JP2016500137A - タービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システムおよび対応するタービンブレード - Google Patents

Abstract

アブレイシブ材を含むコーティングを有するスクイーラ先端が開示されている。スクイーラ先端は、エアロフォイル先端の半径方向外側の面に装着されてよく、従来のブレード先端アブレイシブ材と比べて熱による劣化に対して優れた抵抗力を有し、アブレイシブ材を付着させるのに使用される金属複合材料中の金属元素とごくわずかにしか化学反応しない耐火性のカーバイド材料から形成された少なくとも１つのアブレイシブ粒子を含む少なくとも１つの保持体から形成することができる。少なくとも１つの実施形態において、アブレイシブ粒子は炭化タンタルであってよい。スクイーラ先端はまた、先端から半径方向外向きに延在する場合もあり、先端の半径方向外側の面を少なくとも部分的に覆うこともある。

Description

連邦政府が出資する研究または開発に関する表明
本発明の開発は、エネルギー省の先進タービン開発プログラム、契約番号DE-FC26-05NT42644によって一部がサポートされた。したがって米国政府は、本発明における特定の権利を有することができる。

本発明は概してタービンに関するものであり、より詳細にはタービンブレードのためのエアロフォイル先端に関するものである。

典型的にはガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮器と、圧縮された空気を燃料と混合しこの混合気に点火するための燃焼器と、動力を生成するためのタービンブレード組立体とを含む。燃焼器は、華氏２，５００℃を超えることもある高温で作動することが多い。典型的なタービン燃焼器構成は、タービンブレード組立体をこのような高温に曝す。結果として、タービンブレードは、このような高温に耐えることが可能な材料で作製する必要がある。

典型的には、タービンブレードは、一端における翼根部分と、タービンブレードの反対側において翼根部分に結合されたプラットフォームから外向きに延在するブレードを形成する細長い部分と、から形成される。ブレードは通常、翼根セクションに対向する先端と、前縁と、後縁とで構成される。タービンブレードの先端は、リング部分とタービンのガス路内のブレードとの間の隙間を縮小するために先端特徴部を有する場合が多い。先端特徴部は、スクイーラ先端と呼ばれる場合が多く、往々にしてブレードの先端に組み込まれることでタービン段における圧力の損失を抑えるのを助ける。このような特徴部は、ブレード先端とリング部分の間の隙間を最小限にするように設計される。

タービンブレード先端は、タービンブレードに始動時の切り込み能力(cutting capacity)を提供するためにアブレイシブ材ブレード処理によってコーティングされることが多い。しかしながら多くのアブレイシブ材ブレード処理は、ガスタービンエンジン内の高温ガス環境に曝された場合急速に劣化する。したがって、ブレードは、ガスタービンエンジンのならし運転期間中の温まった状態での再始動において継続して切り込む能力を失う。それゆえ、より頑強なアブレイシブ材ブレード処理が必要とされる。

高温ガス路の高い温度に耐えることが可能なアブレイシブ材を含むコーティングを有するスクイーラ先端を備えたタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システムが開示される。スクイーラ先端は、先端の半径方向外側の面に装着されてよく、少なくとも１つの保持体から形成することができ、これには現行のブレード先端アブレイシブ材料と比べて熱による劣化に対して優れた抵抗力を有し、アブレイシブ材を付着させるのに使用される金属複合材料の金属元素とごくわずかにしか化学反応しない耐火性のカーバイド材料から形成された少なくとも１つのアブレイシブ粒子が含まれる。少なくとも１つの実施形態において、アブレイシブ粒子は炭化タンタルであってよい。スクイーラ先端はまた、先端から半径方向外向きに延在する場合があり、先端の半径方向外側の面の少なくとも一部を覆うことができる。

タービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システムのスクイーラ先端は、前縁と、後縁と、第１の端部における先端と、ブレードを支持しかつブレードをディスクに結合するために第１の端部の略反対側の端部においてブレードに結合された翼根とを有する略細長のブレードの一構成要素であってよい。固定リング部分は、固定リング部分の内面が略細長のブレードに近接するように位置決めされ、固定リング部分と略細長のブレードとの間を燃焼ガスが通過するのを制限するように略細長のブレードの先端から半径方向外向きに位置決めされ適所に固定されてよい。固定リング部分の内面は、遮熱コーティングによって被覆されてよい。スクイーラ先端は、先端の半径方向外側の面に装着され、少なくとも一部が炭化タンタルから形成された少なくとも１つのアブレイシブ粒子を含む少なくとも１つの保持体から形成されてよい。別の実施形態において、アブレイシブ粒子は炭化タンタルのみから形成される場合もある。さらに別の実施形態において、スクイーラ先端は、２つ以上のアブレイシブ粒子を含む場合もあり、複数のアブレイシブ粒子を含むこともある。スクイーラ先端は、先端から半径方向外向きに延在することができ、先端の半径方向外側の面の少なくとも一部を覆うことができる。

スクイーラ先端は、先端の半径方向外側の面に装着され、少なくとも１つのアブレイシブ粒子を含む少なくとも１つの保持体から形成されてよい。スクイーラ先端は、先端から半径方向外向きに延在することができ、先端の半径方向外側の面の少なくとも一部を覆うことができる。少なくとも１つの実施形態では、スクイーラ先端は先端の半径方向外側の面を全て覆う場合もある。

スクイーラ先端は、アブレイシブ粒子を略細長のブレードの先端に付着させるのに使用される金属複合材料によってコーティングされてよい。金属複合材料は、例えばこれに限定するものではないが任意の高温耐酸化性材料、例えばコバルト、ニッケル、アルミニウム、クロムおよびイットリウム(CoNiCrAlY)などの金属材料から少なくとも一部が形成されてよい。別の実施形態では、金属複合材料がCoNiCrAIYのみで形成される場合もある。

金属複合材料の他に、スクイーラ先端は、従来のブレード先端アブレイシブ材と比べて熱による劣化に対して優れた抵抗力を有する耐火性カーバイド材料を含む場合がある。金属複合材料は、耐火性のカーバイド材料を保持する場合があり、これは金属複合材料とごくわずかな化学反応しかしない。少なくとも１つの実施形態において、アブレイシブ粒子は、炭化タンタルから少なくとも一部が形成される場合がある。別の実施形態において、アブレイシブ粒子は炭化タンタルのみで形成される場合もある。金属複合材料に１つのアブレイシブ粒子または複数のアブレイシブ粒子が含まれる場合がある。炭化タンタル粒子は、１００から２００ミクロンのサイズであり得る。このようなサイズは、最初の２０００時間の保守利用において、およびその後の温まった状態の始動における先端の摩擦力が、現場で建造され典型的にはなじみ運転措置を持たない大型の産業用ガスタービン（IGT）エンジンの範囲内にある場合、アブレイシブ粒子を含む金属複合材料の耐久性を向上させることによってスクイーラ先端１０の効率を高める。

本発明の利点は、１００から２００ミクロンのサイズを有する炭化タンタル粒子と、CoNiCrAIYとの組み合わせが、従来のIGTの列１のタービンブレード先端温度において２０００時間の保守時間を通して高い生存性を有するアブレイシブ材ブレード先端処理を創り出し、これにより、より長いタービンエンジン保守時間のための隙間の管理を改善することである。

本発明の別の利点は、タービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システムが、現在利用可能なアブレイシブ材ブレード先端と比べて熱による劣化に対するその優れた耐性により全体のエンジン効率を上げることである。

本発明のさらに別の実施形態は、タービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システムが、ガスタービンエンジンにおけるタービンブレードの有効寿命を伸ばすことである。

本発明の別の利点は、タービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システムが、先端が半径方向外側の固定リング部分を擦ることによってブレード先端が摩耗するリスクを抑えることである。

これらのおよび他の実施形態が以下でより詳細に記載される。

添付の図面は、明細書に組み込まれ、その一部を形成しており、目下開示される発明の実施形態を例示し、記載と併せて本発明の原理を開示している。

スクイーラ先端が装着されたタービンブレードの斜視図である。 タービンエアロフォイルに装着され、半径方向外向きのリング部分に近接するように位置決めされたスクイーラ先端を形成する金属複合材料中のアブレイシブ粒子の詳細な断面図である。 タービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システムをテストする拡散対調製のスクリーンショットの写真である。 摂氏１０１０℃で２０００時間経過した後のCoNiCrAIY複合材料中のTac粒子の拡大図である。 摂氏１０１０℃で２０００時間経過した後のCoNiCrAIY複合材料において可視反応がないそのままのTac粒子の図４からさらに拡大した図である。 ２０００時間経過した後のそのままの粒子とCoNiCrAIYとの可視反応がないことを示す走査電子顕微鏡の後方散乱像である。 イットリウムとコバルトのわずかな侵入はあるが、タンタルは失われていないTaC粒子中の元素濃度を示すエネルギー分散型の分光法ドットマップである。

図１から図７に示されるように、アブレイシブ材１４を含むコーティング１２を有するスクイーラ先端１０を備えたタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システム８が開示される。スクイーラ先端１０は、エアロフォイル先端２４の半径方向外側の面１６に装着されてよく、従来のブレード先端アブレイシブ材と比べて熱による劣化に対して優れた抵抗力を有し、アブレイシブ材１４を付着させるのに使用される金属複合材料中の金属元素とごくわずかにしか化学反応しない耐火性のカーバイド材料から形成された少なくとも１つのアブレイシブ粒子１４を含む少なくとも１つの保持体１８から形成することができる。少なくとも１つの実施形態において、アブレイシブ粒子１４は炭化タンタルであってよい。スクイーラ先端１０はまた、先端２４から半径方向外向きに延在する場合もあり、先端２４の半径方向外側の面１６の少なくとも一部を覆うこともある。

図１および図２に示されるように、スクイーラ先端１０は、タービンブレード２０の半径方向外側の先端２４に装着されてよい。タービンブレード２０は、前縁２８と、後縁３０と、第１の端部３２における先端２４と、第１の端部３２の略反対側の第２の端部３６においてブレード２０に結合されることでブレード２０を支持しブレード２０をディスクに結合する翼根３４とを有する略細長のブレード２６から形成されてよい。少なくとも１つの固定リング部分４０が、固定リング部分４０の内面４２が略細長のブレード２６に近接して位置決めされることで燃焼ガスが固定リング部分４０と略細長のブレード２６の間を通過するのを制限するように、略細長のブレード２６の先端２４から半径方向外向きに位置決めされ、適所に固定されてよい。固定リング部分４０の内面４２は、例えばこれに限定するものではないが遮熱コーティング４４などの一時的な材料によってコーティングされてよい。遮熱コーティング４４は、例えばこれに限定するものではないが多孔質のセラミックコーティングなどの固定リング部分４０を保護する任意の適切な材料であってよい。固定リング部分４０は、タービンブレード２０の最も外側の面４６と固定リング部分４０の間に隙間３８があることで、ブレードが固定リング部分４０に接触するのを防ぐように位置決めすることができる。しかしながら隙間３８の大きさはエンジン効率を制限するために最小限にされる。

スクイーラ先端１０は、先端２４の半径方向外側の面１６に装着されてよく、少なくとも１つのアブレイシブ粒子１４を含む少なくとも１つの保持体１８から形成することができる。スクイーラ先端１０は、先端２４から半径方向外向きに延在する場合があり、先端２４の半径方向外側の面１６の少なくとも一部を覆うこともある。少なくとも１つの実施形態において、スクイーラ先端１０は、先端２４の半径方向外側の面１６の全てを覆う場合もある。

スクイーラ先端１０は、アブレイシブ粒子１４を略細長のブレード２６の先端２４に付着させるのに使用される金属複合材料１８から形成されてよい。金属複合材料は、例えばこれに限定するものではないが任意の高温耐酸化性材料、例えばコバルト、ニッケル、アルミニウム、クロムおよびイットリウム(CoNiCrAlY)などの金属材料から少なくとも一部が形成されてよい。別の実施形態では、金属複合材料１８がCoNiCrAIYのみで形成される場合もある。

金属複合材料１８の他に、スクイーラ先端１０は、従来のブレード先端アブレイシブ材と比べて熱による劣化に対して優れた抵抗力を有する耐火性のカーバイド材料を含む場合がある。金属複合材料１８は、耐火性のカーバイド材料を保持する場合があり、これは属複合材料１８とごくわずかにしか化学反応しない。少なくとも１つの実施形態において、アブレイシブ粒子１４は、少なくとも一部が炭化タンタルから形成される場合がある。別の実施形態において、アブレイシブ粒子１４は、炭化タンタルのみから形成される場合もある。金属複合材料１８には、１つのアブレイシブ粒子１４または複数のアブレイシブ粒子１４が含まれる場合がある。炭化タンタル粒子１４は、１００から２００ミクロンのサイズであり得る。このようなサイズは、最初の２０００時間の保守利用において、およびその後温まった状態の始動における先端の摩擦力が、現場で建造され典型的にはなじみ運転措置を持たない大型のIGTエンジンの範囲内にある場合、耐久性を向上させることによってスクイーラ先端１０の効率を高める。

炭化タンタルとCoNiCrAIYの適合性がテストされた。American Elementsによって提供されたTaCアブレイシブ材、製品番号TA-C-02-GRをPraxairによって提供されたCoNiCrAIY粉末、部品番号Co-512-2と５０：５０の比で混合することによって拡散対が調製された。混合された粉末は、炉に曝すために０．５ミリメートルのアルミナのるつぼの中に入れられた。炉への暴露は、摂氏１０１０℃で、１００、５００、２０００および４０００時間にわたって空気中で行なわれた。このサイクルは、各日２２時間の加熱と、室温までの２時間の冷却作業であった。２０００時間後、TaC/CoNiCrAIY粉末を中に含むるつぼが炉から取り出され、樹脂がるつぼ内に真空含浸されて分割および研磨作業の前に密度の高い成形体を形成した。るつぼと内容物が設置され研磨され走査電子顕微鏡によって検査され、エネルギー分散型の分光法を利用してTaCと複合材料の元素との間に何らかの化学反応が生じているかどうかを判定した。図３から図６は、TaC粒子が、摂氏１０１０℃で空気中で２０００時間が経過した後にほとんど劣化せずそのままであることを示している。図７は、TaCとCoNiCrAIY粒子との間に化学反応がほとんどない、または全くないことを示しており、TaC材料は、例えばTRIBOMETプレートを介してアブレイシブ粒子１４をタービンブレードの先端２４にめっきするのに使用されるCoNiCrAIY複合材料中において化学的に安定していることを示している。

使用中、金属複合材料保持体１８とアブレイシブ粒子１４を有するスクイーラ先端１０が、タービンエンジンの最初の（冷温）始動において優れた切り込み能力を有することで、タービンブレード２０が、固定リング部分４０上にアブレイダブルセラミック皮膜を装着することが可能になる。金属複合材料保持体１８およびアブレイシブ粒子１４は、IGTエンジンにおける列１のブレードの位置において高温ガス路の温度に曝される間少なくとも２０００時間にわたって耐え抜くように構成されている。

上記は、本発明の実施形態を例示、説明および記載する目的で提供されている。このような実施形態に対する修正形態および適合形態は、当業者にとって明らかであり、本発明の範囲または精神から逸脱することなく行なうことができる。

１０ スクイーラ先端
１２ コーティング
１４ アブレイシブ材
１６ エアロフォイルの外側の面
１８ 保持体
２０ タービンブレード
２４ エアロフォイルの先端
２６ 略細長のブレード
２８ 前縁
３０ 後縁
３２ タービンブレードの第１の端部
３４ 翼根
３６ タービンブレードの第２の端部
４０ 固定リング部分
４２ リングの内面
４４ 遮熱コーティング

金属複合材料の他に、スクイーラ先端は、従来のブレード先端アブレイシブ材と比べて熱による劣化に対して優れた抵抗力を有する耐火性カーバイド材料を含む場合がある。金属複合材料は、耐火性のカーバイド材料を保持する場合があり、これは金属複合材料とごくわずかな化学反応しかしない。少なくとも１つの実施形態において、アブレイシブ粒子は、炭化タンタルから少なくとも一部が形成される場合がある。別の実施形態において、アブレイシブ粒子は炭化タンタルのみで形成される場合もある。金属複合材料に１つのアブレイシブ粒子または複数のアブレイシブ粒子が含まれる場合がある。炭化タンタル粒子は、１００から２００マイクロメートルのサイズであり得る。このようなサイズは、最初の２０００時間の保守利用において、およびその後の温まった状態の始動における先端の摩擦力が、現場で建造され典型的にはなじみ運転措置を持たない大型の産業用ガスタービン（IGT）エンジンの範囲内にある場合、アブレイシブ粒子を含む金属複合材料の耐久性を向上させることによってスクイーラ先端１０の効率を高める。

本発明の利点は、１００から２００マイクロメートルのサイズを有する炭化タンタル粒子と、CoNiCrAIYとの組み合わせが、従来のIGTの列１のタービンブレード先端温度において２０００時間の保守時間を通して高い生存性を有するアブレイシブ材ブレード先端処理を創り出し、これにより、より長いタービンエンジン保守時間のための隙間の管理を改善することである。

金属複合材料１８の他に、スクイーラ先端１０は、従来のブレード先端アブレイシブ材と比べて熱による劣化に対して優れた抵抗力を有する耐火性のカーバイド材料を含む場合がある。金属複合材料１８は、耐火性のカーバイド材料を保持する場合があり、これは属複合材料１８とごくわずかにしか化学反応しない。少なくとも１つの実施形態において、アブレイシブ粒子１４は、少なくとも一部が炭化タンタルから形成される場合がある。別の実施形態において、アブレイシブ粒子１４は、炭化タンタルのみから形成される場合もある。金属複合材料１８には、１つのアブレイシブ粒子１４または複数のアブレイシブ粒子１４が含まれる場合がある。炭化タンタル粒子１４は、１００から２００マイクロメートルのサイズであり得る。このようなサイズは、最初の２０００時間の保守利用において、およびその後温まった状態の始動における先端の摩擦力が、現場で建造され典型的にはなじみ運転措置を持たない大型のIGTエンジンの範囲内にある場合、耐久性を向上させることによってスクイーラ先端１０の効率を高める。

Claims (20)

1. タービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システムであって、
   略細長のブレードであって、前縁と、後縁と、第１の端部における先端と、前記ブレードを支持するとともに前記ブレードをディスクに結合するために前記第１の端部の略反対側の端部において前記ブレードに結合された翼根と、を有する略細長のブレードと、
   少なくとも１つの固定リング部分であって、前記略細長のブレードの前記先端から半径方向外向きに位置決めされ、かつ、前記少なくとも１つの固定リング部分と前記略細長のブレードとの間を通過する燃焼ガスを制限するために前記少なくとも１つの固定リング部分の内面が前記略細長のブレードに近接するように位置決めされるように適所に固定された、少なくとも１つの固定リング部分と、
   前記先端の半径方向外側の面に装着され、かつ、少なくとも一部が炭化タンタルから形成された少なくとも１つのアブレイシブ粒子を含む少なくとも１つの保持体から形成されるスクイーラ先端と、
   を備えており、
   前記スクイーラ先端が、前記先端から半径方向外向きに延在し、かつ前記先端の前記半径方向外側の面の少なくとも一部を覆うことを特徴とするタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システム。
2. 前記少なくとも１つの保持体が、CoNiCrAIYから少なくとも一部が形成されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システム。
3. 前記少なくとも１つの保持体が、CoNiCrAIYのみから形成されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システム。
4. 前記少なくとも１つのアブレイシブ粒子が炭化タンタルのみから形成されることを特徴とする請求項１に記載のタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システム。
5. 前記スクイーラ先端が、前記先端の半径方向外側の面の全てを覆うことを特徴とする請求項１に記載のタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システム。
6. 前記少なくとも１つのアブレイシブ粒子が複数のアブレイシブ粒子であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システム。
7. 前記炭化タンタル１００から２００ミクロンのサイズであることを特徴とする請求項１に記載のタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システム。
8. 前記少なくとも１つの固定リング部分の前記内面が遮熱コーティングでコーティングされることを特徴とする請求項１に記載のタービンエアロフォイルのアブレイダブル皮膜システム。
9. タービンブレードであって、
   略細長のブレードであって、前縁と、後縁と、第１の端部における先端と、前記ブレードを支持するとともに前記ブレードをディスクに結合するために前記第１の端部の略反対側の端部において前記ブレードに結合された翼根と、を有する略細長のブレードと、
   前記先端の半径方向外側の面に装着され、かつ少なくとも一部が炭化タンタルから形成された少なくとも１つのアブレイシブ粒子を含む少なくとも１つの保持体から形成される、スクイーラ先端と、
   を備えており、
   前記スクイーラ先端が、前記先端から半径方向外向きに延在し、前記先端の前記半径方向外側の面の少なくとも一部を覆うことを特徴とするタービンブレード。
10. 前記少なくとも１つの保持体が、CoNiCrAIYから少なくとも一部が形成されることを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード。
11. 前記少なくとも１つの保持体がCoNiCrAIYのみから形成されることを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード。
12. 前記少なくとも１つのアブレイシブ粒子が炭化タンタルのみから形成されることを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード。
13. 前記スクイーラ先端が、前記先端の半径方向外側の面の全てを覆うことを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード。
14. 前記少なくとも１つのアブレイシブ粒子が複数のアブレイシブ粒子であることを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード。
15. 前記炭化タンタルが１００から２００ミクロンのサイズであることを特徴とする請求項９に記載のタービンブレード。
16. タービンブレードであって、
    略細長のブレードであって、前縁と、後縁と、第１の端部における先端と、前記ブレードを支持するとともに前記ブレードをディスクに結合するために前記第１の端部の略反対側の端部において前記ブレードに結合された翼根と、を有する略細長のブレードと、
    前記先端の半径方向外側の面に装着され、かつ少なくとも一部が炭化タンタルから形成された少なくとも１つのアブレイシブ粒子を含む少なくとも１つの保持体から形成される、スクイーラ先端と、
    を備えており、
    前記スクイーラ先端が、前記先端から半径方向外向きに延在し、かつ前記先端の前記半径方向外側の面の少なくとも一部を覆い、
    前記少なくとも１つの保持体は、CoNiCrAIYから少なくとも一部が形成され、
    前記炭化タンタルが１００から２００ミクロンのサイズであることを特徴とするタービンブレード。
17. 前記少なくとも１つの保持体がCoNiCrAIYのみから形成されることを特徴とする請求項１６に記載のタービンブレード。
18. 前記少なくとも１つのアブレイシブ粒子が炭化タンタルのみから形成されることを特徴とする請求項１６に記載のタービンブレード。
19. 前記スクイーラ先端が、前記先端の半径方向外側の面の全てを覆うことを特徴とする請求項１６に記載のタービンブレード。
20. 前記少なくとも１つのアブレイシブ粒子が複数のアブレイシブ粒子であることを特徴とする請求項１６に記載のタービンブレード。

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