(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードが周囲のシールに接触するタービン・エンジンにおけるブレードの疲れ強さを維持する方法であって、
（ａ）基部と、先端部であって前縁と、後縁と、相対する面と、前記前縁、後縁および相対する面によって規定された中央部分とを含む先端部とを有する少なくとも１つのブレードを準備すること、
（ｂ）前記ブレードがタービン・エンジン内で使用されるときに前記ブレードの先端部における応力を低減するために高応力が存在する、前記相対する面と前記ブレードの先端部の中央部分との間の交差部において前記相対する面の一方または双方の少なくとも一部を面取りすること、及び
（ｃ）前記ブレードの先端部の中央部分に研磨被覆を付けること
を含み、
面取りされた部分は、前記先端部を取り巻くように最大でも部分的にしか伸びない、
ブレードの疲れ強さの維持方法
【請求項２】
プラズマ溶射により前記研磨被覆を付ける、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電気めっきにより前記研磨被覆を付ける、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記研磨被覆を付ける工程が、前記ブレードの先端部の中央部分にニッケル合金マトリックス中の立方晶窒化ホウ素粒子を付けることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
さらに、工程（ｂ）の後でかつ工程（ｃ）の前に、前記ブレードの先端部にピーニングを施すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｂ）が、さらに、前記相対する面の少なくとも一方に前記前縁の後方から始まり前記後縁の前方に終わる面取りを施すことを含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガスタービン・エンジンのブレード群の先端部における応力を軽減するための方法、より詳細には、周囲のシールに接するように設けられたブレードの先端部にかかる応力を軽減するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン・エンジンは、該エンジンの中心軸線の周りに回転する一連の圧縮機およびタービンのブレード群を有する。前記圧縮機の効率および前記エンジンの効率は、部分的に、前記圧縮機のブレードと、周囲を取り巻く囲い板または周囲のシールとの間の接触面を経て漏れる圧縮空気の体積に依存する。同様に、前記タービン部分の効率も、タービンのブレードの周囲を過ぎる膨張した燃焼生成物の漏れにより影響を受ける。エンジンの効率は、前記ブレード、シール接触面を通過する漏れを減らすために前記圧縮機またはタービンのブレード先端部と、協同する前記周囲のシールとの間の隙間の大きさを減少させることにより増大させることができる。
【０００３】
前記ブレードの先端部と前記協同する周囲のシールとの間の損失を減ずるために用いられる従来の１方法では、摩耗性のシールを採用している。この構造的形態において、前記ブレードを取り囲む周囲のシールは、前記ブレードの先端部との接触によって容易に磨り減りまたは摩損され得る材料で形成されている。前記シール内に前記ブレードを設置するため、前記ブレードは、適合性が得られるまで、前記ブレードの先端部が外側のシールを擦りまたは摩損させるように回転される。前記シールを設置するこの方法は、前記シールを経る空気の損失を減少させる精密公差の適合性を生じさせる。摩耗性の外側のシールの使用はエンジンの効率を増大させるのに成功した。
【０００４】
これまで、一般には、摩耗性の外側のシールは一般に「繊維」金属と称される材料で形成されていた。繊維金属は、前記ブレードの先端部に重大な損害または摩耗を生じさせることなしに前記ブレードの先端部が前記シールに食い込むことが可能である、非常に柔らかく、容易に摩損する金属である。
【０００５】
近時のタービン・エンジンでは、前記ブレードおよびシール間の公差はこれまで達成されたものより精密であるが、エンジンの効率をより増大させることが望ましい。これを達成するため、外側のシールは、精密公差およびシールの長寿命を生じさせる、より硬く、緻密で耐久性のある材料で形成されている。しかし、この材料の使用は、設置または着座過程の間の損害および摩耗の増大をもたらす。前記ブレードの先端部と前記硬いシールとの物理的な接触は、前記ブレードの先端部を摩損させまた損傷させやすい。この損傷は、次に、クラックの発生と伝播とによる故障を誘発するブレードの摩損の増大および金属温度の増大をもたらす。先端部の摩耗はブレード全体の寿命を減少させ、また、前記ブレードの空気力学的形態に影響を及ぼす。
【０００６】
図１および図２に示すように、高硬度のシール材料のシール配置の間のブレードの先端部の摩耗を減少させるための公知の一方法では、前記ブレードの先端部に研磨被覆を形成する。研磨被覆１０はブレード１４の先端部１２に適用されている。前記研磨被覆は、研磨被覆１０またはブレードの先端部１２に大きい摩耗または損害を生じさせることなしに前記摩耗性シールに食い込むことを助ける硬い材料である。前記研磨被覆には、あるタイプの金属マトリックス内に埋め込まれた研磨材粒子１６を有するものがある。前記研磨材粒子は、前記ブレードの先端部が前記摩耗性シールに食い込みかつ着座するのを助けるために前記先端部の被覆から突出している。
【０００７】
研磨性の先端部の被覆を適用する２つの例が米国特許明細書第5,074,970 号および同第4,169,020 号に開示されており、これらの明細書はここに参照により包含されている。多数の異なる材料が、ニッケルまたはアルミニウムの酸化物、立方晶窒化ホウ素、種々の研磨炭化物、酸化物、ケイ化物、窒化物およびマトリックス中の浮遊物質を含む、研磨性の先端部の被覆として用いられる。このような被覆は、電気めっき、プラズマ溶射により、または、この分野の当業者により知られまた実施されている他の方法に従って適用可能である。
【０００８】
摩耗性シールの着座の間、研磨性の先端部被覆はブレードの先端部の摩耗と損傷とを低減するが、前記ブレードの先端部および前記摩耗性シール間の接触がエンジン作動の間の前記ブレードの先端部に既に存在する高応力レベルの大きさに加わる。図３に示すように、エンジン作動の間、前記ブレードの先端部は共振振動数で変形しようとする。代表的な共振曲げモードに関する典型的なモード形状が図３に想像で示されている。図示のモードでは、前記ブレードの前縁１７および後縁１８が、前記ブレードの厚さを経て曲げ応力を導入する共振の間に内方および外方へ交互に変形する。図４に前記ブレードの横断面を示すように、前記ブレードの中心から相対する表面のいずれかに向けて移動する間に応力１９の絶対値が増大する。前記ブレードの先端部と前記周囲のシールとの間の接触はさらに前記ブレードの先端部における応力の大きさを増大させ、クラックの発生および伝播によるブレード破壊の原因となる。
【０００９】
先端部の被覆は、各研磨材粒子１６（図２）が前記ブレードの先端部上の個々に応力上昇物として働くため、前記ブレードの先端部における応力の大きさをさらに増大させる。これらの応力は、また、クラックの発生および伝播または波及によるブレード損傷の機会を増大させる。
【００１０】
研磨性の先端部の被覆の使用は、特に、チタンのような高い割れ感受性材料から形成されたブレードの疲労寿命に有害である。チタンは、その高強度、温度耐性、剛性、および低密度または低比重のため、圧縮機のブレードが形成される好ましい材料の一つである。したがって、先端部の被覆によって生じる疲れ強さの減少は、このような材料で形成される能率的で長寿命のタービン・エンジンの製造において特に重要である。
【００１１】
ガスタービン・エンジン内で生じる空力プロセスにおいてよく理解されているように、ブレード全体の寿命上、先端部の被覆の不利な影響を低減することがより重要になり始めた。ブレードは空気力学的能率を増大させるために次第に外形が薄くまたより鋭くなっている。このため、新しいブレードの外形は、研磨被覆を適用するブレード先端部にわずかな表面積を有する。この表面積の減少は、摩耗性シール中に前記ブレードを着座させるための新しい研磨被覆の改良を求める。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ブレード先端部における応力の大きさを低減することにより、従来のブレード構造の欠点を克服することにある。この応力の低減は、また、クラックの発生および成長を回避し、これにより、ブレードの疲れ強さを増大させる。本発明は、どのようなブレードの先端部における応力の低減にも利用することができる。しかし、本発明は、特に、先端部に被覆を有するブレードに有利である。さらに、本発明はどのような材料で形成されたブレードにも適用可能であるが、特に、チタン合金のような割れ感受性材料で形成されたブレードへの使用に有利である。
【００１３】
【課題を解決するための手段、発明の作用および効果】
ブレードの先端部における応力はブレード先端部の外形を調製することにより減少される。前記ブレード先端部の外形は該ブレード先端部から最大応力を転ずるように調製され、これにより、高サイクルの疲れ強さの増大を助長する。
【００１４】
本発明に係る、基部および先端部を有するブレードを含むタービン・エンジンにおけるブレードの疲れ強さを増大させるための方法によれば、エンジン作動中のブレードの先端部における応力集中を低減すべく、前記ブレードの幅方向の少なくとも一部にわたって前記ブレードの先端部に面取りを施す。一実施例では、面取りに先立ち、前記先端部が研磨被覆で覆われ、他の実施例では、前記先端部が面取り後に研磨被覆で覆われる。さらに、他の実施例では、前記ブレードの先端部は全く被覆されない。ある適用において、前記ブレードの先端部は、ブレードの先端部に圧縮応力を導入するために面取りの前または後にピーニングを施され、これは、また、ブレードの疲れ強さを増大させる。
【００１５】
本発明の他の実施例では、前記ブレードの先端部上に配置される前記研磨被覆は、前記ブレードの先端部の中央部分にのみ適用される。したがって、前記被覆は、前記ブレードの先端部の外縁に伸長または接触しない。前記ブレードの先端部の中央部分のみを被覆することにより、前記研磨被覆による前記ブレードの先端部における応力集中が減少され、これにより、ブレードの疲れ強さを増大させる。使用される好ましい研磨被覆の一例は、ニッケル金属マトリックスに埋め込まれた立方晶窒化ホウ素粒子で形成される。前記研磨被覆は電気めっき、プラズマ溶射によりまたは他の方法を用いることにより付けられる。
【００１６】
【実施例】
先ず、図１および図２を参照すると、ブレードの先端部１２上に研磨性の先端部の被覆１０を含み、また、周囲のシールに対して擦りつけるように配置された従来のブレード１４が示されている。前述したように、従来のブレード１４は、タービン・エンジン（図示せず）の圧縮機またはタービン部分のいずれかにおいて使用される翼として一般に形成されている。研磨性の先端部の被覆１０は、前記研磨性の先端部の被覆とブレードの先端部１２との間の界面に応力集中を生じさせる研磨材粒子を含む。これらの応力集中は、エンジン作動中に前記ブレードの先端部にクラックを誘発し、伝播させることを助長する。
【００１７】
図５−７を参照すると、本発明の第１の好ましい実施例を含むブレード２０が示されている。本発明によれば、前記ブレードの先端部における応力を低減するために前記ブレードの先端部から材料が除去されている。図５に示すように、前記ブレードの先端部に面取り部３０を形成し、そうでなければ前記ブレードの先端部から材料を除去することにより、ブレードの曲げにより生じる前記ブレードの先端部における応力分布が変わる。最大の曲げ応力が前記ブレードの最も外側の表面に生じる。したがって、先端部２３における前記ブレードのエッジまたは縁部を面取りすることにより、前記ブレードの先端部における応力は量３３だけ低減される。前記ブレードの先端部における応力のこの低減は、前記ブレードの先端部におけるクラックの開始および伝達もしくは伝播の機会を減少させることによりブレードの損傷を低減する。
【００１８】
本発明は、先端部の被覆を有しまた有しない、圧縮機またはタービンのブレードに適用可能であり、また、特に、クラックの開始および成長に対するチタン合金の高感受性のために高い応力が加えられるチタン製の圧縮機のブレードに適する。
【００１９】
図５−７に翼形状を有するブレード２０の好ましい実施例が示されているが、この実施例のブレードの空気力学的形状に限定されることを意味しない。実際、本発明は全ての異なるブレードの形状および構造に適用可能である。ブレード２０は、基部と、前縁２４と、後縁２６と、相対する凸状の前面２７および凹状の後面２８と、ブレード先端部２９とを有する本体２２を含む。前記ブレード先端部の中心部分の境界は前縁２４および後縁２６によって、また、相対する面２７，２８によって規定される。
【００２０】
本発明によれば、面取り部３０は前記ブレード先端部の前記相対する面に沿って、少なくとも前縁２４と後縁２６との間の一部を伸びる。図示の好ましい実施例では、面取り部３０が両面２７，２８に設けられ、前記ブレードの相対する面に沿ってほぼ等距離を伸びる。しかし、図示の好ましい実施例の形状はこれに限定することを意味せず、他の実施例では、前記面取り部は前記ブレード先端部の前記相対する面に沿って異なる距離を、前記ブレード先端部の全部の上縁を取り巻くように伸びる。
【００２１】
図６および図８に最も良く示すように、好ましい実施例の面取り部３０は、前記ブレードの前縁２４の後方から始まり、前記ブレードの後縁２６の前方で終る。加えて、図７に最も良く示すように、前記面取り部は前記ブレードの先端部の直下から始まり、前記ブレードの中心に向けて内方へ傾斜している。好ましい実施例では、前記面取り部が約４５°度の角度фで内方へ傾斜している。このように示されまた規定された前記面取り部の角度はこれに限定することを意味しないが、前記面取り部の好ましい角度фはほぼ３０°ないし５０°の範囲内であると考えられる。さらに、前記面取り部は、前記面取り部を形成するように連ねられた複合の角度または面で構成することができる。好ましい実施例では、前記面取り部が伸びる距離（前記ブレードの長さに沿って測った）４２は、ほぼ0.20mm（８ミル）ないし0.38mm（１５ミル）である。しかし、図示の面取り部の大きさはこれに限定するものではなく、また、他の実施例において他の面取り部の角度および長さを用いることができる。
【００２２】
前記面取り部の角度фおよび前記面取り部が伸びる距離４２は、前記ブレード先端部で望まれる応力集中の低減と、面取り後に残るブレード先端部の表面領域の大きさまたは量との間のかね合いを示す。面取り後の前記ブレード先端部に残る表面領域の量は、先端部の被覆が適用可能である表面領域の大きさまたは量を決定する。この制限は、また、着座工程の間の摩滅可能の外側のシール内に切り込み可能である先端部の被覆の表面領域を決定する。面取り後に不十分な表面領域が残ると、前記着座工程の完了前に前記摩滅可能の外側のシールとの接触により前記先端部の被覆が摩滅する可能性がある。他方、不十分な面取りは、もたらされる応力軽減の量を減少させ、このため、以下に詳述するように、本発明の利点を低減させることになろう。
【００２３】
研磨性の先端部の被覆は、アルミニウム酸化物、立方晶窒化ホウ素、種々の研磨炭化物、酸化物、ケイ化物、窒化物、またはブレードが作動する過酷な環境に耐えることができる適当な物質を含む多数の異なる材料で形成することができる。これらの被覆は、電気めっき、プラズマ溶射、または他の適当な適用方法を用いて付けることができる。好ましい実施例では、ニッケル合金マトリックスに埋め込まれた立方晶窒化ホウ素で形成された被覆が電気めっきにより前記ブレードの先端部に付けられている。
【００２４】
面取り部の角度фと前記面取り部が伸びる距離４２とを変更することにより、所望のブレードの先端部の領域と、所望の応力の低減との間のかね合いをコントロールする。面取り部が小さい角度であると、大きい先端部領域が残り、このため、研磨被覆を配置すべき大きい表面領域を与える。面取り部の角度または面取り部の長さを増大させると、前記ブレードの先端部からさらに下方へ移動された応力集中位置を与える。この結果は、また、先端部の研磨被覆４６と前記ブレードの本体２２との間の界面における応力集中を減少させ、これにより、クラックの開始および伝播に対するブレードの感受性を減少させる。前記面取り部の寸法は、異なるブレードのデザインに従って代わり、それぞれの新しいデザインでは前記面取り部の寸法を最適にする必要がある。
【００２５】
図８に最も良く示すように、前記面取り部が距離または長さ３２にわたって前記ブレードの先端部の相対する面に沿って伸びる。好ましい実施例では、距離３２は前記ブレードの全幅のほぼ７５−９０％である。しかし、前記面取り部は、前記ブレードの形状に応じて、本発明の効果に影響することなしに、全ブレード幅の異なるパーセンテージ以上、または、前記ブレードの全周を取り囲むように伸び得る。前記面取り部の角度を用いると同様、前記面取り部が伸びる長さは、先端部の被覆を適用することができる先端部領域の量と、所望のブレード先端部の応力低減の量との間のかね合いを示す。前記面取り部の長さは、前記ブレードの先端部の最大応力領域における応力を低減するのに十分でなければならない。一般に、前記ブレードの中間部は、前記前縁および後縁より高い応力を受ける。
【００２６】
また、前記面取り部の前縁部および後縁部に、ある半径の湾曲部３４を形成することが望ましい。前記半径の湾曲部は、前記ブレードの先端部の応力集中を増大させる鋭角的なブレード形状を回避するのに役立つ。好ましい実施例では、1.19ないし1.98mm(.047 - .078インチ )の曲率半径が用いられるが、ブレードの形状および材料に応じて、他の半径を用いることができる。前記面取り部は、多くの従来の研磨または研削方法を用いて前記ブレードの先端部上で切られる。
【００２７】
図６ないし図８に示す好ましい実施例では、研磨被覆が面取りされないように、面取り工程後に前記研磨被覆が付けられる。前記研磨被覆の張り付けに先立つ前記ブレードの面取りが望ましいのは、これが前記ブレードの取り扱いおよび製造を簡単にするためである。面取り領域に圧縮応力を導入するため、前記面取り部を含む前記ブレードの先端部にピーニング（peening)を施すことが有利である。これらの圧縮応力はクラックの開始および伝播を低減させるのに役立ち、したがって、ブレードの疲労寿命を増大させる。前記研磨被覆の適用後にピーニングを行なうと、前記研磨被覆がピーニング作業過程の間に損傷を受けることがある。また、面取り後の前記研磨被覆の適用は、面取り作業過程の間に前記研磨被覆が損傷を受けることを回避するのに役立つ。
【００２８】
図９に示す他の実施例では、研磨被覆４６が面取り前のブレードの先端部に適用されている。したがって、前記研磨被覆も、また、面取りされている。好ましい実施例を用いると同じように、前記ブレードにピーニングを施すことが有利である。しかし、前記したように、製造上の考慮のため、被覆前の面取りが望ましく、面取り前の被覆は前記ブレードの先端部の応力を低減し、また、本発明に含まれる。
【００２９】
説明上の目的のみのため、本発明の典型的な実施例では、ニッケル合金マトリックス中の立方晶窒化ホウ素粒子から形成された先端部の被覆４６を用いる。前記先端部の被覆は0.08ないし0.38mm（３−１５ミル）の平均厚さを有する。前記ブレードの先端部は、先端部の被覆に先立ち４５°の角度で面取りされ、前記ブレードの長さの約７５ないし８０％を伸びる。加えて、前記面取り部が伸びる長さ４２は約0.20ないし0.38mm（８−１５ミル）である。
【００３０】
本発明の他の例が図１０および図１１に示されている。この実施例では、前記ブレードの先端部における応力集中を低減させるため、面取りは用いられていない。代わりに、研磨被覆６８が前記ブレードの先端部の中央部分にのみ適用されている。前記研磨被覆は前縁６０のわずかに後方で始まり、後縁６２のわずかに前方で終わる。加えて、前記研磨被覆の縁またはエッジは、前記ブレードの相対する面６４，６６までは伸びていない。したがって、先端部の被覆６８は前記ブレードの先端部の中央部分に限定され、前記先端部の被覆の周縁は前記先端部の近くの境界から離れたところにある。面取りを有するのと同じように、本発明のこの変更例では、前記ブレードの本体と前記先端部の被覆との間の交差部における応力集中を減少させる。前記先端部の被覆が前記ブレードの先端部の中央部分に限定されているため、これは、前記ブレードの先端部の最大応力縁における応力集中を低減するのに役立ち、したがって、疲労寿命を延ばすのに役立つ。
【００３１】
本発明は、また、先端部の被覆を有しない形態の他のブレードに適用することができる。好ましい実施例に関して説明したように、前記ブレードの先端部の面取り、あるいは、さもなくば前記ブレードの先端部からの材料の除去により、前記ブレードの先端部における応力が低減されることを可能にする。これは、また、被覆の有無に拘りなく、前記ブレードにおけるクラックの開始および伝播によるブレードの損傷を低減するのに役立つ。
【００３２】
本発明の好ましい実施例を図示し、説明したが、本発明の趣旨および範囲から離れることなしに種々の変更をなし得ることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】研磨性の先端部被覆を含む従来のブレードの等角投影図である。
【図２】図１の切断線２−２に沿って得た、図１のブレードの拡大横断面図である。
【図３】代表的な曲げモード形状を示す図１のブレードの等角投影図である。
【図４】ブレードの厚さを横切る代表的な応力レベルを示す、図３の切断線４−４に沿って得た、図３のブレードの拡大横断面図である。
【図５】本発明を含むブレードの厚さを横切る代表的な応力レベル拡大横断面図である。
【図６】本発明の好ましい実施例に従うブレードの等角投影図である。
【図７】図３の切断線７−７に沿って得た、図６のブレードの拡大横断面図である。
【図８】図６のブレードの端部の側面図である。
【図９】図６の切断線７−７に沿って得た、図６のブレードの他の実施例の拡大横断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例を含む、ブレードの端部の側面図である。
【図１１】図１０の切断線１１−１１に沿って得た、図１０のブレードの横断面図である。
【符号の説明】
２０  ブレード
２２  本体
２３，２９  先端部
２４，２６，６０，６２  前縁および後縁
２７，２８，６４，６６  相対する面
３０  面取り部
４６，６８  被覆
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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