JP6405357B2 - 複雑なフィルム穴を形成するための付加形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービン部品の穴の形成に関し、より詳細には、複雑な形状のフィルム穴、及びこのフィルム穴を付加形成によって形成するための方法に関する。

タービンエンジンの翼形部にはしばしば、冷却空気のフィルムを翼形部の外側表面に沿って排出して、フィルムの冷却に作用するための冷却穴が含まれる。これら穴は「フィルム冷却穴」又は「冷却穴」と呼ばれる場合がある。

冷却穴の性能を向上させるために、冷却穴の形状を変更して冷却流の拡散に作用することも知られている。拡散により、排出速度が低減され、空気流の静圧が増大する。冷却穴の拡散は、部品の高温の表面上をクーラントフィルムでより大きく覆うことにより、フィルムの冷却効率を向上させるための様々な構成において知られている。通常の拡散フィルム冷却穴は通常、望ましくない流れの分離を伴わずに拡散に作用するために、面積比が適切に増大する、流入口から流出口に向かう円錐形である場合がある。通常の拡散フィルム冷却穴は、流入口、又は流入口付近の計測セクションをも組み込んで、流量を所望の大きさに制御する。拡散は少なくとも穴の長さの一部分に沿って、通常は出口に向かって生じ、横断方向及び／もしくは長手方向、又はそれらの組合せである場合がある。他のタイプの拡散冷却穴も、様々なパフォーマンス特性を提供する、概ね矩形穴の様々な出口を含む従来技術に見られる。

フィルム穴を形成するための従来の方法には、鋳造及び切削が含まれる。従来の方法によって提供されるフィルム穴の問題の１つが、それらフィルム穴の形状が形成プロセスによって制限されることである。

したがって、タービンブレード部品の複雑な形状のフィルム穴を提供するための形成プロセスが必要とされている。そのような複雑なフィルム穴により、冷却流体の的確な搬送が可能になり、それにより、エンジン効率の損失におけるそのような冷却流体の費用を最小化及び／又は低減することになる。

国際公開第２０１４１５０４９０号

この要望は、付加形成プロセスを使用してフィルム穴の一部分を形成する方法によって対処される。

本発明の一態様によれば、タービン部品に冷却穴構造を形成する方法が提供される。タービン部品は、内側表面及び外側表面を有する部品壁を有する。ボアは、部品壁を貫通し、内側表面と外側表面とを流体連通する。本方法には、ボア及び外側表面と連通する凹部を形成する工程と、付加形成プロセスを使用して凹部に出口領域を形成する工程とが含まれる。

本発明の一態様によれば、内側表面及び外側表面を有する部品壁を有するタービン部品に冷却穴構造を形成する方法であって、ボアが部品壁を貫通し、内側表面と外側表面とを流体連通する、方法が提供される。本方法には、ボア及び外側表面と連通する凹部を形成する工程と、付加形成プロセスを使用して凹部内に、穴の中心線に沿う距離に応じて形状が変化するフィルム穴のセクションを形成する工程とが含まれる。

本発明は、添付図面とともに以下の詳細な説明を参照することでもっともよく理解することができる。

航空機のエンジンに含まれるタービンブレードの斜視図であり、タービンブレードの壁部は、壁部を冷却するための複数のフィルム穴を含んでいる。 付加形成によりフィルム穴を形成する方法によって形成された複雑なフィルム穴を示す、図１に示すタービンブレードの、線２−２の位置で取られた一部分の断面図である。 複雑なフィルム穴を示す、図１に示すタービンブレードの一部分の平面図である。 図１の線２−２に沿う、図１のタービンブレードの形成プロセスの１ステップの間に生成されるブランクの壁セクションの一部分を示す断面図である。 貫通して形成された穴を示す、図３の壁セクションの断面図である。 壁セクションの穴の一端付近のタービン部品から材料が除去され、それによって凹部が規定されるようになっていることを示す、図５のタービン部品の一部分を示す断面図である。 図６に示す壁セクションの一部分の断面図であり、凹部付近の穴のセクションがブロックされている。 図７に示す壁セクションの一部分の断面図であり、壁セクションに接着剤が塗工されている。 図８に示す壁セクションの一部分の断面図であり、壁セクションに粉末が塗工されている。 図９に示す壁セクションの一部分の断面図であり、粉末の溶解を示している。 図１０の壁セクションの部分を示す断面図であり、凹部に付加されて、ブロックされた穴の端部を始点とする拡散セクションの遷移エリアを規定する新たな材料を示している。 図１１に示す壁部の断面図であり、溶融されていない粉末が除去されている。 図１２に示す壁部の断面図であり、ブロック材料が除去され、以下に記載する方法によって形成した複雑なフィルム穴の輪郭を示している。

図を参照すると、同じ参照符号は様々な図を通して同じ要素を示しており、図１は例示的タービンブレード１０を示している。タービンブレード１０は、従来のダブテール１２を含んでいる。ダブテール１２には、ブレード１０が作動時に回転する際にブレード１０をディスクに径方向に保持するための、ロータディスク（図示せず）のダブテールスロットの相補的中子と係合する中子を含む、任意の適切な形態が含まれている。ブレードシャンク１４は、ダブテール１２から径方向上方に延び、シャンク１４から横方向外側に延びるとともに、シャンク１４を囲むプラットフォーム１６で終端する。中空翼形部１８は、プラットフォーム１６から径方向外側に、高温ガス流内に延びる。翼形部は、プラットフォーム１６と翼形部１８との連結部に根元部１９を有し、径方向の外側端部に先端２２を有する。翼形部１８は、前端２８と後端３１とにおいてともに結合した凹状の正圧側壁２４と凸状の負圧側壁２６とを有する。

翼形部１８は、高温ガス流からエネルギを抽出し、ロータディスクを回転させるのに適切な任意の構成とすることができる。翼形部１８には、翼形部１８の正圧側壁２４の複数の後縁ブリードスロット３２が組み込まれていてもよい。或いは、翼形部１８には、複数の後縁冷却穴（図示せず）が組み込まれていてもよい。翼形部１８の先端２２は、先端キャップ３４によって閉じられている。先端キャップ３４は、翼形部１８と一体に形成されていてもよく、又は別々に形成され、翼形部１８に取り付けられていてもよい。直立したスキーラ先端３６は、先端２２を通過する空気流の損失を最小化するために、先端キャップ３４から径方向外側に延びるとともに、組み立てられたエンジンの固定シュラウド（図示せず）の近位に配置されている。スキーラ先端３６は、正圧側先端壁３９と離隔した関係で配置された負圧側先端壁３８を備えている。先端壁３９と３８とは、翼形部１８と一体であり、正圧側壁２４と負圧側壁２６との延長部をそれぞれ形成している。正圧側先端壁３９と負圧側先端壁３８との外側表面はそれぞれ、正圧側壁２４の外側表面と負圧側壁２６の外側表面と連続する表面を形成している。複数のフィルム冷却穴１００は、翼形部１８の外壁を貫通している。フィルム冷却穴１００は、翼形部１８の内側空間（図示せず）と連通している。この内側空間には、曲がりくねった構成などの、内壁によって規定される複雑な構成の冷却通路が含まれる場合がある。翼形部１８は、慣習的に「超合金」として知られる、高温における高い耐クリープ性を有するニッケル又はコバルトベースの合金などの材料で形成され得ることに留意されたい。

図２は、フィルム冷却穴１００の１つをより詳細に示している。フィルム穴１００は、正圧側壁２４の内側表面５４から正圧側壁２４の外側表面５６に延びる。フィルム穴１００は、入口セクション１０４と出口セクション１０８とを含んでいる。入口セクション１０４はしばしば、「計測セクション」と呼ばれ、概して丸く、中心線を有する。入口セクション１０４と出口セクション１０８とは、遷移エリア１１２でぶつかる。これに関して、入口セクション１０４は、内側表面５４から遷移エリア１１２に延びる。

出口セクション１０８は、遷移エリア１１２から外側表面５６へと増大する流れ面積を有する。図３に見られるように、出口セクション１０８の寸法は、流れ方向に沿って、出口セクションの中心線に対して横方向に増大する。このタイプの構造はしばしば、「拡散セクション」又は「ファンセクション」と呼ばれ、円錐形、四辺形、又は他面形などの様々な形状とすることができる。

図３の例は非限定的な形状である。フィルム穴の拡散は、たとえば図示のような横方向などの、穴の中心線に対する一方向、又は、たとえば円錐形などの多方向、又は、他の様々な形状で生じる場合がある。そのような形状は、出口領域、又は遷移領域、又はその両方において生じ得ることをも理解されたい。以下に記載の方法に従って形成されたフィルム穴では、中心線に沿う様々な点で取られ、様々な形状のパラメータの様々な面積を有する断面が別の方法で述べられている。フィルム穴１００は、フィルム穴１００が非線形の流体流路Ａを規定するように構成されている。流体流路Ａは、遷移エリア１１２を通過すると、向きが変わるとともに拡大する。フィルム冷却穴１００は、複雑なフィルム穴の一例であり、より詳細には、複雑なフィルム穴１００は、見通し線ではない穴の一例である。本明細書で使用される場合、「複雑」との用語は、単一の直線状の円形の断面を有するボアとは異なる任意の部分又は特徴を含む任意の穴に言及する。限定ではなく例として、そのような穴は、レーザドリル及び放電加工などの一般的な方法によっては形成できない穴を含んでいる。

ここで、フィルム穴１００などの複雑なフィルム穴を形成する方法を記載する。第１に、図４に示すような壁セクション１２０が提供される。壁セクション１２０は概して、平坦、凸状、凹状、及び／又は複雑に湾曲するなどの任意の形状の任意のタービン部品の壁セクションを示すものである。そのような壁セクション１２０の１つが、上述の負圧側壁２６であり、両側の内側表面１５４と外側表面１５６とをそれぞれ含んでいる。壁セクション１２０を提供するステップには、限定されないが、壁セクション１２０を形成すること、又は、予め形成された壁セクション１２０を得ることが含まれることを理解されたい。壁セクション１２０を形成する方法には、限定されないが、鋳造、切削、及びそれらの組合せなどの、慣習的に知られている形成方法が含まれる。第２に、図示の例によれば、図５に示すようなボア１２２は、壁セクション１２０を貫通して形成される。ボア１２２は、切削、ドリル加工などの慣習的手段によって形成されることを理解されたい。さらに、ボア１２２は、鋳造などの方法により、壁セクション１２０の形成中に形成することができる。

ボア１２２は第１の端部１２４から第２の端部１２６に延びる。図６を参照すると、次のステップは、ボア１２２の第２の端部１２６を規定する壁セクション１２０の一部分を除去することである。このことの次に、任意選択的に、少なくとも除去された部分の周囲の部分の周りにボア１２２の第２の端部１２６を再び規定するように、壁セクション１２０のさらなる部分を除去する。この方式で、凹部１３２がチューブの第２の端部１２６に形成され、追加の材料を受領する準備がされる。凹部１３２は、表面１５６及びボア１２２と流体連通している。凹部１３２は、表面１３１によって規定されている。限定ではなく例として、フライス加工、鋳造、ドリル加工、切削、及びこれらの組合せの内の１つによって形成され得る。

第２の端部１２６付近に追加の材料を受領するためのボア１２２を準備するステップに次いで、付加形成プロセスを使用してボア１２２の第２の端部１２６を再構成することに関するステップが実施される。

付加形成プロセスは、任意選択的に、図７に示すように、プラグ１３４でボア１２２をブロックするステップで開始され得る。ボア１２２をブロックすることは必ずしも必要ではなく、付加形成プロセスは、壁セクション１２０を配置するステップで開始することができるか、接着剤の塗工及び／又は粉末の塗工で開始することができることを理解されたい。図示の実施形態では、プラグ１３４は、ボア１２２が凹部１３２と係合する位置に配置され、これに続く付加形成ステップでの粉末がボア１２２に入るのを防止するように構成されている。限定ではなく例として、ボア１２２は、ポリマ、溶融されいない粉末、ワックス又は他の材料、及びこれらの組合せの材料の少なくとも１つを利用してブロックすることができることを理解されたい。これら材料は、溶媒和、機械的手段、加熱、又はこれらの組合せによって最終的な部材から除去することができるように選択されることを理解されたい。

ここで図８を参照すると、接着物質１３９の、所定の位置の凹部１３２への塗工を追加する任意選択のステップを実施することができる。

図９に示すように、たとえば金属、セラミック、及び／又は有機粉末などの粉末Ｐが、接着剤層１３９上に堆積される。非限定的な例として、粉末層の厚さは約１０マイクロメートル（０．０００４インチ）とすることができる。

粉末Ｐは、粉末を凹部１３２上に落とすか吹き付けることによって、又は、壁セクション１２０を粉末内にくぐらせることによって塗工することができる。粉末の塗工は任意選択的に、必要に応じてブラシがけ、けずること、ブローイング、又は振動させることを後に行うことで、余分な粉末を除去し、たとえば一様な層を得ることができる。なお、粉末の塗工プロセスは、従来のパウダーベッド又は平坦な作業表面を必要とせず、部材は、シンプルなワークテーブル、クランプ、又は取付け具などの任意の所望の手段で支持され得る。

粉末Ｐが接着されると、指向されたエネルギ源Ｂ（レーザ又は電子ビームなど）を使用して、図１０に示すように、構築される構造の層が溶融される。指向されたエネルギ源はビームを放出し、ビームステアリング装置が使用されて、適切なパターンで露出された粉末表面上でビームを操作する。粉末の露出した層は、粉末を溶融させ、流れされ、まとめられる温度までビームによって加熱され、接触する基板に融合するか接着する。この方式で、粉末Ｐを形成する金属粒子が壁セクション１２０の一部として、ここで存在する。このステップは粉末の溶融と呼ばれる場合がある。溶融されていない粉末はこの段階で、接着剤を塗工し、粉末を塗工し、そして粉末を溶融する次のサイクルの前に除去することができる。しかし、図示の実施形態では、各ステップで除去されなかった溶融されていない粉末はその位置に残る。この点について、溶融されていない粉末は次の層の粉末を支持するように作用し得る。

粉末の塗工、余分な粉末の除去、及びそれに次ぐ指向されたエネルギによる粉末の溶融のサイクルは、全体の部品が完成するまで繰り返される。部品が完成すると、図１１に示すように、新たな材料１５２が凹部１３２に位置し、フィルム穴２００を規定する。フィルム穴２００は、入口セクション２０４と、出口セクション２０８と、遷移セクション２１２とを含んでいる。フィルム穴２００は、少なくとも部分的に充填剤Ｆで充填されている。限定ではなく例として、充填剤Ｆは、溶融されていない粉末Ｐ、接着剤１３９、ブロック材料１３４、及びそれらの組合せの内の１つを含んでいる。充填ステップでは、前のステップからの、充填剤Ｆ及び、溶融しておらず接着されていない任意の他の粉末又は接着剤を１つのクリーニングステップで除去することができる。代替的には、２つのクリーニングステップを使用することができる。結びついていない充填剤Ｆの材料を空気圧又は空気ジェットによりフィルム穴２００から除去しようとすると、図１２に示す構造になる。そして次に、溶剤で溶かす、熱を使用して散らすなどの方法によりプラグ１３４を除去すると図１３に示す構造になる。なお、図１３に示す構造は、本方法によって加えられた新しい材料がハイライトされていること以外は、図２に示す構造とほぼ同じである。

代替的には、仕上げ及びクリーニングステップは、内側表面１５４、外側表面１５６、及びフィルム穴２００が所望の仕上げを有し、粉末及び接着剤の粒子などのごみが除去されるように実施することができる。記載のプロセスは、付加形成プロセスの一例にすぎない。「付加形成」は、（従来の機械加工プロセスなどでの材料の除去とは対称的に）層毎の構成又は付加物の形成を含むプロセスを記載するために本明細書で使用される用語である。そのようなプロセスは、「高速形成プロセス」とも呼ばれ得る。付加形成プロセスには、限定されないが、直接金属レーザ溶接（ＤＭＬＭ）、レーザネットシェイプ形成（ＬＮＳＭ）、電子ビームシンタリング、選択レーザシンタリング（ＳＬＳ）、インクジェット及びレーザジェットなどの３Ｄプリンティング、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、レーザ設計ネット形成（ＬＥＮＳ）、並びに直接金属堆積（ＤＭＤ）が含まれる
本明細書に記載のプロセスには、従来技術に対するいくつかの利点がある。付加形成プロセスは、形成可能なフィルム穴の形状及び構成についてかなり高い柔軟性がある。さらに、付加形成プロセスにより、フィルム穴の形成の際の熱の生成を低くすることができ、したがって、結晶構造及びタービンブレード形状の湾曲が低減されると考えられる。

上述の方法により、ドリル加工、ＥＤＭ加工、又はレーザトレパニングなどの従来の機械加工プロセスを必要とすることなく、複雑な出口形状のフィルム穴又は他の類似のオリフィスの形成方法が提供される。本方法は、単一のプロセスで複雑な出口形状を形成することを可能にすることにより、そのような従来の方法の複雑さを避けている。これにより、複雑な被冷却部品の形成の柔軟性及びコストの低減が可能になる。このことはとりわけ、タービン部品の冷却効率の増大と、エンジンの燃料消費率（「ＳＦＣ」）の低減の可能性がある。

上記に、タービンブレードのフィルム穴の付加形成の装置及び方法を記載してきた。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面のいずれをも含む）に開示の特徴のすべて、及び／又は同様に開示の方法及びプロセスのいずれのステップすべては、そのような特徴及び／又はステップの少なくともいくつかが相互に矛盾する組合せを除いて、任意の組合せで合わせられ得る。

本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面のいずれをも含む）に記載の特徴の各々は、別様に明確に述べられていない限り、同じか、均等であるか、又は同様の目的の役割を果たす代替的特徴によって代替され得る。したがって、別様に明確に述べられていない限り、開示の各特徴は、総称的な一連の均等又は同様の特徴の一例にすぎない。

本発明は、前述の実施形態の詳細に制限されない。本発明は、本明細書（添付の潜在的な新規の点、要約書、及び図面のいずれをも含む）に開示の特徴の任意の新規のもの、もしくは任意の新規の組合せに、又は同様に開示の任意の方法もしくはプロセスのステップの任意の新規のもの、もしくは任意の新規の組合せに拡大される。

１０ タービンブレード
１２ ダブテール
１４ ブレードシャンク
１６ プラットフォーム
１８ 翼形部
１９ 根元部
２２ 先端
２４ 凹状正圧側壁
２６ 凸状負圧側壁
２８ 前縁
３１ 後縁
３２ ブリードショット
３４ 先端キャップ
３６ スキーラ先端
３８ 負圧側先端壁
３９ 正圧側先端壁
５４ 内側表面
５６ 外側表面
１００ フィルム冷却穴
１０４ 入口セクション
１０８ 出口セクション
１１２ 遷移エリア
１２０ 壁セクション
１２２ ボア
１２４ 第１の端部
１２６ 第２の端部
１３１ 表面
１３２ 凹部
１３４ プラグ
１３９ 接着物質
１５２ 材料
１５４ 外側表面
１５６ 外側表面
２００ フィルム穴
２０４ 入口セクション
２０８ 出口セクション
２１２ 遷移セクション

Claims (11)

1. 内側表面（５４、１５４）及び外側表面（５６、１５６）を有する部品壁を有するタービン部品の冷却穴構造を形成する方法であって、ボア（１２２）が部品壁を貫通し、内側表面（５４、１５４）と外側表面（５６、１５６）とを流体連通しており、当該方法が、
   ボア（１２２）を形成する工程と、
   ボア（１２２）及び外側表面（５６、１５６）と連通する凹部（１３２）を形成する工程と、
   ボア（１２２）内にプラグ（１３４）を形成する工程と、
   付加形成プロセスを使用して凹部（１３２）にプラグ（１３４）でブロックされたボア（１２２）に接続する出口領域を形成する工程と
   を含む、方法。
2. 内側表面（５４、１５４）及び外側表面（５６、１５６）を有する部品壁を有するタービン部品に冷却穴構造を形成する方法であって、ボア（１２２）が部品壁を貫通し、内側表面（５４、１５４）と外側表面（５６、１５６）とを流体連通しており、当該方法が、
   ボア（１２２）を形成する工程と、
   ボア（１２２）及び外側表面（５６、１５６）と連通する凹部（１３２）を形成する工程と、
   ボア（１２２）内にプラグ（１３４）を形成する工程と、
   プラグ（１３４）でブロックされたボア（１２２）に接続する出口領域で付加形成プロセスを使用して穴の中心線に沿う距離に応じて寸法が変化するフィルム穴（２００）のセクションを形成する工程と
   を含む、方法。
3. 凹部（１３２）を規定する第１の表面（１３１）上に粉末を堆積させる工程と、
   構造の層に対応するパターンの粉末を溶融させる工程と
   をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. サイクルにおいて、堆積及び溶融工程を繰り返して、層毎の形式の構造を構築する工程と、
   堆積及び溶融の繰返しサイクルにより、溶融された粉末と溶融されていない粉末との両方を含む部品が生じ、方法はさらに、溶融されていない粉末を除去する工程を含む、請求項３に記載の方法。
5. ボア（１２２）と出口領域とが遷移エリア（１１２）で接続し、ボア（１２２）と出口領域とにより形成される流体流路（Ａ）は、遷移エリア（１１２）を通過すると、向きが変わるとともに拡大する、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 第１の表面（１３１）に接着剤を塗工する工程と、
   接着剤に粉末を塗工する工程と
   によって粉末が第１の表面（１３１）に接着される、請求項１に記載の方法。
7. 粉末が接着剤に塗工された後に、余分な粉末を除去する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. プラグ（１３４）上に粉末を堆積させる工程と、
   ボア（１２２）内にプラグ（１３４）を除去する工程と、
   をさらに含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. パターンが少なくともプラグ（１３４）の部分の上に溶融されていない粉末を残すように、粉末を溶融する工程と、
   次の層の各々の溶融されていない粉末が前の層の溶融されていない粉末に重なるように、次の層を溶融させることにより、拡散セクションを形成する工程とを含む、請求項７に記載の方法。
10. 凹部（１３２）にブロック材料を配置する工程と、
    その後、凹部（１３２）を規定する第１の表面（１３１）上に粉末を堆積させる工程と、
    堆積された粉末を溶融させる工程と
    凹部（１３２）のブロック材料を除去することにより、拡散セクションを形成する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 部品が合金を含む、請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。