JP2010240653A - 壁内流路を有する部品の検査方法、および鋳造模型の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】正圧面および/または負圧面の壁の状態を視覚的に判断できる検査方法を提供する。
【解決手段】鋳物は、壁内冷却流路の脇の壁部厚さを評価するための壁厚さ点検用形体を有する。厚さは、形体によって形成された開口の有無および/または寸法を観測することによって判断される。鋳物は、形体を形成する部分を含む模型から鋳造される。模型を製造するために、模型形成鋳型が、セラミック供給コアおよび耐熱性金属コア(RMC)とともに組み立てられる。組み立てにより、RMCの入口部分をセラミック供給コアと係合した状態にし、RMCの出口部分を鋳型と係合した状態にする。模型形成材料は、鋳型内で、セラミック供給コアおよびRMCを少なくとも部分的に覆うように成型される。鋳型は、模型形成材料から取り外される。組み立てにより、RMCの段付き突起が鋳型の合わせ面と係合する。
【選択図】図3
【解決手段】鋳物は、壁内冷却流路の脇の壁部厚さを評価するための壁厚さ点検用形体を有する。厚さは、形体によって形成された開口の有無および/または寸法を観測することによって判断される。鋳物は、形体を形成する部分を含む模型から鋳造される。模型を製造するために、模型形成鋳型が、セラミック供給コアおよび耐熱性金属コア(RMC)とともに組み立てられる。組み立てにより、RMCの入口部分をセラミック供給コアと係合した状態にし、RMCの出口部分を鋳型と係合した状態にする。模型形成材料は、鋳型内で、セラミック供給コアおよびRMCを少なくとも部分的に覆うように成型される。鋳型は、模型形成材料から取り外される。組み立てにより、RMCの段付き突起が鋳型の合わせ面と係合する。
【選択図】図3
Description
本開示は、ガスタービンエンジンに関する。より詳細には、本開示は、ガスタービンエンジンのブレードおよびベーン用の冷却エアフォイルの鋳造に関する。
インベストメント鋳造は、複雑な形状の金属部品、特に、中空部品を形成するのに一般的に使用される技術であり、超合金製のガスタービンエンジン部品の製造で使用される。本発明は、特に、超合金製の鋳物の製造に関して説明するが、当然のことながら、本発明はそれに限定されるものではない。
ガスタービンエンジンは、航空機の推進、電力生成、および船舶の推進に広く使用されている。ガスタービンエンジンの応用分野では、効率が最大の目標である。ガスタービンエンジンの効率は、より高い温度で作動させることにより改善させることができるが、タービン部の現状の動作温度は、タービン部品で使用する超合金材料の融点を超えている。このため、空気冷却が一般的に実施されている。冷却は、エンジンのコンプレッサ部から、冷却されるタービン部品内の流路に比較的低温の空気を流すことによって行われる。そのような冷却には、エンジン効率に対応したコストが伴う。したがって、所与の量の冷却空気から得られる冷却利益を最大限にする、改良した特定の冷却を提供することが強く望まれている。これは、精細かつ正確に配置された冷却流路部を使用することによって達成することができる。
冷却流路部は、鋳造コア上に鋳造することができる。セラミック鋳造コアは、セラミック粉末とバインダ材料の混合物を硬化鋼の鋳型に射出して、その混合物を成型することにより形成することができる。鋳型から取り外した後、未焼結コアを熱で後処理して、バインダを除去し、これを焼いて、セラミック粉末同士を焼結する。冷却形体(feature)の精細化傾向により、コア製造技術に負担がかかっている。精細な形体は製造が困難なことがあり、かつ/または製造されても脆弱性を示すことがある。本発明の譲受人に譲渡された、シャーらによる特許文献1、ビールスらによる特許文献2、クーニャらによる特許文献3、スナイダらによる特許文献4、ヴァーナらによる特許文献5、およびアルバートらによる特許文献6、サンテラらによる特許文献7(これらの特許の開示は、詳細に説明したのと同様に、参照することによって本明細書に組み込むものとする)は、セラミックと耐熱性金属コアの組み合わせ体の使用を開示している。
米国特許第6,637,500号明細書
米国特許第6,929,054号明細書
米国特許第7,014,424号明細書
米国特許第7,134,475号明細書
米国特許第7,216,689号明細書
米国特許出願公開第2006/0239819号明細書
米国特許出願公開第2007/0044934号明細書
正圧面および/または負圧面の壁の状態を視覚的に判断することが望まれている。
本開示の1つの態様は、壁内冷却流路を有する部品の検査方法に関する。壁内冷却流路は、外部壁部から内部壁部を分離する。壁内冷却流路に沿った基準位置を観察する。基準位置にある開孔の寸法を測定する。測定した寸法に基づき、対応する壁部の状態を判断する。
この方法は、複数の前記部品に対して連続的に行うことができる。これらの部品は、それぞれ正圧面および負圧面を有する複数の冷却エアフォイルとすることができる。この方法は、各部品の壁部の両面に対して行うことができる。この方法は、各部品の複数の壁内流路に対して行うことができる。この方法は、各部品の複数の壁に対して行うことができる。
本開示の他の態様は、鋳造模型の製造方法に関する。模型形成鋳型が、セラミック供給コアおよび耐熱性金属コア(RMC)とともに組み立てられる。この組み立てステップによって、RMCの入口部分がセラミック供給コアと係合された状態になり、RMCの出口部分が鋳型と係合された状態になる。鋳型内でセラミック供給コアおよびRMCを少なくとも部分的に覆うように模型形成材料を成型する。鋳型を模型形成材料から切り離す。組み立てにより、RMCの段付き突起が鋳型の合わせ面と係合する。段付き突起は、入口部分と出口部分との中間に位置することができる。
本開示の別の態様は、鋳造模型に関する。模型は、セラミック供給コアと、このセラミック供給コアに嵌合する耐熱性金属コア(RMC)と、を有し、犠牲模型材料が、セラミック供給コアとRMCとを少なくとも部分的に覆うように成型される。犠牲模型材料は、正圧面および負圧面を規定する。RMCは、セラミック供給コアに嵌合する入口部と、犠牲模型材料から突出する出口部とを有する。段の付いた中間部分は、本体部分から突出する。
本開示の別の態様は、セラミック供給コアおよび耐熱性金属コア(RMC)を備えた鋳造コアアセンブリに関する。RMCは、セラミック供給コアに嵌合され、コアを覆う鋳造した鋳物に壁厚さ点検用特徴部を設けるための手段を有する。
1つまたは複数の実施形態の詳細が添付の図面に示され、以下に説明される。本明細書および図面から、さらに特許請求の範囲から、他の特徴、目的、および利点が明らかになるであろう。
各種図面内の同じ参照番号および符号は同じ要素を表す。
図1は、エアフォイル22、取り付け用根部24、およびプラットフォーム26を有するガスタービンエンジンブレード20を示している。例示的なエアフォイル、根部、およびプラットフォームは、(例えば、ニッケルまたはコバルトを基本とした超合金からなる)一体の鋳物として形成することができる。例示的な根部24は、プラットフォーム26の裏面32で内側端部28から外側端部30に延びている。根部24は、ディスク内の相補的なスロット(図示せず)に取り付けるために、入り組んだ、いわゆるもみの木外形をなしている。
エアフォイル22は、プラットフォームの外側面36にある内側端部34から外側端部38に延びている。例示的な外側端部38は自由端である。別の実施例のブレードは外側シュラウドを有することができる。別の実施例のエアフォイルは、固定したベーンとして構成することができる。
エアフォイル22は、前縁部40から後縁部42に延びる外部/外側空力面を有する。エアフォイルは、正圧側(面)44および負圧側(面)46を有する。
エアフォイル22は、冷却流路システム50によって冷却される。流路システム50は、根部24内に1つまたは複数の入口54から延びる1つまたは複数の主流路部52を有する。例示的な流路網50は、複数の翼幅方向流路脚部(例えば、供給流路)60A〜60G(図2)を有する。例示的な流路脚部を設けると、正圧面壁62および負圧面壁64が残る。正圧面壁62および負圧面壁64は、隣接する供給流路脚部対を分離する多数の分割壁66によって連結することができる。供給流路脚部は、1つまたは複数の組み合わせで、順番にまたは別の方法で連結された1つまたは複数の共通流路から別れた流路または脚部とすることができる。
正圧面壁62および負圧面壁64の一方または両方は、1つまたは複数の壁冷却流路(壁内流路)70によって冷却することができる。例示的な壁冷却流路は、1つまたは複数の供給流路脚部にある入口(ポート)72と、翼幅方向と流れ方向に延びるスロット状の主要部74と、対応する正圧面44または負圧面46への出口(ポート)76と、を有する。それぞれの入口終端部78および出口終端部79は、一方を入口および出口、他方を主要部74としてその間に延びる。
このような壁冷却流路70は、周知のまたは開発中の耐熱性金属コア(RMC)を使用して鋳造することができる。壁冷却流路70はそれぞれ、この対応する正圧面壁62または負圧面壁64の内側セクション/部分80をこの壁の外側セクション/部分82から分離する。内側部80は通常、流路脚部を流れる低温の冷却空気に直接さらされていて、一般に「冷却壁」と呼ばれる。外側部82は通常、エンジンコア流路の高温ガスにさらされていて、一般に「高温壁」と呼ばれる。壁の全体厚さは、TWとして示されている。TW(図3)は、冷却壁厚さTC、壁冷却流路厚さTP、および高温壁厚さTHの合計に等しい。TW、TC、TP、およびTHは、エアフォイルに沿った特定の位置に対して相対的にまたは絶対的に変化することができる。
(例えば、正圧面壁および/または負圧面壁の)壁の状態を視覚的に判断することが望まれている。具体的には、壁厚さTC、THが指定された限度内であることを検証することが望まれている。例えば、使用中の腐食により、厚さTHが許容できる最小値より薄くなることがある。それに加えて、またはその代わりに、TC、TH、またはその両方に対して、製造時の(例えば、鋳放しの)厚さを検証することができる。
厚さを点検する例示的な手段には、壁冷却流路の、内側壁部への延長部(例えば、分岐部または凹部)90と、外側壁部への別の延長部92と、がある。例示的な延長部は、壁冷却流路の主要部74から出ている。
実施に当たっては、延長部90、92が両方とも含まれていないものがあってもよい。
例示的な延長部90、92は、対応する壁部62、64を貫通する名目上の貫通延長部である。「名目上」という用語は、通常の状況(例えば、厚さが過剰でない場合)においてのみ、貫通延長部であり得る可能性を考慮したものである。厚さが過剰である場合においては、貫通延長部が貫通していないことは、壁厚さが厚すぎることを示す。例示的な延長部は、段付きの断面を有する(例えば、延長部の近接部分94は、少なくとも1つの寸法において、末端部分96よりも大きい断面を有する)。通常、末端部分96は、対応する面(すなわち、外側面(正圧面44または負圧面46)または内側面100)に通じている。したがって、通常(延長部が存在する基準位置にある)その面を観察すると、末端部96の断面によって特徴付けられた開孔が見える。末端部分96が実際上摩耗しているか、または製造上の不具合により、同様に壁部の厚さが薄くなっている場合に、検査を行うと、近接部分の断面が見え、それによって、厚さが不十分であることを示し、部品が不合格になる(例えば、廃棄されるかまたは修理されることになる)。
延長部90、92は、対応する突起120、122(図4および図5)によって耐熱性金属コア(RMC)124から鋳造することができる。典型的な鋳造法には、RMCが模型形成鋳型内で供給コア(例えば、セラミック供給コア)に取り付けられるインベストメント鋳造法がある。犠牲模型材料(例えば、ワックス)が、鋳型内で供給コアおよびRMCを少なくとも部分的に覆うように成型されて、模型の正圧面および負圧面を規定する。鋳型要素を分解し、模型を鋳型から取り出す。(例えば、多段スタッコ法によって)模型をシェルで覆うことができる。(例えば、脱ろうで)犠牲模型材料を除去して、ブレードまたはベーンを鋳造する空洞を残すことができる。溶融金属をこの空洞に導入し、冷却して凝固させる。(例えば、機械的手段によって)シェルを除去することができる。(例えば、化学的手段によって)コアを除去して、未加工の鋳物を残すことができる。鋳物を機械加工し、処理し、かつ/または被覆することができる。
壁冷却流路を形成する例示的なRMC124は、対応する側壁の形状と一致するように、フラットまたはオフフラット(off−flat)にもできる本体部分126を有する。入口端部分128(図4)は、主要部分126に対して角度をなして突出することができる。入口端部分の末端130は、供給コア136の対応する脚部132に嵌合することができる。入口端部分の近接部分140は、壁冷却流路への入り口開孔/ポート72を鋳造する。同様に、出口端部分144は、入口端部分とは反対側で(例えば、本体部分の下流端で)本体部分に対して角度をなして突出することができる。出口端部分の末端146は、犠牲模型材料152から突出して、模型形成鋳型の鋳型要素150に入るように配置することができ、それにより、シェル154に埋め込まれるようになる(図6)。出口端部分の近接部分156(図6)は、対応する正圧面または負圧面への出口穴/ポート76を鋳造する。
例示的な延長部90、92は、RMCの流れ方向中間部分(すなわち、主要部74の入口端と出口端の中間にある)として形成されている。
例示的なRMCは、(例えば、切断および成形し、次いで被覆することによって)板材から形成される。シートの第1の面は、本体部分126の外側面を形成し、シートの第2の面は、本体部分126の内側面を形成する。
例示的な製造工程には、突起120、122を別に形成し、次いで、それらをRMCの残りの部分に取り付けることが含まれる。これは、例えば、突起の断面形状の選択の幅をより大きくすることができる。例えば、突起は、段付きの直円柱として形成することができる。直径/断面が大きい突起のベース部分200は、機械的な嵌め合い(例えば、円筒体の垂れ下がった突起202が本体部分の開孔204に嵌合する)および/または冶金学的取り付け(例えば、溶接、ろう付けなど)などによって、RMC本体部分に固定することができる。取り付けた後、(必要ならば)RMCを被覆することができる。
例示的な段付き直円柱突起では、ベース部分200は、延長部の近接部分94を鋳造する。突起の中間部分210は、末端部分96を鋳造する。ショルダ212は、中間部分210をベース部分200から分ける。中間部分210は末端214を有する。例示的な末端214は、中間部分210を末端部分216から分ける。末端部分216は端部218に延びる。
突起は、供給コア136および鋳型要素150内にそれぞれある対応するコンパートメント220、222に嵌合する。例示的な実施例においては、これらのコンパートメント220、222は段付きとされ、ベース部分は突起末端部分216を捕捉し、外側部分は突起中間部分210の端部を捕捉する。外側/外部突起122の場合、鋳型コンパートメント222に受け入れられた末端部分216および中間部分210の端部は、成型後に犠牲模型材料から突出して、シェル154に形成された対応するコンパートメント228に埋め込まれるようになる。
図7は、高温壁82が過剰に薄く、それに対して、冷却壁80が許容できる(例えば、公称の/標準の)厚さである第1の状況を示している。例えば、高温壁82は、不十分な厚さで鋳造されたのかもしれない。あるいは、高温壁は、末端部分96より下になる程度までに、外側面(例えば、図7では負圧面46)に沿って浸食された可能性もある。そのような場合、寸法が大きい方の近接部分94が外観検査で見える。したがって、近接部分は、対応する部分80または部分82の最小許容厚さ(TCまたはTH)を表す高さHPで形成することができる。同じ寸法で示されているが、HPともう一方の寸法は、2つの突起間で異なっていてもよい。
図8は、高温壁82が過剰に厚い状況を示している。対応する延長部92の端部部分260は、突起末端部分216によって鋳造され、標準の延長部末端部分96の断面とは区別できる特に小さい断面の開口/開孔を残している。突起中間部分210は、中間部分の末端214での全突起高さが、対応する壁の最大許容厚さTHまたはTCに一致するような厚さとすることができる。
図9は、冷却壁80が過剰に薄い状況を示している。これは(例えば、入口54および対応する供給流路に挿入された)内視鏡300を使用して観察することができる。
図10は、冷却壁80が過剰に厚い状況を示している。
延長部が内側壁部および外側壁部の両方に沿って設けられている状況では、延長部は、漏れ流れ(例えば、供給流路から内側壁延長部を通り、外側壁延長部から出る漏れ流れ)が起こる機会をなくすかまたは制限するように配置することができる。1つの実施例では、複数の壁冷却流路がある。壁冷却流路のうちの1つまたは複数は、内側壁延長部90のみを有し、一方、他の壁冷却流路のうちの1つまたは複数は、外側壁延長部92のみを有する。所与の壁冷却流路が、1つまたは複数の内側壁延長部90と、1つまたは複数の外側壁延長部92と、の両方を有する状況では、それぞれの延長部を、翼幅方向および/または流れ方向に互いにずらすことにより、漏れ流れを制限することができる。
代替の製造方法では、同じ工程で同じシートから突起を形成することができる。例えば、突起400、402(図11)は、シートを平らにしたまま、段付き断面(1方向のみの段付き)を有するように切断(例えば、レーザカット)することができる。次いで、突起を曲げて、本体部分との共有平面から局所的に外すことができる。図11の実施例では、突起400、402は、開孔404に沿ってRMC本体部分とともに形成されている。これは、突起がRMCの隣接する部分と一体で形成される(例えば、RMCの主要部分と一体で形成されるか、または、基本的に、RMCの残りの部分と一体で形成される)のを可能にする。
上記原理は、既存のコア/工程/部品の構成の再設計に適用することができる。例えば、簡単に取り替えできる、既存のエアフォイルの代替品を作るために、既存のコア構成に突起を増設することができる。しかし、白紙の状態の工学技術やより広範囲な再設計に適用することもできる。
1つまたは複数の実施形態を説明した。それにもかかわらず、様々な修正が可能であるのは当然のことである。例えば、所与の部品構成の再設計を実施する場合に、既存の構成の細部および/または既存の製造装置の細部が、特定の実施の細部に影響を及ぼし得る。したがって、他の実施形態も添付の請求項の範囲内である。
Claims (22)
- 外側壁部から内側壁部を分離する壁内冷却流路を有する部品を検査する方法であって、
前記壁内冷却流路に沿った基準位置を観察し、
前記基準位置にある開孔の寸法を測定し、
測定した前記開孔の寸法に基づいて、前記部品の対応する前記壁部の状態を判断することを特徴とする方法。 - 前記部品には、正圧面および負圧面を有するエアフォイルが含まれ、前記正圧面および負圧面のうちの少なくとも一方は、前記壁内冷却流路を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記方法は複数の前記部品に対して連続的に行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記部品の少なくとも幾つかにとって、前記測定した開孔の寸法は、対応する壁部の製造時の厚さが厚すぎることを示す値であるかまたはその値より小さいことを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記部品の少なくとも幾つかにとって、前記測定した開孔の寸法は、対応する壁部の厚さが不十分であることを示すだけ十分に大きいことを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記対応する壁部は内側壁部であり、内視鏡によって観察が行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記外側壁部に沿った第1の前記基準位置と、前記内側壁部に沿った第2の前記基準位置と、について観察を行うことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 鋳造模型の製造方法であって、
模型形成鋳型をセラミック供給コアおよび耐熱性金属コアとともに組み立て、この組み立てによって、前記耐熱性金属コアの入口部分を前記セラミック供給コアと係合させ、かつ前記耐熱性金属コアの出口部分を前記鋳型と係合させ、
前記鋳型内で、前記セラミック供給コアおよび耐熱性金属コアを少なくとも部分的に覆うように模型形成材料を成型し、
前記模型形成材料から前記鋳型を取り外す、方法において、
前記組み立てにより、前記耐熱性金属コアの段付き突起が前記鋳型の合わせ面と係合することを特徴とする方法。 - 前記段付き突起は、前記入口部分および前記出口部分の中間にあることを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 前記組み立てによりさらに、前記入口部分と前記出口部分との中間にある、前記耐熱性金属コアの第2の段付き突起が前記セラミック供給コアと係合することを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 請求項8に従って鋳造模型を製造し、
前記模型をシェルで覆い、
前記セラミック供給コアおよび耐熱性金属コアを一部シェルに埋め込まれた状態で残すように前記模型形成材料を取り除き、
溶融金属を前記シェルに導入し、
前記シェル、前記セラミック供給コア、および前記耐熱性金属コアを除去することを特徴とする方法。 - セラミック供給コアと、
前記セラミック供給コアに嵌合した耐熱性金属コアと、
前記セラミック供給コアおよび耐熱性金属コアを少なくとも部分的に覆う犠牲模型材料と、
を有する鋳造模型であって、
前記耐熱性金属コアは、前記セラミック供給コアに嵌合した入口部分および前記犠牲模型材料から突出した出口部分と、前記入口部分と前記出口部分との間に延びる本体部分と、突出した段付き部分と、を有することを特徴とする鋳造模型。 - 前記段付き部分は、前記入口部分と前記出口部分との中間にある前記本体部分から突出することを特徴とする請求項12に記載の模型。
- 前記犠牲模型材料は正圧面および負圧面を規定することを特徴とする、エアフォイル模型である請求項12に記載の模型。
- 前記段付き中間部分の末端は、前記犠牲模型材料から突出することを特徴とする請求項12に記載の模型。
- 前記段付き中間部分の末端は、前記犠牲模型材料の表面と同一平面上にあることを特徴とする請求項12に記載の模型。
- 第1の前記段付き中間部分は、前記セラミック供給コアから離れる方向に突出し、
第2の前記段付き中間部分は、前記セラミック供給コアに向かって突出することを特徴とする請求項12に記載の模型。 - 前記耐熱性金属コアは、前記犠牲模型材料の正圧面に沿うことを特徴とする請求項12に記載のエアフォイル模型。
- セラミック供給コアと、
前記セラミック供給コアに嵌合した耐熱性金属コアと、
を有し、前記耐熱性金属コアは、このコアを覆う鋳造鋳物内に壁厚さ点検用特徴部を設ける手段を有することを特徴とする鋳造コアアセンブリ。 - 前記耐熱性金属コアは、切断し、曲げたシートからなることを特徴とする請求項19に記載のコアアセンブリ。
- 内側壁部と外側壁部との両方に厚さ点検用特徴部を設けることを特徴とする請求項19に記載のアセンブリ。
- 前記手段は、前記耐熱性金属コアの主要部分と一体で形成されることを特徴とする請求項19に記載のアセンブリ。
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