JP2008169844A

JP2008169844A - 複合材入口案内翼

Info

Publication number: JP2008169844A
Application number: JP2008003923A
Authority: JP
Inventors: Ronald Cairo; ロナルド・カイロ; Jianqiang Chen; ジャンチアン・チェン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2008-07-24
Also published as: US20080170943A1; US7753653B2; EP1947346A1; EP1947346B1; CN101220818A; CN101220818B

Abstract

【課題】複合材入口案内翼を提供する。
【解決手段】複合材翼１１０は、翼形部１１４を含み、翼形部１１４は、主にガラス繊維強化エポキシ樹脂からなる内部コアと該内部コアの外側に設けられた炭素繊維強化エポキシ樹脂布１２０と、比較的薄いガラス繊維強化エポキシ樹脂の層と、外側金属シース１２４とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は圧縮機用の入口案内翼に関し、具体的には、複数の材料からなる複合材翼に関する。

現在、入口案内翼（ＩＧＶ）は概してＧＴＤ４５０析出硬化ステンレス鋼で作られている。かかる入口案内翼は、供用時に、翼のスピンドル部での腐食孔に起因する高サイクル疲労及び摩耗の形態、さらに翼形部での腐食孔の形態の損傷を受けやすい。
米国特許第７１２１７２７号明細書米国特許第５２６００９９号明細書米国特許第５０９８７９７号明細書米国特許第４０２２５４０号明細書

ある例示的な実施形態では、主に材料の適合性に基づいて、つまり複数の材料を戦略的に配置して特定の課題を解決するのに最適な各材料の属性を活用するという設計思想に基づいて設計された入口案内翼（ＩＧＶ）を提供する。例えば、入口案内翼の翼形部の断面積の大半（内部コア）は、静的強度及び疲労強度が高く、低コストであることから、主にガラス繊維強化エポキシ樹脂から構成できる。炭素繊維強化エポキシ樹脂布は、二方向剛性が必要とされる翼形部の他の領域、例えば曲げ剛性を最大として振動数及び変位制御するため空気通過面近傍の領域に戦略的に配置され、好ましくは翼形部の約２０体積％をなす。炭素繊維強化エポキシ樹脂布と外側シースの間に比較的薄いガラス繊維強化エポキシ樹脂の層を設けてもよい。

翼形部は、異物損傷（ＦＯＤ）並びに耐食性、耐エロージョン性及び耐湿性のため、外側金属シース、好ましくはアルミニウムで覆われる。シースは、別個の中実ラップをガラス繊維強化エポキシ樹脂に接着したものでもよいし、或いは塗工したアルミニウム皮膜の形態でもよい。

ベーン翼形部には半径方向内側に突出した一体タブも形成され、このタブによって、翼形部がその半径方向内端部で翼のスピンドル（取付）部に取付けられる。タブ自体も複合材として形成され、ガラス繊維強化エポキシ樹脂内部コアの延長部が外側シースの延長部で挟まれる。

そこで、本発明は、一つの態様では、主にガラス繊維強化エポキシ樹脂からなる内部コアと該内部コアを囲繞する外側金属シースとを有する翼形部を備える複合材翼に関する。

別の態様では、本発明は、主にガラス繊維強化エポキシ樹脂からなる内部コアと該内部コアを囲繞する外側金属シースとを有する翼形部を備える圧縮機用の複合材翼であって、翼形部がその所定の領域の内部コアの外側に位置する約２０体積％の炭素繊維強化エポキシ樹脂布をさらに含んでおり、炭素繊維強化エポキシ樹脂布と外側金属の間に追加のガラス繊維強化エポキシ樹脂材料が配設されている、複合材翼に関する。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、スピンドル部１２と翼形部１４と半径方向外側トラニオン１６とを備える入口案内翼１０を示す。これは典型的で周知の入口案内翼の構成であり、符号１５で示す翼形部１４の基部での腐食孔、並びに腐食孔に起因する高サイクル疲労亀裂（符号１７で示す）を生じることがある。

図２及び図３に、本発明の例示的な実施形態に係る複合材案内翼を示す。翼１１０も、図１と同様のスピンドルとトラニオン（図示せず）及び翼形部１１４を備える。スピンドルとトラニオンは、頑強で耐摩耗性の接触部とするため金属製である。ただし、この実施形態では、少なくとも翼形部１１４は、積層ガラス繊維強化エポキシ樹脂内部コア１１８を炭素繊維強化エポキシ樹脂布１２０で覆い、これをさらに金属シース（又は皮膜）１２４で覆った複合材からなる。好ましい金属はアルミニウムであり、表面仕上げを向上させ長期耐食性を向上させるためにアルミニウムをクロム酸−リン酸シーラーで被覆してもよい。

具体的には、内部コア１１８は、高い引張（翼長方向）強度及び疲労寿命を有する安価な連続ガラス繊維強化エポキシ樹脂からなる。図２及び図３から明らかな通り、ガラス繊維強化エポキシ樹脂材料は翼形部の内部空間の大半を占める。

なお、内部コア１１８を囲繞する連続炭素繊維強化エポキシ樹脂布１２０は、翼形部１１４の空気通過面１２６，１２８（図３）の近傍に配置される。炭素繊維強化エポキシ樹脂布１２０はその二方向剛性及び強度特性の点で選択され、翼形部１４の約１５〜３０体積％（例えば２０体積％）をなす。布の繊維配向は、捩れ及び曲げ要件を調和させるため半径・翼弦方向及び±４５°、或いは曲げ剛性を最大とするため翼長方向／翼弦方向である。層の数は設計条件に応じて決まる。

比較的薄いガラス繊維強化エポキシ樹脂材料の層１２２で、連続炭素繊維強化エポキシ樹脂布１２０を囲繞又は覆う。つまり、布１２０と金属シース１２４の間に挿入される。

外側アルミニウムシース１２４は０．０１０インチの厚さのオーダでよく、耐湿性を向上させつつ、異物損傷、エロージョン、腐食から保護できる。シースは、ガラス繊維強化エポキシ樹脂層１２２にエポキシ接着して、ガラス繊維及び炭素繊維強化エポキシ樹脂層と同時に硬化させてもよい。中実シースには、固溶強化型３０００系アルミニウム（例えば３００４アルミニウム）が、中実シースに適している。後者は、ＵＴＳで５０ｋｓｉまで歪み硬化することもできる。この材料は、ｐＨ４．０〜８．５の水性媒体中で優れた耐食性を有する。シースは平坦なシートから折り畳んでもよいし、ダイで翼形に予備成形してもよい。

或いは、外側ガラス繊維強化エポキシ樹脂層１２２の上に、７０００系アルミニウム皮膜をコールドスプレー法で成膜してもよい。コールドスプレー法アルミニウムはナノ結晶質ミクロ組織の形態であり、表面硬度が高く、耐食性に優れ、良好な疲労破壊靭性を有する。このコーティング法は、従来法で実施でき（１〜５０μｍ粒子）、高い表面硬度と耐摩耗性を有する層を生成できる。皮膜に最適の合金としては、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ−Ｚｒ又はＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｎｉがある。

アルミニウムシース又は皮膜１２４は、表面仕上げを向上させ長期耐食性を向上させるためにアルミニウムをクロム酸−リン酸シーラーで被覆してもよい。

次いで図４及び図５を参照すると、アルミニウムを皮膜ではなくシースの形態で施工する場合、翼形部１１４の基部に半径方向に延びる一対のタブ１２６を一体に形成して、これらを整列させると（図５及び図６に示すように）タブ１２６がガラス繊維強化エポキシ樹脂コア１１８の同様に延びるタブ部がタブ１２６で挟まれるようにしてもよい。図６に示すように、タブ１２６は、スピンドル１２８に形成された嵌合凹部１３０に嵌合する寸法及び形状に形成され、エポキシ接着される。タブの矩形断面は、入口案内翼の作動のためのトルクの伝達に役立つ。同様の構成は、図８に示すように、翼の反対側でも採用でき、複合タブ１３１をトラニオンの嵌合凹部１３３に嵌合させて翼形部１１４をトラニオン１６と接合させることができる。

別のタブ構成を図７に示すが、ここでは、タブ１３４の下端部は、スピンドルとダブテール接続を形成する形状を有しており、タブ１３４は、外に広がる二股の金属（アルミニウム）の楔形内部コア１３８と、ガラス繊維コア層１１８と、外側炭素繊維強化エポキシ樹脂布１２０とを有する。前述のものと同様に、このアセンブリ全体は金属（アルミニウム）シース１２４、延長部１３６，１４０で覆われる。この端部は、スピンドル１２８の嵌合形状スロットと係合する。

本明細書に記載した翼の主な用途としては、最大約２５０°Ｆの稼働温度に付される圧縮機入口案内翼が挙げられる。しかし、本複合材の構成は、中実動翼を始めとする他の翼にも適しており、稼働温度に応じて材料を適宜変更すればよい。

現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成を包含する。

従来の入口案内翼の斜視図。本発明の一実施形態に係る入口案内翼の部分斜視図。図２に示す入口案内翼の平面図。図２及び図３に示す入口案内翼に用いるための中間材料の形態の折り畳まれてない外部金属シースの側面図。図４に示す材料の折り畳んだ状態の側面図。例示的な実施形態で構成される案内翼の複合翼形部と翼のスピンドル部との集成法を例示した分解部分斜視図。図２〜図６に示す案内翼のための別のタブ構成の部分端面図。複合翼形部とトラニオンとの集成法を例示した分解部分斜視図。

符号の説明

１０，１１０入口案内翼
１２スピンドル部
１４，１１４翼形部
１６外側トラニオン
１１８内部コア
１２０炭素繊維強化エポキシ樹脂布
１２４金属シース
１２２エポキシ層
１２４外側シース
１２６タブ
１３０凹部
１２８スピンドル
１３３凹部
１３４タブ
１３８内部コア

Claims

主にガラス繊維強化エポキシ樹脂からなる内部コアと該内部コアを囲繞する外側金属シースとを有する翼形部を備える複合材翼。
前記翼形部が、翼形部の所定の領域の内部コアと外側金属シースの間に位置する約１５〜３０体積％の炭素繊維強化エポキシ樹脂布をさらに含む、請求項１記載の複合材翼。
外側金属シースがアルミニウムを含む、請求項２記載の複合翼形部。
外側金属シースがアルミニウム皮膜を含む、請求項２記載の複合翼形部。
炭素繊維強化エポキシ樹脂布の繊維配向が半径・翼弦方向±４５°である、請求項２記載の複合材翼。
当該複合材翼が圧縮機入口案内翼である、請求項１記載の複合材翼。
前記炭素繊維強化エポキシ樹脂布が内部コアの中心部よりも翼形部の外周部外面の近くに位置する、請求項２記載の複合材翼。
追加のガラス繊維強化エポキシ樹脂材料が炭素繊維強化エポキシ樹脂布と金属シースの間に設けられる、請求項１記載の複合材翼。
追加のガラス繊維強化エポキシ樹脂材料が炭素繊維強化エポキシ樹脂布と金属シースの間に設けられる、請求項３記載の複合材翼。
前記アルミニウムシースが約０．０１０インチの厚さを有する、請求項３記載の複合材翼。
前記金属シースがコールドスプレー法で成膜した７０００系アルミニウムからなる、請求項１記載の複合材翼。
アルミニウムシースがクロム酸−リン酸シーラーで被覆される、請求項３記載の複合材翼。
翼形部に取付けられたスピンドルをさらに含む、請求項１記載の複合材翼。
前記スピンドルに設けられた凹部に収容されるタブが翼形部の半径方向内端部に形成されている、請求項１３記載の複合材翼。
前記タブが、ガラス繊維強化エポキシ樹脂タブ部の両側の一対のアルミニウムタブ部を含む、請求項１４記載の複合材翼。
前記アルミニウム及びガラス繊維強化エポキシ樹脂タブ部が矩形断面形状を有する、請求項１５記載の複合材翼。
主にガラス繊維強化エポキシ樹脂からなる内部コアと該内部コアを囲繞する外側金属シースとを有する翼形部を備える圧縮機用の複合材翼であって、翼形部がその所定の領域の内部コアの外側に位置する約２０体積％の炭素繊維強化エポキシ樹脂布をさらに含んでおり、炭素繊維強化エポキシ樹脂布と外側金属の間に追加のガラス繊維強化エポキシ樹脂材料が配設されている、複合材翼。
外側金属シースがアルミニウムを含む、請求項１７記載の複合翼形部。
外側金属シースがアルミニウム皮膜を含む、請求項１７記載の複合翼形部。
スピンドルに設けられた凹部に収容される複合材タブが翼形部の半径方向内端部に形成されており、複合材タブが、前記外側金属シースの延長部で挟まれたガラス繊維強化エポキシ樹脂を含む、請求項１７記載の複合材翼。