JP5016437B2 - 集合ブリッジ型鋳造中子 - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンにおける超合金タービンブレードの鋳造に関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が、圧縮機内で加圧されかつ燃焼器内で燃料と混合されて、高温燃焼ガスを発生するようになる。タービン段においてガスからエネルギーが取り出されて、圧縮機に動力を供給し、またターボファン航空機ガスタービンエンジン用途においてファンに動力を供給するような外部の仕事を行うようになる。

各タービン段は、固定タービンノズルを含み、固定タービンノズルは、対応するタービンロータブレードの列内に燃焼ガスを吐出するノズルベーンの列を有する。各ブレードは、半径方向内側流路境界を形成する一体形のプラットフォームからスパンにわたって半径方向外向きに延びる翼形部を含む。プラットフォームは、対応するローブを有する支持ダブテールに対して一体形に結合され、支持ダブテールは、支持ロータディスクの周辺部に形成されたダブテールスロット内に取付けられる。

第１段タービンブレードは、燃焼器から、対応する第１段タービンノズルを通して高温燃焼ガスを最初に受ける。タービンブレードは一般的に、その中に内部冷却回路を備えた中空であり、内部冷却回路は、運転時に翼形部上を流れる燃焼ガスからの異なる熱負荷に対して翼形部の異なる部分を冷却するような特殊な構成にされる。

タービン翼形部は、ほぼ凹面形の正圧側面と円周方向に対向するほぼ凸面形の負圧側面とを含み、これら正圧及び負圧側面は、プラットフォームにおける根元から半径方向外側先端までスパンにわたって半径方向に延び、かつ対向する前縁及び後縁間で翼弦にわたって軸方向に延びる。翼形部は、前縁から後方に翼形部の最大幅又は隆起領域までその厚さが急激に増大し、次いで翼形部の比較的薄い後縁までその幅が徐々に先細になりかつ減少する典型的な三日月形半径方向輪郭又は断面を有する。

内部冷却回路は、数多くの構成を有し、それらの全ては、根元から先端まで延びかつ翼形部の対向する側壁をブリッジ結合する一般的には無孔かつ中実な半径方向仕切り壁によって翼弦方向に分離された比較的長くかつ細い半径方向冷却チャネルを共有している。

様々な内部冷却チャネルは一般的に、翼形部の翼弦中間領域全体にわたって蛇行構成に配置することができる。翼形部の前縁及び後縁領域は一般的に、普通は内部インピンジメント冷却を行うための有孔仕切り壁をその中に有する専用の冷却チャネルを含む。

様々な翼形部冷却チャネルは、ダブテールの底面からダブテール及びブレードプラットフォームを貫通して上向きに延びて運転時に圧縮機から抽気された加圧空気の一部分を受けるようになった対応する入口チャネルを有する。チャネルは、フィルム冷却孔のような様々な出口を翼形部側壁内に有する。

タービンブレードは運転時に支持ロータディスクと共に回転するので、それらタービンブレードは、大きな遠心荷重及び対応する応力を受ける。遠心荷重は、翼形部先端から半径方向内向きに増大し、取付けダブテールを介して支持ロータディスクに伝えられる。

さらに、各タービンブレードは、その半径方向スパン及び軸方向の翼弦全体にわたってまた対向する正圧及び負圧側面全体にわたって、異なる熱負荷を受け、それら異なる熱負荷はそれに対応して、運転時に圧縮機から抽気される空気の量を最少にしてそれに対応してエンジン効率を増大させるような異なる内部冷却を必要とする。

回転タービンブレードのこれらの例示的な機械的及び熱的作動条件を考慮して、タービンブレードは一般的に、高い作動温度において大きな強度を有する超合金金属で鋳造することによって、個々のブレードの長い有効寿命を保証するように製造される。一般的なタービンブレード材料には、ニッケル又はコバルト基超合金が含まれ、これらの超合金は、タービンブレードの複雑な内部及び外部形状を形成するための相応する鋳造法、すなわち一般的には鋳物結晶粒の方向性凝固又は単結晶冶金学的構成を達成するための最先端の鋳造方法を必要とする。

普通の鋳造法は、ロストワックス法であり、この方法は、ダブテールから翼形部先端までタービンブレードの様々な内部空隙又はフローチャネルを形成する複雑なセラミック中子を製作することで始まる。ダブテールは一般的に、２つ又は３つの比較的広くかつ短い入口チャネルを含み、他方、翼形部は一般的に、より多くの比較的細くかつ長いフローチャネルを含む。

従って、セラミック中子は、翼形部内に様々な長い冷却チャネルを形成する対応する数の比較的長くかつ細いセラミック脚部と、ダブテールを貫通して延びる短い入口チャネルを形成する比較的少数の短くかつ広い支持ステムとを有する。脚部及びステムは、適切な箇所で互いに適当に結合され、また適当な強度を有する統合及び相互連結型のセラミック中子組立体を形成するために、一般的には翼形部先端及びダブテール底面において互いに集団にまとめられる。

ロストワックス鋳造法では、中子は先ず始めに、ダブテールから翼形部先端までタービンブレードの３次元（３Ｄ）構成を精密に形成する１対のマスタ鋳型内部に配置される。空間又は空隙が、中子とこれを囲むワックス鋳型との間に形成され、ワックス鋳型は、後で鋳造された金属ブレードにおける得られた金属の外部構成を形成する。

しかしながら、中子と鋳型との間の空隙は、始めにワックスで満たされ、このワックスが３Ｄブレード形状に固化する。鋳型が除去され、そのようにして鋳造したブレードのワックスバージョンをセラミックスラリーシェル内に囲み、このセラミックスラリーシェルを適当に硬化させる。

硬化させたシェルからワックスを溶融させて除去すると、セラミック中子とそのようにして形成したシェルとの間に再び空隙が残る。

空隙は次に、溶融金属で満たされ、溶融金属は、個々のブレードを鋳造するために使用されている超合金金属に必要な方向性又は単結晶構成のいずれかで適当に凝固する。

セラミックシェル及びセラミック中子は次に、例えば化学的溶脱によって適当に除去されて、そのようにして鋳造した超合金金属ブレードが後に残る。中実中子は、冷却回路の中空内部チャネルで置き換えられる。中子脚部及びステム間の空隙は、翼形部の対向する正圧及び負圧側面並びにそれらに対応するダブテールの対向する側面を互いに構造的にブリッジ結合する超合金金属で置き換えられる。

得られた鋳造タービンブレードは、その半径方向スパン、軸方向翼弦及び円周方向幅全体にわたって大きく変化する３Ｄ構成を有するので、内部冷却回路は、対応する半径方向仕切り壁によって分離されたその複数の脚部とタービンブレードの外周縁を形成する比較的薄い側壁とを考慮すると、より一層複雑な形状を有する。

次に複雑な３Ｄタービンブレードのために特殊な構成にされなくてはならないセラミック中子は、長くかつ細いセラミック脚部を対応して形成するその比較的大きい長さ対幅及び厚さを考慮するとその構成がさらに一層複雑である。これらの細長い脚部は、鋳造工程時に溶融金属の高温度に耐えるために使用する高強度セラミック材料を考慮すると、極めて脆弱である。

従って、セラミック中子は、極めて壊れ易く、また中子自体の製造時、中子の取扱い中及び鋳造工程時に不慮の破損を受け易い。中子歩留りは、鋳造法における根本的な設計パラメータである。

統計学的には、製作中子のうちの小さなパーセンテージが、その製作時及びその使用時に破損することになると、それに対応した製造工程のコストの増大を招くことになる。鋳造工程の前に破損した中子は一般的に、廃却される。鋳造工程時に破損した中子は一般的に、そのようにして鋳造したタービンブレードの廃却をも招くことになる。

従って、セラミック中子の設計は、該セラミック中子を補強するための特徴形状部を含み、これらの特徴形状部は本来的に、鋳造されるタービンブレードの最終構成によって制限される。より厚い又はより太いセラミック中子によりそれに対応して、得られる鋳造金属の減少を考慮すると、より薄くかつより脆弱なタービンブレードが形成される。タービンブレードの外部３Ｄ構成は、エンジンの所望の空気力学的性能及び効率によって制限され、単に中子をより大きく作ること又はブレードをより大きく作ることは、タービンブレードの効率及び性能を低下させる。

しかしながら、共通のセラミックブロックを用いて、中子脚部を翼形部先端において互いにブリッジ結合することが知られている。また、別のセラミックブロックを用いて、中子ステムをダブテールの底面において互いにブリッジ結合することも知られている。さらに、セラミック脚部を互いにブリッジ結合して全体的な強度を増大させるために、小さなセラミックタイを細長いセラミック脚部間に選択的に設置することもできるが、これらのタイは、得られたタービンブレード内に内部冷却性能にとって望ましくない可能性がある流路を必然的に生じることになる。

最終ブレードの翼形部先端及び根元近くで必然的に端部間結合される蛇行冷却回路の脚部を一般的に支持するための個々のセラミック結束帯を比較的太い中子ステムと1つ又はそれ以上の細長い中子脚部との間に設けることも従来から行われている。

個々の結束帯は、最終タービンブレードにおける支持金属の減少という犠牲のもとでセラミック中子における一時的補強を与えるように、一般的に比較的長くかつ細く、最小限の断面積を有する。結束帯は、鋳造後にダブテール入口と蛇行回路の対応する脚部との間に小さなフローチャネルを形成するので、最終タービンブレードにおける望ましくない流れ連通を遮断するために、その小さなフローチャネル内には小さな金属ボールがろう付けされるのが普通である。

従って、中子結束帯によって形成された空隙は、一般的にダブテールローブとブレードプラットフォームとの間のそのシャンク部領域内でのタービンブレードの機械的連続性及び強度を妨げる。最終ブレードにおけるこの支持金属の減少は、ブレード強度を低下させることと、鋳造工程における中子の歩留りを高めてブレードの製造コストを低減するように脆弱なセラミック中子の強度を増大させることとの間の不可欠な妥協である。

タービンブレードの設計をさらに複雑化させるのは、内部冷却回路の絶えず増大する複雑さと内部冷却回路内の個々の半径方向冷却チャネルの数とであり、この冷却チャネルの数の増大は、それに対応して、セラミック中子内により薄くかつ一層多くの細長いセラミック脚部を必要とする。１つの現在研究中の最新式タービンブレードでは、細長い中子結束帯を使用することによって多数の細長いセラミック脚部をさらに補強しているが、それらの細長い結束帯は、それら自体が破損し易く、この結束帯の破損もまた、セラミック中子を使用不能にする。
米国特許第５，１６５，８５２号公報 米国特許第５，１９３，９８０号公報 米国特許第５，３５６，２６５号公報 米国特許第５，６６０，５２４号公報 米国特許第５，８１３，８３５号公報 米国特許第６，０３６，４４１号公報 米国特許第６，１２６，３９６号公報 米国特許第６，３４０，０４７ Ｂ１号公報 米国特許第６，９８４，１０３ Ｂ２号公報 米国特許第７，０９７，４２６ Ｂ２号公報 米国特許出願公開第２００７／０１２８０３４号公報 General Electric Company, "Turbine Blade Casting," in public use or on sale in USA more than one year before 12-01-2006, shingle page

従って、その中に細長い内部冷却チャネルを有するタービンロータブレード用の改良型のセラミック中子を提供することが望まれている。

タービンブレード用の鋳造中子は、シャンク部の上方で延びる複数のロッド部を含む。ロッド部は、ブレードの翼形部内に内部冷却チャネルを形成し、またシャンク部は、ブレードのダブテール内に入口チャネルを形成する。複数のスタブ部は、シャンク部に対して結合されたバルブ部において互いに集合されかつ外向きに放射状に延びてロッド部のうちの異なるロッド部と一体形に結合して、中子の強度を増大させるようにする。

好ましくかつ例示的な実施形態により、本発明は、その更なる目的及び利点と共に、添付図面に関連して行った以下の詳細な説明において一層具体的に説明する。

図１に示すのは、高温燃焼ガスからエネルギーを取り出すためにガスタービンエンジン内で使用するように構成された第１段タービンロータブレード１０である。ブレードは、内側プラットフォーム１４からスパンにわたって半径方向に延びる翼形部１２を含み、内側プラットフォーム１４は次に、取付けダブテール１６に結合されて単体構造組立体を形成する。

プラットフォーム１４は、エンジン内の燃焼ガス流路の半径方向内側境界の一部分を形成し、また隣接するプラットフォームと隣接して、支持ロータディスク（図示せず）の周辺部から半径方向外向きに延びる完全なタービンブレードの列を形成する。

ダブテール１６は、ロータディスク周辺部の相補形ダブテールスロット内に取付けるように構成された対応するタング又はローブを備えた例示的な軸方向挿入式ダブテールであり、ロータディスクは、運転時におけるディスクの回転作動の間にタービンブレードによって発生した遠心荷重を支える。

図１及び図２に示す翼形部１２は、ほぼ凹面形の正圧側面１８と円周方向に対向するほぼ凸面形の負圧側面２０とを含み、これら側面１８及び２０は、プラットフォーム１４における根元２２から半径方向外側先端２４までスパンにわたって半径方向に延びる。これら２つの側面はまた、対向する前縁及び後縁２６及び２８間で翼弦にわたって軸方向に延びる。

翼形部１２は、複数の長くかつ狭いフローチャネル１〜８によって形成された内部冷却回路を含み、複数のフローチャネル１〜８は、翼形部の根元から先端までスパンにわたって半径方向に延びかつ前縁及び後縁間で翼弦にわたって軸方向に間隔を置いて配置され、また翼形部の対向する正圧及び負圧側面をブリッジ結合した対応する半径方向仕切り壁３０によって分離される。仕切り壁３０は、例えば翼形部前縁背後の第１のチャネル１を除いて無孔であるのが好ましく、この第１のチャネル１は、第２のチャネル２を通って流れる冷却空気３２により前縁内側にインピンジメント冷却を行うためのインピンジメント孔の列を仕切り壁内に含む。

翼弦中間チャネル３〜７は、端部間結合で配列されて、後縁近くの第７のチャネル７で始まりかつ第２のチャネル２の背後の第３のチャネル３で終わる例示的な５経路蛇行回路を形成する。第８のチャネル８は、専ら後縁を冷却するために後縁の直前に配置される。

翼形部チャネルは、対応する短くかつ広い入口チャネル３４によって冷却空気を供給され、入口チャネル３４は、ダブテール１６の底面からプラットフォーム１４までスパンにわたって半径方向に延び、プラットフォームにおいて冷却チャネルのうちの選択冷却チャネルと結合する。図１に示す例示的な実施形態では、３つの入口チャネル３４は、従来通りの方式でガスタービンエンジン（図示せず）の圧縮機から加圧冷却空気３２を受けるための対応する入口をダブテール底面内に有する。

図１に示す内部冷却回路は、運転時に翼形部上を流れる燃焼ガスによって生じた異なる熱負荷に対して必要な翼形部の内部冷却を行うためのあらゆる従来通りの構成を有することができる。翼形部は一般的に、その正圧及び負圧側面を貫通する多数の小さなフィルム冷却吐出孔を含み、これらの吐出孔は、翼形部の外面に外部断熱を行うために使用済み内部冷却空気を対応するフィルムの形態で吐出する。また、後縁は一般的に、薄い後縁を冷却するのに使用済み冷却空気を吐出するための出口孔又はスロットの列を正圧側面上に含む。

しかしながら、図１に示す例示的なタービンブレードにおいて重要なのは、多数の内部冷却チャネル１〜８であり、それらの内部冷却チャネル１〜８は長手方向に翼形部の根元から先端まで延び、従ってそれらの軸方向幅及び円周方向厚さに対して比較的長くかつ細い。言い換えると、８つのフローチャネルの各々の長さは、その半径方向断面積又は周囲長さ（胴囲）よりも実質的に長く、また一般的には数倍大きく、例えば１０倍又はそれ以上の倍数ほど大きい。

従って、図１において部分的に仮想線で示し、また図２において部分的に斜視図で示した例示的なセラミック鋳造中子３６は、対応して細長いセラミック脚部を必然的に含まなくてはならず、これらの脚部は、極めて壊れ易くかつ脆弱であり、従って上に述べた破損及び歩留りの問題を免れない。

図２には、鋳造中子３６の関連部分を示しており、鋳造中子３６は、個々の中実鋳造脚部を含み、これらの鋳造脚部は、図１に示す例示的タービンロータブレード１０内の全ての内部冷却チャネル１〜８及び入口チャネル３４を形成する空隙又は空間に、その構成が同一なものとして対応している。

上述したように、セラミック中子は、セラミック材料の組成及び構成が従来通りであり、中子の強度を大きく増強してその破損を減少させかつ中子歩留りを高めるために導入したその特殊な変更を除けば、図１に示すタービンブレード１０を鋳造するために従来通りに構成することができる。

第２のフローチャネル２は、一体形の入口チャネル３４を有し、また第８のフローチャネル８も同様に、一体形の入口チャネル３４を有するので、それらに対応するセラミック脚部は、比較的太くかつ頑丈であり、また良好な鋳造歩留りを達成するのに十分な強度を有する。また、第１の冷却チャネル１は、第２の冷却チャネル２との間の仕切り壁内のインピンジメント孔の列によって該第２の冷却チャネル２に結合されているので、それらの孔はまた、最初の２つのフローチャネルに対応するセラミック脚部を互いに一体形にブリッジ結合し、それによって対応してセラミック中子のこの部分の強度が増大させる対応するセラミックタイによって鋳造することができる。

しかしながら、翼形部の翼弦中間領域全体にわたって設置された５つのチャネル３〜７は、端部間結合した５経路蛇行構成として配列されるので、この蛇行構成は、比較的脆弱であり、製作及び鋳造工程時に脆性破壊を受け易い。

図２は、従来型の前縁及び後縁中子脚部を示しており、これら脚部は、中子組立体全体の構造的一体性及び強度を増大させるために、さらに外側先端ブロックにおいて互いに連結することができ、また内側底面ブロックにおいても互いに連結することができる。しかしながら、中子に対する改良は、その５経路蛇行中央部分に見出され、この中央部分は、それに取り付けられた共通の外側及び内側支持ブロックがあるのにもかかわらず、付加的な構造補強部も含んでいる。

より具体的には、図２に示す鋳造中子３６は、中実セラミック材料で形成された複数の長くかつ細い脚部又はロッド部３８、４０を含む。これらのロッド部は、長手方向スパンにわたって延び、互いにほぼ平行でありかつ対応する空間又は空隙４２だけ翼形部の翼弦方向に間隔を置いて配置される。

中実ロッド部３８、４０は、中空フローチャネル３〜７の鋳造相補体であるので、それら中実ロッド部は、対応して細長く、個々のロッド部の胴囲（周囲長さ）又は直径を大きく越えた個々の長さを備えており、その長さが直径よりも例えば１０倍又はそれ以上の倍数ほど大きい場合がある。

幾つかのロッド部３８、４０は、幾つかのフローチャネル３〜７と直接対応し、また幾つかの空隙４２は、チャネル間の好ましくは無孔の仕切り壁３０と対応することになる。

さらに、セラミック中子はまた、ロッド部のうちの参照符号３８で示す一次ロッド部に対して一体形に結合されかつ参照符号４０で示すその他の二次ロッド部の下方に適当に間隔を置いて配置された比較的より厚いステム部又はシャンク部４４を含む。中実シャンク部４４は、図１に示すダブテール内の中間入口チャネル３４と対応しており、その短い長さと大きな胴囲により比較的強度がありかつ太い。

図２に示す一次及び二次中子ロッド部３８、４０は、これもまた図２に示す蛇行フローチャネル３〜７の断面構成と完全に一致した例示的な断面構成を有しており、ほとんどの場合、翼形部断面の円周方向厚さの方が、その前縁及び後縁間における翼形部の翼弦方向幅における厚さよりも大きい。これと対照的に、シャンク部４４は、翼弦方向の幅が翼厚円周方向の厚さよりも大きい。

従って、シャンク部４４は、比較的強度があり、蛇行フローチャネルのうちの第１の経路７を形成する一体形の一次ロッド中子部３８を先ず始めに支持する。次に、４つの二次中子ロッド部４０が、二次ロッド部の頂部及び底部に交互に配置された対応する１８０°方向転換部つまり屈曲部において端部間結合されて、対応する５経路連続中子セグメントを形成する。また、４つの二次ロッド部４０は、その流れ順序が６−５−４−３である第２〜第５の蛇行チャネルを形成する。

５つの中子ロッド部３８、４０の外端部つまり頂端部は、その強度を高めるために、従来通りの方式で外側ブロックに連結することができる。

しかしながら、４つの二次ロッド部４０の内端部は、冷却回路の連続蛇行構成を維持するために、下方シャンク部４４の頂部の手前で必然的に終端しなくてはならず、従ってシャンク部４４の上方に吊下げられかつ間隔を置いて配置される。この領域内に構造補強部がない状態では、そのように吊下げられた二次ロッド部４０は、製作時及びタービンブレードを鋳造するための取扱い工程中に容易に破損し、その結果中子歩留りを低下させることになる。

従って、図２に示すセラミック中子３６は、特殊な位置に置かれかつ特殊な構成にされた局所的拡大部つまり中実バルブ部４６を含むように変更され、このバルブ部４６は、シャンク部４４の頂部に対して一体形に結合されかつシャンク部から二次ロッド部４０の底部に向けて比較的短い高さだけ上向きに延びる。

それに対応して、複数の短い連結タイつまり中実スタブ部４８が、バルブ部４６の頂部において互いに集合されかつ外向に放射状に延びて、二次ロッド部４０の底部において該二次ロッド部４０のうちの対応する異なる二次ロッド部と一体形に結合する。このようにして、片持ち支持された又は吊下げられた二次ロッド部４０は、相互連結部のボリュームを最小にしながら該相互連結部の強度を最大にするように短いスタブ部４８及びブリッジ結合バルブ部４６のトラス構成によって、太いシャンク部４４の頂部に対してまとめて一体形に結合される。

バルブ部４６及び統合型のスタブ部４８によって形成された集合結合部は、製作時、取扱い中及び鋳造工程時におけるセラミック中子の強度を増大させるためのみに望ましいものであるので、その寸法及び質量は、その補強効果を最大にしかつ運転時における遠心荷重を支えるために必要な鋳造ブレード内での最終金属の減少を最小にするのを保証しながら、最小にすべきである。

図１及び図２に示すセラミック中子３６は、その他の点では従来型のロストワックス鋳造法において使用されており、この鋳造方法は、最終３Ｄタービンブレード１０の所望の外部構成を形成する１対のマスタ鋳型５０の内部にセラミック中子３６を配置することから始まる。

最終タービンブレードのワックスバージョンを形成するために、中子と鋳型の内壁との間に設けられた空間又は空隙において該鋳型内にワックス５２が注入される。

次にセラミックスラリーシェル５４が、固化したワックスブレードの周りに適当に形成され、かつ適当に硬化される。

セラミックシェル５４の内部から、ワックスを適当に溶融させかつ除去すると、後に中子及びシェル間に空隙及び空間が残る。

その翼形部、プラットフォーム及びダブテールを含む鋳造ブレード１０を形成するために、次に中子とシェルとの間の空間内に溶融金属が鋳込まれる。

次に、凝固したタービンブレードから例えば化学的溶脱によってシェル５４及び中子３６を適当に除去することができ、それによって、蛇行回路のための一次及び二次ロッド部３８、４０を含む中子の幾つかのセラミック脚部に対応する内部冷却チャネル１〜８が現れる。また、３つの入口チャネル３４は、中間シャンク部４４のような中子の対応するシャンク部４４に対応する。

さらに、図２に示す共通の中実バルブ部４６は、図１に示す中間入口チャネル３４の頂部側壁内に共通の中空ポケット５６を後に残す。また、個々の中実スタブ部４８は、５経路蛇行回路の対応する脚部３〜７と流れ連通したポケット５６から外向きに放射状に延びる対応する管状チャネル又はシュート５８を後に残す。

しかしながら、開放ポケット５６及び開放シュート５８は、５経路蛇行冷却回路の冷却性能を有効でないものにすることになるので、これら開放ポケット５６及び開放シュート５８は、その後の製造工程において閉鎖される。

例えば、図１に示す個々のシュート５８は、対応するプラグによって適当に塞ぐことができ、その例示的な形状は、シュート内にろう付けされてシュートを介しての流れ連通を遮断しかつ阻止する球形金属ボール６０である。このようにして、シュート５８の各々は、共通の中間入口チャネル３４と蛇行回路の２つの底部流れ方向転換部との間の流れ連通を遮断して、次に蛇行回路の５つの脚部間における連続した完全な流れを保証する対応するプラグ６０を含む。

従って、図２に示すセラミック中子３６は、共通のバルブ部４６及び集合スタブ部４８によって選択的に構造補強されて、その全体を図１に示しかつその一部を図２に示した対応する独特のタービンブレード１０を鋳造する。

中子シャンク部４４は、ブレードダブテール内に相補形の入口チャネル３４を形成する。一次及び二次中子ロッド部３８、４０は、相補形の蛇行冷却チャネル３〜７を形成する。バルブ部４６は、入口チャネル３４の側壁内に相補形の共通ポケット５６を形成する。また、短いスタブ部４８は、共通ポケット５６に集合されかつ該共通ポケット５６から外向きに放射状に延びる相補形の管状シュート５８を形成する。

連結スタブ部４８は、図３における拡大図に示しており、また図１に示すろう付けシュート５８に対応している。スタブ部４８の各々は、円錐状又は截頭円錐状であり、断面積又は胴囲が対応する二次ロッド部４０から共通バルブ部４６まで増大するのが好ましい。

それに対応して、スタブ部４８によって同一形状にされたろう付けシュート５８は、共通ポケット５６と対応する冷却チャネル３〜６との間で同様の円錐状であり、それらの間で流れ断面積が減少する。図３は、相補形の中子特徴形状部と対応する図１のブレード特徴形状部を括弧付きの参照符号の表示で示している。

このようにして、個々のスタブ部４８自体の強度をさらに増大させると共に共通のブリッジ結合バルブ部４６を用いて全体としての強度を増大させるために、各スタブ部４８は、それが共通バルブ部４６に滑らかに連続するにつれて次第に広く拡がる。それに対応して、得られた円錐状シュート５８の各々は、共通ポケットから円錐状シュートの入口内に凹接されてその中にシールをろう付けするための円形座部を有する。

図３に示す個々のスタブ部４８は、得られたシュート５８を後で塞ぐためにボール６０を通過させることができるほど十分な厚さ又は胴囲を有しなくてはならないので、これらスタブ部４８は必然的に、この領域における鋳造金属の最終厚さ及び質量を減少させ、その荷重支持能力を低下させる。

従って、スタブ部４８の各々は、共通バルブ部４６との間にあって、隣接するスタブ部を翼弦方向に共通バルブ部４６にブリッジ結合する薄いウェブ部６２において共通バルブ部４６に滑らかに連続するのが好ましい。ウェブ部６２は、弓形であり、スタブ部４８と共通バルブ部４６に対する該スタブ部４８の結合部との翼弦方向間で凹状のフィレットを形成するのが好ましい。

このようにして、共通バルブ部４６とのスタブ部４８の結合部の厚さの局所的減少は、セラミック中子の溶脱後に残る、最終ダブテール１６における共通ポケット５６の周りの局所的により厚い金属に対応する。

しかしながら、薄いウェブ部６２ですらも、個々のスタブ部と共通バルブ部４６との間に構造補強を与えて、それらの全体的強度を増大させ、かつ対応する中子歩留りを高める。

上述したように、連結スタブ部４８は、共通バルブ部４６から外向きに放射状に延びるのが好ましく、またバルブ部４６から対応する二次ロッド部４０まで互いに分岐して広がるのが好ましい。複数のスタブ部４８のこの分岐した配向及び共通の連結バルブ部４６は、二次ロッド部４０をその下方の太い共通シャンク部４４に互いに固定結合する機械的Ｖ字形トラスを形成する。

図３に示す例示的な実施形態では、共通シャンク部４４は、４つの二次ロッド部４０の直ぐ下方で長手方向にスパン方向に整列しており、また一次ロッド部３８との間で浅い角度で傾斜した一体形の翼厚方向屈曲部又はレッジ部６４によって、該一次ロッド部３８から翼弦方向にオフセットしている。このようにして、共通の大きなシャンク部４４は、二次ロッド部及びレッジ部又は屈曲部の下方で整列して、一次ロッド部３８と一体形に結合する。

共通バルブ部４６は次に、レッジ部６４の頂部から長手方向上向きに延びることができ、集合スタブ部４８は、二次ロッド部４０との統合型のブリッジ又はトラスの形態でさらに上向きに延びる。傾斜したレッジ部６４は、二次ロッド部及びシャンク部間の空隙４２の大きな部分を維持し、この空隙部分は、後で金属で満たされて、最終タービンブレードにおける遠心荷重を支える。

バルブ部４６は、レッジ部６４のおけるシャンク部の頂部及びスタブ部４８に結合する二次ロッド部４０の底部との間のほぼ中間つまり半分スパンの高度つまり高さで終端するのが好ましい。これは、個々の二次ロッド部４０をスパン方向に十分長くしてシャンク部レッジ部６４に近づけ、それに対応してシャンク部４４の高さを高くして二次ロッド部の底部に近づけることによって達成することができる。

この時、バルブ部４６の高さは、レッジ部と二次ロッド部との間の垂直方向空間の下半部を占有し、個々のスタブ部４８は、それらの間の空間の上半部を占有することができる。

従って、スタブ部４８は、比較的短くかつ太くかつその胴囲が徐々に拡大して、短くかつ太い共通バルブ部４６に結合して集合組立体を形成し、この集合組立体は、その構造剛性及び強度をさらに増大させて中子歩留りを高める。

図１〜３は、タービンブレード１０と該タービンブレード１０のために特殊な構成にされた鋳造中子３６との例示的な実施形態を示している。この実施形態では、二次ロッド部４０の４つが、一次ロッド部３８に対して一体形に端部間結合されて、互いにほぼ平行でありかつ共通中子シャンク部４４の上方で延びる細長いロッド部の５脚蛇行構成を形成する。

連結スタブ部４８のうちの２つだけが共通バルブ部４６上に集合され、またシャンク部４４の上方で２つの対応する二次ロッド部４０を一体形に支持する。例えば、４つの二次ロッド部４０は、図１に示す第３及び第４のフローチャネル３、４の底部における流れ方向転換部、並びに第５及び第６のフローチャネル５、６の底部における流れ方向転換部に対応したＵ字状反転屈曲部６６において、対の形態として互いに結合される。

４つの二次ロッド部４０及びこれらに取り付けられた一次ロッド部３８は、ほぼ同一平面内にあり、比較的脆弱な組立体を形成する。２つのスタブ部４８は、他の２つの外側寄り二次ロッド部４０から翼弦方向内側寄りにオフセットした２つの直接隣接する中間二次ロッド部４０の直ぐ下方で２つの屈曲部６６と結合して、５つの蛇行ロッド部を互いに統合し、そうでなければ脆弱なそれらロッド部の組立体を実質的に補強する。

２つのスタブ部４８は、互いに接近して配置され、ウェブ部６２において共通バルブ部４６と結合し、第４及び第５のフローチャネル４、５に対応する２つの内側寄りロッド部４０の直ぐ下方において対応する下方屈曲部６６まで翼弦方向外向きに広がり、また第３及び第６のフローチャネル３、６に対応する２つの外側寄りロッド部４０から翼弦方向に間隔を置いて配置される。

このようにして、蛇行中子形状内の長くかつ脆弱な細い二次ロッド部４０は、それらの間に比較的大きな空隙４２を維持しながら、互いにかつ共通中子シャンク部４４に対して固定相互結合することができる。従って、セラミック中子は、中子歩留りを高めるために強度が補強されるが、得られたポケット５６及びシュート５８は依然として、最終鋳造タービンブレード１０内で比較的小さなボリュームを有し、鋳造空隙４２を囲む金属は、運転時における大きな遠心荷重を支えるのに十分な強度をもたらす。

上述したように、タービンブレードを鋳造するためのセラミック中子は、全く従来型のものであり、該中子を補強しかつ中子歩留りを高めるための様々な機構を含む。中子の様々な脚部は、従来通りの方式で図２に示す上方及び下方ブロックにおいて互いに連結することができ、また付加的に補強するために、限られた数の翼厚方向脚部タイを使用することができる。

しかしながら、図２に示す二次ロッド部の下端部を付加的に支持するために独立しかつ個別の中子タイを使用する代わりに、短くかつ集合した連結スタブ部を使用して、製作及び鋳造工程における取扱いの両方において、並びに最終タービンブレード自体おいて上記の様々な利点を得ることができる。

集合スタブ部は、共通の支持バルブ部を利用して、そのボリュームを最小にしながらその強度を増大させ、それによってタービンブレードの回転運転時に大きな遠心荷重を支える鋳造金属の囲繞ボリュームを最大にするようにする。

従って、集合スタブ部は、他のタービンブレードの構成のための、特にそれに対応して細長くかつ脆弱である多数の内部冷却チャネルを有する最新式のタービンブレード用の鋳造中子の他の構成において、選択的に使用することができる。

例えば、図４は、対応する鋳造中子７０の構成を使用して、上記のロストワックス鋳造法によって形成することができる第１段タービンロータブレード６８の別の実施形態を概略的に示している。図４は、相補形の中子特徴形状部に対応するブレード特徴形状部を括弧付きの参照符号の表示で示している。

この実施形態では、翼形部１２は、９つの内部冷却チャネル１〜９を有しており、ダブテール１６内に３つの対応する入口チャネル３４を備えている。

第１及び第２の冷却チャネル１、２は、図１に示す冷却チャネルと同様であり、翼形部前縁の内側をインピンジメント冷却するために、該第１及び第２の冷却チャネル間に有孔仕切り壁を有する。チャネル８及び９は、同様な構成を有しており、従来通りの方式で後縁の内側をインピンジメント冷却するために、該チャネル間に有孔仕切り壁を備えている。

しかしながら、翼形部の翼弦中間領域は、最新式の冷却構成を有しており、チャネル３、４、５は、端部間結合されて３経路蛇行冷却回路を形成し、中間入口チャネル３４が、先ず始めに、ガスタービンエンジンの圧縮機から抽気された冷却空気３２を第３チャネル３に供給する。

第３チャネル３は、翼形部の対向する正圧及び負圧側面１８、２０をブリッジ結合し、他方、第４及び第５のチャネル４、５は、負圧側面２０の内側に設置され、かつ翼形部の翼弦又は翼形中心線に沿って延びる対応する仕切り壁によって正圧側面から隔てられる。

それらの翼弦方向仕切り壁は、有孔であり、第４及び第５のチャネル４、５を翼形部正圧側面１８の内側でスパンにわたって延びる対応する第６及び第７の冷却チャネル６、７と結合する。このようにして、同じ冷却空気が、先ず始めにチャネル３、４、５における内部蛇行冷却に使用され、次いで翼形部正圧側面の内表面をインピンジメント冷却するために、翼弦方向仕切り壁を通して第６及び第７のフローチャネル６、７内に吐出される。使用済み冷却空気は次に、翼形部の正圧側面内の様々なフィルム冷却出口孔を通して吐出される。

タービンブレード６８を鋳造するための対応するセラミック鋳造中子７０もまた、図４に関連部分を示している。図２に示す中子と同様に、中子７０は、上方及び下方セラミックブロックを含み、下方シャンク部４４は、一次鋳造ロッド部３８と一体形に上向きに上方ブロックまで延びる。二次ロッド部４０の２つは、一次ロッド部３８の頂端部に対して一体形に端部間結合されて、３脚部蛇行構成を形成し、３つのフローチャネル３、４、５に対応するほぼ平行なロッド部は、ほぼ同一平面内にある。

二次鋳造ロッド部４０の別の２つは、蛇行構成内の対応する二次鋳造ロッド部４０とほぼ平行に間隔を置いて配置されかつ該対応する二次鋳造ロッド部４０から隔てられて、第６及び第７のフローチャネル６、７に対応している。

２つの正圧側面二次ロッド部４０は、小さな連結タイの列によって２つの負圧側面二次ロッド部４０に結合され、これらの連結タイは、鋳造ブレード内に対応するインピンジメント孔の列を形成する。

次に、この構成では、４つの二次ロッド部が互いに一体形に連結され、さらに共通の一次ロッド部３８の頂部にある単一の反転屈曲部によって該共通の一次ロッド部３８に結合される。

従って、支持バルブ部４６は、シャンク部４４の頂部における傾斜レッジ部６４上に導入することができ、連結スタブ部４８のうちの３つだけが、共通バルブ部４６上で集合されかつ外向きに放射状に延びて、４つの二次ロッド部４０を付加的に支持する。

例えば、２つの連結スタブ部４８は、翼形部正圧側面の２つの隔てられた二次ロッド部４０の底端部と一体形に結合し、また単一のスタブ部４８は、２つの蛇行二次ロッド部４０の底部屈曲部６６と一体形に結合して、該２つの蛇行二次ロッド部４０を付加的に支持するようにする。

３つの連結スタブ部４８は、共通バルブ部４６の上方で、それらの上方に配置された二次ロッド部４０との結合部まで、三角形構成として互いに分岐して広がるか或いは間隔を置いて配置されるのが好ましい。

このようにして、個々の支持スタブ部４８は、長さが比較的短く、かつ共通の支持バルブ部４６と滑らかに連続するように円錐状であり、スタブ部とバルブ部との間に対応する薄いウェブ部６２を備えている。

また、３つのスタブ部４８及び共通バルブ部４６の集合構成は、最小限のボリュームを使用して、対応するフローチャネル４〜７に向って収束する３つの円錐状シュート５８で終端する得られた三尖ポケット５６の周りに鋳造される金属のボリュームをそれに対応して最大にしながら、セラミック中子の強度を大きく増大させる。

上述のセラミック中子の様々な実施形態内に比較的小形の集合スタブ部を導入することによって、長くかつ細い二次ロッド部は、より強度がある共通中子シャンク部と構造的に統合して、中子組立体自体並びに個々のスタブ部の強度を大きく増大させるようにすることができる。より強度がある中子は次に、鋳造工程中における一層容易な取扱いを可能にすると共に、比較的薄い壁のタービンブレードの鋳造壁厚さに対する一層安定した制御を行いながら、中子歩留りの大きな増大を得ることができる。

最終鋳造タービンブレードは、共通ポケット及びろう付けシュートに最小のボリュームを有し、ブレードの回転運転時における大きな遠心荷重を支持するのに利用できる状態で残る囲繞金属を最大にするようにする。

本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、当業者には、本明細書の教示から本発明のその他の変更が明らかになる筈であり、従って、全てのそのような変更は、本発明の技術思想及び技術的範囲内に属するものとして特許請求の範囲で保護されることが望まれる。

従って、本特許によって保護されることを望むものは、提出した特許請求の範囲に記載しかつ特定した発明である。

ガスタービンエンジン用の第１段タービンロータブレードの部分断面側面図。 図１に示すタービンブレードをロストワックス鋳造法により製造するために使用するセラミック中子の一部分の概略図。 図２に示すセラミック中子の一部分の拡大斜視図。 対応する実施形態によりタービンブレードを鋳造するための別の実施形態によるセラミック中子の部分断面概略側面図。

符号の説明

１〜９ フローチャネル
１０ ロータブレード
１２ 翼形部
１４ プラットフォーム
１６ ダブテール
１８ 正圧側面
２０ 負圧側面
２２ 根元
２４ 先端
２６ 前縁
２８ 後縁
３０ 仕切り壁
３２ 冷却空気
３４ 入口チャネル
３６ 鋳造中子
３８ 一次ロッド部
４０ 二次ロッド部
４２ 空隙
４４ シャンク部
４６ バルブ部
４８ スタブ部
５０ マスタ鋳型
５２ ワックス
５４ シェル
５６ ポケット
５８ シュート
６０ ボール
６２ ウェブ部
６４ レッジ部
６６ 反転屈曲部
６８ ロータブレード
７０ 鋳造中子

Claims (8)

1. ダブテール（１６）に対して一体形に結合されたプラットフォーム（１４）からスパンにわたって延びる翼形部（１２）を有するタービンロータブレード（１０）を鋳造するための鋳造中子（３６）であって、
   スパンにわたって延びて前記翼形部（１２）内の冷却チャネル（３〜７）に対応する複数の翼弦方向に隣接する一次及び二次ロッド部（３８、４０）と、
   一次ロッド部（３８）に結合されかつ複数の二次ロッド部（４０）の下方に間隔を置いて配置されて前記ダブテール（１６）内の入口チャネル（３４）に対応するシャンク部（４４）と、
   前記シャンク部（４４）に対して一体形に結合されかつ前記二次ロッド部（４０）の手前まで延びるバルブ部（４６）と、
   前記バルブ部（４６）において互いに集合されかつ外向きに放射状に延びて前記二次ロッド部（４０）のうちの異なる二次ロッド部と一体形に結合する複数のスタブ部（４８）と、
   を含み、
   前記バルブ部（４６）が、前記入口チャネル（３４）の側壁内のポケット（５６）に対応し、
   前記スタブ部（４８）が、円錐状であり、前記ポケット（５６）から放射状に延びかつ前記二次ロッド部（４０）までその面積が減少するシュート（５８）に対応し、
   前記スタブ部（４８）が、前記バルブ部（４６）との間のより薄いウェブ部（６２）において該バルブ部（４６）に滑らかに連続し、
   前記より薄いウェブ部（６２）が、前記ポケット（５６）の周りの前記ダブテール（１６）内の局所的により厚い金属に対応する
   ことを特徴とする、中子。
2. 前記シャンク部（４４）が、前記二次ロッド部（４０）の下方でスパン方向に整列しかつ前記一次ロッド部（３８）との間の一体形の翼厚方向レッジ部（６４）によって該一次ロッド部（３８）から翼弦方向にオフセットされ、
   前記バルブ部（４６）及びスタブ部（４８）が、前記レッジ部（６４）との統合型のブリッジとして該レッジ部（６４）から上向きに延びる、
   請求項１記載の中子。
3. 前記ウェブ部（６２）が、前記スタブ部（４８）間で翼弦方向に凹状であり、
   前記バルブ部（４６）が、前記スタブ部（４８）において、前記シャンク部（４４）と前記二次ロッド部（４０）との間のほぼ中間の高さで終端する、
   請求項２記載の中子。
   
4. 前記一次ロッド部（３８）に対して一体形に端部間結合されて５脚蛇行構成を形成した前記二次ロッド部（４０）の４つをさらに含み、
   前記バルブ部（４６）及び２つの集合スタブ部（４８）が、前記二次ロッド部（４０）の底部にある２つの対応する屈曲部（６６）において該二次ロッド部（４０）を一体形に支持する、
   請求項３記載の中子。
5. 前記２つのスタブ部（４８）が、他の２つの二次ロッド部（４０）から翼弦方向にオフセットした２つの直接隣接する二次ロッド部（４０）の下方で前記２つの屈曲部（６６）と結合する、請求項４記載の中子。
6. 前記一次ロッド部（３８）に対して一体形に端部間結合されて３脚蛇行構成を形成した前記二次ロッド部（４０）の２つと、
   前記蛇行構成における前記二次ロッド部（４０）のうちの対応する二次ロッド部から隔てられた該二次ロッド部（４０）の別の２つと、をさらに含み、
   前記バルブ部（４６）及び３つの集合スタブ部（４８）が、前記蛇行二次ロッド部（４０）の底部にある対応する屈曲部（６６）において該蛇行二次ロッド部（４０）を一体形に支持し、かつ前記隔てられた二次ロッド部（４０）の底部において該隔てられた二次ロッド部（４０）を支持する、
   請求項２記載の中子。
7. 前記３つのスタブ部（４８）が、前記バルブ部（４６）の上方で三角形構成として互いに分岐して広がる、請求項６記載の中子。
8. 前記中子シャンク部（４４）、バルブ部（４６）及びスタブ部（４８）を囲む前記ダブテール（１６）に対して一体形に結合された前記プラットフォーム（１４）から延びかつ前記一次及び二次ロッド部（３８、４０）を囲む前記タービン翼形部（１２）の形態として該中子の周りに金属鋳造品をさらに含む、請求項２記載の中子。

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