(57)【要約】      （修正有）【課題】腐食のリスクを低減された自浄性表面用の超疎水性表面を強化した蒸気タービンエンジン部品を提供する。【解決手段】エネルギー源１２０からパルスエネルギービーム１４０をタービン部品１１０の金属表面１５０上に照射して、表面１５０上に超疎水性表面パターン１６０を作成する。超疎水性表面パターン１６０は、ナノ構造パターン、ミクロ構造パターン及び／又は組み合わされた階層化パターンの形態であってもよく、ナノ構造パターンは約２００ｎｍ〜約２μｍの範囲の構造を有し、ミクロ構造パターンは約１０μｍ〜５０μｍの範囲内の構造を有する。また、超疎水性表面パターン１６０は、約５０度より大きい接触角及び低ロールオフ角を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンエンジン（１０）で使用する部品（１１０）であって、
金属表面（１５０）と、
金属表面（１５０）に形成された超疎水性表面パターン（１６０）と
を備える部品（１１０）。
【請求項２】
動翼を含む、請求項１に記載の部品（１１０）。
【請求項３】
静翼を含む、請求項１に記載の部品（１１０）。
【請求項４】
超疎水性表面パターン（１６０）がナノ構造パターン（１７０）を含む、請求項１に記載の部品（１１０）。
【請求項５】
ナノ構造パターン（１７０）が、約２００ｎｍ〜２μｍの構造を含む、請求項４に記載の部品（１１０）。
【請求項６】
超疎水性表面パターン（１６０）がミクロ構造パターン（１８０）を含む、請求項１に記載の部品（１１０）。
【請求項７】
ミクロ構造パターン（１８０）が、約１０μｍ・５０μｍの構造を含む、請求項６に記載の部品（１１０）。
【請求項８】
超疎水性表面パターン（１６０）が、階層化パターン（１９０）を含む、請求項１に記載の部品（１１０）。
【請求項９】
超疎水性表面パターン（１６０）が、エネルギー源によって金属表面（１５０）に形成される、請求項１に記載の部品（１１０）。
【請求項１０】
超疎水性表面パターン（１６０）が、レーザ（１３０）によって金属表面（１５０）に形成される、請求項１に記載の部品（１１０）。
【請求項１１】
超疎水性表面パターン（１６０）が、超短パルスレーザ（１３０）によって金属表面（１５０）に形成される、請求項１に記載の部品（１１０）。
【請求項１２】
タービン部品（１１０）の金属表面（１５０）上に超疎水性表面パターン（１６０）を作成する方法であって、
レーザ（１３０）の近くにタービン部品（１１０）を配置するステップと、
レーザ（１３０）からタービン部品（１１０）の金属表面（１５０）にパルスエネルギービームを発射するステップと、
タービン部品（１１０）の金属表面（１５０）上に超疎水性表面パターン（１６０）を形成するステップと
を含む方法。
【請求項１３】
タービン部品（１１０）の金属表面（１５０）上に超疎水性表面パターン（１６０）を形成するステップが、タービン部品（１１０）の金属表面（１５０）上にナノ構造パターン（１７０）を形成することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
タービン部品（１１０）の金属表面（１５０）上に超疎水性表面パターン（１６０）を形成するステップが、タービン部品（１１０）の金属表面（１５０）上にミクロ構造パターン（１８０）を形成することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
タービン部品（１１０）の金属表面（１５０）上に超疎水性表面パターン（１６０）を形成するステップが、タービン部品（１１０）の金属表面（１５０）上に階層化パターン（１９０）を形成することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
超疎水性表面強化システム（１００）であって、
短パルスレーザ（１３０）と、
タービン部品（１１０）と
を備えており、レーザが、タービン部品（１１０）の金属表面（１５０）上に超疎水性表面パターン（１６０）を作成する、超疎水性表面強化システム（１００）。
【請求項１７】
部品（１１０）が動翼又は静翼を含む、請求項１６に記載の超疎水性表面強化システム（１００）。
【請求項１８】
超疎水性表面パターン（１６０）がナノ構造パターン（１７０）を含む、請求項１６に記載の超疎水性表面強化システム（１００）。
【請求項１９】
超疎水性表面パターン（１６０）がミクロ構造パターン（１８０）を含む、請求項１６に記載の超疎水性表面強化システム（１００）。
【請求項２０】
超疎水性表面パターン（１６０）が、階層化パターン（１９０）を含む、請求項１６に記載の超疎水性表面強化システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願及びその結果の特許は、一般に、蒸気タービンエンジンに関し、より詳しくは、腐食のリスクが低減された実質的な自浄性表面用のタービン部品の超疎水性表面を強化するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン動翼及びタービン静翼のような発電システムの部品は、過酷な、侵食しやすい使用環境に曝されることが多い。これらの使用環境は、例えば、水滴及び／又は微小な塵によって部品の侵食が生じる可能性がある。復水は、環境要因性の侵食をもたらすことが知られている成分を含んでいる場合がある。これらの問題は、タービンを停止及び開始するなかで、一定のウェット／ドライ周期によって悪化する可能性がある。こうして、タービンブレードの侵食が問題となり、ブレード痩せ、疲労破壊等が生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／００８６３７６号明細書
【発明の概要】
【０００４】
よって本願及びその結果の特許は、蒸気タービンエンジンで使用する部品を提供する。部品は、金属表面及び実質的な自浄性表面のための金属表面に形成された超疎水性表面パターンを含むことができる。
【０００５】
本願及びその結果の特許はさらに、タービン部品の金属表面上に超疎水性表面パターンを作成する方法を提供する。方法は、レーザの近くにタービン部品を配置し、レーザからタービン部品の金属表面にパルスエネルギービームを発射し、タービン部品の金属表面上に超疎水性表面パターンを形成するステップを含むことができる。
【０００６】
本願及びその結果の特許はさらに、超疎水性表面強化システムを提供する。超疎水性表面強化システムは、短パルスレーザ及びタービン部品を含むことができる。短パルスレーザは、実質的な自浄性表面のためのタービン部品の金属表面上に超疎水性表面パターンを作る。
【０００７】
本願及びそれに基づく特許の上記その他の特徴及び利点は、幾つかの図面及び添付の特許請求の範囲とあわせて以下の詳細な説明を検討することにより、当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】負荷を駆動するための蒸気タービンエンジンの概略図である。
【図２】本明細書で説明することができる超疎水性表面強化システムの概略図である。
【図３Ａ】超疎水性表面処理パターンの１例を示す概略図である。
【図３Ｂ】超疎水性表面処理パターンの１例を示す概略図である。
【図３Ｃ】超疎水性表面処理パターンの１例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
ここで図面を参照して、幾つかの図面を通して同様の番号は同様の要素を示し、図１は、本発明で利用することができる蒸気タービンエンジン１０の１例を示す概略図である。蒸気タービンエンジン１０は、蒸気発生器２０を含むことができる。蒸気発生器２０は、高圧部３０に蒸気を供給することができる。蒸気は高圧部３０で膨張し、高圧部３０から排出し、低圧部４０に通過することができる。低圧部４０で、蒸気は再び膨張し、復水器５０に排出することができる。高圧部３０及び低圧部４０は、１以上のシャフト６０を駆動することができる。シャフト６０は、発電機等の負荷７０を駆動できる。
【００１０】
蒸気タービンエンジン１０は、石炭、核反応、天然ガス、液体燃料、様々なタイプの合成ガス及び／又は他のタイプの燃料並びにそれらの組合せによって燃焼されるボイラを使用することができる。蒸気タービンエンジン１０は、蒸気を供給するためにガスタービンエンジンからの廃熱を排熱回収ボイラで回収することができるコンバインドサイクル用途において、動作することができる。蒸気タービンエンジン１０は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国ニューヨーク州スケネクタディ）が提供する多数の様々なガスタービンエンジンのいずれか１つであってもよい。蒸気タービンエンジン１０は、異なる構成を有していてもよく、他のタイプの部品を使用していてもよい。他のタイプの蒸気タービンエンジンも、本発明で使用することができる。複数の蒸気タービンエンジン、他のタイプのタービンその他のタイプの発電装置も、本発明で使用することができる。
【００１１】
図２は、本明細書で説明することができる超疎水性表面強化システム１００の１例を示す。超疎水性表面強化システム１００は、タービン部品１１０で使用することができる。タービン部品１１０は、タービン動翼、タービン静翼、又は過酷な動作条件に曝される任意のタイプの金属部品であってもよい。金属部品は、超合金等で形成することができる。異なるタイプの材料を本発明で使用し得る。他の部品その他の構成を本発明で使用し得る。
【００１２】
超疎水性表面強化システム１００は、エネルギー源１２０を含むことができる。この例では、エネルギー源１２０は、レーザ１３０等であってもよい。より具体的には、レーザ１３０は、フェムト秒レーザや超短パルスレーザ等であってもよい。他のタイプのレーザ１３０及び他のタイプのエネルギー源１２０も本発明で使用し得る。エネルギー源１２０は、パルスエネルギービーム１４０をタービン部品１１０の金属表面１５０上に照射することができる。エネルギービーム１４０は、タービン部品１１０の表面１５０上に超疎水性表面パターン１６０を作成して、金属面１５０の濡れ性その他の特性を変更することができる。タービン部品１１０の金属表面１５０上の超疎水性表面パターン１６０は、タービン部品１１０のすべて、又は一部にわたって延びることができる。異なるタイプの超疎水性表面パターン１６０は、任意の適切なサイズ、形状、又は構成で製造することができる。
【００１３】
１例として、超疎水性表面パターン１６０は、図３Ａに示すようにナノ構造パターン１７０、図３Ｂに示すようにミクロ構造パターン１８０、及び／又は図３Ｃに示すように組み合わされた階層化パターン１９０の形態であってもよい。ナノ構造パターン１７０は、約２００ｎｍ・約２μｍの範囲の構造を有することができる。他のサイズを使用することもできる。ミクロ構造パターン１８０は、約１０μｍ〜５０μｍの範囲内の構造を有していてもよい。他のサイズを使用することもできる。超疎水性表面パターン１６０は、約５０度（５０°）より大きい接触角及び低ロールオフ角を有していてもよい。他のタイプの適切な寸法、形状及び構成の構造を本発明で使用することもできる。異なる超疎水性表面パターン１６０の組合せを、タービン部品１１０において本発明で使用することができる。
【００１４】
超疎水性表面パターン１６０は、液体の能力を変更してタービン部品１１０の金属表面１５０に付着する又はタービン部品１１０の金属表面１５０を濡らすことができる。このようなことから、表面１５０は、液体流中では粒子を保持しにくくなる可能性がある。したがって、超疎水性表面パターン１６０は、水や塵をはじくために自浄性であると考えることができる。タービン部品１１０の金属表面１５０の濡れ性を低減又は排除することは、同様に液体流に保持された化学物質への露出のリスクを低減することができる。この低減又は排除は、また、腐食、錆及び応力腐食割れのリスクを低減することができる。より微細な水滴の迅速な除去は、さらに液滴エネルギーを減少させ、したがって、下流の衝撃侵食リスクを低減することができる。超疎水性表面パターン１６０を用いることは、さらに、金属表面１５０の全体的な清浄度の改善につながり、したがって、表面汚染物質及び／又はデブリの蓄積の低減によって性能を改善することができる。超疎水性表面パターン１６０は、このようにタービンの寿命を改善し、衝撃侵食速度を減少させ、環境要因性腐食のリスクを低減し、錆のリスクを低減し、より清浄な表面を提供し、全体的に改善された性能を提供することができる。
【００１５】
前述の記載は、本願の幾つかの実施形態及びその結果の特許にのみ関するものであることは明らかである。添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される本発明の一般的な趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者は多くの変更及び修正を行うことができる。
【符号の説明】
【００１６】
１０  蒸気タービンエンジン
２０  蒸気発生器
３０  高圧部
４０  低圧部
５０  復水器
６０  シャフト
７０  負荷
１００  超疎水性表面強化システム
１１０  タービン部品
１２０  エネルギー源
１３０  レーザ
１４０  パルスエネルギービーム
１５０  表面
１６０  超疎水性表面パターン
１７０  ナノ構造パターン
１８０  ミクロ構造パターン
１９０  階層化パターン
【図１】
2017096261.tif 000003
【図２】
2017096261.tif 000004
【図３Ａ】
2017096261.tif 000005
【図３Ｂ】
2017096261.tif 000006
【図３Ｃ】
2017096261.tif 000007
【外国語明細書】
2017096261000001.pdf