(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め組み合わせた集成体から高温壁及び低温壁並びに円筒部（５０）及び円錐部（５２）を有する二重壁タービン構造を製造する方法であって、
前記高温壁及び低温壁並びに結合リブ用の材料と、犠牲片を含め予成形体の集成体を形成し、該犠牲片は該予成形体集成体の形成中及びその後の処理工程中冷却用通路を維持するものであり、
前記予成形体を熱間圧延して断面寸法を減少させ、
前記圧延した予成形体をリングローリングして円筒部（５０）を形成し、
前記圧延した予成形体から別途余分な材料（５４）を切除して残りの部分をリングローリングして円錐形（５２）を形成し、
円筒（５０）部及び円錐部（５２）を各々軸方向に溶接するとともに、円筒部（５０）と円錐部（５２）を円周で結合し、
前記犠牲材を除去して前記冷却用通路を開ける、ことからなる方法。
【請求項２】
ジェットエンジンタービン燃焼器のような環状体の内側及び外側構成部材用の、高温壁及び低温壁並びに結合リブを有する環状構造を環状予成形体としてネット・シェイプに製造する方法であって、
前記高温壁及び低温壁並びに結合リブ用の材料と、犠牲片を含め予成形体の集成体を形成し、該犠牲片は該予成形体集成体の形成中及びその後の処理工程中冷却用通路を維持するものであり、
前記予成形体を圧延して平坦な予成形体としての予定の長さ及び厚さとし、
前記予成形体をフープローリングして必要な厚さ及び必要な長さとし、
前記集成体を溶接し、
前記予成形体をリングローリングして所望の内径とし、
前記予成形体をリングローリング又は金属スピンニング加工して適正な壁輪郭を形成し、
前記犠牲材を除去して前記冷却用通路を開ける、ことからなる方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願】
本出願は、特開平１０−３８２７６号、特開平１０−１１５４２５号、及び米国特許出願番号６０／０１９５０３（１９９６年６月１０日）に関連し、その記載をここに参考にする。
【０００２】
【発明の背景】
本願発明は、ガスタービン構成部材の製造方法に関し、特に、フィルム冷却が極端に制限されるか、できないかもしれない場合に、ガスタービンに用いる改良された燃焼器及び／又は遷移部材の製造方法に関する。
従来のガスタービン燃焼器は燃料と空気が別々に燃焼室に入る拡散（即ち、非予混合）火炎を用いる。
【０００３】
混合及び燃焼の過程で華氏３９００度を超える火炎温度を生じる。ライナーを有する従来の燃焼器及び／又は遷移部材は一般に最高温度華氏１５００度位で約１０，０００時間耐えることができるから、燃焼器及び／又は遷移部材のライナーを保護する手段が取られなければならない。これは典型的にはフィルム冷却によっていたが、これは燃焼器の外側を囲むプレナムに比較的冷たい圧縮空気を導入するものである。この従来の構成では、プレナムからの空気は燃焼器ライナー内のルーバーを通って、それから、燃焼器ライナーの内側表面上をフィルムとして通過し、これにより燃焼器ライナーの形状を保持する。
【０００４】
２個の原子からなる窒素は３０００°Ｆ（約１６５０°Ｃ）を越える温度で急速に分解するので、高温の拡散燃焼は比較的多くのＮＯx排出をもたらす。ＮＯx排出を減少させる方法の一つはできうる限り最大の量の圧縮空気を燃料と予混合することである。その結果の希薄な予混合の燃焼はより低い火炎温度を生じ、従って、ＮＯx排出はより低くなる。希薄な予混合燃焼は拡散燃焼より温度が低いが、火炎温度は依然として従来の燃焼器ライナーには高すぎて耐えられない。しかも、先進の燃焼器は、ＮＯxを減少させるさせるために、できうる限り最大の量の空気を燃料と予混合するので、冷却空気はほとんど、或いは全く利用できず、燃焼器ライナーのフィルム冷却を不可能にする。従って、「背面」冷却と関連して熱障壁被覆のような手段が、燃焼器ライナーを高熱による破壊から保護する為に考えられた。背面冷却は、空気を燃料と予混合する前に燃焼器ライナーの外側表面上に圧縮空気を通過させるものである。
【０００５】
希薄予混合燃焼は、より低い温度の炎を発生することによりＮＯx排出を減少させるものである。しかし、低温にするほど、特に燃焼器ライナーの内側表面或いは壁に沿って、一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の酸化を抑制する傾向があり、これらの物質の許容できない排出をもたらす。一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の酸化をするために、表面温度が十分に高く一酸化炭素及び不燃焼炭化水素の完全な燃焼を保証するようにライナーは極端な厚さ（５０−１００ミル）の熱障壁被覆を必要とする。この温度は典型的な長さ及び流れ条件の燃焼器に対して約１８００−２０００°Ｆのボンディングコート温度で且つ約２２００°Ｆ  ＴＢＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｂａｒｒｉｅｒ  Ｃｏａｔｉｎｇ：熱障壁被覆）温度になる。しかし、典型的なガスタービン構成部材の寿命に対しこれらの熱障壁被覆の厚さ及び温度は現在の材料の既知の性能を越えている。これらの温度で、公知の熱障壁被覆は許容できない短い時間に劣化し、且つ、その厚さの被覆は剥離しやすい。
【０００６】
現在開発中の先進の冷却技術思想は薄壁構造に複雑な冷却通路を作ることが要請されている。これらの構造が複雑であるほど、鋳造のような従来の技術を用いて作ることが更に難しくなる。これらの構造が複雑であり、且つ、壁の寸法が最新の超合金の鋳造出来る範囲を越えるであろうし、又、鋳造に用いる脆いセラミック型芯の破損及び変形の観点に於いてその性能を越えるであろうので、これら従来の限界に打ち勝つ新しい製造法が開発されなければならない。先進の冷却法に可能な形状が米国特許出願番号６０／０１９５０３に記載されているのでここに参考に挙げる。
【０００７】
冷却用特徴部の配置及び厚さの精度がセラミック型芯鋳造よりもかなり高いので、ここに参考に挙げる特許文献１及び特許文献２に記載されているパウダー・フォイル法（ｐｏｗｄｅｒ ｆｏｉｌ ｐｒｏｃｅｓｓ）が壁寸法の公差をかなり減少するであろう。これらの性能は翼とは異なる円筒形状にすることがある燃焼器、又遷移部材のようなより不規則形状の構成部材を作る場合にも重要である。これらの構造では、鍛練用合金を用いることが出来るが、（衝突スリーブのような）冷却特徴部にかなりの鑞接且つ／又溶接を要する。これら冷却特徴部の配置の精度並びに溶接中の強超合金の機械的挙動を維持すること及び構造的破損を避けることは、考慮しなければならない材料に対する厳しい制限となるであろう。
【特許文献１】
米国特許第５，４２７，７３６号
【特許文献２】
米国特許第５，４８０，４６８号
【０００８】
より効率的な冷却用構造は金属温度を増加させずにかなり冷却流を減少、多分６０％まで、させるであろう。これらの減少は、新しい冷却用構造と他のシステム／サイクルの変更と組み合わせて実現することもできるであろう。
従って、フィルム冷却なしに燃焼温度に耐え、しかも火炎の安定性を保ち、低排出（特にＮＯx排出）の燃焼器及び遷移部材に対する先進の冷却技術思想のように、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素を燃やし尽くすことができる燃焼器／遷移部材のようなガスタービン構成部材を作る新しい改良された方法が必要とされている。その方法は、燃焼器／遷移部材の内面に妥当な金属温度を維持させる薄壁構造内の冷却通路を有する燃焼器／遷移部材を製造出来なければならない。効率的な冷却用燃焼器／遷移部材は、燃焼器の内側表面の金属温度を高めずに、約３５％から約６０％の冷却流を減少させなければならず、且つ、現在鋳造で製造出来るものよりも更に鋭い内部縁を有しなければならない乱流促進器のような内部特徴部を有しなければならない。冷却用特徴部の配置及び厚さの精度がセラミック型芯鋳造よりもかなり高いので、パウダー・フォイル法の使用は壁厚さの公差をかなり減少させ、且つ、鋭い縁の内部特徴部も製造できるであろう。これらの性能は円筒形にすることもある燃焼器のような構成部材、又遷移部材のようなより不規則形状の構成部材を作るのにも使用できる。これらの構造では、鍛練用合金を用いることが出来るが、（衝突スリーブのような）冷却特徴部にかなりの鑞接且つ／又溶接を要する。これら冷却特徴部の配置の精度並びに溶接中の強超合金の機械的挙動を維持すること及び構造的破損を避けることは、考慮しなければならない材料に対する厳しい制限となるであろう。
【０００９】
【発明の概要】
フィルム冷却が選択できるものではないような燃焼器、遷移部材、及びその他のタービン構造が、予め組み合わせた集成体の金属加工により二重壁冷却通路と一緒に製作される。円筒及び円錐リング、またはより複雑な形状の遷移部材が円周方向に延在する複雑な内部冷却通路と共に、ＨＩＰ予成形体の熱間圧延、続けて、冷間リングローリング、溶接をし、更に、金属の変形の間、冷却通路位置を保持するために用いた犠牲材の化学的除去により製作することができる。
【００１０】
本願発明の他の目的及び利点は、図面及び特許請求の範囲と共に、次の記載から明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の詳しい説明】
図１はガスタービン１０の模式図である。運転にあたり、典型的なガスタービン１０は燃料からの燃焼ガスによって駆動されるが、ここで、高エネルギを有する流れ媒体、即ち燃焼ガス、はロータ上に装着された動翼輪によって偏向された結果、回転動力を生じる。動作において、圧縮機１６は新しい空気を引き込み圧縮して約５０−７５lb／in2の代表的な圧力とし、空気は圧縮機１６により熱交換器３２を通るように押しやられ、ここでタービン部２２から出てくる排出燃焼ガスにまだ存在する熱により予熱され、最後に、予熱された空気は燃焼部１８の燃焼室に導入される。燃焼室で、燃料が燃やされ、これにより、約１５００°Ｃ又は約２７３０°Ｆの温度のガスを発生する。これら燃焼ガスは高速でタービン部２２に入り、それを駆動する。
【００１２】
図示のように、タービン２２、圧縮機１６、及び発電機１４は全て単一軸２４に装着される。周知のように、タービンは動力出力の全部を発電機へ送達しないが、それはかなりの部分が圧縮機１６を駆動するのに必要だからである。タービン部２２は電動機１２の助けを借りて始動するが、電動機は、最初、圧縮空気を発生するため圧縮機を動作させ、燃焼ガスを形成することができるようにするために圧縮空気を燃焼室に供給する。その時になって、タービンは運転を開始することができる。
【００１３】
図１に簡略に示されているように、燃焼室３６を含む燃焼部１８は燃焼部１８からタービン入り口３０への燃焼ガス２８の流れを生ずる。遷移部材３８はタービン入り口と燃焼部１８を接続する。
燃焼ガスの温度が約１５００°Ｃかそれを越えるような燃焼器又は燃焼器部分及び遷移部を製造する場合、何らかの冷却を形成することなく、そのような強烈な熱の環境に残れることのできる材料は知られていない。
【００１４】
発明の背景の項に記載した様にＮＯx排出を減少させる要請と組み合わせたガスタービンの各種の構成部材の冷却法が、ガスタービンの各種の構成部材の新しい製造法の開発につながった。本願発明に於いて、予め組み合わせた集成体から図２に示すような二重壁タービン構成部材を作る方法が開発された。
図２は軸方向に配列された冷却機構を有する燃焼器４０を示し、冷却空気４２は燃焼器の排出端４４から入り、ドーム端４６へ逆流して燃料と混合され燃焼される。この種の構造は、必要な厚さ及び長さに圧延をし、次いで集成体を溶接する予成形体として製造することが出来（円周方向に冷却する構造に対して後で記載する方法と同様）、或いは、ＨＩＰ加工により円筒形状とし、次いで所望の内径までリングローリングして製造することが出来る。製造された構造はニッケル基超合金、Ｈａｙｎｅｓ２３０から作られた。しかし、個々の用途の温度によって、材料として使用できるものはステンレス鋼、合金、及びＮｉ基、Ｃｏ基、Ｆｅ基、Ｔｉ基、Ｃｒ基、又はＮｂ基を有する複合材である。複合材の例としては粒子、繊維、又は薄層として存在するＷ層で強化されたＦｅＣｒＡｌＹ金属マトリックスである。高温壁及び低温壁に用いられる材料は同一の合金である必要はない。
【００１５】
図３は燃焼器及び遷移部材のような、構造の円筒部５０及び円錐部５１用の円周冷却構造の製造の略図である。最終的には取り去られて冷却通路を生じる犠牲ストリップを含め予成形体を組み合わせてから、予成形体を熱間圧延して断面寸法を減少させる（図３では４：１に圧下げ）。燃焼器の右の円筒部５０に対し、次に圧延した部分５０をリングローリングする。燃焼器の円錐部に対し、圧延した構造５６の余分な材料を切除し、残りの部分をリングローリングして円錐形５２を形成する。これらの部分の縁は約１／１６乃至１／８インチ位の中実なので、各円筒５０、５２は軸方向に互いに溶接出来、且つ図４に示すように円筒部及び円錐部は円周で結合することが出来る。
【００１６】
これらの構造は異なる材料、例えば、ステンレス鋼、合金、及びＮｉ基、Ｃｏ基、Ｆｅ基、Ｔｉ基、Ｃｒ基、又はＮｂ基を有する複合材、を用いて  作ることが出来る。複合材の例としては粒子、繊維、又は薄層として存在するＷ層で強化されたＦｅＣｒＡｌＹ金属マトリックスである。高温壁及び低温壁に用いられる材料は同一の合金である必要はない。高強度の超合金の箔は得られないであろうから、予成形体の上面及び下面は超合金粉末、例えば、Ｒｅｎｅ８０、ＲｅｎｅＮ４、ＲｅｎｅＮ５、Ｒｅｎｅ１４２、Ｈａｙｎｅｓ２１４、Ｈａｙｎｅ２３０、又は、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹのようなＭＣｒＡｌＹ材料、に等価な組成物粉末、を用いて作ることが出来る。用いる材料の種類によって、冷間圧延の代わりに熱間リングローリングすることが出来る。
【００１７】
ジェットエンジンに普通用いられている環状燃焼器の構造は、軸方向或いは円周方向に延在する冷却通路を持つ二重壁構造として作られるが、この構造も本発明の方法ににより作ることが出来る。図５は円周方向に配列した冷却機構を持つ燃焼器６０を示し、冷却空気は燃焼器の二重壁構造の低温壁にある衝突孔を通って入り、集合管（図示せず）を通ってドーム端へ流れ、燃料と混合され燃焼される。燃焼器の内側及び外側環状体の両方ともこの方法で作ることが出来る。必要ならば軸方向冷却構造を示す溝中の孔（図６）のような冷却特徴部を用い、空気のいくらかを用いて表面フィルムを形成することが出来る。
【００１８】
これらの環状構造体は、必要な厚さ及び長さに圧延するための環状予成形体として、又は、必要な厚さ及び長さに圧延し、次いでフープローリング（ｈｏｏｐ−ｒｏｌｌｉｎｇ）し、集成体を溶接するための平坦予成形体として、ネット・シェイプ（ｎｅｔ  ｓｈａｐｅ）とし、更に、リングローリングして所望の内径にし、最後に、リングローリング又は、金属スピンニングして適正な燃焼器壁の輪郭を生じさせることが出来る。個々の用途の温度によって、材料として使用できるものはステンレス鋼、合金、及びＮｉ基、Ｃｏ基、Ｆｅ基、Ｔｉ基、Ｃｒ基、又はＮｂ基を有する複合材が含まれる。複合材の例としては粒子、繊維、又は薄層として存在するＷ層で強化されたＦｅＣｒＡｌＹ金属マトリックスである。高温壁及び低温壁に用いられる材料は同一の合金である必要はない。例えば、ステンレス鋼、又は、Ｎｉ基超合金で作られた低温壁は低膨張のＮｉ基超合金で作られた高温壁と結合することが出来、使用にあたり、熱ストレスを高温壁／低温壁のモノリシック構造に比べて低減することが出来る。
【００１９】
図５は円周方向冷却構造を製造する方法の略図である。最終的には取り去られて冷却通路を生じる犠牲ストリップを含めて予成形体７０を組み合わせた後で、予成形体を熱間圧延７２して断面寸法を減少する。冷却通路を有する円筒形構造を作る方法は米国特許出願番号０８／６６９，０６９に記載されている。これらの部分の縁は約１／１６乃至１／８インチ位の中実なので、各環状体は他の構成部材に結合することが出来る。
【００２０】
環状燃焼器を作る工程には、一部片からなるリブ付き高温壁とその高温壁に結合されて冷却通路を形成し内包する低温壁の製造が含まれる。必要ならば、低温壁は高温壁と一体に作ることが出来るが、それは犠牲材料の除去を難しくする。高温壁用に予成形体集成体を作り、缶に入れ、排気し、ＨＩＰ加工する。予成形体はそれに機械加工した通路を有し、それからそこへ冷間圧延した鋼又はモネルのような犠牲材料を充填する。
【００２１】
代わりの方法として、この集成体は、燃焼器合金の板の上に配列された鋼と燃焼器合金のストリップから構成することが出来る。所望ならば異なる合金を高温面及びリブに使うことが出来る。例えば、ステンレス鋼、又は、Ｎｉ基超合金で作られたリブ構造を低膨張のＮｉ基超合金で作られた高温壁と結合することが出来、使用にあたり、熱ストレスを高温壁／リブのモノリシック構造に比べて低減することが出来る。それから、約２フィート長さの集成体を冷間圧延した鋼製箱に入れ排気し、次いでＨＩＰ加工する。Ｆｅ基、Ｎｉ基、及びＣｏ基構造に対する典型的なＨＩＰ条件は１５ー３０  ｋｓｉのアルゴン中で１１５０乃至１２５０度Ｃで４ー６時間であり、Ｎｉ基構造のような比較的耐火合金構造に対しては、更に高いＨＩＰ温度が有益であることが示されるであろうが、最終構造とＨＩＰ缶及び犠牲部材との相互作用は避けなければならない。
【００２２】
図５に示す集成体は略図である、というのは、最終的に燃焼器の円周の周りには約２０組みの通路があるが、図では７組みしか示していないからである。冷却壁が一体である必要があるならば、ＨＩＰ加工する前にそれを集成体に含ませる。組み合わせた後、缶に入れた集成体は熱間圧延してほぼ４フィートの長さにし、次いでフープローリングして溶接して円筒７４にする。それから、この約１５インチ径の円筒７４をリングローリングして所望の最終径にし、次いでスピンニング加工或いはリングローリングして、内側或いは外側環状断面７６の必要なフレア形にする。それから、部材を缶から出し、エッチングをして全ての犠牲材を取り除いて、通路を露出する。個々の用途の温度によって、材料として使用できるものはステンレス鋼、合金、及びＮｉ基、Ｃｏ基、Ｆｅ基、Ｔｉ基、Ｃｒ基、又はＮｂ基を有する複合材が含まれる。複合材の例としては粒子、繊維、又は薄層として存在するＷ層で強化されたＦｅＣｒＡｌＹ金属マトリックスである。先に述べたように、この構成に使う材料は構造の構成要素に対する合金と同じである必要はない。ＨＩＰの圧密化の後で、缶に入れた集成体の熱間圧延に対して、９００乃至１２００度Ｃの温度が用いられ、圧延パス当たり約１０％の面積減少である。形状形成加工中に発生する歪みが非常に少ないということで、フープローリングが室温でかなり一般に行われる。フープローリングされ溶接された構造が最終寸法構造に近ければ、リングローリングとスピンニング加工を行うことが出来る。更に一般的には、冷間圧延に出来る形状変形よりも更に大きい形状変形が要求されるので、壁輪郭の複雑さによるが、スピンニング加工及び／又はリングローリングは５００乃至１２００度Ｃの温度が要求されるであろう。
【００２３】
低温壁が一体ならば、エッチングの前に衝撃孔がドリル加工される。構造が一体的である必要がなければ、犠牲材のエッチングは比較的容易であり、エッチングの後で低温壁及び集合管は単一片環状体に結合される。独立の低温壁は高温壁の通路の背面に接近を可能にするので、衝撃の特徴を高めてその表面に付け加えることが出来る。
【００２４】
これらの構造は異なる材料、例えば、ステンレス鋼、合金、及びＮｉ基、Ｃｏ基、Ｆｅ基、Ｔｉ基、Ｃｒ基、又はＮｂ基を有する複合材、を用いて作ることが出来る。高強度の超合金の箔は得られないであろうから、予成形体の上面及び下面は超合金粉末、例えば、Ｒｅｎｅ８０、ＲｅｎｅＮ４、ＲｅｎｅＮ５、Ｒｅｎｅ１４２、Ｈａｙｎｅｓ２１４、Ｈａｙｎｅ２３０、又は、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹのようなＭＣｒＡｌＹ材料、に等価な組成物粉末、を用いて作ることが出来る。用いる材料の種類によって、冷間圧延の代わりに熱間リングローリングすることが出来る。構造がＨＩＰ圧密化によってネットシェイプ形成されるならば、単結晶合金を高温壁に組み込むことが出来る。Ｎｉ基単結晶構造を製造するための典型的なＨＩＰ条件は１５ー３０  ｋｓｉのアルゴン中で１１５０乃至１２５０度Ｃで４ー６時間である。
【００２５】
溝内の穴によるフィルム冷却を有する軸方向に冷却される環状燃焼器壁の一部分が図６に示されている。同じような溝内の穴の構成が円筒状缶型燃焼器に同様に用いることが出来る。上記した方法による冷却される構造の集成体には、最終構造に配置される冷却用溝のところに犠牲材を追加することだけが必要とされる。犠牲材のエッチング除去に続けて、冷却穴のドリル加工をすることが出来る。図示のように、冷却空気は１００の所から冷却壁を通って冷却用通路に入り、通路１０２を高温ガス側の内側壁１０４を冷却し、それから内側壁１０４にある溝１０８内部の複数の穴１０６を通って出て行く。冷却空気が出て行くとき、冷却空気の膜（フィルム）を形成して内側壁１０４を燃焼ガスから更に保護する。溝１０８の寸法と形を調節して表面上の冷却用フィルムの維持を最高にする。これは冷却穴が外面からすぐに排出するようなものとは相反するものであり、そのようなものでは冷却空気を燃焼ガス中に部分的に浸透させ、冷却空気のその部分によるフィルム冷却を損なう傾向があるからである。溝内の穴の構成の有用性に関する詳細は他の特許出願の主題となるものである。
【００２６】
ここに記載した方法は、本発明の好ましい実施例であるが、本発明は開示した詳細な方法に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内で様々な改変が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的なガスタービンの模式図。
【図２】本願発明により製造された軸方向に冷却される円筒構造の斜視図。
【図３】本願発明の一方法による燃焼器製作用に圧延及びリングローリングされた組み合わせ集成体を用いる本発明の一方法の略図。
【図４】本願発明の一方法により作られる円周方向に冷却される組み立てられた燃焼器の略図。
【図５】本願発明の一方法により作られるジェットエンジン燃焼器の外側環状体に対する製造工程の略図。
【図６】本願発明の一方法により作られる、溝中の孔によりフィルム冷却される軸方向冷却環状燃焼器壁の部分を示す図。
【符号の説明】
１０：ガスタービン
４０：燃焼器
４２：冷却空気
４４：排出端
４６：ドーム端
７０：予成形体
【図１】
0003807521.tif 000002
【図２】
0003807521.tif 000003
【図３】
0003807521.tif 000004
【図４】
0003807521.tif 000005
【図５】
0003807521.tif 000006
【図６】
0003807521.tif 000007