JP2019194474A - 噛合い機械的継手を伴うｃｍｃノズルおよび製作 - Google Patents
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Abstract
【課題】完成したガスタービンノズルを形成するために、向上された噛合い機械的継手と、ガスタービンノズルのあるCMC下位構成部品を別のCMC下位構成部品またはセラミックの一体構造の下位構成部品に結合する方法とを提供すること。【解決手段】ノズルが、画定された噛合い特徴部を各々有するベーンとバンドとを備える。ベーンおよびバンドは、マトリックスに埋め込まれた強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)から各々形成される。ベーンおよびバンドは、1つまたは複数の噛合い特徴部を含む。ノズルは、ベーンとバンドとを互いに結合する噛合い機械的継手をさらに含む。噛合い機械的継手を形成するために噛合い特徴部においてベーンとバンドとを結合するための方法も提供される。【選択図】なし
Description
本明細書で開示される主題は、セラミックマトリックス複合材料(CMC)下位構成部品と、このような下位構成部品の結合とに関する。より詳細には、本発明は、CMCノズルと、1つまたは複数の噛合い機械的継手を利用して複数の下位構成部品からCMCノズルを形成する方法とを対象としている。
ガスタービンエンジンにはいくつかの主要構成部品がある。空気がエンジンに入り、圧縮機を通過する。圧縮された空気は、1つまたは複数の燃焼器を通る経路で送られる。燃焼器内には、燃焼器を通過した空気の流れへと燃料を導入するように働く1つまたは複数のノズルがある。結果生じる燃料-空気の混合物は、点火装置によって燃焼器において点火されて、約1100℃〜2000℃の範囲において高温の圧縮された燃焼ガスを生成する。燃焼器を出て行くこの高エネルギーの空気流れは、第1段のタービンノズルによって下流の高圧タービン段および低圧タービン段へと再方向付けされる。ガスタービンエンジンのタービン区域はロータシャフトと1つまたは複数のタービン段とを含み、各々のタービン段は、シャフトによって搭載または担持されたタービンディスク(またはロータ)と、ディスクに搭載され、ディスクの周辺から径方向に延びるタービンブレードとを有する。タービン組立体は、典型的には、燃料-空気の混合物の燃焼によって生成される高エネルギーの空気流れを膨張させることでシャフトの回転を発生させる。ガスタービンのバケットまたはブレードは、流路のガスの熱および運動のエネルギーをロータの機械的回転へと変換するように設計されたエアフォイル形状を概して有する。これらの段では、膨張された高温ガスが力をタービンブレードに発揮し、それによって、例えば発電装置を駆動するために、付加的な回転エネルギーを提供する。
ガスタービンエンジンについての高性能高温部品(AGP:Advanced Gas Path)熱伝達設計において、CMCの高温性能は、CMCを、タービンブレード、ノズル、およびシュラウドなどの弓形の構成部品を製作するための魅力的な材料にしている。タービンエンジン内では、ノズル段が、ブレードまたはエアフォイルとも称される複数のベーンを含み、各々のベーンまたは複数のベーンが、プラットフォームとも称される複数のバンドに結合されている。
いくつかの技術が、タービンブレード、ノズル、またはシュラウドなどのタービンエンジン構成部品を、CMCを用いて製造するために使用されている。CMC材料は、セラミックマトリックス材料に埋め込まれたセラミック繊維強化材料を概して含む。強化材料は、マトリックスの亀裂の場合にCMCの耐荷重構成要素として作用し、セラミックマトリックスは、強化材料を保護し、その繊維の配向を維持し、マトリックスの亀裂のないときに荷重を支える。ガスタービンエンジンなど、高温の用途にとって特に興味のあるのは、ケイ素に基づく複合材料である。炭化ケイ素(SiC)に基づくCMC材料が、タービンブレード、ベーン、燃焼器ライナ、ノズル、およびシュラウドなど、ガスタービンエンジンの特定の構成部品のための材料として提案されている。SiC繊維は、SiC、C、およびAl2O3を含む様々なセラミックマトリックス材料のための強化材料として使用されている。シリコンプ(Silicomp)、溶融含浸(MI)、化学蒸気浸透(CVI)、およびポリマ含浸焼成法(PIP)を含め、様々な方法が、SiCに基づくCMC構成部品を製作するために知られている。SiCなどの非酸化物に基づくCMCに加えて、酸化物に基づくCMCがある。これらの製作技術は互いにかなり異なるが、各々が、様々な処理段階において熱および/または圧力を加えることを含む処理を通じて部品を生産するために、プレフォームの製作および高密度化を伴う。多くの例において、CMCガスタービンノズルの製作など、複雑な複合材料構成部品の製作は小さい半径にわたって繊維を形成することを伴い、これは製造可能性において困難をもたらし得る。より複雑な幾何学形状は、複雑な工具、複雑な圧縮などを要求する可能性がある。結果として、2つ以上のより簡単な形とされた構成部品が製造され、より複雑な形へと結合されることがあり得る。この手法は、製造の複雑性を低減する。
したがって、CMCの分野において特に興味のあるのは、完成した構成部品の構造を形成するために、あるCMC下位構成部品またはプレフォームを別のCMCまたはセラミックの下位構成部品に結合することである。例えば、あるCMC下位構成部品を別のCMC下位構成部品に結合することは、全体の完成した構造の形の複雑性が、特にはノズルベーンおよびバンドといった先に言及したガスタービンノズルを伴うなど、単一の部品として製造するには複雑すぎる可能性があるときに生じ得る。あるCMC下位構成部品を別のCMC下位構成部品に結合することが生じ得る別の例は、大きくて複雑な構造が単一部品として敷設するには難しく、複数の下位構成部品が、大きくて複雑な構造を形成するために製造されて結合される場合である。CMC下位構成部品を接合するための現在の手順は、限定されることはないが、拡散接合、反応形成、溶融含浸、ロウ付け、接着剤などを含む。一体結合された下位構成部品から形成されているこれらのCMC構成部品構造において特に懸念されるのは、加えられた荷重の影響の下にあるとき、結合手順の間に形成された継手の分離または破壊である。
したがって、完成したガスタービンノズルを形成するために、向上された噛合い機械的継手と、ガスタービンノズルのあるCMC下位構成部品を別のCMC下位構成部品またはセラミックの一体構造の下位構成部品に結合する方法とが望まれている。結果生じる噛合い機械的継手は、ガスタービンノズル構造に強度と堅牢性とを提供する。
本開示の様々な実施形態は、噛合い機械的継手を使用するセラミック複合材ガスタービンノズルおよび製作を含む。一例の実施形態によれば、ガスタービンのためのセラミックマトリックス複合材料(CMC)構成部品が開示されている。セラミックマトリックス複合材料(CMC)構成部品は、マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むベーンと、マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むバンドと、セラミックマトリックス複合材料(CMC)構成部品を形成するために、ベーンとバンドとを結合する少なくとも1つの噛合い機械的継手とを備える。バンドは、表面に形成される噛合い凹部を含む。
別の例示の実施形態によれば、ガスタービンのためのノズルが開示されている。ノズルは、ベーンを通って長手方向に延び、ベーンの少なくとも一端から延び、空洞を中に画定する空洞ラップを備えるベーンと、開口が形成され、外面に凹部が画定されるバンドと、ノズルを形成するために、ベーンとバンドとを結合する少なくとも1つの噛合い機械的継手とを備える。ベーンは、マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含む。バンドは、マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含む。空洞ラップは、少なくとも1つの噛合い機械的継手においてバンドにおける開口と係合するように構成される。
なおも別の例示の実施形態によれば、セラミックマトリックス複合材料(CMC)構成部品を形成する方法が開示されている。方法は、マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むベーンを提供するステップと、マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むバンドを提供するステップと、複数の噛合い機械的継手を間に形成するために、複数の噛合い特徴部においてベーンをバンドに機械的に結合するステップとを含む。ベーンおよびバンドの各々は、複数の噛合い特徴部を含む。複数の噛合い特徴部のうちの1つまたは複数は、少なくとも1つの噛合い継手と、バンドに形成される凹部とを備える。
本開示の他の目的および利点は、添付の図面を参照しつつ、以下の詳細な記載および添付の特許請求の範囲を読むことで明らかとなる。本出願のこれらおよび他の特徴および改良は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せられるとき、以下の詳細な記載を検討することで当業者には明らかとなる。
本開示のこれらの特徴および他の特徴は、本開示の様々な実施形態を描写している添付の図面と併せられた本開示の様々な態様の以下の詳細な記載から、より容易に理解されるものである。
他に示されていない場合、ここに提供されている図面は、本開示の実施形態の特徴を示すように意味されている。これらの特徴は、本開示の1つまたは複数の実施形態を備える幅広い様々なシステムにおいて適用可能であると考えられる。このようにして、図面は、ここで開示されている実施形態の実施のために要求される、当業者によって知られているすべての従来の特徴を含むように意味されていない。
ここで提示されている図面は必ずしも原寸に比例していないことに留意されたい。図面は、開示されている実施形態の典型的な態様だけを描写するように意図されており、そのため本開示の範囲を限定するとして考えられるべきではない。図面では、同様の符号は図面同士の間で同様の要素を表している。
ここで本発明の実施形態が詳細に参照され、その実施形態の1つまたは複数の例が図面において示されている。各々の例は、本発明の限定ではない本発明の説明を用いて提供されている。実際、様々な変更および変化が、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明において行われ得ることは、当業者には明らかである。例えば、一実施形態の一部として図示または記載されている特徴は、なおもさらなる実施形態を生み出すために、別の実施形態と共に使用されてもよい。したがって、添付の特許請求の範囲またはそれらの等価の範囲内にあるとして、本発明がこのような変更および変化を網羅することは、意図されている。
本明細書で使用されている専門用語は、具体的な実施形態だけを記載する目的のためであり、本開示を限定するものではない。本明細書で用いられているように、単数形「1つ(a、an)」および「その(the)」は、文脈がそうでないと明確に示していない限り、複数形も含むように意図されている。本明細書で用いられるときの用語「備える(comprise)」および/または「備えている(comprising)」は、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および/または構成部品の存在を明示しているが、1つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品、および/またはそれらのグループの存在または追加を排除しないことは、さらに理解されるものである。
本明細書および特許請求の範囲を通じてここで使用されている近似の言葉は、それが関連する基本的な機能における変化をもたらすことなく許容可能に変化し得る定量的な表現を変更するために適用される。そうでないと示されていない限り、本明細書で使用されている「概して」、「実質的に」、および「約」などの近似の言葉は、そのように修飾された用語が、絶対的または完璧な度合いまでと言うより、当業者によって認識されているおおよその度合いだけまで当てはまり得ることを示している。したがって、このような用語によって修飾された値は、明示された正確な値に限定されない。少なくとも一部の例では、近似の言葉は、値を測定するための器具の精度に対応し得る。ここで、本明細書および特許請求の範囲を通じて、範囲の限界は、組み合わされて相互に置き換えられる。このような範囲が特定され、文脈または言葉がそうでないことを示していない限り、そこに含まれるすべての下位の範囲を含む。
また、そうでないと示されていない限り、「第1の」、「第2の」などの用語は、ここでは単に符号として使用されており、これらの用語が言及する品目に序数、位置、または階層の要件を課すように意図されていない。さらに、例えば、「第2の」品目への言及が、例えば、「第1の」もしくはより小さい番号とされた品目、または、「第3の」もしくはより大きい番号とされた品目の存在を要求または排除しない。
本明細書で用いられているように、セラミックマトリックス複合材料または「CMC」は、セラミック繊維によって強化されたセラミックマトリックスを含む複合材料を言っている。本明細書での使用のために許容可能なCMCの一部の例は、限定されることはないが、マトリックスと、酸化物、炭化物、窒化物、オキシカーバイド、酸窒化物、およびそれらの混合物を備える強化繊維とを有する材料を含み得る。非酸化物の例は、限定されることはないが、炭化ケイ素マトリックスおよび炭化ケイ素繊維を伴うCMCと(ケイ素溶融含浸によって作られるとき、このマトリックスは残留遊離ケイ素を含むことになる)、炭化ケイ素/ケイ素マトリックス混合物および炭化ケイ素繊維と、窒化ケイ素マトリックスおよび炭化ケイ素繊維と、炭化ケイ素/窒化ケイ素マトリックス混合物および炭化ケイ素繊維とを含むことになる。さらに、CMCは、マトリックスと、酸化セラミックを含む強化繊維とを有し得る。明確には、酸化物-酸化物のCMCは、マトリックスと、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化ケイ素(SiO2)、アルミノケイ酸塩、およびそれらの混合物などの酸化物に基づく材料を含む強化繊維とを含み得る。したがって、本明細書で使用されているように、「セラミックマトリックス複合材料」という用語は、限定されることはないが、炭素繊維で強化された炭素(C/C)、炭素繊維で強化された炭化ケイ素(C/SiC)、および炭化ケイ素繊維で強化された炭化ケイ素(SiC/SiC)を含む。一実施形態では、セラミックマトリックス複合材は、(強化されていない)一体構造のセラミック構造と比較して、向上された伸び、破壊靱性、熱衝撃、および異方特性を有する。
SiC-SiCのCMCを製作するために使用され得るいくつかの方法がある。ある手法では、マトリックスは、CMCプレフォームへの合金を含む溶融ケイ素またはケイ素の溶融含浸(MI)を通じて部分的に形成または高密度化される。別の手法では、マトリックスは、CMCプレフォームへの炭化ケイ素の化学蒸気浸透(CVI)を通じて少なくとも部分的に形成される。第3の手法では、マトリックスは、炭化ケイ素を生み出すプレセラミックポリマを熱分解させることで少なくとも部分的に形成される。この方法は、ポリマ含浸焼成法(PIP)としばしば称される。上記3つの技術の組み合わせが使用されてもよい。
MI CMCの過程の一例では、窒化ホウ素に基づく被覆システムがSiC繊維に堆積される。そのため、被覆された繊維は、プリプレグテープを形成するために、マトリックス前駆体物質で含浸される。テープを製作する1つの方法はフィラメントワインディングである。繊維は、マトリックス前駆体スラリの浴を通して引き出され、含浸された繊維はドラムに巻かれる。マトリックス前駆体は、炭化ケイ素および/または炭素微粒子と、有機材料とを含み得る。次に、含浸された繊維は、ドラムの軸に沿って切断され、繊維が通常は同じ方向において延びている平らなプリプレグテープを生み出すためにドラムから取り外される。結果生じる材料は一方向プリプレグテープである。プリプレグテープは、連続プリプレグ機械を使用して、または、他の手段によって、作られてもよい。次に、テープは、プレフォームを生産するために、ある形へと切断され、敷設され、積層される。プレフォームは、マトリックス前駆体から有機物質を炭にするために、および、多孔性を作り出すために、熱分解または燃焼される。次に、溶融ケイ素が多孔性プレフォームへと含浸され、炭化ケイ素を形成するために炭素と反応することができる。理想的には、過剰な遊離ケイ素が、残っている小孔を満たし、高密度の複合材料が得られる。この手法で生産されたマトリックスは、典型的には残留遊離ケイ素を含む。
プリプレグMI過程は、複数の一次元のプリプレグプライを一体に積み重ねることで二次元の繊維構成を伴う材料を生成し、繊維の配向はプライ間で変えられる。プライは、連続繊維の配向に基づいてしばしば特定される。ゼロ度の配向が確立され、他のプライは、ゼロ度の方向に対するそれ自体の繊維の角度に基づいて設計される。繊維がゼロ度の方向に対して垂直に延びるプライは、90度のプライ、公差プライ、または横断プライとして知られている。
MIの手法は、二次元または三次元の織構成で使用されてもよい。この手法の例は、繊維が三次元のプレフォームまたは二次元の生地へと織られるスラリ鋳込み成形過程である。生地の場合、生地の層は、プレフォームを作り出すために、ある形に切断されて積み重ねられる。化学蒸気浸透(CVI)技術が、界面被覆(典型的には、窒化ホウ素に基づくか、または、炭素に基づく)を繊維に堆積させるために使用される。CVIは、炭化ケイ素マトリックスの層を沈殿させるために使用されてもよい。マトリックスの残っている部分は、マトリックス前駆体スラリをプレフォームへと鋳込み成形し、次に溶融ケイ素で含浸されることで形成される。
MI手法の代替は、炭化ケイ素マトリックスを、一次元、二次元、または三次元の構成において高密度化するためにCVI技術を使用することである。同様に、PIPが、複合材料のマトリックスを高密度化するために使用されてもよい。CVIおよびPIPで生成されたマトリックスは過剰な遊離ケイ素なしで生産され得る。MI、CVI、およびPIPの組み合わせは、マトリックスを高密度化するために使用されてもよい。
ここに記載されている継手は、限定されることはないが、酸化物-酸化物のCMCまたはSiC-SiCのCMCなどの様々なCMC材料を結合するために、または、CMCを一体構造の材料に結合するために、使用され得る。継手は、すべてMIに基づく下位構成部品同士、すべてCVIに基づく下位構成部品同士、すべてPIPに基づく下位構成部品同士、または、それらの組み合わせである下位構成部品同士を結合できる。噛合い機械的継手の場合において、下位構成部品同士を一緒に直接的に接合しなくてもよく、または、下位構成部品同士は、ケイ素、炭化ケイ素、それらの組み合わせ、もしくは他の適切な材料によって接合されてもよい。接合材料は、MI、CVI、またはPIPによって後で高密度化されるマトリックス前駆体材料として堆積され得る。代替で、接合材料は、継手におけるマトリックス前駆体の使用なしで、MI、CVI、またはPIPによって生産されてもよい。さらに、本明細書に記載されている継手は、CMC過程における任意の適切な段階において形成され得る。つまり、下位構成部品は、未乾燥のプリプレグ、積層されたプレフォーム、熱分解されたプレフォーム、十分に高密度化されたプレフォーム、またはそれらの組み合わせを含み得る。
全体を通じて同様の符号が同様の要素に対応する図面をここで参照し、参照の目的のために長手方向または軸方向の中心線軸12を有する航空機で利用される例示のガスタービンエンジン10を概略的な形態で描写している図1を最初に注目する。ここに記載されている原理が、ターボファン、ターボジェット、およびターボシャフトのエンジンと、他の車両のために、または、静止した用途において使用されるターボエンジンとに等しく適用可能であることは、理解されるべきである。これらの実施形態の簡潔な記載を提供するための試みにおいて、実際の実施のすべての特徴が本明細書に記載されているわけではない。さらに、タービンノズルが例として使用される一方で、本発明の原理は、ガスタービンエンジンの主燃焼ガス流路に少なくとも部分的に曝され、セラミックマトリックス複合材料(CMC)から形成される任意の低延性流路構成部品に適用可能であり、より具体的には、限定されることはないが、ブレード、先端シュラウドなどの任意のエアフォイルプラットフォーム状構造に適用可能である。
エンジン10は、符号14によって概して特定されるコアガスタービンエンジンと、その上流に位置決めされるファン区域16とを好ましくは含む。コアエンジン14は、環状の入口20を画定する概して管状の外側ケーシング18を典型的には含む。外側ケーシング18は、コアエンジン14に入る空気の圧力を第1の圧力レベルまで上昇させるための昇圧圧縮機22をさらに包囲している。高圧で多段の軸流圧縮機24が、圧縮空気を昇圧圧縮機22から受け入れ、空気の圧力をさらに増加させる。圧縮空気が燃焼器26へと流れ、燃焼器26では、圧縮空気の温度およびエネルギーレベルを上昇させるために、燃料が圧縮された空気流れへと注入される。高エネルギー燃焼生成物が、第1のHP駆動シャフトを通じて高圧圧縮機24を駆動するために、燃焼器26から第1の高圧(HP)タービン28へと流れ、次に、第1の駆動シャフトと同軸である第2のLP駆動シャフトを通じて、昇圧圧縮機22およびファン区域16を駆動するために、第2の低圧(LP)タービン32へと流れる。HPタービン28はHP静止ノズル34を含む。LPタービン32は静止LPノズル35を含む。エンジン10の中心線軸12の周りで回転し、エアフォイルの形とされたタービンブレード36の配列を担持するロータディスクがノズルの下流に位置決めされる。複数の弓形のシュラウド区域を備えるシュラウド29、38が、タービンブレード27、36を取り囲んで接近して包囲するように配置され、それによって、タービンブレード27、36を通じて流れる高温ガス流のための径方向外側の流路境界を画定する。タービン28および32の各々を駆動した後、燃焼生成物は排気ノズル40を通じてコアエンジン14を離れる。
ファン区域16は、回転可能な軸流ファンロータ30と、環状のファンケーシング42によって包囲される複数のファンロータブレード46とを含む。ファンケーシング42が、複数の実質的に径方向に延びる周囲方向で離間された出口ガイドベーン44によって、コアエンジン14から支持されている。この方法では、ファンケーシング42はファンロータ30と複数のファンロータブレード46とを包囲している。
流れの観点から、矢印50によって描写されている初期の空気流が入口52を通じてガスタービンエンジン10に入る。空気流50は、ファンブレード46を通じて流れ、ファンケーシング42を通じて移動する第1の圧縮空気流(矢印54によって描写されている)と、昇圧圧縮機22に入る第2の圧縮空気流(矢印56によって描写されている)とに分かれる。第2の圧縮空気流56の圧力が増加され、矢印58によって描写されているように、高圧圧縮機24に入る。燃料と混ざって燃焼器26において燃焼された後、燃焼生成物48が燃焼器26を出て、第1のタービン28を通じて流れる。次に、燃焼生成物48は、ガスタービンエンジン10に推力を提供するために、第2のタービン32を通じて流れ、排気ノズル40から出て行く。
エンジン構成部品の多くは、複雑な幾何学的形状のため、いくつかの部品で製作でき、後で一体的に結合される。これらの構成部品は、エンジン10の動作中に高温燃焼ガスに直接的に曝されてもよく、非常に厳しい材料要件を伴う。したがって、セラミックマトリックス複合材料(CMC)から製作されるエンジン10の構成部品の多くは、2つ以上の部品で製作され、後で一体に結合され得る。ここで特に懸念されるのは、HPタービンノズル34を作り上げる複数の下位構成部品(ここで記載したもの)と、それら複数の下位構成部品の結合とである。先に述べたように、セラミックマトリックス複合材料(CMC)は、CMCが高温能力を有すると共に軽量であるため、タービン用途に魅力的な材料である。
ノズル34などの完成した構成部品構造を形成するために、複数のノズル下位構成部品、ならびに、より具体的には、複数のベーンおよびバンド(ここで記載したもの)など、複数のCMC部品または下位構成部品を結合することにおいて、構成部品の敷設過程の間、損傷に耐えると共に頑丈ながら適切な破壊を呈する継手を形成することが望ましい。複数のCMC下位構成部品を結合する機械的継手が破壊する場合、これは構成部品構造の破滅的な破壊をもたらす可能性がある。
これらの継手について特に懸念されるのは、接合線が本質的に脆性となる傾向があり、これは、継手の脆性の破壊をもたらし得ることである。この制約が、接合の表面積を制御することで接合における応力を小さく保つことによって、および、突き合わせ接手、重ね継ぎ、さね継ぎ、ほぞ継手や、より精巧な鋸歯状または段付きテーパ継手など、単純な木工の種類の継手を作ることによって対処され得ることが、確立されている。代替で、頑丈なCMC下位構成部品の機械的な噛合いを含む継手も適切な破壊を実証している。あり継手などの従来の木工の継手が実証されている。上記の継手は、平坦な板および「T字」の形など、二次元または三次元においてCMC下位構成部品同士を結合するために使用され得る。多くの木工の種類の継手が、噛合いがCMCの十分な堅牢性を利用するために、2つのCMC下位構成部品の間に機械的な噛合いを作り出せる一方で、噛合い特徴部は、噛合いを破壊するために強化繊維が壊れることが必要とされるように配向されなければならない。継手が層間方向におけるCMC下位構成部品のうちの1つを破壊することで解放され得るように、噛合い特徴部が配向される場合、噛合いの堅牢性はCMCの層間特性によって制限されてもよい。概して、CMCの層間の強度および堅牢性は、面内の特性より相当に低い。
ここで図2〜図4を参照すると、図1のノズル34など、タービンノズル60の一部分が、結合されていない単純化された斜視図、および、結合された単純化された斜視図においてそれぞれ示されている。ノズル60は、1つだけのベーンが図2〜図4に示されている複数のベーン62と、1つだけのバンドが図2〜図4に示されている複数のバンド64とから概して成る。例示の実施形態では、複数のベーン62の各々が複数のバンド64の間で延びている。複数のベーン62の各々は、概して空気力学的な輪郭を有し得る。例えば、図2〜図4に示しているように、ベーン62は外面66と内面68とを有し得る。ベーン62がエアフォイルである実施形態では、外面66は、前縁74と後縁76との間で各々延びる圧力側70と吸込み側72とを画定することができ、または、任意の他の適切な空気力学的輪郭を画定することができる。複数のベーン62の各々は、少なくとも実質的にベーン62を通って延び、空洞80を中に画定する空洞ラップ78(図2)を備える。図2において最もよく図示されているように、空洞ラップ78は、ベーン62の1つまたは複数の端から距離「x」で延びるように構成されており、噛合い機械的継手(ここで記載したもの)を画定するためにバンド64のうちの1つまたは複数と係合する。
複数のバンド64の各々は、それら自体に形成された開口82を画定する。開口82は、技術的に概して知られているように、内面68によって画定されたベーン62の空洞80へと冷却媒体(図示せず)を流すことができる。複数のベーン64の各々は、バンド64の外表面86へと画定された凹部84をさらに含む。図2において最もよく図示されているように、凹部84は、実質的に鉛直の側壁88と表面90とによって画定されている。実施形態では、表面90は実質的に平面状である。別の実施形態では、表面90は輪郭削りを含み得る。凹部84は、ベーン62とバンド64とが噛合い機械的継手(ここで記載したもの)を画定するために一体に結合されるとき、ベーン62の外側周辺92の少なくとも一部分と係合するように構成される。
ここで図5〜図23を参照すると、本明細書で開示されている噛合い機械的継手98を形成するためにバンド64に結合されたベーン62を含むノズルの複数の実施形態が示されている。実施形態を通じて、ノズルの一部分だけ、より具体的には、単一のベーン62および単一のバンド64の一部分が図示されていることは周知されるべきである。図示されているように、各々の図は、単純化されたブロックの形状を有して描写されており、構成部品内の繊維の直線的な方向を直線的な実線として示して図示されている。しかしながら、個々のプライにおける繊維は、頁の奥および手前へと突出されるように、実線によって画定される平面内における任意の方向において配向され得る。本明細書で開示されている実施形態の各々において、記載されている噛合い機械的継手は、図1のノズル34など、より大きいかまたは完成した構成部品構造を形成するために、ベーン62とバンド64とを結合するために使用されてもよい。代替の実施形態では、ベーン62、バンド64、および/または追加の噛合い下位構成部品(ここで記載したもの)のいずれかが、一体構造のセラミック下位構成部品として構成され得る。
より明確に図5〜図7Bを参照すると、噛合い機械的継手98を含むノズル100、105の実施形態が示されている。図5は、複数の下位構成部品、つまり、バンド64に結合されたベーン62を含むとして、ノズル100を単純化された断面図で示している。図6は、バンド64の単純化された上面図を示しており、図7Aは、ノズル100の噛合い機械的継手98の拡大を示しており、図7Bは、代替の実施形態、より具体的には、ノズル105の噛合い機械的継手90を示している。図示されているように、バンド64は、図2に関して先に記載されているように、表面86に画定された凹部84を含む。図5において最もよく図示されているように、凹部84は、側壁88と、概して平面状の表面90とによって画定されている。図3および図4を参照して先に記載されているように、ベーン62は、バンド64に形成された開口82内の空洞ラップ78と、凹部84内に保持されたベーン62の外側周辺92の少なくとも一部分とを位置決めするように、バンド64に近接して位置決めされる。
より具体的に図7Aを参照すると、図5に示されている噛合い機械的継手98の拡大が示されている。この具体的な実施形態において、ベーン62およびバンド64の各々は、噛合い機械的継手98を画定する1つまたは複数の噛合い特徴部(本明細書に記載されている)を含む。この具体的な実施形態では、1つまたは複数の噛合い特徴部は、幾何学的に画定された複数の噛合い特徴部を含む。ベーン62およびバンド64の各々は、噛合い機械的継手98を形成するために協働して係合するように構成される。より具体的には、図7Aに示されているように、バンド64は、凹部84を形成する側壁88から延びる1つまたは複数の突起102を含む。ベーン62は、噛合い機械的継手98を形成するために1つまたは複数の突起102と協働して係合する1つまたは複数の凹部104を備えている。図7Aの実施形態では、ベーン側壁が、噛合い機械的継手98を形成するためにバンド64の1つまたは複数の突起102と協働して係合する1つまたは複数の凹部104を備えている。代替の実施形態では、図7Bにおいて最もよく図示されているように、空洞ラップ78が、噛合い機械的継手98を形成するためにバンド64の1つまたは複数の突起102と協働して係合する1つまたは複数の凹部104を備えている。本明細書で使用されているように「係合」および「滑り係合」という用語は、互いに対して噛合い特徴部の固定または非固定の挿入部を含む。
図7Aおよび図7Bの実施形態において、ベーン62とバンド64とは、知られている種類のセラミックマトリックス複合材料(CMC)から構築されている。具体的にはCMC材料は、マトリックスに埋め込まれた複数の強化繊維を含み、複数の強化繊維は、構成部品の長さに沿って実質的に配向されている。代替の実施形態では、ベーン62またはバンド64の一方は、知られている種類のセラミックマトリックス複合材料(CMC)から形成されるが、ベーン62またはバンド64の他方は一体構造のセラミック材料から形成される。実施形態を通じて、実線は、ベーン62およびバンド64をそれぞれ備える複数の繊維プライ96の配向/平面を表している。したがって、ノズル100の組み立てられた部分は、1つまたは複数のCMC下位構成部品と1つまたは複数の一体構造のセラミック下位構成部品とを含み得る、または、すべての下位構成部品がセラミックマトリックス複合材料(CMC)のものであり得る。
バンド64における1つまたは複数の凹部84は、ベーン62の外側周辺92の少なくとも一部分の周りで、バンド64に対するベーン62の保持を提供し、結合された構成部品の性能を向上させる(例えば、漏れを減らし、捩じれ能力を向上させる)。図6において最もよく図示されているように、ノズル100または105の組み立ての間、バンド64を備えるプライ96が、バンド64に対するベーン62の位置決めと、噛合い機械的継手98を形成する協働する噛合い特徴部102および104の係合とを可能にするために、線106に沿ってなどで分割される。実施形態では、バンド64を備えるプライ96の全部の厚さが、ノズル100または105の組み立てを受け入れるために分割されてもよい。代替の実施形態では、バンド64を備えるプライ96の一部の厚さだけが、ノズル100または105の組み立てを受け入れるために分割されてもよい。実施形態では、1つまたは複数の突起102と1つまたは複数の凹部104とが各々、バンド64における凹部側壁88、ベーン62、および/または空洞ラップ78の全部または一部の周辺の周りにそれぞれ形成されている。代替の実施形態では、噛合い特徴部は、凹部側壁88、ベーン62、および/または空洞ラップ78の全部または一部の周辺の周りにそれぞれ形成される複数の個々に形成された突起102と協働の凹部104とを備え得る。
SiCなどの一体構造のセラミックは、典型的には脆性材料である。このような材料についての応力-歪み曲線は、試料が破砕するときに途切れる概して真っ直ぐな線である。破壊応力は割れ目の存在によってしばしば決定され、破壊は、重大な割れ目の急速な亀裂成長によって起こる。突然の破壊は、脆性破壊または破滅的破壊と称されることがある。セラミックの強度および破壊歪みが割れ目に依存する一方で、破壊歪みが約0.1%の程度となることは珍しいことではない。
概して、CMC材料は、COI Ceramics, Inc.によって製造されるHi-Nicalon(商標) Type Sなどの高強度のセラミックの種類の繊維を含む。繊維は、SiCまたは残留遊離ケイ素を含むSiCなど、セラミックの種類のマトリックスに埋め込まれる。SiC-SiC複合材料の例では、SiC繊維がSiCマトリックスを強化する場合、窒化ボロンなどの境界面被覆が典型的には繊維に適用される。この被覆は、繊維をマトリックスから剥離させ、マトリックスの亀裂の近くにおいて滑らせることができる。SiC-SiC複合材料の素早い破砕についての応力-歪み曲線は、応力と歪みとが互いに対して比例する初期の線形の弾性部分を概して有する。荷重が増加されるにつれて、最終的にマトリックスは亀裂することになる。良好に作られた複合材料では、亀裂は強化繊維によって架橋されることになる。複合材料における荷重がさらに増加されるにつれて、追加のマトリックスの亀裂が形成し、これらの亀裂も繊維によって架橋されることになる。マトリックスが亀裂するにつれて、マトリックスは荷重を繊維へと与え、応力-歪み曲線は非線形となる。非線形の応力-歪みの挙動の始まりは、比例限度またはマトリックス亀裂応力と一般的に称される。架橋繊維は、マトリックスから剥離してマトリックス亀裂の近くにおいて滑るため、堅牢性を複合材料に付与する。貫通亀裂の場所では、繊維は、複合材料に加えられる荷重全体を担持する。最終的に、荷重は繊維が破壊するだけの大きさとなり、これは複合材料の破壊をもたらす。マトリックスの亀裂の後に荷重を担持するCMCの能力は、適切な破壊としばしば称される。CMCによって呈される損傷許容性は、破滅的に破壊する一体構造のセラミックに対してCMCを望ましくさせる。
CMC材料は、少なくともある程度まで直交異方性であり、つまり、繊維の長さと平行な方向(繊維方向または0度方向)における材料の引張強度が、垂直方向(90度または層間/厚さ方向)における引張強度より大きい。係数およびポアソン比などの物理的特性も、繊維配向に関して異なる。ほとんど複合材料は、複数の方向において配向された繊維である。例えば、プリプレグMI SiC-SiSiC CMCでは、構成は、一方向繊維の層またはプライを含む。共通の構成は、0度の繊維および90度の繊維の交互の層を含み、これは繊維の平面におけるすべての方向において堅牢性を付与する。しかしながら、このプライレベル構成は、厚さ方向または層間方向において延びる繊維を有していない。その結果、この複合材料の強度および堅牢性は、面内の方向においてよりも層間方向において小さい。
CMCは、マトリックス亀裂が繊維によって架橋されるとき、堅牢な挙動と適切な破壊とを呈する。ここで最も大きく懸念されるのは、ノズル34の一部分を形成するCMC材料構成部品が一体に結合されるときに形成される継手の、加えられる荷重に応じての破壊である。継手が繊維を壊すことなく破壊および分離できるように、継手のいずれかがある方向において荷重を掛けられる場合、その継手の脆性の破滅的な破壊の可能性がある。代わりに、継手におけるマトリックス亀裂の後に繊維が亀裂を架橋するように、継手のいずれかがある方向において荷重を掛けられる場合、継手の堅牢で損傷に耐える適切な破壊の可能性がある。
ここで図8を参照すると、より大きな構成部品構造、より具体的には、概して符号110で参照されるノズルを形成するために、ベーン62とバンド64とを結合するための噛合い機械的継手98の代替の実施形態が、単純化された断面において示されている。噛合い機械的継手を図示および記載する実施形態では、空洞ラップ78およびバンド64における開口82の周りに形成される噛合い継手の一部分だけが図示されていることに留意されたい。図8の実施形態では、先に記されているように、噛合い機械的継手98においてバンド64に結合されているベーン62が図示されている。図示されている実施形態では、ベーン62およびバンド64は、マトリックスに埋め込まれた強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)から形成されている。代替の実施形態では、ベーン62またはバンド64のいずれかは、セラミックの一体構造の下位構成部品として形成される。図8において最もよく図示されているように、ベーン62およびバンド64は、噛合い機械的継手98において一方が他方に結合されて示されている。この具体的な実施形態では、噛合い機械的継手98は、典型的な木工のほぞ接手として構成されている。より具体的には、ベーン62およびバンド64は、バンド64の突起102がベーン62に形成された凹部104と係合して構成されている。代替の実施形態では、凹部104は、図7Bの手法において、空洞ラップ78において形成される。実施形態では、突起102と凹部104とが、凹部側壁88、ベーン62、および/または空洞ラップ78の全部または一部の周辺の周りにそれぞれ形成されている。代替の実施形態では、噛合い特徴部は、凹部側壁88、ベーン62、および/または空洞ラップ78の全部または一部の周辺の周りにそれぞれ形成される複数の個々に形成された突起102と協働の凹部104とを備え得る。
図5〜図7Bのノズル100に関して先に記載されているように、ノズル110の組み立ての間、バンド64を備えるプライ96が、バンド64に対するベーン62の位置決めと、噛合い機械的継手98を形成する協働する噛合い特徴部102および104の係合とを可能にするために、線106(図6)に沿ってなどで分割される。実施形態では、バンド64を備えるプライ96の全部の厚さが、ノズル110の組み立てを受け入れるために分割されてもよい。代替の実施形態では、バンド64を備えるプライ96の一部の厚さだけが、ノズル110の組み立てを受け入れるために分割されてもよい。
図8の吹き出しの拡大に示されているように、ここで開示されている実施形態では、羽根62、バンド64および任意の追加の噛合い構成部品(ここで記載したもの)を含む、本明細書に開示されたノズル下位構成部品を形成する構成部品の各々は、継手の向上した噛合いを提供するとともに継手の破壊を最小限にするように、それぞれの構成部品の平面に配向されるプライ96を形成する複数の繊維94を含む。図8の実施形態では、図示されているように、複数の繊維94が、層94aにおいて上から下へと延び、層94bにおいて紙面の手前および奥へと延びる。図示した実施形態では、プライ96の構成は、構成部品の中央平面の周りで対称である。構成部品プライ96の対称性を維持することは、0度のプライと90度のプライとの間の差のために生じ得る変形または応力を最小限にするのを助ける。図示されている8枚のプライパネルは、典型的な構成(0/90/0/90:90/0/90/0)を有して示されており、これは中央平面MPの周りにおいて対称である。代替の実施形態では、プライ96は中央平面MPの周りにおいて対称ではない。なおも別の代替の実施形態では、構成は、±45度など、ある他の角度、または様々な角度の組み合わせなど、0度または90度以外の方向で配向されたプライ96を含む。実施形態では、予測される荷重方向が、ベーン62またはバンド64を互いから(図で配向されている鉛直方向で)引っ張り離すことを必要とする。実施形態では、ベーン62およびバンド64を形成する複数のプライ96は、いずれの繊維も継手98を架橋していないため、繊維によって連結されていない。バンド64の突起102における繊維94は、ベーン62における繊維94と噛合いされ、したがって、ベーン62またはバンド64が互いから分離されられるためには、壊れる必要がある。この手法では、継手は荷重方向において堅牢性を有する。
ここで図9〜図12を参照すると、より大きな構成部品構造、より具体的には、概して符号120、130でそれぞれ参照されるノズルを形成するために、ベーン62とバンド64とを結合するための噛合い機械的継手の実施形態が、単純化された断面図および斜視図において示されている。より明確には、図9および図10に示されているように、噛合い機械的継手98を含むノズル120の実施形態が示されている。噛合い機械的継手を図示および記載する先の実施形態と同様に、ベーン62とバンド64との間に形成される噛合い継手の一部分だけが図示されている。この具体的な実施形態では、少なくとも1つの噛合い機械的継手98は、空洞ラップ78における曲げ部によって形成されており、より具体的には、ベーン62とバンド64とを噛合いためにバンド64において形成された開口82の周りで空洞ラップ78を曲げることで形成されている。図9および図10の実施形態では、先に記されているように、噛合い機械的継手98においてバンド64に結合されているベーン62が図示されている。図示されている実施形態では、ベーン62およびバンド64は、マトリックスに埋め込まれた強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)から形成されている。代替の実施形態では、ベーン62またはバンド64は、セラミックの一体構造の下位構成部品として形成される。先に述べたように、噛合い機械的継手98は、ベーン62とバンド64との間の移動を防止するために、空洞ラップ78の少なくとも一部分をバンド64に対して曲げることで形成されている。図10は、バンド64を通って延びる空洞ラップ78を示している。代替の実施形態では、空洞ラップ78がバンド64の層に埋め込まれてもよく、それによってバンド64のプライは、噛合い特徴部98の上部に形成されている。
符号130で概して参照されるノズルのなおも別の代替の実施形態では、図11および図12において最もよく図示されているように、空洞ラップ78が、図9および図10を参照して記載したように、バンド64における開口82内でベーン62と係合するための手法で曲げられた後、追加の噛合い特徴部、より具体的には、噛合い挿入部132が、ベーン62をバンド64に対してさらに噛合いために位置決めされる。
図5〜図7Bのノズル100に関して先に記載されているように、空洞ラップ78が、組み立ての前に曲げ部を含むようにあらかじめ構成され、より具体的には、「あらかじめ拡げられる」ノズル120、130の組み立ての間、バンド64を備えるプライ96は、バンド64に対するベーン62の位置決めと、噛合い機械的継手98を形成する係合とを可能にするために、線106(図6)に沿ってなどで分割されてもよい。代替の実施形態では、空洞ラップ78が、バンド64に対するベーン62の位置決めに続いて曲げられる場合、プライ96は、ノズル120、130の組み立てを受け入れるために分割される必要がない。なおも別の代替の実施形態では、ベーン62を備えるプライ96は、組み立ての順番に拘わらず、空洞開口82の輪郭を受け入れるために分割され得る。
ここで図13および図14を参照すると、より大きな構成部品構造、より具体的には、概して符号140で参照されるノズルを形成するために、ベーン62とバンド64とを結合するための噛合い機械的継手98の別の実施形態が、単純化された断面図および斜視図において示されている。より明確には、噛合い機械的継手98を含むノズル140の実施形態が示されている。噛合い機械的継手を図示および記載する先の実施形態と同様に、ベーン62とバンド64との間に形成される噛合い継手98の一部分だけが図示されている。この具体的な実施形態では、少なくとも1つの噛合い機械的継手98は、追加の噛合い特徴部によって、より明確には、追加の噛合い下位構成部品、つまり、スターラップとも称される1つまたは複数のストラップ142によって、形成される。図示しているように、ストラップ142は、ベーン62とバンド64とを噛合いために、空洞ラップ78の内部の周りに位置決めされ、バンド64に形成された開口82の周りでバンド64に対してベーン62を係留する。図示されている実施形態では、ベーン62、バンド64、および複数のストラップ142は、マトリックスに埋め込まれた強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)から形成されている。代替の実施形態では、ベーン62、バンド64、および/または複数のストラップ142のいずれかが、セラミックの一体構造の下位構成部品として形成される。複数のストラップ142は、ベーン62とバンド64との噛合いを提供し、ベーン62とバンド64との間の移動を防止する。
図14は、バンド64に形成された開口82の周りで空洞ラップ78とバンド64とに結合された複数のストラップ142を示している。図5の実施形態と同様に、結果として、ベーン62およびバンド64を形成する複数の繊維(図8に関して先に記載した繊維94と同様)は、互いに対して実質的に直角に配向される。この具体的な実施形態では、ベーン62およびバンド64は、いずれの繊維も噛合い機械的継手98を架橋していないため、繊維によって連結されていない。
ここで図15〜図17を参照すると、より大きな構成部品構造、より具体的には、概して符号150で参照されるノズルを形成するために、ベーン62とバンド64とを結合するための噛合い機械的継手98の代替の実施形態が示されている。図15は、バンド64に結合されたベーン62の一部分の単純化された断面図である。図16は、バンド64のタブ付きとされた層(ここで記載したもの)を通じて切り取られた断面図であり、図17は、バンド64およびベーン62の外表面86において見た上面図である。この具体的な実施形態では、噛合い機械的継手98は、少なくとも1つの噛合い特徴部、より具体的には、バンド64の中間のタブ付き層156と一体に形成され、ベーン62に形成された複数の凹部154と協働して係合するような手法で開口82の周りで延びる複数のタブ152を含む。代替の実施形態では、タブ152は、ベーン62を通じて十分に延びるように構成でき、ベーン62を通って形成された凹部154と協働して係合する。タブ152は、タブ152がベーン62を通じて少なくとも部分的に延びるように凹部154において固定または非固定の挿入部を含む。実施形態では、凹部154は空洞ラップ78において形成され得ることに留意されたい。先に開示されている実施形態と同様に、結果として、バンド64を形成する複数の繊維(図8に関して先に記載した繊維94と同様)は、ベーン62を形成する複数の繊維に対して実質的に直角に配向される。この実施形態では、ベーン62およびバンド64は、いずれの繊維も噛合い機械的継手98を架橋していないため、繊維によって連結されていない。
図16において最もよく図示されているように、ノズル150の組み立ての間、バンド64を備えるプライ96の少なくとも一部分が、バンド64に対するベーン62の位置決めと、噛合い機械的継手98を形成する協働する噛合い特徴部の係合、より具体的には、タブ152と凹部104との係合とを可能にするために、線106に沿ってなどで分割される。実施形態では、バンド64を備えるプライ96の全部の厚さが、ノズル150の組み立てを受け入れるために分割されてもよい。代替の実施形態では、図16および図17に示されているものなど、概して符号156で参照される、バンド64を備えるプライの一部の厚さだけ、より具体的には、タブ152が形成されているプライ96が、ノズル150の組み立てを受け入れるために分割されてもよく、概して符号158で参照される続くプライは、図17において最もよく図示されているように、分割を必要としない。実施形態では、噛合い特徴部は、凹部側壁88およびベーン62の全部の周辺の周りに形成される複数の個々に形成されたタブ152と協働の凹部154とを備える。代替の実施形態では、噛合い特徴部は、凹部側壁88およびベーン62の周辺の一部分だけの周りに形成される複数の個々に形成されたタブ152と協働の凹部154とを備える。4つだけのタブ152と協働の凹部154が図示されているが、任意の数のタブおよび協働の凹部が含まれ得ることは、加えて留意されるべきである。
ここで図8〜図22を参照すると、噛合い機械的継手98の追加の実施形態が示されている。より具体的には、図18に示されているのは、単純化された断面図において、噛合い機械的継手98を含む、図1のノズル34の一部分と概して同様のノズル160の一部分である。図19は、図18の中間バンド層、より具体的には、バンド64に形成された複数の受入スロット(ここで記載したもの)を示す上面図である。図20は、図18の中間バンド層の代替の実施形態、より具体的には、バンド64に形成された複数の受入スロット(ここで記載したもの)の上面図である。同様に、図21に示されているのは、単純化された断面図において、噛合い機械的継手98を含む、図1のノズル34の一部分と概して同様のノズル170の一部分である。図22は、図21の中間バンド層、より具体的には、バンド64に形成された複数の受入スロット(ここで記載したもの)を示す上面図である。
図18〜図22の実施形態では、噛合い機械的継手98は、ビスケットとも称され、ベーン62に形成された複数の受入スロット166のうちの1つ、および、バンド64に形成された複数の受入スロット168のうちの1つの中に、噛合い機械的継手98を形成するような手法で各々配置される少なくとも1つの噛合いCMCピン164を備える少なくとも1つの追加の噛合い下位構成部品162を備える。少なくとも1つの噛合いCMCピン164は、木工建具の分野における「ビスケット」と概して同様である。図18および図19の実施形態では、噛合いCMCピン164は、ベーン62の空洞面68からバンド64の実質部分へと距離「L1」で延びている。図20の実施形態では、ベーン62に形成された複数の受入スロット166(図示せず)と、バンド64に形成された複数の受入スロット168とが、ベーン62空洞面68からバンド64全体を通って距離「L2」で延びており、ここでL1<L2であるため、図20での使用のための噛合いCMCピン164を、図18および図19の噛合いCMCピン164より長くしている。また、図20の実施形態では、噛合いCMCピン164(図示せず)は、バンド64の外部から挿入されてもよい。図21および図22の実施形態では、噛合いCMCピン164は、ベーン62の空洞面68からちょうどバンド64の一部分へと距離「L3」で延び、ここでL3<L2であるため、図21および図22の噛合いCMCピン164を、図18、図19、および図20の噛合いCMCピン164より短くさせる。実施形態では、複数の受入スロット166、168と噛合いCMCピン164とは、接着剤などのマトリックスが利用されるとき、精密な公差で構成される必要がない。代替の実施形態では、複数の受入スロット166、168と噛合いCMCピン164とは、精密な公差で構成される。
噛合いCMCピン164は、ベーン62とバンド64との間に、強化された継手またはより強い継手を提供する。強化された継手は、本明細書に記載されているように、ベーン62とバンド64とで継手に発揮される加えられた力に耐える能力を増加させることになる。このような噛合いCMCピン164を提供するために、ベーン62には、ベーン62の層間厚さ「T」にわたって延びる受入スロット166が形成されている。代替の実施形態では、受入スロット166は、ベーン62の一部の層間厚さにわたって延び得る。受入スロット166、168のそれぞれにおける噛合いCMCピン164の位置決めのために、ベーン62、より具体的には、空洞ラップ78は、バンド64のプライ96の積み重ねの完成の前に、バンド64に形成された開口82内で位置決めされる。噛合いCMCピン164は、ベーン62における受入スロット166と係合されるまで、滑り嵌めでベーン62の受入スロット166へと挿入される。次に、製作の間に形成された複数のスロット168を含む、図19および図20に示されているプライ96の中間層は、噛合いCMCピン164の周りに位置決めされる。バンド64の続いてのプライ96が、バンド64の製作を完成させるために製作される。代替の実施形態では、ベーン62における受入スロット166および/またはバンド64における受入スロット168は、噛合いCMCピン164が続くステップにおいてそれに位置決めされている状態で、機械加工動作によって、ノズル下位構成部品の組み立ての後に形成され得る。スロット166、168を機械加工することで、バンド64は複数のステップにおいて製作を必要としない。
図示されている実施形態では、噛合いCMCピン164の各々は、実質的な台形を有して構成されており、それによって、台形の1縦横比は、単純な丸いピンよりより大きなせん断荷重を担持する能力を提供する。代替の実施形態では、噛合いCMCピンは、限定されることはないが、楕円、円、長方形など、任意の幾何学的形状を有することができる。複数の噛合いCMCピン164のうちの1つは、噛合い機械的継手98を形成するような手法でベーン62とバンド64とを係合させるために、スロット166、168の各々の内部に配置される。タブ154(図15〜図17)を含む先の実施形態と同様に、噛合いCMCピン164は、受入スロット166、168において固定または非固定の挿入部を備え得る。また、先の実施形態と同様に、結果として、ベーン62およびバンド64を形成する複数の繊維(図8に関して先に記載した繊維94と同様)は、互いに対して実質的に直角に配向される。また、噛合いCMCピン164を形成するベーン62およびバンド64を形成する複数の繊維94は、互いに対して実質的に直角に配向される。図18〜図22の実施形態では、ベーン62、バンド64、および噛合いCMCピン164は、いずれの繊維も噛合い機械的継手98を架橋していないため、繊維によって連結されていない。代替の実施形態では、繊維は一方向で(基準角度に依存して、すべてが0度またはすべてが90度で)配向される。実施形態では、噛合いCMCピン164は、一方向に(つまり、頁にわたって左から右へと延びて)配向されたその繊維のすべてを含む。図18および図19の図示した実施形態では、4つの噛合いCMCピン164が図示されており、図21および図22の実施形態には、3つの噛合いCMCピン164が示されている。噛合い機械的継手98が、任意の数の噛合いCMCピン164と、協働の受入スロット166、168とを備え得ることは、理解されるべきである。
ここで図23〜図25を参照すると、図1のノズル34などのノズル構成部品180、185の一部分を形成するベーン62およびバンド64の一部分がそれぞれ概略図で示されている。先の実施形態にあるように、ノズル180、185は、ベーン62、バンド64、および少なくとも1つの噛合い機械的継手98を含む。図22および図24において最もよく図示されているように、この具体的な実施形態では、ベーン62、より具体的には、空洞ラップ78は、長手方向に延びる下方縁79に沿って形成された複数の歯状構造182を画定する。また、図24において最もよく図示されているように、バンド64は、開口80の周りに複数の歯状構造184を備える。代替の実施形態では、図25において最もよく図示されているように、ベーン62は、周辺92の少なくとも一部分の周りで、ベーン62の端93から延びる複数の歯状構造182を画定する。また、バンド64は、歯状構造182と係合するような手法で、凹部84の表面90において複数の歯状構造184を備える。なおも別の代替の実施形態では、複数の歯状構造182は、協働の歯状構造184がバンド64に形成されている状態で、ベーン62の周辺92と空洞ラップ78との周りに形成され得る。
噛合い機械的継手98は、ベーン62の複数の歯状構造182がバンド64の複数の歯状構造184と協働して係合されるときに画定される。複数の歯状構造182、184のうちの少なくとも一方のセットが、複数の歯状構造182、184の他方のセットに対してロックするように幾何学的に構成されていることに留意されたい。
タブ154(図15〜図17)を含む先の実施形態と同様に、噛合い複数の歯状構造182、184は、互いに対して固定または非固定とされ得る。また、先の実施形態と同様に、結果として、ベーン62およびバンド64を形成する複数の繊維(図8に関して先に記載した繊維94と同様)は、互いに対して実質的に直角に配向される。図23〜図25の実施形態では、ベーン62およびバンド64は、いずれの繊維も噛合い機械的継手98を架橋していないため、繊維によって連結されていない。図23および図24の図示されている実施形態では、ベーン62の6つの噛合い歯状構造182とバンド64の6つの協働の噛合い歯状構造184とが図示されている。代替の実施形態では、噛合い機械的継手98は、ベーン62をバンド64に結合するために、任意の数の噛合い歯状構造182、184を備え得ることは、理解されるべきである。また、代替の実施形態では、噛合い機械的継手98は、ベーン62の周辺92(図2)の周りで、具体的には、後縁76(図2)において形成される任意の数の噛合い歯状構造を備え得る。
図26は、ここで開示されている実施形態によるセラミックマトリックス複合材料(CMC)ノズルを形成する方法200の流れ図である。図24に示しているように、方法200は、ステップ202において、マトリックスに埋め込まれた強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むベーンおよびバンドを提供するステップを含む。
ベーンおよびバンドの各々は、1つまたは複数の噛合い特徴部を含む。実施形態では、少なくとも1つの噛合い特徴部は、1つまたは複数の突起、凹部、タブ、および/または歯状構造を含み得る。実施形態では、ノズルは、先に記載したように、挿入部、ストラップ、および/または噛合いCMCピンなどの1つまたは複数の噛合い下位構成部品をさらに備え得る。実施形態では、追加の噛合い下位構成部品は、マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含む。先に記載したように、複数の強化繊維は、ベーンの長さ、バンドの長さ、および追加の噛合い下位構成部品の長さに沿って配向される。
ベーンおよびバンドは、次に、ノズルを形成するために、ステップ204において、噛合い機械的継手において互いに機械的に結合される。少なくとも1つの噛合い機械的継手は、先に記載した実施形態のいずれかによって成ってもよい。ベーンとバンドとは、ベーンの強化繊維をバンドの強化繊維に対して実質的に直交して配向する手法で互いに結合される。噛合い機械的継手は、オートクレーブ(AC)状態、バーンアウト(BO)状態、または溶融含浸(MI)状態のうちの1つにおいて、CMC製造過程の間に形成される。実施形態では、噛合い機械的継手は、構成部品同士を一緒に直接的に接合することを含んでもよく、または、構成部品同士は、ケイ素、炭化ケイ素、それらの組み合わせ、もしくは他の適切な材料によって接合されてもよい。接合材料は、MI、CVI、またはPIPによって後で高密度化されるマトリックス前駆体材料として堆積され得る。代替で、接合材料は、継手におけるマトリックス前駆体の使用なしで、MI、CVI、またはPIPによって生産されてもよい。先に記されているように、本明細書に記載されている継手は、CMC過程における任意の適切な段階において形成され得る。つまり、ベーン、バンド、および/または、含まれている噛合い下位構成部品は、未乾燥のプリプレグ、積層されたプレフォーム、熱分解されたプレフォーム、十分に高密度化されたプレフォーム、またはそれらの組み合わせを含み得る。
したがって、複数の下位構成部品を結合するための噛合い機械的継手の使用、より明確には、1つまたは複数のタブ、突起、凹部、歯状構造、または強化CMCピンを含む噛合い機械的継手の使用が記載されており、下位構成部品または噛合い手段を構成するセラミック繊維は、予想される荷重方向において継手を分離するために壊される必要がある。一部の既存の噛合い機械的継手がこの手法で作用するが、他のものはそのように作用せず、層間方向において噛合い特徴部をせん断させることで破壊する可能性がある。ここで記載されている噛合い機械的継手は、継手自体を強化することなく、継手を構成する下位構成部品の強化を提供する。この手法は、製造過程を大幅に単純化することができ、強化に対して直交する方向において起こり得る性質の欠点を防止する。本明細書に記載されている下位構成部品の噛合い機械的な結合は、オートクレーブ(AC)状態、バーンアウト(BO)状態、溶融含浸(MI)状態、またはCMC製造過程のそれらの組み合わせにおいて、積層の前の敷設された状態で行われ得る。MI状態において作られた継手について、継手は「未接着」のままとされ得る。これらの継手は修復するのがより容易でもあり得る。実施形態では、平坦なパネルなどの単純な形が、(オートクレーブ状態で)未乾燥で機械加工され、本明細書において記載しているように、木工の種類の噛合い機械的継手を用いて組み立てられ得る。実施形態では、CMCマトリックス前駆体スラリ(または、その異形)が、CMC下位構成部品を一体に接合または接着するために使用され得る。最終的な高密度化および接合はMI状態において起こる。
本発明は1つまたは複数の特定の実施形態において記載されているが、他の形態が当業者によって採用され得ることは明らかである。ここで図示および記載した方法では、示されていないが他の過程が実施されてもよく、過程の順番は、様々な実施形態によって再構成されてもよいことが理解される。また、中間の過程が、1つまたは複数の記載した過程の間に実施されてもよい。ここで図示および記載した過程の流れは、様々な実施形態の制約として解釈されるものではない。
この記述された説明は、最良の様態を含め、本開示を開示するために、および、任意の装置またはシステムを作って使用することと、任意の組み込まれている方法を実施することとを含め、当業者に本開示を実施させることができるように、例を使用している。本開示の特許可能な範囲は、請求項によって規定されており、当業者の思いつく他の例を含む可能性がある。このような他の例は、請求項の文字通りの言葉と変わらない構造的な要素を有する場合、または、請求項の文字通りの言葉と非実質的な違いを伴う等価の構造的な要素を含む場合、請求項の範囲内にあるように意図されている。
10 ガスタービンエンジン
12 中心線軸
14 コアガスタービンエンジン
16 ファン区域
18 外側ケーシング
20 入口
22 昇圧圧縮機
24 軸流圧縮機、高圧圧縮機
26 燃焼器
27、36 タービンブレード
28 第1の高圧(HP)タービン
29、38 シュラウド
30 軸流ファンロータ
32 第2の低圧(LP)タービン
34 HP静止ノズル
35 静止LPノズル
40 排気ノズル
42 ファンケーシング
44 出口ガイドベーン
46 ファンロータブレード
48 燃焼生成物
50 初期の空気流
52 入口
54 第1の圧縮空気流
54 バンド
56 第2の圧縮空気流
60 ノズル
62 ベーン
64 バンド
66 外面
68 内面、空洞面
70 圧力側
72 吸込み側
74 前縁
76 後縁
78 空洞ラップ
79 下方縁
80 空洞
82 開口
84 凹部
86 外表面
88 凹部側壁
90 表面
90、98 噛合い機械的継手、噛合い特徴部
92 周辺
93 端
96 繊維プライ
100、105、110、120、130、140、150、160、170 ノズル
102 突起、噛合い特徴部
104 凹部、噛合い特徴部
106 線
132 噛合い挿入部
142 ストラップ
152 タブ
154 凹部
156 タブ付き層、プライ
158 プライ
162 噛合い下位構成部品
164 噛合いCMCピン
166、168 受入スロット
180、185 ノズル構成部品
182、184 歯状構造
L1、L2、L3 距離
MP 中央平面
T 層間厚さ
12 中心線軸
14 コアガスタービンエンジン
16 ファン区域
18 外側ケーシング
20 入口
22 昇圧圧縮機
24 軸流圧縮機、高圧圧縮機
26 燃焼器
27、36 タービンブレード
28 第1の高圧(HP)タービン
29、38 シュラウド
30 軸流ファンロータ
32 第2の低圧(LP)タービン
34 HP静止ノズル
35 静止LPノズル
40 排気ノズル
42 ファンケーシング
44 出口ガイドベーン
46 ファンロータブレード
48 燃焼生成物
50 初期の空気流
52 入口
54 第1の圧縮空気流
54 バンド
56 第2の圧縮空気流
60 ノズル
62 ベーン
64 バンド
66 外面
68 内面、空洞面
70 圧力側
72 吸込み側
74 前縁
76 後縁
78 空洞ラップ
79 下方縁
80 空洞
82 開口
84 凹部
86 外表面
88 凹部側壁
90 表面
90、98 噛合い機械的継手、噛合い特徴部
92 周辺
93 端
96 繊維プライ
100、105、110、120、130、140、150、160、170 ノズル
102 突起、噛合い特徴部
104 凹部、噛合い特徴部
106 線
132 噛合い挿入部
142 ストラップ
152 タブ
154 凹部
156 タブ付き層、プライ
158 プライ
162 噛合い下位構成部品
164 噛合いCMCピン
166、168 受入スロット
180、185 ノズル構成部品
182、184 歯状構造
L1、L2、L3 距離
MP 中央平面
T 層間厚さ
Claims (21)
- セラミックマトリックス複合材料(CMC)構成部品であって、
マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むベーンと、
マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含み、表面に形成される噛合い凹部を含むバンドと、
前記セラミックマトリックス複合材料(CMC)構成部品を形成するために、前記ベーンと前記バンドとを結合する少なくとも1つの噛合い機械的継手と
を備えるセラミックマトリックス複合材料(CMC)構成部品。 - 前記ベーンは、前記ベーンを少なくとも実質的に通って延び、空洞を中に画定する空洞ラップを備え、前記空洞ラップは、前記バンドにおける開口と係合するように構成される、請求項1に記載の構成部品。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記バンドに画定され、前記ベーンに形成される1つまたは複数の凹部とそれぞれ協働して係合される1つまたは複数の突起を備える、請求項2に記載の構成部品。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記空洞ラップを前記バンドに形成される前記開口と協働して係合させる曲げ部を、前記空洞ラップ内に備える、請求項2に記載の構成部品。
- 前記空洞ラップにおける前記前記曲げ部に近接して周りに位置決めされる挿入部をさらに備える、請求項4に記載の構成部品。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記ベーンを前記バンドに結合する1つまたは複数のストラップを備える、請求項2に記載の構成部品。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記バンドに画定され、前記ベーンに形成される複数の凹部と協働して係合される複数のタブを備える、請求項2に記載の構成部品。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記バンドにおけるスロットに各々配置され、前記ベーンに形成されるスロットと協働して係合される少なくとも1つのセラミックマトリックス複合材料(CMC)ピンを備える、請求項2に記載の構成部品。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記空洞ラップの少なくとも1つにおいて、前記ベーンの周辺の周りに形成される複数の歯状構造を備え、前記ベーンの前記複数の歯状構造は、前記バンドに形成される複数の歯状構造と協働して係合される、請求項2に記載の構成部品。
- 前記セラミックマトリックス複合材料(CMC)構成部品はガスタービンエンジン構成部品である、請求項1に記載の構成部品。
- ガスタービンのためのノズルであって、
ベーンを通って長手方向に延び、前記ベーンの少なくとも一端から延び、空洞を中に画定する空洞ラップを備えるベーンであって、マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むベーンと、
開口が形成され、外面に凹部が画定されるバンドであって、マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むバンドと、
前記ノズルを形成するために、前記ベーンと前記バンドとを結合する少なくとも1つの噛合い機械的継手と
を備え、
前記空洞ラップは、前記少なくとも1つの噛合い機械的継手において前記バンドにおける前記開口と係合するように構成される、ノズル。 - 前記凹部は、前記ベーンの外側周辺の少なくとも一部分と係合するように構成される、請求項11に記載のノズル。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記バンドに画定され、前記ベーンに形成される1つまたは複数の凹部とそれぞれ協働して係合される1つまたは複数の突起を備える、請求項11に記載のノズル。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記空洞ラップを前記バンドに形成される前記開口と協働して係合させる曲げ部を、前記空洞ラップ内に備える、請求項11に記載のノズル。
- 前記空洞ラップにおける前記曲げ部に近接して周りに位置決めされる挿入部をさらに備える、請求項14に記載のノズル。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記ベーンを前記バンドに結合する1つまたは複数のストラップを備える、請求項11に記載のノズル。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記バンドに画定され、前記ベーンに形成される複数のスロットと協働して係合される複数のタブを備える、請求項11に記載のノズル。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記バンドにおけるスロットに各々配置され、前記ベーンに形成されるスロットと協働して係合される少なくとも1つのセラミックマトリックス複合材料(CMC)ピンを備える、請求項11に記載のノズル。
- 前記少なくとも1つの噛合い継手は、前記空洞ラップの少なくとも1つにおいて形成されるか、または、前記ベーンの周辺の周りに形成される複数の歯状構造を備え、前記ベーンの前記複数の歯状構造は、前記バンドに形成される複数の歯状構造と協働して係合される、請求項11に記載のノズル。
- セラミックマトリックス複合材料(CMC)構成部品を形成する方法であって、
マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むベーンを提供するステップと、
マトリックスに埋め込まれる強化繊維を含むセラミックマトリックス複合材料(CMC)を含むバンドを提供するステップとを含み、
前記ベーンおよび前記バンドの各々は、複数の噛合い特徴部を含み、1つまたは複数の前記噛合い特徴部は、少なくとも1つの噛合い継手と、前記バンドに形成される凹部とを備え、さらに、
少なくとも1つの噛合い機械的継手を間に形成するために、前記複数の噛合い特徴部において前記ベーンを前記バンドに機械的に結合するステップ
を含む方法。 - 前記少なくとも1つの噛合い機械的継手は、
前記バンドに画定され、前記ベーンに形成される1つまたは複数の凹部とそれぞれ協働して係合される1つまたは複数の突起、
前記ベーンの一部分を前記バンドに形成される前記開口と協働して係合させる前記ベーンにおける曲げ部、
前記ベーンを前記バンドに結合する1つまたは複数のストラップ、
前記バンドに画定され、前記ベーンに形成される複数のスロットと協働して係合される複数のタブ、
前記バンドにおけるスロットに各々配置され、前記ベーンに形成されるスロットと協働して係合される少なくとも1つのセラミックマトリックス複合材料(CMC)ピン、
前記ベーンに形成され、前記バンドに形成される複数の歯状構造と協働して係合される複数の歯状構造
のうちの少なくとも1つを備える、請求項20に記載の方法。
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