JPH09506830A - ガスタービンエンジン部品等の物体に形状付けしたホールを形成するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 放電加工機（EDM）に用いられるマルチプルピース電極は、少なくとも一つの歯を有する。上記電極には、また、可動であり、かつ、延びたロッドがそれぞれの歯の内側を通して位置決めされている。上記可動ロッドは、クランプ機構、エポキシ、加工機械に取り付けられた固定機構等の手段によって上記歯に固定されていても良い。上記電極が長手方向にワークピースに向かって進行すると、上記ロッドは深い、小径のホールを形成するとともに、上記歯は、上記ホールの一端に広がった開口を形成する。上記ロッドは、ホール深度を増加させるために回転されていても良い。さらに、上記ロッドは、中空とされ、上記ロッド内部に誘電性流体が流れるようにされていても良い。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービンエンジン部品等の物体に形状付けしたホールを形成するための装置 技術分野 本発明は、ガスタービンエンジン部品に形状を付けたホールを製造する方法に 関するものであり、より詳細には、本発明は、放電加工(Electrical Discharge Machining；EDM)に用いられる電極に関するものである。 背景技術 ガスタービンエンジンは、効率向上のため極めて高温で運転される。ステータ ベーンは、上記エンジンのタービン領域内の環状に配設された可動ブレードの間 に配設されており、可動ブレードの一段から流れ出る高温のガス流を、次のブレ ードへと安定に向かわせている。上記高温ガスに直接にさらすことは、上記ベー ンとブレードとには、悪影響を与えることとなり、上記部品の変形や、最悪の場 合には溶融を引き起こしてしまうことになる。 内部冷却技術は、上記ブレードやベーンの温度を、高温での運転中に設計限界 内に維持しておくために開発されてきた。例えば、上記エンジン部品の外表面は 、典型的には、上記エンジンの圧縮機領域からの高圧冷却空気によって冷却され ている。フィルム冷却は、上記した冷却空気を使用する効率の良い方法であるこ とが実証され ている。上記方法では、冷却空気の層が、上記高温ガスと、上記エンジン部品と の間に流される。上記冷却空気層は、上記冷却空気を、上記部品に所定のパター ンで形成されている列となった小ホールを通すことによって形成される。この様 にして得られた空気のフィルム層は、上記部品の表面温度を低下させ、部品の変 形を防止することになる。この様にするとタービンインレット温度範囲を高める ことができるので、エンジン効率を向上させることもできる。 当業界では周知であるように、フィルム冷却効率は、円錐形部分を有し、かつ 、上記部品の表面で広がった開口を有するような拡散ホールを使用することで向 上させることができることが知られている。これを図１に示す。上記ホールの形 状により、上記部品の境界領域に空気が入る前に拡散でき、上記ホールの下流側 で空気を広げることで、冷却効果が向上することになる。これに比較して、円筒 形の形状のホールは、上記ホールの下流において、冷却効率は高いが、その領域 から広らないといった局在化領域を発生させてしまうことになる。高品質の拡散 ホールは、優秀な性能を与えるが、コストが高くかつ、形成するのが困難であっ た。 従来から、ガスタービンエンジン部品に高品質の冷却ホールを経済的に形成す る多くの試みがなされてきている。例えば、レーザで穿孔する方法は、ベーンや ブレードの翼前縁や翼後縁にホールを形成するために使用されてきている。しか しながら、上記方法では形状を付けたホールを製造することは困難であった。こ のことは、上記ホールの形状が冷却効率を決定づける一部分になるため重大な制 約となっていた。 電解加工(Electro Chemical Machining；ECM)は、拡散ホールを製造するため の別方法である。このプロセスは、しかしながら、準備コスト及び加工のコスト が高く、かつ、設備投資コストも高いものとなっていた。加えて、上記プロセス における電解質は、典型的には、硝酸ナトリウム又は、塩素酸ナトリウムといっ たオキシダントを形成してしまい、保険衛生的に好ましくないとともに、上記プ ロセスの副生成物は、しばしば有害廃棄物として分類される。 別の方法としては、放電加工(EDM)を挙げることができ、この方法もエンジン 部品に形状を付けた拡散ホールを形成するために使用することができる。EDMは 、金属にホールやその他の開口を成形するためのプロセスとして良く知られてい る。この方法は、金属を浸食させるため放電を使用する。例えば、正に荷電した ワークピース（アノード）と電極（カソード）との間に直流電流をパルス的に印 加して、スパーク放電させるものである。上記電極と上記ワークピースの双方は 、誘電性流体に接触しており、これらの間の電位差が上記誘電性流体をブレーク ダウンさせるに十分なほど大きくなった場合に、電流が流れ、導電性チャネルが 形成される。電圧を印加すると電流が流れ、このため十分な熱エネルギが発生し 、上記ワークピースが溶融されるとともに、浸食される。上記プロセスは、他の 方法での製造が不可能ではないにしろやっかいな、微小で、深度があり、変形し た形状のホールを加工するために応用される。 エンジン部品の拡散ホールを製造するためのEDM法は、型抜き加工及び圧印に より３次元形状を持つように加工された銅電極を使用する。従来法による一体型 の電極は、少なくとも一つの小径の延び た端部を有しており、この端部が上記冷却空気の計量領域を形成する。上記延び た端部は、３次元の拡散（ディフューザ）形状部分に連結されており、上記計量 領域において拡散領域を形成している。上記電極は、電極が焼損したり、EDM電 極が浸食されても同様の形状のホールを製造できるようになっている。 上記EDM法は、有効であるが、その制約も存在する。例えば、銅電極は、銅の 低い融点のためにホールの長さ／深度、及びホールの径の最小値に限界があると いう重大な問題を有している。上述した銅電極のホール深度限界は、直径の最小 限界である０．０１４インチ（０．０３６ｃｍ）において、最大でも約０．２５ ０インチ（０．６３５ｃｍ）である。上記の値は、形状つき銅電極での製造にお いて、経験的に得られた設計標準である。 従って、従来よりもより小さな計量直径を有し、かつ、高品質で、より深いホ ールが形成できるEDM電極が要求されていた。 発明の開示 本発明によれば、超合金に拡散ホールを製造することができる放電加工機（ED M）に使用されるマルチプルピース電極が開示される。本発明の電極は、拡散ホ ールの形成を容易とする少なくとも一つの３次元形状を有する歯と、上記歯を通 る少なくとも一つの可動ロッド部分を有している。上記の形状を有する歯は、銅 や、銅合金などの柔軟な導電材料で形成されている。上記の形状の歯は、また、 グラファイト、銅−タングステン、タングステン、金、銀、スズ、プラチナ、鉛 、亜鉛、鉄、ニッケル、真鍮等から形成されていても良 い。上記した形状の歯は、銅製であることが好ましい。上記形状の歯を形成する にあたっては、いかなる従来法でも利用することができ、例えば、型抜き加工法 や、圧印法を挙げることができる。上記形状の歯には、上記ロッドが通るホール がその内部に形成されている。 上記可動ロッドは、タングステンと同程度の導電性と、真鍮と同程度、あるい はそれ以上の融点を有しているものであればいかなる材料であっても使用できる 。例えば、上記ロッドには、タングステン、銅−タングステン、真鍮を使用する ことができる。上記ロッドは、その直径が約０．００５インチ（０．０１３ｃｍ ）から約０．０３０インチ（０．０７６ｃｍ）の範囲であることが好ましい。上 記ロッドは、円筒形の棒構造を有していても良いし、中空構造を有していても良 い。上記ロッドが中空の場合には、誘電性流体が上記ロッド内を流れるようにな っていて、上記ホール内を一定に上記誘電性流体が流れることで、深度のあるホ ールの形成を促進するようになっていても良い。 上記可動ロッドは、上記形状の歯の内側にある通路内に位置決めされている。 この実施例では、上記ロッドと形状付けされた歯とは、外部からのクランプ機構 や、加工機に取り付けられた固定機構といった機構によって、互いに保持される ようになっている。また、エポキシ等の接着剤を使用することもできる。これと は別に、上記形状の歯は、マルチプルピースとされていても良く、この際には、 複数のネジといったクランプ機構によって、上記ロッドと歯とが互いに固定され るようになっていても良い。上記マルチプルピース電極は、 上記ワークピースへと侵入するにつれ、上記ロッドが深度のある、小径のホール を上記ワークピース内に形成するように浸食する。また、上記形状の歯は、上記 ホールの一端が広がった開口を形成するように浸食する。加えて、上記形状のロ ッドが上記ワークピース内に侵入して行く際には、上記ロッドと上記形状の歯と がともに適切な機構によって互いに保持されている場合には、上記ロッドを、上 記EDMプロセス中に回転させておくこともできる。上記ロッドを回転させておく には、上記加工機械に回転しうるアダプタを取り付ける等、いかなる従来手段を 使用しても良い。内部に誘電性流体を流すような中空ロッドと、回転アダプタと を組み合わせて使用すれば、誘電性流体によりさらにホール深度を増加させるこ とができる。 これとは別に、上記ワークピースを、まず形状付けした歯で放電加工しておき 、その後に、ロッドによって放電加工することもできる。この様なシーケンスの 利点は、上記ロッドの消耗を低減するものである。上記ロッドは、上記形状付け された歯によって予め形成された上記拡散ホールを超える分だけ上記ワークピー スを浸食するだけである。この様なシーケンスは、電極の配列を向上させ、かつ 、上記計量ホールの回りに器具痕も付けないようにできる。この器具痕は、通常 、取り扱いによって生じた損傷か、又は、熱による曲がりなどによって、計量領 域が誤って配置されることによって発生する。 本発明は、また、上記ロッドを再供給するシステムを有しており、そのシステ ムは、上記ロッドを所望の長さに位置決めする。上記再供給システムは、電極長 さマスタを有しており、この長さマスタシ ステムは、上記電極の前に位置決めされる。上記再供給システムは、上記電極を 、上記長さマスタに対して所望の長さだけスライドさせる。上記長さマスタは、 その後とりはずされ、かつ、EDMサイクルが再び続行されることになる。この応 用例では、上記ロッドは、まず適切な長さとされ、その後、電極の消耗分を補う ように供給が行われる。上記ロッドをEDM装置中で進行させ、かつ、上記ロッド を引き出すためには、いかなる従来方法であっても使用できる。放電加工の間に 、歯によって拡散領域が形成されるが、上記小径の計量領域は、その後上記ロッ ドを上記ワークピース内に進行させて行くことによって製造できる。本システム は、又、位置決めに対する許容をも改善するものであり、また、EDM電極の不均 一な消耗も改善するものである。 図面の簡単な説明 図１は、拡散ホールの略図である。 図２は、タービンブレードの斜視図である。 図３は、本発明のマルチプルピース電極の“棒状”構造を示した側面図である 。 図４は、本発明のマルチプルピース電極の“棒状”構造を示した斜視図である 。 図５は、約１０°の角度を有する拡散ホールの略図である。 発明の最良の実施態様 本発明を限定するのではなく例示するべく、本発明を中空タービ ンブレードに拡散ホールを放電加工（EDM）によって形成する場合を例にとって 説明する。EDM手段によってガスタービンエンジン部品に上記拡散ホールを形成 するのは、当業者に周知なので、上記プロセスについては詳細な記載は行わない 。特に詳細については、米国特許第４，１９７，４４３号（シーデンスティック (Sidenstick)）及び米国特許第３，６０４，８８４号（オルソン(Olsson)）に開 示されており、これらは、本願において参照することができる。 図２は、典型的な中空タービンブレード２（ワークピース）を示しており、こ れは、上記ブレード凸面６上に複数の拡散ホール４を有している。上記ブレード ２は、根本８を有しており、この根本８の開口を通して上記ブレード２の内部キ ャビティへと冷却空気が導入される。この空気は、上記ブレード２の内側面を、 コンベクション冷却するとともに、上記ブレード２の外表面をフィルム冷却する ようになっている。フィルム冷却を行うため、複数の拡散ホール４が、上記ブレ ード２の上記凸面６上に形成されている。 図３と図４とに示すように、上記マルチプルピース電極１４は、３次元形状を 有する複数の歯１８を有しており、この複数の歯は、“棒状”構造を形成してい る。単一の歯を使用することもできるが、複数の歯１８を用いるほうが、通常で はよりコスト効果が高い。上記複数の歯１８は、所望の形状に型抜き加工及び圧 印しやすく、かつ比較的安価なため銅から形成されている。 複数のロッド２２は、上記複数の歯１８の内部にそれぞれ一本ずつ配置されて いる。図５に示すように、約１０°の角度の拡散ホールを製造することが好まし いが、これは、約１０°よりも著しく大 きな角度の拡散ホール角度は、乱流を発生させ好ましくないためである。上記ロ ッド２２は、約０．００６インチ（０．０１５ｃｍ）から約０．０１０インチ（ ０．０２５ｃｍ）の間の直径を有しているが、これは、計量領域が小径であるほ うが、効率的な冷却のためには望ましいためである。上記ロッド２２は、上記ED Mプロセスにおいて銅よりも消耗しないので、タングステン製とされている。上 記ロッド２２と上記歯１８とは、図４に示されているような上記加工機械に取り 付けられたクランピング機構２４によって互いに固定されている。加えて、本発 明は、複数の上記ロッド２２の再供給システムを有しており、このシステムは、 上記ロッド２２を所望の長さに位置決めする。上記電極１４が、上記ブレード２ へと長手方向に進行して行くと、上記ロッド２２は、上記ブレード２内に小径の 、深いホール４を形成し、かつ、上記複数の歯１８は、上記ホール４の一端に円 錐領域を形成する。上記複数の歯１８は、上記ブレード２に近接して位置決めさ れており、ブレードを横切るように電流が流されて、上記ブレード２部分を浸食 する。 本発明は、従来の技術に対していくつかの利点を有する。例えば、上記ロッド ２２は、上記歯１８に使用されている材料とは別の材料から形成されていても良 い。このため、コスト効果が良く、より深い、かつ、約０．０１０インチ（０． ０２５ｃｍ）の直径を有する計量領域が形成可能となり、この際の深さは、約０ ．２５０インチ（０．６３５ｃｍ）を超える深度が可能となる。これは、従来技 術を大きく改善するものであり、従来では、銅電極を使用した場合に約０．０１ ４インチ（０．０３６ｃｍ）の計量領域直径で０．２５ ０インチ（０．６３５ｃｍ）の深度が限界とされてきたものである。 本明細書では、本原理と方法とをタービンブレード２について用いるものとし て説明を行ってきた。しかしながら、当業者によれば、同様の原理と手法とを、 拡散ホールが要求される別の物体表面に適用できることは容易に想到できるもの である。 これまで本発明について、詳細な実施例をもって説明を行ってきたが、形態及 びその詳細について、当業者によれば種々の変更、除外、付加を本発明の趣旨及 び範囲内で行うことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 放電加工機に用いられるマルチプルピース電極において、該電極は、 （ａ）内部にホールが通った少なくとも一つの導電性の歯と、 （ｂ）前記ホールを通って延びた少なくとも一つの導電性ロッドと、 （ｃ）前記ロッドを前記歯に固定するための手段とを有することを特徴とする放 電加工機に用いられるマルチプルピース電極。 ２． 前記歯は、銅、銅合金、グラファイト、銅−タングステン、タングステン 、金、銀、スズ、プラチナ、鉛、亜鉛、鉄、ニッケル、タングステン、真鍮及び 銅−タングステンを有する一群から任意に選択される材料を有することを特徴と する請求項１に記載のマルチプルピース電極。 ３． 前記ロッドは、タングステン、真鍮、銅−タングステンを有する一群から 任意に選択されたものを有することを特徴とする請求項１に記載のマルチプルピ ース電極。 ４． クランプ機構を有していることを特徴とする請求項１に記載のマルチプル ピース電極。 ５． 前記ロッドは、前記歯と異なった材料で形成されていることを特徴とする 請求項１に記載のマルチプルピース電極。 ６． 前記ロッドが中空であることを特徴とする請求項１に記載のマルチプルピ ース電極。 ７． 放電加工によって物体に拡散ホールを形成する方法において、該方法は、 （ａ）（ｉ）ワークピースに極近接させて配置してギャップを形成し、それらの 間に放電を起こさせて前記ワークピース部分を浸食させるための少なくとも一つ の歯と、 （ｉｉ）前記歯を通して配置されている少なくとも一つの延びた可動ロッ ドと、 （ｉｉｉ） 前記ロッドを前記歯に固定する手段と、を有する放電加工機 内にマルチプルピース電極を挿入するステップと、 （ｂ） 前記電極を長手方向に前記ワークピースへと向かって進行させ、前記ロ ッドが深く、小径のホールを前記ワークピース内に形成するとともに、前記歯は 、前記ホールの一端に拡散領域を形成するステップを有することを特徴とする方 法。 ８． 前記ロッドを回転させるステップをさらに有していることを特徴とする請 求項７に記載の方法。 ９． 前記ロッドは、中空とされており、かつ、誘電性流体が前記ロッドを通し て流されるようになっていることを特徴とする請求項７に記載の方法。 １０． 前記ロッドを所望の長さに位置決めし、かつ、前記電極の前に位置決め されるようになった電極長さマスタを有する再供給システムを有することを特徴 とする請求項７に記載の方法。 １１． 放電加工によって物体に拡散ホールを形成する方法において、該方法は 、 （ａ）（ｉ）ワークピースに極近接させて配置してギャップを形成し、それらの 間に放電を起こさせて前記ワークピース部分を浸食させるための少なくとも一つ の歯と、 （ｉｉｉ）前記歯を通して配置された少なくとも一つの延びた可動ロッド と、 （ｉｉｉ） 前記ロッドを前記歯に固定する手段と、を有する放電加工機 内にマルチプルピース電極を挿入するステップと、 （ｂ） 前記歯を長手方向に向かって前記ワークピースへと進行させ、前記歯が 前記ホールの一端に拡散領域を成形するステップと、 （ｃ） 前記ロッドを長手方向に前記ワークピースへと向かって進行させ、前記 拡散領域からワークピース内に向かって前記ロッドが深く、小径の計量領域を形 成するステップとを有することを特徴とする方法。 １２． 前記ロッドを回転させるステップをさらに有することを特徴とする請求 項１１に記載の方法。 １３． 前記ロッドは、中空であり、かつ、さらに前記ロッドを通して誘電性流 体を流すことを特徴とする請求項１１に記載の方法。