JPH05263603A - タービンブレードの修理のための部品及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的安価であるとともに、溶接作業による
熱の影響を受けることの少ない、タービンブレードの修
理方法の提供。 【構成】耐久性のある材料の第１の部分２０と、タービ
ンブレード１０に容易に接続できるようにタービンブレ
ード１０と同一又はそれと相溶性のある材料の第２の部
分２１と、第１と第２の部分の間の第１の部分２０より
又はタービンブレード１０と同一又はそれと相溶性のあ
る前記材料より柔らかい材料からなるバリヤ２２とを有
するインサートを製造し、インサートと実質的に同じ形
状にタービンブレード１０から損傷を受けた部分を除去
し、インサートをタービンブレード１０に溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、流体機械の修理のため
の部品と方法に関する。そして、これに限定するもので
はないが、主として、以下に「機械の要素」として言及
する、タービン、特にタービンブレード、ノズル、バケ
ット及びこれらの類似品のような高速流体機械に関す
る。

【０００２】

【従来技術とその課題】タービンブレードは、特に摩耗
にさらされる。蒸気タービンの場合、ロータアセンブリ
ーにおけるタービンブレードの外側端部は、使用中に最
大の線速度を有している部品で、外側端部の先導端部は
最も腐食にさらされる部分である。時として、タービン
ブレードは、使用中に発生しがちな腐食に抗するための
ステライト(Stellite)のような硬い材料のインサート又
はシールドによって構成される。しかしながら、このよ
うなインサートやシールドが、ブレードから分離し始め
ることは周知のことで、その時は修理が必要である。た
とえ、インサート又はシールドが分離しなくても、問題
はある。何故なら、インサート又はシールドに形成され
るであろうクラックが、ブレードの母材へ伝播し得るか
らである。

【０００３】耐久性のある材料でつくられた第１の部分
と、実質的にブレードをつくっている材料と同じ材料か
らなる第２の部分とからなるインサートを、インコネル
(Inconel) のようなクッション材を使用して、固着する
ことによってタービンブレードを修理することは、GB-A
-2198667の中で提案されていることである。

【０００４】この修理方法は、かなり満足できるものと
して認められているが、必ずしも全ての要求に応えられ
るというわけではない。

【０００５】損傷の激しいタービンブレードの場合、大
量の修理作業が必要となることがある。これは、恐ら
く、次々の溶接作業によって腐食部分を盛り上げる修理
技術によって実施することができ、或いは、上記特許出
願の発明によって製造されたインサートを使用すること
もできる。前者の修理技術は、次々の溶接作業によって
発生する強烈な熱がブレードに激しい歪みを発生させ、
ブレードの早期破損の原因となる残留応力を生じさせる
ため、多くの場合、満足できないものである。さらに、
溶接材料は、特に蒸気タービンの場合、水分の侵入が原
因で、ブレードを早期破損に導く望ましくない有孔性を
有することもある。GB-A-2198667で提案されているイン
サートは、恐らく、インサートの使用中に発生するクラ
ックのブレードの母材への伝播を防止するように、満足
すべき方法で作用するであろうが、インサートのクラッ
クそれ自体は、ブレード、従って、全体としてタービン
の作動に有害な影響を及ぼすのに充分であり、従って不
満足なものである。それ故、前記の問題を克服もしくは
減少させるような修理を提供することが、本発明の目的
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの側面によ
ると、次のステップから成る流体機械の要素の修理方法
が提供される。 ａ）耐久性のある材料の第１の部分と前記機械の要素に
容易に接続できるように前記機械の要素と同一又はそれ
と相溶性のある材料の第２の部分と、前記第１と第２の
部分の間の前記第１の部分より又は前記機械の要素と同
一又はそれと相溶性のある前記材料より柔らかい材料か
らなるバリヤとを有するインサートを製造し、 ｂ）前記インサートと実質的に同じ形状に前記機械の要
素から損傷を受けた材料を除去し、 ｃ）前記インサートを前記機械の要素に固着する。

【０００７】好適には、前記インサートは、第１の部分
が第２の部分に固着される材料と同じか類似の材料で機
械の要素に固着される。

【０００８】好適には、バリヤは、インコネルから成る
材料で作られる。

【０００９】好適には、前記耐久性のある材料は、ステ
ライト、工具鋼、高炭素鋼、硬化母金属、拡散性合金の
硬化金属(diffusion alloy hardened metal)から成るグ
ループから選択される。

【００１０】前記機械の要素は、タービンブレード、ス
テータ、バケット又はノズルであってよい。

【００１１】機械の要素は、溶接又はろう付け(brazin
g)作業によって、固着されたインサートを有することに
なる。

【００１２】この修理方法は、機械の要素を加熱するこ
とを含み、この加熱は、 ａ）前記溶接又はろう付けの前において、又は、 ｂ）前記溶接又はろう付けの間において、又は、 ｃ）前記溶接又はろう付けの後において、おこなわれ
る。

【００１３】インサートは、前記機械の要素に接合する
前に、熱処理操作を受けることがある。熱処理操作は、
硬化操作及び／又は応力軽減(stress relief) 操作から
成ってもよい。

【００１４】インサートは、インコネルのような柔らか
い材料によって機械の要素に接続されてもよい。そし
て、溶接操作を実施するために必要な温度は、その後機
械部品の応力軽減をするための熱処理工程の必要をなく
するために充分低くてよい。

【００１５】好適には、インサートはその特性を知るた
めに、機械部品に固着される前にテストされる。テスト
は、インサートが機械部品の修理に使用されるとき、イ
ンサート自体に欠陥がないことの証拠を提供すべく、硬
度値及び／又はＸ線テストから成ってもよい。

【００１６】本発明のインサートはいくつかの予期せぬ
利点を有する。インサートの大部分は、例えば、ステラ
イトのような耐久性材料と比較してかなり安価な、ブレ
ードの材料と同じか、それと相容性のある材料から成る
ことができる。耐久性のある材料は、最も摩耗の激しい
部位にのみにあり、インサート全体としては、比較的小
さい部分から成ることができる。さらに、柔らかいクッ
ションバリヤは、耐久性の部分と、例えば１２％クロム
鋼の第２の部分の間にあり、かくして、引き続くブレー
ドの使用期間中に生じるかも知れない、例えば硬い部品
の衝突による如何なるクラックも、インサートの第２の
部分や、機械の要素の母金属には伝達されない。さら
に、耐久性の第１の部分と、第２の部分の間の柔らかい
バリヤは、インサートが、例えば溶接によって機械の要
素自体に接合される場合に、部品間の接合に対する悪影
響を防止もしくは最小限に抑える。

【００１７】タービンブレードを溶接材料によって作り
上げるために多くの溶接段階が実施される従来の修理方
法とは異なり、本発明のインサートを使用する場合のブ
レードへの熱的インプットは最小である。何故なら、イ
ンサートをブレードに適切に接合する際、ブレードの一
方には、単一の部品を必要とするのみであり、従って、
ブレードがさらされる温度はかなり低くなり、ブレード
に歪みが発生する可能性はそれに応じて減少するからで
ある。

【００１８】本発明のもう１の目的は、上記の修理方法
に従って修理を可能にするためのインサートを提供する
ことである。

【００１９】本発明の別の側面によると、機械の要素に
固着されるための、又は固着されているインサートであ
って、耐久性のある材料の第１の部分と、前記機械の要
素に固着される材料と同一又はそれと相溶性のある材料
の第２の部分とからなり、前記第１の部分が比較的柔ら
い材料で前記第２の部分に固着されている、インサート
を提供する。

【００２０】機械の要素は、タービンブレードであり、
第１の部分は、耐久性の高い材料からなるものでよい。

【００２１】比較的柔らかい材料は、第１の部分と第２
の部分の間のバリヤを提供することになる。

【００２２】第１の部分はステライト、工具鋼、高炭素
鋼、硬化母金属及び拡散性合金の硬化材料からなるグル
ープから選択されることができる。

【００２３】第２の部分はクロム鋼からなることができ
る。

【００２４】比較的柔らかい材料は、インコネルのよう
な溶接材料から成ることができる。

【００２５】インサートの２つの例とそのインサートの
１つを用いた修理方法の例が、例示のためにのみ、添付
の図面を参照して説明される。

【００２６】

【実施例】図１を参照すると、符号１０で示されるター
ビンブレードは、ロータに固着される根幹部１１と、そ
の損傷が符号１３で示される先導端部(leading edge)１
２を有する。本発明の修理方法を実施するためには、全
ての損傷を受けた材料は、例えば図２の符号１４で示さ
れる切欠をつくるように機械加工することによって除去
される。本発明によるインサートは、その後、ブレ−ド
１０に固着される。インサートについては、図３、図４
も参照して、詳細に説明される。

【００２７】図４に断面図に示されるインサート２１
は、タービンブレードの先導端部を構成する第１の部
分、すなわち、ノーズ部２０を有し、この部分は、耐久
性のある硬い材料で作られる。この実施例において、こ
の耐久性のある材料はステライトであるが、例えば、GB
-A-2227190,GB-A-2229944,GB-B-2198667,GB-A-2244943
に説明されている高炭素鋼、工具鋼、硬化母金属、拡散
合金の硬化鋼、プラズマ被覆鋼のような他の耐久性のあ
る材料を使用することもできる。

【００２８】ノーズ部２０は、インサートの主要部分で
ある第２の部分２１に固着されるが、第２の部分は、例
えば、１２％クロム鋼のような、タービンブレードと同
じ材料から作られてもよい。もし所望なら、第２の部分
２１は、タービンブレードの材料と異なるがタービンブ
レードの材料と相容性があるかそれと同じ特性を有する
他の材料でつくることもできる。ノーズ部２０は、イン
サートの第２の部分２１に、例えば、インコネルからな
る比較的柔らかい溶接材料によって固着される。

【００２９】上述のように、ノーズ部２０が作られる材
料は、要求される特性を得るために一般に熱処理を要す
る。そして、本発明によれば、必要な熱処理又は他の処
理を受けたインサートが、ブレード１０に固着される前
に欠陥のないことを確かめるためにテストされてもよ
い。

【００３０】インサートは、図４に示されているよう
に、溶接材料２４が充填された符号２３で示されるディ
アブロ(diablo)形状を形成するように、ブレード１０の
切欠部分を補うように形作られる。この実施例におい
て、溶接材料２４は、ブレードと相溶性のある又はブレ
ードと同じ特性を有するインコネル又は他の柔らかい溶
接材料から成る。或いは、インサートは、ろう付けによ
ってブレード１０に固着してもよい。ブレード１０は、
かくして、柔らかい材料２４によって、インサートの第
２の部分から絶縁されており、第２の部分それ自身も、
インコネル層２２によって耐久性のある第１の部分、す
なわち、ノーズ部２０から絶縁されている。

【００３１】上述のように、ブレード１０への取付けに
先立って熱処理を受けたかも知れないノーズ部２０は、
溶接中に過剰な熱がノーズ部２０に伝達されないよう
に、溶接部２３から充分に距離がおかれている。そし
て、インコネルのバリヤ２２は、ノーズ部２０と第２の
部分２１の間の熱膨張係数の違いに対処することができ
る。

【００３２】さらに、図５、６を参照すると、ここには
別のインサートが示されているが、これはクーポン券の
形状をしており、タービンノズル３６に固着されるよう
になっており、同じ寸法の切欠が図７に示されるように
損傷を受けたノズルに設けられている。このようにし
て、クーポンは、図４を参照して説明したのと同様な方
法で溶接によって切欠に接合される。

【００３３】図５において、クーポン３０は、耐久性の
ある材料でつくられたノーズ部３１を有している。この
実施例では、耐久性のある材料はステライトであるが、
第１実施例で説明したような、高炭素鋼、工具鋼、もし
くは硬化母金属、拡散性合金、プラズマ被覆鋼のような
他の耐久性のある材料を使用することができる。ノーズ
部３１は、インサートが接合される機械の要素と同じ材
料でつくられた第２の部分３２に固着されている。所望
なら、第２の部分３２は、機械の要素とは異なる材料で
あるが機械の要素の母金属と相溶性があるか或いはそれ
と同じ特性の材料でつくることもできる。第１の部分３
１は、比較的柔らかい溶接材料３３で第２の部分３２に
溶接されており、この場合、溶接材料は、例えばインコ
ネルである。第１の実施例と同じく、クーポンは、熱処
理及び／又はその他の処理を受けているため、ノズル３
６への固着前に、欠陥がないことを確認するためのテス
トを受けることがある。

【００３４】クーポン３０は、図７に示されるように、
損傷部位に切欠として設けられた部位３５において、ノ
ズル３６に固着される。このクーポンは、図１乃至４と
同様に、インコネルのような柔らかい溶接材料、又は機
械の要素と相溶性のある若しくは同じ特性の柔らかい溶
接材料でノズル３６に溶接されるか、或いはろう付けさ
れる。

【００３５】耐久性のあるシールド３１の如何なる部分
も、クーポン３０及び／又はノズル３６の如何なる他の
部分との間にも柔らかい溶接材料の層が常に存在するよ
うに注意することが肝要である。

【００３６】

【発明の作用・効果】本発明の修理方法は、インサート
の性質と取付方法に鑑み、あらかじめテストされるとと
もにあらかじめ熱処理を受けたインサートを取り込むよ
うに流体機械に修理を施すことを可能にする。

【００３７】本発明によれば、機械の要素に溶接される
間に、第１の部分は、比較的低い温度にさらされるだけ
であり、第１と第２の部分の間の、接合されるべき機械
の要素と相溶性のある材料からなるクッションバリヤに
よって、第１の部分は、溶接作業の間に悪影響を受ける
ことがない。

【００３８】第１の部分は、必要とされる箇所にのみ設
けられるが、最小限度に留められる。かくして、インサ
ートの全体としてのコストを低減することができる。

【００３９】本発明による２つの実施例のインサートが
例示されたが、第１の部分が柔らかい溶接材料で第２の
部分と隔てられている限り、修理すべき機械の要素によ
って、所望の如何なる形状であってもよいことが理解さ
れるであろう。

【００４０】例示された実施例では、機械の要素は、タ
ービンブレードの先導端部とノズルであったが、例えば
タービンブレードの後端部又はノズルの後端部のような
他の類似の機械の要素にも、或いは、比較的高度の腐食
又は損傷が生じる箇所であれば、如何なる領域でも本発
明の修理方法は適用可能である。

【００４１】本発明の方法は、例えば、タービンブレー
ドをタービンから外す必要もなく、その場でインサート
を機械の要素に接合することを可能にする。

【００４２】応力軽減操作もその場でおこなうことがで
きる。そして、既に説明したように、その操作も耐久性
材料に実質的影響を及ぼすことはない。所望なら、イン
サートを機械の要素に接合する前に、機械の要素を熱す
ることができる。

【００４３】インサートが製造中に受ける処理は所望の
どのような性質のものでもよい。何故なら、当該処理は
工場での条件下でおこなわれ得るものであるとともに、
例えば、場所ごとに機械特性の異なる耐久性材料を作り
出すように異なる熱処理を施してもよく、また、例え
ば、ノーズ部の先導端部から、インサートの第２の部分
に固定される後端部に向けて硬度が異なるようにするこ
とができる。さらに、機械要素への接合に先立って、必
要な応力軽減操作を実施することができる。

【００４４】この明細書において、「機械の要素と同じ
又は相溶性がある」という用語は、当該材料が次の少な
くとも１つの意味を有することである。 ａ）機械の要素に溶接又はろう付けを可能にするような
冶金学的特性があること、 ｂ）機械の要素への固定を可能にする機械的特性を有す
ること。

【００４５】前述の説明又は添付図面に、特定の実施例
又は開示された作用を生じるための手段、若しくは開示
された結果を得るための方法又は工程として表現された
特徴は、これらを分割又は組合せて、種々の態様で本発
明を実施するために利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】先端部に腐食部を有するタービンブレードを例
示した図である。

【図２】一部分が取り除かれた状態の、図１で例示した
タービンブレードの図である。

【図３】本発明によるインサートを有する、図１、図２
で示されたタービンブレードの図である。

【図４】図３の４−４線に沿ったブレ−ドの断面図であ
る。

【図５】インサートの別の実施例を例示した図である。

【図６】図５の６−６線に沿ったインサートの断面図で
ある。

【図７】図５、図６で示されたクーポンを受け入れるよ
うに除去部分が用意されたタービンノズルを例示した図
である。

【符号の説明】

１０ タービンブレード １２，３０ インサート ２０，３１ 第１の部分 ２１，３２ 第２の部分 ２２，３３ バリヤ ３６ タービンノズル

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体機械の要素を修理する方法であっ
   て、 耐久性のある材料の第１の部分と、前記機械の要素に容
   易に接続できるように前記機械の要素と同一又はそれと
   相溶性のある材料の第２の部分と、前記第１と第２の部
   分の間の前記第１の部分より又は前記機械の要素と同一
   又はそれと相溶性のある前記材料より柔らかい材料から
   なるバリヤとを有するインサートを製造し、 前記インサートと実質的に同じ形状に前記機械の要素か
   ら損傷を受けた材料を除去し、 前記インサートを前記機械の要素に固着することからな
   る、 修理方法。
2. 【請求項２】 前記インサートが、前記インサートの第
   １の部分が前記インサートの第２の部分に固着される材
   料と同一又は類似の材料で前記機械の要素に固着され
   る、請求項１の方法。
3. 【請求項３】 前記バリヤが、インコネルからなる材料
   で構成されている、請求項１又は２の方法。
4. 【請求項４】 前記の相溶性のある材料がステライト、
   工具鋼、高炭素鋼、硬化母金属及び拡散性合金の硬化材
   料からなるグループから選択される、請求項１乃至３の
   いずれか１つの方法。
5. 【請求項５】 前記の機械の要素が、タービンブレー
   ド、ステータ、バケット、又はノズルである、請求項１
   乃至４のいずれか１つの方法。
6. 【請求項６】 前記の機械の要素が溶接又はろう付けに
   より固着されたインサートを有する、請求項１乃至５の
   いずれか１つの方法。
7. 【請求項７】 前記修理方法が前記機械の要素を加熱す
   ることを含む請求項１乃至６のいずれか１つによる方法
   であって、前記加熱は、 ａ）前記溶接又はろう付けの前において、又は、 ｂ）前記溶接又はろう付けの間において、又は、 ｃ）前記溶接又はろう付けの後においておこなわれる、
   方法。
8. 【請求項８】 前記機械の要素に固着する前に前記イン
   サートが加熱処理される、請求項１乃至７のいずれか１
   つの方法。
9. 【請求項９】 前記加熱処理が硬化からなる、請求項８
   の方法。
10. 【請求項１０】 前記加熱処理が応力軽減操作である、
    請求項８又は９の方法。
11. 【請求項１１】 前記インサートが柔らかい材料で前記
    機械の要素に固着される、請求項１乃至１０のいずれか
    １つの方法。
12. 【請求項１２】 前記柔らかい材料がインコネルであ
    る、請求項１１の方法。
13. 【請求項１３】 接合を実施するのに必要な温度は、前
    記機械の要素の応力を軽減するのに必要な実質的熱処理
    を避けるために充分な低温である、請求項１１又は１２
    の方法。
14. 【請求項１４】 前記インサートが前記機械の要素に固
    着される前にテストされる、請求項１乃至１３のいずれ
    か１つの方法。
15. 【請求項１５】 前記インサートが機械の設置場所以外
    で製造され、機械の据付け状態において固着される、請
    求項１乃至１４のいずれか１つによる方法。
16. 【請求項１６】 機械の要素に固着されるための、又は
    固着されているインサートであって、耐久性のある材料
    の第１の部分と、前記機械の要素に固着される材料と同
    一又はそれと相溶性のある材料の第２の部分とからな
    り、前記第１の部分が比較的柔らい材料で前記第２の部
    分に固着されている、インサート。
17. 【請求項１７】 前記機械の要素がタービンブレード
    で、前記第１の部分が高度の耐久性のある材料からな
    る、請求項１６のインサート。
18. 【請求項１８】 前記比較的柔らかい材料が、前記第１
    と第２の部分の間のバリヤを提供する、請求項１６又は
    １７のインサート。
19. 【請求項１９】 前記第１の部分が、ステライト、工具
    鋼、高炭素鋼、硬化母金属及び拡散性合金の硬化材料か
    らなるグループから選択される、請求項１６乃至１９の
    いずれか１つのインサート。
20. 【請求項２０】 前記第２の部分がクロム鋼からなる、
    請求項１６乃至１９のいずれか１つのインサート。
21. 【請求項２１】 前記比較的柔らかい材料が、インコネ
    ルのような溶接材料からなる、請求項１６乃至２０のい
    ずれか１つのインサート。