(57)【要約】【課題】レーザー又はＥＤＭ工程ではなく機械加工工程を用いて製造されるフィルム冷却孔の技術を開示する。【解決手段】構成部品は、構成部品の中に形成された１組のフィルム冷却孔を備える。フィルム冷却孔の各々は、構成部品の第１の表面と構成部品の第２の表面との間の通路を備える。フィルム冷却孔の各々は、構成部品の第１の表面と通路の表面との間の円滑な移行部及び円滑な移行部と構成部品の第２の表面との間で構成部品の第１の表面に対して徐々に急勾配になる流路とを含む。【選択図】図１
2015127534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１組のフィルム冷却孔が内部に形成された構成部品であって、
前記フィルム冷却孔の各々が、前記構成部品の第１の表面と前記構成部品の第２の表面との間に通路を備え、
前記フィルム冷却孔の各々が、
前記構成部品の前記第１の表面と前記通路の表面との間の、円滑な移行部と、
前記円滑な移行部と前記構成部品の第２の表面との間で、前記構成部品の前記第１の表面に対して徐々に急勾配になる、流路と、
を含む、
構成部品。
【請求項２】
前記フィルム冷却孔の各々が、円滑な移行部及び徐々に急勾配になる流路を与えるコアンダ傾斜を形成する、請求項１に記載の構成部品。
【請求項３】
前記フィルム冷却孔の各々が、更に前記徐々に急勾配になる流路と前記構成部品の第２の表面との間にストレートな部分を含む、請求項１に記載の構成部品。
【請求項４】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記円滑な移行部が第１の円滑な移行部であり、前記フィルム冷却孔の各々が、更に前記徐々に急勾配になる流路と前記ストレートな部分との間に第２の円滑な移行部を含む、請求項３に記載の構成部品。
【請求項５】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記ストレートな部分が、前記構成部品の前記第２の表面に対して７５度未満の角度を成す、請求項３に記載の構成部品。
【請求項６】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品の前記第１の表面と前記通路の表面との間の前記円滑な移行部が、前記通路の最も狭い幅より広く、前記フィルム冷却孔の各々について、前記徐々に急勾配になる流路が、前記円滑な移行部の幅から、前記通路の最も狭い幅まで、徐々に狭くなる、請求項１に記載の構成部品。
【請求項７】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品の第１の表面と前記通路の表面との間の前記円滑な移行部が、前記徐々に急勾配になる流路内部において１つ又はそれ以上の仕切りによって分離された少なくとも２つの別個の流路を形成する、請求項６に記載の構成部品。
【請求項８】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記仕切りが、前記円滑な移行部と前記通路の前記最も狭い幅との間で徐々に小さくなる、請求項７に記載の構成部品。
【請求項９】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記通路が、リップを形成し、前記リップが、前記構成部品の前記第１の表面と前記通路との間の接続部において、前記円滑な移行部とは反対側にある、請求項１に記載の構成部品。
【請求項１０】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品が、前記構成部品の前記第１の表面の前記リップにおいて、前記通路を覆うオーバーハングを形成する、請求項９に記載の構成部品。
【請求項１１】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記通路が、前記構成部品の前記第１の表面の前記リップにおいて、エッジ部面取りを含む、請求項１０に記載の構成部品。
【請求項１２】
１組のフィルム冷却孔が内部に形成された構成部品であって、
前記フィルム冷却孔の各々が、前記構成部品の第１の表面と前記構成部品の第２の表面との間に通路を備え、
前記通路が、前記構成部品の前記第１の表面に非垂直に進入して、前記通路と前記構成部品の前記第１の表面との間の接続部の一方の側に、リップを形成し、
前記通路が、前記構成部品の前記第１の表面のリップにおいて、エッジ部面取りを含む、
構成部品。
【請求項１３】
前記エッジ部面取りが、前記通路と前記構成部品の前記第１の表面との間の移行部の角度を鈍くして、前記リップにおける応力集中を制限する機能を果たす、請求項１２に記載の構成部品。
【請求項１４】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品が、前記構成部品の前記第１の表面の前記リップにおいて、前記通路を覆うオーバーハングを形成する、請求項１２に記載の構成部品。
【請求項１５】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記非垂直の角度が、前記構成部品の前記第１の表面に対して７５度未満である、請求項１２に記載の構成部品。
【請求項１６】
前記フィルム冷却孔の各々が、前記構成部品の前記第１の表面と前記通路の表面との間に円滑な移行部を含み、前記円滑な移行部が、前記構成部品の前記第１の表面と前記通路との間の接続部において、前記リップとは反対側にある、請求項１２に記載の構成部品。
【請求項１７】
前記フィルム冷却孔の各々が、前記円滑な移行部を与えるコアンダ傾斜を形成する、請求項１６に記載の構成部品。
【請求項１８】
前記フィルム冷却孔の各々が、更に前記コアンダ傾斜と前記構成部品の前記第２の表面との間にストレートな部分を含む、請求項１７に記載の構成部品。
【請求項１９】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品の前記第１の表面と前記通路の表面との間の前記円滑な移行部が、１つ又はそれ以上の仕切りによって分離された少なくとも２つの別個の流路を形成する、請求項１６に記載の構成部品。
【請求項２０】
構成部品においてフィルム冷却孔の配列を製造する方法であって、前記方法が、
前記構成部品を検査して、構成部品の表面データセットを取得するステップと、
前記構成部品の表面データセットに基づいて、前記フィルム冷却孔の配列における前記フィルム冷却孔の各々について、機械加工経路を決定するステップと、
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品の第１の表面と前記構成部品の第２の表面との間に通路を機械加工するステップと、
を含み、
前記通路を機械加工するステップが、
前記構成部品の前記第１の表面と前記通路の表面との間に円滑な移行部を機械加工するステップと、
前記円滑な移行部と前記構成部品の前記第２の表面との間に前記構成部品の前記第１の表面に対して徐々に急勾配になる流路を機械加工するステップと、
を含む、
方法。
【請求項２１】
前記構成部品の表面データセットに基づいて前記フィルム冷却孔の配列における前記フィルム冷却孔の各々について機械加工経路を決定するステップが、
設計表面データセットにアクセスするステップと、
前記設計表面データセット及び前記構成部品の表面データセットに基づいて新しい表面データセットを生成するステップであって、前記新しい表面データセットが、前記設計表面データセットの近似であり、前記設計表面データセットによって記述された構成部品と、前記構成部品の表面データセットと、の間の違いを考慮したものである、ステップと、
前記新しい表面データセットに基づいて前記フィルム冷却孔の各々について機械加工経路を生成するステップと、
を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
更に、前記新しい表面データセット及び前記設計表面データセットに応じて変化の度合いを決定し、前記変化の度合いに応じて、得られる品質を予測するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
更に、前記構成部品を固定具に固定し、前記固定具に関する前記構成部品の表面データセットを取得するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
更に、前記固定具に関する前記構成部品の表面データセットに応じて、冷却孔の位置を決定するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記通路を機械加工するステップが、更に、前記機械加工経路及び前記冷却孔の位置に応じて前記構成部品を機械加工するステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記フィルム冷却孔の各々について前記通路を機械加工した後、前記構成部品が、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の構成部品となる、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄いフィルム冷却用のフィルム冷却孔、特に限定的でなく機械加工されたフィルム冷却孔に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの構成部品は、高熱に耐え抜くために頻繁に冷却される。使用される１つの方法は、冷却流体として使用される空気を供給することによるフィルム冷却である。空気は、構成部品内の通路へ供給され、冷却孔を介して通路から出て、構成部品の外表面を被う薄いフィルムを形成する。伝熱により構成部品から熱を取り除くことに加えて、冷却空気の薄いフィルムは、ガスタービンエンジン内の高温ガスが構成部品に衝突するのを防止するのに役立つ。
【０００３】
フィルム冷却のために使用される冷却空気は、構成部品が作動しているガス通路圧力よりも大きい圧力で、供給されなければならない。このため、冷却空気に対して仕事を行なう必要があり、この仕事は、エンジンからの有用な動力の損失の、代表である。いくつかの実施例において、機械加工又はレーザー穿孔を使用して、フィルム冷却のための一定の直径を有するフィルム冷却孔を形成できる。
【０００４】
いくつかの実施例において、フィルム冷却孔は、冷却空気の使用を減少させるように形成されている。１つの実施例において、成形された冷却孔は、冷却対象の構成部品の外表面に低い入射角で出る２次元発散孔とすることができる。この「ファン」形状の孔は、従来の一定の口径の孔より容易に冷却フィルムを形成できるようにする。このような「ファン」形状の冷却孔は、ＥＤＭ（放電加工）スパーク侵食又は最近ではレーザー穿孔を用いて製造できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、レーザー又はＥＤＭ工程ではなく機械加工工程を用いて製造されるフィルム冷却孔の技術に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの特定の実施例において、開示される技法は、コアンダ傾斜特性を備える、機械加工されたフィルム冷却孔の製造を容易にする。レーザー又はＥＤＭ工程によって形成された冷却孔と比べて、機械加工された冷却孔は、より精巧な特徴を持つことができ、それによって、フィルム冷却空気流をより正確に制御できるようにし、適切なフィルム冷却のために必要とされる冷却空気の量を減少する。このようにして、開示される技術は、先行技術より効率を向上できる。
【０００７】
１つの実施例において、本開示は、その中に形成された１組のフィルム冷却孔を備える構成部品に関する。フィルム冷却孔の各々は、構成部品の第１の表面と構成部品の第２の表面との間に通路を備える。フィルム冷却孔の各々は、構成部品の第１の表面と通路の表面との間の円滑な移行部と、円滑な移行部と構成部品の第２の表面との間に構成部品の第１の表面に対して徐々に急勾配になる流路とを含む。
【０００８】
別の実施形態において、本開示は、その中に形成された１組のフィルム冷却孔を備える構成部品に関する。フィルム冷却孔の各々は、構成部品の第１の表面と構成部品の第２の表面との間に通路を備える。通路は、非垂直の角度で構成部品の第１の表面に進入して、通路と構成部品の第１の表面との間の接続部の一方の側に、リップを形成する。通路は、構成部品の第１の表面のリップに、エッジ部面取りを含む。
【０００９】
更に別の実施例において、本開示は、構成部品においてフィルム冷却孔の配列を製造する方法に関する。方法は、構成部品を検査して構成部品の表面データセットを取得するステップと、構成部品の表面データセットに基づきフィルム冷却孔の配列におけるフィルム冷却孔の各々について機械加工経路を決定するステップと、フィルム冷却孔の各々について構成部品の第１の表面と構成部品の第２の表面との間に通路を機械加工するステップとを含む。通路を機械加工するステップは、構成部品の第１の表面と通路の表面との間に円滑な移行部を機械加工するステップと、円滑な移行部と構成部品の第２の表面との間に構成部品の第１の表面に対して徐々に急勾配になる流路を機械加工するステップとを含む。
【００１０】
本開示の１つ又はそれ以上の実施例の詳細を、添付図面及び以下の説明に示す。本開示の、他の特徴、目的、及び利点は、明細書、図面、特許請求の範囲から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】コアンダ傾斜及びエッジ部面取り（適応する機械加工工程（adaptive machining process）を使用して実施することができる特徴）を有するフィルム冷却孔を含む構成部品の概念図である。
【図２】典型的な円筒形冷却孔、コアンダ傾斜を備える冷却孔及びファン形コアンダ傾斜を備える冷却孔を含む３つの異なるフィルム冷却孔の設計についての機械加工経路の概念図である。
【図３】各々非ファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔の配列を含む構成部品の画像である。
【図４】各々ファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔の配列を含む構成部品の画像である。
【図５Ａ】３つの流路を有するファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔の概念図である。
【図５Ｂ】３つの流路を有するファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔の概念図である。
【図５Ｃ】３つの流路を有するファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔の概念図である。
【図６】３つの流路を有するファン形コアンダ傾斜を備える１つのフィルム冷却孔を含む構成部品の画像である。
【図７】８つの流路を有するファン形コアンダ傾斜を備える１つのフィルム冷却孔を含む構成部品の画像である。
【図８】各々が３つの流路を含む流路の３つのグループ（合計、９つの流路）を有するファン形コアンダ傾斜を備える１つのフィルム冷却孔を含む構成部品の画像である。
【図９】円筒形フィルム冷却孔及びファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔を通過する空気流を示す。
【図１０Ａ】ガスタービンエンジンに使用するために構成された翼形部（翼形部は本開示のフィルム冷却孔を含む）の例の概念図である。
【図１０Ｂ】ガスタービンエンジンに使用するために構成された翼形部（翼形部は本開示のフィルム冷却孔を含む）の例の概念図である。
【図１０Ｃ】ガスタービンエンジンに使用するために構成された翼形部（翼形部は本開示のフィルム冷却孔を含む）の例の概念図である。
【図１１】構成部品においてフィルム冷却孔を機械加工するための技法の例を示すフローチャートである。
【図１２Ａ】ピコセカンドレーザー工程を用いてフィルム冷却用ストレート孔などの孔を形成した後の構成部品を示す拡大画像である。
【図１２Ｂ】ピコセカンドレーザー工程を用いてフィルム冷却用ストレート孔などの孔を形成した後の構成部品を示す拡大画像である。
【図１３Ａ】ロングパルスレーザー工程を用いてフィルム冷却用ストレート孔などの孔を形成した後の構成部品を示す拡大画像である。
【図１３Ｂ】ロングパルスレーザー工程を用いてフィルム冷却用ストレート孔などの孔を形成した後の構成部品を示す拡大画像である。
【図１４Ａ】ＥＤＭ（ボンド被覆）工程を用いてフィルム冷却用ストレート孔などの孔を形成した後の構成部品を示す拡大画像である。
【図１４Ｂ】ＥＤＭ（ボンド被覆）工程を用いてフィルム冷却用ストレート孔などの孔を形成した後の構成部品を示す拡大画像である。
【図１５Ａ】機械加工工程を用いてフィルム冷却用ストレート孔などの孔を形成した後の構成部品を示す拡大画像である。
【図１５Ｂ】機械加工工程を用いてフィルム冷却用ストレート孔などの孔を形成した後の構成部品を示す拡大画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂ及びフィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂを含む構成部品２の概念図である。フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂは、フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂより精巧な特徴を含む。特に、フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂは、コアンダ傾斜１２及びエッジ部面取り１５を含む。これらの複雑な特徴は、フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂと比べてフィルム冷却空気をより正確に制御できるようにし、また、適切なフィルム冷却を与えるために必要とされる冷却空気の量を減少する。いくつかの特定の実施例において、構成部品２は、ガスタービンエンジンに使用するように構成された翼形部であるか、又は薄いフィルム冷却が望ましい他の構成部品である。
【００１３】
フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂは、構成部品の第１の表面３と構成部品２の第２の表面４との間に通路を形成する。フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂは、実質的に相互に同様のものであるが、フィルム冷却孔２０Ａは切取図で示される。フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂは、ストレートな部分２４と傾斜部分２２とを有するファン形冷却孔である。ストレートな部分２４は、穿孔作業によって又は一定角度の螺旋切削運動を用いて形成でき、傾斜部分は、例えば回転カッターを用いて、横方向の前進後退運動によって、一定角度で表面３に機械加工することによって形成できる。
【００１４】
フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂを形成するために使用される切削運動は、フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂ内部のリッジ２６及び傾斜２２と構成部品２の表面３との間の角度を成す移行部２３を生じる。リッジ２６及び角度を成す移行部２３の両方は、フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂ内部の層流を妨害する可能性がある。フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂを形成するために使用される切削運動は、また、フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂと表面３との接続部において、傾斜２２とは反対側に、シャープエッジ２５を生じる。構成部品２は、シャープエッジ２５において大きい応力集中を受ける可能性があり、これは、構成部品２の強度、信頼性、及び／又は運転寿命、を減少する可能性がある。
【００１５】
フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂは、構成部品２の第１の表面３と構成部品２の第２の表面４との間に通路を形成する。フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂは、実質的に相互に同様のものであるが、フィルム冷却孔１０Ａは切取図で示される。フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂは、ストレートな部分１４とコアンダ傾斜部分１２とを有するファン形冷却孔である。ストレートな部分１４は、穿孔作業によって又は一定角度の螺旋切削運動を用いて形成でき、傾斜部分は、例えば回転カッターを用いて螺旋切削経路を用いて可変角度で表面３に機械加工することによって形成できる。特に、コアンダ傾斜部分１２を形成するために使用される切削角度は、表面３と基本的に同平面のほぼゼロ角度から徐々にストレートな部分１４の角度に適合する急勾配の角度へ変化する。いくつかの実施例において、ストレートな部分１４の角度は、構成部品２の表面３及び／又は表面４に対して７５度未満である。別の実施例において、ストレートな部分１４の角度は、構成部品２の表面３及び／又は表面４に対して約８０度〜約６０度である。
【００１６】
フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂを形成するために使用される切削運動は、フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂ内においてストレートな部分１４とコアンダ傾斜部分１２との間に円滑な移行部１６を生じる。フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂを形成するために使用される切削運動は、コアンダ傾斜部分１２と構成部品２の表面３との間にも円滑な移行部１３を生じる。円滑な移行部１３は、フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂがファン形形態を備えるように、ストレートな部分１４より広くできる。従って、コアンダ傾斜部分１２を、円滑な移行部１３とストレートな部分１４との間で徐々に狭くできる。フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂのリッジ２６及び角度を成す移行部２３と比較して、円滑な移行部１６及び円滑な移行部１３は、フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂからの層流を容易にし、このことは構成部品２の薄いフィルム冷却を行うために必要とされる流量を減少できる。
【００１７】
更に、フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂは、フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂと表面３との接続部において、コアンダ傾斜１２とは反対側に形成された、リップにおいて、エッジ部面取り１５を含む。フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂと表面３との接続部においてコアンダ傾斜１２とは反対側に形成されたエッジ部面取り１５及びリップは、ストレートな部分１４に及ぶことができる。フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂのリップ２５と比べて、エッジ部面取り１５は、フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂと表面３との間の接続部における構成部品２の応力集中を軽減することによって、構成部品２の強度、信頼性、及び運転寿命、を増大できる。
【００１８】
いくつかの実施例において、構成部品２は、ニッケル超合金で作ることができる。例えば、上述したように、構成部品２は、ガスタービンエンジンに使用するように構成された翼形部を代表しており、又は薄いフィルム冷却が望ましいその他の構成部品を代表している。フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂ、２０Ａ、２０Ｂは、被覆超硬カッターによる高速５軸機械加工（high speed 5-axis machining）を用いて、構成部品２から加工される。いくつかの実施例において、この種のカッターは、約０.４ミリメートル（ｍｍ）〜約１.０ｍｍの直径を有する。
【００１９】
フィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂの機械加工には、フィルム冷却孔２０Ａ、２０Ｂの機械加工よりかなり高い精度を必要とする。１例として、円滑な移行部１３を与えるためには、コアンダ傾斜１２と構成部品２の表面３との間に際立つエッジを生成しないように、機械加工用カッターに対する表面３の位置を正確に理解する必要がある。同様に、エッジ部面取り１５を機械加工するためには、機械加工用カッターがフィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂの下側の表面に接触しないように、機械加工用カッターに対する表面３の位置を正確に理解する必要がある。
【００２０】
フィルム冷却孔１０Ａ及び１０Ｂは、直径約０.３０ｍｍ（０.０１２インチ）〜約１．５２ｍｍ（０.０６０インチ）の範囲であり、約０.０３ｍｍ（０.００１インチ）の公差内で表面３に接して出口となる。構成部品２は、約０.３６ｍｍ（０．０１４インチ）〜約７．６２ｍｍ（０.３００インチ）の厚みの範囲とすることができる。非適応性機械加工技法は、構成部品２内部でフィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂを機械加工するために必要とされる精度を与えることができない可能性がある。例えば、構成部品２が同じ設計及び仕様を用いて製造された複数の構成部品の１つであるとしても、同じ設計及び仕様を用いて製造された複数の構成部品の各々は、元来の設計及び仕様からある程度変化する。構成部品２内部にフィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂを機械加工するためには、機械加工設備が作動する既知の座標系に関して、構成部品２の表面３をマッピングする必要がある可能性がある。構成部品２内部にフィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂを機械加工するために適する構成部品の表面の適応性機械加工のための技法の例は、２０１３年３月５日出願のＪｅｆｆｒｅｙ  Ｆ．Ｒｈｏｄｅｓ他による米国特許仮出願第６１／７７２８４８号「構成部品の表面の適応性機械加工及び穿孔」（その内容全体が参照により本出願に組み込まれる）において開示される。
【００２１】
図２は、３つの異なるフィルム冷却孔設計の、機械加工経路を示しており、標準的な円筒形冷却孔経路３２と、コアンダ傾斜の経路３４を有する冷却孔と、ファン形コアンダ傾斜の経路３６を有する冷却孔と、を含んでいる。円筒形冷却孔経路３２は、構成部品全体を通して一定の角度の螺旋切削経路を示す。構成部品を単純に穿孔することによってストレートなフィルム冷却孔を生成することも可能である。これに対して、コアンダ傾斜経路３４を有する冷却孔は、構成部品の表面３と基本的に同平面のほぼゼロ角度から該当のフィルム冷却孔のストレートな部分の角度に適合するより急勾配の角度へ変化する螺旋切削経路である。ファン形コアンダ傾斜経路３６を有する冷却孔は、ファン形コアンダ経路３６を有する冷却孔が、経路が該当のフィルム冷却孔のストレートな部分に到達するまで徐々に狭くなる螺旋運動を含むことを除いて、コアンダ傾斜経路３４を有する冷却孔と同様である。
図３〜図８に示すフィルム冷却孔は、高速５軸カッターによる構成部品の表面の適応性機械加工を用いて可能なフィルム冷却孔の形態の例を表す。特に、図３は、各々非ファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔の配列を含む構成部品の画像である。図３のフィルム冷却孔は、切削経路３４（図２）を用いて機械加工できる。図４は、各々ファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔の配列を含む構成部品の画像である。図４のフィルム冷却孔は、切削経路３６（図２）を用いて機械加工できる。図５Ａ〜５Ｃは、３つの流路を有するファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔の概念図である。図６は、３つの流路を有するファン形コアンダ傾斜を備える１つのフィルム冷却孔を含む構成部品の画像である。図７は、８つの流路を有するファン形コアンダ傾斜を備える１つのフィルム冷却孔を含む構成部品の画像である。図８は、各々３つの流路を含む流路の３つのグループ（合計９つの流路）を有するファン形コアンダ傾斜を備える１つのフィルム冷却孔を含む構成部品の画像である。流路は、仕切りによって分離され、構成部品の薄いフィルム冷却のために必要とされる流量を更に制限するために、流れのファン形化を促進するように配列できる。例えば、仕切りは、フィルム冷却孔の円滑な移行部とフィルム冷却孔の通路のより狭い幅との間で徐々に小さくすることができる。
【００２２】
図９は、円筒形フィルム冷却孔及びファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔を通過する空気流を示す。図９に示すように、円筒形フィルム冷却孔は、比較的集中した空気流経路を作る。それに対して、ファン形コアンダ傾斜を備えるフィルム冷却孔はずっと広い空気流経路を作る。
【００２３】
図１０Ａ〜Ｃは、開示される実施例に従って、フィルム冷却孔などの特徴及び特徴の配列を含む翼２００の例の様々な図である。翼２００は、概略的には、柄部（stalk）２０４に取り付けられた翼形部２０２を含む。翼形部２０２は、前縁２０６と、後縁２０８と、正圧側壁２１０と、負圧側壁２１２とを含む。正圧側壁２１０は、前縁２０６及び後縁２０８において負圧側壁２１２に接続される。更に、翼２００は、翼先端２１４を形成する。翼先端は、実質的に前縁２０６に直交する表面である。翼先端２１４は、翼先端２１４の表面の周囲の周りに延びて翼先端２１４の表面を翼形部２０２の隣接する表面から分離するエッジ２１６、によって画定される。前縁２０６、後縁２０８、正圧側壁２１０及び負圧側壁２１２は、概ね、柄部２０４からエッジ２１６まで延びる。
【００２４】
概略的には、翼２００は、例えばガスタービンエンジンを含む機械システムの、構成部品である。様々な実施例において、翼２００は、運動エネルギーを流体に与えるコンプレッサブレード又は移動する流体から運動エネルギーを抽出するタービン翼である。図１０Ｃは、翼２００を備えるガスタービンエンジン２２０の例の概念図である。ガスタービンエンジン２２０は、翼トラック又は翼シュラウド２２２を含み、翼トラック又は翼シュラウド２２２は、タービン基材２２６の表面２２４の中に形成される。翼２００は、翼先端２１４に肉盛りされた先端コーティング２２８とともに図示されており、翼２００については、以下で更に詳細に説明する。図において説明を簡単にするためにガスタービンエンジンには単一の翼２００しかないが、実際の作動において、ガスタービンエンジン２２０は複数の翼を含むことができる。
【００２５】
ガスタービンエンジン２２０の作動時に、翼２００は、翼トラック２２２に対して矢印２３０によって示される方向へ回転する。概略的には、ガスタービンエンジン２２０のパワー及び効率は、例えば翼２００の周りでのガス漏出を減少又は排除するために翼トラック２２２と翼２００との間のギャップを減少することによって、増大できる。従って、ガスタービンエンジン２２０は、様々の実施例において、翼がタービン基材２２６の表面２２４の中まで摩擦侵入して、それによって翼トラック２２２を形成できるように構成される。これによって、翼トラック２２２と翼２００との間にシールが生成される。摩擦侵入動作は、翼先端２１４において高温及びせん断応力を生じる可能性がある。更に、ガスタービンエンジン２２０の作動時のタービン基材２２６に対する翼先端２１４の一時的移動は、翼先端２１４をタービン基材２２６に衝突させて、翼先端２１４における大きいせん断力を生成する可能性がある。
【００２６】
翼２００と、特に翼先端２１４と、に対して作用する様々な力から保護するために、翼２００及び／又は翼先端２１４に１つ又はそれ以上の保護層を設けることができる。例えば、先端コーティング２２８を翼先端２１４に与えて、例えば先端から下に延びる翼表面の摩耗、腐食、硬度及び／又は耐熱特性を含めて、先端から下に延びる翼表面の、様々な特性を改良できる。これに加えて又はその代わりに、翼先端２１４を含めて翼形部２０２全体に保護コーティングを施して、先端から下に延びる翼表面の、様々な特性を改良できる。いくつかの実施例において、翼形部２０２は、翼形部２０２における酸化又は腐食を減少又は実質的に排除するコーティングを受けることができる。翼２００に与えられるコーティングの具体的な層の数又は具体的なタイプに関係なく、いくつかの例において、翼２００は、本開示において説明される特徴及び特徴の配列、例えばフィルム冷却孔など、から利益を受けることができる。
【００２７】
翼２００などの翼形部のためにＥＤＭ工程を用いてフィルム冷却孔を製造する場合に比較してフィルム冷却孔を機械加工する場合のサイクル時間の改良を実証するためのテストを実施した。この実証において、生産サンプルの翼形部に、直径約０.５ｍｍの５５個のフィルム冷却孔を、構成部品の表面に垂直な方向に対して約１０度〜約３０度の角度で機械加工した。実証の結果、ＥＤＭ工程を用いてサンプル生産翼形部にフィルム冷却孔を製造する場合に比べて、６６％を超えるサイクル時間減少が得られた。
【００２８】
翼２００などの翼形部は、フィルム冷却孔の機械加工と一緒に機械加工できる機械加工された付加的特徴を含むことができ、更に翼形部に必要とされるサイクル時間を減少できる。例えば、翼２００などの翼形部を製造するための機械加工には、翼形部の前縁におけるゲーティング除去（gating removal）及び／又はスロート機械加工（throat machining）を含むことができる。別の実施例として、翼形部を製造するための機械加工は、翼形部の後縁に沿った穿孔を含むことができる。更に別の実施例として、翼形部を製造するための機械加工は、前後面に沿ったスラッシュ面及び／又は先端キャップ仕上げを含むこともできる。これらの機械加工工程の各々は、フィルム冷却孔の機械加工と組み合わせて実施して、例えば翼形部の位置を１回決定するだけで、翼形部を同じ位置に保持したまま上記の特徴の各々を機械加工することによって、翼形部を機械加工するために必要とされるサイクル時間を更に減少することができる。更に、翼形部に同時に複数の特徴を機械加工して、更にサイクル時間を減少することも可能であろう。
【００２９】
図１１は、構成部品２（図１）内のフィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂなど、構成部品においてフィルム冷却孔を機械加工するための技法の例を示すフローチャートである。明確にするために、図１１に示す技法については、図１の構成部品２及びフィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂに関連して説明する。まず、機械加工制御システム（図示せず）は、設計表面データセット（２７２）にアクセスする。次に、機械加工制御システムは、構成部品２を検査して、構成部品の表面３について表面データを含む構成部品の表面データセットを取得する（２７４）。機械加工制御システムは、設計表面データセット及び構成部品の表面データセットに基づいて新しい表面データセットを生成し、新しい表面データセットは、設計表面データセットに近似しているが、設計表面データセットによって記述された構成部品と、構成部品の表面データセットと、の間の違いを考慮している（２７６）。
【００３０】
次に、機械加工制御システムは、新しい構成部品の表面データセットに基づいて、従って設計表面データセットと構成部品の表面データセットとに基づいて、機械加工経路を決定する（２７８）。フィルム冷却孔の各々について、機械加工制御システムは、構成部品２の表面３と構成部品２の表面４との間に通路を機械加工するための命令を発する（２８０）。各通路を機械加工するステップは、例えばコアンダ傾斜１２、ストレートな部分１４及びエッジ部面取り１５を製作するために切削工具を複数回通過させるステップを含むことができる。
【００３１】
図１１の構成部品の表面を適応性機械加工する技法については、２０１３年３月５日出願のＪｅｆｆｒｅｙ  Ｆ．Ｒｈｏｄｅｓ他による米国特許仮出願第６１／７７２８４８号「構成部品の表面の適応性機械加工及び穿孔」（その内容全体が、参照により本出願に組み込まれる）において、更に詳細に説明される。
【００３２】
図１２Ａ〜１５Ｂは、フィルム冷却用ストレート孔などの孔をピコセカンドレーザー、ロングパルスレーザー、ＥＤＭ（ボンド被覆）及び機械加工工程を含めた様々な製造工程を用いて形成した後の構成部品を示す拡大画像である。
【００３３】
図１２Ａ及び１２Ｂに示すように、ピコセカンドレーザーは、概ね、構成部品内に比較的きれいでストレートなカットを製作する。しかし、少なくともピコセカンドレーザーのカットの深さを制御するためには構成部品内においてカットの所望の深さにレーザーを吸収又は反射するためのものを配置する必要があるので、ピコセカンドレーザーを用いてフィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂ（図１）の複雑な特徴を製作するのは困難であるかあるいは不可能でさえある。
【００３４】
図１３Ａ及び１３Ｂが示すように、ロングパルスレーザーが構成部品内に製作するカットは、ピコセカンドレーザーに比べて概ね精度が低い。この理由だけでも、ロングパルスレーザーを用いてフィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂ（図１）の複雑な特徴を製作するのは困難であるかあるいは不可能でさえある。これに加えて、ピコセカンドレーザーと同様、カットの深さを制御するためには、構成部品内においてカットの所望の深さにレーザーを吸収又は反射するものを配置する必要がある。
【００３５】
図１４Ａ及び１４Ｂに示すように、ＥＤＭ製造法が構成部品内に製作するカットは、ピコセカンドレーザーに比べて概ね精度が低いが、ロングパルスレーザーに比べて概ね精度が高い。ＥＤＭ製造法を用いてフィルム冷却孔１０Ａ、１０Ｂ（図１）の複雑な特徴を製作するのは困難である可能性がある。更に、図１０の説明後に論じたように、ＥＤＭ製造法は、フィルム冷却孔を作るための同等の機械加工法より時間が掛かる可能性がある。
【００３６】
これに対して、図１５Ａ及び１５Ｂに示すように、機械加工は、図１２Ａ〜１５Ａに示される製造工程の中で、交差が最も小さい。本出願において開示するように、機械加工技術は、フィルム冷却孔の傾斜、コアンダ傾斜、又はその他の湾曲した傾斜と、エッジ部面取りと、の間の円滑な移行部のような、複雑な特徴を有するフィルム冷却孔を生成するために使用でき、フィルム冷却孔を含めた構成部品の内部の、応力集中を減少させる。
【００３７】
本開示の様々な実施例について説明した。これらの及びその他の実施例は、特許請求の範囲の範囲内に在る。
【図１】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年2月20日(2015.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１組のフィルム冷却孔が内部に形成された構成部品であって、
前記フィルム冷却孔の各々が、前記構成部品の第１の表面と前記構成部品の第２の表面との間に通路を与え、
前記フィルム冷却孔の各々が、
前記構成部品の前記第１の表面と前記通路の表面との間の、円滑な移行部と、
前記円滑な移行部と前記構成部品の第２の表面との間で、前記構成部品の前記第１の表面に対して徐々に急勾配になる、流路と、
を含む、
構成部品。
【請求項２】
前記フィルム冷却孔の各々が、円滑な移行部及び徐々に急勾配になる流路を与えるコアンダ傾斜を形成する、請求項１に記載の構成部品。
【請求項３】
前記フィルム冷却孔の各々が、更に前記徐々に急勾配になる流路と前記構成部品の第２の表面との間にストレートな部分を含み、
前記フィルム冷却孔の各々について、前記円滑な移行部が第１の円滑な移行部であり、前記フィルム冷却孔の各々が、更に前記徐々に急勾配になる流路と前記ストレートな部分との間に第２の円滑な移行部を含む、
請求項１又は２に記載の構成部品。
【請求項４】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品の前記第１の表面と前記通路の表面との間の前記円滑な移行部が、前記通路の最も狭い幅より広く、前記フィルム冷却孔の各々について、前記徐々に急勾配になる流路が、前記円滑な移行部の幅から、前記通路の最も狭い幅まで、徐々に狭くなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の構成部品。
【請求項５】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品の第１の表面と前記通路の表面との間の前記円滑な移行部が、前記徐々に急勾配になる流路内部において１つ又はそれ以上の仕切りによって分離された少なくとも２つの別個の流路を形成する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構成部品。
【請求項６】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記仕切りが、前記円滑な移行部と前記通路の前記最も狭い幅との間で徐々に小さくなる、請求項５に記載の構成部品。
【請求項７】
前記フィルム冷却孔の各々について、前記通路が、リップを形成し、前記リップが、前記構成部品の前記第１の表面と前記通路との間の接続部において、前記円滑な移行部とは反対側にあり、
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品が、前記構成部品の前記第１の表面の前記リップにおいて、前記通路を覆うオーバーハングを形成し、
前記フィルム冷却孔の各々について、前記通路が、前記構成部品の前記第１の表面の前記リップにおいて、エッジ部面取りを含む、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の構成部品。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の構成部品を製造する方法であって、前記方法が、
前記構成部品を検査して、構成部品の表面データセットを取得するステップと、
前記構成部品の表面データセットに基づいて、前記構成部品のフィルム冷却孔の配列における各フィルム冷却孔について、機械加工経路を決定するステップと、
前記フィルム冷却孔の各々について、前記構成部品の第１の表面と前記構成部品の第２の表面との間に通路を機械加工するステップと、
を含み、
前記通路を機械加工するステップが、
前記構成部品の前記第１の表面と前記通路の表面との間に円滑な移行部を機械加工するステップと、
前記円滑な移行部と前記構成部品の前記第２の表面との間に前記構成部品の前記第１の表面に対して徐々に急勾配になる流路を機械加工するステップと、
を含む、
方法。
【請求項９】
前記構成部品の表面データセットに基づいて前記フィルム冷却孔の配列における前記フィルム冷却孔の各々について機械加工経路を決定するステップが、
設計表面データセットにアクセスするステップと、
前記設計表面データセット及び前記構成部品の表面データセットに基づいて新しい表面データセットを生成するステップであって、前記新しい表面データセットが、前記設計表面データセットの近似であり、前記設計表面データセットによって記述された構成部品と、前記構成部品の表面データセットと、の間の違いを考慮したものである、ステップと、
前記新しい表面データセットに基づいて前記フィルム冷却孔の各々について機械加工経路を生成するステップと、
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
更に、前記新しい表面データセット及び前記設計表面データセットに応じて変化の度合いを決定し、前記変化の度合いに応じて、得られる品質を予測するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【外国語明細書】
2015127534000001.pdf