JP7256282B2

JP7256282B2 - 接続材及び熱的な不整合防止用の接続装置

Info

Publication number: JP7256282B2
Application number: JP2021548214A
Authority: JP
Inventors: 洪宝郭; 開元李; 智亮洪
Original assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2040-11-27
Also published as: EP3936700A4; JP2022535475A; CA3126790C; EP3936700B1; US20220341348A1; US11692460B2; CA3126790A1; EP3936700A1

Description

本発明は航空機用タービンエンジンのタービン外輪部材の分野に関し、特に、材料除去式透かし彫りセクションが付く接続材及び熱的な不整合防止用の接続装置に関する。

ガスタービンエンジンの主なタービン静止部品として、タービン外輪部材はサービス状態では高い環境温度にある。現在のタービン外輪部材は主に高温合金材料を用いて作製されているが、温度が高い環境において、高温合金材料はその強度及び剛性が著しく低下するようになり、タービン外輪部材の使用温度上限に影響を与え、最終的に、ガスタービンエンジン全体の性能の向上が制限される。高温合金材料に代えて、セラミック基複合材料（ＣＭＣ）を用いてガスタービンエンジンのタービン外輪部材を作製することにより、ＣＭＣが具備する低い密度、優れた高温力学性能及び良好な熱安定性という特徴が十分に発揮され、タービン外輪部材の使用温度上限が高められ、それに応じて冷却ガスの量が減少するようになる。ガスタービンエンジン全体の性能の著しい向上及び汚染の排出の減少には、これは重要な役割を発揮する。しかし、セラミックス基複合材料よりも、金属材料の方は熱膨張係数が大きいため、温度の変化において、ＣＭＣタービン外輪部材の熱膨張量は金属製ピンと金属製中間層ケース部材と異なるので、両者の間の熱変形の差によって上記接続取付構造の内部に熱変形による不整合（すなわち、熱的不整合）が著しく生じるという問題がある。例えば、室温で取り付ける場合、振動による衝突を回避するために、金属製ピンとＣＭＣ取付用貫通孔とを、両者の間に嵌め合い用隙間を予め設置しないように、緊合して取り付けることは求められる。ところが、温度の上昇において、ＣＭＣ取付用貫通孔よりも、金属製ピンの方は径方向の膨張量が大きくなり、両者の間の熱変形による不整合は、両者の接触面間に非常に高い接触応力が生じて、ＣＭＣの構造強度が失効（低下）して破損することに繋がっている。

本発明は、接続された部品の間の熱変形による不整合を防止できる接続材を提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、熱的な不整合防止用の接続装置を提供することである。

上記目的を達成するために、ロッド部を含み、前記ロッド部は、材料除去式透かし彫りセクションと柱状セクションとを含み、前記材料除去式透かし彫りセクションは、中心軸と、前記中心軸の外周面から外側に延在し、且つ前記中心軸の径方向に対して傾斜する複数の支持リブ板と、前記中心軸の回りに配置された複数の外輪板と、備え、隣接する前記外輪板の間には、周方向隙間が設けられ、前記支持リブ板は、前記中心軸と前記外輪板とを接続しており、前記中心軸は、前記柱状セクションと繋がっている接続材を提供する。

前記接続材の１つ又は複数の実施の形態において、前記複数の支持リブ板は前記中心軸に沿って回転対称に設けられた。

前記接続材の１つ又は複数の実施の形態において、前記中心軸と前記柱状セクションとは、ネジ接続構造により接続された、又は溶接された。

前記接続材の１つ又は複数の実施の形態において、前記複数の外輪板の外面は同一の柱状面に位置しており、前記柱状面は前記柱状セクションの外面の軸方向の延在方向に位置する。

熱的な不整合の問題を防止する目的を達成するために、前記接続材と、外周が外凸環状リブ板を有するＣＭＣタービン外輪部材と、内周が内凸環状リブ板を有する金属中間層ケースと、を備え、前記外凸環状リブ板はＣＭＣ接続孔を有し、前記内凸環状リブ板は金属製接続孔を有しており、前記接続材の柱状セクションは前記内凸環状リブ板の金属製接続孔と結合されており、前記接続材の前記材料除去式透かし彫りセクションは前記ＣＭＣ接続孔に挿入されており、前記複数の外輪板は、前記支持リブ板に取付用仮締め力が生じるように、前記ＣＭＣ接続孔と密着して結合されたことを特徴とする熱的な不整合防止用の接続装置を提供する。

前記熱的な不整合防止用の接続装置の１つ又は複数の実施の形態において、前記金属中間層ケースには、２つのストッパーリングが提供されており、前記ＣＭＣタービン外輪部材には、２つの前記外凸環状リブ板が提供されており、２つの前記外凸環状リブ板は２つの前記ストッパーリングの間に位置しており、２つの前記外凸環状リブ板の外縁は、それぞれに隣接する前記ストッパーリングに当接した。

前記熱的な不整合防止用の接続装置の１つ又は複数の実施の形態において、前記金属中間層ケースには、３つの前記内凸環状リブ板が提供されており、２つの前記外凸環状リブ板と３つの前記内凸環状リブ板とは、２つの前記外凸環状リブ板の何れか１つが２つの前記内凸環状リブ板の間に位置するように、エンジンの軸方向に沿って間隔をあけて交互に配置された。

前記熱的な不整合防止用の接続装置の１つ又は複数の実施の形態において、前記金属中間層ケースには、複数の前記内凸環状リブ板が提供されており、１つの前記接続材と組付けて対応する複数の前記内凸環状リブ板の前記金属製接続孔は丸孔であり、他の前記金属製接続孔はトラック状接続孔である。

本発明は下記の有益な効果を有する。

接続材の材料除去式透かし彫りセクションの外面は、ＣＭＣ接続孔と結合して接触した時に、比較的小さい径方向の変形剛性を有するので、径方向の弾性変形が発生しやすくなる。これにより、昇温において、材料除去式透かし彫りセクションの外面は、ＣＭＣ接続孔の内輪面によって膨張変形が制限されると同時に、両者の間に大きな接触応力が発生せず、温度の変化において両者の熱変形による不整合の問題が緩和され、構造の強度が失効して破損することを回避することができる。また、金属製中間層ケースには、１つの組の丸孔及び複数の組のトラック状接続孔が設計加工された。丸孔は、１つの接続材と緊合して取り付けることによってＣＭＣタービン外輪部材の正確な取り付け及び位置決めを実現するためのものである。トラック状接続孔は、当該トラック状接続孔と緊合して取り付けられた接続材が所定の方向に沿って摺動するのを許容して、位置がＣＭＣ接続孔によって完全に規制固定された接続材と金属製中間層ケースの金属製接続孔との間の熱変形による不整合問題を解決するためのものである。

上記のような材料除去式透かし彫りセクションを有する接続材及び熱的な不整合防止用の接続装置を設計することにより、ＣＭＣタービン外輪部材とタービンエンジンの金属製中間層ケースとの間の正確な取付け及び位置決めが実現され、振動による衝突の発生が回避されることができる。これと同時に、環境温度が変化した場合、ＣＭＣタービン外輪部材及び金属製中間層ケースと接続材との間の熱変形による不整合問題が緩和されて、構造強度の失効又は構造の緩みによる機能の失効の問題が回避され、ＣＭＣタービン外輪部材は、設計のニーズに十分な取付剛性を具備することも確保される。接続取付構造の便利性は、ＣＭＣ外輪部材の作製成形、以降の加工及び取付の実施などの技術及び操作の難易度に有利する。
以下、図面を参照して実施例を説明することにより、本発明の上記および他の特徴、性質並びに利点はより明らかになる。

熱的な不整合防止用の接続装置の分解概略図図１のＡ方向に見た熱的な不整合防止用の接続装置の概略図ＣＭＣタービン外輪部材の構成概略図金属製中間層ケースの構成概略図第１の実施の形態にかかる接続材の概略図第１の実施の形態にかかる接続材の断面概略図第２の実施の形態にかかる接続材の概略図第２の実施の形態にかかる接続材の断面概略図接続材の材料除去式透かし彫りセクションの斜視図接続材の材料除去式透かし彫りセクションの側面図

以下、当業者が本発明をよりよく理解して実施できるように、具体的な実施形態および図面に基づいて本発明をさらに説明するが、挙げられた実施の形態は本発明を制限するものではない。

熱的な不整合防止用の接続装置は図１及び図２に示している。図１及び図２は、ＣＭＣタービン外輪部材１、接続材２及び金属製中間層ケース３を具体的に示している。

また、図１及び図２は、ＣＭＣ接続孔１１、金属製接続孔３１、外凸環状リブ板１２、内凸環状リブ板１３、ストッパーリング３２及び接続材の帽子部２３をさらに示している。図１及び図２は、ＣＭＣタービン外輪部材１、金属製中間層ケース３のタービンの径方向に沿って切断された部分のみを示しており、外凸環状リブ板１２及び内凸環状リブ板１３は、タービンの中心を周る環状部品である。

ＣＭＣタービン外輪部材１には、２つの外凸環状リブ板１２が提供されており、金属製中間層ケースに３は、３つの内凸環状リブ板１３が提供されている。２つの外凸環状リブ板１２と３つの内凸環状リブ板１３とは、２つの外凸環状リブ板１２の何れか１つが２つの内凸環状リブ板１３の間に位置するように、エンジンの軸方向に間隔をあけて交互に配置されている。図１および図２に示す接続構成には、均一且つ確実な接続を提供するように、接続材２によって接続された複数の接続点が提供された。金属製中間層ケース３には、２つのストッパーリング３２が提供されており、ストッパーリング３２は連続的な環状構造であってもよく、金属製中間層ケース３に沿って配置される複数の支持点であってもよい。２つの外凸環状リブ板１２は、２つのストッパーリング３２の間に位置しており、２つの外凸環状リブ板１２の外縁はそれぞれに隣接するストッパーリング３２に当接するので、ＣＭＣタービン外輪部材１のエンジンの軸方向の自由度が制限される。ストッパーリング３２は、ＣＭＣタービン外輪部材１のエンジンの軸方向の位置規制及び位置決めの機能を有すれば、他の幾何的な形で金属製中間層ケース３における他の位置に配置されてもよい。

図３はＣＭＣタービン外輪部材１の構成概略図を示しており、ＣＭＣタービン外輪部材１における外凸環状リブ板１２のＣＭＣ接続孔１１はいずれも丸孔である。

図４は金属製中間層ケース３の構成を示す概略図であり、金属製中間層ケース３には、複数の内凸環状リブ板１３が提供されている。図１に示すように、接続材２ごとに、複数の内凸環状リブ板１３のそれぞれには、金属製接続孔３１が提供されており、これらの金属製接続孔は、当該金属製の接続材２が貫通するように、一つの組として構成されているので、金属製中間層ケース３の全周方向には、複数の組の金属製接続孔３１が配置されている。しかし、図１～図４には、２つの組の金属製接続孔３１のみが表示されている。好ましい実施の形態として、そのうちの１つの組の金属製接続孔３１は丸孔３１１であり、残りの組の金属製接続孔３１はトラック状接続孔３１２である。

図５及び図６は、接続材２の第１の実施の形態を示しており、当該接続材は一体加工により成形された構造を有している。接続材２は、ロッド部２４を備える。一例では、接続材２は、その軸方向の自由度を制限するための帽子部２３を更に備えているが、他の例では、接続材２の軸方向の自由度は、帽子部で制限されるのではなく、ねじとナットとの嵌め合いという特徴によって、又は隣接する部品との間において端部で当接するような形式によって、その位置が制限して固定される。前記ロッド部２４は、材料除去式透かし彫りセクション２１と柱状セクション２２とを含み、柱状セクション２２は中空であってもよく、中実であってもよい。

接続材２の第１実施の形態において、一体加工により成形された構造は、精密鋳造又は３Ｄプリンティング加工方法などの方法を用いて加工作製するのに適する。

図７および図８は、セグメント加工により成形された構造を有する接続部２の第２の実施の形態を示している。材料除去式透かし彫りセクション２１と柱状セクション２２は、独立して加工するように作製されており、材料除去式透かし彫りセクション２１はワイヤカット加工などの方法によって速やかに且つ低いコストで作製されてもよい。隣接する材料除去式透かし彫りセクション２１と柱状セクション２２との間は、図８に示すネジ接続構造で接続されてもよいが、溶接で接続されてもよい。

図９および図１０は、接続材２の材料除去式透かし彫りセクション２１の詳細な構成特徴を示している。材料除去式透かし彫りセクション２１は、中心軸２１１と、複数の支持リブ板２１２と、複数の外輪板２１３と、複数の周方向隙間２１４とを含む。支持リブ板２１２は、中心軸２１１の外周面から外側に延び、中心軸２１１の径方向に対して、例えば螺旋状に広がるように傾斜して、中心軸２１１に沿って回転対称に設けられている。外輪板２１３は、中心軸２１１の周りに配置され、隣接する外輪板２１３の間には、周方向隙間２１４が介在する。ここで、支持リブ板２１２は、中心軸２１１と外輪板２１３とを接続しており、中心軸２１１と接続材２の柱状セクション２２は、ネジ接続構造で又は溶接で接続されている。中心軸２１１の外輪面直径と、支持リブ板２１２の広がり形状、径方向寸法及び数と、外輪板２１３の断面形状、表面直径及び数と、周方向間隙２１４の形状、幅及び数とは、構造設計の必要に応じて変更すればよく、材料除去式透かし彫りセクション２１の直径寸法と一定の対応関係を維持する必要がない。確保する必要が有るサイズ関係は、室温で取り付ける状態で外輪板２１３の表面とＣＭＣ取付用貫通孔１１の内輪面とを密着して一定の接触力を生成することである。通常、支持リブ板２１２、外輪板２１３および周方向隙間２１４の数は同じである。

以下、図１及び図２を参照して取り付け手順を説明する。まず、ＣＭＣタービン外輪部材１と金属中間層ケース３とを組み付ける。ＣＭＣタービン外輪部材１には、２つの外凸環状リブ板１２が提供されており、金属製中間層ケース３には、３つの内凸環状リブ板１３が提供されている。２つの外凸環状リブ板１２と３つの内凸環状リブ板１３とは、２つの外凸環状リブ板１２の何れか１つが２つの内凸環状リブ板１３の間に位置するように、エンジンの軸方向に間隔をあけて交互に配置されている。金属製中間層ケース３には、２つのストッパーリング３２がさらに提供されており、２つのＣＭＣタービン外輪部材１の外凸環状リブ板１２は２つのストッパーリング３２の間に位置している。２つの外凸環状リブ板１２の外縁はそれぞれに隣接するストッパーリング３２に当接し、当接による位置規制の特徴によって、ＣＭＣタービン外輪部材１のエンジンの軸方向の自由度が規制される。

室温で取り付ける状態で、金属製中間層ケース３の金属製接続孔３１とＣＭＣタービン外輪部材１のＣＭＣ接続孔１１とを順次交互に通過するように接続材２を挿入することで、ＣＭＣタービン外輪部材１と金属製中間層ケース３とを取り付けて固定する。

接続材２のロッド部２４は、材料除去式透かし彫りセクション２１と柱状セクション２２とを含み、柱状セクション２２は、材料除去式透かし彫りセクション２１の中心軸２１１とネジ接続又は溶接により接続される。

接続材２の材料除去式透かし彫りセクション２１の外面を、材料除去式透かし彫りセクション２１の中心軸２１１の周りに配置された複数の外輪板２１３の表面とＣＭＣ取付用貫通孔１１の内輪面とが密着して所定の接触力及び取付用仮締め力が生じるように、外凸環状リブ板１３のＣＭＣ接続孔１１と結合して取り付けることにより、嵌め用隙間を予め設置することによる振動衝突の問題が回避されることができる。外輪板２１３と中心軸２１１との間には、中心軸外周面から外周面に延び、且つ中心軸の径方向に対して傾斜する複数の支持リブ板２１２が配置されている同時に、隣接する外輪板２１３の間には、複数の周方向隙間２１４が設けられている。通常、支持リブ板２１２、外輪板２１３および周方向隙間２１４の数は同じである。温度の上昇において、ＣＭＣタービン外輪部材１の熱膨張量は、接続材２と金属製中間層ケース３と異なるが、接続材２の材料除去式透かし彫りセクション２１の外面は、ＣＭＣ接続孔１１と結合して接触した時に、比較的小さい径方向の変形剛性を有するので、径方向の弾性変形が発生しやすくなる。これにより、昇温において、材料除去式透かし彫りセクション２１の外面は、ＣＭＣ接続孔１１の内輪面によって膨張変形が制限されると同時に、両者の間に大きな接触応力が発生せず、温度の変化において両者の熱変形による不整合の問題が緩和され、構造の強度が失効して破損することを回避することができる。これと同時に、材料除去式透かし彫りセクション２１の存在は、接続材全体の変形剛性が著しく低下することを招かず、熱的な不整合防止用の接続装置全体の剛性を確保して設計のニーズを満たすことができる。

接続材２の柱状セクション２２の外面を、内凸環状リブ板１２の金属製接続孔３１と緊合して取り付ける。金属製接続孔３１の一種類である丸孔３１１は、対応する一番目の接続材２の柱状セクション２２と緊合して取り付けることにより、ＣＭＣタービン外輪部材１の正確な取り付け及び位置決めが実現される。金属製接続孔３１の他の種類であるトラック状接続孔３１２は、対応する二番目の接続材２の柱状セクション２２と緊合して取り付ける。トラック状接続孔３１２によって、当該トラック状接続孔３１２と緊合して取り付けられた二番目の接続材２が所定の方向に沿って当該トラック状接続孔３１２に対して摺動するのが許容されるので、位置がＣＭＣ接続孔１１によって完全に規制固定された接続材２と金属製中間層ケース３の金属製接続孔３１との間の熱変形による不整合問題が緩和される。

材料除去式透かし彫りセクション２１を有する接続材２と熱的な不整合防止用の接続装置とを設計することにより、ＣＭＣタービン外輪部材のガスタービンエンジンへの機械的接続及び取り付けが実現され、ＣＭＣタービン外輪部材及び金属製中間層ケースと接続材との間の接続構造の熱変形による不整合問題が緩和されて、熱的な不整合の応力が高すぎることによる構造強度の失効又は構造の緩み、及び隙間を予め設置することによる振動衝突の問題が回避される。これは、ＣＭＣタービン外輪部材の工学上の応用に重要な価値を持つ。

本発明は、好ましい実施形態で上記のように開示されたが、本発明を制限するものではない。当業者は、本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、可能な変更および修正を行うことができる。したがって、本発明にかかる技術案の内容から逸脱しないものであれば、本発明の技術的実質に基づいて上記実施形態に対して行うすべての修正、均等的変化及び変更は、いずれも本発明の請求の範囲に規定される保護範囲に含まれる。

１、ＣＭＣタービン外輪部材２、接続材３、金属製中間層ケース１１、ＣＭＣ接続孔１２、外凸環状リブ板１３、内凸環状リブ板２１、材料除去式透かし彫りセクション２２、柱状セクション２３、帽子部２４、ロッド部３１、金属製接続孔３２、ストッパーリング２１１、中心軸２１２、支持リブ板２１３、外輪板２１４、周方向隙間３１１、丸孔３１２、トラック状接続孔。

Claims

ロッド部を含む接続材であって、
前記ロッド部は、材料除去式透かし彫りセクションと柱状セクションとを含み、
前記材料除去式透かし彫りセクションは、
中心軸と、
前記中心軸の外周面から外側に延在し、且つ前記中心軸の径方向に対して傾斜する複数の支持リブ板と、
前記中心軸の回りに配置された複数の外輪板と、を備え、
隣接する前記外輪板の間には、周方向隙間が設けられ、
前記支持リブ板は、前記中心軸と前記外輪板とを接続しており、
前記中心軸は、前記柱状セクションと繋がっていることを特徴とする接続材。
前記複数の支持リブ板は前記中心軸に沿って回転対称に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の接続材。
前記中心軸と前記柱状セクションとは、ネジ接続構造により接続され、又は溶接されたことを特徴とする請求項１に記載の接続材。
前記複数の外輪板の外面は同一の柱状面に位置しており、
前記柱状面は前記柱状セクションの外面の軸方向の延在方向に位置していることを特徴とする請求項１に記載の接続材。
金属製の請求項１乃至４の何れかに記載の接続材と、
外周が外凸環状リブ板を有するＣＭＣタービン外輪部材と、
内周が内凸環状リブ板を有する金属中間層ケースと、を備え、
前記外凸環状リブ板はＣＭＣ接続孔を有し、前記内凸環状リブ板は金属製接続孔を有しており、
前記接続材の柱状セクションは前記内凸環状リブ板の金属製接続孔と結合されており、
前記接続材の前記材料除去式透かし彫りセクションは前記ＣＭＣ接続孔に挿入されており、前記複数の外輪板は、前記支持リブ板に取付用仮締め力が生じるように、前記ＣＭＣ接続孔と密着して結合されたことを特徴とする熱的な不整合防止用の接続装置。
前記金属中間層ケースには、２つのストッパーリングが提供されており、
前記ＣＭＣタービン外輪部材には、２つの前記外凸環状リブ板が提供されており、
２つの前記外凸環状リブ板は２つの前記ストッパーリングの間に位置しており、
２つの前記外凸環状リブ板の外縁は、それに隣接する前記ストッパーリングにそれぞれに当接したことを特徴とする請求項５に記載の接続装置。
前記金属中間層ケースには、３つの前記内凸環状リブ板が提供されており、
２つの前記外凸環状リブ板と３つの前記内凸環状リブ板とは、２つの前記外凸環状リブ板の何れか１つが２つの前記内凸環状リブ板の間に位置するように、エンジンの軸方向に沿って間隔をあけて交互に配置されたことを特徴とする請求項６に記載の接続装置。
前記金属中間層ケースには、複数の前記内凸環状リブ板が提供されており、
１つの前記接続材と組付けるための対応する複数の前記内凸環状リブ板の前記金属製接続孔は丸孔であり、その他の前記金属製接続孔はトラック状接続孔である
ことを特徴とする請求項５に記載の接続装置。