JP2015509053A - π型断面の複合材料補強部品、具体的にはタービンエンジンファン用プラットフォーム、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、複合材料からπ型断面の補強部品を製造する方法に関し、本方法は、基部プリフォームを形成することになる第一繊維ブランク部分を形成するために、三次元織りによって連結された第一セットの糸の層を作成するステップと、補剛材プリフォームを形成することになる第二繊維ブランク部分を形成するために三次元織りによって連結された第二セットの糸の層を作成するステップであって、第二セットの糸は、基部の段に対応する領域内で第一繊維ブランク部分の側縁に向かって広がっている中央連結ストリップの上で織ることによって、第一セットの糸と連結される、ステップと、基部プリフォームを形成する部分および補剛材プリフォームを形成する部分を有する一体成形繊維プリフォームを得るために、２つの繊維ブランク部分を成形するステップと、マトリクスを形成するために繊維プリフォーム内に樹脂を堆積するステップと、を含む。本発明は、方法によって得られるπ型断面の補強部品も提供する。

Description

本発明は、マトリクスで緻密化された繊維補強材を含む複合材料で作られた、π型断面の補強部品の一般的な分野に関する。

適用分野は、タービンエンジンファン用のプラットフォームの分野である。

タービンエンジン、具体的にはターボジェットのファンプラットフォームは、その入口円錐を延在させるように、ファンのブレードの間に配置されている。これらは具体的には、空気をファンの中に通すための環状入口通路の内部を画定するのに役立っており、前記通路はケーシングによって外側が画定されている。

ファンプラットフォームは、プラットフォームの前および後に形成される段によって、エンジンの構造に取り付けられてもよい。段はその後、ファンの回転速度による遠心力の効果に対抗してプラットフォームを保持するように、エンジンの構造のリムの下に受容される。ファンの回転による遠心力はまた、プラットフォームをその中央部で外向きに突出させる効果も有する。したがって、プラットフォームが適切に振る舞うことを保証するため、およびこれらが過剰に移動するのを回避するために、これらの基部の下に延在する脚またはタブを付与することによって、これらの部品を補剛する必要がある。

さらに、熱構造複合材料、および具体的には有機マトリクス複合材（ＣＭＣ）に頼ることは、ファンブレードを作成するときの一般的な方法となった。金属合金と比較すると、このような材料はより高い温度性能を有し、重量は軽い。

具体的にはＯＭＣ材料などの熱構造複合材料、ただしこれに限定されない複合材料から作られた、ファンプラットフォーム、およびより一般的にはタービンエンジン補強部品を有することも、望ましい。

この目的のため、本発明は複合材料からπ型断面の補強部品を製造する方法を提供し、部品は、その長手方向末端のうちの少なくとも１つに段を有する基部を形成する第一部分と、基部の表面からその長さの少なくとも一部にわたって延在する２つの脚を有する補剛材を形成する第二部分とを含み、本方法は、
基部プリフォームを形成することになる第一繊維ブランク部分を形成するために、三次元織りによって連結された第一セットの複数の糸の層を作成するステップと、
補剛材プリフォームを形成することになる第二繊維ブランク部分を形成するために三次元織りによって連結された第二セットの複数の糸の層を作成するステップであって、第二セットの糸の層の糸は、第一繊維ブランク部分の２つの長手方向末端の間で長手方向に延在し、基部の段に対応する領域内でその側縁に向かって広がっている、中央連結ストリップ内の第一セットの糸の層の糸を用いて織ることによって連結される、ステップと、
基部プリフォームを形成する部分および補剛材プリフォームを形成する部分を有する一体成形繊維プリフォームを得るために、２つの繊維ブランク部分を成形するステップと、
マトリクスによって緻密化されたプリフォームによって構成される繊維補強材を含む複合材料補強部品を得るように、繊維プリフォーム内に樹脂を堆積するステップと、を含む。

本発明の方法は、基部の段に対応する第一ブランク部分の領域内で広がる中央連結ストリップに沿って、２セットの糸の層を連結するステップを提供する。２セットの糸の層の間のこれに起因する連結の特定の形状はこのようにして、成形の間、段の存在にもかかわらず補強部分の補剛材の脚ブランクを形成することを可能にする。具体的には、段の領域において、脚ブランクは、さもなければ座屈現象を生じる可能性のあるその長さの折り目を作り出すことなく、形成されてもよい。

一体成形品としての補強部品用の繊維ブランクの三次元織りと比較すると、本発明の方法ははるかに実践しやすいという利点を有する。具体的には、繊維ブランクを作成する部分の成形は、プリフォームを切断する必要がなく、互いに対して折り目を位置決めする膨大で困難な作業も必要としない。

さらに、本発明の方法は、それを構成する２つの繊維ブランク部分が織りによって連結されているので、特に頑丈な繊維プリフォームを得られるようにする。タービンエンジンファンプラットフォームの製造に適用されると、本発明の方法はこのように、特に基部形成部分と補剛材形成部分との間の接続において、このようなプラットフォームのための機械的特性を付与するのに貢献する。

本方法の有利な特徴によれば、第二セットの糸の層の糸と第一セットの糸の層の糸との織りによる連結は、それぞれ連結ストリップに沿って前記糸を交差させることによって、得られる。このような連結はこうして付加的な糸を追加することなく得られてもよく、これによってプリフォームの補剛を回避する。

補強部品の基部がその長手方向末端の両方に段を有するとき、第一および第二セットの糸の層の糸の間の連結ストリップは、基部の段に対応する領域の各々において第一繊維ブランク部分の側縁に向かって、有利に広がる。このような状況の下で、および好ましくは基部の上流段に対応する領域より上流および基部の下流段に対応する領域より下流で、第一および第二セットの糸の層の糸の間の連結ストリップは、前記第一繊維ブランク部分の全幅にわたって横方向に延在する。用語「上流」および「下流」は本明細書において、織りの方向に対して使用される。

好ましくは、成形は、共通の実質的横方向折り線に沿って２つの繊維ブランク部分を折り曲げることによって、少なくとも１つの段を形成するステップを含む。同様に、第二繊維ブランク部分の成形は、２つの脚プリフォームを形成するように、第一繊維ブランク部分に対して実質的に直角な方向に第二繊維ブランク部分の非連結部分を折り曲げるステップを含む。

本発明はまた、その長手方向末端のうちの少なくとも１つに段を有する基部形成第一部分と、その長さの少なくとも一部にわたって基部の表面基部の面から延在する２つの脚を有する補剛材形成第二部分とを含む、複合材料から作られたπ型断面の補強部品も提供するが、第一および第二部分は、第一部分の２つの長手方向末端の間で長手方向に延在して、基部の段に対応する領域内でその側縁に向かって広がる、中央連結ストリップに沿って連結されている。

補強部品は、有機マトリクス複合材料で作られてもよい。

補強部品の特徴によれば、第一および第二部分は、連結ストリップ内でこれらを構成する糸のそれぞれの交差によって、連結される。

補強部品の別の特徴によれば、基部の段に対応する第一部分の領域より下流で、第一および第二部分の間の連結ストリップは、前記第一部分の全幅にわたって横方向に延在する。

補強部品の第一部分は、その長手方向末端の各々に段を含んでもよい。

補強部品は、タービンエンジンのファンプラットフォームを構成してもよい。

本発明はまた、上記で定義されたような少なくとも１つのファンプラットフォームを備えるタービンエンジンも提供する。

本発明のその他の特徴および利点は、限定的特徴を有していない実施を示す添付図面を参照してなされる、以下の説明より明らかである。

本発明の方法によって得られるタービンエンジンファンプラットフォームの略図である。 図１に示されるタイプのプラットフォーム用の繊維プリフォームを作成するために三次元織り繊維ブランク内に２セットの糸の層がどのように配置されるかを非常に図式的に示す図である。 図２の繊維ブランクから図１に示されるタイプのプラットフォーム用の繊維プリフォームを作成する際のステップを示す図である。 図２の繊維ブランクから図１に示されるタイプのプラットフォーム用の繊維プリフォームを作成する際のステップを示す図である。 図２の平面Ｖ−Ｖにおける、繊維ブランクの横糸面を示す図である。 図２の平面ＶＩ−ＶＩにおける、繊維ブランクの横糸面を示す図である。 図２の平面ＶＩＩ−ＶＩＩにおける、繊維ブランクの横糸面を示す図である。

本発明は、その長手方向末端のうちの少なくとも１つに段を有するケースと、基部の一面から延在する２つの脚を有する補剛材とを含む、いずれのπ断面補強部品にも適用可能である。

本発明の好適な用途は、具体的には、図１に示されるプラットフォームなど、タービンエンジンファンのプラットフォームの製造に見出される。

図１のプラットフォーム１０は、基部１２を形成する第一部分と、補剛材１４を形成する第二部分とを含む。基部１２は、上面１２ａおよび底面１２ｂを備える実質的に長尺の形状である。その長手方向末端の各々において、基部はそれぞれの段１６を有し、すなわちその末端は、実質的に横方向に延在する線に沿って内側に折り曲げられている。これらの段は、プラットフォームがタービンエンジンの構造に締結されることを可能にする。

プラットフォームの補剛材１４は、基部の内側面１２ｂからその全長にわたって延在する２つの脚１８（またはタブ）を含む。脚は、ファンの回転速度の結果として遠心力の下で移動するのを回避するように、プラットフォームを補剛するのに役立つ。

このようにして作成されるプラットフォーム１０は、図１の破線で示されるように、π型の断面を有する。

図２は、複合材料で作られた図１に示されるようなファンプラットフォームを得るために、樹脂の注入またはマトリクスでの緻密化、および場合により機械加工にも先立って、プラットフォーム用繊維プリフォームが成形される元になる、繊維ブランク１００の非常に図式的な図である。

ブランク１００は、三次元織りまたは多層織りによって得られる第一ブランク部分１０２および第二ブランク部分１０４を含み、これら２つの部分の外装のみが図２に示されている。成形後、第一部分１０２は、基部プリフォームに対応するプラットフォームの繊維の部分を構成することになる。第二部分１０４は、成形後に、補剛材プリフォームに対応するプラットフォームの繊維プリフォームの別の部分を構成するようになっている。

２つのブランク部分１０２および１０４は、作成されるプラットフォームの長手方向に対応する方向Ｘに全体的に延在するストリップの形状である。２つの繊維ブランク部分は同じ幅および同じ長さを有してもよく、この幅および長さは、作成されるプラットフォームの寸法に応じて選択される。

２つのブランク部分１０２および１０４は、その２つの長手方向末端の間で長手方向に延在する連結ストリップトも称される中央ストリップに沿ったものを除いて連結することなく、三次元織りによって同時に織られる。どのようにして中央ストリップに沿ったブランクの部分の間に接続がなされるかの例は、図６から図８を参照して以下に記載される。

その長手方向末端の各々において、２つのブランク部分１０２、１０４の間の中央連結ストリップ１０６は、プラットフォームの基部の段の位置に対応する第一および第二領域１０８および１１０内の２つのブランク部分のそれぞれの反対側の辺１０２ａおよび１０４ａに向かって広がっている。

このため、図示されるような２つのブランク部分１０２および１０４の織り進行方向Ｆにおいて、連結ストリップ１０６は、ブランク部分の全幅にわたって上流末端で延在する。第一領域１０８（上流領域とも称される）の始まりに対応する第一横折り線１０８ａから始まって、連結ストリップの幅は、第一領域１０８への末端に対応する第二横折り線１０８ｂに向かって狭くなっている。反対の末端において、ブランク部分の間の連結ストリップは、第二領域１１０（下流領域とも称される）の始まりに対応する第一横折り線１１０ａから、そこからブランク部分の全幅にわたって連結ストリップが延在する第二領域１１０の末端に対応する第二横折り線１１０ｂまで、再び（横方向に）膨張する。

図３に示されるように、２つの繊維ブランク部分１０２および１０４はその後、上記で定義された折り線１０８ｂおよび１１０ａ（これらの線は両方のブランク部分に共通である）において内側に向かって折り曲げられる。その後、ブランク部分は、プラットフォームをエンジンの構造に取り付けるのに適した繊維ブランクリムの２つの末端を提供するように、他方の折り線１０８ａおよび１１０ｂにおいて外側に向かって折り曲げられる。段はこのように、上流段については折り線１０８ａおよび１０８ｂの間、下流段については折り線１１０ａおよび１１０ｂの間に画定された、ブランク部分の一部によって画定される。

中央連結ストリップ１０６の外側の繊維ブランクの部分の間で連結が欠落しているため、第二ブランク部分１０４の非連結部分はその後脚プリフォームを形成するように内側に折り曲げられる（または展開される）ことが可能である（図４）。

段の近傍にあるブランク部分の間の非連結領域の特定の形状は、その全長にわたってまったく折り曲げを有していない脚プリフォーム１１２が得られることを可能にする。

製造されるプラットフォーム用の繊維プリフォームはその後、その間にプラットフォームが実装されるブレードのプロファイルと一致する形状を引き継ぐように第一繊維ブランク部分が変形した状態で、モールド成形によって得られる。最終形状は、モールド成形前にプリフォームを変形することによって、またはモールド成形後に部品を機械加工することによって、付与されてもよい。これは、その段を有する基部プリフォーム部分およびその２つの脚（またはタブ）を有する補剛材プリフォーム部分を備えるプリフォームを作り出す。

繊維プリフォームの繊維は、目的の用途に応じて選択された材料で作られ、たとえばこれらはガラス、炭素、またはセラミックで作られる。

マトリクスは、少なくともプリフォームが補剛（または固化）してしまうまで、プリフォームが金型内に保持されている間に、複合材料プラットフォームを得るために、繊維プリフォーム内に堆積される。マトリクスは、たとえば具体的にはエポキシ、ビスマレイミド、またはポリイミド樹脂などのポリマーマトリクス、または炭素マトリクスまたはセラミックマトリクスの前駆体である樹脂から得られる有機マトリクスなど、目的の用途に応じて選択された性質のものである。有機マトリクスを用いて、繊維プリフォームは、ツーリング内で成形される前、または成形された後のいずれかに、マトリクスの前駆体である樹脂を含有する組成物で含浸されるが、いずれの場合も含浸は、たとえば注入によって、あるいは樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）タイプのプロセスによって、実行されてもよい。炭素マトリクスまたはセラミックマトリクスを用いて、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）によって、あるいは他粗またはセラミックの前駆体である樹脂を含有する液体組成物での含浸の後に前駆体に対する熱分解またはセラミック化熱処理を実行することによって、緻密化が実行されてもよく、これらの方法はそれ自体周知である。

プラットフォームは、繊維プリフォームが注入／緻密化された後に、その最終寸法となるように機械加工される。

図５から図７を参照して、繊維ブランク１００の三次元織りの、より具体的には中央ストリップ１０６に沿ったブランク部分１０２および１０４の間の連結の、一例の説明が続く。

図５、図６、および図７は、それぞれ平面Ｖ−Ｖ、ＶＩ−ＶＩ、およびＶＩＩ−ＶＩＩ上の、図２の繊維ブランク１００の横糸面の非常に図式的な図である。繊維ブランクの「横糸」面という用語は、縦糸に対して直角であって、横糸の列を包含する平面を意味するために使用される。

横糸面Ｖ−Ｖは、繊維ブランクの２つの長手方向末端の間の中間の平面に対応する。横糸面ＶＩ−ＶＩはプラットフォームの基部の下流段の位置に対応する領域１１０内に位置し、その一方で横糸面ＶＩＩ−ＶＩＩは（織り進行方向Ｆに向かって）領域１１０より下流である。

その外面および内面１１４ａおよび１１４ｂの間で、繊維ブランク１００は９層の縦糸ｃ_１からｃ_９および９層の横糸ｔ_１からｔ_９を含み、交差領域１１６ａおよび１１６ｂ内で横糸ｔ_２からｔ_５のグループと横糸ｔ_６からｔ_９のグループとの間に２つの交差を有する。

図５から図７の線で示される非連結領域１１８ａおよび１１８ｂは、隣接する縦糸の層の間、具体的には層ｃ_５とｃ_６との間に配置され、これらの非連結領域は、その反対側の側縁１００ａ、１００ｂと交差領域１１６ａ、１１６ｂとの間で繊維ブランク１００の側方部分に延在している。これらの非連結領域は、非連結領域の片側に位置する縦糸を連結される目的のために横糸と交差しない領域である。

交差領域１１６ａおよび１１６ｂはその間に、それに沿って２つのブランク部分が連結される中央連結ストリップ１０６を画定する。このため、図６に示されるように、交差領域１１６ａおよび１１６ｂは、図２の横糸面Ｖ−Ｖよりも横糸面ＶＩ−ＶＩ内の方が互いに離間している。その結果、連結ストリップは、ブランクの２つの部分の間で下流に広がっている。同様に、図２の横糸面ＶＩＩ−ＶＩＩに対応する図７には、両方の部分がその全幅にわたって連結して１セットの糸の層を形成するように、ブランクの２つの部分の間の非連結領域はなくなっている。

上述のように、繊維ブランク１００が織られた後、非連結領域１１８ａおよび１１８ｂならびに内側面１１４ｂと隣接しているブランクの部分１２０および１２２は、脚プリフォーム１１２を形成するように、内側に向かって展開している。

当然ながら、プリフォームの様々な部分（基部および脚）における縦糸および横糸の層の数は、これらブレードの各々において三次元織りが実行されれば、記載された例における数とは異なってもよい。

加えて、２回交差する糸のグループにおける糸の数もまた、各グループに少なくとも１つの糸があれば、記載された例における数とは異なってもよい。具体的には、プリフォームの脚の織りに関わる横糸の全てが、基部の織りに関わる横糸との２つの交差に関わる必要はない。

あるいは、連結ストリップ１０６に沿った繊維ブランクのブランク部分１０２および１０４の間の連結は、付加的な糸を追加することによって（たとえば、縫合または縫い付けによって）なされてもよい。

最後に、上記の説明において、用語「縦糸」および「横糸」を入れ替えることは、当然ながら可能である。

より一般的には、上記織りによって作り出される非連結領域が、それ自体周知の別の方法で、具体的には２セットの糸の層からの糸を交差させずに織りを非連結とすることによって得られることが可能であることもまた、わかるはずである。

たとえば、繊維構造は、繊維構造の全厚にわたって糸の層を連結させるインターロック織りを用いる三次元織りによって形成された上述の中央連結ストリップに対応する部分と、各々２つの隣り合う糸の層（たとえば、図５の層ｃ_５およびｃ_６）がもはや構造の厚み内で複数の層を結びつけるために連結されておらず、２つの非連結プリフォーム部分を作り出すように表面サテン織りで織られている、プラットフォームの脚に対応する２つの部分と、を有してもよい。

Claims (13)

1. 複合材料からπ型断面の補強部品（１０）を製造する方法であって、部品はその長手方向末端のうちの少なくとも１つに段（１６）を有する基部（１２）を形成する第一部分と、基部の面（１２ｂ）からその長さの少なくとも一部にわたって延在する２つの脚（１８）を有する補剛材（１４）を形成する第二部分と、を含み、本方法は、
   基部プリフォームを形成することになる第一繊維ブランク部分（１０２）を形成するために、三次元織りによって連結された第一セットの複数の糸の層を作成するステップと、
   補剛材プリフォームを形成することになる第二繊維ブランク部分（１０４）を形成するために三次元織りによって連結された第二セットの複数の糸の層を作成するステップであって、第二セットの糸の層の糸は、第一繊維ブランク部分の２つの長手方向末端の間で長手方向に延在し、基部の段に対応する領域（１０８、１１０）内でその側縁（１０２ａ）に向かって広がっている、中央連結ストリップ（１０６）内の第一セットの糸の層の糸を用いて織ることによって連結される、ステップと、
   基部プリフォームを形成する部分および補剛材プリフォームを形成する部分を有する一体成形繊維プリフォーム（１００）を得るために、２つの繊維ブランク部分を成形するステップと、
   マトリクスによって緻密化されたプリフォームによって構成される繊維補強材を含む複合材料補強部品を得るように、マトリックスを形成するために繊維プリフォーム内に樹脂を堆積するステップと、を含む方法。
2. 第二セットの糸の層の糸と第一セットの糸の層の糸との織りによる連結が、それぞれ連結ストリップに沿って前記糸を交差させることによって得られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 補強部品の基部がその長手方向末端の両方に段を有するとき、第一および第二セットの糸の層の糸の間の連結ストリップは、基部の段に対応する領域の各々において第一繊維ブランク部分の側縁に向かって広がることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 基部の上流段に対応する領域より上流および基部の下流段に対応する領域より下流で、第一および第二セットの糸の層の糸の間の連結ストリップは、前記第一繊維ブランク部分の全幅にわたって横方向に延在する、請求項３に記載の方法。
5. 成形が、共通の実質的横方向折り線（１０８ｂ、１１０ａ）に沿って２つの繊維ブランク部分を折り曲げることによって、少なくとも１つの段を形成するステップを含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 第二繊維ブランク部分の成形が、２つの脚プリフォームを形成するように、第一繊維ブランク部分に対して実質的に直角な方向に第二繊維ブランク部分の非連結部分（１１２）を折り曲げるステップを含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. その長手方向末端のうちの少なくとも１つに段（１６）を有する基部形成第一部分（１２）と、その長さの少なくとも一部にわたって基部の面（１２ｂ）から延在する２つの脚（１８）を有する補剛材形成第二部分（１４）とを含む、複合材料から作られたπ型断面の補強部品（１０）であって、第一および第二部分は、第一部分の２つの長手方向末端の間で長手方向に延在して、基部の段に対応する領域（１０８、１１０）内でその側縁（１０２ａ）に向かって広がる、中央連結ストリップ（１０６）に沿って連結されていることを特徴とする、補強部品。
8. 有機マトリクス複合材料で作られることを特徴とする、請求項１に記載の補強部品。
9. 第一および第二部分が、連結ストリップ内でこれらを構成する糸のそれぞれの交差によって連結されることを特徴とする、請求項７または８に記載の補強部品。
10. 基部の段に対応する第一部分の領域より下流で、第一および第二部分の間の連結ストリップは、前記第一部分の全幅にわたって横方向に延在することを特徴とする、請求項７から９のいずれか一項に記載の補強部品。
11. 第一部分がその長手方向末端の各々に段を含むことを特徴とする、請求項７から１０のいずれか一項に記載の補強部品。
12. タービンエンジンのファンプラットフォームを構成することを特徴とする、請求項７から１０のいずれか一項に記載の補強部品。
13. 請求項１２による少なくとも１つのファンプラットフォームを備える、または請求項１から６のいずれか一項に記載の方法によって製造された、タービンエンジン。

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