(57)【要約】【課題】  燃焼器内部（１１）及び燃料の燃焼に直接曝される内側表面（１７／４０）を含むタービンエンジン燃焼器部材を提供する。【解決手段】  燃焼器内部における内側表面（４０）と外側表面（４１）とを含む、例えばデフレクタ（５２）のような燃焼器部材（１４／１８／２６／３８／５２）は、外側表面（４１）を被覆するのを避けるために、耐高温腐食性及び耐高温酸化性を組合せた特性を有する耐熱合金の本体（４２）を含む。１実施形態では、内側表面（４０）はセラミック系断熱皮膜（５６）を含む耐環境皮膜（５３）を含む。別態様では、皮膜は、セラミック系断熱皮膜（５６）の下にＡｌを含有する内側皮膜（５４）を含む。別態様では、部材（２６）は空気冷却通路（４８）含み実質的に被覆されていない。複数の部材を組込み、次に、組立て前に個々に被覆するのではなくて全ての内側表面を同時に被覆して、完成した燃焼器（１０）を組立てる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器内部（１１）に配置されかつ前記燃焼器内部（１１）での燃料の燃焼に直接曝される少なくとも１つの表面（４０）を含むタービンエンジン燃焼器部材（５２）であって、
Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素をベースとし、約７００°Ｃ〜１２６０°Ｃ（１３００〜２３００゜Ｆ）の温度範囲内での合金耐熱作動性能と前記温度範囲内での耐高温腐食性及び耐高温酸化性の組合せを含む特性とを有する合金で製作された部材本体（４２）を含み、前記特性が、
ａ）ガス状媒体中での約２ｐｐｍの海塩に対する約８１５°Ｃ〜９３０°Ｃ（１５００〜１７００゜Ｆ）の温度範囲内での約１０００時間にわたる繰返し曝露後での、合金表面上の約０．０１インチ未満の侵食深さによって定義されかつ測定される耐高温腐食性と、
ｂ）約マッハ１の速度の酸化性ガス流内における周囲温度から約１１８０°Ｃ（２１５０゜Ｆ）までの約２０サイクル／時間での約１２０時間にわたるサイクルテスト後での、０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）未満の合金表面減損によって定義されかつ測定される耐酸化性と、を含み、
前記部材本体（４２）が、前記燃焼器内部（１１）及び燃料の燃焼に曝される部材本体内側第１表面（４０）と、前記燃焼器内部（１１）に直接露出していない部材本体外側第２表面（４１）とを含み、
前記部材本体内側第１表面（４０）がその上に、セラミック系断熱皮膜（５６）を含む耐熱環境皮膜（５３）を含み、
前記部材外側第２表面（４１）が、実質的に被覆されていない、
燃焼器部材（５２）。
【請求項２】
前記皮膜（５３）が、前記部材本体内側第１表面（４０）上のＡｌを含有する内側皮膜（５４）を含む皮膜システムであり、前記セラミック系断熱皮膜（５６）が前記内側皮膜（５４）上の外側皮膜である、請求項１記載の燃焼器部材（５２）。
【請求項３】
前記内側皮膜（５４）がＭＣｒＡｌを含み、ここでＭはＦｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素である、請求項２記載の燃焼器部材（５２）。
【請求項４】
前記内側皮膜（５４）が複数の層（５５、５７）を含み、前記複数の層（５５、５７）が、
約９０〜１００％の範囲の第１の密度の第１のミクロ組織及び約５０〜２００マイクロインチの範囲の第１の表面粗さを有する、前記部材本体内側表面（４０）上の第１の層（５５）と、
約６０〜９０％の範囲内の第２の密度の第２のミクロ組織及び約３００〜８００マイクロインチの範囲の第２の表面粗さを有する、前記第１の層（５５）上の第２の層（５７）と、を含む、
請求項３記載の燃焼器部材（５２）。
【請求項５】
前記内側皮膜（５４）がＰｔＡｌを含む、請求項２記載の燃焼器部材（５２）。
【請求項６】
前記合金が、重量パーセントで、約１〜約３％のレニウム、約６〜約９％のアルミニウム、約４〜約６％のタンタル、約１２．５〜約１５％のクロム、約３〜約１０％のコバルト及び約２〜約５％のタングステンを含み、残部が本質的にＮｉ及び不純物であるＮｉ基合金である、請求項１記載の燃焼器部材（５２）。
【請求項７】
該部材が、デフレクタ（５２）、スプラッシュプレート、センタボデー（２６）、スワーラ（３８）及び燃焼器ライナ（１４、１８）からなる群から選ばれる、請求項１記載の燃焼器部材（１４／１８／２６／３８／５２）。
【請求項８】
燃焼器内部（１１）に配置されかつ前記燃焼器内部（１１）での燃料の燃焼に直接曝される少なくとも１つの表面（１７／６０）を含むタービンエンジン燃焼器部材（２６／１４／１８）であって、
Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素をベースとし、約７００°Ｃ〜１２６０°Ｃ（１３００〜２３００゜Ｆ）の温度範囲内での合金耐熱作動性能と前記温度範囲内での耐高温腐食性及び耐高温酸化性の組合せを含む特性とを有する合金で製作された部材本体（４２）を含み、前記特性が、
ａ）ガス状媒体中での約２ｐｐｍの海塩に対する約８１５°Ｃ〜９３０°Ｃ（１５００〜１７００゜Ｆ）の温度範囲内での約１０００時間にわたる繰返し曝露後での、合金表面上の約０．０１インチ未満の侵食深さによって定義されかつ測定される耐高温腐食性と、
ｂ）約マッハ１の速度の酸化性ガス流内における周囲温度から約約１１８０°Ｃ（２１５０゜Ｆ）までの約２０サイクル／時間での約１２０時間にわたるサイクルテスト後での、０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）未満の合金表面減損によって定義されかつ測定される耐酸化性と、を含み、
前記部材本体（２６／１４／１８）が、前記燃焼器内部（１１）及び燃料の燃焼に曝される部材本体内側第１表面（１７／６０）と、前記燃焼器内部（１１）に直接露出していない部材本体外側第２表面（１９／５８）とを含み、
前記部材本体（２６／１４／１８）が、前記部材本体外側第２表面（１９／５８）から部材本体内側第１表面まで冷却空気（４４）を流すそれを貫通する空気冷却通路（４８）を含み、
前記部材本体内側（１７／６０）及び外側（１９／５８）表面が、実質的に被覆されていない、
燃焼器部材（２６／１４／１８）。
【請求項９】
前記部材本体外側第２表面（５８）が、少なくとも部分的に部材の中空の内部を形成している、請求項８記載の燃焼器部材（２６／１４／１８）。
【請求項１０】
該部材が、燃焼器センタボデー（２６）及び燃焼器ライナ（１４、１８）からなる群から選ばれる、請求項９記載の燃焼器部材（２６／１４／１８）。
【請求項１１】
タービンエンジン燃焼器組立体（１０）を製作する方法であって、
燃焼器内部（１１）での燃料の燃焼に直接曝される少なくとも１つの表面（４０）を含む、該燃焼器内部（１１）に組立てるための複数のタービンエンジン燃焼器部材（４２）であって、各部材（４２）が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素をベースとし、約７００°Ｃ〜１２６０°Ｃ（１３００〜２３００゜Ｆ）の温度範囲内での合金耐熱作動性能と前記温度範囲内での耐高温腐食性及び耐高温酸化性の組合せを含む特性とを有する合金で製作された部材本体（４２）を含み、前記特性が、
ａ）ガス状媒体中での約２ｐｐｍの海塩に対する約８１５°Ｃ〜９３０°Ｃ（１５００〜１７００゜Ｆ）の温度範囲内での約１０００時間にわたる繰返し曝露後での、合金表面上の約０．０１インチ未満の侵食深さによって定義されかつ測定される耐高温腐食性と、
ｂ）約マッハ１の速度の酸化性ガス流内における周囲温度から約２１５０゜Ｆまでの約２０サイクル／時間での約１２０時間にわたるサイクルテスト後での、０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）未満の合金表面減損によって定義されかつ測定される耐酸化性と、を含み、
前記部材本体（４２）が、前記燃焼器内部（１１）及び燃料の燃焼に曝される部材本体内側第１表面（４０）と、前記燃焼器内部に直接露出していない部材本体外側第２表面（４１）とを含み、前記部材本体内側（４０）及び外側（４１）表面が、実質的に被覆されていない、
複数のタービンエンジン燃焼器部材（４２）を準備する段階と、
前記複数の部材（４２）を、前記内側第１表面が前記燃焼器内部（１１）に露出した状態で燃焼器（１０）内に組立てる段階と、
前記組立てた内側第１表面（４０）全てを実質的に同時に被覆する大気溶射被覆法を用いて、該組立てた内側第１表面（４０）に耐熱環境皮膜（５３）を施工する段階と、
を含む方法。
【請求項１２】
前記耐熱皮膜（５３）を施工する段階が、
前記部材本体内側第１表面（４０）上に配置された、Ａｌを含有する内側皮膜（５４）を施工する段階と、次に
前記内側皮膜（５４）上にセラミック系断熱皮膜（５６）を施工する段階と、
の複数の段階を含む、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記内側皮膜（５４）が、ＭＣｒＡｌを含み、ここでＭはＦｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素であり、前記セラミック系皮膜（５６）が、イットリア安定化ジルコニアである、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記内側皮膜（５４）が複数の層（５５、５７）を含み、前記複数の層（５５、５７）が、
約９０〜１００％の範囲の第１の密度の第１のミクロ組織及び約５０〜２００マイクロインチの範囲の第１の表面粗さを有する、前記部材本体内側表面（４０）上の第１の層（５５）と、
約６０〜９０％の範囲内の第２の密度の第２のミクロ組織及び約３００〜８００マイクロインチの範囲の第２の表面粗さを有する、前記第１の層（５５）上の第２の層（５７）と、
を含む、請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはタービンエンジン燃焼器に関し、より具体的には、燃焼器内部及び燃料の燃焼に直接曝される内側表面を含むタービンエンジン燃焼器部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ガスタービンエンジンのようなタービンエンジンの作動時、周囲空気は圧縮機に流入し、圧縮機は燃焼システムの燃焼器に加圧空気を吐出する。加圧空気及び燃料の混合気は燃焼器内で燃焼して下流のタービンシステムに対して加圧燃焼生成物を供給し、タービンシステムが燃焼生成物からエネルギーを取り出して、設計したエンジン作動を行う。様々なタービンエンジン燃焼システム及び構成部品が、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３に報告されている。
【０００３】
ガスタービンエンジン技術分野ではよく知られているように、そのような燃焼器内部での燃焼の結果として温度は、約１６５０°Ｃ（３０００゜Ｆ）ほどにも高くなる場合がある。加えて、高速で流れる流体流内には酸素が存在するので、燃料と加圧空気との燃焼に曝される燃焼器部材の内側表面は、非常に過酷な高温度の高温腐食及び酸化性条件を受ける。そのような燃焼器部材の例には、当技術分野でデフレクタ（時として、スプラッシュプレート、バッフル又は熱シールドと呼ばれる）、センタボデー、スワールカップ並びに燃焼器ライナ及びライナセグメントと呼ばれる部材が含まれ、各々は作動時にその中で燃焼が発生する燃焼器内部に露出した表面を含む。そのような作動条件のために、そのような温度及び条件に曝される少なくとも１つの内側表面を含む燃焼器部材を耐熱特性を有する合金で製作しかつ耐熱環境皮膜又は皮膜システムでそのような内側表面を被覆するのが常法である。時として、部材に対して又は部材を貫通して冷却空気を供給して部材の作動温度を低下させる。一般的に、そのような燃焼器部材の幾つかは、個々に皮膜され、次に他の関連する構成部品と共に燃焼器内に組立てられている。
【０００４】
特に関心のある燃焼器部材の１つの例は、それを通して加圧空気と燃料とが燃焼器内に導入される軸方向前方ドーム構造体に取付けられたデフレクタである。デフレクタはドーム構造体の高温すなわち内部側に取付けられて、高温ガス放射及び対流からの障壁又は熱シールドを形成する。スワールカップから燃焼域に吐出される燃料は、多くの場合、デフレクタ面に沿ったフィルムとして流出又は広がり、デフレクタ外端縁部においてよどみ又は再循環域を生じる。そのような再循環域における高い燃空比は、デフレクタ端縁部上に燃焼火炎を保持する可能性がある。このことは、デフレクタ端縁部の急激な酸化又は溶融を引き起こすと共にデフレクタの他の表面上に高温腐食につながる環境をもたらすのに十分なほどの局所的なガス温度を結果的に生じる可能性がある。同様な結果は、アニュラ型燃焼器システムの１つの形態において内側及び外側環状燃焼器部分を部分的に形成する働きをする中空センタボデーと呼ばれる燃焼器部材の別の例でも観察されている。
【０００５】
そのような条件に曝される燃焼器部材の表面に施工されている環境保護皮膜の組合せには、公知でありかつ広く報告されているＭＣｒＡｌ型ベース材料（ここでＭは元素Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくとも１つを表す）の内側又は結合皮膜（ボンディングコート）が含まれる。そのようなベース材料は、Ｙ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｓｉ、Ｚｒ及びその他の少なくとも１つのような付加的な元素を含むことが報告されている。１つの典型的な例は、ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜である。特許文献４には、ＭＣｒＡｌ型皮膜材料の幾つかの背景及び知見の例が示されている。ＭＣｒＡｌ型皮膜を外側セラミック系断熱皮膜（ＴＢＣ）のためのボンディングコートとして使用するのが常法であり、このＴＢＣの１つの形態は、約３〜２０重量％のイットリアで安定化したジルコニア、典型的には、約８重量％のイットリアで安定化した約９２重量％のジルコニアに基づく皮膜である。皮膜システムのこの一般的な型は、特許文献５のような米国特許で論じられている。そのような皮膜組合せを使用する１つの製造上の利点は、ボンディングコートと外側ＴＢＣとが大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）と呼ばれる商業的に使用可能な方法によって施工できることである。
【０００６】
燃焼器部材に施工されてきた別のより費用のかかる保護皮膜システムは、ＰｔＡｌ内側皮膜を形成するようにＰｔが拡散されたアルミナイドである。次に、上記のＴＢＣが、電子ビーム・プラズマ蒸着法（ＥＢ−ＰＶＤ）によってＰｔＡｌ皮膜上に堆積されている。現在のデフレクタは、燃料の燃焼に曝される内側表面、また時として燃焼器内部から離れた外側表面を含む少なくとも１つの表面上に、組立ての前に個々に被覆される。従って、ＰｔＡｌ／ＴＢＣ型の皮膜は、作動性能を高めた構成部品を得るために、良好な耐高温酸化性を有する高級耐熱合金と組合せて使用されている。
【特許文献１】特開平０４−２４４５１３号
【特許文献２】特開平０６−０１８０４２号
【特許文献３】米国特許第５３５５６６８号
【特許文献４】米国特許第４８９７３１５号
【特許文献５】特開平１０−０５４２０２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
良好な耐酸化性のみならず改善しかつ優れた耐高温腐食性を有する改良型の耐熱性合金で製作された、例えばデフレクタのような燃焼器構成部品を得るためには、多くても燃焼器内部に露出した表面のみへの耐熱環境皮膜の施工を必要とする。このことは、被覆に先立って構成部品を燃焼器の他の部材と組立て、次に、個々の構成部品ではなく、適切なマスキングを用いて組立体全体を被覆することを可能にする。このような材料とプロセスとの組合せは、燃焼器の作動性能を高めながら、製造コストを低減する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの形態では、燃焼器内部に配置されかつ該燃焼器内部での燃料の燃焼に直接曝される少なくとも１つの表面を含むタービンエンジン燃焼器部材を提供する。部材は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくとも１つをベースとした合金で製作された部材本体を含む。合金は、約７００°Ｃ〜１２６０°Ｃ（１３００〜２３００゜Ｆ）の温度範囲内での合金耐熱作動性能とそのような温度範囲内での耐高温腐食性及び耐高温酸化性の組合せを含む特性とを有する。合金の耐高温腐食性は、当技術分野で通常使用するバーナテスト装置においてガス状媒体中での約２ｐｐｍの海塩に対する約８１５°Ｃ〜９３０°Ｃ（１５００〜１７００゜Ｆ）の温度範囲内での約１０００時間にわたる繰返し曝露後での、合金表面上の約０．０１インチ未満の侵食深さによって定義されかつ測定される。合金の耐酸化性は、例えばガスタービン燃料燃焼の典型的な生成物のような、約マッハ１の速度の酸化性ガス流内における周囲温度から約１１８０°Ｃ（２１５０゜Ｆ）までの約２０サイクル／時間での約１２０時間にわたるサイクルテスト後での、０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）未満の合金表面減損によって定義されかつ測定される。部材本体は、全体的に燃焼器内部及び燃料の燃焼に面しかつそれに曝される部材本体内側第１表面と、全体的に燃焼器内部から逸れた方向に面しかつ燃焼器内部に直接露出していない部材本体外側第２表面とを含む。
【０００９】
１つの実施形態では、部材本体は、部材本体内側第１表面上に配置されたセラミック系断熱皮膜を含む。部材外側第２表面は、実質的に被覆されていない。１つの形態では、この実施形態は、部材内側第１表面上に配置された、Ａｌを含有する内側被膜又はボンディングコートと、内側皮膜上に配置されたセラミック系断熱皮膜とを含む。
【００１０】
別の実施形態では、部材本体は、実質的に被覆されておらず、部材本体内側表面から部材本体外側表面に延びる該部材本体を貫通する複数の空気冷却通路を含む。
【００１１】
本発明の方法の形態では、複数の上記のタービンエンジン燃焼器部材は、被覆されていない本体表面を備え、燃焼器内に組立てられる。次に、組立てた燃焼器チャンバ部材の部材本体内側第１表面は、該部材本体内側第１表面に皮膜を施工する大気溶射法を用いて耐熱環境皮膜で実質的に同時に被覆される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１の部分断面図は、時として燃焼器と呼ばれる、例えば航空機に動力を与えるように設計されたガスタービンエンジンに使用する形式のガスタービンエンジン燃焼器組立体の１つの形態の一部分をその全体を符号１０で示す。しかしながら、本発明は、他の形式の燃焼器組立体の場合でも同様に実施することができる。燃焼器内部１１を有する燃焼器１０は、エンジン軸線１２の周りで円周方向に配置された環状の２重ドーム構造体を含むように構成されている。燃焼器１０は、外側エンジンケーシング１６によって支持された環状の外側燃焼器ライナ１４と、外側燃焼器ライナ１４から半径方向内側に間隔を置いて配置されかつ内側エンジンケーシング２０によって支持された環状の内側燃焼器ライナ１８とを含む。燃焼器ライナ１４及び１８は、燃焼器内部１１に面しかつ該燃焼器内部１１に露出した内側表面１７と、燃焼器内部１１に露出していない外側表面１９とを含む。幾つかの形態の燃焼器ライナ１４及び１８はセグメント化され、また幾つかのものは、それを貫通する冷却空気通路又は空気孔を用いて空気冷却される。外側ライナ１４は、全体を符号２１で示す半径方向外側ドーム構造体に外側ドームサポート２２を介して接合されている。同様に、内側ライナ１８は、全体を符号２３で示す半径方向内側ドーム構造体に内側ドームサポート２４を介して接合されている。全体を符号２６で示す典型的な環状の中空センタボデーは、サポート２２及び２４を介して外側ドーム構造体２１と内側ドーム構造体２３との間に結合されている。
【００１３】
各ドーム構造体２１及び２３は、ドームサポート２２及び２４によって支持され、かつそれを通して加圧空気及び燃料を燃焼器１０の内部１１での燃焼のために噴射しかつ混合する内側及び外側円周方向アレイの形態で配置された、全体を符号３０で示す複数の円周方向に間隔を置いて配置されたキャブレタを含む。この実施形態では、便宜上、キャブレタ３０は、ほぼ同じものとして示しているが、それらは適切な設計寸法によって異なったものとすることができる。各キャブレタ３０は、燃料供給ステム３４から延びる燃料噴射ノズル３２を含み、ステム３４は外側ケーシング１６によって支持され、外側ケーシング１６からほぼ半径方向内向きに延び、かつノズル３２から噴射するための燃料を供給する。また、各キャブレタ３０は、フレア形のスワーラ又はスワーラカップ３８を含み、この実施形態においてはスワーラカップ３８に対してデフレクタ本体４２が接合されている。図２及び図４に詳細に示すように、デフレクタ本体４２は、全体的に燃焼器内部１１に面しかつ該燃焼器内部１１に露出した本体内側第１表面４０と、燃焼器内部１１から全体的に逸れた方向に面しかつ該燃焼器内部１１に直接露出していない本体外側第２表面とを含む。デフレクタ本体４２は、それぞれサポート２２及び２４を介して外側及び内側ライナ１４及び１８によって支持されている。軸方向前方の圧縮機（図示せず）において加圧された加圧空気４４は、燃焼器内の燃焼プロセスのために供給され、また例えば図２及び図４におけるデフレクタ４２に隣接した冷却孔２８と図１におけるセンタボデー２６内の冷却孔４８とによるフレア空気冷却通路により燃焼器の部材を冷却するために供給される。そのような燃焼の場合、空気４４はスワーラ３８を通って流れ、燃料ノズル３２からの燃料３６と混合されて、一般的な点火器（図示せず）による点火及びドーム２１及び２３内での燃焼のために予め選択した燃料／空気混合気を供給する。このような燃焼は、燃焼器１０から軸方法に吐出されるガス状燃焼生成物４６を生成する。図２の部分断面図は、外側ドーム構造体２１内の１つのキャブレタの拡大詳細図であり、図３は、図２のキャブレタ３０、デフレクタ４２及び関連する構造体の部分断面斜視図を示す。
【００１４】
ドームサポート２２及び２４のような燃焼器ドーム構造体は、燃焼プロセスの間に生成される高熱から保護されなくてはならない。従って、デフレクタ４２が、ドーム構造体の高温側内に配置され、デフレクタ４２は、燃焼器内部１１に面し（全体的に燃焼器内部１１の方向に向いていることを意味する）、かつ燃焼器内部１１内での燃料／空気混合気の燃焼に曝されて、高温ガスの放射及び対流からの障壁を形成する。フレア形スワーラ３８から燃焼域に吐出される燃料３６は、デフレクタ内側第１表面に沿ったフィルムを形成し、全体を符号５０で示すデフレクタ第１表面端縁部によどみ又は再循環域を生じることが確認されている。端縁部５０における高い燃空比は、端縁部上に燃焼火炎を保持し、デフレクタ縁部５０の急激な酸化又は溶融をもたらすのに十分な高い局所的温度が結果的に生じ、かつデフレクタ内側第１表面４０の他の表面の高温腐食につながる環境が生じる可能性がある。同様な酸化及び／又は高温腐食の問題が、センタボデー２６のような他の燃焼器部材で観察されている。
【００１５】
このような燃焼器の幾つかの従来の使用形態では、デフレクタ本体４２は、組立て前に上記したような型の耐環境皮膜で内側第１表面を被覆した耐熱Ｎｉ基超合金で製作され、次に図面に示すように組立てられていた。１つの実例は、市販のＭａｒ  Ｍ５０９合金で製作されたデフレクタ４２であり、その表面４０が、表面４０上のボンディングコートとしての大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）ＮｉＣｒＡｌ合金で被覆され、次に前述のＡＰＳ  ＴＢＳで被覆されるシステムによって被覆されている。従来使用されている改良した組合せの別の実例は、Ｒｅｎｅ（商標）  Ｎ５  Ｎｉ基超合金で製作されたデフレクタ４２であり、その形態は、特開平０２−１５３０３７号公報及び米国特許第６０７４６０２号にさらに詳細に記載されているが、組立て前に上述のＰｔＡｌ／ＥＢ−ＰＶＤ  ＴＢＣシステムによって表面４０上を被覆されている。部材の耐久性を高めながら、エンジン作動温度を高めることを可能にすることによってエンジン効率を改善するそのような皮膜システムは、一般的に実使用において良好に機能している。しかしながら、一部の用途においては、より長い整備間隔又はより高温での作動のためにさらに高い温度−熱サイクル時間性能を実現するような構造用合金と皮膜システムとの改良した組合せが要望されている。加えて、被覆に先立って燃焼器部材の組立てを可能にする皮膜システムの使用により、製造コストを著しく低減することができる。
【００１６】
本発明の形態によると、デフレクタ本体４２のような燃焼器部材の本体は、良好な耐高温酸化性と共に改良されかつ優れた耐高温腐食性を有する耐熱合金で製作した。そのような本体は、内側第１表面４０上を耐高温環境皮膜で被覆した。１つの実施例では、内側第１表面４０上にセラミック系断熱皮膜を配置することができる。別の実施例では、内側第１表面４０上にＡｌを含有する内側皮膜を配置し、Ａｌを含有する内側皮膜上に外側皮膜としてセラミック系断熱皮膜を配置して、皮膜システムを形成した。耐熱合金は、約１３００〜２３００゜Ｆの範囲内での合金耐熱性能と共に当技術分野で通常使用するバーナテスト装置においてガス状媒体中での約２ｐｐｍの海塩に対する約１５００〜１７００゜Ｆの温度範囲内での約１０００時間にわたる繰返し曝露後での、合金表面上の約０．０１インチ未満の侵食深さによって定義されかつ測定される耐高温腐食性を含む特性を有する。そのような耐高温腐食性と組合せて、この合金は、例えばガスタービン燃料の燃焼生成物のような、約マッハ１の速度の酸化性ガス流内における周囲温度から約２１５０゜Ｆまでの約２０サイクル／時間での約１２０時間にわたるサイクルテスト後での、０．００１インチ未満の合金表面減損によって定義されかつ測定される耐酸化性の特性を含む。このような合金の実施例は、高Ｎｉ基超合金であり、その幾つかの形態はＲｅｎｅ（商標）  Ｎ−２合金と呼ばれているものであって、特開２００４−１９０１３９号公報により詳しく記載されている。このようなＮｉ基合金は、重量パーセントで、約１〜約３％のレニウム、約６〜約９％のアルミニウム、約４〜約６％のタンタル、約１２．５〜約１５％のクロム、約３〜約１０％のコバルト及び約２〜約５％のタングステンを含み、残部が本質的にＮｉ及び不純物である。幾つかの形態では、このような合金は、０〜約１重量パーセントのより少ない量の、チタン、ハフニウム、ケイ素、モリブデン及び／又はニオブのような元素を含む。
【００１７】
上に記載したＲｅｎｅ（商標）  Ｎ−５合金のような一部の現在使用されている耐熱Ｎｉ基超合金は、２０００゜Ｆ以上でのそれらの優れた強度及び耐酸化性能が知られている。しかしながら、それらの耐高温腐食性は、燃焼器内部の一部分で見られるような一部の高温かつ過酷な環境条件では望ましいものとは言えない。例えば、２ｐｐｍの海塩を含む燃焼ガスのようなガス状媒体を用いて、試験片に対して１５００゜Ｆ〜１６５０゜Ｆの１時間サイクルで全体で１０３９時間にわたって繰返した上記の高温腐食テストにおいて、Ｒｅｎｅ（商標）  Ｎ−２合金試験片は、側面当り０．００２インチの全侵食であり、側面当り０．０１インチ未満の全侵食深さを示した。Ｒｅｎｅ（商標）  Ｎ−５合金の性能は、該合金が完全に貫通して腐食し、３５０時間で完全に破壊し、テストのその時点で側面当り０．０６５インチの侵食を示したので、このテストでは測定できなかった。これら２つの合金の耐酸化性は、上述のマッハ１のサイクル酸化テストにより試験した時に、実質的に同一であり、０．００１インチ未満の合金表面減損を示した。従って、タービンエンジン燃焼器部材を提供する本発明の形態は、部材本体に対する特性の上記の改良した組合せを有する合金の使用を含む。より具体的な形態では、部材本体は、上に記載したＲｅｎｅ（商標）  Ｎ−２合金で製作される。
【００１８】
例えば図面に示したような本発明の実施形態は、全体的に燃焼器内部に面する内側第１表面上の特定の型の皮膜システムと組合せた上に定めた特性を含む合金で製作された本体を有する燃焼器部材であった。全体的に燃焼器内部から逸れた方向に面しかつ燃焼器内部に直接露出していない外側第２表面は、実質的に被覆されなかった。本体内側第１表面上の皮膜システムは、Ａｌを含有する内側皮膜と、該内側皮膜上に配置された外側セラミック系断熱皮膜とを含む。そのような組合せは、図２の一部分を示す図４の拡大部分断面図に示す。図４において全体を符号５２で示す被覆した燃焼器デフレクタ部材は、全体的に燃焼器内部１１に面しかつ該燃焼器内部１１に露出した内側第１表面４０と、全体的に燃焼器内部１１から逸れた方向に面しかつ該燃焼器内部１１に直接露出していない外側第２表面４１とを備えた本体４２を含む。内側第１表面４０上には、例えば内側皮膜５４と該内側皮膜５４上に配置された外側皮膜５６とを含む皮膜システムのような、全体を符号５３で示す耐熱環境皮膜が配置された。内側皮膜５４は、Ａｌを含有する金属皮膜であった。好ましい形態では、内側皮膜５４は上述のＭＣｒＡｌＹ型のものであり、その１つの形態はＮｉＣｒＡｌＹ合金であって、ＡＰＳによって配置されることができかつ配置された。外側皮膜５６は、セラミック系断熱皮膜であり、その１つの形態は、ＡＰＳによって施工することができる上述のジルコニア系ＴＢＣであった。
【００１９】
合金本体と皮膜システム組合せとのそのような組合せは、同様の現在の部材と比較して、より低コストで、より高い性能、耐久性、及び補修性を有する、被覆したデフレクタ５２又はそのライナ内側表面６２を被覆した燃焼器ライナ１４及び１８のような燃焼器部材を形成することが認められた。ＡＰＳによって施工できる内側及び外側皮膜の組合せの使用は、燃焼器部材を先に組立て、選択した部材の内側表面をその後に実質的に同時に被覆することを可能にした。
【００２０】
外側ＴＢＣを受ける内側皮膜５４の別の形態は、図４の被覆したデフレクタ５２の一部分を示す図５の部分断面図に示す２層皮膜である。この実施形態では、皮膜５４は、緻密なミクロ組織の第１又は内側層５５と、外側ＴＢＣ皮膜５６の付着を強化するための粗い表面を備えた第２又は外側層５７とを含む。１つの実施例では、第１又は内側層５５は、約９０〜１００％の範囲の第１の密度及び約５０〜２００マイクロインチの範囲の第１の表面粗さを有する。第１又は内側層５５上に配置された第２又は外側層５７は、約６０〜９０％の範囲の第２の密度及び外側ＴＢＣ皮膜の付着を強化するための約３００〜８００マイクロインチの第２の表面粗さを有する。
【００２１】
上述したように、ＡＰＳによって施工できる皮膜システムの使用は、燃焼器内部に面する、部材の選択した表面への皮膜の施工に先立つ全燃焼器組立体の組立てを可能にする。本発明の方法の形態によると、例えば図１に関連して示しかつ説明した部材のような複数のタービンエンジン燃焼器部材は、本体表面を被覆していない状態で準備した。そのような部材は、燃焼器を外側及び内側ケーシング１６及び２０並びに燃料ステム３４のような関連する支持構造体に組付ける前に、燃焼器に組立てた。被覆されていない状態にするように選択した表面は、皮膜技術分野で通常使用するプラズマ溶射テープマスキングのような市販のマスキング材料を用いてマスクした。例えば、組立てたデフレクタ本体のデフレクタ内側第１表面４０のみを被覆する場合、皮膜堆積に曝される可能性がある全ての周囲の部材表面をマスクした。次に、全ての内側表面４０に対して同一作業で実質的に同時に皮膜の各部分を施工する大気溶射法によって、２つの部分を含む皮膜システムをデフレクタ内側第１表面４０に施工した。１つの実施例では、市販のＡＰＳによって表面４０に内側皮膜５４としてＮｉＣｒＡｌＹ合金を施工した。その後、市販のＡＰＳによって内側皮膜５４に外側皮膜５６としてイットリア安定化ジルコニアを含むセラミック系ＴＢＣを施工した。
【００２２】
本発明の他の実施形態では、例えば図１の中空センタボデー２６又は燃焼器ライナ１４及び／又は１６或いはそのような燃焼器ライナのセグメントのようなタービンエンジン燃焼器部材は、上に記載した合金で製作され、かつ実質的に被覆されていない部材本体を含む。部材が、燃焼器内部に存在する過酷な高温環境において実質的に被覆されていない状態で作動して、耐久性及び所望のサイクル寿命を有することを可能とするために、部材本体はそれを通過する複数の空気冷却通路を含む。そのような実施形態では、部材本体を通過する冷却通路と組合せた、合金本体と規定の特性との組合せは、該部材が、タービンエンジン燃焼器内部の環境内で健全性を維持しかつ該環境内で実働することを可能にする。そのような通路の１つの実施例は、図１において、部材本体外側表面５８から燃焼器内部１１に露出した部材本体内側表面６０まで延びる空気冷却孔４８である。
【００２３】
特定の実施例、実施形態、構造、材料及び方法に関連した説明として本発明を記載してきた。しかしながら、それらは典型的かつ代表的なものであって、本発明の技術的範囲を如何なる意味でも限定しようとするものでないことを理解されたい。例えばタービンエンジン並びに金属及び非金属の材料及び皮膜に関連する様々な技術分野の当業者には、本発明が本発明の範囲から逸脱することなく変更及び改良できることが分かるであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるのではなく、本発明を容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】半径方向内側及び外側の燃料及び加圧空気供給組立体を含む２重ドーム式アニュラ型燃焼器のタービンエンジン縦軸線に沿った部分断面図。
【図２】図１の半径方向外側の燃料及び加圧空気供給組立体の拡大部分断面図。
【図３】図２の組立体の部分斜視図。
【図４】被覆した燃焼器デフレクタ部材を示す、図２の一部分の拡大部分断面図。
【図５】図４の一部分の拡大部分断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１０  燃焼器
１１  燃焼器内部
１４  外側燃焼器ライナ
１６  外側エンジンケーシング
１７  ライナ内側表面
１８  内側燃焼器ライナ
１９  ライナ外側表面
２０  内側エンジンケーシング
２１、２３  ドーム構造体
２２、２４  ドームサポート
２６  中空センタボデー
２８  冷却孔
３０  キャブレタ
３２  燃料噴射ノズル
３４  燃料供給ステム
３６  燃料
３８  スワーラカップ
４０  部材本体内側第１表面
４１  部材本体外側第２表面
４２  デフレクタ本体
４４  加圧空気
４６  ガス状燃焼生成物
５３  耐熱環境皮膜
５４  内側皮膜
５６  外側皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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