(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温火炎流路領域を画定する内面を含んでなるとともにさらに外面（１１）を含んでなる少なくとも１つのタービン燃焼器部品（１０）、並びに
少なくとも１つのタービン燃焼器部品の耐酸化性、耐窒化性及び耐高温腐食性の少なくとも一つを改良するため当該少なくとも１つのタービン燃焼器部品（１０）の外面（１１）に施工された保護皮膜（２０）
を含んでなるタービン燃焼器システムであって、上記少なくとも１つのタービン燃焼器部品（１０）が少なくとも１箇所の溶接部（１２）及び少なくとも１箇所の付随する熱影響部（１３）を含んでいて、上記保護皮膜（２０）が上記外面（１１）の少なくとも１箇所の溶接部（１２）及び少なくとも１箇所の付随する熱影響部（１３）に施工されているが、外面全体には施工されておらず、保護皮膜（２０）が被覆領域の縁部（２２）で膜厚が次第に減少するように施工されている、タービン燃焼器システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのタービン燃焼器部品（１０）が燃焼器内筒（５５）を含む、請求項１記載のタービン燃焼器システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つのタービン燃焼器部品（１０）が尾筒（５７）を含む、請求項１記載のタービン燃焼器システム。
【請求項４】
前記保護皮膜（２０）が、白金アルミニド、アルミニド及びＭＣｒＡｌＹ（ただし、ＭはＮｉ及びＣｏからなる群から選択される）からなる群から選択される材料でできている、請求項１記載のタービン燃焼器システム。
【請求項５】
前記保護皮膜（２０）が、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＣｒＡｌＹ及びＣｏＮｉＣｒＡｌＹからなる群から選択される材料を含んでなる、請求項１記載のタービン燃焼器システム。
【請求項６】
前記保護皮膜（２０）が、高速ガス炎（ＨＶＯＦ）法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、拡散浸透法、電気めっきからなる群から選択されるコーティング法によって前記少なくとも１つのタービン燃焼器部品（１０）の外面（１１）に施工されたものである、請求項１記載のタービン燃焼器システム。
【請求項７】
前記保護皮膜（２０）が、緻密なアルミナ又はクロミア保護スケールを形成する、請求項１記載のタービン燃焼器システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタービン燃焼器部品用の保護皮膜に関する。より具体的には、本発明はタービン燃焼器部品の外面に対する保護皮膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばガスタービンのようなタービンの効率は、タービンの作動温度としても知られる燃焼温度が上昇するにしたがって増大する。こうした温度の上昇は、タービンに使用した燃料が同量であれば（或いは場合により少量であっても）少なくとも出力の増大という結果をもたらす。したがって、効率を高めるにはタービンの燃焼温度を高めるのが望ましい。
【０００３】
しかし、ガスタービンの燃焼温度が上昇するにしたがって、特に限定されないが燃焼器内筒及びダクトとしても知られる尾筒を始めとする燃焼器部品の金属温度が上昇する。燃焼器内筒(combustion liner)はタービン内に組み込まれ、部分的には尾筒すなわちダクトと共に、火炎が燃料（特に残留燃料）を燃焼する領域を画定する。尾筒(transition piece)は燃焼器内筒と連絡しており、内筒と共にタービンの高温ガス流路をさらに画定する。しかし、燃焼温度の上昇は燃焼器内筒やダクトのようなタービン燃焼器部品の破断及び疲労特性を甚だ低下させる。さらに、このような燃焼温度の上昇はまた燃焼器内筒やダクトのような燃焼器部品の酸化又は耐高温腐食性もひどく劣化させる。
【０００４】
燃焼器内筒やダクトのようなタービン燃焼器部品は耐熱材料から作られることが多い。燃焼器内筒やダクトのようなタービン燃焼器部品は他の耐熱材料で内面が被覆される。燃焼器内筒は特に限定はされないが例えばハステロン合金、ナイモニック合金、インコネル合金、その他同様の合金のような加工超合金から作られる。これらの超合金は高温（例えば約１５００°Ｆを上回る温度）で望ましい耐酸化性を有していない。したがって、内筒温度を下げるとともに燃焼器内筒内部の高温火炎に対する防酸化及び防食性を賦与するために、ホットサイドとしても知られる内面にボンディングコート及び遮熱コーティング（ＴＢＣ）などの耐熱皮膜が施されることが多い。例えば、ボンディングコート及びＴＢＣは航空機エンジン及び陸用ガスタービンに多用される。
【０００５】
燃焼温度の上昇とともに火炎温度が上昇すると、燃焼器内筒のコールドサイドとしても知られる燃焼器内筒及び尾筒の外面が極めて高い温度に達することがよくある。こうした極めて高い温度では、特に使用応力及び熱サイクリングによって助長されるとき、酸化及び窒化が特に燃焼器内筒及び尾筒における溶接部及びその熱影響部（ＨＡＺ）で重大な問題となる。
【０００６】
図１〜図６は、極めて高い温度にさらされた燃焼器内筒での激しい粒界酸化及び窒化を示す顕微鏡写真である。燃焼器内筒はハステロイＸで作られたものである。これらの顕微鏡写真は燃焼器内筒のコールドサイドとしても知られる外面の結晶粒界に沿った亀裂の発生及び伝播の具体例を示している。図１〜図４において、亀裂は燃焼器内筒外面の激しく酸化された結晶粒界で発生している。これに対して図５及び図６では、燃焼器内筒外面の結晶粒界は激しく窒化されている。外面付近で、亀裂は結晶粒界に沿って窒化物の酸化により発生している。それから亀裂は粒界に沿って燃焼器内筒の外面から内側に向かって伝播している。したがって、燃焼器内筒の外面での酸化及び窒化は望ましからざることであって、寿命制限要因となる。高温腐食はタービン燃焼器部品の破壊も引き起こしかねない。
【０００７】
図１は倍率２００倍でのタービン燃焼器部品の上面図であり、図２は倍率５００倍でのタービン燃焼器部品の下面図であって、亀裂が視認できるのはある程度はカリングズ(Kallings)エッチングによる。図３はタービン燃焼器部品の倍率５００倍での上面図で図４は倍率１０００倍での下面図であり、亀裂が視認できるのはこの場合もある程度はカリングズエッチングによる。図３及び図４ともに溶接継手の熱影響部の外の場所でのものである。図５はタービン燃焼器部品の倍率５００倍のもので図４は倍率２５０倍の図である。図５及び図６共に燃焼器内筒の外面近くの結晶粒界にほぼ沿って濃い窒化物層がみられる。タービン燃焼器部品の外面近傍では、窒化物層が酸化されて亀裂を生じた。
【０００８】
タービンでの燃焼温度を下げること或いは燃焼器内筒を設計し直すことによって燃焼器内筒の亀裂に関する問題を解決することが提案されている。両方法とも問題を一時的には解決できるかもしれないが、タービンの燃焼温度を下げるという方法も燃焼器内筒を再設計するという方法もタービン効率を犠牲にすることが判明した。さらに、両方法とも多大な再作業を必要とする。効率の損失及び多大な再作業が望ましくないことはいうまでもない。
【０００９】
【発明の概要】
したがって、上述の問題及び関連技術におけるその他の短所を克服したタービン燃焼器部品の構築が望ましい。
したがって、特に限定されないが例えば燃焼器内筒及びダクトなどのタービン燃焼器部品のノンフレームサイド(non-flame side)としても知られる外面に保護皮膜を提供することが望ましい。
【００１０】
さらに、高温火炎流路領域を画定する内面と外面とを含んでなる少なくとも１つのタービン燃焼器部品を含んでなるタービン燃焼器システムを提供することが望ましい。少なくとも１つのタービン燃焼器部品の外面には、当該少なくとも１つのタービン燃焼器部品の耐酸化性、耐窒化性及び耐高温腐食性の少なくとも一つを改良するため、保護皮膜が施工される。
【００１１】
本発明の上記その他の態様、利点及び顕著な特徴は、以下の本発明についての詳細な説明を添付の図面とともに参照することで明らかとなろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の新規な特徴を本明細書に開示するが、以下の詳細な説明では図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。まず、図面について簡単に説明しておく。
図１は、極めて高い温度にさらされたタービン燃焼器内筒における激しい粒界酸化を示す倍率２００倍での顕微鏡写真である。
【００１３】
図２は、図１と同じ極めて高い温度にさらされたタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界酸化を示す倍率５００倍での顕微鏡写真である。
図３は、極めて高い温度にさらされた別のタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界酸化を示す倍率２００倍での顕微鏡写真である。
図４は、図３と同じ極めて高い温度にさらされたタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界酸化を示す倍率５００倍での顕微鏡写真である。
【００１４】
図５は、極めて高い温度にさらされた別のタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界窒化及び酸化を示す倍率５００倍での顕微鏡写真である。
図６は、極めて高い温度にさらされたさらに別のタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界窒化及び酸化を示す倍率５００倍での顕微鏡写真である。
図７は、燃焼器内筒からカットした部分の外面上の保護皮膜の顕微鏡写真である。
【００１５】
図８は、タービン燃焼器部品の外面上の保護皮膜の側断面概略図である。
図９は、タービン燃焼器部品のある選ばれた部分の外面上に施工された保護皮膜の側断面概略図である。
図１０は、タービン燃焼器システムの側断面概略図である。
タービンシステムの燃焼器内筒やダクトのようなタービン燃焼器部品の内面すなわち高温表面には保護ボンディングコート及び遮熱コーティング（ＴＢＣ）２５（図８及び９）が施工される。部品の金属温度を下げるとともに燃焼器部品内側の高温火炎に対する酸化防止及び防食性を賦与するための保護ボンディングコート及びＴＢＣ２５は当技術分野においてよく知られている。
【００１６】
しかしながら、上述の通り、効率を高めるためタービン内部の火炎温度が上昇すると、燃焼器内筒のようなタービン燃焼器部品の外面の温度が極めて高い温度に達することがよくある。このような極めて高い温度では、酸化と窒化が重大な問題となる。この問題は特に溶接部及びそれに付随する熱影響部（ＨＡＺ）で特に顕著である。さらに、この問題は燃焼器内筒及びダクトの外面において特に重大である。これ以降燃焼器内筒に関して本発明を説明するが、その他にもダクトもしくは尾筒のような高温ガス流路の一部を形成するタービン燃焼器部品も本発明の範囲に包含される。
【００１７】
極めて高い温度にさらされる燃焼器内筒では結晶粒界での激しい酸化及び窒化がよく起こる。図１〜図６は、前述の通り、燃焼器内筒の外面の激しく酸化及び窒化された結晶粒界で亀裂が発生していることを示している。これらの亀裂は粒界に沿って燃焼器内筒の外面から内側に向かって伝播している。したがって、燃焼器内筒の外面での酸化及び窒化は甚だ望ましからざることであって、寿命制限要因となる。そのため、酸化及び窒化を防ぐとともに酸化及び窒化された結晶粒界での亀裂の発生を防ぐことが望まれる。
【００１８】
そこで、本発明では、燃焼器内筒の外面での亀裂を防止するため、タービンシステムにおけるタービン燃焼器部品の外面に保護皮膜を施工することにした。タービン燃焼器部品には、タービンにおける高温火炎流路を画定するあらゆるタービン燃焼器部品が包含され、特に限定されないが例えば燃焼器内筒及びダクトの少なくとも１つがある。保護皮膜はタービン燃焼器部品の外面の所望の場所に施工され、例えば溶接継手及び付随するＨＡＺに施工される。別法では、保護皮膜はタービン燃焼器部品の外面全体に施工される。
【００１９】
タービン燃焼器部品のノンフレームサーフェス(non-flame surface) としても知られる外面に施工した保護皮膜は外面での酸化及び窒化を低減し、往々にして完全に防止する。したがって、外面の保護皮膜は亀裂の発生及び伝播を防止するか少なくとも遅延させる。
タービン部品の外面の保護皮膜は、少なくとも１つの耐酸化性及び耐高温腐食性組成を有する公知の材料から形成される。好ましくは、保護皮膜組成物は、良好な耐酸化性と耐高温腐食性の少なくとも一方、好ましくは両方を提供する。例えば、本発明を何ら限定するものではないが、タービン燃焼器部品の外面の保護皮膜組成物には、白金アルミニド、アルミニド及びＭＣｒＡｌＹコーティング（Ｍには特に限定されないがＮｉ及びＣｏが包含される）が包含される。ＭＣｒＡｌＹには、特に限定されないが、Ｐｒａｘａｉｒ  ＮＩ−２１１：６７Ｎｉ−２２Ｃｒ−１０Ａｌ−１Ｙ（重量％）のようなＮｉＣｒＡｌＹ、Ｐｒａｘａｉｒ  ＣＯ−１４７：６１．５Ｃｏ−２５Ｃｒ−１０．５Ａｌ−３Ｈｆ（重量％）のようなＣｏＣｒＡｌＹ、並びにＰｒａｘａｉｒ  ＣＯ−２１１：３８．５Ｃｏ−３２Ｎｉ−２１Ｃｒ−８Ａｌ−０．５Ｙ（重量％）のようなＣｏＮｉＣｒＡｌＹなどの材料がある。さらに、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹが望ましい耐高温腐食性をもつタービン燃焼器部品に有効な保護皮膜を提供することが分かった。
【００２０】
さらに、皮膜組成物はタービン燃焼器部品に望ましい物理的性質を与えるべきである。そのような望ましい物理的性質としては、特に限定されないが、耐酸化性、窒化からの保護、良好な耐高温腐食性、内筒母材としても知られる基板との共存性、並びに緻密な皮膜を形成することの少なくとも一つがある。さらに、皮膜組成物は緻密なアルミナ又はクロミア保護スケールを形成すべきである。これらの緻密なアルミナ又はクロミアスケールは窒素の浸透を防ぐことができ、内筒器母材の窒化を防止する。
【００２１】
図７は、本発明による、例えば燃焼器内筒のようなタービン燃焼器部品の外面の保護皮膜を示す顕微鏡写真である。図７の顕微鏡写真は外面にＮｉＣｒＡｌＹ皮膜（Ｐｒａｘａｉｒ  ＮＩ−２１１：６７Ｎｉ−２２Ｃｒ−１０Ａｌ−１Ｙ（重量％））を施工したハステロイ燃焼器内筒の断片を示す。保護皮膜は膜厚約１０ミルの耐酸化性皮膜からなる。燃焼器内筒の内面にはＴＢＣが施されている。保護皮膜は適当な方法、例えば特に限定はされないが、高速ガス炎（ＨＶＯＦ）溶射法などによって燃焼器内筒の外面に施工される。燃焼器内筒の外面の被覆領域が２つの矢印の間にみえる。
【００２２】
さらに、本発明の実施形態として保護皮膜は被覆領域の縁で保護皮膜の膜厚が徐々に減少する。図７の顕微鏡写真は縁部での膜厚の漸減を示しており、図９には側面図における膜厚の漸減を誇張して示してある（図９では説明上膜厚の漸減を誇張した）。保護皮膜の膜厚の漸減は被覆領域の少なくとも縁部に設けられる。タービン燃焼器部品の外面の皮膜縁部における膜厚の漸減は低サイクル疲労（ＬＣＦ）耐性の向上をもたらす。タービン燃焼器部品の皮膜の縁部での膜厚の漸減は皮膜の剥離も防ぐ。
【００２３】
タービン燃焼器部品の外面の保護皮膜は約１ミル未満から数十ミルの範囲の膜厚で形成される。好ましくはタービン燃焼器部品の外面の保護皮膜は約２ミル〜約１０ミルの範囲の膜厚で形成される。
本発明によるタービン燃焼器部品外面の保護皮膜は公知の適当なコーティング法によって施工される。本発明によるコーティング法としては、特に限定されないが、高速ガス炎（ＨＶＯＦ）法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、拡散浸透法、電気めっきその他公知の被覆法がある。本発明の実施形態として、耐酸化性が増大するよう保護皮膜は比較的非常に緻密である。したがって、ＨＶＯＦのような非常に緻密な耐酸化皮膜を与えるコーティング法が望ましい。
【００２４】
特に限定されないが燃焼器内筒やダクトの少なくとも一つのようなタービン燃焼器部品の外面の保護皮膜は図８に示すように外面全体に施工される。特に限定されないが燃焼器内筒やダクトの少なくとも一つのようなタービン燃焼器部品の外面の正確な形状及び構成はタービンの形状及び構成に基づいて決まる。しかし、タービン燃焼器部品の正確な形状及び構成は本発明を構成するものではない。
【００２５】
図８では、特に限定されないが燃焼器内筒やダクトの少なくとも一つのようなタービン燃焼器部品１０は外面１１に施工された保護皮膜２０を含んでなる。保護皮膜２０は、図８に示した通り、外面全体を覆う。このようにしてＨＡＺ１３及び溶接部１２は皮膜によって保護される。図８にはタービン燃焼器部品１０の内部皮膜２５も図示してある。
【００２６】
また、別法では、特に限定されないが燃焼器内筒やダクトの少なくとも一つのようなタービン燃焼器部品の外面の保護皮膜は、図９に示すように外面のある選ばれた領域に施工される。一例として、特に限定されないが燃焼器内筒やダクトの少なくとも一つのようなタービン燃焼器部品１０の外面１１の保護皮膜２０は溶接部１２と付随ＨＡＺ１３の近傍の領域に施工される。別の例として、特に限定されないが燃焼器内筒やダクトの少なくとも一つのようなタービン燃焼器部品１０の外面１１の保護皮膜２０は部品の他の部分よりも高い温度に暴露される公知の高温部分に施工してもよい。図９にはタービン燃焼器部品１０の内部皮膜２５も図示してある。
【００２７】
図９には、特に限定されないが燃焼器内筒やダクトの少なくとも一つのようなタービン燃焼器部品１０の皮膜２０が図示してあるが、この皮膜２０には被覆領域の縁部２２で膜厚が次第に減少するようにしてある。特に限定されないが燃焼器内筒やダクトの少なくとも一つのようなタービン燃焼器部品１０の皮膜２０の縁部２２における膜厚の漸減は低サイクル疲労耐性の向上をもたらすとともに皮膜２０の剥離を防止できる。
【００２８】
図１０は、タービン燃焼器システム５０の側面からの概略断面図である。理解し易いように、本発明の特徴を形成しないタービン燃焼器システム５０自体の主要部分を破線で示す。図１０において、燃焼器内筒５５及び尾筒としても知られるダクト５７にはそれぞれの外面５６及び５８に皮膜５１が施されている。ただし、本発明の範囲は、燃焼器内筒５５及びダクト５７の少なくとも一方又は両者共に外部皮膜５１が施されているというものである。図１０に例示したタービン燃焼器システムは本発明を何ら限定するものではない。
【００２９】
本明細書中に記載した実施形態が好ましいが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく様々な要素の組合せ、変更及び改良を当業者が加え得ることは本明細書の記載から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  高温に暴露されたタービン燃焼器内筒における激しい粒界酸化を示す倍率２００倍での顕微鏡写真。
【図２】  高温に暴露されたタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界酸化を示す倍率５００倍での顕微鏡写真。
【図３】  高温に暴露されたタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界酸化を示す倍率２００倍での顕微鏡写真。
【図４】  高温に暴露されたタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界酸化を示す倍率５００倍での顕微鏡写真。
【図５】  高温に暴露されたタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界窒化及び酸化を示す倍率５００倍での顕微鏡写真。
【図６】  高温に暴露されたタービン燃焼器内筒の外面での激しい粒界窒化及び酸化を示す倍率５００倍での顕微鏡写真。
【図７】  燃焼器内筒からカットした部分の外面の保護皮膜の顕微鏡写真。
【図８】  タービン燃焼器部品外面の保護皮膜の側断面概略図。
【図９】  タービン燃焼器部品のある所定の部分の外面の保護皮膜の側断面概略図。
【図１０】  タービン燃焼器システムの側断面概略図。
【符号の説明】
１０    タービン燃焼器部品
１１    部品外面
１２    溶接部
１３    ＨＡＺ
２０    保護皮膜
２５    外部皮膜
５０    タービン燃焼器システム
５１    外部皮膜
５５    内筒
５７    ダクト
５５    内筒外面膜
【図１】
0004160168.tif 000002
【図２】
0004160168.tif 000003
【図３】
0004160168.tif 000004
【図４】
0004160168.tif 000005
【図５】
0004160168.tif 000006
【図６】
0004160168.tif 000007
【図７】
0004160168.tif 000008
【図８】
0004160168.tif 000009
【図９】
0004160168.tif 000010
【図１０】
0004160168.tif 000011