JP2009068493A - 複合材ブレード用の振動減衰デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードの機械的振動減衰を大幅に高めることによって、フラッタタイプの非同期性および同期性の空気力学的励振に対するブレードの調和応答を高めること。
【解決手段】本発明は、複合材料で製作されたブレードにおいて、剛性ストリップの形態の部品を備えた保護要素（１０Ｂ）を翼の前縁の領域内に備えた、熱硬化性樹脂に含浸した織物フィラメントで形成された翼（１０Ａ）を備え、上記ストリップは翼に固定された、ブレードに関する。ブレードは、保護要素とともに翼の振動を減衰する手段（１１、１２、１３）を形成するように、上記剛性ストリップと翼との間に粘弾性材料の少なくとも１つの層が少なくとも部分的に介在させられていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ機械の分野に関する。本発明は、複合材料で製作されたブレードの振動減衰に関し、特にターボジェットエンジンのファンブレードの振動減衰を目的としている。

ブレード、特に炭素繊維複合材料のファンブレード、また低圧コンプレッサのブレードが、様々な形式で製造されている。一つの製造方法によると、大量の一方向性パイルまたは織物プリプレグが形成され、鋳型に配置されて、連続したパイルを様々に配向し、オートクレーブ内で締め固めし、重合する。他の方法によると、織物乾燥繊維プリプレグが準備され、一緒に縫い合わされ、あるいは代替方法として単一の３次元織物繊維またはフィラメントのプリフォームが製作され、次いで密閉鋳型内での射出成形によって樹脂に含浸される。ブレードは、根元部と翼を備えた単一部片として製作される。このブレードは、その熱機械的強度を高めるために様々な保護機能を有する。したがって、金属保護部が前縁に、または前縁、ブレード先端部、後縁を備える翼の輪郭全体に取り付けられている。この金属保護部は例えば、前縁の表面全体と外弧および内弧の外側表面の前方部分とに接着されたチタニウムの構成要素の形態である。同様に、内弧の外側面は、合成材料、例えばポリウレタンから製作されてもよい保護フィルムを、中間構成要素に直接接着して取り付けることによって補強されている。

本発明は、少なくとも前縁に沿って保護部を有するこのタイプのブレードを対象としている。製造の一実施例が、本出願人名義のＥＰ１７７７０６３で述べられている。

フラッタは、ブレードの空気力学と弾性特質との結合に伴った現象であり、不安低な状況を生む。フラッタは非同期的に現れる。亜音速フラッタと超音速フラッタとに区別されている。ファンブレードは主に亜音速フラッタによって影響を受ける。

フラッタは、空気力学的応答と機械的応答との結合の複雑から、予測することが困難な現象である。さらに、ブレードの機械的な振動減衰も一般的によく理解されていない。最後に、ますます高い負荷に曝されている今日のブレード配列（ｂｌａｄｉｎｇ）の設計において、フラッタは、特に検討される必要のある現象である。

ファンブレードの設計では、所与流量におけるフラッタラインと作動ラインとの間隔の測定値であるフラッタマージンが推定される。この値は一般的に、知られている基準値（最も近いもの）に、この基準の構造と新しい構造との差異を計算して加えることによって確立されている。１Ｆおよび１Ｔモードとゼロ直径結合モードとの亜音速フラッタに対して使用されている今日の基準は以下の通りである。

捻じれモードの変位と曲げモードの変位との割合を表した捻じれ曲げ結合（ＴＢＣ）。ＴＢＣ変数が高いほどフラッタのリスクは高くなる。

以下の方程式によって与えられる減速基準またはストローハル基準。即ち、ＶＲ＝Ｗ／Ｃ×ｆ×ｐｉ。但し、Ｗは相対速度、Ｃは所与の高さにおけるブレード弦、ｆは検討対象となっているブレードモードの周波数である。この基準は、ブレード配置の振動周波数とこのブレード配置に沿った流れの非定常性の周波数との干渉性を表している。

フラッタマージンに影響を与え得る他の要因もあり、これらは、試験中にこの現象が現れた時に、時折使用される場合がある。即ち、特定流量の低減、ブレード数の削減または弦長さの拡大、ブレード根元部への潤滑油供給、離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）である。
欧州特許第１７７７０６３号明細書 米国特許第６４７１４８４号明細書

本発明の目的は、ブレードの機械的振動減衰を大幅に高めることによって、上述のものなどのフラッタタイプの非同期性の空気力学的励振に対するブレードの調和応答を高めることである。

本発明の他の目的は：
上昇、下降、横風における入射角度に伴う飛行条件によって引き起こされる吸気ダクトの歪み、
残留した不均衡によって生成される調和励振、
ファンインペラ上の整流器タイプの固定インペラによって引き起こされる、フィードバック圧力の変動、
２つの二重反転ロータを含む設計における、その近傍の稼働中のファンインペラによって引き起こされるフィードバック圧力の変動または後流などの、同期性の空気力学的励振に対するブレードの調和応答を高めることである。

本出願人は、長年にわたって振動減衰の技法を研究し、一体的にブレードが付けられたディスク、即ち「ブリスク」に対して初期評価を行ってきた。これらの用語は、単一部片として製造されたディスクとブレードのアセンブリを指している。振動減衰システムの動作原理は、適切に配置された粘弾性材料のせん断によるエネルギーの消散による。振動減衰システムの正確な挙動は、材料の寸法、ならびに材料とエンジン構成要素との間の接着の良さに依存する。

ＵＳ６４７１４８４も知られており、これは、一体的にブレードが付けられたディスクを備えるガスタービンエンジンロータの振動を減衰するシステムについて述べている。ブレードの翼には、空洞が内弧または外弧に抜かれ、応力層を備えた減衰材料の層を含んで設けられている。カバーシートが空洞を覆っている。動作中、振動減衰は、一方で翼と応力層との間の減衰用材料内で、他方で応力層とカバーシートとの間に位置付けられた減衰用材料の中で誘発されるせん断応力によって促進される。

本発明は、複合材料で製作されたブレードであってその前縁を保護する手段を備えたブレードに対して適用するものとしてこの技法を改良することを目的としている。

本発明によると、複合材料で製作されたブレードであって、剛性ストリップの形態の部品を備えた保護要素を翼の前縁の領域内に備えた、熱硬化性樹脂に含浸したフィラメントまたは繊維で形成された翼を備え、上記ストリップは翼に固定され、保護要素とともに翼の振動を減衰する手段を形成するように、上記剛性ストリップと翼との間に粘弾性材料の少なくとも１つの層が少なくとも部分的に介在させられたブレードである。

粘弾材料は、以下の材料から取られることが好ましい。即ち、ファンにかかる低温に対してはゴム、シリコーン、エラストマ重合体、あるいはエポキシ樹脂。

したがって、本発明は、ＲＴＭタイプの織物複合材料で製作されたファンブレードなどのブレードに対して粘弾性材料を使用することにある。この層は、現在使用されている接着剤の層に対する完全または部分的な代替品として、チタニウムの前縁と織物複合材料翼との間に位置付けられる。

ＲＴＭ複合材ファンブレードなどのターボ機械ブレードの機械的な振動減衰機能が、導入されている。この機能は、それが衝撃エネルギーを消散させる助けとなることから、バードストライク（またはブレードの喪失）などの偶発負荷が発生した場合にも有益である。したがって後者の場合、振動応答とバードストライクとを減衰する二重の機能を果たしている。

振動減衰システム用のバッキング層として、保護デバイス、特にチタニウムで製作されたデバイスで被覆された前縁を使用することによって、追加の構成要素が導入されない。

したがって本発明の解決方法はいくつかの利点、即ち、
複合材ブレードの充分な一体化、
バッキング層として金属製前縁を使用することによって、この振動減衰機能の追加コストが制限されること、
異物による損傷を軽減する機能とフラッタを減衰する機能とが兼ね備わっていること、
振動減衰ゾーンの設計、配置、および大きさに対して影響力があることを兼ね備えている。

複合材料と前縁との間に残された空間は、粘弾性材料の必要な厚みに適している。したがって、粘弾材料の層は、例えば複合材料内に形成された空洞内に少なくとも部分的に含まれ、または代替方法として、保護要素内に形成された空洞に少なくとも部分的に含まれている。

この粘弾性材料の層の機能は：
特に曲げモード１Ｆおよび捻じれモード１Ｔに関するファンブレードの場合に、ブレードの振動応答に対して機械的減衰を導入こと、
衝撃エネルギーの一部を吸収し、そのようにしてブレードの損傷を制限することによって、バードストライクなどの現象が発生している間の振動減衰で役割を果たすことである。

このように、想定される振動減衰に応じて、粘弾性材料の層はストリップの下をその表面の一部にわったって延在し、より具体的には、粘弾性材料の層は、ブレードの所定の振動モードに対する最大変形のゾーンに対応したゾーンにわたって延在する。適切な場合、粘弾性材料の層は、翼の前縁と平行に延びるゾーンにわたって延在し、前縁全体を覆うことができる。

振動減衰材料は、環境、使用される材料、および求められる振動減衰の特性に応じて単層または多層であることができる。

特定の実施形態によると、前縁を保護する保護要素は、中実の中央部分と両側に１つずつ配置された２つのストリップとを備えたＶ字形状である。保護要素の中実部分は前縁を覆い、ストリップは、前縁の内弧と外弧の２面を部分的に覆っている。

前縁を保護する保護要素は金属製フォイル、特にチタニウムフォイルから有利に製作されている。

一実施形態によると、粘弾性材料の２つの層をプレートの両側に１つずつ備えて、追加の剛性プレートが上記ストリップと翼との間に介在させられている。プレートの各側の粘弾性材料の層は異なってもよい。

粘弾性材料の層は、例えばストリップおよび／または翼に、例えば加硫エラストマなどの粘弾性材料のフィルムを高温接合（ｈｏｔ−ｃｅｍｅｎｔｉｎｇ）することによって固定されることになり、あるいは代替方法として、粘弾性材料の層は、ストリップおよび／または翼に、接着性物質を使用して接着することによって固定されることになる。接着性物質は粘弾性材料よりも大きな剛度を有することが好ましい。

本発明は、ガスタービンエンジンコンプレッサに適用され、好ましくは、エンジンの動作温度が粘弾性材料の動作温度と適合可能となる、おそらくはダクトの付いていないファンタイプのターボジェットエンジンファンに適用される。

本発明の非制限的な実施形態を次に添付図面を参照してより詳しく述べる。

図１は、ツインスプール式バイパスターボジェットエンジン１の形態のターボ機械の一実施例を概略的に表している。前部のファン２がエンジンに空気を供給する。ファンによって圧縮された空気は、同心の２つのフローＦ１とＦ２に分割される。二次フローまたはバイパスフローＦ２は直接大気中に排出され、これが推進力の基本的な部分をもたらす。一次フローＦ１はいくつかの圧縮段３を通して燃焼室４に導かれ、燃焼室４で燃料と混合され燃焼される。高温ガスは、ファン２と圧縮ロータ３とを駆動する様々なタービン段５に動力を供給する。次いでガスが大気中に排出される。

図２および図３は、このタイプのエンジンに使用することができるファンブレード１０を示している。これは複合材料で製作されたブレードである。一般的に、ブレードの複合材部分１０Ａは、熱硬化性樹脂によって結合された繊維またはフィラメンントからなる。繊維またはフィラメントは、炭素あるいは他の一部の材料、例えば、ガラス、シリカ、炭化ケイ素、アルミナ、アラミド、または芳香族ポリアミドなどから製作される。前縁は金属製保護部１０Ｂで覆われている。この事例では、この金属製保護部１０Ｂは、前縁に沿って延びる、層３０を介して複合材料に接着されたチタニウムフォイルであって、両側にストリップが翼を、即ち一方の翼１０Ｂｉを前縁下流の内弧上に、もう一方の翼１０Ｂｅを前縁下流の外弧上に形成している。これらの２つの翼は前縁に沿って、厚みの大きな部分１０Ｂ２によって接続されている。このようなブレードは、例えば本出願人名義のＥＰ１７７７０６３で述べられた技法を使用して製造されている。

この技法に従って、３次元の織物フィラメントのプリフォームが構築される。次いでこの一部片の織物プリフォームは、３次元チャートに従って輪郭まわりに切断することによって、形状を成すように切り取られる。この構成要素が成形用鋳型内に配置される。次いで、適切な変形が行われた後、この構成要素は、変形されたプリフォームをより剛性にする凝縮用鋳型内に配置される。前縁は、保護要素が前縁に沿って嵌められることを可能にするように余分に凝縮されている。これは、長手方向の半スリーブの形態の要素であって、前縁下流の外弧壁と内弧壁との一部分を覆うことを意図した２つの翼を備えている。上述の特許で説明したように、保護要素は、翼同士を引き離すことが可能な取り付け装置内に配置されている。保護要素は、接着剤が予め被覆されたその前縁を介してこれら２つの翼の間に配置され、次いでこれらの翼は解放される。

この全体が射出成形鋳型内に配置され、これに熱硬化性樹脂を含んだ結合剤が射出されて、プリフォーム全体を含浸するようにする。最後に鋳型が加熱される。

本発明によると、翼１０Ａと保護要素１０Ｂとの間に粘弾性材料の少なくとも１つの層２０が組み込まれている。金属製保護要素１０Ｂは、それが粘弾性材料の層とともに形成する振動減衰システムのための剛性のバッキング層を形成している。

粘弾性は、変形されると、同時に機械的エネルギーを消散し、保存することによって粘性挙動と弾性挙動との両方を呈する固体または液体の特性である。

振動減衰システムの剛性材料は、層の粘弾性材料よりも硬度が高い。言い換えれば、所望の熱動作範囲および周波数動作範囲において、バッキング層の材料の等方性または異方性の粘弾性特性は、粘弾性材料の等方性または異方性の特性よりも高い。非制限的な実施例として、バッキング層の材料は金属であり、粘弾性層の材料は、ゴム、シリコーン、エラストマ重合体、エポキシ樹脂のタイプである。

図２は、３つの異なったゾーンの、前縁を保護する保護要素１０Ｂの下に粘弾性材料の少なくとも１つの層２０を組み込んだ３つの異なった減衰手段１１、１２、および１３を表している。

図４は、図２のＩＶ−ＩＶによる断面で、保護要素１０Ｂのフォイルと翼１０Ａの複合材料との間の粘弾層２０の構成を示している。減衰手段１１、１２、または１３は、動的変形の振幅がその最大となることが好ましいゾーン、即ちこの事例では、ブレードの根元部から離れたところに位置する翼の部分に配置されている。この手段は様々な形態、即ち楕円または多角形を取ってもよく、寸法および構成は所望の減衰に依存する。

粘弾性材料は、図６に示したように、高温接合によって、または代替え方法として接着剤の層３１を、またはそれぞれに接着剤の層３２も介在することによって翼に付けられるようにされる。代替え的な形態では、フォイルが形成する応力層は粘弾性層に付けられず、粘弾性層に押し付けられて、翼の複合材料に接続されている。

この減衰手段の外側のゾーンでは、粘弾性層の厚みは、フォイルを複合材料に接続する接着剤の層３０の厚みによって補償されていることに留意されたい。

以上に表していない代替え的な形態によると、ハウジングを形成する空洞が減衰装置のために、フォイル内に、複合材料内に、またはその両方に機械加工される。

図５は、本発明による減衰装置の他の代替え的な実施形態を示している。この事例では、減衰装置は、例えば金属シートの形態の追加の応力シート４０からなる。粘弾性材料の層２１が保護要素１０Ｂのフォイルと金属シート４０との間に介在させられている。粘弾性材料の層２１と同じまたはそれとは異なる粘弾性材料の層２２が応力シート４０と翼１０Ａの表面との間に介在させられている。この実施形態でも、層同士は選択された材料に応じて高温接合または接着によって一緒に接合されてもよい。

図７は、減衰システムの代替え的配置１４を示しており、粘弾性層は、翼１０Ａの前縁に沿って細長い部分の上に延在する。

前部に取り付けられたファンを備えたターボジェットエンジンを概略的に表す図である。 前縁を保護する保護要素を備えた複合材ファンブレードと、粘弾性減衰部を備えたゾーンとを示す図である。 図２を上から見た図におけるブレードの前縁の領域を示す図である。 粘弾性材料の構成方法の第１実施形態におけるＩＶ−ＩＶによる断面を示す図である。 粘弾性材料の層の他の構成を示す図である。 粘弾性材料の層の他の構成を示す図である。 減衰手段の他の配置を示す図である。

符号の説明

１ ツインスプール式バイパスターボジェットエンジン
２ ファン
３ 圧縮ロータ
４ 燃焼室
５ タービン段
１０ ファンブレード
１０Ａ 翼
１０Ｂ 金属製保護要素
１０Ｂｉ、１０Ｂｅ 剛性ストリップ
１０Ｂ２ 剛性ストリップの共通の縁部
１１、１２、１３、１４ 振動減衰手段
２０、２１、２２ 粘弾性材料の層
３０、３１、３２ 接着剤の層
４０ 金属シート

Claims (16)

1. 複合材料で製作されたブレードであって、剛性ストリップ（１０Ｂｉ、１０Ｂｅ）の形態の部品を備えた保護要素（１０Ｂ）を翼の前縁の領域内に備えた、熱硬化性樹脂に含浸した織物フィラメントで形成された翼（１０Ａ）を備え、前記ストリップが翼に固定され、保護要素（１０Ｂ）とともに翼の振動を減衰する手段（１１、１２、１３、１４）を形成するように、前記剛性ストリップ（１０Ｂｉ、１０Ｂｅ）と翼（１０Ａ）との間に粘弾性材料の少なくとも１つの層（２０、２１、２２）が少なくとも部分的に介在させられている、ブレード。
2. 粘弾性材料の層（２０、２１、２２）が、複合材料内に形成された空洞内に少なくとも部分的に含まれている、請求項１に記載のブレード。
3. 粘弾性材料の層（２０、２１、２２）が、保護要素（１０Ｂ）内に形成された空洞内に少なくとも部分的に含まれている、請求項１または２に記載のブレード。
4. 粘弾性材料の層が、ストリップの下をその表面の一部にわたって延在する、請求項１から３のいずれか一項に記載のブレード。
5. 粘弾性材料の層が、振動減衰手段（１１、１２、１３、１４）を形成するように、ブレードの所定の振動モードについての最大変形のゾーンに対応するゾーンにわたって延在する、請求項４に記載のブレード。
6. 粘弾性材料の層が、翼の前縁と平行に延びたゾーンにわたって減衰手段（１４）を形成している、請求項１に記載のブレード。
7. 前縁を保護する保護要素（１０Ｂ）が、共通の縁部（１０Ｂ２）を備えた２つの剛性ストリップ（１０Ｂｉ、１０Ｂｅ）を備え、保護要素が前縁を覆い、前縁に隣接した内弧と外弧２つの面を部分的に覆っている、請求項１から６のいずれか一項に記載のブレード。
8. 粘弾性材料が、以下の材料、即ちゴム、シリコーン、エラストマ重合体、またはエポキシ樹脂から選択される、請求項７に記載のブレード。
9. 前縁を保護する保護要素が金属フォイルから製作されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のブレード。
10. 追加の剛性プレート（４０）が前記ストリップ（１０Ｂ）と翼（１０Ａ）との間に、プレートの両側に粘弾性材料の２つの層（２１、２２）を配置して挿入されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のブレード。
11. プレートの両側に配置された粘弾性材料の層が異なる、請求項１０に記載のブレード。
12. 粘弾性材料の層が、粘弾性材料のフィルムを高温接合することによってストリップおよび／または翼に固定されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載のブレード。
13. 粘弾性材料の層が、接着性物質を使用して接着することによってストリップおよび／または翼に固定されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載のブレード。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の少なくとも１つのブレードを備える、ガスタービンエンジンコンプレッサ。
15. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の少なくとも１つのブレードを備えたファンを備える、ターボジェットエンジン。
16. 前記ファンがダクトの付いていないファンタイプである、請求項１５に記載のターボジェットエンジン。

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