JPH0133644B2 - - Google Patents

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JPH0133644B2
JPH0133644B2 JP58109109A JP10910983A JPH0133644B2 JP H0133644 B2 JPH0133644 B2 JP H0133644B2 JP 58109109 A JP58109109 A JP 58109109A JP 10910983 A JP10910983 A JP 10910983A JP H0133644 B2 JPH0133644 B2 JP H0133644B2
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JP
Japan
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seal
ceramic
edge region
outer air
blade
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JP58109109A
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JPS595808A (ja
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Edoin Iiton Harii
Chaaruzu Noaku Richaado
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RTX Corp
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United Technologies Corp
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S277/00—Seal for a joint or juncture
    • Y10S277/935—Seal made of a particular material
    • Y10S277/943—Ceramic or glass

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンエンジンの外側エアシ
ールに係り、更に詳細には研磨可能なセラミツク
材料をコーテイングされたエアシールに係る。
本発明の概念は、ガスタービンエンジン工業に
於てガスタービンエンジンのタービン部で使用さ
れるべく開発されたものであるが、当工業、及び
他の工業に於ても広く適用され得るものである。
最近のガスタービンエンジンに於ては、摂氏
1093度以上の温度をもつ作動媒体ガスが、該媒体
ガスより動力を引き出すためのタービン翼例を横
切つて流れている。外側エアシールを呼ばれるシ
ユラウドはそれぞれのタービン翼例の周囲を囲
み、作動ガスがブレード先端部のところから漏洩
することを抑えている。
いくつかのガスタービンエンジンの外側エアシ
ールは、高温の作動ガスから該エアシールを保護
するための熱遮断コーデイングを表面に施された
金属基質によつて形成されている。セラミツク材
料が有効な熱絶縁体であり、かかるシール材料と
して広く応用されていることは、一般的に知られ
ている。セラミツクコーテイングが損われない限
り、該セラミツクはそれが接着されている金属の
望ましくない劣化損傷を防ぐことができる。
タービンの過酷な環境の中で長期間の確実な運
転が可能な耐久性のある構造が要求されている。
この要求は特に耐熱能力、及び熱衝撃に対する良
好な抵抗力に対するものである。更に加えて、シ
ールのタービンへの適用に於てその構造は、シー
ルとロータブレードとのすべり接触の発生時に於
て破壊的な干渉を防ぐための表面の適切な研磨性
と、特にシールの前縁領域に於て、作動ガスに運
ばれて入射する粒子によるシールの過度の摩耗を
防ぐための耐エロージヨン性とを有しなければな
らない。高温の作動ガス自体がエロージヨン作用
を有するようなエンジンもある。
セラミツクフエーシングされたシールへ応用可
能な概念が下記の米国特許に記載されている。
米国特許第3091548号、「高温コーテイング」 米国特許第3817719号、「高温研磨性材料と削成方
法」 米国特許第3879831号、「ニツケルベース高温研磨
性材料」 米国特許第3911891号、「金属表面コーテイング及
び適用法」 米国特許第3918925号、「研磨性シール」 米国特許第3975165号、「高温研磨性シール適用に
於ける金属−セラミツクグレード構造とその製造
法」 米国特許第4109013号、「金属−セラミツクガスタ
ービンシールの応力解放」 米国特許第4163071号、「耐摩耗コーテイングの作
製方法」 米国特許第4289446号、「ガスタービンエンジンの
セラミツクフエーシングされた外側エアシール」 上記特許に記載されている多くの材料及び方法
は有効であることが知られているが、それらによ
つて作られた構造は過酷な環境下への適用に際し
潜在能力を最大限に引き出しているとはいえな
い。特に外側エアシールへの適用に於ては、ブレ
ードのすべり摩擦に於ける良好な研磨性と作動ガ
スに運ばれる粒子に対する良好な耐エロージヨン
性とのバランスが残る問題点である。
本発明によれば、タービン外側エアシールのセ
ラミツクフエーシング材料はシールの前縁部に於
て或る一つの表面密度を、またその後流に於てこ
れより低い表面密度を有するように形成されてい
る。これにより、密度の高い領域では異物粒子に
よるエロージヨンに対する耐摩耗性が増し、且密
度の低い領域はロータブレードの通過により容易
に研磨されることになる。
本発明の一つの詳細な実施例によれば、セラミ
ツクフエーシング材料は密度を変えた複数の層に
より形成され、最上層が最も低密度でありその前
縁領域に光沢のある面を有している。
本発明の主な特徴は、外側エアシールの前縁領
域のセラミツクが高い表面密度を有することであ
る。少くとも一つの実施例によれば、高い表面密
度は多孔質のセラミツクに光沢をつけることによ
り達成される。本発明の実施例の他の特徴は、シ
ールの中間領域に於て多孔質のセラミツクを用
い、該多孔質セラミツクと金属材料との間に高密
度のセラミツク層を使用していることである。
本発明の主な効果は、前縁領域に於てシールが
エロージヨンを受け難くなることである。作動媒
体の流れに運ばれる粒子は前縁領域に於て光沢を
つけられた表面に跳返され、重大なエロージヨン
を発生させずに済む。一方、ロータブレード先端
部付近のシールの良好な研磨性は、表面の光沢が
つけられていない部分の多孔性により維持されて
いる。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。
ガスタービンエンジンのタービン外側エアシー
ルの実施例を選び、その実施例に関し本発明を説
明する。かかるガスタービンエンジンが第１図に
図示されている。
ガスタービンエンジンは主として圧縮機部１
０、燃焼器部１２、及びタービン部１４により形
成されている。ロータ組立体１６はエンジン内に
軸線方向に貫通して延在している。ロータブレー
ド、例えば図示されているブレード１８は、ロー
タ組立体上に何列かに配置され、作動ガスの流れ
る流路２０を横切つて外方に延在している。ロー
タブレードはそれぞれ先端部２２を有する。
ケーシング２６を有するステータ組立体２４は
ロータ組立体１６を収容している。外側エアシー
ル２８はロータブレードの先端部２２の周囲を囲
んでいる。それぞれの外側エアシールは従来通り
複数の弓形のセグメントにより形成され、エンジ
ンの内側で端と端とが接する形で配置されてい
る。
本発明の概念に従つて組立てられた外側エアシ
ールセグメント３０の一部が第２図に図示されて
いる。エンジン流路２０の作動ガスは、上流端部
或いは前縁部３２より下流端部或いは後縁部３４
までシール部を通過する。領域を特定する目的
で、シールの表面は前縁領域３６、中間領域３
８、及び後縁領域４０に分割される。中間領域は
本質的には通過するロータブレードにより擦られ
るシール面の部分を含んでいる。前縁領域は該中
間領域の前方に位置し、後縁領域は該中間領域の
後方に位置する。
図示されている構造に於て、それぞれの外側エ
アシールセグメント３０は金属基質４２に隣接し
て形成されている。種類分けをされた金属／セラ
ミツク材料の複数の層が該基質に接着されてセラ
ミツクフエーシングされたシールを形成する。図
示されているように、複数の層はニツケル−クロ
ム−アルミニウム合金の接着コーテイング４４、
酸化ジルコニウム（ZrO2）とコバルト−クロム
−アルミニウム−イツトリウム合金（CoCrAlY）
を混合した二つの中間層４６、酸化ジルコニウム
（ZrO2）の高密度の全セラミツク層４８、及び酸
化ジルコニウム（ZrO2）の多孔質の全セラミツ
ク層５０を含んでいる。
外側エアシール構造にセラミツクの層を使用す
る目的は二つある。第一は、タービンの高温の作
動ガスから前記基質を保護するための熱衝壁を提
供することである。第二の目的は、周囲をシール
によつて囲まれたロータブレードの熱変形に対し
て破壊的な干渉なしに適応できる研磨可能なシー
ルを提供することである。材料に望まれる特徴
は、通過するロータブレードに衝突された場合の
良好な研磨性とエロージヨンに対する良好な抵抗
力とを含む。この二つの特徴は均一に形成された
構造に於て必ずしも両立しない。同一構造で両方
の特徴を達成することが本発明の目的である。エ
ンジン流路の作動ガスは塵埃などの異物粒子を含
有し、また該媒体ガスがタービン部に到達するま
でにエンジン燃焼器のカーボン粒子をも含んでい
ることがある。かかる粒子が外側エアシールの表
面に衝突すると、そこの材料が多孔質で且中程度
或いは低い強度を有する場合特にエロージヨンを
生じ易い。高温の作動ガス自体がエロージヨン作
用を有するようなエンジンもある。
従つて本発明のシールは、ロータブレード上方
に位置する中間領域３８に於けるセラミツクの表
面密度に比較して、前縁領域３６に於て高い表面
密度のセラミツクの部分を有するように組立てら
れる。これにより、ブレードテイツプ上方で必要
な研磨性を損うことなく耐エロージヨン性が改善
される。
第２図に図示されるような形式に於て高い表面
密度の部分は、例えばプラズマトーチやレーザに
よる局部的加熱を有するエネルギ照射技術によつ
て作製される。表面のセラミツクは照射されたエ
ネルギによつて溶解し、冷却の後非常に密度の高
い状態と光沢のある外見を呈する。この光沢のあ
る部分に衝突する粒子やガスは殆どエロージヨン
を発生させず、表面で跳返る。
光沢をつけられた高密度材料の深さは、セラミ
ツクが特に最表面に於て高い密度を有するよう
に、0.127〜0.254mmのオーダとすることが望まし
い。これにより深くても浅くても良いが、その深
さは第一に十分な部品寿命に亙り耐エロージヨン
性をもたせるために大きくとる必要があり、第二
に該高密度部が接着された多孔質の基質との間に
熱的不適合性が生ずる程大き過ぎてもいけない。
熱的不適合性は光沢のある層と基質との境界に横
方向の亀裂を発生させ、結果として光沢のある材
料のスポーリングを発生させる。前述の範囲内に
深さがとられれば、基質内の好ましい縦方向の亀
裂網が光沢をつけられた表面を貫通し易くスポー
リングは回避される。実施例の幾つかによれば、
第３図に図示の如く後縁領域４０にも同様に高密
度の光沢をつけられたセラミツク部を配置するこ
とが望ましい。
本発明の利点は他の形式、例えば第４図に図示
されている構造に於ても付随的に達成が可能であ
る。第一のセラミツク層を含む高密度のセラミツ
クが前縁領域３６に於て厚みをもち表面に露出す
るように配置されている。層５０の多孔質セラミ
ツクはブレード先端部に残存している。第５図に
図示されている如く、高密度のセラミツクが後縁
領域に於て表面に露出するように配置されること
も可能である。
酸化ジルコニウム（ZrO2）セラミツクの有効
な高密度化は以下の表に示す条件の下で、
METCO7mbガンをGE型ノズルと共に使用した
プラズマガン溶解を行うことにより達成された。
ガ ン 材料片との距離 31.75mm 電 流 680A 電 圧 75V アークガス 一次−ガス 窒素 圧力 0.344MPa 流量 2265.36dm3／hour 二次−ガス 水素 圧力 0.344MPa 流量 1415.85dm3／hour 熱の走査 速度 18.3ｍ／min 走査回数 １ 各走査間の送り 3.17mm 基質の予加熱 開始温度 室温 終了温度 室温 冷 却 なし 第６図の顕微鏡写真は加熱の及んだ深さを示し
ている。高密度化の効果は、深さ約0.127mmまで
の加熱の場合深さ0.025mmまでの部分で最大であ
る。
以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定
されるものではなく、本発明の範囲内にて種々の
実施例が可能であることは当業者にとつて明らか
であろう。
【図面の簡単な説明】
第１図はガスタービンエンジンの簡略化された
側面図であり、外側エアシールとタービンブレー
ドとの関係を示すためにタービンケーシングの一
部が刳り貫かれている。第２図は、第１図の外側
エアシールの部分的な解図的透視図であり、シー
ルの前縁領域に表面密度の高い部分が図示されて
いる。第３図は、第１図の外側エアシールの部分
的な解図透視図であり、シールの前縁領域と後縁
領域の両方に表面密度の高い部分が図示されてい
る。第４図は、第２図の構造の他の一つの実施例
である。第５図は、第３図の構造の他の一つの実
施例である。第６図は、表面下深さ約0.127mmま
でを高密度化されたセラミツクコーテイングの顕
微鏡写真である。 １０……圧縮機部、１２……燃焼器部、、１４
……タービン部、１６……ロータ組立体、１８…
…ロータブレード、２０……流路、２２……ブレ
ード先端部、２４……ステータ組立体、２６……
ケーシング、２８……外側エアシール、３０……
外側エアシールセグメント、３２……前縁、３４
……後縁、３６……前縁領域、３８……中間領
域、４０……後縁領域、４２……金属基質、４４
……接着コーテイング、４６……中間層、４８…
…高密度の全セラミツク層、５０……多孔質の全
セラミツク層、５２……前縁部の光沢をつけられ
た高密度セラミツク層、５４……後縁部の光沢を
つけられた高密度セラミツク装置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ ガスタービンエンジンのタービンロータブレ
    ードの周囲を囲み、前記ブレードの前方の前縁領
    域、前記ブレードに面した中間領域、及び前記ブ
    レードの後方に後縁領域を有する外側エアシール
    にして、シールの前記中間領域に於てよりもシー
    ルの前記前縁領域に於てより高い表面密度を有す
    る研磨可能なセラミツクコーテイングを含んでい
    ることを特徴とする外側エアシール。
JP58109109A 1982-06-17 1983-06-17 ガスタ−ビンエンジンのセラミツクフエ−シングされた外側エアシ−ル Granted JPS595808A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/389,304 US4422648A (en) 1982-06-17 1982-06-17 Ceramic faced outer air seal for gas turbine engines
US389304 1995-02-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS595808A JPS595808A (ja) 1984-01-12
JPH0133644B2 true JPH0133644B2 (ja) 1989-07-14

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ID=23537701

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JP58109109A Granted JPS595808A (ja) 1982-06-17 1983-06-17 ガスタ−ビンエンジンのセラミツクフエ−シングされた外側エアシ−ル

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US (1) US4422648A (ja)
JP (1) JPS595808A (ja)
BE (1) BE897012A (ja)
CA (1) CA1213833A (ja)
DE (1) DE3321477A1 (ja)
ES (1) ES8404731A1 (ja)
FR (1) FR2528908B1 (ja)
GB (1) GB2121884B (ja)
IL (1) IL68994A0 (ja)
IT (1) IT1163508B (ja)
MX (1) MX156511A (ja)
NL (1) NL189316C (ja)
SE (1) SE451269B (ja)
SG (1) SG32185G (ja)

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