JP2011185272A - 流体機械でアブレイダブル被膜として使用される表面形状を付形された表面 - Google Patents

Abstract

【課題】流体機械において、ブレード先端にとって好適とされるアブレイダブル被膜を提供する。
【解決手段】流体機械でアブレイダブル被膜として摩耗表面が使用される。ブレード先端の移動で材料が除去されて形成される摩耗表面１０が生じる。この表面は、空所状の陥凹部１１を囲むリブ１５によって形成される。アブレイダブル被膜はストリップ状の構成要素５で構成されたパターンを形成し、基準格子４０における屈曲位置４１，４２の間を結ぶ線４５上をリブ方向に沿って位置する。摩耗表面１０の各位置における大部分、すなわち摩耗表面の少なくとも８０〜９０％を超える部分で、リブ方向はブレード先端２の移動方向ｖと相違される。摩耗表面の２／３で、移動方向はリブ方向から３０゜よりも大きな角度、４５゜よりも大きな角度でずれている。摩耗表面のストリップ状の構成要素５は、湾曲、分離および（または）部分的に連結されたストリップとして形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、流体機械で被摩耗部材すなわちアブレイダブル被膜として使用される請求項１の前文に記載の表面形状を付形された表面、およびその形式のアブレイダブル被膜を備えた流体機械に関する。アブレイダブル被膜として使用される表面形状を付形された表面は、以下に短縮してアブレイダブル被膜と呼ぶことにする。

航空機の推進ユニット、固設されたガス・タービン、ターボ・コンプレッサおよびポンプのような流体機械では、高い効率を得るために、ローター・ブレードを担持したローターの外周面位置における運転時のブレード先端とハウジングとの間のシール間隙は非常に狭いことが必要とされる。ローター・ブレードの先端が沿って移動するハウジング内面にアブレイダブル被膜を使用することにより、ブレード先端を損傷することのない最小限のシール間隙を形成することが可能になる。約８００゜Ｃ以上の高い作動温度のため、アブレイダブル被膜はセラミック材料で製造されねばならず、セラミック材料は熱スプレー法、すなわち火炎スプレーまたは大気プラズマスプレーによって塗布される。焼失させることのできる相（重合材粉末）をセラミック・スプレー粉末に混合することで、アブレイダブル被膜の気孔性が得られ、この気孔性のために、回転するローターのブレード先端によってアブレイダブル被膜の表面から微細片の削り取りが可能になる。

表面形状を付形されていない表面を有するセラミック・アブレイダブル被膜の場合、ブレード先端が摩接時に損傷されないようにするために、例えばレーザーによる再溶融を行うと同時に硬質粒子を付与して、ブレード先端は一般に補強される。削り取られた摩耗粒子は実質的に抵抗を生じることなくシール間隙から排出できねばならない。表面形状を付形された表面を有するアブレイダブル被膜は特許文献１によって周知である。これによれば、摩耗粒子は問題を生じることなくシール間隙から排出されること、およびブレード先端の補強は不要であることが期待されている。しかしながら試験によれば、摩接時に補強していないブレード先端には、ブレード先端に波形縁を生じるようにして材料の摩耗が生じた。ブレード先端におけるこの種の材料の摩耗は、許容することができない。

欧州特許出願第０９３５００９号明細書

本発明の目的は、補強していないブレード先端にとって好適とされるアブレイダブル被膜を形成することである。この目的は、請求項１に記載された特徴を付与されたアブレイダブル被膜によって達成される。

表面形状を付形された表面は、流体機械でアブレイダブル被膜として使用される。それらの機械では、ブレード先端は表面形状を付形されたアブレイダブル被膜の上を所定の方向へ移動する。そのように移動することで部分的な表面、すなわち摩耗表面が形成され、これは材料が除去されて形成される。表面形状は空所状の陥凹部を囲むリブによって形成される。リブ方向はいずれの場合もリブと関係づけることができる。摩耗表面はカートリッジ状の構成要素で構成されたパターンを形成し、それらの構成要素は基準格子における屈曲位置の間を結ぶ線上をリブ方向に沿って位置する。大部分の摩耗表面の各位置において、すなわち摩耗表面の少なくとも８０％〜９５％において、リブ方向はブレード先端の移動方向とは異なる。摩耗表面の少なくとも２／３に関しては、移動方向はリブ方向から３０゜よりも大きい角度、好ましくは４５゜よりも大きい角度でずれている。摩耗表面のストリップ状の構成要素は湾曲、ならびに分離および（または）部分的に連結されたストリップとされることができる。

ブレード先端の移動方向が考慮されて設計される本発明によるアブレイダブル被膜の表面形状によれば、補強していないブレード先端における材料の除去は少なくなり、さらに材料の除去は先端縁の全体に沿って一様に分布される。さらにブレード先端における材料の除去を減少するために、ブレード先端に対する補強を行うこともできる。

従属する請求項２〜請求項７は本発明によるアブレイダブル被膜の有利な実施例に関する。請求項８〜請求項１０の主題は、この形式のアブレイダブル被膜を備えた流体機械である。

摩耗表面上をブレード先端が移動するアブレイダブル被膜の断面図。 アブレイダブル被膜の斜視図。 本発明によるアブレイダブル被膜の摩耗表面の第１のパターンを示す概略図。 第１のパターンの変更形を示す概略図。 第１のパターンの他の変更形を示す概略図。 本発明による他の摩耗表面のパターンを示す概略図。 本発明によるさらに他の摩耗表面のパターンを示す概略図。 本発明によるさらに他の摩耗表面のパターンを示す概略図。 本発明によるさらに他の摩耗表面のパターンを示す概略図。 本発明によるさらに他の摩耗表面のパターンを示す概略図。 等辺五角形および菱形を含む「ペンローズ」構造を有する基準格子を示す説明図。 摩耗表面の対応するパターンを示す概略図。 シュラウド付きブレードを備えたブレード先端を示す斜視図。

本発明は、以下に図面を参照して説明される。

図１に横断面として示されるアブレイダブル被膜１は表面形状を付形された表面を有し、その表面上でブレード先端２が平面２０内を所定の方向ｖへ移動する。リブ１５はその表面の表面形状を形成している。それらのリブは空所状の陥凹部１１を囲んでいる。アブレイダブル被膜１の本来の表面１０''は一点鎖線で示される。平面１０’の摩耗された表面（摩耗表面）１０はブレード先端２が材料を除去することで形成されている。平面２０と摩耗表面１０との間の狭い間隙はシール間隙であり、これは材料の除去によって形成される。摩耗表面１０は、ストリップ状の構成要素５で構成されるように想像することのできるパターンを形成する。摩耗表面１０および陥凹部１１を有すアブレイダブル被膜１は図２に斜視図で示されている。続く図３〜図１２は、本発明によるアブレイダブル被膜１の材料が除去されて形成される摩耗表面１０の種々のパターンを示している。摩耗表面１０のストリップ状の構成要素５は湾曲することができる。それらの構成要素は分離および（または）部分的に連結されたストリップとして形成されることもできる。

アブレイダブル被膜１は熱スプレー法によって金属基材３に付与される。材料は、高温で使用されるために例えばセラミック材を含むものが使用される。また材料は、補強しない表面形状を付形されたアブレイダブル被膜における使用で既に周知である（例えば、米国特許第５４３４２１０号を参照）。基材３はウェブ３５を備えた表面形状を付形された表面を有する。この表面形状はさまざまな形状として与えられる。すなわち、鋳造本体の鋳造表面形状として、皿穴状の腐食または機械的切削加工による本来は平坦な金属本体に形成される表面形状として、はんだ付けまたはレーザー溶接または拡散溶接によって金属本体に付与された編んだ状態または単独の金属ワイヤーによる表面形状として、またはレーザー照射溶接によるマイクロ鋳造法で付与されたリブ形態による表面形状として与えられる。

ウェブ３５に熱スプレー法でリブ１５を構成できるようにするために、ストリップ状の構成要素５の幅は約１ｍｍよりも大きくされねばならない。アブレイダブル被膜１からの材料の除去で損傷が全く生じないようにするために、これらの幅はブレード先端の横断面の幅（移動方向ｖにおける幅）と同じ程度の大きさとされねばならない。すなわち、それらはこの横断面での幅のアブレイダブル被膜１〜３倍を超えては成らない。

ウェブ３５は基材３のランプ３０へ向かって狭まる横断面を有する。それらまた上述したＥＰ−Ａ０９３５００９で知られているように、ランプ３０に間隙を形成する。この形状の結果として、アブレイダブル被膜１を形成する材料はウェブ３５の間の陥凹部３１内で留められる。

リブの方向はいずれの場合にもリブ１５と関係付けることができる。本発明によれば、リブ方向は摩耗表面１０の各位置にてブレード先端２の移動方向ｖとは大きく相違されねばならない。これにおいて「大きく」という用語は、ブレードの移動方向およびリブの同様な配向が摩耗表面１０のせいぜい５〜１５％、または２０％において存在することを意味する。その配向が同じとされる度合いは経験的に決定されねばならない。摩耗表面１０の少なくとも２／３において本発明により移動方向ｖはリブ方向から３０゜よりも大きな角度、好ましくは４５゜よりも大きな角度で相違されねばならない。これらの条件が満たされるならば、補強していないブレード先端２を使用することができる。

図３には、本発明によるアブレイダブル被膜１の摩耗表面１０の第１のパターンが示されている。このパターンはストリップ状の構成要素（５）で構成されている。これらの構成要素５は、基準格子４０の屈曲位置４１，４２の間を結ぶ線４５上のリブ１５の方向に位置される。これらの軸線ｘ₁，ｘ₂，ｙは基準格子４０の各屈曲位置４１または４２に関連づけることができる。角度α₁₂，α₂，α₁はこれらの軸線の間にそれぞれ与えられる。ａ₁，ａ₂，ｂで示されるリブ１５がそれぞれ軸線ｘ₁，ｘ₂，ｙ上に位置する。リブａ₁，ａ₂はリブｂに比較して２倍以上長い。いずれの例においても角度α₂，α₁，α₁₂は１００゜よりも大きく１５０゜未満（合計で３６０゜）である。図示されたパターンは全体的にハニカム構造をしている。すなわち、いずれの例においても基準格子４０の６つの屈曲位置、すなわち３つの屈曲位置４１および３つの屈曲位置４２、の間を結ぶ線４５は、空所状の陥凹部１１のリブ１５と関係づけることができる。

各軸線ｙは、１つのｙ方向と少なくともほぼ平行である。ブレード先端２の移動方向ｖは小さい角度、すなわち最大３０゜でｙ方向からずれている。リブｂはリブａ₁，ａ₂と比べて十分に小さい、すなわち１／３であることが好ましい。リブｂと関係づけられる屈曲位置４１，４２は互いに接近して、リブｂが実際的に無視できる、すなわち存在しないようにすることができる。

図４および図５は第１のパターン（図３）の変更形を示している。図４では、パターンは魚の鱗を有する被覆のようである。リブ１５は湾曲されている。図５では、パターンは独立した構成要素５で構成されている。リブａ₁，ａ₂が与えられ、リブｂの代わりに間隙が形成されている。

図６も摩耗表面１０のハニカム状のパターンを示している。構成要素５’は個々の陥凹部１１内に島のように点在配置されている。図７では、ストリップ状の構成要素５が連結されてジグザク線上に配置されている。リブ方向と移動方向ｖとのなす角度は４５゜、またはそれより多少大きい角度であることが好ましい。空所状の陥凹部１１の境界はここでは独特であるが与えられていない。それらは、例えば一点鎖線で描かれた四角形１１’として考えることができる。図８は、図５の場合と同様に独立した構成要素５によるパターンを再び示している。このパターンは図７のジグザグ・パターンと或る種の関係を有しており、このパターンでは、ジグザグ・パターンにおける１つ置きの構成要素５が取り去られて、残る構成要素５が両端をそれぞれ延長されている。図９は、四角形で互いに偏倚するように配置された陥凹部１１を有するパターンを示している。図１０には菱形パターンが示されており、１つのリブの方向は移動方向ｖに直角で、他のリブの方向は移動方向ｖと約４５゜の角度を成している。

図３〜図１０の代表的実施例において、摩耗表面１０はいずれの場合も基準格子４０は基本セル（六角形または四角形）が周期的に配列されて構成できる表面形状を有している。非周期的な表面形状も可能であり、その基準格子４０は、例えば図１１による「ペンローズ（Ｐｅｎｒｏｓｅ）構造」を有する。図１２は五角形または菱形の陥凹部１１’，１１''を有する摩耗表面１０の対応するパターンを示している。この基準格子４０は等辺五角形（隣接側縁間の角度：１０８）および菱形（角度：３６゜，１４４゜）で構成されている。周期的な格子には２〜３の主方向が存在するのに対し、「ペンローズ構造」では５つの主方向が存在する。ブレード先端２の移動方向ｖはそれらの主方向の１つから約１８゜ほど有利にずれている。

少なくとも大体「ペンローズ構造」を有する基準格子４０に関して、以下の説明が適用される（図１１、図１２を参照）。すなわち、３つの軸線ｘ₁，ｘ₂，ｙは基準格子４０の各屈曲位置４３または４４に関連づけることができる。角度α₁₂，α₂，α₁はこれらの軸線の間にそれぞれ与えられる。リブａ₁，ａ₂は軸線ｘ₁，ｘ₂上に位置する。リブａ₁，ａ₂は主にリブｂと長さが等しい。いずれの例においても、角度α₂，α₁，α₁₂は１００゜よりも大きく１５０゜未満（合計で３６０゜）である。屈曲位置の１つ、すなわち屈曲位置４３に関して、一方のリブｂは軸線ｙ上に位置する。他方の屈曲位置４４に関しては、いずれの場合も軸線ｙに関して２つのリブｂ₁，ｂ₂を有する分岐が与えられる。リブｂ、およびリブｂ₁，ｂ₂はそれぞれリブａ₁またはａ₂の長さと等しい長さである。リブｂ₁およびリブｂ₂の間の角度β₁₂は３０゜よりも大きく４５゜未満である。ブレード先端２の移動方向ｖは分岐の一方の軸線ｙに実質的に平行である。

上述したアブレイダブル被膜は、ハウジング壁に付与される代わりに、すなわち特にローター・ブレードであるブレードが静止状態に配置される場合には、可動機械部品に対しても適用できる。またシール間隙は、静止しているブレード先端と可動機械部品との間に形成され、その機械部品は特に回転シャフトとされる。アブレイダブル被膜は静止ブレードの先端位置でシュラウド付きブレードにも付与されることができる。それ故に、請求項１で記載するブレード先端の移動は相対移動として理解されるべきである。

本発明によるアブレイダブル被膜１を備えた流体機械は、いずれの場合もシュラウド付きブレード２１として先端２が形成されたブレードも含む（図１３を参照）。シュラウド付きブレード２１は、ブレード先端２の移動方向ｖに沿って延在する１以上の薄板２２，２２’を有する。複数存在する場合には薄板２２，２２’はラビリンス・シールを形成する。

ａ₁，ａ₂，ｂ リブ
ｘ₁，ｘ₂，ｙ 軸線
ｖ 移動方向
α₁，α₂，α₁₂ 角度
１ アブレイダブル被膜
２ ブレード先端
３ 基材
５ 構成要素
１０ 摩耗表面
１１ 陥凹部
１５ リブ
２０ 平面
２１ シュラウド付きブレード
２２，２２’ 薄板
３０ ランプ
３１ 陥凹部
３５ ウェブ
４０ 基準格子
４１，４２，４３ ，４４ 屈曲位置
４５ 屈曲位置の間を結ぶ線

Claims (10)

1. ブレード先端（２）がアブレイダブル被膜上を所定の方向（ｖ）へ移動し、材料に摩接することで形成される部分表面すなわち摩耗表面（１０）が生じるようにされる流体機械でアブレイダブル被膜（１）として使用される表面形状を付形された表面であり、アブレイダブル被膜の表面形状はリブ（１５）によって形成されており、いずれの例においてもリブにリブ方向を関係づけることが可能であり、また摩耗表面はストリップ状の構成要素（５）で構成されたパターンを形成し、その構成要素は基準格子（４０）における屈曲位置（４１，４２；４３，４４）の間を結ぶ線（４５）上をリブ方向に沿って位置しているような前記表面形状を付形された表面であって、
   摩耗表面（１０）の各位置における大部分、すなわち摩耗表面の少なくとも８０％、好ましくは９０％を超える部分で、リブ方向がブレード先端（２）の移動方向（ｖ）と相違していること、摩耗表面の少なくとも２／３に関して移動方向がリブ方向から３０゜よりも大きな角度、好ましくは４５゜よりも大きな角度で相違していること、および摩耗表面のストリップ状の構成要素（５）が、湾曲、ならびに分離および（または）連結または部分的に連結されたストリップとして形成されることができることを特徴とする表面形状を付形された表面。
2. ３つの軸線ｘ₁，ｘ₂，ｙが基準格子（４０）の各屈曲位置（４１，４２）に関連づけられ、また角度α₁₂，α₂，α₁がこれらの軸線の間にそれぞれ与えられていること、リブａ₁，ａ₂，ｂがそれぞれ軸線ｘ₁，ｘ₂，ｙの上に位置しており、リブａ₁，ａ₂がリブｂに比較して２倍以上長く、いずれの例においても角度α₂，α₁，α₁₂が１００゜よりも大きく１５０゜未満であること、全ての軸線ｙが少なくとも互いにほぼ平行であり、すなわち１つのｙ方向へ配向されていること、およびブレード先端（２）の移動方向（ｖ）がｙ方向から小さな角度、すなわち最大３０゜でずれていることを特徴とする請求項１に記載された表面形状を付形された表面。
3. いずれの例においても基準格子（４０）の６つの屈曲位置（４１，４２）の間を結ぶ線（４５）が空所状の陥凹部（１１）のリブ（１５）と関係づけることができることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された表面形状を付形された表面。
4. リブｂの代わりに間隙が与えられること、またはリブａ₁，ａ₂がリブｂに比較して３倍以上長いこと、またはリブｂの長さが実際に無視できるほどであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載された表面形状を付形された表面。
5. ３つの軸線ｘ₁，ｘ₂，ｙが基準格子（４０）の各屈曲位置（４３，４４）に関連づけられ、また角度α₁₂，α₂，α₁がこれらの軸線の間にそれぞれ与えられていること、リブａ₁，ａ₂がそれぞれ軸線ｘ₁，ｘ₂の上に位置しており、リブａ₁，ａ₂はほぼ長さが等しく、いずれの例においても角度α₁，α₂，α₁₂は１００゜よりも大きく１５０゜未満であること、一方の屈曲位置（４３）に関しては１つのリブｂが軸線ｙ上にあり、いずれの例においても他の屈曲位置（４４）に関しては、軸線ｙに関して２つのリブｂ₁，ｂ₂を有する分岐が与えられ、ｂおよびそれぞれｂ₁，ｂ₂はα₁またはα₂の長さにほぼ等しい長さで、ｂ₁およびｂ₂の間の角度β₁₂は３０゜よりも大きく４５゜未満であり、ブレード先端の移動方向は分岐の一方の軸線ｙに実質的に平行であることを特徴とする請求項１に記載された表面形状を付形された表面。
6. ストリップ状構成要素（５）の幅は約１ｍｍより広く、ブレード先端の横断面の幅と同程度の大きさ、特にこの幅の１〜３倍未満であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された表面形状を付形された表面。
7. 周知の表面形状を付形されていないアブレイダブル被膜に好適で、特にセラミックス材を含む材料を金属基体（３）に熱スプレーすることで製造され、表面形状を付形された表面を有する基体はウェブ（３５）を有しており、表面形状はさまざまな形態、例えば鋳造本体の鋳造表面形状や、はんだ付けまたはレーザー溶接または拡散溶接によって金属本体に付与された編んだ状態または単独の金属ワイヤーによる表面形状、またはレーザー照射溶接によりマイクロ鋳造法で付与されたリブ形態による表面形状、として与えることが可能であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された表面形状を付形された表面。
8. ブレード先端（２）がローター・ブレードの一部であることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載されたアブレイダブル被膜（１）として使用される表面形状を付形された表面を含む、特にガス・タービンである流体機械。
9. ブレード先端（２）が１以上の襞を有するシュラウド付きブレードで形成され、襞はブレード先端の移動する方向（ｖ）に延在し、特にラビリンス・シールのシール・リップとして形成されていることを特徴とする請求項８に記載された流体機械。
10. ブレード先端（２）が静止ガイド・ブレードの一部であり、シール間隙がブレード先端と移動機械部品との間に形成され、アブレイダブル被膜は静止ブレードの先端位置でシュラウド付きブレードに取付けられるか、またはローター・シャフトの表面に取付けられることができ、また請求項１に記載されたブレード先端の移動は相対移動として理解されることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載されたアブレイダブル被膜（１）として使用される表面形状を付形された表面を有する、特にガス・タービンである流体機械。

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