JP7086515B2 - タービン部品の３次元製造方法及びシステム - Google Patents
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Description
本願及びその結果の特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、向上した冷却能力を有する複合高温ガス経路タービン部品などの３次元製造方法及びシステムに関する。
高温ガス経路内のバケット、ノズルその他の部品のようなガスタービンエンジン部品は、インベストメント鋳造法で製造することができる。概略的に説明すると、セラミックコア及びシェルを別々に製造することができる。セラミックコアは、セラミックスラリを金属製ダイに注入してセラミック材料を固化させることによって製造することができる。次いで、セラミックコアをワックスで覆うことができ、セラミックシェルをワックス模型の周囲に形成することができる。セラミックコアを覆うワックスが次に除去され、金属部品を鋳造することができるセラミック鋳型を形成することができる。金属部品が冷却されると、シェル材料を剥離することができ、セラミックコアを浸出して完成品を形成することができる。他の種類の部品鋳造方法を、使用してもよい。
内部通路やボイドなどの複合幾何学形状を内部に有する部品は、鋳造又は生成が困難な場合がある。たとえば、このような複合幾何学形状は、冷却用の内部気流通路を有するバケット及びノズルを含み得る。このような部材の製造に使用される道具は、生成する費用と時間がかかることになる。そのうえ、セラミック材料を浸出するのに使用される化学薬品は、有毒かつ危険なものを使用することになり得る。
したがって、本願及びその結果の特許は、部品を製造する方法を提供する。方法は、溶解可能なセラミック材料鋳型を付加製造法で生成するステップと、金属材料を溶解可能なセラミック材料鋳型で鋳造するステップと、部品を生成するステップと、溶解可能なセラミック材料を溶解するステップとを含むことができる。部品は、タービン部品であってもよい。
本願及び特許はさらに、タービン部品を生成するためのコア及び鋳型の組合せを提供する。コア及び鋳型の組合せは、内側コアと、外側鋳型とを含むことができる。内側コア及び外側鋳型は、これらの間で側壁及び多数の内側リブを画成することができる。内側コア及び外側鋳型は、付加製造法に適した溶解可能なセラミック材料から作ることができる。タービン部品は、翼形部その他の種類の高温ガス経路部品であってもよい。
本願及びその結果の特許はさらに、多数の内部チャネルを有するタービン翼形部を製造する方法を提供する。方法は、溶解可能なセラミック材料のコア及び鋳型の組合せを付加製造法で生成するステップと、金属材料をコア及び鋳型の組合せで鋳造するステップと、タービン翼形部を生成するステップと、溶解可能なセラミック材料を内部チャネル内で溶解するステップとを含むことができる。
本願及びその結果の特許のこれらその他の特徴並びに改良は、当業者には、いくつかの図面及び添付の特許請求の範囲とともに取り上げる場合に、以下の詳細な説明を検討するときに明らかとなろう。
ここで図面を参照すると、同様の参照番号は、いくつかの図を通して同様の要素を示し、図１は、本明細書において使用することができるガスタービンエンジン１０の概略図を示している。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮した空気２０の流れを燃焼器２５に供給する。燃焼器２５は、圧縮した空気２０の流れを圧縮した燃料３０の流れと混合し、その混合物を点火して燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５のみが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含んでもよい。次に、燃焼ガス３５の流れがタービン４０に供給される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して機械仕事を発生させる。タービン４０で発生した機械仕事は、シャフト４５及び発電機などのような外部荷重５０を介して圧縮機１５を駆動する。
ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々な種類の合成ガス、液体燃料、及び／その他の種類の燃料及びその混合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社が提供する、７又は９シリーズのヘビーデューティガスタービンエンジンなどを含むが、これらに限定されない多数の様々なガスタービンエンジンのいずれかであってよい。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有してよく、かつ他の種類の部品を使用してもよい。他の種類のガスタービンエンジンを、本明細書において使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、その他の種類の発電設備もまた、本明細書において共に使用することができる。
図２は、図１のガスタービンエンジン１０に使用することができるタービン翼形部５５の例を示している。翼形部５５は、主側壁６０を含むことができる。主側壁６０は、前縁６５から後縁７０まで延びることができる。主側壁６０内において、翼形部５５は、多数の内部リブ７５を有することができる。主側壁６０及び内部リブ７５は、任意の数のチャネル８０を内部で画成することができる。チャネル８０は、空気などの流体の流れが翼形部５５を冷却することを可能にする。多数のクロスオーバ孔８５がまた、内部リブ７５を通ってチャネル８０の間に延びてもよい。翼形部５５は、例示のみの目的のために本明細書に記載されている。多くの様々な内部構成を有する、多くの様々な種類の翼形部を使用してもよい。同様に、多くの様々な種類の高温ガス経路部品その他の種類のタービン部品を使用してもよい。
上述のように、翼形部５５は、従来からインベストメント鋳造法で製造されている。具体的には、チャネル８０がセラミックコアによって形成することができる一方で、側壁６０は外側セラミック鋳型内で形成することができる。しかし、特定の形状及び構成は、このようなインベストメント鋳造法での製造が困難な場合がある。
インベストメント鋳造法などの代わりに、本明細書で説明することができるような翼形部１００その他の種類のタービン部品１１０を付加製造システムで製造することができる。このような付加製造システムは、３次元印刷法、付加印刷法などを含むことができる。このようなシステム及び方法の例は、押出に基づく技術、ジェッティング、選択的レーザ焼結、粉末／バインダージェッティング、電子ビーム積層、ステレオリソグラフィ法などが挙げられる。具体的には、バインダージェッティングは、液体バインダーが選択的に堆積されて粉末粒子を接合する付加製造法である。次に、材料の層を結合して対象物を形成することができる。したがって、対象物は、粉末の積層及び結合によって生成される。バインダージェッティングは、紙と同様に機能する粉末の層を移動して最終生成物を形成するようにバインダーがインクと同様に機能するという点で、従来の紙印刷と同様となり得る。別の種類の製造法を、本明細書において使用してもよい。
このようなバインダージェッティング法は、セラミック材料などを用いて使用することができる。より具体的には、方法は、水溶性セラミック材料を用いて使用することができる。たとえば、適切な材料は、約６０～７０重量％（６０～７０％）のアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉、約１５～２５重量％（１５～２５％）のジルコン（ＺｒＳｉＯ4）粉、約５～１５重量％（５～１５％）のリン酸水素ナトリウム（Ｎａ2ＨＰＯ4）、及び約５重量％（５％）のショ糖を含み得る。より好ましくは、セラミックコアは、約６５重量％（６５％）のアルミナ粉、約２０重量％（２０％）のジルコン粉、約１０重量％（１０％）のリン酸水素ナトリウム、及び約５重量％（５％）のショ糖を含み得る。この組成において、アルミナ及びジルコンを主に充填剤として使用することができる。リン酸水素ナトリウムを、バインダーとすることができる。ショ糖は、得られた水溶性セラミックコアの表面平滑性及び湿潤強度を向上させることができる。他の種類のセラミック、水溶性セラミック、その他の材料を、本明細書において使用してもよい。
図３は、翼形部１００その他の種類のタービン部品１１０などの生成に使用することができるコア１２０の一例を示している。示されているように、コア１２０は、内部リブ７５に対応して間隔を空けた状態でチャネル８０及びクロスオーバ孔８５に対応している。コア１２０は、セラミック材料から作ることができ、より具体的には、上述したものと同様の水溶性セラミック材料などから作ることができる。他の種類の材料を、本明細書において使用してもよい。コア１２０は、上述のバインダージェッティング法などのような付加製造法から作ることができる。これに限定されないが、上述したものを含む他の種類の付加製造法もまた、本明細書において使用することができる。他の部品その他の構成を、本明細書において使用してもよい。
製造されると、コア１２０は次いで、外側鋳型その他の種類の構造を形成するように従来のインベストメント鋳造法などに使用することができる。或いは、コア及び鋳型の組合せ１３０を、図４に示すように生成してもよい。コア及び鋳型の組合せ１３０は、上述したように実質的にコア１２０と、外側鋳型１４０とを含むことができる。翼形部１００の側壁６０その他の部品は、コア１２０と外側鋳型１４０との間で画成され得る。従来の製造法の別々の構造とは対照的に、コア１２０と外側鋳型１４０の両方は、本明細書に記載の付加製造法で同時に生成することができる。また、セラミック材料、より好ましくは水溶性セラミック材料を、本明細書において使用してもよい。他の部品その他の構成を、本明細書において使用してもよい。
図５は、本明細書に記載の方法を全体的又は部分的に実施する際の例示的なステップの流れ図を示している。ステップ１５０では、翼形部１００その他の種類のタービン部品１１０の所望の寸法を、付加製造システムに入力することができる。ステップ１６０では、付加製造システムは、コア１２０、組み合わされた鋳型及びコア１３０、外側鋳型１４０、その他の種類の鋳型などを付加製造法で印刷又は製造することができる。ステップ１７０では、コア１２０を従来のインベストメント鋳造法などで使用して翼形部１００を生成することができ、及び／又は金属材料を組み合わされた鋳型及びコア１３０の周りに注入又は鋳造して翼形部１００を生成することができる。ステップ１８０では、コア１２０及び／又は組み合わされた鋳型及びコア１３０を、翼形部１００からの水などによって溶解することができる。したがって、コア１３０を溶解することによって、冷却チャンバ８０その他の種類の内部幾何学形状を翼形部１００内に生成する。外側鋳型１４０も同様に溶解することができ、或いは除去することもできる。翼形部１００はここで、使用及び／又はさらなる処理が実質的に可能となっている。本明細書に記載の方法及びステップは、排他的なものではない。他の又は異なるステップを、任意の所望の順序で使用することができる。
したがって、本明細書に記載の方法及びシステムは、迅速かつ効率的に翼形部１００、他の種類のタービン部品１１０、その他の部品の製造を行う。そのうえ、翼形部１００は、本明細書において形成される先進的で効果的な内部冷却幾何学形状を有することができる。さらに、水溶性セラミック材料を、浸出において一般に必要な有害化学物質の使用を回避するようにコア１２０などの３次元印刷に使用することができる。任意の適切なセラミック材料を、コア１２０及び／又は組み合わされた鋳型及びコア１３０の３次元印刷に使用することができる。本明細書に記載のバインダージェッティング法は、あらゆる種類のセラミックでの３次元印刷に使用することができる。別の種類の付加製造法を、本明細書において使用してもよい。
前述の説明が、本願及びその結果の特許の特定の実施形態にのみ関するものであることは明らかであろう。当業者であれば、以下の特許請求の範囲及びその均等物により定義される本発明の一般的な趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書において数多くの変更及び修正を行うことができる。
１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 荷重
５５ 翼形部
６０ 側壁
６５ 前縁
７０ 後縁
７５ リブ
８０ チャネル
８５ クロスオーバ孔
１００ 翼形部
１１０ タービン部品
１２０ コア
１３０ コア及び鋳型の組合せ
１４０ 外側鋳型
１５０ 入力
１６０ 印刷
１７０ 注入
１８０ 溶解
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Claims (4)
- 内部冷却チャネル（８０）を有する翼形部（１００）を備える部品（１１０）の製造方法であって、当該方法が、
液体バインダーを選択的に堆積させて粉末粒子を接合するバインダージェッティング法を含む付加製造法で、溶解可能なセラミック材料鋳型（１２０，１３０）を生成するステップと、
溶解可能なセラミック材料鋳型（１２０，１３０）で金属材料を鋳造するステップと、
部品（１１０）を生成するステップと、
溶解可能なセラミック材料鋳型を水で溶解するステップと
を含み、
付加製造法で、溶解可能なセラミック材料鋳型（１２０，１３０）を生成するステップが、アルミナ粉、ジルコン粉、リン酸水素ナトリウム及びショ糖を用いて溶解可能なセラミック材料鋳型を印刷することを含み、バインダージェッティング法における液体バインダーとしてリン酸水素ナトリウムを使用し、
溶解可能なセラミック材料鋳型（１２０，１３０）を生成するステップが、溶解可能なセラミック材料コアと鋳型の組合せ（１３０）を生成することを含み、溶解可能なセラミック材料コアと鋳型の組合せ（１３０）を生成するステップが、コア（１２０）及び鋳型（１４０）を共に付加製造法で同時に生成することを含み、溶解可能なセラミック材料鋳型を水で溶解するステップが、溶解可能なセラミック材料コアと鋳型の組合せ（１３０）を水で溶解することを含む、方法。 - 溶解可能なセラミック材料鋳型（１２０，１３０）で金属材料を鋳造するステップが、金属材料を溶解可能なセラミック材料コアと鋳型の組合せ（１３０）の周りに鋳造することを含む、請求項１に記載の方法。
- 溶解可能なセラミック材料鋳型を水で溶解するステップが、溶解可能なセラミック材料コアと鋳型の組合せ（１３０）を水で溶解することを含む、請求項１に記載の方法。
- 溶解可能なセラミック材料コアと鋳型の組合せ（１３０）を溶解するステップが、冷却チャネル（８０）及び側壁（６０）を部品（１１０）内に生成することを含む、請求項３に記載の方法。
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