JPH09511302A - 厚層が変化する被研磨被膜層を有するタービン・シュラウド・セグメント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 タービン・シュラウド・セグメント（６４）は、基板（６６）と厚さの変化する被膜層（７２）とを有している。種々の構造上の細部を開発することによって、シュラウド・セグメント（６４）の使用中における被膜層（７２）の剥落が最小限に押さえられる。特定の実施例では、シュラウド・セグメント（６４）は、端部に向かって傾斜する被膜層（７２）を有している。この厚さは、先端部（７４）と後端部（７６）に沿って最小厚さとなるように傾斜している。シュラウド・セグメント（６４）のブレード通過領域（７８）内では被膜層（７２）は横方向の端部に向かって傾斜し、シュラウド・セグメント（６４）とロータ・ブレード（４２）の間で行われる研磨接触に必要な最小厚さによって決まる厚さを有している。他の特定の実施例では、基板（６６）に凹状の面を形成し、被膜（７２）を被覆し、引き続いてこの被膜（７２）を所望の寸法に機械加工することによって、この被膜層（７２）の厚さを変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】 厚層が変化する被研磨被膜層を有する タービン・シュラウド・セグメント 技術分野 本発明は、基板とこの基板に接合された異種材質の層を有する部材に関し、更 に詳しくは、厳しい温度勾配に曝されるかかる部材に関する。 本発明はガス・タービン・エンジンの分野で開発されたものであるが、これは 異種材質を相互に接合した層を有する部材をこれらの部材内に熱応力が発生する 環境内で使用する他の分野にも適用できるものである。 背景技術 軸流ガス・タービン・エンジンは、コンプレッサー、燃焼器及び縦軸に沿って 順に離間されたタービンを有している。環状の流路は、コンプレッサー、燃焼器 及びタービンを介して軸方向に延びている。このコンプレッサーは、流入する作 動流体と連動してこの作動流体を圧縮する回転ブレードの列を有している。圧縮 された作動流体の一部は燃焼器に入って燃料と混合されて点火する。燃焼生成物 即ち高温ガスは次にタービンを介して流れる。タービンは、交互に配設されたベ ーンと回転ブレードの列を有している。このタービンに於 いて、エネルギーは流動する高温ガスからタービン・ブレードに伝達される。こ のエネルギーの一部は、次にロータ・シャフトを介してコンプレッサー・セクシ ョンに戻される。 タービン・ブレードとタービンを介して流れる高温ガスとの間で行われる相互 作用の効率を最適化するため、インナー及びアウター・タービン・シュラウドに よって形成された環状の空間に高温ガスを閉じ込める。インナー・タービン・シ ュラウドは、一般的にブレードと一体に構成された複数のプラットフォームであ る。これらのプラットフォームは、隣接するプラットフォームと組み合わされ、 高温ガス用の内部流動面を形成する。アウター・シュラウドは、一般的に回転ブ レードの外側先端部の外部に半径方向に配設されたリング状のアセンブリである が、これはこの外側先端部と半径方向で近接している。このアセンブリは円周方 向に離間された複数の弓形のセグメントを有し、これによって高温ガス用の外部 流動面を設けている。 これらのセグメントは基板とセグメントの流動面を形成する被膜層を有してい る。基板は、セグメントをタービンに保持する手段、一般的にはセグメントの先 端部と後端部に沿って配設された複数のフックまたは１本のレールを有している 。被膜層は断熱被膜及び／または被研磨被膜である。この断熱被膜によって、タ ービンを介して流れる高温ガスに対する断熱がセグメントに対して行われる。被 研磨被膜は、動作中においてブレードの先端部が接触する材質となる。この先端 部はこの被研磨被膜内に切り込む研磨被膜によって被覆し、ブレードの周囲から 漏洩する高温ガスの量を最小にしてもよ い。研磨先端部と被研磨被膜との組み合わせによって、接触中に発生するブレー ドと基板に対する損傷を防止する。このようなセグメントの例は、ウエイドナー に付与された「回転機用の冷却可能なシール・セグメント」という名称の米国特 許番号第４，６５０，３９５号に開示されている。 上で述べた種類のセグメントに共通の問題は、被膜層の剥落である。剥落とは 、被膜層が基板から剥離することである。剥落は、セグメント内の熱応力の結果 として発生する。被膜側に存在する高温ガスと基板の半径方向の外部表面上を流 れる冷却流体の供給に起因して、セグメントを横切るように熱勾配が生じる。基 板の金属と被膜層の材質の間の熱膨張率の差が、セグメント内に存在する応力に 付加される。 剥落によって、基板の金属の地肌がブレードの先端部と接触する高温ガス及び ／または研磨剤に対して露出される。セグメントの潜在的な劣化以外に、剥落に よってブレードの先端部とセグメントの間の間隙の寸法がまた増加する可能性が ある。この間隙の増加によって高温ガスがブレードの周囲に流れる空間が形成さ れ、タービンの効率が低下する。 上記技術に満足することなく、出願人の譲受人の指導下にある科学者と技術者 はタービン・シュラウド・セグメントのようなタービンの構成部品の開発に従事 しているが、これらの構成部品は劣化を最小限にとどめながら極めて長期間に渡 って非常に厳しい温度環境の中で動作することのできるものである。 発明の開示 本発明によれば、タービン・シュラウド・セグメントは基板と上記基板の端部 から内側に延びる被膜層を有し、上記被膜層は上記端部に向かって傾斜する厚さ ｔを有している。上記端部の近傍に於ける被膜の断面は１０°以下の角度αを形 成している。 端部に向かって被膜層の厚さを傾斜させるという特徴の結果、ガス・タービン ・エンジンの使用中に基板から剥落する被膜層が最小になり、従って、タービン ・シュラウド・セグメントのより長い動作寿命が得られる。被膜層を端部の近傍 でより薄くすることによってこの端部に沿って被膜層の熱勾配が小さくなる。こ の端部は、しばしば剥落が発生していた領域である。被膜層のこの領域の熱勾配 を小さくすることによって、熱応力を低下させる。 特定の実施例では、被膜層はロータ・ブレードの研磨先端部と係合する被研磨 材質である。被膜層は、タービン・シュラウド・セグメントの先端部と後端部の 中間にブレード通過領域を有している。このブレード通過領域は、タービン・シ ュラウド・セグメントとブレードとの間で動作中に研磨接触を行わせるための所 定の厚さ以上の厚さｔ_bpを有している。最大厚さの点はこのブレード通過領域内 で発生し、被膜層の厚さｔはこのブレード通過領域から先端部と後端部に向かっ て傾斜している。ブレード通過領域内では、厚さｔ_bpは横方向の端部に向かって 最小厚さｔ_bp.minに傾斜し、ここでｔ_bp.minは上記所定の厚さ以上である。 ブレード通過領域から離れるのに従って被膜層の厚さを傾斜させるという特徴 によって、ブレード通過領域内の被膜層を所定の最小 厚さを超える厚さに保持しながら、被膜層の剥落を最小にするという利点が得ら れる。このようにして、必要量の被研磨材質が存在して回転ブレードの研磨先端 部と係合する。 被膜層の厚さは、種々の方法によって変化させることができる。タービン・シ ュラウド・セグメントの場合、特に有用な方法は、基板に凹状の対向面を形成し 、被膜層をタービン・シュラウド・セグメントにとって望ましい寸法に被覆する ことである。被膜層の厚さは、少なくとも部分的に、対向面の凹状の形状によっ て変化させることができる。このような形状の利点は、これによって対向面と通 過ブレードの間に更に間隙が設けられることである。動作中、タービン・シュラ ウド・セグメントは、このセグメントの温度勾配及び被膜材質と基板材質の間の 熱膨張の差によって通過ブレードに向かって内側に湾曲する。これによって、セ グメントはその通常の弓形の形状と反対の方向に湾曲し、このためこのセグメン トは通過ブレードにより接近する。対向面が凹状の場合、基板のブレード通過領 域は、据付時のブレード先端部から更に距離を開けて位置している。この追加間 隔によって、セグメントが内側に湾曲しても、基板の対向面とブレード先端部の 間で接触の行われる危険性はより少なくなる。 本発明はガス・タービン・エンジンの分野でタービン・シュラウド・セグメン トの特定の用途に開発されたものであるが、ここで開示した本発明は他の用途に も適用することができることは、当業者にとって明らかである。基板とこの基板 に接合された異種材質の層を有する部材であって、この部材を横切る温度勾配に 曝される全て の部材は、本発明から利益を得るものである。このような用途の１つは、幾つか のガス・タービンの燃焼器に使用しているライナーまたはフロートウォール・パ ネルである。ライナーの１例は、デュベルに対して付与された「ガス・タービン ・エンジン用の燃焼器のライナー構造」という名称の米国特許第４，３０２，９ ４１号に開示されている。これらのライナーにはフロートウォールを燃焼熱から 断熱するために断熱被膜によって一般的に被覆されている。 本発明の上述及びその他の目的、特徴と利点は、添付図に示す通り、本発明の 例示した実施例の以下の詳細な説明に照らしてより明らかになる。 図面の簡単な説明 第１図は、軸流ガス・タービン・エンジンの側部断面図である。 第２図は、シュラウド・セグメントを有するタービン・ロータ・アセンブリと タービン・ステータ構造の部分断面側面図である。 第３図は、隣接するシュラウド・セグメントと隣接するロータ・ブレードの軸 方向の図であり、ここで周囲のステータ構造は明確化のために取り外してある。 第４図は、シュラウド・セグメントの斜視図である。 第５ａ図と第５ｂ図は、第４図の５ａ-５ａ線と５ｂ-５ｂ線に沿って切断した 断面図である。 第６ａ図と第６ｂ図は、ガス・タービン・エンジンの動作中のシュラウド・セ グメントに対する熱歪の影響を示すが、第６ａ図はセグメントを取り付けた状態 を示し、第６ｂ図は歪みを生じた動作状態 を示す。 発明を実施するための最良の形態 第１図は、ガス・タービン・エンジン１２を示す。ガス・タービン・エンジン １２は、縦軸１６の周囲に配設された環状の流路１４を有している。コンプレッ サー１８、燃焼器２２とタービン２４は軸に沿って間隔を有し、流路１４はこれ らの各々を介して連続的に延びている。タービン２４は流路１４を介して流れる 作動流体と係合する複数のロータ・アセンブリ２６を有し、この流動する作動流 体からのエネルギーをロータ・アセンブリに伝達する。このエネルギーの一部は タービン２４とコンプレッサー１８を相互に接続している一対の回転軸２８を介 してコンプレッサー１８に戻され、コンプレッサー１８に入る作動流体を圧縮す るエネルギーを提供している。 第２図を参照して、ロータ・アセンブリ３２は、上流ベーン・アセンブリ３４ と下流ベーン・アセンブリ３６の間で軸方向に位置している。ロータ・アセンブ リ３２は、これから半径方向に延びる複数のロータ・ブレード４２を有する回転 ディスク３８を有している。これらの回転ブレード４２の各々は、ルート部４４ 、先端部４８を有する翼部４６及び内部プラットフォーム５２を有している。ル ート部４４は、ロータ・アセンブリ３２の回転中ブレード４２をディスク３８に 保持する。翼部４６は流路１４を介して半径方向に延び、タービン２４を介して 流れる作動流体と係合する流動面５４を設けている。内部プラットフォーム５２ はブレード４２から横方向に延 び、円周方向に隣接するブレードのプラットフォームと組み合わされ、半径方向 の内部流動面５６を形成する。半径方向の内部流動面５６は、流動する作動流体 を翼部４６の流動面５４上に付勢する。 タービン・シュラウド５８は、ロータ・アセンブリ３２を中心にして円周方向 でその外部に半径方向に延びている。回転ブレード４２の先端部４８は、タービ ン・シュラウド５８によって形成された半径方向外側の流動面６２と半径方向に 近接している。流動面６２は作動流体が半径方向外側に流れるのを防止し、この 作動流体が翼部４６の流動面５４上を流れるように付勢する。タービン・シュラ ウド５８の流動面６２とプラットフォーム５２の流動面５６とによって、作動流 体が環状の通路内に閉じ込められるが、ブレード４２がこの環状の通路を介して 延び、作動流体と回転ブレード４２の係合を最適化している。 タービン・シュラウド５８は、流路１４を中心にして円周方向に間隔を有する 複数のシュラウド・セグメント６４を有している。第４図に示すように、各シュ ラウド・セグメント６４は弓形に形成され、複数のフック６８と１つの被膜層７ ２を有する基板６６を有している。これらのフック６８によって、シュラウド・ セグメント６４をタービン・シュラウド５８の隣接構造に保持する手段が提供さ れる。タービン・シュラウド５８は、またセグメント６４の外部表面に冷却流体 を流す手段をまた有している。冷却流体は、基板６６をこれらの基板６６を形成 している材質の許容可能な温度限界に保持するものである。 被膜層７２は、基板６６の半径方向内側の接面または対向面上に延び、従って 流路１４に向かって内側を向いている。従って、被膜層７２はタービン・シュラ ウド５８の流動面６２を形成し、タービン２４内を流れる高温ガスに対して直接 露出されている。第５ａ図と第５ｂ図に示すように、被膜層７２は基板６６の対 向面から外側に測定した場合厚さｔを有し、この厚さはセグメント６４の端部に 向かって傾斜している。セグメント６４の先端部７４と後端部７６に沿って、被 膜層７２は最小厚さｔを有し、この被膜層７２の厚さはセグメント６４のブレー ド通過領域７８に向かって徐々に増加している。被膜層７２は先端部と後端部７ ４、７６に沿ってその断面が角度θを形成している。セグメント６４の横方向の エッジ８２に沿って、且つ被膜層７２のブレード通過領域７８内で、被膜層７２ の厚さｔは、ブレード通過領域７８に対する所定の最小厚さｔ_{bp m in} から横方向のエッジ８２の中間部に於ける最大厚さに徐々に増加している。被 膜層の断面は、横方向の端部に沿って角度φを形成している。 被膜層７２は、断熱被膜と被研磨被膜の組み合わせて構成されている。断熱被 膜は基板６６の内部表面即ち対向面面を流路１４内の高温ガスから断熱する。被 研磨被膜は流動面６２のブレード通過領域７８の領域内に位置し、研磨材質を被 覆したブレード先端部４８と係合する。被膜層は、断熱被膜と被研磨被膜を接合 する手段を設けるための接着層を必要とする場合がある。 動作中、ブレード先端部４８は最初は被膜層７２に近接してこれを通過する。 エンジン１２が加熱するのに従って、セグメント６４ のそばを流れる高温ガスからの熱によって、これらのセグメント６４が加熱され る。「高温側」即ち流動面６２側、と「低温側」即ち冷却流体に露出されて、こ れと直接接触するセグメント６４の外側を有するこれらのセグメントに起因して 、熱勾配が発生する。基板６６と被膜層７２の材質の熱膨張係数が異なることに 加えて、この熱勾配によって、セグメント６４に歪みが発生する。 この熱歪の結果、通常は弓形のセグメント６４が平坦化し、このためセグメン ト６４の流動面６２は回転ブレード４２に向かって半径方向内側に移動する。第 ３図に示すように、通過ブレードの先端部４８はシュラウド・セグメント６４と 係合する可能性があり、これによって研磨先端部４８は被膜層７２と接触する。 研磨先端部４８と被研磨被膜層７２の間のこの種の研磨接触によってシール機構 が形成され、これによって作動流体がブレード４８の先端部の周囲に漏洩するの を防止する。このような漏洩流体はブレードの翼と係合せず、タービンの効率を 低下させる。 熱勾配は、またセグメント６４内、特に基板６６と被膜層７２の間に熱応力を 発生する。このような熱応力によって、セグメント６４は、特に端部とコーナ部 で剥落しやすくなる。一度剥落が発生すると、基板６６の材質は高温ガスに曝さ れ、このような曝露によって発生する劣化の影響を受ける。更に、被膜層７２が 欠落することによって、通過ブレード４２と先端部４８と流動面６２の間の間隙 Ｇが増加する可能性がある。間隙が大きくなることによって、より多くの流体が ブレード４２の翼４６の周囲に逃げることになる。 最も剥落を受けやすい領域に於ける被膜層７２の厚さｔを最小に することによって、熱勾配が最小になり、その結果、熱応力はこれらの領域に於 いて最小になる。この結果得られるより低い応力によって、被膜層７２が基板６ ６から剥離する可能性が小さくなる。更に、端部７４、７６、８２に近い被膜層 ７２の厚さｔを最小にすることによって、例え剥落が発生したとしても、その結 果生じる間隙Ｇの大きさは最小になる。角度θとφ（第５ａ図と第５ｂ図参照） は、セグメントの熱環境、ブレード通過領域の寸法及び被膜に対して許容される 最小厚さによって決まる。前に述べたように、被膜層の厚さは端部の近傍で最小 になっている。しかし、基板に接着する被膜層の材質を得るには、接合層を捕捉 するために、被膜層材質の厚さを最小にする必要がある。更に、ブレード通過領 域では、被膜層の厚さは厚さｔ_{bp min}未満でない可能性がある。典型的な第１段 のタービン・シュラウドのセグメントの熱環境の結果、熱勾配は１０００°Ｆの オーダー程度である。熱勾配がこの大きさの場合、端部近くの被膜層の厚さはで きるだけ薄くなければならない。試験片に対して行ったテストに基づいて、最善 の結果を得るには、角度θとφは少なくとも１０°未満に保持しなければならな いと、出願人は示唆している。 端部７４、７６と８２の近傍の被膜層７２の厚さｔを最小にすることによって 、これらの領域に於ける被膜層７６の断熱性が低くなるおそれがあるが、セグメ ント６４の温度上昇は、重要な欠点ではない。第２図を参照して、先端部７４に 沿って、セグメント６４と上流のベーン８４の周囲に逃げた冷却流体は半径方向 内側へと流路１４内に流入するが、これは、この冷却流体がこの流路の流体より もより高い圧力を有するように選択されているからである。この逃げた冷却流体 は、次にセグメント６４の先端部７４上を流れ、この領域の温度の保持に貢献し ている。 後端部７６は、ロータ・アセンブリ３２を通過した流路流体に露出される。ロ ータ・アセンブリ３２を通過すると、作動流体は若干のエネルギーをロータ・ア センブリ３２に伝達し、より低い温度になる。従って、セグメント６４の後端部 ７６に沿って必要な断熱はより小さくてもよい。前に論じたように、ブレード通 過領域内の横方向のエッジは、ブレードの先端部４８と被膜層７２の間の研磨接 触に対して要求される最小厚さｔ_{bp min}以上に保持されている。別の材質を付加 することによって、横方向の端部８２の必要な断熱を行っている。 被膜層７２の厚さは、種々の方法によって変化させている。１つの方法として 、均一な量の被膜層７２の材質を基板６６の対向面に被覆し、次にこの被膜層７ ２を所望のテーパに機械加工する方法がある。他の方法としては、対向面面を凹 状に形成し、被膜層７２の材質を被覆してこの被膜層７２の表面を所望の厚さと 形状にする方法が挙げられる。第３の方法は、上記２つの方法を組み合わせるも のである。この方法では、対向面を凹状に形成し、この対向面を被膜層によって 均一に被覆し、次にこの被膜層を機械加工して所望の形状とテーパを得る。 タービン・シュラウド・セグメント６４の場合に示唆されているのは、基板６ ６を凹状の対向面に形成し、被膜層７２を被膜し、この被膜層７２をタービン・ シュラウド・セグメント６４の所望の寸 法に機械加工することである。対向面を凹状に形成することによって、一部、被 膜層７２の厚さに変化を持たせることができる。第６ａ図と第６ｂ図に示すよう に、このような形状によってもたらされる利点は、対向面と通過ブレード４２の 間に間隙Ｇ１が得られることである。厚さに所望の変化を設けるために平坦な対 向面と凸状の被膜層を有するセグメントを同様に位置させた場合に得られる間隙 と比較して、この間隙Ｇ₁はより大きい。前に論じたように、動作中、タービン ・シュラウド５８は通過ブレード４２に向かって内側に湾曲する。これによって セグメントはその通常の弓形の形状と逆の方向に湾曲して通過ブレード４２によ り接近し、その結果、間隙はＧ₂に減少する。対向面が凹状の場合には、対向面 のブレード通過領域７８は、その初期状態において、もともとブレード先端部４ ８とは間隔があけられている。この間隔によって、セグメント６４が内側に湾曲 しても、基板６６の対向面とブレード先端部４８の間で接触の行われるおそれは より少なくなる。 更に、凹状の対向面によって被膜層７２の厚さに変化を持たせると、段差のな い、緩慢な段差さえ付いていない流動面を有する部材を製作することができる。 タービン・シュラウド・セグメント以外でも、流動面を有し２つの異種材質によ って形成された部材がこの部材内の熱応力の結果として発生する温度勾配に曝さ れるという用途に、この特徴を使用することができる。平坦な対向面に先細の被 膜を直接被覆する場合には、たとえ緩慢なものであっても、段差を回避すること が好ましい。このような用途の一つは、ある種のガス・タービン・エンジンの燃 焼器におけるフロートウォール・パネルで ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニスリー，デイビッド エム. アメリカ合衆国，コネチカット 06447, マールボロー，メイフラワー ロード 17 (72)発明者 マクースカー，ケビン エヌ. アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01701，フラミンガム，ジョージタウン ドライブ 87，アパートメント ナンバー ７ (72)発明者 エリス，チャールズ エイ. アメリカ合衆国，フロリダ 34994，スチ ュワート，ノースウェスト ブライト リ バー ポイント 1809

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．タービン・シュラウド・セグメントにおいて、 第１の材質から形成された基板と、第２材質から形成された被膜層とを有し、 前記基板は、２つの方向に延びる対向面と端部とを有し、前記被膜層は、厚さ ｔを有して前記対向面に接合され、前記被膜層は前記端部から内側に延び、かつ 、前記被膜層の厚さは、前記被膜層の断面は角度を有して、前記端部に向かって 先細となり、前記角度は１０°以下であることを特徴とするタービン・シュラウ ド・セグメント。 ２．前記対向面は四辺形として形成され、前記被膜層は４つの端部全てに対し て前記対向面上に延び、前記被膜層は被膜厚さが最大となる点が前記４つの端部 の内部で生じるように４つの端部全てから内側の方向に傾斜することを特徴とす る請求項１記載のタービン・シュラウド・セグメント。 ３．前記対向面は凹状であり、前記被膜層は前記タービン・シュラウドから外 側に向いた流動面を有し、前記流動面は平面であることを特徴とする請求項１記 載のタービン・シュラウド・セグメント。 ４．前記対向面は平面であり、前記被膜層は前記タービン・シュ ラウドから外側に向いた流動面を有し、前記流動面は凸状であることを特徴とす る請求項１記載のタービン・シュラウド・セグメント。 ５．前記被膜層は、ロータ・ブレードの研磨先端と係合する被研磨材質から形 成され、前記被膜層は前記端部から内側に位置するブレード通過部を有し、前記 ブレード通過部は最小厚さｔbpを有し、前記被膜層の厚さは前記ブレード通過部 から前記端部に向けて傾斜していることを特徴とする請求項１記載のタービン・ シュラウド・セグメント。 ６．部材断面に熱勾配を発生させる環境で使用される部材であって、端部に向 かって延びる対向面を有して第１の材質により形成されう基板と、前記対向面上 に設けられると共に第２の材質によって形成される被膜層とを有し、前記２つの 材質は、熱膨張係数が異なり、その結果、前記要素は前記熱勾配に曝されると歪 みが生じるものであるものにおいて、 前記対向面は前記被膜層の厚さが変化するように凹状に形成され、前記被膜層 の厚さは、前記端部から離れるに従って増加することを特徴とする部材。 ７．部材を横切って熱勾配を発生する環境内で使用する前記部材を形成する方 法であって、前記部材は、端部に向かって延びる対向面を有すると共に１つの材 質よって形成された基板と、前記対向面 上に配設されると共に第２材質によって形成された被膜層を有し、前記２つの材 質は異なった熱膨張係数を有し、その結果、前記部材は前記熱勾配に曝されると 歪みを発生するものであり、かつ、 凹状の面を有するように前記対向面を形成するステップと、 前記被膜層の厚さが変化し、かつ、この被膜層の厚みが前記端部から離れるに つれて増加するように、前記対向面上に前記第２材質を被覆するステップと、を 有することを特徴とする方法。 ８．前記第２材質を被覆するステップは、 前記第２材質を前記対向面上に均一な厚さで被覆するステップと、 前記第２材質を所望の厚さに機械加工するステップと、 を更に有することを特徴とする請求の範囲第７項記載の方法。