(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め定めた３次元座標に基づくガスタービンブレード単体のＣＡＤデータを収納しておく一方、前記ガスタービンブレード単体に形成すべき冷却孔をモデル化しこのモデル化した冷却孔で前記ガスタービンブレード単体に形成すべき個々のＣＡＤデータを入力し、これらのモデル化した冷却孔の個々のＣＡＤデータからモデル化した冷却孔全てを集合した冷却孔集合体のＣＡＤデータを形成した後、前記ガスタービンブレード単体のＣＡＤデータとこのモデル化した冷却孔集合体のＣＡＤデータとを合成し、次いでガスタービンブレード単体の形状より外側の余分な部分の冷却孔集合体のＣＡＤデータを取り除くようにしたことを特徴とする画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法に関し、コンピュータグラフィックス上でガスタービンブレードに多数の冷却孔を短時間で作成できるようにし、冷却設計などのシミュレーションに利用できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン、特に航空用エンジンにおいては、軽量、低燃費、高信頼性が常に要求され、そのためエンジンの主要構成要素であるタービンに対しは、タービン入り口温度の上昇がはかられ、それに対処するために材料の進歩とともに冷却性能の一層の向上が求められている。
【０００３】
このようなガスタービンの冷却性能の向上のため、例えば図５に示すように、タービンブレード１に冷却孔２を多数形成し、冷却空気によるフィルム冷却などが行われている。
【０００４】
このタービンブレード１に形成する冷却孔２はその配置や大きさなどによって冷却性能が変化する一方、個数が非常に多く実際のタービンブレードに放電加工などで冷却孔を形成して実験を行なうためには相当の時間と費用がかかってしまう。
【０００５】
そこで、コンピュータグラフィックスを利用してタービンブレードに冷却孔をあけ、冷却設計などのシミュレーションが行われている。
【０００６】
従来から行われている画像処理によるタービンブレードへの冷却孔の形成方法は、まず、タービンブレード単体のＣＡＤデータ上に冷却孔のＣＡＤデータを１つ入力して合成し、タービンブレード単体に１個の冷却孔をあける。
【０００７】
すると、タービンブレード単体のＣＡＤデータは冷却孔１個分のデータが増大した状態になる。
【０００８】
次に、冷却孔が１個形成された状態のタービンブレードのＣＡＤデータ上に、次の１個の冷却孔のＣＡＤデータを入力して合成し、タービンブレード単体に２つ目の冷却孔をあける。
【０００９】
すると、タービンブレード単体のＣＡＤデータは冷却孔２個分のデータが増大した状態になる。
【００１０】
このようにして、多数の冷却孔のＣＡＤデータを１つずつその前までの冷却孔が形成された状態のタービンブレード単体のＣＡＤデータに合成することを繰り返して全ての冷却孔を形成するようにしていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、タービンブレードの単体のＣＡＤデータに冷却孔のＣＡＤデータを１つずつ入力して冷却孔をあけることを繰り返さなければならないため、１つの冷却孔のＣＡＤデータの入力から処理までに相当の時間がかかり、多数の冷却孔を形成するために数日間にも及ぶ長時間がかかるという問題があった。
【００１２】
この発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、タービンブレード単体のＣＡＤデータ上に多数の冷却孔の画像を短時間に能率良く形成することができる画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術が有する課題を解決するため、この発明の請求項１記載の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法は、予め定めた３次元座標に基づくガスタービンブレード単体のＣＡＤデータを収納しておく一方、前記ガスタービンブレード単体に形成すべき冷却孔をモデル化しこのモデル化した冷却孔で前記ガスタービンブレード単体に形成すべき個々のＣＡＤデータを入力し、これらのモデル化した冷却孔の個々のＣＡＤデータからモデル化した冷却孔全てを集合した冷却孔集合体のＣＡＤデータを形成した後、前記ガスタービンブレード単体のＣＡＤデータとこのモデル化した冷却孔集合体のＣＡＤデータとを合成し、次いでガスタービンブレード単体の形状より外側の余分な部分の冷却孔集合体のＣＡＤデータを取り除くようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
すなわち、この画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法によれば、ガスタービンブレードに形成する多数の冷却孔に共通する冷却孔のモデルを用い、このモデル化した全ての冷却孔の個々のＣＡＤデータを入力し、この全ての冷却孔の個々のＣＡＤデータから冷却孔集合体のＣＡＤデータを作成し、冷却孔集合体のＣＡＤデータをガスタービンブレードのＣＡＤデータに合成し、モデル化した冷却孔と実際の冷却孔との相違分に相当するガスタービンブレードの形状より外側の余分な部分の冷却孔集合体のＣＡＤデータを削除するようにしており、冷却孔の形成途中のＣＡＤデータの増大を最少にして短時間に多数の冷却孔を形成できるようにしている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１および図２はこの発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態にかかるフローチャート及び工程図である。
【００１６】
この画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法では、コンピュータによる画像処理（コンピュータグラフィックス）のため、図５で説明したタービンブレード１及び冷却孔２のＣＡＤデータを作成するための基準となる３次元座標を定める。
【００１７】
（１）基準となる３次元座標
この３次元座標としては、例えば図３（ａ）に示すように、プラットホーム上の位置決め基準点を座標の原点Ｏとし、この原点Ｏを通りエンジンの中心線に平行な方向をＸ軸に、翼断面の積重線に平行な半径方向の基準線を用い、原点Ｏを通り半径方向の基準線に平行にＺ軸に、さらに、これらＸ軸及びＺ軸に直角な方向をＹ軸にそれぞれ定める。そして、これらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の正の方向は次のように定める。
【００１８】
Ｘ軸；エンジンの前方から後方に向かう方向を正の方向。
Ｙ軸；Ｘ軸、Ｚ軸に直角に左手系で指先の方向を正の方向。
Ｚ軸；エンジン中心から離れる方向を正の方向。
【００１９】
（２）このＸ−Ｙ−Ｚ座標を基準にしてタービンブレード１単体のＣＡＤデータをコンピュータに入力して収納する（図１（１）参照）。
【００２０】
（３）次に、冷却孔をモデル化する（図１（２）参照）。
【００２１】
この冷却孔のモデル化は、タービンブレード１に形成すべき冷却孔２の配置等にかかわらず全ての冷却孔２に共通した形状とされるもので、例えば図４に示すように、冷却孔がディフューザ３つきの冷却孔部４で構成される場合には、ディフューザ３が末広がりがある３面３ａ，３ｂ，３ｃと末広がりのない１面３ｄとをもって構成され、このディフューザ３に円形断面の冷却孔部４が連続して構成されるモデルを考える。
【００２２】
この冷却孔のモデルでは、タービンブレードのどの位置に配置しても内壁と外壁の間に位置させることができ、他方の内壁や外壁と干渉しないようにしてあり、ディフューザ３の外側部分や冷却孔部４の外側部分はタービンブレード１の翼断面上に配置した状態では、余分となる部分を有するものとなっている（図４（ｄ）参照）。
【００２３】
そして、例えば、冷却孔がディフューザ３つきの冷却孔部４で構成される場合は、そのディフューザ３と冷却孔部４との境界面を中心にしてそれぞれの長さが５mmとされ、冷却孔部４の孔径が冷却孔の個々の入力データで支持された大きさとされるとともに、末広がり部分の角度をそれぞれ１０度としたモデルを用いる。
【００２４】
（１）冷却孔のＣＡＤデータの入力に必要な方向を決める角度（図３ （ｂ） 参照）図３（ｂ）において、タービンブレード１上の冷却孔２の中心線ＬをＸ−Ｙ−Ｚ座標のＸ−Ｙ平面に投影して出来た線Ｌ1 とＸ軸とのなす角度を角度Ａとする。そして、この角度Ａは線Ｌ1 が原点Ｏを通るＸ軸の正方向と一致するときが０度で、Ｚ軸の正方向から原点Ｏを見て反時計方向を正方向とし、０〜３６０度の範囲で変化する。
【００２５】
また、Ｘ−Ｙ−Ｚ座標をＺ軸回りに上記角度Ａだけ回転した座標をＸ´−Ｙ´−Ｚ座標を定め、冷却孔２の中心線ＬをＸ´−Ｚ平面に投影して出来た線Ｌ2 とＺ軸のなす角度を角度Ｂとする。そして、この角度Ｂは線Ｌ2 が原点Ｏを通るＺ軸の正方向と一致するときが０度で、Ｙ´軸の正方向から原点Ｏを見て反時計方向を正方向とし、０〜３６０度の範囲で変化する。
【００２６】
さらに、冷却孔２が丸孔以外の形状とする場合にのみ必要となる角度であり、Ｘ´−Ｙ´−Ｚ座標をＹ´軸回りに上記角度Ｂだけ回転した座標をＸ´´−Ｙ´´−Ｚ´´座標を定め、Ｘ´´−Ｙ´´平面上でＹ´´軸と冷却孔の形状方向を定義するベクトルとのなす角を角度Ｃとする。
【００２７】
たとえば、図４に示すようなディフューザ３つきの冷却孔部４を備える冷却孔の場合には、ディフューザ３が末広がりがある３面３ａ，３ｂ，３ｃと末広がりのない１面３ｄとをもって構成されているが、この末広がりのない１面３ｄに直角なベクトルがＹ´´軸となす角を角度Ｃとする。なお、この角度Ｃについても０〜３６０度の範囲で変化する。
【００２８】
また、ディフューザ３つきの冷却孔部４の場合には、ディフューザ３の大きさを示す必要があり、深さＤを用いるが、この深さＤは理想的な翼面形状と冷却孔部４の中心線との交点からディフューザ３の始まり（ディフューザと冷却孔の境界面）間での冷却孔部４の中心線上での距離で定義される（図４（ｄ）参照）。
【００２９】
（２）個々の冷却孔のＣＡＤデータの入力（図１（３）参照）。
【００３０】
以上のようにして冷却孔を表すための座標系と冷却孔のモデルが定義されることから、個々の冷却孔のＣＡＤデータとして次の値が用いられる。
【００３１】
孔位置を表すための翼外面の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、孔方向を表す角度（Ａ，Ｂ，Ｃ）、孔の直径、翼内面の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）及びディフューザの深さＤを定めることで個々の冷却孔をコンピュータグラフィックスを利用して表すことができる。
【００３２】
そこで、タービンブレードに形成すべき冷却孔の全てについて、それぞれ上記のＣＡＤデータが用意され、たとえばフロッピディスク等に記憶させたものから全ての冷却孔のＣＡＤデータを読み込ませてコンピュータに入力する。
【００３３】
（３）こうしてコンピュータに入力された全ての冷却孔のＣＡＤデータから、全ての冷却孔のみをモデル化した状態で画像とした冷却孔集合体５が作られる（図１（４）および図２（ｂ）参照）。
【００３４】
このモデル化した状態で冷却孔集合体５を作成する場合には、個々の冷却孔のＣＡＤデータのうちから冷却孔の翼外面の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と翼内面の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いその中間点の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求め、この中間点にモデル化した冷却孔のディフューザ３と冷却孔部４との境界面での冷却孔部４の中心が位置するように配置するとともに孔径のデータに基づき冷却孔部４の大きさを定めることで作られる。
【００３５】
（４）タービンブレード１単体の画像と冷却孔集合体５の画像を合成する（図１（５）参照）。
【００３６】
冷却孔集合体５のＣＡＤデータと予め収納してあるタービンブレード１単体のＣＡＤデータを同一画像上で合成すると、図２（ｃ）に示すように、タービンブレード１単体上に冷却孔集合体５が重ねられて表示される。このようなＣＡＤデータの合成は、これらタービンブレード１単体のＣＡＤデータも冷却孔集合体５のＣＡＤデータも既に説明した共通の３次元座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に基づいてデータが作成されているので、簡単に合成することができる。
【００３７】
こうしてタービンブレード１と冷却孔集合体が合成された画像では、モデル化した冷却孔をタービンブレードの所定の位置に配置したものであることから、各冷却孔の両端部が翼外面および翼内面から外側に突き出た状態となっている。
【００３８】
（５）タービンブレード外側の冷却孔部分の除去（図１（６）参照）
タービンブレード１と冷却孔集合体５の合成された画像上からそれぞれの冷却孔部４の個々のＣＡＤデータとして入力されている翼外面の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および翼内面の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とタービンブレードのＣＡＤデータから冷却孔部４の両端部を翼の外面および内面の形状に合わせて取り除くデータ処理を行う。
【００３９】
すると、モデル化した冷却孔の両端のタービンブレードの外側（翼外面の外側及び翼内面の外側のいずれも含む意）の余分な部分が取り除かれ、形成すべき冷却孔の形状になる（図２（ｄ）参照）。
【００４０】
（６）このようにして、冷却孔付きのタービンブレードの画像を得ることができる（図１（７）参照）。
【００４１】
こうして得られる冷却孔付きのタービンブレードは、例えば図５に示すようになり、冷却設計などのシミュレーションに用いられる。
【００４２】
以上のように、この画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法によれば、多数の冷却孔を１つの冷却孔にモデル化し、モデル化した冷却孔をその位置データに基づきタービンブレートのＣＡＤデータとは別に冷却孔集合体のＣＡＤデータに合成するようにしており、短時間に冷却孔集合体のＣＡＤデータを作ることができる。
【００４３】
そして、この冷却孔集合体のＣＡＤデータとタービンブレードのＣＡＤデータを合成するので、冷却孔のＣＡＤデータを１つずつタービンブレードのＣＡＤデータと合成することを繰り返す場合に比べて、この場合の合成も短時間にできる。さらに、タービンブレードとモデル化した冷却孔集合体のＣＡＤデータから余分な部分を削除することで、簡単に冷却孔付きのタービンブレードを得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上、実施の形態とともに具体的に説明したようにこの発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法によれば、ガスタービンブレードに形成する多数の冷却孔に共通する冷却孔のモデルを用い、このモデル化した全ての冷却孔の個々のＣＡＤデータを入力し、この全ての冷却孔の個々のＣＡＤデータから冷却孔集合体のＣＡＤデータを作成し、冷却孔集合体のＣＡＤデータをガスタービンブレードのＣＡＤデータに合成し、モデル化した冷却孔と実際の冷却孔との相違分に相当するガスタービンブレードの形状より外側の余分な部分の冷却孔集合体のＣＡＤデータを削除するようにしたので、冷却孔の形成途中のＣＡＤデータの増大を最少にして短時間に多数の冷却孔を形成した冷却孔付きのタービンブレードを得ることができる。
【００４５】
特に、冷却孔の個数が数百個にも及ぶ場合でも、従来の１つずつ冷却孔を形成していく場合に比べ、大幅に冷却孔付きのタービンブレードの製作時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態にかかるフローチャートである。
【図２】この発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態にかかる工程図である。
【図３】この発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態における基準となる座標の説明図である。
【図４】この発明の画像処理によるガスタービンブレードへの冷却孔の形成方法の一実施の形態における冷却孔のモデルの斜視図、左側面図、正面図、平面図である。
【図５】この発明の適用対象となる冷却孔付きのガスタービンブレードの一例にかかる斜視図である。
【符号の説明】
１  ガスタービンブレード（単体）
２  冷却孔
３  ディフューザ
４  冷却孔部
５  冷却孔集合体
【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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