JP2017052685A - フィールド動作部品の処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】例示的な部品、ガスタービン部品並びに部品及びガスタービン部品の形成方法の提供。【解決手段】セラミックマトリックス複合材料を含むフィールド動作部品１００の処理方法は、部品の第１の部分１０６を除去して第１の露出表面を部品に形成し、さらに、第１の露出表面と係合するように適合された構造を含む第２の露出表面を有する複合材料を含む第２の部分１０６を用意し、第２の部分は、第１の部分を交換するように部品に対応して配置され、第２の部分１０６及び部品１０２は、接合して処理部品１００を形成する。部品がタービン部品であり、環境障壁コーティングを部品から除去することと、継手を画定するように第１の露出表面及び第２の露出表面を配置して接合し、環境障壁コーティングを処理部品に適用する方法。【選択図】図１

Description

本発明は、フィールド動作部品の処理方法、及び処理部品を対象とする。より具体的には、本発明は、フィールド動作部品の一部の交換方法、及び交換部分を有する処理部品を対象とする。
ガスタービンは、向上した効率及び性能を提供するために継続的に修正されている。これらの修正は、高温及び厳しい条件下で動作する能力を含み、これは構成要素をこのような温度及び条件から保護するために材料改質及び／又はコーティングを必要とすることがある。修正が導入される度に、新たな課題が発生する。
性能及び効率を向上させる修正の１つに、これらに限定されないが、シュラウド、タービンストラット、ノズル／ベーン、燃焼ライナ、バケット／ブレード、シュラウドリング、排気ダクト、補強ライナ、及びジェット排気ノズルなどのガスタービン部品をセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）から形成することが挙げられる。ＣＭＣタービン部品は、水を伴う高温でのＣＭＣと燃焼ガスの相互作用に起因して燃焼流フィールドで劣化を受ける可能性がある。ＣＭＣタービン部品はまた、動作条件下で機械的又は他の損傷を受ける可能性もある。しかし、ガスタービン及び他のシステムのＣＭＣ部品は、高価であることが多く、局所的損傷又は摩耗の結果として部品全体を交換することは、経済的に不利である。
例示的な実施形態では、フィールド動作部品の処理方法は、セラミックマトリックス複合材料を含むフィールド動作部品を設けることと、フィールド動作部品の第１の部分を除去して第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面をフィールド動作部品に形成することとを含む。方法はさらに、セラミックマトリックス複合材料を含み、第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面と係合するように適合された構造を含む第２の露出セラミックマトリックス複合材料表面を有する第２の部分を設けることを含む。第２の部分は、第１の部分を交換するようにフィールド動作部品に対応して配置され、第２の部分及びフィールド動作部品は、接合して処理部品を形成する。
別の例示的な実施形態では、シュラウド、タービンストラット、ノズル、燃焼ライナ、バケット、シュラウドリング、排気ダクト、補強ライナ、ジェット排気ノズル、及びそれらの組合せからなる群から選択されるフィールド動作タービン部品の処理方法は、セラミックマトリックス複合材料を含むフィールド動作タービン部品を設けることと、第１の環境障壁コーティングをフィールド動作タービン部品から除去することと、フィールド動作タービン部品の第１の部分を除去して第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面をフィールド動作タービン部品に形成することとを含む。方法はさらに、セラミックマトリックス複合材料を含み、第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面と係合するように適合された構造を含む第２の露出セラミックマトリックス複合材料表面を有する第２の部分を設けることを含む。第２の部分は、第１の部分を交換するようにフィールド動作タービン部品に対応して配置されている。第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面及び第２の露出セラミックマトリックス複合材料表面は、継手を画定するように配置されて適合されている。第２の部分及びフィールド動作タービン部品は、接合して処理タービン部品を形成し、第２の環境障壁コーティングは、処理タービン部品に適用される。
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示により示した添付図面を伴って、好適な実施形態の以下に行うより詳細な説明から明らかとなる。
本開示の一実施形態に係るフィールド動作部品の斜視図である。 本開示の一実施形態に係る第１の部分と第２の部分の交換の準備における第１の部分を除去した後の図１のフィールド動作部品の斜視図である。 本開示の一実施形態に係る図１のフィールド動作部品の第１の部分と図２の第２の部分の交換後の処理部品の斜視図である。 本開示の一実施形態に係る第１の部分と第２の部分の交換の準備における第１の部分を除去した後のフィールド動作部品の側面図である。 本開示の一実施形態に係るフィールド動作部品の第１の部分と第２の部分の交換後の処理部品の側面図である。 本開示の一実施形態に係る平面スカーフ継手によるフィールド動作部品の第１の部分と第２の部分の交換後の処理部品の側面図である。 本開示の一実施形態に係る先端付スカーフ継手によるフィールド動作部品の第１の部分と第２の部分の交換後の処理部品の側面図である。 本開示の一実施形態に係る半重ねスプライス継手によるフィールド動作部品の第１の部分と第２の部分の交換後の処理部品の側面図である。 本開示の一実施形態に係る斜め重ねスプライス継手によるフィールド動作部品の第１の部分と第２の部分の交換後の処理部品の側面図である。 本開示の一実施形態に係るテーブルスプライス継手によるフィールド動作部品の第１の部分と第２の部分の交換後の処理部品の側面図である。 本開示の一実施形態に係る目違い継手によるフィールド動作部品の第１の部分と第２の部分の交換後の処理部品の側面図である。 本開示の一実施形態に係るほぞ継手によるフィールド動作部品の第１の部分と第２の部分の交換後の処理部品の側面図である。
可能な限り、同一の参照符号が同一の部品を表すために図面の全体にわたって使用される。
例示的な部品、ガスタービン部品並びに部品及びガスタービン部品の形成方法を提供する。本開示の実施形態は、本明細書に開示される１つ以上の特徴を利用しない方法及び製品と比較して、部品の耐用寿命を延ばすよりコスト効率及び時間効率の良い方法を提供する。
図１を参照すると、フィールド動作部品１００は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）１０２を含む。フィールド動作部品１００はさらに、フィールド動作部品１００の第１の部分１０６に局在化したフィールド動作状態１０４を含む。
フィールド動作部品１００は、ＣＭＣ１０２を含む任意の部品とすることができる。一実施形態では、フィールド動作部品１００は、ガスタービン部品である。さらなる実施態様では、フィールド動作部品１００は、これらに限定されないが、シュラウド、タービンストラット、ノズル（又はベーン）、燃焼ライナ、バケット（又はブレード）、シュラウドリング、排気ダクト、補強ライナ、ジェット排気ノズル、又はそれらの組合せなどのガスタービン部品である。
ＣＭＣ１０２の例は、これらに限定されないが、炭素繊維強化炭素（Ｃ／Ｃ）、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／ＳｉＣ）、炭化ケイ素繊維補強炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ）、アルミナ繊維強化アルミナ（Ａｌ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3）、及びそれらの組合せを含む。ＣＭＣ１０２は、モノリシックセラミック構造と比較して高い伸び、破壊靱性、熱衝撃、力学的負荷能力、及び異方性特性を有し得る。
フィールド動作状態１０４は、これらに限定されないが、損傷、亀裂、浸食、腐食、ピッチング、摩耗、層間剥離、酸化、歪み、疲労、化学的侵食、劣化、破砕、分裂、脆弱、又はそれらの組合せを含む任意の不所望又は有害な状態を含み得る。
図２を参照すると、フィールド動作部品１００の処理方法は、フィールド動作部品１００の第１の部分１０６（図１参照）を除去して第１の露出ＣＭＣ表面２００をフィールド動作部品１００に形成することを含む。第２の部分２０２が設けられ、第２の部分２０２はまた、ＣＭＣ１０２を含む。第２の部分２０２は、第１の露出ＣＭＣ表面２００と係合するように適合された構造２０６を有する第２の露出ＣＭＣ表面２０４を含む。第２の部分２０２は、別のフィールド動作部品から再構成すること、これまで動作されていない部品から再構成すること、又は不完全な部品、具体的には、第１の部分１０６の交換において使用するために製造される、又は第１の部分１０６を交換するために日和見的に利用される不完全な部品とすることができる。第２の部分２０２は、第１の部分１０６を交換するようにフィールド動作部品１００に対応して配置されている。
図３を参照すると、第２の部分２０２は、継手３０２でフィールド動作部品１００と接合して処理部品３００を形成し、フィールド動作部品１００及び第２の部分２０２の各々は、セラミックマトリックス複合材料１０２を含む。
図４を参照すると、接合材料４００は、フィールド動作部品１００の第２の部分２０２への接合時に第１の露出ＣＭＣ表面２００及び第２の露出ＣＭＣ表面２０４の少なくとも１つに適用することができる。接合材料４００は、これらに限定されないが、接合スラリー、繊維強化接合スラリー、マトリックス層５００（図５参照）、一方向テープ５０２（図５参照）の１以上の層、又はそれらの組合せを含む任意の適切な組成を含むことができる。一実施形態では、接合材料４００は、これらに限定されないが、炭素源、元素状炭素、炭化水素、アルコール、炭化ケイ素、又はそれらの組合せを含む任意の適切な材料を含む。別の実施形態では、第２の部分２０２とフィールド動作部品１００を接合することは、フィールド動作部品１００及び第２の部分２０２を取り付け具に載置することと、接合材料４００を第１の露出ＣＭＣ表面２００及び第２の露出ＣＭＣ表面２０４の少なくとも１つに適用することと、接合材料４００を真空下で乾燥することとを含む。
図５を参照すると、第２の部分２０２とフィールド動作部品１００を接合することは、１以上のマトリックス層５００を第１の露出ＣＭＣ表面２００及び第２の露出ＣＭＣ表面２０４によって画定された継手３０２上に追加することを含むことができる。第２の部分２０２とフィールド動作部品１００を接合することはさらに、１以上の繊維強化層５００、第２の部分２０２及びフィールド動作部品１００を高密度化することを含むことができる。高密度化することは、これらに限定されないが、ケイ素を１以上のマトリックス層５００の一部、第２の部分２０２及びフィールド動作部品１００に溶融することと、ケイ素を炭素源と反応させて炭化ケイ素を形成することで１以上のマトリックス層５００、第２の部分２０２及びフィールド動作部品１００を固化させることとを含むことができる。
一実施形態では、一方向テープ５０２の１以上の層は、１以上のマトリックス層５００と継手３０２との間に配置されている。さらなる実施形態では、一方向テープ５０２の１以上の層は、一方向セラミックマトリックス複合材料テープの複数の交互層を含み、複数の交互層の各々は、９０°間隔で交互に繊維配向する。別の実施形態では、一方向テープ５０２の１以上の層は、一方向セラミックマトリックス複合材料テープの複数の交互層を含み、複数の交互層の各々は、４５°間隔で交互に繊維配向する。さらに別の実施形態では、１以上のマトリックス層５００及び一方向テープ５０２の１以上の層を追加することは、フィールド動作部品１００及び第２の部分２０２に１以上の繊維強化層５００及び一方向テープ５０２の１以上の層の高さ５０４とほぼ等しいインセット深さ５０６を形成することを含む。高密度化することはさらに、一方向テープ５０２の１以上の層を高密度化することを含むことができる。
一実施形態では、第２の部分２０２とフィールド動作部品１００を接合することは、接合材料４００を第１の露出ＣＭＣ表面２００及び第２の露出ＣＭＣ表面２０４の少なくとも１つに適用することと、１以上の繊維マトリックス層５００及び１以上の一方向テープ５０２を第１の露出ＣＭＣ表面２００及び第２の露出ＣＭＣ表面２０４によって画定された継手３０２上に追加することとを含む。
第２の部分２０２とフィールド動作部品１００を接合することは、これらに限定されないが、滅菌、焼失、溶融浸透、局所的熱処理、誘導加熱、レーザ加熱、又はそれらの組合せなどの任意の適切な技術を含むことができる。一実施形態では、接合に続いて、処理部品３００は、これらに限定されないが、機械加工、研磨、被覆、又はそれらの組合せを含む任意の適切な仕上げ処理を施される。
一実施形態では、フィールド動作部品１００を処理することは、第１の環境障壁コーティングをフィールド動作部品１００から除去することを含む。別の実施形態では、フィールド動作部品１００を処理することは、第２の環境ボンドコーティングを処理部品３００に適用することを含む。
図６〜図１２を参照すると、第１の露出ＣＭＣ表面２００及び第２の露出ＣＭＣ表面２０４は、継手３０２を画定するように配置されて適合されている。継手は、これらに限定されないが、バット継手、拘束継手、ダボ継手、マイター継手、フィンガー継手、ダブテール継手、大入れ継手、溝継手、目違い継手、ほぞ継手、ハンマーヘッドほぞ継手（ｈａｍｍｅｒ−ｈｅａｄｅｄ ｔｅｎｏｎ ｊｏｉｎｔ）、バーズマウス継手（ｂｉｒｄｓｍｏｕｔｈ ｊｏｉｎｔ）、重ね継手、端部重ね継手、半重ね継手、十字重ね継手、ダブテール重ね継手、ダブテール十字重ね継手、留め半重ね継手、相欠き継手、スプライス継手、半重ねスプライス継手、斜め重ねスプライス継手、テーブルスプライス継手、テーパードフィンガースプライス継手（ｔａｐｅｒｅｄ ｆｉｎｇｅｒ ｓｐｌｉｃｅ ｊｏｉｎｔ）、楔型テーブルスプライス継手、サドル継手、荊冠型継手（ｃｒｏｗｎ ｏｆ ｔｈｏｒｎｓ ｊｏｉｎｔ）、スカーフ継手、平面スカーフ継手、先端付スカーフ継手、シャチ先端付スカーフ継手、又はそれらの組合せを含む任意の適切な継手とすることができる。図６を参照すると、一実施形態では、継手３０２は、平面スカーフ継手６００である。図７を参照すると、別の実施形態では、継手３０２は、先端付スカーフ継手７００である。図８を参照すると、継手３０２は、半重ねスプライス継手８００とすることができる。図９を参照すると、別の実施形態では、継手３０２は、斜め重ねスプライス継手９００である。図１０を参照すると、さらに別の実施形態では、継手３０２は、テーブルスプライス継手１０００である。図１１を参照すると、継手３０２は、目違い継手１１００とすることができる。図１２を参照すると、別の実施形態では、継手３０２は、ほぞ継手１２００である。
図６〜図１０を参照すると、一実施形態では、継手３０２は、スカーフ継手、平面スカーフ継手、先端付スカーフ継手、シャチ先端付スカーフ継手、スプライス継手、半重ねスプライス継手、斜め重ねスプライス継手、テーブルスプライス継手、テーパードフィンガースプライス継手（ｔａｐｅｒｅｄ ｆｉｎｇｅｒ ｓｐｌｉｃｅ ｊｏｉｎｔ）、楔型テーブルスプライス継手又はそれらの組合せである。継手３０２は、約０〜約５０、或いは約１０〜約２０、或いは約１２〜約１８、或いは約１０〜約１４、或いは約１３〜約１７、或いは約１６〜約２０、或いは約１５の比率（重量比）の継手厚さ６０４に対する継手幅６０２を含む。
本発明を好適な実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者によって理解されるであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
１００ フィールド動作部品
１０２ セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）
１０４ フィールド動作状態
１０６ 第１の部分
２００ 第１の露出ＣＭＣ表面
２０２ 第２の部分
２０４ 第２の露出ＣＭＣ表面
２０６ 構造
３００ 処理部品
３０２ 継手
４００ 接合材料
５００ マトリックス層、繊維強化層
５０２ 一方向テープ
５０４ 高さ
５０６ インセット深さ
６００ 平面スカーフ継手
６０２ 継手幅
６０４ 継手厚さ
７００ 先端付スカーフ継手
８００ 半重ねスプライス継手
９００ 斜め重ねスプライス継手
１０００ テーブルスプライス継手
１１００ 目違い継手
１２００ ほぞ継手

Claims (20)

  1. フィールド動作部品の処理方法であって、
    セラミックマトリックス複合材料を含むフィールド動作部品を設けることと、
    フィールド動作部品の第１の部分を除去して第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面をフィールド動作部品に形成することと、
    セラミックマトリックス複合材料を含み、第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面と係合するように適合された構造を含む第２の露出セラミックマトリックス複合材料表面を有する第２の部分を設けることと、
    第１の部分を交換するように第２の部分をフィールド動作部品に対応して配置することと、
    第２の部分とフィールド動作部品を接合して処理部品を形成することと
    を含む方法。
  2. フィールド動作部品が、ガスタービン部品である、請求項１に記載の方法。
  3. 第２の部分が、別のフィールド動作部品の再構成部分、非動作部品からの再構成部分、不完全な部品及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
  4. 第２の部分とフィールド動作部品を接合することが、接合材料を第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面及び第２の露出セラミックマトリックス複合材料表面の少なくとも１つに適用することを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 接合材料が、炭素源、元素状炭素、炭化水素、アルコール、炭化ケイ素、及びそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項４に記載の方法。
  6. 第２の部分とフィールド動作部品を接合することが、接合材料を真空下で乾燥することを含む、請求項４に記載の方法。
  7. 第２の部分とフィールド動作部品を接合することが、１以上のマトリックス層を第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面及び第２の露出セラミックマトリックス複合材料表面によって画定された継手上に追加することを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 一方向テープの１以上の層が、１以上のマトリックス層と継手との間に配置されている、請求項７に記載の方法。
  9. 一方向テープの１以上の層が、一方向セラミックマトリックス複合材料テープの複数の交互層を含み、複数の交互層の各々が、９０°間隔で交互に繊維配向する、請求項８に記載の方法。
  10. 第２の部分とフィールド動作部品を接合することが、１以上のマトリックス層、一方向テープの１以上の層、第２の部分及びフィールド動作部品を高密度化することを含む、請求項８に記載の方法。
  11. １以上のマトリックス層を追加することが、１以上のマトリックス層及び一方向テープの１以上の層の高さとほぼ等しいインセット深さを形成することを含む、請求項８に記載の方法。
  12. 第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面及び第２の露出セラミックマトリックス複合材料表面が、継手を画定するように配置されて適合されている、請求項１に記載の方法。
  13. 継手が、スカーフ継手、平面スカーフ継手、先端付スカーフ継手、シャチ先端付スカーフ継手、及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１２に記載の方法。
  14. 継手が、約０〜約５０の重量比を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 第２の部分とフィールド動作部品を接合することが、滅菌、焼失、溶融浸透、局所的熱処理、誘導加熱、レーザ加熱、又はそれらの組合せからなる群から選択される技術を含む、請求項１に記載の方法。
  16. 方法がさらに、第１の環境障壁コーティングをフィールド動作部品から除去することを含む、請求項１に記載の方法。
  17. 方法がさらに、第２の環境ボンドコーティングを処理部品に適用することを含む、請求項１に記載の方法。
  18. 方法がさらに、処理部品の表面を機械加工することを含む、請求項１に記載の方法。
  19. フィールド動作タービン部品の処理方法であって、
    シュラウド、タービンストラット、ノズル、燃焼ライナ、バケット、シュラウドリング、排気ダクト、補強ライナ、ジェット排気ノズル、及びそれらの組合せからなる群から選択され、セラミックマトリックス複合材料を含むフィールド動作タービン部品を設けることと、
    第１の環境障壁コーティングをフィールド動作タービン部品から除去することと、
    フィールド動作タービン部品の第１の部分を除去して第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面をフィールド動作タービン部品に形成することと、
    セラミックマトリックス複合材料を含み、第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面と係合するように適合された構造を含む第２の露出セラミックマトリックス複合材料表面を有する第２の部分を設けることと、
    第１の部分を交換するように第２の部分をフィールド動作タービン部品に対応して配置することであって、第１の露出セラミックマトリックス複合材料表面及び第２の露出セラミックマトリックス複合材料表面は、継手を画定するように配置されて適合されている、配置することと、
    第２の部分とフィールド動作タービン部品を接合して処理タービン部品を形成することと、
    第２の環境障壁コーティングを処理タービン部品に適用すること
    とを含む方法。
  20. 第２の部分が、別のフィールド動作タービン部品の再構成部分、非動作タービン部品からの再構成部分、不完全なタービン部品及びそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１９に記載の方法。
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