JP4130537B2 - ガスタービンシュラウド上に表面凹凸要素を形成するための電気化学的研磨方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンシュラウド冷却面の裏側凹部上に、表面凹凸要素を形成するための電気化学的研磨方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ガスタービン効率は、高温ガス通路に沿って流れてタービンブレードを駆動するタービンガスの温度に正比例する。ガスタービンエンジンは、通常、約２７００゜Ｆの作動温度を有している。この高温に耐えるために、ガスタービンの種々の部分は冷却を必要とする。例えば、最新の高圧タービン内のシュラウドには、シュラウドの裏側凹部上に増強された冷却表面が形成される。シュラウドの環状配列が、タービン内の高温ガス通路を取り囲み、その高温ガス通路の一部を構成している、各シュラウドの表面は冷却されなければならないことが理解されるであろう。通常、圧縮機吐出空気、あるいは、より最新のタービンでは蒸気などの冷却媒体が、シュラウドの温度を許容範囲内に維持するために裏側冷却面に向かって導かれる。
【０００３】
最近、高圧タービンのシュラウドでは、冷却面積を増加させ、シュラウドの全体的な冷却を向上させるために、その裏側上に表面凹凸要素が鋳造されている。例えば、多くの場合はシュラウドの裏側冷却面に突起が鋳込まれていて、表面積を増加させ、従って、平滑な裏側冷却面に比較して、シュラウド壁から冷却媒体への熱伝達を増大させている。このような鋳込まれた突起は熱伝達係数を効果的に向上させるが、多くの旧式のタービンはこのような増強された冷却面を有していない。タービンについて、改修時あるいは補修のため現場から返された時に、旧式のシュラウドに増強された熱伝達特性を付与することが望ましいが、既存のシュラウド表面上に表面凹凸要素を設けるために、鋳造を用いることはできない。
【０００４】
最近、冷却面を必要とする部品に増強された熱伝達特性を付与するために、改良された電気化学的研磨法が開発されている。この技法はＳＴＥＭ（成形管電気化学的研磨）として知られている。ＳＴＥＭ法の態様は、本出願人の出願中の、同一出願人による出願である「電気化学的研磨の方法及び用具」の名称の出願番号第６０／１４９，６１６号、「電気化学的研磨の方法及び用具」の名称の出願番号第６０／１４９，６１８号、「電気化学的研磨の方法及び用具」の名称の出願番号第６０／１４９，６１７号、「電気化学的研磨の方法及び用具」の名称の出願番号第０９／１８７，６６３号、「電気化学的研磨に使用される用具を製作するための方法」の出願番号名称の第０９／１８７，６６４号、および「電気化学的研磨の方法及び用具」の名称の出願番号第６０／１４９，６１９号の各特許出願に記載されており、それらの内容は参考文献として本明細書に組込まれる。それらの特許出願に記載されるように、電極は、あるパターンで電極表面に施され絶縁誘電材料またはコーティングを備えており、電極は、電極と加工物との間の電解液及び電流の印加と協働して、加工物の隣接した部分から金属を置換すなわち溶解し、加工物表面に沿った突起及び溝を形成させる。すなわち、電極の絶縁部分に直接隣接している加工物表面の金属部分は電気化学的に除去されず、一方、電極の非絶縁部分に直接隣接した部分は電気化学的に除去され、加工物の表面内に溝が形成される。本発明の好ましい実施形態においては、ガスタービンの高温ガス通路の一部を構成するシュラウドの裏側凹部冷却面に沿った表面凹凸要素すなわち突起要素及びその間の空隙を形成する電気化学的研磨方法が提供される。これらの突起表面要素及びそれらの間の空隙を形成することにより、シュラウド壁の熱伝達特性は著しく増強される。
【０００５】
【発明の概要】
前述のことを達成するために、本発明は、好ましい実施形態において、全体的にガスタービンシュラウドの裏側凹部冷却面の形状を持ち、その１つの表面にわたった絶縁誘電コーティングを備える電極が準備される。電極表面上のコーティングの一部分は、その表面に沿った電気絶縁部分及び非絶縁部分の配列を形成するように除去される。具体的には、電極の絶縁及び非絶縁部分は、電極が全体的に対向して配置されたとき、シュラウド冷却面上の突起表面要素及びその間の空隙を設けようとする位置に対向して置かれるようなパターン配列で形成されることが好ましい。すなわち、電極表面の残された絶縁部分は、シュラウドの裏側凹部冷却面に沿って形成される突起表面要素の位置に対応する。電極表面の非絶縁部分は、シュラウドの裏側凹部冷却面に沿って表面要素の間に形成される空隙の位置に対応する。電気絶縁及び非絶縁部分のパターン配列を備える電極をシュラウドの裏側凹部冷却面に対向させて配置し、シュラウド表面と電極との間に電解液を循環させ、電極とシュラウド表面との間に電流を印加することにより、電極の非絶縁部分に隣接したシュラウド表面に沿って材料を電気化学的に除去し、電極の絶縁部分に対向して位置するシュラウド表面上の突起要素の間に空隙を形成する。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態においては、電極表面は、最初に誘電絶縁材料で完全にコートされる。次いで、コーティングの一部が、例えばレーザアブレーション法を用いて除去され、電極上の絶縁及び非絶縁部分のランダムなあるいはパターン化された配列が形成される。例えば、誘電材料の行と列からなるようなパターン配列が電極表面上に設けられるのが好ましい。さらに、電極表面上の絶縁部分あるいは非絶縁部分の形状は、突起表面要素及びその間の空隙の形状を決定する。電極上に形成された例えば正方形、直線、楕円あるいは円形形状の絶縁性材料は、その結果として、シュラウドの冷却面上に対応した形状の突起要素を形成する。
【０００７】
電極表面上の誘電材料の絶縁部分は、ほぼ０．００１×０．００１インチないし０．００５×０．００５インチとすることができ、非絶縁部分の間隔は、ほぼ０．００１ないし０．００５インチとすることができる。この寸法の絶縁要素を用いるパターン化された電極でシュラウド表面上を加工し、そこから材料を０．００１インチないし０．００５インチ取除いて凹凸要素を形成した場合、シュラウドの冷却面の表面積が著しく増加することが認められる。これらの好ましい寸法を用いれば、冷却面上の凹凸要素により、熱伝達表面の面積を倍増させることができる。表面の熱伝達率は表面の面積に比例するので、表面の冷却は著しく増強できる。これらの凹凸化表面が衝突冷却のために使用されたとき、熱伝達は少なくとも５０％向上する。この電気化学的研磨方法は、元からの装備部品に対して使用でき、点検あるいは補修されるとき、旧式シュラウドの熱伝達特性を顕しく増加させ、金属温度を低下させて、シュラウドの有効寿命を増大させる。
【０００８】
本発明による好ましい実施形態においては、ガスタービンの高温ガス通路の一部を構成するシュラウドの裏側凹部冷却面に沿って、突起要素及びその間の空隙を形成するための方法が提供され、その方法は、（ａ）冷却面上に突起要素及びその間の空隙をそれぞれ設けようとする部位に全体的に対向させて、その表面の絶縁及び非絶縁部分を形成する該表面に沿った配列で設置された電気絶縁材料を備える電極を配置する段階と、（ｂ）電極とシュラウドの冷却面の間に電解液を流す段階と、（ｃ）電極とシュラウドとの間に電流を通し、シュラウドの冷却面に沿って突起要素及びその間の空隙を形成する段階とを含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図面、特に図１を参照すれば、その全体を符号１０で示す従来技術のシュラウドが示され、該シュラウドは他の同様のシュラウドと共に、ガスタービンの高温ガス通路の一部を構成するシュラウドの環状配列を形成する。図１はシュラウドの裏側の図であり、シュラウドの反対側の表面は高温ガス通路にさらされ、ガスタービンのロータのバケット先端に直接隣接して置かれていること分かるであろう。ここに示す形態では、シュラウド１０は、側部壁１４及び端部壁１６に囲まれた裏側凹部冷却面１２を備える。典型的な構成においては、圧縮機吐出空気あるいは蒸気などの冷却媒体は、図示しないが衝突板を通過して凹部に流入して冷却面１２を衝突冷却する。図１に示すように、冷却面１２は平滑であり、これは旧式ガスタービンのシュラウドでは典型的なものである。従って、本発明は、平滑な表面１２を電気化学的に加工し、増強された熱伝達特性すなわち表面凹凸要素及びその間の空隙を付与するための方法を提供する。
【００１０】
図３を参照すれば、シュラウド１０の冷却面の表面域１２の全体形状をした電極２０を示す。電極２０は、絶縁部を形成する誘電コーティング２２、非絶縁部を形成するその間の空隙からなる配列を備える。誘電コーティングは電極の表面上にパターン化された配列では設置されるのが好ましいが、ランダムな配列も使用できる。例えば、図３に示す実施形態においては、絶縁部分２２は直交関係の行及び列で設置される。しかしながら、パターン化された配列は、直交関係の行及び列以外の、例えば、斜めの列であってもよいことは理解されるであろう。加えて、絶縁部分２２は図３においては正方形として示しているが、絶縁部分２２の形状は正方形である必要はなく、直線、楕円、円形あるいはダイヤモンド形状のような他の形状であってもよいことは理解されるであろう。
【００１１】
誘電材料のパターン化された配列を形成させるために、電極２０は最初その表面全体にわたってコートされる。次いで、コーティングの一部は例えばレーザアブレーションにより除去され、誘電体の絶縁部分２２及び、絶縁部分の間の非絶縁部分あるいは空隙２４が形成される。
【００１２】
シュラウドの表面１２に突起表面要素及びその間の空隙を形成するために、電極２０がシュラウドの凹部内に表面１２に対向して配置される。電極の非絶縁部分あるいは絶縁部分２２の間の空隙２４は、電極と表面１２との間を通る電解液及び電極２０とシュラウド１０との間の電流の印加と協働して、整合し露出した非絶縁金属部分２４に直接対向する表面１２に沿って金属を除去し、図４に示すように突起要素２８の間の空隙２６を形成することが理解されるであろう。換言すれば、電極２０と表面１２との間に電解液を流し、電極２０とシュラウド１０との間に電流を印加しても、電気的絶縁部分２２は電極２０からその対向する表面１２への電流を阻止し、絶縁部分２２に整合する表面１２の金属は除去されない。電極の非絶縁部分あるいは空隙２４からその対向する表面１２に流れる電流は、その間の非溶解金属を残して非絶縁部分に整合する表面１２の金属を溶解して、これにより突起要素２８及び突起要素２８の間の空隙２６を形成する。
【００１３】
図２に示す表面１２は、突起表面要素及びその間の表面を強調して示したものである。電極２０の絶縁部分２２は、例えば、正方形であり、およそ０．００１×０．００１インチないし約０．００５×０．００５インチ平方である。非絶縁の間隔は、ほぼ０．００１ないし０．００５インチである。従って、図２及び図４に示される凹凸要素及びその間の空隙は高度に強調されており、本発明の原理を説明するためのものである。凹凸要素は、記述したように、熱伝達面積を倍増させ、熱伝達率を著しく増大させることができることは理解されるであろう。従って、タービンに使用されているシュラウドであって、冷却効果を増強するための鋳込み突起を持たない既に稼動中のものが、効果的かつ経済的な方法で、熱伝達係数を増強するために凹凸要素及びその間の空隙を備えるように改修することができる。
【００１４】
上記で特定した出願特許の中に開示されているＳＴＥＭ技術においては、強酸性の電解液を用いて、ＳＴＥＭ方が用いられる深い孔の狭い経路内に堆積した金属水酸化物によって生じる洗浄流路の詰まりを避けている。しかしながら、ＮａＮＯ₃水溶液（濃度５〜１５重量％）あるいはＮａＣｌ溶液のような、より弱酸性の電解液が使用できる。洗浄流路の詰まりの問題は、この開いた浅い表面の加工については存在しない。また、連続ＤＣあるいはパルスＤＣ電流が、０．２ミリ秒ないし２０秒の範囲のパルス持続時間で、５Ｖないし２５Ｖで流される。より良好な突起形成のためには、短いパルス持続時間が好ましい。さらに、用具は固定式であることが好ましい。しかしながら、特により深い突起又はピンを加工するために、加工物に向けての用具の送りを行なってもよい。
【００１５】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連して説明したが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲に含まれる種々の修正及び等価な構成を保護しよとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 その裏側凹部平滑冷却面を示す、ガスタービンの従来技術のシュラウドの斜視図。
【図２】 本発明によりシュラウドの平滑冷却面上に形成された表面凹凸要素を強調した形で示している、図１に類似した図。
【図３】 その表面上に形成された絶縁材料のパターン化された配列を示す、電極の平面図。
【図４】 図３の電極を用いてその上に形成された表面凹凸要素を有する冷却面を強調して示している、側面断面図。
【符号の説明】
１０ シュラウド
１４ 側部壁
１６ 端部壁
２８ 表面凹凸要素

Claims (4)

1. ガスタービンの高温ガス通路の一部を構成するシュラウド（１０）の裏側凹部冷却面（１２）に沿って突起要素及びその間の空隙を形成するための方法であって、
   （ａ）前記冷却面上に前記突起要素（２８）及びその間の空隙（２６）をそれぞれ設けようとする位置に全体的に対向させて、その表面の絶縁及び非絶縁部分（２４）を形成する該表面に沿った配列で設置された電気絶縁材料（２２）を備える電極（２０）を配置する段階と、
   （ｂ）前記電極と前記シュラウドの前記冷却面の間に電解質を流す段階と、
   （ｃ）前記電極と前記シュラウドとの間に電流を通し、前記シュラウドの前記冷却面に沿って前記突起要素及びその間の空隙を形成する段階と、
   を含み、さらに前記段階（ａ）に先立ちガスタービンからシュラウドを取り外す段階と、前記段階（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を行なうことによって前記取り外したシュラウドの前記冷却面上に前記突起要素及びその間の空隙を形成する段階と、前記シュラウドを前記タービン中に再取り付けする段階とを含むことを特徴とする方法。
2. 前記段階（ａ）に先立ち、前記電極の前記表面上にパターン化された配列で前記電気絶縁材料を施す段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記段階（ａ）に先立ち、前記電極の前記表面上に列及び該列の間の空隙を有するパターン化された配列で前記電気絶縁材料を施す段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記電解質が５〜１５重量％濃度のＮａＮＯ₃水溶液であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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