JP5646517B2 - タービンリング組立体 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械用のタービンリング組立体であって、リング支持構造と、セラミックマトリックス複合材料の一体成形品を各々が備える複数のリングセクタとを備える組立体に関する。

本発明の適用分野は、特にガスタービン航空エンジンのものである。それにもかかわらず、本発明は、たとえば工業用タービンなどの他のターボ機械に適用可能である。

セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料は、これらを、構造的要素を構成するのに適切にするその良好な機械的特性、および高温においてこれらの特性を一定に保つその能力で知られている。

ガスタービン航空エンジンでは、効率性の改善および汚染排出の低減が、作動温度の高温化の主な追及事項である。

したがって、特にＣＭＣは、従来使用されている耐熱金属の密度より小さい密度を有しているため、そのようなエンジンのさまざまな高温部分にＣＭＣを使用することが、すでに想定されてきている。

故に、一体成形品のＣＭＣタービンリングセクタの作製が、米国特許第６９３２５６６号明細書のすでに記載されている。リングセクタは、タービンリングの内面をその内面が画定する環状基部と、リングを支持するために金属構造内のＵ字形のハウジング内に係合された端部を備えた２つのタブ形成部分がそこから延びる外面とを備えたＫ字形の縦断面を有する。タブは、Ｕ字形ハウジング内の半径方向の隙間に係合された端部を有し、これらは、リングの軸に向かって半径方向に向けられた戻り力をリングセクタ上に及ぼす弾性部材を用いることによってハウジングの表面を半径方向に押し付けるように保持される。

米国特許第６９３２５６６号明細書 国際公開第２００６／１３６７５５号 米国特許第５２４６７３６号明細書 米国特許第５９６５２６６号明細書

ハウジング内のタブの端部を隙間に係合させることにより、ＣＭＣとリング支持構造の金属の間の膨張差を調整することが可能になるが、弾性装着は、いくつかの欠点を有している。

したがって、そのような弾性装着は、リングの内面に対してほぼ完璧な円筒形状を与えるためにリングセクタの最初の装着後に従来実施されている仕上げ機械加工にうまく適合していない。

さらに、リングによって取り囲まれたロータホイール上のブレードの先端部が、その内面上に存在する摩耗性コーティングに接触するようになるとき、弾性装着は、望ましくない振動現象を引き起こす。

さらに、リングセクタの外側に対するリングセクタの内側のガス流路の封止が、影響される。

本発明は、そのような欠点を回避することを試み、この目的のために、本発明は、リング支持構造と、セラミックマトリックス複合材料の一体成形品を各々が備える複数のリングセクタであって、各リングセクタが、タービンリングの内面を画定する内面と、リング支持構造内のハウジング内に係合された端部を有する２つのタブ形成部分がそこから延びる外面とを備えた環状基部を形成する第１の部分を有する、リングセクタとを備えるタービンリング組立体であって、タービンリング組立体内では、リングセクタが、ほぼπ字形である断面を有し、タブの端部が、リング支持構造によって半径方向の隙間を有することなく保持される、タービンリング組立体を提案する。

タービンリング組立体は、ＣＭＣリングセクタが、リング支持構造によって半径方向の隙間を有することなく保持され、これらは、作動時、最高温度となるゾーンから比較的遠くにある位置で保持されるような形状を有している点において優れている。

有利には、タブは、それらの平均幅の３倍以上である縦断面における自由長を有する。

さらに有利には、タブは、縦断面においてほぼＳ字形である。

タービンリング組立体の特徴によれば、タブの１つまたは第１の１つは、リング支持構造の一体型のフック形状部分内のほぼＵ字形断面のハウジング内に係合することによって半径方向に保持された端部を有する。例として、この第１のタブは、上流側タブである。好ましくは、Ｕ字形断面のハウジングは、対向する内側ブランチおよび外側ブランチによって画定され、内側ブランチは、外側ブランチの長さより短い長さを有する。

タービンリング組立体の別の特徴によれば、タブの１つまたは第２の１つは、嵌合させたクリップを用いて、リング支持構造の環状面に対して隙間を有することなく半径方向に保持された端部を有する。例として、この第２のタブは、下流側タブである。

タービンリング組立体のさらに別の特徴によれば、各リングセクタは、タブおよびリング支持構造の一部分の向かい合う支承面上に形成された浮き彫りの実質的に相補的な軸方向の保持部分の相互の係合によって軸方向に保持される。封止ガスケットが、向かい合う支承面間に挿入され得る。取り付けタブの支承面上の浮き彫りの軸方向の保持部分は、リング支持構造の支承面上に形成されたリブと共働する溝の形態でもよく、溝は、有利には、ほぼＶ字形のプロファイルを有する。

本発明は、添付の図を参照して非限定的に示すことによって与えられる以下の説明を読み取ることにより、より良好に理解され得る。

本発明のタービンリング組立体の実施形態を示す縦半断面図である。 図１のリング組立体のリング支持構造内のリングセクタの組立体を示す図である。 図１のリング組立体のリング支持構造内のリングセクタの組立体を示す図である。 図１のリング組立体のリング支持構造内のリングセクタの組立体を示す図である。 図１のリング組立体のＣＭＣリングセクタのための繊維ブランクの実施形態を示す３次元製織平面の図である。 図１のリング組立体のＣＭＣリングセクタのための繊維ブランクの実施形態を示す３次元製織平面の図である。 図１のタービンリング組立体のＣＭＣリングセクタの繊維プリフォームを示す図である。 ＣＭＣタービンリングセクタを製造する方法の実施における一連のステップを示す図である。 本発明のタービンリング組立体のＣＭＣリングセクタの変形の実施形態を示す縦断面図である。

図１は、ＣＭＣタービンリング１および金属のリング支持構造３を備える高圧タービンリング組立体を示している。タービンリング１は、回転ブレード５の組を取り囲んでいる。タービンリング１は、複数のリングセクタ１０から構成され、図１は、２つの連続するリング間を通る平面上の縦断面図である。

各リングセクタ１０は、タービン内を通るガス流のための流路を画定する、摩耗性材料の層１３でコーティングされた内面を有する環状基部１２を備えたほぼπ字形である断面を有する。ほぼＳ字形の縦断面を有するタブ１４、１６が、環状基部１２の外面からその全体長さにわたって延びている。タブの１つ、すなわち上流側タブ１４は、上流側に延び、その上流側の端部分１４ａは、環状基部１２の上流側端部から上流側に位置している。他方のタブ１６、すなわち下流側タブは、下流側に延び、その下流側の端部分１６ａは、環状基部１２の下流側端部から下流側に位置している。用語「上流側」および「下流側」は、本明細書では、タービン内を通るガス流の流れ方向（矢印Ｆ）を基準にして使用される。

タービンケーシング３０に固定されたリング支持構造３は、下流側軸方向に開口するＵ字形の縦断面を備えた環状セクションのフック３４を担持する環状の上流側半径方向フランジ３２を備える。フック３４は、対向する内側および外側の環状ブランチ３４ａ、３４ｂを有する。タブ１４の環状の上流側端部分１４ａは、ブランチ３４ａ、３４ｂの内面３５ａ、３５ｂの間に係合される。面３５ａを担持するフック３４のブランチ３４ａは、面３５ｂを担持するブランチ３４ｂより短く、したがってブランチ３５ａは、ブランチ３５ｂの端部から上流側で終端している。面３５ａは、直線プロファイルを有するが、面３５ｂは、セットバック３５ｃを有しており、それにより、フックの開口部近傍の面３５ａと面３５ｂの間の半径方向距離ｄは、フック３４の底部近傍の面３５ａと３５ｂの間の半径方向距離よりわずかに小さい。距離ｄは、タブ１４の端部分１４ａの厚さｅと等しく、またはそれよりごくわずかに小さく、それにより、タブ１４の端部分１４ａは、隙間を有することなく、またはさらには一定量の応力下で、フック３４の開口部近傍の表面３４ａと３４ｂの間に係合される。それに対して、フック３４の底部の近傍の端部分１４ａと表面３４ｄの間には、わずかな量の隙間ｊが残される。面３５ａの下流側端部には、面取部が形成されることもまた注意されなければならない。

したがって、タブ１４の端部分１４ａをフック３４内に装着することは、リングセクタの上流側端部において、ガス流のための流路とリングセクタの外側の間に封止をもたらす働きをする。

下流側端部では、リング支持構造は、タブ１６の環状端部１６ａが押さえ付ける環状の支承部分３６ａ内で終端するＬ字断面の環状フランジ３６を含む。タブ１６の端部分１６ａおよびフランジ３６の支承部分３６ａは、それ自体知られている方法で、Ｕ字形の縦断面を有するクランプ３８を用いることによって隙間を有することなく互いに押し付けて保たれる。クランプは、フランジ３６の部分３６ａおよびタブ１６の端部分１６ａから下流側に突出する指部３６ｂ、１６ｂ間に挿入されることによって、フランジ３６およびタブ１６に対して円周方向に移動することが防止される。

フランジ３６の支承部分３６ａは、内側に突出し、タブ１６の端部分１６ａの外側環状面内に形成された溝１７内に受け入れられる円周方向リブ３７を有する。溝１７は、好ましくはほぼＶ字形である断面を有し、一方でリブは、ほぼＵ字形またはＶ字形である断面を有する。これは、リングセクタが、リング支持構造に対して軸方向に移動することを防止するように働く。

タービンリングの下流側端部においてタービン内を通るガス流のための流路とタービンリングの外側との間に最良の封止を保証するために、ガスケット２０が、フランジ３６の支承部分３６ａとタブ１６の端部分１６ａの間に押し込まれる。例として、ガスケット２０は、リブ３７から下流側の支承部分３６ａの内面に形成されたハウジング内に保持された金属編組によって構成される。

さらに、セクタ間の封止が、２つの隣り合うセクタの向かい合う縁部内で互いに向かい合う溝内に収容された封止舌部によってもたらされる。舌部２２ａは、環状基部１２のほぼ全長にわたってその中央部分内に延びている。別の舌部２２ｂは、タブ１４に沿って延びている。一方の端部では、舌部２２ｂは、舌部２２ａと当接するようになり、一方で他方の端部では、舌部２２ｂは、タブ１４の端部分１４ａの上面、好ましくはタブが隙間を有することなくフック３４内に係合された位置に達する。別の舌部２２ｃが、タブ１６に沿って延びている。一方の端部では、舌部２２ｃは、舌部２２ａと当接するようになり、一方で他方の端部では、舌部２２ｃは、タブ１６の端部分１６ａの上面、好ましくはガスケット２０の位置に達する。例として、舌部２２ａ、２２ｂ、および２２ｃは、金属製であり、これらは、作動時に遭遇する温度において封止機能をもたらすために、低温時に隙間を有してそのハウジング内に装着される。

熱膨張係数が異なるにも関わらず、ＣＭＣリングセクタのタブ１４および１６とリング支持構造の金属部分を相対的隙間を有することなく組み立てることが可能であるが、その理由は：
組立てが、ガス流にさらされる環状基部１２の高温面から離れて実施され、
その縦断面において、タブ１４および１６は、有利には、それらの平均幅と比べて比較的長い長さを有しており、それにより、特にＣＭＣが低い熱伝導性を有しているために環状基部１２とタブ１４および１６の端部との間に効果的な熱分離が得られるためである。

さらに、従来の方法では、フランジ３２を貫通して形成された通気オリフィス３２ａが、冷却空気をタービンリング１の外側から流入させるような働きをする。

好ましくは、タブの自由長は、その平均幅の少なくとも３倍に等しい。用語「自由長」は、本明細書では、環状基部１２との連結と支持構造との接触の間の縦断面におけるプロファイルの長さを意味するために使用される。

図２から図４は、リングセクタを組み立てる際の一連のステップを示している。ブランチ３４ａ、３４ｂ間の軸方向長さの差異、フック３４の底部の隙間ｊの存在、および面３５ａの端部における面取部の存在は、リブ３７（図２）から外れるためにリングセクタを傾けることをより容易にし、数度の小さい傾斜角度だけで十分である。これが、ＣＭＣリングセクタ上の過剰な曲げ応力を回避する。

溝１７がリブ３７と向かい合っているとき、リングセクタは、定位置に押し戻され得る（図３）。

タブ１４の端部分１４ａが、フランジ３６の支承部分３６ａに接触させられるとき（図４）、タブ１４の端部分１４ａは、フック３４の開口部近傍のフック３４のブランチ３４ｂの面３５ｂに対してしっかりと押さえ付けられ、対向する面３５ａを押し付ける。したがって、タブ１４のタブ端部分１４ａは、面３５ａおよび３５ｂと密に接触する。

封止舌部２２ａ、２２ｂ、および２２ｃのすべては、セクタ１０のすべてをタービンケーシング内に入れる前に所定位置に置かれ得る。変形形態では、セクタ１０は、舌部を有することなく１つずつケーシング内に装着されてもよく、引き続いてこれらは、舌部を挿入するために円周方向に離間して配置されてもよい。

各リングセクタ１０は、リングセクタの形状に近い形状の繊維プリフォームを形成し、リングセクタをセラミックマトリックスで緻密化することによってＣＭＣで作製される。

繊維プリフォームを作製するために、たとえば日本国供給者のＮｉｐｐｏｎ Ｃａｒｂｏｎによって名称「Ｎｉｃａｌｏｎ」で販売されているものなどのＳｉＣ繊維の糸などのセラミック繊維の糸または炭素繊維の糸を使用することが可能である。

繊維プリフォームは、有利には三次元製織によって、または多層製織によって、タブ１４および１６に対応するプリフォームの部分が、基部１２に対応するプリフォームの部分から離間して配置されることを可能にするために相互連結されないゾーンが残された状態で作製される。

縦糸セクションの図５Ａおよび図５Ｂは、リングセクタのプリフォームを得るのに適したブランク１００を製織するための連続する製織平面の例を示している。

図示される例では、縦糸の層の全数は、４に等しい。これは、当然ながら４つ以外も可能であり、特にこれより多くなり得る。第１の平面（図５Ａ）では、縦糸層はすべて、リング上流側端部と下流側端部の間のリングの中央部分に対応するブランクの中央部分内で横糸によって相互連結されるが、中央部分の各側は、相互連結された縦糸の上部の２つの層のみを有している。次の平面（図５Ｂ）では、縦糸層はすべて、ここでもブランクの中央部分内で横糸によって相互連結されているが、中央部分の各側では、縦糸の２つの底層のみが相互連結されている。

縦糸の上部層内の縦糸の数は、取り付けタブに十分な長さを与えるために底部層内のものより多いことが注意されなければならない。

製織は、図示されるようにインターロックタイプのものでもよい。たとえばマルチ平織りまたはマルチサテン織りなどの他の三次元織りまたは多層織りが使用されてもよい。国際公開第２００６／１３６７５５号が参照され得る。

製織した後、ブランク１００は、縦糸およびプリフォーム１１０の包絡外形のみが確認され得る図６に図式的に示されているように、いかなる糸も切断することなくリングセクタのリフォーム１１０を得るために成形され得る。

図７は、たとえばＳｉＣ繊維製の繊維プリフォームを用いてＣＭＣリングセクタを作製する１つの方法の一連のステップを示している。

ステップ７０では、連続繊維ストリップが、ＳｉＣ繊維糸で織り込まれ、ストリップは図５Ａおよび図５Ｂに示されたように縦糸方向の長手方向を有する。

ステップ７１では、繊維ストリップは、繊維上に存在するサイズ剤およびさらに繊維の表面にある酸化物の存在も除去するように処理される。酸化物は、酸処理によって、特にフッ化水素酸の溶液槽に含浸させることによって除去される。サイズ剤が酸処理で除去され得ない場合、サイズ剤の除去ための前処理が、たとえば短い熱処理によってサイズ剤を分解することによって実施される。

ステップ７２では、中間相コーティングの薄い層が、化学気相浸透（ＣＶＩ）によって繊維ストリップの繊維上に形成される。例として、中間相コーティングの材料は、熱分解炭素またはピロ炭素（ＰｙＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、またはホウ素ド−プ炭素（ＢＣ、たとえば５から２０の原子％のＢを有し、残りがＣである）である。中間相コーティングの薄い相は、好ましくは小さい厚さ、たとえば１００ナノメートル（ｎｍ）より小さく、または実際には５０ｎｍより小さいものであり、その結果、繊維ブランク内で良好な変形能力を一定に保つようになる。厚さは、好ましくは１０ｎｍ以上である。

ステップ７３では、繊維が中間相コーティングの薄い層でコーティングされた状態と共に繊維ストリップに、強化組成物、通常は溶媒中に任意選択で希釈された樹脂を含浸させる。たとえばフェノール性もしくはフラン性の樹脂などの炭素前駆体樹脂、またはたとえばポリシラザンもしくはＳｉＣの前駆体であるポリシロキサン樹脂などのセラミック前駆体樹脂を使用することが可能である。

樹脂からすべての溶媒を除去することによって乾燥させた後（ステップ７４）、個々の繊維ブランク１００が、切り離される（ステップ７５）。

ステップ７６では、このようにして切り出された繊維ブランクは、成形され、そして製作されるリングセクタ１０の形状に近い形状のプリフォーム１１０を得るように成形するために型またはたとえばグラファイト製のシェーパ内に置かれる。

その後、樹脂が硬化され（ステップ７７）、硬化された樹脂は熱分解される（ステップ７８）。硬化および熱分解は、型内で温度を除々に上昇させることによって交互に実施され得る。

熱分解後、熱分解残渣によって強化された繊維プリフォームが得られる。強化樹脂の量は、熱分解樹脂が、ツーリングの助け無しにプリフォームの形状を一定に保ちながらプリフォームを十分に取り扱うことができるくらいにプリフォームの繊維と一緒に結合するように選択され、強化樹脂の量は、好ましくはできるだけ少量になるように選択されることが理解される。

複合材料に対する脆化軽減機能を実施するのに十分である厚さの全体の繊維マトリクス中間相を得るために、必要であれば第２の中間相の層がＣＶＩによって形成されてもよい（ステップ７９）。第２の中間相の層は、ＰｙＣ、ＢＮ、ＢＣから選択された材料でもよいが、第１の中間相の層の材料と必ずしも同じである必要はない。知られているように、そのような中間相材料は、複合材料のマトリクスを通って中間相に到達する割れの底部において応力を緩和する機能を実施することができ、そうしないと、繊維を破断させる、繊維中の割れの伝播を回避または遅延し、それによって複合材料をより脆弱でなくする。第２の中間相の層の厚さは、好ましくは１００ｎｍ以上である。

上述されたように、２つの中間相の層から中間相を形成することが好ましい。第１の中間相の層は、強化樹脂を熱分解する残渣の繊維上における過剰な付着を回避することに寄与する。

その後、強化されたプリフォームは、セラミックマトリックスによって緻密化される。緻密化は、ＣＶＩによって実施されてもよく、このとき、第２の中間相の層の形成およびセラミックマトリックスによる緻密化を同じ炉内で交互にすることが可能である。

ＣＶＩを用いてセラミック、特にＳｉＣマトリックスによってプリフォームを緻密化することが、よく知られている。メチルトリクロロシラン（ＭＴＳ）およびガス状の水素（Ｈ２）を含有する反応ガスが、使用され得る。強化されたプリフォームは、ツーリングを用いてその形状を保つことなく筺体内に置かれ、ガスが筺体内に導入される。特に温度および圧力の制御状態下で、ガスは、ガスの構成物質間の反応によってＳｉＣマトリックスを堆積させるために、プリフォームの孔から拡散する。

強化されたプリフォームのＣＶＩの緻密化は、ＳｉＣ以外のマトリックスを使用して、特に自己回復マトリックスを使用して実施されてもよく、このとき、自己回復マトリックス相の例は、三元Ｓｉ−Ｂ−Ｃ系または炭化ホウ素Ｂ_４Ｃである。そのような自己回復マトリックスをＣＶＩによって得ることを説明する米国特許第５２４６７３６号明細書および米国特許第５９６５２６６号明細書が参照され得る。

緻密化は、所望の寸法に製作するために部品を機械加工するステップ８１によって分断された、２つの連続ステップ（ステップ８０および８２）で実施され得る。第２の緻密化ステップは、複合材料をコアに緻密化することを仕上げるだけでなく、機械加工中にむき出しにされることがあるすべての繊維上に表面コーティングを形成するようにも働く。

事前の機械加工またはトリミングが、ステップ７７と７８の間、すなわち樹脂の硬化後かつ樹脂の熱分解前に使用されてもよいことが注意されなければならない。

緻密化後、摩耗性コーティングの層が、たとえば物理気相成長法によって知られている方法で形成されてもよい。

図７を参照して、ＳｉＣ繊維糸を使用して複合材料の繊維補強を形成することが述べられる。当然ながら、何らかの他のセラミックまたは炭素繊維製の繊維を使用することが可能である。炭素繊維を使用する場合、ステップ７１は省かれる。

上記の説明では、リングセクタは、Ｓ字形である縦断面を有する連結タブを有して作製される。

変形形態では、連結タブは、図８に示されたリングセクタ１０’のタブ１４’、１６’のような、Ｌ字形である縦断面を有することが可能である。

Claims (12)

1. リング支持構造と、
   セラミックマトリックス複合材料の一体成形品を各々が備える複数のリングセクタ（１０）であって、各リングセクタが、
   タービンリングの内面を画定する内面と、
   リング支持構造のフランジと係合された端部を夫々有する上流側タブ（１４）および下流側タブ（１６）を形成する２つの部分がそこから延びる外面と
   を備えた環状基部を形成する第１の部分（１２）を有する、リングセクタと
   を備えるタービンリング組立体であって、
   リングセクタ（１０）が、ほぼπ字形である断面を有し、上流側および下流側夫々のタブ（１４、１６）の端部（１４ａ、１６ａ）が、リング支持構造によって半径方向の隙間を有することなく保持され、上流側タブの端部が、環状基部の上流側端部よりも上流側へ延び、下流側タブの端部が、環状基部の下流側端部よりも下流側へ延びることを特徴とする、タービンリング組立体。
2. タブ（１４、１６）が、その縦断面において、平均幅の３倍以上である自由長を有することを特徴とする、請求項１に記載のタービンリング組立体。
3. タブ（１４、１６）が、縦断面においてほぼＳ字形であることを特徴とする、請求項１または２に記載のタービンリング組立体。
4. タブ（１４）の１つまたは第１の１つが、リング支持構造の一体型のフック形状部分（３４）内でほぼＵ字形断面のハウジング内に係合することによって半径方向に保持された端部（１４ａ）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンリング組立体。
5. 第１のタブが、上流側タブ（１４）であることを特徴とする、請求項４に記載のタービンリング組立体。
6. Ｕ字形断面のハウジングが、対向する内側ブランチおよび外側ブランチによって画定され、内側ブランチ（３４ａ）が、外側ブランチの長さより短い長さを有することを特徴とする、請求項４または５に記載のタービンリング組立体。
7. タブ（１６）の１つまたは第２の１つが、嵌合させたクリップ（３８）を用いることによってリング支持構造の環状面に対して隙間を有することなく半径方向に保持された端部（１６ａ）を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のタービンリング組立体。
8. 第２のタブが、下流側タブ（１６）であることを特徴とする、請求項７に記載のタービンリング組立体。
9. 各リングセクタ（１０）が、タブ（１６）およびリング支持構造の一部分（３６）の向かい合う支承面上に形成された浮き彫りの実質的に相補的な軸方向の保持部分（１７、３７）の相互の係合によって軸方向に保持されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のタービンリング組立体。
10. 封止ガスケット（２０）が、向かい合う支承面間に挿入されることを特徴とする、請求項９に記載のタービンリング組立体。
11. 取り付けタブ（１６）の支承面上の浮き彫りの軸方向の保持部分が、リング支持構造の支承面上に形成されたリブ（３７）と共働する溝（１７）の形態であることを特徴とする、請求項９または１０に記載のタービンリング組立体。
12. 溝（１７）が、ほぼＶ字形であるプロファイルを有することを特徴とする、請求項１１に記載のタービンリング組立体。

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