JP5932201B2 - タービン部品の減衰構造 - Google Patents

Description

本願発明はタービンに関する。具体的には、本願発明はタービン部品の減衰に関する。

タービンの作動によって、タービン部品の多くが振動応力に付される。かかる部品としては、ガスタービンの圧縮機、高温ガス通路（ＨＧＰ）及び燃焼器セクションの部品が挙げられる。振動応力は、そうした応力に付される部品の疲労寿命を縮め、特にかかる部品が同時にガスタービンの過酷な環境にも暴露される場合には、破壊を招く可能性もある。

振動応力を低減して部品の寿命を延ばす方法の一つは、部品の振動を減衰する手段を設けて、部品の構造的健全性が向上して耐用寿命が延びるように振動特性を変更することである。従前、タービン部品の振動の減衰には機械的手段が用いられてきた。機械的手段の具体例としては、翼形部プラットフォーム下方のロータ構造内に挿入されるスプリング様ダンパ、或いは翼形先端シュラウドに設けられたダンパが挙げられる。

本発明は、温度、応力、騒音及び振動のような過酷な環境に暴露される部品の表面を、部品の減衰特性を有する１種以上の表面材料の追加によって改質することによって、上述の問題を解決する。さらに、翼形基板と該翼形基板に設けられた表面構造とを含んでなる減衰特性を有するガスタービン翼形部であって、上記表面構造が減衰特性を有する１種以上の材料を含む、翼形部についても開示する。

ガスタービン部品の減衰方法は、ガスタービンに対する減衰特性を有する１以上の層を含む表面構造を設計し施工する段階を含む。

上記その他の利点及び特徴は、図面と併せて以下の説明を参照することによって一段と明らかになろう。

本発明は、添付の特許請求の範囲に具体的に記載されている。本発明の上記その他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照すれば明らかである。

以下の詳細な説明では、図面を参照して、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。

部品の振動の吸収及び／又は部品の共鳴振動数の変更によって室温以上の温度で振動減衰をもたらす、タービン部品（例えばガスタービン部品）用の表面構造について開示する。振動減衰によって、部品（例えば翼形部）の疲労寿命が非減衰部品に比べて増大する。かかる表面構造は、例えば音響減衰のような他の形態の減衰を行うのにも同様に利用できる。

図１を参照すると、振動減衰性の向上したガスタービン部品、例えば翼形部１０を示す。翼形部１０は、翼形基板１２と該翼形基板１２上に設けられた表面構造１４とを含む。表面構造１４は、特性の異なる１以上の表面層を含んでいてもよい。表面構造１４を翼形基板１２に設けると、減衰特性を与える。振動減衰表面構造１４の実施形態では、室温以上の温度で減衰特性を与えるため、表面構造１４の１以上の成分の化学的、組織的及び／又は機械的特性の変化を利用してもよい。かかる特性の具体例には、双晶境界（材料内で複数の結晶が交互成長（intergrow）する領域）の移動及びシフトがある。翼形部１０その他の部品が振動に付されると、双晶境界の移動及びシフトによって翼形部１０の振動が減衰される。かかる双晶境界の存在する表面構造１４の具体例としては、Ｃｕ−Ｍｎ合金及びＮｉ−Ｔｉ合金が挙げられる。

振動減衰に有用な別の特性は、溶質金属の対を結合する軸の優先方位（preferential orientation of axis joining pairs）によって表面構造１４のいずれかの成分内で誘起される応力であり、その具体例はα黄銅皮膜材料（亜鉛含有量が３５％未満の黄銅）である。表面構造１４内での内部摩擦に起因する粒間熱流を有する表面構造１４の部分も振動の減衰に有用である。粒間熱流は、周期的応力下にあってエネルギーを最大限に消散する多結晶質材料でみられる。

表面構造１４で減衰作用を生じさせるさらに別の方法は、材料における既知の欠陥を利用すること、或いはある種の欠陥を有する傾向にある材料を利用することである。欠陥としては、不純物、結晶粒界、点欠陥及び／又はかかる欠陥が幾つか隣接したクラスターが挙げられる。欠陥は周期的振動応力下でヒステリシスループ又は減衰作用を生じる。例えば、材料を振動応力又は歪みに付したとき、結晶粒界で消散される単位エネルギーは結晶粒内部で消散される単位エネルギーよりも大きい。こうしたエネルギー消散の不均衡によって減衰作用が生じる。

上記の特性を有する材料で、振動減衰皮膜１４に利用できる材料の具体例としては、銅合金が挙げられ、その具体例としては、Ｃｕ−Ｚｎ系黄銅、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｓｎ青銅−Ｍｎ−Ｎｉ合金及びそれらの組合せがある。その他の考えられる材料としては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ及びＭｏの１種以上の組合せを含むコバルト合金、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＣの１種以上の組合せを含む鉄合金、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｎ及びＴｈの１種以上の組合せを含むマグネシウム合金、Ｍｎ、Ｃｕ及び／又はＮｉの組合せを含むマンガン合金、並びに５５％Ｎｉと４５％Ｔｉを有するＮｉ−ＴｉニチノールとＣｒ、Ｆｅ及びＴｉの１種以上の組合せを含むＮｉ合金が挙げられる。振動減衰皮膜材料としては、１５００℃で１時間及び１８００℃で１時間アニールした１６００℃で高い損失係数を有するレニウム、Ａｇ−Ｃｄ、Ａｇ−Ｓｎ及びＡｇ−Ｉｎを始めとする銀合金、１８５０℃でアニールした１５００℃で高い損失係数を有するタンタル、７００℃で高い損失係数を有するストロンチウム、Ｔｉ−４Ａｌ−２Ｓｎ及びＴｉ−６−４を始めとするチタン合金（ただし、Ｔｉ−４Ａｌ−２Ｓｎが好ましい）、並びに１５８０℃〜２０００℃でアニールしたタングステンを挙げることもできる。耐熱材料も利用することができ、その具体例は、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄及びＺｒＯ₂である。

ミクロ組織特性又は材料特性を利用して減衰特性を得ることに加えて、構造の振動減衰特性をさらに向上させるための他の特徴を皮膜１４に追加してもよい。表面構造１４の圧縮性及び高温粘弾性を高めて表面構造１４の減衰性能を向上させるため、図２に示すような細孔１６、図３に示すような気泡１８又は図４に示すようなマイクロバルーン２０を表面構造１４に導入してもよい。細孔１６としては、１５ｎｍ〜３ｍｍの直径のもの、例えば、直径０．５〜１００μｍのミクロ孔、直径１５〜５００ｎｍのナノ孔及び／又は直径１００μｍ超のマクロ孔が挙げられる。気泡１８としては、金属／セラミック連続気泡フォーム、中空球気泡及び／又は金属溶浸セラミック気泡が挙げられる。マイクロバルーン２０は、一群のガラス球を含む粉体である。さらに、図５に示すように、表面構造１４を、積層体と同様に多層２２の形態で翼形基板１２に施工してもよく、層２２間の相対的運動に起因する摩擦によって減衰作用が生じる。このような内部摩擦を生じさせるため、多層２２の交互層が異なる弾性率を有していてもよい。

上述の減衰表面構造１４は、基板材料及び皮膜材料に応じて、カソードアーク法、パルス電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）法、スラリー堆積法、電解析出法、ゾル−ゲル析出法、スピンコーティング法、並びに高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）法、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）法及び大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法のような溶射法を始めとする数多くの適当な方法によって所望のガスタービン部品に施工すればよい。ただし、本発明の技術的範囲内でその他のコーティング施工法も利用できる。表面構造は、所望の部品の表面全体に施工してもよいし、部品の減衰を要する領域だけに施工してもよい。

限られた数の実施形態に関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明が開示した実施形態に限定されないことは明らかであろう。本発明は、記載していない幾つもの変形、変更、置換又は均等な構成を加えて修正できるが、それらも本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載した実施形態の一部しか含まないこともある。従って、本発明は、本明細書の記載によって限定されるものではなく、もっぱら特許請求の範囲によって限定される。

振動減衰特性を有する翼形部の実施例を示す図。 図１の翼形部の皮膜の実施例を示す図。 図１の翼形部の皮膜の別の実施例を示す図。 図１の翼形部の皮膜の第３の実施例を示す図。 図１の翼形部の皮膜の第４の実施例を示す図。

符号の説明

１０ 翼形部
１２ 翼形基板
１４ 表面構造
１６ 細孔
１８ 気泡
２０ マイクロバルーン
２２ 層

Claims (6)

1. ガスタービン部品用の表面構造であって、
   タービン部品基板に設けられた皮膜であって、Ｃｕ−Ｍｎ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金、α黄銅、Ｃｕ−Ｚｎ系黄銅、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｓｎ青銅−Ｍｎ−Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ及びＭｏの１種以上の組合せを含むコバルト合金、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＣの１種以上の組合せを含む鉄合金、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｎ及びＴｈの１種以上の組合せを含むマグネシウム合金、Ｍｎ、Ｃｕ及び／又はＮｉの組合せを含むマンガン合金、５５％Ｎｉと４５％Ｔｉを有するＮｉ−ＴｉニチノールとＣｒ、Ｆｅ及びＴｉの１種以上の組合せを含むＮｉ合金、１６００℃で高い損失係数を有するレニウム、Ａｇ−Ｃｄ、Ａｇ−Ｓｎ及びＡｇ−Ｉｎから選択される銀合金、１５００℃で高い損失係数を有するタンタル、７００℃で高い損失係数を有するストロンチウム、並びにＴｉ−４Ａｌ−２Ｓｎ及びＴｉ−６−４から選択されるチタン合金からなる群から選択される減衰ミクロ組織特性に起因する減衰特性を有する１種以上の材料を含んでいるとともに、１５ｎｍ〜３ｍｍの直径を有する複数の細孔をさらに含んでいる皮膜
   からなる表面構造。
2. 前記皮膜が、１種以上の発泡剤、金属又はセラミックマトリクス中の複数のガラス球、機械的及び化学的特性の異なる複数の層並びにこれらの１以上を含む組合せの少なくともいずれかをさらに含む、請求項１記載の表面構造。
3. 減衰特性を有するガスタービン翼形部であって、
   翼形基板と、
   翼形基板に設けられた皮膜であって、Ｃｕ−Ｍｎ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金、α黄銅、Ｃｕ−Ｚｎ系黄銅、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｓｎ青銅−Ｍｎ−Ｎｉ合金、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ及びＭｏの１種以上の組合せを含むコバルト合金、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ及びＣの１種以上の組合せを含む鉄合金、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｎ及びＴｈの１種以上の組合せを含むマグネシウム合金、Ｍｎ、Ｃｕ及び／又はＮｉの組合せを含むマンガン合金、５５％Ｎｉと４５％Ｔｉを有するＮｉ−ＴｉニチノールとＣｒ、Ｆｅ及びＴｉの１種以上の組合せを含むＮｉ合金、１６００℃で高い損失係数を有するレニウム、Ａｇ−Ｃｄ、Ａｇ−Ｓｎ及びＡｇ−Ｉｎから選択される銀合金、１５００℃で高い損失係数を有するタンタル、７００℃で高い損失係数を有するストロンチウム、並びにＴｉ−４Ａｌ−２Ｓｎ及びＴｉ−６−４から選択されるチタン合金からなる群から選択される減衰ミクロ組織特性に起因する減衰特性を有する１種以上の材料を含んでいるとともに、１５ｎｍ〜３ｍｍの直径を有する複数の細孔をさらに含んでいる皮膜からなる表面構造と
   を含む、翼形部。
4. 前記減衰特性が、振動減衰特性、音響減衰特性及びこれらの組合せの少なくともいずれかである、請求項３記載の翼形部。
5. 前記皮膜がガスタービン部品に多層で設けられる、請求項３又は請求項４記載の翼形部。
6. 前記皮膜が、翼形部の１箇所以上の要減衰部分に設けられる、請求項３乃至請求項５のいずれか１項記載の翼形部。