(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に拡散冷却孔を形成する方法であって、
前記基板から材料を除去して前記基板の第１の面に吸入口を有する計量部を形成すること、
前記基板から材料を除去して、前記計量部と、前記第１の面の略反対側の前記基板の第２の面に位置する排出口と、の間に延びる拡散部を形成すること、
前記計量部及び前記拡散部の一方の内部において基板表面に第１の構造物を形成すること、及び
前記排出口に隣接する実質的に全ての基板表面に沿って第２の構造物を形成することを含み、前記第２の構造物を形成する前の前記排出口が第１の角度を有する角部を含み、前記第２の構造物が、前記第１の角度よりも概ね小さい第２の角度を有する第２の角部を形成し、
前記第１の構造物及び前記第２の構造物の形成は、
材料を前記基板表面に堆積させること、及び
前記材料を選択的に加熱して前記材料を前記基板表面に接合し、前記第１の構造物及び前記第２の構造物を形成することを含む方法。
【請求項２】
前記基板から材料を除去して計量部を形成する工程及び前記基板から材料を除去して拡散部を形成する工程が、成形、ドリル加工、レーザドリル加工、機械加工、放電加工及びこれらの組合せからなる群から選択される手法によって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の構造物が形成される前記基板表面が前記計量部内に位置する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の構造物が前記吸入口と前記排出口の間の見通し線を遮る、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の構造物が前記計量部の一部分を遮りカスプ状の開口を形成する、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の構造物が形成される前記基板表面が前記拡散部内に位置する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の構造物が、頂点及び前記頂点から延在する複数の平坦な面を備える、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記基板表面上に堆積される前記材料が金属である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記基板表面上に堆積される前記材料がセラミックである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板表面上に堆積される前記材料が、レーザを用いて選択的に溶融される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板表面上に堆積される前記材料が、電子ビームを用いて選択的に溶融される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記材料が前記基板表面に噴霧によって堆積される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にターボ機械に関し、具体的にはガスタービンエンジンのためのタービン流路部材に関する。特に、本発明は、これらに限られないが、動翼及び静翼、プラットフォーム、ブレード外側エアシール（ＢＯＡＳ）、シュラウド付き圧縮器及びタービンの筐体、燃焼器ライナ、タービン排気アセンブリ、推力増強装置及び吐出ノズルなどといった高温作動流体の流れに曝されるエアフォイル及び他のガスタービンエンジン部材のための冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン性能は、圧力比及びコアガス通路温度とそれに関係する負荷及び摩耗に起因する運用寿命及び信頼性への影響とのバランスに依存する。このバランスは、高いガス通路温度に起因するダメージを防止するのに能動的な冷却が必要となる圧縮器、燃焼器、タービン及び排気部分におけるガスタービンエンジン部材に特に関係する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
基板に拡散冷却孔を形成する方法は、基板から材料を除去して基板の第１の面に吸入口を有する計量部を形成すること、及び基板から材料を除去して、計量部と、第１の面の略反対側の基板の第２の面に位置する排出口との間に延びる拡散部を形成することを含む。方法はまた、計量部及び拡散部の一方の内部において基板表面に構造物を形成することを含む。構造物を形成することは、材料を基板表面に堆積させること、及び材料を選択的に加熱して材料を基板表面に接合し、構造物を形成することを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、拡散冷却孔を有する壁部の図である。
【図２】図２は、図１の拡散冷却孔の２−２線に沿った断面図である。
【図３】図３は、隆起構造物が付加される前の拡散冷却孔の斜視図である。
【図４】図４は、付加製造によって形成された構造物を有する拡散冷却孔の一実施形態の斜視図である。
【図５Ａ】図５Ａは、付加製造によって形成された構造物を有する拡散冷却孔の他の実施形態の断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの拡散冷却孔のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図６】図６は、付加製造によって形成された構造物を有する拡散冷却孔の他の実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図１に、本発明の一実施形態によって形成された冷却孔を有する壁部の図を示す。壁部１０は主に金属からなり、反対向きの表面１２及び１４を含む。表面１２及び１４の一方または両方が熱バリアコーティングなどのコーティング層を含んでいてもよい。冷却孔１６は、それらの吸入口１８が壁部１０の表面１２に沿って位置し、それらの排出口２０が壁部１０の表面１４に沿って位置するように向けられている。ガスタービンエンジンの動作中は、表面１４が高温ガス（例えば、燃焼ガス、高温空気）に近接する。冷却空気が、壁部１０の表面１２に沿って供給され、冷却孔１６の吸入口１８に入り、冷却孔１６の排出口２０を出て、表面１４の冷却膜を形成する。冷却を要する種々の部材が冷却孔１６を含み得る。適切な部材としては、これらに限られないが、タービンベーン及びブレード、燃焼器、ブレード外側エアシール、推力増強装置などがある。冷却孔１６は、ベーン及びブレードの正圧面または負圧面で利用され得る。冷却孔１６は、ブレードの先端またはブレード若しくはベーンのプラットフォームでも利用され得る。
【０００６】
図２に、図１の冷却孔１６の２−２線に沿った断面図を示す。後述する図面との比較のため、図２には、冷却孔１６を画定する表面に沿って微細構造物が形成される前の冷却孔１６を示す。冷却孔１６は、吸入口１８、排出口２０、計量部２２及び拡散部２４を含む。吸入口１８は、表面１２に位置する開口である。冷却空気Ｃは吸入口１８を通って冷却孔１６に入り、表面１４に沿って排出口２０で冷却孔１６を出る前に、計量部２２及び拡散部２４を通過する。
【０００７】
計量部２２は、吸入口１８に隣接してそこから下流側にあり、冷却孔１６を通る気流を制御（計量）する。図２及び３に示すように、計量部２２は、連続した、略円形の表面２６によって画定される。いくつかの実施形態では、計量部２２は、概ね吸入口１８から拡散部２４への実質的に一定の流域を有する。計量部２２は、円形、長円形（卵形または楕円形）、レーストラック形（直線部分を有する平行な２辺をもつ卵形）、三日月形、カスプ形または双カスプ形の断面を有していればよい。いくつかの実施形態では、計量部２２は、図２に示すように壁部１０の表面１２と表面１４の間で傾斜している（すなわち、計量部２２は壁部１０に対して垂直ではない）。軸２７は、図２に示すように計量部２２の中心を通って延びる。
【０００８】
拡散部２４は、計量部２２に隣接してそこから下流側にある。図２及び３に示すように、拡散部２４は、底面２８、側面３０及び３２並びに上面３４によって画定される。図２に示すように、拡散部２４は、軸２７及び計量部２２から長手方向に広がる。底面２８は、表面２６から排出口２０に向かうにつれて軸２７から長手方向に離れていく。図３に最も良く示すように、拡散部２４は計量部２２から横方向にも広がる。側面３０及び３２は、それらが表面２６から排出口２０に向かうにつれて広がる。冷却孔１６を通って移動する冷却流体は、拡散及び膨脹して拡散部２４を満たす。
【０００９】
図３は、冷却孔を画定する１以上の表面に沿って微細構造物が形成される前の冷却孔１６の斜視図である。壁部１０の表面１２及び１４は、冷却孔の構造物をより良く示すことができるように、図３では図示されていない。図３に示すように、底面２８、側面３０及び３２並びに上面３４が拡散部２４を画定し、表面２６から排出口２０まで延在する。
【００１０】
図２及び３に示す冷却孔１６は、通常は、壁部１０から材料が除去されて、冷却孔１６を画定する表面２６、２８、３０、３２及び３４を形成するといった従来的な製造技術によって形成される。材料の除去の適切な方法としては、これらに限られないが、ドリル加工、レーザドリル加工、機械加工、放電加工（ＥＤＭ）及びこれらの組合せがある。例えば、冷却孔１６の計量部２２がドリル加工によって形成される一方で、冷却孔１６の拡散部２４がＥＤＭによって形成される。場合によっては、冷却孔１６は、成形処理を用いて作製されてもよい。
【００１１】
図４に、微細構造物を有する冷却孔の一実施形態を示す。図４は、底面２８の隆起構造物（ｒａｉｓｅｄ  ｆｅａｔｕｒｅ）３６を有する冷却孔１６の斜視図である。隆起構造物３６は、底面２８に材料を付加することによって冷却孔１６内に形成される。本実施形態では、構造物３６は、底面２８に位置する材料の隆起領域である。計量部２２及び拡散部２４とは異なり、隆起構造物３６は、壁部１０から材料を除去することによっては容易に形成することができない。成形、ドリル加工、レーザドリル加工、機械加工及びＥＤＭ技術では、通常は、隆起構造物３６の幾何学的形状を、確実に、再現性よく、または安価に形成することはできない。本発明の実施形態によると、隆起構造物３６は、付加製造技術を用いて形成される。
【００１２】
隆起部３６を形成するための適切な付加製造技術として、これらに限定されないが、選択的レーザ溶融、直接金属レーザ焼結、選択的レーザ焼結及び電子ビーム溶融がある。選択される付加製造技術は、隆起構造物３６を形成するのに使用される材料のタイプによる。いくつかの実施形態では、隆起構造物３６は、金属、合金または超合金で形成される。これらの実施形態では、前述した技術のいずれも適切なものとなり得る。他の実施形態では、隆起構造物３６はセラミック材料で形成される。これらの実施形態では、セラミック製の隆起構造物３６を形成するのに選択的レーザ焼結が通常は使用される。これらの技術の各々は、材料の薄層を加熱すること、及び基板に接合するようにそれを溶融することを含む。加熱／溶融及び接合処理は、材料が所望の隆起構造物３６を形成するまで何度か繰り返される。
【００１３】
より詳細には、隆起構造物３６は、底面２８に材料を堆積させ、それが溶融して底面２８に接合するように材料を選択的に加熱してその後固化することによって、冷却孔１６内に形成される。この処理は、所望の構造物の幾何学的形状及び厚さが形成されるまで繰り返される。材料を底面２８に接合することによって、図４に示すような隆起構造物３６が形成される。隆起構造物３６を形成するのに使用される材料のタイプ（例えば、合金、セラミックなど）に応じて、異なる堆積方法が使用され得る。底面２８に塗布される材料は、底面２８に噴霧または載置される金属またはセラミックの粉末であればよい。代替的に、金属の薄層が、各加熱工程の前に底面２８に沿って順次配置されてもよい。金属及びセラミックの原料がスラリーに形成されて底面２８上に塗られてもよい。
【００１４】
材料の層が底面２８に堆積されると、材料は、それが溶解して底面２８と接合するように融点以上に選択的に加熱される。材料を溶融するのに必要なエネルギーを供給する高出力レーザまたは電子ビームを用いて材料が加熱される。材料を加熱するのに電子ビームが用いられるいくつかの実施形態では、全体が真空中に配置される。材料の第１の「層」が底面２８（すなわち、基板）に塗布される場合では、場合によってはレーザまたは電子ビームのエネルギーが底面２８の一部も溶融し、底面２８と隆起構造物３６との強力な結合を形成する。溶融された材料が固化された後、追加の材料が堆積され、加熱処理が再度実行される。この一連の工程（堆積、加熱／溶融、固化）が、隆起構造物３６が所望の三次元形状及び厚さに構成されるまで繰り返される。
【００１５】
形成する前に、隆起構造物３６の所望の幾何学的特徴が決定される。これらの特性は、一般に、所望の構造物の形状、厚さ、曲率及び他の三次元性質を含む。これらの構造物が決定されると、コンピュータが、付加製造動作を制御する指示を与えるコンピュータ援用設計（ＣＡＤ）ファイル、付加製造ファイル形式（ＡＭＦ）ファイルまたは他のタイプのファイルを生成する。このファイルは、上述した層毎の堆積及び溶融処理を制御する情報を含む。いくつかの実施形態では、付加製造機械またはシステムが冷却孔１６内の材料を堆積させ、選択的に材料を溶融して隆起構造物３６を形成する。
【００１６】
図４に示す冷却孔１６では、隆起構造物３６はピラミッド状の三次元構造である。上記のように、隆起構造物３６の幾何学的形状を表すＣＡＤ、ＡＭＦまたは他のファイルがコンピュータによって生成される。このファイルが、隆起構造物３６を作製するための層毎の付加製造処理を制御するのに使用される。隆起構造物３６は、頂点３８、及び頂点３８から底面２８に延在する比較的平坦な４つの面を含む。２０１２年７月９日出願の、米国特許出願第１３／５４４０９０号、発明の名称「マルチローブ冷却孔」における図８及びその説明において更に詳細に図示及び記載されるように、隆起構造物３６は、冷却空気を拡散部２４、ローブ４０及び４２の横方向縁部に向けて逸らす。
【００１７】
底面２８への隆起構造物３６の形成を説明してきたが、隆起構造物３６は、側面３０及び３２並びに上面３４または表面２６に同様に形成されることができる。隆起構造物３６はまた、冷却孔１６を通る冷却空気を逸らす必要に応じて平坦であっても湾曲していてもよい。
【００１８】
付加製造技術が、冷却孔の計量部におけるカスプなど、他のタイプの隆起構造物を形成するのに使用されてもよい。図５Ａ及び５Ｂに、冷却孔の断面図、及び冷却孔１６Ａの計量部２２内に形成された隆起構造物３６Ａの一実施例を示す。図５Ａに示すように、隆起構造物３６Ａは、表面２６において計量部２２の下流端付近に形成される。隆起構造物３６Ａは計量部２２の一部分を遮り、図５Ｂに示すようにカスプ状の開口を作る。隆起構造物３６Ａは、冷却孔１６Ａの吸入口１８と排出口２０の間の見通し線を遮る。隆起構造物３６Ａは、ドリル加工法またはＥＤＭ法によっては容易に形成することができない。したがって、隆起構造物３６Ａは、図４に関して上述した付加製造方法によって形成される。
【００１９】
図６に、付加製造技術によって形成された隆起構造物を有する冷却孔の他の実施形態を示す。図６は、計量部２２から排出口２４に延在する全ての表面（底面２８、側面３０及び３２並びに上面３４）に沿う隆起構造物３６Ｂを有する冷却孔１６Ｂの斜視図である。冷却孔１６Ｂは、図４に示す冷却孔１６と同様の外観である。排出口２０Ａ付近の破線は、図４に示す排出口２０の位置を示す。本実施形態では、追加の材料が、底面２８、側面３０及び３２並びに上面３４に対して、排出口２０Ａに沿ってかつその付近に付加されて「より鋭い角部」を有する冷却孔を提供する。上記のように、隆起構造物３６Ｂの幾何学的形状（排出口２０と排出口２０Ａとの距離の差）を表すＣＡＤ、ＡＭＦまたは他のファイルがコンピュータによって生成される。このファイルは、排出口２０の鋭い角部を減少させる隆起構造物３６Ｂを作るための層毎の付加製造処理を制御するのに使用される。
【００２０】
広い角部によって壁部１０の熱機械疲労が減少する一方、鋭い角部によって拡散部２４を出る冷却空気の流れの剥離のおそれが減少し、これにより冷却能力が向上する。冷却孔は、冷却孔の場所に基づく特定の必要性を満たすように、広い角部、鋭い角部、または広い角部と鋭い角部の双方の組合せを排出口に沿って含むように微調整されてもよい。図６に示すように、材料が側面３２及び底面２８に付加される前の（すなわち、排出口２０における）側面３２と底面２８の接合部付近の角部の角度（θ2）は、排出口２０Ａにおける側面３２と底面２８の接合部付近の角部の角度（θ1）よりも大きい。したがって、表面に付加される追加の材料によって、側面３２と底面２８とが交わる角部がより鋭く形成され、その角部における流れの剥離のおそれが減少する。
【００２１】
図６は排出口２０Ａにおける複数の表面の全てが追加の材料を含む実施形態を示すが、他の実施形態では追加の材料は複数の表面の１つだけに付加されてもよい。
【００２２】
以下は、本発明の可能な実施形態の非排他的な説明である。
【００２３】
基板に拡散冷却孔を形成する方法は、基板から材料を除去して基板の第１の面に吸入口を有する計量部を形成すること、及び基板から材料を除去して、計量部と、第１の面の略反対側の基板の第２の面に位置する排出口との間に延びる拡散部を形成することを含むことができる。方法はまた、計量部及び拡散部の一方の内部において基板表面に構造物を形成することを含むことができる。構造物を形成することは、材料を基板表面に堆積させること、及び材料を選択的に加熱して材料を基板表面に接合し、構造物を形成することを含むことができる。
【００２４】
前段落の方法は、追加的に及び／または代替的に、以下の構造物、構成及び／または追加の部材のいずれか１つ以上を選択的に含むことができる。
【００２５】
上記方法の更なる実施形態は、基板から材料を除去して計量部を形成する工程及び基板から材料を除去して拡散部を形成する工程が、成形、ドリル加工、レーザドリル加工、機械加工、放電加工及びこれらの組合せからなる群から選択される手法によって実行されることを含むことができる。
【００２６】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、構造物が形成される基板表面が計量部内に位置することを含むことができる。
【００２７】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、構造物が吸入口と排出口の間の見通し線を遮ることを含むことができる。
【００２８】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、構造物が計量部の一部分を遮ってカスプ状の開口を形成することを含むことができる。
【００２９】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、構造物が形成される基板表面が拡散部内に位置することを含むことができる。
【００３０】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、構造物が頂点及び頂点から延在する複数の平坦な面を備えることを含むことができる。
【００３１】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、構造物が、排出口に隣接する基板の表面に沿って形成されることを含むことができる。
【００３２】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、構造物を形成する前の排出口が第１の角度を有する角部を含み、構造物が、第１の角度よりも概ね小さい第２の角度を有する第２の角部を形成することを含むことができる。
【００３３】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、構造物が、排出口に隣接する基板表面の実質的に全てに沿って形成されることを含むことができる。
【００３４】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、基板表面上に堆積される材料が金属であることを含むことができる。
【００３５】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、基板表面上に堆積される材料がセラミックであることを含むことができる。
【００３６】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、基板表面上に堆積される材料がレーザを用いて選択的に加熱されることを含むことができる。
【００３７】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、基板表面上に堆積される材料が電子ビームを用いて選択的に加熱されることを含むことができる。
【００３８】
上記方法のいずれかの更なる実施形態は、材料が基板表面に噴霧によって堆積されることを含むことができる。
【００３９】
好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、発明の主旨と範囲から逸脱することなく変更が形式及び詳細においてなされ得ることを認識するはずである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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