JP4766736B2 - 気体冷却媒体流の冷却効果改善の方法及び関連製品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は概して高温環境で用いられる基材に関する。より具体的にはそのような環境において基材を損傷から保護する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温環境に曝される構成部品には金属やセラミックス等の種々のタイプの材料が用いられる。航空機エンジン部品はこの種の構成部品の代表例である。金属構成部品には使用可能な温度を高めるための種々の方策が用いられてきた。例えば、一つの方法はタービンエンジンエーロフォイルのような構成部品の表面に保護皮膜を用いることである。このような皮膜は通常セラミックを基本とするもので、時に遮熱皮膜、又は「ＴＢＣ」と呼ばれる。
【０００３】
ＴＢＣは一般的にエンジンの運転中に冷却空気が強制的に流されるエーロフォイル内の内部冷却チャネルと共に使用される。一つの例として、あるパターンをなす冷却孔がエーロフォイルの比較的低温の表面から少なくとも約１０００℃の燃焼温度のガスの流れに曝される高温の表面に延びている場合がある。この技術は時に「不連続孔フィルム冷却」と呼ばれる。冷却空気は通常エンジンの圧縮機から抜き取られ、一般的にはタービンエンジンの燃焼区域を迂回して冷却孔を介して高温表面に供給される。冷却空気質量流量（空気速度と密度との積）の高温表面に沿って流れる高温ガスの質量流量(例えば、燃焼の産物）に対する比は、時に「ブローイングレシオ」と呼ばれる。冷却空気は高温表面と高温ガス流との間に保護「フィルム」を形成して構成部品の溶融その他の劣化を防ぐが、このことは米国特許第５４５８４６１号（Ｃ．Ｐ．Ｌｅｅ他）にも記載されている通りである。
【０００４】
フィルム冷却の性能は幾つかの方法で特性を表すことができる。性能の適切な表示の一つが断熱壁フィルム冷却効果で、時に本明細書内で「冷却効果」と呼んでいるものである。この特定のパラメータは冷却されている表面におけるフィルム冷却流体の集中に関連している。一般に冷却効果が大きくなればなるほど、より効率的に表面が冷却される。冷却効果が低下すると、ある一定の冷却能力を維持しようとすればより大量の冷却空気が必要となる。この空気の必要性が、次に燃焼区域から空気を他へそらせてしまうことになる。このことが、例えば理想的でない燃焼による空気汚染の増大や、エンジンの運転効率の低下などの他の問題を生じる。タービンエンジンエーロフォイルの場合には、効果的なフィルム冷却にはフィルムがより高温の燃焼ガスとできるだけ混合しないで、エーロフォイルの高温表面に密着することを必要とする。
【０００５】
冷却効果を増大させる方法が、１９９９年４月５日出願の本願出願人に譲渡されたＲ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ他の米国特許出願番号０９／２８５９６６（参考文献としてここに援用する）に記載されている。その開示においては、基材の通路孔を通る冷却媒体の流れは、基材の「高温」側の流出個所を設けることによって意図的に攪拌されている。好ましくは前記流出個所はクレータの形状をなしているもので、高温側に施された遮熱皮膜内におくことができる。（通路孔は本明細書では時に「フィルム冷却孔」と呼ばれる）。
【０００６】
そのようなクレータを形成する一つの方法が、Ｍ．Ｂｏｒｏｍ他の米国特許第５９０２６４７号に記載されており、参考文献としてここに援用する。その発明の幾つかの実施形態においては、フィルム冷却孔はタービン基材の後側（低温側）から孔内に突き出たマスキング材料で一時的に埋められる。マスキング材料は孔内を流れて基材の高温側に出る。マスキング材料は孔を出るときに硬化され突出部を形成し、突出部には遮熱皮膜が付着しない。皮膜が施された後、マスキング材料は取り去られて通路孔が現れるが、この通路孔がまた望ましい出口個所の幾何学的形状をもたらす。
【０００７】
上記で言及した特許出願に記載された方法は、多くの状況で冷却効果を増大するのに非常に適している。しかしながら、当該専門分野においては冷却媒体の流れの性能を高める方法がいまだに求められている。それらの方法は特に非常に高い作動温度に曝されるタービンエンジンの構成部品の配列されたフィルム冷却孔に利用可能であるべきである。より具体的にはそれらの方法は、孔を出る冷却空気がはっきりした差をもって基材の高温表面に密着するフィルム孔の幾何的形状をもたらすべきである。これらの方法は望ましくない冷却空気の高温燃焼ガスとの混合を最小限にする働きをすべきである。
【０００８】
さらに、これらの新しい方法はその構成部品の他の機能、例えばタービンエンジンの効率的な運転やタービンエンジンの部品の強度や信頼性を損なってはならない。これらの方法はまた、遮熱皮膜組織を施すのに用いるプロセスと両立可能であるべきである。幾つかの例において、その方法がタービン構成部品の裏側、例えば構成部品の閉じられた内側の部分など、にアクセスする必要がなければ非常に好ましい場合がある。最後にこれらの方法の採用がそれに係わる構成部品、又はそれらの構成部品を作動させるシステムの製作や使用において、実質的なコストの増加を伴わないことが望ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一つの実施形態は、基材に設けられた列又は他のパターンをなす通路孔を通って流れ、基材の高温表面に流れ出る流体の冷却効果を改善する方法である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
その方法は、基材の高温表面の中で、孔の上にスロットを形成する段階を含んでなる。いくつかの好ましい実施形態において、スロットの深さは孔の平均のど円直径よりも小さい。基材は１列又は他のパターンもしくは複数の列又は他のパターンを含んでなることができる。基材は通常１層又はそれ以上の例えば遮熱皮膜のような皮膜によって覆われている。
【００１１】
幾つかの実施形態では、スロットは以下の段階を含んでなる技術で形成されている。
【００１２】
（ａ）各孔を硬化可能なプラグ材料で覆う段階、
（ｂ）プラグ材料を硬化させる段階、
（ｃ）列又はパターンをなす孔を覆って、前もって選定されたスロットの形状寸法と実質的に同一である形状寸法を有するマスクを施す段階、
（ｄ）基材とマスクの上に皮膜を施す段階、
（ｅ）マスクを取除く段階、そして
（ｆ）プラグ材料を取除く段階。
【００１３】
皮膜は、ボンド層とセラミックのオーバーコートを含んでなるＴＢＣ組織であることがしばしばである。ボンド層は通常、貴金属アルミニド材料、即ちＭＣｒＡｌＹ材料、ここでＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びそれらのいずれかの混合物からなるグループの中から選ばれる、から形成される。セラミックのオーバーコートは通常ジルコニアを基にしており、しばしば溶射プロセスによってボンド層上に施される。
【００１４】
いくつかの実施形態において、スロット（つまり、その深さ）全体が基材上に堆積した皮膜の中に位置し、基材の表面はスロットの底面となっている。他の実施形態ではスロットの下部は基材自体の中に配置され、一方、スロットの上部は皮膜の深さの中に配置されている。さらに、スロットの深さはしばしば通路孔の平均のど円直径よりも小さい。
【００１５】
基材の形の物品は、
（Ｉ） 第１の流体に曝される第１の表面と、
（ＩＩ） より高温の第２の流体に曝され（例えばタービンエンジンの運転中などに断続的に曝され）、第１の表面と間隔を置いて位置している第２の表面と、
（ＩＩＩ） 基材をを貫通して第１の表面から第２の表面上のスロットまで延び、平均のど円直径ｄを有する少なくとも１列又は他のパターンをなす通路孔と、
（ＩＶ） スロットを除く第２の表面の部分を覆う少なくとも１層の皮膜とを含み、
スロットが第２の表面に実質的に平行な底面を有し、スロットの底面が通路孔と流体連通状態である物品
として表現される。
【００１６】
タービンエンジンの基材の場合には、本発明の特徴が幾つかの重要な利点をもたらす。例えば、通路孔を出て行くフィルム状冷却媒体は、高温表面から急速に離れて燃焼ガスと混合する好ましくない状態になることなく、高温表面と密着した状態を保つ。このことが次に構成部品にとってはより大きい冷却効果をもたらす。
【００１７】
種々の実施形態のさらに詳細な内容を以下に説明する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
高温に曝される基材で冷却が必要なものはどのようなものでも本発明を使用できる。例にはセラミックス又は金属ベースの材料が含まれる。本発明に関連がある金属には例に挙げると限りがないが、鋼、アルミニウム、チタニウムのような耐熱金属類、ニッケル、コバルト、又は鉄をベースとする超合金類がある。
【００１９】
基材に設けられるフィルム冷却孔は一つの表面から他の表面へと延び、種々の形状を構成しうる。孔ののど部は通常実質的に円筒形である。孔のブレークアウト部位は孔が基材表面で終わる部位で、本明細書では時に「出口個所」と呼ばれる。ブレークアウト部位はしばしば楕円又は拡散形状をなしているが、他の孔出口の幾何学的形状も可能である。（ここに使ったように、ブレークアウト部位は、例えば楕円のブレークアウト直径というように、縁から縁までの最も広い２次元的寸法で特性を表される。）孔は通常後側（例えば内側）の表面から温度がより高いつまり「高温」表面に延びる。(後側表面は本明細書では時に「より冷温な表面」又は「冷温表面」と呼ばれる。）タービンエンジンの場合では高温表面は一般的に少なくとも１０００℃、よりしばしば少なくとも１４００℃のガス温度に曝される。例示的な基材１０の断面図が図１に示され、１個の通路孔例えば「フィルム冷却孔」を図示する。（以下にさらに説明する通り、例えばタービンエンジン構成部品のような種々の物品は、通常、列又は規則正しい配列で設けられた多くのフィルム冷却孔を含んでいる）。表面１２は高温表面であると任意に定め、一方表面１４は冷温表面とする。通路孔１６は冷温表面１４から延び孔の長さ部分１８を通って高温表面１２に出る。通路孔はしばしば高温表面に対して傾斜している。
【００２０】
通常、高温表面と冷温表面との距離は基材の厚さに等しく、図１においては寸法「Ｘ」で示されている。この距離は通常約２０ミル（５０８ミクロン）から約１０００ミル（２５．４ｍｍ）の範囲にあり、最もしばしばあるのは約５０ミル（１２７０ミクロン）から約２００ミル（５．１ｍｍ）の範囲にある。孔の平均のど円直径は一般的な場合で約１０ミル（２５４ミクロン）から約１００ミル（２５４０ミクロン）である。ある実施形態では、直径は約１５ミル（３８０ミクロン）から約５０ミル（１２７０ミクロン）の範囲にある。孔は通常ある角度をもって設けられ、例えば基材の水平表面に対して少なくとも約１０度から約６０度までの角度で傾斜してる。より多くの場合は（特に孔が例えば燃焼器のライナーなどエンジン部品にあるとき）、その角度は約２０度から約４５度の範囲にある。特定の孔の角度は勿論構成部品の形状、その冷却要求条件、サンプル基材を貫通しそこを通る空気流のパターンの経験的観察（及び／又はコンピュータによるモデリングの結果）によって定められる。本発明は上記全ての範囲の孔の傾斜に適用可能と考えられる。
【００２１】
通路孔の深さ（つまり孔がある角度に置かれたときの孔の「長さ」）は通常約２０ミル（５０８ミクロン）から約４０００ミル（１０２ｍｍ）の範囲にある。この範囲は以下に論じられているスロットの深さを含む。一般的には外側表面１平方インチ当たり約５から約２００の孔がある。本発明はいかなる数の通路孔にも適応できることは、理解されねばならない。さらに本発明は個別の列をなす孔に特に適しているが、他のパターンの孔にも適用可能である。さらに、通路孔はフィルム冷却孔に限られないが、タービンエンジン構成部品に通常見られる孔はそれらの種類の孔である。
【００２２】
図２は例示的なガスタービンエンジンロータブレード２０の斜視図である。このブレードは参考文献としてこの明細書に援用したＣ．Ｐ．Ｌｅｅ他の米国特許第５４８５４６１号の図１及び図２に説明されるものと類似している。通常、複数のロータブレード２０が環状のロータディスク（図示せず）に取付けられている。前記Ｃ．Ｐ．Ｌｅｅ特許にさらに説明されている通り、ブレード２０はダブテールを含み、ダブテールはロータディスクの補完的ダブテール（図示せず）に結合される。例示的なエーロフォイル２２はブレードのダブテールと一体に形成され、従来型のプラットフォーム２３に結合される。プラットフォームは燃焼ガス２４に対して内部流れ通路を構成し、燃焼ガス２４は従来のようにエーロフォイル２２を越えて流れる。
【００２３】
従来の設計によれば、エーロフォイル２２は相対する正圧及び負圧側壁２６及び２８を含む。側壁は半径方向の軸線３４に沿って根元３６から外側端部３８まで半径方向即ち長手方向に延在している。両側壁は軸方向上流端で前縁３０に沿って一体に結合され、反対の軸方向下流端で後縁３２に沿って一体に結合されている。冷却空気４０は従来通りに圧縮機から抽出さる（図示せず）。冷却空気はブレードダブテールを通って上方にエーロフォイル２２の中へ流れ、エーロフォイル２２を冷却する。エーロフォイルは、以下に説明する通り改善されたフィルム冷却装置を備えている。
【００２４】
米国特許第５４５８４６１号に記載されている通り、エーロフォイル２２は中空で、従来型の冷却回路を備える。冷却空気４０は前述の通り回路を通って適切に導かれ、従来通りエーロフォイルの種々の部分を冷却する。フィルム冷却孔４４は上記した通路孔、例えば図１で示した通路孔と全般的に類似している。図２で特記するものとして、側壁２６と２８は「高温」表面である。両側壁のそれぞれの反対側の表面３１と２９は、外側端部３８のキャップの部分で視野からさえぎられているが、仮想線で示される。これら内側表面３１及び２９がエーロフォイルの「冷温表面」である。
【００２５】
不連続なフィルム冷却孔４４は通常列をなして配置され一般的には上記に説明した通りある角度で傾斜している。孔は長手方向（縦方向）に互いに間隔を置いて配置され、エーロフォイルの内側表面から外側表面例えば側壁２６、２８へ外方に延びている。孔の角度はブローオフの傾向を減少させ、それによってフィルム冷却効果を改善するように定められる。理想的な条件のもとでは、エーロフォイルの外側表面で冷却孔を通って吐出される冷却空気４０は、実質的に二次元の冷却媒体の膜を形成し、実質的に連続した被覆を形成する。図２はまた細長いスロット４６も図示する。このようなスロットは、従来技術では外側側壁２６，２８への空気の吐出に先立って、フィルム冷却空気の速度を減少させるのに用いられている。
【００２６】
前に述べた通り、その作動温度容量ををさらに増大させるために遮熱皮膜（ＴＢＣ）をエーロフォイルの高温側に施すことができる。例として、側壁２６と２８にボンド層をまず施すことができる。ボンド層は例えばＰＶＤやＣＶＤ或いは溶射プロセスのような、種々の従来の技術で施工できる。溶射プロセスの例をあげると、真空プラズマ堆積、高速ガス式（ＨＶＯＦ）やエアプラズマ溶射（ＡＰＳ）等がある。溶射とＣＶＤ技術の組合せも使用できる。一般に用いられるボンド層は「ＭＣｒＡｌＹ」、ここで「Ｍ」は鉄、ニッケル又はコバルトを表す、のような材料でできている。また他のタイプのボンド層にはアルミニド又は貴金属−アルミニド材料（例えば、白金−アルミニド）をベースにするものがある。このような材料は、パック拡散プロセスなどのよく知られた技術で施工できる。次にＴＢＣがボンド層の上に施される。タービンエーロフォイルの場合は、ＴＢＣは多くの場合イットリアなどの酸化物で安定化させたジルコニア基材料である。ＴＢＣは一般的には溶射技術、又は電子ビーム物理的気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）で施される。
【００２７】
本発明ではスロットは出口個所に形成される。非常に一般的な用語を用いるとエーロフォイル中のスロットの位置は、以下の形状の関連において表現が可能であり、それは（ａ）その上を第１の流体が流れることが可能である第１の表面、及び（ｂ）第１の表面から横軸に沿って間隔を置いて位置し、その上を第２の流体が流れることが可能な、反対側の第２の表面である。第２の流体は第１の流体よりも高温であり、横軸に対して垂直に配置された軸方向軸に沿って下流の方向に流れる。この用語法に従えば、本発明のスロットは第２の表面から第１の表面に向かって部分的に内方かつ垂直に、かつ横軸及び軸方向軸の両方に垂直に配置された縦方向軸に沿って縦方向に延びている。（以下にさらに説明するように、スロットはある好ましい実施形態においては当初保護皮膜を貫いて延びている。）フィルム冷却孔は互いに間隔を置いて配置され、第１の表面からスロットへフィルム冷却空気を導くためにスロットと流体連通状態で第１の表面からスロットまで外方へ延びる。孔のブレークアウト部位はスロットと同一平面上にあり、冷却媒体をスロットに吐出するために縦方向軸に関して選定された吐出角度で傾斜している。
【００２８】
スロットは、横軸Ｔ、軸方向軸Ａ及び縦軸Ｌの方向支持矢印を含む図２を参照して、より特定的に説明が可能である。スロット４６は本発明のものと類似した位置にあるが請求の範囲に記載のスロットとは、以下に説明するように大きく異なる。スロットは、各高温表面から冷温表面に、つまり側壁２８から内部表面２９にまた側壁２６から内部表面３１に、部分的に内方にかつ垂直に延びている。スロットはまた孔の選定された寸法に沿って縦方向に延びる。図２についての例のように、スロットは縦方向軸Ｌに沿って縦方向に延び、列４９の孔の出口個所を収容し得る。もう１つのスロット（概して第１のスロットに平行）が軸Ｌに沿って縦方向に延びることができ、このスロットは列５１の孔の出口個所を含むことになる。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態では、スロットは、基材つまり高温表面を覆って施された皮膜内にある。前に説明したように、これらの皮膜は通常遮熱組織であり、遮熱皮膜と下にあるボンド層を含んでなる。図３はこの実施形態の一つの例示的な図示を提供する。基材６０は、一つ又はそれ以上の表面に冷却を必要とするあらゆる物品の壁を示し、例えば図２のエーロフォイル２２の壁である。この壁は高温表面６２と冷温表面６４を含む。
【００３０】
燃焼ガス６５は従来の方式で、物品の上つまり皮膜された表面６２の上に沿って流れる。冷却媒体である空気６６は冷温表面からフィルム冷却孔６８を通って上方に流れる。孔のブレークアウト部位は図３にエレメント６９として示されている。孔は平均のど円直径はｄを有する。
【００３１】
基材６０はボンド層７０とその上を覆うＴＢＣ７２で部分的にコートされている。この実施形態においては、スロット７４はボンド層とＴＢＣの中に形成され、その深さはＤである。通常（しかし常にではない）、スロットの側壁７６と７８は基材の表面６２に対して実質的に垂直である。（従って、側壁はスロット７４の底面８０に対して通常実質的に垂直である）。
【００３２】
いくつかの実施形態において、スロットの深さＤはフィルム冷却孔の平均のど円直径ｄよりも小さい。ある特に好ましい実施形態では、スロットの深さＤは平均のど円直径ｄの約５０％よりも小さい。これら関連諸寸法は従来技術で使用されるしばしば非常に深いスロットとは顕著な相違がある。例えば米国特許第５４５８４６１号においては、スロットの深さは孔の直径の少なくとも２倍であることが好ましい。そのような深いスロットは、時に基材の強化、例えば壁厚の増加が必要となる。
【００３３】
図３に示すように、スロット７４は冷却孔６８を出る冷却空気の余水路溝の役をする。側壁７８は「下流」壁（燃焼ガス流れ６５に関して）とみなされ、冷却媒体である空気の障害物となる。結果として冷却媒体は一般に側方にスロットの中へと、高温表面７３（つまり、表面６２のコーティングされたもの）に沿って強制的に拡散される。冷却媒体はこうして、高温表面から急速に離れ燃焼ガスと混合する望ましくない状態になることなく、高温表面に密着した状態を保つ。このことが次に構成部品にとってより大きい冷却効果をもたらす。
【００３４】
上記に述べたようなスロットを形成するために種々の技術を用いることができる。ある実施形態においては、保護皮膜材料が孔の中で堆積しないように列をなす各孔を最初に硬化可能なプラグ材料で覆う。プラグ材料は柔軟で曲げやすいもので各孔に手で、又は適切な工具又は機械で挿入できる。好ましい実施形態では、材料は高温表面、つまり図３の表面６２から挿入される。（皮膜の堆積より前に）。こうして、この工程では裏側（表面６４）へのアクセスは不必要である。
【００３５】
プラグ材料は以下に説明するように、この後種々の皮膜で基材をコートするのに用いる温度に耐える能力がなければならない。種々のエラストマ材料が使用でき、例えばシリコンベースの樹脂又はアクリル系材料である。多くの実施形態に適した材料の一例がＭａｃｈｂｌｏｃ（登録商標）で、これは多シロキサンとシリカ増量剤をベースとしている。構成部品がその後より高温の堆積技術で覆われる場合は熱硬化性の樹脂を用いることができる。これらの樹脂はしばしば少なくとも約４００℃までの耐熱性がある。（そのような材料は、それらを曲げやすい状態に保ちフィルム冷却孔への挿入を容易にするために、一般的には未硬化（架橋結合していない）又は部分硬化状態で用いられる）。当業者はプラグの材料はしばしば添加物、例えば可塑材、増量剤、結合剤、硬化剤等を含むことは理解されよう。
【００３６】
孔がプラグ材料で埋められた後、材料は従来の方法で硬化（硬くする）される。前記の材料のあるものは、硬化の大半を触媒に頼っている。他の材料は加熱を必要とする。加熱が必要な場合、加熱の段階は種々の技術でおこなわれ、例えば対流式オーブン、太陽灯、その他がある。
【００３７】
次にマスクが、埋められた孔、例えば列になった孔、の上を覆って施される。マスクは通常、スロットの前もって選定した寸法と実質的に一致している寸法を有する。（もしも孔が列でなく、何らかの他のパターンの場合は、マスクはその孔のパターンを覆う形状にされる）。マスクは前にも説明した通り、一部では後のコーティング工程の堆積温度に応じて種々の材料で形成される。例えばマスクは上記した硬化可能なプラグ材料片とすることができ、例えば、Ｍａｃｈｂｌｏｃ（登録商標）、或いは熱硬化性のポリマー（硬化、又は部分的硬化の形体で）である。より高い耐熱性が求められる時には、マスクは必要な寸法を持つ金属又はセラミックのバーとすることができる。マスクは種々の技術、例えばクランプや接着剤で一時的に基材に固着させることができる。
【００３８】
マスクを正しい位置に取付けて、保護皮膜又は複数の皮膜が基材とマスク上に施される。ＴＢＣ組織の場合には、前に説明したとおり、ボンド層（「ボンドコート」）が最初に施工され、次にＴＢＣ自体が施される。ボンド層はマスクで阻止される範囲以外は基材を完全に覆い、またＴＢＣがボンド層を完全に覆う。ボンド層の厚みは種々の要素、例えばその構成部品の使用条件、要求される酸化保護の水準、及び求められるスロットの深さに左右される。通常、厚さは約２５ミクロンから約１０００ミクロンの範囲にある。ある実施形態では、複数のボンド層が使われることもありうる。
【００３９】
ＴＢＣの厚さは部分的には構成部品が曝される熱環境、ボンド層の厚さ、及び求められるスロットの深さに左右される。通常、その厚さは約１２５ミクロンから約２５００ミクロンの範囲にある。エーロフォイル構成部品などの最終用途での好ましい実施形態では、厚さはしばしば約１２５ミクロンから約２５００ミクロンの範囲にある。当業者には上記の堆積技術のいずれでも実行に伴う詳細にはよく慣れていることである。例としてあげれば、基材と皮膜材料の堆積温度はマスクの耐熱度に対応して変更（例えばプラズ溶射の場合）が可能である。適切な皮膜技術の関連の参考文献には、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒの‘化学技術の百科事典（Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）’第３版１５巻（１９８１）及び２０巻（１９８２）；Ｕｌｌｍａｎｎの‘工業化学の百科事典（Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ）’第５版；Ａ６巻 ＶＣＨ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ（１９８６）；サイエンティフィックアメリカン誌Ｈ．Ｈｅｒｍａｎの記事、１９８８年９月号；及び米国特許第５３８４２００号（参考文献として援用する）がある。
【００４０】
皮膜を基材に堆積した後、マスクを取り除く。通常マスクは難なく手で取り外せる。溶剤、オイル又は市販のエッチング用の溶液を用いてマスクの基材への付着を緩めることができる。マスクを取り外すことでフィルム冷却孔の出口個所にスロットを効果的に現出させ、即ち「作り出す」。この技術の好ましい実施形態は、平均のど円直径が約７５０ミクロン以上有る孔を備えている。
【００４１】
次にプラグ材料が種々の技術で取り去られる。例えば熱分解で燃やしてしまえる場合も多い。必要な温度は、勿論使われた樹脂質材料に左右される。熱はいかなる従来の技術ででも供給でき、例えばオーブンやトーチである。（加熱技術は基材や施した皮膜のいかなるものも損傷しないものでなければならない。）さらに、プラグ材料を溶解するか、溶融可能に変える溶剤、溶剤の混合物（時に加熱したもの）が使用できる。溶剤を基材に塗る場合もあれば、基材を溶剤に浸してもよい。残余の残留物は、ブラッシングを単独又は組合わせた振動や、気体のブラスト（例えば空気）で通常除去できる。（ある実施形態では、マスクを取り去るとプラグ材料も取り去れる。例えば、重合材料で作ったマスクは、プラグ材料を同時に除去するに十分のバーンアウト状況で、熱分解ができる。）
図３では全体が開放しており形状が矩形のスロットを示しているが、種々の変形が可能である。例えばフィルム冷却空気の通過に有利な影響をもたらすように、種々の形の特徴をスロットに組込むことができる。（これらの形状は時に纏めて、「フィルム冷却媒体遮断構造」とここでは呼ばれる。）このやり方で変更されたスロットの一例が図４と図５に示されている。これらの図の中の特徴の多くが図３のものと同一である。図４は通常は直線状に並んだ孔の１つを示す部分断面図である。基材９０は再び物品例えばエーロフォイルの壁を示し、それは高温表面９２と冷温表面９４とを備えている。図３におけるように基材は部分的にボンド層１００とその上を覆うＴＢＣ１０２でコーティングされているが、他のタイプのコーティングも可能である。側壁１０６と１０８を持もスロット１０４が、皮膜の厚みの中に形成され、その深さはＤである。冷却媒体空気９６は冷温表面からフィルム冷却孔９８を通して上向きに流れる。図５に示すフィルム冷却孔はたまたま拡散形状を示しているが、他の形状とすることもできる。燃焼ガス９５は従来通り基材の上に沿って流れる。
【００４２】
この別の実施形態では、皮膜は図５に示すように「デルタ」形の形状１１２のパターンになっている。このデルタ形状はベース１１４と各個別の頂点１１６を持つようにすることができる。デルタ形状の寸法はかなり変えることができるものであり、スロット１０４内での方向設定もまた変更することができる。（ここに示された教示に従って当業者はシミュレーション又は実際の冷却媒体の流れテストを実行できる。これらのテストは高温表面９２に対して冷却媒体の流れに対するデルタ状形状の形や向きの変化の影響を容易に決定する助けになる。）例示的な図５においては、デルタ形状の各々の頂点は相対する冷却孔９８に向いている。この方法により、デルタ形状は出口個所から出て行く冷却媒体の流れの通路に直接横たわる。この形状によって冷却媒体の流れを妨げる意図的な障害物として機能する。このかなり突然の冷却媒体の流れの妨害は、冷却媒体の流れが高温表面のより大きい面積との接触することをもたらし、一方で燃焼ガスと混合する傾向を最少にし、より大きい冷却効果を生み出す。
【００４３】
デルタ形状又は他の形状をスロット１０４に組み込む種々の技術が利用可能である。例として、その形状物は金属材料で事前に形成して（例えば鋳造）、ろう付け又は他の方法で必要な個所に取付けられる。好ましい実施形態では、形状物は基材に皮膜を施すために用いる堆積工程（複数の工程）中に形成される。例として、上記に説明したマスク（例えば図３を参照して）が図５のデルタ形状の「ネガ」画像のように成形される。従って皮膜（例えばＴＢＣ組織）が施された後、マスクを除去すると望ましいパターンができあがる。さらに、例えば矩形などの一般的な形状を有するマスクを表面に施し、その後従来の技術で形を切り出すこともできる。
【００４４】
さらに別の実施形態として、図６に示すように、上記で説明したスロットを部分的に保護皮膜の中に、部分的に基材自体の中に形成することができる。形状はここに特に示していないものも、あらゆる面（例えば燃焼ガス１１７）で図３と同一にする意図である。部分的スロット１１９をまず、通常は一直線に並んだフィルム冷却孔１１８の真上の位置で基材の中に形成する。（この部分的スロットの底面はフィルム冷却孔と流体連通している）。従ってスロットの幅Ｗの中心点は通常各孔のほぼ中心に位置する。そのようなスロットを形成するには種々の技術が用いられる。例えば、そのスロットは構成部品の鋳造工程中に形成できる。また、スロットは、例えばフライス加工や放電加工（ＥＤＭ）などの機械加工技術でも形成できる。部分的スロットはまたレーザー切断でも形成できる。
【００４５】
部分的スロットの形状寸法は種々の要素に左右され、例えばフィルム冷却孔の形状、直径及び長さ、また後で基材に施される皮膜の厚さである。前に言及した通り、シミュレーション又は実際の冷却媒体流れテストが容易に実行でき、部分的スロットの最も適切な形状寸法が決定できる。フィルム冷却孔は部分的スロットの形成前でも形成後でも作れることにも注意を向けるべきである。
【００４６】
部分的スロット（及びもしまだ形成されていないなら、フィルム冷却孔）の形成後、孔は硬化可能なプラグ材料で覆われる。前に説明した通り、次ぎに埋められた孔を覆ってマスクが施される。通常、マスクは事前に選定された、つまり部分的スロットの深さＤ_lを考慮した形状寸法を持つスロットを形成するのに十分な形状寸法を持っている。いったんマスクが定位置に置かれたら、保護皮膜又は多層皮膜（例えばＴＢＣ組織）が基材及びマスクの上に施される。繰り返すが、これら皮膜の厚さは、ある程度基材の最終用途の要求条件と求められるスロットの深さとに左右される。
【００４７】
皮膜又は複数の皮膜の堆積後、マスクを取り除き、プラグ材料を例えば熱分解で孔から取除く。最終のスロット１２０は図６に示すとおり、全体の深さがＤである。この全体の深さは基材１２２の中の部分的スロットの深さＤ₁を含む。（幾つかの好ましい実施形態においては、部分的スロットの深さＤ₁は約７５０ミクロンより小さい。）全体の深さはスロットの残余の部分１２３（それは部分的スロットと同一の広がりを持つ）の追加スロット深さ（Ｄ−Ｄ₁）を含む。この追加スロット深さは皮膜、例えばＴＢＣ組織１２４の平均深さと等しい。前に述べたとおり、ある好ましい実施形態では、スロットが従来技術のスロットに比して比較的浅いことを必須としている。言い換えるとスロットの全体の深さＤはフィルム冷却孔の平均のど円直径ｄよりも小さいことが好ましく、より好ましくは平均のど円直径ｄの約５０％よりも小さいことである。部分的スロットの深さの皮膜の深さに対する比（即ち、Ｄ₁：（Ｄ−Ｄ₁））は通常約９０：１０から約１０：９０の範囲内にあり、またより好ましいのは約４０：６０から約６０：４０の範囲内にあることである。いくつかの実例で、この実施形態はのど円直径が約２５０ミクロンから約８００ミクロンの範囲にあるフィルム冷却孔に対して特に好ましい。
【００４８】
本発明の他の実施形態は、基材例えばガスタービンエンジンに使用できるようになっている壁、の形での物品に関する。物品は、
（Ｉ） 第１の流体に曝される第１の表面と、
（ＩＩ） より高温の第２の流体に曝され、第１の表面と間隔を置いて位置している第２の表面と、
（ＩＩＩ） 基材をを貫通して第１の表面から第２の表面上のスロットまで延び、平均のど円直径ｄを有する少なくとも１列又は他のパターンの通路孔と、
（ＩＶ） 第２の表面のスロットを除く部分を覆う少なくとも１層の皮膜と
を含む。
【００４９】
前に説明した通り、前記スロットは第２の表面から第１の表面に向かって部分的に内方にかつ垂直に延びている。さらにスロットの底面が第２の表面（即ち高温表面）に実質的に平行である。スロットの底面もまた通路孔に流体連通状態であり、ブレークアウト部位を含んでいる。通路孔から流出する（吐出する）冷却媒体は、高温表面から急速に離れて燃焼ガスと混合する好ましくない状態になることなく、高温表面に密接な接触を保っている。これは次に構成部品のためにより大きな冷却効果をもたらす。
【００５０】
同様に前にも述べた通り、スロットは一般的には矩形であって、基材の高温表面に対して実質的に垂直である側壁を有する。（スロットがどのように形成されたかにより、スロットの壁は常に均一に垂直であるとは限らない可能性がある。例えば、鋳造プロセスの場合はスロットの壁が底面と合う隅近くに小さいフィレットを生じる。）スロットの幅は、より高温の第２の流体の所定の方向に関して、孔のブレークアウト直径の通常１００％から約２５０％である。非常にしばしば、各通路孔の中心はスロットの幅の中間点と大略一致する。しかしながら、孔はスロットの中心と一致する必要はない。その代わりに、孔は上記説明通り種々の流体流れの状態を考慮してスロットの側壁の１つにより近くに位置させることができる。
【００５１】
上記説明通り、スロット（その深さ）は基材上に堆積する皮膜の中に全体が位置して、基材の高温表面がスロットの底面の役を果たすことができる。タービンエンジン基材の場合には皮膜は一般的にはＴＢＣ組織である。さらに、スロットの下部は基材の表面自体の中に位置することができ、スロットの上部は皮膜の厚さの中に位置する。いくつかの好ましい実施形態ではスロットの深さは通路孔の平均のど円直径よりも小さい。
【００５２】
これらの実施例は単に例示であり、特許請求の範囲に記載の本発明の技術的範囲についていかなる制限をも加えるものではないと解釈されるべきである。
実施例１
この一連のテストは、４インチ（１０．２ｃｍ）ｘ３インチ（７．６ｃｍ）の矩形形状で長さが約２〜３フィート（６１ｃｍ〜１６８ｃｍ）の囲壁構造の温風風洞で行われた。この囲壁構造には圧縮機装置から供給される直径３０インチ（７６ｃｍ）のプレナム容器が連結されている。ベルマウス送気口がプレナムからの流れを風洞に導く。高温の気体空気は全テストに対し概して約５６０°Ｆ（２９３℃）に保たれた。高温の気体の流量はこれらのテストに対し、３．５ｌｂｍ／ｓｅｃ（１．５９ｋｇｍ／ｓｅｃ）に設定され、その結果風洞レイノルズ数は６３００００となった。（レイノルズ数は従来からある、無単位の流れのパラメータである。）フィルム冷却流は別個に第２圧縮機で制御した。冷風の流れは乾燥され、フィルタを通され、計測され約９０°Ｆ（３２．２℃）に冷却された。これらの実験で、フィルム冷却空気の流量は約０．０１０と０．０２５ｌｂｍ／ｓｅｃの間にあった。そのような流量は０．９から１．３０のフィルム孔ブローイングレシオ（Ｍ）を生じた。フィルム孔圧力比は１から１．５の範囲で、運動量流出比は０．５から１．０の範囲であった。（フィルム列流量の０．０１５ｌｂｍ／ｓｅｃは個別フィルム孔レイノルズ数の２００００に相当する）。冷却媒体と気体の密度比は約１．８であった。
【００５３】
全てのテストプレートは円形又は拡散形のどちらかの１１個の孔よりなる単列のフィルム孔を備えていた。全ての孔は、のど円直径を０．０７インチ（１．７８ｍｍ）とした。孔の中心線のスパン方向の間隔は０．２５インチ（６．３５ｍｍ）とし、このことにより直径に対するピッチの割合が３．５７となった。孔は全て向きを軸方向とし、基材表面に対して（即ち、図３の表面６４に対して）３０°の角度を持たせた。
【００５４】
ステンレス鋼テストプレート（約１．５２ｍｍ厚さ）が「高温」表面として使用された。それはフィルム孔の下流に置かれた。熱電対アレイがテストプレート内の所定の位置に埋め込まれた。一列の熱電対が中心線に沿って中央フィルム孔の下流に設けられた。これらの熱電対は本明細書で説明する中心線におけるフィルム効果を測定するために用いられた。テストプレートは実質的に断熱状態を与えるためにＲＴＶ層と断熱層で支持された。装置は図７に単純化した形で図示されている。熱電対間の横方向の伝導の影響はデータ整理において補正してある。ローカル断熱フィルム効果は以下のとおり定義される。
【００５５】
η＝（Ｔ_recovery−Ｔ_surface）／（Ｔ_recovery−Ｔ_coolant）
ローカルリカバリ温度をプレート表面温度としてフィルム冷却なしで安定した流れと熱条件で最初に測定した。フィルム冷却を伴う表面温度の測定はローカルフィルム冷却効果の算出を可能にする。テストプレートの孔は放電加工（ＥＤＭ）で形成した。典型的な孔の写真を図８として示す。
【００５６】
上記に説明した装置を使って、基材には皮膜無しで孔の列の上にはスロットなしで基準（比較）テストを行った。図９はこの比較例のデータのグラフ表示である。ｘ軸はｘ／Ｍｓを表し、ここでｘはフィルム孔出口から下流の選ばれた測定点まで表面に沿って測定した軸方向の距離である。等式において、Ｍはブローイングレシオであり、「ｓ」はフィルム列の出口流れ領域に対する等価の２次元スロット幅（約０．０１５７インチ（０．４０ｍｍ）に等しい）である。（従って、ｘ軸の値は孔の下流方向に測定された各フィルム孔の出口点からの距離「ｘ」を示す）。ｙ軸は断熱フィルム効果の従来方式の測定値である「η」を示す。この比較例のフィルム効果は図９に示すように３つのブローイングレシオに関して測定された。
実施例２
列をなすフィルム孔を備えた超合金製基材がこの実施例に使用された。この実験は本発明の実施形態、即ちスロットをフィルム冷却孔の出口個所に用いている形態をモデル化している。図１０の写真に示されたように、金属のマスクが孔の列の上に置かれた。そのマスクは間に硬化可能なＲＴＶの層をはさんで基材表面に固定された。このマスクは典型的な場合にボンド層とＴＢＣの間に形成される溝の影響を知ろうとモデル化した。溝の深さは約０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）、溝の幅は約１４０ミル（３．５６ｍｍ）であった。この幅は楕円の孔のブレークアウトの主軸と形状寸法が同じであった。
【００５７】
実施例１と同様な風洞テストが実施例１で用いた高温ガス流量、冷却流量を用いてここで行われた。丸孔の結果は図１１にグラフにより示してある。平均的フィルム効果増強係数が図のカーブの下にある平均的領域を積分し、次にその領域を図９のカーブ（平均化された）の積分値と割合として比較することによって算出された。増強係数は１．３５で冷却効果が約３５％の増加を示していた。そのような増強は基材に施される保護皮膜の中に改良された出口個所として、スロットを設けることの有利性を示している。冷却効果に加えて冷却媒体空気の効率的な使用は他の有利性がある。例えばタービンエンジンの場合フィルム冷却に必要な空気の量が減少すると、利用可能な空気のより大きい部分が燃焼室のプレミキサ部に流れ込む結果となる。これが次に燃焼中に発生する汚染物質の量を減少させる。
【００５８】
上記説明通り本発明で使用されるスロットは、基材（例えばエーロフォイル）に最初に皮膜が施されるときに、フィルム孔冷却領域に組込める。さらに、スロットは構成部品の使用寿命期間中に、劣化又は損傷した保護皮膜を取り替える際に組込める。
【００５９】
本明細書では好ましい例示的な実施形態を説明してきた。しかしながら、本発明のその他の変更形態は、これらの教示から当業者には明らかである。従って、本発明の技術思想と技術的範囲に属する全てのそのような変更形態は、特許請求の範囲で保護されることを意図するものである。
【００６０】
上記に述べた特許、物品、文献の全ては、参考として本明細書に組み入れられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 フィルム冷却孔を含む典型的な基材の単純化した断面図。
【図２】 本発明に関して示されたフィルム冷却孔と同様のフィルム冷却孔を含む例示的なガスタービンエンジンロータブレードの斜視図。
【図３】 フィルム冷却孔の出口個所にスロットを備える皮膜を施された基材の断面図。
【図４】 図３の実施形態に対する別の実施形態の部分断面図。
【図５】 図４に示される別の実施形態の断面上面図。
【図６】 図３のさらに別の実施形態の断面図。
【図７】 フィルム冷却効果を測定するために用いた試験装置の断面立面図。
【図８】 金属基材を貫通する皮膜無しの円形フィルム冷却孔の拡大写真。
【図９】 実験目的のための本発明の技術的範囲外の実施形態における横方向寸法／ブローイングレシオ値の関数としてのフィルム冷却効果のグラフ。
【図１０】フィルム冷却孔の列を覆って置かれた金属マスクの拡大写真。
【図１１】本発明の技術的範囲内の実施形態の横方向寸法／ブローイングレシオ値の関数としてのフィルム冷却効果の別のグラフ。

Claims (3)

1. 基材（６０）に設けられた列又は他のパターンをなす通路孔（６８）を貫通して流れ、該基材（６０）の高温表面（６２）に流出する流体（６６）の冷却効果を改善する方法であって、
   前記基材（６０）の高温表面（６２）の中で、前記孔（６８）の上にスロット（７４）を形成する段階を含んでなり、
   前記孔（６８）が平均のど円直径ｄを持ち、前記スロット（７４）が前記基材（６０）の前記高温表面（６２）の中に深さＤを持ち、かつ前記スロット（７４）の前記深さＤが前記孔（６８）の平均のど円直径ｄよりも小さく、
   前記基材（６０）が、それを貫通して前記通路孔（６８）が前記高温表面（６２）に連通している少なくとも１層の皮膜（７０，７２）で覆われており、かつ前記スロット（７４）が前記皮膜（７０，７２）内にあり、
   前記スロット（７４）が、
   （ａ） 各孔を硬化可能なプラグ材料で覆う段階と、
   （ｂ） 前記プラグ材料を硬化させる段階と、
   （ｃ） 前記列又はパターンをなす孔（６８）を覆って、前記スロット（７４）の前もって選定された形状寸法と実質的に同一である形状寸法を有するマスクを施す段階と、
   （ｄ） 前記基材（６０）と前記マスクの上に前記皮膜（７０，７２）を施す段階と、
   （ｅ） 前記マスクを取除く段階と、
   （ｆ） 前記プラグ材料を取除く段階と
   を含む技術によって形成されることを特徴とする方法。
2. 前記皮膜（７０，７２）が、前記基材（６０）との接合のための少なくとも１層のボンド層（７０）と前記ボンド層（７０）の上に施された被覆遮熱皮膜（７２）とを含んでなる遮熱皮膜（ＴＢＣ）組織である、請求項１記載の方法。
3. 前記ＴＢＣ組織の前記ボンド層が貴金属−アルミナイド材料即ち、ＭＣｒＡｌＹ材料、ここでＭはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びそれらいずれかの混合物からなるグループから選定される、である請求項２記載の方法。

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