JP2017089640A - エネルギー吸収エッジガードを有する翼形部 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の方法で製造でき、単純な形状を有するエッジガード装置を提供する。
【解決手段】翼形部用のエッジガード装置（３０）は、ノーズ（３６）を有する本体（３２）であって、ノーズ（３６）から延在する離隔した第１のウィング（３８）及び第２のウィング（４０）を有し、第１のウィング（３８）と第２のウィング（４０）の間に空洞（４４）を画成する本体（３２）と、空洞（４４）内に配置されているエネルギー吸収構造（３４）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、翼形部保護前縁ガードに関し、より詳細には、エネルギー吸収特性を有するファンブレード前縁ガードに関する。

タービンエンジン用途で使用されるファンブレード及び他の構造は、異物の衝撃の損傷、例えば、バードストライク事故時の損傷の影響を受けやすい。グラファイト繊維強化エポキシ等の複合材料で作製されたブレードは、全体として比強度が高いこと、及び剛性が高いことから、魅力的である。しかし、グラファイト複合材料は、延性が低いため、異物の衝撃時に、特に脆性破壊及び層間剥離する傾向がある。ブレード前縁、後縁及び先端部は、一般にこれらのエリアでの厚さがより薄いこと、及びよく知られているように、積層された複合材料は自由縁で層間剥離しやすいことから、特に繊細である。更に、ブレードの幾何学的形状により、及び航空機の速度に対して回転速度が速いことにより、吸い込まれた物体は前縁の近くでブレードに衝突する。

複合材料のファンブレードの前縁に接合される金属製ガードは、衝撃による損傷から保護することが知られている。

先行技術の前縁ガードにおける１つの問題は、一般に、薄く、かつ高密度合金で作製されていることである。これらの要件が、機械加工又はホットクリープ成形等の従来の方法で、前縁ガードを製造することを困難にする。

先行技術のファンブレード前縁ガードにおける別の問題は、多くの場合、製造を複雑かつ高価にする複雑な形状を有していることである。

米国特許出願公開第２０１５０１０４３２３号明細書

エネルギー吸収要素を有するエッジガードを組み込んだ翼形部は、上記の問題の１以上に対処する。

本明細書で説明される技術の一態様によると、翼形部用のエッジガード装置は、ノーズを有する本体であって、ノーズから延在する離隔した第１のウィング及び第２のウィングを有し、第１のウィングと第２のウィングの間に空洞を画成する本体と、空洞内に配置されているエネルギー吸収構造とを備える。

本明細書で説明される技術の別の態様によると、翼形装置は、前縁と後縁との間に延在する凸側及び凹側を有する翼形部と、ノーズを有する本体であって、ノーズから延在する離隔した第１のウィング及び第２のウィングを有し、翼形部の前縁と共に、空洞を画成する本体と、空洞内に配置されているエネルギー吸収構造とを備える。

本発明は、下記の説明及び添付図面の参照により、最も良く理解され得る。

前縁ガードを組み込んだガスタービンエンジンファンブレードの図である。 図１の２−２線における断面図である。 一片の薄板材料の正面図である。 前縁ガードを有する翼形部の一部の部分的断面図である。

図面では、様々な図面全体にわたって、同一の参照番号は同じ要素を示す。図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン用の例示的なファンブレード１０を示す。ファンブレード１０は、翼形部１２、シャンク１４、及びダブテール１６を備える。翼形部１２は、根元部１８と先端部２０との間に延在しており、前縁２２及び後縁２４を有する。反対に位置する凸側２６及び凹側２８は、それぞれ前縁２２と後縁２４との間に延在している。ファンブレード１０は、単なる例であり、本発明の原理は、衝撃に対する保護を必要とする他の種類の構造に適用できる。

ファンブレード１０は、１以上の金属合金から作製されていてもよく、又はエポキシマトリックス及び炭素繊維強化材の複合材料系等の非金属材料から作製されていてもよい。

翼形部１２は、前縁２２に取り付けられている前縁ガード３０を有する。前縁ガード３０は、ファンブレード１０に追加の耐衝撃性、耐浸食性、及び複合構造の層間剥離に対する改善された耐性を与えるのに役立つ。より具体的には、前縁ガード３０は、エネルギー吸収特性を有する。

図２で最も良く理解されるように、前縁ガード３０は、本体３２及びエネルギー吸収構造３４を備える。本体３２は、ノーズ３６を備え、ノーズ３６は、ノーズ３６から後方に延在する１対のウィング３８、４０を有する。ウィング３８，４０は、ノーズ３６から離れる方向に延在するにつれて、厚みが薄くなっている。ノーズ３６及びウィング３８，４０の外部表面は、全体として、本体３２の外部表面を画成する。外部表面の形状及び寸法は、翼形部１２の空気力学的延伸部として作用するように選択される。本体３２は、公知の種類の接着剤で、翼形部１２に取り付けられていてもよい。

ノーズ３６及びウィング３８，４０の内部表面は、全体として、本体３２の内部表面４２を画成する。内部表面４２の形状及び寸法は、翼形部１２の外面に密着し、翼形部１２の前縁２２と共に、空洞４４を画成するように選択される。

本体３２は、望ましい組成の金属合金から作製されていてもよい。本体３２の構成に適する合金の非限定的な１つの例は、ＩＮＣＯＮＥＬ７１８又はＩＮ７１８として市販されているニッケルベース合金である。

本体３２は、例えば、図３に示されるように、平坦な薄板４６から作製されてもよい。薄板４６は、機械加工されてもよく、又は他の方法で成形されてもよく、その際、中央部分４７の厚さ「Ｔ」は、ノーズ３６の軸方向の長さ「Ａ」と等しい、又は近い厚さであり、先細の遠位端４８，５０は、ウィング３８，４０に対応する。その後、プレスブレーキ又はハイドロフォーム成形機等の従来の機器を使用して、薄板４６を曲げることにより、本体３２を成形してもよい。ノーズが、相当の軸方向の厚さを有する中実部である先行技術の前縁ガードとは対照的に、ノーズ３６の軸方向の寸法Ａを十分に小さくして、薄板を従来の成形方法で使用できるようにすることができる。

エネルギー吸収構造３４は、空洞４４内に配置されている。本明細書で用いるとき、「エネルギー吸収」は、衝撃エネルギーを消散、及び／又は（熱エネルギー等の）別の形態のエネルギーに変換することにより、ピークの衝撃力を減少させるように構成されている任意の構造を指す。エネルギー吸収材料の非限定的な例としては、粘性を有する固体材料、及び他に、金属等の剛性のある弾性材料のセル構造、例えばハチの巣と同様の構成が挙げられる。比較のために、一般に、モノリシックの非多孔性金属構造は、「エネルギーを吸収する」とは考えられないであろう。

図示される例では、エネルギー吸収構造３４は、空洞４４内に詰め込まれている複数のチューブ５２を備える。チューブ５２の長軸は、概ね、翼形部１２の翼長方向、すなわち、根元部１８から先端部２０へと延在している。翼形部１２は、「ツイスト」、すなわち、互いに回転している連続する翼形部セクション、又は「ボウ」、すなわち、非直線的な翼形部のスタック軸等の特徴を組み込み得ることが理解されるであろう。チューブ５２は、必要に応じて、翼形部１２の任意の非直線的な形状の経路に従う曲率を有していてもよい。

チューブ５２は、空洞４４内に効率的に詰め込まれ、エネルギー吸収性能及び低重量の好ましい組合せを提供するために、様々な直径及び肉厚のチューブであってもよい。

チューブ５２は、金属合金、ポリマー、セラミックス、又はこれらの材料の複合材料等の様々な材料から作製されてもよい。例えば、チューブ５２は、従来の熱間押出プロセスによって作製されてもよい。チューブ５２を構成するのに適する合金の非限定的な例は、ＩＮＣＯＮＥＬ７１８又はＩＮ７１８として市販されているニッケルベース合金である。

チューブ５２は、互いに直接接触して配置してもよいし、或いは離隔していてもよい。チューブ５２は、例えば溶接プロセス又はろう付けプロセスを用いて、互いに接合されていてもよい。チューブ５２同士の間の任意の空隙を空いたままにしておいてもよく、又は接着剤等の材料で充填してもよい。チューブ５２は、単一のパック又は束として組み立てられた後、翼形部１２に本体３２と共に組み付けられてもよい。

チューブ５２の数及び分布は、翼形部１２の翼長にわたって異なっていてもよい。例えば、図４に示される例では、翼形部１２の内側部分５４は、単一のチューブ５２又はチューブ５２の単一の列を含むのに対し、翼形部１２の外側部分５６は、複数のチューブ５２又はチューブ５２の複数の列を含む。これは、翼形部１２の外側部分５６が、（所定のロータ速度では）内側部分５４よりも速い速度で動作するので、衝撃時に消散されるべき運動エネルギーがより大きいという原理と合致している。最も必要とされる箇所に、より多くのエネルギー吸収材料を選択的に配置することにより、効率的に衝撃に対して保護する。

任意選択により、前縁ガード３０又はその一部は、単一のユニット、ワンピース、又はモノリシック部品の一部であってもよく、１層ずつ構成すること、又は積層造形を含む製造プロセスを用いて製造されてもよい（このプロセスは、従来の機械加工プロセスの材料除去とは反対である）。このようなプロセスは、「高速製造プロセス」及び／又は「積層造形プロセス」と称されることがある。用語「積層造形プロセス」は、広くこのようなプロセスを指すために本明細書で用いられる用語である。積層造形プロセスとしては、限定するものではないが、直接金属レーザー溶融（ＤＭＬＭ：Direct Metal Laser Melting）、レーザーネットシェイプ加工（ＬＮＳＭ：Laser Net Shape Manufacturing）、電子ビーム焼結、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ：Selective Laser Sintering）、インクジェット及びレーザージェット等の３Ｄ印刷、光造形（ＳＬＳ：Sterolithography）、電子ビーム溶解（ＥＢＭ：Electron Beam Melting）、レーザー加工ネット成形（ＬＥＮＳ：Laser Engineered Net Shaping）、並びに直接金属蒸着（ＤＭＤ：Direct Metal Deposition）が挙げられる。

本明細書で説明される装置は、先行技術の前縁ガードを超える複数の利点を有する。本明細書で説明される装置は、外部前縁表面の単純な包みを、エネルギー吸収構造と組合せて用いており、このエネルギー吸収構造は、剛性を追加し、衝撃性能を向上させるために挿入されている。この構成は、外装を一般的な薄板から形成できるという点、及び挿入チューブは、単純な熱間成形薄肉チューブであってもよいという点で、部品コストを低減させるであろう。前縁ガード３０の全体としての剛性が（先行技術の中実前縁ガードと比較して）向上したことにより、翼形部１２を全体として薄くすること可能になり、その結果、翼形部の空気力学的効率が向上し得る。

以上において、前縁ガードを有する翼形部を記載してきた。本明細書（任意の添付の特許請求の範囲、要約及び図面を含む）に開示される特徴の全て、及び／又は開示される任意の方法もしくはプロセスのステップの全てを、任意の組合せで組合せてもよい。ただし、当該特徴及び／又はステップの少なくとも一部が、相互に排他的である組合せを除く。

本明細書（任意の添付の特許請求の範囲、要約及び図面を含む）に開示される各特徴は、特に明示的に記述されない限り、同じ、等価の、又は同様の目的にかなう代替の特徴に置き替えられてもよい。したがって、特に明示的に記述されない限り、開示される各特徴は、包括的な一連の等価又は同様の特徴の一例にすぎない。

本発明は、前述の実施形態の詳細に制限されない。本発明は、本明細書（任意の添付の新規性の見込まれる点、要約及び図面を含む）に開示される特徴のうち、任意の新規な１つの特徴、もしくは任意の新規な組合せに拡張され、又は開示される任意の方法もしくはプロセスのステップのうち、任意の新規な１つのステップ、もしくは任意の新規な組合せに拡張される。
［実施態様１］
ノーズ（３６）を有する本体（３２）であって、ノーズ（３６）から延在する離隔した第１のウィング（３８）及び第２のウィング（４０）を有し、第１のウィング（３８）と第２のウィング（４０）の間に空洞（４４）を画成する本体（３２）と、
空洞（４４）内に配置されているエネルギー吸収構造（３４）と
を備える、翼形部（１２）用のエッジガード装置（３０）。
［実施態様２］
エネルギー吸収構造（３４）が、セル構造を備える、実施態様１に記載のエッジガード装置（３０）。
［実施態様３］
エネルギー吸収構造（３４）が、並列配置された複数のチューブ（５２）を備える、実施態様１に記載のエッジガード装置（３０）。
［実施態様４］
チューブ（５２）が、本体（３２）の翼長方向に延在している、実施態様３に記載のエッジガード装置（３０）。
［実施態様５］
チューブ（５２）の１本以上が、本体（３２）の翼長の一部にしか延在しない、実施態様３に記載のエッジガード装置（３０）。
［実施態様６］
本体（３２）の第１の端部の近くに配置されるチューブ（５２）の本数が、本体（３２）の第２の端部の近くに配置されるチューブ（５２）の本数よりも多い、実施態様３に記載のエッジガード装置（３０）。
［実施態様７］
チューブ（５２）の１本以上が別のチューブ（５２）と接合されている、実施態様３に記載のエッジガード装置（３０）。
［実施態様８］
チューブ（５２）が空隙で隔てられており、空隙に接着剤が充填されている、実施態様３に記載のエッジガード装置（３０）。
［実施態様９］
チューブ（５２）が金属合金を含む、実施態様３に記載のエッジガード装置（３０）。
［実施態様１０］
本体（３２）が薄板材料を含む、実施態様１に記載のエッジガード装置（３０）。
［実施態様１１］
翼形装置であって、
前縁と後縁との間に延在する凸側及び凹側を有する翼形部（１２）と、
ノーズ（３６）を有する本体（３２）であって、ノーズ（３６）から延在する離隔した第１のウィング（３８）及び第２のウィング（４０）を有し、翼形部（１２）の前縁と共に、空洞（４４）を画成する本体（３２）と、
空洞（４４）内に配置されているエネルギー吸収構造（３４）と
を備える、翼形装置。
［実施態様１２］
エネルギー吸収構造（３４）が、セル構造を備える、実施態様１１に記載の翼形装置。
［実施態様１３］
エネルギー吸収構造（３４）が、並列配置された複数のチューブ（５２）を備える、実施態様１１に記載の翼形装置。
［実施態様１４］
チューブ（５２）が、翼形部（１２）の翼長方向に延在している、実施態様１３に記載の翼形装置。
［実施態様１５］
チューブ（５２）の１本以上が、翼形部（１２）の翼長の一部にしか延在しない、実施態様１３に記載の翼形装置。
［実施態様１６］
チューブ（５２）の多数が、翼形部（１２）の先端部（２０）の近くに配置されており、チューブ（５２）の少数が、翼形部（１２）の根元部（１８）の近くに配置されている、実施態様１３に記載の翼形装置。
［実施態様１７］
チューブ（５２）の１本以上が、別のチューブ（５２）と接合されている、実施態様１３に記載の翼形装置。
［実施態様１８］
チューブ（５２）が空隙で隔てられており、空隙に接着剤が充填されている、実施態様１３に記載の翼形装置。
［実施態様１９］
翼形部（１２）が複合材料を含み、本体（３２）及びチューブ（５２）の１以上が金属合金を含む、実施態様１３に記載の翼形装置。

１０ ファンブレード
１２ 翼形部
１４ シャンク
１６ ダブテール
１８ 根元部
２０ 先端部
２２ 前縁
２４ 後縁
２６ 凸側
２８ 凹側
３０ 前縁ガード
３２ 本体
３４ エネルギー吸収構造
３６ ノーズ
３８ ウィング
４０ ウィング
４２ 内部表面
４４ 空洞
４６ 薄板
４７ 中央部分
４８ 遠位端
５０ 遠位端
５２ チューブ
５４ 内側部分
５６ 外側部分

Claims (10)

1. 翼形部（１２）用のエッジガード装置（３０）であって、
   ノーズ（３６）を有する本体（３２）であって、ノーズ（３６）から延在する離隔した第１のウィング（３８）及び第２のウィング（４０）を有し、第１のウィング（３８）と第２のウィング（４０）の間に空洞（４４）を画成する本体（３２）と、
   空洞（４４）内に配置されているエネルギー吸収構造（３４）と
   を備えるエッジガード装置（３０）。
2. エネルギー吸収構造（３４）がセル構造を備える、請求項１に記載のエッジガード装置（３０）。
3. エネルギー吸収構造（３４）が、並列配置された複数のチューブ（５２）を備える、請求項１に記載のエッジガード装置（３０）。
4. チューブ（５２）が、本体（３２）の翼長方向に延在している、請求項３に記載のエッジガード装置（３０）。
5. チューブ（５２）の１本以上が、本体（３２）の翼長の一部にしか延在しない、請求項３に記載のエッジガード装置（３０）。
6. 本体（３２）の第１の端部の近くに配置されるチューブ（５２）の本数が、本体（３２）の第２の端部の近くに配置されるチューブ（５２）の本数よりも多い、請求項３に記載のエッジガード装置（３０）。
7. チューブ（５２）の１本以上が別のチューブ（５２）と接合されている、請求項３に記載のエッジガード装置（３０）。
8. チューブ（５２）が空隙で隔てられており、空隙に接着剤が充填されている、請求項３に記載のエッジガード装置（３０）。
9. チューブ（５２）が金属合金を含む、請求項３に記載のエッジガード装置（３０）。
10. 前縁（２２）と後縁（２４）との間に延在する凸側及び凹側を有する翼形部（１２）を更に備え、前縁（２２）が、空洞（４４）の一部を画成するように、第１のウィング（３８）及び第２のウィング（４０）が、翼形部（１２）に取り付けられている、請求項１に記載のエッジガード装置（３０）。