JP2011140946A - 制振コーティングを有する物品 - Google Patents
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Abstract
【課題】タービンエンジン及びその中のバケット、ブレード、ノズル、ベーン、ストラット、燃料ノズル、燃焼ケーシング及び連絡管のような物品にかかる振動応力を低減するための手段として制振コーティングを提供する。
【解決手段】約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２８重量％のＴａ２Ｏ５を残部重量のＺｒＯ２と共に含んでなる制振コーティング２を有する、バケット１、ブレード、ノズル、ベーン、ストラット、燃料ノズル、燃焼ケーシング及び連絡管のような物品とする。
【選択図】図３
【解決手段】約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２８重量％のＴａ２Ｏ５を残部重量のＺｒＯ２と共に含んでなる制振コーティング２を有する、バケット１、ブレード、ノズル、ベーン、ストラット、燃料ノズル、燃焼ケーシング及び連絡管のような物品とする。
【選択図】図３
Description
本発明は、一般に、制振コーティングを有する物品に関する。より詳細には、本発明は、高温のガス及び燃焼過程に暴露されるもののようなタービンエンジン物品に関し、このタービンエンジン物品はその上に制振コーティングを有する。
通例、タービンエンジン及びその中の物品は、タービンエンジンの作動中に存在する過酷な環境に起因する振動応力を受ける。
本開示の第１の態様は、約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２８重量％のＴａ２Ｏ５を残部重量のＺｒＯ２と共に含む制振コーティングを有する物品を提供する。
本開示の第２の態様は、タービンエンジン内で高温のガス過程に暴露される物品を提供し、この物品は約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２０重量％のＴａ２Ｏ５を残部重量のＺｒＯ２と共に含む制振コーティングを有する。
本開示の第３の態様は、タービンエンジン内で燃焼過程に暴露される物品を提供し、この物品は約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２０重量％のＴａ２Ｏ５を残部重量のＺｒＯ２と共に含む制振コーティングを有する。
本発明の上記及びその他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付の図面に関連した本発明の様々な態様に関する以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
タービンエンジン及びその中の物品にかかる振動応力を低減するための現行の手段は概して本質的に機械的である。機械的手段の典型的な例として、翼プラットフォームの下のローター構造体に挿入されたバネ様ダンパー、翼先端シュラウドに含まれるダンパー、ペンダンパー、チクレットダンパー及び／又はウェハーダンパーを挙げることができる。以上の制振方法は、例えば、現代のタービンブレードの設計の場合のようにシャンク長さ（ブレードの取付部からプラットフォームまでの長さ）が減少したときなど、完全に有効ではないことがある。また、伝統的な制振手段は、新しい大きなタービンブレードの設計の場合のように翼の外側スパンにのみ変位がある様式でも完全に有効ではないことがある。
本明細書に記載した制振コーティングの幾つかの実施形態を実施して実現され得る１つの利点は、フェロ弾性特性及び本明細書に記載した組成を有する制振コーティングが、タービンエンジン及び／又はその中の様々な物品の表面上で、タービンエンジンの作動中それにかかる振動応力を顕著に低減するということであることが発見された。この制振コーティングは酸化タンタルをドープしたイットリア安定化ジルコニアを含んでなり、これは外部からかけられた（振動応力のような）応力の下で切り替わるフェロ弾性ドメインを示し、その結果かかった応力を消散することにより、タービンエンジン及び／又はその中の物品に制振能力を付与する。
本明細書に記載した制振コーティングの幾つかの実施形態の実施の際に実現し得る１つの利点は、この制振コーティングがタービンエンジン及び／又はその中の物品の振動を低減することによって、タービンエンジン及び／又はその中の物品の構造的完全性及び運転寿命が増大するように振動特性を変化させるということであることも発見された。また、結果として得られる低下した疲労応力と増大した疲労寿命により、より効率的なタービンエンジン及び／又はその中の物品、例えば、より大きく、より薄く、より効率的なタービン翼の設計が可能になるということも発見された。
図１を参照すると、燃焼タービンエンジン１００の一実施形態の概略図が示されている。エンジン１００は圧縮機１０２と燃焼器１０４を含んでいる。燃焼器１０４は燃焼領域１０５と燃料ノズルアセンブリ１０６を含んでいる。エンジン１００はまたタービン１０８と共通の圧縮機／タービンシャフト１１０（ローター１１０ということもある）も含んでいる。一実施形態では、エンジン１００はＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国ニューヨーク州スケネクタディ）から市販されている９ＦＢエンジンといわれることもあるＭＳ７００１ＦＢエンジンである。本発明は特定のエンジンに限定されることはなく、例えばＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社のＭＳ７００１ＦＡ（７ＦＡ）及びＭＳ９００１ＦＡ（９ＦＡ）、ＧＥ９０、並びにＬＭＳ１００エンジンモデルを始めとする他のエンジンと共に使用してもよい。その他の例として、Ｆ１１９ Ｐｒａｔｔ ａｎｄ Ｗｈｉｔｎｅｙ社製の軍用エンジン並びに８０００Ｈ Ｓｉｅｍｅｎｓ機械もある。
作動の際、空気が圧縮機１０２を通って流れ、圧縮された空気が燃焼器１０４に供給される。具体的にいうと、圧縮された空気は燃焼器１０４と一体の燃料ノズルアセンブリ１０６に供給される。アセンブリ１０６は燃焼領域１０５と流動連通している。燃料ノズルアセンブリ１０６は燃料源（図１には示してない）とも流動連通しており、燃料と空気を燃焼領域１０５に流す。燃焼器１０４は燃料に点火し、これを燃焼させる。燃焼器１０４はタービン１０８に流動連通しており、そこでガス流の熱エネルギーが機械的回転エネルギーに変換される。タービン１０８はローター１１０に回転可能なように結合しており、これを駆動する。圧縮機１０２もシャフト１１０に回転可能に結合している。実例の実施形態では、複数の燃焼器１０４と燃料ノズルアセンブリ１０６がある。
図２を参照すると、図１の燃焼タービンエンジン１００と共に使用し得る三段階ノズルをもった実例のタービンアセンブリ１０８の一実施形態の断面図が示されている。タービンアセンブリ１０８はベーンサブアセンブリ１１２を含んでいる。ベーンサブアセンブリ１１２は半径方向外側のプラットフォーム１１４と半径方向内側のプラットフォーム１１６によりタービンアセンブリ１０８に保持されている。
本発明の一実施形態では、約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２８重量％のＴａ２Ｏ５と共に残部重量のＺｒＯ２を含んでなる制振コーティングを有する物品が提供される。残部重量という用語は、残りの割合、すなわち、制振コーティングの成分の記載した割合の総和を総重量割合１００から差し引いたときの割合が、制振コーティング中に存在するＺｒＯ２の重量％であることを意味する。例えば、本明細書に記載した制振コーティングの一実施形態では、制振コーティング中に約１０重量％のＹ２Ｏ３と約２０重量％のＴａ２Ｏ５が存在するならば、存在するＺｒＯ２の残部重量は７０重量％［１００−（１０＋２０）］である。
一実施形態では、物品はエンジンの部品であり得る。別の実施形態では、エンジンは図１及び／又は図２に記載したエンジンであってもよいし、本明細書に記載した制振コーティングで被覆することができる物品を有するエンジンであってもよい。別の実施形態では、エンジンは少なくとも１つのガスタービンエンジン、ロケットエンジン及び超音速燃焼ラム（ＳＣＲＡＭ）ジェットエンジンからなる群から選択され得る。別の実施形態では、エンジンは回転ハードウェアをもたない自立燃焼エンジンであってもよい。
一実施形態では、エンジン物品は図１及び／又は図２に記載した物品又は本明細書に記載した制振コーティングで被覆することができるエンジン物品であり得る。別の実施形態では、物品は高温のガスプロセス及び／又は燃焼過程に暴露される少なくとも１種の物品からなる群から選択され得る。一実施形態では、物品は少なくとも１つのバケット、ブレード、ノズル、ベーン、ストラット、タービンケーシング及びローターからなる群から選択され得る。別の実施形態では、物品は少なくとも１つの燃料ノズル、燃焼ケーシング、燃焼ライナー及び連絡管からなる群から選択され得る。
本発明の制振コーティングは特定のタービンエンジン及び／又はその中の物品に限定されることはなく、その他のエンジン及び／又はその中の物品に使用してもよい。さらに、本発明の制振コーティングは、本明細書に記載した物品ではなく、本明細書に記載した制振コーティングのフェロ弾性特性が有用であり得る他の物品と共に使用してもよい。
一実施形態では、本明細書に記載したエンジン及び／又はその中のエンジン物品を被覆するのに使用される制振コーティングは約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２８重量％のＴａ２Ｏ５と共に残部重量のＺｒＯ２を含み得る。別の実施形態では、制振コーティングは、さらに、ドーパントを含んでいてもよく、その少なくとも１種は酸化物及び希土類酸化物から選択され得る。一実施形態では、酸化物は少なくとも１種のＣａＯ、ＭｇＯ及びＴｉＯ２からなる群から選択され得る。別の実施形態では、希土類酸化物はＣｅＯ２及びＹｂ２Ｏ３の少なくとも１種からなる群から選択され得る。別の実施形態では、酸化物は少なくとも１種のＣａＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２及びＹｂ２Ｏ３からなる群から選択され得る。
制振コーティングの一実施形態では、コーティングは７２．７６重量％のＺｒＯ２、８．０２重量％のＹ２Ｏ３及び１９．２２重量％のＴａ２Ｏ５からなり得る。別の実施形態では、制振コーティングは８５．４４重量％のＺｒＯ２、７．４９重量％のＹ２Ｏ３、４．４重量％のＴｉＯ２及び２．６７重量％のＴａ２Ｏ５からなり得る。別の実施形態では、制振コーティングは正方晶ジルコニアからなり得る。
一実施形態では、制振コーティングは、高温でエンジン及び／又はエンジン物品の振動応力を吸収することにより振動減衰を提供するフェロ弾性特性を有する。一実施形態では、制振コーティングは約７００℃〜約１３５０℃の範囲の温度でフェロ弾性を示す。別の実施形態では、制振コーティングは約７６０℃でフェロ弾性を示す。フェロ弾性は、材料が自発的な歪みを示し得る現象である。フェロ弾性材料に応力がかかると、材料内に１つの配向から同等に安定であるが異なる配向（「双」相）へのドメイン変化が起こる。この応力により誘発された相変化の結果材料内に自発的な歪みが生じる。
制振コーティングのフェロ弾性特性は、歪みεとかけられた応力との間のヒステリシスループの存在によって特徴付けることができよう。正方晶ジルコニアの場合、単位格子のｃ軸は他の２つの直交軸ａ及びｂ（＝ａ）より約１％〜約２％大きい。ｃ−軸に沿って、例えば振動応力によって誘発される（保磁力σｃの程度の）、かかった圧縮応力は、ｃ−軸の他の２つの直交軸の１つへのフェロ弾性変態を促進することができ、正方晶比ｃ／ａに比例するフェロ弾性歪みを伴う。フェロ弾性変態は全ての単位格子の同時の切り替えとしては起こらないが、同様な配向を有するドメインの変態によって進行する。
制振コーティングの一実施形態では、コーティングは、単位格子のｃ軸が他の２つの直交軸ａ及びｂ（＝ａ）より約１％〜約２％大きく、ｃをａで割った商が１より大きいという基準を満たす限り、現在存在するが本明細書には述べなかった他のフェロ弾性材料又はまだ発見されてない他のフェロ弾性材料からなってもよい。制振コーティングの別の実施形態では、コーティングは、単位格子のｃ軸が他の２つの直交軸ａ及びｂ（＝ａ）より約１％〜約２％大きく、ｃをａで割った商が１より大きいという基準を満たす限り、現在存在するが本明細書では述べなかった他の正方晶ジルコニア材料又はまだ発見されてない他の正方晶ジルコニア材料からなっていてもよい。
本明細書に記載した制振コーティングを形成する方法は当技術分野で公知であり、簡明にするためにこれ以上述べることはしない。
本発明の一実施形態では、本明細書に記載した制振コーティングは、空気プラズマ、高速オキシ燃料溶射（ＨＶＯＦ）及び真空プラズマ溶射のような溶射過程により、本明細書に記載したエンジン及び／又はエンジン部品に設置することができる。別の実施形態では、電子ビーム物理的蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）のような物理的蒸着プロセスを使用することができる。以上のプロセスは当技術分野で公知であり、簡明にするためにこれ以上述べることはしない。
図３を参照すると、制振コーティング２を有するエンジン物品のタービンバケット１の一実施形態が示されている。この制振コーティングの様々な実施形態は本明細書に述べられており、簡明にするためにこれ以上さらに述べることはしない。一実施形態では、制振コーティング２（陰を付けた領域で示す）はタービンバケット２全体を被覆してもよい。別の実施形態では、制振コーティング２はタービンバケット２の選択された表面領域を被覆してもよい。
本明細書で「第１」、「第２」などの用語は順序、数量又は重要性を意味するものではなく、１つの要素を別の要素から区別するために使用されており、本明細書中の単数形態の用語は量の限定を意味するのではなく、参照された対象が少なくとも１つ存在することを意味している。量に関連して使用される「約」という修飾語は表記された値を含み、情況により示される意味を有する（例えば、特定の量の測定に伴う程度の誤差を含む）。また、本明細書中の単数形態の用語は複数も含み、例えば、金属といえば１種以上の金属を意味する。本明細書に開示されている範囲は包括的であり、独立に組み合わせることができる（例えば、「約２５重量％まで又はより特定的には、約５重量％〜約２０重量％」の範囲は終点を含み、また「約５重量％〜約２５重量％」等の範囲内の全ての中間の値を含む）。
以上、様々な実施形態を本明細書に記載して来たが、本明細書からすぐ分かるように、当業者は様々な組合せの要素、変形又は改良をなすことができ、それらは本発明の範囲内に入る。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正を行うことができる。従って、本発明は本発明を実施する上で考えられる最良の実施形態として開示された特定の実施形態に限定されることなく、本発明は特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を包含する。
１ タービンバケット
２ 制振コーティング
１００ 燃焼タービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０５ 燃焼領域
１０６ 燃料ノズルアセンブリ
１０８ タービン
１１０ 圧縮機／タービンシャフト（ローター）
１１２ ベーンサブアセンブリ
１１４ 半径方向外側のプラットフォーム
１１６ 半径方向内側のプラットフォーム
２ 制振コーティング
１００ 燃焼タービンエンジン
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０５ 燃焼領域
１０６ 燃料ノズルアセンブリ
１０８ タービン
１１０ 圧縮機／タービンシャフト（ローター）
１１２ ベーンサブアセンブリ
１１４ 半径方向外側のプラットフォーム
１１６ 半径方向内側のプラットフォーム
Claims (10)
- 約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２８重量％のＴａ２Ｏ５を残部重量のＺｒＯ２と共に含んでなる制振コーティング（２）を有する物品。
- 物品がエンジン（１００）の一部である、請求項１記載の物品。
- エンジン（１００）が少なくとも１つのガスタービン、ロケットエンジン及び超音速ラムジェットエンジンからなる群から選択される、請求項２記載の物品。
- 物品が、高温ガス過程に暴露される物品及び燃焼過程に暴露される物品の少なくとも１つからなる群から選択される、請求項１記載の物品。
- タービンエンジン（１００）において高温ガス過程に暴露される物品であって、約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２０重量％のＴａ２Ｏ５を残部重量のＺｒＯ２と共に含む制振コーティング（２）を有する、前記物品。
- 物品が、少なくとも１つのバケット（１）、ブレード、ノズル（１０６）、ベーン（１１２）、ストラット、タービンケーシング及びローター（１１０）からなる群から選択される、請求項５記載の物品。
- コーティング（２）がさらにドーパントを含んでおり、その少なくとも１種が少なくとも１つのＣａＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２及びＹｂ２Ｏ３からなる群から選択される、請求項５記載の物品。
- タービンエンジン（１００）内で燃焼過程に暴露される物品であって、約８重量％〜約１５重量％のＹ２Ｏ３及び約１９重量％〜約２０重量％のＴａ２Ｏ５を残部重量のＺｒＯ２と共に含んでなる制振コーティング（２）を有する、前記物品。
- 物品が、少なくとも１つの燃料ノズル（１０６）、燃焼ケーシング、燃焼ライナー及び連絡管からなる群から選択される、請求項８記載の物品。
- コーティング（２）がさらにドーパントを含んでおり、その少なくとも１つが少なくとも１つのＣａＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２及びＹｂ２Ｏ３からなる群から選択される、請求項８記載の物品。
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