(57)【要約】【課題】ノズル、ノズルハンガ、及びセラミック−金属取付けシステムを提供すること。【解決手段】セラミック−金属取付けシステムは、セラミックマトリックス複合材料のノズル及び金属のノズルハンガを備える。また、装着システムは、ノズルの第２の面及びノズルの装着部材と隣接するクランプ部材を備える。装着システムは、ノズルとクランプ部材とノズルハンガとを固定する複数の取付け部材を備える。ノズルハンガのシール部材は、ノズルの翼形部を隣接する空気流からシールする。【選択図】図１
2015522752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のバンドと、
第２のバンドと、
第１のバンドと第２のバンドをつなぐ翼形部と、
第２のバンド及び翼形部と一体に形成され、第１の面及び第２の面を有する装着部材と
を備えるノズルであって、装着部材が、
翼形部を貫通する空洞と、
空洞を包囲する半径方向外側耐荷重面と、
半径方向外側耐荷重面と反対側の半径方向内側耐荷重面と、
半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間の接線境界面と、
半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間のモーメント境界面であって、接線境界面と反対側のモーメント境界面と
を含んでおり、装着部材によってノズルが周囲静止面に取り付けられる、ノズル。
【請求項２】
ノズルがセラミックマトリックス複合材料又は金属である、請求項１記載のノズル。
【請求項３】
ノズルが片持ち式に装着される、請求項１記載のノズル。
【請求項４】
装着部材が、モーメント境界面と隣接し、半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間の軸線境界面を含む、請求項１記載のノズル。
【請求項５】
装着部材が、接線耐荷重面及びモーメント境界面を形成するように機械加工されている、請求項１記載のノズル。
【請求項６】
ノズル受け面と、
ノズル受け面と一体に形成され、ノズル受け面に隣接するシュラウドハンガと、
ノズル受け面に略垂直な軸線耐荷重面と、
ノズル受け面に略垂直な接線耐荷重面と、
接線耐荷重面と反対側のモーメント耐荷重面と
を備えるノズルハンガであって、ノズルを受け入れて、ノズル及びハンガの荷重を周囲の静的構造体に伝達する、ノズルハンガ。
【請求項７】
ノズルハンガが金属である、請求項６記載のノズルハンガ。
【請求項８】
シュラウドハンガによって、ノズルハンガがケーシングに取り付けられる、請求項６記載のノズルハンガ。
【請求項９】
ノズルがセラミックマトリックス複合材料部品である、請求項６記載のノズルハンガ。
【請求項１０】
ノズルハンガがシール部材を含む、請求項６記載のノズルハンガ。
【請求項１１】
セラミック−金属取付けシステムであって、
第１のバンドと、
第２のバンドと、
第１のバンドと第２のバンドをつなぐ翼形部と、
第２のバンド及び翼形部と一体に形成され、第１の面及び第２の面を有する装着部材と
を備えるノズルであって、装着部材が、
翼形部を貫通する空洞と、
空洞を包囲する半径方向外側耐荷重面と、
半径方向外側耐荷重面と反対側の半径方向内側耐荷重面と、
半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間の接線境界面と、
半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間のモーメント境界面であって、接線境界面と反対側のモーメント境界面と
を含んでいて、装着部材によってノズルが周囲静止面に取り付けられる、ノズルと、
ノズルを受け入れるためのノズルハンガであって、
ノズル受け面と、
ノズル受け面と一体に形成され、ノズル受け面に隣接するシュラウドハンガと、
ノズル受け面に略垂直な軸線耐荷重面と、
ノズル受け面に略垂直な接線耐荷重面と、
接線耐荷重面と反対側のモーメント耐荷重面と、
空洞を包囲し、ノズル受け面とノズルとの間に配置されるシール部材と
を備えていて、ノズルを受け入れて、ノズル及びハンガの荷重を周囲の静的構造体に伝達する、ノズルハンガと、
ノズルの第２の面及びノズルの装着部材と隣接するクランプ部材と、
ノズルとクランプ部材とノズルハンガとを固定する複数の取付け部材と
を備えており、ノズルハンガのシール部材が、翼形部を隣接する空気流からシールする、セラミック−金属取付けシステム。
【請求項１２】
ノズルがセラミックマトリックス複合材料又は金属である、請求項１１記載のセラミック−金属取付けシステム。
【請求項１３】
ノズルハンガが金属である、請求項１１記載のセラミック−金属取付けシステム。
【請求項１４】
クランプ部材が複数の隆起面を備える、請求項１１記載のセラミック−金属取付けシステム。
【請求項１５】
シュラウドハンガによって、ノズルハンガがシュラウドに取り付けられる、請求項１１記載のセラミック−金属取付けシステム。
【請求項１６】
クランプ部材が金属である、請求項１１記載のセラミック−金属取付けシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、タービンに関する。より詳細には、本発明は、タービン用のノズル、ノズルハンガ、及びセラミック−金属取付けシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）を使用してタービンブレード又はタービンノズルなどタービンエンジン部品を製造するために、多くの技術が使用されている。ＣＭＣ部品を製造する方法の一つは、溶融ケイ素で浸潤された繊維性材料を含有する炭化ケイ素マトリックス複合材料の製作に関連しており、本明細書ではＳｉｌｃｏｍｐ法と称される。繊維は、一般的に、約１４０μｍ以上の直径を有しており、タービンブレード部品など、入り組んだ複雑な形状をＳｉｌｃｏｍｐ法によって製造することはできない。
【０００３】
ＣＭＣタービンブレードを製造する別の技術は、スラリキャスト溶融含浸（ＭＩ）処理として知られる方法である。スラリキャストＭＩ法を用いる製造方法の一つでは、ＣＭＣは、先ず、２つの織り方向が互いに対して実質的に９０度の角度であり、実質的に同じ数の繊維が織りの両方向に走る、炭化ケイ素（ＳｉＣ）含有繊維を含む平衡な２次元（２Ｄ）の織布の層を準備することによって、ＣＭＣが製作される。
【０００４】
一般的に、このようなタービン部品は、金属部品及び／又は金属表面に隣接させて取り付ける必要がある。ＣＭＣの金属部品への取付けに伴う２つの欠点は、硬くて摩耗性のあるセラミック材料表面による金属部品の摩耗と、ＣＭＣ内の負荷分散の不足である。負荷分散は、シュラウドなど、ＣＭＣ部品と金属表面との境界において非常に重要である。一般に、負荷分散を改善するために、金属のシム又はセラミックの生地がＣＭＣと金属表面との間に挟み込まれている。摩耗は、一般に、金属部品に被覆を施すことで、或いは、ノズル取付け表面に被覆を施すことで、低減されている。
【０００５】
したがって、上述の短所のない、ノズル、ノズルハンガ、セラミックマトリックス複合材料の金属への取付けシステムが、当技術分野で望まれている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の例示の実施形態によれば、ノズルが提供される。ノズルは、第１のバンドと、第２のバンドと、第１のバンドと第２のバンドをつなぐ翼形部と、第２のバンド及び翼形部と一体に形成される装着部材とを備える。装着部材は、第１の面及び第２の面を備える。装着部材は、翼形部を貫通する空洞を備える。装着部材は、空洞を包囲する半径方向外側耐荷重面を備える。装着部材は、半径方向外側耐荷重面と反対側の半径方向内側耐荷重面を備える。装着部材は、半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間の接線境界面を備える。装着部材は、半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間のモーメント境界面であって、接線境界面と反対側のモーメント境界面を備える。装着部材は、ノズルを周囲静止面に取り付ける。
【０００７】
本開示の別の例示の実施形態によれば、ノズルハンガが提供される。ノズルハンガは、ノズル受け面と、ノズル受け面と一体に形成され、ノズル受け面に隣接するシュラウドハンガとを備える。ノズルハンガは、ノズル受け面に略垂直な軸線耐荷重面を備える。ノズルハンガは、ノズル受け面に略垂直な接線耐荷重面を備える。ノズルハンガは、接線耐荷重面と反対側のモーメント耐荷重面を備える。ノズルハンガは、ノズルを受け入れ、ノズル及びハンガの荷重を周囲の静的構造体に伝達する。
【０００８】
本開示の別の例示の実施形態によれば、セラミック−金属取付けシステムが提供される。セラミック−金属取付けシステムは、ノズル、ノズルハンガ、クランプ部材、及び複数の取付け部材を備える。ノズルは、第１のバンドと、第２のバンドと、第１のバンドと第２のバンドをつなぐ翼形部と、第２のバンド及び翼形部と一体に形成される装着部材とを備える。ノズルの装着部材は、第１の面及び第２の面を備え、並びに、翼形部を貫通する空洞を備える。ノズルの装着部材は、空洞を包囲する半径方向外側耐荷重面を備える。ノズルの装着部材は、半径方向外側耐荷重面と反対側の半径方向内側耐荷重面を備える。ノズルの装着部材は、半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間の接線境界面を備える。ノズルの装着部材は、半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間のモーメント境界面であって、接線境界面と反対側のモーメント境界面を備える。ノズルの装着部材は、ノズルを周囲静止面に取り付ける。ノズルハンガは、ノズル受け面と、ノズル受け面と一体に形成され、ノズル受け面に隣接するシュラウドハンガとを備える。ノズルハンガは、ノズル受け面に略垂直な軸線耐荷重面を備える。ノズルハンガは、ノズル受け面に略垂直な接線耐荷重面を備える。ノズルハンガは、接線耐荷重面と反対側のモーメント耐荷重面を備える。ノズルハンガは、空洞を包囲し、ノズル受け面とノズルとの間に配置されるシール部材を備える。ノズルハンガは、ノズルを受け入れ、ノズル及びハンガの荷重を周囲の静的構造体に伝達する。クランプ部材は、ノズルの第２の面及びノズルの装着部材と隣接する。複数の取付け部材は、ノズルとクランプ部材とノズルハンガとを固定する。ノズルハンガのシール部材は、翼形部を隣接する空気流からシールする。
【０００９】
本発明の他の特徴及び利点は、例を用いて本発明の原理を例示する添付の図面と共に、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示のノズルの側方からの概略斜視図である。
【図２】本開示のノズルの上方からの概略斜視図である。
【図３】本開示のノズルの概略上面図である。
【図４】本開示のノズルハンガの下方からの概略斜視図である。
【図５】本開示のノズルハンガの上方からの概略斜視図である。
【図６】本開示のノズルハンガの概略側面図である。
【図７】本開示のセラミック−金属取付けシステムの一部の概略部分斜視図である。
【図８】本開示のセラミック−金属取付けシステムの一部の側方断面図である。
【図９】本開示のクランプ部材の上方からの斜視図である。
【図１０】本開示のクランプ部材の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
可能な限り、同じ部分を表すために、同じ参照符号を、図面を通して用いていく。
【００１２】
提供されるのは、ノズル、ノズルハンガ、及び、セラミック−金属取付けシステムである。
【００１３】
本開示の実施形態の１つの利点は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）のノズルは、従来の金属のノズルよりも高い温度で運転させることができることを含む。実施形態の別の利点は、片持ち位置でＣＭＣのノズルを取り付けることを含む。本開示の実施形態のさらに別の利点は、ＣＭＣのノズルを金属のノズルハンガに取り付けるためのシステムを含む。本開示の別の利点は、金属のノズルを金属のノズルハンガに取り付けるためのシステムを含む。実施形態のさらに別の利点は、システムが、翼形部から取付け部材への直接的な荷重経路を提供することである。実施形態の別の利点は、ノズル部品の応力が低減されることである。本開示のさらに別の利点は、システムがノズル及び取付けハンガの異なる熱成長を許容することである。本開示の別の利点は、システムが翼形部の空洞をシールするために好都合な配置を可能にすることである。
【００１４】
図１は、ノズル１００の側方からの概略斜視図である。一実施形態によれば、ノズルは、前端及び後端を有することができる。例えば、図１〜図３に描写されるように、ノズル１００は、前端１１０及び後端１０８を有している。ノズル１００は、第１のバンド１０２、第２のバンド１０４、並びに、第１のバンド１０２及び第２のバンド１０４を連結する翼形部１０６を備えることができる。本明細書で使われるように、「バンド」とは、翼形部の通路の上部及び下部を定めるために使用される、ノズルの上方部又は下方部を意味する。ノズル１００は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）であってもよく、適切な積層技術又は他の公知のＣＭＣ部品製作技術を用いて形成されてもよい。ノズル１００は、第２のバンド１０４及び翼形部１０６と一体に形成される装着部材１２０を備えることができる。装着部材１２０は、第１の面１１４及び第２の面１１６を備えることができる。装着部材１２０は、翼形部１０６を貫通する空洞１３０を備えることができる。装着部材１２０は、第２のバンド１０４の第１の面１１４に半径方向外側耐荷重面１４０を備えることができる。半径方向外側耐荷重面１４０は、空洞１３０を包囲してもよい。半径方向外側耐荷重面１４０は、運転中に、ノズル１００からの圧力荷重を受けて支えてもよい。装着部材１２０は、第２のバンド１０４の第２の面１１６で半径方向外側耐荷重面１４０の反対に、半径方向内側耐荷重面１５０を備えることができる。半径方向内側耐荷重面１５０は、運転中に、ノズル１００からの圧力荷重を受けて支えてもよい。装着部材１２０は、半径方向外側耐荷重面１４０と半径方向内側耐荷重面１５０との間の接線境界面１６０を備えることができる。一実施形態において、接線境界面１６０は、運転中に、ノズル１００からの圧力荷重を受けて支えてもよい。装着部材１２０は、半径方向外側耐荷重面１４０と半径方向内側耐荷重面１５０との間で接線境界面１６０の反対に、モーメント境界面１７０を備えることができる。装着部材１２０は、ノズル１００を、ケーシングなど、周囲静止面８００に取り付けてもよい（図８参照）。
【００１５】
一実施形態によれば、装着部材は、モーメント境界面と隣接し、半径方向外側耐荷重面と半径方向内側耐荷重面との間の軸線境界面を備えることができる。例えば、図１〜図３に例示されるように、装着部材１２０は、モーメント境界面１７０と隣接し、半径方向外側耐荷重面１４０と半径方向内側耐荷重面１５０との間にある軸線境界面１８０を備えることができる。装着部材１２０は、取付け部材７０２を受け入れるための装着穴１９０を備えることができる（図７及び図８参照）。図１に示すように、装着部材１２０は、第２のバンド１０４及び翼形部１０６と一体に形成されてもよく、装着部材１２０の第２の面１１６と第２のバンド１０４との間に空間１２２を含んでいてもよい。空間１２２は、クランプ部材７１０を受け入れるように適合されてもよい（図７〜図１０参照）。装着部材１２０は、装着部材１２０及びノズルハンガ４００が補完的な角度の面を有し得るように、ノズルハンガ４００を補完してノズルハンガ４００に合うように設計されてもよい。角度は、約０度〜約４５度の範囲であってもよく、又は、約５度〜約４０度、或いは、約１０度〜約３５度の範囲であってもよい。一実施形態では、角度は、流路と適合するように選択されてもよい。図３に示すように、空洞１３０は、装着部材１２０に形成されており、翼形部１０６及び第１のバンド１０２を通って延びている。一実施形態では、空洞１３０は、冷却空気用の少なくとも１つの開口１３２、及び、シールボックス（図示せず）に取り付けるためのボルト用の通路１３４を備える。
【００１６】
一実施形態によれば、ノズルハンガが設けられている。例えば、図４〜図６は、本開示のノズルハンガ４００の実施形態を示している。図４は、ノズルハンガ４００の上方からの概略斜視図である。ノズルハンガ４００は、ニッケル基又はコバルト基の超合金製であってもよい。ノズルハンガ４００は、ノズル１００を受け入れるためのノズル受け面４１０を備えることができる。ノズルハンガ４００は、ノズル受け面４１０と一体に形成され、ノズル受け面４１０に隣接するシュラウドハンガ４３０を備えることができる。シュラウドハンガ４３０は、ノズルハンガ４００を静的構造体８００、つまり筺体に取り付けるように動作可能であってもよい（図８参照）。ノズルハンガ４００は、ノズル受け面４１０に略垂直な軸線耐荷重面４４０を備えることができる。本明細書で用いられるとき、「略垂直」とは約±２５度である。ノズルハンガ４００は、ノズル受け面４１０に略垂直な接線耐荷重面４５０を備えることができる。ノズルハンガ４００は、接線耐荷重面４５０と反対側のモーメント耐荷重面４６０を備えることができる。ノズルハンガ４００は、ノズル受け面４１０でノズル１００を受け入れてもよく、ノズル１００及びノズルハンガ４００の荷重を、シュラウドなど、周囲の静的構造体８００に伝達してもよい（図８参照）。例えば、図５に示すように、ノズルハンガ４００は、翼形部１０６の空洞１３０に対しての冷却空気を受け入れるための少なくとも１つの通路４８０を備えることができる。描写されるように、ノズルハンガ４００は、ノズル１００を受け入れるための２つのシール溝４７０を備えることができる。シール溝４７０は、限定されることはないが、ロープ状シール及びセラミックシールなど、シール部材を受け入れてもよく、それによって、翼形部１０６を隣接する空気流からシールする。代わりの実施形態では、ノズルハンガ４００は、３６０度の円環を作り上げる、単一の部分又は任意の数の部分であってもよい。図６に示すように、ノズルハンガ４００は、一つの部材であってもよい。しかしながら、代わりの実施形態では、ノズルハンガ４００は、２つ以上の部材であってもよい。
【００１７】
一実施形態によれば、ノズル、ノズルハンガ、クランプ部材、及び複数の取付け部材を備えたセラミック−金属取付けシステムが提供される。例えば、図７及び図８には、セラミック−金属取付けシステム７００が示される。セラミック−金属取付けシステム７００は、ノズル１００、ノズルハンガ４００、クランプ部材７１０、及び複数の取付け部材７０２を備えることができる。ノズル１００は、ノズルハンガ４００と協働してもよく、ノズルハンガ４００に取り付けられてもよい。図８に示すように、ノズル１００及びノズルハンガ４００は、角度がつけられており、ノズル１００は片持ち構成を有することができる。クランプ部材７１０は、ノズル１００の第２のバンド１０４及び装着部材１２０に隣接する空間１２２内に位置することができる。クランプ部材７１０は、ノズル１００の振動を低減してもよく、ノズル１００を空間１２２内に固定してもよい。取付け部材７０２及び座金７０４は、ノズル１００、クランプ部材７１０、及びノズルハンガ４００を一緒に固定してもよい。ノズル１００は、取付け部材７０２を受け入れるための装着穴１９０を備えることができる。クランプ部材７１０は、取付け部材７０２を受け入れるためのボルト穴９９０を備えることができる。ノズルハンガ４００は、取付け部材７０２を受け入れるための開口４９０を備えることができる。一実施形態においては、例えば、図７に描写されるように、装着穴１９０（図１参照）、ボルト穴９９０（図９参照）、及び開口４９０（図４参照）は、取付け部材７０２を受け入れるために一列になってもよい。
【００１８】
一実施形態によれば、クランプ部材が設けられている。例えば、図９及び図１０は、クランプ部材７１０の実施形態を示している。クランプ部材７１０の第１の面９０２は、複数の隆起面９１０、９１２を備えることができる。第１の隆起面９１０は、装着部材１２０の半径方向内側耐荷重面１５０と協働してもよい。第２の隆起面９１２は、装着部材１２０の第２の面１１６と協働してもよい。クランプ部材７１０は、限定されることはないが、ニッケル基又はコバルト基の超合金など、金属製であってもよい。
【００１９】
本発明について好ましい実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、均等物によって構成要素が代用され得ることは、当業者には理解されるであろう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に合わせるために、多くの修正を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図されている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ず、本発明は、添付の特許請求の範囲にある全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】
【００２０】
１００  ノズル
１０２  第１のバンド
１０４  第２のバンド
１０６  翼形部
１１４  第１の面
１１６  第２の面
１２０  装着部材
１３０  空洞
１４０  半径方向外側耐荷重面
１５０  半径方向内側耐荷重面
１６０  接線境界面
１７０  モーメント境界面
１８０  軸線境界面
４００  ノズルハンガ
４１０  ノズル受け面
４３０  シュラウドハンガ
４４０  軸線耐荷重面
４５０  接線耐荷重面
４６０  モーメント耐荷重面
７００  セラミック−金属取付けシステム
７０２  取付け部材
７１０  クランプ部材
８００  周囲静止面
８００  静的構造体
９１０  隆起面
９１２  隆起面
【図１】
2015522752.tif 000003
【図２】
2015522752.tif 000004
【図３】
2015522752.tif 000005
【図４】
2015522752.tif 000006
【図５】
2015522752.tif 000007
【図６】
2015522752.tif 000008
【図７】
2015522752.tif 000009
【図８】
2015522752.tif 000010
【図９】
2015522752.tif 000011
【図１０】
2015522752.tif 000012
【国際調査報告】
2015522752.tif 000013
2015522752.tif 000014
2015522752.tif 000015