JP2014511957A - 曲線をもつガスタービンエンジン部品における熱電対 - Google Patents

Abstract

熱電対（１２）を形成する方法であって、部品（１０）に第１材料を堆積させて、第１レッグ（１４）を形成し、マスク（３０）を通して第２材料を堆積させて、複数の別個の第２レッグ接点端（２０）と第２レッグ（１６）の未分割リード端を含んだ前記第２材料の連続的なパッチ（５２）とを形成するパターンであって、各第２レッグ接点端（２０）が第１レッグ（１４）との各接点（１８）から連続的なパッチ（５２）まで延びているパターン（５０）を、部品（１０）に形成し、連続的なパッチ（５２）をレーザ除去して、各接点端（２０）にそれぞれ電気的につながった第２のレッグ（１６）の別個のリード端（２２）を形成することにより、別個の第２のレッグ（１６）を形成する、ことを含む。
【選択図】図１

Description

本出願は、米国特許仮出願６１／４５２，７３５の出願日２０１１年３月１５日の利益を主張する。

本発明は、概して、ガスタービンエンジン部品における薄膜センサに関する。より詳しくは、本発明は、曲線をもつ高温ガス経路部品に薄膜熱電対を形成する方法に関する。

高温の燃焼ガスに曝されるガスタービンエンジンの部品は、燃焼ガスの運転温度を高め続けているガスタービンエンジンの設計の故に、設計限界の近くで運転されている。設計限界の近くでの運転は、より低温の環境で運転される場合の寿命と比べて、部品の寿命を短くする傾向にある。部品の寿命がつきれば部品を交換しなければならず、ガスタービンエンジンの運転停止が必要になる。当該運転停止には、費用および時間がかかる。部品の寿命がどの程度残っているかを判断する手段がない場合、部品の交換は、予防保全の形態で行われることが多い。結果として、部品が寿命に至る前に取り外される可能性がある。これは、部品を寿命を過ぎて稼働させてしまい、該部品の壊滅的な故障を招く危険を冒すよりはましな、代案であると考えられる。並行して、ガスタービンエンジン内の動作環境を監視することで、リアルタイムの状況に応じてタービンの動作を最適化することが望まれている。

スマート部品が、上記のニーズに応えて開発されてきている。スマート部品は、部品自身に組み込まれたセンサを備え、これらのセンサが、動作環境についての情報を集め、これら情報を動作環境の外部へと送信する。当該情報を使用して、予防保全に代わる、状態を基準にした保全を可能にし、タービン運転を設計に沿って最適化することができる。

従来のスマート部品の設置実態では、部品にセンサを取り付け、リード線をルータへと延ばし、リード線の太い束をタービンから監視ステーションまで長く引き出すことを必要とする。この設置プロセスは、時間がかかり、手間を要し、コストがかかり、信頼性が低く、すべてのリード線を包含すべく多くの部品の変更を必要とする。

次の図面を参照して、以下の説明において本発明を開示する。
薄膜熱電対を備えた、曲線をもつ羽根を示す。 熱電対の第２材料を付着させるために使用するマスクを示す。 部品の表面に適用した図２のマスクを示す。 図３の部品の表面に付着させた材料のパターンを示す。 図４のパターンから形成した複数の熱電対を示す。 マスクの別の実施形態を例示する。 図６のマスクを使用して部品の表面に付着させた、較正ターゲットを含む材料のパターンを示す。 較正ターゲットを電気的に隔離した図７のパターンを示す。 マスクの別の実施形態を例示する。 図９のマスクを使用して部品の表面に付着させた、較正ターゲットを含む材料のパターンを示す。

薄膜スマートセンサにおける最近の革新として熱電対が挙げられ、当該熱電対においては、共通の第１レッグと、この共通の第１レッグとそれぞれ接点を形成する複数の第２レッグとが、複数の接点を有する熱電対（共通のレッグを有する複数の熱電対と考えてもよい）を部品に画定している。これは、譲受人が同じ米国特許出願公開ＵＳ２０１１／０２２２５８２Ａ１（参照することで本明細書に援用される）に開示されている。高温ガス経路部品として、限定するわけではないが、ブレード、ベーン、リングセグメントなどが挙げられる。適切な第１および第２レッグの材料は、互いに異なっており、運転条件に耐えることができ、理想的には隣接表面（これらの材料が堆積する表面など）の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を備えている。ガスタービンエンジンの高温ガス経路部品の遮熱コーティングの表面または内側においては、貴金属群からの材料を選択することができる。一例の形態においては、白金族の金属から選択することができる。一例の形態においては、白金およびパラジウムを、それぞれ第１および第２材料として選択することができる。これらの材料は、適切な熱膨張係数を有しており、５００℃〜１５００℃の範囲になり得る運転温度に耐えることができる。

熱電対の材料は、基材、ボンドコート（bond coat）、あるいは遮熱コーティング（ＴＢＣ）へ直接吹き付けることができる。基材へ吹き付ける場合、熱電対は、ボンドコートによって覆うことができる。ボンドコートへ吹き付ける場合、熱電対は、遮熱コーティングによって覆うことができる。ＴＢＣ材料へ吹き付ける場合、熱電対は、露出表面に位置させてもよいし、さらなるＴＢＣ材料で覆ってもよい。あるいは、熱電対は、片側または両側を誘電体で囲うようにして付着させることができる。適切な誘電性の絶縁材料として、酸化物材料を挙げることができる。一例の形態において、その酸化物材料は、酸化アルミニウムまたはイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）酸化物とし得る。一例の形態において、熱電対は、両側を誘電体で囲うようにして超合金またはボンドコートの界面に付着させることができる。別の形態においては、熱電対は、両側を誘電体で囲うようにしてボンドコートまたはＴＢＣの界面に付着させることができる。

熱電対を形成するために、共通の第１レッグは、第１マスクを通して付着させる。残りのレッグを形成するために、レッグごとに専用のマスクを適用し、この専用のマスクを通して材料を付着させる。例えば、４つの熱電対がある場合には、４つの第２レッグが部品に形成され、その各々が共通の第１レッグと別々の接点を形成する。したがって、専用のマスクを適用する工程および第２材料を付着させる工程を、第２レッグを形成するために４回繰り返す必要がある。

ガスタービンエンジンの部品はたいてい曲線を有しており、このため材料付着用に剛性のマスクを作製することが困難である。したがって、可撓性マスクが使用される。さらに、一例の形態においては、材料を、大気プラズマ溶射プロセス（ＡＰＳ）によって付着させる。このプロセスで空気がマスクのエッジを捕まえ、エッジを浮き上がらせてしまう可能性がある。この浮き上がりにより、少量の材料がマスクの下方に堆積する可能性が生じる。さらに、プロセスに関係する加熱により、薄いマスクが歪み、同じ結果につながる可能性がある。このような場合、幅および厚さなどといった堆積する材料の物理的な特性が、ばらつく可能性がある。物理的特性のわずかなばらつきは、熱電対の電気的特性のばらつきにつながる。具体的には、レッグの幅および厚さが目標の寸法と違っていると、得られる熱電対の抵抗値が、目標の抵抗値から変わってしまう可能性がある。熱電対の抵抗値は、温度の推定に用いられる出力電圧に影響する。結果として、従来の製造方法を使用すると、これら薄膜スマートセンサは、或る程度の較正を必要とする。

本発明の発明者は、熱電対の第２レッグを形成するための方法として、製造時間を短縮し、製造後の熱電対について達成可能な目標抵抗値からの製造公差を改善する革新的な方法を考え出した。具体的には、本明細書に開示される方法は、第１マスクを使用して、第１レッグを形成する第１材料を付着させる。次いで、第２マスクを使用して、すべての第２レッグを形成する第２材料のパターンを付着させる。これら第２レッグはそれぞれ、接点端およびリード端を備えている。接点端は、第１レッグと接点を形成する。リード端は、外部のリードに接続されるように構成される。レッグは、限定するわけではないが、レーザアブレーションなど、余分なパッチ（未分割部）材料を除去するプロセスによって形成する。

パターンは、複数の第２レッグの別個の接点端の各々が、それぞれの位置において第１レッグと接点を形成するように構成され、これらの接点端は、それぞれの接点から、第２レッグの未分割リード端を含んだ材料のパッチまで通じている。材料のパッチは、第２レッグのリード端を形成するための連続的なパッチである。すなわち、連続的なパッチは、基本的には、部品のうちの第２レッグのリード端が位置すべき場所を含み、かつそれよりも大きい部位を覆う材料のパッチである。この方法は、リード線が位置すべき場所の間からパッチ材料を取り除くことによってリード端を形成することを含む。各々のリード端は、それぞれの接点端へ電気的に接続されている。接点端はすでに互いに別個であり、プロセスによって接点端につながった個別のリード端が形成されるため、このプロセスは、ただ１つのマスク、第２材料の１回の付着、および後の除去作業を使用して、複数の個別第２レッグを形成する。結果として、当開示プロセスがより迅速であることを、理解することができる。

他のプロセスと同様に、このプロセスは、薄い可撓性マスクを使用する。したがって、ＡＰＳプロセスを使用する場合、やはりマスクのエッジが浮き上がり、第２材料が意図せぬ場所に堆積する可能性がある。しかしながら、当開示プロセスは、これに関係する不都合を回避できる。すなわち、第２レッグを予定の形状およびサイズに整えてしまえば、部品に残る余分な材料は第２レッグから電気的に隔離され、その存在は熱電対にいかなる影響も及ぼさなくなる。

図１は、実施形態に係る薄膜熱電対１２を備えた、ガスタービンエンジンの曲線をもつ高温ガス経路ベーン１０の一例を示している。熱電対１２は、共通の第１レッグ１４と、複数の第２レッグ１６と、第２レッグ１６の接点端２０が共通の第１レッグ１４と交わる複数の接点１８と、を備えている。第２レッグ１６のリード端２２は、外部のリード（図示されていない）を接続できるように構成される。

図２は、開口３２を有するマスク３０を示している。開口３２は、部品に第２材料のパターンを残すように構成される。この材料のパターンが、少なくとも第２レッグが位置すべき場所について部品を覆い、さらに第２レッグの間の部品の一部を覆う。

図３を見ればわかるように、マスク３０は、部品１０の表面４０へ適用される。表面４０にはすでに共通の第１レッグ１４が付着している。マスク３０は、接点端２０のための各開口の先端４２が、それぞれ第１レッグ１４の小部分４４を露出させるように配置される。第１レッグ１４の各小部分４４は、接点１８の一部を形成する。

第２材料４６を、プロセス４８によって付着させる。一実施形態において、第２材料は、粉末またはスラリーのいずれかの態様で付着させることができる。ＡＰＳデポジションが、精密な付着制御を可能にし、さらに部品を納めるには小さすぎる「ブース」またはスプレー「ボックス」を必要としないので、粉末材料の付着を可能にする。他のプロセスは、そのようなブースによる制限をもち、したがって部品をブースに納めることができない場合が多いため、受け入れ難い。ＡＰＳデポジションにおいては、パターンを、複数のサブ層の付着から作り上げることができる。ＡＰＳプロセスを通すごとに、少なくとも厚さ１ミクロンのサブ層がもたらされる。複数回通すことで、一実施形態においては、１０ミクロン以上の厚さにパターンを作り上げることができる。当該厚さは、例えばボンドコート（１５０ミクロン）および遮熱コート（３００ミクロン）の膜厚仕様の厚さと対比される。別の実施形態においては、パターンは、約５０〜７５ミクロンの厚さを特徴とする。

図４においては、パターン５０が堆積済みであり、マスク３０は取り除かれている。当パターンは、複数の別個の接点端２０とパッチ５２とを含んでおり、このパッチ５２から第２レッグのリード端が後に形成される。部品１０の表面４０上に見て取れる第１レッグ１４の小部分４４が、個別接点端２０の先端６０によって覆われることで、部品の異なる位置のそれぞれに接点１８が形成されている。これらの位置は、運転中、各接点が他の接点の温度とは異なる温度の領域に位置するように選択することができ、これにより、部品の温度プロフィルを得ることができる。

複数の別個の接点端２０は、それぞれの接点１８から第２材料の共通のパッチ５２へ続いている。パッチ５２は、リード（図示されていない）を第２レッグ１６へ接続することの可能なインターフェイス位置５４へ続いている。この実施形態においては、４つの個別接点端２０が存在するので、接点端２０およびリード端をそれぞれ有する４つの熱電対を形成するために、４つのリード端が存在しなければならない。パッチ５２は、４つのリード端よりも広い領域を覆っており、したがって余分なパッチ材料を取り除いて４つのリード端を形成できることが、分かる。余分な材料の除去は、レーザアブレーションなどの精密アブレーション技術によって実行することができる。レーザアブレーションにおいては、レーザ５８からのレーザビーム５６を、第２レッグ１６に予定されたリード端２２の間から取り除くべきパッチ材料に配向する。

図５においては、レーザアブレーションが完了している。第２レッグ１６のリード端２２が、それらの間からパッチ材料を除去することによって形成済みである。各リード端２２が各接点端２０につながり、別個の熱電対１２を形成している。リード端の成形にあたってのレーザの使用は、リード端２２のきわめて高精度に制御したエッジ６４を可能とする。不要に散在したパッチ材料があれば、レーザによって簡単に除去することができる。レーザは、必要な場合、パッチを堆積させた材料に対して除去プロセスの悪影響を及ぼすことなくパッチ材料だけを取り除くのに、充分精密である。あるいは、レーザは、パッチ材料と該パッチ材料の上方および下方の材料のいずれかまたは両方とを除去することができる。これは、熱電対がＴＢＣ内に位置する、ボンドコートとＴＢＣとの間に位置する、あるいは基材に直接位置する場合などに、有用である。さらに、レーザは、接点端２０を整えるために使用することができる。すなわち、部品における第２レッグ１６の位置を、より高精度に制御することができ、寸法、特に第２レッグ１６の幅を、より高精度に制御することができる。

より正確な配置および幅の制御は、熱電対の電気抵抗値のより精密な制御を可能にし、この制御の改善が、より厳密な公差での熱電対の製造を可能にする。熱電対の目標のループ抵抗値（得られた熱電対の第１および第２レッグを通る抵抗値）は、例えば２．２オームである。しかしながら、従来の熱電対の製造技術では、実際のループ抵抗値が１．５オーム〜３．３オームの間にある熱電対しか製造することができない。これは、目標のループ抵抗値から３０％程度逸脱している。本明細書に開示のプロセスを使用し、同じ目標抵抗値にて製造された場合の実際のループ抵抗値は、約１．９オーム〜２．５オームの範囲にあることが明らかになった。これは、目標のループ抵抗値から１５％というはるかに少ない逸脱しか示していない。このプロセスにより、一貫して目標値の１０％の範囲内の実際のループ抵抗値が生み出される場合もある。

ガスタービンエンジンにおいて部品の温度を監視するための別の方法として、運転中の部品を観察するための視野を有するサーマルイメージャの使用が挙げられる。このようなシステムは、タービン運転の高温範囲において既知の放射率値の材料を含む較正ターゲットを必要とする場合がある。適切な材料として、例えばパラジウムが挙げられ、適切な特性の較正ターゲットを、ＡＰＳデポジションプロセスを使用することによって製造することができる。従来の製造技術は、ターゲットを形成するための別途の工程を含んでいる。しかしながら、この工程を、本明細書に開示の方法へと好都合に組み入れることができる。

図６に示されるように、別の実施形態に係るマスク７０は、開口７２を含んでいる。この実施形態においては、開口７２が、図２の開口３２と比べて拡大されている。この開口の拡大部７４は、第２レッグ１６のリード端２２および較正ターゲットの両者を含むように充分に広いパッチをもたらすのに充分である。図７においては、マスク７０が取り除かれ、パターンは堆積済みであり、リード端２２がレーザで整えられている。第１レッグ１４と、第２レッグ１６と、幾何学的に近接する第２レッグ８４に付随した較正ターゲット８２と、が残されている。較正ターゲット８２は、幾何学的に近接した第２レッグ８４と電気的につながったままにすることができる。あるいは、図８に示されるように、較正ターゲット８２をレーザで整えることによって、幾何学的に近接した第２レッグ８４から電気的に隔離してもよい。

図９に示した別の実施形態においては、マスク９０は、パターンのための開口９２および較正ターゲットのための追加の開口９４を備えている。この実施形態においては、追加の開口９４が、接点１８が部品上に形成される第２レッグの接点端のための各開口の先端４２の近くに配置されている。図１０において、マスク９０が取り除かれ、パターンは堆積済みであり、リード端２２がレーザで整えられている。第１レッグ１４と、第２レッグ１６と、接点１８と、接点１８に幾何学的に近接した較正ターゲット１０２と、が残されている。図示のとおり、較正ターゲット１０２は、第１レッグ１４の第１の側１０４（第２レッグ１６が配置される第１レッグ１４の第２の側１０６の反対側）に配置されている。接点１８の近くに配置することで、較正ターゲットおよびサーマルイメージャが、接点付近の領域における部品の第２の温度の読み取り値をもたらすことができる。これは、部品の当該領域について、より正確な温度の読み取り値をもたらすように機能する。さらに、熱電対１２および較正ターゲット１０２の両方からの温度の読み取り値を得ることで、各々のシステムが正しく働いているかどうかを判断するためにも使用することができる冗長性がもたらされる。いずれの場合も、較正ターゲットが、第２レッグ１６のリード端２２と同時に形成される。結果として、較正ターゲット８２のコストが、別途の工程として設定される場合と比べ、無視できる値に近づく。

本明細書に開示の方法が、時間および関連するコストを減らし、熱電対の制御を改善し、較正ターゲットを形成するための別途の工程を不要にできる手法で、薄膜熱電対を生み出すことを示した。

本発明の種々の実施形態を示し、本明細書において説明したが、これら実施形態があくまでも例として提示されているにすぎないことは、明白である。多数の変種、変更、および置き換えを、本発明から逸脱することなく行うことが可能である。したがって、本発明は特許請求の範囲の思想および範囲によってのみ限定される、ことが意図されている。

１０ 部品
１２ 熱電対
１４ 第１レッグ
１６ 第２レッグ
１８ 接点
２０ 接点端
２２ リード端
３０ マスク
３２ 開口
４０ 部品の表面
４２ 開口の先端
４４ 第１レッグ１４の小部分
４６ 第２材料
４８ プロセス
５０ パターン
５２ パッチ
５４ インターフェイス位置
５６ レーザビーム
５８ レーザ
６０ 接点端２０の先端
６４ エッジ
７０ マスク
７２ 開口
７４ 開口の拡大部
８２ 較正ターゲット
８４ 較正ターゲット８２に近接した第２レッグ
９０ マスク
９２ 開口
９４ 追加の開口
１０２ 較正ターゲット
１０４ 第１レッグ１４の第１の側
１０６ 第１レッグ１４の第２の側

Claims (20)

1. 曲線をもつガスタービン高温ガス経路部品に熱電対を形成する方法であって、
   前記曲線をもつガスタービン高温ガス経路部品に第１材料を堆積させて、熱電対の第１レッグを形成し、
   マスクを通して第２材料を堆積させて、複数の別個の第２レッグ接点端と未分割第２レッグリード端を含んだ前記第２材料の連続的なパッチとを形成するパターンであって、前記各第２レッグ接点端が前記第１レッグとの各接点から前記連続的なパッチまで延びているパターンを、前記部品に形成し、
   前記連続的なパッチをレーザ除去して、前記接点端にそれぞれ電気的につながった別個の第２レッグリード端を形成することにより、１つの接点端と１つのリード端とをそれぞれ備えた別個の第２レッグを形成する、
   ことを含み、
   前記各接点が、運転中の前記部品の温度プロフィルをもたらすために有効な位置において前記部品に配置されている、方法。
2. 前記パターンが複数の層を含み、該層のそれぞれが、デポジションプロセスの１サイクルに対応し且つ少なくとも１ミクロンの厚さである、請求項１に記載の方法。
3. 前記デポジションプロセスにプラズマ溶射プロセスを用いる、請求項２に記載の方法。
4. 前記第２材料が、粉末組成物またはスラリ組成物の特徴をもつ、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１および第２材料が、それぞれ白金族の金属を含んでいる、請求項１に記載の方法。
6. 前記熱電対の測定ループ抵抗値が、目標ループ抵抗値の２０％の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
7. 前記熱電対の測定ループ抵抗値が、目標ループ抵抗値の１０％の範囲内にある、請求項１に記載の方法。
8. 前記部品が、前記パターンを堆積させる超合金製基材、ボンドコート、またはセラミックスコーティングを備えている、請求項１に記載の方法。
9. 前記部品が、ブレード、ベーン、またはリングセグメントである、請求項１に記載の方法。
10. 前記連続的なパッチが、サーマルイメージャの視野内にあるときに温度値を導き出すために充分に安定した既知の放射率値を有する材料からなる較正ターゲットを含んでいる、請求項１に記載の方法。
11. 前記較正ターゲットを前記第２レッグのすべてから電気的に隔離するように前記連続的なパッチをレーザ除去することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 曲線をもつガスタービンエンジン高温ガス経路部品のための熱電対であって、
    熱電対第１レッグと、
    各接点においてそれぞれ前記第１レッグと交わる複数の熱電対第２レッグと、
    サーマルイメージャによる検出に充分な既知の放射率値およびサイズを備える較正ターゲットと、
    を備えており、
    前記較正ターゲットおよび前記複数の第２レッグが共通の材料のパターンからなり、該パターンが、少なくとも１０ミクロンの厚さをもつ、熱電対。
13. 前記較正ターゲットは、前記第１レッグに対し、前記第２レッグが配置される側とは反対の側に配置されている、請求項１２に記載の熱電対。
14. 前記較正ターゲットは、前記第２レッグのすべてから電気的に隔離されている、請求項１２に記載の熱電対。
15. 前記各接点は、運転中の前記高温ガス経路部品の温度プロフィルをもたらすために有効な位置において前記高温ガス経路部品に配置されている、請求項１４に記載の熱電対。
16. ガスタービンエンジン高温ガス経路部品に熱電対を形成する方法であって、
    前記部品に第１材料を堆積させて、前記熱電対の第１レッグを形成し、
    マスクを通して第２材料を堆積させて、複数の別個の第２レッグ接点端と未分割第２レッグリード端を含んだ前記第２材料の連続的なパッチとを形成するパターンであって、前記各第２レッグ接点端が前記第１レッグとの各接点から前記連続的なパッチまで延びており、さらに、複数の層を含み、該層のそれぞれがデポジションプロセスの１サイクルに対応し且つ少なくとも１ミクロンの厚さであり、そして、少なくとも１０ミクロンの厚さを有するパターンを、前記部品に形成し、
    前記連続的なパッチをレーザ除去して余分なパッチ材料を取り除き、前記各接点端にそれぞれ電気的につながった別個のリード端を形成することにより、１つの接点端と１つのリード端とをそれぞれ備えた別個の第２レッグを形成する、
    ことを含み、
    前記第１および第２材料が、それぞれ白金族の金属を含んでおり、
    前記各接点が、運転中の前記部品の温度プロフィルをもたらすために有効な位置において前記部品に配置されており、
    目標ループ抵抗値の１０％の範囲内にある前記熱電対のループ抵抗測定値を生み出すために有効である、方法。
17. 前記目標ループ抵抗値が２．２オームであり、前記ループ抵抗測定値が１．８５オーム〜２．５５オームの間である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記パターンが、サーマルイメージャの視野内にあるときに温度値を導き出すために充分に安定した既知の放射率値を有する材料からなる較正ターゲットを含んでいる、請求項１６に記載の方法。
19. 前記パターンが、５０ミクロン〜１００ミクロンの厚さを有する、請求項１６に記載の方法。
20. 前記部品が遮熱コーティングを備えており、該遮熱コーティングに前記パターンを堆積させる、請求項１６に記載の方法。

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