JP6793039B2 - ターボ機関の構成部品を液滴侵食から保護する方法、構成部品及びターボ機関 - Google Patents

Description

本明細書に開示された要旨の実施形態は、ターボ機関の構成部品を液滴侵食から保護する方法と、そのような方法によって保護されたターボ機関の構成部品と、そのような構成部品を備えるターボ機関とに関する。

オイル及びガス用途用のターボ機関の分野において、２つのタイプの侵食、すなわち、ＳＰＥと略される固体粒子侵食、及びＬＤＥと略される液滴侵食が、ターボ機関によって処理される作動流体の流れに接触する部分に影響を与える。これら２つのタイプの侵食は、そのような部分の表面に当たる構成要素のちょう度が異なるために、かなり異なっている。そのような部分とは、表面を侵食するとともに衝突後に跳ね返る硬質物体と、表面に打ち付けるとともに衝突後により小さい軟らかい物体に砕かれる軟質物体である。

侵食から保護される部分は、全体として耐侵食性の単一の材料から作られることがあり、より頻繁には、耐侵食性材料で作られた保護層で覆われた部分の機能に特に適するような材料で作られた物体から構成されることがある。

典型的には、固体粒子侵食から保護するために、靱性のある材料を使用し、一方で液滴侵食から保護するために、硬質材料を使用する。

かなり硬い材料は、典型的には打ち付けに十分耐えるほど靱性がないことから、液滴が当たる場合には良い結果を与えない。

オイル及びガス用途用のターボ機関の分野において要求される性能が増加しているために、侵食の問題の解決を含む改善された解決策が常に必要とされている。本発明は液滴侵食を扱う。

欧州特許出願公開第２３１２０１８号明細書

本発明者らは、固体粒子侵食は均一に、すなわち、図１に示されるように侵食速度がほぼ一定に進むと理解している。

本発明者らは、液滴侵食は均一には進まないと理解している。図２に示されているように、基本的には材料損失がない、いわゆる「潜伏期間」である最初の期間Ｐ１があり、材料損失がかなり急速に且つ直線的を超えるように増える中間の期間Ｐ２があり、侵食速度がほぼ一定である最終の期間Ｐ３がある。保護層を使用する場合、保護層の幅に依存して通常は期間Ｐ１及び期間Ｐ２の一部の合計に相当する時間の後に保護層が完全に取り除かれる。図３を参照のこと。

本発明者らは、基材にしっかりと接続された硬質材料の厚く（例えば、数十ミクロン）小型の保護層を認識することが非常に難しいと理解している。通常は、そのような層の厚さは、数ミクロンにしか達しないことがあり、そのため、その侵食の保護の影響は比較的短い。

本発明者らは、高い硬度及び低い破壊靱性を有する異なる材料の複数の副層から構成された保護層を使用することによって驚くべきことに、最初の「潜伏期間」はあるが、その後の侵食が非常にゆっくり且つほぼ直線的に進むことを発見した。図４を参照のこと。その現象の簡単な説明によれば、様々な副層がゆっくりと次々に侵食される。

さらに、各副層は、小型で下の副層にしっかりと接続されている。このため、厚い保護層で物体を覆うことができる。そのような層の厚さは７０ミクロンに達し、このため、その保護効果は比較的長い。

微細な粒子、中程度の粒子、及び大きな粒子による侵食から保護するために高い硬度及び低い靱性を有する異なる材料の複数の副層から構成された保護層を、いくつかのコーティング供給者が最近、市販し始めていることは言及に値する。

とにかく、上述した理由でそのような層が液滴侵食に関する良好な結果をもたらしたであろうことを当業者は期待できていない。

本発明者らは、高い硬度及び低い破壊靱性を有する異なる材料の複数の副層から構成された保護層をターボ機関、特に遠心圧縮機や、特に（ただしこれのみではない）それらの閉じた遠心インペラに使用することを考えた。

そのような層を塗布（してその層の精密な各副層に）するのに使用される好ましい技術は、ＰＶＤと略される物理気相堆積、より具体的には、陰極アークＰＶＤであり、又は、ＣＶＤと略される化学気相堆積である。

閉じた遠心インペラに関して、液滴侵食によって最も影響を受ける流路表面の領域が入口区域及び出口区域であることに留意されたい。すなわち、ＰＶＤは視野方向プロセスであるが、幸いにも、これらの区域について、「ターゲット」が直接的又は間接的に（すなわち、インペラの連続的な回転を通して）見え、且つ覆われ得るように、「ターゲット」を配置し形作ることができる。

第１の例示的な実施形態は、液滴侵食からターボ機関の構成部品を保護する方法に関し、この方法は、ターボ機関によって処理される液相を含む流体の流れに曝される構成部品の表面の少なくとも一部の領域を保護層で覆うことを含み、保護層は、異なる材料の複数の隣接した副層を備え、それらの材料は、１０００〜３０００ＨＶの範囲の高い硬度と、２０ＭＰａｍ^1/2未満の低い破壊靱性とを有している。

それらの材料は２つであり、交互に配置されている。

それらの２つの材料のうちの第１の材料は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、又はバナジウムの化学量論的窒化物、炭化物又はホウ化物である。

それらの２つの材料のうちの第２の材料は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、又はバナジウムの非化学量論的窒化物、炭化物又はホウ化物である。第２の例示的な実施形態は、遠心圧縮機によって圧縮される液相を含む流体の流れに曝される表面を有した遠心圧縮機の構成部品に関し、その表面の少なくとも一部の領域が保護層で覆われ、保護層は、交互に位置する２つの材料の複数の隣接する副層を備え、それらの材料は、１０００〜３０００ＨＶの範囲の高い硬度と、２０ＭＰａｍ^1/2未満の低い破壊靱性とを有している。

第３の例示的な実施形態は、上述したような少なくとも１つの構成部品を備えるターボ機関に関し、上述した方法が適用されている。

本発明は、添付の図面と共に検討される例示的な実施形態についての以下の説明から、より明らかになるであろう。

バルク材料に関して、固体粒子侵食による材料損失の時間に対するプロットを示す図である。 バルク材料に関して、液滴侵食による材料損失の時間に対するプロットを示す図である。 単一の材料の層に関して、液滴侵食による材料損失の時間に対するプロットを示す図である。 本発明の実施形態による複数の副層で作られた層に関して、液滴侵食による材料損失の時間に対するプロットを示す図である。 ターボ機関の構成部品の表面を覆う本発明による層の実施形態の模式的な断面図である。 本発明による閉じた遠心インペラの実施形態の模式的な断面図である。 本発明によるダイアフラムの模式的な断面図である（遠心インペラも示されている）。 本発明による閉じた遠心インペラの実施形態を作製するための第１の可能な陰極アークＰＶＤ工程を模式的に示す図である。 本発明による閉じた遠心インペラの実施形態を作製するための第２の可能な陰極アークＰＶＤ工程を模式的に示す図である。

例示的な実施形態の後続する詳細な説明は、添付の図面に言及する。異なる図面における同じ参照番号は、同一又は同様の構成要素と同一視する。後続する詳細な説明は本発明を限定しない。その代わり、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

本明細書を通しての言及「１つの実施形態」又は「ある実施形態」は、ある実施形態に関連して記述される特定の特徴、構造、又は特性が、開示された主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な個所で現れるフレーズ「１つの実施形態」又は「ある実施形態」は、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、又は特性は、１つ又は複数の実施形態において適当な方法で組み合わされてもよい。

図５は、ターボ機関の構成部品の表面を覆う本発明による層の実施形態の模式的な断面を示している。この図において、符号Ｓは基材、すなわち、構成部品の本体に相当し、実質的に同じ幅を有し保護層を構成する４つの重ねられた副層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４がある。

副層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は異なる材料からなり、それらの材料の全ては、１０００〜３０００ＨＶの範囲の高い硬度と、２０ＭＰａｍ^1/2未満の低い破壊靱性とを有している。

副層の材料は、１つ以上の基材の窒化物、炭化物、及びホウ化物（好ましくは、窒化物及び炭化物）からなる群から選択され、これらの基材は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、及びバナジウム（好ましくは、チタン、クロム、タングステン、及びアルミニウム）からなる群から選択される。

典型的には、保護層は、交互に位置する２つの材料の複数の隣接する副層を備えており、２つの材料のうちの第１の材料及び２つの材料のうちの第２の材料は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、又はバナジウムの窒化物、炭化物、又はホウ化物であり、そのような材料の例は、ＴｉＮ及びＴｉＡｌＮである。図５を参照すると、例えば、副層Ｌ１及びＬ３が第１の材料で作られ、副層Ｌ２及びＬ４が第２の材料で作られている。

図５の実施形態では、副層Ｌ１及びＬ３が化学量論的組成物の化合物（特にＴｉＮ）から作られ、副層Ｌ２及びＬ４が非化学量論的組成物の同じ化合物（特にＴｉＮ）から作られており、これらの２つの材料は、わずかに異なる高い硬度と、わずかに異なる低い靱性とを有している。これらの副層は、非化学量論的組成物による低い靱性と、化学量論的組成物による高い硬度とを有する保護を生じる。

そのような副層の幅は、異なっていても、実質的に等しくてもよく、０．１ミクロンから５．０ミクロンの範囲、好ましくは０．３ミクロンから３．０ミクロンの範囲であり、異なっている場合には、一方が例えば０．５ミクロンで他方が例えば２．０又は２．５ミクロンである。

副層の合計の数は、最小の２から最大の３０まで変わることがあり、より典型的な値は５〜１０の範囲である。

保護層の合計の幅は、最小の１０ミクロンから最大の７０ミクロンまで変わることがあり、より典型的な値は１５〜３０ミクロンの範囲である。

本発明による構成部品を覆うことを実現するための非常に効果的な第１の方法は、ＣＶＤと略される「化学気相堆積」として知られる技術によるものである。

本発明による構成部品を覆うことを実現するための非常に効果的な第２の方法は、ＰＶＤと略される「物理気相堆積」、より具体的には陰極アークＰＶＤとして知られる技術によるものである。

知られているように、陰極アークＰＶＤ技術は、覆われる部分の上の堆積を実現するために「ターゲット」を使用し、典型的には、その「ターゲット」は、堆積によって覆われる部分の領域を少なくともそのターゲットが直接見るように、配置される、及び／又は形作られる。

本発明によれば、ターゲットの位置及び形をたとえ適切に検討したとしても、覆われる構成部品の表面の領域のいくらかに到達が難しいことがあるので、ＰＶＤ処理中の構成部品の回転は、到達が困難な領域に有利に使用することができ（これは、以下においてより明らかになるであろう）、この意味で、堆積によって覆われる部分の領域を少なくともそのターゲットが間接的に見るように、その「ターゲット」が配置される、及び／又は形作られると言うことができる。

第１の副層、すなわち、基材（図５のＳ）に結合された副層（図５のＬ１）は、基材への層の接着を最適化するために他の副層と全く異なるようにしなければならない。例えば、第１の副層は、ＥＮＰと略される無電解ニッケルめっき又は電解めっきによって作られる厚いニッケル「ストライク」でもよい。

本発明による層は、ターボ機関の任意の部分、例えば、遠心圧縮機、軸流式圧縮機、及びスチームタービンの、液滴の衝突に曝される選択された部分に塗布することができ、圧縮機の場合では、液滴は最初の段階で起こりやすく、スチームタービンの場合では、液滴は最終の段階で起こりやすい。

本発明による保護層が最も役立つ用途の１つは、遠心圧縮機である。

遠心圧縮機では、それらの少なくともいくつか（液滴から構成され得る及び／又は液滴に戻り得る水を作動流体が含むもの）において、本発明による保護層で全体的に、又は、より頻繁には部分的に覆うことができる多くの構成部品がある。

遠心圧縮機の構成部品は、インペラと、液相を含む流体の流れに曝されるとともに保護層によって覆われる表面とであってもよく、流路の全内表面に相当してもよい。閉じたインペラ（すなわち、単一の部品として実現されるもの）の場合、液相を含む流体の流れに曝されるとともに保護層によって覆われる表面は、流路の入口区域のみの表面及び／又は流路の出口区域のみの表面、より詳細には、ブレードの表面に相当する。図６は、閉じた遠心インペラ６０（単一の部品として実現されるもの）と、２つのその流路６１及び６２とを示しており、点６３、６４及び６５は入口区域に属するとともに点６６、６７及び６８は出口区域に属し、点６３及び６７はハブ上にあり、点６４及び６８はブレード上にあり、点６５及び６６は側板上にあり、点６３は、図５がこの点の拡大図であることを強調するために円として示されており、これらの点６３、６４、６５、６６、６７及び６８は、本発明によるＬＤＥ保護を有することが特に有利である例示的な点であり、この場合、基材Ｓ、すなわちインペラの本体は、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼又はニッケルベースの合金又はコバルトベースの合金で作られてもよい。

第１のインペラが通常、ＬＤＥによって最も影響を受ける圧縮機の構成部品であることに留意されたい。

遠心圧縮機の構成部品はダイアフラムであってもよく、この場合、液相を含む流体の流れに曝されるとともに保護層によって覆われる表面は、戻り流路の全内表面に相当し得る。図７は、図６のインペラ６０に連結されたダイアフラム７０（例えばナット及びボルトによって互いに固定される複数の部品として実現されるもの）と、戻り流路７１とを示し、点７３、７４、７５及び７６は、本発明によるＬＤＥ保護を有することが特に有利である例示的な点であり、点７３は、戻り流路７１の最初のＵ字形状の部分の最初の部分の外表面上にあり、点７４は、戻り流路７１の最初のＵ字形状の部分の中間の部分の外表面上にあり（この点は、いわゆる「カウンターケース」上に位置する）、点７５及び７６はそれぞれ、戻り流路７１のブレード上の始めと終わりとにある。

遠心圧縮機の構成部品は、ＩＧＶと略される入口ガイドベーン（すなわち、第１の圧縮段階の上流に位置する構成部品）であってもよく、この場合、液相を含む流体の流れに曝されるとともに保護層によって覆われる表面は、構成部品の全表面に相当し得る。この構成部品は、いずれの図にも示されていない。

製造コストを低減するために、本発明に従って覆うことは構成部品のいくつかの部分（ＬＤＥによってより影響を受ける部分）上のみ、例えば、ダイアフラムの戻り流路のブレード、又は、ＩＧＶのベーン上で行えることに留意されたい。

本発明による保護層が硬く壊れやすいことを覚えておくことが重要である。このため、例えば、そのような保護層を有する２つの部品が互いに接触し互いに固定されると、それらの保護層は圧縮されないことが有利であり得、この場合、接触する領域の少なくとも一方、好ましくは両方は、そのような保護層がない。

図８は、本発明による閉じた遠心インペラ６０の実施形態を製造するための第１の可能な陰極アークＰＶＤ工程、より具体的には覆う工程をかなり模式的に示している。

図８では、閉じたインペラ６０は水平に配置されている。

開いたインペラの場合、開いた側が下を向くようにインペラを置くことが有利であり、一般的に、覆われる任意の表面がＰＶＴ又はＣＶＤ処理中に下を向いていることが有利である。

多くの「ターゲット」の２つをＴ１及びＴ２と名付け、覆う工程の間、インペラ６０をその対称軸の周りに回転させる。

図８では、構成部品上に最終的に堆積する、構成部品に向かう材料の流れを矢印が示している。その材料は、インペラ６０の流路内に流入し、流路の出口区域を覆う。流路の出口領域を覆うことを改善するために、インペラ６０を、第１の回転方向（図８Ａ）に従って、次いで第２の回転方向（図８Ｂ）に従って回転させる。この回転によって、ターゲットＴ１及びＴ２が直接には見ない流路の内表面の領域も覆うことができる。

図９は、本発明による閉じた遠心インペラ６０の実施形態を作製するための第２の可能な陰極アークＰＶＤ工程、より具体的には覆う工程をかなり模式的に示している。

図９では、閉じたインペラ６０が鉛直に配置され、このため、第２の閉じたインペラ９０を配置することができ、覆う工程の間、閉じたインペラ６０及び閉じたインペラ９０を両方とも、それらの対称軸に垂直な軸の周りに回転させる。

多くの「ターゲット」のうち６つを、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５及びＴ６と名付ける。

図９では、両方の構成部品上に最終的に堆積する、構成部品に向かう材料の流れを矢印が示している。その材料は、インペラ６０及び９０の流路内に流入し、流路の入口区域を覆う。流路の入口領域を覆うことを改善するために、インペラ６０及び９０を、第１の回転方向（図９Ａ）に従って、次いで第２の回転方向（図９Ｂ）に従って回転させる。この回転によって、ターゲットＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５及びＴ６が直接には見ない流路の内表面の領域も覆うことができる。

６０ インペラ（構成部品）
６１、６２ 流路
７０ ダイアフラム（構成部品）
７１ 流路
９０ インペラ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ 副層
Ｓ 基材
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６ ターゲット

Claims (15)

1. ターボ機関の構成部品を液滴侵食から保護する方法であって、
   前記ターボ機関によって処理される液相を含む流体の流れに曝される構成部品の表面の少なくとも一部の領域（Ｓ）を保護層で覆うことを含み、前記保護層は、交互に位置する２つの材料の複数の隣接した副層（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）を備え、
   前記材料は、１０００〜３０００ＨＶの範囲の高い硬度と、２０ＭＰａｍ^１／２未満の低い破壊靱性とを有し、
   前記２つの材料のうちの第１の材料は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、又はバナジウムの化学量論的窒化物、炭化物又はホウ化物であり、前記２つの材料のうちの第２ の材料は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、又はバナジウムの非化学量論的窒化物、炭化物又はホウ化物である方法。
2. 前記材料は窒化チタン（ＴｉＮ）である、請求項１に記載の方法。
3. 前記覆うことはＣＶＤ技術によって行われる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記覆うことはＰＶＤ技術、特に陰極アークＰＶＤによって行われる、請求項１又は２に記載の方法。
5. 前記陰極アークＰＶＤの「ターゲット」（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６）は、覆われる前記構成部品の表面の少なくとも一部の領域の部分を少なくとも前記ターゲットが直接的に又は間接的に見るように配置される、及び／又は形作られる、請求項４に記載の方法。
6. 遠心圧縮機によって圧縮される液相を含む流体の流れに曝される表面を有する、前記遠心圧縮機の構成部品（６０、７０）であって、
   前記表面の少なくとも一部の領域（Ｓ）は保護層で覆われ、前記保護層は、交互に位置する２つの材料の複数の隣接する副層（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）を備え、前記材料は、１０００〜３０００ＨＶの範囲の高い硬度と、２０ＭＰａｍ^１／２未満の低い破壊靱性とを有する構成部品。
7. 流体の流れに曝される前記表面が前記保護層によって全体的に覆われているダイアフラム（７０）である、請求項６に記載の構成部品。
8. 流体の流れに曝される前記表面が前記保護層によって全体的に覆われている開いたインペラである、請求項６に記載の構成部品。
9. 流体の流れに曝される前記表面が前記保護層によって流路の入口区域及び／又は流路の出口区域のみにおいて覆われている閉じたインペラ（６０）である、請求項６に記載の構成部品。
10. 流体の流れに曝される前記表面が前記保護層によって全体的に覆われている入口ガイドベーンである、請求項６に記載の構成部品。
11. 請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つの構成部品を備える遠心圧縮機。
12. 請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の構成部品の組み合わせを備える、請求項１１に記載の遠心圧縮機。
13. 前記構成部品又は各構成部品のバルク材料（Ｓ）はマルテンサイト系ステンレス鋼又はニッケルベースの合金又はコバルトベースの合金である、請求項１１又は１２に記載の遠心圧縮機。
14. 第１の段階又は複数の段階の少なくともブレードが保護層を有する軸流式圧縮機であって、
    前記保護層は、交互に位置する２つの材料の複数の隣接した副層（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）を備え、
    前記材料は、１０００〜３０００ＨＶの範囲の高い硬度と、２０ＭＰａｍ ^１／２ 未満の低い破壊靱性とを有し、
    前記２つの材料のうちの第１の材料は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、又はバナジウムの化学量論的窒化物、炭化物又はホウ化物であり、前記２つの材料のうちの第２の材料は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、又はバナジウムの非化学量論的窒化物、炭化物又はホウ化物である軸流式圧縮機。
15. 第１の段階又は複数の段階の少なくともブレードが保護層を有するスチームタービンであって、
    前記保護層は、交互に位置する２つの材料の複数の隣接した副層（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）を備え、
    前記材料は、１０００〜３０００ＨＶの範囲の高い硬度と、２０ＭＰａｍ ^１／２ 未満の低い破壊靱性とを有し、
    前記２つの材料のうちの第１の材料は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、又はバナジウムの化学量論的窒化物、炭化物又はホウ化物であり、前記２つの材料のうちの第２の材料は、チタン、ジルコニウム、クロム、タングステン、アルミニウム、又はバナジウムの非化学量論的窒化物、炭化物又はホウ化物であるスチームタービン。