JP2009162224A - 冷却孔を形成する方法及びハイブリッド形成冷却孔を有するタービン翼形部 - Google Patents

Abstract

【課題】加工物内に冷却孔を形成する方法及びハイブリッド形成冷却孔を有するタービン翼形部を提供する。
【解決手段】本方法は、加工物の第１の側面内にブラインド内向きテーパ移行開口部をレーザ形成する段階と、内向きテーパ移行開口部と連通したほぼ円筒形貫通孔を加工物の第２の対向する側面にＥＤＭ形成して、該加工物の第１及び第２の側面と連通した貫通冷却孔１４を形成する段階とを含む。レーザ及びＥＤＭの両方を使用することによって形成した冷却孔を有する翼形部１０もまた、開示している。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却孔を形成する方法及び２つの明確に異なる孔形成法の使用によって形成した冷却孔を有するタービン翼形部に関する。

ガスタービンエンジンでは、空気は、圧縮機内で加圧されまた燃焼器内で燃料と混合されかつ点火されて高温燃焼ガスを発生し、高温燃焼ガスは、１つ又はそれ以上のタービンノズル及びブレードの段を通って下流方向に流れる。ノズルは、固定ベーンを含み、固定ベーンには次に、回転ディスクの周辺部に取付けられたタービンロータブレードの対応する列が追従する。ベーン及びブレードは、対応して構成された中空の翼形部を有し、これら翼形部は、圧縮機から抽気した空気の一部分を受けて燃焼ガスからの熱に抗して冷却を与えるようになった様々な冷却回路及び特徴形状部を含む。

タービンベーン及びブレード冷却技術は、ベーン及びブレードにおいて好適な有効寿命を得ながらエンジンの全体効率を増大させるために、冷却を高めかつ所要の冷却空気量を減少させるようになった様々な構成を開示している。例えば、エンジンの高圧タービンセクションにおける一般的なベーン及びブレード翼形部は、正圧側面又は負圧側面或いはその両方を貫通して延びて、翼形部の外表面に沿って冷却空気フィルムを吐出して従来通りの方法でフィルム冷却を行うようになった冷却孔を含む。

一般的なフィルム冷却孔は、正圧側面のような翼形部側面の１つを傾斜して軸方向に貫通してフィルム空気を後方方向に吐出するようになった円筒形アパーチャの形態になっている。冷却孔は一般的に、特定のピッチ間隔で半径方向又はスパン方向の孔列として設けられる。このようにして、冷却孔は、作動中に翼形部の別の呼び方ではＡｌａｎｄｓ＠としても公知の外表面を高温燃焼ガスから保護するための空気ブランケットを形成する冷却フィルムを吐出する。

ブレード前縁の領域内では、円筒形フィルム冷却孔を鋭角スパン角度で傾斜させて孔出口を孔入口の半径方向上方に位置させかつ冷却フィルムをそれぞれの孔から半径方向外向きに吐出させることも知られている。冷却孔の性能を改善するために、冷却流拡散を生じるようにそれらの形状を変更することもまた、従来から行われていることである。拡散により、空気流の吐出速度が低下しかつ静圧が増大する。拡散冷却孔は、好適な吹込み率及び逆流マージンを有するフィルム冷却効果を改善するようになった特許構成において見られる。一般的な拡散フィルム冷却孔は、入口から出口まで好適な増大面積比を有して望ましくない流れ剥離なしに拡散を生じるような円錐形とすることができる。拡散は、３つの軸線で、すなわち孔の長さに沿って及び２つの面内垂直直交軸線で発生する。例えば、本願の出願人に対する米国特許第６，２８７，０７５号を参照されたい。

その他のタイプの拡散冷却孔もまた、様々に変化する性能特性を得るための様々な矩形状孔、及び１つ又はそれ以上の正方形側面を有する孔を含む従来技術において見られる。円錐拡散孔と同様に、矩形拡散孔もまた、冷却空気が該矩形拡散孔を通って流れかつかつ翼形部の外表面に沿って吐出される時に、３次元で拡散を生じる。例えば、米国特許第６，２８３，１９９号、米国特許第５，６８３，６００号及び米国特許第５，４８６，０９３号を参照されたい。

タービン設計は、より複雑にかつ効率的になってきているので、複雑な３次元フィルム冷却パターンに依存して、エンジン作動中に翼形部本体全体にわたって冷却空気を分布させて構成部品に対する熱応力を最小にすることが、これらのエンジンにとってますます一般的になっている。孔は一般的に、部品の内側で円形であり、冷却されることになる外壁に出る時に３次元噴出口に移行する。移行は、空気を低速にしかつ該空気を外表面全体にわたってより効果的に広げる。これらの移行孔は、臨界冷却空気流を必要とするタービン翼形部及びその他の部品内に機械加工するのは困難でありかつ費用がかかる。

フィルム冷却孔を機械加工するために用いる２つの主要な製造技術、すなわち放電加工（ＡＥＤＭ＠）及びレーザ加工法が存在する。各加工法には、大きな利点と欠点とがある。ＥＤＭは、改鋳及び表面仕上げに関して最高品質の孔を形成する。しかしながら、ＥＤＭ孔形成は、緩慢であり、一般的に穿孔する孔当たり数１０秒から１分以上を必要とする。一般的なガスタービン翼形部は、１００〜５００個のフィルム冷却孔を有する。品質は優れているが、多数の機械を購入するのに必要な投資は高額である。

レーザは、ガスタービン翼形部内にフィルム冷却孔を穿孔するための最速の加工法を提供する。しかしながら、従来型のレーザ穿孔の欠点は、得られた孔がエンジンの全体効率に悪影響を与えるほど全体品質が低いものとなることである。レーザ業界及び使用者は、レーザ穿孔の孔品質を改良するような様々な技術を開発しているが、それらの進歩は、結果として孔形成速度を大幅に低下させると同時に、レーザ機械を安価に維持するのをより困難にしている。ＥＤＭ品質に一致する又はそれを越えることができるレーザ技術は、電力／エネルギー限界値に起因して完全な孔を穿孔することができない。

一般的に、タービン業界は、回転タービンブレードのような重要構成部品に対してはＥＤＭ技術を適用し、また非回転タービンベーンのような余り重要でない用途に対してはレーザ技術を適用してきた。両技術は、エンジンモデルに応じて両タイプの部品に使用される。
米国特許第６，２８７，０７５号公報 米国特許第６，２８３，１９９号公報 米国特許第５，６８３，６００号公報 米国特許第５，４８６，０９３号公報 米国特許第６，６８０，４５４号公報 米国特許第６，３６２，４４６号公報 米国特許第６，３２６，５７６号公報

したがって、臨界冷却空気流を必要とするタービン翼形部及びその他の部品内に冷却孔を形成するより効率的な方法を提供する必要性が存在する。

ＥＤＭ及びレーザ加工法の組合せを使用して、両技術の処理能力及び品質の強みを利用してタービン翼形部内にフィルム冷却孔を形成する。孔の成形セクションをミリング加工することができるレーザシステムを使用して、形状当たりの時間を短縮する。レーザは、ＥＤＭ加工法で同じボリュームに必要な時間の約１／２〜１／５で孔の成形セクションを機械加工／微細加工することができる。次にＥＤＭ機械を使用して、成形セクションの底部から円形貫通孔を穿孔する。丸形孔は、タービンブレード又はベーン内の内部冷却空気通路まで貫通する。この方法によって形成された孔は、Ａｈｙｂｒｉｄ−ｆｏｒｍｅｄ＠と呼ばれる。

本発明の１つの態様によると、加工物内に冷却孔を形成する方法を提供し、本方法は、加工物の第１の側面内にブラインド内向きテーパ移行開口部をレーザ形成する段階と、内向きテーパ移行開口部と連通したほぼ円筒形貫通孔を加工物の第２の対向する側面にＥＤＭ形成して、該加工物の第１及び第２の側面と連通した貫通冷却孔を形成する段階とを含む。

本発明の別の態様によると、加工物は翼形部を含み、移行開口部を形成する段階は、冷却孔の拡散セクションを形成する段階を含み、またほぼ円筒形貫通孔を形成する段階は、冷却孔の計量セクションを形成する段階を含む。

本発明のさらに別の態様によると、拡散セクションを形成する方法は、円錐形構成を有する拡散セクションを形成する段階を含む。

本発明のさらに別の態様によると、前縁及び軸方向に間隔を置いて配置された後縁を有するタイプのタービン翼形部内に複数の冷却孔を形成する方法を提供する。前縁は、軸方向に延びる空気力学的外表面曲率を有し、翼形部はさらに、半径方向に延びるスパン軸線に沿って間隔を置いて配置された根元及び先端と、正圧側壁及び横方向に間隔を置いて配置された負圧側壁と、正圧側壁及び負圧側壁間に配置されて該翼形部を冷却するために流体流を送るようになった冷却回路とを有する。本方法は、翼形部すなわち加工物の第１の側面内に複数のブラインド内向きテーパ拡散セクションをレーザ形成する段階と、内向きテーパ拡散セクションすなわち内向きテーパ移行開口部と連通したほぼ円筒形貫通計量セクションを加工物の第２の対向する側面にＥＤＭ形成して、該加工物の第１及び第２の側面と連通した貫通冷却孔を形成する段階とを含む。

本発明のさらに別の態様によると、本方法は、移行開口部の内端部を円筒形貫通孔のＥＤＭ形成用のガイドとして使用する段階を含む。

本発明のさらに別の態様によると、本方法は、円筒形貫通孔を形成する段階の後に、移行開口部を形成する段階を含む。

本発明のさらに別の態様によると、翼形部を提供し、本翼形部は、軸方向に延びる外表面曲率を有する前縁及び軸方向に間隔を置いて配置された後縁と、半径方向に延びるスパン軸線に沿って間隔を置いて配置された根元及び先端と、正圧側壁及び横方向に間隔を置いて配置された負圧側壁と、正圧側壁及び負圧側壁間に配置されて該翼形部を冷却するために流体流を送るようになった冷却回路とを含む。複数の冷却孔が、冷却回路と流体連通状態で翼形部のスパン軸線に沿って前縁内に形成される。冷却孔の少なくとも幾つかは、前縁表面と連通した拡散セクションを有する。拡散セクションは、前縁の表面上に出口開口部を形成した対向壁を有し、またそれぞれの円筒形計量セクションは、翼形部の内部と拡散セクションとの間に配置されかつそれらと連通し、拡散セクションは、レーザによって形成され、また円筒形計量セクションは、ＥＤＭによって形成される。

本発明のさらに別の態様は、以下の図面と組合せることにより明らかになるであろう。

次に具体的に図面を参照すると、図１〜図３には、前縁冷却孔を有する翼形部の実施例を示している。図１は、冷却孔１４を有する前縁１２を備えた翼形部１０を示している。孔１４は、円筒形計量セクション１６と、前縁の表面内で該孔１４と連通した円錐形拡散セクション１８とを含む。拡散セクション１８は、エンドレス壁面を形成した内壁を有する。レーザは、孔１４の拡散セクション１８を形成するために使用され、またＥＤＭツールは、孔１４の計量セクション１６を形成するために使用される。通常、レーザは、ブラインド拡散セクション１８を形成するために最初に使用されることになり、またＥＤＭツールは次に、円筒形計量セクション１６を形成することによって冷却回路まで貫通するように孔を延ばすために使用されることになる。しかしながら、ＥＤＭツールを使用して、最初に前縁１２を通って延びる円筒形孔を形成し、その後にレーザによって円筒形孔の外側部分を拡大して、内側部分を計量セクション１６としてその円筒形形態のままに残した状態で拡散セクション１８を形成することができる。好ましいレーザのタイプは、Ｒｏｆｉｎ又はＦｏｂａによって作られたようなＹＡＧ高周波ランプ励起又はダイオード励起パルスレーザである。

図２及び図３は、別の冷却孔設計を示している。翼形部前縁２０は、冷却孔２２を含む。各冷却孔２２は、所定の中心線軸を有する円筒形直線計量セクション２４と、計量セクション２４に対して鋭角で逸れた中心線軸を有する拡散セクション２６とを含む。レーザを使用して、孔２２の外側拡散セクション２６が形成され、また次にＥＤＭツールを使用して、孔２２の計量セクション２４が形成される。

次に図４を参照すると、本発明の例示的な実施形態によるタービンロータブレード３０を示している。ブレード３０は、翼形部３２を含み、翼形部３２は、その半径方向内端部に、図示していないロータディスクの周辺部に従来通りの方法でそのようなブレード３０の環状列として該ブレード３０を取付けるための一体形ダブテール３４を有する。

図５に示す例示的な実施形態では、ブレード３０は、従来通りの方法でガスタービンエンジンの燃焼器（図示せず）から高温燃焼ガスを受ける高圧タービンノズル（図示せず）の直ぐ下流に配置された第１段高圧タービンロータブレードである。翼形部３２及びダブテール３４は、エンジン（図示せず）の圧縮機から抽気された加圧空気の一部分のような冷却流体「Ｆ」を受けて、燃焼ガスからの熱に抗して作動中のブレード３０を冷却するのに好適なように中空である。

翼形部３２は、前縁３６と、対向する後縁３８とを含む。翼形部３２はまた、ダブテール３４のプラットフォーム部分における根元４０と、ほぼ半径方向に延びるスパン軸線に沿って半径方向に間隔を置いて配置された対向する先端４２とを含む。

翼形部３２はまた、ほぼ凹面形である正圧側壁４４と、ほぼ凸面形でありかつ正圧側壁４４から間隔を置いて配置された対向する負圧側壁４６とを含む。正圧側壁４４及び負圧側壁４６は、それぞれ前縁３６から後縁３８までかつ根元４０から先端４２まで延びる。翼形部３２及びダブテール３４は、翼形部側面４４及び４６間に配置されて、作動中に冷却を与えるために翼形部を通して冷却流体ＡＦ＠を送るようになった冷却回路又はチャネル５０を含む。

特定の翼形部３２をタービンロータブレード３０の一部分として示しているが、本発明は、固定タービンノズル（図示せず）内に見られる翼形部のようなあらゆる形態の翼形部にも同様に適用される。

本発明の１つの例示的な実施形態によると、複数の前縁冷却孔６０は、前縁３６に沿って３つの列として間隔を置いて配置されて、その外表面に沿って翼形部３２の内側の冷却回路５０から冷却流体ＡＦ＠を吐出して、翼形部の表面、特に前縁３６の区域内及び該前縁３６の直ぐ後方の区域内の表面上に冷却流体フィルムを形成するようになる。

次に図５を参照すると、翼形部３２のスパン軸線に沿って前縁３６内に形成された冷却孔６０は各々、翼形部３２の冷却回路５０間に配置されかつ該冷却回路５０と連通した拡散セクション６２及び円筒形計量セクション６４を含む。レーザを使用して、拡散セクション６２を形成し、また形成されることになる孔のＡｐｏｓｉｔｉｖｅ＠円筒形形状に相当するＥＤＭツールを使用して、孔６０の計量セクション６４を形成する。

図６及び図７に示すように、１つの好ましい実施形態では、拡散セクション６２は最初に、ブレード３０内にレーザ形成され、次に孔６０が、ＥＤＭツールによって完成されて、冷却回路まで貫通する円筒形セクション６４が形成される。

図８は、１つの実施形態を示し、ＥＤＭ加工法を用いて最初に円筒形計量セクション６４を形成し、かつこの円筒形計量セクション６４を外部から冷却回路までブレード３０を貫通して延ばす。その後、レーザを使用して、ブレード３０の外面に最も近接した前に形成した計量セクション６４の一部分を拡大することによって、拡散セクション（図示せず）を形成する。

この加工法の利点には、単一のレーザ機械の処理能力が増大しかつ２つ〜５つのＥＤＭ機械を単一のレーザ機械で置き換えることができるので、全ＥＤＭプロセスにわたって投資を最小になることが含まれる。全体部品品質は、空気流乱流により非効率的な作動が最も生じやすい翼形部３２の表面上の冷却孔６０の拡散セクション６２に対して、より精密なレーザ加工法を使用することによって改善される。既存のレーザ形成拡散セクション６２の内端部はまた、ＥＤＭ電極が冷却回路まで貫通させて円筒形計量セクション６４を穿孔する時に該ＥＤＭ電極に対する位置決めガイドとして機能して、割れ発生及び再加工を最小にすることができる。

レーザミリング加工は、プログラミングによって変更して、ＥＤＭ電極の交換及びＥＤＭ電極の工具設定の必要性を排除することができ、このことは、投資額及び製造スケジュールに対して大きな影響を与える。ハイブリッドシステムは、レーザとＥＤＭとの間での移転可能な工具設定を利用して、１つの機械から第２の機械まで部品を移動させた時における設定及び位置決め誤差を最小にする。

以上、レーザ及びＥＤＭの組合せによって形成した冷却孔を有する翼形部及びそれに関連する方法について説明している。本発明の様々な細部は、その技術的範囲から逸脱せずに変更することができる。さらに、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態の前述の説明は、単に例示の目的のために示したものであって、限定の目的で示したものではなく、本発明は、特許請求の範囲によって定まる。

明確に異なる拡散セクション及び計量セクションを有する変形翼形部冷却孔設計を示す図。 明確に異なる拡散セクション及び計量セクションを有する変形翼形部冷却孔設計を示す図。 明確に異なる拡散セクション及び計量セクションを有する変形翼形部冷却孔設計を示す図。 本発明の実施形態により形成した冷却孔を有するガスタービンエンジンロータブレードの斜視図。 本発明の実施形態による翼形部の前縁の上部の部分斜視図と共に、前縁内に冷却孔を形成するのに使用することができるタイプの放電加工ツールの斜視図を示す図。 拡散セクションレーザ形成後に冷却孔の垂直方向列を通して取った垂直断面図。 計量セクションＥＤＭ形成及び拡散セクションレーザ形成後に冷却孔の垂直方向列を通して取った垂直断面図。 計量セクションＥＤＭ形成後かつ拡散セクションレーザ形成前に冷却孔の垂直方向列を通して取った垂直断面図。

符号の説明

１０ 翼形部
１２ 前縁
１４ 冷却孔
１６ 計量セクション
１８ 拡散セクション
２０ 前縁
２２ 冷却孔
２４ 計量セクション
２６ 拡散セクション
３０ ロータブレード
３２ 翼形部
３４ ダブテール
３６ 前縁
３８ 後縁
４０ 根元
４２ 先端
４４ 正圧側壁
４６ 負圧側壁
５０ 冷却回路
６０ 冷却孔
６２ 拡散セクション
６４ 計量セクション
Ｆ 冷却流体

Claims (9)

1. 加工物内に冷却孔（１４）を形成する方法であって、
   前記加工物の第１の側面内にブラインド内向きテーパ移行開口部をレーザ形成する段階と、
   前記内向きテーパ移行開口部と連通したほぼ円筒形貫通孔を前記加工物の第２の対向する側面にＥＤＭ形成して、該加工物の第１及び第２の側面と連通した貫通冷却孔（１４）を形成する段階と、を含む、
   方法。
2. 前記加工物が、翼形部（１０）を含み、
   前記移行開口部を形成する段階が、前記冷却孔（１４）の拡散セクション（１８）を形成する段階を含み、
   前記ほぼ円筒形貫通孔を形成する段階が、前記冷却孔（１４）の計量セクション（２４）を形成する段階を含む、
   請求項１記載の方法。
3. 軸方向に延びる空気力学的外表面曲率を有する前縁（３６）及び軸方向に間隔を置いて配置された後縁（３８）と、半径方向に延びるスパン軸線に沿って間隔を置いて配置された根元（４０）及び先端（４２）と、正圧側壁（４４）及び横方向に間隔を置いて配置された負圧側壁（４６）と、前記正圧側壁（４４）及び負圧側壁（４６）間に配置されてそれを冷却するために流体流を送るようになった冷却回路（５０）とを有するタイプのタービン翼形部（１０）内に複数の冷却孔（１４）を形成する方法であって、
   前記翼形部（１０）の第１の側面内に複数のブラインド内向きテーパ拡散セクション（６２）をレーザ形成する段階と、
   前記内向きテーパ拡散セクションすなわち内向きテーパ移行開口部と連通したほぼ円筒形貫通計量セクション（６４）を前記翼形部（１０）の第２の対向する側面にＥＤＭ形成して、該翼形部（１０）の第１及び第２の側面と連通した貫通冷却孔（６０）を形成する段階と、を含む、
   方法。
4. 前記移行開口部の内端部を前記円筒形貫通孔のＥＤＭ形成用のガイドとして使用する段階を含む、請求項１又は請求項３記載の方法。
5. 前記移行開口部を形成する段階が、前記円筒形貫通孔を形成する段階の前に行われる、請求項１又は請求項３記載の方法。
6. 前記移行開口部を形成する段階が、前記円筒形貫通孔を形成する段階の後に行われる、請求項１又は請求項３記載の方法。
7. 翼形部（３２）であって、
   （ａ）軸方向に延びる外表面曲率を有する前縁（３６）及び軸方向に間隔を置いて配置された後縁（３８）と、
   （ｂ）半径方向に延びるスパン軸線に沿って間隔を置いて配置された根元（４０）及び先端（４２）と、
   （ｃ）正圧側壁（４４）及び横方向に間隔を置いて配置された負圧側壁（４６）と、
   （ｄ）前記正圧側壁（４４）及び負圧側壁（４６）間に配置されて該翼形部（３２）を冷却するために流体流を送るようになった冷却回路（５０）と、
   （ｅ）前記冷却回路（５０）と流体連通状態で該翼形部（３２）のスパン軸線に沿って前記前縁（３６）内に形成された複数の冷却孔（６０）と、を含み、
   前記冷却孔（６０）の少なくとも幾つかが、前記前縁（３６）表面と連通した拡散セクション（６２）を有し、
   前記拡散セクション（６２）が、前記前縁（３６）の表面上に出口開口部を形成した対向壁を有し、
   それぞれの円筒形計量セクション（６４）が、該翼形部（３２）の内部と前記拡散セクション（６２）との間に配置されかつそれらと連通し、
   前記拡散セクション（６２）がレーザによって形成され、また前記円筒形計量セクション（６４）がＥＤＭによって形成される、
   翼形部（３２）。
8. 該翼形部（３２）が、ガスタービン翼形部（３２）である、請求項７記載の翼形部（３２）。
9. 前記拡散セクション（６２）の少なくとも幾つかが、前記外表面上にほぼ直線矩形出口開口部を形成した対向壁を有し、
   前記拡散壁（６２）の少なくとも幾つかが、前記冷却孔（６０）に対して局所的な該翼形部(３２)の外表面曲率にほぼ一致した凸面形曲率を有し、それによって前記出口開口部からの流体流が、前記冷却孔（６０）に隣接する該翼形部（３２）の外表面のランド部分に沿って均等に分散されかつ広げられ、
   前記拡散セクション（６２）が、前記前縁（３６）の表面上に出口開口部を形成した対向壁を有し、
   それぞれの円筒形計量セクション（６４）が、前記翼形部（３２）の内部と前記拡散セクション（６２）との間に配置されかつそれらに連通しかつ前記前縁（３６）の半径から逸れた長手方向軸線を定め、
   前記拡散セクション（６２）がレーザによって形成され、また前記円筒形計量セクション（６４）がＥＤＭによって形成される、
   請求項７又は８記載の翼形部（３２）。

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