JP2013249837A - タービンシステムの隅境界部をコーティングする方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンシステムの隅境界部をコーティングする方法を提供すること。
【解決手段】タービンシステムの隅境界部をコーティングする方法は、メッシュアセンブリを隅境界部付近に配置するステップを含む。この方法はまた、コーティングをメッシュアセンブリから、そこを介して隅境界部に堆積させるステップを含み、このメッシュアセンブリは、コーティングの運動エネルギーを減衰させ、コーティングを隅境界部付近に固定する。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示の主題は、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、ガスタービンシステム内の構成要素をコーティングする方法に関する。

典型的には、タービンシステム内では、例えば、圧縮機およびタービンなどの回転機械に関連する構成要素が、高温、高負荷が持続する環境に晒されている。こうした構成要素の多くは、熱保護、または酸化保護のために、粒子エアゾール、または粒子を備えたプラズマ溶射のコーティング工程を用いてコーティングされている。コーティング工程中、コーティング粒子は、コーティングすべき構成要素の表面に接近し、それらの粒子と表面との特定の種類の相互作用は、粒径、粒子速度、粒子硬度、粒子温度、表面衝突角度、および隣接する表面同士が交差する部分における鋭角隅部の有無など、いくつかの要因に依存する。

しばしば、粒子を隅接合部に付着させる際に、高い粒子エネルギー、ならびに粒子の跳ね返り、および／または反射によって、粒子が満足のいく形で表面に付着しないことがある。そのため、コーティングを適正に堆積させることが妨げられる。

米国特許第７１０５２０１号公報

本発明の一態様によれば、タービンシステムの隅境界部をコーティングする方法は、メッシュアセンブリを隅境界部付近に配置するステップを含む。この方法はまた、コーティングをメッシュアセンブリから、そこを介して隅境界部に堆積させるステップを含み、このメッシュアセンブリは、コーティングの運動エネルギーを減衰させ、コーティングを隅境界部付近に固定する。

本発明の別の態様によれば、タービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法は、取外し可能なメッシュアセンブリを隅境界部付近に配置するステップを含む。また、コーティングをメッシュアセンブリから、そこを介して隅境界部に堆積させるステップもさらに含まれ、このメッシュアセンブリは、コーティングの運動エネルギーを減衰させ、コーティングを隅境界部付近に固定する。メッシュアセンブリを隅境界部付近から取り外すステップがさらに含まれる。

本発明のさらに別の態様によれば、タービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法は、メッシュアセンブリを隅境界部付近に配置するステップを含む。また、コーティングをメッシュアセンブリから、そこを介して隅境界部に堆積させるステップもさらに含まれ、このメッシュアセンブリは、コーティングの運動エネルギーを減衰させ、コーティングを隅境界部付近に固定し、このメッシュアセンブリは、コーティング内で消耗可能な材料を含む。

上記およびその他の利点および特徴は、以下の説明を図面と併せ読めばより明確となるであろう。

本発明とみなされる主題については、本明細書の最後にある特許請求の範囲に特定的に示し、明示的に特許請求する。本発明の上記およびその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読めば明確である。

メッシュアセンブリを介して隅境界部がコーティングされているタービンエーロフォイルの前方斜視図である。 複数のメッシュアセンブリを中に有する内側隅部の側面図である。 分断したメッシュアセンブリを有する内側隅部の側面図である。 取外し可能なメッシュアセンブリが中に配置された内側隅部の側面図である。 第１のコーティング層が、内側隅部と、取外し可能なメッシュアセンブリとの間に配設された内側隅部の側面図である。 取外し可能なメッシュアセンブリが、第１のコーティング層から間隔を置いて外方に配置された内側隅部の側面図である。 第２のコーティング層が、第１のコーティング層と、取外し可能なメッシュアセンブリとの間に配設された内側隅部の側面図である。 取外し可能なメッシュアセンブリを取り外した後の、第１のコーティング層、および第２のコーティング層が中に配設された内側隅部の側面図である。 メッシュアセンブリが上に配置された外側隅部の前方斜視図である。 連続したメッシュを有する外側隅部の側面図である。 分断したメッシュを有する外側隅部の側面図である。

以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、例によって本発明の実施形態を、その利点および特徴と共に説明する。

図１を参照すると、エーロフォイル、またはタービンバケットの第１の表面１０が示されており、この第１の表面１０は、第１の表面１０に実質的に垂直な第２の表面１２と交差している。この交差部を、全体として隅境界部１４と称する。コーティング１６を、隅境界部１４付近に堆積させ、例えば溶射の形で塗布することができる。コーティング１６は、それだけに限られるものではないが、プラズマを含めて、複数の粒子を備えることができる。本発明の実施形態は、特定のいかなる種類の溶射装置にも限定されるものではない。熱溶射法の非限定的ないくつかの例には、直流（ＤＣ）プラズマ溶射、真空プラズマ溶射、サスペンションプラズマ溶射（ＳＰＳ）、ワイヤアーク溶射、燃焼／フレーム溶射、または高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）が含まれる。隅境界部１４をコーティング１６で効率良くコーティングするために、コーティング１６を堆積させる前に、メッシュアセンブリ１８を隅境界部１４付近に配設する。このメッシュアセンブリ１８は、コーティング１６の粒子が所有する運動エネルギーに対する減衰要素として機能する。運動エネルギーの減衰によって、エネルギー分布がより均一になる結果として、粒子が隅境界部１４から跳ね返る、または逸れる傾向が低減し、それによって粒子が堆積する際に粒子が安定し、粒子が隅境界部１４付近に留まることになる。

メッシュアセンブリ１８は、様々な材料で形成することができ、複数の孔２０を含む。孔２０の密度は、特定の用途に依存し、コーティング１６の組成物、および隅境界部１４の材料などの要因が、メッシュアセンブリ１８をいかに微細にすべきかに影響することになる。メッシュアセンブリ１８は、以下で詳細に説明するように、取外し可能、または消耗可能とすることができる。メッシュアセンブリ１８を取外し可能とするか、それとも消耗可能とするかは、メッシュアセンブリ１８に使用する材料に影響することになる。かかる材料には、それだけに限られるものではないが、アルミニウム、ケイ素、およびボロンの酸化物、様々な炭素ベース材料、高分子、および金属合金を含む、炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック酸化物などのセラミックから形成された織状材料または編状材料が含まれるが、それだけに限られるものではない。メッシュアセンブリ１８の密度と同様に、メッシュアセンブリ１８に適した材料もやはり、コーティング１６の組成物、および隅境界部１４の材料に依存することになるが、それだけでなく、メッシュアセンブリ１８をコーティング１６から取外し可能とすべきか、それともコーティング１６内で消耗可能とすべきかにも依存することになる。メッシュアセンブリ１８は、例えば、メッシュアセンブリ１８の縁部を隅境界部１４に接合または仮付け（ｔａｃｋｉｎｇ）することを含めて、様々な手法で隅境界部１４に取り付けることができる。

次に、図２および図３を参照すると、隅境界部１４が、内側隅部２２の構成として示されており、ここでは第１の表面１０と第２の表面１２とによって、それらの表面間である角度が画定されている。第１の表面１０と第２の表面１２との間の角度は約９０度であるが、他の多数の角度が、本明細書で開示の実施形態で使用するのに適していることを理解されたい。隅境界部１４は、２つ以上のメッシュアセンブリ１８を含むことができる（図２）。例えば、多層コーティング１６を形成したい場合など、いくつかの理由で、複数のメッシュアセンブリが有利となり得る。図示の例では、第１のメッシュ２４、および第２のメッシュ２６が示されている。第１のコーティング層を隅境界部１４に堆積させ、隅境界部１４と第１のメッシュ２４との間に配設することができる。次いで、第２のコーティング層を第２のメッシュ２６を介して堆積させ、したがって第１のコーティング層と、第２のメッシュ２６との間に配設する。第１のメッシュ２４、および第２のメッシュ２６は、一例として示したものであり、任意の数のメッシュを使用して、多層コーティングを生成する能力をもたらすことができることが企図される。これらのコーティング層は、同じ組成物のものでも、または異なる組成物のものでもよく、メッシュアセンブリ１８に依存して、それらの層の間に間隙を含めることができる。分断したメッシュアセンブリ２８（図３）を使用することによって、コーティング１６の追加の特徴および利点を実現することができ、この分断したメッシュアセンブリ２８の一部分は、コーティング１６がより自由に隅境界部１４に入ることが可能となる間隙を備えるが、分割したメッシュアセンブリ２８を配置することによって、コーティング１６がなおも留まることになる。

図４〜８を参照すると、コーティング１６を堆積させる方法が示されている。上述したように、第１のメッシュ２４は、取外し可能とすることができる。取外し可能とすることによって、コーティング１６を堆積させる前に、第１のメッシュ２４を隅境界部１４付近に配置し、取り付けることができる（図４）ことを理解されたい。次いで、コーティング１６を、第１のコーティング層３０が形成されるまで、第１のメッシュ２４に向けて、そこを介して堆積させる（図５）。その後、第１のメッシュ２４を取外し、第２のコーティング層３２を堆積させる前に、この図示の例では第１のメッシュ２４よりも大きい第２のメッシュ２６を、隅境界部１４付近に配置し、取り付ける（図６）。次いで、第２のコーティング層３２を、第２のメッシュ２６に向けて、そこを介して堆積させる（図７）。その後、第２のメッシュ２６を取り外すと、多層コーティング１６が隅境界部１４内に留まる（図８）。

メッシュアセンブリ１８は、代替として、または共同的に、１つまたは複数の消耗可能なメッシュを備えることができる。消耗可能とすることによって、コーティング１６を堆積させる前に、１つまたは複数のメッシュを隅境界部１４付近に配置し、取り付けることができるが、取外し可能なメッシュとは異なり、この消耗可能なメッシュは、コーティングをメッシュアセンブリ１８から、そこを介して堆積させると、コーティング１６と一体化することを理解されたい。消耗可能なメッシュは、様々な手法でコーティング１６によって消耗される、またはコーティング１６と一体化する。まず、上記の一体化は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）メッシュをセラミックコーティングと共に使用するなど、コーティング組成物と親和性のある（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）材料組成で形成されたメッシュを使用することによって実現することができる。あるいは、コーティング時に利用できる溶融熱によるメッシュの溶融などの工程を利用してもよい。かかる例は、炭素メッシュまたは高分子メッシュを、高温蒸着粒子、またはプラズマコーティング粒子と共に使用する場合である。上記は、メッシュアセンブリ１８をコーティング１６によって消耗する、またはコーティング１６と一体化することができる、例示的な方法にすぎない。また、１つまたは複数の消耗可能なメッシュを使用することによって、多層コーティングを形成できることを理解されたい。

図９を参照すると、隅境界部１４が、外側隅部３４の構成として示されており、ここでは第１の表面１０と第２の表面１２とによって、それらの表面間である角度が画定されている。第１の表面１０と第２の表面１２との間の角度は約２７０度であるが、他の多数の角度が、本明細書で開示の実施形態で使用するのに適していることを理解されたい。この構成は、上述した内側隅部２２の構成とは異なるものであり、この構成は、様々な配置にある様々な境界部に本方法を適用することが可能であることを例示するものにすぎない。内側隅部２２の構成の場合と同様に、この外側隅部３４の構成も、連続した構成（図１０）、または分断した構成（図１１）とすることができる。

ほんの限られた数の実施形態を参照しながら本発明を詳細に説明してきたが、本発明は、かかる開示の実施形態のみに限定されないことが容易に理解されよう。そうではなく、本発明は、上記にはないが、本発明の趣旨および範囲に相応する任意の数の変形形態、変更形態、代替形態、または均等な構成に改変することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の諸態様は、記載の実施形態のうちのいくつかしか含まないこともあることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものと解釈すべきではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１０ 第１の表面
１２ 第２の表面
１４ 隅境界部
１６ コーティング
１８ メッシュアセンブリ
２０ 孔
２２ 内側隅部
２４ 第１のメッシュ
２６ 第２のメッシュ
２８ 分断したメッシュアセンブリ
３０ 第１のコーティング層
３２ 第２のコーティング層
３４ 外側隅部

Claims (20)

1. タービンシステムの隅境界部をコーティングする方法であって、
   メッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置するステップと、
   コーティングを前記メッシュアセンブリから、そこを介して前記隅境界部に堆積させるステップと
   を含み、前記メッシュアセンブリが、前記コーティングの運動エネルギーを減衰させ、前記コーティングを前記隅境界部付近に固定する、方法。
2. 前記隅境界部が、第１の表面と第２の表面との間の交差部を含み、前記第１の表面と前記第２の表面とによって、約９０度の開放領域角度が画定される、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
3. 前記隅境界部が、第１の表面と第２の表面との間の交差部を含み、前記第１の表面と前記第２の表面とによって、約２７０度の開放領域角度が画定される、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
4. 前記メッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置する前記ステップが、前記メッシュアセンブリを表面に接合するステップを含む、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
5. 前記メッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置する前記ステップが、前記メッシュアセンブリを表面に仮付けするステップを含む、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
6. 前記メッシュアセンブリが、セラミック材料を含む、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
7. 前記メッシュアセンブリが、炭素ベース材料を含む、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
8. 前記メッシュアセンブリが、高分子材料を含む、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
9. 前記メッシュアセンブリが、金属合金を含む、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
10. 複数のメッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置する前記ステップをさらに含む、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
11. 前記コーティングが、プラズマを含む、請求項１記載のタービンシステムの隅境界部をコーティングする方法。
12. タービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法であって、
    取外し可能なメッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置するステップと、
    コーティングを前記メッシュアセンブリから、そこを介して前記隅境界部に堆積させるステップであって、前記メッシュアセンブリが、前記コーティングの運動エネルギーを減衰させ、前記コーティングを前記隅境界部付近に固定する、ステップと、
    前記メッシュアセンブリを前記隅境界部付近から取り外すステップと
    を含む、方法。
13. 前記メッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置する前記ステップが、前記メッシュアセンブリを前記隅境界部に接合するステップを含む、請求項１２記載のタービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法。
14. 前記メッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置する前記ステップが、前記メッシュアセンブリを前記隅境界部に仮付けするステップを含む、請求項１２記載のタービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法。
15. 複数のメッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置する前記ステップをさらに含む、請求項１２記載のタービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法。
16. 前記コーティングが、プラズマを含む、請求項１２記載のタービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法。
17. タービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法であって、
    メッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置するステップと、
    コーティングを前記メッシュアセンブリから、そこを介して前記隅境界部に堆積させるステップと
    を含み、前記メッシュアセンブリが、前記コーティングの運動エネルギーを減衰させ、前記コーティングを前記隅境界部付近に固定し、前記メッシュアセンブリが、前記コーティング内で消耗可能な材料を含む、方法。
18. 前記メッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置する前記ステップが、前記メッシュアセンブリを前記隅境界部に接合するステップを含む、請求項１７記載のタービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法。
19. 前記メッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置する前記ステップが、前記メッシュアセンブリを前記隅境界部に仮付けするステップを含む、請求項１７記載のタービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法。
20. 複数のメッシュアセンブリを前記隅境界部付近に配置する前記ステップをさらに含む、請求項１７記載のタービン構成要素の隅境界部をコーティングする方法。