JP2001082388A - 塑性成形ハイブリッド翼形部 - Google Patents

塑性成形ハイブリッド翼形部

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JP2001082388A
JP2001082388A JP2000262015A JP2000262015A JP2001082388A JP 2001082388 A JP2001082388 A JP 2001082388A JP 2000262015 A JP2000262015 A JP 2000262015A JP 2000262015 A JP2000262015 A JP 2000262015A JP 2001082388 A JP2001082388 A JP 2001082388A
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JP2000262015A
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Jan C Schilling
ジャン・クリストファー・スチリング
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Original Assignee
General Electric Co
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    • F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 翼形部の強度を保ちつつ、充填材用のポケッ
トを機械加工する必要性が低減もしくは皆無となるハイ
ブリッド翼形部の改良製造方法の提供。 【解決手段】 プレーンブランク（１０）を翼形部（１
０ａ，１０ｂ，１０ｃ）を生じる寸法にする。ブランク
を塑性成形して、その一方の側面に滑らかに移行するポ
ケット（２４ａ，２４ｂ）が含まれるようにする。翼形
部の前縁及び後縁（２０，２２）をベンチ仕上げする。
次いで、充填材（２６）をポケット内に配置して翼形部
の空力プロファイルを完成する。

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】飛行中の航空機を推進するターボファン
式ガスタービンエンジンの設計における主目標は軽量化
である。エンジンは、耐久性及び長寿命のための適度な
強度が保たれる最小限の重量を有するべきである。
【０００３】大型ターボファン式エンジンでは、ファン
動翼もその分大きくなり、作動中にかなりの遠心力を生
じる。動翼の下流には静止案内翼が配置されるが、この
静翼も比較的大型である。動翼及び静翼は、それらを流
れる周囲空気と空力的に協働して作動中に推進力を発生
するようにそれぞれ特殊な形状の翼形部を有している。
かかる翼形部は通例中実金属であり、その内部に空洞を
設けることによって軽量化し得るが、それには付帯製造
コストがかかる。
【０００４】結合マトリックス中の構造繊維からなる積
層体を含んだ複合ファン動翼も知られている。かかる複
合ファン動翼は高い強度を保ちながら軽量化できるもの
の、製造コストが高い。
【０００５】別の開発例では、強度を保ちつつ軽量化す
るため翼形部に一体ポケットをもったハイブリッド翼形
部がチタンのような高強度金属を用いて作られている。
翼形部の所要空力プロファイルが完成されるようにポケ
ット内に充填材を接着する。
【０００６】かかるハイブリッド翼形部は、最初に公称
翼形部を成形又は鍛造してほぼ最終形状とし、次いで機
械加工によって最終形状に仕上げることによって製造し
得る。個々のポケットは鍛造翼形部内に機械加工され、
応力集中を避けるため適当な形状にする必要がある。
【０００７】ファン動翼は相当な遠心力の下で作動する
ので、翼形部の輪郭に段差又は急激な変化があるとそこ
が局所的な応力集中部位となる。隣り合う充填材ポケッ
トの間のリブは、動翼での応力集中を低減するとともに
作動中に動翼が歪んだときの充填材に対する剥離応力を
低減するため、移行半径(blending radius)の比較的大
きな寸法にしなければならない。ポケットを設けてその
中に軽量充填材を充填することによって動翼の重量は減
るが、隔離リブが必要とされることで実用的な軽量化の
量は限られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、翼形部の強度
を保ちつつ、充填材用のポケットを機械加工する必要性
が低減もしくは皆無となるハイブリッド翼形部の改良製
造方法を提供することが望まれる。
【０００９】
【発明の簡単な要約】プレーンブランクを翼形部を生じ
る寸法にする。ブランクを塑性成形して、その一方の側
面に滑らかに移行するポケットが含まれるようにする。
翼形部の前縁及び後縁をベンチ仕上げする。次いで、充
填材をポケット内に配置して翼形部の空力プロファイル
を完成する。
【００１０】
【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、そのさらなる目的及び効果と併せて、以下の詳細
な説明おいて添付図面を参照しながらさらに具体的に説
明する。
【００１１】図１に示したのは飛行中の航空機に動力を
与えるために用いられるターボファンガスタービンエン
ジン用のファン出口案内翼の形態をした例示的な翼形部
１０ａである。翼形部は概して凹面状の第一側面１２と
円周方向に対向した概して凸面状の第二側面１４を含
む。これら２つの側面は翼形部の翼幅(span)に沿って半
径方向内側の根元１６から半径方向外側の先端１８まで
延在していて、軸方向つまり翼弦方向に前縁２０から後
縁２２まで延在する。
【００１２】第一側面１２は、段差や急な丸みをもたず
に該側面に滑らかに移行するポケット２４ａを含んでい
る。適当な充填材２６がポケット内に接着され、翼形部
に要求される空力プロファイルつまり翼形を所望の通り
完成もしくは達成する。好ましい実施形態では、充填材
２６はポリウレタンゴムのような弾性材料であり、製造
プロセス時にポケット内に注入し自己接着する。或い
は、ポケットの充填は、例えば成形処理又は注型のよう
な他の好適な方法でも実施し得る。
【００１３】図１に示す出口案内翼１０ａは、本発明に
よって製造し得るハイブリッド翼形部の一種である。こ
の静翼は、半径方向に内側バンド２８と外側バンド３０
の間に延在する一揃いの静翼列のうちの一つであり、か
かる静翼は従来通りシリコーンのような注封材料が充填
された各バンドの溝に装着される。
【００１４】図２に示したのは出口案内翼１０ｂの別の
実施形態であり、翼形部の第一側面１２の後縁２２近傍
に滑らかな第一ポケット２４ａが形成されている。ま
た、翼形部第二側面２４の前縁２０近傍に滑らかな第二
ポケット２４ｂが形成されている。かかる２つのポケッ
ト２４ａ，２４ｂは互いに一部だけで重なりあっていて
共通の隔壁３２で隔てられており、隔壁３２は翼形部本
体の滑らかな部分である。
【００１５】図１及び図２に示すいずれの実施形態で
も、各々のポケットは翼形部本体の全翼幅にわたって延
在しており、翼形部本体は好ましくはチタン又はアルミ
ニウムのような金属である。ポケットは前縁から後縁ま
での間に部分的にしか延在せず、前縁及び後縁は強度の
観点から金属のままであり、充填材は前縁及び後縁から
翼弦方向に離れている。充填材２６は両方のポケット２
４ａ，２４ｂに接着され、翼形部の両側面で空力プロフ
ァイルを完成する。
【００１６】図３及び図４に示したのは翼形部１０ｃの
別の実施形態であり、この翼形部は翼形部根元１６近く
に一体ダブテール３４を有するファン動翼をなす。この
例示的な実施形態では、複数の第一ポケット２４ａが翼
形部第一側面１２に設けられる。また、複数の第二ポケ
ット２４ｂが翼形部第二側面１４に設けられており、個
々のポケット２４ｂは波形又はワッフル状パターンで第
一ポケット２４ａの複数のポケットと重なりあってい
る。
【００１７】翼形部の両側面のポケットは単にその間の
隔壁３２で隔てられ、隔壁は翼形部に妥当な構造的剛性
を与える。隔壁３２は図４に示す通り翼形部の両側面間
で滑らかにカーブして個々のポケットの外縁を画成する
が、各ポケットは浅くて滑らかな壁面からなる鉢(bowl)
状をしていて、段差や急激な変化がない。もし段差や急
激な変化があれば、鍛造や圧延のような各種の塑性変形
を用いてのポケットの製造が困難になってしまう。機械
加工した翼形部ポケットにみられるような翼形部の側面
から垂直に延在していて角のある不連続リブをなくすこ
とで、様々な形態のハイブリッド翼形部の製造に際して
機械加工の必要性を完全になくすことができなかったと
してもその必要性を低減することができる。
【００１８】図５に概略を示した通り、本発明に従って
様々な形態の翼形部１０ａ，１０ｂ，１０ｃを形成する
には、表面に何の起伏(surface feature)もなく、所望
の翼形部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの形態を作り上げるた
めの形状及びプロファイルの寸法をもったプレーンな金
属ブランク(plain metallic blank)１０を最初に作れば
よい。初期翼形部ブランク１０は鍛造のような慣用法で
形成することができ、通例精密機械加工によって所要の
形状に予備成形又は後成形される一体ダブテール３４を
含んでいる。
【００１９】図５及び図６に示す例示的な実施形態で
は、プレーンブランク１０を、例えば鍛造等によって塑
性変形して、両側面１２，１４に１以上のポケット２４
ａ，２４ｂを有する初期翼形部を作る。
【００２０】鍛造は、第一ポケット２４ａを含んだ翼形
部第一側面１２の所望のプロファイルを与える形状の鍛
造面を有する第一ダイスつまり下側ダイス３６を使用す
ることによってなされる。同様に、第二ダイスすなわち
上側ダイス３８は、第二ポケット２４ｂを含んだ翼形部
第二側面１４の所望の最終プロファイルを与える形状の
鍛造面を有する。
【００２１】鍛造自体は慣用プロセスであるが、本発明
の目的とするところでは、プレーンなブランク１０を望
ましい所定の翼形部設計に則した望ましいプロファイル
へと塑性成形するための特殊な形状のダイス３６，３８
を用いる。金属ブランク１０を鍛造温度に加熱し、適当
な鍛造力Ｆの下でブランク１０を両側から２つのダイス
３６，３８で挟んで塑性変形させて成形する。
【００２２】図６に詳細に示した通り、翼形部ブランク
１０は塑性変形を起こして、その母材金属はダイス３
６，３８の形状に一致するのに必要なだけ流動する。数
個のポケット２４ａ，２４ｂは、鍛造の不可能な段差や
角や大容積変化がないように、好ましくは滑らかでかつ
翼形部ブランクの横寸法(lateral extent)にわたって滑
らかに移行(smoothly blend)する。対応隔壁３２は滑ら
かにカーブして個々のポケットを画成し、ダイスの鍛造
能力の範囲内の形状を有する。
【００２３】鍛造は所望のプロファイルが得られるよう
に翼形部の金属母材を塑性変形及び流動させるので、金
属母材の若干はブランクの縁部、特に初期形態の前縁及
び後縁２０，２２に沿って押し出される。図６及び図７
に押し出された翼形部の前縁及び後縁部分を実線で示す
が、かかる部分は慣用的なベンチ仕上げ(benching)によ
る適当な方法で前縁及び後縁の所要の最終小半径へと形
作られる。
【００２４】本発明で用いられるベンチ仕上げとして
は、翼形部ブランクの前縁及び後縁を研削して、余分な
材料と不規則部分を取り除いて所要の最終形状にするこ
とが挙げられる。ベンチ仕上げには、転削加工、機械加
工、砥粒吹付け又はタンブリング、その他鍛造後に前縁
及び後縁の最終プロファイルを作り上げるため前縁及び
後縁に適用される各種精密材料除去法も包含される。
【００２５】図７に示す通り、鍛造後の翼形部ブランク
は個々の翼形部設計に望まれる陥凹部としてのポケット
２４ａ，２４ｂを側面に含んでいる。図１及び図２に示
す出口案内翼１０ａ，１０ｂは静翼の一方又は両方の側
面に全翼幅にわたる１個のポケットを含んでいるに対
し、図７に示す複雑なファン動翼の翼形部は両側面に多
数のポケットを含んでいる。
【００２６】次いで、翼形部の露出面が同一平面をなし
て所要の空力翼形つまりプロファイルが完成されるよう
に、個々のポケットに適当な充填材２６を成形又は注入
する。ポリウレタン充填材２６をポケットに注入する
と、所要の硬化プロセス後にポケットに一体的に自己接
着する。
【００２７】図７に示す例示的な実施形態では、複数の
第一ポケット２４ａは翼形部第一側面１２で互いに離隔
していて、それらの間に第一側面の露出部分が残る。同
様に、複数の第二ポケット２４ｂも翼形部第二側面１４
で互いに離隔していて、それらの間に第二側面の露出部
分が残る。
【００２８】図３、図４及び図７に示す波形又はワッフ
ル状パターンでは、翼形部の第一側面の第一ポケット２
４ａは翼形部の第二側面上の第二ポケット２４ｂと横方
向にオフセットしていてパターンが相補的である。
【００２９】これに対応して、共通の隔壁３２は、対向
する第一ポケット２４ａと第二ポケット２４ｂのそれら
が重なり合った部分に沿って滑らかに遷移(transition)
つまり移行(blend)する。図４に最も明瞭に示されてい
る通り、翼形部ブランクは鍛造時に塑性成形されて対向
ポケット２４ａ，ｂ間で蛇行する。翼形部ブランクの対
応部分は露出した翼形部第一及び第二側面１２，１４と
翼形部内部に位置する一体隔壁３２とを画成する。翼形
部の空力プロファイルは一部は注入充填材２６で画成さ
れるが、残りの部分は金属翼形部本体の露出面によって
画成される。
【００３０】図４及び図５に示す好ましい実施形態で
は、隔壁３２を含めた翼形部ブランクは対向ポケット間
で略一様な厚さで蛇行する。厚さは通例翼幅の根元に向
かって増加するものの、ニアネットシェイプ及び精密鍛
造をなすには、翼形部の翼弦方向に比較的一様な厚さの
翼形部ブランクで行うのがベストである。
【００３１】そうすると翼形部の塑性成形は、翼形部に
形成される滑らかなポケット２４ａ，２４ｂによって塑
性流動に何らかの抵抗や障害があったとしてもほとんど
影響を受けない。得られる翼形部第一及び第二側面１
２，１４は各ポケット２４ａ，２４ｂの反対側で露出さ
れ、それぞれ翼形部の空力プロファイルの一部を画成
し、ポケット内の充填材２６がそれぞれポケットにおけ
る空力プロファイルの一部を画成する。翼形部の前縁部
及び後縁部は中実金属のままで、翼形部の空力プロファ
イルを完成する。
【００３２】従って、始めに翼形部を鍛造してからハイ
ブリッド翼形部の所望ポケットを機械加工して切り出す
のではなく、好ましい実施形態では、共通の鍛造操作で
ポケットと翼形部プロファイルの残りの部分を同時に鍛
造し、ポケットを後で充填して空力プロファイルを完成
することによって、機械加工を最小限又は完全になくす
ことができる。
【００３３】図１及び図２に示す比較的単純な実施形態
は、鍛造して滑らかなポケットを形成し、ポケットを充
填すれば空力プロファイルが完成する。また、図３及び
図４に示す比較的複雑な多ポケットの実施形態は共通の
操作で鍛造すればよく、ポケットを機械加工する必要が
ない。
【００３４】図３及び図４に示した二面ポケットパター
ンの付加的な利点は、翼弦方向に翼前縁と後縁の間に延
在しかつ半径方向に翼幅に沿って延在しているとともに
それらの間で斜行する蛇行隔壁３２によって付随した構
造的剛性が得られることである。一体隔壁３２は、作動
中に受ける遠心力及び空気力を吸収できるように動翼翼
形部を優先的に補剛するように配置される。また、隔壁
は作動中の励振下での翼形部の振動応答の抑制に役立
つ。特に、前縁近くの斜行隔壁は鳥の衝突による衝突個
所の変形を減らすことができる。
【００３５】隔壁３２は翼形部の片側から反対側に滑ら
かに移行し、比較的半径の大きい略弓形をしているの
で、周辺に丸みをおびた角のあるポケットと比べると応
力集中は大幅に低減する。さらに、隔壁の弓形形状は充
填材材料との強固な接着を確保して、それらの間の剥離
応力又は剥離傾向を低減させる。
【００３６】最も重要なことは、本明細書に開示した鍛
造・充填ハイブリッド翼形部は、ポケットの形成に必要
な機械加工を完全になくすか削減することができるの
で、製造コストが大幅に削減できる。
【００３７】以上、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されるものについて説明してきた
が、本発明のその他の変更は本明細書の教示内容から当
業者には自明であり、かかる変更がすべて本発明の技術
的思想及び技術的範囲に属するものとして請求項で保護
されることを希望するものである。
【００３８】従って、特許による保護を望むのは請求項
に規定されかつ特徴が明らかにされた発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的な実施形態に従ってファン出
口案内翼の一方の側面に形成された充填ポケットを有す
る例示的なファン出口案内翼の等角図である。
【図２】 両側面に充填ポケットを有するファン出口案
内翼のもう一つの実施形態を示す図である。
【図３】 本発明の別の実施形態に従ってファン動翼の
翼形部の両側面に複数の充填ポケットを有するファン動
翼の図である。
【図４】 図３に示す翼形部を概して線４−４に沿って
半径方向にみた断面図である。
【図５】 図３及び図４に示す例示的な実施形態による
翼形部の塑性成形の概略図である。
【図６】 成形中の翼形部の図５の符号６で示す円内の
部分の拡大断面図である。
【図７】 図３及び図４に示す本発明の例示的実施形態
による翼形部の鍛造方法を示す工程図である。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンエンジン用ハイブリッド翼
    形部の製造方法であって、当該方法が、 翼形部を生じる寸法のプレーンブランク１０を作り、 上記ブランクを塑性成形して、長手方向に根元１６から
    先端１８まで延在するとともに翼弦方向に前縁２０から
    後縁２２まで延在する対向した第一側面１２と第二側面
    １４とを有する初期翼形部であって、第一側面が該側面
    に滑らかに移行するポケット２４ａを含んでいる初期翼
    形部を製造し、 上記前縁２０及び後縁２２をベンチ仕上げし、かつ、 ポケット２４を充填材で充填して翼形部に空力プロファ
    イルを完成することを含んでなる、方法。
  2. 【請求項２】 ブランク１０を鍛造してポケット２４ａ
    を作る、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 ブランク１０を塑性成形して第一側面及
    び第二側面に互いに一部だけで重なりあってそれらの間
    の共通の隔壁３２で隔てられたポケット２４ａ，２４ｂ
    を作り、かつ、 重なり合ったポケット２４ａ，２４ｂに充填剤を接着し
    て翼形部の両側面に空力プロファイルを完成する、請求
    項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 ブランク１０を塑性成形して第一側面１
    ２に複数の第一ポケット２４ａを作るとともに、第二側
    面１４に各々第一ポケット２４ａの複数のポケットと重
    なり合った複数の第二ポケット２４ｂを作る、請求項３
    記載の方法。
  5. 【請求項５】 第一ポケット２４が互いに離隔してい
    て、しかも第二ポケット２４ｂが互いに離隔している、
    請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 第一ポケット２４ａが第二ポケット２４
    ｂと横方向にオフセットしている、請求項５記載の方
    法。
  7. 【請求項７】 ポケット２４間で蛇行するようにブラン
    ク１０を塑性成形する、請求項３記載の方法。
  8. 【請求項８】 ブランクがポケット間で概して一様な厚
    さで蛇行する、請求項３記載の方法。
  9. 【請求項９】 翼形部の第一側面１２と第二側面１４が
    それぞれのポケット２４ａ，２４ｂの反対側で露出して
    いる、請求項３記載の方法。
  10. 【請求項１０】 ポケット２４ａ，２４ｂが第一側面及
    び第二側面で相補的な横方向のオフセットパターンを有
    している、請求項３記載の方法。
  11. 【請求項１１】 ガスタービンエンジン用ハイブリッド
    翼形部の製造方法であって、当該方法が、 翼形部１０ａ，１０ｂ，１０ｃを生じる寸法のプレーン
    ブランク１０を作り、 上記ブランクを鍛造して、長手方向に根元１６から先端
    １８まで延在するとともに翼弦方向に前縁２０から後縁
    ２２まで延在する対向した第一側面１２と第二側面１４
    とを有する初期翼形部であって、第一側面１２が該側面
    に滑らかに移行する複数の横方向に離隔したポケット２
    ４ａを含んでいる初期翼形部を製造し、 上記前縁２０及び後縁２２をベンチ仕上げし、かつ、 ポケット２４を充填材２６で充填して翼形部に空力プロ
    ファイルを完成することを含んでなる、方法。
  12. 【請求項１２】 ブランクを塑性成形して第一側面及び
    第二側面にそれぞれ互いに一部だけで重なりあってそれ
    らの間の共通の隔壁３２で隔てられた複数のポケット２
    ４ａ，２４ｂを作り、かつ、 重なり合ったポケットに充填剤２６を接着して翼形部の
    両側面に空力プロファイルを完成する、請求項１１記載
    の方法。
  13. 【請求項１３】 第一側面１２に互いに離隔した複数の
    第一ポケット２４ａを塑性成形し、かつ第二側面１４に
    各々第一ポケット２４ａの複数のポケットと重なり合っ
    た複数の第二ポケット２４ｂを作る、請求項１２記載の
    方法。
  14. 【請求項１４】 翼形部の第一側面と第二側面の間を隔
    壁３２が横切るように第一ポケット２４ａが第二ポケッ
    ト２４ｂと横方向にオフセットしている、請求項１３記
    載の方法。
  15. 【請求項１５】 根元１６から先端１８まで延在してい
    るとともに前縁２０から後縁２２まで延在する対向した
    第一側面１２と第二側面１４、 第二側面の第二ポケット２４ｂと一部だけ重なり合って
    共通の隔壁３２で隔てられた第一側面の第一ポケット２
    ４ａ、及び第一ポケット及び第二ポケットに接着して第
    一側面及び第二側面に空力プロファイルを完成する充填
    材２６を含んでなるガスタービンエンジン用ハイブリッ
    ド翼形部。
  16. 【請求項１６】 第一側面１２の第一ポケット２４ａを
    複数含んでいるとともに、第二側面１４の第二ポケット
    ２４ｂを複数含んでいて、第二ポケットの各々が第一ポ
    ケットの複数のポケットと重なり合っている、請求項１
    ５記載の翼形部。
  17. 【請求項１７】 第一ポケット２４が互いに離隔してい
    て、しかも第二ポケット２４ｂが互いに離隔している、
    請求項１６記載の翼形部。
  18. 【請求項１８】 翼形部の第一側面と第二側面の間を隔
    壁３２が横切るように第一ポケット２４ａが第二ポケッ
    ト２４ｂと横方向にオフセットしている、請求項１７記
    載の翼形部。
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