(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却気体が流通する冷却路を内部に有するガスタービン部材に対して、前記冷却気体を該ガスタービン部材の表面に導くための冷却孔をレーザ加工によって形成するガスタービン部材の製造方法において、
前記冷却路内に、レーザ光を吸収可能であるとともに前記冷却路の少なくとも一部を圧縮状態で充填可能な伸縮性構造体を配置した状態で、前記レーザ加工を施すことを特徴とするガスタービン部材の製造方法。
【請求項２】
前記伸縮性構造体を、前記レーザ加工の終了後に前記冷却路から抜き取ることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン部材の製造方法。
【請求項３】
前記レーザ加工の終了時に、前記レーザ光の照射によって前記伸縮性構造体に所定深さの溝が形成されるよう、前記伸縮性構造体の前記冷却路における体積占有率を予め設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスタービン部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンを構成し、内部を流通する冷却気体が冷却孔を介して表面に導かれるガスタービン部材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンを構成するガスタービン部材、例えば静翼や動翼は、ガスタービンの燃焼温度である１０００℃以上の高温に曝される。従って、ガスタービン部材の素材として耐熱性に優れた金属材料が用いるとともに、ガスタービン部材を積極的に冷却する手段が必要となる。このガスタービン部材の冷却手段としては、冷却フィルムと呼ばれる薄い低温気流層をガスタービン部材の表面に形成する方法がある。ここで、この冷却フィルムは、ガスタービン部材の内部に形成された冷却路を流通する冷却気体を、冷却孔を介してガスタービン部材の表面に導くことによって形成される。
【０００３】
ここで、ガスタービン部材を貫通して冷却孔を形成する手段の１つとして、レーザ加工が挙げられる。しかし、レーザ加工を行った場合、ガスタービン部材を貫通したレーザ光によって冷却路の内壁面が損傷すると、ガスタービン部材が所定の強度を下回る、或いは冷却気体の流れに乱れが生じるという問題につながる。
【０００４】
そこで、ガスタービン部材の製造に際しては、図８に示すように、レーザ光Ｌを吸収可能な染料を含んだ樹脂シート７０を冷却路７１の内壁面に沿って予め配置することにより、冷却路７１の内壁面がレーザ光Ｌによって損傷するのを防止する方法が従来用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１６２２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のガスタービン部材の製造方法によれば、図８に示すように、冷却路７１において鋭角な角部７１ａの周辺やリブ７１ｂが設けられた周辺では、冷却路７１の内壁面に樹脂シート７０を完全に密着させることができず、冷却路７１の内壁面と樹脂シート７０との間に隙間７２が生じる場合がある。そうすると、ガスタービン部材を貫通したレーザ光Ｌがこの隙間７２に入射することにより、樹脂シート７０が配置されていない冷却路７１の内壁面が損傷する問題が生じる。
【０００７】
また、樹脂シート７０の形状や冷却路７１への配置の仕方によっては、隣接する樹脂シート７０の間に隙間７２が生じる場合がある。この場合も、前述と同様にこの隙間７２に入射したレーザ光Ｌによって冷却路７１の内壁面が損傷する問題が生じる。
【０００８】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、冷却路に鋭角な角部やリブ等を有するガスタービン部材に対してレーザ加工によって冷却孔を形成する際に、ガスタービン部材を貫通したレーザ光によって冷却路の内壁面が損傷することを防止する手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係るガスタービン部材の製造方法は、冷却気体が流通する冷却路を内部に有するガスタービン部材に対して、前記冷却気体を該ガスタービン部材の表面に導くための冷却孔をレーザ加工によって形成するガスタービン部材の製造方法において、前記冷却路内に、レーザ光を吸収可能であるとともに前記冷却路の少なくとも一部を圧縮状態で充填可能な伸縮性構造体を配置した状態で、前記レーザ加工を施すことを特徴とする。
【００１０】
このような製造方法によれば、ガスタービン部材の内部に形成される冷却路に、例えば鋭角な角部やリブが設けられていることによって狭小な領域が存在しても、冷却路に充填される伸縮性構造体がその領域の形状に応じて変形して冷却路の内壁面に密着することにより、伸縮性構造体と冷却路の内壁面との間に隙間が生じない。これにより、ガスタービン部材を貫通したレーザ光は冷却路の内壁面に照射することなく伸縮性構造体によって確実に吸収されるため、冷却路の内壁面が損傷するのを防止することができる。
さらに、このような製造方法によれば、圧縮状態で充填された伸縮性構造体には元の形状に復元しようとする力があるため、狭小な領域の形状に追従して伸縮性構造体が変形する。これにより、冷却路の内壁面に伸縮性構造体がより確実に密着する。
【００１３】
また、本発明に係るガスタービン部材の製造方法は、前記伸縮性構造体を、前記レーザ加工の終了後に前記冷却路から抜き取ることを特徴とする。
【００１４】
このような製造方法によれば、伸縮性構造体が抜き出されることによって冷却路の内部が空洞状態となるため、冷却路に冷却気体を流通させることができる。
【００１５】
また、本発明に係るガスタービン部材の製造方法は、前記レーザ加工の終了時に、前記レーザ光の照射によって前記伸縮性構造体に所定深さの溝が形成されるよう、前記伸縮性構造体の前記冷却路における体積占有率を予め設定したことを特徴とする。
【００１６】
このような製造方法によれば、伸縮性構造体に溝が形成されることにより、レーザ光および冷却孔の形成に用いるガスを滞留無く通り抜けさせ、また、レーザ光に溶融されたガスタービン部材の破片は、溝に収容される。これにより、冷却孔の形状精度が保たれるとともに、ガスタービン部材の破片が冷却路の内壁面に付着することによって、冷却路を流通する冷却気体の流れに乱れが生じるのを未然に防止することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るガスタービン部材の製造方法によれば、冷却路に鋭角な角部やリブ等を有するガスタービン部材に対してレーザ加工によって冷却孔を形成する場合に、ガスタービン部材を貫通したレーザ光によって冷却路の内壁面が損傷することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係るタービン静翼を備えたガスタービンを示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るタービン静翼を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係るタービン静翼の製造工程のうち、タービン静翼に伸縮性構造体を充填する工程を説明する概略斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係るタービン静翼の製造工程のうち、レーザ加工を行う工程を説明する概略斜視図である。
【図５】本発明の実施形態に係るタービン静翼の製造工程のうち、タービン静翼から伸縮性構造体を抜き取る工程を説明する概略斜視図である。
【図６】翼本体における冷却孔の周辺を示す概略断面図である。
【図７】冷却路における伸縮性構造体の体積占有率と、レーザ光照射時の伸縮性構造体の体積減少率との関係を示すグラフである。
【図８】従来例に係るガスタービン部材の製造方法についての問題点を説明する概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の実施形態に係るガスタービン部材の製造方法によって製造されるガスタービン部材について説明する。本実施形態では、ガスタービン部材の一例として、ガスタービンを構成するタービン静翼について説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係るタービン静翼１０を備えたガスタービン１を示す全体構成図である。ガスタービン１は、流体の流通方向Ｆに沿って最も上流側の位置に設けられて圧縮空気を生成する圧縮機２と、その下流側に設けられて圧縮空気に燃料を噴射して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器３と、更にその下流側に設けられて燃焼ガスにより回転駆動されるタービン４と、を備えるものである。
【００２１】
タービン４は、図１に示すように、ロータ５の外周に設けられて内部に燃焼ガス流路（不図示）が形成されたタービンケーシング４１と、ロータ５の外周面から突出して周方向に所定間隔で設けられた複数のタービン動翼４２と、タービンケーシング４１の内周面から突出して周方向に所定間隔で設けられた複数のタービン静翼１０と、を有している。そして、タービン動翼４２及びタービン静翼１０は、ロータ５の軸線方向に沿って交互に複数段がそれぞれ設けられている。
【００２２】
タービン静翼１０は、燃焼ガスを減速して圧力上昇させる役割を果たすものである。図２は、タービン静翼１０を示す概略斜視図である。尚、図２では説明の便宜上、その一部を破断した状態で示している。タービン静翼１０は、図２及び図３に示すように、断面流線型を有しロータ５の径方向に延びる翼本体１１と、この翼本体１１の長手方向両端部にそれぞれ取り付けられた一対のシュラウド１２Ａ，１２Ｂ（図２では一方の図示を省略）と、を備えるものである。
【００２３】
翼本体１１は、図２に示すように、その内部を貫通して形成された冷却路１３と、その表面に形成された複数の冷却孔１４と、冷却路１３を横切るように形成されて翼本体１１を構造的に補強するリブ１５と、を有している。
【００２４】
冷却路１３は、冷却用の冷却気体（不図示）が流通する流路である。この冷却路１３は、図２に示すように、翼本体１１を長手方向に貫通して形成されて、その長手方向両端部は翼本体１１の両端面にそれぞれ開口している。
【００２５】
冷却孔１４は、冷却路１３を流通する冷却気体を翼本体１１の表面に導くための流路である。この冷却孔１４は、図２に示すように、翼本体１１の厚み方向すなわち長手方向と略直交する方向へ延びるように形成され、その一端が冷却路１３に開口するとともに、その他端が翼本体１１の表面１１ａに開口している。そして、この冷却孔１４は、翼本体１１の長手方向に所定間隔で列設されるとともに、長手方向に略直交する方向に複数列が形成されている。
【００２６】
一対のシュラウド１２Ａ，１２Ｂは、周方向に複数設けられたタービン静翼１０をその基端部及び先端部において周方向に互いに連結するものである。そして、図３に示すように、この一対のシュラウド１２Ａ，１２Ｂを厚み方向に貫通して、翼本体１１の冷却路１３と略等しい断面形状を有する連通穴１６Ａ，１６Ｂがそれぞれ形成されている。これにより、翼本体１１の冷却路１３は、その両端部がシュラウド１２Ａ，１２Ｂの連通穴１６Ａ，１６Ｂを介してそれぞれ外部に連通している。
【００２７】
次に、本発明の実施形態に係るタービン静翼１０の製造方法、及びその作用効果について順を追って説明する。ここで、図３から図５は、タービン静翼１０の製造工程を説明する概略斜視図であって、図３は伸縮性構造体を充填する工程を、図４はレーザ加工工程を、図５は伸縮性構造体を抜き取る工程をそれぞれ示している。
【００２８】
タービン静翼１０を製造する作業者は、まずタービン静翼１０の内部に伸縮性構造体を充填する。すなわち作業者は、図３に示すように、タービン静翼１０を構成する一方のシュラウド１２Ａを治具Ｊに固定した後、他方のシュラウド１２Ｂの連通穴１６Ｂを通して、翼本体１１の冷却路１３に伸縮性構造体１７を充填する。
【００２９】
この伸縮性構造体１７は、有機系光吸収剤を含有する耐熱性樹脂を発泡成形することによって形成された伸縮性を有するスポンジ状の部材である。この伸縮性構造体１７の断面は、図３に示すように、翼本体１１の冷却路１３の断面と比較して、略同形状であって且つ若干大きく形成されている。また、伸縮性構造体１７の長手寸法は、冷却路１３の長手寸法と同程度かそれより長く形成されている。従って、冷却路１３に充填された状態で伸縮性構造体１７は圧縮状態であって、元の形状に復元しようとする力を有している。これにより、冷却路１３の内部に鋭角な角部１８やリブ１５が形成されることによって狭小な領域が存在する場合でも、狭小な領域の形状に追従して伸縮性構造体１７が変形するため、冷却路１３の内壁面１３ａに伸縮性構造体１７が隙間なく密着する。
【００３０】
ここで、伸縮性構造体１７の原料である耐熱性樹脂としては、融点が２００℃以上、好ましくは２５０℃以上の熱可塑性樹脂を用いることが好適である。熱可塑性樹脂の具体例としては、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド６６、ポリアミド４６、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマーなどが挙げられる。
【００３１】
また、耐熱性樹脂が含有する有機系光吸収剤は、特定の波長のレーザ光を吸収する特性を有するものであって、後述のレーザ加工工程で使用されるレーザ光の波長に応じて適宜選択することができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用する場合、有機系光吸収剤としては、波長が１０６４ｎｍ近傍のレーザ光を吸収するものが好ましい。
特に、有機系光吸収剤としては、構成元素に金属を含有しないアジン系染料が好適である。このアジン系染料は、上記の波長領域のレーザ光を吸収するとともに、耐熱性及び耐光性に優れている。アジン系染料の具体例としては、オリエント化学工業社製ＬＴＷ−８１７０Ｃ、ＬＴＷ−８４００Ｃ、ＬＴＷ−８９５０Ｈ、ＬＴＷ−８０００Ｃ、ＬＷＴ−８９０１Ｈ、ＬＡＷ−４８０１などが挙げられる。
【００３２】
尚、伸縮性構造体１７としては、本実施形態のようなスポンジ状の部材の他に、３次元織物や、スチールウール状の部材や、綿状の部材や、ジェル状の部材を袋に詰めたものや、風船状の部材等を用いることができる。
【００３３】
次に作業者は、レーザ加工によって翼本体１１に冷却孔１４を形成する。すなわち作業者は、図４に示すように、レーザ照射装置Ｓの先端ノズルＮから翼本体１１の表面１１ａに対してレーザ光Ｌを照射することにより、冷却路１３まで達する冷却孔１４を形成する。そして作業者は、レーザ照射装置Ｓの加工ヘッドＨを駆動させて先端ノズルＮの位置を鉛直方向及び水平方向に適宜移動させることにより、複数の冷却孔１４を順次形成する。
【００３４】
ここで、図２に示すように、冷却路１３において鋭角な角部１８やリブ１５が形成された狭小な領域でも、伸縮性構造体１７が隙間なく冷却路１３の内壁面１３ａに密着している。従って、レーザ光Ｌが翼本体１１を貫通してこのような狭小な領域に入射しても、このレーザ光Ｌは伸縮性構造体１７によって確実に吸収されるため、冷却路１３の対向する内壁面１３ａには照射しない。これにより、レーザ光Ｌによって冷却路１３の内壁面１３ａが損傷することに起因して翼本体１１が所定の強度を下回る問題や、冷却路１３を流通する冷却気体の流れに乱れが生じる問題を未然に防止することができる。
【００３５】
但し、伸縮性構造体１７が冷却路１３の内壁面１３ａに隙間なく密着している場合、冷却孔１４の形成に用いるガスが内部に滞留するため、冷却孔１４の形状精度が悪化するという問題が生じる。また、レーザ光Ｌが翼本体１１を貫通する際に生じるスパッタやドロス、すなわち溶融した翼本体１１の小さな破片が、伸縮性構造体１７によって跳ね返されることにより、冷却路１３の内壁面１３ａにおける冷却孔１４の開口周辺に付着するという問題が生じる。そこで、この問題の発生を防止するためには、伸縮性構造体１７を冷却路１３に充填する際に、冷却路１３における伸縮性構造体１７の体積占有率を適切に設定することが好適である。
【００３６】
より詳細には、図６に示すように、翼本体１１を貫通したレーザ光Ｌが伸縮性構造体１７に照射すると、伸縮性構造体１７が溶けて気化することにより、当該箇所では冷却路１３の内壁面１３ａと伸縮性構造体１７との間に溝１９が生じる。そうすると、レーザ光Ｌが翼本体１１を貫通する際に、レーザ光Ｌおよび冷却孔１４の形成に用いるガスが滞留無く冷却孔１４を通り抜ける。また、レーザ光Ｌが翼本体１１を貫通する際に生じたスパッタ２０がこの溝１９に溜まるため、冷却路１３の内壁面１３ａにおける冷却孔１４の開口周辺にスパッタ２０が付着することを防止することができる。
【００３７】
ここで、図７は、冷却路１３における伸縮性構造体１７の体積占有率と、レーザ光照射時の伸縮性構造体１７の体積減少率との関係を示すグラフであって、横軸が体積占有率を、縦軸が体積減少率をそれぞれ示している。この図によれば、体積占有率が高いほど、すなわち伸縮性構造体１７がより隙間なく冷却路１３に充填されているほど、体積減少率が大きい、すなわちより多くの伸縮性構造体１７が気化して広い空間が生じる傾向がある。しかし、体積減少率が大きすぎると、レーザ光Ｌが伸縮性構造体１７を貫通することによって冷却路１３の内壁面１３ａを傷付ける問題が生じる。一方、体積占有率が低すぎると、前述のように伸縮性構造体１７と冷却路１３の内壁面１３ａとの間に隙間が生じることにより、当該隙間に入射したレーザ光Ｌが冷却路１３の内壁面１３ａを傷付ける問題が生じる。従って作業者は、このバランスを考慮しながら伸縮性構造体１７の体積占有率を適切に設定することが必要である。
【００３８】
最後に作業者は、タービン静翼１０の内部から伸縮性構造体１７を抜き取る。すなわち作業者は、図５に示すように、翼本体１１の冷却路１３に充填された伸縮性構造体１７を、他方のシュラウド１２Ｂの連通穴１６Ｂを通してタービン静翼１０の外部へ抜き取る。この時、伸縮性構造体１７の溝１９に収容されたスパッタ２０も、タービン静翼１０の外部へ回収される。
【００３９】
尚、本実施形態では伸縮性構造体１７を冷却路１３の全体に充填したが、これに限られず、少なくともレーザ光Ｌを照射する箇所の周辺に伸縮性構造体１７が充填すれば十分である。また、本実施形態では伸縮性構造体１７を圧縮状態で冷却路１３に充填したが、冷却路１３の内壁面１３ａに隙間なく密着した状態であれば、必ずしも圧縮状態である必要はない。
【００４０】
また、本実施形態では本発明に係るガスタービン部材の一例としてタービン静翼１０について説明したが、ガスタービン部材はタービン動翼４２やその他の部材であってもよい。
【００４１】
尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ガスタービン
２  圧縮機
３  燃焼器
４  タービン
５  ロータ
１０  タービン静翼
１１  翼本体
１１ａ  表面（翼本体）
１２Ａ  シュラウド
１２Ｂ  シュラウド
１３  冷却路
１３ａ  内壁面（冷却路）
１４  冷却孔
１５  リブ
１６Ａ  連通穴
１６Ｂ  連通穴
１７  伸縮性構造体
１８  角部
１９  溝
２０  スパッタ
４１  タービンケーシング
４２  タービン動翼
７０  樹脂シート
７１  冷却路
７１ａ  角部
７１ｂ  リブ
７２  隙間
Ｆ  流通方向
Ｈ  加工ヘッド
Ｊ  治具
Ｌ  レーザ光
Ｎ  先端ノズル
Ｓ  レーザ照射装置      
【図１】
0005787555.tif 000002
【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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【図７】
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【図８】
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