JP6334145B2 - 被覆されたガスタービン構成要素を用意する方法 - Google Patents
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Description
本発明は概して被覆された製品に関し、より詳細には、実質的に被覆されない少なくとも２つの隣接する冷却孔を包含する被覆されたガスタービン構成要素に関する。
ガスタービンでは、加圧空気が燃料に混合されて点火され、それにより高温圧縮ガスを発生させる。高温圧縮ガスが連続するタービンステージを通過し、これらの連続するタービンステージが高温圧縮ガスからの熱エネルギーおよび運動エネルギーを機械的トルクに変換し、この機械的トルクが回転するシャフトまたは別の要素に作用し、それにより、入ってくる空気を圧縮することと発電機などの外部負荷を駆動させることとの両方に使用される動力が生成される。本明細書で使用される「ガスタービン」という用語は静止ターボ機械または可動ターボ機械を包含してよく、１つまたは複数のシャフトを回転させる任意適切な構成を有することができる。
高温圧縮ガスに露出される構成要素は通常は中空であり、すなわち、構成要素を冷却することを目的とする圧縮空気などの加圧流体が通過して流れるための複数の内部通路を含む。冷却流体は、通常、外に出て、構成要素のベース材料内に配置される複数の孔を通る高温圧縮ガスの流れに到達する。
しばしば、ベース材料を高温圧縮ガスから絶縁して環境劣化からベース材料を保護するために、構成要素の一部分にコーティングを被覆することが有利である。コーティングは、１つまたは複数の金属中間層と、１つまたは複数のセラミック外側層とを有することができ、これらは、最終的に少なくとも０．１３ｍｍ（０．００５インチ）の厚さまで堆積され得る。したがって、コーティングを塗布する際に、孔が詰まることまたは孔出口領域の形状が変化することを回避することを目的として、ベース材料内に設けられる冷却孔の各々を保護することが望ましい。
本発明の実施形態を以下で概説する。これらの実施形態は特許請求される本発明の範囲を限定することを意図されず、むしろ、これらの実施形態は本発明の考えられる形態の概要を提供することのみを意図される。また、本発明は、以下に記載される実施形態と同様であるかまたはそれらの実施形態と異なってよい、特許請求の範囲に一致する種々の形態を包含することができる。
本発明の第１の実施形態によると、ガスタービンシステムが、少なくとも１つの圧縮機と、少なくとも１つの燃焼器と、少なくとも１つの回転タービンステージと、少なくとも１つの静止タービンステージであって、ここでは、少なくとも１つの静止タービンステージが、ベース材料、外側表面、および、外側表面の一部分の上にあるコーティング、を有する少なくとも１つのタービンノズルを含み、またここでは、少なくとも２つの隣接する冷却孔が外側表面上の軸に沿って配置され、外側表面に対して一定の角度でベース材料内を延在し、コーティングが、軸に実質的に平行に方向付けされかつ少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の傾斜角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を有する、少なくとも１つの静止タービンステージと、を備える。
本発明の第２の実施形態によると、被覆されたガスタービン構成要素が、ベース材料と、外側表面と、外側表面の一部分の上にあるコーティングとを備え、ここでは、少なくとも２つの隣接する冷却孔が外側表面上の軸に沿って配置され、外側表面に対して一定の角度でベース材料内を延在し、コーティングが、軸に実質的に平行に方向付けされかつ少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の傾斜角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を有する。
本発明の第３の実施形態によると、被覆されたガスタービン構成要素が、ベース材料と、外側表面と、外側表面の一部分の上にあるコーティングとを有し、ここでは、少なくとも２つの隣接する冷却孔が外側表面上の軸に沿って配置され、外側表面に対して一定の角度でベース材料内を延在し、コーティングが、軸に実質的に平行に方向付けされかつ少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の傾斜角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を有し、これが、軸に実質的に平行に方向付けされる少なくとも１つの縁部を有しかつ外側表面の輪郭に実質的に従う１つまたは複数のマスク要素を用意するステップであって、少なくとも１つの縁部が実質的に上記傾斜角度で外側表面から突出しかつ少なくとも２つの隣接する冷却孔から実質的に上記距離で延在し、中央部分が軸に実質的に平行に方向付けされかつ少なくとも１つの縁部を基準に隆起し、１つまたは複数のマスク要素が少なくとも２つの隣接する冷却孔の大部分を覆う、ステップと、１つまたは複数のマスク要素を外側表面に取り付けるステップと、外側表面を被覆するステップと、外側表面から１つまたは複数のマスク要素を除去するステップと、によって達成可能である。
本発明の第４の実施形態によると、被覆されたガスタービン構成要素を用意するための方法が、少なくとも２つの隣接する冷却孔が配置されるときに沿う軸に実質的に平行に方向付けされる少なくとも１つの縁部を有しかつ構成要素の外側表面の輪郭に実質的に従う１つまたは複数のマスク要素を用意するステップであって、少なくとも１つの縁部が一定の傾斜角度で外側表面から突出しかつ少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の距離で延在し、中央部分が軸に実質的に平行に方向付けされかつ少なくとも１つの縁部を基準に隆起し、１つまたは複数のマスク要素が少なくとも２つの隣接する冷却孔の大部分を覆う、ステップと、１つまたは複数のマスク要素を外側表面に取り付けるステップと、外側表面を被覆するステップと、外側表面から１つまたは複数のマスク要素を除去するステップと、を含む。
本発明のこれらの特徴、態様および利点ならびに別の特徴、態様および利点が、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより良好に理解され得、特に明記しない限り種々の図を通して同様の参照符号が同様の部分を示す。
本発明の特定の実施形態を以下で説明する。添付図面を参照しながら読まれる本記述は、任意のデバイスまたはシステムを製造および使用することならびに任意の採用される方法を実施することを含めて通常の技術を有する当業者が本発明を実施するのを可能にするための十分な細部を提供する。しかし、これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実装形態のすべての特徴が本明細書で説明され得るわけではなく、また、本発明の実施形態は組み合わせで採用され得るかまたは別の形態で具体化されてもよく、したがって、本明細書に記載される実施形態のみ限定されるものとして解釈されるべきではない。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲のみにより示されて限定され、また、当業者が思い付く別の実施形態を含むことができる。
本明細書で使用される用語は特定の実施形態を説明することのみを目的としており、例示の実施形態を限定することを意図されない。本明細書で使用される場合、排除することが特に明記されない限り、単数形で引用されて前に語「ａ」または「ａｎ」が付く要素またはステップは複数の要素またはステップを排除するものとして解釈されるべきではない。また、本発明の「一実施形態」を参照することは、引用される特徴をやはり組み込む追加の実施形態が存在することを排除するものとして解釈されることを意図されない。
同様に、本明細書で使用される語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」は、言及する特徴、整数、ステップ、動作、要素および／または構成要素が存在することを意味しており、１つまたは複数の別の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素および／またはそれらのグループが存在することまたは追加されることを排除しない。本明細書で使用される語「および／または」は、関連して列記される１つまたは複数の項目の任意の組み合わせおよびすべての組み合わせを包含する。
本明細書では読者が理解しやすいことを単に目的とした特定の用語が使用され得るが、これらは本発明の範囲を限定するものとして解釈されない。例えば、「上側」、「下側」、「左」、「右」、「前」、「後」、「頂部」、「底部」、「水平」、「垂直」、「上流」、「下流」、「前方」および「後方」などの語は、特に限定されて使用されない場合は、種々の図面に示される特定の構成を単に説明するものである。同様に、「第１」、「第２」、「一次」および「二次」などの語は、特に限定されて使用されない場合は、一要素を別の要素から区別することのみに使用され、説明される要素を限定するものではない。
次に、特に明記しない限り種々の図を通して同様の参照符号が同様の部分を示している複数の図を参照すると、図１が、本発明の実施形態を動作させることができる例示のガスタービンシステム１０を示している。ガスタービンシステム１０が、入ってくる空気流れ２０を圧縮する圧縮機１５を有する。圧縮された空気流れ２２が少なくとも１つの燃焼器２５へと送出され、空気が燃料３０と混合されて点火され、それにより高温圧縮ガス３５の流れが生成される。高温圧縮ガス３５の流れがタービン４０へと送出され、そのガスが１つまたは複数の静止タービンステージおよび回転タービンステージを通過し、その高温圧縮ガスからの熱エネルギーおよび運動エネルギーが機械的トルクに変換され、その機械的トルクが回転シャフト４５に接続される１つまたは複数の回転要素に作用する。発電機などの外部負荷５０がシャフト４５に接続されており、それにより機械的トルクが電気に変換される。また、シャフト４５が圧縮機１５を駆動させるためにタービン４０を通って前方に延在していてもよく、または、別個のシャフト（図示せず）が圧縮機１５を駆動させるためにタービン４０から提供されていてもよい。
図２は、線２−２に沿う、ガスタービンシステム１０の部分断面図である。高温圧縮ガス３５が移行部片５５を通って燃焼器２５から出て、移行部片５５が、環状ケーシング６５内に配置される静止タービンステージ６０を通るようにガス３５をタービン４０内へと誘導する。高温圧縮ガス３５が静止タービンステージ６０により、回転シャフト４５（図１）に接続される回転ディスク７５を含む回転タービンステージ７０内へと誘導される。高温圧縮ガス３５はさらに追加の静止タービンステージおよび回転タービンステージ（６０、７０、７５）へと誘導され得る。タービン４０は３つのステージを有するように示されるが、本明細書で説明される構成要素および組立体は、任意適切な数および構成のステージ、ディスクおよびシャフトを有する任意適切なタイプのタービン内で採用され得る。
図３は線３−３に沿った図２のタービンの拡大図であり、第１の静止タービンステージ６０および第１の回転タービンステージ７０を示す。高温圧縮ガス３５が矢印に示される方向で静止タービンステージ６０に入る。静止タービンステージ６０は、環状ケーシング６５（図２）内に放射状に配置される円周方向に隣接する複数のノズル１００を有する。各ノズルが、エーロフォイル１０５、径方向内側端壁１１０および径方向外側端壁１１５を有し、これらは、高温圧縮ガス３５の流れを包含してその流れを回転タービンステージ７０まで誘導する。
回転タービンステージ７０は円周方向に隣接する複数のバケット１２０を有し、これらのバケット１２０は回転ディスク７５に接続されてその回転ディスク７５の周りで放射状に配置される（図２）。各バケットは、エーロフォイル１２５、プラットフォーム１３０およびシャンク１３５を有する。環状シュラウド１４０がエーロフォイル１２５の径方向外側端部のところに配置されてよく、この環状シュラウド１４０は、高温圧縮ガス３５の流れを包含してその流れを連続するタービンステージへと誘導するようにエーロフォイル１２５およびプラットフォーム１３０と共に動作する。
図４は、本発明の態様による、図３のガスタービンノズル１００の部分斜視図を示す。エーロフォイル１０５が、リーディングエッジ１４５、トレーリングエッジ１５０、凹側面１５５、および、凸側面１６０（図示せず）を有する。エーロフォイル冷却孔１６５の２つの異なる構成が示される。しかし、本発明の態様に従い、任意の数の冷却孔がエーロフォイル１０５上の任意の場所に任意のパターンで配置され得ること、また、同様の冷却孔が図３に示される別の構成要素（例えば、内側ノズル端壁１１０、外側ノズル端壁１１５、バケットエーロフォイル１２５、バケットプラットフォーム１３０、および、環状シュラウド１４０）上にも同様に含まれ得ることを、当業者であれば認識するであろう。
図５は、線５−５に沿う、ノズルエーロフォイル１０５の断面図を示す。運転中、冷却流体の流れ（通常は、窒素などの圧縮ガスまたは不活性ガス）がエーロフォイル１０５内の内部キャビティ１７０に提供される。内部キャビティ１７０は、１つまたは複数の冷却孔１６５を介してエーロフォイル１０５の外側表面（例えば、リーディングエッジ１４５、トレーリングエッジ１５０、凹側面１５５、凸側面１６０）に流体接続される。分かりやすいように単一の冷却孔のみが示されるが、本発明の態様に従い、任意の数の冷却孔が構成要素表面上の任意の場所に任意のパターンで配置され得ること、ならびに、これらの冷却孔が任意適切な形状、寸法、間隔および向きであってよいことを、当業者であれば認識するであろう。
図５はまた、ベース材料１８０を高温圧縮ガスから絶縁してベース材料を環境劣化から保護するように機能する、エーロフォイル１０５の外側表面上にあるコーティング１７５を示す。コーティングは、金属の１つまたは複数の中間層およびセラミックの１つまたは複数の外側層を有することができ、これらは、最終的な厚さが少なくとも０．１３ｍｍ（０．００５インチ）となるように堆積され得る。典型的なコーティングには、空気プラズマ溶射（Ａｉｒ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙ（ＡＰＳ））、真空プラズマ溶射（Ｖａｃｕｕｍ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙ（ＶＰＳ））または高速酸素燃料（Ｈｉｇｈ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｏｘｙ−Ｆｕｅｌ（ＨＶＯＦ））などの熱溶射プロセスを使用して堆積されるＮｉＣｒＡｌＹなどの金属の中間層、ならびに、ＡＰＳプロセスを使用して堆積されるイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ（ＹＳＺ））などのセラミックの外側層が含まれてよい。しかし、上述の材料およびプロセスが例として含まれること、ならびに、本発明の態様に従い、任意適切なプロセスを使用して堆積される任意適切なコーティングが含まれてよいことを、当業者であれば認識するであろう。
コーティングは単一動作で塗布され得るかまたは連続するステップで塗布され得、ここでは、連続的に堆積される層が所望される厚さが得られるまで構築され、また、これらの層は、冶金学的手段、化学的手段または物理的手段を使用して、互いに付着され得、またベース材料に付着され得る。また、本発明の態様に従い、最終的なコーティングの厚さがエーロフォイル１０５の異なる領域において多様であってよいこと、および、これらが図３に示される別の構成要素（例えば、内側ノズル端壁１１０、外側ノズル端壁１１５、バケットエーロフォイル１２５、バケットプラットフォーム１３０、および、環状シュラウド１４０）上に同様に含まれ得ることもまた、当業者であれば認識するであろう。
図６は、本発明の態様による、図４のガスタービンノズル１００の拡大斜視図である。ノズルの外側表面２００が、軸Ａ−Ａに実質的に沿う一列状に配置される少なくとも２つの隣接する冷却孔２０５を包含する。隣接する冷却孔の各々が、ベース材料内を、軸Ａ−Ａ（図示せず）に実質的に平行な方向に延在する。１つまたは複数のマスク要素２１０が、コーティング（図示せず）を塗布する際に隣接する冷却孔を遮蔽するために設けられる。マスク要素の寸法は通常は以下のように選択される：隣接する冷却孔２０５の間にありかつ軸Ａ−Ａに実質的に沿うように方向付けされる外側表面２００の部分が遮蔽され、隣接する冷却孔２０５から離れるように延在する外側表面２００の部分が遮蔽されない。しかし、提示される寸法は限定することを意図されず、本発明の態様に従って任意適切な寸法のマスク要素が選択されてよい。例えば、マスク要素は、一列状に配置される複数の隣接する冷却孔２０５を遮蔽することもでき、また、複数の列となるように方向付けされる複数の隣接する冷却孔２０５も同様に遮蔽することができる。
マスク要素２１０は、被覆プロセス中の通常は摂氏１３１５度（華氏２４００度）を超える温度に耐えることができる任意適切な材料から形成されてよい。適切な材料を選択する際の考慮事項は、コスト、成形性、寸法安定性および構造保全性であり、詳細には、製造プロセスにおいて複数のノズルを被覆する際にマスク要素が再使用され得るかどうかである。例としての材料は、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、炭素複合材、酸化アルミニウム、窒化シリコン、および、セラミック複合材である。マスク要素は、マスク要素が外側表面２００の輪郭に実質的に従うようになる、任意適切な方法を使用して製造されてよく、これには、限定しないが、機械加工、鍛造、鋳造およびハイドロフォーミングなどの、金属成形プロセスが含まれる。また、マスク要素は、マスク要素材料とコーティングとの間の摩擦を低減するような材料で被覆されてよく、それにより、コーティングを塗布した後にマスク要素を除去することが補助される。例としての材料は、黒鉛、ポリテトラフルオロエチレンすなわちＰＴＦＥ、および、二硫化モリブデン（ＭｏＳ2）である。上述の例が限定することを意図しないこと、および、本発明の態様に従ってマスク要素を生成する際に別の候補の材料および成形方法も適切となり得ることを理解されたい。
マスク要素２１０は、ピン、タブ、別の付加物、あるいは、仮付け溶接などの接合手法などの、任意適切な方法を使用して構成要素に取り付けられ得る。マスク要素を取り付けるための適切な方法を選択する際の考慮事項には、ノズルの幾何形状および材料、マスク要素の幾何形状および材料、マスク要素を取り付けて除去するのに要する時間、ならびに、別のプロセス考慮事項が含まれる。
図７は、軸Ａ−Ａに対して実質的に垂直な方向に沿った、図６のガスタービンノズル１００の拡大断面図を示す。少なくとも１つのピン２１５が、マスク要素２１０内の少なくとも１つの孔２２０を通して挿入され、隣接する冷却孔２０５のうちの少なくとも１つの中に入っている。ピン２１５は、マスク要素を考察する際に、上述したように、任意適切な方法を使用して、任意適切な材料から形成され得る。例としての材料は、アルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、炭素複合材、酸化アルミニウム、窒化シリコン、および、セラミック複合材である。また、ピンは、上述したように、ピン材料とコーティングとの間の摩擦を低減する材料で被覆されてよい。上述の例が限定することを意図されないこと、および、本発明の態様に従い、構成要素にマスク要素を取り付けるために別の適切な手段が使用されてもよいことを理解されたい。
図７はまた、サンディング、研削、穴あけ、または、ポリッシングなどの、あらゆる表面仕上げステップの前の、完全に堆積された状態のコーティング２２５を示す。コーティング２２５は、軸Ａ−Ａに実質的に平行に方向付けされかつ隣接する冷却孔２０５から一定の傾斜角度αおよび一定の距離ｘでオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部２３０を有する。一実施形態では、傾斜角度αは、隣接する冷却孔２０５から離れるように延在する外側表面２００の部分に対して約９０度未満である。別の一実施形態では、傾斜角度αは、隣接する冷却孔２０５から離れるように延在する外側表面２０５の部分に対して約２０度から約１６０度である。さらに別の一実施形態では、距離ｘは、隣接する冷却孔２０５の平均直径の最大で約４倍である。
図７はさらに、軸Ａ−Ａに対して実質的に垂直な方向に沿う断面でマスク要素２１０を示す。マスク要素２１０は、軸Ａ−Ａに実質的に平行に方向付けされかつ外側表面２００から一定の傾斜角度αで突出しかつ隣接する冷却孔２０５から距離ｘで延在する少なくとも１つの縁部２３５を有する（コーティングの未加工縁部２３０の向きおよび位置に実質的に一致する）。マスク要素２１０の中央部分の表面２４０は軸Ａ−Ａに実質的に平行に方向付けされ、縁部２３５を基準として隆起する。一実施形態では、傾斜角度αは、隣接する冷却孔２０５から離れるように延在する外側表面２００の部分に対して約９０度未満である。別の一実施形態では、傾斜角度αは、隣接する冷却孔２０５から離れるように延在する外側表面２００の部分に対して約２０度から約１６０度である。さらに別の一実施形態では、距離ｘは、隣接する冷却孔２０５の平均直径の最大で約４倍である。
図８および９は、軸Ａ−Ａに沿う、図６のガスタービンノズル１００の拡大断面図を示し、さらに、隣接する冷却孔２０５がベース材料内を軸Ａ−Ａに実質的に平行な方向に延在する場合の、少なくとも１つのピン２１５を使用する、マスク要素２１０をガスタービンノズル１００に取り付けるための構成を示す。ピン２１５は組立プロセス前では実質的に直線状である。マスク要素２１０は、マスク要素内の少なくとも１つの孔２２０が隣接する冷却孔２０５のうちの少なくとも１つの孔に位置合わせされるように、外側表面２２０上に位置する。次いで、ピン２１５が孔２２０を通して挿入され、図８に示されるように対応する隣接する冷却孔２０５内に入る。内側表面２５０から突出するピン２１５の端部２４５は、ピンを定位置にロックするために図９に示されるように湾曲され得る。
図１０は、本発明の態様による、図４のガスタービンノズル１００の拡大斜視図を示す。ノズルの外側表面３００が、軸Ｂ−Ｂに実質的に沿う一列状に配置される少なくとも２つの隣接する冷却孔３０５を包含する。隣接する冷却孔の各々は、破線で示されるように、軸Ｂ−Ｂに実質的に平行ではない方向においてベース材料内を延在する。コーティング（図示せず）を塗布する際に隣接する冷却孔を遮蔽するために、１つまたは複数のマスク要素３１０が設けられる。マスク要素の寸法は通常は以下のように選択される：隣接する冷却孔３０５の間にありかつ軸Ｂ−Ｂに実質的に沿うように方向付けされる外側表面３００の部分が遮蔽され、隣接する冷却孔３０５から離れるように延在する外側表面３００の部分が遮蔽されない。しかし、提示される寸法は限定することを意図されず、本発明の態様に従って任意適切な寸法のマスク要素が選択されてよい。例えば、マスク要素は、一列状に配置される複数の隣接する冷却孔３０５を遮蔽することもでき、また、複数の列となるように方向付けされる複数の隣接する冷却孔３０５も同様に遮蔽することができる。
マスク要素３１０は、上述したような任意適切な材料および方法から形成され得る。同様に、マスク要素３１０は上述したような任意適切な方法を使用して構成要素に取り付けられ得る。
図１１は、軸Ｂ−Ｂに対して実質的に垂直な方向に沿う、図１０のガスタービンノズル１００の拡大断面図を示す。少なくとも１つのピン３１５がマスク要素３１０内の少なくとも１つの孔３２０を通して挿入され、隣接する冷却孔３０５のうちの少なくとも１つの中に入っている。ピン３１５は、上述したように、任意適切な方法を使用して任意適切な材料から形成され得る。
図１１はまた、サンディング、研削、穴あけ、または、ポリッシングなどの、あらゆる表面仕上げステップの前の、完全に堆積された状態のコーティング３２５を示す。コーティング３２５は、軸Ｂ−Ｂに実質的に平行に方向付けされかつ隣接する冷却孔３０５から一定の傾斜角度βおよび一定の距離ｙでオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部３３０を有する。一実施形態では、傾斜角度βは、隣接する冷却孔３０５から離れるように延在する外側表面３００の部分に対して約９０度未満である。別の一実施形態では、傾斜角度βは、隣接する冷却孔３０５から離れるように延在する外側表面３００の部分に対して約２０度から約１６０度である。さらに別の一実施形態では、距離ｙは、隣接する冷却孔３０５の平均直径の最大で約４倍である。
図１１はさらに、軸Ｂ−Ｂに対して実質的に垂直な方向に沿う断面でマスク要素３１０を示す。マスク要素３１０は、軸Ｂ−Ｂに実質的に平行に方向付けされかつ外側表面３００から一定の傾斜角度βで突出しかつ隣接する冷却孔３０５から距離ｙで延在する少なくとも１つの縁部３３５を有する（コーティングの未加工縁部３３０の向きおよび位置に実質的に一致する）。マスク要素３１０の中央部分の表面３４０は軸Ａ−Ａに実質的に平行に方向付けされ、縁部３３５を基準として隆起する。一実施形態では、傾斜角度βは、隣接する冷却孔３０５から離れるように延在する外側表面３００の部分に対して約９０度未満である。別の一実施形態では、傾斜角度βは、隣接する冷却孔３０５から離れるように延在する外側表面３００の部分に対して約２０度から約１６０度である。さらに別の一実施形態では、距離ｙは、隣接する冷却孔３０５の平均直径の最大で約４倍である。
図１１はさらに、隣接する冷却孔３０５がベース材料内を軸Ｂ−Ｂに実質的に平行ではない方向に延在する場合の、少なくとも１つのピン３１５を使用する、マスク要素３１０をガスタービンノズル１００に取り付けるための構成を示す。マスク要素３１０は、マスク要素内の少なくとも１つの孔３２０が隣接する冷却孔３０５のうちの少なくとも１つに位置合わせされるように、外側表面３００上に位置する。次いで、ピン３１５が孔３２０を通して挿入され、対応する隣接する冷却孔３０５内に入る。内側表面３５０から突出するピン３１５の端部３４５は、ピンを定位置にロックするために湾曲され得る。
上述したように、本発明は、実質的に被覆されない少なくとも２つの隣接する冷却孔を包含する被覆されたガスタービン構成要素を企図する。冷却孔は被覆された表面上で軸に沿うように配置され、ベース材料内を延在し、また、コーティングが、軸に実質的に平行に方向付けされかつ冷却孔から一定の角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を有することができる。
本明細書では最良の形態を含めて特定の実施形態を示して説明したが、特許請求の範囲の意味および範囲内での本明細書で開示される実施形態に対するすべての追加事項、削除事項および修正事項が、示される特定の実施形態に取って代わることができることを、通常の技術を有する当業者であれば認識するであろう。同様に、本発明の精神および範囲から逸脱しない本発明の別の実施形態も考案され得る。このような別の実施形態は、特許請求の範囲の文言と違わない構造的要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文言とほぼ違わない等価の構造的要素を有する場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。同様に、示されるシステム構成要素は、本明細書で説明される特定の実施形態を限定するものではなく、むしろ、システムの構成要素は、本明細書で説明される別の構成要素から独立して、およびそれらの別の構成要素とは別個に利用され得る。例えば、本明細書で説明される構成要素および組立体は、特許請求の範囲の意味および範囲内に留まりながら、任意適切な数および構成のステージ、ディスクおよびシャフトを有する、任意適切なタイプのガスタービン、航空機エンジンあるいは別のターボ機械で採用され得る。
最後に、本発明の代表的な実施態様を以下に述べる。
［実施態様１］ 少なくとも１つの圧縮機と、
少なくとも１つの燃焼器と、
少なくとも１つの回転タービンステージと、
少なくとも１つの静止タービンステージであって、前記少なくとも１つの静止タービンステージが少なくとも１つのタービンノズルを備え、前記少なくとも１つのタービンノズルが、
ベース材料、
外側表面、
前記外側表面の一部分の上にあるコーティング
を備え、
少なくとも２つの隣接する冷却孔が前記外側表面上の軸に沿って配置され、前記外側表面に対して一定の角度で前記ベース材料内を延在し、
前記コーティングが、前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の傾斜角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を備える、
少なくとも１つの静止タービンステージと
を備えるガスタービンシステム。
［実施態様２］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約９０度未満である、実施態様１記載のシステム。
［実施態様３］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約２０度から約１６０度である、実施態様１記載のシステム。
［実施態様４］ 前記距離が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の平均直径の最大で約４倍である、実施態様１記載のシステム。
［実施態様５］ ベース材料と、
外側表面と、
前記外側表面の一部分の上にあるコーティングであって、
少なくとも２つの隣接する冷却孔が前記外側表面上の軸に沿って配置され、前記外側表面に対して一定の角度で前記ベース材料内を延在し、
前記コーティングが、前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の傾斜角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を備える、
コーティングと
を備える被覆されたガスタービン構成要素。
［実施態様６］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約９０度未満である、実施態様５記載の構成要素。
［実施態様７］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約２０度から約１６０度である、実施態様５記載の構成要素。
［実施態様８］ 前記距離が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の平均直径の最大で約４倍である、実施態様５記載の構成要素。
［実施態様９］ ベース材料と、
外側表面と、
前記外側表面の一部分の上にあるコーティングであって、
少なくとも２つの隣接する冷却孔が前記外側表面上の軸に沿って配置され、前記外側表面に対して一定の角度で前記ベース材料内を延在し、
前記コーティングが、前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の傾斜角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を備え、これが、
前記外側表面の輪郭に実質的に従う１つまたは複数のマスク要素を用意するステップであって、前記少なくとも１つまたは複数のマスク要素が、
前記軸に実質的に平行に方向付けされる少なくとも１つの縁部であって、前記少なくとも１つの縁部が、実質的に前記傾斜角度で前記外側表面から突出しかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から実質的に前記距離で延在する、少なくとも１つの縁部、
前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも１つの縁部に対して隆起する中央部分、
を備え、
前記１つまたは複数のマスク要素が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔を実質的に覆う、
ステップと、
前記１つまたは複数のマスク要素を前記外側表面に取り付けるステップと、
前記外側表面を被覆するステップと、
前記外側表面から前記１つまたは複数のマスク要素を除去するステップと
によって達成され得る
コーティングと
を備える被覆されたガスタービン構成要素。
［実施態様１０］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約９０度未満である、実施態様９記載の構成要素。
［実施態様１１］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約２０度から約１６０である、実施態様９記載の構成要素。
［実施態様１２］ 前記距離が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の平均直径の最大で約４倍である、実施態様９記載の構成要素。
［実施態様１３］ 前記１つまたは複数のマスク要素が、前記１つまたは複数のマスク要素を通して挿入される少なくとも１つのピンを使用して前記外側表面に取り付けられる、実施態様９記載の構成要素。
［実施態様１４］ 前記少なくとも１つのピンが前記少なくとも２つの隣接する冷却孔のうちの少なくとも１つの中に挿入される、実施態様１３記載の構成要素。
［実施態様１５］ 被覆されたガスタービン構成要素を用意するための方法であって、前記方法が、
前記構成要素の前記外側表面の輪郭に実質的に従う１つまたは複数のマスク要素を用意するステップであって、前記マスク要素が
少なくとも２つの隣接する冷却孔が配置されるときに沿う軸に実質的に平行に方向付けされる少なくとも１つの縁部であって、前記少なくとも１つの縁部が一定の傾斜角度で前記外側表面から突出しかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の距離で延在する、少なくとも１つの縁部と、
前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも１つの縁部を基準として隆起する中央部分と、
を備え、
前記１つまたは複数のマスク要素が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔を実質的に覆う
ステップと、
前記１つまたは複数のマスク要素を前記外側表面に取り付けるステップと、
前記外側表面を被覆するステップと、
前記外側表面から前記１つまたは複数のマスク要素を除去するステップと
を含む、方法。
［実施態様１６］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約９０度未満である、実施態様１５記載の方法。
［実施態様１７］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約２０度から約１６０度である、実施態様１５記載の方法。
［実施態様１８］ 前記距離が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の平均直径の最大で約４倍である、実施態様１５記載の方法。
［実施態様１９］ 前記１つまたは複数のマスク要素を前記外側表面に取り付けるステップが、前記１つまたは複数のマスク要素を通して少なくとも１つのピンを挿入するステップを含む、実施態様１５記載の方法。
［実施態様２０］ 前記１つまたは複数のマスク要素を前記外側表面に取り付けるステップが、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の少なくとも１つの中に前記少なくとも１つのピンを挿入するステップを含む、実施態様１９記載の方法。
［実施態様１］ 少なくとも１つの圧縮機と、
少なくとも１つの燃焼器と、
少なくとも１つの回転タービンステージと、
少なくとも１つの静止タービンステージであって、前記少なくとも１つの静止タービンステージが少なくとも１つのタービンノズルを備え、前記少なくとも１つのタービンノズルが、
ベース材料、
外側表面、
前記外側表面の一部分の上にあるコーティング
を備え、
少なくとも２つの隣接する冷却孔が前記外側表面上の軸に沿って配置され、前記外側表面に対して一定の角度で前記ベース材料内を延在し、
前記コーティングが、前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の傾斜角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を備える、
少なくとも１つの静止タービンステージと
を備えるガスタービンシステム。
［実施態様２］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約９０度未満である、実施態様１記載のシステム。
［実施態様３］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約２０度から約１６０度である、実施態様１記載のシステム。
［実施態様４］ 前記距離が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の平均直径の最大で約４倍である、実施態様１記載のシステム。
［実施態様５］ ベース材料と、
外側表面と、
前記外側表面の一部分の上にあるコーティングであって、
少なくとも２つの隣接する冷却孔が前記外側表面上の軸に沿って配置され、前記外側表面に対して一定の角度で前記ベース材料内を延在し、
前記コーティングが、前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の傾斜角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を備える、
コーティングと
を備える被覆されたガスタービン構成要素。
［実施態様６］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約９０度未満である、実施態様５記載の構成要素。
［実施態様７］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約２０度から約１６０度である、実施態様５記載の構成要素。
［実施態様８］ 前記距離が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の平均直径の最大で約４倍である、実施態様５記載の構成要素。
［実施態様９］ ベース材料と、
外側表面と、
前記外側表面の一部分の上にあるコーティングであって、
少なくとも２つの隣接する冷却孔が前記外側表面上の軸に沿って配置され、前記外側表面に対して一定の角度で前記ベース材料内を延在し、
前記コーティングが、前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の傾斜角度および一定の距離でオフセットされる少なくとも１つの未加工縁部を備え、これが、
前記外側表面の輪郭に実質的に従う１つまたは複数のマスク要素を用意するステップであって、前記少なくとも１つまたは複数のマスク要素が、
前記軸に実質的に平行に方向付けされる少なくとも１つの縁部であって、前記少なくとも１つの縁部が、実質的に前記傾斜角度で前記外側表面から突出しかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から実質的に前記距離で延在する、少なくとも１つの縁部、
前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも１つの縁部に対して隆起する中央部分、
を備え、
前記１つまたは複数のマスク要素が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔を実質的に覆う、
ステップと、
前記１つまたは複数のマスク要素を前記外側表面に取り付けるステップと、
前記外側表面を被覆するステップと、
前記外側表面から前記１つまたは複数のマスク要素を除去するステップと
によって達成され得る
コーティングと
を備える被覆されたガスタービン構成要素。
［実施態様１０］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約９０度未満である、実施態様９記載の構成要素。
［実施態様１１］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約２０度から約１６０である、実施態様９記載の構成要素。
［実施態様１２］ 前記距離が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の平均直径の最大で約４倍である、実施態様９記載の構成要素。
［実施態様１３］ 前記１つまたは複数のマスク要素が、前記１つまたは複数のマスク要素を通して挿入される少なくとも１つのピンを使用して前記外側表面に取り付けられる、実施態様９記載の構成要素。
［実施態様１４］ 前記少なくとも１つのピンが前記少なくとも２つの隣接する冷却孔のうちの少なくとも１つの中に挿入される、実施態様１３記載の構成要素。
［実施態様１５］ 被覆されたガスタービン構成要素を用意するための方法であって、前記方法が、
前記構成要素の前記外側表面の輪郭に実質的に従う１つまたは複数のマスク要素を用意するステップであって、前記マスク要素が
少なくとも２つの隣接する冷却孔が配置されるときに沿う軸に実質的に平行に方向付けされる少なくとも１つの縁部であって、前記少なくとも１つの縁部が一定の傾斜角度で前記外側表面から突出しかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から一定の距離で延在する、少なくとも１つの縁部と、
前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも１つの縁部を基準として隆起する中央部分と、
を備え、
前記１つまたは複数のマスク要素が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔を実質的に覆う
ステップと、
前記１つまたは複数のマスク要素を前記外側表面に取り付けるステップと、
前記外側表面を被覆するステップと、
前記外側表面から前記１つまたは複数のマスク要素を除去するステップと
を含む、方法。
［実施態様１６］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約９０度未満である、実施態様１５記載の方法。
［実施態様１７］ 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約２０度から約１６０度である、実施態様１５記載の方法。
［実施態様１８］ 前記距離が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の平均直径の最大で約４倍である、実施態様１５記載の方法。
［実施態様１９］ 前記１つまたは複数のマスク要素を前記外側表面に取り付けるステップが、前記１つまたは複数のマスク要素を通して少なくとも１つのピンを挿入するステップを含む、実施態様１５記載の方法。
［実施態様２０］ 前記１つまたは複数のマスク要素を前記外側表面に取り付けるステップが、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の少なくとも１つの中に前記少なくとも１つのピンを挿入するステップを含む、実施態様１９記載の方法。
１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 入ってくる空気流れ
２２ 圧縮された空気流れ
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 高温圧縮ガス
４０ タービン
４５ 回転シャフト
５０ 外部負荷
５５ 移行部片
６０ 静止タービンステージ
６５ 環状ケーシング
７０ 回転タービンステージ
７５ 回転ディスク
１００ ノズル
１０５ エーロフォイル
１１０ 径方向内側端壁
１１５ 径方向外側端壁
１２０ バケット
１２５ エーロフォイル
１３０ プラットフォーム
１３５ シャンク
１４０ 環状シュラウド
１４５ リーディングエッジ
１５０ トレーディングエッジ
１５５ 凹側面
１６０ 凸側面
１６５ エーロフォイル冷却孔
１７０ 内部キャビティ
１７５ コーティング
１８０ ベース材料
２００ ノズルの外側表面
２０５ 冷却孔
２１０ マスク要素
２１５ ピン
２２０ 孔
２２５ コーティング
２３０ 未加工縁部
２３５ 縁部
２４０ 中央部分の表面
２４５ ピンの端部
２５０ 内側表面
３００ ノズルの外側表面
３０５ 冷却孔
３１０ マスク要素
３１５ ピン
３２０ 孔
３２５ コーティング
３３０ 未加工縁部
３３５ 縁部
３４０ 中央部分の表面
３４５ ピンの端部
３５０ 内側表面
１５ 圧縮機
２０ 入ってくる空気流れ
２２ 圧縮された空気流れ
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 高温圧縮ガス
４０ タービン
４５ 回転シャフト
５０ 外部負荷
５５ 移行部片
６０ 静止タービンステージ
６５ 環状ケーシング
７０ 回転タービンステージ
７５ 回転ディスク
１００ ノズル
１０５ エーロフォイル
１１０ 径方向内側端壁
１１５ 径方向外側端壁
１２０ バケット
１２５ エーロフォイル
１３０ プラットフォーム
１３５ シャンク
１４０ 環状シュラウド
１４５ リーディングエッジ
１５０ トレーディングエッジ
１５５ 凹側面
１６０ 凸側面
１６５ エーロフォイル冷却孔
１７０ 内部キャビティ
１７５ コーティング
１８０ ベース材料
２００ ノズルの外側表面
２０５ 冷却孔
２１０ マスク要素
２１５ ピン
２２０ 孔
２２５ コーティング
２３０ 未加工縁部
２３５ 縁部
２４０ 中央部分の表面
２４５ ピンの端部
２５０ 内側表面
３００ ノズルの外側表面
３０５ 冷却孔
３１０ マスク要素
３１５ ピン
３２０ 孔
３２５ コーティング
３３０ 未加工縁部
３３５ 縁部
３４０ 中央部分の表面
３４５ ピンの端部
３５０ 内側表面
Claims (5)
- 被覆されたガスタービン構成要素を用意するための方法であって、
前記構成要素の外側表面の輪郭に実質的に従う１つまたは複数のマスク要素を用意するステップであって、前記１つまたは複数のマスク要素が、
軸に実質的に平行に方向付けされる少なくとも１つの縁部であって、少なくとも２つの隣接する冷却孔が前記外側表面上の前記軸に沿って配置され、前記少なくとも１つの縁部が、傾斜角度で前記外側表面から突出しかつ前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から距離で延在する、少なくとも１つの縁部と、
前記軸に実質的に平行に方向付けされかつ前記少なくとも１つの縁部に対して隆起する中央部分と、
を備え、
前記１つまたは複数のマスク要素が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔を実質的に覆う、
ステップと、
前記１つまたは複数のマスク要素を前記外側表面に取り付けるステップと、
前記外側表面を被覆するステップと、
前記外側表面から前記１つまたは複数のマスク要素を除去するステップと
を含む、方法。 - 前記傾斜角度が、前記少なくとも２つの隣接する冷却孔から離れるように延在する前記外側表面の前記部分に対して約２０度から約１６０度である、請求項１に記載の方法。
- 前記距離が前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の平均直径の最大で約４倍である、請求項１に記載の方法。
- 前記取り付けるステップが、前記１つまたは複数のマスク要素を通して少なくとも１つのピンを挿入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記取り付けるステップが、前記少なくとも１つのピンを前記少なくとも２つの隣接する冷却孔の少なくとも１つの中に挿入するステップを含む、請求項４に記載の方法。
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