外側面４８と実質的に同一面またはほぼ実質的に同一面となるまで摩擦溶接が続けられる。従って、鋳ばりを除去することを除いて、外側面２０８の側方端２３４をディスク４２の径方向外側面４８と実質的に同一の面とするために機械加工を全くもしくは少ししか施す必要がない。耳部２２２は、例えば切取りまたは機械加工など、なんらかの都合のよい方法で基部２０２から取り除かれる。
【００３８】
交換ブレード２００は、交換ブレード９２（図３参照）と実質的に同じ方法で製造されることが望ましい。支持部２０６は、続いて、上記した形状に機械加工することができる。耳部２２２は、ブレード２００を製造した後に、電子ビーム溶接などのなんらかの都合のよい方法で取り付けることが望ましい。耳部２２２を予め備えた基部２０２とともにブレード２００を形成することもできる。
【００３９】
図５に示したようなブレード一体型ロータ段を当初の部品として製造するために、本発明の方法及び装置を使用することもできる。当初の部品製造のための工程には、ディスク４２と同様のディスクを用い、このディスクにスロット部９０（図３参照）と同様の複数のスロット部を形成し、ブレード９２（図３参照）またはブレード２００（図８参照）と同様の複数のブレードを上記スロットに線形摩擦溶接することが含まれる。上記ディスクは、従来のブレードを含むロータアセンブリ用のディスクを製造するために一般に使用されている従来の鍛造工程を使用して製造することができる。このディスクは、スロットを形成してブレードを結合する前に、旋盤内でのディスクの機械加工などによって最終形状に形成されることが望ましい。ディスクをこのように予め形成することで、５軸ミリングなどのような複雑でかつ費用の高い機械加工処理を行う必要性が小さくなる。これに続いて、ディスク内に複数のスロットが形成され、ブレードがこれらのスロット内に溶接される。ディスクの溶接は、修理工程に関して上記で説明したような方法で、通常１ブレードずつ行われる。仕上げ加工を行う前に、すべてのブレードをディスクに溶接することが望ましい。溶接が終わると、鋳ばりが除去され、全てのブレードに仕上げ加工が施される。仕上げ加工は、ブレード一体型ロータ段を完成させるために、修理工程に関して上記で説明したような方法で、通常１ブレードずつ行われる。
【００４０】
本発明は、ブレード一体型ロータ段を製造及び修理するために使用される改善された方法を提供する。従来のスタッブ部を用いた工程とは異なり、本発明の工程は、当初の部品製造だけでなく修理で使用することもできる。更に、本発明では、線形摩擦溶接において、根部１２６と凹面９６とは、実質的に接触するので、スロット部９０の基部での鋳ばりの集積が防止される。従って、それぞれ反対側に面した収束面を備える実質的にウェッジ形状の根部と対向する分岐面を有する軸方向のスロット部とを使用する従来の方法よりも、基部１２２とリム部４６との間に形成される溶接部は、実質的に連続するとともに、不純物が少なく即ち高品質でかつ欠陥が少なくなる。更に、少なくとも実質的かつ区分的に滑らかな形状の断面または約４５度以下の傾斜角を有する凹面９６を備えたスロット部９０を含む本発明の実施例では、更に高品質の接合部が形成される。また、好適実施例では、支持部２０６の外側面２０８は、ディスク４２の径方向外側面４８と実質的に同一の平面となり、これにより、ブレードより延びた根部やプラットフォームを有する従来のブレードを使用する従来のブレード一体型ロータアセンブリよりも、かなり軽量のブレード一体型ロータを形成することが可能となる。更に、通常、隣接ブレード間にシールを設ける必要がなくなり、線形摩擦溶接の端部は、通常、流路内に位置する。
【００４１】
本発明を、線形摩擦溶接を使用する好適実施例に基づいて開示したが、他の実施例では他のタイプの摩擦溶接もしくは他のタイプの結合方法を用いることができる。このような他の実施例では、基部及びスロット部は、使用される特定のタイプの溶接方法に適応するような形状に設けられる。よって、基部及びスロット部を、必ずしも線形に設ける必要はなく、長手方向軸は、基準として用いられるだけでよい。
【００４２】
ブレード一体型ファンロータの製造及び修理で用いられる実施例に即して本発明を説明してきたが、この説明は、限定的に解釈されるためのものではない。本発明は、どのようなブレード一体型ロータの製造または修理でも使用可能であり、特に、ガスタービンエンジンの圧縮セクションにおける一体型ロータに対して使用することができる。付随する請求項に記載した本発明の趣旨から離れない範囲での実施例の追加とともに、上記実施例に関する種々の変更は、当業者が本明細書を参照することによって明らかとなる。従って、付随する請求項は、本発明の真の範囲に含まれる上記のような変更または実施例を含むものであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  軸流ターボファンガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】本発明に係る方法を用いて修理することができる損傷したエアフォイルを有する、図１のガスタービンエンジン内で使用されるロータアセンブリの部分説明図である。
【図３】損傷したブレードを取り除くとともにディスクのリム部にスロットを形成した図２のロータアセンブリと交換ブレードとの部分説明図である。
【図４】線形摩擦溶接のために図３の交換ブレードとロータアセンブリとを配置した部分説明図である。
【図５】線形摩擦溶接を行って結合させた後に仕上げ加工を施した図４の交換ブレードとロータアセンブリとの部分説明図である。
【図６】実質的に滑らかな面によって画定されるスロット部の断面を示したディスクリム部の部分横断面図である。
【図７】好適実施例におけるスロット部の断面を示した図３のディスクリム部の部分横断面図である。
【図８】交換ブレードの第二の実施例を示した図３のロータアセンブリの部分説明図である。
【符号の説明】
１８…長手方向軸
３８…ファンロータ段
４４…ブレード
４６…リム部
４８…ディスクの径方向外側面
６０…ディスクの上流端
６２…ディスクの下流端
７４…翼弦
９０…スロット部
９２…交換ブレード
９４…スロット部の長手方向軸
９６…凹面
９８，１００…凹面の端部
１２０…エアフォイル
１２２…基部
１２４…支持部
１２６…根部
１２８…外側面
１３０…根部面
１４２…基部の長手方向に反対向きの面
１４４…基部の側面方向に反対向きの面
１７０…スロット部の端部断面
１７６…スロット部の幅
１８０…基部の長手方向軸
１８２…基部の長さ
１８４…基部の幅
１８６…基部の翼弦
【図１】
0004155646.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004155646.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004155646.tif 000006
【図６】
0004155646.tif 000007
【図７】
0004155646.tif 000008
【図８】
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