JP5546578B2 - ガスタービンエンジン用の一体化セラミックマトリックス複合材ディスク - Google Patents

Description

本開示は、ガスタービンエンジン、より詳細にはガスタービンエンジン用のセラミックマトリックス複合材（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）（ＣＭＣ）ロータ部材に関する。

ガスタービンエンジンのタービンセクションは、厳しい酸化性の種類のガス流環境において高温で作動され、通常は高温超合金から製造される。タービンロータアッセンブリは通常、ボルト、タイロッド、および他の構造によって一緒に固定可能な複数のロータディスクを備える。

ガスタービンエンジン用のさらなるディスクが求められている。

本開示の例示的な態様によるガスタービンエンジン用のＣＭＣディスクは、軸周りに画成されたＣＭＣハブと、ＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルとを備える。

本開示の例示的な態様によるガスタービンエンジン用のＣＭＣディスクは、ＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルと、複数のエーロフォイルの反対側でＣＭＣハブと一体化されたレールとを備え、レールは、複数のエーロフォイルに隣接しかつレールインナボアへとテーパの付いたレールプラットホームセクションを画成する。

本開示の例示的な態様によるガスタービンエンジン用のロータモジュールは、第１のＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルを有しかつ軸周りに画成された第１のＣＭＣディスクであって、第１のＣＭＣアームが第１のＣＭＣハブから延在する、第１のＣＭＣディスクと、第２のＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルを有しかつ軸周りに画成された第２のＣＭＣディスクであって、第２のＣＭＣアームが第２のＣＭＣハブから延在する、第２のＣＭＣディスクと、第３のＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルを有する第３のＣＭＣディスクであって、第３のＣＭＣハブが軸周りにボアを画成し、第１のＣＭＣアームおよび第２のＣＭＣアームが第３のＣＭＣハブに取り付けられる、第３のＣＭＣディスクと、を備える。

さまざまな特徴は、開示された非限定的な実施例についての以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は以下に簡単に説明可能である。

ガスタービンエンジンの概略断面図である。 非限定的な一実施例によるロータモジュールの断面図である。 図２のロータモジュールからのＣＭＣディスクの断面図の拡大断面図である。

図１は、ガスタービンエンジン２０を概略示している。ガスタービンエンジン２０は本願では、一般にファンセクション２２、圧縮機セクション２４、燃焼器セクション２６、およびタービンセクション２８を備える２スプールターボファンとして開示されている。代替のエンジンは、他のシステムや特徴のうちオーグメンタセクション（図示せず）を備えることもできる。ファンセクション２２が、バイパス流路に沿って空気を流し、同時に、圧縮機セクション２４が、圧縮、燃焼器セクション２６への連通、次いでタービンセクション２８を通る膨張のためのコア流路に沿って空気を流す。開示の非限定的な実施例ではターボファンガスタービンエンジンとして記述されているけれども、本教示は他の種類のタービンエンジンにも適用可能なので、本願で開示された概念がターボファンを用いた使用に限定されないことは理解されたい。

エンジン２０は一般に、いくつかの軸受システム３８を介してエンジン固定構造３６に対するエンジン中心長手軸Ａ周りの回転のために取り付けられた低速スプール３０および高速スプール３２を備える。代替としてあるいは付加的にさまざまな位置にさまざまな軸受システム３８を設けることができることは理解されたい。

低速スプール３０は一般に、ファン４２、低圧圧縮機４４、および低圧タービン（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ）４６を相互に結合するインナシャフト４０を備える。インナシャフト４０は、低速スプール３０より低速でファン４２を駆動するようにギア装置４８を介してファン４２に接続される。高速スプール３２は、高圧圧縮機５２および高圧タービン５４を相互に結合するアウタシャフト５０を備える。燃焼器５６が、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４の間に配置される。インナシャフト４０およびアウタシャフト５０は、同心であり、それぞれの長手軸と同一線上にあるエンジン中心長手軸Ａ周りに回転する。

コア空気流は、低圧圧縮機４４によって、次いで高圧圧縮機５２によって圧縮され、燃焼器５６内で燃料と混合されて燃焼し、次いで、高圧タービン５４および低圧タービン４６に亘って膨張する。タービン５４、４６は膨張に応じてそれぞれ高速スプール３２、低速スプール３０を回転させるように駆動する。

図２を参照すると、低圧タービン４６は一般に、複数の低圧タービン段を有する低圧タービンケース６０を備える。開示の非限定的な実施例では、低圧タービンケース６０は、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料または金属超合金から製造される。本願で述べられている全ての部材についてのＣＭＣ材料の例が、限定される訳ではないが、例えばＳ２００およびＳｉＣ／ＳｉＣを含み得ることは理解されたい。本願で述べられている全ての部材についての金属超合金の例が、限定される訳ではないが、例えばＩＮＣＯ７１８およびＷａｓｐａｌｏｙを含み得ることも理解されたい。開示の実施例では低圧タービンとして記述されているけれども、本教示は高圧タービン、高圧圧縮機、低圧圧縮機、３スプール構造ガスタービンエンジンの中間圧タービン、中間圧圧縮機などの他のセクションにも適用可能なので、本願で開示された概念が低圧タービンを用いた使用に限定されないことは理解されたい。

ＬＰＴロータモジュール６２が、複数（図示は３つ）のＣＭＣディスク６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃを備える。ＣＭＣディスク６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃのそれぞれは、各ハブ６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃから延在するエーロフォイル６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃの列を備える。エーロフォイル６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃの列の間には、それぞれの数のＬＰＴ段を形成するようにＣＭＣベーン構造７０Ａ、７０Ｂが配置されている。任意の数の段を設けることができることは理解されたい。ディスクはさらに、リング−ストラット−リング（ｒｉｎｇ−ｓｔｒｕｔ−ｒｉｎｇ）構造を備えることもできる。

ＣＭＣディスク６４Ａ、６４Ｃは、各ハブ６８Ａ、６８Ｃから延在するアーム７２Ａ、７２Ｃを備える。アーム７２Ａ、７２Ｃは、自己維持半径（ｓｅｌｆ ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ）に概略等しい径方向距離、エンジン軸Ａから離れて配置される。自己維持半径は本願では、ディスクの径方向の増大が自由回転リングの径方向の増大に等しくなる半径と定義される。自己維持半径の径方向内側の質量は、荷重を負担し、自己維持半径の径方向外側の質量は荷重を負担せず、それ自体を支持できない。自己維持半径の外側のディスク材料は一般にボア応力を増大させることができ、自己維持半径の内側の材料は一般にボア応力を減少させることができる。

アーム７２Ａ、７２Ｃは、ハブ６８Ｂから延在するマウント７４Ｂを捕捉する。複数の留め具７６（図示は１つだけ）が、アーム７２Ａ、７２Ｃをマウント７４Ｂに取り付けてＣＭＣディスク６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃを組み立て、ＬＰＴロータモジュール６２を形成する。径方向内側に延在するマウント７４Ｂは共同してＬＰＴロータモジュール６２をインナロータシャフト４０（図１）に取り付ける。アーム７２Ａ、７２Ｃは一般に、ＣＭＣベーン構造７０Ａ、７０Ｂに接するナイフエッジシール７１を備える。通常のハブおよび複数列のエーロフォイルとの他の一体化されたディスク構成も本願から恩恵を受けるであろうことも理解されたい。

各ＣＭＣディスク６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ（図３において個別に６４Ｃが図示される）は、リング−ストラット−リング構造を形成するようにフルフープシュラウドと一体化されたブレードロータのＣＭＣフープ強度特性を利用する。フルフープ（ｆｕｌｌ ｈｏｏｐ）という用語が本願では、通過して形成される開口部をベーンが通過しないようにとぎれのない部材と定義されることは理解されたい。

各ＣＭＣディスク６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃのアウタシュラウド７８Ａ、７８Ｂ、７８Ｃが、エーロフォイル６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃの各列の最も外側の先端部においてフルフープリング構造を形成し、最も外側の先端部は、大きなたっぷりとしたフィレットと一体化されて、繊維によって荷重を均一に移動させることができる。エーロフォイルの根元部もまたたっぷりとしたフィレットと共にフルフープディスクへと一体化されて、繊維によって荷重を構造を通して各ハブ６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃへとまたより良く移動させることができる。

各ハブ６８Ａ、６８Ｃは、エンジン軸Ａに対して最も内側のボア半径Ｂを画成するレール８０Ａ、８０Ｃを画成する。各ＣＭＣディスク６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃの最も内側のボア半径Ｂは、断面において従来のリム、ディスク、ボア、涙滴状構造よりかなり大きな直径である。すなわち、各レール８０Ａ、８０Ｃの最も内側のボア半径Ｂは、全体のディスク重量を低減する比較的大きなボア直径を画成する。

レール形態は容易にＣＭＣ材料に適合し、内部応力維持繊維の連続性を保持する。レール構造はさらに、自由リング増大の最小化によってフープ応力の均衡化を容易にし、また、モーメントの最小化がなければ応力を増大させ得るであろうローリングを生じさせるモーメントを最小化する。

リング−ストラット−リング構造は、両端において結合されたエーロフォイルによってアウタおよびインナリングを構成することでＣＭＣの強度を利用する。もみの木形アタッチメントの処分によっても従来のディスク構造では一般的な多くの高応力／構造上の問題領域が除去される。一体化されたディスク構造はなおさらに、従来のブレードおよびディスクそれぞれの首状部およびもみの木形アタッチメント領域の除去によって、より低密度重量のＣＭＣが提供する利益を上回りさえする利益が実装および重量について得られる。

同様の参照符号がいくつかの図面全体に亘って対応する部材または同様の部材を特定することは理解されたい。例示の実施例では特定の部材構成を開示したとはいえ、他の構成も本願から恩恵を受けるであろうことも理解された。

特定の工程配列を図示し、説明し、請求するとはいえ、特に指定のない限り別々または組み合わせで任意の順に工程が実施可能であり、本開示からなお恩恵を受けるであろうことも理解されたい。

上述した説明は、限定として規定されるのではなく例示である。本願ではさまざまな非限定的な実施例を開示するが、当業者ならば、上述した教示に照らしてさまざまな修正例および変形例が添付の特許請求の範囲に含まれることを理解するであろう。従って、添付の特許請求の範囲においては具体的に説明する以外にも本開示が実施可能であることは理解されたい。従って、真の範囲および内容を決定するには添付の特許請求の範囲を検討する必要がある。

Claims (15)

1. 軸周りに画成されたＣＭＣハブであって、軸周りにボアを画成するＣＭＣハブと、
   ＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルと、
   ＣＭＣハブから延在するＣＭＣアームであって、自己維持半径に概略等しい径方向距離、前記軸から離れて配置されるＣＭＣアームと、
   を備え、自己維持半径は、当該半径の径方向内側の質量が荷重を負担し、当該半径の径方向外側の質量が荷重を負担せず、それ自体を支持できない、半径であることを特徴とする、ガスタービンエンジン用のＣＭＣディスク。
2. ＣＭＣアームから径方向に延在するナイフエッジシールをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のＣＭＣディスク。
3. ＣＭＣハブは、最も内側のボア半径における軸方向の幅を有するレールを画成し、前記軸方向の幅は、レールの最も小さな軸方向の幅を画成することを特徴とする請求項１記載のＣＭＣディスク。
4. 複数のＣＭＣエーロフォイルの周りに画成されたアウタシュラウドをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のＣＭＣディスク。
5. 複数のＣＭＣエーロフォイルの反対側でＣＭＣハブと一体化されたレールをさらに備え、レールは、複数のＣＭＣエーロフォイルに隣接しかつレールインナボアへとテーパの付いたレールプラットホームセクションを画成することを特徴とする請求項１記載のＣＭＣディスク。
6. 軸周りに画成されたＣＭＣハブであって、軸周りにボアを画成するＣＭＣハブと、
   ＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルと、
   ＣＭＣハブから延在するＣＭＣアームであって、自己維持半径に概略等しい径方向距離、前記軸から離れて配置されるＣＭＣアームと、
   複数のＣＭＣエーロフォイルの反対側でＣＭＣハブと一体化されたレールであって、複数のＣＭＣエーロフォイルに隣接しかつレールインナボアへとテーパの付いたレールプラットホームセクションを画成する、レールと、
   を備え、自己維持半径は、当該半径の径方向内側の質量が荷重を負担し、当該半径の径方向外側の質量が荷重を負担せず、それ自体を支持できない、半径であることを特徴とする、ガスタービンエンジン用のＣＭＣディスク。
7. レールは、最も内側のボア半径における軸方向の幅を画成し、前記軸方向の幅は、レールの最も小さな軸方向の幅を画成することを特徴とする請求項６記載のＣＭＣディスク。
8. 複数のＣＭＣエーロフォイルの周りに画成されたアウタシュラウドをさらに備えることを特徴とする請求項６記載のＣＭＣディスク。
9. 第１のＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルを有しかつ軸周りに画成された第１のＣＭＣディスクであって、第１のＣＭＣハブが軸周りにボアを画成し、第１のＣＭＣアームが第１のＣＭＣハブから延在する、第１のＣＭＣディスクと、
   第２のＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルを有しかつ軸周りに画成された第２のＣＭＣディスクであって、第２のＣＭＣハブが軸周りにボアを画成し、第２のＣＭＣアームが第２のＣＭＣハブから延在する、第２のＣＭＣディスクと、
   第３のＣＭＣハブと一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルを有する第３のＣＭＣディスクであって、第３のＣＭＣハブが軸周りにボアを画成し、第１のＣＭＣアームおよび第２のＣＭＣアームが第３のＣＭＣハブに取り付けられる、第３のＣＭＣディスクと、
   を備え、第１、第２のＣＭＣアームは、自己維持半径に概略等しい径方向距離、前記軸から離れて配置され、自己維持半径は、当該半径の径方向内側の質量が荷重を負担し、当該半径の径方向外側の質量が荷重を負担せず、それ自体を支持できない、半径であることを特徴とする、ガスタービンエンジン用のロータモジュール。
10. レールが、最も内側のボア半径における軸方向の幅を画成し、前記軸方向の幅は、レールの最も小さな軸方向の幅を画成することを特徴とする請求項９記載のロータモジュール。
11. 複数のＣＭＣエーロフォイルの周りに画成されたアウタシュラウドをさらに備えることを特徴とする請求項９記載のロータモジュール。
12. 第１のＣＭＣディスク、第２のＣＭＣディスク、および第３のＣＭＣディスクは、ガスタービンエンジンの低圧タービンセクションに配置されることを特徴とする請求項９記載のロータモジュール。
13. 第１のＣＭＣディスク、第２のＣＭＣディスク、および第３のＣＭＣディスクは、ガスタービンエンジンの高圧圧縮機セクションに配置されることを特徴とする請求項９記載のロータモジュール。
14. 第１のＣＭＣディスク、第２のＣＭＣディスク、および第３のＣＭＣディスクは、ガスタービンエンジンの圧縮機セクションに配置されることを特徴とする請求項９記載のロータモジュール。
15. 第１のＣＭＣディスク、第２のＣＭＣディスク、および第３のＣＭＣディスクは、ガスタービンエンジンのタービンセクションに配置されることを特徴とする請求項９記載のロータモジュール。

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