JP5723886B2 - 冷間圧縮によるチタン製圧縮機ブレードの修復 - Google Patents

Description

本発明の分野は、航空機エンジンの分野であり、特に、これらのエンジンの圧縮機ブレードの修復の分野である。

航空機エンジンは、通常、空気取入口へと吸気された空気を圧縮する１つまたは複数の圧縮機と、空気と混合される燃料が燃焼される燃焼室と、圧縮機および生成されたガスが排出される排気ノズルを駆動するために燃焼によって生成された動力の一部を取り出す１つまたは複数のタービンとで構成されたアセンブリから成る。圧縮機は、各々がロータホイールまたはロータと、ステータリングまたはステータとを備え、全てがロータブレード列またはステータブレード列として知られているブレード列が取り付けられた一連の段の形で作られる。ロータブレードは、エンジン回転軸に近い内側部分または根元部によって保持され、外側部分または先端は、空気流路全体を覆って圧縮空気を閉じ込める圧縮機ケーシングに面して位置決めされる。

航空機エンジンの圧縮機ブレードは、外側ケーシングに生じる恐れのある摩擦のために、先端部が摩耗する傾向がある。この摩擦は、航空機によって決まる負荷因子がエンジンロータを取り囲むケーシングに対するエンジンロータの相対運動を引き起こすために、または、ブレード根元部の摩耗がブレード根元部をキャビティ内で持ち上げるために、通常運転時に生じる。さらに、この摩擦は、例えば、発生する恐れのある圧縮機サージとして知られている現象、異物の吸い込み、過度の振動などが生じることで、異常運転時にも生じる。

したがって、ブレードとケーシングとの間の間隙は圧縮機の空気力学的性能に悪影響をもたらすので、この間隙を低減するために、エンジンの定期検査の時に、ブレードの長さをチェックして、必要であれば、最初の長さに戻す必要がある。

先行技術では、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃの特許である欧州特許第１３０２６２７号明細書に記載されている修復技術で、例えば、ブレード先端を切断するステップ、溶接を使用してブレードの裏当てを作製するステップ、その後、最初の形状にブレードを再加工するステップを含む修復技術が採用されている。この修復はさらに、表面層を圧力下に置いて、表面層が振動応力および／または溶接作業によって生じる内部応力を解放するためにブレード列の温度が上昇される熱処理により十分に耐えることができるようにするために、ショットピーニングなどの一連の生産加工を伴う。

欧州特許第１３０２６２７号明細書 米国特許第４０９５４５１号明細書

この技術は、まず使用される非常に多くの方法に関連して、次に修復にかかる時間に関連して、かなりのコストがかかるのは明らかである。したがって、構成部品が修復されている間の構成部品のダウンタイムは、エンジン検査ラインに連続して部品が供給されるように、いわゆる流動的部品在庫を有する必要がある。さらに、溶接を使用して作製する方法は、ブレード先端の材料特性を損なうので、特定のブレードは振動応力に耐えることができなくなるために廃棄されてしまう。

また、米国特許第４０９５４５１号明細書に記載されているブレードの長さを長くする方法であって、修復されるブレードを２つのローラ（一方は凸形、他方はブレードの輪郭を再現する凹形）間で圧迫するステップを含む方法が知られている。圧縮加工は、ブレードを長手方向に移動させることで行われる。この方法の不利点は、一端にのみ作用するというよりは、ブレードの全長にわたって作用するという点である。したがって、ブレードの強度特性は、そのエアフォイルの厚さを低減することで低下する。また、この方法は、１つのブレードの輪郭だけに適しており、異なる段のブレードにこの方法を使用するにはローラの交換が必要である。

本発明の目的は、先行技術の不利点のいくつかを再現することなく、特に、より簡単に速く実施することができ、さらにコストのかからない圧縮機ブレードの端部を修復する方法を提案することにより、上述の不利点を克服することである。

上述の目的を達成するために、本発明の主題は、ターボ機械の圧縮機ブレードで、半径方向端部にスキーラ先端を備え、その半径方向延在長さが所定の公称半径方向延在長さより短いブレードの修復方法であり、前記スキーラ先端の壁で実施される冷間圧縮加工を使用して、前記スキーラ先端の半径方向延在長さが前記公称延在長さより長くなるように前記スキーラ先端を長くするステップを含む修復方法であって、圧縮加工は、前記スキーラ先端の厚さより狭い間隔だけ離間した直線母線を有する２つのローラ間でブレードの端部を、ブレードの前縁を後縁に接続する弦に沿って移動させることで行われるローラバニシング加工であることを特徴とする修復方法である。

ローラバニシング加工のような圧縮加工は、特に、実施するのが簡単であり、基本的には、ブレードの半径方向端部の治金学的特性を変化させない。この方法の利点は、簡単であること、室温で作業可能であること、（溶融物質を使用して作製するステップを含む他の方法とは違って）作業後の熱処理が不要であること、および要求される染色浸透探傷検査の非破壊試験に限定されることである。

さらに、直線母線を有する円筒状ローラを使用することおよび弦に沿って移動する形態を使用するということは、この方法は、ローラの形状をエアフォイルの輪郭に合うように適応させなくても全てのタイプのブレードで実施可能であるということを意味する。

好ましくは、ローラの間隔は、前記スキーラ先端の局部厚さより０．１〜０．５ｍｍ狭い。

一実施形態では、長さを伸ばすのは、ローラバニシングの一連のパスによって達成され、その高さは０．１〜０．５ｍｍである。

好ましくは、進行速度は、２０ｍ／分以上である。

特定の一実施形態では、ローラバニシング加工によって加えられる圧力はブレードの弦に沿って変化する。ローラバニシングの好適な方法は、ローラ間の一定の間隔を維持することであり、そのことでブレードのスキーラ先端を一定の厚さにすることができるが、スキーラ先端の厚さを変えるために加えられる圧力を変えることが有利である場合もある。

別の実施形態では、ローラの軸は進行方向に垂直な面に対して傾斜しており、軸の上部が進行方向に対して前にずれている。好ましくは、ローラの軸の傾斜角度は、５°未満である。

有利には、本発明の方法は、チタン合金製のブレードに適用される。好ましくは、チタン合金はＴＡ６Ｖである。チタン合金が高剛性であるにも関わらず、ローラバニシングまたは冷間頭部据え込みを使用して、チタン合金製の部品の長さを長くすることができるのが理解できるであろう。

添付の図面を参照して単なる例示を目的とした非限定的な例として挙げられた本発明の一実施形態の以下の詳細な説明を読めば、本発明はより良く理解され、本発明の他の目的、詳細、特徴および利点がより明らかになるであろう。

ターボ機械の圧縮機ロータの断面の全体図である。 本発明の一実施形態の修復方法の適用前の圧縮機ブレードの半径方向端部の断面図である。 本発明の一実施形態の修復方法の適用後の圧縮機ブレードの半径方向端部の断面図である。

ターボ機械圧縮機のロータ１の断面図である図１を参照すると、ロータ１は、ロータ１に取り付けられるブレード２とロータ１の内部でブレード２に面する圧縮機ディスク３とを備える。各ブレード２は、当業者に知られている技術でロータ１に固定される根元部を有し、一端または先端縁部４まで延在し、この先端縁部４が本発明の主題である修復方法に関係する。

ブレード先端の半径方向断面図である図２を参照すると、ブレード先端の形状は、所望の機械的強度特性によって規定される厚さの先端縁部４を有し、当業者にはスキーラ先端として知られている厚みの薄い部分５が半径方向に延在し、その部分５は、圧縮機を取り囲むケーシングを封止する働きをする。このスキーラ先端は、時々ケーシングに接着されたアブレイダブル材料に入り込んで、エアフォイルの先端４とケーシングとの間の間隙ができるだけ小さくなるように薄くなっている。また、図２には、ケーシングまでの間隙を正確に制御するために、ロータの適切な位置で必要なブレードの半径方向延在長さの公称寸法に相当する寸法許容差６が示されている。図２に示されているブレードは、間隙の公称寸法にちょうど相当する半径方向延在長さを有する。

公称寸法に対してブレードの半径方向延在長さの公差があり、それより下では、ブレードはエンジン上で動作できないと考えられている。したがって、ブレードは、再び十分な半径方向延在長さを有するように修復するために、返品される必要がある。

圧縮機ブレード２を示した図３を参照すると、同じようにエアフォイル先端４はスキーラ先端５を有する。ここでは、スキーラ先端５は、硬質金属製で直線母線を有する円筒状の２つのローラ７間にあり、ローラ７がスキーラ先端５に対してローラバニシング加工を行っている状態が示されており、スキーラ先端５はローラ間で押圧され、ローラがスキーラ先端５の半径方向端部の両側にかなりの圧力を加えて、スキーラ先端を薄くして外側で金属の据え込み加工をする。ローラバニシング加工は、軸８を中心として回転しているローラ７間をブレード２の端部をその前縁を後縁に接続する弦に沿って移動させることで行われる。ローラバニシングによって薄くされることで、スキーラ先端は長くなり、その半径端部は当該ブレードの公称伸びのラインを再び越える。したがって、このブレードは、再びエンジン上で動作できる状態になる。

ローラバニシング加工は、それ自体知られている冷間変形加工であり、材料を除去せずに構成部品の周辺層の塑性変形によって材料の表面を滑らかにして圧縮するステップを含む。一般に、ローラバニシング加工は、周囲の部品に対して十分な摩擦特性または封止特性が得られるように、表面品質を向上させるために使用される。表面圧縮のために、部品の硬度も増し、このことにより耐摩耗性、耐腐食性、および疲労強度が向上する。

ローラバニシング加工は、一般に、金属の据え込み加工をするため、または部品をより薄くするために使用される。

ローラバニシング加工が全ての変形可能な材料に適用可能であることは知られている。一般に、材料の硬度は、ローラバニシング加工が実現可能となるためには、４５ＨＲＣで設定されているロックウェル硬度を超えてはならないと考えられている。さらに、材料には、５％より大きい破断点伸びを特徴とする十分な伸び能力がなければならない。

したがって、当業者であれば、この方法は基本的には鋼系合金に適用できると考えるであろう。チタン合金の特定の特徴を考えると、ローラバニシング加工をこの材料に施すことは想定しないであろう。

本出願の企業は、これらの先入観に反して、まず、ターボ機械の圧縮機ブレードの製造で主に使用されるＴＡ６Ｖなどの合金は硬度が４５〜５０ＨＲＣの値にかなり近く、その破断点伸びは約８％（一般に受け入れられる下限値に非常に近い）ではあるが、ローラバニシング加工を施すことができることを指摘した。次に、ローラバニシング加工により、表面の圧縮ができるだけでなく、ブレードのスキーラ先端５の長さを長くすることもできることを指摘した。

したがって、このローラバニシング方法を使用することで、簡単で低コストの加工方法を使用して、低温状態で圧縮機ブレードのスキーラ先端を長くすると同時に輪郭を維持することによりブレードを修復することができる。

チタン合金製の圧縮機ブレード２の端部４に施される本発明のローラバニシング加工の一連の事象について説明する。

ブレード２は、根元部が下方に向けられた状態で２つのローラ７間に位置決めされ、そのエアフォイルの中央面はローラが接触する接点においてローラに対して接線方向にある。ローラ７間の間隔は、典型的には、スキーラ先端５の厚さより狭い約０．２ｍｍである。この値は、ブレード列の設計に応じて、０．１〜０．５の間で変化する可能性がある。この間隔は、通常一定であるが、ブレードの輪郭およびブレードの弦に沿って現れる厚さ変化を考慮に入れるために、ローラ７の相対位置は、有利には、スキーラ先端の局部厚さより狭い０．２ｍｍの間隔を維持するように変えることができる。相対位置が可変である場合には、手順は、数値制御機械を使用して行われるのが好ましい。この手順では、本発明の修復方法が、ブレードの輪郭に関係なく、全てのタイプのブレードで行うことができることは明らかである。そのために、必要なのは、ブレードの弦の形状が機械のソフトウェアの中にプログラムとして組み込まれることだけである。

所定の圧力がローラに加えられて、スキーラ先端５を薄くして材料が上方に据え込まれることで材料を変位すると同時に、圧力がブレードに弦の方向に加えられて、ブレードをローラ７間の前方に移動させる。

チタン合金ＴＡ６Ｖ製のブレードを考えた場合、ローラバニシング加工は、上述した０．２ｍｍの設定で、進行速度２２ｍ／分、高さ０．１５ｍｍを超えて行われる。この高さは、典型的には、チタン合金製ブレードでは、０．１０〜０．５０ｍｍである。ローラの上方に形成された膨出部を押し上げて、スキーラ先端５を所望の長さに伸ばすために、スキーラ先端の端部の半径とブレード先端との間で複数パスが行われる。

上述の方法を実施するのに多数の代替形態が考えられる。第１の代替実施形態では、ローラに加えられる圧力は一定ではなく、ブレード２がローラ７間で前方に進むにつれて減少し、出口における圧力は入口の圧力の値の約５０％に等しい。エアフォイルの輪郭に沿ったフォイルの厚さ変化に伴って圧力が変化して、ローラバニシングの跡がエアフォイルの表面に平行な表面に近くなるようにする。

別の代替実施形態では、ローラ７の軸８は進行方向に垂直な面に対して傾斜しており、軸の上部が進行方向に対して前にずれており、このことでエアフォイルに沿って材料を上に移動させるのがより容易になる。正確なローラバニシングを達成するために、つまり、スキーラ先端に沿って階段状の跡が生じないように、使用される角度は、好ましくは、５°未満に選択される。

本発明は、２つのローラ間のエアフォイルの移動および所定の高さのパスのローラバニシング加工について説明されている。本発明は、スキーラ先端５にダイス型を使って、多パスの冷間頭部据え込みが施される固定エアフォイルでも同じように容易に実施することができる。この場合のパスの高さは使用されるパスの高さにほぼ相当する。

本発明を特定の一実施形態に関して説明したが、本発明は、本発明の範囲であれば、上述の手段と同等の全ての技術およびその組み合わせを含むことは明らかである。

Claims (9)

1. ターボ機械の圧縮機ブレード（２）で、半径方向端部（４）にスキーラ先端を（５）備え、その半径方向延在長さが所定の公称半径方向延在長さ（６）より短い圧縮機ブレード（２）の修復方法にして、前記スキーラ先端の壁で行われる冷間圧縮加工を使用して、前記スキーラ先端の半径方向延在長さが前記公称延在長さより長くなるように前記スキーラ先端を長くするステップを含み、圧縮加工が、前記スキーラ先端の厚さより狭い間隔だけ離間した直線母線を有する２つのローラ（７）間でブレード（２）の端部を移動させることで行われるローラバニシング加工とする修復方法であって、ブレードの端部の前記移動が、ブレードの前縁を後縁に接続する弦に沿って行われることを特徴とする、修復方法。
2. ローラ（７）の間隔が、前記スキーラ先端の局部厚さより０．１〜０．５ｍｍだけ狭い、請求項１に記載の方法。
3. 長さを伸ばすのが、一連のローラバニシングパスによって達成され、パスの高さが０．１〜０．５ｍｍである、請求項１および２のいずれかに記載の方法。
4. 進行速度が、２０ｍ／分以上である、請求項３に記載の方法。
5. ローラバニシング加工によって加えられる圧力が、ブレード（２）の弦に沿って変化する、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ローラ（７）の軸（８）が進行方向に垂直な面に対して傾斜しており、軸の上部が進行方向に対して前にずれている、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. ローラ（７）の軸（８）の傾斜角度が、５°未満である、請求項６に記載の方法。
8. チタン合金製のブレード（２）に適用されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. チタン合金がＴＡ６Ｖである、請求項８に記載の方法。

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