JP2005090512A - ネットワーク冷却された被膜壁 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、一般にガスタービン・エンジンに関し、より詳細には冷却を行う構成要素に関する。
【解決手段】 タービン壁（２６）は、表面と裏面（３０、３２）とを有する金属基材（２８）を含む。断熱被膜（３８）は表面上に接合される。流路（４０）のネットワークは、基材（２８）と被膜（３８）との間に積層され、空気冷媒をそれらの間に運び断熱被膜を冷却する。さらに、タービン壁（２６）は、流路（４０）と流体連通して被膜（３８）を通って延び、冷媒を排出する複数の開口出口（４４）を更に備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般にガスタービン・エンジンに関し、より詳細には冷却を行う構成要素に関する。

ガスタービン・エンジンにおいて、空気は圧縮機中で加圧され、燃料と混合されて燃焼器中で高温の燃焼ガスが発生する。高圧タービンにおいてこの燃焼ガスからエネルギが抽出されて圧縮機に動力を供給し、また、低圧タービンにおいて別のエネルギが抽出され、ターボファン航空機エンジン用途ではファンに動力を供給し、或いは船舶及び工業用途では出力シャフトを駆動する。

エネルギが抽出される燃焼ガスの温度を最大にすることによってエンジン効率を最大にすることができる。しかしながら、燃焼ガスは、種々の構成要素によってエンジン中に封じ込める必要があり、従って、これらの構成要素は燃焼ガスからの加熱に曝される。

高温燃焼ガスに曝される典型的な構成要素は、例えば、燃焼器のライナ、タービンノズルのベーン及びバンド、並びにロータブレード及びその周囲のタービン・シュラウドを含む。これらの高温構成要素は通常、ガスタービン・エンジン用途において、典型的にはニッケル又はコバルト基の、最先端技術の高強度超合金材料で作られる。これらの超合金は高価であるが、高温構成要素の高温強度を最大にし、その要求される長期耐用年数を実現し、保守点検作業及びこれに対応するコストを減少させる。

これらの高温エンジン構成要素の超合金組成と併せて、圧縮機から抽気された冷却空気も同様に運転中の冷却を行うために使用される。これらの高温構成要素において冷却開口及び流路の種々の構成が与えられ、そこを通る加圧空気冷媒を好適に通して内部冷却を行う。使用済冷却空気は通常、高温燃焼ガスに直接面する構成要素の内側面又は露出面を通って延びる膜冷却孔から排出され、構成要素と高温燃焼ガスとの間に熱絶縁冷却空気膜層を形成する。

また、これらの高温構成要素は、その上に典型的にはセラミック材料である断熱被膜（ＴＢＣ）を形成し、構成要素の金属基材と高温燃焼ガスとの間に別の熱絶縁を形成することによって更に保護することができる。

接合被膜の無い断熱被膜が開発されているが、断熱被膜は、典型的には金属基材に対しては断熱被膜と金属基材の間の金属接合被膜上に施される。接合被膜は結合界面層を形成して基材上のセラミック断熱被膜の接合を改善し、更に、耐酸化性をもたらす。
米国特許６，５１１，７６２号公報 特開２０００−２９１４１０号公報

断熱被膜を適切に作用させるためには、被膜を通り、接合被膜を通り、及び金属基材を通って、そこから熱を抽出する冷却回路中へ熱伝導することが必要である。金属基材が最大温度運転限界を有するだけでなく、接合被膜及び断熱被膜もまた、それぞれの最大温度限界を有し、要求される耐用年数を保障するには、これらの最大温度限界を超過してはならない。

しかしながら、超合金金属基材の性能、並びに従来の断熱被膜及びその対応する接合被膜の様々な形態は、これらの材料を冷却して最大運転温度を下回るように維持する空気冷媒の能力によって制限される。使用済冷却空気は更に、断熱被膜自体を熱絶縁し保護するために冷却膜で使用されるが、断熱被膜は、下にある接合被膜と金属基材への伝導を介して生じる冷却自体が必ず必要である。

従って、金属基材上に施された場合の断熱被膜自体の冷却を改善することが望まれる。

タービン壁は、表面及び裏面を有する金属基材を含む。断熱被膜は表面上に接合される。流路のネットワークは、基材と被膜との間に積層されて、空気冷媒をそれらの間に運んで断熱被膜を冷却する。

本発明は、好ましい例示的な実施形態に従って、その更なる目的及び利点と共に添付図面と併せてなされる以下の詳細な説明においてより詳細に説明される。

図１には、長手方向又は軸方向の中心線軸１２周りに軸対称であるガスタービン・エンジン１０の一部が示されている。このエンジンは、後部が図示された環状燃焼器１８に好適に通される空気１６を加圧する多段軸流圧縮機１４を含む。

この空気は、燃焼器中で燃料と混合されて点火され、高温燃焼ガス２０を発生させ、該高温燃焼ガスは、高圧タービンノズルのステータベーン２２の間から排出され。このベーンは、支持ロータディスクから半径方向外方に延びる高圧タービン・ロータブレード２４の列を通って燃焼ガスを案内し、該支持ロータディスクは圧縮機に連結されて運転中に圧縮機に動力を供給する。

別のタービンノズルが第１段ロータブレード２４の後に続き、更に燃焼ガスを下流側に低圧タービン（図示せず）まで案内し、該低圧タービンが更にエネルギを抽出して、典型的なターボファン・ガスタービンエンジン用途においては上流ファンに動力を供給し、或いは船舶又は工業用途においては出力駆動シャフトに低圧タービンを連結することができる。

上述のように、エンジン効率は燃焼ガス２０の温度に関係するが、燃焼ガスは高温であるため、運転中に燃焼ガスから加熱される種々の構成要素を好適に保護することが必要とされる。燃焼器自体は、燃焼ガスが形成されたときに燃焼ガスを境界付ける外側ライナ及び内側ライナを含み、タービンノズルは、これらに沿って燃焼ガスが流れるベーンと外側及び内側バンドとを含む。

タービン・ロータブレード２４は、運転中に高温燃焼ガスに浸され、燃焼ガスを境界付ける分割タービン・シュラウド２６によって囲まれる。

これらの種々の構成要素は通常、最新のタービン・エンジン用では典型的にはニッケル又はコバルト基の種々の形式の超合金金属で作られる。これらの高温構成要素は通常は中空であり、その中に圧縮機からの加圧空気１６を受ける好適な冷却回路が設けられ、運転中の構成要素の温度を低減する冷媒として使用される。

また、これらの高温構成要素は、好適な断熱被膜で覆うことができ、これらの金属基材と運転中にこれらの上を流れる高温燃焼ガスとの間に熱絶縁を付加することができる。上述のように、断熱被膜自体を冷却してその性能を高め、高温燃焼ガスから金属基材を保護することが望ましい。

図１に示されたエンジンの例示的なタービン構成要素は、図２により詳細に示されるタービン・シュラウド２６である。タービン・シュラウド自体は、円周方向にアーチ形であり、このようなタービン・シュラウド２６が完全に装備されると、端部と端部とを連結してロータブレードの列全体を取り囲むようになる。このシュラウドは、典型的には、ニッケル基又はコバルト基の超合金などの好適な超合金金属で形成されるアーチ形基材壁２８を含む。

シュラウド壁２８は、運転中に高温燃焼ガスに面し、又はこれに曝される第１の面又は表面３０を有する。このシュラウドはまた、燃焼ガスから外方に離れて面し、運転中に空気冷媒１６を好適に通す第２の面又は裏面３２を含む。通常は、この冷媒は、シュラウドの裏面３２に向かって法線方向に衝突し、その冷却効果を最大にする。

図２に示される例示的なシュラウド構成において、基材壁２８自体は比較的薄く、例えば約２．５ｍｍであり、更に、シュラウド裏面３２から半径方向外方に延びる前方フック及び後方フック３４、３６を含む。このフックは、タービン・シュラウドの列を環状ケーシングから従来構成のロータブレード２４の列より半径方向上方に支持するハンガーに好適に装着される。

図２及び図３に示されるように、シュラウドの表面３０は、該表面に好適に取り付け或いは接合された断熱被膜（ＴＢＣ）３８で完全に覆われる。この断熱被膜は、好ましくは、シュラウドに対する熱絶縁を向上させるイットリア安定化ジルコニアなどの任意の従来組成のセラミック材料である。図４は更に、図３のタービン・シュラウドを通る横断面を示し、ここで断熱被膜３８は、基材壁２８の表面に取り付けられている。

断熱被膜と直接協働しているのは、基材壁２８と断熱被膜３８自体との間にある共通の層内に積層又は配置された冷却流路４０のネットワーク又はパターンである。

図２及び図３に示されるように、この基材壁は更に、裏面３２から始まって横方向又は半径方向に貫通して延びる複数の開口入口４２を含む。また、複数又は列になった開口出口４４は、断熱被膜３８を横方向又は半径方向に貫通して延びる。この入口４２及び出口４４は、流路４０のネットワークと流体連通して配置され、空気冷媒１６を該流路に送出すると共に冷媒を流路から排出する。

このようにして、冷媒１６は、最初に図２に示されるタービン・シュラウドの裏面３２を衝突冷却するために使用され、次に入口４２に入って流路４０のネットワークを通って流れ、次いで断熱被膜自体を冷却した後、出口４４の列から排出される。

図３及び図４に示されるように、この流路４０は、基材壁と被膜３８との間を平行に延び、これらの間の界面を冷却する。入口４２と出口４４は、横方向又は半径方向に壁及び被膜をそれぞれ通って延びる。横方向の入口と出口は、各開口のすぐ近くで局所的に冷却するが、流路のネットワークが無い場合、これらだけでは基材と断熱被膜間の界面を均一に冷却することはできない。

図４に示されるように、タービン・シュラウドは、基材２８と断熱被膜３８間の流路４０のネットワーク上又はこれを覆って積層される金属接合被膜又は層４６を含むのが好ましい。上述のように、接合被膜は、金属基材とセラミック断熱被膜との間に金属接合界面層を形成する従来技術である。接合被膜はまた、基材に耐酸化性を与える。

従来の接合被膜は、拡散ＰｔＡｌ、或いは、例えば例示的な形がＮｉＣｒＡｌＹ又はＮｉＣｏＣｒＡｌＹであるＭＣｒＡｌＸの上層を含む。典型的な接合被膜は、実質的により厚い障壁被膜に比べて比較的薄く、数ミルの程度で塗布される。

図３及び図４に示された好ましい実施形態においては、流路４０は、そこに適切にキャスト成形又は機械加工されることによって、基材壁２８内に直接配置される。このようにして、流路４０のネットワークは、接合被膜４６真下のシュラウド表面３０中に形成され、該接合被膜は、流路を含む全表面を覆って均一で数ミルの薄層の形に好適に施される。続いて、比較的厚く均一な断熱被膜２８が接合被膜４６上に施され、シュラウドの断熱被膜が完成する。

このようにして、入口４２は、流路４０への入口冷媒の流量を計測し制御する寸法にされる。冷媒は、流路を通って流れ、断熱被膜と基材壁との間の界面を直接冷却する。更に、流路中の冷媒により、金属基材自体に対して更に熱絶縁が付加され、従って、断熱被膜及び膜冷却空気流によって得られる熱絶縁に加えて、高温燃焼ガスからの熱絶縁をも更に得られる。

流路は接合被膜４６の真下に位置付けられ、従って接合被膜を更に冷却し、これにより、その上に断熱被膜を維持して支持する接合被膜の能力を改善する点にも留意されたい。

図５は、基材壁２８と断熱被膜３８との間に配置された流路４０の別の実施形態を示す。この実施形態において、流路４０は、断熱被膜３８の下にあり基材２８の上又は基材を覆う接合被膜４６自体の中に配置される。この実施形態において、接合被膜４６は、接合被膜中に直接流路４０を導入するために十分な空間を形成するために、図４に示された従来の接合被膜よりもかなり厚い。

図４及び図５の何れかの実施形態形態における流路４０の大きさは、約１５ミル（即ち約０．３８ｍｍ）から約６０ミル（即ち約１．５ｍｍ）の範囲の正方形或いはほぼＵ字形を有する矩形形状とすることができる。流路の寸法は、比較的薄い基材壁又は接合被膜内に適合するほど十分に小さくなければならない。また、流路は、運転中に塵埃が蓄積するのを最小にして、埃の多い運転環境において長期寿命期間にわたって早期に目詰まりするのを防止するよう十分に大きくなければならない。

接合被膜自体は金属性であるため、これは中空流路に対応する本質的強度を与えると共に、断熱被膜をその上に接合することができる連続面を形成する。従って、この金属性接合被膜は、流路のネットワークを封止して、そこからセラミック断熱被膜への冷却空気の漏洩を防止し、流路からの冷却空気は、特にそのために形成される出口４４を通って単に排出される。

流路４０のネットワークは、対象とするタービン構成要素上の断熱被膜を好適に冷却することに対して要求どおりの任意の好適な構成及び表面面積を有することができる。図３に示された例示的なタービン・シュラウド構成要素においては、流路のネットワークは、入口ヘッダ及び出口ヘッダ４８、５０として専用にされたものを含み、残りの流路４０はヘッダ間に延びる横断流路を定めてこれらの間に平行に冷却流を運ぶ。

例えば、図３に示された実施形態においては、横断流路４０は、入口ヘッダ及び出口ヘッダ４８、５０間で横方向に延びる。この横断流路４０は、好ましくは直線状であり、入口ヘッダ４８から直接出口ヘッダ５０へ真っ直ぐ延び、全て一斉に又は平行した流れで動作し、冷媒をタービン・シュラウドに沿って軸方向に後方フックの後縁から前方フックの前縁へと通す。

図６は、図３の実施形態の変更形態を示し、ここでは、横断流路４０は入口ヘッダ及び出口ヘッダ４８、５０間で軸方向に複数の蛇行脚状に配置される。図示の例示的な構成において、横断流路は、タービン・シュラウドの円周端部の両側で５つの通路の蛇行流路を定め、次いで、対応する３つの通路の蛇行流路をそこから内側に定め、これらの間に単一の流路が対称的に配置されて入口ヘッダ及び出口ヘッダ間に真っ直ぐに延びる。

図３及び図６に示された実施形態においては、流路は、タービン・シュラウドの軸方向に沿って互いにほぼ平行で、且つ円周に延びるヘッダ４８、５０に対してはほぼ横方向すなわち直角方向に延びる。

図７は、横断流路４０がタービン・シュラウドの円周方向に沿って入口ヘッダ及び出口ヘッダ４８、５０と並行に主として延びる更に別の代替実施形態を示す。更にここでも同様に、この実施形態における横断流路４０は、２つのヘッダ間で複数の蛇行脚状に配置することができ、例えば２つの３通路蛇行構成が図示されている。

図３、６、及び７に示された幾つかの実施形態においては、入口ヘッダ４８及び該ヘッダの入口４２は、図２に示された後方フック３６に隣接して配置され、出口ヘッダ５０及び出口４４は、その反対側にある、前方フック３４に隣接するシュラウドの前端部に配置される。このようにして、使用済衝突空気は最初に、図２に示されたタービン・シュラウドの裏面３２を冷却するために使用され、次いで、後方フック３６に隣接する入口４２の列を通って流れる。

その後、冷媒は流路を通ってタービン・シュラウド内側前方に流れ、前方フック３４の下に位置する出口４４の列から断熱被膜を介して排出される。このようにして排出された冷媒は、次いで、断熱被膜の上を下流側に流れ、空気の熱絶縁膜又は層を形成して高温燃焼ガスから更に保護する。

タービン・シュラウドの更に別の実施形態が図８に示され、図３−図７に示された流路４０のネットワークの様々の構成を含むことができるが、冷媒流の方向を反転するように変更されている。この実施形態においては、入口ヘッダ４８及び入口４２はシュラウドの前方フック３４に隣接して配置され、出口ヘッダ５０及び出口４４は、後方フック３６に隣接してシュラウドの相対する後端部に配置される。

従って、冷媒１６は、上流側のタービン・シュラウドの前端部から基材壁と断熱被膜との間の流路を通って流れ、タービン・シュラウドの後端部で排出される。この実施形態において、冷媒１６の別の部分をタービン・シュラウドの裏面３２から通してタービン・シュラウドの前方又は前縁に沿って断熱被膜を介して排出するために、従来の膜冷却孔５２の追加の列を前方フック３４の基部を通って設けても良い。次いで、膜冷却孔５２から排出された空気を用いて、断熱被膜上を後方又は下流側へ延びる冷却空気の熱絶縁膜を形成することができる。

図４は、金属基材中に形成された流路を有する冷却タービン・シュラウドを作製する例示的方法をフローチャート形式で示す。より詳細には、タービン・シュラウドの金属部分は、キャスト成形又は機械加工などのどのような従来方法で形成しても良く、基材壁２８表面３０中にキャスト成形又は機械加工によって流路４０のネットワークが適切に形成される。

次に、流路４０のネットワークは、流路を好適なマスク材料５４で充填することによって好適にマスクされ、該マスク材料は、接合被膜及び断熱被膜が施される高温工程に耐えることができる。好適なマスク５４は、例えば、ＮａＣｌ、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、或いはＹ_２Ｏ_３などの様々な化合物を含むことができる。

その後、基材表面３０を覆い、且つマスクコンパウンド５４が同一平面に充填されたマスク流路４０を覆って、高温溶射などの従来の方法で接合被膜４６を施すことができる。次に、先に施された接合被膜４６を覆って、高温溶射などの従来の方法で断熱被膜３８を施すことができる。この断熱被膜は通常、接合被膜よりも厚く、且つ要求に応じてどのような好適な厚みを有するようにもできる。

このマスク５４は、その後、ＫＯＨなどの好適な苛性溶剤を使用して、浸出又は洗浄によって流路４０から好適に除去できる。入口開口４２は、接合被膜及び断熱被膜を施す前にタービン・シュラウドに事前形成又は事前穴開けすることができるので、シュラウドを被膜した後でマスクを除去するためにこれらの開口を使用することができる。

断熱被膜及び接合被膜を通り出口ヘッダ５０に到達してこれにより流体連通を構築するように、例えばレーザ又は放電加工（ＥＤＭ）によって出口開口４４を好適に穴開けすることができる。必要であれば、現時点では隠れている流路４０から完全にマスクコンパウンドを洗い流し又は浸出させる能力を改善するために、出口開口４４が形成された後にマスク除去を行っても良い。

図５は、タービン・シュラウドを作製する方法の変更形態を示しており、ここでは金属シュラウド自体は内部に流路の無い従来の方法で形成される。この実施形態において、基材表面は、対象とする流路４０のネットワークに対応する複数の場所でマスクされる。マスク５４は、適切な粘性又はパテ様の粘度を有することができ、これに従う流路の所望の形状及び寸法を達成するために、テープの形態で貼り付けてもよい。

次いで、基材の表面３０並びにマスク場所を覆って従来的手法で接合被膜４６を施すことができる。通常、接合層は、マスク場所間の空間を充填し、次いでマスクされた場所のネットワークを従来施された接合被膜よりもかなり厚い好適な厚さまで完全に覆うような層にされる。

次に、先に施された接合被膜４６を覆って、接合被膜上に好適な厚みで断熱被膜３８を従来的手法で施すことができる。

次いで、マスク５４は、浸出又は洗浄によって接合被膜４６内部から適切に除去され、その後に開いた流路４０が残される。上述のように、入口開口４２は、基材壁２８内に事前形成することができ、この工程の後でマスク除去が可能になる。

次に断熱被膜及び接合被膜を貫通して出口開口４４を好適に穴開けし、出口ヘッダ５０と流体連通を構築することができる。

図５において、流路４０のネットワークは、金属性接合被膜４６内に単に形成されて、これを直接冷却し、更に断熱被膜３８と金属基材２８との間の界面領域を冷却する。

図４の実施形態において、流路４０は、金属基材２８の表面３０中に形成され、従って、薄い接合被膜４６を冷却し、次いでそこから断熱被膜３８を冷却する。

図４及び図５に示される両実施形態においては、接合被膜及び断熱被膜の冷却のために冷媒空気をより適切に使用し、これらの熱絶縁性能を改善して、金属基材２８を通る内方への被膜及び接合被膜の伝導冷却とは無関係に更に別の冷却機構を導入する。

上に開示された様々な実施形態においてこのように冷却された断熱被膜は、その温度並びに接合被膜の温度を有意に低下させることができ、従って、被膜の熱絶縁性能を改善すると共に寿命が向上する。

本発明の好ましい例示的な実施形態として見なされるものを本明細書において説明してきたが、本発明の他の変更形態は、本明細書の教示するところにより当業者には明らかである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

タービン・ロータブレードの列を取り囲むタービン・シュラウドを含む例示的なガスタービン・エンジンの一部の軸方向断面図。 例示的な実施形態による図１に示されるタービン・ブレードの１つの等角投影図。 図２に示されほぼ線３−３に沿ったシュラウド表面の平面図。 図３に示され、開口出口の列に沿って一部が延びる突出線４−４に沿ったシュラウド部分を通る半径方向断面図。 別の実施形態による図４と同様のタービン・シュラウドの半径方向断面図。 別の実施形態による図３と同様のタービン・シュラウドの表平面図。 別の実施形態による図３と同様のタービン・シュラウドの表平面図。 別の実施形態による図２に示されるタービン・シュラウドの軸方向断面図。

符号の説明

２６ タービン壁
２８ 基材
３０ 表面
３２ 裏面
３８ 断熱被膜
４０ 流路
４６ 接合被膜

Claims (10)

1. 表面及び裏面（３０、３２）と、前記裏面（３２）から延びる前方フック及び後方フック（３４、３６）と、貫通して延びる複数の開口入口（４２）とを有するアーチ形基材壁（２８）と、
   前記壁表面（３０）に接合された断熱被膜（３８）と、
   前記壁（２８）と被膜（３８）の間を平行に延び、そこを通って空気冷媒（１６）を運ぶ流路（４０）のネットワークと、
   を備えるタービン・シュラウド（２６）。
2. 前記流路（４０）と流体連通して前記被膜（３８）を通って延びて前記冷媒を排出する複数の開口出口（４４）を更に備える請求項１に記載のタービン・シュラウド。
3. 前記基材壁（２８）と被膜（３８）との間及び前記流路（４０）上に積層された接合被膜（４６）を更に備える請求項２に記載のタービン・シュラウド。
4. 前記ネットワークは、入口及び出口ヘッダ（４８、５０）と、これらの間に延びる横断流路（４０）の列とを備えることを特徴とする請求項３に記載のタービン・シュラウド。
5. 前記横断流路（４０）は、前記入口及び出口ヘッダ（４８、５０）間で横方向に延びることを特徴とする請求項４に記載のタービン・シュラウド。
6. 前記横断流路（４０）は、前記入口ヘッダ（４８）から前記出口ヘッダ（５０）まで直線状であることを特徴とする請求項５に記載のタービン・シュラウド。
7. 前記横断流路（４０）は、前記入口及び出口ヘッダ（４８、５０）間で複数の蛇行脚状に配置されることを特徴とする請求項５に記載のタービン・シュラウド。
8. 前記横断流路（４０）は、前記入口及び出口ヘッダ（４８、５０）と並行でこれらの間で複数の蛇行脚状に延びることを特徴とする請求項４に記載のタービン・シュラウド。
9. 前記流路（４０）は、前記接合被膜（４６）よりも下にある前記基材（２８）中に配置されることを特徴とする請求項４に記載のタービン・シュラウド。
10. 前記流路（４０）は、前記被膜（３８）より下で前記基材（２８）上にある前記接合被膜（４６）中に配置されることを特徴とする請求項４に記載のタービン・シュラウド。

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