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特許7562634タービン構成要素の冷却機構の改善されたコーティングのための保護シールド
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-27
(45)【発行日】2024-10-07
(54)【発明の名称】タービン構成要素の冷却機構の改善されたコーティングのための保護シールド
(51)【国際特許分類】
F01D 5/28 20060101AFI20240930BHJP
F01D 5/18 20060101ALI20240930BHJP
F01D 9/02 20060101ALI20240930BHJP
B23P 15/02 20060101ALI20240930BHJP
B23P 15/04 20060101ALI20240930BHJP
B33Y 80/00 20150101ALI20240930BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20240930BHJP
B33Y 40/20 20200101ALI20240930BHJP
B22F 10/60 20210101ALI20240930BHJP
B22F 10/00 20210101ALI20240930BHJP
【ＦＩ】
F01D5/28
F01D5/18
F01D9/02 102
B23P15/02
B23P15/04
B33Y80/00
B33Y10/00
B33Y40/20
B22F10/60
B22F10/00
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022505372
(86)(22)【出願日】2020-08-10
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-10-17
(86)【国際出願番号】 US2020045585
(87)【国際公開番号】W WO2021030249
(87)【国際公開日】2021-02-18
【審査請求日】2023-08-01
(31)【優先権主張番号】16/539,803
(32)【優先日】2019-08-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】515322297
【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ８， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(74)【代理人】
【識別番号】100129779
【弁理士】
【氏名又は名称】黒川 俊久
(74)【代理人】
【識別番号】100151286
【弁理士】
【氏名又は名称】澤木 亮一
(72)【発明者】
【氏名】ダイソン、トーマス アール
(72)【発明者】
【氏名】キブラー、リンジー マリー
(72)【発明者】
【氏名】リアリー、ブレンドン ジェームズ
(72)【発明者】
【氏名】ブッチ、デイヴィッド ヴィンセント
【審査官】高吉 統久
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－１０８５８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０２３４５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／００５２２００（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００１０４８４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０４－２３６７５７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２２Ｆ １０／００
Ｂ２２Ｆ １０／６０
Ｂ２３Ｐ １５／０２
Ｂ２３Ｐ １５／０４
Ｂ３３Ｙ １０／００
Ｂ３３Ｙ ４０／２０
Ｂ３３Ｙ ８０／００
Ｃ２３Ｃ ４／００－ ６／００
Ｆ０１Ｄ ５／１８
Ｆ０１Ｄ ５／２８
Ｆ０１Ｄ ９／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
タービンエンジンの構成要素（１２０）上にコーティング（１３６）を堆積させる方法（２００）であって、当該方法が、
前記タービン構成要素（１２０）の表面（１０４）の開口部（１０６）と流体連通する少なくとも１つの冷却流路（１０８）を含む前記タービン構成要素（１２０）を形成するステップ（２０２）と、
前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）の内面（１３２）にあり、前記開口部（１０６）を介して前記タービン構成要素（１２０）の外部に延びる保護シールド（１１２）を形成するステップ（２０２）であって、前記保護シールド（１１２）が、前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）の内面（１３２）と直接接触する１つ又は複数の連結スパー（１２６）と、前記１つ又は複数の連結スパー（１２６）に結合したステム（１２８）と、前記１つ又は複数の連結スパー（１２６）から遠位側の前記ステム（１２８）の端部から延びるキャップ（１３０）であって、前記タービン構成要素（１２０）の表面を越えて前記開口部（１０６）の上方に配置されるキャップ（１３０）とを含んでいる、ステップと、
前記コーティング（１３６）を前記タービン構成要素（１２０）の外面に堆積させるステップ（２０４）であって、前記保護シールド（１１２）が、前記コーティング（１３６）が前記開口部（１０６）を介して前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）内に堆積するのを阻止するように構成される、ステップ（２０４）と、
前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）内の冷却流体流（１１０）の通過をもたらすために前記保護シールド（１１２）の少なくとも一部を除去するステップ（２０８）であって、前記冷却流体流（１１０）が、前記開口部（１０６）を通って前記タービン構成要素（１２０）を出る、ステップ（２０８）と
を含む、方法（２００）。
【請求項2】
前記保護シールド（１１２）が、付加製造プロセスを介して、前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）の前記内面（１３２）と一体的に形成される、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項3】
前記タービン構成要素（１２０）及び前記保護シールド（１１２）が別々に形成され、前記保護シールド（１１２）が前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）内にその後配置される、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項4】
前記保護シールド（１１２）の少なくとも一部を除去するステップ（２０８）が、前記ステム（１２８）及び前記キャップ（１３０）を前記タービン構成要素（１２０）から除去するステップを含み、前記少なくとも１つの連結スパー（１２６）が、前記冷却流路（１０８）の前記内面（１３２）に残る、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項5】
前記保護シールド（１１２）の少なくとも一部を除去するステップ（２０８）が、前記ステム（１２８）及び前記少なくとも１つの連結スパー（１２６）を除去するステップを含み、前記キャップ（１３０）が、前記開口部（１０６）から出る前記冷却流体流（１１０）の偏向を提供する、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項6】
前記タービン構成要素（１２０）の外面にコーティング（１３６）を堆積させるステップ（２０４）が、ボンドコート、遮熱コーティング（ＴＢＣ）、及び耐環境コーティング（ＥＢＣ）のうちの１つ又は複数を堆積させるステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項7】
タービン構成要素（１２０）を形成するステップ（２０２）が、ブレード、バケット、シュラウド、ノズル、ベーン、トランジションピース、ライナ、燃焼器、又は流路と流体連通する少なくとも１つの開口部を有する構成要素のうちの１つを形成するステップを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項8】
タービン構成要素（１２０）であって、当該タービン構成要素（１２０）が、
内面（１３２）を有し、冷却流体流（１１０）が通過する流路を画定する少なくとも１つの冷却流路（１０８）と、
前記構成要素（１２０）の表面（１０４）に形成され、前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）と流体連通する少なくとも１つの開口部（１０６）と、
前記開口部（１０６）を出る冷却流体流（１１０）の偏向を提供するように、前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）の前記内面（１３２）及び前記タービン構成要素（１２０）の外面の一方の上にある保護シールド（１１２）の部分と、
前記タービン構成要素（１２０）の外面に堆積されたコーティング（１３６）と
を備えており、前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）内の冷却流体流（１１０）が、前記開口部（１０６）を通って前記タービン構成要素（１２０）から排出され、前記保護シールド（１１２）の前記部分が、前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）の内面（１３２）と一体的に形成され、前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）の長さＬ Ｐ に延びる少なくとも１つの連結スパー（１２６）であり、長さＬ Ｐ が、前記少なくとも１つの冷却流路（１０８）の全長Ｌ Ｔ よりも小さく、キャップ（１３０）が前記タービン構成要素（１２０）の外面に配置され、前記開口部（１０６）を出る前記冷却流体流（１１０）の偏向を提供するように構成される、タービン構成要素（１２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、タービン構成要素のコーティングプロセスおよびタービン構成要素に関する。より具体的には、本発明は、保護シールドの使用を含むタービン構成要素のコーティングプロセス、および保護シールドを利用するコーティングの塗布を含むタービン構成要素に関する。
【背景技術】
【0002】
タービン構成要素は、最大の動作効率を提供するために高温で運転されることが多い。しかしながら、タービンが運転可能な温度は、個々のタービン構成要素の温度性能によって制限される場合がある。タービン構成要素の温度性能を高めるために、様々な方法が開発されてきた。タービン構成要素の温度性能を高めるための１つの方法には、タービンエンジンの動作中に冷却空気を強制的に流す内部冷却孔を組み込むことが含まれる。冷却空気が高温側の冷却孔出口を通って構成要素壁の冷却器側から供給されると、突入する空気が高温金属表面の温度を低下させるのを助ける。
【0003】
タービン構成要素の温度性能を高めるための別の技術には、ボンドコートおよび遮熱コーティング（ＴＢＣ）などのコーティングの塗布が含まれる。多くの場合、タービン構成要素は、冷却孔と、構成要素の表面上に塗布された様々なコーティングとの両方を含む。典型的には、コーティングの（再）塗布の前に、冷却孔が構成要素中に形成または修正（例えば、修復）される場合、コーティングの前に冷却孔がマスキングされるか、または塗布後にコーティングが冷却孔から除去される。特に、従来の方法は、裸金属に穿孔され、次いでＴＢＣでコーティングされる冷却孔を提供する。多くの場合、これらの孔は、ＴＢＣによる部分的な充填および孔の所望の形状に対する変化によって引き起こされる性能不良という問題がある。さらに、孔へのＴＢＣの塗布のばらつきは、予測不可能な性能を引き起こす可能性がある。あるいは、コーティングを最初に塗布し、次いで冷却孔を穿孔してもよい。しかしながら、これは、孔を形成し得るようにコーティングを除去するために追加の製造工程を必要とする場合がある。結果的に得られる部分は、後縁などの重要な領域においてＴＢＣ保護を一部欠く可能性がある。
【0004】
したがって、当技術分野では、改善されたタービン構成要素のコーティングプロセスが望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／１０１５３９（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【0006】
本開示の態様および利点は、以下の説明において後述され、または説明から自明であってよく、または本開示の実施を通じて理解することができる。
【0007】
一実施形態によれば、タービンエンジンの構成要素上にコーティングを堆積させる方法が開示される。本方法は、タービン構成要素の表面上に開口部と流体連通する少なくとも１つの冷却流路を含むタービン構成要素を形成するステップと、少なくとも１つの冷却流路の内面に保護シールドを形成し、開口部を介してタービン構成要素の外部に延ばすステップと、タービン構成要素の外面にコーティングを堆積させるステップであって、保護シールドは、コーティングが開口部を介して少なくとも１つの冷却流路に堆積するのを阻止するように構成される、ステップとを含む。最後に、保護シールドの少なくとも一部が、少なくとも１つの冷却流路内の冷却流体流の通過を提供するために除去され、冷却流体流は、開口部を通ってタービン構成要素を出る。
【0008】
別の実施形態によれば、タービンエンジンの構成要素上にコーティングを堆積させる方法が開示される。本方法は、付加製造プロセスによって、タービン構成要素の表面の開口部と流体連通する少なくとも１つの冷却流路と、少なくとも１つの冷却流路の内面に結合され、開口部を介してタービン構成要素の外部に延びる保護シールドとを含むタービン構成要素を形成するステップを含む。次いで、コーティングがタービン構成要素の外面に堆積され、保護シールドは、コーティングが少なくとも１つの冷却流路に堆積するのを阻止する。最後に、保護シールドの少なくとも一部が、少なくとも１つの冷却流路内の冷却流体流の通過を提供するために除去され、冷却流体流は、開口部を通ってタービン構成要素を出る。
【0009】
さらに別の実施形態では、タービン構成要素が開示される。タービン構成要素は、内面を有し、冷却流体流の通過のための流路を画定する少なくとも１つの冷却流路と、少なくとも１つの冷却流路の内面およびタービン構成要素の外面のうちの少なくとも一方の上にあり、開口部を出る冷却流体流およびタービン構成要素の外面に堆積されたコーティングの偏向を提供するような保護シールドとを含む。少なくとも１つの開口部は、構成要素の表面に形成され、少なくとも１つの冷却流路と流体連通する。少なくとも１つの冷却流路内の冷却流体流は、開口部を通ってタービン構成要素を出る。
【0010】
本発明の他の特徴および利点は、以下の好ましい実施形態のさらに詳細な説明を、本発明の原理を例として示している添付の図面と併せて検討することにより、明らかになるであろう。本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することにより、よりよく理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部を構成し、本開示の実施形態を示し、説明と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
【0011】
当業者にとって、本開示の最良の態様を含む本開示の充分かつ本開示を実施可能にする開示が、添付の図面の参照を含む本明細書の残りの部分において、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本明細書に提示される１つまたは複数の実施形態による、タービン構成要素の斜視図である。
【図2】本明細書に提示される１つまたは複数の実施形態による、タービン構成要素のコーティングプロセスの流れ図である。
【図3】本明細書に提示される１つまたは複数の実施形態による、保護シールドを含むタービン構成要素、特にタービンブレードの後縁の概略断面図である。
【図5】本明細書に提示される１つまたは複数の実施形態による、保護シールドを含むタービン構成要素の別の実施形態の概略図である。
【図6】本明細書に提示される１つまたは複数の実施形態による、保護シールドを含むタービン構成要素、特にタービンブレードの後縁の別の実施形態の概略断面図である。
【図8】本明細書に提示される１つまたは複数の実施形態による、複数の保護シールドを含むタービン構成要素の概略断面図である。
【図9】本明細書に提示される１つまたは複数の実施形態による、複数の保護シールドを含むタービン構成要素の別の実施形態の概略断面図である。
【図10】本明細書に提示される１つまたは複数の実施形態による、保護シールドを含むタービン構成要素の別の実施形態の概略断面図である。
【図11】本明細書に提示される１つまたは複数の実施形態による、保護シールドを含むタービン構成要素の別の実施形態の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
可能な限り、対応する参照符号は、同一部分を表すために図面のいくつかの図を通して使用される。
【0014】
以下、本開示の１つまたは複数の具体的な実施形態について説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努めているが、実際の実装形態のすべての特徴を本明細書中で記載しきれない場合がある。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実際の実装形態の開発においては、開発者の特定の目的、例えば実装形態ごとに異なり得るシステム関連および事業関連の制約条件への対応を達成するために、実装形態に特有の決定を数多くしなければならないことが理解されるべきである。さらに、そのような開発の努力が、複雑かつ時間を必要とするものであり得るが、それでもなお本開示の恩恵を被る当業者にとって設計、作製、および製造の日常的な取り組みにすぎないと考えられることを理解すべきである。
【0015】
さらに、発明を実施するための形態において識別されるすべての数値は、正確な値および近似の値の両方が明確に識別されているかのように解釈されるべきである。本発明の種々の実施形態の要素を紹介するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つまたは複数存在することを意味するように意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包含的であるように意図され、列挙された要素以外のさらなる要素が存在し得ることを意味する。
【0016】
タービン構成要素のコーティングプロセスおよびタービン構成要素が提供される。本開示の実施形態は、本明細書に開示された特徴の１つまたは複数を使用しない物品および方法と比較して、コーティング堆積効率を高め、コーティング有効性を高め、コーティング特異性を高め、開口部内のコーティングの蓄積を減らし、プロセス後の孔の清掃を減らし、またはそれらの組み合わせを行う。
【0017】
図１に示すように、一実施形態では、構成要素１００は、少なくとも１つの冷却流路（本明細書で説明する）に流体接続された少なくとも１つの開口部１０６を備えた表面１０４を有する基板１０２を含む。いくつかの実施形態では、構成要素１００がタービンエンジンのタービン構成要素を含む場合、少なくとも１つの開口部１０６は冷却孔を含んでもよく、少なくとも１つの冷却流路は冷却チャネルを含んでもよい。冷却流路および少なくとも１つの開口部１０６の各々は、断面形状を含んでもよく、断面形状は、一定の断面形状、変化する断面形状、ディフューザ状断面形状、円筒形断面形状、非円筒形断面形状、楕円形断面形状、山形形状、収束形状、発散形状、および／もしくは任意の他の適切な形状、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。冷却流路および少なくとも１つの開口部１０６は、様々な他の可変構成をさらに含んでもよい。例えば、少なくとも１つの開口部１０６および冷却流路は、約５°～約１７５°などの様々な半径方向角度および約５°～約９０°の表面１０４に対する軸方向角度で表面１０４に入る中心線から形成されてもよく、その変形例が図１０に示されている。いくつかの実施形態では、そのような中心線は、半径方向角度および軸方向角度の両方を含む複合角度にあってもよい。
【0018】
開示された実施形態に適した構成要素１００は、例えば、ブレード、バケット、シュラウド、ノズル、ベーン、トランジションピース、ライナ、燃焼器、冷却孔などの開口部を有する他のタービン構成要素、またはそれらの組み合わせを含む。タービン構成要素１００は、例えば、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、ガンマプライム超合金、ステンレス鋼、またはそれらの組み合わせを含む、高温耐酸化かつ耐腐食性材料から製造することができる。いくつかの実施形態では、タービン構成要素は、表面１０４の上に塗布されたコーティング（本明細書で説明する）を含んでもよい。コーティングは、単層でも、２層以上でも、複数層でもよい。適切なコーティングは、ボンドコート、遮熱コーティング（ＴＢＣ）、耐環境コーティング（ＥＢＣ）、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
【0019】
図２を参照すると、タービン構成要素のコーティングプロセス２００が示されており、一般に、ステップ２０２において、開口部１０６（図１）などの１つまたは複数の開口部に近接して配置された１つまたは複数の保護シールド（本明細書で説明する）を含むタービン構成要素１００（図１）などのタービン構成要素を形成することを含む。１つまたは複数の保護シールドの各々は、少なくとも１つの開口部１０６内のコーティングの堆積を排除しないにしても最小限に抑えるために、少なくとも１つの開口部１０６を少なくとも部分的に覆うように構成される。次いで、タービン構成要素のコーティングプロセス２００は、一般に、ステップ２０４において、ＴＢＣコーティング層などのコーティング層を塗布することを含む。タービン構成要素のコーティングプロセス２００は、一般に、ステップ２０４において、１つまたは複数の保護シールド上、かつタービン構成要素表面１０４（図１）上にコーティング（本明細書で説明する）を塗布することを含む。ステップ２０４においてコーティングを塗布した後、任意選択のステップ２０６において、第２の任意選択のコーティングを以前に堆積したコーティング上に塗布してもよい。追加のコーティングを塗布して、構成要素１００の表面１０４上に所望のコーティング組成および／または厚さを形成することができる。所望のコーティング組成および／または厚さの堆積に続いて、ステップ２０８において、１つまたは複数の保護シールドの一部を任意選択で除去してもよい。
【0020】
具体的には、１つまたは複数の保護シールドを含むようにタービン構成要素１００を形成する組み合わせは、少なくとも１つの開口部１０６内、したがって少なくとも１つの冷却流路内のコーティング層（複数可）の堆積を低減または排除することができ、その一方で、より労力のかからないコーティングプロセスをさらに容易にする。ここで、個々のタービン構成要素、コーティングプロセスステップ、保護シールド、およびコーティング材料の実施形態をより詳細に説明する。
【0021】
ここで図３～図７を参照すると、図１の構成要素１００とほぼ同様のタービン構成要素１２０の実施形態が示されている。上述したように、タービン構成要素１２０は、例えば、ブレード、バケット、シュラウド、ノズル、ベーン、トランジションピース、ライナ、燃焼器、冷却孔などの開口部を有する他の構成要素、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。この特定の実施形態では、タービン構成要素１２０は、翼形部と呼ばれることもあるタービンブレード１２２である。図３～図７において、タービンブレード１２２の後縁１２４が特に重要である。図示するように、タービンブレード１２２は、冷却流路１０８および冷却流体流１１０と流体連通する少なくとも１つの開口部１０６を含む。少なくとも１つの開口部１０６（例えば、冷却孔）は、様々な構成を含むことができる。例えば、少なくとも１つの開口部１０６は、断面形状を含んでもよく、断面形状は、一定の断面形状、変化する断面形状、ディフューザ状断面形状（図１０に図示する）、円形断面形状、楕円形断面形状、山形形状、収束形状、発散形状、および／もしくは任意の他の適切な形状、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。この特定の実施形態では、少なくとも１つの開口部１０６は吐出孔として構成される。
【0022】
一実施形態では、初期タービン構成要素１２０を構築し、少なくとも１つの開口部１０６および少なくとも１つの冷却流路１０８を含める間、少なくとも１つの保護シールド１１２が、少なくとも１つの開口部１０６および少なくとも１つの冷却流路１０８と一体的に形成されてもよい。あるいは、少なくとも１つの保護シールド１１２は、タービン構成要素１２０の製造後に、少なくとも１つの開口部１０６および少なくとも１つの冷却流路１０８に近接して配置されてもよい。
【0023】
この特定の実施形態では、タービン構成要素１２０は、周知の付加製造技術によって形成される。製造時に、少なくとも１つの保護シールド１１２は、コーティング堆積中に少なくとも１つの冷却流路１０８の遮蔽を提供するように形成される。少なくとも１つの保護シールド１１２は、一般に、１つまたは複数の連結スパー１２６と、ステム１２８と、キャップ１３０とから構成される。一実施形態では、１つまたは複数の連結スパー１２６、ステム１２８、およびキャップ１３０は、一体的に形成されてもよい。代替の実施形態では、１つまたは複数の連結スパー１２６、ステム１２８およびキャップ１３０は、個々の構成要素として形成されてもよい。少なくとも１つの保護シールド１１２、特に１つまたは複数の連結スパー１２６は、少なくとも１つの冷却流路１０８の各々を画定するボア１３４の内面１３２に結合されてもよい。
【0024】
少なくとも１つの保護シールド１１２は、少なくとも１つの開口部１０６を少なくとも部分的に覆う任意の方式で、タービン構成要素１２０に対して構成されてもよく、またはタービン構成要素１２０に対して位置決めされてもよい。例えば、少なくとも１つの保護シールド１１２は、少なくとも１つの開口部１０６よりもわずかに低いレベル、同じレベル、もしくは実質的に同じレベルに形成されてもよく、または少なくとも１つの開口部１０６よりも上方に延びる突起を形成してもよい。一実施形態では、少なくとも１つの保護シールド１１２、特に少なくとも１つの保護シールド１１２のキャップ１３０は、少なくとも１つの開口部１０６を含むタービン構成要素の表面１０４の一部を覆うように構成される。例えば、少なくとも１つの保護シールド１１２は、幅広面の領域にわたって延びるように構成されてもよい。
【0025】
より具体的に図４を参照すると、図３の線４－４を通る、図３のタービン構成要素１２０の一部および少なくとも１つの保護シールド１１２が示されている。この実施形態では、少なくとも１つの保護シールド１１２は、少なくとも１つの冷却流路１０８を画定するボア１３４の内面１３２上に２つの連結スパー１２６を含む。図５は、タービン構成要素１４０の代替の実施形態を示し、ここでは少なくとも１つの保護シールド１１２は、少なくとも１つの冷却流路１０８を画定するボア１３４の内面１３２に４つの連結スパー１２６を含んでいる。少なくとも１つの保護シールド１１２をボア１３４の内面１３２、特に冷却流路１０８に結合するために、任意の数の連結スパー１２６を形成してもよく、図４および図５は限定を意味するものではないとみなされる。一実施形態では、１つまたは複数の連結スパー１２６は、直線状または湾曲状であってもよい。一実施形態では、１つまたは複数の連結スパー１２６は、ステム１２８が破断されて１つまたは複数の連結スパー１２６がボア１３４内に残る場合に、熱伝達を促進する乱流発生機構を形成することができる。一実施形態では、１つまたは複数の連結スパー１２６は、１つまたは複数の矩形状タービュレータまたは螺旋状タービュレータを提供するように構成されてもよい。さらに、１つまたは複数の連結スパー１２６は、１つまたは複数の連結スパー１２６からのステム１２８の破断を容易にするために、ボア１３４の内面１３２に対して高角度で形成され、かつ／または切り欠きを有してもよいとみなされる。
【0026】
ここで図６および図７を参照すると、コーティング層１３６の堆積後の図３および図４のタービン構成要素１２０が示されている。図６に示すように、コーティング層１３６は、少なくとも１つの保護シールド１１２が、少なくとも１つの開口部１０６を介した少なくとも１つの冷却流路１０８内のコーティング層１３６の堆積を、排除しないにしても最小限に抑えるように堆積される。一実施形態では、コーティング層１３６は、タービン構成要素１２０の表面１０４への接着（例えば、化学的／機械的接合など）を容易にする任意の適切なコーティングおよび任意の適切な塗布方法を含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、コーティング層１３６は、溶射コーティング、酸化保護コーティング、金属コーティング、ボンドコーティング、オーバーレイコーティング、またはボンドコート、遮熱コーティング（ＴＢＣ）、耐環境コーティング（ＥＢＣ）、またはそれらの組み合わせに使用され得るものなどの任意の他の種類のコーティングを含んでもよい。いくつかの例示的な実施形態では、コーティング層１３６は、ＨＶＯＦスプレー塗布方法によって塗布されたボンドコートを含む。そのような実施形態は、追加のコーティング（図示せず）がＡＰＳ塗布方法によって塗布されるボンドコートまたはＴＢＣを含むようにスケジュールされる場合に特に適する場合がある。例えば、いくつかの特定の実施形態では、第１のコーティングは、ＨＶＯＦによって塗布されたボンドコートを含んでもよく、第２のコーティングは、ＡＰＳによって塗布されたボンドコートを含んでもよく、第３のコーティングは、ＡＰＳによって塗布されたＴＢＣ（例えば、ＤＶＣ ＴＢＣ）を含んでもよい。
【0027】
いくつかの特定の実施形態では、コーティング層１３６は、任意の運動エネルギープロセス（例えば、ＨＶＯＦ）によって塗布されてもよい。他の実施形態では、コーティング層１３６は、溶射、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速空気燃料溶射（ＨＶＡＦ）、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、イオンプラズマ堆積（ＩＰＤ）、粉末もしくはロッドによる燃焼溶射、コールドスプレー、ゾルゲル、電気泳動堆積、テープキャスティング、ポリマー由来セラミックコーティング、スラリーコーティング、ディップ塗布、真空コーティング塗布、カーテンコーティング塗布、ブラシ塗布、ロールコート塗布、凝集および焼結後の噴霧乾燥、またはそれらの組み合わせなどの任意の他の適切なプロセスによって塗布されてもよい。
【0028】
さらに図６および図７を参照すると、コーティング層１３６の塗布後に塗布される追加のコーティング層は、タービン構成要素１２０の表面１０４上に以前に塗布されたコーティング層１３６上への接着（例えば、化学的／機械的接合など）を容易にする任意の適切なコーティングおよび任意の適切な塗布方法を含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、追加のコーティング層は、溶射コーティング、酸化保護コーティング、金属コーティング、ボンドコーティング、オーバーレイコーティング、もしくはボンドコート、遮熱コーティング（ＴＢＣ）、耐環境コーティング（ＥＢＣ）、またはそれらの組み合わせに使用され得るものなど、任意の他の種類のコーティングを含んでもよい。いくつかの例示的な実施形態において、第２のコーティング２０７は、ＡＰＳ塗布方法によって塗布されるボンドコートおよび／または遮熱コーティングを含む。そのような実施形態は、コーティング層１３６がＨＶＯＦスプレー塗布方法によって塗布されたボンドコートを含む場合に特に適する場合がある。
【0029】
任意の追加のコーティング層は、任意の適切な塗布方法によって塗布されてもよい。適切な塗布方法には、これらに限定されないが、溶射、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速空気燃料（ＨＶＡＦ）溶射、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、イオンプラズマ堆積（ＩＰＤ）、粉末またはロッドによる燃焼溶射、コールドスプレー、ゾルゲル、電気泳動堆積、テープキャスティング、ポリマー由来セラミックコーティング、スラリーコーティング、ディップ塗布、真空コーティング塗布、カーテンコーティング塗布、ブラシ塗布、ロールコート塗布、凝集および焼結後の噴霧乾燥、またはそれらの組み合わせなどの任意の他の適切なプロセスが含まれる。一例では、追加のコーティング層は、上述のようにＡＰＳによって塗布されたボンドコートおよび／または遮熱コーティングを含む。
【0030】
図７の実施形態では、コーティング層１３６および任意の追加のコーティング層の塗布に続いて、少なくとも１つの保護シールド１１２の一部がタービン構成要素１２０から除去される。特に、一実施形態では、ステム１２８は、追加の機械加工作業を必要とせずにタービン構成要素１２０からステム１２８およびキャップ１３０を除去するために破断される。代替の実施形態では、ステム１２８は、ステム１２８が溶融して１つまたは複数の連結スパー１２６から脱着されるように、加熱操作によって除去されてもよい。いくつかの実施形態では、ステム１２８およびキャップ１３０は、ロボット操作、手動清掃、またはそれらの組み合わせによって除去されてもよい。
【0031】
ステム１２８およびキャップ１３０のこのような除去は、少なくとも１つの開口部１０６および冷却流路１０８を開いたままにし、コーティング層１３６、および塗布された可能性のある任意の追加の任意選択のコーティング層を除去する。さらに、ステム１２８およびキャップ１３０を除去することにより、少なくとも１つの開口部１０６に近接した、タービン構成要素１２０の表面１０４の部分を再露出させてもよい。
【0032】
先に示したように、熱伝達を促進するかまたはタービュレータとして作用するために、ステム１２８およびキャップ１３０を除去した後に、１つまたは複数の連結スパー１２６は、ボア１３４の内面１３２に残る。一実施形態では、１つまたは複数の連結スパー１２６は、冷却流体流１１０の所望の流れが通過するように寸法決めされる。さらに、１つまたは複数の連結スパー１２６は、少なくとも１つの冷却流路１０８の長さ「ＬＰ」に延びるように寸法決めされ、「ＬＰ」は、少なくとも１つの冷却流路１０８の完全長または全長（ａ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｏｒ ｔｏｔａｌ ｌｅｎｇｔｈ）「ＬＴ」の一部である。
【0033】
ここで図８および図９を参照すると、それぞれ前述したタービン構成要素１００、１２０と同様のタービン構成要素１５０、１６０の一部の代替の実施形態が示されており、ここで、複数の保護シールド１１２は、個々に形成されたキャップ１３０を有する個々の要素（図８に最もよく図示されている）として、または保護シールド１１２の全セクション、したがって開口部１０６を連結する連続キャップ１６４（図９）を有し、その後単一の要素として共に除去し得る複合構造１６２として構成することができる。
【0034】
ここで図１０を参照すると、図１のタービン構成要素１００とほぼ同様のタービン構成要素１７０が示されている。タービン構成要素１７０は、少なくとも１つの冷却流路１０８とそれぞれ流体連通する少なくとも１つの開口部１０６が形成された本体１７２を含む。この特定の実施形態では、少なくとも１つの開口部１０６は、側壁１７４がディフューザ角度θで冷却流体流１１０から離れるように延びるディフューザ構成を含んでもよい。そのような実施形態では、θは、少なくとも５°、少なくとも１０°、少なくとも２０°、またはさらには少なくとも３０°など、０°より大きくてもよい。図１０に示すように、少なくとも１つの保護シールド１１２（そのうちの１つのみが示されている）は、図２～図９の前述の実施形態のいずれかとほぼ同様に配置される。少なくとも１つの保護シールド１１２は、結果的にディフューザ形状の輪郭により厳密に一致する形状を含み、性能を向上させる。
【0035】
ここで図１０および図１１を参照すると、図１の構成要素１００とほぼ同様のタービン構成要素１８０の実施形態が示されている。上述したように、タービン構成要素１８０は、例えば、ブレード、バケット、シュラウド、ノズル、ベーン、トランジションピース、ライナ、燃焼器、冷却孔などの開口部を有する他のタービン構成要素、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。この特定の実施形態では、構成要素１８０はタービンブレード１８２であり、タービンブレード１８２の前縁１８４が特に重要である。図示するように、タービンブレード１８２は、少なくとも１つの冷却流路１０８および冷却流体流１１０と流体連通する少なくとも１つの開口部１０６を含む。先に開示された実施形態と同様に、少なくとも１つの開口部１０６（例えば、冷却孔）は、前述したような様々な構成、および／または任意の他の適切な幾何学的形状、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。この特定の実施形態では、少なくとも１つの開口部１０６は吐出孔として構成される。
【0036】
前述の実施形態と同様に、初期タービン構成要素１８０を構築し、少なくとも１つの開口部１０６および少なくとも１つの冷却流路１０８を含める間、少なくとも１つの保護シールド１１２が、少なくとも１つの開口部１０６および少なくとも１つの冷却流路１０８と一体的に、かつ冷却流路１０８を画定するボア１３４の内面１３２上に形成されてもよい。あるいは、少なくとも１つの保護シールド１１２は、タービン構成要素１２０の製造後に、少なくとも１つの開口部１０６および少なくとも１つの冷却流路１０８に近接して配置されてもよい。
【0037】
この特定の実施形態では、タービン構成要素１８０は、周知の付加製造技術によって形成される。製造時に、少なくとも１つの保護シールド１１２は、コーティング堆積中に少なくとも１つの冷却流路１０８の遮蔽を提供するように形成される。少なくとも１つの保護シールド１１２は、一般に、１つまたは複数の連結スパー１２６と、ステム１２８と、キャップ１３０とから構成される。一実施形態では、１つまたは複数の連結スパー１２６、ステム１２８、およびキャップ１３０は、一体的に形成されてもよい。代替の実施形態では、１つまたは複数の連結スパー１２６、ステム１２８およびキャップ１３０は、個々の構成要素として形成されてもよい。少なくとも１つの保護シールド１１２、特に１つまたは複数の連結スパー１２６は、少なくとも１つの冷却流路１０８を画定するボア１３４の内面１３２に結合されてもよい。
【0038】
図１０および図１１の実施形態では、タービン構成要素１８０は、周知の付加製造技術によって形成される。製造時に、少なくとも１つの保護シールド１１２は、コーティング堆積中に少なくとも１つの冷却流路１０８の遮蔽を提供するように形成される。
【0039】
少なくとも１つの保護シールド１１２は、図１０に示すように少なくとも１つの開口部１０６を少なくとも部分的に覆う任意の方式で、タービン構成要素１８０に対して構成されてもよく、またはタービン構成要素１８０に対して位置決めされてもよい。例えば、少なくとも１つの保護シールド１１２は、少なくとも１つの開口部１０６よりもわずかに低いレベル、同じレベル、もしくは実質的に同じレベルに形成されてもよく、または少なくとも１つの開口部１０６よりも上方に延びる突起を形成してもよい。少なくとも１つの保護シールド１１２、特にキャップ１３０は、少なくとも１つの開口部１０６を含むタービン構成要素の表面１０４の一部を覆うように構成される。少なくとも１つの保護シールド１１２は、前述したように、少なくとも１つの開口部１０６を介した少なくとも１つの冷却流路１０８内のコーティング層１３６の堆積を、排除しないにしても最小限に抑える。
【0040】
前述の実施形態とは対照的に、この特定の実施形態では、少なくとも１つの保護シールド１１２の一部、特にキャップ１３０は、コーティング後に除去されるのではなく、所定の位置に残っていてもよい。タービンブレード１８２の前縁１８４は、特に、図１０に示すように、そのような構成から利益を得ることができる。図示するように、キャップ１３０を図示するように位置決めしたままにすることにより、冷却流体流１１０は、エンジンの動作中に、少なくとも１つの保護シールド１１２、特にキャップ１３０によって偏向される。前縁１８４におけるパッケージングの制約のために、所望の表面角度を達成することが困難である場合が多く、結果として生じる孔はしばしば半径方向に配向される。少なくとも１つの保護シールド１１２は、性能を大幅に向上させるために、冷却流体流１１０を軸方向に偏向させることを可能にする。冷却流体流１１０の少なくとも１つの保護シールド１１２、特にキャップ１３０への衝突は、キャップ１３０を高温から保護する。
【0041】
したがって、改善されたタービン構成要素のコーティングのための保護シールドが開示される。保護シールドは、タービン構成要素の付加製造中にタービン構成要素の流路内に少なくとも部分的に配置される。保護シールドは、後続のコーティング堆積ステップ中の流路内のコーティングの堆積を、排除しないにしても最小限に抑える。保護シールドは、コーティング後に除去されるように設計されてもよい。あるいは、保護シールドの少なくとも一部を所定の位置に残し、構成要素の冷却を強化してもよい。保護シールドは、コーティング後の機械加工作業および／またはコーティング前の孔の保護作業を排除することによってコストを削減する。保護シールドは、冷却孔ボア／流路内の冷却を強化することによって冷却性能を改善することを可能にする。
【0042】
本発明を、１つまたは複数の実施形態を参照して説明してきたが、その要素について、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、種々の変更および同等物による置き換えが可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。さらに、特定の状況または材料に適応させるために、本発明の教示に対して、その本質的範囲から逸脱することなく、多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されないことが意図され、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な修正および均等な構成を網羅するように意図される。
【符号の説明】
【0043】
１００ タービン構成要素
１０２ 基板
１０４ 表面、タービン構成要素表面
１０６ 開口部
１０８ 冷却流路
１１０ 冷却流体流
１１２ 保護シールド
１２０ 初期タービン構成要素
１２２ タービンブレード
１２４ 後縁
１２６ 連結スパー
１２８ ステム
１３０ キャップ
１３２ 内面
１３４ ボア
１３６ コーティング層
１４０ タービン構成要素
１５０ タービン構成要素
１６０ タービン構成要素
１６２ 複合構造
１６４ 連続キャップ
１７０ タービン構成要素
１７２ 本体
１７４ 側壁
１８０ 初期タービン構成要素
１８２ タービンブレード
１８４ 前縁
２００ タービン構成要素のコーティングプロセス
２０７ 第２のコーティング
ＬＰ 長さ
ＬＴ 長さ、全長
θ ディフューザ角度
１０２ 基板
１０４ 表面、タービン構成要素表面
１０６ 開口部
１０８ 冷却流路
１１０ 冷却流体流
１１２ 保護シールド
１２０ 初期タービン構成要素
１２２ タービンブレード
１２４ 後縁
１２６ 連結スパー
１２８ ステム
１３０ キャップ
１３２ 内面
１３４ ボア
１３６ コーティング層
１４０ タービン構成要素
１５０ タービン構成要素
１６０ タービン構成要素
１６２ 複合構造
１６４ 連続キャップ
１７０ タービン構成要素
１７２ 本体
１７４ 側壁
１８０ 初期タービン構成要素
１８２ タービンブレード
１８４ 前縁
２００ タービン構成要素のコーティングプロセス
２０７ 第２のコーティング
ＬＰ 長さ
ＬＴ 長さ、全長
θ ディフューザ角度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
