JP2014518976A - 複合材料製の脚付きブレードを備えたターボ機械のロータ - Google Patents

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Abstract

ターボ機械のロータは、マトリクスで密度が高められた繊維強化材を有する複合材料でできた複数のブレード100を備え、各ブレード100は、ブレードの脚110を有する内側の端部101とブレード100の先端140を形成する外側の端部102との間で延びているエーロフォイル本体120を備える。このロータは、マトリクスで密度が高められた繊維強化材を有する複合材料製の外側プラットフォーム要素200をさらに含んでいる。各外側プラットフォーム要素は、ブレード100の外側の端部102が係合する開口201を含んでいる。外側プラットフォーム要素200を超えて延びている各ブレード100の外側の端部102の一部126aはロック要素230を受け入れるための孔又は切り欠き127を含んでいる。
【選択図】図2

Description

本発明は、マトリクスで密度が高められた繊維強化材を有する複合材料製のブレードを備えたターボ機械のロータに関する。
本発明が目的とする分野は、航空エンジン又は産業用のタービンのためのガスタービンのロータの分野である。
複合材料を用いてターボ機械のロータを製造することに関して既に提案がなされている。特に、Snecma及びSnecma Propulsion Solideによって共同で出願された国際特許出願WO2010/061140を引用することができる。その出願には、マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有する複合材料を用いてターボ機械のブレードを製造する方法が記載されている。より詳細には、互いに交わる2つのテクスチャをまとめて多層に織ることによってできた、繊維の半加工品が、成形後に、エーロフォイル(de pale)及びブレードの脚のためのプリフォームを形成する第1部分と、ブレードの外側プラットフォームのためのプリフォームを形成する少なくとも1つの第2部分とを有する単一部品として繊維プリフォームを形成する、という特徴をその方法は有する。これにより、そのプリフォームの密度が高められた後に、複合材料のブレードを得ることができる。このブレードは、プリフォームによって構成され、マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有し、かつ、外側プラットフォームが組み付けられた単一部品を形成している。
しかし、ブレードの脚を形成するためのその技術は、ブレードの工業生産をより複雑にし、製造コストを増やす。なぜなら、その技術は、多量の材料ロスを生じさせ、かつ、生産スピードをスローダウンさせる、繊細な取扱いを必要とするからである。また、外側プラットフォーム同士の間に作動上必要なクリアランスは、全体的なタービンの性能を低下させるリークを生じさせる。
それゆえ、特に、外側プラットフォームで封止を確保しつつ、比較的製造が容易な、タービン又はターボ機械のコンプレッサのために、複合材料、必須ではないが特には、セラミック基複合材料(CMC)などの熱構造複合材料でできたブレードが取り付けられた、ターボ機械のロータを設置できることが望ましい。
この目的のために、本発明は、マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有する複合材料製の少なくとも1つのブレードを備えたタービンのロータを提供する。各ブレードは、ブレードの脚を有する内側の端部とブレードの先端を形成している外側の端部との間に延びているエーロフォイル本体を備える。前記ロータは、マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有する複合材料製の少なくとも1つの外側プラットフォーム要素を備える。前記外側プラットフォーム要素は、ブレードの前記外側の端部と係合する少なくとも1つの開口を含む。前記外側プラットフォーム要素を超えて延びている、各ブレードの前記外側の端部の一部は、ロック要素(un element de verrouillage)を受け入れるための少なくとも1つの孔(lumiere)又は切り欠き(encoche)を含む。
先行技術における複合材料製のブレードを有するロータと比べると、本発明は、1つ以上のロータのブレードの先端において外側プラットフォームが取り付けられた構成を提供する。この設計思想は、ロータの、ブレード及び外側プラットフォーム要素の両方の製造を容易にするのに役立ち、複合材料でできたこのような部品の工業的生産を促す。
また、外側プラットフォーム要素をブレードと一体的に作製することに代えて、分離した外側プラットフォーム要素を取り付けるようにすることによって、特に、形状の点で、この要素の設計の自由度が増す。また、この設計思想は、大量生産における製造の正確さを向上させる。これにより、製造上の公差を少なくし、結果的に作動上必要なクリアランスが減少する。これにより、リークを抑制するのに適した外側プラットフォームを設計でき、ガス流れの流路の上流側の輪郭の観点からタービンの性能を向上させることができる。
さらに、ブレード又は外側プラットフォームが損傷したときに、損傷した部品のみ交換すればよいので、修理費用も低減される。
本発明のロータの第1の側面によれば、各ブレードの前記外側の端部は、前記外側プラットフォーム要素のための支持面をなす肩部を形成するように、前記エーロフォイル本体の基底部分の寸法よりも小さい寸法を有する。これにより、外側プラットフォーム要素の位置決めが容易である。
第2の側面において、各外側プラットフォーム要素は、外側プラットフォームのオーバーハング板及び外側プラットフォームのワイパー板を有する。
第3の側面において、各外側プラットフォーム要素は、その長さ方向の両端で、2つの隣り合う外側プラットフォーム要素が部分的に重なることが可能であるようにオフセットを有する。これにより、動作中にお互いに押し付けられている2つの隣り合う外側プラットフォーム要素の間で、遠心力が作用する条件のもとで、かつ、ロック要素によって生じる滞留の影響のもとで、ガス流れの流路の密閉性が、その流路の輪郭に関わらず、向上する。その重なった領域にはダンパー装置が配置されていてもよい。
第4の側面において、各外側プラットフォーム要素は、各外側プラットフォーム要素が複数の隣り合うブレードの前記外側の端部に係合するように、複数の開口を有する。共通の外側プラットフォーム要素で複数のブレードをまとめることによって、漏れをさらに低減できる。
第5の側面において、前記外側プラットフォーム要素を超えて延びている各ブレードの前記外側の端部は、2つの孔又は切り欠きを含み、各ロック要素は、前記孔又は切り欠きにそれぞれ係合する2つのアームを有する。
第6の側面において、各ロック要素は、一端において、各ロック要素を所定の位置に保持するように、各外側プラットフォーム要素に形成された受け溝と協働するリムを含む。
第8の側面において、各ブレードは、オーバーハングを有し又は有しない、かつ、傾き防止リムを有し又は有しない、内側プラットフォームの全て又は一部をさらに含む。
第9の側面において、各ブレードの前記繊維強化材は、糸の多層の織によって作られている。
第10の側面において、各ブレード及び各外側プラットフォーム要素は、セラミック基複合材料(CMC)又は有機マトリクス複合材料(OMC)でできている。
また、本発明は、本発明のロータが取り付けられたコンプレッサ及びそのようなコンプレッサが取り付けられたターボ機械を提供する。
また、本発明は、少なくとも1つのブレードを作製する工程を備えた、ターボ機械のロータを製造する方法を提供する。
この方法は、各ブレードに対し、
単一部品としてブレードの繊維の半加工品を作製する工程と、
ブレードのエーロフォイル及びブレードの脚のためのプリフォームを形成する第1部分を有する、単一部品のブレードの繊維プリフォームが得られるように、前記繊維の半加工品を成形する工程と、
複合材料のブレードを得るために、マトリクスで前記ブレードのプリフォームの密度を高める工程と、を備え、
前記複合材料のブレードは、前記プリフォームによって構成されるとともに前記マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有し、かつ、ブレードの脚を備える内側の端部とブレードの先端を形成する外側の端部との間で延びているエーロフォイル本体を備えており、
この方法は、さらに、
各ブレードの前記外側の端部に少なくとも1つの孔又は切り欠きを作製する工程と、
外側プラットフォーム要素の少なくとも1つの単一部品の繊維の半加工品を作製する工程と、
前記繊維の半加工品を外側プラットフォーム要素の繊維プリフォームに成形する工程と、
前記外側プラットフォーム要素のプリフォームの密度をマトリクスで高めて、前記プリフォームによって構成されるとともに前記マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有する、複合材料の外側プラットフォーム要素を得る工程と、
前記外側プラットフォーム要素に少なくとも1つの開口を作製する工程と、
ハブに、前記ハブの周りに形成された相補的な形状の受け溝(logement)に各ブレードの脚を係合させることによって、各ブレードを取り付ける工程と、
各外側プラットフォーム要素を、前記外側プラットフォーム要素の前記開口又は切り欠きに前記ブレードの前記外側の端部を係合させることによって、少なくとも1つのブレードに取り付ける工程と、
各ブレードの前記外側の端部において少なくとも前記孔にロック要素を配置する工程と、を備えている。
複合材料でブレード及び外側プラットフォーム要素を独立に製造することによって、上記の通り、密閉性を向上させ、かつ、タービンの性能を向上させつつ、ロータの工業的生産が容易である。
本方法の特徴によれば、各ブレードの前記外側の端部は、前記外側プラットフォーム要素のための支持面をなす肩部を形成するように、機械加工される。
本方法の別の特徴によれば、各外側プラットフォーム要素は、外側プラットフォームのオーバーハング板及び外側プラットフォームのワイパー板を有する。
本方法のさらに別の特徴によれば、各外側プラットフォーム要素の繊維の半加工品は、複数の糸層の間の多層の織によって作られ、2つのひと続きの隣接した糸層の間がつながっていない部分的な領域を含み、2つのひと続きの層のうちの1つは、前記半加工品を成形する間にワイパーを形成するように折り曲げられる。
本発明は、添付の図面を参照しつつ、非限定的な記載を用いて与えられる以下の説明からより良く理解されるであろう。
図1は、本発明の実施形態に係るターボ機械のロータの斜視図である。 図2は、外側プラットフォーム要素が取り付けられる前の、図1のロータの一部の詳細な図である。 図3は、外側プラットフォーム要素が取り付けられた後の、図1のロータの一部の詳細な図である。 図4は、図2及び図3に示すような外側プラットフォームの作製に使用するための多層の織がなされた繊維の半加工品を準備する方法を高度に図式化した図面である。 図5は、図4の繊維の半加工品を用いて、図2及び図3に示すような外側プラットフォーム要素のための繊維プリフォームを作製する方法を示す図である。 図6は、図2及び図3に示すようなブレードのための繊維プリフォームの作製のための多層の織の繊維の半加工品における2つの糸層のセットの配置を示す高度に図式化された図である。 図7〜9は、図6の繊維の半加工品を用いて、図2及び図3に示すようなブレードのための繊維の半加工品を作製する連続的なステップを示す図である。 図7〜9は、図6の繊維の半加工品を用いて、図2及び図3に示すようなブレードのための繊維の半加工品を作製する連続的なステップを示す図である。 図7〜9は、図6の繊維の半加工品を用いて、図2及び図3に示すようなブレードのための繊維の半加工品を作製する連続的なステップを示す図である。 図10Aは、ブレードのエーロフォイルと内側プラットフォームとの間の連結位置に対応する図6の繊維の半加工品の部分の縦糸の部分断面図である。図10Bは、ブレードのエーロフォイルと内側プラットフォームとの間の連結位置に対応する図6の繊維の半加工品の部分の横糸の部分断面図である。 本発明の変形例に係るロータの一部を示す斜視図である。 本発明の変形例に係るロータの一部を示す斜視図である。 本発明の別の変形例に係るロータの一部を示す斜視図である。 本発明の別の変形例に係るロータの一部を示す斜視図である。
本発明は、図1に示すように、様々なタイプのタービンのロータ、特には、コンプレッサのロータ及び様々なガスタービンのスプール(corps)のタービンのロータ、例えば、低圧(LP)のタービンのロータホイールに適用できる。
図1は、複数のブレード100が取り付けられたハブ11を有するターボ機械のロータ10を示している。各ブレード100は、従来の形式の、例えば球根状の断面を有する厚肉部によって形成され、その厚肉部がハブ11の周りに形成された相補的な形状の受け溝12に係合している脚110と、エーロフォイル120とを備えている。
本発明に従えば、ロータは、それぞれのブレード100に取り付けられた、複数の外側プラットフォーム要素200を備えている。より詳細に、図2及び図3に示すように、エーロフォイル120は、脚110を含むブレードの内側の端部101とブレード100の先端140を形成する外側の端部102との間の長さ方向に沿って延びている。断面視において、エーロフォイルは2つの面123及び124を形成する厚みが変化する湾曲した輪郭を有する。面123と面124とは、それぞれ、エーロフォイル120の背面(l'extados)と腹面(l'intrados)とに対応し、エーロフォイル120の前縁120aと後縁120bとを接続している。ここで説明する例において、エーロフォイル120は、さらに、半径方向に内側に、ガス流れfの流路を形成する外側(上側)の面152を備えた内側プラットフォーム150を有する。ガス流れfの流れ方向における、上流側の端部及び下流側の端部において、内側プラットフォーム150は、オーバーハング(becquet)154及びオーバーハング156まで範囲が及んで途切れている。
この例における各外側プラットフォーム要素200は、ブレード100の外側の端部に係合している開口201を有する。開口201の形状及び寸法は、各ブレード100の外側の端部の形状及び寸法に適合する。ここで説明する例において、外側プラットフォーム要素200のための支持面をなす肩部(epaulement)125を形成するように、外側プラットフォーム要素200の開口201に係合している各ブレード100の外側の端部102は、エーロフォイル120の本体の残部の寸法より小さい寸法を有する部分126によって構成されている。これに限らず、本発明の外側プラットフォーム要素は、エーロフォイルの本体の残部よりも小さく作られたブレードの外側の端部を通過させるのに適した形状及び寸法の開口を含んでいてもよい。
ここで説明する例において、外側プラットフォーム要素200は、外側プラットフォームのオーバーハング板(plateau)210と、オーバーハング板210の上面211に設けられたワイパー板220とを備える。ガス流れfの流れ方向における、上流側の端部及び下流側の端部において、外側プラットフォームのオーバーハング板210は、オーバーハング213及びオーバーハング214まで範囲が及んで途切れている。図示した例において、外側プラットフォームのオーバーハング板210の底面212はブレードの長さ方向に対して実質的に垂直に延びている。変形例において、ガス流れの流路の外側の面の所望の輪郭によっては、底面212は、その全体がブレードの長さ方向に対する法線に対してゼロでない角度を形成するように傾斜していてもよく、又は、底面212は、全体的に直線的でない輪郭、例えば、湾曲している輪郭を有していてもよい。肩部125の傾きは板210の底面212の形状に適合するように調整されている。
外側プラットフォームのワイパー板220は、その外側(上側)の面222において、くぼみ又はバスタブ223を形成する。ブレードの先端とタービンのリングとの間のクリアランスを減らすために、板220は、バスタブ223の上流側及び下流側の端部に沿って、タービンのリング(図示省略)におけるアブレイダブルな材料の層を貫くのに適した端部を備えた歯状の輪郭を有する、ワイパー224及びワイパー225を形成する折り曲げ部を持っている。
図3に示すように、外側プラットフォーム要素200を超えて延びている各ブレード100の外側の端部102は、ブレード100の外側の端部102の位置で外側プラットフォーム要素200を、特には遠心力に抗して、保持するためのロック要素又はキー230を受け入れる孔127を、ここでは部分126の断片(la partie)126aにおいて含んでいる。ここで説明する例において、ロック要素230は、隣り合う2つのブレード100の孔に挿入され、かつ、隣り合う2つの外側プラットフォーム要素200を所定位置に保持するように、2つの外側プラットフォーム要素200の長さと実質的に等しい長さを有する。ロータは、隣り合う外側プラットフォームのワイパー板220の外側の面222をまとめることによって形成されたブレードの外周に配置された複数のロック要素230を有する。当然ながら、ロック要素を他の数のいくつかのスロットに挿入することが可能であるように、ロック要素の長さは、例えば、1つ以上のスロットに一度に挿入されることが可能な他の長さであってもよい。これにより、同時に1つ以上の外側プラットフォーム要素を保持できる。
また、ここで説明する例において、外側プラットフォームのオーバーハング板210と外側プラットフォームのワイパー板220とは、長さ方向Dlにおいて等しい長さを有するが、その方向に互いに対してオフセットされている。2つのオフセット211及び221が、各外側プラットフォーム要素200の長さ方向の端部に形成されている。これにより、隣り合う外側プラットフォーム要素200の間で部分的なオーバーラップが実現される。従って、オフセットは、流路の輪郭に適合し流路をシールする。
図4は、外側プラットフォーム要素の繊維強化材を形成するための繊維の半加工品400を高度に図式化した図であり、この繊維の半加工品から、マトリクスによって密度が高められて機械加工された後に、図2及び図3に示す要素200のような外側プラットフォーム要素が得られるように、外側プラットフォーム要素の繊維プリフォームが形成される。
ここで説明し、図4に図式化した例において、繊維の半加工品400は縦糸の複数の糸層と横糸の複数の糸層との間の多層の織によって得られている。その多層の織は、特には、「インターロック」織、すなわち、横糸の各層が複数の縦糸の層と互いにつながり、横糸の列におけるすべての糸が織の面で同じうねりを有する織を用いてなされる。
半加工品400は、外側プラットフォームのオーバーハング板210及び外側プラットフォームのワイパー板220をそれぞれ形成するための第1部分410及び第2部分420を有する。織をなす期間において、第1非連続部401及び第2非連続部402が、第1部分410と第2部分420との間の境界に設けられた2つの連続する縦糸の層の間であって、非連続領域403及び非連続領域404という2つの非連続領域において、繊維の半加工品の内部に位置している。第1部分410及び第2部分420は、2つの非連続領域403及び404の間に位置する連続領域405でつながっている。第1非連続部401及び第2非連続部402は、最終的には外側プラットフォームのワイパー板220のワイパー224及びワイパー225を形成するために、半加工品を成形しながら折り曲げられることが可能な2つの個別部分421及び422を形成することを可能にする。
外側プラットフォーム要素の繊維強化材を形成するための繊維の半加工品は、上記の繊維の半加工品400の第1部分410及び第2部分420のそれぞれに対応する2つの繊維の構造体を一緒にまとめることによって得られてもよい。このような条件において、外側プラットフォームのワイパー板220のワイパー224及びワイパー225を最終的に形成するために、2つの繊維のテクスチャが、例えば、縫製(couture)又は針を用いて織ること(aiguilletage)によって、もっぱら連続領域405において、連結される。第1部分410及び第2部分420のそれぞれに対応する2つの繊維のテクスチャは、特には、
1次元(UD)の織物、
2次元(2D)の織物、
三つ編み、
トリコット編、
フェルト、
糸又は撚糸(cables)の1方向(UD)のシート、又は、複数のUDシートを異なる方向に重ね、例えば、縫製、化学的な接着剤、又は針を用いて織ること(aiguilletage)によってそのUDシートを一緒にまとめることによって得られた多方向(nD)のシートの複数の層の重なり又はスタック(empilement)から得られてもよい。
複数の層のスタックに関しては、その層は、例えば、縫製、糸又は固い要素のインプラント(implantation)、又は、針を用いて織ること(aiguilletage)によって一緒にまとめられている。
図5は、後に成型によって作製されるべき外側プラットフォーム要素ための繊維の予備成形体500を高度に図式化した図である。第1部分410は、外側プラットフォームのオーバーハング板の形状のような形状をつくり出すように変形されている。第2部分420の部分421及び部分422は、外側プラットフォームのワイパー板のワイパーの形状のような形状をつくり出すために折り曲がっている。これにより、外側プラットフォームのオーバーハング板のプリフォームを構成するための1つの部分510及びプラットフォームのワイパー板のプリフォームを構成するための別の部分520を有するプリフォーム500が作り出される。図2及び図3に示す外側プラットフォーム要素200に対応する外側プラットフォーム要素を形成するために、オフセット511及びオフセット521は、それぞれ、プリフォームの長さ方向の端部に形成されている。外側プラットフォーム要素を形成するための繊維の半加工品が多層の織によって得られるとき、オフセットはプリフォームの密度を高めた後の機械加工によって得られる。その半加工品が、外側プラットフォームのオーパーハングの板とワイパー板とにそれぞれ対応する2つの繊維のテクスチャを一緒にまとめることによって作製されるとき、そのテクスチャは、対応するオフセットを伴って、最初に一緒にまとめられてもよい。
密度を高める工程の後に、プリフォーム500は、製造されるべき外側プラットフォーム要素において、開口201の形状及び寸法に適合する形状及び寸法を有する開口501が形成されるように機械加工される。このようにして得られた繊維プリフォーム500により、マトリクスによって密度が高められ、かつ、機械加工された後に、図2及び図3に示す外側プラットフォーム要素のような複合材料製の外側プラットフォーム要素を得ることができる。
ブレードと外側プラットフォーム要素との間に異なる熱膨張係数がもたらされるのを防ぐために、ブレード及びその要素は、好ましくは、同一の種類の繊維及びマトリクスを用いて作製されている。
さらに、ロック要素230は、例えば、金属材料のような異なる材料であってもよい。しかし、ブレードと、外側プラットフォーム要素と、ロック要素との間において、異なる熱膨張係数及び機械的応力がもたらされることを防ぐために、ロック要素は、好ましくは、ブレード及び外側プラットフォーム要素を作製するための繊維又はマトリクスと同じ種類の繊維又はマトリクスを有する複合材料によって作製されている。
図6は、繊維の半加工品300を高度に図式化した図である。この半加工品300からブレードの繊維プリフォームが形成され、マトリクスで密度が高められ、場合によっては機械加工もなされて、図2及び図3に示すブレード100のように内側プラットフォーム及び内側プラットフォームに一体化された内側プラットフォームのオーバーハング板を有する、複合材料のブレードが得られる。
半加工品300は、立体的な織又は多層の織によって得られる、2つの繊維ストリップ302及び304を備えている。これら2つの部分の幾何学的な外観のみが図6に示されている。繊維ストリップ302は、成形された後に、エーロフォイルのプリフォーム及びブレードの脚に対応するブレードの繊維プリフォームの一部を構成するためのものである。この部分は、エーロフォイルの腹面側を形成するための面302a及びエーロフォイルの背面側を形成するための面302bを有する。繊維ストリップ304は、成形後に、内側プラットフォームのためのプリフォームに対応するブレードの繊維プリフォームの部分を構成するためのものである。
2つの繊維ストリップ302及びストリップ304は、全体的に、作製されるべきブレードの長さ方向に一致する方向Xに延びている。エーロフォイルのプリフォームを形成するためのストリップ302の部分において、繊維ストリップ302は、作製されるべきブレードのエーロフォイルの輪郭の厚みに応じて定まる変化する厚みを有する。脚のプリフォームを形成するためのストリップ302の部分において、繊維ストリップ302は、作製されるべきブレードの脚の厚みに応じて定まる厚肉部303を有する。
繊維ストリップ302は、作製されるべきブレードのエーロフォイル及び脚の展開長さ(フラットなときの長さ)に応じて選択される幅lを有し、一方で、繊維ストリップ304は、作製されるべき内側プラットフォームの展開長さに応じで選択される幅lより大きい幅Lを有する。
繊維ストリップ304は、作製されるべきプラットフォームのブレードの厚さに応じて定まる実質的に一定の厚みを有する。ストリップ304は、ストリップ302の第1面302a(腹面側)に沿ってその近傍で延びている第1部分304aと、ストップ302の第2面302b(背面側)に沿ってその近傍で延びている第2部分304bとを有する。
第1部分304aと第2部分304bとは、作製されるべき内側プラットフォームの位置に対応する位置でストリップ302に対して横切るように延びている接続部340cによってつながっている。接続部340cは、繊維の半加工品の長さ方向に対して実質的に垂直にそのストリップを横切っている。内側プラットフォームにとっての所望の形状によっては、接続部340cは、半加工品の長さ方向Xの法線に対してゼロではない角度でストリップ302を横切っていてもよい。また、接続部340cの輪郭は図示された例のような直線状の代わりに湾曲状であってもよい。
さらに詳細を以下に説明する通り、ストリップ302及びストリップ304は、多層の織によって同時に織られている。ストリップ302とストリップ304の第1部分304a及び第2部分304bとの間にいかなる連結も形成されずに、複数の続いている半加工品が方向Xに連続的に織られている。
図7〜図9は、製造されるべきブレードの形状に類似の形状の繊維プリフォームを繊維の半加工品300からどのように得ることができるかを示す高度に図式化した図面である。
繊維ストリップ302は、厚肉部303における一端及び他端において、製造されるべきブレードの長さ方向に一致する長さを有するストリップ320を提供するために、切断されている。拡大部330は、厚肉部303によって形成され、かつ、製造されるべきブレードの脚の場所に対応する位置に設けられている。反対側の端350が製造されるべきブレードの先端に対応している。ストリップ320は、エーロフォイルの腹面側を形成するための面320a及びエーロフォイルの背面側を形成するための面320bを有する。
また、第1部分304aの端部及びストリップ304の第2部分304bにおいて、図7に示すように、セグメント340aとセグメント340bとが接続部340cの両側に残るように切断されている。セグメント340a及びセグメント340bの長さは、製造されるべきブレードの内側プラットフォームの長さに応じて定められている。
繊維の半加工品のストリップ320と第1部分304a及び第2部分304bとの間は連結されていないので、図8に示すように、板340を形成するために、いかなる糸をも切断することなく、セグメント304a及びセグメント304bをストリップ302に垂直にたたむことができる。
製造されるべきブレードの繊維プリフォーム600は、成型によって得られる。図9に示すように、ストリップ320は、ブレードのエーロフォイルの湾曲した輪郭をつくり出すように変形されている。板340は、内側プラットフォームの形状に類似した形状をつくり出すように変形されている。密度が高められた後で、プリフォーム600は、製造されるべきブレードにおける孔127の形状及び寸法に適合する形状及び寸法の孔627を形成するために、機械加工される。これにより、エーロフォイルのプリフォームの部分620、脚のプリフォームの部分630(脚柱のプリフォームを含む)、及び内側プラットフォームのプリフォームの部分640を有するプリフォーム600が製造される。
外側プラットフォーム要素とブレードとの繊維の半加工品が織によって作製されるとき、織は、半加工品の長さ方向Xに延びている縦糸を用いてなされている。この方向に延びている横糸で織をなすこともできる。
実施形態の一例において、糸は、日系のサプライヤーである日本カーボンによって、「Nicalon」という名称で供給されており、(フィラメントの数で示される)重量が0.5K(すなわち、500本のフィラメント)のシリコンカーバイドであってもよい。
当然ながら、利用可能な糸の重量によっては、糸層の数の様々な組み合わせと、スレッドカウント及び糸の重量の変更が所望の輪郭を得るために適用されることができる。
繊維の半加工品300を織るときに、厚肉部303は別にして、かつ、繊維の半加工品400を織るときに、使用される織は、例えば、サテン又は複数のサテンのタイプの織がなされた多層の織であってもよい。他のタイプの多層の織、例えば、複数の平織又は「インターロック」織を有する多層の織を用いることもできる。「インターロック」織という用語は、ここでは、横糸の列におけるすべての糸が織の面で同じうねりを有しつつ、横糸の各層が縦糸の複数の層とつながる織を意味する。
特には、文献WO2006/136755に、多層の織の様々な実現方法が記載されている。
図10Aは、図6に示す繊維の半加工品のストリップ304の接続部340cがストリップ302と交わっている位置における縦糸の断面図であり、ストリップ304の縦糸のこの接続部における断面が示されている。この接続部340cにおける各縦糸の層C304は、ストリップ302の横糸の方向に対して垂直な方向に延びている。織がなされている期間に、ストリップ304は、ストリップ304の縦糸の層C304の糸のいくつかをストリップ302のすべての縦糸及び横糸と個別に交らわせることによって、ストリップ302の一方側からストリップ302の他方側へと通過させられている。交わっているストリップ304の縦糸の層C304は、ストリップ302の横糸t302の間を、図10Aに示すような直線状の輪郭に沿って貫いている。当然ながら、内側プラットフォームに望ましい形状によっては、ストリップ304の縦糸の層C304は、例えば、うねりのある又は湾曲した輪郭のような他の形状の輪郭に沿ってストリップ302に入り込んでストリップ302から離れていてもよい。
図10Bは、ストリップ304の接続部340cが図3に示す繊維の半加工品のストリップ302と交わる場所におけるストリップ302及びストリップ304のそれぞれの横糸t302及び横糸t304の断面図である。図示された例において、上記の通り、接続部340cはストリップ302の縦糸の層C302の方向に対して垂直に延びている。しかし、内側プラットフォームの望ましい向きによっては、接続部340cは、縦糸の方向の法線に対してゼロではない角度で延びていてもよい。
図6の繊維の半加工品300の厚肉部303は、より重量が重い横糸を用いること及び横糸の追加的な層が用いられることによって得られてもよい。変形例に係る実施形態において、厚肉部303は、ストリップ302を織っている間にインサートを導入することによって得られてもよい。
ブレードの繊維強化材を形成するための繊維の半加工品は、
1次元(UD)の織物、
2次元(2D)の織物、
三つ編み、
トリコット編、
フェルト、
糸又は撚糸(cables)の1方向(UD)のシート、又は、複数のUDシートを異なる方向に重ね、例えば、縫製、化学的な接着剤、又は針を用いて織ること(aiguilletage)によってそのUDシートを一緒にまとめることによって得られた多方向(nD)のシートの複数の層をスタックすることによって得られてもよい。
その層は、例えば、縫製、糸又は固い要素のインプラント(implantation)、又は、針を用いて織ること(aiguilletage)によって一緒にまとめられていてもよい。
外側プラットフォーム要素の繊維プリフォーム又は本発明のブレードの繊維プリフォームを形作るためになされ得る連続的なステップと、そのプリフォームの密度を向上させる方法について説明する。
上記の通り、外側プラットフォーム要素又はブレードの繊維強化材を形成するための繊維の半加工品は多層の織又は繊維の構造体をスタックすることによって織られていてもよい。高温及び特には腐食性の環境(特には湿った環境)における使用されるターボ機械のブレードに関し、その織に使用された糸は、特には、シリコンカーバイド(SiC)製の繊維である、セラミックの繊維でできている。低温においては、カーボンの繊維を使用することもできる。
製造されるべき部品の繊維強化材を形成するための繊維プリフォームの密度の向上は、そのプリフォームの全体又は一部において、マトリクスを構成する材料でプリフォームの孔を埋めることを含む。この密度を高めることは、液相法(CVL)又は化学気相浸潤法(CVI)という気相法を使用する既知の方法、あるいは、それらの2つ方法を組み合わせて連続させる方法によって行われてもよい。
液相法は、マトリクスの材料のための前駆物質を含む液体の混合物をプリフォームに含浸させる工程を備える。その前駆物質は、通常は樹脂などのポリマーの形態であり、場合によっては溶媒中で希釈されている。そのプリフォームは、成型された部品の最終形状を有するキャビティ(logement)を密封できる成形型に置かれる。その後、成形型は閉じられ、液状のマトリクスの前駆物質(例えば、樹脂)は、プリフォームの繊維のすべての部分に染み込むようにキャビティの隅々に注入される。
前駆物質をマトリクスへ変化させること、すなわち、前駆物質を重合させることは、熱処理によって行われ、一般的には、溶媒が除去された後及びポリマーが硬化した後に、成形型を加熱することによって行われる。プリフォームは、作製されるべき部品の形状に対応する形状を有する成形型において常に保持されている。
カーボン又はセラミックのマトリクスを形成するときに、熱処理は、使用する前駆物質及び熱分解の条件によっては、マトリクスをカーボン又はセラミックのマトリクスへ変化させるために、前駆物質を熱分解させる工程を含む。例えば、セラミックのための、特には、SiCのための液状の前駆物質は、ポリカルボシラン(PCS);ポリチタノカルボシラン(PTCS);又はポリシラザン(PSZ)などのタイプの樹脂であってもよい。一方、カーボンのための液状の前駆物質は、フェノール樹脂のように、比較的高いコークス含有率を有する樹脂であってもよい。所望の程度に密度を向上させるために、含浸させる工程から熱処理にかけて連続するいくつかのサイクルが行われてもよい。
本発明の一つの側面において、特に、有機系のマトリクスを形成するときに、繊維プリフォームは、良く知られているレジントランスファ成形(RTM)法によって密度が高められていてもよい。RTM法において、繊維プリフォームは、製造されるべき部品の外形を有する成形型に置かれる。熱硬化樹脂が、繊維プリフォームを含んだ成形型の内部の空間に注入される。プリフォームへの樹脂の含浸を制御して最適化するように、樹脂が注入される位置とその内部の空間がなくなる排出口との間で、その内部の空間において全体的に圧力勾配が形成される。
既知の方法において、繊維プリフォームの密度は、マトリクスの化学気相浸潤法(CVI)による気相法を用いて高められてもよい。作製されるべき構造に対応する繊維プリフォームが、反応ガスが導入されるオーブンに置かれる。オーブンにおける圧力及び温度並びにガスの組成は、材料の表面のみにおける蒸着をもたらす化学気相蒸着(CVD)法に適した圧力及び温度の条件とは対照的に、プリフォームの孔の内部をガスが拡散でき、かつ、繊維と接触して固体の材料を蒸着させることによって材料の芯にマトリクスが形成されるように選択される。その材料は、そのガスの原料の分解又は複数の原料同士の反応によって生じる。
SiCのマトリクスはメチルトリクロロシラン(MTS)を用いて形成されてもよい。MTSの分解によってSiCが得られる。一方、カーボンのマトリクスは、メタン及び/又はプロパンのような炭化水素のガスをクラッキングさせてカーボンを生成し、得られてもよい。
所望の用途にとって満足な特性を得つつ、処理を容易にし、コストを抑制し、製造サイクルを抑えるために、液相法と気相法とを組み合わせた、密度を向上させる方法を用いることもできる。
特には、マトリクスは、例えば、高性能のエポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、又は、カーボン若しくはセラミックのマトリクスのための液状の前駆物質を用いることによって得られてもよい。
ここで説明した実施形態において、繊維の半加工品には、典型的には、必要に応じて溶媒中で希釈されている樹脂である、強化用の混合物が染み込んでいる。例えば、フェノール樹脂若しくはフラン樹脂などのカーボンの前駆物質である樹脂、又は、SiCにとっての前駆物質である、例えば、ポリシラザン若しくはポリオキシシロキサンなどのセラミックの前駆物質である樹脂を用いることができる。
樹脂から溶媒を除去するように乾燥させた後で、樹脂を予備硬化させることができる。予備硬化又は不完全な硬化は、外側プラットフォーム要素又はブレードのプリフォームを作るために必要な変形しやすさを保ちつつ、剛性、すなわち強度を向上させるのに役立つ。
繊維の半加工品、特には、ブレードを形成するための半加工品は、図7に示すようにカットされる。
その後、半加工品は(図9に示すように)成形され、外側プラットフォーム要素を作るときに外側プラットフォームのオーバーハング板及びワイパー板を形作り、かつ、ブレードを作るときに内側プラットフォームの部分、脚の部分、及びエーロフォイルの部分を形作るために、例えば、グラファイト製の成形型に置かれる。
その後、樹脂を完全に硬化させ、かつ、硬化した樹脂を熱分解させる。硬化と熱分解とは、成形型の内部の温度を段階的に上昇させることによって、逐次行われてもよい。
熱分解後に、熱分解の残渣で強化された、繊維プリフォームが得られる。強化樹脂の量は、道具の補助なしで形状を保ちつつ、処理を可能にするのに十分にプリフォームの繊維を熱分解の残渣がまとめるように、選択される。強化樹脂の量ができるだけ少なくなるように選択されることが好ましい。
強化されたプリフォームの密度が、その後、マトリクスで高められる。高温及び特には、腐食性の雰囲気で、使用されるべき、ターボ機械のブレードのために、マトリクスはセラミックであり、例えば、SiCでできている。密度を高める工程は、CVIによって行われてもよい。この場合、中間相の第2の層の形成及びマトリクスで密度を高めることは、同一のオーブンで逐次行われてもよい。
密度を高めることは、外側プラットフォーム要素又はブレードを所望の寸法に機械加工するステップによって分かれた2つの逐次的なステップで行われてもよい。
特には、外側プラットフォームにおける開口及びブレードの外側の端部における孔又は切り欠きを形成し始める場合において、樹脂の硬化後かつ樹脂の熱分解の前に、予備的な機械加工がなされてもよい。
変形例に係る実施形態では、プリフォームは、シェーパーで保持されつつ、部分的に密度を高める工程によって強化されてもよい。その強化は、CVIによって繊維にセラミックを蒸着させることによって行われる。
シェーパーは、好ましくはグラファイト製であり、CVIによって蒸着する中間相及びセラミックをもたらす反応ガスを流れやすくするための穴を有する。
支持する道具を使わずに形状を保持しつつ、プリフォームが処理されることを可能にするのに十分な強化がなされると、強化されたプリフォームはシェーパーから引き抜かれ、CVIによってセラミックのマトリクスを用いて密度が高められる。密度を高めることは外側プラットフォーム要素又はブレードを所望の寸法に機械加工するステップによって分かれた2つの逐次的なステップで行われてもよい。
上記の通り、厚みが変化するエーロフォイルの輪郭は、重量及び/又はスレッドカウントが異なる糸を用いることによって作られる。変形例においては、同一の重量及び一定のスレッドカウントを有する所定数の糸層で、エーロフォイルのプリフォームの部分に対応する、繊維の半加工品の部分を作ることもできる。この場合、厚みが変化する輪郭は、密度を高める工程の第1ステップの後の機械加工の工程において、又は、強化されたブレードのプリフォームに対する予備の機械加工の工程において、得ることができる。
意図する使用条件によっては、外側プラットフォーム要素及びブレードの繊維強化材の繊維が、セラミック以外の材料、例えばカーボンで作製され、マトリクスがセラミック以外の材料、例えば、カーボン又は樹脂で作製されることもあり得る。本発明の外側プラットフォーム要素及びブレードは、特には、セラミック基複合材料(CMC)でできている。この材料は、カーボン−カーボン/シリコンカーバイド(C−C/SiC)材料、カーボン/シリコンカーバイド(C/SiC)材料、シリコンカーバイド/シリコンカーバイド(SiC/SiC)材料のように、少なくとも一部がセラミックでできたマトリクスによって密度が高められたカーボン又はセラミックの繊維強化材により作られた材料である、又は、既知の方法で、カーボンのマトリクスで密度が高められたカーボンの繊維強化材により作られた材料である、カーボン/カーボン(C/C)複合材料である。
当然ながら、本発明は、例えば、高性能のエポキシ樹脂を用いて得られる材料のような有機マトリクス複合材料(OMC)で外側プラットフォーム要素及びブレードを製造する方法に適用されてもよい。
図11及び図12は、図2及び図3を参照して説明した上記の実施形態と、以下の点で異なる変形例に係る実施形態を示している。各ブレード1100の外側の端部1102が、孔を有することに代えて、ロック要素1230のアーム1231及びアーム1232と係合する2つの切り欠き1127及び1128を有し、これにより、4つのブレード1100の外側の端部1102を係合させる開口(この例では、4つの開口1201〜1204が示されている)を有する外側プラットフォーム要素1200を所定の場所に保持している。各ロック要素1230は、隣り合うロック要素のアーム1231及びアーム1232の自由端と協働するための当接要素(un element de butee)1233をさらに有する。これにより、所定の場所に全てのロック要素が配置された場合に、その場所にロック要素を固定することができる。
図13及び図14は、図2及び図3を参照して説明した上記の実施形態と、以下の点で異なる変形例に係る実施形態を示している。各ブレード2100の外側の端部2102は、ロック要素2230のアーム2231及びアーム2232と係合するための2つの孔2127及び2128を有する。これにより、この例において、2つの隣り合うブレード2100の外側の端部2102と係合する2つの開口2201及び2202を有する外側プラットフォーム要素2200が所定の場所に保持される。各ロック要素2230は、各外側プラットフォーム要素の一端において形成された受け溝(logement)2125と協働するためのリム2233をさらに有する。これにより、隣り合う外側プラットフォーム要素が図14に示すように所定の場所に配置された場合に、その場所にロック要素を固定することができる。受け溝2125は、好ましくは、もっぱら外側プラットフォームのワイパー板1220に形成されており、リム2233が流路に突出することを防止できる。これにより、高い程度の密閉を維持しつつ、流れが阻止されることを防止できる。
さらに、上記のブレードにおいて、繊維の半加工品は、エーロフォイル及びブレードの脚を形成するための第1部分だけでなく、内側プラットフォームを形成するための第2部分をもまとめた単一部品として織られた繊維の構造体である。第2部分は、少なくとも一部で第1部分と織り込まれている(第2部分の糸は第1部分の少なくとも一部を横切っている)。
しかし、本発明のブレードは、そのようなブレードの構造に限られない。
概して、本発明のブレードは、エーロフォイル及びブレードの脚を構成している第1部分と、第1部分とは独立して作られ第1部分に適合する上記の外側プラットフォーム要素を形成する第2部分とを有する、如何なるタイプのブレードも含み、このブレードは、少なくとも以下の構成を含んでいてもよい。
・オーバーハングを有し又は有しない、かつ、傾き防止リムを有し又は有しない内側プラットフォームの全て又はいくつかを形成する第3部部分;
ブレードの第1部分と第3部分とに対応する繊維強化材の部分は、仏国特許出願No.10/55160及びNo.10/55161に記載されているように繊維強化された第1部分を貫いている繊維強化された第3部分の糸で、少なくとも一部で、互いに織り込まれている。
・オーバーハングを有し又は有しない、かつ、傾き防止リムを有し又は有しない内側プラットフォームのいくつか又は全てを形成する第3部分;
例えば、縫製によって、ブレードのエーロフォイルを構成する第1部分に対応する繊維の半加工品につながって固定されている第3部分に対応する繊維の半加工品;
・オーバーハングを有し又は有しない、かつ、傾き防止リムを有し又は有しない内側プラットフォームの要素であって、第1部分及び第2部分で独立に製造され、その後に、国際特許出願WO2010/116066に記載されているようなブレードのエーロフォイルに嵌め込まれている、内側プラットフォームの要素。
本発明は、例えば、共通の内側プラットフォームによって互いにつなげられた2つのブレードを備えるツインブレード構造に適用されてもよい。

Claims (17)

  1. マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有する複合材料製の少なくとも1つのブレード(100)を備えたタービンのロータ(10)であって、
    各ブレード(100)は、ブレードの脚(110)を有する内側の端部(101)とブレード(100)の先端(140)を形成している外側の端部(102)との間で延びているエーロフォイル本体(120)を備え、
    前記ロータは、マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有する複合材料製の少なくとも1つの外側プラットフォーム要素(200)を備え、
    前記外側プラットフォーム要素は、ブレード(100)の外側の端部(102)が係合する少なくとも1つの開口(201)を含み、
    前記外側プラットフォーム要素(200)を超えて延びている各ブレード(100)の前記外側の端部(102)の一部(126a)は、ロック要素(230)を受け入れるための少なくとも1つの孔又は切り欠き(127)を含む、
    ロータ。
  2. 各ブレード(100)の前記外側の端部(102)は、前記外側プラットフォーム要素(200)のための支持面をなす肩部(125)を形成するように、前記エーロフォイル本体(120)の基底部分の寸法よりも小さい寸法を有する、請求項1に記載のロータ。
  3. 各外側プラットフォーム要素(200)は、外側プラットフォームのオーバーハング板(210)及び外側プラットフォームのワイパー板(220)を有する、請求項1又は2に記載のロータ。
  4. 各外側プラットフォーム要素(200)は、その長さ方向の両端で、2つの隣り合う外側プラットフォーム要素が部分的に重なることが可能であるようにオフセット(211;213)を有する、請求項3に記載のロータ。
  5. 各外側プラットフォーム要素は、各外側プラットフォーム要素(1200;2200)が複数の隣り合うブレード(1100;2100)の前記外側の端部(1102;2102)に係合するように、複数の開口(1201−1204;2201,2202)を有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のロータ。
  6. 前記外側プラットフォーム要素(2200)を超えて延びている各ブレード(2100)の前記外側の端部(2102)は、2つの孔又は切り欠き(2127,2128)を含み、
    各ロック要素(2230)は、前記孔又は切り欠きにそれぞれ係合する2つのアーム(2231,2232)を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のロータ。
  7. 各ロック要素(2230)は、一端において、各ロック要素を所定の位置に保持するように、各外側プラットフォーム要素に形成された受け溝(2125)と協働するリム(2233)を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載のロータ。
  8. 各ブレードは、オーバーハングを有し又は有しない、かつ、傾き防止リムを有し又は有しない、内側プラットフォーム(150)の全て又は一部をさらに含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載のロータ。
  9. 各ブレードの前記繊維強化材は、糸の多層の織によって作られている、請求項1〜8のいずれか1項に記載のロータ。
  10. 各ブレード及び各外側プラットフォーム要素は、セラミック基複合材料(CMC)でできている、請求項1〜9のいずれか1項に記載のロータ。
  11. 各ブレード及び各外側プラットフォーム要素は、有機マトリクス複合材料(OMC)でできている、請求項1〜9のいずれか1項に記載のロータ。
  12. 請求項1〜11のいずれか1項に記載のロータが取り付けられたコンプレッサ。
  13. 請求項12に記載のコンプレッサは取り付けられたターボ機械。
  14. 少なくとも1つのブレード(100)を作製する工程を備えた、ターボ機械のロータ(10)を製造する方法であって、
    各ブレードに対し、
    単一部品としてブレードの繊維の半加工品(300)を作製する工程と、
    ブレードのエーロフォイル(620)及びブレードの脚(630)のためのプリフォームを形成する第1部分を有する、単一部品のブレードの繊維プリフォーム(600)が得られるように、前記繊維の半加工品を成形する工程と、
    複合材料のブレード(100)を得るために、マトリクスで前記ブレードのプリフォーム(600)の密度を高める工程と、を備え、
    前記複合材料のブレードは、前記プリフォームによって構成されるとともに前記マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有しており、かつ、ブレードの脚(110)を備える内側の端部(101)とブレードの先端(140)を形成する外側の端部(102)との間で延びているエーロフォイル本体(120)を備えており、
    この方法は、さらに、
    各ブレード(100)の前記外側の端部(102)に少なくとも1つの孔又は切り欠き(127)を作製する工程と、
    外側プラットフォーム要素のための少なくとも1つの単一部品の繊維の半加工品(400)を作製する工程と、
    前記繊維の半加工品を外側プラットフォーム要素の繊維プリフォーム(500)に成形する工程と、
    マトリクスで前記外側プラットフォーム要素のプリフォームの密度をマトリクスで高めて、前記プリフォームによって構成されるとともに前記マトリクスによって密度が高められた繊維強化材を有する、複合材料の外側プラットフォーム要素(200)を得る工程と、
    前記外側プラットフォーム要素に少なくとも1つの開口(201)を作製する工程と、
    ハブ(11)に、前記ハブの周りに形成された相補的な形状の受け溝(12)に各ブレード(100)の脚(110)を係合させることによって、各ブレードを取り付ける工程と、
    各外側プラットフォーム要素(200)を、前記外側プラットフォーム要素(200)の前記開口又は切り欠き(201)に前記ブレードの前記外側の端部(102)を係合させることによって、少なくとも1つのブレード(100)に取り付ける工程と、
    各ブレード(100)の前記外側の端部(102)において少なくとも前記孔(127)にロック要素(230)を配置する工程と、を備える、
    方法。
  15. 各ブレード(100)の前記外側の端部(102)は、前記外側プラットフォーム要素(200)のための支持面をなす肩部(125)を形成するように、機械加工される、請求項14に記載の方法。
  16. 各外側プラットフォーム要素(200)は、外側プラットフォームのオーバーハング板(210)及び外側プラットフォームのワイパー板(220)を有する、請求項14又は15に記載の方法。
  17. 各外側プラットフォーム要素(400)の繊維の半加工品は、複数の糸層の間の多層の織によって作られ、2つのひと続きの隣接した糸層の間がつながっていない部分的な領域(401,402)を含み、2つのひと続きの層のうちの1つは、前記半加工品を成形する間にワイパーを形成するように折り曲げられる、請求項16に記載の方法。
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