(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィルム冷却がなされるガスタービン部材に、このガスタービン部材の表面に冷却用気体を供給するためのシェイプド穴部をレーザ光によって形成する工程を含むガスタービン部材の製造方法であって、
前記レーザ光によって形成されるレーザスポットの中心に位置する光軸を、前記レーザスポットの直径よりも小さい直径を有する円の円周に沿って回転運動させつつ前記シェイプド穴部を形成することを特徴とするガスタービン部材の製造方法。
【請求項２】
前記光軸を回転運動させて穴加工を行った後、前記レーザスポットが移動する領域を囲む円の中心が、次の前記レーザスポットが移動する領域を囲む円の外周に位置するように前記光軸の回転運動の中心を移動させて、さらに前記光軸を前記レーザスポットの直径よりも小さい直径を有する別の円の円周に沿って回転運動させつつ穴加工を行うことを繰り返すことにより、シェイプド穴部を形成する請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記ガスタービン部材を移動させることにより、前記レーザスポットが焦点からずれている状態で前記レーザ光を前記ガスタービン部材に照射して、前記シェイプド穴部を形成する請求項１または請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記レーザ光によるシェイプド穴部を形成した後に、このシェイプド穴部に連続していて直線状のストレート穴部を、前記レーザ光の光軸を前記レーザスポットの直径よりも小さい直径を有する円の円周に沿って回転運動させつつ形成する工程をさらに含む請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記ガスタービン部材に直線状のストレート穴部を形成して該ストレート穴部にレーザ光遮蔽材料または該レーザ光遮蔽材料からなるレーザ光遮蔽部材を配置した後、シェイプド穴部を形成する請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シェイプド穴部から冷却用気体を供給して表面がフィルム冷却されるガスタービン部材、例えば静翼、動翼またはライナーシュラウド等の製造方法に関するものであり、特に、このシェイプド穴部の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンの燃焼温度は通常は約１１００℃であって、１３００℃を越える場合があるので、ガスタービン部材、例えば静翼、動翼またはライナーシュラウド等が高温に曝される。従って、これらガスタービン部材には、例えばニッケル基耐熱合金等の耐熱性に優れた金属材料が用いられると共に、フィルム冷却がなされている。フィルム冷却とは、ガスタービン部材の表面に形成された多数の冷却穴から冷却用気体（通常は空気）を供給し、冷却用気体をガスタービン部材の表面に沿って流して薄い低温気流層（いわゆる冷却フィルム）を形成することにより、ガスタービン部材を冷却する冷却方式である。フィルム冷却によって、高温ガスからガスタービン部材への熱の移動が抑制される。
【０００３】
冷却穴は、ガスタービン部材の内部に位置するストレート穴部と、このストレート穴部に連続していてガスタービン部材の表面に開口するシェイプド穴部とから構成されている。シェイプド穴部は、ガスタービン部材の内側から表面に向かって徐々に内寸が大きくなっている。また、シェイプド穴部は、冷却用気体の流れ方向の内寸よりもこれと直交方向の内寸の方が大きくなっている。従って、シェイプド穴部の開口部は例えば長円形状であり、この場合、開口部の長手方向の断面形状は略すり鉢状である。シェイプド穴部がこのような形状とされることにより、冷却穴の下流域で冷却用気体が広がり、冷却フィルムを容易に形成できるようになる。
【０００４】
シェイプド穴部のような形状の穴を金属材料の表面に形成する方法として、放電加工がよく知られている。しかし、例えば静翼の表面には、静翼の耐熱性向上を目的として、ＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3等のセラミックスからなるコーティング層（いわゆるサーマルバリアコーティング）が設けられるのが通例であり、このコーティング層には通電性はないので、放電加工によるシェイプド穴部の形成は不可能である。従って、シェイプド穴部の形成はレーザ光照射によって行われるのが一般的である（例えば特開平１０−８５９７７号公報等参照）。
【０００５】
ところで、シェイプド穴部の開口部の寸法は機種や形成箇所によって異なるが、通常は長さが約３ｍｍで、幅が約０．８ｍｍである。一方、レーザ光照射によってガスタービン部材の表面に形成されるレーザスポットの直径は約０．３ｍｍから約０．４ｍｍであり、開口部の寸法よりもかなり小さい。従って、例えば特開平１０−６０５９号公報に開示されているように、シェイプド穴部を形成するために、ガスタービン部材の表面に対して斜め方向から多数回にわたってレーザ光を照射する加工法が開示されている。
【０００６】
図６は、従来のシェイプド穴部形成方法を説明するための平面図である。図６では、長円状の開口部５１が示されている。また、図６に示される多数の円５３は光軸を中心として形成されるレーザスポット（レーザ光が当たる領域）である。レーザ光はガスタービン部材の表面に対して斜め方向から照射されるので、レーザスポットは本来楕円形状であるが、図６では、便宜的に円形とされている。図６からも明らかなように、シェイプド穴部の形成には、多数回（多い場合には３０回以上）にわたってレーザ光を照射する必要がある。
【０００７】
特開平１０−６０５９号公報に開示されているように、ガスタービン部材を移動させることによりレーザ光のレーザスポットが焦点からずれている状態において、レーザ光をガスタービン部材に照射する場合には、レーザスポットの直径が大きくなるため照射回数を低減できる。しかしながら、位置ズレが大きくなるとレーザ光エネルギが分散して加工が困難になるので、レーザスポットの大径化（すなわち照射回数の低減）が制限される。例えば、前述の特開平１０−６０５９号公報に開示されているように、レーザスポットの直径が０．６ｍｍとされた場合でも、十数回のレーザ光照射作用が必要である。レーザ光の照射作用においてはレーザ光発射機とガスタービン部材との相対位置を調節して光軸の位置を決定する位置合わせ作業が必要であるが、照射回数が多い場合にはこの位置合わせ作業を頻繁に行う必要があり、ガスタービン部材の製造に手間がかかるという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、工程が簡略化され、従って製造コストが低減されうるガスタービン部材の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
フィルム冷却がなされるガスタービン部材に、このガスタービン部材の表面に冷却用気体を供給するためのシェイプド穴部をレーザ光によって形成する工程を含むガスタービン部材の製造方法であって、
前記レーザ光によって形成されるレーザスポットの中心に位置する光軸を、前記レーザスポットの直径よりも小さい直径を有する円の円周に沿って回転運動させつつ前記シェイプド穴部を形成することを特徴とするガスタービン部材の製造方法が提供される。
【００１０】
この製造方法においては、レーザ光の光軸を、レーザスポットの直径よりも小さい直径を有する円の円周に沿って回転運動させつつレーザ光の照射を行うので、一回の照射作用によって広領域を加工することができる。従って、加工時間が短縮され、ガスタービン部材の製造コストを低減できる。
【００１１】
好ましくは、位置合わせされた光軸を回転運動させて穴加工を行った後、レーザスポットが移動する領域を囲む円の中心が、次のレーザスポットが移動する領域を囲む円の外周に位置するように光軸の回転運動中心を移動させて別の箇所に位置合わせを行い、さらにこの光軸をレーザスポットの直径よりも小さい直径を有する別の円の円周に沿って回転運動させつつ穴加工を行うことを繰り返す。これにより、照射回数および位置合わせ回数が低減し、ガスタービン部材の製造工程を簡略化できる。
【００１２】
好ましくは、前記ガスタービン部材を移動させることにより、前記レーザ光のレーザスポットが焦点からずれている状態でレーザ光をガスタービン部材に照射して、シェイプド穴部を形成する。これにより、レーザスポットが大きくなり、照射回数および位置合わせ回数をさらに低減できる。
【００１３】
シェイプド穴部とストレート穴部とのいずれを先に形成してもよいが、まずシェイプド穴部を形成した後に、ストレート穴部を、レーザ光の光軸をレーザスポットの直径よりも小さい直径を有する円の円周に沿って回転運動させつつ形成するのが好ましい。これにより、シェイプド穴部とストレート穴部とを連続的に加工できる。
【００１４】
ストレート穴部を先に形成する場合には、形成されたストレート穴部にレーザ光遮蔽物質を配置してから、シェイプド穴部を形成するのが好ましい。レーザ光遮蔽物質により、シェイプド穴部形成時にレーザ光がストレート穴部の壁面を損傷させるのを防止できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一つの実施形態にかかるガスタービン部材の製造方法の様子を示す斜視図である。図１では、ガスタービン部材である静翼１が、シュラウド３と共に示されている。図１において符号５で示されているのは、レーザ光発射機のヘッド（レーザヘッド）である。レーザ光７がレーザヘッド５から発射されていて、このレーザ光７は静翼１の表面に照射されている。この照射作用により、後述される冷却穴のシェイプド穴部が形成される。図１では、既に形成された多数のシェイプド穴部の開口部９が示されている。静翼１はニッケル基耐熱合金からなり、表面にはサーマルバリアコーティングが施されている。
【００１７】
図２（ａ）は図１の製造方法によって形成された冷却穴１１を示す拡大平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。この冷却穴１１は、シェイプド穴部１３とストレート穴部１５とを備えている。冷却用気体は、図２（ｂ）において上下方向に流れる。
【００１８】
静翼１の表面に開口しているシェイプド穴部１３は、このシェイプド穴部１３の開口部９が長円形状（陸上競技のトラックに類似の形状）であるように整形されている。すなわち、開口部９の長さ（図２（ａ）における左右方向の寸法）は、開口部９の幅（図２（ａ）における上下方向の寸法）よりも大きい。開口部９が長円形状とされることにより、冷却用気体が開口部９の下流域に広がって、冷却フィルム（冷却用気体の層流領域）を容易に形成できるようになる。
【００１９】
図２（ｂ）に示されるように、図２（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿ってみたシェイプド穴部１３の断面形状は略すり鉢状である。すなわち、シェイプド穴部１３は、開口部９から静翼１の内部に向かって徐々に内寸が小さくなっている。このようにシェイプド穴部１３を略すり鉢状にすることにより、冷却用気体が開口部９の下流域に広がって、冷却フィルムを容易に形成できるようになる。
【００２０】
ストレート穴部１５は、シェイプド穴部１３の下端から下方に直線状に延びており、シェイプド穴部１３とストレート穴部１５とは連続している。このストレート穴部１５の横断方向の断面形状はほぼ円形であり、ストレート穴部１５の直径は開口部９の幅にほぼ等しい。冷却用気体は静翼１の内部からストレート穴部１５を通ってシェイプド穴部１３に到達して、このシェイプド穴部１３から静翼１の表面に供給されて冷却フィルムを形成する。シェイプド穴部１３を形成することなしに、本実施形態と同様なストレート穴部を静翼の表面に直接的に形成する場合には、形成される冷却フィルムが本実施形態の場合に形成される冷却フィルムよりも小さくなるために冷却される範囲が小さくなる。シェイプド穴部１３を形成することなしに、本実施形態の開口部９の面積にほぼ等しい面積を有するストレート穴部を静翼の表面に直接的に形成する場合には、必要とされる冷却用気体の体積が増すためにガスタービンの性能が低下する。従って、本実施形態に示されるような寸法および形状を有するシェイプド穴部１３とストレート穴部１５とを採用することが好ましい。
【００２１】
図３は、レーザ光７の照射方法を説明するための平面図である。図３には、レーザ光７がガスタービン部材状に照射されることにより形成されたレーザスポット１７が示されている。焦点におけるレーザスポットの直径は約０．３ｍｍであるが、図３においてはガスタービン部材の表面を上方または下方に移動させることによりレーザスポットが焦点からずれている状態を示しているので、このレーザスポット１７の直径は約０．５ｍｍである。点Ｏはレーザスポット１７の中心であると共にレーザ光７の光軸である。点Ｏは、図３において鎖線（仮想線）で示される円１９の円周上に位置している。この状態から、光軸を円１９の円周に沿って回転運動させる。この回転運動により、レーザスポット１７は円２１（図３における最も大径の円）で囲まれた領域内を移動する。従って、円２１により囲まれた領域内にレーザ光７が照射され、この領域内が加工される。円１９の直径はレーザスポット１７の直径よりも小さいのが好ましく、それにより、光軸Ｏを回転運動させる際にレーザスポット１７により形成される円２１内に未加工領域、すなわちレーザ光が照射されていない領域が存在しないようにできる。このような光軸の回転運動作用は、レーザヘッド５を円運動させることによって行われれる。この円運動は、レーザ光発射機に装備されているいわゆるトレパニング機能、すなわちレーザ光を発射させつつレーザヘッドを移動させる機能を用いることによって行われる。
【００２２】
図３において鎖線により示される円１９（この円１９の円周に沿って光軸が回転運動する）の直径が例えば０．３ｍｍ（すなわち回転運動の半径が０．１５ｍｍ）である場合、円２１の直径は０．８ｍｍとなる。このように、円２１で囲まれる領域の面積は、レーザスポット１７の面積よりもはるかに大きい（この実施例では約２．６倍）。従って、一回のレーザ光照射作用により加工できる面積は、単に光軸を固定してレーザ光７を照射する場合（すなわち、レーザヘッドを固定しつつレーザ光を発射させる場合であって、ピアッシングと称される場合）に加工できる面積よりも大きい。これにより、所定面積を加工するのに必要とされるレーザ光照射回数を少なくできる。従って、レーザ光７の光軸を位置合わせする位置合わせ操作も少なくできる。
【００２３】
図４は、図３の照射方法により形成されたシェイプド穴部１３の開口部９を示す平面図である。図４においては、実線で示された六つの円２１が示されている。各円２１は、一回のレーザ光照射作用により加工される前述した領域である。すなわち、この開口部９は六回のレーザ光照射作用により形成されたものであり、この照射回数は図６に示された従来実施例における照射回数よりも極めて少ない。通常は、六回の照射作用のうちの三回の照射作用が静翼の表面に対して左斜め方向から行われ、他の三回の照射作用は静翼の表面に対して右斜め方向から行われる。照射作用を斜め方向から行うので照射領域は厳密には楕円であるが、図４では照射領域は便宜的に円２１として示されている。なお、図４において鎖線で示される円２２は、後述されるストレート穴部１５を形成するためのレーザ光照射領域である。
【００２４】
前述したようにシェイプド穴部１３（図２参照）を形成した後、レーザ光照射作用によってストレート穴部１５を形成する。トレパニングまたはピアッシングによりストレート穴部１５を形成できる。通常はストレート穴部１５の内径はレーザスポット１７の直径よりも大きいので、トレパニングによってストレート穴部１５を形成する。ストレート穴部１５をトレパニングにより形成する場合は、シェイプド穴部１３とストレート穴部１５との両方をトレパニングにより連続的に形成できる。
【００２５】
加工時においては、ストレート穴部１５を先に形成した後にシェイプド穴部１３を形成する場合がある。この場合は、シェイプド穴部１３を形成する前に、レーザ光遮蔽部材として例えばポリテトラフルオロエチレン製の丸棒等をストレート穴部１５に挿入する。これにより、シェイプド穴部１３を形成するためのレーザ光７がストレート穴部１５の壁面に到達して、この壁面を損傷させるのを妨げることができる。丸棒を挿入するのが困難な場合には、砂またはろう等のレーザ光遮蔽物質をストレート穴部１５内に充填する。このような充填タイプのレーザ光遮蔽物質においては、発火特性を有していない砂を使用するのが好ましい。
【００２６】
前記ガスタービン部材を移動させることにより、前記レーザ光のレーザスポットが焦点からずれている状態で前記レーザ光を前記ガスタービン部材に照射して、シェイプド穴部１３を形成する。これにより、レーザスポット１７の面積が焦点におけるレーザスポットの面積よりも大きくなる。照射位置におけるレーザスポット１７の面積は、焦点におけるレーザスポットの面積の１．１倍以上３．０倍以下であるが好ましく、１．５倍以上３．０倍以下であるのが特に好ましく、これにより、一回のレーザ光照射作用により加工される面積を大きくすることができる。照射位置におけるレーザスポット１７の面積が前記範囲未満である場合には、一回の照射作用により加工できる面積が小さくなる場合がある。この面積が前記範囲を越える場合には、エネルギが分散されるので加工が困難になる。
【００２７】
シェイプド穴部１３の形成に用いられるレーザ光７は、ＹＡＧレーザ、アルゴンレーザ、またはＣＯ2レーザ等を含む。加工効率が高いため、レーザ光７はＹＡＧレーザであるのが好ましい。
【００２８】
図５は、本発明の製造方法によって製造された静翼の他の冷却穴２３を示す断面図である。図２においては、冷却穴１１を静翼１の表面に対して垂直方向に形成したが、図５においては、冷却穴２３を静翼に対して斜め方向に形成している。従って、冷却穴が垂直方向に形成されている場合よりも、冷却フィルムを静翼の表面に容易に形成できるようになっる。この冷却穴２３も、図２に示された冷却穴１１と同様に、シェイプド穴部２５とストレート穴部２７とを備えている。シェイプド穴部２５は、静翼の内部から開口部２９に向かって寸法が徐々に増している（略すり鉢形状）。このシェイプド穴部２５も、レーザ光７を照射しつつ、前述したように光軸を回転運動させることにより形成される。光軸を回転運動させることによって、光軸の位置合わせの回数およびレーザ光７の照射回数を少なくでき、従って加工時間を短縮できる。
【００２９】
本発明の製造方法をガスタービン部材のうちの静翼に対して適用したが、本発明の製造方法を、フィルム冷却が行われる静翼以外のガスタービン部材、例えば動翼またはライナーシュラウド等に対して適用できる。さらに、前述した説明に用いられたシェイプド穴部の寸法、レーザスポットの径、回転運動の半径または照射回数等は一例であり、これらは用途に応じて適宜変更が可能である。
【００３０】
【発明の効果】
前述したように、本発明の製造方法によれば、ガスタービン部材の製造工程を簡略化でき、製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態によるガスタービン部材の製造方法の様子を示す斜視図である。
【図２】（ａ）図１の製造方法によって形成された冷却穴を示す拡大平面図である。
（ｂ）図２（ａ）の線Ｂ−Ｂに沿ってみた断面図である。
【図３】レーザ光の照射方法を説明するための平面図である。
【図４】図３の照射方法によって形成されたシェイプド穴部の開口部を示す平面図である。
【図５】本発明の製造方法によって製造された他の静翼の冷却穴を示す断面図である。
【図６】従来のシェイプド穴部形成方法を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１…静翼
３…シュラウド
５…レーザヘッド
７…レーザ光
９…開口部
１１…冷却穴
１３…シェイプド穴部
１５…ストレート穴部
１７…レーザスポット
２３…冷却穴
２５…シェイプド穴部
２７…ストレート穴部
２９…開口部
【図１】
0004088407.tif 000002
【図２】
0004088407.tif 000003
【図３】
0004088407.tif 000004
【図４】
0004088407.tif 000005
【図５】
0004088407.tif 000006
【図６】
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