JP2005511327A - ガスタービン翼の表面の平滑化法と設備 - Google Patents

Abstract

ガスタービン翼（２０）の表面（２４）を研磨・平滑化する方法と設備に関する。本発明では、金属製の腐食保護層（３２）にドライアイスの噴射流（１４）を衝突させる。この衝突に伴い、腐食保護層が研磨され平滑化される。表面（２４）に衝突したドライアイスは、保護層内に埋封されることなく直ちに昇華するので、保護層の異物による汚染を回避できる。更にこの研磨によりガスタービン翼の金属基材に悪影響を及ぼすことがない。

Description

発明の分野
本発明は、ガスタービン翼の技術分野に属し、ガスタービン翼上の保護層又は保護層系の被着又は修復に関する。

発明の背景
ガスタービン翼上の保護層系は、例えば米国特許第４３２１３１０号、同第４６７６９９４号又は同第５２３８７５２号明細書に開示されている。ガスタービン翼は極めて高い温度に曝される。従って必要な耐熱性を備えるように、それらは耐熱性の材料から製造される。特にこの点でニッケル又はコバルト基の超合金が考慮の対象となる。通常この種のガスタービン翼の基材上に更に酸化、腐食防止及び／又は断熱のための保護層又は保護層系が施される。この場合、特にＭＣｒＡｌＹのような金属合金が適しており、ここにＭは（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）の群からの元素、Ｃｒはクロム、Ａｌはアルミニウム、Ｙはイットリウム又は希土類の元素を表す。かかる腐食保護層上にしばしばセラミックス断熱層が施される。この層は高温安定性であり、金属製基材が直接高温ガスと触れないように遮蔽する役目をする。セラミックス断熱層の典型的な材料には、イットリウムで安定化させた二酸化ジルコンがあり、例えば大気圧プラズマ溶射（ＡＰＭ）により施される。

この種の腐食保護層は、通常プラズマ溶射法により施される。こうして形成される層は比較的高い不所望な粗面性を有する。従ってこの金属製保護層の平滑化が必要になる。これには、ガスタービン翼を、研磨物質を入れた槽内で所望の粗面度に調整される迄長時間振動させる振動研磨プロセスが必要になる。或いはまた、固体粒子、特にコランダム粒子を噴射流からその表面へと向け、該表面を平滑化するサンドブラスト法が使用される。この振動研磨は、時間を要するばかりでなく、露出したエッジを先行的にかつ制御不能に切除する危険性がある。この公知のサンドブラスト法は、特に噴射流の固体粒子を保護層中に埋封してしまい、このため表面の品質を受容し難く低下させる欠点がある。

米国特許第５６４５８９３号は、超合金製の基材、接着仲介層及び断熱層を有する被覆部材に関する。前記仲介層は白金アルミニウム化合物と、それに続く薄い酸化物層を有する。この酸化物層は、酸化アルミニウムを含む。該酸化物層に電子線ＰＶＤ法にて施された断熱層が隣接する。その際イットリウムで安定化させた酸化ジルコニウムを、接着仲介層上に施す。この仲介層を施す前に、基材の表面を粗サンドブラスト法によりクリーニングする。この基材の材料の切除加工に、酸化アルミニウム砂粒が使用される。

極めて高い温度でガスタービン翼を使用する場合に好適なもう１つの処置は、冷風を用いた冷却である。この冷風をガスタービン翼の内部空洞に流し、そこから冷風で熱を吸収する。通常この冷風は、少なくとも部分毎に冷却風孔からガスタービン翼の表面に運ばれ、そこで保護フィルムを形成する。これら冷却風孔は、その表面近くの範囲を電気化学的に腐食させるか、米国特許第５６０９７７９号明細書に記載の如く、レーザビームにより穿孔される。レーザビームによる穿孔は、時間及び費用の点で有利であるが、しばしばその熱の作用により「バリ」を形成し、また溶解又は再融粒子から汚染物が形成されることになる。このフィルムの冷却孔の形状を厳密に保持するため、これら「バリ」は、除去すべきものであり、これは従来手間のかかる手作業による処理を必要とするものであった。

米国特許第３６７６９６３号明細書は、特に接近困難な内部範囲にある熱可塑性又は弾性材料の不所望な範囲を、氷の噴射により除去する方法を開示している。ドライアイス、即ち固体のＣＯ₂による対応する適応例は、米国特許第３７０２５１９号明細書に開示されている。この不所望な範囲の切除は、過冷却により、同時にプラスチック部分の冷たいＣＯ₂粒子による脆化により行われ、更にそれら粒子を他の粒子により切除する。

独国特許出願公開第２０５８７６６号明細書は、放射能により汚染された金属表面を氷の噴射によりクリーニングする方法を記載している。その表面上への溶解性の噴射物としてドライアイスを使用することも提案している。

米国特許第４０３８７８６号明細書及びこれに対応する独国特許出願公開第２５４３０１９号明細書は、好ましい大きさ及び形の粒子のドライアイス噴射流を、それらの粒子を塊状化させることなく発生させる装置を開示している。

独国特許第１９６３６３０５号明細書は、反応性の基材から被覆及び薄膜を除去する方法を開示している。木材、プラスチックフォーム又は砂岩等の基材の煤、苔、有害堆積物等の薄膜及び耐衝撃性又は衝撃耐久性ではない高粘度の被覆に係わるものである。ドライアイスの噴射により、これらの薄膜又は被覆は反応性の基材から丁寧に除去可能である。

例えばシリコーンパッキングやワニスをプラスチック成形部材又は他の形状に厳密性を要する基材から除去すべく、このドライアイス噴射流を応用する例は、以下に記載する論文に開示されている。A.Buinger著「ドライアイス噴射クリーニング」、プラスチック ８６（１９９６）１（月）、第５８頁；Key Lay著「ＣＯ₂噴射クリーニング」（ゴム工業技術インターナショナル、Rubber Technology International）１９９６年、第２６８〜２７０頁；Eckart Uhlmann,Bernhard Axmann、Felix Elbing共著「交換エンジンの製造におけるドライアイス噴射によるクリーニング」ＶＤＩ−Ｚ１４０（１９９８）９（月）、第７０−７２頁；G.Spur、E.Uhlmann、F.Elbing、Wear共著「クリーニング用ドライアイスブラスト、その処理、最適化法及び応用」２３３−２３５（１９９９年）第４０２〜４１１頁；Eckart Uhlmann、Bernhard Axmann、Felix Elbing共著、「ＣＯ₂ペレット噴射における衝撃力の測定」ZWF ９３（１９９８）６（月）第２４０〜２４３頁。
発明の図面に基づく説明
本発明は、セラミックス断熱層を施した金属製の腐食保護層を有するガスタービン翼の表面から、セラミックス材料を請求項１に基づき除去する方法を提供する。この方法では、ドライアイス粒子でできたドライアイス噴射流をその表面上方に運び、こうして表面に衝突するドライアイス粒子の作用により、セラミックス断熱層の材料を切除する。

本発明は、このドライアイス噴射流がセラミックス断熱層の切除に適しているという驚くべき認識に基づくものである。

このドライアイス噴射流の従来の使用例は、標準的に見て、むしろ柔軟な被覆に対する熱機械的作用に基づくものであった。この種薄膜又は被覆は低温脆化とそれに次ぐ動力学作用により少しずつ剥落して切除される。それに対しセラミックス断熱層は、耐久力のある硬い材料でできている。更にセラミックス断熱層は、まさに温度変化及び熱応力に耐えるべく被着される。そのため通常、熱的な横方向の応力を補償できる茎状構造が形成されている。従ってこのセラミックス断熱層は、本来熱機械的切除に無反応である。

ドライアイスを用いた切除で、異物による汚染を回避できる。加えて、ガスタービン翼の金属基材に影響を及ぼすことなく、かつ高温腐食保護層を全く切除せずに実施できる。

従ってこのガスタービン翼の表面を、容易に、かつ高品質に平滑化又はバリ取りにより除去し、かつ完全にセラミックス断熱層を除くこともできる。

ドライアイス噴射流を用いた平滑化により、一方では振動研磨法にほぼ匹敵するサンドブラスト法の時間及び価格上の利点が達成される。他方においてまた、周知のサンドブラスト法の主な欠点、即ち翼表面のサンドブラスト粒子による汚染を回避できる。即ちドライアイス粒子は、衝突後直ちに残渣なく昇華し、従って決して埋封され或いは化学反応を起こすことはない。更に処理すべき噴射残留物が残らない。

Ａ）このセラミックス断熱層は、有利には二酸化ジルコニウムを含み、更に有利にはイットリウムで完全に安定化した二酸化ジルコンから形成されている。

Ｂ）本発明方法は、特にガスタービン翼の層システムを修復（再研磨）する際にも使用できる。そのために、表面の全ての古くなったセラミックス断熱層を除去する。

Ｃ）特に、平滑化によりこの表面に所定の最大限の粗面値を調整できる。平均した凹凸粗さの最大限度値は、特に３０μｍ以下、更には１５μｍ以下が有利である。

Ｄ）上述したように、しばしばこの表面に冷却風孔が通じている。それらの孔がレーザビームにより空けられたものである場合、製造上の理由からしばしば開口部に、特に再融材料による「バリ」が残る。この「バリ」はドライアイス噴射流により除去される。

Ｅ）特にこの平滑化は全自動的に行われる。このガスタービン翼の多軸ホルダ又はドライアイス噴射流の多軸的な案内により、その表面の平滑化すべき各範囲に到達できる。

Ｆ）ドライアイス噴射流は、特に１０〜３０バールの圧力でノズルを噴出する。

上記Ａ）〜Ｆ）の実施形態を相互に組み合わせることも可能である。

本発明はまた、ガスタービン翼表面上のセラミックス断熱層のセラミックス材料を、ガスタービン翼用ホルダ及びドライアイス噴射流を噴射するノズル並びにガスタービン翼に向けてドライアイス噴射流を相対移動させるための多軸マニピュレータ装置による全自動的にガスタービン翼のセラミックス材料を除去することを可能にする設備を提供する。

本発明の詳細な説明
ドライアイス噴射流によりガスタービン翼のクリーニングも行うとよい。この種のクリーニングは、特にガスタービン翼を被覆する前に実施すべきものである。あらゆる汚染物は、施される被覆の接着に悪影響を及ぼす。従来のクリーニング法では、その処理で使用する浄化材により、例えばサンドブラストの場合、クリーニングすべき表面内に砂状異物を封じ込める危険性がある。ドライアイス噴射流の使用により、ドライアイスは残渣なく昇華するので、この危険性は回避できる。
本発明を１実施例に基づき以下に詳述する。図面は、部分毎に概略的に示すが、実物大ではない。図中同一物には同じ符号を付けている。

図１は、ガスタービン翼２０の表面からセラミックス材料を除去する設備１５を示す。圧縮気流を生じさせるため、スクリュー圧縮機１、調整タンク２、吸着乾燥機３、冷却機４及び測定システム５が順次接続されている。スクリュー圧縮機１内で、空気は特に３〜１２バールの圧力に高度に圧縮される。調整タンク２は、一定した質量流量の安定化に使われる。吸着乾燥器３内でこの空気を乾燥させ、冷却機４内で冷却する。測定システム５は圧縮気流のパラメータを把握するのに使用される。

この圧縮気流は、次いでペレット供給装置１２に運ばれる。この装置内にドライアイスペレット６が堆積される。このペレット６は、スクリューコンベア７により回転弁８を介して圧縮気流に運ばれ、該気流と共に自動装置９により可動のラバールノズル１０に供給される。そこから、それらペレットはドライアイス噴射流１４としてほぼ音速に近い速度で噴出し、ガスタービン翼２０上に衝突する。ガスタービン翼２０は多軸ホルダ２２内に据えられ、従って噴射流１４をガスタービン翼２０の表面の全ての箇所上に運び得る。

図２は、ガスタービン翼２０の表面部分の縦断面を示す。ニッケル又はコバルト基超合金製の基材３０上に、ＭＣｒＡｌＹ腐食保護層３２が施されている。この層上に薄い接着仲介層３４が形成されている。この仲介層３４は腐食保護層３２上に施された、イットリウム安定化二酸化ジルコニウムから成るセラミックス断熱層３６の結合を高める。

ガスタービン翼２０の内部の空洞（図示せず）から冷却通路３８がガスタービン翼２０の表面２４に通じている。この表面の近傍内に台形の開口部４０が形成されている。この開口部４０は、材料を溶かすレーザビームにより空けられたものである。そのため除去すべき「バリ」４２が生ずる。その除去はドライアイス噴射流１４により行われる。

既に長期間使用したガスタービン翼２０の再研磨の際に、このセラミックス断熱層３６が更新される。そのためセラミックス断熱層３６又はその残部はドライアイス噴射流１４によりそこから完全に除去される。

ドライアイス噴射流の硬度の調節次第で部分的な切除も可能であり、こうしてドライアイス噴射流１４により表面２４を所定の粗面度に平滑化できる。

本発明によるガスタービン翼からセラミックス材料を除去する設備の系統図。 保護層系を有するガスタービン翼の表面範囲の縦断面図。 ガスタービン翼からセラミックス材料を除去する方法を示す図。

符号の説明

１ スクリュー圧縮機、２ 調整タンク、３ 吸着乾燥機、４ 冷却機、５ 測定システム、６ ドライアイスペレット、７ スパイラルコンベヤ、８ 回転弁、９ 多軸マニピュレータ装置、１０ ラバールノズル、１２ ペレット供給装置、１４ ドライアイス噴射流、２０ ガスタービン翼、２２ 多軸ホルダ、２４ タービン翼の表面、３０ 翼の基材、３２ ＭＣｒＡｌＹ腐食保護層、３４ 接着仲介層、３６ セラミックス断熱層、３８ 冷却通路、４０ 開口部、４２ バリ

Claims (10)

1. ガスタービン翼（２０）の金属製高温腐食保護層（３２）上に施したセラミックス断熱層の表面からセラミックス材料を除去する方法において、該断熱層上にドライアイス粒子から成るドライアイス噴射流（１４）をその表面（２４）の上方に運び、こうして表面に衝突するドライアイス粒子の作用により、セラミックス断熱層（３６）の材料を切除することを特徴とする方法。
2. 前記セラミックス断熱層（３６）が二酸化ジルコニウムを含む請求項１記載の方法。
3. そのセラミックス材料を切除することにより、セラミックス断熱層（３６）を平滑化する請求項３記載の方法。
4. セラミックス材料の切除により、セラミックス断熱層（３６）の所定の最大限の粗面値を調整する請求項３記載の方法。
5. 前記表面（２４）に冷却通路（３８）を通し、その開口部（４０）の少なくとも一部に、製造に起因して形成されるバリ（４２）をドライアイス噴射流（１４）により除去する請求項１記載の方法。
6. 前記冷却通路（３８）をレーザビームにより形成する請求項５記載の方法。
7. 完全自動化方式で行う請求項１記載の方法。
8. ドライアイス噴射流（１４）が、１０〜３０バールの圧力でノズル（１０）から噴出する請求項１記載の方法。
9. 前記セラミックス断熱層（３６）をドライアイス噴射流（１４）により完全に除去する請求項１記載の方法。
10. ガスタービン翼（２０）用のホルダ（２２）及びドライアイス噴射流（１４）を噴射するノズル（１０）、並びにガスタービン翼（２０）に向けてドライアイス噴射流（１４）を相対移動させるための多軸マニピュレータ装置（９、２２）により、全自動的にガスタービン翼（２０）上のセラミックス断熱層のセラミックス材料を除去する設備。
    

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