JPH09105308A - 高温腐食の抑制されたガスタービン部品及び高温腐食の抑制方法 - Google Patents
高温腐食の抑制されたガスタービン部品及び高温腐食の抑制方法Info
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- JPH09105308A JPH09105308A JP8099663A JP9966396A JPH09105308A JP H09105308 A JPH09105308 A JP H09105308A JP 8099663 A JP8099663 A JP 8099663A JP 9966396 A JP9966396 A JP 9966396A JP H09105308 A JPH09105308 A JP H09105308A
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- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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- Materials Engineering (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Preventing Corrosion Or Incrustation Of Metals (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 内壁の高温腐食が抑制されたガスタービン
エンジン部品を提供すること。 【解決手段】 本発明によると、冷却されない中空ガ
スタービンエンジン部品に於いて、中空部分を満たすガ
スの酸素ポテンシャルを高めることにより、高温腐食が
防止される。特に、ブレードやベーンのような圧力差の
ある状態で動作する部品では、ガス流が中空部分を流れ
ることができるように、一端に設けられたシール部分に
通孔が設けられる。
エンジン部品を提供すること。 【解決手段】 本発明によると、冷却されない中空ガ
スタービンエンジン部品に於いて、中空部分を満たすガ
スの酸素ポテンシャルを高めることにより、高温腐食が
防止される。特に、ブレードやベーンのような圧力差の
ある状態で動作する部品では、ガス流が中空部分を流れ
ることができるように、一端に設けられたシール部分に
通孔が設けられる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にガスタービ
ンエンジンの部品内部の高温腐食（hot corrosion）を
抑制するための方法に関する。特に、意図的に冷却され
ないガスタービンエンジン部品の中空キャビティ内の酸
素ポテンシャルを高めるための方法に関する。
ンエンジンの部品内部の高温腐食（hot corrosion）を
抑制するための方法に関する。特に、意図的に冷却され
ないガスタービンエンジン部品の中空キャビティ内の酸
素ポテンシャルを高めるための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンに於いてガスと接
触する重要な部品にブレード（blade）及びベーン（van
e）がある。エンジンのタービン部内で運動するブレー
ドのリングとリングの間に配置された静止したベーンに
よって、高温のガス流は制動されてブレードのある段か
ら次の段へと導かれる。
触する重要な部品にブレード（blade）及びベーン（van
e）がある。エンジンのタービン部内で運動するブレー
ドのリングとリングの間に配置された静止したベーンに
よって、高温のガス流は制動されてブレードのある段か
ら次の段へと導かれる。
【０００３】ガスタービンエンジンのメーカは、常にエ
ンジン効率及び性能の向上を目指している。効率を向上
するには、ガスタービンエンジンをより高いガス温度で
動作させる必要がある。しかしながら、高温ガスに直接
曝されると、タービンのエアフォイル（airfoil）に悪
影響が生じることがある。そのため、高温動作中これら
のエアフォイルの金属温度を設計限界内に保つため、冷
却メカニズムが開発された。エアフォイルの冷却は典型
的にはフィルム式冷却（film cooling）によってなされ
る。フィルム式冷却では、エアフォイルの壁に設けられ
た孔を通して冷却空気が供給され、高温ガスと金属面と
の間に絶縁層が形成される。
ンジン効率及び性能の向上を目指している。効率を向上
するには、ガスタービンエンジンをより高いガス温度で
動作させる必要がある。しかしながら、高温ガスに直接
曝されると、タービンのエアフォイル（airfoil）に悪
影響が生じることがある。そのため、高温動作中これら
のエアフォイルの金属温度を設計限界内に保つため、冷
却メカニズムが開発された。エアフォイルの冷却は典型
的にはフィルム式冷却（film cooling）によってなされ
る。フィルム式冷却では、エアフォイルの壁に設けられ
た孔を通して冷却空気が供給され、高温ガスと金属面と
の間に絶縁層が形成される。
【０００４】エンジン性能は、エンジンを軽くすること
によっても向上する。このため、過度な高温ガスに曝さ
れることがなく冷却する必要のないエンジン部分では、
中空エアフォイルを用いることが通常となっている。
によっても向上する。このため、過度な高温ガスに曝さ
れることがなく冷却する必要のないエンジン部分では、
中空エアフォイルを用いることが通常となっている。
【０００５】典型的な中空の冷却されないエアフォイル
は、最近のガスタービンエンジンの低圧タービンに見ら
れる。このような中空のエアフォイルの一端は開放され
ており、他端はシールされている。シールは、エアフォ
イル内をガス流が通過するのを阻止するためになされて
いる。シールされていないと、圧力差があるため中空キ
ャビティ内を通ってガスが流れる。このガスは加熱され
ており、近辺のエアフォイルの耐久性に悪影響を与え、
エンジン効率を低下させ得る。このような理由のため、
閉じたブラインドキャビティ（blind cavity）を有する
エアフォイルを鋳造すること、あるいは貫通するキャビ
ティを有するエアフォイルを鋳造し、例えばキャップ部
材やカバープレート（cover plate）のようなシール手
段をエアフォイルの一端に設けることが通常行われる。
は、最近のガスタービンエンジンの低圧タービンに見ら
れる。このような中空のエアフォイルの一端は開放され
ており、他端はシールされている。シールは、エアフォ
イル内をガス流が通過するのを阻止するためになされて
いる。シールされていないと、圧力差があるため中空キ
ャビティ内を通ってガスが流れる。このガスは加熱され
ており、近辺のエアフォイルの耐久性に悪影響を与え、
エンジン効率を低下させ得る。このような理由のため、
閉じたブラインドキャビティ（blind cavity）を有する
エアフォイルを鋳造すること、あるいは貫通するキャビ
ティを有するエアフォイルを鋳造し、例えばキャップ部
材やカバープレート（cover plate）のようなシール手
段をエアフォイルの一端に設けることが通常行われる。
【０００６】しかしながら、このような冷却することを
意図しないエアフォイルの通常の動作温度に於いて、エ
アフォイルに過度の高温腐食が生ずることがある。高温
腐食は本質的には比較的低温（約１３００°Ｆ〜約１８
００°Ｆ、即ち、約７０４℃〜約９８２℃）で起こる急
速に進む酸化現象である。金属エアフォイル面に存在す
る環境からもたらされる不純物（例えば硫黄、ナトリウ
ム、バナジウム）及び関連する化合物（硫化ナトリウ
ム、塩化ナトリウム、及び五酸化バナジウム）が高温腐
食に大きく影響すると考えられている。これらの不純物
が金属合金の表面に存在すると、それらが無ければ形成
されるはずの保護酸化膜が形成されない。それどころ
か、それらの不純物は通常であれば表面上に形成される
酸化膜を破るフラックス（flux）として働く。保護層が
ないと、フラックスの影響を受けた表面層を通過して酸
素が拡散し、下に位置する合金が直接かつ急速に酸化さ
れるという望ましくない結果となる。このような酸化は
エアフォイルの外部と内部の両方に悪い影響を与える。
意図しないエアフォイルの通常の動作温度に於いて、エ
アフォイルに過度の高温腐食が生ずることがある。高温
腐食は本質的には比較的低温（約１３００°Ｆ〜約１８
００°Ｆ、即ち、約７０４℃〜約９８２℃）で起こる急
速に進む酸化現象である。金属エアフォイル面に存在す
る環境からもたらされる不純物（例えば硫黄、ナトリウ
ム、バナジウム）及び関連する化合物（硫化ナトリウ
ム、塩化ナトリウム、及び五酸化バナジウム）が高温腐
食に大きく影響すると考えられている。これらの不純物
が金属合金の表面に存在すると、それらが無ければ形成
されるはずの保護酸化膜が形成されない。それどころ
か、それらの不純物は通常であれば表面上に形成される
酸化膜を破るフラックス（flux）として働く。保護層が
ないと、フラックスの影響を受けた表面層を通過して酸
素が拡散し、下に位置する合金が直接かつ急速に酸化さ
れるという望ましくない結果となる。このような酸化は
エアフォイルの外部と内部の両方に悪い影響を与える。
【０００７】高温腐食は保護コーティングを施すことに
よって低減することかできる。高温腐食を起こす可能性
のある冷却されないエアフォイルの外壁及び内壁に保護
コーティングを施すことは、今日では通常のこととなっ
ている。典型的には、エアフォイルの内壁だけでなく、
外壁にもアルミナイド（aluminide）コーティングが施
される。
よって低減することかできる。高温腐食を起こす可能性
のある冷却されないエアフォイルの外壁及び内壁に保護
コーティングを施すことは、今日では通常のこととなっ
ている。典型的には、エアフォイルの内壁だけでなく、
外壁にもアルミナイド（aluminide）コーティングが施
される。
【０００８】しかしながら、このような処理では高温腐
食は約ファクター３しか減少しない。例えば、ある例で
は、内面がコーティングされていない中空ベーンは約
５，０００時間の耐用寿命を有しており、その寿命は内
部のブラインドキャビティ内で生じる高温腐食によって
制御されることがわかった。気相拡散アルミナイドコー
ティングを施すことにより、ベーンの耐用寿命は約１
５，０００時間（ファクター３）にしか伸びなかった。
ベーンの外部は、コーティングされているか否かによら
ず、高温腐食の影響を比較的受けなかった。
食は約ファクター３しか減少しない。例えば、ある例で
は、内面がコーティングされていない中空ベーンは約
５，０００時間の耐用寿命を有しており、その寿命は内
部のブラインドキャビティ内で生じる高温腐食によって
制御されることがわかった。気相拡散アルミナイドコー
ティングを施すことにより、ベーンの耐用寿命は約１
５，０００時間（ファクター３）にしか伸びなかった。
ベーンの外部は、コーティングされているか否かによら
ず、高温腐食の影響を比較的受けなかった。
【０００９】この結果、意図的に冷却されないガスター
ビンエンジン部品の内壁の高温腐食を抑制する効果的な
方法が必要であることが分かった。
ビンエンジン部品の内壁の高温腐食を抑制する効果的な
方法が必要であることが分かった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の主な
目的は、意図的に冷却されないガスタービンエンジン部
品の内壁の高温腐食を抑制する効果的な方法を提供する
ことである。また、本発明の別の目的は、高温腐食の抑
制されたガスタービンエンジン部品を提供することであ
る。
目的は、意図的に冷却されないガスタービンエンジン部
品の内壁の高温腐食を抑制する効果的な方法を提供する
ことである。また、本発明の別の目的は、高温腐食の抑
制されたガスタービンエンジン部品を提供することであ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によると、意図的
に冷却されないガスタービンエンジン部品の内壁の高温
腐食を低減するための方法が開示される。この方法は、
そのような部品の中空キャビティを通過するガス流量を
適度に制御することを含む。
に冷却されないガスタービンエンジン部品の内壁の高温
腐食を低減するための方法が開示される。この方法は、
そのような部品の中空キャビティを通過するガス流量を
適度に制御することを含む。
【００１２】詳述すると、中空で、冷却されず、意図的
に流れを阻止する要素（例えば一端に設けられたシー
ル）を有するガスタービンエンジン部品に於いて、流れ
を阻止する要素に開口が設けられる。この開口はキャビ
ティの平均断面積の約０．０５％乃至約５．０％の断面
積を有し、それによって、適量のガスがキャビティ内に
流れ込み、悪影響を生じることなく高温腐食を抑制す
る。
に流れを阻止する要素（例えば一端に設けられたシー
ル）を有するガスタービンエンジン部品に於いて、流れ
を阻止する要素に開口が設けられる。この開口はキャビ
ティの平均断面積の約０．０５％乃至約５．０％の断面
積を有し、それによって、適量のガスがキャビティ内に
流れ込み、悪影響を生じることなく高温腐食を抑制す
る。
【００１３】ガスは、主として多量の遊離酸素を含む燃
焼生成物からなる。中空キャビティ内の酸素ポテンシャ
ルが高められると、高温腐食の程度が大幅に低下するこ
とが分かった。エアフォイルの中空キャビティの典型的
な断面積（径方向）は、約１．２９０cm2〜約１２．９
０３cm2（約０．２平方インチ〜２．０平方インチ）で
あるが、酸素含有ガス流はエアフォイルの一端に設けら
れたシールを貫通するように形成された開口によって制
限される。そのような開口は好ましくは約０．００６cm
2〜約０．６４５cm2（約０．００１平方インチ〜約０．
１平方インチ）であり、更に好ましくは０．０３２cm2
〜０．３２３cm2（０．００５平方インチ〜０．０５平
方インチ）である。
焼生成物からなる。中空キャビティ内の酸素ポテンシャ
ルが高められると、高温腐食の程度が大幅に低下するこ
とが分かった。エアフォイルの中空キャビティの典型的
な断面積（径方向）は、約１．２９０cm2〜約１２．９
０３cm2（約０．２平方インチ〜２．０平方インチ）で
あるが、酸素含有ガス流はエアフォイルの一端に設けら
れたシールを貫通するように形成された開口によって制
限される。そのような開口は好ましくは約０．００６cm
2〜約０．６４５cm2（約０．００１平方インチ〜約０．
１平方インチ）であり、更に好ましくは０．０３２cm2
〜０．３２３cm2（０．００５平方インチ〜０．０５平
方インチ）である。
【００１４】添付の図面及び本発明の最適実施例の詳細
な説明によって本発明をよりよく理解することができる
だろう。
な説明によって本発明をよりよく理解することができる
だろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は、最近の高バイパス比ター
ボファンエンジンの模式的な断面図である。このような
タイプのエンジンでは、空気はエンジンを通過すると
き、圧縮され、燃料と混合され、燃焼され、タービンを
通過する間に膨張しそこで燃焼したガス混合体からエネ
ルギーが引き出される。図１に示すように、空気は順に
ファン部１、低圧コンプレッサ部２、高圧コンプレッサ
部３、燃焼器４、高圧タービン５、及び低圧タービン６
を通過する。
ボファンエンジンの模式的な断面図である。このような
タイプのエンジンでは、空気はエンジンを通過すると
き、圧縮され、燃料と混合され、燃焼され、タービンを
通過する間に膨張しそこで燃焼したガス混合体からエネ
ルギーが引き出される。図１に示すように、空気は順に
ファン部１、低圧コンプレッサ部２、高圧コンプレッサ
部３、燃焼器４、高圧タービン５、及び低圧タービン６
を通過する。
【００１６】本発明は、低圧タービン部６内のブレード
及びベーンに関する。低圧タービン部６では、ガス温度
は十分に低くブレード及びベーンの冷却は通常必要な
い。従って、それらのブレード及びベーンの内部に意図
的に流される空気流は存在しない。冷却するためという
より、重量を軽くするためにそれらのブレード及びベー
ンは通常中空とされる。
及びベーンに関する。低圧タービン部６では、ガス温度
は十分に低くブレード及びベーンの冷却は通常必要な
い。従って、それらのブレード及びベーンの内部に意図
的に流される空気流は存在しない。冷却するためという
より、重量を軽くするためにそれらのブレード及びベー
ンは通常中空とされる。
【００１７】図２には、静止ベーン１０とベーン１０の
すぐ下流に位置するブレード１１の断面が示されてい
る。ブレード１１は回転することができるようにディス
ク１２に取り付けられている。タービン部ではガスが膨
張するため、ベーン１０の前縁１３に於ける温度及び圧
力はベーン１０の後縁１４よりも高い。同様に、ブレー
ド１１の前縁１５に於ける温度及び圧力はブレード１１
の後縁１６に於ける温度及び圧力よりも高い。
すぐ下流に位置するブレード１１の断面が示されてい
る。ブレード１１は回転することができるようにディス
ク１２に取り付けられている。タービン部ではガスが膨
張するため、ベーン１０の前縁１３に於ける温度及び圧
力はベーン１０の後縁１４よりも高い。同様に、ブレー
ド１１の前縁１５に於ける温度及び圧力はブレード１１
の後縁１６に於ける温度及び圧力よりも高い。
【００１８】上述したように、部品内部の高温腐食は、
冷却されない中空ブレード及びベーンを有する多くのガ
スタービンエンジンに於いて重要な問題として認識され
ている。本発明によると、このような部品に於いて、中
空の冷却されないブレード及びベーンの内部に少量のガ
スを流すことによって、高温腐食が大幅に低減される。
高温腐食は、ブレード及びベーン内部の酸素量が増すこ
とによって効果的に低減されるものと考えられる。ま
た、ブレードまたはベーンを出るとき、ガスが汚染物質
を運び出すことによる効果も考えられる。
冷却されない中空ブレード及びベーンを有する多くのガ
スタービンエンジンに於いて重要な問題として認識され
ている。本発明によると、このような部品に於いて、中
空の冷却されないブレード及びベーンの内部に少量のガ
スを流すことによって、高温腐食が大幅に低減される。
高温腐食は、ブレード及びベーン内部の酸素量が増すこ
とによって効果的に低減されるものと考えられる。ま
た、ブレードまたはベーンを出るとき、ガスが汚染物質
を運び出すことによる効果も考えられる。
【００１９】図２に於いてブレード及びベーンの中空キ
ャビティ内に入る矢印とそこから出る矢印によって示さ
れているように、中空のブレード及びベーンにガスを送
り込む主な駆動力は、これらの部品の前縁と後縁の間の
圧力差である。従って、例えば、図２のベーン１０に対
しては、矢印１８及び１８′が空気流の向きを示してい
る。空気はブレード１０の中空キャビティ内にベーンの
前縁に於ける圧力と概ね等しい圧力で流入し、それより
若干低いベーン１０の後縁に於ける圧力で出ていく。同
様に、ブレード１１では、空気流は矢印１９及び１９′
によって示されており、矢印１９によって示されている
ガスは、ブレード１１の中空キャビティにブレード１１
の前縁に於いて観測されるのと概ね等しい圧力で流入
し、ブレード１１の後縁１６に於いて観測される圧力を
反映したより低い圧力で出ていく。従って、ベーン１０
とブレード１１の両方で、ガスは主にブレードにかかる
圧力差の結果ブレードの中央を通過する。エンジンの動
作中ブレードが回転するため、本発明によると、遠心力
によってもブレードを通過するガスの流れが促進され
る。
ャビティ内に入る矢印とそこから出る矢印によって示さ
れているように、中空のブレード及びベーンにガスを送
り込む主な駆動力は、これらの部品の前縁と後縁の間の
圧力差である。従って、例えば、図２のベーン１０に対
しては、矢印１８及び１８′が空気流の向きを示してい
る。空気はブレード１０の中空キャビティ内にベーンの
前縁に於ける圧力と概ね等しい圧力で流入し、それより
若干低いベーン１０の後縁に於ける圧力で出ていく。同
様に、ブレード１１では、空気流は矢印１９及び１９′
によって示されており、矢印１９によって示されている
ガスは、ブレード１１の中空キャビティにブレード１１
の前縁に於いて観測されるのと概ね等しい圧力で流入
し、ブレード１１の後縁１６に於いて観測される圧力を
反映したより低い圧力で出ていく。従って、ベーン１０
とブレード１１の両方で、ガスは主にブレードにかかる
圧力差の結果ブレードの中央を通過する。エンジンの動
作中ブレードが回転するため、本発明によると、遠心力
によってもブレードを通過するガスの流れが促進され
る。
【００２０】これらのブレードを、連続した、貫通して
延在するキャビティを有するものとして鋳造し、キャビ
ティの一端をシールして空気流を妨げるようにすること
が通常行われているが、本発明によると、１または複数
の小孔がカバープレートなどのシール手段に意図的に形
成され、ブレードまたはベーン内を限られた制御された
量のガスが通過して流れる。１または複数の小孔の全体
的な断面積は、約０．００６cm2〜約０．６４５cm2（約
０．００１平方インチ〜約０．１平方インチ）であるこ
とが好ましく、更に好ましくは０．０３２cm2〜０．３
２３cm2（０．００５平方インチ〜約０．０５平方イン
チ）であるとよい。このような孔の寸法は、ブレードま
たはベーンの中空キャビティの平均断面積の約０．７％
〜約４．０％と言い換えることもできる。
延在するキャビティを有するものとして鋳造し、キャビ
ティの一端をシールして空気流を妨げるようにすること
が通常行われているが、本発明によると、１または複数
の小孔がカバープレートなどのシール手段に意図的に形
成され、ブレードまたはベーン内を限られた制御された
量のガスが通過して流れる。１または複数の小孔の全体
的な断面積は、約０．００６cm2〜約０．６４５cm2（約
０．００１平方インチ〜約０．１平方インチ）であるこ
とが好ましく、更に好ましくは０．０３２cm2〜０．３
２３cm2（０．００５平方インチ〜約０．０５平方イン
チ）であるとよい。このような孔の寸法は、ブレードま
たはベーンの中空キャビティの平均断面積の約０．７％
〜約４．０％と言い換えることもできる。
【００２１】ここで、これらのブレードの中空キャビテ
ィの実効断面積は、典型的には約１．２９０cm2〜約１
２．９０３cm2（約０．２平方インチ〜約２．０平方イ
ンチ）であることに注意されたい。本発明によると、こ
れらのキャビティを通過する空気流は、ブレードが単に
鋳造された状態で両端が開いたままとされる場合と較べ
て、体積及び速度が大幅に小さくなっている。
ィの実効断面積は、典型的には約１．２９０cm2〜約１
２．９０３cm2（約０．２平方インチ〜約２．０平方イ
ンチ）であることに注意されたい。本発明によると、こ
れらのキャビティを通過する空気流は、ブレードが単に
鋳造された状態で両端が開いたままとされる場合と較べ
て、体積及び速度が大幅に小さくなっている。
【図１】最近の高バイパス比エアクラフトガスタービン
エンジンの模式的な断面図である。
エンジンの模式的な断面図である。
【図２】図１に示したエンジンの低圧タービン部のブレ
ード及びベーンを通る模式的な断面図である。
ード及びベーンを通る模式的な断面図である。
１ ファン部 ２ 低圧コンプレッサ部 ３ 高圧コンプレッサ部 ４ 燃焼器 ５ 高圧タービン ６ 低圧タービン １０ ベーン １１ ブレード １２ ディスク １３ ベーン１０の前縁 １４ ベーン１０の後縁 １５ ブレード１１の前縁 １６ ブレード１１の後縁
Claims (2)
- 【請求項１】 内部キャビティを有するとともに意図
的な流れ阻止要素を有する冷却されない中空のガスター
ビン部品であって、前記流れ阻止要素に少なくとも一つ
の開口が設けられており、前記開口が前記キャビティの
平均断面積の約０．０５％乃至約５．０％の断面積を有
し、それによってガスがキャビティ内を流れ、キャビテ
ィ内の酸素ポテンシャルが高められ高温腐食が抑制され
るようになっていることを特徴とするガスタービン部
品。 - 【請求項２】 冷却されない中空のガスタービン部品
に於ける高温腐食を抑制するための方法であって、前記
中空部品内に酸素含有ガスを流して部品内の酸素量を増
加させる過程を含むことを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US41497095A | 1995-03-31 | 1995-03-31 | |
| US08/414,970 | 1995-03-31 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09105308A true JPH09105308A (ja) | 1997-04-22 |
| JP3865147B2 JP3865147B2 (ja) | 2007-01-10 |
Family
ID=23643794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09966396A Expired - Fee Related JP3865147B2 (ja) | 1995-03-31 | 1996-03-29 | 高温腐食の抑制されたガスタービン部品及び高温腐食の抑制方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5915918A (ja) |
| EP (1) | EP0735241B1 (ja) |
| JP (1) | JP3865147B2 (ja) |
| DE (1) | DE69603640T2 (ja) |
Families Citing this family (4)
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|---|---|---|---|---|
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