JP4307059B2 - Ｃｍｃ構成部品の一体形の表面形状とその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジン用の燃焼器ライナのような空冷式構成部品に関する。より具体的には、本発明は、構成部品の冷却性能を改善するために、空気流増強形状のような、構成部品の空気流路に沿った表面形状を組み入れるための方法を目的としている。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンに対するより高い作動温度が、その性能を高めるために絶え間なく求められている。しかしながら、作動温度が上昇するにつれて、エンジン構成部品の耐熱特性は相応して増大させなければならない。鉄、ニッケル及びコバルト基超合金の調製により著しい進歩が達成されたが、かかる合金の耐熱特性は、一部の高性能ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器及びオーグメンタセクションの内部の作動温度に長く曝されるのに耐えるには不十分であることが多い。結果として、燃焼ライナ、ブレード（バケット）及びノズル(羽根)のような構成部品の内部冷却が、単独で又はその外部表面を熱から保護する遮熱コーティング（ＴＢＣ）方式と組み合わせて用いられることが多い。効果的な内部冷却は、空気が構成部品の内部の通路を通して強制的に流され、その後構成部品の表面の冷却孔を通して吐出される複雑な冷却方式を必要とすることが多い。
【０００３】
タービン構成部品の性能は、限られた量の冷却空気でほぼ均一な表面温度を得る能力に直接関連する。構成部品内部の均一な対流冷却を促進するには、タービュレータ（トリップストリップ）及び流れガイドのような空気流増強形状を、冷却通路を形成する構成部品の表面に鋳造するのが従来の常法である。空気流増強形状の寸法、形状及び配置は、冷却回路を通るまた冷却孔の下流の外部表面にわたる空気流の量及び分配に影響を及ぼし、しかも構成部品の実用温度を著しく低下させることになる可能性がある。
【０００４】
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料が、燃焼器ライナ及び他の耐熱構成部品に適したものと考えられてきた。長繊維強化ＣＭＣ材料は、一般的に従来の織物の織りパターンを用いてトウ（個々の繊維の束）から織られ、その織りパターンにおいては、２つ又はそれ以上の組のトウは、各組の個々のトウが他の組又は複数の組みの交差するトウの上及び下を通過する状態で織られている。金属合金で形成された空冷式構成部品でもそうであるように、空冷式ＣＭＣ構成部品内には空気流増強形状が組み入れられることが望ましい。しかしながら、ＣＭＣ材料は、比較的乏しい層間引張強度及び層間剪断強度を呈するので、空気流増強形状及び他の表面形状は、構成部品がガスタービンエンジンの高い熱歪み環境内で用いられることを目的とする場合には、二次的な取り付け製造工程を用いては確実に取り付けることができない。その上、トウの寸法及び織り方の制約のために、小さい形状寸法のタービュレータ及び流れガイド（一般的に周囲の表面から約０．３から約２．０mmの距離だけ突出する）をＣＭＣ構成部品の一体形の形状として織ることは難しい。従って、空冷式金属構成部品に用いられる形式の空気流増強形状は、一般的に主構成部品と一体形になるように金属鋳造工程において組み入れられることができるが、ＣＭＣ材料において一体形のタービュレータ、流れガイド及び他の表面形状を設計する試みは、問題が多いことが判明した。タービュレータ及び他の極度に小規模の精細な幾何学的形状を長繊維強化ＣＭＣ材料で忠実に再現するのは特に難しい。
【特許文献１】
米国特許第５７０９９１９号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述に鑑み、ＣＭＣ材料は、タービン及び他の耐熱構成部品が耐え得る最大作動温度を著しく増大させる能力を備えてはいるが、構成部品の寿命を更に延ばしかつエンジン性能を高めるために空冷式ＣＭＣ構成部品内に空気流増強形状を組み入れることが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、少なくとも一部をＣＭＣ材料により形成されかつ空気流増強形状のような一体形に形成された表面形状を備える少なくとも１つの冷却通路を有する空冷式構成部品が提供される。ＣＭＣ材料は、互いに織られてマトリックス材料で溶浸されたプリフォームを形成する少なくとも第１及び第２の組のトウを含む。各組の内部のトウは互いに並んでいるが、他の組のトウと交差しており、各組のトウは他の交差するトウの上及び下を通過している。表面形状は、少なくとも第１の組のトウの隣接するトウの間に配置されたインサート部材により冷却通路の表面に一体形に形成される。一体形の表面形状を形成する方法においては、インサート部材は、好ましくはプリフォームの最外側の層（薄膜）を形成する時に、織り工程の間に第１の組のトウの隣接するトウの間に配置される。インサート部材は、隣接するトウより大きい断面寸法を有しており、それによってプリフォーム内に突出部を形成し、溶浸、圧密化、及び硬化の後にＣＭＣ材料の表面内に表面形状を形成する。表面形状は、流路表面の直近囲繞表面領域に対して冷却通路内に突出している。
【０００７】
上述のことから見て、本発明は、ＣＭＣ工程の最初の予備成形段階の間にＣＭＣプリフォーム内にインサート部材を戦略的に配置することによって、１つ又はそれ以上の表面形状、特にタービュレータ及び流れガイドのような空気流増強形状を一体形に形成することを伴う。インサート部材は、織られたトウが適当なマトリックス材料で溶浸され、該マトリックス材料が高密度化及び圧密化され、硬化されてＣＭＣを形成することを含む全工程を処理された後に、永久的な一体形の表面形状の形態で機能的なタービュレータ又は流れガイドを作り出すことができる。一体形に形成される結果として、表面形状は、二次的な取り付け技法によりＣＭＣに追加された表面形状と比較してより良好な構造保全性を示す。表面形状が織られた繊維の網状組織により保持される一体形の形状となるこの方法は、表面形状に作用する層間引張り応力及び層間剪断応力を、ＣＭＣ材料の構造的能力の範囲内に良好に保つことが可能である荷重シールド構造を提供する。
【０００８】
本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃焼器ライナ１０に関して説明され、その一部分が図１に断面で表わされているが、本発明はタービンブレード及び羽根のような翼形部構成部品にも同様に適用可能である。本発明は、熱的に過酷な環境内部で作動する空冷式構成部品に対してタービュレータ及び流れガイドのような空気流増強形状を形成するのに特に有用であると同時に、小規模な表面形状が所望される場合の各種のＣＭＣ構成部品に広く適用可能である。その上、ＣＭＣ材料は特に重要であるが、本発明は、ポリマーマトリックスおよびビスマレイミドマトリックス材料を含む任意の長繊維強化複合材料に適用可能である。
【００１０】
図１に表わされるように、ライナ１０は、表面１４により形成された冷却通路１２とその近くに多数のタービュレータ１８が形成された後縁１６とを有する。タービュレータ１８は、図１に矢印で示すような流路１２を通る空気流の方向に交差して配置されるものとして示されている。しかしながら、タービュレータ１８は、空気流の方向に垂直に又は平行に（流れガイドとして働くために）配向されることができ、連続的又は非連続的（断続的）にすることができ、またＶ字形又は別の非線形の形状にすることもできることが予測できる。公知の方法によると、タービュレータ１８は、ライナ１４から空気への対流熱伝達を促進するために表面１４上の空気の層流を分裂させることを目的とする。この目的のために、タービュレータ１８は、表面１４から少なくとも０．３０mm突出することが望ましく、適当な高さは表面１４の上方に約０．５０mmから約２．０mmまでである。
【００１１】
ライナ１０は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又は、炭化ケイ素、窒化ケイ素及び／又はシリコン含有マトリックス材料のシリコン繊維のような長繊維強化ＣＭＣ材料で形成される。ライナ１０の表面１４は、ボンディングコート（図示せず）により表面１４に接着された断熱セラミック層のような、遮熱コーティング（ＴＢＣ）又は環境障壁コーティング（ＥＢＣ）により保護することができる。本発明の２つの実施形態が、図２及び図３に表わされており、それらの図は、マトリックス材料による溶浸前の、ＣＭＣ材料のためのプリフォーム２８の織り構成、及び図１のタービュレータを形成するのに適した２つの種類のインサート２４及び２６を示している。図２及び図３の各々においては、プリフォーム２８の構成は、各々が織られたトウ２０及び２２の組を含む多層（薄膜）を含む。各組の内部のトウ２０／２２は、ほぼ並んで互いに平行に、かつ他の組のトウ２０／２２と交差して配向されており、例えば、図２及び図３において断面で見られるトウ２０は、長さ方向に見られるトウ２２に対して垂直になっている。所定の薄膜内部のトウ２０及び２２は、互いに上及び下を通過しているのが見られる。トウ２０／２２は、個々の交差するトウ２０／２２の上及び下を通過するものとして示されているが、他の公知の織りパターンに従って、各トウ２０／２２は１つ又はそれ以上の交差するトウ２０／２２の上を通過し、次に１つ又はそれ以上の交差するトウ２０／２２の下を通過することも可能であることが予測できる。
【００１２】
図２においては、多数の「スタッファ」トウインサート２４が、プリフォーム２８の構成中に組み込まれているのが示されるが、図３では、一体構造のセラミックインサート２６が示される。トウインサート２４に適した材料には、熱的適合性のためにＣＭＣ材料の繊維強化材（トウ２０及び２２）と同じ材料、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ素又はシリコン繊維が含まれるが、選択される材料がライナ１０の実用環境に化学的に適していてかつＣＭＣのマトリックス材料と適合性がある限りは他の材料を用いこともできることが予測できる。同様に、インサート２６に適した材料には、ＣＭＣ材料のマトリックス材料と同じ材料、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ素又はシリコン含有材料の一体構造の注型品が含まれるが、他の材料を用いることができることがここでも予測可能である。各々の場合に、トウインサート２４及び一体構造インサート２６は、第１の組のトウ２０のトウの代わりに用いられ、従って、トウインサート２４又は一体構造インサート２６が第２の組の交差するトウ２２の上及び下を通過するように、隣接する対をなすトウ２０の間に配置される。
【００１３】
図２及び図３から明らかなように、インサート２４及び２６の直径は、隣接するトウ２０の直径よりも大きいので、インサート２４及び２６はプリフォーム２８の表面において突出部３０を形成する。マトリックス材料で溶浸し、圧密化し、高密度化し、それから硬化させてライナ１０を形成した後には、インサート２４及び２６の寸法及び形状によって、タービュレータ１８がライナ１０の囲繞表面１４の上方に突出する程度が決まる。圧密化の前には一般的に断面が円形であるトウは、圧密化の後にはほぼ楕円形を呈するであろう。このため、トウインサート２４に適した寸法は、トウ２０及び２２の直径よりも少なくとも５０％大きく、好ましくは約１００％乃至約７００％大きい。一方、プレキャストの一体構造インサート２６は、圧密化の後にその元の高さをほぼ維持する。従って、一体構造インサート２６に適した寸法は、トウ２０及び２２の直径よりも少なくとも２５％大きく、好ましくは約５０％乃至約３５０％大きい。
【００１４】
トウインサート２４又は一体構造インサート２６の使用には、特定の表面形状の所望の特性によって優位性が存在する場合がある。例えば、連続した表面形状が所望である場合には、トウインサート２４がより便利である可能性があるが、一方、不連続な表面形状は、間隔を置いて配置された一体構造インサート２６の列を用いてより容易に形成することができる。所望の表面形状がトウインサート２４又は一体構造インサート２６の何れによっても形成することができる場合には、そのより大きいコンプライアンス性により処理中に隣接するトウとより密な接触が可能になるので、トウインサート２４を用いる方に優位性がある。トウが密に接触することの潜在的な利点には、より低い空隙率又は気孔率が含まれ、それに応じてより大きい層間強度及び厚さ方向熱伝導率が得られる。
【００１５】
トウインサート２４及び一体構造インサート２６は、織り構成のうちの最外側の薄膜のみの隣接するトウ２０間に配置されているのが図２及び図３にそれぞれ示されている。インサート２４及び２６の相対的直径に応じて、インサート２４及び２６が、最外側の薄膜に加えて又は該最外側の薄膜に代えて、１つ又はそれ以上の内側の薄膜内に組み入れられ、タービュレータ１８の最終突出高さ及び形状の自由度を更に与えることができることが予測できる。更に、図２及び図３はトウインサート２４が一体構造インサート２６とは別個に用いられるのを示しているが、インサート２４及び２６は単一の構成部品において共に用いられることができることが予測できる。例えば、タービュレータ１８の最終寸法に及ぼすその影響に差があるために、トウインサート２４及び一体構造インサート２６の両方を用いて、特定の設計、費用、又は適合性の制約に合致させること、又は材料的、構造的又は構成部品としての適応性を最適化することのような特定の用途に適するように所望の表面形状の高さを微調整することを可能にする利点がある。
【００１６】
前述したように、所望の数の薄膜を積み重ねることによってプリフォーム２８を製作した後に、プリフォーム２８は、任意の適当な技術によって所望のマトリックス材料で溶浸され、その後、溶浸のされたプリフォームは、圧密化、高密度化、及び硬化を行ってＣＭＣ材料を形成する。当該技術では公知なように、硬化（焼成）温度を含む適当な処理パラメーターが、ＣＭＣ材料の特定の組成によって決められることになるが、ここでは述べないことにする。
【００１７】
上述のことから見て、本発明の方法は、複合材料のプリフォーム内にインサートを戦略的に配置することによって、タービュレータ及び他の表面形状を、事実上複合材料内のどこにでも選択的に形成することを可能にする。上述のトウインサート２４及び一体構造インサート２６のようなインサートにより形成されたタービュレータ１８は、プリフォーム２８の織られた繊維の網状組織により保持されたＣＭＣの永久的な一体形の表面形状であり、タービュレータ１８にかかる層間引張応力及び層間剪断応力を減少させる荷重シールド構造を形成する。その結果、タービュレータ１８は、二次的な取り付け技術により追加されたタービュレータと比較してより良好な構造保全性を示す。
【００１８】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者には他の形態も採り得ることは明らかである。例えば、「タービュレータ」という用語を図の説明に用いたが、本発明の教示はＣＭＣ材料における他の表面形状の製作にも適用可能である。また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による一体形のタービュレータを備えた冷却通路を有するＣＭＣ燃焼器ライナの断面図。
【図２】 本発明の１つの実施形態によるプリフォーム構成におけるそれぞれスタッファートウ及びインサートにより表面形状が形成されている、ライナ用プリフォームの壁面部分の断面図。
【図３】 本発明の別の実施形態によるプリフォーム構成におけるそれぞれスタッファートウ及びインサートにより表面形状が形成されている、ライナ用プリフォームの壁面部分の断面図。
【符号の説明】
２０、２２ トウ
２４、２６ インサート
２８ プリフォーム
３０ 突出部

Claims (10)

1. 空冷式構成部品（１０）であって、
   該構成部品（１０）の表面（１４）により形成される少なくとも１つの冷却通路（１２）を含んでおり、前記表面（１４）の少なくとも一部は、マトリックス材料の内部に互いに織られた少なくとも第１及び第２の組のトウ（２０、２２）を含むセラミックマトリックス複合材料により形成され、前記第１の組のトウ（２０）は互いに並んでおり、前記第２の組のトウ（２２）は互いに並んでいるとともに前記第１の組のトウ（２０）と交差しており、前記第１の組のトウ（２０）は、前記第２の組の交差するトウ（２２）の上及び下を通過しており、
   少なくとも前記第１の組のトウ（２０）の隣接するトウ（２０）の間に配置されたインサート部材（２４、２６）により、前記冷却通路（１２）の前記表面（１４）に一体形に形成された表面形状（１８）を更に含んでおり、前記インサート部材（２４、２６）は、該インサート部材（２４、２６）が前記表面（１４）の直近囲繞表面領域に対して前記表面形状（１８）を前記冷却通路（１２）内に突出させるように、前記第１の組の前記隣接するトウ（２０）より大きい断面寸法を有している、
   ことを特徴とする空冷式構成部品（１０）。
2. 前記インサート部材（２４、２６）は、前記隣接するトウ（２０）と平行にかつその間に配置された注型セラミックインサート（２６）であり、前記第２の組のトウ（２２）である交差するトウ（２２）の上及び下を通過していることを特徴とする、請求項１に記載の空冷式構成部品（１０）。
3. 前記注型セラミックインサート（２６）及び前記マトリックス材料は、同じ材料で形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の空冷式構成部品（１０）。
4. 前記インサート部材（２４、２６）は、前記隣接するトウ（２０）と平行にかつその間に配置されたトウ部材（２４）であり、前記第２の組のトウ（２２）である交差するトウ（２２）の上及び下を通過していることを特徴とする、請求項１に記載の空冷式構成部品（１０）。
5. 前記トウ部材（２４）は、前記第１及び第２の組のトウ(２０、２２)と同じ材料で形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の空冷式構成部品（１０）。
6. 構成部品（１０）の表面（１４）により形成される少なくとも１つの冷却通路（１２）を有し、前記表面（１４）の少なくとも一部は、マトリックス材料の内部にプリフォーム（２８）を含むセラミックマトリックス複合材料により形成され、前記プリフォーム（２８）は、互いに織られた少なくとも第１及び第２の組のトウ（２０、２２）を含み、前記第１の組のトウ（２０）は互いに並んでおり、前記第２の組のトウ（２２）は互いに並んでいるとともに前記第１の組のトウ（２０）と交差しており、前記第１の組のトウ（２０）が前記第２の組の交差するトウ（２２）の上及び下を通過している空冷式構成部品（１０）において一体形の表面形状（１８）を形成する方法であって、
   少なくとも前記第１の組のトウ（２０）の隣接するトウ（２０）の間にインサート部材（２４、２６）を配置することにより、前記冷却通路（１２）の前記表面（１４）に前記一体形の表面形状（１８）を形成する段階を含み、前記インサート部材（２４、２６）は、前記プリフォーム（２８）内に突出部（３０）を形成し、前記複合材料内に前記表面形状（１８）を形成し、該表面形状（１８）が前記表面（１４）の直近囲繞表面領域に対して前記冷却通路（１２）内に突出するように、前記第１の組の前記隣接するトウ（２０）より大きい断面寸法を有している、
   ことを特徴とする方法。
7. 前記インサート部材（２４、２６）は、前記隣接するトウ（２０）と平行にかつその間に配置された注型セラミックインサート（２６）で形成されており、前記第２の組のトウ（２２）である交差するトウ（２２）の上及び下を通過していることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記注型セラミックインサート（２６）及び前記マトリックス材料は、同じ材料で形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記インサート部材（２４、２６）は、前記隣接するトウ（２０）と平行にかつその間に配置されたトウ部材（２４）であり、前記第２の組のトウ（２２）である交差するトウ（２２）の上及び下を通過していることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
10. 前記トウ部材（２４）は、前記第１及び第２の組のトウ(２０、２２)と同じ材料で形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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