(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成部品（１０）に冷却孔（２０）を形成する方法であって、
前記部品（１０）の第１の面（２２）と前記第１の面（２２）と対向する前記部品（１０）の第２の面（２４）との間に延びる孔（２０）を前記部品（１０）に形成する段階と、
前記部品（１０）の前記第２の面（２４）から前記孔（２０）に加圧空気を供給する段階と、
前記孔（２０）を通る空気流量を表すパラメータを検知する段階と、
前記検知されたパラメータが前記孔（２０）を通る予め選択された空気流量を示すまで、前記孔（２０）を拡大する段階と、
を含み、
前記パラメータを検知する前記段階が、前記部品の前記第２の面（２４）における圧力を検知する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記孔（２０）を形成する前記段階と前記孔（２０）を拡大する前記段階とが、レーザ（３０）を使用して行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ガスタービンエンジン部品（１０）に冷却孔（２０）を形成する方法であって、
前記部品（１０）の第１の面（２２）に向けてレーザ（３０）からのレーザビーム（４０）を照射して、前記部品（１０）の前記第１の面（２２）と前記第１の面（２２）と対向する第２の面（２４）との間に延びる孔（２０）を前記部品（１０）に形成する段階と、
前記部品（１０）の前記第２の面（２４）から前記孔（２０）に加圧空気を供給する段階と、
前記孔（２０）に流入する空気圧を検知する段階と、
前記検知された圧力が前記孔（２０）を通る予め選択された空気流量を表す予め定められた値になった後は、前記レーザビーム（４０）を停止する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
前記孔（２０）が、第１の孔（２０）であって、前記方法が、
前記部品（１０）の前記第１の面（２２）に向けて前記レーザビーム（４０）を照射して、前記部品（１０）の前記第１の面（２２）と前記第２の面（２４）との間に延びる第２の孔（２０）を前記部品（１０）に形成する段階と、
前記レーザビーム（４０）が前記第１の孔（２０）を形成するために前記部品（１０）の前記第１の面（２２）に向けて照射された時間量に関連する時間が経過した後、前記レーザビーム（４０）を停止する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザビーム（４０）が停止される前にかかった前記時間が、前記第１の孔（２０）を形成するために前記レーザビーム（４０）が前記部品（１０）の前記第１の面（２２）に向けて照射された時間量と等しいことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザ（３０）が、１００ヘルツから１００メガヘルツまでの間のパルス周波数と、０．００１ジュールから５ジュールまでの間のパルスエネルギーと、１０ピコセカンドから１００マイクロセカンドまでの間のパルス持続時間とを持つように調整されたパルスレーザ（３０）であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、ガスタービンエンジン部品の冷却孔に関し、より具体的には、このような孔を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
冷却孔は、羽根、ブレードあるいはシュラウドなどのガスタービン部品に形成され、部品を通してフィルム冷却空気を運び、部品を冷却し、部品とエンジンの主流路を通って移動する高温ガスとの間に、流体の障壁を形成する。多くの場合、これらの冷却孔は、部品の選択された箇所に向けて予め定められた時間レーザを照射し、部品に孔を焼き抜いて形成される。次いで、レーザは、部品の別の選択された箇所に向けて予め定められた時間照射され、部品に別の孔を焼き抜く。このプロセスは、部品に全ての冷却孔が形成されるまで、繰り返し行われる。特定箇所でのレーザの照射時間は、他の部品に先に焼き抜かれた孔から算出して、設定される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術のレーザは、流量が大きくばらつく孔を形成する。従って、履歴データに基づいて各孔を焼き抜く時間を設定すると、冷却流量に大きなばらつきが生じ、最終的には冷却効率を低下させる。このため、冷却流量が最悪になる場合に備えて、さらに多量の空気を冷却孔に流す必要が生じる。多量の冷却空気を孔に流すことは、全体的ななエンジン効率を低下させる。つまり、冷却孔の流量にばらつきがあると、全体的なエンジン性能に悪影響を及ぼす。
【０００４】
さらに、従来技術のレーザを用いて、内部に空洞がある部品（例えば、タービン羽根やブレード）に孔を形成するとき、ワックス、プラスチックまたはセラミックなどの充填材を空洞に注入して、レーザが、空洞の反対側の壁まで孔を焼き抜くのを防ぐ必要がある。これらの充填材は、孔の形成後、空洞から除去しなければならない。従って、充填材を使用すると、孔の形成に要する時間や費用が、結果的に増大することになる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明における幾つかの特徴の中には、ガスタービンエンジン部品に冷却孔を形成する方法について提供することがある。その方法は、部品の第１の面と部品の第１の面と対向する第２の面との間に延びる孔を部品に形成する段階と、部品の第２の面から孔に加圧空気を供給する段階とを含む。その方法はまた、孔を通る空気流量を表すパラメータを検知する段階を含む。さらに、その方法は、検知されたパラメータが、孔を通る予め選択された空気流量を示すまで孔を拡大する段階を含む。
【０００６】
別の態様によれば、本発明の方法は、部品の第１の面に向けてレーザビームを照射して、部品の第１の面と第１の面に対向する第２の面との間に延びる孔を部品に形成する段階を含む。さらに、その方法は、部品の第２の面から孔に加圧空気を供給する段階と、孔に流入する空気圧を検知する段階とを含む。また、その方法は、検知圧力が孔を通る予め選択された空気流量を表す予め定められた値になった後は、レーザビームを停止する段階をも含む。
【０００７】
本発明のさらにまた別の態様によれば、その方法は、部品に向けてパルスレーザを照射する段階を含む。その方法はまた、約１００ヘルツから約１００メガヘルツの間のパルス周波数を持つようにレーザを調整する段階と、約０．００１ジュールから約５ジュールの間のパルスエネルギーを持つようにレーザを調整する段階と、約１０ピコセカンドから約１００マイクロセカンドの間のパルス持続時間を持つようにレーザを調整する段階とを含む。
【０００８】
本発明のその他の特徴は、以下で、一部は明らかであり、また一部は説明される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図面、特に図１を参照すると、ガスタービンエンジン部品は、全体として参照番号１０で示される。本発明の方法は、タービンブレードやシュラウドなどの他の部品に孔を形成するために使用できるが、図１に示す部品は、壁１４により分割された内部通路又は空洞１２を持つタービンベーン１０である。孔２０は、ベーン１０に形成される。孔２０は、第１の面２２と、内部通路１２の一部を構成する、第１の面に対向する第２の面２４との間に延びる。図１には、孔が２つしか示されていないが、さらに多くの孔２０が、部品１０に形成されるのが好ましいことは、当業者には分るであろう。これらの孔２０の数、大きさ、配置及び方向は、部品１０の望ましい冷却空気流の特徴に基づいて設定される。上記のガスタービンエンジン部品１０の特徴は、従来技術で既知のものであるので、ここではさらに詳しく説明しない。
【００１０】
本発明の冷却孔２０は、レーザ３０を使用して部品１０に形成される。０．１から４．０ミリセカンドのパルス持続時間と、１から１００ヘルツのパルス周波数と、５から１００ジュールのパルスエネルギーとを持つ従来技術のレーザを使用するのではなくて、好ましい実施形態の方法で使用されるレーザ３０は、約１０ピコセカンドから約１００マイクロセカンドのパルス持続時間と、約１００ヘルツから約１００メガヘルツのパルス周波数と、約１ミリジュールから約５ジュールのパルスエネルギーとを持つように調整される。これらのパラメータを比較して明らかなように、本発明の方法において使用されるレーザ３０は、ガスタービンエンジン部品に孔を形成するために使用される従来技術のレーザよりも、短いパルス持続時間と、高い周波数と、低いエネルギーを持つ。本発明の技術的範囲から離れることなく、他のレーザが使用できるが、好ましい実施形態でのレーザ３０は、マサチューセッツ州スターブリッジにあるＣｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  Ｅｎｅｒｇｙ社より入手可能なＣｏｈｅｒｅｎｔ  Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｍ３４  Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザである。
【００１１】
当業者には既知であるが、好ましいレーザ３０は、上記のパラメータを持つ「ｑスイッチ」レーザである。さらに、レーザ３０は、本発明の技術的範囲から離れることなく、他の機器に搭載することができるが、好ましい実施形態では、レーザは、サウスカロライナ州のクローバーにあるＨｕｆｆｍａｎ社より入手可能なＨｕｆｆｍａｎ  ＨＰ７５  ５軸ＣＮＣ工作機械に搭載される。
【００１２】
孔２０を形成するために、部品１０は従来技術の取付け具(図示せず）に装填され、部品の一端は加圧空気供給装置３２に取付けられる。較正空気流量測定装置３４（例えば、コロラド州バートフードにあるＦｌｏｗ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社から入手可能）が、孔２０を通る空気流量を表すパラメータを測定するために、部品１０と空気供給装置３２との間に取付けられる。例えば、この装置は、内部通路１２の圧力を測定することができ、あるいはその通路を通る空気流量を測定することができる。空気供給装置３２と相対する加圧された内部通路１２の端部は、シーリングプレート３６により閉塞され、空気が通路の端部から漏れるのを防ぐ。部品１０が取付け具に配置され、空気供給装置３２とプレート３６が適所に置かれると、空気供給装置が作動して、通路内部が一定の予め定められた圧力（例えば、１６ｐｓｉから３０ｐｓｉあるいはそれ以上）に達するまで、空気を部品の内部通路１２に送りつづける。
【００１３】
制御器３８（例えば、よく上記の工作機械とともに販売されているＦＡＮＵＣＣＮＣコントローラなど）が、第１の孔２０を形成する正確な位置にレーザ３０及び／又は部品１０を移動させ、回転させる。制御器３８は、レーザ３０内部のシャッター(図示せず）を開けて、レーザからレーザパルス列又はビーム４０が放射されるようにする。ビーム４０は部品１０に向けて照射され、孔２０を形成する。孔２０が形成された後、流量測定装置３４は、孔を通る空気漏れに対応する測定パラメータの変化（例えば、内部通路１２内の圧力の低下又は通路を通る流量の増加など）を検知する。このパラメータは制御器３８に入力され、制御器３８は孔２０を拡大するためにレーザ及び／又は部品１０を再配置する。パラメータは、継続的に監視され、予め選択された空気流量を表す予め選択された値と比較される。パラメータが予め選択された値に達すると、制御器３８は、レーザ３０に信号を送り、シャッターを閉じる。
【００１４】
第１の孔２０が形成された後、制御器３８は、レーザ３０及び／又は部品１０を、第２の孔２０を形成する正確な位置に移動させ回転させて、同じプロセスが繰り返される。当業者には既知であるように、測定パラメータが予め選択された値に達した後、あるいは第１の孔の形成にかかった時間に関連する（例えば、等しい）時間が経過した後は、第２の孔及びそれ以降の孔を形成する間、レーザ３０を停止することができる。さらに、後続の孔を形成するために、そのプロセスが繰り返し行われる場合、先に形成された孔を通る実際の空気流量を用いて、次の数個の孔を開けるための予め選択されるパラメータを決定することができる。例えば、最初の２つの孔を通る実際の空気流量が、わずかに基準流量を下回る場合、次の３つの孔の形成に使用されるパラメータの予め選択される値を若干上方修正し、５つの孔全てを通る全体の空気流量を基準流量になるようにすることができる。
【００１５】
従来技術のレーザを使用する場合、冷却孔を開けるためには、１から１００パルスが必要である。本発明のレーザ及び方法を使用する場合には、孔を開けるため、１００から数１００万パルスが必要となる。しかしながら、孔開けの合計所要時間は、パルス周波数が増加するため、大幅に増加することはない。さらに、本発明の方法は、レーザパルスを正確に（例えば、プラス又はマイナス１パルス）停止させることができる。従来技術のレーザによる穴あけ方法では、部品の流量は、基準流量から約１０パーセント、時には基準流量から３０パーセントものばらつきを生じるが、上記の方法では、各レーザパルスの間に取去られる材料の量がさらに少なくなるため、流量のばらつきは、基準流量から約５パーセントより大きくなく、基準流量から１パーセント程度になる可能性がある。
【００１６】
加えて、少量の材料が各パルスの間で除去されるため、上記の方法を用いて、円形でない孔（例えば、台形）を形成し、部品１０全体にわたって流れる冷却空気の厚さや位置を変化させてフィルム冷却を最適化できることが考えられる。さらに、各パルスは極少量の材料を除去するので、各パルスが部品１０に大きな損傷を与えることはない。従って、部品１０の内部壁１４又は他の内部形状に向かう遊行パルスが、部品に損傷を与えることはない。結果的に、本発明の方法を使用すれば、壁１４又は他の内部形状が遊行パルスにより損傷を受けないように保護する充填材は必要なくなり、そのことにより通路を清浄化するのに必要な段階が、この方法では必要なくなる。
【００１７】
パルスが、極度に高いピーク電力（例えば、１０から７０キロワットの従来技術のレーザと比較すると、約１００キロワットから１メガワット）となるため、孔から除去される材料は溶解されるよりも気化される効率が高くなる。従って、本発明の方法は、より清浄でより反復性のある孔を形成し、孔の形成後にクリーニングパルスを行う必要性を減少させる。
【００１８】
本発明の方法における別の利点は、部品の内部空洞を加圧する段階が、孔の品質を向上させることである。通常のレーザ孔には、レーザの反対側の（即ち、内部空洞における）孔の端部にかえりやドロスがある。かえりは、孔の内部の再凝固した材料であり、これは孔を通る空気流量に影響する可能性がある。本発明の方法を実行する間は、空洞が加圧されるため、逃げ空気が孔を通して溶解した材料を押し戻すことで、かえりが内部に形成されるのを防止する。このことにより、かえりがなくなり、孔内部の表面をより滑らかにする。
【００１９】
さらに、本発明の方法では、基準流量により近い流量をもつ孔を形成できるため、流量の状態が最悪の場合 (即ち、最小流量）でも、基準流量により近くなる。部品の基準冷却流量は、流量が最悪の状態のときでも十分な流量を確保できるようにしばしば選択される。この状態が基準流量に近くなれば、基準流量を減少させることができる。最悪の流量状態を考慮して必要とされる冷却空気が少なくなると、エンジンの使用燃料が少なくなる。あるいは、孔の総計面積を大きくし、同量の空気を使用してエンジンをさらに冷却することが可能になる。このことにより、部品の寿命を延ばし、最高エンジン温度と利用できる推力を増大させることが可能となる。
【００２０】
本発明又はその好ましい実施形態の要素を説明するとき、１つ又はそれ以上の要素が存在し、また記載された要素以外の要素も追加され得ることを意味する。
【００２１】
本発明の技術的範囲を離れることなく、上記の構成において様々な変更が可能であるので、上記説明に含まれ又は添付図に示される全ての事項は、例示としてなされたもので、限定を意味したものではないと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を用いてタービンベーンにおいて、孔を形成するレーザの概略図。
【符号の説明】
１０  ガスタービンエンジン部品
１２  内部通路
１４  内部通路を分割する壁
２０  孔
２２  第１の（外部）面
２４  第２の(内部）面
３０  レーザ
３２  空気供給装置
３４  流量測定装置
３６  シーリングプレート
３８  制御器
４０  レーザビーム
【図１】
0004693250.tif 000002