JP2014080973A - 高温ガス経路構成部材冷却フィルム穴プラトー - Google Patents

Abstract

【課題】ターボ機関の高温ガス経路において使用される構成部材およびその構成部材を作製する方法を開示する。
【解決手段】一実施形態では、構成部材は、内面および外面を含む外壁基板と、外面に配設された複数のプラトーとを含む。外壁基板の内面と外面との間に流体通路を形成する複数の冷却穴を形成する。各冷却穴は、プラトーを通過するように配設される。外壁基板の外面に第１のコーティング層を堆積させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、タービン組立体用の保護コーティングされた高温ガス経路構成部材に関し、より詳細には、高温ガス経路構成部材の外表面に配設された冷却フィルム穴プラトーに関する。

たとえばガスタービンなどのタービンの作動流体流路内の構成部材は通常、運転時に高温にさらされる。このような運転温度は、望ましくない条件に寄与することがある。

高温ガス経路構成部材を冷却してその有効寿命を延ばすのに様々な方法が使用されてきた。高温ガス経路構成部材は、各構成部材を絶縁し、耐荷重合金とコーティング面との間にかなりの温度差を生じさせ、したがって、構造構成部材の被爆熱量を制限することのできる遮熱コーティング（ＴＢＣ）でコーティングされることがある。ＴＢＣと一緒にフィルム冷却が使用されることが多い。フィルム冷却では、構成部材の表面の穴を通して、燃焼機を迂回する圧縮機抽気流などの供給源からの空気が噴射される。この比較的低温の空気は、高温ガス経路に進入し、高温ガスと構成部材との間に絶縁層を形成し、構成部材に進入する熱流束をさらに低減させる。

たとえば放電加工（ＥＤＭ）のような様々な方法を使用して構成部材に冷却穴が形成され得る。ＥＤＭなどの加工方法では、多数の構成部材に施される保護ＴＢＣにおける加工が容易ではない。したがって、冷却穴では、多くの場合、手動での切削または研削が必要になる。

米国特許出願公開第２０１２／０１６３９８４号公報

本開示の第１の態様は、ターボ機関で使用される構成部材を提供する。この構成部材は、内面および外面を有する外壁基板と、外面に配設された複数のプラトーとを含む。複数の冷却穴は、外壁基板の内面と外面との間に流体通路を形成する。複数の冷却穴の各冷却穴は、複数のプラトーのうちの１つを通過するように配設される。第１の非金属冷却層が、外壁基板の外面に配設され、第１のコーティング層が複数のプラトーの各プラトーの外面をコーティングすることはない。

本開示の第２の態様は、ターボ機関で使用される構成部材を作製する方法を提供する。この方法は、内面および外面を含む外壁基板、ならびに外面に配設された複数のプラトーを形成することを含む。外壁基板の内面と外面との間に流体通路を形成する複数の冷却穴を形成する。各冷却穴は、複数のプラトーのうちの１つを通過するように配設される。外壁基板の外面に第１の非金属コーティング層を堆積させる。

本発明のこれらの態様、利点、および顕著な特徴ならびにその他の態様、利点、および顕著な特徴は、同様の部品が図面全体にわたって同様の参照符号によって示される添付の図面と併せて検討したときに、本発明の実施形態を開示する以下の詳細な説明から明らかになろう。

ガスタービンシステムの簡略化された概略図である。 本開示の一実施形態によるエーロフォイルの形をした構成部材の上断面図である。 本開示の一実施形態による冷却穴およびプラトーの詳細断面図である。 本開示の一実施形態によるエーロフォイルの形をした構成部材の一部の断面図である。 本開示の一実施形態によるエーロフォイルの形をした構成部材の断面図である。 本開示の一実施形態によるエーロフォイルの形をした構成部材の一部および本開示の実施形態による側壁の形をした構成部材の斜視図である。 本開示の一実施形態による燃焼機環境における構成部材の一部の断面図である。 本開示の一実施形態によるシュラウドの形をした構成部材の一部の断面図である。

本開示の図面が縮尺通りであるとは限らないことに留意されたい。各図面は、本開示の代表的な態様のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を制限するものとみなすべきではない。図面において、同様の符号は各図面間で同様の要素を表す。

本発明の少なくとも１つの実施形態について、以下に、この実施形態の用途に関連し、ガスタービンシステムの運転に関連して説明する。本発明の各実施形態はガスタービンシステムに関して例示されているが、各教示が、他の種類の燃焼システムを含む、各構成部材が高温にさらされる他の電気機械にも同様に適用できることを理解されたい。さらに、本発明の少なくとも１つの実施形態について、以下に、１組の公称寸法を含む公称サイズに関連して説明する。しかし、当業者には、本発明が任意の適切なタービンおよび／または圧縮機に同様に適用可能であることが明らかになろう。さらに、当業者には、本発明が公称サイズおよび／または公称寸法の様々な縮尺に同様に適用可能であることが明らかになろう。

図面を参照すると、図１は、ガスタービンシステム１０の概略図を簡略化して示している。システム１０は、１つまたは複数の圧縮機１２と、燃焼機１４と、タービン１６と、燃料ノズル２０とを含んでもよい。圧縮機１２およびタービン１６は１つまたは複数の軸１８に結合されてもよい。軸１８は、単一の軸であってもよく、あるいは互いに結合された複数の軸セグメントで構成されてもよい。

ガスタービンシステム１０は、多数の高温ガス経路構成部材を含んでもよい。用語「高温ガス経路構成部材」は、システム１０内のガスの高温の流れに少なくとも部分的にさらされるシステム１０の任意の構成部材を指す。たとえば、バケット（ブレード）組立体、ノズル（ベーン）組立体、シュラウド組立体、遷移部材、保持リング、および燃焼機排気構成部材はすべて、高温ガス経路構成部材の例である。ただし、これは包括的な説明ではない。

図２Ａ〜図２Ｂは、例示的なエーロフォイル構成部材３０の上断面図（図２Ａ）および冷却穴４０の差し込み詳細図（図２Ｂ）を示している。図２Ａに示すように、（図２Ａ〜図２Ｂ、図３、および図４におけるエーロフォイルの形をした）構成部材３０は、内面３４および外面３６を有する外壁基板３２を含む。外壁基板３２は金属で作られてもよい。構成部材の対象となる用途に応じて、外壁基板３２は、たとえばニッケル主体の超合金であってもよい。

図２Ｂに示すように、複数の冷却穴４０は、外壁基板３２の内面３４と外面３６との間に流体通路を形成する。各冷却穴４０は、図２Ｂに示すように、内面３４と外面３６との間の途中でプラトー３８を通過するように配設されている。各構成部材３０は、３００個以上もの冷却穴４０を含んでもよい。

複数のプラトー３８、または隆起形状が外面３６に配設されている。様々な実施形態において、各プラトーは、幅が約０．０２５４ｃｍ〜１．０２ｃｍ（約０．０１０インチ〜約０．４インチ）であり、高さが約０．０１３ｃｍ〜約０．１７８ｃｍ（約０．００５インチ〜約０．０７０インチ）であってもよい。プラトー３８は、構成部材上にストライプ状に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、図５に示すように、プラトー３８は、一列の冷却穴４０の長さにわたって延びてもよく、その場合、単一のプラトー３８には単一列のすべての冷却穴４０が含まれる。他の実施形態では、構成部材３０は、一列に配置された複数のプラトー３８を含んでもよく、その場合、各冷却穴４０がそれ自体のプラトー３８を有する。これらの実施形態の様々な組合せを使用してもよく、その場合、プラトー３８は、１つよりも多く、１列の冷却穴４０全部よりも少ない数の冷却穴４０を含む。さらなる実施形態では、冷却穴４０および１つまたは複数のプラトー３８は、直線状に１列に並べられてもよく、あるいは曲線パターンまたはアーチパターンとして配置されてもよい。曲線構成またはアーチ構成は、構成部材３０の形状および構成部材３０の冷却要件に応じて半径方向、軸方向、または半径方向および軸方向の両方に湾曲されてもよい。

第１のコーティング層４２は、外壁基板３２の外面３６に配設されてもよい。第１のコーティング層４２は、非金属材料、特にセラミック材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、第１のコーティング層４２は、非金属材料の１つまたは複数の層を堆積させることによって形成されてもよい。いくつかの実施形態では、外壁基板３２の第１のコーティング層４２と外面３６との間に配設された第２のコーティング層４４が存在してもよい。第２のコーティング層は金属ボンディング層を備えてもよい。第１のコーティング層４２と同様に、いくつかの実施形態では、第２のコーティング層４４は、金属材料の１つまたは複数の層を堆積させることによって形成されてもよい。第１のコーティング層４２および第２のコーティング層４４の他に追加の層が存在してもよい。第１のコーティング層４２および第２のコーティング層４４ならびに任意の追加の層は、集合的に外壁基板３２に対する遮熱コーティングを形成する。いくつかの実施形態では、第１のコーティング層４２は、厚さがプラトー３８の高さ以下である。さらなる実施形態では、第１のコーティング層４２と第２のコーティング層４４の厚さの合計はプラトー３８の高さ以下である。その結果、第１のコーティング層４２は、図２Ｂに示すように複数のプラトー３８の各プラトー３８の外面４８をコーティングし得ない。

次に、図３を参照して、構成部材３０を作製する方法について説明する。

最初、たとえば鋳造のような任意の従来の手段によって外壁基板３２を形成する。外壁基板は、内面３４と外面３６とを含む。外壁基板３２は、たとえばニッケル主体の超合金などの金属で作られてもよい。外面３６上に複数のプラトー３８が配設される。プラトー３８は、たとえば構成部材３０の外部表面を圧延してプラトー３８を形成することによって形成されてもよい。他の実施形態では、プラトー３８を含む構成部材３０を鋳造してもよい。

図４を参照すると、外壁基板３２の外面３６に第１のコーティング層４２を堆積させてもよい。いくつかの実施形態では、第１のコーティング層４２は、セラミックであってもよい非金属材料を含む。図４にさらに示すように、外壁基板３２の内面３４と外面３６との間に流体通路を形成する複数の冷却穴４０を形成してもよい。各冷却穴４０は、プラトー３８を通過するように配設される。したがって、プラトー３８は、冷却穴４０が形成されることが望ましい外壁基板３２上の各位置に形成されている。

追加の実施形態では、第１のコーティング層４２を堆積させる前に外壁基板３２の外面３６に第２のコーティング層４４（図２Ｂ）を堆積させてもよく、その場合、第２のコーティング層４４は外面３６と第１のコーティング層４２との間に配設される。第２のコーティング層４４は、金属ボンディング層を備えてもよい。第１のコーティング層４２と第２のコーティング層４４は一緒に、外壁基板３２に対する遮熱コーティングを備えてもよい。

いくつかの実施形態では、第１のコーティング層４２を堆積させた後に冷却穴４０を形成してもよい。冷却穴４０は、いくつかある技術の中で特に放電加工（ＥＤＭ）を使用して形成されてもよい。

図４に示すように、第１のコーティング層４２は、複数のプラトー３８の各プラトー３８の外面４８をコーティングし得ない。これは、本開示のいくつかの実施形態のいずれかによって実現されてもよい。一実施形態では、第１のコーティング層４２は、プラトー３８の高さよりも小さい深さまで外壁基板３２の外面３６に堆積し、したがって、第１のコーティング層４２を堆積させる間、各プラトー３８の上面４８が覆われることはない。別の実施形態では、第１のコーティング層４２は、プラトー３８の高さ以上の深さまで外壁基板３２の外面３６に堆積し、したがって、プラトー３８の上面４８は第１のコーティング層４２によって覆われる。次いで、第１のコーティング層４２を各プラトー３８の上面４８から除去してもよい。このような除去は研削またはその他の手段によって実施されてもよい。さらに別の実施形態では、第１のコーティング層４２を堆積させる前に各プラトー３８の上面４８にカバーまたはキャップが配置される。第１のコーティング層４２を堆積させた後、カバーまたはキャップを除去し、上面４８を露出させてもよい。前記の実施形態のいずれでも、結果として、プラトー３８の上面４８が第１のコーティング層４２によって覆われることはない。第２のコーティング層４４が存在する実施形態では、図２Ｂに示すように、上面４８が第２のコーティング層４４によって覆われることもない。

次に、上記に図２Ａ〜図２Ｂを参照して説明した得られる構成部材３０をターボ機関の現場で使用してもよい。様々な実施形態では、構成部材３０は、バケットのエーロフォイル部（図２Ａ〜図２Ｂ）、ノズル（不図示）、遷移部材（不図示）、保持リング（不図示）、側壁５０（図５）、燃焼機排気構成部材６０（図６）、またはシュラウド（図７）のうちの１つであってもよい。

これらの場合のいずれでも、運転時には、構成部材３０は高温にさらされ、それによって、第１のコーティング層４２は、外壁基板３２および構成部材３０の他の部分よりも早く第１のコーティング層４２の有効寿命が終了する恐れがある。構成部材３０は、それが使用されるターボ機関から除去され、第１のコーティング層４２を除去し、さらに第２のコーティング層４４が存在する場合には第２のコーティング層４４を構成部材３０から除去するように剥離されてもよい。次に、第１のコーティング層４２または第１のコーティング層４２と第２のコーティング層４４の両方を上述のように外壁基板３２上に再堆積させてもよく、その場合、各プラトー３８の上面４８が第１のコーティング層４２によって覆われることはない。次いで、構成部材３０は、現場で別の期間に使用できるように戻されてもよい。

本明細書で使用されているように、用語「第１の」、「第２の」などは、順序、数量、または重要性を示すものではなく、むしろある要素を別の要素と区別するのに使用され、本明細書における用語「１つ」は数量の限定を示すものではなく、むしろ参照された品目が少なくとも１つ存在することを示す。数量に関連して使用される修飾子「約」は、述べられた値を包含し、文脈によって決まる意味を有する（たとえば、特定の数量の測定に伴う誤差の程度を含む）。本明細書で使用される接尾辞「（ｓ）」は、それが修飾する用語の単数形および複数形の両方を含み、それによって、１つまたは複数のその用語を含む（たとえば金属（ｓ）は１つまたは複数の金属を含む）ものである。本明細書で開示される範囲は、包含的であり、互いに独立して組合せ可能である（たとえば、「約２５ｍｍまで、あるいはより具体的に、約５ｍｍ〜約２０ｍｍ」の範囲は、「約５ｍｍ〜約２５ｍｍ」などの端点およびすべての中間値を含む）。

本明細書では様々な実施形態について説明したが、本明細書の要素、変形例、または改良例の様々な組合せが当業者によってなされ得て、かつ本発明の範囲内にあることが本明細書から諒解されよう。さらに、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように多数の修正を施してもよい。したがって、本発明は、本発明を実施するための形態として考えられる最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されず、本発明は添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むものである。

１０ タービンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼機
１６ タービン
１８ 軸
２０ 燃料ノズル
３０ エーロフォイル構成部材
３２ 外壁
３４ 内面
３６ 外面
３８ プラトー
４０ 冷却穴
４２ 第１のコーティング層
４４ 第２のコーティング層
４８ プラトー３８の外面
５０ 側壁
６０ 圧縮機排気構成部材

Claims (20)

1. ターボ機関で使用される構成部材において、
   内面および外面を有する外壁基板と、
   前記外面に配設された少なくとも１つのプラトーと、
   前記外壁基板の前記内面と前記外面との間に流体通路を形成する複数の冷却穴であって、前記複数の冷却穴の各冷却穴が、前記少なくとも１つのプラトーのうちの１つを通過するように配設される複数の冷却穴と、
   前記外壁基板の前記外面に配設され、非金属である第１のコーティング層とを備え、
   前記第１のコーティング層が、前記複数のプラトーの各プラトーの外面を覆うことはない構成部材。
2. 前記第１のコーティング層と前記外壁基板の前記外面との間に配設された第２のコーティング層をさらに備える、請求項１記載の構成部材。
3. 前記第２のコーティング層は、少なくとも１つの金属ボンディング層を備える、請求項２記載の構成部材。
4. 前記第１のコーティング層はセラミックを含む、請求項１記載の構成部材。
5. 前記外壁基板は金属を含む、請求項１記載の構成部材。
6. 前記構成部材は、バケット、シュラウド、ノズル、遷移部材、保持リング、側壁、または燃焼機排気構成部材のうちの１つを含む、請求項１記載の構成部材。
7. 各プラトーは幅が約０．０２５４ｃｍ〜約１．０２ｃｍであり、高さが約０．０１３ｃｍ〜約０．１７８ｃｍである、請求項１記載の構成部材。
8. ターボ機関で使用される構成部材を作製する方法であって、
   内面および外面を含む外壁基板、
   ならびに前記外面に配設された複数のプラトーを形成することと、
   前記外壁基板の前記内面と前記外面との間に流体通路を形成し、各々が、前記複数のプラトーのうちの１つを通過するように配設された、複数の冷却穴を形成することと、
   前記外壁基板の前記外面に、非金属である第１のコーティング層を堆積させることとを含む方法。
9. 前記第１のコーティング層を堆積させる前に前記外壁基板の前記外面に第２のコーティング層を堆積させ、それによって、前記外面と前記第１のコーティング層との間に前記第２のコーティング層を配設することをさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記第２のコーティング層は金属ボンディング層を備える、請求項９記載の方法。
11. 前記第１のコーティング層はセラミックを含む、請求項８記載の方法。
12. 前記外壁基板は金属を含む、請求項８記載の方法。
13. 前記構成部材は、バケット、シュラウド、ノズル、遷移部材、保持リング、側壁、または燃焼機排気構成部材のうちの１つを含む、請求項８記載の方法。
14. 前記外壁基板を形成する前記プロセスは、前記外壁基板を鋳造することをさらに含む、請求項８記載の方法。
15. 前記複数の冷却穴を形成する前記プロセスは、前記外壁基板における放電加工（ＥＤＭ）をさらに含む、請求項８記載の方法。
16. 前記外壁基板の前記外面に第１のコーティング層を堆積させることは、
    前記複数のプラトーの各プラトーの上方にカバーを配置することと、
    前記外壁基板の上方に前記第１のコーティング層を堆積させ、前記複数のプラトーの各々の上方に前記カバーを堆積させることと、
    各プラトーの上面が前記第１のコーティング層によって覆われなくなるように各プラトーから前記カバーを除去することとをさらに含む、請求項８記載の方法。
17. 前記外壁基板の前記外面に前記第１のコーティング層を堆積させることは、前記プラトーの高さ以上の深さまで前記第１のコーティング層を堆積させ、それによって、前記プラトーの上面を前記第１のコーティング層によって覆わせることをさらに含み、
    前記方法は、各プラトーの前記上面から前記第１のコーティングを除去することをさらに含む、請求項８記載の方法。
18. 前記除去することは研削することをさらに含む、請求項１７記載の方法。
19. 各プラトーは、幅が約０．０２５４ｃｍ〜約１．０２ｃｍであり、高さが約０．０１３ｃｍ〜約０．１７８ｃｍである、請求項８記載の方法。
20. 前記構成部材を剥離して前記第１のコーティング層を除去することと、
    前記第１のコーティング層が、前記外壁基板を覆うが前記複数のプラトーの各々の上面を覆わないように、前記第１のコーティング層を前記外壁基板に再堆積させることとをさらに含む、請求項８記載の方法。