JP2016505104A - タービンフレームアセンブリおよびタービンフレームアセンブリを設計する方法 - Google Patents

Abstract

構造ケースアセンブリは、フレーム、フェアリング、およびヒートシールドを備える。フレームは、ガスタービンエンジンの動作点より低い温度限界を有する材料から製作され、外側リング、内側リング、およびそれらの間に延在する複数のストラットを備えることにより流路を画定する。フェアリングは、ガスタービンエンジンの動作点より高い温度限界を有する材料から製作され、流路を覆うリング−ストラット−リング構造体を備える。ヒートシールドは、フレームとフェアリングとの間に配設されてそれらの間の放射熱伝達を阻止する。ヒートシールドは、フェアリングとフレームとの間の全ての見通し線を遮断し得る。フレームは、ＣＡ−６ＮＭ合金から製造され得る。タービンケース構造体を設計するための方法は、エンジンの動作点より低い温度限界を有するフレーム材料を選択することを含む。

Description

本開示は、一般に、ガスタービンエンジンの荷重支持ケースに関する。より詳細には、本開示は、荷重支持構造フレームを熱曝露から保護するためのシステムを設計するための方法に関する。

タービン排気ケース（ＴＥＣ）は、通常、ガスタービンエンジンの最後端部自体を支持するフレーム構造を備える。航空機用途では、エンジンを航空機機体に搭載するためにＴＥＣを利用し得る。産業用ガスタービン用途では、ＴＥＣはガスタービンエンジンを発電機に結合するために利用され得る。一般的なＴＥＣは、低圧タービンの外径ケースに結合する外側リングと、エンジン内に軸系を支持するようにエンジン中心線を包囲する内側リングと、これらの内側および外側リングを接続する複数のストラットとを備える。そのため、ＴＥＣは、一般的に、種々の種類の荷重を受けるため、ＴＥＣが構造上強靱で堅固であることが要求される。ガスタービンエンジンの燃焼器から排出される高温ガス流内のＴＥＣの配置により、ＴＥＣのフレーム構造を、高温ガスの衝突に長期間に亘り耐え得るフェアリングで遮蔽することが一般に望ましい。フェアリングは、加えて、リング−ストラット−リング構成を採用しており、ストラットはフレームストラットを包囲するために中空である。そのようなフェアリングは、ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイションに譲渡された、マイヤーズらに対する米国特許第４、９９３、９１８号に記載されている。

より高温のエンジン動作温度で達成されるエンジンの効率増大により、高温に耐え得るＴＥＣを有することが望ましい。しかし、性能を犠牲にすることなくＴＥＣについての費用を最小化することもまた望ましい。

本開示は、タービン排気ケース等の、構造ケースアセンブリを対象とする。タービン排気ケースは、フレームと、フェアリングと、ヒートシールドとを備える。フレームは、ガスタービンエンジンの動作点より低い温度限界を有する材料から製作される。フレームは、外側リングと、内側リングと、外側リングおよび内側リングの間の荷重経路を画定する外側リングおよび内側リングを接合する複数のストラットとを備える。フェアリングは、ガスタービンエンジンの動作点より高い温度限界を有する材料から製作される。フェアリングは、流路を覆うリング−ストラット−リング構造体を備える。ヒートシールドは、フレームとフェアリングとの間に配設されて、フレームとフェアリングとの間の放射熱伝達を阻止する。一実施形態では、ヒートシールドは、フェアリングとフレームとの間の全ての見通し線を遮断する。別の実施形態では、フレームは、ＣＡ−６ＮＭ合金から製作される。

別の実施形態では、本開示は、フレームとフェアリングとの間に配設されるヒートシールドを含むケース構造体を設計するための方法を対象とする。本方法は、ガスタービンエンジンのエンジン動作点の温度成分を求めることを含む。温度成分に耐え得ないフレーム材料が選択される。温度成分に耐え得るフェアリング材料が選択される。動作点でのフェアリングとフレームとの間の温度勾配が求められる。温度勾配に耐え得る遮蔽温度限界を有するヒートシールド材料が選択される。

タービン排気ケースを有する産業用ガスタービンエンジンの側断面概略図である。 リング−ストラット−リングフェアリングをリング−ストラット−リングフレームと共に組み立てたタービン排気ケースの斜視図である。 図２Ａのタービン排気ケースの分解図であり、フレームおよびフェアリングを示す。 図２Ａのタービン排気ケースの断面図であり、フレームにより画定される流路を覆うフェアリングを示す。 図３のタービン排気ケースの断面図であり、フレームとフェアリングとの間の全ての見通し線を遮断するヒートシールドを示す。 フレーム、フェアリング、およびヒートシールドを含むタービン排気ケースを設計する方法を図解するフローチャートである。

図１は、ガスタービンエンジン１０の部分側断面概略図である。図示した実施形態では、ガスタービンエンジン１０は、図１に示すように、中心長手軸または軸方向エンジン中心軸１２を中心に周方向に配設された産業用ガスタービンエンジンである。ガスタービンエンジン１０は、前部から後部への順番に、低圧圧縮機部１６、高圧圧縮機部１８、燃焼機部２０、高圧タービン部２２、および低圧タービン部２４を含む。一部の実施形態では、動力タービン部２６は、低圧タービン２４の後方に配設されたフリータービン部である。

ガスタービンの技術分野で周知のように、流入する外気３０は、低圧および高圧圧縮機部１６および１８で加圧空気３２になる。燃料は、燃焼機部２０で加圧空気３２と混合し、ここで燃焼される。一旦燃焼されると、燃焼ガス３４が、高圧および低圧タービン部２２および２４を通過しながら、また動力タービン部２６を通過しながらそれぞれ膨張する。高圧および低圧タービン部２２および２４は、高圧および低圧ロータ軸３６および３８をそれぞれ駆動し、これらが燃焼ガス３４の流れに応じて回転し、それにより取り付けられた高圧および低圧圧縮機部１８および１６を回転させる。動力タービン部２６は、例えば、発電機、ポンプ、または変速装置（図示せず）を駆動し得る。

低圧タービン排気ケース（ＬＰＴＥＣ）４０は、低圧タービン部２４と動力タービン部２６との間に位置付けられる。ＬＰＴＥＣ４０は、低圧タービン部２４からの排気ガス用の流路を画定し、当該排気ガスは動力タービン２６へ移送される。ＬＰＴＥＣ４０は、動力タービン部２６に対する結合箇所を提供するように、ガスタービンエンジン１０のための支持構造も提供する。ＬＰＴＥＣ４０は、そのため、堅固で構造上強靱である。本開示は、一般に、ＬＰＴＥＣ４０内のフェアリングとフレームとの間のヒートシールドの配置に関する。

図１が、産業用ガスタービンエンジンの種々の部分および基本的動作の基本的理解および概要を提供することが理解される。本願が、航空宇宙用途のものも含む、あらゆる種類のガスタービンエンジンに適用可能であることが、当業者に明らかになるであろう。同様に、本開示はＬＰＴＥＣ４０に関して説明されるが、本開示は、中間ケース、中間タービンフレーム等の、ガスタービンエンジンの他の構成部品にも適用可能である。

図２Ａは、フレーム４２、環状マウウント４４、およびフェアリング４６を含む、低圧タービン排気ケース（ＬＰＴＥＣ）４０の斜視図を示す。図２Ａと併行して検討する図２Ｂは、ＬＰＴＥＣ４０の分解図を示し、フェアリング４６とフレーム４２との間に配設された環状マウウント４４を示している。フレーム４２は、外側リング４８、内側リング５０、およびストラット５２を含む。フェアリング４６は、外側リング５４、内側リング５６、およびベーン５８を含む。

フレーム４２は、外側リング４８と内側リング５０との間に荷重経路を画定するリング−ストラット−リング構造体を備える。フェアリング４６は、フレーム４２内に搭載されたリング−ストラット−リング構造体を含み、ガス路を画定して、フレーム４２を高温曝露から保護する。一実施形態では、フェアリング４６はフレーム４２の周囲に構築され得、別の実施形態では、フレーム４２はフェアリング４６内に構築される。

フレーム４２は、ガスタービンエンジン１０（図１）のステータ構成部品を備え、当該ステータ構成部品は通常は、低圧タービン部２４と動力タービン部２６との間に搭載される。図示した実施形態では、フレーム４２の外側リング４８は円錐形に成形され、内側リング５０は円筒形に成形される。外側リング４８は、ストラット５２を介して内側リング５０に接続される。外側リング４８、内側リング５０、およびストラット５２は、ガスタービンエンジン１０（図１）を通る荷重経路の部分を形成する。具体的には、外側リング４８は、低圧タービン部２４と動力タービン部２６（図１）との間に、荷重経路の半径方向外側境界を画定する。

フェアリング４６は、フレーム４２内の外側リング４８と内側リング５０との間に配設され、環状流路を形成するように適合される。フェアリング４６の外側リング５４と内側リング５６とは、一般に円錐形を有し、ベーン５８により互いに接続され、これらはリング５４および５６を接合するためのストラットとして機能する。外側リング５４、内側リング５６、およびベーン５８は、フレーム４２を通るガス流路を形成する。具体的には、ベーン５８はストラット５２を包み、一方で外側リング５４および内側リング５６は、外側リング４８の内向き（図１の中心軸１２に向かう）表面と、内側リング５０の外向き表面とをそれぞれ覆う。

一実施形態では、環状マウウント４４は、フレーム４２とフェアリング４６との間に挿入され、フレーム４２内でのフェアリング４６の周方向回転を防止するように構成される。一実施形態では、環状マウウント４４は、全周鋸壁状のストップリングを含み、当該ストップリングは外側リング４８の軸方向端部に取り付けられるように適合される。フェアリング４６は、フレーム４２内に設置されるときに環状マウウント４４に係合する。フェアリング４６および環状マウウント４４は、スロット６２およびラグ６８等の、一致する歪み防止特徴を有し、それらは互いに係合して、フレーム４２に対するフェアリング４６の周方向の動きを防止する。具体的には、ラグ６８は軸方向にスロット６２に延在し、フェアリング４６の周方向回転を防止する一方、フレーム４２に対するフェアリング４６の半径方向および軸方向の動きは許容する。

図３に関して詳細に説明するように、フレーム４２は、エンジン１０内に荷重支持経路構造（図１）を提供するように設計され、かつ強靱でコスト効果の高い材料で作られる。フェアリング４６は、燃焼ガス３４の直接の衝突に耐えるように設計され、より高価な熱抵抗材料で製作される。ヒートシールドは、図４に関して後で検討するように、フレーム４２とフェアリング４６との間に位置付けられ得、かつフェアリング４６からの放射熱に対してフレーム４２を保護する。

図３は、環状マウウント４４を利用してフレーム４２内に設置されたフェアリング４６を有するＬＰＴＥＣ４０の断面図を示し、これには回転防止フランジ６０およびラグ６２を含む。フレーム４２は、外側リング４８、内側リング５０、ストラット５２、および皿穴６４を含む。フェアリング４６は、外側リング５４、内側リング５６、およびベーン５８を含む。外側リング５４は、スロット６８を有する回転防止フランジ６６を含む。ＬＰＴＥＣ４０は、締結具７０、締結具７２、およびマウントリング７４を更に備える。

フレーム４２は、リング−ストラット−リング構造体を備え、この場合ストラット５２は外側リング４８と内側リング５０とに接続される。フレーム４２は、フランジ７７等の、他の特徴も含み、低圧タービン部２４、動力タービン部２６または排気ノズル等の、ガスタービンエンジン１０（図１）構成部品へのフレーム４２の搭載を可能にしている。フェアリング４６は、フレーム４２を通る流路を覆う薄肉リング−ストラット−リング構造体を備える。具体的には、外側リング５４および内側リング５６は、燃焼ガス３４（図１）のＴＥＣ４０を通る実際の環状流路の境界を画定する。ベーン５８は、環状流路に断続的に割り込んで、フレーム４２のストラット５２を保護する。

マウントリング７４は、フェアリング４６の内側リング５６から延出し、フレーム４２の内側リング５０の軸方向端部に係合する。マウントリング７４は、第２の締結具７２（図３には１つのみ示す）を介して接続される。締結具７２は、フレーム４２に対して、フェアリング４６の軸方向前部の軸方向、半径方向、および周方向の制約を提供する。したがって、フェアリング４６は、第１の位置でのフレーム４２への固定接続を有する（即ち、フレーム４２に対して半径方向、軸方向、および周方向に制約される）。フランジ６０、ラグ６２、フランジ６６、およびスロット６８は係合して、軸方向および半径方向の膨張を許容するが、周方向の回転は防止するフェアリング４６のための浮遊接続を提供する。

フェアリング４６は、燃焼ガス３４（図１）からの熱へのフレーム４２の曝露を防止するように設計される。しかし、使用する材料によっては、フェアリング４６が存在していても、フレーム４２の温度は、フレーム４２の材料に望ましいレベルを超えて上昇し得る。特に、フェアリング４６からの放射熱は、フレーム４２へ到達し得る。本開示では、ヒートシールドをフレーム４２とフェアリング４６との間に搭載して、フェアリング４６とフレーム４２との間の熱伝達を阻止し、それによりフレーム４２を所望温度に維持する。具体的には、ヒートシールドは、フレーム４２とフェアリング４６との間の全ての見通し線（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｔｅ）を遮断して、放射熱伝達を制限する。そのため、フレーム４２は、フェアリング４６とヒートシールドとにより熱的に保護されるコスト効率の良い材料で製作し得る。

図４は、図３のＬＰＴＥＣ４０の断面図であり、すべり継手８２および固定接合８４を用いてフェアリング４６に結合されたヒートシールド８０を示している。ヒートシールド８０は、それが外側ヒートシールドセグメント８０Ａ、前方ヒートシールドセグメント８０Ｂ、後方ヒートシールドセグメント８０Ｃ、ならびに内側ヒートシールドセグメント８０Ｄおよび８０Ｅを備えるように、分割される。フレーム４２およびフェアリング４６は、図１〜３に関して説明したような構成部品および要素を含むので、同様の参照符号を図４にも用いる。ヒートシールド８０は、フレーム４２とフェアリング４６との間に位置付けられて、フェアリング４６を通過するガスの熱がフレーム４２に放射するのを阻止する。ヒートシールド８０は、種々の接合部でフレーム４２とフェアリング４６とに結合される複数の薄肉体を備える。

外側ヒートシールドセグメント８０Ａは、フェアリング４６の外側リング５４とフレーム４２の外側リング４８との間に位置付けられる円錐形薄板を備える。外側ヒートシールドセグメント８０Ａは開口部を含み、ストラット５２が貫通することを可能にする。外側ヒートシールドセグメント８０Ａは、締結具７０を用いてフレーム４２に接合される。締結具７０は、環状マウウント４４がフレーム４２に接合される接合部で、ヒートシールド８０内の内孔を貫通して外側リング４８内のねじ内孔内へ通される。したがって、外側ヒートシールドセグメント８０Ａは、締結具７０を介して半径方向、軸方向、および周方向に固定される。外側ヒートシールドセグメント８０Ａは、締結具７０ではなくねじ締結具を用いて、ボス８６でフェアリング４６に固定してもよい。

後方ヒートシールドセグメント８０Ｃは、接合部８８で外側ヒートシールドセグメント８０Ａに接合される。後方ヒートシールドセグメント８０Ｃは、接合部９０で内側ヒートシールドセグメント８０Ｅにも接合される。後方ヒートシールドセグメント８０Ｃは、ストラット５２を部分的に包み込むように周方向に弓形の（例えば、［Ｕ字」形の）薄板金属体を備える。接合部８８および９０は、機械的な、溶接またはろう付けによる接合部である。他の実施形態では、後方ヒートシールドセグメント８０Ｃは、外側ヒートシールドセグメント８０Ａおよび内側ヒートシールドセグメント８０Ｅと一体に形成され得る。別の実施形態では、前方および後方ヒートシールドはベーンに取り付けられて、外側および内側ヒートシールドからは拘束を受けない。

内側ヒートシールドセグメント８０Ｄは、フェアリング４６の内側リング５６とフレーム４２の内側リング５０との間に位置付けられる環状薄板を備える。内側ヒートシールドセグメント８０Ｄはその周囲に沿って弓形の開口部を含み、ストラット５２が貫通することを可能にする。具体的には、内側ヒートシールドセグメント８０Ｄは、その後縁に沿うＵ字形切欠きを含む。内側ヒートシールドセグメント８０Ｄは、締結具７２およびフランジ９２を用いて、フレーム４２に接合され、フランジ９２は、内側ヒートシールドセグメント８０Ｄに接合されかつそれから半径方向内側に延在する。締結具７２は、ヒートシールド８０内の内孔を貫通して内側リング５０のねじ内孔内に通される。したがって、内側ヒートシールドセグメント８０Ｄは、一端部で締結具７２を介して半径方向、軸方向および周方向に固定され、対向端部で片持梁状とされる。

前方ヒートシールドセグメント８０Ｂは、接合部９４で内側ヒートシールドセグメント８０Ｄに接合される。前方ヒートシールドセグメント８０Ｂは、ストラット５２を部分的に包み込むように周方向に弓形の（例えば、「Ｕ字」形の）薄板金属体を備える。そのため、前方ヒートシールドセグメント８０Ｂは、後方ヒートシールドセグメント８０Ｃと一致または重複するように構成され、ストラット５２を完全に包み込む。前方ヒートシールドセグメント８０Ｂは、ストラット５２の横に沿ってフェアリング４６のベーン５８内部で片持梁状になるように接合部９４から延在する。しかし、前方ヒートシールドセグメント８０Ｂは、外側ヒートシールドセグメント８０Ａに接合してもよい。接合部９４は、機械的な、溶接によるまたはろう付けによる接合部を含み得る。他の実施形態では、前方ヒートシールドセグメント８０Ｂは、内側ヒートシールドセグメント８０Ｄと一体に形成され得る。

内側ヒートシールドセグメント８０Ｅは、フェアリング４６の内側リング５６とフレーム４２の内側リング５０との間に位置付けられる円錐形薄板を含む。内側ヒートシールドセグメント８０Ｅは、その周囲に沿う弓形の開口部を含み、ストラット５２が貫通することを可能にする。具体的には、内側ヒートシールドセグメント８０Ｅは、その前縁に沿うＵ字形切欠きを含む。内側ヒートシールドセグメント８０Ｅは、支持された端部９６Ａと支持されない端部９６Ｂとの間に延在する。したがって、フレーム４２での締結具７０および７２により提供される位置以外の追加の位置で、ヒートシールド８０を据えつけるのが望ましくなる。すべり継手８２および固定接合８４は、ヒートシールド８０をフェアリング４６に結合する機械的リンク機構を提供する。すべり継手８２はアンカー９８を含み、支持されない端部９６Ｂに限定された程度の動きを提供する。固定接合８４は、締結具１０２を用いて、パッド１００でフェアリング４６に堅固に固定され、支持された端部９６Ａの全ての程度の動きを制限する。他の実施形態では、内側ヒートシールドセグメント８０Ｅの支持されない端部は、内側ヒートシールドセグメント８０Ｄと接合されまたは一体化され得る。

開示した実施形態では、ヒートシールド８０を複数のセグメントに分割して、ＬＰＴＥＣ４０への組立を容易にしている。前方ヒートシールドセグメント８０Ｂは、外側ヒートシールドセグメント８０Ａから分離され、内側ヒートシールドセグメント８０Ｄおよび８０Ｅは互いに分離される。他の実施形態では、内側ヒートシールドセグメント８０Ｄおよび８０Ｅは、互いに接合される。ヒートシールド８０の構造の種々の例が、いずれもユナイテッド テクノロジーズ コーポレイションに譲渡されかつ参照により本明細書に組み込まれる、エム．バドニックへの米国仮特許出願第６１／７４７、２３７号およびエム．バドニックらへの米国仮特許出願第６１／７４７、２３９号に見出される。他の実施形態では、ヒートシールド８０は、ヒートシールド８０の支持されない端部または別個のセグメントが存在しないように、完全に溶接された本体である。

任意の実施形態で、ヒートシールド８０は、フェアリング４６とフレーム４２との間に障害物を形成する。フェアリング４６から発生する放射熱は、フレーム４２への到達を阻止される。放射熱は、直接遮断されるか、あるいはヒートシールド８０が存在しない場合よりも、より長いまたはより遠回りの経路を進まざるを得ない。一実施形態では、ヒートシールド８０は、全ての放射熱がフェアリング４６からフレーム４２へ通過するのを阻止するように、フレーム４２とヒートシールド４６との間の全ての見通し線を遮断する。即ち、フレーム４２上の任意の視座から、フェアリング４６の視認性がヒートシールド８０により全方向で遮られる。ヒートシールド８０の存在により、ＬＰＴＥＣ４０の設計をより柔軟にし得る。具体的には、フレーム４２は、低い温度限界を有する材料から製作、製造、または作製されてもよく、これにより一般的により安価な材料が提供される。

図５は、フレーム４２、フェアリング４６およびヒートシールド８０を含むＬＰＴＥＣ４０を設計する方法を図解するフローチャートである。ブロック２００で、エンジン１０の動作パラメータを求める。ブロック２１０からの入力を用いて、動作条件に対するエンジン動作成分を求める。入力には、離陸、巡航、および着陸等の、種々の動作条件に対する最高エンジン動作温度および予想動作時間等の係数が含まれる。ブロック２２０で、フレーム４２のための材料が選択される。ブロック２３０からの入力を用いて、所望の強度、重量、コスト、および性能上の利点を提供する材料を選択する。

ブロック２４０で、フレーム４２に関する支出を低減するために、エンジン１０の動作成分に耐え得ない材料を意図的に選択する。一般的には、公知の超合金等の、ガスタービンエンジンに使用される材料のコストは、材料が耐えることができる最高温度と不釣り合いに増大する。したがって、より安価な材料を有することが望ましい。材料がブロック２００のエンジン動作パラメータに耐え得る場合、別のより安価で、エンジン動作パラメータに耐え得ない材料を、ブロック２３０で選択する。選択した材料がエンジン動作温度に合致し得ない場合、その材料はフレーム４２のための使用候補である。一実施形態では、フレーム４２は、クボタ メタル コーポレイションから市販されているＣＡ−６ＮＭ合金から製造される。

ブロック２５０で、フェアリング４６のための材料が選択される。上述したように、フェアリング４６がガスタービンエンジン１０からのガスの直接の衝突に耐えることが望ましい。したがって、ブロック２００で求められた動作パラメータを超える温度限界を有し得るフェアリング４６が選択される。一実施形態では、フェアリング４６は、スペシャル メタルズ コーポレイションから市販されているインコネル（登録商標）６２５合金から製造される。

ブロック２６０で、ブロック２００で求められた動作パラメータにおいて、フレーム４２とフェアリング４６との間の予想温度勾配を求める。この温度勾配は、フレーム４２とフェアリング４６との間に設置された時にエンジン１０の動作時にフレームが曝露される温度を示す。したがって、ブロック２７０で、フレーム４２が温度勾配に耐え得るか否かが判断される。フレーム４２が温度勾配に耐え得る場合、それはフレーム４２がより安価な材料から製作され得ることを示す。

フレーム４２に、より高価なフレーム合金よりもコストを依然節約しながらフレーム４２の温度限界を増大させるコーティングを単に提供することは、実現可能ではない。具体的には、公知の断熱コーティングの適用は、フレーム４２のためのコスト効率の良い基材料の温度限界を超える温度を必要とし得る。加えて、フレーム４２とフェアリング４６との間で、低圧圧縮機部１６（図１）から等、増大させた量の冷却空気を流すことにより、フレーム４２に過冷却を提供することは実際的でない。そのような方法は、ガスタービンエンジン１０において大きな性能および効率の不利益を課する。したがって、そのような解決法は望ましくない。したがって、ブロック２７０でフレーム４２が温度勾配に耐え得る場合には、ブロック２２０で別のより安価な材料がフレーム４２のために選択され得る。

ブロック２７０でフレーム４２が温度勾配に耐え得ない場合、ブロック２８０でヒートシールド用の材料を選択する。ブロック２６０で求められた温度勾配は、フレーム４２とフェアリング４６との間に設置された時にヒートシールド８０が曝露される温度を示す。ブロック２８０で、温度勾配に耐え得るヒートシールド８０の材料が選択される。一実施形態では、スペシャル メタルズ コーポレイションから市販されているインコネル（登録商標）６２５から製造される。

ステップ２９０で、フレーム４２とフェアリング４６との間の全ての見通し線を遮断して、全ての放射熱伝達を遮りフレーム４２の熱曝露を低減する、ヒートシールド８０を設計する。ステップ３００で、フレーム４２の材料をチェックして、ヒートシールド８０の存在を想定の下に、フレーム４２とフェアリング４６との間の温度勾配に耐え得るかを判断する。フレーム４２が温度勾配に耐え得ない場合には、より高い温度限界を用いてステップ２２０で新たなフレーム材料が選択されなければならない。フレーム４２が温度勾配に耐え得れば、ブロック３２０でフレーム４２の寿命コストが求められる。

ブロック３２０で、ブロック３３０からの入力を用いて、フレーム４２に対し選択された材料がチェックされて、フレーム４２の長期修理コストが、ブロック２２０で選択された材料の短期のコスト節減を上回らないかを検証する。例えば、ブロック２００で求められた動作パラメータにおいて、選択された材料について予想される全寿命が求められる。フレーム４２の全寿命には、寿命内で予測されるフレーム４２の修理または改修処理の総数と、各処理のコストとが含まれる。

ブロック３４０で、選択されたより安価な材料でのフレーム４２の全寿命が、ブロック２００で選択された動作成分に耐え得る温度限界を有するより高価な材料から製造された場合のフレーム４２の全寿命と比較される。全ての修理および改修処理を含むより安価な材料から製作されたフレーム４２の総数が、より高価な材料の単一フレームのコストより安価である場合は、ブロック３５０で当該材料がフレーム４２を造るために使用され得る。ブロック２２０で選択されたフレーム４２のための材料が長期のコスト節減を提供しない場合、別のより安価な材料がブロック２２０で選択される。

本開示の方法に従って設計されたＬＰＴＥＣ４０は、フレーム４２のためのより高価な超合金の使用に勝る際だったコスト節減を提供する。上述したように、フレーム４２の初期材料コストおよびそれに関連する修理コストは、ヒートシールドを用いずにエンジン１０の温度に耐え得る仮想のフレームのコストより少ない。ヒートシールド８０の使用により、エンジン１０は他の性能上の利点を実現可能になる。例えば、ヒートシールドを有さないＬＰＴＥＣ設計とは対照的に、より少ない冷却空気をフェアリング４６とフレーム４２との間に提供し得る。
可能な実施形態の検討
以下に、本発明の可能な実施形態の非排他的な説明を行う。

タービン排気ケースであって、ガスタービンエンジンの動作点より低い温度限界を有する材料から製作されるフレームであって、外側リングと、内側リングと、外側リングおよび内側リングを接合する複数のストラットとを備えるフレームと、ガスタービンエンジンの動作点より高い温度限界を有する材料から製作されるフェアリングであって、流路を覆うリング−ストラット−リング構造体を備えるフェアリングと、フレームとフェアリングとの間に配設されて、フレームとフェアリングとの間の放射熱伝達を阻止するヒートシールドと、を備える、タービン排気ケース。

上記のタービン排気ケースは、追加的におよび／または代替的に、以下の特徴、構成および／または追加の構成要素のうちのいずれか１つ以上を、任意選択的に含み得る。

ヒートシールドが、前記フェアリングと前記フレームとの間の全ての見通し線を遮断する。

前記ヒートシールドが、リング−ストラット−リング構造体を備える。

前記ヒートシールドが、前記フレームの温度限界よりも高い温度限界を有する材料から製作される。

前記フレームが、ＣＡ−６ＮＭ合金から製作される。

前記ヒートシールドが、インコネル６２５合金から製作される。

前記フェアリングが、インコネル６２５合金から製作される。

タービン構造ケースであって、ＣＡ−６ＮＭ合金から製造されるフレームを備え、前記フレームは、外側リングと、内側リングと、外側リングと内側リングを接合して、外側リングと内側リングとの間に荷重経路を画定する複数のストラットと、
を備えるタービン構造ケース。

上記のタービン排気ケースは、追加的におよび／または代替的に、以下の特徴、構成および／または追加の構成要素のうちのいずれか１つ以上を、任意選択的に含み得る。

フェアリングが、荷重経路内に流路を画定するリング−ストラット−リング構造体を備える。

ヒートシールドが、フレームとフェアリングとの間に配設されて、フレームとフェアリングとの間の熱伝達を阻止する。

ヒートシールドおよびフレームが、ＣＡ−６ＮＭ合金よりも、高い温度限界を有する材料から製作される。

ヒートシールドが、フェアリングとフレームとの間の全ての見通し線を遮断する。

ヒートシールドが、フレームからフェアリングに向けて発生し得る全ての放射熱に対する障壁を形成する。

フレームとフェアリングとの間に配設されるヒートシールドを含むケース構造体を設計するための方法であって、ガスタービンエンジンのエンジン動作点の温度成分を求めることと、温度成分に耐え得ないフレーム材料を選択することと、温度成分に耐え得るフェアリング材料を選択することと、動作点でのフェアリングとフレームとの間の温度勾配を求めることと、温度勾配に耐え得る遮蔽温度限界を有するヒートシールド材料を選択することと、を含む、方法。

上記の方法は、追加的におよび／または代替的に、以下の特徴、ステップ、構成および／または追加の構成要素のうちのいずれか１つ以上を、任意選択的に含み得る。

フレーム材料が、温度成分に耐え得る材料より安価である理由から選択される。

フレームの耐用寿命に亘るフレームの修理コストが、温度成分に耐え得る材料から製造されるフレームの初期コストより安価である。

フレーム材料が、ＣＡ−６ＮＭ合金である。

温度成分が、ガスタービンエンジンの最高動作温度と時間との関数である。

フレームとフェアリングとの間の全ての見通し線を遮断するヒートシールドを構築する。

ヒートシールドが、フレームからフェアリングに向けて発生する全ての放射熱に対する障壁を形成する。

本発明を例示の実施形態（複数可）に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ、また均等物をその要素に代えて置換できることを当業者ならば理解するであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、多くの修正を行って特定の状況または材料を本発明の教示に適合させてもよい。したがって、本発明は、開示される特定の実施形態（複数可）に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内に収まる全ての実施形態を含むことが意図されている。

Claims (20)

1. タービン排気ケースであって、
   ガスタービンエンジンの動作点より低い温度限界を有する材料から製作されるフレームであって、
   外側リングと、
   内側リングと、
   前記外側リングおよび前記内側リングを接合する複数のストラットと、
   を備えるフレームと、
   前記ガスタービンエンジンの前記動作点より高い温度限界を有する材料から製作されるフェアリングであって、流路を覆うリング−ストラット−リング構造体を備えるフェアリングと、
   前記フレームと前記フェアリングとの間に配設されて、前記フレームと前記フェアリングとの間の放射熱伝達を阻止するヒートシールドと、
   を備える、タービン排気ケース。
2. ヒートシールドは、前記フェアリングと前記フレームとの間の全ての見通し線を遮断する、請求項１に記載のタービン排気ケース。
3. 前記ヒートシールドは、リング−ストラット−リング構造体を備える、請求項１に記載のタービン排気ケース。
4. 前記ヒートシールドは、前記フレームの温度限界よりも高い温度限界を有する材料から製作される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
5. 前記フレームは、ＣＡ−６ＮＭ合金から製作される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
6. 前記ヒートシールドは、インコネル６２５合金から製作される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
7. 前記フェアリングは、インコネル６２５合金から製作される、請求項１に記載のタービン排気ケース。
8. タービン構造ケースであって、
   ＣＡ−６ＮＭ合金から製造されるフレームを備え、前記フレームは、
   外側リングと、
   内側リングと、
   前記外側リングと前記内側リングを接合して、前記外側リングと前記内側リングとの間に荷重経路を画定する複数のストラットと、
   を備える、タービン構造ケース。
9. 前記荷重経路内に流路を画定するリング−ストラット−リング構造体を備えるフェアリング
   を更に備える、請求項８に記載のタービン構造ケース。
10. 前記フレームと前記フェアリングとの間に配設されて、前記フレームと前記フェアリングとの間の熱伝達を阻止するヒートシールドを更に含む、請求項９に記載のタービン構造ケース。
11. 前記ヒートシールドおよび前記フレームは、ＣＡ−６ＮＭ合金よりも、高い温度限界を有する材料から製作される、請求項１０に記載のタービン構造ケース。
12. 前記ヒートシールドは、前記フェアリングと前記フレームとの間の全ての見通し線を遮断する、請求項１０に記載のタービン構造ケース。
13. 前記ヒートシールドは、前記フレームから前記フェアリングに向けて発生し得る全ての放射熱に対する障壁を形成する、請求項１０に記載のタービン構造ケース。
14. フレームとフェアリングとの間に配設されるヒートシールドを含むケース構造体を設計するための方法であって、
    ガスタービンエンジンのエンジン動作点の温度成分を求めることと、
    前記温度成分に耐え得ないフレーム材料を選択することと、
    前記温度成分に耐え得るフェアリング材料を選択することと、
    前記動作点での前記フェアリングと前記フレームとの間の温度勾配を求めることと、
    前記温度勾配に耐え得る遮蔽温度限界を有するヒートシールド材料を選択することと、
    を含む、方法。
15. フレーム材料は、前記温度成分に耐え得る材料より安価である理由から選択される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記フレームの耐用寿命に亘る前記フレームの修理コストは、前記温度成分に耐え得る材料から製造されるフレームの初期コストより安価である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記フレーム材料は、ＣＡ−６ＮＭ合金である、請求項１４に記載の方法。
18. 前記温度成分は、前記ガスタービンエンジンの最高動作温度と時間との関数である、請求項１４に記載の方法。
19. 前記フレームと前記フェアリングとの間の全ての見通し線を遮断するヒートシールドを構築することを更に含む、請求項１４に記載の方法。
20. 前記ヒートシールドは、前記フレームから前記フェアリングに向けて発生する全ての放射熱に対する障壁を形成する、請求項１４に記載の方法。

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