JP6184042B2 - 熱応力の無いファスナーを用いたタービン構成要素の接続装置 - Google Patents

Description

本明細書で記載される技術は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、低延性材料を組み込んだこのようなエンジンにおける機械的接続部に関する。

典型的なガスタービンエンジンは、直列流れ関係で、高圧圧縮機、燃焼器、及び高圧タービンを有するターボ機械コアを含む。コアは、公知の方式で一次ガス流を発生するよう機能する。高圧タービン（ガス発生器タービンとも呼ばれる）は、１又はそれ以上の段を含み、ここで一次ガス流からエネルギーが取り出される。各段は、固定のタービンノズルと、その後に下流側のロータ保持タービンブレードとを備える。各段は、固定のタービンノズルと、その後に下流側のロータ保持タービンブレードとを備える。空気流で冷却して適切な耐用期間を保証する必要がある。一般に、冷却用空気は、圧縮機から抽出（ブリード）される。ブリード空気の使用は、燃料消費率（ＳＦＣ）に悪影響を与えるので最小限にする必要がある。通常、冷却用空気は、圧縮機から抽出（ブリード）される。ブリード空気の使用は、燃料消費率（ＳＦＣ）に悪影響を与えるので、一般的には最小限にする必要がある。

金属タービン構造体は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）等の高温性能の優れた材料で置き換えることができる。ＣＭＣの密度は、タービンエンジンの高温セクションにて用いる従来の金属超合金の３分の１であり、よって同じ翼形部幾何形状のままで金属合金をＣＭＣに置き換えることで構成要素の重量が低減される。タービンノズルにおける翼形部の大部分を置き換えることで、組立体の全重量が低減され、冷却空気流の必要性もまた低減される。

ＣＭＣ及び類似の材料は、シュラウドセグメント等の物品の設計及び適用の際に考慮する必要がある固有の機械的性質を有する。例えば、ＣＭＣ材料は、金属材料に比べて相対的に低い引張延性又は低い破断歪みを有する。また、ＣＭＣの熱膨張係数（ＣＴＥ）は、超合金の約３分の１であり、このことは、２つの異種材料間の剛接合が、組立条件に起因する温度変化に伴って大きな歪み及び応力を誘起することを意味する。また、ＣＭＣの許容可能な応力限界は金属合金よりも低く、ＣＭＣ構成要素についての単純で低応力の設計が必要となる。

現在のところ、流れ配向形状を有する構成要素（翼形部など）は、互いに独立して浮動することが許されておらず、空力性能に悪影響を及ぼすことになる。

従って、静定アンカーポイントを提供しながらＣＭＣ及び他の低延性翼形部に作用する機械的負荷を最小限にした、ＣＭＣ及び他の低延性翼形部を装着する装置に対する要求がある。

米国特許第７，９８８，３９５号明細書

この要求は、本明細書で記載される技術により対処され、本技術は、限定的な移動の自由度を許容しながら、周囲の構造体に位置付けられ保持される構成要素を含む、タービン構成要素組立体を提供する。

本明細書で記載される技術の１つの態様によれば、ガスタービンエンジン用のタービン構成要素の組立体は、第１の熱膨張係数を有し、端面を含む第１の構成要素と、端面に当接する嵌合面を含む第２の構成要素と、第１の熱膨張係数とは異なる第２の熱膨張係数を有し、第２の構成要素を係合するシャンクと、第１の構成要素における装着スロットを係合する拡大ヘッドとを含むファスナーと、を備え、嵌合面と端面が、第１の構成要素と第２の構成要素との間の相対旋回移動を許容するような形状にされる。

本明細書で記載される技術の１つの態様によれば、ガスタービンエンジン用のタービンノズル装置は、環状内側バンドと、該内側バンドの周りを囲む環状の外側バンドと、内側バンドと外側バンドとの間に延び且つこれらを相互接続する複数の翼形の構造的ベーンと、内側バンドと外側バンドとの間に延びる複数の翼形の非構造的ベーンと、を備え、各非構造的ベーンが、内側バンドによって受けられる根元端部と、外側バンドによって受けられる先端端部とを有し、先端端部及び根元端部の一方が、バンドを係合するシャンクと非構造的ベーンにおける装着スロットを係合する拡大ヘッドとを有しファスナーによってそれぞれのバンドに接続される。

本発明は、添付図面を参照しながら以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。

本明細書で記載される技術の１つの態様に従って構成された、ガスタービンエンジン用のタービンノズル組立体の概略斜視図。 図１に示すタービンノズルの一部の拡大図。 図１に示すタービンノズルの一部の断面図。 タービンノズルの一部の断面図。 図４の線５−５に沿った図。

種々の図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を表す図面を参照すると、図１及び２は、本明細書で記載される技術の１つの態様に従って構成された例示的なタービンノズル１０を描いている。タービンノズル１０は、ガスタービンエンジンのタービンセクションの一部を形成する固定構成要素である。タービンノズル１０は、タービンロータの上流側でガスタービンエンジンに装着され、ロータディスクが翼形のタービンブレードのアレイを保持し、ノズル及びロータがタービンの１つの段を定める点は理解されるであろう。ノズルの主機能は、燃焼ガス流を下流側タービンロータ段に配向することである。

タービンは、既知のタイプのガスタービンエンジンの既知の構成要素であり、上流側燃焼器（図示せず）からの高温加圧燃焼ガスからエネルギーを抽出し、該エネルギーを機械的仕事に変換するよう機能し、この機械的仕事は、圧縮機、ファン、シャフト、又は他の機械的負荷（図示せず）を駆動するのに使用される。本明細書で記載される原理は、ターボファン、ターボジェット、及びターボシャフトエンジン、並びに他の移動体又は定置用途で使用するタービンエンジンにも等しく適用することができる。

本明細書で使用される場合、用語「軸方向」又は「長手方向」は、ガスタービンエンジンの回転軸に平行な方向を指し、他方、「半径方向」は、軸線方向に垂直な方向を指し、「接線方向」又は「円周方向」は、軸方向及び半径方向（図１における矢印「Ａ」、「Ｒ」及び「Ｔ」を参照）に互いに直交する方向を指す点に留意されたい。これらの方向に関する用語は、説明の際に便宜上使用されるに過ぎず、記載される構造体の特定の向きは必須ではない。

タービンノズル１０は、環状内側バンド１２及び環状外側バンド１４を含み、これらがタービンノズル１０を通る高温ガス流路の内側境界と外側境界とをそれぞれ定める。

内側バンド１２と外側バンド１４との間に、翼形のタービンベーンのアレイが配置される。ベーンのアレイは、非構造的ベーン１６Ｂのグループと交互になった構造的ベーン１６Ａのグループを含む。タービンノズル１０は、構造的ベーン１６Ａ及び非構造的ベーン１６Ｂが異なる特性を有する材料で作られている点で、「ハイブリッド」構造とみなすことができる。

各構造的ベーン１６Ａは、前縁と後縁との間に延びる対向する凹状側面及び凸状側面を有し、根元端部１８と先端端部２０との間に延びている。エンジン作動時に内側バンド１２と外側バンド１４との間の同心関係を維持して、内側バンド１２と外側バンド１４との間の相対的な熱的膨張を制御するために、十分な数の構造的ベーン１６Ａが設けられている。本明細書で用いる場合、用語「構造的」は、内側バンド１２と外側バンド１４との間で熱的負荷及び／又は機械的負荷を伝達するよう構成され取り付けられたベーン１６Ａを特定している。構造的ベーン１６Ａは、内側バンド１２及び外側バンド１４と機能的に一体化され、単一の鋳造又は鍛造構成要素の一部とすることができ、或いは、内側バンド１２及び外側バンド１４に溶接、ろう付け、又は機械的に締結することができる。例示の特定の実施例では、タービンノズル１０の外周の周りに等間隔で配置された１２個の構造的ベーン１６Ａがあり、図１及び２において各々「ｘ」で表されている。

構造的ベーン１６Ａは、金属合金のような強固で延性のある材料で構成される。この目的のために、例えば、公知のタイプのニッケル系、鉄系、又はコバルト系の「超合金」を用いることができる。

各非構造的ベーン１６Ｂは、前縁と後縁との間に延びる対向する凹状側面及び凸状側面を有し、根元端部２２と先端端部２４との間に延びている。根元端部２２は、根元端面２００（図３を参照）にて終端する。構造的ベーン１６Ａの各ペアの間には、１又はそれ以上の非構造的ベーン１６Ｂが円周方向に配置される。例示の特定の実施例では、タービンノズル１０の外周の周りで等間隔に配置された４８個の非構造的ベーン１６Ｂがあり、該非構造的ベーン１６Ｂは、４つが１グループになって配置される。単一の構造的ベーン１６Ａが、非構造的ベーン１６Ｂの隣接するグループを隔てている。

本明細書で用いる場合、用語「非構造的」は、内側バンド１２と外側バンド１４との間で有意な熱的負荷及び／又は機械的負荷を伝達しないように構成され取り付けられたベーン１６Ｂを特定している。全てのベーン１６Ａ及び１６Ｂは、作動時に著しい空力的（例えばガス圧）負荷を個別に受けるので、この負荷に耐えるために十分な剛性及び降伏強さを有する必要があることは理解されるであろう。

非構造的ベーン１６Ｂの各々は、低延性で高温使用可能な材料で構成することができる。非構造的ベーン１６Ｂに好適な材料の１つの実施例は、公知のタイプのセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料である。一般に、商業的に入手可能なＣＭＣ材料は、窒化ホウ素（ＢＮ）などの柔軟材料でコーティングされた形態のセラミック系繊維（例えばＳｉＣ）を含む。繊維は、セラミック系マトリックスにおいて担持され、その１つの形態が炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。典型的には、ＣＭＣ系材料は、約１％よりも大きくない室温引張延性を有し、本明細書では、低引張延性材料を定義及び意味するのに用いる。一般に、ＣＭＣ系材料は、約０．４から約０．７％の範囲の室温引張延性を有する。これは、少なくとも約５％、例えば約５から約１５％の範囲の室温引張延性を有する金属に匹敵する。

図３に示すように、内側バンド１２は、内部に形成される翼形のブラインド根元ポケット２６のアレイを含む。各根元ポケット２６は、非構造的ベーン１６Ｂのうちの１つの非構造的ベーンの根元端部２２を受ける。各根元ポケット２６は、周壁２０２と床部２０４とによって定められる。非構造的ベーン１６Ｂの根元端部２２の一部は、周壁２０２により囲まれる。周壁２０２は、各々が根元ポケット２６と関連の非構造的ベーン１６Ｂとの間に小ギャップを許容するようなサイズ及び形状にされる。

各非構造的ベーン１６Ｂの根元端部２２は、横方向に貫通して延びる装着スロット２０６を含む。装着スロット２０６の断面形状は、根元端面２００に隣接する入口２０８と、拡大エンドチャンバ２１０と、入口２０８とエンドチャンバ２１０を相互接続するテーパセクション２１２と、を備える。テーパセクション２１２は、互いから末広になった離間して配置される壁のペアを備える。

各非構造的ベーン１６Ｂの根元端部２２は、装着スロット２０６及び根元ポケット２６の床部２０４と係合するファスナー２１４を用いて根元ポケット２６に保持される。

ファスナー２１４は、シャンク２１６及び拡大ヘッド２１８を含む。ヘッド２１８は、シャンク２１６に隣接した近位部分２２０と、遠位部分２２２とを含む。近位部分２２０は、シャンク２１６の長手方向軸線「Ｌ」の周りの回転体である表面２２４を有する。表面２２４は末広形状を有し、すなわち、シャンクと近位部分の交点から離れた距離が増大するにつれて、その直径が増大する。この固有の形状は、特定用途に適合するよう変更することができ、例えば、表面は、円錐形又は凸状に湾曲することができる。ファスナー２１４は、金属合金のような強固な延性材料から構成することができる。例えば、この目的のために、公知のタイプのニッケル系、鉄系、又はコバルト系の「超合金」を用いることができる。

近位部分２２０は、装着スロット２０６のテーパセクション２１２に当接し、線接触又はリング接触を定める。シャンク２１６は、根元ポケット２６の床部２０４における装着孔２２６を通って延びる。シャンク２１６は、好適なリテーナにより所定位置に保持される。例示の実施例では、シャンク２１６の上にワッシャ２２８が置かれて床部２０４に当接し、溶接２３０などの金属接合により固定される。他の好適なリテーナの非限定的な実施例は、クランプカラー又は従来のネジ付きナットを含む。

非構造的ベーン１６Ｂの根元端面２００は、根元ポケット２６の床部２０４に接触又は当接する。この２つの面は、互いに、内側バンド１２に対して非構造的ベーン１６Ｂの前後の旋回移動（すなわち、「ピッチング」）を許容するような形状にされる。これは、２つの面を非平行にすることにより達成される。例示の実施例では、根元端面２００は平面であり、他方、床部２０４は半径方向外向きに凸面状であり、装着孔２２６にて最大直径点があり、根元端面２００の前端及び後端にて半径方向ギャップ２３２をもたらす。或いは、根元端面２００が湾曲し、床部２０４が平面であってもよい。図４で分かるように、根元端面２００と床部２０４の同様の成形を接線方向軸線に沿って実施して、内側バンド１２に対する非構造的ベーン１６Ｂの左右の旋回移動（すなわち、「ロール」）を許容するようにすることができる。この事例では、相対旋回移動は、相互に直交する２つの軸線の周りで許容される。

外側バンド１４は、その中に形成されたアパーチャ２８（図２を参照）のアレイを含む。各アパーチャ２８は、隣接する構造的ベーン１６Ａ間の中心に配置され、各構造的ベーン１６Ａは、その先端端部２０において外側バンドセグメント３０を担持する。各アパーチャ２８にアーチ状カバー３２が提供される。カバー３２は、アパーチャ２８に設置されたときに、外側バンドセグメント３０と協働して連続した環状構造体を形成するようなサイズ及び形状にされる。各カバー３２には、翼形のブラインド先端ポケット３４のアレイが内部に形成される。各先端ポケット３４は、非構造的ベーン１６Ｂのうちの１つの非構造的ベーン１６Ｂの先端端部２４を受ける。先端ポケット３４は、該先端ポケット３４と関連の非構造的ベーン１６Ｂとの間に小ギャップを各々が許容するようなサイズ及び形状にされる。代替として、非構造的ベーン１６Ｂの各々に対して、単一の先端ポケット３４を有する単一のカバー３２を設けることができる。

タービンノズル１０は以下のように組み立てられる。最初に、ファスナー２１４を装着スロット２０６に挿入する。非構造的ベーン１６Ｂを外側バンド１４の半径方向外側からアパーチャ２８を通って挿入し、根元端部２２が根元ポケット２６と係合して、シャンク２１６が装着孔２２６を通過するようにする。法線方向の力がシャンク２１６に加わり、ファスナー２１４を嵌装させて、リテーナ（例えば、ワッシャ２２８）を所定位置に固定する。次に、カバー３２を各アパーチャ２８に差し込む。次いで、非構造的ベーン１６Ｂの先端端部２４を操作して、カバー３２の先端ポケット３４に入れる。

最後に、カバー３２をアパーチャ２８に固定する。これは、例えば、公知のろう付け又は溶接技術を利用して、又は機械的ファスナー（図示せず）を用いて行うことができる。エンジン供用後、カバー３２は、任意選択的に取り外すことができ、ノズル１０全体を交換すること無く、必要に応じて非構造的ベーン１６Ｂを交換することが可能になる。

組み立て後、非構造的ベーン１６Ｂは、内側バンド１２と外側バンド１４との間に保持される。ファスナー２１４は、非構造的ベーン１６Ｂの軸方向及び半径方向の移動を阻止しながら、接線方向での横方向並進及び３軸線全てでの旋回を許容する。非構造的ベーン１６Ｂは、所定の限定的な程度まで、例えば約０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）から約０．５ｍｍ（０．０２０インチ）まで横方向に自在に移動できる。エンジン作動時には、非構造的ベーン１６Ｂに作用するガス圧は、これらをポケット２６及び３４に押し付けるように荷重を加えて、接線方向への更なる移動を阻止するが、内側バンド１２及び外側バンド１４が非構造的ベーン１６Ｂに対して半径方向に移動することは許容する。

ピン、タブ、又は類似の特徴部は、構造的ベーンと非構造的ベーンとの間の自由な熱的膨張を可能にしながら、非構造的ベーン１６Ｂの位置のより正確な制御に必要なあらゆる組み合わせで追加することができる点に留意されたい。例えば、図４及び５は、先端ポケット３４の一部として形成されたリブ３５が、非構造的ベーン１６Ｂの先端端部２４の横方向スロット３７と係合して、先端端部２４の軸方向運動を阻止することを例示している。

ファスナー２１４は、金属であり、上記で検討したように非構造的ベーン１６Ｂよりも大きなＣＴＥを有する。エンジン作動中に温度が上昇すると、ファスナー２１４は、半径方向に延伸し、直径が増大することになる。近位部分２２０の末広形状並びに装着スロット２０６の対応する形状は、ファスナー２１４が何れかの予想される温度で装着スロット２０６との線接触を維持するように相互作用する。このタイプのファスナーは、「熱応力の無いファスナー」と呼ばれ、ファスナー２１４の熱膨張又は収縮が接続される構成要素に機械的応力を与えないことを意味することができる。

内側バンド及び外側バンドの構成は、２つのバンドのうちの一方が上述のようなファスナーを含む限り、特定の用途に適合するのに必要に応じて変わることができる点に留意されたい。換言すると、タービンノズルの２つのバンドのうちの一方は、アパーチャ及び関連のカバーを含み、２つのバンドのうちの他方が、ブラインドポケット及びファスナーを含むことになる。

前述のタービンノズルは、従来技術と比べて複数の利点を有する。本明細書で記載されるタービンノズルは、金属フレーム内にＣＭＣの翼形部の大部分を用いることにより、全て金属製のタービンノズルに比べて軽量である。また、このタービンノズルは、翼形部の大部分が空気冷却を必要としないので、冷却流を低減する働きをすることができる。

上述の構成により、金属フレームがノズルの熱的膨張応答を決定付けることができ、ＣＭＣ翼形部は、熱的膨張に無関係であり、空力的圧力荷重のみを担持する。ＣＭＣ翼形部は、空力的荷重による稼働状態下で、内側バンド及び外側バンドに嵌装され、金属バンド及び翼形部ストラットは、外側ケースに負荷を伝達して、従来の片持ちノズル構成を可能にする。本明細書で記載される技術は、完全な金属ノズルと比べて、エンジンの残りの部分に対してノズル組立体の極めて類似した熱応答を維持する。片持ちノズルの他の特徴部（例えば、シール及びシールド）は、完全な金属ノズルと同じ方法でこの複合材組立体に取り付けることができる。

上記で記載された本発明の構成を用いて、熱膨張が異なる材料をあらゆる温度で共に保持して熱応力の無い継手を提供し、また、異なる材料間の継手において３回転度及び１並進度を可能にすることができる。これは、ジェットエンジンの高温セクションにおいて、標準的な超合金材料と、セラミックス又はＴｉ−Ａｌのような低延性材料との間の確定的な装着機構をもたらす有用性がある。

上記ではタービンノズルに関連して説明したが、上述のファスナー及び構成要素の接続構成は、他の用途に対してもまた更なる有用性があり、ファスナーと構成要素の１つが異なるＣＴＥを有し且つ２つの構成要素間の旋回移動の自由度を必要とするような、２つの構成要素間のあらゆる機械的接続に用いることができる。この点に関して、端面２００を有する非構造的ベーン１６Ｂ、床部２０４を有する内側バンド１２、及びファスナー２１４は、包括的に、２つの当接面を有し且つ上述のような熱応力の無いファスナーと接続される何れかの２つの構成要素の接続の代表的なものである。

以上、ガスタービンエンジン用のタービンノズルについて説明した。本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴の全て、及び／又はそのように開示された何れかの方法又はプロセスのステップの全ては、このような特徴及び／又はステップの少なくとも一部が互いに排他的である組み合わせを除いて、あらゆる組み合わせで結合することができる。

本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される各特徴は、明示的に別途規定の無い限り、同じ、等価の又は同様の目的を提供する代替の特徴で置き換えることができる。従って、明示的に別途規定の無い限り、開示される各特徴は、一般的な一連の等価又は同様の特徴のうちの１つの実施例に過ぎない。

本発明は、上述の１又は複数の実施形態の詳細事項に限定されない。本発明は、本明細書（何れかの添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）で開示される特徴のうちの何れかの新規の特徴又は何れかの新規の組み合わせ、又はこのように開示される何れかの方法又はプロセスのステップのうちの何れかの新規のステップ又は何れかの新規の組み合わせに拡張することができる。

１０ タービンノズル
１２ 内側バンド
１４ 外側バンド
１６Ａ 構造的ベーン
１６Ｂ 非構造的ベーン
１８ 根元端部
２０ 先端端部
２２ 根元端部
２４ 先端端部
２６ 根元ポケット
２８ アパーチャ
３０ 外側バンドセグメント
３２ カバー
３４ 先端ポケット
２００ 根元端面
２０２ 周壁
２０４ 床部
２０６ 装着スロット
２０８ 入口
２１０ エンドチャンバ
２１２ テーパセクション
２１４ ファスナー
２１６ シャンク
２１８ ヘッド
２２０ 近位部分
２２２ 遠位部分
２２４ 表面
２２６ 装着孔
２２８ ワッシャ
２３０ 溶接
２３２ 半径方向ギャップ

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン用のタービン構成要素の組立体であって、
   第１の熱膨張係数を有し、端面（２００）を含む第１の構成要素（１６Ｂ）と、
   前記端面（２００）に当接する嵌合面（２０４）を含む第２の構成要素（１２）と、
   前記第１の熱膨張係数とは異なる第２の熱膨張係数を有し、前記第２の構成要素を係合するシャンク（２１６）と、前記第１の構成要素（１６Ｂ）における装着スロット（２０６）を係合する拡大ヘッド（２１８）とを含むファスナー（２１４）と、
   を備え、前記嵌合面（２０４）と前記端面（２００）が、前記第１の構成要素（１６Ｂ）と前記第２の構成要素（１２）との間の相対旋回移動を許容するような形状にされる、組立体。
2. 前記嵌合面（２０４）と前記端面（２００）が、相互に直交する２つの軸線の周りで相対旋回移動を許容するような形状にされる、請求項１に記載の組立体。
3. 前記シャンク（２１６）が、前記第２の構成要素（１２）に当接するリテーナ（２２８）に接続される、請求項１に記載の組立体。
4. 前記ファスナー（２１４）のヘッド（２１８）が、前記シャンク（２１６）に隣接する近位部分（２２０）と遠位部分（２２２）とを含み、前記近位部分（２２０）が、末広形状を備えた表面を有する、請求項１に記載の組立体。
5. 前記近位部分（２２０）が、回転体である、請求項４に記載の組立体。
6. 前記装着スロット（２０６）が、入口（２０８）と、拡大エンドチャンバ（２１０）と、前記入口（２０８）と前記拡大エンドチャンバ（２１０）を相互接続するテーパセクション（２１２）と、を含む断面形状を有し、前記テーパセクション（２１２）が、互いから末広になった離間して配置される壁のペアを含む、請求項１に記載の組立体。
   
7. 前記ファスナー（２１４）が金属合金を含む、請求項１に記載の組立体。
8. 前記第１の構成要素（１６Ｂ）がセラミックマトリックス複合材を含む、請求項１に記載の組立体。
9. 前記第２の構成要素（１２）が、ガスタービンエンジンの固定ノズル（１０）の環状バンド（１２，１４）を含み、前記第１の構成要素（１６Ｂ）が、前記環状バンド（１２，１４）によって受けられる端部を有する翼形のベーンを含む、請求項１に記載の組立体。
   
10. 前記環状バンドがブラインドポケット（２６）であり、該ブラインドポケット（２６）が、嵌合面（２０４）を定める床部（２０４）を含む、請求項９に記載の組立体。