JP6186219B2 - エアフォイル製造システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、概してエアフォイル製造システム及び方法に関する。

タービンは、産業及び商業活動において広く使用されている。発電に使用する典型的な商用蒸気又はガスタービンは、固定エアフォイルと回転エアフォイルの、交互の段を有する。例えば、タービンを囲繞するケーシング等の固定部品には、静翼が取り付けられ、タービンの軸中心線に沿って位置するロータには、動翼が取り付けられる。これらに限定されないが、蒸気、燃焼ガス、又は空気等の加圧作動流体がタービンを流れ、静翼がこの加圧作動流体を加速させて動翼の次の段へと導き、回転翼に運動を与えることにより、ロータを回転させて仕事を行う。

タービン効率は、一般に、加圧作動流体の温度上昇と共に上昇する。しかし、タービン内の温度が高くなり過ぎると、タービンのエアフォイル寿命が縮むので、タービンに関連する修繕、メンテナンス、及び停止が増加する。そこで、エアフォイルを冷却するために、様々な設計及び方法が開発されている。例えば、エアフォイル内のキャビティに冷媒を供給することにより、エアフォイルから対流的及び／又は伝導的に熱を除去できる。特定の実施形態では、冷媒がエアフォイル内のキャビティから冷却流路を通じて流出することにより、エアフォイルの外面全体にフィルム冷却を行える。

継続的な温度上昇及び／又は性能基準の増加に伴い、エアフォイルに使用する材料が徐々に薄型になっているため、信頼性のあるエアフォイルの製造が難化している。具体的には、エアフォイルが通常は高合金メタルから鋳造され、このエアフォイルの外面には、熱保護を強化するための遮熱コーティングが施される。鋳造後、エアフォイル全体の冷媒の流れを最適化するために、高合金メタルの正確な位置及び正確な幾何学的位置に、冷却流路がドリル加工又は機械加工される。例えば、ウォータージェットを用いて高合金メタルの特定の位置及び角度に冷却流路をドリル加工することにより、エアフォイルの外面全体の冷媒の流れを強化することができる。ウォータージェットは、高合金メタルに小径の穴を正確にドリル加工するには効果的であるが、同時に、遮熱コーティングを損傷させる可能性及び／又は完全除去が困難なことがあるグリット副次物がエアフォイル内側に取り込まれる可能性がある。或いは、又はこれに加えて、ウォータージェットが、キャビティの反対側のエアフォイル内部に意図せず衝突して、エアフォイルの内側を損傷することがある。エアフォイル内側のグリット副次物及び／又はエアフォイル内部の損傷を、エアフォイルの仕上げ工程時に検出することは困難である。

米国特許第７７２８２５８号

そこで、遮熱コーティングの損傷、グリット副次物のエアフォイルへの取り込み、及び／又はエアフォイル内部の不慮の損傷を低減又は防止する、エアフォイル製造システム及び方法が有用であろう。

本発明の態様及び利点は、以下の記述で記載されているか、又は当該記述から明らかであるか、又は本発明の実施により得られる。

本発明の一実施形態は、エアフォイルの製造システムである。本システムは、流体カラムと流体カラムの内側のレーザービームを有し、エアフォイルに向かう閉じ込められたレーザービームを形成する。エアフォイルの内側を流れるガスが、エアフォイルの内側の流体カラムを分断する。

本発明の別の実施形態は、エアフォイルの製造方法である。本方法は、流体カラムの内側でレーザービームを閉じ込めて、閉じ込められたレーザービームを形成すること、この閉じ込められたレーザービームをエアフォイルの表面に向けること、閉じ込められたレーザービームを用いてエアフォイルの表面に穴を形成することを含む。本方法は更に、エアフォイルの内側にガスを流すこと、エアフォイルの内側を流れるガスを用いて流体カラムを分断することを含む。

本発明のまた別の実施形態は、レーザービームをエアフォイルの表面に向けること、エアフォイルの外側の流体カラムの内側でレーザービームを閉じ込めて、エアフォイルの外側に閉じ込められたレーザービームを形成することを含む、エアフォイルの製造方法である。本方法は、閉じ込められたレーザービームを用いてエアフォイルの表面に穴を形成することと、エアフォイルの内側においてガスを用いて流体カラムを分断することを更に含む。

本明細書を検討すれば、当業者はかかる実施形態の特徴及び態様をよりよく理解できよう。

添付図面の参照を含めた本明細書の以下の部分では、本発明の最適な態様を含め、当業者が本発明を実施できる十分な開示がより具体的になされている。

本発明の様々な実施形態を包含可能な、例示的なタービンの概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る、例示的なエアフォイルの斜視図である。 図２で示すエアフォイルの鋳造に使用可能なコアの平面図である。 図２で示すエアフォイルの製造システムの斜視図である。 閉じ込められたレーザービームがエアフォイルを貫通した後の、図４で示したシステムの斜視図である。

これより、その例の１つ以上を添付図面に示す、本発明の実施形態を詳細に参照する。詳細な説明では、図面中の要素を数字又は記号の符号を用いて示す。図面及び説明における類似又は同様の符号は、本発明の類似又は同様の部分を示す。ここで用いる「第１」「第２」「第３」という表現は、或る部品を別の部品と区別するために交換可能に使用されるものであり、個々の部品の位置又は重要性を表すことを意図したものではない。加えて、「上流」「下流」という表現は、流体流路における部品の相対位置を示している。例えば、部品Ａから部品Ｂに流体が流れる場合は、部品Ａが部品Ｂの上流になる。逆に、部品Ｂが部品Ａから流体流を受け取る場合は、部品Ｂが部品Ａの下流になる。

各例は本発明を説明するために提示されており、本発明を限定するものではない。実際に、当業者には明らかなように、本発明の範囲又は概念から逸脱することなく、本発明に修正及び改変を加えることができる。例えば、一実施形態の一部として図示又は記述される特徴を別の実施形態で使用することにより、また別の実施形態を生じることができる。したがって、かかる修正及び改変も、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内にあるため、本発明の対象となる。

本発明の様々な実施形態には、エアフォイルの製造システム及び方法が含まれる。本システムは、概して、流体カラムにより閉じ込められる非集束レーザービームを含み、閉じ込められたレーザービームを用いて、エアフォイル表面に特定の角度の精密な穴を形成できる。閉じ込められたレーザービームがエアフォイル表面を貫通すると、エアフォイルの内側を流れるガスがエアフォイルの内側の流体カラムを分断することにより、閉じ込められたレーザービームがエアフォイルの内側を損傷することを防止する。ここで使用する場合、「ガス」という表現は、空気の他にもあらゆるガス状の媒体を含む。本発明の実施例をタービンに組み組まれるエアフォイルの文脈で概説するが、本明細書の教示から当業者には明らかなように、請求項において特記しない限り、本発明の実施形態がタービンに限定されることはない。

全図面を通じて一致する符号が同一の要素を指す図面を参照すると、図１は、本発明の様々な実施形態に係る例示的なタービン１０の概略側断面図である。図１に示すように、タービン１０は、概して、タービン１０を通るガス流路１６を少なくとも部分的に画定するロータ１２とケーシング１４とを有する。ロータ１２は、概して、タービン１０の中心軸線１８に位置合わせされており、ジェネレータ、コンプレッサ、又は仕事を生成するその他の機械に結合されている。ロータ１２は、一体的に回転するようにボルト２４で相互に結合されたロータホイール２０とロータスペーサ２２の、交互の区画を有する。ケーシング１４は、ロータ１２の少なくとも一部分を円周方向に囲繞し、ガス流路１６を流れる加圧作動流体２６を内包する。加圧作動流体２６は、例えば、燃焼ガス、圧縮空気、飽和蒸気、不飽和蒸気、又はこれらが組み合わさったものを含む。

図１に示すように、タービン１０は、ロータ１２とケーシング１４との間で半径方向に延在する、動翼３０と静翼３２の交互の段を更に有する。動翼３０は、ロータ１２の周りに円周方向に配置されており、様々な手段を用いてロータホイール２０に結合可能である。これとは逆に、静翼３２は、ロータスペーサ２２の反対側で、ケーシング１４の内側の周りに周縁方向に配置されている。動翼３０と静翼３２は、当該技術分野で周知のように、概して、凹状の正圧側、凸状の吸込側、前縁、及び後縁を備えた、エアフォイル形状を有する。加圧作動流体２６は、タービン１０を通るガス流路１６を、図１の左側から右側へ流れる。加圧作動流体２６が動翼３０の第１段を過ぎると、この加圧作動流体は膨張し、動翼３０、ロータホイール２０、ロータスペーサ２２、ボルト２４、及びロータ１２を回転させる。加圧作動流体２６は、その後、加圧作動流体２６を加速させてその方向を動翼３０の次の段へと変える、静翼３２の次の段を横切り、これに続く段ではこのプロセスが繰り返される。図１で示す実施例では、タービン１０は、３段の動翼３０の間に２段の静翼３２を有しているが、当業者には明らかなように、動翼３０と静翼３２のこの段数は、請求項で特記しない限り、本発明を限定するものではない。

図２は、本発明の一実施形態に係る、動翼３０又は静翼３２に組み込むこと等が可能な、例示的なエアフォイル４０の斜視図である。図２で示すように、エアフォイル４０は、概して、凹の曲率を有する正圧側４２と、凸の曲率を有する、正圧側４２の反対側の吸込側４４を有する。正圧側４２と吸込側４４は相互に離間しており、正圧側４２と吸込側４４との間に、エアフォイル４０の内側のキャビティ４６を画定している。キャビティ４６は、エアフォイル４０の内側に冷媒を流し、エアフォイル４０から伝導的及び／又は対流的に熱を除去するための、蛇行した又は曲がりくねった流路を提供する。加えて、正圧側４２と吸込側４４は更に、エアフォイル４０の上流部にある前縁４８と、キャビティ４６の下流側でエアフォイル４０の下流部にある後縁５０とを形成するように接合されている。正圧側４２、吸込側４４、前縁４８、及び／又は後縁５０における複数の冷却流路５２は、エアフォイル４０を通るキャビティ４６からエアフォイル４０の外側全体に冷媒を供給する流体連通を提供する。図２に示すように、例えば、冷却流路５２は、前縁４８及び後縁５０に位置し、且つ／又は、正圧側４２及び吸込側４４の一方又は両方に沿って位置する。当業者であれば本明細書の教示から明らかなように、冷却流路５２の数及び／又は位置は、個々の実施形態に応じて可変であり、本発明は、請求項で特記しない限り、いかなる冷却流路５２の数又は位置にも限定されない。

図２に示す例示的なエアフォイル４０は、当該技術分野で周知のいかなるプロセスを用いて製造してもよい。例えば、図３は、インベストメント鋳造法によって図２で示すエアフォイル４０の製造に使用可能なコア６０の平面図である。図３に示すように、コア６０は蛇行部６２を有し、蛇行部６２は、多数の長細い分岐、又は蛇行部６２から延在する複数の突起６４を備えている。蛇行部６２は、概して、エアフォイル４０のキャビティ４６の寸法及び位置に対応しており、突起６４は、概して、エアフォイル４０の後縁５０を通る大きい方の冷却流路５２の寸法及び位置に対応している。コア６０は、鋳造材料（例えば、高合金メタル）に関連する高温に耐えつつ、鋳造時にコア６０に必要な堅固な位置決めを維持する十分な強度を有するいかなる材料からも製造可能である。例えば、コア６０は、セラミック材料、セラミック複合材料、又はその他適当な材料から鋳造可能である。鋳造或いは加工すると、レーザー、電子放出機、ドリル、ウォータージェット、又はその他の適当な装置を用いて、図３に示す蛇行部６２及び／又は突起６４の精密化又は形成が可能である。

コア６０は、その後、当該技術分野で周知のように、ロストワックス法又はその他の鋳造法において使用される。例えば、エアフォイル４０に望ましい厚さ及び曲率に容易に形成できるワックス又はその他の適当な材料で、コア６０をコーティングする。その後、ワックスで覆われたコア６０を液体セラミック溶液に繰り返し浸漬し、ワックス表面全体にセラミックシェルを形成する。その後、ワックスを加熱して、コア６０とセラミックシェルとの間からワックスを除去すると、コア６０とセラミックシェルとの間に、エアフォイル４０の鋳型となる空隙が形成される。

その後、溶融高合金メタルを鋳型に流し込み、エアフォイル４０を形成する。高合金メタルは、例えば、ＧＴＤ−１１１、ＧＥＤ−２２２、Ｒｅｎｅ ８０、Ｒｅｎｅ ４１、Ｒｅｎｅ １２５、Ｒｅｎｅ ７７、Ｒｅｎｅ Ｎ５、Ｒｅｎｅ Ｎ６、ＰＷＡ １４８４、ＰＷＡ １４８０、第４世代単結晶超合金、ＭＸ−４、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ、コバルト基ＨＳ−１８８、及び同様の合金類等の、ニッケル、コバルト、及び／又は鉄超合金を含む。高合金メタルが冷却されて固化した後、セラミックシェルを壊して除去すると、ワックスを除去することによりできた空隙の形状になった高合金メタルが露出する。コア６０は、当該技術分野で周知の方法を用いてエアフォイル４０の内側から除去される。例えば、コア６０を浸出工程によって溶かしてコア６０を除去すると、エアフォイル４０にはキャビティ４６と冷却流路５２とが残る。

図４は、エアフォイル４０を通る付加的な冷却流路５２を形成するシステム７０の斜視図である。図４に示すように、システム７０は、非集束レーザービーム７４を生成可能なレーザー７２を含む。非集束レーザービーム７４は、約５３２ｎｍの波長、約１０ｋＨｚのパルス周波数、約４０〜５０Ｗの平均出力を有する。図４の特定の実施形態では、レーザー７２は、非集束レーザービーム７４を流体カラム７６の内側に、又は流体カラム７６を介してエアフォイル４０に向ける。流体カラム７６は、非集束レーザービーム７４を集束可能ないかなる気体又は液体であってよく、１平方インチあたり約７００〜１，５００ポンドの範囲の圧力を有するが、本発明は、請求項で特記しない限り流体カラム７６のいかなる個々の圧力にも限定されることはない。流体カラム７６は、非集束レーザービーム７４のライトガイドとして作用し、エアフォイル４０に向かう集束レーザービーム又は閉じ込められたレーザービーム７８を形成する。閉じ込められたレーザービーム７８はエアフォイル４０の表面を覆い、最終的には、エアフォイル４０を通る所望の冷却流路５２を形成する。

図５は、閉じ込められたレーザービーム７８がエアフォイル４０を貫通した後の、図４に示すシステム７０の斜視図である。図４及び図５に示すように、システム７０は、エアフォイル４０の内側を流れるガス８０を更に含む。ここで使用する用語「ガス」には、空気以外にもあらゆるガス状の媒体を含む。例えば、ガス８０は、空気の他、エアフォイル４０の内側のガスカラム８２を形成する、不活性ガス、真空、飽和蒸気、過熱蒸気、又はその他あらゆる適当な気体であってもよい。エアフォイル４０の内側を流れるガス８０は、流体カラム７６のガス又は液体の圧力にほぼ相応する圧力で、エアフォイル４０の内側の流体カラム７６を十分に分断する圧力を有する。例えば、エアフォイル４０の内側を流れるガス８０は、１平方インチあたり約２５ポンドを上回る圧力を有するが、本発明は、請求項で特記しない限り、ガス８０のいかなる特定の圧力にも限定されない。

図５に最も明確に示すように、ガス８０は、エアフォイル４０の内側で、流体カラム７６及び／又は閉じ込められたレーザービーム７８と交差するように位置合わせされる。特定の実施形態において、ガス８０は、流体カラム７６に対して実質的に垂直に位置合わせされるが、別の特定の実施形態では、ガス８０は、流体カラム７６及び／又は閉じ込められたレーザービーム７８に対して斜角又は鋭角に位置合わせされる。ガス８０がエアフォイル４０の内側で流体カラム７６と交差すると、ガス８０は、エアフォイル４０の内側で流体カラム７６を分断し、且つ／又は、閉じ込められたレーザービーム７８を散乱させる。このように、ガスは、新たに形成された冷却流路５２を超えて閉じ込められたレーザービーム７８がエアフォイル４０の内面に衝突することを防止する。

当業者には本明細書の教示から明らかなように、図４及び図５に関して記述及び図示されているシステム７０は、エアフォイル４０の製造方法を提供する。例えば、本方法は、図４及び図５で示すように、非集束レーザービーム７４をエアフォイル４０の表面に向けることと、非集束レーザービーム７４をエアフォイル４０の外側の流体カラム７６で閉じ込めて、エアフォイル４０の外側で閉じ込められたレーザービーム７８を形成することを含む。本方法は、閉じ込められたレーザービーム７８を用いてエアフォイル４０の表面に穴又は冷却流路５２を形成することと、図５で示すように、エアフォイル４０の内側で流体カラム７６及び／又は閉じ込められたレーザービーム７８をエアフォイル４０の内側でガス８０を用いて散乱させることを更に含み得る。このように、本方法は、閉じ込められたレーザービーム７８をエアフォイル４０の内側で散乱させることにより、閉じ込められたレーザービーム７８が冷却流路５２を超えてエアフォイル４０の内面に衝突することを防止することができる。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる装置又はシステムの作製及び使用、並びにあらゆる付随の方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるように本発明を開示している。本発明の特許請求の範囲は、請求項によって定義されるが、当業者に想到可能なその他の例もこれに含まれる。かかるその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲内であることを意図している。

１０ タービン
１２ ロータ
１４ ケーシング
１６ ガス流路
１８ 中心軸線
２０ ロータホイール
２２ ロータスペーサ
２４ ボルト
２６ 作動流体
３０ 動翼
３２ 静翼
４０ エアフォイル
４２ 正圧側
４４ 吸込側
４６ キャビティ
４８ 前縁
５０ 後縁
５２ 冷却流路
６０ コア
６２ 蛇行部
６４ 突起
７０ システム
７２ レーザー
７４ 非集束レーザービーム
７６ 流体カラム
７８ 閉じ込められたレーザービーム
８０ ガス
８２ ガスカラム

Claims (11)

1. エアフォイルの製造システムであって、
   （ａ）流体カラムと、
   （ｂ）エアフォイルに向かう閉じ込められたレーザービームを形成する、前記流体カラムの内側のレーザービームと、
   （ｃ）前記エアフォイルの内側を流れるガスであって、前記エアフォイルの内側で前記流体カラムを分断するガスと
   を備えるシステム。
2. 前記ガスが蒸気又は不活性ガスである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ガスが、１平方インチあたり２５ポンドを上回る圧力を有する、請求項１又は請求項２に記載のシステム。
4. 前記ガスが前記エアフォイルの内側で前記流体カラムと交差する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記ガスが、前記エアフォイルの内側のガスカラムである、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のシステム。
6. エアフォイルの製造方法であって、
   （ａ）流体カラムの内側でレーザービームを閉じ込めて、閉じ込められたレーザービームを形成することと、
   （ｂ）前記閉じ込められたレーザービームをエアフォイルの表面に向けることと、
   （ｃ）前記閉じ込められたレーザービームを用いて前記エアフォイルの表面に穴を形成することと、
   （ｄ）前記エアフォイルの内側にガスを流すことと、
   （ｅ）前記エアフォイルの内側を流れる前記ガスを用いて前記流体カラムを分断すること
   を含む方法。
7. 前記エアフォイルの内側の前記流体カラムに対して実質的に垂直に前記ガスを位置合わせすることを更に含む、請求項６に記載の方法。
8. エアフォイルの製造方法であって、
   （ａ）エアフォイルの表面にレーザービームを向けることと、
   （ｂ）前記エアフォイルの外側にある流体カラムの内側でレーザービームを閉じ込めて、前記エアフォイルの外側に閉じ込められたレーザービームを形成することと、
   （ｃ）前記閉じ込められたレーザービームを用いて前記エアフォイルの表面に穴を形成することと、
   （ｄ）ガスを用いて前記エアフォイルの内側で前記流体カラムを分断すること
   を含む方法。
9. 前記エアフォイルの内側で前記ガスを流すことを更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 更に、
    ａ．前記閉じ込められたレーザービームが前記穴を超えて前記エアフォイルの内面に衝突することを防止すること、
    ｂ．前記閉じ込められたレーザービームを前記エアフォイルの内側で分散させること、及び
    ｃ．前記エアフォイルの内側で前記流体カラムに交差するように前記ガスを位置合わせすること
    の少なくともいずれかを含む、請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記エアフォイルの内側の前記ガスが、前記エアフォイルの内側の蒸気又は不活性ガスである、請求項６乃至請求項１０のいずれか１項に記載の方法。