JP4463915B2 - 一部外側部分を有する空気力学的物品および製法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、空気力学的形状をした物品、特に外側表面上に耐環境性保護層をもつ前記のような物品に係る。
【０００２】
各種タイプの力学的装置は流体の流れによって作動して力を生み出すが、その流体を空気力学的表面上に通すことが多い。そのような装置の一例はガスタービンエンジンであり、この場合流体は空気および燃料の燃焼の結果生成する燃焼生成物である。タービンエンジンの空気力学的表面としては、エンジンの流路内で作動する回転および静止の動翼、静翼などのようなブレード部品に見られる翼がある。
【０００３】
各々の空気力学的物品、たとえばガスタービンエンジンのタービン動翼や静翼の翼は、その物品の設計において翼の所望の流体流機能に最適になるように選択される空気力学的設計の外形をもっている。そのような機能は、翼自体ばかりでなく、ガスタービンエンジン内の翼の集合体の相関および協同ならびにそのような集合体がエンジンの他の部分に及ぼしうる影響にも関係している。エンジンのブレード部品およびその集合体の設計では熱的条件と機械的条件を比較考量する。一般に、ガスタービンエンジンの高温部分で見られる厳しい環境条件で作動する翼は空気冷却されており、その翼の外側表面上に耐環境性の表面保護層を含んでいることが多い。そのような外側層の厚みを含めた外形およびそれが接合されているその下にある翼本体の形状は、個々のガスタービンエンジンにおいて集合体に使用するように最初に設計される翼の空気力学的外形の設計にあたり考察される。
【０００４】
タービン動翼や静翼のような翼表面に通常適用される外側保護部またはコーティング（皮膜）の一例は断熱皮膜（ＴＢＣ）系である。そのような系は、一般に、ブレードの外側表面に接合された金属のボンディングコートと、そのボンディングコートと接合された非金属セラミックタイプの耐熱外側層すなわちＴＢＣとを含んでいる。そのような外側保護部またはコーティング系の一部を、翼外面の領域のうち、稼働中に翼の他の領域よりも厳しい作動環境条件を受けることが観察されている領域のみに適用すれば、典型的な空気冷却式ガスタービンエンジンブレード部品の翼の熱的収支にとって、また最終的な作動寿命にとって有益であり得ることが認識されている。たとえば、空気冷却される翼の凹面および前縁部分を主として含む領域は凸面よりもそのような条件を受けることが多いということが観察されている。したがって、外側保護コーティング系、たとえばＴＢＣの断熱部分を、通常凹面および前縁部を含む領域のみに適用し、翼の残りの部分はボンディングコートまたは他の金属の耐環境性コーティングをもつままにすることが提案されている。
【０００５】
前記のように、翼本体の形状とコーティングの組み合わせを変えることなく、現存するブレードの空気力学的設計における外部コーティングの配置のみを変化させると、翼の外形を設計外部形状から最適なものより劣るものに変えることになろう。そのような形状の設計からの変更により、翼特性とブレード部品にかかる負荷に影響が出、不利な負荷条件が関連するエンジン部品、たとえば軸受に移されうる。
【０００６】
【発明の簡単な要約】
本発明は、設計外形を有しており、本体外面を含む本体と、外側部分外面を含み本体外面に接合された外側部分とからなる物品を提供する。外側部分は、設計空気力学的外形より小さい第一の外形を有する本体外面の実質的に全てより小さい一部のみに接合されている。外側部分外面は設計空気力学的外形より小さい第二の外形をもっている。しかし、この第一と第二の外形の組み合わせにより設計外形の物品表面が定められる。
【０００７】
別の態様において、本発明は、設計空気力学的外形が現存する物品から選択される、前記のような物品を製造する方法を提供する。この現存する物品は、第一の本体外形を定める第一の本体外面を有する第一の本体と、実質的に設計空気力学的外形を定める第一の外側部分外面を含む外側部分とを含んでおり、この現存する物品の外側部分は第一の本体外面の実質的に全部と接合されている。第一の外側部分より少ない量の交換外側部分を選択し、交換本体外面の実質的に全部より少ない領域と接合する。この交換外側部分は、設計空気力学的外形より小さい外形を定める外面を有している。交換本体外面、および第一の本体外形とは実質的に前記量だけ異なる交換本体外形を有する交換本体を選択する。この交換本体は交換本体外形をもつように作成する。次いで、交換外側部分を交換本体外面の前記領域と接合することにより、交換本体と交換外側部分の外面が一緒になって設計空気力学的外形を定める。
【０００８】
【発明の詳細な記述】
流体を使用する動力発生装置、たとえば空気と燃焼生成物を用いるガスタービンエンジンは、構成材料が許す限り効率的に作動するように空気力学的に設計される。作動条件は材料の能力を超えることがあり得るので、たとえばブレード翼やプラットホーム上に耐熱および／または耐環境性の保護層またはコーティングをときには内部空気冷却と組み合わせて使用する。ガスタービンエンジンのタービン動翼上に現在使われている環境保護・断熱外側部分またはコーティングの一例は、ブレード基材に拡散した金属のボンディングコートとこのボンディングコートに接合したセラミックの外側ＴＢＣとを含む周知のＴＢＣ系である。
【０００９】
このようなブレードでは、稼働中にブレードの他の領域の表面より厳しい作動環境条件にさらされるのが観察されている領域のみにコーティング系の外側断熱部分を適用することによって、より良い熱的・機械的特性のバランスを達成することができるということが認められている。典型的には、一般にブレードの凹面部および前縁部が凸面部やプラットホーム部分よりそのような条件を受けやすいことが観察されている。しかし、そのようにして現存するブレード上のコーティングタイプ、厚みおよび／または分布を変化させると、ブレードの空気力学的外形が変化を受け、またエンジンの作動にかなりの悪影響が出る可能性がある。
【００１０】
現行のブレード部品は、そのようなコーティング系が翼の全外面を完全に覆った状態で実質的に最適になるように選択された設計空気力学的外形をもっている。そのような部品は、関連するエンジン部品、たとえばロータ軸受に特定の流体流を提供し、また一定範囲の負荷を提供するように設計されてアセンブリ内に配置される。本発明は、１つの態様において、そのようなより良い外側部分またはコーティング分布をもつブレード部品の使用を可能にするためにエンジンの主要部を再設計する必要なく、物品の表面の選択された部分から省かれた外側またはコーティング材料の量を補うために物品の本体部分の形状を変化させることによって当初の設計空気力学的外形を維持する物品を提供する。
【００１１】
本発明は、添付の図面を参照するとより良く理解できるであろう。図１は、翼の凸面側１２から示した典型的なタービンエンジンのタービン動翼１０の透視図である。図２は、一般に図１に示したタイプの空気冷却式タービン動翼で、凹面側１４、前縁１６および後縁１８を含むものの断面図である。金属材料、たとえばＮｉ基超合金製のような翼本体２０は、耐環境性の外側保護部分またはコーティング２４（図２では本体２０の実質的に全部の回りに示されている）が接合された外側表面２２をもっている。外側部分２４は、翼の設計空気力学的外形を定めている外面２５をもっている。このような外側コーティングの１つの形態は上述したＴＢＣ系であり、これは本体２０に拡散した金属製ボンディングコートとこのボンディングコートに接合された断熱外側部分またはＴＢＣとをもっている。内部通路２６により冷却用の空気が翼の内部部分を通ることができ、この空気は外側表面２２を貫通する開口、たとえば後縁１８の開口または冷却用スロット２８から排出される。コーティング２４は図示したように後縁の冷却用開口にはなく、したがって「本体２０の回りの実質的に全部」という用語は図２に示したような状態を記載するのに使用されている。
【００１２】
上述したように、図２に示されているような現行のブレード設計において外側部分またはコーティング２４の範囲を変化させてコーティングの少なくとも一部をコーティング２４の前記範囲より少ない、たとえば選択された１つ以上の領域に限定すると、表面２５によって定まる翼の設計空気力学的外形に不利な変化が生じうる。１つの態様において本発明はそのような当初の設計形状を保持する交換物品を提供する。図３の部分概略断面図は、全体を３０で示した交換ブレード翼のような物品複数の集合体（アセンブリ）、たとえばタービンロータアセンブリの一部を示している。翼３０は、図２において本体２０の外面２２により定められる外形とは異なり設計空気力学的外形より小さい外形を定めている本体外面３４を有する交換本体３２をもっている。また翼３０は、図２の外側部分２４の外面より少ない量で設計空気力学的外形より小さい外面３８を有する交換外側保護部分３６ももっている。図３で、外側部分３６は、外面３４の選択された領域、たとえば凹面側１４と前縁１６の表面では保持されているが、そのような領域以外の表面では保持されてなく、たとえば凸面側１２の表面では実質的に保持されていない。したがって、外側部分３６の外面３８は、図２の外面２５とは異なり、もはや単独で設計空気力学的外形を定めることはない。以前と同様に後縁１８には完全な外側保護部分３６を含ませなかった。たとえば、ＴＢＣ系を用いて本発明を評価した際、交換外側保護部分はセラミックタイプのＴＢＣであったが、外側表面３４の実質的に全体を覆って金属製の耐環境性コーティングを代表する金属製ボンディングコートを保持した。
【００１３】
図２で、現行のブレード翼の設計空気力学的外形は外側部分またはコーティング２４の外面２５の形状によって定められていた。この設計空気力学的外形は、図３の交換ブレード３０では、交換本体３２と交換外側部分３６のそれぞれの外面３４と３８の外形の組み合わせによって保持された。このような組み合わせを得るために、交換本体３２の寸法を図２の外側部分２４の省かれた部分に対応する量で変化させ（この例では増大させ）た。図２における凸面側１２の本体外側表面２２の当初の位置は図３においては２２の仮想破線で示されており、図３はまたその凸面側１２の交換本体３２の外側表面３４の位置も示している。交換本体３２は、凸面側１２で図３に示した表面３４と仮想破線面２２との間の量だけ増大させた。ガスタービンエンジンのタービンブレード部品の場合、通常この量は断面厚みで約０．００１〜０．０１″（インチ）の範囲であり、好ましくは約０．００５〜０．０１″（インチ）の範囲である。
【００１４】
すでに述べたように、エンジン内に組み立てられるガスタービンエンジンブレード翼のような物品の空気力学的流動特性を変化させることになる物品の寸法の変化は、その結果として回転軸受のような関連する部品に望ましくない負荷を加える可能性がある。たとえば、図３で、翼３０間の流路内のスロート領域４０はエンジンおよびその部品の設計において選択される。図２の外側部分またはコーティング２４が本体外面２２の一部から図３の仮想破線２２で示される位置まで削除されると、新たなスロート領域は仮想破線４２によって定まることになる。その結果、タービンロータ軸受には設計負荷範囲から外れた負荷がかかり、軸受の寿命に影響が出る可能性がある。本発明はそのような望ましくない状態を回避するものである。
【００１５】
本発明は１つの態様において、すでに存在する物品の設計空気力学的外形を定める物品部品の寸法を物品の交換部品の外面の組み合わせにより変化させる交換物品、たとえば翼を提供する。たとえば、図２においてコーティング２４の外面２５により定められる設計空気力学的外形は、図３の交換翼３０においては、交換本体３２と交換外側部分またはコーティング３６のそれぞれの外面３４と３８の組み合わせによって保持される。
【００１６】
高温合金、たとえばＮｉ基超合金で作られる最新の空気冷却式ガスタービンエンジンの高圧タービン動翼の製造では、通常ロストワックス法に基づくタイプの精密鋳造法が用いられている。ワックスと金型は、翼の選択された設計の外形を含むように調製して、精密鋳造された製品の空気力学的外形がそのような設計形状になるようにする。一般に、翼は後に外部環境保護層またはコーティングでしばしば全体の寸法が約０．００５〜０．０１″（インチ）の範囲で増大するまで被覆される。本発明はその一つの態様において、精密鋳造法とその鋳造品のコーティング法とを一体化してすでに存在する設計空気力学的外形の保持を可能にする方法を提供する。
【００１７】
そのような方法態様においては、現存する物品、たとえば翼から設計空気力学的外形を選択する。図２を参照して、そのような物品は、第一の本体外形を定めている第一の本体外面２２を有する第一の本体２０と、実質的に設計空気力学的外形を定めている第一の外側部分外面２５を含む第一の外側部分２４とをもっている。第一の外側部分２４は、図示されているように後縁１８を除いて第一の本体外面２２の実質的に全体と接合されている。
【００１８】
外側部分２４より小さい寸法の外側部分を有する実質的に前記設計空気力学的外形の物品を製造するために、選択された交換本体３２の外面３４の実質的に全体より少ない領域に接合するために図３の交換保護外側部分３６を選択した。交換本体３２と交換外側部分３６のそれぞれの外面３４と３８は各々設計空気力学的外形より小さい外形を定めていた。しかし、このような外面が一緒になって前記のような設計形状を実質的に定めていた。
【００１９】
交換外側部分と交換本体の選択後、たとえば精密鋳造法によって、交換本体外形を含むように交換本体を作成した。次に、交換本体外面の領域と交換外側部分を接合した。本発明の１つの評価においては、まず交換本体外面３４の実質的に全体に金属製のボンディングコートを適用・拡散させることによってＴＢＣ系コーティングを交換本体外面に設けた。次いで、セラミックＴＢＣの形態の交換外側部分３６を、選択された領域でのみボンディングコートを介して交換本体に適用・結合させた。このようにして、すでに存在する物品と交換する物品に、このすでに存在する物品の設計空気力学的外形をもたせた。
【００２０】
特定の具体例、態様、形状、材料などに関して本発明を説明してきた。しかし、以上は本発明の代表例であり本発明の範囲を限定するものではないものと理解されたい。関連するさまざまな分野の当業者には、本発明が特許請求の範囲から逸脱することなく変更と修正が可能であるものと理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、典型的なガスタービンエンジンのタービン動翼の凸面側から見た透視図である。
【図２】図２は、翼表面の実質的に全部に外側保護コーティングを有する図１に示したタイプの空気冷却式タービン動翼の縦断面図である。
【図３】図３は、図２に示したタイプの翼で、各翼が一部に外側保護層を有するアセンブリの概略部分断面図である。
【符号の説明】
１０ 現存する物品、ガスタービンエンジン動翼
１２ 凸面
１４ 凹面
１６ 前縁
２０ 第一の本体
２２ 第一の本体外面
２４ 第一の外側部分
２５ 第一の外側部分外面
３０ 物品、翼
３２ 本体、交換本体
３４ 本体外面、交換本体外面、交換本体外形
３６ 外側部分、交換外側部分、コーティング
３８ 外側部分外面、交換外側部分外面、交換外側部分外形、コーティング外形

Claims (9)

1. 設計空気力学的外形を有する物品（３０）であって、
   本体外面（３４）を含む交換本体（３２）と、外側保護コーティング部分外面（３８）を含む交換外側保護コーティング部分（３６）とを含み、
   前記交換外側保護コーティング部分（３６）は本体外面（３４）に接合されており、
   前記交換外側保護コーティング部分（３６）は、前記本体外面（３４）の全部より少ない一部のみに接合されており、
   前記本体外面（３４）は、前記設計空気力学的外形より小さい第一の外形を有しており、
   前記交換外側保護コーティング部分外面（３８）は、前記設計空気力学的外形より小さい第二の外形を有しており、前記第一と第二の外形が一緒になって前記設計空気力学的外形の物品表面を規定している前記物品（３０）。
2. 前記第一と第二の外形により規定される設計空気力学的外形を有する翼を含む、請求項１記載の物品（３０）。
3. 前記本体外面（３４）が、物品表面（１２、１４、１６、１８）の全部より少ない領域（１４、１６）であって稼働中にこの領域以外の物品表面（１２、１８）よりも厳しい作動環境条件下にあることが観察されている物品表面（１４、１６）の中から選択される領域（１４、１６）を含んでおり、前記交換外側保護コーティング部分（３６）が、本体外面（３４）の前記領域（１４、１６）に接合されている、請求項２記載の物品（３０）。
4. 翼表面が、凹面（１４）、凸面（１２）、および凹面（１４）と凸面（１２）の間の前縁表面（１６）を含んでおり、前記領域が、凹面（１４）および前縁表面（１６）の少なくとも一部を含んでいる、請求項３記載の物品（３０）。
5. 請求項１記載の物品（３０）を製造する方法であって、
   当初の本体外形を規定する当初の本体外面（２２）を有する当初の本体（２０）と、設計空気力学的外形を規定する当初の保護コーティング部分外面（２５）を含み前記当初の本体外面（２２）の全部と接合された当初の外側保護コーティング部分（２４）とを含む当初の物品（１０）から設計空気力学的外形を選択し、
   前記当初の外側保護コーティング部分（２４）より少ない量でありそして前記交換本体外面（３４）の全部より少ない領域（１４、１６）と接合される、前記設計空気力学的外形より小さい外形を規定する交換外側保護コーティング部分外面（３８）を有する前記交換保護コーティング外側部分（３６）を選択し、
   前記交換本体外面（３４）と、前記当初の本体外形（２２）とは前記当初の外側保護コーティング部分より少ない前記量だけ異なる交換本体外形とを有する前記交換本体（３２）を選択し、
   交換本体外形をもつ交換本体（３２）を作成し、前記交換保護コーティング外側部分（３６）を前記交換本体外面（３４）の領域（１４、１６）と接合することにより、前記交換本体（３２）の交換本体外面（３４）と前記交換保護コーティング外側部分（３６）の外面（３８）とが一緒になって前記設計空気力学的外形を規定する、
   ことからなる、前記方法。
6. 物品（３０）が翼を含み、交換本体（３２）と交換外側部分（３６）の外面（３４、３８）が翼の表面である、請求項５記載の方法。
7. 交換本体外形（３４）を提供するように交換本体（３２）を精密鋳造することにより交換本体（３２）を作成し、交換外側部分外形（３８）のコーティング外形（３８）を有するコーティング（３６）を交換本体外面（３４）と接合し、交換本体外形（３４）とコーティング外形（３８）とが一緒になって設計空気力学的外形を規定する、高温合金の交換本体（３２）と耐環境性コーティングの交換外側保護部分（３６）とを含むガスタービンエンジンブレード部品（１０）を製造するための請求項６記載の方法。
8. 前記量が断面厚みで０．００２５４〜０．０２５４ｃｍの範囲である、請求項７記載の方法。
9. コーティングがＴＢＣ系である、請求項７記載の方法。

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