JP2011021602A - Coating for turbo machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は回転ターボ機械の表面処理に関する。具体的には、本発明は、応力を受けるガスタービン部品の表面処理に関するものであり、さらに具体的には、ガスタービン圧縮機動翼部品は圧縮機ホイールとの接触面で応力を受けるが、その接触面の表面処理に関する。 The present invention relates to surface treatment of a rotary turbomachine. Specifically, the present invention relates to surface treatment of stressed gas turbine components, and more specifically, gas turbine compressor blade components are stressed at the contact surface with the compressor wheel. It relates to the surface treatment of the contact surface.
従来のガスタービン圧縮機動翼部品の構成では、圧縮機ホイールとの接触面で裸つまり無処理の圧縮機動翼が用いられることがある。例えば、圧縮機の圧縮機動翼は、CrMoVホイールなどの圧縮機ホイールと接触又は境界を画していることがある。こうした接触領域は、部品間の接触応力が高い領域である。こうした応力は、例えばフレッティングや磨耗などの弊害を招きかねない。こうした弊害を放置すると、部品の故障、関連ガスタービン装置の停止を招来しかねない。 In a conventional gas turbine compressor blade component configuration, a bare or untreated compressor blade may be used on the contact surface with the compressor wheel. For example, a compressor blade of a compressor may contact or delimit a compressor wheel such as a CrMoV wheel. Such a contact region is a region where contact stress between parts is high. Such stress can lead to adverse effects such as fretting and wear. If such adverse effects are left unattended, it may lead to component failure and related gas turbine equipment shutdown.
本発明の一実施形態では、グラファイト系固体薄膜潤滑材料を含む、ターボ機械用のコーティングを提供する。 In one embodiment of the present invention, a coating for a turbomachine comprising a graphite-based solid thin film lubricating material is provided.
本発明の別の実施形態では、グラファイト系固体薄膜潤滑材料を含むターボ機械用のコーティングであって、ターボ機械がスロットを有するホイールと、ダブテールを有するバケットとを少なくとも備えており、上記コーティングが、スロットとダブテールの少なくとも一方に施工されており、上記コーティングが、グラファイト系ドライフィルム潤滑剤、金属充填樹脂系、グラファイトとケイ酸塩バインダー、及び高温潤滑添加剤の少なくとも1種を含む、ターボ機械用のコーティングを提供する。 In another embodiment of the invention, a coating for a turbomachine comprising a graphite-based solid thin film lubricant material, wherein the turbomachine comprises at least a wheel having a slot and a bucket having a dovetail, the coating comprising: For turbomachinery, wherein the coating is applied to at least one of a slot and a dovetail, and the coating includes at least one of a graphite-based dry film lubricant, a metal-filled resin system, graphite and a silicate binder, and a high-temperature lubricant additive Provide coating.
本発明のさらに別の実施形態では、隙間腐食耐性及びフレッティング耐性の少なくとも一方をもたらすためのターボ機械のコーティング方法であって、当該方法が、コーティングを準備し、かつスロット及びタブテールの少なくとも一方にコーティングを施工することを含んでおり、上記コーティングがグラファイト系固体薄膜潤滑材料を含んでおり、上記ターボ機械が、スロットを有するホイールと、ダブテールを有するバケットとを少なくとも備えており、上記コーティングが、グラファイト系ドライフィルム潤滑剤、金属充填樹脂系、グラファイトとケイ酸塩バインダー、及び高温潤滑添加剤の少なくとも1種を含む、方法を提供する。 In yet another embodiment of the present invention, a turbomachine coating method for providing at least one of crevice corrosion resistance and fretting resistance, the method comprising providing a coating and at least one of a slot and a tab tail. Applying a coating, wherein the coating includes a graphite-based solid thin film lubricant material, and wherein the turbomachine comprises at least a wheel having a slot and a bucket having a dovetail, the coating comprising: A method is provided comprising at least one of a graphite-based dry film lubricant, a metal-filled resin system, graphite and a silicate binder, and a high temperature lubricant additive.
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。 These and other features, aspects and advantages of the present invention may be better understood by reference to the following detailed description taken in conjunction with the drawings in which: Throughout the drawings, like reference numerals are used for like members.
本発明は、ターボ機械全般、特にガスタービン又は蒸気タービンのタービンホイール及び圧縮機ホイールに幅広い用途を有するが、以下の説明では、説明の便宜上、ガスタービン又は蒸気タービンの圧縮機段に関する実施形態について説明する。これらの記載は本願発明の技術的範囲を限定するものではない。 Although the present invention has broad application to turbomachines in general, particularly turbine and compressor wheels of gas turbines or steam turbines, in the following description, for convenience of explanation, embodiments relating to compressor stages of gas turbines or steam turbines will be described. explain. These descriptions do not limit the technical scope of the present invention.
圧縮機段は、軸方向シャフトに装着又は一体に形成されるホイール又はディスクを備えるように製造される。雌ダブテールがホイールの表面に機械加工され、圧縮機動翼の雄ダブテール部分が雌ダブテールに嵌め込まれる。 The compressor stage is manufactured with a wheel or disk mounted on or integrally formed with the axial shaft. A female dovetail is machined into the wheel surface and the male dovetail portion of the compressor blade is fitted into the female dovetail.
図1に、圧縮機の一部、例えばガスタービンエンジンの圧縮機の一部を示す。圧縮機10は、入口、第1段動翼ディスクアセンブリ12、複数のステータ静翼14とを備えており、第1段動翼ディスクアセンブリ12は、エンジン又は圧縮機の長手方向中心線16を中心として、ステータ静翼14の上流にステータ静翼14と同軸に配置されている。動翼ディスクアセンブリ12は、ロータホイール又はロータディスク20の周方向に離隔して植設された複数のロータ動翼18を有する。
FIG. 1 shows a part of a compressor, for example, a part of a compressor of a gas turbine engine. The compressor 10 includes an inlet, a first stage blade disk assembly 12, and a plurality of
さらに具体的には、図1及び図2に示すように、動翼18は、先端24と根元26と前縁28と後縁30とを有する比較的薄い中実の翼形部22を有する。動翼18は、さらに、翼形部根元26から横方向外側に張り出した略矩形のプラットフォーム32も有する。プラットフォーム32は、前縁28から後縁30に向かって、先端24に向けて上向きに比較的急な傾斜をもち、圧縮機10内の内側空気流の境界を画成する。プラットフォーム32は、上流側の前端34と下流側の後端36とを有しており、後端36は前端34よりも大きな半径で配設される。動翼18は、プラットフォーム32から翼形部22と同軸に延在するシャンク38と、シャンク38から延在する従来形状の軸方向挿入式ダブテール40も有する。動翼18は、タービン動翼に適した任意の材料から形成し得る。例えば、圧縮機動翼は、グラファイト、グラファイト含有材料、その他の炭素繊維材料の1種以上を含んでいてもよい。
More specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the
また、本発明の実施形態では、ターボ機械の動翼18は、析出硬化性ニッケル基合金(インコネル718)のような超合金又はステンレス鋼などの素材から形成することもできる。
In the embodiment of the present invention, the
ホイール又はディスク20は、その外周44に、動翼ダブテール40と相補的な形状の複数の軸方向スロット42が周方向に離隔して設けられており、そこに、ダブテール40が挿入されて動翼18が取り付けられる。空気46が動翼18及び静翼14を通過するように導かれ、それらによって圧縮される。
The wheel or
タービンロータ及び動翼ディスクアセンブリ12が回転する際に、ホイールスロット42内での部品の運動と併せて圧縮機の動翼ダブテール40とホイール20との接触応力が発生する。こうした接触応力は、動翼ディスクアセンブリ12に高接触応力フレッティング及び磨耗を生じるおそれがある。そこで、本発明の実施形態では、接触面の摩擦係数を低下させそれらの間のフレッティングを低減すべく、コーティングを動翼ディスクアセンブリ12とスロット42の少なくとも一方に施工する。
As the turbine rotor and blade disk assembly 12 rotates, contact stresses between the
好ましくは、コーティング50は、スロット42内の動翼ディスクアセンブリ12の表面に施工されるが、コーティング50をホイールスロット42に設けてもよい。コーティング50は、動翼ディスクアセンブリ12及び/又はスロット42の隣接面の一方又は両方に施工できる。
Preferably, the
しかし、動翼ディスクアセンブリ12又はホイール20を構成する材料(例えば二相ステンレス鋼を含む材料)にコーティングを施工するのは、これらの部品の幾何形状から難しいことがある。例えば、ある種のコーティングは、かかる材料で隙間腐食の問題を起こすことがある。そこで、本発明の実施形態では、コーティング50は、グラファイト系固体薄膜潤滑コーティングを含む。さらに、コーティング50は、動翼ディスクアセンブリ12とホイールスロット42の少なくとも一方に施工することのできる1種以上のグラファイト系ドライフィルム潤滑剤又は金属充填樹脂系を含んでいてもよい。これらのコーティング材料は、本発明の実施形態では、摩擦係数を低下させ、動翼ディスクアセンブリ12とホイールスロット42の間の磨耗を低減するために用いることができる。
However, it may be difficult to apply a coating to the material comprising the blade disk assembly 12 or the wheel 20 (eg, material including duplex stainless steel) due to the geometry of these parts. For example, certain coatings can cause crevice corrosion problems with such materials. Thus, in an embodiment of the present invention, the
コーティング50は、本発明の実施形態では、フレッティング耐性及び隙間腐食耐性の少なくとも一方をもたらす。
The
コーティング50はグラファイト材料を含んでおり、コーティングがグラファイトグリースを含んでいることも本発明の技術的範囲に属する。さらに、コーティング50は、本願発明の実施形態では、モリブデングリースを単独で又は他のグラファイト系固体薄膜潤滑コーティングとの組合せで含んでいてもよい。
The
例えば、本発明の実施形態では、コーティング用の材料としては、特に限定されないが、潤滑剤、ドライ潤滑剤、適当な溶剤に添加した潤滑剤及び結合剤、油溶性スルホン酸界面活性剤/浸潤剤(例えば、HOHMAN PLATING & MFG社のSurfKote(登録商標)LOB−1800−G)、チタン含有潤滑剤(例えば、Tiodize社のAlumazite ZDA)及びこれらの組合せが挙げられる。一般に、コーティングは潤滑剤を含んでおり、所望の材料特性を与える他の成分との組合せることもできる。例えば、ある例示的なコーティング材料は、グラファイトと共にケイ酸塩バインダー及びその他の高温潤滑剤を含んでいてもよい。動翼の用途、動翼の環境及び関連ターボ機械に応じて、他の添加剤が望ましいこともある。 For example, in the embodiment of the present invention, the coating material is not particularly limited, but is a lubricant, a dry lubricant, a lubricant and a binder added to an appropriate solvent, an oil-soluble sulfonic acid surfactant / wetting agent. (E.g., SurfKote (R) LOB-1800-G from HOHMAN PLATING & MFG), titanium-containing lubricants (e.g., Alumazete ZDA from Tiodize) and combinations thereof. Generally, the coating contains a lubricant and can be combined with other ingredients that provide the desired material properties. For example, an exemplary coating material may include a silicate binder and other high temperature lubricants along with graphite. Other additives may be desirable depending on the blade application, blade environment, and associated turbomachinery.
本発明の実施形態では、コーティング50は、好ましくは、ホイールスロット42と接触する動翼18の圧縮機動翼ダブテール40に施工される。ただし、コーティング50は、必要に応じて、ダブテール40及び/又はスロット42のいずれの圧力面に施工してもよい。
In an embodiment of the invention, the
本発明の実施形態では、コーティング50は約0.0005〜約0.002インチの範囲の膜厚で施工される。コーティング50は、ダブテール母金属/基材の磨耗、固着、フレッティングを防止することができる厚さに施工すればよい。
In an embodiment of the invention,
本発明の実施形態では、コーティング50は、適当な塗工法で施工すればよい。塗工法の例としては、塗装、物理気相堆積法、プラズマ励起化学気相堆積法、化学堆積法などの堆積法、エッチング、化学スパッタリングのようなスパッタリング、粉末塗工、大気プラズマ溶射、低温スプレー、電気めっき及びこれらの組合せが挙げられる。
In the embodiment of the present invention, the
従来のターボ機械では、裸の圧縮機動翼が、Cr−Mo−V鋼製のホイールと高い接触応力で押し合って、多くの弊害の中でも、特に過度のフレッティング及び磨耗を招くおそれがあった。こうした過度のフレッティング及び磨耗を、対処せずに放置しておくと、周部品の故障、並びにターボ機械及びガスタービン装置の停止を招くことが判明した。本発明では、動翼ダブテールに設けられたコーティングは、磨耗を低減してターボ機械の部品寿命を延ばすのに効果的である。こうした改良によって、ガスタービン及び/又は圧縮機の信頼性も向上する。また、本発明において、動翼のコーティングは、ターボ機械の手が届き難い領域(例えば動翼を摺動・挿入させるタービンホイールスロットなど)をコーティングすることに比べると、簡単で経済的でしかも信頼性が高い。 In conventional turbomachines, bare compressor blades pressed against a wheel made of Cr-Mo-V steel with high contact stress, and among many adverse effects, there was a risk of excessive fretting and wear in particular. . It has been found that leaving such excessive fretting and wear unaccounted for can lead to peripheral component failure and turbomachine and gas turbine equipment shut down. In the present invention, the coating on the blade dovetail is effective in reducing wear and extending the life of the turbomachine component. Such improvements also improve the reliability of the gas turbine and / or compressor. In addition, in the present invention, the coating of the moving blade is simpler, more economical and more reliable than coating a region that is difficult to reach by the turbomachine (for example, a turbine wheel slot for sliding and inserting the moving blade). High nature.
本発明の実施形態では、コーティングを設けた動翼は、フレッティングの問題に対する解決策を提供し、隙間腐食は起こらなくなる。本発明のコーティング50は、ある種のコーティングを設けると隙間腐食の問題を起こす難点のあるGTD450動翼のような、超合金基材に塗工することができる。コーティングを設けた動翼は、ターボ機械の作動の結果、高い接触応力を生じたとしても、設計通り高い接触応力で作動することができる。また、本発明のコーティングで被覆された部品の故障率は、被覆していないものよりも低くなる。
In embodiments of the present invention, the blade provided with a coating provides a solution to the fretting problem and crevice corrosion does not occur. The
以上、本発明の幾つかの特徴について説明してきたが、当業者には様々な修正及び変更が明らかであろう。したがって、特許請求の範囲は、これらの修正及び変更を本発明の技術的範囲に属するものとして包含する。 While several features of the invention have been described above, various modifications and changes will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the claims encompass these modifications and changes as belonging to the technical scope of the present invention.
Claims (13)
コーティングを準備し、かつ
スロット及びタブテールの少なくとも一方にコーティングを施工する
ことを含んでおり、上記コーティングがグラファイト系固体薄膜潤滑材料を含んでおり、上記ターボ機械が、スロットを有するホイールと、ダブテールを有するバケットとを少なくとも備えており、上記コーティングが、グラファイト系ドライフィルム潤滑剤、金属充填樹脂系、グラファイトとケイ酸塩バインダー、及び高温潤滑添加剤の少なくとも1種を含む、方法。 A turbomachine coating method for providing at least one of crevice corrosion resistance and fretting resistance, the method comprising:
Providing a coating and applying a coating to at least one of the slot and the tab tail, wherein the coating includes a graphite-based solid thin film lubricant material, and the turbomachine includes a slotted wheel and a dovetail. And a coating comprising at least one of a graphite-based dry film lubricant, a metal-filled resin system, graphite and a silicate binder, and a high temperature lubricant additive.
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