JP2005052964A - ディフューザの形成方法およびくし形電極 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２工程のプロセスによって形成される剥離のないディフューザ孔を製造する方法および装置を提供する。
【解決手段】 冷却孔に剥離のないディフューザを形成する２工程のプロセスを含む方法であって、この方法では、ディフューザは、孔の計量部の穴あけに使用される工程とは異なるか、または別個の工程によって形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２工程のプロセスによって形成される剥離のないディフューザ孔の製造方法と、この方法で使用されるくし形電極に関する。

高性能の航空機におけるガスタービンエンジンの高圧タービンブレードでは、冷却孔の効率がかなり重要である。理想的には、各々の孔は、最大の効率を得るために冷却空気流を制限するための小さい計量部と、空気流を減速させるとともにエアフォイルの表面にわたって薄いフィルムとして広げるためのディフューザと、を含む。

このような冷却特性を提供するために一般に使用されている孔には、（特許文献１に開示された）“ヴェール（Ｖｅｈｒ）”孔があり、この孔は、ガス流路の主流に対してある角度で冷却空気流を放出させる。この“クロスフロー”は、高温ガス流路空気からブレードを遮断するより均一なフィルム冷却層の形成を助ける。ヴェール孔は、正圧面および負圧面に設けられた孔に対しては２つの拡散面を用いるとともに、ブレードの先端部およびプラットフォームに沿って設けられた孔に対しては３つのディフューザを用いる。

このような孔の重要な必要条件は、計量部とディフューザ面との間に段差がないということである。これは、両方の特徴部が単一の電極によって形成される場合には問題にならないが、孔が１つのプロセスによって形成され、ディフューザが異なるプロセスおよび／または工程によって形成される場合には重大な問題となる。

計量孔を形成するために１つのプロセスを使用し、ディフューザを形成するために他のプロセスまたは工程を使用する理由には種々のものがあり、具体的には、コストおよび製造の困難性が挙げられる。例えば、より効率的なレーザプロセスを使用して孔を形成するとともに、放電加工（ＥＤＭ）プロセスを使用してディフューザを加工すると、より効率的でかつ安価である。困難性に関しては、最新の“超冷却エアフォイル”の小さいキャビティに“ヴェールタイプの孔”を穴あけすることは、単一形状の電極では困難であり、また、内側壁のバックストライクなしに行うことが可能であっても非常に高価である。内側壁のバックストライクは、既に応力が高い内側壁に応力集中の要因を生じさせる。孔を２工程のプロセスで形成した場合には、この問題はかなり小さくなる。
米国特許第４６５３９８３号明細書

使用するプロセスにかかわらず、レーザ、放電加工、電子ビームによる穴あけの組み合わせを使用する２工程のプロセスは、孔とディフューザ面との間に“ヴェール”孔の冷却能力を低下させる段差を生じさせてしまう。この段差は、孔の中心線に対するディフューザの位置公差によって生じる。

よって、ディフューザ面からの流れの“剥離”を生じさせることなく、孔に対するディフューザのある程度の位置公差に対応できる、改良された“ヴェール”タイプのディフューザとその製造方法が求められている。

本発明の目的は、２工程のプロセスによって形成される剥離のないディフューザ孔を製造する方法および装置を提供することである。

本発明の他の目的は、剥離のないディフューザを部品に形成する方法を提供することであり、この方法は、少なくとも１つの計量孔を部品に形成するとともに、歯を含む少なくとも１つのくし形電極を提供することを含み、上記歯は、この歯の中心線上の点で交わる複数のディフューザ面を備えるノーズ部と、上記中心線からのオフセットによって切り落とされた形となっている少なくとも１つの上記複数のディフューザ面と、を含むとともに、遷移領域において少なくとも１つのディフューザ孔が少なくとも１つの計量孔と交わるように、くし形電極とともに少なくとも１つのディフューザ孔を部品に形成する。

本発明のまた他の目的は、拡散孔を形成するくし形電極を提供することであり、このくし形電極は、中心線に沿った点まで延在する少なくとも１つのノーズ部を含み、このノーズ部は、遷移部を形成することができる追加の角度づけられた部分を備える。

本発明のさらに他の目的は、剥離のないディフューザを部品に形成する方法を提供することであり、この方法は、少なくとも１つの計量孔を部品に形成し、少なくとも１つのディフューザを異なるプロセスまたは工程によって形成することを含む。ディフューザは、貫通孔から孔のディフューザ部への遷移領域を提供するために、歯の中心線に沿った共通のノーズ点を通る角度づけられた面の列を有する。拡散が望まれる箇所では、（最悪の公差条件において）これらの面は、部品の表面を超えて連続する。拡散が望まれていない箇所では、２つの工程の間の公差のために孔の端部と拡散孔の端部との間に存在しうる段差を単になくすように、これらの面は、歯の公称中心線からある距離で切り落とされた形（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ）となっている。

本発明は、好ましくは放電加工されたディフューザの形成を教示しており、このディフューザは、最終的な“ヴェール”孔の計量部を形成する壁の貫通孔と実質的に一致する（ｃｏ−ｌｉｎｅａｒ）中心線を有する。

ここでは、本発明を、ディフューザを形成するために使用される放電加工工具に関して説明する。説明では孔が先に穴あけされているが、実際にはプロセスを反対にすることもできる。本発明は、ここでは少なくとも２つの歯を有する“くし形電極”に関して説明されている。しかし、当業者であればわかるように、本発明の教示は、一度に１つのディフューザを放電加工する単一の歯を含む電極、または１つの平面に“ｎ”個の平行な孔があれば一度に“ｎ”個の孔にディフューザを形成する“ｎ”個の歯を含むくしの使用まで広げることができる。従って、ここでは、“くし形電極”には１つの歯のみを含む電極も含まれる。単一の歯の電極の場合には、孔の中心線とディフューザの中心線との間における対応すべき公差は最小となる。“ｎ”個のディフューザを同時に穴あけするくしの場合には、対応すべき公差はより大きくなる。

本発明のディフューザ電極は、単一の放電加工プロセスで孔とディフューザの両方を形成する当該技術で周知の電極のディフューザ部分と類似する。このような周知の電極は、銅片の放電加工または多段金型による鋳造のいずれによって製造されるかにかかわらず、現行では一般に４つの側面を有する。ディフューザを含まない１つまたは２つの面は、計量孔とディフューザの直線状の（拡散のない）面とを形成する部分に単一の面を有する。

本発明のディフューザの説明は、４つの側面を含む電極に基づくが、本発明のプロセスは、ディフューザの数が、孔の中心線を中心として３つまたは５つ以上のディフューザの列に基づく場合を含みうる。

図１を参照すると、２つの歯を備えるくし形電極１１１が示されており、このくし形電極１１１は、ピッチ１だけ離れた２つの平行な孔に２つのディフューザを同時に形成する。歯の中心線２の間の公称ピッチ１は、同じ平面における隣接する２つの平行な孔の間の公称距離に等しい。計量角（ｍｅｔｅｒ ａｎｇｌｅ）３は、各々の孔が計量線（ｍｅｔｅｒ ｌｉｎｅ）４となす角度である。

１工程の孔の場合には、計量線４は、ディフューザが計量孔と合流する点を通る線である。この明細書における２工程の孔の計量線４は、４つのディフューザ平面と孔の中心線との共通の交差部を通る線である。計量線４は、最終的な孔の計量線に平行な線である。計量線４は、４つのディフューザが歯の中心線２と交わる１つまたは複数の点５を通る。くし形電極１１１の上方領域６は、放電加工機に電極を取り付けるために使用される領域である。この上方領域６は、電極を取り付けるとともに整列させるための特徴部を有しうる。

図２は、くし形電極１１１の計量線４に沿って下方向に見たくし形電極１１１の説明図である。平面７は、くし形電極１１１の基準平面であり、この基準平面は、公称の孔の中心線を通る平面と実質的に一致する。この図では、くし形電極１１１の後方ディフューザ角８と前方ディフューザ角９とが定められている。くし形電極１１１の厚み１４も示されている。好ましくは、ディフューザ角８，９は、１２°を超えない。さらに好ましくは、ディフューザ角８，９は、約１０°である。

図３を参照すると、くし形電極１１１のディフューザ領域の拡大図が示されている。エアフォイルにおける冷却孔の直径１０は、その（くしの歯すなわちノーズ部３１の中心線２と実質的に整列した）公称位置で（上方の孔に破線によって）示されている。この図には、上方のディフューザ角１１と下方のディフューザ角１２が示されている。好ましくは、ディフューザ角１１，１２は、１２°を超えない。さらに好ましくは、ディフューザ角１１，１２は、約１０°である。

この実施例では、電極１１１のノーズ部３１は、角度８，９，１１，１２によって形成された４つのディフューザを有し、これらのディフューザは、歯の中心線２上の点５で終端となる（歯の中心線は、孔の中心線と実質的に一致することに留意されたい）。ディフューザは、歯の中心線に対して、ディフューザ壁から流れが剥離せずに表面の屈折部に沿って流れるような、ある角度をなす。流れの剥離を防止するために、角度８，９，１１，１２の最大拡散角度は一般に約１０°であることが好ましい。

２つのディフューザを含む“ヴェール”孔の場合には、孔の径方向外側および孔の前方側の角度９，１１によって形成されるディフューザは、孔の最大の幅の２分の１と、孔の中心線とディフューザの中心線との間に維持されうる（対応する方向における）最大の公差と、の和に等しい距離だけ孔の中心線からオフセット１３した面で終端となる。このような公差は、複数の歯を有する電極では、孔の中心線を含む平面に対するくしの回転とともに、孔とくしの両方について隣接する中心線の間のピッチの変動を考慮する必要があるので、より大きくなる。

孔の計量部に隣接する孔の部分は、ある距離にわたって４つの全ての面に拡散部を備えることが分かる。従って、この孔の面積比は、従来の単一工程の放電加工プロセスによって形成された孔よりも大きくなる傾向がある。これは、前方のディフューザにおけるオフセットされた面によって、孔の計量部から面積比が測定される平面までの距離が短縮されることによって部分的に相殺される。

さらに、これらの孔は、従来の単一工程の放電加工プロセスによって形成された孔よりも僅かに大きい有効範囲（エアフォイル面における孔の開口（ｂｒｅａｋ ｏｕｔ）の垂直高さ）を有する。

面積比および有効範囲の増加は、エアフォイルのより効率的なフィルム冷却孔を提供するために有利である。

２工程の孔を形成する他の方法には、エアフォイル壁にディフューザを鋳造してから、放電加工、レーザまたは電子ビームによる穴あけによって孔をあけることが含まれる。さらに、ディフューザ形状を機械加工してから、放電加工、レーザまたは電子ビームによる穴あけによって孔をあけることができる。これらの工程は、反対の順序で行ってもよい。

図４を参照すると、部品４３に形成された最終的なディフューザ４１の断面が示されている。これは、単一のディフューザ孔４１であるので、孔の中心線４５と部品表面４７との対頂角１５は、くし形電極１１１の計量角３にほぼ等しい。孔の上方端部と部品４３に設けられた上方のディフューザとの間のオフセット距離１６は、公称のオフセット１３に、計量孔４９に対するディフューザ４１の位置公差と孔の半径４１の公差との和を足した値または引いた値である。

（孔の中心線に平行な側面である）孔のディフューザ部の端部から孔４９の端部までのオフセット距離１６が、２工程のプロセスで直接調整可能であれば、ディフューザのオフセット１３は公称の孔半径と（計量孔とディフューザの）２つの特徴部の間の位置公差との和に減少させることができる。

よって、本発明は、タービンエアフォイルにおける計量孔と拡散孔との間に滑らかな遷移部を維持するように、２工程のプロセスを使用して計量孔と拡散孔との組み合わせを製造する製造方法を教示している。製造公差のために、各々の孔の中心線がずれることがある。このようなずれは、流れが剥離する段差を生じさせる。これを防止するために、遷移部４６が追加される。この領域を形成するために、拡散孔を形成するために使用されるの放電加工のくしに約１０°の追加の角度づけられた部分が追加される。段差が生じうる全ての側面において、計量孔の最大直径の２分の１と最大位置公差との和に等しい量でくし形電極がオフセットされる（厚く設けられる）。この追加材料の前縁は、その側面に約１０°の角度を有する箇所として形成される。これにより、計量孔と拡散孔との間に短い遷移（拡散）領域４６を有する通常の拡散孔が形成される。遷移部における拡散角が十分に小さいので、流れの剥離は生じない。

本発明は、ここで説明および開示した実施例に限定されるものではなく、これらの実施例は、本発明を実施する好適な形態を単に示すものであり、形態、寸法、部品構成、および動作の詳細は変更可能である。本発明は、請求項の趣旨および範囲内に含まれる全ての変更を含むものである。

本発明のくし形電極の説明図である。 電極の計量線に沿って下方向に見た電極の説明図である。 本発明のくし形電極のノーズ部の詳細を示す説明図である。 本発明によって形成される計量孔とディフューザの説明図である。

符号の説明

１…ピッチ
２…歯の中心線
３…計量角
４…計量線
５…歯の中心線上の点
６…上方領域
１１１…くし形電極

Claims (11)

1. 部品への剥離のないディフューザの形成方法であって、
   少なくとも１つの計量孔を部品に形成し、
   歯を有する少なくとも１つのくし形電極を提供し、この歯は、該歯の中心線上の点で交わる複数のディフューザ面を備えるノーズ部を含んでおり、前記複数のディフューザ面の少なくとも１つが、前記中心線からのオフセットによって切り落とした形となっており、
   少なくとも１つのディフューザ孔が前記少なくとも１つの計量孔と遷移領域で交わるように、前記くし形電極によって少なくとも１つのディフューザ孔を前記部品に形成することを含むことを特徴とするディフューザの形成方法。
2. 前記少なくとも１つの計量孔の形成は、放電加工、レーザ穴あけ、および電子ビーム穴あけの群から選択された製造方法を使用することを含むことを特徴とする請求項１記載のディフューザの形成方法。
3. 前記少なくとも１つの計量孔の形成は、前記少なくとも１つのディフューザ孔の形成の前に行われることを特徴とする請求項１記載のディフューザの形成方法。
4. 前記くし形電極の提供は、前記複数のディフューザ面の少なくとも１つが、前記計量孔の側面と前記ディフューザ孔との間の段差をなくすために十分な距離で、前記歯の中心線からオフセットされているくし形電極を提供することを特徴とする請求項１記載のディフューザの形成方法。
5. 前記少なくとも１つのディフューザ孔の形成は、
   前記少なくとも１つのディフューザ孔が前記少なくとも１つの計量孔と交わって少なくとも１つの遷移領域が形成されるように、くし形電極を前記部品に挿入することを含むことを特徴とする請求項４記載のディフューザの形成方法。
6. 計量孔のディフューザの形成は、前記少なくとも１つの計量孔の形成の前に行われることを特徴とする請求項１記載のディフューザの形成方法。
7. 前記少なくとも１つの計量孔の形成は、
   前記少なくとも１つの計量孔が前記少なくとも１つのディフューザ孔と交わって少なくとも１つの遷移領域が形成されるように、前記少なくとも１つの計量孔を形成することを含むことを特徴とする請求項６記載のディフューザの形成方法。
8. 前記少なくとも１つのディフューザのそれぞれの追加の角度づけられた部分は、１２°を超えない角度を有することを特徴とする請求項１記載のディフューザの形成方法。
9. 前記少なくとも１つのディフューザのそれぞれの追加の角度づけられた部分は、約１０°の角度を有することを特徴とする請求項１記載のディフューザの形成方法。
10. 少なくとも１つの計量孔を部品に形成することは、前記少なくとも１つの計量孔をタービン部品に形成することを含むことを特徴とする請求項１記載のディフューザの形成方法。
11. 拡散孔を提供するくし形電極であって、
    中心線に沿った点まで延在する少なくとも１つのノーズ部を有し、このノーズ部は、遷移領域を形成することができる追加の角度づけられた部分を含むことを特徴とするくし形電極。

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