(57)【要約】【課題】時間、作業および費用が減じられているのと同時に、防護すべき熱暴露構成要素の面への複数のタイルの各々の正確な位置決めおよび結合が確保されているようにする。【解決手段】少なくとも２つの別個の耐熱防護構成要素２を準備するステップと、該熱防護構成要素２の上面および／または下面および／または少なくとも１つの側面をフレキシブルな手段１，４によって結合し、該フレキシブルな手段１，４を熱防護構成要素２に接着材料３によって固定して、一体的にハンドリング可能なユニットを得るステップと、各熱防護構成要素２の面を熱暴露構成要素の面に当て付けて、ろう付けすることによって、一体的にハンドリング可能なユニットを固定するステップと、ろう付け後、これに続く酸化的な熱ステップ中にフレキシブルな手段１，４の材料と接着材料３とを完全燃焼させるステップとを有している。【選択図】図１
2015059083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱暴露構成要素の面に耐熱防護構成要素（２）を１つの面（５）で設ける方法において、該方法が、
少なくとも２つの別個の耐熱防護構成要素（２）を準備するステップと、
該少なくとも２つの別個の熱防護構成要素（２）の上面および／または下面および／または少なくとも１つの側面をフレキシブルな手段（１，４）によって結合し、該フレキシブルな手段（１，４）を前記熱防護構成要素（２）に接着材料（３）によって固定して、一体的にハンドリング可能なユニットを得るステップと、
各熱防護構成要素（２）の前記面（５）を前記熱暴露構成要素の前記面に当て付けて、ろう付けすることによって、前記一体的にハンドリング可能なユニットを固定するステップと
を有しており、
前記フレキシブルな手段（１，４）が、保護雰囲気、すなわち、酸素を含んでいない雰囲気または酸素の量が減じられた雰囲気のもと７００℃〜１２００℃のプロセス温度で実施される前記ろう付けに耐えられる材料から形成されており、
前記接着材料（３）が、保護雰囲気、すなわち、酸素を含んでいない雰囲気または酸素の量が減じられた雰囲気のもと７００℃〜１２００℃のプロセス温度で実施される前記ろう付けに耐えられるようになっており、
該ろう付け後、これに続く酸化的な熱ステップ中に前記両材料を完全燃焼させる
ことを特徴とする、熱暴露構成要素の面に耐熱防護構成要素を１つの面で設ける方法。
【請求項２】
前記酸化的な熱ステップ中に水蒸気を加える、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素（２）を結合するために、前記フレキシブルな手段としてのネットメッシュ（１）を準備して、前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素（２）に、前記熱暴露構成要素の面領域に適合された面（５）と反対の側で固定する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素（２）を結合するために、前記フレキシブルな手段としてのスペーサエレメント（４）を、相並んで配置された前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素（２）の間に付加する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素（２）が、プレート状であって、セラミック材料から成っており、前記フレキシブルな手段（１，４）が、炭素から製造されているかまたは真空ろう付け状況下で炭化する有機化合物から製造されており、
前記フレキシブルな手段（１，４）を前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素（２）に黒鉛ペーストまたは炭素ペースト（３）によって固定する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱にさらされる構成要素（本願では「熱暴露構成要素」と呼ぶ）の面、たとえばガスタービン装置または蒸気タービン装置のタービンの構成要素としての燃焼器の燃焼器ライナ、ベーン、ブレードまたは遮熱エレメントの面に耐熱防護構成要素を設ける方法に関する。
【０００２】
特にガスタービン装置に使用するために製造された構成要素の材料の熱的な安定性は、１４００℃を上回る範囲のプロセス温度に耐えるのに十分に高いとは云えない。したがって、最近ないし今後のガスタービン装置および蒸気タービン装置では、熱暴露構成要素を高温ストレスに対して防護するために、大変な努力が払われなければならない。第１には、熱暴露構成要素を冷却技術によって、たとえば熱暴露構成要素の内部に設けられた冷却通路を通過するように冷却空気を圧力下で供給することによって冷却することができる。第２には、構成要素が、少なくとも特に高い熱負荷にさらされる領域において熱防護層で覆われる。
【背景技術】
【０００３】
従来の熱防護層は、いわゆる「遮熱コーティング（ＴＢＣ）」である。この遮熱コーティングは、構成要素を長期にわたる大きな熱負荷から正式に断熱するための極めて高度な材料系である。
【０００４】
現在の遮熱コーティング（ＴＢＣ）は、そのマイクロ構造をプロセスパラメータから制御する能力の制限およびプラズマ溶射のために適した材料の選択の減少のため、極めて高度なガスタービンへの適用限界に達している。このような限界を克服するための１つの方法は、ＴＢＣから離れて、このＴＢＣを、いわゆる「セラミックタイル」に置き換えることである。このセラミックタイルは、熱暴露構成要素の面に種々異なる固定技術によって固定することができる。
【０００５】
米国特許第４５６３１２８号明細書では、セラミックタイルが、タービンブレードの側面領域に設けられた鳩尾状の切欠き内に緊締されている。
【０００６】
欧州特許第０８９５０２８号明細書には、燃焼室に用いられるセラミックライニングが開示されている。このセラミックライニングは、耐熱構造セラミックスから製造された少なくとも１つの壁パネルを有している。この壁パネルは開口を備えている。この開口を通して、固定エレメント、たとえばねじが、前述した壁パネルを燃焼器の内壁に固定するために配置されている。
【０００７】
米国特許第７１９８８６０号明細書および米国特許出願公開第２０１０／０２６０９６０号明細書には、ガスタービン構成要素の熱暴露面に結合された複数のセラミックタイルによるガスタービン構成要素に対するセラミックタイル断熱が開示されている。個々のセラミックタイルの第１の層は、セラミック材料から成るガスタービン構成要素の面に結合されている。個々のタイルの第２の層は第１の層の上面に結合されている。複数のタイルは、フレキシブルなスクリム、たとえばセラミック織布に取り付けられてよい。両明細書には、複数のタイルを有する１つの完全なシートがガスタービン構成要素に接着剤によって設けられてよいことも記載されている。
【０００８】
１つの特別な試みは、少なくとも熱暴露構成要素の、作業状況下で特有の高温ストレスを被る面領域を、共に一貫した熱防護層面を形成する単一セラミックプレート状の複数のタイルによって覆うことである。これに関連した１つの特別な試みは、少なくとも熱暴露構成要素の、作業状況下で特有の高温ストレスを被る面領域を、個々にハンドリングされて面に固定されなければならない単一セラミックプレート状の複数のタイルによって覆うことである。このようなセラミックタイルには、湾曲および高い温度勾配が課せられるので、良好な所望の構成要素形状を実現しかつ高い温度勾配下で生じる亀裂のリスクを抑制するために、可能な限り小さなタイルの使用が必要となる。このようなセラミックタイルは、熱暴露構成要素、たとえばタービンプレートの金属面にろう付け技術によって取り付けられてもよい。しかしながら、高温面での熱膨張のため、最小のタイル間隔に関して、加熱時の膨張中にタイル同士が互いに分離することを防止することが必要となる。実際の問題として、それぞれ１つのセラミックタイルを規定の位置にハンドリングしかつタイルを熱暴露構成要素の面に結合することには、本発明により減少させたい莫大な時間と作業費用とがかかってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４５６３１２８号明細書
【特許文献２】欧州特許第０８９５０２８号明細書
【特許文献３】米国特許第７１９８８６０号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１０／０２６０９６０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、熱暴露構成要素の面に耐熱防護構成要素を設ける方法を改良して、時間、作業および費用が減じられているのと同時に、防護すべき熱暴露構成要素の面への複数のタイルの各々の正確な位置決めおよび結合が確保されているようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題を解決するために、本発明に係る方法では、該方法が、少なくとも２つの別個の耐熱防護構成要素を準備するステップと、該少なくとも２つの別個の熱防護構成要素の上面および／または下面および／または少なくとも１つの側面をフレキシブルな手段によって結合し、該フレキシブルな手段を前記熱防護構成要素に接着材料によって固定して、一体的にハンドリング可能なユニットを得るステップと、各熱防護構成要素の前記面を前記熱暴露構成要素の前記面に当て付けて、ろう付けすることによって、前記一体的にハンドリング可能なユニットを固定するステップとを有しており、前記フレキシブルな手段が、保護雰囲気、すなわち、酸素を含んでいない雰囲気または酸素の量が減じられた雰囲気のもと７００℃〜１２００℃のプロセス温度で実施される前記ろう付けに耐えられる材料から形成されており、前記接着材料が、保護雰囲気、すなわち、酸素を含んでいない雰囲気または酸素の量が減じられた雰囲気のもと７００℃〜１２００℃のプロセス温度で実施される前記ろう付けに耐えられるようになっており、該ろう付け後、これに続く酸化的な熱ステップ中に前記両材料を完全燃焼させる。
【００１２】
本発明に係る方法の好ましい態様では、前記酸化的な熱ステップ中に水蒸気を加える。
【００１３】
本発明に係る方法の好ましい態様では、前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素を結合するために、前記フレキシブルな手段としてのネットメッシュを準備して、前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素に、前記熱暴露構成要素の面領域に適合された面と反対の側で固定する。
【００１４】
本発明に係る方法の好ましい態様では、前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素を結合するために、前記フレキシブルな手段としてのスペーサエレメントを、相並んで配置された前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素の間に付加する。
【００１５】
本発明に係る方法の好ましい態様では、前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素が、プレート状であって、セラミック材料から成っており、前記フレキシブルな手段が、炭素から製造されているかまたは真空ろう付け状況下で炭化する有機化合物から製造されており、前記フレキシブルな手段を前記少なくとも２つの別個の熱防護構成要素に黒鉛ペーストまたは炭素ペーストによって固定する。
【発明の効果】
【００１６】
熱暴露構成要素の面に耐熱防護構成要素、たとえばセラミックタイルを１つの面で設ける方法は、
少なくとも２つの別個の耐熱防護構成要素を準備するステップと、
この少なくとも２つの別個の熱防護構成要素の上面および／または下面および／または少なくとも１つの側面をフレキシブルな手段によって結合し、このフレキシブルな手段を熱防護構成要素に接着材料によって固定して、一体的にハンドリング可能なユニットを得るステップと、
各熱防護構成要素の面を熱暴露構成要素の面に当て付けて、ろう付けすることによって、一体的にハンドリング可能なユニットを固定するステップと
を有しており、
前記フレキシブルな手段が、保護雰囲気、すなわち、酸素を含んでいない雰囲気または酸素の量が減じられた雰囲気のもと７００℃〜１２００℃のプロセス温度で実施されるろう付けに耐えられる材料から形成されており、
接着材料が、保護雰囲気、すなわち、酸素を含んでいない雰囲気または酸素の量が減じられた雰囲気のもと７００℃〜１２００℃のプロセス温度で実施されるろう付けに耐えられるようになっており、
本発明に係る方法が、さらに、ろう付け後、これに続く酸化的な熱ステップ中に前述した両材料を完全燃焼させるステップを有している。
【００１７】
好適な態様では、炭素材料をより迅速に完全燃焼させるために、酸化的な熱ステップ中に水蒸気が加えられる。
【００１８】
本発明に係る方法の第１のステップでは、好適な態様においてプレート形状を有する少なくとも２つ、好ましくは複数の別個の熱防護構成要素、たとえばセラミックタイルが、組付け面に相並んで配置される。以下では、可能な熱防護構成要素の形状およびサイズを限定することなしに、熱防護構成要素の代わりに、「セラミックタイル」という表現を使用することにする。全てのセラミックタイルは、必ずしも同一の形状およびサイズである必要はなく、熱暴露構成要素に対する面領域に適合された面を備えている。全てのセラミックタイルは、フレキシブルな手段によって結合されている。すなわち、それぞれ２つの隣り合って配置されたタイルが、フレキシブルな手段によって結合され、これによって、個々のタイルが互いに相対的に位置変化することができないように、全てのセラミックタイルが、ワンピースで取り扱うことができる敷きマットと同程度のフレキシブルな網状のユニットになっている。
【００１９】
次のステップでは、熱暴露構成要素の面への各セラミックタイルの面の当付けおよびろう付けによって、一体的にハンドリング可能なユニットが固定される。全て一緒に結合された全セラミックタイルのろう付けは、１回のステップで実施することができ、これによって、全作業費用を大幅に削減することができる。
【００２０】
第１の好適な態様では、少なくとも２つの別個のセラミックタイルを結合するために、フレキシブルな手段としてのネットメッシュが準備され、少なくとも２つのセラミックタイルに、これらのタイルの、熱暴露構成要素の面領域に適合される面と反対の側に位置する面で固定される。
【００２１】
好ましくは、ネットメッシュが、炭素繊維ネットから製造されているかまたは真空ろう付け状況下で炭化する有機化合物から製造されている。ネットメッシュは、少なくとも２つの個々のセラミックタイルに炭素黒鉛ペーストによって取り付けられている。少なくとも２つの別個のタイルをフレキシブルな手段によって結合する前には、それぞれ２つの隣り合ったタイルが、たとえば５０μｍの範囲のギャップ幅を有する規定のギャップを画定している１つの共通のモザイク状の面状構造体を得るために、セラミックタイルの各々の形状および向きが適合されなければならない。
【００２２】
好ましくは、炭素ネットメッシュによってフレキシブルに組み合わされた複数のセラミックタイルから成るモザイク状の面状組合せ構造体は、熱防護すべき面に当て付けられた後、熱暴露構成要素の輪郭を保護する輪郭を覆っていてよい。
【００２３】
フレキシブルな手段によって結合された複数の個々のセラミックタイルから成る一体的にハンドリング可能なユニットを固定するためには、ろう付けが保護雰囲気で実施され，これによって、ネットメッシュ材料も接着材料も損なわれないままであり、熱防護構成要素が相互間で個々に運動することを防止している。ろう付け後、酸化的な燃焼ステップが、前述した材料を燃焼除去し、熱暴露構成要素の面を覆っている複数のセラミックタイルの完全に等間隔の配置が残されている。
【００２４】
炭素繊維ネットメッシュの使用に対して択一的または付加的には、２つの隣り合った熱防護構成要素の間のスペースにフレキシブルな手段として炭素スペーサエレメントまたは黒鉛スペーサエレメントが付加されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ａ）は、モザイク状に配置された９つの別個の熱防護構成要素の斜視図であり、ｂ）は、少なくとも２つの別個の熱防護構成要素をフレキシブルな手段によって結合する１つの方法を示す図であり、ｃ）は、ｂ）に対して択一的な方法を示す図である。
【図２】ａ）は、熱暴露構成要素にろう付けされる面の構造化前後の熱防護構成要素の断面図であり、ｂ）は、分割前後の熱防護構成要素の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。
【００２７】
図１ａ）には、モザイク状に配置された９つの別個の熱防護構成要素２の斜視図が示してある。これらの熱防護構成要素２は、全て同一の方形の形状およびサイズのセラミックタイルである。これらのセラミックタイル２は、１つの同一の平面内に相並んで配置されていて、たとえば５０μｍのギャップ幅を有するギャップを互いに画定していて、炭素繊維ネットメッシュ１の形態のフレキシブルな手段によって結合されている。当然ながら、ろう付けのために必要となる高い温度に耐えられる別種の材料が使用されてもよい。炭素繊維ネットメッシュ１は、９つのセラミックタイル２を全て同一の側で結合している。炭素繊維ネットメッシュ１は、それぞれ１つのセラミックタイル２に、図１ｂ）に示した接着黒鉛ペーストまたは接着炭素ペースト３によって固定されている。
【００２８】
択一的にはまたは炭素繊維ネットメッシュ１と組み合わせて、図１ｃ）に示したように、２つの隣り合ったセラミックタイル２の、互いに向かい合った２つの側縁部の各々を、炭素スペーサエレメントまたは黒鉛スペーサエレメント４が結合している。
【００２９】
熱防護構成要素２の各々の基本的な形状およびサイズは、熱的に防護する目的のために、熱暴露構成要素の面に個々に適合されてよい。
【００３０】
熱暴露構成要素（図示せず）の面への、図１ａ）に示したフレキシブルな炭素ネットメッシュ１により互いに結合された多数のセラミックタイル２の配置の適用ためには、セラミックタイル２の、炭素繊維ネットメッシュ１と反対の側に位置する面が、熱暴露構成要素の面に接触し、この構成要素にろう付けによって固定されるようになっている。
【００３１】
ろう付け中の炭素繊維ネットメッシュ１と黒鉛ペーストまたは炭素ペースト３とのあらゆる崩壊を回避するためには、炭素材料および黒鉛材料が、１２００℃までのプロセス温度に耐えられなければならない。この理由のために、ろう付けは、真空ろう付け状況下でまたは保護雰囲気内で行われるようになっている。ろう付け後、これに続く酸化的な熱サイクル中に炭素繊維ネットメッシュ１と黒鉛ペーストまたは炭素ペースト３とを除去することができる。炭素材料のより迅速な完全燃焼のためには、酸化的な熱サイクル中に酸化的な雰囲気に水蒸気が加えられてよい。
【００３２】
図２ａ）には、相互間にマイクロギャップを画定するように相並んで配置されていて、フレキシブルな炭素繊維ネットメッシュ１または同程度のフレキシブルな手段、たとえばポリマフィルムから成る耐熱テープにより結合された２つのセラミックタイル２の横断面図が示してある。モザイク状のタイル配置が適用されなければならない熱暴露構成要素の面輪郭に各セラミックタイル２の面を適合させるためには、各セラミックタイル２の面５を特有の製作ステップ、たとえば放電加工技術または研摩加工技術によって構造化することができる。このことは、図２ａ）に示してある。
【００３３】
図２ｂ）には、当初単一のセラミックタイル２’を、それぞれ異なる形状およびサイズを有していて、炭素ネットメッシュ１により結合される複数のセラミックタイル２’’に切断して分割することに対する１つの例が示してある。それぞれ１つのセラミックタイル２’’の幾何学形状は、熱暴露構成要素の立体的に湾曲させられた輪郭を、図２ｂ）に示したモザイク状に配置された特有の別個のセラミックタイル２’’によって連続的に覆うことができるように選択されている。各セラミックタイル２’’は熱暴露面において、５０μｍ以上６００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下に寸法設定されたギャップによって分離されている。
【００３４】
当然ながら、本願は、前述した実施の形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３５】
１  フレキシブルな手段、ネットメッシュ
２  熱防護構成要素、たとえばセラミックタイル
２’  単一のセラミックタイル
２’’  別個のセラミックタイル
３  黒鉛ペーストまたは炭素ペースト
４  スペーサエレメント、炭素スペーサまたは黒鉛スペーサ
５  構造化された面
【図１】
2015059083.tif 000003
【図２】
2015059083.tif 000004
【外国語明細書】
2015059083.tif 000005
2015059083.tif 000006
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