(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンで使用され、内部キャビティを有するとともに意図的な流れ阻止要素を有する冷却されない中空のブレードまたはベーンであって、前記流れ阻止要素に少なくとも一つの開口が設けられており、前記開口が前記キャビティの平均断面積の約０．０５％乃至約５．０％の断面積を有し、それによってガスがキャビティ内を流れ、キャビティ内の酸素ポテンシャルが高められ高温腐食が抑制されるようになっていることを特徴とするガスタービンエンジンのブレードまたはベーン。
【請求項２】
ガスタービンエンジンで使用される冷却されない中空のブレードまたはベーンにおける高温腐食を抑制するための方法であって、前記中空部品内に酸素含有ガスを流して部品内の酸素量を増加させる過程を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にガスタービンエンジンの部品内部の高温腐食（hot corrosion）を抑制するための方法に関する。特に、意図的に冷却されないガスタービンエンジン部品の中空キャビティ内の酸素ポテンシャルを高めるための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンに於いてガスと接触する重要な部品にブレード（blade）及びベーン（vane）がある。エンジンのタービン部内で運動するブレードのリングとリングの間に配置された静止したベーンによって、高温のガス流は制動されてブレードのある段から次の段へと導かれる。
【０００３】
ガスタービンエンジンのメーカは、常にエンジン効率及び性能の向上を目指している。効率を向上するには、ガスタービンエンジンをより高いガス温度で動作させる必要がある。しかしながら、高温ガスに直接曝されると、タービンのエアフォイル（airfoil）に悪影響が生じることがある。そのため、高温動作中これらのエアフォイルの金属温度を設計限界内に保つため、冷却メカニズムが開発された。エアフォイルの冷却は典型的にはフィルム式冷却（film cooling）によってなされる。フィルム式冷却では、エアフォイルの壁に設けられた孔を通して冷却空気が供給され、高温ガスと金属面との間に絶縁層が形成される。
【０００４】
エンジン性能は、エンジンを軽くすることによっても向上する。このため、過度な高温ガスに曝されることがなく冷却する必要のないエンジン部分では、中空エアフォイルを用いることが通常となっている。
【０００５】
典型的な中空の冷却されないエアフォイルは、最近のガスタービンエンジンの低圧タービンに見られる。このような中空のエアフォイルの一端は開放されており、他端はシールされている。シールは、エアフォイル内をガス流が通過するのを阻止するためになされている。シールされていないと、圧力差があるため中空キャビティ内を通ってガスが流れる。このガスは加熱されており、近辺のエアフォイルの耐久性に悪影響を与え、エンジン効率を低下させ得る。このような理由のため、閉じたブラインドキャビティ（blind cavity）を有するエアフォイルを鋳造すること、あるいは貫通するキャビティを有するエアフォイルを鋳造し、例えばキャップ部材やカバープレート（cover plate）のようなシール手段をエアフォイルの一端に設けることが通常行われる。
【０００６】
しかしながら、このような冷却することを意図しないエアフォイルの通常の動作温度に於いて、エアフォイルに過度の高温腐食が生ずることがある。高温腐食は本質的には比較的低温（約１３００°Ｆ〜約１８００°Ｆ、即ち、約７０４℃〜約９８２℃）で起こる急速に進む酸化現象である。金属エアフォイル面に存在する環境からもたらされる不純物（例えば硫黄、ナトリウム、バナジウム）及び関連する化合物（硫化ナトリウム、塩化ナトリウム、及び五酸化バナジウム）が高温腐食に大きく影響すると考えられている。これらの不純物が金属合金の表面に存在すると、それらが無ければ形成されるはずの保護酸化膜が形成されない。それどころか、それらの不純物は通常であれば表面上に形成される酸化膜を破るフラックス（flux）として働く。保護層がないと、フラックスの影響を受けた表面層を通過して酸素が拡散し、下に位置する合金が直接かつ急速に酸化されるという望ましくない結果となる。このような酸化はエアフォイルの外部と内部の両方に悪い影響を与える。
【０００７】
高温腐食は保護コーティングを施すことによって低減することかできる。高温腐食を起こす可能性のある冷却されないエアフォイルの外壁及び内壁に保護コーティングを施すことは、今日では通常のこととなっている。典型的には、エアフォイルの内壁だけでなく、外壁にもアルミナイド（aluminide）コーティングが施される。
【０００８】
しかしながら、このような処理では高温腐食は約ファクター３しか減少しない。例えば、ある例では、内面がコーティングされていない中空ベーンは約５，０００時間の耐用寿命を有しており、その寿命は内部のブラインドキャビティ内で生じる高温腐食によって制御されることがわかった。気相拡散アルミナイドコーティングを施すことにより、ベーンの耐用寿命は約１５，０００時間（ファクター３）にしか伸びなかった。ベーンの外部は、コーティングされているか否かによらず、高温腐食の影響を比較的受けなかった。
【０００９】
この結果、意図的に冷却されないガスタービンエンジン部品の内壁の高温腐食を抑制する効果的な方法が必要であることが分かった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主な目的は、意図的に冷却されないガスタービンエンジン部品の内壁の高温腐食を抑制する効果的な方法を提供することである。また、本発明の別の目的は、高温腐食の抑制されたガスタービンエンジン部品を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、意図的に冷却されないガスタービンエンジン部品の内壁の高温腐食を低減するための方法が開示される。この方法は、そのような部品の中空キャビティを通過するガス流量を適度に制御することを含む。
【００１２】
詳述すると、中空で、冷却されず、意図的に流れを阻止する要素（例えば一端に設けられたシール）を有するガスタービンエンジン部品に於いて、流れを阻止する要素に開口が設けられる。この開口はキャビティの平均断面積の約０．０５％乃至約５．０％の断面積を有し、それによって、適量のガスがキャビティ内に流れ込み、悪影響を生じることなく高温腐食を抑制する。
【００１３】
ガスは、主として多量の遊離酸素を含む燃焼生成物からなる。中空キャビティ内の酸素ポテンシャルが高められると、高温腐食の程度が大幅に低下することが分かった。エアフォイルの中空キャビティの典型的な断面積（径方向）は、約１．２９０cm2〜約１２．９０３cm2（約０．２平方インチ〜２．０平方インチ）であるが、酸素含有ガス流はエアフォイルの一端に設けられたシールを貫通するように形成された開口によって制限される。そのような開口は好ましくは約０．００６cm2〜約０．６４５cm2（約０．００１平方インチ〜約０．１平方インチ）であり、更に好ましくは０．０３２cm2〜０．３２３cm2（０．００５平方インチ〜０．０５平方インチ）である。
【００１４】
添付の図面及び本発明の最適実施例の詳細な説明によって本発明をよりよく理解することができるだろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、最近の高バイパス比ターボファンエンジンの模式的な断面図である。このようなタイプのエンジンでは、空気はエンジンを通過するとき、圧縮され、燃料と混合され、燃焼され、タービンを通過する間に膨張しそこで燃焼したガス混合体からエネルギーが引き出される。図１に示すように、空気は順にファン部１、低圧コンプレッサ部２、高圧コンプレッサ部３、燃焼器４、高圧タービン５、及び低圧タービン６を通過する。
【００１６】
本発明は、低圧タービン部６内のブレード及びベーンに関する。低圧タービン部６では、ガス温度は十分に低くブレード及びベーンの冷却は通常必要ない。従って、それらのブレード及びベーンの内部に意図的に流される空気流は存在しない。冷却するためというより、重量を軽くするためにそれらのブレード及びベーンは通常中空とされる。
【００１７】
図２には、静止ベーン１０とベーン１０のすぐ下流に位置するブレード１１の断面が示されている。ブレード１１は回転することができるようにディスク１２に取り付けられている。タービン部ではガスが膨張するため、ベーン１０の前縁１３に於ける温度及び圧力はベーン１０の後縁１４よりも高い。同様に、ブレード１１の前縁１５に於ける温度及び圧力はブレード１１の後縁１６に於ける温度及び圧力よりも高い。
【００１８】
上述したように、部品内部の高温腐食は、冷却されない中空ブレード及びベーンを有する多くのガスタービンエンジンに於いて重要な問題として認識されている。本発明によると、このような部品に於いて、中空の冷却されないブレード及びベーンの内部に少量のガスを流すことによって、高温腐食が大幅に低減される。高温腐食は、ブレード及びベーン内部の酸素量が増すことによって効果的に低減されるものと考えられる。また、ブレードまたはベーンを出るとき、ガスが汚染物質を運び出すことによる効果も考えられる。
【００１９】
図２に於いてブレード及びベーンの中空キャビティ内に入る矢印とそこから出る矢印によって示されているように、中空のブレード及びベーンにガスを送り込む主な駆動力は、これらの部品の前縁と後縁の間の圧力差である。従って、例えば、図２のベーン１０に対しては、矢印１８及び１８′が空気流の向きを示している。空気はブレード１０の中空キャビティ内にベーンの前縁に於ける圧力と概ね等しい圧力で流入し、それより若干低いベーン１０の後縁に於ける圧力で出ていく。同様に、ブレード１１では、空気流は矢印１９及び１９′によって示されており、矢印１９によって示されているガスは、ブレード１１の中空キャビティにブレード１１の前縁に於いて観測されるのと概ね等しい圧力で流入し、ブレード１１の後縁１６に於いて観測される圧力を反映したより低い圧力で出ていく。従って、ベーン１０とブレード１１の両方で、ガスは主にブレードにかかる圧力差の結果ブレードの中央を通過する。エンジンの動作中ブレードが回転するため、本発明によると、遠心力によってもブレードを通過するガスの流れが促進される。
【００２０】
これらのブレードを、連続した、貫通して延在するキャビティを有するものとして鋳造し、キャビティの一端をシールして空気流を妨げるようにすることが通常行われているが、本発明によると、１または複数の小孔がカバープレートなどのシール手段に意図的に形成され、ブレードまたはベーン内を限られた制御された量のガスが通過して流れる。１または複数の小孔の全体的な断面積は、約０．００６cm2〜約０．６４５cm2（約０．００１平方インチ〜約０．１平方インチ）であることが好ましく、更に好ましくは０．０３２cm2〜０．３２３cm2（０．００５平方インチ〜約０．０５平方インチ）であるとよい。このような孔の寸法は、ブレードまたはベーンの中空キャビティの平均断面積の約０．７％〜約４．０％と言い換えることもできる。
【００２１】
ここで、これらのブレードの中空キャビティの実効断面積は、典型的には約１．２９０cm2〜約１２．９０３cm2（約０．２平方インチ〜約２．０平方インチ）であることに注意されたい。本発明によると、これらのキャビティを通過する空気流は、ブレードが単に鋳造された状態で両端が開いたままとされる場合と較べて、体積及び速度が大幅に小さくなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】最近の高バイパス比エアクラフトガスタービンエンジンの模式的な断面図である。
【図２】図１に示したエンジンの低圧タービン部のブレード及びベーンを通る模式的な断面図である。
【符号の説明】
１  ファン部
２  低圧コンプレッサ部
３  高圧コンプレッサ部
４  燃焼器
５  高圧タービン
６  低圧タービン
１０  ベーン
１１  ブレード
１２  ディスク
１３  ベーン１０の前縁
１４  ベーン１０の後縁
１５  ブレード１１の前縁
１６  ブレード１１の後縁
【図１】
0003865147.tif 000002
【図２】
0003865147.tif 000003