JP2012140952A - フィルム冷却製品を提供する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルム冷却製品を提供する方法を開示する。
【解決手段】第１の壁面１０４及び第２の壁面１０２、及び冷却孔１２０を有する金属部品を準備する。冷却孔１２０は、第２の壁面１０２の入口から第１の壁面１０４の出口まで延びる調量孔１２２を含む。本方法は更に、金属物品の第１の壁面１０２を露出させる段階と、第１の壁面１０２に被さり出口の少なくとも一部を覆う遮熱コーティング２００を施工する段階と、施工された遮熱コーティング２００の外面を穿孔して調量孔１２２を露出させる段階と、金属物品に形成された出口のトラフ部１２６から遮熱コーティング２００を取り除く段階と、遮熱コーティング２００に、金属物品に形成される出口のトラフ部１２６から延び、遮熱コーティング２００の外面と同一平面となるトラフ領域１２６を形成する段階とを含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、フィルム冷却製品を提供する方法、詳細には、複雑な出口形状をもつ冷却孔を有する製品を提供する方法に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、空気は、圧縮機で加圧され燃焼器で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生する。エネルギは、圧縮機に動力を供給する高圧タービンと、産業用又は船舶用の外部シャフトに動力を供給する又はターボファン式航空機エンジンのファンに動力を供給する低圧タービンとにおいてガスから抽出される。

ガスタービンエンジンの運転時、燃焼ガス温度は、このガスに接するエンジン金属部品の溶融温度よりも相当高い１６５０oＣ（３０００oＦ）を超える場合がある。エンジンを金属部品の溶融温度以上のガス温度で運転することは十分に確立した技術であり、１つには種々の方法で金属部品の外面に冷却空気を供給することに依存している。特に高温にさらされる金属部品としては、この高温ガスを発生する燃焼器及び該燃焼器の後方に配置される部品を挙げることができる。

高強度超合金金属の薄い金属壁は通常、金属部品を冷却する必要性を最小限にしながら耐久性を高めるために使用される。種々の冷却回路及び特徴部は、エンジン内の対応する環境におけるこれらの個々の部品に合わせて調整されるが、通常、これらの全ての部品はフィルム冷却孔の列を含み、これはますます設計を複雑にしている。

また、金属温度は、遮熱コーティングを利用して溶融レベル以下に保つことができる。遮熱コーティングは、製品の金属基材を保護するために一般に使用されるが、遮熱コーティングの存在により製品の補修及び修理が非常に難しくなる場合もある。遮熱コーティングは、時間とともに徐々に摩耗する場合及び／又は修理作業の間に剥がれて基材が露出する場合がある。遮熱コーティングを再度施工する際、保守整備のために製品を戻す前に、溶射プロセスにより冷却孔が覆われること、及び複雑な形状の冷却孔の場合には、この複雑な形状が覆い隠されてこの形状の機能が無効になることがある。

米国特許第６３２９０１５号明細書

本技術では、新たに施工された遮熱コーティングを施した後、性能を維持しながら、ある意味、製品又は新たに施工された遮熱コーティングに損傷を与えることなく、下層の複雑な形状の冷却孔を露出させる方法が望まれる。

フィルム冷却製品を提供する方法であって、第１の壁面及び第２の壁面と、第２の壁面の入口から第１の壁面の出口まで延びる調量孔を含む冷却孔とを有する金属物品を準備する段階と、金属物品の第１の壁面を露出させる段階と、第１の壁面に被さり、出口の少なくとも一部を覆う遮熱コーティングを施工する段階と、施工された遮熱コーティングの外面を穿孔して調量孔を露出させる段階と、金属物品に形成された出口のトラフ部から遮熱コーティングを取り除く段階と、遮熱コーティングに、金属物品に形成された出口のトラフ部から延び、遮熱コーティングの外面と同一平面となるトラフ領域を形成する段階と含む。

ある例示的な実施形態では、本方法は、第１の壁面及び第２の壁面と、第２の壁面の入口から第１の壁面のＶ字型形状出口まで延びる調量孔を含む冷却孔とを有する、すでに使用中のガスタービンエンジン部品を準備する段階と、残余物を除去することですでに使用中の部品の第１の壁面を露出させる段階と、第１の壁面及びＶ字型形状出口を覆う第２の遮熱コーティングを施工する段階と、第２の遮熱コーティングの外面を穿孔して調量孔を露出させる段階と、Ｖ字型形状出口のトラフ部から第２の遮熱コーティングを取り除く段階と、第２の遮熱コーティングに、Ｖ字型形状出口のトラフ部から延び、第２の遮熱コーティングの外面と同一平面となるまで延びるトラフ領域を形成する段階と含み、穿孔、取り除き、及び形成の各段階は、ウォータージェット又はレーザで行う。

例示的な実施形態の１つの利点は、本方法により複雑な形状の冷却孔をもつ部品を改修できるので、新型部品に置き換わり廃棄される可能性のある部品を補修及び再使用できる。

例示的な実施形態の別の利点は、冷却孔は意図した設計寸法で製造及び機能でき、その後の補修作業の遮熱コーティング上塗りで冷却孔の有効寸法が小さくなる可能性に対応して過大な寸法にする必要がない。過大な寸法の冷却孔を使用すると性能が低下するが、例示的な実施形態を使用すれば避けることができる。

他の利点は、遮熱コーティング施工の前、上塗りが詰まるのを防止するために冷却孔を塞ぐ必要がない。プラグの使用は時間がかかり、プラグを取り外す際に遮熱コーティングへ損傷を与える可能性がある。

本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の例示的な実施形態による、遮熱コーティングの塗布後の複雑形状の冷却孔を有する製品の平面図。 本発明の例示的な実施形態による、特定のプロセス段階での複雑形状の冷却孔の断面図。 本発明の例示的な実施形態による、特定のプロセス段階での複雑形状の冷却孔の断面図。 本発明の例示的な実施形態による、特定のプロセス段階での複雑形状の冷却孔の断面図。 本発明の例示的な実施形態による、特定のプロセス段階での複雑形状の冷却孔の断面図。 本発明の例示的な実施形態による、図１の製品の複雑形状の冷却ハウスの修繕後の平面図。

例示的な実施形態は、特にこのフィルム冷却製品の補修及び修繕のために、複雑な形状の冷却孔を有する製品の下層に施工される遮熱コーティングの個々の領域を取り除くことを含む、フィルム冷却製品を準備する方法に関する。複雑な形状により、冷却孔は、冷却空気を導いて所定のフィルム冷却パターン実現するための１以上の工学的特徴要素が形成された出口を有し、限定するものではないが、Ｖ字型、ディフューザ及びトレンチ型の冷却孔を含む。

金属物品は、製品に設けられる適当な冷却回路の外側境界を形成して、圧縮機からのブリードを任意の従来の方法で受け取る冷却孔を第１の壁面上に有する。製品がノズル又はバケット等のガスタービンエンジン部品の場合、製品は一般にニッケル基、コバルト基その他の超合金であるが、任意の金属材料を使用できる。

遮熱コーティングが施工される製品の金属表面は露出される。多くの場合、製品はすでに使用中であり、製品の金属表面を露出するには、すでに施工された遮熱コーティングの残余物を任意の適切な方法で金属表面から除去することを必要とするであろう。すでに施工された遮熱コーティングを除去して製品基材の金属表面を露出させた後に、製品は検査を行うことができ、１以上の補修を行うことができる。

検査及び任意の関連の補修の後で、製品を戻す前に、製品の金属表面上に遮熱コーティングを施工する。遮熱コーティングは、任意の適切なプロセスで施工でき、通常、空気プラズマスプレー等の溶射プロセスで行うことができる。

ここで図１を参照すると、金属物品１００は、製品１００の第１の壁面１０４の複雑な形状の出口１２４から製品１００の第２の壁面１０２へ延びる１以上の冷却孔１２０を備え、圧縮機からのブリードが、第２の壁面１０２に形成された入口から冷却孔１２０を通って製品１００の第１の壁面１０４に送られてフィルム冷却を行う。図１において、製品１００は、任意の検査及び／又は補修に続いて新たに施工される遮熱コーティング２００を施すように示されている。従って、遮熱コーティング２００の下にある容易に目に見えない冷却孔１２０は、図示を容易にするために破線で示される。

図１に示すように、複雑形状の冷却孔１２０はＶ字型形状の冷却孔出口１２４を有して形成され、複数の冷却孔１２０が製品１００の適用できるスパンに沿って適切な列に配置されている。冷却孔１２０の各々は、第２の壁面１０２の入口から第１の壁面１０４の冷却孔出口１２４への略一定の流量をもたらす調量孔１２２を含む。調量孔１２２から、冷却孔１２０は、冷却孔出口１２４へ移り変わり、冷却孔出口１２４は、製品１００の第１の壁面１０４に対して外側に開き同一平面になる一対のＶ字型又は翼状トラフ１２６又は凹部に広がる。

図示の２つのトラフ部１２６は、調量孔１２２の中心とすることができる隆起部１２７によって橋渡しされる。しかしながら、冷却孔出口１２４の全体的なＶ字型形状を逸脱することなく、また例示的な実施形態がＶ字型形状の冷却孔出口１２４をもつ冷却孔１２０を使用することに限られることなく、特定の特徴要素及びその関連寸法は様々であることを理解されたい。むしろ例示的な実施形態は全ての複雑な形状の冷却孔構成と共に使用できる。

遮熱コーティング２００を施すと、少なくとも部分的に冷却孔１２０を覆う上塗りがもたらされて、一部の遮熱コーティング材が調量孔１２２を部分的に塞いで又は完全に閉塞して冷却領域が冷却孔出口１２４に広がるのを限定又は阻止する場合もある。また、遮熱コーティング２００を施すと、調量孔１２２から第１の壁面１０４へ傾斜するトラフ部１２６を含む、冷却孔出口１２４の複雑な特徴要素が覆い隠される。また、図１は、遮熱コーティング２００を施工後には、被覆領域が深いので調量孔１２２の不規則形状の輪郭１２３だけが依然として見えることを示している。

遮熱コーティング２００は、任意の所望の厚さで施工できるが、典型的に、約１２５ミクロン〜約１５２５ミクロン（約０．００５インチ〜約０．０６０インチ）の範囲で施工される。特定の実施形態では、遮熱コーティング２００は、異なる組成物の２層又はそれ以上の層とすること、及び場合によってはボンドコート及びその上のセラミックトップコートとすることができる。例えば、ＭＣｒＡｌＹ層（Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はその組合せ）又は他の材料をボンドコートとして施工して、続いてイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等のセラミックトップコートを施工する。これらの組成物は例示的であり、当業者には公知の遮熱コーティングとして利用できる任意の組成物を使用できることを理解されたい
図２は、図１の製品１００の断面図を示すが、新しい遮熱コーティング２００を施した後であるが冷却孔１２０を再び開ける前である。図２の断面図は、溶射プロセス中に施工される遮熱コーティング材の一部が調量孔１２２に定着する様子を示す。更に、遮熱コーティング材を施すと、トラフ部１２６を含む冷却孔出口１２４に形成される複雑な特徴要素を塞いで覆い隠す様子を示す。

調量孔１２２の内側寸法（つまり直径）は、冷却孔１２０を用いる個々の製品１００、及び製品１００のフィルム冷却用に第２の壁面１０２の入口から供給される空気量に依存する。しかしながら、図示のように、遮熱コーティング２００を施すことによる上塗りにより、調量孔１２２の有効寸法は補修後に非常に小さくなる場合がある。しかしながら、例示的な実施形態によるプロセスは、上塗り調量孔１２２を十分にきれいにするので、冷却孔１２０は、その後の作動制限無しに又は性能を低下させる可能性のある過大な冷却孔を作る必要無しに、所望の設計寸法に構成できる。

冷却孔１２０の再設定としては、調量孔１２２を露出させるために遮熱コーティング２００の外面を穿孔すること、覆い隠されたトラフ部１２６を含む出口特徴要素を露出させること、及び冷却孔出口１２４の一部を作るために遮熱コーティング２００にトラフを形成することを挙げることができる。図３から５に順次的に示すように特定の順番で例示されるが、各段階は任意の順番で実行できる。

遮熱コーティング材を取り除いて冷却孔１２０を再設定する各段階は、ウォータージェット又はレーザ等のツールを利用して独立して行うことができる。場合によっては、機械的ビット又は他のデバイスを取り除くツールとして使用できる。特に、ウォータージェット又はレーザを取り除くツールとして使用する場合、各段階で同じツールを継続使用することが好ましいであろう。場合によっては、ツールはコンピュータで電気的に制御して、取り除く段階を高精度に行うことができる。

図３には、ツールを使用して調量孔１２２の外来の遮熱コーティング材をきれいにした後の冷却孔１２０が示されている。調量孔１２２から遮熱コーティング材を取り除くことは、実質的に本来の内部寸法に戻すことである。場合によっては、穿孔前に、特に遮熱コーティング２００を施すことで下層の冷却孔１２０が完全に又はほぼ完全に不明瞭になっている場合には、光を照射してより簡単に調量孔１２２を特定することが望ましい。

調量孔１２２を再度開口すると、調量孔は、公知の冷却孔１２０の寸法及び／又は製品１００の方向に基づいて、冷却孔出口１２４の他の部分の遮熱コーティング上塗りを取り除くための案内手段として利用できる。従って、ツールを使用して、遮熱コーティング２００の施工後に隠されたトラフ部１２６及び複雑な形状冷却孔出口１２４の他の特徴要素を露出させることができる。

図４は、調量孔１２２を再度開口した後、ツールを使用して、冷却孔出口１２４のトラフ部１２６から余分な遮熱コーティング材を除去した後の断面図を示す。特定の実施形態では、まずトラフ部１２６を取り除いて、トラフ端部を案内手段として使用して調量孔１２２並びにトラフ部１２６の残りの領域から遮熱コーティング材を特定して取り除くことを理解されたい。

図４に示すように、基材を覆う遮熱コーティング２００の追加厚さは、製品１００に形成されるトラフ部１２６自身が製品１００の第１の壁面１０４と接合する領域における、急激な方向変化に起因する。変わり目を滑らかにするために、遮熱コーティングを取り除くツールは、遮熱コーティング２００にトラフ領域２２６を形成するためにも使用でき、これは、結果的に形成される凹部が遮熱コーティング２００の露出表面２０４と同一平面になるまで、製品１００に形成されたトラフ部１２６を延ばすように機能する。このようにして、遮熱コーティング２００に形成される特徴要素自身は、製品１００の冷却孔出口１２４の一部をもたらす。図５は遮熱コーティングトラフ領域２２６を形成した後の断面図を示し、冷却孔１２０が完全に再開口されて冷却孔出口１２４が再設定されている。

図６は、図１の製品１００の再設定後の冷却孔１２０を示す。ここでは冷却孔出口１２４は完全に露出して、更にトラフ部１２６が遮熱コーティング２００に形成されたトラフ領域２２６と連続している。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１００ 金属物品
１０２ 第２の壁面
１０４ 第１の壁面
１２０ 冷却孔
１２２ 調量孔
１２４ 冷却孔出口
１２６ トラフ部
１２７ 隆起部
２００ 遮熱コーティング
２２６ トラフ領域

Claims (10)

1. フィルム冷却製品を提供する方法であって、
   第１の壁面及び第２の壁面と、第２の壁面の入口から第１の壁面の出口まで延びる調量孔を含む冷却孔とを有する金属物品を準備する段階と、
   前記金属物品の第１の壁面を露出させる段階と、
   前記第１の壁面に被さり、前記出口の少なくとも一部を覆う遮熱コーティングを施工する段階と、
   前記施工された遮熱コーティングの外面を穿孔して前記調量孔を露出させる段階と、
   前記金属物品に形成された前記出口のトラフ部から前記遮熱コーティングを取り除く段階と、
   前記遮熱コーティングに、前記金属物品に形成された前記出口の前記トラフ部から延び、前記遮熱コーティングの前記外面と同一平面となるトラフ領域を形成する段階と
   を含む方法。
2. 前記金属物品を準備する前記段階は、ガスタービンエンジン構成部品を準備する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記金属物品を準備する前記段階は、タービンノズル及びタービンバケットからなるグループから選択される金属物品を準備する段階を含む、請求項１記載の方法。
4. 前記金属物品を準備する前記段階は、Ｖ字型形状の出口を備える冷却孔を有する金属物品を準備する段階を含む、請求項１記載の方法。
5. 前記穿孔する段階、取り除く段階、又は形成する段階の少なくとも１つは、ウォータージェット又はレーザにより実現される、請求項１記載の方法。
6. 前記金属物品を準備する前記段階は、すでに使用されている金属物品を準備する段階を含み、前記露出させる段階は、前記金属物品の前記第１の壁面からすでに施工された遮熱コーティングの残余物を除去する段階を含む、請求項１記載の方法。
7. 遮熱コーティングを前記第１の壁面へ施工する前記段階は、前記金属物品の前記第１の壁面上にボンドコートを施工し、前記ボンドコート上にセラミックトップコートを施工する段階を含む、請求項１記載の方法。
8. 前記穿孔する段階は、前記取り除く段階に先行して実行される、請求項１記載の方法。
9. 覆われていない調量孔を使用して前記取り除く段階を実行するための案内をもたらす段階を更に含む、請求項８記載の方法。
10. 前記取り除く段階は、前記穿孔する段階に先行して実行される、請求項１記載の方法。