JP2006046344A - 圧延により中空ブレードの構成要素を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術において遭遇したよりも非常に低い製造コストを導入する、外部一次部品のブランクを製造する。
【解決手段】ターボ機械のための中空ブレードを製造するための方法において、ブレードは、外部一次部品から得られるプリフォームから作られる。基部部分を備える各一次部品は、コストを削減するために、隆起部３２が設けられた大きな直径ｄを有するリング３０から切り取られた、ブランク４２を平坦化することによって形成される。
【選択図】 図４Ａ

Description

本発明は、概して、ターボ機械または推進システムのための、中空ファンブレードまたはいずれかの他のタイプのロータまたはステータブレードのような、ターボ機械ブレードの製造方法の分野に関する。

ターボ機械のための中空ファンブレードは、通常は、このブレードをロータディスク内に固定するために使用される比較的厚肉の基部を備え、この基部は、ブレードエアフォイルと呼ばれる薄肉の空気力学的な部分によって半径方向外向きに延長される。

従来技術（例えば、米国特許第５６３６４４０号を参照されたい）は、主として超塑性成形技術が併用された拡散接合技術の使用に基づいて、そのような中空ブレードを製造する方法を記載している。従来技術に従ったこの方法において、ブレードの２つまたは３つの構成要素が、まず最初に規定され、次に所要のブレードプリフォームを得るために、拡散接合技術を用いて互いに重ね合わされ且つ組み立てられる前に、別々に作られる。

次の工程は、先に製造されたプリフォームの空気力学的輪郭を作ることであり、次にガス圧を印加することによるこのプリフォームの膨張、および末端機械加工の前に、ほぼその最終形状にブレードを作るようにこのプリフォームの超塑性成形することである。

上述されたように、ブレードプリフォームの製造は、少なくとも２つの外部一次部品を製作する工程を含んでいる。典型的には、外部部品は、一次部品のブランクを機械加工することによって作られる。２つの機械加工された外部部品の各々は、非常に異なる厚みを有する２つの半径方向に向かい合う部分を有している。すなわち厚肉の基部部分は、ブレードをロータディスクに固定するために使用され、そして薄肉の空気力学的エアフォイル部分は、基部部分から半径方向外側端部に向かって延びている。

様々な技術が、これらの外部部品を製造するために用いられている。例えば、米国特許第３８５８４２８号は、そのためにプレートが重ね合わされていない部分のより厚肉の部分を得るように、２つの部分的に重ね合わされたプレートの圧延を記載している。

米国特許第５７１１０６８号は、基部部分の厚みと同様の厚みを有し、プリフォーム（基部部分からエアフォイル部分）よりも長い金属材料から、平行六面体形状の部品を製作することからなる方法を記載している。各平行六面体は、それから、縦方向に漸減する厚みを有する２つの部品を形成するように斜めに切断される。

これらの方法は、実施するには複雑で、且つブレードの基部を形成するために、通常は付加的な要素が加えられるために、基部部分のそれらの最大限界厚は、すぐに到達される。

したがって、厚みの変動を考慮すれば、中空ブレード製造方法が、完全に最適化されないように、少なくとも部分的にブレードのプリフォームを形成するであろう外部部品の製造は、非常に高い付加的な材料コストおよび機械加工コストを生じる。
米国特許第５６３６４４０号明細書 米国特許第３８５８４２８号明細書 米国特許第５７１１０６８号明細書 欧州特許出願公開第１３３８３５３号明細書 米国特許出願公開第２００１／０２２０２３号明細書

本発明の目的は、上述された不都合を少なくとも部分的に訂正する、ターボ機械の中空ブレードのための製造方法を提案することにある。

より正確には、その１つの態様によれば、本発明は、従来技術において遭遇したよりも非常に低い製造コストを導入する、外部一次部品のブランクを製造する方法に関する。

特に、その１つの態様によれば、本発明は、外部一次部品のブランクを作るための転造の使用、および中空ブレードを作るための管状のフィードの使用に関する。

本発明の他の態様は、１つまたは複数の一次部品ブランクに対応する管状リングを縦方向セグメントに切断することに関する。これらのセグメントまたはブランクは、次に、従来技術と同様に、例えば場合によっては超塑性成形を伴う拡散結合法によって、部品の仕上げのためおよび／または中空ブレードを作るために使用され得るように、平坦化され得る。

都合の良いことに、リングから得られるセクタは、１つよりも多くの一次部品ブランクを作るために使用され、且つ少なくとも１つの部分が、セグメントの厚みから切り出される。

好ましくは、リングは、その少なくとも１つの端部に、一次部品の基部部分を形成するために、隆起部を含んでいる。リングは、円形転造によって作られても良い。

本発明の特徴および利点は、説明の目的のために与えられ且つ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は、より良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、大翼弦ターボファンロータブレードタイプの中空ブレード１を示している。このタイプのブレードの幾何学的形態は、複雑であり、例えば、チタンまたはＴＡ６Ｖのようなチタン合金から作られていても良く、それは、エアフォイル４によって半径方向に延長された基部２を備えている。エアフォイル４は、ターボ機械を通る空気流の循環流路内に配置されるであろう。エアフォイル４は、背面６および腹面７と呼ばれる２つの外面を備え、これら外面が、前縁１０および後縁１２を介して連結されている。

中空ブレードについてのこのタイプの複雑な輪郭は、好ましくは、ＳＰＦ／ＤＢ（超塑性成形／拡散接合）技術を用いて作られる。

いかなる方法が使用されるかにかかわらず、最初の工程は、一次部品を溶接することによって製造され得るプリフォームを得るべく、ブレード１の輪郭をモデリングすることからなり、腹面および背面壁部またはそれらのグラフィック表現が、同一面上で接触する。この操作は、図２に示されているようなプリフォーム１４を得るために、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）手段を用いる、例えばねじれ取りおよび真直ぐにすることが後に続く収縮からなるシミュレーションによってなされても良い。

このプリフォーム１４は、エアフォイル１８部分によって半径方向に延びている基部部分１６を備えている。この図２において見られ得るように、基部部分１６には、厚い平均厚み２Ｅを有する内側部分２０が設けられており、且つ後でターボ機械のロータディスクにブレードを固定するのに使用される。

プリフォーム１４のエアフォイル部分１８には、厚み２ｅを有する半径方向内側端部２２および、通常は厚み２ｅよりも小さい厚み２ｅ’を有する半径方向外側端部２４が設けられる。しかしながら、プリフォーム１４のエアフォイル部分１８の厚みは、ほぼ均一である。

（中空ブレード１のために、膨張可能でなければならず、したがって単一のブロックから構成されることはできない）プリフォーム１４を作るために、一次部品２６は、互いに固定されることが規定されるであろう。一次部品２６の規定は、これらの一次部品を得るべく機械加工されるであろう、図３に概略的に示されるブランク２８の形状を決定する。全ての努力にもかかわらず、このようにして決定される一次部品ブランク２８の輪郭は、特にＥ程度の厚みを有する基部部分、およびそのための厚みが事実上一定で且つｅ”＞ｅ＞ｅ’程度の長いエアフォイル部分を含み複雑であろう。例えば、一次部品２６およびブランク２８の基部部分の厚みＥは、０．６ｍから１．２ｍの長さのエアフォイル部分に対して２０ｍｍから４０ｍｍの程度であっても良く、且つブランク２８の厚みｅ”は、８ｍｍから１５ｍｍの間であっても、そして好ましくは平均して１０ｍｍの程度で良い。

本発明によれば、中空管状要素または図４Ａおよび図４Ｂに概略的に示されるリングから、外部一次部品のブランク２８を作ることが提案される。リング３０の高さＨは、作られるべき一次部品の長さの程度、換言すればエアフォイル１の長さ、すなわち例えば０．６ｍから１．２ｍであり、リング３０の壁部の厚みは、例えば４ｍの程度の直径ｄについて、高さＨの大部分にわたってほぼ一定で且つｅ”に等しい。

さらにまた、リング３０には、その一方の端部に厚みＥおよび高さｈを有する隆起部３２が設けられている。この隆起部は、一次部品２６の基部部分１６を作るべく意図されており、そしてその高さｈは、したがってこの基部部分に応じて選定され、例えば、高さｈは３０ｍｍから４０ｍｍの程度からなっていても良い。この実施形態において、隆起部３２は、有利には、リング３０の壁部の一方の側のみに、内側または外側に向かって突出しており、同時に壁部の他方の側は、断面において直線状のままである。

リング３０は、好ましくは、例えばビレットの形状における、管状のフィードから始まって転造法を用いて作られる。図５を参照されたい。初期ビレット３４は、例えば鋳造されても良く、それは、その外面に沿って配置されて、例えば１０５０ｍｍの直径を有する、回転ローラ３６を用いて圧延される。ビレット３４内に挿入される、例えば６００ｍｍの直径を有する回転マンドレル３８は、管３４の壁部を磨くために平行移動にてローラ３６に向かって変位され、摩擦力に起因して、ビレット３４は、その可動である軸のまわりで回転し、その内側および外側の直径が増大すると同時に、その厚みが均一に減少する。例えば１．２ｍの分離距離にある支持体４０は、均一な圧延厚みを確実に達成するために管状要素３４の高さを維持する。最終的なリング３０からの隆起部３２は、ローラ３６および／またはマンドレル３８を切断することによって得られても良く、管状要素の壁部の厚みにおける勾配も想定されても良い。

回転および平行移動速度、ビレット３４の初期グレインサイズ等の構成は、所望される使用に対応するリングを得る設定手段を提供する。

リング３０は、次にその高さの方向に且つその周囲のまわりに、セグメント４２、４２’を形成すべく切断される。切断は、レーザ、またはウォータジェット、または鋸引きによってなされても良い。この点で、本発明に従った方法によれば、リング３０を切断することは付加的な利点を有しており、複雑な輪郭を有するセグメントまたはブランク４２が、図４Ａに概略的に示されるように切断されても良く、輪郭を台形形状に制限することは重要ではなく、そして材料損失は、サーベル形状の部品のような複雑な形態の一次部品についてさえも最小化されることに留意されたい。

切断セグメント４２は、従来の鍛造操作によって「平坦化」され、次にブランク２８および次に一次部品２６を形成するように、規定された輪郭に機械加工される。

リング３０を製造することのコストは、その直径ｄに応じて、その高さ対厚みの比Ｈ／ｅ”に直接的に関連している。４ｍを超える直径を有するリング３０は、取り扱うのが困難になり、現存するブレード１のための典型的な高さＨは、１ｍを超える。したがって、３０ｍｍ以上の厚みが、妥当な範囲内でのリング３０の製造コストを維持するために、リング３０に推奨される。

一次部品の厚みを低減するようにそれが平坦化された後に、あるセクションのセグメント４２を採用すること、および同時にこのセクタ４２をその厚みにおいて切断することを決定してもよく、セグメント４２の１つまたは複数の鋸引きは、そのように複数のブランク２８、および同様の表面を有するがさらに薄い一次部品２６を与えることもできる。

図６Ａ、Ｂ、Ｃは、特に縦方向の切断が、その高さおよびその円周のまわりの方向にリングを切断することによるセグメントのサンプリングに続くときに、使用され得るリングの異なる輪郭を示している。

したがって、図６Ａは、リングの壁部の一端および両側で、外側および内側の両方に隆起部３２ａが突出している、リング３０ａの輪郭を示している。一旦、セグメント４２ａが取り出されると、破線に沿って、換言すればセクタ４２ａの厚み内で、２つの対称的な一次部品ブランク２８を得るように、切断することが可能となる。

他の可能性は、２つの隆起部３２ｂおよび３２ｂ’が、リング３０ｂの各端部に存在する図６Ｂに関連しており、このケースにおいて、一方の隆起部３２ｂは内側向きに突出し、且つ他方の隆起部３２ｂ’は外側向きに突出しており、セグメントは、次に、図示のように対角に、または図６Ａと同様の方式で側面に平行に切断されても良い。

セクタにおいて連続的な切断を有することも可能である。したがって、図６Ｃは、３つの一次部品ブランクが、各セグメントについて提供されるリング３０ｃの輪郭を示している。図示のように、それを「ステップ状形状」にさせる代わりに、リング３０ｃの製造を容易にするために、隆起部３２ｃの輪郭を平滑にすることが可能であり、材料損失は最小のままである。

これらの解決策およびこれらの輪郭に対する代替策の多くの組み合わせが、考えられ得ることは、明らかである。

有利には、ブランクおよび一次部品の各圧延および／または平坦化工程は、高温金属、例えばチタン合金については約９００℃で、例えば１００℃から３００℃の間で加熱された工具を用いてなされる。

一旦作られれば、外部一次部品２６は、プリフォーム１４を形成するために組み立てられ、且つ一緒に固定される。ブレードのサイズ、それに印加されるであろう応力等によって、中空構造を補強するプレートの形態の一次支持部品が、部品間に挿入されても良い。有利には、部品は、拡散接合によって組み立てられる。場合によってはその空気力学的輪郭に調整された、プリフォーム１４は、それからブレード１を得るべく機械加工される。好ましくは、この工程は、ガス圧力による膨張、およびＳＰＦ／ＤＢ技術において知られている条件に従った超塑性成形によって行われる。

したがって、本発明に従った方法によれば、リングのような単純な要素からブレードおよびブレードプリフォームを、圧延、鋸引き、およびフライス加工のような検査された機械加工方法で、複雑な一次部品についてさえも、作ることが可能である。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％を超える額を計上し、その結果、ブレードの製造コストは、材料損失の制限、および機械加工操作、特に精密な機械加工操作の低減を考慮して、大幅に削減されることに留意されたい。（円環状、同軸状）リングの形状についての製造許容誤差を、大きくすることができ、さらにまた、このリング製造工程は、最大６０の一次部品に特有であることに留意されたい。

従来のターボ機械中空ブレードを示す図である。 拡散結合の後に得られるような、または一次部品を規定すべくモデリングされた、ブレードプリフォームを示す図である。 一次部品のブランクを示す図である。 ブランクが取り出されるリングの斜視断面図である。 ブランクが取り出されるリングの斜視断面図である。 リング製造方法を概略的に示す図である。 本発明に従って使用されるリングのための異なる壁部輪郭を示す図である。 本発明に従って使用されるリングのための異なる壁部輪郭を示す図である。 本発明に従って使用されるリングのための異なる壁部輪郭を示す図である。

符号の説明

１ 中空ブレード
２、１６ 基部部分
４、１８ エアフォイル部分
６ 背面
７ 腹面
１０ 前縁
１２ 後縁
１４ プリフォーム
２０ 内側部分
２２ 半径方向内側端部
２４ 半径方向外側端部
２６ 一次部品
２８ ブランク
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ リング
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｂ’ 隆起部
３４ 初期ビレット
３６ ローラ
３８ 回転マンドレル
４２、４２’、４２ａ 切断セグメント

Claims (11)

1. ターボ機械の中空ブレード（１）のための一次部品（２６）を製造する方法であって、２つの端部間に初期厚み（ｅ”、Ｅ）を備える管状壁部を有するリング（３０）から、２つの端部間の壁部を切断することによって、一次部品（２６）のブランク（２８）を切断することを含み、ブランクが、このように２つの端部部分の間の壁部セグメント（４２）から切断され、且つブランクの厚みが、初期厚みである、方法。
2. ブランクまたは壁部セグメント（２８、４２）を平坦化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 壁部セグメント（４２）の２つの端部部分間の厚みに、壁部セグメント（４２）の切り抜きを含む、請求項２に記載の方法。
4. 壁部セグメント（４２）の２つの端部部分間の厚みに、壁部セグメント（４２）の複数の切り抜きを含む、請求項３に記載の方法。
5. リング（３０）が、少なくとも一端に隆起部（３２）を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 転造によるリング（３０）の製造を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 基部（２）およびエアフォイル（４）を備える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、
   ・ 請求項１から６のいずれか一項に記載の方法を用いて、少なくとも２つの外部一次部品（２６）を作る工程と、
   ・ ブレードプリフォーム（１４）を作るべく２つの一次外部部品を溶接する拡散接合工程とを含み、ブレードプリフォームは、エアフォイル部分（１８）と基部部分（１６）とを備える、方法。
8. ２つの外部部品（２６）の拡散接合組み立て工程に、前記プリフォーム（１４）にガス圧を印加して超塑性成形することによる膨張処理が続く、請求項７に記載の製造方法。
9. 第３の一次支持部品の製造を含み、プリフォーム（１４）が、一次支持部品を取り囲む２つの外部一次部品（２６）から構成される、請求項７または８に記載の方法。
10. ターボ機械の中空ブレード（１）の製造のための、円筒状リング（３０）の使用。
11. ターボ機械の中空ブレード（１）のための一次部品（２６）を製造するための、円筒状転造技術の使用。

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