JP2011247248A

JP2011247248A - 山形フィルム冷却穴を有する物品と関連の加工処理

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Publication number: JP2011247248A
Application number: JP2011062490A
Authority: JP
Inventors: Ronald Scott Bunker; ロナルド・スコット・バンカー; Benjamin Paul Lacy; ベンジャミン・ポール・レーシー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: EP2390465A2; EP2390465B1; US20110293423A1; JP5738635B2; CN102261281B; EP2390465A3; CN102261281A; US8905713B2

Abstract

【課題】第１の流体に曝される内面と、入口と、内面から離間した外面であって、より高温の第２の流体に曝される外面とを有する物品を提供する。
【解決手段】この物品は、少なくとも１つの列状又はその他のパターンの通路穴２８を更に有する。各通路穴は、基板２０を貫通して内面の入口から外面２６に近接する通路穴出口部まで延在する入口ボア３４を有し、この入口ボアは、穴出口部に隣接する山形出口３２で終端する。山形出口は、共通表面領域を自身間に有する１対のウィング状溝を有する。共通表面領域は、穴出口部に隣接する谷状部と、この谷状部に隣接する台地状部を含む。この物品はエアフォイルであってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明の概ねの主題はガスタービンエンジンに関し、特にエンジンの様々な部品の冷却構造に関する。

ガスタービンエンジンは、エンジン空気を圧縮する圧縮機を含む。エンジンは、また、加圧空気を燃料と混合して高温燃焼ガスを生成する燃焼器を含む。典型的な設計（例えば航空エンジン又は据置型のパワースステム）において、エネルギーは、圧縮機に動力を供給する高圧タービン（ＨＰＴ）及び低圧タービン（ＬＰＴ）のガスから取り出される。低圧タービンは、ターボファン航空エンジン用途ではファンに動力を供給し、船舶及び産業用途では外部シャフトに動力を供給する。

ガスタービンエンジンは通常、超高温環境で動作するので、ガスタービンエンジンの冷却システムの必要性は決定的である。例えば、エンジン部品は、航空用途では約３８００°Ｆ（２０９３°Ｃ）まで、据置型の発電用途では２７００°Ｆ（１４８２°Ｃ）までの温度を有する高温ガスに曝されることが多い。高温ガスに曝される部品を冷却するために、これらの「高温ガス流路」の部品には大抵、内側対流冷却と外側フィルム冷却の両方を行う。

フィルム冷却の場合、複数の冷却穴が部品の比較的低温の表面から部品の「高温」の表面まで延在する。冷却穴は通常、部品の金属壁部を貫通して浅い角度で傾斜する円筒状のボア穴である。フィルム冷却は、高温ガスから部品の表面へと至る入射熱流束を減少させるので、温度制御のために重要な機能である。冷却穴を形成するにあたり、例えば必要な穴深さ及び形状といった様々な要因に応じて、多様な技術を用いることができる。レーザー穿孔処理、ウォータージェット切削処理、放電加工（ＥＤＭ）処理は、フィルム冷却穴の形成によく用いられる技術である。フィルム冷却穴は大抵、列状の緊密に離間した穴として構成され、これらの穴が合わさって、外表面全体にわたる大面積の冷却ブランケットになる。

冷却空気は大抵、圧縮機から取り出された後にエンジンの燃焼領域をバイパスし、冷却穴を介して高温表面に供給される圧縮空気である。このクーラントが、高温の部品表面と高温ガス流との間に保護「フィルム」を形成することによって、部品を加熱から保護する一助となる。更に、例えばサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）等の保護コーティングを高温の表面上に用いて部品の動作温度を高めることができる。

フィルム冷却性能は、クーラントの流れが高温表面を「抱き込む」ときに最も高くなる。これを念頭に置いて、多様な表面外形及び形状が冷却穴の出口部領域のために設計されてきた。例として、１つ以上の部品表面上に意図的に形成された様々な種類の溝や凹みが挙げられる。このような表面的な特徴によって、クーラントの流れと高温の表面の接触時間が長くなり、且つ／又はより低温の効果的なガス温度の層を表面上に供給できる。

様々な検討事項が、最適なフィルム冷却システムを設計する上で重要になる。例えば、一定量の空気が部品の高温の表面全体を流れるようにすることが通常は必要であり、上述のように、その空気の大部分が、できる限り長く高温の表面と接触した状態を保つことも重要である。また、フィルム冷却穴が多数あると、より多量の空気をエンジン圧縮機から取り出す必要がある分、冷却穴の個数が多すぎるとエンジン効率が損なわれかねない。また、今後のタービンエンジン設計には、尚一層高い動作温度を伴う可能性があるので、フィルム冷却システムの改良は、尚一層重要になる。

米国特許第７３２８５８０Ｂ２号

これらの問題を考えると、ガスタービンエンジンのフィルム冷却性能を高める新規な方法及び構造は、当該技術分野において歓迎されるであろう。こうした革新技術は、エンジン効率を大幅に低下させることなく冷却流の性能を高めるはずである。また、フィルム冷却構造は、タービンエンジン部の強度及び完全性を損ねるものであってはならない。更に、新規なフィルム冷却構造は、上述の穿孔、切削、及び機械加工技術のうち１つ以上の技術によって正確且つ効率的に形成可能であるべきである。

本発明の一実施形態において、基板の形態の物品であって、第１の流体に曝される、入口を有する内面と、この内面から離間した、より高温の第２の流体に曝される外面を有する物品を開示する。この物品は、更に、少なくとも１つの列状又はその他のパターンの通路穴を有し、各通路穴は、内面の入口から外面に近接する通路穴出口部まで基板を貫通して延在する入口ボアを有し、この入口ボアは穴出口部に隣接する山形出口となって終端する。この山形出口は、共通表面領域を両者間に有する１対のウィング状溝を有し、この共通表面領域は穴出口部に隣接する谷状部を含むと共に、谷状部に隣接する台地状部を更に含む。

別の実施形態は、１つ以上の山形フィルム冷却穴を備えて構成されるフィルム冷却式エアフォイル又はエアフォイル領域に関する。このエアフォイル又はエアフォイル領域は、
ａ）第１の流体に曝される、入口を有する少なくとも１つの内面と、
ｂ）内面から離間した、より高温の第２の流体に曝される外面と、
ｃ）少なくとも１つの列状又はその他のパターンの通路穴であって、各通路穴が内面から外面に近接する通路穴出口部まで基板を部分的に貫通して延在する入口ボアを有し、入口ボアは本明細書に記載のように山形出口となって終端する通路穴と、を有する。

また別の実施形態は、内面と内面から離間した外面とを有し、少なくとも部分的にこれらの２面間に延在する入口ボアを更に有する基板に、１つの列状又はその他のパターンの通路穴を形成する方法であって、入口ボアは外面に近接する穴出口部に隣接した山形出口となって終端し、山形出口は共通表面領域を両者間に有する１対の溝を有し、共通表面領域は穴出口部に隣接する谷状部とこの谷状部に隣接する台地状部を含む方法に関する。この方法は、コンピュータ制御された単一の又は反復的なプランジング動作、スイーピング動作、又はプランジングとスイーピングとの複合動作で、接触装置又は接触媒体を基板の所定の領域に誘導することによって、各入口ボアと山形出口とを形成するステップを含む。

基板を貫通して延在する３つの通路穴の通常的な出口部領域を示す、基板の外面の斜視図である。図１に示す通路穴のうちの１つの、図１の線２−２に沿った横断面図である。図２に示す通路穴の、線３−３に沿った平面図である。本発明の別の実施形態に従った通路穴の横断面図である。本発明の実施形態に従った通路穴の山形出口領域の上面図である。本発明の実施形態に従った通路穴の山形出口領域の一部分を示す上面図である。本発明の別の実施形態に従った通路穴の横断面図である。本発明の実施形態に従った、コーティングで覆われた基板の場合の通路穴及び出口部領域の横断面図である。本発明の実施形態において用いられるウォータージェット切削機の概略斜視図である。本発明に関連するウォータージェット切削機用ノズルアセンブリの概略斜視図である。本発明の一部の実施形態に従った、基板に通路穴を形成するプランジング装置の動作を示す図である。本発明に従った、マルチプランジ技術によって形成される通路穴の山形領域を示す上面図である。本発明の実施形態に有用な放電加工装置の概略斜視図である。本発明の実施形態に従った通路穴を創出する、レーザーベースのシステムの概略図である。

本明細書に開示する数値的な範囲は包括的で組み合わせ可能である（例えば、「約２５ｗ％以下」又は更に具体的に「約５ｗ％から約２０ｗ％」の範囲には、端点とその範囲の間にある全ての値が含まれる）。特に明示しない限り、あらゆる組成及び重量は、組成物全体の重量に基づいて提示され、割合もまた、重量に基づいて提示されている。また、「組み合わせ」という表現には、混成物、混合物、合金、反応生成物等が含まれる。

また、「第１」「第２」等の表現は、本明細書においてはいかなる順序、数量、重要性も示すものではなく、或る要素を他の要素と区別するために用いられる。「ａ」「ａｎ」という表現は、本明細書においては数量を限定するものではなく、記載の品目が１つ以上あることを示す。数量に関連して用いられる「約」という修飾語は、記載の値を含むと共に、文脈から明らかな意味（例えば、特定の数量の測定誤差の程度）も有する。

また、本明細書において、接尾辞「ｓ」は通常、修飾する用語の単数形及び複数形の両方を含み、したがってその用語の１つ以上のものを含むこととする（例えば、「通路穴」という用語は、明示しない限り１つ以上の通路穴を含む）。本明細書を通じて「一実施形態」「別の実施形態」「或る実施形態」等は、その実施形態に関連して説明する特定の要素（例えば、特徴、構造、及び／又は特性）が、本明細書に説明する１つ以上の実施形態に含まれているが、その他の実施形態に含まれることも、含まれないこともあるということを意味する。加えて、説明する本発明の特徴を、様々な実施形態においていかなる適宜の態様で組み合わせてもよいことを理解されたい。

高温に曝され、冷却が必要なあらゆる基板を本発明に適用できる。例として、セラミック又は金属ベースの材料が挙げられる。基板を構成し得る金属又は金属合金の非限定的な例として、鋼、アルミニウム、チタン、モリブデン等の高融点金属、及びニッケル、コバルト、又は鉄等がベースの超合金が挙げられる。また、基板を、ケイ化ニオブ金属間化合物等の複合材料で形成してもよい。

非常に多くの場合、基板は、ガスタービンエンジン部品の少なくとも１つの壁部である。この種の壁部及びタービン部品そのものは、多くの文献に記載されている。非限定的な例として、米国特許第６，２３４，７５５号（Ｂｕｎｋｅｒら）及び第７，３２８，５８０号（Ｌｅｅら、以下「Ｌｅｅ」）が挙げられ、この両特許を参照により本明細書に援用する。

Ｌｅｅの文献は、長手方向又は軸方向の中心軸の周りにおいて軸対称の航空用ガスタービンエンジンを包括的に論述している。このエンジンは、順番に流体連通するファン、多段軸流圧縮機、環状燃焼器、その後に更に、高圧タービン（ＨＰＴ）、低圧タービン（ＬＰＴ）を含む。

ＨＰＴは通常、内側及び外側ノズルバンド内に支持された１列の中空ステータベーンを備えるタービンノズルを含む。第１段タービンは第１段タービンノズルの後にあり、この第１段タービンは、支持ロータディスクから半径方向外方に延在すると共に環状タービンシュラウドによって取り巻かれる、１列の中空ロータブレードを含む。低圧タービン（ＬＰＴ）は高圧タービンの後にあり、この低圧タービンは、更なるノズルとロータブレードとを含むが、これはエンジン設計に応じて内部冷却回路を含む場合も含まない場合もある。排気ライナは通常、低圧タービンの後にある。

Ｌｅｅ特許に記載のようなガスタービンエンジンの運転時、周囲空気が上述のファンによって加圧される。周囲空気の一部分は圧縮機に流入して更に加圧され、外側部分はファン出口から排出され、ターボファンエンジン用途の推力を供給する。圧縮機内で加圧された空気が燃焼器内で燃料と混合され、高温の燃焼ガスが生じる。この燃焼ガスは、運転時に圧縮機とファンに動力を供給するためのエネルギーを燃焼ガスから取り出す、様々なタービンブレード段を通って流れる。このようなエンジンの構造に関する更なる詳細は、Ｌｅｅ特許に加え、その他様々な文献に記載されている。

上述の及びＬｅｅの文献に記載のような典型的なガスタービンエンジンは、従来式の構成と動作を有するが、このようなエンジンを本明細書に記載のように改良して、フィルム冷却を改善できる。このため、上述のように運転時に圧縮機から加圧空気の一部分を抽出することによって、エンジンの高温燃焼ガスからの加熱に曝される様々なエンジン部品の１つ以上を適切に冷却できる。

これらの部品は通常、図１に示すように少なくとも１つの金属壁部２０を含む。この壁部を上述したような超合金から形成するが、それは、こうした材料が高温下で高い強度を示すからである。図１の平面図に壁部の一部分を示し、図２の断面図にも一部分を示す。壁部の厚さは、その壁部が組み込まれている物品によって異なる。多くの場合、例えば多くの航空用部品の場合には、壁部は約０．０２０インチ〜約０．１５０インチ（５０８ミクロン〜約３８１０ミクロン）の範囲の厚さを有する。地上用部品の場合は、壁部は約０．０５０インチ〜約０．３００インチ（１２７０ミクロン〜約７６２０ミクロン）の範囲の厚さを有することが多い。

壁部は、対向する内壁面及び外壁面２４、２６を含む。壁部の内面又は内側面は、部品に設けられた、圧縮機から何らかの従来的な態様で抽出された空気を受け取る、適切な冷却回路の外側境界面を形成する。外面２６は、運転時に高温燃焼ガス２２に曝される（図１参照）ので、適切なフィルム冷却保護を必要とする。

図１及び２に示す例証的な部品壁部２０は様々な部品に見受けられる。これらの部品には、内側又は外側燃焼器ライナ、タービンノズルベーン、タービンノズルバンド、タービンロータブレード、タービンシュラウド、又は排気ライナが含まれる。これらのいずれの部品にも、様々な形態のフィルム冷却穴又は「通路穴」が組み込まれていることが多い。

本発明の実施形態において、通路穴２８は、壁部部品２０の所定の区間に沿って適切な列状又はその他のパターン（図１）状に配置される。Ｌｅｅ特許の実施形態のように、通路穴２８は「山形」の構成を特徴としている。好適な実施形態において、各通路穴２８は壁部２０を長手方向に貫通して延在すると共に、穴に沿った長手方向と穴の幅を横断する横方向との両方向に分岐する。このように、各穴は内面２４に面一に配置される入口３０（図２参照）から外面２６に面一に配置される山形出口３２まで延在する。上述のように、圧縮機からの加圧空気の一部分は、通路穴２８を介して山形出口３２から流出する冷却空気３３として導かれる（図１）。

好適な実施形態において、各々の通路穴２８は、入口ボア３４を含む。このボアは通常、その入口端部からその出口端部までほぼ一定の流路面積を有する。図２に示すように、入口ボアは長手方向又は軸方向の中心軸３６を有する。このボアそのものは、円筒状又はほぼ円筒状の、即ち山形出口の始点の手前まで円筒状又はほぼ円筒状を維持する通路穴の一部分と考えられる。このため、図２において、入口ボアは、軸３６に沿った点ＸとＹの間の区間と考えられる。入口ボアの上方終端部を「ボア出口」３８とよぶが、このボア出口は、依然として外壁面（外側壁面）２６よりも下方に位置する。入口ボアは、大抵は互いに平行な自身の内面又は外面に対して、比較的浅い角度「Ａ」だけ傾斜している。入口ボアの傾斜角Ａは通常、フィルム冷却穴に用いる典型的な傾斜、例えば約２０度〜約４５度を指す。

上述のように、図３は図２に示す通路穴の線３−３に沿った平面図である。図面は、中心軸３６によって効果的に二等分された通路穴入口３０を示している。入口ボア３４は、点Ｘから点Ｙまで延在する、即ち穴出口３８として終端するものとして図示されている。ボア出口３８から面２６（即ち入口穴３０と反対方向）へと向かう通路穴の残りの部分は「通路穴出口部」と考えられる。

引き続き図３を参照すると、ボア出口３８は、概略的に機構４０として示す山形出口で終端する。山形出口４０は、その長さ「Ｚ」の大部分において、１対のウィング状溝４２及び４４を含む。これらのウィング状溝は、溝開始位置３９（溝の「上流側」始点）から外側壁面２６（図２）まで長手方向に分岐している。溝開始位置は通常、軸３６に沿った山形出口４０の全長に基づくと、ボア出口３８から約１５％〜約３５％の長さの位置にある（図３）。

一部の実施形態において、ウィング状溝は、上述のＬｅｅ特許におけるウィング状溝と同様の大きさ及び形状であり、通常はほぼ楕円形の断面形状を有する。一例として、ウィング状溝は、ほぼ円形又は部分的に円形であってよい。

ウィング状溝４２、４４は、その間に共通面領域４６を有する。ウィング状溝は、この面領域に沿って横方向に、内壁面２４から離れる方向に分岐しており、最終的に外壁面２６と融合すると言える。

一部の実施形態において、共通面領域４６は、谷状部又は「底部」４８と、谷状部４８に隣接する台地状部５０とを含む。台地状部５０は、谷状部よりも上方に隆起し、軸３６に沿って穴入口３０と反対方向に延在しており、基本的には外壁面２６と面一となる位置５２で終端する。谷状部４８は、台地状部５０の高さよりも低いものの、基本的にはウィング状溝４２、４４の深さよりも高い位置にあることを理解されたい。また、谷状部４８は、入口ボア３４（通常は弧状面）の下面５４（図２）の延長部と考えられる。以下に説明するように、本発明の実施形態に記載の通路穴及び山形出口の外形は、然るべき種類の穿孔、機械加工、及び切削技術を用いることによって得られる。

図２に概略的に示すように、台地状部５０は大抵、谷状部４８よりも上方に立ち上がり、比較的水平に隆起した外形になっている。台地状部の上面５６は、非常に平坦であり、谷状部４８の表面に対して若干平行であってよい。但し、以下に更に説明するように、台地状部の形状、大きさ、及び配向を、台地状部の任意の個別の表面又は「面」として、大幅に変更してもよい。一例として、台地状部の前面５８（図３を参照）は、谷状部４８の表面に対してほぼ垂直である。しかし、以下に示すように、前面は通常、勾配を有し、例えばその大きさが次第に縮小して（傾斜面のように）最終的に谷状部表面４８と融合する。概して、台地状部と台地状部が隆起する谷状部との形状及び大きさは、通路穴を介して送られる冷却空気を最大限に拡散させる上で重要な要素となる。以下に更に説明するように、別の有利な結果として、外壁面２６からの冷却空気の流れの剥離が抑制されることがある。

図３を参照すると、山形出口４０の全域に収まった台地状部５０の位置も、一部の実施形態では重要な特徴となる。各溝は、溝開始位置３９から通路穴入口３０の下流方向の遠端、即ち溝が外面２６と交わる点（即ち図３の位置５２）まで延在する全長寸法を有すると言える。一部の実施形態において、台地状部のほぼ全体が、位置３９から離れる方向に全長寸法の約４０％を超える領域に配置される。一部のその他の好適な実施形態では、台地状部のほぼ全体が、位置３９から離れる方向に全長寸法の約６０％を超える領域に配置される。

一部の実施形態において、台地状部は、図３のような平面図（「上面図」）において、三角形、台形、又はその他何らかの多角形の形状を有する。図３に、台形状の台地状部５０を示す。図４は、三角形状の台地状部を示す（この図面において、図２及び３と同様又は同一の特徴については、符号を付していない）。図４において、台地状部６０は、谷状部６２よりも上方に隆起している。この三角形状の台地状部は、２つの溝６６、６８間のほぼ中間部分に、軸７０に沿って位置しており通路穴入口７２の方向を示す上流側頂点６４を含む。但し、頂点は軸７０と整合している必要はなく、例えば「偏心（ｏｆｆ−ｃｅｎｔｅｒ）」していてもよい。更に、三角形そのものが正三角形でなくてもよい。上述のように、台地状部の正確な形状は、主に台地状部が形成される態様に応じて決定される（２つの溝も、例えば深さ及び形状が幾分、互いに異なっていてもよい）。

図５に、通路穴８０の一部分の別の実施形態を、基板の外面（「高温表面」）８２の上面図として示す。この図面（以下で検討する図７に幾分類似している）において、台地状部９２は、溝８６及び８８間に配置される（この図面では、台地状部９２が領域９３から上方に角度を成しているように見えるが、台地状部は基本的に外面領域９３と同じ平面上に位置してもよい）。谷状部９０は、基板内へと延在する入口ボア（特に図示せず）に向かって台地状部から下方に傾斜する。台地状部の表面８２に対する高さは、異なっていてよい。一部の実施形態において、台地状部の高さは、通路穴出口部から該穴出口部から離れる方向に遠端まで延在する長さ寸法の約２％〜約２０％である。

また、一部の実施形態において、表面９０、溝８６、及び溝８８の各機構はいずれも入口ボアに融合する。また、場合によっては、表面８６、９０及び８８、９０の接触部分によってそれぞれ形成される縁部９８及び１００は「尖った」直線的な縁部である必要はない。例えば、これらの縁部は、互いに独立した曲面状又は「丸味を帯びたもの」であってよい。図５のような通路穴の部分図である図６に示すように、上面／谷状部１０２も、一方の溝から他方の溝（溝はここには図示せず）まで延在するほぼ「円弧」状に沿って、又はその他何らかの曲率線に沿って湾曲してよい。

図７は、本発明の実施形態に従った、別の山形形状を有する通路穴１０８の図である（ここでは、図２及び３と同様の特徴には符号を付していない）。図面の下半分に、軸１１２に沿って配置される入口ボア１１０の横断面図を示す。上半分の図面は、平面図又は「上面図」である。この実施形態において、台地状部１１４は入口穴１１８から最遠の隆起領域である。谷状部１２０は、台地状部に隣接しており軸１１２に沿って延在する。谷状部は、入口穴１１８の方向に下方に傾斜する上面１２２を有する。

上述のように、本明細書に記載のような物品は、１つ以上のコーティングにより覆われることが多い。多目的のコーティングが用いられる。多くの場合、熱保護及び／又は酸化保護用のコーティングが施される。一例として、ガスタービンブレード等の物品は、セラミックコーティング、例えばイットリア安定化ジルコニア等のジルコニア材料で形成されるサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）により覆われる。タービンブレードでは多くの場合、ブレード表面全体に先ず、例えば金属アルミナイド又はＭＣｒＡｌＹ材料等の結合層が施される。このとき「Ｍ」は、鉄、ニッケル、コバルト、又はこれらの混合物である。これらのコーティングシステムは、上述のＢｕｎｋｅｒの第’７５５号特許をはじめ、多くの文献に記載されている。

図８は、本発明の一部の実施形態に従った、基板１２５を貫通して延在する別の通路穴１２３の横断面図である。この場合、基板の外面（「高温」表面）１２４は、上述のように１つ以上の個別のコーティングを構成し得る保護コーティングシステム１２６により覆われる。保護コーティングの厚さを、様々な要因に応じて大幅に変更してもよい（例えば約０．００５インチ（１２７ミクロン）〜約０．０５０インチ（１２７０ミクロン））。地上用ガスタービンの「高温」部に用いるニッケル超合金ベースのタービンブレードの場合、保護コーティングは、約０．０１５インチ（３８１ミクロン）〜約０．０４５インチ（１１４３ミクロン）の厚さを有することが多く、約０．０２０インチ（５００ミクロン）〜約０．０３５インチ（８８９ミクロン）の厚さを有することが更に多い。通路穴１２３は、以下に記載の技術のうちの１つによって、基板１２５を貫通し、コーティング１２６を貫通して形成される。

引き続き図８を参照すると、台地状部１２８は谷状部１３０から延在し、この谷状部よりも上方に隆起する。この場合、台地状部の「前面」１３２は、入口ボア１３４の方向に傾斜する。但し、台地状部と周囲の谷状部との形状及び大きさを、様々な要因に応じて大幅に変更してもよい。様々な要因には、通路穴を通る冷却流体の出口部の所望の形状に加え、通路穴及び山形部分をコーティング１２６及び基板１２５内に形成する技術が含まれる。新規なクーラント流路形状に従って保護コーティングを介したフィルム冷却特性を改善できることは、本発明の実施形態の重要な側面である。

本発明の通路穴は、所定の種類の設備を用いて幾つかの特殊技術によって良好に形成可能である。これらの技術には、ウォータージェット切削システム、放電加工（ＥＤＭ）システム、及びレーザー穿孔システムが含まれる。これらの各々のシステムを以下に説明する。更に、場合によっては、これもまた以下に説明するように、特定の機器を単一の又は反復的なプランジング動作で用いることによって、これらの技術の各々を実施できる（本明細書では、ＥＤＭは「接触装置」を用いた基板の処理に関すると言え、ウォータージェット切削システム及びレーザー穿孔システムは、以下に更に説明するように、「接触媒体」を用いた基板の処理に関すると言える）。

以上に示唆したように、一部の実施形態において、通路穴はウォータージェット切削加工、例えばアブレシブウォータージェット切削加工により形成される。このような「ウォーターソー（ｗａｔｅｒｓａｗ）」とよばれることもある加工は、当該技術分野では周知であり、多くの文献に記載されている。非限定的な例として、米国特許第６，９０５，３９６号（Ｍｉｌｌｅｒら）、第５，９７９，６６３号（Ｈｅｒｒｍａｎｎら）、第５，８５１，１３９号（Ｘｕ）及び第５，１６９，０６５号（Ｂｌｏｃｈ）が挙げられるが、これらのいずれの特許も参照により本明細書に援用される。

概して、ウォータージェット加工では、高圧水流中に懸濁させた研削材粒子（例えば研削用「粗粒」）の高速流を用いる。水圧は大幅に変動してよいが、約５，０００〜９０，０００ｐｓｉの範囲内であることが多い。ガーネット、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、及びガラスビード等の多様な研削材が用いられる。この加工は、本発明の様々な実施形態において、上述のように、例えば金属基板、或いは基板と該基板上の保護コーティングとを貫通する通路穴の形成に用いられる。金属に用いる一部のその他の切削加工とは違って、ウォータージェット加工では、加工に伴って基板が著しく加熱されることがない。このため、通路穴の所望の出口部形状に悪影響を及ぼし得る「熱影響部」が基板表面上に形成されることがない。

更に、ウォータージェットシステムは、多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）装置を含み得る。ＣＮＣシステムそのものは、当該技術分野において周知であり、例えば、参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第２００５／００１３９２６号（Ｓ．Ｒｕｔｋｏｗｓｋｉら）に記載されている。このＣＮＣシステムによって、複数のＸ、Ｙ、及びＺ軸と回転軸とに沿って、切削工具を移動させることができる。

図９は、本発明に適する１つのウォータージェット切削機１５０の概略斜視図である。図１０は、以下に説明する基板に対する装置の機能を示す、図９の機械のノズルアセンブリの概略斜視図である。図１０のウォータージェット装置は通常、供給液体１７８（大抵は水）を高圧で噴射オリフィス１５２（図１０）に送給可能な高容量ポンプ（図示せず）を備える。この噴射オリフィスは、その内部に混合室１５６が画定された分配ヘッド１５４内で支持されている。加圧された液体は、混合室から送出しノズル１５８に導入され、この送出しノズルを通って、上述のように、線状の噴流１６０となって相応に強力に放出される（図１０参照）（この種の設備に関する様々な詳細事項も上述のＭｉｌｌｅｒらの特許に記載されている）。

引き続き図９及び１０を参照すると、分配ヘッド１５４及びノズル１５８は、直立可動支柱１６４からの片持ちアーム１６２上において支持されている。この構成により、分配ヘッド１５４及びノズル１５８の、複数の移動軸の周りにおける往復運動の制御、例えば軸Ｘ及びＹで示すような直角配向の移動方向の水平移動、並びに軸Ｚで示すような（上述したような）垂直移動が可能になる。加えて、適切なモータ（図示せず）も片持ちアーム１６２上に配設してよい。これらのモータにより、分配ヘッド及びノズルに、例えば軸Ｂ及びＣで示す直角配向の回転軸の周りにおいて、関連ある回転運動を行わせることができる。

図１０を参照すると、典型的な基板１６６の一部分が示されている。非限定的な図面では、金属コーティング１６８が基板の外面上に直接施されており、この金属コーティング上にセラミックコーティング１７０（例えば上述のようなＴＢＣ）が施されている。図示の機構によると、流動性研削材１７２が調量装置１７４を通り、管１７６を介して送給される。研削材は、ベンチュリ効果により混合室１５６内に引き込まれて一次加圧水流１７８と混合され、噴射流体流１６０を構成する（研削材は上述の種類のものであってよい）。

Ｍｉｌｌｅｒらの特許に記載のように、噴流１６０の移動の制御は、ウォータージェット装置を効果的に機能させる上で重要である。複数の軸Ｂ、Ｃ、Ｘ、Ｙ、Ｚ（図９）の周りにおいて選択的にジェットノズル１５８の動作を（例えば上述のＣＮＣ装置で）制御することによって、ジェットノズルを三次元の移動経路において往復運動させることができる。これらの移動経路は、コーティングの有無にかかわらず、実質的に基板の三次元構成及び形状に正確に従ったものであり、ノズル１５８を基板に対して正確に一定の間隔及び角度配向に維持する。更に、当業者には理解できるように、多くの特徴とパラメータとを選択的に設定、変更、及び制御することで、ウォータージェット切削工具の使用を最適化できる。調節の非限定的な例には、アブレシブ噴射水流の、ノズルから放出される時の圧力、研削材と水の混合比、流体流の形状と相対的な拡散、研削材の具体的な種類及び大きさ、ノズルの直径が含まれる。

本発明の好適な実施形態の殆どにおいて、ウォータージェット技術は、１つ以上の所定のパターンに従って基板の所定の領域に線状の噴流を導くことによって実施される。送出ノズルは、噴流を単一の又は反復的なプランジング動作、スイーピング動作、又はプランジングとスイーピングとの複合動作で誘導するようにプログラムされる。所定のパターンは、入口ボアの形成と山形出口の形成を含めた、上述の通路穴外形をもたらすパターンである。

図１１は、本発明の一部の実施形態に従って特定の通路穴を作製するプランジング動作を示す簡単な図である。プランジング動作は通常、様々な種類の設備、例えばウォータージェット、レーザー、放電加工（ＥＤＭ）、又は機械式ビットに関連する円筒状工具によって行われる。本明細書では、プランジング技術をウォータージェット装置に関して詳細に説明するが、当業者は、この技術を本明細書に記載のその他の設備にも難なく適応させることができよう。

引き続き図１１を参照して、上述のようなウォータージェット装置を用いてもよい。予めプログラムされた一連のプランジ（「マルチプランジ」）を用いて、基板１９４の外面１９２を貫通して円穴形状１９０を形成する（ここでは、送出しノズル及び噴射水流を図示していないが、上述のように基板よりも上方に配置される。また、この技術によって多数の穴を基板に形成できるが、ここでは単一の穴を示す）。非限定的な例として、連続的な穴形状の方向は、表面１９２を通って一方の溝１９６の所定の領域から基板の反対側の溝１９８（この図では幾分途切れている）へと進んでいる。また、制御された噴射水流は、溝の形成後にほぼ水平な経路２００を辿って移動する。この動作は、基板の表面を通る、制御された「スイーピング」と考えられる。このように、穴形状の形成は、プランジングとスイーピングの複合動作によって行われる。上述のようなＣＮＣ式の装置は、各通路穴の形成に用いるプランジング（例えば図９の「Ｚ」方向）及びスイーピング（例えばＸ及びＹ方向）の動作に特に適する。

図１２は、マルチプランジ技術を用いて形成される通路穴２１０の一部分を表している。この図では、溝１９６及び１９８と入口ボア２１１を示す。１つの頂点２１４が入口ボア２１１の方向を「示す（ｐｏｉｎｔ）」三角形の形状を有する台地状部２１２も示されている。影付きの機構２１６は、従来の山形出口形状に形成された通路穴と比較した、外観の相違を示す。換言すると、機構２１６（単一の機構とも考えられる）には、マルチプランジ技術を用いる一部の実施形態において、溝の上に「フード」が形成される。このようなフードは、例えば上述のＬｅｅらの特許にあるように、当該技術分野において周知の山形形状にある程度は設けられることもあるが、このような大きさ及び形状のフードが以前から周知であったとは思われない。一部の実施形態において、フィルム穴の上面領域におけるフードの曲率は、以前から周知の山形形状に比べて大きい。また、一部の好適な実施形態において、フードの全表面積は、例えば図１２に示すように、溝の全表面積の少なくとも約２０％である。高温用基板の場合には、このような「フード部」の外形を改良することで、出口穴に隣接する外面（「高温表面」）へのフィルムクーラントの付着性の向上、即ち表面に沿った付着距離の延伸が可能になる。

一部の実施形態において、本発明の通路穴は、放電加工（ＥＤＭ）技術を用いることによっても良好に形成可能である。ＥＤＭ技術は、当該技術分野において周知であり、参照により本明細書に援用される米国特許第６，９６９，８１７号（ＭａｒｔｉｎＫｉｎ−ＦｅｉＬｅｅら）をはじめ、多くの文献に記載されている。これらの技術は、「ＥＤＭフライス加工」、「電気火花加工」又は「スパークエロージョン」とよばれることもある。概して、ＥＤＭは、高速で繰り返される一連の放電によって、基板又は工作物中に所望の形状を得るために用いられる。この放電は、誘電性液体によって分離された、電圧に曝された２つの電極間で生じる。

幾つかの種類のＥＤＭ装置の更なる具体例を挙げると、ＤＣ電圧がドリル電極に印加され、基板の所望の部分が、ドリル電極と基板表面の間の隙間の火花形成によって損傷する。電極と工作物との間の隙間には通常、誘電性の液体が送り込まれる。ＥＤＭ穿孔装置は大抵、水（例えば非導電性脱イオン水）を加工液として用いる。材料除去プロセスは、部分的にスパークエロージョンであり、部分的に電解加工である。概して、工作物の導電性要件が、セラミック（ＴＢＣ）保護膜等の非導電性材料で覆われた基板へのＥＤＭ加工の妨げになる。ＥＤＭ設備に関するその他の詳細と、設備の使用にあたっての動作設定は、電気機械加工技術分野の当業者には周知であろう。

本発明の実施形態の殆どについて、ＥＤＭ電極は、上述のようにスイーピング動作で基板に向けられる。この動作は、図１１に示す経路に沿った方向でもよいが、異なる経路を選択してもよい。ウォータージェット切削加工の場合と同様に、ＥＤＭ装置を、多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）装置によって制御できる。これらの装置によって、電極を２次元及び３次元の経路の全体に沿って誘導することに加え、電極を１つ以上の回転軸上での移動させることができる。

本発明に適するＥＤＭ装置の非限定的な一例を図１３に示す。このような装置の多くの要素も、上述のＫｉｎ−ＦｅｉＬｅｅによる特許文献に示されている。装置２２０は、ヘッドアセンブリ２２２を含む。このヘッドアセンブリに関する機能と詳細は、当該技術分野において周知であり（例えば米国特許第９，９６９，８１７号の図３）、本明細書で詳細に論述する必要はない。電磁石２２４がアダプタプレート２２８を用いてスライドアセンブリ２２６に結合される。第１の手動スライド２３０は、スライドアセンブリアダプタプレートに結合される。この手動スライド２３０によって、装置を基板、例えばタービンブレードの外面に電磁石２２４又はその他何らかの従来式の取付け機構を用いて取り付けた後、オペレータがヘッドアセンブリ２２２を位置決めできるようになる。

第２の手動スライド２３２は、第１の手動スライド２３０に作動的に結合されており、第１の手動スライド２３０に対してヘッドアセンブリ２２２を垂直並進移動させるように構成されている。第２のスライド２３２は、小型傾斜回転バイス２３４に作動的に結合されている。この小型傾斜回転バイス２３４によって、曲線矢印２３６で示す両方向へ、ヘッドアセンブリ２２２を回転させることができる。また、このバイス２３４によって、ヘッドアセンブリ２２２を、角度を成して傾斜させることができる（この角度傾斜を矢印２３８で示す）。この実施形態では、手動スライドと小型傾斜回転バイスとを論述するが、穿孔及び／又はフライス加工の対象となる表面又は部分に対するヘッドアセンブリ２２２の位置決めが可能なあらゆる機構（例えば何らかのＣＮＣ装置）が、本開示の装置の様々な実施形態において用いられる等価物であることを理解されたい。

本発明に使用可能な典型的なＥＤＭ装置において、ホルダ２４０を用いて、消耗ワイヤ電極２４２の移動を固定及び案内する。ＥＤＭシステム用の様々な種類のホルダ及び電極が市販されている。供給元の一例が、コネチカット州ミドルタウンのエアロスペーステクニクス（ＡｅｒｏｓｐａｃｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）社である。装置２２０を介して供給されるワイヤ電極を、装置に関連付けられたプログラミングによって配向することで、本発明に必要な通路穴／出口部外形を正確に形成できる。

その他の実施形態において、本発明の通路穴は、例えばレーザー穿孔装置等のレーザーシステムを用いることによって良好に形成可能である。好適な実施形態において、レーザー源には少なくとも１つのパルスレーザービームを用いる。このようなシステムは、２００９年５月５日出願の特許出願第１２／４３５，５４７号（Ｂｕｎｋｅｒら）において説明されており、その内容を参照により本明細書に援用する。（常にというわけではないものの）通常、パルスレーザービームは、約５０μ秒未満の範囲を含むパルス幅、約０．１ジュール未満の範囲を有するパルスエネルギー、約１０００Ｈｚを超える範囲の繰返し率を有する。このシステムは、また、レーザー源に結合された制御サブシステム等の、基板の位置をパルス幅及びエネルギーレベルと同期させるように構成されたその他様々な要素を含んでよい。このような制御サブシステムは、基板上に施されたコーティングを貫通する通路穴及び出口部外形を形成する場合に有利である。

図１４は、本発明の実施形態に従って少なくとも１つの通路穴を創出する、レーザーベースのシステムの概略図である。このシステム２５０は、パルスレーザービーム２５４を出力するレーザー源２５２を含む。レーザー源２５２は通常、約５０μ秒未満のパルス幅と約０．１ジュール未満のパルスエネルギー値を有する。パルスは大抵、約１０００Ｈｚを超える繰返し率で励起される。一実施形態において、レーザービーム２５４の波長は、約２００ｎｍ〜約１１００ｎｍの範囲内である。別の実施形態において、レーザービームの平均出力は約２０Ｗを超え、約２００ミクロン未満のスポットサイズに集光可能な所望のビーム品質を有する。

一実施例において、パルス幅は約１０μ秒〜約２００ナノ秒の範囲内である。別の実施形態において、パルス幅は約５０μ秒〜約１フェムト秒の範囲内である。このようなレーザーを用いると、幅広いレーザー強度を得られる。また、パルスエネルギーの低減、適切な波長、パルス幅の縮小により、レーザー加工のあらゆる弊害を軽減できる。同時に、比較的高い材料除去率を達成できる。

引き続き図１４を参照すると、レーザー源２５２に結合されたレーザービーム伝送システム２５６は、サンプル２６２の表面２６０上に１つ以上のビーム２５８を伝送する（サンプルは単純なブロック状で示されているが、上述のようにタービンブレードの形状であってもよい）。一部の実施形態において、レーザービーム伝送システム２５６は、ミラーレンズ加工ヘッドをベースにしたビーム伝送を用いる。別の実施形態においては、ファイバ加工ヘッドをベースにしたビーム伝送を用いる。場合によっては、レーザービーム伝送システムに、光ガルバノスキャナベースのビーム伝送を用いてもよい。

モーションシステム２６２は更に、レーザービーム伝送システム２５６に結合されており、レーザービーム照射とサンプル２６２との間の相対位置を同期させる。監視サブシステム２６４は、レーザー経路の位置とレーザー加工の進捗を検出する。典型的な実施形態において、監視サブシステム２６４は更に、レーザー動作情報を収集すると共に、制御サブシステム又はプロセッサ２６６との間で情報をやり取りする。サブシステム／プロセッサによって、所望の時点で自動的にレーザー加工を中止し、次の加工位置への移動を指示できる。典型的なシステム設計において、制御サブシステム２６４は、レーザー源２５２、レーザービーム伝送システム２５６、監視サブシステム２６６、及びモーションシステム２６２と通信する。この種のシステムに関するその他関連の詳細は、特許出願第１２／４３５，５４７号に記載されている。ウォータージェットシステム及びＥＤＭ装置の場合のように、本明細書に記載のようなレーザーベースのシステムを用いて、本発明に必要な通路穴及び出口部外形を正確に形成できる。

種々の更なる改変及び検討事柄にも留意されたい。本明細書に記載の加工処理を用いて通路穴全体、即ち好適な山形出口を含む通路穴を形成できる。但し、これらの加工処理を用いて、例えば事前に基板に形成した通路穴（入口ボア）の延長部として山形出口のみを形成してもよい。

更に、上述の技術を組み合わせたものを用いて通路穴又はその一部分を形成できる。例えば、通路穴の主要部分、即ち入口ボアをレーザー穿孔技術によって形成した後、所望の山形出口をＥＤＭ又はウォータージェット技術によって形成してもよい。その他の改変も可能である。異なる穴形成技術の幾つかを組み合わせた例が、米国特許第４，８０８，７８５号（Ｖｅｒｔｚら、参照により本明細書に援用される）に示されているが、その教示内容は、本発明に必要な特定の山形出口に関するものではない。

以下に示す実施例は例証目的にすぎず、本発明の特許請求の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。

複数の異なるモデル形状について、（Ｘ／Ｍｓ）値の関数として、フィルム冷却効率のモデル研究を行った（「Ｍ」を吹出し比、「ｓ」をフィルム穴ボア断面と同じ流路面積を示す同等の二次元スロット高さとすると、無次元距離「Ｘ／Ｍｓ」は、フィルム穴出口部を始点とする冷却面に沿った軸方向距離「ｘ」と積Ｍ＊ｓの比である）。一例として、標準ディフューザ型通路穴、即ち穴出口部が山形の外形を有さない代わりに標準の台形の形状で終端する通路穴を評価した。本明細書に記載のマルチプランジ技術によって形成された、山形がベースの幾何形状に加えて、米国特許第７，３２８，５８０号（Ｌｅｅら、上述した）に記載の山形の幾何形状に概ね沿った山形形状の穴も評価した。これらの研究から、マルチプランジ技術によって形成された穴を含む全ての山形形状の穴が、望ましいレベルの冷却効果を示すことがわかった。

本発明の様々な実施形態を詳細に説明した。しかし、こうした詳細に厳密に忠実である必要はなく、様々な改変及び修正が当業者には想到可能であり、これらは全て、添付の特許請求の範囲に明示する本発明の範囲に含まれることを理解されたい。

２０金属壁部
２２高温燃焼ガス
２４内壁面
２６外壁面
２８通路穴
３０通路穴入口
３２山形出口
３３冷却空気
３４入口ボア
３６軸
３８ボア出口
３９溝開始位置
４０山形出口
４２ウィング状溝
４４ウィング状溝
４６共通表面領域
４８谷状部／底部
５０台地状部
５２台地状部の終端位置
５４入口ボア３４の下面
５６台地状部の上面
５８台地状部の前面
６０台地状部
６２谷状部
６４三角形頂点
６６溝
６８溝
７０軸
７２穴入口
８０通路穴
８２外面
８４台地状部
８６溝
８８溝
９０上面
９３後面
９４入口ボア
９６谷状領域
９８表面縁部
１００表面縁部
１０２上面
１０８通路穴
１１０入口ボア
１１２軸
１１４台地状部
１１６隆起領域
１１８入口穴
１２０谷状部
１２２上面
１２３通路穴
１２４基板の外面
１２５基板
１２６保護コーティングシステム
１２８台地状部
１５０ウォータージェット切削機
１５２噴射オリフィス
１５４分配ヘッド
１５６混合室
１５８送出しノズル
１６０直線状噴流
１６２アーム
１６４支柱
１６６基板
１６８金属コーティング
１７０サーマルバリアコーティング
１７２研削材
１７４調量装置
１７６管
１７８水
１９０円穴形状
１９２表面
１９４基板
１９６溝
１９８溝
２００水平経路
２１０通路穴
２１１入口ボア
２１２台地状部
２１４頂点
２１６影付きの機構
２２０ＥＤＭ装置
２２２ヘッドアセンブリ
２２４電磁石
２２６スライドアセンブリ
２２８アダプタプレート
２３０手動スライド
２３２第２の手動スライド
２３４小型傾斜回転装置
２３６曲線矢印
２３８矢印
２４０ホルダ
２４２ワイヤ電極
２５０レーザーベースのシステム
２５２レーザー源
２５４パルスレーザービーム
２５６レーザービーム伝送システム
２５８レーザービーム
２６０サンプル表面
２６２サンプル
２６４監視サブシステム
２６６制御サブシステム／プロセッサ

Claims

基板（２０）の形態の物品であって、
ａ）入口（３０）を有する内面（２４）と、
ｂ）前記内面（２４）から離間した外面（２６）と、
ｃ）少なくとも１つの列状又はその他のパターン状の通路穴（２８）であって、各通路穴が前記内面（２４）の前記入口（３０）から前記基板（２０）を貫通して前記外面（２６）に近接する通路穴出口部（３８）まで延在する入口ボア（３４）を有し、前記入口ボア（３４）は、前記穴出口部（３８）に隣接する山形出口（３２）で終端し、前記山形出口（３２）は、共通表面領域（４６）を自身間に有する１対のウィング状溝（４２、４４）を有する通路穴（２８）と、を有し、
前記共通表面領域（４６）は、前記穴出口部（３８）に隣接する谷状部（４８）と前記谷状部（４８）に隣接する台地状部（５０）とを含む、物品。
各通路穴（２８）は、前記内面及び前記外面（２４、２６）間で傾斜しており、
前記ウィング状溝（４２、４４）は、前記通路穴と前記外面との間で長手方向に、前記共通表面領域（４６）に沿って横方向に分岐しており、
前記台地状部（５０）の形状及び寸法とその周囲の共通表面領域（４６）とによって、前記外面（２６）からの前記冷却空気の流れの剥離を最小限に抑えながら、前記通路穴（２８）を通って前記内面から前記外面へと送られる冷却空気の拡散が最大化される、請求項１に記載の物品。
前記入口ボア（３４）は、前記外面（２６）よりも下方で終端し、前記溝（４２、４４）は、前記共通表面領域（４６）に沿って前記内面（２４）から離れる方向に深さを減少して前記外面と融合する、請求項２に記載の物品。
前記台地状部（５０）は、ほぼ三角形又は台形の形状である、請求項１に記載の物品。
前記台地状部（６０）は、ほぼ三角形の形状であり、前記三角形の台地状部の頂点は、前記２つの溝（６６、６８）の間のほぼ中間部分且つ前記共通表面領域（６２）の一部分よりも上方に位置し、前記頂点は、ほぼ前記穴出口部の方向を示す、請求項１に記載の物品。
少なくとも１つのコーティング（１２６）が前記外面（１２４）上に施されており、各通路穴（１２３）の少なくとも一部分が前記コーティングを貫通して形成されている、請求項１に記載の物品。
前記コーティングは、金属コーティング上にセラミックＴＢＣを含むコーティングシステムであり、前記通路穴（１２３）は、前記コーティングシステムを貫通して形成されている、請求項６に記載の物品。
前記基板（２０）は、ガスタービンエンジン壁部である、請求項１に記載の物品。
各通路穴（２８）は、ウォータージェット切削加工処理、放電加工（ＥＤＭ）処理、レーザー穿孔加工処理、及びこれらを組み合わせたものから成る群から選択される技術によって形成される、請求項１に記載の物品。
内面（２４）と前記内面から離間した外面（２６）とを有すると共に前記２つの面間に少なくとも部分的に延在する入口ボア（３４）を更に有する基板（２０）に、列状又はその他のパターンの通路穴（２８）を形成する方法であって、
前記入口ボアは、前記外面（２６）に近接する穴出口部（３８）に隣接する山形出口（３２）で終端し、前記山形出口は、共通表面領域（４６）を自身間に有する１対のウィング状溝（４２、４４）を有し、前記共通表面領域は、前記穴出口部（３８）に隣接する谷状部（４８）と前記谷状部に隣接する台地状部（５０）とを含み、
コンピュータ制御された単一の又は反復的なプランジング動作、スイーピング動作、又はプランジングとスイーピングの複合動作で、接触装置又は接触媒体を前記基板（２０）の所定の領域に誘導することによって、各入口ボア（３４）と山形出口（３２）を形成するステップを含む、方法。