JP2001073997A - 注入成形ハイブリッド翼形部 - Google Patents

注入成形ハイブリッド翼形部

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンエンジン用ハイブリッド翼形部
を廉価に製造するための改良法の提供。 【解決手段】 ガスタービンエンジン用ハイブリッド翼
形部の製造は、一方の側面にポケット（１６）を設けた
金属翼形部（１２）を作ることによって行う。ポケット
を当て板（２２）で覆う。エラストマー流体（２４）を
ポケットに注入してポケット内で硬化させ、ポケットに
接着させる。当て板を翼形部から取り外し、翼形部の空
力翼形に適合した硬化エラストマーを露出させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】本発明は概してガスタービ
ンエンジンに関するものであり、具体的にはガスタービ
ンエンジン用翼形部の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】ターボファンガスタービンエンジンは、
支持ロータディスクから外側に延びる一列のファンブレ
ードを有するファンを備えている。ファンはタービンで
駆動され、タービンはコアエンジンで生じた燃焼ガスか
らエネルギーを抽出して飛行中の航空機に推進力を与え
る。
【０００３】航空機用エンジンを最小限に軽量化するこ
とは最も重要な設計目標である。しかし、軽量化は、作
動中の様々な荷重の下で部品強度を保つのに必要な条件
によって制限される。
【０００４】例えば、ファンブレードは比較的大きく
て、ロータ作動中にかなりの遠心力を生じる。かかるブ
レードは、遠心力によって生じる荷重及び応力に耐える
だけでなく、推進力を発生するために周囲空気が圧縮さ
れる際の空力荷重にも耐えるように設計しなければなら
ない。
【０００５】ファンブレードの寸法の上限は、その製造
に利用し得る高強度材料及び製造コストによって制限さ
れる。チタン等のすべて金属でできた（オールメタル）
ファンブレードは高い強度を有するが、製造費が高い。
また、オールメタルファンブレードは比較的重く、それ
に応じて、支持ダブテール及びロータディスクの寸法及
び強度に関する要件が増える。
【０００６】カーボンマトリックス中の高強度グラファ
イト繊維で作られた複合ファンブレードは、オールメタ
ルファンブレードよりも軽量で、高い強度をもつ。しか
し、複合ファンブレードは、製造費が高く、妥当な実用
寿命を得るには方向性強度を与える特定の構成にする必
要がある。
【０００７】適当な強度を与えつつ軽量化を図るために
ハイブリッドファンブレードの開発が行われている。典
型的なハイブリッドブレードはチタン等の金属ボディを
有しており、その一方の側面に軽量化ポケットが選択的
に設けられる。ポケットは適当なエラストマーで充填さ
れ、妥当な空力性能に必要とされるブレード翼形部の空
力輪郭を完成する。ブレードの金属部分は必要な強度を
与えるが、ブレードの全体的強度を犠牲にすることなく
軽量化を図るためポケットの金属が取り除かれる。
【０００８】ハイブリッドブレードを製造する一つの方
法では、予備成形又は予備鍛造した翼形部の輪郭を機械
加工する際に、翼形部に所望のポケットを機械加工す
る。ペースト状又はパテ状のエラストマーを個々のポケ
ットに入れる。次に、ブレードの両側に一対の輪郭成形
具又はダイを配置して、ポケット内のエラストマーをプ
レスして硬化せしめる。しかし、この製造プロセスは複
雑で経費がかかり、ハイブリッドブレードの大量生産に
は実用的でない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】そこで、ガスタービン
エンジン用ハイブリッド翼形部を廉価に製造できる改良
法を提供することが望まれている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】ガスタービンエンジン用
ハイブリッド翼形部の製造は、一方の側面にポケットを
設けた金属翼形部を作ることによって行う。ポケットを
当て板で覆う。エラストマー流体をポケットに注入して
ポケット内で硬化させ、ポケットに接着させる。当て板
を翼形部から取り外し、翼形部の空力翼形に適合した硬
化エラストマーを露出させる。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい例示的な実施形
態を、その目的及び利点と併せて、添付の図面を参照し
ながら、以下の詳細な説明によって具体的に説明する。
【００１２】図１は、本発明の例示的な実施形態による
ガスタービンエンジン翼形部並びにその製造に用いられ
る相補的当て板の正面図である。
【００１３】図２は、補助当て板を用いて図１に示すハ
イブリッド翼形部を製造する例示的方法を示すフローチ
ャートである。
【００１４】図３は、図２に示す翼形部及び補助当て板
の線３−３に沿って半径方向に視た断面図である。
【００１５】図４は、翼形部の数個のポケットを硬化エ
ラストマーで埋めた完成翼形部の等距離図である。
【００１６】図１に示したのは、製造中の中間的形態に
あるガスタービンエンジンファンブレード１０の例であ
る。ブレード１０は翼形部１２と一体ダブテール１４と
を含んでおり、その輪郭はターボファンガスタービンエ
ンジンに従来用いられてきたいかなる形状であってもよ
い。翼形部及びダブテールは、最初にチタン等の適当な
高強度金属の一体鍛造物として作ることができる。
【００１７】金属翼形部１２は適当に形成された１以上
の陥凹部つまりポケット１６を有しており、ポケット１
６は翼形部の第一側面つまり正圧側面１８の内部に延在
する。この実施形態では、６個の例示的なポケット１６
が示してあり、当初は中実であった翼形部に慣用法で機
械加工し得る。翼形部の反対側の第二側面２０は連続金
属面であり、翼形部の空力的に滑らかな負圧側面を画成
する。
【００１８】翼形部は、半径方向にはダブテール近傍の
根元部から半径方向外側の先端まで翼幅全長にわたって
延在し、軸方向には前縁から後縁まで延在していて、従
来通りの形状である。翼形部は、空力効率を最大限にす
る必要性から、その根元から先端にかけて翼幅軸線に対
してねじれていて、その間の反りも変化している。
【００１９】従って、翼形部は、根元から先端及び前縁
から後縁にかけて変化のある比較的複雑な三次元輪郭を
有しており、ブレードの第一側面１８及び第二側面１０
はそれぞれ正圧側面及び負圧側面として機能する形状を
もつ。
【００２０】図１に示す通り、当て板２２は翼形部の第
一側面１８を覆い、数個のポケット１６を覆うような形
状にされる。当て板２２は、翼形部の第一側面に係合す
る内面に相補的輪郭をもたせて、十分な強度と剛性を与
えるようにエポキシマトリックス中の炭素繊維のような
複合材料で作ることができる。翼形部の第一側面１８
は、根元から先端及び前縁から後縁にかけて輪郭が変化
するので、当て板２２は、翼形部第一側面にぴったり合
って係合する相補的輪郭を有する。
【００２１】図２に示す通り、粘稠流体又は液体状の未
硬化エラストマー２４をポケット１６内に注入して、ポ
ケットを満たす。このようにして、個々のポケットはエ
ラストマー流体２４で満たされ、ポケット１６内でエラ
ストマー流体を硬化させればポケットに接着する。次い
で、当て板２２を取り外せば、成形ハイブリッドブレー
ドが露出する。
【００２２】図２に示す例示的な実施形態では、エラス
トマー流体２４は、所望の具体的なエラストマーの製造
業者によって特定される慣用法で提供される。例えば、
エラストマーは好ましい形態ではポリウレタンゴムとす
ることができ、これは当初液体状態で提供され、適当な
温度に加熱して適切に脱気し、適当な温度に加熱してお
いた対応硬化剤と各々計量された分量で混合する。エラ
ストマー流体と硬化剤を混合してポケットに注入し、そ
こで硬化させる。
【００２３】ハイブリッドブレードと当て板２２全体
は、その中に加熱エラストマー流体２４を注入する前
に、共通の温度に加熱するのが好ましい。翼形部のポケ
ットが充填されたら、充填翼形部を、ブレードと当て板
に共通する初期硬化温度に保つ。次いで、ブレードを、
使用した具体的エラストマー材料に必要とされる硬化プ
ロセスを完了するための適当な昇温下で慣用法に従って
後硬化すればよい。
【００２４】翼形部１２及び当て板２２は相補的な三次
元輪郭を有しているので、当て板はその相補的輪郭に合
うように翼形部と位置合わせ或いは整合させるのが好ま
しい。これは、例えば、図２及び図３に示す通り、当て
板の外周の所定の位置に翼形部の縁と横方向に係合する
一体成形位置決めタブ２６を設けることによってなし得
る。
【００２５】位置決めタブ２６のうちの２つは翼形部の
前縁に沿って間隔をおいて配置し、３つ目の位置決めタ
ブを翼形部の後縁近傍の翼先端に配置し得る。このよう
にして、個々の位置決めタブを翼形部の対応する縁に合
わせることによって、当て板を翼形部の上に迅速かつ正
確にあてはめることができる。
【００２６】図１及び図３に示す通り、当て板２２は好
ましくは外周シール２８を含むが、その例示的な形態と
しては、当て板の係合面の溝つまり座に装着されたＯリ
ングがある。シールは当て板の外周に沿っていて、エラ
ストマーを充填すべき１以上のポケットの周囲にある。
こうして、当て板２２を複数の対応ポケット１６の上で
翼形部第一側面１８に封止し得る。
【００２７】図２及び図３に示す通り、当て板は好まし
くは外周枠３０も含んでいる。外周枠は独立した部品で
あってもよいし、或いは当て板自体と一体形成してもよ
く、当て板の周辺に局所的に堅固もしくは固い領域を提
供して、そこに符号Ｃで示す複数の適当なクランプをあ
てがって当て板と翼形部を締め付ける。こうして、当て
板は翼形部に留められ、シール２８が翼形部第一側面に
押しつけられて密閉が保たれる。
【００２８】次に、エラストマー流体２４を適当な圧力
の下でポケット１６に注入する。ポケット１６は当初空
気を含んでいるので、当て板２２は、エラストマー流体
がポケット内部の空気と置き換わる際にポケットから空
気を抜くための構成をもつのが好ましい。
【００２９】これは、図１及び図２に示す通り、当て板
の先端部に陥凹溝の形態をした複数の空気抜き穴つまり
ウィープホール３２を設けることによって達成できる。
空気抜き穴３２は外周シール２８を遮り、エラストマー
流体をポケットに注入すると空気が逃れるようにする。
【００３０】上述の通り、翼形部１２は好ましくは翼形
部第一側面に複数のポケット１６をもつように形成さ
れ。また、エラストマー流体２４は好ましくはポケット
に順次注入して、ポケット内部の空気がすべて逃れるよ
うにする。これは一箇所の注入部位でも達成し得るし、
複数の注入部位でも達成し得る。
【００３１】図１及び図３に示す通り、翼形部１２は、
好ましくは、複数のポケット１６の隣接ポケット間に陥
凹ランド部つまりリブ３４をもつように形成される。当
て板２２は、好ましくは、リブ３７の上に隙間３６がで
きるような輪郭をもつ。当て板３２の係合面は、エラス
トマーの最終注入に当たって翼形部第一側面１８の最終
翼形つまり表面を画成するような形状をもつ。図３に示
すように、エラストマー流体２４を複数のポケット１６
の一つに注入すると、エラストマー流体２４は幾つかの
隙間３６を通して流れ、隣接ポケットを順次満たしてい
く。ポケットが満たされると、その内部にあった空気は
図２に示すような空気抜き穴３２を通して排出され、ポ
ケットが完全に満たされると最後には若干のエラストマ
ー流体自体が空気抜き穴を通して排出される。
【００３２】図２に示す好ましい実施形態では、エラス
トマー流体２４は、当て板２２の一方の端にある一箇所
で当て板２２を通して注入され、順次すべてのポケット
１６を満たす。流体がポケットからポケットへとそれぞ
れの隙間３６を通して移動するにつれて、空気は当て板
の反対側の端から抜かれ、ポケットから空気が完全に排
出されると同時にポケットがエラストマー流体で完全に
充填されるようになる。
【００３３】図２及び図３に示す通り、当て板は、充填
すべき複数のポケットのうちの１つの一端に適切に配置
された一体注入管つまりポート３８を含んでいる。注入
管３８は、適当な圧力下でエラストマー流体が流れ込む
ように注入装置と適切に接続されている。
【００３４】エラストマー流体２４は、例えばシロップ
様の稠度の粘性を当初有しているので、エラストマー流
体を当て板を通して注入しポケットからポケットへとそ
れらの間の小さな隙間３６を通して注入するには、十分
な圧力を加えなければならない。エラストマー流体の圧
力は、好ましくは、すべてのポケットが満たされた後
も、ポケットの完全な充填を図るため流体が適切に硬化
するまで維持しておく。従って、当て板２２自体が、ポ
ケット内部のエラストマーの外形厚が増大してしまうよ
うな当て板の不都合な変形を生じることなく、流体注入
時に印加圧力に耐える適当な構造的剛性を有しているべ
きである。
【００３５】好ましい実施形態では、注入すべき流体に
対して当て板によって加わる背圧は、当て板自体の変形
を抑制するためにも、制限するのが好ましい。背圧の低
下の制御は、適度な大きさの流れ面積をもつ空気抜き孔
３２を適当な数で用いるとともに、当て板を通して注入
される流体の流路に沿った圧力損を低減するための適当
な大きさの隙間３６を設けることによってなし得る。
【００３６】当て板２２を取り外し、エラストマーが最
終硬化すると、得られたブレード１０は図４に示すよう
な滑らかな空力翼形を有する。硬化エラストマー２４は
ポケット１６をすべて満たしていて、ポケットに接着し
て翼形部第一側面１８と連続した面をなしてその空力輪
郭を完成する。当て板２２は、連続生産における後続フ
ァンブレードの製造に再利用し得る。
【００３７】エラストマーポケットをもつ金属ボディを
有するハイブリッド翼形部は、本発明の注入プロセスを
用いると格段に低コストで簡単に作ることができる。本
発明の方法は、ステータベーン又は出口案内翼等の、ガ
スタービンエンジンの他のタイプのハイブリッド翼形部
にも利用できる。
【００３８】本明細書では本発明の好ましい例示的な実
施形態と思料するものについて説明してきたが、本発明
のその他の形態は本明細書の教示内容から当業者には自
明であり、本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する
かかる形態すべてが特許請求の範囲で保護されることを
望むものである。
【００３９】従って、特許による保護を望むのは、請求
項に規定され特徴付けられた発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的な実施形態によるガスタービ
ンエンジン翼形部並びにその製造に用いられる相補的当
て板の正面図。
【図２】 補助当て板を用いて図１に示すハイブリッド
翼形部を製造する例示的方法を示すフローチャート。
【図３】 図２に示す翼形部及び補助当て板の線３−３
に沿って半径方向に視た断面図。
【図４】 翼形部の数個のポケットを硬化エラストマー
で埋めた完成翼形部の等距離図。
【符号の説明】
１０ ファンブレード １２ 翼形部 １４ ダブテール １６ ポケット １７ 第一側面 ２０ 第二側面 ２２ 当て板 ２４ エラストマー ２６ 位置決めタブ ２８ 外周シール ３０ 外周枠 ３２ 空気抜き穴 ３６ 隙間 ３７ リブ ３８ 注入管 Ｃ クランプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・トーマス・ベゴビッチ，ジュニ ア アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、パーク・リッジ・コート、 5032番 (72)発明者 ダグラス・デュアン・ワード アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、クラブ・レーン、6419番

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第一の側面（１８）にポケット（１６）
    をもつ金属翼形部（１２）を作る段階、 上記ポケットを当て板（２２）で覆う段階、 エラストマー流体（２４）を上記ポケットに注入する段
    階、及び上記ポケット内で上記流体を硬化させてポケッ
    トに接着する段階を含んでなる、ハイブリッドガスター
    ビンエンジン翼形部の製造方法。
  2. 【請求項２】 翼形部の第一の側面（１８）が変化のあ
    る輪郭をもち、 当て板（２２）が相補的輪郭をもち、かつ該相補的輪郭
    に合うように当て板（２２）を翼形部と位置合わせする
    請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 当て板（２２）をポケットの上で翼形部
    に封止する段階、 加圧下で流体（２４）をポケットに注入する段階、及び
    前記流体がポケット内の空気と置き換わる際にポケット
    から空気を抜く段階をさらに含んでなる、請求項２記載
    の方法。
  4. 【請求項４】 翼形部（１２）がその第一の側面（１
    ８）に複数のポケット（１６）をもつように作られ、か
    つ流体（２４）が上記複数のポケットに順次注入される
    請求項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 翼形部（１２）が前記複数のポケット
    （１６）の隣接ポケット間に陥凹リブ（３４）をもつよ
    うに作られ、 前記当て板（２２）がリブ（３４）の上に隙間（３６）
    ができる輪郭をもち、かつ前記流体が前記複数のポケッ
    トの一つに注入され、上記隙間を通って流れて前記ポケ
    ットの隣接ポケットを満たす請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記流体（２４）が当て板（２２）を通
    してただ一箇所で注入され、前記複数のポケットのすべ
    てを順次満たす、請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 流体の圧力を、ポケットが流体で満され
    た後も流体が硬化するまで維持する、請求項３記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 前記流体（２４）が当て板（２２）の一
    方の端から注入され、かつ当て板の反対側の端から空気
    が抜かれる、請求項３記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記当て板の変形を抑えるため、ポケッ
    ト内の流体の背圧を制限することをさらに含んでなる、
    請求項３記載の方法。
  10. 【請求項１０】 第一の側面（１８）に複数の隣接した
    ポケット（１６）をもつ金属翼形部（１２）を作る段
    階、 上記ポケットを当て板（２２）で覆う段階、 エラストマー流体（２４）を上記ポケットに順次注入す
    る段階、及び上記ポケット内で上記流体を硬化させてポ
    ケットに接着する段階を含んでなるハイブリッド翼形部
    の製造方法。
  11. 【請求項１１】 当て板（２２）をポケットの上で翼形
    部に封止する段階、 加圧下で流体（２４）をポケットに注入する段階、及び
    前記流体がポケット内の空気と置き換わる際にポケット
    から空気を抜く段階をさらに含んでなる、請求項１０記
    載の方法。
  12. 【請求項１２】 翼形部の第一の側面（１８）が変化の
    ある輪郭をもち、 当て板（２２）が相補的輪郭をもち、かつ該相補的輪郭
    に合うように当て板（２２）を翼形部と位置合わせする
    請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 翼形部(１２)が前記複数のポケット
    （１６）の隣接ポケット間に陥凹リブ（３４）をもつよ
    うに作られ、 前記当て板（２２）がリブ（３４）の上に隙間（３６）
    ができる輪郭をもち、かつ前記流体が前記複数のポケッ
    トの一つに注入され、上記隙間を通って流れて前記ポケ
    ットの隣接ポケットを満たす請求項１２記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記流体（２４）が当て板（２２）を
    通して該当て板の一方の端のただ一箇所で注入され、か
    つ当て板の反対側の端から空気が抜かれるにつれて前記
    複数のポケットのすべてを順次満たす、請求項１３記載
    の方法。
  15. 【請求項１５】 前記当て板の変形を抑えるため、ポケ
    ット内の流体の背圧を制限することをさらに含んでな
    る、請求項１４記載の方法。
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