JP2002097968A - 構成部品の空気流量を調節する方法 - Google Patents

構成部品の空気流量を調節する方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 物理蒸着法により構成部品の外部表面及び/
または内部表面に断熱皮膜を蒸着することにより複数の
冷却孔を通る空気流量を調節する方法。 【解決手段】 冷却孔は、マスキングされない。従っ
て、断熱皮膜の1部が、冷却孔を通る空気流を部分的に
妨げて、冷却孔を通る空気流量を減少させる。所定の圧
力降下が冷却孔を通して発生され、冷却孔を通る空気流
量が測定される。測定された空気流量は、前もって選定
された範囲の所望の冷却孔空気流量と比較されて、測定
された空気流量が前もって選定された範囲の所望の冷却
孔空気流量の範囲内になるまで、断熱皮膜を蒸着し、所
定の圧力降下を生じさせ、空気流量を算定し、そしてそ
の測定された空気流量を前もって選定された範囲と比較
する各段階が、繰り返される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にガスター
ビンエンジン構成部品の冷却孔空気流量に関し、より具
体的には、冷却孔空気流量を調節する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】冷却孔は、多くのガスタービン構成部品
中に形成され、構成部品を貫通してフィルム冷却空気を
運び、構成部品を冷却しまた構成部品とエンジンの主流
路を通って流れる高温ガスとの間に流体障壁を形成す
る。さらに、燃焼チャンバの中央部本体のような構成部
品の中には、中央部本体が燃焼チャンバを通って流れる
高温ガスによる腐食作用で侵されるのを防止するため
に、慣用のフレーム溶射により腐食防止皮膜で被覆され
るものもある。中央部本体は、また中央部本体を断熱す
るために慣用の物理蒸着法により断熱皮膜で被覆され
る。或る期間使用された後、中央部本体は、交換または
修理のためにエンジンから取り外される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】修理の間、腐食防止皮
膜、断熱皮膜及び汚染物質(例えば、燃焼生成物)が、
慣用の酸剥離法により中央部本体から除去される。剥離
法は、皮膜及び汚染物質だけでなく多少の基材も除去す
るので、その結果冷却孔が拡大されることになる。構造
検査に続いて、中央部本体は腐食防止皮膜を再被覆さ
れ、次いで断熱皮膜を再被覆される。被覆された中央部
本体は、流量の点検をされて冷却孔空気流量が、前もっ
て選定された限度内であるかどうかを測定される。中央
部本体が流量の点検に合格すれば、再使用に回される。
従来は、修理の間または初めに製作される間に流量の点
検に合格しなかった場合に、空気流量を修正するのに利
用できる処置は全くなかった。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明の幾つかある特徴
の中で、物理蒸着法により構成部品の外部表面及び/ま
たは内部表面に断熱皮膜を蒸着することにより、複数の
冷却孔を通る空気流量を調節する方法を提供することに
注目することができる。冷却孔は、マスキングされな
い。従って、断熱皮膜の1部は、冷却孔を通る空気流を
部分的に妨げ、冷却孔を通る空気流量を減少させる。所
定の圧力降下が冷却孔を通して発生され、冷却孔を通し
ての空気流量が測定される。測定された空気流量は、前
もって選定された範囲の所望の冷却孔空気流量と比較さ
れ、測定された空気流量が前もって選定された範囲の所
望の冷却孔空気流量の範囲内になるまで、断熱皮膜を蒸
着し、所定の圧力降下を生じさせ、空気流量を算定し、
そしてその測定された空気流量を前もって選定した範囲
と比較する段階が繰り返される。
【0005】別の態様では、本発明の方法は、第2断熱
皮膜を蒸着した後の冷却孔を通る空気流量が、前もって
選定された範囲の冷却孔空気流量の範囲内であるよう
に、測定された空気流量に基づいて第2断熱皮膜を蒸着
する時間を選定する段階を含む。第2断熱皮膜は、次い
で選定された時間の間、蒸着される。
【0006】さらに別の態様において、本発明の方法
は、冷却孔を通しての所定の圧力降下を生じさせ、この
所定の圧力降下により生ずる冷却孔を通る空気流量を算
定する段階を含む。その方法はまた、断熱皮膜を蒸着し
た後の冷却孔を通る空気流量が、前もって選定された範
囲内の冷却孔空気流量の範囲内になるように、冷却孔を
通る測定された空気流量に基づいて断熱皮膜を蒸着する
時間を選定する段階を含む。断熱皮膜が、冷却孔をマス
キングすることなく物理蒸着法により選定された時間の
間、構成部品の外部表面または内部表面のどちらかに被
覆される。従って、断熱皮膜の1部が、冷却孔を通る空
気流を部分的に妨げ、冷却孔を通る空気流量を減少さ
せ、それによって前もって選定された範囲の冷却孔空気
流量の範囲内の冷却孔を通る空気流量を得る。
【0007】さらに、本発明は、中に複数の冷却孔を有
する本体を含むガスタービンエンジン構成部品を含む。
構成部品は、構成部品の内部表面及び/または外部表面
の少なくとも1部を覆って延びる複数の層の断熱皮膜を
有する。断熱皮膜の各層は、冷却孔を通る空気流を少な
くとも部分的に妨げ、冷却孔を通る空気流量を減少させ
る。
【0008】本発明の他の特徴は、一部は自明であり、
また一部は以下で明らかにされるであろう。
【0009】
【発明の実施の形態】同じ参照符号は、図面の幾つかの
図を通じて同じ部分を表わす。
【0010】ここで図面、特に図1を参照して、物理蒸
着法により断熱皮膜を蒸着するための装置が、参照符号
10でその全体が表わされている。装置10は、燃焼チ
ャンバ中央部本体のような全体が16で表わされたガス
タービンエンジン構成部品を受け入れられる寸法と形状
に作られた内部チャンバ14を有する加圧されたエンク
ロージャ12を含む。エンクロージャ12の上部に設け
られた電子ビーム銃20が、エンクロージャ12の底部
に取り付けられた消耗インゴット22に狙いが定めら
れ、インゴット材料を気化させる。気化された材料は、
内部チャンバ14を通って上昇し、構成部品16に蒸着
する。装置の運転を制御するための計装、制御、及び要素
を含む装置10の他の構成は、従来通りのものであるの
で図1から省略した。
【0011】装置10を用いるためには、構成部品16
が、エンクロージャ12の内部チャンバ14中に装填さ
れる。装置10の内部チャンバ14は、従来のプロセス
ガス(例えば、50%酸素と50%アルゴン、または1
00%酸素)を充填されて、ガスは加熱(例えば、摂氏
約1000度まで)され、チャンバは加圧(例えば、約
0.006ミリバールから約0.012ミリバールの間
の範囲の圧力まで)される。次いで、電子ビーム銃20
が、一定の時間の間(例えば、約55分から約70分の
間)電圧を印加されてインゴット材料を気化し、その後
エンクロージャ12がガス抜きをされてから構成部品1
6がチャンバ14から取出される。
【0012】図2に示すように、ガスタービンエンジン
構成部品16は、構成部品の内部表面(図示せず)から
構成部品の外部表面34まで延びる冷却孔32を備える
本体30を有する。装置10(図1)は、全体が36で
表わされる断熱皮膜の層を物理蒸着法により構成部品1
6の外部表面34及び内部表面上に蒸着する。冷却孔3
2は、物理蒸着法の間はマスキングされないので、断熱
皮膜36の1部(38)は、冷却孔を通る空気流を部分
的に妨げ、冷却孔の内側を被覆する。断熱皮膜36のこ
の部分38が、冷却孔を通る空気流量を減少させる。
【0013】図3に示すように、全体が40で表わされ
る圧力流量スタンドが、断熱皮膜36を構成部品に蒸着
した後の構成部品16の流量を点検するのに用いられ
る。スタンド40は、ダクト44に接続された圧縮機4
2を含む。構成部品16は、ダクト44に沿って設置さ
れた隔壁46に取り付けられる。圧縮機42の反対側の
ダクトの端部は、解放されている。従って、隔壁46か
ら上流のダクト48の端部は加圧されていて、その一方
で隔壁46から下流のダクト50の端部は、大気圧にな
っている。上流と下流の圧力差の結果として、圧力降下
が、構成部品16中の冷却孔32を通して生じる。ダク
ト48に接続された圧力プローブ52が、隔壁46から
上流の圧力を測定する。隔壁46の各々の側の圧力が解
るので、冷却孔を通る空気流量を算定することができ
る。この空気流量は、前もって選定された範囲の所望の
冷却孔空気流量と比較される。この空気流量が前もって
選定された範囲の所望の冷却孔空気流量の範囲内であ
り、かつ構成部品16が他の点では構成部品仕様に合致
すれば、再使用に回される。
【0014】しかしながら、空気流量が前もって選定さ
れた所望の冷却孔空気流量を超えれば、構成部品16
は、物理蒸着装置10中に装填されて、追加の断熱皮膜
36が構成部品に蒸着される。一般に、この第2蒸着段
階の間に、電子ビーム銃20は、最初の蒸着段階の間よ
りも短い時間の間(例えば、約15分から30分の間)
電圧を印加される。被覆された構成部品16は、物理蒸
着装置10から取出されて、圧力スタンド40中に装填
される。冷却孔32を通る空気流量が、前と同様に測定
され、測定された空気流量は再び前もって選定された範
囲と比較される。本発明の1つの好ましい実施形態にお
いては、測定された空気流量が前もって選定された範囲
の所望の冷却孔空気流量の範囲内になるまで、これらの
段階は繰り返される。本発明の第2の好ましい実施形態
においては、この段階を繰り返す場合に断熱皮膜が蒸着
される時間は、測定された空気流量に基づいて選定され
る。この時間は経験から決めることが可能であり、また
実験式を用いて得ることができるということが想定され
る。第2の好ましい実施形態の間に、断熱皮膜を蒸着す
る段階は、1度しか繰り返す必要がないのが好ましい。
本発明の第3の好ましい実施形態においては、断熱皮膜
が蒸着される時間が決められてから断熱皮膜を蒸着する
と、断熱皮膜を蒸着する段階がわずか1回しか実施され
ない。
【0015】前もって選定された範囲の所望の冷却空気
流量の最小空気流量は、エンジンの運転中に構成部品1
6を選定された最高温度より低く維持するために、冷却
孔32を通して充分な空気流量を供給するように選定さ
れる。この最高温度は、構成部品の寿命要求が満たされ
るであろう環境を実現するように算定される。この範囲
の最大空気流量は、ガスタービンエンジン内部の他の構
成部品をそれらの個々の寿命要求が満たされる最高温度
より低く維持するために、他の構成部品を通る充分な冷
却空気流量を確保するように選定される。
【0016】図4に示すように、上述の方法は、構成部
品の表面のうちの少なくとも1つの少なくとも1部に施
される1つより多い(好ましくは2つのみ)層の断熱皮
膜36を有するガスタービンエンジン構成部品16(図
2)を提供する。断熱皮膜36のこれらの層の各々は、
少なくとも部分的に冷却孔32を妨げ、それによって冷
却孔を通る空気流量を減少させる。例えば、最初の試験
の間、試験された中央部本体の80%が、最初の皮膜3
6が施された後で最大許容流量を公称で5%超える空気
流量であった。第2皮膜36が施された後では、中央部
本体空気流量は約8%減少して仕様の範囲内であった。
【0017】本発明又はその好ましい実施形態の構成要
素を説明するとき、1つ又はそれ以上の要素があること
を意味し、挙げられている要素以外に他の要素を含むこ
とができることを意味する。
【0018】本発明の技術的範囲から離れることなく、
上記の構成において様々な変更を行なうことができるの
で、上記説明に含まれ、あるいは添付図面に示される全
ての事項は、例示として解釈されべきものであって、限
定的意味をもたない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 物理蒸着によりガスタービンエンジン構成部
品に断熱皮膜を蒸着するための装置の概略断面図。
【図2】 冷却孔を通る流れを部分的に妨げる1つの層
の断熱皮膜を示す構成部品の断面図。
【図3】 ガスタービンエンジン構成部品の冷却孔を通
る空気流量を測定するための装置の概略断面図。
【図4】 2つの層の断熱皮膜を示す構成部品の断面
図。
【符号の説明】
16 構成部品 30 本体 32 冷却孔 34 構成部品の外部表面 36 断熱皮膜 38 断熱皮膜の1部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギルバート・ファーマー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、ロイヤル・グレン・ドライブ、2800番 (72)発明者 カール・スティーブン・フェッセンデン アメリカ合衆国、ケンタッキー州、ワイル ダー、セントリー・ドライブ、62番 (72)発明者 シューナン・ワン アメリカ合衆国、オハイオ州、ラブラン ド、サマセット・ドライブ、10024番 (72)発明者 ジェラルド・マイケル・コーフマン アメリカ合衆国、オハイオ州、ミドルタウ ン、ローズウッド・コート、4520番

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガスタービンエンジン構成部品(16)
    を貫通して前記構成部品(16)の内部表面から前記構
    成部品(16)の外部表面(34)まで延びる複数の冷
    却孔(32)を通る空気流量を調節する方法であって、 前記複数の冷却孔(32)をマスキングすることなく物
    理蒸着法により前記構成部品(16)の前記外部表面
    (34)及び前記内部表面のうちの少なくとも1つに断
    熱皮膜(36)を蒸着し、それによって前記断熱皮膜
    (36)の1部(38)が前記複数の冷却孔(32)を
    通る空気流を部分的に妨げることができ、前記複数の冷
    却孔(32)を通る空気流量を減少させる段階と、 前記構成部品(16)に前記断熱皮膜(36)を蒸着し
    た後に、前記複数の冷却孔(32)を通しての所定の圧
    力降下を生じさせる段階と、 前記複数の冷却孔(32)を通しての所定の圧力降下に
    よって、前記複数の冷却孔(32)を通る空気流量を算
    定する段階と、 前記複数の冷却孔(32)を通るその測定された空気流
    量を前もって選定された範囲の所望の冷却孔空気流量と
    比較する段階と、 前記測定された空気流量が、前記前もって選定された範
    囲の所望の冷却孔空気流量の範囲内になるまで、前記断
    熱皮膜(36)を蒸着し、前記所定の圧力降下を生じさ
    せ、空気流量を算定し、そしてその測定された空気流量
    を前記前もって選定された範囲と比較する前記各段階を
    繰り返す段階と、を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 前記前もって選定された範囲の所望の冷
    却孔空気流量は、前記構成部品(16)を前記構成部品
    (16)の寿命要求が満たされる最高温度より低く維持
    するために、前記複数の冷却孔(32)を通して充分な
    空気流量を供給するように選定された最小空気流量を含
    むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記前もって選定された範囲の所望の冷
    却孔空気流量は、前記ガスタービンエンジン内部の他の
    構成部品をそれらの個々の寿命要求が満たされる最高温
    度より低く維持するために、前記他の構成部品を通る充
    分な冷却空気流量を確保するように選定された最大空気
    流量を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記各段階を繰り返す前記段階は、1度
    しか実行されないことを特徴とする請求項1に記載の方
    法。
  5. 【請求項5】 前記各段階を繰り返すとき、前記断熱皮
    膜(36)は、前記複数の冷却孔(32)を通る前記測
    定された空気流量に基づいて選定される時間の間、蒸着
    されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 【請求項6】 ガスタービンエンジン構成部品(16)
    を貫通して前記構成部品(16)の内部表面から前記構
    成部品(16)の外部表面(34)まで延びる複数の冷
    却孔(32)を通る空気流量を調節する方法であって、 前記複数の冷却孔(32)をマスキングすることなく物
    理蒸着法により前記構成部品(16)の前記外部表面
    (34)及び前記内部表面のうちの少なくとも1つに断
    熱皮膜(36)を蒸着し、それによって前記断熱皮膜
    (36)の1部(38)が前記複数の冷却孔(32)を
    通る空気流を部分的に妨げることができ、前記複数の冷
    却孔(32)を通る空気流量を減少させる段階と、 前記構成部品(16)に前記断熱皮膜(36)を蒸着し
    た後に、前記複数の冷却孔(32)を通しての所定の圧
    力降下を生じさせる段階と、 前記複数の冷却孔(32)を通しての所定の圧力降下に
    よって、前記複数の冷却孔(32)を通る空気流量を算
    定する段階と、 第2断熱皮膜(36)を蒸着した後の前記複数の冷却孔
    (32)を通る空気流量が、前もって選定された範囲の
    冷却孔空気流量の範囲内になるように、前記複数の冷却
    孔(32)を通るその測定された空気流量に基づいて前
    記第2断熱皮膜(36)を蒸着する時間を選定する段階
    と、 前記第2断熱皮膜(36)を前記選定された時間の間蒸
    着し、それによって前記前もって選定された範囲の冷却
    孔空気流量の範囲内の前記複数の冷却孔(32)を通る
    空気流量を得る段階と、を含むことを特徴とする方法。
  7. 【請求項7】 前記前もって選定された範囲の所望の冷
    却孔空気流量は、構成部品(16)を前記構成部品(1
    6)の寿命要求が満たされる最高温度より低く維持する
    ために、前記複数の冷却孔(32)を通して充分な空気
    流量を供給するように選定された最小空気流量を含むこ
    とを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記前もって選定された範囲の所望の冷
    却孔空気流量は、ガスタービンエンジン内部の他の構成
    部品をそれらの個々の寿命要求が満たされる最高温度よ
    り低く維持するために、前記他の構成部品を通る充分な
    冷却空気流量を確保するように選定された最大空気流量
    を含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
  9. 【請求項9】 ガスタービンエンジン構成部品(16)
    を貫通して前記構成部品(16)の内部表面から前記構
    成部品(16)の外部表面(34)まで延びる複数の冷
    却孔(32)を通る空気流量を調節する方法であって、 前記複数の冷却孔(32)を通しての所定の圧力降下を
    生じさせる段階と、 前記複数の冷却孔(32)を通しての所定の圧力降下に
    よって生ずる前記複数の冷却孔(32)を通る空気流量
    を算定する段階と、 断熱皮膜(36)を蒸着した後の前記複数の冷却孔(3
    2)を通る空気流量が、前もって選定された範囲の冷却
    孔空気流量の範囲内になるように、前記複数の冷却孔
    (32)を通るその測定された空気流量に基づいて前記
    断熱皮膜(36)を蒸着する時間を選定する段階と、 前記複数の冷却孔(32)をマスキングすることなく、
    物理蒸着法により前記選定された時間の間、前記構成部
    品(16)の前記外部表面(34)及び前記内部表面の
    うちの少なくとも1つに前記断熱皮膜(36)を蒸着
    し、それによって前記断熱皮膜(36)の1部(38)
    が前記複数の冷却孔(32)を通る空気流を部分的に妨
    げることができ、前記複数の冷却孔(32)を通る空気
    流量を減少させ、それによって前記前もって選定された
    範囲の冷却孔空気流量の範囲内の前記複数の冷却孔(3
    2)を通る空気流量を得る段階と、を含むことを特徴と
    する方法。
  10. 【請求項10】 構成部品の内部表面から構成部品の外
    部表面(34)まで延びる複数の冷却孔(32)を中に
    有する本体と、前記内部表面及び外部表面のうちの少な
    くとも1つの少なくとも1部(38)を覆って延びる複
    数の層の断熱皮膜(36)とを含み、前記複数の層の断
    熱皮膜(36)の各々は、前記複数の冷却孔(32)を
    通る空気流を部分的に妨げ、それによって前記複数の冷
    却孔(32)を通る空気流量を減少させることを特徴と
    するガスタービンエンジン構成部品(16)。
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