(57)【要約】本発明は中空のガスタービン素子内に冷却穴をレーザー加工する方法を提供し、冷却穴は円形横断面の計量供給穴と、計量供給穴内の形状場所から台形横断面の開口へ延びる開口を備えたディフューザとを含み、このレーザー加工は、レーザービームが形状場所を実質上越えない程度まで素子の外側表面を侵食するように、ディフューザ開口を形成するために素子の外側表面において鋭角で形状場所の方へ一連のレーザーパルスを発射させ、次いで、円形横断面を有する計量供給穴を形成するために形状場所及び素子の内側表面を通してレーザーを発射させることにより、行われる。代わりに、初期のレーザーパルスが発射されて、ディフューザ開口の中央部分を形成し、次いで計量供給穴を形成するようにレーザーを発射し、それに続いて、ディフューザ開口の周辺部に沿ってレーザーを発射して、ディフューザ開口を形成する。
2004532738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のガスタービン素子内に冷却穴をレーザー加工する方法であって、
冷却穴は素子の内側表面から延びる円形横断面の計量供給穴及び開口を有するディフューザを含み、前記開口は計量供給穴内の形状場所から素子の外側表面における台形横断面の開口へ延び、前記方法は、
レーザービームが形状場所を実質上越えない程度まで素子の外側表面へ侵食するように、ディフューザ開口を形成するために素子の外側表面において鋭角で形状場所の方へ一連のレーザーパルスを発射させる工程、
次いで、円形横断面を有する計量供給穴を形成するために形状場所及び素子の内側表面を通してレーザーを発射させる工程、を含む方法。
【請求項２】
前記ディフューザ開口を形成するための一連のレーザーパルスは、ディフューザ開口の中央部分において最初に実行され、次いでディフューザ開口の周辺部分に沿って実行される請求項１の方法。
【請求項３】
前記ディフューザ開口を形成するとき、少なくとも単一のレーザーパルスが各位置で発射される請求項２の方法。
【請求項４】
一連のレーザーパルスは前記中央部分で形状位置に向かって安定した漸進を作る深さまで穴をドリル加工する請求項２の方法。
【請求項５】
レーザーパルス間でレーザーパワーの調整がある請求項１の方法。
【請求項６】
あらゆる残留改鋳物をも除去するためにディフューザ開口又は計量供給穴で未合焦レーザーパルスを発射させる工程を更に含む請求項１の方法。
【請求項７】
中空のガスタービン素子内に冷却穴をレーザー加工する方法であって、
冷却穴は素子の内側表面から延びる円形横断面の計量供給穴及び開口を有するディフューザを含み、前記開口は計量供給穴内の形状場所から素子の外側表面における台形横断面の開口へ延び、前記方法は、
レーザービームが形状場所を実質上越えない程度まで素子の外側表面へ侵食するように、ディフューザ開口を形成するために素子の外側表面において鋭角で形状場所の方へ一連のレーザーパルスを発射させる工程、
次いで、円形横断面を有する計量供給穴を形成するために形状場所及び素子の内側表面を通してレーザーを発射させる工程、
次いで、ディフューザ開口を形成するためにディフューザ開口の周辺部分に沿って素子の外側表面において鋭角で形状場所の方へ一連のレーザーパルスを発射させる工程、を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記ディフューザ開口を形成するとき、少なくとも単一のレーザーパルスが各位置で発射される請求項７の方法。
【請求項９】
一連のレーザーパルスは前記中央部分で形状位置に向かって安定した漸進を作る深さまで穴をドリル加工する請求項２の方法。
【請求項１０】
レーザーパルス間でレーザーパワーの調整がある請求項７の方法。
【請求項１１】
いかなる残留改鋳物をも除去するためにディフューザ開口又は計量供給穴で未合焦レーザーパルスを発射させる工程を更に含む請求項６の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明はガスタービンエンジン素子の製造に関し、特に、単一のレーザードリル作業においてレーザービームのみを使用しての、ガスタービンエンジン素子を通るディフューザ開口を備えた冷却穴のドリル加工に関する。
【０００２】
高温ガス内で作動するブレード、羽根等の如きガスタービン素子は、しばしば貫通する空気冷却剤通路を備える中空体である。内側冷却剤通路からブレードを通る開口は冷却剤空気が流出するのを許容し、もって、素子を冷却するために素子自体の材料を通して冷却剤空気を通過させる冷却剤流れを許容し、また素子の外側表面の膜冷却を提供する。開口のディフューザ形状は最終速度を下降させて、素子の表面の膜冷却の効果を増大させる。
【０００３】
ブレードの翼（ａｉｒｆｏｉｌ）又は台の凸状及び凹状表面の実質上全体にわたっての冷却剤空気の分布を容易にするため、穴開口は好ましくは台形のような形状であり、翼表面での各穴開口の下流側部分は各穴開口の一層狭い上流側部分に関して開拡即ち幅広となっている。穴開口の増大した横断面積は穴を出る冷却空気流の速度を減少させるためのディフューザとして機能し、低速となった空気流は、ブレードから離れるのではなく、冷却を改善するためにブレードの表面にぴったりくっつくように一層傾斜する。
【０００４】
上述に記載したものと同様の、翼内に形状づけられた冷却穴を形成する１つの方法及び装置は、米国特許第４８０８７８５号明細書に開示される。この明細書は基本的に電気放電機械加工（ＥＤＭ）及びレーザードリル加工を使用する２工程方法を開示する。ＥＤＭ工程は、翼の表面にディフューザ形状の穴開口を形成するために遂行され、レーザードリル加工は、翼を通してブレードの中空内部へ侵入するように遂行される。全体の方法では、どちらの工程を先に遂行するかは関係ない。この２工程方法は、典型的には、ディフューザ形状の開口を備えた穴が実質上単一の穴ドリル加工又は形成作業で形成できるよりも一層長い時間を要する。
【０００５】
形状づけられた冷却穴を形成する別の方法は、米国特許第４７３７６１３号明細書に開示される。この明細書は選択された位置で加工物を通してドリル明けするようなレーザー発射によりブレード内での冷却穴のレーザー加工を開示しており、レーザーを他の選択された位置へ移動させながら発射を継続し、その結果砂時計形状が加工される。この方法は冷却穴を形成するのに有効であるが、砂時計形状は多くの応用にとって望ましくない。
【０００６】
冷却穴をドリル加工する素子の壁の強度及び完全状態を維持しながらディフューザ開口を通る冷却空気の有効な分布を生じさせるためには、冷却穴が、表面において台形の横断面の開口を備えたディフューザに通じる比較的一定の直径の円形横断面を有する計量供給穴（ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｈｏｌｅ）を有するのが望ましい。計量供給穴の円形横断面形状の抉り出し（ｇｏｕｇｉｎｇ）又は他のゆがみ又は中空素子へ入るごみによる素子の汚染又はレーザーによる後壁打撃を回避することが望ましい。
【０００７】
冷却穴のレーザードリル加工中、素子の中空なガス通路は支持材料でほぼ満たされ、冷却穴を出る過剰なレーザービームエネルギを吸収するか又は分散させ、後壁打撃を阻止する。しかし、多くの例においては、素子の中空なガス通路が小さくて狭いため、支持材料の量は制限されてしまう。過剰なレーザーエネルギが計量供給穴から出てしまうと、支持材料が消費され、素子の内部の後壁（即ち、計量供給穴の出口に面する内部表面）が損傷することがある。最初に計量供給穴をレーザードリル加工し、次いでディフューザ形状をレーザードリル加工しているが、過剰の量のレーザービームエネルギが計量供給穴から出てしまい、計量供給穴形状の抉り出し及び損傷を招くばかりか、ごみが素子内へ入ったり後壁打撃が生じたりすることがある。
【０００８】
従って、本発明の目的は円形横断面の計量供給穴及びディフューザ開口を備えた冷却穴をレーザードリル加工する方法を提供することである。
本発明の別の目的は抉り出し又は汚染を伴わずに計量供給穴を提供する、ディフューザ開口を備えた冷却穴を単一の作業でレーザードリル加工する方法を提供することである。
【０００９】
【発明の概要】
略述すると、本発明は中空のガスタービン素子内に冷却穴をレーザー加工する方法を提供し、冷却穴は素子の内側表面から延びる円形横断面の計量供給穴と、計量供給穴内の形状場所から素子の外側表面での台形横断面の開口へ延びる開口を備えたディフューザとを含み、このレーザー加工は、レーザービームが形状場所を実質上越えない程度まで素子の外側表面を侵食（ｐｅｎｅｔｒａｔｅ）するように、ディフューザ開口を形成するために素子の外側表面において鋭角で形状場所の方へ一連のレーザーパルスを発射（ｆｉｒｅ）させ、次いで、円形横断面を有する計量供給穴を形成するために形状場所及び素子の内側表面を通してレーザーを発射させることにより、行われる。
【００１０】
別の実施の形態においては、初期のレーザーパルスが発射されて、ディフューザ開口の中央部分を形成し、次いで計量供給穴を形成するようにレーザーを発射し、それに続いて、ディフューザ開口の周辺部に沿ってレーザーを発射して、ディフューザ開口を形成する。
【００１１】
【発明の実施の態様】
本発明は中空のガスタービン素子内に計量供給穴及びディフューザ開口を含む冷却穴をレーザー加工する方法を提供する。素子はブレード、羽根等を含むことができ、このような冷却穴は、例えば、素子のデザインに応じて、翼の前縁上及び台に組み込むことができる。このような素子は典型的には、ニッケル又はコバルトを基礎とする超合金の如き超合金から構成され、ＭをＮｉ又はＣｏ又はＮｉとＣｏとの組合せとすることのできるＭＣｒＡｌＹ、プラチナアルミナイド、アルミナイド及びセラミック熱バリアコーティングの如き保護コーティングをその表面上に有することができる。代わりに、素子はセラミックで構成することができる。
【００１２】
図面を参照して本発明の冷却穴形状及びレーザードリル加工方法を説明する。図１−３において、冷却穴１は、素子６の内側表面から延びる円形横断面の計量供給穴２と、計量供給穴２の形状場所（ｓｈａｐｅ ｌｏｃｕｓ）４から素子６の外側表面での台形横断面の開口５へ延びる開口を備えたディフューザ３とを含む。形状場所４は、そこからディフューザ３の開口の形状が形成される地点として定義され、ディフューザ開口を形成するためのすべてのレーザー加工はこの地点に向けられる即ち指向される。
【００１３】
レーザー加工方法は、ディフューザ開口を形成するために素子の外側表面において鋭角で形状場所の方へ一連のレーザーパルスを発射させる。所望のディフューザ形状に応じて、典型的には、穴の軸線７−７からのレーザー位置の垂直角度Ａは−１０度から＋２０度まで、好ましくは−５度から＋１５度まで変化し、一方穴の軸線７−７からのレーザー位置の水平角度Ｂは−２０度から＋２０度まで、好ましくは−１０度から＋１０度まで変化する。レーザーを発射させるパターン及び順序の例は図４に示し、その表１は各レーザーパルスのための角度Ａ、Ｂを記載している。
【００１４】
好ましくは、レーザー発射の順序は、中央位置（１−１１）が最初にレーザードリル加工され、それに続いて、ディフューザ開口の周辺位置（１２−３０）がレーザードリル加工されるようなものである。更に、好ましくは、中央位置（１−１１）でのレーザーパルスは形状場所に向かって安定した漸進を実質上作るが形状場所に到達しないような深さで穴をドリル加工し、一方、周辺位置（１２−３０）でのレーザーパルスは形状場所のおよその位置に到達する穴を実質上ドリル加工する。レーザーパルスのこの順序はディフューザ形状表面上の再溶融物又は改鋳物を最小化するという利点を有する。
【００１５】
計量供給穴２及び素子６の壁の損傷及び／又は汚染を回避するため、レーザーのパワー及びパルス幅は、形状場所４を実質上越えない程度まで素子材料を侵食（蒸発）するように制御される。初期のショットは形状深さ８まで発射しなくてもよく、その累積効果は形状を形状場所まで腐食させるが、この場所を実質上越えない。１つの実施の形態においては、一連のレーザーパルスは形状場所４に向かう安定した漸進を作り、最終のレーザーパルスは形状場所４に到達する。実施の形態においては、レーザーパルスのパワー及び幅は、素子又は計量供給穴を損傷させることなく所望のディフューザ形状を形成する際に所望の深さにドリル加工するようにレーザードリル加工を適合させるために、レーザーパルス間で、好ましくは一連のレーザーパルスに対して調整することができる。
【００１６】
ディフューザ３の形状づけられた空洞は、形状場所４でレーザーを角度Ａ、Ｂに沿って指向させ、材料を侵食（蒸発）するのに十分なパワーの最小の１ショットでレーザーを発射させることにより、形成される。次いで、レーザーは次の対のＡ、Ｂ角度に沿って再位置決めされ、次いで発射される。これらの工程は、ディフューザ形状が仕様通りに完成するまで、異なる組み合わせのＡ、Ｂ角度を使用して、繰り返される。一層小さなディフューザ形状を備えた典型的なタービン航空機素子は１０工程を必要とし、一方、一層大きなディフューザ形状を備えた大型パワータービンは６０工程を必要とすることがある。
【００１７】
ディフューザ開口が形成された後、次いで、比較的一定の直径の計量供給穴２が、穴の軸線７−７に沿って形状場所４及び素子の内側表面を通してレーザーを発射することにより形成される。ディフューザ開口に続いての計量供給穴の形成は計量供給穴の損傷及び汚染又は素子の内部部分の損傷を回避する。
【００１８】
別の実施の形態においては、ディフューザ開口の中央部分を形成した後（例えば、図４の中央位置１−１１を最初にレーザードリル加工した後）、次いで、計量供給穴２が、形状場所４を通してレーザーを発射させ、これに続いて、ディフューザ開口を形成するためにディフューザ開口の周辺部分をレーザードリル加工する（例えば、図４の周辺位置１２−３０がレーザードリル加工される）ことにより、形成される。この別の実施の形態は計量供給穴の損傷及び汚染又は素子の内部部分の損傷を回避するのみならず、ディフューザ開口内で発生するかもしれないいかなるスラグ形成を最小化又は排除する。
【００１９】
あらゆる残留改鋳物又はスラグをも除去するため、ディフューザ開口及び／又は計量供給穴において、未合焦レーザーパルスを発射することができる。
例 Ｉ
０．０１０インチ（０．２５ｍｍ）の厚さのＮｉＣｒＡｌＹコーティングを備えた０．１６インチ（４ｍｍ）の素子壁厚さを有するＰＷＡ１４８３合金のタービンブレード内にディフューザ冷却穴をドリル加工した。冷却穴のパラメータは次の通りであった。
計量供給穴直径    ０．０２９インチ（０．７５ｍｍ）；
形状深さ          ０．１７０インチ（４．３２ｍｍ）；
最大形状幅        ０．０８５インチ（２．１５ｍｍ）；
形状角度Ａ範囲    ＋１０°ないし−３°；
形状角度Ｂ範囲    ＋１０°ないし−１０°；
素子表面に対する計量供給穴軸線の角度    ３０°。
【００２０】
レーザーは、１０６０ｎｍ（１．０６μｍ）の波長を発生させ、０．４ないし０．８ｍｓのパルス幅及び４ないし８ＨＺのパルス周波数で作動し、ディフューザ開口に対しては約５０ワットの平均パワー範囲を有し、計量供給のドリル加工に対しては約８０ワットの平均を有する、ソリッドステートのＮＤ／ＹＡＧ形式（ネオジムでドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶媒体）のものとした。光学焦点長さは２０３ｍｍであり、合焦されたビームは、レーザーパルスが発射される毎に除去材料の排出を補助するために同軸アシストガスを利用して円錐ノズルを介して基体へ送給された。
【００２１】
パルスは、ディフューザ開口を形成し、それに続いて計量供給穴をドリル加工するために、図４及び表１に示す角度で次々と発射された。ドリル加工方法は計量供給穴の損傷及び汚染又は素子の損傷を回避した。一組の未合焦レーザーパルスはいかなる改鋳物又はスラグをも除去するためにディフューザ開口及び計量供給穴において発射された。
【００２２】
例 ＩＩ
０．０１０インチ（０．２５ｍｍ）の厚さのＮｉＣｒＡｌＹコーティングを備えた０．１６インチ（４ｍｍ）の素子壁厚さを有するＰＷＡ１４８３合金のタービンブレード内にディフューザ冷却穴をドリル加工した。冷却穴のパラメータは次の通りであった。
計量供給穴直径    ０．０２９インチ（０．７５ｍｍ）；
形状深さ          ０．１７０インチ（４．３２ｍｍ）；
最大形状幅        ０．０８５インチ（２．１５ｍｍ）；
形状角度Ａ範囲    ＋１０°ないし−３°；
形状角度Ｂ範囲    ＋１０°ないし−１０°；
素子表面に対する計量供給穴軸線の角度    ３０°。
【００２３】
レーザーは、１０６０ｎｍ（１．０６μｍ）の波長を発生させ、０．４ないし０．８ｍｓのパルス幅及び４ないし８ＨＺのパルス周波数で作動し、ディフューザ開口に対しては約５０ワットの平均パワー範囲を有し、計量供給のドリル加工に対しては約８０ワットの平均を有する、ソリッドステートのＮＤ／ＹＡＧ形式（ネオジムでドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶媒体）のものとした。光学焦点長さは２０３ｍｍであり、合焦されたビームは、レーザーパルスが発射される毎に除去材料の排出を補助するために同軸アシストガスを利用して円錐ノズルを介して基体へ送給された。
【００２４】
パルスは、ディフューザ開口の中央部分を形成し、それに続いて計量供給穴をドリル加工するために、中央位置１−１１に対して、ついで、それに続いて、ディフューザ開口を形成するように周辺位置１２−３０をドリル加工するために、図４及び表１に示す角度で次々と発射された。ドリル加工方法は計量供給穴の損傷及び汚染又は素子の損傷を回避した。この順序はまたディフューザ開口でのいかなるスラグまたは改鋳物の形成をも最小化した。一組の未合焦レーザーパルスはいかなる改鋳物又はスラグをも除去するためにディフューザ開口及び計量供給穴において発射された。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ディフューザ開口の頂面図である。
【図２】
冷却穴の横断面図である。
【図３】
穴の軸線７−７に沿って見たディフューザ開口の立面図である。
【図４】
ディフューザ開口を加工するためのレーザーパルスの順序を示す典型的な概略図で、表１は各レーザーパルスのためのＡ、Ｂ角度を列挙したものである。
【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004532738.tif 000008
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2004532738.tif 000013
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2004532738.tif 000016
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【国際調査報告】
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