(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＭＣアウタリングと、
金属合金インナリングと、
ＣＭＣアウタリングと金属合金インナリングとの間にある複数のＣＭＣエーロフォイルセクションと、
を備えることを特徴とする、ガスタービンエンジン用のベーン構造。
【請求項２】
複数のＣＭＣエーロフォイルセクションは、低圧タービン内にあることを特徴とする請求項１記載のベーン構造。
【請求項３】
ＣＭＣアウタリングから延在するスプライン接続部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のベーン構造。
【請求項４】
複数のＣＭＣエーロフォイルセクションは、ＣＭＣアウタリングに結合されることを特徴とする請求項１記載のベーン構造。
【請求項５】
金属合金インナリングは、複数のＣＭＣエーロフォイルセクションを別々に受けるキースロットを備えることを特徴とする請求項１記載のベーン構造。
【請求項６】
ＣＭＣアウタリングは、複数のＣＭＣエーロフォイルセクションを別々に受けるキースロットを備えることを特徴とする請求項１記載のベーン構造。
【請求項７】
複数のＣＭＣエーロフォイルセクションのそれぞれが、インナプラットホーム構造およびアウタプラットホーム構造を備えることを特徴とする請求項１記載のベーン構造。
【請求項８】
インナプラットホーム構造は、それぞれの隣接するインナプラットホーム構造に当接する相補的な形態を提供することを特徴とする請求項７記載のベーン構造。
【請求項９】
金属合金インナリングは、インナプラットホーム構造の周りに少なくとも部分的に延在することを特徴とする請求項８記載のベーン構造。
【請求項１０】
アウタプラットホーム構造は、それぞれの隣接するアウタプラットホーム構造に当接する相補的な形態を提供することを特徴とする請求項７記載のベーン構造。
【請求項１１】
ＣＭＣアウタリングと、
金属合金インナリングと、
ＣＭＣアウタリングと金属合金インナリングとの間にある複数の低圧タービンＣＭＣエーロフォイルセクションと、
を備えることを特徴とする、ガスタービンエンジン用の低圧タービン。
【請求項１２】
スプライン接続部によってＣＭＣアウタリングが取り付けられる低圧タービンケースをさらに備えることを特徴とする請求項１１記載の低圧タービン。
【請求項１３】
低圧タービンケースは、ＣＭＣから製造されることを特徴とする請求項１２記載の低圧タービン。
【請求項１４】
低圧タービンケースから径方向内側に延在する支持構造をさらに備えることを特徴とする請求項１２記載の低圧タービン。
【請求項１５】
ＣＭＣアウタリングと金属合金インナリングとの間に複数のＣＭＣエーロフォイルセクションを挿入することを含むことを特徴とする、ガスタービンエンジン用のベーン構造を組み立てる方法。
【請求項１６】
ＣＭＣアウタリングに設けられたキースロットを通して複数のＣＭＣエーロフォイルセクションを別々に挿入することをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
複数のＣＭＣエーロフォイルセクションをＣＭＣアウタリングに結合することをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
金属合金インナリングに設けられたキースロットを通して複数のＣＭＣエーロフォイルセクションを別々に挿入することをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
複数のＣＭＣエーロフォイルセクションのプラットホームの周りの少なくとも一部において金属合金インナリングの一部を曲げることをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガスタービンエンジン、より詳細にはガスタービンエンジン用のハイブリッドセラミックマトリックス複合材（Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）（ＣＭＣ）タービン部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
厳しい酸化性の種類のガス流環境において高温で作動される、ガスタービンエンジンのセクションの部材は、通常は高温超合金から製造される。ＣＭＣ材料は、圧縮下において厳しい酸化性の種類のガス流環境に耐える特性を有するが、引張りおよび層間条件においてはそれほど耐久性のないことがある。このような特性に起因して、これまで重量、費用、複雑さなどが増大しがちな設計要求が生じていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ガスタービンエンジン用のさらなるタービン部材が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の例示的な態様によるガスタービンエンジン用のベーン構造は、ＣＭＣアウタリングと金属合金インナリングとの間に一体化された複数のＣＭＣエーロフォイルセクションを備える。ベーン構造は、低圧タービンの一部を形成し得る。
【０００５】
本開示の例示的な態様によるガスタービンエンジン用のベーン構造を組み立てる方法は、ＣＭＣアウタリングと金属合金インナリングとの間に複数のＣＭＣエーロフォイルセクションを挿入することを含む。
【０００６】
さまざまな特徴は、開示された非限定的な実施例についての以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は以下に簡単に説明可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図２】ガスタービンエンジンのセクションの拡大断面図である。
【図３】ガスタービンエンジン用のＣＭＣリングベーン構造の分解斜視図である。
【図４】ガスタービンエンジン用のＣＭＣリングベーン構造の斜視図である。
【図５】キースロットアッセンブリを有するＣＭＣリングベーン構造の分解斜視図である。
【図６】金属合金インナリングが所定の位置で曲げられる、ＣＭＣリングベーン構造の組み立て図である。
【図７】金属合金インナリングが所定の位置で曲げられる、ＣＭＣリングベーン構造の組み立て図である。
【図８】金属合金インナリングが所定の位置で曲げられる、ＣＭＣリングベーン構造の組み立て図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、ガスタービンエンジン２０を概略示している。ガスタービンエンジン２０は本願では、一般にファンセクション２２、圧縮機セクション２４、燃焼器セクション２６、およびタービンセクション２８を備える２スプールターボファンとして開示されている。代替のエンジンは、他のシステムや特徴のうちオーグメンタセクション（図示せず）を備えることもできる。ファンセクション２２が、バイパス流路に沿って空気を流し、同時に、圧縮機セクション２４が、圧縮、燃焼器セクション２６への連通、次いでタービンセクション２８を通る膨張のためのコア流路に沿って空気を流す。開示の非限定的な実施例ではターボファンガスタービンエンジンとして記述されているけれども、本教示は他の種類のタービンエンジンにも適用可能なので、本願で開示された概念がターボファンを用いた使用に限定されないことは理解されたい。
【０００９】
エンジン２０は一般に、いくつかの軸受システム３８を介してエンジン固定構造３６に対するエンジン中心長手軸Ａ周りの回転のために取り付けられた低速スプール３０および高速スプール３２を備える。代替としてあるいは付加的にさまざまな位置にさまざまな軸受システム３８を設けることができることは理解されたい。
【００１０】
低速スプール３０は一般に、ファン４２、低圧圧縮機４４、および低圧タービン４６を相互に結合するインナシャフト４０を備える。インナシャフト４０は、低速スプール３０より低速でファン４２を駆動するようにギア装置４８を介してファン４２に接続される。高速スプール３２は、高圧圧縮機５２および高圧タービン５４を相互に結合するアウタシャフト５０を備える。燃焼器５６が、高圧圧縮機５２と高圧タービン５４の間に配置される。インナシャフト４０およびアウタシャフト５０は、同心であり、それぞれの長手軸と同一線上にあるエンジン中心長手軸Ａ周りに回転する。
【００１１】
コア空気流は、低圧圧縮機４４によって、次いで高圧圧縮機５２によって圧縮され、燃焼器５６内で燃料と混合されて燃焼し、次いで、高圧タービン５４および低圧タービン４６に亘って膨張する。タービン５４、４６は膨張に応じてそれぞれ高速スプール３２、低速スプール３０を回転させるように駆動する。
【００１２】
図２を参照すると、低圧タービン４６は一般に、複数の低圧タービン段を有する低圧タービンケース６０を備える。開示の非限定的な実施例では、低圧タービンケース６０は、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料または金属超合金から製造可能である。本願で述べられている全ての部材についてのＣＭＣ材料の例が、限定される訳ではないが、例えばＳ２００およびＳｉＣ／ＳｉＣを含み得ることは理解されたい。本願で述べられている全ての部材についての金属超合金の例が、限定される訳ではないが、例えばＩＮＣＯ７１８およびＷａｓｐａｌｏｙを含み得ることも理解されたい。開示の実施例では低圧タービンとして記述されているけれども、本教示は高圧タービン、高圧圧縮機、低圧圧縮機、３スプール構造ガスタービンエンジンの中間圧タービン、中間圧圧縮機などの他のセクションにも適用可能なので、本願で開示された概念が低圧タービンを用いた使用に限定されないことは理解されたい。
【００１３】
ロータ構造６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃの間には、ベーン構造６４Ａ、６４Ｂが配置されている。任意の数の段を設けることができることは理解されたい。各ベーン構造６４Ａ、６４Ｂは、リング−ストラット−リング（ｒｉｎｇ−ｓｔｒｕｔ−ｒｉｎｇ）フルフープ構造を画成するようにハイブリッド（金属超合金およびセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ））材料から製造される。フルフープ（ｆｕｌｌ  ｈｏｏｐ）という用語が本願では、従来のステータアッセンブリにおけるように、通過して形成される開口部をベーンが通過しないようにとぎれのない部材と定義されることは理解されたい。
【００１４】
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料は有利なことには、金属より高い温度特性と、高い強度対重量比とを提供する。ベーン構造６４Ｂについて以下により詳細に説明するが、ベーン構造６４Ａ、６４Ｂそれぞれは概略類似しているので、詳細に説明する必要があるのはベーン構造６４Ｂ１つだけで十分であることは理解されたい。
【００１５】
ベーン構造６４Ｂは一般に、ＣＭＣアウタリング６６と金属合金インナリング６８との間に複数のＣＭＣエーロフォイルセクション７０を有するＣＭＣアウタリング６６と金属合金インナリング６８とを備える（図３、図４にも図示される）。ＣＭＣアウタリング６６および金属合金インナリング６８は、複数のエーロフォイルセクション７０を受けるフルフープを形成する。さまざまなＣＭＣ製造性が適用可能であることは理解されたい。金属合金インナリング６８は、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉのうちの少なくとも１つに基づく超合金などの高温超合金から製造可能である。
【００１６】
ＣＭＣアウタリング６６は、低圧タービンケース６０に取り付けるためのスプライン接続部７２を備えることができる。低圧タービンケース６０は、エンジン軸Ａの方へと径方向内側に延在する支持構造７４を備える。支持構造７４は、一対の径方向フランジ７６Ａ、７６Ｂの間でスプライン接続部７２を受ける一対の径方向フランジ７６Ａ、７６Ｂを備える。スプライン接続部７２は、エーロフォイルセクション７０に沿って軸方向中心に位置しており、一対の径方向フランジ７６Ａ、７６Ｂによって支持される留め具８０を受ける開スロット７８を備える。
【００１７】
エーロフォイルセクション７０は、キースロットの方法でＣＭＣアウタリング６６および金属合金インナリング６８の中へと組み付け可能である。すなわち、各エーロフォイルセクション７０は、ＣＭＣアウタリング６６および金属合金インナリング６８の一方または両方に設けられた１つまたは複数のキースロット６６Ｋ、６８Ｋ（図５）を通して組み付け可能であり、次いで、それらの最終の周方向位置へと回転させることができる。キースロット６６Ｋ、６８Ｋは次いで、各エーロフォイルセクション７０を所定の位置でロックするようにキー８２、８４で閉じられる。結合および機械的ロックを含めるようにさまざまなキースロット構成を設けることができることは理解された。インナエーロフォイルプラットホーム７０ｉおよびアウタエーロフォイルプラットホーム７０ｏが、プラットホームエッジ構造を有しており、プラットホームエッジ構造が、相補的な形態でそれぞれの隣接するエーロフォイルプラットホームエッジ構造に係合することも理解されたい。
【００１８】
別の非限定的な実施例では、エーロフォイルセクション７０とＣＭＣアウタリング６６とはＣＭＣサブアッセンブリとして結合される（図６）。金属合金インナリング６８は次いで、各エーロフォイルセクション７０を所定の位置でロックするようにインナエーロフォイルプラットホーム７０ｉの周りで金属合金インナリング６８のエッジ６８Ｅを曲げることでエーロフォイルセクション７０の内側直径部エッジ内に配置される（図７、図８）。
【００１９】
ＣＭＣの熱膨張は、通常の金属合金の熱膨張よりかなり小さい。本願で開示されたベーン構造は有利なことには、ＣＭＣアウタリング６６が引張りフープ応力場にある間、金属合金インナリング６８にエーロフォイルセクション７０を圧縮させることで、この不一致を利用する。ＣＭＣアウタリング６６は、引張りフープ誘導応力場に対する効果を最大化する方向にＣＭＣ繊維を巻くことができる。金属合金インナリング６８は、エーロフォイルセクション７０を駆動するようにねじれ作用に適合する。
【００２０】
同様の参照符号がいくつかの図面全体に亘って対応する部材または同様の部材を特定することは理解されたい。例示の実施例では特定の部材構成を開示したとはいえ、他の構成も本願から恩恵を受けるであろうことも理解された。
【００２１】
特定の工程配列を図示し、説明し、請求するとはいえ、特に指定のない限り別々または組み合わせで任意の順に工程が実施可能であり、本開示からなお恩恵を受けるであろうことも理解されたい。
【００２２】
上述した説明は、限定として規定されるのではなく例示である。本願ではさまざまな非限定的な実施例を開示するが、当業者ならば、上述した教示に照らしてさまざまな修正例および変形例が添付の特許請求の範囲に含まれることを理解するであろう。従って、添付の特許請求の範囲においては具体的に説明する以外にも本開示が実施可能であることは理解されたい。従って、真の範囲および内容を決定するには添付の特許請求の範囲を検討する必要がある。
【図１】
0005329695.tif 000002
【図２】
0005329695.tif 000003
【図３】
0005329695.tif 000004
【図４】
0005329695.tif 000005
【図５】
0005329695.tif 000006
【図６】
0005329695.tif 000007
【図７】
0005329695.tif 000008
【図８】
0005329695.tif 000009