オーバーレイ金属コーティングの堆積によるタービン構成部品内の空気流量の調整
【課題】 複数の空気流孔（１２２）を有するタービン構成部品（２２、２６）内の空気流量を調整する方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、前記タービン構成部品（２２、２６）を通る空気流量を調整するために、空気流孔（１２２）の少なくともいくつかを部分的に塞ぎ、それによってその部分的に塞がれた孔（１２２）の容量を変更できるように、タービン構成部品（２２、２６）の表面（７４、８２）上にオーバーレイ金属コーティング（１３０）を堆積させる段階を含む。また、タービン構成部品（２２、２６）を通る空気流量を調整するために、空気流孔（１２２）の少なくともいくつかをオーバーレイ金属コーティング（１３０）で部分的に塞いでその容量を変更した、複数の空気流孔（１２２）を有するタービン構成部品（２２、２６）が提供される。
【解決手段】 本方法は、前記タービン構成部品（２２、２６）を通る空気流量を調整するために、空気流孔（１２２）の少なくともいくつかを部分的に塞ぎ、それによってその部分的に塞がれた孔（１２２）の容量を変更できるように、タービン構成部品（２２、２６）の表面（７４、８２）上にオーバーレイ金属コーティング（１３０）を堆積させる段階を含む。また、タービン構成部品（２２、２６）を通る空気流量を調整するために、空気流孔（１２２）の少なくともいくつかをオーバーレイ金属コーティング（１３０）で部分的に塞いでその容量を変更した、複数の空気流孔（１２２）を有するタービン構成部品（２２、２６）が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーバーレイ金属コーティングを堆積させることによって、空気流孔を有するタービン構成部品、例えば、ガスタービン構成部品内の空気流量を調整することに関する。本発明は、さらに、かかるオーバーレイ金属コーティングを堆積させることによって空気流量を調整したタービン構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼器ライナなどの多くのガスタービン構成部品には複数の空気流孔が形成されている。これらの孔は、構成部品を冷却するとともに、構成部品と機関の主流路を流れる高温ガスとの間で流体バリアが形成されるように、構成部品内で膜流空気（ｆｉｌｍ ａｉｒ）を移送するためのものである。燃焼器ライナの冷却は、高温表面上に空気を流すことに加えて、内筒中に形成された典型的には直径約０．０２〜約０．０３インチ（約５０８〜約７６２ミクロン）の極く小さな空気流孔のアレイを介して空気流を送ることにより内筒内側の燃焼側に沿って形成される冷却空気の薄層によってももたらされる。この膜冷却はまた、通常内筒の前方縁部に沿って一列に配置された「ナゲット」孔、および通常内筒の表面全体にわたって複数の列に配置された、はるかに多くの空気流をより均質にするための「滲出」孔を介しても促進される。これらの「滲出」孔は、通常、内筒の「低温」すなわち給気側から「高温」すなわち燃焼側に、下流方向へある角度をなすかまたは傾斜しており、通常、周方向に配置されている。例えば、特許文献１を参照されたい。一般に「多孔膜冷却」と呼ばれるこの構成では、空気流孔を通る流量によって内筒表面に接する高温燃焼ガスが希釈され、この空気流孔を通る流量によって内筒壁の対流冷却がもたらされるので、内筒を冷却するのに必要な空気流量が全体的に減少している。これらのより小径の「ナゲット」空気流孔および「滲出」空気流孔に加えて、希釈空気を燃焼領域に導入するためのより大径の孔（通常「希釈孔」と呼ばれる）もまた間隔を置いて設けられている。例えば、本発明の譲受人に譲渡された特許文献２の図２および特許文献３の図３を参照されたい。
【０００３】
１つまたは複数の燃焼器ライナに高温ガスが放射され伝導されるために生じる熱疲労から内筒を保護する助けとなるように、これらの燃焼器ライナの燃焼側を遮熱コーティングで覆うことがある。本発明の譲受人に譲渡された特許文献３を参照されたい。この特許は、燃焼器ライナを熱絶縁するための物理的気相成長法を開示している。これらの燃焼器ライナは、ある期間稼動した後、通常は、交換、修理、汚染物質（例えば酸化堆積物および残留燃焼生成物）の洗浄および／または除去、亀裂、および内筒が受けてきた、熱により生じたその他の応力のため機関から取り外される。これらの亀裂の少なくともいくつかは、より小径の「ナゲット」孔および「滲出」孔を含む様々な孔にわたって延びる。
【０００４】
部品もしくは構成部品、または部品の一部分もしくは構成部品の一部分を修理するには、通常、その表面を適切に洗浄する必要がある。洗浄中、遮熱コーティングおよび汚染物質は、通常、化学的および／または機械的プロセス、例えば通常の酸ストリップ法によって燃焼器ライナから除去される。燃焼器ライナの修理、特に一般に運転および使用中に内筒に生じる亀裂の修理によって、極く小さな「ナゲット」孔および「滲出」孔の少なくともいくつかが塞がる、埋まる、詰まる、またはその他の形で遮られることになり、そのため、それらの孔を再び開口するために化学的および／または機械的プロセスが必要となることがある。これらの空気流孔の再開口、ならびにコーティングおよび汚染物質を除去する化学的ストリップ法によって、これらの孔が位置する燃焼器ライナの金属基材までもがいくらか除去されることがあり、その結果これらの孔が拡大することになる。こうした拡大した空気流孔は、これらの内筒の空気流量を大幅に増大するおそれがあり、望ましくない。実際に、このような洗浄および修理のサイクルを数回経ると、燃焼器ライナがもはや使用不可能になるほど空気流量が増大することがある。
【０００５】
空気流量の制御に関する問題は、供給元による燃焼器ライナの製造段階で生じることもある。これらの極く小径の「ナゲット」孔および「滲出」孔を、特に傾斜角度で通常数千個も形成するには、通常、特殊な機械加工プロセス、例えばレーザ法や放電機械加工法（ＥＤＭ）などを用いて内筒に穿孔する。穿孔のパターンおよび寸法によってある程度の制御は可能であるものの、それでもなお、空気流量が所望の範囲内となるように、一貫したパターンおよび寸法の孔を有する燃焼器ライナを形成することは極めて難しい。さらに、レーザ穿孔またはＥＤＭ穿孔によって孔を生成する際に、孔の表面に沿ってリキャスト層が形成される。続いて燃焼器ライナをストリッピングおよび洗浄する際に、このリキャスト層も除去されることがあり、その結果、孔が拡大し、空気流量が増大することになる。
【０００６】
かかる空気流孔を有するタービン構成部品内の空気流量を調整する方法が、特許文献４に開示されている。この方法は、空気流孔を通る空気流を少なくとも部分的に遮るように、物理的気相成長（ＰＶＤ）法（例えば電子ビームＰＶＤ）によって構成部品の外側表面および／または内側表面上に遮熱コーティングを堆積させるものである。この方法は、空気流孔を通る空気流量を調整可能にするものの、物理的気相成長装置がある寸法を有するので、一部のタービン構成部品に使用するには融通がきかないことがある。さらに、遮熱コーティングは一般にセラミック材料を含み、このセラミック材料は、オーバーレイ金属接着コーティング層がなければ、長期間にわたって金属表面に適切に固着しているとは限らない。上記特許文献３を参照すると、遮熱コーティング１２０を堆積させる前に、燃焼器ライナ１４の内側燃焼表面４０上にＮｉＣｒＡｌＹを接着コーティング層１１０として約０．１〜０．２５ｍｍ（約４〜約１０ミル）溶射することが開示されている。
【０００７】
したがって、各孔の空気容量がそれぞれ変更された、特に、後の修理、交換、洗浄、および／または除去工程の間に拡大した、より小径の空気流孔を多量に有する燃焼器ライナなどのタービン構成部品（例えばガスタービン構成部品）内の空気流量を経済的かつ一様に調整できれば望ましい。また、最終的な製造後、既に付着させた遮熱コーティングを除去せずに、または実質的に除去せずにタービン構成部品内を流れる空気流量を調整できれば望ましい。さらに、供給元による製造段階で（すなわちＯＥＭ構成部品）空気流量が許容範囲内となるように調整する必要がある、空気流孔を有する燃焼器ライナなどのタービン構成部品内の空気流量を調整できれば望ましい。さらに、空気流孔を有する種々多様なタービン構成部品、特に数千個もの空気流孔を有する構成部品、例えば燃焼器ライナ内の空気流量を調整できるように融通性を持たせることができれば望ましい。
【特許文献１】特開２００３−１１４０２３号公報
【特許文献２】特開２００２−１３９２２０号公報
【特許文献３】米国特許第６６２０４５７号
【特許文献４】特開２００２−０９７９６８号公報
【特許文献５】特開平０４−３３０３０２号公報
【特許文献６】特開平０５−１４１２７０号公報
【特許文献７】特開２００２−００４８０５号公報
【特許文献８】特開２００２−０８９２０６号公報
【特許文献９】特開平０６−０９３４０４号公報
【特許文献１０】米国特許第５０４７６１２号
【特許文献１１】特開昭６１−２５９７７７号公報
【非特許文献１】Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３ｒｄ Ｅｄ．，Ｖｏｌ．１５，ｐａｇｅ ２５５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、オーバーレイ金属コーティングを堆積させることによって、空気流孔を有するタービン構成部品、例えば、ガスタービン構成部品内の空気流量を調整する方法を提供すること、およびかかるオーバーレイ金属コーティングを堆積させることによって空気流量を調整したタービン構成部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態は、複数の空気流孔を有するタービン構成部品（例えばガスタービン構成部品）内の空気流量を調整する方法に関する。この方法は、タービン構成部品内を流れる空気流量を調整するために、空気流孔の少なくともいくつかを部分的に塞ぎ、それによってその部分的に塞いだ空気流孔の容量を変更できるように、タービン構成部品の表面上にオーバーレイ金属コーティングを堆積させる段階を含む。
【００１０】
本発明のもう１つの実施形態は、タービン構成部品内を流れる空気流量を調整するために、空気流孔の少なくともいくつかをオーバーレイ金属コーティングで部分的に塞いでその容量を変更した、複数の空気流孔を有するタービン構成部品に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の方法およびタービン構成部品は、いくつかの利益および利点を提供する。それらには以下のものが含まれるが、それだけに限定されるものではない。（１）複数の空気流孔を有する、燃焼器ライナなどのタービン構成部品内の空気流量を所望の空気流量仕様または範囲内となるように修正または是正することができる。（２）かかる空気流孔を有する特定の領域または面積において、必要または要求に応じて空気流量を局所的に是正または変更することができる。（３）既に使用した、または運転中の、複数の空気流孔を有する燃焼器ライナおよび他のタービン構成部品を、コスト効果の高い形で効率よく修復および修理することができる。（４）タービン構成部品のかかる修復または修理を、元のまたは再生した遮熱コーティングを除去せずに、またはその他の方法で構成部品の物理的特性もしくは化学的特性、または物理的寸法の望ましくない変更を行わずに実施することができる。（５）所望の動作仕様または動作限界よりも大きい空気流量で製造されたタービン構成部品を修復または再利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本明細書では、「複数の空気流孔を有するタービン構成部品」という用語は、少なくとも２つ、通常は多数の、空気がその中を循環する、一般に構成部品を冷却するための空気流孔を有する任意のタービン機関部品（例えば、ガスタービン機関部品）を指す。かかるタービン構成部品の代表的な例として、例えば、本発明の譲受人に譲渡された特開平０４−３３０３０２号公報、特開平０５−１４１２７０号公報、特開２００２−００４８０５号公報、および特開２００２−０８９２０６号公報（これらはすべて参照により組み込む）に開示されているようなタービンシュラウド、例えば、本発明の譲受人に譲渡された特開２００３−１１４０２３号公報、特開２００２−１３９２２０号公報、および米国特許第６６２０４５７号（Ｆａｒｍｅｒ他）（これらはすべて参照により組み込む）に開示されているような燃焼器ライナ、ならびに熱シールド、静翼、インピンジメントリング、ノズルなどが含まれるが、これらに限られるものではない。本発明は、特に、複数の、より典型的には多数のかかる空気流孔を有する燃焼器ライナおよび他のタービン構成部品を対象とし、より具体的には、複数の、より典型的には多数の、一般に「多孔膜冷却」と呼ばれる冷却方式を実現する滲出冷却空気流孔を有する燃焼器ライナを対象とする。「多孔膜冷却」については、上記特開２００３−１１４０２３号公報、特開２００２−１３９２２０号公報、および上記米国特許第６６２０４５７号（これらはすべて参照により組み込む）を参照されたい。
【００１３】
本明細書では、「１つまたは複数の空気流孔」という用語は、タービン構成部品内の空気流量を調整、変更、またはその他の形で制御するための、空気が通過またはその他の形で循環する孔を指し、通常、この孔によって直接または間接的にタービン構成部品の冷却が実現または促進される。すなわち、この孔はナゲット孔または滲出孔などの冷却孔である。
【００１４】
本明細書では、「オーバーレイ金属コーティング」という用語は、溶射堆積技術によって溶射、付着、またはその他の方法で堆積させることができる任意の金属コーティングを指し、しばしば、遮熱コーティング材料を堆積させる前に金属基材上に追加の金属コーティングを堆積させるために使用される。これらのオーバーレイ金属コーティングは、ＭＣｒＡｌＹコーティングを含み、Ｍは、鉄、ニッケル、白金、コバルト、またはその合金などの金属である。一般に、本発明で使用するオーバーレイ金属コーティングは、ＮｉＣｒＡｌＹコーティングである。
【００１５】
本明細書では、「溶射堆積法」という用語は、オーバーレイ金属コーティングを溶射、付着、またはその他の方法で堆積させる任意の方法を指し、この方法は、オーバーレイコーティング材料を加熱し、一般に少なくとも部分的または完全に熱溶融し、その加熱／溶融した材料を、通常、加熱したガス流内で同伴させることよって、被覆すべき金属基材上に堆積させるものである。適当な溶射堆積技術には、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）や真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）などのプラズマ溶射、高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射、爆発溶射、溶線式溶射など、ならびにこれらの技術の組合せが含まれる。本明細書で使用するのに特に適した溶射堆積技術は、プラズマ溶射である。複数の適当なプラズマ溶射技術が当業者には周知である。例えば、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３ｒｄ Ｅｄ．，Ｖｏｌ．１５，ｐａｇｅ ２５５およびそこに記された引用、ならびに特開平０６−０９３４０４号公報、米国特許第５０４７６１２号、および特開昭６１−２５９７７７号公報（本明細書に引用により組み込む）を参照されたい。これらは、本明細書で使用するのに適したプラズマ溶射の様々な態様について教示している。一般に、通常のプラズマ溶射技術では、熱プルームを発生させる高温プラズマを形成する。オーバーレイ金属コーティング材料を例えば粉末状でプルーム中に供給し、このプルームを被覆すべきベース金属基材の方に向ける。堆積前のベース金属基材表面の洗浄、（ガンから基板までの）溶射距離、溶射パス回数の選択、粉末供給速度、粒子速度、トーチ出力、プラズマガスの選択、酸化物の化学量論比を調整するための酸化制御、堆積角度、付着させたコーティングの後処理などのプラズマ溶射条件などの関連する様々な段階およびプロセス条件を含めて、かかるプラズマ溶射被覆技術の様々な詳細もまた、当業者には周知である。適当なプラズマ溶射システムが、例えば、上記米国特許第５０４７６１２号に記載されており、この特許を引用により組み込む。
【００１６】
本明細書では、「含む」という用語は、本発明において多種多様な組成物、構成要素、材料、層、段階などを併せて使用できることを意味する。したがって、「含む」という用語は、より限定的な用語「基本的に〜からなる」および「〜からなる」を包含するものである。
【００１７】
本明細書では、量、部、比および百分率はすべて、別段の指定がない限り重量による。
【００１８】
本発明の方法およびタービン構成部品の様々な実施形態を、図面を参照して下記で論じることによりさらに説明する。図面を参照すると、図１は、１０で全体を示す、本発明の方法が有用な、複数、より典型的には多数の空気流孔を有する少なくとも１つの構成部品を含むガスタービン機関燃焼器を示す。図１に示すように、燃焼器１０は、１４で示すカウルアセンブリ、２２で示す外側燃焼器ライナ、および２６で全体を示す内側燃焼器ライナを含む。外側内筒２２および内側内筒２６は、外側燃焼器外筒３０と内側燃焼器外筒３４の間に配設されている。外側内筒２２および内側内筒２６は、中心線軸（図示せず）の周りでほぼ環形をなすとともに、その間で燃焼室３８を画定するように径方向に互いに間隔を置いて配置されている。外側内筒２２および外側外筒３０によってその間に矢印４２で示す外側流路が形成され、内側内筒アセンブリ２６および内側外筒３４によってその間に矢印４６で示す内側流路が形成されている。
【００１９】
カウルアセンブリ１４は、外側内筒２２および内側内筒２６の上流端部に取り付けられている。圧縮空気を燃焼器１０内に導入するための環状開口５０が、カウルアセンブリ１４に形成されている。圧縮空気は、圧縮機（図示せず）から供給され、図１の矢印５４で全体的に示す方向に流れる。圧縮空気は、燃焼を助けるために主に開口５０を通って流れるとともに部分的には外側流路４２および内側流路４６にも流れ込み、そこで、少なくとも部分的に外側内筒２２および内側内筒２６に冷却空気流を供給する。環状ドーム板５８が、内筒２２および２６それぞれの上流端部付近でそれらの間に配設され、内筒２２および２６を相互接続している。複数のスワラアセンブリ６２が周方向に間隔を置いてドーム板５８に取り付けられている。各スワラアセンブリ６２は、開口５０から圧縮空気を受け取るとともに、対応する燃料管６６から燃料を受け取る。燃料および空気は、スワラアセンブリ６２によって撹拌（ｓｗｉｒｌ）混合され、得られた燃料／空気混合物が燃焼室３８内に排出される。図１は単式環状燃焼器を示すが、本発明の方法は、２段式および３段式環状燃焼器を含めて、多孔膜冷却方式の内筒を使用するどんなタイプの燃焼器にも適用可能であることに留意されたい。かかる２段式環状燃焼器の代表的な例の１つとして、２段のスワラアセンブリ６２および対応する各燃料管６６、ならびに１つの中間シールド６８を有する例を図２に示す。
【００２０】
外側内筒２２および内側内筒２６はそれぞれ、ほぼ環状で軸方向に延びた形状の、単一壁の金属シェルを含む。図１および２に示すように、外側内筒２２は、燃焼室３８内で高温燃焼ガスに面する高温すなわち燃焼表面または燃焼側７０と、外側流路４２内で比較的低温の空気と接触する低温すなわち給気表面または給気側７４とを有する。同様に、外側内筒２６は、燃焼室３８内で高温燃焼ガスに面する高温すなわち燃焼表面または燃焼側７８と、内側流路４６内で比較的低温の空気と接触する低温すなわち給気表面または給気側８２とを有する。図２に具体的に示すように、内筒２２および２６はそれぞれ、内筒２２および２６を燃焼器１０内に固定するための、８４および８６で全体を示す前部バンド、ならびに８８および９０で全体を示す後部板ばねシールリップを有する。
【００２１】
図１に示すように、外側内筒２２および内側内筒２６には、多数の空気流孔が形成されている。例示の目的で示した図３を参照すると、内側内筒２６が示されており、この内筒は、内筒の前方端部にある、９４で全体を示す比較的小さなナゲット冷却孔の１つの列と、９８で全体を示すさらに小さな滲出冷却孔の複数の列を含む、いくつか配置されたアレイと、低温側８２（または外側内筒２２の場合７４）から高温側７８（または外側内筒２２の場合７０）に延びる、１０２で全体を示すより大きな希釈孔の少なくとも１つの列とを有する。希釈孔１０２は、空気を燃焼室３８に導入し、その数は、一般に、ナゲット孔９４、およびとりわけ滲出孔９８よりもはるかに少なく、かつ孔９４および９８の断面積よりもかなり大きな断面積を有する。滲出孔９８は、通常、低温側７４、８２からそれぞれの高温側７０、７８に下流方向へ軸方向に傾斜している。したがって、外側流路４２および内側流路４６からナゲット孔９４および滲出孔９８を通って流れる空気は、下流方向に誘導され、その結果内筒２２および２６のそれぞれの高温側７０、７８上に冷却膜が形成されることになる。
【００２２】
高温すなわち燃焼側７８から見た図４を参照すると、内側内筒２６について、ナゲット孔９４、滲出孔９８、および希釈孔１０２の代表的な配置が示されている。図４に示すように、内筒２６の上流端部から下流端部に進んで、１０６で示す、周方向に延びるナゲット孔９４の列が内筒の上流端部に形成され、このナゲット孔列１０６の後ろに、横方向に間隔を置いて配置された周方向に延びる、１１０で全体を示す滲出孔９８の列が多数配置されている。列１０６のナゲット孔９４および列１１０の滲出孔９８は、典型的には直径が約０．０１〜約０．０５インチ（約２５４〜約１２７０ミクロン）、より典型的には約０．０２〜約０．０３インチ（約５０８〜約７６２ミクロン）であり、それらの孔の間隔は直径で孔約３〜約１０個分である。
【００２３】
また、図４に示すように、１１４で示す周方向に延びる主希釈孔１０２の列が内筒２６の上流端部の方に配置され、この主希釈孔の下流に、１１８で示す周方向に延びる副希釈孔の列が配置されている。主希釈孔１１４および副希釈孔１１８は、典型的には直径が約０．１〜約０．７５インチ（約２．５〜約１９ｍｍ）であり、主希釈孔１１４の直径は、一般に副希釈孔１１８の直径よりも大きい。直径および孔間隔に応じて、典型的には約２０〜約６０個の主希釈孔１１４および約２０〜約１２０個の副希釈孔１１８が内筒に形成される。
【００２４】
図５を参照すると、外側内筒２２に形成された滲出冷却孔の１つの断面が１２２で示されており、この孔は、内筒２２の低温側７４から高温側７０に、下方に傾斜した角度で下流端部の方に延びている。（内側内筒２６に形成された滲出冷却孔の断面も同様である。すなわち、内筒２６の低温側８２から高温側７８に、上方に傾斜した角度で下流端部の方に延びている。）図５に示すように、高温側７０には、一般に、１２６で全体を示す追加の遮熱コーティング（ＴＢＣ）がその上に形成されている。孔１２２を通る空気流量を調整するために、溶射堆積技術を用いた装置（図示せず）によって低温すなわち給気側７０上に１３０で示すオーバーレイ金属コーティングを堆積（例えば溶射）させる。１３４で示す、コーティング１３０を堆積させる際の特定の溶射角度は、孔１２２の傾斜角度を含めた様々な要因に応じて決めることができる。例えば図５に示すように、コーティング１３０を堆積させる際の溶射角度１３４は、孔１２２の傾斜角度と同じかまたは同程度とすることができ、あるいは孔１２２の傾斜角度とは異なってもよい。
【００２５】
コーティング１３０は所望のどんな厚さにも堆積させることができるが、典型的には約１〜約１０ミル（約２５〜約２５４ミクロン）、より典型的には約２〜約７ミル（約５１〜約１７８ミクロン）の範囲の厚さで、すなわち比較的薄く堆積させる。オーバーレイ金属コーティングを堆積させる溶射角度１３４に応じて、コーティング１３０の一部分が孔１２２の低温側７４端部でその中に入り、１３８で示すように、孔１２２を部分的に塞ぐ。孔１２２のリップ端部１４２がコーティング１３０の部分１３８で部分的に塞がれるので、実際上孔１２２の直径が縮小することになり、したがって、孔１２２の有効面積または容量が部分的に塞がれるかまたは制限され、その結果、所与の圧力降下で流路４２から（または内筒２６に隣接する流路４６から）かかる孔１２２に流入できる空気流の容量が減少することになる。その結果、流路４２（または内筒２６に隣接する流路４６）から孔１２２内に流入する空気流量が減少する。孔１２２の大きさまたは数を増減することによって空気流量を制限し、それによって孔１２２を通る空気流量が指定され、規定され、またはその他の方法で選択されたパターン（例えば１つ（または複数）の、列、アレイ、面積など）、またはその任意の組合せによって制限されるように、コーティング１３０を堆積させることができる。このように、コーティング１３０の部分１３８によって部分的に塞がれる孔１２２の数、コーティング１３０の部分１３８で部分的に塞がれるかかる孔１２２のパターン、および／またはコーティング１３０の部分１３８で孔１２２が部分的に塞がれる度合いに応じて、内筒２２（または２６）の空気流量を所望の範囲または仕様内に制御し調整することができる。
【００２６】
内筒２２および２６などのガスタービン構成部品では、空気流孔寸法および空気流路面積は、一般に、空気流量の上限および下限、または仕様に即して厳しく制御されている。燃焼室３８では、冷却空気流量または冷却面積が不十分であると、構成部品の耐久性の低下を招きかねない。さらに、冷却空気流量または冷却面積が過大であると、機関の性能、操作性および燃性に悪影響が及びかねない。この状態は、通常、少なくともいくつかの空気流孔１２２が所望の寸法よりも大きい場合に生じる。これは、以下の２つの要因の結果生じる可能性がある。（１）供給元によるタービン構成部品の製造（すなわちＯＥＭ構成部品）後の孔１２２が指定または所望の寸法または直径よりも大きく、その結果所望の空気流量仕様または範囲を超えてしまう。または（２）供給元によるタービン構成部品の製造後およびタービン構成部品の運転中に孔１２２が拡大し、その結果所望の空気流量仕様または範囲を超えてしまう。本発明の方法の様々な実施形態は、要因１または２のいずれかのため、所望の大きさよりも大きい孔１２２を有するタービン構成部品（例えば燃焼器ライナ２２および２６）に適用可能にするためのものである。
【００２７】
孔１２２の直径は、様々な理由で拡大することがあり（すなわち要因２）、したがって、外側内筒２２および内側内筒２６を通る空気流量が増大することになる。例えば、孔１２２の拡大は、外側内筒２２および内側内筒２６を修理するために使用される様々なプロセス、ならびに孔１２２が形成される方式によって生じることがある。この様子を図６および７に示す。図６は、レーザ穿孔や電気放電機械加工（ＥＤＭ）穿孔などの特殊な機械加工プロセスによって形成された孔１２２を示す。レーザ穿孔またはＥＤＭ穿孔の結果、１４６で全体を示す、材料のリキャスト層が孔１２２の表面上に形成される。例えば、構成部品の一部分の洗浄プロセスの間、ＴＢＣ１２６、内筒２２、２６は、一般に、アルミナ粒子などの研磨媒体を用いたドライまたはウェットグリットブラスト法で処理される。ウェットグリットブラスト法では、研磨媒体は液体、通常は水中に懸濁しており、次いでこれを高速で溶射してＴＢＣ１２６を除去する。その結果、図７に示すように、リキャスト層１４６は、通常、部分的または完全に除去され、したがって、孔１２２の有効直径が、両方向矢印１５０（図６参照）で示す直径から両方向矢印１５４（図７参照）で示す直径まで増大または拡大することになる。図５を参照して先に述べた本発明の方法の実施形態を用いると、これらの拡大した孔１２２の直径１５４を縮小して、そこを通る空気流量を制御かつ調整することができる。
【００２８】
孔１２２を通る空気流量を調整かつ制御する、すなわち内筒２２および２６を流れる空気流量を調整かつ制御するための本発明の方法の実施形態は、以下の段階を含む。
（ａ）コーティング１３０を付着させる前に、まず孔１２２を通る空気流量を測定する（ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ）段階。（ｂ）先に述べたように、内筒２２および／または２６の低温側７４、８２にコーティング１３０を付着させる段階。（ｃ）コーティング１３０を付着させた後、孔１２２を通る空気流量を測定する段階。（ｄ）所望の度合いの空気流量が得られるまで、必要に応じて段階（ｂ）および（ｃ）を繰り返す段階。かかる方法の実施形態は、本発明の譲受人に譲渡された特開２００２−０９７９６８号公報（参照により組み込む）に開示された技術を適切に改変して実施することができる。本発明の方法の実施形態向けに改変した特開２００２−０９７９６８号公報の方法は、以下の段階を含む。（１）コーティング１３０を付着させる前に、孔１２２全体にわたって所定の圧力降下を生じさせる段階。（２）所定の圧力によって生じる、孔１２２を通る空気流量を計算する段階。（３）コーティング１３０を堆積させた後に孔１２２を通る空気流量が予め選択した空気流量の範囲内となるように、測定した孔１２２を通る空気流量に基づいて選択した厚さのコーティング１３０を堆積させる段階。予め選択した所望の空気流量範囲の最小空気流量は、一般に、機関運転中、内筒２２および２６を選択された最高温度よりも低く維持するのに十分な空気流が孔１２２を通るように選択される。この最高温度は、内筒２２および２６の寿命要件を満たす環境をもたらすように計算される。この範囲の最大空気流量は、一般に、他の構成部品をそれぞれの寿命要件を満たす最高温度よりも低く維持するのに十分な空気流が確実にガスタービン機関内の他の構成部品内を流れるように選択される。極端な温度変化の結果生じる、局所的な空気流の変動もまた、構成部品の寿命に悪影響を及ぼしかねないが、これもまた、本発明のこの実施形態に従って是正することができる。
【００２９】
本発明の方法で使用できるように改変した特開２００２−０９７９６８号公報の方法（図３参照）を用いる際、コーティング１３０を低温側７４、８２に堆積させる前および堆積させた後に、圧流スタンドによって燃焼器ライナ２２、２６などのタービン構成部品をチェックする。加圧後、圧流スタンドの上流端部と下流端部で圧力に差があるので、燃焼器ライナ２２、２６の孔１２２全体にわたって圧力降下が生じる。上流および下流の圧力が分かるので、孔１２２を通る空気流量を計算することができる。タービン構成部品またはその一部分について、この空気流量を予め選択した所望の空気流量範囲と比較する。空気流量が予め選択した所望の空気流量範囲内であり、燃焼器ライナ２２、２６がその他の点で所望の構成部品仕様または範囲を満たす場合、この部品は使用できる状態にある（すなわち、使用可能である）。
【００３０】
しかし、空気流量が予め選択した所望の空気流量範囲を超える場合、燃焼器ライナ２２、２６上に追加のコーティング１３０の層を堆積させる。被覆した燃焼器ライナ２２、２６の孔１２２を通る空気流量を前回通り再度測定し、測定した空気流量を再度予め選択した範囲と比較する。この代替法の一実施形態では、測定した空気流量が、予め選択した所望の空気流量の範囲内になるまでこれらの段階を繰り返し行うことができる。一般に、この代替法では、コーティング１３０を堆積させる段階は、１度だけ繰り返せばよい。
【００３１】
予め選択した所望の空気流量範囲の最小空気流量は、機関運転中、タービン構成部品（例えば燃焼器１０）を選択された最高温度よりも低く維持するのに十分な空気流が孔１２２を通るように選択される。この最高温度は、構成部品の寿命要件を満たす環境をもたらすように計算される。この範囲の最大空気流量は、ガスタービン機関の他の構成部品内を十分な空気流が確実に流れ、他の構成部品が確実にそれぞれの寿命要件を満たす最高温度よりも低く維持されるように選択される。
【００３２】
本発明の特定の実施形態について説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変形形態が可能であることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の方法が有用な燃焼器ライナを有する代表的なガスタービン燃焼器の切欠斜視図である。
【図２】本発明の方法が有用な燃焼器ライナを有する２段式環状燃焼器の拡大断面図である。
【図３】図２に示す燃焼器ライナの拡大断面図である。
【図４】空気流孔の代表的な配置を示す図３の燃焼器ライナ外側表面の部分拡大図である。
【図５】本発明の方法によって付着されたコーティングを示す外側燃焼器ライナの拡大断面図である。
【図６】傾斜した滲出冷却孔のレーザ穿孔またはＥＤＭ穿孔によって形成されたリキャスト層を示す、図５と同様の図である。
【図７】滲出冷却孔からリキャスト層が除去された状態を示す、図６と同様の図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０ ガスタービン機関燃焼器
１４ カウルアセンブリ
２２ 外側燃焼器ライナ
２６ 内側燃焼器ライナ
３０ 外側燃焼器外筒
３４ 内側燃焼器外筒
３８ 燃焼室
４２ 外側流路
４６ 内側流路
５０ 環状開口
５８ 環状ドーム板
６２ スワラアセンブリ
６６ 燃料管
６８ 中間シールド
７０、７８ 燃焼側
７４、８２ 給気側
８４、８６ 前部バンド
８８、９０ 後部板ばねシールリップ
９４ ナゲット冷却孔
９８ 滲出冷却孔
１０２ 希釈孔
１０６ ナゲット孔列
１１０ 滲出孔列
１１４ 主希釈孔
１１８ 副希釈孔
１２２ 滲出冷却孔
１２６ 遮熱コーティング（ＴＢＣ）
１３０ オーバーレイ金属コーティング
１３４ 溶射角度
１３８ コーティング１３０の一部分
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーバーレイ金属コーティングを堆積させることによって、空気流孔を有するタービン構成部品、例えば、ガスタービン構成部品内の空気流量を調整することに関する。本発明は、さらに、かかるオーバーレイ金属コーティングを堆積させることによって空気流量を調整したタービン構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼器ライナなどの多くのガスタービン構成部品には複数の空気流孔が形成されている。これらの孔は、構成部品を冷却するとともに、構成部品と機関の主流路を流れる高温ガスとの間で流体バリアが形成されるように、構成部品内で膜流空気（ｆｉｌｍ ａｉｒ）を移送するためのものである。燃焼器ライナの冷却は、高温表面上に空気を流すことに加えて、内筒中に形成された典型的には直径約０．０２〜約０．０３インチ（約５０８〜約７６２ミクロン）の極く小さな空気流孔のアレイを介して空気流を送ることにより内筒内側の燃焼側に沿って形成される冷却空気の薄層によってももたらされる。この膜冷却はまた、通常内筒の前方縁部に沿って一列に配置された「ナゲット」孔、および通常内筒の表面全体にわたって複数の列に配置された、はるかに多くの空気流をより均質にするための「滲出」孔を介しても促進される。これらの「滲出」孔は、通常、内筒の「低温」すなわち給気側から「高温」すなわち燃焼側に、下流方向へある角度をなすかまたは傾斜しており、通常、周方向に配置されている。例えば、特許文献１を参照されたい。一般に「多孔膜冷却」と呼ばれるこの構成では、空気流孔を通る流量によって内筒表面に接する高温燃焼ガスが希釈され、この空気流孔を通る流量によって内筒壁の対流冷却がもたらされるので、内筒を冷却するのに必要な空気流量が全体的に減少している。これらのより小径の「ナゲット」空気流孔および「滲出」空気流孔に加えて、希釈空気を燃焼領域に導入するためのより大径の孔（通常「希釈孔」と呼ばれる）もまた間隔を置いて設けられている。例えば、本発明の譲受人に譲渡された特許文献２の図２および特許文献３の図３を参照されたい。
【０００３】
１つまたは複数の燃焼器ライナに高温ガスが放射され伝導されるために生じる熱疲労から内筒を保護する助けとなるように、これらの燃焼器ライナの燃焼側を遮熱コーティングで覆うことがある。本発明の譲受人に譲渡された特許文献３を参照されたい。この特許は、燃焼器ライナを熱絶縁するための物理的気相成長法を開示している。これらの燃焼器ライナは、ある期間稼動した後、通常は、交換、修理、汚染物質（例えば酸化堆積物および残留燃焼生成物）の洗浄および／または除去、亀裂、および内筒が受けてきた、熱により生じたその他の応力のため機関から取り外される。これらの亀裂の少なくともいくつかは、より小径の「ナゲット」孔および「滲出」孔を含む様々な孔にわたって延びる。
【０００４】
部品もしくは構成部品、または部品の一部分もしくは構成部品の一部分を修理するには、通常、その表面を適切に洗浄する必要がある。洗浄中、遮熱コーティングおよび汚染物質は、通常、化学的および／または機械的プロセス、例えば通常の酸ストリップ法によって燃焼器ライナから除去される。燃焼器ライナの修理、特に一般に運転および使用中に内筒に生じる亀裂の修理によって、極く小さな「ナゲット」孔および「滲出」孔の少なくともいくつかが塞がる、埋まる、詰まる、またはその他の形で遮られることになり、そのため、それらの孔を再び開口するために化学的および／または機械的プロセスが必要となることがある。これらの空気流孔の再開口、ならびにコーティングおよび汚染物質を除去する化学的ストリップ法によって、これらの孔が位置する燃焼器ライナの金属基材までもがいくらか除去されることがあり、その結果これらの孔が拡大することになる。こうした拡大した空気流孔は、これらの内筒の空気流量を大幅に増大するおそれがあり、望ましくない。実際に、このような洗浄および修理のサイクルを数回経ると、燃焼器ライナがもはや使用不可能になるほど空気流量が増大することがある。
【０００５】
空気流量の制御に関する問題は、供給元による燃焼器ライナの製造段階で生じることもある。これらの極く小径の「ナゲット」孔および「滲出」孔を、特に傾斜角度で通常数千個も形成するには、通常、特殊な機械加工プロセス、例えばレーザ法や放電機械加工法（ＥＤＭ）などを用いて内筒に穿孔する。穿孔のパターンおよび寸法によってある程度の制御は可能であるものの、それでもなお、空気流量が所望の範囲内となるように、一貫したパターンおよび寸法の孔を有する燃焼器ライナを形成することは極めて難しい。さらに、レーザ穿孔またはＥＤＭ穿孔によって孔を生成する際に、孔の表面に沿ってリキャスト層が形成される。続いて燃焼器ライナをストリッピングおよび洗浄する際に、このリキャスト層も除去されることがあり、その結果、孔が拡大し、空気流量が増大することになる。
【０００６】
かかる空気流孔を有するタービン構成部品内の空気流量を調整する方法が、特許文献４に開示されている。この方法は、空気流孔を通る空気流を少なくとも部分的に遮るように、物理的気相成長（ＰＶＤ）法（例えば電子ビームＰＶＤ）によって構成部品の外側表面および／または内側表面上に遮熱コーティングを堆積させるものである。この方法は、空気流孔を通る空気流量を調整可能にするものの、物理的気相成長装置がある寸法を有するので、一部のタービン構成部品に使用するには融通がきかないことがある。さらに、遮熱コーティングは一般にセラミック材料を含み、このセラミック材料は、オーバーレイ金属接着コーティング層がなければ、長期間にわたって金属表面に適切に固着しているとは限らない。上記特許文献３を参照すると、遮熱コーティング１２０を堆積させる前に、燃焼器ライナ１４の内側燃焼表面４０上にＮｉＣｒＡｌＹを接着コーティング層１１０として約０．１〜０．２５ｍｍ（約４〜約１０ミル）溶射することが開示されている。
【０００７】
したがって、各孔の空気容量がそれぞれ変更された、特に、後の修理、交換、洗浄、および／または除去工程の間に拡大した、より小径の空気流孔を多量に有する燃焼器ライナなどのタービン構成部品（例えばガスタービン構成部品）内の空気流量を経済的かつ一様に調整できれば望ましい。また、最終的な製造後、既に付着させた遮熱コーティングを除去せずに、または実質的に除去せずにタービン構成部品内を流れる空気流量を調整できれば望ましい。さらに、供給元による製造段階で（すなわちＯＥＭ構成部品）空気流量が許容範囲内となるように調整する必要がある、空気流孔を有する燃焼器ライナなどのタービン構成部品内の空気流量を調整できれば望ましい。さらに、空気流孔を有する種々多様なタービン構成部品、特に数千個もの空気流孔を有する構成部品、例えば燃焼器ライナ内の空気流量を調整できるように融通性を持たせることができれば望ましい。
【特許文献１】特開２００３−１１４０２３号公報
【特許文献２】特開２００２−１３９２２０号公報
【特許文献３】米国特許第６６２０４５７号
【特許文献４】特開２００２−０９７９６８号公報
【特許文献５】特開平０４−３３０３０２号公報
【特許文献６】特開平０５−１４１２７０号公報
【特許文献７】特開２００２−００４８０５号公報
【特許文献８】特開２００２−０８９２０６号公報
【特許文献９】特開平０６−０９３４０４号公報
【特許文献１０】米国特許第５０４７６１２号
【特許文献１１】特開昭６１−２５９７７７号公報
【非特許文献１】Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３ｒｄ Ｅｄ．，Ｖｏｌ．１５，ｐａｇｅ ２５５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、オーバーレイ金属コーティングを堆積させることによって、空気流孔を有するタービン構成部品、例えば、ガスタービン構成部品内の空気流量を調整する方法を提供すること、およびかかるオーバーレイ金属コーティングを堆積させることによって空気流量を調整したタービン構成部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態は、複数の空気流孔を有するタービン構成部品（例えばガスタービン構成部品）内の空気流量を調整する方法に関する。この方法は、タービン構成部品内を流れる空気流量を調整するために、空気流孔の少なくともいくつかを部分的に塞ぎ、それによってその部分的に塞いだ空気流孔の容量を変更できるように、タービン構成部品の表面上にオーバーレイ金属コーティングを堆積させる段階を含む。
【００１０】
本発明のもう１つの実施形態は、タービン構成部品内を流れる空気流量を調整するために、空気流孔の少なくともいくつかをオーバーレイ金属コーティングで部分的に塞いでその容量を変更した、複数の空気流孔を有するタービン構成部品に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の方法およびタービン構成部品は、いくつかの利益および利点を提供する。それらには以下のものが含まれるが、それだけに限定されるものではない。（１）複数の空気流孔を有する、燃焼器ライナなどのタービン構成部品内の空気流量を所望の空気流量仕様または範囲内となるように修正または是正することができる。（２）かかる空気流孔を有する特定の領域または面積において、必要または要求に応じて空気流量を局所的に是正または変更することができる。（３）既に使用した、または運転中の、複数の空気流孔を有する燃焼器ライナおよび他のタービン構成部品を、コスト効果の高い形で効率よく修復および修理することができる。（４）タービン構成部品のかかる修復または修理を、元のまたは再生した遮熱コーティングを除去せずに、またはその他の方法で構成部品の物理的特性もしくは化学的特性、または物理的寸法の望ましくない変更を行わずに実施することができる。（５）所望の動作仕様または動作限界よりも大きい空気流量で製造されたタービン構成部品を修復または再利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本明細書では、「複数の空気流孔を有するタービン構成部品」という用語は、少なくとも２つ、通常は多数の、空気がその中を循環する、一般に構成部品を冷却するための空気流孔を有する任意のタービン機関部品（例えば、ガスタービン機関部品）を指す。かかるタービン構成部品の代表的な例として、例えば、本発明の譲受人に譲渡された特開平０４−３３０３０２号公報、特開平０５−１４１２７０号公報、特開２００２−００４８０５号公報、および特開２００２−０８９２０６号公報（これらはすべて参照により組み込む）に開示されているようなタービンシュラウド、例えば、本発明の譲受人に譲渡された特開２００３−１１４０２３号公報、特開２００２−１３９２２０号公報、および米国特許第６６２０４５７号（Ｆａｒｍｅｒ他）（これらはすべて参照により組み込む）に開示されているような燃焼器ライナ、ならびに熱シールド、静翼、インピンジメントリング、ノズルなどが含まれるが、これらに限られるものではない。本発明は、特に、複数の、より典型的には多数のかかる空気流孔を有する燃焼器ライナおよび他のタービン構成部品を対象とし、より具体的には、複数の、より典型的には多数の、一般に「多孔膜冷却」と呼ばれる冷却方式を実現する滲出冷却空気流孔を有する燃焼器ライナを対象とする。「多孔膜冷却」については、上記特開２００３−１１４０２３号公報、特開２００２−１３９２２０号公報、および上記米国特許第６６２０４５７号（これらはすべて参照により組み込む）を参照されたい。
【００１３】
本明細書では、「１つまたは複数の空気流孔」という用語は、タービン構成部品内の空気流量を調整、変更、またはその他の形で制御するための、空気が通過またはその他の形で循環する孔を指し、通常、この孔によって直接または間接的にタービン構成部品の冷却が実現または促進される。すなわち、この孔はナゲット孔または滲出孔などの冷却孔である。
【００１４】
本明細書では、「オーバーレイ金属コーティング」という用語は、溶射堆積技術によって溶射、付着、またはその他の方法で堆積させることができる任意の金属コーティングを指し、しばしば、遮熱コーティング材料を堆積させる前に金属基材上に追加の金属コーティングを堆積させるために使用される。これらのオーバーレイ金属コーティングは、ＭＣｒＡｌＹコーティングを含み、Ｍは、鉄、ニッケル、白金、コバルト、またはその合金などの金属である。一般に、本発明で使用するオーバーレイ金属コーティングは、ＮｉＣｒＡｌＹコーティングである。
【００１５】
本明細書では、「溶射堆積法」という用語は、オーバーレイ金属コーティングを溶射、付着、またはその他の方法で堆積させる任意の方法を指し、この方法は、オーバーレイコーティング材料を加熱し、一般に少なくとも部分的または完全に熱溶融し、その加熱／溶融した材料を、通常、加熱したガス流内で同伴させることよって、被覆すべき金属基材上に堆積させるものである。適当な溶射堆積技術には、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）や真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）などのプラズマ溶射、高速フレーム（ＨＶＯＦ）溶射、爆発溶射、溶線式溶射など、ならびにこれらの技術の組合せが含まれる。本明細書で使用するのに特に適した溶射堆積技術は、プラズマ溶射である。複数の適当なプラズマ溶射技術が当業者には周知である。例えば、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３ｒｄ Ｅｄ．，Ｖｏｌ．１５，ｐａｇｅ ２５５およびそこに記された引用、ならびに特開平０６−０９３４０４号公報、米国特許第５０４７６１２号、および特開昭６１−２５９７７７号公報（本明細書に引用により組み込む）を参照されたい。これらは、本明細書で使用するのに適したプラズマ溶射の様々な態様について教示している。一般に、通常のプラズマ溶射技術では、熱プルームを発生させる高温プラズマを形成する。オーバーレイ金属コーティング材料を例えば粉末状でプルーム中に供給し、このプルームを被覆すべきベース金属基材の方に向ける。堆積前のベース金属基材表面の洗浄、（ガンから基板までの）溶射距離、溶射パス回数の選択、粉末供給速度、粒子速度、トーチ出力、プラズマガスの選択、酸化物の化学量論比を調整するための酸化制御、堆積角度、付着させたコーティングの後処理などのプラズマ溶射条件などの関連する様々な段階およびプロセス条件を含めて、かかるプラズマ溶射被覆技術の様々な詳細もまた、当業者には周知である。適当なプラズマ溶射システムが、例えば、上記米国特許第５０４７６１２号に記載されており、この特許を引用により組み込む。
【００１６】
本明細書では、「含む」という用語は、本発明において多種多様な組成物、構成要素、材料、層、段階などを併せて使用できることを意味する。したがって、「含む」という用語は、より限定的な用語「基本的に〜からなる」および「〜からなる」を包含するものである。
【００１７】
本明細書では、量、部、比および百分率はすべて、別段の指定がない限り重量による。
【００１８】
本発明の方法およびタービン構成部品の様々な実施形態を、図面を参照して下記で論じることによりさらに説明する。図面を参照すると、図１は、１０で全体を示す、本発明の方法が有用な、複数、より典型的には多数の空気流孔を有する少なくとも１つの構成部品を含むガスタービン機関燃焼器を示す。図１に示すように、燃焼器１０は、１４で示すカウルアセンブリ、２２で示す外側燃焼器ライナ、および２６で全体を示す内側燃焼器ライナを含む。外側内筒２２および内側内筒２６は、外側燃焼器外筒３０と内側燃焼器外筒３４の間に配設されている。外側内筒２２および内側内筒２６は、中心線軸（図示せず）の周りでほぼ環形をなすとともに、その間で燃焼室３８を画定するように径方向に互いに間隔を置いて配置されている。外側内筒２２および外側外筒３０によってその間に矢印４２で示す外側流路が形成され、内側内筒アセンブリ２６および内側外筒３４によってその間に矢印４６で示す内側流路が形成されている。
【００１９】
カウルアセンブリ１４は、外側内筒２２および内側内筒２６の上流端部に取り付けられている。圧縮空気を燃焼器１０内に導入するための環状開口５０が、カウルアセンブリ１４に形成されている。圧縮空気は、圧縮機（図示せず）から供給され、図１の矢印５４で全体的に示す方向に流れる。圧縮空気は、燃焼を助けるために主に開口５０を通って流れるとともに部分的には外側流路４２および内側流路４６にも流れ込み、そこで、少なくとも部分的に外側内筒２２および内側内筒２６に冷却空気流を供給する。環状ドーム板５８が、内筒２２および２６それぞれの上流端部付近でそれらの間に配設され、内筒２２および２６を相互接続している。複数のスワラアセンブリ６２が周方向に間隔を置いてドーム板５８に取り付けられている。各スワラアセンブリ６２は、開口５０から圧縮空気を受け取るとともに、対応する燃料管６６から燃料を受け取る。燃料および空気は、スワラアセンブリ６２によって撹拌（ｓｗｉｒｌ）混合され、得られた燃料／空気混合物が燃焼室３８内に排出される。図１は単式環状燃焼器を示すが、本発明の方法は、２段式および３段式環状燃焼器を含めて、多孔膜冷却方式の内筒を使用するどんなタイプの燃焼器にも適用可能であることに留意されたい。かかる２段式環状燃焼器の代表的な例の１つとして、２段のスワラアセンブリ６２および対応する各燃料管６６、ならびに１つの中間シールド６８を有する例を図２に示す。
【００２０】
外側内筒２２および内側内筒２６はそれぞれ、ほぼ環状で軸方向に延びた形状の、単一壁の金属シェルを含む。図１および２に示すように、外側内筒２２は、燃焼室３８内で高温燃焼ガスに面する高温すなわち燃焼表面または燃焼側７０と、外側流路４２内で比較的低温の空気と接触する低温すなわち給気表面または給気側７４とを有する。同様に、外側内筒２６は、燃焼室３８内で高温燃焼ガスに面する高温すなわち燃焼表面または燃焼側７８と、内側流路４６内で比較的低温の空気と接触する低温すなわち給気表面または給気側８２とを有する。図２に具体的に示すように、内筒２２および２６はそれぞれ、内筒２２および２６を燃焼器１０内に固定するための、８４および８６で全体を示す前部バンド、ならびに８８および９０で全体を示す後部板ばねシールリップを有する。
【００２１】
図１に示すように、外側内筒２２および内側内筒２６には、多数の空気流孔が形成されている。例示の目的で示した図３を参照すると、内側内筒２６が示されており、この内筒は、内筒の前方端部にある、９４で全体を示す比較的小さなナゲット冷却孔の１つの列と、９８で全体を示すさらに小さな滲出冷却孔の複数の列を含む、いくつか配置されたアレイと、低温側８２（または外側内筒２２の場合７４）から高温側７８（または外側内筒２２の場合７０）に延びる、１０２で全体を示すより大きな希釈孔の少なくとも１つの列とを有する。希釈孔１０２は、空気を燃焼室３８に導入し、その数は、一般に、ナゲット孔９４、およびとりわけ滲出孔９８よりもはるかに少なく、かつ孔９４および９８の断面積よりもかなり大きな断面積を有する。滲出孔９８は、通常、低温側７４、８２からそれぞれの高温側７０、７８に下流方向へ軸方向に傾斜している。したがって、外側流路４２および内側流路４６からナゲット孔９４および滲出孔９８を通って流れる空気は、下流方向に誘導され、その結果内筒２２および２６のそれぞれの高温側７０、７８上に冷却膜が形成されることになる。
【００２２】
高温すなわち燃焼側７８から見た図４を参照すると、内側内筒２６について、ナゲット孔９４、滲出孔９８、および希釈孔１０２の代表的な配置が示されている。図４に示すように、内筒２６の上流端部から下流端部に進んで、１０６で示す、周方向に延びるナゲット孔９４の列が内筒の上流端部に形成され、このナゲット孔列１０６の後ろに、横方向に間隔を置いて配置された周方向に延びる、１１０で全体を示す滲出孔９８の列が多数配置されている。列１０６のナゲット孔９４および列１１０の滲出孔９８は、典型的には直径が約０．０１〜約０．０５インチ（約２５４〜約１２７０ミクロン）、より典型的には約０．０２〜約０．０３インチ（約５０８〜約７６２ミクロン）であり、それらの孔の間隔は直径で孔約３〜約１０個分である。
【００２３】
また、図４に示すように、１１４で示す周方向に延びる主希釈孔１０２の列が内筒２６の上流端部の方に配置され、この主希釈孔の下流に、１１８で示す周方向に延びる副希釈孔の列が配置されている。主希釈孔１１４および副希釈孔１１８は、典型的には直径が約０．１〜約０．７５インチ（約２．５〜約１９ｍｍ）であり、主希釈孔１１４の直径は、一般に副希釈孔１１８の直径よりも大きい。直径および孔間隔に応じて、典型的には約２０〜約６０個の主希釈孔１１４および約２０〜約１２０個の副希釈孔１１８が内筒に形成される。
【００２４】
図５を参照すると、外側内筒２２に形成された滲出冷却孔の１つの断面が１２２で示されており、この孔は、内筒２２の低温側７４から高温側７０に、下方に傾斜した角度で下流端部の方に延びている。（内側内筒２６に形成された滲出冷却孔の断面も同様である。すなわち、内筒２６の低温側８２から高温側７８に、上方に傾斜した角度で下流端部の方に延びている。）図５に示すように、高温側７０には、一般に、１２６で全体を示す追加の遮熱コーティング（ＴＢＣ）がその上に形成されている。孔１２２を通る空気流量を調整するために、溶射堆積技術を用いた装置（図示せず）によって低温すなわち給気側７０上に１３０で示すオーバーレイ金属コーティングを堆積（例えば溶射）させる。１３４で示す、コーティング１３０を堆積させる際の特定の溶射角度は、孔１２２の傾斜角度を含めた様々な要因に応じて決めることができる。例えば図５に示すように、コーティング１３０を堆積させる際の溶射角度１３４は、孔１２２の傾斜角度と同じかまたは同程度とすることができ、あるいは孔１２２の傾斜角度とは異なってもよい。
【００２５】
コーティング１３０は所望のどんな厚さにも堆積させることができるが、典型的には約１〜約１０ミル（約２５〜約２５４ミクロン）、より典型的には約２〜約７ミル（約５１〜約１７８ミクロン）の範囲の厚さで、すなわち比較的薄く堆積させる。オーバーレイ金属コーティングを堆積させる溶射角度１３４に応じて、コーティング１３０の一部分が孔１２２の低温側７４端部でその中に入り、１３８で示すように、孔１２２を部分的に塞ぐ。孔１２２のリップ端部１４２がコーティング１３０の部分１３８で部分的に塞がれるので、実際上孔１２２の直径が縮小することになり、したがって、孔１２２の有効面積または容量が部分的に塞がれるかまたは制限され、その結果、所与の圧力降下で流路４２から（または内筒２６に隣接する流路４６から）かかる孔１２２に流入できる空気流の容量が減少することになる。その結果、流路４２（または内筒２６に隣接する流路４６）から孔１２２内に流入する空気流量が減少する。孔１２２の大きさまたは数を増減することによって空気流量を制限し、それによって孔１２２を通る空気流量が指定され、規定され、またはその他の方法で選択されたパターン（例えば１つ（または複数）の、列、アレイ、面積など）、またはその任意の組合せによって制限されるように、コーティング１３０を堆積させることができる。このように、コーティング１３０の部分１３８によって部分的に塞がれる孔１２２の数、コーティング１３０の部分１３８で部分的に塞がれるかかる孔１２２のパターン、および／またはコーティング１３０の部分１３８で孔１２２が部分的に塞がれる度合いに応じて、内筒２２（または２６）の空気流量を所望の範囲または仕様内に制御し調整することができる。
【００２６】
内筒２２および２６などのガスタービン構成部品では、空気流孔寸法および空気流路面積は、一般に、空気流量の上限および下限、または仕様に即して厳しく制御されている。燃焼室３８では、冷却空気流量または冷却面積が不十分であると、構成部品の耐久性の低下を招きかねない。さらに、冷却空気流量または冷却面積が過大であると、機関の性能、操作性および燃性に悪影響が及びかねない。この状態は、通常、少なくともいくつかの空気流孔１２２が所望の寸法よりも大きい場合に生じる。これは、以下の２つの要因の結果生じる可能性がある。（１）供給元によるタービン構成部品の製造（すなわちＯＥＭ構成部品）後の孔１２２が指定または所望の寸法または直径よりも大きく、その結果所望の空気流量仕様または範囲を超えてしまう。または（２）供給元によるタービン構成部品の製造後およびタービン構成部品の運転中に孔１２２が拡大し、その結果所望の空気流量仕様または範囲を超えてしまう。本発明の方法の様々な実施形態は、要因１または２のいずれかのため、所望の大きさよりも大きい孔１２２を有するタービン構成部品（例えば燃焼器ライナ２２および２６）に適用可能にするためのものである。
【００２７】
孔１２２の直径は、様々な理由で拡大することがあり（すなわち要因２）、したがって、外側内筒２２および内側内筒２６を通る空気流量が増大することになる。例えば、孔１２２の拡大は、外側内筒２２および内側内筒２６を修理するために使用される様々なプロセス、ならびに孔１２２が形成される方式によって生じることがある。この様子を図６および７に示す。図６は、レーザ穿孔や電気放電機械加工（ＥＤＭ）穿孔などの特殊な機械加工プロセスによって形成された孔１２２を示す。レーザ穿孔またはＥＤＭ穿孔の結果、１４６で全体を示す、材料のリキャスト層が孔１２２の表面上に形成される。例えば、構成部品の一部分の洗浄プロセスの間、ＴＢＣ１２６、内筒２２、２６は、一般に、アルミナ粒子などの研磨媒体を用いたドライまたはウェットグリットブラスト法で処理される。ウェットグリットブラスト法では、研磨媒体は液体、通常は水中に懸濁しており、次いでこれを高速で溶射してＴＢＣ１２６を除去する。その結果、図７に示すように、リキャスト層１４６は、通常、部分的または完全に除去され、したがって、孔１２２の有効直径が、両方向矢印１５０（図６参照）で示す直径から両方向矢印１５４（図７参照）で示す直径まで増大または拡大することになる。図５を参照して先に述べた本発明の方法の実施形態を用いると、これらの拡大した孔１２２の直径１５４を縮小して、そこを通る空気流量を制御かつ調整することができる。
【００２８】
孔１２２を通る空気流量を調整かつ制御する、すなわち内筒２２および２６を流れる空気流量を調整かつ制御するための本発明の方法の実施形態は、以下の段階を含む。
（ａ）コーティング１３０を付着させる前に、まず孔１２２を通る空気流量を測定する（ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ）段階。（ｂ）先に述べたように、内筒２２および／または２６の低温側７４、８２にコーティング１３０を付着させる段階。（ｃ）コーティング１３０を付着させた後、孔１２２を通る空気流量を測定する段階。（ｄ）所望の度合いの空気流量が得られるまで、必要に応じて段階（ｂ）および（ｃ）を繰り返す段階。かかる方法の実施形態は、本発明の譲受人に譲渡された特開２００２−０９７９６８号公報（参照により組み込む）に開示された技術を適切に改変して実施することができる。本発明の方法の実施形態向けに改変した特開２００２−０９７９６８号公報の方法は、以下の段階を含む。（１）コーティング１３０を付着させる前に、孔１２２全体にわたって所定の圧力降下を生じさせる段階。（２）所定の圧力によって生じる、孔１２２を通る空気流量を計算する段階。（３）コーティング１３０を堆積させた後に孔１２２を通る空気流量が予め選択した空気流量の範囲内となるように、測定した孔１２２を通る空気流量に基づいて選択した厚さのコーティング１３０を堆積させる段階。予め選択した所望の空気流量範囲の最小空気流量は、一般に、機関運転中、内筒２２および２６を選択された最高温度よりも低く維持するのに十分な空気流が孔１２２を通るように選択される。この最高温度は、内筒２２および２６の寿命要件を満たす環境をもたらすように計算される。この範囲の最大空気流量は、一般に、他の構成部品をそれぞれの寿命要件を満たす最高温度よりも低く維持するのに十分な空気流が確実にガスタービン機関内の他の構成部品内を流れるように選択される。極端な温度変化の結果生じる、局所的な空気流の変動もまた、構成部品の寿命に悪影響を及ぼしかねないが、これもまた、本発明のこの実施形態に従って是正することができる。
【００２９】
本発明の方法で使用できるように改変した特開２００２−０９７９６８号公報の方法（図３参照）を用いる際、コーティング１３０を低温側７４、８２に堆積させる前および堆積させた後に、圧流スタンドによって燃焼器ライナ２２、２６などのタービン構成部品をチェックする。加圧後、圧流スタンドの上流端部と下流端部で圧力に差があるので、燃焼器ライナ２２、２６の孔１２２全体にわたって圧力降下が生じる。上流および下流の圧力が分かるので、孔１２２を通る空気流量を計算することができる。タービン構成部品またはその一部分について、この空気流量を予め選択した所望の空気流量範囲と比較する。空気流量が予め選択した所望の空気流量範囲内であり、燃焼器ライナ２２、２６がその他の点で所望の構成部品仕様または範囲を満たす場合、この部品は使用できる状態にある（すなわち、使用可能である）。
【００３０】
しかし、空気流量が予め選択した所望の空気流量範囲を超える場合、燃焼器ライナ２２、２６上に追加のコーティング１３０の層を堆積させる。被覆した燃焼器ライナ２２、２６の孔１２２を通る空気流量を前回通り再度測定し、測定した空気流量を再度予め選択した範囲と比較する。この代替法の一実施形態では、測定した空気流量が、予め選択した所望の空気流量の範囲内になるまでこれらの段階を繰り返し行うことができる。一般に、この代替法では、コーティング１３０を堆積させる段階は、１度だけ繰り返せばよい。
【００３１】
予め選択した所望の空気流量範囲の最小空気流量は、機関運転中、タービン構成部品（例えば燃焼器１０）を選択された最高温度よりも低く維持するのに十分な空気流が孔１２２を通るように選択される。この最高温度は、構成部品の寿命要件を満たす環境をもたらすように計算される。この範囲の最大空気流量は、ガスタービン機関の他の構成部品内を十分な空気流が確実に流れ、他の構成部品が確実にそれぞれの寿命要件を満たす最高温度よりも低く維持されるように選択される。
【００３２】
本発明の特定の実施形態について説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変形形態が可能であることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の方法が有用な燃焼器ライナを有する代表的なガスタービン燃焼器の切欠斜視図である。
【図２】本発明の方法が有用な燃焼器ライナを有する２段式環状燃焼器の拡大断面図である。
【図３】図２に示す燃焼器ライナの拡大断面図である。
【図４】空気流孔の代表的な配置を示す図３の燃焼器ライナ外側表面の部分拡大図である。
【図５】本発明の方法によって付着されたコーティングを示す外側燃焼器ライナの拡大断面図である。
【図６】傾斜した滲出冷却孔のレーザ穿孔またはＥＤＭ穿孔によって形成されたリキャスト層を示す、図５と同様の図である。
【図７】滲出冷却孔からリキャスト層が除去された状態を示す、図６と同様の図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０ ガスタービン機関燃焼器
１４ カウルアセンブリ
２２ 外側燃焼器ライナ
２６ 内側燃焼器ライナ
３０ 外側燃焼器外筒
３４ 内側燃焼器外筒
３８ 燃焼室
４２ 外側流路
４６ 内側流路
５０ 環状開口
５８ 環状ドーム板
６２ スワラアセンブリ
６６ 燃料管
６８ 中間シールド
７０、７８ 燃焼側
７４、８２ 給気側
８４、８６ 前部バンド
８８、９０ 後部板ばねシールリップ
９４ ナゲット冷却孔
９８ 滲出冷却孔
１０２ 希釈孔
１０６ ナゲット孔列
１１０ 滲出孔列
１１４ 主希釈孔
１１８ 副希釈孔
１２２ 滲出冷却孔
１２６ 遮熱コーティング（ＴＢＣ）
１３０ オーバーレイ金属コーティング
１３４ 溶射角度
１３８ コーティング１３０の一部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の空気流孔（１２２）を有するタービン構成部品（２２、２６）内の空気流量を調整する方法であって、前記タービン構成部品（２２、２６）内を流れる空気流量を調整するために、前記空気流孔（１２２）の少なくともいくつかを部分的に塞ぎ、それによって前記部分的に塞がれた孔（１２２）の容量を変更できるように、前記タービン構成部品（２２、２６）の表面（７４、８２）上にオーバーレイ金属コーティング（１３０）を堆積させる段階を含む方法。
【請求項２】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が溶射堆積によって堆積される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記タービン構成部品が燃焼器ライナ（２２、２６）である、請求項１乃至２のいずれか１項記載の方法。
【請求項４】
前記燃焼器ライナが、給気側（７４、８２）および燃焼側（７０、７８）を有し、前記空気冷却孔（１２２）が前記給気側（７４、８２）から前記燃焼側（７０、７８）に延び、前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が前記給気側（７４、８２）上に堆積される、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記空気流孔（１２２）が、２５４乃至１２７０ミクロンの範囲の直径を有する滲出冷却孔（１１０）の複数の列を含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、２５乃至２５４ミクロンの厚さに堆積される、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、プラズマ溶射によって堆積される、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、ＭＣｒＡｌＹコーティングを含み、Ｍは、鉄、ニッケル、白金、コバルト、およびその合金からなる群から選択された金属である、請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、少なくともいくつかの所望よりも大きい空気流孔（１２２）を有するＯＥＭタービン構成部品（２２、２６）に堆積される、請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、前記タービン構成部品（２２、２６）の供給元による製造後に拡大した少なくともいくつかの空気流孔（１２２）を有するタービン構成部品上に堆積される、請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項記載の方法に従って作成されたタービン機関構成部品。
【請求項１】
複数の空気流孔（１２２）を有するタービン構成部品（２２、２６）内の空気流量を調整する方法であって、前記タービン構成部品（２２、２６）内を流れる空気流量を調整するために、前記空気流孔（１２２）の少なくともいくつかを部分的に塞ぎ、それによって前記部分的に塞がれた孔（１２２）の容量を変更できるように、前記タービン構成部品（２２、２６）の表面（７４、８２）上にオーバーレイ金属コーティング（１３０）を堆積させる段階を含む方法。
【請求項２】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が溶射堆積によって堆積される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記タービン構成部品が燃焼器ライナ（２２、２６）である、請求項１乃至２のいずれか１項記載の方法。
【請求項４】
前記燃焼器ライナが、給気側（７４、８２）および燃焼側（７０、７８）を有し、前記空気冷却孔（１２２）が前記給気側（７４、８２）から前記燃焼側（７０、７８）に延び、前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が前記給気側（７４、８２）上に堆積される、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記空気流孔（１２２）が、２５４乃至１２７０ミクロンの範囲の直径を有する滲出冷却孔（１１０）の複数の列を含む、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、２５乃至２５４ミクロンの厚さに堆積される、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、プラズマ溶射によって堆積される、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、ＭＣｒＡｌＹコーティングを含み、Ｍは、鉄、ニッケル、白金、コバルト、およびその合金からなる群から選択された金属である、請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、少なくともいくつかの所望よりも大きい空気流孔（１２２）を有するＯＥＭタービン構成部品（２２、２６）に堆積される、請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記オーバーレイ金属コーティング（１３０）が、前記タービン構成部品（２２、２６）の供給元による製造後に拡大した少なくともいくつかの空気流孔（１２２）を有するタービン構成部品上に堆積される、請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項記載の方法に従って作成されたタービン機関構成部品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−７１２７４（Ｐ２００６−７１２７４Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５０５０７（Ｐ２００５−２５０５０７）
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月３１日（２００５．８．３１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]