(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却経路の位置と寸法の精度を改善するエアフォイル製造法【解決手段】エアフォイル３６は、基材からなる主要部３８を含む。また、主要部３８の後縁領域４２を含む。更に、後縁４２に近接して、基材と動作可能に結合される少なくとも１つの予備焼結予備成形（ＰＳＰ）材料からなる後縁補助構造を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材からなる主要部と、
前記主要部の後縁領域と、
前記後縁に近接して、前記基材と動作可能に結合される少なくとも１つの予備焼結予備成形（ＰＳＰ）材料を含む後縁補助構造とを備える、エアフォイル。
【請求項２】
前記後縁補助構造は、前記後縁領域にろう付けされる、請求項１に記載のエアフォイル。
【請求項３】
前記主要部の前記基材内に形成される少なくとも１つの冷却チャネルを更に備える、請求項１に記載のエアフォイル。
【請求項４】
前記後縁補助構造内に形成され、前記少なくとも１つの冷却チャネルと流体連通する少なくとも１つの冷却経路を更に備える、請求項３に記載のエアフォイル。
【請求項５】
後縁補助構造後部幅と、後縁領域後部幅とを更に備え、前記後縁補助構造後部幅が前記後縁領域後部幅より狭い、請求項１に記載のエアフォイル。
【請求項６】
前記少なくとも１つのＰＳＰ材料は、第１の合金と第２の合金を含む、請求項１に記載のエアフォイル。
【請求項７】
前記第１の合金と前記第２の合金は、約３０：７０の重量比で混合される、請求項６に記載のエアフォイル。
【請求項８】
前記少なくとも１つのＰＳＰ材料は、動作可能に結合された第１のＰＳＰ材料と第２のＰＳＰ材料とを含む、請求項１に記載のエアフォイル。
【請求項９】
前記第１のＰＳＰ材料と前記第２のＰＳＰ材料の少なくとも１つがスロットを含み、前記第１のＰＳＰ材料と前記第２のＰＳＰ材料との動作可能な結合により、少なくとも１つの冷却経路が形成される、請求項８に記載のエアフォイル。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの冷却経路は、前記主要部の前記基材内に形成される少なくとも１つの冷却チャネルと流体連通する、請求項９に記載のエアフォイル。
【請求項１１】
エアフォイルと、
前縁から後縁まで延び、基材からなる、前記エアフォイルの主要部と、
前記後縁に近接して、前記主要部の前記基材と結合される第１のＰＳＰ材料と第２のＰＳＰ材料を含む後縁補助構造と、
前記後縁補助構造内の少なくとも１つの冷却経路とを備える、タービンシステム。
【請求項１２】
前記第１のＰＳＰ材料と前記第２のＰＳＰ材料の少なくとも１つがスロットを含み、前記第１のＰＳＰ材料と前記第２のＰＳＰ材料との動作可能な結合により、少なくとも１つの冷却経路が形成される、請求項１１に記載のタービンシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの冷却経路は、前記主要部の前記基材内に形成される少なくとも１つの冷却チャネルと流体連通する、請求項１１に記載のタービンシステム。
【請求項１４】
後縁補助構造後部幅と、後縁領域後部幅とを更に備え、前記後縁補助構造後部幅が前記後縁領域後部幅より狭い、請求項１１に記載のタービンシステム。
【請求項１５】
前記第１のＰＳＰ材料と前記第２のＰＳＰ材料は各々、第１の合金と第２の合金を含む、請求項１１に記載のタービンシステム。
【請求項１６】
前記第１の合金と前記第２の合金は、約３０：７０の重量比で混合される、請求項１５に記載のタービンシステム。
【請求項１７】
エアフォイルの後縁領域を修理する方法であって、
前記エアフォイルの前記後縁領域に近接する材料を除去することと、
前記後縁領域の基材を露出させることと、
少なくとも１つのＰＳＰ材料を前記基材に結合させることと、
前記少なくとも１つのＰＳＰ材料を前記基材に接合した後、後縁補助構造を形成することとを含む、方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのＰＳＰ材料を前記基材に結合する前に、前記少なくとも１つのＰＳＰ材料内に少なくとも１つの冷却経路を形成することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのＰＳＰ材料を前記基材に結合した後に、前記少なくとも１つのＰＳＰ材料内に少なくとも１つの冷却経路を形成することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記後縁補助構造が、第１のＰＳＰ材料と第２のＰＳＰ材料を含み、前記方法は更に、前記第１のＰＳＰ材料の第１のスロットと前記第２のＰＳＰ材料の第２のスロットとを位置合わせさせることにより、前記後縁補助構造内に少なくとも１つの冷却経路を形成することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題はエアフォイルに関し、より詳細にはエアフォイル、特にタービンシステム内のエアフォイルの後縁補助構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なタービンシステムで用いられるエアフォイルは、バケット及びノズルとして形成される。通常、熱ガス又は蒸気などの作動流体は、エアフォイルを横断するように送り込まれ、バケットがタービンシステムの回転子に結合する。バケットにかかる作動流体の力によって、バケットと、従って回転子との結合体が回転する。このように、エアフォイルの空気力学的配列が、タービンシステムのシステム性能全体に影響を及ぼす。鋳造など様々な製造工程を用いてエアフォイルを形成することが可能であるが、こうした工程はある側面で制限があり、一つの制限が、製造後のエアフォイルの空気力学的特性に関する。
【０００３】
エアフォイルは通常、タービン動作温度及び動作条件に対して耐性がある所望の機械的及び環境的特性を有したニッケル系、コバルト系又は鉄系超合金から形成される。タービンシステムの効率はその動作温度に依存するので、エアフォイルが、ますます上昇する温度に耐えることができることが望まれている。超合金成分の最高局所温度がその超合金の融点に近づくにつれ、強制空冷が必要となる。このため、ガスタービンのバケット及びノズルのエアフォイルではしばしば、蒸気又は空気、典型的には抽気をエアフォイル内の内部冷却経路に強制的に送り込み、その後エアフォイル面にある冷却孔を通って排気させ、成分から熱を移動させるという複雑な冷却スキームが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８２９２５８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の通り、エアフォイル製造に用いられる工程は幾分制限があり、このことが冷却経路の位置と寸法の両方に関する精度に影響を及ぼす。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの態様によれば、エアフォイルは基材からなる主要部を含む。また、主要部の後縁領域を含む。更に、後縁領域に近接して、基材と動作可能に結合される少なくとも１つの予備焼結予備成形（ＰＳＰ）材料を含む後縁補助構造を含む。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、タービンシステムはエアフォイルを含む。また、前縁から後縁領域まで延び、基材からなる、エアフォイルの主要部を含む。更に、後縁領域に近接して、主要部の基材と結合される第１のＰＳＰ材料と第２のＰＳＰ材料を含む後縁補助構造を含む。また更に、後縁補助構造内に少なくとも１つの冷却経路を含む。
【０００８】
本発明の更に別の態様によれば、エアフォイルの後縁領域を修理する方法が提供される。方法は、エアフォイルの後縁領域に近接する材料を除去することを含む。方法はまた、後縁領域の基材を露出させることを含む。方法は更に、少なくとも１つのＰＳＰ材料を基材に結合させることを含む。方法はまた更に、少なくとも１つのＰＳＰ材料を基材に接合した後、後縁補助構造を形成することを含む。
【０００９】
本発明の上記の及びその他の利点及び特徴は、以下の図面と併せてなされた説明から、より明らかになろう。
【００１０】
主題は本発明とみなされるが、この主題は明細書の最後にある特許請求の範囲で特に指摘され明確に特許請求されるものである。本発明の上記及びその他の特徴並びに利点は、以下の添付の図面と併せてなされた詳細な説明から明確である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】タービンシステムの概略図である。
【図２】エアフォイルの上面図である。
【図３】エアフォイルの後縁領域の断面図である。
【図４】後縁補助構造の斜視図である。
【図５】エアフォイルの後縁領域の修理方法を示す流れ図である。
【００１２】
詳細な説明では、一例として図面を参照しながら、本発明の実施形態を利点及び特徴とともに説明する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照すると、本発明の一例としての実施形態において構築されるタービンシステム１０の概略図が示されている。図示のタービンシステム１０は、ガスタービンエンジンを備えるが、本明細書に記載する実施形態を代替のシステム、例えば蒸気タービンなどにおいて用いることも可能であることを理解されたい。図示及び説明のために、ガスタービンエンジンに言及していく。
【００１４】
ガスタービンエンジン１０は、圧縮部１２と、缶形環状アレイに配置された複数の燃焼器アセンブリを含み、燃焼器アセンブリの一つが参照符号１４で示され、燃焼器アセンブリ１４は燃焼部１８を含む。本発明は、燃焼系の詳細とは無関係であり、缶形環状システムに言及するのは本発明を説明するためである。燃料及び圧縮空気が燃焼部１８内に送られ、着火して、タービン部２４を駆動するのに用いられる高温高圧燃焼生成物又は蒸気が生成される。タービン部２４は、回転子３０を介して圧縮部１２に動作可能に接続された複数段２６から２８を含む。特に、複数段２６から２８は各々、ノズル３２とバケット３４を含み、バケット３４は動作可能に回転子３０に結合される。複数段２６から２８各々のノズル３２とバケット３４は、作動流体（例えば混合気）が上方を流れるエアフォイルである。３段と特定しているが、段数は３段より多くても少なくてもよいことを理解されたい。
【００１５】
次に図２を参照すると、ノズル３２又はバケット３４のいずれかを示すエアフォイル３６がより詳細に示されている。エアフォイル３６は、前縁４０から後縁領域４２まで延びる主要部３８を含む。主要部３８は基材から形成されるが、基材は特定の用途に応じて変更することができる。幾つかの実施形態において、基材は、ニッケル系、コバルト系又は鉄系超合金を含む。主要部３８は、例えばガスタービンエンジン内などで受ける高温高圧に耐性があるように等軸、方向性凝固（ＤＳ）又は単結晶（ＳＸ）鋳造として形成することができる。後縁領域４２は比較的丸く、後縁領域後部幅４４となる。
【００１６】
エアフォイル３６はまた、後縁領域４２の一面に近接し、主要部３８に動作可能に結合される後縁補助構造４６を含む。図示のように、後縁補助構造４６は主要部３８に対してテーパ状をなし、より細く、より鋭角な端部となっており、本明細書では後縁補助構造後部幅４８と称する寸法となる。
【００１７】
図３と図４を参照すると、主要部３８の後縁領域４２及び後縁補助構造４６がより詳細に示されている。図示の実施形態において、後縁補助構造４６は、本明細書ではＰＳＰシート５０と称する第１のＰＳＰ材料と、本明細書ではＰＳＰシート５２と称する第２のＰＳＰ材料を含み、ＰＳＰシート５０と５２は各々、予備焼結予備成形（ＰＳＰ）構造である。ＰＳＰシート、即ち第１のＰＳＰシート５０と第２のＰＳＰシート５２は各々、第１と第２の合金を含む粒子混合物を含み、第１と第２の合金は、融点より低い温度でともに焼結されて凝集体でやや多孔質の塊を形成する。粉末粒子の好適な粒径の範囲は、１５０メッシュ又は更に３２５メッシュかそれ以下で、粒子の急速焼結を促進させ、ＰＳＰシート内の多孔度を１０体積％以下に低下させるようにする。
【００１８】
第１のＰＳＰシート５０及び第２のＰＳＰシート５２の第１の合金は、主要部３８の基材に類似する任意の組成を含み、ＰＳＰシートと主要部３８とがより共通の物性を示すようにする。例えば、幾つかの実施形態では、第１の合金と基材は共通の組成を共有する（即ち、第１の合金と基材は同種の材料である）。幾つかの実施形態において、第１の合金は、ニッケル系超合金又はコバルト系超合金を含む。幾つかの実施形態では、第１の合金の特性として、高疲労強度、低ひび割れ傾向、耐酸化性及び／又は機械加工性など、基材と化学的及び金属的融和性を有する。
【００１９】
第２の合金もまた、主要部３８の基材と類似する組成を有してもよいが、第１の合金と第２の合金の粒子の焼結を促進させ、基材の融点より低い温度でＰＳＰシートを主要部３８の後縁領域４２に接合できるように、融点降下性を更に含有する。
【００２０】
ＰＳＰシートは、第１の合金と第２の合金の粒子が互いに対して、またエアフォイル３６の主要部３８の後縁領域４２に対して確実に濡れ及び接合（例えば拡散／ろう付け接合）するのに十分な融点降下性をもたらすのに十分な任意の相対量の第１の合金と第２の合金を含む。例えば、幾つかの実施形態において、第２の合金は、第１のＰＳＰシート５０と第２のＰＳＰシート５２各々において少なくとも約１０重量パーセント含有される。一つの実施形態において、第２の合金は、ＰＳＰシート各々において約７０重量パーセント含有され、第１の合金はＰＳＰシート各々において約３０重量パーセント含有され、これによって、第１の合金と第２の合金の重量混合比は約３０：７０となる。別の実施形態では、第１の合金と第２の合金の重量混合比は約４０：６０となる。
【００２１】
上記実施形態では、後縁補助構造４６は２つのＰＳＰシートを有するとして例示し、説明している。しかしながら、単一のＰＳＰシートを使用して、主要部３８の後縁領域４２に動作可能に結合してもよいことを理解されたい。更に、ＰＳＰシートを３つ以上使用して、後縁補助構造４６を形成してもよい。
【００２２】
使用されるＰＳＰシートの正確な数に関係なく、シートは主要部３８の後縁領域４２に動作可能に結合される。一つの実施形態において、ＰＳＰシートは後縁領域４２にろう付けされる。ＰＳＰシートは、ろう付け用ペーストを必要とせずに後縁領域４２にろう付けされるよう構成された材料からなる。このように、第１のＰＳＰシート５０と第２のＰＳＰシート５２などのＰＳＰシートが、炉内で、後縁領域４２に当接するような所望の場所に位置付けられ、ＰＳＰシートの主要部３８へのろう付けが容易になるのに必要な温度まで加熱される。ろう付けだけでなく、溶接、拡散接合又は機械的締結を含む、ただしこれに限定されない、代替の結合技術を用いてもよいものとしている。
【００２３】
ＰＳＰシートを後縁補助構造４６として形成することにより、エアフォイル３６の後縁部をより薄くすることが可能となり、空気力学的閉塞を効果的に減少し、これによってタービンシステム全体の性能が向上する。
【００２４】
エアフォイル３６を効果的に冷却するために、主要部３８の後縁領域４２及び後縁補助構造４６全体にわたり冷却配置５４を設ける。主要部３８の後縁領域４２は、後縁補助構造４６内に配設される少なくとも１つ、ただし通常は複数の冷却経路５８と流体連通する、少なくとも１つの冷却チャネル５６を含む。複数の冷却経路５８は製造工程全体にわたり様々な方法でまた様々な時間に形成することができる。具体的には、後縁補助構造４６を主要部３８に結合する前又は結合した後に、複数の冷却経路５８を形成することができる。
【００２５】
後縁補助構造４６を主要部３８に結合する前に複数の冷却経路５８を形成することは、ＰＳＰシートそれ自体を形成中に、ＰＳＰシートがいまだに初期焼結前の柔軟なグリーン状態にあるように、ＰＳＰシートの少なくとも１つに控えめな大きさの溝、スロットなどを形成することを含む。溝、スロットなどを第１のＰＳＰシート５０と第２のＰＳＰシート５２の両方に形成して、複数の冷却経路５８を形成するために溝、スロットなどの位置合わせが必要となるようにしてもよい。また代替として、複数の冷却経路５８を、フライス加工、研削加工、ワイヤ放電加工（ＥＤＭ）、ミリングしたＥＤＭ、プランジＥＤＭ、電気化学的加工（ＥＣＭ）、ウォータージェットトレンチ加工、レーザトレンチ加工、又はこれらの組み合わせを含む、ただしこれに限定されない、任意の好適な材料除去動作によって加工（即ちＰＳＰシートからある材料を除去）してもよい。材料除去工程は、後縁補助構造４６を主要部に結合する前又は結合した後のいずれで行ってもよいものとしている。複数の冷却経路５８を形成する時間に関わらず、複数の冷却経路５８は少なくとも１つの冷却チャネル５６と流体連通する。上記の実施形態を、新規の又は様々なタービンシステムで既存のエアフォイルに組み込むことが可能であるものとしている。
【００２６】
図５の流れ図に示すように、また、図１乃至４を参照すると、エアフォイルの後縁領域を修理する方法１００も提供される。タービンシステム１０及びエアフォイル３６の後縁補助構造４６はすべて、すでに説明しており、具体的な構造上の構成要素について更に詳細に説明する必要はない。エアフォイルの後縁領域を修理する方法１００は、エアフォイルの後縁領域に近接する材料を除去すること１０２を含む。後縁領域の基材を露出させ１０４、少なくとも１つのＰＳＰシートを基材に接合させる１０６。少なくとも１つのＰＳＰシートを基材に接合した後、後縁補助構造を形成する１０８。エアフォイルの後縁領域の修理方法１００はまた、上で詳細に説明した通り、主要部３８の少なくとも１つの冷却チャネル５６と流体連通する少なくとも１つの冷却経路を形成することを含む。
【００２７】
本発明を、わずかに限られた数の実施形態について詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示の実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明を変形して、任意な数の、これまで説明していないが、本発明の精神と範囲にふさわしい変更、調整、置換又は同等の構成を取り込むようにすることも可能である。加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は記載した実施形態のうち幾つかのみを含むようにしてもよいことを理解されたい、従って、本発明は、上記の説明に限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００２８】
１０  タービンシステム
１２  圧縮部
１４  燃焼器アセンブリ
１８  燃焼部
２４  タービン部
２６−２８  複数段
３０  回転子
３２  ノズル
３４  バケット
３６  エアフォイル
３８  主要部
４０  前縁
４２  後縁領域
４４  後縁領域後部幅
４６  後縁補助構造
４８  後縁補助構造後部幅
５０  ＰＳＰシート
５２  第２のＰＳＰシート
５４  冷却配置
５６  冷却チャネル
５８  冷却経路
１００  エアフォイルの後縁領域の修理方法
１０２  エアフォイルの後縁領域に近接する材料を除去
１０４  後縁領域の基材を露出
１０６  少なくとも１つのＰＳＰシートを基材に接合
１０８  少なくとも１つのＰＳＰシートを基材に接合した後、後縁補助構造を形成
【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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