JP4773457B2 - 埋め込まれた通路を有する部材、特にターボ機械の熱ガスコンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、特に冷媒の収容に用いる、部材の外壁に埋め込まれかつ本質的に部材の表面と平行かつ近傍に延伸する少なくとも１つの通路を有する部材、特にターボ機械の熱ガスコンポーネントに関する。

本発明は、さらに部材中のこのような少なくとも１つの通路の製造方法に関する。

たとえばガスタービンのような最新のターボ機械は運転中に高負荷にさらされる。該ターボ機械はしばしば８００℃以上の高温のガスで運転され、かつ同時に高い機械的負荷の影響下にある。最近１０年間のタービン性能の向上は基本的に２つの改善策に基づく。一方では、たとえば単結晶合金のような高性能の新規材料が開発され、それによって熱ガスの流れ断面にある部材の可負荷性を向上させることができたことであり、かつ他方では、結果的にタービン流入温度の上昇と共にタービン出力の上昇ももたらした繰返し改善されている冷却システム及び温度保護層が開発されたことである。特に、たとえばＣＭＳＸ２、ＣＭＳＸ４又はＭＫ４のような単結晶合金は、温度感受性の明確な低減と共に高温で明らかに改善された機械的性質をもたらした。ガスタービンの性能は直接熱ガスの流入温度と結合されているので、数年来熱ガス温度の連続的上昇が記録されており、その結果、特にすでに第１タービン段でそこに使用されている合金の溶融温度を超えるガス温度に達している。熱ガスコンポーネントもしくは使用する合金の損傷を防ぐために、コンポーネントが部材を損傷し得る臨界温度を下回るように流れ断面にあるコンポーネントを冷却する複雑な内部冷却システムが開発された。ここで、あらゆる冷却システムに共通することは、所望の冷却効果、存在する冷却空気の量及び費用の間で妥協を求めなければならないことである。

冷却に必要な冷却空気は一般に圧縮機から供給され、かつ内部冷却システムを通して冷却するコンポーネントへ分配される。

通常、たとえばこのような対流式熱移行に基づく薄膜冷却法又は発散冷却のような種々の冷却方法が組み合わされる。この場合、部材がたとえば内部の蛇紋状に延伸する冷却通路を有し、この通路は部材表面で多数の流出開口部と連通して協働し、それによって薄膜冷却又は発散冷却が発生される。特に効率的な冷却は、その際に冷却する壁が可能な限り薄い肉厚を有する場合に達成される（特許文献１）。

計算が証明したことは、熱ガス部材の冷却方法の構成において、冷却通路の表面付近のシステムが構築され、前記冷却通路が少なくとも該冷却通路の一端部で内部の大抵は蛇紋状にブレード内部を通る冷媒通路と連通し、他方、少なくとも１つの他端部が表面に案内され、かつそこで薄膜冷却又は発散冷却を実現する冷却通路と接続されていることによって、付加的な冷却空気消費量なしにタービン入口温度が５０Ｋ〜１２５Ｋ上昇されると共に機械出力の顕著な改善をもたらすことである。

しかしながら、コンポーネント、特にタービンブレードの冷却によって発電所設備の総効率が減少するので、ここでもタービン出力とタービン冷却との間で妥協点を見出す必要がある。

もう１つの高性能の対流式冷却システムは、たとえば特許文献２、特許文献３及び特許文献４に紹介されているように、冷却可能の壁構造を利用して実現される。この場合、熱ガスコンポーネントの壁は冷却通路網を装備している。効率的な冷却のために、この壁を非常に薄く形成し、かつ冷却通路を熱的に負荷された表面の近傍に敷設することが有利である。この方法により高性能の冷却を提供することができる。しかしながら、この種の内部冷却通路が仕上技術的に非常に複雑に製造され、そのため法外に高価である。

この欠点を低減するために、ガスタービンの熱ガスコンポーネント内の表面近傍の冷却通路の製造又は修理方法が知られており、この方法は本質的に前記コンポーネントの基体上に冷却通路の後の構造に相当する翼形が取り付けられることに基づく。これは、熱的に安定した充填材料が対応する構造で基体の表面に取り付けられる方法によって実施できるか、又はまずこの構造が機械的に基体表面から取り外され、かつこのように発生した凹所をそれに続き熱的に安定した充填材料で充填することができる。後続のステップで、被覆方法を利用して少なくとも冷却構造の領域にコーティング材料が塗布される。充填材料が後から除去されることによって冷却通路が露出される。

この分類を形成する提案は特許文献５ならびに特許文献２及び特許文献３のような後の公開に開示されている。この解決策によって、一方でターボ機械の部材の中の冷却通路網を構築することを可能にし、この冷却通路網は一方でそのほぼ外壁の表面の下に配置された位置によって部材の効率的な冷却を生ぜしめ、かつ他方ではコストのかかる鋳型を省くことができ、結果的にはね率が低くなる。一般的に部材の外壁に埋め込まれた冷却通路を、たとえば上記の発散冷却のような別の冷却方式と組み合わせることもでき、それによって高い柔軟性と拡大された導入スペクトルを達成することができる。しかし、この方法においてまだ比較的高い製造費用、特に充填材料を後から除去するための後処理が定期的に必要であることが欠点である。
欧州特許第 0964981号明細書 欧州特許第 1462611号明細書 欧州特許第 1462612号明細書 欧州特許第 1462613号明細書 欧州特許第 1065026号明細書

本発明の課題は、特に大幅に低減された製造費用で改善された冷却システムを有する冒頭に挙げた形式のターボ機械の部材を提供することである。さらに本発明の課題は、少なくともこの種の部材の外壁の中の埋め込まれる通路の製造方法を提供することにある。

この課題は、本発明により、独立請求項の目的によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明は、第１ステップの冒頭に挙げた形式のターボ機械の部材において、まず冷媒通路の構造を基体の表面に作り、かつもう１つのステップで作られた冷媒通路の直接的な橋渡し下に被覆材料を、該被覆材料が充填材料でマスキングされずに塗布する一般的な思想に基づく。

従って、本発明に係る解決策によって、一方で簡単に製造され、かつ他方でそのほぼ外壁の表面の下に配置された位置によって部材の効率的な冷却を生ぜしめるターボ機械の部材の中に多数の冷却通路を作ることが可能になり、充填材料の除去と、製造された冷媒通路を露出するために費用のかかる部材の後処理を省くことができる。それによって製造経費と共に製造コストも明らかに低減することができる。基体の中に取り込まれた凹所は被覆と同様に完全に自動的に製造もしくは塗布することができ、それによって特に部材の高い品質と共に高い寿命が生じる。

一般的に部材の外壁の中に埋め込まれた冷却通路は、たとえば上記の発散冷却のような別の冷却方式と組み合わせることもでき、それによって特に高い柔軟性と、拡大された使用スペクトルとを達成できる。

基体は目的に応じて等方向性の粒子構造及び／又は単結晶構造を有する。単結晶構造とは、結晶単位つまりイオン、原子又は分子が１つの単一の均質な結晶格子を形成する場合である。この種の単結晶によって結晶粒界に沿った粒子の滑落は、単結晶の場合は同時に結晶でもあるただ１つの粒子のみが存在するので、たとえばタービンの中に支配する遠心力によって回避することができる。

本発明のもう１つの好ましい実施形態において、少なくとも１つの通路は部材の表面に通じる少なくとも１つの流出開口部と連通する。それによって特に効率的に密に表面の下に延伸する冷却システムが公知の薄膜冷却と組み合わされ、この薄膜冷却が流出開口部を介した冷却空気の永続的な流出によって部材の表面全体に分配した冷媒薄膜を発生する。これは、いわゆる開放型冷却システムであり、このシステムにおいて比較的高い圧力の冷媒源から、たとえば分岐してガスタービン設備の圧縮機から永続的に冷媒、通常は空気が被冷却部材の中へ外壁内の流出開口部までその内部の冷却通路を通して送出される。

もう１つの好ましい実施形態において、通路縦軸が部材の表面から３ｍｍ未満離間している。それによって、冷却作用の直接的かつ迅速な表面上への伝達が可能であり、それによって特に高い冷却効果を発生させることができる。さらにこの場合、複数の通路が１つの連通する通路網を形成し、それによって均一な平坦な部材表面の冷却を生ぜしめる。冷却通路網の内部の様々な断面によって、さらに部材内の冷却空気の正確な分布に影響を及ぼすことができ、その結果、たとえば強く冷却される領域は大きい断面の冷却通路により構成され、それに対してあまり強く冷却されない領域は小さい断面をもつ冷却通路を有する。

目的に応じて凹所の幅は少なくとも表面領域で１ｍｍ未満である。好ましくは、この幅は単に０．２ｍｍとし、それによって、塗布された被覆により凹所幅の橋渡しが簡単になる。また凹所幅が小さい場合でも、両方の周縁部もしくは凹所壁が侵入する被覆量と比較して大きい表面積を有し、かつそれによって被覆の迅速な固化を生ぜしめるので、凹所内への塗布した被覆の強すぎる侵入が回避される。さらに、凹所の小さい幅は、大きい幅をもつ凹所に比べてメッシュの狭い冷却通路網が部材の表面で、もしくはタービンブレードの表面で引き込むことができ、それによってより均一なもしくは個別的に良好に適合可能の冷却出力を達成できる長所を有する。

本発明に係るターボ機械のその他の重要な特徴及び長所は、従属請求項と、図面と、図面を利用した付属の図説明とから明らかである。

本発明の好ましい実施例は図面に示し、以下の明細書の中でより詳しく説明する。その際に同じ符号は同じか又は類似の又は機能的に同じコンポーネントに関係する。

図１に従って、その他は図示しないターボ機械の部材１は、ターボ機械の運転時に熱ガスが還流する領域２を有する。部材１は、図１に例示したように、ガスタービンのブレード３、案内羽根又は回転羽根とすることができる。その緊定体にブレード３、たとえば固定子又は回転子に固定された該ブレード３がブレードベース４の中に通じる。
タービンの性能を上げるために、可能な限り高いタービン流入温度が望まれている。しかしながら、高いタービン流入温度は、部材１が充分に保護されていない場合、熱ガスが当たる部材の寿命を損なう。部材１を熱ガスの高い温度から保護するために、原理的に２つの異なる方法が講じられる。一方では、熱ガスと直接接触する部材１の温度耐性をたとえばニッケル基合金及び／又は熱保護層の使用による好適な材料選択によって肯定的な影響を及ぼすことが試行され、かつ他方で部材１が能動的に冷却される。

材料科学における進歩の良い一例は、たとえばＣＭＳＸ２、ＣＭＳＸ４又はＭＫ４のような、しばしば最新の機械製造に使用される、いわゆる単結晶合金である。結晶単位が単一の均質な結晶格子を形成する結晶が単結晶と呼ばれる。

適切な材料選択のほかに、ブレード３はさらに冷却によって熱ガスによる損傷から保護することができる。

図２に従って、ブレード３はそのために少なくとも外壁５の領域に埋め込みかつ本質的に部材１もしくはブレード３の表面６と平行に延伸する通路７、７’、特に冷却通路を有する。部材１は、たとえば等方向性の粒子を有し、かつ少なくとも１つの外側に基体８に塗布された被覆９、たとえば接続層を有する。通路７、７’は、このとき一方で基体８に取り込まれた凹所を形成し、かつ他方では部材１の表面６に向かって被覆９によって閉鎖されている。さらに、被覆９は外部に１つの熱保護層１０を担持することを考慮できる。被覆９は、この場合たとえば基体８を高温の温度酸化及び温度腐食から保護する金属被覆としてよい。この場合、被覆９は基体８と同じ材料からなり、及び／又はたとえばＭＣＲＡＬＹ合金としてよく、但し、Ｍはニッケル、コバルト、鉄又はこれらの元素からなる組合せを表す。金属被覆９は、好ましくはその際に層厚１００μｍ〜６００μｍを有することができる。保護機能のほかに、被覆９は別の機能すなわち外部の被覆９に配置された温度／熱保護層１０の付着層を充填する。熱保護層１０は、この場合たとえばＺｒＯ₂ のようなセラミック材料から形成されてよく、かつその絶縁作用によってその下にあるコンポーネントの熱負荷を低減する。熱保護層１０は、たとえばプラズマスプレープロセス又は電子ビーム蒸着プロセスを利用して塗布することができる。

図３は、部材１もしくはブレード３の表面６の領域の詳細な断面を示し、例としてその断面で区別される２つの通路７及び７’を示している。通路７、７’はここで基体８の中に埋め込まれ、かつ最初に基体８の被覆されない表面に向かう開口部を有する。図３に示したように、通路７及び７’の開口部はそれぞれ開口部領域に配置された被覆９によって橋渡しされかつ閉鎖されている。ここで被覆９は、図３に示したように、単に通路７、７’の開口部の領域に配置することができ、又は該被覆は基体８を、図６に示したように、その全表面に沿って覆うことができる。少なくとも１つの通路７、７’は、少なくとも１つの、図示しない部材１の表面に通じる流出開口部と連通し、それによって表面６に沿って薄膜冷却を発生することも考えられる。

通路７、７’の冷却作用を完全に発揮するために、この冷却作用は、ターボ機械の冷却回路の中に組み込まなければならず、その結果、冷媒の貫流を通路７、７’によって達成することができる。複数の通路７、７’が連通する通路網を形成することも考えられ、これは図３に継続して表した連結通路１１で表している。さらにブレード３もしくは部材１の効率的な冷却のために、通路７、７’が可能な限り密に部材１の表面６におかれる必要がある。従って、図３により本質的に図平面に対して直角に延伸する通路縦軸１２は、好ましくは３ｍｍ未満、部材１もしくはブレード３の表面６から離間している。

さらに、少なくとも１つの通路７、７’の長さ対直径比が５以上である場合が有利である。さらに部材１の表面６に向かって通路７、７’の確実な密閉を保証するために、凹所もしくは通路７、７’の幅は１ｍｍ未満、好ましくは約０．２ｍｍの範囲にある。図３により通路７及び７’の様々な断面形状を表しており、通路７は部材の表面６に向かってその幅が先細りになり、他方、通路７’は一定の幅を有する。

図４に直接橋渡した通路７を示しており、被覆９は通路７の領域で微細樹枝状結晶からなる柱状の構造を有する。この樹枝状結晶の方位は、ここで基体８の基質の方位と平行であり、かつ同時にエピタキシャルに基質に固化されている。これは特に部材１もしくはブレード３が周期的に熱的及び機械的な負荷の影響を受ける場合に有利であり、これは、たとえばガスタービンがその場合である。図４に例として、被覆９に向かって配向された通路７の側面周縁部が被覆９の塗布時に溶離もしくは溶融することができ、それに続き点線によって表した元の形状から大幅に異なり得ることを暗示している。

図５により、同じ方法で製造された通路７を示しており、この場合被覆９の塗布に続いて組織がたとえばレーザ溶融法を利用して好適な方法で修正された。さらに金属成形前に、特にレーザを利用して基体８を予熱することができた。予熱温度として、たとえば１１００℃を考慮に入れており、それによって高い温度勾配が相互作用ゾーンの内部で、つまり被覆９と基体８との間の接続ゾーンの内部で縮小することができる。同時に基材の加熱によって該基材の高い延性ならびにより低い温度勾配が被覆９の固化中の割れ危険性の低減に寄与する。

以下、簡単に外部表面６の被覆によるターボ機械の部材１の外壁５の中に埋め込まれた少なくとも１つの通路７の製造方法を説明する。

第１方法ステップにおいて、まず通路状の凹所、つまり通路７、７’が部材１の基体８の中に取り込まれる。これは、たとえば機械的及び／又は電気化学的及び／又は光化学的及び／又はレーザを利用して、特に短パルスレーザを利用して実施することができる。

その後、基体８の局所的表面の溶融が少なくとも通路７、７’の両側で実施され、この場合も基体８の溶融に再びレーザを使用することができる。基体８の溶融による作業工程において、被覆９の塗布及び溶融が少なくとも通路７、７’の領域で行われ、被覆９、プロセス温度及び通路７、７’の幅は、溶融された被覆材料がその表面張力によって通路７、７’の中に侵入しないように互いに調整されている。従って、通路７、７’を閉鎖する充填材料は、これが先行技術記載の製造プロセスでは必要となるが、この場合では不要である。むしろ、たとえば溶融状態でその表面張力によって通路７、７’を介した橋渡しを形成し、それによってこれを部材１の表面６に向かって閉鎖する金属粉が使用される。好ましい一実施形態において、被覆粉末の材料性質は、単結晶組織の発生が好適となるように各被覆プロセスに調整されていることが重要である。基体８への被覆９の塗布は、たとえばプラズマスプレー及び／又は電子ビーム蒸着プロセス及び／又はレーザを利用して実施することができる。好ましくは同様に単結晶基体８上にエピタキシャル、つまり単結晶被覆９を発生するために、ＬＭＦ法（レーザ・メタル・フォーミング）、特にＥ−ＬＭＦ法（エピタキシャルＬＭＦ）が有利である。

最終的に、通路７、７’の両側の基体８との冶金学的結合が達成され、通路７、７’が表面６に向かって固化する被覆材料によって覆われるように、溶融した被覆材料の制御された冷却及び固化を実施することができる。表面６はそれを受けて後からレーザを利用して加工及び／又は平滑化することができ、それによって精製された表面６を得ることができる。この「精製」は、好ましくは被覆９の内部の単結晶構造の調達にある。

通路７、７’の断面形状及び寸法は、ここで正確に制御することができ、それによって通路７、７’の所望の断面形状が比較的正確に形成され、通路７、７’の延長部も広範囲に正確に定義することができる。

ＬＭＦ法を利用して、基体８の溶融及び被覆材料の塗布ならびに溶融は同時に実行することができ、被覆９の塗布が簡単になる。Ｅ−ＬＭＦ法の使用は方法パラメータの好適な選択によって被覆９を単結晶に固化させる可能性をもたらし、同時に被覆９及び基体８に対して本質的に同じ結晶学的方位を作る可能性を提供する。この拡散する樹枝状結晶の少なさ及び柱状の成長による被覆９及び基体８の冷却後に同じ結晶学的方位によって、被覆材料の熱物理学的性質を基体８のそれと等しくすることができ、それによって寿命を高めることができる。

すでに上述で暗示したように、被覆９の塗布及び表面精製は、第１ステップで被覆９が好適な方法（上記参照）を利用して基体８に塗布することができ、かつ第２ステップで好適な溶融方法を利用して、たとえば好適なレーザを利用して被覆９の内部に単結晶組織を実現できる２段階プロセスとして構成することができる。

本発明による通路７、７’の配列もしくは製造によって、部材１の効率的な冷却を達成することができ、それによって耐えられるタービン入口温度を５０Ｋ〜１２５Ｋだけ上昇させることができる。もちろん本発明によって製造された通路７、７’はその他の冷却方法、たとえば発散冷却法と組み合わせてもよい。

図６に従って、別の実施形態において、被覆９が複数の通路７にわたって延伸し、もしくは複数の通路７を含む基体８の区間を覆うように、基体８上に該被覆を塗布することもできる。特に熱負荷にさらされた各部材１の全表面６を最初に被覆９を、それに続き熱保護層１０を施すことも可能である。

さらに被覆９の塗布時に、被覆材料の固化の第１相がγタイプであることに注意することができる。付加的又は択一的に方法パラメータの調整によって、いわゆるＣＥＴ（Ｃｏｌｕｍｎａｒ ｔｏ Ｅｑｕｉａｘｅｄ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）つまり方向性結晶構造から小球状の結晶構造への移行が回避されることにも注意することができる。付加的又は択一的に、そのために可能な限り新規の芽晶の形成が被覆９の塗布時に回避されるように方法パラメータ及び被覆材料を選択することが合目的的である。この方法により特に基体８上の被覆９のエピタキシャル構造を達成することができる。

基本的に、基体８に対して好適な単結晶構造が被覆９の塗布によって変化させることが可能である。目的に応じて付加的な溶融過程を利用して基体８の単結晶構造の再生を達成することができる。この付加的な溶融過程は、たとえばその中で多結晶構造を単結晶構造に変換するために被覆９の溶融と同時に実施することができる。

部分的に見えるようにした、部材の外壁の中に埋め込まれた通路を有する本発明に係るターボ機械の部材である。 断面ＩＩ−ＩＩに沿った部材の断面図である。 部材の外壁の中に埋め込まれた冷却通路の詳細図である。 通路を閉鎖する被覆の領域で断面を大きく拡大した部分図である。 図４と同じであるが前記の基体を有する図である。 図３と同じであるが別の実施形態による正面図である。

符号の説明

１ 部材
２ 熱ガスが当る領域
３ ブレード
４ ブレードベース
５ 外壁
６ 表面
７、７’ 通路／凹所
８ 基体
９ 被覆
１０ 温度／熱保護層
１１ 連結通路
１２ 通路縦軸

Claims (9)

1. 少なくとも１つの通路状の凹所（７、７’）が部材（１）の基体（８）の中に取り込まれ、かつ前記通路状の凹所（７、７’）がそれに続き基体（８）への被覆材料（９）の塗布により覆われる、部材（１）の外壁（５）の中に埋め込まれた少なくとも１つの通路 （７、７’）を有するターボ機械の熱ガスコンポーネント（１）の製造方法において、
   基体（８）が少なくとも凹所（７、７’）の両側で、少なくとも凹所（７、７’）の領域で被覆材料（９）の同時の塗布及び溶融下に局所的に表面的に溶融され、溶融された被覆材料（９）がその表面張力によって凹所（７、７’）の中に侵入しないように被覆材料（９）、プロセス温度及び凹所（７、７’）の幅が互いに調整され、かつ被覆材料（９）がエピタキシャルに基体（８）上に構成されるように溶融された被覆材料（９）の制御された冷却及び固化が実施され、その結果、凹所の両側で基体（８）との冶金学的結合が達成されることを特徴とする方法。
2. 基体（８）の同時の溶融及び被覆材料（９）の塗布が、プラズマスプレー法及び／又は電子ビーム蒸着法及び／又はレーザ法、又は、エピタキシャル−レーザ金属成形法を利用して実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 被覆材料は、粉末又は線の形態で供給されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 基体の中への凹所（７、７’）の取り込みが、焼流し精密鋳造法及び／又は機械的及び／又は電気化学的及び／又は光化学的及び／又はレーザを利用して実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. − 被覆材料（９）の固化の第１相がγタイプであり、及び／又は
   − 被覆材料（９）内で単結晶構造から等軸構造への移行が回避され、及び／又は
   − 被覆材料（９）内で新規の芽晶の形成が回避されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 被覆（９）の表面が、後処理ステップでレーザを利用した溶融により平滑化されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 基体（８）は、被覆（９）の固化及び／又は冷却によって発生する応力を低減するために、被覆の前及び／又はその最中に加熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 被覆（９）は、単結晶構造を与えられ及び／又はエピタキシャルに基体（８）に結合されるように該被覆が塗布又は後処理されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 基体（８）の単結晶構造が、再生され、及び／又は被覆（９）の多結晶構造が単結晶構造に変換されるように付加的な溶融過程が実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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