(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンの冷却薄壁部材の鋳造方法が提供される。【解決手段】冷却部材１５０を鋳造する方法は、犠牲模型１８０を成形することを含む。模型１８０を通過する複数の孔１８５を形成する。これらの孔１８５を埋めることを含むシェル２００、２１０を模型１８０上に形成する。シェル２１０から模型１８０を破壊的に除去する。金属材料１５０をシェル２１０内に鋳造する。金属材料１５０からシェル２１０を破壊的に除去する。複数の群の孔１８５が存在してもよい。個々の群の孔は、平行な軸線を有する。異なる群の孔は、他の群の孔の軸線と平行な軸線を有してもよいし、平行でない軸線を有してもよい。燃焼器の熱シールドでは、例示的な厚みＴは有利には、０．０８インチ（２．０ｍｍ）未満である。より広くは、厚みは、０．１２インチ（３．０ｍｍ）または０．１０インチ（２．５ｍｍ）未満である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
犠牲模型（１８０）を成形し、
前記の成形後に、模型を通過する複数の孔（１８５）を形成し、
これらの孔を埋めることを含むシェル（２００、２１０）を模型上に形成し、
シェルから模型を破壊的に除去し、
金属材料（１５０）をシェル内に鋳造し、
金属材料からシェルを破壊的に除去する、
ことを含むことを特徴とする鋳造方法。
【請求項２】
前記のシェル形成は、複数段階のスタッコ塗りを含み、
このスタッコ塗りの第一の浸漬段階が実質的に孔を埋める、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記複数の孔を形成することは実質的に、機械的に穿孔することからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記複数の孔を形成することは実質的に、少なくとも一つの高温プローブ（１８４）を挿入することからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記複数の孔を形成することは実質的に、３０〜７０°の法線から外れる角度で少なくとも一つの高温プローブ（１８４）を挿入することからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記複数の孔を形成することは実質的に、一体として少なくとも一つの高温プローブ（１８４）を挿入することからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記複数の孔は、局所厚みの半分未満の断面平均横方向寸法で形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記複数の孔は、０．５２ｍｍ2未満の断面積で形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記複数の孔は、０．２０〜０．４６ｍｍ2の断面積で形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の孔は、０．１６〜０．５２ｍｍ2の断面積で形成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
ガスタービンエンジン燃焼器パネル（１５０）を製造するのに使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１２】
略円錐台形セグメントとして形成されたワックス本体であって、
０．５２ｍｍ2未満の断面積を有する複数の第一の貫通孔（１８５）を有する、
ワックス本体を備えることを特徴とする燃焼器パネルインベストメント鋳造模型（１８０；  ２５８）。
【請求項１３】
前記断面積は、０．２０〜０．４６ｍｍ2であることを特徴とする請求項１２記載の模型。
【請求項１４】
前記ワックス本体は、少なくとも５ｃｍの直径を有する少なくとも一つの第二の貫通孔を有することを特徴とする請求項１２記載の模型。
【請求項１５】
前記ワックス本体は、第一の側面に周囲リブを有しており、第二の側面は実質的に円錐台形であることを特徴とする請求項１２記載の模型。
【請求項１６】
前記第一の貫通孔の局所厚みは、１．５〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１２記載の模型。
【請求項１７】
前記第一の貫通孔の局所厚みは、３．０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１２記載の模型。
【請求項１８】
前記第一の貫通孔の局所厚みは、２．５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１２記載の模型。
【請求項１９】
前記第一の貫通孔の法線から外れる角度は、３０〜７０°であることを特徴とする請求項１２記載の模型。
【請求項２０】
前記第一の貫通孔の少なくとも第一の群は、平行であることを特徴とする請求項１２記載の模型。
【請求項２１】
前記第一の貫通孔の少なくとも第二の群は、平行であるが、前記第一の群とは平行ではないことを特徴とする請求項２０記載の模型。
【請求項２２】
複数の孔を有する犠牲模型を形成し、
これらの孔を埋めることを含むシェルを模型上に形成し、
シェルから模型を破壊的に除去し、
金属材料をシェル内に鋳造し、
金属材料からシェルを破壊的に除去する、
ことを含む、冷却ガスタービンエンジン部材を形成する方法であって、前記材料は、孔を埋めていたシェルの部分によって残されたフィルム冷却孔を有する冷却ガスタービンエンジン部材を形成することを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記孔における模型の局所厚みは、３．０ｍｍ未満であり、
前記孔は、０．５２ｍｍ2未満の断面積を有しており、
前記孔は、模型の局所表面における法線から３０〜７０°だけ外れる角度にある、
ことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記犠牲模型を形成することは、
複数の主要部材（２５６）と、複数のピン（２５０）とを含むダイを組み立て、
ダイの中へピンの周りへとワックス材料（２５８）を注入し、
主要部材の少なくとも一つを少なくとも部分的に通して複数のピンを引き抜き、
主要部材から模型を除去する、
ことを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
ガスタービンエンジンを再製造するか、または第一の燃焼器パネルを含む第一の構成から第一の燃焼器パネルに代わる第二の燃焼器パネルを含む第二の構成へとガスタービンエンジンの構成を再作製する方法であって、
前記第一の燃焼器パネルは、実質的に一定の第一の厚みの主要壁部分を有する略円錐台形セグメントであって、複数の穿孔冷却孔を有する略円錐台形セグメントとして形成され、
前記第二の燃焼器パネルは、第一の厚みより小さな実質的に一定の第二の厚みの主要壁部分を有する略円錐台形セグメントであって、複数の鋳造冷却孔を有する略円錐台形セグメントとして形成される、
ことを特徴とする方法。
【請求項２６】
前記第二の燃焼器パネルは、第一の燃焼器パネルの代わりの差し込み式置き換え品であることを特徴とする請求項２５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジンに関する。より詳細には、本発明は、ガスタービンエンジンの冷却薄壁部材の鋳造に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱シールドおよび浮遊壁（ｆｌｏａｔｗａｌｌ）パネルなどのガスタービンエンジン燃焼器部材は、一般に多結晶合金で作成される。これらの部材は、エンジン作動中のさまざまな局面において極度の熱および温度勾配に曝される。熱−機械応力およびその結果生じる疲労は、部材破損の一因となる。耐久性を与えるようにこのような部材を冷却する多くの努力がなされている。例えば、熱シールドパネルを冷却するために、パネルはしばしば、燃焼器内部に面する表面における法線から外れる（ｏｆｆ−ｎｏｒｍａｌ）角度でフィルム冷却孔の配列を含む。パネルの壁を通る低い（浅い）角度（法線から大きく外れる角度）によって、孔を通過する空気に晒される表面積が増加し、それによって、対流冷却が増加する。低い流出角度によって、流れが表面に沿って流れる間に、フィルム冷却が得られる。このような冷却孔は、鋳造パネルに（例えば、レーザー穿孔によって）穿孔できる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一態様は、犠牲模型を成形することを含む鋳造方法を含む。成形後に、模型を通過する複数の孔を形成する。これらの孔を埋めることを含むシェルを模型上に形成する。シェルから模型を破壊的に除去する。金属材料をシェル内に鋳造する。シェルを破壊的に除去する。
【０００４】
本発明の一つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明内に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、および請求項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
さまざまな図面内の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示している。
【０００６】
図１は、ガスタービンエンジン燃焼器２０を示す。例示的な燃焼器２０は、一般にエンジン中心長手軸線（中心線）５００回りに環状になっており、エンジン中心長手軸線５００に平行して、前方方向５０２が例示されている。例示的な燃焼器は、二層の胴体中心寄りおよび胴体外側寄りの壁２２および２４を有する。壁２２および２４は、燃焼器セクション（図示せず）から空気を受け取る上流入口２７にある隔壁２６から、タービンセクション（図示せず）へ空気を供給する下流出口２８へと、後方／下流に延在する。燃料噴射器／スワーラアッセンブリ２９の周方向アレイが、隔壁内に取り付けられ得る。
【０００７】
隔壁は、シェル部分３０と、シェル部分３０から後方／下流に離間した熱シールド３１とを含む。熱シールド３１は、隔壁パネルの周方向アレイによって形成されることができ、隔壁パネルの少なくともいくつかは、噴射器／スワーラアッセンブリのうちの関連するアッセンブリを収容するための開口部を有する。燃焼器は、隔壁パネルアレイの後方／下流に内部３４を有する。胴体中心寄りおよび胴体外側寄りの壁２２および２４はそれぞれ、胴体外側寄りのシェル３５および３６と、内側の熱シールド３７および３８とを有する。これらのシェルは、隔壁シェルと連続することができる。各例示的な壁の熱シールドは、これらのシェルとすることができるような、パネルの長手方向および周方向のアレイで作成される。例示的な燃焼器には、六枚から二十枚の熱シールドパネルから成る長手方向リングが二つから六つ存在する。上流から下流へと、シールド３７および３８の各パネルは、３７Ａ〜３７Ｅ、および３８Ａ〜３８Ｅと特定される。例示的なパネル３７Ｃを参照すると、各パネルは、一般に内側（内部３４に面する）表面４０と、一般に外側表面４２とを有する。取り付けスタッド４４またはその他の特徴部が、パネルを隣接シェルに取り付けるように他方の表面４２から延在し得る。パネルは、前縁４６と後縁４８の間に、また、第一および第二の横方向（周方向）縁部５０および５２（図２）の間に延在する。パネルは、内側表面と外側表面の間にプロセス空気冷却孔５４の一つまたは複数の列を有することができ、また、当業技術内で知られるようにあるいはさらに開発できるようにこのような表面の一方または両方の上に付加的な表面強化部（図示せず）を有することができる。
【０００８】
内側表面４０は、周方向に凸状であり、中心６０を有する。図１はさらに、表面法線５１０と、表面法線５１０に垂直な円錐方向５１２とを有する。例示的なパネルは、円錐半角θ1と、長手方向スパンＬ1と、円錐方向スパンＬ2（図２）とを有する。径方向は、５１４で示す。周方向は、５１６で示す。パネルがエンジン中心線回りに横方向の縁部間に広がる角は、θ2で示す。例示的なリング当たり八枚のパネルでは、θ2は、公称４５°（例えば、パネル間に間隙を与えるようにわずかに小さい）である。
【０００９】
同様に、例示的なパネル３８Ｃは、内側および外側の表面８０および８２と、前縁８４および後縁８６と、横方向縁部８８および９０（図３）とを有する。内側表面８０は、周方向に凹状であり、中心１００を有する。表面法線は、５２０で示し、円錐方向は、５２２で示す。円錐半角は、−θ3（参考のために、負の角度は、後方に収束する円錐に関連している）で示し、長手方向スパンは、Ｌ3で示す。周方向は、図３において５２４で示す。周方向スパンは、θ4で示し、円錐方向スパンは、Ｌ4で示す。
【００１０】
図４は、（例えば、シールド３７および３８、あるいは隔壁シールド３１の）複数のパネルのうちの例示的なパネルの主要本体壁部分１５０を示す。主要部分は、胴体外側寄り表面部分１５２と（例えば、表面４０または８０の）隣接する胴体内側寄り表面部分１５４との間の局所厚みＴを有する。フィルム冷却孔またはチャネル１６０の配列が、表面１５２内の入口１６２と表面１５４内の出口１６４との間に延在する。例示的な孔１６０は、直線であり、中心長手軸線５３０を有する。例示的な孔１６０は、軸線５３０に垂直で直径Ｄを有する円形断面を有する。孔１６０は、局所胴体内側寄り表面部分１５４における法線から角度θ5だけ外れて延在しており、それによって、表面１５４からθ6、すなわちθ5の余角、だけ外れている。孔１６０は、規則的なまたは不規則な配列に分けることができ、また、所望の冷却プロファイルを与えるように分布させてもよい。例示的なθ5は、４５°を超えており（例えば、５０〜７０°）、それによって、流出空気流１７０によって、フィルム冷却効果が得られる。
【００１１】
図５は、熱シールドパネルの全体形状を有するけれども冷却孔なしで成形された成形ワックス模型１８０を示す。例えば、模型は、パネルの主要本体、プロセス空気冷却孔、周囲および内部の胴体外側寄りの強化レールその他などに相当する部分を有して成形できる。成形後、次に、フィルム冷却孔１６０に相当する形状部を形成できる。図５は、冷却孔１６０に相当する孔１８５を形成するように（最終の軸線５３０に平行な）方向５４０に模型内へ挿入された加熱されたプローブ１８４の配列１８２を示す。模型の完全性を維持するために、模型の両方の面の一方に沿って裏当て部材１８６を配置できる。裏当て部材１８６は、プローブが模型を通過する際に、プローブの先端部分１８８を受け入れるための孔を有して予め形成されてもよい。代替として、裏当て部材１８６は、先端部分を収容するように変形可能であってもよい。挿入後に、プローブ配列は、反対方向に後退させることができる。プローブ配列は、孔１８５を生成するように材料を移動させることができる。これによって、一方または両方の面に隆起部１９０が残ることがある。代替として、プローブは、中空とすることができ、移動させた材料を抜き出すことができる。
【００１２】
複数の群の孔１８５が存在してもよい。上述したように、個々の群の孔は、平行な軸線を有する。異なる群の孔は、他の群の孔の軸線と平行な軸線を有してもよいし、平行でない軸線を有してもよい。例えば、最終の鋳造パネル内で所望の流れパターンを達成するのに非平行な軸線が適切になることがある。機械式ねじれ穿孔（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｔｗｉｓｔ  ｄｒｉｌｌｉｎｇ）を含め、孔１８５を形成するための他の穿孔技術を用いてもよい。孔１８５は、上述したように複数の群を個々にまたは同時に形成できる。
【００１３】
模型内に孔１８５を形成した後に、模型は、複数段階のスタッコ塗りプロセスでシェル形成できる。図６は、シェル形成プロセスの第一のスラリー浸漬後の模型１８０を示す。最初の浸漬は、最終のシェルに滑らかな最後の内部表面を与えるように薄くかつ細かなスラリー内で通常行われる。図６は、模型の主要本体の両面上にあり、かつ、実質的に孔１８５を埋める（例えば、表面張力によるが、孔の両端ではわずかな凹部２０２を有する）このスラリーの層２００を示す。さらなるシェル形成工程は、より厚くかつより粗いスラリーを含んでもよい。最後のシェル形成工程後に、シェルは乾燥させることができる。シェルは、蒸気オートクレーブおよび／またはシェル焼成（シェルを硬化させるため）などにより除去してもよい。
【００１４】
図７は、ワックス除去後のシェル２１０を示す。シェルは、第一および第二の側壁２１２および２１４を有する。模型の孔１８５内に形成されたシェル形状部２１６は、シェル内部２１８に橋かけすることにより側壁２１２と２１４とを接続する。シェル内部２１８に鋳造金属が導入される際に、橋かけ形状部２１６は、フィルム冷却孔１６０を形成かつ画定する。注入および金属凝固後に、シェルは、（機械的および／または化学的手段によって）破壊的に除去することができる。例示的な除去は、側壁２１２および２１４を機械的に破壊し去り、次いで、橋かけ形状部２１６を化学的に（例えば、酸またはアルカリ浸出により）除去することを含む。
【００１５】
代替の製造方法によって、ワックス材料が成形される際に模型内に孔が予め形成される。模型成形ダイ２５４のスライダー部材２５２の上にプローブまたはフォークの歯（ｔｉｎｅ）２５０の配列（図８、配列１８２と同様に配列されている）を形成できる。スライダー２５２は、ダイ組み立ての際にダイの主要部材２５６の一つの中へ挿入され、ワックス２５８が、スライダープローブ２５０の周りに成形される。ワックス冷却／硬化後に、次に、スライダーは、模型からプローブ２５０を解放するように後退し（図９）、孔１８５を残し、主要部材２５６に対する模型の裏側固定（ｂａｃｋｌｏｃｋｉｎｇ）を解除する。
【００１６】
本発明は、いくつかの有利な性質および使用のうちの一つまたは複数を有することができる。鋳造物内の冷却孔の機械的穿孔（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｄｒｉｌｌｉｎｇ）は、法線から外れる角度が大きくなるにつれてますます困難になる。従って、鋳造は、フィルム冷却孔を提供するのに特に有用となり得る。さらに、橋かけ形状部２１６は、鋳造の際に側壁２１２および２１４の相対的位置を維持する傾向を持ち得る。これによって、鋳造物の間で厚みＴの向上した一貫性と、与えられた鋳造物内での厚みＴの均一性とを得ることができる。このような均一性の向上により、比較的薄い鋳造物の作成の実行可能性が向上する。
【００１７】
燃焼器の熱シールドでは、例示的な厚みＴは有利には、０．０８インチ（２．０ｍｍ）未満である。より広くは、厚みは、０．１２インチ（３．０ｍｍ）または０．１０インチ（２．５ｍｍ）未満である。例示的な再作製または再製造の状況では、パネルは、穿孔されたフィルム冷却孔を有する既存パネルの代わりの差し込み式置き換え品として作製または製造される。この再作製／再製造の状況では、最後の厚みＴは、０．０８インチ（２．０ｍｍ）を超えるベースライン厚みと比較して約０．０６インチ（１．５ｍｍ）とすることができる。０．０６〜０．０８インチ（１．５〜２．０ｍｍ）の範囲の例示的なパネル厚みでは、例示的な直径Ｄは約０．０３２インチ（０．８１ｍｍ）未満である。特に細かな通路がより望ましいものとなり得るとはいえ、シェルの完全性の問題は、０．０１８〜０．０３０インチ（０．４６〜０．７６ｍｍ）の範囲の直径に有利なように緩和され得る。より広くは、この直径は有利には、厚みより小さく、より有利には、厚みの半分未満である。非円形断面の孔では、孔の断面積は、これらの直径に対応する面積に匹敵することができる。０．４６〜０．８１ｍｍの直径範囲では、対応する面積は、０．１６〜０．５２ｍｍ2である。より狭い範囲は、０．２０〜０．４６ｍｍ2となるであろう。
【００１８】
本発明の一つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずにさまざまな変形を行い得ることが理解されるであろう。例えば、原理は、排気ノズルライナおよびその他の薄壁鋳造構造物の製造に適用できる。既存部材の再作製として適用されるときは、既存部材の詳細が、任意の特定の実施の詳細に影響し得るかまたはそれを規定し得る。従って、他の実施態様は、添付の請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ガスタービンエンジン燃焼器の長手方向断面図である。
【図２】図１の燃焼器の胴体中心寄りの熱シールドパネルの図である。
【図３】図１の燃焼器の胴体外側寄りの熱シールドパネルの図である。
【図４】図２および図３の熱シールドパネルの一方のフィルム冷却孔の断面図である。
【図５】フィルム冷却孔を形成するための装置を伴う模型の断面図である。
【図６】第一のシェル形成段階後の図５の模型の断面図である。
【図７】図６の模型を用いて形成されたシェルの断面図である。
【図８】挿入されたプローブ配列を含む模型形成ダイ内の模型の断面図である。
【図９】プローブ配列が後退した図８の模型の断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
２０…ガスタービンエンジン燃焼器
３１…熱シールド
３７、３８…内側の熱シールド
３７Ｃ、３８Ｃ…パネル
１５０…金属材料
１６０…フィルム冷却孔
１８０…ワックス模型
１８４、２５０…プローブ
１８５…孔
２００、２１０…シェル
２５６…ダイの主要部材
２５８…ワックス
５１０、５２０…表面法線
５３０…中心長手軸線
θ5…法線から外れる角度
θ6…θ5の余角
Ｔ…局所厚み
Ｄ…直径
【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５】
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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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