(57)【要約】  セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）と金属の取付構造は、金属板と、ＣＭＣ板と、スペーサと、金属ボルトと、ナットを備えることができる。金属板は金属板開口を備えることができる。ＣＭＣ板は、金属板と隣接でき、金属板開口と位置合わせされたＣＭＣ板開口を備えることができる。スペーサは、ＣＭＣと隣接でき、金属板開口およびＣＭＣ開口と位置合わせされたスペーサ開口を備えることができる。金属ボルトは、第１の端部と第２の端部を有することができ、第２の端部は、スペーサ、ＣＭＣ板および金属板を取り付けるように位置合わせされたスペーサ開口、ＣＭＣ板開口および金属板開口に嵌入するように使用可能である。ナットは、金属板に隣接することができ、ボルトの第２の端部を受け入れるように使用可能である。スペーサは、熱膨張係数の高い金属板を熱膨張係数の低いＣＭＣ板に取り付けられるようにできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板開口（１４２）を備えた金属板（１４０）と、
前記金属板（１４０）に隣接し、前記金属板開口（１４２）と位置合わせされたセラミックマトリックス複合材料板開口（１３２）を備えたセラミックマトリックス複合材料板（１３０）と、
前記セラミックマトリックス複合材料（１３０）に隣接し、前記金属板開口（１４２）および前記セラミックマトリックス複合材料板開口（１３２）と位置合わせされたスペーサ開口（１２２）を備えたスペーサ（１２０）と、
第１の端部（１１２）と、前記スペーサ（１２０）、前記セラミックマトリックス複合材料板（１３０）および前記金属板（１４０）を取り付けるように位置合わせされた前記スペーサ開口（１２２）、前記セラミックマトリックス複合材料板開口（１３２）および前記金属板開口（１４２）に嵌入するように使用可能な第２の端部（１１４）とを有する金属ボルト（１１０）と
を備えた、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項２】
前記スペーサ（１２０）が、熱膨張係数の高い前記金属板（１４０）を熱膨張係数の低いセラミックマトリックス複合材料板（１３０）に取り付けられるようにする、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項３】
前記金属板（１４０）に隣接し、前記ボルト（１１０）の第２の端部（１１４）を受け入れるように使用可能なナット（１５０）をさらに備えた、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項４】
前記スペーサ（１２０）が前記ボルト（１１０）と同じ熱膨張係数を有する、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項５】
前記スペーサ（１２０）が前記金属板（１４０）と同じ熱膨張係数を有する、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項６】
前記スペーサ（１２０）が前記ボルト（１１０）よりも高い熱膨張係数を有する、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項７】
前記スペーサ（１２０）の厚さ（２１０）が前記セラミックマトリックス複合材料板（１３０）の厚さ（２２０）よりも大きい、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項８】
前記スペーサ（１２０）の厚さ（２１０）が前記セラミックマトリックス複合材料板（１３０）の厚さ（２２０）の約２．５倍である、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項９】
前記ボルト（１１０）が、前記ボルト（１１０）の第１の端部（１１２）に取り付けられたばね（４００）を備えている、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１０】
前記ばね（４００）が前記セラミックマトリックス複合材料板（１３０）と連動する、請求項９に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１１】
前記ばね（４００）の熱膨張係数が前記金属板（１４０）の熱膨張係数と同様である、請求項９に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１２】
前記ばね（４００）の熱膨張係数が前記ボルト（１１０）の熱膨張係数と同様である、請求項９に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１３】
前記ばね（４００）の熱膨張係数が前記金属板（１４０）の熱膨張係数より高い、請求項９に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１４】
前記ばね（４００）の熱膨張係数が前記ボルト（１１０）の熱膨張係数より高い、請求項９に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１５】
金属板開口（１４２）を備えた金属板（１４０）と、
前記金属板（１４０）に隣接し、前記金属板開口（１４２）と位置合わせされたセラミックマトリックス複合材料板開口（１３２）を備えたセラミックマトリックス複合材料板（１３０）と、
第１の端部（１１２）と、前記セラミックマトリックス複合材料板（１３０）および前記金属板（１４０）を取り付けるように位置合わせされた、前記セラミックマトリックス複合材料板開口（１３２）および前記金属板開口（１４２）に嵌入するように使用可能な第２の端部（１１４）と、貫通する流路（３００）とを有する金属ボルト（１１０）と
を備えた、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１６】
前記金属板（１４０）に隣接し、前記ボルト（１１０）の第２の端部（１１４）を受け入れるように使用可能なナット（１５０）をさらに備えた、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１７】
前記金属ボルト（１１０）の流路（３００）が、前記金属ボルト（１１０）と前記金属板（１４０）と前記セラミックマトリックス複合材料板（１３０）との間の熱膨張係数の不整合に起因して前記セラミックマトリックス複合材料板（１３０）に対して相対的に前記ボルト（１１０）が拡大することを最小限に抑える、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１８】
前記ボルト（１１０）の流路（３００）が前記ボルト（１１０）に冷気（３１０）を流す、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項１９】
前記ボルト（１１０）の流路（３００）が、流露のないボルトよりも低いボルト温度をもたらす、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【請求項２０】
ゼロＣＭＣ厚の結合部が得られる、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概してタービンに関し、より具体的には、ガスタービン中のセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）を金属部品にボルトで取り付けることに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、セラミックマトリックス複合材料製タービン部品は、隣接する金物および／または金属表面への取り付けが必要である。ＣＭＣを金物に取り付けることに伴う２つの欠点は、硬くて粗いセラミック材料表面による金物の摩損とＣＭＣ内での荷重分散の欠如である。さらに、金属とセラミックマトリックス複合材料の間の熱膨張係数の相違が、金属とセラミックマトリックス複合材料との取り付けを困難にしている。
【０００３】
したがって、上記の欠点に煩わされない、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）部品およびＣＭＣ部品に金属部品を取り付ける方法が当分野において望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０３３１０５号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本開示の例示の実施形態によれば、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造が提供される。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、金属板開口を有する金属板を備えている。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、上記金属板に隣接し、上記金属板開口と位置合わせされたセラミックマトリックス複合材料板開口を有するセラミックマトリックス複合材料板を備えている。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、上記セラミックマトリックス複合材料に隣接し、上記金属板開口および上記セラミックマトリックス複合材料板開口と位置合わせされたスペーサ開口を有するスペーサを備えている。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、第１の端部と、上記スペーサ、上記セラミックマトリックス複合材料板および上記金属板を取り付けるように位置合わせされた上記スペーサ開口、上記セラミックマトリックス複合材料板開口および上記金属板開口に嵌入するように使用可能な第２の端部とを有する金属ボルトを備えている。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、上記金属板に隣接し、上記ボルトの第２の端部を受け入れるように使用可能なナットを備えている。上記スペーサは、熱膨張係数の高い上記金属板を熱膨張係数の低いセラミックマトリックス複合材料板に取り付けられるようにする。
【０００６】
本開示の別の例示の実施形態によれば、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造が提供される。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、金属板開口を有する金属板を備えている。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、上記金属板に隣接し、上記金属板開口と位置合わせされたセラミックマトリックス複合材料板開口を備えたセラミックマトリックス複合材料板を備えている。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、第１の端部と、第２の端部と、貫通する流路とを有する金属ボルトを備えている。上記ボルトの第２の端部は、上記セラミックマトリックス複合材料板および上記金属板を取り付けるように位置合わせされた上記セラミックマトリックス複合材料板開口および上記金属板開口に嵌入するように使用可能である。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、上記金属板に隣接し、上記ボルトの第２の端部を受け入れるように使用可能なナットを備えている。上記金属ボルトの流路は、上記金属ボルトと上記金属板と上記セラミックマトリックス複合材料板との間の熱膨張係数の不整合に起因して上記ボルトが上記セラミックマトリックス複合材料板に対して相対的に拡大することを最小限に抑える。
【０００７】
本発明のその他の特徴および利点は、例示として発明の原理を説明する添付の図面と併せて、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造の概略断面図である。
【図２】本開示のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造の概略断面図である。
【図３】本開示のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造の概略断面図である。
【図４】本開示のセラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造の概略断面図である。
【図５】本開示のゼロＣＭＣ厚の結合部の正面図である。
【図６】本開示のゼロＣＭＣ厚の結合部の側面図である。
【図７】本開示のゼロＣＭＣ厚の結合部の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
可能な限り、図面全体を通して同じ部分を表すために同じ参照番号が使用される。
【００１０】
熱膨張係数が異なるセラミックマトリックス複合材料と金属部品を取り付ける、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造が提供される。
【００１１】
本開示の実施形態の１つの利点は、低い熱膨張係数（αCMC）を有するＣＭＣ部品をＣＭＣ部品に対して相対的に高い熱膨張係数（αmetal）を有する金属部品に取り付けるための取付構造を提供することを含む。
【００１２】
一実施形態によれば、金属板とセラミックマトリックス複合材料板を備えた、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造が提供される。例えば、図１は、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００の概略断面図である。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、金属板開口１４２を有する金属板１４０を備えることができる。金属板は、ＣＭＣ部品に対して相対的に高い熱膨張係数（αmetal）を有することができる。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、金属板１４０に隣接するセラミックマトリックス複合材料板１３０を備えることができる。セラミックマトリックス複合材料板１３０は、金属板開口１４２と位置合わせされたセラミックマトリックス複合材料板開口１３２を有することができる。セラミックマトリックス複合材料は、金属部品の熱膨張係数より一般的に低い低熱膨張係数（αCMC）を有することができる。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、セラミックマトリックス複合材料１３０に隣接するスペーサ１２０を備えることができる。スペーサ１２０は、金属板開口１４２およびセラミックマトリックス複合材料板開口１３２と位置合わせされたスペーサ開口１２２を備えることができる。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、金属ボルト１１０を備えることができる。金属ボルト１１０は、第１の端部１１２と第２の端部１１４を有することができ、第２の端部１１４は、スペーサ１２０、セラミックマトリックス複合材料板１３０および金属板１４０を取り付けるように位置合わせされたスペーサ開口１２２、セラミックマトリックス複合材料板開口１３２および金属板開口１４２に嵌入するように使用可能である。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、金属板１４０に隣接するナット１５０を備えることができ、ナット１５０は、金属ボルト１１０の第２の端部１１４を受け入れるように使用可能である。例えば、一実施形態では、スペーサ１２０は、熱膨張係数が高い金属板１４０を熱膨張係数が低いセラミックマトリックス複合材料板１３０に取り付けられるようにすることができる。
【００１３】
一実施形態によれば、スペーサは金属であり、金属ボルトまたは金属板と熱膨張係数が同じであっても異なっていてもよい。例えば、図１において、スペーサ１２０は金属であり、金属ボルト１１０と同じ熱膨張係数を有することができる。別の実施形態では、スペーサ１２０は金属であり、金属板１４０と同じ熱膨張係数を有することができる。スペーサ１２０、ボルト１１０および金属板１４０にとって適切な材料には、以下に限定されないが、金属、合金、それらの組み合わせなどがあり、例えば、合金には、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、それらの組み合わせなどがある。スペーサ１２０の厚さ２１０は、セラミックマトリックス複合材料板１３０の厚さ２２０より大きくなる。
【００１４】
一実施形態によれば、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、金属板と、セラミックマトリックス複合材料板と、スペーサと、金属ボルトと、ナットを備えることができる。例えば、図２に示すように、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、金属板１４０と、セラミックマトリックス複合材料板１３０と、スペーサ１２０と、金属ボルト１１０と、ナット１５０を備えることができる。本実施形態では、スペーサ１２０の熱膨張係数を金属ボルト１１０の熱膨張係数より高くすることができる。スペーサ１２０は厚さ２１０を有することができる。セラミックマトリックス複合材料板１３０は厚さ２２０を有している。スペーサ１２０の厚さ２１０は、セラミックマトリックス複合材料板１３０の厚さ２２０の約２．５倍にすることができる。
【００１５】
一実施形態によれば、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造は、金属板と、セラミックマトリックス複合材料板と、金属ボルトと、ナットと、ばねを備えることができる。例えば、図３では、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、金属板１４０と、セラミックマトリックス複合材料板１３０と、金属ボルト１１０と、ナット１５０を備えることができる。本実施形態では、ボルト１１０は、金属ボルト１１０の第１の端部１１２に取り付けられたばね４００を備えることができる。ばね４００は、以下に限定されないが、金属、合金などの金属であってもよく、例えば、合金には、以下に限定されないが、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、それらの組み合わせなどがある。ばねの熱膨張係数（αspring）は、金属板の熱膨張係数（αmetal）またはボルトの熱膨張係数（αbolt）と同様にすることができる。別の実施形態では、ばねの熱膨張係数（αspring）は、金属板の熱膨張係数（αmetal）またはボルトの熱膨張係数（αbolt）より高くすることができる。図３に示すように、ばね４００はジョイントスプリングであってもよい。別の実施形態では、ばね４００は、コイルばね、ベルビルばね、波形ばね、または板ばねであってもよい。動作時、ばね４００は、セラミックマトリックス複合材料板１３０と連動する。
【００１６】
一実施形態によれば、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造が提供される。例えば、図４に示すように、セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、金属板開口１４２を有する金属板１４０を備えることができる。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、金属板１４０に隣接するセラミックマトリックス複合材料板１３０を備えることができる。セラミックマトリックス複合材料板１３０は、金属板開口１４２と位置合わせされたセラミックマトリックス複合材料板開口１３２を備えることができる。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、第１の端部１１２と、第２の端部１１４と、貫通する流路３００とを有する金属ボルト１１０を備えることができる。金属のボルト１１０の第２の端部１１４は、セラミックマトリックス複合材料板１３０および金属板１４０を取り付けるように位置合わせされたセラミックマトリックス複合材料板開口１３２および金属板開口１４２に嵌入するように使用可能である。セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造１００は、金属板１４０に隣接し、金属ボルト１１０の第２の端部１１４を受け入れるように使用可能なナット１５０を備えることができる。金属ボルト１１０の流路３００は、金属ボルト１１０と金属板１４０とセラミックマトリックス複合材料板１３０との間の熱膨張係数の不整合に起因するボルト１１０の拡大を最小限に抑えることができる。例えば、図４に示すように、ボルトの流路３００はボルト１１０に冷気３１０を流す。ボルト１１０の流路３００は、流路のないボルトよりも低いボルト温度をもたらすことができる。さらに低温のボルトであれば、セラミックマトリックス複合材料板１３０に対してそれほど拡大しなくなる。
【００１７】
一実施形態によれば、ゼロＣＭＣ厚の結合部を得ることができる。例えば、図５から図７に示すように、金属部品がＣＭＣ板１３０を包み込むように、ＣＭＣフック６００とストッパ７１０を作成することができる。図５および図６に、線５００でゼロ点厚さを示すことができる。金属１４０は、ＣＭＣ１３０上で同じデータム位置で引いたり押したりすることができる。この方法は、締結する金属の全長を締結される金属の長さと一致させることができるので、ボルトによる結合部のαの不整合からＣＭＣを除外することができる。
【００１８】
本発明を好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変形を行い得ること、および発明の要素が等価物によって代用され得ることは当分野の技術者には理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況または材料を発明の教示に適合させるように多数の変更を行うことが可能である。したがって、本発明が本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されないこと、しかしながら、本発明が添付の特許請求の範囲に入るすべての実施形態を包含することが意図されている。
【符号の説明】
【００１９】
１００  セラミックマトリックス複合材料と金属の取付構造
１１０  金属ボルト
１１２  第１の端部
１１４  第２の端部
１２０  スペーサ
１２２  スペーサ開口
１３０  セラミックマトリックス複合材料板
１３２  セラミックマトリックス複合材料板開口
１４０  金属板
１４２  金属板開口
１５０  ナット
２１０  スペーサ１２０の厚さ
２２０  セラミックマトリックス複合材料板１３０の厚さ
３００  流路
３１０  冷気
４００  ばね
５００  線
６００  ＣＭＣフック
７１０  ストッパ
【図１】
2015528088.tif 000003
【図２】
2015528088.tif 000004
【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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【国際調査報告】
2015528088.tif 000010
2015528088.tif 000011
2015528088.tif 000012