(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン用の動翼（１０）の付け根から先端まで前記動翼に沿って延び且つ軸線を有する予め形成された細長い冷却通路（１６）の内部表面の周りに、前記軸線にほぼ直交して軸線に向かって延び且つ軸線方向に間隔を置いて配置された持上がった突起部の列（３０）及びその間の溝部（２９）を円周方向に形成する方法であって、
（ａ）少なくとも１つのギャップ（２６）により中断された、軸線方向に間隔を置いて配置され円周方向に延びる列（２２）に配列されている電気絶縁材料（２０）を有する電極（１８）であって、該電極の外側表面の周りに、前記冷却通路（１６）の内部表面周りの前記突起部及び前記溝部の意図された位置にそれぞれほぼ対向して絶縁及び非絶縁部分を形成した電極を、前記冷却通路（１６）内に配置する段階と、
（ｂ）前記電極と前記動翼（１０）の前記冷却通路（１６）の前記内部表面との間に電解液（３２）を流す段階と、
（ｃ）前記電極と前記動翼（１０）との間に電流を流し、軸線から離れる方向に延びて突起部（３０）に凹所を形成するギャップ（２８）により円周方向に中断され軸線方向に間隔を置いて配置された前記突起部（３０）及び前記溝部（２９）の列を、前記冷却通路（１６）の前記内部表面に沿って形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記段階（ａ）に先立ち、前記動翼（１０）内に前記冷却通路（１６）を穿孔し、前記電極を前記予め穿孔された冷却通路（１６）内に配置する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
被加工物内の長い孔の内部表面の周りに、中断された持上がった突起部及びその間の溝部を円周方向に形成するための電極（１８）であって、長い軸線を有し誘電材料（２０）でコーティングされた細長い中実の電極本体（１９）を含み、前記コーティングは前記軸線にほぼ直交した平面内で前記本体の周りに円周方向に延びる、複数の軸線方向に間隔を置いて配置された列（２２）を有するパターンとされ、前記列の各々は前記列に沿って予め定められた円周方向の位置に少なくとも１つのギャップ（２６）を有し、絶縁材料の前記列の間及び前記ギャップ位置の前記電極本体の表面領域部分（２４、２６）は、前記孔に前記電極本体（１９）を挿入し、前記電極本体と前記被加工物との間に電流を供給したときに、電解液（３２）との電気的接触に曝される、
ことを特徴とする電極。
【請求項４】
タービン用の動翼（１０）であって、ほぼ前記動翼の付け根から前記動翼の先端まで前記動翼に沿って延びそして軸線を有する少なくとも１つの全体的に細長い冷却通路（１６）を有し、該冷却通路（１６）は、前記軸線にほぼ直交し前記軸線に向かって延びる、軸線方向に間隔を置いて配置された持上がった突起部の列（３０）を備える円周状の内部表面を有し、前記突起部の各々はほぼ前記軸線から離れる方向に延びる凹所を形成するギャップ（２８）により中断されており、
前記ギャップは、隣接する列のギャップと軸線方向に心ずれしている
ことを特徴とする動翼。
【請求項５】
タービン用の動翼（１０）であって、ほぼ前記動翼の付け根から前記動翼の先端まで前記動翼に沿って延びそして軸線を有する少なくとも１つの全体的に細長い冷却通路（１６）を有し、該冷却通路（１６）は、前記軸線にほぼ直交し前記軸線に向かって延びる、軸線方向に間隔を置いて配置された持上がった突起部の列（３０）を備える円周状の内部表面を有し、前記突起部の各々はほぼ前記軸線から離れる方向に延びる凹所を形成するギャップ（２８）により中断されており、
前記列のそれぞれが、周方向に離間する２つのギャップを備え、該２つのギャップは隣接する列のギャップと軸線方向に心ずれしている
ことを特徴とする動翼。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連する特許出願）
本出願は、同一出願人の、「電解加工のための方法及びツール」の名称の米国出願番号第６０／１４９，６１６号、「電解加工のための方法及びツール」の名称の米国出願番号第６０／１４９，６１８号、「電解加工のための方法及びツール」の名称の米国出願番号第６０／１４９，６１７号、「電解加工のための方法及びツール」の名称の米国特許番号第６，２００，４３９号、「電解加工において用いられるツールを製作するための方法」の名称の米国出願番号第０９／１８７，６６４号及び「電解加工のための方法及びツール」の名称の米国出願番号第６０／１４９，６１９号に関連するものであり、それらの主題は、参考文献として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン動翼の冷却通路の内部表面を電解加工するために用いる電極、そのための方法及び加工された内部表面を有するタービン動翼に関する。
【０００３】
【従来技術】
シェイプドチューブ電解加工（ＳＴＥＭ）として知られる電解加工は、導電性材料に、小さく深い孔を穿孔するために用いられる。ＳＴＥＭは、３００：１のような高いアスペクト比を有する孔を形成するための、非接触の電解穿孔加工方法である。アスペクト比は、ある種の特定の適用においては数ミリメートルであるような孔の最大横方向寸法例えば直径に対する、孔の長さあるいは深さの比率である。ＳＴＥＭは、例えばガスタービンにおける動翼のための冷却通路として用いられる深い孔を形成するために用いられる。
【０００４】
ガスタービンの効率は、高温ガス流路に沿って流れタービンブレードを駆動するタービンガスの温度に直接比例する。ガスタービンは、通常、２７００゜Ｆ（１５００℃）のオーダの作動温度を持つ。このような高温に耐えるために、動翼は上級の材料で製作され、そして通常、動翼を冷却するための冷却媒体を流す平滑な穴の冷却通路を備える。冷却媒体は、通常は、圧縮機からの吐出空気である。通路はまた、通常、動翼の付け根から先端まで延びている。平滑な通路が利用されている一方、多くのガスタービン動翼においては、内部の熱伝達係数を増大させるために、渦流促進器、例えばタービュレータが用いられている。これによる熱伝達の増加は、同じ流量について、平滑な穴の通路に比べて２．５倍にも高くなり得る。タービュレータは、通常は冷却通路の内部表面に沿った、内部隆起又は粗くされた表面を備え、典型的には、冷却通路の内側にセラミック芯を用いて鋳造される。しかしながら、多くの現在用いられているタービンにおいては、動翼の多くは鋳造工程によって形成された、平滑な内部壁表面を備えた内部冷却通路を有し、従って、別にタービュレータを用いない限り、増大された冷却効果は得られない。
【０００５】
上記で特定され、本明細書に参考文献として組み込まれている上記で特定した出願に記載されているＳＴＥＭ技術は、電極表面上に、あるパターンで施された絶縁誘電材料又はコーティングを有する電極を用いており、この電極は、電解液及び、電極と被加工物（動翼）との間への電流の供給と組み合わされて、冷却通路壁の隣接部分から、金属を移動即ち溶解させ、内部表面に沿った突起部及び溝部を形成する。すなわち、予め形成された孔内に挿入されたとき電極の絶縁部分に直接隣接している冷却通路の内部表面の金属部分は電解除去されず、一方、電極の非絶縁部分に直接隣接している冷却通路の内部表面の金属部分は電解除去されて冷却通路の内部表面に溝部が形成され、その間に突起部が形成される。前述の出願のいくつかは、内部壁表面に沿って突起部及び溝部を形成するための電解加工方法に関するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、改良された、タービン動翼の冷却通路の内部表面を電解加工するために用いる電極、そのための方法及び加工された内部表面を有するタービン動翼を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態によると、冷却通路の内部壁表面に沿った軸線方向に間隔を置いて配置され、各列内にギャップを備えた突起部の列、即ちタービュレータを形成し、増大された熱伝達特性即ち増大された内部熱伝達係数を有する動翼内の冷却通路を形成するための電解加工方法が開示される。前記のことを達成するために、本発明は、その全外部表面の周りに絶縁誘電コーティングを有する電極を準備する。電極上のコーティングの一部は、所望のタービュレータのパターンを形成するために除去される。すなわち、電極の残存した絶縁部分は、動翼の冷却通路の内部壁表面に沿って形成される突起部の位置に対応することになる。電極の非絶縁部分は、冷却通路の内部表面に沿って形成される溝部及びギャップの位置に対応する。例えば、電極の絶縁部分は電極の長さに沿った軸線方向（動翼の半径方向に対応）に、０．１００インチ（２．５４mm）離れた間隔で配置され、０．０１０インチ（０．２５４mm）のオーダの幅を有することができる。予め形成（予め穿孔または鋳造）された冷却通路にパターンを付けた電極を挿入し、電解液を循環させることにより、電極と加工物（動翼）の間に電流を供給すると、電極の非絶縁部分に隣接した冷却通路の内部壁表面に沿って材料を電解除去し、通路内に溝部あるいはギャップを形成する。電極の絶縁部分に隣接する冷却通路の内部壁表面の材料は除去されず、従って孔の軸線に向かって延びる突起部が形成される。
【０００８】
前述のタービュレータのパターンの特別な利点は、電極が比較的容易に製作できることである。さらに、冷却通路の内部表面に沿った、得られたタービュレータのパターンは、大きく増強された熱伝達特性を有する。具体的には、タービン作動中に動翼の付け根から動翼の先端に向かう冷却媒体の半径方向流れは、動翼の回転と相互作用し、コリオリ効果を生じて前面（負圧側面）から後面（正圧側面）に向かって冷却媒体を流す。この二次流れと半径方向流れとの組合わせが、冷却通路内に併合流れ領域を形成して、増強された熱伝達特性をもたらす。半径方向流れはタービュレータ及び中断部すなわちギャップから渦を放散させ、また二次流れは渦を通路壁周辺に循環させて、表面熱伝達係数を増大させる。
【０００９】
本発明による好ましい実施形態において、被加工物内の予め形成された細長い孔の内部表面の周りに、中断された持上がった突起部及びその間の溝部を円周方向に形成する方法であって、（ａ）少なくとも１つのギャップにより中断された、軸線方向に間隔を置いて配置され円周方向に延びる列に配列されている電気絶縁材料を有する電極であって、該電極の外側表面の周りに、孔の内部表面周りの突起部及び溝部の意図された位置にそれぞれほぼ対向して絶縁及び非絶縁部分を形成した電極を、孔内に配置する段階と、（ｂ）電極と被加工物の孔の内部表面との間に電解液を流す段階と、（ｃ）電極と被加工物との間に電流を流し、円周方向に中断され軸線方向に間隔を置いて配置された突起部及び溝部の列を、孔の内部表面に沿って形成する段階とを含む方法が提供される。
【００１０】
本発明の別の好ましい実施形態においては、被加工物内の長い孔の内部表面の周りに、中断された持上がった突起部及びその間の溝部を円周方向に形成するための電極であって、長い軸線を有し誘電材料でコーティングされた細長い電極本体を含み、コーティングは軸線にほぼ直交した平面内で本体の周りに円周方向に延びる、複数の軸線方向に間隔を置いて配置された列を有するパターンとされ、列の各々は列に沿って予め定められた円周方向の位置に少なくとも１つのギャップを有し、絶縁材料の該列の間及びギャップ位置の電極本体の表面領域部分は、孔に電極本体を挿入し、電極本体と被加工物との間に電流を供給したときに、電解液との電気的接触に曝される電極が提供される。
【００１１】
本発明によるさらに別の好ましい実施形態においては、タービン用の動翼であって、ほぼ動翼の付け根から動翼の先端まで動翼に沿って延びそして軸線を有する少なくとも１つの全体的に細長い冷却通路を有し、冷却通路は、軸線にほぼ直交し軸線に向かって延びる、軸線方向に間隔を置いて配置された持上がった突起部の列を備える円周状の内部表面を有し、突起部の各々はほぼ軸線から離れる方向に延びる凹所を形成するギャップにより中断されている動翼が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図面特に図１には、全体を１０で表したタービン動翼が示されており、タービン動翼１０は、負圧側面１２、正圧側面１４及び動翼の付け根からその先端まで延びる複数の冷却通路１６を有する。一般的に、圧縮機の吐出空気が、冷却通路１６を通って流され動翼を冷却する。冷却通路１６は、動翼が鋳造されるときに形成され、通常は、平滑な穴すなわち平滑な内部壁表面を有している。本発明は、前もって鋳造された平滑な穴の冷却通路を改修して増強された熱伝達特性を与える、すなわち通路内にタービュレータを設けるための方法及び電極を提供するものであり、同時に本来の装備動翼の一部として渦流発生通路を形成する方法も提供する。
【００１３】
図２及び図３には、予め形成された、すなわち予め鋳造された又は予め穿孔された孔１６内に配置された電極１８を用いる本発明による電解加工方法により形成された、冷却通路１６を示す。好ましくは、電極１８は、誘電性すなわち電気絶縁性コーティング２０が外部表面に沿って形成された、中空の筒状金属チューブからなる本体１９で構成することができる。図示するように、誘電性コーティング２０は、冷却通路１６の軸線方向において互いに軸線方向に間隔を置いて配置される列のパターンで配列される（冷却通路１６は通常タービン動翼に沿って半径方向に延びているが、冷却通路自身を説明する目的から、「軸線方向」あるいは「軸線方向に」の用語は、冷却通路の長さ方向を示すために用いられる）。誘電材料２０の列２２を形成するために、電極１８は、表面が電極の管状外部表面である図示する構成で、その周囲表面の周りに、最初全体にコーティングされる。次いでコーティングは、例えばレーザアブレーションによって除去され、誘電絶縁部分すなわち列２２と、非絶縁部分、すなわち誘電材料の列２２の間の部分２４、とのパターンが形成される。ギャップ２６もまた絶縁材料の列２２内に設けられ、このギャップ２６は列２２を中断する。従って、部分２４及びギャップ２６は非絶縁電極部分を構成し、この部分は、電極１８及び冷却通路の壁１６の間を流れる電解液と、電極１８及び動翼１０の間の電流の供給とに協働して、これらの露出した非絶縁金属部分に直接隣接した内部壁表面に沿って金属を除去し、内部壁表面に沿った突起部３０の間の溝部２９を形成する。ギャップ２６は絶縁材料のパターン内に形成され、材料の除去により形成される隆起部又は突起部３０内の凹所又はギャップ２８をもたらすが、このギャップ２８は列ごとに少なくとも２つのギャップがあるのが好ましい。例えば、図５に示すように、電極の列２２の絶縁材料内のギャップ２６は、冷却通路のタービュレータを形成する列３０に沿ったギャップ２８を形成する。
【００１４】
より具体的には、突起部３０、ギャップ２８及び溝部２９がその中に形成されるべき通路の内部壁表面に絶縁及び非絶縁部分を横方向に整合させた状態で、電極１８を予め形成された孔１６内に配置し、電解液３２を、矢印３４で示すように、電極１８の本体を通して流し、電極と内部壁表面の間から還流するように循環させる。若しくは、電極１８が中実であって、電解液の流れが通路の一端の近くで始まり通路１６の反対側の端部に向かって流れ通路１６の反対側の端部から出るようにすることもできる。その結果として、電解液は通路１６の内部壁表面と金属電極１８の非絶縁及び絶縁部分との間を流れる。電極１８と被加工物すなわち動翼１０との間に電流を供給したとき、電気絶縁部分２０では電極１８から通路１６の内部壁表面への電流が阻止され、そのため隣接する表面の金属は除去されない。しかしながら、電極１８の非絶縁部分２４及び２６から流れる電流は、それらの非絶縁部分に直接隣接する冷却通路の内部壁表面に沿って金属材料を溶解する。その結果、また図５を参照すれば、突起部３０が孔１６の軸線に向かって内向きに延びており、この突起部３０は、絶縁部分２２に隣接し、電極から電解液を通して被加工物に流れる電流により除去されなかった材料からなるものである。軸線方向に間隔を置いて配置された突起部３０の間に形成される溝部２９及び突起部を中断するギャップ２８は、当然、電極から電解液を通して被加工物に流れる電流による、内部壁表面の金属の除去または溶解により形成される。従って、冷却通路１６の内部壁表面上のパターンは、電極１８上の誘電材料の絶縁及び非絶縁部分の鏡像であることが分かるであろう。
【００１５】
図５を検討すれば、隣接する列３０のギャップ２８は互いに軸線方向に心ずれするのが好ましいことが分かるであろう。しかしながら、所望に応じ、ギャップ２８を互いに軸線方向に位置合わせすることもできる。また図２及び図３から、絶縁材料の列２２の各々には少なくとも２つのギャップ２６があり、従って突起部３０の列内に少なくとも２つの対応するギャップが形成されることが分かるであろう。所望に応じ、さらに多くのギャップ２８を設けてもよい。ギャップ及び突起部の組合わせは、タービン軸の周りに動翼が回転するとき、冷却通路内に望ましい併合流れ領域を形成する。タービン作動中、動翼の付け根から動翼先端に向かう半径方向流れは、動翼の回転と相互作用してコリオリ効果を生じ、前面（負圧側面）から後面（正圧側面）に向かって、図６の矢印で示すような流れのパターンで冷却媒体を流す。半径方向流れは、突起部３０及び中断部すなわちギャップ２８から渦を放散させ、また二次流れが通路壁周辺に渦を循環させて、表面熱伝達係数を増大させる。
【００１６】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関連させて説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、反対に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる様々な変形形態及び等価構成を保護することを意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  動翼を貫通してほぼ半径方向に延びる冷却流通路を示すタービンの動翼形状の概略図。
【図２】  図４の線２−２に沿って見た、タービュレータを形成するために冷却通路内に電極が配置された状態の、動翼の冷却通路の断面図。
【図３】  図４の線３−３に沿って見た、タービュレータを形成するために冷却通路内に電極が配置された状態の、動翼の冷却通路の断面図。
【図４】  冷却通路内の電極を示す平面図。
【図５】  本発明により形成されたタービュレータを備える冷却通路の半分を示す拡大断面図。
【図６】  本発明により製作されたタービュレータを備える冷却通路内の流れパターンを示す図。
【符号の説明】
１６  冷却通路
１８  電極
１９  電極本体
２２  絶縁材料の列
２４  非絶縁部分
２６  ギャップ
２９  溝部
３０  突起部
３２  電解液
【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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