JP2008229842A - テーパー冷却孔を形成するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解加工用電極を提供する。
【解決手段】電解加工（ＥＣＭ）用電極は、その外周を絶縁体１０６で包囲してなる第一セクション１０２と、その外周に絶縁体１０６が部分的にしか延在していない第二セクション１０４とを含む。電極は、第一の断面を有する第一部分と、第二の断面を有する第二部分とを含む孔を被加工物にシングルパスで形成するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は広義には電解加工に関し、具体的にはタービンエンジン翼形部に冷却孔を形成するシステム及び方法に関する。

電解加工（ＥＣＭ）及び／又はＳＴＥＭ（shaped tube electrochemical machining）電解加工は、タービンエンジン翼形部に冷却孔を形成するのに常用されている。ＥＣＭプロセスでは、加工される工作物を直流電源の正極につなぎ、電極を直流電源の負極につなぐ。電解液を電極と工作物の間に流す。電解液は例えば酸溶液又は塩水溶液などでよい。加工プロセスでは、制御された電気化学反応で工作物が溶解して冷却孔を形成する。一般に、かかる加工では円形断面を有する冷却孔が形成される。円形断面は冷却孔入口を通して所望の流量が流入する寸法とされるが、円形断面ではブレード内部及び／又は冷却孔下流での潜在的な熱伝達量が低減して、ブレード内部での冷却量が低下することが多々ある。さらに、冷却孔の出口を円形断面に画成するのは、概して、後縁が狭い翼形部には適していないことがある。さらに、冷却孔の出口を円形断面に画成すると、冷却孔周囲の翼形部領域に高い応力集中部を惹起しかねない。

従って、少なくとも幾つかの公知の冷却孔は、円形断面の入口と、楕円形断面の出口をもつように設計されている。かかる冷却孔は一般に電解加工法で形成される。かかる冷却孔は円形断面と楕円形断面の双方の利点を有するものの、円形断面と楕円形断面の間に拡大部も含んでいる。拡大部で気流が急激な流れの変化を起こして、流れが乱れ、実質的に不均一となりかねない。さらに、公知の電解加工法でかかる冷却孔を形成するには電極を２回以上パスする必要があるので、かかる冷却孔の製造には概して他のタイプの冷却孔の製造よりも時間と費用がかかる。
米国特許第６９９７６７９号明細書 米国特許第６９９７６７５号明細書 米国特許第６９９４５１４号明細書 米国特許第６９１０８６４号明細書 米国特許第６８２４３６０号明細書 米国特許第６７４３３５０号明細書 米国特許第６５８２５８４号明細書 米国特許第６５５４５７１号明細書 米国特許第６５３９６２７号明細書 米国特許第６４１３４０７号明細書 米国特許第６３４０２８４号明細書 米国特許第６３０３１９３号明細書 米国特許第６２６７８６８号明細書 米国特許第５８２０７４４号明細書 米国特許第５７３９４９７号明細書 米国特許第５４１６２８９号明細書 米国特許第５４１３４６３号明細書 米国特許第５３０６４０１号明細書 米国特許第４６９０７３７号明細書 米国特許第４２５００１１号明細書 米国特許第３８０３０１８号明細書

一実施形態では、被加工物に孔を形成する方法を提供する。当該方法は、その外周を絶縁体で包囲してなる第一セクションと、その外周に絶縁体が部分的にしか延在していない第二セクションとを含む電解加工（ＥＣＭ）用電極を準備することを含む。当該方法は、第一の断面を有する第一部分と第二の断面を有する第二部分とを含む孔を上記電極がシングルパスで形成するように、被加工物に上記電極を挿入することも含む。

別の実施形態では、電解加工（ＥＣＭ）用電極を提供する。当該電極は、その外周を絶縁体で包囲してなる第一セクションと、その外周に絶縁体が部分的にしか延在していない第二セクションとを含む。当該電極は、第一の断面を有する第一部分と第二の断面を有する第二部分とを含む孔を被加工物にシングルパスで形成するように構成されている。

さらに別の実施形態では、タービンエンジン部品に孔を穿孔加工するためのシステムを提供する。当該システムは、その外周を絶縁体で包囲してなる第一セクションと、その外周に絶縁体が部分的にしか延在していない第二セクションとを含む電解加工（ＥＣＭ）用電極を備える。上記電極は、第一の断面を有する第一部分と第二の断面を有する第二部分とを含む孔を被加工物にシングルパスで形成するように構成されている。

本発明は、タービンエンジン翼形部の穿孔加工に使用できるシステムを提供する。本システムでは、中空の電解加工（ＥＣＭ）用電極を使用し、その中を通して電解液を流す。電解液の例は酸溶液又は塩水溶液などである。加工前に、翼形部を直流電源の正極につなぎ、電極を直流電源の負極につなぐ。電極と翼形部の間に電解液を流す、制御された電気化学反応によって翼形部が溶解し、冷却孔が形成される。

電極は、第一の断面で規定される第一部分と第二の断面で規定される第二部分とを含む冷却孔をタービンエンジン翼形部に形成する。例示的な実施形態では、第一部分は略円形断面を有し、第二部分は略楕円形断面を有する。さらに、例示的な実施形態では、冷却孔の第一部分は翼形部の内表面に画成され、冷却孔の第二部分は翼形部の外表面に画成される。

本発明をタービン翼形部での冷却孔の形成に関して説明するが、当業者には明らかな通り、本発明は、冷却孔が必要とされるエンジンのその他の部品及び／又は他のシステムの部品、例えばタービンケーシング、排気管、排気ダクトなどでの冷却孔の形成にも利用できる。また、本発明を電解加工に関して説明するが、当業者には明らかな通り、本発明は、その他の穿孔法にも適用できる。

図１に、電解加工（ＥＣＭ）用電極１００の例を示す。具体的には、図１では、電極１００の第一の端部１０３から延びる第一セクション１０２と、電極１００の第二の端部１０５から延びる第二セクション１０４とを有する中空電解加工用電極１００の側面図１（ａ）、第一の端部１０３の端面図１（ｂ）並びに第二の端部１０５の端面図１（ｃ）を示す。例示的な実施形態では、電極１００は実質的に円筒形であり、その内部を通して電解液を運ぶように構成されている。電解液は、加工すべき部材から金属を除去するための電気化学溶解用の媒質として働く。電解液は、また、加工域から溶解金属を除去する。当業者には自明であろうが、電極１００は、所望の機能に基づいて適当な形状を有していればよい。さらに、例示的な実施形態では、電極１００は、その周囲に延在する絶縁体１０６を含む。絶縁体１０６は、所望の寸法及び形状の冷却孔が得られるように、金属の溶解を所望の領域に限定する。

例示的な実施形態では、絶縁体１０６は、第一セクション１０２の外周を包囲するが、第二セクション１０４の外周には部分的にしか延在しない。具体的には、例示的な実施形態では、絶縁体１０６は、第二セクション１０４の第一の側面１０８とその反対側の第二の側面１１０にしか延在しない。したがって、第二セクション１０４は、互いに相対して位置し、絶縁されずに露出された部分１１２を２箇所含む。別の実施形態では、絶縁体１０６及び非絶縁部１１２は、第二セクション１０４において本明細書に記載の機能を電極１００が果たすことのできる任意の配置に配設される。さらに、例示的な実施形態では、非絶縁部１１２は、電極１００に沿ってＬ₁の長さに延在する。当業者には自明であろうが、非絶縁部１１２は、電極１００に沿って、本明細書に記載の機能を電極１００が果たすことのできる任意の長さＬ₁に延在し得る。また、当業者には自明であろうが、非絶縁部１１２の構成、数、寸法及び長さは、電極１００の所望の機能及び／又は動作結果に基づいて種々選択し得る。

作動に際して、電解液を通して電極１００と電極１００で加工する部材とに電流が流れる。絶縁体１０６は、電極１００の非絶縁部１１２及び非絶縁電極チップ１１６から放電を起こす。非絶縁部１１２の構成、数、寸法及び長さは種々選択できるので、非絶縁部１１２の構成、数、寸法及び長さを変更すれば非絶縁部１１２及びチップ１１６からの放電量を変えることができる。

図２に、例示的なタービン翼形部２０２での冷却孔２００の形成に用いられる電極１００を示す。具体的には、図２では、翼形部２０２の外表面２０４から翼形部２０２の内表面２０６に向かって挿入した電極１００の側面図２（ａ）並びに加工時の電極の第二の端部１０５の方向から観た端面図２（ｂ）を示す。

図３に、加工プロセスが完了し、冷却孔２００が形成された翼形部２０２を示す。具体的には、図３では、冷却孔２００を含む翼形部２０２の側面図３（ａ）、冷却孔入口２０７の断面図３（ｂ）並びに冷却孔出口２０８の断面図３（ｃ）を示す。

加工プロセスに際して、第一セクション１０２は、矢印２１０で示すように、外表面２０４から内表面２０６に向かって挿入される。例示的な実施形態では、電極１００は、外表面２０４に対して、特に限定されないが、０°、９０°その他０°〜９０°の間の任意の傾斜角を始めとして、様々な角度で挿入できる。一部の電流２１２は翼形部２０２と電極チップ１１６との間で発生し、一部の電流２１４は非絶縁部１１２と翼形部２０２との間で発生する。第一セクション１０２を翼形部２０２内に並進させると、電流２１２によって翼形部２０２からの金属の除去が促進され、冷却孔２００を形成し始める。具体的には、第一セクション１０２の挿入によって翼形部２０２に実質的に円形の断面が形成される。例示的な実施形態では、金属は電気化学的溶解によって除去され、冷却孔２００を形成する。当業者には自明であろうが、代替的な実施形態では、電極１００は、第一セクション１０２によって翼形部２０２に非円形断面が画成されるような形状に形成してもよい。

第二セクション１０４を翼形部２０２に挿入すると、電極１００から放電される電流２１４によって、翼形部２０２からの、さらに具体的には第一セクション１０２によって形成された略円形断面からの金属の除去が促進される。このような追加の金属除去によって、翼形部２０２に楕円形断面が形成される。具体的には、非絶縁部１１２から放電される電流２１４によって楕円形断面が画成される。当業者には自明であろうが、非絶縁部１１２の配置を変更すれば、第二セクション１０４で画成される断面の形状を変えることができる。翼形部２０２への第二セクション１０４の挿入に伴って、第二セクション１０４から放電される電流２１４に暴露される翼形部２０２の部分に画成される断面は大きくなる。その結果、例示的な実施形態では、外表面２０４に画成される冷却孔２００の断面積は、電極チップ１１６から放電される電流２１２にしか暴露されない翼形部２０２の部分に画成される冷却孔２００の断面積よりも広い。

例示的な実施形態では、電極１００を翼形部２０２に挿入すると、第一の部分２３０とそこから延びる第二の部分２３２とを含む冷却孔２００が翼形部２０２に形成される。具体的には、第一セクション１０２から放電される電流２１２にしか暴露されていない第一部分２３０は略円形の断面２３４を有し、非絶縁部１１２及び電極チップ１１６からそれぞれ放電される電流２１２及び電流２１４の双方に暴露された第二部分２３２は略楕円形の断面２３６を有する。例示的な実施形態では、第二部分２３２は、第一部分２３０近傍に画成される半径方向内端２４０と、外表面２０４に画成される半径方向外端２４２とを含む。半径方向外端２４２の方が暴露される電流２１４の量が大きいので、半径方向外端２４２の断面積２３６は半径方向内端２４０の断面積２４６よりも広い。例示的な実施形態では、第二部分２３２は、半径方向外端２４２から半径方向内端２４０に向かって先細となっている。従って、冷却孔２００は、公知の従来技術に存在するような断面の急激な変化は伴わない。

従って、電極１００は、異なる断面２３４及び２３６を有する冷却孔２００の電極１００のシングルパスでの形成を促す。例示的な実施形態では、断面２３４及び２３６は、平坦面、粗面及び／又は波形表面仕上げの少なくともいずれかを有し得る。こうして、冷却孔２００の第一部分２３０は、冷却孔２００を通過する気流量の調節を容易にする。さらに、冷却孔２００の第二部分２３２は、翼形部２０２内部及び／又は冷却孔２００下流の熱伝達量の増加を促して、翼形部２０２内部の冷却量を増大させる。さらに、冷却孔の第二部分２３２の配向及び断面形状によって、翼形部外表面の冷却孔２００を画成する領域に惹起されかねない応力集中部を、たとえ外表面の狭い翼形部であっても低減することができる。さらに、冷却孔の第二部分２３２のテーパー構成によって冷却孔２００を徐々に拡げることができ、冷却孔２００を通して冷却空気をほとんど乱さずに均一に流すことができる。

一実施形態では、被加工物に冷却孔を形成する方法は、その外周を絶縁体で包囲してなる第一セクションと、その外周に絶縁体が部分的にしか延在していない第二セクションとを含む電解加工（ＥＣＭ）用電極を提供することを含む。当該方法は、第一の断面を有する第一部分と第二の断面を有する第二部分とを含む冷却孔を上記電極がシングルパスで形成するように、被加工物に上記電極を挿入することを含む。例示的な実施形態では、当該方法は、略円形の断面を有する冷却孔の第一部分を形成し、非円形の断面を有する冷却孔の第二部分を形成することを含む。例示的な実施形態では、当該方法は、被加工物の第一の側面に冷却孔入口を形成し、被加工物の第一の側面とは反対側の第二の側面に冷却孔出口を形成することを含む。例示的な実施形態では、当該方法は、第一の断面を有する第一の端部と第一の断面よりも広い第二の断面を有する第二の端部とを有する冷却孔の第二部分を形成することも含む。例示的な実施形態では、当該方法は、冷却孔の第一部分から被加工物の外表面に画成される出口まで冷却孔の第二部分が徐々に拡がる冷却孔を形成することを含む。例示的な実施形態では、当該方法は、電極をタービンエンジン翼形部に挿入することを含む。

上述のシステム及び方法は、異なる断面を有する冷却孔を翼形部にシングルパスで形成する電極を提供する。上述のシステム及び方法はさらに、流入する空気量を絞る冷却孔を形成するとともに、翼形部内部及び／又は冷却孔下流での熱伝達を大きく促進する。冷却孔は、翼形部外表面の冷却孔を画成する領域に惹起されかねない応力集中部を、たとえ外表面の狭い翼形部であっても低減することができる。冷却孔はテーパー形状を含んでおり、その中を通して冷却空気を実質的に均一に流すことができる。

本明細書で単数形で記載した構成要素又はステップは、特記しない限り、複数の要素又はステップも包含する。さらに、本発明の「一実施形態」とは、記載した特徴を備える他の実施形態の存在を除外するものではない。

以上、翼形部に冷却孔を形成するためのシステム及び方法の例示的な実施形態を説明してきた。例示したシステム及び方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、本システムの部品は、本明細書に記載した他の部品とは別途独立して使用し得る。また、本方法について記載したステップも、本明細書に記載した他のステップとは別途独立して実施し得る。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲内で様々な変更を施して本発明を実施できることは当業者には明らかであろう。

例示的な電解加工（ＥＣＭ）用電極を示す図。 図１に示す電極をタービン翼形部の冷却孔の形成に用いたときの図。 冷却孔が形成された図２に示す翼形部の断面図。

符号の説明

１００ 電解加工用電極
１０２ 第一セクション
１０３ 第一の端部
１０４ 第二セクション
１０５ 第二の端部
１０６ 絶縁体
１０８ 第一の側面
１１０ 第二の側面
１１２ 非絶縁部
１１６ 電極チップ
２００ 冷却孔
２０２ 翼形部
２０４ 外表面
２０６ 内表面
２０７ 冷却孔入口
２０８ 冷却孔出口

Claims (10)

1. 電解加工（ＥＣＭ）用電極（１００）であって、当該電極が、
   その外周を絶縁体（１０６）で包囲してなる第一セクション（１０２）と、
   その外周に絶縁体が部分的にしか延在していない第二セクション（１０４）
   とを含み、第一の断面（２３４）を有する第一部分（２３０）と第二の断面（２３６）を有する第二部分（２３２）とを含む孔（２００）を被加工物にシングルパスで形成するように構成されている、電解加工（ＥＣＭ）用電極（１００）。
2. 当該電極の第一セクション（１０２）が実質的に円形の断面（２３４）の孔の第一部分（２３０）を形成するように構成されている、請求項１記載の電解加工（ＥＣＭ）用電極（１００）。
3. 当該電極の第二セクション（１０４）が、非円形の断面（２３４）の孔の第二部分（２３２）を形成するように構成されている、請求項１記載の電解加工（ＥＣＭ）用電極（１００）。
4. 被加工物の第一の側面に孔（２００）の入口（２０７）を、被加工物の第一の側面と反対側の第二の側面に孔（２００）の出口（２０８）を形成するように構成されている、請求項１記載の電解加工（ＥＣＭ）用電極（１００）。
5. 電極の第二セクション（１０４）が、第一の断面を有する第一の端部と第一の断面よりも広い第二の断面を有する第二の端部とを含む孔の第二部分（２３２）を形成するように構成されている、請求項１記載の電解加工（ＥＣＭ）用電極（１００）。
6. 電極の第二セクション（１０４）が、その第一の側面及び第一の側面と反対側の第二の側面に絶縁体（１０６）を備える、請求項１記載の電解加工（ＥＣＭ）用電極（１００）。
7. 孔の第一部分（２３０）から被加工物の外表面に画成される出口まで孔の第二部分（２３２）が徐々に拡がる孔（２００）を形成するように構成されている、請求項１記載の電解加工（ＥＣＭ）用電極（１００）。
8. タービンエンジン部品に孔（２００）を穿孔加工するためのシステムであって、当該システムが電解加工（ＥＣＭ）用電極（１００）を備えており、上記電極が、
   その外周を絶縁体（１０６）で包囲してなる第一セクション（１０２）と、
   その外周に絶縁体が部分的にしか延在していない第二セクション（１０４）
   とを含み、上記電極が、第一の断面（２３４）を有する第一部分（２３０）と第二の断面（２３６）を有する第二部分（２３２）とを含む孔（２００）を被加工物にシングルパスで形成するように構成されている、システム。
9. 前記電極の第一セクション（１０２）が実質的に円形の断面（２３４）の孔の第一部分（２３０）を形成するように構成されている、請求項８記載のシステム。
10. 前記電極の第二セクション（１０４）が、非円形の断面（２３４）の孔の第二部分（２３２）を形成するように構成されている、請求項８記載のシステム。

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