JP2007170398A - ガスタービン構成部品を被覆する方法及びタービンブレード - Google Patents

Abstract

【課題】外表面を有しかつ少なくとも1つの内部通路を含むタービンブレード（４０）の該内部通路の表面上に金属皮膜を形成する方法（１００）を提供する。
【解決手段】本方法は、タービンブレードの内部通路の少なくとも1つ内にペイントを注入する段階（１０２）と、タービンブレードを熱処理して少なくとも1つの内部通路の表面上にアルミナイド皮膜が堆積するようにする段階（１０４）とを含む。前記タービンブレード（４０）の熱処理は、拡散熱処理法を利用することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンの構成部品上に保護皮膜を堆積させる方法に関する。

ガスタービンエンジンは一般的に、高圧及び低圧圧縮機と、燃焼器と、少なくとも１つのタービンとを含む。圧縮機は空気を加圧し、加圧された空気は、燃料と混合されかつ燃焼器に導かれる。混合気は次に、点火されて高温燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスはタービンに導かれ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを抽出して、圧縮機を駆動すると共に飛行中の航空機を推進する或いは発電機のような負荷を駆動するような有用な仕事を行う。

ガスタービンエンジン内の作動環境は、熱的にも化学的にも過酷である。耐熱合金における大きな進歩が、鉄、ニッケル及びコバルト基超合金の形成によって達成されてきたが、そのような合金で形成した構成部品は、タービン、燃焼器及びオーグメンタのようなガスタービンエンジンの特定のセクション内に設置された場合には、長期間にわたる実使用の露出に耐えることができないことが多い。一般的な解決法は、タービン、燃焼器及びオーグメンタ構成部品に、酸化及び高温腐食を防止する環境皮膜、又は酸化及び高温腐食を防止することに加えてさらに構成部品の表面をその作動環境から断熱する断熱皮膜（ＴＢＣ）システムを設けることである。

環境皮膜としての広範な使用が見出された皮膜材料には、拡散アルミナイド皮膜が含まれる。アルミナイド皮膜は一般に、ニッケル基体ベース材料の環境保護を行うためにタービン構成部品の内部通路に施工される。アルミナイドを堆積させるために、一般的には、気相アルミナイド（ＶＰＡ）法、化学蒸着（ＣＶＤ）法又はスラリー注入法のような方法が利用される。ＶＰＡ及びＣＶＤアルミナイド法は、大きな部分上にアルミナイド皮膜を形成させるのには有用な方法であるが、タービン構成部品の冷却孔の内表面上にのみアルミナイド皮膜を選択的に形成すことはほとんどできない。

さらに、スラリー注入アルミナイド法は、エンジンハードウエアの内部空洞を選択的に被覆するのには有効な方法である。スラリー注入法は、内部空洞に高粘度のアルミナイド濃厚スラリーを注入する段階と、スラリーを熱処理してアルミナイド皮膜を形成する段階と、次に被覆した空洞から残留スラリーを除去する段階とを含む。しかしながら、冷却孔の直径が余りにも小さくなると、比較的高粘度のスラリーは、容易には冷却孔内に注入することができない。加えて、スラリー法による皮膜の被覆均一性は、拡散熱処理の間における炉の状態に左右される。最後に、熱処理後における比較的高粘度の残留スラリーの除去は、かなり困難な課題である。
米国特許第５，１６９，６８９号公報 米国特許第５，２３６，７４５号公報 米国特許第５，４０３，６６９号公報 米国特許第５，４１９，９７１号公報 米国特許第５，８１７，３７１号公報 米国特許第６，０２０，０７５号公報 米国特許第６，１６８，８７４Ｂ１号公報 米国特許第６，４４０，４９６Ｂ１号公報 米国特許第６，４６５，０４０Ｂ２号公報 米国特許第６，５０３，５７４Ｂ１号公報 米国特許第６，５５５，１７９Ｂ１号公報 米国特許第６，８００，３７６Ｂ１号公報

１つの態様では、タービンブレードの内部通路の表面上に金属皮膜を形成する方法を提供する。本方法は、タービンブレードの内部通路の少なくとも１つ内にペイントを注入する段階と、タービンブレードを熱処理して少なくとも１つの内部通路の表面上にアルミナイド皮膜が堆積するようにする段階とを含む。

タービンロータブレードの内部通路を金属皮膜で被覆する方法を以下に詳しく説明する。本方法は、ＣＶＤ法を利用してその内表面上に拡散アルミナイド皮膜を堆積させるように内部冷却通路を被覆して内部蛇行冷却通路を酸化及び高温腐食から保護する段階を含む。本方法は、公知の被覆法よりも低い温度で行われまた公知の被覆法よりも少ない工程を含み、それによって生産時間が短縮されかつ製造コストが低減される。

図面を参照すると、図１は、ファン組立体１２とコアエンジン１３とを含むガスタービンエンジン１０の概略図であり、コアエンジン１３は、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６と、高圧タービン１８とを含む。エンジン１０はまた、低圧タービン２０とブースタ２２とを含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８と排気側３０とを有する。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＧＥ９０型である。ファン組立体１２とタービン２０とは、第１のロータシャフト３１によって結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のロータシャフト３２によって結合される。

作動時には、空気が中央軸線３４に沿ってファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気が、高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３１を介してファン組立体１２を駆動する。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）に使用することができるタービンロータブレード４０の概略斜視図である。図３は、タービンロータブレード４０の内部の概略図である。図２及び図３を参照すると、例示的な実施形態では、複数のタービンロータブレード４０は、ガスタービンエンジン１０の高圧タービンロータブレード段（図示せず）を形成する。この例示的な実施形態では、各ロータブレード４０は、ニッケルベースの材料で作られ、中空翼形部４２と、該翼形部４２を公知の方式でロータディスク（図示せず）に取り付けるために使用される一体形のダブテール４３とを含む。

翼形部４２は、第１の側壁４４と第２の側壁４６とを含む。第１の側壁４４は、凸面形であり、翼形部４２の負圧側面を形成し、また第２の側壁４６は、凹面形であり、翼形部４２の正圧側面を形成する。側壁４４及び４６は、翼形部４２の前縁４８及び該前縁４８の下流に位置する後縁５０において結合される。

第１及び第２の側壁４４及び４６は、それぞれダブテール４３に隣接して位置したブレード根元５２から先端プレート５４まで翼長にわたって長手方向つまり半径方向外向きに延び、先端プレート５４は、内部冷却チャンバ５６の半径方向外側境界を形成する。冷却チャンバ５６は、側壁４４及び４６間で翼形部４２内に形成される。翼形部４２の内部冷却は、当技術分野において公知である。この例示的な実施形態では、冷却チャンバ５６は、圧縮機ブリード空気で冷却される蛇行通路５８を含む。

冷却空洞５６は、後縁５０に沿って長手方向（軸方向）に延びる複数の後縁スロット７０と流れ連通状態になっている。具体的には、後縁スロット７０は、正圧側壁４６に沿って延びる。各後縁スロット７０は、第１の側壁７４及び第２の側壁７６によって正圧側壁４６から分離された凹壁７２を含む。冷却空洞出口開口７８が、冷却空洞５６から凹壁７２に隣接した各後縁スロット７０まで延びる。各凹壁７２は、後縁５０から冷却空洞出口開口７８まで延びる。複数のランド部８０が、各後縁スロット７０を隣接する後縁スロット７０から分離する。側壁７４及び７６は、ランド部８０から延びる。

図４は、図２に示すタービンロータブレード４０の内部通路５６を被覆する方法１００のフロー図である。この例示的な実施形態では、方法１００は、タービンロータブレード４０の少なくとも一部分の内表面上にアルミニウムベースのペイントの層を堆積させる段階１０２を含む。「ペイント」という用語は、水ベースの結合剤と該結合剤と混合した各々が約１×１０^−９の直径を有する複数のアルミニウム粒子とを含む比較的低粘度のスラリー又は混合物を表すために全体を通して使用する。

ペイントは、約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）よりも小さい直径を有するタービンブレード４０内の少なくとも１つの開口内に注入される。この例示的な実施形態では、ペイントは、例えば開口７８のような約０．０５１ｍｍ（０．００２インチ）〜０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）の直径を有する少なくとも１つの開口内に注入される。この例示的な実施形態では、ペイントは、空気圧式注入シリンジ８２を利用してタービンブレード開口７８内に注入される。

方法１００はまた、拡散熱処理法を利用して、ペイントしたタービンブレードを熱処理してアルミニウムの層とタービンブレードニッケル基体との間の冶金学的相互作用を促進する段階１０４を含む。この例示的な実施形態では、拡散熱処理法は、約９２７〜１０６６℃（１７００〜１９５０°Ｆ）の温度範囲内で行われる。この例示的な実施形態では、タービンブレード４０は、約１時間〜約２時間、拡散熱処理法を利用して熱処理される。具体的には、拡散熱処理法を行う時間及び温度は、この方法によって得られる冶金学的厚さの結果に基づいて決定される。

拡散熱処理法の結果、アルミニウムペイントの水ベースの結合剤は蒸散して、その厚さが約０．０２５〜０．０７６ｍｍ（０．００１〜０．００３インチ）の厚さを有するアルミナイド皮膜がタービンブレードの少なくとも１つの内部通路の表面上に堆積される。

上記の方法１００により、タービンブレード４０内又は該タービンブレード４０を貫通して形成された比較的小さい開口の内表面を保護アルミナイド皮膜で被覆することができる。具体的には、方法１００は、注入装置を利用してアルミニウムベースのペイントを開口内に注入する段階と、次に拡散熱処理法を利用して、ペイント結合剤が蒸散して開口の表面上にアルミナイド皮膜が堆積するようにする段階とを含む。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すタービンロータブレードの概略斜視図。 図２に示すタービンロータブレードの内部の概略図。 図２に示すタービンロータブレードの内部通路を被覆する方法のフロー図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１３ コアエンジン
１４ 圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタ
２４ ブレード
２６ ロータディスク
２８ 吸気側
３０ 排気側
３１ 第１のロータシャフト
３２ 第２のロータシャフト
３４ 中央軸線
４０ タービンロータブレード
４２ 翼形部
４３ ダブテール
４４ 第１の側壁
４６ 第２の側壁
４８ 前縁
５０ 後縁
５２ ブレード根元
５４ 先端プレート
５６ 冷却チャンバ
５８ 蛇行通路
７０ 後縁スロット
７２ 凹壁
７４ 第１の側壁
７６ 第２の側壁
７８ 開口
８０ ランド部
８２ 空気圧式注入シリンジ
１００ 方法
１０２ 堆積させる段階
１０４ 処理する段階

Claims (10)

1. 外表面を有しかつ少なくとも1つの内部通路を含むタービンブレード（４０）の前記内部通路の表面上に金属皮膜を形成する方法（１００）であって、
   前記タービンブレードの内部通路の少なくとも1つ内にペイントを注入する段階（１０２）と、
   前記タービンブレードを熱処理して前記少なくとも1つの内部通路の表面上にアルミナイド皮膜が堆積するようにする段階（１０４）と、
   を含む方法（１００）。
2. 拡散熱処理法を利用して前記タービンブレード４０を熱処理する段階（１０４）をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
3. 空気圧式注入シリンジ（８２）を利用してアルミニウムベースのペイントを前記タービンブレード（４０）の少なくとも1つの内部通路内に注入する段階をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
4. 前記タービンブレード（４０）が、ニッケルベースの材料で作られており、該方法（１００）が、前記タービンブレードを熱処理して前記アルミニウムベースのペイントと前記ニッケルベースの材料との間で相互作用が生じるようにする段階（１０４）をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
5. 前記タービンブレード通路が、０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）よりも小さい直径を有しており、該方法が、アルミニウムベースのペイントを前記少なくとも１つのタービンブレード通路内に注入する段階（１０２）をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
6. 前記タービンブレード通路が、翼形部後縁（５０）から翼形部（４２）内に形成された空洞（５６）まで延びる少なくとも１つの開口（７８）を含み、該方法が、アルミニウムベースのペイントを前記少なくとも１つの開口内に注入する段階（１０８）をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
7. アルミニウムベースのペイントを前記タービンブレード（４０）の内部通路の少なくとも１つ内に注入する段階（１０２）をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
8. 前記ペイントが、水ベースの結合剤と複数のアルミニウム粒子とを含み、該方法が、前記ペイントを熱処理して前記水ベースの結合剤が蒸散しかつ前記アルミニウム粒子が前記通路の表面上にアルミナイド皮膜を形成するようにする段階（１０４）をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
9. 前記タービンブレード（４０）を熱処理して、その厚さが０．０２５〜０．０７６ｍｍ（０．００１〜０．００３インチ）の厚さを有するアルミナイド皮膜が前記少なくとも１つの内部通路の表面上に堆積するようにする段階（１０４）をさらに含む、請求項１記載の方法（１００）。
10. その内部通路の表面の少なくとも一部分上に、請求項１乃至９のいずれか１項により形成された金属皮膜を有する、タービンブレード（４０）。

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