JP2005140116A - 本体の耐久性を向上させる方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、一般にセラミックマトリックス複合材料に関し、より具体的には、セラミックマトリックス複合材料内の耐久性を向上させるための方法及び装置に関する。
【解決手段】 分離不可能な組立体は、セラミックマトリックス複合材料を含む本体（１００）と、金属ワイヤメッシュを含むカバー（１８０）とを含む。カバー（１８０）は、本体の少なくとも一部分に重なるように本体にセラミック接着剤を用いて接着される。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、一般にセラミックマトリックス複合材料に関し、より具体的には、セラミックマトリックス複合材料内の耐久性を向上させるための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは、典型的には圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。圧縮機に入る空気流は、圧縮されて燃焼器へ送られ、そこで空気が燃料と混合されて点火され、燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービンへ送られ、該タービンが燃焼ガスから圧縮機を駆動するためのエネルギーを取り出す。あるタービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機を駆動する。他のタービンは、発電機などの負荷に接続された出力シャフトを駆動するために使用することができる。幾つかの用途においては、タービンから出る燃焼ガスは、エンジン排気ノズルを通じて飛行中の航空機を推進させる推力を発生させるよう送られる。

幾つかの公知の航空機用ガスタービンエンジンは、断面積を調節可能な可変の幾何的構成を有するエンジン排気ノズルを含む。可変幾何形状排気ノズルは、典型的には排気ノズルの中心線の周りに円周方向に装着された複数のフラップと複数のシ−ルとを有する。該シールは、フラップとシ−ルとが排気ノズルを通る燃焼ガスの流れを配向するほぼ連続した内表面を形成するように、隣接し合うノズルフラップ間にほぼ取り付けられる。これらの名称が示しているように、シ−ルは、フラップ間の空間を密閉して、燃焼ガスが流れる間に排気ノズルの種々の構成要素を高温及び高熱勾配から保護する。

高温作動における有効寿命の延長を促進するために、幾つかのシ−ルは、セラミックマトリックス複合材料などの非金属複合材料で作られる。しかしながら、このような非金属複合材料でさえも、ガスタービンエンジンの過酷な作動環境によって磨耗及び他の損傷を受ける。例えば、作動中にシ−ルが受ける高い熱勾配による部分変形が原因で起こるフラップとの摩擦接触並びに点接触摩擦によってシ−ル縁部が腐食する場合がある。

１つの態様においては、セラミックマトリックス複合材料を含む本体と、金属ワイヤメッシュを含むカバーとを有する分離不可能な組立体が提供される。このカバーは、本体の少なくとも一部分に重なるように本体に接着される。

別の態様においては、排気中心線を有するガスタービンエンジン用の可変幾何形状排気ノズルが提供される。このノズルは、排気中心線の周りに配置され、各々が密封面を有する複数のフラップと、複数のフラップシールとを含む。シールの各々は、密閉面を含む本体を有する。本体は、シ−ルの密閉面が隣接するフラップの少なくとも１つのフラップの密閉面と係合するように、複数のフラップの１対のフラップ間に位置付けられる。シ−ルの少なくとも１つはカバーを有し、該カバーが本体の縁部の少なくとも一部分に重なるように本体に接着剤で接着された金属ワイヤメッシュを含む。

更に別の態様においては、セラミックマトリックス複合材料を含む本体の耐久性を向上させるための方法が提供される。この方法は、金属ワイヤメッシュを含むカバーを本体の少なくとも一部分を覆って位置付ける段階と、位置付けられたカバーを本体に接着する段階とを含む。

本発明の他の特徴は、一部は明らかであり、一部は以下において指摘されるであろう。

対応する参照符号は、図面の幾つかの図全体を通じて対応する部品を表す。

次に図面を参照すると、図１は、ファン２２、高圧圧縮機２４、及び燃焼器２６を含むガスタービンエンジン２０の概略図である。エンジン２０はまた、高圧タービン２８及び低圧タービン３０を含む。ファン２２とタービン３０とは第１のシャフト３４により連結され、高圧圧縮機２４とタービン２８とは第２のシャフト３６により連結される。１つの実施形態においては、エンジン２０は、オハイオ州イーブンデール所在のＧＥ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓから商業的に入手可能なＦ４１４エンジンである。

作動時には、エンジン２０の吸気口３８を通って受けられた空気は、ファン２２により圧縮されて高圧圧縮機２４へ送られ、圧縮された空気はそこで更に圧縮される。高圧圧縮機２４からの高度に圧縮された空気は燃焼器２６に送られ、そこで燃料と混合されて点火され、燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器２６から送られてタービン２８及び３０を駆動し、排気ノズル組立体４２を介してエンジン２０の出口端４０から出て推力をもたらす。

図２は、ガスタービンエンジン２０の部分斜視図であり、排気ノズル組立体４２の１つのセクターを示す。図３は、図２の線３−３に沿って見た排気ノズル組立体４２の断面図である。ノズル組立体４２は、複数のフラップ７０と複数のフラップシール７２とを含む。フラップ７０及びフラップシール７２は、排気ノズル組立体４２の中心線７４の周りに円周方向に配置される。各フラップシール７２は、各フラップシール７２の一部分が各隣接するフラップ７０の一部分と重なるようにフラップ７０に対し半半径方向内側で１対の隣接するフラップ７０間に配置される。より具体的には、各フラップ７０は、密閉面７８を有するフラップ本体７６を含み、各フラップシール７２は、密閉面８２を有して全体的に参照符号８０で示すフラップシール本体を含む。エンジン２０の作動中に各フラップ密閉面７８の一部分がフラップ７０及びフラップシール７２の軸方向長さにほぼ沿って各対応する密閉面８２の一部分と接触するように、フラップシール７２は隣接するフラップ７０と重なり合う。１つの実施形態においては、フラップシール本体８０は、セラミックマトリックス複合材料で作られる。別の実施形態においては、フラップシール本体８０は、酸化物を基材とするセラミックマトリックス複合材料で作られる。更に、１つの実施形態においては、フラップ本体７６はセラミックマトリックス複合材料で作られる。

フラップ７０及びフラップシール７２のそれぞれの半半径方向内表面８６及び８８は、排気ノズルオリフィス９０を定めるほぼ連続した内表面を形成する。ノズルオリフィス９０は、タービン３０（図１に示す）から受け取られるガスの流路をエンジン出口端４０から外へ配向して推力を発生させる。例示的な実施形態においては、排気ノズル組立体４２は、ノズルオリフィス９０の断面積が調節可能な可変幾何形状排気ノズルである。本明細書では全体的に参照符号９２で示した取り付け組立体は、各フラップシール７２を隣接するフラップ７０に連結する。組立体９２は、ノズルオリフィス９０の断面積の調節を容易にするために、エンジン２０の外側ケーシング９４に移動自在に連結される。更に、組立体９２によりフラップ７０とフラップシール７２との間の相対運動が可能となり、密閉面７８とそれぞれの密閉面８２との間の接触が容易になり、且つノズルオリフィス９０の断面積の調節が容易になる。例示的な実施形態においては、排気ノズルオリフィス９０は、ほぼ環状であるが、オリフィス９０は任意の好適な形状とすることができる点を理解されたい。例えば、別の実施形態においては、排気ノズルオリフィス９０は、ほぼ矩形である。

エンジン２０の作動中に、排気ノズルオリフィス９０を介して出る流路ガスの圧力は、フラップシール７２をフラップ７０に接して付勢し、より具体的にはシール７２の密閉面８２をフラップ７０のそれぞれの密閉面７８と接触するように付勢する。ガスがノズル組立体４２、より具体的には排気ノズルオリフィス９０を通って流れると、密閉面７８とそれぞれの密閉面８２との接触は、フラップ７０とフラップシール７２との間のガス漏れを実質的に防止する。

図４は、排気ノズル組立体４２（図２に示す）に使用するための例示的なフラップシール本体８０の斜視図である。一般に本体８０は、複数の端部１００、１０２、１０４、及び１０６を含む。本体８０はまた、密閉面８２、半径方向内表面８８、及び複数のその他の面１２０、１２２、１２４、１２６を含む。面８２、８８、１２０、１２２、１２４、及び１２６のいずれかを、第１の面又は第２の面と呼ぶことができる。本体８０はまた、取り付け組立体９２に取り付けるための、全体的に参照符号１２８で示す複数の孔を含む。

図５は、材料除去プロセス後のフラップシール本体８０の斜視図である。図６は、図５の線６−６に沿って見たフラップシール本体８０の断面図である。図７は、図５の線７−７に沿って見たフラップシール本体８０の断面図である。材料は、例えば、切削、研削、平削り、面削り、及び／又はフライス削りなどの任意の好適な機械加工プロセスを使用して、本体８０から除去される。材料除去後、本体８０は一般に、端部１００、１０２、１０４、及び１０６と、密閉面８２と、半径方向内表面８８と、複数の合わせ面１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０とを含む。例示的な実施形態においては、合わせ面１３０、１３４、１３８、１４０、１４２、及び１４４は、面１３２及び１３６に対してほぼ垂直である。更に、例示的な実施形態においては、合わせ面１３２及び１３６は、面１４６、１４８、及び１５０に対してほぼ垂直である。面８２、８８、１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、及び１５０のいずれかを第１の面又は第２の面と呼ぶことができる。

複数の縁部１５２、１５４、１５６、１５８、１６０、１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２、及び１７４が、本体８０の対応する面１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、及び１５０の間で延びる。より具体的には、縁部１５２は面１３０と面１３２との交差線に定められ、縁部１５４は面１３２と面１３４との交差線に定められ、縁部１５６は面１３４と面１３６との交差線に定められ、縁部１５８は面１３６と面１３８との交差線に定められる。同様に、縁部１６０は面１４０と面１３２との交差線に定められ、縁部１６２は面１３２と面１４２との交差線に定められ、縁部１６４は面１４２と面１３６との交差線に定められ、縁部１６６は面１３６と面１４４との交差線に定められる。更に、縁部１６８は面１５０と面１３６との交差線に定められ、縁部１７０は面１３６と面１４８との交差線に定められ、縁部１７２は面１４８と面１３２との交差線に定められ、縁部１７４は面１３２と面１４６との交差線に定められる。

図８は、フラップシール本体８０（図５に示す）に使用するための、全体的に参照符号１８０で示す例示的なカバーの斜視図である。図９は、図８の線９−９に沿って見たカバー１８０の断面図である。カバー１８０は、複数の外側面１８２、１８４、及び１８６と、複数の合わせ面１８８、１９０、１９２、１９４、及び１９６とを含む。カバー１８０はまた、全体的に参照符号２０２及び２０４で示される該カバーのそれぞれの端部を定める端面１９８及び２００を含む。例示的な実施形態において、外側面１８２及び１８６は、外側面１８４に対してほぼ垂直であり、合わせ面１８８及び１９２は、合わせ面１９０、１９４、及び１９６に対してほぼ垂直である。カバー１８０は、フラップシール本体端部１００、１０２、１０４、及び１０６の１つ又はそれ以上に隣接するフラップシール本体８０の部分の所定の耐久性よりも高い所定の耐久性を有する。１つの実施形態においては、フラップシール本体８０は、カバー１８０の所定の耐久性よりも低い、全体にわたって実質的に均一な耐久性を有する。

１つの実施形態においては、カバー１８０は、金属ワイヤメッシュであるが、しかしながら、カバー１８０は、フラップシール本体８０の一部分、より具体的には、以下に説明するように、これに接着されたカバー１８０を含むフラップシール本体８０の部分の所定の耐久性よりも高い耐久性を有する任意の材料とすることができ、任意の材料構成で作ることができることは理解されるべきである。１つの実施形態においては、カバー１８０は、例えば、インディアナ州ココモ所在のＨａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．，から商業的に入手可能なＨＡＹＮＥＳ（商標登録） ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ Ｘ（商標）合金などのニッケル基合金で作られた金属ワイヤメッシュである。別の実施形態においては、カバー１８０は、例えば、インディアナ州ココモ所在のＨａｙｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．，から商業的に入手可能なＨＡＹＮＥＳ（商標登録） １８８合金などのようなコバルト基合金で作られた金属ワイヤメッシュである。更に別の実施形態においては、パッチ１５０は、例えば、オハイオ州クリーブランド所在のＣｌｅｖｅｌａｎｄ Ｗｉｒｅ Ｃｌｏｔｈから商業的に入手可能なステンレス鋼グレード３１６のようなステンレス鋼で作られた金属ワイヤメッシュである。

図１０は、シール本体８０の耐久性を向上させるために、端部１０２、１０４、及び１０６にほぼ隣接してシール本体８０に接着された複数のカバー１８０を有するフラップシール本体８０の斜視図である。例示的な実施形態においては、複数のカバー１８０が、シール本体８０に接着される。しかしながら、シール本体８０は、該シール本体に接着された任意の数のカバー１８０を有することができる点を理解すべきである。例えば、別の実施形態においては、本体８０は、該シール本体に接着された単一のカバー１８０を有する。更に、例示的な実施形態においては、本体８０は、対応する端部１０２、１０４、及び１０６に隣接してシール本体８０に各々が接着された複数のカバー１８０を含む。しかしながら、シール本体８０は、本体端部１００に隣接して該シール本体に接着された１つのカバー１８０を含むことができる点は理解されるべきである。

本明細書では図１０においてカバー１８０ａ、１８０ｂ、及び１８０ｃで示されたカバー１８０は、接着剤を用いてシール本体８０に接着される。１つの実施形態においては、カバー１８０ａ、１８０ｂ、及び１８０ｃをシ−ル本体８０に接着するのに使用される接着剤は、例えば、フロリダ州所在のＳｐｅｃｉａｌｔｙ Ｇｌａｓｓ製のＳＰ９２１（商標登録）ガラス粉末とシリカ生成ポリマーを含むアルミナ粉末とを結合させることによって作られるセラミック接着剤である。セラミック接着剤の別の実施例は、ニューヨーク市ブルックリン所在のＣｏｎｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＣｏｎｔｒｏｎｉｃｓ９０１（商標登録）接着剤である。更に、カバー１８０ａ、１８０ｂ、及び１８０ｃをフラップシール本体８０に接着する前に、シール本体合わせ面１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、及び１５０は、該合わせ面を僅かに研磨し、例えばアセトン又はイソプロパノールといった溶剤を塗布することにより清浄化されて、接着剤と合わせ面との間の接着を促進する実質的に湿潤性の表面を提供する。

清浄化後、シール本体合わせ面１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、及び１５０に加えて各カバー１８０ａ、１８０ｂ、及び１８０ｃの合わせ面１８８、１９０、１９２、１９４、及び１９６の幾つか又は全てに接着剤を塗布する。次にカバー１８０ａ、１８０ｂ、及び１８０ｃは、図１０に示すようにそれぞれの端部１０２、１０４、及び１０６上でシール本体８０に位置付けられる。より具体的には、カバー１８０ａは、カバーの合わせ面１８８、１９０、１９２、１９４、及び１９６が本体８０のそれぞれの合わせ面１３２、１４８、１３６、１５０、及び１４６と接触するように、従って、カバー１８０ａがシール本体縁部１６８、１７０、１７２、及び１７４に重なるように端部１０２上に位置付けられる。更に、カバー１８０ｂは、該カバーの合わせ面１８８、１９０、１９２、１９４、及び１９６が本体８０のそれぞれの合わせ面１３２、１３４、１３６、１３８、及び１３０と接触するように、従ってカバー１８０ｂがシール本体縁部１５２、１５４、１５６、及び１５８に重なるように端部１０４上に位置付けられる。更に、カバー１８０ｃは、該カバーの合わせ面１８８、１９０、１９２、１９４、及び１９６が本体８０のそれぞれの合わせ面１３６、１４２、１３２、１４０、及び１４４と接触するように、従ってカバー１８０ｃがシール本体縁部１６０、１６２、１６４、及び１６６に重なるように端部１０６上に位置付けられる。乾燥すると、接着剤は、カバー１８０をシール本体８０に接着させる。カバー１８０の耐久性が本体８０よりも高いので、端部１０２、１０４、及び１０６に隣接する本体８０を補強することにより、シール本体端部１０２、１０４、及び１０６の耐久性の向上が促進される。

例示的な実施形態においては、カバー１８０ａ、１８０ｂ、及び１８０ｃは各々、それぞれの端部１０２、１０４、及び１０６に実質的に重なる。しかしながら、カバー１８０ａ、１８０ｂ、及び１８０ｃの各々は、それぞれの端部１０２、１０４、及び１０６の一部分だけに重なってもよいことは理解されるべきである。更に、例示的な実施形態においては、カバー１８０ａ、１８０ｂ、及び１８０ｃの各々は、それぞれの縁部１６８、１７０、１７２、１７４、１５２、１５４、１５６、１５８、１６０、１６２、１６４、及び１６６に実質的に重なる。しかしながら、カバー１８０ａ、１８０ｂ、及び１８０ｃの各々は、それぞれの縁部１６８、１７０、１７２、１７４、１５２、１５４、１５６、１５８、１６０、１６２、１６４、及び１６６の一部分だけに実質的に重なってもよいことは理解されるであろう。

シール本体８０は、本明細書では例示的に説明され図示されているが、少なくとも１つのカバー１８０が本体８０の少なくとも一部分に重なるように、各々が本体８０の任意の部分に接着された任意の数のカバー１８０を含むことができることは理解されるべきである。

上に述べたカバーは、コスト効果が高く、セラミックマトリックス複合材料を通る亀裂の広がりの抑止に対して信頼性がある。より具体的には補強材は、亀裂を形成するおそれのあるセラミックマトリックス複合材料の一部分の補強を助長して、セラミックマトリックス複合材料内への亀裂の広がりを抑止する。その結果、補強材は、セラミックマトリックス複合材料の能力と有効寿命とを向上させ、これによって交換コストを低減することができる。更に補強材は、セラミックマトリックス複合材料の耐磨耗性及び歪み／破壊比を増大させることができ、セラミックマトリックス複合材料が破壊されること無くより高い熱勾配を受けさせることが可能となる。例示的な実施形態においては、補強材は、ガスタービンエンジン排気シ−ルの性能及び有効寿命の向上を促進する。その結果、例示的な補強材により、ガスタービンエンジンの所望の作動効率を維持するためにガスタービンエンジン内で交換される排気ノズルシ−ルの数の低減が促進される。

本発明は、ここではガスタービンエンジンに関連し、より具体的にはガスタービンエンジンに使用するための排気ノズルシ−ルに関連して説明され図示されているが、本発明は、任意のセラミックマトリックス複合材料に適用可能であることは理解されるべきである。従って本発明の実施は、ガスタービンエンジンの排気ノズルにもガスタービンエンジン全般にも限定されるものではない。更に本発明の実施は、セラミックマトリックス複合材料で作られたガスタービンエンジン排気ノズルシ−ルに限定されるものではない。むしろ本発明は、セラミックマトリックス複合材料以外の物質で作られたガスタービンエンジンシ−ルに適用可能であることを理解されるべきである。

以上において、ガスタービンエンジン排気ノズル組立体の例示的な実施形態が詳細に説明された。この組立体は、本明細書で説明された特定の実施形態に限定されるものではなく、各組立体の構成要素は、本明細書に記載された他の構成要素とは独立し且つ別個に使用することができる。各排気ノズル組立体の構成要素はまた、排気ノズル組立体の他の構成要素と組み合せて使用することもできる。

本発明の範囲から逸脱すること無く、上述の構成に種々の変更を行うことが可能であり、上記説明に含まれ又は添付図面に示された全ての内容は、例示的なものであって、限定を意味するものではないと解釈されるべきである。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 例示的な排気ノズル組立体の一部分を示す、図１に示すガスタービンエンジンの一部分の斜視図。 図２の線３−３に沿って見た排気ノズル組立体の断面図。 図２に示す排気ノズル組立体に使用するための例示的なフラップシール本体の斜視図。 材料除去後の図４に示すフラップシール本体の斜視図。 図５の線６−６に沿って見た図５に示すフラップシール本体の断面図。 図５の線７−７に沿って見た図５に示すフラップシール本体の断面図。 図５に示すフラップシール本体に使用するための例示的なカバーの斜視図。 図８の線９−９に沿って見た図８に示すカバーの断面図。 フラップシール本体に接着された図８に示すカバーのような複数のカバーを有する図５に示すフラップシール本体の斜視図。

符号の説明

８０ フラップシール本体
８２ フラップシール本体密閉面
１００、１０２、１０４、１０６ フラップシール本体８０の端部
１８０ カバー

Claims (9)

1. セラミックマトリックス複合材料を含む本体と、
   前記本体の少なくとも一部分に重なるように前記本体に接着される、金属ワイヤメッシュを含むカバーと、
   を備える分離不可能な組立体。
2. 前記本体が更に、第１の面と、第２の面と、該第１の面と第２の面との間で延びる縁部とを更に備え、
   前記カバーが、前記縁部の少なくとも一部分に重なるように前記第１の面及び前記第２の面の少なくとも一方に接着されることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
3. 前記本体が更に１つの端部を備え、前記カバーが前記端部の少なくとも一部分に重なるように前記本体に接着されることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
4. 前記セラミックマトリックス複合材料が第１の所定の耐久性を有し、前記金属ワイヤメッシュが、前記第１の耐久性よりも高い第２の所定の耐久性を有することを特徴とする請求項１に記載の組立体。
5. 前記金属ワイヤメッシュが、ニッケル基合金、コバルト基合金、及びステンレス鋼の内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の組立体。
6. 前記カバーが、前記本体に接着剤を用いて接着されることを特徴とする請求項１に記載の組立体。
7. 前記接着剤がセラミック接着剤を含むことを特徴とする請求項６に記載の組立体。
8. 前記接着剤が、ガラス粉末とアルミナ粉末とシリカ生成ポリマーとの組合せを含むことを特徴とする請求項７に記載の組立体。
9. 前記本体が、ガスタービンエンジン用のシ−ルを含むことを特徴とする請求項１に記載の組立体。

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