(57)【要約】【課題】エンジン部品用の内部耐熱皮膜を提供する。【解決手段】エンジン用の高温ガス経路部品が、一般に、外面と外面の反対側の内面との間に及ぶ基材を備えることができる。外面を、エンジンの高温ガス経路に曝されるように構成することができる。更に、基材を、非金属複合材料から形成することができる。高温ガス経路部品は、基材の内面に設けられた耐熱皮膜を更に備えることができる。耐熱皮膜を、内面の少なくとも一部分に沿って不均一な分布を有するように内面に施工することができ、不均一な分布は、基材の外面と内面の間の高温ガス経路部品で経験される熱勾配の変化に対処する。【選択図】図１
2016160932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン用の高温ガス経路部品であって、
非金属複合材料から形成され、外面とその反対側の内面との間に延在する基材であって、外面がガスタービンエンジンの高温ガス経路に曝されるように構成された基材と、
基材の内面に設けられた耐熱皮膜であって、内面の少なくとも一部分に沿って不均一な分布をもつように内面に施工された耐熱皮膜と
を備えており、不均一な分布は、基材の外面と内面の間の高温ガス経路部品で経験される熱勾配の変化に対処する、高温ガス経路部品。
【請求項２】
耐熱皮膜は、内面の少なくとも一部分に沿って変化する厚さを規定する、請求項１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項３】
耐熱皮膜は、内面の少なくとも一部分に沿ってパターンに従って施工される、請求項１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項４】
パターンは、チェッカー盤パターン、格子パターン又は縞模様のいずれかに相当する、請求項３に記載の高温ガス経路部品。
【請求項５】
耐熱皮膜は、内面の少なくとも一部分に沿って不連続な場所に施工される、請求項１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項６】
内面が表面特徴を画成しており、耐熱皮膜が表面特徴の内部又は表面特徴を横断して施工される、請求項１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項７】
耐熱皮膜は、非金属複合材料よりも熱伝導率の低いから形成される、請求項１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項８】
非金属複合材料は、セラミックマトリックス複合材料に相当する、請求項１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項９】
ガスタービンエンジンのブレード、ベーン、ライナ、ドーム、ノズルバンド、ロータシュラウド、デフレクタ又は熱シールドのいずれかに相当する、請求項１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項１０】
エンジン用の高温ガス経路部品であって、
非金属複合材料から形成され、外面とその反対側の内面との間に延在する基材であって、外面がエンジンの高温ガス経路を流れる燃焼ガスに曝されるように構成され、内面が冷却媒体に曝されるように構成された基材と、
基材の内面上に配置され、非金属複合材料よりも熱伝導率の低いから形成された耐熱皮膜と、
を備えており、
耐熱皮膜は、基材の外面と内面の間の高温ガス経路部品で経験される熱勾配の変化に対処する、高温ガス経路部品。
【請求項１１】
耐熱皮膜は、内面の少なくとも一部分に沿って一様な分布を有するように内面に施工される、請求項１１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項１２】
耐熱皮膜は、内面の少なくとも一部分に沿って実質的に一定の厚さを規定する、請求項１２に記載の高温ガス経路部品。
【請求項１３】
耐熱皮膜は、内面の少なくとも一部分に沿って不均一な分布を有するように内面に施工される、請求項１１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項１４】
耐熱皮膜は、内面の少なくとも一部分に沿って変化する厚さを規定する、請求項１３に記載の高温ガス経路部品。
【請求項１５】
耐熱皮膜は、内面の少なくとも一部分に沿ってパターンに従って施工される、請求項１３に記載の高温ガス経路部品。
【請求項１６】
パターンは、チェッカー盤パターン、格子パターン又は縞模様のいずれかに相当する、請求項１５に記載の高温ガス経路部品。
【請求項１７】
耐熱皮膜は、内面の少なくとも一部分に沿って不連続な場所に施工される、請求項１３に記載の高温ガス経路部品。
【請求項１８】
内面が表面特徴を画成しており、耐熱皮膜が表面特徴の内部又は表面特徴を横断して施工される、請求項１１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項１９】
非金属複合材料は、セラミックマトリックス複合材料に相当する、請求項１１に記載の高温ガス経路部品。
【請求項２０】
ガスタービンエンジンのブレード、ベーン、ライナ、ドーム、ノズルバンド、ロータシュラウド、デフレクタ又は熱シールドのいずれかに相当する、請求項１１に記載の高温ガス経路部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の主題は、広くには、エンジン部品に関し、より詳しくは、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料から形成された高温ガス経路部品などのガスタービンエンジンの非金属系の部品のための内部耐熱皮膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
推力対重量比を向上させ、排出物を少なくし、燃料消費率を改善すべく、ガスタービンエンジンの効率及び性能を高めるために、タービンエンジンは、より高い温度で作動することを強いられる。より高い温度が、エンジンの高温ガスの経路内に配置される部品、とりわけエンジンの燃焼器及び／又はタービン部分の内部の部品を形成している材料の限界に達し、更には超えるとき、新たな材料を開発しなければならない。
【０００３】
エンジンの作動温度が高くなるにつれて、高温ガス経路部品の形成に典型的に用いられている高温合金の新たな冷却方法が、開発されてきている。例えば、セラミックの遮熱コーティング（ＴＢＣ）が、伝熱率を下げ、下方の金属に熱保護を提供し、部品がより高い温度に耐えることができるようにするために、高温ガス経路部品の外面に施工されている。加えて、高温ガス経路部品の冷却の改善をもたらすために、冷却回路及び／又は冷却孔が導入されている。例えば、フィルム冷却孔が、タービンブレードに、そのような部品の熱性能を高めるために設けられることが多い。
【０００４】
更に、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料も、高温合金の代替品として開発されている。多くの場合に、ＣＭＣ材料は、金属材料と比べて温度及び密度の両方の利点を提供することで、高い温度の高温ガス経路部品の製造のための望ましい選択肢となっている。高い温度性能ゆえに、ＣＭＣ系の部品は、多くの場合に、ガスタービンの内部で、部品の内部に冷却媒体を供給する必要なく、かつ／又は部品を通って冷却媒体を供給する必要なく、使用することが可能である。しかし、タービンエンジンの作動温度が高くなり続けるにつれて、ＣＭＣ部品に追加の冷却をもたらす必要性が存在する。残念ながら、ＣＭＣ部品の内面を（例えば、伝統的な冷却設計を使用することによって）冷却媒体に曝すことで、下方のＣＭＣ基材において、内面と、タービンエンジンの高温ガス経路に位置し、或いは高温ガス経路に隣接して位置する外面との間の温度勾配が、大きくなる。そのような大きな温度勾配ゆえに、熱応力が材料の性能を超え、望ましくない部品の損傷につながる可能性が大きい。
【０００５】
したがって、非金属複合材料系の部品のための内部耐熱皮膜であって、部品の内面と外面との間の熱勾配を小さくし、更には／或いは部品の特定の冷却の要件に合致させることを可能にする内部耐熱皮膜が、この技術において歓迎されると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７６４１４４０号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の態様及び利点は、一部は以下の説明において述べられ、或いは明細書から自明であってよく、若しくは本発明の実施を通じて習得可能であってよい。
【０００８】
一態様において、本発明の主題は、エンジン用の高温ガス経路部品に関する。この高温ガス経路部品は、一般に、外面と外面の反対側の内面との間に及ぶ基材を備えることができる。外面を、エンジンの高温ガス経路に曝されるように構成することができる。更に、基材を、非金属複合材料から形成することができる。高温ガス経路部品は、基材の内面に設けられた耐熱皮膜を更に備えることができる。耐熱皮膜を、内面の少なくとも一部分に沿って不均一な分布を有するように内面に施工することができ、不均一な分布が、基材の外面と内面の間の高温ガス経路部品で経験される熱勾配の変化に対処する。
【０００９】
別の態様において、本発明の主題は、エンジン用の高温ガス経路部品に関する。この高温ガス経路部品は、一般に、外面と外面の反対側の内面との間に及ぶ基材を備えることができる。外面を、エンジンの高温ガス経路を流れる燃焼ガスに曝されるように構成することができ、内面を、冷却媒体に曝されるように構成することができる。更に、基材を、非金属複合材料から形成することができる。この高温ガス経路部品は、基材の内面に配置され、非金属複合材料よりも熱伝導率の低いから形成される耐熱皮膜を更に備えることができる。更に、耐熱皮膜は、基材の外面と内面の間の高温ガス経路部品で経験される熱勾配の変化に対処する。
【００１０】
本発明のこれらの特徴、態様、及び利点、並びに他の特徴、態様、及び利点が、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されるであろう。本明細書に取り入れられて本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示しており、明細書と協働して本発明の原理を説明する役に立つ。
【００１１】
当業者に向けられた本発明の最良の態様を含む本発明の充分かつ本発明を実施可能にする開示が、添付の図面を参照して、明細書において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の主題のいくつかの態様による航空機において利用することができるガスタービンエンジンの一実施形態の断面図を示している。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンにおける使用に適した燃焼器の一実施形態の縦断面図を示している。
【図３】図１に示すガスタービンエンジンにおける使用に適したタービン構成の一実施形態の断面図を示している。
【図４】開示される耐熱皮膜を本発明の主題のいくつかの態様に従って施工することができる高温ガス経路部品の一実施形態の斜視図を示しており、特にタービンブレードとして構成された高温ガス経路部品を示している。
【図５】線５−５の付近において得た図４に示す高温ガス経路部品の断面図を示しており、特に部品の内面に施工された耐熱皮膜を示している。
【図６】図５に示す断面のうちの破線の円内に含まれる部分の拡大図を示しており、特に耐熱皮膜の一様な分布の例を示している。
【図７】高温ガス経路部品の内面に施工された耐熱皮膜の別の実施形態の断面図を示しており、特に内面に沿って変化する厚さを規定する耐熱皮膜を示している。
【図８】高温ガス経路部品の内面に施工された耐熱皮膜のさらなる実施形態の断面図を示しており、特に内面に沿った連続的に変化する厚さをもつ波形又は起伏断面形状を画成する耐熱皮膜を示している。
【図９Ａ】高温ガス経路部品の内面に施工された耐熱皮膜の更に別の実施形態の上面図を示しており、特にハニカム又はチェッカー盤パターンに従って内面に施工された耐熱皮膜を示している。
【図９Ｂ】図９Ａに示すガスタービン部品の線９Ｂ−９Ｂの付近において得た断面図を示している。
【図１０Ａ】高温ガス経路部品の内面に施工された耐熱皮膜のさらなる実施形態の上面図を示しており、特に格子パターンに従って内面に施工された耐熱皮膜を示している。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示すガスタービン部品の線１０Ｂ−１０Ｂの付近において得た断面図を示している。
【図１１Ａ】高温ガス経路部品の内面に施工された耐熱皮膜のまた別の実施形態の上面図を示しており、特に縞模様に従って内面に施工された耐熱皮膜を示している。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示すガスタービン部品の線１１Ｂ−１１Ｂの付近において得た断面図を示している。
【図１２Ａ】高温ガス経路部品の内面に施工された耐熱皮膜の別の実施形態の上面図を示しており、特に１つ以上の不連続な場所において内面に施工された耐熱皮膜を示している。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示すガスタービン部品の線１２Ｂ−１２Ｂの付近において得た断面図を示している。
【図１３】ガスタービン部品の別の典型的な断面図を示しており、特に部品の内面によって画成されるチャネル内に施工された耐熱皮膜を示している。
【図１４】ガスタービン部品のさらなる典型的な断面図を示しており、特に部品の内面によって画成されるフィルタ又は角を横断して施工された耐熱皮膜を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の実施形態を詳しく参照するが、それら実施形態の１つ以上の実施例が図面に示されている。各々の例は、本発明の説明の目的で提示されており、本発明を限定するものではない。実際、本発明において、本発明の技術的範囲及び技術的思想から離れることなく、種々の変更及び変種が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、或る実施形態の一部として例示又は説明される特徴を、別の実施形態において使用して、また更なる実施形態をもたらすことが可能である。このように、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の技術的範囲に含まれるような変更及び変種を包含するように意図される。
【００１４】
一般に、本発明の主題は、エンジン部品、特に非金属複合材料（例えば、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料）から形成された高温ガス経路部品のための内部耐熱皮膜に関し、そのような部品の表面に沿って空気などの冷却媒体が案内される。この点に関し、本明細書に記載されるとおり、用語「外面」は、高温ガス経路部品の高温の表面（すなわち、燃焼ガスに曝される表面）を指して使用され、用語「内面」は、そのような高温ガス経路部品の温度が低い方の表面（すなわち、外面の反対側の冷却媒体に曝される表面）を指して使用される。いくつかの実施形態において、耐熱皮膜を、内面と外面との間の温度勾配を小さくすることを可能にし、かつ／又は部品の特定の冷却の要件に合致させることを可能にするために、高温ガス経路部品の内面に施工することができる。
【００１５】
後述されるように、耐熱皮膜を、関連の部品について所望される熱抵抗にもとづき、低い熱伝導率又は高い熱伝導率を有する材料から形成することができる。同様に、所望の熱抵抗（特に、所望の局所熱抵抗）に応じて、耐熱皮膜を、内面における一様又は不均一なコーティングの分布をもたらすように施工することができる。耐熱皮膜の組成及び／又は施工を変化させるそのような選択肢は、一般に、コーティングを高温ガス経路部品の内面と外面との間の温度勾配を調節するために手段として利用することを可能にすることで、ガスタービンエンジンの運転時に部品が被る熱応力の大きさを制御することを可能にする。
【００１６】
一般に、本発明の主題が、本明細書において、ガスタービンエンジンの高温ガス経路部品の内部耐熱皮膜に関して説明されることを、理解すべきである。しかし、他の実施形態において、開示される耐熱皮膜を、機関車のエンジン又はレシプロエンジンなどの任意の他の適切なエンジンの高温ガス経路部品において利用することができる。
【００１７】
次に図面を参照すると、図１が、本発明の主題のいくつかの態様に従って航空機において利用することができるガスタービンエンジン１０の一実施形態の断面図を示しており、エンジン１０が、参照の目的でエンジン１０を貫いて延在する長手方向又は軸方向中心軸線１２を有して図示されている。一般に、エンジン１０は、コアガスタービンエンジン（全体を符号１４で示す）と、その上流に位置するファンセクション１６とを備えることができる。コアエンジン１４は、一般に、環状入口２０を画成する実質的に筒状の外側ケーシング１８を備えることができる。加えて、外側ケーシング１８は、コアエンジン１４に進入する空気の圧力を第１の圧力レベルへと高めるためのブースタ圧縮機２２を更に囲み、支持することができる。次いで、高圧多段軸流圧縮機２４が、ブースタ圧縮機２２から加圧された空気を受け取り、そのような空気の圧力を更に高めることができる。次いで、高圧圧縮機２４から出る加圧された空気は、燃焼器２６に流れることができ、燃焼器２６において、燃料が加圧された空気の流れに注入され、得られる混合物が燃焼器２６において燃やされる。高エネルギの燃焼生成物が、燃焼器２６からエンジン１０の高温ガス経路に沿って第１の（高圧）駆動シャフト３０を介して高圧圧縮機２４を駆動する第１の（高圧）タービン２８に導かれ、次いで第１の駆動シャフト３０におおむね同軸な第２の（低圧）駆動シャフト３４を介してブースタ圧縮機２２及びファンセクション１６を駆動する第２の（低圧）タービン３２に導かれる。各々のタービン２８及び３２を駆動した後で、燃焼生成物を、推進用のジェット推力をもたらすべく排気ノズル３６を介してコアエンジン１４から吐出することができる。
【００１８】
更に、図１に示す通り、エンジン１０のファンセクション１６は、一般に、環状ファンケーシング４０で囲繞されるように構成された回転可能な軸流ファンロータ３８を備えることができる。ファンケーシング４０を、複数の実質的に半径方向に延在し周方向に離隔した出口案内翼４２によってコアエンジン１４に対して支持されるように構成できることを、当業者であれば理解すべきである。したがって、ファンケーシング４０は、ファンロータ３８及びその対応するファンロータブレード４４を囲むことができる。更に、ファンケーシング４０の下流部分４６が、さらなる推進用のジェット推力をもたらす第２の（或いは、バイパス）空気流路４８を画成するように、コアエンジン１４の外側部分を覆って延在することができる。
【００１９】
エンジン１０の作動時に、初期の空気流（矢印５０で示す）がファンケーシング４０の関連の入口５２を通ってエンジン１０に進入できることを、理解すべきである。次いで、空気流５０は、ファンブレード４４を通過し、通路４８を通って移動する第１の圧縮された空気流（矢印５４で示す）及びブースタ圧縮機２２に進入する第２の圧縮された空気流（矢印５６で示す）に分かれる。次いで、第２の圧縮された空気流５６の圧力が高められ、（矢印５８で示す）高圧圧縮機２４に進入する。燃料と混ぜ合わせられて燃焼器２６において燃やされた後に、燃焼生成物６０が燃焼器２６から出、第１のタービン２８を通って流れる。その後に、燃焼生成物６０は、第２のタービン３２を通って流れ、排気ノズル３６から出てエンジン１０に推力をもたらす。
【００２０】
次に図２を参照すると、上述のガスタービンエンジン１０における使用に適した燃焼器２６の一実施形態の縦断面図が、本発明の主題のいくつかの態様に従って示されている。図示のとおり、燃焼器２６は、エンジンの長手軸１２の上方に限られているが、環状半径方向外側及び内側ライナ６４、６６の間にこれらのライナ６４、６６によって画成される環状燃焼ゾーン６２を含むことができる。一般に、外側及び内側ライナ６４、６６は、外側及び内側ライナ６４、６６の周りに周方向に延在するように構成された環状組合せケーシング６８から半径方向内側に位置することができる。更に、燃焼器２６は、外側及び内側ライナ６４、６６に結合するように構成された燃焼ゾーン６２の上流に取り付けられた環状ドーム７０も備えることができる。図２に示す通り、ドーム７０は、燃焼ゾーン６２の上流端７２を画成することができる。更に、複数のミキサアセンブリ７４（図には１つしか示していない）を、ドーム７０の周りに周方向に離隔して設けることができる。
【００２１】
更に、図２に示す通り、燃焼器２６を、高圧圧縮機２４の吐出口７６からの加圧された圧縮機吐出空気７５の環状流れを受け取るように構成することができる。圧縮機吐出空気の第１の部分（矢印７７で示す）が、ミキサアセンブリ７４に流入し、ミキサアセンブリ７４において、燃料が注入されて加圧された空気と混ぜ合わせられ、後に燃焼のために燃焼ゾーン６２にもたらされる燃料−空気混合物が形成される。燃料−空気混合物（矢印７８で示す）の点火を、適切な点火装置８０（例えば、外側ライナ６４を貫いて延在する１つ以上の点火装置８０）によって達成でき、得られる燃焼ガス（矢印８９で示す）が、第１の（或いは、高圧）タービン２８（図１）に向かって軸方向に流れ、第１の（或いは、高圧）タービン２８に流入することができる。更に、図２に示す通り、圧縮機吐出空気７５の第２の部分（矢印９０で示す）が、外側ライナ６４の周囲を流れることができ、圧縮機吐出空気８０の第３の部分（矢印９１で示す）が、内側ライナ６６の周囲を流れることができる。
【００２２】
更に、燃焼器２６は、複数の燃料インジェクタ９２（その１つを図に示す）も備えることができ、各々の燃料インジェクタ９２は、ノズルマウント又はフランジ９３を介して燃焼器ケーシング６８に固定及び封止されている。図２に示す通り、燃料インジェクタ９２は、フランジ９３と一体に形成され、或いはフランジ９３に固定された中空ステム９４、及び燃料ノズルアセンブリ９５の両者を備えることができる。いくつかの実施形態において、中空ステム９４を、燃料ノズルアセンブリ９５及びミキサアセンブリ７４の少なくとも一部分の両方を支持するように構成することができる。
【００２３】
次に図３を参照すると、図１を参照して説明した第１の（或いは、高圧）タービン２８の一部分の断面図が、本発明の主題のいくつかの実施形態に従って示されている。図示のとおり、第１のタービン２８は、第１段タービンノズル１０２及び第１段タービンロータ１０４を備えることができる。ノズル１０２を、一般に、複数の半径方向に延在し周方向に離隔したノズルベーン１０６（その１つを図に示す）を備える環状流路によって画成される。ベーン１０６を、いくつかの円弧形外側バンド１０８及び円弧形内側バンド１１０の間に支持することができる。明らかであろうが、ベーン１０６、外側バンド１０８、及び内側バンド１１０を、完全な３６０度のアセンブリを形成するように複数の周方向において隣接するノズルセグメント１１２に配置することができ、各々のノズルセグメント１１２の外側及び内側バンド１０８、１１０が、エンジン１０の高温ガス経路に沿ってノズル１０２を通って流れる燃焼生成物について、半径方向外側及び内側のそれぞれの流路境界をおおむね画成する。
【００２４】
更に、第１段タービンロータ１０４は、エンジン１０の中心軸線１２（図１）を中心にして回転するロータディスク１１６から半径方向外側に延在する複数の周方向に離隔したロータブレード１１４（図３には１つしか示していない）を備えることができる。加えて、複数の円弧形シュラウド１１８を、ロータブレード１１４をぴったりと囲むことによって、エンジン１０の高温ガス経路に沿ってタービンロータ１０４を通って流れる燃焼生成物について半径方向外側流路境界を画成するように、周方向に環状列で配置することができる。
【００２５】
作動時に、高温燃焼ガス（矢印８９で示す）は、燃焼器２６の燃焼ゾーン６２（図２）から環状第１段タービンノズル１０２に軸方向に流れることができる。第１段タービンノズル１０２のノズルベーン１０６を、一般に、流れが第１段ロータ１０４のタービンブレード１１４に或る角度で衝突するように、高温ガスの向きを変え、或いは案内するように構成することができる。環状に並んだロータブレード１１４の周囲における高温ガスの流れが、タービンロータ１０４の回転を引き起こすことができ、したがってロータ１０４に結合したシャフト（例えば、図１に示す第１の駆動シャフト３０）を駆動して回転させることができる。
【００２６】
高圧タービン２８の第１段のみを大まかに上述したが、タービン２８が、ノズルベーン及びタービンブレードの任意の数の対応する順次の環状並びを含む任意の数の後続の段を更に備えることができることを、理解すべきである。同様に、低圧タービン３２（図１）も、ノズルベーン及びタービンブレードの順次の環状並びの１つ以上の段を有する同様の構成を備えることができる。
【００２７】
上述のように、本発明の主題は、一般に、ガスタービンエンジンなどのエンジンの高温ガス経路部品のための内部耐熱皮膜に関する。開示される耐熱皮膜を説明する目的において、本発明の主題が、一般に、タービンブレードに関して説明される。しかし、耐熱皮膜が、ブレード、ベーン、ドーム、ライナ、ロータシュラウド、ノズルバンド、デフレクタ、熱シールド、及び／又はガスタービンエンジンを通って流れる高温燃焼ガスに曝される種々の他のタービン部品など、任意の適切な高温ガス部品の内面に広く施工可能であることを、理解すべきである。
【００２８】
次に図４及び５を参照すると、内部耐熱皮膜２０２を施工することができる適切な高温ガス経路部品２００の一実施形態が、本発明の主題のいくつかの態様に従って示されている。具体的には、図４が、高温ガス経路部品２００の斜視図を示しており、図５が、図４に示される部品２００の線５−５の付近で得た断面図を示している。図４及び５に示す通り、高温ガス経路部品２００は、タービンブレードとして構成されている。例えば、ブレードは、図３を参照して説明したタービンブレード１１４に相当でき、更には／或いはガスタービンエンジンの任意の他の適切なタービンブレードに相当できる。
【００２９】
一般に、タービンブレード２００は、シャンク部２０４と、実質的に平坦なプラットフォーム２０８から延在する中空又は実質的に中空の翼形部２０６とを備えることができる。プラットフォーム２０８は、一般に、ブレード２００を通過して流れる高温燃焼ガスのための半径方向内側境界として機能することができる。ブレード２００のシャンク部２０４は、一般に、プラットフォーム２０８から半径方向内側に延在するように構成され、ブレードをタービンエンジン１０のロータディスクに固定するように構成されたダブテールなどの根元構造２１０を備えることができる。
【００３０】
図４に示す通り、翼形部２０６は、一般に、プラットフォーム２０８から半径方向外側に延在することができ、プラットフォーム２０８に位置する翼形基端２１２と、翼形基端２１２の反対側に位置する翼形先端２１４とを備えることができる。したがって、翼形先端２１４は、一般に、ブレード２００の半径方向に最も外側の部分を画成することができる。翼形部２０６は、前縁２２０と後縁２２２の間に延在する正圧面２１６及び負圧面２１８を更に備えることができる。正圧面２１６が、一般に、翼形部２０６の空力的凹部を画成することができる一方で、負圧面２１８は、一般に、翼形部２０６の空力的凸部によって画成されてよい。
【００３１】
加えて、特に図５に示す通り、翼形部２０６の内部中空部分を、翼形部２０６の内部で冷却媒体（例えば、空気、水、蒸気その他の適切な流体）を（矢印２２６で示す）流すための翼形部冷却回路２２４を画成するように構成することができる。説明の目的のために、翼形部冷却回路２２４は、翼形部２０６の内部に画成される単一の内部空洞によって形成されるものとして、単純に示されている。しかし、一般に、翼形部冷却回路２２４が技術的に公知の任意の適切な構成を有してよいことを、理解すべきである。例えば、いくつかの実施形態において、翼形部冷却回路２２４は、翼形部２０６の全体に蛇行状の流路を形成する複数のチャネルなど、翼形部２０６の内部を半径方向に延在する複数の別個のチャネルを備えることができる。
【００３２】
更に、図５に示す通り、翼形部２０６を、一般に、翼形部２０６の内面２３２と外面２３４の間に延在する基材２３０によって形成することができる。内面２３２を、一般に、翼形部冷却回路２２４によってもたらされる冷却媒体２２６に曝されるがゆえに、「低温の」表面と称することができる一方で、外面２３４を、一般に、ガスタービンエンジン１０の高温ガス経路に沿ってブレード２００を横断して流れる燃焼ガスに曝されるがゆえに、「高温」表面と称することができる。上述のように、基材２３０は、一般に、内面２３２と外面２３４との間の大きな温度差ゆえに、きわめて大きな温度勾配に直面する可能性がある。更に詳しく後述されるように、開示される耐熱皮膜２０２は、基材２３０の内面２３２と外面２３４との間で直面される温度勾配を小さくし、或いは他のやり方で調節するために、基材２３０の内面２３２に施工することが可能である。
【００３３】
基材２３０が、一般に、任意の適切な材料から形成されてよいことを、理解すべきである。しかし、ある実施形態では、基材２３０を、非金属複合材料から形成することができる。例えば、特定の実施形態においては、基材２３０を、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料から形成することができる。そのような実施形態において、基材２３０を形成するために用いられるＣＭＣ材料は、一般に、技術的に公知の任意の適切なＣＭＣ材料に相当でき、したがって一般に、材料の特性（例えば、材料の強度及び／又は熱−物理的特性）を向上させるために適切な補強材料を取り入れたセラミックマトリックスを含むことができる。一実施形態において、使用されるＣＭＣ材料を、連続繊維強化ＣＭＣ材料として構成することができる。例えば、適切な連続繊維強化ＣＭＣ材料として、これらに限られるわけではないが、連続的な炭素繊維、酸化物繊維、及び炭化ケイ素モノフィラメント繊維で強化されたＣＭＣ材料、並びに連続的な繊維の積層及び／又は繊維を織った中間成形物を含む他のＣＭＣ材料を挙げることができる。他の実施形態においては、使用されるＣＭＣ材料を、不連続強化ＣＭＣ材料として構成することができる。例えば、適切な不連続強化ＣＭＣ材料として、これらに限られるわけではないが、粒子、小板、ウィスカ、不連続繊維、そのまま、及びナノ複合材料で強化されたＣＭＣ材料を挙げることができる。
【００３４】
他の実施形態においては、基材２３０を、任意の他の適切な非金属複合材料から形成することができる。例えば、代案の実施形態においては、基材２３０を、酸化物−酸化物高温複合材料から形成することができる。
【００３５】
ここには示されていないが、適切な外側コーティングを基材２３０の外周を巡って施工してもよいことを、理解すべきである。例えば、一般的に理解されているとおり、遮熱コーティング（ＴＢＣ）などの環境コーティングを、高温ガス経路部品２００の熱保護の改善をもたらすために、基材２３０の周辺付近に施工することができる。そのような実施形態において、本明細書において説明される外面２３４は、一般に、基材２３０の外面ではなくてコーティングの外面に相当することができる。
【００３６】
更に、本明細書において説明される基材２３０が、高温ガス経路部品のための主たる基材として機能することを可能にする任意の適切な構成及び／又は構造を有してよいことを、理解すべきである。例えば、基材２３０は、本明細書の種々の実施形態において一定の厚さを規定するものとして示されているが、基材２３０において、内面２３２と外面２３４との間の厚さが変化していてもよい。
【００３７】
特に図５及び６に示す通り、ある実施形態では、耐熱皮膜２０２を、基材２３０の内面２３２に施工することができる。上述のように、耐熱皮膜２０２を、一般に、基材２３０の内面２３２と外面２３４との間で直面される温度勾配の大きさを小さくし、更には／或いは他のやり方で制御するために、内面２３２に施工することができる。例えば、後述されるように、耐熱皮膜２０２を、ある実施形態では、熱伝導率が比較的小さい材料から形成することができる。したがって、耐熱皮膜２０２を内面２３２に（例えば、一様なやり方で）施工することによって、高温ガス経路部品２００の内部に供給される冷却媒体２２６の冷却の有効性を大幅に下げることで、基材２３０の内面２３２の温度を高くすることができ、結果として基材２３０における温度勾配を相応に小さくすることができる。
【００３８】
更に、ある実施形態では、耐熱皮膜２０２を、高温ガス経路部品２００の内部に供給される冷却媒体２２６の冷却の有効性及び部品２００の冷却の要件を満たすように特定的に調節された基材２３０における温度勾配の達成の両方を可能にするように、不均一なやり方で内面２３２に施工することもできる。例えば、高温ガス経路部品２００における特定の領域が、基材２３０における大きな温度勾配に関係した熱応力に起因する損傷を被りやすいかもしれない。そのような領域について、耐熱皮膜２０２を、部品２００の内部に供給される冷却媒体２２６の冷却の有効性を大幅に下げるようなやり方で施工することができる。しかし、高温ガス経路部品２００における他の領域は、熱に起因する応力を被りにくいかもしれない。これらの領域においては、耐熱皮膜２０２をまったく施工しなくてもよく、或いはコーティング２０２を、冷却媒体２２６の冷却の有効性の低下を最小限にし、或いは実際には冷却媒体２２６の冷却の有効性を高めるようなやり方で、施工してもよい。
【００３９】
一般に、耐熱皮膜２０２の形成に使用される材料は、個々の用途及び／又はコーティング２０２を通る所望の熱伝達に依存してよい。しかし、上述のように、耐熱皮膜２０２を、ある実施形態では、コーティング２０２を高温ガス経路部品２００の内部に供給される冷却媒体２２６の冷却の有効性を下げるために使用できるように、熱伝導率が比較的小さい材料から形成することができる。例えば、適切な材料として、これらに限られるわけではないが、耐環境コーティングに典型的に利用される材料（例えば、希土類二ケイ酸塩及び／又は希土類一ケイ酸塩）、並びに／或いは遮熱コーティングに典型的に利用される材料（例えば、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、及び／その他の適切な貴金属酸化物によって部分的又は完全に安定化されたアルミナ及び／又はジルコニア）を挙げることができる。加えて、一実施形態においては、耐熱皮膜２０２を形成するために用いられる特定の材料を、関連の基材２３０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するように選択することができる。例えば、基材２３０がＣＭＣ材料を含む場合、耐熱皮膜２０２を形成する材料は、約７Ｂｔｕ／（ｈｒ−ｆｔ−°Ｆ）よりも低く、約４Ｂｔｕ／（ｈｒ−ｆｔ−°Ｆ）よりも低く、約１Ｂｔｕ／（ｈｒ−ｆｔ−°Ｆ）よりも低く、或いは約０．５Ｂｔｕ／（ｈｒ−ｆｔ−°Ｆ）よりも低く、更にはこれらの間の任意の他の部分的範囲など、ＣＭＣ材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有することができる。
【００４０】
或いは、耐熱皮膜２０２を、比較的高い熱伝導率を有する材料など、任意の他の適切な材料から形成することができる。例えば、上述のように、耐熱皮膜２０２は、高温ガス経路部品２００の内部に供給される冷却媒体２２６の冷却の有効性の低下を最小限にし、或いは実際にはそのような有効性を高めることが、望ましいかもしれない。そのような場合、耐熱皮膜２０２の形成に使用される材料を、冷却媒体２２６から下方の基材２３０への所望の熱伝達をもたらすように選択することができる。
【００４１】
更に、特に図５及び６に示す通り、ある実施形態では、耐熱皮膜２０２を、内面２３２におけるコーティング２０２の一様な分布をもたらすように、基材２３０の内面２３２に施工することができる。例えば、図６に示されるように、耐熱皮膜２０２を、コーティング２０２の厚さ２４０が内面２３２の全体又は一部において一定又は実質的に一定であるように、内面２３２に施工することができる。そのような一様なコーティングは、例えば、基材２３０の全体にわたって内面２３２と外面２３４との間に実質的に一様な温度勾配を実現することを、可能にすることができる。
【００４２】
本明細書において使用されるとき、耐熱皮膜２０２の厚さ２４０を、厚さのばらつきが１０％未満又は５％未満など、コーティング２０２が施工された内面２３２の各部における厚さ２４０のばらつきが２０％未満である場合に「実質的に一定」と考えることができることを、理解すべきである。この公差を、一般に、基材２３０の内面２３２をコーティングするために用いられる施工の工程に起因して生じる厚さ２４０のわずかなばらつきを受け入れるように選択することができる。
【００４３】
或いは、耐熱皮膜２０２を、内面２３２の全体又は少なくとも一部についてコーティング２０２の不均一な分布をもたらすように、基材２３０の内面２３２に施工することができる。具体的には、いくつかの実施形態において、高温ガス部品２００において冷却の有効性についてより広い範囲を得ることを可能にすることで、得られる基材２３０における温度勾配を基材２３０の局所的な冷却の要件に合致するように調節することができるように、耐熱皮膜２０２を、局所的に異なる厚さ及び／又は特定のパターンを画成するように施工することができる。例えば、上述のように、基材２３０の内面２３２の特定の領域に冷却媒体２２６に対する追加の熱抵抗を持たせ、他の領域には冷却媒体２２６に対する追加の熱抵抗を少しだけ持たせ、或いはまったく持たせないことが、望ましいかもしれない。そのような場合、耐熱皮膜２０２を、高温ガス経路部品２００の所望の冷却の要件に一致するように不均一なやり方で内面２３２に施工することができる。
【００４４】
次に図７〜１３を参照すると、開示された耐熱皮膜２０２の不均一な施工の種々の実施形態が、本発明の主題のいくつかの態様に従って示されている。図７〜１３に示される実施形態が、あくまでも部品２００の内部の冷却の有効性を調節する目的で、コーティング２０２の不均一な分布をもたらすべく高温ガス経路部品２００の基材２３０の内面２３２に沿って耐熱皮膜２０２を施工することができるやり方の例として示されているにすぎないことを、理解すべきである。したがって、当業者であれば、本明細書に提示される開示を使用して、種々の他の不均一な施工も、所与の高温ガス経路部品の特定の局所的な冷却の要件を満たすために利用できることを、理解すべきである。
【００４５】
図７及び８に示されるように、一実施形態においては、コーティング２０２を、変化する厚さを有するように基材２３０の内面２３２に施工することができる。例えば、図７に示す通り、コーティング２０２は、内面２３２の第１の局所部分２４２において第１の厚さ２４０Ａを定め、内面２３２の第２の局所部分２４４において減らされた第２の厚さ２４０Ｂを画成するように施工されている。そのような場合、内面２３２の第２の局所部分２４４は、例えば、基材２３０のうち、高温ガス経路部品２００の内部の冷却の有効性が周囲の第１の局所部分２４２の冷却の有効性よりも大きいことが望まれる領域に相当することができる。同様に、図８に示されるように、コーティング２０２を、内面２３２に沿って連続的に変化する厚さ２４０を画成するように内面２３２に施工することができる。具体的には、図示の実施形態において、耐熱皮膜２０２は、コーティング２０２の厚さ２４０が内面２３２に沿って連続的に変化するように、波形又は起伏断面形状を画成する。
【００４６】
本明細書において使用されるとき、耐熱皮膜２０２は、厚さのばらつきが５０％超、１００％超、或いは２００％超など、コーティング２０２が施工された内面２３２の各部における厚さのばらつきが２０％よりも大きい場合に、多様な厚さ又は変化する厚さを規定するように構成されうることを、理解すべきである。
【００４７】
更に、上述のように、コーティング２０２を、不均一なコーティングの分布をもたらすように任意の適切なパターンに従って内面２３２に施工することも可能である。例えば、図９Ａ及び９Ｂが、開示の耐熱皮膜２０２を基材２３０の内面２３２に施工するときに利用することができる適切なパターンの一実施形態を示している。図示のとおり、耐熱皮膜２０２は、基材２３０が内面２３２においてコーティングされた部位２５０及びコーティングされていない部位２５２の両方を含むように、チェッカー盤又はハニカムパターンにて内面２３２に施工されている。そのような実施形態において、パターンを、コーティングされた部位２５０及びコーティングされていない部位２５２が内面２３２において同じ又は実質的に同じ面積に及び、或いは同じ又は実質的に同じ面積を覆うように、施工することができる。例えば、図９Ａ及び９Ｂに示されるように、各々のコーティングされた部位２５０は、各々のコーティングされていない部位２５２によって画成される対応する高さ２５８及び幅２６０と同じ又は実質的に同じ高さ２５４及び幅２５６を画成することができる。内面２３２におけるコーティングされた部位２５０とコーティングされていない部位２５２との間の移行部を、（例えば、マスキング法を使用することによって）急又は突然であるように形成することができ、或いはより滑らかな移行部をもたらすように漸減させることができる。
【００４８】
或いは、コーティングされた部位２５０の高さ２５４及び／又は幅２５６は、コーティングされていない部位２５２の高さ２５８及び／又は幅２６０と違ってもよい。例えば、図１０Ａ及び１０Ｂが、開示の耐熱皮膜２０２を基材２３０の内面２３２に施工するときに利用することができる適切なパターンの別の実施形態を示している。図示のとおり、上述のチェッカー盤又はハニカムパターンと対照的に、耐熱皮膜２０２が、コーティングされた部位２５０及びコーティングされていない部位２５２が内面２３２において異なる面積に及び、或いは異なる面積を覆うように、格子パターンにて施工されている。例えば、図１０Ａ及び１０Ｂに示されるように、基材２３０のコーティングされた部位２５０の各々は、各々のコーティングされていない部位２５２によって画成される対応する高さ２５８及び幅２６０よりも小さい高さ２５４及び幅２５６を画成する。したがって、コーティングされていない部位２５２は、基材２３０の内面２３２においてコーティングされた部位２５０よりも大きい面積を覆うことができる。しかし、別の実施形態においては、耐熱皮膜２０２を、コーティングされた部位２５０が内面２３２においてコーティングされていない部位２５２よりも大きな面積を覆うように、施工することができる。
【００４９】
次に図１１Ａ及び１１Ｂを参照すると、開示の耐熱皮膜２０２を基材２３０の内面２３２に施工するときに利用することができる適切なパターンのさらなる実施形態が、本発明の主題のいくつかの態様に従って示されている。図示のとおり、耐熱皮膜２０２が、基材２３０が内面２３２に沿って縦に延在する線又はストライプ２６０を画成する複数の離隔して位置したコーティングされた部位を含むように、縞模様にて施工されている。例えば、図示の実施形態に示されているとおり、コーティングされた部位は、内面２３２に沿って平行に延在する離隔して位置した乱流発生部（ｔｕｒｂｕｌａｔｏｒ）を形成するように、互いにおおむね平行に延在するストライプ２６０を画成する。しかし、他の実施形態においては、コーティング２０２によって形成される線又はストライプ２６０を、お互いに対して任意の他の適切な角度に向けることができる。
【００５０】
更に、パターンに従って内面２３２に沿って耐熱皮膜２０２を施工することの代案として、コーティング２０２を、単に所望の不均一なコーティングの分布をもたらすように内面２３２の１つ以上の不連続な領域又は場所に施工することができる。例えば、図１２Ａ及び１２Ｂが、コーティング２０２が内面２３２に沿った複数の不連続な場所に所望のとおりに施工されている不均一なコーティングの分布の一例を示している。具体的には、図１２Ａ及び１２Ｂに示す通り、コーティング２０２が、所与の厚さ２７４及び幅２７６を有するおおむね一様なコーティング２７２を画成するように内面２３２の第１の部位２７０に沿って施工されている。同様に、コーティング２０２は、別々のコーティングストライプ２８０を画成するように内面２３２の第２の部位２７８に沿って施工されており、各々のストライプ２８０は、内面２３２の第１の部位２７０に施工されたコーティング２０２の厚さ２７４及び幅２７６とは異なる厚さ２８２及び幅２８４を画成する。上述のように、このような耐熱皮膜２０２の不連続な施工を、高温ガス経路部品２００の内部の局所的な冷却の有効性を所望の冷却の要件を満たすように特定的に調節するために使用することができる。
【００５１】
開示の耐熱皮膜２０２を、任意の内面に施工されるように構成できることを、理解すべきである。すなわち、コーティング２０２を、一般的に、高温ガス経路部品２００の平坦な内面２３２に施工されるものとして図５〜１２Ｂを参照して説明したが、コーティング２０２を、高温ガス経路部品２００の内面２３２によって画成される表面特徴を含む非平坦な内面にも施工できることを、当業者であれば容易に理解できるであろう。例えば、所与の高温ガス経路部品の内面が、隆起、リブ、チャネル、波形、隅肉、角、及び／その他の適切な表面特徴を画成していてよい。そのような場合、開示の耐熱皮膜２０２を、高温ガス部品２００の内部の局所的な冷却の有効性を特定的に調節するために、所望に応じてそのような表面特徴を横切り、更には／或いはそのような表面特徴の範囲内に、選択的に施工することができる。
【００５２】
例えば、図１３及び１４が、表面特徴の例を示しており、そのような表面特徴を横切り、更には／或いはそのような表面特徴の範囲内に、開示の耐熱皮膜２０２を施工することができる。図１３に示されるように、基材２３０の内面２３２が、複数のチャネル２９０を画成する。そのような場合に、コーティング２０２を、例えば、内面２３２に沿って供給される冷却媒体への特定の熱応答を基材２３０にもたらすために、チャネル２９０の内部に施工することができる。例えば、チャネル２９０の場所において基材２３０の全体としての厚さが小さくなることに起因して、チャネル２９０を低熱伝導率のコーティングで満たし、チャネル２９０における熱抵抗を大きくすることが望ましいかもしれない。同様に、図１４に示されるように、基材２３０は、隅肉２９２が基材２３０の内面２３２に沿って画成されるように形作られる。そのような実施形態において、耐熱皮膜２０２を、例えば、基材２３０の角領域に沿って特定の熱応答をもたらすために、隅肉２９２に沿って施工することができる。
【００５３】
本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用並びにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な技術的範囲は、特許請求の範囲によって画成され、当業者にとって想到される他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、或いは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５４】
１０  ガスタービンエンジン
１２  中心軸線
１４  コアエンジン
１６  ファンセクション
１８  外側ケーシング
２０  入口
２２  ブースタ圧縮機
２４  高圧圧縮機、高圧多段軸流圧縮機
２６  燃焼器
２８  第１のタービン、高圧タービン
３０  第１の駆動シャフト
３２  第２の（低圧）タービン
３４  駆動シャフト
３６  排気ノズル
３８  ファンロータ
４０  ファンケーシング
４２  出口案内翼
４４  ファンブレード、ファンロータブレード
４６  下流部分
４８  第２の空気流路
５０  空気流、矢印
５２  入口
５４  空気流、矢印
５６  空気流、矢印
５８  矢印
６０  燃焼生成物
６２  燃焼ゾーン
６４  外側ライナ、環状ライナ
６６  内側ライナ、環状ライナ
６８  ケーシング
７０  ドーム
７２  上流端
７４  ミキサアセンブリ
７５  圧縮機吐出空気
７６  吐出口
７７  第１の部分、矢印
７８  燃料−空気混合物、矢印
８０  点火装置
８９  燃焼ガス、矢印
９０  第２の部分、矢印
９１  第３の部分、矢印
９２  燃料インジェクタ
９３  フランジ
９４  中空ステム
９５  燃料ノズルアセンブリ
１０２  第１段タービンノズル
１０４  第１段タービンロータ
１０６  ノズルベーン
１０８  外側バンド
１１０  内側バンド
１１２  ノズルセグメント
１１４  タービンブレード、ロータブレード
１１６  ロータディスク
１１８  シュラウド
２００  タービンブレード、高温ガス経路部品
２０２  耐熱皮膜
２０４  シャンク部
２０６  翼
２０８  プラットフォーム
２１０  根元構造
２１２  翼形基端
２１４  翼形先端
２１６  正圧面
２１８  負圧面
２２０  前縁
２２２  後縁
２２４  翼形部冷却回路
２２６  矢印、冷却媒体
２３０  基材
２３２  内面
２３４  外面
２４２  第１の局所部分
２４４  第２の局所部分
２５０  コーティングされた部位
２５２  コーティングされていない部位
２５４  高さ
２５６  幅
２５８  高さ
２６０  幅
２７０  第１の部位
２７２  コーティング
２７６  幅
２７８  第２の部位
２８０  コーティングストライプ
２８４  幅
２９０  チャネル
２９２  隅肉
【図１】
2016160932.tif 000003
【図２】
2016160932.tif 000004
【図３】
2016160932.tif 000005
【図４】
2016160932.tif 000006
【図５】
2016160932.tif 000007
【図６】
2016160932.tif 000008
【図７】
2016160932.tif 000009
【図８】
2016160932.tif 000010
【図９Ａ】
2016160932.tif 000011
【図９Ｂ】
2016160932.tif 000012
【図１０Ａ】
2016160932.tif 000013
【図１０Ｂ】
2016160932.tif 000014
【図１１Ａ】
2016160932.tif 000015
【図１１Ｂ】
2016160932.tif 000016
【図１２Ａ】
2016160932.tif 000017
【図１２Ｂ】
2016160932.tif 000018
【図１３】
2016160932.tif 000019
【図１４】
2016160932.tif 000020
【外国語明細書】
2016160932000001.pdf