JP2017025915A

JP2017025915A - セラミックマトリクス複合材部品を金属部品に連結する方法およびシステム

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Publication number: JP2017025915A
Application number: JP2016139002A
Authority: JP
Inventors: ブライス・ローリング・ハイトマン; Loring Heitman Bryce; ダレル・グレン・セニル; Darrell G Senile; マイケル・レイ・テュルチャー; Ray Tuertscher Michael; グレッグ・スコット・フェルプス; Scott Phelps Gregg; ブライアン・グレッグ・フェイエ; Feie Brian Gregg; スティーヴン・ジェームズ・マーフィー; James Murphy Steven
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2017-02-02
Also published as: CN106368742A; US20170022833A1; CN106368742B; CA2935369A1; US10309240B2; CN108457705A; CN108457705B; BR102016016878A2; EP3121379A1

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンにおいてセラミックマトリクス複合材部品を金属部品に連結する方法を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジン用の翼形部組立体は、軸方向に対し前方端と後方端と、外側を向いた端面３０２から径方向外向きに延出し外端部品２１６と一体の非圧縮負荷支持機構を有する径方向外側を向いた端面を含む径方向外端部品とを備え、機構は、第１の翼形部組立体支持構造体２１４の径方向内側面３０８に形成された相補的な機構と嵌合するように構成され、前記機構は、翼形部組立体にかかる力に直交して選択的に位置決めされる。翼形部組立体はまた、径方向内端部品２０４、およびその間で延出する中空の翼形部本体２１０を有し、前記翼形部本体は、第１の端部２０６で第１の翼形部組立体支持構造体に結合可能な支柱２０８を受けるように構成される。
【選択図】図３

Description

本明細書は複合材ノズル組立体に関し、より具体的には、ガスタービンエンジンにおいてセラミックマトリクス複合材部品を金属部品に連結する方法およびシステムに関する。

少なくともいくつかの公知のガスタービンエンジンは、高圧圧縮機、燃焼器、および高圧タービン（ＨＰＴ）を直列流れ関係で有するコアを含む。コアエンジンは、一次ガス流を生成するように動作可能である。高圧タービンは、燃焼器から出たガスを回転翼またはバケット内に送る、固定ベーンまたはノズルの環状配列（「列」）を有する。１列のノズルおよび１列の翼は集合的に「ステージ」を構成する。一般的に直列流れ関係では２つ以上のステージが使用される。これらの部品は、極度の高温環境で動作し、十分な耐用寿命を保証するために空気流によって冷却される場合がある。

ＨＰＴノズルは多くの場合、ノズルを通る一次流路を画定する環状の内側バンドおよび外側バンドの間で延出する翼形ベーンの配列として構成される。ガスタービンエンジン内の動作温度により、低い熱膨張係数を有する材料が用いられる。たとえば、このような不利な温度および圧力条件下で有効に動作させるために、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）材料を使用してもよい。これらの熱膨張材料の低い係数は、同様の金属部品よりも高い温度能力を有し、そのため、より高い動作温度で動作する場合、エンジンはより高いエンジン効率で動作することができる。しかし、このようなセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）には、ＣＭＣの設計および適用において考慮しなければならない機械的特性がある。ＣＭＣ材料は、金属に比べて、破損に対する比較的低い引張延性または低ひずみを有する。また、ＣＭＣ材料は、ＣＭＣタイプの材料の拘束支持体またはハンガーとして用いられる金属合金とは著しく異なる熱膨張係数を有する。したがって、ＣＭＣ部品の一方の面を動作時に拘束して冷却すると、その部分の寿命短縮につながる応力集中が発生する。

現在までのところ、ＣＭＣ材料で形成されたノズルには、ＣＭＣ材料の性能を超える局所的応力が生じており、ノズルの寿命短縮につながっている。上記応力は、ノズルと関連する付属機構にかかるモーメントの応力、異なる材料種の部品間の熱成長差、およびノズルと関連する付属機構との境界面の集中経路における負荷に起因することがわかっている。

米国特許第８８９４３７０号明細書

１つの実施形態において、ガスタービンエンジン用の翼形部組立体は、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）材料で形成され、ガスタービンエンジンの軸方向に対して前方端および後方端を備える。翼形部組立体は、外側を向いた端面から径方向外向きに延出しかつ外端部品と一体に形成された非圧縮負荷支持機構を有する、径方向外側を向いた端面を備える径方向外端部品をさらに含む。機構は、第１の翼形部組立体支持構造体の径方向内側面に形成された相補的な機構と嵌合するように構成される。機構は、翼形部組立体にかかる力と直交するように選択的に位置決めされる。翼形部組立体はまた、径方向内端部品、および内端部品と外端部品の間で延出する中空の翼形部本体を含む。翼形部本体は、第１の翼形部組立体支持構造体に第１の端部で結合可能な支柱を受けるように構成される。

別の実施形態では、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）ベーン組立体から金属ベーン組立体支持部材に負荷を伝達する方法は、ＣＭＣベーン組立体を提供することを含み、
ベーン組立体は、径方向外向きに延出する負荷伝達機構を１つ以上有する、径方向外側を向いた面を備える径方向外端部品を含む。ベーン組立体は、径方向内端部品と、内端部品および外端部品の間で延出する翼形本体とをさらに含む。方法は、ガス流経路に沿って円周状に間隔を開けて配置された複数の金属ベーン組立体支持部材の少なくとも１つに、径方向外端部品を係合することをさらに含む。ベーン組立体支持部材は、負荷伝達機構に相補的な形状をした１つ以上の負荷受け機構を含む。負荷伝達機構は楔形の断面を備える。

さらに別の実施形態では、ガスタービンエンジンは、第１の金属材料で形成された内側支持構造体を含み、内側支持構造体は支柱を含み、支柱は、第１の嵌合端部と、第２の反対側の嵌合端部と、第１の嵌合端部および第２の嵌合端部の間で径方向に延出する支柱本体とを備える。ガスタービンエンジンは、第２の金属材料で形成された外側支持構造体と、セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料を含み内側支持構造体と外側支持構造体の間で延出する翼形部組立体とをさらに含む。翼形部組立体は、外側を向いた端面から径方向外向きに延出しかつ外端部品と一体に形成された非圧縮負荷支持機構を有する、径方向外側を向いた端面を備える径方向外端部品をさらに含む。機構は、外側支持構造体の径方向内側面に形成された相補的な機構と嵌合するように構成される。機構は、径方向外側を向いた端面にかかる力に直交して選択的に配置される。翼形部組立体はまた、径方向内端部品、および径方向外端部品と径方向内端部品の間で延出する中空の翼形部本体を含む。翼形部本体は、外側支持構造体に第１の端部で結合可能な支柱を受けるように構成される。

図１〜図１３は、本明細書に記載される方法および装置の例示的な実施形態を示す。

例示的なガスタービンエンジンの概略図である。本開示の例示的な実施形態によるノズルリングの斜視図である。前方視野から後方を見た、本開示の例示的な実施形態によるノズルセグメント組立体の部分分解図である。前方視野から後方を見た、ノズルセグメント組立体の別の部分分解図である。径方向外側を向いた端面を含むノズルセグメント組立体の斜視図である。径方向外側を向いた端面を含むノズルセグメント組立体の別の実施形態の斜視図である。径方向外側を向いた端面を含むノズルセグメント組立体の別の実施形態の斜視図である。タブを用いて外側バンドに結合された図７に示すノズルセグメント組立体と、外側バンドに形成されたボスの斜視図である。径方向外側を向いた端面を含むノズルセグメント組立体の別の実施形態の斜視図である。径方向外側を向いた端面を含むノズルセグメント組立体の別の実施形態の斜視図である。径方向外側を向いた端面を含むノズルセグメント組立体の別の実施形態の斜視図である。径方向外側を向いた端面を含むノズルセグメント組立体の別の実施形態の斜視図である。径方向外側を向いた端面を含むノズルセグメント組立体の別の実施形態の斜視図である。セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）ベーン組立体から金属ベーン組立体支持部材へ負荷を伝達する方法の流れ図である。前方視野から後方を見た、本開示の別の例示的な実施形態によるノズルセグメント組立体の部分分解図である。円周方向に見た側面斜視からの、ノズルセグメント組立体の別の部分分解図である。

様々な実施形態の具体的な特徴がいくつかの図面には示されており、他の図面には示されていないが、これは単に便宜上のものである。図面の任意の特徴は、他の任意の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または請求することができる。

特に明記しない限り、本明細書において提供される図面は、本開示の実施形態の特徴を図示するものである。これらの機構は、本開示の１つ以上の実施形態を含む多種多様なシステムに適用できると考えられる。したがって、図面は、本明細書に開示される実施形態の実施のために必要とされる当業者に知られているすべての従来の特徴を含むわけではない。

本開示の実施形態は、複合マトリクス材料（ＣＭＣ）で形成される内側バンドと外側バンドの間で延出する翼形部を含む、ノズルセグメント組立体を記載する。ＣＭＣ材料は、ＣＭＣノズルセグメント組立体を支持するために使用されるハードウェアとは異なる膨張温度係数を有する。また、ＣＭＣは、特定方向、たとえば、ねじれ方向や屈曲方向（これに限定されないが）等、引張方向または引張部品が存在する方向の力に耐える能力を制限する傾向がある材料特性を有する。

ＣＭＣノズルセグメント組立体を金属製のそれぞれの支持構造体に連結するため、ＣＭＣノズルセグメント組立体がガスタービンエンジンのタービン流路内の高温および過酷な環境に耐えることを可能にする、新しい構造体を説明する。

以下の詳細な説明は、本開示の例示的実施形態を例として示すものであり、限定するために示すものではない。本開示では、１つの部品から別の部品へ負荷を伝達する解析的および方法論的実施形態の一般的な用途が企図されている。

特に限定されない限り、本明細書の「接続された」、「結合された」、「取り付けられた」という用語およびそれらの変形は、広い意味で用いられ、直接および間接の接続、結合、および取り付けを包含する。さらに、「接続された」、「結合された」という用語およびそれらの変形は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。

本明細書で用いる場合、「軸方向の」または「軸方向に」という用語は、エンジンの長手軸に沿った寸法を意味する。「軸方向の」または「軸方向に」に関連して用いられる「前方」という用語は、エンジンの入口に向かう方向に移動すること、またはある部品が他の部品と比べてエンジンの入口に相対的に近づくことをいう。「軸方向の」または「軸方向に」に関連して使用される「後方」という用語は、エンジンの後方に向かう方向に移動することをいう。

本明細書で用いる場合、「径方向の」または「径方向に」という用語は、エンジンの中央長手軸およびエンジン外周の間で延出する寸法をいう。

すべての方向に関する言及（たとえば、径方向、軸方向、近位、遠位、上部、下部、上方、下方、左、右、横、前、後、天、底、上、下、垂直、水平、時計回り、反時計回り）は、読み手による本発明の理解を助ける識別の目的で使用されるのみであり、特に本発明の位置、向きまたは使用に関する制限を設けるものではない。特に指摘しない限り、接続を表す言及（たとえば、取り付け、結合、接続、および接合）は広義に解釈されるべきであり、集合要素の中間部分および要素間の相対的な動きを含む場合がある。このように接続という言及は、２つの要素が直接接続されている、および互いに固定された関係であることを必ずしも意味しない。例示的な図面は例示の目的のみのためのものであり、図面に反映された寸法、位置、および相対的な大きさは変化する場合がある。

以下の説明は添付の図面を参照するが、そこで反対の表現がない場合には、異なる図面の同じ符号は類似の要素を表す。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略図である。エンジン１００は、低圧圧縮機１１２、高圧圧縮機１１４、および燃焼器組立体１１６を含む。エンジン１００はまた、それぞれのロータ１２２および１２４と直列の軸流関係に配置された、高圧タービン１１８および低圧タービン１２０を含む。圧縮機１１２とタービン１２０は第１のシャフト１２６によって結合され、圧縮機１１４とタービン１１８は第２のシャフト１２８によって結合される。

動作時に、空気が中心軸１１５に沿って流れ、圧縮された空気が高圧圧縮機１１４に供給される。高圧縮空気が、燃焼器１１６に送られる。燃焼器１１６からの排気ガス流（図１には示されていない）は、タービン１１８および１２０を駆動し、タービン１２０は、シャフト１２６によってファンまたは低圧圧縮機１１２を駆動する。ガスタービンエンジン１００はまた、ファンまたは低圧圧縮機収納ケース１４０を備える。

図２は、本開示の例示的な実施形態によるノズルリング２００の斜視図である。例示的な実施形態では、ノズルリング２００は、高圧タービン１１８および／または低圧タービン１２０（図１に示す）内に配置することができる。ノズルリング２００は、１つ以上のノズルセグメント組立体２０２で形成される。ノズルセグメント組立体２０２は、燃焼ガスを、支持ロータ１２２または１２４（図１に示す）から径方向外側に延出する後続の回転翼の列（示さず）を介して下流に向ける。ノズルリング２００およびノズルリング２００を画定する複数のノズルセグメント組立体２０２は、ロータ１２２または１２４（図１に示す）によるエネルギー抽出を容易にする。さらに、ノズルリング２００は、高圧圧縮機１１４において用いることができる。高圧圧縮機１１４は、高圧圧縮機または低圧圧縮機のいずれであってもよい。セグメント組立体２０２は、内側バンド２０４、外側バンド２１６、およびノズル翼形部２１０を通って延出する複数の支柱２０８（図２には示されていない）を含む。内側バンド２０４および外側バンド２１６は、エンジン軸線１１５の周囲３６０度に円周方向に延出する。

ノズルリング２００は、複数のノズルセグメント組立体２０２で形成される。複数のノズルセグメント組立体２０２の各々は、内側支持構造体２１２、少なくとも１つのノズル翼形部２１０、およびハンガーまたは外側バンド２１６を各々含む。支柱２０８は、負荷を、内側支持構造体２１２におけるノズルセグメント組立体２０２の径方向内側から、外側バンド２１６における径方向外側へ伝達する。ここで負荷は、たとえばエンジン１００の筺体（これに限定されない）等のエンジン１００の構造に伝達され、ノズル翼形部２１０を機械的に支持する。支柱２０８は、たとえばボルト締め、締め付け、取り込み、これらの組み合わせ、および一体形成により（これらに限定されないが）、内側支持構造体２１２および外側バンド２１６の少なくとも１つに接続され得る。

図３は、前方視野から後方を見た、本開示の例示的な実施形態によるノズルセグメント組立体２０２の部分分解図である。図４もまた、前方視野から後方を見た、ノズルセグメント組立体２０２の別の部分分解図である。例示的な実施形態では、ノズルセグメント組立体２０２は、第１の金属材料で形成された内側支持構造体２１２を含む。内側支持構造体２１２は、支柱２０８を含む。支柱２０８は、内側支持構造体２１２に結合可能であり、内側支持構造体２１２と一体に形成されるかまたはノズルセグメント組立体２０２の組立中に内側支持構造体２１２に結合されてもよい。支柱２０８は中空であってもよく、各々少なくとも１つの内部壁を有することにより、支柱２０８の剛性を高めてもよい。支柱２０８は、第１の嵌合端部２０６（図３および図４では内側支持構造体２１２で隠れている）、第２の反対側の嵌合端部２０７、およびその間に径方向に延出する支柱本体２０９を含む。例示的な実施形態では、支柱本体２０９は円筒形状である。様々な実施形態において、支柱本体２０９は、たとえば楕円形、長円形、多角形、またはこれらの組み合わせだがこれに限定されない非円形の断面を有する。ノズルセグメント組立体２０２はまた、第２の金属材料で形成された径方向外側バンド２１６を備える。例示的な実施形態では、第１および第２の金属材料は、たとえば、ニッケル基超合金と同様の材料、ガンマチタンアルミナイド等の金属間化合物材料、または高温に耐性を示す他の合金であるが、これに限定されない。組立体の内側支持構造体２１２、外側バンド２１６、支柱２０８および他の金属部品は、すべて同じ材料で形成することができ、または本明細書に記載の機能を実行可能な異なる材料で形成することができる。

ノズル翼形部２１０は、熱膨張係数の低い材料、たとえば、セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料により形成される。ノズル翼形部２１０は、内側バンド２０４と外側バンド２１６の間で延出する。外側バンド２１６は、外側を向いた端面３０２から径方向外向きに延出しかつ外側バンド２１６と一体に形成された非圧縮負荷支持機構３０４を有する、径方向外側を向いた端面３０２を含む。機構３０４は、外側支持構造体２１４の径方向内側面３０８に形成された相補的な機構３０６と嵌合するように構成される。機構３０４は、ノズル翼形部２１０にかかる力に直交して選択的に位置決めされる。様々な実施形態において、内側バンド２０４は、径方向内側を向いた端面３１０から径方向内向きに延出しかつ内側バンド２０４と一体に形成された非圧縮負荷支持機構（図示せず）を有する、径方向内側を向いた端面３１０を備える。径方向内側を向いた端面３１０から延出する機構は、内側バンド２０４の径方向外側面３１４に形成された相補的な機構３１２と嵌合するように構成される。

図５は、径方向外側を向いた端面３０２を含む、ノズルセグメント組立体２０２の斜視図である。例示的な実施形態では、非圧縮負荷支持機構３０４は、ホイッスルノッチ５０４を含む楔フランジ５０２で具体化される。楔フランジ５０２は、面３０２の後側５０８に沿ってビルドアップ領域５０６を含む。楔フランジ５０２は、前方開始点５１２から後側５０８に向かって厚さ５１０が増加する。楔フランジ５０２は、製造のレイアップフェーズ中にＣＭＣで形成されるため、外向き径方向５１４の面３０２の一体延長部である。様々な実施形態において、ノッチ５０４は、製造時に面３０２を加工することにより形成される。あるいは、ノッチ５０４は、レイアップフェーズの間に形成される。ノッチ５０４は、内側支持構造体２１２の径方向内側面３０８から径方向内向きに延出する相補的形状の機構（図示せず）に構成される。ノッチ５０４の面５１６は、径方向内側面３０８から径方向内向きに延出する機構（図示せず）から接線方向の負荷を受けるように構成される。面５１６は、図示のように軸方向を向くか、または軸線１１５（図１に示す）に対して正または負の角度５１８を向いてもよく、接線方向だけでなく軸方向の部品も含む負荷を受ける。

図６は、径方向外側を向いた端面３０２を含む、ノズルセグメント組立体２０２の別の実施形態の斜視図である。例示的な実施形態では、２つの非圧縮負荷支持機構３０４は、軸方向６０４および接線方向のフランジ６０６と直交して配向される軸楔フランジ６０２で具体化される。楔フランジ６０２は、軸方向６０４の方を向く面６０８を含み、軸方向の負荷を、内側支持構造体２１２の径方向内側面３０８から、径方向内向きに延出する相補的形状機構（図示せず）へ伝達するように構成される。例示的な実施形態において、接線方向のフランジ６０６は、接線方向の部品の負荷を、内側支持構造体２１２の径方向内側面３０８から径方向内向きに延出する相補的形状の機構（図示せず）へ伝達するように構成された、矩形断面、第１の面６１０、および第２の面６１２を備える。楔フランジ６０２および接線方向のフランジ６０６の相対的な向きおよび位置は、動作中にノズル翼形部２１０で生成されるであろう決定された力に基づいて選択される。

図７は、径方向外側を向いた端面３０２を含むノズルセグメント組立体２０２の別の実施形態の斜視図である。例示的な実施形態において、非圧縮負荷支持機構３０４は、径方向外向きに延出するタブ７０２に包含される。タブ７０２は、第１の面７０４と、反対側の第２の面７０６を含む。開口７０８は、ピン（図７には示されていない）を受けるように構成される。面７０４および７０６は、負荷が面７０４および７０６に面して直交して伝達されるように配置される。タブ７０２は、外側バンド２１６の径方向内側面３０８から延出する相補的形状のボス（図７には示されていない）に受けられるように構成される。いくつかの実施形態では、ボスはまた、ノズルセグメント２０２がたとえば外側バンド２１６に組み付けられる際に開口７０８と整合する、１つ以上の開口を有する。開口７０８およびボスの開口を介して挿入されるピン（図７には示されていない）は、ピン（図７には示されていない）を通して外側バンド２１６へ、径方向の負荷を伝達することを可能にする。

図８は、外側バンド２１６に形成されたタブ７０２とボス８０２を用いて外側バンド２１６に嵌合する、図７に示すノズルセグメント組立体２０２の斜視図である。例示的な実施形態では、ピン８０４は、必要に応じて開口７０８（図７に示す）およびボス８０２の１つ以上の開口８０６を通して挿通される。タブ７０２、ボス８０２、およびピン８０４は軸方向８０８、接線方向８１０、および径方向８１２の負荷を伝達し、かつ受けるように構成される。タブ７０２、ボス８０２、およびピン８０４の面は、軸方向８０８および接線方向８１０と直角に整合するか、または軸方向８０８および接線方向８１０に対する角度で整合して軸および接線方向成分を有する負荷を伝達してもよい。

図９は、径方向外側を向いた端面３０２を含むノズルセグメント組立体２０２の別の実施形態の斜視図である。例示的な実施形態では、非圧縮負荷支持機構３０４は、径方向外向きに延出する傾斜部９０４および反対側の凹部９０６を備えたフック部材９０２に包含される。フック部材９０２は、内側支持構造体２１２の径方向内側面３０８に形成された相補的形状の機構と嵌合するように構成される。

図１０は、径方向外側を向いた端面３０２を含むノズルセグメント組立体２０２の別の実施形態の斜視図である。例示的な実施形態では、非圧縮負荷支持機構３０４は、接線方向のノッチ１００３と組み合わせて軸楔フランジ１００２で具体化される。複合軸楔フランジ１００２は、第１の軸方向面１００６を有する第１の楔フランジ１００４と、第２の軸方向面１０１０を有する第２の楔フランジ１００８とを含む。接線方向のノッチ１００３は、接線方向面１０１２および軸方向面１０１４を含む。各面１００３、１００６、および１０１４は、軸方向１０１６の負荷を、外側バンド２１６（図３に示す）の径方向内側面３０８（図３に示す）から延出する相補的形状の機構へ伝達するように構成される。面１０１２は、接線方向１０１８の負荷を、外側バンド２１６（図３に示す）の径方向内側面３０８（図３に示す）から延出する相補的形状の機構へ伝達するように構成される。

図１１は、径方向外側を向いた端面３０２を含むノズルセグメント組立体２０２の別の実施形態の斜視図である。例示的な実施形態では、非圧縮負荷支持機構３０４は、接線方向の面負荷ピボット１１０４と係合する接線方向のフランジ１１０２において具体化される。接線方向のフランジ１１０２は、接線方向のフランジ６０６と類似しており、いくつかの実施形態では接線方向のフランジ６０６と同一である。様々な実施形態において、接線方向の面負荷ピボット１１０４は、金属製で、たとえば外側バンド２１６（図３に示す）の径方向内側面３０８（図３に示す）から延出する相補的形状のピン（図示せず）に回動可能に連結される。例示的な実施形態では、径方向外側を向いた端面３０２はまた、後方を向いた軸方向面１１０８を含む軸楔フランジ１１０６を含む。軸楔フランジ１１０６は、たとえば封止目的のために、後方を向いた軸方向面１１０８を通る厳密に軸方向の負荷を伝達してもよい。ノズルセグメント組立体２０２と隣接するノズルセグメント組立体２０２の間の特定の幾何学的形状によって、負荷は厳密に接線方向の負荷に軽減できない可能性があり、接線方向のフランジ１１０２および接線方向の面負荷ピボット１１０４を使用して面１１１０および１１１２の全面を連結する。負荷がねじれて別の方向から伝達した場合、接線方向の面負荷ピボット１１０４が回動して、面１１１０および１１１２にわたって負荷を分散し続けるであろう。

図１２は、径方向外側を向いた端面３０２を含むノズルセグメント組立体２０２の別の実施形態の斜視図である。例示的な実施形態では、非圧縮負荷支持機構３０４は、外側バンド２１６（図３に示す）の径方向内側面３０８（図３に示す）から延出する、相補的形状の接線方向のピン１２０６に係合するように構成された、径方向を向いたポケット１２０４を有する、ピンスロットフランジ１２０２で具体化される。ピンスロットフランジ１２０２および接線方向のピン１２０６の組み合わせは、接線方向のフランジ１１０２および接線方向の面負荷ピボット１１０４（両方とも図１１に示す）と実質的に同様に動作する。ピンスロットフランジ１２０２および接線方向のピン１２０６は、後方を向いた軸方向の面１２１０を含む軸楔フランジ１２０８と組み合わせて使用するために選択されてもよい。様々な実施形態において、複数のピンスロットフランジ１２０２および接線方向のピン１２０６は、面３０２を通るすべての負荷を伝達するように配置および配向されてもよい。たとえば、ピンスロットフランジ１２０２および接線方向のピン１２０６の組み合わせは、面３０２上の数箇所に配置することができ、軸楔フランジ１２０８は使用しない。

図１３は、径方向外側を向いた端面３０２を含むノズルセグメント組立体２０２の別の実施形態の斜視図である。例示的な実施形態では、非圧縮負荷支持機構３０４は、圧力側の楔１３０２で具体化される。圧力側の楔１３０２は、複数の接点パッド１３０４を含む。例示的な実施形態では、３個の接触パッド１３０４が示されているが、いかなる数の接触パッドを用いてもよい。圧力側の楔１３０２は、接線面１３０６が、翼形部２１０の中空内部への開口部１３１０の側壁１３０８と一致するかまたは張り出すように配置される。このような位置は、製造中に接触パッド１３０４をより加工しやすくする。パッド１３０４は、外側バンド２１６（図３に示す）の径方向内側面３０８（図３に示す）から延出する相補的形状の機構に構成される。例示的な実施形態では、パッド１３０４は、ＣＭＣ材料で形成され、局所的な摩耗耐性を高めるように加工される。様々な実施形態において、パッド１３０４は、ＣＭＣとは異なる金属または他の材料から形成されてもよく、接線面１３０６の中に加工されてもよい。接線方向の負荷は、接線面１３０６を通って外側バンド２１６（図３に示す）へ伝達される。

図１４は、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）ベーン組立体から金属ベーン組立体支持部材へ負荷を伝達する方法１４００のフロー図である。例示的な実施形態では、方法１４００は、ＣＭＣベーン組立体を提供１４０２することを含み、ＣＭＣベーン組立体は、１つ以上の径方向外向きに延出する負荷伝達機構、径方向内端部品、およびそれらの間で延出する翼形部本体を有する、径方向外向き面を含む径方向外端部品を含む。方法１４００はまた、径方向外端部品を、ガス流路の周りに円周方向に間隔を置いて配置された複数の金属ベーン組立体支持部材の少なくとも１つに係合すること１４０４を含む。ベーン組立体支持部材は、負荷伝達機構に対して相補的な形状をした１つ以上の負荷受け機構を含み、負荷伝達機構は楔形の断面を備える。

図１５は、前方視野から後方を見た、本開示の別の例示的な実施形態によるノズルセグメント組立体２０２の部分分解図である。図１６は、円周方向の側面斜視からのノズルセグメント組立体２０２の別の部分分解図である。例示的な実施形態では、ノズルセグメント組立体２０２は、第１の金属材料で形成された内側支持構造体２１２を含む。内側支持構造体２１２は、支柱２０８を含む。支柱２０８は、内側支持構造体２１２に結合可能であり、内側支持構造体２１２と一体に形成されるかまたはノズルセグメント組立体２０２の組立中に内側支持構造体２１２に結合されてもよい。支柱２０８は中空であってもよく、各々少なくとも１つの内部壁を有することにより、支柱２０８の剛性を高めてもよい。支柱２０８は、第１の嵌合端部２０６（図１５および図１６では内側支持構造体２１２で隠れている）、第２の反対側の嵌合端部２０７、およびその間に径方向に延出する支柱本体２０９を含む。例示的な実施形態では、支柱本体２０９は円筒形状である。様々な実施形態において、支柱本体２０９は、たとえば楕円形、長円形、多角形、またはこれらの組み合わせだがこれに限定されない非円形の断面を有する。ノズルセグメント組立体２０２はまた、第２の金属材料で形成された径方向外側支持構造体２１４を含む。例示的な実施形態では、第１および第２の金属材料は、たとえば、ニッケル基超合金と同様の材料、ガンマチタンアルミナイド等の金属間化合物材料、または高温に耐性を示す他の合金であるが、これに限定されない。内側支持構造体２１２、外側支持構造体２１４、支柱２０８、および組立体の他の金属部品は、すべて同じ材料で形成されてもよく、または本明細書に記載された機能を実行することができる異なる材料で形成されてもよい。

ノズル翼形部２１０は、熱膨張係数の低い材料、たとえば、セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料により形成される。ノズル翼形部２１０は、内側バンド２０４と外側バンド２１６の間で延出する。外側バンド２１６は、外側を向いた端面１５０２から径方向外向きに延出しかつ外側バンド２１６と一体に形成された、後方を向いたフランジ面１５０４を有する、径方向外向きに延出する端面３０２を備える。フランジ面１５０４は、外側支持構造体２１４の径方向内側面３０８に形成された相補的なフランジ面１５０６と嵌合するように構成される。外側バンド２１６と外側支持構造体２１４の間のシールは、ノズルセグメント組立体２０２の組み立て時に、フランジ面１５０４とフランジ面１５０６の嵌合面に形成される。

ノズルセグメント組立体２０２はまた、支柱本体２０９、嵌合端部２０７、嵌合端部レセプタクル１５１０、および第１の保持ピン１５１２を含む第１の径方向保持機構１５０８を備える。組み立て時に、嵌合端部２０７は、開口１５１４が嵌合端部２０７を貫通し、開口１５１６が嵌合端部レセプタクル１５１０を貫通するように、レセプタクル１５１０に挿入される。第１の保持ピン１５１２は、開口１５１４および１５１６を通って挿入され、ノズルセグメント組立体２０２を径方向に保持する。

ノズルセグメント組立体２０２はまた、内側バンド２０４に１つ以上の径方向保持ピン１５２０および関連する開口１５２２を備える、第２の径方向保持機構１５１８を含む。径方向保持ピン１５２０は、中空の翼形部２１０内の内側バンド２０４の径方向外側から、内側バンド２０４を通って、関連する開口１５２２を用いて内側支持構造体２１２の中へ延出する。これらのピンの目的は、内側バンド２０４を挟み、支柱本体２０９とノズル翼形部２１０の間のミスマッチαによってノズル翼形部２１０が径方向外向きに浮き径方向の間隙が開くことを防止することである。ノズル翼形部２１０をこの開いた間隙で浮かせると、望ましくない流路のステップを引き起こす。径方向保持ピン１５２０は、ノズル翼形部２１０が内側支持構造体２１２に対して常に装着されていることを確実にする。

本開示の実施形態は、ＣＭＣノズルセグメント組立体２０２が、シール、漏れ、応力等、一定の利益または不利益を有する異なる構成で、支柱２０８、内側支持構造体２１２、および外側バンド２１６と連結することができることを様々な方法を示して説明し、かつ図示した。いくつかの実施形態では、ＣＭＣノズルセグメント組立体２０２は、金属製の支柱に取り付けられ、ステータへの負荷に対応する。様々な取り付け機構は、「ｗａｎｇｅ」または楔フランジを含み、これは軸方向または接線方向の負荷を伝達することができる補強されたフランジであり、「タブ」は主に接線方向の負荷を伝達する機構であり、「ホイッスルノッチ」は内側バンド２０４または外側バンド２１６のノッチまたは切り欠きであり、主に接線方向の負荷機構であり、フランジノッチもまた接線方向の負荷機構であり、「パッド」は支柱２０８に対して荷重するノズル空洞内の機構であり、「ピン」はピンを通して支柱に装荷する内側バンド２０４または外側バンド２１６の孔またはスロットを有する機構である。

特定の詳細について説明した上記実施形態は、例または可能な実施形態であるに過ぎず、包含され得る多くの他の組み合わせ、追加、または代替があることを理解されたい。

近似する文言は、本明細書および特許請求の範囲の全体にわたってここで用いられるように、それが関連する基本的機能の変更をもたらすことなく許容範囲で変化することができる定量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「約」および「実質的に」等の用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似する文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限定は組み合わせおよび／または置き換えが可能であり、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。

セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）ベーン組立体から金属ベーン組立体支持部材へ負荷を伝達する方法およびシステムの上記実施形態は、ＣＭＣベーン組立体から伝達された負荷を、従来の金属ベーン組立体よりも広い範囲にわたって金属ベーン組立体支持部材へ拡散する、費用効果がありかつ信頼性の高い手段を提供する。より具体的には、本明細書に記載した方法およびシステムは、金属ベーン組立体支持部材の負荷受け機構に関して、ＣＭＣベーン組立体における負荷伝達機構の配向および位置決めを容易にする。結果として、本明細書に記載する方法およびシステムは、費用効果がありかつ信頼性の高い方法で、ベーン組立体の耐用年数を延ばすことを助長する。

本明細書は、本開示を説明する実施例を用いており、最良の形態を含み、またいかなる当業者も本開示を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を行うことを含む。本開示の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的な差異がなく等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。

１００ガスタービンエンジン
１１２低圧圧縮機
１１４高圧圧縮機
１１５エンジン軸線
１１６燃焼器組立体
１１８高圧タービン
１２０低圧タービン
１２２ロータ
１２４ロータ
１２６第１のシャフト
１２８第２のシャフト
１４０圧縮機収納ケース
２００ノズルリング
２０２ノズルセグメント組立体
２０４内側バンド
２０６第１の嵌合端部
２０７第２の反対側の嵌合端部
２０８支柱
２０９支柱本体
２１０ノズル翼形部
２１２内側支持構造体
２１４外側支持構造体
２１６外側バンド
３０２端面
３０４負荷支持機構
３０６相補的な機構
３０８径方向内側面
３１０端面
３１２相補的な機構
３１４径方向外側面
３６０円周方向
５０２楔フランジ
５０４ノッチ
５０６ビルドアップ領域
５０８後方側
５１０厚さ
５１２前方開始点
５１４外向き径方向
５１６面
５１８正または負の角度
６０２軸楔フランジ
６０４軸方向
６０６接線方向のフランジ
６０８面
６１０第１の面
６１２第２の面
７０２タブ
７０４第１の面
７０６第２の面
７０８開口
８０２ボス
８０４ピン
８０６開口
８０８軸方向
８１０接線方向
８１２径方向
９０２フック部材
９０４傾斜部
９０６凹部
１００２複合軸楔フランジ
１００３接線方向のノッチ
１００４第１の楔フランジ
１００６第１の軸方向面
１００８第２の楔フランジ
１０１０第２の軸方向面
１０１２接線面
１０１４軸方向面
１０１６軸方向
１０１８接線方向
１１０２接線方向のフランジ
１１０４面負荷ピボット
１１０６楔フランジ
１１０８軸方向面
１１１０面
１１１２面
１２０２ピンスロットフランジ
１２０４ポケット
１２０６ピン
１２０８楔フランジ
１２１０軸方向面
１３０２圧力側楔
１３０４接触パッド
１３０６接線面
１３０８側壁
１３１０開口部
１４００方法
１４０２提供
１４０４係合
１５０２端面
１５０４後向きのフランジ面
１５０６相補的なフランジ面
１５０８第１の径方向保持機構
１５１０嵌合端部レセプタクル
１５１２第１の保持ピン
１５１４開口
１５１６開口
１５１８第２の径方向保持機構
１５２０径方向保持ピン
１５２２開口

Claims

ガスタービンエンジン（１００）用の翼形部組立体（２００）であって、前記翼形部組立体（２００）はセラミック基複合（ＣＭＣ）材料を含み、前記翼形部組立体（２００）は前記ガスタービンエンジン（１００）の軸方向（２１５）に対して先端部および後端部を備え、前記翼形部組立体（２００）は、
前記外側を向いた端面（３０２）から径方向外向きに延出しかつ外端部品（２１６）と一体に形成された非圧縮負荷支持機構（３０４）を有する径方向外側を向いた端面（３０２）を備えた径方向外端部品（２１６）であって、前記機構（３０４）は、第１の翼形部組立体支持構造体（２１４）の径方向内側面（３０８）に形成された相補的な機構（３０６）と嵌合するように構成され、前記機構（３０６）は前記翼形部組立体（２００）にかかる力に対して直交して選択的に位置決めされた径方向外端部品（２１６）と、
前記径方向内端部品（２０４）から径方向内向きに配置された第２の翼形部組立体支持構造体（２１２）と係合するように構成された径方向内端部品（２０４）と、
径方向外端部品（２１６）および径方向内端部品（２０４）の間で延存する前記翼形部本体（２１０）であって、前記第１の翼形部組立体支持構造体（２１４）に第１の端部（２０６）で結合可能な支柱（２０８）を受けるように構成された中空の翼形部本体（２１０）とを備える、翼形部組立体（２００）。
前記径方向内端部品（２０４）は、前記径方向内端部品（２０４）を通って前記第２の翼形部組立体支持構造体（２１２）の中に延出し、径方向内端部品（２０４）の負荷を維持し、これにより径方向内端部品（２０４）が第２の翼形部組立体支持構造体（２１２）に把持されるように構成された径方向保持ピン（１５１２）を含む径方向保持機構（１５０８）を備える、請求項１に記載の組立体（２００）。
前記径方向内端部品（２０４）は、内側を向いた端面（３０２）から径方向内向きに延出しかつ前記内端部品（２０４）と一体に形成された非圧縮負荷支持機構（３０４）を有する径方向内側を向いた端面（３０２）を備え、前記機構が、第２の翼形部組立体支持構造体（２１２）の径方向外側面（３１４）に形成された相補的な機構と嵌合するように構成された、請求項１に記載の組立体（２００）。
前記支柱（２０８）が、第２の端部（２０７）において前記第２の翼形部組立体支持構造体（２１２）に連結可能である、請求項３に記載の組立体（２００）。
前記機構（３０４）が、前記外側を向いた端面（３０２）の楔形部（５０２）に形成されたノッチ（５０４）を備える、請求項１に記載の組立体（２００）。
前記機構（３０４）が、軸方向（２１５）に直交して配置された前記外側を向いた端面（３０２）の楔形部を備える、請求項１に記載の組立体（２００）。
前記機構（３０２）が、軸方向（２１５）にほぼ直交する円周方向に直交して配置された、前記外側を向いた端面（３０２）の楔形部（５０２）を備える、請求項１に記載の組立体（２００）。
前記楔形部（５０２）が、径方向に配向されたピンを中心に回転するように構成されたピボット部材（１１０４）と係合し、前記径方向に配向されたピンにより、前記翼形部組立体にねじり力が発生する場合に、前記ピボット部材（１１０４）が前記楔形部（５０２）との面接触を維持できるようになる、請求項７に記載の組立体（２００）。
前記外側を向いた端面（３０２）は、前記翼形部組立体（２００）がガスタービンエンジン（１００）内で動作中である場合に、前記翼形部組立体（２００）にかかる力の成分の予め決められた方向に対して直交して各々配置される複数の機構（３０４）を備える、請求項１に記載の組立体（２００）。
前記機構（３０４）が、外側径方向に延出するタブ（７０２）を備え、前記タブが前記第１の翼形部組立体支持構造体（２１４）に形成された相補的形状のボス（８０２）に係合するように構成される、請求項１記載の組立体。