(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械のロータブレード（１）のための保護層を製造するための方法であって、前記ロータブレード（１）が、前記ターボ機械の軸線方向に関するラジアル方向において前記ロータブレード（１）の本体を越えて前記ターボ機械の外側に向かって突出している摩耗先端壁（４）を有している、前記方法において、
ラジアル方向における係止を実現するためのプロファイル（８）を前記摩耗先端壁（４）のラジアル方向領域に形成するステップと、
金属紛体を含むスラリー（１０）及び／又はセラミックスラリー（１２）を前記ラジアル方向領域に塗布し、焼結させるステップと、
を備えており、
前記金属紛体を含むスラリー（１０）及び／又は前記セラミックスラリー（１２）が、焼結される前に乾燥され、
乾燥された前記金属紛体を含むスラリー（１０）及び前記セラミックスラリー（１２）が、機械加工されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記プロファイル（８）が、型成形及び／又は電気放電加工によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記金属紛体を含むスラリー（１０）及び／又は前記セラミックスラリー（１２）が、水性であり、及び／又は、有機結合剤を含んでいることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記金属紛体を含むスラリー（１０）と前記セラミックスラリー（１２）とが、逐次的に塗布されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記金属紛体を含むスラリー（１０）及び前記セラミックスラリー（１２）がそれぞれ、セラミックファイバー又はセラミックネットを含んでいることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
摩耗先端壁（４）が、前記ロータブレード（１）の周囲に配置されており、これにより、前記ターボ機械の軸線に関して前記ターボ機械の外側に向かってラジアル方向に配置されている凹所（６）を形成しており、
前記ラジアル方向領域が、前記凹所（６）の内側に含まれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
ターボ機械のためのロータブレード（１）であって、
前記ターボ機械の軸線に関するラジアル方向において前記ロータブレード（１）の本体を越えて前記ターボ機械の外側に向かって突出している摩耗先端壁（４）を有している、前記ロータブレード（１）において、
前記摩耗先端壁（４）の所定の領域が、プロファイル（８）を有しており、
焼結された金属紛体を含むスラリー（１０）及び／又はセラミックスラリー（１２）が、前記所定の領域に塗布されており、
前記金属紛体を含むスラリー（１０）及び／又は前記セラミックスラリー（１２）が、焼結される前に乾燥され、
乾燥された前記金属紛体を含むスラリー（１０）及び前記セラミックスラリー（１２）が、機械加工されるものであることを特徴とするロータブレード（１）。
【請求項８】
請求項７に記載のロータブレード（１）、又は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法に基づいて製造されたロータブレードを有していることを特徴とするターボ機械。
【請求項９】
請求項８に記載のターボ機械を有していることを特徴とする発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械のロータブレードのための保護層を製造するための方法であって、ロータブレードが、ターボ機械の軸線に関するラジアル方向においてロータブレードの本体を越えてターボ機械の外側に向かって突出している摩耗先端壁を有している、方法に関する。さらに、本発明は、このようなタイプのロータブレードに関する。
【０００２】
一般に、ターボ機械は、例えば圧縮機、蒸気タービンやガスタービンのような、流体エネルギを利用して連続動作する機械を含んでいる。ガスタービンは、高温の燃焼ガスから得たエネルギを運動エネルギに変換し、当該運動エネルギによって、上流において接続されている圧縮機と発電機とが駆動される。しかしながら、ガスタービンは、航空機に給電するために利用される場合もある。
【０００３】
ガスタービンは、空気及びガスの流れを案内する固定側の案内羽根を備えており、ガスタービンのロータにおいて、ターボ機械の軸線の周りに回転するロータブレードを備えている。一般に、ロータブレードは、ターボ機械の軸線からターボ機械の軸線と同心に配置された内壁に至るまで延在しており、これにより燃焼ガスのための流体ダクトを形成している。これに関連して、ロータブレードの本体と内壁との間隙が、燃焼ガスが内壁に沿ってロータブレードを通過して流れることに起因する効率損失を基準限界に抑えるために、可能な限り小さく維持されている必要がある。
【０００４】
しかしながら、内壁と当該内壁に対向するロータブレード先端部分との間隙は、内壁とロータブレードとの熱膨張の差に起因して、及び、遠心力とラジアル方向加速度との差に起因して変化する。このような場合には、ロータブレード本体及び／又は内壁に対する損傷を回避するために、ガスタービンを組み立てる際に所定の最小間隙を設定する必要がある。
【０００５】
それにも関わらず、最小間隙によって発生する効率損失を小さく維持するために、又は、当該効率損失を完全に回避するために、ロータブレード本体は、一般に、摩耗先端壁を備えており、摩耗先端壁は、ロータブレード本体から内壁に向かって、すなわちガスタービンの軸線に関するラジアル方向においてガスタービンの外側に向かって延在している。当該摩耗先端壁は、ロータブレード本体より薄肉であり、これにより摩耗先端壁の摩耗を制御することができる。これにより、ロータブレード本体自体の損傷が防止され、ロータブレードと内壁との間隙を最小限度に抑えることができる。
【０００６】
しかしながら、摩耗先端壁は、薄肉になるに従って、高温の燃焼ガスに起因する大きな熱的負荷に対してセンシティブになる。さらに、温度は、流れダクト内におけるラジアル方向の温度分布に起因して、摩耗先端壁において最大になる。これにより、摩耗先端壁が早期に腐食し、ロータブレード全体の耐用寿命が短くなる。
【０００７】
従って、熱的に安定させるための遮熱コーティングが施されている場合がある。当該遮熱コーティングは、一般に、例えばプラズマ蒸着や光速度ジェットフレーム溶射のような一般的なコーティングプロセスを利用することによって塗布される。しかしながら、このような手法は、対応する摩耗強度のために付加的な摩耗層を必要とする場合がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、ロータブレードのための保護層を製造するための代替的な方法であって、ロータブレード全体の比較的長い耐用寿命を達成すると共に摩耗先端壁において特に単純な遮熱を実現する方法を提供することである。
【０００９】
本発明の目的は、ラジアル方向において係止するためのプロファイルが摩耗先端壁のラジアル方向領域に形成され、金属紛体を含むスラリー及び／又はセラミックスラリーが当該ラジアル方向領域に塗布され、これらスラリーが焼結されることによって実現される。
【００１０】
本発明の基礎となる考えは、遮熱層を塗布するための代替的な方法が、ロータブレード全体の比較的長い耐用寿命を達成すると共に、摩耗先端壁を遮熱するプロセスを単純化するために利用可能であることである。特に、さらなる接着層を必要としない。遮熱層を締まり嵌めすることの代替として又は加えて、確実に係止することによって、このことは実現される。この目的を達成するために、ラジアル方向において係止するためのプロファイルが、処理すべき摩耗先端壁の当該領域に形成されている。
【００１１】
その後に、プロファイルは、確実に係止するために、及び、表面領域ひいては熱入力を最小限度に抑えるために、適切な材料で充填される。この目的を達成するために、利用される材料は、高い熱安定性及び遮熱性を有しており、プロファイルに対して良好な接着強度を有している。このことは、金属紛体を含むスラリー及び／又はセラミックスラリーを当該領域に塗布することによって達成される。その後に、スラリーは焼結され、固形化した熱的安定層になる。これにより、比較的可撓性を有している層が形成される一方、焼結プロセスによって、良好な接着性及び安定性が確保される。
【００１２】
一般に、ロータブレードは型成形プロセスによって鋼から作られている。本発明では、摩耗先端壁は、ロータブレード本体と共に直接型成形されている。プロファイルを摩耗先端壁の所望の領域内に形成するために、当該方法の優位な構成は、摩耗先端壁又は摩耗先端壁を具備したロータブレード全体を型成形する場合にプロファイルを直接型成形するステップを有している。代替的には又は付加的には、放電加工がプロファイルの少なくとも一部分に施される。放電加工によって、非常に複雑な幾何学的形状を具備するプロファイルを非常に高精度で製造することが可能となる。
【００１３】
優位には、スラリーを焼結する前に当該スラリーを乾燥させ、乾燥したスラリーの形状を機械加工する。これにより、スラリーを利用して塗布された層の形状を機械加工によって正確に且つ容易に変更することができる。このことは、結果として、形状構成に関する自由度を高めるので、摩耗先端壁についての保護層の態様な形状を生み出すと共に試験することができる。これにより、保護層の形状が摩擦及び効率損失に関して最適化される。
【００１４】
このような機械加工は、スラリーが室温で乾燥された場合に、且つ、焼結プロセスの前にさらなる熱処理を必要としない場合に特に簡便である。このことは、優位にはスラリーが水性である場合に、及び／又は、優位には有機結合剤が当該スラリーに加えられている場合に実現される。
【００１５】
摩耗先端壁のための保護層の配置に関するさらなる自由度は、優位には金属紛体を含むスラリー及びセラミックスラリーが逐次的に塗布されることによって実現される。従って、最初に、金属紛体を含むスラリーが良好な接着性を実現するために塗布され、続いて、セラミックスラリーが熱的安定性を有している外層を実現するために塗布される。焼結プロセスでは、すべての層が互いに対して安定的に結合される。仕様に従って、摩耗先端壁の異なる領域における複数の交互の層又は層の異なる配列とされる場合もある。
【００１６】
さらなる構成又は代替的な構成では、スラリーそれぞれが、セラミックファイバやセラミックネットを含んでいる。これらが、焼結プロセス後に層それぞれの構造を補剛し、折損又は層間剥離に対する耐性を高め、すなわち摩耗プロセスに起因する層の腐食に対する耐性を高める。
【００１７】
流動性を最適化するために、摩耗先端壁は、優位には、ロータブレードの周囲に配置されている。従って、摩耗先端壁は、ロータブレードの外形に対してラジアル方向延長部分を形成しているので、同一のアキシアル方向流れのための外形を有している。周方向の外形によって、摩耗先端壁は、ターボ機械の軸線に関してラジアル方向においてターボ機械の外側に向かって配置されている凹所を形成している。特に、当該凹所は、ロータブレード先端部分の熱負荷を一層低くするために、及び、摩耗先端壁の外側において亀裂が内方に向かって伸展することを制限又は防止するために、対応する保護層を備えている。このために、保護層が設けられている領域は、優位には凹所の内側を囲んでいる。従って、保護層が周方向の外形によって囲まれていることによって、良好なインターロックを実現することができるので、ターボ機械の動作中における遠心力に起因する層間剥離又は損失に対して保護を高めることができる。
【００１８】
ロータブレードに関する目的は、摩耗先端壁の領域が外形を有しており、焼結した金属紛体を含むスラリー及び／又はセラミックスラリーが当該領域に塗布されることによって達成される。
【００１９】
ターボ機械は、優位には、既存の手法に従って製造された保護層を具備するロータブレードを備えており、優位な構成では、発電設備で利用される。
【００２０】
本発明における優位点としては、特に焼結された金属及び／又はセラミックスラリーを摩耗先端壁の領域に塗布することによって、摩耗先端壁の破壊を良好に保護することが挙げられるが、これによりロータブレード本体の耐用寿命を特に長くすることができる。焼結される前に塗布されたスラリーの作業性及び機械加工性が容易であることによって、層それぞれの厚さを自在に変化させることができ、層の形状を耐用寿命に関連して最適化させることができる。付加的な接着層は不要である。最後に、新しい保護層を塗布することによって、使い古されたロータブレードを現場で緊急に整備することができる。
【００２１】
本発明の例示的な実施例について、図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術に基づくターボ機械の軸線方向から離隔するようにラジアル方向に方向づけられているロータブレードの先端の断面図である。
【図２】プロファイルを摩耗先端壁内に形成した後における、ターボ機械の軸線から離隔するようにラジアル方向に方向づけられたロータブレードの先端の断面図である。
【図３】スラリーが塗布されたロータブレードの先端を表わす。
【図４】スラリーが塗布されたロータブレードの先端の代替的な構成を表わす。
【図５】焼結した後における、ロータブレードの先端を表わす。
【図６】焼結した後における、ロータブレードの先端のさらなる代替的な構成を表わす。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
すべての図面において、同一の構成部品について同一の参照符号が付されている。
【００２４】
図１は、ロータブレード１の上側領域、すなわち従来技術に基づいて形成されているロータブレード先端部分２を表わす。ロータブレード先端部分２の摩耗は、熱膨張、回転によって誘発される遠心力、及び他の影響に起因して増大する。ロータブレード先端部分２がターボ機械の隣接する内壁（図示しない）と接触することによって損傷しないように、且つ、摩耗を制御するために、ロータブレード先端部分２は、摩耗先端壁４を有している。摩耗先端壁４は、ロータブレード１の輪郭をラジアル方向に延在させているので、ロータブレード先端部分２の上方には凹所６が形成されている。
【００２５】
凹所６には、特に熱的負荷及び機械的負荷が作用するので、図２〜図６に表わすように保護層が設けられている。
【００２６】
プロファイル８は、図２に表わすように、摩耗先端壁４の内側すなわち凹所６の内部に形成されている。プロファイル８は、直接型成形されても、電気放電加工によって形成されても良い。その後に、金属紛体を含むスラリー１０とセラミックスラリー１２とが、図３及び図４に表わすように、プロファイル８に塗布される。図３では、最初に、金属紛体を含むスラリー１０から成る薄い層が、プロファイル８全体に亘って均一な厚さで塗布される。その後に、セラミックスラリー１２が、プロファイル８の表面を均一にするために塗布される。
【００２７】
図４に表わすプロセスは、図３に表わすプロセスの逆である。最初に、金属紛体を含むスラリー１０が、プロファイル８の表面を均一にするために塗布された後に、均一な厚さのセラミックスラリー１２が塗布される。プロファイルの仕様に従って、様々な層が適用可能とされ、複数の相違する層も塗布可能とされる。この点において、当該方法は容易に変更可能とされる。
【００２８】
その後に、金属紛体を含むスラリー１０とセラミックスラリー１２とが焼結される。その結果として、保護層は硬化されるので、摩耗先端壁４を熱的負荷及び機械的負荷から保護することができる。さらに、金属紛体を含むスラリー１０とセラミックスラリー１２とは、保護層の強度を高めるために、セラミックファイバー又はセラミックネットを含んでいる。プロファイル８は、ラジアル方向に対して垂直に少なくとも部分的に方向付けられている溝及び／又は襞を備えている。スラリーが当該溝及び切欠において硬化されているので、これにより保護層をラジアル方向において係止することができる。
【００２９】
金属紛体を含むスラリー１０及び／又はセラミックスラリー１２は、水性であり、有機結合剤を含んでいる。これにより、図６に表わすように機械加工するために焼結する前に、金属紛体を含むスラリー１０及び／又はセラミックスラリー１２を乾燥させることができる。この場合には、乾燥したスラリー１０，１２は楔状の形態とされる。概略的には、当該方法によって、例えば空気力学的安定性、強度的安定性、熱的安定性、又は他のパラメータに関して最適化可能なように、保護層の構成に関する自由度を高めることができる。
【００３０】
上述の方法によって、特に摩耗先端壁４の破損を良好に且つ確実に防止することができるので、特にロータブレード１全体の耐用寿命を伸ばすことができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  ロータブレード
２  ロータブレード先端部分
４  摩耗先端壁
６  凹所
８  プロファイル
１０  金属紛体を含むスラリー
１２  セラミックスラリー
【図１】
0005646773.tif 000002
【図２】
0005646773.tif 000003
【図３】
0005646773.tif 000004
【図４】
0005646773.tif 000005
【図５】
0005646773.tif 000006
【図６】
0005646773.tif 000007