JP2006189046A - 冷却スロット保護装置および保護シールド、ならびに構成部品を覆う方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベーンの冷却スロットにコーティングを流入させないようにするシールドを提供する。
【解決手段】プラットフォーム２５の間に延びるベーンアッセンブリのエアフォイル２６は、壁部５６により隔てられた冷却スロット３２を後縁部３０に備える。使用中、ベーンは非常に高温になるため、抽気がベーン内部通路に送られベーンが冷却される。エアフォイル２６の流路は、低い熱伝導率を有するセラミックコーティングで断熱される。エアフォイル２６に配置された光化学エッジシールド３４は、セラミックコーティング中にスロット３２を保護するとともに、コーティングがスロット３２に流入してスロット３２を詰まらせないようにしている。本体４８の縁部３６から延びる突起部３８の各々は、スロット３２にそれぞれ対応する。位置決めアーム４０が開口部５８に差し込まれて、シールド３４がエアフォイル２６と整列する。
【選択図】図２

Description

本発明は、構成部品のコーティング方法およびシールドに関する。特に、本発明は、例えば、ガスタービンエンジンのセラミックコーティング中にベーンの冷却スロットを保護する光化学エッジシールドに関する。

ガスタービンエンジンでは、回転エアフォイル（ブレード）および静止エアフォイル（ベーン）が交互に並んで配置されている。各ベーンは、使用中に空気をベーンに流入させ、ベーンを冷却する冷却スロットを備える。通常、ベーンは、ニッケル超合金製であり、断熱をもたらすようにセラミックコーティングが一般的に施されている。
セラミックコーティング工程中に、セラミックコーティングが冷却スロットに流入して、スロットを詰まらせてしまう場合がある。この問題が生じた場合、冷却スロットの冷却効果が低下してしまう。冷却スロットを覆って、セラミックコーティング工程中にセラミックコーティングを冷却スロットに流入させないようにするために、シールドが用いられている。従来のシールドは、対応するエアフォイルのスロットにそれぞれ適合する２つの突起部を備えており、それによりシールドがエアフォイルに対して位置決めされる。これらの突起部は、シールドの両端部に設けられており、曲線状の縁部が突起部の間に延びている。

通常、エアフォイルはまた、コーティングが冷却スロットに流入しないようにコーティング前にマスキングされる。コーティング後にグリットブラストが行われて、冷却スロット中のあらゆるセラミック残留物が除去される。

従来のシールドの欠点は、セラミックコーティングがシールドの周囲から漏出して、冷却スロットに流入してしまう恐れがあることである。また、マスキングおよびグリットブラストの工程は高価である。さらに、シールドは、エアフォイルに対してシールドを固定するいかなる機能も備えていない。

したがって、セラミックコーティング工程中に、ガスタービンエンジン用ベーンの冷却スロットにセラミックコーティングを流入させないようにするシールド、および従来技術の欠点を克服するシールドが当技術分野において必要とされている。

ガスタービンエンジンは、発電および推進に用いられる。ガスタービンエンジンでは、回転エアフォイル（ブレード）および静止エアフォイル（ベーン）が交互に並んで配置されている。各ベーンは、湾曲するとともに冷却スロットを有する後縁部を備える。使用中、ベーンは、非常に高温になるため、冷却スロットにより空気が流入して、ベーンが冷却され得る。ベーンはニッケル超合金で製造されるとともに、セラミックコーティングでコーティングされ、断熱がもたらされる。

セラミックコーティング工程を開始する前に、冷却スロットにセラミックコーティングが流入してスロットがつまらないようにするために、光化学エッジシールドがベーンに設置される。光化学エッジシールドは、湾曲した縁部と、縁部から突き出ている突起部と、を備える。光化学エッジシールドの縁部は、ベーンの後縁部と実質的に同じ形状および曲率を有する。突起部の数は、冷却スロットの数と同じである。

光化学エッジシールドの上面は、実質的に平坦な平面であり、光化学エッジシールドの底面は、凹んだ凹縁部を備える。凹縁部の曲率は、光化学エッジシールドの縁部の曲率と概ね同じである。各突起部の間に画定された凹部は、上記の縁部と凹縁部との間に延びている。光化学エッジシールドは、厚さが薄くなった折り目により本体部分から隔てられた折り重ねフラップも備える。

ベーンをコーティングする前に、底面がベーンに接触し、各突起部が冷却スロットの１つに受容されるように、光化学エッジシールドがベーンに設置される。

次に、折り重ねフラップがベーンの下に位置するように、光化学エッジシールドが、折り目に沿って折り曲げられる。光化学エッジシールドは、次いで、タック溶接されてベーンに固定される。セラミックコーティングが完了すると、光化学エッジシールドは、ベーンから取りはずされる。

図１では、発電および推進に用いるガスタービンエンジン１０が概略的に図示されている。ガスタービンエンジン１０は、軸方向中心線１２、ファン１４、圧縮機１６、燃焼室１８およびタービン２０を備える。圧縮機１６で圧縮された空気は、燃焼室で燃料と混合され、燃焼されて、タービン２０で膨張する。圧縮機１６で圧縮された空気およびタービン２０で膨張した燃料混合気は、いずれも高温ガス流２８と呼ばれる。タービン２０のロータ２２が膨張に応じて回転し、それにより圧縮機１６およびファン１４が駆動する。また、タービン２０では、ロータ上における回転エアフォイル（ブレード）２４と、静止エアフォイル（ベーン）２７と、が交互に並んで配置されている。ニッケル超合金をベースメタルとして、ベーンを製造することができる。

図２では、ベーンアッセンブリの一部分が図示されている。ベーンアッセンブリは、１つまたは複数のプラットフォーム２５の間で延びているエアフォイル２６を備える。ベーンアッセンブリには、１つまたは複数の内部通路（図示せず）が含まれる。エアフォイル２６は、湾曲するとともに、エアフォイル２６の正圧側に設けられた冷却スロット３２を有する後縁部３０を備える。冷却スロット３２は、内部通路と連通している。各冷却スロット３２は、壁部５６により隔てられている。冷却スロット３２の後側にバックエッジ（後方縁部）２９が位置する。使用中、ベーンアッセンブリは、非常に高温になる。抽気（通常、相対的に低温の圧縮機１６から導かれる）が内部通路に送られ、ベーンアッセンブリが冷却される。冷却スロット３２により、内部通路内の抽気がベーンアッセンブリから流出するとともに、コア空気流と合流することが可能となる。

エアフォイル２６のガス流路部は、セラミックコーティングでコーティングされて、断熱される。セラミックコーティングは、低い熱伝導率を有するとともに、熱保護を付与する。セラミックコーティングを適用する際、初めから製造する場合であっても、その後の修理作業の場合であっても、冷却スロット３２は目詰まりする可能性がある。

図３および図４では、エアフォイル２６に配置される光化学エッジシールド３４が図示されている。光化学エッジシールド３４は、セラミックコーティング工程中に冷却スロット３２を保護するとともに、セラミックコーティングが冷却スロット３２に流入して、スロット３２が詰らないようにしている。光化学エッジシールド３４は、本体４８を備え、本体４８は、ベーンアッセンブリのエアフォイル２６の形状と適合する縁部３６を有する。特に、エアフォイル２６の後縁部３０が湾曲しているため、光化学エッジシールド３４の縁部３６も湾曲している。

本体４８は、縁部３６から延びる突起部３８も備える。突起部３８の各々は、エアフォイル２６の冷却スロット３２にそれぞれ対応する。したがって、各突起部３８は、冷却スロット３２の形状とそれぞれ適合する。各突起部３８の端部は、実質的に湾曲状つまり半円形をしている。光化学エッジシールド３４の両端部に設けられた位置決めアーム４０が、エアフォイル２６の開口部５８に差し込まれることにより、光化学エッジシールド３４がエアフォイル２６と適切に整列する。

光化学エッジシールド３４は、種々の材料で製造され得る。例えば、ステンレス綱、黄銅（真鍮）または銅などで光化学エッジシールド３４を製造することができる。しかし、光化学エッジシールド３４をあらゆる材料で製造することが可能であり、当業者であれば用いる材料を判断できるであろう。

図３に示されているように、光化学エッジシールド３４の上面４１は、実質的に平面であり、連続的で、平坦である。すなわち、上面４１は、凹部を備えていない。図４に示されているように、光化学エッジシールド３４の底面４４は、凹んだ凹縁部４６を備える。凹縁部４６の曲率は、縁部３６の曲率と概ね同じである。底面４４において、凹部５０が、隣接の突起部３８の間に画定され、かつ凹部５０の各々は、縁部３６と凹縁部４６との間に延びている。図５に示されているように、凹部５０の各々は、厚さＸを有し、光化学エッジシールド３４の本体４８および突起部３８は、厚さＸよりも厚い厚さＹを有する。別の実施例においては、光化学エッジシールド３４は、一定の厚さを有し、突起部３８の間に凹部を備えない。

光化学エッジシールド３４は、厚さが薄くなっている折り目６０も備えており、この折り目６０により、本体４８が折り重ねフラップ４２から隔てられている。光化学エッジシールド３４は、さらに１つまたは複数の穴部５２を備えていてもよく、これらの穴部５２により、セラミックコーティング工程を始める前に、固定具（図示せず）により、光化学エッジシールド３４をベーンアッセンブリのエアフォイル２６の所定位置に設置することが可能となる。例えば、固定具により、突起部３８がエアフォイル２６の冷却スロット３２に入る深さが制御され得る。

セラミックコーティングでエアフォイル２６をコーティングする前に、図６に示したように、対応する１つの冷却スロット３２が突起部３８をそれぞれ受けるように、光化学エッジシールド３４はエアフォイル２６に配置される。凹部５０の各々は、冷却スロット３２の間に位置する壁部５６の対応する１つをそれぞれ受ける。位置決めアーム４０により、エアフォイル２６に対して光化学エッジシールド３４が位置決めされる。

光化学エッジシールド３４がエアフォイル２６に設置された後、図６に示されているように、光化学エッジシールド３４が、折り目６０に沿って折り曲げられて、その結果、折り重ねフラップ４２は、エアフォイル２６の後縁部３０の周囲に沿って折り曲がった状態で、エアフォイル２６の負圧側に位置する。別の実施例においては、光化学エッジシールド３４の本体４８および折り重ねフラップ４２を、別々の構成部品とすることができる。

次に、光化学エッジシールド３４は、セラミックコーティング工程の間に変形しないようにエアフォイル２６に固定される。一実施例としては、タック（仮付け）溶接を用いて光化学エッジシールド３４をエアフォイル２６に固定することができる。３〜５カ所をタック溶接することができる。別の実施例においては、光化学エッジシールド３４は、本体４８にタブを備えることができる。タブは、エアフォイル２６に接触し、光化学エッジシールド３４をエアフォイル２６に固定するように内側に曲げられる。しかし、あらゆる方法を用いて、光化学エッジシールド３４をエアフォイル２６に固定することが可能であり、当業者であれば、用いる技術を選択することができるであろう。

噴霧器５４により、例えば、従来の一般的な技術を用いてエアフォイル２６にセラミックコーティングが施される。セラミックコーティングをエアフォイル２６に施す際、冷却スロット３２に収容された光化学エッジシールド３４の突起部３８により、セラミックコーティングが冷却スロット３２に流入してスロットが詰まることがないようになっている。光化学エッジシールド３４の凹縁部４６と、エアフォイル２６の後縁部３０とが接触すること、ならびに光化学エッジシールド３４の縁部３６と、エアフォイル２６のバックエッジ２９とが接触することにより、シールが付与されて、セラミックコーティングが冷却スロット３２に流入するのをさらに防いでいる。そのため、付加的なマスキングおよびグリットブラストを用いて、冷却スロット３２からセラミックコーティングを除去する必要がなくなる。

セラミックコーティング工程が完了した後、エアフォイル２６から光化学エッジシールド３４を取り外す。固定具と穴部５２とが係合して、光化学エッジシールド３４がエアフォイルから取り外される。本発明のコーティング工程は、マスキングおよびグリットブラストを必要としないため、従来の技術と比べ安価である。

また、光化学エッジシールド３４をコーティングして、セラミックコーティングが光化学エッジシールド３４に付着するのを防ぐとともに、剥離（フレーキング）を防ぐことができる。一実施例としては、光化学エッジシールド３４に二酸化チタンからなるコーティングを適用して、セラミックコーティングが光化学エッジシールド３４に付着するのを防ぐ。

別の実施例においては、図７に示されているように、エアフォイル１２６は、逆側に湾曲している後縁部１３０を備えることができる。この実施例においては、光化学エッジシールド３４もまた、逆側に湾曲した縁部１３６を備える。すなわち、後縁部１３０と縁部１３６の曲率は、実質的に同じとなる。

ガスタービンエンジンの一実施例を示した図。 ガスタービンエンジンのベーンアッセンブリの一部分の一実施例を示した図。 光化学エッジシールドの一実施例を示した上面図。 図３の光化学エッジシールドの底面図。 図３の光化学エッジシールドの斜視図。 図３の光化学エッジシールドを配置した状態の図２のベーンアッセンブリの部分図。 ベーンおよび光化学エッジシールドの別の実施例を示した図。

Claims (20)

1. エアフォイルの複数の冷却スロットを保護する装置であって、
   複数の冷却スロットを有するエアフォイルと、
   複数の突起部を有するシールドと、
   を備え、
   前記複数の突起部の各々が、前記複数の冷却スロットにコーティングが流入しないように前記複数の冷却スロットの１つに収容されることを特徴とする装置。
2. 前記エアフォイルが、湾曲したエアフォイル縁部を備え、前記シールドが、湾曲したシールド縁部を備え、前記エアフォイル縁部の曲率が、前記シールド縁部の曲率と実質的に同じであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記コーティングがセラミックであり、前記装置が、前記コーティングを前記エアフォイルに噴霧する噴霧器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記複数の冷却スロットの数が、前記複数の突起部の数と同じであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記シールドが、前記エアフォイルに対して前記シールドを位置決めする位置決め機構をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記シールドが、シールド縁部と、凹縁部と、前記シールド縁部と前記凹縁部との間かつ前記複数の突起部の各々の間に画定された凹部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記シールドが穴部を備え、前記エアフォイルに前記シールドを配置するとともに前記エアフォイルから前記シールドを取り外すために固定具が前記穴部に係合することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記シールドが、前記複数の突起部を有する本体と、フラップと、前記本体と前記フラップとの間で厚さが薄くなっている継ぎ目と、を備え、前記エアフォイルが、正圧側および負圧側を備え、前記本体が前記エアフォイルの前記正圧側に近接して位置し、前記フラップが前記エアフォイルの前記負圧側に近接して位置するように、前記フラップが前記継ぎ目に沿って前記本体に対して可動であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 作業中に構成部品の少なくとも１つの開口部を保護するシールドであって、
   構成部品の部品形状に対応するシールド形状を有し、前記構成部品の少なくとも１つの開口部に収容され得る少なくとも１つの突起部を有するシールド縁部を備える本体と、
   前記本体に対して可動であるフラップと、
   を備えるシールド。
10. 前記シールドが、前記構成部品に対して前記シールドを位置決めする位置決め機構を備えることを特徴とする請求項９に記載のシールド。
11. 前記シールドが、凹縁部を備え、かつ複数の前記突起部を備え、前記シールド縁部と前記凹縁部との間かつ前記複数の突起部の間に凹部が画定されることを特徴とする請求項９に記載のシールド。
12. 前記構成部品がエアフォイルであり、前記少なくとも１つの開口部が、少なくとも１つの冷却スロットであることを特徴とする請求項９に記載のシールド。
13. 前記シールドが穴部を備え、固定具が前記穴部と係合して、前記エアフォイルに前記シールドを配置するとともに、前記エアフォイルから前記シールドを取り外すことを特徴とする請求項９に記載のシールド。
14. 継ぎ目が、前記本体と前記フラップとの間において厚さが薄くなっており、前記フラップが、前記継ぎ目に沿って前記本体に対して可動であることを特徴とする請求項９に記載のシールド。
15. 構成部品をコーティングする際に、前記構成部品を覆う方法であって、
    構成部品の対応する少なくとも１つの開口部にコーティングが流入しないように、シールドの少なくとも１つの突起部を、前記構成部品の前記対応する少なくとも１つの開口部に挿入するステップを含む方法。
16. 前記構成部品が、湾曲した構成部品縁部を備え、前記シールドが、湾曲したシールド縁部を備え、前記構成部品縁部の曲率が、前記シールド縁部の曲率と実質的に同じであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記コーティングが、セラミックであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記少なくとも１つの突起部が、複数の突起部を備え、前記対応する少なくとも１つの開口部が、複数の開口部を備え、前記複数の突起部の数が、前記複数の開口部の数と同じであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 前記構成部品に前記シールドを一時的に固定するステップをさらに含む請求項１５に記載の方法。
20. 前記構成部品に前記コーティングを適用するステップと、前記構成部品から前記シールドを取り外すステップと、をさらに含む請求項１５に記載の方法。
    

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