(57)【要約】【課題】マイクロチャンネル冷却式タービン部品及びその形成方法を提供する。【解決手段】マイクロチャンネル冷却式タービン部品は、基材表面を有する第１の部分を含む。また、前記マイクロチャンネル冷却式タービン部品は、前記基材表面上にレーザ融接された物質を含む第２の部分を含む。さらに、前記マイクロチャンネル冷却式タービン部品は、第１の部分及び第２の部分の少なくとも一方に沿って延在する１以上のマイクロチャンネルを含み、前記１以上のマイクロチャンネルは第２の部分の形成時に形成されかつ閉じ込められる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチャンネル冷却式タービン部品であって、
基材表面を有するマイクロチャンネル冷却式タービン部品の第１の部分と、
前記基材表面上にレーザ融接された物質を含むマイクロチャンネル冷却式タービン部品の第２の部分と、
第１の部分及び第２の部分の少なくとも一方に沿って延在する１以上のマイクロチャンネルであって、第２の部分の形成時に形成されかつ閉じ込められる１以上のマイクロチャンネルと
を備えるマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項２】
前記物質が粉末を含む、請求項１記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項３】
前記粉末が、レーザで溶融したときに金属を形成するように構成されている、請求項２記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項４】
第２の部分が複数の層を含む、請求項１記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項５】
前記複数の層の各々が約０．００５ｍｍ〜約０．１００ｍｍの厚さを有する、請求項４記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項６】
前記１以上のマイクロチャンネルが、部分的に第１の部分に形成されかつ部分的に第２の部分に形成されている、請求項１記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項７】
前記１以上のマイクロチャンネルが完全に第１の部分に形成されている、請求項１記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項８】
前記１以上のマイクロチャンネルが完全に第２の部分に形成されている、請求項１記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項９】
第２の部分の形成時に、さらに、マイクロチャンネル供給孔及び出口孔の少なくとも一方が形成される、請求項１記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項１０】
第１の部分及び第２の部分がタービンシュラウドの少なくとも一部分をなす、請求項１記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項１１】
第１の部分及び第２の部分が、タービンノズル及びタービン動翼の少なくとも一方の少なくとも一部分を形成する、請求項１記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項１２】
第２の部分が複数の異種材料を含む、請求項１記載のマイクロチャンネル冷却式タービン部品。
【請求項１３】
マイクロチャンネル冷却式タービン部品を形成する方法であって、
基材表面を有する第１の部分を形成する工程と、
物質をレーザで溶融させることによって第１の部分の上に複数の層を堆積する工程であって、該複数の層がマイクロチャンネル冷却式タービン部品の第２の部分を形成する、工程と、
第１の部分の上に複数の層を堆積する際に第１の部分及び第２の部分の少なくとも一方に沿って延在する１以上のマイクロチャンネルを形成し閉じ込める工程と
を含む方法。
【請求項１４】
第２の部分が第１の材料を含んでおり、当該方法が、さらに、第１の材料とは異なる第２の材料の複数の層を第２の部分の上に堆積して複数の異種材料を含む第２の部分を形成する工程を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の層の各々を堆積する工程が、約０．００５ｍｍ〜約０．１００ｍｍの厚さを有する層を堆積することを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
さらに、第１の部分の上に複数の層を堆積する際にマイクロチャンネル供給孔及び出口孔の少なくとも一方を形成する工程を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記１以上のマイクロチャンネルが完全に第１の部分に形成されて、第２の部分で閉じ込められる、請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
第１の部分の上に複数の層を堆積する際に、前記１以上のマイクロチャンネルが完全に第２の部分に形成される、請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
前記１以上のマイクロチャンネルが、部分的に第１の部分に形成されかつ部分的に第２の部分に形成されている、請求項１３記載の方法。
【請求項２０】
第１の部分及び第２の部分を形成する工程が、タービンシュラウド、タービンノズル及びタービン動翼の少なくともいずれかの少なくとも一部分を形成することを含む、請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本書に開示の内容は、一般的に云えば、タービン部品に関し、より詳しく云えば、マイクロチャンネル冷却式タービン部品、並びにマイクロチャンネル冷却式タービン部品の形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムでは、燃焼器が燃料又は空気−燃料混合物の化学的エネルギを熱エネルギに変換する。熱エネルギは、流体（多くの場合、圧縮機からの圧縮空気）によって、タービンへ運ばれる。タービンで、熱エネルギは機械的エネルギへ変換される。変換プロセスの一部として、高温ガスが、高温ガス流路のようなタービンの様々な部分の上及び中を通って流れる。高温ガス流路に沿った高い温度がタービン部品を加熱して、それらの部品の劣化を引き起こすおそれがある。
【０００３】
タービン部品を冷却し又は適当な温度に維持するために様々な努力がなされており、その中には、タービン部品内に冷却流を分布させるために様々な大きさのチャンネルを設けることが含まれている。このようなチャンネル、特に小さいチャンネルを有するタービン部品を形成するとき、困難が存在する。従来の方法は、例えば、チャンネルを鋳造してチャンネルに充填し、次いでチャンネルを設けた部品を遮熱コーティング（ＴＢＣ）で被覆し、次いで充填材をリーチング（浸出）して除去することを含んでいる。上記のプロセスの各々は、例えば、高コスト、製造のバラツキ、時間のかかる労力、耐久性の問題などのような、特有の欠点を含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７９６７５６６号
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一面によれば、マイクロチャンネル冷却式タービン部品が提供される。マイクロチャンネル冷却式タービン部品は、基材表面を有する第１の部分を含む。また、マイクロチャンネル冷却式タービン部品は、基材表面上にレーザ融接された物質を含む第２の部分を含む。さらに、マイクロチャンネル冷却式タービン部品は、第１の部分及び第２の部分の少なくとも一方に沿って延在する１以上のマイクロチャンネルを含み、１以上のマイクロチャンネルは第２の部分の形成時に形成されかつ閉じ込められる。
【０００６】
本発明の別の面によれば、マイクロチャンネル冷却式タービン部品を形成する方法が提供される。本方法は、基材表面を有する第１の部分を形成する工程を含む。本方法はまた、物質をレーザで溶融させることによって第１の部分の上に複数の層を堆積する工程を含み、複数の層はマイクロチャンネル冷却式タービン部品の第２の部分を形成する。本方法はさらに、第１の部分の上に複数の層を堆積する際に第１の部分及び第２の部分の少なくとも一方に沿って延在する１以上のマイクロチャンネルを形成し閉じ込める工程を含む。
【０００７】
これらの及び他の利点及び特徴は、図面を参照した以下の説明からより一層明らかになろう。
【０００８】
発明と見なされる（技術的）内容は「特許請求の範囲」に具体的に指摘して明瞭に記載している。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の詳しい説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、タービンシステムの概略図である。
【図２】図２は、マイクロチャンネル冷却式タービン部品の第１の部分の斜視図である。
【図３】図３は、第１の部分の側面図である。
【図４】図４は、第１の部分及び第２の部分を有するマイクロチャンネル冷却式タービン部品の斜視図である。
【図５】図５は、マイクロチャンネル冷却式タービン部品の側面図である。
【図６】図６は、マイクロチャンネル冷却式タービン部品を形成する方法を例示する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態について、例として図面を参照して、利点及び特徴と共に詳しく説明する。
【００１１】
図１について説明すると、全体を符号１０で示すガスタービンシステムのようなタービンシステムの概略図が示してある。ガスタービンシステム１０は、圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、シャフト１８及び燃料ノズル２０を備える。ガスタービンシステム１０は、一実施形態では、圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、シャフト１８及び燃料ノズル２０を各々複数含んでいてもよい。圧縮機１２及びタービン１６はシャフト１８によって結合される。シャフト１８は、単一のシャフトであってよく、或いはシャフト１８を形成するように一緒に結合された複数のシャフトセグメントからなるものであってもよい。
【００１２】
燃焼器１４は、ガスタービンシステム１０を運転するために、天然ガス又は水素リッチ合成ガスのような、可燃性の液体及び／又はガス燃料を使用する。例えば、燃料ノズル２０が空気供給装置及び燃料供給装置２２と流体連通する。燃料ノズル２０は空気−燃料混合物を生成して、空気−燃料混合物を燃焼器１４の中へ吐出し、これによって燃焼を生じさせて高温加圧排出ガスを発生する。燃焼器１４は、高温加圧ガスを、トランジションピースを通してタービンノズル（又は「第１段ノズル」）、次いで他の段の動翼及びノズルへと送り、タービンケーシング２４内のタービン１６を回転させる。タービン１６の回転がシャフト１８を回転させ、これによって圧縮機１２に流入した空気を圧縮する。一実施形態では、タービン１６には高温ガス流路部品が配置されており、そこでは高温ガス流がそれらの部品にわたって流れて、それらのタービン部品のクリープ、酸化、摩耗及び熱疲労を引き起こす。高温ガス流路部品の温度を制御すれば、これらの部品における望ましくない状態を低減することが可能である。ガスタービンシステム１０の効率が燃焼温度につれて増大するので、高温ガス流路部品は、実用寿命を満たすため及び意図した機能を効果的に遂行させるために追加の又は増大した冷却を必要とすることがある。
【００１３】
図２〜図５について説明すると、前に述べたように、様々な高温ガス流路部品は、タービン１６内のようなガスタービンシステム１０全体にわたって配置されている。高温ガス流路部品の例としては、タービンシュラウド、タービンノズル、タービン動翼などが挙げられるが、しかし、これらの例は単なる説明のためであり、制限を意図したものではない。このような部品の１つが、マイクロチャンネル冷却式タービン部品３２として示されており、これは、第１の部分３４及び第２の部分３６を含む。第１の部分３４は、例えば、金属のような様々な材料で形成される機械加工部品である。第２の部分３６は、一体構造としてマイクロチャンネル冷却式タービン部品３２を形成するために第１の部分３４の上に堆積された物質３７の複数の層を有する。具体的に述べると、第１の部分３４は基材表面３８を含み、これは、第１の部分３４のの上に堆積される複数の層の内の第１の層と相互作用する。その後、多数の追加の層が、そのすぐ前の各々の層の上に加法的なプロセスで堆積される（これについては以下に詳しく説明する）。
【００１４】
マイクロチャンネル冷却式タービン部品３２は、マイクロチャンネル冷却式タービン部品３２の内部領域に沿って配置された１以上のマイクロチャンネル４０を含む。単一マイクロチャンネルとして図示されているが、複数のマイクロチャンネルを含んでいてもよい。１以上のマイクロチャンネル４０は、複数のマイクロが含まれている場合、互いに同じ又は異なる寸法又は形状にすることができる。或る特定の実施形態では、１以上のマイクロチャンネル４０は、以下に述べるように、約１００μｍ〜約３ｍｍの幅、及び約１００μｍ〜約３ｍｍの深さを有することができる。例えば、１以上のマイクロチャンネル４０は、約１５０μｍ〜約１．５ｍｍ、又は約２５０μｍ〜約１．２５ｍｍ、又は約３００μｍ〜約１ｍｍの幅及び／又は深さを有することができる。或る特定のの実施形態では、１以上のマイクロチャンネル４０は、約５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、６００、７００、又は７５０μｍ未満の幅及び／又は深さを有することができる。図には断面が比較的長円形として示されているが、１以上のマイクロチャンネル４０は任意の多数の適当な形状にすることができる。実際に、１以上のマイクロチャンネル４０は、図示の長円形の断面の代わりに又はそれに加えて、円形、半円形、湾曲した形、長方形、三角形又は菱形の断面を有することができる。幅及び深さは、その長さ全体にわたって変えることが可能である。さらに、実施形態によっては、１以上のマイクロチャンネル４０は、変化する断面積を有することができる。また、撹拌器又は窪みのような熱伝達促進要素を１以上のマイクロチャンネル４０の中に組み入れることができる。
【００１５】
１以上のマイクロチャンネル４０は、第２の部分３６を形成する物質３７の堆積の際に形成される。物質３７は、典型的には、基材表面３８を覆うように配置されて、その後にレーザによって溶融される粉末である。レーザ出力は用途に応じて変えることができ、一実施形態では、出力は約１００Ｗ〜約１００００Ｗである。粉末の代わりに、細いワイヤ又は薄いシートを使用してもよい。物質３７の溶融の結果として、第１の層の場合は、基材表面３８に融合結合される金属を生じる。レーザ粉末融合は、直接金属溶融（ＤＭＬＭ）と呼ぶことができる。用いることのできる同様なプロセスは、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、レーザ粉末融合、又は直接金属堆積と呼ぶことができる。これらのプロセスは、比較的効率のよいかつタイミングのよい態様で第２の部分３６を形成する複数の層を精密に堆積するために３次元ＣＡＤデータを受け取るように構成されているソフトウエアの使用を含んでいてもよい。複数の層の各々は厚さを変えることができる。しかしながら、一実施形態では、各層の厚さは約０．００５ｍｍ〜約０．１００ｍｍである。一実施形態では、厚さは約０．０２０ｍｍである。
【００１６】
ここで、マイクロチャンネル冷却式タービン部品３２の第２の部分３６が、物質３７の配置の際に形成される単一の材料よりもむしろ、複数の個別の（すなわち、相異なる）材料を有する。複数材料の第２の部分を形成するには、物質３７を溶融して第１の材料を形成し、次いで熱処理し、機械加工し、そして検査し、従ってマイクロチャンネル冷却式タービン部品３２を検査することができる。次いで、別個の材料を形成して第１の材料に追加することにより、既存の第２の部分を覆うように別個の第２の材料を構築し、これによって複数材料の第２の部分を形成することができる。
【００１７】
上述のレーザ粉末融合プロセスは、１以上のマイクロチャンネル４０を任意の多数の幾何学的形状、大きさ及び場所に形成する能力を提供する。このような場合、上記のソフトウエアは、１以上のマイクロチャンネル４０の形成に対応する第２の部分３６の形成に関するデータを受け取ることができる。一実施形態では、１以上のマイクロチャンネル４０が基材表面３８に近接して第１の部分３４の中に完全に（すなわち、１００％）配置され、第２の部分３６の形成は１以上のマイクロチャンネル４０を閉じ込める。別の実施形態では、１以上のマイクロチャンネル４０が第２の部分３６の中に完全に配置されて、第１の部分３４の基材表面３８が比較的平坦な、同じ高さの表面であるようにする。さらに別の実施形態では、１以上のマイクロチャンネル４０が第１の部分３４の中に部分的に配置されかつ第２の部分３６の中に部分的に配置されて、１以上のマイクロチャンネル４０の１００％未満の部分が第１の部分３４又は第２の部分３６の何れかによって画成されるようにする。これまで述べた様々な実施形態は、物質３７を堆積し溶融すべきである場所の所望のマッピングを行うことによって達成することができる。
【００１８】
１以上のマイクロチャンネル４０の形成に加えて、１つ以上のマイクロチャンネル供給孔４２を、第２の部分３６の堆積の際に形成することができ、或いは第２の部分３６の一部分をレーザ除去処理することによって形成することができると考えられる。この代わりに、これらのマイクロチャンネル供給孔４２はまた、第１の部分３４の中に予めドリル穿孔し又は機械加工することができる。マイクロチャンネル供給孔４２は、冷却のために供給源からの冷却流又は空気流を１以上のマイクロチャンネル４０へ通す。さらに、１以上の出口空気孔４４を、この形成プロセスの一部として第２の部分３６上に又はその中に形成することができる。この代わりに、１以上の出口空気孔４４は、第２の部分３６の一部分をレーザ除去処理することによって形成することができる。
【００１９】
図６の流れ図に示されているように、図１〜図５を参照して、マイクロチャンネル冷却式タービン部品を形成する方法１００が提供される。ガスタービンシステム１０、より具体的には、マイクロチャンネル冷却式タービン部品３２について、これまで説明したので、特定の構造用部品についてさらに詳しく説明する必要はない。マイクロチャンネル冷却式タービン部品を形成する方法１００は、基材表面を有する第１の部分を形成する工程（１０２）を含む。物質をレーザで溶融させて、複数の層が第１の部分の上に堆積される（工程１０４）。複数の層は、組み合わさって、上述した第２の部分３６を形成する。第１の部分の上に複数の層を堆積する際に１以上のマイクロチャンネルが形成されかつ閉じ込められる（工程１０６）。
【００２０】
以上、本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されるものではないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を取り入れるように修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面が説明した実施形態の幾つかのみを含み得る。従って、本発明は、上記の説明によって制限されるものと考えるべきではなく、「特許請求の範囲」に記載の範囲によって制限される。
【符号の説明】
【００２１】
１０  ガスタービンシステム
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８  シャフト
２０  燃料ノズル
２２  燃料供給装置
２４  タービンケーシング
３２  マイクロチャンネル冷却式タービン部品
３４  第１の部分
３６  第２の部分
３７  物質
３８  基材表面
４０  マイクロチャンネル
４２  マイクロチャンネル供給孔
４４  出口空気孔
２００  方法
【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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