JP5572178B2 - ガスタービンエンジン用のベーン構造体および低圧タービン - Google Patents

Description

本発明は、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（ＣＭＣ）ベーン構造体に関する。

ガスタービンエンジンの低圧タービン（ＬＰＴ）のベーン構造体が、一般に、共に完全なリングを形成する複数のクラスタセグメントとして組み立てられる。各セグメントの境界部（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）が、流れが漏れる複数の通路を有することがある。フェザーシールおよび他の構造体が、セグメントの間からの漏れを最小化するが、どんな漏れであっても効率上不利益なものであり、この不利益は、ガス通路の空気が、二次冷却流が存在すべきキャビティへと流入する場合に金属製品（ｈａｒｄｗａｒｅ）を早期に故障させる要因となることがある。

本発明の例示的な特徴によるガスタービンエンジン用のベーン構造体が、セラミックマトリクス複合外周側リングとセラミックマトリクス複合内周側リングとの間に組み込まれた複数のセラミックマトリクス複合エアフォイル部を備えている。リング構造体が、低圧タービンの部分を形成することができる。

ガスタービンエンジンの概略的な断面図である。 ガスタービンエンジンの低圧タービンセクションの拡大断面図である。 低圧タービンセクションの例示的なステータベーン構造体の斜視図である。

図１には、ガスタービンエンジン２０が概略的に示されている。本明細書においては、ガスタービンエンジン２０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を組み込んでなる２−スプールターボファンとして開示されている。代替的なエンジンが、他のシステムや特徴部の間に増加装置セクション（図示せず）を備え得る。ファンセクション２２は、バイパス流路に沿って空気を移動させ、圧縮機セクション２４は、圧縮のためにコア流路に沿って空気を移動させ、この空気は、燃焼器セクション２６へと通流し、そして、タービンセクション２８を通して膨張する。これに限定されない開示された実施例には、ターボファンガスタービンエンジンとして図示されているが、本明細書で説明される概念は、教示されたターボファンを用いて使用することに限定されるものではなく、他の形式のタービンエンジンにも適用することができることを理解されたい。

ガスタービンエンジン２０は、一般に、低速スプール３０および高速スプール３２を備えており、これらのスプール３０，３２は、種々のベアリングシステム３８を介してエンジンの静止構造体３６に対してエンジンの長手方向中心軸Ａを中心に回転するように取り付けられている。種々のベアリングシステム３８が、代替的にまたは付加的に様々な位置に設けられ得ることを理解されたい。

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４６を相互接続する内側シャフト４０を備えている。内側シャフト４０は、低速スプール３０の速度よりも低速でファン４２を駆動するように、ギア構造体４８を介してファン４２に接続されている。高速スプール３２は、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４とを相互接続する外側シャフト５０を備えている。燃焼器５６が、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４との間に配置されている。内側シャフト４０および外側シャフト５０は、同軸に配置されており、これらのシャフトの長手方向軸と同一直線上にあるエンジンの長手方向中心軸Ａを中心に回転する。

コア空気流が、低圧圧縮機４４によって圧縮されてから高圧圧縮機５２を介して燃焼器５６へと運ばれ、燃焼器５６において燃料と混合されて燃焼し、そして、高圧タービン５４および低圧タービン４６にわたって膨張する。タービン５４，４６は、膨張に応答して低速スプール３０および高速スプール３２の各々を回転させる。

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した低圧タービンケース６０を備えている。これに限定されない開示された実施例においては、低圧タービンケース６０は、セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料または超合金から製造される。本明細書で説明される構成要素全てにおけるセラミックマトリクス複合材料の例が、例えば、Ｓ２００およびＳｉＣ／ＳｉＣを備え得るがこれらに限定されないことを理解されたい。また、本明細書で説明される構成要素全てにおける超合金の例が、例えば、インコネル７１８およびＷａｓｐａｌｏｙを備え得るがこれらに限定されないことを理解されたい。開示された実施例においては、低圧タービンとして図示されているが、本明細書で説明される概念は、教示された低圧タービンを用いて使用することに限定されるものではなく、他のセクション、例えば、高圧タービン、高圧圧縮機、低圧圧縮機、中間圧タービン、３−スプール構造のガスタービンエンジンの中間圧タービン等にも適用することができることを理解されたい。

ロータ構造体６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃが、ベーン構造体６４Ａ，６４Ｂを点在させるようにして配置されている。任意の数の段が設けられ得ることを理解されたい。ベーン構造体６４Ａ，６４Ｂの各々が、リング−支柱−リングとした完全なフープ（輪）状構造体を画定するようにセラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料から製造される。セラミックマトリクス複合材料は、金属よりも高い温度性能と、重量に対する強度の高い比率とを有利に提供する。また、種々のセラミックマトリクス複合材料の製造性が適用可能であることを理解されたい。

ベーン構造体６４Ｂが以下に詳細に説明されるが、ベーン構造体６４Ａ，６４Ｂの各々が概ね同等のものであり、単一のベーン構造体６４Ｂのみを詳細に説明する必要があることを理解されたい。ベーン構造体６４Ｂは、一般に、セラミックマトリクス複合外周側リング６６と、セラミックマトリクス複合内周側リング６８と、セラミックマトリクス複合外周側リング６６とセラミックマトリクス複合内周側リング６８との間に組み込まれた（図３にも示されている）複数のセラミックマトリクス複合エアフォイル部７０とを備えている。セラミックマトリクス複合外周側リング６６およびセラミックマトリクス複合内周側リング６８は、完全なフープを形成するように、組み込まれた複数のエアフォイル部７０の周囲に基本的に巻かれている。本明細書では、「完全なフープ」という用語は、ベーンがこのフープに形成された開口部を貫通しないようにされた中断されていない部材として定義されることを理解されたい。完全なフープ状リングの設計により、完全なフープ構成におけるセラミックマトリクス複合材料の繊維強度の利用が最大化される。

完全なフープ状のセラミックマトリクス複合外周側リング６６は、低圧タービンケース６０に静止金属製品を取り付けるための（図３にも示されている）スプラインインタフェース７２を備えている。低圧タービンケース６０は、エンジン軸Ａに向かって半径方向内側へと延びる支持構造体７４を備えている。支持構造体７４は、対をなす半径方向フランジ７６Ａ，７６Ｂを備えており、半径方向フランジ７６Ａ，７６Ｂは、これらの間でスプラインインタフェース７２を受ける。スプラインインタフェース７２は、エアフォイル部７０に沿って軸方向に中央に配置されており、また、一対の半径方向フランジ７６Ａ，７６Ｂによって支持される締結具８０を受ける開放スロット（ｏｐｅｎ ｓｌｏｔ）７８を備えている。開放スロット７８は、熱の変化に起因する半径方向の膨張および収縮を吸収する浮揚リング構造を許容し、エンジン軸Ａを中心としたベーン構造体６４Ｂの同軸度を維持したままにする。

完全なフープ状内周側リング６８は、研磨材料８２を支持することができ、該研磨材料８２は、完全なフープ状内周側リング６８に形成されるか、または完全なフープ状内周側リング６８に接合され得る。研磨材料８２は、一般に理解されるように、補完的なナイフエッジシール８４によって溝掘りを行う。

完全なフープ状リングベーン構造体により、セグメントの間からの漏れが無くなり、低圧タービンの効率が向上する。金属製品の重量は、材料の密度の変化のみに基づくのではなく、構造体の設計空間や組立を簡素化するセグメント間の金属製品、例えば、フェザーシール、ナットおよびボルトの必要性がない通常の構造体よりも小さいものとなる。

種々の図全体について、同様の符号は、対応するまたは同様の構成要素を示すことを理解されたい。図示した実施例では、特定の構成要素配置が開示されているが、他の配置も本発明の恩恵を受けることになることを理解されたい。

特定のステップの順序が示され、説明され、特許請求されているが、これらのステップは、他に指示がなければ、任意の順序で実施され、分離され、または組み合わされ、本発明から恩恵を受けることになることを理解されたい。

本発明は、例示的なものであり、限定的なものではない。本発明の例示的な実施例について説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更がなされ得ることを理解されたい。

Claims (9)

1. スプラインインタフェースを有したセラミックマトリクス複合外周側リングと、
   セラミックマトリクス複合内周側リングと、
   前記セラミックマトリクス複合外周側リングと前記セラミックマトリクス複合内周側リングとの間に組み込まれた複数のセラミックマトリクス複合エアフォイル部と、
   高圧圧縮機ケースと、
   を備え、
   前記高圧圧縮機ケースは、ガスタービンエンジンの長手方向中心軸に向かって前記高圧圧縮機ケースから半径方向内側へと延びる支持構造体を有し、前記支持構造体は、対をなす半径方向フランジを有し、前記スプラインインタフェースは、前記半径方向フランジの間で受けられることを特徴とするガスタービンエンジン用の高圧圧縮機。
2. 前記スプラインインタフェースは、前記セラミックマトリクス複合外周側リングから延びることを特徴とする請求項１に記載の高圧圧縮機。
3. 前記スプラインインタフェースは、前記複数のセラミックマトリクス複合エアフォイル部に対して軸方向に中央に配置されることを特徴とする請求項２に記載の高圧圧縮機。
4. 前記スプラインインタフェースは、開放スロットを備えることを特徴とする請求項１に記載の高圧圧縮機。
5. 前記セラミックマトリクス複合内周側リングに取り付けられた研磨材料をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の高圧圧縮機。
6. スプラインインタフェースを有したセラミックマトリクス複合外周側リングと、
   セラミックマトリクス複合内周側リングと、
   前記セラミックマトリクス複合外周側リングと前記セラミックマトリクス複合内周側リングとの間に組み込まれた複数のセラミックマトリクス複合エアフォイル部と、
   低圧タービンケースと、
   を備え、
   前記低圧タービンケースは、ガスタービンエンジンの長手方向中心軸に向かって前記低圧タービンケースから半径方向内側へと延びる支持構造体を有し、前記支持構造体は、対をなす半径方向フランジを有し、前記スプラインインタフェースは、前記半径方向フランジの間で受けられることを特徴とするガスタービンエンジン用の低圧タービン。
7. 前記セラミックマトリクス複合外周側リングは、前記スプラインインタフェースを介して前記低圧タービンケースに取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の低圧タービン。
8. 前記低圧タービンケースは、セラミックマトリクス複合材料から製造されることを特徴とする請求項７に記載の低圧タービン。
9. 前記セラミックマトリクス複合内周側リングに取り付けられた研磨材料をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の低圧タービン。

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