JP6205457B2 - タービンシュラウドを断熱するためのシステム - Google Patents
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Description
本主題は、一般にガスタービンエンジンのためのタービンシュラウド組立体に関する。より詳細には、本主題は、タービンシュラウドを、隣接する金属ハードウェア構成要素から断熱する少なくとも１つのコーティングを有するタービンシュラウド組立体のタービンシュラウドに関する。
ガスタービンエンジンは、一般に、連続した流れの順に、圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションと、排気セクションとを含む。稼動時、空気が圧縮機セクションの入口に入り、圧縮機セクションにおいて、空気が燃焼セクションに達するまで１つ以上の軸流圧縮機が徐々に空気を圧縮する。燃料は、圧縮空気と混合され、燃焼セクション内で燃焼して、燃焼ガスを提供する。燃焼ガスは、タービンセクション内で画成された高温ガス通路を通って、燃焼セクションから送られた後、排気セクションを介してタービンセクションから排出される。
特定の構成では、タービンセクションは、連続した流れの順に、高圧（ＨＰ）タービンおよび低圧（ＬＰ）タービンを含む。ＨＰタービンおよびＬＰタービンはそれぞれ、タービンロータディスクおよびタービン動翼等の様々な回転可能なタービン構成要素、ならびに静翼またはノズル、タービンシュラウド、シュラウド支持体、およびエンジンフレーム等の各種固定タービン構成要素を含む。回転および固定タービン構成要素は、少なくとも部分的に、タービンセクションを通る高温ガス通路を画成する。
燃焼ガスが高温ガス通路を通って流れると、熱エネルギーは、燃焼ガスから回転タービン構成要素および固定タービン構成要素に伝達される。結果として、一般に、種々の回転および固定タービン構成要素は、熱的および／または機械的性能要件を満たすために冷却する必要がある。従来、圧縮空気等の冷却媒体は、種々の回転および固定タービン構成要素の内部または周囲に画成された様々な冷却通路または回路を通って、圧縮機セクションから送られ、これによって、これらの構成要素の冷却を実現する。ＨＰＴ内のセラミックマトリクス複合材シュラウドを使用することで、セラミックマトリクス複合材の優れた熱的性質により、圧縮空気を介したタービンシュラウドの背面冷却をより低減することが可能である。結果として、通常、シュラウド組立体内へ送られる、またはその周囲にある圧縮空気の量が減少し、よって、全体的なエンジン性能および／または効率を向上させることができる。
シュラウド組立体への冷却流の低減は、シュラウドを取り囲む、あるいはシュラウドに隣接するシュラウド組立体のシュラウド支持ハードウェア等の固定ハードウェアの温度を上昇させる場合がある。たとえば、セラミックマトリクス複合タービンシュラウドによって吸収された熱エネルギーは、タービンシュラウドの側面および裏面から、タービンシュラウドを取り囲むか、タービンシュラウドに隣接するか、またはタービンシュラウドと接触している固定ハードウェアに放射され、および／または伝導する。したがって、その裏面の少なくとも一部が、取付ハードウェア等の隣接する金属構成要素からタービンシュラウドを断熱するためのコーティングで被覆されたタービンシュラウドは、この技術において歓迎されるであろう。
本発明の態様および利点は、以下の説明において部分的に述べられるか、該説明から明らかになるか、または本発明の実施により学習することができる。
一態様において、本主題は、タービンシュラウド組立体のタービンシュラウドを断熱するためのシステムを対象とする。システムは、内面を有するシュラウド支持体と、シュラウド支持体に接続されたタービンシュラウドとを含む。タービンシュラウドは、裏面から半径方向に離間する高温側面を含む。裏面の少なくとも一部は、シュラウド支持体の内面に向けて配向されている。システムは、タービンの裏面に沿って配置されているコーティングを含む。コーティングは、タービンシュラウドの裏面からシュラウド支持体への熱伝達を規制している。
本主題の別の態様は、ガスタービンエンジンを対象としている。ガスタービンエンジンは、圧縮機と、燃焼セクションと、タービン動翼の列を囲むタービンシュラウド組立体を有するタービンセクションと、タービンシュラウド組立体のタービンシュラウドを断熱するためのシステムとを含む。システムは、内面を有するシュラウド支持体と、シュラウド支持体に接続されたタービンシュラウドとを含む。タービンシュラウドは、セラミックマトリクス複合材料から形成されており、裏面から半径方向に離間する高温側面を含む。裏面の少なくとも一部は、シュラウド支持体の内面に向けて配向されている。システムはさらに、タービンシュラウドの裏面上に配置されているコーティングを含む。コーティングは、タービンシュラウドの裏面からシュラウド支持体への熱伝達を規制している。
本発明のこれらおよびその他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することによってより理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、説明と共に本発明の原理を説明する機能を果たす。
本発明の完全かつ可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者に向けられ、添付の図面を参照して、本明細書に記載されている。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明するが、その１つ以上の例は、添付の図面に示される。詳細な説明では、数字および文字の指示は、図面中の特徴を参照するために使用する。図面および説明で、同様の符号は、本発明の同様の要素を参照するために使用される。本明細書で使用されるように、「第１の」、「第２の」、「第３の」という用語は、１つの構成要素を他から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を意味するものではない。「上流」および「下流」という用語は、流体経路内の流体の流れに対して相対的な流れ方向を示している。たとえば、「上流」は、流体が流れてくる流れ方向を意味し、「下流」は、流体が流れていく流れ方向を意味する。
各実施例は、本発明の限定ではなく、本発明の例証として提供される。実際に、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明を修正および変形できることは、当業者には明らかであろう。たとえば、一実施形態の一部として図示または説明されている特徴は、他の実施形態で使用してさらに別の実施形態を得ることができる。添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入るように、本発明は、このような修正および変形を含むことが意図されている。本発明の例示的な実施形態は、例示目的のためにターボファンジェットエンジンに組み込まれたタービンシュラウドとの関連で一般に説明されるが、当業者であれば、本発明の実施形態は、ターボ機械に組み込まれたあらゆるタービンに適用することができ、特許請求の範囲に具体的に記載されない限りガスターボファンジェットエンジンに限定されるものではないことを容易に理解するであろう。
ここで図面を参照すると、同一の番号は図面を通して同じ要素を示し、図１は、本発明の様々な実施形態を組み込むことができるものとして、本明細書で「ターボファン１０」と呼ばれる例示的な高バイパスターボファン式ガスタービンエンジン１０の概略断面図である。図１に示すように、ターボファン１０は、参照目的で、ターボファン１０を貫通して延在する長手方向または軸方向中心軸１２を有する。一般に、ターボファン１０は、ファンセクション１６から下流に配置されたコアタービンまたはガスタービンエンジン１４を含むことができる。
ガスタービンエンジン１４は一般に、環状入口２０を画成した略環状の外側ケーシング１８を含むことができる。外側ケーシング１８は、複数のケーシングから形成することができる。外側ケーシング１８は、連続した流れの関係で、ブースタまたは低圧（ＬＰ）圧縮機２２を有する圧縮機セクションと、高圧（ＨＰ）圧縮機２４と、燃焼セクション２６と、高圧（ＨＰ）タービン２８を含むタービンセクションと、低圧（ＬＰ）タービン３０と、ジェット排気ノズルセクション３２とを収容する。高圧（ＨＰ）シャフトまたはスプール３４は、ＨＰタービン２８をＨＰ圧縮機２４に駆動的に接続する。低圧（ＬＰ）シャフトまたはスプール３６は、ＬＰタービン３０をＬＰ圧縮機２２に駆動的に接続する。（ＬＰ）スプール３６は、ファンセクション１６のファンスプールまたはシャフト３８に接続してもよい。特定の実施形態において、図１に示すように、（ＬＰ）スプール３６は、直接駆動構成におけるように、ファンスプール３８に直接接続してもよい。代替構成では、（ＬＰ）スプール３６は、間接駆動またはギア駆動構成のように減速ギア３９を介してファンスプール３８に接続することができる。
図１に示すように、ファンセクション１６は、ファンスプール３８に連結されており、またファンスプール３８から半径方向外側に延在する複数のファンブレード４０を含む。環状ファンケーシングまたはナセル４２は、ファンセクション１６および／またはガスタービンエンジン１４の少なくとも一部を円周方向に囲む。ナセル４２は、複数の円周方向に離間して配置された出口ガイドベーン４４によってガスタービンエンジン１４に対して支持されるように構成することができることを、当業者は理解されたい。また、ナセル４２の下流セクション４６は、下流セクション４６とガスタービンエンジン１４との間にバイパス空気流路４８を画成するように、ガスタービンエンジン１４の外側部分上に延在してもよい。
図２は、本発明の様々な実施形態を組み込むことができる、図１に示すガスタービンエンジン１４のＨＰタービン２８部分の拡大断面図を提供する。図２に示すように、ＨＰタービン２８は、連続する流れの関係で、タービン動翼５８の列５６（１つのみ図示）から軸方向に離間した静翼５４の列５２（１つのみ図示）を含む第１のステージ５０を含む。ＨＰタービン２８は、さらに、タービン動翼６８の列６６（１つのみ図示）から軸方向に離間した静翼６４の列６２（１つのみ図示）を含む第２のステージ６０を含む。
タービン動翼５８、６８は、ＨＰスプール３４から半径方向外側に延在し、ＨＰスプール３４に連結されている（図１）。図２に示すように、静翼５４、６４とタービン動翼５８、６８は、ＨＰタービン２８を通って燃焼セクション２６（図１）から燃焼ガスを送る高温ガス通路７０を少なくとも部分的に画成する。図１に示すように、静翼５４、６４の列５２、６２は、ＨＰスプール３４の周囲に環状に配置され、タービン動翼５８、６８の列５６、６６は、ＨＰスプール３４の周囲に円周方向に離間している。
様々な実施形態では、図２に示すように、ＨＰタービン２８は、少なくとも１つのタービンシュラウド組立体７２を含む。たとえば、図２に示すように、ＨＰタービン２８は、第１のタービンシュラウド組立体７２（ａ）と第２のタービンシュラウド組立体７２（ｂ）とを含むことができる。タービンシュラウド組立体７２（ａ）、７２（ｂ）は、一般に、それぞれタービン動翼５８、６８の対応する列５６、６６の周囲にリングまたはシュラウドを形成する。
タービンシュラウド組立体７２（ａ）、７２（ｂ）は、それぞれ、タービンシュラウドまたはシュラウドシール７４（ａ）、７４（ｂ）を含む。タービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）は、タービン動翼５８、６８のブレード先端７６、７８から半径方向に離間して、ブレード先端７６、７８と対応するタービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）のシール面または高温側面８０（ａ）、８０（ｂ）との間に隙間を形成する。特にターボファン１０の巡航動作中に、ブレード先端７６、７８とタービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）との間の隙間を最小にし、ブレード先端７６、７８上の高温ガス通路７０からの、隙間を介した漏れを低減することが、一般に望ましい。
特定の実施形態では、タービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）の少なくとも１つは、セラミック材料からなる連続した一体的またはシームレスなリングとして、より詳細には、セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料として形成することができる。タービンシュラウド組立体７２（ａ）、７２（ｂ）は、それぞれ、対応するシュラウドリングまたは他の静的または固定ハードウェア構成要素８４（ａ）、８４（ｂ）を介して、ガスタービンエンジン１４のバックボーンまたはケーシング８２等の静的構造に接続することができる。
ターボファン１０の作動時には、図１に示すように、空気２００は、ターボファン１０の入口部２０２に入る。矢印２０４で示す空気２００の第１の部分は、バイパス空気流路４８に向けられ、矢印２０６で示す空気２００の第２の部分は、ＬＰ圧縮機２２の入口２０に入る。空気の第２の部分２０６は、ＬＰ圧縮機２２からＨＰ圧縮機２４に送られるにつれて、徐々に圧縮される。空気の第２の部分２０６は、ＨＰ圧縮機２４を経由して送られるにつれてさらに圧縮され、矢印２０８で示すように圧縮空気を燃焼セクション２６に提供し、ここで、矢印２１０で示すように、圧縮空気が燃料と混合されて燃焼し、燃焼ガスを提供する。
燃焼ガス２１０は、ＨＰタービン２８を通って送られ、ＨＰタービン２８において、燃焼ガス２１０からの動的エネルギーおよび／または熱エネルギーの一部は、第１および第２のステージ５０、６０の静翼５４、６４とタービン動翼５８、６８とを介してそれぞれ抽出され、その結果、ＨＰシャフトまたはスプール３４が回転することによって、ＨＰ圧縮機２４の動作を支持する。燃焼ガス２１０は、次いでＬＰタービン３０を通って送られ、ＬＰタービン３０において、熱的運動エネルギーの第２の部分は、ＬＰシャフトまたはスプール３６に連結されているＬＰタービン静翼２１２およびＬＰタービン動翼２１４の連続ステージを介して燃焼ガス２１０から抽出され、続いてＬＰシャフトまたはスプール３６が回転することによって、ＬＰ圧縮機２２の動作および／またはファンスプールまたはシャフト３８の回転を支持する。続いて、燃焼ガス２１０は、ガスタービンエンジン１４のジェット排気ノズルセクション３２を通って送られる。
ターボファン１０と共に、コアタービン１４は、同様の目的を果たし、空気の第１の部分２０４の、空気の第２の部分２０６に対する比がターボファンのそれよりも小さい陸上ガスタービン、ターボジェットエンジン、および、ファンセクション１６がナセル４２を欠いているアンダクテッドファンエンジンにおいて、同様の環境に置かれる。ターボファン、ターボジェットおよびアンダクテッドエンジンの各々では、たとえば、減速ギア３９などの減速装置は、任意のシャフトおよびスプール間、たとえばファンセクション１６の（ＬＰ）シャフトまたはスプール３６とファンスプールまたはシャフト３８との間に含めることができる。
ＨＰおよびＬＰタービン２８、３０を通って、特に、ＨＰタービン２８を通って流れる燃焼ガス２１０の温度は非常に高い場合がある。たとえば、ＨＰタービン２８によって／ＨＰタービン２８内で画成される高温ガス通路７０を通って流れる燃焼ガス２１０は、華氏２０００度を超える場合がある。これにより、圧縮機２２、２４から送られる冷却空気を介してタービンシュラウド組立体７２（ａ）、７２（ｂ）等の、しかしそれに限定されないＨＰタービン２８および／またはＬＰタービン３０の様々なタービンハードウェア構成要素を冷却して、熱的および／または機械的性能要件を満たすことが一般に必要および／または有益である。
タービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）を形成するためのセラミックまたはセラミックマトリクス複合材料の使用は、非セラミックまたは非セラミックマトリクス複合材料から作られたシュラウドシールを冷却するのに通常必要とされる冷却空気の量を減少させることができる。タービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）を冷却する冷却流の減少は、全体的なエンジン効率を向上させることができるが、冷却風量の低減は、タービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）を形成することができるセラミックまたはセラミックマトリクス複合材料と比較して、このような高温での使用にとって好ましくない熱特性を有する、金属合金またはその他の複合材料等の他の材料から形成することができるタービンシュラウド組立体７２（ａ）、７２（ｂ）の一部に望ましくない影響を及ぼす可能性がある。
たとえば、高温側面８０（ａ）、８０（ｂ）に沿ったタービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）のセラミックまたはセラミックマトリクス複合材料によって吸収された熱エネルギーは、タービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）の様々な裏面から放射され、隣接する固定ハードウェアによって吸収することができる。さらに、あるいは代替として、タービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）のセラミックまたはセラミックマトリクス複合材料により吸収された熱エネルギーは、伝導および／または放射熱伝達によりタービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）の種々の表面から伝導され、タービンシュラウド７４（ａ）、７４（ｂ）と接触および／または直接隣接する様々な静的構成要素によって吸収することができる。結果として、放射または伝導された熱エネルギーは、静的または固定ハードウェア構成要素の機械的機能および／または寿命に悪影響を与える場合がある。
図３は、本発明の様々な実施形態による、隣接する固定ハードウェア構成要素から、タービンシュラウド組立体７２（ａ）および／または７２（ｂ）等の、しかしそれに限定されないタービンシュラウド組立体１０４のタービンシュラウド７４（ａ）および／または７４（ｂ）等のタービンシュラウド１０２を断熱するためのシステム１００の拡大側面図である。図３で図示し説明されるように、システム１００は、図２に示すように、第１のまたは第２のタービンシュラウド組立体７２（ａ）、７２（ｂ）のいずれかあるいは両方の代わりにガスタービンエンジン１４の中に組み込まれ、またはガスタービンエンジン１４内の任意の列のタービン動翼の周りに配置されるように変更できることが意図される。
一実施形態では、図３に示すように、システム１００は、様々な内面１０８を有するシュラウド支持体１０６を含む。シュラウド支持体１０６は、タービンシュラウド１０２の少なくとも一部を少なくとも部分的に取り囲む１つ以上の壁１１０を含むことができる。壁１１０は、タービンシュラウド組立体１０４の内面１０８を少なくとも部分的に画成し得る。タービンシュラウド１０２は、止めピン等の保持部材１１２を介して１つ以上の壁１１０のうち少なくとも１つの壁１１０に接続され、または連結することができる。
タービンシュラウド１０２は、タービンシュラウド１０２の裏面１１６から中心線１２に対して半径方向に離間した高温側面１１４を備えている。特定の実施形態では、タービンシュラウド１０２は、セラミック材料から少なくとも部分的に形成されている。特定の実施形態では、タービンシュラウド１０２は、セラミックマトリクス複合材料から形成されている。様々な実施形態では、タービンシュラウド１０２は、セラミック材料またはセラミックマトリクス複合材料からなる連続した一体的またはシームレスなリングとして形成することができる。
高温側面１１４は、タービン動翼５８、６８（図２）等のタービン動翼１２０の、ブレード先端７６、７８（図２）等のブレード先端１１８から半径方向に離間している。様々な実施形態では、図３に示すように、裏面１１６の一部は、一般に、シュラウド支持体１０６の内面１０８に向けて配向され、または対向している。裏面１１６の一部は、略平坦であってもよく、一方、裏面１１６の他の部分は、湾曲し、階段状および／または角度付きにすることができる。特定の実施形態において、スロットまたはチャネル１２２は、裏面１１６に沿って画成することができる。スロット１２２は、保持部材１１２を受けるように形成してもよい。特定の実施形態では、シール１２４は、裏面１１６の一部とシュラウド支持体１０６の内面１０８との間に延在してもよい。
様々な実施形態において、システム１００は、コーティング１２６を含む。コーティング１２６は、タービンシュラウド１０２の裏面１１６の少なくとも一部に沿って配置されている。特定の実施形態では、コーティング１２６の一部は、タービンシュラウド１０２の前縁部１２８または後縁部１３０の少なくとも一方に沿って配置されている。コーティング１２６は、タービンシュラウド１０２から周囲のシュラウド支持体１０６および／または保持部材１１２および／または他の周囲のハードウェアへの熱伝達を制限または防止することが可能な任意のコーティングを含むことができる。言い換えれば、コーティング１２６は、裏面１１６に沿って測定されたタービンシュラウド１０２の熱放射率値および／または熱伝導率値よりも小さい熱放射率値および／または熱伝導率値を有し、タービンシュラウド１０２に使用するのに好適であり、ガスタービンエンジン１４の動作環境で長期間の使用に適した任意のコーティングを含むことができる。
コーティング１２６またはコーティング１２６の一部は、任意の公知で適切な方法によって塗布することができる。たとえば、限定されるものではないが、コーティング１２６は、スプレーガン、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、静電スプレーアシスト蒸着（ＥＳＡＶＤ）またはダイレクト蒸着（ＤＶＤ）によって塗布することができる。コーティング１２６は、裏面１１６にわたって略一定の厚さ、または、タービンシュラウド１０２の裏面１１６にわたって異なる厚さおよび／または密度で塗布することができる。
コーティング１２６は、単層または多層コーティングであってもよい。コーティング１２６は、タービンシュラウド１０２の裏面１１６の少なくとも一部にわたって塗布される単一のコーティング材料を含むことができ、または裏面１１６の様々な部分または領域に沿って配置された２つ以上のコーティング材料を含むことができる。たとえば、特定の実施形態では、コーティング１２６は、裏面１１６の一部に沿って配置された第１のコーティング材料１３２と、裏面１１６の異なる部分に沿って配置された第２のコーティング材料１３４とを含むことができる。
第１のコーティング材料１３２は、シュラウド支持体１０６の内面１０８に向けて配向され、または対向する裏面１１６の一部または複数の部分に塗布または配置することができる。特定の実施形態において、第１のコーティング材料１３２は、熱塗料を含むことができる。たとえば熱塗料は、Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐａｉｎｔ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．（カリフォルニア州サンディエゴ）から市販されている熱塗料である「ＣＪＫＮ１３」と同一または実質的に同一の熱伝達特性、特に熱放射率値を有し得る。少なくとも１つの実施形態において、熱塗料は、コーティングされていない状態のタービンシュラウド１０２の裏面１１６の熱放射率値と比較して、相対的に低い放射率値を有しており、したがって裏面１１６から周囲の搭載ハードウェアへの放射熱伝達を制限または阻害する。
タービンシュラウド１０２がセラミックマトリクス複合材料から形成されている一実施形態では、コーティングされていない状態のタービンシュラウド１０２は、約０．７〜０．８５の放射率値を有する。一実施形態では、第１のコーティング材料１３２等のコーティング１２６の少なくとも一部は、０．０超〜０．７未満の放射率値を有している。一実施形態では、コーティング１２６の少なくとも一部は、約０．３〜約０．７の放射率値を有している。
第２のコーティング材料１３４を、内面１０８、保持部材１１２、シール１２４および／または隣接する固定翼１３８の外側バンド部１３６等のその他の静止ハードウェア構成要素の一部に接触および／または直接隣接する、裏面１１６の一部または複数の部分に塗布または配置してもよい。一実施形態では、第２のコーティング材料１３４等のコーティング１２６の少なくとも一部は、タービンシュラウド１０２の熱伝導率値に比較して相対的に低い熱伝導率値を有している。
様々な実施形態では、タービンシュラウド１０２の裏面１１６の熱伝導率値または定格と比較すると、第２のコーティング材料１３４等のコーティング１２６は、比較的低い熱伝導率値または定格を有する環境バリアコーティング（ＥＢＣ）および／または遮熱コーティング（ＴＢＣ）を含むことができる。たとえば、一実施形態では、第２のコーティング材料１３４等のコーティング１２６は、Ｅｌｌｉｓｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．（オハイオ州メーソン）から市販されているような多層または５層ＥＢＣコーティングシステムを含むことができる。ＥＢＣコーティングシステムは、ボンドコート（たとえば、シリコンまたはシリカを含む）として機能する内部コーティング、および外部コーティングを含むことができる。外部コーティングは、１つ以上の希土類ケイ酸塩から形成される複数の層を含むことができる。たとえば、外部コーティングは、ムライト層、ムライト・アルカリ土類アルミノケイ酸塩混合物層、イットリウム一ケイ酸塩（ＹＭＳ）層、イッテルビウムドープイットリウム二ケイ酸塩（ＹｂＹＤＳ）層、アルミノケイ酸ストロンチウムバリウム（ＢＳＡＳ）層等のうちの１つ以上を含むことができる。
特定の実施形態において、ＥＢＣコーティングシステムの１つ以上の外部コーティング層は、１００％密度を有するのではなく、多孔質（低密度）となるように設計されてもよい。設計された多孔性を導入することにより、コーティング１２６の熱伝導率に直接影響を及ぼす。より詳細には、設計された多孔性は、層を通る熱伝導を制限または規制するために使用することができる。特定の外部コーティング層の密度は、裏面１１６に沿った局所的な温度、シール１２４の熱伝導率値、タービンシュラウド１０２または裏面１１６に接触もしくは直接隣接している他の構成要素もしくはハードウェアの熱伝導率のうち１つ以上に少なくとも部分的に基づいて、裏面１１６に沿った特定の位置に対して選択することができる。１つ以上の外部コーティング層の密度は、１００％未満の任意の密度であってもよい。特定の実施形態において、１つ以上の外部コーティング層の密度は、５０％以上９０％未満とすることができる。特定の実施形態において、１つ以上の外部コーティング層の密度は、約６５％〜約８０％とすることができる。特定の実施形態において、１つ以上の外部コーティング層の密度は、約７５％である。
一実施形態では、シール１２４の一部がコーティング１２６の一部に係合し、シール１２４の異なる部分は、内面１０８に対して係合することにより、裏面１１６と内面１０８との間を熱エネルギーが移動するための伝導経路を画成する。本実施形態では、コーティング１２６または第２のコーティング材料１３４は、裏面１１６と、それに接触しているシール１２４の部分との間の伝導性熱伝達を制限または規制する。裏面１１６の一部が、コーティング１２６の一部を介してタービンシュラウド支持体１０６の内面１０８と接触している特定の実施形態では、内面１０８と接触しているコーティング１２６の一部が、裏面１１６と内面１０８との間の伝導性熱伝達を制限または規制する。
タービンシュラウド１０２がセラミックマトリクス複合材料から形成される実施形態では、タービンシュラウド１０２は、隣接する金属ハードウェアの熱能力をはるかに超える温度でうまく動作することが可能である。高温にさらされると、この静的ハードウェアは、機械的機能要件とサイクル寿命性能目標を満たす課題に直面する。したがって、コーティング１２６、１３２、１３４の塗布によってタービンシュラウド１０２の裏面１１６を静的ハードウェアから断熱することで、隣接する金属ハードウェア構成により実現される最高温度を低下させ、セラミックマトリクス複合タービンシュラウドを、高圧タービンアーキテクチャにシステムレベルでうまく統合することができる。
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的な差異がなく等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
タービンシュラウド組立体（１０４）のタービンシュラウド（１０２）を断熱するためのシステム（１００）であって、
内面（１０８）を有するシュラウド支持体（１０６）と、
前記シュラウド支持体（１０６）に接続され、裏面（１１６）から半径方向に離間した高温側面（１１４）を有するタービンシュラウド（１０２）であって、前記裏面（１１６）は、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）に向けて配向されている、タービンシュラウド（１０２）と、
前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）に沿って配置されたコーティング（１２６）であって、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シュラウド支持体（１０６）への伝導または放射を介した熱伝達を規制する、コーティング（１２６）と、
を含む、システム（１００）。
［実施態様２］
前記タービンシュラウド（１０２）は、セラミックマトリクス複合材料から形成されている、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様３］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、前記タービンシュラウド（１０２）の放射率値未満の放射率値を有している、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様４］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、０．０超〜０．７未満の放射率値を有している、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様５］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、約０．３〜約０．７の放射率値を有する、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様６］
前記タービンシュラウド（１０２）は、約０．８の放射率値を有するセラミックマトリクス複合材料から形成されている、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様７］
前記コーティング（１２６）は、前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に直接隣接していないか接触していない前記裏面（１１６）の一部に沿って配置された第１のコーティング材料（１３２）と、前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に直接隣接しているか接触している前記裏面（１１６）の一部に沿って配置された第２のコーティング材料（１３４）とを含む、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様８］
前記コーティング（１２６）の一部と、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）とに係合するシール（１２４）をさらに備え、前記シール（１２４）に係合する前記コーティング（１２６）の前記一部は、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シール（１２４）への伝導性熱伝達を規制する、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様９］
前記裏面（１１６）の一部が、前記コーティング（１２６）の一部を介して前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に接触している、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１０］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、多層環境バリアコーティング（１２６）を備え、前記環境バリアコーティング（１２６）の少なくとも１つの層は多孔質である、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１１］
前記タービンシュラウド（１０２）は、前縁部（１２８）および後縁部（１３０）をさらに含み、前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、前記前縁部（１２８）または前記後縁部（１３０）の少なくとも一方に沿って配置されている、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１２］
圧縮機（２２，２４）と、
燃焼セクション（２６）と、
タービン動翼（５８，６８）の列を囲むタービンシュラウド組立体（１０４）を有するタービンセクションと、
前記タービンシュラウド組立体（１０４）のタービンシュラウド（１０２）を断熱するためのシステム（１００）と、
を備え、前記システム（１００）は、
内面（１０８）を有するシュラウド支持体（１０６）と、
前記シュラウド支持体（１０６）に接続され、セラミックマトリクス複合材料から形成されており、裏面（１１６）から半径方向に離間した高温側面（１１４）を有するタービンシュラウド（１０２）であって、前記裏面（１１６）の少なくとも一部は、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）に向けて配向されている、タービンシュラウド（１０２）と、
前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）上に配置されたコーティング（１２６）であって、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シュラウド支持体（１０６）への伝導または放射を介した熱伝達を規制する、コーティング（１２６）と、を含む、
ガスタービンエンジン。
［実施態様１３］
前記シュラウド支持体（１０６）は、金属合金から形成されている、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１４］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、前記タービンシュラウド（１０２）の放射率値未満の放射率値を有している、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１５］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、０．０超〜０．７未満の放射率値を有している、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１６］
前記タービンシュラウド（１０２）は、セラミックマトリクス複合材料から形成されている、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１７］
前記セラミックマトリクス複合材料は、約０．６〜０．８の放射率値を有している、実施態様１５に記載のシステム（１００）。
［実施態様１８］
前記コーティング（１２６）は、前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に直接隣接していないか接触していない前記裏面（１１６）の一部に沿って配置された第１のコーティング材料（１３２）と、前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に直接隣接しているか接触している前記裏面（１１６）の一部に沿って配置された第２のコーティング材料（１３４）とを含む、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１９］
前記コーティング（１２６）の一部と、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）とに係合するシール（１２４）をさらに備え、前記シール（１２４）に係合する前記コーティング（１２６）の前記一部は、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シール（１２４）への伝導性熱伝達を規制する、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様２０］
前記裏面（１１６）の一部が、前記コーティング（１２６）の一部を介して前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に接触し、前記内面（１０８）に係合する前記コーティング（１２６）の前記一部は、多層環境バリアコーティング（１２６）を備え、前記環境バリアコーティング（１２６）の少なくとも１つの層は多孔質である、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１］
タービンシュラウド組立体（１０４）のタービンシュラウド（１０２）を断熱するためのシステム（１００）であって、
内面（１０８）を有するシュラウド支持体（１０６）と、
前記シュラウド支持体（１０６）に接続され、裏面（１１６）から半径方向に離間した高温側面（１１４）を有するタービンシュラウド（１０２）であって、前記裏面（１１６）は、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）に向けて配向されている、タービンシュラウド（１０２）と、
前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）に沿って配置されたコーティング（１２６）であって、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シュラウド支持体（１０６）への伝導または放射を介した熱伝達を規制する、コーティング（１２６）と、
を含む、システム（１００）。
［実施態様２］
前記タービンシュラウド（１０２）は、セラミックマトリクス複合材料から形成されている、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様３］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、前記タービンシュラウド（１０２）の放射率値未満の放射率値を有している、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様４］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、０．０超〜０．７未満の放射率値を有している、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様５］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、約０．３〜約０．７の放射率値を有する、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様６］
前記タービンシュラウド（１０２）は、約０．８の放射率値を有するセラミックマトリクス複合材料から形成されている、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様７］
前記コーティング（１２６）は、前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に直接隣接していないか接触していない前記裏面（１１６）の一部に沿って配置された第１のコーティング材料（１３２）と、前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に直接隣接しているか接触している前記裏面（１１６）の一部に沿って配置された第２のコーティング材料（１３４）とを含む、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様８］
前記コーティング（１２６）の一部と、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）とに係合するシール（１２４）をさらに備え、前記シール（１２４）に係合する前記コーティング（１２６）の前記一部は、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シール（１２４）への伝導性熱伝達を規制する、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様９］
前記裏面（１１６）の一部が、前記コーティング（１２６）の一部を介して前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に接触している、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１０］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、多層環境バリアコーティング（１２６）を備え、前記環境バリアコーティング（１２６）の少なくとも１つの層は多孔質である、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１１］
前記タービンシュラウド（１０２）は、前縁部（１２８）および後縁部（１３０）をさらに含み、前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、前記前縁部（１２８）または前記後縁部（１３０）の少なくとも一方に沿って配置されている、実施態様１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１２］
圧縮機（２２，２４）と、
燃焼セクション（２６）と、
タービン動翼（５８，６８）の列を囲むタービンシュラウド組立体（１０４）を有するタービンセクションと、
前記タービンシュラウド組立体（１０４）のタービンシュラウド（１０２）を断熱するためのシステム（１００）と、
を備え、前記システム（１００）は、
内面（１０８）を有するシュラウド支持体（１０６）と、
前記シュラウド支持体（１０６）に接続され、セラミックマトリクス複合材料から形成されており、裏面（１１６）から半径方向に離間した高温側面（１１４）を有するタービンシュラウド（１０２）であって、前記裏面（１１６）の少なくとも一部は、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）に向けて配向されている、タービンシュラウド（１０２）と、
前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）上に配置されたコーティング（１２６）であって、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シュラウド支持体（１０６）への伝導または放射を介した熱伝達を規制する、コーティング（１２６）と、を含む、
ガスタービンエンジン。
［実施態様１３］
前記シュラウド支持体（１０６）は、金属合金から形成されている、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１４］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、前記タービンシュラウド（１０２）の放射率値未満の放射率値を有している、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１５］
前記コーティング（１２６）の少なくとも一部は、０．０超〜０．７未満の放射率値を有している、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１６］
前記タービンシュラウド（１０２）は、セラミックマトリクス複合材料から形成されている、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１７］
前記セラミックマトリクス複合材料は、約０．６〜０．８の放射率値を有している、実施態様１５に記載のシステム（１００）。
［実施態様１８］
前記コーティング（１２６）は、前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に直接隣接していないか接触していない前記裏面（１１６）の一部に沿って配置された第１のコーティング材料（１３２）と、前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に直接隣接しているか接触している前記裏面（１１６）の一部に沿って配置された第２のコーティング材料（１３４）とを含む、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様１９］
前記コーティング（１２６）の一部と、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）とに係合するシール（１２４）をさらに備え、前記シール（１２４）に係合する前記コーティング（１２６）の前記一部は、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シール（１２４）への伝導性熱伝達を規制する、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
［実施態様２０］
前記裏面（１１６）の一部が、前記コーティング（１２６）の一部を介して前記タービンシュラウド（１０２）支持体の前記内面（１０８）に接触し、前記内面（１０８）に係合する前記コーティング（１２６）の前記一部は、多層環境バリアコーティング（１２６）を備え、前記環境バリアコーティング（１２６）の少なくとも１つの層は多孔質である、実施態様１１に記載のシステム（１００）。
１０ ターボファンジェットエンジン
１２ 長手方向または軸方向中心線
１４ コア／ガスタービンエンジン
１６ ファンセクション
１８ 外側ケーシング
２０ 入口
２２ 低圧圧縮機
２４ 高圧圧縮機
２６ 燃焼セクション
２８ 高圧タービン
３０ 低圧タービン
３２ ジェット排気セクション
３４ 高圧シャフト／スプール
３６ 低圧シャフト／スプール
３８ ファンスプール／シャフト
３９ 減速ギア
４０ ファンブレード
４２ ファンケーシングまたはナセル
４４ 出口ガイドベーン
４６ 下流セクション
４８ バイパス空気流路
５０ 第１のステージ
５２ 列
５４ 静翼
５６ 列
５８ タービン動翼
６０ 第２のステージ
６２ 列
６４ 静翼
６６ 列
６８ タービン動翼
７０ 高温ガス通路
７２ タービンシュラウド組立体
７２（ａ） 第１のタービンシュラウド組立体
７２（ｂ） 第２のタービンシュラウド組立体
７４（ａ） シュラウドシール
７４（ｂ） シュラウドシール
７６ ブレード先端
７８ ブレード先端
７９−９９ 未使用
１００ システム
１０２ タービンシュラウド
１０４ タービンシュラウド組立体
１０６ シュラウド支持体
１０８ 内面
１１０ 壁
１１２ 保持部材
１１４ 高温側面
１１６ 裏面
１１８ ブレード先端
１２０ タービン動翼
１２２ スロット／チャネル
１２４ シール
１２６ コーティング
１２８ 前縁部
１３０ 後縁部
１３２ 第１のコーティング材料
１３４ 第２のコーティング材料
１３６ 外側バンド部
１３８ 固定翼
１３９−１９９ 未使用
２００ 空気
２０２ 入口部
２０４ 空気の第１の部分
２０６ 空気の第２の部分
２０８ 圧縮空気
２１０ 燃焼ガス
２１２ ＬＰタービン静翼
２１４ ＨＰタービン動翼
１２ 長手方向または軸方向中心線
１４ コア／ガスタービンエンジン
１６ ファンセクション
１８ 外側ケーシング
２０ 入口
２２ 低圧圧縮機
２４ 高圧圧縮機
２６ 燃焼セクション
２８ 高圧タービン
３０ 低圧タービン
３２ ジェット排気セクション
３４ 高圧シャフト／スプール
３６ 低圧シャフト／スプール
３８ ファンスプール／シャフト
３９ 減速ギア
４０ ファンブレード
４２ ファンケーシングまたはナセル
４４ 出口ガイドベーン
４６ 下流セクション
４８ バイパス空気流路
５０ 第１のステージ
５２ 列
５４ 静翼
５６ 列
５８ タービン動翼
６０ 第２のステージ
６２ 列
６４ 静翼
６６ 列
６８ タービン動翼
７０ 高温ガス通路
７２ タービンシュラウド組立体
７２（ａ） 第１のタービンシュラウド組立体
７２（ｂ） 第２のタービンシュラウド組立体
７４（ａ） シュラウドシール
７４（ｂ） シュラウドシール
７６ ブレード先端
７８ ブレード先端
７９−９９ 未使用
１００ システム
１０２ タービンシュラウド
１０４ タービンシュラウド組立体
１０６ シュラウド支持体
１０８ 内面
１１０ 壁
１１２ 保持部材
１１４ 高温側面
１１６ 裏面
１１８ ブレード先端
１２０ タービン動翼
１２２ スロット／チャネル
１２４ シール
１２６ コーティング
１２８ 前縁部
１３０ 後縁部
１３２ 第１のコーティング材料
１３４ 第２のコーティング材料
１３６ 外側バンド部
１３８ 固定翼
１３９−１９９ 未使用
２００ 空気
２０２ 入口部
２０４ 空気の第１の部分
２０６ 空気の第２の部分
２０８ 圧縮空気
２１０ 燃焼ガス
２１２ ＬＰタービン静翼
２１４ ＨＰタービン動翼
Claims (9)
- タービンシュラウド組立体（１０４）のタービンシュラウド（１０２）を断熱するためのシステム（１００）であって、
内面（１０８）を有する金属製のシュラウド支持体（１０６）と、
セラミック材料又はセラミックマトリックス複合材料からなり、前記シュラウド支持体（１０６）に接続したタービンシュラウド（１０２）であって、裏面（１１６）から半径方向に離間した高温側面（１１４）を有していて、前記裏面（１１６）が、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）に向けて配向している、タービンシュラウド（１０２）と、
前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）に沿って配置されたコーティング（１２６）であって、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シュラウド支持体（１０６）への伝導又は放射を介した熱伝達を制限又は防止する、コーティング（１２６）と
を含んでおり、前記コーティング（１２６）が、前記裏面（１１６）のうち前記シュラウド支持体（１０６）の内面（１０８）には直接隣接又は接触していない部分に沿って配置された第１のコーティング材料（１３２）と、前記裏面（１１６）のうち前記シュラウド支持体（１０６）の内面（１０８）に直接隣接又は接触する部分に沿って配置された第２のコーティング材料（１３４）とを含んでいる、システム（１００）。 - 前記コーティング（１２６）の少なくとも一部が、前記タービンシュラウド（１０２）の放射率値よりも低い放射率値を有する、請求項１に記載のシステム（１００）。
- 前記コーティング（１２６）の少なくとも一部が０．０超〜０．７未満の放射率値を有する、請求項１に記載のシステム（１００）。
- 前記コーティング（１２６）の少なくとも一部が約０．３〜約０．７の放射率値を有する、請求項１に記載のシステム（１００）。
- 前記タービンシュラウド（１０２）が、約０．８の放射率値を有するセラミックマトリクス複合材料から形成されている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のシステム（１００）。
- 前記コーティング（１２６，１３４）の一部と、前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）とに係合するシール（１２４）をさらに備えており、前記シール（１２４）に係合する前記コーティング（１２６，１３４）の一部は、前記タービンシュラウド（１０２）の前記裏面（１１６）から前記シール（１２４）への伝導性熱伝達を制限又は防止する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のシステム（１００）。
- 前記裏面（１１６）の一部が、前記コーティング（１２６）の一部を介して前記シュラウド支持体（１０６）の前記内面（１０８）と接触している、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のシステム（１００）。
- 前記コーティング（１２６）の少なくとも一部が多層環境バリアコーティング（１２６）を備えており、前記環境バリアコーティング（１２６）の少なくとも１つの層は多孔質である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のシステム（１００）。
- 圧縮機（２２，２４）と、
燃焼セクション（２６）と、
タービン動翼（５８，６８）の列を囲むタービンシュラウド組立体（１０４）を有するタービンセクションと、
前記タービンシュラウド組立体（１０４）のタービンシュラウド（１０２）を断熱するための請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のシステム（１００）と
を備えるガスタービンエンジン。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US14/708,336 | 2015-05-11 | ||
| US14/708,336 US9945242B2 (en) | 2015-05-11 | 2015-05-11 | System for thermally isolating a turbine shroud |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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