特許 7423228 セラミックマトリックス複合材タービンノズルシェルおよび組立の方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-19

(45)【発行日】2024-01-29

(54)【発明の名称】セラミックマトリックス複合材タービンノズルシェルおよび組立の方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 9/02 20060101AFI20240122BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20240122BHJP

   C04B 35/80 20060101ALI20240122BHJP

【ＦＩ】

F01D9/02 102

F02C7/00 C

F02C7/00 D

C04B35/80

【請求項の数】 12

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2019166776

(22)【出願日】2019-09-13

(65)【公開番号】P2020067083

(43)【公開日】2020-04-30

【審査請求日】2022-09-02

(31)【優先権主張番号】16/170773

(32)【優先日】2018-10-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】515322297

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｂｒｏｗｎ Ｂｏｖｅｒｉ Ｓｔｒａｓｓｅ ８， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(72)【発明者】

【氏名】ピーター・デ ディエゴ

(72)【発明者】

【氏名】ジョン・エリントン・グリーネ

(72)【発明者】

【氏名】デイビッド・ランドール・ホバート

(72)【発明者】

【氏名】ジェイムズ・ジョセフ・マレー

【審査官】高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１４８１０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１３３１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５１４０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０２５９１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０２５１９３９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ３５／８０

Ｆ０１Ｄ ９／０２

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｆ０２Ｃ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）タービンノズルシェル（７０）の製造方法であって、
第１の複数のプラットフォームプライ（１００）を積み重ねて減量し、一次外側ノズルプラットフォーム（７２）を組み立てるステップと、
第２の複数のプラットフォームプライ（１２０）を積み重ねて減量し、一次内側ノズルプラットフォーム（７６）を組み立てるステップと、
複数の後縁プライ（１８２）をＶ字形に積み重ねるステップと、
複数のコアプライ（１４０）を幅広の端部（１４７）及び幅狭の端部（１４８）を有するツール（１４５）の周りに巻き付けて中空の翼形部形状を画定することによって、及び前記積み重ねられた後縁プライ（１８２）を前記複数のコアプライ（１４０）の前記幅狭の端部（１４８）に隣接して配置することによってコア及び後縁プリフォーム（１６０）を組み立てるステップと、
一組の複合材ラッププライ（１１０）を前記コア及び後縁プリフォーム（１６０）の周りに円周方向に巻き付けることによって翼形部形状の本体（７４）を組み立てるステップであって、前記一組の複合材ラッププライ（１１０）の各複合材ラッププライ（１１０）が、前記ＣＭＣタービンノズルシェルの長手方向軸（１７０）に平行に配向された第１の一方向繊維の第１の層及び前記第１の一方向繊維に対して横方向に配向された一方向繊維を有する第２の層を有しており、各複合材ラッププライ（１１０）が、第１の長手方向縁部（１４２、１４６）及び第２の長手方向縁部（１５２、１５６）を有しており、前記翼形部形状の本体（７４）を組み立てるステップが、さらに、前記第１の長手方向縁部（１４２、１４６）及び前記第２の長手方向縁部（１５２、１５６）をフィンガ（１１８、１１８ａ、１５８、１５８ａ）に切断すること、及び前記フィンガ（１１８、１１８ａ、１５８、１５８ａ）を前記コアプライ（１４０）から離れる横方向に折り畳んで各複合材ラッププライ（１１０）の前記フィンガ（１１８、１１８ａ、１５８、１５８ａ）を二次プラットフォームプライの間に交互配置することによって二次内側ノズルプラットフォーム（１７６）と二次外側ノズルプラットフォーム（１７２）を画定することを含んでいる、ステップと、
前記一次外側ノズルプラットフォーム（７２）を前記二次外側ノズルプラットフォーム（１７２）に接合するステップと、
前記一次内側ノズルプラットフォーム（７６）を前記二次内側ノズルプラットフォーム（１７６）に接合するステップと
を含む、方法。

【請求項2】

前記一次外側ノズルプラットフォーム（７２）を組み立てるステップと前記一次内側ノズルプラットフォーム（７６）を組み立てるステップとが、同時に実行される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の複数のプラットフォームプライ（１００）の前記プラットフォームプライ（１００）が、第１の繊維方向に配向された一方向繊維の第１のプラットフォームプライと、前記第１の繊維方向を横断する第２の繊維方向に配向された一方向繊維の第２のプラットフォームプライとを含み、前記一次外側ノズルプラットフォーム（７２）を組み立てるステップにおける前記第１の複数のプラットフォームプライ（１００）の前記積み重ね及び減量が、前記第１のプラットフォームプライを前記第２のプラットフォームプライと交互にすることを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記一次外側ノズルプラットフォーム（７２）を組み立てるステップが、前記積み重ねられて減量された第１の複数のプラットフォームプライ（２０２）のグリーン加工をさらに含む、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記第２の複数のプラットフォームプライ（１２０）の前記プラットフォームプライ（１２０）が、第３の繊維方向に配向された一方向繊維の第３のプラットフォームプライと、前記第３の繊維方向を横断する第４の繊維方向に配向された一方向繊維の第４のプラットフォームプライとを含み、前記一次内側ノズルプラットフォーム（７６）を組み立てるステップにおける前記第２の複数のプラットフォームプライ（１２０）の前記積み重ね及び減量が、前記第３のプラットフォームプライを前記第４のプラットフォームプライと交互にすることを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記一次外側ノズルプラットフォーム（７２）を組み立てるステップが、前記積み重ねられて減量された第２の複数のプラットフォームプライ（２０４）のグリーン加工をさらに含む、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記翼形部形状の本体（７４）を組み立てるステップが、各第１の層及び各第２の層が前記コアプライ（１４０）の周りに交互配置で巻き付けられるように、前記一組の複合材ラッププライ（１１０）の各複合材ラッププライ（１１０）を前記コア及び後縁プリフォーム（１６０）の周りに円周方向に巻き付けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記翼形部形状の本体（７４）を組み立てるステップが、実質的に均一なプライ層が前記二次プラットフォームプライの間に交互配置されるように、各複合材ラッププライ（１１０）の前記折り畳まれたフィンガ（１１８、１１８ａ、１５８、１５８ａ）の半径方向外方に複数のフィラーパネル（１３０）を配置することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

１又は複数のプライを巻き上げて第１の凹面フィレットを生産するステップと、前記翼形部形状の本体（７４）と前記二次外側ノズルプラットフォーム（１７２）との間の接合部で前記翼形部形状の本体（７４）を前記第１の凹面フィレットと外接させるステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

１又は複数のプライを巻き上げて第２の凹面フィレットを生産するステップと、前記翼形部形状の本体（７４）と前記二次内側ノズルプラットフォーム（１７６）との間の接合部で前記翼形部形状の本体（７４）を前記第２の凹面フィレットと外接させるステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

前記一次外側ノズルプラットフォーム（７２）を前記翼形部形状の本体（７４）の前記二次外側ノズルプラットフォーム（１７２）に接合するステップ、及び前記一次内側ノズルプラットフォーム（７６）を前記翼形部形状の本体（７４）の前記二次内側ノズルプラットフォーム（１７６）に接合するステップの後、前記翼形部形状の本体（７４）、前記外側ノズルプラットフォーム（７２）、及び前記内側ノズルプラットフォーム（７６）を剛性化するステップをさらに含み、剛性化するステップが、剛性化されたＣＭＣタービンノズル（４０）を生産する、請求項１に記載の方法。

【請求項12】

溶融浸透プロセスを使用して前記剛性化されたＣＭＣタービンノズル（４０）を高密度化することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、セラミックマトリックス複合材物品およびそれらの生産のためのプロセスの分野に関する。より詳細には、本開示は、別々に組み立てられたプリフォームが組み合わされてセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）ノズルを形成する、ガスタービン用のＣＭＣノズルを生産するためのより効率的なプロセスに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンシステムなどのいくつかの従来のターボ機械は、電力を生成するために利用される。一般に、ガスタービンシステムは、圧縮機と、１つまたは複数の燃焼器と、タービンとを含む。空気をその入口を介して圧縮機に引き込むことができ、圧縮機において、空気は多段の回転ブレードおよび静止ノズルを通過することによって圧縮される。圧縮された空気は、１つまたは複数の燃焼器に導かれ、燃焼器では燃料が導入され、燃料／空気混合物の点火および燃焼によって燃焼生成物が形成される。燃焼生成物は、タービンの動作流体として機能する。

【0003】

次いで、動作流体は、タービンの流体流路を通って流れ、流路は、各組の回転ブレードおよび各対応する組の静止ノズルがタービン段を画定するように、複数の回転ブレードと回転ブレードの間に配置された複数の静止ベーンとの間に画定される。複数の回転ブレードがガスタービンシステムのロータを回転させると、ロータに結合された発電機は、ロータの回転から動力を生成することができる。タービンブレードの回転はまた、ロータに結合される圧縮機ブレードの回転を引き起こす。

【0004】

より具体的には、ガスタービンノズルは、タービンセクションの静的構成要素であり、これは、高温ガス（２２００°Ｆを超える温度）をタービンの回転部分への高温ガス経路に誘導してロータの回転運動を達成するように構成される。典型的には、ガスタービンノズルおよびブレードは、遮熱コーティングでコーティングされる、および／または洗練された空冷特徴が設けられる超合金（金属）材料で作製される。しかしながら、タービン構成要素に迂回される空気は、ガスタービンの寄生損失となり、ガスタービンの全体的な効率を低下させる。

【0005】

高温ガス流路の高温条件に耐えることができるさらなる先進材料を使用することによって、構成要素を冷却するために必要な冷却空気の量を減らすことができる。セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）は、このような先進材料の一例である。それらの特性によりそれぞれの部品の冷却要件が軽減されるため、従来のガスタービンと比較してガスタービン効率が向上する。

【0006】

特に構成要素が複雑な幾何学的形状を含む場合、セラミックマトリックス複合材構成要素の組立には時間がかかる場合がある。例えば、タービンノズルは、内側ノズルプラットフォームと外側ノズルプラットフォームとの間に位置決めされる実質的に中空の翼形部形状の本体を含む。ＣＭＣ構成要素を組み立てるより効率的な方法は、これらの構成要素の生産時間を短縮する。

【0007】

場合によっては、ＣＭＣ材料で達成された熱性能の向上にもかかわらず、タービンノズルは、垂直方向に配向された翼形部本体と水平方向に配向された内側および外側プラットフォーム壁との間の接合部で応力を受ける可能性がある（亀裂が生じる可能性がある）。したがって、これらの接合部を強化する改善された方法は、これらの構成要素の耐久性および耐用年数を向上させる。

【発明の概要】

【0008】

セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）タービンノズルシェルの製造方法が提供される。方法は、一次外側ノズルプラットフォーム、一次内側ノズルプラットフォーム、コアおよび後縁プリフォーム、ならびに翼形部形状の本体を組み立てることと、一次外側ノズルプラットフォームを翼形部形状の本体の二次外側ノズルプラットフォームに接合することと、一次内側ノズルプラットフォームを翼形部形状の本体の二次内側ノズルプラットフォームに接合することとを含む。

【0009】

一次外側ノズルプラットフォームは、第１の複数のプラットフォームプライを積み重ねて熱減量することによって組み立てられ、一次内側ノズルプラットフォームは、第２の複数のプラットフォームプライを積み重ねて熱減量することによって組み立てられる。後縁プリフォームは、複数の後縁プライをほぼＶ字形に積み重ねて熱減量することによって組み立てられる。コアおよび後縁プリフォームは、複数のコアプライを幅広の端部および幅狭の端部を有するツールの周りに巻き付けることによって、および積み重ねられた後縁プライを複数のコアプライの幅狭の端部に隣接して配置することによって組み立てられる。

【0010】

翼形部形状の本体は、一組の複合材ラッププライをコアおよび後縁プリフォームの周りに円周方向に巻き付けることによって組み立てられる。組の複合材ラッププライの各複合材ラッププライは、タービンノズルの長手方向軸に平行に配向された第１の一方向繊維の第１の層および第１の一方向繊維に対して横方向に配向された第２の一方向繊維の第２の層を有する。複合材ラッププライは、第１の長手方向縁部および第２の長手方向縁部を有する。第１の長手方向縁部および第２の長手方向縁部は、フィンガに切断され、フィンガは、コアプライから離れる横方向に折り畳まれ、二次プラットフォームプライの間に交互配置されて二次内側ノズルプラットフォームと二次外側ノズルプラットフォームを画定する。一次外側ノズルプラットフォームは、二次外側ノズルプラットフォームに接合され、一次内側ノズルプラットフォームは、二次内側ノズルプラットフォームに接合される。

【0011】

本明細書は、当業者を対象として、本システムおよび方法の完全かつ可能な開示を、それを使用する最良の形態を含んで記載する。本明細書は、添付の図を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示の様々な実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービンの機能ブロック図である。

【図2】本開示の一態様による、タービンノズルの分解図である。

【図3】本開示の一態様による、翼形部プリフォームの組立で使用される構成要素の概略図である。

【図4】本開示による、コアプリフォームの概略俯瞰平面図である。

【図5】本開示による、後縁プリフォームの概略俯瞰平面図である。

【図6】周りに例示的な一対の複合材ラッププライが巻き付けられる、図４および図５のコアおよび後縁プリフォームの概略俯瞰平面図である。

【図7】複合材ラッププライとして積み重ねる前の、０度プライおよび９０度プライの概略図である。

【図8】図７の０度プライおよび９０度プライを使用して組み立てられる、複合材ラッププライの概略図である。

【図9】図３の翼形部プリフォームの構築中に実行される初期ステップを示す、例示的な翼形部プリフォームの一部の斜視図である。

【図10】図３の翼形部プリフォームの一部の概略断面図である。

【図11】図２のセラミックマトリックス複合材ノズルプリフォームの一部の概略断面図である。

【図12A】本セラミックマトリックス複合材ノズルプリフォームを製造するためのプロセスを説明するフローチャートである。

【図12B】本セラミックマトリックス複合材ノズルプリフォームを製造するためのプロセスを説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の様々な実施形態について詳しく説明するが、その１つまたは複数の例が、添付の図面に示されている。詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字および文字の符号を使用する。図面および説明における同様または類似の符号は、本開示の同様または類似の部分を指して使用されている。

【0014】

本セラミックマトリックス複合材ノズルおよびその構成要素を明確に説明するために、本開示の範囲内の関連する機械構成要素を参照し説明するために特定の専門用語が使用される。可能な限り、一般的な業界専門用語が、用語の一般的な意味と一致する方法で使用されて用いられる。別途記載のない限り、このような専門用語は、本出願の文脈および添付の特許請求の範囲と一致する広義の解釈を与えられるべきである。当業者であれば、多くの場合、特定の構成要素がいくつかの異なるまたは重複する用語を使用して参照されることがあることを理解するであろう。単一の部品であるとして本明細書に記載され得るものは、複数の構成要素からなるものとして別の文脈を含み、かつ別の文脈で参照されてもよい。あるいは、複数の構成要素を含むものとして本明細書に記載され得るものは、単一の一体型部品として他の場所で参照されてもよい。

【0015】

加えて、以下に記載されるように、いくつかの記述的用語が本明細書で規則的に使用され得る。「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の場所または重要性を示すことを意図するものではない。

【0016】

多くの場合、異なる半径方向、軸方向および／または円周方向の位置にある部品を説明することが要求される。図１に示すように、「Ａ」軸は、軸方向の配向を表す。本明細書で使用する場合、「軸方向の」および／または「軸方向に」という用語は、ガスタービンシステムの回転軸に実質的に平行な軸Ａに沿った対象物の相対的な位置／方向を指す。対象のノズルおよび翼形部プリフォームなどの特定の部品の文脈では、「軸方向の」および／または「軸方向に」という用語は、部品の長さに沿ってその中心線を通って延びる軸Ａに沿った対象物の相対的な位置／方向を指す（図３に示すように）。さらに本明細書で使用する場合、「半径方向の」および／または「半径方向に」という用語は、ただ１つの場所において軸Ａと交差する軸「Ｒ」に沿った対象物の相対的な位置または方向を指す。いくつかの実施形態では、軸Ｒは、軸Ａに実質的に垂直である。最後に、「円周方向の」という用語は、軸Ａ（例えば、軸「Ｃ」）周りの移動または位置を指す。「円周方向の」という用語は、それぞれの対象物（例えば、ロータまたは部品の長手方向軸）の中心の周りを延びる寸法を指すことができる。

【0017】

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定を意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「この（ｔｈｅ）」は、特に明示しない限り、複数形も含むことが意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用する場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素が存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。

【0018】

各例は、限定ではなく、説明のために提供される。実際には、本開示の範囲および精神から逸脱せずに、修正および変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明された特徴を別の実施形態で使用し、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変更を包含することが意図されている。

【0019】

本開示の例示的な実施形態は、説明のために陸上発電用ガスタービンのタービンノズルの製造に関連して一般的に説明されるが、当業者であれば、本開示の実施形態が、ターボ機械内の他の場所に適用可能であり、特許請求の範囲に具体的に記載されていない限り、陸上発電用ガスタービンのタービン構成要素に限定されないことが容易に理解されよう。

【0020】

ここで図面を参照すると、図１は、例示的なガスタービン１０を概略的に示す。ガスタービン１０は、一般に、入口セクション１２と、入口セクション１２の下流に配置された圧縮機セクション１４と、圧縮機セクション１４の下流に配置された燃焼セクション１６と、燃焼セクション１６の下流に配置されたタービンセクション１８と、タービンセクション１８の下流に配置された排気セクション２０とを含む。加えて、ガスタービン１０は、圧縮機セクション１４をタービンセクション１８に結合する１つまたは複数のシャフト２２（「ロータ」としても知られる）を含むことができる。シャフト２２は、ガスタービン１０、具体的には、タービンセクション１８の長手方向軸と同軸である。

【0021】

動作中、空気２４は、入口セクション１２を通って圧縮機セクション１４に流れ、そこで空気２４が次第に圧縮され、これにより圧縮された空気２６が燃焼セクション１６に提供される。圧縮された空気２６の少なくとも一部は、燃焼セクション１６の１つまたは複数の燃焼器内で燃料２８と混合され、燃焼されて燃焼ガス３０を生産する。燃焼ガス３０は、燃焼セクション１６からタービンセクション１８に流れ、そこで熱および／または運動エネルギーが燃焼ガス３０からシャフト２２に取り付けられたロータブレード（図示せず）に伝達され、それによってシャフト２２を回転させる。次いで、機械的回転エネルギーは、シャフト２２に結合された発電機２１を介して、圧縮機セクション１４に動力を供給すること、および／または電気を生成することなどの様々な目的に使用することができる。タービンセクション１８から出た燃焼ガス３０は次に、排気セクション２０を介してガスタービン１０から排出される。

【0022】

タービンセクション１８内において、ロータブレードの各列は、外側側壁６０と内側側壁８０との間に位置決めされ、それらに取り付けられる静止ノズル４０の対応する列を有する。集合的に、ロータブレードの列および隣接する静止ノズルは、タービン段を画定する。一般に、ロータブレードおよび静止ノズルの長さは各段で長くなり、発電に使用される多くの重構造ガスタービン１０は、３つまたは４つのタービン段を有する。

【0023】

ガスタービン１０は、非常に高い温度で（例えば、ガスがタービンセクション１８に入るときに燃焼ガス温度が２，２００°Ｆを超えて）日常的に動作する。このような高温では、構成要素の応力または故障を防止するためにタービンブレードおよびノズルを冷却する必要がある。ブレードおよびノズル４０を冷却するためにタービンセクション１８に迂回される空気の量は、ガスタービン１０の効率に悪影響を及ぼす。したがって、発電と高効率の競合する要求に対処するために、一部のガスタービン製造業者は、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料を使用して１つまたは複数のタービン段のブレードおよび／またはノズルを作成することを検討している。特に、より高い温度にさらされるタービンセクション１８の入口端部のブレードおよび／またはノズルは、ＣＭＣ材料で作製されてもよい。

【0024】

２つのそのような静止タービンノズル４０が図２の分解図に示されている。以下に説明するように、各タービンノズル４０は、タービンセクション１８（その一部が図２に示されている）の内部に外接する外側側壁６０を通して概して半径方向に設置される。タービンノズル４０の半径方向内側端部は、円周方向内側側壁８０（その一部が図２に示されている）に固定される。内側および外側側壁８０、６０は、所与のタービン段において互いに半径方向に離間しており、内側および外側側壁８０、６０の間の高温ガス経路の一部を画定する。

【0025】

各タービンノズル４０は、ノズル４０の基礎としての役割を果たす金属（例えば、超合金）桁５０を含む。金属桁５０は、装着フランジ５２と、装着フランジ５２から延びる中空の翼形部形状の本体５４とを含む。金属桁５０は、サイズおよび形状が金属桁５０の翼形部形状の本体５４に対応する外側側壁６０の開口部６４を通して設置される。開口部６４は、外側側壁６０の表面６６から半径方向外方に突出する装着棚６２によって囲まれている。金属桁５０が設置されると、金属桁５０の装着フランジ５２は、装着棚６２と接触し、ボルト（図示せず）などの取り外し可能な機械的留め具を使用して装着棚６２に固定される。

【0026】

ＣＭＣノズルシェル７０は、金属桁５０の翼形部形状の本体５４の上に位置決めされる。ＣＭＣノズルシェル７０は、一次外側ノズルプラットフォーム７２と、一次内側ノズルプラットフォーム７６と、一次内側ノズルプラットフォーム７６と一次外側ノズルプラットフォーム７２との間で半径方向に延びる翼形部形状の本体７４とを含む。翼形部形状の本体７４は、冷却空気の流れを受け入れるために中空または実質的に中空である。金属桁５０の翼形部形状の本体５４を収容するサイズおよび形状のキャビティ７５は、翼形部形状の本体７４を通って一次外側ノズルプラットフォーム７２から一次内側ノズルプラットフォーム７６に延びる。翼形部形状の本体７４は、前縁７７と、後縁７８とを含む。

【0027】

内側側壁８０は、タービンセクションの内部に外接する表面８２と、表面８２から半径方向外方に突出する複数の翼形部形状の延長部８４とを含む。各翼形部形状の延長部８４は、対応するＣＭＣノズルシェル７０のキャビティ７５内に適合するサイズおよび形状である。機械的留め具９０は、内側側壁８０を金属桁５０に固定し、外側側壁６０と内側側壁８０との間にＣＭＣノズルシェル７０を捕捉するために使用される。

【0028】

セラミックマトリックス複合材ノズルシェル７０の製造プロセスは、典型的には、金属ベーンを作製するために使用される従来のインベストメント鋳造技術と同じように、翼形部形状の本体７４を製造プロセス中に一部品として一次内側ノズルプラットフォーム７６および一次外側ノズルプラットフォーム７２と一体化することを伴う。しかしながら、ノズルシェル７０の詳細な幾何学的形状と、本体７４と一次ノズルプラットフォーム７２、７６との間の接合部における応力を低減する必要性は、ＣＭＣ構成要素を設計、製造、およびタービン用途向けの手頃な生産可能な設計に一体化することへの課題をもたらす。

【0029】

ＣＭＣノズルシェルを製造する１つの方法は、溶融浸透（ＭＩ）プロセスとして知られる方法である。ＭＩプロセスを使用した製造方法の１つでは、ＣＭＣは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）含有繊維を含む「プリプレグ」プライを使用して生産され、各プリプレグプライは、所望の強化材料、ＣＭＣマトリックス材料の前駆体、および１つまたは複数のバインダを含むテープ状の構造の形態である。「プライ」という用語が本明細書で使用されるとき、特に明記しない限り、プリプレグ、繊維強化プライを記述するものとして理解されるべきである。「炭化ケイ素含有繊維」という用語は、炭化ケイ素を含み、好ましくは実質的に炭化ケイ素である組成を有する繊維を指す。例えば、繊維は、炭素で囲まれた炭化ケイ素コアを有してもよく、逆に、炭化ケイ素で囲まれたまたはカプセル化された炭素コアを有してもよい。「マトリックスプライ」は、ＣＭＣマトリックス材料の前駆体と１つまたは複数のバインダで作製されたテープ状の構造を指し、繊維強化材料は省略されている。

【0030】

２つのプリプレグプライを使用して複合材プライ１１０（図３、図７、および図８に示す）を生産することができ、この場合、１つのプライ１１２は、第１の方向に配向された（例えば、ノズルシェル７０の長手方向軸に平行な０度で）一方向繊維を有し、１つのプライ１１４は、第１の方向を横断する第２の方向に配向された（例えば、０度繊維に垂直な９０度で）一方向繊維を有する。任意選択で、複合材プライ１１０は、０度プライ１１２の０度繊維に対して＋３０度～－３０度の配向の繊維を有するプライなど、他の配向の繊維を含有するプライ１１１を含んでもよい。

【0031】

図３は、本開示の一態様による、ＣＭＣノズルシェル７０および翼形部形状の本体プリフォーム７４を生産するために使用される構成要素を示す。ＣＭＣノズルシェル７０は、一次外側ノズルプラットフォーム７２と、一次内側ノズルプラットフォーム７６と、それらの間に延びる翼形部形状の本体プリフォーム７４とを含む。

【0032】

具体的には、翼形部形状の本体プリフォーム７４は、外側プラットフォームプライ１００ａ、１００ｂ、…１００ｎとして個々にラベル付けされる、第１の（外側）組のプラットフォームプライ１００と、そのうちの１つが０度プライ１１２、９０度プライ１１４、ならびに０度および９０度以外の配向の繊維を有する任意の第３のプライ１１１を含むように示されている、一組の複合材ラッププライ１１０と、内側プラットフォームプライ１２０ａ、１２０ｂ、…１２０ｎとして個々にラベル付けされる、第２の（内側）組のプラットフォームプライ１２０とを含む。外側プラットフォームプライ１００は、二次外側ノズルプラットフォーム１７２を画定し、内側プラットフォームプライ１２０は、二次内側ノズルプラットフォーム１７６を画定する（図１０に示すように）。外側プラットフォームプライ１００は、キャビティ７５のサイズおよび形状に対応する、貫通する開口部１０２を画定する。同様に、内側プラットフォームプライは、キャビティ７５のサイズおよび形状に対応する、貫通する開口部１２２を画定する。

【0033】

様々な数のプライ１００、１１０、および１２０を使用し、一体化された二次外側ノズルプラットフォーム１７２および一体化された二次内側ノズルプラットフォーム１７６を含む、翼形部本体プリフォーム７４を生産することができる。具体的には、組の複合材プライ１１０の複合材ラッププライの数は、設計の必要性に応じて変化し得る。複合材プライ１１０の１つの例示的な範囲は、５プライ～２５プライであり得る。プラットフォームプライ１００、１２０の数「ｎ」は、設計の必要性に応じて変化し得るが、二次外側ノズルプラットフォーム１７２および二次内側ノズルプラットフォーム１７６の各々において３～１０の範囲であり得る。一実施形態では、二次内側ノズルプラットフォーム１７６の内側プラットフォームプライ１２０の数は、二次外側ノズルプラットフォーム１７２の外側プラットフォームプライ１００の数に等しい。

【0034】

以下のさらなる説明から明らかなように、プラットフォームプライ１００、１２０の数は、一次外側ノズルプラットフォーム７２および一次内側ノズルプラットフォーム７６のプラットフォームプライの数を補うものである（図１１により詳細に示される）。

【0035】

複合材ラッププライ１１０に加えて、翼形部形状の本体プリフォーム７４は、図６に示すように、内部プリフォーム１６０をさらに含む。図４に示すように、コアプリフォーム１３８は、ＣＭＣノズルシェル７０の内部キャビティ７５を画定するためにツールまたはモールド１４５の周りに円周方向に巻き付けられる、一組のコアプライ１４０によって画定される（図６に示すように）。ツール１４５は、翼形部形状の本体７４の前縁７７に対応する幅広の端部１４７と、後縁インサート１８０と相互作用する幅狭の端部１４８とを有する（図５に示す）。最も内側のコアプライ１４１は非強化マトリックスプライであり、残りのコアプライ１４０は繊維強化されている。コアプライ１４０の継ぎ目は、キャビティ７５の周囲の周りにほぼ均一な厚さを達成するために互い違いにされてもよい。

【0036】

後縁インサート１８０は、所望の翼形部形状を補うようにコアプライ１４０の幅狭の端部に位置決めされる。後縁インサート１８０は、Ｖ字形の断面プロファイルを画定するように積み重ねられる多数の繊維強化プライ１８２を含む。所望であれば、後縁インサート１８０を形成するプライ１８２は、交互の繊維配向で積み重ねられてもよい。積層後、後縁インサート１８０は、本明細書でさらに説明されるように、熱減量およびグリーン加工され得る。

【0037】

図６に示すように、複合材ラッププライ１１０は、正圧（凹面）側の翼形部形状のプリフォーム７４の後縁（７８）から負圧（凸面）側のプリフォーム７４の後縁７８まで（またはその逆）コアプライ１４０および後縁インサート１８０の周りに円周方向に巻き付けられる。図６は２つの例示的な複合材ラッププライ１１０を示すが、３つ以上の複合材ラッププライ１１０が典型的には使用されることを理解されたい。各複合材ラッププライ１１０は、少なくとも１つの０度プライ１１２と、少なくとも１つの９０度プライ１１４とを含む。

【0038】

翼形部本体プリフォーム７４の最も外側の表面は、所望のセラミックマトリックス材料の適切な前駆体を含むが、コアプライ１４０および複合材ラッププライ１１０に見られる強化繊維を除外する１つまたは複数のマトリックスプライ１５０（図１０に示す）によって生産される。非強化マトリックスプライ（１つまたは複数）１５０は、構築プロセスの完了中に翼形部プリフォーム７４の表面で補強繊維を保護する。

【0039】

図７に示すように、上述の複合材プライ１１０は、０度プライ１１２および９０度プライ１１４を含み、これらは各々、一般に長方形であり、長さ２１２、およびそれぞれ長さ２１２未満の幅２２２、２７４を有する。０度プライ１１２は、外側長手方向縁部１４２と、内側長手方向縁部１４６とを有し、幅２２２は、長手方向縁部１４２、１４６の間に画定される。９０度プライ１１４は、外側長手方向縁部１５２と、内側長手方向縁部１５６とを有し、幅２７４は、長手方向縁部１５２、１５６の間に画定される。

【0040】

各０度プライ１１２の幅２２２は、翼形部形状の本体プリフォーム７４（図３に示す）の高さ１７４よりも大きく、各９０度プライ１１４の幅２７４よりも大きい。各９０度プライ１１４の幅２７４はまた、翼形部形状の本体プリフォーム７４の高さ１７４よりも大きいが、０度プライ１１２の幅２２２よりも小さくてもよい。複合材プライ１１０で使用される０度プライ１１２の幅２２２は変化してもよく、すなわち、翼形部形状の本体プリフォーム７４の長手方向軸１７０の近くに半径方向に配置される０度プライ１１２は、プリフォーム７４の外側表面に向かって半径方向に配置される０度プライ１１２よりも広くてもよい。

【0041】

以下でさらに説明するように、０度プライ１１２および９０度プライ１１４と外側および内側プラットフォームプライ１００、１２０との交互配置を容易にするために、０度プライ１１２の長手方向縁部１４２、１４６および９０度プライ１１４の長手方向縁部１５２、１５６は、所定のパターンに従って切断される。０度プライ１１２および９０度プライ１１４に対する切断は、翼形部形状のプリフォーム７４の長手方向軸１７０に実質的に垂直かつそこから離れる方向に複合材層で折り畳まれるプライフィンガ１１８、１５８を生産し、各個々の複合材プライ１１０の隣接するフィンガ１１８の重なりがほとんどまたは全くない周囲をキャビティ７５の周りに形成する。場合によっては、湾曲したキャビティ７５の正圧側および負圧側の周りに折り畳まれたときにフィンガ１１８、１５８が確実に平らになるように、長手方向縁部１４２、１４６、１５２、１５６から材料１１６を除去する必要がある。

【0042】

０度プライ１１２の中心パネル１１３は、所望の幅を有するフィンガ１１８を生産するのに十分な余裕を持って長手方向縁部１４２と長手方向縁部１４６との間に配置される。図８に示すように、予め切断されたフィンガ１５８を有する９０度プライ１１４は、９０度プライ１１４の中心部分が０度プライ１１２の中心パネル１１３と位置合わせされて複合材ラッププライ１１０を画定するように、予め切断されたフィンガ１１８を有する０度プライ１１２と積み重ねられ得る。紙または箔ストリップを使用し、フィンガ１１８、１５８が置かれるときまで、１つの複合材ラッププライ１１０の切断されたフィンガ１１８、１５８を互いにおよび／または隣接する複合材ラッププライ１１０の切断されたフィンガ１１８、１５８から分離することができる。

【0043】

複合材ラッププライ１１０（そのうちの１つが図９に複合材ラッププライ１１０ａとして示されている）は、翼形部形状の本体７４を越えて延び、翼形部形状のプリフォーム７４の二次外側ノズルプラットフォーム１７２および二次内側ノズルプラットフォーム１７６に組み込まれるフィンガ１１８、１５８（図１０に示すように）に切断される長手方向縁部（例えば、１４２、１５２）を有する。複合材プライ１１０ａは、キャビティ７５の内部を画定するコアプライ１４０（図１０に示す）の周りに巻き付き、フィンガ１１８ａ、１５８ａは、翼形部形状の本体７４の正圧側および負圧側の湾曲形状に適合するように長手方向軸１７０を横断し、かつそこから離れる方向に折り畳まれる。場合によっては、隣接するフィンガ１１８ａ、１５８ａの間の材料１１６ａが除去され、その結果、フィンガ１１８ａ、１５８ａは、外側プラットフォームプライ１００ａに対してより平らにすることができるようになる。

【0044】

複合材プライ１１０ａのすべてのフィンガ１１８ａ、１５８ａが折り畳み込まれると、フィンガ１１８ａ、１５８ａによって覆われていない外側プラットフォームプライ１００ａの角にいくつかの領域が存在し得る。これらの領域では、後続の外側プラットフォームプライ１００ｂの適用および別の０度プライ１１２（例えば、１１２ｂ、この図には図示せず）のフィンガ１１８、１５８を折り畳み込む前に均一な厚さの層を作成するために、フィラーパネル１３０を含むことが望ましい。フィラーパネル１３０は、除去された材料１１６ａで、または０度プライ１１２ａと同じまたは異なる繊維配向を有する追加の繊維強化プライから作製されてもよい。

【0045】

外側プラットフォームプライ１００ａは、外側プラットフォームプライ１００ｂと同じまたは異なる繊維配向を有してもよい。一実施形態では、外側プラットフォームプライ１００ａは、０度に配向した繊維を有してもよく、一方、外側プラットフォームプライ１００ｂは、９０度（または他の非ゼロ角度）に配向した繊維を有してもよい。外側プラットフォームプライ１００の繊維配向は、層ごとに変化し得る。加えて、複合材ラッププライ１１０の折り畳まれたフィンガ１１８、１５８の間に挿入するための単一の外側プラットフォームプライ１００が示されているが、必要に応じて、異なる数（例えば、２つ以上）の外側プラットフォームプライ１００が複合材ラッププライ１１０の折り畳まれたフィンガ１１８、１５８の間に共に挿入されてもよいことを理解されたい。

【0046】

複合材ラッププライ１１０のフィンガ１１８、１５８を折り畳み、フィラーパネル１３０を位置決めし、次いで外側プラットフォームプライ１００を適用するプロセスは、すべての複合材ラッププライ１１０が折り畳まれるまで続く。同様に、内側ノズルプラットフォーム１７６用の内側プラットフォームプライ１２０を用いてプロセスが繰り返される。

【0047】

複合材ラッププライ１１０のフィンガ１１８、１５８の折り畳みは、単一の複合材ラッププライ１１０のフィンガ１１８、１５８が隣接するプラットフォームプライ１００（または１２０）の間に配置されるように、０度フィンガ１１８と９０度フィンガ１５８を一致させて折り畳むことを伴うものとして説明されている。しかしながら、所望であれば、個々の複合材ラッププライ１１０の０度フィンガ１１８および９０度フィンガ１５８は、中間に位置決めされたプラットフォームプライ１００（または１２０）によって分離されてもよいことを理解されたい。この構成では、プラットフォームプライ１００、１２０の数は、各複合材プライ１１０のフィンガ１１８、１５８が同時に折り畳まれる実施形態で使用されるプラットフォームプライ１００、１２０の数よりも多くなる。

【0048】

翼形部形状の本体プリフォーム７４の一部の断面が図１０に示されている。コアラップ１４０は、翼形部形状の本体プリフォーム７４の長手方向軸１７０の半径方向外方に配置される。本体は、交互の複合材ラッププライ１１０（９０度プライ１１４および０度プライ１１２で作製される）（例えば、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ）を含み、その長手方向縁部１４２、１５２は、長手方向軸１７０に対して横方向に折り畳まれるフィンガ１１８、１５８に切断されている。フィンガ１１８、１５８および任意の必要なフィラーパネル１３０は、外側プラットフォームプライ１００（例えば、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ）の間に交互配置され、翼形部形状の本体７４と一体の二次外側ノズルプラットフォーム１７２を形成する。

【0049】

同様に、フィンガ１１８、１５８および任意の必要なフィラーパネル１３０は、内側プラットフォームプライ１２０（例えば、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）の間に交互配置され、二次外側ノズルプラットフォーム１７２の反対側の翼形部形状の本体７４と一体の二次内側ノズルプラットフォーム１７６を形成する。非強化マトリックスプライ１５０は、翼形部形状の本体プリフォーム７４の外部に滑らかな表面を形成する。プライ１１２、１１４がツールに適用されると、プライ１１２、１１４は、翼形部形状の本体７４と二次外側ノズルプラットフォーム１７２および二次内側ノズルプラットフォーム１７６の各々との間に丸みを帯びた角度を形成する凹面フィレット（図示せず）を生産する。

【0050】

必要に応じて、追加の繊維強化プライ（図示せず）を巻き上げて長い「ヌードル」にし、巻き上げられた「ヌードル」プライが複合材ラッププライ１１０とプラットフォームプライ１００、１２０との間の空隙内、または任意の他の空隙の場所に配置されるように、翼形部形状の本体プリフォーム７４の周囲の周りに円周方向に巻き付けることができる。

【0051】

従来の翼形部形状の本体プリフォームでは、９０度プライは切り取られ、二次ノズルプラットフォームに組み込むために折り重ねられない。むしろ、０度プライのみが、翼形部形状の本体プリフォームの翼形部部分とプラットフォーム部分との間の接合部の強化層として使用される。その結果、結果として生じるＣＭＣノズルシェルは、接合部で脆弱化したり亀裂を生じる傾向があり得る。

【0052】

対照的に、本明細書に記載の本実施形態は、０度プライ１１２と９０度プライ１１４の両方をプラットフォームプライ１００、１２０と折り畳んで交互配置し、それによって翼形部形状の本体プリフォーム７４と後続のＣＭＣノズルシェル７０の接合部を強化する。

【0053】

図１１は、ＣＭＣノズルシェル７０の部分断面図を示し、一次外側ノズルプラットフォーム７２および一次内側ノズルプラットフォーム７６は、その一体の二次外側ノズルプラットフォーム１７２および一体の二次内側ノズルプラットフォーム１７６と共に翼形部形状の本体プリフォーム７４に接合される。一次外側ノズルプラットフォーム７２および一次内側ノズルプラットフォーム７６は各々、積み重ねられた組の繊維強化プラットフォームプライ２０２、２０４から形成される。各プラットフォームプライ２０２、２０４は、（外側プラットフォームプライ１００および内側プラットフォームプライ１２０と同様に）ＣＭＣノズルシェル７０のキャビティ７５を囲む開口部を内部に含む。一次外側ノズルプラットフォーム７２は、一次内側ノズルプラットフォーム７６と同じ数のプラットフォームプライ２０２、２０４を有することができる。一実施形態では、合計１０～２０個のプラットフォームプライが外側ノズルプラットフォーム７２および内側ノズルプラットフォーム７６の各々に使用され、プライ２０２（第１の方向の繊維で強化された）とプライ２０４（第２の横方向の繊維で強化された）の任意の組合せを含む。

【0054】

プラットフォームプライ２０２は、第１の繊維配向を有してもよく、一方、プラットフォームプライ２０４は、第１の繊維配向を横断する第２の繊維配向を有してもよい。一実施形態では、プラットフォームプライ２０２およびプラットフォームプライ２０４は、互いに９０度オフセットして配置される繊維を有することができる。プラットフォームプライ２０２、２０４は、交互にまたはパターン状に配置されてもよい。

【0055】

一次外側ノズルプラットフォーム７２および一次内側ノズルプラットフォーム７６は、それぞれのプラットフォームプライ２０２、２０４が積み重ねられた後に減量およびグリーン加工される。

【0056】

図１２Ａおよび１２Ｂは、本開示による、ＣＭＣノズルシェル７０の構成要素を製造し、ＣＭＣノズルシェル７０を組み立てるためのプロセス３００を定義する。ステップ３１０において、１つまたは複数のマトリックスプライ１５０は、ＣＭＣノズルシェル７０の外側形状を画定するツール（図示せず）の周りに円周方向に配置される。マトリックスプライ１５０は、繊維強化複合材プライ１１０、外側プラットフォームプライ１００、および内側プラットフォームプライ１２０上に滑らかな保護表面を提供する１つまたは複数の層を画定してもよい。

【0057】

ステップ３２０は、後縁プリフォーム１８０、内側ノズルプラットフォームプリフォーム７６、および外側ノズルプラットフォームプリフォーム７２を含む、ＣＭＣノズルシェル７０を生産するために使用されるいくつかのプリフォーム構造の生産を定義する。

【0058】

ステップ３２２において、後縁（ＴＥ）プリフォーム１８０（図５に示す）が組み立てられ、これはコアおよび後縁プリフォーム１６０（図６参照）の一部として組み込まれる。後縁プライ１８２は、コアプライ１４０に結合されるＶ字形の後縁プリフォーム１８０を画定するように共に積み重ねられてもよい。積み重ねられた後縁プライ１８２は、コアプライ１４０と結合される前に減量およびグリーン加工され得る。

【0059】

ステップ３２４において、内側ノズルプラットフォーム７６は、複数のプラットフォームプライ２０２、２０４を互いに積み重ねることによって生産される。プラットフォームプライ２０２、２０４は、一方向繊維強化プライであってもよく、プラットフォームプライ２０２の繊維配向は、プラットフォームプライ２０４の繊維配向を横断してもよい。一実施形態では、プラットフォームプライ２０２の繊維は、プラットフォームプライ２０４の繊維に垂直であってもよい。プラットフォームプライ２０２、２０４は、交互のパターン（例えば、２０２－２０４－２０２－２０４など）で積み重ねられてもよく、または何らかの他のパターン（例えば、２０２－２０２－２０４－２０２－２０２－２０４など）で積み重ねられてもよい。

【0060】

ステップ３２６において、外側ノズルプラットフォーム７２は、複数のプラットフォームプライ２０２、２０４を互いに積み重ねることによって生産される。プラットフォームプライ２０２、２０４は、一方向繊維強化プライであってもよく、プラットフォームプライ２０２の繊維配向は、プラットフォームプライ２０４の繊維配向を横断してもよい。一実施形態では、プラットフォームプライ２０２の繊維は、プラットフォームプライ２０４の繊維に垂直であってもよい。プラットフォームプライ２０２、２０４は、交互のパターン（例えば、２０２－２０４－２０２－２０４など）で積み重ねられてもよく、または何らかの他のパターン（例えば、２０２－２０２－２０４－２０２－２０２－２０４など）で積み重ねられてもよい。

【0061】

外側ノズルプラットフォーム７２および内側ノズルプラットフォーム７６を形成するプラットフォームプライ２０２、２０４が積み重ねられると、積み重ねられたプライ２０２、２０４は、減量および「グリーン加工」され得、プライ２０２、２０４は、ほぼ所望の最終形状に機械加工される。グリーン加工は、当技術分野で知られているように、切断、フライス加工、および研削を含み得る。プラットフォーム７２、７６は、剛性化および高密度化する前に「グリーン」状態で機械加工する方が容易である。

【0062】

ステップ３１０、３２２、３２４、および３２６は、任意の順序で実行されてもよい。有利には、これらのステップ３１０、３２２、３２４、および３２６は、製造時間を短縮するために同時に実行され得る。

【0063】

ステップ３３０において、コアプライ１４０は、ツール１４５（図４に示す）の周りに円周方向に巻き付けられてＣＭＣノズルシェル７０のキャビティ７５を画定する。コアプライ１４０は、各プライ１４０の縁部が互いに円周方向にオフセットされ、それによってキャビティ７５の周りに均一な厚さを提供するように互い違いにされてもよい。最も内側のコアプライ１４０は、繊維のないマトリックスプライであってもよい。後縁インサート１８０は、ツール１４５の狭い端部および巻き付けられたコアプライ１４０と位置合わせされ、それによってコアおよび後縁プリフォーム１６０を形成する。

【0064】

ステップ３４０は、その一体の外側および内側ノズルプラットフォーム１７２、１７６を有する翼形部形状の本体７４の生産をもたらす。ステップ３４２において、０度プライ１１２および９０度（または横断）プライ１１４を含む複合材ラッププライ１１０は、コアおよび後縁プリフォーム１６０の周りに円周方向に巻き付けられて翼形部形状の本体プリフォーム７４の本体を画定する。複合材ラッププライ１１０は、交互配置の０度プライ１１２と９０度（または横断）プライ１１４を生産するように適用される。０度プライ１１２の長手方向縁部１４２、１４６および９０度プライ１１４の長手方向縁部１５２、１５６は、所定のパターンに従って予め切断され、プラットフォームプライ１２０と交互配置されて一体の内側ノズルプラットフォーム１７６を形成し（ステップ３４４）、プラットフォームプライ１００と交互配置されて一体の外側ノズルプラットフォーム１７２を形成する（ステップ３４６）フィンガ１１８、１５８を生産する。上述のように、フローチャートには特に記載されていないが、フィンガ１１８、１５８によって覆われていないプラットフォームプライ１００または１２０の領域は、コアプライ１４０から折り畳まれたとき、フィラーパネル１３０で覆われてもよい。ステップ３４４および３４６は、どちらの順序で実行されてもよい。翼形部形状の本体プリフォーム７４は、ステップ３５０の前に、必要に応じて減量および／またはグリーン加工されてもよい。

【0065】

ステップ３５０において、翼形部形状の本体プリフォーム７４は、外側ノズルプラットフォーム７２（ステップ３２６で形成）および内側ノズルプラットフォーム７６（ステップ３２４で形成）に接合される。ステップ３５２において、外側ノズルプラットフォーム７２は、翼形部形状の本体プリフォーム７４の一体の外側ノズルプラットフォーム１７２に接合される。ステップ３５４において、内側ノズルプラットフォーム７６は、翼形部形状の本体プリフォーム７４の一体の内側ノズルプラットフォーム１７６に接合される。ステップ３５２および３５４は、どちらの順序で実行されてもよい。

【0066】

次いで、剛性化プロセスのためのコールシート（図示せず）または他の既知のツール構成要素は、剛性化の準備として非剛性化ＣＭＣノズルシェル７０の表面に適用することができる（ステップ３６０）。コールシートはゴム状であり、剛性の工具よりも高速で膨張するため、コールシートはオートクレーブサイクル中に圧力を適用するのに有用である。コールシートは、剛性の工具によってブロックされる領域で複合材構成要素に圧縮力を提供し、所望の幾何学的形状を有する高密度化された複合材の形成を可能にする。「非剛性化」（およびその文法的同等物）という用語は、全く剛性化されていないか、または少なくとも、剛性化が実質的ではない点まで部分的に剛性化されている対象物を説明する。

【0067】

次に、非剛性化ベーンプリフォームを剛性化し、プリプレグプライの可塑剤を圧縮および硬化することができる（ステップ３７０）。構成要素は、昇温昇圧でオートクレーブ内で剛性化することができる。そのように限定されないが、構成要素は、約２００℃～約４００℃の温度および約５０ｐｓｉｇ～約３００ｐｓｉｇの圧力で剛性化されてもよい。追加的または代替的に、剛性化は、硬化（例えば、加熱による）、圧縮成形、ブラダ成形、またはＣＭＣノズルシェル７０を堅牢化する他の適切な方法を含むことができる。

【0068】

「部分的に剛性化する」（およびその文法的同等物）という用語は、検出可能な点まで剛性化するが、完全に剛体化される点まで剛性化しないことを含む。「完全に剛性化された」という用語は、対象物が所望の終了点に剛性化される点まで剛性化することを含む。剛性化するという用語は、近接する用語間で一部重複する階層を形成する。たとえば、非剛性化、部分的に剛性化された、および完全に剛性化されたという用語は、剛性化の量の増加を表す（一部重複する）。

【0069】

「共剛性化する」（およびその文法的同等物）という用語は、実質的に同時に剛性化すること、または少なくとも、２つの対象物が剛性化される重複期間を含む。共剛性化により、翼形部７４、外側ノズルプラットフォーム７２、および内側ノズルプラットフォーム７６の間の連結の強化によって提供されると考えられる追加の強度（理論によって制限されることを意図しないが）を有する実質的に連続したマトリックス相を生産することができる。

【0070】

例示的な実施形態では、翼形部本体７４、外側ノズルプラットフォーム７２、および内側ノズルプラットフォーム７６を含むプリフォームは、最初の部分的剛性化と後続の剛性化で共剛性化することができる。すべての実施形態において、剛性化が実質的に完了すると、剛性化されたベーンプリフォームが形成される。

【0071】

剛性化後、構成要素は、バーンアウトまたはガス抜きステップを受ける場合がある（フローチャートには別々に含まれない）。このステップでは、可塑剤などの有機成分が炭素に変換される。

【0072】

次に、剛性化されたベーンプリフォームは、１つまたは複数のステップで高密度化される（ステップ３８０）。例えば、ベーンプリフォームは、（当技術分野で知られている）炭素含有スラリーを剛性化されたベーンプリフォームの多孔部に導入することによって部分的に高密度化することができ、（当技術分野で知られている）溶融浸透プロセスを経て、少なくともケイ素、あるいはホウ素ドープケイ素でさらに高密度化されて仕上げられたＣＭＣノズルシェル７０を形成することができる。

【0073】

本開示による構成要素を形成するための他の技術は、ポリマー浸透および熱分解（「ＰＩＰ」）を含む。このプロセスでは、炭化ケイ素繊維プリフォームにポリシラザンなどのプレセラミックポリマーを浸透させ、次に熱処理してＳｉＣマトリックスを形成する。あるいは、構成要素は、酸化物／酸化物プロセスを含んでもよい。このタイプの処理では、アルミニウムまたはアルミノケイ酸塩繊維をプリプレグし、その後、予め選択された幾何学的形状に積層し、続いて加熱してセラミックマトリックスを形成することができる。構成要素は、炭素繊維強化炭化ケイ素マトリックス（Ｃ／ＳｉＣ）ＣＭＣから構築することもできる。Ｃ／ＳｉＣ処理は、予め選択された幾何学的形状での炭素繊維状プリフォームをレイアップすることを含む。ＳｉＣ／ＳｉＣのスラリーキャスト法で利用されるように、ツールは、グラファイト材料で作製されてもよい。繊維状プリフォームが約１２００℃の化学蒸気浸透プロセス中に工具によって支持されることで、Ｃ／ＳｉＣ ＣＭＣ構成要素が形成される。

【0074】

その後、ＣＭＣノズルシェル７０を機械加工し（ステップ３９０）、所望の最終幾何学的形状を提供することができる。この実施形態では、外側壁および内側ノズルプラットフォーム７２、７６は、ＳｉＣ被覆繊維およびポリマーベースのマトリックスを含むことができる。必要に応じて、低融点合金、機械加工用ワックス、および／または高分子材料などの材料を使用し、プラットフォーム７２、７６をカプセル化することができる。一部の機械加工液に存在する汚染物質の吸着を避けるために、ＣＭＣノズルシェル７０は、機械加工中に水で冷却される。切断および／または研削方向は、繊維状材料が引き裂かれるのを避けるために予め決定され得る。表面における繊維の剥離または除去の形でのＣＭＣノズルシェル７０への損傷を避けるために、切断および／または研削速度も予め決定され得る。

【0075】

本ＣＭＣノズルシェルの例示的な実施形態およびＣＭＣノズルを製造するためのプロセスは、上記で詳細に説明されている。本明細書に記載の方法および構成要素は、本明細書に記載の具体的な実施形態に限定されるものではなく、むしろ、方法および構成要素の態様は、本明細書に記載の他の構成要素から独立してかつ別々に利用することが可能である。例えば、本明細書に記載の方法および構成要素は、本明細書に記載のように、発電用ガスタービンのタービンノズルを用いた実施に限定されない他の用途を有することができる。むしろ、本明細書に記載の方法および構成要素は、様々な他の産業において実施および利用することが可能である。

【0076】

技術的進歩を様々な具体的な実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば、技術的進歩を特許請求の範囲の趣旨および範囲内において修正を加えて実施することができることを認識するであろう。

【符号の説明】

【0077】

１０ ガスタービン
１２ 入口セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 燃焼セクション
１８ タービンセクション
２０ 排気セクション
２１ 発電機
２２ シャフト
２４ 空気
２６ 空気
２８ 燃料
３０ 燃焼ガス
４０ 静止タービンノズル
５０ 金属桁
５２ 装着フランジ
５４ 本体
６０ 外側側壁
６２ 装着棚
６４ 開口部
６６ 表面
７０ セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）ノズルシェル
７２ 一次外側ノズルプラットフォーム、外側ノズルプラットフォームプリフォーム
７４ 翼形部形状の本体、翼形部形状の本体プリフォーム、翼形部プリフォーム、翼形部本体プリフォーム、翼形部、翼形部本体
７５ キャビティ
７６ 一次内側ノズルプラットフォーム、内側ノズルプラットフォームプリフォーム
７７ 前縁
７８ 後縁
８０ 内側側壁
８２ 表面
８４ 翼形部形状の延長部
９０ 機械的留め具
１００ 外側プラットフォームプライ
１００ａ 外側プラットフォームプライ
１００ｂ 外側プラットフォームプライ
１００ｃ 外側プラットフォームプライ
１００ｎ 外側プラットフォームプライ
１０２ 開口部
１１０ 複合材ラッププライ
１１０ａ 複合材ラッププライ
１１０ｂ 複合材ラッププライ
１１０ｃ 複合材ラッププライ
１１１ 第３のプライ
１１２ ０度プライ
１１２ａ ０度プライ
１１２ｂ ０度プライ
１１３ 中心パネル
１１４ ９０度プライ
１１６ 材料
１１６ａ 除去された材料
１１８ プライフィンガ
１１８ａ フィンガ
１２０ 内側プラットフォームプライ
１２０ａ 内側プラットフォームプライ
１２０ｂ 内側プラットフォームプライ
１２０ｃ 内側プラットフォームプライ
１２０ｎ 内側プラットフォームプライ
１２２ 開口部
１３０ フィラーパネル
１３８ コアプリフォーム
１４０ コアプライ、コアラップ
１４１ 最も内側のコアプライ
１４２ 外側長手方向縁部
１４５ ツール、モールド
１４６ 内側長手方向縁部
１４７ 幅広の端部
１４８ 幅狭の端部
１５０ 非強化マトリックスプライ
１５２ 外側長手方向縁部
１５６ 内側長手方向縁部
１５８ プライフィンガ
１５８ａ フィンガ
１６０ 内部プリフォーム、後縁プリフォーム
１７０ 長手方向軸
１７２ 二次外側ノズルプラットフォーム
１７４ 高さ
１７６ 二次内側ノズルプラットフォーム
１８０ 後縁プリフォーム、後縁インサート
１８２ 後縁プライ、繊維強化プライ
２０２ 繊維強化プラットフォームプライ
２０４ 繊維強化プラットフォームプライ
２１２ 長さ
２２２ 幅
２７４ 幅
３００ プロセス
Ａ 軸
Ｃ 軸
Ｒ 軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】