JP4322980B2

JP4322980B2 - ガス・タービン・エンジンのシール機構

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Publication number: JP4322980B2
Application number: JP33516798A
Authority: JP
Inventors: フレリングメルヴィン; ケイ．グッタディネッシュ; ラギュックスケン; ティー．デマシ−マーシンジェニン
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: DE69826096T3; UA61908C2; DE69826096T2; EP0919699A3; EP0919699B1; EP0919699B2; SG71165A1; TW411304B; KR19990045567A; RU2229031C2; EP0919699A2; CN1221067A; JPH11229810A; KR100597498B1; DE69826096D1; CA2252658C; CA2252658A1; US6190124B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス・タービン・エンジンにおける回転部材に施された摩耗コーティングに関し、より詳細には、クリアランス・ロスを最小にすることと回転部材の耐久性を改良することによって、エアシール研摩を高めるためのガス・タービン・エンジンの回転部材に施される摩耗コーティングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス・タービン・エンジンは、エンジンの性能に不可欠な作動差圧を維持するための種々のロータリ・シール機構を一般的に有する。シール機構の一般的なタイプの一つには、固定されていて被研摩可能なシール面と摩擦関係に配置された、タービン・ブレードのような回転部材を含む。前記摩擦関係は、タービン・ブレードをバイパスする作動ガスの量を制限するシール面と、タービン・ブレードと、の間の微小な作動クリアランスを生じる。
【０００３】
過大なクリアランスは、タービン・ブレードと、シール面と、の間に、不適切な大量の作動ガスが漏れることを許容してしまい、エンジン効率の減少になる。同様のシール機構は、圧縮機とタービン・セクションとの両方におけるガス・タービン・エンジンの内部側と外部側のエアシールとしても一般的に用いられる。望ましい微小で作動クリアランスを維持するために、回転部材、例えばタービン・ブレード、は、ペアをなしてシール面の研摩即ち切削が可能な研摩性末端部を一般的に有する。
【０００４】
ガス・タービン・エンジンが組み付けられるときに、回転部材と、シール面と、の間に微小なクリアランスがある。エンジン運転中、シール面に対する摩擦と、上昇したエンジン温度と、遠心力のため、回転部材は、次第に伸長する。回転部材の研摩性末端部は、被研摩性シール面を研摩して、狭いクリアランスを形成する。ガス・タービン・エンジンに典型的にみられる圧力のサイクルと温度とに関連して、シール面と、研摩性末端部と、の間の意図的な接触は、シール面と研摩性末端部との両方に対する損傷や耐摩耗性の高い環境を生じる。
【０００５】
シール面の浸食と破砕を制限し、これにより回転部材と、シール面と、の間の所望のクリアランスを維持するために、シール面は、比較的硬度があるが被研摩性の材料から一般的に製造される。例えば、フエルト金属、金属結合コーティング上にプラズマ・スプレーされたセラミック、窒化ボロン（ＢＮ）を含有するプラズマ・スプレーされたニッケル合金又はハニカム材料は、一般的にシール面材料である。回転部材が適切な研摩性末端部を有しないならば、ペアをなすシール面は、回転部材を実質的に摩耗させてしまう。前述のエンジン性能の低下とともに、回転部材、とりわけタービンと圧縮機ブレードは、修理したり、交換することが大変高価となるので、望ましくない。
【０００６】
結果として、研摩性末端部を形成するのに用いられている前記材料は、ペアをなすシール面に比べて、一般的に、より硬い。例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）（酸化ジルコニウム（Ｚｒ₂Ｏ₃）により強化された酸化アルミニウムを含む）と、電気メッキされた立方晶窒化ボロン（ｃＢＮ）と、タングステン炭化コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）と、炭化シリコン（ＳｉＣ）と、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）（金属マトリックスに共スプレーされた窒化シリコン粗粒を含む）と、酸化イットリウムによって安定化されたプラズマ・スプレーされた酸化ジルコニウム（Ｙ₂Ｏ₃−Ｚｒ₂Ｏ₃）は、いくつかの用途における研摩性末端部に用いられている。より一般的な研摩性末端部としては、末端部キャップ、スプレーされた研摩性末端部、電気メッキされたｃＢＮ末端部の３つが挙げられる。
【０００７】
末端部キャップは、摩耗粗粒と金属マトリックスを満たされた超合金の“ボート”を含む。前記摩耗粗粒は、炭化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンアルミニウム（ＳｉＡｌＯＮ）、さらにこれら材料の混合物であっても良い。前記金属マトリックスは、イットリウム、ハーフニウム、チタン、モリブデン、又はマンガンのような反応性の金属を含む、ニッケル、コバルト、又は鉄ベースの超合金であっても良い。前記“ボート”は、一過性液相結合技術（transient liquid phase bonding techniques）を用いて、タービン・ブレードのような回転部材の末端部に結合されている。末端部キャップと一過性液相結合技術とは、ポロニズ等による米国特許第３，６７８，５７０号、デュバル等による米国特許第４，０３８，０４１号、米国特許第４，１２２，９９２号、シルケ等による米国特許第４，１５２，４８８号、ジョンソン等による米国特許第４，２４９，９１３号、シャエファー等による米国特許第４，７３５，６５６号、ルッツ等による米国特許第４，８０２，８２８号に記載されている。
【０００８】
末端部キャップは、いろいろな商業的用途に用いられているとはいえ、ブレード末端部に設置するのには、高価であり、設置に多少の困難を伴い得る。スプレーされた研摩性末端部としては、金属マトリックスによって取り囲まれる窒化シリコン又は炭化シリコンの摩耗粗粒をコーティングした酸化アルミニウムを一般的に含み、前記マトリックスは、粗粒が露出するように腐食で除去される。このような末端部は、イートン等による米国特許第４，６１０，６９８号、シルケ等による米国特許第４，１５２，４８８号、ジョンソン等による米国特許第４，２４９，９１３号、ヴォンテル等による米国特許第４，６８０，１９９号、パイクによる米国特許第４，４６８，２４２号、コンディット等による米国特許第４，７４１，９７３号、マタルース等による米国特許第４，７４４，７２５号に、記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
スプレーされた研摩性末端部に対しては、プラズマ・スプレーされたセラミック・コーティング又は、金属コーティングしたシールとともに、用いられる。スプレーされた研摩性末端部は、いろいろなエンジンにうまく用いられているとはいえ、これらは、製造するのが困難であり、新しいエンジン機構は、末端部から末端部までの摩耗粗粒の分布においていくつかの変型を示し得る。その上、スプレーされた研摩性末端部の耐久性は、予期される将来の用途に充分ではなくなるおそれもある。
【００１０】
電気メッキされたｃＢＮ摩耗ブレード末端部は、電気メッキされた金属マトリックスによって取り囲まれる複数のｃＢＮ粗粒を一般に含む。前記マトリックスは、ニッケル、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは鉄、ニッケル、コバルト、又はニッケルとコバルトとの混合物、又は他の金属又は合金をあらわす。）であっても良い。ｃＢＮは、ダイアモンド以外の他のどの金属粗粒よりも硬いので、立方晶窒化ボロン末端部は、優れた研摩物である。
【００１１】
電気メッキされたｃＢＮ末端部は、比較的低温の環境（すなわち、約１，５００゜Ｆ（８１５℃）未満）である圧縮機の用途に良く適合している。しかしながら、タービン・セクション内がより高温になればなるほど、前記ｃＢＮ粗粒とおそらく金属マトリックスでさえも酸化し得るので、同様の末端部は、タービンの用途での寿命が制約されるであろう。電気メッキされたｃＢＮ末端部は、スプレーされた研摩性末端部よりも製造するのが、一般的にあまり費用がかからないとはいえ、前記技術は、これらの実施を困難なもの、費用のかかるものにしがちである。
【００１２】
それゆえに、産業界は、今日使用されているものよりも製造するのが、より安価であり、より耐久性があり、高度に摩耗のあるガス・タービン・エンジンのシール機構のための研摩性末端部を必要とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガス・タービン・エンジンのシール機構のための研摩性末端部に関するものであり、前記機構は、今日使用されているものよりも製造するのが、より安価であり、より耐久性があり、高度に摩耗性がある。
【００１４】
本発明の一実施形態において、固定側の非研摩性シール面へ摩擦関係にある研摩性末端部を備えた回転部材を有するガス・タービン・エンジンのシール機構を含む。研摩性末端部は、被研摩性シール面を研摩し得るように被研摩性シール面よりも硬く、回転部材上の、実質的に粗粒の無い面上に直接被覆された酸化ジルコニウム摩耗コーティングを含む。酸化ジルコニウム摩耗コーティングは、柱状構造を有しており、酸化ジルコニウムと約３重量％から約２５重量％の安定剤を含む。前記安定剤は、酸化イットリウム又は、酸化マグネシウム又は、酸化カルシウム又は、これらの材料の混合物から選ばれ得る。
【００１５】
また、本発明の他の実施形態では、研摩性末端部は、回転部材上の実質的に粗粒の無い面上に被覆された金属結合コーティングと、前記金属結合コーティングに設けられた酸化アルミニウム層と、前記酸化アルミニウム層上に被覆された柱状構造を有する酸化ジルコニウム摩耗コーティングと、を含み、前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングは、酸化ジルコニウムと、約３重量％から約２５重量％の安定剤と、を含み、前記安定剤は、酸化イットリウムと、酸化マグネシウムと、酸化カルシウムと、これらの材料の混合物のうちから選ばれる得る。
【００１６】
さらに、本発明の別の実施形態では、研摩性末端部を有したナイフエッジ又は、ガス・タービン・エンジン・ブレードを含む。
【００１７】
前記研摩性末端部は柱状構造を有した酸化ジルコニウム摩耗コーティングを含み、前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングは、酸化ジルコニウムと、約３重量％から約２５重量％の安定剤を含み、前記安定剤は、酸化イットリウムと、酸化マグネシウムと、酸化カルシウムと、これらの材料の混合物のうちから選ばれ得る。
【００１８】
本発明のこれら或いは他の特徴と利点は、図面とともに後述の記述によってより明白になるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の研摩性末端部は、回転と固定の部材間のクリアランスを狭く維持することが求められる耐摩耗性の高いガス・タービン・エンジンの用途に用いられ得る。例えば、本発明は、摩耗タービンや、圧縮機のブレード末端部や、タービンや、圧縮機のナイフエッジ部としての利用に個別に適応されている。本発明の摩耗ブレード末端部やナイフエッジ部は、内部側又は外部側のエアシールを形成するため、適合した被研摩性シール面とともに用いられ得る。
【００２０】
図１は、圧縮機部４とタービン部６を含む一般的なガス・タービン・エンジン２を示す。圧縮機部４は、圧縮機ケース１０の内部側に設けられた圧縮機ロータ８を含む。複数の圧縮機ブレード１２（エンジン内の回転部材の一つ）は、ロータ８に装着され、複数の圧縮機のステータ（固定子）は、圧縮機ブレード１２間に設けられる。同様に、タービン部６は、タービン・ケース１８の内側に設けられたタービン・ロータ１６を含む。複数のタービン・ブレード２０（エンジン内の別の回転部材の一つ）は、ロータ１６に装着され、複数のタービン・ベーン２２は、タービン・ブレード２０間に設けられる。
【００２１】
図２は、圧縮機部４に係る外部側エアシール２４と内部側エアシール２６とを示す。それぞれの外部側エアシール２４は、外部側被研摩性シール面３０と摩擦関係にある圧縮機ブレード１２の端末に設けられた研摩性末端部２８を含む。この用途の目的のために、エンジンが組み付け後に起動される少なくとも一回、両者間のクリアランスが、前記２つの構成部間で直接接触可能であるときに、２つの構成部は、摩擦関係にある。それぞれの内部側エアシール２６は、圧縮機ステータ１４に設けられた内部側の被研摩性シール面３６と摩擦関係にある圧縮機ナイフエッジ部３４の端末部に設けられている研摩性末端部３２を含む。当業者であれば、上述までの内容と同様になりうる外部側と内部側のエアシールが、圧縮機部４に付加された他のエンジン部やタービン部６において用いられ得ることが理解される。
【００２２】
図３は、本発明の研摩性末端部２８を有した本発明のタービン・ブレード２０を示し、前記研摩性末端部は、タービン・ブレード２０の端末４０上に被覆された金属結合コーティング３８と、前記結合コーティング３８上のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）層４２と、前記アルミナ層４２上に被覆された酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４とを含む。本発明の研摩性末端部は、図示の回転部材上へ直接被覆されることも可能であり、前記回転部材の表面に拡散され或いはアンダーコーティングして被覆されることも可能である。例えば、本発明の研摩性末端部は、回転部材の表面に拡散されたアルミニウム化合物コーティングにわたって被覆され得る。
【００２３】
しかしながら、本発明の研摩性末端部は、粗粒の摩耗機能の重複を避けるためや、前記構成部にさらにコストをかけるのを避けるために実質的に摩耗粗粒の無い面に施されるべきである。ナイフエッジ部３４上の研摩性末端部３２は、上述同様に構成され得る。どちらのケースにおいても、本発明の研摩性末端部２８、３２に施されている前記回転部材（すなわち、タービン・ブレード２０、圧縮機ブレード１２、圧縮機ナイフエッジ部３４又はタービン・ナイフエッジ部（図示せず））は、一般的に、ニッケルベース又はコバルトベースの超合金又は、チタン合金を含む。
【００２４】
図３には、金属結合コーティング３８を含む本発明の研摩性末端部２８を示しているが、前記金属結合コーティングを用いない構成をとることも可能であり、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４が、結合コーティング３８なしに施されている回転部材にしっかりと付着するのであれば、前記結合コーティングは除去されても良い。結合コーティングなしで用いるならば、酸化アルミニウム層４２に匹敵する付着酸化アルミニウム層を形成可能な合金から前記回転部材を作ることが望まれる。上記合金の一例は、５．０Ｃｒ−１０Ｃｏ−１．０Ｍｏ−５．９Ｗ−３．０Ｒｅ−８．４Ｔａ−５．６５Ａｌ−０．２５Ｈｆ−０．０１３Ｙ、残部Ｎｉの公称組成比を有している。
【００２５】
ほとんどの用途において、結合コーティング３８は、研摩性末端部２８、３２と、回転部材と、の間に確実な付着を提供することに好ましく、また、酸化アルミニウム層４２を形成するための確実な表面を提供することに好ましく、前記結合コーティングは、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４を施している。結合コーティング３８を適切に選択することで、結合コーティング３８からの酸化ジルコニウム摩耗コーティングの破砕と、エンジン操作中の全体の研摩性末端部２８、３２の破砕とが、抑制あるいは阻止される。
【００２６】
酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４又は操作中の全体の摩擦材端部２８、３２の破砕は、回転部材と、被研摩性シール面と、の間の増加する作動クリアランスにより、回転部材の耐久性を減じ得て、エンジン性能を害し得る。
【００２７】
本発明の金属結合コーティング３８は、ガス・タービン・エンジンの回転部材と、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４と、の間の耐久性のある結合が形成できる周知の如何なる金属であっても良い。上記材料は、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４への確実な結合をもたらす酸化アルミニウムの付着層を形成するために充分なアルミニウムを一般的に含む。例えば、金属結合コーティング３８は１種以上の貴金属を含有するアルミニウム化合物を含む拡散アルミニウム化合物よりなり、即ち、ニッケルアルミニウム合金又は、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、鉄又は、ニッケル又は、コバルト又は、ニッケルとコバルトとの混合物である。）である。
【００２８】
この用途での使用に関して、前記ＭＣｒＡｌＹという語句は、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｒｅ又は、周知の貴金属などのような付加要素を含む構成物をも包含する。前記ＭＣｒＡｌＹもまた、拡散アルミニウム化合物の層を含むことが可能で、とりわけ、１以上の貴金属を含むアルミニウム化合物である。より好ましくは、金属結合コーティング３８は、公称組成比Ｎｉ−２２Ｃｏ−１７Ｃｒ−１２．５Ａｌ−０．２５Ｈｆ−０．４Ｓｉ−０．６ＹのＭＣｒＡｌＹを含むであろう。前記構成物は、グプタ等による米国特許（特許番号第４，５８５，４８１号及び訂正番号第３２，１２１号）の双方に、より詳細に記述されている。
【００２９】
金属結合コーティング３８は、材料を被覆するための周知の何らかの方法によって被覆されればよい。例えば、前記結合コーティングは、低圧プラズマ・スプレー法（ＬＰＰＳ）、エアー・プラズマ・スプレー法（ＡＰＳ）、電子ビーム物理蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）、電子プレート法（electroplating）、カソード・アーク法（cathodic arc）など、他の方法によって被覆され得る。金属結合コーティング３８は、充分に厚い回転部材に施されて、回転部材と、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４と、の間に大きな結合力を与え、また、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４に発生するクラックが回転部材に拡がっていくのを防止する。
【００３０】
ほとんどの用途において、金属結合コーティング３８は、約１ｍｉｌ（２５μｍ）から約１０ｍｉｌ（２５０μｍ）の厚さである。好ましくは、結合コーティング３８は、約１ｍｉｌ（２５μｍ）から約３ｍｉｌ（７５μｍ）の厚さである。金属結合コーティング３８を被覆した後に、付着の間に発生し得る間隙部や先端部を塞ぐために結合コーティング３８をピーニングすることが望まれ、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４を受容する結合コーティング３８を準備するために他の機械的操作や研削操作を実行する必要があろう。
【００３１】
酸化アルミニウム層４２は、時おり熱成長酸化物として記述されているのだが、均一層や付着層を生み出す如何なる方法によってでも、金属結合コーティング３８や回転部材の上に形成され得る。金属結合コーティング３８に関しては、酸化アルミニウム層４２は、任意である。しかしながら、好ましくは、研摩性末端部２８は、酸化アルミニウム層４２を含む。例えば、酸化アルミニウム層４２は、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４の使用以前の高温状態での金属結合コーティング３８あるいは回転部材におけるアルミニウムの酸化によって形成され得る。それとは別に、酸化アルミニウム層４２は、化学的蒸着法又は他の好適な周知の付着法によって被覆され得る。現時点においても、酸化アルミニウム層４２の厚さは、その密度と均質性に大きく依存し得る。
【００３２】
好ましくは、酸化アルミニウム層４２は、約０．００４ｍｉｌ（０．１μｍ）から約０．４ｍｉｌ（１０μｍ）の厚さである。酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４は、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）又は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又は、酸化カルシウム（ＣａＯ）又は、これらの混合物のような安定剤と、酸化ジルコニウムとの混合物を含む。酸化イットリウムは、好ましい安定剤である。酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４は、特定のガス・タービン・エンジンにおいて得られるような動作温度範囲にわたって好ましくない酸化ジルコニウムの相変化を防ぐのに充分な酸化剤を含む。すなわち、前記相変化とは、好ましい正方結晶構造や立体結晶構造からあまり好ましくない単斜結晶構造への変化である。
【００３３】
好ましくは、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４は、酸化ジルコニウムと、約３重量％から約２５重量％の酸化イットリウムからなる。最も好ましくは、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４は、使用温度範囲に応じて、約６重量％から約８重量％の酸化イットリウム又は、約１１重量％から約１３重量％の酸化イットリウムを含む。
【００３４】
図４に示すように、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４は、摩耗コーティング全体に均質に分散した複数の柱状セグメントを有し、その結果、摩耗コーティングに施されている面に対して垂直な前記摩耗コーティングの横断面は、一般的な物理的蒸着コーティングの柱状微小構造をあらわす。前記柱状構造の長さが、酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４の全厚となるようにされている。このようなコーティングは、ウリオン等による米国特許第４，３２１，３１０、ストラングマンによる米国特許第４，３２１，３１１号及び第４，４０１，６９７号及び第４，４０５，６５９号、第４，４０５，６５９号、ウリオン等による米国特許第４，４０５，６６０号及び第４，４１４，２４９号及び第５，２６２，２４５号の全ての公報に記載がなされている。
【００３５】
いくつかの用途においては、ブレード２０のプラットホーム４８又は翼型面４６上の熱防護コーティングとしての研摩性末端部３８のために使用されるのと同一のコーティングを実質的に施すことが、望まれ得る。酸化ジルコニウム摩耗コーティング４４は、ＥＢ−ＰＶＤ又は、柱状コーティング構造を被覆するための周知である他の如何なる物理的蒸着方法によっても被覆され得る。好ましくは、本発明の摩耗コーティング４４は、技術者とＥＢ−ＰＶＤ機器の利用性との要請からＥＢ−ＰＶＤ法が施されるであろう。
【００３６】
上述のように、摩耗コーティング４４は、金属結合コーティング３８を覆って施されるか、又は、回転部材に直接に施され、両方のケースとも、好ましくは、酸化アルミニウム層４２の結合を伴い得る。どちらのケースにおいても、摩耗コーティング４４は、前記摩耗コーティングが施される表面に大きな結合力を与えるに充分な厚さが施されるべきである。ほとんどの用途にとって、摩耗コーティング４４は、約５ｍｉｌ（１２５μｍ）から約５０ｍｉｌ（１,２５０μｍ）の厚さであろう。好ましくは、摩耗コーティング４４は、約５ｍｉｌ（１２５μｍ）から約２５ｍｉｌ（６２５μｍ）の厚さである。
【００３７】
タービンや圧縮機ブレードに施されるときには、設置された圧縮機やタービン・ロータのアッセンブリ研削を許容するために、比較的厚い摩耗コーティング４４が望まれ得る。アッセンブリ研削は、被覆工程において耐久性のために、コーティングの厚さの改善における微小の変化量の補正をするためにブレード末端部から多少の摩耗コーティング４４を除去する。比較的厚い摩耗コーティング４４とともに開始することは、実質的に円形のロータを作り出すためのアッセンブリ研削手順を可能にし、同時に、充分に厚い最終的な摩耗コーティング４４を保全することは、シール面を確実に研摩する。
【００３８】
本発明の被研摩性シール面３０、３６は、ガス・タービン・エンジンの環境に良い適合性を備えた、周知のいかなる材料からも含まれ得て、摩耗コーティング４４によって研摩され得る。また、このシール面は、実質的にグリッドがない、即ち粒子または粗粒を含まない。高圧タービン用途に関して、好ましい被研摩性シール材料は、金属結合コーティング（公称組成比、５．０Ｃｒ−１０Ｃｏ−１．０Ｍｏ−５．９Ｗ−３．０Ｒｅ−８．４Ｔａ−５．６５Ａｌ−０．２５Ｈｆ−０．０１３Ｙ、残部Ｎｉ）と、多孔性のセラミック層（公称構成比、約７重量％の酸化イットリウムを含み安定化された酸化ジルコニウム）とを含む。
【００３９】
前記結合コーティングは、プラズマ・スプレー法又は、高速オキシフエル被覆法（high velocity oxy-fuel deposition）のどちらによってでも、施され得る。セラミック層は、プラズマ・スプレーする約８８重量％から約９９重量％のセラミック・パウダーと約１重量％から約１２重量％の芳香族ポリエステル樹脂の混合材によって被覆され得る。その後、前記セラミック層のポリエステル樹脂は、焼き出されて、多孔性構造が形成される。高圧圧縮機の用途のために、好ましい被研摩性シール材料は、ニッケルベースの超合金結合コーティングと、ニッケルベースの超合金，（公称組成比、９Ｃｒ−９Ｗ−６．８Ａｌ−３．２５Ｔａ−０．０２Ｃ、残部、Ｎｉと耐酸化性増強剤の微量成分）と、表面コーティングへの窒化ボロンとの組合わせを含む。前記結合コーティングは、急速凝固率法（rapid solidification rate method）によって得れた粉末をプラズマ・スプレーすることによって形成され得る。前記表面コーティングは、前記結合コーティング粉末と窒化ボロン粉末との混合材をプラズマ・スプレーすることによって形成され得る。
【００４０】
別の実施可能な被研摩性シール材料は、金属結合コーティング（公称組成比、Ｎｉ−６Ａｌ −１８．５Ｃｒ）、金属／セラミック中間（graded）層（公称組成比、Ｃｏ−２３Ｃｒ−１３Ａｌ−０．６５Ｙ／酸化アルミニウム）、緻密なセラミック中間層（公称組成比、約２０重量％の酸化イットリウムによって安定化された酸化アルミニウム／酸化ジルコニウム）、さらに、多孔性セラミック層（公称組成比、約７重量％の酸化イットリウムによって安定化された酸化ジルコニウム）、の層を含むプラズマ・スプレーされた中間組成のセラミック材料を含む。これら中間層（graded layer）は、傾斜的に組成を変えるためのものである。他の実施可能なシール面の材料は、フエルト金属（felt metal）とハニカム材料とを含む。好適なシール面の材料は、ボスハート等による米国特許第４，４８１，２３７号、ボスハート等による米国特許第４，５０３，１３０号、グプタ等による米国特許第４，５８５，４８１号、マタルース等による米国特許第４，５８８，６０７号、バイン等による米国特許第４，９３６，７４５号、シレオ等による米国特許第５，５３６，０２２号、グプタ等による米国訂正特許第３２，１２１号の全てに記述されている。後述の実験例は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００４１】
実験例
本発明の柱状酸化ジルコニウムの研摩性末端部を従来の被覆技術によって、０．２５インチ（０．６４ｃｍ）×０．１５インチ（０．３８ｃｍ）の長方形状の摩擦リグ試料に形成した。前記末端部は、公称組成比、Ｎｉ− ２２Ｃｏ−１７Ｃｒ−１２．５Ａｌ−０．２５Ｈｆ−０．４Ｓｉ−０．６Ｙより構成される厚さ約３ｍｉｌ（７５μｍ）の低圧プラズマ・スプレーの金属結合コーティングを含む。被覆の後、前記金属結合コーティングは、約１,９７５゜Ｆ（１,０７９゜Ｃ）にて拡散熱処理され、重力補助ショット・ピーニング法（gravity assist shot peening）によって、ピーニングされた。厚さ約０．０４ｍｉｌ（１μｍ）のＴＧＯ層を、従来手段によって、結合コーティングの表面上に成長させた。最終的に、７重量％の酸化イットリウムによって安定化された酸化ジルコニウムより構成される約５ｍｉｌ（１２５μｍ）の柱状セラミックが、従来の電子ビーム物理蒸着方法（electron beam physical vapor deposition process）によって形成された。
【００４２】
前記コーティングされた試料は、シール材料と対向した摩擦リグの中へ配置され、前記シール材料は、Ｎｉ−６Ａｌ −１８．５Ｃｒ金属結合コーティングと、Ｃｏ−２３Ｃｒ−１３Ａｌ−０．６５Ｙと酸化アルミニウムとからなる中間層と、安定剤として約２０重量％の酸化イットリウムを含む酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの緻密なセラミック中間層と、さらに、安定剤として酸化イットリウムを約７重量％を含む酸化ジルコニウム多孔性セラミック層との積層を構成した。前記摩擦リグは、雰囲気温度におけるシール面とともに起動され、１,０００ｆｔ／ｓ（３０５ｍ／ｓ）の末端部の速度と、前記末端部とシール面と、の間における１０ｍｉｌ／ｓ（２５４μｍ／ｓ）の相互作用率とを生じるために操作される。前記試験は、前記端末部が２０ｍｉｌ（５０８μｍ）の深さに到達するまで行われた。いったん、所望の深さに到達すれば、前記摩擦リグは、停止させられ、試料は、前記端末部とシール面の摩耗量を決定するための分析のため採取された。
【００４３】
テスト結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】

前記直線摩耗量（Ｗ／Ｉ）は、前記回転部材から採取した摩耗端末部の直線量の、回転部材と固定部材とから共に採取した材料の直線量の合計に対する比である。Ｗ／Ｉ値が低くなればなるほど、研摩性末端部は、シール部材をより確実に研摩する。前記Ｗ／Ｉ比は、ブレード末端部の摩耗量を解析するための簡易かつ、有用な方法とはいえ、前記Ｗ／Ｉ比は、摩擦リグに用いられているシール面と試料の幾何学形状に依存してしまう。別の摩耗量の計測方法、すなわち、体積摩耗比（ＶＷＲ）は、試料とシール面の幾何学形状に依存しない。ＶＷＲは、研摩性末端部の損失体積の、摩擦発生の間中に採取されたシール・コーティングの体積に対する比である。同様に、この比が低くなればなるほど、研摩性末端部は、シール部材をより確実に研摩することを示す。
【００４５】
表２は、実験例１にて用いたのと同じシール面材料に対して摩擦されたときの、ＶＷＲ試験結果と、従来技術の酸化アルミニウム末端部の値の比較であり、前記酸化アルミニウムは、酸化ジルコニウム、共スプレーのブレード末端部、スプレーされた研摩性末端部、ｃＢＮ電気メッキされた末端部を含有し強化されされている。
【００４６】
【表２】

摩擦リグ試験では、本発明の柱状酸化ジルコニウムの研摩性末端部は、電気メッキｃＢＮされた末端部と同程度にまで良い結果は得られなかったが、本発明の末端部は、従来技術の末端部よりも確実に、より良い結果を得た。さらに、柱状酸化ジルコニウムの研摩性末端部は、ｃＢＮ末端部よりも数々の利点を提供する。
【００４７】
例えば、本発明の末端部は、酸化問題は起きにくい。
【００４８】
柱状酸化ジルコニウムの研摩性末端部も、ブレードの翼型とプラットホーム上にＥＢ−ＰＶＤ温度防護コーティングとともに用いたときに、製造工程を簡略化できる。前述の製造工程の簡略化と同時に、他の研摩性末端部構造のための同様のデータと比較して、末端部域のコーティングと末端部との両方の一貫性を改善する。
【００４９】
本発明は、詳細な説明に示された特定の実施形態に限定されない。
【００５０】
請求範囲の発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な変更や最適化が為され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス・タービン・エンジンの切り欠き部を有した断面図である。
【図２】本発明の圧縮機に係る外部側と内部側のエア・シールに関する部分図である。
【図３】本発明の研摩性末端部を有するタービン・ブレードの斜視図である。
【図４】本発明の研摩性末端部の柱状構造に関する拡大図である。
【符号の説明】
２０…タービン・ブレード
２８…研摩性末端部
３８…金属結合コーティング
４０…タービン・ブレード末端部
４２…酸化アルミ層
４４…酸化ジルコニウム摩耗コーティング
４６…翼型面
４８…プラットホーム

Claims

固定側の被研摩性シール面へ摩擦関係に設けられた研摩性末端部を備えた回転部材を有し、
前記研摩性末端部は、前記被研摩性シール面を研摩することが可能となるように、前記被研摩性シール面よりも硬度のある材質を含むガス・タービン・エンジンのシール機構であって、
前記研摩性末端部は、前記回転部材上の実質的に粗粒の無い面上に被覆された金属結合コーティングと、前記金属結合コーティングに設けられた酸化アルミニウム層と、前記酸化アルミニウム層上に被覆された柱状構造を有する酸化ジルコニウム摩耗コーティングと、を含み、
前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングは、酸化ジルコニウムと、約３重量％から約２５重量％の安定剤とを含み、
前記安定剤は、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、これらの材料の混合物のうちから選ばれることを特徴とするガス・タービン・エンジンのシール機構。
前記金属結合コーティングは、拡散アルミニウム化合物、即ち、ニッケルとアルミニウムとによる合金、又は、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、ニッケル、コバルト、鉄、又は、ニッケルとコバルトとの混合物）を含むことを特徴とする請求項１記載のシール機構。
前記回転部材は、タービン・ブレードであることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
前記タービン・ブレードは、翼型部とプラット・ホーム部とを有し、
前記翼型部と、前記プラット・ホーム部との一方又は、その両方は、少なくとも部分的に、実質的に同一の構成を有する柱状熱防護コーティングが、前記研摩性末端部としてコーティングされていることを特徴とする請求項３記載のシール機構。
前記回転部材は、タービン・ロータに設けられたタービン・ロータ・ナイフエッジであり、
前記被研摩性シール面は、内部側のエアシールを形成するためにタービン・ベーンに設けられることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
前記回転部材は、圧縮機ブレードであることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
前記回転部材は、圧縮機ロータに設けられた圧縮機ロータ・ナイフエッジであり、
前記被研摩性シール面は、内部側のエアシールを形成するための圧縮機ステータに設けられることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
固定側の被研摩性シール面へ摩擦関係に設けられた研摩性末端部を備えた回転部材を有し、
前記研摩性末端部は、前記被研摩性シール面を研摩することが可能であり、
前記被研摩性シール面よりも硬度のある材質を含むガス・タービン・エンジンのシール機構であって、
前記研摩性末端部は、柱状構造を有する酸化ジルコニウム摩耗コーティングを含み、
前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングは、酸化ジルコニウムと、約３重量％から約２５重量％の安定剤と、を含み、
前記安定剤は、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムと、これらの材料の混合物と、のうちから選ばれ、かつ、前記研摩性末端部は、前記回転部材上の実質的に粗粒の無い面上に被覆されることを特徴とするガス・タービン・エンジンのシール機構。
前記研摩性末端部は、前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングと、前記回転部材と、の間に設けられた酸化アルミニウム層を、さらに含むことを特徴とする請求項８記載のシール機構。
前記回転部材は、タービン・ブレードであることを特徴とする請求項８記載のシール機構。
前記タービン・ブレードは、翼型部とプラット・ホーム部とを有し、
前記翼型部又は、前記プラット・ホーム部又は、その両方は、少なくとも部分的に、前記研摩性末端部について同一の構成を有する柱状熱防護コーティングによってコーティングされることを特徴とする請求項１０記載のシール機構。
前記回転部材は、タービン・ロータに設けられたタービン・ロータ・ナイフエッジであり、
前記被研摩性シール面は、内部側のエアシールを形成するためにタービン・ベーンに設けられることを特徴とする請求項８記載のシール機構。
前記回転部材は、圧縮機ブレードであることを特徴とする請求項８記載のシール機構。
前記回転部材は、圧縮機ロータに設けられた圧縮機ロータ・ナイフエッジであり、
前記被研摩性シール面は、内部側のエアシールを形成するための圧縮機ステータに設けられることを特徴とする請求項８記載のシール機構。
研摩性末端部を有するガス・タービン・エンジンのブレードであって、
前記研摩性末端部は、柱状構造を有する酸化ジルコニウム摩耗コーティングを含み、
前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングは、酸化ジルコニウムと、約３重量％から約２５重量％の安定剤と、を含み、
前記安定剤は、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウムと、これらの材料の混合物とのうちから選ばれることを特徴とするガス・タービン・エンジンのブレード。
前記研摩性末端部は、拡散アルミニウム化合物、即ち、ニッケルとアルミニウムによる合金、又は、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、ニッケル、コバルト、鉄、又は、ニッケルとコバルトとの混合物）より構成される金属結合コーティングを、さらに含み、
該金属結合コーティングは、前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングと、前記ブレードと、の間に設けられることを特徴とする請求項１５記載のブレード。
前記研摩性末端部は、前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングと、前記ブレードと、の間に設けられた酸化アルミニウム層を、さらに含むことを特徴とする請求項１５記載のブレード。
研摩性末端部を有するガス・タービン・エンジンのナイフエッジであって、
前記研摩性末端部は、柱状構造を有する酸化ジルコニウム摩耗コーティングを含み、
前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングは、酸化ジルコニウムと、約６重量％から約２０重量％の安定剤と、を含み、
前記安定剤は、酸化イットリウムと、酸化マグネシウムと、酸化カルシウムと、これらの材料の混合物との一群から選ばれることを特徴とするガス・タービン・エンジンのナイフエッジ。
前記研摩性末端部は、拡散アルミニウム化合物、即ち、ニッケルとアルミニウムによる合金、又は、ＭＣｒＡｌＹ（Ｍは、ニッケル、コバルト、鉄、又は、ニッケルとコバルトとの混合物）より構成される金属結合コーティングを、さらに含み、
該金属結合コーティングは、前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングと、前記ナイフエッジと、の間に設けられることを特徴とする請求項１８記載のナイフエッジ。
前記研摩性末端部は、前記酸化ジルコニウム摩耗コーティングと、前記ナイフエッジと、の間に設けられた酸化アルミニウム層を、さらに含むことを特徴とする請求項１８記載のナイフエッジ。