JP2016539274A - ベーンセグメントを鋳造するための、一体的なベーン内部中子およびシュラウド裏側シェルを有するセラミック鋳造中子 - Google Patents

Abstract

鋳造セラミック中子（１１０）は、ベーンセグメント（５０）の翼（５２）の内面（５６）を画成するように成形された翼部分（１１６）と、ベーンセグメントのシュラウド（６２）の裏面（６８）を画成するように成形された裏側成形面（１２０）を有するシェル部分（１２２）とを備える。裏側成形面は、高い部分（１３２）と、低い部分（１３４）とを有する。高い部分は、低い部分によって、翼部分における最も近い点（１３８）から離隔されている。翼部分と、シェル部分とは、一回の鋳造流込みの間にモノリシックボディとして鋳造される。

Description

本発明は、ガスタービンエンジンにおいて使用される冷却式ベーンセグメントの鋳造に関する。特に、本発明は、ベーンセグメントの翼に内部冷却通路を形成するために使用される従来の中子部分に加え、ベーンセグメントのシュラウドの裏面を形成するために使用されるシュラウド外側シェル部分を有する、モノリシックなセラミック鋳造中子に関する。

発明の背景
産業用ガスタービンエンジンは、空気を圧縮する圧縮機と、燃料および圧縮空気の混合物を燃焼させる燃焼器配列と、燃焼ガスからエネルギを取り出すタービンとを有する。タービンセクションは、ロータ軸に固定されたブレードの複数の列を有し、全てのブレードは、エネルギ取出しプロセスにおいて燃焼ガスによって回転させられる。タービンブレードの列の間には、固定ベーンの列が設けられている。固定ベーンの列は、燃焼ガスがタービン内を移動するときに燃焼ガスを適切に方向付ける。ベーンの各列はベーンセグメントを含む。各ベーンセグメントは、少なくとも１つの翼の互いに反対側の端部に固定された、内側シュラウドと外側シュラウドとを有する。多くのタービンにおいて、翼は、内部冷却通路を介して冷却されてもよく、シュラウドの裏側が冷却されてもよい。これらの冷却式翼は、タービンブレードの第１の列の部分、さらには第２の列の部分であってもよい。冷却は、冷却される表面上の冷却空気の流れを介した対流冷却、および／または、翼の内部冷却通路内およびシュラウドの裏側に隣接して配置されたインピンジメントプレートインサートを介したインピンジメント冷却を含んでもよい。

翼およびシュラウドは、まとめて鋳造され、これにより、モノリシックのベーンセグメントを形成してもよい。代替的に、翼およびシュラウドが個別に鋳造され、次いで、互いに溶接されてもよい。翼の内部通路は、鋳造プロセスの間に通路を形成して内面構成を画成するために、セラミック中子の使用を必要とする。内側および外側シュラウドのベーンセグメント面を含む、他のベーンセグメント面は、通常、ベーンセグメントのワックスパターンの周囲に形成されたセラミックシェルによって形成され、ワックスパターンはセラミック中子の周囲に形成される。次いで、ワックスパターンは除去され、ベーンセグメントの形状の空所を残す。この場合、セラミック中子は、翼の内部通路の表面を画成し、セラミックシェルは、ベーンセグメントの他の表面を画成する。

翼の内部通路およびシュラウドの裏面を含むベーンセグメントの面のうちの幾つかにおいて、小さな特徴が望まれる。なぜならば、これらの特徴は、インピンジメント冷却を高めるために、インピンジメントジェットに関連して使用することができるからである。小さな特徴は、セラミック中子によって翼の内部通路の表面に容易に形成することができる。なぜならば、セラミック中子における小さな特徴は、最終的な鋳造につながる複数のステップにおいて残留し、最終的なベーンセグメントに直接に型押しされるからである。しかしながら、シュラウドの背面における小さな特徴は、ワックスパターンによって形成されることになる。なぜならば、ワックスパターンがシュラウドの背面を形成するからである。ワックスパターンは柔軟な材料である。この理由から、小さな特徴がワックスパターンの表面に型押しされ、次いで、浸漬プロセスに供され、その間にセラミックシェルが形成されると、小さな特徴がゆがめられるおよび／または消失させられる。ワックスパターンにおける小さな特徴は、浸漬プロセスにおいて残留することはできないので、小さな特徴が、浸漬プロセスに曝されるワックスパターンから生じる場合には、シェルによって画成される（ひいてはワックスパターンによって画成される）ベーンセグメントの表面は小さな特徴を得ることができない。

この問題を解決するために使用されてきた１つの技術は、シュラウド裏面に小さな特徴を形成するために、別個に鋳造された、個別のセラミックインサートを使用することである。ワックスパターンがセラミック中子の周囲に形成され、セラミックインサートおよびシェルが除去され、ベーンセグメントのための空所を残す。この方法では、セラミック中子は、翼の内面およびその小さな特徴を規定し、セラミックインサートは、シュラウド裏面およびその小さな特徴を規定し、他のベーンセグメント表面はシェルによって形成される。しかしながら、セラミックインサートの位置は、正確に制御することが困難であり、セラミックインサートが使用されると鋳造の質が許容レベルに満たない。上記の理由から、当技術分野には改良の余地が存在する。

以下の説明では本発明を図面に関連して説明する。

従来のベーンセグメント鋳造物の概略的な断面図である。 本明細書に開示される鋳造中子および方法を使用するベーンセグメントの概略的な断面図である。 従来の中子ダイにて成形された従来のセラミック中子の概略的な断面図である。 フレキシブル中子ダイライナを有する中子ダイにて成形された、翼部分およびシュラウドシェル部分を有する一体的な鋳造中子の概略的な断面図である。 図４の詳細の拡大図である。 図３の従来のセラミック中子の概略的な断面図である。 図４の一体的な鋳造中子の概略的な断面図である。 従来のワックスダイの内部に位置決めされた図５の従来のセラミック中子と、そのアセンブリを用いて形成された従来のワックスパターンとの概略的な断面図である。 本明細書に開示されるワックスダイの内部に位置決めされた図６の一体的な鋳造中子と、そのアセンブリを用いて形成されたワックスパターンとの概略的な断面図である。 図７の従来のセラミック中子および従来のワックスパターンの概略的な断面図である。 図８の一体的な鋳造中子およびワックスパターンの概略的な断面図である。 図９の従来のセラミック中子および従来のワックスパターンと、そのアセンブリの周囲に形成された従来のセラミックシェルとの概略的な断面図である。 図１０のセラミック中子およびワックスパターンと、そのアセンブリの周囲に形成されたセラミックシェルの概略的な断面図である。 従来のベーンセグメントのための空所を備える、図１１の従来のセラミック中子および従来のセラミックシェルの概略的な断面図である。 ベーンセグメントのための空所を備える、図１２の一体的な鋳造中子およびセラミックシェルの概略的な断面図である。 図１１の従来のセラミック中子および従来のセラミックシェルと、それらの中に鋳造された従来のベーンセグメントとの概略的な断面図である。 図１４の一体的な鋳造中子およびセラミックシェルと、それらの中に鋳造されたベーンセグメントとの概略的な断面図である。

発明の詳細な説明
本願発明者らは、独特の方法および一体的な鋳造中子を開発した。これによって、モノリシックの（monolithic）、冷却式の、鋳造されたベーンセグメントを形成するためにベーンセグメントの翼部分およびシュラウド部分（または複数の部分）が同時に鋳造される場合に、冷却式ベーンセグメントのシュラウドの裏側に微細な特徴を形成することができる。微細な特徴は、熱伝達特徴であってもよい。熱伝達特徴は、シュラウドの裏側をより有効に冷却するためにインピンジメント冷却ジェットに関連して使用することができる。本方法および本鋳造中子は、幾つかの実施の形態では、フレキシブル中子ダイライナの使用によって可能となる。フレキシブルライナにより、鋳造物の表面に特徴を設けることができる。これらの特徴は、剛性の中子ダイが使用される場合には不可能である。これは、剛性の中子ダイは引っ張り平面に沿って分離されなければならないからである。鋳造物の表面に沿ってダイが滑りながら引き離されなければならない場合、２つの表面を、その滑りを妨害するように成形することはできない。ベーンセグメントなどの多くの部品のジオメトリが原因で、これは、シュラウド裏面などの、微細特徴を鋳造物に形成することができる場所を制限する。剛性の中子ダイの内部のフレキシブルライナはこの問題を解決する。なぜならば、フレキシブルライナが微細特徴を形成するために使用され、フレキシブルライナは、取り出されるときに微細特徴の周りでたわむことができるからである。

発明者らは、従来はセラミックシェルまたは別個のセラミックインサートによって形成されていたシュラウドの裏面を同時に形成しながら、ベーンセグメントの翼部分の冷却通路を革新的に形成する一体的な鋳造中子を形成するために、このフレキシブルライナを利用していた。微細特徴は、一体的な鋳造中子を使用して裏面にも形成することができる。なぜならば、この鋳造法では、シュラウド裏側、ひいてはあらゆるシュラウド裏面特徴が、一体的な中子による鋳造の間にベーンセグメントに直接に形成されるからである。一体的な中子が微細特徴を形成しているので、ワックスパターンを介して形成されたときの微細特徴の消失または別個のセラミックインサートを介して形成されたときの不整合についての心配はない。フレキシブルライナは、剛性の中子ダイライナの分離を妨げる小さな特徴の周囲から引き出すことができるので、中子ダイ分離についての心配がない。

図１は、従来のベーンセグメント１０の概略的な断面図である。ベーンセグメント１０は、翼内部通路１４と、翼内面１６と、翼外面１８とを備える翼１２を有する。内側シュラウド２０と、外側シュラウド２２とが、翼１２の内側端部２４と外側端部２６とに配置されている。各シュラウドは、それぞれの裏面２８を有する。裏面２８は、平滑であり、すなわち、微細な熱伝達特徴を有していない。翼インピンジメントインサート３０が、翼内面を冷却するために使用されるインピンジメントジェットを形成するために使用されてもよい。シュラウドインピンジメントプレート３２は、シュラウド裏面２８を冷却するために使用されるインピンジメントジェットを形成するために使用されてもよい。

図２は、本明細書における開示内容を用いて形成された、耐熱合金ベーンセグメント５０の概略的な断面図である。ベーンセグメント５０は、翼内部通路５４と、翼内面５６と、翼外面５８とを備える翼５２を有する。内側シュラウド６０と、外側シュラウド６２とが、翼５２の内側端部６４と外側端部６６とに配置されている。各シュラウドは、それぞれの裏面６８を有する。小さな特徴７０が、翼内面５６および／またはシュラウド裏面６８のうちの一方または両方に形成されていてもよい。これらの小さな特徴７０は、翼インピンジメントインサート３０および／またはシュラウドインピンジメントプレート３２によって形成されたインピンジメントジェットと共に機能するように設計された熱伝達特徴であってもよい。これらの小さな特徴７０は、ディンプルの配列などの反復するジオメトリの配列を含む、熱伝達を改良するために知られている任意の形状を成していてよい。代替的に、熱伝達を最大化するために必要に応じて局所的に調整することができる、小さな特徴７０の様々な異なるサイズおよび形状が存在していてもよい。

図３〜図１６は、従来のベーンセグメント鋳造プロセスおよび関連する中子を、本明細書に開示されたプロセスおよび関連する中子と概略的に比較した図である。図３は、従来の剛性の中子ダイ１０２内における従来のセラミック鋳造中子１００の形成を概略的に示している。図４は、フレキシブルライナ１１２および関連する剛性の中子ダイ１１４を使用して形成された、一体的な鋳造中子１１０の概略的な断面図である。一体的な鋳造中子１１０は、翼内部通路５４を形成する中子翼部分１１６と、シェル部分１１８（外側シェル部分）とを有する。シェル部分１１８（外側シェル部分）は、中子翼部分１１６から横方向に延びており、外側シュラウド６２の裏面６８を形成する中子シュラウド裏側成形面１２０を有している。一体的な鋳造中子１１０は、反対側のシェル部分１２２（内側シェル部分）を有してもよい。反対側のシェル部分１２２（内側シェル部分）は、中子翼部分１１６から横方向に延びており、内側シュラウド６０の裏面６８を形成する、反対側の中子シュラウド裏側成形面１２４を有している。中子シュラウド部分１１８，１２２は、小さな特徴７０を形成するように構成された中子シェル特徴１３０を有していてもよい。中子翼部分１１６は、翼内面５６に小さな特徴７０を形成するように構成された中子翼特徴１４０を有していてもよい。中子シェル特徴１３０は、高い部分（higher elevation）１３２と、高い部分１３２に隣接する低い部分（lower elevation）１３４とを有してもよく、この高低は、それぞれの中子シュラウド部分１１８に対してのものである。

一体的な鋳造中子１１０のジオメトリのために、剛性の中子ダイが使用される場合、剛性の中子ダイは、線１３６に沿って分離される必要がある。しかしながら、中子シェル特徴１３０が図示のように構成されていて、高い部分１３２と、中子翼部分１１６の表面１４２上の最も近い点１３８との間に、低い部分１３４がある場合、中子シェル特徴１３０と、剛性の中子ダイにおける向かい合った特徴との間で干渉して、中子シュラウド部分１１８と剛性の中子ダイとの間の横方向移動を妨げる。これは、必然的に線１３６に沿った移動を妨げる。しかしながら、フレキシブルライナは十分にフレキシブルであり、中子シェル特徴１３０にいかなる損傷も生じることなく、中子シェル特徴１３０の周囲から除去することができる。この形式で剛性の中子ダイの分離を妨げる干渉を生じるものの、フレキシブルライナ１１２を用いて形成可能な、中子シュラウド裏側成形面１２０におけるあらゆるパターンが想定される。１つのこのような例は、線１３６と整合していないディンプル、凹所またはトリップストリップの配列である。

図５は、従来の剛性の中子ダイ１０２が除去された、図３の従来のセラミック鋳造中子１００の概略的な断面図である。従来のセラミック鋳造中子は、成形体として取り出され、この時点で焼結されてもよい。図６は、フレキシブルライナ１１２および関連する剛性の中子ダイ１１４が除去された、一体的な鋳造中子１１０の概略的な断面図である。同様に、一体的な鋳造中子１１０は、成形体として取り出され、この時点で焼結されてもよい。

図７は、従来のワックスダイ１５０の内部に配置された図５の従来のセラミック鋳造中子１００の概略的な断面図であり、それらの間に、従来のワックスパターン１５２が形成されている。従来のワックスパターン１５２は、形成される従来のベーンセグメント１０の形状である。形成されるベーンセグメント５０のジオメトリにより、従来のワックスダイ１５０のジオメトリは、従来のワックスパターン１５２内への突出部１５４を有する。この突出部１５４は、従来のワックスダイ１５０の複雑な部分であり、ワックスダイ１５０の除去をより困難にしている。

図８は、ワックスダイ１６０の内部の図６の一体的な鋳造中子１１０の概略的な断面図であり、それらの間にワックスパターン１６２が形成されている。ワックスパターン１６２は、形成されるベーンセグメント５０の形状である。一体的な鋳造中子１１０は異なる形状をしているために、従来のワックスダイ１５０の突出部１５４は存在しない。その結果、ワックスダイ１６０の内部形状が大幅に単純化される。このように単純さが高まることにより、ワックスダイ１６０の除去がさらに容易になり、利用可能なプロセスの選択肢が増加する。

図９は、従来のワックスダイ１５０が除去された、図７の従来のセラミック鋳造中子１００および従来のワックスパターン１５２の概略的な断面図である。同様に、図１０は、ワックスダイ１６０が除去された、図８の一体的な鋳造中子１１０およびワックスパターン１６２の概略的な断面図である。図１１は、浸漬プロセスにおいて従来のセラミックシェル１７０が形成された後の、図９の従来のセラミック鋳造中子１００および従来のワックスパターン１５２の概略的な断面図である。従来のワックスダイ１５０の突出部１５４と同様に、従来のセラミックシェル１７０は突出部１７２を有する。図１２は、浸漬プロセスにおいてセラミックシェル１８０が形成された後の、図１０の一体的な鋳造中子１１０およびワックスパターン１６２の概略的な断面図である。従来のセラミックシェル１７０の突出部１７２はもはや存在しない。セラミックシェル１８０が、一体的な鋳造中子１１０よりも低いクオリティの表面を形成するこれらの例において、突出部１７２を排除することによって、セラミックシェル１７０によって形成されるベーンセグメント５０の量が減少し、これは、ベーンセグメント５０に対する改良を意味する。

図１３は、従来のワックスパターン１５２が除去された、図１１の従来のセラミック鋳造中子１００および従来のセラミックシェル１７０の概略的な断面図である。これは、従来の空所１９０を残し、この空所１９０に、従来のベーンセグメント１０を形成するために、一回の鋳造流込みの間に、溶融した合金が流し込まれる。図１４は、ワックスパターン１６２が除去された、図１２の一体的な鋳造中子１１０およびセラミックシェル１８０の概略的な断面図である。これは、空所２００を残し、この空所２００に、モノリシックの一体的な鋳造中子１１０を形成するために、一回の鋳造の間に、溶融した合金が流し込まれる。

図１５は、図１３の従来のセラミック鋳造中子１００および従来のセラミックシェル１７０と、従来の空所１９０に鋳造された従来のベーンセグメント１０との概略的な断面図である。この従来のインベストメント鋳造プロセス（ロストワックス鋳造）において、従来のセラミックシェル１７０は、シュラウド２０，２２の全ての外面２１０および裏面２８を形成する。従来のセラミック鋳造中子１００は、翼内面１６のみを形成する。

図１６は、図１４の一体的な鋳造中子１１０およびセラミックシェル１８０と、空所２００内に鋳造されたベーンセグメント５０との概略的な断面図である。本明細書に開示される方法では、一体的な鋳造中子１００は、今度は、翼内面５６を形成するのみならず、シュラウド６０，６２の裏面６８をも形成する。セラミックシェル１８０は、今度は、外面２１０のみを形成する。この変更により、表面特徴７０は、翼内部通路５４を形成する同じ鋳造を介して、シュラウド６０，６２の裏面６８に形成され、これは、以前は行われていなかった。表面特徴７０は、表面特徴７０が従来のワックスパターン１５２を介して従来のセラミックシェル１７０に形成されるときに起こり得るように消失することがなく、また、表面特徴７０が従来のセラミックインサートを使用して形成されるときに起こり得るようにずれることもない。この理由から、表面特徴７０は、従来可能であったよりもさらに微細にすることができる。その結果、これは、当該技術の改良を意味する。

本発明の様々な実施の形態について本明細書中で図示および説明してきたが、これらの実施の形態は単に例として提供されていることが明らかになるであろう。本明細書における本発明から逸脱することなく、多数の改変、変更および代用がなされ得る。したがって、本発明は、添付の請求項の思想および範囲によってのみ限定されることが意図されている。

Claims (16)

1. 鋳造セラミック中子であって、
   ベーンセグメントの翼の内面を画成するように成形された翼部分と、
   前記ベーンセグメントのシュラウドの裏面を画成するように成形された裏側成形面を含むシェル部分であって、前記裏側成形面は、高い部分と低い部分とを有し、前記高い部分は、前記低い部分によって、前記翼部分における最も近い点から離隔されている、シェル部分と、を備え、
   前記翼部分と、前記シェル部分とは、一回の鋳造流込みの間にモノリシックボディとして鋳造されることを特徴とする、鋳造セラミック中子。
2. 前記シェル部分は、前記ベーンセグメントの外側シュラウドの裏面を画成し、前記鋳造セラミック中子は、前記ベーンセグメントの内側シュラウドの裏面を画成するように成形された、反対側の裏側成形面を含む反対側のシェル部分をさらに有し、前記反対側の裏側成形面は、高い部分と低い部分とを有し、前記高い部分は、低い部分によって前記翼部分のそれぞれの最も近い点から離隔されている、請求項１記載の鋳造セラミック中子。
3. 鋳造セラミック中子であって、ベーンセグメントの翼の内面を画成するように成形された翼部分と、前記ベーンセグメントのシュラウドの裏面を画成するように成形されたシェル部分とを備え、前記翼部分と前記シェル部分とが１つの鋳造物として形成されていることを特徴とする、鋳造セラミック中子。
4. 前記シェル部分は、ベーンセグメントシュラウドの裏面に熱伝達特徴を画成するように成形された中子シェル特徴をさらに有する、請求項３記載の鋳造セラミック中子。
5. 前記翼部分は、ベーンセグメント翼の内面に熱伝達特徴を画成するように成形された中子翼特徴をさらに有する、請求項４記載の鋳造セラミック中子。
6. 前記中子シェル特徴は、前記シェル部分に高い部分と低い部分とを形成しており、前記高い部分は、前記翼部分における最も近い点から離隔されている、請求項４記載の鋳造セラミック中子。
7. 前記シェル部分は、前記ベーンセグメントの外側シュラウドの裏面を画成し、前記鋳造セラミック中子は、前記ベーンセグメントの内側シュラウドの裏面を画成するように成形された反対側のシェル部分をさらに有する、請求項３記載の鋳造セラミック中子。
8. 前記シェル部分は、前記外側シュラウドの前記裏面に熱伝達特徴を画成するように成形された中子シェル特徴をさらに有し、前記反対側のシェル部分は、前記内側シュラウドの前記裏面に熱伝達特徴を画成するように成形された中子シェル特徴をさらに有する、請求項７記載の鋳造セラミック中子。
9. 前記シェル部分のうちの少なくとも一方における前記中子シェル特徴は、前記少なくとも一方のシェル部分に高い部分と低い部分とを形成しており、前記高い部分は、前記翼部分における最も近い点から離隔されている、請求項８記載の鋳造セラミック中子。
10. 前記シェル部分の双方における前記中子シェル特徴は、複数のディンプルを含む、請求項８記載の鋳造セラミック中子。
11. 鋳造セラミック中子であって、
    モノリシックボディを備え、該モノリシックボディは、
    ベーンセグメントの翼の内面を画成するように成形された翼部分と、
    前記ベーンセグメントの外側シュラウドの裏面を画成するように成形された外側シェル部分と、
    前記ベーンセグメントの内側シュラウドの裏面を画成するように成形された中子裏側成形面を含む内側シェル部分と、
    を有することを特徴とする、鋳造セラミック中子。
12. 前記中子シェル部分のうちの少なくとも一方が、前記ベーンセグメントのそれぞれの裏面に熱伝達特徴を画成するようにさらに成形されている、請求項１１記載の鋳造セラミック中子。
13. 前記さらなる成形は、前記少なくとも一方のシェル部分に高い部分と低い部分とを形成しており、前記高い部分は、前記翼部分における最も近い点から離隔されている、請求項１２記載の鋳造セラミック中子。
14. 前記さらなる成形は、それぞれの前記裏面に複数のディンプルを形成する、請求項１２記載の鋳造セラミック中子。
15. 両裏側成形面は、前記ベーンセグメントのそれぞれの前記裏面に熱伝達特徴を画成するようにさらに成形されており、このさらなる成形は、各裏側成形面に高い部分と低い部分とを形成し、前記高い部分は、前記翼部分のそれぞれの最も近い点から離隔されている、請求項１２記載の鋳造セラミック中子。
16. 前記さらなる成形は、複数のディンプルを形成する、請求項１５記載の鋳造セラミック中子。

Images