JP5795712B2 - パターニングされたターボ機械構成部品およびターボ機械構成部品上にパターンを形成する方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示する主題は、ターボ機械の技術に関し、より詳細には、パターニングされたターボ機械構成部品、およびターボ機械構成部品上にパターンを形成する方法に関する。

ターボ機械構成部品（たとえば圧縮機ブレード）は、回転して高圧空気流を発生させる。高圧空気流は、燃焼空気流と混合して、タービン・ブレードを回転させる。圧縮機ブレードおよび／またはタービン・ブレードのいずれかの空力特性が変化すると、ターボ機械の全体的な動作特性が変化する。圧縮機および／またはタービン・ブレードの表面積を増加させると、ターボ機械動作が向上することが分かっている。

圧縮機および／またはタービン・ブレードの表面積を増加させる従来の方法としては、成形プロセスとエッチングまたは加工（すなわち表面除去）プロセスとがある。成形プロセスでは、パターンをモールド上に形成する。鋳造時に、パターンを圧縮機および／またはタービン・ブレードの表面上に形成する。パターンの構成および配置を、圧縮機および／またはタービン・ブレードの有効表面積を増加させて空力特性を高めるように定める。エッチング・プロセスでは、化学薬品、レーザ、または他の方法を用いて、圧縮機および／またはタービン・ブレードの表面から特定の部分を除去する。前述したように、パターンの構成および配置を、圧縮機および／またはタービン・ブレードの有効表面積を増加させて空力特性を高めるように定める。

米国特許第６，２００，４３９号明細書

ターボ機械構成部品上にパターンを形成し、圧縮機および／またはタービン・ブレードの有効表面積を増加させて空力特性を高める。

本発明の一態様によれば、ターボ機械構成部品上にパターンを形成する方法が、ターボ機械構成部品の選択された表面領域に材料を加えることを含み、材料は所定のパターンで配置される。

本発明の別の態様によれば、ターボ機械構成部品は、外部表面を有するボディ部分を備える。

パターンを外部表面上に形成する。パターンは、直接描画（ＤＷ）プロセスを通して外部表面に加えられる材料を含む。

また、ターボ機械構成部品の選択された領域に材料を加えるためのシステムおよびコンピュータ・プログラム製品も、本明細書において説明および請求している。

これらおよび他の優位性および特徴は、以下の説明とともに図面からより明らかとなる。

主題は、本発明とみなされるものであるが、特に明細書の終わりの請求項において指摘され明瞭に請求される。本発明の前述および他の特徴および優位性は、以下の詳細な説明とともに添付図面から明らかである。

典型的な実施形態によりパターニングされたターボ機械構成部品を備えるターボ機械の部分断面図である。 図１のパターニングされたターボ機械構成部品の斜視図である。 図２のパターニングされたターボ機械構成部品の部分側面図であって、パターンを形成するためにターボ機械構成部品の表面に加えられる材料を例示する図である。 典型的な実施形態によりターボ機械構成部品上にパターンを形成する方法を例示するフロー・チャートである。 典型的な実施形態による別のパターニングされたターボ機械構成部品の平面図である。

詳細な説明では、本発明の実施形態とともに優位性および特徴を一例として図面を参照して説明する。

図１を参照して、典型的な実施形態により構成されるターボ機械を、概略的に２で示す。ターボ機械２は、タービン・ケーシング４を備え、タービン・ケーシング４は、燃焼室６およびタービン段８を収容している。図示した典型的な実施形態においては、タービン段８は第１段である。燃焼室６から出た燃焼ガスは、第１段ノズル１０を高温ガス経路（ＨＧＰ）１２に沿って通って、第２段ノズル１４に至る。燃焼ガスによって、ロータ・ディスク２０が駆動され、その結果、タービン・シャフト（図示せず）が駆動される。ロータ・ディスク２０が、ターボ機械２のホイール・スペース領域２２内に配置され、複数のタービン・バケット（そのうちの１つを２４で示す）が、ロータ・ディスク２０に取り付けられている。各タービン・バケット２４は、ボディ部分２７（ベース部分３０を規定する）と翼部分３２とを備えている。翼部分３２は第１の端部３４を備え、第１の端部３４は、第２の端部３５まで翼表面３８を通って延びている。高温ガス経路１２に沿って進んだ燃焼ガスは、翼表面３８に衝突して、翼部分３２を周方向に押すことで、ロータ・ディスク２０を回転させる。

典型的な実施形態によれば、翼表面３８は、タービン・バケット２４に対する空力性能を高める複数の***要素（そのうちの１つを５４で示す）を有するパターニングされたゾーン４７を備える。各***要素５４は、先端部分６１まで延びるベース部分５９を有するボディ部分５７を備える。先端部分６１よりもベース部分５９が大きい略台形の形状を有すると示しているが、***要素５４は、種々の形状（たとえば、矩形断面、曲線断面などを有する形状）を呈することができることを理解されたい。典型的な実施形態の一態様によれば、コーティングを、パターニングされたゾーン４７に施す。コーティング６５によって、各***要素５４に対する付加的な保護が実現される。図示した典型的な実施形態においては、コーティング６５は、実質的に直線的な層（ｌｉｎｅａｒ ｌａｙｅｒ）で施す。しかし、コーティング６５は、外形をつける（ｃｏｎｔｏｕｒｅ）ことも可能であることを理解されたい。典型的な実施形態の別の態様によれば、複数の孔６９がボディ部分５７において形成されている。孔６９によって、***要素５４の表面積がさらに増す。

さらに典型的な実施形態によれば、パターニングされたゾーン４７を、直接描画（ＤＷ）プロセスを用いて形成する。直接描画プロセスによって、材料が翼表面３８に所定のパターンで加えられる。典型的な実施形態の一態様によれば、***要素５４は、ポリマー、セラミック、金属、および複合物のうちの少なくとも１つから形成される。当然のことながら、他の材料および複合物を用いても良い。以下でより十分に説明するように、***要素５４に対して用いる材料に応じて、パターニングされたゾーン４７を加える前に、ボンド・コート７８を翼表面３８に施す。ボンド・コート７８によって、ＤＷプロセスを用いて加えられる複数の***特徴物５４の粘着が高まる。

次に、図４を参照して、パターニングされたゾーン４７を形成する方法９０について説明する。最初に、パターン・デザインおよび材料タイプを、ＤＷプロセスに対して案出する（ブロック９２に示す）。すなわち、パターニングされたゾーン４７を形成する前に、パターンを形成するために用いる特定のタイプのパターンおよび特定の材料を案出して、ＤＷプロセス・アプリケーションに入力する。一態様によれば、選択した特定の材料は、孔６９を備える***要素５４になる。この時点で、必要に応じて、ボンド・コート７８を翼表面３８に加える（ブロック９４に示す）。ボンド・コート７８を施し、および／またはグリット・ブラストもしくは化学的なエッチングを施して、表面粗さを向上させて粘着を高めた後に、表面堆積物を翼表面３８に加える（ブロック９６に示す）。表面堆積物を加えて複数の***特徴物５４を形成した後に、翼表面３８を熱処理して***特徴物５４を固化または硬化させる（ブロック９８に示す）。当然のことながら、熱処理に対する必要性は、複数の***特徴物を形成する際に用いる特定のタイプの材料に依存することを理解されたい。

熱処理の後に、部分的な上塗りを複数の***特徴物５４に施す（ブロック１００に示す）。上塗りまたはコーティングを用いて、複数の***特徴物に対する付加的な保護を実現することは、前述した通りである。当然のことながら、上塗りまたはコーティングに対する必要性も、パターニングされたゾーン４７を形成する際に用いる特定のタイプの材料に依存する。特徴物を加えること以外に、材料を除去して翼表面４８に付加的なパターンを形成しても良い。材料を、１または複数の知られた技術（たとえばエッチング、レーザなど）を用いて除去する。

この時点で、典型的な実施形態では、直接描画（ＤＷ）プロセスを用いて材料をターボ機械構成部品の表面部分に加え、パターニングされたゾーンを形成することを理解されたい。当然のことながら、いったん加えられれば、材料の一部を選択的に除去して、パターニングされたゾーンを変更／調整することができる。必要に応じて、材料の選択的な除去を、パターニングされたゾーンの一部を溶解する溶媒を用いて、またはパターニングされたゾーンの一部を除去／変更するためのレーザを用いて、行なう。３次元（３Ｄ）表面（たとえば前述のタービン・バケット）上にパターンを設けることに加えて、典型的な実施形態を用いて、パターニングされたゾーン１１０を２次元（２Ｄ）表面（たとえば図５に示す側板（シュラウド）１２０）上に形成することができる。表面に関係なく、付加的な材料によって、ターボ機械構成部品の構造安定性が高まる。すなわち、既存のターボ機械構成部品上にパターンを形成するための従来のプロセスでは材料を除去する必要があるが、その代わりに、典型的な実施形態では、ターボ機械構成部品に材料を加えて空力特性を高める。

本発明を限られた数の実施形態に関してのみ詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、これまで説明してはいないが本発明の趣旨および範囲に見合う任意の数の変形、変更、置換、または等価な配置を取り入れるように、本発明を変更することができる。さらに加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解されたい。したがって本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の請求項の範囲のみによって限定される。

Claims (7)

1. ターボ機械構成部品（２４）上にパターンを形成する方法であって、
   ターボ機械のロータに取り付けられるターボ機械構成部品（２４）の選択された表面領域（３８）に、ボンド・コート（７８）を加える段階と、
   ボンド・コート（７８）の表面粗さを向上させて粘着を高める段階と、
   直接描画（ＤＷ）プロセスを用いて材料を粘着を高めたボンド・コート（７８）上に加える段階であって、材料はターボ機械構成部品（２４）の空力特性を高める所定のパターンの複数の***要素（５４）として配置される、加える段階と、を含む方法。
2. 粘着を高めたボンド・コート（７８）に材料を加える段階は、粘着を高めたボンド・コート（７８）に複数の孔（６９）を備える３次元構造を加える段階を含む請求項１に記載の方法。
3. ターボ機械構成部品（２４）の選択された表面領域（３８）に加えるべき複数の***要素（５４）の所定のパターンを規定するコンピュータ描画ファイルを形成する段階をさらに含む請求項１または２に記載の方法。
4. ターボ機械構成部品にパターンを直接移す段階をさらに含む請求項３に記載の方法。
5. 表面領域（３８）を熱処理して、複数の***要素（５４）を固化または硬化させる段階をさらに含む請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 粘着を高めたボンド・コート（７８）に加えた材料の一部を除去する段階をさらに含む請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 材料を加えて、圧縮機ブレードおよびタービン・ブレード（２４）の一方の表面領域（３８）を選ぶ請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。