(57)【要約】【課題】  本発明は、一般にセラミックマトリックス複合材料に関し、より具体的には、セラミックマトリックス複合材料内の亀裂を抑止するための方法及び装置に関する。【解決手段】  分離不可能な組立体（４２）は、第１の面（８２）と第２の面（８８）とを有する本体（８０）を含む。この本体（８０）は、第１の所定の延性を有する酸化物を基材としたセラミックマトリックス複合材料を含む。組立体（４２）は更に、第１の面（８２）と前記第２の面（８８）との間で本体（８０）に延びる亀裂（１２８）と、亀裂（１２８）の縁部（１３４）の少なくとも一部分に重ね合わせて第１の面（８２）と第２の面（８８）との少なくとも一方に接着されるパッチ（１５０）とを含む。パッチ（１５０）は、第１の延性よりも大きな第２の所定の延性を有する第２の材料を含む。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面（８２）と第２の面（８８）とを有し、第１の所定の延性を有する酸化物を基材としたセラミックマトリックス複合材料を含む本体（８０）と、
前記第１の面（８２）と前記第２の面（８８）との間で前記本体（８０）内に延びる亀裂（１２８）と、
前記第１の延性よりも大きな第２の所定の延性を有する第２の材料を含み、前記亀裂（１２８）の縁部（１３４）の少なくとも一部分に重ね合わせて前記第１の面（８２）と前記第２の面（８８）の少なくとも一方に接着されるパッチ（１５０）と、
を含む分離不可能な組立体（４２）。
【請求項２】
前記パッチ（１５０）が金属ワイヤメッシュを含むことを特徴とする請求項１に記載の組立体（４２）。
【請求項３】
前記金属ワイヤメッシュがニッケル基合金を含むことを特徴とする請求項２に記載の組立体（４２）。
【請求項４】
前記金属ワイヤメッシュがコバルト基合金を含むことを特徴とする請求項２に記載の組立体（４２）。
【請求項５】
前記金属ワイヤメッシュがステンレス鋼を含むことを特徴とする請求項２に記載の組立体（４２）。
【請求項６】
前記パッチ（１５０）が接着剤を用いて前記本体（８０）に接着されることを特徴とする請求項１に記載の組立体（４２）。
【請求項７】
前記接着剤がセラミック接着剤を含むことを特徴とする請求項６に記載の組立体（４２）。
【請求項８】
前記接着剤が、ガラス粉末とアルミナ粉末とシリカ生成ポリマーとの組合せを含むことを特徴とする請求項７に記載の組立体（４２）。
【請求項９】
前記本体（８０）が、ガスタービンエンジン（２０）用のシ−ルを含むことを特徴とする請求項１に記載の組立体（４２）。
【請求項１０】
前記シ−ルが排気ノズルシ−ル（９０）を含むことを特徴とする請求項９に記載の組立体（４２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にセラミックマトリックス複合材料に関し、より具体的には、セラミックマトリックス複合材料内の亀裂を抑止するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、典型的には圧縮機、燃焼器、及びタービンを含む。圧縮機に入る空気流は、圧縮されて燃焼器へ送られ、そこで空気が燃料と混合されて点火され、燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、タービンへ送られ、該タービンが燃焼ガスから圧縮機を駆動するためのエネルギーを取り出す。あるタービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して圧縮機を駆動する。他のタービンは、発電機などの負荷に接続された出力シャフトを駆動するために使用することができる。幾つかの用途においては、タービンから出る燃焼ガスは、エンジン排気ノズルを通じて飛行中の航空機を推進させる推力を発生させるよう送られる。
【０００３】
幾つかの公知の航空機用ガスタービンエンジンは、断面積を調節可能な可変の幾何的構成を有するエンジン排気ノズルを含む。可変幾何形状排気ノズルは、典型的には排気ノズルの中心線の周りに円周方向に装着された複数のフラップと複数のシ−ルとを有する。該シールは、フラップとシ−ルとが排気ノズルを通る燃焼ガスの流れを配向する、ほぼ連続した内表面を形成するように、隣接し合うノズルフラップ間にほぼ取り付けられる。これらの名称が示しているように、シ−ルは、フラップ間の空間を密閉して、燃焼ガスが流れる間に排気ノズルの種々の構成要素を高温及び高熱勾配から保護する。
【０００４】
高温作動における有効寿命の延長を促進するために、幾つかのシ−ルは、セラミックマトリックス複合材料などの非金属複合材料で作られる。しかしながら、このような非金属複合材料でさえも、ガスタービンエンジン内の過酷な作動環境によって磨耗及び他の損傷を受ける。例えば、作動中にシ−ルが受ける高い熱勾配が原因で、シ−ル内部に亀裂が生じる場合がある。このような亀裂を補修するための既知の方法は、典型的には該シ−ルを損傷を受けていないシ−ルと交換すること、又は該シ−ルの一部分を損傷を受けていない材料と交換することが含まれる。しかしながら、シ−ル又はシ−ルの一部分の交換は、コストがかかり、有効な作動寿命を依然として有しているシ−ルを廃棄することになる。
【特許文献１】特開２００２−２７６４６５号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様においては、第１の面と第２の面とを有する本体を含む分離不可能な組立体が提供される。この本体は、第１の所定の延性を有する酸化物を基材としたセラミックマトリックス複合材料を含む。更に組立体は、第１の面と第２の面との間の本体内で延びる亀裂と、亀裂の縁部の少なくとも一部分に重ね合わせて第１の面と第２の面との内の少なくとも一方の面に接着されるパッチとを含む。パッチは、第１の延性よりも大きな第２の所定の延性を有する第２の材料を含む。
【０００６】
別の態様においては、排気中心線を有するガスタービンエンジンのための可変幾何形状排気ノズルが提供される。このノズルは、排気中心線の周りに配置され、各々が密閉面を有する複数のフラップと、複数のフラップシールとを含む。シールの各々は密閉面を含む本体を有する。該本体は、シ−ルの密閉面が隣接するフラップの少なくとも１つのフラップの密閉面と係合するように、複数のフラップの１対のフラップ間に位置付けられる。シ−ルの少なくとも１つは、シールを通って該シールの密閉面まで延びる亀裂を有する。亀裂の少なくとも一部分は、接着剤で本体に対して接着される金属ワイヤメッシュを含むパッチによって覆われる。
【０００７】
更に別の態様においては、第１の面と第２の面とを有する本体内で亀裂を抑止する方法が提供される。この本体は、酸化物を基材としたセラミックマトリックス複合材料を含む。亀裂は、第１の面と第２の面との間の本体内を通って延びる。この方法は、第１の面と第２の面との少なくとも一方上に金属ワイヤメッシュを含むパッチを該パッチが亀裂の縁部の少なくとも一部分に重なるように位置付ける段階と、該位置付けられた金属ワイヤメッシュを本体の面に接着する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の他の特徴は、一部は明らかであり、一部は以下において指摘されるであろう。
【０００９】
対応する参照符号は、図面の幾つかの図全体を通じて対応する部品を表す。
【００１０】
次に図面を参照すると、図１は、ファン２２、高圧圧縮機２４、及び燃焼器２６を含むガスタービンエンジン２０の概略図である。エンジン２０はまた、高圧タービン２８及び低圧タービン３０を含む。ファン２２とタービン３０とは第１のシャフト３４により連結され、高圧圧縮機２４とタービン２８とは第２のシャフト３６により連結される。１つの実施形態においては、エンジン２０は、オハイオ州イーブンデール所在のＧＥ  Ａｉｒｃｒａｆｔ  Ｅｎｇｉｎｅｓから商業的に入手可能なＦ４１４エンジンである。
【００１１】
作動時には、エンジン２０の吸気口３８を通って受けられた空気は、ファン２２により圧縮されて高圧圧縮機２４へ送られ、圧縮された空気はそこで更に圧縮される。高圧圧縮機２４からの高度に圧縮された空気は燃焼器２６に送られ、そこで燃料と混合されて点火され、燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器２６から送られてタービン２８及び３０を駆動し、排気ノズル組立体４２を介してエンジン２０の出口端４０から出て推力をもたらす。
【００１２】
図２は、ガスタービンエンジン２０の部分斜視図であり、排気ノズル組立体４２の１つのセクターを示す。図３は、図２の線３−３に沿って見た排気ノズル組立体４２の断面図である。ノズル組立体４２は、複数のフラップ７０と複数のフラップシール７２とを含む。フラップ７０及びフラップシール７２は、排気ノズル組立体４２の中心線７４の周りに円周方向に配置される。各フラップシール７２は、各フラップシール７２の一部分が各隣接するフラップ７０の一部分と重なるようにフラップ７０に対し半径方向内側で１対の隣接するフラップ７０間に配置される。より具体的には、各フラップ７０は、密閉面７８を有するフラップ本体７６を含み、各フラップシール７２は、密閉面８２を有して全体的に参照符号８０で示すフラップシール本体を含む。エンジン２０の作動中に各フラップ密閉面７８の一部分がフラップ７０及びフラップシール７２の軸方向長さにほぼ沿って各対応する密閉面８２の一部分と接触するように、フラップシール７２は隣接するフラップ７０と重なり合う。１つの実施形態においては、フラップシール本体８０は、セラミックマトリックス複合材料で作られる。別の実施形態においては、フラップシール本体８０は、酸化物を基材とするセラミックマトリックス複合材料で作られる。更に、１つの実施形態においては、フラップ本体７６はセラミックマトリックス複合材料で作られる。
【００１３】
フラップ７０及びフラップシール７２のそれぞれの半径方向内表面８６及び８８は、排気ノズルオリフィス９０を定めるほぼ連続した内表面を形成する。ノズルオリフィス９０は、タービン３０（図１に示す）から受け取られるガスの流路をエンジン出口端４０から外へ配向して推力を発生させる。例示的な実施形態においては、排気ノズル組立体４２は、ノズルオリフィス９０の断面積が調節可能な可変幾何形状排気ノズルである。本明細書では全体的に参照符号９２で示した取付け組立体は、各フラップシール７２を隣接するフラップ７０に連結する。組立体９２は、ノズルオリフィス９０の断面積の調節を容易にするために、エンジン２０の外側ケーシング９４に移動自在に連結される。更に、組立体９２によりフラップ７０とフラップシール７２との間の相対運動が可能となり、密閉面７８とそれぞれの密閉面８２との間の接触が容易になり、且つノズルオリフィス９０の断面積の調節が容易になる。例示的な実施形態においては、排気ノズルオリフィス９０は、ほぼ環状であるが、オリフィス９０は任意の好適な形状とすることができる点を理解されたい。例えば、別の実施形態においては、排気ノズルオリフィス９０は、ほぼ矩形である。
【００１４】
エンジン２０の作動中に、排気ノズルオリフィス９０を介して出る流路ガスの圧力は、フラップシール７２をフラップ７０に接して付勢し、より具体的にはシール７２の密閉面８２をフラップ７０のそれぞれの密閉面７８と接触するように付勢する。ガスがノズル組立体４２、より具体的には排気ノズルオリフィス９０を通って流れると、密閉面７８とそれぞれの密閉面８２との接触は、フラップ７０とフラップシール７２との間のガス漏れを実質的に防止する。
【００１５】
図４は、排気ノズル組立体４２（図２に示す）に使用するための例示的なフラップシール本体８０の斜視図である。本体８０は、密閉面８２と半径方向内表面８８とを含む。面８２及び８８に加えて、本体８０は、他の面１２０、１２２、１２４、及び１２６を含む。面８２、８８、１２０、１２２、１２４、及び１２６のいずれかを第１の面又は第２の面と呼ぶことができる。本体８０はまた、一方の面（例えば、面８２）から他方の面（例えば、面８８）まで貫通して延びる全体的に参照符号１２８で示す亀裂と、取付け組立体９２（図３に示す）に取り付けるための全体的に参照符号１３０で示す複数の孔とを含む。例示的な実施形態においては、亀裂１２８は、本体８０の面１２２、８２、及び８８に対応した縁部１３２、１３４、及び１３６の間で延びる。また例示的な実施形態においては、亀裂１２８は、密閉面８２から半径方向内表面８８まで本体８０を完全に貫通して延びる。しかしながら、亀裂１２８は、本体８０の任意の面の間（必ずしも面との間でなくてもよいが）で延びるように本体８０内のどこに延びてもよいことは理解されるべきである。
【００１６】
亀裂１２８は、フラップシール７２の性能及び有効寿命に悪影響を及ぼすおそれがある。より具体的には、亀裂１２８は、本体８０の通気性を増大させ、これは本体８０を通過するガス漏れを招き、これによってエンジン２０の効率が低下する。更に亀裂１２８は、フラップシール７２の破損を促進する可能性がある。
【００１７】
図５は、フラップシール本体８０の斜視図であって、このフラップシール本体８０は、亀裂１２８が該本体８０中に更に広がることを防止する（本明細書では抑止するとも呼ぶ）ためにフラップシール本体に接着される例示的なパッチ（全体を参照符号１５０で示す）を含む。例示的な実施形態においては、パッチ１５０は、密閉面８２に接着される。しかしながら、パッチ１５０は、面８２、８８、１２０、１２２、１２４、及び１２６の内のいずれか１つの面又は任意の複数の面に接着できることは理解されるべきである。更に１つの実施形態においては、シ−ル本体８０は、これに接着される複数のパッチ１５０を含む。パッチ１５０は、亀裂１２８に隣接するフラップシール本体８０の一部分の所定延性よりも大きな所定延性を有する。１つの実施形態においては、フラップシール本体８０の延性は、その全体にわたって実質的に均一であり、パッチ１５０の所定延性よりも小さい。
【００１８】
例示的な実施形態においては、パッチ１５０は、該パッチ１５０が亀裂縁部１３４の一部分と重なるように本体８０に接着される。しかしながら、パッチ１５０は、亀裂１２８の抑止を促進する任意の適当な位置において、より具体的には、亀裂１２８の任意の縁部の少なくとも一部分に重なるように、本体８０に接着することができることは理解されるべきである。パッチ１５０は、接着剤を使用してシ−ル本体８０に接着される。１つの実施形態においては、パッチ１５０をシ−ル本体８０に接着するために使用される接着剤は、例えば、フロリダ州所在のＳｐｅｃｉａｌｔｙ  Ｇｌａｓｓ製のＳＰ９２１（商標登録）ガラス粉末とシリカ生成ポリマーを含むアルミナ粉末とを結合させることによって作られるセラミック接着剤である。セラミック接着剤の別の実施例は、ニューヨーク市ブルックリン所在のＣｏｎｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＣｏｎｔｒｏｎｉｃｓ９０１（商標登録）接着剤である。更に、例示的な実施形態においては、パッチ１５０は金属ワイヤメッシュであるが、しかしながら、該パッチは任意の材料とすることができ、亀裂１２８に隣接するフラップシール本体８０の一部分の所定延性よりも大きな延性を有する任意の材料構成で作ることができることを理解されるべきである。１つの実施形態においては、パッチ１５０は、例えば、インディアナ州ココモ所在のＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．，から商業的に入手可能なＨＡＹＮＥＳ（商標登録）  ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ  Ｘ（商標）合金などのニッケル基合金で作られた金属ワイヤメッシュである。別の実施形態においては、パッチ１５０は、例えば、インディアナ州ココモ所在のＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．，から商業的に入手可能なＨＡＹＮＥＳ（商標登録）  ２３０合金などのようなコバルト基合金で作られた金属ワイヤメッシュである。更に別の実施形態においては、パッチ１５０は、例えば、オハイオ州クリーブランド所在のＣｌｅｖｅｌａｎｄ  Ｗｉｒｅ  Ｃｌｏｔｈから商業的に入手可能なステンレス鋼グレード３１６のようなステンレス鋼で作られた金属ワイヤメッシュである。
【００１９】
パッチ１５０をフラップシール本体８０に接着する前に、密閉面８２は、表面を僅かに研磨し、例えばアセトン又はイソプロパノールといった溶剤を塗布することにより清浄化されて、接着剤と密閉面８２との間の接着を促進する実質的に湿潤性の表面を提供する。清浄化後、パッチ１５０と密閉面８２とに接着剤を塗布する。次にパッチ１５０は、該パッチが図５に示すように亀裂縁部１３４の一部分と重なるよう亀裂１２８を覆って密閉面８２上に位置付けられる。乾燥すると、接着剤は、パッチ１５０を密閉面８２に接着させる。パッチ１５０の延性が本体８０の延性に対してより大きいので、亀裂縁部１３４の一部分に隣接する本体８０を補強することにより、亀裂１２８が本体８０内部に伝播することが防止される。
【００２０】
上述のパッチは、コスト効果が高く、セラミックマトリックス複合材料を通る亀裂の広がりの抑止に対して信頼性がある。より具体的にはパッチは、亀裂に隣接したセラミックマトリックス複合材料の一部分の補強を促進する。その結果、パッチは、セラミックマトリックス複合材料の能力と有効寿命とを向上させ、これによって交換コストを低減することができる。更にパッチは、セラミックマトリックス複合材料の耐磨耗性及び歪み／破壊比を増大させることができ、セラミックマトリックス複合材料が破壊されること無くより高い熱勾配を受けさせることが可能となる。例示的な実施形態においては、パッチは、内部に亀裂を有するガスタービンエンジン排気シ−ルの性能及び有効寿命の向上を促進する。その結果例示的なパッチは、エンジン内の亀裂の入った排気シ−ルを交換すること無く、ガスタービンエンジンの所望の運転効率を維持することを容易にする。
【００２１】
本発明は、ここではガスタービンエンジンに関連し、より具体的にはガスタービンエンジンに使用するための排気ノズルシ−ルに関連して説明され図示されているが、本発明は、任意のセラミックマトリックス複合材料に適用可能であることは理解されるべきである。従って本発明の実施は、ガスタービンエンジンの排気ノズルにもガスタービンエンジン全般にも限定されるものではない。更に本発明の実施は、セラミックマトリックス複合材料で作られたガスタービンエンジン排気ノズルシ−ルに限定されるものではない。むしろ本発明は、セラミックマトリックス複合材料以外の物質で作られたガスタービンエンジンシ−ルに適用可能であることを理解されるべきである。
【００２２】
以上において、ガスタービンエンジン排気ノズル組立体の例示的な実施形態が詳細に説明された。この組立体は、本明細書で説明された特定の実施形態に限定されるものではなく、各組立体の構成要素は、本明細書に記載された他の構成要素とは独立し且つ別個に使用することができる。各排気ノズル組立体の構成要素はまた、排気ノズル組立体の他の構成要素と組み合せて使用することもできる。
【００２３】
本発明の範囲から逸脱すること無く、上述の構成に種々の変更を行うことが可能であり、上記説明に含まれ又は添付図面に示された全ての内容は、例示的なものであって、限定を意味するものではないと解釈されるべきである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】例示的なガスタービンエンジンの概略図。
【図２】例示的な排気ノズル組立体の一部分を示す、図１に示すガスタービンエンジンの一部分の斜視図。
【図３】図２の線３−３に沿って見た排気ノズル組立体の断面図。
【図４】図２に示す排気ノズル組立体に使用するための例示的なフラップシール本体の斜視図。
【図５】例示的なパッチを有する図４に示すフラップシール本体の斜視図。
【符号の説明】
【００２５】
８２  フラップシール本体密閉面
８６  半径方向内表面（フラップ７０の）
８８  半径方向内表面（フラップシール７２の）
９４  外側ケーシング
１２０、１２２、１２４、１２６  フラップシール本体８０の面
１２８  亀裂
１３０  取付け孔（フラップシール本体８０内の）
１３２、１３４、１３６  縁部（亀裂１２８の）
１５０  パッチ
【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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