JP2005098133A - ガスタービン翼の拡散ろう付補修方法および補修用治具 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービン翼の補修部が大きい場合でも補修材の飛散や凹凸発生の少ないガスタービン翼の拡散ろう付補修方法および補修治具を提供することである。
【解決手段】 ガスタービン翼１の減肉部とその周囲を研磨してその研磨した補修部に補修材２を挿入し、補修材２の上部に所定の隙間６を保ってガイド部材５を配置し、これらを真空炉に挿入し補修材２からの分解ガスの発生が収まるまで所定温度で保持し、その後に温度を上昇させて補修材２を溶融させ、冷却後に真空炉から取り出し補修部の凸部を研磨して仕上げする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば発電機や航空機に用いられるガスタービン翼の減肉部を肉盛して補修するためのガスタービン翼の拡散ろう付補修方法および補修用冶具に関する。

ガスタービン翼（ブレードおよびノズル）は過酷な条件で使用されるため、運転時間が増すにつれて材質が劣化したり、変形や亀裂が発生あるいは減肉したりする。ガスタービン翼は高価な耐熱合金であるため、廃棄や新規製作するのではなく、劣化・変形・亀裂発生・減肉したものを補修して再使用するようにしている。

ガスタービン翼の減肉部を補修する方法としては、拡散ろう付補修がある。拡散ろう付補修は、基材粉末とろう材粉末との混合粉末をペースト状あるいはシート状などの補修材にして減肉部に配置し、これを溶融後、ホウ素Ｂ、ケイ素Ｓｉなどの溶融温度降下元素を拡散させて、基材に近い補修部を得るものである。

ガスタービン動翼の先端部を肉盛溶接によって補修する施工において、例えば、溶接施工の前に先端部を一定の形状に切断あるいは研削して表面仕上げした後に肉盛溶接を施すようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。また、ガスタービン動翼の先端部を肉盛溶接によって補修する施工において、施工時に動翼内部の通気孔にガスあるいは流体を流しながら溶接するようにしたものもある（特許文献２参照）。
特開平１０−８０７６７号公報 特開平１０−１８０４４２号公報

ところが、ペースト状やシート状の補修材には有機物のバインダーが含まれているので、拡散ろう付補修のために真空炉などで補修物全体を加熱すると、このバインダーが分解しガスが発生する。ガスタービン翼の減肉部が小さい場合は、発生ガスが少量であるため、ペースト状あるいはシート状の補修材内をガスが抜けやすいが、減肉部が大きい場合（表面積が広い場合、深さが深い場合）には、発生ガスの量が多くなるため、ガスがペースト状あるいはシート状の補修材内をほぼ均等に抜けるのではなく、ある部分に集中し突沸することが多くなる。

このように発生ガスが集中し突沸すると、この部分のペースト状あるいはシート状の補修材は飛散し、補修材が減少するので、補修部に凹みや欠けが発生する。また、飛散しない場合でも、表面に極端な凹凸が発生し、必要な厚さの補修材が得られない部分や必要以上に出っ張った部分ができてしまう。

本発明の目的は、ガスタービン翼の補修部が大きい場合でも補修材の飛散や凹凸発生の少ないガスタービン翼の拡散ろう付補修方法および補修治具を提供することである。

本発明のガスタービン翼の拡散ろう付補修方法は、ガスタービン翼の減肉部とその周囲を研磨してその研磨した補修部に補修材を挿入し、補修材の上部に所定の隙間を保ってガイド部材を配置し、これらを真空炉に挿入し補修材からの分解ガスの発生が収まるまで所定温度で保持し、その後に温度を上昇させて補修材を溶融させ、冷却後に真空炉から取り出し補修部の凸部を研磨して仕上げることを特徴とする。

本発明のガスタービン翼の拡散ろう付補修用治具は、ガスタービン翼の補修部に挿入された補修材の上部に所定の隙間を保って配置され補修材が飛散するのを防止するガイド部材と、ガイド部材と補修材との隙間を所定の隙間に保つためのスペーサとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン翼の拡散ろう付補修において、補修部が大きい場合でも補修材の飛散や凹凸発生の少ない拡散ろう付補修方法および補修治具を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わるガスタービン翼の拡散ろう付補修方法の説明図である。ガスタービン翼１の減肉部とその周囲をグラインダーで表面の酸化物を除去し滑らかにする。ここに減肉部の補修材２を挿入する。補修材２は熱処理後体積が減少するので、この減少分を補うために追加補修材３をさらにこの補修材２の上に設置する。補修材２、３としては、ガスタービン翼１と同様の材質の粉末と、これにホウ素Ｂおよびケイ素Ｓｉを添加して溶融温度を低くしたろう材粉末との混合粉末をバインダーでシート状にしたものを用いる。そして、スペーサ４を用いてアルミナ製のガイド部材５を追加補修材３の上方に設置する。スペーサ４は、ガイド部材５とガスタービン翼１の表面との隙間６を所定の隙間に保つために用いる。

次に、これらを図示省略の真空炉中に挿入し、補修材２中のろう材が溶融する温度に加熱して保持し拡散ろう付を行う。加熱の初期にはバインダー中の水分や油分が蒸発し、さらに加熱するとバインダー成分が分解してガスが発生する。この発生ガスは、ガイド部材５と補修材２、３との隙間から図示省略の真空炉の排気ポンプに引かれて真空炉外に排出される。この発生ガスが少なくなるまで、この所定温度を保持する。発生ガスが少なくなりガスの噴出が収まったところで、さらに温度を上げ、ろう材を溶融させる。ろう材が溶融すると温度を下げて冷却し、その冷却後に真空炉から取り出して、補修部の凸部をグラインダーで研磨し平坦に仕上げる。

ここで、ガイド部材５は補修材３からの発生ガスによる補修材３の飛散を防止するために設けられている。前述したように、真空炉での加熱の初期にはバインダー中の水分や油分が蒸発し、さらに加熱するとバインダー成分が分解してガスが発生する。この際、ガスが部分的に集中し、補修材２や追加補修材３のシート内部で膨張し、補修材２、３のシートの弱い部分から噴出し、噴出部近傍の補修材２、３は周囲に跳ねる。そこで、この補修材２、３の飛散を防止するためにガイド部材５を設けている。噴出部の近傍で跳ねた補修材２、３はガイド部材５に遮られるので飛散しない。

第１の実施の形態では、まず、追加補修材３の厚さが約２ｍｍであるときに、スペーサ４の高さを３ｍｍとし、ガイド部材５とガスタービン翼１の表面との隙間６を１ｍｍとした場合に、補修材２、３の飛散をガイド部材５で防止できることを確認した。そして、ガイド部材５とガスタービン翼１の表面との距離を０〜５ｍｍにした場合にも、補修材２、３の飛散が無く、また補修部表面はグラインダー仕上で平坦になることを確認した。

一方、ガイド部材５とガスタービン翼１の表面との隙間６が５ｍｍより大きい場合は、補修部外への補修材２、３の飛散が見られ、また補修部表面は凹凸が大きく、このため、グラインダー仕上後に希望仕上げ面より凹んだ部分が発生することを確認した。従って、ガイド部材５とガスタービン翼１の表面との隙間６は、０〜５ｍｍが望ましい。

第１の実施の形態によれば、ガイド部材５を追加補修材３の上方１ｍｍ程度の位置に設置したので、発生ガスの噴出による補修材２、３の飛散や凹凸の発生が防止できる。また、ガイド部材５にアルミナを用いたので、ろう材の付着が発生せず、熱処理後もガイド部材５を容易に取り除くことが可能である。また、補修材２、３の厚さに応じて、スペーサ４の厚さを調節することで、ガイド部材５を適切な位置に設置できるので、補修材２、３の飛散を効率良く防止できる。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係わるガスタービン翼の拡散ろう付補修方法の説明図であり、図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）はガイド部材５の平面図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、ガイド部材５に補修材２、３からの分解ガスを排出するためのガス抜き孔７を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図２（ａ）において、第１の実施の形態と同様にガスタービン翼１の減肉部に補修材２を挿入し、さらに補修材２の上に追加補修材３を設置する。そして、スペーサ４を介してその上方にガイド部材５を設置する。ガイド部材５には、図２（ｂ）に示すように、補修材２、３からの分解ガスを排出するためのガス抜き孔７が設けられている。

ガス抜き孔７を有したガイド部材５と共にこれらを真空炉に挿入し、加熱すると、ろう材が溶融するより低い温度で補修材２、３中のバインダーが分解し多量のガスが発生する。発生ガスは、ガイド部材５と補修材２、３との隙間から真空炉の排気ポンプに引かれて真空炉外に排出される。

ここで、ガイド部材５と補修材２、３との隙間６がほとんど無い状態に設定した場合には、この隙間６からはガスの排出速度が遅いので、発生ガスの排出が適正に行われない場合がある。そこで、第２の実施の形態ではガイド部材５にガス抜き孔７を設け、このガス抜き孔７を通して発生ガスを排出できるようにしている。そして、排出ガスがほとんど無くなったところで、さらに温度を上げて拡散ろう付を行う。

第２の実施の形態によれば、ガイド部材５にガス抜き孔７を設けたので、ガイド部材５と補修材２、３との隙間が狭くても、発生ガスの排出が効率良く行える。このため、発生ガスがほとんどなくなるまでの保持時間を短縮できる。また、発生ガスをほとんど排出することができるので、補修部にガス残存によるボイドの発生がほとんど無くなる。

次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係わるガスタービン翼の拡散ろう付補修方法の説明図であり、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）はガイド部材５の平面図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、ガイド部材５に補修材２、３からの分解ガスを排出するためのガス抜き溝８を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図３（ａ）において、第１の実施の形態と同様にガスタービン翼１の減肉部に補修材２を挿入し、さらに補修材２の上に追加補修材３を設置する。そして、スペーサ４を介してその上方にガイド部材５を設置する。ガイド部材５には、図３（ｂ）に示すように、補修材２、３からの分解ガスを排出するためのガス抜き溝８が縦横方向に設けられている。縦横のガス抜き溝８は約２ｍｍ角の溝で構成されている。ここで、ガイド部材５の材料にはセラミックスを用いる。これは、補修材２、３の付着を少なくするためである。ガイド部材５をセラミックス製としたことから、金属材料と比較して加工が困難となるので、ガス抜き孔７に代えて加工が比較的加工が容易なガス抜き溝８としている。

ガス抜き溝８を有したガイド部材５と共にこれらを真空炉に挿入し、加熱すると、ろう材が溶融するより低い温度で補修材２、３中のバインダーが分解し多量のガスが発生する。発生ガスは、ガイド部材５と補修材２、３との隙間から真空炉の排気ポンプに引かれて真空炉外に排出される。

ここで、ガイド部材５と補修材２、３との隙間６がほとんど無い状態に設定した場合には、この隙間６からはガスの排出速度が遅いので、発生ガスの排出が適正に行われない場合がある。また、補修材２、３がガイド部材に付着することが多くなる。

そこで、第３の実施の形態ではガイド部材５にガス抜き溝８を設け、このガス抜き溝８を通して発生ガスを排出できるようにし、また、ガイド部材５をセラミックス製で形成し補修部材２、３の付着を少なくしている。そして、排出ガスがほとんど無くなったところで、さらに温度を上げて拡散ろう付を行う。

第３の実施の形態によれば、ガイド部材５にガス抜き溝８を設けたので、ガイド部材５と補修材２、３との隙間が狭くても発生ガスの排出が効率良く行え、発生ガスがほとんどなくなるまでの保持時間を短縮できる。また、補修部にガス残存によるボイドの発生を抑制できる。さらには、ガイド部材５への補修部材２、３の付着を少なくできる。なお、このガス抜き溝８に加えガス抜き孔７を同一のガイド部材５に設けて使用するようにしても良い。

次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図４は本発明の第４の実施の形態に係わるガスタービン翼の拡散ろう付補修方法の説明図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、ガイド部材５に柔軟性を持たせガスタービン翼１の補修部の形状に沿って湾曲可能となるようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

ガイド部材５は、ガスタービン翼１に近い成分・組成の薄い金属板を用いて形成されており、容易にガスタービン翼１の減肉部の曲面に合わせて曲げることが可能である。また、ガイド部材５にはガス抜き孔７が設けられている。このような柔軟性を有したガイド部材５は、ガスタービン翼１の減肉部が曲面である場合に適用される。

図４において、曲面であるガスタービン翼１の減肉部に補修材２を挿入し、さらにその補修材２の上に追加補修材３を設置する。補修材２、３は、金属粉末を有機バインダーでシート状にしたものであるので、容易に曲面に沿わせることができる。また、スペーサ４を介してガイド部材５を設置する。

この第４の実施の形態のガイド部材５は、ガスタービン翼１に近い成分・組成の薄い金属板を用いているので、容易に減肉部の曲面に合わせて曲げることが可能である。これらを真空炉に挿入し拡散ろう付を行う。

図５は、柔軟性を有したガイド部材５の他の一例を示す平面図である。このガイド部材５は、柔軟性および通気性を有したものであり、ガスタービン翼１に材質が近似した金属ワイヤを網状に形成したものである。このガイド部材５は、網状の金属ワイヤで形成されているので通気性に優れ、補修材２、３から発生したガスの排出性が良く、ガスの排出時間を短縮できる。また、補修部の残留ガスが低減しボイドなどの欠陥が発生しにくくなる。また、網状でフレキシブルなため、曲面などに沿って設置することも容易である。

なお、金属ワイヤに代えてセラミックス繊維を編んで布状にしたものを用いても同様の効果が得られる。この場合は、さらに補修材２、３がガイド部材５に付着しにくいという効果も得られる。セラミックス繊維を用いる場合は、セラミックス繊維が柔らかいので、バックアップ材として裏側に適宜金属あるいはセラミックス製の補強材を配置することになる。

第４の実施の形態によれば、柔軟性のガイド部材５を用いるので、補修部が曲面であっても、これに沿った形状に容易に変形させることができる。また、ガイド部材５としてガスタービンに近い成分・組成のものを用いる場合には、ろう材に溶融してしまっても、ガスタービンに近い成分・組成のものを用いているので、補修部の特性が大きく変化することがない。一方、セラミックス繊維を用いる場合には、補修材２、３がガイド部材５に付着しにくいという効果が得られる。

次に、図６は本発明のガスタービン翼の拡散ろう付補修方法に使用されるガイド部材５の他の一例の説明図であり、図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は平面図である。図６に示すガイド部材５は、金属材料を基材とし補修材２、３に面する側にセラミックスコーティング９を施したものである。

ガイド部材５の本体は、拡散ろう付温度において溶融しない金属材料から成り、ガス抜き孔７が明けられている。このガイド部材５の補修材２、３に対面する側には、ジルコニアなどのセラミックスコーティング９が施されている。このセラミックスコーティング９は溶射などの方法で付着したものである。ガイド部材５の設置は、前述した各実施の形態と同様にスペース４により所定の隙間６を保ってガスタービン翼１の減肉部に配置される。

図６のガイド部材５によれば、ガイド部材５の本体が金属材料であるので、使用中の急激な温度変化などで破損することが無く、繰返し使用することができる。また、補修材２、３に対面する側には、補修材２、３が付着しにくいセラミックスがコーティングされているので、補修部と接合してしまうことがない。このセラミックスコーティング９は使用中に温度変化に耐えられるものであるが、万一、はく離しても、再度溶射することで再使用することができる。ガイド部材５の本体が金属材料なので、補修部に合わせた加工が容易であり、加工後、セラミックスコーティング９を行えば、金属材料とセラミックス材料の長所を兼ね備えたガイド部材が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係わるガスタービン翼の拡散ろう付補修方法の説明図。 本発明の第２の実施の形態に係わるガスタービン翼の拡散ろう付補修方法の説明図。 本発明の第３の実施の形態に係わるガスタービン翼の拡散ろう付補修方法の説明図。 本発明の第４の実施の形態に係わるガスタービン翼の拡散ろう付補修方法の説明図。 本発明の第４の実施の形態における柔軟性を有したガイド部材の他の一例を示す平面図。 本発明のガスタービン翼の拡散ろう付補修方法に使用されるガイド部材の他の一例の説明図。

符号の説明

１…ガスタービン翼、２…補修材、３…追加補修材、４…スペーサ、５…ガイド部材、６…隙間、７…ガス抜き孔、８…ガス抜き溝、９…セラミックスコーティング

Claims (8)

1. ガスタービン翼の減肉部とその周囲を研磨してその研磨した補修部に補修材を挿入し、前記補修材の上部に所定の隙間を保ってガイド部材を配置し、これらを真空炉に挿入し前記補修材からの分解ガスの発生が収まるまで所定温度で保持し、その後に温度を上昇させて前記補修材を溶融させ、冷却後に前記真空炉から取り出し補修部の凸部を研磨して仕上げすることを特徴とするガスタービン翼の拡散ろう付補修方法。
2. 前記ガイド部材と前記補修材との所定の隙間は、０〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のガスタービン翼の拡散ろう付補修方法。
3. 前記ガイド部材に前記補修材からの分解ガスを排出するためのガス抜き孔を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のガスタービン翼の拡散ろう付補修方法。
4. 前記ガイド部材に前記補修材からの分解ガスを排出するためのガス抜き溝を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のガスタービン翼の拡散ろう付補修方法。
5. 前記ガイド部材は、柔軟性を有しガスタービン翼の補修部の形状に沿って湾曲可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガスタービン翼の拡散ろう付補修方法。
6. 前記ガイド部材は、柔軟性および通気性を有したことを特徴とする請求項１乃至請求項２記載のガスタービン翼の拡散ろう付補修方法。
7. 前記ガイド部材は、金属材料を基材とし前記補修材に面する側にセラミックスコーティングを施したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のガスタービン翼の拡散ろう付補修方法。
8. ガスタービン翼の補修部に挿入された補修材の上部に所定の隙間を保って配置され前記補修材が飛散するのを防止するガイド部材と、前記ガイド部材と前記補修材との隙間を所定の隙間に保つためのスペーサとを備えたことを特徴とするガスタービン翼の拡散ろう付補修用治具。
   

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