JP2015527521A - セラミックマトリックス複合材料部品並びに静止シールをセラミックマトリックス複合材料部品に取り付ける方法 - Google Patents

Abstract

セラミックマトリックス複合材料部品及び静止シールをセラミックマトリックス複合材料部品に取り付ける方法を提供する。ＣＭＣ部品は、第１の端部と、第２の端部とを含む。ＣＭＣ金属境界部材は、第２の端部に取り付けられる。ＣＭＣ金属境界部材は、ガスタービンの静止シールと連結できるように動作可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、概してタービンに関し、具体的には、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）部品及び金属シールをセラミックマトリックス複合材料部品に取り付ける方法に関する。

従前、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）を用いるタービンブレード又はノズルのようなタービンエンジン部品の製造に、多くの技術が使用されていた。ＣＭＣ部品の製造方法の一例は、溶融ケイ素を含浸した繊維材料を含む炭化ケイ素マトリックス複合材料の製造であり、Ｓｉｌｃｏｍｐプロセスと呼ばれる。繊維は概して約１４０μｍ以上の直径を有しており、そのため、タービンブレード部品のような形状が複雑で入り組んだものはＳｉｌｃｏｍｐプロセスでは製造することができない。

ＣＭＣタービンブレードの別の製造技術は、スラリー注入溶浸（ＭＩ）プロセスとして知られる方法である。スラリー注入ＭＩ法を用いた製造方法の一例では、ＣＭＣの製造に当たって、まず互いに略９０°の角度をなす２つの製織方向を有していて、それら両方の製織方向に略同数の繊維を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）含有繊維を含む二次元（２Ｄ）均衡織布層のパイルを用意する。

一般に、かかるタービン部品は、隣接金属ハードウェア及び／又は金属表面に取付ける必要がある。金属ハードウェアへのＣＭＣの取付けに伴う２つの短所は、硬い研磨性セラミック材料面による金属ハードウェアの摩耗と、ＣＭＣにおける荷重分配の欠如である。荷重分配は、ＣＭＣ部品とシュラウドのような金属表面との境界で重要である。典型的に、荷重分配を改善するため、ＣＭＣと金属表面の間に金属シム又はセラミック布が挿入される。摩耗は、通例、金属ハードウェアへの皮膜又はノズル取付け面への皮膜の施工によって低減される。

そこで、上述の短所が解消されたセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）部品並びにＣＭＣ部品に金属シールを取り付ける方法が当技術分野で望まれてる。

欧州特許出願公開第２５３８１４０号明細書

本開示の例示的な実施形態では、セラミックマトリックス複合材料部品を提供する。セラミックマトリックス複合材料部品は、第１の端部と第２の端部とを含む。セラミックマトリックス複合材料部品は、第２の端部に取り付けられたＣＭＣ金属境界部材を含む。ＣＭＣ金属境界部材は、ガスタービンの静止シールと連結できるように動作可能である。

本開示の例示的な他の実施形態では、静止シールをセラミックマトリックス複合材料部品に取り付ける方法を提供する。本方法は、第１の端部と第２の端部を有するセラミックマトリックス複合材料部品を用意する段階を含む。本方法は、ＣＭＣ金属境界部材を用意する段階を含む。本方法は、ＣＭＣ金属境界部材をセラミックマトリックス複合材料部品の第２の端部に取り付ける段階を含む。本方法は、静止シールを用意し、静止シールをＣＭＣ金属境界部材に連結する段階を含む。ＣＭＣ金属境界部材は、ロータ空気をパージするためのプレナムを形成する。

本発明のその他の特徴及び利点については、本発明の原理を例示する図面と併せて好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。

本開示のＣＭＣ部品の概略透視断面図である。 本開示のＣＭＣ部品の概略透視断面図である。 本開示のＣＭＣ部品の概略部分平面図である。 本開示のＣＭＣ部品に静止シールを取り付ける方法のフローチャートである。

図面を通して、同じ部材にはできるだけ同じ符号を用いた。

セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）部品及び金属シールをＣＭＣ部品に取り付ける方法を提供する。

本開示の実施形態の一態様では、ＣＭＣ部品用のハニカムシール取付具を提供する。本開示の別の態様では、システムは、ＣＭＣ部品とＣＭＣ金属境界部材との異なる熱膨張を許容する。本開示のさらに別の態様では、システムは翼形部空洞シールをもたらす。本開示の別の態様では、システムはロータパージ空気を供給するためのプレナムをもたらす。

図１及び図２は、ＣＭＣ部品１０の概略透視断面図である。ＣＭＣ部品は、第１の端部１４と、第１の端部に対向する第２の端部１６とを含む。ＣＭＣ部品１０は、外側層１２で囲まれたインピンジメントバッフル空洞を含む。ＣＭＣ部品１０は、特に限定されないが、ベーン又はノズルのような非回転部品である。例えば、図に示すように、ＣＭＣ部品１０は、ノズルである。一実施形態では、ＣＭＣ部品１０は、ノズルハンガ８０に取り付けることができる。ノズルハンガ８０は、適切な手段によってガスタービンのケース９０に取り付けることができる。ＣＭＣ部品１０は、ガスタービンの動翼１００に隣接していてもよい。

一実施形態では、ＣＭＣ部品は、ＣＭＣ部品の第２の端部に取り付けられたＣＭＣ金属境界部材を含んでおり、ＣＭＣ金属境界部材は、ロータパージが必要とされるときに空気を分配するためにＣＭＣ部品の下方でプレナムを形成する。例えば、図１及び図２に示すように、ＣＭＣ部品１０は、ＣＭＣ部品１０の第２の端部１６に取り付けられたＣＭＣ金属境界部材５０又はシールボックスを含む。ＣＭＣ金属境界部材５０は、ロータパージが必要とされるときに空気を分配するためにＣＭＣ部品１０の下方でプレナムを形成し得る。図２に示すように、ロータパージに用いる空気は、符号１２０で示す矢印である。一実施形態では、図に示すように、ＣＭＣ金属境界部材５０は、単一のＣＭＣ部品１０に延在する。別の実施形態では、ＣＭＣ金属境界部材５０は、複数のＣＭＣ部品１０に延在し、ＣＭＣ部品１０の周りで最大３６０°の完全なリングをなす。ＣＭＣ金属境界部材５０の材料としては、特に限定されないが、金属、金属合金及びこれらの組合せが挙げられ、例えば、合金は、ニッケル基超合金、コバルト基超合金及びこれらの組合せを含む。ＣＭＣ金属界面５０は、静止シール４０に隣接する流路５４へと出る供給管６０を含む。例えば、図１及び図２に示すように、供給管６０は、ＣＭＣ金属境界部材５０からインピンジメントバッフル空洞３０に突出していてもよい。別の実施形態では、供給管６０は、インピンジメントバッフル空洞３０からＣＭＣ金属境界部材５０に下向きに延在していてもよい。他の実施形態では、プレナムを形成するために供給管６０を用いる代わりに、取付け部材７０は、ロータのパージ空気１２０を受容するための流路又は開口(図示せず）を含む。別の実施形態では、ＣＭＣ金属境界部材５０は加圧されなくてもよい。

一実施形態では、ＣＭＣ金属境界部材は、取付け部材を含む。例えば、図１及び図２に示すように、ＣＭＣ金属境界部材５０は、取付け部材７０を含む。取付け部材７０は、特に限定されないが、取付け部材７０をＣＭＣ金属境界部材５０内にタップ加工する、ナットを用いて取付け部材７０をＣＭＣ金属境界部材５０に固定する、インサートを用いて取付け部材７０をＣＭＣ金属境界部材５０に固定するなど、適切な手段によって、ＣＭＣ金属境界部材５０に取り付けることができる。取付け部材７０の材料は、特に限定されないが、金属、金属合金及びこれらの組合せを含んでおり、例えば、合金は、ニッケル基超合金、コバルト基超合金及びこれらの組合せを含む。

一実施形態では、ＣＭＣ金属境界部材は、取付け部材によってＣＭＣ部品に取り付けることができる。例えば、図１及び図２に示すように、ＣＭＣ金属境界部材５０は、取付け部材７０によってＣＭＣ部品１０に取り付けることができる。図３に示すように、取付け部材７０は、ＣＭＣ部品１０のインピンジメントバッフル空洞３０に取り付けることができる。一実施形態では、取付け部材７０は、任意の所望の長さのボルトである。一実施形態では、インピンジメントバッフル空洞３０は、取付け部材を受けるための開口(図示せず）を含んでおり、開口は、取付け部材７０を受けるようにねじ切りしてもよい。他の実施形態では、取付け部材７０は、インピンジメントバッフル空洞３０内に固定しなくてもよく、代わりに、ＣＭＣ部品１０の第２の端部１６で所定の位置に取付け部材７０を着実に保持するためにナット又は他の係止部材を用いることができる。

一実施形態では、ＣＭＣ金属境界部材は、静止シールをＣＭＣ部品に連結するための表面を提供する。例えば、図１及び図２に示すように、ＣＭＣ金属境界部材５０は、静止シール４０をＣＭＣ部品１０に連結するための表面を与える。静止シール４０は、特に限定されないが、ろう付け及び溶接のような適切な連結手段によって、ＣＭＣ金属境界部材５０に取り付けることができる。ＣＭＣ金属境界部材５０と静止シール４０の間の継手４６は、図１及び図２に示してある。一実施形態では、静止シール４０はハニカムシールである。静止シール４０の材料は、特に限定されないが、金属、金属合金及びこれらの組合せから選択することができ、例えば、合金は、ニッケル基超合金、コバルト基超合金及びこれらの組合せを含む。静止シール４０は、ガスタービン内で回転シール１１０に隣接する。

一実施形態では、金属シールをセラミックマトリックス複合材料に取り付ける方法は、ＣＭＣ境界部材及び静止シールを使用する段階を含む。例えば、図４は、金属シール４０をセラミックマトリックス複合材料部品１０に取り付ける方法４００のフローチャートを示す。方法４００は、段階４０１で、第１の端部１４及び第２の端部１６を有するセラミックマトリックス複合材料部品１０を用意する段階を含む（図１及び図２参照）。方法４００は、段階４０３で、ＣＭＣ金属境界部材５０を用意する段階を含む（図１及び図２参照）。方法４００は、段階４０５で、ＣＭＣ金属境界部材５０をセラミックマトリックス複合材料部品１０の第２の端部１６に取り付ける段階を含む（図１及び図２参照）。方法４００は、段階４０７で、静止シール４０を用意する段階を含む（図１及び図２参照）。方法４００は、段階４０９で、静止シール４０をＣＭＣ金属境界部材５０に連結する段階を含む（図１及び図２参照）。ＣＭＣ金属境界部材５０は、ロータ空気をパージするためのプレナムを形成し、金属である静止シール４０をＣＭＣ部品１０に取り付けるための表面を与える。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者には明らかであろう。さらに、特定の状況又は材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に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の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るものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

Claims (12)

1. 第１の端部と、
   第２の端部と、
   第２の端部に取り付けられたＣＭＣ金属境界部材と、
   を備え、ＣＭＣ金属境界部材が、ガスタービンの静止シールと連結できるように動作可能である、セラミックマトリックス複合材料部品。
2. 当該セラミックマトリックス複合材料が静止部品である、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材料。
3. 当該セラミックマトリックス複合材料がベーン又はノズルである、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材料。
4. 静止シールがハニカムシールである、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材料。
5. 静止シールが、ろう付け又は溶接によってＣＭＣ金属境界部材に取り付けられる、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材料。
6. ＣＭＣ金属境界部材が、ボルトによって第２の端部に取り付けられる、請求項１記載のセラミックマトリックス複合材料。
7. 金属シールをセラミックマトリックス複合材料部品に取り付ける方法であって、
   第１の端部及び第２の端部を有するセラミックマトリックス複合材料部品を用意する段階と、
   ＣＭＣ金属境界部材を用意する段階と、
   ＣＭＣ金属境界部材をセラミックマトリックス複合材料部品の第２の端部に取り付ける段階と、
   静止シールを用意する段階と、
   静止シールをＣＭＣ金属境界部材に連結する段階と、
   を含んでおり、ＣＭＣ金属境界部材が、ロータ空気をパージするためのプレナムを形成する、方法。
8. セラミックマトリックス複合材料部品が静止部品である、請求項７記載の方法。
9. セラミックマトリックス複合材料部品がベーン又はノズルである、請求項７記載の方法。
10. 静止シールがハニカムシールである、請求項７記載の方法。
11. 静止シールが、ろう付け又は溶接によってＣＭＣ金属境界部材に連結される、請求項７記載の方法。
12. ＣＭＣ金属境界部材が、ボルトによってセラミック基部品の第２の端部に取り付けられる、請求項７記載の方法。