JP2008088976A - 金属補強部を有する複合ターボ機械ブレード - Google Patents

Abstract

【課題】複合ブレードのセットを劣化させずに異物からの衝撃に耐え得る複合ブレードを提供することにより、このような短所を軽減すること。
【解決手段】本発明は、複合材料からなり、前縁（１６）と後縁（１８）との間で第１方向（１４）に、およびブレード根元部と先端との間で第２方向に延伸する空気力学的表面を備えるターボ機械ブレードに関する。ブレードは、その空気力学的表面の前縁（１６）に接着結合される中実の金属補強部（３２）を含み、この補強部は、第１方向（１４）に沿って空気力学的表面の前縁を越えて延伸し、根元部と先端との間で第２方向に沿って延伸し、ブレードの前縁に対する異物の衝撃により生じるエネルギーの少なくとも一部を吸収するための少なくとも１つの凹部（３４ａ）を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボ機械ブレードの分野に関する。本発明は、より詳細には、複合材料からなり、前縁に金属製の構造補強部が取り付けられるターボ機械のファンブレードに関する。

複合材料からなるターボ機械のファンブレードに、ブレードの高さ全体に、また前縁を越えて金属製の構造補強部を取り付けることは知られている。このような補強部は、たとえば鳥がターボ機械に入ってしまった時のように、異物がファンに衝撃を与える際に複合ブレードのセットを保護するために用いられる。

特に、金属補強部は、ブレードがドレープブレードの場合は層間剥離を回避し、ブレードがウーブンブレードの場合は繊維／マトリクスの分離による損傷または繊維破断による損傷を回避することにより、複合材料からなるブレードの前縁を保護する。

ブレードの前縁を覆う金属製の構造補強部があることは、異物による衝撃の場合には複合ブレードのセットを保護するにあたって必ずしも効果的であるとはいえない。

従って本発明の主な目的は、複合ブレードのセットを劣化させずに異物からの衝撃に耐え得る複合ブレードを提供することにより、このような短所を軽減することである。

この目的は、前縁と後縁との間で第１方向に、およびブレード根元部と先端との間で実質的に第１方向に対して垂直の第２方向に沿って延伸する空気力学的表面を備えるターボ機械ブレードにより達成される。上記空気力学的表面は、複合材料からなり、本発明に係りブレードはその空気力学的表面の前縁に接着結合される中実の金属補強部を含み、補強部は第１方向に沿ってブレードの空気力学的表面の前縁を越えて延伸し、第２方向でブレード根元部と先端との間を延伸し、ブレードの前縁に対する異物による衝撃によって生じるエネルギーの少なくとも一部を吸収するための少なくとも１つの凹部を含む。

中実の金属補強部内に少なくとも１つの凹部があることにより、ブレードに対する異物による衝撃によって生じるエネルギーの一部が吸収されることが可能になる。この衝撃エネルギーは、金属補強部の塑性変形により消散する。その結果、ブレード上への異物の衝撃は複合ブレードのセットを著しく劣化させることがなくなる。

本発明の一実施形態では、凹部は実質的に第１方向へ延伸する。その場合凹部は、ブレードの空気力学的表面の前縁および／または金属補強部の前縁に開口することが可能である。

別の実施形態では、凹部は実質的に第２方向へ延伸する。その場合凹部は、ブレード根元部の付近および／またはブレードの先端の付近で開口することが可能である。

さらに別の実施形態では、凹部は実質的に、第１方向および第２方向に対して垂直の第３方向へ延伸する。その場合凹部はブレードの前面（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｄｅ）および／またはブレードの後面（ｓｕｃｔｉｏｎ ｓｉｄｅ）に開口することが可能である。

中実の金属補強部は、チタンをベースに製造されることが可能である。ブレードはターボ機械のファンブレードを構成することが可能である。

本発明は、上述のブレードを少なくとも１つ含むターボ機械も提供する。

本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面と関連する以下の説明から明らかになる。本発明は図面に示される実施形態に限定されるものではない。

図１から図３は、本発明の実施形態をなすターボ機械のブレード１０を示す。一例として、ブレードはターボ機械ファンの可動ブレードである。

ブレードは、前縁１６と後縁１８との間で軸方向の第１方向１４に、および第１方向１４に対して実質的に垂直である径方向の第２方向２０に根元部２２と先端２４との間で延伸する。ブレードの一部の断面を示す図２に示されるように、ブレードは、前面２８と後面３０との間で第１および第２方向に対して垂直である接線方向の第３方向２６へも延伸する空気力学的表面１２を呈する。ブレードの前面および後面は、ブレードの前縁１６と後縁１８とを相互に接続する側面を形成する。

ブレード、より詳細にはその空気力学的表面１２は、上述のように、複合材料のドレーピングまたはウィービングにより得られる。たとえば複合材料は、樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）として知られている真空注入法により織られ成形された炭素繊維のアセンブリであることが可能である。

本発明のブレードの空気力学的表面１２は金属製の構造補強部３２を含み、これは、その前縁１６に接着結合され、ブレードの空気力学的表面の前縁１６を越えて第１方向１４に、およびブレード根元部２２と先端２４との間で第２方向２０へ延伸する。

図２および図３に示されるように、構造補強部３２は、空気力学的表面の前縁１６の形状に正確に合わせられ、前縁１６’を形成するよう延伸する。これは本明細書では補強部の前縁とする。たとえば、前縁１６と後縁１８との間の距離が５０ｃｍであるブレードでは、前縁１６と１６’との間の距離は第１方向１４でおよそ３から４センチメートル（ｃｍ）である（すなわち上記距離の６から８％である）。

さらに、構造補強部３２は、第１方向１４で空気力学的表面の前縁１６を越えて延伸し、ブレードの前面２８および後面３０の輪郭に正確に合わされている。

本発明の構造補強部３２は中実（一体構造）であり、つまり補強部は横断面および長手方向断面いずれにおいても材料が満たされている。たとえば、図２に示されるように、断面において前縁１６と１６’との間で途切れている部分がない。

ブレードの構造補強部３２は金属製であり、好ましくはチタンベースである。この材料は、衝撃によるエネルギー吸収能力が高い。補強部はブレードに接着結合されており、接着剤はシアノアクリレートまたはエポキシ接着剤を使用することが可能である。

さらに、本発明に係り、ブレードの金属補強部３２は、ブレードの前縁に対する異物の衝撃によって生じるエネルギーの少なくとも一部を吸収するための少なくとも１つの凹部を含む。

ブレードの金属補強部内の凹部の数、形状、位置および方向は、用途に応じて異なることが可能である。これらのパラメータは、起こり得る最も危機的な衝撃に応じて決定および最適化される。

本発明のブレードの金属補強部の凹部の様々な好ましい形状について以下に説明する。

図３、図４Ａおよび図４Ｂの実施形態では、補強部３２は、ブレードの第１方向１４に沿って延伸する中空キャビティ３４ａの形を有する。

より詳細には、図３に示される変形例では、凹部は、ブレードの空気力学表面１２の前縁１６で開口する中空キャビティ３４ａである。

図４Ａの変形例では、凹部は、金属補強部３２の前縁１６’へ開口する中空キャビティ３４ａである。

図４Ｂの凹部３４ａは、空気力学的表面１２の前縁１６および金属補強部３２の前縁１６’への両方に開口する。

図５Ａおよび図５Ｂの実施形態では、補強部３２における凹部は、ブレードの第２方向２０に延伸する中空キャビティ３４ｂの形を有する。

この中空キャビティ３４ｂは、ブレード根元部２２および／または先端２４の付近で開口することが可能である。ブレード根元部の付近および先端の付近両方で開口する中空キャビティでは、ブレードに空気流が通り得、これはターボ機械の空力性能の向上に寄与する。

さらに、図５Ａに示されるように、金属補強部内の凹部は、実質的に円形の断面の単一の中空キャビティ３４ｂにより形成されることも可能である。または、図５Ｂに示されるように、凹部は複数のキャビティ（図示される実施例では３つ）からなることも可能である。

当然、その他の断面形状も可能である（楕円、多角形等）。さらに、キャビティの寸法は、ブレードの全体の高さに渡って異なることが可能であり、これによりブレードに衝突する異物の質量およびブレードの高さを含む組み合わせに適合されることが可能である。

図６Ａおよび図６Ｂの実施形態では、補強部３２の凹部は、ブレードの第３方向２６に沿って延伸する中空キャビティ３４ｃの形を有する。

より詳細には、図６Ａの変形例では、２つの凹部が設けられ、これらはいずれもブレードの前面２８およびブレードの後面３０へ開口する中空キャビティ３４ｃを有する。従って、凹部は前面と後面との間の空気流を伝える役割を有し、これによりターボ機械の空力性能の向上に寄与する。

図６Ｂに示される変形例では、２つの凹部が設けられ、いずれもブレードの後面３０のみに開口する中空キャビティ３４ｃから構成される。

図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂの実施形態では、凹部は中空のキャビティ３４ａから３４ｃとして実現されている。しかし、これらのキャビティを非構造材料（すなわち中実を有さない材料）で満たし、輪郭の表面を再現することも考えられる。たとえば非構造材料は、ポリマー、ゴムまたはシリコーンであることが可能である。

本発明のブレードの長手方向断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩにおける部分断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩにおける部分断面図である。 図１のブレードの変形例を示す部分断面図である。 図１のブレードの変形例を示す部分断面図である。 本発明の別の実施形態のブレードを示す部分断面図である。 本発明の別の実施形態のブレードを示す部分断面図である。 本発明のさらに別の実施形態のブレードを示す部分断面図である。 本発明のさらに別の実施形態のブレードを示す部分断面図である。

符号の説明

１０ ブレード
１２ 空気力学的表面
１４ 第１方向
１６ 前縁
１８ 後縁
２０ 第２方向
２２ 根元部
２４ 先端
２６ 第３方向
２８ 前面
３０ 後面
３２ 補強部
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ 中空キャビティ

Claims (10)

1. 前縁（１６）と後縁（１８）との間で第１方向（１４）に沿って、およびブレード根元部（２２）と先端（２４）との間で第１方向に対して実質的に垂直である第２方向（２０）に沿って延伸する空気力学的表面（１２）を備えるターボ機械ブレード（１０）において、前記空気力学的表面は複合材料からなり、空気力学的表面の前縁（１６）に接着結合される中実の金属補強部（３２）を含み、補強部が第１方向（１４）に沿ってブレードの空気力学的表面の前縁を越えて延伸し、ブレード根元部と先端との間で第２方向（２０）へ延伸し、ブレードの前縁に対する異物の衝撃によって生じるエネルギーの少なくとも一部を吸収するための少なくとも１つの凹部（３４ａ、３４ｂ、３４ｃ）を含むことを特徴とする、ブレード。
2. 凹部（３４ａ）が実質的に第１方向（１４）に沿って延伸する、請求項１に記載のブレード。
3. 凹部（３４ａ）が、ブレードの空気力学的表面（１２）の前縁（１６）および／または中実の金属補強部（３２）の前縁（１６’）に開口する、請求項２に記載のブレード。
4. 凹部（３４ｂ）が実質的に第２方向（２０）に沿って延伸する、請求項１に記載のブレード。
5. 凹部（３４ｂ）が、ブレード根元部（２２）の付近および／またはブレードの先端（２４）の付近に開口する、請求項４に記載のブレード。
6. 凹部（３４ｃ）が、第１方向（１４）および第２方向（２０）に対して実質的に垂直である第３方向（２６）に沿って延伸する、請求項１に記載のブレード。
7. 凹部（３４ｃ）が、ブレードの前面（２８）および／またはブレードの後面（３０）に開口する、請求項６に記載のブレード。
8. 中実の金属補強部（３２）がチタンをベースに製造される、請求項１から７のいずれか一項に記載のブレード。
9. ターボ機械のファンのブレードを構成する、請求項１から８のいずれか一項に記載のブレード。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の少なくとも１つのブレード（１０）を含む、ターボ機械。

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