JP2009057968A - 内部冷却チャネルを有するマルチパート鋳造タービンエンジン部品及びマルチパート鋳造タービンエンジン部品を形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン用のマルチパート鋳造部品を提供する。
【解決手段】本マルチパート鋳造部品は、少なくとも１つの冷却流路セクションを備えた本体部分を有する第１の部品セクションと、少なくとも１つの冷却流路セクションを備えた本体部分を有する第２の部品セクションとを含む。第１及び第２の部品セクションは、該第１の部品セクションの少なくとも１つの冷却流路セクションが該第２の部品セクションの少なくとも１つの冷却流路セクションと整列して冷却流チャネルを形成した状態で、分割線に沿って接合されてタービンエンジン部品を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、タービンエンジンの技術に関し、より具体的には、内部に形成した冷却空洞を有する２部品鋳造タービンエンジン部品に関する。

一般的に、ガスタービンエンジンは、燃料／空気混合気を燃焼させて、高温ガスストリームの形態で熱エネルギーを放出し、高温ガスストリームは、高温ガス通路を介してタービンセクションに送られる。より具体的には、圧縮機が、流入空気を高圧に加圧する。高圧空気は、燃焼室に給送されて燃料と混合され、可燃混合気を形成する。可燃混合気は次に、点火されて高圧高速ガスストリームを形成し、この高圧高速ガスストリームが、タービンに給送される。高圧空気は、タービンロータ組立体の一部を形成するロータブレード又はバケット上に衝突する。このようにして、タービンは、高温高速ガスストリームからの熱エネルギーを、タービンシャフトを回転させる機械エネルギーに変換する。

多くのケースでは、各ロータブレードの内部部分には、特にロータブレードの翼形部の温度を低下させるために冷却ガスが給送される。冷却ガスは、ブレードに一体成形した内部通路を通して給送される。幾つかのケースでは、通路は、ロストワックスインベストメント鋳造法を用いて形成される。他のケースでは、通路は、セラミック中子の周りに形成される。いずれのケースでも、通路は、製造するのが困難であり、高価であり、またその形状が制限される。加えて、セラミック中子は、ブレードを形成するのに用いる様々な合金とネガティブ反応を示すおそれがある。さらに、セラミックコアは、脆弱であり、移動及び破損しやすい傾向にある。最後に、通路の内面は、残留したコア欠損、配向不良粒子又はバリを含むおそれがある。上記の製造方法は、不可能でないとしても、通路の目視検査を困難にする。
米国特許第６９６６７５６号明細書

１つの態様によると、本発明は、タービンエンジン用のマルチパート鋳造部品を提供する。本マルチパート鋳造部品は、第１の冷却流路セクションを形成する内部部分を備えた本体部分を有する第１の部品セクションと、第２の冷却流路セクションを形成する内部部分を備えた本体部分を有する第２の部品セクションとを含む。第１及び第２の部品セクションは、第１及び第２の冷却流路セクションが整列して冷却流チャネルを形成した状態で、分割線に沿って接合されてタービンエンジン部品を形成する。

別の態様によると、本発明は、タービンエンジン用のマルチパート鋳造部品を形成する方法を提供する。本方法は、第１の部品セクションを鋳造する段階と、第１の部品セクション内に第１の冷却流路セクションを形成する段階と、第２の部品セクションを鋳造する段階と、第２の部品セクション内に第２の冷却流路セクションを形成する段階とを含む。本方法はまた、第１及び第２の冷却流路セクションが整列して冷却流チャネルを構成した状態で、第１及び第２の部品セクションを分割線に沿って接合してタービンエンジン部品を形成する段階を必要とする。

本発明は、内部冷却チャネルを有する２部品鋳造タービンエンジン部品を提供し、内部冷却チャネルは、他の鋳造方法に関連する欠点の多くを回避しながらその構造が容易に形成されかつ容易に目視検査することができることを理解されたい。いずれにしても、本発明の様々な態様の付加的な目的、特徴及び利点は、幾つかの図において同じ参照符号が対応する部品を表している図面と共に行った以下の詳細な説明からより容易に明らかとなるであろう。

まず図１を参照すると、本発明によって構成したガスタービンエンジンは、その全体を参照符号１０で示している。タービンエンジン１０は、圧縮機１２を含み、圧縮機１２は、シャフト１８を介してタービン１４及び発電機１６に作動結合される。シャフト１８は、単一かつモノリシック構造の部品として示しているが、シャフト１８はまた、各セグメントが隣接するエンジン部品に結合された複数のセグメントで形成することもできることが容易に理解されるであろう。

いずれにしても、エンジン１０は、図示するようにさらに燃焼器２０を含み、燃焼器２０内で、圧縮機１２からの空気２１と燃料２２とが混合されて可燃混合気を形成する。可燃混合気は、点火されて高圧高温燃焼生成物すなわちガス２８を形成し、この燃焼ガス２８は、タービン１４を駆動するために用いられる。より具体的には、高圧高温ガス２８はタービン１４内に流入し、その２つを参照符号４０及び４１で示す複数のロータブレードを有するロータ組立体３５上に衝突する。ロータ組立体３５は、高圧高温ガス２８からの熱エネルギーを回転機械エネルギーに変換する。

ロータ組立体３５に結合される時、ロータブレード４０及び４１は、シャフト１８のようなロータシャフトに回転可能に取付けられたロータディスク（図示せず）に連結される。別の構成では、ロータブレード４０及び４１は、ロータスプール（図示せず）内に取付けられる。いずれにしても、周方向に隣接するロータブレード４０及び４１は同一であり、詳細な説明はロータブレード４０に関して以下で行うことにする。しかしながら、この例示的な実施形態では、複数のロータブレードの各々は同様に構成されていることを理解されたい。

図２及び図３に最もよく示しているように、ロータブレード４０は、翼形部６０、プラットフォーム部分６２、シャンク部分６４及びダブテール６６を含み、これらは全体でバケットとして知られている。各翼形部６０は、第１の側壁７０と第２の側壁７２とを含む。この図示した実施形態では、第１の側壁７０は凸面形であり、翼形部６０の負圧側面を形成する。対照的に、第２の側壁７２は凹面形であり、翼形部６０の正圧側面を形成する。側壁７０及び７２は、共同で翼形部６０の前縁７４及び軸方向に間隙を置いた後縁７６を形成する。より具体的には、後縁７６は、前縁７４から翼弦方向かつ下流側に間隙を置いて配置される。

以下で一層十分に説明するように、前縁７４には、冷却ガスがロータブレード４０を通って流れることができる通気ダクトとして働く複数の開口部７７が設けられる。同様に、後縁７６は、これもまた冷却ガスの通気ダクトとして働く複数の開口部７８を含む。第１及び第２の側壁７０及び７２は、プラットフォーム部分６２に隣接して設置されたバケット又はブレード根元７９から翼形部先端８０までスパンにわたって外向きに延びる。図３に最もよく示しているように、翼形部先端８０は、陥凹座部８４によって形成された開口８２を含む。先端キャップ８５が、陥凹座部８４内に設けられ、開口８２を閉鎖する。しかしながら、先端キャップ８５には、参照符号８７で示すような小開口部を設けて、これら小開口部によって、冷却ガスのごく一部が高温ガス通路（図示せず）内に流れるのを可能にすることができる。

この図示した実施形態では、シャンク部分６４は、プラットフォーム部分６２からダブテール６６まで半径方向内向きに延び、ダブテール６６は、シャンク部分６４から半径方向内向きに延びてロータブレード４０をロータディスク（図示せず）に固定するのを可能にする。プラットフォーム部分６２はまた、上流側面すなわちスカート１０７と下流側面すなわちスカート１０９とを含み、これらスカート１０７及び１０９は、正圧側端縁部１１１及び負圧側端縁部１１２によって連結される。シャンク部分６４は、図示するようにほぼ凹状の側壁１２０とほぼ凸状の側壁（図示せず）とを含み、これら側面１２４及び１２６は、上流側面１２４及び下流側面１２６で連結される。このようにして、凹状側壁１２０は、それぞれ上流側壁及び下流側壁１２４及び１２６に対して陥凹しており、ロータ組立体３５内にロータブレード４０が結合されると、隣接するロータブレード４０及び４１間にシャンク空洞１２８が形成されるようになる。

さらに図２及び図３に示すように、ロータブレード４０は、前方エンゼルウィング１３０と後方エンゼルウィング１３２とを含み、これらエンゼルウィング１３０及び１３２は、それぞれ上流側壁１２４及び下流側壁１２６から外向きに延びる。前方及び後方エンゼルウィング１３０及び１３２は、ロータ組立体３５内に形成された対応する前方及び後方エンゼルウィング空洞（図示せず）を密封するように構成される。加えて、ロータブレード４０は、前方下部エンゼルウィング１３４を含み、この前方下部エンゼルウィング１３４は、上流側壁１２４から外向きに延びてロータブレード４０とロータディスク（図示せず）との間を密封するのを可能にする。

本発明の１つの態様によると、ロータブレード４０は、エンジン１０のマルチパート鋳造部品である。より具体的には、ロータブレード４０は、第１の部品セクション１４２と第２の部品セクション１４４とを含み、これら部品セクション１４２及び１４４は、別個に鋳造されかつ分割線１５０に沿って互いに接合される。例示的な実施形態によると、第１及び第２の部品セクション１４２及び１４４は、アルミニウムで鋳造される。しかしながら、部品セクション１４２及び１４４は、超合金などの様々な材料でまた様々な公知の形成法によって形成することができる。

次に図４を参照して、ロータブレード４０の第１及び第２の部品セクション１４２及び１４４を説明する。図示するように、第１の部品セクション１４２は、第１及び第２の冷却ガス通路セクション１６４及び１６５を形成した内部部分１６２を有する本体部分１６０を含む。図示するように、第１の冷却ガス通路セクション１６４は、入口セクション１６８を含み、この例示的な実施形態では、この入口セクション１６８は、分岐しておりかつ流れチャンバ１７０内に通じる。流れチャンバ１７０は、内部部分１６２を貫通して長手方向に第１の流れ反転セクション１７２まで延びる第１の流れセクション１７１につながる。第１の流れ反転セクション１７２から、第１の冷却流路セクション１６４は、内部部分１６２を貫通して戻るように長手方向に延びる流れ戻りセクション１７４に通じる。流れ戻りセクション１７４は、第２の流れ反転セクション１７６で終端し、第２の流れ反転セクション１７６は、出口流れセクション１７８に通じる。出口流れセクション１７８は、前縁７４内の開口部７７及び翼形部先端８０内の開口部８７を通して冷却ガスを給送する。

上述のものと同様の方法で、第２の冷却流路セクション１６５は、入口セクション１８８を含み、この例示的な実施形態では、この入口セクション１８８は、分岐しておりかつ流れチャンバ１９０内に通じる。流れチャンバ１９０は、内部部分１６２を貫通して長手方向に第１の流れ反転セクション１９２まで延びる第１の流れセクション１９１につながる。第１の流れ反転セクション１９２から、第２の冷却流路セクション１６５は、内部部分１６２を貫通して戻るように長手方向に延びる流れ戻りセクション１９４に通じる。流れ戻りセクション１９４は、第２の流れ反転セクション１９６で終端し、第２の流れ反転セクション１９６は、出口流れセクション１９８に通じる。出口流れセクション１９８は、後縁７６内の開口部７８及び翼形部先端８０内の開口部８７を通して冷却ガスを給送する。この点において、第１及び第２の冷却流路セクション１６４及び１６５は同様に見えるが、各冷却路セクション１６４、１６５が取る特定の通路は、ロータブレード４０の特定の構成又はジオメトリに応じて異なるものにすることができることを理解されたい。

第１の部品セクション１４２に関して上述したものと同様の方法で、第２の部品セクション１４４は、第３及び第４の冷却流路セクション２１４及び２１５を形成した内部部分２１２を有する本体部分２１０を含む。第２の部品セクション１４４は、実際には第１の部品セクション１４２の鏡像である。従って、第３の冷却流路セクション２１４は、第１の冷却流路セクション１６４の鏡像である一方、第４の冷却流路セクション２１５は、第２の冷却流路セクション１６５の鏡像である。しかしながら、完全を期すために説明すると、第３の冷却流路セクション２１４は、入口セクション２１８を含み、この例示的な実施形態では、この入口セクション２１８は、分岐しておりかつ流れチャンバ２２０内に通じる。流れチャンバ２２０は、内部部分２１２を貫通して長手方向に第１の流れ反転セクション２２２まで延びる第１の流れセクション２２１につながる。第１の流れ反転セクション２２２から、第３の冷却流路セクション２１４は、内部部分２１２を貫通して戻るように長手方向に延びる流れ戻りセクション２２４に通じる。流れ戻りセクション２２４は、第２の流れ反転セクション２２６で終端し、第２の流れ反転セクション２２６は、出口流れセクション２２８に通じる。出口流れセクション２２８は、前縁７４内の開口部７７及び翼形部先端８０内の開口部８７を通して冷却ガスを給送する。

また同様な方法で、第４の冷却流路セクション２１５は、入口セクション２３８を含み、この例示的な実施形態では、この入口セクション２３８は、分岐しておりかつ流れチャンバ２４０内に通じる。流れチャンバ２４０は、内部部分２１２を貫通して長手方向に第１の流れ反転セクション２４２まで延びる第１の流れセクション２４１につながる。第１の流れ反転セクション２４２から、第４の冷却流路セクション２１５は、内部部分２１２を貫通して戻るように長手方向に延びる流れ戻りセクション２４４に通じる。流れ戻りセクション２４４は、第２の流れ反転セクション２４６で終端し、第２の流れ反転セクション２４６は、出口流れセクション２４８に通じる。出口流れセクション２４８は、後縁７６内の開口部７８及び翼形部先端８０内の開口部８７を通して冷却ガスを給送する。

この配列の場合では、冷却流路１６４、１６５及び２１４、２１５は、機械加工、成形及び同様なもののような様々な方法を用いてそれぞれ第１及び第２の部品セクション１４２及び１４４内に形成される。使用した方法にかかわらず、形成されると、冷却流路セクション１６４、１６５及び２１４、２１５は、冷却効率全体を損なうおそれがある異常の目視検査を容易に行うことができる。次に、第１及び第２の部品セクション１４２及び１４４は、第１の冷却流路セクション１６４が第３の冷却流路セクション２１４と整合してロータブレード４０内に第１の冷却流チャネル３００を形成するように、分割線１５０に沿って接合される。同様に、第２の冷却流路セクション１６５は、第４の冷却流路セクション２１５と整合してロータブレード４０内に第２の冷却流チャネル３０４を形成する。部品セクション１４２及び１４４は、溶接、ろう付け及び同様なもののような様々な公知の金属接合法によって接合することができる。勿論、超合金又は金属以外の材料を用いてロータブレード４０を形成する場合には、その他の接合法を使用することになる。いずれにしても、形成されると、ロータブレード４０は、タービンエンジン１０のロータブレード組立体３５内に組み込まれる。

この点において、本発明の様々な態様は、製造費用を低減しかつ部品品質全体を改善することを理解されたい。加えて、部品をマルチパートで形成することによって、今や新たな冷却チャネル形状及び設計が可能である。すなわち、冷却チャネルは今や、厚い部分と薄い部分とを含むもの、或いは交互になった厚い部分と薄い部分とを含むものさえ形成することができる。さらに、本発明によると、現在の通路形成法ではこれ迄は達成不能であったような、ロータブレードの各部分に冷却ガスを給送することができる利点を有する極めて小型のチャネルの形成が可能になる。今や、部品の大きな部分を通して冷却媒体を運ぶ一層複雑な蛇行形状もまた、可能である。セラミックコア成形法はまた、特定の金属とネガティブ反応を示す傾向を有する。本発明は、これら問題を回避する。最後に本発明は、部品部品の精密な目視検査により、これ迄は検出不能であった空隙又は他の鋳造欠陥を点検するのを可能にする。すなわち、既存のセラミックコア成形法は、異なる寸法を有するチャネル、或いは極度に狭い又はそのような他の特徴を有する通路を形成することができない。セラミックコア成形法を用いる場合には、チャネルが形成されると、セラミックコアは注意深く除去しなければならない。厚い部分と薄い部分とがあるチャネル又は極度に狭いチャネルからセラミックコアを除去することは、破損の危険性なしには不可能である。コアが破損した場合には、ロータブレードは、廃棄しなければならない。

本発明の図示した態様に関して説明したが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明に対して様々な変更及び／又は修正を加えることができることは、容易に理解されるであろう。例えば、第１及び第２の冷却流路は、同様のものであるように図示しているが、本発明から反れることなく様々な他の構成もまた使用することができる。また、部品はアルミニウムで鋳造されるものとして説明しているが、エンジンの特定の用途に応じて、超合金及び非金属を含む他の材料もまた使用することができる。ロータブレードについて説明しているが、ベーン、バケット、ノズル及び同様なもののような様々な他のエンジン部品もまた本発明によって形成することができることも理解されたい。最後に、部品はあらゆる数の部品で鋳造することができ、図示するように２つの部品セクションに限定されると見なすべきでない。一般的に、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によって限定されることのみを意図している。

本発明の態様により製作したロータブレードの形態として示す２部品鋳造エンジン部品を含むガスタービンエンジンの概略図。 図１のロータブレードの拡大斜視図。 図１のロータブレードの端面図。 接合される前における、図１のロータブレードの２つの部品セクションを示す側面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 圧縮機
１４ タービン
１６ 発電機
１８ シャフト
２０ 燃焼器
２１ 空気
２２ 燃料
２８ 燃焼生成物／ガス
３５ ロータ組立体
４０ ロータブレード
４１ ロータブレード
６０ 翼形部
６２ プラットフォーム部分
６４ シャンク部分
６６ ダブテール
７０ 第１の側壁（翼形部６０の）
７２ 第２の側壁（翼形部６０の）
７４ 前縁
７６ 後縁
７７ 開口部（前縁７４内の）
７８ 開口部（後縁７６内の）
７９ バケット又はブレード根元
８０ 翼形部先端
８２ 開口（翼形部先端８０内の）
８４ 陥凹座部
８５ 先端キャップ
８７ 小開口部（先端キャップ８５の）
１０７ 上流側面／スカート（プラットフォーム部分６２の）
１０９ 下流側面／スカート（プラットフォーム部分６２の）
１１１ 正圧側端縁部
１１２ 負圧側端縁部
１２０ 凹状側壁（シャンク部分６４の）
１２４ 上流側壁（シャンク部分６４の）
１２６ 下流側壁（シャンク部分６４の）
１２８ シャンク空洞
１３０ 前方エンゼルウィング
１３２ 後方エンゼルウィング
１３４ 前方下部エンゼルウィング
１４２ 第１の部品セクション
１４４ 第２の部品セクション
１５０ 分割線
１６０ 本体部分（第１の部品セクション１４２の）
１６２ 内部部分
１６４ 第１の冷却流路セクション
１６５ 第２の冷却流路セクション
１６８ 入口セクション（第１の冷却流路セクション１６４の）
１７０ 流れチャンバ（第１の冷却流路セクション１６４の）
１７１ 第１の流れセクション
１７２ 第１の流れ反転セクション
１７４ 流れ戻りセクション
１７６ 第２の流れ反転セクション
１７８ 出口流れセクション
１８８ 入口セクション（第２の冷却流路セクション１６５の）
１９０ 流れチャンバ
１９１ 第１の流れセクション
１９２ 第１の流れ反転セクション
１９４ 流れ戻りセクション
１９６ 第２の流れ反転セクション
１９８ 出口流れセクション
２１０ 本体部分
２１２ 内部部分
２１４ 第３の冷却流路セクション
２１５ 第４の冷却流路セクション
２１８ 入口セクション
２２０ 流れチャンバ
２２１ 第１の流れセクション
２２２ 第１の流れ反転セクション
２２４ 流れ戻りセクション
２２６ 第２の流れ反転セクション
２２８ 出口流れセクション
２３８ 入口セクション（第４の冷却流路セクション２１５の）
２４０ 流れチャンバ
２４１ 第１の流れセクション
２４２ 第１の流れ反転セクション
２４４ 流れ戻りセクション
２４６ 第２の流れ反転セクション
２４８ 出口流れセクション
３００ 冷却流チャネル
３０４ 冷却流チャネル

Claims (11)

1. タービンエンジン用のマルチパート鋳造部品であって、
   少なくとも１つの冷却流路セクションを備えた本体部分を有する第１の部品セクションと、
   少なくとも１つの冷却流路セクションを備えた本体部分を有する第２の部品セクションと、を含み、
   前記第２の部品セクションが、前記第１の部品セクションの少なくとも１つの冷却流路セクションが該第２の部品セクションの少なくとも１つの冷却流路セクションと整列して冷却流チャネルを形成した状態で、分割線に沿って該第１の部品セクションに接合されてタービンエンジン部品を形成する、
   マルチパート鋳造部品。
2. 前記第１及び第２の部品セクションが、接合されて、２部品タービンエンジン部品を形成する、請求項１記載のマルチパート鋳造部品。
3. 前記第１の部品セクションが、第１のロータブレードセクションであり、
   前記第２の部品セクションが、第２のロータブレードセクションであり、
   前記第１及び第２のロータブレードセクションが、前記分割線に沿って接合されて、タービンロータブレードを形成する、
   請求項１記載のマルチパート鋳造部品。
4. 前記第１の部品セクションの少なくとも１つの冷却流路セクションが、第１及び第２の冷却流路セクションを含む、請求項１記載のマルチパート鋳造部品。
5. 前記第２の部品セクションの少なくとも１つの冷却流路セクションが、第３及び第４の冷却流路セクションを含み、
   前記第１及び第３の冷却流路セクションが、接合されて、第１の冷却流チャネルを形成し、
   前記第２及び第４の冷却流路セクションが、接合されて、第２の冷却流チャネルを形成する、
   請求項４記載のマルチパート鋳造部品。
6. タービンエンジン用のマルチパート鋳造部品を形成する方法であって、
   第１の部品セクションを形成する段階と、
   前記第１の部品セクション内に少なくとも１つの冷却流路セクションを形成する段階と、
   第２の部品セクションを形成する段階と、
   前記第２の部品セクション内に少なくとも１つの冷却流路セクションを形成する段階と、
   前記第１の部品セクションの少なくとも１つの冷却流路セクションが前記第２の部品セクションの少なくとも１つの冷却流路セクションと接合してタービン部品内に冷却流チャネルを形成した状態で、該第１及び第２の部品セクションを分割線に沿って接合してタービンエンジン部品を形成する段階と、を含む、
   方法。
7. 前記タービンエンジン部品が、タービンロータブレードである、請求項６記載の方法。
8. 前記第１の部品セクション内に第１及び第２の冷却流路セクションを形成する段階と、
   前記第２の部品セクション内に第３及び第４の冷却流路セクションを形成する段階と、
   前記第１及び第２の部品セクションを前記分割線に沿って接合した時に、前記第１の冷却流路セクションが前記第３の冷却流路セクションと整合して前記タービン部品内に第１の冷却流チャネルを構築しまた前記第２の冷却流路セクションが前記第４の冷却流路セクションと整合して該タービン部品内に第２の冷却流チャネルを構築するようにする段階と、をさらに含む、
   請求項６記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの冷却流路セクションが、前記第１及び第２の部品セクションの対応するものから機械加工される、請求項６記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの冷却流路セクションが、前記第１及び第２の部品セクションの対応するものに成形される、請求項６記載の方法。
11. 前記タービンエンジン部品が、２つの部品で形成される、請求項６記載の方法。

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