JP2005256838A - ファンブレードのための強化前縁部または後縁部を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードのための強化前縁部および／または強化後縁部として使用され得る部品を作る方法を提供する。
【解決手段】ファンブレード１の前縁部１０および／または後縁部１２のための強化部品１４を製造するための方法が、記載される。特に、本発明は、このタイプの非中空部品のためのＳＰＦ／ＤＢ（「超塑性成形／拡散接合」）方法の使用に関連している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば大きな翼弦のターボ機械ファンブレードを強化するように構成された、金属前縁部および／または後縁部を製造するための方法に関する。

ターボ機械ファンブレードは、特にファンブレードの回転スピードに起因する、高い機械的応力を受け、それと同時に、厳密な重量およびサイズの条件を満足しなければならない。ブレードの重量を低減するために考えられる選択肢の一つは、ブレードを複合材料から製造することである。しかしながら、ターボ機械ファンブレードは、また、厳格な使用基準をも満足しなければならず、特に異物の衝撃に耐えなければならない。しかし、特にブレードの縁部における複合材料は、もしもブレードの縁部が非常に薄ければ、容易に破損し得る。

この問題を克服すると考えられる一つの手段は、複合材料から作られるファンブレードの前縁部を、ブレードの空気力学的輪郭に一体化される金属部品によって強化することである。強化前縁部または後縁部とも称されるこのような金属強化部品は、次に、その空気力学的輪郭を変更することなしに、複合ブレードの前縁部および／または後縁部に付加され、通常は接合される。この金属部品は、その圧縮表面および吸引表面における２つの（数十ミリメータ厚の）非常に薄いリップによって拡張される、数ミリメータ厚の中実部品からなる。
欧州特許出願公開第１３３８３５３号明細書 仏国特許出願公開第２８３４４８１号明細書 仏国特許出願公開第２７３９８３２号明細書 欧州特許出願公開第０８９３３４２号明細書

本発明は、ブレードのための強化前縁部および／または強化後縁部として使用され得る部品を作ることを目的としている。

複雑な幾何形状を有する強化縁部を作るための機械加工技術の開発に固有の問題を克服するために使用される、本発明の一つの態様は、中空エンベロープの製造と、その後に必要とされる部品を得るためにエンベロープの切断とを含む、強化前縁部および／または後縁部を作るための方法に関する。好ましくは、エンベロープは、場合によっては曲げることおよびねじることを含む、「拡散接合および超塑性成形」技術を用いて作られる。切断は、好ましくは、レーザまたは加圧されたジェットによってなされる。このように形成される縁部を機械加工することが望ましいことがある。

他の態様によれば、本発明は、強化縁部、より詳細にはブレードのための強化前縁部および／または後縁部の形状を有する部品を作るための、拡散接合および超塑性成形方法の使用に関する。

本発明の特定の特徴および利点は、例示の目的であり決して限定的ではない、添付図面を参照して以下の記載を読んだ後によりよく理解されるであろう。

図１ａは、大きな翼弦を有するファンロータブレードタイプのブレード１を示している。このタイプのブレードは、複雑な幾何形状を有しており、径方向に先端４によって延長されているルート２を備えている。ターボ機械の空気流循環環状体に配置される先端４は、前縁部１０および後縁部１２によって接続される吸引表面６および圧縮表面８と称される２つの外側表面が設けられる。一般的には、前縁部１０と後縁部１２との間の長さは、ほぼ６００ｍｍである。強化材１３は、特に衝撃の際に、後縁部１２に、かつ特に前縁部１０に、それらの劣化を防止しまたは単に遅らせるために必要である可能性がある。

これらの強化材１３は、その製造の間に、例えば金属の鋳造によって、ブレードに直接的に形成されても良い。しかしながら、この解決方法は、例えば２つの異なる材料が、ブレードと強化材に関して選定されるときに、必ずしも可能ではなくまたは望ましくさえあるとは限らない。特に、ブレードが複合材料から作られている場合に、金属、例えばチタン合金で作られる前縁部および／または後縁部の強化材は、別個に作られる。このタイプの強化縁部１４は、次にブレード１に付加され、その形状は、その機械的および空気力学的特性を変化させないために、可能な限り厳密に一致させられる。

図１ａに示されるブレードの幾何形状を見ると、強化縁部１４の輪郭も複雑な構成を有することは、直ちに推測されることができる。さらにまた、空気力学的特性は維持されなければならず、かつ重量は一定の関係のままであるから、強化縁部１４に必要とされる寸法は、付加的な制約を加える。図１ｂは、大きな翼弦のターボ機械ファンブレードのための強化前縁部および／または後縁部１４に関するそのような幾何形状を示しており、このブレードは、複合材料または他の材料から作られる。例えば、そのような強化前縁部１４の寸法は、ほぼ１００ｍｍから１５０ｍｍ、好ましくは１３０ｍｍの範囲の長さｌと、ほぼ５０ｍｍから６０ｍｍの強化材の中実部分の高さｈと、その長さ（ｌ−ｈ）の大部分にわたって、２ｍｍ未満、もしも可能であるならば０．５ｍｍ程度のリップの壁厚ｅとである。

本発明によれば、そのような複雑な輪郭を製造するための選定は、先験的に作るのがより複雑な中間製品、すなわち、概して中空である強化前縁部１４のエンベロープ１６を使用することである。図２を参照すれば、エンベロープ１６は、前縁部１４および付加部品１８から形成される周縁部を備え、この周縁部は、内側キャビティ２０を画定している。そのようなエンベロープ１６を画定することの利点は、強化前縁部１４を抜き取るために中空部分１６の切り取りが続く、中空部品製造方法を使用することである。

特に、複雑な中空の幾何形状を作るための製造方法が知られており、例えば欧州特許出願公開第１３３８３５３号明細書に、すなわち、特に航空学において使用されるＳＰＦ／ＤＢ「超塑性成形／拡散接合」プロセスが記載されている。

第１の工程は、例えば図２に示されるように、ＳＰＦ／ＤＢによって作られ得る部品すなわちエンベロープ１６を得るべく、例えば図１ｂに示されているように、強化前縁部の輪郭１４をモデル化することからなる。可能性の一つは、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）を使用する、または例えば前縁部１４を、設計において定義されるダミーの長手方向軸に垂直な横断方向セクションに仮想的に切断することによってモデル化することからなる。これらのセクションは、閉じられた内部セクションを得るように変更され、次に中空のエンベロープ１６を得るべく結合される。当業者に知られている他の技術が使用され得ることは明白である。

いわゆる「平坦化」操作は、同一平面上に、前縁部１４の閉じたエンベロープ１６の圧縮表面２２および吸引表面２４を平坦化することからなる。この平坦化操作は、ＣＡＤ手段を用いて、例えば、収縮に続く３つの段階、すなわち、ねじり戻す（ｄｅｔｗｉｓｔｉｎｇ）段階、まっすぐにする段階、次の実際の平坦化段階を、シミュレーションによってなされても良い。主要部品２６、２８の構成は、図３ａに概略的に示されるこのタイプの輪郭について、２つの部品を用いるで通常の方法でこの平坦化から推測される。

縁部を作る主要部品２６、２８は、次に、通常圧延された板または鍛造された板から機械加工される。板の厚みは、製造されるべき強化前縁部または後縁部の厚みの半分に等しくても良い。好ましくは、板は、チタン合金、例えばＴｉＡｌＶから作られるが、要求された使用を満足し、かつＳＰＦ／ＤＢ技術とともに使用され得る特性を有する、いかなる金属または合金が選定されても良い。異なる板も、または可変厚みの板でさえ、厚みの合計が、少なくとも強化前縁部１４の最大厚みに等しいかまたは最大厚みより大きい、圧縮表面２２および吸引表面２４のために使用され得る。機械加工は、ＣＡＤによって与えられた限定に従って、強化前縁部または後縁部を作る各主要部品２６、２８の厚みを配分することからなる。ＣＡＰＭ（コンピュータ支援設計／コンピュータ支援製造）のようなツール、および当業者に知られているどのような技術も使用され得る。

このように機械加工された主要部品２６、２８を用いて、次の工程は、図３ｂに示されるプリフォーム３０を形成するための拡散接合である。例えば、主要部品２６、２８の「完全な」清浄がなされ、次の工程は、例えばシルクスクリーン印刷方法による、所定のパターンに従った少なくとも主要部品の内面への抗拡散製品の付着である。この抗拡散製品は、焼成され、主要部品２６、２８は、プリフォーム３０に組み立てられる。

例えば、複合材料で作られる大きな翼弦のターボ機械ファンブレード１のために、チタン合金から作られる強化前縁部１４のための拡散接合のために選定されるパラメータは、以下の通りである。すなわち、少なくとも１時間にわたって３ＭＰａから６ＭＰａの圧力で、８７５℃から９４０℃に等しい温度である。拡散接合は、適切な工具が取り付けられたプレスに機械的圧力または等静圧圧力を印加することによってなされても良く、好ましくは、ＨＩＰ（「熱間等静圧圧力」）チェンバと呼ばれる、アルゴンのような不活性ガスを用いる、等静圧圧力下における加工熱処理のためのチェンバで行なわれる。この操作の目的は、拡散生成物で互いにコーティングされない内部金属部品の拡散接合である。

都合の良いことに、拡散接合操作は、プレスでの溶接の場合には、整形と結合され得る。整形の目的は、膨張および超塑性成形操作のために使用される膨張モールドに接合されるプリフォームの位置決めを改善することにある。

拡散接合後に、曲げおよびねじり工程が、プリフォーム３０に対して行なわれ得る。この工程も、拡散接合と結合され得る。

拡散接合から得られるプリフォーム３０は、次に、超塑性成形がプリフォームに適用されるように、膨張設備に配置される。例えば、超塑性成形は、アルゴンの２ＭＰａから６ＭＰａの圧力で、８５０℃と９４０℃との間でなされ得る。この工程は、拡散接合と結合され得、あるいは曲げおよびねじりに結合され得る。この方法から得られる部品は、図３ｃに概略的に図解され、かつ図２にも示された、強化前縁部１４のエンベロープ１６に対応する。

この点に至るまで、これらの工程は、使用の一例が、仏国特許出願第２８３４４８１号明細書に記載されている、ＳＰＦ／ＤＢによって中空のファンブレードを製造するための各工程と同様であることに留意されたい。本発明による方法は、知られている工具および既存のノウハウの使用によって、ブレードのこれらの繊細な部品に関する製造コスト低減の手段をも提供する。

最後に、エンベロープ１６が、図３ｄに概略的に示されているように、強化前縁部１４自体を得るために切り取られる。切り取りは、当業者に知られているいかなる技術によってなされても良く、レーザ切断および高圧ウォータジェット切断が推奨される。

後で、仕上げの機械加工工程、特に結果として得られた縁部１４の研磨をすることが、有用である可能性がある。さらにまた、強化前縁部１４とブレード１０の前縁部との間の相補性を最適化するために、寸法を調整することが好ましい。一般的に、一旦作られると、強化前縁部１４は、当業者に知られているいかなる技術によっても機械加工されることができ、特に化学的および／または機械的な加工が、圧縮表面および吸引表面の厚みを減少させるために考慮され得る。

ターボ機械ブレードを示す図である。 そのようなブレードのための強化前縁部を示す図である。 モデル化されまたはＳＰＦ／ＤＢによって作られた、図１ｂに示される縁部エンベロープの斜視図を概略的に示す図である。 本発明に従って、強化前縁部を製造するための各工程を概略的に図解しており、前縁部を形成する主要部品を示す図である。 本発明に従って、強化前縁部を製造するための各工程を概略的に図解しており、拡散接合が続くアッセンブリ工程の間の主要部品を示す図である。 本発明に従って、強化前縁部を製造するための各工程を概略的に図解しており、膨張および超塑性成形によって得られるエンベロープを示す図である。 本発明に従って、強化前縁部を製造するための各工程を概略的に図解しており、切断後の前縁部を通る断面図を示す図である。

符号の説明

１ ブレード
２ ルート
４ 先端
１０ 前縁部
１２ 後縁部
１３ 強化材
１４ 強化縁部
２２ 圧縮表面
２４ 吸引表面
２６、２８ 主要部品
３０ プリフォーム

Claims (8)

1. ターボ機械ファンブレード（１）のための前縁部（１４）を製造するための方法であって、
   周縁部によって範囲が規定されるキャビティであって、周縁部が強化縁部（１４）含むキャビティ（２０）を備えるエンベロープ（１６）を製造する工程と、
   強化前縁部（１４）を抜き取るためにエンベロープ（１６）を切り取る工程とを含む方法。
2. エンベロープ（１６）の製造が、
   主要部品（２６、２８）を作る工程と、
   主要部品（２６、２８）のプリフォーム（３０）への拡散接合工程と、
   プリフォーム（３０）をガス圧力で膨張させ、かつエンベロープ（１６）を超塑性成形する工程とを含む、請求項１に記載の方法。
3. 拡散接合の後に、プリフォーム（３０）を曲げかつねじるための工程をさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 単一の操作で拡散接合に組み合わされた曲げかつねじることを含む、請求項２に記載の方法。
5. 拡散接合、曲げ、およびねじりが、単一の操作で膨張および超塑性成形と組み合わされた、請求項４に記載の方法。
6. レーザ切断および／または高圧ウォータジェット切断が使用される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. エンベロープ（１６）の切り取りの結果得られる強化縁部（１４）を機械加工するための工程をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. ターボ機械のファンブレード（１）を強化するように、２つのリップにより拡張された中実部品からなる、強化前縁部および／または後縁部（１４）を製造するための超塑性成形を伴う、拡散接合プロセスの使用方法。

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