JP3830509B2 - 経路形状を形成する方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は物品内に経路形状を形成する方法に関し、更に詳しくは、２つ以上の部分を有し、各部分が別個の経路形成動作を必要とする経路を形成する方法に関する。
本発明はガス・タービン・エンジンの分野で開発されたものであるが、これは物品内に形状の複雑な経路が形成される他の分野にも適用できるものである。
背景技術
ロータ・ブレードやベーンのようなガス・タービン・エンジンの構成部品は、これらの構成部品に使用している材料の許容温度限界に近いまたはこれを超える温度を有する環境内で使用されている。これらの構成部品の外部表面を介してまたはその上部に冷却流体を流すことによって、これらの構成部品の加熱とその固有の構造上の劣化を回避している。典型的な適用例では、冷却空気をブレードまたはベーンを介して流し、次にこの空気を外部表面を介して延びる経路を通し吐出されている。
冷却効果を最適化するため、構成部品の外部表面上で冷却流体の膜を作るように、冷却経路は角度を付けて形成されている。このような種類の冷却経路の１例が、「クロスフロー・フィルム・クーリング経路」という名称でのＶｅｈｒ氏に付与された米国特許番号第４，６５３，９８３号に開示されている。ここで論じているように、これらの経路は計量部と拡散部とを有している。計量部は経路を介して流れる冷却流体の量を制御する。拡散部は吐出された流体の速度を遅くし、経路の下流で冷却流体の境界層を形成するようにこの流体の活動を助長する。更に、この拡散部は、冷却流体膜のカバーする外部表面領域の面積を最大にする。
冷却経路形状を、ガス・タービン・エンジンに使用するような材料に形成する場合には、困難が伴う。１つの一般的な方法は、放電加工（ＥＤＭ）によって経路を形成することである。孔形状をＥＤＭ法によって形成する例が、「翼に拡散冷却孔を形成する方法と装置」という名称でのＳｉｄｅｎｓｔｉｃｋ氏に付与された米国特許番号第４，１９７，４４３号と、「翼に膜冷却経路を放電加工するための電極」という名称でのＦｉｅｌｄに付与された米国特許番号第４，６５０，９４９号に開示されている。ＥＤＭによって、計量部に対して要求される精度を確保しながら拡散部の複雑な形状を形成するための容易な方法が提供される。
多くの用途の場合、１ステップによるＥＤＭ法は、経路形状を形成するのに十分である。しかし、極めて長い経路の場合には、１ステップによるＥＤＭ法は、レーザーによる孔開けのような他の使用可能なプロセスと比較して時間を要するという性質があるため、経済上効率的ではない。「拡散冷却孔を有する翼とこの翼を製作するための方法と装置」という名称での（Ｖｅｒｔｚ氏等）に付与された米国特許番号第４，７６２，４６２号では、レーザによる孔開けとＥＤＭによって経路形状を形成する２ステップによる方法が開示されている。この方法は、レーザによる孔開けのステップの速度を利用して一般的により長くてより簡単な計量孔形状を形成している。次にＥＤＭを使用して拡散孔のより複雑な形状を形成する。
ベルツの開示した２ステップによる方法では、長い経路の場合には、１ステップによるＥＤＭ法と比較して消費時間はより短いが、この２ステップによる方法では、異なったプロセスによって形成した２つの部分を正確に位置合わせするのが困難である。形状の複雑な経路の２つの部分を不適切に位置合わせすると、冷却効果が良くないばかりではなく形成した物品内にクラックが伝播する原因となる。クラック伝播の問題は、構成部品に高い応力と熱負荷の加えられるガス・タービン・エンジンの分野では特に重要である。クラックによって、ガス・タービン・エンジンの構成部品の有効寿命が短くなる。典型的なタービンの構成部品に存在する冷却経路の品質を考慮すると、１つの不適切に位置合わせされた経路はコストのかかる結果を生じるおそれがある。
上記背景の下、出願人の譲受人の指揮によって科学者と技術者が物品内に経路形状を形成する安価で正確な方法と装置を開発するために努力している。
発明の開示
本発明は、経路形状の部分の間で発生する位置合わせ不良の１つの重要な原因はこれらの経路の２つの部分を形成するために使用する２つの装置の間で累積される公差に起因するものであるという認識に部分的に基づいて、記述されてるものである。一方の経路を形成する動作に於ける不正確性が他方の経路を形成する動作に於ける不正確性に付加される。その結果、例え各部分がその動作を実行するそのそれぞれの装置の公差内にあっても、２つの部分には位置合わせ不良が決定的に発生する可能性がある。
本発明によれば、複数の経路形状を物品内に形成する方法は、上記複数の経路の位置によって形成されたエンベロープ内で上記２つの経路形成手段の座標系の間で発生する空間誤差を判定するステップを有している。特に、この方法は、第１経路形成手段を使用してテンプレート内の特定の位置に位置決め孔を形成するステップ、上記テンプレートを第２経路形成手段内に載置してこの第２経路形成手段を上記位置決め孔と位置合わせするステップと上記位置決め孔の実際の位置と上記第２経路形成手段に対してプログラムした上記位置決め孔の位置の間に発生する空間誤差を判定するステップを有している。次に、第２経路形成手段を使用して上記経路の部分を形成する前にこの空間誤差を明らかにする。
本発明の１つの特定の実施例では、第１部分はレーザによる孔開けによって形成し、第２部分は放電加工（ＥＤＭ）によって形成する。この位置決め孔は上記物品内に形成すべき複数の形状の複雑な経路の内の１つの位置に対応する位置に於いてテンプレート内にレーザによって孔開けするものである。このテンプレートを次にＥＤＭ装置内に載置し、電極をレーザによって開けた位置決め孔と位置合わせする。上記レーザによって開けた位置決め孔の測定位置と特定の経路のプログラムした位置の間の差によってオフセット値が発生する。次にこのオフセット値を上記複数の経路によって形成した特定のエンベロープ内の上記複数の経路の全てのプログラムした位置に加える。
空間的に開離したグループの経路を有する物品の場合、各グループに対して開離したエンベロープを形成しても良い。各エンベロープに対して位置決め孔を選択することによって各エンベロープに対して別個のオフセットが発生される。
本発明の主たる特徴は、空間的エンベロープ内のテンプレートに位置決め孔を形成するステップにある。このステップによって、２つの別個の動作の間に発生する公差の差を明らかにする手段が提供される。その結果、２つの部分の間に発生する位置合わせ不良が最小になる。
本発明は航空機のエンジンの分野で開発されたものであるが、ここに開示した本発明は他の分野にも適用できることが当業者にとって明らかである。特に、本発明は複雑な形状に形成された経路をその中に有し、従って、この経路を形成するために複数の動作を必要とする全ての物品に適用することができる。
本発明の上述及び他の目的、特徴と利点は、添付図に図示するように例示した実施例に関する以下の詳細な説明に照らして一層明らかになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、冷却経路形状の付いた翼部と冷却経路形状の付いたプラットフォームを有するガス・タービン・エンジンのロータ・ブレードの斜視図である。
第２図は、各冷却経路の経路軸を示す第１図の線２−２に沿って切断したロータ・ブレードの断面図である。
第３図は、プラットフォーム部に於いて冷却経路を位置合わせした状態を示すロータ・ブレードの上面図である。
第４ａ図と第４ｂ図は、レーザ孔開け装置と放電加工装置内にそれぞれ位置するロータ・ブレードを示す図である。
第５ａ図と第５ｂ図は、取付具内に固定したプラットフォームのテンプレートの正面図と上面図である。
第６ａ図、第６ｂ図と第６ｃ図は、それぞれ取付具内の翼のテンプレートの正面図、上面図及び斜視図である。
第７図は、経路形成装置内の取付具とプラットフォームのテンプレートを示す図である。
第８図は、物品内に経路形状を形成するプロセスのステップを示す概略図である。
第９図は、ＥＤＭ装置を位置合わせ孔と位置合わせするための延長部を有する電極とこのＥＤＭ装置とこの位置合わせ孔との位置合わせを判定する電気継続回路図を示す。
発明を実施するための最良の形態
第１図は、経路形状を有する物品を示す。第１図に示すように、この物品は、翼１４、プラットフォーム１６及び複数の冷却経路１８を有するガス・タービン・エンジンのロータ・ブレード１２である。
翼１４は、この翼１４の圧力側２４に沿って配設された複数の冷却経路２２を有する。第２図に示すように、これらの複数の冷却経路２２は、翼１４の壁部２６を介して延び、翼１４の中空のコア２８と翼１４の外部表面３２の間で流体の流れを連通させている。これらの複数の冷却経路２２に存在する冷却流体は、これらの複数の冷却経路の下流で外部表面３２上を流れる冷却流体の膜またはバッファを形成する。この冷却流体の膜によって、翼１４の外部表面３２はガス・タービン・エンジンを介して流れる高温ガスから断熱される。
プラットフォーム１６は、このプラットフォーム１６を介して延びる他の複数の冷却経路３４を有している。第１グループの冷却経路３６は翼１４に隣接している。第３図に示すように、このグループの冷却経路３６は中空のコア２８からプラットフォーム１６の流動面３８に延びコア２８とプラットフォーム１６の流動面３８の間に流体の流れの連通部を形成する。第２グループの冷却経路４２が翼１４から横方向に間隔を開けて配設されている。このグループの冷却経路４２はプラットフォーム１６を介して延び、プラットフォーム１６の下側４４とこのプラットフォーム１６の流動面３８の間に流体の流れの連通部を形成している。これら２つのグループの冷却経路３６、４２は連携してプラットフォーム１６の流動面３８上を流れる冷却流体の膜を発生する。
各冷却経路１８は経路軸４６を中心に配設され、計量部４８と拡散部５２とを有している。計量部４８は経路軸４６に中心を有し、その直径は一定である。計量部４８は、冷却経路１８を介して流れる冷却流体の量を制御する。計量部４８を介して流れる冷却流体の速度が減少し、この流体の主要部分がより広い領域に拡散するよう、拡散部５２は外側に拡張されている。各特定の冷却経路１８の形状は、技術上周知の典型的な形状である。
各冷却経路１８は、これが冷却流体をその上部に方向づけている流動面に対して特定の角度で傾斜している。翼の冷却経路２２の場合、これらの角度は符号βによって表され、相互にほぼ等しいものとして図示されている。プラットフォームの冷却経路の場合、これらの角度は符号φによって表される。これらの角度は、プラットフォームの冷却経路の位置によって異なる。更に、各プラットフォームの冷却経路３４は、第３図に示すように、共通の基準を有する角度αを形成している。翼１４の場合であろうとプラットフォーム１６の場合であろうと、各冷却経路１８の特定の方向は、ブレード１２の流動面上に冷却流体の必要な膜を形成するための冷却経路の能力によって重要である。
冷却経路１８の形状を形成するには、２つの独立した経路形成動作が必要であり、これらの動作の内の１つは各冷却経路１８の計量部４８を形成するためのものであり、１つは各冷却経路１８の拡散部５２用のものである。図示目的のため、レーザによる孔開け動作とＥＤＭ動作は、計量部４８と拡散部５２をそれぞれ形成する方法として図示し説明する。レーザによる孔開けは、計量部４８用の直線で直径が一定の経路を製作する場合に時間及びコスト的に効率のよい方法である。ＥＤＭは拡散部５２のような三次元の形状の複雑な経路を製作する代表的な方法である。それらが必要であるかまたは便利である場合には、他の方法及び／または方法の組み合わせを使用して冷却経路１８の各部分を形成してもよい。
従来技術で周知であり第４ａ図と第４ｂ図に示すように、ロータ・ブレード１２は、先ずレーザ孔開け装置５４内に位置決めされ、多軸マウント５８に固定されている。このマウントによって、ロータ・ブレード１２はレーザ孔開け動作を行うための適切な位置に移動し回転することができる。各冷却経路１８の位置は、装置の内部座標系に従ってレーザ孔開け装置５４内にプログラムされている、即ち、各冷却経路１８はそれ自身の位置Ｐ１pを有している。マウント５８とロータ・ブレード１２は、各冷却経路１８が装置の公差内で適切な位置に形成されるようにマウント５８を移動または回転させることによって再位置決めされる。
計量部４８のレーザによる孔開けを完了すると、ロータ・ブレード１２をレーザ孔開け装置５４から取り外す。レーザによる孔開けの期間中に後部壁に当たるのを防止するために従来使用されているレーザ裏打ち材料を、ロータ・ブレード１２から取り外す。ロータ・ブレード１２を次にＥＤＭ装置５６内に載置する。再び、多軸マウント６２を使用し、ＥＤＭによって経路を形成するために、ロータ・ブレード１２を位置決めして適切な方向に回転する。レーザ孔開け装置と同様に、ＥＤＭ装置５６はそれ自身の内部座標系を有し、各冷却経路１８はその座標系内に空間的な位置Ｐ２pを有している。拡散部５２を、再びＥＤＭ装置５６の公差内で特定の位置に形成する。
この説明を単純化するため、レーザ孔開け装置５４とＥＤＭ装置５６の座標系は同一であると仮定する。この座標系は、Ｘ軸、Ｙ軸とＺ軸を有するものとして第１図〜第３図に示す。明確化する目的のため第１経路形成装置の座標系内の装置はＰ１によって表し、第２経路形成装置の座標系内の位置はＰ２によって表す。
冷却経路１８を形成するために２つの独立した動作を使用する結果、公差が発生する可能性がある。もし冷却経路が全体として一定の範囲の位置に広がり広範な方向を有していれば、このことは特に重要である。このような条件によって、マウント５８、６２が、各経路の形成動作に対してロータ・ブレード１２を適切に位置決めするため、相当程度の回転と移動を行うことが必要になる。マウント５８、６２の移動がより大きい程、各経路形成装置に対する公差の範囲はより大きくなる。第１図〜第３図に示すロータ・ブレード１２の場合、プラットフォームの冷却経路３４は翼冷却経路２２からかなり空間的に乖離している。更に、２つのグループのプラットフォームの冷却経路３６、４２内には、プラットフォーム１６の流動面３８と基準座標系に対して一定の範囲の角度が存在する。これらの角度と空間的な位置の範囲は、計量部４８と拡散部５２の位置合わせ不良に繋がる。
本出願人の発明によれば、公差の形成と重大な位置合わせ不良の可能性を削減する方法では、第５図〜第７図に示すような別の取付具６４とテンプレート６６を使用している。この取付具６４は、フレーム６８、鳩尾形のベース７２と複数のリテーナ７４を有している。この鳩尾形ベース７２を使用することによって、フレーム６８を多軸マウント５８、６２内に固定することができる。テンプレイート６６は、テンプレート６６を取付具６４に固定することができるように、これらの複数のリテーナ７４内にほぼ適合するサイズに形成されている。
プラットフォームの冷却経路３４の場合、第５ａ図と第５ｂ図に示すテンプレート６６を使用することができ、翼冷却経路２２の場合、第６ａ図、第６ｂ図と第６ｃ図に示すテンプレート６６を使用することができる。第６ａ図、第６ｂ図と第６ｃ図の実施例は、翼１４をシミュレートするために平板７６上に配設された直立部７８を有している。
空間的なエンベロープ８２を、形成すべき各組の冷却経路に対して形成する。第１図に示すロータ・ブレード１２の場合、プラットフォームの冷却経路３４は１つのエンベロープ８４を形成し、翼冷却経路２２は第２エンベロープ８６を形成する。プラットフォームの冷却経路３４は、高さＺ１（第４ａ図参照）、Ｘ１とＸ２の間のＸ座標、及びＹ１とＹ２の間のＹ座標（第１図参照）を有している第１エンベロープ８４を形成する。翼冷却経路２２は、Ｘ座標Ｘ３、Ｙ３とＹ４の間のＹ座標及びＺ３とＺ４の間のＺ座標を有する第２エンベロープ８６を形成する。
プラットフォームの冷却経路３４用の第２経路形成動作を実行する前に、取付具６４とテンプレート６６を第１経路形成装置内に位置決めする（第７図参照）。位置決め孔８８をプラットフォームの冷却経路３４のエンベロープ８４内の位置Ｐ１iに於いてテンプレート６６内に形成する。エンベロープ８４内の位置は位置決め孔８８と各プラットフォームの冷却経路３４の空間的な位置の間の公差の差を最小にするように選択する。プラットフォームの冷却経路３４の内の１つの位置は位置決め孔８８の位置として選択するのが好ましい。１つのプラットフォームの冷却経路３４はエンベロープ内の中央に位置し、選択した角度の範囲の内の中間の値の角度を有するようにすることを提案する。このような選択を行うことによって、位置決め孔８８と残りのプラットフォームの冷却経路３４の間の位置と方向の差が最小になり、これによって公差が最小になる。
位置決め孔８８を形成した後、取付具６４とテンプレート６６を第２経路形成装置に移動し、マウント６２に固定する。この第２経路形成装置は位置決め孔８８と位置合わせし、この第２経路を形成手段の座標系に対するこの位置決め孔８８の位置Ｐ２iに注目する。この位置Ｐ２iを位置Ｐ２tと比較するが、この位置Ｐ２tは第１座標系から第２座標系に変換した位置Ｐ１iである。
第２経路形成装置を位置決め孔８８と位置合わせするステップは、多くの方法によって実行することができる。もしこの第２経路形成装置が第５ｂ図のＥＤＭ装置５６であれば、第９図に示すように延長部９４を有する電極９２を使用することができる。この延長部９４は、位置決め孔８８の直径よりも小さい直径を有するようにそのサイズを設定している。もし位置合わせが適切に行われれば、延長部９４は位置決め孔８８の表面９６に接触することなく位置決め孔８８内に載置することができる。電極９２と位置決め孔８８の表面の間で接触が行われていないことを保証するため、電気的連続性のテストを行ってもよい。この連続性のテストは電極９２とテンプレート６６の間に設けられバッテリーのような電源１０２を有する解放電気回路９８と光源のような閉鎖回路に応答する信号装置１０４によって構成される。電極９２と位置決め孔８８の表面の間に何らかの接触が行われると、その結果、回路が閉となり光源に通電が行われる。
位置決め孔８８の実際の位置Ｐ２iと変換された位置Ｐ２i,tとを比較した結果生じる差は空間的な誤差Ｅpである。この誤差Ｅpは各プラットフォームの冷却経路３４の位置Ｐ２pに加え、補正位置Ｐ２cを発生する。このようにして、第１経路形成手段によって形成した計量部４８の実際の位置Ｐ１pと同じ冷却経路の拡散部５２のプログラムした位置Ｐ２pの間の差を補正する。
翼冷却経路２２の場合、これらのステップはプラットフォームの冷却経路３４に関して上で説明した方法と同様である。第６ａ図、第６ｂ図と第６ｃ図の取付具６４を使用する。代表的な経路形成装置の場合、翼１４に付いて示したような経路ではロータ・ブレード１２をその翼の側に回転させなければならないことに留意しなければならない。通常両方の経路形成装置に対して要求されるこのようなロータ・ブレード１２を回転させるステップによって、更にこれらの動作の間に公差が生じる。この別の公差が生じることによって、空間的に開離し異なった方向を向いた経路のグループに対して複数のエンベロープを設ける必要性が増す。取付具６４がその側に回転すると、位置決め孔８８の位置を選択してこの孔を形成するステップ、位置決め孔８８を第２経路形成装置と位置合わせするステップ、及びプログラムした位置の間の誤差を補正するステップは同じである。
本発明を例示した実施例に関して図示し説明したが、本発明の技術思想と範囲から逸脱することなく、種々の変更、省略及び追加をこの発明に対して行うことができることを当業者は理解しなければならない。

Claims (14)

1. 物品内に複数の経路を形成する方法であって、上記複数の経路の各々は、流体の流れが連通する第１部分と第２部分を有し、上記第１部分は第１座標系を有する第１経路形成手段によって形成し、上記第２部分は第２座標系を有する第２経路形成手段によって形成し、上記複数の経路の各々は上記第１座標系内に位置Ｐ１pを規定する所定の空間位置と上記第２座標系内に位置Ｐ２pを規定する所定の空間位置とを有し、上記複数の経路によって空間的エンベロープが形成される方法であり、かつ、
   テンプレート内に位置決め孔を形成するステップであって、上記位置決め孔は上記第１座標系内の位置Ｐ１iに於いて上記第１経路形成手段によって形成され、上記位置Ｐ１iは上記複数の経路の空間的エンベロープ内に存在する上記ステップと、
   上記テンプレートを、上記第１経路形成手段から移動するステップと、
   上記テンプレートを上記第２経路形成手段内に載置し、上記第２経路形成手段を上記位置決め孔と位置合わせするステップと、
   上記第１座標系から上記第２座標系に変換された上記座標Ｐ１iに対応する位置をＰ２i,tとして、位置Ｐ２i,tに対する上記位置決め孔の上記第２座標系内の実際の位置Ｐ２iの空間的誤差Ｅｐを判定するステップと、
   上記第１経路形成手段を使用して上記位置Ｐ１pに上記第１部分を形成するステップと、
   位置Ｐ２p＋Ｅpに対応する位置をＰ２cとして、上記第２経路形成手段を使用して位置Ｐ２cに上記第２部分を形成するステップと、
   を有することを特徴とする方法。
2. 上記第１経路形成手段はレーザ装置、上記第２経路形成手段は放電加工装置であり、上記第１部分を形成するステップは上記第１部分をレーザによって孔開けするステップを有し、上記第２部分を形成するステップは上記第２部分を放電加工するステップを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
3. 上記第１経路形成手段は放電加工装置であり上記第２経路形成手段は放電加工装置であり、上記第１部分を形成するステップは、上記第１部分を放電加工するステップを有し、上記第２部分を形成するステップは、上記第２部分を放電加工するステップを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
4. 上記複数の経路によって複数のエンベロープを形成し、位置決め孔を形成するステップは、複数の位置決め孔を形成するステップを有し、上記複数の位置決め孔の少なくとも１つは、各空間的エンベロープ内に位置することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
5. 上記位置決め孔を形成するステップは上記複数の経路の内の１つの位置に対応する上記位置決め孔用の位置を選択するステップを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
6. 上記第２経路形成手段は上記第２経路形成手段と上記テンプレートの間に延びる電気回路を有し、上記電気回路は電源と信号装置を有し、上記空間誤差Ｅpを判定するステップは連続テストを実行して第２座標系内の位置決め孔の正確な位置を判定するステップを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
7. 上記第２経路形成手段は放電加工装置であり、上記位置決め孔内に適合するサイズに形成された延長部を有する電極を備え、上記空間誤差Ｅｐを判定するステップは、上記延長部が上記位置決め孔の表面に接触しないように上記位置決め孔内に上記延長部を挿入するステップを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
8. 上記物品はタービンの構成部品であり、上記経路は冷却経路であり、上記第１部分を形成するステップは上記タービンの構成部品内に冷却経路を形成するステップを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
9. 上記タービンの構成部品は翼部を有し、上記第１部分を形成するステップは上記翼部を介して延びる冷却経路を形成するステップを有することを特徴とする請求の範囲第８項記載の方法。
10. 上記タービンの構成部品はプラットフォームを有し、上記第１部分を形成するステップは上記プラットフォームを介して延びる冷却経路を形成するステップを有することを特徴とする請求の範囲第８項記載の方法。
11. 上記経路は計量部と拡散部を有する経路形状であり、上記第１部分を形成するステップは上記計量部を形成するステップを有し、上記第２部分を形成するステップは上記拡散部を形成するステップを有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。
12. 上記冷却経路は計量部と拡散部を有する経路形状であり、上記第１部分を形成するステップは上記計量部を形成するステップを有し、上記第２部分を形成するステップは上記拡散部を形成するステップを有することを特徴とする請求の範囲第８項記載の方法。
13. 上記複数の経路は所定の基準に対して一定の範囲の値と一定の範囲の値の角度を有する平坦な位置を有し、位置決め孔を形成するステップは上記角度の値の範囲の中央値である角度を有する経路を選択するステップを有することを特徴とする請求の範囲第６項記載の方法。
14. 上記複数の経路は所定の基準に対して一定の範囲の値と一定の範囲の値の角度を有する平坦な位置を有し、位置決め孔を形成するステップは複数の平坦な位置の範囲の中央値である平坦な位置を有する経路を選択するステップを有することを特徴とする請求の範囲第６項記載の方法。

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