(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンケーシングに結合するための支持面と、
前記支持面に結合され、回転するタービン動翼の先端の周囲走行軌跡の近くでの方向付けのために適合される基材表面を有する溶射されたセラミックおよび金属の摩滅可能基材と、
前記基材表面から、前記周囲走行軌跡の大部分にわたって突出し、前記摩滅可能基材の表面に対して高台の高さを有する連続する表面高台で途切れる一対の第1の対向する側壁を有する細長い第1の隆条であって、前記高台が平面形の断面の幅および長さを定める、細長い第1の隆条と、
前記高台から突出する複数の第2の隆条であって、前記第2の隆条が前記第1の隆条より小さいせん断抵抗を有するように選択される間隔、平面形の断面、高さ寸法、および溝寸法を有する複数の第2の隆条と
を備えるタービンの摩滅可能構成部品。
【請求項２】
複数の第1の隆条を備え、溝のパターン化された配列が前記第1の隆条間に形成される、請求項1に記載の構成部品。
【請求項３】
前記第1の隆条に形成される交差する溝を備える、請求項1に記載の構成部品。
【請求項４】
少なくとも1つの対の隣接する第1の隆条に横断して方向付けられ結合される複数の第3の隆条をさらに備える、請求項1に記載の構成部品。
【請求項５】
前記複数の第2の隆条が共通の高さを有する、請求項1に記載の構成部品。
【請求項６】
前記第2の隆条の少なくとも一部分が、前記第2の隆条の残部よりもより摩滅しやすいかあるいは摩滅しにくい摩滅可能材料から形成された先端を備える、請求項1に記載の構成部品。
【請求項７】
各々の第2の隆条が、前記高台の平面形の断面より小さいそれぞれの平面形の断面と、前記第1の隆条の高さより小さい第2の隆条の高さとを有し、前記第2の隆条がそれぞれの溝によって分離される、請求項1に記載の構成部品。
【請求項８】
前記溝の配列が、前記摩滅可能構成部品がタービンエンジン内に動作可能に挿入されるとき、動翼先端の漏れに抗するように方向付けられる、請求項1に記載の構成部品。
【請求項９】
前記第2の隆条が、前記第1の隆条の各々においてピクセル化された配列を備える、請求項1に記載の構成部品。
【請求項１０】
タービンエンジンの動翼先端の摩耗を低減するための方法であって、
タービン筐体、および、前記タービン筐体に回転するように搭載される動翼を有するロータを有するタービンであって、前記動翼の遠位先端が、前記動翼の回転方向において、前記タービン筐体に対して軸方向に、動翼先端の周囲走行軌跡を形成する、タービンを提供するステップと、
前記動翼先端との間に動翼の隙間を定める、前記動翼先端と対向する離間された関係で、概して弓状とされた摩滅可能構成部品を筐体において挿入するステップであって、前記摩滅可能構成部品が、
タービンケーシングに結合するための支持面、
前記支持面に結合され、回転するタービン動翼の先端の周囲走行軌跡の近くでの方向付けのために適合される基材表面を有する溶射されたセラミックおよび金属の摩滅可能基材、
前記基材表面から、前記周囲走行軌跡の大部分にわたって突出し、前記摩滅可能基材の表面に対して高台の高さを有する連続する表面高台で途切れる一対の第1の対向する側壁を有する細長い第1の隆条であって、前記高台が平面形の断面の幅および長さを定める、細長い第1の隆条、ならびに、
前記高台から突出する複数の第2の隆条であって、前記第2の隆条が前記第1の隆条より小さいせん断抵抗を有するように選択される間隔、平面形の断面、高さ寸法、および溝寸法を有する複数の第2の隆条
を備えるステップと、
前記動翼先端と前記摩滅可能基材の表面との間の接触が少なくとも1つの第2の隆条の先端を削ぎ落とし、その条件の下で、残っている第1の隆条が、前記動翼先端と前記基材表面との間でのタービンガスの流れを抑制するように、前記タービンエンジンを運転するステップと
を含む方法。
【請求項１１】
前記タービンエンジンを、標準的始動モードまたは素早い始動モードのいずれかで、
標準的始動モードでの前記動翼先端と前記摩滅可能構成部品の表面との間の接触だけが前記第2の隆条の先端を摩滅するように、および、
素早い始動モードでの前記動翼先端と前記摩滅可能構成部品の表面との間の接触が少なくとも1つの第2の隆条の先端を削ぎ落とすように
運転するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記提供された摩滅可能構成部品の第2の隆条が、前記高台の平面形の断面より小さいそれぞれの平面形の断面を有し、前記第1の隆条の高さより小さい第2の隆条の高さを有する遠位の第2の隆条の先端において途切れ、前記第2の隆条がそれぞれの溝によって分離され、
標準的始動モードにおいて、前記タービンエンジンを、前記動翼先端と前記摩滅可能構成部品の表面との間の接触が、少なくとも1つの第2の隆条の先端を、初期に摩滅し、続いて削ぎ落とすように、および、残っている第2の隆条と第1の隆条とが、前記動翼先端と前記基材表面との間でのタービンガスの流れを抑制するように、前記タービンエンジンを運転するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
前記動翼先端と前記摩滅可能構成部品の表面との間の接触が、対応する第2の隆条の一部分を取り除いた後に前記第1の隆条を続いて摩滅するように、前記タービンエンジンを運転するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
タービン筐体と、
前記タービン筐体に回転するように搭載される動翼を有するロータであって、前記動翼の遠位先端が、前記動翼の回転方向において、前記タービン筐体に対して軸方向に、動翼先端の周囲走行軌跡を形成する、ロータと、
タービン動翼の先端の隙間を変更することなく、標準的なモードと素早いモードとの両方で始動する能力と、
タービンケーシングに結合するための支持面、
前記支持面に結合され、回転するタービン動翼の先端の周囲走行軌跡の近くでの方向付けのために適合される基材表面を有する摩滅可能基材、
前記基材表面から、前記周囲走行軌跡の大部分にわたって突出し、前記摩滅可能基材の表面に対して高台の高さを有する連続する表面高台で途切れる一対の第1の対向する側壁を有する細長い第1の隆条であって、前記高台が平面形の断面の幅および長さを定める、細長い第1の隆条、ならびに、
前記高台から突出する複数の第2の隆条であって、各々の第2の隆条が、前記高台の平面形の断面より小さいそれぞれの平面形の断面と、前記第1の隆条の高さより小さい第2の隆条の高さとを有し、前記第2の隆条がそれぞれの溝によって分離される、複数の第2の隆条
を有する溶射されたセラミックおよび金属の摩滅可能構成部品と
を備えるタービンエンジン。
【請求項１５】
前記第2の隆条の間隔、平面形の断面、高さ寸法、および溝寸法が、前記第2の隆条が前記第1の隆条より小さいせん断抵抗を有するように選択される、請求項14に記載のエンジン。
【請求項１６】
交差する溝のパターン化された配列が各々形成される複数の第1の隆条を有し、前記第2の隆条の間隔、平面形の断面、高さ寸法、および溝寸法が、前記第2の隆条が前記第1の隆条より小さいせん断抵抗を有するように選択される、請求項14に記載のエンジン。
【請求項１７】
前記溝の配列が、前記摩滅可能構成部品がタービンエンジン内に動作可能に挿入されるとき、動翼先端の漏れに抗するように方向付けられる、請求項16に記載のエンジン。
【請求項１８】
前記第2の隆条が、各第1の隆条の前記高台上に前記第1の隆条のピクセル化された配列を備える、請求項17に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願を含む以下の米国特許出願が、同時に出願されている。
【０００２】
本出願と同時に出願され、通し番号(不明)が割り当てられた、整理番号2013P18846USの「TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE TERRACED RIDGES」。
【０００３】
本出願と同時に出願され、通し番号(不明)が割り当てられた、整理番号2013P19613USの「TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI DEPTH GROOVES」。
【０００４】
本出願と同時に出願され、通し番号(不明)が割り当てられた、整理番号2013P19615USの「TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ASYMMETRIC RIDGES OR GROOVES」。
【０００５】
本出願と同時に出願され、通し番号(不明)が割り当てられた、整理番号2013P20414USの「TURBINE ABRADABLE LAYER WITH PROGRESSIVE WEAR ZONE MULTI LEVEL RIDGE ARRAYS」。
【０００６】
本出願と同時に出願され、通し番号(不明)が割り当てられた、整理番号2013P20416USの「TURBINE ABRADABLE LAYER WITH ZIG-ZAG GROOVE PATTERN」。
【０００７】
本出願と同時に出願され、通し番号(不明)が割り当てられた、整理番号2013P20415USの「TURBINE ABRADABLE LAYER WITH NESTED LOOP GROOVE PATTERN」。
【０００８】
本出願は、参照により、他の上記の関連する出願のすべてを、それらの内容が本明細書に完全に含まれているかのように組み込んでいる。
【０００９】
本発明は、ガスまたは蒸気のタービンエンジンを含むタービンエンジン用の摩滅可能表面と、このような摩滅可能表面を組み込むエンジンと、エンジン動翼先端の摩耗および動翼先端の漏れを低減するための方法とに関する。より詳細には、本発明の様々な実施形態は、複数の鉛直方向進行性摩耗領域を組み込む様々な前方および後方の隆条および溝の平面形のパターンおよび/または輪郭を持つ摩滅可能表面に関する。摩耗領域は、構造的な剛性と、空気流れ力学と、耐熱性と、耐熱腐食性と、タービン動翼先端から離れる摩滅破片運搬とのための摩滅可能表面に近い下方層を含む。摩耗領域は、所望の動翼先端の隙間を保つ一方で動翼先端の摩耗を低減する上方層を含む。本発明の実施形態に従って構築される摩耗領域の隆条/溝の平面形および輪郭は、動翼先端の漏れを低減してタービンエンジンの効率を向上する。
【背景技術】
【００１０】
ガスタービンエンジンおよび蒸気タービンエンジンを含む既知のタービンエンジンは、タービンのケーシングまたは筐体によって周囲を囲まれている、シャフトに搭載されたタービン動翼を組み込んでいる。タービン動翼を越えて流れる高温ガスは、高温ガス内の熱エネルギーを機械的仕事に変換する動翼回転を引き起こし、機械的仕事は、発電機などの回転機械に動力供給をするのに利用可能である。図1〜図6を参照すると、ガスタービンエンジン80などの既知のガスタービンエンジンは、複数段の圧縮機区域82と、燃焼区域84と、複数段のタービン区域86と、排気システム88とを備えている。大気圧の吸入空気が、概して流れ矢印Fの方向で、タービンエンジン80の軸方向の長さに沿って、圧縮機区域82へと引き込まれる。吸入空気は、圧縮機動翼を回転する列によって圧縮機区域82で次第に圧縮され、組み合わされる圧縮機の静翼によって燃焼区域84へと方向付けられ、燃焼区域84において燃料と混合されて点火される。点火された燃料/空気の混合物は、ここでは元の吸入空気よりも高い圧力および速度にあり、タービン区域86における順次の列R1、R2などへと方向付けられる。エンジンのロータおよびシャフト90は、圧縮機区域82およびタービン区域86において、遠位の動翼先端94において途切れる翼型断面に成形されたタービン動翼92の複数の列を有している。利便性および簡潔性のため、エンジンにおけるタービン動翼および摩滅可能層のさらなる詳述は、同様の構造が圧縮機区域82についても適用可能であるが、タービン区域86の実施形態および適用に注力することとする。各々の動翼92は、凹状の輪郭の高圧側96と凸状の低圧側98とを有している。燃焼流れ方向Fで流れる高い速度および圧力の燃焼ガスは、動翼92に回転運動を与え、ロータを回転する。よく知られているように、ロータシャフトに与えられる機械的動力の一部は、有用な仕事を実施するために利用可能である。燃焼ガスは、タービンケーシング100によってロータの径方向遠位側で抑制され、空気シール102によってロータの径方向近位側で抑制される。図2に示した列1の区域を参照すると、上流の静翼104および下流の静翼106がそれぞれ、上流の燃焼ガスを、タービン動翼92の前縁の入射角と概して平行に方向付け、動翼の後縁を出ていく下流の燃焼ガスを再
度方向付ける。
【００１１】
動翼先端94に近いタービンエンジン80のタービンケーシング100は、複数の区域成形された摩滅可能構成部品110と並べられ、各々の摩滅可能構成部品110は、ケーシング内に保持されると共にケーシングに結合された支持面112と、反対にある、動翼先端の隙間Gによって動翼先端と離間された関係にある摩滅可能基材120とを有する。摩滅可能基材は、高い耐熱性および耐熱腐食性を有すると共に高い燃焼温度で構造上の完全性を維持する金属/セラミックの材料からしばしば構築される。摩滅可能表面120の金属セラミックの材料は、しばしば、タービン動翼先端94の材料より摩滅性であるため、動翼先端の隙間Gは維持され、よくても早期の動翼先端の摩耗を引き起こす可能性があり、より悪い場合には、状況によりエンジン損傷を引き起こす可能性のある、2つの対向する構成部品の間の接触を回避する。一部の既知の摩滅可能構成部品110は、一体の金属/セラミックの摩滅可能基材120で構築される。他の知られている摩滅可能構成部品110は、米国特許第6,641,907号に記載されているような、より小さい粒子のセラミック充填材によって包囲された、密に詰められている中空のセラミック球体粒子の複数の層の砕性傾斜断熱材(FGI:Friable Graded Insulation)セラミック層が接合されるセラミック支持面112を備えるセラミックマトリックス複合材料(CMC:Ceramic Matrix Composite)構造で、構築される。異なる特性を有する球体粒子が基材120において層とされており、動翼先端94の摩耗を低減するために、概してより容易に摩滅可能な球体が上方層を形成する状態となっている。別のCMC構造が米国特許出願公開第2008/0274336号に記載されており、ここでは、表面は、中空のセラミック球体間で切削溝とされたパターンを含んでいる。溝は、摩滅可能表面と接触する場合に、潜在的な動翼先端94の摩耗を低減するために、摩滅可能表面の材料の断面積を小さくするように意図されている。他の一般的に知られている摩滅可能構成部品110は、摩滅可能基材層120を形成する溶射されたセラミック/金属の層が適用される金属基層支持表面112で構築されている。より詳細に説明するように、溶射された金属層は、潜在的な動翼先端94の摩耗低減のための摩滅可能表面材料断面を小さくするために、溝、窪み、または隆条を含み得る。
【００１２】
また、動翼先端94の早期の摩耗または摩滅可能基材120との接触を防止するための要求に加えて、図3に示すように、理想的な空気流れおよび動力効率のために、各々の動翼先端94は、高圧の動翼側96と低圧の動翼側98との間において燃焼流れの方向Fで動翼先端の空気流れの漏れLを最小限とするために、摩滅可能構成部品110に対するできるだけ小さい一定の動翼先端の隙間G(理想的にはゼロのクリアランス)を望ましくは有する。しかしながら、製造と運転との二律背反は、ゼロより大きい動翼先端の隙間Gを必要とする。このような二律背反は、許容可能な径方向長さの公差の大きい方の限度で構築された動翼と、許容可能な径方向の公差の小さい方の限度で構築された摩滅可能構成部品の摩滅可能基材120とが、運転の間に互いと過度に衝突しないように、相互作用する構成部品の公差の積み上げを含んでいる。同様に、エンジン組み立ての間の小さな機械的位置合わせのばらつきが、動翼先端の隙間における局所的なばらつきを生じさせる可能性がある。例えば、数メートルのタービンケーシング摩滅可能基材120の内径を有する何メートルもの軸方向の長さのタービンエンジンにおいて、非常に小さい機械的位置合わせのばらつきが、数ミリメートルの局所的な動翼先端の隙間Gのばらつきをもたらしてしまう可能性がある。
【００１３】
タービンエンジン80の運転の間、タービンエンジンケーシング100は、図4および図6に示しているような、円形から外れた(例えば、卵形の)熱歪みを被る可能性がある。ケーシング100の熱歪みは、エンジンが動力を発生するために燃焼され、続いて、数千時間の動力発生の後に点検のために冷却されるとき、タービンエンジン80の運転サイクル間で潜在的に増加する。一般的に、図6に示しているように、より大きなケーシング100と、摩滅可能構成部品110の歪みとが、横方向の右側124および左側128の周囲位置(つまり、3時および9時の位置)と比較して、最上位122および最下位126のケーシング周囲位置(つまり、6時および12時の位置)で起こる傾向がある。例えば図4に示しているように、6時の位置でのケーシングの歪みが、動翼先端の摩滅可能基材120との接触を引き起こす場合、動翼先端のうちの1つまたは複数が運転の間に摩耗され、図5に示しているように、理想的な隙間Gからより大きい隙間GWへと、様々な他のより変形されていない周囲位置において、局所的に動翼先端の隙間を増加させる可能性がある。過度な動翼隙間GWの歪みは動翼先端の漏れLを増加させ、高温の燃焼ガスをタービン動翼92の翼型から離すように送り、タービンエンジンの効率を低下させる。
【００１４】
以前は、平坦な摩滅可能表面基材120が利用されており、動翼先端の隙間Gの仕様は、タービン構成部品の製造公差の積み上げ、組み立て位置合わせのばらつき、および熱歪みの幅広い範囲内で、動翼先端94と摩滅可能表面基材との接触を防止するために、最小の全体のクリアランスを少なくとも提供するように、保守的に選択されてきた。したがって、比較的幅広い保守的な隙間Gの仕様が、先端/基材の接触が犠牲にされたエンジン効率を回避するために選択されてきた。燃料節約のためにエンジン効率を高めたいという商業的な要求が、好ましくは2ミリメートル以下、望ましくは1ミリメートルに近付く、より小さい動翼先端の隙間Gの仕様を推進してきた。
【００１５】
動翼先端/基材の接触の可能性を低減するために、溶射された金属/セラミックの摩滅可能表面を有する金属の基層を備える摩滅可能構成部品が、図7〜図11に示しているものなど、三次元の平面形の輪郭で構築されてきた。図7および図10の例示の既知の摩滅可能表面構成部品130は、タービンケーシング100への結合のための金属の基層支持体131を有しており、その基層支持体131には、既知の溶着または摩滅材料作業方法によって、溶射された金属/セラミックの層が溶着されており、三次元の隆条および溝の輪郭へと形成されている。これらの引用した図では具体的に、複数の隆条132が、動翼先端94と隆条132との間の動翼先端の隙間Gを定める共通の高さHRの遠位隆条先端面134をそれぞれ有している。各々の隆条は、基材表面137から延びると共に連続する隆条の反対にある側壁間で溝138を定める側壁135および136も有している。隆条132は、連続する隆条中心線間で平行な間隔SRで並べられており、溝幅WGを定めている。摩滅可能構成部品表面の対称性のため、溝の深さDGは隆条高さHRに対応している。固体の滑らかで摩滅可能な表面と比較して、隆条132は、動翼先端94を1つまたは複数の先端134と接触させるほど動翼先端の隙間Gが小さくなる場合に、より小さい断面と、より多くの限定された摩滅接触とを有する。しかしながら、比較的背が高く、以前の連続する平坦な摩滅可能表面と比較して、広く間隔の空けられた隆条132は、隆条間の溝138への動翼の漏れLを可能とする。動翼先端の漏れLを低減するための試みにおいて、隆条132と溝138とは、燃焼流れF(図示していない)の方向において水平に配向される、または、図7に示しているように、摩滅可能表面137の幅にわたって斜めに配向され、その結果、漏れを抑制する傾向があった。図8に示した他の既知の摩滅可能構成部品140は、交差するパターンで配列された溝148を有しており、平坦な等しい高さの隆条先端144を備えたダイヤモンド形の隆条の平面形142を形成している。追加の既知の摩滅可能な構成部品は、図9および図11に示した、三角形の丸められた隆条152または平坦な先端の三角形の隆条152を採用している。図9および図11の摩滅可能構成部品150では、各々の隆条152は、平坦な隆条先端154において途切
れる対称な壁155、156を有している。すべての隆条先端154は共通の高さHRを有しており、基材表面157から突出している。溝158は湾曲されており、動翼先端94のキャンバ線と同様の平面形輪郭を有している。湾曲された溝158は、概して、図7および図8に示した摩滅可能構成部品の線形の溝138または148よりも形成するのが困難である。
【００１６】
過去の摩滅可能構成部品の設計は、動翼先端と摩滅可能表面との間の接触から生じる動翼先端の摩耗と、タービンエンジンの運転効率を低下させる動翼先端の漏れとの間に、明白な妥協を必要としてきた。必要とされるエンジン運転効率を最適化することで、摩滅可能表面の隙間を通る空気漏れを妨げるために、動翼先端の隙間と、滑らかで一貫して平坦な摩滅可能表面のトポロジーとを小さくし、初期のエンジン性能とエネルギー節約とを向上してきた。向上したガスタービン運転効率と融通性とに向けた別の推進では、より素早い全出力への増加(40〜50Mw/分の度合い)を要求する、いわゆる「高速始動」モードのエンジンが構築されてきた。積極的な増加率は、より素早い熱的および機械的な増大と、より大きな歪みと、回転構成部品と静止構成部品との間の増大率におけるより大きな不一致とから生じる、環部分の摩滅可能被覆への動翼先端の潜在的なより大きな侵害を、悪化させてしまう。これは、さらに、「標準的」な始動サイクルのみのために構成されるエンジンに必要とされる動翼先端のクリアランスより、早期の動翼先端の摩耗を回避するために、「高速始動」モードのエンジンにおいてより大きいタービン先端のクリアランスを要求する。したがって、設計の選択として、より素早い始動/より低い運転効率でより大きい動翼先端の隙間、または、標準的な始動/より高い運転効率でより小さい動翼先端の隙間の恩恵をバランスさせることが必要とされる。従来の標準的または素早い始動のエンジンは、両方の設計の異なって必要とされる動翼先端の隙間のパラメータに適合するために、異なる構造を必要としてきた。標準的な始動の構造であろうが素早い始動の構造であろうが、エンジン効率最適化のために動翼先端の隙間を小さくすることは、最終的には、早期の動翼先端の摩耗の危険を伴い、動翼先端の隙間を広げることは、最終的には、エンジン運転サイクルの間、より長期でのエンジン性能の効率を低下させてしまう。前述のセラミックマトリックス複合材料(CMC)の摩滅可能構成部品の設計は、動翼先端の摩耗を軽減するためにより柔らかい一番上の摩滅可能層を用いることで、平坦な表面輪郭の摩滅可能表面の空気流れ制御の恩恵と小さい動翼先端の隙間とを維持するように模索されている。米国特許出願公開第2008/0274336号の摩滅可能構成部品は、上方層の中空セラミック球体間に溝を組み込むことで、動翼先端の摩耗を低減するように模索されてもいる。しかしながら、溝の寸法は、球体破損を防止するために、球体の詰められた間隔および直径によって本質的に制限されている。動翼先端の隙間を低減する一方で、隆条先端と動翼先端との間の潜在的な摩擦接触の表面積を低減するために、妥協した解決策として、溶射された基材輪郭に一定の高さの摩滅可能表面の隆条を加えることは、早期の動翼の先端の摩耗/増大する動翼先端の隙間の可能性を低減するが、隆条間の溝への動翼先端の漏れの増加を犠牲にしている。先に記載したように、溝への漏れの空気流れを阻止または制御しようと試みるために、隆条の配列の平面形の配向を変えることで、動翼先端の漏れの流れを低減するために、試みが行われてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第6,641,907号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第2008/0274336号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の様々な実施形態の目的は、構成部品公差の積み上げなどの要因によって引き起こされる局所的なばらつき、組み立て位置合わせのばらつき、早期の動翼先端摩耗を過度に引き起こさない方法での1つまたは複数のエンジン運転サイクルの間に発達する動翼/ケーシングの変形にも係わらず、動翼先端の隙間を低減および制御することによって、エンジン効率性能を高めることである。
【００１９】
摩滅可能表面と動翼先端とが互いと接触していた局所的な摩耗領域において、本発明の様々な実施形態の他の目的は、動翼先端の摩耗を最小限にする一方で、それらの領域で最小限とされた動翼先端の漏れを維持し、それらの局所的な摩耗領域以外で、比較的狭い動翼先端の隙間を維持することである。
【００２０】
本発明の他の実施形態の目的は、局所的な動翼先端/摩滅可能表面の接触領域の潜在的な数の増加から生じ得る早期の動翼先端の摩耗の危険を過度に伴うことなく、タービン運転の効率を増加するために、既知の摩滅可能構成部品の摩滅可能表面と比較して、動翼先端の隙間を低減することである。
【００２１】
本発明のなおも他の実施形態の目的は、動翼先端の漏れを抑制および/または再度方向付けする摩滅可能表面の隆条および溝の複合の特異的な前方および後方の輪郭および平面形の配列を利用することによって、動翼先端の漏れを低減することである。
【００２２】
本発明の追加の実施形態の目的は、摩滅された材料および他の粒子状物質を、それらが回転するタービン動翼に影響を与えない、または、回転するタービン動翼を摩滅しないように、タービンを通じて摩滅可能表面に沿って軸方向に運搬するための溝通路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の様々な実施形態において、タービンケーシングの摩滅可能構成部品は、タービン動翼の翼型の高圧側から低圧側へと言うよりも、溝への動翼先端の空気流れの漏れを低減、再度方向付け、および/または阻止するために、特異的な前方の上流および後方の下流の複合的な複数の配向溝と鉛直に突出する隆条との平面形のパターンを有する。平面形のパターンの実施形態は、特異的な前方の上流パターン(領域A)と後方の下流パターン(領域B)とを有する複合的な複数の溝/隆条のパターンである。これらの組み合わされた領域Aおよび領域Bの隆条/溝の配列の平面形は、局所的な動翼の漏れの方向Lにおいて、タービン動翼の翼型の圧力側から翼型の負圧側に向かって直接的に、ガスの流れの漏れを抑えるために、溝の内部で捕らえられたガス流れを下流の燃焼流れFの方向に向かって方向付ける。前方の領域は、概して、前縁と動翼の翼型の中央翼弦との間で、タービン80の軸と平行な線が翼型の圧力側表面の接線に大体なるカットオフ位置において定められ、大まかには、翼型の全体の軸方向の長さの3分の1から2分の1までである。配列パターンの残りの部分は後方の領域Bを含む。後方の下流領域Bの溝および隆条は、動翼の回転方向Rと反対の角度で配向されている。角度の範囲は、関連付けられるタービン動翼92のキャンバまたは後縁の角度のおおよそ30%から120%までである。
【００２４】
本発明の他の様々な実施形態では、摩滅可能構成部品は、第1の下方摩耗領域と第2の上方摩耗領域とを有した鉛直に突出する隆条またはリブで構築されている。摩滅可能表面に近い隆条の第1の下方領域は、隆条間の溝への動翼先端の空気流れの漏れを低減、再度方向付け、および/または阻止するために調整された平面形の配列および突起で、エンジンの空気流れの特性を最適化するように構築される。隆条の下方領域は、摩滅可能構成部品および表面の機械的および熱的な構造上の完全性、耐熱性、耐熱腐食性、および摩耗耐用期間を高めるために、最適化もされる。隆条の上方領域は、下方領域の上に形成され、動翼先端の隙間および摩耗を最小限するように最適化される。摩滅可能構成部品の様々な実施形態は、下方領域のリブ構造よりも小さい断面積を有する上方の副隆条または尖端で、上方領域のより容易な摩滅可能性を提供する。一部の実施形態では、上方の副隆条または尖端は、小規模な動翼先端の接触の場合に屈曲または湾曲し、より大規模な動翼先端の接触の場合に擦り減るおよび/または削ぎ落ちるように形成される。他の実施形態では、上方領域の副隆条または尖端は、1つまたは複数の動翼先端と局所的な接触をしている尖端のみが摩耗される一方で、局所的な摩耗領域以外の他の領域が無傷のままであるように、上方摩耗領域の配列へとピクセル化される。隆条の上方領域部分は、擦り減らされる一方、以前の既知の一体の隆条より動翼先端摩耗を少なくする。本発明の実施形態では、上方領域隆条部分が擦り減らされるため、残っている下方の隆条部分は、動翼先端の漏れを制御することでエンジン効率を保つ。局所的な動翼先端の隙間がさらに低減される場合、動翼先端は、その場所における下方隆条部を擦り減らす。しかしながら、その下方隆条部の局所的な摩耗領域以外の比較的より高い隆条は、より小さい動翼先端の隙間を維持してエンジン性能の効率を保つ。また、複数レベルの摩耗領域の輪郭は、単一のタービンエンジン設計を、標準的なモードまたは「素早い」モードで運転させることができる。素早い始動モードで運転されるとき、エンジンは、過剰な動翼先端の摩耗の可能性のより低い状態で上方の摩耗領域の層を摩耗する一方、下方の摩耗領域の空気力学的機能性を保つ傾向を有することになる。同じエンジンが標準的始動モードで運転されるとき、摩滅可能な上方の摩耗領域と下方の摩耗領域との両方が、効率的なエンジン運転のために保たれることになる可能性がより大きくなる。2層を超える摩耗領域(例えば、上方、中間、および下方の摩耗領域)が、本発明の実施形態に従って構築された摩滅可能構成部品で用いられてもよい。
【００２５】
一部の本発明の実施形態では、隆条および溝の輪郭および平面形の配列は、動翼先端の漏れを低減するように選ばれた選択の配向角度および/または断面輪郭で複数層の溝を形成することで、局所的に、または、摩滅可能構成部品を通じて普遍的に、調整される。一部の実施形態では、摩滅可能構成部品の表面の平面形の配列と、隆条および溝の輪郭とは、高められた動翼先端の漏れの空気流れの制御を提供しつつ、既知の摩滅可能構成部品よりも簡単な製造技術を容易にもする。
【００２６】
これらおよび他の提案された目的の一部は、本発明の1つまたは複数の実施形態において、タービン摩滅可能構成部品によって達成され、そのタービン摩滅可能構成部品は、タービンケーシングに結合するための支持面と、支持面に結合され、回転するタービン動翼の先端の周囲走行軌跡の近くでの配向のために適合される基材表面を有する溶射されたセラミック/金属の摩滅可能基材とを特徴とする。基材表面は、基材表面から、周囲走行軌跡の大部分にわたって突出し、摩滅可能基材表面に対して高台の高さを有する連続する表面高台で途切れる一対の第1の反対にある側壁を有する細長い第1の隆条を特徴とする。高台は、平面形の断面の幅および長さを定める。複数の第2の隆条が高台から突出する。各々の第2の隆条は、第2の隆条が第1の隆条より小さいせん断抵抗を有するように選択される間隔、平面形の断面、高さ寸法、および溝寸法を有する。
【００２７】
本発明の他の実施形態は、タービンエンジンの動翼先端の摩耗を低減するための方法を対象としている。この方法は、タービン筐体と、タービン筐体に回転するように搭載される動翼を有するロータとを有するタービンであって、動翼の遠位先端が、動翼の回転方向において、タービン筐体に対して軸方向に、動翼先端の周囲走行軌跡を形成する、タービンを提供するステップを特徴とする。動翼先端との間に動翼の隙間を定める、動翼先端と対向する離間された関係で、概して弓状とされた摩滅可能構成部品が筐体において挿入される。摩滅可能構成部品は、タービンケーシングに結合するための支持面と、支持面に結合され、回転するタービン動翼の先端の周囲走行軌跡の近くでの配向のために適合される基材表面を有する溶射されたセラミック/金属の摩滅可能基材とを特徴とする。摩滅可能構成部品は、基材表面から、周囲走行軌跡の大部分にわたって突出し、摩滅可能基材表面に対して高台の高さを有する連続する表面高台で途切れる一対の第1の反対にある側壁を有する細長い第1の隆条も特徴とする。高台は、平面形の断面の幅および長さを定める。摩滅可能構成部品は、高台から突出する複数の第2の隆条であって、第2の隆条が第1の隆条より小さいせん断抵抗を有するように選択される間隔、平面形の断面、高さ寸法、および溝寸法を有する複数の第2の隆条も特徴とする。タービンエンジンは、動翼先端と摩滅可能表面との間の接触が少なくとも1つの第2の隆条の先端を削ぎ落とし、その条件の下で、残っている第1の隆条が、動翼先端と基材表面との間でのタービンガスの流れを抑制する状態となっているように、運転される。方法の他の実施形態では、動翼先端と摩滅可能表面との間の接触が、対応する第2の隆条を取り除いた後に第1の隆条を続いて摩滅するように、タービンエンジンは運転される。
【００２８】
本発明の他の実施形態は、タービン動翼の先端の隙間を変えることなく、標準的なモードと素早いモードとの両方で始動できるタービンエンジンを対象としている。タービンエンジンは、タービン筐体と、タービン筐体に回転するように搭載される動翼を有するロータであって、動翼の遠位先端が、動翼の回転方向において、タービン筐体に対して軸方向に、動翼先端の周囲走行軌跡を形成する、ロータと、溶射されたセラミック/金属の摩滅可能構成部品とを特徴とする。摩滅可能構成部品は、タービンケーシングに結合するための支持面と、支持面に結合され、回転するタービン動翼の先端の周囲走行軌跡の近くでの配向のために適合される基材表面を有する摩滅可能基材とを特徴とする。細長い第1の隆条が、基材表面から、周囲走行軌跡の大部分にわたって突出し、摩滅可能基材表面に対して高台の高さを有する連続する表面高台で途切れる一対の第1の反対にある側壁を有する。高台は、平面形の断面の幅および長さを定める。複数の第2の隆条が高台から突出する。各々の第2の隆条は、高台の平面形の断面より小さいそれぞれの平面形の断面と、第1の隆条の高さより小さい第2の隆条の高さとを有する。第2の隆条がそれぞれの溝によって分離される。
【００２９】
本発明のそれぞれの目的および特徴は、当業者による任意の組み合わせまたは下位の組み合わせで、一緒または個別に適用されてもよい。
【００３０】
本発明の教示は、添付の図面との組み合わせで以下の詳細な記載を検討することで、容易に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】例示の既知のガスタービンエンジンの一部の軸方向の断面図である。
【図２】図1のタービンエンジンの動翼先端と摩滅可能構成部品との間の動翼先端の隙間Gを示す列1のタービン動翼および静翼の詳細な断面の立面図である。
【図３】すべての動翼と、エンジン摩滅可能表面についてのすべての周囲配向との間に、理想的な一定の動翼先端の隙間Gがある、既知のタービンエンジンの径方向の断面の概略図である。
【図４】12時の最上位の周囲位置と6時の最下位の周囲位置とにおける動翼先端と摩滅可能表面との接触を示す、円形から外れた既知のタービンエンジンの径方向の断面の概略図である。
【図５】元の設計仕様の動翼先端の隙間Gより大きい過剰な動翼先端の隙間GWで運転の点検中であった既知のタービンエンジンの径方向の断面の概略図である。
【図６】動翼先端の摩耗をより作り出しやすそうな周囲領域と、動翼先端の摩耗をより作り出しにくそうな周囲領域とを強調している、既知のタービンエンジンの径方向の断面の概略図である。
【図７】タービンエンジンの摩滅可能表面のための既知の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図８】タービンエンジンの摩滅可能表面のための既知の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図９】タービンエンジンの摩滅可能表面のための既知の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図１０】図7の断面C-Cに沿って切り取られたタービンエンジンの摩滅可能表面についての既知の隆条および溝のパターンの断面の立面図である。
【図１１】図9の断面C-Cに沿って切り取られたタービンエンジンの摩滅可能表面についての既知の隆条および溝のパターンの断面の立面図である。
【図１２】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図１３】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図１４】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図１５】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図１６】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図１７】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図１８】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の別の例示の実施形態による、タービン動翼の回転方向で整列された鉛直に配向された隆条またはリブを含むタービンエンジンの摩滅可能表面についての別の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図１９】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の別の例示の実施形態による、タービン動翼の回転方向で整列された鉛直に配向された隆条またはリブを含むタービンエンジンの摩滅可能表面についての別の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図２０】図12〜図17に示した種類のそれぞれの例示の連続的な溝のホッケースティックの摩滅可能表面の輪郭と、図18および図19に示した種類の断続的な鉛直な隆条を備えた分割した溝のホッケースティック摩滅可能表面の輪郭とについての、前縁から後縁への動翼先端の漏れのシミュレーションによる質量流束の比較のグラフである。
【図２１】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の別の例示の実施形態による、交差する隆条および溝を有する摩滅可能表面についての別の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図２２】本発明の別の例示の実施形態による、タービンエンジンの軸流れ方向において摩滅可能表面にわたって横方向に千鳥配置されている鉛直に配向された隆条の配列を含む、図18および図19の摩滅可能表面と同様の摩滅可能表面についての別の「ホッケースティック」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図２３】本発明の別の例示の実施形態による、タービンエンジンの軸流れ方向において摩滅可能表面にわたって水平方向に配向された隆条および溝の配列を含む、摩滅可能表面についての「ジグザグ」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図２４】本発明の別の例示の実施形態による、摩滅可能表面にわたって斜めに配向された隆条および溝の配列を含む、摩滅可能表面についての「ジグザグ」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図２５】本発明の別の例示の実施形態による、摩滅可能表面にわたってV字形とされた隆条および溝の配列を含む、摩滅可能表面についての「ジグザグ」構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図２６】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の入れ子にされたループの構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図２７】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の入れ子にされたループの構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図２８】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の入れ子にされたループの構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図２９】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の入れ子にされたループの構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図３０】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の迷路または螺旋の構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図３１】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の迷路または螺旋の構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図３２】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の迷路または螺旋の構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図３３】タービン動翼が概略的に重ね合わされている、本発明の例示の実施形態による、タービンエンジンの摩滅可能表面の迷路または螺旋の構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図３４】本発明の別の例示の実施形態と、タービン動翼が概略的な重ね合わせとによる、タービンエンジンの摩滅可能表面についての湾曲されたリブの移行区域のある合成角の構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図３５】本発明の別の例示の実施形態と、タービン動翼が概略的な重ね合わせとによる、タービンエンジンについての湾曲されたリブの移行区域のある合成角の構成の隆条および溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図３６】それぞれ例示の、本発明の図34および図35の湾曲されたリブの移行区域のある合成角の構成の隆条および溝のパターンの摩滅可能表面と、図7に示した種類の例示の既知の斜めの隆条および溝のパターンの摩滅可能表面と、既知の軸方向に整列された隆条および溝のパターンの摩滅可能表面の輪郭とについての、前縁から後縁への動翼先端の漏れのシミュレーションによる質量流束の比較のグラフである。
【図３７】本発明の例示の実施形態による、標準的なエンジンモードまたは「素早い」エンジンモードのいずれかでの使用に適する、摩滅可能表面についての複数の高さまたは高度の隆条の輪郭の構成および対応する溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図３８】図37のC-Cで切り取られた図37の摩滅可能表面の実施形態の断面図である。
【図３９】本発明の実施形態による、動翼先端の漏れLと動翼先端の境界層を示す、図37および図38の移動する動翼先端と摩滅可能表面との概略的な立面の断面図である。
【図４０】本発明の実施形態による、動翼先端の隙間Gと、溝および隆条の複数の高さまたは高度の寸法とを示す、図39と同様の概略的な立面の断面図である。
【図４１】本発明の実施形態による、動翼先端の隙間Gと、溝および隆条の複数の高さまたは高度の寸法とを示す、図39と同様の概略的な立面の断面図である。
【図４２】図11と同様の既知の摩滅可能表面の隆条および溝の立面の断面図である。
【図４３】本発明の実施形態による、摩滅可能表面についての複数の高さまたは高度の階段状の輪郭の隆条の構成および対応する溝のパターンの立面の断面図である。
【図４４】本発明摩滅可能表面についての複数の高さまたは高度の階段状の輪郭の隆条の構成および対応する溝のパターンの別の実施形態の立面の断面図である。
【図４５】本発明の実施形態による、摩滅可能表面についての複数の深さの輪郭の構成および対応する隆条のパターンの立面の断面図である。
【図４６】本発明の実施形態による、摩滅可能表面についての非対称な輪郭の隆条の構成および対応する溝のパターンの立面の断面図である。
【図４７】本発明の実施形態による、摩滅可能表面についての非対称な輪郭の隆条の構成および複数の深さの平行な溝の輪郭パターンの斜視図である。
【図４８】本発明の実施形態による、上方溝が隆条の先端に対して長手方向に斜めにされている、摩滅可能表面についての非対称な輪郭の隆条の構成および複数の深さの交差する溝の輪郭パターンの斜視図である。
【図４９】上方溝が隆条の先端に対して垂直で長手方向に斜めにされている、摩滅可能表面についての非対称な輪郭の隆条の構成および複数の深さの交差する溝の輪郭パターンの、本発明の別の実施形態の斜視図である。
【図５０】本発明の別の実施形態による、摩滅可能表面についての対称な輪郭の隆条における複数の深さの平行な溝の輪郭の構成の断面図の立面の断面図である。
【図５１】本発明の実施形態による、上方溝が隆条の先端に対して横方向に傾斜されている、摩滅可能表面についての対照的な輪郭の隆条における複数の深さの平行な溝の輪郭構成の立面の断面図である。
【図５２】本発明の実施形態による、上方溝が隆条の先端に対して横方向に傾斜にされている、摩滅可能表面についての対照的な輪郭の隆条における複数の深さの平行な溝の輪郭構成の立面の断面図である。
【図５３】非対称的で非平行な壁の隆条および複数の深さの溝を有する、本発明の実施形態による、摩滅可能表面の斜視図である。
【図５４】本発明の代替の実施形態による、上方溝が隆条の先端に対して垂直または横方向に傾斜されている、摩滅可能表面についての台形の輪郭の隆条における複数の深さの平行な溝の輪郭構成の立面の断面図である。
【図５５】本発明の代替の実施形態による、上方溝が隆条の先端に対して垂直または横方向に傾斜されている、摩滅可能表面についての台形の輪郭の隆条における複数の深さの平行な溝の輪郭構成の立面の断面図である。
【図５６】本発明の代替の実施形態による、上方溝が隆条の先端に対して垂直または横方向に傾斜されている、摩滅可能表面についての台形の輪郭の隆条における複数の深さの平行な溝の輪郭構成の立面の断面図である。
【図５７】本発明の実施形態による、摩滅可能表面についての複数のレベルで交差する溝のパターンの平面図または平面形の図である。
【図５８】本発明の実施形態による、上方のレベルの隆条が、下方隆条高台から突出するピクセル化された直立する尖端の配列を有する、階段状の輪郭の摩滅可能表面の隆条の斜視図である。
【図５９】図58のC-Cに沿って切り取られた、下方隆条高台から突出するピクセル化された直立する尖端の列の立面図である。
【図６０】本発明の実施形態による、尖端先端の近くの尖端部が、層の下の材料と異なる物理的特性を有する材料の層から構築されている、図59の直立する尖端の代替の実施形態である。
【図６１】動翼回転の間、タービン動翼先端が尖端を屈折する、図58のピクセル化された上方尖端の実施形態の概略的な立面図である。
【図６２】タービン動翼先端が、動翼回転の間に直立する尖端の全部または一部を削ぎ落とし、下方隆条とその高台とを無傷のまま残すと共に、動翼先端の隙間によって動翼先端から径方向に離間させたままにする、図58のピクセル化された上方尖端の実施形態の概略的な立面図である。
【図６３】タービン動翼の先端が、動翼回転の間に直立する尖端の全部を削ぎ落とし、下方の隆条部の高台表面を摩滅している、図58のピクセル化された上方の尖端の実施形態の概略的な立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
理解を容易にするために、可能な場合、図に共通する同一の要素を指定するために、同一の符号が用いられている。図は一定の縮尺ではない。寸法、断面、流体の流れ、タービン動翼の回転、軸方向または径方向の配向、および流体の圧力についての以下の共通の指示が、本明細書に記載されている様々な本発明の実施形態を通じて用いられている。
A  摩滅可能表面の前方または上流の領域;
B  摩滅可能表面の後方または下流の領域;
C-C  摩滅可能断面;
DG  摩滅可能溝深さ;
F  タービンエンジンを通じた流れ方向;
G  タービン動翼先端から摩滅可能表面への隙間;
GW  摩耗したタービン動翼先端から摩滅可能表面への隙間;
HR  摩滅可能隆条高さ;
L  タービン動翼先端漏れ;
P  摩滅可能表面の平面図または平面形;
PP  タービン動翼高圧側;
PS  タービン動翼低圧側または負圧側;
R  タービン動翼回転方向;
R1  タービンエンジンのタービン区域の列1;
R2  タービンエンジンのタービン区域の列2;
SR  摩滅可能な隆条の中心線間隔;
WG  摩滅可能溝幅;
WR  摩滅可能隆条幅;
α  タービンエンジンの軸方向の寸法に対する摩滅可能な溝の平面形の角度;
β  摩滅可能表面の鉛直または直角に対する摩滅可能な隆条の側壁の角度;
γ  摩滅可能な隆条の高さに対する摩滅可能な溝の前後の傾斜角度;
Δ  摩滅可能な隆条の長手方向軸に対する摩滅可能な溝の斜め角度;
ε  摩滅可能表面および/または隆条表面に対する摩滅可能な上方の溝の角度;
Φ  摩滅可能な溝の弓状角度
【００３３】
ここに記載している本発明の実施形態は、ガスタービンエンジンを含むタービンエンジン用の摩滅可能構成部品で容易に利用され得る。様々な実施形態において、タービンケーシングの摩滅可能構成部品は、タービン動翼の翼型の高圧側から低圧側へと言うよりも、溝への動翼先端の空気流れの漏れを低減、再度方向付け、および/または阻止するために、特異的な前方の上流および後方の下流の複合的な複数の配向溝と鉛直に突出する隆条との平面形のパターンを有する。平面形のパターンの実施形態は、特異的な前方の上流パターン(領域A)と後方の下流パターン(領域B)とを有する複合的な複数の溝/隆条のパターンである。これらの組み合わされた領域Aおよび領域Bの隆条/溝の配列の平面形は、局所的な動翼の漏れの方向Lにおいて、タービンの翼型の圧力側から翼型の負圧側に向かって直接的に、ガスの流れの漏れを抑えるために、溝の内部で捕らえられたガス流れを下流の燃焼流れFの方向に向かって方向付ける。前方の領域は、概して、前縁と動翼の翼型の中央翼弦との間で、タービンの軸と平行な線が翼型の圧力側表面の接線に大体なるカットオフ位置において定められ、大まかには、翼型の全体の軸方向の長さの3分の1から2分の1までである。配列パターンの残りの部分は後方の領域Bを含む。後方の下流領域Bの溝および隆条は、動翼の回転方向Rと反対の角度で配向されている。角度の範囲は、関連付けられるタービン動翼92のキャンバまたは後縁の角度のおおよそ30%から120%までである。
【００３４】
本発明の様々な実施形態では、摩滅可能構成部品の溶射された金属/セラミックの摩滅可能層は、第1の下方摩耗領域と第2の上方摩耗領域とを有した鉛直に突出する隆条またはリブで構築されている。溶射された摩滅可能表面に近い隆条の第1の下方領域は、隆条間の溝への動翼先端の空気流れの漏れを低減、再度方向付け、および/または阻止するために調整された平面形の配列および突起で、エンジンの空気流れの特性を最適化するように構築される。一部の実施形態では、溶射された摩滅可能層の上方の摩耗領域は、下方の摩耗領域の高さまたは全体の隆条の高さのおおよそ1/3〜2/3である。隆条および溝は、動翼先端の漏れの流れを再度方向付けするために、および/または、製造の容易性のために、様々な対称的および非対称的な断面の輪郭および平面形の配列を伴う溶射された摩滅可能層で構築される。一部の実施形態では、溝の幅は、隆条の幅または下方の隆条の幅(複数の幅が重ねられた隆条の場合)のおおよそ1/3〜2/3である。様々な実施形態では、隆条の下方領域は、摩滅可能構成部品および表面の機械的および熱的な構造上の完全性、耐熱性、耐熱腐食性、および摩耗耐用期間を高めるために、最適化もされる。隆条の上方領域は、下方領域の上に形成され、下方領域より容易に摩滅可能であることによって、動翼先端の隙間および摩耗を最小限するように最適化される。溶射された摩滅可能層の摩滅可能構成部品の様々な実施形態は、下方領域のリブ構造よりも小さい断面積を有する上方の副隆条または尖端で、上方領域のより容易な摩滅可能性を提供する。一部の実施形態では、上方の副隆条または尖端は、小規模な動翼先端の接触の場合に屈曲または湾曲し、より大規模な動翼先端の接触の場合に擦り減るおよび/または削ぎ落ちるように形成される。他の実施形態では、上方領域の副隆条または尖端は、1つまたは複数の動翼先端と局所的な接触をしている尖端のみが摩耗される一方で、局所的な摩耗領域以外の他の領域が無傷のままであるように、上方摩耗領域の配列へとピクセル化される。隆条の上方領域部分は、擦り減らされる一方、以前の既知の一体の隆条より動翼先端摩耗を少なくする。本発明の実施形態では、上方領域隆条部分が擦り減らされるため、残っている下方の隆条部分は、動翼先端の漏れを制御することでエンジン効率を保つ。局所的な動翼先端の隙間がさらに低減される場合、動翼先端は、その場所における下方隆条部を擦り減らす。しかしながら、その下方隆条部の局所的な摩耗領域以外の比較的より高い隆条は、より小さい動翼先端の隙間を維持してエンジン性能の効率を保つ。2層を超える摩耗領域(例えば、上方、中間、および下方の摩耗領域)が、本発明の実施形態に従って構築された摩滅可能構成部品で用いられてもよい。
【００３５】
一部の本発明の実施形態では、溶射された摩滅可能層における隆条および溝の輪郭および平面形の配列は、動翼先端の漏れを低減するように、および、隆条の断面を変えるように選ばれた選択の配向角度および/または断面輪郭で複数層の溝を形成することで、局所的に、または、摩滅可能構成部品を通じて普遍的に、調整される。一部の実施形態では、摩滅可能構成部品の表面の平面形の配列と、隆条および溝の輪郭とは、高められた動翼先端の漏れの空気流れの制御を提供しつつ、既知の摩滅可能構成部品よりも簡単な製造技術を容易にもする。
【００３６】
一部の実施形態では、摩滅可能構成部品とそれらの摩滅可能表面とは、金属の指示層の上に既知の層のパターン/寸法で、既知の組成の複数の層の溶射されたセラミック材料から構築される。実施形態では、隆条は、セラミックもしくは金属/セラミックの材料を金属基材(追加の支持構造が下に有るまたは無い)に溶射する(マスクなしで、または、マスクを通じて)、層印刷する、または適用する既知の付加する工程によって、摩滅可能表面に構築される。溝は、隣接する加えられた隆条構造間における空所に定められる。他の実施形態では、溝は、溝の壁が分離する隆条を定める状態で、既知の工程(例えば、機械加工、研削、水ジェット、レーザー切断、または、それらのいずれかの組み合わせ)を用いて、溶射された基材から材料を摩滅または除去することで構築される。加えられた隆条および/または除去された材料の溝の組み合わせは、ここに記載した実施形態に用いられてもよい。摩滅可能構成部品は、タービンエンジンケーシングに結合するように適合される既知の支持構造と、接合被覆基剤、熱被覆、および、耐高温/耐熱の一番上の被覆の1つまたは複数の層など、既知の摩滅可能表面の材料の組成とによって、構築される。例えば、上方摩耗領域は、すぐ下にある別の溶射された層または他の続く層と異なる組成および物理的特性を有する溶射された摩滅可能材料から構築できる。
【００３７】
本明細書に記載されている、様々な溶射された金属の支持層の摩滅可能構成部品の隆条および溝の輪郭と溝および隆条の配列とは、本発明の実施形態および特徴の可能な組み合わせが本明細書で具体的に詳細に記載されていないとしても、異なるタービン用途の性能要件を満たすために組み合わされ得る。
【００３８】
摩滅可能表面の平面形
例示の本発明の実施形態の摩滅可能表面の隆条および溝の平面形のパターンが、図12〜図37、および図57に示されている。摩滅可能表面全体にわたって一定である既知の摩滅可能な平面形のパターンと異なり、本発明の平面形パターンの実施形態の多くは、特異的な前方の上流パターン(領域A)と後方の下流パターン(領域B)とを有する複合的な複数の溝/隆条のパターンである。これらの組み合わされた領域Aおよび領域Bの隆条/溝の配列の平面形は、局所的な動翼の漏れの方向Lにおいて、タービンの翼型の圧力側から翼型の負圧側に向かって直接的に、ガスの流れの漏れを抑えるために、溝の内部で捕らえられたガス流れを下流の燃焼流れFの方向に向かって方向付ける。前方の領域は、概して、前縁と動翼92の翼型の中央翼弦との間で、タービン80の軸と平行な線が翼型の圧力側表面の接線に大体なるカットオフ位置において定められる。より総体的な概要の視点から、前方の領域Aの軸方向の長さは、大まかには、翼型の全体の軸方向の長さの3分の1から2分の1までであるとして概して定められてもよい。配列パターンの残りの部分は後方の領域Bを含む。3つ以上の軸方向に配向された平面形の配列は、本発明の実施形態に従って構築されてもよい。例えば、前方、中間、および後方の隆条/溝の配列の平面形が、摩滅可能構成部品表面に構築されてもよい。
【００３９】
図12〜図19、図21、図22、図34〜図35、図37、および図57に示した実施形態は、ホッケースティック状の平面形のパターンを有している。前方の上流領域Aの溝および隆条は、タービン80内の燃焼ガスの軸方向の流れの方向Fと概して平行(±10%)に整列されている(図1参照)。後方の下流領域Bの溝および隆条は、動翼の回転方向Rと反対の角度で配向されている。角度の範囲は、関連付けられるタービン動翼92のキャンバまたは後縁の角度のおおよそ30%から120%までである。設計の利便性のため、下流の角度の選択は、タービン動翼の高圧もしくは低圧の平均された(線形平均線)側の壁の表面またはキャンバ角(例えば、領域Bの開始面で始まって動翼の後縁で終わる高圧側における図14のαB2を参照)、後縁角(例えば、図15のαB1を参照)、前縁と後縁との間の角度合致連結(例えば、図14のαB1を参照)、または、αB3など、このような動翼の形状の確立された角度間の任意の角度のいずれかに合致するように選択できる。ホッケースティック状の隆条および溝の配列の平面形のパターンは、純粋に水平または斜めの既知の平面形の配列パターンとして、摩滅可能表面に形成するのが比較的容易であるが、流体の流れのシミュレーションでは、ホッケースティック状のパターンは、既知の一方向の平面形のパターンのいずれよりも動翼先端の漏れがより少ない。ホッケースティック状のパターンは、既知の摩滅可能構成部品の隆条および溝のパターンを形成するために以前に用いられてきた既知の切断/摩滅または付加の層の構築方法によって、形成される。
【００４０】
図12では、摩滅可能構成部品160は、軸方向タービンの軸方向の流れ方向Fに対して±10度以内の角度αAで配向されている前方の隆条162A/隆条先端164Aおよび溝168Aを有している。後方の隆条162B/隆条先端164Bおよび溝168Bは、おおよそタービン動翼92の後縁の角度である角度αBに配向されている。図12に概略的に示しているように、前方の隆条162Aは、前方の領域Aの動翼の漏れ方向を阻止し、後の隆条162Bは、後方の領域Bの動翼の漏れLを阻止する。水平のスペーサ隆条169は、動翼先端の漏れLを阻止および分断するために、摩滅可能構成部品の表面167の周囲の周りで、動翼92の占める領域にわたって軸方向に周期的に配向されているが、既知の設計の平坦で連続した表面と異なり、摩滅可能表面は、動翼先端の接触および摩耗を引き起こし得る潜在的な表面積を小さくする。
【００４１】
図13の摩滅可能構成部品170の実施形態は図12のものと同様であり、前方部分の隆条172A/174Aおよび溝178Aがタービン燃焼ガスの流れ方向Fと概して平行に配向されているが、後方の隆条172B/174Bおよび溝178Bが、領域Bにおいて始まるタービン動翼92の圧力側から動翼の後縁までの間で形成されている角度とおおよそ等しい角度αBで配向されている。図12の実施形態のように、水平なスペーサ隆条179が、動翼先端の漏れLを阻止および分断するために、摩滅可能構成部品の表面167の周囲の周りで、動翼92の占める領域にわたって軸方向に周期的に配向されている。
【００４２】
図14の摩滅可能構成部品180の実施形態は、図12および図13のものと同様に、前方部分の隆条182A/184Aおよび溝188Aがタービン燃焼ガスの流れ方向Fと概して平行に配向されているが、後方の隆条182B/184Bおよび溝188Bが、角度αB1〜αB3までのいずれかに選択的に配向されている。角度αB1は、動翼92の前縁と後縁との間で形成されている角度である。図13にあるように、角度αB2は、後方領域Bと対向する関係であるタービン動翼92の高圧側の壁の一部とおおよそ平行である。図14に示しているように、後方の隆条182B/184Bおよび溝188Bは、角度αB2のおおよそ50%である角度である角度αB3に実際配向されている。図12の実施形態のように、水平なスペーサ隆条189が、動翼先端の漏れLを阻止および分断するために、摩滅可能構成部品の表面187の周囲の周りで、動翼92の占める領域にわたって軸方向に周期的に配向されている。
【００４３】
図15の摩滅可能構成部品190の実施形態では、前方の隆条192A/194Aおよび溝198Aと角度αAとが図14のものと同様であるが、後方の隆条192B/194Bおよび溝198Bが、図14より狭い間隔および幅を有している。図15に示した後方の隆条192B/194Bおよび溝198Bの代替の角度αB1は、図12における角度αBと同様に、タービン動翼92の後縁の角度と合致している。実際の角度αB2は、図13にあるように、後方領域Bと対向する関係であるタービン動翼92の高圧側の壁の一部とおおよそ平行である。代替の角度αB3と水平のスペーサ隆条199とは図14のものと合致するが、他の角度の配列またはスペーサ隆条が用いられてもよい。
【００４４】
代替のスペーサ隆条のパターンが図16および図17に示されている。図16の実施形態では、摩滅可能構成部品200は、タービン動翼92の全体の軸方向の占める領域にわたる全長スペーサ隆条209と、全長の隆条間に挿入されている追加の前方スペーサ隆条209Aとの配列を組み込んでいる。追加の前方スペーサ隆条209Aは、前縁に近い動翼92の部分における動翼先端の漏れの追加の阻止を提供する。図17の実施形態では、摩滅可能構成部品210が、全長スペーサ隆条219と、前方スペーサ隆条219Aおよび後方スペーサ隆条219Bの周方向に千鳥配置された配列とのパターンを有している。周方向に千鳥配置されたスペーサ隆条219A/219Bは、動翼92が、掃き進む中で、早期の動翼先端の摩耗を引き起こし得る連続的な接触の可能性なく、摩滅可能構成部品210の表面を掃き進むとき、動翼先端の漏れの周期的な阻止または寸断を提供する。
【００４５】
水平なスペーサ隆条の配列が先に詳述されているが、本発明の他の実施形態は、鉛直なスペーサ隆条を含む。より具体的には、図18および図19の摩滅可能構成部品220の実施形態は、溝228Aが間にある前方隆条222Aを組み込んでいる。これらの溝は、前方隆条222Aを相互につなぐ千鳥配置された前方鉛直隆条223Aによって断続されている。図18に示しているように、千鳥配置とされた前方鉛直隆条223Aは、左から右へと下向きに傾斜する斜めの一連の配列を形成している。全長におよぶ鉛直なスペーサ隆条229が、前方の領域Aと後方の領域Bとの間で移行領域Tに配向されている。後方の隆条222Bおよび溝228Bは、角度を付けて配向されており、前方の隆条222Aおよび溝228Aと共に、ホッケースティック状の平面形を完成させている。千鳥配置された後方鉛直隆条223Bが、前方鉛直隆条223Aと同様に配列されている。鉛直隆条223A/223Bと229とは、図12〜図17の断続されていない全長における溝の実施形態で生じ得る、前方部分から後方部分への摩滅可能構成部品220の溝にわたる軸方向の空気流れの漏れを、概して分断するが、鉛直な隆条のうちの1つとの潜在的な摩擦接触位置において、動翼先端の摩耗が増加するという潜在的な欠点がある。妥協としての千鳥配置された鉛直隆条223A/223Bは、タービン動翼先端についての潜在的な360度の摩擦表面を導入することなく、溝228A/228Bを通じた軸方向の空気流れを周期的に分断する。連続的な鉛直の隆条229についての潜在的な360度の摩擦表面の接触は、隆条222A/222Bまたは223A/223Bに対する隆条229の鉛直高さを小さくすることで低減でき、前方溝228Aと後方溝228Bとの間の移行領域Tにおいて、なおもいくらかの軸方向の流れの分断の能力を提供できる。
【００４６】
図20は、連続した溝(実線)と、千鳥配置された鉛直隆条によって分断された分割した溝(点線)との間での、ホッケースティック状の隆条/溝のパターン配列の平面形のシミュレーションされた流体の流れの比較を示している。全体の動翼先端の漏れの質量流束(それぞれの線の下の面積)は、連続した溝の配列パターンについてよりも分割した溝の配列パターンについての方が小さい。
【００４７】
溝において空気の流れを分断する千鳥配置された隆条は、動翼回転の方向Rにおいて鉛直に整列される必要はない。図21に示しているように、摩滅可能構成部品230が、前縁および後縁の連続する列の間をつなぐと共に溝238A/238B内の下流の流れを周期的に阻止する隆条233A/233Bの角度の付けられたパターン(αA、αB)によって断続されている、前方および後方の隆条232A/232Bおよび溝238A/238Bのそれぞれのパターンを有している。図18の実施形態のように、摩滅可能構成部品230は、前方の領域Aと後方の領域Bとの間の移行に位置付けられた連続する鉛直に整列された隆条239を有している。隆条232Aおよび233A/233Bの交差する角度の付けられた配列は、前縁から後縁へのタービン動翼軸方向長さに沿って、高圧側96から低圧側98への局所的な動翼先端の漏れLを効果的に阻止する。
【００４８】
図12〜図19および図21に示したスペーサ隆条169、179、189、199、209、219、229、239などの実施形態が、同じ摩滅可能構成部品の配列において異なる対向的な高さを有し、構成部品内の他の隆条の配列のうちの1つまたは複数と高さが異なる可能性があることは、留意されている。例えば、スペーサ隆条の高さが摩滅可能表面における他の隆条の高さより小さい場合、動翼先端に接触することはないかもしれないが、なおも隣接する断続の溝に沿って空気流れを分断するように機能できる。
【００４９】
図22は、領域を互いに分割するための鉛直の隆条が一切ない移行Tにおいて交差する、特異的な前方の領域Aおよび後方の領域Bのそれぞれの隆条242A/242Bおよび溝248A/248Bパターンの実施形態の概念を組み合わせているホッケースティック状の平面形パターンの摩滅可能構成部品240の代替の実施形態である。したがって、溝248A/248Bは、対応するタービン動翼の軸方向の掃き進みによって網羅される摩滅可能構成部品240の前縁または前方の縁から後の最も下流の縁まで(流れ方向Fの矢印を参照)の連続する複合的な溝を形成している。千鳥配置された鉛直の隆条243A/243Bは、ある軸方向の場所で、摩滅可能表面と対応する回転する動翼(回転の方向の矢印R)との間の潜在的な連続する摩滅接触のなく、各々の溝を通じた軸方向の流れを断続する。しかしながら、小さい鉛直の隆条243A/243Bによって周期的に断続されるだけの連続する真っ直ぐな線の溝248A/248Bの比較的長い延伸は、水ジェット浸食または他の既知の製造技術によって、製造を容易にする。摩滅可能構成部品240の実施形態は、空気流れの性能と、動翼先端の摩耗と、製造の容易性/コストとの間で良好な主観的設計の妥協を提供している。
【００５０】
図23〜図25は、ジグザグのパターンを備える摩滅可能構成部品の隆条および溝の平面形の実施形態を示している。ジグザグのパターンは、隆条を形成するために摩滅可能表面の基材に材料の1つまたは複数の層を加えることで、または、既知のレーザーまたは水ジェットの切断方法などによって、基材内に溝を形成することで、形成される。図23では、摩滅可能構成部品250の基材表面257は、符号258'において始まって符号258"において途切れる、基材表面257に形成された連続する溝258を有しており、交互になっている指状の交互配置隆条252のパターンを定めている。他の溝および隆条のジグザグのパターンは、摩滅可能構成部品において形成され得る。図24の実施形態で示しているように、摩滅可能構成部品260は、符号268'において始まって符号268"において途切れ、基材表面267に形成され、角度が付けられて配向された隆条262を残している連続パターンの斜めに配向された溝268を有している。図25では、摩滅可能構成部品の実施形態270は、基材表面277において一対の溝278Aおよび278Bによって形成されたV字形またはホッケースティック状の二重の領域の複数の溝のパターンを有している。溝278は、符号278'において始まり、符号278"において途切れている。基材表面277全体においてV字形またはホッケースティック状のパターンを完成するために、第2の溝278Aは、摩滅可能構成部品270の下の左手部分に形成されており、符号278'において始まり、符号278A"において途切れている。それぞれの動翼先端の漏れLの流れを方向付ける前の隆条272Aおよび後の隆条272Bが、図12〜図19、図21、および図22の摩滅可能な実施形態で行われているように、摩滅可能表面277の前方の領域および後方の領域にそれぞれ形成されている。溝258、268、278、または278Aは、連続して形成される必要はなく、溝の軸方向長さ全体を通じたガスの流れを抑制するために、図18および図19の実施形態の隆条223A/223Bなどの阻止する隆条を備えてもよい。
【００５１】
図26〜図29は、入れ子にされたループのパターンを備える摩滅可能構成部品の隆条および溝の平面形配列の実施形態を示している。入れ子にされたループのパターンは、隆条を形成するために摩滅可能表面の基材に材料の1つまたは複数の層を加えることで、または、既知のレーザーまたは水ジェットの切断方法などによって、基材内に溝を形成することで、形成される。図26の摩滅可能構成部品280の実施形態は、水平に配向されたスペーサ隆条289によって分離されている鉛直に配向された入れ子にされたループのパターン281の配列を有している。各々のループのパターン281は、入れ子にされた溝288A〜288Eと、中心隆条282Aおよびループ隆条282B〜282Eを含む対応する相補的な隆条とを有している。図27では、摩滅可能構成部品280'は、前方の領域Aにおける入れ子にされたループ281Aと、後方の領域Bにおける入れ子にされたループ281Bとのパターンを含んでいる。入れ子にされたループ281Aおよび281Bは、水平なスペーサ隆条289と鉛直なスペーサ隆条289Aとの両方によって分離されている。図28の摩滅可能実施形態280''では、入れ子にされたループ281''の水平部分は、角度αで配向されている。図29の摩滅可能実施形態280'''では、入れ子にされた概して水平または軸方向のループ281A'''および281B'''は、別々の前方の領域Aおよび後方の領域Bの配列において、それぞれの角度αAおよびαBで配向されている。前方の角度、後方の角度、およびループ寸法は、領域の各々における動翼先端の漏れを最小限にするために変えられてもよい。
【００５２】
図30〜図33は、入れ子にされたループのパターンと同様の螺旋迷路のパターンを備える摩滅可能構成部品の隆条および溝の平面形配列の実施形態を示している。迷路パターンは、隆条を形成するために摩滅可能表面の基材に材料の1つまたは複数の層を加えることで形成される。代替で、これらの関連する図に示しているように、迷路パターンは、既知のレーザーまたは水ジェットの切断方法などによって、基材内に溝を形成することで作り出される。図30の摩滅可能構成部品290の実施形態は、水平に配向されたスペーサ隆条299によって分離されている鉛直に配向され、符号291Aにおいて始まり符号291Bにおいて途切れる、入れ子にされた迷路のパターン291を有している。図31では、摩滅可能構成部品290'は、前方の領域Aにおける入れ子にされた迷路291Aと、後方の領域Bにおける入れ子にされた迷路291Bとのパターンを含んでいる。入れ子にされた迷路291Aおよび291Bは、水平なスペーサ隆条299'と鉛直なスペーサ隆条293'との両方によって分離されている。図32の摩滅可能実施形態290"では、入れ子にされた迷路291"の水平部分が角度αで配向されている。図33の摩滅可能実施形態290'''では、迷路291A'''および291B'''の概して水平の部分が、それぞれの角度αA、αBで、別々の前方の領域Aと後方の領域Bとの配列で、配列されている一方、概して鉛直の部分は、動翼の回転の掃き進むのと整列されている。前方の角度αA、後方の角度αB、および迷路寸法は、領域の各々における動翼先端の漏れを最小限にするために変えられてもよい。
【００５３】
図34および図35は、移行領域Tにおける対応する湾曲された隆条302Tおよび溝308Tのパターンによって結合されている前方の領域Aおよび後方の領域Bのそれぞれにおける別々の特異的な複数の配列された隆条302A/302Bおよび溝308A/308Bを持つ摩滅可能構成部品300の実施形態を対象としている。この例示の実施形態のパターンでは、溝308A/308B/308Tは、摩滅可能構成部品300の表面内で閉じられて形成されており、対応するリブ302A/302B/302Tを囲んでいる。リブ間間隔SRA、SRB、およびSRTと、対応する溝間隔とは、局所的な動翼先端の漏れを最小限にするために、構成部品表面にわたって軸方向および鉛直方向に代わってもよい。本明細書でより詳細に記載されることになるように、リブおよび溝の断面輪郭は、局所的な動翼先端の漏れを少なくするために、非対称であってもよく、摩滅可能構成部品300の表面に対して異なる角度で形成されてもよい。図36は、摩滅可能構成部品における同程度の深さの隆条および溝の輪郭の比較の流体力学シミュレーションを示している。実線は、図34および図35の種類の摩滅可能構成部品における動翼先端の漏れを表している。点線は、軸方向または水平方向に配向されたリブおよび溝を有する先行技術の種類の摩滅可能構成部品を表している。点線は、斜めに配向されているリブおよび溝が、対応するタービン動翼92の後縁の角度と整列されている状態での、図7のものと同様の先行技術の摩滅可能構成部品を表している。摩滅可能構成部品300では、既知の先行技術の種類の一方向の摩滅可能表面の隆条および溝のパターンのいずれの動翼先端の漏れよりも、漏れが少なかった。
【００５４】
摩滅可能表面の隆条および溝の断面輪郭
例示の本発明の実施形態の摩滅可能表面の隆条および溝の断面輪郭が、図37〜図41および図43〜図63に示されている。摩滅可能表面全体にわたって一定の高さを有する既知の摩滅可能な断面の輪郭パターンと異なり、溶射された摩滅可能層に形成された本発明の断面輪郭の多くは、特異的な上方摩耗領域(領域I)と下方摩耗領域(領域II)とを有する複合的な複数の高さ/深さの隆条および溝のパターンを備える。下方領域IIは、エンジンの空気流れと構造的な特性とを最適化する一方、上方領域Iは、下方領域より容易に摩滅可能であることによって、動翼先端の隙間および摩耗を最小化する。摩滅可能構成部品の様々な実施形態は、下方領域のリブ構造よりも小さい断面積を有する上方の副隆条または尖端で、上方領域のより容易な摩滅可能性を提供する。一部の実施形態では、上方の副隆条または尖端は、小規模な動翼先端の接触の場合に屈曲または湾曲し、より大規模な動翼先端の接触の場合に擦り減るおよび/または削ぎ落ちるように形成される。他の実施形態では、上方領域の副隆条または尖端は、1つまたは複数の動翼先端と局所的な接触をしている尖端のみが摩耗される一方で、局所的な摩耗領域以外の他の領域が無傷のままであるように、上方摩耗領域の配列へとピクセル化される。隆条の上方領域部分は、擦り減らされる一方、以前の既知の一体の隆条より動翼先端の摩耗を少なくし、複合的な中空のセラミック球体のマトリックスの配向および直径の物理的制約の周りに輪郭形成を必要とするCMC/FGI摩滅可能構成部品の構造より大きな輪郭形成の融通性を提供する。本発明の実施形態では、上方領域隆条部分が擦り減らされるため、残っている下方の隆条部分は、動翼先端の漏れを制御することでエンジン効率を保つ。局所的な動翼先端の隙間がさらに低減される場合、動翼先端は、その場所における下方隆条部を擦り減らす。しかしながら、その下方隆条部の局所的な摩耗領域以外の比較的より高い隆条は、より小さい動翼先端の隙間を維持してエンジン性能の効率を保つ。
【００５５】
本発明の動翼先端の隙間Gの一部の実施形態の進行性の摩耗領域構造は、以前に許容可能であった既知の寸法より小さくされ得る。例えば、既知の許容可能な動翼隙間Gの設計仕様は1mmである場合、摩耗領域Iにおけるより高い隆条は、動翼先端隙間が0.5mmへと小さくされるように高さが増加され得る。摩耗領域IIのための境界を確立する下方隆条は、それらの遠位先端部分が動翼先端から1mm離間されるように、高さが設定される。この手法では、50%詰まった動翼先端の隙間Gが、動翼が領域Iにおける上方隆条と接触することで引き起こされる一部の潜在的な摩耗を受け入れる状態で、通常のタービン運転について確立される。領域IIにおける続く局所的な進行性の動翼摩耗は、動翼先端が下方領域へと侵入する場合に開始されるだけであるが、いずれの事象でも、1mmの動翼先端の隙間Gが既知の動翼先端の隙間の仕様より悪くなることはない。一部の例示の実施形態では、上方領域Iの高さが下方領域IIの高さのおおよそ1/3〜2/3である。
【００５６】
図37〜図41の摩滅可能構成部品310は、摩滅可能表面317から突出すると共に支持面311によって構造的に支持されている交互の高さの湾曲された隆条312Aおよび312Bを有している。溝318は、交互の高さの隆条312A/312Bを分離しており、隆条の側壁315A/315Bおよび316A/316Bによって定められている。摩耗領域Iは、より背の高い隆条312Aのそれぞれの先端314Aから下に、より低い隆条312Bのそれぞれの先端314Bまでで確立されている。摩耗領域IIは先端314Bから下に基材表面317までで確立されている。タービン運転状態においては(図39および図40)、動翼の隙間Gは、より高い隆条の先端314Aと動翼先端94との間で維持される。動翼の隙間Gが維持されている間、動翼の漏れLが、動翼92の回転方向(矢印R)において、動翼のより高い圧力とされる側96(圧力PP)から、動翼の低い圧力とされる側または負圧側98(圧力PS)へと進む。動翼先端94における動翼の漏れLは、対向する対のより高い隆条312Aと中間のより低い隆条312Bとの間に部分的に捕らえられ、動翼の漏れにさらに抗する阻止旋回パターンを形成する。動翼先端の隙間Gが、タービンケーシング100の歪み、素早いエンジンの始動モード、または他の理由のため、いずれかの1つまたは複数の動翼について小さくなる場合、動翼先端94と摩滅可能構成部品310との間の初期の接触は、より高い隆条の先端314Aにおいて生じることになる。なおも領域Iにある間、動翼先端94は、交互に千鳥配置されたより高い隆条312Aと擦れるだけである。動翼の隙間Gが徐々に小さくなる場合、より高い隆条312Aは、領域Iをすべて通じて摩耗され、領域IIにおけるより低い動翼先端314Bと接し始めるまで、摩滅されることになる。領域IIにおいて、タービン動翼先端94が、局所的な摩耗領域において残りの隆条314A/314Bのすべてと擦れるとき、タービンケーシングの他の局所的な部分では、動翼先端の隙間Gの縮小がなく、上方の隆条312Aがその完全な高さにおいて無傷である可能性がある。したがって、摩滅可能構成部品310の交互の高さのリブの構造は、領域Iおよび領域II内の局所的な摩耗を受け入れるが、タービンケーシング100または動翼92の歪みがない局所的な領域における動翼先端の隙間Gと、動翼先端の漏れLの空気力学的な接触とを保つ。標準的もしくは素早いエンジン運転モードのいずれか、または、それら両方のエンジン運転モードが望まれるとき、より背の高い隆条312Aは、最小の動翼先端の隙間Gを伴って、クリアランスの主要な層を形成し、より小さい増加率を典型的には用いる機械、または、熱間始動を実施しない機械に、最良のエネルギー効率のクリアランスを提供する。概して、より低い隆条の先端314Bについての隆条高さHRBは、より高い隆条の先端314Aの高さHRAの25%〜75%の間である。図41に示した実施形態では、連続するより高い隆条312A間の中心線間隔SRAが、連続するより低い隆条312B間の中心線間隔SRBと等しい。3つ以上の隆条の高さを含む複数の高さの隆条の他の中心線間隔およびパターンが、用いられてもよい。
【００５７】
上方および下方の摩耗領域を備える隆条および溝の輪郭の他の実施形態は、図43および図44の階段状の隆条の輪郭を備えており、これらは、図42における先行技術の摩滅可能部の既知の単一の高さの隆条構造と比較される。既知の単一の高さの隆条摩滅可能部150は、タービンケーシング100に結合されている基礎支持体151と、基材表面157と、平坦な隆条先端154において途切れる内向きに傾斜する側壁155、156を有する対称な隆条152とを備えている。隆条先端154は、共通の高さを有しており、対向する離間された動翼先端94と動翼先端の隙間Gを確立している。溝158が隆条152間に確立されている。隆条間隔SR、溝幅WG、および隆条幅WRが、特定の用途に向けて選択されている。比較において、図43および図44の階段状とされた隆条の輪郭は、隆条構造において2つの特異的な上方摩耗領域と下方摩耗領域とを用いている。
【００５８】
図43の摩滅可能構成部品320は、支持面321と、特異的な2段の隆条、すなわち、下方隆条322Bと上方隆条322Aとが配列されている摩滅可能表面327とを有している。下方隆条322Bは、高さHRBの高台324Bにおいて途切れる一対の側壁325Bおよび326Bを有している。上方隆条322Aは、高台324Bに形成されると共に高台324Bから突出しており、高さHRAおよび幅WRの遠位隆条先端324Aにおいて途切れる側壁325Aおよび326Aを有している。隆条先端324Aは、対向する離間された動翼先端94と動翼先端の隙間Gを確立している。摩耗領域IIは、摩滅可能表面327から高台324Bへと鉛直に延びており、摩耗領域Iは、高台324Bから隆条先端324Aまで鉛直に延びている。図43における2つの最も右側の隆条322A/322Bは、融合された共通の側壁326A/326Bを持つ一方で、反対の側壁325Aおよび325Bが互いに横方向にずらされており、幅WPの高台324Bによって分離されている、非対称な輪郭を有している。溝328は隆条322A/322Bの間に定められている。最も左側の隆条322A'/322B'は対称的な輪郭を有している。下方隆条322B'は、高台324B'において途切れる一対の集束する側壁325B'および326B'を有している。上方隆条322A'は、高台324B'において中心に置かれ、上方隆条の側壁325A'および326A'に対して等しい幅のずれWP'を残している。上方隆条の先端324A'は幅WR'を有している。隆条間隔SRおよび溝幅WGは、所望の動翼先端の漏れの空気流れの制御を提供するために選択されている。本明細書に記載されている摩滅可能構成部品および溝の輪郭の一部の例示の実施形態では、溝幅WGは、下方隆条の幅のおおよそ1/3〜2/3である。図43に示した隆条および溝は対称的に離間されているが、階段状の摩耗領域IおよびIIを作り出す異なる隆条の断面の輪郭を含め、他の間隔の輪郭は選択されてもよい。
【００５９】
図44は、鉛直に配向された平行な側壁335A/335Bおよび336A/336Bを有する隆条332A/332Bを備える別の階段状の輪郭の摩滅可能構成部品330を示している。下方隆条は隆条の高台334Bにおいて途切れており、高台334Bには、上方隆条332Aが配向されており、隆条の先端334Aにおいて途切れている。一部の用途では、動翼先端の隙間における空気流れの制御のために、鋭い角とされた輪郭を定める鉛直に配向された側壁と平坦な先端/高台とを用いることが望ましい。上方の摩耗領域Iは、隆条先端334Aと隆条高台334Bとの間にあり、下方の摩耗領域は、高台と摩滅可能表面337との間にある。図43の摩滅可能な実施形態320のように、図44に示した隆条および溝は対称的に離間されているが、階段状の摩耗領域IおよびIIを作り出す異なる隆条の断面の輪郭を含め、他の間隔の輪郭は選択されてもよい。
【００６０】
階段状の隆条構造の摩滅可能構成部品の他の置き換えまたは種類では、別々の上方摩耗領域Iと下方摩耗領域IIとが、図45に示した摩滅可能部340の輪郭で用いられているように、複数の溝の深さ、溝の幅、および隆条の幅を用いることで作り出されてもよい。下方隆条342Bは、摩滅可能表面347との組み合わせで、摩耗領域IIを定めているリブ高台344Bを有している。リブの高台344Bは、共通の高さのリブ先端344Aにおいて途切れる一対の反対にある横方向で側面にある上方リブ342Aを支持している。摩耗領域Iは、リブ先端344Aと高台344Bとの間で定められている。摩滅可能構成部品340の輪郭を形成するための都合の良い方法は、二重の深さの溝348Aおよび348Bを、平坦な表面とされた摩滅可能基材に、それぞれ深さDGAおよびDGBで切ることである。隆条の間隔SR、溝の幅WGA/WGB、および隆条先端344Aの幅WRが、所望の動翼の先端の漏れの空気流れの制御を提供するために選択されている。図45に示した隆条および溝は対称的に離間されているが、階段状の摩耗領域IおよびIIを作り出す異なる隆条の断面の輪郭を含め、他の間隔の輪郭は選択されてもよい。
【００６１】
図46に示しているように、特定のタービン用途では、鉛直に配向された鋭い縁とされた上流の側壁356と、基材表面357から延びて隆条先端354において途切れる傾斜する反対の下流の側壁355とを備える非対称な輪郭の摩滅可能な隆条352を有する摩滅可能構成部品350の実施形態を用いることで、動翼先端の漏れを制御することが望ましい可能性がある。動翼の漏れLは、鉛直な側壁356によって最初に妨害される。それでもなお、一部の漏れの空気流れLが、隆条先端354と対向する動翼先端94との間で圧縮される一方、高圧の動翼の側96からより低い圧力の動翼の負圧側98へと流れていく。漏れの流れは、下向きに傾斜する隆条側壁355に追従し、そこで、次の下流の隆条の鉛直の側壁356によって動翼回転の方向Rと反対に再度方向付けられる。ここで反対に流れる漏れの空気Lは、動翼回転の方向Rにおいてさらに入ってくる漏れの空気流れLに抗する。図46に示した寸法の参照は、以前に描写した図の参照の描写と一致している。図46の摩滅可能構成部品の実施形態350は、他の以前に描写した摩滅可能構成部品の輪郭の進行性の摩耗領域IおよびIIを用いていないが、このような領域は、他の以下に記載している非対称の輪郭のリブの実施形態において組み込まれ得る。
【００６２】
進行性の摩耗領域が、溝をリブに切ることによって、非対称なリブまたは任意の他のリブの輪郭に組み込まれてもよく、それによって、切られた溝の側面にある残りの直立するリブの材料は、残っている下にあるリブより小さい水平の断面積を有する。溝の配向および輪郭は、望ましくない動翼先端の漏れを低減することによって、タービンエンジンの空気流れ特性を高めるように調整されてもよく、本明細書で以下に記載されている図47の実施形態に示されている。この手法では、溶射された摩滅可能構成部品の表面は、動翼先端がより摩滅しやすい上方の摩耗領域Iの部分と接触するだけであるため、空気流れの特性が高められることと、潜在的な動翼先端の摩耗が低減されることとの両方を伴って構築されている。下方の摩耗領域IIは、溝の深さより下の下方のリブ構造のままである。進行性の摩耗領域を形成するために用いられる摩滅可能構成部品の隆条および溝の輪郭の他の例示の実施形態が、ここでは記載されている。先に記載した実施形態に共通するこれらの追加の実施形態における構造的な特徴および構成部品の寸法的な参照は、さらなる詳細な記載のない同様の一連の参照の符号および記号で特定される。
【００６３】
図47は、図46の摩滅可能構成部品350のリブの断面の輪郭を有しているが、隆条先端364に形成された二重のレベルの溝368Aと、隆条362間で基材表面367に形成された368Bとを含んでいる摩滅可能構成部品360を示している。上方の溝368Aは、摩耗領域Iを含むより浅い深さDGの側方隆条を形成しており、一方、溝深さより下の隆条362の残りの部分は下方の摩耗領域IIを含んでいる。この摩滅可能構成部品の実施形態360では、上方の溝368Aは、隆条362の長手方向軸と平行に配向されており、隆条先端364の表面に垂直であるが、他の溝の配向、輪郭、および深さが、空気流れの制御を最適化するために、および/または、動翼先端の摩耗を最小限にするために、用いられてもよい。
【００６４】
図48の摩滅可能構成部品370の実施形態では、複数の上方の溝378Aが、隆条の先端374に対して角度γ、深さDGAで前後に傾斜されており、平行な溝の側壁を有している。上方の摩耗領域Iは、溝378Aの底と隆条先端374との間に確立され、可能の摩耗領域IIは、上方の摩耗領域の下で基材表面377までである。図49の代替の実施形態では、摩滅可能構成部品380は、隆条382の長手方向軸と隆条382の側壁385/386とに対して角度Δで斜めにされた矩形の輪郭の上方の溝388Aを有している。示しているような上方の溝388Aは、隆条先端384の表面に垂直で盛る。上方の摩耗領域Iは溝深さDGAの上方であり、摩耗領域IIは、その溝の深さの下で基材表面387までである。簡略にするために、構造的な特徴および寸法の残りのものは、図48および図49において、先に記載した摩滅可能表面の輪郭の実施形態と同じ形で符号が付けられており、先に記載したものと同じ機能、目的、および関係を有している。
【００６５】
図50〜図52に示しているように、上方の溝は、平行な側壁を有する必要はなく、隆条先端の表面に対して異なる角度で配向されてもよい。また、上方の溝は、異なる断面の輪郭を有する隆条で用いられてもよい。摩滅可能構成部品の実施形態390、400、および410の隆条は、隆条先端で収束する対称的な側壁を有している。二重の高さの溝を有している先に記載した実施形態にあるように、それぞれの上方の摩耗領域Iは、隆条先端から溝深さDGの底までであり、下方の摩耗領域IIは、溝の底から基材表面までである。図50では、上方の溝398Aは基材表面に垂直(ε=90°)であり、溝の側壁は角度Φで分散する。図51では、溝408Aは、基材表面に対して角度+εで傾斜されており、図52における溝418Aは、基材表面に対して角度-εで傾斜されている。摩滅可能構成部品の実施形態400および410の両方において、上方の溝の側壁は角度Φで分散する。簡略にするために、構造的な特徴および寸法の残りのものは、図50〜図52において、先に記載した摩滅可能表面の輪郭の実施形態と同じ形で符号が付けられており、先に記載したものと同じ機能、目的、および関係を有している。
【００６６】
図53〜図56では、示した摩滅可能な隆条の実施形態は、選択的な空気流れの制御のために上方の溝が様々な配向となっている状態で台形の断面の輪郭と隆条線とを有しつつ、選択的な上方および下方の摩耗領域も有している。図53では、摩滅可能構成部品430の実施形態は、下方の溝438Bによって分離された、非対称的な断面の輪郭を持つ隆条432の配列を有している。各々の隆条432は、角度β1で傾斜している第1の側壁435と、角度β2で傾斜している第2の側壁436とを有している。各々の隆条432は、隆条の長手方向軸と平行であって隆条先端434に垂直である上方の溝438Aを有している。上方の溝438Aの深さは、上方の摩耗領域Iの下限を定めており、隆条432の残りの高さは下方の摩耗領域IIを定めている。
【００６７】
図54〜図56では、それぞれの隆条422、442、および452の断面は、角度βで配向されている平行な側壁425/445/455および426/446/456を持つ台形となっている。右側の側壁426/446/456は、動翼回転方向と反対に傾くように配向されており、そのため、2つの隣接する隆条間の中間の下方の溝428B/448B/458B内に捕らえられる空気は、動翼回転方向と反対に再度方向付けられもし、図46の非対称の摩滅可能な輪郭350において図示および記載したように、タービン動翼の上流の高圧側96からタービン動翼の低圧の負圧側98への動翼先端の漏れ方向に抗する。それぞれの上方の溝428A/448A/458Aの配向および輪郭は、空気流れの漏れを方向付けるために、および、上方の摩耗領域Iを形成するために、変更されてもよい。溝の輪郭は、分散のない平行な側壁間から、角度Φの負または正の分散までの範囲で、異なる深さDGで、および、隆条先端表面に対して異なる角度配向εで、選択的に変更される。図54では、上方の溝428Aは、隆条先端424の表面に垂直である(ε=90°)。図55および図56では、上方の溝448Aおよび458Aはそれぞれ、その対応する隆条先端の表面に対して角度+εおよび-εでそれぞれ配向されている。
【００６８】
図57は、角度αA/αBでそれぞれ配向されている下方の溝468A/468Bによって分離されている前方Aおよび後方Bの隆条462A/462Bを備える、複数のレベルの溝と上方/下方の摩耗領域を組み込んでいる摩滅可能構成部品460の平面形を示している。図49の実施形態に示した種類の前方および後方の部分的な深さの溝463A/463Bの配列が、隆条462A/462Bのそれぞれの配列に形成されており、隆条と完全な深さの溝468A/468Bとをそれぞれの角度βA/βBで横断して配向されている。上方の部分的な深さの溝463A/463Bは、摩滅可能構成部品460の上方の摩耗領域Iの延長の境界を定めており、それらの部分的な深さの上方の溝の下の隆条の残りの部分が、下方の摩耗領域IIの鉛直の境界を定めている。
【００６９】
溶射された摩滅可能構成部品がある場合、上方の摩耗領域Iの溶射された摩滅可能材料の断面および高さは、CMC/FGIの摩滅可能構成部品の構造における中空のセラミック球体の周りに溝を形成する前述の形状的な制限なく、また、金属の摩滅可能構成部品の支持構造を用いる設計上の恩恵なく、隆条の最上部において、図58に示しているように、微小なリブまたは尖端の配列を定めることで、異なる度合いの動翼先端の侵入に順応するように構成され得る。摩滅可能構成部品470は、下方の摩耗領域IIを形成する下方の溝および隆条の配列を伴って、先に記載した金属の支持面471を備えている。具体的には、下方の隆条472Bは、隆条の高台474Bにおいて途切れる側壁475Bおよび476Bを有している。下方の溝478Bは、隆条の側壁475Bおよび476Bと基材表面477とによって定められている。微小なリブまたは尖端472Aが、さもなければCMC/FGIの摩滅可能構成部品の設計において課される中空の球体の完全性保持の形状の制約なしで、既知の付加する工程によって、または、下方の隆条472B内に交差する溝478Aおよび478Cの配列を形成することによって、下方の隆条の高台474Bに形成されている。図58の実施形態では、尖端472Aは、共通の高さの隆条の先端474Aにおいて途切れる直立した側壁475A、475C、476A、および476Cによって定められる正方形または他の矩形の断面を有している。例として台形または六角形の断面を含め、他の尖端472Aの断面の平面形の形が用いられてもよい。異なる局所的な断面および高さを含む尖端の配列が利用されてもよい。
【００７０】
図60の代替の実施形態では、直立するピクセル化された尖端472A'の遠位のリブの先端474A'は、下方の溶射された材料482と異なる物理的特性および/または組成を有する溶射された材料480から構築されている。例えば、上方の遠位の材料480は、下方の材料482より容易な、または、より小さい摩滅特性(例えば、より柔らかい、より多孔性、またはそれらの両方)で構築され得る。この手法では、動翼先端の隙間Gは、動翼先端の漏れを低減するために、以前の既知の摩滅可能構成部品で用いられているものより小さくなるように設計でき、そのため、材料480へのあらゆる局所的な侵入が、このような接触がより起こりやすいとしても、動翼先端を摩耗させにくくなっている。この手法では、タービンエンジンは、より小さい動翼先端の隙間で設計できることで、タービンエンジンの運転効率と共に、標準的または素早い始動モードで運転させる能力を増大し、一方で、動翼の摩耗に重大な影響を与えない。
【００７１】
尖端472Aおよび溝478A/478Cの寸法的な境界は、先の実施形態で記載したものと一致して、図58および図59において特定されている。概して、尖端472Aの高さHRAは、動翼先端の隙間Gのおおよそ20%〜100%の範囲、または、下方の隆条472Bおよび尖端472Aの全体の隆条の高さのおおよそ1/3〜2/3の範囲である。尖端472Aの断面は、尖端472Aの高さHRAのおおよそ20%から50%までの範囲である。尖端の材料構造および表面密度(中心線間隔SRA/SRBおよび溝幅WGAによって制限される)は、摩滅可能構成部品470の耐摩耗性、耐熱性、構造的安定性、および空気流れ特性をバランスするように選択される。例えば、制御された密度の溶射されたセラミックの摩滅可能部に作られた複数の小さい幅の尖端472Aは、高温ガスに対する高い漏れ防止性を提供する。これらは、高い侵入傾向の領域のみにおいて、または、全開のエンジン設定においてであってもよい。追加の封止が必要とされる場合、これは、隆条の幅を増加することによってではなく、それらの低い強度を維持する複数の隆条の増加によって行われることが提案される。典型的な尖端の中心線の間隔SRA/SRBまたは尖端472Aの構造および配列のパターンの密度選択は、ピクセル化された尖端を、異なるモードにおいて、図61〜図63に示しているように、動翼先端94の変化する深さに対応させることができる。
【００７２】
図61では、タービンの動翼先端94がピクセル化された尖端472Aの隆条先端474Aと接触しているため、動翼先端の隙間Gはない、または、実際には負の動翼先端の隙間Gである。動翼先端94の接触侵入は、ピクセル化された尖端472Aを湾曲させる。図62では、摩滅可能構成部品470へのより深い動翼先端の侵入があり、下方のリブの高台474Bへと尖端472Aが摩耗、破砕、または削ぎ落とされ、それらの間に残余の動翼先端の隙間を残す。この手法では、残余の破壊された尖端残余部472A(ある場合)との最小の動翼先端の接触があり、一方、摩耗領域IIにおける下方の隆条472Bは動翼先端の漏れの空気流れの制御を維持する。図63では、動翼先端94は、摩耗領域IIにおいて、下方のリブ472Bの下方の隆条の高台474Bへと侵入している。標準的な始動モードまたは素早い始動モードのいずれかで始動できるエンジンの例に戻って、代替の実施形態では、尖端472Aは、交互の高さHRAのパターンで、つまり、標準的な始動のために最適化されたより高いものと、素早い始動のために最適化されたより低いものとで、配列されてもよい。素早い始動モードでは、交互の尖端472Aのより高い方が破砕し、交互の尖端のより低い方を動翼先端の隙間Gの維持のために残す。脆弱性の尖端またはリブを有する例示の溶射された摩滅可能構成部品は、1より大きい幅WRAに対する高さHRAの比率を有している。典型的には、隆条または尖端の頂点において測定される幅WRAは0.5〜2mmであり、その高さHRAは、エンジン侵入の必要性によって決定され、幅に対する高さの比率(HRA/WRA)を1より大きく保つ。追加の封止が必要とされる場合、これは、隆条または尖端の幅WRAを増加することによってではなく、複数の隆条または尖端の増加(つまり、隆条または尖端の小さい強度を維持する、より狭い幅の尖端または隆条の、より大きな分配密度)によって行われることが提案される。低速の摩滅可能システムを要求するエンジンにおける領域について、溝の幅に対する隆条または尖端の幅の比率(WRA/WGA)は、好ましくは1より小さい。容易な動翼先端の摩滅可能性の要求において典型的ではないエンジンの摩滅可能構成部品の表面の領域または表面積について、摩滅可能表面断面の輪郭は、好ましくは、空気力学的な封止能力に
ついて最大化される(例えば、本発明の表面の平面形および断面の輪郭の実施形態を、1より大きい溝に対する隆条/尖端の幅の比率で適用することによる、小さい動翼先端の隙間Gと最小限とされた動翼先端の漏れ)。
【００７３】
周囲の摩滅可能表面への動翼の深さの侵入の複数のモードは、異なる場所における任意のタービンエンジンで起こり得る。そのため、任意の局所的な周囲位置における摩滅可能表面の構造は、動翼の侵入の可能性の度合いを相殺するように選択的に変えられ得る。例えば、図3〜図6におけるガスタービンエンジン80の既知の周囲の摩耗領域に戻って参照すると、3時および6時の位置における動翼先端の隙間Gは、12時および9時の周囲位置のそれらの摩耗パターンより小さくてもよい。12時および6時の位置におけるより大きな摩耗が予測される場合、下方の隆条の高さHRBは、最悪の場合の最小の動翼先端の隙間Gと、ピクセル化された、または、他の上方の摩耗領域Iの隆条構造の高さHRAとを確立するために選択でき、断面の幅および尖端の間隔の密度は、動翼先端94を摩滅可能表面層へと侵入させ得る可能性がより小さいまたは最小限である摩滅可能構成部品およびケースの歪みがあるタービンケーシングの周りの他の周囲位置において、小さい「最良の場合」の動翼先端の隙間Gを確立するように選択され得る。例として図62の脆弱性隆条472Aを用いる場合、厳しいエンジン運転条件の間(例えば、エンジンが素早い始動モードにあるとき)、動翼94は脆弱性隆条472Aまたは472A'に衝突し、隆条は高い負荷において破砕し、衝突の領域のみにおいてクリアランスを増加し、最適でない摩滅可能条件における動翼先端の摩耗を制限する。概して、摩滅可能構成部品における上方の摩耗領域1の隆条の高さは、理想的な動翼先端の隙間が0.25mmであるように選択され得る。3時および9時のタービンケーシングの周囲の摩耗領域(例えば、図6の符号124および128)は、エンジンの運転サイクルを通じて所望の0.25mmの動翼先端の隙間を維持しやすいが、他の周囲位置では、タービンケーシング/摩滅可能構成部品の歪みの可能性がより大きい。下方隆条の高さは、より大きい摩耗領域において、動翼先端が摩耗領域Iへとより深く摩耗するだけであり、下方の摩耗領域IIについての境界を設定する下方の隆条先端と接触しないように、下方隆条の隆条先端を理想的な1.0mmの動翼先端の隙間において設定するように選択され得る。最良の計算にも係わらず、動翼先端が摩耗領域IIへと摩耗し続ける場合、結果生じる動翼先端の摩耗の運転状態は、
以前から知られている摩滅可能層の構造においてほど悪くはない。しかしながら、摩滅可能層の周りの局所的な周囲位置の残りにおいて、タービンは、より小さい動翼先端の隙間Gで良好に運転しているため、より高い運転効率で運転しており、動翼先端における悪い摩耗の増加はほとんどまたはまったくない。
【００７４】
様々な実施形態の利点
タービンの摩滅可能構成部品の異なる実施形態が、本明細書において記載されている。多くの実施形態は、回転するタービン動翼の軸方向の範囲にわたっての局所的な動翼先端の漏れと他の空気流れの制御とのために、特異的な前方および後方の平面形の隆条および溝の配列を有している。実施形態の隆条および溝のパターンおよび配列の多くは、前方の領域と後方の領域との間に湾曲された移行位置が時折ある真っ直ぐな線の区域を製作するために、容易に構築される。多くの実施形態は、隆条構造において進行性の鉛直な摩耗領域を確立しており、そのため、確立された上方領域は、下方の摩耗領域より容易に摩滅する。上方領域を比較的容易に摩滅することは、動翼先端の摩耗の危険性を低減するが、所望の小さな動翼先端の隙間を確立し保つ。下方の摩耗領域は、空気流れの制御、熱的摩耗、および比較的小さい熱的摩滅に注力する。多くの実施形態では、局所的とされた空気流れの制御と複数の鉛直な摩耗領域との両方が、摩滅可能構成部品に組み込まれている。
【００７５】
本発明の教示を組み込んでいる様々な実施形態が、ここで詳細に図示および記載されてきたが、当業者は、これらの教示をなおも組み込んでいる多くの他の様々な実施形態を容易に考え出すことができる。本発明は、その適用において、記載で説明した、または、図面に示した例示の実施形態の構造の詳細と構成部品の配置とに限定されない。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施または実行できる。例えば、様々な隆条および溝の輪郭が、具体的なエンジン用途の周囲の周りで局所的に変わる可能性もある異なる平面形の配列で組み込まれてもよい。また、本明細書で用いられる表現および用語は、説明の目的のためであり、限定として考えられるべきでない。本明細書での「含む」、「備える」、または「有する」と、それらの変化との使用は、それ以後に列記された項目と、それらの均等物との他に、追加の項目を包含するように意味されている。他に特定または限定されていない場合、「搭載」、「連結」、「支持」、「結合」、およびそれらの変形と言った用語は、幅広く用いられ、直接的および間接的な搭載、連結、支持、および結合を包含する。さらに、「連結される」および「結合される」は、物理的または機械的な連結または結合に制限されない。
【符号の説明】
【００７６】
92  動翼
96  動翼のより高い圧力とされる側
98  動翼の低い圧力とされる側または負圧側
160  摩滅可能構成部品
162A  前方の隆条
162B  後方の隆条
164A  前方の隆条先端
164B  後方の隆条先端
167  摩滅可能構成部品の表面
168A  前方の溝
168B  後方の溝
169  スペーサ隆条
170  摩滅可能構成部品
172A  前方部分の隆条
172B  後方の隆条
174A  前方部分の隆条
174B  後方の隆条
178A  前方部分の溝
178B  後方の溝
179  スペーサ隆条
182A  前方部分の隆条
182B  後方の隆条
184A  前方部分の隆条
184B  後方の隆条
188A  前方部分の溝
188B  後方の溝
189  スペーサ隆条
190  摩滅可能構成部品
192A  前方の隆条
192B  後方の隆条
194A  前方の隆条
194B  後方の隆条
198A  前方の溝
198B  後方の溝
199  スペーサ隆条
200  摩滅可能構成部品
209  全長スペーサ隆条
209A  前方スペーサ隆条
210  摩滅可能構成部品
219  全長スペーサ隆条
219A  前方スペーサ隆条
219B  後方スペーサ隆条
220  摩滅可能構成部品
222A  前方隆条
223A  前方鉛直隆条
223B  後方鉛直隆条
222A  前方の隆条
222B  後方の隆条
228A  前方の溝
228B  後方の溝
229  スペーサ隆条
230  摩滅可能構成部品
232A  前方の隆条
232B  後方の隆条
238A  前方の溝
238B  後方の溝
233A/233B  隆条
239  スペーサ隆条
240  摩滅可能構成部品
242A  前方の隆条
242B  後方の隆条
248A  前方の溝
248B  後方の溝
250  摩滅可能構成部品
252  交互配置隆条
257  基材表面
258  溝
260  摩滅可能構成部品
262  隆条
267  基材表面
268  溝
270  摩滅可能構成部品
277  基材表面、摩滅可能表面
272A  前の隆条
272B  後の隆条
278A  溝
278B  溝
280  摩滅可能構成部品
280'  摩滅可能構成部品
280'''  摩滅可能実施形態
281  ループのパターン
281'''  入れ子にされたループ
281A、281B  入れ子にされたループ
281A'''、281B'''  水平または軸方向のループ
282A  中心隆条
282B、282C、282D、282E  ループ隆条
288A、288B、288C、288D、288E  溝
289  水平なスペーサ隆条
289A  鉛直なスペーサ隆条
290  摩滅可能構成部品
290'  摩滅可能構成部品
291  迷路のパターン
291A、291B  入れ子にされた迷路のループ
293'  スペーサ隆条
299  スペーサ隆条
299'  スペーサ隆条
290"  滅可能実施形態
291"  入れ子にされた迷路のループ
290'''  摩滅可能実施形態
291A'''、291B'''  迷路
300  摩滅可能構成部品
302A/302B  隆条
302T  湾曲された隆条
308A/308B  溝
308T  湾曲された溝
310  摩滅可能構成部品
312A  より高い隆条
312B  より低い隆条
314A、314B  先端
315A/315B  側壁
316A/316B  側壁
320  摩滅可能構成部品
321  支持面
322A  上方隆条
322A'  上方隆条
322B  下方隆条
322B'  下方隆条
324A  遠位隆条先端
324B  高台
324B'  高台
325A、326A  側壁
325A'、325B'  側壁
325B、326B  側壁
326A'、326B'  側壁
327  摩滅可能表面
330  摩滅可能構成部品
332A  上方隆条
332B  隆条
334A  隆条先端
334B  隆条高台
335A、335B  側壁
336A、336B  側壁
340  摩滅可能部
342A  上方リブ
342B  下方隆条
344A  リブ先端
347  摩滅可能表面
344B  リブ高台
348A、348B  溝
350  摩滅可能構成部品
352  隆条
354  隆条先端
355  側壁
356  側壁
357  基材表面
360  摩滅可能構成部品
362  隆条
367  基材表面
364、368B  隆条先端
368A  溝
370  摩滅可能構成部品
374  隆条先端
377  基材表面
378A  上方の溝
380  摩滅可能構成部品
382  隆条
385、386  側壁
387  基材表面
390  摩滅可能構成部品
398A  上方の溝
400  摩滅可能構成部品
410  摩滅可能構成部品
408A  溝
418A  溝
425、426  側壁
428A  上方の溝
428B  下方の溝
432  隆条
434  隆条先端
435  第1の側壁
436  第2の側壁
438A  上方の溝
438B  下方の溝
445、446  側壁
448A  上方の溝
448B  下方の溝
455、456  側壁
458A  上方の溝
458B  下方の溝
460  摩滅可能構成部品
462A、462B  隆条
463A、463B  上方の溝
468A、468B  下方の溝
470  摩滅可能構成部品
471  支持面
472A  ピクセル化された尖端、尖端残余部
472A'  ピクセル化された尖端
472B  下方の隆条
474A  先端
474A'  先端
474B  高台
475A、475C、476A、476C  側壁
475B、476B  側壁
477  基材表面
478A、478C  溝
478B  下方の溝
480、482  材料
R  動翼回転の方向
T  移行領域
【図１】
0006301490.tif 000002
【図２】
0006301490.tif 000003
【図３】
0006301490.tif 000004
【図４】
0006301490.tif 000005
【図５】
0006301490.tif 000006
【図６】
0006301490.tif 000007
【図７】
0006301490.tif 000008
【図８】
0006301490.tif 000009
【図９】
0006301490.tif 000010
【図１０】
0006301490.tif 000011
【図１１】
0006301490.tif 000012
【図１２】
0006301490.tif 000013
【図１３】
0006301490.tif 000014
【図１４】
0006301490.tif 000015
【図１５】
0006301490.tif 000016
【図１６】
0006301490.tif 000017
【図１７】
0006301490.tif 000018
【図１８−１９】
0006301490.tif 000019
【図２０】
0006301490.tif 000020
【図２１】
0006301490.tif 000021
【図２２】
0006301490.tif 000022
【図２３】
0006301490.tif 000023
【図２４】
0006301490.tif 000024
【図２５】
0006301490.tif 000025
【図２６】
0006301490.tif 000026
【図２７】
0006301490.tif 000027
【図２８】
0006301490.tif 000028
【図２９】
0006301490.tif 000029
【図３０】
0006301490.tif 000030
【図３１】
0006301490.tif 000031
【図３２】
0006301490.tif 000032
【図３３】
0006301490.tif 000033
【図３４−３５】
0006301490.tif 000034
【図３６】
0006301490.tif 000035
【図３７】
0006301490.tif 000036
【図３８】
0006301490.tif 000037
【図３９】
0006301490.tif 000038
【図４０】
0006301490.tif 000039
【図４１】
0006301490.tif 000040
【図４２】
0006301490.tif 000041
【図４３】
0006301490.tif 000042
【図４４】
0006301490.tif 000043
【図４５】
0006301490.tif 000044
【図４６】
0006301490.tif 000045
【図４７】
0006301490.tif 000046
【図４８】
0006301490.tif 000047
【図４９】
0006301490.tif 000048
【図５０】
0006301490.tif 000049
【図５１】
0006301490.tif 000050
【図５２】
0006301490.tif 000051
【図５３】
0006301490.tif 000052
【図５４】
0006301490.tif 000053
【図５５】
0006301490.tif 000054
【図５６】
0006301490.tif 000055
【図５７】
0006301490.tif 000056
【図５８】
0006301490.tif 000057
【図５９】
0006301490.tif 000058
【図６０】
0006301490.tif 000059
【図６１】
0006301490.tif 000060
【図６２】
0006301490.tif 000061
【図６３】
0006301490.tif 000062