(57)【要約】 【課題】セラミック材料が金属材料に比べて熱膨張係数が低いことから、セラミックシュラウドリングを用いてロータブレードとシュラウドリングとの隙間を減少させるとともに、セラミックシュラウドリングを金属製エンジンケースに確実に取り付ける。【解決手段】ガスタービンエンジン１０内での利用に適切なセラミックシュラウドアッセンブリ２０は、セラミックシュラウドリング２８と断熱・追従性インタレイヤ３０の周りに焼きばめされた金属製クランプリング２６を備えている。インタレイヤ３０は、金属製クランプリング２６とセラミックシュラウドリング２８との間に設置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側面、前記内側面と反対側にある外側面、前記内側面と前記外側面との間に延びる第１の軸方向面および前記第１の軸方向面と反対側にある第２の軸方向面、を備えたセラミックシュラウドと、
前記セラミックシュラウドの前記外側面の少なくとも一部分の周りに焼きばめされ、かつタービンエンジンケースに取付けられるように構成された第１の金属製リングと、
前記セラミックシュラウドと前記第１のリングとの間に位置する断熱・追従性レイヤと、
前記セラミックシュラウドを軸方向に拘束するように構成された第２のリングと、
を備えるセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項２】
前記第２のリングは、前記セラミックシュラウドの前記第２の軸方向面に接することを特徴とする請求項１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項３】
前記第２のリングは、前記セラミックシュラウドと隣接する内側面と、外側面と、前記内側面から前記外側面へ向かって延び、かつ複数の半径方向タブを画成する複数の半径方向スロットと、を備え、
前記複数の半径方向タブは、前記セラミックシュラウドの前記第１の軸方向面に付勢するように構成されることを特徴とする請求項２記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項４】
前記第１のリングは、ニッケル基合金を含む金属で形成されることを特徴とする請求項１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項５】
前記第１のリングは、複数の軸方向スロットを備えることを特徴とする請求項１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項６】
前記第１のリングは、約２１〜約２３℃の範囲の温度で約３．８６×１０5〜約６．０７×１０5ｋＰａの範囲のヴォン・ミーゼス応力を示すことを特徴とする請求項１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項７】
前記第１のリングは、エンジン定常状態で、約２０４．４４〜約３１５．５６℃の範囲の焼きばめ温度で、約１．６５×１０5〜約６．０７×１０5ｋＰａの範囲のヴォン・ミーゼス応力を示すことを特徴とする請求項１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項８】
前記断熱・追従性レイヤは、前記セラミックシュラウドの前記第１の軸方向面の少なくとも一部分を覆うことを特徴とする請求項１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項９】
前記断熱・追従性レイヤは、第１の厚さを備え、かつ前記セラミックシュラウドと前記第１のリングに接するように形成された第１部分と、
前記第１の厚さより小さい第２の厚さを備え、かつ前記セラミックシュラウドと接するように形成された第２部分と、を含むことを特徴とする請求項１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項１０】
前記第１の厚さが約０．２５４ｃｍで、前記第２の厚さが約０．１２７ｃｍであることを特徴とする請求項９記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項１１】
前記セラミックシュラウドの前記外側面は、回転防止タブを備え、前記第１のリングは、前記セラミックシュラウドの前記回転防止タブを受けるために形成された開口部を備えることを特徴とする請求項１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項１２】
前記回転防止タブと前記第１のリング内の前記開口部との間に位置する板ばねをさらに備えることを特徴とする請求項１１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項１３】
前記セラミックシュラウドは、前記第１の軸方向面から前記第２の軸方向面にテーパが付けられることを特徴とする請求項１記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項１４】
前記セラミックシュラウドは、ガスタービンエンジンの中心線に対して、約１０〜約３１°の範囲の角度のテーパが付けられることを特徴とする請求項１３記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項１５】
内側面と、前記内側面と反対側にある外側面と、を備えたセラミックシュラウドと、
前記セラミックシュラウドの前記外側面の少なくとも一部分の周りに焼きばめされ、タービンエンジンケースに取付けられるように構成されたクランプリングと、
前記セラミックシュラウドと前記第１のリングとの間に位置する断熱・追従性レイヤと、を備え、
前記クランプリングは、約２１〜約２３℃の範囲の温度で、約４２．２６〜約６６．７２ｋＮの荷重を前記セラミックシュラウドに与えることを特徴とするセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項１６】
前記セラミックシュラウドを軸方向に拘束するように構成された軸方向拘束リングをさらに備えることを特徴とする請求項１５記載のセラミックシュラウドアッセンブリ。
【請求項１７】
内側直径を備えた第１のリングを、冷却後に前記第１のリング内の応力が前記第１のリングの降伏限界点を下回る予熱温度まで加熱し、
セラミックシュラウドを前記第１のリング内に差し込み、
外側直径を備えた断熱・追従性レイヤを、前記第１のリングと前記セラミックシュラウドとの間に位置するように、前記第１のリング内に差し込み、
軸方向拘束リングを前記セラミックシュラウドに隣接させて設置する、
ことを特徴とするガスタービン内で使用されるのに適したセラミックシュラウドアッセンブリの組立方法。
【請求項１８】
前記断熱・追従性レイヤと前記セラミックシュラウドを前記第１のリング内に差し込む前に、前記断熱・追従性レイヤを前記セラミックシュラウドに取付けることを特徴とする請求項１７記載の組立方法。
【請求項１９】
前記予熱温度が約２０４〜約３１６℃の範囲にあることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【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使用される外側シュラウドアッセンブリに関する。特に、本発明は、セラミックシュラウドリングの周りに焼きばめされた金属製クランプリングを備えたセラミックシュラウドアッセンブリに関する。金属製クランプリングは、タービンエンジンケースに取付けられるように形成される。
【０００２】
なお、本発明は、米国海軍との契約番号Ｗ３１Ｐ４Ｑ−０５−Ｄ−Ｒ００２による米国政府の支援の下でなされたものであり、米国政府は、本発明について所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
エンジン効率を上げるために、ガスタービンエンジンの作動温度が高くなるに伴い、シュラウドまたはロータブレードのような多くの金属合金（金属）のガスタービンエンジン部品が、セラミック部品に変更されると注目されている。セラミック材料は、高い作動温度に耐えられ、金属材料より冷却が必要ない。またセラミック部品は、一般的に、金属部品より熱膨張しにくい。これは、一般的にセラミック材料は、金属材料より熱膨張係数（CTE）が低いからである。
【０００４】
ある種のガスタービンエンジンでは、静的シュラウドリングは、タービンロータの半径方向外部に設置される。タービンロータは、ディスクから半径方向に延びる複数のブレードを備えている。このシュラウドリングは、燃焼ガスが燃焼室からタービンステージを通るときの流路を少なくとも部分的に画定している。エンジン作動中に、両部品の熱膨張を受け入れるために、シュラウドリングとブレード翼端との間には一般的に間隙がある。この間隙は、エンジン作動中に減少する。これは、ロータブレードが高い作動温度に反応して、半径方向に熱膨張するためである。セラミック材料が金属材料より低い熱膨張係数を有するので、セラミックロータブレード翼端は、金属製ロータブレード翼端に比べて半径方向の変位が小さいことが分かっている。結果として、セラミックロータブレードを組み込んだガスタービンエンジンにおいて、ブレード翼端とシュラウドリングとの間の間隙（つまり、隙間）は比較的大きい。一般的に、翼端とシュラウドリングとの間の間隙は最小限にすることが望ましい。これは、高温燃焼ガスが翼端領域を通って漏れる可能性を最小限にするためである。この漏れにより、ガスの流れからタービンブレードに移動するエネルギーの量が減少し、エンジン性能が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ロータブレード翼端と静的シュラウドリングとの間の比較的大きい隙間による損失を最小限にするために、いくつかのガスタービンエンジンは、金属製シュラウドリングに代えてセラミックシュラウドリングを使用することでこの隙間を減少できる。セラミックシュラウドリングは、多くの金属製シュラウドリングよりエンジン作動中の熱歪みが少ない。これは、金属材料に比べて、セラミック材料の剛性が高く、熱膨張係数が低く、かつ熱伝導性が高いからである。さらに、セラミックシュラウドは、金属製シュラウドより冷却が必要ない。これは、セラミック材料が高い作動温度に耐えられるからである。
【０００６】
多くの金属製シュラウドリングと対照的に、セラミックシュラウドリングを金属製ガスタービンエンジンケースに取り付けるのは難しい。これは、セラミック材料が金属製ガスタービンエンジンケースより低い延性と熱膨張係数を有するからである。一般的に、応力がセラミック部品と金属製部品との間の境界で発生し得る。これは、セラミック部品と金属部品は、同じ温度に対して異なって作用するからである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、セラミック材料と金属材料の熱膨張係数の差を補う方法で、セラミックシュラウドを金属製ガスタービンエンジンケースに取付けることを可能にするセラミックシュラウドアッセンブリに関する。このセラミックシュラウドアッセンブリは、セラミックシュラウドの周りに焼きばめされた金属製クランプリングと、セラミックシュラウドとクランプリングとの間に位置する断熱・追従性レイヤと、を備えている。金属製クランプリングは、ガスタービンエンジンケースに取付けられるように形成され、これにより、セラミックシュラウドをタービンエンジンケースに取付ける。セラミックシュラウドアッセンブリは、さらにセラミックシュラウドを軸方向に拘束するように形成されたリングを備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、ガスタービンエンジン１０の部分断面図で、燃焼室１２、タービンエンジンケース１３および第１高圧タービンステージ１４を備えている。第１高圧タービンステージ１４は、タービンエンジンケース１３の周りに周方向に配置した複数のノズルベーン１６、ロータディスク（図示せず）から半径方向に延びたロータブレード１８および本発明によるセラミックシュラウドアッセンブリ２０を備えている。セラミックシュラウドアッセンブリ２０は、タービンエンジンケース１３に取付けられる。
【０００９】
ガスタービンエンジン１０が作動中に、燃焼室１２からの高温ガスは、タービン入口領域２２を通り、第１高圧タービンステージ１４に流入する。さらに詳しく説明すると、高温ガスは複数のノズルベーン１６を通って下流に流れる（矢印２４で示す）。ノズルベーン１６は、ロータブレード１８を通る高温ガスの流れを案内している。ロータブレード１８は、本技術分野で知られるように、ローターディスク（図示せず）から半径方向に延びている。ロータブレード１８は、ダブテール取り付け機構のような機械的取り付け機構を用いてロータディスクに取り付けられ、またはロータと一体に形成される（つまり、一体型ロータブレード）。本技術分野で知られるように、セラミックシュラウドアッセンブリ２０は、第１高圧タービンステージ１４を通して高温ガスの流れを案内している外側表面部を画定しており、ロータブレード１８のセラミックシュラウドアッセンブリ２０と逆側に位置するプラットフォーム２１が、内側流路表面部を画定している。
【００１０】
本発明によるセラミックシュラウドアッセンブリ２０は、クランプリング２６、セラミックシュラウド２８、インタレイヤ（中間層）３０および軸方向拘束リング３２を備え、インタレイヤ３０は、クランプリング２６とセラミックシュラウド２８との間に位置している。セラミックシュラウドアッセンブリ２０は、セラミック部品と金属部品との間（つまり、タービンエンジンケース１３とセラミックシュラウド２８との間）の相対的な移動を許容しており、金属製タービンエンジンケース１３とセラミックシュラウド２８との間の熱膨張の相違を補っている。背景技術の項で説明したように、金属製タービンエンジンケース１３とセラミックシュラウド２８が直接に接していると、セラミック材料と金属材料の熱膨張係数の差により、その境界で応力が発生し得る。この応力がセラミックシュラウド２８を破壊し得る。さらに、セラミック材料の延性が低いので、セラミックシュラウド２８を金属製タービンエンジンケース１３に取り付けるのは比較的困難である。
【００１１】
本発明のセラミックシュラウドアッセンブリ２０は、クランプリング２６を用いてセラミックシュラウド２８を金属製タービンエンジンケース１３に取り付けることができる。クランプリング２６は、機械的取り付け手段（例えば、ボルト）によって、タービンエンジンケース１３に取り付けられるように形成されている。以下により詳しく説明すると、金属製クランプリング２６は、セラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０の周りに焼きばめされ、クランプリング２６とセラミックシュラウド２８を付き合わせているが、セラミックシュラウド２８に過度の応力が生じることなく、両者間の相対的な熱膨張を許容している。焼きばめとは、熱を用いて二つの部品のとても強力な結合を生み出すプロセスであって、一方の部品が少なくとも部分的に他方へ挿入される。本発明では、クランプリング２６は予熱温度に加熱され、これによりクランプリング２６は膨張する。膨張すると、セラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０は、クランプリング２６に挿入される。クランプリング２６が冷えると収縮し、これによりセラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０を圧縮する（つまり、クランプする）。これにより、クランプリング２６は、締まりばめによってセラミックシュラウドアッセンブリ２０を一体に保持する。
【００１２】
クランプリング２６は、ニッケル基合金のような金属で形成される。クランプリング２６の前面２６Ａは、軸方向拘束リング３２と接しており、後面２６Ｂは、セラミックシュラウドアッセンブリ２０の後面に接している。クランプリング２６のフランジ２６Ｃは、タービンエンジンケース１３と合うように形成されている。代替の実施例では、タービンエンジンケース１３の構造により、クランプリング２６から異なる方向にフランジ２６Ｃは延びるか、クランプリング２６から取り除かれる。ある実施例では、クランプリング２６とタービンエンジンケース１３は、近い熱膨張係数を示す。もう一つの実施例では、クランプリング２６とタービンエンジンケース１３は、異なった熱膨張係数を示し、クランプリング２６は、これらの間に生じる相対的な熱膨張を許容する取り付け方法（例えば、Ｕ字型スロット）を用いて、タービンエンジンケース１３に取り付けられる。しかし、どちらの実施例でも、タービンエンジンケース１３がセラミックシュラウド２８と直接に接しているのではなく、金属製クランプリング２６と金属製タービンエンジンケース１３とが接している。これにより、セラミックシュラウド２８と金属製タービンエンジンケース１３との間の境界で応力が発生するのを防止している。
【００１３】
クランプリング２６は、複数の冷却口２７を備え、これらは前面２６Ａ付近に周方向に設置される。同様に、タービンエンジンケース１３は、複数の冷却口３６を備えている。高温燃焼ガスにさらされたセラミックシュラウド２８を冷却するために、冷却空気は、ガスタービンエンジン１０の高圧の領域からプレナム３４に抽気され、タービンエンジンケース１３内の冷却口３６とクランプリング２６内の冷却口２７を通って流れる。エアシール３８は、クランプリング２６の後面２６Ｂ付近に任意に付けられ、冷却空気が冷却口３６から冷却口２７を通って流れるよう案内し、冷却空気の漏れを最小限に抑えるのに役立っている。
【００１４】
セラミックシュラウド２８は、実質的に一定の厚さ（半径方向で測定される）を備えた完全に無断続の円環状リングである。もちろん、代替の実施例では、セラミックシュラウド２８は、環状に配列された複数の分割したシュラウドセグメントからでも形成され得る。しかし、一繋ぎのリングは、第１高圧タービンステージ１４を通る外側流路の周りの密閉性を増し、高温ガスの漏れを最小限にすることによって、ガスタービンエンジン１０の効率を上げるのに役立っている。セラミックシュラウド２８は、窒化ケイ素のような本技術分野で知られる適切な材料で形成され得る。
【００１５】
インタレイヤ３０は、比較的に高い圧縮降伏応力（例えば、約６×１０6キロパスカル（ｋＰa）より大きい）を示す断熱性および追従性を有する材料から形成される。一実施例では、インタレイヤ３０は、厚さ方向に約１５×１０-6〜約２０×１０-6/℃の熱膨張係数を示すマイカから形成される。
【００１６】
ガスタービンエンジン１０が作動中に、高い作動温度のために、クランプリング２６とセラミックシュラウド２８は膨張する（つまり、熱膨張）。クランプリング２６は、金属で形成されており、セラミックシュラウド２８はセラミック材料で形成されている。金属とセラミックの熱膨張係数が異なるので、ガスタービンエンジン１０が作動中に、クランプリング２６は、セラミックシュラウド２８より熱膨張しやすい。熱膨張の相違を緩和し、熱膨張係数の相違からクランプリング２６とセラミックシュラウド２８との間に生じる応力を防止するのに役立てるために、インタレイヤ３０は、クランプリング２６とセラミックシュラウド２８との間に設置される。インタレイヤ３０は、追従性・断熱性の材料から形成される。インタレイヤ３０の追従性により、クランプリング２６とセラミックシュラウド２８の熱膨張の相違を緩和するのに役立っている。インタレイヤ３０は、断熱性でもあるので、クランプリング２６を、燃焼ガスと、セラミックシュラウド２８（プラットフォーム２１とセラミックシュラウド２８との間の高熱ガスの流れにより高温となっている）からクランプリング２６へ向かう熱とから隔離するのにも役立っている。最後に、インタレイヤ３０は、異なる材料で形成されるクランプリング２６とセラミックシュラウド２８との間の化学反応の防止を行うのにも役立っている。
【００１７】
インタレイヤ３０は、第１部分３０Ａと第２部分３０Ｂを備えている。第１部分３０Ａの厚さは、第２部分３０Ｂの厚さより大きい。図１の実施例において、インタレイヤ３０の第１部分３０Ａは、約２．５４ミリメータ（１００ミル）の厚さであり、第２部分３０Ｂは、約１．２７ミリメータ（５０ミル）の厚さである。図１に示される実施例では、インタレイヤ３０の第１部分３０Ａのみが、クランプリング２６とセラミックシュラウド２８の両方と接触している。第１部分３０Ａは、実質的にはセラミックシュラウド２８の中間（つまり前方軸方向面２８Ａと後方軸方向面２８Ｂとの中間）に位置することが好ましい。これは、セラミックシュラウド２８が、クランプリング２６の圧縮応力で円錐型に変形しないようにするためである。第２部分３０Ｂは、後方軸方向面２８Ｂを覆っており、セラミックシュラウド２８の後方部分（つまり、後方軸方向面２８Ｂ付近の部分）のおよそ３分の１も覆っている。インタレイヤ３０の第２部分３０Ｂは、後方軸方向面２８Ｂとセラミックシュラウド２８の後方部分を断熱しており、セラミックシュラウド２８に亘る温度分布を均一化するのに役立っている。このことは、「ＴＵＲＢＩＮＥ ＳＨＲＯＵＤ ＴＨＥＲＭＡＬ ＤＩＳＴＯＲＴＩＯＮ ＣＯＮＴＲＯＬ」という題名の係属中の米国特許出願第１１／５０２，０７９号に記述されている。代替の実施例では、インタレイヤ３０がセラミックシュラウド２８を覆う割合は、セラミックシュラウド２８に亘る所望の温度分布によって、調整され得る。
【００１８】
軸方向拘束リング３２は、クランプリング２６の前面２６Ａとセラミックシュラウド２８の前方軸方向面２８Ａに接しており、かつセラミックシュラウド２８を軸方向に拘束するのに役立っている。軸方向拘束リング３２の実施例の詳細は、図４を参照して説明される。
【００１９】
図２は、セラミックシュラウドアッセンブリ２０の組立斜視図で、セラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０の周りに金属製クランプリング２６を焼きばめするプロセスを示している。金属製クランプリング２６は半径Ｒ1を有し、前面２６Ａ付近に複数の冷却口２７を含んでいる。セラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０の周りにクランプリング２６を焼きばめするために、クランプリング２６は、セラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０を差し込むのに十分大きなサイズに膨張する予熱温度まで加熱される。予熱温度まで加熱されると、金属製クランプリング２６は、半径Ｒ2を有する状態（破線で示す）まで膨張する。半径Ｒ1と半径Ｒ2の差は、予熱温度と金属製クランプリング２６を構成している材料により決定される。当業者が理解しているように、一般的に、予熱温度が高いほど、半径Ｒ1と半径Ｒ2の差は大きくなる。
【００２０】
クランプリング２６を加熱後、概ね室温の状態（約２１〜２３℃）（つまり、膨張していない）にあるセラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０は、膨張したクランプリング２６内に移される。ある実施例では、インタレイヤ３０は、クランプリング２６へ差し込まれる前にセラミックシュラウド２８に取付けられる。クランプリング２６が半径Ｒ2まで膨張するので、おおよそ室温の状態にあるセラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０は、クランプリング２６内に収まることができる。インタレイヤ３０の第１部分３０Ａは、外側半径Ｒ3を有しており、インタレイヤ３０の第２部分３０Ｂは、外側半径Ｒ3より小さい外側半径Ｒ4を有している。ある実施例では、第１部分３０Ａの外側半径Ｒ3は、加熱され、かつ膨張したクランプリング２６の半径Ｒ2にほぼ等しい。
【００２１】
クランプリング２６の予熱温度は、セラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０に作用するクランプ荷重に影響を与える。一般的に、予熱温度が高いほど、予熱温度で所定半径を備えたクランプリング２６のクランプ荷重と応力（金属製クランプリング２６が室温まで戻された後）は高くなる。この関係は、クランプリング２６の膨張量（つまり、半径Ｒ1と半径Ｒ2の差）は、クランプリング２６が室温まで戻されるときの収縮量に概ね比例する、という一般的な焼きばめのプロセスにおける事実に基づく。クランプリング２６が収縮するほど、クランプリング２６内に応力が生じ、セラミックシュラウド２８に作用するクランプリング２６のクランプ荷重は大きくなる。クランプリング２６の熱膨張、クランプリング２６内の応力、クランプ荷重の関係から、望ましい応力とクランプ荷重を基に予熱温度が選択される。予熱温度は、金属製クランプリング２６が降伏限界点またはクリープ強さを超えないほど低いことが望ましい。一方、予熱温度は、ガスタービンエンジン１０（図１）の全ての作動レベル（例えば、始動から停止まで）の間に、シュラウドアッセンブリ２０を一体に保持できるほどのクランプ荷重を得られるぐらい高いことが望ましい。
【００２２】
ガスタービンエンジン１０（図１）の一つの実施例について、有限要素分析が実施された。以下は、予熱温度とこれに関連した応力とクランプ荷重の結果である。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
三つの予熱温度について有限要素分析が実施され、これらの結果を表１の欄１に示す。欄２は、クランプリング２６が欄１に示されるそれぞれの予熱温度に加熱され、半径Ｒ2から半径Ｒ3に達し、最終的に室温まで冷却された後のクランプリング２６のヴォン・ミーゼス（Ｖon Ｍises）応力の最大値を示す。欄３は、各予熱温度に対して、ガスタービンエンジン１０（図１）が定常状態での、金属製クランプリング２６のヴォン・ミーゼス応力の最大値を示している。この状態では、金属製クランプリング２６は、４２６℃（約８００°F）までの作動温度にさらされる。欄４は、各予熱温度に対して、室温でのセラミックシュラウド２８内の第１主応力を示す。ここで、金属製クランプリング２６は、セラミックシュラウド２８とインタレイヤ３０の周りに焼きばめされた後の状態である。欄５は、各予熱温度に対して、ガスタービンエンジン１０が定常状態での、セラミックシュラウド２８内の第１主応力を示す。欄６は、各予熱温度に対して、セラミックシュラウド２８に作用する金属製クランプリング２６の室温でのクランプ荷重を示す。最後に、欄７は、各予熱温度に対して、ガスタービンエンジン１０が定常状態でのセラミックシュラウド２８に作用する金属製クランプリング２６のクランプ荷重を示す。
【００２５】
表１のデータからわかるように、予熱温度が増加すると、金属製クランプリング２６内のヴォン・ミーゼス応力と金属製クランプリング２６により作用するクランプ荷重は、室温ならびにガスタービンエンジン１０の定常状態の双方で増加する。室温状態から定常状態となると、ヴォン・ミーゼス応力とクランプ荷重の両方が低下する。これは金属製クランプリング２６が、作動温度の増加に応じて膨張し、セラミックシュラウド２８と金属製クランプリング２６の熱膨張係数の違いにより、セラミックシュラウド２８より大きく膨張するためである。クランプリング２６がセラミックシュラウド２８より膨張すると、クランプリング２６とセラミックシュラウド２８との間の締まりばめの量は減少する。一実施例では、クランプリング２６は、耐酸化性ニッケル基超合金であるインコネル７８３から形成される。インコネル７８３は、約７．５８×１０6ｋＰａ（約１１０キロポンド／平方インチ（ｋｓｉ））の降伏応力を示す。図１の各予熱温度において、クランプリング２６に対するヴォン・ミーゼス応力の最大値は、インコネル７８３の降伏応力を下回る。従って、インコネル７８３で形成されるクランプリング２６に対して、約２０４〜約３１６℃の範囲の予熱温度が適切である。
【００２６】
エンジンの過渡状態（つまり、エンジン出力レベルが他のレベルに移行するとき）で適切なクランプ荷重を維持することも、予熱温度を決定するのに重要な要因となる。金属製クランプリング２６とセラミックシュラウド２８の異なる熱膨張係数と熱伝達特性により、金属製クランプリング２６とセラミックシュラウド２８の同一出力レベルでの熱応答性は異なり、これによりクランプ荷重に影響を与え得る。例えば、エンジン始動時に、セラミックシュラウド２８は、金属製クランプリング２６より概ね早く加熱される。これは、セラミックシュラウド２８の熱移行境界条件において、より迅速に変化するためである。つまり、セラミックシュラウド２８は、高温燃焼ガスに直接さらされるため、金属製クランプリング２６より早く加熱しやすく、膨張しやすい。セラミックシュラウド２８がクランプリング２６より早く膨張すると、セラミックシュラウド２８が金属製クランプリング２６を押すので、クランプリング２６内のクランプ荷重と応力は増加する。従って、エンジンの過渡運転中のクランプ荷重の最小値がどれくらいか知ることは重要である。
【００２７】
クランプリング２６によりセラミックシュラウド２８に作用するクランプ荷重と、クランプリング２６のヴォン・ミーゼス応力を決定するために、エンジン始動と運転停止を、有限要素分析を用いて再現した。表２は、ガスタービンエンジン１０の始動状態での応力とクランプ荷重の有限要素分析の結果である。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表３は、ガスタービンエンジン１０の運転停止時での応力とクランプ荷重の有限要素分析の結果である。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
クランプリング２６がインコネル７８３で形成された実施例では、クランプリング２６の予熱温度が約３１６℃までの場合、クランプリング２６内の応力は、始動と運転停止状態でインコネル７８３の降伏応力（約７．５８×１０5ｋＰａ）より下回る。従って、インコネル７８３製のクランプリング２６（または、類似した特性を備えた材料）に対して、約３１６℃の予熱温度が適切である。
【００３２】
ガスタービンエンジン１０の運転停止時に、セラミックシュラウド２８は、クランプリング２６より早く収縮し、最小クランプ荷重を維持することは重要である。表３に示すように、ガスタービンエンジン１０の運転停止時に、最小クランプ荷重は、ガスタービンエンジン１０が定常状態のときのクランプ荷重（表１に示す）に比べて低下する。ガスタービンエンジン１０が運転停止のときの懸念事項は、金属製クランプリング２６が、セラミックシュラウド２８に十分なクランプ荷重を作用させられるかどうかである。前述のように、予熱温度は望ましいクランプ荷重より決定される。例えば、セラミックシュラウドアッセンブリ２０を常時完全に維持するのに、約７．１８ｋＮのクランプ荷重を保つことが必要ならば、予熱温度の下限値は約２６０℃である。
【００３３】
セラミックシュラウド２８が、実質的に全てのガスタービンエンジンの状態に対して、圧縮状態を維持されることも望ましい。これは、セラミック材料が引張り応力状態にあるときよりも圧縮応力状態にあるときの方が強いためである。インコネル７８３製のクランプリング２６に対して、予熱温度が約２６０〜約３１６℃の範囲で選択されれば、セラミックシュラウド２８は、全てのエンジン状態で圧縮され続けるが、同時に金属製クランプリング２６は降伏限界点を下回る。
【００３４】
図３は、クランプリング４０の代替の実施例の斜視図である。クランプリング４０は、前面４０Ａから後面４０Ｂへと軸方向に延びる複数のスロット４２と、複数の冷却口４４を備えている。スロット４２は、クランプリング４０の半径方向の可撓性を向上させ、クランプリング４０の内側に設置されたシュラウド（例えば、図１のセラミックシュラウド２８）がシュラウドやクランプリング４０上に過度な応力を生じずに膨張することを可能にしている。
【００３５】
図４は、軸方向拘束リング３２の平面図である。軸方向拘束リング３２は、スロット４５と、内側半径３２Ａに沿って半径方向に延びている複数の切欠き部４６を備えている。図１の実施例では、軸方向拘束リング３２はスナップリングで、本技術分野で知られるように、直径を小さくするために収縮可能な不連続な環状リングである。軸方向拘束リング３２をセラミックシュラウドアッセンブリ２０（図１に示す）にはめ込み、所定の位置に保つため、破線で示されるように、軸方向拘束リング３２の直径を小さくするための力が加えられる。次に、軸方向拘束リング３２は、タービンエンジンケース１３（図１に示す）にはめ込まれ、その後、軸方向拘束リング３２に作用している力は解放される。これにより、軸方向拘束リング３２の直径は大きくなり、所定の位置に収まる。軸方向拘束リング３２の直径は、タービンエンジンケース１３の直径より大きいから、軸方向拘束リング３２はタービンエンジンケース１３に半径方向の力を作用させ、正規の位置を維持できるようにしている。軸方向拘束リング３２は、ニッケル基合金（例えば、インコネル６２５）のような適切な材料で形成される。
【００３６】
軸方向拘束リング３２内の半径方向の切欠き部４６によって、セラミックシュラウド２８の前方軸方向面２８Ａ（図１に示す）を押す複数の半径方向タブ４８が形成される。これは、セラミックシュラウド２８を軸方向に拘束し、上流方向２５（図１に示す）に移動することを防止する。ある実施例では、半径方向タブ４８は、セラミックシュラウド２８から半径方向タブ４８への熱伝達を減少させるとともに軸方向拘束リング３２とセラミックシュラウド２８との間の反応を防止するコーティングが塗布される。このコーティングは、例えば、イットリア安定化ジルコニアのような本技術分野で知られるセラミック熱遮断コーティングである。半径方向切欠き部４６は、また、チャンバ３４からの冷却空気（タービンエンジンケース１３内の冷却口３６と金属製クランプリング２６内の冷却口２７を既に通過したもの）によって軸方向拘束リング３２が冷却されることを可能にしている。
【００３７】
図５は、タービンエンジンケース５０、タービンベーン５２、タービンロータ５３およびセラミックシュラウドアッセンブリ５４の第２実施例の部分断面斜視図である。セラミックシュラウドアッセンブリ５４は、シュラウド５８が、ガスタービンエンジン１０の軸方向の中心線に平行な直線６６に対し、前面５８Ａから後面５８Ｂへと角度Ｓのテーパを有すること以外は、図１のセラミックシュラウドアッセンブリ２０に類似している。図５の実施例では、角度Ｓは約１０°である。セラミックシュラウドアッセンブリ５４は、さらにタービンエンジンケース５０に取り付けられたクランプリング５６、インタレイヤ６０、第１軸方向拘束リング６２および第２軸方向拘束リング６４を備える。クランプリング５６にもシュラウド５８に適合するようなテーパが付けられている。これは、クランプリング５６とシュラウド５８が類似した輪郭を有するようにするためである。インタレイヤ６０は、図１のインタレイヤ３０に類似している。第１軸方向拘束リング６２は、クランプリング５６が上流方向（矢印２５で示す）に移動しないようにクランプリング５６を位置決めするのに役立っている。
【００３８】
シュラウド５８のテーパ角Ｓは、シュラウド５８を軸方向に位置決めする（つまり、シュラウド５８を後（つまり下流）方向２４または上流方向２５に移動するのを阻止する）のに必要な摩擦係数によって決定される。高い摩擦係数（例えば０．６）に対して、テーパ角Ｓは、シュラウド５８の軸方向の位置を変えることなく、直線６６に対して３１°まで取り得る。クランプリング５６がシュラウド５８を圧縮するのに用いられる半径方向の力の成分があるが、図５のセラミックシュラウドアッセンブリ５４の実施例は、クランプリング５６の後面５６Ｂに対して、後方向（矢印２４で示す）にシュラウド５８を押す軸方向の力をも提供している。これにより、シュラウド５８が後方向２４に移動するのを阻止するのに役立っている。シュラウド５８が軸方向の位置を維持するための追加の手段として、シュラウド５８の前面５８Ａが第２軸方向拘束リング６４によって、軸方向に拘束される。
【００３９】
図６は、クランプリング７２とシュラウド７４を備えたシュラウドアッセンブリ７０の第３実施例の斜視図である。シュラウドアッセンブリ７０は、クランプリング７２とシュラウド７４との間に位置するインタレイヤ（図示せず）をも備えている。シュラウドアッセンブリ７０は、図１のセラミックシュラウドアッセンブリ２０と類似しているが、以下の点を除く。それは、シュラウド７４は、クランプリング７２内の対応する開口部７８と係合するように形成された複数の回転防止タブ７６を備えている点である。回転防止タブ７６は、クランプリング７２に対して周方向にシュラウド７４を位置決めし、中心軸８０周りのシュラウド７４の回転運動を制限するのに役立っている。さらに、焼きばめ工程で生じるクランプリング７２とシュラウド７４との間の摩擦が、シュラウド７４を周方向に位置決めするのに役立っている。図５の実施例において、シュラウド７４は、等しい間隔の３つの回転防止タブ７６を備えている。しかし、代替の実施例では、シュラウド７４は適切な配列（例えば、等しいまたは等しくない間隔の）だけでなく、２個、４個、５個などの適切な数の回転防止タブ７６を備えている。この代替の実施例では、対応する数の開口部７８を備えている。
【００４０】
図７は、ガスタービンエンジン８２の部分断面斜視図である。ガスタービンエンジン８２は、タービンケース８４（図１のタービンケース１３に類似）、ノズルベーン８６（図１のノズルベーン１６に類似）、タービンロータ８８（図１のロータブレード１８に類似）およびシュラウドアッセンブリ９０の第４実施例を備えている。シュラウドアッセンブリ９０は、クランプリング９２、シュラウド９４およびクランプリング９２とシュラウド９４との間に位置するインタレイヤ（図７に図示せず）を備えている。図６のシュラウド７４と同様に、シュラウド９４は、クランプリング９２内の対応する開口部９８と係合するように形成された回転防止タブ９６を備える。しかし、シュラウドアッセンブリ７０の第３実施例と違って、シュラウドアッセンブリ９０の第４実施例では、クランプリング９２内の開口部９８は、それぞれ板ばね１００を有する。板ばね１００は、開口部９８が回転防止タブ９６の異なる位置に適合することを可能にしている。これは、回転防止タブ９６が開口部９８に案内されうる位置の範囲を与えることによりなされ、開口部９８はなおも回転防止タブ９６と連動している。板ばね１００は、シュラウド９４内に高い応力を生じることなくシュラウド９４を所定の位置に保てるだけの管理された剛性があることが望ましい。もう一つの実施例では、第２板ばねが、開口部９８の板ばね１００の反対側にある。シュラウドアッセンブリ９０は、適切な数の板ばねを含むように修正され得る。
【００４１】
本発明によるシュラウドアッセンブリを、第１高圧タービンステージについて記述したが、この発明のシュラウドアッセンブリは、あらゆるタービンステージおよびシュラウドリングの他の用途にも適合する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】燃焼室と、金属製クランプリングとセラミックシュラウドとの間に設置される断熱・追従性レイヤおよびセラミックシュラウドを軸方向に拘束する軸方向拘束リングを備えてなる本発明によるセラミックシュラウドアッセンブリを組み込んだ第１高圧タービンステージを備えたガスタービンエンジンの部分断面図である。
【図２】セラミックシュラウドとインタレイヤの周りに金属製クランプリングを焼きばめするプロセスを示したシュラウドアッセンブリの組立斜視図である。
【図３】複数の軸方向に延びたスロットを備えた本発明のセラミックシュラウドアッセンブリのクランプリングの代替実施例についての斜視図である。
【図４】内側半径に沿った複数の半径方向に延びた切欠き部を備えた軸方向拘束リングの平面図である。
【図５】タービンベーン、第１タービンロータステージ、およびタービンエンジンの軸方向中心線に対して角度Ｓのテーパのついたシュラウドを備えたセラミックシュラウドアッセンブリの第２実施例の部分断面斜視図である。
【図６】クランプリング内の開口部に係合するように形成された回転防止タブを備えたシュラウドを有するシュラウドアッセンブリの第３実施例の斜視図である。
【図７】クランプリング内の板ばねを備えた開口部に係合するように形成された回転防止タブを備えたシュラウドを有するシュラウドアッセンブリの第４実施例の部分断面斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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