(57)【要約】【課題】高温ガス経路部品及び高温ガス経路タービン部品を製造する方法を提供すること。【解決手段】本発明の１つの態様では、タービンの高温ガス経路部品を製造する方法が提供され、該方法は、部材の表面に冷却チャンネルを形成するステップを含む。本方法はまた、部材の表面上に層を配置して、冷却チャンネルを包囲するステップであって、該層が、部材の冷却すべき部分に配置されるステップと、該層を表面に接合するステップとを含み、接合ステップが部材及び層を加熱するステップを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン（１００）の高温ガス経路部品（２００、３００）を製造する方法であって、
部材（２０２、３０２）の表面内に冷却チャンネル（２０６、３０８）を形成するステップと、
前記部材（２０２、３０２）の表面（２０４、３０４）に層（２０８、４０２）を配置して前記冷却チャンネル（２０６、３０８）を包囲するステップであって、該層（２０８、４０２）が部材（２０２、３０２）の冷却すべき部分に配置されるステップと、
前記層（２０８、４０２）を前記表面（２０４、３０４）に接合するステップであって、前記部材（２０２、３０２）及び前記層（２０８、４０２）を加熱することを含むステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記層（２０８、４０２）を接合するステップが、前記層（２０８、４０２）と前記表面（２０４、３０４）との間にろう付けフィラー金属を配置し、前記層（２０８、４０２）、前記部材（２０２、３０２）及び前記ろう付けフィラー金属を所定温度まで加熱するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記所定温度が約１８００°Ｆよりも高い温度を含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ろう付けフィラー材料が金属箔を含む、請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記冷却チャンネル（２０６、３０８）を形成するステップが、前記部材（２０２、３０２）内に冷却チャンネル（２０６、３０８）を機械加工又はインベストメント鋳造するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記層（２０８、４０２）を配置するステップが、約０．８ｍｍ未満の厚さ（２１６）を有して前記層（２０８、４０２）を配置するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
冷却チャンネル（２０６、３０８）が表面（２０４、３０４）内に形成された部材（２０２、３０２）と、
前記部材（２０２、３０２）の表面（２０４、３０４）上に配置されて前記冷却チャンネル（２０６、３０８）を包囲する層（２０８、４０２）であって、前記層（２０８、４０２）の厚さ（２１６）が約０．８ｍｍ未満であり、前記部材（２０２、３０２）及び前記層（２０８、４０２）を加熱することにより前記表面（２０４、３０４）に接合される層（２０８、４０２）と
を備える高温ガス経路部品。
【請求項８】
前記層（２０８、４０２）と前記表面（２０４、３０４）との間に配置されたを備える、請求項１記載の部品。
【請求項９】
前記ろう付けフィラー金属、前記部材（２０２、３０２）及び前記層（２０８、４０２）が、約２１２５°Ｆよりも高い所定温度まで加熱される、請求項８記載の部品。
【請求項１０】
前記冷却チャンネル（２０６、３０８）が、前記部材（２０２、３０２）内に前記冷却チャンネル（２０６、３０８）をインベストメント鋳造すること、前記部材（２０２、３０２）内に前記冷却チャンネル（２０６、３０８）を機械加工すること、及び水ジェットを用いることからなる群から選択される手段で形成される、請求項８記載の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ターボ機械に関する。より詳細には、本主題は、タービンの高温ガス経路部品における冷却通路に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンにおいて、燃焼器は、燃料又は空気燃料混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに転換する。熱エネルギーは、流体（多くの場合、加圧空気）により圧縮機からタービンに運ばれ、ここで熱エネルギーが機械エネルギーに転換される。転換プロセスの一部として、高温ガスがタービンの一部を通過して流れる。高温ガス経路に沿った高い温度は、タービン部品を加熱し、部品を劣化させる可能性がある。鋳造による部品内の冷却チャンネルの形成は、冷却される部品の表面に対するチャンネルの近接性が制限される可能性がある。従って、冷却チャンネルの有効性が限定され、これにより高温ガス経路に沿ったタービン部品が受ける熱応力が増大する。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の１つの態様では、タービンの高温ガス経路部品を製造する方法が提供され、該方法は、部材の表面に冷却チャンネルを形成するステップを含む。本方法はまた、部材の表面の上に層を配置して冷却チャンネルを包囲するステップであって、該層が、部材の冷却すべき部分に配置されるステップと、該層を表面に接合するステップとを含み、接合ステップが部材及び層を加熱するステップを含む。
【０００４】
本発明の別の態様では、高温ガス経路部品は、冷却チャンネルが表面内に形成された部材を含む。本部品はまた、部材の表面上に配置されて冷却チャンネルを包囲する層を含み、該層の厚さは、約０．８ｍｍ未満であり、層は、部材及び層を加熱することにより表面に接合される。
【０００５】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【０００６】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ターボ機械システムの一実施形態の概略図。
【図２】ガスタービンに配置される例示的な高温ガス経路部品の概略側面図。
【図３】ガスタービンに配置される高温ガス経路部品の一実施形態の斜視図。
【図４】ガスタービンに配置される高温ガス経路部品の別の斜視図。
【図５】ガスタービンに配置される例示的な高温ガス経路部品の更に別の概略側面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【０００９】
図１は、ガスタービンシステム１００などの、ターボ機械システムの一実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０を含む。一実施形態では、システム１００は、複数の圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０を含むことができる。圧縮機１０２及びタービン１０６は、シャフト１０８により結合される。シャフト１０８は、単一のシャフト、又は共に結合されてシャフト１０８を形成する複数のシャフトセグメントとすることができる。
【００１０】
１つの態様では、燃焼器１０４は、エンジンを稼働させるために、天然ガス又は水素リッチ合成ガスのような液体及び／又はガス燃料を用いる。例えば、燃料ノズル１１０は、空気供給源及び燃料供給源１１２と流体連通している。燃料ノズル１１０は、空気燃料混合気を生成して、該空気燃料混合気を燃焼器１０４内に吐出し、これにより高温加圧排出ガスを生成する燃焼を引き起こす。燃焼器１００は、トランジションピースを通して高温加圧ガスをタービンノズル（又は「第１段ノズル」）並びにバケット及びノズルの他の段に送り、タービン１０６を回転させる。タービン１０６の回転は、シャフト１０８を回転させ、これによって空気が圧縮機１０２内に流れると該空気を加圧する。一実施形態では、限定ではないが、シュラウド、ダイアフラム、ノズル、バケット及びトランジションピースを含む高温ガス経路部品は、タービン１０６内に位置し、ここで部品にわたる高温ガス流が、タービン部品のクリープ、酸化、摩耗及び熱疲労を生じさせる。高温ガス経路部品の温度を制御することにより、部品の損傷モードを軽減することができる。ガスタービンの効率は、タービンシステム１００の燃焼温度の上昇に伴って向上する。燃焼温度が上昇すると、高温ガス経路部品は、耐用期間に適合させるため適切に冷却する必要がある。高温ガス経路に近接した領域を冷却するための改善された構成を備えた部品、並びにこのような部品を形成する方法について、図２〜図５を参照して以下で詳細に検討する。以下の検討では主としてガスタービンに焦点をあてているが、検討する概念はガスタービンに限定されるものではない。
【００１１】
図２は、例示的な高温ガス経路部品２００の概略側面図である。高温ガス経路部品２００は、高温ガス経路に沿った冷却を改善する構成を有し、ここではろう付け又は他の好適なプロセスを用いて高温ガス経路部品２００を形成している。高温ガス経路部品２００は、表面２０４を備えた部材２０２を含み、ここでは１以上のチャンネル２０６が表面２０４に形成されている。高温ガス経路部品２００はまた、層２０８を含み、層２０８と部材２０２との間にフィラー材料２１０が配置されている。組み立てプロセスの間、高温ガス経路部品２００の部品は、クランプ装置２１２により共に保持される。高温ガス経路部品２００の例示的な製造プロセスは、以下のステップを含む。チャンネル２０６は、フライス加工などの好適な方法により部材２０２内に形成される。次いで、フィラー材料２１０は、部材２０２の表面２０４上に配置される。層２０８は、フィラー材料２１０及び表面２０４上に配置され、これによりチャンネル２０６が包囲される。一実施形態では、クランプ装置２１２は、ろう付けプロセスで使用されるような、加熱サイクル中に層２０８及び部材２０２を共に加圧し保持するよう構成される。
【００１２】
従って、組み立てられると、ろう付けプロセスは、部材２０２、フィラー材料２１０及び層２０８を所定時間、所定温度まで加熱し、ここで所定温度は、フィラー材料２１０の融点を上回り、部材２０２及び層２０８の融点を下回る。ろう付けの例示的な熱サイクルは、約１０分間で約１８００〜約２１７５°Ｆの温度まで加熱するステップを含む。幾つかの実施形態では、加熱サイクルは、約２１２５°Ｆを大きく上回る。加熱プロセスは、ホウ素、ケイ素及びニッケルを含む化合物（例えば、ＢＮｉ−２、ＢＮｉ−３、ＢＮｉ−５）を含むことができる、例示的なフィラー材料４０４を融解する。部材２０２及び層２０８用の例示的な材料は、ニッケル基及びコバルト基の超合金のような合金を含む。加熱サイクル後、高温ガス経路部品２００は冷却され、これにより硬化フィラー材料２１０を介して部材２０２と層２０８との間の接合を形成する。任意選択的に、クランプ装置２１２を用いて、加熱及び冷却サイクル中の高温ガス経路部品２００の一部の結合解除（又は、「ポテトチッピング」）を阻止する。
【００１３】
組み立て及びろう付けプロセスの後、高温ガス経路部品２００は、チャンネル２０６を通じて冷却媒体を送り、タービン運転中に領域２１４に沿って高温ガスが通過するときに高温ガス経路部品２００を冷却するよう構成される。層２０８をろう付けすることにより、冷却チャンネル２０６と冷却される領域２１４との間に比較的小さな距離２１６が設けられる。一実施形態では、フィラー材料２１０は、表面２１０に施工される箔層又はペーストであり、ここで該フィラー材料２１０は、加熱されて冷却されると接合部を提供する。一実施形態では、部材２０２、表面２０４及び層２０８は湾曲しており、これにより例示的な高温ガス経路部品２００の湾曲面の冷却が可能になる。また、捩れ又は波形面のような、他の形状又は表面も企図される。例示的な湾曲高温ガス経路部品２００は、バケット、ノズル又はタービンの高温ガス経路に沿った他の湾曲部材を含む。高温ガス経路部品２００を形成する図示の構成及び方法は、部品に改善された冷却を提供し、これによりタービンの性能を向上させながら、クリープ、酸化及び熱疲労を軽減する。
【００１４】
図３は、ガスタービン１００内に配置される高温ガス経路部品の一実施形態の斜視図である。図示のように、例示的な高温ガス経路部品は、第１段すらウド３００の一実施形態である。シュラウド３００は、タービン１００の高温ガス経路に近接した表面３０４を備えた部材３０２を含む。シュラウド３００はまた、タービン１００の冷却流体及び／又は空気に近接した表面３０６を含む。部材３０２の冷却を改善するために、１以上のチャンネル３０８が表面３０４内に形成され、ここでチャンネル３０８は、冷却流体を流すことにより表面３０４を冷却するよう構成されている。冷却流体は、孔３１０を通ってチャンネル３０８に流れる。チャンバ及び／又はポンプのような流体供給源３１２は、空気、水溶液及び／又はガスを含むことができる冷却流体を提供する。シュラウド３００は、シールを介して同様の隣接するシュラウドと接し、接合面３１６のシールスロット３１４内に配置されるよう構成される。一実施形態では、シール及び連結された接合面３１６は、表面３０６から高温ガス経路への冷却空気の漏洩を低減し、これによりタービン１００内で熱エネルギーから機械エネルギーへ転換させるための高温ガスを提供する。図４に関して詳細に説明するように、チャンネル３０８は、１つの層により覆われて、実質的に同一平面上の表面３０４を形成してチャンネル３０８を包囲する。
【００１５】
図示のように、チャンネル３０８は、表面３０４の温度を制御するよう構成される。冷却流体は、流体供給源３１２から孔３１０を通ってチャンネル３０８に流れ、ここで表面３０４に対するチャンネル３０８の近接性及び構成によりシュラウド３００の冷却が改善される。実施形態では、冷却チャンネル３０８は、高温ガス経路に近接したタービン部品内に形成される。高温ガス経路に沿った例示的なタービン部品は、限定ではないが、シュラウド、ノズル、バケット及びダイアフラムを含む。例えば、チャンネル３０８は、ノズル組立体の側壁の表面に形成され、該チャンネルは、側壁を冷却しノズル組立体の熱疲労を軽減するよう構成される。チャンネル３０８は、部材３０２の形成中にインベストメント鋳造によるなど、好適な方法で部材３０２内に形成することができる。チャンネル３０８を形成する別の例示的な技術は、形成後に部材３０２から材料を除去するステップを含む。チャンネル３０８を形成するための材料除去は、水ジェット、ミル加工、レーザ、放電加工、これらの組合せ又は他の好適な機械加工又はエッチングプロセスなどによる、好適な方法を含むことができる。図示のように、冷却チャンネル３０８は、Ｕ字構成（表面３０４に垂直な視線の場合）であるが、Ｓ字、Ｏ字、Ｚ字又は他の好適な構成を含む、冷却に好適な構成で形成することができる。材料除去プロセスにより、部品の幾何形状及び他の用途特有の要因に基づき複雑で入り組んだパターンを用いてチャンネル３０８を形成し、これにより高温ガス経路部品の冷却能力を改善することができる。加えて、所望の冷却性能及び他のシステム制約に応じて、数のチャンネル３０８を部材３０２内に形成することができる。
【００１６】
実施形態では、冷却流体は、タービン部品並びにシュラウド３００の高温高圧領域のようなガス流の所定領域を冷却する好適な流体である。例えば、冷却流体供給源３１２は、圧縮機１０２からの加圧空気の供給源であり、ここで加圧空気は、燃焼器に送られる空気供給源から分流される。従って、加圧空気の供給は、燃焼器１０４をバイパスし、これを用いてシュラウド３００を冷却する。これに応じて、改善されたチャンネル３０８の構成は、タービン部品及び部品付近の領域の冷却を改善することにより、冷却に使用される加圧空気の量を低減する。結果として、増大された量の加圧空気が燃焼器１０６に送られて機械的出力に転換され、熱疲労を低減することによりタービンの部品寿命を延ばしながら、タービン１００の全体性能及び効率を向上させる。更に、シュラウド３００及びチャンネル３０８の開示された構成は、表面３０４に沿ったより均一な温度分布をもたらす。幾つかの態様では、シュラウド３００を含むタービン部品又は部品は、ステンレス鋼又は合金から形成され、ここで、部品は、エンジン運転中に適切に冷却されない場合、クリープ、酸化及び熱疲労を生じる可能性がある。
【００１７】
図４は、シュラウド３００の別の斜視図である。図示のように、シュラウド３００は、表面３０４のチャンネル３０８上に配置され、これによりチャンネル３０８を包囲する層４０２（「スキン層」、「カバー部材」又は「カバー要素」とも呼ばれる）を含む。一実施形態では、層４０２は、チャンネル３０８が部材３０２内に形成された後に表面３０４に結合される。従って、包囲チャンネル３０８は、シュラウド３００の冷却の改善及び熱疲労の低減をもたらす。図示の実施形態では、層４０２は、例示的なＵ字部材のような好適な構成である。層４０２は、シュラウド３００と同様の又は異なる材料から形成することができる。層４０２の例示的な材料は、ニッケル又はコバルト基超合金のような合金を含む。更に、層４０２は、チャンネル３０８を覆って包囲するような好適な幾何形状又は構成とすることができる。層４０２はまた、チャンネル３０８を包囲及び／又は覆うよう構成された１以上の部材を含むことができる。層４０２は、ろう付け、線形摩擦溶接及び拡散接合など、好適な接合方法により表面３０４及び部材３０２に結合される。例えば、層４０２は、層と表面３０４との間にろう付け箔フィラー材料を配置することによって表面３０４にろう付けされる。次いで、フィラー材料４０４は、部材３０２及び層４０２は、所定温度まで加熱され、ここでフィラー材料４０４が融解される。次に、フィラー材料４０４は、部材３０２及び層４０２が冷却されて層４０２と部材３０２を接合する。加熱及び冷却プロセスを繰り返し、所定温度での熱サイクルを与えて部品を接合することができる。ろう付けプロセスは、フィラー材料４０４の融解温度まで部品を加熱し、ここで温度は、層４０２及び部材３０２の融点を下回る。
【００１８】
引き続き図４を参照すると、図示の層３００は、約１．５ｍｍ未満の厚さ４００を有し、表面３０４から約１．５ｍｍ未満にある冷却チャンネル３０８を形成する。実施形態では、厚さ４００は約１．２ｍｍ未満である。他の実施形態では、厚さ４００は約２．５ｍｍ未満である。実施形態では、厚さ４００は約０．８ｍｍ未満である。更に別の実施形態では、厚さ４００は、約０．４ｍｍから約０．６ｍｍの範囲である。チャンネル３０８を覆って封入するために比較的薄い層３００を設けることによりシュラウド３００の冷却が向上し、高温ガス経路部品の寿命が長くなる。一実施形態では、層４０２は、部材３０２内のチャンネル３０８に開口を適合させるよう形成され、層４０２は、突出部分を除去する必要はない。従って、層４０２は、上述のようにろう付け又は別の好適な方法によって表面３０４上に配置されて結合され、表面３０４を備えた実質的に均一な輪郭を提供する。
【００１９】
図５は、別の例示的な高温ガス経路部品５００の概略側面図である。高温ガス経路部品５００は、表面５０４を備えた部材５０２を含み、フィラー材料５１０は、表面５０４と層５０８との間に置かれる。チャンネル５０６は、層５０８の表面５０７内に形成される。一実施形態では、層５０８は約２．５ｍｍ厚さ未満である。組み立てプロセス中、高温ガス経路部品５００の一部がクランプ装置５１２により共に保持される。高温ガス経路部品５００の例示的なろう付けプロセスは、以下のステップを含む。チャンネル５０６は、フライス加工のような好適な方法により層５０８内に形成される。更に、冷却孔５１８は、孔加工のような好適な方法により形成される。次いで、フィラー材料５１０は、層５０８の表面５０７上に置かれる。フィラー材料５１０が層５０８上に置かれ、次いで、部材５０２上に置かれ、これによりチャンネル５０６が包囲される。部材５０２、フィラー材料５１０及び層５０８は、所定時間、所定温度にまで加熱され、ここで所定温度は、フィラー材料５１０の融点を上回り、部材５０２及び層５０８の融点を下回る。加熱サイクル後、高温ガス経路部品５００が冷却され、これにより硬化フィラー材料５１０を介して部材５０２と層５０８との間の接合を形成する。一実施形態では、チャンネル５０８は、タービンシステムにおいて高温ガス経路領域５１４までの比較的小さな距離５１６を有し、これにより冷却が改善され、冷却効率の向上を通じて高温ガス経路部品５００のクリープ、酸化及び熱疲労が低減される。
【００２０】
ろう付けプロセスの完了後、部品表面は、冷却孔を孔加工し、また、溶射プロセス又は他のコーティングプロセスを用いてコーティングすることができる。ガスタービンにおける高温ガス経路部品は、ＭＣｒＡｌＹ（金属）ボンドコーティング及び／又は遮熱コーティング（セラミック）のトップコーティングで被覆される場合がある。冷却孔はまた、高温ガス経路部品内に孔加工され、フィルム冷却流体／空気を提供して部品及びコーティングを冷却する。実施形態では、タービンシステムの供用後、部品が検査され、必要に応じて補修されて供用が再開される。補修には通常、材料の亀裂又は損失などの欠陥を補修するために、コーティングの剥離、検査、溶接又はろう付けを含む。次いで、部品がコーティングされて熱処理される。補修した部品上の冷却孔を再度孔開け及び／又は機械加工することは、困難で冗長なプロセスである場合が多い。図５に示す実施形態では、層５０８は、冷却孔５１８及びコーティングを有し、層５０８は、孔開け及び／又はコーティングをした後に部品５００にろう付けをし、これにより補修プロセスを簡素化することができる。一実施形態では、供用稼働中の部品は、熱的に損傷を受けた局所的領域又は「ホットスポット」を除去するよう修正することができる。部品が組み立てられていない間に冷却チャンネルを機械加工することができ、また、層５０８をろう付け／接合し、シュラウド５００又は他の高温ガス経路部品を形成することができる。層５０８は、冷却孔の孔加工をし、更に部品にろう付け／接合の前に金属及びセラミックコーティングで被覆することができる。この構成及び方法は、部品５００の製造又は補修プロセス中に用いてもよい点に留意されたい。
【００２１】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２２】
１００  ガスタービンシステム
１０２  圧縮機
１０４  燃焼器
１０６  タービン
１０８  シャフト
１１０  燃料ノズル
１１２  燃料供給源
２００  高温ガス経路部品
２０２  部材
２０４  表面
２０６  チャンネル
２０８  層
２１０  フィラー材料
２１２  クランプ装置
２１４  領域
２１６  距離
３００  シュラウド
３０２  部材
３０４  表面
３０６  表面
３０８  チャンネル
３１０  孔
３１２  流体供給源
３１４  シールスロット
３１６  表面
４０２  層
４０４  フィラー材料
５００  高温ガス経路部品
５０２  部材
５０４  表面
５０６  チャンネル
５０８  層
５１０  フィラー材料
５１２  クランプ装置
５１４  領域
５１６  距離
【図１】
2012184763.tif 000003
【図２】
2012184763.tif 000004
【図３】
2012184763.tif 000005
【図４】
2012184763.tif 000006
【図５】
2012184763.tif 000007
【外国語明細書】
2012184763000001.pdf