JP5815920B2 - タービンエンジン部品の熱伝達を高める方法及びシステム - Google Patents
タービンエンジン部品の熱伝達を高める方法及びシステム Download PDFInfo
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Description
本発明は、タービンエンジン部品の動作を向上させるための方法及び装置に関する。特に、本発明は、熱伝達を高めるコーティングを有するタービンエンジン部品に関する。
タービンエンジン、例えばガスタービンの効率は、タービンの運転温度としても知られる焼成温度が上昇するにつれて増加する。この温度の上昇は、少なくなければ、同じ燃料を用いて少なくともある程度の出力の増加をもたらす。従って、効率を増加させるためにタービンの焼成温度を上昇させることが望ましい。
しかしながら、ガスタービンの焼成温度が上昇するにつれて、燃焼器ライナ及びダクトとしても知られる連結管を含むがこれらに限定されない燃焼器部品の金属温度が上昇する。燃焼器ライナはタービンに組み込まれて、連結管又はダクトと共に部分的に火炎が燃料を燃焼させるための領域を画定する。これらの部品と同様にガス経路環境内のその他の部品は、大きな温度極限値や酸化及び腐食環境による劣化にさらされる。
タービン燃焼器部品、例えばこれらに限定されないが、燃焼器ライナ、ダクト、燃焼器デフレクタ、燃焼器センターボディ、ノズル及びその他の構造機器は、多くの場合耐熱材料から形成される。耐熱材料は、他の耐熱材料でコーティングされることが多い。例えば、タービン部品は、鍛練用超合金、例えばこれらに限定されないが、ハステロイ合金、ニモニック合金、インコネル合金、及びその他の同様の合金から形成することができる。これらの超合金は、高温、例えば約１５００°Ｆよりも高い温度では所望の耐酸化性を有していない。従って、タービン部品温度を低下させると共に、高温燃焼ガスに対する酸化及び腐食保護を提供するために、高温側面としても知られる、高温燃焼ガスにさらされるタービン部品の表面に、これらに限定されないが、ボンドコーティング及び遮熱コーティング（ＴＢＣ）等の耐熱性コーティングが施されることが多い。例えば、タービン部品は、ボンディングコートとしての溶射ＭＣｒＡｌＹオーバーレイコーティングや、絶縁ＴＢＣとしての空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）ジルコニア系セラミックを含み得る。多くの場合、ＴＢＣはイットリア安定化ジルコニアセラミックである。
近年、低熱伝導率を有するセラミックトップコート組成物は、温度動作を増加させ、遮熱コーティングのみをタービン部品の高温側に施す機能に負担をかけている。現在のＴＢＣシステムは特定の用途においては運転中にうまく機能しているが、より長いサービス間隔又はより高い温度性能のために更に高い温度−熱サイクル時間性能を実現するための改良されたコーティングが求められている。
必要なのは、タービン部品からの熱伝達を高めるコーティングシステムであり、タービン部品をより高いシステム温度で動作させることができる。
一例示的実施形態において、高温側面及び低温側面を有する基板と、高熱伝導率を有する外面とを含むタービン燃焼器部品が提供される。外面は、低温側面又は第２のボンディングコートの表面のいずれかである。
別の例示的実施形態において、基板の遮熱コーティングシステムが提供されており、基板の高温側面の上に接触させて被覆した第１のボンディングコートと、第１のボンディングコートの上に接触させて被覆したセラミック層と、高熱伝導率を有する外面とを含む。外面は、基板の低温側面又は第２のボンディングコートの表面のいずれかである。
別の例示的実施形態において、部品の熱伝達を高めるプロセスが提供されており、第１の面及び第２の面を有する基板を用意するステップと、第１の面の上に接触させて第１のボンディングコートを被覆するステップと、第１のボンディングコートの上に接触させてセラミック層を被覆するステップと、高熱伝導率を有する外面を用意するステップとを含む。外面は、第２の面又は第２のボンディングコートの表面のいずれかである。
本発明の１つの利点は、ボンディングコート温度が低下することである。
本発明の別の利点は、部品寿命が向上することである。
本発明の別の利点は、より低い流量の冷却空気で動作することによってエンジン効率が向上することである。
本発明の別の利点は、高温でＴＢＣ表面を動作させることによってエンジン効率が向上することである。
本発明の別の利点は、より軽いボンドコーティングを利用することである。
本発明のその他の特徴及び利点は、一例として、本発明の原理を例示する添付図面と併せて読むことで、以下の好適な実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
可能な限り、同じ参照番号が図面の全体にわたって同じ部品を表すために使用される。
一実施形態では、本発明は一般的に遮熱コーティング（ＴＢＣ）システムによって熱的に厳しい環境から保護される金属部品に対して適用可能である。そのような部品の顕著な例としては、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル（羽根）、シュラウド、燃焼器ライナ、連結管、タービンフレーム及びオーグメンター機器が挙げられる。本発明は特にタービンエンジン部品に対して適用可能であるが、本発明の教示は一般的に部品をその環境から熱的に絶縁するために熱障壁が利用されるあらゆる部品に対して適用可能である。
図１は、本発明に従ったＴＢＣシステム（コーティングシステム）１０を有するタービンエンジン部品５の部分断面図を示す。タービンエンジン部品５は、その上にコーティングシステム１０が被覆された基板２０を含む。基板２０は、第１の面２２と、対向する第２の面２４を含む。第１の面２２は高温側面、つまり、部品５の高い動作温度に直面する面である。例えば、第１の面２２は高温タービンガス流に面している。第２の面２４は低温側面、つまり、部品５の高い動作温度から離れるように向いた面である。第２の側面２４は、冷却ガスに面している。図１に示す断面図では、第１の面２２と第２の面２４は平行であるが、代替的な構成では、基板２０はエンジン部品５に適合する任意の構成の表面を含み得る。
一実施形態では、基板２０は任意の動作可能な材料から形成される。例えば、基板２０は、ニッケル、コバルト及び／又は鉄合金又は超合金を主成分とするものも含めて、様々な金属又は金属合金のいずれかから形成することができる。一実施形態では、基板２０はニッケル基合金製であり、別の実施形態では、基板２０はニッケル基超合金製である。ニッケル基超合金は、ガンマプライム又は関連相の析出によって強化することができる。一例では、ニッケル基超合金は、重量パーセントで、約４〜２０パーセントのコバルト、約１〜１０パーセントのクロム、約５〜７パーセントのアルミニウム、約０〜２パーセントのモリブデン、約３〜８パーセントのタングステン、約４〜１２パーセントのタンタル、約０〜２パーセントのチタン、約０〜８パーセントのレニウム、約０〜６パーセントのルテニウム、約０〜１パーセントのニオブ、約０〜０．１パーセントの炭素、約０〜０．０１パーセントのホウ素、約０〜０．１パーセントのイットリウム、及び約０〜１．５パーセントのハフニウム、並びに残部がニッケル及び微量の不純物の組成を有する。例えば、適切なニッケル基超合金は、商品名ＲｅｎｅＮ５で入手可能であり、７．５％のコバルト、７％のクロム、１．５％のモリブデン、６．５％のタンタル、６．２％のアルミニウム、５％のタングステン、３％のレニウム、０．１５％のハフニウム、０．００４％のホウ素、及び０．０５％の炭素、並びに残部がニッケル及び微量の不純物の公称重量組成を有する。
本発明の一実施形態によれば、コーティングシステム１０は、第１の側面２２の上に接触するボンディングコート３０と、第２の側面２４の上に接触する金属層３２とを含む。コーティングシステム１０は、第１のボンディングコート３０をコーティングするセラミック層を更に含む。
一例示的実施形態において、ボンディングコート３０及び金属層３２は、金属、金属繊維、金属間化合物、金属合金、それらの複合材及び組み合わせであってもよい。ボンディングコート３０及び金属層３２は、同一又は異なる組成を有してもよい。一例示的実施形態では、ボンディングコート３０及び金属層３２はＮｉＡｌである。一例示的実施形態では、ボンディングコート３０は、合金化添加物が限られたＮｉＡｌ、例えば主としてベータＮｉＡｌ相である。ＮｉＡｌコーティングは、約９〜１２重量パーセントのアルミニウムを含有し、残部が本質的にニッケルであり、別の実施形態では、約１８〜２１重量パーセントのアルミニウムを含有し、残部が本質的にニッケルである。ボンドコーティングのバルクは、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ワイヤアーク溶射、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）プロセス等の蒸着プロセスを用いて形成されたＮｉＡｌの緻密層で構成することができる。一実施形態では、ボンディングコートの組成はＮｉＡｌボンドコーティングに限定されず、適切な結合及び温度性能を有する任意の金属コーティングであってもよい。例えば、ボンディングコート３０はＮｉＣｒＡｌＹコーティングであってもよい。ボンディングコート３０は、約１００〜３００ミクロンの厚さを有する。ボンドコーティングの厚さは、部品と使用環境によって変えることができる。
本発明によれば、金属層３２は高熱伝導率金属である。一実施形態では、金属層３２は約２０〜６０ＢＴＵ／ｈｒ・ｆｔ°Ｆの熱伝導率を有する。別の実施形態では、金属層３２は約３０〜４５ＢＴＵ／ｈｒ・ｆｔ°Ｆの高熱伝導率を有する。更に別の実施形態では、金属層３２は約３８〜４２ＢＴＵ／ｈｒ・ｆｔ°Ｆの熱伝導率を有する。一実施形態では、金属層３２は高熱伝導率を有するＮｉＡｌコーティングである。例えば、金属層３２は、約５０重量パーセントを上回るアルミニウム量を含有するＮｉＡｌである。一実施形態では、金属層３２は、蒸着法によって、例えば空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ワイヤアーク溶射、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射、及び減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）プロセスによって被覆される。一実施形態では、金属層３２は、約５０〜６００ミクロン、より好ましくは約２００〜４００ミクロンの厚さを有する。金属層３２の厚さは、部品と使用環境によって変えることができる。
ＮｉＡｌの金属層３２を使用することの利点は、図２に示すような空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）ＮｉＡｌ及びＮｉＣｒＡｌＹコーティングの熱伝導率の比較から理解することができる。図２でわかるように、ＡＰＳ ＮｉＡｌコーティングはタービン部品の動作温度範囲を上回る高熱伝導率を有しており、基板２０からの熱伝達を高める。
一実施形態では、低熱伝導率金属ボンディングコートは第１のボンディングコート３０として使用され、高熱伝導率金属層は金属層３２として使用される。例えば、一実施形態では、第１ボンディングコート３０はＮｉＣｒＡｌＹボンディングコートであり、金属層３２は高熱伝導率を有するＮｉＡｌボンディングコートである。
一実施形態では、セラミック層３４は低熱伝導率セラミックである。例えば、低熱伝導率セラミックは、約０．１〜１．０ＢＴＵ／ｈｒ・ｆｔ°Ｆ、好ましくは０．３〜０．６ＢＴＵ／ｈｒ・ｆｔ°Ｆの熱伝導率を有する。一実施形態では、低熱伝導率セラミックは、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム及び酸化ネオジムの混合物である。別の実施形態では、低熱伝導率セラミックはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。一実施形態では、セラミック層３４は約３〜１０重量パーセントのイットリア組成を有するＹＳＺである。別の実施形態では、セラミック層３４は、別のセラミック材料、例えば、イットリア、非安定化ジルコニア、或いはマグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）又はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のその他の酸化物によって安定化されたジルコニアであってもよい。更に他の実施形態では、セラミック層３４は、１つ以上の希土類酸化物、例えばこれらに限定されないが、イッテルビア、スカンジア、酸化ランタン、ネオジミア、エルビア及びそれらの組み合わせを含む。これらの更に他の実施形態では、希土類酸化物は、安定化ジルコニアシステム内の一部又は全部のイットリアを置換することができる。セラミック層３４は、下側基板の必要とされる熱保護を提供するのに十分な厚さ、一般的に約７５〜３５０ミクロン程度に被覆される。従来技術のボンドコーティングと同様に、第１のボンディングコート３０は、セラミック層３４が化学的に結合する酸化物表面層（スケール）３１を含む。
再び図１を参照すると、金属層３２は外面３６を有する。外面３６は、セラミック層３４がさらされる温度よりも低い温度にさらされることになる。一実施形態では、外面３６を、熱伝達を高めるために約３００〜９００マイクロインチに粗面化する。別の実施形態では、外面３６を約５００〜７００マイクロインチに粗面化する。外面３６の粗さは金属層３２の被覆中に形成され、粒径及び噴霧速度を含むがこれらに限定されない蒸着プロセスパラメータを制御することによって制御することができる。粗面化は、窪み及び／又は溝の形状であってもよい。別の実施形態では、外面３６は、例えば機械的又は化学的粗面化プロセスによって、金属層３２の被覆後に荒加工及び／又は追加的に粗面化してもよい。
別の例示的実施形態では、金属層３２は存在しておらず、外面３６は基板２０の第２の側面２４である。この実施形態では、基板２０は高熱伝導率金属組成物から形成される。一実施形態では、基板２０は、高熱伝導率金属、金属繊維、金属間化合物、金属合金、それらの複合材及び組み合わせであってもよい。
一実施形態では、約２０〜６０ＢＴＵ／ｈｒ・ｆｔ°Ｆの熱伝導率を有する。別の実施形態では、基板２０は約３０〜４５ＢＴＵ／ｈｒ・ｆｔ°Ｆの高熱伝導率を有する。更に別の実施形態では、基板２０は約３８〜４２ＢＴＵ／ｈｒ・ｆｔ°Ｆの熱伝導率を有する。一実施形態では、基板２０は高熱伝導率を有するＮｉＡｌである。例えば、基板２０は約５０重量パーセントのアルミニウムを上回るアルミニウム量を含有するＮｉＡｌから形成される。更に、熱伝達を高めるために外面３６を粗面化する。一実施形態では、熱伝達を高めるために外面３６を約３００〜９００マイクロインチに粗面化する。別の実施形態では、外面３６を約５００〜７００マイクロインチに粗面化する。外面３６の粗さは、基板２０の形成中に形成される。例えば、外面３６の粗さは基板２０の鋳造中に形成される。粗面化は、窪み及び／又は溝の形状であってもよい。別の実施形態では、外面３６は、例えば機械的又は化学的粗面化プロセスによって、第２のボンディングコート３２の被覆後に荒加工及び／又は追加的に粗面化してもよい。
好適な実施形態を参照して本発明を記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行っても良く、同等の構成要素に置換しても良いことが当業者には理解されよう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況や材料を本発明の教示に適応させるために修正を行っても良い。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の態様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内の全ての実施形態を含むことを意図している。
Claims (8)
- 高温側面（２２）及び外面である低温側面（２４）を有する基板（２０）と、
前記基板（２０）の前記高温側面（２２）上に被覆されたボンディングコート（３０）と、
前記ボンディングコート（３０）上に被覆されたセラミック層（３４）と、
を含み、
前記基板（２０）の前記低温側面（２４）は、３４．６１Ｗ／ｍＫ〜１０３．８４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する金属層（３２）を有し、
前記金属層（３２）は、７．６２μｍ〜２２．８６μｍの表面粗さを有し、且つ、５０重量パーセントを上回るアルミニウムを含有するＮｉＡｌである
ことを特徴とする、タービン燃焼器部品（５）。 - 前記基板（２０）はＮｉＡｌである、請求項１に記載の部品（５）。
- 前記高温側面（２２）の上に接触させて被覆されたボンディングコート（３０）と、前記ボンディングコート（３０）の上に接触させて被覆されたセラミック層（３４）とを更に含む、請求項１又は２に記載の部品（５）。
- 前記低温側面（２４）は前記外面である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の部品（５）。
- 前記金属層（３２）は５０μｍ〜６００μｍの厚さを有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の部品（５）。
- 前記ボンディングコートは、ベータＮｉＡｌ相である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の部品（５）。
- 前記ボンディングコートは、９〜１２重量パーセントのアルミニウムを含有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の部品（５）。
- 前記ボンディングコートは、１８〜２１重量パーセントのアルミニウムを含有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の部品（５）。
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