JP2016200148A

JP2016200148A - セラミックマトリックス複合材料製のローターブレードの製造方法

Info

Publication number: JP2016200148A
Application number: JP2016078025A
Authority: JP
Inventors: グラントシェッツェルターラ; Grant Schetzel Tara
Original assignee: Rolls Royce Corp
Current assignee: Rolls Royce Corp
Priority date: 2015-04-08
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2016-12-01
Also published as: EP3078647A1; US20160312626A1; US10563523B2

Abstract

【課題】ＣＭＣタービンエンジンブレードを高密度化され得る３次元製織プリフォームを製造する方法。【解決手段】タービンエンジンブレード製造方法は、炭素、ガラス、シリカ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミニウム、アラミド、芳香族ポリアミドおよびそれらの組合せからなる群から選択される材料の細長い繊維を３次元製織して、製織材料の単一片を含む製織プリフォームを作り上げる。製織プリフォームは、第１の方向に延在する連続縦糸繊維と、第１の方向に対し実質的に垂直な第２の方向に延在する連続横糸繊維と、第１および第２の方向に対し実質的に垂直な第３の方向に延在する連続繊維とを含む。製織プリフォームは、第１の方向に延在する翼領域と、第２の方向に延在するフラップ構成とを含む。フラップは、翼領域の平面に対し実質的に垂直な平面内に折曲げられて、整形された製織プリフォームを形成し、セラミックマトリックスで高密度化される。【選択図】図３

Description

発電、航空機または他のエンジンタイプを含み得る燃焼タービンエンジンにおいては、燃料を燃焼させて高温燃焼ガス流を生成するために加圧空気が使用され、その後、このガス流は、エネルギーを取出す１つ以上のタービンを通って誘導される。
タービン内では、円周方向に離間配置されたタービンローターブレードの列が、支持用ローターディスクから半径方向外向きに延在している。
各ブレードは、典型的に、ローターディスク内の対応するダブテールスロット内へのブレードの組立ておよび分解を可能にするダブテール、ならびにダブテールから半径方向外向きに延在しエンジンを通る作動流体の流れと相互作用する翼を含む。
翼は、対応する前縁と後縁の間で軸方向にそして翼植込み部とチップ部分との間で半径方向に延在する圧縮側と吸込み側とを有する。
ブレードのチップは、タービンブレードの間を下流側に流れる燃焼ガスの漏洩を最小限に抑えるため、半径方向外側のタービンシュラウドを含んでいてよい。

セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）材料は、従来の金属合金よりも高い温度に耐えることができ、より高温でより高い燃料効率に到達することのできるタービンエンジン内で使用可能である。
ＣＭＣ部品を使用した場合、金属部品を動作させるのに必要とされる冷却空気の量は削減することができる。
さらに、ＣＭＣ材料は金属よりも密度が低く、このため重量の節減が得られ、燃料効率が改善される。

本発明はＣＭＣタービンエンジンブレードを形成するために高密度化され得る３次元製織プリフォームを製造するための単純で低コストな方法を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様においては、タービンエンジンブレードの製造方法において、
− 炭素、ガラス、シリカ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミニウム、アラミド、芳香族ポリアミドおよびそれらの組合せからなる群から選択される材料の細長い繊維を３次元製織して、製織材料の単一片を含む製織プリフォームを作り上げるステップであって、
製織プリフォームが、第１の方向に沿って延在する連続縦糸繊維と、第１の方向に対し実質的に垂直な第２の方向に沿って延在する連続横糸繊維と、第１および第２の方向に対し実質的に垂直な第３の方向に延在する連続繊維とを含み；
製織プリフォームが、第１の方向に沿って延在する翼領域と、翼領域に隣接するフラップ構成とを含んでいるステップと；
− フラップを翼領域の平面に対し実質的に垂直な平面内に折曲げて、整形された製織プリフォームを形成するステップと；
− 整形された製織プリフォームをセラミックマトリックスで高密度化して、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）タービンエンジンブレードを得るステップと；
を含む、タービンエンジンブレード製造方法が提供される。

別の態様においては、タービンエンジンブレードの製造方法において、
− 細長いセラミック繊維を３次元製織して、第１の方向に沿って延在する連続縦糸繊維と、第１の方向に対し実質的に垂直な第２の方向に沿って延在する連続横糸繊維と、第１および第２の方向に対し実質的に垂直な第３の方向に延在する連続繊維とを含む単一構造の製織プリフォームを作り上げるステップであって；製織プリフォームが、第１の方向に沿って延在する翼領域と、翼領域の第１の端部にある第１のフラップ対と翼領域の第１の端部の反対側の第２の端部にある第２のフラップ対とを含んでいるステップと；
− 翼領域の平面に対して実質的に垂直な平面内に第１のフラップ対を折曲げて、翼領域の第１の端部上に内側プラットフォーム領域を形成するステップと；
− 翼領域の平面に対して実質的に垂直な平面内に第２のフラップ対を折曲げて、翼領域の第２の端部上に外側プラットフォーム領域を形成するステップと；
− 金属金型に製織プリフォームを取付けるステップと；
− セラミックマトリックスで製織プリフォームを高密度化して、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）タービンエンジンブレードを得るステップと；
を含む、タービンエンジンブレードの製造方法が提供される。

本開示の製織プリフォームは、３次元製織装置を用いて低コストで迅速にかつ一貫して生産することのできる製織材料の単一構造片である。
単一構造プリフォームのインターロック織りには、タービンエンジン内での長時間にわたる使用期間中にＣＭＣタービンエンジンブレード内に応力を集中させ亀裂を発生させる可能性のある複雑な接合部や縫い目がない。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、添付図面および以下の説明の中に記されている。
本発明の他の特徴、目的および利点は、明細書および図面そして請求項から明らかになる。

３次元でタービンエンジンブレードを製織することのできる織機の概略図である。タービンエンジンブレードの斜視図である。３次元製織された繊維プリフォームの概略斜視図である。内側プラットフォーム領域および翼植込み部領域を形成するフラップを伴う３次元製織された繊維プリフォームの概略斜視図である。内側プラットフォーム領域および翼植込み部領域を形成するフラップを伴う３次元製織された繊維プリフォームの概略斜視図である。翼ブレードプリフォームの概略側面図である。

図面中の同じ符号は、同じ要素を表わす。

ＣＭＣタービンエンジンブレードは、図１中に概略的に示した３次元製織装置を用いて、繊維プリフォームを製造することによって作られる。
図１中、繊維プリフォームを製造することのできるジャカードタイプの織機１０は、図１で長手方向であるｘ方向と呼称されている第１の方向に配向され上に組付けられた縦糸１２を含んでいる。
織機１０はさらに、図１で横断方向であるｙ方向と呼称されている、第１の方向に対し垂直な第２の方向に沿って配向された横糸１４を含む。
織機１０は同様に、複数の層を形成する第１および第２の方向に対し垂直な第３のｚ方向に沿って延在する糸１６をも含んでいる。
３次元織機１０により生産される製織されたタービンエンジンブレードプリフォームを次に整形し高密度化して、ＣＭＣタービンエンジンブレードを得ることができる。

図２は、翼３０、より大きい厚みの球状部分４１を含む翼植込み部４０を含むタービンエンジンブレードを例示している。
翼植込み部４０は、接続部４２により延長されている。
ブレード２０の半径方向内側端部には、接続部４２と翼３０の間に内側プラットフォーム５０が含まれ、ブレード２０の半径方向外側端部には外側プラットフォーム６０が含まれている。

翼３０は、内側プラットフォーム５０と外側プラットフォーム６０の間で長手方向であるｘ方向に延在し、断面には、その前縁３１と後縁３２の間で厚みの変動する曲線断面形状を含む。

ブレード２０は、ローターの周囲でハウジング内に翼植込み部４０を係合させることによって、タービンローター（図２には示さず）の上に組付けられる。
翼植込み部４０は、接続部４２により延長されて、概して翼３０の平面に対し実質的に直交するｙ方向に沿って延在する内側プラットフォーム５０の内側（または底）面と連結する。
翼３０は、その半径方向内側端部３３において、タービンを通る流路の内部を画定する内側プラットフォーム５０の外側（または上）面５２に連結されている。
プラットフォームは、（気体流の流れ方向ｆにおける）その上流側および下流側端部部分において、張り出し５４および５６により終結している。
図２の非限定的実施形態において、内側プラットフォームの面５２は傾斜し、こうして全体としてそれはブレードの長手方向に対する垂線との関係において非ゼロの角度αを成すようになっている。
流路の内部表面に所望される断面形状に応じて、角度αはゼロであってよく、あるいは面５２は曲線断面形状を有していてよい。

翼３０は、その半径方向外側端部３５において、流路の外部を画定するプラットフォームの内側（底）面６２によって、外側プラットフォーム６０に連結されている。
外側プラットフォームは、その上流側および下流側部分において、張り出し６４および６６により終結されている。
外部（上部）では、外側プラットフォームは、くぼみ６８を画定している。
くぼみ６８の上流側および下流側縁部に沿って、プラットフォームはブレードのチップとタービンリングの間の隙間を削減するため、（図２には示されていない）タービンリングの摩耗性材料層内に貫入するために好適であるチップを伴う歯状断面形状を呈すワイパー７０を担持している。

図２の非限定的実施形態において、外側プラットフォームの面６２は実質的にブレード３０の平面に直交して延在する。
他の実施形態では、流路の外部表面に所望される断面形状に応じて、面６２は傾けられて、ブレード３０の長手方向に対する垂線との関係において非ゼロの角度を全体として形成することができると考えられ、あるいは、面６２は曲線断面形状を有する可能性もある。

図３は、タービンエンジンブレード用のプリフォームを作り上げるために使用可能である３次元織り１００の半径方向外側端部の一部分の一実施形態である。
プリフォーム１００は、長手方向であるｘ方向に沿って延在する連続した不断の縦糸繊維１８２と、横断方向であるｙ方向に沿って延在する連続した不断の横糸繊維１８４と、ｘ方向およびｙ方向に対し垂直なｚ方向に沿って延在する、断面で示された連続した不断の繊維１８６とを含んでいる。

織り１００の翼領域１３０は、長手方向であるｘ方向に沿って延在するように作製され得、その後、タービンブレード用の翼を形成するように整形され得る。

織り１００の翼植込み部領域１４０は、横断方向であるｙ方向に沿って拡幅し、翼植込み部領域１４０を翼領域１３０に連結する接続部１４２を含む。

ｘ方向に沿って翼領域１３０に対して概して平行に、フラップ構成１６４、１６６が延在する。
フラップ１６４、１６６は、第１の端部１６４Ａ、１６６Ａにおいて翼領域１３０に連結され、第２の自由端部１６４Ｂ、１６６Ｂを含む。

以下でより詳細に示されている通り、可撓性を有するフラップ１６４、１６６は、フラップ１６４、１６６を整形して張り出しを形成し所望の形状を有する外側ブレードプラットフォームを作り上げるのに必要である通りに、矢印Ａの方向に沿って下向きにそして翼領域１３０が形成する平面から外側に折曲げ可能である。
一部の実施形態において、フラップ１６４、１６６は、翼領域１３０が占有する平面に対し実質的に垂直である平面を占有する張り出しを形成するように折曲げられる。

プリフォーム１００は、図１に示されている３次元製織装置を用いて低コストで迅速にかつ一貫して生産され得る製織材料の単一片である。
翼部分１３０を形成する縦糸繊維連続ストランド１８２および横糸繊維連続ストランド１８４は、ｚ方向繊維１８６の周りに巻回されて、インターロック構造を形成する。
インターロック一体成形織り(ｓｉｎｇｌｅｐｉｅｃｅｗｅａｖｅ)１００は、多部品織り交ぜ（ｍｕｌｔｉ−ｐｉｅｃｅｉｎｔｅｒｗｏｖｅｎ）プリフォーム中に存在する複雑な接合部および縫い目を含まない。
接合部および織り目は、長時間にわたる使用期間中に応力を集中させ、タービンエンジンブレード内に亀裂を発生させる可能性がある。

図４の概略的表現を参照すると、３次元製織されたタービンエンジンブレードプリフォーム２００には、長手方向であるｘ方向に延在する翼部分２３０と、可撓性の第１のフラップ２６４、可撓性の第２のフラップ２６６および翼植込み部２４０が含まれる。

図５に概略的に示されているように、第１のフラップ２６４は、矢印Ｂの方向に折曲げられていてよく、第２のフラップ２６６は矢印Ａの方向に折曲げられてよい。
ひとたび完全に折曲げられた時点で、フラップ２６４、２６６は張り出しを形成し、所望の形状を伴う内側ブレードプラットフォームを作り上げる。
例えば、フラップ２６４、２６６は、翼２３０の平面に対して実質的に垂直な平面内に存在する相対部分を伴う内側ブレードプリフォームを作り出すように折曲げることができる。

さまざまな実施形態において、フラップ２６４、２６６は、図４に示されている単一層を含んでいてよく、あるいは、所望の厚みまたは形状を内側ブレードプラットフォームに与えるよう多数の層を含んでいてよい。
さまざまな実施形態において、翼部分２３０は、図４に示されている単一層を含んでいてよく、所望の形状を有する翼を提供するため多数の層を含んでいてもよく、あるいは、特定の断面形状に製織されてもよい。

図５に示されている通り、翼植込み部２４０は、翼植込み部２４０と接続部２４２を形成するためｚ方向に沿って変動する厚みを有し、ｚ方向の織りの厚みも同様に、所望の断面形状を得るよう変動させられてよい。

図４〜５に示されていない一部の実施形態においては、プリフォーム２００は任意には、フラップ２６４、２６６から遠位の翼部分２３０の第２の端部２３１上に追加のフラップを含んでいてよい。
追加のフラップは同様に、折曲げられ整形されて、第２の端部２３１に隣接して外側プラットフォーム領域（シュラウド）を形成する。

図６に概略的に示された別の実施例においては、３次元製織されたタービンエンジン翼プリフォーム４０１は、長手方向であるｘ方向に沿って延在する細長い領域４０２と、横断方向であるｙ方向に沿って延在するフラップ構成４０４とを含む。
以上で詳述する通り、製織プリフォーム４０１は、図１の３次元製織装置内において低コストで容易に製造でき、ｚ方向に沿って延在する連続繊維の周りに巻回されるｘ方向に沿って延在する連続縦糸繊維とｙ方向に沿って延在する連続横糸繊維を伴う製織材料の単一片で作製されている。
プリフォーム４０１は、点Ｒで折曲げられ、整形されて、嵌合するフラップ対４０４で形成された内部支持リブ構成４０６を伴う中空翼を形成する。

上述の製織プリフォームは、例えば炭素、ガラス、シリカ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、金属例えばアルミニウム、アラミド、芳香族ポリアミドおよびそれらの組合せで作られた糸または繊維から作製することができる。
繊維は、同じまたは変動する断面形状を有することができ、かつ特定の利用分野のために必要である同じまたは変動する断面直径を有することができる。

製織プリフォームは、適切に整形された金属金型または金属冶具を用いて整形することができ、任意には、ＣＭＣ部品を形成するためにプリフォームが高密度化されるまで、例えばポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）などの接着剤を使用して、製織プリフォームの形状を維持してよい。
製織プリフォームが金型または冶具に取付けられ整形された後、Ｓｉ、Ｃ、Ｂ、Ａｌ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｉ、その酸化物、およびそれらの混合物および組合せから選択された溶浸材が製織プリフォームに適用される。
さまざまな実施形態において、プリフォームは、プリフォームを整形し高密度化すると同時にＣＭＣ部品を作り上げる浸透プロセス中、金属金型または金属冶具によって所定の位置に維持される。

金属合金浸透温度は、選択される溶浸材に応じて大幅に変動し得る。
限定的であるように意図されていない一例としては、Ｓｉの典型的浸透温度は約１４００℃〜約１５００℃である。
さまざまな非限定的実施形態において、浸透持続時間は、約１５分〜４時間であり得る。
さまざまな実施形態において、浸透法は任意には、真空下で実施可能であるが、他の実施形態においては、蒸発損失を制限するために周囲圧力下で不活性ガス中において実施され得る。

一部の実施形態において、マトリックス材料はさらに、任意には、最終的ＣＭＣ部品中に所望の特性を提供するために選択された組成、形状、サイズなどを有する充填材材料、例えばホイスカ、プレートレットまたは粒子状物質を含む。

例えば、充填材材料は、セラミック繊維の腕性マトリックスの靱性を増大させるように選択されてよい。
充填材は同様に、ＣＭＣ部品の熱伝導率、電気伝導率、熱膨張係数、硬度などを修正するように選択されてもよい。
一部の実施形態において、充填材の組成は、セラミックマトリックスを構成する繊維の組成と同じであってよい。
例えば、炭化ケイ素マトリックスが、炭化ケイ素繊維を取り囲んでいてよい。
他の実施形態においては、充填材材料は、セラミックマトリックスと異なる組成、例えばアルミナマトリックス中のケイ酸アルミニウム繊維などを含んでいてよい。

限定的であるよう意図されていないさまざまな実施形態において、プリフォームおよびマトリックス中で使用してよいいくつかの例示的セラミック材料としては、ＳｉＣおよびＳｉ₃Ｎ₄などのＳｉを含むセラミック；ＳｉＣまたはＳｉ₃Ｎ₄および酸窒化ケイ素または酸窒化ケイ素アルミニウム；Ｓｉを含む金属合金、例えばモリブデン−ケイ素合金（例えばＭｏＳｉ₂）またはニオブ−ケイ素合金（例えばＮｂＳｉ₂）；および酸化物−酸化物セラミック、例えばＮＥＸＴＥＬ７２０という商標名で３ＭＣｏ．，Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮから入手可能であるものなどのセラミック酸化物繊維を伴うアルミナまたはアルミノケイ酸塩マトリックスなどがある。

限定的であるように意図されていない一部の実施形態において、溶融した溶浸材は、プリフォーム内の補強用繊維間にウィッキングし、約１０％未満または約５％未満、または約３％未満、または約１％未満の気孔率までプリフォームが充分に高密度化されるまで、繊維間の間隙を占有するマトリックスを形成する。

浸透が完了した後、結果として得られた最終的ＣＭＣ部品は、任意には、特定の利用分野向けに必要に応じて、さらに機械加工され得る。

本発明のさまざまな実施形態について説明してきた。これらの実施形態および他の実施形態が、以下の請求項の範囲内に入るものである。

Claims

タービンエンジンブレードの製造方法において、
− 炭素、ガラス、シリカ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミニウム、アラミド、芳香族ポリアミドおよびそれらの組合せからなる群から選択される材料の細長い繊維を３次元製織して、製織材料の単一片を含む製織プリフォームを作り上げるステップであって、
製織プリフォームが、第１の方向に沿って延在する連続縦糸繊維と、
第１の方向に対し実質的に垂直な第２の方向に沿って延在する連続横糸繊維と、
第１および第２の方向に対し実質的に垂直な第３の方向に延在する連続繊維とを含み；製織プリフォームが、第１の方向に沿って延在する翼領域と、翼領域に隣接するフラップ構成とを含んでいるステップと；
− フラップを翼領域の平面に対し実質的に垂直な平面内に折曲げて、整形された製織プリフォームを形成するステップと；
− 整形された製織プリフォームをセラミックマトリックスで高密度化して、セラミックマトリックス複合材料製のタービンエンジンブレードを得るステップと；
を含む、
ことを特徴とするタービンエンジンブレード製造方法。
高密度化ステップには、Ｓｉ、Ｃ、Ｂ、Ａｌ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｉ、それらの酸化物およびそれらの混合物およびそれらの組合せからなる群から選択される溶浸材を整形された製織プリフォームに浸透させるステップが含まれる、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
細長い繊維が、シリカ、炭化ケイ素、窒化ケイ素およびそれらの組合せからなる群から選択される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。