JP2016142267A - Cmcタービン構成部品及びcmcタービン構成部品の形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】セラミックマトリックス複合材(CMC)からなる構成部品において、構成部品の環境障壁コーティングが剥離した場合にセラミックマトリックス複合材の劣化を低減できる構成部品を提供する。
【解決手段】第1の面105が圧縮乾燥流体109と流体連通しており、第2の面107が湿潤流体ストリーム111と流体連通しており、第2の面107が気密コーティング113を含むCMC基材103からなる構成部品101が、第1の面105からCMC基材の一部203を通って延びる少なくとも1つの開口201を備え、気密コーティング113及びCMC基材103の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、少なくとも1つの開口201により第2の面への圧縮乾燥流体の流れ303を選択的に可能にすることで、CMC基材103の揮発が低減又は排除される。
【選択図】図2

Description

本発明は、タービン構成部品及び該タービン構成部品の形成方法に関する。より詳細には、本発明は、セラミックマトリックス複合材の揮発放出の選択的低減を含む、タービン構成部品及び該タービン構成部品の形成方法に関する。
ガスタービンは、効率及び性能を向上させるため継続的に変更されている。これらの変更は、より高温及びより過酷な条件下で作動する能力を含み、これには、このような温度及び条件から構成部品を保護するために材料の改良及び/又はコーティングが必要となる場合が多い。より多くの変更が組み込まれると、具現化する問題が追加されることになる。
性能及び効率を向上させる1つの変更は、限定ではないが、シュラウド、ノズル、燃焼ライナ、バケット、及びシュラウドリングなどのタービン構成部品をセラミックマトリックス複合材(CMC)により形成することを含む。CMCタービン構成部品は、高温で水を含む燃焼ガスとCMCの相互作用に起因して、燃焼流れ場の劣化に晒される可能性がある。例えば、炭化ケイ素CMCにおいて、炭化ケイ素のシリコンの一部が水と反応してシリコン水酸化物などのシラノール種を生成する場合があり、タービンの動作条件下で揮発する可能性がある。このような劣化を防ぐために、CMCタービン構成部品は、環境障壁コーティング(EBC)を用いて保護することができる。しかしながら、EBCは、特にタービンの厳しい機械運転停止中又は外来物損傷もしくは内部物体損傷に起因して生じる可能性があるような高い熱機械的歪みに晒されたときに剥離を生じやすい可能性がある。EBCの破断片が剥離した場合には、EBCの喪失により露出されるCMCも同様に水との揮発によって劣化を生じやすくなる可能性がある。
上述の欠点がないタービン構成部品及び該タービン構成部品を形成する方法が、当該技術分野で望ましいことになる。
米国特許第8,444,372号明細書
例示的な実施形態において、構成部品は、第1の面と第2の面とを有するCMC基材を含む。第1の面は、圧縮乾燥流体と流体連通しており、第2の面は、湿潤流体ストリームと流体連通している。第2の面は気密コーティングを含む。構成部品は更に、第1の面からCMC基材の一部を通って延びる少なくとも1つの開口を含み、気密コーティング及びCMC基材の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、少なくとも1つの開口により第2の面への圧縮乾燥流体の流れを選択的に可能にする。
別の例示的な実施形態において、ガスタービン構成部品は、第1の面と第2の面とを有するCMC基材を含む。第1の面は、圧縮乾燥流体と流体連通しており、第2の面は、高温燃焼ストリームと流体連通している。第2の面は環境障壁コーティングを含む。ガスタービン構成部品は更に、第1の面からCMC基材の一部を通って延びる少なくとも1つの開口を含み、環境障壁コーティング及びCMC基材の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、少なくとも1つの開口により第2の面への圧縮乾燥流体の流れを選択的に可能にして、高温燃焼ストリームにおけるCMC基材の揮発を低減又は排除する。
別の例示的な実施形態において、構成部品を形成する方法は、CMC基材において、第1の面からCMC基材の一部を通って延びる少なくとも1つの開口を形成するステップと、CMC基材の第2の面上に気密コーティングを形成するステップと、を含み、気密コーティング及びCMC基材の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、少なくとも1つの開口により第2の面への圧縮乾燥流体の流れを選択的に可能にする。
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
本開示の1つの実施形態による、構成部品の1つのセグメントの断面図。 本開示の1つの実施形態による、構成部品の気密コーティングの剥離後の図1の構成部品の1つのセグメントの断面図。 本開示の1つの実施形態による、構成部品の気密コーティング及びCMC基材の剥離後の図1の構成部品の1つのセグメントの断面図。
可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。例示的なタービン構成部品及びタービン構成部品を形成する方法が提供される。本開示の実施形態は、本明細書で開示される1又はそれ以上の特徴要素を利用しない方法及び製品と組み合わせて、剥離事象の後に生じる可能性がある高温燃焼ストリームにおけるCMC基材の揮発を低減又は排除し、冷却を必要とする金属から形成された構成部品に関して効率及び出力の向上を可能にするタービンのCMC構成部品の耐久性を改善し、タービンのCMC構成部品の使用寿命を延命して、保守間隔にて交換が必要となるはずの構成部品の補修を可能にする。
図1を参照すると、1つの実施形態において、構成部品101は、第1の面105及び第2の面107を有するCMC基材103を含む。第1の面105は、圧縮乾燥流体109と流体連通している。圧縮乾燥流体109は、約2vol.%未満の水、或いは約1vol.%の水、或いは焼く1vol.%未満の水を含むことができる。第2の面は、湿潤流体ストリーム111と流体連通している。湿潤流体ストリーム111は、約2vol.%よりも多い水、或いは約4vol.%よりも多い水、或いは約5vol.%よりも多い水、或いは約10vol.%の水、或いは約5vol.%〜約20vol.%の間の水を含むことができる。第2の面107は、気密コーティング113を含む。別の実施形態において、圧縮乾燥流体109は、湿潤流体ストリーム111よりも高い圧力を有し、圧縮乾燥流体109と湿潤流体ストリーム111との間に圧力差をもたらす。圧力差は、限定ではないが、約1%〜約20%、或いは約5%〜約15%、或いは訳10%の圧力差を含む、何れかの好適な圧力差とすることができる。本明細書で使用される場合、約10%の圧力差は、圧縮乾燥流体109の圧力が湿潤流体ストリーム111の圧力よりも約10%大きいことを意味する。
構成部品101は、限定ではないがガスタービン構成部品のような、揮発を生じる可能性がある何らかの好適な構成部品である。1つの実施形態において、構成部品101は、シュラウド、ノズル、燃焼ライナ、バケット又はシュラウドリング115である。湿潤流体ストリーム111は、ガスタービンの高温燃焼ストリームとすることができ、圧縮乾燥流体109は、湿潤流体ストリーム111の含水量よりも少ない含水量を有することができる。
CMC基材103はCMC材料117を含む。CMC材料117の実施例は、限定ではないが、炭素繊維強化炭素(C/C)、炭素繊維強化炭化ケイ素(C/SiC)、炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素(SiC/SiC)、及びアルミニウム繊維強化アルミニウム(Al/Al)、並びにこれらの組み合わせを含む。CMC材料117は、モノリシックセラミック構造と比べて、伸び率、破壊靱性、熱衝撃、動荷重能力、及び異方特性が優れている。しかしながら、CMC材料117は、ガスタービンの作動条件下で揮発を生じやすい可能性がある。
例えば、1,500°Fを上回る温度では、水蒸気は、CMC材料117と化学的に反応する可能性がある。水蒸気は、CMC材料117のケイ素及び炭素と反応して、シラノール種及び二酸化炭素をそれぞれ生成する可能性がある。水蒸気とCMC材料117との反応により形成されるシラノール種及び二酸化炭素は、揮発する可能性がある。1,500°Fを超える何時間にもわたる作動により、CMC材料117は、第2の面107から第1の面105まで加水分解及び揮発する可能性がある。
1つの実施形態において、気密コーティング113は、EBC119である。EBC119は、CMC材料117を水蒸気、熱、及びCMC材料117の揮発又は劣化を引き起こす可能性がある他の燃焼ガスから保護する。EBC119は、燃焼の高温ガスからCMC材料117を保護するための何れかの好適な材料とすることができる。EBCは、限定ではないが、炭化ケイ素、バリウムストロンチウムアルミノケイ酸塩(BSAS)、ムライト、イットリア安定化ジルコニア、YSi,YbSi、及びこれらの組み合わせを含むことができる。
構成部品101は、第1の面105からCMC基材103の一部203を通って延びる少なくとも1つの開口201を含む。1つの実施形態において、少なくとも1つの開口201は、完全ボア205である。本明細書で使用される場合、「完全ボア」は、少なくとも1つの開口201が第1の面105から気密コーティング113まで延びていることを示している。別の実施形態において、少なくとも1つの開口201は、部分ボア207である。本明細書で使用される場合、「部分ボア」は、少なくとも1つの開口201が、第1の面105から遠位にあるCMCの残部209を残してCMC基材を部分的に貫通することを示している。残部209は、限定ではないが、約0.008インチ厚以上のあらゆる好適な厚さとすることができる。図1は、完全ボア205である少なくとも1つの開口201と部分ボア207である少なくとも1つの開口201の両方を示しているが、幾つかの実施形態は、完全ボア205のみ、又は部分ボア207のみ、或いはこれらの何れかの組み合わせの少なくとも1つの開口201を含むことができる。更に、幾つかの実施形態は、互いに離隔された、或いは何らかの好適なパターン又は配列で混在された完全ボア205である少なくとも1つの開口201と部分ボア207である少なくとも1つの開口201の両方を含むことができる。
別の実施形態において、少なくとも1つの開口201は、第2の面107に対して斜角211で位置付けられる。斜角211は、あらゆる好適な角度である。例えば、斜角211は、第2の面107に対して約15°〜約60°、或いは、第2の面107に対して約25°〜約45°とすることができる。少なくとも1つの開口201はまた、第1の面105から第2の面107までの方向で拡大する直径を有するセクションのようなディフューザを含むことができる。
少なくとも1つの開口201は、限定ではないが、基本的に円形の断面形態、基本的に多角形の断面形態、又はこれらの組み合わせを含む、あらゆる好適な断面形態を有することができる。少なくとも1つの開口201はまた、CMC基材103にチャンネルを定めることができる。本明細書で使用される場合、「チャンネル」は、少なくとも1つの開口201が、経路に沿った任意の箇所での経路に垂直な第1の面105での少なくとも1つの開口201の幅の2倍の範囲で第1の面105に沿ってCMC基材103を通る経路に沿って延びることを示している。経路は、線形又は湾曲、或いは、線形と湾曲セグメントの何れかの組み合わせとすることができる。
構成部品101は、複数の開口210を含むことができる。1つの実施形態において、複数の開口201は、構成部品101の残りの領域に対して剥離事象のリスクをより生じやすい構成部品101の領域に集中するように構成部品101にわたって分布している。構成部品101において剥離リスクが大きな区域に複数の開口201を集中させることにより、加工が低減されてより高い効率が得られ、複数の開口201を含めることに伴う何らかの欠点が最小限になる。複数の開口201間の円周方向及び軸方向の間隔は、複数の開口201の全て又は複数の開口201の一群のサブセットに対してあらゆる好適な間隔とすることができる。1つの実施形態において、複数の開口201の各々間又は複数の開口201の各々の直径に対しての複数の開口201の一群のサブセットの間隔の比は、約2〜約14、又は約5〜約11、約7〜約9である。複数の開口201のうちの少なくとも1つがチャンネルを定める状況では、チャンネルを定める開口201の直径は、チャンネルの経路に垂直な第1の面105での少なくとも1つの開口201の幅であると解釈すべきである。別の実施形態において、複数の開口201又は複数の開口201の一群のサブセットの間隔は、第1の面105と第2の面107との間の断面厚さ213の約2分の1とすることができる。更に別の実施形態において、複数の開口201の大部分は、湿潤流体ストリーム111の流れ方向に対向又は垂直ではなく、ほぼ一直線に配向される。
構成部品101は、CMC基材103において第1の面105からCMC基材103の一部203を通って延びる少なくとも1つの開口201を形成するステップと、CMC基材103の第2の面107上に気密コーティング113を形成するステップと、により形成することができる。1つの実施形態において、気密コーティング113は、CMC基材103において少なくとも1つの開口201を形成する前に形成される。代替の実施形態において、気密コーティング113は、CMC基材103において少なくとも1つの開口201を形成した後に形成される。少なくとも1つの開口201を形成するステップは、限定ではないが、孔開け、レーザ孔開け、又はこれらの組み合わせを含む、何らかの好適な方法により行うことができる。CMC基材103は、少なくとも1つの開口201がCMC基材103の形成と同時に形成されるように、付加製造法により形成されてもよい。
図2を参照すると、気密コーティング113の剥離事象が生じた場合、気密コーティングの剥離部位301が形成される。気密コーティングの剥離部位301において、気密コーティング113の破断片が剥がれ、CMC基材103が湿潤流体ストリーム111に暴露される可能性がある。しかしながら、気密コーティングの剥離部位301の形成はまた、少なくとも1つの開口201のシールを開封し、その結果、少なくとも1つの開口201が湿潤流体ストリーム111と流体連通するようになる。圧縮乾燥流体109と湿潤流体ストリーム111との間の圧力差は、気密コーティングの剥離部位301にて少なくとも1つの開口201を通って第2の面107への圧縮乾燥流体109の流れ303を発生して、湿潤流体ストリーム111を移動させる。流れ303は、限定ではないが、少なくとも1つの開口201の各々を通る、約0.00001lbs/s〜約0.00030lbs/s、或いは約0.00005lbs/s〜約0.00025lbs/s、或いは約0.00010lbs/s〜約0.00020lbs/s、或いは約0.00014lbs/sの流れ303を含む、何れかの好適な流れとすることができる。少なくとも1つの開口201は、気密コーティング剥離部位301における第2の面107と湿潤流体ストリーム111との接触を低減又は阻止することにより、他の場合には生じていたはずの湿潤流体ストリーム111におけるCMC基材103の揮発を低減又は排除する。
図3を参照すると、気密コーティング113とCMC基材103の剥離事象が生じた場合、CMC剥離部位401が形成される。CMC剥離部位401において、気密コーティング113及びCMC基材103の破断片が剥がれ、CMC基材103が湿潤流体ストリーム111に暴露される可能性がある。しかしながら、CMC剥離部位401の形成はまた、少なくとも1つの開口201のシールを開封し、その結果、少なくとも1つの開口201が湿潤流体ストリーム111と流体連通するようになる。圧縮乾燥流体109と湿潤流体ストリーム111との間の圧力差は、CMC剥離部位401にて少なくとも1つの開口201を通って第2の面107への圧縮乾燥流体109の流れ303を発生して、湿潤流体ストリーム111を移動させる。流れ303は、限定ではないが、少なくとも1つの開口201の各々を通る、約0.00001lbs/s〜約0.00030lbs/s、或いは約0.00005lbs/s〜約0.00025lbs/s、或いは約0.00010lbs/s〜約0.00020lbs/s、或いは約0.00014lbs/sの流れ303を含む、何れかの好適な流れとすることができる。少なくとも1つの開口201は、CMC剥離部位401における第2の面107と湿潤流体ストリーム111との接触を低減又は阻止することにより、他の場合には生じていたはずの湿潤流体ストリーム111におけるCMC基材103の揮発を低減又は排除する。
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになるものとする。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
[実施態様1]
第1の面と第2の面とを有するセラミックマトリックス複合材(CMC)基材を備えた構成部品であって、
上記第1の面が圧縮乾燥流体と流体連通しており、上記第2の面が湿潤流体ストリームと流体連通しており、該第2の面が気密コーティングを含み、
上記構成部品が更に、
上記第1の面から上記CMC基材の一部を通って延びる少なくとも1つの開口を備え、
上記気密コーティング及び上記CMC基材の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、上記少なくとも1つの開口により上記第2の面への上記圧縮乾燥流体の流れを選択的に可能にする、構成部品。
[実施態様2]
上記流れが、上記湿潤流体ストリームにおける上記CMC基材の揮発を低減又は排除するのに十分である、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様3]
上記気密コーティングが、環境障壁コーティングである、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様4]
上記環境障壁コーティングが、炭化ケイ素を含む、実施態様3に記載の構成部品。
[実施態様5]
上記少なくとも1つの開口が、上記第1の面から上記気密コーティングまで延びる、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様6]
上記少なくとも1つの開口が、上記CMC基材を通って部分的に延びる、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様7]
上記CMC基材が、炭素繊維強化炭素(C/C)、炭素繊維強化炭化ケイ素(C/SiC)、炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素(SiC/SiC)、及びアルミニウム繊維強化アルミニウム(Al/Al)、並びにこれらの組み合わせからなる群から選択された材料を含む、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様8]
上記少なくとも1つの開口が、一方の端部にディフューザを含む、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様9]
上記少なくとも1つの開口が、上記第2の面に対して斜角で位置付けられる、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様10]
上記湿潤流体ストリームが高温燃焼ストリームである、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様11]
圧縮乾燥流体が、湿潤流体ストリームよりも低い含水量を有する、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様12]
上記構成部品が、シュラウド、ノズル、燃焼ライナ、及びバケットからなる群から選択されたタービン構成部品である、実施態様1に記載の構成部品。
[実施態様13]
上記構成部品が、シュラウド、ノズル、燃焼ライナ、及びバケットからなる群から選択されたタービン構成部品である、実施態様1に記載の構成部品。
第1の面と第2の面とを有するセラミックマトリックス複合材(CMC)基材を備えたガスタービン構成部品であって、上記第1の面が圧縮乾燥流体と流体連通しており、上記第2の面が高温燃焼ストリームと流体連通しており、該第2の面が環境障壁コーティングを含み、上記構成部品が更に、上記第1の面から上記CMC基材の一部を通って延びる少なくとも1つの開口を備え、上記環境障壁コーティング及び上記CMC基材の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、上記少なくとも1つの開口により上記第2の面への上記圧縮乾燥流体の流れを選択的に可能にし、上記高温燃焼ストリームにおける上記CMC基材の揮発を低減又は排除する、ガスタービン構成部品。
[実施態様14]
構成部品を形成する方法であって、セラミックマトリックス複合材(CMC)基材において、第1の面から上記CMC基材の一部を通って延びる少なくとも1つの開口を形成するステップと、上記CMC基材の第2の面上に気密コーティングを形成するステップと、
を含み、上記気密コーティング及び上記CMC基材の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、上記少なくとも1つの開口により上記第2の面への圧縮乾燥流体の流れを選択的に可能にする、方法。
[実施態様15]
気密コーティングが、CMC基材において少なくとも1つの開口の形成前に形成される、実施態様14に記載の方法。
[実施態様16]
気密コーティングが、CMC基材において少なくとも1つの開口の形成後に形成される、実施態様14に記載の方法。
[実施態様17]
気密コーティングが環境障壁コーティングである、実施態様14に記載の方法。
[実施態様18]
少なくとも1つの開口を形成するステップが、機械的孔開け、レーザ孔開け、又はこれらの組み合わせを含む、実施態様14に記載の方法。
[実施態様19]
少なくとも1つの開口が、第1の面から気密コーティングまで延びる、実施態様14に記載の方法。
[実施態様20]
少なくとも1つの開口が、CMC基材を通って部分的に延びる、実施態様14に記載の方法。
101 構成部品
105 第1の面
107 第2の面
103 CMC基材
101 構成部品
109 圧縮乾燥流体
111 湿潤流体ストリーム
113 気密コーティング
201 開口

Claims (10)

  1. 第1の面(105)と第2の面(107)とを有するセラミックマトリックス複合材(CMC)基材(103)を備えた構成部品(101)であって、
    前記第1の面(105)が圧縮乾燥流体(109)と流体連通しており、前記第2の面(107)が湿潤流体ストリーム(111)と流体連通しており、該第2の面(107)が気密コーティング(113)を含み、
    前記構成部品(101)が更に、
    前記第1の面(105)から前記CMC基材(103)の一部(203)を通って延びる少なくとも1つの開口(201)を備え、
    前記気密コーティング(113)及び前記CMC基材(103)の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、前記少なくとも1つの開口(201)により前記第2の面(107)への前記圧縮乾燥流体(109)の流れ(303)を選択的に可能にする、構成部品(101)。
  2. 前記流れ(303)が、前記湿潤流体ストリーム(111)における前記CMC基材(103)の揮発を低減又は排除するのに十分である、請求項1に記載の構成部品(101)。
  3. 前記気密コーティング(113)が、環境障壁コーティング(119)である、請求項1に記載の構成部品(101)。
  4. 前記環境障壁コーティング(119)が、炭化ケイ素を含む、請求項3に記載の構成部品(101)。
  5. 前記少なくとも1つの開口(201)が、前記第1の面(105)から前記気密コーティング(113)まで延びる、請求項1に記載の構成部品(101)。
  6. 前記少なくとも1つの開口(201)が、前記CMC基材(103)を通って部分的に延びる、請求項1に記載の構成部品(101)。
  7. 前記CMC基材(103)が、炭素繊維強化炭素(C/C)、炭素繊維強化炭化ケイ素(C/SiC)、炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素(SiC/SiC)、及びアルミニウム繊維強化アルミニウム(Al/Al)、並びにこれらの組み合わせからなる群から選択された材料を含む、請求項1に記載の構成部品(101)。
  8. 前記少なくとも1つの開口(201)が、前記第2の面(107)に対して斜角(211)で位置付けられる、請求項1に記載の構成部品(101)。
  9. 第1の面(105)と第2の面(107)とを有するセラミックマトリックス複合材(CMC)基材(103)を備えたガスタービン構成部品(101)であって、
    前記第1の面(105)が圧縮乾燥流体(109)と流体連通しており、前記第2の面(107)が高温燃焼ストリームと流体連通しており、該第2の面(107)が環境障壁コーティング(119)を含み、
    前記構成部品(101)が更に、
    前記第1の面(105)から前記CMC基材(103)の一部(203)を通って延びる少なくとも1つの開口(201)を備え、
    前記環境障壁コーティング(119)及び前記CMC基材(103)の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、前記少なくとも1つの開口(201)により前記第2の面(107)への前記圧縮乾燥流体(109)の流れ(303)を選択的に可能にし、前記高温燃焼ストリームにおける前記CMC基材(103)の揮発を低減又は排除する、ガスタービン構成部品(101)。
  10. 構成部品(101)を形成する方法であって、
    セラミックマトリックス複合材(CMC)基材(103)において、第1の面(105)から前記CMC基材(103)の一部(203)を通って延びる少なくとも1つの開口(201)を形成するステップと、
    前記CMC基材(103)の第2の面(107)上に気密コーティング(113)を形成するステップと、
    を含み、
    前記気密コーティング(113)及び前記CMC基材(103)の一方又は両方の破断片が剥がれたときに、前記少なくとも1つの開口(201)により前記第2の面(107)への圧縮乾燥流体(109)の流れ(303)を選択的に可能にする、方法。
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