JP2017503914A - Ｈｖｏｆ溶射プロセスのための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、構成部品を、特にガスタービン構成部品をコーティングする、高速フレーム（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxygen Fuel）溶射プロセスのための装置（１）に関する。装置（１）は、液体燃料燃焼形の燃焼室（２）と、ドラバル区画（６）と、粉末注入器（８）を備えている粉末注入器ブロック（９）と、バレル（７）と、を備えており、それらは全て軸線（Ａ）周りに、且つ軸線（Ａ）に沿って配置されている。粉末注入器ブロック（９）は、軸線（Ａ）周りの周方向において等間隔で配置されている少なくとも４つの粉末注入器（８）を有しており、且つ、少なくとも４つの開口部（１１）を備えている円柱状のブシュとして設計されている粉末注入器ブロック（９）内部に、交換可能な高温ガス通路部インサート（１０）を有しており、開口部（１１）は、円柱における軸線（Ａ）周りの周方向において等間隔で配置されており、ブシュ（１０）は開口部（１１）を貫通して延在している少なくとも４つの粉末注入器（８）によって固定されている。

Description

本発明は、構成部品の、特にガスタービンにおける高温ガス通路部部品として使用される金属製構成部品のコーティングの技術に関する。この技術は、請求項１の上位概念に記載されている高速フレーム（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxygen Fuel）溶射プロセスのための装置に適用される。

ガスタービン（ＧＴ）を発電に使用する際に、ガスタービンの作業様式は非常に多岐にわたると考えられる。ＧＴは、長期間にわたり一定量の電気を供給するために使用することができるか（いわゆる「ベースローダ」）、又は、ＧＴは、不定の再生可能エネルギの量の増加及び不定の電力需要に起因する変動が加わることによる、より安定した発電源（原子力発電所、ＧＴベースローダ等）の発電レベルの差を均すために使用することができる。後者のタイプのＧＴは、いわゆる「サイクリック／ピーカ」である。

ＧＴは寿命が尽きるまでに、「ローダ」から「ピーカ」になることも考えられる。動作条件のこの変化は、タービンにおける構成部品にとっての、また特に、極端な温度条件に晒されている構成部品にとっての、ソリシテーション（solicitations）モードとディストレス（distress）モードにおける相異（即ち、境界条件）に繋がる。「ローダ」の場合には、構成部品はより高いクリープ耐性及び酸化耐性を必要とすることになり、また「ピーカ」の場合には、それらの構成部品が、より良好な循環耐性を必要とすることになる。

更には、構成部品毎に境界条件は異なり、また１つの構成部品においても局所的に境界条件は異なる。疲労しやすい領域もあれば、クリープ、酸化／腐食、壊食等が発生する領域もある。それら全ての特性は、構成部品を実際の運転境界条件に適合させるために一般的に使用されるコーティングに強く依存する。従って、必要とされる特性のヴァリエーションに応えるためには、フレキシブルに個別に適合された特性を有するコーティングを形成できるようになることが重要である。

本願の出願人は、現時点において未だ公開されていない欧州特許願を出願している（出願番号：１３１６００５１）。そこでは、均質な組成のものであっても良いし、フレキシブルな複合粉末であっても良い別個の粉末各々に対して少なくとも２つの別個の粉末供給装置を使用し、それらを同時に噴射することによって、ターボ機械の構成部品にコーティング系を適用する方法が開示されており、この方法では、供給量を変更することによって、各粉末の割合をオンラインで変更することができる。

ガスタービン構成部品のための保護金属コーティング、例えばＭＣｒＡｌＹ型（Ｍ＝Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ又はそれらの組み合わせ）の保護金属コーティングは溶射によって適用される。ＨＶＯＦ溶射プロセスは、この目的のために最も頻繁に使用されている技術のうちの１つである。

先行技術より、ＨＶＯＦシステムは気体又は液体を燃料とすることが公知である。液体燃料供給型のＨＶＯＦシステムは、気体燃料供給型のＨＶＯＦシステムに比べて、より緻密なコーティングを形成するという利点を有している。従って、液体燃料供給型のＨＶＯＦシステムの方が技術的により重要である。

典型的なＨＶＯＦシステムが図１に略示されている。このシステム１は燃焼室２を有しており、燃焼室２には燃料３及び酸素４が供給され、それらが燃焼することによって、複合気体混合物５が生じる。 続いて、この混合物５は、ノズル６（ドラバル区画）を通って押し出され、それによって、気体混合物５がバレル７内で超音速まで加速される。コーティング用の粉末８は、粉末注入器ブロックを介してキャリアガスによって、燃焼室２に供給されるか、又は、ノズル６の下流側においてバレル７へと供給される。

市販されている公知の液体燃焼型のＨＶＯＦバーナは、粉末注入器を２つだけ使用して運転される。このことは、溶着速度の制限、（点群が単にＣ２であることに起因する）溶射スポットの幾何学における非対称性についての感度の制限、例えば二重層コーティングを適用する場合の時間の掛かる段取り替え等を暗に示している。

気体燃料を使用するＨＶＯＦバーナは、通常の場合、単一の粉末注入ラインを用いて、燃焼室内へと軸線方向に注入を行うことにより運転される。実際のところ、それらのＨＶＯＦバーナは、例えば、より安定した溶射スポットの幾何学形状を有しているが、しかしながら、コーティング層における酸化物の形成が甚だしいことに起因して、ＭＣｒＡｌＹ型の金属粉末の適用には適していない。

市販のＨＶＯＦバーナの粉末注入器ブロックの現行の設計はバルク型の設計を含み、また、ワンピースで製造されるようになっている。注入器ブロックの高温ガス通路部における不可避のアブレシブ摩耗（これは粉末が超音速ガスに半径方向に注入される間に生じる）が所定の特定のレベルに達すると、その部品を交換することが必要になるか、精巧に再生することが必要になる。後者は一度だけしか実現できず、またオリジナルの粉末注入器ブロックの製造メーカによって行われる。これは費用が掛かる。

市販の設計において、注入器ブロックの劣化した区画のみを交換することができるものは存在していない。また、現行の設計が、最適化されていない設計によって惹起される、例えば横断面積（フェーズ及びエッジ）の何らか突然の変化によって惹起されるガス流における衝撃に起因する顕著な損失を示しているものであったとしても、市販のものにおいて設計が改善されたものは存在していない。

欧州特許出願公開第１８１６２２９号明細書には、ＨＶＯＦ用の溶射装置が開示されており、この溶射装置は粉末注入ラインを１つだけ有しており、更に溶射装置は、軸線（Ａ）周りに回動可能なワークピースホルダと、軸線（Ａ）に対して角度が付けられている溶射方向（Ｓ）に溶射を行う溶射ノズルと、回転軸線（Ａ）を中心にして旋回するピボット装置とを有している。回転軸線（Ａ）を包囲する周面の全ての領域は、一度はスプレー方向（Ｓ）に向けられている。この装置によって、良好な溶射品質を達成することができるが、しかしながら、一方では、コーティングプロセスが依然として多くの時間を要し、また他方では、フレキシブルに個別に適合された特性を有するコーティングを形成することができない。

従って、先行技術から公知のシステムと比較して、溶射プロセスの時間を短縮することができ、また保守性、プロセスのロバスト性（頑強性）及びフレキシビリティ／性能を改善することができる、改良されたＨＶＯＦシステム／装置を提供することは非常に有利である。それと同時に、既存の溶射設備との適合性を維持できれば更に有利である。

発明の概要
本発明の課題は、先行技術から公知のシステムと比較して、溶射プロセスの時間を短縮することができ、また保守性、プロセスのロバスト性及びフレキシビリティ／性能を改善することができる、ターボ機械の構成部品をコーティングするためのＨＶＯＦ装置を提供することである。それと同時に、既存の溶射設備との適合性が維持されるべきである。

この課題及び別の課題は、独立請求項１に記載のＨＶＯＦ装置によって解決される。

本発明の核心は、請求項１の上位概念に記載されているＨＶＯＦ装置の粉末注入器ブロックが、一方では、軸線（Ａ）周りの周方向において等間隔で配置されている少なくとも４つの粉末注入器を有しており、他方では、少なくとも４つの開口部を備えている円柱状のブシュとして設計されている粉末注入器ブロック内部に、交換可能な高温ガス通路部インサートを有しており、前述の開口部が円柱における軸線（Ａ）周りの周方向において等間隔で配置されており、またブシュが前述の開口部を貫通して延在している少なくとも４つの粉末注入器によって固定されていることである。

１つの利点として、高温ガス通路部インサートを、不可避の摩耗が生じた後に、多くの費用を掛けることなく、また精巧な再生を必要とすることなく迅速に交換することができる。

先行技術によれば、液体燃料燃焼型のＨＶＯＦ溶射システムには、一般的に２つの粉末注入ラインが使用されている。しかしながら、コーティングプロセス中の最大溶着速度は粉末ラインの性能によって制限されることが明らかになった。最大粉末流速に達すると、粉末流、またそれと共に炎も脈動し始め、コーティングプロセスが不安定になる。本発明に従い相互に等間隔で対称的に配置されている付加的な粉末注入器（少なくとも４つの粉末注入器）を使用することによって、安定したコーティング条件下でより高い溶着速度を達成することができる。溶射スポットの幾何学もより安定する。

本願発明の付加的な重要な利点は、本願が権利を主張するハードウェアの改良（交換可能なガス通路部インサート、少なくとも４つの粉末注入器）を、限られた時間内で、既存の装置／システムにおいて可逆的に実現できることである。機械速度／反復回数に関する調整／修正並びに粉末ラインの制御のみが必要とされる。溶射スポットの幾何学は保守／維持されるので、他の全ての付加的なプロセスパラメータ、例えば燃焼室圧力、ケロシン流、酸素流、溶射距離、ロボットプログラム等は変更する必要がない。

本発明による装置の１つの実施の形態によれば、円柱状のブシュが、軸線Ａ周りにおけるこのブシュの所定の配向のためにガイド溝を有している。ブシュは粉末注入器ブロックの外側から装入される。

本発明の別の実施の形態は、粉末注入器ブロックの上述の特徴に加えて、ドラバル区画がベル形の設計又は少なくともエッジが丸められた設計を有していることを特徴とする。これら後者の改良が行われなければ、現行の市販のものの設計では、ガス流における衝撃に起因して顕著な損失が示される。標準的な構成に関する衝撃、従って熱力学的な損失は、横断面積の何らかの突然の変化（フェーズ及びエッジ）のＣＦＤ（Computational Fluid Dynamic）シミュレーションによって、はっきりと立証することができた。

ベル形のドラバル区画を、円柱状のバレルと組み合わせることができる。このオプションでは、気体が粉末注入器ブロックに進入する前に、既に最終的な速度に達している。更なる拡張は必要ない。

更には、ドラバル区画のベル形の設計を、粉末注入器ブロック／バレル区画の充円錐設計と組み合わせることが可能である。

１つの利点として、本願が権利を主張する装置は、特にＭＣｒＡｌＹ型の金属保護コーティングを適用するために、ガスタービン構成部品のＨＶＯＦコーティングに使用される。

以下では、添付の図面を参照しながら、種々の実施の形態に基づき、本発明をより詳細に説明する。

従来技術によるＨＶＯＦ溶射装置に関する構成の簡略化した図を示す。 ２つの粉末注入器を備えている、従来技術による粉末注入器ブロックの写真を示す。 ４つの粉末注入器を備えている、本発明による粉末注入器ブロックの写真を示す。 本発明の第１の実施の形態による注入器ブロックの概略的な断面図を示す。 本発明による、交換可能な高温ガス通路部装置（円柱状のブシュ）の写真を示す。 装置のバレル及びドラバル区画の１つの実施の形態の簡略化した図を示す。 装置のバレル及びドラバル区画の１つの実施の形態の簡略化した図を示す。 装置のバレル及びドラバル区画の１つの実施の形態の簡略化した図を示す。

本発明の種々の実施の形態の詳細な説明
本発明は、市販されている先行技術の液体燃料燃焼型のＨＶＯＦ設備をベースとして使用した上で、プロセスの安定性／性能／保守性に関する種々の改善を実現する。それと同時に、既存の溶射設備との適合性が維持される。

第１の特徴は、付加的な粉末注入器を注入器ブロックに設けたことであり、これによって、より高い粉末供給量の信頼性の高いプロセスが実現され、このことは時間の短縮に繋がり、また対称性が高まることに起因して溶射スポットの幾何学形状が安定し、更には、段取り替えの有無にかかわらず、異なるタイプの粉末を同時に処理することができる。

この特徴は、図２と比較した図３に示されている。図２は、従来技術による標準的な粉末注入器ブロック９の図である。２つの粉末注入器８がはっきりと見て取れる。図３は、４つの粉末注入器８を備えている、本発明による粉末注入器ブロック９の図である。粉末注入器８は、周方向において対称的に配置されており、このことは、軸線Ａ（図３においてこの軸線Ａは示していない）周りの周方向において等間隔で配置されていることを意味する。

本発明による装置の第２の特徴は、保守費用を低減するため、及び、ＨＶＯＦバーナの注入器ブロック９の保守性を改善するために、交換可能なインサート１０が注入器ブロック９の流れ区画に設けられていることである。図５は、開口部１１及びガイド溝１２を備えている円柱状ブシュ１０の形のインサートの図を示し、これに対し図４は、注入器ブロック９の概略的な断面図を示す。複数の（ここでは４つの）開口部１１が、円柱における軸線Ａ（図４を参照されたい）周りの周方向において等間隔で配置されている。４つの粉末注入器８は、開口部１１を貫通して延在しており、且つ、ブシュ１０を粉末注入器ブロック９に固定している。ガイド溝１２によって、軸線Ａ周りの前述のブシュ１０の所定の配向が保証される。ブシュ１０は、粉末注入器ブロック９の外側から装入され、また、摩耗により交換が必要になった場合に簡単に交換することができる。

４つの粉末注入器８及び交換可能な高温ガス通路部インサート１０を備えている、改良されたＨＶＯＦ注入器ブロック９のそのような試作品を、本出願人の既設の溶射ブースで試験した。本出願人のＧＴ用のガスタービンブレードをコーティングするために、コーティング品質（結合性、コーティング厚さ分布、多孔率）を維持したまま溶着速度を２倍にすることができ、その結果、市販のＨＶＯＦ注入器ブロックを用いたブレードのコーティングと比較すると、時間が約４０％短縮された。改良されたＨＶＯＦ装置の溶射スポットは、標準的な構成では一般的に必要とされるようなキャリアガス流の特別な調整を必要とせずとも、対称性が高いこと（円形であること）が分かった。

以下の種々の利点を達成することができる：
改良された注入器ブロックは、数分で既存の設備に実装された。また改良された注入器ブロックは、標準的なパラメータセット並びに標準的なロボットプログラム（反復回数の調整だけを必要とした）を使用し、標準的な構成と比べても同じ溶着効率が得られる。炎（即ち、ショックダイヤモンドの量／距離）は、標準的な注入器ブロックと改良された注入器ブロックとで同一であることが分かった。

溶着速度の増加に起因する、構成部品の不安定な箇所のコーティングにおける亀裂形成を引き起こす残留応力についての低いリスクだけが存在する。実現は複雑ではない。考えられる付加的な粉末供給装置を除き、本発明によるハードウェアの改良は、既存の溶射設備／構成の適合を必要とせず、従って、同一のコントローラ／ロボットプログラム／燃料／気体を使用する。

勿論、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、例えば、４つより多くの粉末注入器を使用することもできる。

更に、ＣＦＤ検査によって、市販のベースライン設備の、熱力学的な衝撃による損失に関する設計の改善の発展性が立証された。装置１のドラバル区画６を、以下に実施の形態として説明する種々のオプションによって改良することができる。

１．エッジを丸めることによる、現行のベースライン設計におけるステップ及びフェーズの除去。このオプションは、時間の掛かるＣＦＤ検査を必要とせず、また、衝撃による熱力学的な損失を減衰させる。この結果、粒子速度は僅かに増加し、またコーティングの多孔率は一層低下する（図６を参照されたい）。

２．円柱状のバレル７と組み合わされた、ドラバル区画６のベル形の設計。このオプションでは、気体が粉末注入器ブロック９に進入する前に、既に最終的な速度に達している。更なる拡張を必要とされず、粉末注入器８／バレル区画７は、エッジ及びフェーズを有していない円柱状に設計されている。この改良されたレイアウトにより、ベースラインのバレル７の出口における顕著な過膨張も取り除かれる。衝撃及び熱力学的な損失が少なくなり、この結果、粒子速度は一層増加し、またコーティング多孔率は一層低下する（図７を参照されたい）。

３．粉末注入器ブロック９／バレル区画７の充（若しくは完全）円錐設計と組み合わされた、ドラバル区画６のベル形の設計。この改良されたレイアウトにより、ベースラインのバレル７の出口における顕著な過膨張も取り除かれる。

本発明による装置は、有利には、ＭＣｒＡｌＹ型の金属保護コーティングを有しているガスタービン構成部品に使用される。

１ ＨＶＯＦ装置
２ 燃焼室
３ 燃料
４ 酸素
５ 気体混合物、燃焼ガス
６ ノズル、ドラバル区画
７ バレル
８ 粉末注入器
９ 粉末注入器ブロック
１０ 高温ガス通路部インサート、円柱状のブシュ
１１ 開口部
１２ ガイド溝

Claims (8)

1. 構成部品をコーティングするための高速フレーム（ＨＶＯＦ：High Velocity Oxygen Fuel）溶射プロセスのための装置（１）であって、
   液体燃料燃焼形の燃焼室（２）と、ドラバル区画（６）と、粉末注入器（８）を備えている粉末注入器ブロック（９）と、バレル（７）と、を備えており、それらが全て軸線（Ａ）周りに、且つ軸線（Ａ）に沿って配置されている、装置（１）において、
   前記粉末注入器ブロック（９）は、前記軸線（Ａ）周りの周方向において等間隔で配置されている少なくとも４つの粉末注入器（８）を有しており、且つ、前記粉末注入器ブロック（９）内部に、少なくとも４つの開口部（１１）を備えている円柱状のブシュとして設計されている交換可能な高温ガス通路部インサート（１０）を有しており、前記開口部（１１）は、円柱における前記軸線（Ａ）周りの周方向において等間隔で配置されており、前記ブシュ（１０）は前記開口部（１１）を貫通して延在している前記少なくとも４つの粉末注入器（８）によって固定されている、ことを特徴とする、装置（１）。
2. 前記円柱状のブシュ（１０）は、前記軸線（Ａ）周りにおける該ブシュ（１０）の所定の配向のためにガイド溝（１２）を有しており、前記ブシュ（１０）は、前記粉末注入器ブロック（９）の外側から装入される、請求項１に記載の装置。
3. 前記ドラバル区画（６）は、ベル形の設計を有している、請求項１に記載の装置。
4. ベル形の前記ドラバル区画（６）は、円柱状のバレル（７）と組み合わされる、請求項３に記載の装置。
5. ベル形の前記ドラバル区画（６）は、円錐状のバレル（７）と組み合わされる、請求項３に記載の装置。
6. ベル形の前記ドラバル区画（６）は、前記粉末注入器ブロック（９）の充円錐状設計と組み合わされる、請求項５に記載の装置。
7. ガスタービン構成部品のコーティングに使用される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. ＭＣｒＡｌＹ形の金属保護コーティングの適用に使用される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。

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