(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を中心に画定されたセラミックマトリクス複合ハブと、
レール内周側ボアへと傾斜する複数のセラミックマトリクス複合エアフォイルに隣接したレールプラットフォーム部を画定するように、前記複数のセラミックマトリクス複合エアフォイルの反対側で前記セラミックマトリクス複合ハブに組み込まれたレールと、
を備え、
前記レール内周側ボアは、１ｙの軸方向厚さを画定し、前記レールプラットフォーム部は、１ｙ〜６ｙの軸方向厚さを画定することを特徴とするガスタービンエンジン用のディスク。
【請求項２】
前記セラミックマトリクス複合ハブから延びるセラミックマトリクス複合アームをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のディスク。
【請求項３】
前記レールは、最内ボア半径において、前記レールの最小軸方向幅とされる軸方向幅を画定することを特徴とする請求項１に記載のディスク。
【請求項４】
前記複数のセラミックマトリクス複合エアフォイルの周囲に画定された外周側シュラウドをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のディスク。
【請求項５】
軸を中心に画定されたセラミックマトリクス複合ハブと、
前記セラミックマトリクス複合ハブから延びる複数のエアフォイルと、
レール内周側ボアへと傾斜する前記複数のエアフォイルに隣接したレールプラットフォーム部を画定するように、前記複数のエアフォイルの反対側で前記セラミックマトリクス複合ハブに組み込まれたレールと、
を備え、
前記レール内周側ボアは、１ｙの軸方向厚さを画定し、前記レールプラットフォーム部は、１ｙ〜６ｙの軸方向厚さを画定することを特徴とするガスタービンエンジンのセラミックマトリクス複合ディスク。
【請求項６】
前記レールは、最内ボア半径において、前記レールの最小軸方向幅とされる軸方向幅を画定することを特徴とする請求項５に記載のセラミックマトリクス複合ディスク。
【請求項７】
第１のセラミックマトリクス複合ハブを有する軸を中心に画定された第１のセラミックマトリクス複合ディスクと、前記第１のセラミックマトリクス複合ハブから延びる第１のセラミックマトリクス複合アームと、
第２のセラミックマトリクス複合ハブを有する前記軸を中心に画定された第２のセラミックマトリクス複合ディスクと、前記第２のセラミックマトリクス複合ハブから延びる第２のセラミックマトリクス複合アームと、
第３のセラミックマトリクス複合ハブを有した第３のセラミックマトリクス複合ディスクであって、この第３のセラミックマトリクス複合ハブに前記第１のセラミックマトリクス複合アームおよび前記第２のセラミックマトリクス複合アームが固定される、第３のセラミックマトリクス複合ディスクと、
レール内周側ボアへと傾斜するレールプラットフォーム部を画定するように、前記第１のセラミックマトリクス複合ハブまたは前記第２のセラミックマトリクス複合ハブに組み込まれたレールと、
を備え、
前記レール内周側ボアは、１ｙの軸方向厚さを画定し、前記レールプラットフォーム部は、１ｙ〜６ｙの軸方向厚さを画定することを特徴とするガスタービンエンジン用のロータモジュール。
【請求項８】
前記レールは、最内ボア半径において、前記レールの最小軸方向幅とされる軸方向幅を画定することを特徴とする請求項７に記載のロータモジュール。
【請求項９】
前記第１のセラミックマトリクス複合ディスク、前記第２のセラミックマトリクス複合ディスクおよび前記第３のセラミックマトリクス複合ディスクは、前記ガスタービンエンジンの低圧タービンセクション内に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のロータモジュール。
【請求項１０】
前記第１のセラミックマトリクス複合ディスク、前記第２のセラミックマトリクス複合ディスクおよび前記第３のセラミックマトリクス複合ディスクは、前記ガスタービンエンジンの高圧タービンセクション内に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のロータモジュール。
【請求項１１】
前記第１のセラミックマトリクス複合ディスク、前記第２のセラミックマトリクス複合ディスクおよび前記第３のセラミックマトリクス複合ディスクは、前記ガスタービンエンジンの圧縮機セクション内に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のロータモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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）ロータディスク構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのタービンセクションは、苛酷な酸化性ガス流環境において高温で動作し、一般に、高温超合金から製造され得る。タービンのロータアッセンブリが複数のロータディスクを備えていることが多く、該ロータディスクは、ボルト、タイロッドおよび他の構造体によって互いに固定され得る。
【０００３】
ロータディスクの各々は、一般に、ロータディスクのリム内にモミの木型スロット構成を介して保持された複数のシュラウドブレードを備えている。ロータディスクの最内直径部は、自己保持能力（ｓｅｌｆ−ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を提供するボアを画定する。自己保持能力は、この能力が無い場合に生じ得る過度の周方向の膨張（ｈｏｏｐ  ｇｒｏｗｔｈ）を最小化することにより提供される。従来のボアは、リムから半径方向内側に延び、かつ最内直径部においてフレア状にされた薄い形状の中央部を有する（図３）。この形状は、セラミックマトリクス複合体（ＣＭＣ）に役立たないことがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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ディスクが、セラミックマトリクス複合ハブと、レール内側ボアへと傾斜するレールプラットフォーム部を画定するように、複数のセラミックマトリクス複合エアフォイルの反対側でセラミックマトリクス複合ハブに組み込まれたレールとを備えている。
【０００５】
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セラミックマトリクス複合ディスクが、セラミックマトリクス複合ハブから延びる複数のエアフォイルと、レール内側ボアへと傾斜する複数のエアフォイルに隣接したレールプラットフォーム部を画定するように、複数のエアフォイルの反対側でセラミックマトリクス複合ハブに組み込まれたレールとを備えている。
【０００６】
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ロータモジュールが、第１のセラミックマトリクス複合ハブを有する軸を中心に画定された第１のセラミックマトリクス複合ディスクと、第１のセラミックマトリクス複合ハブから延びる第１のセラミックマトリクス複合アームとを備えている。また、このロータモジュールは、第２のセラミックマトリクス複合ハブを有する軸を中心に画定された第２のセラミックマトリクス複合ディスクと、第２のセラミックマトリクス複合ハブから延びる第２のセラミックマトリクス複合アームとを備えている。さらに、このロータモジュールは、軸を中心にボアを画定する第３のセラミックマトリクス複合ハブを有した第３のセラミックマトリクス複合ディスクを備えており、第１のセラミックマトリクス複合アームおよび第２のセラミックマトリクス複合アームが第３のセラミックマトリクス複合ハブに固定されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ガスタービンエンジンの概略的な断面図である。
【図２】ガスタービンエンジンのセクションの拡大断面図である。
【図３】従来技術のロータモジュールである。
【図４】破線で示した従来技術のディスクと比較した、これに限定されない一実施例のロータモジュールの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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にも適用することができることを理解されたい。
【００１３】
ロータモジュール６２が、（３つが示されているが）複数のセラミックマトリクス複合ディスク６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃを備えている。セラミックマトリクス複合ディスク６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃの各々は、ハブ６８Ａ，６８Ｂ，６８Ｃの各々から延びるエアフォイル６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃの列を備えている。エアフォイル６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃの列は、各数の低圧タービン段を形成するようにセラミックマトリクス複合ベーン構造体７０Ａ，７０Ｂを挿入するように配置される。任意の数の段を設けることができることを理解されたい。さらに、ディスクは、リング−支柱−リング構造体を備えることができる。
【００１４】
セラミックマトリクス複合ディスク６４Ａ，６４Ｃは、ハブ６８Ａ，６８Ｃの各々から延びるアーム７２Ａ，７２Ｃを備えている。アーム７２Ａ，７２Ｃは、自立半径（ｓｅｌｆ  ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ  ｒａｄｉｕｓ）に概ね等しい、エンジン軸Ａからの半径方向距離に配置されている。自立半径は、ディスクの半径方向の膨張（ｇｒｏｗｔｈ）が自由に回転しているリングの半径方向の膨張に等しくなるときの半径として本明細書で定義されている。自立半径の半径方向内側の質量部は荷重を支持し、自立半径の半径方向外側の質量部は荷重を支持せず、半径方向外側の質量部自体を支持することができない。一般に、自立半径外側のディスクの材料は、ボアにかかる応力を増加させ、自立半径内側のディスクの材料は、ボアにかかる応力を減少させ得る。
【００１５】
アーム７２Ａ，７２Ｃは、ハブ６８Ｂから延びるマウント７４Ｂを受ける。（１つのみが示されているが）複数の締結具７６が、セラミックマトリクス複合ディスク６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃを組み立てるとともに低圧タービンのロータモジュール６２を形成するように、アーム７２Ａ，７２Ｃをマウント７４Ｂに取り付ける。半径方向内側に延びるマウント７４Ｂは、低圧タービンのロータモジュール６２を内側ロータシャフト４０に集合的に取り付ける（図１）。アーム７２Ａ，７２Ｃは、一般に、セラミックマトリクス複合ベーン構造体７０Ａ，７０Ｂと接触するナイフエッジシール７１を備えている。
【００１６】
セラミックマトリクス複合ディスク６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃの各々は、リング−支柱−リングからなる構造体を形成するように完全なフープ（輪）状シュラウドを組み込んだブレード状ロータのセラミックマトリクス複合体のフープ状強度特性を用いている。本明細書において、「完全なフープ」という用語は、エアフォイル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。
【００１７】
セラミックマトリクス複合ディスク６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃの各々の外周側シュラウド７８Ａ，７８Ｂ，７８Ｃは、繊維が均一に荷重を移行することが可能となる大型のフィレットと共に、リング構造体に組み込まれるエアフォイル６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃの各列の最外先端部に完全なフープ状のリング構造体を形成する。また、エアフォイルの根元部は、繊維が上記構造体を介してハブ６８Ａ，６８Ｂ，６８Ｃの各々へとより良く荷重を移行させることが可能となる大型のフィレットと共に、完全なフープ状ディスクに組み込まれる。種々のセラミックマトリクス複合体の製造および層（ｐｌｙ）構造体を用いることができることを理解されたい。
【００１８】
ハブ６８Ａ，６８Ｃは、レール８０Ａ，８０Ｃを画定しており、該レール８０Ａ，８０Ｃは、エンジン軸Ａに対し最内ボア半径Ｂを画定している。セラミックマトリクス複合ディスク６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃの各々の最内ボア半径Ｂは、（図３の従来技術の）断面で示した従来のリム、ディスク、ボアおよび涙滴部（ｔｅａｒｄｒｏｐ）からなる構造体よりも非常に大きいものである。つまり、レール８０Ａ，８０Ｃの各々の最内ボア半径Ｂは、ディスクの重量全体を減少させる比較的大型のボア直径を画定する。本明細書で用いられる「レール」という用語は、エアフォイル６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃの列の内側の環状構造体を示しており、この環状構造体は、基本的に、従来のリム、ディスク、ボアおよび涙滴部からなる構造体に代わるものである。
【００１９】
レールの外形は、セラミックマトリクス複合材料に即座に役立つものであり、内部応力支持繊維の連続性を保持する。さらに、自由リングの膨張を最小化し、応力を増加させ得る回転を生み出すモーメントを最小化することにより、レールの設計は、周方向の応力（ｈｏｏｐ  ｓｔｒｅｓｓ）の均衡を容易に維持する。
【００２０】
図４を参照すると、これに限定されない開示された実施例においては、レール内周側ボア８２は、従来のリム、ディスク、ボアおよび涙滴部からなる構造体の内周側ボア直径１ｘＣと比較して、１．１Ｘ〜１．６Ｘの半径方向寸法を画定する。レール８０Ａ，８０Ｃの各々の外形は、レール内周側ボア８２の最内ボア半径Ｂを画定している。つまり、レール８０Ａ，８０Ｃの各々は、エアフォイル６６Ａ，６６Ｃに隣接した外形部のレールプラットフォーム部８４において比較的軸方向に広くなっており、そして、レール内周側ボア８２へ向かって傾斜している。レールプラットフォーム部８４は、一般にアーム７２Ａ，７２Ｃがハブ６８Ａ，６８Ｃの各々から延びる場所において半径方向に配置されている。これに限定されない開示された一実施例においては、１ｙＣのディスク厚さに対し、ボアが約２ｙＣ〜８ｙＣの厚さを画定してなる従来のリム、ディスク、ボアおよび涙滴部からなる構造体と比較して、レール内周側ボア８２は１ｙの軸方向厚さを画定し、レールプラットフォーム部８４は１ｙ〜６ｙの軸方向厚さを画定する。
【００２１】
リング−支柱−リングからなる構成は、エアフォイルの両端部を結合するようにして外周側リングおよび内周側リングを構成することにより、セラミックマトリクス複合体の強度を利用する。また、モミの木型の取付部を配置することにより、従来のリム、ディスク、ボアおよび涙滴部からなる構造体において典型的である多くの高い応力や構造的に複雑な領域が無くなる。組み込み式ディスク設計は、リム、ディスク、ボア、ネック部および、従来のブレードおよびディスクの外形のモミの木型取付領域を無くすことにより、セラミックマトリクス複合体の重量密度が低くなるとしても、パッケージおよび重量の利益をさらに与えたままである。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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