(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの静止部品が、部品の亀裂開始部位に隣接する金属製パネルセクションを備え、
レーザショックピーニング（ＬＳＰ）により深い圧縮性残留応力を付与された全体に細長いレーザショックピーニング処理領域が、前記亀裂開始部位と前記パネルセクションの一部分との間に設けられ、
前記レーザショックピーニング処理領域は、このレーザショックピーニング処理領域が、前記部位から伝播する亀裂を前記パネルセクションの部分から遠ざかる方へそらすように配置されることを特徴とする静止部品。
【請求項２】
前記部品が互いに反対向きの第１側面および第２側面を有し、前記レーザショックピーニング処理領域が第１側面から第２側面まで延在する、請求項１に記載の静止部品。
【請求項３】
前記レーザショックピーニング処理領域が、前記パネルセクションに伝播する疲労亀裂をそらすのに十分な長さを有する、請求項１に記載の静止部品。
【請求項４】
前記静止部品がガスタービンエンジン・ケーシングであり、前記パネルセクションが環状シェルであり、
前記環状シェルが２つの環状端部フランジ間に配置され、前記レーザショックピーニング処理領域が環状であり、
前記フランジに環状に配列された多数のボルト穴とシェルとの間に前記環状レーザショックピーニング処理表面区域が配置されている、請求項１に記載の静止部品。
【請求項５】
前記ガスタービンエンジン・ケーシングが水平なフランジを有する隣接する水平方向に分割された圧縮機ケーシングに取り付ける燃焼器ケーシングであり、
前記水平なフランジが前記環状フランジの多数のボルト穴のうち数個に対応する位置で終端し、
前記レーザショックピーニング処理領域が、前記環状フランジに、多数のボルト穴のうちの数個とシェルとの間で円弧状に配置されている、請求項４に記載の静止部品。
【請求項６】
前記ガスタービンエンジン・ケーシングが、ほぼ環状に配列されたボスが前記環状フランジ間で前記シェルに溶接された燃焼器ケーシングであり、
前記レーザショックピーニング処理領域が前記ボスと後方の環状フランジとの間で前記シェルに配置された環状領域である、請求項４に記載の静止部品。
【請求項７】
前記静止部品が可変角度ベーンであり、前記パネルセクションが前記ベーンに取り付けられたエアーホイルであり、
前記金属製パネルセクションが、第１および第２共振モードならびに所定の第１および第２節線とそれぞれ関連した第１および第２共振誘引亀裂線を生じ、
前記亀裂開始部位は前記第１節線が前記エアーホイルの自由端と交差する点であり、
前記レーザショックピーニング処理領域が前記パネルセクション上に前記第２節線を横切って配置された、請求項１に記載の静止部品。
【請求項８】
前記ベーンが少なくとも一部が前記パネルセクションと一体に形成されたトラニオンを含み、前記第１節線が前記トラニオンに交差せず、前記第２節線が前記トラニオンに交差する、請求項７に記載の静止部品。
【請求項９】
前記共振モードが順次の共振モードである請求項８に記載の静止部品。
【請求項１０】
前記共振モードが第８および第９次共振モードからなる順次の共振モードであり、前記第９次共振モードが前記トラニオンの軸線とクロスオーバする第９次節線を有する、請求項９に記載の静止部品。
【発明の詳細な説明】
関連する特許出願
この出願は、継続中の米国特許出願ＳＮ０８／３１９，３４６「ターボ機関用のレーザショックピーニング処理ロータ部品」、同０７／（ＧＥ代理人整理番号１３ＤＶ−１２１２８）「ターボ機関用のレーザショックピーニング処理ロータ部品」、同０７／（ＧＥ代理人整理番号１３ＤＶ−１２１４１）「ガスタービンエンジンのレーザショックピーニング処理ファンブレード端縁」、同０７／（ＧＥ代理人整理番号１３ＤＶ−１２１３６）「ガスタービンエンジンのレーザショックピーニング処理ブレード先端」、同０７／（ＧＥ代理人整理番号１３ＤＶ−１２１４２）「ガスタービンエンジンのレーザショックピーニング処理圧縮機エアーホイル端縁」、同０７／ＧＥ代理人整理番号１３ＤＶ−１２１４８）「レーザショックピーニング処理ブレード端縁のひずみ制御」の要旨と関連している。
発明の背景
技術分野
この発明は、ガスタービンエンジンに生じる亀裂（クラック）に関し、特に亀裂を亀裂に敏感な区域からそらせるとともに、亀裂が本発明を適用しない場合に生じるより温和なモードで伝播するように亀裂をそらせる技術に関する。
関連技術の説明
ガスタービンエンジンの静止構造および部品は、ガスタービンエンジンのロータとは対照的に、熱、圧力、振動または飛行負荷による亀裂を受け、このため静止部品は疲労破壊や寿命短縮をこうむる。代表的にはチタン材料から作製される静止タービンベーン・エアーホイルは、曲げモードおよびねじれたわみモードのエアーホイルの種々の刺激のため応力を受ける。ガス流の衝突から生じる翼弦および翼幅方向曲げモードと、ロータブレードがステータベーンの横を通過することと、そしてフラッタとの組み合わせにエアーホイルが応答することの結果として、エアーホイル破壊が生じるおそれがある。これらの刺激に対する応答の特徴として、エアーホイル上に節（ノーダル）パターンが現れ、その結果、エアーホイルまたは他の静止プレート型部品のパネルセクションが共振周波数で振動することになる。亀裂が生じ、節パターンの節線に沿って伝播する。節線は、それに沿ってベーンエアーホイルまたはプレートの部分が曲がり、したがって最大応力レベルを受ける直線または曲線である。異なる節線、モードおよび破壊モードは、その共振次数、すなわち第１次、第２次、第３次などとして区別される。
破壊モードが異なると、損害の度合いも異なる、つまりひどい損害度合いとなったり、それより幾分か過酷でない、すなわち温和な損害度合いとなる。たとえば、可変角度ベーンはトラニオン付きベーンであり、第８次破壊モードに基づいて亀裂開始点から進展する亀裂（クラック）が、（ベーンの厚さの変動に依存して）第９次破壊モードに移ることがある。第８次破壊モードの結果としては、ベーンエアーホイルの下隅部分がはがれ、下流の圧縮機ブレードおよびエンジン部品にわずかなダメージを与えるが、経験によれば、エンジンは作動し続ける。第９次破壊モードの結果として、第８次破壊モードではがれる部分よりいちじるしく大きい下部トラニオン部分がはがれ、これは下流にいちじるしく大きなダメージをもたらすことが確認されており、極端な場合にはエンジンの破壊または停止をもたらすおそれがある。
したがって、ガスタービンエンジン静止部品が２つ以上の共振破壊モードを受ける場合、破壊が起こったとしたら、それが小さなダメージしかもたらさないものとなる、つまり他のものより温和な（良性な）ものとなるように、静止部品を設計し、構成するのが特に望ましい。この発明は、このような目的を達成するためのもので、レーザショックピーニングにより深い圧縮性残留応力を付与された少なくとも１つの領域が、２つの共振破壊モードの２つの節線の間の区域に配置されている。ガスタービンエンジンの静止部品、特にトラニオン付き可変ステータベーンエアーホイルを提供する。
この発明が対象としているもう一つの分野は、亀裂（クラック）がケーシングのある部位で始まり、疲労誘引破壊をもっと受けやすい敏感な区域へ伝播する事象である。燃焼器ケースは、一体に形成された環状フランジ間に軸線方向に延在する、環状シェルまたはパネルを有し、これらの環状フランジを隣接するケーシングの隣接フランジにボルト連結するようになっている。ゼネラル・エレクトリック社のＴ３９エンジンに見られるような圧縮機ケーシングは、水平な軸線方向に延在するフランジを有する水平方向に分割されたケースを有し、これらの水平フランジが隣接する燃焼器ケーシングの環状フランジにボルト連結された環状フランジで終端する。水平な軸線方向に延在するフランジが環状フランジで終端する点は、燃焼器ケーシングの環状フランジに大きな局在応力を与える部位であり、これが原因で亀裂がフランジで始まり、燃焼器ケーシングのシェルにおける疲労破壊点まで伝播する。シェルはフランジと較べて薄く、熱および圧力荷重のせいで疲労破壊を受けやすい。燃焼器ケーシングシェル上の燃料ノズル用ボスも、疲労破壊を一層受けやすいシェルの区域、たとえば燃料ノズルより軸線方向下流のより高温の運転区域に進展するおそれのある亀裂を開始し得る部位である。したがって、このような亀裂を生じやすいガスタービンエンジンの静止部品、たとえば燃焼器ケーシングを、シェルに取り付けられたある部位（付加物）から開始される亀裂をそらせ、亀裂がシェルの疲労破壊を一層受けやすい区域に伝播するのを防止する、亀裂回避手段を設けるように設計し、構成することが特に望まれている。この発明は、このような目的を達成するためのもので、ガスタービンエンジンの静止燃焼器シェルにおいて、レーザショックピーニングにより深い圧縮性残留応力を付与された少なくとも１つの領域が、亀裂開始部位と部品ケーシングのシェル間の区域に配置されている、静止燃焼器シェルを提供する。
この発明にしたがってレーザショックピーニングにより深い圧縮性残留応力を付与された領域は、米国特許第５，２３５，８３８号「真の加工品を調整またはまっすぐにする方法および装置」に開示されているような、レーザビームを用いて、加工品を局部的に加熱し硬化する、硬化操作により誘引される局部的に限定された圧縮性残留応力を含む加工品の表面層区域と混同してはならない。この発明では、米国特許第３，８５０，６９８号「物質の特性を変える方法」、同第４，４０１，４７７号「レーザショック加工」、同第５，１３１，９５７号「材料特性」に開示された方法と同様に、大電力パルスレーザからの多重放射パルスを用いて、加工品の表面に衝撃波を生成する。レーザピーニングは、当業界で理解されている通り、またここで用いられている通り、レーザビーム源からのレーザビームを用いて、表面の一部に局在化された強い圧縮力を生成することを意味する。米国特許第４，９３７，４２１号「レーザピーニング装置および方法」に開示されているように、レーザピーニングは、加工品の外面に圧縮応力を付与された保護層を生成するのに用いられており、このような保護層が加工品の耐疲労破壊性をいちじるしく増加することが知られている。しかし、従来技術では、この発明の請求の範囲に記載されている型式のファンブレード前縁や、その製造方法は開示されていない。この発明は、このような目的を達成することをめざしている。
発明の開示
この発明は、静止部品上の部位から開始される亀裂を受けやすい直線状のまたは湾曲した金属製パネルセクションを有する、ガスタービンエンジンの静止部品において、レーザショックピーニング（ＬＳＰ＝laser shock peening）により深い圧縮性残留応力を付与された細長いレーザショックピーニング処理領域を、亀裂開始部位とパネルセクションの部分との間に配置し、こうしてレーザショックピーニング処理領域により、前記部位から伝播する亀裂をパネルセクションの部分から遠ざかる方へそらせるように構成した、静止部品を提供する。レーザショックピーニング処理領域が静止部品を貫通するのが好ましく、また第１および第２レーザショックピーニング処理表面区域を同時にレーザショックピーニングして、レーザショックピーニング処理領域を形成するのが好ましい。
この発明の１実施例において、静止部品はガスタービンエンジンのケーシングであり、パネルセクションは２つの環状端部フランジ間に軸線方向に延在する環状シェルである。特に好適な実施例において、細長いレーザショックピーニング処理領域が環状であり、前記フランジの少なくとも１つに、フランジに沿って環状に延在し等間隔に配列された多数のボルト穴とシェルとの間に配置されている。この発明は、環状フランジ上のボルト穴の数個に対応する位置で終端する水平なフランジを有する、隣接する水平方向に分割された圧縮機ケーシングに取り付ける、ガスタービンエンジンの燃焼器ケーシングに適用することができ、この場合、細長いレーザショックピーニング処理領域を、環状フランジ上に、数個のボルト穴とシェルとの間で円弧状に配置する。この発明の別の好適な実施例においては、燃焼器ケーシングは、環状フランジ間のシェルにだいたい環状に配列されたボスが溶接され、細長いレーザショックピーニング処理領域がボスと後方環状フランジとの間に配置されたシェル中の環状領域である。
この発明の別の実施例では、少なくとも２つの所定の節線（ノーダルライン）を有する金属製パネルセクションを有するガスタービンエンジンの静止部品において、パネルセクションは、２つの共振モードおよび所定の節線と関連した２つの異なる共振誘引亀裂線を生じ得る少なくとも２つの共振破壊モードを受ける。だいたい細長いレーザショックピーニング処理表面区域を、パネルセクション上の節線のうち１つだけに交差して配置し、レーザショックピーニング（ＬＳＰ）により深い圧縮性残留応力を付与された領域が、レーザショックピーニング処理表面区域からパネルセクション中に進入する。この発明の１実施例においては、共振モードが順次の共振モードである。
この発明の好適な実施例においては、静止部品が可変角度ベーンであり、パネルセクションがベーンに取り付けられたエアーホイルである。さらに好適な実施例では、一体に形成されたトラニオンを有する（代表的には上下２つのトラニオンを有する）ベーンが提供され、第１節線がトラニオンに交差せず、第２節線がトラニオンに交差する。共振モードは順次の共振モードであり、好適な実施例では、第８次および第９次共振モードであり、第９次共振モードはトラニオンの軸線にクロスオーバする第９次節線を有する。
効果
この発明の効果として、高応力および振動応力場で長時間作動するように設計されたガスタービンエンジンの静止部品を、安全に製造し、疲労破壊をこうむることなく、安全に作動させることができる。この発明の別の効果として、疲労破壊を、この発明を適用しない場合に起こる疲労破壊より、過酷でない直接なまた副次的なダメージにて、より温和な態様で起こさせる、ガスタービンエンジンの静止部品が提供される。この発明には、静止部品の厚さや重量を増加することなく、より長い商用寿命期間を有する静止部品を製造することができる、という効果もある。この発明によれば、このような静止部品のオーバーホールから交換までの時間を安全に延長することができる。この発明によれば、関連する疲労誘引亀裂が発見されないか発見不可能な点検と点検の間、ガスタービンエンジンの作動をより安全なより信頼できるものとすることができる利点も得られる。
【図面の簡単な説明】
この発明の上述したような観点と特徴を、以下に添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明による航空機ガスタービンエンジンの１例を示す断面図である。
図２は、図１に示した航空機ガスタービンエンジンのエンジンケーシングの一部分の斜視図である。
図２Ａは、図２に示した航空機ガスタービンエンジンのケーシングのフランジの一部の拡大斜視図である。
図３は、図１に示したのと同様の航空機ガスタービンエンジンに用いることのできる従来の可変ベーンの斜視図である。
図４は、図１の航空機ガスタービンエンジンに示したようなこの発明による可変ベーンの斜視図である。
発明を実施する好適な態様
図１に、この発明の２つの実施例に係る、燃焼器ケーシング６および可変圧縮機ベーン８を含む具体的な航空機ガスタービンエンジン１０を線図的に示す。ガスタービンエンジン１０は、エンジン中心線１１のまわりに円周方向に配置され、直流流れ関係で、ファンセクション１２、高圧圧縮機１６、燃焼器セクション１８、高圧タービン２０および低圧タービン２２を有する。燃焼セクション１８、高圧タービン２０および低圧タービン２２は、通常エンジン１０のホットセクションと称される。高圧ロータシャフト２４は高圧タービン２０を高圧圧縮機１６に駆動関係で連結し、低圧ロータシャフト２６は低圧タービン２２をファンセクション１２に駆動関係で連結する。
ファンセクション１２を通過するファン空気９の大部分は、ファンセクション１２と高圧圧縮機１６に続くブースタファン１３との間に入口またはスプリッタ３２を有するバイパスダクト３０を通って、ブースタファン１３、高圧圧縮機１６およびホットセクションをバイパスする。可変圧縮機ベーン８は、通常、ゼネラルエレクトリック社のＴＦ−３９およびＣＦ−６エンジンなどの航空機ガスタービンエンジンに見られるような、高圧圧縮機１６に用いられている。
燃料を燃焼セクション１８で燃焼させて、きわめて高熱なガス流２８を生成し、これを高圧タービン２０および低圧タービン２２に導き、エンジン１０のパワーを生成する。燃焼器３６は、外側燃焼器ケーシング６と内側燃焼器ケーシング４０との間の圧縮機排出流れ３８内に配置されている。燃焼器３６は、環状燃焼器ドーム４２および後方に延在する外側および内側環状燃焼器ライナー４３および４４を有するものとして図示されている。外側および内側環状燃焼器ライナー４３および４４は互いに半径方向に離間して、相互間に環状燃焼流路または燃焼領域４５の一部を画定している。燃料と空気の混合物を複数の燃料ノズル４６から燃焼領域に吐出して、点火し、燃焼させる。外側燃焼器ケーシング６に設けたボス４８を貫通する燃料管４７により、燃料を燃料ノズル４６に導入する。
図２および図２Ａに、隣接する水平方向に分割された圧縮機ケーシング５０に取り付けた環状燃焼器ケーシング６を示す。燃焼器ケーシング６は、環状前端フランジ５３および環状後端フランジ５４間に軸線方向に延在する環状圧力シェル５１の形態の湾曲パネルセクションを有する静止部品である。環状前端フランジ５３および環状後端フランジ５４はそれぞれ、隣接するケーシング（たとえば水平分割圧縮機ケーシング５０）およびそのフランジへの取付け用のボルト穴５７があけられたリング５５を有する。水平分割圧縮機ケーシング５０は水平方向フランジ５８を含み、これらのフランジは前端フランジ５３上のリング５５の数個のボルト穴５７の一群５９に対応する位置６０で終端する。燃焼器ケーシング６のこの構成は、ボルト穴の一群５９により表わされる部位からシェル５１に伝播する亀裂（クラック）６０を開始することができ、このような亀裂の進展は、構造的一体性の減少に、そしてついにはシェルのまったく望ましくない破損につながるおそれがある。
したがって、このような事態を防止するために、この発明によれば、前方フランジ５３にボルト穴群５９とシェル５１との間の位置で、レーザショックピーニングを施すことにより深い圧縮性残留応力を付与した細長い円弧状のレーザショックピーニング処理領域６６を設ける。細長いレーザショックピーニング処理領域６６は、多数の円が重なった線７０により示される細長いレーザショックピーニング処理表面区域６８に沿って、そのレーザショックピーニング処理表面区域６８から前方フランジ５３中に進入する。多数の円７０は、レーザビームが当たるスポットを示し、そこにレーザビームがレーザショックピーニング処理表面区域６８を形成する。レーザショックピーニング処理領域６６が、前方フランジ５３の後向き側面Ａから前向き側面Ｆまで、前方フランジ５３の厚さ全体にわたって延在するのが好ましい。前方フランジ５３の両側面を同時にレーザショックピーニングして、後向き側面Ａおよび前向き側面Ｆ両方にレーザショックピーニング処理表面区域６８を形成するとともに、両者の間にレーザショックピーニング処理領域６６を形成するのが好ましい。
図２に、クラック開始部位が、燃焼器ケーシング６のシェル５１のまわりに円周方向に配列され、シェルを貫通する燃料ライン用穴８２を有する燃料ライン用溶接付けボス４８である、この発明の別の実施例を示す。溶接付けボス４８は、そこから伝播する亀裂８６を開始することができ、この亀裂は溶接付けボス４８から軸線方向後方へ伝播し、さらに後方へシェル５１上で互いに出会い、かくして構造的一体性の減少に、そしてついにはシェルのまったく望ましくない破損につながるおそれがある。レーザショックピーニングを施すことにより深い圧縮性残留応力を付与した環状のレーザショックピーニング処理領域８４が、環状のレーザショックピーニング処理表面区域６８に沿う多数の円の線７０で示されるように、シェル５１のまわりを一周している。環状のレーザショックピーニング処理領域８４がシェル５１の厚さ全体に延在するのが好ましい。多数の円７０は、レーザビームが当たるスポットを示し、そこにレーザビームがレーザショックピーニング処理表面区域６８を形成する。シェル５１の両側面を同時にレーザショックピーニングして、シェル５１の内側Ｉおよび外側Ｏ両方にレーザショックピーニング処理表面区域６８を形成するとともに、両者の間にレーザショックピーニング処理領域８４を形成するのが好ましい。
図３および図４にこの発明の他の実施例を示す。この実施例では、静止部品が、金属パネルセクションとして薄い中実エアーホイル９１を有する可変圧縮機ベーン８であり、クラック開始部位が、１例では順次の第８および第９次共振モードに対応する所定の第１および第２節線９２および９４である。エアーホイル９１には、上部スピンドル１０６および下部スピンドル１０８を含む上部トラニオン１００および下部トラニオン１０２が一体に形成され、エアーホイル９１は、所定の隣接する第１節線９２および第２節線９４に沿って２つ以上の共振破壊モードにさらされる。上部スピンドル１０６は、エアーホイル９１の角度を変えるためにエアーホイル９１を付勢するのに用いるレバーアーム１０７に取り付けられている。第８および第９次共振モードは、２つの共振モードと関連する２つの異なる共振誘導された亀裂線を生じ得る。これらは通常第１節線９２および第２節線９４で示すような第８および第９節線に従う。この結果、エアーホイル９１が破損し、通常第１節線９２および第２節線９４で境界を定められた第１片１１０と第２片１１２がエアーホイル９１からはずれる。亀裂が第１節線９２に沿って始まり、エアーホイル９１の自由端１１３に交差し、しかしその後、第２節線９４に沿って進行し、その結果、下部トラニオン１０２を含む大きな第２片１１２がエアーホイル９１からはずれることになる。
図４についてさらに詳述すると、大きな第１片１１０が割れてはずれるのを防止するために、レーザショックピーニング（ＬＳＰ）を施すことにより深い圧縮性残留応力を付与しただいたい細長いレーザショックピーニング処理領域１１６を、第９次共振モードに対応する第２節線９４のみに交差させて配置する。エアーホイル９１をその圧力側Ｐおよび吸引側Ｓでレーザショックピーニングして、１側面に１つずつ２つの細長いレーザショックピーニング処理表面区域６８を形成し、これによりレーザショックピーニング処理領域１１６を形成するのが好ましく、こうすれば、（レーザスポットを示す）円の線７０で示される全長に沿って、処理領域１１６がエアーホイル９１の全厚Ｔに延在する。
レーザショックピーニング処理領域におけるレーザビームショックにより誘引された深い圧縮性残留応力は、通常約５０−１５０ｋｐｓｉ（ｋｉｌｏ  ｐｏｕｎｄｓ  ｐｅｒ  ｓｑｕａｒｅ  ｉｎｃｈ）で、レーザショックピーニング処理表面区域からレーザショックにより誘引された圧縮性残留応力領域中に深さ約２０−５０ミルまで及ぶ。レーザビームショックにより誘引された深い圧縮性残留応力を生成するには、塗料で被覆されたレーザショックピーニング処理表面区域またはその少し上または下に焦点を合わせた高エネルギーレーザビームを繰り返し発射して、ギガワット／ｃｍ2のオーダのピークパワー密度を生成する。レーザビームを、塗装されたレーザショックピーニング処理表面区域に流れる流水のカーテンを通して発射し、塗料をはがし、プラズマを発生し、これにより材料の表面に衝撃波を与える。衝撃波は流水カーテンにより塗装表面に再度向けられ、塗装表面下の材料中に進行衝撃波（圧力波）を発生する。この衝撃波の振幅と量が圧縮応力の深さと強さを決める。塗料はターゲット表面を保護するとともにプラズマを発生するために用いる。はがされた塗料は流水カーテンで洗い流される。このようなレーザショックピーニング法は、米国特許出願ＳＮ０８／３１９，３４６「ターボ機関用のレーザショックピーニング処理ロータ部品」およびＳＮ０８／３６３，３６２「フライ・レーザショックピーニング」にもっと詳しく開示されている。
以上、この発明の原理を説明するためにその好適な実施例を詳しく記載したが、この発明の要旨から逸脱しない範囲内で、これらの実施例に種々の変更や改変を加えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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