JP2017025916A - ガスタービンエンジン用のノズル及びノズル組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用のノズル及びノズル組立体を提供する。
【解決手段】ノズル１０２は、前縁１１６と後縁１１８との間に延びる正圧側１１２及び負圧側１１４を画成する外面を有する翼形部１１０と、翼形部１１０の半径方向外側に配置される外側バンド１３０であって、半径方向外向き端面１３２を含む外側バンド１３０と、翼形部１１０の半径方向内側に配置される内側バンド１２０であって、半径方向内向き端面１２１を含む内側バンド１２０とを含む。ノズル１０２は、半径方向外向き端面１３２又は半径方向内向き端面１２１の一方から半径方向に延びるフランジ２００をさらに含む。フランジ２００はセラミックマトリックス複合材料から形成され、互いに積み重ねられた、一般に周方向断面図でＬ字形を有する複数のセラミックマトリックス複合プライを含む。
【選択図】図３

Description

本主題は、一般に、ガスタービンエンジン用のノズル及びノズル組立体に関する。より詳細には、本主題は、改良型荷重伝達特徴を有するノズルに関する。

ガスタービンエンジンは一般に、直列流れ順序で、圧縮機セクション、燃焼セクション、タービンセクション、及び排気セクションを含む。運転中、空気が圧縮機セクションの入口から入り、そこで１以上の軸流圧縮機がその空気を、空気が燃焼セクションに達するまで次第に圧縮する。燃料が圧縮空気と混合され燃焼セクション内で燃焼されて燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、燃焼セクションからタービンセクション内に画成された熱ガス経路を通って送られ、次いで排気セクションを通ってタービンセクションから排出される。

特定の構成では、タービンセクションは、直列流れ順序で、高圧（ＨＰ）タービン及び低圧（ＬＰ）タービンを含む。ＨＰタービン及びＬＰタービンはそれぞれ、タービンロータブレード、ロータディスク、リテーナなどの様々な回転タービン部品、並びにステータベーンもしくはノズル、タービンシュラウド、エンジンフレームなどの様々な静止タービン部品を含む。回転タービン部品及び静止タービン部品は、タービンセクションを通る熱ガス経路を少なくとも部分的に画成する。燃焼ガスが熱ガス経路を流れるときに、熱エネルギーが燃焼ガスから回転タービン部品及び静止タービン部品に伝達される。

ガスタービンエンジンに利用されるノズル、特にＨＰタービンノズルは、ノズルを通る１次流路を画成する環状内側バンドと外側バンドとの間に延びる翼形ベーンのアレイとして配置されることが多い。ガスタービンエンジン内の運転温度のために、一般に、低い熱膨張率を有する材料を利用することが望ましい。最近、例えば、セラミックマトリックス複合（「ＣＭＣ」）材料が、そうした不利な温度及び圧力条件で有効に動作するように利用されている。これらの低熱膨張率材料は類似の金属部材より高い温度性能を有し、したがって、より高い運転温度で動作しているとき、エンジンはより高いエンジン効率で動作することができる。

しかしながら、ＣＭＣ材料は、ＣＭＣの設計及び適用時に考慮されなければならない機械的性質を有する。例えば、ＣＭＣ材料は、金属材料に比べると、破壊に対して比較的低い引張延性又は低ひずみを有する。また、ＣＭＣ材料は、ＣＭＣ材料に対して拘束支持体又はハンガとして使用される、金属合金などの金属とは大きく異なる熱膨張率を有する。したがって、ＣＭＣ部品が運転中に１つの表面上で拘束又は冷却されると、応力集中が起きてセグメントの寿命の短縮につながる可能性がある。

これまで、ＣＭＣ材料で形成されたノズルは、ＣＭＣ材料の能力を超えている局部応力を受けていて、ノズルの寿命の短縮につながる。局部応力は、ノズル及び関連する取付特徴に与えられるモーメント応力、異なる材料タイプの部材相互間の熱成長の差、並びにノズルと関連する取付特徴との間の相互作用での集中経路における荷重によるものであることが分かっている。

したがって、改良型ノズル及びノズル組立体が当技術分野で所望される。特に、ガスタービンエンジン内の支持組立体のはめ合い特徴と相互作用するための改良型特徴を含むノズルが有利であろう。

本発明の態様及び利点は以下の説明で部分的に開示されるか、又は以下の説明から明らかになり得るか、又は本発明の実施を通じて分かるかもしれない。

本開示の一実施形態によれば、ガスタービンエンジン用のノズルが提供される。ノズルは、前縁と後縁との間に延びる正圧側及び負圧側を画成する外面を有する翼形部と、翼形部の半径方向外側に配置される外側バンドであって、半径方向外向き端面を含む外側バンドと、翼形部の半径方向内側に配置される内側バンドであって、半径方向内向き端面を含む内側バンドとを含む。ノズルは、半径方向外向き端面又は半径方向内向き端面の一方から半径方向に延びるフランジをさらに含む。フランジはセラミックマトリックス複合材料から形成され、互いに積み重ねられた、一般に周方向断面図でＬ字形を有する複数のセラミックマトリックス複合プライを含む。

本開示の別の実施形態によれば、ガスタービンエンジン用のノズル組立体が提供される。ノズル組立体は、ノズル及びノズル支持構造を含む。ノズルは、前縁と後縁との間に延びる正圧側及び負圧側を画成する外面を有する翼形部と、翼形部の半径方向外側に配置される外側バンドであって、半径方向外向き端面を含む外側バンドと、翼形部の半径方向内側に配置される内側バンドであって、半径方向内向き端面を含む内側バンドとを含む。ノズルは、半径方向外向き端面又は半径方向内向き端面の一方から半径方向に延びるフランジをさらに含む。フランジはセラミックマトリックス複合材料から形成され、互いに積み重ねられた、一般に周方向断面図でＬ字形を有する複数のセラミックマトリックス複合プライを含む。ノズル支持構造は、翼形部、ノズルの外側バンド及びノズルの内側バンドを貫通して延びるストラットを含む。ノズル支持構造は、翼形部の半径方向外側に配置される外ハンガであって、半径方向内向き端面を含む外ハンガと、翼形部の半径方向内側に配置される内ハンガであって、半径方向外向き端面を含む内ハンガとをさらに含む。ノズル支持構造は、半径方向外向き端面又は半径方向内向き端面の一方から半径方向に延びるフランジをさらに含み、フランジはノズルのフランジと接触するように構成される。

本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の記述及び添付の特許請求の範囲を参照してより良く理解されるであろう。添付図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであり、本発明の諸実施形態を例示するとともに、以下の記述と共に本発明の原理を説明する働きをする。

当業者を対象とする、本発明の最良の態様を含む本発明の完全かつ実施可能な開示が本明細書に記載されており、これは添付図を参照する。

本開示の一実施形態によるガスタービンエンジンの概略断面図である。 本開示の一実施形態によるガスタービンエンジンの高圧タービン部分の拡大周方向断面側面図である。 本開示の一実施形態による複数のノズル組立体の部分分解斜視図である。 本開示の一実施形態によるノズル組立体の周方向断面図である。 本開示の一実施形態によるノズルの一部分の上部斜視図である。 本開示の一実施形態によるノズルの外側バンド、内側バンド、及び関連するフランジの周方向断面図である。 本開示の一実施形態によるノズルの内側バンド又は外側バンドのフランジを形成するように曲げられた複数のプライの斜視図である。 本開示の一実施形態によるノズルの内側バンド又は外側バンドのフランジを形成するために利用される複数のプライの分解図である。 本開示の別の実施形態によるノズルの外側バンド、内側バンド、及び関連するフランジの周方向断面図である。 本開示の別の実施形態によるノズルの外側バンド、内側バンド、及び関連するフランジの周方向断面図である。

次に、本発明のこれらの実施形態が詳細に参照され、実施形態の１以上の例が添付図面に示されている。詳細な説明では、図面内の特徴を参照するために数字及び文字の参照符号を用いる。図面及び説明における同様又は類似の参照符号は、本発明の同様又は類似の部分を参照するために用いられている。本明細書に用いられているように、「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」、及び「第３の（ｔｈｉｒｄ）」という用語は、ある部品を別の部品と区別するために交換可能に用いられてもよく、個々の部品の位置又は重要性を示すためのものではない。「上流側の／上流側に（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」及び「下流側の／下流側に（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」という用語は、流体経路内の流体流れに関する相対的な流れ方向を意味する。例えば、「上流側の」は流体が流れて来る方向を意味し、「下流側の」は流体が流れて行く方向を意味する。

さらに、本明細書に用いられているように、「軸線方向の（ａｘｉａｌ）」又は「軸線方向に（ａｘｉａｌｌｙ）」という用語は、エンジンの縦軸線に沿った次元を意味する。「軸線方向の」又は「軸線方向に」に関連して用いられる「前方の／前方に（ｆｏｒｗａｒｄ）」という用語は、エンジン入口、又は別の部品と比べてエンジン入口に相対的に近接する部品に向かう方向を意味する。「軸線方向の」又は「軸線方向に」に関連して用いられる「後方の／後方に（ｒｅａｒ）」という用語は、エンジンノズル、又は別の部品と比べてエンジンノズルに相対的に近接する部品に向かう方向を意味する。「半径方向の（ｒａｄｉａｌ）」又は「半径方向に（ｒａｄｉａｌｌｙ）」という用語は、エンジンの中心縦軸線とエンジンの外周との間に延びる次元を意味する。

次に各図面を参照すると、図１は、本明細書では本開示の様々な実施形態を組み込み得る「ターボファン（ｔｕｒｂｏｆａｎ）１０」と称される例示的な高バイパスターボファン型エンジン１０の概略断面図である。図１に示されているように、ターボファン１０は、参照目的で、ターボファン１０を貫通して延びる長手方向又は軸線方向の中心線１２を有する。一般に、ターボファン１０は、ファンセクション１６から下流側に配置されるコアタービン又はガスタービンエンジン１４を含んでいてもよい。

ガスタービンエンジン１４は、一般に、環状入口２０を画成する実質的に管状の外部ケーシング１８を含んでいてもよい。外部ケーシング１８は、複数のケーシングから形成されてもよい。外部ケーシング１８は、直列流れ関係で、ブースタもしくは低圧（ＬＰ）圧縮機２２及び高圧（ＨＰ）圧縮機２４を有する圧縮機セクションと、燃焼セクション２６と、高圧（ＨＰ）タービン２８及び低圧（ＬＰ）タービン３０を含むタービンセクションと、ジェット排気ノズルセクション３２とを収容する。高圧（ＨＰ）シャフト又はスプール３４が、ＨＰタービン２８をＨＰ圧縮機２４に駆動連結する。低圧（ＬＰ）シャフト又はスプール３６が、ＬＰタービン３０をＬＰ圧縮機２２に駆動連結する。低圧（ＬＰ）スプール３６は、ファンセクション１６のファンスプール又はシャフト３８にも連結され得る。特定の実施形態では、（ＬＰ）スプール３６は、ファンスプール３８に、例えば直接駆動構成で直接連結され得る。代替構成では、（ＬＰ）スプール３６は、間接駆動又は歯車駆動構成の減速歯車ギヤボックスなどの減速装置３７を介してファンスプール３８に連結され得る。この種の減速装置は、所望又は要求されるように、エンジン１０内の任意適当なシャフト／スプール相互間に含められ得る。

図１に示されているように、ファンセクション１６は、ファンスプール３８に連結された、ファンスプール３８から半径方向外方に延びる複数のファンブレード４０を含む。環状ファンケーシング又はナセル４２が、ファンセクション１６及び／又はガスタービンエンジン１４の少なくとも一部分の周囲を取り囲む。ナセル４２は、ガスタービンエンジン１４に対して複数の円周方向に離間された出口ガイドベーン４４によって支持されるように構成され得ることが、当業者によって理解されるべきである。さらに、ナセル４２の下流側セクション４６（ガイドベーン４４の下流側）は、下流側セクション４６とガスタービンエンジン１４の外側部分との間にバイパス空気流通路４８を画成するようにガスタービンエンジン１４の外側部分の上に延びてもよい。

図２は、本発明の様々な実施形態を組み込み得る、図１に示されているガスタービンエンジン１４のＨＰタービン２８部分の拡大断面図を提供する。図２に示されているように、ＨＰタービン２８は、直列流れ関係で第１の段５０を含み、第１の段５０は、タービンロータブレード５８（１つだけ図示）の環状アレイ５６から軸線方向に離間されたステータベーン５４（１つだけ図示）の環状アレイ５２を含む。ＨＰタービン２８は、直列流れ関係で第２の段６０をさらに含み、第２の段６０は、タービンロータブレード６８（１つだけ図示）の環状アレイ６６から軸線方向に離間されたステータベーン６４（１つだけ図示）の環状アレイ６２を含む。タービンロータブレード５８、６８は、ＨＰスプール３４（図１）から半径方向外方に延び、ＨＰスプール３４に連結される。図２に示されているように、ステータベーン５４、６４及びタービンロータブレード５８、６８は、燃焼ガスを燃焼セクション２６（図１）からＨＰタービン２８を通って送るための熱ガス経路７０を少なくとも部分的に画成する。

図２にさらに示されているように、ＨＰタービン２８は１以上のシュラウド組立体を含んでいてもよく、シュラウド組立体はそれぞれ、ロータブレードの環状アレイの周りに環状リングを形成する。例えば、シュラウド組立体７２は、第１の段５０のロータブレード５８の環状アレイ５６の周りに環状リングを形成してもよく、シュラウド組立体７４は、第２の段６０のタービンロータブレード６８の環状アレイ６６の周りに環状リングを形成してもよい。一般に、シュラウド組立体７２、７４のシュラウドは、ロータブレード５８、６８のそれぞれのブレード先端７６、７８から半径方向に離間される。ブレード先端７６、７８とシュラウドとの間にラジアルギャップ又は隙間ＣＬが画成される。シュラウド及びシュラウド組立体は、一般に、熱ガス経路７０からの漏れを減らす。

シュラウド及びシュラウド組立体は、低圧圧縮機２２、高圧圧縮機２４、及び／又は低圧タービン３０内に同様の方法で追加として利用され得ることに留意されたい。したがって、本明細書に開示されるシュラウド及びシュラウド組立は、ＨＰタービン内での使用に限定されるものではなく、むしろガスタービンエンジンの任意適当なセクションに利用され得る。

次に図３〜図１０を参照すると、改良型ノズル組立体１００及びノズル組立体１００のノズル１０２の様々な実施形態が開示される。本明細書に開示されるノズル１０２は、ステータベーン５４、ステータベーン６４、又はエンジン内の他の適当な静止翼形部ベースの組立体の適所に利用され得る。

図３〜図６に示されているように、本開示によるノズル１０２は翼形部１１０を含み、翼形部１１０は、正圧側１１２、負圧側１１４、前縁１１６、及び後縁１１８を画成する外表面を有する。正圧側１１２及び負圧側１１４は、一般に理解されているように、前縁１１６と後縁１１８との間に延びる。典型的な実施形態では、翼形部１１０は一般に中空であり、したがって冷却流体が翼形部１１０に流れること、及び構造補強部品が翼形部１１０内に配置されることが可能になる。

ノズル１０２は内側バンド１２０及び外側バンド１３０をさらに含むことができ、内側バンド１２０及び外側バンド１３０はそれぞれ、翼形部１１０の半径方向外端でほぼ半径方向１０４に沿って翼形部１１０に連結される。ノズル１０２アレイ内の隣り合うノズル１０２は、図示のように、内側バンド１２０の隣り合う表面が接触しかつ外側バンド１３０の隣り合う表面が接触した状態で、円周方向１０６に沿って並んで位置を定められてもよい。内側バンド１２０は翼形部１１０の半径方向内側に配置されてもよく、外側バンド１３０は翼形部１１０の半径方向外側に配置されてもよい。内側バンド１２０は、例えば、互いに半径方向に間隔をおいて配置された半径方向内向き端面１２１と半径方向外向き端面１２２とを含んでいてもよい。内側バンド１２０は、正圧側スラッシュ面１２４、負圧側スラッシュ面１２５、前縁面１２６、及び後縁面１２７を含む様々な側面をさらに含んでいてもよい。同様に、外側バンド１３０は、例えば、互いに半径方向に間隔をおいて配置された半径方向内向き端面１３１と半径方向外向き端面１３２とを含んでいてもよい。外側バンド１３０は、正圧側スラッシュ面１３４、負圧側スラッシュ面１３５、前縁面１３６、及び後縁面１３７を含む様々な側面をさらに含んでいてもよい。

例示的な諸実施形態では、翼形部１１０、内側バンド１２０、及び外側バンド１３０はセラミックマトリックス複合（「ＣＭＣ」）材料から形成されてもよい。或いは、しかしながら、他の適当な材料、例えば適当なプラスチック、複合材料、金属などが利用されてもよい。

図３にさらに示されているように、ノズル組立体１００はノズル支持構造１０８を含んでいてもよい。各支持構造１０８は、エンジン１０内にノズル１０２を支持するためにノズル１０２に連結されてもよい。別の支持構造１０８が、荷重をノズル１０２からエンジン１０内の様々な他の部品に伝達してもよい。

支持構造１０８は、例えばストラット１４０を含んでいてもよい。ストラット１４０は、一般に、翼形部１１０を貫通して、例えば翼形部１１０の内部をほぼ半径方向に貫通して延びていてもよい。ストラット１４０は、内側バンド１２０及び外側バンド１３０を貫通して、例えば内側バンド１２０及び外側バンド１３０の穿孔（ラベルなし）を貫通してさらに延びていてもよい。一般に、ストラット２０８は、荷重をノズル１０２の半径方向端部相互間で支持構造１０８の他の部品に対して保持してもよい。荷重は、これらの部品を通じてエンジン１０の他の部品、例えばエンジンケーシングなどに伝達され得る。

例えば、支持構造１０８は内ハンガ１５０及び外ハンガ１６０を含んでいてもよく、内ハンガ１５０及び外ハンガ１６０はそれぞれ、ストラット１４０の半径方向外端でほぼ半径方向１０４に沿ってストラット１４０に連結される。支持構造１０８アレイの隣り合う支持構造１０８は、図示のように、内ハンガ１５０の隣り合う表面が接触しかつ外ハンガ１６０の隣り合う表面が接触した状態で、円周方向１０６に沿って並んで位置を定められてもよい。内ハンガ１５０はストラット１４０の半径方向内側に配置されてもよく、外ハンガ１６０はストラット１４０の半径方向外側に配置されてもよい。さらに、内ハンガ１５０は、翼形部１１０及び内側バンド１２０のほぼ半径方向内側に配置されてもよい。外ハンガ１６０は、翼形部１１０及び外側バンド１３０のほぼ半径方向外側に配置されてもよい。内ハンガ１５０は、例えば、互いに半径方向に間隔をおいて配置された半径方向内向き端面１５１と半径方向外向き端面１５２とを含んでいてもよい。内ハンガ１５０は、正圧側スラッシュ面１５４、負圧側スラッシュ面１５５、前縁面１５６、及び後縁面１５７を含む様々な側面をさらに含んでいてもよい。同様に、外ハンガ１６０は、例えば、互いに半径方向に間隔をおいて配置された半径方向内向き端面１６１と半径方向外向き端面１６２とを含んでいてもよい。外ハンガ１６０は、正圧側スラッシュ面１６４、負圧側スラッシュ面１６５、前縁面１６６、及び後縁面１６７を含む様々な側面をさらに含んでいてもよい。

例示的な諸実施形態では、ストラット１４０、内ハンガ１５０、及び外ハンガ１６０は金属から形成される。或いは、しかしながら、他の適当な材料、例えば、適当なプラスチック、複合材料などが利用されてもよい。

先に論じたように、ノズル１０２は、軸線方向（中心線１２に沿って画成される）に沿った荷重を含めて、エンジン１０の運転中に様々な荷重を受ける可能性がある。さらに、先に論じたように、ノズル１０２及び関連支持構造１０８を形成するために利用される材料（すなわち、例示的な実施形態におけるそれぞれＣＭＣ及び金属）の違いが、エンジン運転中に、特に半径方向１０４に沿ってノズル１０２及び／又は支持構造１０８の望ましくない相対運動を引き起こす可能性がある。関連するノズル１０２と支持構造１０８との間の荷重伝達を改善するとともに、かかる荷重及び相対運動により支持構造１０８と相互作用するノズル１０２の部品への損傷の危険性を低減することが一般に望ましい。

したがって、次に図３〜図６を参照すると、本開示によるノズル１０２は、関連するノズル１０２と支持構造１０８との間で荷重を伝達するために利用される１以上のフランジ２００、２０２をさらに含んでいてもよい。ノズル１０２のフランジ２００、２０２はそれぞれ、ＣＭＣ材料から形成され、外側バンド１３０の半径方向外向き端面１３２から半径方向外方に、又は内側バンド１２０の半径方向内向き端面１２１から半径方向内方に延びる。例示的な諸実施形態では、ノズル１０２は複数のフランジ２００、２０２を含む。１以上の第１のフランジ２００が半径方向外向き端面１３２から半径方向外方に延びていてもよく、１以上の第２のフランジ２０２が半径方向内向き端面１２１から半径方向内方に延びていてもよい。

フランジ２００、２０２はそれぞれ、ノズル支持構造１０８のはめ合いフランジ２１０、２１２又はエンジン１０内の別の適切な部品と接触するように構成され得る。このような接触は、エンジン１０の組立時又は運転中にエンジン１０内で起こり得る。例えば、例示的な諸実施形態では、本開示によるノズル支持構造１０８は、関連するノズル１０２と支持構造１０８との間で荷重を伝達するために利用される１以上のフランジ２１０、２１２をさらに含んでいてもよい。ノズル支持構造１０８の各フランジ２１０、２１２は、例示的な諸実施形態では、金属材料又は他の適当な材料から形成されてもよい。さらに、ノズル支持構造１０８のフランジ２１０、２１２はそれぞれ、外ハンガ１６０の半径方向内向き端面１６１から半径方向内方に、又は内ハンガ１５０の半径方向外向き端面１５２から半径方向外方に延びる。例示的な諸実施形態では、ノズル支持構造１０８は複数のフランジ２１０、２１２を含む。１以上の第１のフランジ２１０が半径方向内向き端面１６１から半径方向内方に延びていてもよく、１以上の第２のフランジ２１２が半径方向外向き端面１５２から半径方向外方に延びていてもよい。

各フランジ２００、２０２は、例えば、フランジ２１２のはめ合い荷重伝達面２１４と接触する荷重伝達面２０４を含んでいてもよい。荷重は、一般に、ノズル１０２とノズル支持構造１０８との間でこれらの面２０４、２１４を通じて伝達され得る。例示的な諸実施形態では、フランジ２００、２０２の面２０４は軸線方向（中心線１２に沿った方向）に対してほぼ直交していてもよい。はめ合い面２１４も同様に軸線方向に対してほぼ直交していてもよい。したがって、荷重は、ノズル１０２とノズル支持構造１０８との間でほぼ軸線方向に沿って伝達され得る。

本開示によるフランジ２００、２０２は、先に論じたようにＣＭＣ材料から形成される。特に、次に図６〜図１０を参照すると、かかるフランジ２００、２０２は複数のＣＭＣプライから形成される。プライは、荷重伝達を容易にするとともに、エンジン１０運転中に摩耗などによるフランジ２００、２０２への損傷を防ぐために、特定の配向で有利に配置される。例えば、フランジ２００、２０２は、先に論じたようにはめ合いフランジ２１０、２１２と接触してもよい。さらに関連するフランジ２００、２０２及び２１０、２１２は、ノズル１０２及びノズル支持構造１０８の熱膨張率の違いにより、運転中に互いに対して半径方向に移動してもよい。したがって、フランジ２１０、２１２に対する摩擦などにより、フランジ２００、２０２に、特にフランジ２００、２０２の面２０４に摩耗が起こり得る。フランジ２００、２０２を形成するために利用されるＣＭＣプライの配向は、そのような接触や摩擦などによるフランジ２００、２０２への損傷の危険性を低減し得る。

例えば、フランジ２００、２０２は第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ２２０を含んでいてもよく、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ２２０は、図６及び図７に示されているように、互いに積み重ねられ、一般に周方向断面図でＬ字形を有する。プライのＬ字形スタックは、一般に、第１の端部２２２、第２の端部２２４、及び第１の端部２２２と第２の端部２２４との間に配置された曲げ部分２２６を含む。第１の端部２２２と第２の端部２２４との間に角度２２８が画成され得る。角度２２８は、約８０度〜約１００度でよく、例えば、約８５度〜約９５度、約８８度〜約９２度、約９０度などでよい。第１の端部２２２と第２の端部２２４との間の角度２２８は、一般に、プライのスタックをプライのＬ字形スタックとして画成する。

さらに、例示的な諸実施形態では、第１の複数のＣＭＣプライ２２０は、荷重伝達を容易にするとともに、特定方向の摩耗を低減するように配向されてもよい。例えば、第１の複数のプライ２２０は、第１の複数のプライ２２０の一部（第１の端部２２２）がほぼ軸線方向１２に沿って積み重ねられ、第１の複数のプライ２２０の一部（第２の端部２２４）がほぼ半径方向１０４に沿って積み重ねられるように曲げられてもよい。

第１の複数のプライ２２０は、フランジ２００、２０２の荷重伝達面２０４を含みかつ画成してもよい。例えば、第１の複数のプライ２２０の最も外側の露出プライ２２１が荷重伝達面２０４を画成してもよい。特に、第１の端部２２２にあるこのプライ２２１の一部が荷重伝達面２０４を画成してもよい。本明細書で論じたプライ２２０の配向に加えて、このプライ２２１はフランジ２００、２０２に耐摩耗特性を有利に与えてもよい。例えば、プライ２２１のＣＭＣ材料は、セラミックマトリックス２３４に埋め込まれた複数のほぼ一方向に配向された連続繊維２３２を含んでいてもよい。連続繊維は一般に、プライの長さのごく一部を貫通して延びる不連続繊維とは対照的に、プライの全長を貫通して延びる。繊維２３２は、セラミック、カーボン、ガラス、又は他の適当な材料から形成されてもよい。例示的な諸実施形態では、複数のほぼ一方向に配向された連続繊維２３２の一部（第１の端部２２２）がほぼ半径方向１０４に延びていてもよい。したがって、フランジ２００、２０２及びフランジ２１０、２１２が互いに対して半径方向軸線に沿って移動すると、摩擦などが一般に繊維２３２の長さに沿って起こる。したがって、繊維２３２のこの配向は、運転中のフランジ２００、２０２の摩耗を低減する。とりわけ、繊維２３２は、任意適当な方向に配向されてもよく、特に任意適当な方向に配向され、その方向に沿って摩擦などが起こり、それによって潜在的摩耗を低減し得ることが理解されるべきである。

フランジ２００、２０２は、第２の複数のプライ２４０をさらに含んでいてもよい。第２の複数のＣＭＣプライ２４０は、一般に第１の複数のプライ２２０を補強してもよく、第１の複数のプライ２２０を通じてフランジ２００、２０２に伝達される荷重を有利に分散させてもよい。第２の複数のプライ２４０は互いに積み重ねられてもよく、第１の複数のプライ２２０と接触してもよい。さらに、第２の複数のプライ２４０の少なくとも一部は、一般に、第１の複数のプライ２２０から、フランジ２００、２０２がそれから延びている半径方向外向き端面１２２又は半径方向内向き端面１２１の一方の方へ細くなっていてもよく、例えば、軸線方向に沿って（中心線１２に沿って）細くなっていてもよい。図示されている例示的な諸実施形態では、複数のプライ２４０の少なくとも一部は、半径方向１０４と軸線方向（中心線１２に沿った方向）との間の角度２４２に沿って積み重ねられてもよい。角度２４２は、例えば、半径方向１０４から約３５度〜約５５度、例えば半径方向１０４から約４０度〜約５０度とすることができる。したがって、第２の複数のプライ２４０の少なくとも一部は略くさび形であり、この形状を、第１の複数のプライ２２０と半径方向外向き端面１２２又は半径方向内向き端面１２１の一方との間で荷重を伝達するために利用する。

図８は、第１の複数のプライ２２０又は第２の複数のプライ２４０を形成するために利用される複数のプライ２５０の分解図を示す。各プライは、先に論じたように、セラミックマトリックス２３４に埋め込まれた複数の繊維２３２を含む。例示的な諸実施形態では、各プライ内の繊維２３２は連続繊維である。さらに、隣り合うプライ２４０は互いに対して任意適当な配向を有していてもよい。例えば、図８は、半径方向１０４に対して０度／９０度配向を有するプライ２５０を示す。或いは、プライ２５０は、半径方向１０４に対して−４５度／４５度配向、半径方向１０４に対して０度／９０度／４５度／−４５度配向、或いは互いに対してかつ基準軸線又は基準方向に対して他の適当な配向を有していてもよい。

連続繊維２３２は第１の複数のプライ２２０に利用されることが好ましいが、第１の複数のプライ２２０及び第２の複数のプライ２４０は連続繊維に限定されないことに留意されたい。任意適当な繊維が、プライ内に任意適当な特定配向又はランダム配向を有する連続繊維又は不連続繊維を含めて、本開示の範囲及び精神内にある。

次に図６、図９及び図１０を参照すると、第２の複数のプライ２４０の様々な実施形態が示されている。図６は、第２の複数のプライ２４０がほぼ角度２４２に沿って積み重ねられた実施形態を示す。図９は、第２の複数のプライ２４０のうちの１以上のプライ２５０が、ほぼ角度２４２に沿って積み重ねられた第１の部分２４４とほぼ軸線方向１２に沿って積み重ねられた第２の部分２４６とを含む実施形態を示す。この第２の部分２４６は、例えば図示のように、第１の複数のプライ２２０の第１の端部２２２に当接していてもよい。図１０は、第２の複数のプライ２４０がプライ２５０の１以上のパック２４８を含む実施形態を示す。プライ２５０のパック２４８は、パック２４８を形成するように予め組み立てられた複数のプライ２５０を含んでいてもよい。図示のように、いくつかの実施形態では、１以上の個々のプライ２５０が、様々なパック２４８を互いに分けるために追加として利用され得る。これらのプライ２５０は、いくつかの実施形態では、複数の部分２４９をさらに含んでいてもよく、複数の部分２４９は、内側バンド１２０又は外側バンド１３０を組み付けられ、したがって内側バンド１２０又は外側バンド１３０の一部になる。

本開示は第２の複数のプライ２４０の上述した実施形態に限定されるものではなく、むしろ、第１の複数のプライ２２０を全体的に補強し、第１の複数のプライ２２０を通じてフランジ２００、２０２に伝達される荷重を分散させるように第２の複数のプライ２４０を任意適当に配置することが本開示の範囲及び精神内にあることがさらに理解されるべきである。

さらに、第１の部分２２０、第２の部分２４０、内側バンド１２０及び／又は外側バンド１３０などの様々な部品を形成するプライの任意適当な配向が利用され得ることも理解されるべきである。配向は部品ごとに同じでもよく、或いは所望又は要求されるように異なっていてもよい。

本開示はさらに、ノズル組立体１００を組み立てる方法を対象としている。方法は、例えば、ノズル支持構造１０８をノズル１０２に連結することを含んでいてもよい。この種の連結は、例えば、ノズル１０２を貫通するストラット１４０、例えば翼形部１１０、内側バンド１２０、及び外側バンド１３０を貫通するストラット１４０を延長することを含んでいてもよい。この種の連結は、例えば、ストラット１４０がノズル１０２を貫通して延長された後でストラット１４０を内ハンガ１５０及び／又は外ハンガ１６０に連結することをさらに含んでいてもよい。組立後、ノズル１０２の１以上のフランジ２００、２０２並びにノズル支持構造１０８の１以上のフランジ２１０、２１２が本明細書で論じたように互いに接触するように構成されてもよい。

本明細書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、それにまた、当業者が、任意の装置又はシステムを製作し使用すること、及び任意の組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を実施できるようにするために、例を使用している。本発明の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が想起する他の例を含んでいてもよい。そのような他の例は、それらの例が特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、又はそれらの例が特許請求の範囲の文言とは実質的に差異のない等価構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。
［実施態様１］
ガスタービンエンジン（１４）用のノズル（１０２）であって、
前縁（１１６）と後縁（１１８）との間に延びる正圧側（１１２）及び負圧側（１１４）を画成する外面を有する翼形部（１１０）と、
翼形部（１１０）の半径方向外側に配置される外側バンド（１３０）であって、半径方向外向き端面（１３２）を備える外側バンド（１３０）と、
翼形部（１１０）の半径方向内側に配置される内側バンド（１２０）であって、半径方向内向き端面（１２１）を備える内側バンド（１２０）と、
半径方向外向き端面（１３２）又は半径方向内向き端面（１２１）の一方から半径方向に延びるフランジ（２００、２０２）であって、フランジ（２００、２０２）がセラミックマトリックス複合材料から形成され、互いに積み重ねられた、一般に周方向断面図でＬ字形を有する複数のセラミックマトリックス複合プライ（２５０）を備える、フランジ（２００、２０２）と
を備える、ノズル（１０２）。
［実施態様２］
複数のセラミックマトリックス複合プライ（２５０）が第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）であり、フランジ（２００、２０２）が、互いに積み重ねられた第２の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２４０）をさらに備え、第２の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２４０）の少なくとも一部が、第１の複数のプライ（２２０）から、半径方向外向き端面又は半径方向内向き端面の一方の方へ細くなっている、実施態様１に記載のノズル（１０２）。
［実施態様３］
第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）は、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ半径方向（１０４）に沿って積み重ねられ、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ軸線方向（１２）に沿って積み重ねられるように曲げられ、第２の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２４０）の少なくとも一部が、半径方向（１０４）と軸線方向（１２）との間の角度（２４２）に沿って積み重ねられる、実施態様２に記載のノズル（１０２）。
［実施態様４］
複数のセラミックマトリックス複合プライ（２５０）は、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ半径方向（１０４）に沿って積み重ねられ、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ軸線方向（１２）に沿って積み重ねられるように曲げられる、実施態様１に記載のノズル（１０２）。
［実施態様５］
フランジ（２００、２０２）が荷重伝達面（２０４）を画成し、荷重伝達面（２０４）が軸線方向（１２）に対してほぼ直交する、実施態様１に記載のノズル（１０２）。
［実施態様６］
荷重伝達面（２０４）を画成する複数のプライ（２５０）のプライ（２２１）が複数のほぼ一方向に配向された連続繊維（２３２）を備え、複数のほぼ一方向に配向された連続繊維（２３２）の少なくとも一部がほぼ半径方向（１０４）に延びる、実施態様５に記載のノズル（１０２）。
［実施態様７］
フランジ（２００）が半径方向外向き端面（１３２）から延びる、実施態様１に記載のノズル（１０２）。
［実施態様８］
フランジ（２０２）が半径方向内向き端面（１２１）から延びる、実施態様１に記載のノズル（１０２）。
［実施態様９］
フランジ（２００、２０２）が、半径方向外向き端面（１３２）から延びる第１のフランジ（２００）であり、半径方向内向き端面（１２１）から延びる第２のフランジ（２０２）をさらに備える、実施態様１に記載のノズル（１０２）。
［実施態様１０］
翼形部（１１０）、外側バンド（１３０）、及び内側バンド（１２０）がセラミックマトリックス複合材料から形成される、実施態様１に記載のノズル（１０２）。
［実施態様１１］
ガスタービンエンジン（１４）用のノズル組立体（１００）であって、
ノズル（１０２）、及び
ノズル支持構造（１０８）
を備え、
ノズル（１０２）が、
前縁（１１６）と後縁（１１８）との間に延びる正圧側（１１２）及び負圧側（１１４）を画成する外面を有する翼形部（１１０）と、
翼形部（１１０）の半径方向外側に配置される外側バンド（１３０）であって、半径方向外向き端面（１３２）を備える外側バンド（１３０）と、
翼形部（１１０）の半径方向内側に配置される内側バンド（１２０）であって、半径方向内向き端面（１２１）を備える内側バンド（１２０）と、
半径方向外向き端面（１３２）又は半径方向内向き端面（１２１）の一方から半径方向に延びるフランジ（２００、２０２）であって、フランジ（２００、２０２）がセラミックマトリックス複合材料から形成され、互いに積み重ねられた、一般に周方向断面図でＬ字形を有する複数のセラミックマトリックス複合プライ（２５０）を備える、フランジ（２００、２０２）と
を備え、
ノズル支持構造（１０８）が、
翼形部（１１０）、ノズル（１０２）の外側バンド（１３０）、及びノズル（１０２）の内側バンドを貫通して延びるストラット（１４０）と、
翼形部（１１０）の半径方向外側に配置される外ハンガ（１６０）であって、半径方向内向き端面（１６１）を備える外ハンガ（１６０）と、
翼形部（１１０）の半径方向内側に配置される内ハンガ（１５０）であって、半径方向外向き端面（１５２）を備える内ハンガ（１５０）と、
半径方向外向き端面（１５２）又は半径方向内向き端面（１６１）の一方から半径方向に延びるフランジ（２１０、２１２）であって、ノズル（１０２）のフランジ（２００、２０２）と接触するように構成されたフランジ（２１０、２１２）と
を備える、ノズル組立体（１００）。
［実施態様１２］
複数のセラミックマトリックス複合プライ（２５０）が第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）であり、フランジ（２００、２０２）が、互いに積み重ねられた第２の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２４０）をさらに備え、第２の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２４０）の少なくとも一部が、第１の複数のプライ（２２０）から、半径方向外向き端面（１５２）又は半径方向内向き端面（１６１）の一方の方へ細くなっている、実施態様１１に記載のノズル組立体（１００）。
［実施態様１３］
第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）は、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ半径方向（１０４）に沿って積み重ねられ、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライの一部がほぼ軸線方向（１２）に沿って積み重ねられるように曲げられ、第２の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２４０）の少なくとも一部が、半径方向（１０４）と軸線方向（１２）との間の角度（２４２）に沿って積み重ねられる、実施態様１２に記載のノズル組立体（１００）。
［実施態様１４］
複数のセラミックマトリックス複合プライ（２５０）は、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ半径方向（１０４）に沿って積み重ねられ、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ軸線方向（１２）に沿って積み重ねられるように曲げられる、実施態様１１に記載のノズル組立体（１００）。
［実施態様１５］
ノズル（１０２）のフランジ（２００、２０２）が荷重伝達面（２０４）を画成し、荷重伝達面（２０４）が軸線方向（１２）に対してほぼ直交する、実施態様１１に記載のノズル組立体（１００）。
［実施態様１６］
ノズル（１０２）のフランジ（２００）が、ノズル（１０２）の半径方向外向き端面（１３２）から延びる、実施態様１１に記載のノズル組立体（１００）。
［実施態様１７］
ノズル（１０２）のフランジ（２０２）が、ノズル（１０２）の半径方向内向き端面（１２１）から延びる、実施態様１０に記載のノズル組立体（１００）。
［実施態様１８］
ノズル（１０２）のフランジ（２００、２０２）が、ノズル（１０２）の半径方向外向き端面（１３２）から延びる第１のフランジ（２００）であり、ノズル（１０２）が、ノズル（１０２）の半径方向内向き端面（１２１）から延びる第２のフランジ（２０２）をさらに備える、実施態様１１に記載のノズル組立体（１００）。
［実施態様１９］
翼形部（１１０）、外側バンド（１３０）、及び内側バンド（１２０）がセラミックマトリックス複合材料から形成される、実施態様１１に記載のノズル組立体（１００）。
［実施態様２０］
ノズル支持構造（１０８）のストラット（１４０）、外ハンガ（１６０）、内ハンガ（１５０）、及びフランジ（２１０、２１２）が金属から形成される、実施態様１１に記載のノズル組立体（１００）。

１０ ターボファンジェットエンジン
１２ 長手方向中心線、軸線方向中心線
１４ コア／ガスタービンエンジン
１６ ファンセクション
１８ 外部ケーシング
２０ 入口
２２ 低圧圧縮機
２４ 高圧圧縮機
２６ 燃焼セクション
２８ 高圧タービン
３０ 低圧タービン
３２ ジェット排気セクション
３４ 高圧シャフト／スプール
３６ 低圧シャフト／スプール
３７ 減速装置
３８ ファンスプール／シャフト
４０ ファンブレード
４２ ファンケーシング、ナセル
４４ 出口ガイドベーン
４６ 下流側セクション
４８ バイパス空気流通路
５０ 第１の段
５２、５６、６２、６６ 環状アレイ
５４、６４ ステータベーン
５８、６８ タービンロータブレード
６０ 第２の段
７０ 熱ガス経路
７２、７４ シュラウド組立体
７６、７８ ブレード先端
１００ ノズル組立体
１０２ ノズル
１０４ 半径方向
１０６ 円周方向
１０８ ノズル支持構造
１１０ 翼形部
１１２ 正圧側
１１４ 負圧側
１１６ 前縁
１１８ 後縁
１２０ 内側バンド
１２１、１３１、１５１、１６１ 半径方向内向き端面
１２２、１３２、１５２、１６２ 半径方向外向き端面
１２４、１３４、１５４、１６４ 正圧側スラッシュ面
１２５、１３５、１５５、１６５ 負圧側スラッシュ面
１２６、１３６、１５６、１６６ 前縁スラッシュ面
１２７、１３７、１５７、１６７ 後縁スラッシュ面
１３０ 外側バンド
１４０、２０８ ストラット
１５０ 内ハンガ
１６０ 外ハンガ
２００、２０２、２１０、２１２ フランジ
２０４、２１４ 荷重伝達面
２２０ 第１の複数のプライ
２２１ 最も外側のプライ
２２２ 第１の端部
２２４ 第２の端部
２２６ 曲げ部分
２２８ 角度
２３２ 繊維
２３４ マトリックス
２４０ 第２の複数のプライ
２４２ 角度
２４４ 第１の部分
２４６ 第２の部分
２４８ パック
２４９ バンド部分
２５０ プライ

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１４）用のノズル（１０２）であって、
   前縁（１１６）と後縁（１１８）との間に延びる正圧側（１１２）及び負圧側（１１４）を画成する外面を有する翼形部（１１０）と、
   翼形部（１１０）の半径方向外側に配置される外側バンド（１３０）であって、半径方向外向き端面（１３２）を備える外側バンド（１３０）と、
   翼形部（１１０）の半径方向内側に配置される内側バンド（１２０）であって、半径方向内向き端面（１２１）を備える内側バンド（１２０）と、
   半径方向外向き端面（１３２）又は半径方向内向き端面（１２１）の一方から半径方向に延びるフランジ（２００、２０２）であって、フランジ（２００、２０２）がセラミックマトリックス複合材料から形成され、互いに積み重ねられた、一般に周方向断面図でＬ字形を有する複数のセラミックマトリックス複合プライ（２５０）を備える、フランジ（２００、２０２）と
   を備える、ノズル（１０２）。
2. 複数のセラミックマトリックス複合プライ（２５０）が第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）であり、フランジ（２００、２０２）が、互いに積み重ねられた第２の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２４０）をさらに備え、第１の複数のプライ（２２０）から、半径方向外向き端面又は半径方向内向き端面（１２１）の一方の方へ細くなっている、請求項１に記載のノズル（１０２）。
3. 第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）は、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ半径方向（１０４）に沿って積み重ねられ、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ軸線方向（１２）に沿って積み重ねられるように曲げられ、第２の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２４０）が、半径方向（１０４）と軸線方向（１２）との間の角度（２４２）に沿って積み重ねられる、請求項２に記載のノズル（１０２）。
4. 複数のセラミックマトリックス複合プライ（２５０）は、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ半径方向（１０４）に沿って積み重ねられ、第１の複数のセラミックマトリックス複合プライ（２２０）の一部がほぼ軸線方向（１２）に沿って積み重ねられるように曲げられる、請求項１又は請求項２に記載のノズル（１０２）。
5. フランジ（２００、２０２）が荷重伝達面（２０４）を画成し、荷重伝達面（２０４）が軸線方向（１２）に対してほぼ直交する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のノズル（１０２）。
6. 荷重伝達面（２０４）を画成する複数のプライ（２５０）のプライ（２２１）が複数のほぼ一方向に配向された連続繊維（２３２）を備え、複数のほぼ一方向に配向された連続繊維（２３２）の少なくとも一部がほぼ半径方向（１０４）に延びる、請求項５に記載のノズル（１０２）。
7. フランジ（２００）が半径方向外向き端面（１３２）から延びる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のノズル（１０２）。
8. フランジ（２０２）が半径方向内向き端面（１２１）から延びる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のノズル（１０２）。
9. フランジ（２００、２０２）が、半径方向外向き端面（１３２）から延びる第１のフランジ（２００）であり、半径方向内向き端面（１２１）から延びる第２のフランジ（２０２）をさらに備える、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のノズル（１０２）。
10. 翼形部（１１０）、外側バンド（１３０）、及び内側バンド（１２０）がセラミックマトリックス複合材料から形成される、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のノズル（１０２）。