(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンの圧縮機部分の高温、高応力の環境からこれらの材料を保護するための手段を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン圧縮機ディスク１０、１２の高温流路側１６に位置する軸１４の少なくとも第一表面１３に、高温流路側１６が約７００℃（１３００°Ｆ）から約７８８℃（１４５０°Ｆ）の運転使用温度になった時にも、約７００℃（１３００°Ｆ）未満の軸温度を維持するように作用するサーマルバリア２０を設ける。【選択図】図２
2011241832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温流路側（１６）と、
前記高温流路側（１６）に位置する第一表面（１３）を有する軸（１４）と、
前記軸（１４）の少なくとも前記第一表面（１３）に適用されるサーマルバリア（２０）と、を含むガスタービンエンジン圧縮機ディスク（１０、１２）であって、
前記高温流路側が約７００℃（１３００°Ｆ）から約７８８℃（１４５０°Ｆ）の運転使用温度になると、前記サーマルバリアが、約７００℃（１３００°Ｆ）未満の軸温度を維持するように作用する、ガスタービンエンジン圧縮機ディスク（１０、１２）。
【請求項２】
ニッケル、コバルト、鉄、及びそれらの組合せに基づく金属、金属合金、及び金属超合金から成る群から選択される多結晶基板を含む、請求項１に記載のディスク（１０、１２）。
【請求項３】
前記サーマルバリア（２０）が、約８×１０−６／℃よりも高い熱膨張率を有する、請求項１又は２のいずれかに記載のディスク（１０、１２）。
【請求項４】
前記サーマルバリア（２０）が、５Ｍｓｉ未満の面内弾性係数を有する、請求項１、２、又は３のいずれかに記載のディスク（１０、１２）。
【請求項５】
前記サーマルバリア（２０）が、サーマルバリア１ｍｍにつき少なくとも約５℃の軸の運転使用温度の低下をもたらす、請求項１、２、３、又は４のいずれかに記載のディスク（１０、１２）。
【請求項６】
サーマルバリアコーティング、金属製遮熱材、及びサーマルブランケットから成る群から選択されるサーマルバリア（２０）を含む、請求項１、２、３、４、又は５のいずれかに記載のディスク（１０、１２）。
【請求項７】
前記サーマルバリアコーティングがイットリア安定化ジルコニアを含む、請求項６に記載のディスク（１０、１２）。
【請求項８】
前記金属製遮熱材が、ニッケル、コバルト、鉄、及びそれらの組合せに基づく金属、金属合金、及び金属超合金から成る群から選択される材料を含む、請求項６に記載のディスク（１０、１２）。
【請求項９】
前記サーマルブランケットが低伝導性材料を含む、請求項６に記載のディスク（１０、１２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の実施例は概して、サーマルバリアを含むガスタービンエンジン圧縮機部品、サーマルバリアシステム、及びその用法に関する。より具体的には、本明細書に記載の実施例は概して、ガスタービンエンジン高圧圧縮機軸、及びこれに適用されるサーマルバリアシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空宇宙産業及び発電産業に用いるガスタービンエンジンの有効性には、ますます差し迫った要求が課されている。この要求は、化石燃料の消費、ひいては操業コストを削減する必要性によって押し進められている。タービン効率を改善する方法の１つは、エンジンの運転温度を上昇させることである。例えば、高圧圧縮機は、現在は約７００℃（約１３００°Ｆ）で運転されているが、将来的には運転使用温度が約７８８℃（約１４５０°Ｆ）に到達すると予測されている。
【０００３】
運転温度が上昇すると、圧縮機ディスクの作製に使用する材料等、材料への要求が増加する。これらの材料は、より高い運転温度に耐え得る必要があるばかりでなく、当該産業で期待される寿命要件を持続的に満たしながら、増加する機械的な応力、腐食、浸食、及びその他の厳しい運転条件にも耐える必要がある。
【０００４】
これらの増加する要求を解決する方法の１つは、圧縮機部品の作製に使用する材料の組成及び構造の両方を変更することにより行われる。より具体的には、より高温での運転を可能にするために、材料の組成を変更することもできるが、材料の構造、特に粒径を、クリープ又は疲労のいずれがより重要な特性であるかに応じて、それぞれに増減することもできる。しかし、このような変更を以てしても、上昇する温度において適切に機能する材料を得ることは、未だに難題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７６５５３２１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、ガスタービンエンジンの圧縮機部分の高温、高応力の環境からこれらの材料を保護するための更なる手段に対する要求が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書の実施例は概して、高温流路側と、高温流路側に位置する第一表面を有する軸と、軸の少なくとも第一表面に適用されるサーマルバリアとを含む、ガスタービンエンジン圧縮機ディスクであって、高温流路側が約７００℃（１３００°Ｆ）から約７８８℃（１４５０°Ｆ）の運転使用温度になると、このサーマルバリアが、約７００℃（１３００°Ｆ）未満の軸温度を維持するように作用する、ガスタービンエンジン圧縮機ディスクに関する。
【０００８】
また、本明細書の実施例は概して、圧縮機軸の少なくとも第一表面に適用される、サーマルバリアコーティング、金属製遮熱材、及びサーマルブランケットから成る群から選択されるサーマルバリアを含む、ガスタービンエンジン圧縮機軸の高温流路側用のサーマルバリアシステムであって、高温流路側が約７００℃（１３００°Ｆ）から約７８８℃（１４５０°Ｆ）の運転使用温度になると、このサーマルバリアが、約７００℃（１３００°Ｆ）未満の軸温度を維持するように作用する、ガスタービンエンジン圧縮機軸の高温流路側用のサーマルバリアシステムに関する。
【０００９】
また、本明細書の実施例は概して、高温流路側の第一表面と低温キャビティ側の第二表面とを有する圧縮機軸を準備するステップと、圧縮機軸の少なくとも第一表面にサーマルバリアを適用するステップとを含む、ガスタービンエンジン圧縮機軸の運転使用温度を低下させる方法であって、高温流路側が約７００℃（１３００°Ｆ）から約７８８℃（１４５０°Ｆ）の運転使用温度になると、このサーマルバリアが、約７００℃（１３００°Ｆ）未満の軸温度を維持するように作用する、ガスタービンエンジン圧縮機軸の運転使用温度を低下させる方法に関する。
【００１０】
以下の開示から、当業者には、これら及びその他の特徴、態様、及び利点が明らかになるであろう。  本明細書は、本発明を特に明示し、明瞭にクレームする特許請求の範囲で締め括られているが、同様の参照符号で同様の要素を特定する添付図面に関連した以下の説明から、ここに示す実施形態の理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書の記述に従った高圧圧縮機ディスクの一実施例の模式図である。
【図２】本明細書の記述に従って適用されたサーマルバリアを有する、図１の圧縮機ディスクの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書に記載の実施例は概して、サーマルバリアを含むガスタービンエンジン圧縮機部品、サーマルバリアシステム、及びその用法に関する。より具体的には、本明細書に記載の実施例は、ガスタービンエンジン高圧圧縮機軸、及びこれに適用するサーマルバリアシステムに関する。
【００１３】
本明細書における記述にあたり、タービンエンジン圧縮機部品は概して、いずれのタイプのものであってもよいが、当該部品は、一実施例では約５３７℃（約１０００°Ｆ）から約７８８℃（約１４５０°Ｆ）の運転使用温度となり、一実施例では約７００℃（約１３００°Ｆ）から約７８８℃（約１４５０°Ｆ）の運転使用温度となる、回転圧縮機部品又はその一部である。本明細書に記載の方法及びシステムによる利益を受けるであろう回転圧縮機部品は、その一例として圧縮機ディスクを含むが、これに限定されるべきではない。ディスク全体を保護してもよいが、以下に説明するように、例えばＨＰＣ軸等、ディスクの選択された部分を保護すると、より有利で費用効率が高いであろう。
【００１４】
図１を参照すると、タービンエンジン圧縮機部品１０の典型的な実施例が示されている。前述のように、圧縮機部品１０は、ディスク１２のようないずれの可動タイプのものであってもよい。図１に示すように、圧縮機ディスク１２は軸１４を有する。軸１４は、圧縮機ディスク１２の高温流路側１６に位置する第一表面１３と、圧縮機ディスク１２の低温キャビティ側１７に位置する第二表面１５とを含む。運転時、高温流路側１６と低温キャビティ側１７との間の温度差は、約２３０℃から約４３０℃（約５００°Ｆから約７００°Ｆ）である。運転時と、下記のようなサーマルバリアが無い場合、高温流路側１６からの熱気は、第一表面１３と第二表面１５の両方を含む軸１４全体を、７００℃（約１３００°Ｆ）以上の温度まで加熱する。したがって、本明細書のサーマルバリアを利用することは、軸１４全体、或いはその第一表面１３の保護に有利であろう。サーマルバリアを使用して軸１４の第一表面１３を保護することは、圧縮機ディスク１２の高温流路側１６の運転使用温度が約７８８℃（約１４５０°Ｆ）まで到達することがあったとしても、軸１４の温度を約７００℃（約１３００°Ｆ）の温度に維持する一助となる。
【００１５】
図２を参照すると、圧縮機軸１４は、ニッケル、コバルト、鉄、又はそれらの組合せに基づくものを含む、金属、金属合金、又は金属超合金等、様々な多結晶基板のいずれをも含み得る。一実施例において、軸１４はニッケル基超合金を含む。本明細書全体で使用される「〜基（ｂａｓｅｄ）」とは、金属基板がその他のいずれの元素よりも高い割合で当該元素を含むことを示す。例えば、ニッケル基超合金は、その他のいずれの元素よりもニッケルを多く含む。限定目的ではなく例示目的において、本明細書で使用され得るニッケル基超合金の一例として、通常は、約１３重量％のコバルト、約１６重量％のクロム、約４重量％のモリブデン、約３．７重量％のチタン、約２．１重量％のアルミニウム、約４重量％のタングステン、約０．７０重量％のニオブ、約０．０１５重量％のホウ素、約０．０３重量％のジルコニウム、及び約０．０３重量％の炭素を含み、残りはニッケルと少量の不純物から成る、Ｒｅｎｅ（登録商標）８８（ゼネラルエレクトリック社）が挙げられる。
【００１６】
サーマルバリア２０は、図２に示すように、軸１４の少なくとも一部、特に軸１４の第一表面１３に適用可能である。サーマルバリアは、次の特性、即ち、サーマルバリア２０が適用されていない基板の温度と比較して、バリア２０が、サーマルバリアの厚さ１ｍｍにつき少なくとも約５℃の金属基板の温度低下をもたらし得、一実施例においては、サーマルバリアの厚さ１ｍｍにつき約７℃の温度低下をもたらし得ること；バリア２０が、自身の機能低下を伴うことなく、基板に取り付けられた状態を維持し得ること；バリア２０が、基板と同様の歪み耐性及び熱膨張率を有し得ること、を有する、様々な材料のいずれをも含み得る。具体的には、熱膨張率が、一実施例では約８×１０−６／℃よりも高く、別の実施例では約１０×１０−６／℃よりも高くてもよい。遠心載荷による歪みに適合するべく、サーマルバリア２０は、５Ｍｓｉ未満の面内弾性係数（モジュラス）を有し、一実施例では２Ｍｓｉ未満の面内弾性係数を有し得る。以下に、適切なサーマルバリア２０の例を幾つか記載する。
【００１７】
一実施例において、サーマルバリア２０はサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）を含む。ＴＢＣは通常、例えば７％イットリア安定化ジルコニアのようなセラミック等、ＴＢＣとしての使用に現時点で適している、いずれの低伝導性材料、又は材料の組合せをも含み得る。本明細書で使用する「低伝導性」とは、ＴＢＣの伝導率が軸１４の基板の伝導率よりも低いことを示す。プラズマ溶射法、化学蒸着法、電子ビーム物理的蒸着法、スパッタリング法等を含むがこれらに限定されない従来の適用方法を使用して、ＴＢＣの層がＨＰＣ軸１４に適用される。ＴＢＣは、前述のような所望の温度低下、接着、熱膨張、及び歪み耐性といった特性をもたらす。前述の特性を実現するべくＴＢＣの厚さを調整する方法、並びに、下層の部品を損傷することなくＴＢＣを適用する方法は、当業者には理解できよう。
【００１８】
別の実施例において、サーマルバリア２０は、図２に示すように、高温流路側１６の軸１４の第一表面１３に取り付けられた金属製遮熱材を含み得る。圧縮機部品と同様、この金属製遮熱材は、前述のように、ニッケル、コバルト、鉄、及びそれらの組合せに基づくものを含む、運転時に軸１４が受ける温度と応力に耐え得るいずれの金属、金属合金、又は金属超合金からも作製可能である。遮熱材に適当な材料の幾つかの例として、ＨＳ１８８又はＨＡＳＴＸの商標で市販されている（例えばＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社が発売している）ニッケル合金が挙げられる。金属製遮熱材は、様々な機械的又は化学的な取り付け方法によって、軸１４に取り付けられる。このように遮熱材を設置することは、前述の特性を実現する一助となるであろう。
【００１９】
また別の実施例において、サーマルバリア２０はサーマルブランケットを含む。ＴＢＣと同様、サーマルブランケットは、サーマルブランケットの材料の伝導率が軸１４の基板の伝導率よりも低い、いずれの「低伝導性」材料をも含み得る。この実施例において、サーマルブランケットは、高温流路の空気から軸１４の基板を遮蔽するべく取り付けられる。このように、背面の冷却空気によって、軸１４をより低温に維持することができる。一実施例において、サーマルブランケットにより、軸１４の温度を約５５℃（１００°Ｆ）から約８３℃（１５０°Ｆ）の範囲で低下させることができる。前述の特性を実現するべくサーマルブランケットの厚みを調整する方法は、当業者には理解できよう。
【００２０】
本明細書に記載の、ＨＰＣ軸に適用するサーマルバリアにより、軸に到達する熱量を減少させることができる。こうした熱の減少の結果、ＨＰＣ軸への熱応力を減少させると共に、軸の運転使用温度を低下させることができる。サーマルバリアの追加により、性能を損なうことなく、現在使用されているものよりも低い温度性能を有する材料から回転圧縮機部品を作製できるようになる。  本明細書では、最適な態様も含め、例を用いて本発明を開示しており、これによって当業者は、本発明を実施及び利用できる。本発明の特許請求の範囲は、請求項に明示されているが、当業者に想到可能なその他の例も含み得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を含む場合、又は請求項の文言と殆ど変わらない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれることを意図している。
【符号の説明】
【００２１】
１０  圧縮機部品
１２  圧縮機ディスク
１３  第一表面
１４  軸
１５  第二表面
１６  高温流路側
１７  低温キャビティ側
２０  サーマルバリア
【図１】
2011241832.tif 000003
【図２】
2011241832.tif 000004