(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンで使用するためのタービンブレードであって、
セラミックマトリクス複合材料から構成されているエーロフォイルであり、前縁および後縁を含みかつ圧力側面および吸込側面を有する、エーロフォイルと、
前記エーロフォイルの下端部に固定されているブレードシャンクと、
前記エーロフォイルの内部に配設されている１つまたは複数の内部流体キャビティであり、各々は流体出口がなくかつ前記ブレードシャンクと流体連通している入口通路を有する、１つまたは複数の内部流体キャビティと、
前記内部流体キャビティの各１つに対応する前記ブレードシャンクの下端部に形成されている１つまたは複数の流体通路と、
前記エーロフォイル内の前記内部流体キャビティの各１つに加圧流体源を継続的に供給する流体ポンプと、
を含む、タービンブレード。
【請求項２】
前記エーロフォイルはセラミックマトリクス複合材料を含む、請求項１に記載のタービンブレード。
【請求項３】
前記内部流体キャビティは、前記エーロフォイルの基部から前記エーロフォイルの先端の方へ延在している、請求項１または２に記載のタービンブレード。
【請求項４】
前記内部流体キャビティは、前記エーロフォイルの全長の一部分に延在して、予測エーロフォイル損傷領域に対応する局所キャビティを画定している、請求項１から３のいずれかに記載のタービンブレード。
【請求項５】
前記内部流体キャビティの各々は、前記ガスタービンの外部流路の温度より下の温度で、空気により加圧される、請求項１から４のいずれかに記載のタービンブレード。
【請求項６】
前記内部流体キャビティの各々は、前記外部流路より少ない水分含有量の空気により加圧される、請求項５に記載のタービンブレード。
【請求項７】
前記ブレードシャンクは、他のブレードと共にタービンロータホイール上に組立てて円周アレイを形成するためのダブテール結合部を含む、請求項１から６のいずれかに記載のタービンブレード。
【請求項８】
前記内部流体キャビティの各々は、所定の空気圧および温度に維持される、請求項１から７のいずれかに記載のタービンブレード。
【請求項９】
前記加圧流体源は、異物損傷による前記キャビティの１つまたは複数の破損の場合に、前記内部流体キャビティの各々への最小流体流を維持するのに圧力および体積が十分である、請求項１から８のいずれかに記載のタービンブレード。
【請求項１０】
前記エーロフォイルは、セラミック繊維のプリフォームを含む、請求項１から９のいずれかに記載のタービンブレード。
【請求項１１】
前記プリフォームは炭化ケイ素を含む、請求項１０に記載のタービンブレード。
【請求項１２】
前記ブレードシャンクの前記下端部に形成されている前記流体通路は、前記ダブテールの底縁部から上方に前記ブレードシャンクを通り前記内部流体キャビティ内に延在している、請求項７に記載のタービンブレード。
【請求項１３】
ガスタービンエンジンで使用するためのタービンブレードを製造する方法であって、
ａ．セラミック複合材料から構成されているエーロフォイルを形成するステップと、
ｂ．前記エーロフォイルの内部に、流体出口がなく入口通路を有する１つまたは複数の内部流体キャビティを形成するステップと、
ｃ．前記エーロフォイル内の前記内部流体キャビティの前記入口通路の各１つに加圧流体源を供給するステップと、
を含む、方法。
【請求項１４】
前記エーロフォイルを形成する前記ステップは、炭化ケイ素セラミック繊維を使用してプリフォームを準備するステップと、前記繊維を所望のエーロフォイル形状に作り上げるステップとをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記プリフォームを準備する前記ステップは、前記プリフォームにマトリクス材料を浸潤させるステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記プリフォームは、化学気相浸潤法、スラリ溶浸焼結、スラリキャスト、または溶融含浸を使用して、前記マトリクス材料と結合するために被覆される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記加圧流体を供給する前記ステップは、異物損傷による前記キャビティの１つまたは複数の破損の場合に、前記内部流体キャビティの各々への最小流体流を維持するのに十分である、請求項１３から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
ガスタービンエンジンエーロフォイルの破損を検出する装置であって、前記エーロフォイルは外面、流体出口がない内部冷却室、および冷却流体を前記内部冷却室内に方向付けて実質的に一定の圧力を維持する流体通路を含み、前記装置は、
前記エーロフォイルの内側の静圧の変化に応答して信号を供給する１つまたは複数の圧力変換器と、
前記信号の変化を相互に関連付けて、前記エーロフォイルの内側の圧力の変化を示すことができるコンピュータコードを格納する記憶装置と、
前記信号の変化を前記エーロフォイルの状態と相互に関連付けるように前記コンピュータコードで動作している中央処理装置と、
前記エーロフォイルの内側の前記圧力の変化の指示をもたらす出力デバイスと、
を含む、装置。
【請求項１９】
前記圧力変換器は、前記エーロフォイルの内側の前記圧力の変化の範囲を示すデータを供給する、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記出力デバイスは、警告灯、音響警告信号、またはデータレコーダの警告メッセージを含む、請求項１８または１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電産業および航空機産業において使用されてい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材（「ＣＭＣ：ｃｅｒａｍｉｃ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ」）ブレードに関し、詳細には、固定圧力下に維持されて、長期間の使用中にブレードに起こる異物損傷によりブレードキャビティが損なわれる（さもなければエンジンの破局的故障につながる可能性がある）ことを防止する新たな形のＣＭＣブレードに関する。本発明は、エネルギー省により与えられた、契約番号第ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４３号に基づく米国政府の支援により成された。米国政府は、本発明に関して一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
長年に亘り、ガスタービンエンジンの性能基準は、対応するエンジン効率の向上、推力重量比の改善、排ガスの低下、および燃費の改善に伴って、着実に高まってきている。しかし、ガスタービンエンジンの温度が、構成材料の限度に達するかまたはそれを超過することが多く、それにより、エンジンの高温部分、特にガスタービンエンジンブレードでは、構成要素の構造的完全性を含む。このように、ガスタービンの動作温度が上昇したので、例えば、燃焼器およびタービンブレードに高温合金を使用して、ロータ部分およびタービン部分の両方のブレードの保護を助長するために種々の方法が開発されてきている。最初に、熱伝導率を低下させ、下地金属に熱保護をもたらし、構成要素を可能にするために、セラミック遮熱コーティング（「ＴＢＣ：ｃｅｒａｍｉｃ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ」）が、高温排出燃焼ガスに暴露される構成要素の表面に適用された。そのような改良は、ベースメタルのピーク温度および温度勾配を低減するのに役立った。
【０００３】
最近、従来のタービンエンジンに使用されている高温合金の多数の変わりとして、セラミックマトリクス複合材（「ＣＭＣ」）が開発された。提供されたＣＭＣにより、金属ブレードを凌いで温度性能および密度上の利点（ｄｅｎｓｉｔｙ  ａｄｖａｎｔａｇｅ）が向上し、次世代のタービンエンジンのより高い予想作動温度において、それらが最適な材料となることも多い。また、ＣＭＣ構成材料を使用してより良い品質のエンジン構成要素、特にタービンブレードを作り出すために、複数の新しい製造技術が開発されてきた。例えば、現在、炭化ケイ素ＣＭＣが、「Ｓｉｌｃｏｍｐ」法により作製された製品などの、溶融シリコンが浸潤した繊維材料から形成される。ＣＭＣ構成要素を形成する他の技術には、ポリマー含浸焼成法（「ＰＩＰ：ｐｏｌｙｍｅｒ  ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ」）およびスラリキャスト溶融含浸（「ＭＩ：ｍｅｌｔ  ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ」）法が含まれる。全てのそのような方法は、エンジン性能を犠牲にすることなくガスエンジン構成要素の構造的完全性を向上させることに重点を置いている。
【０００４】
軽量マトリクス中に合成された細長いフィラメントを備えた、高強度を有する、改良された複合ロータブレード、ステータ静翼、およびエーロフォイルを開発するための取組みは、今日まで続いている。新しい軽量複合材ガスタービンエンジンブレードの導入を妨げている１つの問題は、異物損傷に対するそれらの相対的な脆弱性である。鳥から雹、砂および塵粒子まで、多くの種類および大きさの異物が、ガスタービンエンジン、特に航空機エンジンの入口内に引き込まれるようになる可能性がある。異物によるタービンの損傷は、通常、２つの形をとる。より小さい物体は、ＣＭＣブレード材料を浸食し、最終的にエンジンの効率を低下させ、性能を悪化させる可能性がある。より大きい物体によるいかなる衝撃も、ブレードを破断させ、穴を開ける可能性があり、衝撃を受けたブレードの部分が破れさえして緩くなり、隣接する下流のブレードまたは他の主要エンジン構成要素に広範な二次損傷を引き起こす可能性がある。異物損傷の結果は、高バイパスガスタービンエンジンの低圧圧縮機において最も大きいと思われる。
【０００５】
ブレードに対して、特にその前縁に沿って、何らかの浸食保護をもたらすと同時に壊滅的なブレード破損の防止を助ける保護用前縁ブレードストリップの包含などの種々の設計改良が、異物による複合材ブレード破損を防止する取組みにおいて試みられてきた。縁部保護ストリップにより、（例えば、バードストライクによる）衝撃エネルギーがブレードの後縁に伝達されることが可能になる。しかし、衝撃エネルギーの散逸により、ブレードが局所的に振動し、かつ／または異なる振幅に変位し、最終的に機能しなくなる可能性もある。また、後縁のいかなる振動または大きく急速な変位も、材料系の限度を超過しかつ内部剥離および／またはブレード表面の破壊を生じうる、ブレードマトリクスへの歪みを誘起する。ブレードに激突する物体が、エンジンの速度および出力を制限する縁部材料の損失およびロータアンバランスにつながる可能性もある。
【０００６】
たとえＣＭＣ材料に（金属よりずっと大きい）高温に強い耐性があるとしても、排ガス流中の水蒸気がマトリクスの急速な劣化を生じる可能性があり、したがって、該材料は、燃焼流中に存在する水蒸気から下層マトリクスを保護するために、通常は耐環境コーティング（「ＥＢＣ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｃｏａｔｉｎｇ」）で被覆されていなければならない。残念ながら、ＣＭＣ構成要素上に熱被覆を使用することにより、動作中、ブレードに対して、特に前縁に沿って激突する物体によるタービンブレード自体への破損を防止することはできない。したがって、異物損傷により、または熱機械ショックなどの他の手段によりＥＢＣの任意の浸透が生じた場合、下層ＣＭＣ材料は、高温ガス経路内の任意の水への暴露の増加による加速度的な劣化に直面する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１３８８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、高温ガス経路内でのセラミックマトリクス複合材の使用に関して、重大な設計問題がガスタービンエンジン分野に残っている。耐環境コーティング（ＥＢＣ）を付加することによりマトリクスを封止しかつそれを高温ガスの攻撃から保護するのに役立つが、異物損傷、特に被覆を貫通する衝撃の問題が残っている。以下に詳述されている通り、セラミックマトリクス複合材ブレードの新たな形態が、ブレードおよびエンジン性能両方の長期間の信頼性を向上させることにおける大幅なステップ変更として開発されてきている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、特にブレードに激突する異物に因りエーロフォイルが損傷した場合に、より優れた寿命を確実にする設計を有するガスタービンエンジンで使用するための新しい種類のエーロフォイルとＣＭＣブレードとを含む。本発明は、ＣＭＣマトリクスの最初の貫通後にも、乾燥した冷たい空気を使用してブレードの構造的完全性を保護することによる、二次ブレード保護の特有の方法を提供する。本明細書に用いられている、ロータブレードの内部キャビティを加圧し保存するのに使用される空気を説明する用語「冷たい」は、ガスタービン排ガスの通常の温度をはるかに下回る温度かつ通常は９００°Ｆ（４８２．２℃）をはるかに下回る温度の空気供給を意味する。本明細書に用いられている用語「ブレード」は、エーロフォイル部分と、ブレードシャンクと、ダブテ−ル結合部と、ブレードプラットホームとを含む。
【００１０】
本明細書に記載されている例示的ＣＭＣブレードは、前縁および後縁ならびに圧力側面および吸込側面を有する湾曲したエーロフォイル（時にはガスタービン「バケット」と呼ばれる）と、エーロフォイルの下端部に固定されているブレードシャンクと、各内部流体キャビティが封止されるようにエーロフォイルの内部に配設されている１つまたは複数の内部流体キャビティと、ブレードシャンクと流体連通している、下端部にある入口流体通路と、内部流体キャビティの各１つに対応している、ブレードシャンク内に形成されている１つまたは複数の流体通路と、各エーロフォイルの内部流体キャビティの各１つに加圧流体源（名目上、冷たい乾燥した空気）を継続的に供給する流体ポンプおよび／または圧縮機とを含む。
【００１１】
重要なことに、冷たい乾燥した空気源は、前述の通り、異物の衝撃または他の損傷により１つまたは複数のキャビティが破損した場合に、内部流体キャビティの各々への最小の継続的空気流を維持するのに圧力および体積が十分である。したがって、本発明による本方法は、さもなければ破局的なエンジン故障につながる可能性がある動作中の損傷に見舞われる可能性がある、重要なエンジン構成要素、特にロータブレードの寿命を延ばすのに役立つ。
【００１２】
本発明によるＣＭＣブレードは、「中空法（ｈｏｌｌｏｗ  ｆａｓｈｉｏｎ）」として既知のＣＭＣマトリクス複合材製造法を用いて製造することができる。ブレードは、少なくとも１つの、好ましくは複数の、一体内部封止キャビティを備えて形成され、各キャビティは、ブレードシャンクの下端部に開口部を有する。内部キャビティは、実質的に複合材ブレードの全長に延在しており、１つまたは複数の一体ブレード室を形成している。また、各ブレードは、各ブレードキャビティの各々内に直接供給する空気進入通路を有する。
【００１３】
既知の先行技術ＣＭＣマトリクスブレードおよび金属設計とは異なり、ブレードから出口空気通路が設けられておらず、したがって、キャビティは、空気流が異物損傷なしにキャビティ内に入るかまたはそれを通過することを可能にしない。代わりに、ブレードは、冷たい乾燥した空気源により加圧され、加圧されたままであり、内部破損後でも安定している。ブレード上での衝撃事象による内部キャビティの１つまたは複数内への侵入によりブレードの任意の部分が（特に前縁に沿って）損なわれた場合、ブレードの内部と外部との間の圧力差は、加圧源からブレードキャビティ内への継続的な（かつ検出可能な）空気流を確実にするのに依然として十分である。ロータキャビティからの冷たい空気および乾燥した空気を継続的に放出したことにより、ブレードキャビティは、タービン流路から生じる高温かつ湿った燃焼空気の進入により損なわれない。該空気は、名目上、ブレードシャンクのアダプタ部品および流体開口部を使用して、ブレード内に直接入れられる。また、システムは、さらなるブレードの劣化および／またはブレードの壊滅的な破損またはおそらくエンジン全体の破局的な故障を防止するために、物体の衝撃によるいかなる漏出にも対応しかつ継続的に制御するように設計されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態による例示的一体内部ブレードキャビティ加圧システム（本明細書において「底部供給ブレード加圧」と呼ばれる）を有するＣＭＣ複合材タービンブレードの斜視図である。
【図２】代替的一体内部ブレードキャビティ加圧システム（本明細書において「シャンク供給型ブレード加圧」と呼ばれる）を有するＣＭＣ複合材タービンブレードの斜視図である。
【図３】本発明による内部ブレードキャビティ加圧を達成するための例示的流体通路をさらに示す、図１に示されている複合材ＣＭＣタービンブレードの正面立面図である。
【図４】内部ブレードキャビティの加圧を達成する代替的流体通路をさらに示す、図２に示されている複合材ＣＭＣタービンブレードの正面立面図である。
【図５】一体内部ブレードキャビティ加圧システムを有する例示的ＣＭＣ複合材タービンブレードの斜視図であり、図２の実施形態の別個の内部キャビティおよび加圧流路を示す図である。
【図６】本明細書に記載されている加圧システムを使用して阻止し、制御することができる、可能性のある衝撃損傷の性質および位置を示すガスタービンエーロフォイルの横断面図である。
【図７】本発明によるキャビティ加圧システムを使用して予測劣化と比較した、ＣＭＣブレードへの高温ガス経路の損傷劣化の予測行程の図である。
【図８】本発明によるガスタービンエンジンにおいてＣＭＣ複合材ブレードの所望のレベルの加圧を達成する簡易工程の流れ図である。
【図９】他の図、特に図３〜図５および図８に関連して記載されている内部キャビティ圧力系と共に使用するための公称流動プロファイルを示す例示的ガスタービンロータ組立体の横断面図であり、ロータ組立体の内部の異なる位置に配置されている例示的圧力変換器の使用を示す図である。
【図１０】ガスタービンエンジンが作動し続けるにつれて経時的に記録された内部キャビティ圧力信号の図であり、物体衝撃による破損が生じた後に所与のタービンブレードに関する可能性のある破損モードを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図を参照すると、図１は、本明細書において「底部供給ブレード加圧」と呼ばれる、本発明による一体内部ブレードキャビティ加圧手段を有するＣＭＣ複合材タービンブレードの例示的実施形態を示す。（多くのガスタービンエンジンで使用される）湾曲したブレードは、全般的に１０で示されており、前縁１１と後縁１２とを含む。「ブレード」は、（ガスタービンエンジンから高温排ガスを受ける）エーロフォイル部分２３と、ブレードシャンク１５と、ダブテール結合部１４と、ブレードプラットホーム１６とを含む全体的物品を含む。ブレードの湾曲構造は、前縁と後縁との間に延在している、エーロフォイルの圧力側面および吸込側面とを提供する。例示的エーロフォイルは、ウィービングまたは他の既知の製造方法により所望の形状で（炭化ケイ素などの）セラミック繊維のプリフォームを形成するステップと、次いでプリフォームにマトリクス材料を浸潤させるステップとを含む種々のＣＭＣ製造技術により作り出すことができる。プリフォームは、例えば化学気相浸潤法、スラリ溶浸焼結、スラリキャスト、または溶融含浸を用いて、マトリクスと結合するために被覆することができる。
【００１６】
図１に示されている例示的ブレードはガスタービンエンジンで使用することができるが、ブレード１０は、圧縮機などの他のブレード組立体でまたは任意の他の適切なファンブレード用途において使用するために構成することができる。該組立体は、炭化ケイ素マトリクス（「ＳｉＣ／ＳｉＣ」）内に埋め込まれている炭化ケイ素繊維などのセラミックマトリクス複合材料から形成されている１つまたは複数のブレード１０を含む。ブレード１０は、高温排ガス流がぶつかって方向付けられるエーロフォイル１２を含み、該エーロフォイルは、エーロフォイル１２から下方に延在しておりかつタガスービンホイールディスクの対応する形状のスロットに係合しているダブテール部１４により、タービンホイールディスク（図示せず）に取り付けられている。ダブテール部１４とエーロフォイル１２の表面とは、それにより、図示の通り凹状公差部を形成している。他の実施形態では、ブレード１０は、他のタービン用途に対応する形状を含んでいてもよい。
【００１７】
図１の実施形態では、複数のタービンブレード１０が、ダブテール部１４によりタービンロータホイールディスク（図示せず）に固定されている。図９も参照。通常、ブレードのエーロフォイルおよびバケットは、タービンホイールの周囲に完全な３６０度で延在しており、全バケット列を形成している。各ダブテール結合部は、ロータホイールのリム上に形成されている相補ダブテール形状と嵌合係合および滑動係合するために設計されている、ダブテール部に形成されている成形スロットを含む。バケットは、ホイールリムに形成されている径方向入れ溝（ｆｉｌｌｉｎｇ  ｓｌｏｔ）により、すなわちバケットを径方向に移動させて該溝内に入れ、次いでバケットをダブテール尖突部（ｔａｎｇ）に沿って接線方向に滑動させることにより、ロータホイールに付加されるように設計されている。この方法は、全バケット列がホイール上に取り付けられるまで繰り返される。図１のブレード１０の実施形態では、全体的なＣＭＣブレードは、ダブテール部１４の圧力側および吸込側を横断して延在している一体プラットホーム１６を含む。
【００１８】
図１はまた、流体開口部１７および１８を介して本発明の第１の実施形態の一体内部ブレードキャビティを加圧するための例示的手段を示す。この種の底部供給加圧は、ブレード開口部１７および１８を通して各ブレードキャビティ内に継続的な空気流を導入すること（最終的に定常状態の内圧条件を作り出すこと）（図３および図４も参照）により達成することができる。２つの空気供給部が、ブレードダブテールの底縁部から上方にブレードシャンク１５を通ってＣＭＣキャビティ内に延在している。上記の通り、加圧空気が、名目上、外部圧力系により供給される（図８参照）。
【００１９】
図２は、図１と比較して、図２の実施形態の代替的一体内部ブレードキャビティ加圧システムを有するＣＭＣ複合材タービンブレードの斜視図である。このシャンク供給型ブレード加圧システムは、図示の通りブレードシャンク内で始まり別個のブレードキャビティ内に進入する別個の内部供給通路を使用して継続的な空気流を供給する。また、空気供給は、最終的に、各ブレードキャビティ内に定常状態の内圧条件を形成する。しかし、本実施形態では、該流動は、より小さいブレード空気通路３５および３７により生じる。図１の場合と同様に、別個の空気供給ラインが、ブレードダブテール部の底縁部から上方にブレードシャンクを通って別個のＣＭＣキャビティ内に延在している。加圧空気は、やはり、外部空気圧力系により供給される。図２の実施形態は、前縁１１および後縁１２と共に、図１の場合と同様にほぼ適合する内部キャビティを備えた同じ基本的な湾曲ブレード設計を利用する。
【００２０】
図３は、本発明による内部ブレードキャビティの加圧を達成する流体通路をさらに示す、図１に示されている複合材ＣＭＣタービンブレード１０の正面立面図である。本実施形態は、ブレードエーロフォイル２３と２つの内部ブレードキャビティ１３および２４とを含み、キャビティ１３は、内部側壁１９および２０により画定されており、キャビティ２４は、側壁２１および２２により形成されている。図示の通り、入口流体通路１７および１８が、開口部を介してキャビティ内に加圧空気を直接供給する。図３はまた、図１に関連して前述されているダブテール結合部１４とブレードシャンク１５とを含む。図３の実施形態はいかなる出口空気通路をも含まず、したがって、加圧されると、キャビティ１３および２４は、継続的な空気流がキャビティ内に入るかまたはそれを通過することを可能にせず、したがって、外部物体を伴う衝撃によりブレード外面に小さい破損が生じても、ブレードは比較的一定の定常状態の圧力のままである。
【００２１】
図４は、本発明による内部ブレードキャビティの加圧を達成する流体通路をさらに示す、図２のＣＭＣ複合材タービンブレードの正面立面図を示す。流体通路３４および３６が、外部源（図示せず）から内部ブレードキャビティ３２および３３内に直接供給する流体進入点３５および３７を介して、加圧された冷たい空気を受け入れる。また、該空気流は、エーロフォイル３０の内側に定常状態の加圧環境をもたらし、高速外部物体の衝撃に起因するＣＭＣ複合材ブレードへの破損の悪影響に対して保護する。内部ブレードキャビティ３２および３３は、実質的にエーロフォイルの全長に延在することができ、または、あるいは、エーロフォイルの一部まで延在することができ、それにより、エーロフォイルへの可能性のある損傷の予測領域に対応する局所的ブレードキャビティを画定することができる。
【００２２】
図５は、本発明による一体内部ブレードキャビティ加圧システムを有する例示的ＣＭＣ複合材タービンブレードの斜視図であり、図２の実施形態の別個の一体内部キャビティおよび加圧流路を示す図である。参照を容易にするためおよび明確にするために、同じ参照番号は、図５の同等のブレード構成要素に割り当てられている。すなわち、空気進入供給点３５および３７を備えた内部流体通路３４および３６を示し、該流体通路は、内部ブレードキャビティ３２および３３内に直接供給する。
【００２３】
図６は、前述の加圧システムを使用して阻止し、制御することができる例示的衝撃損傷の性質および位置を示す、例示的ガスタービンエーロフォイルの横断面図を示す。図が示す通り、外部物体から前縁（「ＬＥ：ｌｅａｄｉｎｇ  ｅｄｇｅ」）上への衝撃が、図示のＣＭＣ複合材ブレード材料に損傷をもたらす。名目上、ブレードキャビティの１つの内部に破損が生じると仮定しても、加圧システムは、衝撃の後に、キャビティの内側の実質的に一定の空気圧を維持することにより、ブレードの継続的な構造的完全性を確実にする。さらに、加圧により、さもなければブレードの劣化を加速させるであろう、ブレード内部内へのいかなる水蒸気の流入も防止される。また、複数の衝撃センサを、破損発生の直後にその相対的な大きさおよび位置を示すフィードバック制御手段と共に、ブレード前縁の表面上の戦略的な位置に配置することができる。
【００２４】
図７は、本発明の例示的キャビティ加圧システムを使用する予測劣化と比較した、被覆されていないＣＭＣブレードへの高温ガス経路の損傷劣化の予測行程の図である。図７は、ＣＭＣブレードの前縁に沿った開口部、すなわち本発明による内部流体キャビティ加圧システムの恩恵を受けない、可能性のある損傷領域の可能性のある最大劣化のほんの一部に過ぎない劣化量から、インチ単位で、ＣＭＣ複合材ブレード内部への破損の形のブレード劣化量を、対応する予測高温ガス経路の劣化量と比較する。したがって、図７は、高温ガス経路の劣化が経時的に継続する時、ＣＭＣ材料の一般的な程度の逓減の増大を示す。開口部が壊滅的なブレード破損の可能性を生じるほど大きくなるまで該ユニットが動作し続けるにつれて、ＣＭＣ劣化量は着実に増大する。図７が示す通り、保護されていないＣＭＣの逓減は、前述の新しい流体キャビティ加圧により保護されている逓減より、最大２０倍まで大きい可能性があるであろう。
【００２５】
図７はまた、衝撃後に経時的に予測することができる圧縮空気漏出劣化に対する直接比較を提供し、したがって、本発明がブレード劣化のさもなければ避けられない増大に対してどの程度保護しかつガスタービンエンジンが通常の保守運転停止が起こるまで作動し続けることができることをどれほど確実にするかを示す。
【００２６】
図８は、ガスタービンエンジンにおいてＣＭＣ複合材ブレードの所望のレベルの加圧を達成する簡易工程の流れ図である。外部空気圧縮機システムにより供給される冷却空気が、前述の方法で、この場合は圧縮機システムから空気供給ライン４５および５５を通って内部流路４４および５４をそれぞれ使用して、ＣＭＣ複合材ブレード４０、５０および６０の個々のブレードキャビティ４３および５３内に直接送り込まれる。図８はまた、ブレードキャビティ４３および５３の前縁内に入る高温ガス流の一般的な方向を示す。上記の通り、ブレードの完全性への破損がない場合、ブレードキャビティを加圧するのに使用されている空気は、通常動作中にタービン排ガス中に流入しない。
【００２７】
図９は、図３〜図５および図８に関連して前述されている、本発明による例示的圧力系を使用して流動プロファイルを示す、ガスタービンロータ組立体の横断面図である。図９はまた、エーロフォイルの構造的完全性における破損の位置を検出するのに使用されている圧力変換器の位置を示す。
【００２８】
図９の実施形態は、（ロータエーロフォイル７４および７７である例により示されている）複数の円周方向に離間された中空ＣＭＣマトリクスブレードを含み、その各々は、前述の通り保護されることが可能である１つまたは複数の内部キャビティを含む、すなわち、ステータブレード７５および７９の下方に示されている加圧内部ロータエーロフォイルキャビティ７０および７３を備えている。ロータエーロフォイルの各々は、対応するシャンクに直接結合しており、下方ブレード部分はプレナム７８に結合されている。
【００２９】
また、図９に示されているものなどの通常のロータ組立体が、例としてホイールディスク１００、１０２および１０３として図示されている第１段、第２段および第３段のホイールディスクを含み、ディスク間のスペーサとロータブレードとは、対応するホイールディスクの外周に嵌合されている。取り付けられると、ホイールディスクとロータブレードとは、図３〜図５に関連して前述されている通り、個々のブレードに供給される加圧された冷たい空気を収容するのに大きさが十分な一連の流体通路１０６、１０７、１０８および１０９を画定する。加圧空気は流体通路を通過して、該流体通路とブレード内部キャビティの内壁との間に形成されている空気チャネル１０４および１０５内に入りそれを通過する。
【００３０】
図９はまた、１つまたは複数のエーロフォイル内部の完全性への任意の破損の存在および範囲を判定する目的で、ロータ組立体の内部の様々な位置に配置されている例示的圧力変換器の位置を示す。圧力変換器は、図示のロータ組立体の位置８０、８１、８３および８５〜９１までの所に（一般に加圧回路自体の所にまたはその付近に）、ならびにステータ圧力変換器の位置７６、９２および９３に取り付けられている。同時に、変換器は、示されている位置における１つまたは複数の個々のエーロフォイルの破損に関する継続的なフィードバックデータを供給する。
【００３１】
動作中、エーロフォイル、例えばロータブレードキャビティ７０および７３、の内側の静的（流動しない）空気圧が、衝撃事象により破損が生じるまで、一定かつ定常状態条件のままである。重大な破損が生じた場合、すなわちキャビティ圧力を所定量低下させるために大きさが十分である場合、変換器における圧力信号は相応に変化するであろう。前述の通り、エーロフォイル上での物体衝撃による重大な破損が検出されないままになっている場合、エンジン全体に至る付随的損傷の大きな危険を生じる。したがって、内部キャビティの破損がエーロフォイルの外形に沿って生じる場合、冷却流体が、該破損を通ってエーロフォイルから外へ流動し、静圧を低下させるであろう。この場合の用語「破損」は、設計された通りの構成要素に含まれない流体流路を意味する。
【００３２】
このように、エーロフォイルの破損を検出する例示的システムが、静的定常状態圧力と比較して、エーロフォイルキャビティから外へ出る冷却流体流の状態に応答して信号を供給する１つまたは複数のセンサを含む。センサの組合せが使用され、エーロフォイルキャビティから外へ出て流動する流体の状態に応答して、流動、流速、動圧、静圧、温度、または他のパラメータを測定することができるデバイスを含んでいてもよい。本発明の実践に有用な圧力変換器には、通常は無限の分解能のサファイア湿潤材料（ｓａｐｐｈｉｒｅ  ｗｅｔｔｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を用いて、約４，０００ＨＺの周波数応答を有するサファイア上シリコン技術を使用して製造されるＳＥＮ−４００「Ｍｅｌｔ  Ｐｒｅｓｓｕｅｒ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」などの、Ｓｅｎｓｏｎｅｔｉｃｓから入手可能でありかつ可変圧力範囲での使用に適応するものが含まれる。許容可能な変換器の他の例には、ビトー管（Ｐｉｔｏｔ  ｔｕｂｅ）、静圧管、５穴プローブ、熱線風速計、静圧センサ、および動圧センサが含まれるがそれらに限定されない。
【００３３】
また、図９に示されているシステムは、通常、ハードドライブ、または圧力変換器信号の任意の検出された変化を相互に関連付けることができるコンピュータコードの形の実行可能命令を格納する固体メモリなどのデータ記憶装置を含み、特定のエーロフォイルキャビティの破損の状態を報告する。コンピュータコードを用いて動作している中央処理装置が、物体衝撃による破損に起因する信号の変化を相互に関連付ける。コンピュータコードは、さらなる工程ステップを開始して、前縁またはエーロフォイル上に外圧負荷を伴う他の位置などにおける、正確な破損位置を確認してもよい。出力信号に応答する出力デバイスが、警告灯、音響警告信号またはデータレコーダ内の警告メッセージなどの、破損の状態に関する指示を与える。
【００３４】
最後に、図１０は、ガスタービンエンジンが作動し続けるにつれて経時的にプロットされた内部キャビティ圧力信号の典型的なプロットの図であり、所与のエーロフォイルに関する可能性のある破損モードを示す。通常、いくつかの圧力変換器が同一回路内に配置されている。図１０はまた、特定の圧力差が検出された場合（「事象」と表示されている）、上記の通り回路を通る冷却流の増大により、警報信号が生成されることを示す。
【００３５】
現在最も実践的かつ好適な実施形態であると考えられているものに関連して本発明を記載したが、本発明は開示された実施形態に限定されないと理解されるべきであるが、一方、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる種々の修正形態および等価の装置を包含するものとする。
【符号の説明】
【００３６】
１０  湾曲したブレード
１１  前縁
１２  後縁
２３  エーロフォイル部分
１５  ブレードシャンク
１４  ダブテール結合部
１６  ブレードプラットホーム
３５、３７  ブレード空気通路
１２  後縁
２３  ブレードエーロフォイル
１３、２４  内部ブレードキャビティ
１９、２０  内部側壁
２１、２２  側壁
１７、１８  入口流体通路
３０  タービンブレード
３４、３６  流体通路
３５、３７  進入点
３０  エーロフォイル
３２，３３  内部ブレードキャビティ
４３、５３  ブレードキャビティ
、空気進入供給点
４０、５０、６０  ブレード
４４、５４  内部流路
４５、５５  空気供給ライン
７４、７７  ロータエーロフォイル
７６、９２、９３  圧力変換器の位置
７０、７３  内部ブレードキャビティ
７５、７９  固定ステータブレード
７８  中空プレナム
１００、１０２、１０３  ホイールディスク
１０６、１０７、１０８、１０９  流体通路
１０４、１０５  空気チャネル
８０、８１、８３、８５〜９３  ロータ組立体の位置
７０、７３  ロータブレード
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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