JP2005248957A - ターボ機械のための中空ブレードを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードプリフォームの外側部品を製作する工程の製造コストが従来技術より著しく低い、中空ブレードを製造する。
【解決手段】外側主要部品２８、３０から得られるプリフォーム１４から中空ブレード１が製作される、ターボ機械のための中空ブレード１を製造する方法。コストを削減するために、ブレードのルート部２は、プリフォーム１４の二つの外側主要部品のうちの一つだけに全部が位置するスペア材料３４から形成される。
【選択図】 図５Ａ

Description

本発明は、一般に、ターボ機械のための中空ファンブレード（ｂｌａｄｅ）、その他任意のタイプのロータまたはステータブレードといった、ターボ機械のブレードを製造する方法に関する。

通常、ターボ機械の中空ファンブレードは、ロータディスクにこのブレードを固定するために使用される比較的厚いルート（ｒｏｏｔ、根元部）を含んでおり、このルートは、ブレードの先端と呼ばれる薄い空力的部分において径方向外向きに延びている。

このような中空ブレードを製造する方法は、主として超可塑性形成技術と組み合わせた拡散接合技術に基づいた従来技術（例えば米国特許第５，６３６，４４０号を参照のこと）において知られている。従来技術によるこの方法では、ブレードの２個または３個の構成部品が、最初に画定され、次に所望のブレードのプリフォームを得るように、拡散接合技術を使用して重ねられてともに組み立てられる前に、別々に作られる。

次の工程は、前に作られたプリフォームを空力的に輪郭形成することであり、このプリフォームは、次にガス圧によって膨張させられ、ほぼその最終形状を有するブレードを作るために超可塑性形成を受ける。

上記のように、ブレードプリフォームを作るためには、少なくとも二つの外側部品が必要である。外側部品は、一般的には、供給される要素の機械加工によって作られる。これら二つの機械加工された外側部品の各々は、非常に異なる厚さを有する二つの径方向に反対の部分を持たなくてはならないので、外側部品が作られるこれら二つの部分は、それぞれルート部と先端部と呼ばれ、また調達される要素は、必ず比較的大きな初期寸法を有する。

一つの方法は、例えば機械加工によって主要部品が取られる厚板を使用することである。しかしながら厚板は、粗い微細構造を持っている。

ブレードの微細構造を改善するためのもう一つの方法は、薄板から主要部品を取り、これらの主要部品を一緒に接合して、２枚または３枚の板のアセンブリを形成し、次に折り重ねてルート部を形成することである。しかしながら、この選択肢は、高温座屈基準によって制限され、プリフォームの厚さは、ルートを作るために必要な長さの三分の一より厚くなければならない。したがってブレードルートの幾何形状は、非常に大きな体積の材料を必要とすることはできない。

したがって例えば圧延によって作られるブレードプリフォームを少なくとも部分的に形成する外側部品の製造は、極めて高い材料コストと機械加工コストとを含むので、中空ブレードを製造する方法は、十分には最適化されていない。
米国特許第５，６３６，４４０号明細書 米国特許第６，４６７，１６８号明細書

本発明の目的は、少なくとも部分的に上記の欠点を克服する、ターボ機械のための中空ブレードを製造する方法を提供することである。

より正確には、その態様の一つによれば、本発明は、ブレードプリフォームの外側部品を製作する工程の製造コストが従来技術より著しく低い、中空ブレードを製造する方法に関する。

特に、外側主要部品の一つだけが複雑な形状を持っており、プリフォームのルート部、すなわち将来のブレードルートは、完全にこの第１の主要部品から形成され、したがって、この第１の主要部品は、ルート部全体、言い換えれば先端部の延長部を越えて突き出る部分のすべてを作るために十分なスペア材料をその一端に持っている。したがって、ブレード中心線の反対側への材料の部分的な移転（ｔｒａｎｓｆｅｒ）が存在する。この主要部分は、好適には鍛造される。

好都合にも、もう一つの外側主要部品は、実質的に、妥当なコストで機械加工し易い単純な要素である一片の金属薄板の形状であり得る。第３の主要部品もまた、プリフォームに中心支持要素または補強材を形成するように機械加工されることができる。

好都合にも、プリフォームの拡散接合は、ブレードそのものを製作するように超可塑性形成に先行して行われる。超可塑性形成は、プリフォームの空力的輪郭形成とガス圧による膨張に続いて行うことができる。

好適には、本発明による方法は、対称形のルート部を形成するように、第１の外側主要部品に位置するスペア材料をチップオーバ（ｔｉｐ ｏｖｅｒ）処理をする工程を含む。この工程は、鍛造、好適には熱間鍛造によって行うことができる。チップオーバ処理は、拡散接合の後に、例えばプリフォームの空力的輪郭形成時に行うことができる。

本発明の特定の特徴と利点は、決して限定的ではなく単に例示目的で与えられた添付図面を参照しながら下記の説明を読めば、よりよく理解されるであろう。

図１は、ターボ機械（図示せず）のための大きな翼弦を有するファンロータブレード型の中空ブレード１を示す。例えばチタンまたはＴｉＡｌＶといったチタン合金で作られた、複雑な幾何形状を有するこのタイプのブレードは、径方向に先端４によって延長されたルート２を含む。ターボ機械の空気流の循環環状体（ａｎｎｕｌｕｓ）に配置されるように構成された先端４は、前縁１０と後縁１２とによって連結された、それぞれ吸気表面６、圧力表面８と呼ばれる二つの外表面を持っている。

ＳＰＦ／ＤＢ（超可塑性形成／拡散接合）プロセスは、このような複雑な輪郭を作るために好んで使用される。

どのプロセスが使用されるかに関係なく、第１の工程は、主要部分すなわち圧力表面６と吸気表面８とを接合することによって製作できるプリフォームを得るように、ブレード１の輪郭をモデル化することからなるか、あるいはそれらの図形表現が、同じ平面に配置される。この操作は、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）手段を使用するシミュレーションによって、例えば、図２に示すようなプリフォームを得るために、ねじることと「真っ直ぐにすること」とに先行する収縮によって行うことができる。

このプリフォーム１４は、先端部１８によって径方向に延長されたルート部１６を含む。この図２から分かるように、ルート部１６は、プリフォーム１４のＡＡ面とも呼ばれる、先端部１８とその延長部との面によって画定される表面の各側方から突き出る、高い平均厚さＥを有する部分２０を備えている。突起部２０は、引き続いて、特に先端部１８の延長部に沿って配置された中心部２２ｃの各側方に位置する二つの突起部２２ａ、２２ｂによって、タービンロータディスクへのブレードの取付けのために使用されるということに関して留意されたい。

プリフォーム１４の先端部１８は、厚さｅを有する径方向内側端部２４と、通常厚さｅより薄い厚さｅ’を有する径方向外側端部２６とを持っている。しかしながらプリフォーム１４の先端部１８の厚さは、大きくは変化せず、ｅとｅ’との差は、図２では誇張されている。

主要部品は、プリフォーム１４（中空ブレード１のために、「膨張可能」であるべきであり、したがって単一片では製作できない）の製造を可能にするように画定され、互いに固定されるであろう。これらの主要部品は、異なる方法で画定でき、もっとも明らかなものは、米国特許第５，６３６，４４０号に記載されたような中心平面ＢＢに沿った長手方向断面である。しかしながらこの選択肢は、一方はルート１６の部分２２ａを含み他方は部分２２ｂを含む、複雑な輪郭を有する少なくとも二つの部品が機械加工されなくてはならないという、主要な欠点を持っている。

本発明に関連して、一つだけの主要部分が、複雑な輪郭を持てばよく、傾斜付け処理されるルート部１６の形成のために必要な材料は、先端部の外側表面を延長するプリフォーム１４の平面ＡＡの一方側にだけ位置している。こうして二つの外側主要部品は、図３に示すように得られる。すなわち第１の主要部品３０は、多少とも、その一端にスペア材料３４を有する板の形をした先端部３２を有し、第２の外側主要部品２８は、多少とも板の形をしている。第１の外側主要部品３０および第２の外側主要部品２８は、圧力表面６または吸気表面８のために無関係に使用することもできる。

ブレードの寸法、ブレードに加えられる応力などに応じて、二つの外側部品２８、３０間に挿入されることによって、プリフォームの補強材として働く第３の主要部品３６が、画定されることもある。この支持部品３６もまた、多少とも板の形をしている。

多少とも板の形をした部品は、その長さと幅と比較して薄くなっており、好都合にはほぼ２ｍｍから８ｍｍの、好適には５ｍｍのほぼ均一な厚さを有している部品を意味する。圧延製造技術は、これらの部品２８、３６のために特に適しており、またその製造のために供給される要素は、これらの部品の最終寸法にほぼ等しい寸法で容易に製作できると仮定して、材料コストと機械加工コストとに関して最適化される。

第１の主要部品３０は、また、好適には厚さ勾配を有する板または鍛造された部品から、あるいは必要な特性を有する他の任意の供給される形状からも製作できる。当業者に知られた如何なる技術でも、この部品そのものを機械加工するために使用できるであろう。しかしながら、ブレードの特性と微細構造とを最適化するためには、優れた微細構造的特性を有する主要部品３０の製造を可能にする鍛造された供給品が、好適であろう。

いったん製作されると、外側主要部品２８、３０は、おそらくは中空構造を補強するように構成された主要支持部品３６と一緒にブランク３８に組み立てられて、互いに固定される。これらの部品は、拡散接合によって互いに固定されることが好都合である。

接合の後、スペア材料３４は、ブランク３８の一方側だけに位置しており、他の場所はかなり平坦である。次にスペア材料３４は、ブレード１のルート２の塊（ｍａｓｓ）をブレードの各側方６に（すなわち、プリフォーム１４のルート部１６の塊を、先端部１８の各側方に）分散させるように、第２の外側主要部品２８の他方側に部分的に移される。こうして図４は、プリフォーム１４とブレード１のルート部１６の一体部分を形成する、チップオーバ処理された材料４２の突起部を形成するために、ブランク３８の平面ＡＡの一方側から他方側への余剰材料４０の移転を示す。

好適な一実施形態によれば、「チップオーバ処理」は、鍛造によって、好適にはプレスに高温で、例えば８５０℃から９５０℃で、特に任意の知られている「プレス」タイプの鍛造手段での加熱成形によって行うことが好都合である。

図５に一例が概略的に示されている。主要部品２８、３０（図３を参照のこと）の接合から得られ、非対称であるが接合板４４を有するブランク３８は、２個の好都合に加熱されたダイ４６、４６’を含むプレスに挿入される。各ダイは、ブランク３８の正しい位置決めを容易にする「トルコ帽（Ｔｕｒｋｉｓｈ ｈａｔ）」形の凹所４８、４８’を備え、また好都合に加熱されている。好適には、ダイ４６は、材料のソフトファイバリングを促進するように選択された仕方で閉じられる。このプロセスの終了時には、初めは上部凹所４８にあった材料４０は、下部凹所４８’を満たす。図４に示す図とは異なり、図５Ｂに示すように、接合板４４もまた変位していることが分かる。

材料がチップオーバ処理されると同時に、またはチップオーバ処理された後に、プリフォーム１４は、空力的に輪郭形成されることが好都合である。

おそらくはその空力的輪郭を有するプリフォームは、次にブレード１を形成するために機械加工される。この工程は、好適には、ＳＰＦ／ＤＢ技術で知られた条件にしたがって、ガス圧の印加と超可塑性形成とによって実施される。

したがって本発明による方法によれば、二つの外側部品のうちの少なくとも一つとおそらくは中心部品とに関して、板のような単純な要素から始めて、またブレードルートのためのスペア材料を含む単に一つの複雑な供給要素から始めて、ブレードとブレードプリフォームとを製作することができる。このタイプの複雑な部品の製造は、ブレードのコストの４０％より多くを占めることに留意されたい。この結果、製造コストは大幅に削減され、材料損失と困難な機械加工は、単に一つの部品に関して発生するだけとなる。

ターボ機械のための従来の中空ブレードを示す図である。 拡散接合の後に得られた、または主要部品を画定するようにモデル化されたブレードプリフォームを示す図である。 プリフォームのすべての構成部品の概略斜視図である。 スペア材料をチップオーバ処理する操作の概略図である。 本発明の一実施形態にしたがう鍛造によるチップオーバ処理を示す図である。 本発明の一実施形態にしたがう鍛造によるチップオーバ処理を示す図である。

符号の説明

１ 中空ブレード
２ ルート
４ 先端
６ 吸気表面
８ 圧力表面
１０ 前縁
１２ 後縁
１４ プリフォーム
１６ ルート部
１８、３２ 先端部
２０ 平均厚さＥを有する部分
２２ａ、２２ｂ 突起部
２２ｃ 中心部
２４ 径方向内側端部
２６ 径方向外側端部
２８ 第２の外側主要部品
３０ 第１の外側主要部品
３４、４０ スペア材料
３６ 第３の主要部品
３８ ブランク
４２ チップオーバ処理される材料
４４ 接合板
４６、４６’ ダイ
４８、４８’ 「トルコ帽」形凹所

Claims (10)

1. ルート（２）と先端（４）とを含む、ターボ機械のための中空ブレード（１）を製造する方法であって、前記方法は、
   少なくとも二つの外側主要部品（２８、３０）を製作する工程と、
   ブレードプリフォーム（１４）の平面（ＡＡ、Ａ’Ａ’）を画定する先端部（１８）とルート部（１６）とを有する、ブレードプリフォーム（１４）を製作するための、二つの外側主要部品の拡散接合工程とを含み、
   二つの外側主要部品を製作する工程が、先端部（３２）と、第１の外側主要部品（３０）の一端においてプリフォームの１つの平面（ＡＡ）を越えて突き出たスペア材料（３４）とを含む第１の外側主要部品（３０）の製造を含んでおり、プリフォーム（１４）のルート部（１６）が、スペア材料（３４）から形成されることを特徴とする、製造方法。
2. 第１の外側主要部品（３０）の製造が、供給される要素の鍛造を含む、請求項１に記載の製造方法。
3. 二つの外側主要部品を製作する工程が、第２の外側主要部品（２８）をほぼ金属薄板の形に製造することを含む、請求項１または２に記載の製造方法。
4. プリフォーム（１４）のルート部（１６）を形成するように、二つの外側主要部品（２８、３０）の拡散接合の後に、スペア材料（３４）をチップオーバ処理する工程を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。
5. ルートをチップオーバ処理する操作が、鍛造によって得られる、請求項４に記載の製造方法。
6. ルートをチップオーバ処理する操作が、８５０℃から９５０℃の加熱成形によって得られる、請求項５に記載の製造方法。
7. 二つの外側部品（２８、３０）を拡散接合によって組み立てる工程が、ガス圧による膨張と前記プリフォーム（１４）の超可塑性形成とに先行する、請求項１から６のいずれか一項に記載の製造方法。
8. 膨張が、前記プリフォーム（１４）の空力的輪郭形成の後に続く、請求項７に記載の製造方法。
9. プリフォーム（１４）の空力的輪郭形成と同時に、スペア材料（３４）のチップオーバ処理を含む、請求項８に記載の製造方法。
10. 第３の主要支持部（３６）の製造を含み、プリフォーム（１４）が、第３の主要支持部（３６）を取り囲む二つの外側主要部品（２８、３０）からなる、請求項１から９のいずれか一項に記載の製造方法。

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