JP6861831B2 - ブレードプラットフォーム内にキャビティを製造するための方法および対応するブレード - Google Patents

Description

本発明は、ブレードの、とりわけタービンブレードのブレードプラットフォーム内にキャビティを製造するための方法に、及びそうしたキャビティを有するブレードに関する。

ブレードリーフおよびブレードプラットフォームを含むタービンブレードは、ガスタービンで意図されたように使用される場合、非常に高い温度にさらされる。したがって、それらタービンブレードは、通常、冷却流体を使用して冷却される。ブレードプラットフォームを冷却するために、ブレードプラットフォームにキャビティを形成する必要があり、使用される冷却流体は、当該キャビティを通過できる。そうしたキャビティを製造するためのさまざまな方法が現在公知となっている。

一方では、キャビティは、対応する鋳造コアを使用して、ブレードプラットフォーム自体の鋳造プロセス中に生成できる。しかしながら、鋳造プロセス後、ブレードプラットフォームは、必然的に多くの、場合により非常に大きな開口部を有し、当該開口部は、鋳造コアを鋳造金型内に固定するという必要性に起因しており、かつその後に鋳造材料を除去するためにも必要である。鋳造材料が除去された後、そうした開口部は続いて、タービンブレードの適切な使用中に当該開口部を通じた冷却流体の制御不能な漏出が防止されるように、通常、はんだ付けまたは溶接法を使用してシールされるかもしくは少なくとも縮小される。なお、プラットフォームを含むタービンブレードは、多くの場合、困難を伴ってはんだ付けされ得るかつ溶接され得るニッケルベースの超合金から製造され、その結果、多くの場合に開口部をシールすることが困難となるという問題が存在する。

あるいは、とりわけ穿孔および/または火花侵食（スパークエロージョン）法を使用して、すでに鋳造されたブレードプラットフォーム内に後にキャビティを導入することもある。なお、ブレードプラットフォームの適切な冷却に必要であるように、比較的大きなキャビティを製造する場合、これらの方法も、はんだ付けまたは溶接によって同様にシールする必要がある比較的大きな開口部の作成を通常伴い、その結果として、キャビティが鋳造を使用して製造される場合に同様の問題が発生する。

ブレードプラットフォームにおいて比較的大きな開口部を回避するために、特許文献１から、ブレードのプラットフォームを通る対応する円形経路上に円弧形状に湾曲した電極を案内し、それによって円弧形状の冷却チャネルを製造することが知られている。しかしながら、この目的のために特別に使用できる複雑な工具を準備するという欠点があり、それによって、任意のタイプのつまり局所的な冷却要件に適合可能な冷却チャネルまたは均一な冷却領域を製造することができないという事実がある。

さらに、特許文献２から、アンダーカットを浸食できるように、放電加工機(eroding machine)の電極を、放電加工機の直角ガイドチューブを活用して、ワークピースの内側で屈曲させることが知られている。直角ガイドチューブによっても、ワークピースに比較的大きな供給開口部がもたらされ、その結果、望ましくない大きな開口部の問題も特許文献２によって解決されない。

米国特許第２０１１／００７００９６号明細書 特開２０００−０００７２０号公報明細書

この従来技術から出発して、本発明の目的は、上述の欠点を少なくとも部分的に克服する冒頭で説明されたタイプの代替的な方法を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、ブレードの、とりわけブレードプラットフォーム冷却システムの一部としてのタービンブレードの、ブレードプラットフォーム内にキャビティを製造するための方法を提供し、当該方法は、
ａ） 第１のプラットフォーム側面から開始して、反対側の第２のプラットフォーム側面の方向において、第１の孔を製造するステップであって、第１のプラットフォーム側面に第１の開口部を生成する、ステップと、
ｂ） 第１の孔のうちステップａ）で生成された第１の開口部が扇状拡張部の開始点を示すように、とりわけワイヤまたはロッドの形態の剛性電極を使用して、火花侵食法を用いて、扇状様式で、第１の孔を拡張するステップと、
を含む。

ステップａ）で製造された孔は、原則として任意の望ましい穿孔法を使用して製造でき、好ましくは、ここでも火花侵食法が使用される。第１の孔のうちステップａ）で生成された第１の開口部が扇状拡張部の開始点を示すように、本発明に従ってステップｂ）で続いて第１の孔の扇状に拡張することは、比較的大きなキャビティの製造を可能にすると同時に、第１の孔の第１の開口部は、たとえそうであったとしても、わずかにだけ広げられる。そうした小さな孔は、はんだ付けまたは溶接が困難な材料の場合でも比較的容易にシールできる。なお、そうした小さな孔は、そのサイズが小さいため、シールせずに残すこともでき、とりわけキャビティを通過する冷却流体のための冷却流体出口開口部として機能することもできる。

本発明に基づく方法の第１の実施形態によれば、ステップｂ）において、第１の孔の第１の開口部から開始して、複数のさらなる孔が生成され、複数のさらなる孔は、各々、互いに対して所定の角度のずれを有しており、隣接して配置される孔は、いくつかの領域において互いに重なり合う。このようにして、第１の孔の第１の開口部から開始して、ホイールのスポークのように延在しかつ互いに流体接続される複数の孔が生成され、これら孔は、ともにキャビティを画定する。

本発明に基づく方法の代替的な実施形態によれば、ステップｂ）において、第１の孔の第１の開口部に挿入される剛性電極は、自動車のワイパーの様式で、扇状様式で回動されるかまたは移動される。このようにして、円弧形状のキャビティ、したがって同様に扇状のキャビティが製造される。

第１の孔の深さ、および場合によっては他の孔の深さは、有利なことに、いずれの場合にも、第１のプラットフォーム側面と第２のプラットフォーム側面との間の仮想中心平面を越えて延在する。したがって、第１の開口部から開始して生成されたキャビティは、対応するポイントにおいて、ブレードプラットフォームの幅の半分以上にわたって延在する。

本発明に基づく方法の一実施形態によれば、第１のプラットフォーム側面におけるかつ／または第２のプラットフォーム側面における第２の開口部を生成する孔が製造され、当該孔は、この第２の開口部から開始して、反対側のプラットフォーム側面に向かって延在しており、当該孔は、第２の開口部が扇状拡張部の開始点を示すように、とりわけ剛性ワイヤ電極を使用して、火花侵食法を用いて、扇状様式で拡張される。ここで生成される孔は、ステップａ）で製造されかつとりわけブレードプラットフォームの上述の中心平面に対して垂直な第１のプラットフォーム側面から反対側の第２のプラットフォーム側面まで延在する貫通孔の形態を取る孔によって、ステップａ）で製造される孔と同時に生成できる。なお代替的に、ここで生成される孔は、第２のプラットフォーム側面から開始する別の第２の孔として、ブレードプラットフォームに導入することもできる。次いで、孔は、第２の開口部が扇状拡張部の開始点を示すように、とりわけ剛性ワイヤ電極を使用して、火花侵食法を用いて、ステップｂ）と同様の様式で、扇状様式で拡張される。

第１のプラットフォーム側面または第２のプラットフォーム側面に生成された第２の開口部から開始する扇状拡張部の一部として、好ましくは、複数のさらなる孔が生成され、これらさらなる孔は、各々、互いに対して所定の角度のずれを有しており、隣接して配置される孔は、いくつかの領域で互いに重なり合う。なお代替的に、扇状拡張部の一部として、第２の開口部から開始する孔に挿入された電極を、扇状様式で回動させることもできる。両方の変形例はすでに上で説明されており、そのためこれら変形例について再度説明することはない。

１つ以上の孔の深さは、有利には、第２の開口部から開始して生成されたキャビティがブレードプラットフォームの幅の半分以上にわたって延在するように、第２のプラットフォーム側面と第１のプラットフォーム側面との間の仮想中心平面を越えて延在する。

同じプラットフォーム側面および／または異なるプラットフォーム側面によって実現される扇状拡張部は、とりわけ、両側面に導入される孔と、互いに交差するかまたは重なり合う扇状様式で拡張された領域とによって、共通のキャビティを画定する。

ブレードプラットフォームは、好ましくは、超合金、とりわけニッケルベースの超合金から製造される。

さらに冒頭に述べた目的を達成するための本発明は、ブレード、とりわけタービンブレードを提供し、当該ブレードは、ブレードリーフと、ブレードリーフに接続される少なくとも１つのブレードプラットフォームと、を有し、ブレードプラットフォーム内には少なくとも１つのキャビティが形成され、少なくとも１つのキャビティは、ブレードプラットフォーム冷却システムの一部を形成し、キャビティは、略三角形または略ダイアモンド形もしくは略星形の外側輪郭を有する。このタイプの外側輪郭は、とりわけキャビティが本発明に基づく上述の方法を使用して製造される場合に生じる。

少なくとも１つのキャビティの側壁に接することによって形成されたコーナー領域の少なくとも１つは、好ましくは、プラットフォーム側面に開口部を画定する。そうした開口部は、キャビティが本発明に基づく方法を使用して製造される場合に自動的に生じる。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つのキャビティは、通常ブレードプラットフォーム冷却システムの一部を同様に示すブレードリーフキャビティに流体接続される。

少なくともブレードプラットフォームは、有利には、超合金、とりわけニッケルベースの超合金から製造される。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、本発明に基づくブレードおよび方法のさまざまな実施形態の以下の説明によって明らかになろう。

ブレードプラットフォーム冷却システムの一部としてキャビティを中に導入するよう意図されたタービンブレードのブレードプラットフォームの概略部分斜視図であって、ブレードプラットフォームは透過状態で示されており、かつ通常では目に見えない線は破線で示されている、図である。 本発明に基づく方法の第１の方法ステップが実行された後の状態を示す、図１に基づく図である。 本発明に基づく方法の第２の方法ステップが実行された後の光景を示す、図１および図２に基づく図である。 本発明に基づく方法の第３の方法ステップが実行された後の光景を示す、図１、図２、および図３に基づく図である。 図４に図示されるブレードプラットフォームの平面図である。 図５と同様の平面図であって、本発明に基づく方法を使用して製造されたキャビティの代替的な形態を示す図である。 図５と同様の平面図であって、本発明に基づく方法を使用して製造されたキャビティのさらなる代替的な形態を示す図である。

以下では、同一の参照符号は、同一の構成要素または同様の構成要素を示す。

図１から図５は、ブレード１を示しており、ブレード１は、この場合でタービンブレードであり、より正確にはタービンガイドブレードである。ブレード１は、超合金、とりわけニッケルベースの超合金から単一部品として製造され、ブレードリーフ２と、ブレードリーフ２に接続された少なくとも１つのブレードプラットフォーム３と、を備える。

ブレードプラットフォーム３を冷却するために、ブレードプラットフォーム冷却システムの一部を形成するキャビティ４を前方領域に導入することが意図されている。この目的のために、図２に図示されるように、第１のステップにおいて、第１のプラットフォーム側面６から開始して反対側の第２のプラットフォーム側面７に向かう第１の孔５が製造され、第１のプラットフォーム側面６に第１の開口部８が生成され、かつ第２のプラットフォーム側面７に第２の開口部９が生成される。この場合、第１のプラットフォーム側面６と第２のプラットフォーム側面７との間の仮想中心平面Ｅに対して直角に延在する第１の孔５を導入するために、原則として任意の適切な穿孔法を使用できる。この場合、ワイヤまたはロッドの形態の剛性電極１０を用いる火花侵食法が使用される。

第２のステップでは、図３に基づく第１の孔５は、第１の孔５のうち第１のステップで生成された第１の開口部８が扇状拡張部の開始点を示すように、扇状様式で拡張される。この目的のため、第１の孔５の第１の開口部８から開始して複数の孔１１が生成され、当該孔１１の各々は、角半径に関連して使用される電極の強度に応じて互いに対して好ましくは互いに対して好ましくは０．５°〜５°の大きさの所定の角度のずれΔαを有しており、隣接して配置される孔５、１１は、いくつかの領域において互いに重なり合う。言い換えると、直線状の電極１０は、さらなる孔１１を生成するために、わずかに変更された角度で、第１の孔５の第１の開口部８を通じてますます多くの孔を作るよう突き出され、これら孔１１の深さは、いずれの場合においても、必要に応じて、２つのプラットフォーム側面６および７の間の中央平面Ｅを越えて延在する。電極１０は、関連するプラットフォーム側面に対してさまざまな角度で挿入されても、第１の開口部８のサイズは、ほんのわずかだけ拡張される。このようにして、図３に図示される扇形状または円弧形状を有する部分キャビティがもたらされる。

代替的に、類似の形状または少なくとも非常に似た形状を有する部分キャビティは、第１の孔５の第１の開口部８に挿入され、扇状様式で回動する電極１０によっても得ることができる。したがって、作られた部分キャビティは、複数の個別の孔の結果もたらされるのではなく、回動点としての第１の開口部８の中心点周りで自動車のワイパーの様式で電極１０が回動した結果もたらされる。

第３のステップにおいて、図４に図示されるようにかつ第２のステップと類似した様式で、さらなる部分キャビティが製造され、このさらなる部分キャビティは、第１の孔５の第２の開口部９から開始する、すなわち第２のプラットフォーム側面７から開始する、正確には、それにより、２つの部分キャビティの孔１１が交差しかつ互いに重なり合う。このようにして、略菱形状の外側輪郭を有するキャビティ４全体が製造され、キャビティ４は、第１のプラットフォーム側面６に設けられた第１の開口部８と第２のプラットフォーム側面７に設けられた第２の開口部９とを介して外部からアクセス可能である。

開口部８および９は、必要に応じて、とりわけはんだ付けまたは溶接を用いて、以下のステップでシール可能である。なお代替的に、開口部８および９は、プラットフォーム側面６および７を冷却するための冷却流体出口開口部として残すこともできる。

キャビティ４は、とりわけ冷却流体をブレードリーフ２の内側からブレードプラットフォーム３のキャビティ４内に誘導し、当該キャビティ４から開口部８および９を介して外側へ誘導するために、１つ以上の接続ダクト１２を形成することによってブレードリーフ２のキャビティに接続できる。

上述の方法は、とりわけ、第１の孔５が製造されるときに生成される２つの開口部８および９が、第１の孔５を扇形状に拡大する間に著しく拡大されないことに特徴付けられる。２つの開口部８および９は、比較的小さいまま残される。キャビティ４が製造された後、２つの開口部８および９の直径は、好ましくは１ｍｍから５ｍｍの範囲にある。このようにサイズが小さいため、はんだ付けまたは溶接法を使用したシーリングには、溶接が困難な材料の場合でも比較的少ない問題しか存在しない。また、２つの開口部８および９のサイズが小さいため、開口部８および９を冷却流体出口開口部として残すことができるが、これは、ブレードプラットフォームにキャビティを形成するための冒頭で説明した方法の場合には考えられない。

図６は、上述の方法ステップを実行する場合に作ることができるキャビティ４の代替的な外側輪郭を示す。図６におけるキャビティ４の外側輪郭は、略星形状であり、これは、図３および４と比較して、ある程度長い電極１０を第１の孔５を拡張するために使用した結果であると考えられる。

図７は、本発明に基づく方法を使用して製造されたキャビティ４のさらに実現可能な外側輪郭を示す。キャビティ４の外側輪郭は、それぞれ略三角形であり、これは、第１の孔５を拡張する際に使用される電極１０が、プラットフォーム側面６および７の間の幅の半分Ｂ／２よりも短くなるように選択されたという事実の結果であると考えられる。

第１の孔５を必ずしも貫通孔として構成する必要がないことに留意されたい。同様に、貫通する第１の孔５の代わりに、第１のプラットフォーム側面６から開始する初期孔と第２のプラットフォーム側面７から開始する初期孔との両方をそれぞれ生成し、続いて２つの初期孔を扇状様式で拡張することが可能である。

本発明を好ましい例示的な実施形態によって詳細に図示しかつ説明したが、本発明は開示された例に限定されず、他の変形例を、本発明の範囲を超えることなく当業者が導き出すことが可能である。

１ ブレード
２ ブレードリーフ
３ ブレードプラットフォーム
４ キャビティ
５、１１ 孔
６ 第１のプラットフォーム側面
７ 第２のプラットフォーム側面
８ 第１の開口部
９ 第２の開口部
１０ 電極
１２ 接続ダクト

Claims (17)

1. ブレード（１）のブレードプラットフォーム（３）内にキャビティ（４）を製造するための方法であって、
   ａ） 第１のプラットフォーム側面（６）から開始する第１の孔（５）を、反対側の第２のプラットフォーム側面（７）の方向に製造するステップであって、前記第１のプラットフォーム側面（６）に第１の開口部（８）を生成する、ステップと、
   ｂ） 前記第１の孔（５）のうちステップａ）で生成された前記第１の開口部（８）が扇状拡張部の開始点を示すように、剛性電極（１０）を使用して、火花侵食法を用いて、扇状様式で第１の孔（５）を拡張するステップと、
   を含み、
   少なくとも１つの前記キャビティ（４）は、ブレードプラットフォーム冷却システムの一部を形成しており、
   少なくとも１つの前記キャビティ（４）は、ブレードリーフキャビティに流体接続されていることを特徴とする方法。
2. ステップｂ）において、前記第１の孔（５）の前記第１の開口部（８）から開始して、複数のさらなる孔（１１）が製造され、複数の前記さらなる孔（１１）の各々は、互いに対して所定の角度のずれ（Δα）を有しており、隣接して配置される前記第１の孔（５）および前記さらなる孔（１１）は、いくつかの領域において、互いに重なり合い、あるいは、
   ステップｂ）において、前記第１の孔（５）の前記第１の開口部（８）に挿入された前記剛性電極（１０）は、扇状様式で回動されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の孔（５）の深さおよび前記さらなる孔（１１）の深さは、それぞれ、前記第１のプラットフォーム側面（６）と前記第２のプラットフォーム側面（７）との間の仮想中心平面（Ｅ）を越えて延在することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記第１のプラットフォーム側面（６）および前記第２のプラットフォーム側面（７）の少なくとも１つに第２の開口部（９）を生成する孔（５）が製造され、
   当該孔（５）は、前記第２の開口部（９）から開始して、反対側の前記第１のプラットフォーム側面（６）へ向けて延在し、
   前記孔（５）は、前記前記第２の開口部（９）が扇状拡張部の開始点を示すように、火花侵食法を用いて、扇状様式で拡張されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１のプラットフォーム側面（６）または前記第２のプラットフォーム側面（７）に生成された前記第２の開口部（９）から開始する前記扇状拡張部の一部として、複数のさらなる孔（１１）が生成され、複数の前記さらなる孔（１１）の各々は、互いに対して所定の角度のずれ（Δα）を有しており、隣接して配置される前記孔（５、１１）は、いくつかの領域において互いに重なり合うか、または、
   前記扇状拡張部の一部として、前記第２の開口部（９）から開始する前記孔（５）に挿入された剛性電極（１０）が、扇状様式で回動されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記孔（５）の深さまたは前記孔（５、１１）の深さそれぞれは、前記第２のプラットフォーム側面（７）と前記第１のプラットフォーム側面（６）との間の仮想中心平面（Ｅ）を越えて延在することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 同じまたは異なるプラットフォーム側面（６、７）によって達成される前記扇状拡張部は、共通のキャビティ（４）を画定することを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
8. 少なくとも前記ブレードプラットフォーム（３）は、超合金から製造されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ブレード（１）は、ブレードプラットフォーム冷却システムの一部としてのタービンブレードであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 扇状様式で前記第１の孔（５）を拡張するステップｂ）において、ワイヤまたはロッドの形態の剛性電極（１０）が使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記孔（５）は、ワイヤまたはロッドの形態の剛性電極（１０）を使用して、扇状様式で拡張されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
12. 少なくとも前記ブレードプラットフォーム（３）は、ニッケルベースの超合金から製造されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の方法。
13. ブレード（１）であって、
    ブレードリーフ（２）と、前記ブレードリーフ（２）に接続された少なくとも１つのブレードプラットフォーム（３）と、を有しており、
    前記ブレードプラットフォーム（３）内には、少なくとも１つのキャビティ（４）が形成され、
    少なくとも１つの前記キャビティ（４）は、ブレードプラットフォーム冷却システムの一部を形成し、
    前記キャビティ（４）は、前記ブレードプラットフォーム（３）の表面に平行でありかつ前記キャビティ（４）を通る平面内において、三角形または菱形もしくは星形の外側輪郭を有しており、
    少なくとも１つの前記キャビティ（４）は、ブレードリーフキャビティに流体接続されていることを特徴とするブレード（１）。
14. 少なくとも１つの前記キャビティ（４）の側壁に接することによって形成されたコーナー領域の少なくとも１つは、プラットフォーム側面（６、７）に開口部（８、９）を画定することを特徴とする請求項１３に記載のブレード（１）。
15. 少なくとも前記ブレードプラットフォーム（３）は、超合金から製造されることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のブレード（１）。
16. 前記ブレード（１）は、タービンブレードであることを特徴とする請求項１３に記載のブレード（１）。
17. 少なくとも前記ブレードプラットフォーム（３）は、ニッケルベースの超合金から製造されることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のブレード（１）。

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