JP2004353670A - タービンエンジン用の中空ファンブレード、およびそのようなブレードの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の実施形態に関しての不都合を少なくとも部分的に解決する、単一片の中空ファンブレードの製造方法およびそのような単一片の中空ファンブレードを提案する。
【解決手段】本発明は、径方向にロータブレード４によって延長される根元部２を備える、タービンエンジン用の単一片の中空ファンブレードを製造する方法であって、複数のインサートを有する単一片のファンブレード１を鍛造によって製造する段階と、ブレード１中に複数のリセス１６を得るようにインサートを除去する段階とを含む。また、本発明は、各々が湾曲した中心線１８に沿って実質的に径方向に延長する複数のリセス１６が嵌められたこのようなブレード１に関する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービンエンジン用の中空ブレードの分野に関し、より詳細には、大きな翼弦を有する中空ファンブレードの分野に関する。更に、本発明は、そのようなブレードを製造する方法にも関する。

従来の技術において、タービンエンジン用の大きな翼弦を有するファンブレードは、複流タービンエンジン用のロータファンブレードの実施形態において、特に現れてきた。

実際に、このタイプのブレードは、厳格な動作条件を満足するのに完全に適することが証明され、更に満足な機械特性ならびに良好な振動防止特性と、外部物体からの耐衝撃品質とを組み込む。

ブレード端部で高速を達成するために、特に中空ブレードを提供することによって、質量減少操作が、早くから提案された。

これに関して、タービンエンジン用の中空ファンブレードを作ることは、まずシェル要素のホットプレス成形技術、または二つの半ブレード拡散接合のタイプの技術を使用することからなり、この拡散接合技術は、超塑性成形の技術と特に関連している。

しかしながら、これらの知られている技術は、大きな翼弦を有する中空のファンブレードを作ることを可能としたが、これらの実施は、比較的複雑で高価なままである。

この不都合を克服するために、単一片の中空ファンブレードの構成が提案され、そこでは、リセスが、全体の質量を減少するように想定された。

通常、このようなブレードの製造の方法は、鍛造により単一片のブレードを作り、次に望ましいリセスを得るために複数の孔を機械加工することからなる。

文献ＵＳ−Ａ−５４０７３２６は、このような方法を開示しており、この方法では、リセスは、ロータブレードの厚みに従って、横断方向に実質的に作られる。一旦これらのリセスが作られると、ブレード上表面および下表面の連続性を確保するために、プラグを使用してこれらの孔を埋めることが必要である。

これを達成するために、プラグは、一般的に高エネルギービームでブレードに溶接され、それは、製造方法を時間がかかりかつ高価なものにし、これらの不都合は、ブレードの全体の質量の顕著な減少を確保することを想定する多数の横断方向リセスに起因して、特に顕著になる。

文献ＥＰ−Ａ−０９２４３８１が明確に開示しているように、実質的に径方向に延在するリセスを作ることが提案された。このタイプのリセスは、リセスが通常ブレードの根元部（ｆｏｏｔ）の周囲に現れ、かつリセスが、このブレードの上表面および下表面を変更しないことは有利である。その結果、作られたリセスへの多数のプラグの嵌合を実行することがもはや必須ではなく、それによって、この製造方法は、横断方向リセスの実施を含む方法よりもより良好に最適化される。

これにもかかわらず、径方向穴を作るための標準的な機械加工操作では、機械加工された穴が、ブレードの湾曲形状に適合しない直線に沿って延長する場合には、任意の長い長さのリセスを作ることができない。例として文献ＥＰ−Ａ−０９２４３８１を再び参照すると、径方向リセスは、主にブレードの根元部の周囲に延長するが、湾曲部を越えて現れることを回避するために、ロータブレードの湾曲部には殆ど延長されず、従って、上表面および下表面の連続性を確保するために、再びプラグを取り付けることが必要となる。

このように、上記文献で議論される径方向リセスは、このようなファンブレードに関して議論される大きな曲がりに起因して、短い長さを持つことができるに過ぎず、その結果、単一片ブレードの全体質量の減少にとってほとんど有意には関係しない。
米国特許第５４０７３２６号明細書 欧州特許出願公開第０９２４３８１号明細書 英国特許出願公開第８２０９３９号明細書 独国特許第１０５５３３２号明細書 中国特許出願公開第３３４０３１号明細書 米国特許第３１５６８０８号明細書 英国特許出願公開第８５３５８６号明細書 米国特許第３０４４１５３号明細書

従って、本発明の目的は、従来技術の実施形態に関して上述の不都合を少なくとも部分的に解決する、一方では、タービンエンジン用の単一片の中空ファンブレードを製造する方法を提供し、他方では、そのようなタービンエンジン用の単一片の中空ファンブレードを提案する。

したがって、これを達成するために、本発明の第１の目的は、径方向にロータブレードによって延長される根元部を備える、タービンエンジン用の単一片の中空ファンブレードを製造する方法であって、該方法が、
複数のインサートを有する単一片のファンブレードを鍛造によって製造する段階と、
前記ブレード中に複数のリセスを得るように、インサートを除去する段階とを含む製造方法である。

リセスが、機械加工操作ではなく、ブレードに取り付けられたインサートの単純な除去段階によって得られることは有利であり、これらのインサートは、この単一片ブレードの鍛造による製造段階の間に変形されることが好ましい。

このように、これらのリセスは、標準の機械加工を介して得られたリセスのように直線に沿って延長する必要はなく、反対に、曲線に沿って延長することができる。

この特性は、リセスが、上表面および下表面の周囲に出現することなく、ブレードのプロファイルに実質的に従うことによって、大きな径方向長さに沿って延長できる場合には、径方向リセスを作る枠組みにおいて特に有利である。

このように、径方向リセスの長さは、もはや、ファンブレードの湾曲形状に影響を及ぼされず、このように、これらのリセスの存在に起因する質量の減少が、顕著であることができる。

勿論、この迅速で低コストの製造方法は、本発明の枠組みを狭めることなく、ブレードを通る全ての方向に沿って延長するリセスを作るために実施され得る。

好ましくは、上述のように、複数のインサートが嵌め合わされた単一片ブレードの鍛造による製造段階は、前記インサートの除去段階に従って得られた各リセスが、中心曲線に沿って実質的に径方向に延長するように実行される。

これに関して、鍛造操作のデジタルシミュレーションによって、ブレード中のリセスの最終位置、ならびにリセスの仕上げ形状を、容易に想定することが可能となることが示される。

本発明に従う製造方法の第１の好適な実施形態において、複数のインサートが嵌め込まれた単一片のファンブレードの鍛造による製造段階は、上記複数のインサートを有する供給要素から実行される。

このような構成において、本方法は、特に実施が簡単で且つ迅速である。

本発明に従う製造方法の第２の好適な実施形態において、複数のインサートが嵌め込まれた単一片のファンブレードの鍛造による製造段階は、
標準の供給要素を先行して鍛造する操作と、
先に鍛造された標準要素に前記複数のインサートを設置する操作と、
前記複数のインサートが嵌め込まれ、先に鍛造された標準の供給要素を鍛造し、複数のインサートを有する前記単一片のファンブレードを得る操作との実施を介して実行される。

上述の方法の二つの好適な実施形態において、インサートの除去段階が、加溶媒分解を介して実行されることが想定でき、これらのインサートが、スチール、無機物、及び複合物からなる群から選ばれた材料で作られことが好ましい。これに関して、加溶媒分解は、使用される薬剤が、一般的にチタンまたはチタン合金の一つで作られるブレードを腐食することなく、インサートの成分材料の溶解を確実にするように実行されなければならないことが当然に分かる。

好適な方法では常に、インサートの初期の形状は、円柱または円柱ではない形のどちらでもよく、かつ円形断面または円形ではない断面のどちらでもよい。

最後に、本製造方法は、インサートの除去段階にブレードの仕上げ段階が続くように、連続して実行される。

更に、本発明の目的は、径方向にロータによって延長される根元部を備える、タービンエンジン用の単一片の中空ファンブレードであって、このブレードは、複数のリセスを備え、各リセスは、中心線に沿って実質的に径方向に延長し、各中心線は、曲線である。

前記したように、曲線に沿う径方向の延長によって、リセスが、上表面および下表面に現れることなく、ブレードの湾曲プロファイルに従うことによって、径方向に延長できる場合には、かなり長い長さを有することが有利に可能となる。

従って、これらの径方向リセスの存在に起因する質量の減少は、特に、このファンブレードを径方向に完全に貫通するように、少なくとも一つのリセスが作られるようにブレードが構成される場合に、顕著であり得る。

少なくとも一つのリセスは、本発明の枠組みを狭めることなく、このブレードを部分的にのみ径方向に貫通するように作られることができることは、当然なことである。

最後に、ブレードの少なくとも一つのリセスは、曲線に沿う一定ではない断面のものであることが好ましい。

本発明の他の利点と特徴は、以下の非制限的詳細な記述で明らかになる。

この記述は、添付の図面を参照して行われる。

図１を参照すると、本発明の第１の好適な実施形態に従う、タービンエンジン（図示せず）用の単一片の中空ファンブレード１が示される。

この単一片の中空ファンブレード１は、大きな翼弦を有するファンロータブレードタイプのものであり、ロータブレード４によって径方向に延長する根元部２を備える。

このロータブレード４は、タービンエンジンの空気流の循環路に配置され、前縁１０と後縁１２によって接続される、夫々上表面６および下表面８と呼ばれる、二つの外部表面６および８を有する。更に、ロータブレード４は、根元部２とロータ４との間に、中間部１４を有してもよいことが注目される。また、この中間部１４は、「接続ポール」とも呼ばれる。

図１に見られるように、単一片の中空ファンブレード１は、例えば、チタン合金で作られ、複数のリセス１６が設けられており、各リセスは、中心線１８に従って実質的に径方向に延長している（前縁１０に最も近い三つのリセスのみが、完全に示されている）。これらのリセスが上表面６および下表面８の周囲に現れることなく、これらのリセスの各々対してかなりの長さを確保するために、中心線１８の各々は、曲線であり、ブレードのプロファイルに径方向に従うことができる。

第１の好適な実施形態において、各リセス１６は、ブレード１を完全に径方向に貫通するようにブレード１内で延長し、各リセス１６は、一方では、根元部２の下端２０の周囲に、他方では、ロータブレード４の上端２２に周囲に現れる。

更に、図１に表されるように、少なくとも一つのリセス１６は、その中心線１８に沿った一定ではない断面を有するようにしてもよい。実際、この好適な実施形態において、リセス１６の断面は、根元部２の周囲ではロータブレード４の周囲よりも大きい。このように、リセス１６の断面を変化させる能力によって、このブレード１の全体の質量における最大減少を得るように、引き抜かれる材料の容量をブレードの局所厚みに適合することができ、かつこのブレードが満足のいく機械特性を維持することを可能とする。同様に、ブレード１の中心の周囲にかなりの断面のリセスと、リセスが前縁１０と後縁１２に近接するに従って、断面サイズが漸進的に減少するリセスとを想定することが可能である。

図４と図５を参照すると、本発明の第２の好適な実施形態に従う、タービンエンジン用の単一片の中空ファンブレード１を夫々見ることができる。

これら二つの好適な実施形態において、これまでのように、リセスは、湾曲した中心線に沿って単一片の中空ファンブレード１中に径方向に延長するが、この前記ブレード１を部分的にのみ貫通するように延長する。

図４に示されるように、ブラインドリセス１１６は、ちょうど、上述の第１の好適な実施形態のリセス１６のように、ロータブレード４の上端２２に現れるように湾曲した中心線１１８に沿って延長する。しかしながら、これらのリセス１１６は、根元部２までは延長せず、ブレード１の径方向における中間点まで実質的に配置される、ブレード１の中央部へ延長するに過ぎない。

更に、図５に示されるように、ブラインドリセス２１６は、ちょうど、上述の第１の好適な実施形態のリセス１６のように、根元部２の下端２０に現れるように、湾曲した中心線２１８に沿って延長する。しかしながら、これらのリセス２１６は、ロータブレード４の上端２２までは延長せず、ブレード１の径方向における中間点まで実質的に配置される、ブレード１の中央部へ延長するに過ぎない。

当然、本発明の枠組みを狭めることなく、第１、第２、および第３の好ましい実施形態の説明で示されるような、異なるように構成されたリセスを組み込む単一片のファンブレード１を想定することもできる。これに関して、ブレード１に対する要求が多い機械特性は、これらのリセスの数、ならびにリセスの断面と長さに影響を及ぼすことが指摘できる。

図２ａから図２ｃを参照すると、本発明に従う製造方法の第１の好適な実施形態の異なる段階が、図解的に表される。

図２ａは、複数のインサート２６を備える供給要素２４を示しており、この供給要素２４は、供給要素２４がブレードの形状を持つように、一回または幾回かの連続操作からなる鍛造段階を受けるようにされる。

供給要素２４に一体化され、初期の円柱形状または非円柱形状のどちらでもよいインサート２６は、例えば、スチール、複合物、または無機物を使用して作られるが、供給要素２４は、チタン合金で作られることが好ましい。

知られている技術に従うこの鍛造段階を受けた後、次に、供給要素２４は、このブレードのリセスの位置と同じ位置に配置されるインサート２６が嵌め込まれた、図２ｂに表されるようなブレード１の形態を有する。この図２ｂを参照して、各インサートが、初期に二つのスタックされた共軸の円柱部分で円形断面（図２ａ）の形態であったインサート２６は、鍛造段階中に変形されたことが分かる。

鍛造操作のデジタルシミュレーションによって、インサート２６が嵌め込まれた供給要素２４の初期の特定の構成に従い、供給要素２４中のインサート２６の最終位置、ならびにこれらの前記インサートの最終形状を想定することが可能となるのは当然である。

この好適な実施形態において、平面Ｐに沿う図２ｂの横断面に対応する図２ｃに表されるように、鍛造段階によって、インサート２６がブレード１の翼弦３０に沿って備えられ、かつ二つの平らにされた端部が、この前記翼弦３０に中心を置く長円断面をインサートに持たせる。

当然、上述のように、インサート２６の最終断面は、使用される変形モード、供給要素２４中へのインサートの初期位置決めに従って、ならびにこれらのインサート２６および供給要素２４の初期形状に従って、変化してもよい。

図示として、図６から図８は、供給要素２４の鍛造段階に従った、初期に円形断面の円柱部分を有するインサート２６が、受けることができる、実質的に長円形状以外の種々の形状を表す。

図６は、鍛造段階中に大きな変形を受けた供給要素２４に嵌め込まれたインサート２６を示す。このように、このインサート２６の断面は、ブレード１の翼弦３０に実質的に沿って延長し、かつその中心部が二つの端部よりも僅かに薄い形状を有する。

図７と図８は、鍛造段階中に小さな変形を受けた供給要素２４に備えられたインサート２６を示す。これらのインサート２６の断面は、図２ｃに表された形状に類似する略長円形状であり、夫々、一つ又は二つの平坦な端が、ブレード１の翼弦３０に沿って実質的に漸進的に先細りとなっている。

この段階が一旦実行されると、次に、インサート２６の除去段階が、実行されて、インサート２６が、同じ形状のリセスに取って代わる。

この段階は、例えば、これらのインサート２６が嵌め込まれたブレード１を、ブレードの劣化を起こさない適切な薬剤の浴に浸漬することによって、インサート２６の加溶媒分解を介して実行されることが好ましい。

このように、単一片の中空ファンブレード１は、図１に表されるもののように得られ、そのリセス１６は、湾曲した中心線２８に一致する湾曲した中心線１８に沿って延長し、この湾曲した中心線２８に沿って、インサートが除去される前に、インサート２６が供給要素２４を貫通するように延長する。

最後に、この段階には、ブレード１に望ましいエアーフォイルプロファイルを正確に与えるための、ブレード１の標準の仕上げ段階が続くことができる。

図３ａから図３ｅを参照すると、本発明に従う製造方法の第２の好適な実施の形態の異なる段階が、図解的に表されている。

この好適な実施形態において、複数のインサートが嵌め込まれた単一片のファンブレードの鍛造による第１の製造段階のみが、前述の好適な実施形態において記述された方法に比べて異なっている。

実際に、標準の供給要素３２のための先行する鍛造操作の実施は、図３ａに表されるように、最初に実行される。

この標準の供給要素３２は、チタン合金で作られるのが好ましく、実質的に円形断面の円柱形状を有する。

このように、先行する鍛造操作は、一回又は幾回かの連続する鍛造操作、好ましくは、一回だけの鍛造操作からなることができ、その目的は、図３ｂに示されるようなブレードの適切な形状を有するプリフォームのような、先に鍛造された供給要素３２を得るためである。

次に、この先に鍛造された供給要素３２に、図３ｃに見られるように、インサートを収容するための複数の穴３４が作られる。これに関して、これらの穴３４を作ることは、機械加工のような標準の技術を使用して実行されることが明記される。更に、要求が多いブレード１に対する機械特性は、想定される穴３４の数、ならびに穴の断面および長さを画定することは明白である。例示として、形成された穴３４は、円筒形であり、一定の断面のものである。更に、図３ｃに明確に示されるように、穴３４の断面は、プリフォームの中心近くに配置される断面が非常に大きく、このプリフォームの縁部へより近いこれらの穴３４はサイズが減少される。プリフォーム中の穴３４の実行可能性規準は、これらの穴３４に対して適用され得る最大寸法の設定に必要となるのは当然である。

穴３４が、プリフォームの実質的に径方向に作られると、図３ｄと図３ｅに示されるように、相補形状の、従って、円柱形で円形断面のインサート２６が、プリフォームの内側に効果的に配置される。

このように、鍛造操作は、先に鍛造された、複数のインサート２６を備える標準の供給要素３２に対して実行され、複数のインサート２６が嵌め込まれた単一片ブレードを得ることができる。このように、得られたブレードは、変形された各インサートが、その関連する曲線２８に沿って実質的に一定の断面を有することを除いて、これらのインサート２６の初期の円柱形状に起因して、図２ｂに表されるブレードに類似する。

前述された好ましい実施形態で、インサート２６の最終断面は、採用される変形モード、先に鍛造された供給要素３２におけるインサート２６の位置、ならびにこれらのインサート２６と先に鍛造された供給要素２４の初期形状によって変化しても良い。

引き続いて、除去及び仕上げ段階は、本発明に従う方法の第１の好適な実施形態に記述された段階と実質的に同一である。

当然、当業者によって、種々の変更が、非制限例として単独で記述された単一片の中空ブレード１を製造する方法に導入されることができる。

本発明に従う単一片の中空ファンブレードの第１の好適な実施形態の斜視図を表す。 本発明に従う製造方法の第１の好適な実施形態の異なる段階を図解的に示す。 本発明に従う製造方法の第１の好適な実施形態の異なる段階を図解的に示す。 本発明に従う製造方法の第１の好適な実施形態の異なる段階を図解的に示す。 本発明に従う製造方法の第２の好適な実施形態の異なる段階を図解的に示す。 本発明に従う製造方法の第２の好適な実施形態の異なる段階を図解的に示す。 本発明に従う製造方法の第２の好適な実施形態の異なる段階を図解的に示す。 本発明に従う製造方法の第２の好適な実施形態の異なる段階を図解的に示す。 本発明に従う製造方法の第２の好適な実施形態の異なる段階を図解的に示す。 本発明に従う単一片の中空ファンブレードの第２の実施形態の斜視図を表す。 本発明に従う単一片の中空ファンブレードの第３の実施形態の斜視図を表す。 本発明に従う製造方法に実施中に、複数のインサートが嵌め込まれた単一片のファンブレードの鍛造による製造段階が続く、インサートが取ることができる、異なる形態を表す。 本発明に従う製造方法に実施中に、複数のインサートが嵌め込まれた単一片のファンブレードの鍛造による製造段階が続く、インサートが取ることができる、異なる形態を表す。 本発明に従う製造方法に実施中に、複数のインサートが嵌め込まれた単一片のファンブレードの鍛造による製造段階が続く、インサートが取ることができる、異なる形態を表す。

符号の説明

１ 単一片の中空ファンブレード
２ 根元部
４ ロータブレード
６ 上表面
８ 下表面
１０ 前縁
１２ 後縁
１４ 中間部
１６、１１６ リセス
１８ 中心線
２０ 下端
２２ 上端
２４、３２ 供給要素
２６ インサート
２８、１１８、２１８ 湾曲した中心線
３０ 翼弦
３４ 穴
２１６ ブラインドリセス
Ｐ 平面

Claims (13)

1. 径方向にロータブレード（４）によって延長される根元部（２）を備える、タービンエンジン用の単一片の中空ファンブレードを製造する方法であって、該方法が、
   複数のインサート（２６）を有する単一片のファンブレード（１）を鍛造によって製造する段階と、
   前記ブレード（１）中に複数のリセス（１６、１１６、２１６）を得るように、インサート（２６）を除去する段階とを含むことを特徴とする、製造方法。
2. 複数のインサート（２６）が嵌め込まれた単一片のブレード（１）の鍛造による製造段階が、インサート（２６）の除去段階に従って得られた各リセス（１６、１１６、２１６）が、湾曲した中心線（１８、１１８、２１８）に沿って実質的に径方向に延長するように実行されることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. 複数のインサート（２６）が嵌め込まれた単一片の中空ファンブレード（１）の鍛造による製造段階が、前記複数のインサート（２６）を備える供給要素（２４）から実行されることを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 複数のインサート（２６）が嵌め込まれた単一片の中空ファンブレード（１）の鍛造による製造段階が、
   標準の供給要素を先行して鍛造する段階と、
   先に鍛造された標準の供給要素（３２）に前記複数のインサート（２６）を設置する段階と、
   前記複数のインサート（２６）が嵌め込まれ、先に鍛造された標準の供給要素（３２）を鍛造し、複数のインサート（２６）を有する前記単一片のファンブレード（１）を得る段階との実施によって実行されることを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
5. 前記インサート（２６）の除去段階が、複数のインサート（２６）の加溶媒分解によって実行されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 各インサート（２６）が、スチール、無機物、および複合物で構成される群から選択された材料で作られることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の製造方法。
7. 前記インサート（２６）の初期の形状が、円柱形または非円柱形のどちらでもよいことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の製造方法。
8. 前記インサート（２６）の除去段階に、前記ブレード（１）の仕上げ段階が続くことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の製造方法。
9. 径方向にロータブレード（４）によって延長される根元部（２）を備えるタービンエンジン用の単一片の中空ファンブレード（１）であって、前記中空ファンブレード（１）が、複数のリセス（１６、１１６、２１６）を備え、各リセスが、中心線（１８、１１８、２１８）に沿って実質的に径方向に延長し、各中心線（１８、１１８、２１８）は、曲線であることを特徴とする、ブレード（１）。
10. 少なくとも一つのリセス（１６）が、前記ブレード（１）を径方向に完全に通過するように作られることを特徴とする、請求項９に記載のブレード（１）。
11. 少なくとも一つのリセス（１６）が、前記ブレード（１）を径方向に部分的にのみ貫通するように作られることを特徴とする、請求項９または１０に記載のブレード（１）。
12. 少なくとも一つのリセス（１６、１１６、２１６）が、前記中心線（１８、１１８、および２１８）に沿う一定ではない断面のものであることを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載のブレード（１）。
13. ブレードが、チタンまたはチタン合金の一つで作られることを特徴とする、請求項９から１２のいずれか一項に記載のブレード（１）。

Images