JP2016205384A - シュラウド及びロータの耐久性に影響を与えるポロシティ変動型皮膜 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンの運転中の摩擦事象によって生じるＣＭＣブレード先端上のＥＢＣの摩耗を軽減するための材料及び方法を提供する。【解決手段】構成要素上の密度変動型皮膜系が提供される。一実施形態では、密度変動型皮膜系は、構成要素上の外部皮膜を含み、外部皮膜は、第１の密度領域と、第２の密度領域とを有し、第１の密度領域は、第２の密度領域よりも密度が高い。その上に密度変動型皮膜系を有するＣＭＣ構成要素を含むガスタービンエンジンもまた提供される。【選択図】図１

Description

本発明の主題は、一般に、タービンシュラウド及びタービンロータに関し、より具体的には、シュラウド及びロータの耐久性並びに他の特性に影響を与える皮膜系に関する。

ガスタービンエンジンのタービン部は、ロータ軸と、１以上のタービン段とを含み、各々が軸に植設その他の方法で配設されるタービンディスク（又はロータ）と、ディスクの周辺部に取り付けられ、ディスクの周辺部から半径方向に延在するタービンブレードとを有する。タービンアセンブリは通常、燃料の燃焼によって発生した高温圧縮ガスを膨張させることにより回転軸動力を生成する。ガスタービンバケット又はブレードは一般に、流路のガスの熱的及び運動エネルギーを、ロータの機械的回転に変換するように設計された翼形状を有する。

タービン性能及び効率は、回転ブレードの先端と固定シュラウドとの間のスペースを小さくし、ブレードを迂回するであろう、ブレード上端を覆う空気流、すなわちブレード上端の周囲の空気流を制限することにより高めることができる。例えば、ブレードは、その先端がエンジン運転中にシュラウドに近接して嵌合するように構成することができる。したがって、効率的な先端隙間を生成及び維持することが、効率目的のために特に望ましい。

タービンブレードは多数の超合金（例えば、ニッケル基超合金）からなるものとすることができるが、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）は、その高温性能及び軽量によりタービン用途に対してニッケル基超合金の魅力的な代替手段である。しかし、ＣＭＣ構成要素は、高温蒸気存在下での激しい酸化及び後退を避けるために、タービンエンジン環境において耐環境皮膜（ＥＢＣ）で保護しなければならない。

したがっていくつかの構成要素では、ＥＢＣの領域は、隣接する構成要素との摩擦事象による摩耗を受けやすい。例えば、ＣＭＣブレードにとって、ブレード先端のＥＢＣは金属シュラウド構成要素に対する摩擦を受けやすい。ＥＢＣ皮膜が摩耗すると、ＣＭＣブレードは、ＣＭＣブレード先端と金属シュラウドとの間の隙間を開放する高温蒸気からの劣勢の影響を受けやすいため、エンジンの効率を低下させる。

したがって、タービンの運転中の摩擦事象によって生じるＣＭＣブレード先端上のＥＢＣの摩耗を軽減するための材料及び方法を提供することが当該技術分野で望ましい。

米国特許出願公開第２０１４／０２５５６８０号

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に述べられるか、説明から明らかとなり得るか、もしくは本発明の実施により学ぶことができる。

構成要素（例えば、ＣＭＣ構成要素）上の密度変動型皮膜系が、一般に提供される。一実施形態では、密度変動型皮膜系は、構成要素上の外部皮膜を含み、外部皮膜は、第１の密度領域と、第２の密度領域とを有し、第１の密度領域は、第２の密度領域よりも密度が高い。

ガスタービンエンジンもまた、一般に提供される。一実施形態では、ガスタービンエンジンは、圧縮機と、燃焼部と、タービンと、圧縮機又はタービンの一方に配置されたシュラウドアセンブリとを備える。シュラウドアセンブリは、その上に外部皮膜を有するセラミックマトリックス複合材料を含み、外部皮膜は、第１の密度領域と、第２の密度領域とを有し、第１の密度領域は、第２の密度領域よりも密度が高い。

本発明のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであるが、本発明の実施形態を例示し、また説明とともに本発明の原理を説明する役割を果たす。

当業者を対象とした、その最良の形態を含む本発明の完全で実施可能な程度の開示が本明細書に記載されており、本明細書は添付の図を参照する。

本発明の主題の態様による、航空機内で利用することができるガスタービンエンジンの一実施形態の断面図である。 図１に示すガスタービンエンジン内での使用に適したタービン構成の一実施形態の断面図である。 本発明の主題の一実施形態による密度変動型皮膜系を有する例示的なシュラウドの流路面を示す図である。 図３の例示的なシュラウドの断面図である。

以下、本発明の実施形態についての参照が詳細に行われるが、その１以上の実施例が図面に示されている。各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明の範囲及び精神から逸脱せずに、本発明において種々の修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として例示し又は説明した特徴は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。したがって、本発明は、そのような修正及び変更を添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本明細書で使用する場合、用語「第１の」、「第２の」、及び「第３の」は、ある構成要素を他の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することは意図されていない。

ＣＭＣの密度変動型皮膜系は一般に、結果として生じる構成要素及びその適用方法と共に提供される。皮膜系の密度を制御することによって、皮膜の特性を構成要素上で局所的に調整することができ、ハードウェアの耐久性を最大化するより大きな感度を可能にする。すなわち、皮膜ポロシティを構成要素上の別個の位置で修正し、耐熱性、耐摩擦性、及び耐侵食性を調整することができる。密度変動型皮膜系は特に、ブレードとシュラウド摩擦事象、極端な温度及び／又は温度変化で生成される熱応力などに対するステータ及びロータの耐久性に影響を与えることに有用である。

次に図面を参照すると、図１は、本発明の主題の態様による航空機内で利用することができるガスタービンエンジン１０の一実施形態の断面図を示しており、参照のためにエンジン１０を通って延在する長手方向又は軸方向中心軸線１２を有するエンジン１０が示されている。一般に、エンジン１０は、コアガスタービンエンジン（全体を参照番号１４で示す）と、その上流に配置されたファン部１６を含むことができる。コアエンジン１４は一般に、環状入口２０を画成する実質的に筒状の外側ケーシング１８を含むことができる。加えて、外側ケーシング１８はさらに、コアエンジン１４に流入する空気の圧力を第１の圧力レベルに増大させるブースタ圧縮機２２を囲むとともに支持することができる。高圧多段軸流圧縮機２４が次に、ブースタ圧縮機２２から圧縮空気を受け、かかる空気の圧力をさらに増大させることができる。高圧圧縮機２４から出る圧縮空気は次に、燃料が圧縮空気流に噴射される燃焼器２６に流れることができ、結果として生じる混合物が燃焼器２６内で燃焼される。高エネルギーの燃焼生成物は、エンジン１０の高温ガス経路に沿って燃焼器２６から第１の（高圧）駆動軸３０を介して高圧圧縮機２４を駆動するために第１の（高圧）タービン２８に導かれ、そして、第１の駆動軸３０とほぼ同軸である第２の（低圧）駆動軸３４を介してブースタ圧縮機２２及びファン部１６を駆動するために第２の（低圧）タービン３２に導かれる。タービン２８及び３２の各々を駆動した後に、燃焼生成物は、排気ノズル３６を介してコアエンジン１４から排出され、推進ジェット推力をもたらす。

各タービン２８、３０は一般に、１以上のタービン段を含むことができ、各段は、タービンノズル（図１には図示せず）と、下流のタービンロータ（図１には図示せず）とを含むことを理解されたい。以下に説明するように、タービンノズルは、タービンロータの一部を形成するロータブレードの対応する環状アレイに向けて、タービン段を介して燃焼生成物の流れを旋回させる又は導くためにエンジン１０の中心軸線１２の周囲に環状アレイで配置された複数のベーンを含むことができる。一般に理解されているように、ロータブレードは、タービンロータのロータディスクに結合され得、それは次にタービンの駆動軸（例えば、駆動軸３０又は３４）に回転可能に結合される。

加えて、図１に示すように、エンジン１０のファン部１６は一般に、環状ファンケーシング４０に囲まれるように構成されている回転可能な軸流ファンロータ３８を含むことができる。特定の実施形態では、（ＬＰ）駆動軸３４は、ダイレクトドライブ構成などでファンロータ３８に直接接続することができる。別の構成では、（ＬＰ）駆動軸３４は、インダイレクトドライブ又はギヤードドライブ構成の減速ギヤボックスなどの減速装置３７を介してファンロータ３８に接続することができる。要望又は必要に応じて、このような減速装置を、エンジン１０内の任意の適切な軸／スプールの間に含むことができる。

ファンケーシング４０は、複数の実質的に半径方向に延在する周方向に間隔を置いた出口ガイドベーン４２によってコアエンジン１４に対して支持されるように構成することができることを当業者は理解されたい。したがって、ファンケーシング４０は、ファンロータ３８及びその対応するファンロータブレード４４を囲むことができる。そのうえ、ファンケーシング４０の下流部４６は、コアエンジン１４の外側部分上に延在して、付加的な推進ジェット推力をもたらす二次的な又はバイパス気流導管４８を画成することができる。

エンジン１０の運転中、初期空気流（矢印５０で示す）が、ファンケーシング４０の関連する入口５２を通ってエンジン１０に流入することができることを理解されたい。空気流５０は、次にファンロータブレード４４を通過し、導管４８を通って移動する第１の圧縮空気流（矢印５４で示す）及びブースタ圧縮機２２に流入する第２の圧縮空気流（矢印５６で示す）に分離する。第２の圧縮空気流５６の圧力はその後増大し、高圧圧縮機２４に流入する（矢印５８で示すように）。燃料と混合し、燃焼器２６内で燃焼した後、燃焼生成物６０は、燃焼器２６を出て第１のタービン２８を通って流れる。その後、燃焼生成物６０は、第２のタービン３２を通って流れ、排気ノズル３６を出てエンジン１０の推力をもたらす。

次に図２を参照して、図１を参照して上述した第１の（又は高圧）タービン２８の部分的な断面図が、本発明の主題の実施形態にしたがって示されている。示されているように、第１のタービン２８は、第１の段のタービンノズル６２と、第１の段のタービンロータ６４とを含むことができる。ノズル６２は一般に、複数の半径方向に延在する円状に間隔を置いたノズルベーン６６（その内の１つが示されている）を含む環状流路によって画成することができる。ベーン６６は、多数の弓形外側バンド６８と弓形内側バンド７０との間に支持することができる。一般に理解されているように、ベーン６６、外側バンド６８及び内側バンド７０は、複数の周方向に隣接するノズルセグメント７２内に配置されて完全な３６０度アセンブリを形成することができ、各ノズルセグメント７２の外側及び内側バンド６８、７０は一般に、エンジン１０の高温ガス経路に沿ってノズル７２を通って流れる燃焼生成物（矢印６０で示す）に対して、それぞれ外側及び内側半径方向の流路境界を画成する。

さらに、第１の段のタービンロータ６４は、エンジン１０の中心軸線１２（図１）を中心に回転するロータディスク７６から半径方向外側に延在する複数の周方向に間隔を置いたロータブレード７４（その内の１つのみが図２に示されている）を含むことができる。加えて、タービンシュラウド７８をロータブレード７４の半径方向外側先端のすぐ隣に配置して、エンジン１０の高温ガス経路に沿ってタービンロータ６４を通って流れる燃焼生成物６０に対する外側半径方向の流路境界を画成することができる。タービンシュラウド７８は一般に、複数の弓形シュラウドセグメント８０（その内の１つが図２に示されている）によって形成することができ、シュラウドセグメント８０は、完全な３６０度アセンブリを形成するように中心軸線１２の周囲に環状アレイで周方向に配置される。図２に示すように、いくつかの実施形態では、各シュラウドセグメント８０は、「ボックス」シュラウドセグメントとして構成することができ、したがって、ほぼ矩形の断面プロファイルを画成することができる。一般に理解されているように、シュラウドセグメント８０は、特定の場合において、シュラウドセグメント８０をガスタービンエンジン１０のケーシングに結合することを可能にするシュラウドハンガー８２その他の適切な固定構造を介してロータブレード７４に対して半径方向に保持されてもよい。

運転中、燃焼生成物６０の高温ガスは、燃焼器２６（図１）の燃焼ゾーン８４から軸方向に環状の第１の段のタービンノズル６２に流入することができる。第１の段のタービンノズル６２のノズルベーン６６は一般に、高温ガスを旋回又は導くように構成することができ、それにより流れが第１の段のロータ６４のロータブレード７４に角度を付けて作用する。ロータブレード７４の環状アレイの周囲の高温ガス流は、タービンロータ６４の回転をもたらし、これは次にロータ６４が結合される軸（例えば、図１に示す第１の駆動軸３０）を回転可能に駆動することができる。

高圧タービン２８の第１の段のみを概して上述したが、タービン２８はまた、任意の数のノズルベーン及びタービンブレードの対応する一連の環状アレイを含む、任意の数の後続の段を含むことができることを理解されたい。同様に、低圧タービン３２（図１）もまた同様の構成を含んでもよく、ノズルベーン及びタービンブレードの一連の環状アレイの１以上の段を有する。

図３及び４は、シュラウド８０上に配置された例示的な密度変動型皮膜系８１を示す。図４は、密度変動型皮膜系８１が構成要素１００と、内部皮膜１０２と、外部皮膜１０４とを含むことを示す。内部皮膜１０２及び外部皮膜１０４は共に、構成要素１００上の耐環境皮膜（ＥＢＣ）及び／又は遮熱皮膜（ＴＢＣ）のためのものである。例えば、構成要素１００はＣＭＣ基板とすることができ、内部皮膜１０２及び外部皮膜１０４はその上にＥＢＣを形成することができる。或いは、構成要素１００は合金基板とすることができ、内部皮膜１０２及び外部皮膜１０４はその上にＴＢＣを形成することができる。内部皮膜１０２及び／又は外部皮膜１０４は、ＥＢＣ又はＴＢＣ中に通常存在する任意の適切な数の層から形成することができることを理解されたい。例えば、ＥＢＣをＣＭＣ表面に形成する場合、内部皮膜１０２は、ボンドコート層、１以上の希土類ケイ酸塩層などを含むことができる。

示されている実施形態では、外部皮膜１０４は、シュラウド８０の前縁８３に沿う第１の密度領域９０と、ブレードのトラック部分９３に沿う第２の密度領域９２と、シュラウド８０のその後縁８５に沿う第３の密度領域９４とを有する。これら３つの別個の密度領域９０、９２、９４が示されているが、任意の適切な数の別個の密度領域が必要に応じて利用することができることを理解されたい。すなわち、外部皮膜１０４は、「Ｎ」個の密度領域のポロシティを含むことができ、ここで、Ｎは密度領域の数であり、特定の用途に必要とされる設計に応じて任意の数に変更することができる。

第１の密度領域９０及び第３の密度領域９４は、一実施形態では、第２の密度領域９２のポロシティより低いポロシティ値を有する。すなわち、第１の密度領域９０及び第３の密度領域９４は、第２の密度領域９２よりも高密が高い。例えば、第１の密度領域９０及び第３の密度領域９４は、独立して１０％未満のポロシティを有することができる。逆に、第２の密度領域９２は、約２０％〜約３０％のポロシティを有することができる。本実施形態では、摩擦事象で各構成要素から欠損した材料を示すブレードとシュラウドの摩擦比は、皮膜微細構造を介して制御することができる。したがって、軟質材料は、ブレードのトラック部分９３で分離され（すなわち、高ポロシティ、低密度）、第１の密度領域９０は、十分な密度を維持して過剰な侵食から前縁８３を保護する（すなわち、低ポロシティ、高密度）。

一実施形態では、隣接する密度領域間（例えば、第１の密度領域９０と第２の密度領域９２との間）の遷移におけるポロシティは、あるポロシティから別のポロシティに（例えば、第１の密度領域９０のポロシティから第２の密度領域９２のポロシティに）徐々に減少する。例えば、ポロシティの遷移は、第１の密度領域９０のポロシティから第２の密度領域９２のポロシティに線形遷移することができる。或いは、隣接する密度領域間（例えば、第１の密度領域９０と第２の密度領域９２との間）の遷移におけるポロシティは、一連の中間密度領域を介してあるポロシティから別のポロシティに徐々に上昇する。

外部皮膜１０４は、任意の適切な方法にしたがって形成することができる。例えば、外部皮膜１０４のポロシティは、ＨＶＯＦ／熱溶射法により、後続の炉運転で燃焼される充填材の使用により（すなわち、充填材の数、大きさ、及び分布が結果として生じるポロシティを決定する）、ポロシティに影響する原料粉末の異なる化学的性質／材料の使用により、特定の領域を作成する異なる領域をマスキングすることにより、噴霧領域の制御により、ポロシティに影響する異なる予熱及び適用温度により、などで変化させることができる。

一実施形態では、内部皮膜１０２及び外部皮膜１０４は、耐環境皮膜（ＥＢＣ）を形成する。例えば、内部皮膜１０２はボンドコート（例えば、ケイ素又はケイ土を含む）とすることができる。外部皮膜１０４は、１以上の希土類ケイ酸塩から形成される複数の層とすることができる。例えば、外部皮膜１０４は、ムライト層、ムライト−アルカリ土類アルミノケイ酸塩混合物層、イットリウム一ケイ酸塩（ＹＭＳ）層、イットリビウムドープ二ケイ酸イットリウム（ＹｂＹＤＳ）層、アルミノケイ酸ストロンチウムバリウム（ＢＳＡＳ）層などの１以上を含むことができる。このような実施形態では、外部皮膜１０４は一般に、蒸気の流出及び溶融ダストに対する保護を行う環境障壁としての役割を果たす。

ある実施形態では、外部皮膜１０４の各密度領域は、密度を除いて、外部皮膜１０４全体で実質的に同一の化学組成及び／又は積層を有する。すなわち、第１の密度領域は、密度（すなわち、ポロシティ）を除いて、第２の密度領域、第３の密度領域などと実質的に同一の化学組成を有する。

ブレード経路に対して配向した別個の領域９０、９２、９４が示されているが、任意の適切な配向の別個の密度領域が必要に応じて利用することができることを理解されたい。例えば、別個の密度領域は、より良好に下にある構成要素を高温ガス経路から熱的に分離するために構成要素上の「ホットスポット」で利用することができる。

加えて、密度変動型皮膜系は、任意の構成要素上で利用することができ、シュラウドに限定されるものではないことを理解されたい。例えば、密度変動型皮膜系は、ＥＢＣ又はＴＢＣが存在するエンジンのブレード、ベーン、ノズルその他の部分に適用することができる。

本明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイス又はシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言との差がない構造要素を含む場合、又は特許請求の範囲の文言との実質的な差がない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にある。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 中心軸線
１４ コアガスタービンエンジン
１６ ファン部
１８ 外側ケーシング
２０ 環状入口
２２ ブースタ圧縮機
２４ 高圧圧縮機、高圧多段軸流圧縮機
２６ 燃焼器
２８ 高圧タービン
３０ 高圧駆動軸
３２ 低圧タービン
３４ 低圧駆動軸
３６ 排気ノズル
３８ ファンロータ
４０ 環状ファンケーシング
４２ 出口ガイドベーン
４４ ファンロータブレード
４６ 下流部
４８ 気流導管
５０ 空気流
５２ 入口
５４ 第１の圧縮空気流
５６ 第２の圧縮空気流
５８ 気流
６０ 燃焼生成物
６２ 第１の段のタービンノズル
６４ 第１の段のタービンロータ
６６ ノズルベーン
６８ 弓形外側バンド
７０ 弓形内側バンド
７２ ノズルセグメント、ノズル
７４ ロータブレード
７６ ロータディスク
７８ タービンシュラウド
８０ シュラウドセグメント、シュラウド
８１ 密度変動型皮膜系
８２ シュラウドハンガー
８３ 前縁
８４ 燃焼ゾーン
８５ 後縁
９０ 第１の密度領域
９２ 第２の密度領域
９３ ブレードのトラック部分
９４ 第３の密度領域
１００ 構成要素
１０２ 内部皮膜
１０４ 外部皮膜

Claims (10)

1. 構成要素上の密度変動型皮膜系であって、密度変動型皮膜系は、
   構成要素上の外部皮膜を含み、外部皮膜が第１の密度領域と第２の密度領域とを有し、第１の密度領域が第２の密度領域よりも密度が高い、密度変動型皮膜系。
2. 構成要素がＣＭＣ構成要素であり、外部皮膜が希土類ケイ酸塩を含む、請求項１に記載の密度変動型皮膜系。
3. 構成要素と外部皮膜との間に配置された内部皮膜をさらに含む、請求項１に記載の密度変動型皮膜系。
4. 外部皮膜がまた、第２の密度領域よりも密度が高い第３の密度領域を有し、第２の密度領域が、第１の皮膜領域と第３の皮膜領域との間に配置される、請求項１に記載の密度変動型皮膜系。
5. 構成要素が、ガスタービンエンジンのシュラウドであり、第１の皮膜領域が、シュラウドの前縁を覆い、第２の皮膜領域が、シュラウドのブレードのトラック部分を覆い、第３の皮膜領域が、シュラウドの後縁を覆う、請求項４に記載の密度変動型皮膜系。
6. 第１の密度領域と第２の密度領域との間の遷移が、徐々に減少する、請求項１に記載の密度変動型皮膜系。
7. 第１の密度領域が、第２の密度領域だけではなく密度も実質的に同一の化学組成を有する、請求項１に記載の密度変動型皮膜系。
8. 圧縮機と、
   燃焼器と、
   タービンと、
   圧縮機又はタービンの一方に配置され、その上に外部皮膜を有するセラミックマトリックス複合材料を含むタービンシュラウドとを含み、外部皮膜は、第１の密度領域と、第２の密度領域とを有し、第１の密度領域は、第２の密度領域よりも密度が高い、ガスタービンエンジン。
9. 圧縮機又はタービンの一方に配置され、タービンシュラウドが半径方向外側先端のすぐ隣に配置されるように、半径方向外側先端を画成するロータブレードをさらに含み、第２の密度領域は、半径方向外側先端の移動経路に対応するブレードのトラック領域を画成する、請求項８に記載のガスタービンエンジン。
10. 外部皮膜が、密度を除いて、全体に実質的に同一の化学組成を有し、第１の密度領域と第２の密度領域との間の遷移が、徐々に減少する、請求項８に記載のガスタービンエンジン。