JP5033407B2 - セラミックマトリクス複合ノズル構体 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンのセラミックマトリクス複合羽根と金属構成要素との間のシールに関する。

ガスタービンエンジンにおいては、圧縮機で空気が加圧され、燃焼器において、空気は燃料と混合され、高温燃焼ガスを発生するために点火される。燃焼ガスは下流側のタービンへ流れ、燃焼ガスからエネルギーが取り出される。一般に、タービンは複数のタービンノズルを含む。各々のタービンノズルは、周囲方向に離間して配置された複数のノズル羽根を有し、ノズル羽根は、一体の外側バンド及び内側バンドにより支持される。

総エンジン効率は、燃焼ガスの温度に関連する。そのため、ノズル羽根を形成する材料として、高温能力を有するセラミックマトリクス複合（「ＣＭＣ」）材料が使用されている。ＣＭＣ羽根は冷却を必要としないが、支柱及び金属バンドなどの羽根に装着される構成要素は冷却を必要とする。寄生損失を最小限にし且つタービンエンジン全体の効率を改善するために、金属装着部を冷却するために使用される冷却空気の量は最小限に抑える必要がある。特に、有効な密封により、冷却空気の漏れは最小限になり、その結果、タービンエンジンの効率が向上する。また、有効な密封構造は、タービンの金属装着部分への高温ガスの吸い込みを防止し、それにより、金属部品の寿命を延ばす。
米国特許第６，２００，０９２号公報

従って、ＣＭＣ羽根と関連する金属構成要素との間の改善された密封方法が必要である。シールは、設置が容易であり、適切な寿命を有し、より高い効率を示し、実質的に冷却空気の漏れを防止するのが好ましい。

従って、本願は、セラミックマトリクス複合ノズル構体を提供する。セラミックマトリクス複合ノズル構体は、セラミックマトリクス複合羽根と、セラミックマトリクス複合羽根の周囲に配置された複数の金属構成要素と、セラミックマトリクス複合羽根と金属構成要素のうち１つ以上との間に配置された複数の金属シールとを含む。

金属シールは、外部シール、内部シール及び／又は水平シールを含んでもよい。金属シールは、複数のシム、布及び捲縮金属シム、シム及び金属布サンドイッチ構造及び／又は金属箔を含んでもよい。金属シールは柔軟な材料を含んでもよい。

金属構成要素は内径バンド及び外径バンドを含んでもよく、金属シールは内径バンド及び外径バンドに装着されてもよい。金属構成要素は支柱ケーシングを含んでもよく、金属シールは支柱ケーシングに装着されてもよい。セラミックマトリクス複合ノズル構体は、複数のセラミックマトリクス複合羽根を有してもよい。

本願は、セラミックマトリクス複合ノズル構体を更に説明する。セラミックマトリクス複合ノズル構体は、セラミックマトリクス複合羽根と、セラミックマトリクス複合羽根の周囲に配置された内径金属バンド及び外径金属バンドと、セラミックマトリクス複合羽根と内径金属バンド及び外径金属バンドとの間に配置された複数の金属シールとを含んでもよい。金属シールは、布及び捲縮金属シム、シム及び金属布サンドイッチ構造及び／又は金属箔を含んでもよい。

本願は、セラミックマトリクス複合ノズル構体を更に説明する。セラミックマトリクス複合ノズル構体は、セラミックマトリクス複合羽根と、セラミックマトリクス複合羽根の周囲に配置された支柱ケーシングと、セラミックマトリクス複合羽根と支柱ケーシングとの間に配置された複数の金属シールとを含んでもよい。金属シールは、布及び捲縮金属シム、シム及び金属布サンドイッチ構造及び／又は金属箔を含んでもよい。

本発明の上記の特徴及びその他の数多くの特徴は、添付の図面及び特許請求の範囲と関連して以下の本発明の詳細な説明を検討することにより、当業者には明らかになるであろう。

図面を参照して説明する。図面中、いくつかの図において、同一の図中符号は、一貫して同じ要素を示す。図１は、タービン１０を示す。周知のように、タービン１０は、複数の段、この場合には第１の段２０、第２の段３０及び第３の段４０を含む。追加の段が使用されてもよい。本願は、主に第２の段３０に主眼を置くが、他の段の使用も意図される。

図２及び図３は、本明細書において説明されるようなセラミックマトリクス複合ノズル構体１００を示す。ＣＭＣ材料は市販されており、シリコーンカーバイドマトリクス中にシリコーンカーバイド繊維を含んでもよい。繊維及びマトリクスは、最初の生段階から含まれており、一般に、最終セラミック状態に処理又は硬化されるまで柔軟である。ノズル構体１００は、１対のＣＭＣ羽根、すなわち、第１の羽根１１０及び第２の羽根１２０を含む。ノズル構体１００は、第２段ノズル３０又はその他の場所で使用されてもよい。

周知のように、羽根１１０、１２０は、１対のバンドの間、すなわち、内径バンド１３０と外径バンド１４０との間に配置されてもよい。羽根１２０の内部において外径バンド１４０から内径バンド１３０に至るまで、支柱ケーシング１５０が配置される。支柱ケーシング１５０と外径バンド１４０との間並びに内径バンド１３０の下方に、１対の布シール、すなわち、第１の組の布シール１６０及び第２の組の布シール１７０が配置されてもよい。ＣＭＣノズル構体１００の内径バンド１３０は、タービン１０のダイアフラム１８０に配置される。

図４〜図６は、外部シール２００の使用法を示す。外部シール２００は、ＣＭＣ羽根１１０、１２０の端部と内径バンド１３０及び外径バンド１４０との間に配置されてもよい。外部シール２００は、バンド１３０、１４０に溶接されてもよい。

外部シール２００は、複数の異なる実施形態をとってもよい。図４は、捲縮布シール２１０を示す。捲縮布シール２１０は、多孔構造布シール、布シール２２０の垂直部分及び布シール２３０の水平部分を含んでもよい。（「垂直」及び「水平」という用語は、実際の向きとは逆の意味の用語又は引用として使用される。１枚布又は複数枚の布が使用されてよい。）布２２０、２３０は、ニッケル系、コバルト系又は鉄系の高温合金、あるいは高温能力を有する他の種類の材料から製造されてもよい。例えば、Haynes 188又はL605材料が使用されてもよい。布２２０、２３０は、布の内側に巻き込まれたシム２４０を有してもよいし、有していなくてもよい。シム２４０はスリットを有してもよい。スリットは、例えば、約４分の１インチ（約６．３５ｍｍ）ごとなどの規則的な間隔をおいて配置されてもよい。シム２４０は千鳥配列で配置されてもよい。例えば、スリットが入れられた複数のシム２４０は、スリットが重なり合わないように配置されてもよい。図に示すように、シム２４０は布２２０、２３０を被覆してもよい。シム２４０は、ニッケル系、コバルト系又は鉄系の高温合金、あるいは優れた耐摩耗性及び耐酸化性を有する同様の種類の材料から製造されてもよい。布２２０、２３０に金属シム２４０がクリンプされてもよい。金属布２２０、２３０は摩耗面を形成し、一方で、シム２４０が密封機能を果たす。

図５は、外部シール２００の別の実施形態であるサンドイッチ布シール２５０を示す。本実施形態においては、金属布２２０、２３０は、シム２４０の全体又は一部を取り囲む。図６は、外部シール２００の更に別の実施形態である金属箔シール２６０を示す。シム２４０及び金属布２２０、２３０を使用する代わりに、金属バンド１３０、１４０に金属箔２６５が単純に溶接され、所定の位置まで折りたたまれる。金属箔２６５は、完全に金属シム２４０から形成されてもよい。他の構成が使用されてもよい。

図７は、更に別の実施形態である内部シール３００を示す。内部シール３００は外部シール２００に類似しており、同様にバンド１３０、１４０に装着される。しかし、この場合にも、同一の構成が使用されてもよい。特に、捲縮布シール２１０、サンドイッチ布シール２５０又は金属箔シール２６０がそれぞれ使用されてよい。他の構成が使用されてもよい。

図８は、更に別の実施形態である水平シール３５０を示す。水平シール３５０は、シールがバンド１３０、１４０に溶接されるという点で、外部シール２００に類似している。しかし、水平シール３５０は、バンド１３０、１４０から羽根１１０、１２０まで主に水平方向に延出する。先に説明したように、水平シール３５０は、捲縮布シール２１０、サンドイッチ布シール２５０及び金属箔２６０を含めた数多くの変形が可能である。他の構成が使用されてもよい。

使用中、シール２００、３００、３５０は、バンド１３０、１４０と羽根１１０、１２０との境界面に設置されてもよい。シール２００、３００、３５０は実質的に柔軟であるので、シール２００、３００、３５０は、羽根１１０、１２０の幾分かの寸法変化に対応できる。また、シール２００、３００、３５０が柔軟な性質を有するため、シールの有効性も改善される。冷却空気の圧力は、一般に、シール２００、３００、３５０を羽根１１０、１２０に対して押圧する。従って、差圧が大きいときほど、シール２００、３００、３５０の性能は向上する。一般に、シール２００、３００、３５０は、羽根１１０、１２０の上に乗った状態にある。その結果、シール２００、３００、３５０が羽根１１０、１２０に加える力は、最小限に抑えられる。

別の構造としては、金属布２２０、２３０なしでシム２４０のみを使用すること又は金属箔２６０のみを使用することが考えられる。この構造は、能動冷却を必要としない。更に別のシール構造は、高温から保護するため及び耐用年数を延ばすために、シール、すなわち、シム２４０及び布２２０、２３０のいずれか又は双方を熱障壁被覆膜又はそれに類似する被覆膜によって被覆することを含む。シールであるシム及び布のいずれか又は双方を耐摩耗被覆膜又は耐酸化被覆膜で被覆してもよい。

以上の説明は、本願の好適な実施形態に関し、添付の特許請求の範囲及びそれと等価のものにより定義されるような本発明の一般的趣旨から逸脱せずに、当業者により数多くの変更及び変形を実施できることは明らかである。

タービンを示した横断面図である。 第２段ノズルにおいて使用するためのセラミックマトリクス複合ノズル構体を示した斜視図である。 図２のセラミックマトリクス複合ノズル構体を示した展開図である。 本明細書において説明されるような外部シールを示した横断面図である。 外部シールの別の実施形態を示した図である。 外部シールの更に別の実施形態を示した図である。 本明細書において説明されるような内部シールを示した横断面図である。 本明細書において説明されるような水平シールを示した横断面図である。

符号の説明

１０…タービン、１００…セラミックマトリクス複合ノズル構体、１１０…第１のＣＭＣ羽根、１２０…第２のＣＭＣ羽根、１３０…内径バンド、１４０…外径バンド、１５０…支柱ケーシング、２００…外部シール、２１０…捲縮布シール、２２０…布シールの垂直部分、２３０…布シールの水平部分、２４０…シム、２５０…サンドイッチ布シール、２６０…金属箔シール、３００…内部シール、３５０…水平シール

Claims (8)

1. セラミックマトリクス複合羽根（１１０、１２０）と；
   前記セラミックマトリクス複合羽根（１１０、１２０）に隣接して配置された金属バンド（１３０、１４０）と；
   前記セラミックマトリクス複合羽根（１１０、１２０）の内面と前記金属バンド（１３０、１４０）の一面との間に配置された内部金属シールとを具備し、
   前記内部金属シールが、前記セラミックマトリクス複合羽根（１１０、１２０）に直接接触し、
   前記内部金属シールが、前記金属バンドに装着される、セラミックマトリクス複合ノズル構体（１００）。
2. 前記内部金属シールは複数のシム（２２０、２３０）を具備する請求項１記載のセラミックマトリクス複合ノズル構体（１００）。
3. 前記内部金属シールは複数のシム（２２０、２３０）及び捲縮金属布（２１０）を具備する請求項１記載のセラミックマトリクス複合ノズル構体（１００）。
4. 前記内部金属シールは複数のシム（２２０、２３０）及び金属布サンドイッチ構造（２５０）を具備する請求項１記載のセラミックマトリクス複合ノズル構体（１００）。
5. 前記内部金属シールは金属箔を具備する請求項１記載のセラミックマトリクス複合ノズル構体（１００）。
6. 前記内部金属シール）は柔軟な材料から成る請求項１記載のセラミックマトリクス複合ノズル構体（１００）。
7. 前記金属バンド（１３０、１４０）は内径バンド（１３０）及び外径バンド（１４０）を具備し、複数の前記内部金属シールは、前記内径バンド（１３０）及び前記外径バンド（１４０）に装着される請求項１記載のセラミックマトリクス複合ノズル構体（１００）。
8. セラミックマトリクス複合羽根（１１０、１２０）と；
   前記セラミックマトリクス複合羽根（１１０、１２０）の周囲に配置された金属バンド（１３０、１４０）と；
   前記金属バンド（１３０、１４０）から前記セラミックマトリクス複合羽根（１１０、１２０）の終端面まで水平方向に延出し、前記金属バンド（１３０、１４０）に装着される水平金属シールとを具備し、
   前記水平金属シールが、前記セラミックマトリクス複合羽根（１１０、１２０）の終端面に接触する、セラミックマトリクス複合ノズル構体（１００）。