(57)【要約】【課題】狭いクリアランスを介して互いに隣接するエンジン構成要素間の相互摩擦を改良する。【解決手段】ガスタービンエンジン構成要素２４は、半径方向外端部３４および半径方向内端部３６を有するエアフォイルを備える。シール部材３２が、エアフォイルの半径方向内端部３６に隣接して配置される。エアフォイルの半径方向内端部３６のチップ３８は、磨耗性材料によってコーティングされる。シール部材３２は、研磨材料によってコーティングされる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン構成要素であって、
半径方向外端部および半径方向内端部を有するエアフォイルと、
前記エアフォイルの前記半径方向内端部に隣接するシール部材と、
を備え、
前記エアフォイルの前記半径方向内端部のチップが、磨耗性材料によってコーティングされ、前記シール部材が、研磨材料によってコーティングされることを特徴とするガスタービンエンジン構成要素。
【請求項２】
前記構成要素は、圧縮機ステータベーンであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項３】
前記シール部材が、ロータシールランドを含むことを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項４】
前記エアフォイルが、前記半径方向外端部において固定され、前記半径方向内端部では、支持されないことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項５】
前記磨耗性材料が、酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項６】
前記酸化ジルコニウムは、イットリア安定化酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする請求項５に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項７】
前記イットリア安定化酸化ジルコニウムが、約１１〜１４％のイットリアを含むことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項８】
前記イットリア安定化酸化ジルコニウムが、約６〜８％のイットリアを含むことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項９】
前記イットリア安定化酸化ジルコニウムが、約１８．５〜２１．５％のイットリアを含むことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項１０】
前記研磨材料が、立方晶窒化ホウ素、酸化ジルコニウムおよび酸化アルミニウムの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項１１】
前記構成要素の母材が、前記磨耗性材料のコーティングよりも磨耗し難いことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン構成要素。
【請求項１２】
ガスタービンエンジンであって、
エンジン中心軸の周りに周方向に延びるエンジンケーシングと、
前記エンジンケーシング内の圧縮機セクション、燃焼器セクションおよびタービンセクションと、
を備え、
前記圧縮機セクションおよび前記タービンセクションの少なくとも１つは、少なくとも１つのエアフォイルと、該少なくとも１つのエアフォイルに隣接する少なくとも１つのシール部材と、を備え、前記少なくとも１つのエアフォイルのチップが、磨耗性材料によってコーティングされ、前記少なくとも１つのシール部材が、研磨材料によってコーティングされることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのエアフォイルが、圧縮機ステータベーンを含むことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのエアフォイルが、複数の回転ロータブレード列の各々の間において前記エンジン中心軸の周りに周方向に配置された複数の圧縮機ステータベーンを含むことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのシール部材が、複数のロータシールランドを含み、該複数のロータシールランドの１つは、前記複数の回転ロータブレード列の各々の間に延びることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのエアフォイルが、半径方向外端部において前記エンジンケーシングに取り付けられ、前記少なくとも１つのエアフォイルの前記チップが、前記少なくとも１つのエアフォイルの前記半径方向外端部と反対側の端部に配置されることを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
前記磨耗性材料が、酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
前記磨耗性材料が、イットリア安定化酸化ジルコニウムを含むことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１９】
前記研磨材料が、立方晶窒化ホウ素、酸化ジルコニウムおよび酸化アルミニウムの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのエアフォイルの母材が、前記磨耗性材料のコーティングよりも磨耗し難いことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、ガスタービンエンジンに関し、さらに詳細には、ガスタービンエンジンの磨耗性構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、通常、圧縮機セクション、燃焼器セクションおよびタービンセクションを備える。空気が、圧縮機セクション内で加圧され、燃焼器セクション内で燃料と混合され、かつ燃焼され、これによって、空気を膨張させると共に、この空気流をタービンセクション内に加速する熱エネルギを生成する。燃焼器セクションから流出した高温燃焼ガスは、タービンセクションを通って下流に流れ、この結果、膨張した高温燃焼ガスから運動エネルギが抽出され、この運動エネルギがシャフト馬力に変換され、圧縮機セクションを駆動する。
【０００３】
ガスタービンエンジンの圧縮機セクションは、通常、高圧レベルを得るために複数の圧縮段を備える。各圧縮段は、ステータベーンと呼ばれる静翼の列およびこれに続くロータブレードと呼ばれる動翼の列から構成される。ステータベーンは、流入する空気流を隣接する一連のロータブレードに導く。
【０００４】
ガスタービンエンジンの運転および効率は、構成要素の設計、製造公差、エンジンのクリアランスおよび相互摩擦を含む多くの因子によって影響される。半径方向外端部において取り付けられる片持ち圧縮機ステータベーン（すなわち、エンジンケーシングに隣接する端部が取り付けられるステータベーン）が知られている。各ステータの半径方向内端部は、支持されず、隣接ロータ段間に延びるロータシールランドに隣接して配置される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
片持ちステータベーンのチップとロータシールランドとの間のクリアランスの大きさを小さくする試みがなされている。例えば、エンジンの最初の運転中に、ステータチップがロータシールランドに嵌め込まれた研磨部分を擦り、これによって、ステータベーンとロータシールランドとの間に適切に選択されたクリアランスをもたらす片持ちステータベーンが知られている。この摩擦によって、一般的には、少なくとも約０．００５インチ（約０．１３ｍｍ）のクリアランスが、２つの構成要素間に形成される。従って、このように形成されたクリアランスは、飛行サイクルにおいてクリアランスが最も狭くなる時点（すなわち、ロータブレードおよびステータベーンが、熱膨張によって最も拡大する飛行サイクルの時点）において、ロータシールランドがステータベーンのチップとわずかに接触するような大きさである。従って、飛行サイクルの大部分において、空気流は、ステータベーンとロータシールランドとの間から漏れ、再循環し、この結果、ガスタービンエンジンの非効率かつ不安定な運転が生じることがある。さらに、エンジンの最初の運転中に、ステータベーンとロータシールランドの研磨部分との間の過剰な相互摩擦によって、ベーンチップの損傷、マッシュルーミング（ｍｕｓｈｒｏｏｍｉｎｇ）、隣接するロータへの金属転移およびロータの溶落ち（ｂｕｒｎ  ｔｈｒｏｕｇｈ）が生じることがある。
【０００６】
従って、ガスタービンエンジンにおいて、エンジンの効率および安定性を改良するために、狭いクリアランスを介して互いに隣接するエンジン構成要素間の相互摩擦を改良することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ガスタービンエンジン構成要素は、半径方向外端部および半径方向内端部を有するエアフォイルを備える。エアフォイルの半径方向内端部に隣接してシール部材が配置される。エアフォイルの半径方向内端部のチップは、磨耗性材料によってコーティングされる。シール部材は、研磨材料によってコーティングされる。
【０００８】
ガスタービンエンジンは、エンジンケーシングと、このエンジンケーシング内の圧縮機セクション、燃焼器セクションおよびタービンセクションと、を備える。圧縮機セクションおよびタービンセクションの少なくとも１つは、エアフォイルと、このエアフォイルに隣接するシール部材と、を備える。エアフォイルのチップは、磨耗性材料によってコーティングされ、シール部材は、研磨材料によってコーティングされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、（直列に流体連通して配置された）ファンセクション１２、低圧圧縮機１４、高圧圧縮機１６、燃焼器１８、高圧タービン２０および低圧タービン２２を備えるガスタービンエンジン１０を示している。運転中、空気が、ファンセクション１２によってガスタービンエンジン１０内に引込まれ、圧縮機１４，１６によって加圧され、燃焼器１８内において、燃料と混合され、燃焼される。燃焼器１８内に生じた高温燃焼ガスは、高圧タービン２０および低圧タービン２２を通って流れ、これによって、高温燃焼ガスからエネルギが抽出される。２スプール設計では、高圧タービン２０は、高温燃焼ガスから抽出されたエネルギを利用し、高速シャフト１９を介して高圧圧縮機１６に動力を供給し、低圧タービン２２は、高温燃焼ガスから抽出されたエネルギを利用し、低速シャフト２１を介してファンセクション１２および低圧圧縮機１４に動力を供給する。しかし、本発明は、ここに述べる２スプールガスタービン構造に制限されるものではなく、単一スプール軸流設計、３スプール軸流設計などの他の構造と共に用いられてもよい。すなわち、本発明は、任意のガスタービンエンジンに適用されてもよく、また任意の用途に適用されてもよい。
【００１０】
図２は、複数の圧縮段を備える圧縮機セクション１４，１６の一部を示している。各圧縮段は、ステータベーン（静翼）２４の列およびこれに続くロータブレード（動翼）２６の列を備える。圧縮段は、エンジン中心軸Ａの周りに周方向に配置される。３つの圧縮段しか示されていないが、実際の圧縮機セクション１４，１６は、任意の数の圧縮段を備えてもよい。
【００１１】
圧縮機セクション１４，１６は、複数のディスク２８を備える。これらのディスク２８は、エンジン中心軸Ａを中心として回転し、ロータブレード２６を回転させる。各ディスク２８は、ディスクリム３０を備える。各ディスクリムは、複数のロータブレード２６を支持する。ロータブレード２６の隣接列のそれぞれのディスクリム３０の間に、各ディスクリム３０からロータシールランド３２のようなシール部材が延びている。
【００１２】
一例では、ステータベーン２４は、片持ちステータベーンである。すなわち、ステータベーン２４は、その半径方向外端部３４において、エンジンケーシング４０または他の構造体に固定され、半径方向内端部３６では支持されていない。半径方向内端部３６は、半径方向外端部３４の反対側にある。これらの互いに反対側の外端部３４と内端部３６との間に、エアフォイル２５が延びている。各ステータ２４の半径方向内端部３６のチップ３８が、互いに隣接するディスクリム３０間に延びるロータシールランド３２の近傍まで延びている。半径方向外端部３４は、圧縮機セクション１４，１６、燃焼器セクション１８およびタービンセクション２０，２２を囲むエンジンケーシング４０に取り付けられる。各ステータ２４のチップ３８は、圧縮機内の空気流の再循環を制限するために、ロータシールランド３２と接触してもよい。
【００１３】
図３を参照すると、各ステータ２４のチップ３８とロータシールランド３２の外側面４４との間の空間内にクリアランスＸが延びている。このクリアランスＸは、ステータベーン２４とロータシールランド３２との間の相互作用を良好に説明するために、実際よりも著しく大きく描かれていることを理解されたい。一例では、ステータベーン２４とロータシールランド３２との間に画定されるクリアランスＸは、ゼロ（すなわち、ステータベーン２４がロータシールランド３２と完全に接触する状態を引き起こす値）に可能な限り近い値に設定される。本発明の利得を有する当業者であれば、ガスタービンエンジン１０の最大効率を達成するように、ステータベーン２４とロータシールランド３２との間の適切なクリアランスＸを設計することができるだろう。
【００１４】
ステータベーン２４のチップ３８は、磨耗性（ａｂｒａｄａｂｌｅ）材料４２によってコーティングされる。従って、チップ３８は、ステータベーン２４の残りの部分よりも磨耗し易い（すなわち、ステータベーン２４の母材は、磨耗性材料４２よりも磨耗し難い）。これに対応して、各ロータシールランド３２の外側面４４は、研磨（ａｂｒａｓｉｖｅ）材料４６によってコーティングされる。磨耗性材料４２は、摩擦を受けたときに損耗するように設計され、研磨材料４６は、磨耗性材料４２の磨耗を誘発するように設計される。従って、研磨材料４６は、磨耗性材料４２よりも低い磨耗率で損耗する。磨耗性材料４２および研磨材料４６の実際の被膜厚みは、設計の特定パラメータ、例えば、制限されないが、ガスタービンエンジン１０の大きさおよび機種に基づいて変更される。
【００１５】
一例では、研磨材料４６は、立方晶窒化ホウ素である。他の例では、研磨材料は、酸化ジルコニウムである。酸化ジルコニウムは、イットリア安定化酸化ジルコニウムであってもよい。イットリア安定化酸化ジルコニウムの一例として、約１１〜１４％のイットリアによって安定化された酸化ジルコニウムが挙げられる。イットリア安定化酸化ジルコニウムの他の例として、約６〜８％のイットリアによって安定化された酸化ジルコニウムが挙げられる。イットリア安定化酸化ジルコニウムの別の例として、約１８．５〜２１．５％のイットリアによって安定化された酸化ジルコニウムが挙げられる。ここで組成に関連して用いられる「約」という用語は、本技術分野において標準的に許容されるバラツキまたは公差のような組成百分率の生じる可能性のある変動を指す。研磨材料の別の例として、酸化アルミニウムが挙げられる。
【００１６】
磨耗性材料４２の一例として、酸化ジルコニウムが挙げられる。磨耗性材料４２の他の例として、イットリア安定化酸化ジルコニウムが挙げられる。磨耗性材料４２および研磨材料４６に他の材料が利用されてもよいことを理解されたい。本発明の利得を得る当業者であれば、磨耗性材料４２および研磨材料４６として用いられる適切な材料を選択することができるだろう。当業者によって理解され得るように、酸化ジルコニウムを研磨材料４６および磨耗性材料４２の両方に用いることができる。この例では、ロータシールランド３２にコーティングされる酸化ジルコニウム（すなわち、研磨材料４６）は、ステータベーン２４のチップ３８にコーティングされる酸化ジルコニウム（すなわち、磨耗性材料４２）を研磨する。
【００１７】
一例では、磨耗性材料４２および研磨材料４６は、溶射によってコーティングされる。研磨材料４６が立方晶窒化ホウ素からなる他の例では、この研磨材料４６は、電気めっきによってコーティングされる。本発明の範囲から逸脱しない限り、他のコーティング方法も考えられる。
【００１８】
各ステータ２４のチップ３８に磨耗性材料４２を用いると共に、ロータシールランド３２に研磨材料４６を用いることによって、ステータベーン２４とロータシールランド３２との間に画定されるクリアランスＸを減少させることができる。ガスタービンエンジン１０の運転中、ガスタービンエンジン１０の構成要素は、高抑え角の離着陸飛行状態において、熱膨張、遠心負荷および高操縦負荷を受けることがある。この種の状態下では、ステータベーン２４がロータシールランド３２を擦る可能性がある。この相互摩擦中、ステータベーン２４の磨耗性材料４２は、ロータシールランド３２にコーティングされた研磨材料４６を擦り、これによって、磨耗性材料４２の一部が磨耗し、微細な粉塵を生じる。この微細な粉塵は、無害である。
【００１９】
ステータベーン２４とロータシールランド３２との間の相互摩擦により生じる熱は僅かである。ステータベーン２４とロータシールランド３２との間のより狭いクリアランスによって、ガスタービンエンジン内の空気流の再循環が低減し、エンジン効率および構成要素の安定性が改良される。一例では、ガスタービンエンジン１０の最大効率を達成するために、ステータベーン２４は、エンジン運転中（図４参照）、ロータシールランド３２と完全に接触する（すなわち、線接触する）。加えて、ステータベーン２４のチップ３８にコーティングされた磨耗性材料４２が、遮熱効果をもたらすので、ステータベーン２４の母材の熱損傷が防止される。従って、ガスタービンエンジン１０は、損傷の危険性を低く抑えて、高温で運転可能である。
【００２０】
ここに例示された磨耗性コーティングおよび研磨コーティングを含む例示的な構成要素は、ガスタービンエンジンの圧縮機セクションと関連して開示されているが、ガスタービンエンジンの任意の他の互いに隣接する構成要素、例えば、制限されないが、タービンステータベーンおよびスライドシール形式の係合部を有する構成要素が、狭いクリアランスを介して互いに隣接し、このような狭いクリアランスを有するこれらの互いに隣接する構成要素間の相互摩擦を改良するために、それぞれ、磨耗性材料および研磨材料を備えることができることを理解されたい。すなわち、本発明は、圧縮機ステータベーンに制限されず、任意のガスタービンエンジン構成要素に適用されてもよい。
【００２１】
前述の説明は、単なる例示にすぎず、制限的な意味に解釈されてはならない。当業者であれば、いくつかの修正が本発明の範囲内においてなされてもよいことを認めるだろう。この理由から、本発明の真の範囲および内容を決定するには、特許請求の範囲を検討されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガスタービンエンジンの一般的な斜視図である。
【図２】ガスタービンエンジンの圧縮機セクションの断面図である。
【図３】ガスタービンエンジンの圧縮機セクションの概略図である。
【図４】図１に示されるガスタービンエンジンの磨耗性構成要素の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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