JP2005518490A - ガスタービンのための圧縮機 - Google Patents

Abstract

ガスタービンのための圧縮機は、その構成部分の表面、特にその翼配列の表面に、エロージョンから表面を保護するための被覆を有している。被覆はアモルファス炭素またはプラズマポリマーから成る少なくとも２つの層または複数の層対を有しており、該層は固有の高い硬さを有しており、被覆の、最も外側の層は疎水性の特性を有している。さらに、層対の、内側の層の硬さは外側の層の硬さよりも高い。被覆は特に、液滴による衝撃腐食、氷のような固体粒子によるエロージョン、ならびに塵埃粒子の堆積および液体内に溶解した成分の堆積による汚れを回避するために適している。被覆により、構成部分の寿命は延長され、かつタービン出力は向上する。

Description

技術分野
本発明は、ガスタービンのための圧縮機と、該圧縮機の入口領域に存在する構成部分の表面に被着されている、液滴および固体粒子に対する保護のための被覆とに関する。

背景技術
例えばパワープラント、航空機エンジンおよび船舶エンジンのタービンに設けられた圧縮機の構成部分は圧縮機運転中に種々異なる粒子に曝されており、これらの粒子は構成部分の表面を持続的に損傷させ得る。これらの粒子には、液滴（とりわけ水滴）ならびに固体粒子（例えば塵埃粒子）が属しており、これらの粒子は吸込まれる空気と一緒に圧縮機内に到達する。さらに、空気の加速による空気の冷却に基づく昇華によって形成され得る氷粒子も挙げられる。圧縮機の入口領域に存在する構成部分のうち、特に翼配列が、これらの粒子による損傷を被る可能性を有している。

圧縮機運転中に適当に、所定の液体をガス流または空気流と一緒に噴射することが知られている。例えば洗浄の目的で、水と市販の濃縮液とから成る混合物が単数または複数の噴霧ノズルにより圧縮機内に噴射される（例えば欧州特許出願公開第０４６８０２４号明細書参照）。

冬季運転中に、圧縮機翼配列の入口における氷の形成および氷の吸込み（「ｉｃｅ ｉｎｇｅｓｔｉｏｎ」と言う概念でも知られている）は圧縮機の安全性にとって極めて危険である。この理由から、圧縮機入口における氷の形成を回避するためにグリコール混合物が噴射される。

さらに、吸込まれるガスまたは吸込まれる空気の蒸発冷却の目的で、水が噴射または噴霧により圧縮機内に導入される。この蒸発冷却は圧縮機の効率の向上、ひいてはガスタービン出力の向上のために役立つ。そのような方法は例えばアメリカ合衆国特許第５４６３８７３号明細書に開示されている。

例えば航空機およびガスタービン運転式の船舶に設けられるタービンジェット駆動装置の圧縮機には、雨、霧、氷または塩水の吸込みにより引き起こされる、圧縮機構成部分における損傷の問題が生じる。

種々異なる液体の噴射時または液滴または固体粒子の吸込み時、かい食とも呼ばれる液滴による衝撃腐食もしくは固体粒子によるエロージョンの問題が、構成部分の表面、特に翼配列および圧縮機の入口領域に存在する構成部分に生じる。液滴による衝撃腐食は一方で直接、噴入または吸入される液滴により構成部分の表面に引き起こされる。液体を噴射するための噴霧ノズルの運転時間の開始当初、噴入される液滴はまだ小さく、すなわち直径は１０〜２０ミクロメートルの領域にある。しかしながら、ある特定の運転時間の後、噴霧ノズルは使い古されて、噴霧ノズルにより噴霧される液滴の直径は次第に１００ミクロメートルまでの大きさに到達する。液滴の質量、ひいては運動エネルギは液滴直径の三乗に増大するので、より大きな液滴は小さな液滴に比べて遙かに大きなエロージョン損傷を引き起こすことができる。それゆえ、噴霧ノズルにより噴霧される液滴はかなりの衝撃腐食の原因となり得る。

その一方で衝撃腐食は、構成部分が、噴射された液体により濡らされている場合、閉鎖した液体膜の形成後にも生じる。表面からの液体の剥離により、二次的な大きな液滴が形成されることができ、この大きな液滴は下流に配置された構成部分に衝撃腐食を引き起こす可能性がある。

最終的には一般に、噴射される水に添加されていて次第に表面に堆積する成分による汚染の問題も存在する。これらの成分ならびにその他の異物の堆積も、構成部分の寿命ならびにガスタービンの出力に対してネガティブに働きかねない。

発明の開示
本発明の課題は、例えばパワープラント、航空機駆動装置または船舶駆動装置のガスタービンのための圧縮機の構成部分を改良して、その表面が液滴による衝撃腐食および塵埃粒子および氷のような固体粒子によるエロージョンに耐え得る、ガスタービンのための圧縮機を提供することである。さらに、構成部分の表面は、液体内に存在する添加剤および成分に耐えることができて、汚れがそこに堆積することができないように構成されているべきである。

上記課題は、請求項１に記載された、ガスタービンのための圧縮機により解決されている。さらに特別な有利な解決策は請求項２以下に記載されている。

本発明によるガスタービンのための圧縮機は、例えば翼配列のような構成部分を有しており、該構成部分の表面には被覆が設けられており、該被覆が、アモルファス炭素またはプラズマポリマーから成る少なくとも２つの層を有している。被覆の、最も外側の層は特に疎水性の特性を有している。疎水性の層のために、その界面エネルギが水の表面張力よりも小さい限りにおいて、僅かな界面エネルギを備えた全ての層または層システムが適している。

さらに、これらの層は加えて、アモルファス炭素またはプラズマポリマーに固有の高い表面硬さ、例えば５００ＨＶ〜３０００ＨＶの表面硬さを有している。疎水性の特性ならびにこの大きさの硬さを備える材料のために、上述のアモルファス炭素またはプラズマポリマーが特に適している。

最も外側の層の、疎水性の特性は表面の濡れを阻止する。衝突する液滴は表面との極めて僅かな相互作用を有している。それというのは、その界面エネルギが僅かであるからである。これにより、液滴は表面に付着するのではなく、むしろ表面に沿ってその小さなサイズを維持したまま、かつ別の液滴と合流することなく、または閉鎖した液体膜を全く形成することなく転げ落ちる。これにより、構成部分のエッジにおける、閉鎖した膜の剥離による大きな液滴の形成は阻止される。そればかりか、小さいままの液滴は、明らかな衝撃腐食を引き起こす能力を伴わない。

例えばアモルファス炭素から成るような、疎水性の層はさらに防汚性の特性をも有している。液滴が即座に転がり落ちることにより、液体またはこの液体内に溶解している成分の、表面との化学的な相互作用が阻止される。さらに、このことはその他の異物の堆積をも回避し、このことはガスタービン出力および被覆された構成部分の寿命に対してポジティブに働く。

本発明の、特別かつ有利な構成では、圧縮機の構成部分が、単数の層対または複数の層対を備えた層序を有する保護被覆を有しており、層対の内側の層は層対の外側の層に比してより高い硬さを有しており、外側の層は相対的に低い硬さを有している。特に、層対の内側の層は１５００〜３０００ＨＶの硬さを有しており、外側の層は５００ＨＶ〜１５００ＨＶの硬さを有している。高い硬さおよび比較的に低い硬さを備えた層を交互に被着することは、液滴または固体粒子の衝突時に、種々異なる、理想的な事例では逆位相の圧力波または圧縮波が大幅に消失する干渉効果を生ぜしめる。このことは圧力波または圧縮波の抹消につながり、最終的には液滴による衝撃腐食または塵埃または氷のような固体の粒子によるエロージョンの阻止につながる。

本発明の別の構成では、層序の各層はその都度０．１〜２ミクロメートルの領域の厚さを有している。

本発明の別の特別な構成では、層序の各層の厚さがその相対的な硬さとは反対の関係にある。例として、外側の層は１．０〜１．５ミクロメートルの厚さを有していることができ、内側の層は０．５〜０．７５ミクロメートルの厚さを有していることができる。

本発明の別の有利な構成では、圧縮機の構成部分の表面が付着層を有しており、該付着層上に、単数の層対または複数の層対が被着されている。付着層として、例えばチタンに被着された、より硬い層が適しており、この層は上に挙げた内側の層に該当する。

実施例の説明
本発明により、疎水性の被覆はアモルファス炭素もしくは無定形炭素を含む。これは以下、水素含有量が１０〜５０原子％であって、ｓｐ^３結合の、ｓｐ^２結合に対する割合が０．１〜０．９である、水素を含む炭素層として理解されるべきである。一般に、カーボン前駆物質またはハイドロカーボン前駆物質により製造される全てのアモルファスな、または密な炭素層ならびにプラズマポリマー層、ポリマーに類似の、または密な炭素層および炭化水素層が使用されることができるが、その条件として、上記の層はアモルファス炭素の疎水性の特性および以下に挙げる機械的または化学的な特性を、個別層または層序を形成するために有しているべきである。ダイヤモンドライクカーボンとも呼ばれるアモルファス炭素はその並外れた硬さ、化学的な安定性ならびにその弾性に関して一般に知られている。さらに、アモルファス炭素は特定の条件下で水の表面張力に比して低い表面エネルギを有するので、疎水性または撥水性の特性がもたらされる。その際、アモルファス炭素の硬さは被覆の製作に関するパラメータの変化により変更可能である。相対的に低い硬さ（アモルファス炭素の硬さ範囲内で）の層は硬い層に比して軟らかいものとして理解されることができる。軟らかい層は特に際立った疎水性の特性を有している。

本発明による被覆は種々異なる、一般に公知の製造方法、例えば炭化水素を含む前駆物質から成るプラズマ中でのグロー放電による析出、水素を含む作業ガス内での炭素のスパッタリングおよびイオンビーム被覆により実現されることができる。

これらの方法では、基板が数１００ｅＶのイオンの流れに曝される。グロー放電の場合、基板はリアクタチャンバ内で、容量性に１３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦ）発生器に接続されている陰極にコンタクト形成するように配置される。その際、プラズマチャンバの、アースされた壁は大きな対応電極を形成する。この装置では、あらゆる炭化水素蒸気またはあらゆる炭化水素ガスが第１の作業ガスとして被覆のために使用される。特別な層特性、例えば種々異なる表面エネルギ、硬さ、視覚的な特性等を得るために、種々異なるガスが第１の作業ガスに付加される。窒素、フッ素またはケイ素を含むガスの添加の下で、例えば表面エネルギの高低が達成される。窒素の添加は付加的に、結果として得られる層の硬さの向上につながる。さらに、電極を介して１００Ｖ〜１０００Ｖの間でバイアス電圧を変更することにより、層の、結果として得られる硬さは制御可能であり、その際、高いバイアス電圧は硬いアモルファス炭素層に、低い電圧は相対的に低い硬さを備えたアモルファス炭素層につながる。

本発明による圧縮機の場合、吸込まれる空気または噴射される液体と接触する全構成部分に層序が設けられている。特に、入口領域に存在する構成部分、例えば翼配列および調節可能な前案内羽根列（Ｖｏｒｌｅｉｔｒｅｉｈｅ）のための支承装置に層序が設けられていることができる。

本発明は、各種のパワープラントならびにタービンジェット駆動装置のガスタービンのための圧縮機、航空機および船舶の別の構成部分、例えば航空機の翼面の前縁に使用可能である。

本発明による圧縮機の構成部分は例えばチタン、ステンレス鋼、クロム鋼、アルミニウムのような材料ならびにカーバイド生成元素（Ｋａｒｂｉｄｂｉｌｄｎｅｒ）から成る。付着層を備えた前記層序はこれらの材料上への被着のために特に適している。

Claims (7)

1. ガスタービンのための圧縮機において、圧縮機の構成部分がその表面に、液滴および／または固体粒子によるエロージョンに対する保護のための被覆を有しており、該被覆が少なくとも２つの層を有しており、該層がアモルファス炭素またはプラズマポリマーを含み、被覆の、最も外側の層が疎水性の特性を有していることを特徴とする、ガスタービンのための圧縮機。
2. 被覆が単数の層対または複数の層対の層序を有しており、層対の内側の層の硬さが、当該層対の外側の層の硬さよりも高い、請求項１記載の圧縮機。
3. 層対の内側の層が１５００〜３０００ＨＶの領域の硬さを有しており、層対の外側の層が５００〜１５００ＨＶの領域の硬さを有している、請求項２記載の圧縮機。
4. 層対の層の厚さがその硬さとは反対の関係にある、請求項２または３記載の圧縮機。
5. 層対の内側の層および外側の層の厚さが０．１〜２ミクロメートルの領域にある、請求項２から４までのいずれか１項記載の圧縮機。
6. 圧縮機構成部分の表面がまず付着層を有しており、該付着層上に、被覆が被着されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧縮機。
7. 被覆が、圧縮機の入口領域に存在する構成部分の表面、圧縮機の翼配列の表面および／または調節可能な前案内羽根列の支承箇所の表面に被着されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧縮機。