タービンエンジンのロータ及びロータを溶接する装置

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【発明の名称】	タービンエンジンのロータ及びロータを溶接する装置
【発明者】	【氏名】サミュエル・ヴィ・サンブー【氏名】リヴィ・ビー・スピーゲル【氏名】ゲーリー・イー・イェール【氏名】マーク・イー・バーネット
【要約】	【課題】概略的にはタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンエンジンのロータの溶接に関する。【解決手段】それぞれが溶接面を含むロータの２つの部分を互いに溶接する方法が提供される。その方法は、第１のロータ部分１０２の溶接面１１４を第２のロータ部分１０４の溶接面１１６に密着させて配置することを含む。その方法はまた、さねはぎ継ぎ１２５がそれら間で形成されるように、第１の部分を囲むフランジに実質的に密着させて第２の部分を配置することも含む。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接面（１１４）およびフランジを有する第１のロータ部分（１０２）と、溶接面（１１６）を有する第２のロータ部分（１０４）とを具備したタービンエンジン用のロータ（１００）であって、
前記第１のロータの溶接面は、該第１のロータの溶接面と前記第２のロータの溶接面との間に溶接接合部（１０６）が形成されるように前記第２のロータの溶接面と実質的に密着して配置され、前記第２のロータ部分は、該第２のロータ部分と前記フランジとの間にさねはぎ継ぎ（１２５）が形成されるように前記フランジに実質的に密着し、前記さねはぎ継ぎが、前記第１のロータ部分と前記第２のロータ部分との結合を容易にするロータ（１００）。
【請求項２】
ケーシングが前記ロータに結合されて、前記ケーシング（１１０）によって画定されたチャンバ（１１１）が前記溶接接合部（１０６）を実質的に囲み、前記チャンバは減圧状態を維持するように構成され、前記溶接接合部は前記チャンバ内で電子ビーム発生器（１１２）を使用して溶接されるように構成された請求項１に記載のロータ（１００）。
【請求項３】
前記溶接接合部（１０６）は、電子ビーム発生器が前記溶接接合部の周りを１回転する間に電子ビーム発生器（１１２）によって溶接されるように構成された請求項２に記載のロータ（１００）。
【請求項４】
さらに、前記第１のロータ部分の面（１１４）と前記第２のロータ部分の面（１１６）との間に実質的に密着して挿入されたシム（１３０）を有し、前記シムは前記第１のロータ部分と前記第２のロータ部分の結合を容易にする請求項２に記載のロータ（１００）。
【請求項５】
前記シム（１３０）は合金材料からなる請求項４に記載のロータ（１００）。
【請求項６】
空洞（１０９）が前記第１のロータ部分（１０２）と前記第２のロータ部分（１０４）との間に形成された請求項１に記載のロータ（１００）。
【請求項７】
それぞれ溶接面（１１４、１１６）を有する２つのロータ部分（１０２、１０４）を溶接するシステムであって、
前記第１のロータ部分の溶接面と前記第２のロータ部分の溶接面との間に画定された溶接接合部（１０６）と、
前記第２のロータ部分と前記第１のロータ部分を囲むフランジとの間に画定されたさねはぎ継ぎ（１２５）と、
ロータに結合されたケーシング（１１０）であって、前記ケーシング（１０９）によって画定されたチャンバ（１１１）が溶接接合部を実質的に囲み、前記チャンバが減圧状態を維持するように構成されたケーシング（１１０）と、
前記溶接接合部を前記チャンバ内で溶接するように構成された電子ビーム発生器（１１２）とを有するシステム。
【請求項８】
前記電子ビーム発生器（１１２）は、前記溶接接合部の周りを１回転する間に前記溶接接合部（１０６）を溶接するように構成された請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記電子ビーム発生器（１１２）の強度は、前記溶接接合部（１０６）の溶接を容易にするために調整することができる請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記溶接接合部（１０６）は内側部分（１０８）を有し、前記電子ビーム発生器（１１２）の強度は、前記内側部分の溶接を容易にするために調整することができる請求項７に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的にはタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンエンジンのロータの溶接に関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のタービンエンジンロータには数個のロータ部分を含むものが少なくとも幾つかあり、各ロータ部分は、異なる温度および／または異なる動作条件で動作することがある。例えば、そのようなロータは、高圧ロータ部分、中圧ロータ部分、および低圧ロータ部分を含むことがある。ロータ部分が異なると、例えば、ロータ内の動作温度と動作圧力も異なるので、公知のロータ部分の少なくとも幾つかは異なる材料で製造される。異なるロータ部分を結合する公知の方法には、その部分を互いにボルト留めするものおよび／または溶接するものがある。一般的に採用される２つの結合方法の間では、各部分を互いにボルト留めする方が通常望ましくない、というのは、フランジおよびボルトを使用すると、通常、タービンロータは所望するより長くなり、ロータのもとの重量が増加するからである。
【０００３】
ロータ部分を溶接する公知の方法では、そうした溶接工程が複数のパス、途中での機械加工、および／または複数の熱処理を必要とする場合に、ロータに不具合をもたらすことがある。特に多パス溶接は、完了した溶接に不具合が生じる危険性を増大させる恐れがある。例えば、各パスは、スラグ混入、溶解不足、またはポリシティに対する危険性を増大させることがあり、それらは深刻な亀裂が発生するきっかけとなる恐れがある。
【０００４】
ロータ部分の相互溶接に関連した危険の低減を容易にするために、少なくとも１つの溶接方法では、溶接棒を使用して溶接する接合部の両側に層を作る。しかし、この溶接技術は溶接接合部の幅を増やし、それにより、スラグ混入および／またはポロシティ生成の危険性が増加する恐れがある。代替の溶接技術では、異なる複合材料から作られた層状の中間部材を使用する。しかし、一般的にそうした中間部材は、ロータの他の部分より材料強度が低い。その結果として、中間部材に損傷を与えたり、弱めたりするのを回避するために、特別に注意してロータを取り扱わなければならない。さらに、そのようなロータの両端部は熱処理されなければならず、それにより、複合中間材料は過度の温度を受ける。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ここでは、それぞれが溶接面を含むロータの２つの部分を互いに溶接する方法が開示される。この方法は、第１のロータ部分の溶接面を第２のロータ部分の溶接面に密着させて配置することを含む。その方法はまた、さねはぎ継ぎがそれら間で形成されるように、第１の部分を囲むフランジに実質的に密着させて第２の部分を配置することも含む。
【０００６】
１つの態様では、タービンエンジン用のロータが提供される。ロータは、溶接面およびフランジを含む第１のロータ部分を有する。ロータはまた、溶接面を含む第２のロータ部分も有する。第１のロータの溶接面は、第２のロータの溶接面と実質的に密着して配置され、第２のロータ部分は、さねはぎ継ぎが第１のロータ部分と第２のロータ部分との間で形成されるようにフランジに実質的に密着する。
【０００７】
別の態様では、ロータの２つの部分を溶接するシステムが提供される。ロータの両方の部分は溶接面を含む。第１のロータ部分の溶接面は、第２のロータ部分の溶接面に実質的に密着して配置され、第２のロータ部分は、さねはぎ継ぎがそれらの間で形成されるように第１のロータ部分を囲むフランジに密着する。システムは、ロータに結合されたケーシングを有しており、そのケーシングによって画定されたチャンバは接合部を実質的に囲む。チャンバーは真空ポンプで減圧されて真空になるかまたは不完全真空になる。システムはまた、チャンバ内の接合部を溶接するための電子ビーム発生器も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、溶接するべき少なくとも２つのロータ部分を有するタービンロータ１００の典型的な図である。具体的には、ロータ１００は、溶接接合部１０６で互いに結合される第１のロータ部分１０２および第２のロータ部分１０４を有する。接合部１０６は、半径方向外側部分１０７と接合部外側部分１０７から半径方向内側にある半径方向内側部分１０８とを有する。空洞１０９は、ロータ部分１０２とロータ部分１０４との間で接合部１０６内に画定される。ケーシング１１０はロータ１００に結合されて、接合部１０６を囲むチャンバ１１１を画定し、ロータ１００の円周周りに延在する。チャンバ内のすべての空気は真空ポンプを使用して抜かれるので、チャンバ１１１内は真空になる。次に、減圧電子ビーム発生器１１２がチャンバ１１１内でケーシング１１０に連結され、ロータ部分１０２および１０４の溶接を容易にするために電子ビームを接合部外側部分１０７に向けることができるように整列される。
【０００９】
図２は、ロータ部分１０２および１０４の溶接に使用することができる典型的な溶接接合部１０６の図である。接合部１０６は第１の部分の面１１４を形成され、整列、加圧されて第２の部分の面１１６と実質的に密着して接触する。さねはぎ溝部１１８は、第１の部分の内側面１２０に沿って外側に伸長し、典型的な実施形態では、第１の部分の面１１４に対して実質的に垂直になっている。さねはぎ溝部１１８は、第１の部分の内側面１２０に対して実質的に平行で、第１の部分の面１１４に対して実質的に垂直な半径方向上側面１２４を含む。第２の部分の内側面１２２は、さねはぎ継ぎ１２５が接合部内側部分１０８に沿って形成されるようにさねはぎ溝上側面１２４と実質的に密着している。
【００１０】
溶接作業を始める前に、ロータ部分１０２および１０４は、接合部１０６を画定するために互いに位置決めされる。具体的には、第２の部分の面１１６は、第１の部分の面１１４と実質的に密着して配置され、第２の部分の内側面１２２は、さねはぎ溝上側面１２４と実質的に密着して配置されてさねはぎ継ぎ１２５を形成する。さねはぎ継ぎ１２５は、部分１２０と部分１０４の結合を容易にする。部分１０２と部分１０４の結合はまた空洞１０９を画定する、これに代えて、ロータ１００は複数の部分によって画定された複数の接合部１０６を有してもよい。
【００１１】
ケーシング１１０は、接合部１０６を実質的に囲むチャンバ１１１を画定するようにロータ１００に結合される。空気がチャンバ１１１から抜かれ、接合部１０６の周囲は真空になる。チャンバ１１１はロータ１００の限定した部分を囲むので、真空の収容部を大きくする必要はなくなる。
【００１２】
チャンバ１１１内が真空になった後で、溶接工程が実行される。具体的にいうと、典型的な実施形態では、溶接は電子ビーム発生器１１２によって行われる。電子ビーム発生器１１２は、ロータの円周まわりを移動できるように、チャンバ１１１内でケーシングに連結される。電子ビーム発生器１１２は、接合部１０６に対して整列されて、電子ビームが接合部内側部分１０８まで貫通できる強度で電子ビームを接合部外側部分１０７に向けることができるようになる。
【００１３】
電子ビーム発生器１１２は、電子ビームを接合部外側部分１０７に向けながら、ロータ１００の円周の周りを回転される。あるいは、電子ビームは止まったまま、ロータが回転してビームとロータ円周部との間に相対移動が生じる。回転中に、電子ビームは第１の部分の面１１４と第２の部分の面１１６を加熱して溶接金属を生成する。面１１４からの溶接金属は、面１１６からの溶接金属と融合するので、部分１０２と部分１０４は接合されて一体部品になる。電子ビーム発生器１１２は、面１１４および１１６を接合するのに接合部１０６の円周の周りを完全に１回転することだけを必要とするので、多パスを必要とする溶接技術に比べて溶接欠陥を容易に低減できる。具体的には、さねはぎ継ぎ１２５は、部分１０２と部分１０４との間のより密着した嵌合を容易にするので、電子ビームは、電子ビーム発生器１１２を１回パスするだけで構造上より堅固な溶接部を形成することができる。その結果として、溶接欠陥および溶接変形の発生しづらい構造上強固な溶接部が形成される。
【００１４】
溶接工程中に、さねはぎ溝部１１８は、溶接金属および／またはスラグを含む材料が空洞１０９に落ちるのを防止して、面１１４の溶接金属と面１１６の溶接金属との融合が最適化されるのを容易にする。したがって、部分１０２と部分１０４との間に設けた接合部は構造上堅固になり、溶接部の脆弱性および亀裂を容易に低減できる。さらに、溶接金属が空洞１０９に落ちるのを防止することで、部分１０２と部分１０４との間でより完璧な接合を行うことができて、そのため、欠陥が少なくなる。
【００１５】
典型的な実施形態では、電子ビーム発生器１１２は、電子ビームの強度を指す出力域間で作動する。接合部外側部分１０７は接合部内側部分１０８より円周が長いので、内側部分は、図３に示すように、外側部分が完了する前に３６０°溶接される。電子ビームの出力は、電子ビーム発生器１１２が内側部分の溶接を完了したときに、弱められなくてはならない。これは、表面への溶接侵入深さが漸進的に変わるのを助けるためになされる。これは、外側部分の溶接が完了すると同時に最大ビーム強度であったものが突然停止された場合に見られるポロシティもしくはボイドなどの溶接欠陥を防止する。
【００１６】
溶接が完了すると、接合部付近の領域に応力除去用の熱処理工程が局所的に適用される。これは２つの理由から必要とされる。任意の溶接工程は接合部にある程度の残留応力を残すことが第１の理由である。ほとんどの材料は溶接熱影響部で冶金学的変質を受け、そのことは、材料の機械特性を変える恐れがあることが第２の理由である。熱処理温度の選択は、溶接する材料に応じてなされる。熱処理工程後には、接合部の材料特性は、最初の母材特性の近くまでほとんど戻る。
【００１７】
図４は、溶接部分１０２と溶接部分１０４との間に挿入したシム１３０を含む接合部１０６の部分拡大図である。典型的な実施形態では、第１の部分１０２および第２の部分１０４は異なる材料から作られており、異なる材料は、それらの材料特性のために、脆弱性もしくは亀裂が接合部１０６で進展する可能性を高めることなく、互いに直接接触して溶接することができない。シム１３０は第１の部分１０２と第２の部分１０４との間に挿入されて、溶接時に２つの材料が適切に溶解するのを助ける。具体的には、シム１３０が部分１０２と部分１０４との間に配置されると、第１のシム面１３２は第１の部分の面１１４と実質的に密着し、反対側の第２のシム面１３４は、第２の部分の面１１６と実質的に密着する。さらに、シム１３０が部分１０２と部分１０４との間に挿入されると、シム内側面１３６は、さねはぎ溝部の上側面１２４と実質的に密着する。シム１３０は、第２の部分の内側面１２２をさねはぎ溝部の上側面１２４と実質的に密着させて配置することができる寸法とされた幅１３８を有する。
【００１８】
シム１３０の製造に使用する材料は、第１の部分１０２および第２の部分１０４の製造に使用する材料に基づいて選択される。例えば、ＣｒＭｏＶ鋼がＮｉＣｒＭｏＶ鋼と溶接される場合、２つの鋼合金の中間組成で作られたシムを使用することができる。さらに、例えば、鋼材料がニッケルベースの合金と結合される場合、合金６２５もしくは合金６１７などの合金を使用することができる。各実施形態では、適切な厚さのシム材料が選択されて、溶接金属の特性を維持しながら、潜在的に有害な相が溶接部にできるのを容易に防止できるようにする。典型的な実施形態では、上記の溶接工程および熱処理工程と同じ工程が、シム１３０を部分１０２と部分１０４との間に挿入した場合にも利用される。
【００１９】
溶接作業を始める前に、ロータ部分１０２および１０４とシム１３０が互いに位置決めされて溶接部１０６を画定する。具体的には、第１のシム面１３２は第１の部分の面１１４と実質的に密着して配置され、第２のシム面１３４は第２の部分の面１１６と実質的に密着して配置される。さらに、シム内側面１３６はさねはぎ溝部の上側面１２４と実質的に密着して配置される。シム幅１３８は、第２の部分の内側面１２２がさねはぎ溝部の上側面１２４と実質的に密着して配置されるような寸法とされる。部分１０２および１０４とシム１３０の結合はまた、空洞１０９も画定する。代替方法として、ロータ１００は、多数の部分と多数のシムによって画定される数カ所のの接合部１０６を有してもよい。
【００２０】
ケーシング１１０は、チャンバ１１１が実質的に接合部１０６を囲むようにロータ１００に結合される。空気はチャンバ１１１から抜かれ、接合部１０６の周囲は真空になる。チャンバ１１１はロータ１００の部分を限定して囲むので、真空の収容部を大きくする必要はなくなる。チャンバ１１１が真空になると、チャンバ１１１内でケーシング１１０に連結された電子ビーム発生器１１２を使用して溶接工程が実行される。
【００２１】
電子ビーム発生器１１２がロータ１００の周りを回転している間、電子ビームは面１１４および面１１６を加熱して溶接金属を生成する。さらに、シム１３０は電子ビームによって溶融される。溶融したシム１３０は両側でロータ金属と融合し、部分１０２と部分１０４を接合して一体部品とする。典型的な実施形態では、電子ビーム発生器１１２は接合部１０６の円周周りを完全に１回転する。さらに、電子ビーム発生器１１２の強度は、回転が終わりに近づくと弱められる。
【００２２】
溶接が終了すると、接合部付近の領域に応力除去用の熱処理工程が局所的に適用される。これは、接合部の残留応力を除去し、金属の材料特性を元に戻すのに必要とされる。この熱処理温度の選択は、溶接する材料に応じてなされる。熱処理工程後には、接合部の材料特性は、最初の母材特性の近くまでほとんど戻る。
【００２３】
上記の方法およびシステムは、接合部の脆弱性が弱められ、かつ／または接合部での亀裂の発生が低減される溶接接合を用いて、タービンロータが効率よく溶接されるのを容易にする。具体的には、さねはぎ継ぎがロータの各部分を互いに結合するのを容易にし、ロータの各部分は、電子ビーム発生器を１階だけパスすることで溶接することができる。したがって、ロータの２つの部分は、溶接部内のスラグ混入やポロシティなどの欠陥を容易に低減できる技術を使用して溶接される。さらに、本明細書に記載の方法およびシステムは、異なる材料で作られた２つのロータ部分を溶接するのに使用することができる。本明細書に記載のシムは、少なくとも２つのロータ部分を、それぞれ材料特性が異なっているにもかかわらず、互いに適切に接合できるようにする。さらにシムは、電子ビーム発生器を１階だけパスするという要求に影響を与えることはない。その結果、ロータ部分は、コスト効率がよく、信頼でき、構造上堅固な接合で互いに溶接することができる。
【００２４】
ここで使用しているように、単数形で記載されており、単数不定冠詞「１つ」を冠した要素またはステップは、この種の除外が明確に詳述されない限り、かかる要素またはステップを複数備えることを除いて理解してはならない。本発明が「１つの実施形態」と称する場合、列挙した特徴も盛り込んださらなる実施形態の存在を除外すると解釈されることを意図するものではない。
【００２５】
本明細書に記載の方法およびシステムがタービンロータの溶接に関連させて説明されたが、当然ながら、本明細書に記載の溶接方法および溶接システムはタービンロータに限定されるものではい。同様に、図示した溶接システムの構成要素は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、本明細書に記載した他の構成要素から独立、分離して利用することができる。
【００２６】
本発明が様々な具体的実施形態によって説明されたが、本発明は請求項の精神と範囲内で修正できることが当業者には分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】溶接すべき少なくとも２つの部分を含むタービンロータの典型的な図である。
【図２】図１に示すロータ部分の結合に使用できる典型的な溶接接合の図である。
【図３】電子ビームエネルギが溶接サイクルの終了に向かってどのような軌跡を描くかを示す典型的な溶接接合の断面図である。
【図４】図２に示す接合の部分図であり、互いに溶接される接合部分間に挿入されたシムを含む。
【符号の説明】
【００２８】
100 タービンロータ
102 溶接ロータ部分
104 第２のロータ部分
106 溶接部
107 接合部外側部分
108 接合部内側部分
109 空洞
110 ケーシング
111 チャンバ
112 電子ビーム発生器
114 第１の部分の面
116 第２の部分の面
118 さねはぎ溝部
120 第１の部分の内側面
122 第２の部分の内側面
124 さねはぎ溝上側面
125 さねはぎ継ぎ
130 シム
132 第１のシム面
134 第２のシム面
136 シム内側面
138 幅

【出願人】	【識別番号】３９００４１５４２【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬＥＬＥＣＴＲＩＣＣＯＭＰＡＮＹ
【出願日】	平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【代理人】	【識別番号】１０００９３９０８【弁理士】【氏名又は名称】松本研一【識別番号】１００１０５５８８【弁理士】【氏名又は名称】小倉博【識別番号】１００１２９７７９【弁理士】【氏名又は名称】黒川俊久【識別番号】１００１３７５４５【弁理士】【氏名又は名称】荒川聡志
【公開番号】	特開２００７－２１８２６０（Ｐ２００７－２１８２６０Ａ）
【公開日】	平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【出願番号】	特願２００７－３４５１７（Ｐ２００７－３４５１７）