JP2005171999A

JP2005171999A - ターボ機械に不均一なシールクリアランスを与える溶射皮膜の使用

Info

Publication number: JP2005171999A
Application number: JP2004358224A
Authority: JP
Inventors: Norman Arnold Turnquist; ノーマン・アーノルド・ターンキスト; Mark W Kowalczyk; マーク・ウィリアム・コワルチク; Farshad Ghasripoor; ファーシャド・ガスリプア
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2005-06-30
Also published as: RU2004136269A; CN1626774A; RU2362021C2; US7255929B2; EP1541807A2; US20050129976A1

Abstract

【課題】
蒸気及びガスタービンにおいて、機械を楕円形シールクリアランスにて組み立てて、予想されるケーシングゆがみ、ロータ運動又は円周方向に不均一なロータ−ステータこすれをもたらす現象を補償するのが望ましい。
【解決手段】
本発明は、溶射被膜を設けて、ターボ機械に円周方向に不均一なシールクリアランスを実現する。本発明では、ケーシングハードウェアを丸く作製することができ、溶射被膜（１２０）を半径方向内面（８０）に、被膜厚さ（１８０）が円周方向に変化するように適用し、これにより組立時に望ましい不均一なロータ−ステータクリアランスを得る。
【選択図】図１

Description

この発明は、回転機械におけるシールクリアランスに関する。特に、円周方向に不均一なロータの移動を補償するように静止ケーシングを修正する方法に関する。

回転機械には、ガスタービンや蒸気タービンなどがある。タービンの可動部分はロータと呼ばれ、固定された不動部分、即ちハウジング、ケーシングなどはステータと呼ばれる。通常、ロータはステータアセンブリ内で極めて高速度で回転し、発電機にパワーを供給し、それを受けて発電機が電気又はパワーを発生する。蒸気タービンの蒸気通路には、代表的には蒸気入口、タービンそして蒸気出口が直流関係で並んでいる。ガスタービンのガス通路には、代表的には空気吸引口（又は入口）、圧縮機、燃焼器、タービンそしてガス出口（又は排気ノズル）が直流関係で並んでいる。比較的高圧の区域から比較的低圧の区域へのガスもしくは蒸気の漏れは一般に、ガスもしくは蒸気通路から外への漏れであっても、ガスもしくは蒸気通路への漏れであっても、望ましくない。例えば、ガスタービンのタービン又は圧縮機区域における、タービン又は圧縮機のロータとそれを円周方向に包囲するタービン又は圧縮機ケーシングとの間でのガス通路漏れは、ガスタービンの効率を下げ、燃料コストの増加につながる。

実際には、エンジンの作動中に起こる接触が最小になるように、回転部品と静止部品との間のクリアランスを十分に大きく設計することが多い。しかし、クリアランスが過度に大きいと、望ましくない漏れと性能低下を促進する傾向がある。機械設計によっては、効率をよくするためにクリアランスを狭くした設計がとられているが、ロータとステータとの接触が予測され、これらの部品間にシール、例えばブラシシールや摩耗性シールを配置することでかかる接触に対処している。ガス又は蒸気タービンの静止部品に適用される摩耗性シールは、回転部品からの要素（例えばバケット先端、シャフト歯など）が、有意な損傷や摩耗を生じることなく、ステータと接触するのを可能にする目的で、用いられている。回転要素と摩耗性シールとが接触すると、摩耗性シールにすり減りによる溝ができ、両部材間にタイトなクリアランスができる。

ケーシングの熱的ゆがみやロータの運動による振動のような作用が原因で、相対的なロータ運動の通路がステータに対して円周方向に不均一になることが多い。この運動の不均一性が、ステータの選択的な局部区域における激しい接触をもたらし、その結果望ましくない量の部品摩耗が起こるおそれがある。このような不均一な運動を補償し、その結果として接触を防止するために、多数のアプローチが試みられている。通例、機械部品を円形に切削し、十分な均一なクリアランスで組み立てて接触を防止している。しかし、大きなクリアランスは多量のガス又は蒸気が逃げ出すのを許し、システム性能が劣化する。場合によっては、部品を偏心切削して不均一なクリアランスを与えるが、これは部品作製が複雑になり、コストが著しく上昇する。一部の蒸気タービンでは、シールを４、６、８個又はそれ以上のセグメントに分割し、これらのセグメントをそれぞれ異なる直径に切削する。個々の部品を現場で追跡し、その特定の円周方向位置に組み立てなければならないので、この方法では、タービンの組立がひどく複雑になる。したがって、不均一なロータクリアランスを生成することのできる低コストのステータ部品が必要とされている。また、このような部品を効率よく製造する方法が必要とされている。
米国特許第５９６２０７６号明細書米国特許第６０８９８２５号明細書米国特許第６３３４６１７号明細書米国特許第６３５２２６４号明細書米国特許第６５３３２８５号明細書米国特許第６５４７５２２号明細書

本発明の実施態様はこのような要望に応えるものである。

本発明の１実施態様は、タービンアセンブリ用のステータ部品である。ステータ部品は、軸線方向断面において実質的に円形である内面を有する環状ベース部品と前記ベース部品の内面上に配置された被膜とを備える。前記被膜は、前記ベース部品の内面と接触した界面及びこの界面とは反対側の外面を有する。前記被膜の厚さは、前記ベース部品の内面に沿った円周方向位置の関数として変化する。

本発明の第２の実施態様は、タービンアセンブリ用のステータ部品の製造方法である。本方法は、軸線方向断面において実質的に円形である内面を有する環状ベース部品を用意し、前記ベース部品の内面上に被膜を配置する工程を含む。ここで前記被膜は、前記ベース部品の内面と接触した界面及びこの界面とは反対側の外面を有する。前記被膜の厚さは、前記ベース部品の内面に沿った円周方向位置の関数として変化する。

本発明のこのような観点、効果及び特徴は、以下の詳細な説明、添付の図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

以下の説明において、同じ参照符号は複数の図面を通して同じか対応する部品を示す。また、「頂部」、「底部」、「外」、「内」などの用語は便宜的な用語であって、限定的な用語と解釈すべきでない。さらに、図示例は、本発明の具体的な実施例を記述するためであって、本発明をそれらに限定するものではない。

図１及び図２において、本発明の実施態様は、タービンアセンブリ４０用のステータ部品２０を提供することにより、上述した要望に応える。ステータ部品２０は環状ベース部品６０を備える。環状ベース部品６０は、特定の実施態様では、シュラウド、タービンケーシング及びタービンノズルの環状アセンブリの少なくとも１つである。環状ベース部品は軸線方向断面１００において実質的に円形９０である内面８０を有する。被膜１２０がベース部品６０の内面８０上に配置されている。被膜１２０は、ベース部品６０の内面８０と接触した界面１４０及びこの界面１４０とは反対側の外面１６０を有する。被膜１２０の厚さ１８０は、ベース部品６０の内面８０に沿った円周方向位置２００の関数として変化する。その結果、被膜１２０の外面１６０の形状は、ベース部品６０の円形から外れてロータの運動の偏心に一層密接に順応し、これにより使用中に可能なもっともタイトなクリアランスを与える。本発明の実施態様では、部品を中心で丸く切削することができる。組立及び作動中に所望の不均一なロータ−ステータクリアランスを与えるのは被膜１２０である。

ある種のターボ機械での経験から、多くの場合、ロータが長円形の移動通路（軌跡）をたどる傾向があることがわかった。したがって、クリアランスをこの条件によりよく順応させるために、本発明の実施態様では、被膜１２０の外面１６０が軸線方向断面１００において実質的に楕円形２２０である。被膜外面１６０の楕円形状は、クリアランスを最小にしたい外周位置（即ち、楕円の短軸２６０の両側にある領域）に最大厚さを有し、最大クリアランスを必要とする区域（即ち、長軸２８０の両側にある領域）に最小厚さを有する被膜を配置することによって、達成される。特定の実施態様では、ベース部品６０は、頂部３００と底部３２０とを備え、これらが水平なジョイント２６０により互いに接合され、被膜の外面１６０により形成される楕円形は、頂部３００と底部３２０とを結ぶ長軸２８０を有する。上述したような従来のアプローチでは、多くの場合、円形ステータを所望の楕円形状に切削するか、複雑な多セグメント型ステータを組み立てて楕円形状を実現しているが、ここに説明したような被膜の適用は、コスト及び単純さの点で著しく有利である。

被膜１２０の厚さ１８０は約３ｍｍ以下であり、特定の実施態様では約１．７５ｍｍ以下である。本発明の１実施態様では、被膜１２０が摩耗性材料１３０を含む。摩耗性被膜は当業界で周知であり、相対運動する部品間にシールを形成できるので、使用されている。摩耗性材料は、ロータ−ステータ接触により選択的にかつ犠牲的にすり減って、後にロータの偏心運動の軌跡に合致するプロファイルを残す材料と定義される。その結果、極めてタイトなシールクリアランスが得られる。摩耗性被膜の例が米国特許第６，５４７，５２２号に記載されている。１実施態様では、摩耗性材料は金属マトリックス相と少なくとも１つの二次相とを含む。１実施態様では、金属マトリックス相は、コバルト−ニッケル−クロム−アルミニウム（ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ）、ニッケル−クロム−鉄−アルミニウム（ＮｉＣｒＦｅＡｌ）及びニッケル−クロム−アルミニウム（ＮｉＣｒＡｌ）よるなる群から選ばれる少なくとも１種の合金を含む。１実施態様では、二次相はグラファイトを含む。別の実施態様では、少なくとも１つの二次相は、セラミック、ポリマー及び塩の少なくとも１種を含む。１実施態様では、セラミックは、六方晶ＢＮ、アルミノケイ酸塩及びカ焼ベントナイトクレーの少なくとも１種を含む。他の実施態様では、ポリマーは、ポリエステル、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、シリコーン、シロキサン及びゴムの少なくとも１種を含む。さらに他の実施態様では、塩は、リン酸アルミニウム及び水酸化アルミニウムの少なくとも１種を含む。

本発明の１実施態様では、被膜１２０は溶射被膜を含む。被膜１２０を製造するのに適当な種々の溶射法が当業界で知られている。特定の実施態様では、溶射被膜は、プラズマ溶射被膜、フレーム溶射被膜、ＨＶＯＦ溶射被膜、（熱）溶射被膜及びワイヤ−アーク溶射被膜の少なくとも１つを含む。

上述した特徴を十分に利用するために、本発明の他の実施態様はタービンアセンブリ４０用のステータ部品２０である。ステータ部品２０は、軸線方向断面１００において実質的に円形９０である内面８０を有する環状ベース部品６０と、摩耗性材料を含む被膜１２０とを備える。被膜１２０は、ベース部品６０の内面８０上に配置され、ベース部品６０の内面８０と接触した界面１４０及びこの界面１４０とは反対側の外面１６０を有する。被膜１２０の外面１６０は、実質的に、軸線方向断面１００において前記ベース部品６０の頂部３００と底部３２０とを結ぶ長軸２８０を有する楕円形２２０である。

本発明の他の実施態様は、タービンアセンブリ４０用のステータ部品２０の製造方法である。この方法は、軸線方向断面１００において実質的に円形９０である内面８０を有する環状ベース部品６０を用意し、ベース部品６０の内面８０上に被膜１２０を配置する工程を含む。被膜１２０は、ベース部品６０の内面８０と接触した界面１４０及びこの界面１４０とは反対側の外面１６０を有する。被膜１２０の厚さ１８０は、ベース部品６０の内面８０に沿った円周方向位置の関数として変化する。

本発明の１実施態様では、上述したような溶射法を用いて被膜を堆積する。厚さの不均一性を達成するために、ある実施態様では、スプレーガンが円周の所定円弧長を通過する回数を変えるようにプログラムされたロボットを用いて、溶射被膜を適用する。このような所謂「パス」の１回で、代表的には、厚さ約２０μｍ〜約８０μｍの範囲の被膜層を堆積する。例えば、ケーシングの特定区域に他の区域より約５層多い被膜層を設けることにより、クリアランスをおおよそ２００μｍ変える。また、各被膜層の円弧長を層毎に変え、厚い被膜の区域と薄い皮膜の区域との移行部を比較的滑らかにする。

以上、代表的な実施態様を例示の目的で記載したが、上述した説明は本発明の範囲の限定と考えるべきではない。したがって、当業者には、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の変更、改変、置き換えが想起できるであろう。

ステータベース部品上に配置された不均一溶射被膜の１実施態様を示す線図である。ステータベース部品上に配置された不均一溶射被膜の別の実施態様を示す線図である。

符号の説明

２０ステータ部品
６０ベース部品
８０ベース部品内面
９０円形
１００軸線方向断面
１２０被膜
１４０被膜界面
１６０被膜外面
１８０被膜厚さ
２００円周方向位置

Claims

（ａ）軸線方向断面（１００）において実質的に円形（９０）である内面（８０）を有する環状ベース部品（６０）と
（ｂ）前記ベース部品（６０）の内面（８０）上に配置された被膜（１２０）とを備え、
前記被膜（１２０）は前記ベース部品（６０）の内面（８０）と接触した界面（１４０）及びこの界面（１４０）とは反対側の外面（１６０）を有し、前記被膜（１２０）の厚さ（１８０）が前記ベース部品（６０）の内面（８０）に沿った円周方向位置（２００）の関数として変化する、
タービンアセンブリ（４０）用のステータ部品（２０）。
前記被膜（１２０）の外面（１６０）が軸線方向断面（１００）において実質的に楕円形（２２０）である、請求項１記載のステータ部品（２０）。
前記被膜（１２０）の厚さ（１８０）が約３ｍｍ以下である、請求項１記載のステータ部品（２０）。
前記被膜（１２０）が摩耗性材料（１３０）を含む、請求項１記載のステータ部品（２０）。
前記摩耗性材料（１３０）が金属マトリックス相と少なくとも１つの二次相とを含む、請求項４記載のステータ部品（２０）。
前記金属マトリックス相がＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＦｅＡｌ及びＮｉＣｒＡｌよるなる群から選ばれる少なくとも１種の合金を含む、請求項５記載のステータ部品（２０）。
前記ベース部品（６０）がシュラウド、タービンケーシング及びタービンノズルの環状アセンブリの少なくとも１つである、請求項１記載のステータ部品（２０）。
（ａ）軸線方向断面（１００）において実質的に円形（９０）である内面（８０）を有する環状ベース部品（６０）と
（ｂ）前記ベース部品（６０）の内面（８０）上に配置された、摩耗性材料（１３０）を含む被膜（１２０）とを備え、
前記被膜（１２０）は前記ベース部品（６０）の内面（８０）と接触した界面（１４０）及びこの界面（１４０）とは反対側の外面（１６０）を有し、前記被膜（１２０）の外面（１６０）が実質的に軸線方向断面（１００）において前記ベース部品（６０）の頂部（３００）と底部（３２０）とを結ぶ長軸（２８０）を有する楕円形（２２０）である、
タービンアセンブリ（４０）用のステータ部品（２０）。
（ａ）軸線方向断面（１００）において実質的に円形（９０）である内面（８０）を有する環状ベース部品（６０）を用意し、
（ｂ）前記ベース部品（６０）の内面（８０）上に被膜（１２０）を配置し、
ここで前記被膜（１２０）は前記ベース部品（６０）の内面（８０）と接触した界面（１４０）及びこの界面（１４０）とは反対側の外面（１６０）を有し、前記被膜（１２０）の厚さ（１８０）が前記ベース部品（６０）の内面（８０）に沿った円周方向位置（２００）の関数として変化する、
タービンアセンブリ（４０）用のステータ部品（２０）の製造方法。
（ａ）軸線方向断面（１００）において実質的に円形（９０）である内面（８０）を有する環状ベース部品（６０）を用意し、
（ｂ）溶射法により前記ベース部品（６０）の内面（８０）上に摩耗性材料（１３０）を含む被膜（１２０）を配置し、
ここで前記被膜（１２０）は前記ベース部品（６０）の内面（８０）と接触した界面（１４０）及びこの界面（１４０）とは反対側の外面（１６０）を有し、前記被膜（１２０）の外面（１６０）が実質的に軸線方向断面（１００）において前記ベース部品（６０）の頂部（３００）と底部（３２０）とを結ぶ長軸（２８０）を有する楕円形（２２０）である、
タービンアセンブリ（４０）用のステータ部品（２０）の製造方法。