特許 6355839 ガスタービンエンジンで使用可能な構成部品を形成するためのセラミック鋳型を有するダイカストシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6355839

(24)【登録日】2018年6月22日

(45)【発行日】2018年7月11日

(54)【発明の名称】ガスタービンエンジンで使用可能な構成部品を形成するためのセラミック鋳型を有するダイカストシステム

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/00 20060101AFI20180702BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20180702BHJP

   B22C 7/02 20060101ALI20180702BHJP

【ＦＩ】

   F01D25/00 X

   F02C7/00 D

   B22C7/02 103

【請求項の数】4

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-520366(P2017-520366)

(86)(22)【出願日】2014年10月15日

(65)【公表番号】特表2017-537251(P2017-537251A)

(43)【公表日】2017年12月14日

(86)【国際出願番号】US2014060565

(87)【国際公開番号】WO2016060654

(87)【国際公開日】20160421

【審査請求日】2017年6月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】390039413

【氏名又は名称】シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】チン−パン リー

【審査官】 金田 直之

(56)【参考文献】

【文献】 特開平７−２５３０２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０９８４７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１０７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０２８４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２９３４３４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｆ０２Ｃ ７／００

Ｂ２２Ｃ ７／０２， ９／０４， ９／２４

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービン構成部品（１６）を形成するための工程であって、
所定の内面（２０）を有する外部シェル（１２）を形成するステップ（７２）と、前記内面（２０）から内側に向かって間隔を置いて位置する複数の内部コアボディ（４２）を形成するステップ（７２）と、を含み、前記外部シェル（１２）を形成するステップと前記内部コアボディ（４２）を形成するステップは、前記内面（２０）と前記内部コアボディ（４２）との間に、前記構成部品（１６）の外壁（２６）の所望の寸法に対応する１つのキャビティ（４８）を画定するとともに、隣接する前記内部コアボディ（４２）の間に、前記構成部品（１６）の内部リブ（５０）の所望の寸法に対応する複数のキャビティ（４８）を画定し、前記外部シェル（１２）を形成するステップと前記内部コアボディ（４２）を形成するステップは、選択的レーザー溶融プロセスにより、層ごとに、１つの層で同時に行われ、
前記内面（２０）と前記内部コアボディ（４２）との間の、及び前記隣接する内部コアボディ（４２）の間の複数の前記キャビティ（４８）内に、溶融合金材料を射出するステップ（７４）と、
前記合金材料から成る前記タービン構成部品（１６）を露出させるために、前記外部シェル（１２）と前記内部コアボディ（４２）とを除去するステップ（７６，７８）と、をさらに含み、前記タービン構成部品（１６）は、前記外壁（２６）と、前記内部リブ（５０）と、除去された前記内部コアボディ（４２）によって空けられた位置において前記外壁（２６）の内側で半径方向に延在する中空冷却通路（４６）と、を有している、
タービン構成部品（１６）を形成するための工程。

【請求項2】

前記選択的レーザー溶融プロセスは、セラミック粉末材料の層を繰り返し堆積し、前記セラミック粉末材料をレーザービームによって溶融することを含む、請求項１記載の工程。

【請求項3】

当該工程により形成された前記構成部品（１６）は翼（２８）を有しており、該翼は、前縁（３８）と後縁（４０）との間に画定される、第１の側（３２）における正圧面（３０）と、前記第１の側（３２）とは反対側の第２の側（３６）における負圧面（３４）と、を有しており、前記翼（２８）は、該翼内に形成される、半径方向に延在する複数の冷却通路（４６）を有している、請求項１記載の工程。

【請求項4】

前記外部シェル（１２）のまわりに外部支持シェル（５２）を形成するステップ（８０）と、
前記溶融合金材料を射出した後、前記外部支持シェル（５２）を除去するステップと、
をさらに含む、請求項１記載の工程。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般にダイカストシステムに関し、より詳細には、タービンエンジンで使用可能なタービン翼の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

タービンブレード翼は通常、図２及び図３に示すような複数の冷却通路から成る内部冷却システムを有している。ブレード内側のこれらの冷却通路を形成するために、しばしば鋳型が使用され、この鋳型は内部のセラミックコアと外部のセラミックシェルとを含む。図１に示すようなセラミックコアは、ブレード鋳造品内側に効果的な冷却装置を形成するために、コアダイ表面に細かい特徴を含むように製造されている。コアを形成するために通常使用されるコアダイは、硬質鋼から形成される場合が最も多く、硬質鋼による製造は高価である。コアダイ表面は通常、高圧射出工程の間にセラミックコア材料に直接接触する。コアダイは、十分な射出後は摩耗し、不適合な鋳造を生じさせるようになる。精密な鋳造寸法を維持するために、コアダイが摩耗した際には、再加工又は交換の必要があり、これは高価な作業である。内面上の設計の些細な改良ですら、完全に新規のダイを形成する必要がある。従って、より堅牢で、より安価なシステムの必要性がある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

ガスタービンエンジンの構成部品を形成するために使用可能な外部シェルと内部コアとが一緒に形成されるダイカストシステムが開示される。少なくとも１つの実施形態では、外部シェル及び内部コアは、選択的レーザー溶融プロセスにより同時に形成することができ、従って、従来のロストワックス鋳造システムを使用する必要性がなくなる。少なくとも１つの実施形態では、外部シェルと内部コアとは、タービン構成部品を形成するために溶融金属を受け入れることのできるセラミック材料から形成されてよい。形成されたら、外部シェルと内部コアとは、タービン構成部品を露出させるために除去されてよい。

【0004】

少なくとも１つの実施形態では、ダイカストシステムは、タービンエンジン構成部品の外面を画定するように形成された内面を有する１つ以上の外部シェルを含んでいてよい。ダイカストシステムはさらに、外部シェルを形成するために使用されるのと同じ工程により形成される１つ以上の内部コアを含んでいてよく、この内部コアは、外部シェルが形成されている間に、外部シェル内に形成される。内部コアは、外部シェルの内面から半径方向内側にずらされた外面を含んでいてよく、この外面は、ダイカストシステムによって形成される外壁の内面を少なくとも画定するために使用することができる。少なくとも１つの実施形態では、外部シェル及び内部コアは両方とも、選択的レーザー溶融システムにより形成することができる。外部シェルと内部コアは両方ともセラミック材料により形成されてよい。外部シェルの内面は、ガスタービンエンジン内で使用可能な翼を形成するように構成されていてよく、翼は第１の側における正圧面と、第１の側とは反対側の第２の側における負圧面と、前縁と、後縁とを有していてよい。

【0005】

内部コアは、１つ以上のコアボディから形成されていてよく、コアボディは、ダイカストシステムによって形成される外壁の内面を少なくとも画定するために使用される外面を有していて、タービンエンジン構成部品の内部冷却システムを画定している。内部コアは、複数の内部コアボディから形成されていてよく、これらのコアボディは互いにずらされていて、タービンエンジン構成部品内の内部冷却システムの通路を形成するように構成されている。複数の内部コアボディは、これらの内部コアボディ間にキャビティが形成されるように、互いにずらされていてよく、これにより、タービンエンジン構成部品内にはダイカストシステムによって内部リブが形成される。ダイカストシステムは、外部シェルを取り囲む外部支持シェルを含んでいてよい。外部支持シェルは、少なくとも１つの外部シェルと同じ材料で形成することができる。

【0006】

タービン構成部品を形成する方法は、１つの同じ工程で１つ以上の外部シェルと１つ以上の内部コアを形成するステップを含んでいてよく、外部シェルは、タービンエンジン構成部品の外面を画定するように構成された内面を有していてよく、内部コアは、外部シェルが形成されている間に外部シェル内で形成される。内部コアも、外部シェルの内面から半径方向内側にずらされた外面を含んでいてよく、この外面は、ダイカストシステムによって形成される外壁の内面を少なくとも画定するために使用される。この方法はさらに、外部シェルと内部コアとの間に形成された少なくとも１つの内部キャビティ内に溶融合金材料を射出するステップを含んでいてよい。この方法はさらに、少なくとも１つの外部シェルを除去するステップと、少なくとも１つの内部コアを除去するステップを含んでいてよい。１つの同じ工程で外部シェルと内部コアとを形成するステップは、外部シェルと内部コアとを選択的レーザー溶融システムにより形成することを含んでいてよい。

【0007】

この方法はさらに、外部シェルを取り囲む外部支持シェルを形成するステップを含んでいてよい。外部シェルを取り囲む外部支持シェルを形成するステップは、外部シェルを形成するために使用されるのと同じ材料から外部支持シェルを形成することを含んでよい。この方法はさらに、外部シェルと内部コアとの間に形成された１つ以上の内部キャビティ内に溶融合金材料を射出した後に、外部シェルを取り囲む外部支持シェルを除去するステップを含んでよい。１つの同じ工程で外部シェルと内部コアとを形成するステップは、外部シェルと内部コアとをセラミック材料により形成することを含んでよい。外部シェルと内部コアとの形成は、外部シェルの内面が、ガスタービンエンジン内で使用可能な翼を形成するように構成されており、翼は、第１の側における正圧面と、第１の側とは反対側の第２の側における負圧面と、前縁と、後縁とを有している、外部シェルと内部コアとの形成を含んでよい。外部シェルと内部コアとの形成は、内部コアが少なくとも１つのコアボディから形成されており、コアボディは、ダイカストシステムによって形成される外壁の内面を少なくとも画定するために使用される外面を有していて、タービンエンジン構成部品の内部冷却システムを画定する、外部シェルと内部コアとの形成を含んでよい。

【0008】

外部シェルと内部コアとの形成は、内部コアが複数の内部コアボディから形成されており、これらのコアボディは互いにずらされていて、タービンエンジン構成部品内の内部冷却システムの通路を形成するように構成されている、外部シェルと内部コアとの形成を含んでよい。外部シェルと内部コアとの形成は、複数の内部コアボディが、これらの内部コアボディ間にキャビティが形成されるように互いにずらされており、これによりタービンエンジン構成部品内にダイカストシステムによって内部リブが形成される、外部シェルと内部コアとの形成を含んでよい。

【0009】

このダイカストシステムの利点は、溶融金属を受け入れるためのキャビティを形成するために使用される外部シェルと内部コアを、より時間がかからず、かつ従来のロストワックス鋳造システムよりもより精密な選択的レーザー溶融プロセスにより形成することができることにある。

【0010】

このダイカストシステムの別の利点は、設計変更を含む外部シェルと内部コアを形成するために選択的レーザー溶融プロセスを使用することにより、このダイカストシステムが、ダイカストシステムにより製造されるタービン構成部品の設計の変更を容易に受け入れることができることにある。

【0011】

これらの実施の形態及びその他の実施の形態を、以下でより詳細に説明する。

【0012】

本明細書に組み込まれ明細書の一部を成す添付の図面は、本発明の実施態様を示しており、詳細な説明と共に本発明の原理を開示している。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】従来の形式で形成されたコアを示す斜視図である。

【図2】２つの隣接する従来のタービン翼を示す断面図である。

【図3】内部冷却システムを備えた従来のタービン翼の断面図である。

【図4】ダイカストシステムの外部シェルと内部コアの形態を示す断面図である。

【図5】外部シェルと内部コアとの間のキャビティ内に注がれた溶融金属を含むダイカストシステムの外部シェルと内部コアを示す断面図である。

【図6】外部シェルが除去され、内部コアが配置されている状態で、翼などのタービン構成部品を示す断面図である。

【図7】外部シェルと内部コアとが除去された状態で、翼などのタービン構成部品を示す断面図である。

【図8】ダイカストシステムの外部シェルと内部コアの形態を示す断面図である。

【図9】外部シェルのまわりに位置する外部支持シェルを含むダイカストシステムの外部シェルと内部コアを示す断面図である。

【図10】外部シェルと内部コアとの間のキャビティ内に注がれた溶融金属を含むダイカストシステムの外部シェルと内部コアを示す断面図である。

【図11】外部シェルが除去され、内部コアが配置されている状態で、翼などのタービン構成部品を示す断面図である。

【図12】外部シェルと内部コアとが除去された状態で、翼などのタービン構成部品を示す断面図である。

【図13】図１７及び図１８に示すシステムを使用する方法を介して、図４〜図１２のダイカストシステムにより形成されたタービン翼を示す斜視図である。

【図14】図１３の１４−１４線に沿って断面したタービン翼の断面図である。

【図15】内部コアの負圧面を示す斜視図である。

【図16】内部コアの正圧面を示す斜視図である。

【図17】鋳造金属から翼（これに限定されるものではない）などの鋳造構成部品を形成する方法を示すフローチャートである。

【図18】鋳造金属から翼（これに限定されるものではない）などの鋳造構成部品を形成する方法の別の実施形態を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図４〜図１８に示すように、ダイカストシステム１０が開示されていて、このダイカストシステム１０では、ガスタービンエンジンの構成部品１６を形成するために使用可能な外部シェル１２と内部コア１４とが一緒に形成される。少なくとも１つの実施形態では、外部シェル１２及び内部コア１４は、選択的レーザー溶融プロセスにより同時に形成することができ、従って、従来のロストワックス鋳造システムを使用する必要性がなくなる。少なくとも１つの実施形態では、外部シェル１２と内部コア１４とは、タービン構成部品１６を形成するために溶融金属を受け入れることのできるセラミック材料から形成されてよい。形成されたら、外部シェル１２と内部コア１４とは、タービン構成部品１６を露出させるために除去されてよい。

【0015】

少なくとも１つの実施形態では、図４、図５、図８〜図１０に示すように、ダイカストシステム１０は、タービンエンジン構成部品１６の外面２２を画定するように形成された内面２０を有する１つ以上の外部シェル１２から形成されてよい。内部コア１４は、外部シェル１２を形成するために使用されるのと同じ工程で形成されてよい。外部シェル１２が形成されている間に、内部コア１４を外部シェル１２内に形成することができる。内部コア１４は、外部シェル１２の内面２０から半径方向内側にずらされた外面２５を含んでいてよい。図７及び図１２に示すように、外面２５は、ダイカストシステム１０によって形成された外壁２６の内面２４を少なくとも画定するために使用することができる。少なくとも１つの実施形態では、外部シェル１２及び内部コア１４は両方とも、選択的レーザー溶融システムにより、セラミック材料などの材料で形成することができるが、材料はこれに限定されるものではない。選択的レーザー溶融システムは、三次元的なコンピュータ支援製図（ＣＡＤ）モデルを、複数の有限層となるようにスライスすることから開始されてよい。スライスされた各層について、境界輪郭と、充填シーケンスのいくつかの形との両方を画定するレーザー走査経路を計算することができる。次いで、各層は、粉末層を別の層の上面に堆積させ、レーザービームを走査してその表面を溶融させることによって、順次再形成されることができる。少なくとも１つの実施形態では、外部シェル１２の内面２０は、ガスタービンエンジン内で使用可能な翼２８を形成するように構成されていてよい。翼２８は、第１の側３２における正圧面（pressure side）３０と、第１の側３２とは反対側の第２の側３６における負圧面（suction side）３４と、前縁３８と、後縁４０とを有していてよい。

【0016】

図４〜図６、図８〜図１１、図１５及び図１６に示すように、内部コア１４は、１つ以上のコアボディ４２から形成されていてよい。コアボディ４２は、ダイカストシステム１０によって形成される外壁２６の内面２４を少なくとも画定するために使用される外面２５を有しており、タービンエンジン構成部品１６の内部冷却システム４４を画定している。少なくとも１つの実施形態では、内部コア１４は、複数の内部コアボディ４２から形成されていてよい。これらのコアボディ４２は互いにずらされていて、図１４に示すようにタービンエンジン構成部品１６内の内部冷却システム４４の通路４６を形成するように構成されている。図４及び図８に示すように、複数の内部コアボディ４２は互いにずらされていて、これらの内部コアボディ４２間にキャビティ４８を形成している。これにより、タービンエンジン構成部品１６内にはダイカストシステム１０によって内部リブ５０が形成される。少なくとも１つの実施形態では、外部シェル１２はより薄く形成することができ、外部シェル１２は、外部シェル１２を取り囲む外部支持シェル５２によって支持されてよい。外部支持シェル５２は、外部シェル１２と同じ材料で形成することができる。

【0017】

図１７及び図１８に示すように、タービン構成部品を形成する方法７０は、ステップ７２で、１つの同じ工程で１つ以上の外部シェル１２と１つ以上の内部コア１４を形成するステップを含んでいてよい。外部シェル１２は、タービンエンジン構成部品１６の外面２２を画定するように構成された内面２０を有していてよく、内部コア１４は、外部シェル１２が形成されている間に外部シェル１２内で形成されてよい。内部コア１４は、外部シェル１２の内面２０から半径方向内側にずらされた外面２５を含んでいてよく、この外面２５は、ダイカストシステム１０によって形成される外壁２６の内面２４を少なくとも画定するために使用することができる。方法７０はさらに、ステップ７４で、外部シェル１２と内部コア１４との間に形成された１つ以上の内部キャビティ４８内に溶融合金材料を射出するステップを含んでいてよい。方法７０は、ステップ７６で外部シェル１２を除去するステップを、ステップ７８で内部コア１４を除去するステップを含んでいてよい。

【0018】

１つの同じ工程で外部シェル１２と内部コア１４とを形成するステップは、ステップ７２で、外部シェル１２と内部コア１４とを選択的レーザー溶融システムにより形成するステップを含んでいてよい。方法７０はさらに、図１８及び図８〜図１２に示すように、ステップ８０で、外部シェル１２を取り囲む外部支持シェル５２を形成するステップを含んでいてよい。ステップ８０で、外部シェル１２を取り囲む外部支持シェル５２を形成するステップは、外部シェル１２を形成するために使用されるのと同じ材料から外部支持シェル５２を形成するステップを含んでいてよい。方法７０はさらに、ステップ８２で、外部シェル１２と内部コア１４との間に形成された１つ以上の内部キャビティ４８内に溶融合金材料を射出するステップの後に、外部シェル１２を取り囲む外部支持シェルを除去するステップを含んでいてよい。１つの同じ工程で外部シェル１２と内部コア１４とを形成するステップは、外部シェル１２と内部コア１４とをセラミック材料により形成するステップを含んでよい。外部シェル１２と内部コア１４との形成は、外部シェル１２の内面２０が、ガスタービンエンジン内で使用可能な翼２８を形成するように構成されており、翼２８は、第１の側における正圧面３０と、第１の側とは反対側の第２の側における負圧面３４と、前縁３８と、後縁４０とを有している、外部シェル１２と内部コア１４との形成を含んでよい。

【0019】

外部シェル１２と内部コア１４との形成は、内部コア１４が１つ以上のコアボディ４２から形成されており、コアボディ４２は、ダイカストシステム１０によって形成される外壁２６の内面２４を少なくとも画定するために使用される外面２５を有していて、タービンエンジン構成部品１６の内部冷却システム４４を画定している、外部シェル１２と内部コア１４との形成を含んでよい。外部シェル１２と内部コア１４との形成は、内部コア１４が複数の内部コアボディ４２から形成されており、これらのコアボディ４２は互いにずらされていて、タービンエンジン構成部品１６内の内部冷却システム４４の通路４６を形成するように構成されている、外部シェル１２と内部コア１４との形成を含んでよい。外部シェル１２と内部コア１４との形成は、複数の内部コアボディ４２が、これらの内部コアボディ４２間にキャビティ４８が形成されるように互いにずらされていてよく、これによりタービンエンジン構成部品１６内にダイカストシステム１０によって内部リブ５０が形成される、外部シェル１２と内部コア１４との形成を含んでよい。

【0020】

上記説明は、本発明を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】