JP2020501061A - 多孔状フィルム孔出口およびその作製方法 - Google Patents

多孔状フィルム孔出口およびその作製方法 Download PDF

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Abstract

内方表面および外方表面を有する構成要素壁部を有するタービン構成要素に対して冷却孔構造体を形成する方法であって、冷却孔が、構成要素壁部を貫通し、内方表面および外方表面を流体接続させる、方法。この方法は、孔および外方表面と連通する凹部を形成するステップと、凹部内に多孔状構造体を形成するために積層造形プロセスを利用するステップとを含む。

Description

本発明は、タービン構成要素における孔形成に関し、さらに詳細には積層造形プロセスを利用したフィルム冷却孔の排出端部における多孔状出口領域の形成に関する。
タービンエンジンのエーロフォイルは、フィルム冷却に作用をもたらすためにエーロフォイルの外方表面に沿って冷却空気膜を排出するための冷却孔をしばしば備える。これらの冷却孔は、「フィルム冷却孔」または「フィルム孔」と呼ばれる場合がある。
一般的に、冷却孔は、入口端部から出口端部まで航空機構成要素の壁部を貫通して延在する。いくつかの冷却孔では、出口端部は、ほぼ円錐形のディフューザとして構成され、前縁および後縁を有する航空機構成要素の表面に位置決めされる。場合によっては、冷却孔のディフューザセクションは、円錐形ではなく、冷却孔を通過する流体が多孔状出口領域により多数の小さな流路へと分配されるように構成されることが望ましい。
フィルム冷却孔を形成するための従来の方法は、成形および機械加工を含む。従来の方法により作製されるフィルム孔の1つの問題は、かかる方法で多孔状出口を作製することが困難なことである。
この必要性は、積層造形プロセスを利用してフィルム孔の排出端部の付近に多孔状出口領域を形成する方法によって対応される。
本発明の一態様によれば、内方表面および外方表面を有する構成要素壁部を有するタービン構成要素に対して冷却孔構造体を形成する方法であって、冷却孔が、構成要素壁部を貫通し、内方表面および外方表面を流体接続する、方法が提供される。この方法は、孔および外方表面と連通する凹部を形成するステップと、凹部内に多孔状構造体を形成するために積層造形プロセスを利用するステップとを含む。
本発明の別の態様によれば、内方表面および外方表面を有する構成要素壁部を有するタービン構成要素に対して冷却孔の排出端部に多孔状出口領域を形成する方法であって、冷却孔が、構成要素壁部を貫通し、内方表面および外方表面を流体接続する、方法が提供される。この方法は、外方表面と冷却孔との間に位置決めされた凹部を形成するために冷却孔の排出端部の一部分を除去するステップと、凹部の表面から離れるように外方表面に向かって延在する出口領域を作製するために積層造形プロセスを利用するステップとを含む。
本発明は、添付の図面と組み合わせて以下の説明を参照することにより最もよく理解されよう。
タービンブレードの壁部がこの壁部を冷却するための複数のフィルム孔を備える、航空機エンジン内に備え付けるためのタービンブレードの斜視図である。 積層造形法によりフィルム孔を作製するための方法により形成された多孔状出口領域を示す、線2-2に沿った図1に示すタービンブレードの一部分の断面図である。 多孔状出口領域を有するフィルム孔を示す、図1に示すタービンブレードの一部分の平面図である。 図1の線2-2に沿った、図1のタービンブレードの製造プロセスの1つのステップの最中に形成された壁部セクションブランクの一部分の断面図である。 貫通して形成されたボアを示す、図4の壁部セクションの断面図である。 凹部が画成されるように、材料が壁部セクションの孔の一方の側の端部の付近においてタービン構成要素から除去されているのを示す、図5のタービン構成要素の一部分の断面図である。 凹部の付近の孔のセクションが塞がれている、図6に示す壁部セクションの一部分の断面図である。 粉末が壁部セクションに対して塗布されているのを示す、図7の壁部セクションの一部分の断面図である。 粉末が溶融されているのを示す、図8の壁部セクションの一部分の断面図である。 多孔状出口領域を画成するために凹部に対して追加された新規材料を示す、図9の壁部セクションの一部分の断面図である。 非溶融粉末が除去済みである、図11の壁部セクションの断面図である。 閉塞材料が除去済みであり、以下において説明される方法により作製された多孔状出口領域が図示された、図12に示す壁部セクションの断面図である。 積層造形法によりフィルム孔を作製するための方法にしたがって形成された別の多孔状出口領域を示す、線2-2に沿った図1に示すタービンブレードの一部分の断面図である。 積層造形法によりフィルム孔を作製するための方法にしたがって形成されたさらに別の多孔状出口領域を示す、線2-2に沿った図1に示すタービンブレードの一部分の断面図である。
同一の参照数字が様々な図にわたり同一の要素を示すこれらの図面を参照すると、図1は、例示のタービンブレード10を示す。タービンブレード10は、従来的な蟻ほぞ12を備え、この蟻ほぞ12は、動作中の回転時にロータディスク(図示せず)に対してブレード10を径方向に保持するために、このディスク中の蟻継ぎスロットの相補的舌部に係合する舌部を備えた任意の適切な形状を有し得る。ブレードシャンク14が、蟻ほぞ12から径方向上方に延在し、シャンク14から横方向外方へと突出しシャンク14を囲むプラットフォーム16で終端する。中空エーロフォイル18が、プラットフォーム16から径方向外方におよび高温ガス流中へと延在する。エーロフォイルは、プラットフォーム16およびエーロフォイル18の接合部にルート19を、ならびに径方向外方端部に先端部22を有する。エーロフォイル18は、前縁28にておよび後縁31にて共に接合された凹状圧力側壁部24および凸状吸込側壁部26を有する。
エーロフォイル18は、高温ガス流からのエネルギーの抽出およびロータディスクの回転の誘起に適した任意の構成をとり得る。エーロフォイル18は、エーロフォイル18の圧力側壁部24上に複数の後縁抽気スロット32を組み込んでもよく、または複数の後縁冷却孔(図示せず)を組み込んでもよい。エーロフォイル18の先端部22は、先端部キャップ34により閉じられ、この先端部キャップ34は、エーロフォイル18と一体であってもよく、または別個に形成されエーロフォイル18に対して装着されてもよい。直立スキーラ先端部36が、先端部22を越えた位置における空気流損失を最小限に抑えるために、先端部キャップ34から径方向外方に延在し、組み立てられたエンジン内の固定シュラウド(図示せず)の近傍に配設される。スキーラ先端部36は、圧力側先端壁部38に対して離間関係に配設された吸込側先端壁部39を備える。先端壁部39および38は、エーロフォイル18と一体であり、圧力側壁部24および吸込側壁部26のそれぞれの延長部を形成する。圧力側先端壁部38および吸込側先端壁部39のそれぞれの外方表面は、圧力側壁部24および吸込側壁部26の外方表面と連続した表面をそれぞれ形成する。複数のフィルム冷却孔100が、エーロフォイル18の外部壁部を貫通する。フィルム冷却孔100は、内部壁部により画成された複雑な冷却通路構成体を備え得るエーロフォイル18の内部(図示せず)に連通する。例としてであり限定するものではないが、これらの冷却通路は、以下の特徴、すなわち蛇行形状、インターツインド形状、交差形状、非交差形状、およびそれらの組合せの中の1つを備え得る。エーロフォイル18は、「超合金」として従来から知られている良好な耐高温クリープ性を有するニッケルベース合金またはコバルトベース合金などの材料から作製され得る点を理解されたい。
図2は、フィルム冷却孔100の中の1つをさらに詳細に説明する。フィルム孔100は、圧力側壁部24の内部表面54から圧力側壁部24の外方表面56まで延在する。フィルム孔100は、入口セクション104および出口セクション108を備える。出口セクション108は、多孔状出口領域160を備える。多孔状出口領域160は、多孔状構造体の一例である。入口セクション104は、「計量セクション」としばしば呼ばれ、略丸形である。入口セクション104および出口セクション108は、移行エリア112にて合流する。これに関して、入口セクション104は、内部表面54から移行エリア112まで延在する。
出口領域160は、入口側162および出口側164を有する。入口側162は、フィルム孔100の入口セクション104を経由して内部表面54まで流体接続されるように位置決めされる。出口領域160の出口側は、側壁部24の外方表面56まで流体接続される。出口領域160の多孔は、フィルム孔100が側壁部24の外方表面56まで流体接続されるようなものである。これに関して、出口領域160は、冷却流体が出口領域160を通過するための多数の通路を画成し、出口領域160は、貫通する通路が形成される点において連続気泡発泡体と類似のものとなるように構成される。かかる「連続気泡発泡体」構造体が、1つまたは複数の独立気泡を有するエリアを備えることも可能である点を理解されたい。かかる「連続気泡発泡体」構造体は、中実エリアをさらに備え得る。出口領域160の組成におけるかかる構造的多様性は、出口領域160の全体にわたり必ずしも均一に分布するわけではない。
出口セクション108は、移行エリア112から外方表面56にかけて流量上昇エリアを備え得る。図3に示すように、出口セクション108の寸法は、流れ方向に沿って側方へと大きくなる。このタイプの構造は、「ディフューザセクション」としばしば呼ばれ、円錐形、四辺形、または多面体形などの様々な形状をとり得る。図2および図3に示すように、出口領域160は、移行エリア112から外方表面56まで延在し、すなわち出口領域160は、「ディフューザセクション」の全体を占める。いくつかの実施形態では、出口領域160は、「ディフューザセクション」の一部分のみを占める点に理解されたい。
次に、フィルム孔100などの複雑なフィルム孔を作製する方法を説明する。第一に、図4に示すように、壁部セクション120が用意される。壁部セクション120は、上述の吸込側壁部26などの、平坦状、凹状、凸状、および/または複雑な湾曲状などの任意の形状の任意のタービン構成要素の壁部セクションの一般的な代表例であり、それぞれ対向側に位置する内方表面154および外方表面156を備える。壁部セクション120を用意するステップは、壁部セクション120を作製することか、または事前作製された壁部セクション120を入手することを含み、しかしそれらに限定されない点を理解されたい。壁部セクション120を作製する方法は、成形、機械加工、およびそれらの組合せなどの従来的に既知のものを含むが、それらに限定されない。第二に、図示する実施形態によれば、図5に示すようなボア122が、壁部セクション120を貫通して形成される。ボア122は、機械加工、穿孔などの従来的な手段により形成される点を理解されたい。さらに、ボア122は、成形などの方法により壁部セクション120の形成中に形成することが可能である。
ボア122は、第1の端部124から第2の端部126まで延在する。図6を参照すると、次のステップは、ボア122の第2の端部126を画定する壁部セクション120の一部分を除去することである。このようにして、凹部132が、チューブの第2の端部126に形成され、追加の材料を受けるように調製される。凹部132は、表面156およびボア122と流体連通状態にある。凹部132は、表面131により画成される。例としてであり限定するものではないが、凹部132は、以下のプロセス、すなわちフライス加工、成形、穿孔、機械加工、およびそれらの組合せの中の1つにより形成され得る。凹部132は、複数のボア122に交差するチャネルの形態であることが可能である点を理解されたい。これに関して、積層造形プロセスは、単一のプロセスの実施中に複数のフィルム孔に複数の出口領域を形成することが可能である。
第2の端部126の付近に追加の材料を受けるためのボア122を調製するステップの後に、積層造形プロセスを利用してボア122の第2の端部126の再構成に関するステップが実施される。
任意には、積層造形プロセスは、図7に示すようにプラグ134でボア122を塞ぐステップで開始され得る。ボア122を塞ぐことはオプションであり、積層造形プロセスは、壁部セクション120を位置決めするステップで、あるいは接着剤を塗布するおよび/または粉末を塗布するステップで開始され得る点を理解されたい。図示する実施形態では、プラグ134が、ボア122が凹部132に合流する位置に位置決めされ、以降の積層造形ステップによる粉末がボア122に進入するのを防ぐように構成される。例としてであり限定するものではないが、ボア122は、以下の材料、すなわちポリマー、非溶融粉末、ワックスまたは他の材料、およびそれらの組合せの中の少なくとも1つを使用して塞ぐことが可能である点を理解されたい。これらの材料は、溶媒和、機械的手段、熱、またはそれらの組合せにより仕上げられたパーツから除去され得るように選択される点を理解されたい。
図8に示すように、例えば金属粉末、セラミック粉末、および/または有機粉末などの粉末Pの層が、凹部132内に堆積される。非限定的な例としては、粉末層の厚さは、約10マイクロメートル(0.0004インチ)であってもよい。
粉末Pは、凹部132に対して粉末を落下もしくは噴霧することによって、または粉末中に壁部セクション120を浸漬することによって塗布され得る。任意には、粉末塗布の後には、例えば均一な層を実現するために余分な粉末を除去する必要に応じて、ブラッシング、スクレーピング、ブローイング、または揺さ振りなどが行われ得る。粉末塗布プロセスは、従来の粉末床または平坦加工表面を必要とせず、パーツは、単純な作業台、クランプ、または治具などの任意の所望の手段により支持され得る点を指摘しておく。
図9で分かるように、粉末Pが、壁部セクション120の凹部132内において所定のレベルまで堆積されると、指向性エネルギー源B(レーザまたは電子ビームなど)が、作製されることとなる構造体の層を溶融するために使用される。この指向性エネルギー源は、ビームを発し、ビームステアリング装置が、適切なパターンで露出粉末表面に対してビームをステアリングするために使用される。粉末の露出層は、溶融、流動化、および固化し、接触状態にある基材と融合するまたは接着し得る温度にまでビームにより加熱される。このようにして、粉末Pを構成する金属粒子が、壁部セクション120の一部として存在することになる。指向性エネルギー源Bは、粉末Pがエネルギー源Bの見通し線内に位置決めされる限りにおいて凹部132またはボア122内で任意の深さにて粉末Pを溶融させるために使用され得る。このステップは、粉末の溶融とも呼ばれる場合がある。非溶融粉末は、接着剤を塗布し、粉末を塗布し、粉末を溶融する次のサイクルの前に、この段階で除去することが可能である。しかし、図示する実施形態では、各ステップにおいて除去されない非溶融粉末は定位置に留まる。これに関して、非溶融粉末は、次の層の粉末を支持する役割を果たし得る。
粉末を堆積し次いで指向性エネルギーにより粉末を溶融するこのサイクルは、構成要素全体が完成するまで繰り返される。図10に示すように、新規材料152が、層が溶融された後に層の一部として徐々に積み重ねられる。このようにして、出口領域160は、凹部132が粉末Pで徐々に満たされることによって形成される。図11、図12、および図13に示すように、構成要素が完成すると、新規材料152は、凹部132内に位置決めされ、フィルム孔200を画定する。フィルム孔200は、入口セクション204、出口セクション208、および移行セクション212を備える。フィルム孔200は、フィラーFで少なくとも部分的に充填される。例としてであり限定するものではないが、フィラーFは、以下のもの、すなわち非溶融粉末P、接着剤、閉塞材料134、およびそれらの組合せの中の1つを備える。仕上げステップにおいて、前のステップからのフィラーFおよび任意の他の非溶融状態かつ非結合状態の粉末または接着剤は、1つの洗浄ステップで除去され得る。代替的には、2つの洗浄ステップが利用され得る。第1のステップは、図12に示す構造体を結果としてもたらす空気圧または空気噴射により緩いフィラーF材料を除去することである。そして第2のステップは、図13に示す構造体を結果としてもたらす、溶剤での溶解または熱を利用した拡散等の方法によりプラグ134を除去することである。図13に示す構造体は、本方法により追加された新規材料が強調される点を除いては、図2に示す構造体と実質的に同一である点に留意されたい。
図13および図14は、フィルム孔300およびフィルム孔400をそれぞれ実現する代替的な実施形態を示す。フィルム孔300の出口領域360は、チューブの扇状アレイ364を備える。したがって、通路の1つの許容され得る形状はチューブ状となる。対照的に、多数の通路が、フィルム孔400の出口領域460中に備えられるような相互巻付き蛇行経路を画成する不規則なチューブ形状であることが可能である。多孔状出口領域360および460は、多孔状構造体の例である。
説明したプロセスは、積層造形プロセスの一例に過ぎない。「積層造形法(additive manufacturing)」は、多層構造(layer-by-layer construction)または積層造形(additive fabrication)を伴うプロセス(従来の機械加工プロセスのような材料除去とは対照的な)を説明するために本明細書において使用される用語である。また、かかるプロセスは、「ラピッドマニュファクチャリングプロセス」と呼ばれる場合もある。積層造形プロセスとしては、直接金属レーザ溶融(DMLM)、レーザネットシェイプ成形(LNSM)、電子ビーム焼結、選択的レーザ焼結(SLS)、インクジェットおよびレーザジェットなどの3Dプリンティング、光造形(SLA)、電子ビーム溶融(EBM)、レーザ直接積層(LENS)、および直接金属堆積(DMD)が挙げられるが、これらに限定されない。
本明細書において説明したプロセスは、先行技術を上回る複数の利点を有する。積層造形プロセスは、作製され得るフィルム孔の形状、全体的構造、および複雑性に関してはるかにより高い自由度を有する。さらに、積層造形プロセスは、フィルム孔の形成中における熱発生をより低下させ、したがって結晶構造ならびに出口領域の形状および構造の変形をより軽減することが可能であると考えられている。
上述の方法は、穿孔、EDM成形、またはレーザトレパニングなどの従来的な機械加工プロセスを必要とすることなく、フィルム孔または複雑な出口形状の他の同様のオリフィスにおいて多孔状出口領域を形成するための手段を提供する。これにより、単一のプロセスで複雑な多孔状出口領域を形成することが可能になるため、かかる従来的な方法の複雑性が回避される。これにより、複雑な被冷却構成要素の作製における自由度およびコスト削減がもたらされる。さらに、これは、タービン構成要素の冷却効率を上昇させ、エンジン燃料消費率(SFC)を低下させることが可能である。
前述では、タービンブレード中におけるフィルム孔の成形出口孔の、およびさらに詳細にはフィルム孔出口における多孔状出口領域の積層造形用の装置および方法を説明した。本明細書(任意の添付の特許請求の範囲、要約、および図面を含む)内に開示される全ての特徴、および/または同様に開示される任意の方法もしくはプロセスの全てのステップは、かかる特徴および/またはステップの少なくともいくつかが相互に排他的であるような組合せを除いては、任意の組合せにおいて組み合わされてもよい。
本明細書(任意の添付の特許請求の範囲、要約、および図面を含む)内に開示される各特徴は、別様のことが明示されない限りにおいて、同一、均等、または類似の目的を果たす代替的な特徴により置換されてもよい。したがって、別様のことが明示されない限りにおいて、開示される各特徴は、一般的な一連の均等または類似の特徴の一例に過ぎない。
本発明は、前述の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書(任意の添付の特許請求の範囲、要約、および図面を含む)内に開示される特徴の中の任意の新規の1つもしくは任意の新規の組合せか、または同様に開示される任意の方法もしくはプロセスのステップの中の任意の新規の1つもしくは任意の新規の組合せまで及ぶ。
10 タービンブレード
12 蟻ほぞ
14 ブレードシャンク
16 プラットフォーム
18 中空エーロフォイル
19 ルート
22 先端部
24 凹状圧力側壁部、側壁部
26 凸状吸込側壁部
28 前縁
31 後縁
32 後縁抽気スロット
34 先端部キャップ
36 直立スキーラ先端部
38 圧力側先端壁部
39 吸込側先端壁部
54 内部表面
56 外方表面
100 フィルム冷却孔、フィルム孔
104 入口セクション
108 出口セクション
112 移行エリア
120 壁部セクション
160 多孔状性出口領域
162 入口側
164 出口側

Claims (18)

  1. 内方表面および外方表面を有する構成要素壁部を有するタービン構成要素に対して冷却孔構造体を形成する方法であって、冷却孔が、前記構成要素壁部を貫通し、前記内方表面および前記外方表面を流体接続し、前記方法が、
    前記冷却孔および前記外方表面と連通する凹部を形成するステップと、
    前記凹部内に多孔状構造体を形成するために積層造形プロセスを利用するステップと
    を含む、方法。
  2. 前記凹部内に粉末を堆積するステップと、
    前記構造体の層に対応するパターンで前記粉末を溶融するステップと
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記構造体を多層状に構成するために、堆積する前記ステップおよび溶融する前記ステップをサイクルで繰り返すステップをさらに含む、請求項2に記載の方法。
  4. 堆積および溶融の繰返しサイクルは、結果として溶融粉末および非溶融粉末の両方を含む前記構成要素壁部をもたらし、前記方法は、前記非溶融粉末を除去するステップをさらに含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記多孔状構造体の入口から前記多孔状構造体の出口まで延在する複数のチューブを形成するようなパターンで前記粉末を溶融するステップをさらに含む、請求項2に記載の方法。
  6. 蛇行形状およびインターツインド形状となるように前記チューブを形成するステップをさらに含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記冷却孔中にプラグを形成するステップと、前記プラグの上に粉末を堆積するステップとをさらに含む、請求項2に記載の方法。
  8. 非溶融粉末が前記プラグの少なくとも一部分を覆って残されるように前記粉末を溶融するステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
  9. 後に続く各層の非溶融粉末が前の層の非溶融粉末に重畳するように、後の層を溶融することによって前記多孔状構造体を形成するステップをさらに含む、請求項8に記載の方法。
  10. 前記構成要素は金属合金を含む、請求項1に記載の方法。
  11. 前記粉末は金属合金を含む、請求項1に記載の方法。
  12. 内方表面および外方表面を有する構成要素壁部を有するタービン構成要素に対して冷却孔の排出端部に多孔状出口領域を形成する方法であって、前記冷却孔は、前記構成要素壁部を貫通し、前記内方表面および前記外方表面を流体接続し、前記方法が、
    前記外方表面と前記冷却孔との間に位置決めされた凹部を形成するために前記冷却孔の排出端部の一部分を除去するステップと、
    前記凹部の表面から離れるように前記外方表面に向かって延在する出口領域を作製するために積層造形プロセスを利用するステップと
    を含む、方法。
  13. 前記凹部の表面上に粉末を堆積するステップと、前記出口領域の層に対応するパターンで前記粉末を溶融するステップとをさらに含む、請求項12に記載の方法。
  14. 前記出口領域を多層状に構成するために、堆積する前記ステップおよび溶融する前記ステップをサイクルで繰り返すステップをさらに含む、請求項13に記載の方法。
  15. 堆積および溶融の繰返しサイクルは、結果として溶融粉末および非溶融粉末の両方を含む前記出口領域をもたらし、前記方法は、前記非溶融粉末を除去するステップをさらに含む、請求項14に記載の方法。
  16. 前記冷却孔中にプラグを形成するステップと、前記プラグに少なくとも部分的に重畳する層で粉末を堆積するステップとをさらに含む、請求項13に記載の方法。
  17. 前記パターンが前記プラグの少なくとも一部分を覆う非溶融粉末を残すように、前記層中の前記粉末を溶融するステップをさらに含む、請求項16に記載の方法。
  18. 非溶融粉末層が前記出口領域の前記外方表面の上方に延在するまで、粉末を堆積する前記ステップおよび溶融する前記ステップを繰り返すステップと、
    前記出口領域の前記外方表面が前記冷却孔の上に平滑に延在されるように材料を溶融するために余剰を除去するステップと
    をさらに含む、請求項17に記載の方法。
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