JP5608701B2 - ガスタービンエンジンのロータモジュール及びタービンアッセンブリ並びにタービンアッセンブリ組み付け方法 - 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複合材料（ＣＭＣ：Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）からなる構成要素に関する。

ガスタービンエンジンのタービンセクションは、著しく酸化状態にあるガス流環境において高温下で作動するものであり、通常、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、タイロッドや他の留め具で互いに固定される複数のロータディスクを有する。

上記留め具は、留め具自体だけでなく、留め具を支持するための材料等によって重量を増加させる。

本発明の例示的な態様によるガスタービンエンジンのロータモジュールは、セラミック複合材料（ＣＭＣ）からなる共通のＣＭＣドラムから延びる複数のＣＭＣエアフォイルの列を備える。

本発明の例示的な態様によるガスタービンエンジンのタービンアッセンブリは、軸を中心に画定された分割ケースと、セラミック複合材料（ＣＭＣ）からなる共通のＣＭＣドラムと、セラミック複合材料（ＣＭＣ）からなり、共通のＣＭＣドラムから延びる複数のＣＭＣエアフォイルの列と、を備え、軸を中心に回転するタービンロータモジュールと、を備える。

本発明の例示的な態様によるガスタービンエンジンのタービンアッセンブリ組み付け方法は、軸を中心に画定されるセラミック複合材料（ＣＭＣ）からなる共通のＣＭＣドラムの周囲で分割ケースを組み付けるステップを含み、共通のＣＭＣドラムから、セラミック複合材料（ＣＭＣ）からなる複数のＣＭＣエアフォイルの列が延びる。

以下に開示する例示的な実施例についての詳細な説明を参照することによって、当業者であれば本発明の種々の特徴を理解されるであろう。以下に記載する発明を実施するための形態に伴う図面について簡単に説明する。

ガスタービンエンジンの概略的な断面図。 ガスタービンエンジンの一部の拡大断面図。

図１にガスタービンエンジン２０を概略的に図示する。本明細書においては、二重スプールターボファンエンジンとしてガスタービンエンジン２０を図示している。該エンジンは、ファンセクション２２、圧縮セクション２４、燃焼セクション２６及びタービンセクション２８を有する。別の実施例のエンジンは、他のシステムや特徴部に加えてオグメンタセクション（図示せず）を有する。ファンセクション２２は、バイパス流路に沿って空気を送る。次いで、圧縮セクション２４は、圧縮のためコア流路に沿って空気を送る。空気は燃焼セクション２６を通過した後、タービンセクション２８を通って膨張する。例示的な実施例ではターボガスタービンエンジンを例示しているが、本発明はターボガスタービンエンジンに限定されず、他の形式のタービンエンジンにも適用可能である。

ガスタービンエンジン２０は、通常、低速スプール３０及び高速スプール３２を有する。低速スプール３０及び高速スプール３２は、ベアリングシステム３８を介してエンジンの固定構造体３６に対してエンジンの長手方向の中心軸Ａを中心に回転するように取付けられる。付加的に又は別の実施例として、種々のベアリングシステム３８を種々の位置に設けてもよいことを理解されたい。

低速スプール３０は、通常、ファン４２、低圧圧縮機４４及び低圧タービン４６を相互に接続する内側シャフト４０を有する。内側シャフト４０は、低速スプール３０よりも低速でファン４２を駆動させるようにギア付き構造体４８を通してファン４２に接続される。高速スプール３２は、高圧圧縮機５２及び高圧タービン５４を相互に接続する外側シャフト５０を有する。燃焼器５６は、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４との間に配される。内側シャフト４０及び外側シャフト５０は、同心をなし、各々の長手方向軸と同一線上にある長手方向の中心軸Ａを中心に回転する。

コア空気流は、低圧圧縮機４４、次いで高圧圧縮機５２により圧縮され、燃焼器５６において燃料と混合されて燃焼され、高圧タービン５４及び低圧タービン４６において膨張する。タービン５４，４６は、膨張により低速スプール３０及び高速スプール３２をそれぞれ回転駆動する。

図２を参照すると、低圧タービン４６は、通常、複数（少なくとも２つ）の低圧タービン（ＬＰＴ）段を含むケース６０を有する。開示する例示的な実施例では、ケース６０は、セラミック複合材料（ＣＭＣ）又は金属超合金（ｍｅｔａｌ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ）からなる。本明細書に開示する例示的な構成要素に用いられるＣＭＣは、例えば、Ｓ２００及びＳｉＣ／ＳｉＣを含むが、これに限定されない。本明細書に開示する例示的な構成要素に用いられる金属超合金は、例えば、ＩＮＣＯ７１８及びＷａｓｐａｌｏｙを含むが、これに限定されない。

ロータモジュール６２は、ＣＭＣからなり、複数の列をなすエアフォイル６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ（以下、ＣＭＣエアフォイルという）を含み、該ＣＭＣエアフォイル６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃは、ＣＭＣからなる共通のドラム６６（以下、ＣＭＣドラムという）からそれぞれ延びている。ＣＭＣエアフォイル６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃの列は、ＣＭＣからなるベーン６８Ａ，６８Ｂ（以下、ＣＭＣベーンという）の列と交互に配設され、低圧タービン段（ステージ）を形成する。各ロータ段のＣＭＣにおける繊維は、高負荷の領域（すなわち、ハブ、翼のある付加物（ｗｉｎｇｅｄ ａｐｐｅｎｄａｇｅ）など）における強度を増加させるように複数の材料から形成されるハイブリッド段及び各段を連結するように延びていてもよい。各段は、完全に環状のリング支柱リング構造（ｆｕｌｌ ｈｏｏｐ ｒｉｎｇ−ｓｔｒｕｔ ｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）を含んでいてもよい。本明細書において、「完全に環状」とは、中断されず連続した部材を意味し、該部材は該部材の開口をベーンが貫通しないような構成となっている。開示した実施例では、低圧タービンとして図示しているが、本発明は低圧タービンに限定されず、高圧タービン、高圧圧縮機、低圧圧縮機、中圧タービン、又は三重スプール構造のガスタービンエンジンの中圧タービンなど他のセクションに適用され得る。

ロータモジュール６２は、半径方向内側に延びる取付部７０を有する。該取付部７０は、リング状の留め具や他のインタフェースを介して、ロータモジュール６２を内側シャフト４０に一体的に取付ける（図１）。取付部７０は、エアフォイル列６８Ｂに隣接した共通のドラム６６の軸方向に延びる中心軸位置から半径方向内側に延びている。ロータモジュール６２は、従来各ブレードに要求されていたモミの木状の取付部を用いることなく、共通のＣＭＣドラム６６を用いて複数の列をなすＣＭＣエアフォイル６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃを統合する一体的な構造体からなる。

ロータモジュール６２は、ナイフエッジシール７２などの独立した特徴部（通常、幾何学的に複雑な部材）をさらに受ける単一の一体的なＣＭＣ構造体とし得る。ナイフエッジシール７２及び他のそのような特徴部は、セラミック複合材料（ＣＭＣ）と異なるモノリシックセラミックスや金属合金からなる。ナイフエッジシール７２は、ロータモジュール６２に接合されるか、あるいは他の方法で取り付けられる。

一体的なロータモジュール６２によりハードウエアの複雑性及び重量が著しく減少する。ロータモジュール６２は、段（ステージ）間の留め具を排除するとともに、留め具領域における応力を低下させるための付加的な材料による重量を排除することができる。ロータモジュール６２は、アッセンブリ用の分割された低圧ケース（分割ケース）６０を必要とすることがある。すなわち、ロータモジュール６２は、一体的なモジュールであるため、ロータモジュール６２の周囲で分割されたケース６０が組み付けられる。ケース６０は、例えば、複数の留め具ｆによって互いに組み付けられる２つの長手方向のケース半体から構成される
図面において同様の部品については同様の参照数字を付している。図示した実施例では、特定の配置について開示しているが、他の配置や構成であってもよいことを理解されたい。

特定の手順について図示、開示しているが、当該手順については、他の順番であってもよいし、独立又は組み合わせてもよいことを理解されたい。

上記の説明は例示的なものであって、限定的なものではない。当業者であれば、以下の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、種々の変更や修正がなされることを理解されるであろう。

３０ 低速スプール
３２ 高速スプール
３６ エンジン固定構造体
３８ ベアリングシステム
４０ 内側シャフト
４２ ファン
４４ 低圧圧縮機
４６ 低圧タービン
４８ ギア付き構造体
５０ 外側シャフト
５２ 高圧圧縮機
５４ 高圧タービン
５６ 燃焼器
６０ ケース
６２ ロータモジュール
６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ ＣＭＣエアフォイル
６６ ＣＭＣドラム
６８Ａ，６８Ｂ ＣＭＣベーン
７０ 取付部
７２ ナイフエッジシール

Claims (9)

1. セラミック複合材料（ＣＭＣ）からなり、軸を中心に画定される共通のＣＭＣドラムと、
   セラミック複合材料からなり、共通のＣＭＣドラムから延びる複数のＣＭＣエアフォイルの列と、
   内部でロータモジュールが回転する分割ケースと、
   前記共通のＣＭＣドラムに取り付けられるモノリシックセラミックス製の特徴部と、
   を備え、
   前記分割ケースは、セラミック複合材料又は金属超合金からなり、
   前記モノリシックセラミックス製の特徴部はナイフエッジシールであることを特徴とするガスタービンエンジンのロータモジュール。
2. 複数のＣＭＣエアフォイルの列は、ガスタービンエンジンの圧縮セクション内に位置することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンのロータモジュール。
3. 複数のＣＭＣエアフォイルの列は、ガスタービンエンジンの高圧圧縮セクション内に位置することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンのロータモジュール。
4. 複数のＣＭＣエアフォイルの列は、ガスタービンエンジンのタービンセクション内に位置することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンのロータモジュール。
5. 複数のＣＭＣエアフォイルの列は、ガスタービンエンジンの低圧タービンセクション内に位置することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンのロータモジュール。
6. 軸を中心に画定された分割ケースと、
   セラミック複合材料（ＣＭＣ）からなる共通のＣＭＣドラムと、セラミック複合材料からなり、共通のＣＭＣドラムから延びる複数のＣＭＣエアフォイルの列と、を備え、軸を中心に回転するタービンロータモジュールと、
   前記共通のＣＭＣドラムに取り付けられるモノリシックセラミックス製の特徴部と、
   を備え、
   前記分割ケースは、セラミック複合材料又は金属超合金からなり、
   前記モノリシックセラミックス製の特徴部はナイフエッジシールであることを特徴とするガスタービンエンジンのタービンアッセンブリ。
7. タービンロータモジュールは、ガスタービンエンジンの低圧タービンセクション内に位置することを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジンのタービンアッセンブリ。
8. 軸を中心に画定されるセラミック複合材料（ＣＭＣ）からなる共通のＣＭＣドラムの周囲で分割ケースを組み付けるステップを含み、
   共通のＣＭＣドラムから、セラミック複合材料からなる複数のＣＭＣエアフォイルの列が延び、
   前記分割ケースは、セラミック複合材料又は金属超合金からなり、
   前記共通のＣＭＣドラムにモノリシックセラミックス製の特徴部が取り付けられており、前記モノリシックセラミックス製の特徴部はナイフエッジシールであることを特徴とするガスタービンエンジンのタービンアッセンブリ組み付け方法。
9. 分割ケースの２つの軸方向の半体を複数の留め具で組み付けることを特徴とすることを特徴とする請求項８に記載のタービンアッセンブリ組み付け方法。

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