JP2007298024A - ベーンならびにベーンの製造および設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力および機械的応力を効果的に低減させるベーンを提供する。
【解決手段】エアフォイルのシェルの外側面は、前縁２８、後縁３０、正圧側３２および負圧側３４を画定する。シェルの内側面とシェル内における構造的な桁５２の外側面との間に設けられたシール８０，８２により、第１および第２のキャビティ９０，９２が形成される。桁の内壁１０４により、桁の内部が第１および第２のチャンバ１１０，１１２に分割される。プラットフォームおよびシュラウドのポートから、チャンバに空気が供給され、そこからキャビティ９０，９２に空気が供給される。異なった圧力および／または温度の空気を２つのチャンバに導入することができるため、熱応力および機械的応力を効果的に低減させるように、キャビティ９０，９２における空気流量、温度および圧力をより柔軟に選択することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＮＡＳＡによって締結された契約ＮＡＳ３−０１１３８のもとに米国政府の助成を得て行われたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を有している。

本発明は、タービンエンジンに関する。より詳細には、本発明は、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）製のタービンエンジンベーンに関する。

セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）は、ガスタービンエンジンにおける被冷却の固定ベーン用に提案されてきた。一例として、Ｍｏｒｒｉｓｉｏｎ等の米国特許第６，５１４，０４６号明細書が挙げられる。

ベーンに対する熱負荷が高いと、熱応力、特に、層間の引張応力を最小に抑えるため、薄いシェルを有する構成となる。薄いシェルは、熱応力を制御するには十分に機能するが、シェル内部と外部のガス流との間の圧力差による機械的応力が高くなる。

外部の高温ガスの圧力は、前縁から後縁へと急激に低下するが、内部の冷却空気の圧力は、ほぼ一定である。そのため、シェルに亘って大きな圧力差が生じる。この圧力差により、特に負圧側において、シェルが膨張する。圧力差により、層間引張応力および軸方向応力の両方が生じる。これらの応力は、特に前縁において、設計上の最大値を超える場合がある。

シェルを強化する一機構としては、シェルの正圧側と負圧側を連結する翼幅（スパン）方向の引張リブまたはウェブがある。リブは、圧力負荷の一部を支持するとともに、ベーンの膨張を防止する。このようなリブは、全金属製のベーンでは容易に設けることができるが、シェルの一体的な部分としてＣＭＣ製のリブを製造するのは困難である。さらに、相対的に低温のリブと高温のシェルとの間に高い引張応力が生じる場合があるため、このような構造が実現しにくくなっている。

機械的負荷に対する耐性を改善するために、シェルの厚さを増加させてもよい。しかし、不利なことには、これによって、熱応力が助長されてしまう。したがって、組合せ応力を最小にする最適な壁厚が存在する。高負荷のベーンでは、それでも応力が設計限界を超えることがあり、応力を制御する他の手段が必要となる。

さらに、応力を低下させる他の方法は、前縁における最小の曲げ半径を増加させることである。曲げ半径が大きくなると応力集中係数が低下し、したがって、応力が低下する。しかし、エアフォイルの外部形状は、空気力学的性能が最大になるように最適化されており、いかなる変更にも極めて敏感である。その結果、内径だけが増加され、実現可能な応力減少量が制限されてしまう。

本発明の一態様は、エアフォイルのシェルと、このシェル内における桁と、を有するベーンを含む。ベーンは、シェルの外側端部における外側シュラウドと、シェルの内側端部における内側プラットフォームと、を有する。桁は、実質的に負圧側面に沿った第１のチャンバと、第１のチャンバに対向する、正圧側面に沿った第２のチャンバと、を有する。

添付図面および以下の記載により、本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細を説明する。本発明の他の特徴、目的および利点は、実施例、図面および特許請求の範囲から明らかになるであろう。

図面における数字および符号が同じ場合には同じ要素を示している。

図１は、ベーン２０を図示しており、ベーン２０は、内側のプラットフォーム２４における内側端部から外側のシュラウド２６における外側端部まで延びるエアフォイル２２を有する。エアフォイル２２は、前縁２８、後縁３０、ならびに前縁と後縁との間に延在する正圧側面３２および負圧側面３４を有する。例示したプラットフォームおよびシュラウドは、円環の一部分であり、このようなシュラウドおよびプラットフォームの端部を互いに密着／結合させることにより、周方向のベーンの列が形成される。

例示的なベーン２０は、シュラウド、プラットフォームおよびエアフォイルを別々に形成して、互いに固定したアッセンブリである。図１〜３では、薄い壁部を有するシェル５０と、該シェル内における構造的な桁５２と、を備えたエアフォイルが図示されている。例示的なシェルの材料は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）である。シェルは、様々なＣＭＣ作製方法によって製造することができる。前記方法には、通常、セラミック繊維（例えば、ＳｉＣ）のプリフォームをエアフォイル形状に成形すること（例えば、編織または他の技法によって）、およびプリフォームにマトリックス材（例えば、ＳｉＣ）を溶浸（インフィルトレーション）させることが含まれる。溶浸に先立って、マトリックスとの接着を制限するために、プリフォームにコーティングを施してもよい（例えば、化学蒸着法（ＣＶＤ）によるＢＮで）。例示的な溶浸法には、化学気相析出法、スラリ溶浸焼結法（slurry infiltration-sintering）、ポリマー含浸−熱分解法（polymer-impregnation-pyrolysis）、スラリキャスト法、溶融溶浸法(melt infiltration)が含まれる。例示的な桁の材料は、金属合金（例えば、鋳造ニッケルベースの超合金）である。内側シール５３および外側シール５４は、それぞれシェルの内側端部５５と隣接するプラットフォームとの間、および外側端部５６と隣接するシュラウドとの間をシールする。

桁５２の外側端部４０（図２）は、シュラウド２６に取り付けられる。図２の例では、この外側端部４０は、面４２によって形成された開口部に受容されて、溶接される。ねじ付きスタッド４４は、桁５２の内側端部に形成され、面４５によって形成されたプラットフォーム２４の開口部を通って延びている。ナット４６および座金４７は、スタッドおよびプラットフォームの内側面に係合し、桁５２の肩部４８は、プラットフォームの肩部４９と接合する。このように、桁５２によって、シュラウド２６とプラットフォーム２４との間における主要な機械的連結部分が形成される。

シェルは、桁に対して、複数の機構のうち１つまたは複数の機構によって位置決めされる。シェルのフランジ（端部）５５，５６は、適切なプラットフォームのチャネル５７（図１）、およびシュラウドのチャネル５８（図２）によってそれぞれ位置決めされる。シール５３，５４などのスペーサまたはシール／スペーサユニットが、桁とシェルとの間に配置される。

シェルの外側面（図３）は、前縁２８、後縁３０、正圧側面３２および負圧側面３４を画定する。シェルの内側面は、正圧側面に沿った第１の部分６０と、負圧側面に沿った第２の部分６２と、を有する。前記第１および第２の部分により、隣接する正圧側壁部６４および負圧側壁部６６がそれぞれ画定され、正圧側壁部６４および負圧側壁部６６は、前縁においては直接的に一体となり、後縁においては後縁に向かって次第に一体となる。

桁５２の外側面は、シェルの内側面に対して近接離間して対面している。したがって、桁の外側面は、前縁７０、後縁７２、正圧側部分７４および負圧側部分７６を有する。１つまたは複数のシール８０，８２が、桁の外側面とシェルの内側面との間において概ね翼幅（スパン）方向に延びて配設されている。例示的な２つのシールにより、シェルと桁との間のキャビティが、第１のキャビティ９０と第２のキャビティ９２とに分割される。キャビティ９０，９２には、桁５２内のチャンバ／キャビティ／プレナム（以下で説明）から空気が供給される。

例示的な桁５２は、正圧側部分１００および負圧側部分１０２を備えた側壁を有する。例示的な桁５２は、内壁部１０４を有し、この内壁部１０４は、桁の前縁に隣接した桁の側壁と連結している第１の連結部１０６から、桁の正圧側面１００の後縁部分に沿った桁の側壁と連結している第２の連結部１０８まで延びている。したがって、この内壁部１０４により、桁の内部が、第１のチャンバ１１０と第２のチャンバ１１２とに分割される。

例示的な第１のチャンバ１１０は、実質的に、桁の正圧側面の半分以上に亘って延びている。例示的な第２のチャンバ１１２は、桁の負圧側面のほぼ全体に亘って延びている。これらのチャンバ１１０，１１２は、桁の側壁に配設された微小な開口部の列（図示せず）を介して、隣接するキャビティ９０，９２に冷却空気を供給する。キャビティ９０，９２に導入された空気は、実質的に下流方向に（後縁に向かって）流れ、シェルの後縁出口（図示せず）から流出する。したがって、このような流れのため、空気は１つまたは両方のシールから漏出する（例えば、キャビティ９０からの空気はシール８０から漏出する）。

チャンバ１１０，１１２には、プラットフォームおよびシュラウドの一方または両方における対応のポートを介して冷却空気が供給される。図２には、第２のチャンバ１１２に空気を供給するプラットフォームの第１のポート１１４と、第１のチャンバ１１０に空気を供給するシュラウドおよび桁の外側端部の第２のポート１１６と、が図示されている。以下に説明するように、異なった圧力および／または温度の空気を２つのチャンバ１１０，１１２に導入することができるため、熱応力および機械的応力を効果的に低減させるように、キャビティ９０，９２における適切な空気流量、温度および圧力をより柔軟に選択することが可能となる。

図４は、シェルに沿った例示的な翼幅方向位置における、流れ方向の圧力分布を示す。エアフォイルの正圧側面３２に沿った外部圧力を４２０、負圧側面３４に沿った外部圧力を４２２として示す。前縁２８において、これらの圧力は、よどみ点圧力に統合される。内部圧力は、桁の開口部を通るときに絞られることに鑑みて、冷却供給圧力の関数であり得る。シール８０，８２、および複数のチャンバを有する桁が存在しない場合には、内部圧力は、シェルの正圧側面および負圧側面に亘って実質的に一定となる（例えば、流れ損失による上流から下流への僅かな減少を伴う）。例えば、内部圧力をよどみ点圧力より僅かに高くする（例えば、シェルにクラックが生じた場合に高温ガスを吸い込むのを回避するために２〜３％）。しかし、内部圧力と外部圧力との差により、シェルの設計閾値を超える機械的応力（および熱応力）が生じてしまう。

桁とシェルとの間における複数のキャビティ９０，９２を形成するシール８０，８２を備えることにより、シェルにおける異なった位置において、異なった内部圧力を維持することが可能になる。異なった空気が（例えば、異なった温度および／または圧力で）供給される桁のチャンバ１１０，１１２を介してキャビティに空気を供給することによって、キャビティに沿ったシェルの冷却量から各キャビティ９０，９２内の圧力を少なくとも部分的にさらに切り離することにより、付加的な柔軟性がもたらされる。例えば、例示的な図３の形態では、シェルの正圧側部分の全体が第１のキャビティに沿っているため、正圧側の内部圧力４２４は、実質的に一定に保たれる。しかし、負圧側の内部圧力４２６は、第２のキャビティと関連する領域において低下する。これにより、この負圧側内部圧力４２６が、機械的応力成分を低減させるように、外部圧力４２２に対してより緊密に対応することができる。図４では、内部圧力に関する前縁からの距離は、桁の外面に沿った距離である。

そのような圧力分布を実現するために、一実施例においては、第２のチャンバ１１２への圧力を、第１のチャンバ１１０への圧力より低くすることができる。例えば、例示的な圧力差は、少なくとも５ｐｓｉ（例えば、５〜５０ｐｓｉ、より具体的には、５〜１０ｐｓｉ）である。百分率換算では、この圧力差は、少なくとも１．５％（例えば、１．５〜１５％）である。他の任意選択的な同様の例では、第２のチャンバ１１２には、１つまたは複数の相対的に前方／上流側の圧縮機の段から抽気を行い、第１のチャンバ１１０には、圧力および温度がより高い後方／下流側の圧縮機の段から抽気を行ってもよい。

図５は、別の実施例の桁１４０を図示しており、この桁１４０は、正圧側部分１４２および負圧側部分１４４を有する側壁を備える。例示的な桁１４０は、内壁部１４６を有し、この内壁部１４６は、桁の前縁に隣接した桁の側壁と連結している第１の連結部１４８から、負圧側面１４４に沿った桁の側壁と連結している第２の連結部１５０まで延びている。この内壁部１４６により、桁の内部が、第１のチャンバ１５２と第２のチャンバ１５４とに分割される。例示的な第１のチャンバ１５２は、実質的に、正圧側全体に亘っており、かつ僅かに負圧側の前縁および後縁部分に亘って延びている。例示的な第２のチャンバ１５４の全体は、実質的に桁の負圧側に亘って延びている。これらのチャンバ１５２，１５４により、隣接するキャビティ１５６，１５８に冷却空気が供給される。例示的なキャビティは、シール１６０，１６２によって分割され、図３の実施形態の各キャビティと同様に空気が供給される。第１のシール１６０は、前縁から僅かに負圧側に配置されている。第２のシール１６２は、負圧側に沿った中間位置（例えば、負圧側に沿って流れ方向の長さの約５０％〜７０％）に配置されている。

図６は、図５のエアフォイルに関する正圧側の内部圧力４３０および負圧側の内部圧力４３２を示している。第２のシール１６２が存在することによって、負圧側圧力４３２が急激な上昇４３４を示し、第２のシール１６２の下流における正圧側の分布に実質的に同化する。

さらなる変更形態として、図７には、図５と同様のシェルおよび桁を有するエアフォイルが図示されているが、このエアフォイルは、より多くのキャビティを形成する多数のシールを備えている。図７の実施例では、シール１８０，１８２は、図５のシール１６０，１６２と同様に配置されている。しかし、関連するキャビティの各々は、正圧側面に沿ったシール１８４，１８６，１８８，１９０のグループ、および負圧側面に沿った例示的な単一のシール１９２によって、さらに分割されている。したがって、キャビティ１５６（図５）が、一連のキャビティ２００，２０２，２０４，２０６，２０８に、キャビティ１５８（図５）が、１対のキャビティ２１０，２１２にそれぞれ変更されている。他の変更形態には、シール１８０，１８２の位置変更や桁のチャンバの構成変更が含まれる。シールの配置、シールの封止係合の堅牢性（制御下での漏洩を含む）、および桁のチャンバからの供給孔の分布によって、各キャビティ内および各キャビティに沿った圧力分布をさらに調整することが可能となる。

図８には、基本的な外部圧力４２０，４２２が示されている。図７のエアフォイルの正圧側の内部圧力４６４および負圧側の内部圧力４６６は、図６の圧力に比べて、より多くの段階（ステップ）を示している。これらの段階は、キャビティからキャビティへの移行に対応しており、シェルの壁部に亘る圧力差をさらに低下させるように、関連する外部圧力に対して圧力分布をより緊密に対応させることが可能となる。

本発明は、所与のベーンを再設計する際に実施可能である。再設計は、シェルの基本的な外部形状を保つことができる。再設計は、内部形状を保つこともできる。ただし、実現可能な応力軽減に鑑みて、壁の薄肉化を含む内部変更がとりわけ適切である。このようにして、再設計は、また、引張リブ／ウェブ、局部的な肉厚領域など、他の内部強化特徴部を排除することができる。また、再設計は、桁の構造をより実質的に変更することができる。適切な桁のチャンバを設けることに加えて、再設計は、複数部片の桁を、単一部片の桁に置き換えることができる。再設計は、単一の桁と非構造的な充填部品の組合せを、単一の桁に置き換えることができる。再設計されたベーンは、所与のガスタービンエンジンの再生に使用することができる。

再設計の予測例として、図９は、よどみ点圧力より僅かに高い実質的に一定な内部圧力を有する基準となるエアフォイルのシェルの前縁部分に沿った軸方向の応力を示す。図１０は、層間の引張応力を示す。

図１１および図１２は、基準となるベーンの圧力分布に対して内部圧力が３０％低下した、対応する軸方向応力および層間の引張応力をそれぞれ示す。応力の最大値が、大幅に減少していることが分かる。

本発明の１つまたは複数の実施形態について説明してきた。しかし、本発明の精神および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ることは理解されよう。例えば、既存のベーン構成の再設計（例えば、エンジンの再生またはエンジン構成の再設計の一部として）として実行される際、基準のエンジン構成またはベーン構成の細部が、個々の実装形態の細部に影響を及ぼし得る。したがって、他の実施形態も、添付の特許請求の範囲に包含される。

タービンベーンの図。 図１のベーンの翼幅方向の断面図。 図１のベーンのエアフォイルの流れ方向断面図。 図３のエアフォイルに関する圧力分布図。 他の実施例のエアフォイルの流れ方向断面図。 図５のエアフォイルの圧力分布図。 第２のエアフォイルの流れ方向断面図。 図７のエアフォイルの圧力分布図。 基準のエアフォイルに関する軸方向応力のプロット図。 基準のエアフォイルに関する層間の引張応力のプロット図。 再設計されたエアフォイルに関する軸方向応力のプロット図。 再設計されたエアフォイルに関する層間の引張応力のプロット図。

Claims (19)

1. 前縁、後縁、正圧側面および負圧側面を有するエアフォイルのシェルと、
   前記シェル内における桁と、
   前記シェルの外側端部における外側シュラウドと、
   前記シェルの内側端部に内側プラットフォームと、
   を備えるベーンであって、
   前記桁が、
   前記負圧側面に実質的に沿った第１のチャンバと、
   前記第１のチャンバに対向する、前記正圧側面に沿った第２のチャンバと、
   を備えることを特徴とするベーン。
2. 前記エアフォイルのシェルが、実質的にセラミックマトリックス複合材料からなり、
   前記桁が、実質的に第１の金属鋳造物からなり、
   前記プラットフォームが、実質的に第２の金属鋳造物からなり、
   前記シュラウドが、実質的に第３の金属鋳造物からなることを特徴とする請求項１に記載のベーン。
3. 前記桁が、
   前縁と、
   後縁と、
   正圧側面と、
   負圧側面と、
   を有する側壁を備え、
   前記シェルが、前記シェルの正圧側面と負圧側面とを連結する引張ウェブを有していないことを特徴とする請求項１に記載のベーン。
4. 前記桁が、
   前縁と、
   後縁と、
   正圧側面と、
   負圧側面と、
   を有する側壁を備え、
   前記桁の第１のチャンバが、前記桁の前縁付近から前記負圧側面における前記桁の側壁まで延在する壁によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のベーン。
5. 前記シェルと前記桁との間に複数のシールをさらに備える請求項１に記載のベーン。
6. 前記複数のシールが、セラミックロープシールおよび金属ベローシールの少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項５に記載のベーン。
7. 前記複数のシールが、前記前縁の下流における前記負圧側面から、前記後縁または前記後縁の上流における前記負圧側面まで延びるキャビティを画定する第１および第２のシールを含むことを特徴とする請求項５に記載のベーン。
8. 請求項１に記載のベーンを製造する方法であって、
   前記シュラウドを鋳造するステップと、
   前記プラットフォームを鋳造するステップと、
   前記桁を鋳造するステップと、
   前記シェルを形成するように、セラミック繊維のプリフォームにセラミックマトリックスを溶浸させるステップと、
   を含むベーン製造方法。
9. 前記桁と前記シェルとの間に複数の翼幅方向のシールが配置されることを特徴とする請求項８に記載のベーン製造方法。
10. 請求項１に記載のベーンを冷却する方法であって、
    第１の空気流を前記第１のチャンバに導くステップと、
    前記第１の空気流と異なった温度および圧力の少なくとも一方を有する第２の空気流を前記第２のチャンバに導くステップと、
    を含むベーン冷却方法。
11. 前記第１および第２の空気流が、前記桁における異なった翼幅方向の端部を介して導入されることを特徴とする請求項１０に記載のベーン冷却方法。
12. 前記第１の空気流が、前記第２の空気流より低い圧力を有することを特徴とする請求項１０に記載のベーン冷却方法。
13. 前縁、後縁、正圧側面および負圧側面を有するエアフォイルのシェルと、
    前記シェル内における桁と、
    前記シェルの外側端部における外側シュラウドと、
    前記シェルの内側端部に内側プラットフォームと、
    を備えるベーンであって、
    前記桁が、前記桁内に、前記シェルに対する熱的機械的応力を制限する多重チャンバ手段を備えることを特徴とするベーン。
14. 前記プラットフォームにおける第１の空気ポートと、
    前記シュラウドにおける第２の空気ポートと、
    をさらに備える請求項１３に記載のベーン。
15. 前記シェルが、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）であり、
    前記桁が、金属であることを特徴とする請求項１３に記載のベーン。
16. 前縁、後縁、正圧側面および負圧側面を有するエアフォイルのシェルと、
    前記シェル内における桁と、
    前記シェルの外側端部における外側シュラウドと、
    前記シェルの内側端部に内側プラットフォームと、
    を有するベーンを設計する方法であって、
    前記シェル内に所望の内部圧力分布をもたらすように前記桁と前記シェルとの間のキャビティに空気流を供給するために、前記桁内に複数のチャンバを形成するステップを含むことを特徴とするベーン設計方法。
17. 前記方法が再設計であって、前記シェルの断面外形が基準の構成のまま保たれることを特徴とする請求項１６に記載のベーン設計方法。
18. 前記方法が、基準となる構成から再設計された構成への再設計であって、
    正の軸方向応力、負の軸方向応力、正の層間引張応力および負の層間引張応力の作動中の最大絶対値が、全て、前記基準となる構成から前記再設計された構成にかけて、少なくとも５０％減少することを特徴とする請求項１６に記載のベーン設計方法。
19. 前記方法が、基準となる構成から再設計された構成への再設計であって、
    前記シェルが、前記基準となる構成から前記再設計された構成にかけて、前記シェルの前方１０分の１に沿った少なくとも１つの箇所において薄肉化されることを特徴とする請求項１６に記載のベーン設計方法。

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