JP2014501867A - 成形した冷却用穴を有する基板および製造方法 - Google Patents

Abstract

内部に形成された１つまたは複数の成形したしみ出し冷却用穴を有する基板を提供する。各成形した冷却用穴は、燃焼器ライナの出口面に対して角度の付いた内腔を有する。内腔の一端は、燃焼器ライナの入口面に形成された入口である。内腔の他端は、燃焼器ライナの出口面に形成された出口である。出口は、一次元にのみ広がる成形部分を有する。また、成形した冷却用穴を作製する方法を提供する。方法は、円形の貫通穴の内腔をレーザで穴開けするステップと、約１直径だけ、前記内腔の一方の側へ外に動きつつ、レーザショットをパルスするステップと、 中心に戻るステップと、約１直径だけ、前記内腔の反対側へ外に動きつつ、レーザショットをパルスするステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明の分野は、一般に、タービンに関し、より詳細にはガスタービンの燃焼器ライナの製造および／または冷却のいくつかの新しくて有用な進歩に関するものであり、以下はその明細書であり、添付されており、明細書の一部を形成する図面の参照がなされる。

ガスタービンの燃焼器は、燃料の燃焼が行われ、排出および／または燃料効率を含む様々なエンジン特性に影響を及ぼすガスタービンの構成要素または区域である。燃焼器の目的は、燃料および空気の燃焼を調節して、エンジンもしくは発電機用タービンを回転させることができかつ／または排気ノズルを通じて送ることができる高温ガスの形態のエネルギーを生成することである。燃焼器は、限定されるものではないが、ホットスポットがタービンまたは燃焼器に損傷を与えないように均一な出口温度分布を維持することや、少ない汚染物の排出で動作させることなどを含む様々な設計の配慮を受けている。したがって、燃焼プロセスを含むと共に様々な気流を燃焼ゾーンに導入する燃焼器ライナは、高温に耐えるように構築される。一部の燃焼器ライナは、遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）によって熱から隔離されるが、大多数は、ライナ温度を下げるためには様々なタイプの空冷に頼る。例えば、膜冷却は、燃焼器ライナの内部の上に冷たい空気の薄いブランケットを注入し、一方、しみ出し冷却は、燃焼器ライナ内で密に間隔をおいて配置された離散した細孔または穴から形成される格子を通じて冷たい空気を押す。２つの手法のうち、しみ出し冷却は、膜冷却よりも少ない空気を用いて、膜冷却よりも均一な温度分布を発生させる傾向がある。

図１４は、遮熱コーティングで被覆された、従来の円形冷却用穴１２０を有する基板の側断面図である。図１５は、線Ａ−Ａ’に沿った図１４の従来の円形冷却用穴１２０の別の断面図である。図１６は、線Ｂ−Ｂ’に沿った図１５の従来の円形冷却用穴１２０の別の断面図である。

図１７は、遮熱コーティングで被覆された、従来の円錐形の膜冷却用穴１３０を有する基板の側断面図である。図１８は、線Ａ−Ａ’に沿った図１７の従来の円錐形の膜冷却用穴１３０の別の断面図である。図１９は、線Ｂ−Ｂ’に沿った図１７の従来の円錐形の膜冷却用穴１３０の別の断面図である。

図２０は、遮熱コーティングで被覆された、従来の「３Ｄ」膜冷却用穴１４０を有する基板の側断面図である。図２１は、線Ａ−Ａ’に沿った図２０の従来の「３Ｄ」膜冷却用穴１４０の別の断面図である。図２２は、線Ｂ−Ｂ’に沿った図２０の従来の「３Ｄ」膜冷却用穴１４０の別の断面図である。

図２３は、遮熱コーティングで被覆された、従来の「扇状」膜冷却用穴１５０を有する基板の側断面図である。図２４は、線Ａ−Ａ’に沿った図２３の従来の「扇状」膜冷却用穴１５０の別の断面図である。図２５は、線Ｂ−Ｂ’に沿った図２３の従来の「扇状」膜冷却用穴１５０の別の断面図である。

図１５〜図２５を参照すると、従来の各冷却用穴１２０、１３０、１４０および１５０は、基板１００にある角度で形成される。基板１００は、遮熱コーティング１０１で被覆される。遮熱コーティング１０１は、ボンドコート１０３で被覆される。各冷却用穴１２０、１３０、１４０および１５０は、基板１００の一方の側に形成された入口１１３と、基板１００の反対側に形成されたより大きい出口１１１とを有する。各冷却用穴１２０、１３０、１４０および１５０は、入口１１３と連通するおよび／または入口１１３の一部を形成する内腔１１２を有する。内腔１１２は、ほぼ円筒形である。円形冷却用穴１２０の場合、内腔１１２の直径１１４は、入口１１３と出口１１１の間で均一である。冷却用穴１３０、１４０および１５０の場合、内腔１１２の直径１１４は、出口１１１の近くで増加する。

しかし、従来の各冷却用穴１２０、１３０、１４０および１５０は、少なくとも１つの弱点を有する。例えば、円錐形の膜冷却用穴１３０および「扇状」膜冷却用穴１５０の解析は、対流冷却の欠点を明らかにしている。図示する通り、「３Ｄ」膜冷却用穴１４０は、下流方向に四方八方への３次元拡散に移行する円筒形の内腔１１２を有する。しかし、このタイプのしみ出し冷却の配置は、燃焼器ライナに適さない傾向があるが、これは、そのような３次元下流拡散が、燃焼器ライナからかなりの量の遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）を取り除くためであり、これは、放射が熱負荷のかなりの部分となっている燃焼器の不利な点である。

しみ出し冷却の手法は、多穴アレイの軸方向および径方向の間隔を約６．５直径に限定して、それぞれの気流が連続的な保護膜に合体することを確実にすると共に、全ての位置が内腔対流冷却を有することを確実にする。この間隔は、単位面積当たりのある最小冷却流を示唆する。しかし、技術が進歩するにつれて、冷却流を減少させ、ＮＯｘ排出の低減、効率の増大、および／またはより良いタービン冷却のために空気を制限から解くことが強く望まれている。

少ない内腔の対流冷却の損失で膜の有効性が改善されている、ガスタービンの燃焼器ライナなどのしみ出し冷却の構成要素に用いられる成形した冷却用穴の実施形態、それと共に、それを製造する方法が、本明細書で図示、説明およびクレームされている。成形した冷却用穴の実施形態の様々な特徴および利点は、添付図面と併せて以下の説明を参照することによって明らかになろう。

次に、添付図面の参照を簡単に行う。

成形した冷却用穴の一実施形態の断面図である。 線Ａ−Ａ’に沿った図１の成形した冷却用穴の別の断面図である。 線Ｂ−Ｂ’に沿った図１の成形した冷却用穴の別の断面図である。 遮熱コーティングで被覆された基板であって、穴開け、次いで被覆および洗浄のプロセスによって作成されるような内部に形成された図１および図２の成形した冷却用穴の一実施形態を有する基板の側断面図である。 線Ａ−Ａ’に沿った図３の成形した冷却用穴の別の断面図である。 線Ｂ−Ｂ’に沿った図３の成形した冷却用穴の別の断面図である。 内部に形成された成形した冷却用穴のアレイを有する基板の一部を示す図である。 各成形した冷却用穴によって生じた広い出口を示す、所定の角度で内部に形成された成形した冷却用穴のアレイを有する基板の出口面の上面図である。 成形した冷却用穴の入口を示す、図７の金属片の対向する入口面の上面図である。 製造方法を示す、図１、図２、図３、図４および図５の成形した冷却用穴の一実施形態の図である。 図９の製造方法をさらに示す流れ図である。 図１、図２、図３、図４、図５および図９に示す成形した冷却用穴のような、１つまたは複数の成形した冷却用穴を作製する別の方法の一実施形態の流れ図である。 １つまたは複数の成形した冷却用穴を製造するのに用いられるシステムの一実施形態の図である。 基板、例えば図１２に示す基板などに１つまたは複数の成形した冷却用穴を製造する方法をさらに示す流れ図である。 遮熱コーティングで被覆された、従来の円形冷却用穴を有する基板の側断面図である。 線Ａ−Ａ’に沿った図１４の従来の円形冷却用穴の別の断面図である。 線Ｂ−Ｂ’に沿った図１４の従来の円形冷却用穴の別の断面図である。 遮熱コーティングで被覆された、従来の円錐形の膜冷却用穴を有する基板の側断面図である。 線Ａ−Ａ’に沿った図１７の従来の円錐形の膜冷却用穴の別の断面図である。 線Ｂ−Ｂ’に沿った図１７の従来の円錐形の膜冷却用穴の別の断面図である。 遮熱コーティングで被覆された、従来の「３Ｄ」膜冷却用穴を有する基板の側断面図である。 線Ａ−Ａ’に沿った図２０の従来の「３Ｄ」膜冷却用穴の別の断面図である。 線Ｂ−Ｂ’に沿った図２０の従来の「３Ｄ」膜冷却用穴の別の断面図である。 遮熱コーティングで被覆された、従来の「扇状」膜冷却用穴を有する基板の側断面図である。 線Ａ−Ａ’に沿った図２３の従来の「扇状」膜冷却用穴の別の断面図である。 線Ｂ−Ｂ’に沿った図２３の従来の「扇状」膜冷却用穴の別の断面図である。

同様の参照符号は、いくつかの図面全体を通じて同一または対応する構成要素および単位を示しており、これらは別段の指定がない限り、原寸に比例していない。

図１は、１つまたは複数の層２７および／または２８で被覆され、かつ、被覆および次いで穴開けのプロセスによって作成されるような所定の角度で内部に形成された成形した冷却用穴１０の一実施形態を有する、基板２０の側断面図である。限定ではなく例として、基板２０の出口面３７に対しての内腔５３の所定の角度は、約２０度から３０度の範囲であり得る。図２Ａは、線Ａ−Ａ’に沿った図１の成形した冷却用穴の別の断面図である。図２Ｂは、線Ｂ−Ｂ’に沿った図１の成形した冷却用穴の別の断面図である。図３は、遮熱コーティングで被覆され、かつ、穴開け、次いで被覆および洗浄のプロセスによって作成されるような内部に形成された図１および図２の成形した冷却用穴の一実施形態を有する、基板の側断面図である。図４は、線Ａ−Ａ’に沿った図３の成形した冷却用穴の別の断面図である。図５は、線Ｂ−Ｂ’に沿った図３の成形した冷却用穴の別の断面図である。

図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４および図５を参照すると、成形した冷却用穴１０の内腔５３が、基板２０の第１の側３６に形成された入口１３から基板２０の第２の側３７に形成された成形した冷却用穴１０の出口１１まで延在する。図示する通り、出口１１は、入口１３よりも大きい寸法を有する。内腔５３の直径１４（図２Ａ、図２Ｂ、図４および図５）は、成形した冷却用穴１０の入口１３から移行点１５まで円筒形である。成形した冷却用穴１０の移行点１５辺りから、内腔５３の直径１１４は、ある次元だけに、例えば、単一の次元に沿った二方向に広がり、それによって内腔５３は、（図２Ａ、図２Ｂ、図４および図５に示すように）第１の翼部３１および第２の翼部３３を有し、これらは、成形した冷却用穴の長手方向中心軸３５に関して対称である。

図１、図２Ａおよび図２Ｂでは、成形した冷却用穴１０をレーザで穴開けする前に層２７および２８を基板２０上に被覆するので、内腔５３内の溢れはない。層２７は、基板２０の出口面３７に取り付けられる。適宜、別の層２８、すなわち、第２の層２８が、層２７に取り付けられる。ある実施形態では、層２７は遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）であり、層２８は別の遮熱コーティングまたはボンドコートである。別の実施形態では、層２７は非遮熱コーティングであり、層２８は遮熱コーティングである。実施形態に応じて、成形した冷却用穴１０の１つまたは複数の寸法は、基板２０の厚さ３０、基板２０および層２７の全体の厚さ５１、または基板２０、層２７および層２８の全体の厚さ５２を収めるように拡大縮小または変更されてもよい。

図２Ａおよび図４を参照すると、成形した冷却用穴１０は、それを貫通して入口１３から出口１１まで延在する内腔５３を有する。出口１１は、冷却用穴１０の中心長手方向軸３５に関して対称であり、ある次元だけに拡張するまたは広がる対向する翼部３１および３３を有する成形部分を有する。図１および図４の断面図は、「Ｙ」形の形状を有するものとして成形した冷却用穴１０の実施形態に言及するための基礎を与える。

図２Ｂは、線Ｂ−Ｂ’に沿った図２Ａの成形した冷却用穴１０の別の断面図である。言い換えると、これは、出口１１（図２Ａ）から入口１３（図２Ａ）に向かって見るときの成形した冷却用穴１０の断面図である。図５は、出口（図４）から入口１３（図４）に向かって見るときの成形した冷却用穴１０の断面図である。したがって、図２Ｂおよび図５の図は、成形部分、すなわち翼部３１および３３、円筒形の内腔５３を有する成形した冷却用穴１０を示す。

図３、図４および図５は、図１の成形した冷却用穴１０の第２の実施形態を示す。この第２の実施形態では、成形した冷却用穴１０は、まず、所定の角度で基板２０に穴開けされる。その後、基板２０は、所望の材料の少なくとも層２７で被覆される。この被覆によって、層２７を形成する所望の材料の一部は、出口１１の一部内で溢れ（２９）得る。より柔軟な層２８の溢れは、内腔５３を通じて研磨剤を吹き付けることによって取り除かれる。

図６は、内部に形成された成形した冷却用穴１０のアレイ２５を有する基板２０の一部を示す図である。この詳細な非限定の例では、基板２０は、ガスタービンの燃焼器ライナである。成形した冷却用穴１０のアレイ２５は、所定の列間隔２１ａおよび列内の所定の穴間隔２１ｂを有する。加えて、ある実施形態では、成形した冷却用穴１０の隣接した列は、所定の量２３だけずらされている。

図７は、各成形した冷却用穴１０により生じた広い出口１１を示す、所定の角度で内部に形成された成形した冷却用穴１０のアレイを有する基板２０の出口面３７の上面図である。図８は、成形した冷却用穴１０の入口１３を示す、図７の金属片の対向する入口面の上面図である。図７および図８では、基板２０は金属片であり、この金属片は、適宜１つまたは複数の層で被覆される。そのような層は、図３を参照して上述した層２７および２８であってもよい。
本発明の実施形態に関連した例示的な利益
本明細書に説明するように、成形した冷却用穴１０の実施形態は、１つまたは複数の例示的な非限定の利益をもたらす。

図１、図２および図３を再び参照すると、先に用いた円形および／または円錐形の冷却用穴と比較して、成形した冷却用穴１０の実施形態は、ある次元にだけ出口１１を広げ、その約半分の長さについてはほぼ円筒形のままにして、高い内腔冷却速度を維持する。しかし、高い内腔冷却速度が内腔５３を通じて維持されるが、成形した冷却用穴１０の実施形態は、成形した冷却用穴１０のより広い成形部分に入ると冷媒流が速度を落とすので、出口１１における冷媒流の出口運動量を減少させる傾向がある。したがって、各成形した冷却用穴１０を通じて流れる冷媒は、入口１３を通る第１の（入口）運動量と、出口１１における減少した第２の（出口）運動量とを有することになる。この減少した第２の運動量は、流体ジェットが近くの表面に引き付けられる傾向であるコアンダ効果と組み合わさって、望ましくない吹き出しを減少させる。結果として、成形した冷却用穴１０の実施形態は、従来の円形穴１２０を用いて以前より実現できるものよりも大きい、冷媒流の均一で広く薄い膜（以下、「冷却膜」）をもたらす。

したがって、ある実施形態では、成形した冷却用穴１０は、入口１３から移行点１５まで延びる円筒形の内腔５３を有すると共に、移行点１５から延在し、ある次元にだけ、例えば、１つの次元に沿った少なくとも１つの方向に拡張する出口１１を有して、基板２０の出口面３７に施される層２７の減少を最小限にし、成形した冷却用穴１０を通じて流れる冷却用流体の冷却膜を広げ、そして冷却用流体は、合体し、冷媒の尾同士の間のホットギャップを減少させることができる。ゆえに、成形した冷却用穴１０の実施形態を用いることによって、この拡張された出口１１を提供するが、従来の円形冷却用穴１２０、従来の円錐形の膜冷却用穴１３０、従来の「３Ｄ」膜冷却用穴１４０、または従来の「扇状」膜冷却用穴１５０といった他のタイプの出口形状に関連した悪影響は伴わない。

さらに、成形した冷却用穴１０のアレイにより、幾何的被覆の改善および吹き出しの運動量の減少がもたらされることが発見されている。これらの効果は組み合わさって、従来のタイプの膜冷却用穴１２０、１３０、１４０および１５０のアレイを用いて実現できるものよりも良い基板２０の出口面上の冷却膜の確立をもたらす。加えて、成形した冷却用穴１０の出口１１から出る改善した冷却膜冷却用流体が、（図３中の）基板２０の出口面３７、ならびに／あるいは遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）などのその層２７および／または２８が、過度温度になるのを円形穴１２０よりも好適に保護し、一方、成形した冷却用穴１０の内腔５３が内部を通じて形成される（１種類または複数種類の）材料は、基板２０の出口面３７から基板２０の入口面３６に向かって熱が離れるのを助ける対流熱伝達率を有する。その長さに沿ってより高い平均速度を維持することによって、「Ｙ」形の穴１０は、従来の穴１３０、１４０または１５０よりも良い対流冷却をもたらす。また、成形した穴１０は、従来の穴１３０または１４０よりもより多くの熱障壁２８を影響を受けないままにしておくことができる。したがって、冷却用穴のアレイにおいて、成形した冷却用穴１０は、従来の冷却用穴よりも少ない列を使用して、従来の冷却用穴よりも低い温度の冷却用流体の薄い膜を出口１１に確立する。成形した冷却用穴１０の出口１１におけるより低い温度の冷却用流体の薄い膜は、従来の冷却用穴を用いて現在得ることができるものよりも基板２０の出口面３７により冷たい温度を作り出す。これにより、現在の冷却レベルで部品寿命の増加をもたらし、および／または表面温度の制限内でより厚い（１つまたは複数の）層２７、２８を可能にする。

要するに、本明細書に記載の成形した冷却用穴１０のアレイを有する基板２０は、従来のタイプの冷却用穴１２０、１３０、１４０および１５０に比較して、基板２０に前もって施した遮熱コーティングおよび／またはボンドコートなどの層の温度を減少させ、ならびに／あるいは基板２０を形成する基礎材料の温度を減少させることが発見されている。これらの利益の一方または両方は、現在の冷却レベルで部品寿命の増加をもたらし、かつ／または（１つまたは複数の）遮熱コーティングおよび／または他のタイプのコーティングのような、表面温度の制限内でより厚い（１つまたは複数の）層を可能にする。航空機エンジンおよび他のガスタービンの顧客は、より高い圧力比のサイクル、オーバーホール間のより長い寿命、および排出の低減という燃料燃焼の利益を望むので、これら等の利益は重要である。しかし、そうした相反する要求は、最小量の冷却流から最大の冷却の利益を得ることを強く求める。また、従来の穴１３０、１４０または１５０に比べて、成形した穴１０にはコストの利点があり得る。取り除かれる材料の体積は、穴１３０、１４０または１５０のためのものより少ない。所望の流れ特性を維持することの容易さは、穴１３０または１５０を用いるよりも有限の円筒形部分を用いた方が容易である。最後に、後述の通り、形状は、穴１３０または１４０よりも単純なレーザ合焦、レーザヘッドの動き、または部品の動きの操作で、急速レーザプロセスによって形成することができる。本明細書に記載の成形した冷却用穴１０の実施形態は、これらのおよび／または他の課題に対処するものであるので、それらの実施形態は、限定するものではないがエンジンおよびタービン、および／またはそれらの構成要素などの機械を最適に設計することを可能にするために重要なものである。
製造方法および／または使用
様々な方法が、成形した冷却用穴１０を製造するのに用いられる。そのような方法の１つは、貫通穴をレーザで開けることと、次いで貫通穴の２つの対向する側へ進む異なる深さの平行なショットを開始することとを伴う。別のそのような方法は、基板２０（図１）を回転させることと、リードとラグを伴ってその場でレーザで穴開けすることとを含む。いずれの方法でも、基板は、レーザによる穴開けの前または後に１つまたは複数のコーティングで被覆することができる。

図９は、製造方法を示す、図１、図２、図３、図４および図５の成形した冷却用穴１０の一実施形態の図である。図１０は、図９の製造方法をさらに示す流れ図である。

図９には、基板２０に形成された成形した冷却用穴１０を示す。基板２０は、レーザ源６０から離間配置される。レーザ源６０は、コントローラ６１に接続されており、コントローラ６１は、汎用コンピュータまたは専用コンピュータであり得る。適宜、基板２０は、固定または可動の担体５７に支持される。担体５７が移動可能である場合、担体５７は、モータ５８に接続される。そのような一実施形態では、モータ５８は、コントローラ６１に接続でき、それによってレーザ源６０が発する１つまたは複数のレーザビーム５０に対して１つまたは複数の次元に、およびコントローラ６１から出力されてモータ５８によって受信される１つまたは複数の信号に従って基板２０を移動して、成形した冷却用穴１０を形成する。コントローラ６１は、ユーザインタフェース６７に接続されてもよい。ユーザインタフェースの非限定の例には、タッチスクリーン、キーボード、コンピュータのマウスなどが含まれる。

ある実施形態では、レーザ源６０は、レーザ発振器６５、レンズ６４、およびモータ６３を備えており、モータ６３は、レーザ源６０の一部を形成する。ある実施形態では、モータ６３は、レンズ６４およびコントローラ６１に接続され、それによりコントローラ６１から出力されてモータ６３によって受信される１つまたは複数の信号に従って、レーザ源６０から発せられる１つまたは複数のレーザビーム５０を移動および／または合焦して、成形した冷却用穴１０を形成する。

代替として、レーザ源６０は、レーザ発振器６５およびレンズ６４を備え、このレーザ源６０は、適宜、担体６２に接続され、または担体６２によって支持される。そのような一実施形態では、担体６２は、レーザ源６０の一部を形成しないがコントローラ６１に接続されるモータ６６に接続され、モータ６６によって動かされる。

いずれの実施形態でも、レンズ６４は、１つまたは複数のレンズを備え、複数のレンズを有するレンズ組立体を含み得るものであり、複数のレンズの１つまたは複数は、移動可能であってもよく、１つまたは複数のモータに接続されてもよい。

コントローラ６１は、任意のタイプのコンピュータ可読メモリなどのコンピュータ可読媒体に記憶された１つまたは複数のコンピュータ可読命令を実行するように構成される。コンピュータ可読命令は、コントローラ６１が、レーザ源６０、および／またはモータ５８、６３および６６の１つまたは複数を動作させて、基板２０に成形した冷却用穴１０を形成するように設定する。したがって、ある実施形態では、コンピュータ可読命令は、コントローラ６１が、レーザ源６０、および／またはモータ５８、６３および６６の１つもしくは複数を動作させて、図１０に記載の方法のステップの１つまたは複数を実行するように設定してもよい。

図９および図１０を参照すると、方法７０は、以下のステップ７１、７２、７３、７４、７５および７６の１つまたは複数を含み、別段の指定がない限りそれらは、任意の適切な順序よび／または組み合わせで実行することができる。例示的には、方法７０の一実施形態は、ガスタービン用の燃焼器ライナなどの基板２０に当たるレーザショット５０の所定のシークエンスおよび／またはパターンを開始する（７１）ことによって始まる。ある実施形態では、レーザショット５０は、互いに平行である。レーザショット５０のこの所定のシークエンスは、成形した冷却用穴１０の中心長手方向軸３５に沿って内腔５３を穴開けする（７２）ことと、次いでステップ７３、７４、７５および７６の１つまたは複数のシークエンスを実行することとを含み得る。内腔５３は、基板２０の入口面または出口面（図１）から穴開けされる。

例えば、内腔５３を穴開け（７２）した後、方法７０は、レーザショットの第１のシークエンス５５を内腔５３のある側に隣接した基板２０に適用することによって、成形した冷却用穴１０の出口１１（図１）の成形部分の第１の翼部３１を穴開けする（７３）ことをさらに含む。このレーザショットの第１のシークエンス５５は、中心長手方向軸３５もしくは内腔５３で、またはその近くで始まり、中心長手方向軸３５から離れるように外側に進む。レーザショットの第１のシークエンス５５における各レーザショットは、以前のもののビーム直径より小さく穴開けされ、ショットの重なっている部分が、翼部の端部におけるよりも内腔のより近くで貫くようになっている。加えてまたは代替として、レーザショットの第１のシークエンス５５における各レーザショットは、中心長手方向軸３５に対して角度が付けられる。上記のように、レーザショットの第１のシークエンス５５のタイミング、深さ、焦点、幅、角度および／またはパターンは、コントローラ６１によって読み込まれて実行され、ならびに／あるいはレーザ源６０ならびに／またはモータ５８、６３および６６の１つもしくは複数に出力される信号に変換されるコンピュータ可読命令によって制御および決定される。成形した冷却用穴１０の第１の翼部３１を穴開け（７３）した後、方法７０は、適宜、内腔５３を再ショットする（７４）ことを含む。さもなければ、方法７０は、レーザショットの第２のシークエンス５６を内腔５３の第２の側に隣接した基板２０に適用することによって、成形した冷却用穴１０の成形部分の第２の翼部３３を穴開けする（７５）ことをさらに含んでおり、内腔５３の第２の側は、内腔５３の第１の側の反対側にある。このレーザショットの第２のシークエンス５６は、中心長手方向軸３５もしくは内腔５３で、またはその近くで始まり、中心長手方向軸３５から離れるように、第１の翼部３１の反対の方向に外側に進む。レーザショットの第２のシークエンス５６における各レーザショットは、以前のもののビーム直径より小さく穴開けされ、ショットの重なっている部分が、翼部の端部におけるよりも内腔のより近くで貫くようになっている。加えてまたは代替として、レーザショットの第２のシークエンスにおける各レーザショットは、中心長手方向軸３５に対して角度が付けられる。上記のように、レーザショットの第２のシークエンス５６のタイミング、深さ、焦点、幅、角度および／またはパターンは、コントローラ６１によって読み込まれて実行され、ならびに／あるいはレーザ源６０ならびに／またはモータ５８、６３および６６の１つもしくは複数に出力される信号に変換されるコンピュータ可読命令によって制御および決定される。成形した冷却用穴１０の第２の翼部３３を穴開け（７６）した後、方法７０は、適宜、内腔５３を再ショットして（７６）、翼部の穴開け中に堆積される任意の材料を一掃することを含んでもよい。ある実施形態では、レーザショットの第１のシークエンス５５およびレーザショットの第２のシークエンス５６は、基板２０の出口面（図１）から翼部３１および３３をそれぞれ穴開けするように構成される。その後、方法７０は終了でき、レーザまたは基板２０は、パターン中の次の穴と位置合わせするようにモータ６６または５８によって移動されてもよく、方法７０は、基板２０中の所望の全ての穴が穴開けされてしまうまで繰り返される。

図１１は、図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４、図５および図９に示す成形した冷却用穴１０のような、１つまたは複数の成形した冷却用穴を作製する別の方法１１００の一実施形態の流れ図である。これらの図を参照すると、方法１１００は、円形の貫通穴の内腔５３を衝撃レーザにより穴開けする（１１０１）ことによって始まる。方法１１００は、約１直径だけ、内腔５３の一方の側、すなわち翼部３１へ外に動きつつ、レーザショットをパルスする（１１０２）ことをさらに含む。この方法は、中央に戻りつつ、レーザショットをパルスするのを停止させる（１１０３）ことをさらに含む。この方法は、約１直径だけ、内腔５３の反対側、すなわち翼部３３へ外に動きつつ、レーザショットをパルスする（１１０４）ことをさらに含む。方法１１００は、中央に戻りつつ、レーザショットをパルスするのを停止させる（１１０５）ことをさらに含む。方法１１００は、１つまたは複数のレーザショットを発射して、内腔５３を一掃する（１１０６）ことをさらに含む。

本実施形態によれば、それは、従来の円形冷却用穴を形成するのに必要とするのに対して、各成形した冷却用穴１０を形成するのに約２倍多くのレーザショットを必要とし得る。加えて、翼部３１および３３（図９）が、基板２０の表面（例えば、図２中の出口面３７）に対して所定の角度を通じてレーザショット５０を振りつつ、レーザショット５０（図９）をパルスすることによって形成されてもよいことが決定されている。ただしこの手法は、レーザショット、および各成形した冷却用穴１０の表面の位置の詳細な追尾を必要とする。なお、成形した冷却用穴１０を作製するために少なくとも１つの実施形態に使用されるレーザの穴開けは、ＴＢＣを被覆した基板または地金を通じて実行されてもよい。

図１２は、１つまたは複数の成形した冷却用穴１０を製造するのに用いられるシステム１２００の一実施形態の図である。システム１２００は、ブレース８２から離間配置したレーザ源６０を含み、ブレース８２は、ブレース８２に接続したシャフト８１をモータ８０が回転させるときに、矢印９０が示すように、基板２０が時計回りまたは反時計まわりに回転することを可能にするようにガスタービンの燃焼器ライナなどの基板２０を保持および／または支持するように構成される。レーザ源６０は、（図９に示す）モータ６３、レンズ６４、およびレーザ発振器６５を備えることができる。コントローラ６１はモータ８０に接続され、モータ８０は基板２０を回転させる。コントローラ６１はレーザ源６０にも接続され、レーザ源６０は１つまたは複数のレーザショット９１を発生させる。ある実施形態では、コントローラ６１は、１つもしくは複数のセンサ８３および／またはユーザインタフェース６７にも接続される。１つまたは複数のセンサ８３は、システム１２００の１つまたは複数の構成要素についてのデータをコントローラ６１に供給する。例えば、１つまたは複数のセンサ８３は、シャフト８１および／または基板２０の毎分の回転数を測定する回転センサであってもよい。１つまたは複数のセンサ８３は、１つまたは複数のレーザショット９１によって１つまたは複数の成形した冷却用穴１０を穴開けするときに、１つもしくは複数の成形した冷却用穴１０の間隔および／または深さを測定するセンサも備えてもよい。

コントローラ６１は、任意のタイプのコンピュータ可読メモリなどのコンピュータ可読媒体中もしくはコンピュータ可読媒体上に記憶された１つまたは複数のコンピュータ可読命令を読み込み、実行するように構成される。コンピュータ可読命令は、コントローラ６１が、レーザ源６０およびモータ８０を動作させて、基板２０に１つまたは複数の成形した冷却用穴１０を形成するように設定する。したがって、ある実施形態では、コンピュータ可読命令は、コントローラ６１にレーザ源６０およびモータ８０の動作を同期させ、それによって図１２に記載の方法のステップのうちの１つまたは複数を実行させるように設定する。例えば、コントローラ６１が出力する指令は、１つまたは複数の成形した冷却用穴１０が基板２０におよび／または基板２０を通じて形成されるように、モータ８０の速度および／または基板２０の回転周波数をレーザ源６０が発生する１つまたは複数のレーザショット９１のタイミング、持続期間および／または出力と同期させることができる。

図１３は、基板２０、例えば図１２に示す基板などに１つまたは複数の成形した冷却用穴を製造する方法１３００をさらに示す流れ図である。図１２および図１３を参照すると、方法１３００は、所定の速度または回転周波数で基板２０を移動または回転させる（１３０１）ことによって始まる。方法１３００は、レーザショットの第１のシークエンス９１を開始して、それぞれ所定の角度で基板２０に１つまたは複数の内腔５３（図９）を開ける（１３０２）ことをさらに含む。方法１３００は、レーザショットの第１のシークエンス９１が、所定の時間の増分で、基板２０上の（１つまたは複数の）同じ位置を通過するのをリードまたはラグするように、レーザショットの第２のシークエンス９１のタイミングを調整する（１３０３）ことをさらに含む。このタイミングは、レーザショット９１を部分的に重ねて、１つまたは複数の内腔５３（図９）のそれぞれ１つを各々が横切って延びる扇形の一部を作り出させるように回転速度との関連で指定される。したがって、方法１３００は、部分的に重なるレーザショット９１が１つまたは複数の内腔５３のそれぞれ１つを各々が横切って延びる扇形、例えば、翼部３１および３３の一部を回転方向の接線方向の一次元に作り出させるように、回転速度との関連で指定されるリードおよびラグのタイミングの程度を変えることを伴ってレーザショットの第２のシークエンス９１を開始する（１３０４）ことをさらに含む。次いで、コントローラ６１は、扇形が完全であるか判定する（１３０５）。そうでなければ、方法１３００は、ループして戻り、ステップ１３０３および１３０４を繰り返す。方法１３００は、１つまたは複数の成形した冷却用穴１０の各々の出口１１が完全であり、回転方向にのみ加えておよび／または減じて拡張されたときに終了する。

基板２０は、図１０の方法７０、もしくは図１１の方法１１００、もしくは図１３の方法１３００が実行される前または後に、ＴＢＣで被覆されてもよい。レーザによる穴開け前に基板をＴＢＣで被覆することによって、ＴＢＣが成形した冷却用穴を充填および／または閉塞しないことを確実にする。ＴＢＣがレーザによる穴開け後に施される場合、成形した冷却用穴は、成形した冷却用穴に入った任意のコーティングを取り除くように、グリットおよび／またはレーザショットを用いてさらに処理されることが必要である。代替として、基板２０は、同時に、ＴＢＣで被覆されると共に、ＴＢＣが成形した冷却用穴を塞がないことを確実にするように清掃されてもよい。そのような一実施形態では、（図１１の）回転基板２０の一方の側はＴＢＣを受け取り、一方、他方の側は、成形した冷却用穴を開いたままにするために成形した冷却用穴を通じてグリットを吹き付けられる。そのようなプロセスが、成形した冷却用穴の「翼部」を、ＴＢＣのない、または実質的にない状態にし続けることができることを実験が示している。
実験
本明細書に記載の成形した冷却用穴１０の実施形態の風洞テストは、従来のタイプの冷却用穴１２０、１３０、１４０および１５０を用いて実現されるものよりも冷たい遮熱コーティング（「ＴＢＣ」）温度やより冷たい裏面温度などの、成形した冷却用穴の実施形態に関連した１つまたは複数の利益を確認している。

テスト中、約６００°Ｆの熱い空気と約８０°Ｆの冷たい空気が、テスト基板および制御基板の上へおよび／または周辺に流された。制御基板は、内部に形成された複数の従来の円形冷却用穴１２０を有した。制御基板の一方の面、例えば正面は、ＴＢＣで被覆された。制御基板の反対面、例えば裏面は、被覆されていなかった。

テスト基板は、内部に形成された複数の成形した冷却用穴１０（図１、図２、図３、図４、図５および図９）を有した。テスト基板の一方の面、例えば正面は、ＴＢＣで被覆された。テスト基板の反対面、例えば裏面は、被覆されていなかった。

シミュレートしたテイクオフ条件の下でＴＢＣの温度を測定するために、制御基板のＴＢＣ側の赤外線画像、およびテスト基板のＴＢＣ側の赤外線画像が、テスト中に得られた。テスト基板と制御基板の両方の裏面温度が、熱電対を用いて測定された。赤外線画像および熱電対からの温度データが解析され、本明細書に記載の成形した冷却用穴１０の実施形態を用いることで生じたかなり低いＴＢＣ温度および裏面温度が求められた。

テストは、これらの冷却の利益が、変化する動作条件、製造技法、および部品間の変化に対して頑強であったことをさらに示した。例えば、あるテストは、成形した冷却用穴１０の実施形態が穴開けされているテスト基板の裏面温度が、円形冷却用穴１２０が穴開けされている制御基板の裏面温度よりも平均して約５０°Ｆ（１０℃）低いことを示した。
基板および／または基板を含む物体のタイプ
本実施形態によれば、上述の基板２０は、燃焼器ライナ、タービン用の燃焼器ライナ、ガスタービン用の燃焼器ライナ、ガスタービンエンジン用の燃焼器ライナ、燃焼器ライナ「カン」、アフターバーナーライナ、金属テストクーポンなどのうちの１つである。したがって、クレームした発明の実施形態は、そのような項目のいずれかを個々に包含する。クレームした発明の実施形態は、限定するものではないが、１つまたは複数の成形した冷却用穴を内部に形成した基板を要素または構成要素として有するエンジン、タービン、またはビークルなどの品目も包含する。

ある実施形態では、タービンは、ガスタービンである。そのようなガスタービンは、ガスタービンエンジンまたはガスプロデューサコアである。ガスタービンエンジンの非限定の例は、ターボジェット、ターボファン、ターボプロップ、およびターボシャフトである。非限定ガスプロデューサコアの例は、タービン発電機、ターボウォータポンプ、ジェットドライヤ、融雪装置、ターボ圧縮機などである。

クレームした発明の実施形態は、１つまたは複数の成形した冷却用穴１０を内部に形成した基板をその要素または構成要素として有するタービンを有するビークルも包含する。そのような一実施形態では、タービンは、限定するものではないが、ターボジェット、ターボファン、ターボプロップ、およびターボシャフトなどのガスタービンエンジンである。ガスタービンエンジンを有するビークルの例には、航空機、ホバークラフト、機関車、船舶、地上車などを含むが、これらに限定されない。

本明細書で用いられる場合、単数形で挙げられる要素または機能、および単語「ａ」または「ａｎ」から始まる要素または機能は、除外が明らかに挙げられていない限り、複数の前記の要素または機能を除外しないものと理解されたい。さらに、特許請求の範囲に記載した発明の「ある実施形態」の言及は、挙げた特徴を組み込む追加の実施形態の存在を除外するものと解釈されるべきではない。

本明細書は、例を用いて、最良の形態を含めて本発明を開示しており、当業者が本発明を作製および使用することを可能にもしている。本発明の特許性の範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者に思い浮かぶ他の例も含み得る。そのような他の例は、それが、特許請求の範囲の文字通りの文言と異ならない構造上の要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの文言とわずかな差しかない均等な構造上の要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

本発明の特定の特徴は、いくつかの図面に示され、他の図面には示されていないが、各特徴は本発明による他の特徴の一部または全部と組み合わされてもよいので、これは、便宜のために過ぎない。本明細書で用いられる場合、単語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む、備える）」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、および「ｗｉｔｈ（有する）」は、幅広く包括的に解釈されるべきであり、何らかの物理的な相互接続に限定されない。さらに、本主題の出願に開示した任意の実施形態は、唯一の可能な実施形態としてとらえられるべきではない。他の実施形態も、当業者には思い浮かぶであろうし、それらは後述の特許請求の範囲の範囲内である。具体的には、本明細書に記載、図示および／またはクレームした成形した冷却用穴の実施形態を穴開けするために、特許請求の範囲は、レーザパルスを使用する特定の方法に関して作成されているが、放電加工、ウォータジェット、または他の材料除去メカニズムを用いた他の方法は、実質的に同じ機能および／または結果を実現する代替のやり方であると理解されよう。

１０ 成形した冷却用穴、成形した穴
１１ 出口
１３ 入口
１４ 直径
１５ 移行点
２０ 基板
２１ａ 所定の列間隔
２１ｂ 列内の所定の穴間隔
２３ 所定の量
２５ アレイ
２７ 層
２８ 層、別の層、第２の層、柔軟な層
２９ 溢れ
３０ 厚さ
３１ 第１の翼部、翼部
３３ 第２の翼部、翼部
３５ 長手方向中心軸、中心長手方向軸
３６ 第１の側、入口面
３７ 出口面、第２の側
５０ レーザビーム、レーザショット
５１ 全体の厚さ
５２ 全体の厚さ
５３ 内腔、円筒形の内腔
５５ レーザショットの第１のシークエンス
５６ レーザショットの第２のシークエンス
５７ 固定または可動の担体、担体
５８ モータ
６０ レーザ源
６１ コントローラ
６２ 担体
６３ 内腔、モータ
６４ レンズ
６５ レーザ発振器
６６ モータ
６７ ユーザインタフェース
７０ 方法
８０ モータ
８１ シャフト
８２ ブレース
８３ センサ
９０ 矢印
９１ レーザショット
１００ 基板
１０１ 遮熱コーティング
１０３ ボンドコート
１１１ 出口
１１２ 内腔、円筒形の内腔
１１３ 入口
１１４ 直径
１２０ 従来の円形冷却用穴、従来の冷却用穴、円形穴、従来のタイプの冷却用穴
１３０ 従来の円錐形の膜冷却用穴、従来の冷却用穴、従来の穴、従来のタイプの冷却用穴、穴
１４０ 従来の「３Ｄ」膜冷却用穴、従来の冷却用穴、従来の穴、従来のタイプの冷却用穴、穴
１５０ 従来の「扇状」膜冷却用穴、従来の冷却用穴、従来の穴、従来のタイプの冷却用穴、穴
１１００ 方法
１２００ システム
１３００ 方法

Claims (17)

1. 入口面および出口面を有する基板
   を備える装置であって、前記基板が、
   前記入口面における入口と、
   前記入口から前記成形した冷却用穴の移行点まで延在する円筒形の内腔と、
   前記移行点から延在し、ある一次元にだけ拡張する出口と
   を備える成形した冷却用穴を有する、装置。
2. 前記基板が、ジェットエンジン用のアフターバーナーライナである、請求項１記載の装置。
3. 前記基板が、ガスタービン用の燃焼器ライナである、請求項１記載の装置。
4. 前記ガスタービンがジェットエンジンである、請求項３記載の装置。
5. 入口面、および対向する出口面
   を備えるガスタービン用の燃焼器ライナであって、
   前記入口面における入口と、
   前記入口から前記成形した冷却用穴の移行点まで延在する円筒形の内腔と、
   前記移行点辺りから延在し、ある一次元にだけ拡張する出口と
   を備える成形した冷却用穴を有する、燃焼器ライナ。
6. 前記ガスタービンがジェットエンジンである、請求項５記載の燃焼器ライナ。
7. 前記燃焼器ライナがアフターバーナーライナである、請求項６記載の燃焼器ライナ。
8. 入口面および出口面を有する燃焼器ライナ
   を備えるガスタービンであって、前記燃焼器ライナが、 前記入口面における入口と、
   前記入口から前記成形した冷却用穴の移行点まで延在する円筒形の内腔と、
   前記移行点辺りから延在し、ある一次元にだけ拡張する出口と
   を備える成形した冷却用穴を有する、ガスタービン。
9. 前記基板に当たるレーザショットの所定のシークエンスを開始するステップと、
   前記成形した冷却用穴の中心長手方向軸に沿って内腔を穴開けするステップと、
   重なり合うレーザショットの第１のシークエンスを前記内腔のある側に隣接した前記基板に適用することによって、前記成形した冷却用穴の出口の成形部分の第１の翼部を穴開けするステップと
   を含む、基板に１つまたは複数の成形した冷却用穴を作製する方法。
10. 前記レーザショットの所定のシークエンスが、前記基板に当たる前に、前記基板に形成したコーティングを貫通する、請求項９記載の方法。
11. 前記レーザショットの第１のシークエンスにおける各レーザショットが、ショットが所与の位置を何回覆うかに基づいて異なる深さに達する、請求項９記載の方法。
12. 前記レーザショットの第１のシークエンスにおける各レーザショットが、前記中心長手方向軸に対して角度が付けられる、請求項９記載の方法。
13. 円形の貫通穴の内腔をレーザで穴開けするステップと、
    約１直径だけ、前記内腔の一方の側へ外に動きつつ、レーザショットをパルスするステップと、
    中心に戻るステップと、
    約１直径だけ、前記内腔の反対側へ外に動きつつ、レーザショットをパルスするステップと
    を含む方法。
14. 中央に戻りつつ、前記レーザショットをパルスするのを停止させるステップ
    をさらに含む、請求項１３記載の方法。
15. 中央に戻るステップと、
    １つまたは複数のレーザショットを発射して、前記内腔を一掃するステップと
    をさらに含む、請求項１３記載の方法。
16. 中央に戻りつつ、前記レーザショットをパルスするのを停止させるステップ
    をさらに含む、請求項１５記載の方法。
17. 基板に１つまたは複数の成形した冷却用穴を製造する方法であって、
    所定の速度で前記基板を回転するステップと、
    レーザショットの第１のシークエンスを開始して、貫通穴が実現するまで、前記基板が回転するときに、同じ位置が繰り返し衝突を受けるように前記ショットのタイミングを合わせて、前記基板に１つまたは複数の内腔を、それぞれ前記基板の出口面に対して所定の角度で穴開けするステップと、
    レーザショットの第２のシークエンスのリードおよび／またはラグのタイミングの程度の変更を調整するステップと、
    リードおよびラグの程度の前記変更を伴って前記レーザショットの第２のシークエンスを開始して、各々が前記１つまたは複数の内腔のそれぞれ１つを横切って延びる翼部を、回転方向の接線方向の一次元に生成するステップと
    を含む方法。