JP2000192801A - 一部外側部分を有する空気力学的物品および製法 - Google Patents

一部外側部分を有する空気力学的物品および製法

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 空気力学的形状をした物品、特に外側表面上
に耐環境性保護層をもつ物品の改善。 【解決手段】 物品３０を作成するには、第一の本体と
第一の外側部分２４とを有する現存する物品から設計空
気力学的外形を選択する。第一の外側部分２４より少な
い量の交換外側部分３６を選択し、交換本体外面３４の
実質的に全部の１２、１４、１６より少ない領域の１
４、１６と接合する。交換本体３２は、第一の本体とは
実質的に前記量だけ異なる交換本体外面３４と交換本体
外形３４をもっている。交換本体３２は交換本体外形３
４をもつように作成する。次に、交換本体外面３４の領
域１４、１６に交換外側部分３６を接合する。その結
果、交換本体３２と交換外側部分３６の外面３４、３８
が一緒になって設計空気力学的外形を定める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】本発明は、空気力学的形状をした物品、
特に外側表面上に耐環境性保護層をもつ前記のような物
品に係る。
【０００２】各種タイプの力学的装置は流体の流れによ
って作動して力を生み出すが、その流体を空気力学的表
面上に通すことが多い。そのような装置の一例はガスタ
ービンエンジンであり、この場合流体は空気および燃料
の燃焼の結果生成する燃焼生成物である。タービンエン
ジンの空気力学的表面としては、エンジンの流路内で作
動する回転および静止の動翼、静翼などのようなブレー
ド部品に見られる翼がある。
【０００３】各々の空気力学的物品、たとえばガスター
ビンエンジンのタービン動翼や静翼の翼は、その物品の
設計において翼の所望の流体流機能に最適になるように
選択される空気力学的設計の外形をもっている。そのよ
うな機能は、翼自体ばかりでなく、ガスタービンエンジ
ン内の翼の集合体の相関および協同ならびにそのような
集合体がエンジンの他の部分に及ぼしうる影響にも関係
している。エンジンのブレード部品およびその集合体の
設計では熱的条件と機械的条件を比較考量する。一般
に、ガスタービンエンジンの高温部分で見られる厳しい
環境条件で作動する翼は空気冷却されており、その翼の
外側表面上に耐環境性の表面保護層を含んでいることが
多い。そのような外側層の厚みを含めた外形およびそれ
が接合されているその下にある翼本体の形状は、個々の
ガスタービンエンジンにおいて集合体に使用するように
最初に設計される翼の空気力学的外形の設計にあたり考
察される。
【０００４】タービン動翼や静翼のような翼表面に通常
適用される外側保護部またはコーティング（皮膜）の一
例は断熱皮膜（ＴＢＣ）系である。そのような系は、一
般に、ブレードの外側表面に接合された金属のボンディ
ングコートと、そのボンディングコートと接合された非
金属セラミックタイプの耐熱外側層すなわちＴＢＣとを
含んでいる。そのような外側保護部またはコーティング
系の一部を、翼外面の領域のうち、稼働中に翼の他の領
域よりも厳しい作動環境条件を受けることが観察されて
いる領域のみに適用すれば、典型的な空気冷却式ガスタ
ービンエンジンブレード部品の翼の熱的収支にとって、
また最終的な作動寿命にとって有益であり得ることが認
識されている。たとえば、空気冷却される翼の凹面およ
び前縁部分を主として含む領域は凸面よりもそのような
条件を受けることが多いということが観察されている。
したがって、外側保護コーティング系、たとえばＴＢＣ
の断熱部分を、通常凹面および前縁部を含む領域のみに
適用し、翼の残りの部分はボンディングコートまたは他
の金属の耐環境性コーティングをもつままにすることが
提案されている。
【０００５】前記のように、翼本体の形状とコーティン
グの組み合わせを変えることなく、現存するブレードの
空気力学的設計における外部コーティングの配置のみを
変化させると、翼の外形を設計外部形状から最適なもの
より劣るものに変えることになろう。そのような形状の
設計からの変更により、翼特性とブレード部品にかかる
負荷に影響が出、不利な負荷条件が関連するエンジン部
品、たとえば軸受に移されうる。
【０００６】
【発明の簡単な要約】本発明は、設計外形を有してお
り、本体外面を含む本体と、外側部分外面を含み本体外
面に接合された外側部分とからなる物品を提供する。外
側部分は、設計空気力学的外形より小さい第一の外形を
有する本体外面の実質的に全てより小さい一部のみに接
合されている。外側部分外面は設計空気力学的外形より
小さい第二の外形をもっている。しかし、この第一と第
二の外形の組み合わせにより設計外形の物品表面が定め
られる。
【０００７】別の態様において、本発明は、設計空気力
学的外形が現存する物品から選択される、前記のような
物品を製造する方法を提供する。この現存する物品は、
第一の本体外形を定める第一の本体外面を有する第一の
本体と、実質的に設計空気力学的外形を定める第一の外
側部分外面を含む外側部分とを含んでおり、この現存す
る物品の外側部分は第一の本体外面の実質的に全部と接
合されている。第一の外側部分より少ない量の交換外側
部分を選択し、交換本体外面の実質的に全部より少ない
領域と接合する。この交換外側部分は、設計空気力学的
外形より小さい外形を定める外面を有している。交換本
体外面、および第一の本体外形とは実質的に前記量だけ
異なる交換本体外形を有する交換本体を選択する。この
交換本体は交換本体外形をもつように作成する。次い
で、交換外側部分を交換本体外面の前記領域と接合する
ことにより、交換本体と交換外側部分の外面が一緒にな
って設計空気力学的外形を定める。
【０００８】
【発明の詳細な記述】流体を使用する動力発生装置、た
とえば空気と燃焼生成物を用いるガスタービンエンジン
は、構成材料が許す限り効率的に作動するように空気力
学的に設計される。作動条件は材料の能力を超えること
があり得るので、たとえばブレード翼やプラットホーム
上に耐熱および／または耐環境性の保護層またはコーテ
ィングをときには内部空気冷却と組み合わせて使用す
る。ガスタービンエンジンのタービン動翼上に現在使わ
れている環境保護・断熱外側部分またはコーティングの
一例は、ブレード基材に拡散した金属のボンディングコ
ートとこのボンディングコートに接合したセラミックの
外側ＴＢＣとを含む周知のＴＢＣ系である。
【０００９】このようなブレードでは、稼働中にブレー
ドの他の領域の表面より厳しい作動環境条件にさらされ
るのが観察されている領域のみにコーティング系の外側
断熱部分を適用することによって、より良い熱的・機械
的特性のバランスを達成することができるということが
認められている。典型的には、一般にブレードの凹面部
および前縁部が凸面部やプラットホーム部分よりそのよ
うな条件を受けやすいことが観察されている。しかし、
そのようにして現存するブレード上のコーティングタイ
プ、厚みおよび／または分布を変化させると、ブレード
の空気力学的外形が変化を受け、またエンジンの作動に
かなりの悪影響が出る可能性がある。
【００１０】現行のブレード部品は、そのようなコーテ
ィング系が翼の全外面を完全に覆った状態で実質的に最
適になるように選択された設計空気力学的外形をもって
いる。そのような部品は、関連するエンジン部品、たと
えばロータ軸受に特定の流体流を提供し、また一定範囲
の負荷を提供するように設計されてアセンブリ内に配置
される。本発明は、１つの態様において、そのようなよ
り良い外側部分またはコーティング分布をもつブレード
部品の使用を可能にするためにエンジンの主要部を再設
計する必要なく、物品の表面の選択された部分から省か
れた外側またはコーティング材料の量を補うために物品
の本体部分の形状を変化させることによって当初の設計
空気力学的外形を維持する物品を提供する。
【００１１】本発明は、添付の図面を参照するとより良
く理解できるであろう。図１は、翼の凸面側１２から示
した典型的なタービンエンジンのタービン動翼１０の透
視図である。図２は、一般に図１に示したタイプの空気
冷却式タービン動翼で、凹面側１４、前縁１６および後
縁１８を含むものの断面図である。金属材料、たとえば
Ｎｉ基超合金製のような翼本体２０は、耐環境性の外側
保護部分またはコーティング２４（図２では本体２０の
実質的に全部の回りに示されている）が接合された外側
表面２２をもっている。外側部分２４は、翼の設計空気
力学的外形を定めている外面２５をもっている。このよ
うな外側コーティングの１つの形態は上述したＴＢＣ系
であり、これは本体２０に拡散した金属製ボンディング
コートとこのボンディングコートに接合された断熱外側
部分またはＴＢＣとをもっている。内部通路２６により
冷却用の空気が翼の内部部分を通ることができ、この空
気は外側表面２２を貫通する開口、たとえば後縁１８の
開口または冷却用スロット２８から排出される。コーテ
ィング２４は図示したように後縁の冷却用開口にはな
く、したがって「本体２０の回りの実質的に全部」とい
う用語は図２に示したような状態を記載するのに使用さ
れている。
【００１２】上述したように、図２に示されているよう
な現行のブレード設計において外側部分またはコーティ
ング２４の範囲を変化させてコーティングの少なくとも
一部をコーティング２４の前記範囲より少ない、たとえ
ば選択された１つ以上の領域に限定すると、表面２５に
よって定まる翼の設計空気力学的外形に不利な変化が生
じうる。１つの態様において本発明はそのような当初の
設計形状を保持する交換物品を提供する。図３の部分概
略断面図は、全体を３０で示した交換ブレード翼のよう
な物品複数の集合体（アセンブリ）、たとえばタービン
ロータアセンブリの一部を示している。翼３０は、図２
において本体２０の外面２２により定められる外形とは
異なり設計空気力学的外形より小さい外形を定めている
本体外面３４を有する交換本体３２をもっている。また
翼３０は、図２の外側部分２４の外面より少ない量で設
計空気力学的外形より小さい外面３８を有する交換外側
保護部分３６ももっている。図３で、外側部分３６は、
外面３４の選択された領域、たとえば凹面側１４と前縁
１６の表面では保持されているが、そのような領域以外
の表面では保持されてなく、たとえば凸面側１２の表面
では実質的に保持されていない。したがって、外側部分
３６の外面３８は、図２の外面２５とは異なり、もはや
単独で設計空気力学的外形を定めることはない。以前と
同様に後縁１８には完全な外側保護部分３６を含ませな
かった。たとえば、ＴＢＣ系を用いて本発明を評価した
際、交換外側保護部分はセラミックタイプのＴＢＣであ
ったが、外側表面３４の実質的に全体を覆って金属製の
耐環境性コーティングを代表する金属製ボンディングコ
ートを保持した。
【００１３】図２で、現行のブレード翼の設計空気力学
的外形は外側部分またはコーティング２４の外面２５の
形状によって定められていた。この設計空気力学的外形
は、図３の交換ブレード３０では、交換本体３２と交換
外側部分３６のそれぞれの外面３４と３８の外形の組み
合わせによって保持された。このような組み合わせを得
るために、交換本体３２の寸法を図２の外側部分２４の
省かれた部分に対応する量で変化させ（この例では増大
させ）た。図２における凸面側１２の本体外側表面２２
の当初の位置は図３においては２２の仮想破線で示され
ており、図３はまたその凸面側１２の交換本体３２の外
側表面３４の位置も示している。交換本体３２は、凸面
側１２で図３に示した表面３４と仮想破線面２２との間
の量だけ増大させた。ガスタービンエンジンのタービン
ブレード部品の場合、通常この量は断面厚みで約０．０
０１〜０．０１″（インチ）の範囲であり、好ましくは
約０．００５〜０．０１″（インチ）の範囲である。
【００１４】すでに述べたように、エンジン内に組み立
てられるガスタービンエンジンブレード翼のような物品
の空気力学的流動特性を変化させることになる物品の寸
法の変化は、その結果として回転軸受のような関連する
部品に望ましくない負荷を加える可能性がある。たとえ
ば、図３で、翼３０間の流路内のスロート領域４０はエ
ンジンおよびその部品の設計において選択される。図２
の外側部分またはコーティング２４が本体外面２２の一
部から図３の仮想破線２２で示される位置まで削除され
ると、新たなスロート領域は仮想破線４２によって定ま
ることになる。その結果、タービンロータ軸受には設計
負荷範囲から外れた負荷がかかり、軸受の寿命に影響が
出る可能性がある。本発明はそのような望ましくない状
態を回避するものである。
【００１５】本発明は１つの態様において、すでに存在
する物品の設計空気力学的外形を定める物品部品の寸法
を物品の交換部品の外面の組み合わせにより変化させる
交換物品、たとえば翼を提供する。たとえば、図２にお
いてコーティング２４の外面２５により定められる設計
空気力学的外形は、図３の交換翼３０においては、交換
本体３２と交換外側部分またはコーティング３６のそれ
ぞれの外面３４と３８の組み合わせによって保持され
る。
【００１６】高温合金、たとえばＮｉ基超合金で作られ
る最新の空気冷却式ガスタービンエンジンの高圧タービ
ン動翼の製造では、通常ロストワックス法に基づくタイ
プの精密鋳造法が用いられている。ワックスと金型は、
翼の選択された設計の外形を含むように調製して、精密
鋳造された製品の空気力学的外形がそのような設計形状
になるようにする。一般に、翼は後に外部環境保護層ま
たはコーティングでしばしば全体の寸法が約０．００５
〜０．０１″（インチ）の範囲で増大するまで被覆され
る。本発明はその一つの態様において、精密鋳造法とそ
の鋳造品のコーティング法とを一体化してすでに存在す
る設計空気力学的外形の保持を可能にする方法を提供す
る。
【００１７】そのような方法態様においては、現存する
物品、たとえば翼から設計空気力学的外形を選択する。
図２を参照して、そのような物品は、第一の本体外形を
定めている第一の本体外面２２を有する第一の本体２０
と、実質的に設計空気力学的外形を定めている第一の外
側部分外面２５を含む第一の外側部分２４とをもってい
る。第一の外側部分２４は、図示されているように後縁
１８を除いて第一の本体外面２２の実質的に全体と接合
されている。
【００１８】外側部分２４より小さい寸法の外側部分を
有する実質的に前記設計空気力学的外形の物品を製造す
るために、選択された交換本体３２の外面３４の実質的
に全体より少ない領域に接合するために図３の交換保護
外側部分３６を選択した。交換本体３２と交換外側部分
３６のそれぞれの外面３４と３８は各々設計空気力学的
外形より小さい外形を定めていた。しかし、このような
外面が一緒になって前記のような設計形状を実質的に定
めていた。
【００１９】交換外側部分と交換本体の選択後、たとえ
ば精密鋳造法によって、交換本体外形を含むように交換
本体を作成した。次に、交換本体外面の領域と交換外側
部分を接合した。本発明の１つの評価においては、まず
交換本体外面３４の実質的に全体に金属製のボンディン
グコートを適用・拡散させることによってＴＢＣ系コー
ティングを交換本体外面に設けた。次いで、セラミック
ＴＢＣの形態の交換外側部分３６を、選択された領域で
のみボンディングコートを介して交換本体に適用・結合
させた。このようにして、すでに存在する物品と交換す
る物品に、このすでに存在する物品の設計空気力学的外
形をもたせた。
【００２０】特定の具体例、態様、形状、材料などに関
して本発明を説明してきた。しかし、以上は本発明の代
表例であり本発明の範囲を限定するものではないものと
理解されたい。関連するさまざまな分野の当業者には、
本発明が特許請求の範囲から逸脱することなく変更と修
正が可能であるものと理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、典型的なガスタービンエンジンのター
ビン動翼の凸面側から見た透視図である。
【図２】図２は、翼表面の実質的に全部に外側保護コー
ティングを有する図１に示したタイプの空気冷却式ター
ビン動翼の縦断面図である。
【図３】図３は、図２に示したタイプの翼で、各翼が一
部に外側保護層を有するアセンブリの概略部分断面図で
ある。
【符号の説明】
１０ 現存する物品、ガスタービンエンジン動翼 １２ 凸面 １４ 凹面 １６ 前縁 ２０ 第一の本体 ２２ 第一の本体外面 ２４ 第一の外側部分 ２５ 第一の外側部分外面 ３０ 物品、翼 ３２ 本体、交換本体 ３４ 本体外面、交換本体外面、交換本体外形 ３６ 外側部分、交換外側部分、コーティング ３８ 外側部分外面、交換外側部分外面、交換外側部分
外形、コーティング外形
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・ジョセフ・ダノウスキ アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、マーガレット・レーン、8240番 (72)発明者 ジョナサン・フィリップ・クラーク アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスト・ チェスター、キーナー・ドライブ、8915番

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 本体外面（３４）を含む本体（３２）
    と、外側部分外面（３８）を含む外側部分（３６）とを
    含む物品（３０）であって、外側部分（３６）は本体外
    面（３４）に接合されており、物品（３０）は設計空気
    力学的外形を有しており、ここに、 前記外側部分（３６）は、前記本体外面（３４）の実質
    的に全部より少ない一部のみに接合されており、 前記本体外面（３４）は、前記設計空気力学的外形より
    小さい第一の外形（３４）を有しており、 前記外側部分外面（３８）は、前記設計空気力学的外形
    より小さい第二の外形（３８）を有しており、 前記第一と第二の外形（３４、３８）が一緒になって前
    記設計空気力学的外形の物品表面を規定している前記物
    品（３０）。
  2. 【請求項２】 前記第一と第二の外形（３４、３８）に
    より規定される設計空気力学的外形を有する翼を含む、
    請求項１記載の物品（３０）。
  3. 【請求項３】 前記本体外面（３４）が、物品表面（１
    ２、１４、１６、１８）の全部より少ない領域（１４、
    １６）であって稼働中にこの領域以外の物品表面（１
    ２、１８）よりも厳しい作動環境条件下にあることが観
    察されている物品表面（１４、１６）の中から選択され
    る領域（１４、１６）を含んでおり、 前記外側部分（３６）が、本体外面（３４）の前記領域
    （１４、１６）に接合されている、請求項２記載の物品
    （３０）。
  4. 【請求項４】 翼表面が、凹面（１４）、凸面（１
    ２）、および凹面（１４）と凸面（１２）の間の前縁表
    面（１６）を含んでおり、 前記領域が、凹面（１４）および前縁表面（１６）の少
    なくとも一部を含んでいる、請求項３記載の物品（３
    ０）。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の物品（３０）を製造する
    方法であって、 第一の本体外形を規定する第一の本体外面（２２）を有
    する第一の本体（２０）と、実質的に設計空気力学的外
    形を規定する第一の外側部分外面（２５）を含み本体外
    面（２２）の実質的に全部と接合された第一の外側部分
    （２４）とを含む現存する物品（１０）から設計空気力
    学的外形を選択し、 第一の外側部分（２４）より少ない量でありそして交換
    本体外面（３４）の実質的に全部より少ない領域（１
    ４、１６）と接合される、設計空気力学的外形より小さ
    い外形を規定する交換外側部分外面（３８）を有する交
    換外側部分（３６）を選択し、 交換本体外面（３４）、および第一の本体外形（２２）
    とは実質的に前記量だけ異なる交換本体外形（３４）を
    有する交換本体（３２）を選択し、 交換本体外形（３４）をもつ交換本体（３２）を作成
    し、 交換外側部分（３６）を交換本体外面（３４）の領域
    （１４、１６）と接合することにより、交換本体（３
    ２）と交換外側部分（３６）の外面（３４、３８）が一
    緒になって前記設計空気力学的外形を規定する、ことか
    らなる、前記方法。
  6. 【請求項６】 物品（３０）が翼を含み、交換本体（３
    ２）と交換外側部分（３６）の外面（３４、３８）が翼
    の表面である、請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 交換本体外形（３４）を提供するように
    交換本体（３２）を精密鋳造することにより交換本体
    （３２）を作成し、実質的に交換外側部分外形（３８）
    のコーティング外形（３８）を有するコーティング（３
    ６）を交換本体外面（３４）と接合し、交換本体外形
    （３４）とコーティング外形（３８）とが一緒になって
    設計空気力学的外形を規定する、高温合金の交換本体
    （３２）と耐環境性コーティングの交換外側保護部分
    （３６）とを含むガスタービンエンジンブレード部品
    （１０）を製造するための請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記量が断面厚みで約０．００１〜０．
    ０１"（インチ）の範囲である、請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 コーティングがＴＢＣ系である、請求項
    ７記載の方法。
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