JP2019173746A - 強化複合ブレードおよびブレードの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強化複合ブレードおよびブレードの製造方法を提供すること。【解決手段】ブレード（２０）が提供される。ブレード（２０）は、複数の第１の複合繊維プライ（４０）と複数の第２の複合繊維プライ（３０）とを含む。第２の複合繊維プライ（３０）の端部は、第２の複合繊維プライ（３０）が終端して第１の複合繊維プライ（４０）と合致する領域に第１の複合繊維プライ（４０）と第２の複合繊維プライ（３０）との間のインターロックが形成されるように、段違いになっている。ブレード（２０）は、航空機のエンジンに使用される。【選択図】図５

Description

本開示は、一般にブレードに関し、より詳細には、強化複合ブレードおよびそのような強化複合ブレードを製造する方法に関する。

炭素複合材料が高剛性、高強度、軽量、高耐薬品性、高温耐性および低熱膨張などのいくつかの利点を有することは、当技術分野において知られている。これらの特性により、炭素複合繊維は、航空宇宙、土木工学、軍事およびモータースポーツを含む多くの分野で普及しており、進歩している。しかしながら、炭素複合繊維は、ガラス繊維またはプラスチック繊維のような他の繊維と比較すると比較的高価である。

それらの有利な特性のために、炭素複合繊維は通常、ブレードの先端部分、ブレードの後縁および／または前縁、時にはブレードの全表面などの航空機のエンジンブレードのいくつかの部分に敷設され、これによりブレードを必要な剛性および強度で設計することができる。

飛行中に鳥のような大きな物体がファンブレードのような航空機の複合ブレードに衝突すると、ブレードに修理不可能な損傷を与え、エンジン性能の損失を招く可能性がある。バードストライクが起こると、ブレードは大きな曲げ変形を受け、それが炭素複合繊維に大きな歪みを生じさせる。炭素複合繊維ファンブレードでは、これは炭素複合繊維の剥離または繊維破損を招く可能性がある。バードストライクが発生すると、ブレードの自由端、特にブレードの前縁と後縁で、またはその近くで層間せん断応力および厚さ方向の直接応力が発生する。図１に示されるように、負荷がブレード１０に加えられると、その負荷は自由端において炭素複合繊維層１００の剥離をもたらす可能性がある。さらに、剥離は、ブレードの自由縁（すなわち後縁または前縁）から急速に発達し、ブレード全体に急速に広がる可能性がある。したがって、ブレードに適用された炭素複合繊維のみが、バードストライクのような外部衝撃によって引き起こされる曲げ変形から生じる高い歪みを防ぐために追加の厚さを必要とする。

本開示は、層間せん断応力および／または厚さ方向の直接応力のような外部衝撃がブレードに加えられたときに容易に剥離することがなく、高剛性および高強度ならびに高歪みに耐える能力を有するブレードを得ることを目的とする。このように、より強く、より薄く、より軽くそしてより少ないブレードは空気流を強化し、航空機エンジンの全体的な性能と燃料の燃焼を改善するより軽くそしてより効率的なブレードファンを作り出すであろう。

米国特許出願公開第２０１６／０３６２９９０号明細書

本開示は、添付の特許請求の範囲に列挙された１つもしくは複数の特徴、および／または単独でもしくは任意の組合せで特許可能な主題を含み得る以下の特徴を開示する。

一実施形態では、本開示は、複数の第１の複合繊維プライと複数の第２の複合繊維プライとを含むブレードを提供することを目的とし、第２の複合繊維プライが終端して第１の複合繊維プライと合致する領域に第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライとの間のインターロックが形成されるように、第２の複合繊維プライの端部が段違いになっている。

別の実施形態では、本開示は、航空機のエンジンを提供することを目的とし、このエンジンはブレードを含む。ブレードは、複数の第１の複合繊維プライと複数の第２の複合繊維プライとを含み、第２の複合繊維プライが終端して第１の複合繊維プライと合致する領域に第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライとの間のインターロックが形成されるように、第２の複合繊維プライの端部が段違いになっている。

さらなる実施形態では、本開示は、ブレードを製造する方法を提供することを除く。この方法は、ブレード上に複数の第１の複合繊維プライを敷設するステップと、複数の第１の複合繊維プライと組み合わせて複数の第２の複合繊維プライを敷設し、第２の複合繊維プライが終端して第１の複合繊維プライと合致する領域に第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライとの間のインターロックが形成されるように、第２の複合繊維プライの端部を段違いにするステップと、を含む。

本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を描写する添付の図面と併せて、本開示の様々な態様の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

図１は、負荷がブレードに加えられたときの従来技術における炭素複合繊維層の剥離の概略図である。 図２は、本発明の一実施形態によるファンブレードの斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態によるブレードの前縁または後縁の例示的断面図である。 図４は、本発明の別の実施形態によるブレードの前縁または後縁の例示的断面図である。 図５は、本発明の一実施形態によるブレードの前縁または後縁の拡大断面図を例示的に示す図である。 図６は、本発明の一実施形態によるブレードの前縁または後縁の表面を部分的および例示的に示す図である。 図７は、負荷が加えられたときの第１の複合繊維プライおよび第２の複合繊維プライの剥離の概略図である。 図８は、本発明の別の実施形態によるブレードの前縁または後縁の拡大部分断面図である。 図９は、複数の第２の複合繊維プライに製造されたときの、非翼幅方向繊維プライおよび翼幅方向繊維プライにおける繊維の配向を例示的に示す図である。 図１０は、複数の第２の複合繊維プライに製造されたときの、非翼幅方向繊維プライおよび翼幅方向繊維プライにおける繊維の配向を例示的に示す図である。 図１１は、複数の第２の複合繊維プライに製造されたときの、非翼幅方向繊維プライおよび翼幅方向繊維プライにおける繊維の配向を例示的に示す図である。 図１２は、本発明の一実施形態によるブレードの例示的断面図である。 図１３は、本発明の別の実施形態によるブレードの例示的断面図である。 図１４は、本発明のさらなる実施形態によるブレードの例示的断面図である。 図１５は、本発明のブレードを製造する方法のプロセスを示すフローチャートである。 図１６は、本発明のブレードを製造する方法のプロセスを示す他のフローチャートである。

本明細書および図面における参照符号の繰り返しの使用は、本開示の同一または類似の特徴または要素を表すことを意図している。

ここで本開示の実施形態を詳細に参照し、その１つまたは複数の例を図面に示す。各例は、本開示の説明として提供され、本開示を限定するものではない。実際、本開示の範囲または精神から逸脱することなく、本開示において様々な修正および変形をなし得ることが当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明されている特徴を別の実施形態において使用して、さらに別の実施形態を生み出すことができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内に入るような修正形態および変形形態を網羅することが意図されている。

本開示を明確に説明するために、ブレードの関連部分を参照して説明するときに特定の用語を選択することが必要になるだろう。これを行うとき、可能であれば、一般的な業界用語がその受け入れられている意味と一致する方法で使用され採用される。特に明記しない限り、そのような専門用語は、本願の文脈および添付の特許請求の範囲の範囲と一致する広い解釈を与えられるべきである。当業者であれば、本明細書で単一部品として説明されているものは、複数の構成要素からなるものとして他の文脈で含むことができ、それらを参照することができることを理解するであろう。あるいは、本明細書で複数の構成要素を含むと説明されているものは、他では単一部品として参照されることがある。

さらに、本明細書ではいくつかの説明的な用語を定期的に使用することがあり、このセクションの冒頭でこれらの用語を定義することが有用であることが証明されるはずである。これらの用語およびそれらの定義は、他に述べない限り、以下の通りである。「半径方向」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に対して実質的に垂直であるおよび／または航空機のエンジンの軸方向中心線に対して実質的に垂直である相対方向を指し、「軸方向」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線および／または航空機のエンジンの軸方向中心線に対して実質的に平行および／または同軸に位置合わせされている相対方向を指し、「円周方向」という用語は、特定の構成要素の円周に実質的に平行である、および／または航空機のエンジンの環状ケーシング要素に実質的に平行である相対方向を指す。本明細書で使用するとき、用語「内側」および「内側に」は、構成要素の表面から構成要素の内側に向かう傾向を示し、「外側」および「外側に」という用語は、構成要素の内側から構成要素の表面に向かう傾向を示す。用語「先端」および「後端」は、それ以上の特定性はないが、方向を意味し、「先端」はブレードの前端または前側端を意味し、「後端」はブレードの後側端または尾端を意味する。また、「翼幅方向」とは、ブレードの根元からブレードの先端まで延びる方向を意味する。「翼弦方向」とは、ブレードの先端からブレードの後縁まで延びる方向を意味する。本明細書で使用する場合、用語「第１」、「第２」、および「第３」は、ある構成要素を他の構成要素と区別するために互換的に使用することができ、場所、個々の構成要素の重要性、または特定のブレード周波数を示すことを意図しない。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、１つまたは複数の要素があることを意味することを意図している。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は包括的であることを意図しており、列挙された要素以外の追加の要素があり得ることを意味する。

図２は、本発明の一実施形態におけるブレードを示す。より具体的には、図２に示すブレードは、航空機のガスタービンに使用することができる。さらに、本明細書に示し説明した本開示は、特許請求の範囲において他に特定されない限り、航空エンジン（タービン）、陸上タービンおよび／または工業用タービンでの使用に限定されず、本明細書に記載されるようにブレードを組み込むことができる。

図２に示すように、ブレード２０は、ブレード２０がロータディスクに取り付けられる根元部２１と、根元部２１とは反対側の先端部２２とを含むファンブレードとすることができる。ブレード２０は、前縁２８から後縁２９までそれぞれ翼弦方向に延びる窪み状の圧力側２６および反対側の突状の負圧側２７を含むことが分かるであろう。また、窪み状の圧力側２６および突状の負圧側２７は、それぞれ根元部２１から先端部２２まで翼幅方向に延びている。窪み状の圧力側２６は第１の面を有し、突状の負圧側２７は第２の面を有することが理解できる。

ブレード２０は、複数の第１の複合繊維プライ４０と複数の第２の複合繊維プライ３０とを含み、第２の複合繊維プライは高歪みを受けやすい。より具体的には、この実施形態では、第２の複合繊維プライ３０は、ブレード２０の前縁２８に配置される。別の実施形態では、任意選択で、第２の複合繊維プライ３０をファンブレード２０の後縁２９に配置することができる。あるいは、第２の複合繊維プライ３０は、さらなる実施形態では、ファンブレード２０の前縁２８と後縁２９の両方に配置される。第１の複合繊維プライ４０は、前縁２８から後縁２９まで翼弦方向に延び、そして根元部２１から先端部２２まで翼幅方向に延びる。

第１の複合繊維プライは、比較的高い剛性と強度を有するので、炭素繊維を使用することができる。しかしながら、ブレードが第１の複合繊維プライ（例えば、炭素繊維プライ）のみを有する場合、ブレードは、バードストライク中に外部負荷から生じる曲げ変形によって引き起こされる高い歪みに耐えるには十分ではない。したがって、第１の複合繊維プライ４０と組み合わせた第２の複合繊維プライ３０（例えば、ガラス、アラミド、ポリマー、バサルト繊維プライ、またはそれらの組み合わせ）の補足は、高歪みに耐えることができないことを補うことができる。ガラス複合繊維は、炭素複合繊維と比較して障害に対するより高い歪みに耐える能力を有する。第２の複合繊維プライは、高い歪抵抗を有する様々な種類の繊維を選択することができる。好ましくは、第２の複合繊維はガラス繊維であり得る。

図３は、本発明の実施形態におけるブレードの前縁または後縁を例示的断面図で示す。図３を参照すると、複数の第２の複合繊維プライ３０を使用して前縁２８または後縁２９にさらに歪み抵抗保護を与える。一実施形態では、複数の第２の複合繊維プライ３０は、ブレードの表面から内側に向かって、翼弦方向長さと翼幅方向長さの両方において単調に減少する翼幅方向繊維プライ３１、３３、３５を含む。別の実施形態では、複数の第２の複合繊維プライ３０は、ブレードの表面から内側に向かって単調に減少または増加しない、非翼幅方向繊維プライ３２、３４、３６を含む。

さらなる実施形態では、複数の第２の複合繊維プライは、ブレードの表面から内側に向かって単調に翼弦方向長さと翼幅方向長さの両方において減少する翼幅方向繊維プライと、ブレードの表面から内側に向かって単調に減少または増加しない非翼幅方向繊維プライとを含む。より具体的には、第２の複合繊維プライ３０は、前縁から後縁に向かって（または後縁から前縁に向かって）延び、表面２６、２７から内側に延びる第１の翼幅方向繊維プライ３１、第１の非翼幅方向繊維プライ３２、第２の翼幅方向繊維プライ３３、第２の非翼幅方向繊維プライ３４、第３の翼幅方向繊維プライ３５、第３の非翼幅方向繊維プライ３６、第４の翼幅方向繊維プライ３７、および第４の非翼幅方向繊維プライ３８を含む。翼幅方向繊維プライは、第１の翼幅方向繊維プライ３１、第２の翼幅方向繊維プライ３３、第３の翼幅方向繊維プライ３５、および第４の翼幅方向繊維プライ３７を含む。これらの翼幅方向繊維プライは、翼幅方向に配列された繊維を有し、これは翼幅方向繊維プライ中の繊維がブレード２０の翼幅方向に対して０°であることを意味する。言い換えれば、これらの翼幅方向繊維プライ内の繊維は、ブレード２０の翼幅方向と平行な方向に配向されている。非翼幅方向繊維プライは、第１の非翼幅方向繊維プライ３２、第２の非翼幅方向繊維プライ３４、第３の非翼幅方向繊維プライ３６、および第４の非翼幅方向繊維プライ３８を含む。これらの非翼幅方向繊維プライは、ブレード２０の翼幅方向に対してある角度で配置された繊維を有する。非翼幅方向繊維プライにおける繊維の角度の選択は、図９−図１１に関連した以下の説明において論じられるであろう。図３に示されるように、表面２６、２７上に置かれた８つの第２の複合繊維プライがある。しかしながら、ブレード２０の第２の複合繊維プライの数は単に例示および説明の目的のためのものであり、限定を意図するものではない。当業者は、本明細書に提供される開示を使用して、本開示の範囲から逸脱することなく、ブレード２０の第２の複合繊維プライおよび／または第１の複合繊維プライの数を調整できることを理解するであろう。一例では、図４に示すように、両面２６、２７に６つの第２の複合繊維プライがある。あるいは、両面２６、２７に８つ以上の第２の複合繊維プライがある。他の例では、表面２６、２７の一方にある第２の複合繊維プライの数は、表面２６、２７の他方のそれよりも少なくても多くてもよく、これは、表面２６に敷設される第１の複合繊維プライおよび／または第２の複合繊維プライの数が表面２７上に敷設されるものとは異なることを意味する。より具体的には、表面２６、２７の一方に８つの第２の複合繊維プライが敷設され、表面２６、２７の他方には１０個の第２の複合繊維プライが敷設される。

図３を参照すると、第１の複合繊維プライ４０（例えば、炭素繊維プライ）は、前縁の端部および／または後縁の端部まで延びておらず、これは、例えばガラス繊維プライのように、前縁または後縁が第２の複合繊維プライのみを有することを意味する。ブレードの厚さは、ブレードの中央部からブレードの縁部にかけて先細りになっている。すなわち、ブレードの厚さは、これらの部分には炭素繊維プライが存在しないから、中央部では厚く、縁部（前縁および後縁を含む）では薄くなっている。適用されるガラス繊維プライの数は、前縁の部分または後縁の部分がガラス繊維プライによって完全に覆われる翼弦方向の長さの量につながる。より多くのガラス繊維プライが加えられるほど、後縁または前縁のより多くの部分が完全ガラスになる。このようにして、ブレードの後縁または前縁は、ガラス繊維プライが炭素繊維プライよりも障害に対する歪が大きいため、完全ガラス繊維プライの後縁または前縁が改善されたバードストライク能力を提供するように、鳥の衝撃時に最も高い歪みに耐えることができる。

一方向に実質的に延びる１つの個々のプライの中のこれらの繊維は、一方向繊維と呼ばれる。反対に、異なる方向に延びる１つの個々のプライにおけるこれらの繊維は、非一方向性繊維と呼ばれる。一方向繊維は非一方向繊維よりも優れた特性（すなわち、より高い強度）を有し、非一方向繊維と比較してより高い負荷に耐えることができるので、第２の複合繊維プライ３０は一方向繊維でできていることが好ましい。

図４は、本発明の別の実施形態によるブレードの前縁または後縁を例示的断面図で示す。図４に示すように、複数の第２の複合繊維プライ３０を使用して前縁２８または後縁２９にさらに歪み抵抗保護を与える。第２の複合繊維プライ３０は、前縁から後縁に向かって（または後縁から前縁に向かって）延び、表面２６、２７から内側に延びる第１の翼幅方向繊維プライ３１、第１の非翼幅方向繊維プライ３２、第２の翼幅方向繊維プライ３３、第２の非翼幅方向繊維プライ３４、第３の翼幅方向繊維プライ３５、および第３の非翼幅方向繊維プライ３６を含む。翼幅方向繊維プライは、第１の翼幅方向繊維プライ３１、第２の翼幅方向繊維プライ３３、および第３の翼幅方向繊維プライ３５を含む。これらの翼幅方向繊維プライは、翼幅方向に配列された繊維を有し、これは翼幅方向繊維プライ中の繊維がブレード２０の翼幅方向に対して０°であることを意味する。言い換えれば、これらの翼幅方向繊維プライ内の繊維は、ブレード２０の翼幅方向と平行な方向に配向されている。非翼幅方向繊維プライは、第１の非翼幅方向繊維プライ３２、第２の非翼幅方向繊維プライ３４、および第３の非翼幅方向繊維プライ３６を含む。図３に示す第１の複合繊維プライとは異なり、第１の複合繊維プライ４０は、前縁の端部および／または後縁の端部まで延びている。このようにして、第２の複合繊維プライおよび第１の複合繊維プライは両方とも前縁および／または後縁に存在する。

図５は、ブレードの前縁または後縁の拡大断面図を示す。図３および図４に示されるように、非翼幅方向繊維プライ３２、３４は、２つの隣接する翼幅方向繊維プライ３１、３３、３５の間に配置される。これは、２つの隣接する翼幅方向繊維プライが１つの非翼幅方向繊維プライによって離間されることを意味する。同様に、２つの隣接する非翼幅方向繊維プライも、１つの翼幅方向繊維プライによって離間される。例えば、第１の翼幅方向繊維プライ３１と第２の翼幅方向繊維プライ３３とは、第１の非翼幅方向繊維プライ３２によって離間される。

図５は、例示的に、第２の複合繊維プライの端部がブレードの翼弦方向に段違いに配置されていることを示している（図４も示す）。翼弦方向において、第１の翼幅方向繊維プライ３１、第１の非翼幅方向繊維プライ３２、第２の翼幅方向繊維プライ３３、第２の非翼幅方向繊維プライ３４、第３の翼幅方向繊維プライ３５、および第３の非翼幅方向繊維プライ３６の端部は、第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライとの間にインターロックを形成し、それによって複数の隣接する第２の複合繊維プライ（すなわち、２つ以上の隣接する第２の複合繊維プライ）が同じ箇所で終端するのを防ぐように、段違いに配置される。

図６は、本発明の一実施形態による、第２の複合繊維プライの端部がブレードの翼幅方向に段違いになっていることを例示的に示す。図６を参照すると、第２の複合繊維プライ３０は、ブレードの前縁または後縁に配置することができ、第２の複合繊維プライのそれぞれはブレードの１層全体の一部である。ブレードの１層全体において、第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライは２つの別々の部品であるが、それらは一緒に組み合わされて１つの全体層を形成する。翼幅方向において、第１の翼幅方向繊維プライ３１、第１の非翼幅方向繊維プライ３２、第２の翼幅方向繊維プライ３３、第２の非翼幅方向繊維プライ３４、第３の翼幅方向繊維プライ３５、および第３の非翼幅方向繊維プライ３６の端部もまた、第１の複合繊維プライ４０と第２の複合繊維プライ３０との間にインターロックを形成して、それによって複数の隣接する第２の複合繊維プライ（すなわち２つ以上の隣接する第２の複合繊維プライ）が同じ箇所で終端するのを防ぐように、段違いに配置される。実線で表されている第１の翼幅方向繊維プライ３１を除いて、他の第２の複合繊維プライ３２、３３、３４、３５、３６は点線や一点鎖線などの破線で表されている。最小矩形領域は２つの第２の複合繊維プライ３２、３５を表しており、第１の非翼幅方向繊維プライ３２および第３の翼幅方向繊維プライ３５は図６の１つの領域において重なっているが、一方は第１の非翼幅方向繊維プライ３２であり、他方は第３の翼幅方向繊維プライ３５である。

図５および図６に示すように、第２の複合繊維プライは、翼弦方向および翼幅方向の両方で異なるように終端しており、段違いのパターンを形成している。インターロックは、第２の複合繊維プライがどのように終端するかに依存する。本明細書で使用されるインターロックは、実際には、材料があるものから別のものへ、例えばすべての炭素から炭素およびガラスへ、そして次にすべてのガラスへと移行する領域に形成される。この領域では材料特性が急速に変化する。第２の複合繊維プライの端部は、ブレードの翼弦方向および／または翼幅方向に段違いになるように設計されており、これはこのような材料の移行を滑らかにするのに有利である。したがって、そのようなインターロックは、第２の複合繊維プライおよび／または第１の複合繊維プライの剥離を防止するであろう。

図７は、第１の複合繊維プライおよび第２の複合繊維プライに負荷が加えられたときの第１の複合繊維プライおよび第２の複合繊維プライの剥離を示す。図７に示すように、６つ全ての第２の複合繊維プライの端部は整列している、すなわちそれらはすべて同じまたは実質的に同じ箇所で終端しており、これは局所強度の弱さを生じ、第１の複合繊維プライのプライ間の剥離および第２の複合繊維プライのプライ間の剥離を引き起こす間に、第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライとの分離をもたらす。６つのすべての第２複合繊維プライではなく、２つまたは３つの隣接する第２の複合繊維プライだけが同じまたは実質的に同じ箇所で終端する場合にも局所強度の弱さが生じる可能性があることが理解される。

全体の第２の複合繊維プライを考慮すると、第２の複合繊維プライの長さは不規則に変化する。本明細書で使用される翼弦方向長さは、前縁２８から後縁２９まで延びる第２の複合繊維プライまたは第１の複合繊維プライの長さサイズを意味する。本明細書で使用される翼幅方向長さは、根元部２１から先端部２２まで延びる第２の複合繊維プライまたは第１の複合繊維プライの長さサイズを意味する。

第２の複合繊維プライの翼幅方向繊維プライのみを考慮すると、翼幅方向繊維プライの長さは規則的に変化する、すなわち、翼幅方向繊維プライの翼弦方向長さおよび翼幅方向長さは、第１の表面から内側に向かって単調に減少する。図５に示すように、第１の翼幅方向繊維プライ３１、第２の翼幅方向繊維プライ３３、および第３の翼幅方向繊維プライ３５の翼弦方向長さおよび翼幅方向長さは、表面から内側に向かって連続的に（図５の実線斜線に沿って）減少する。非翼幅方向繊維プライのみを考慮すると、非翼幅方向繊維プライの長さは、表面から内側に向かって単調に減少または増加しない。すなわち、非翼幅方向繊維プライの翼弦方向長さも翼幅方向長さも、表面から内側に向かって単調には減少も増加もしない。

図８は、本発明の別の実施形態におけるブレードの前縁または後縁の拡大部分断面図である。図８に示すように、ブレードは、複数の第１の複合繊維プライと複数の第２の複合繊維プライとを含む。第１複合繊維プライおよび第２複合繊維プライは、図５に示したものと同様に構成されている。第１の翼幅方向繊維プライ３１、第２の翼幅方向繊維プライ３３、および第３の翼幅方向繊維プライ３５の翼弦方向長さは、連続的に（実線斜線に沿って）減少する。一方、第１の翼幅方向繊維プライ３１、第２の翼幅方向繊維プライ３３、および第３の翼幅方向繊維プライ３５の翼幅方向長さもまた、表面から内側に向かって連続的に減少する（図には示されないが図６に示すものと同様）。非翼幅方向繊維プライ３２、３４および３６の翼弦方向長さおよび翼幅方向長さは、表面から内側に向かって単調には減少または増加しない。

図９〜図１１は、非翼幅方向繊維プライおよび翼幅方向繊維プライにおける、それらが一緒に製造されたときの繊維の配向を示す。図４および図５と共に図９を参照すると、第１の翼幅方向繊維プライ３１は、ブレードの翼幅方向に平行な（ブレードの翼幅方向に対して０°）繊維３１１を有する。第１の翼幅方向繊維プライ３１の下に隣接して配置された第１の非翼幅方向繊維プライ３２は、ブレードの翼幅方向に対して４５°の角度で配向された（実線で示す）繊維３２１を有する。代替として、第１の非翼幅方向繊維プライはまた、ブレードの翼幅方向に対して−４５°の角度で配向された（破線で示す）繊維３２１を有し得る。任意選択で、図１０に示されるように、第１の非翼幅方向繊維プライは、ブレードの翼幅方向に対して７５°の角度で配向された（実線で示す）繊維３２１を有し、またはブレードの翼幅方向に対して−７５°の角度で配向された（破線で示す）繊維３２１を有する。あるいは、図１１に示すように、第１の非翼幅方向繊維プライは、ブレードの翼幅方向に対して１５°の角度で配向された（実線で示す）繊維３２１を有し、またはブレードの翼幅方向に対して−１５°の角度で配向された（破線で示す）繊維３２１を有する。典型的には、第１の非翼幅方向繊維プライにおいて織られた繊維は、ブレードの翼幅方向に対して±１５°から±７５°の範囲の角度で配向することができる。

任意選択で、第１の非翼幅方向繊維プライは４５°の角度で配向した繊維を有することができ、第２の非翼幅方向繊維プライは１５°（または３０°）の角度で配向した繊維を有することができ、第３の非翼幅方向繊維プライは７５°（または６０°）の角度で配向した繊維を有することができる。したがって、第２の複合繊維プライシステム全体は、異なる方向に配向された異なる繊維を有し、これはシステムの強度および剛性を向上させるのに有益である。翼幅方向繊維プライは、ブレードの翼幅方向に平行に配向されているので、負荷の大部分を占める。外部負荷は、複数の方向から発生する。全てのプライの繊維が一方向のみに延びる場合、それはその方向には強いであろうが、実際には他の方向には強度の弱さをもたらすであろう。他の方向の非翼幅方向繊維プライにおける繊維の構成は、第２の複合繊維プライシステムの隣接するプライ間の繊維を交差させて角度を形成させる。これは、第２の複合繊維プライシステムに生じる強度の弱さを防ぐのに役立ち、それによってシステムの強度と剛性を高める。図９〜図１１に示すように、第１の非翼幅方向繊維プライの繊維３２１は例示のためだけであり、限定のためではない。すなわち、ブレードの翼幅方向に対して±１５°から±７５°の間の角度（例えば、±２０°、±３０°、±４０°、±４５°、±５０°、±６０°、±７０°、または±７５°）で配向された繊維は、任意の他の非翼幅方向繊維プライ、例えば第２または第３の非翼幅方向繊維プライに適用することができる。

再び図３〜５を参照すると、第１の非翼幅方向繊維プライ３２および第３の翼幅方向繊維プライ３５は、同じ箇所で終端するかまたは実質的に同じ箇所で終端することが分かる。しかしながら、第１の非翼幅方向繊維プライ３２および第３の翼幅方向繊維プライ３５は、第２の翼幅方向繊維プライ３３および第２の非翼幅方向繊維プライ３４（２プライ）によって分離されており、これは、２つの隣接する繊維プライが同じ箇所で終端するのを避け、それによって局所的な強度の弱さを形成する可能性を減らす。しかしながら、これは、少なくとも１つのプライが、同じ箇所または実質的に同じ箇所で終端する２つの隣接する第２の複合繊維プライの間に配置されている場合にも有効である。

複数の第２の複合繊維プライのうちの２つ以下のプライが同じ箇所で終端するかまたは実質的に同じ箇所で終端することが最適である。一実施形態では、複数の第２の複合繊維プライのうちの２つ以下のプライが、翼弦方向および翼幅方向の両方において、同じ箇所でまたは実質的に同じ箇所で終端する。図５に示すように、２つのプライが同じ箇所または実質的に同じ箇所で実質的に終端することは、２つのプライ３２、３５の長さ（例えば、翼弦方向長さまたは翼幅方向長さ）が±１００ミル以内で異なる（差Ｄが−１００ミルから１００ミルまでである）ことを意味する。別の実施形態では、複数の第２の複合繊維プライのうちの２つ以下のプライ３２、３５は、第２の複合繊維プライの１つのプライの平均厚さの２０倍以内の実質的に同じ箇所の差（差Ｄ）で終端する。

図３を続けると、ほんの少量の第２の複合繊維プライ（すなわちガラスプライ）だけでは、ブレードの後縁での高歪みに耐える能力を提供するのに十分ではないであろう。任意選択で、複数の第１の複合繊維プライ４０のそれぞれの翼弦方向の長さＬ１は、ブレードの翼弦方向の全体の長さの５０％から９９％を占め、複数の第２の複合繊維プライ３０のそれぞれの翼弦方向の長さＬ２は、ブレードの翼弦方向の全体の長さの１％から５０％を占める。本明細書で使用される翼弦方向の長さは、前縁から後縁まで延びる第２の複合繊維プライまたは第１の複合繊維プライの長さサイズを意味する。

ブレードの縁部の厚さは、全体として第２の複合繊維プライ（すなわちガラス繊維プライ）から構成され、ブレードの翼弦方向の全体の長さの１％〜５０％を占める。ブレードの厚さは、ブレードの中央部で厚くなり、ブレードの縁部で薄くなるように先細りになっている。使用される第２の複合繊維プライの数は、その部分が完全にガラスのような第２の複合繊維材料である翼弦方向の長さの量を決める。ガラスのような強化繊維材料は改良されたバードストライク能力を提供するために障害に対してより大きい歪みを有するので、より多くの第２の複合繊維プライは、鳥の衝撃時のより大きなひずみに耐えるブレードの後縁または前縁を作る。

別の実施形態では、第２の複合繊維プライ３０は、（図２に示す）後縁２９を包み込んで後縁を覆う。第２の複合繊維プライ３０は、図３、図４および図５に示すものと同じまたは類似の構造を有し得る。

図１２、図１３および図１４は、本発明の異なる実施形態におけるブレードの例示的断面図である。図１２に示すように、第２の複合繊維プライ３０は、後縁の周りを包むブレードの後縁２９に配置される。図１３に示すように、第２の複合繊維プライ３０は、前縁の周りを包むブレードの前縁２８に配置される。図１４に示すように、第２の複合繊維プライ３０は、両方の２つの縁部の周りを包むブレードの前縁２８と後縁２９の両方に配置される。本開示によれば、第２の複合繊維プライ（すなわちガラス繊維）は、前縁、後縁、またはその両方に配置することができる。しかし、強化ガラス繊維プライがより多く重ねられている一方で、複合炭素繊維プライがより少なく重ねられている場合、ブレードの剛性が低下する。そこで、強化ガラス繊維プライをブレードの表面全体に配置することは示唆されていない。

図１５は、本発明の一実施形態によるブレードの製造方法のプロセスを示す図である。１層のブレード全体において、第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライは２つの別々の部品であるが、それらは一緒に組み合わされて１つの全体層を形成する。図１５に示すように、１つの第１の複合繊維プライをブレード上に敷設し（１１０）、次に１つの第２の複合繊維プライをブレード上に敷設し（１２０）、それを第１の複合繊維プライと組み合わせてブレードの全体層を形成する（１３０）。第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライとを含むブレードの各全体層は、次の全体層を敷設する前に敷設され、所望の層がブレード上に得られるまでステップ１１０からステップ１３０を繰り返す（１４０）。第２の複合繊維プライを第１の複合繊維プライに組み合わせる工程の間、第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライとの間のインターロックが、第２の複合繊維プライが終端して第１の複合繊維プライと合致する領域に形成されるように、第２の複合繊維プライの端部を段違いにする（例えば、ブレードの翼弦方向と翼幅方向の両方において段違いにする）。

図１６は、本発明の他の実施形態によるブレードの製造方法のプロセスを示す図である。図１５に示すステップ１１０およびステップ１２０は、図１６において反対の順序に逆にすることができる。図１６に示すように、最初に全層の１つの第２の複合繊維プライ（すなわちガラス繊維プライ）をブレード上に敷設し（２１０）、その後、全体層の１つの第１の複合繊維プライ（すなわち炭素繊維プライ）を敷設し（２２０）、それらを組み合わせてブレードの第１の全体層を形成し（２３０）、実際の要求にしたがって予想される数の全体層が達成されるまで、ブレードの前の全体層（すなわち第１の全体層）の上に次の全体層（すなわち第２の全体層）を形成するために前述のステップを繰り返す（２４０）。

図１５および図１６に示す工程中、ブレード２０は、ブレードの片側からブレードの反対側に向かって、またはブレードの両側から同時に構成することができる。第１の複合繊維プライと第２の複合繊維プライとは、オートクレーブ硬化、プレス硬化、樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）、真空アシスト樹脂トランスファー成形（ＶＡＲＴＭ）などの当技術分野において知られている任意の従来技術によって一緒に組み合わされる。本明細書で使用される「組み合わせる」、「組み合わせた」および／または「組み合わせ」という表現は、第１の複合繊維プライおよび第２の複合繊維プライがブレード上に一緒に敷設されるときに物理的に接合されるのではなく、第１の複合繊維プライおよび第２の複合繊維プライが互いに合致することを意味することを意図している。

第１の複合繊維プライおよび第２の複合繊維プライの厚さは、ブレードの実際の要件に応じて変わり得る。上記の実施形態で表され、以下の添付の特許請求の範囲で定義されるブレードは、航空機のエンジン（すなわち、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣｏｍｐａｎｙのＧＥ９Ｘ）に組み込まれ得る。

本出願による第２の複合繊維プライは、タービンブレードにも同様に適用可能であることが理解されよう。すなわち、第２の複合繊維プライは、タービンブレードの前縁および／または後縁に配置される。

炭素複合繊維が高い剛性および高い強度を有することは当技術分野において知られている。いくつかのブレードは、後縁および／または前縁までずっと延びるように設計された炭素複合繊維を使用する。しかしながら、炭素複合繊維は、ガラス繊維と比較して障害に対する歪みが少ない。したがって、バードストライクのような外部負荷がブレードに加えられたときに高い剛性および強度を有するとともに高い歪みに耐えるブレードを得るために、本開示は、ガラス繊維のような強化繊維材料、およびブレードの翼弦方向および翼幅方向の両方において第２の複合繊維プライの段違いの端部によるインターロック生成遷移領域などの強化構造を採用する。ガラス繊維は、障害に対する歪みが大きく、炭素複合繊維と比較して改良されたバードストライク能力をもたらす。強化翼幅方向ガラスプライの翼弦方向長さおよび翼幅方向長さは、表面から内側に向かって単調に先細りになっている。強化非翼幅方向ガラスプライの翼弦方向長さおよび翼幅方向長さは、表面から内側に向かって単調に増加または単調に減少することはない。これにより、すべての炭素から炭素およびガラス、そしてすべてのガラスへの滑らかで堅牢な移行が実現する。本開示のブレードは、１）後縁および／または前縁での障害に対してより高い歪みを有する、２）ブレードをより薄くし、より大きな翼弦で設計することを可能にする、および３）エンジンまたはそのようなエンジンを組み込む航空機のような機械を良好な性能および高効率にすることができる、という利点を有する。

本明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するために、また当業者が任意の装置またはシステムを製造および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含めて本発明を実施することを可能にするために例を使用する。本開示の特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが請求項の文言と異ならない構造要素を含む場合、またはそれらが請求項の文言とは実質的に異ならない同等の構造要素を含む場合、請求項の範囲内にあることが意図される。

最後に、代表的な実施形態を以下に示す。

[実施態様１]
複数の第１の複合繊維プライ（４０）と、
複数の第２の複合繊維プライ（３０）と、
を含み、
前記第２の複合繊維プライ（３０）が終端して前記第１の複合繊維プライ（４０）と合致する領域に前記第１の複合繊維プライ（４０）と前記第２の複合繊維プライ（３０）との間のインターロックが形成されるように、前記第２の複合繊維プライ（３０）の端部が段違いになっている、
ブレード（２０）。

[実施態様２]
前記第２の複合繊維プライ（３０）は、一方向繊維（３１１、３２１）を含む、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様３]
複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）は、
前記ブレード（２０）の表面から内側に向かって翼弦方向長さおよび翼幅方向長さの両方において単調に減少する翼幅方向繊維プライ（３１、３３、３５、３７）を含む、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様４]
複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）は、
前記ブレード（２０）の表面から内側に向かって単調に減少または増加しない非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６、３８）を含む、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様５]
複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）は、翼幅方向繊維プライ（３１、３３、３５、３７）および非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６、３８）を含み、前記非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６）は、隣接する翼幅方向繊維プライ（３１、３３、３５、３７）が非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６）によって隔てられるように、前記隣接する翼幅方向繊維プライ（３１、３３、３５、３７）の間に配置される、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様６]
前記非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６、３８）は、１５°から７５°の間の角度に配向された繊維（３２１）を有する、および／または前記ブレード（２０）の翼幅方向に対して−７５°から−１５°の間の角度に配向された繊維（３２１）を有する、
実施態様５記載のブレード（２０）。

[実施態様７]
前記非翼幅方向繊維プライは、４５°の角度に配向された繊維（３２１）を有する、および／または前記ブレード（２０）の前記翼幅方向に対して−４５°の角度に配向された繊維（３２１）を有する、
実施態様５記載のブレード（２０）。

[実施態様８]
複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）のうちの２つ以下のプライ（３２、３５）は、同じ箇所または実質的に同じ箇所で終端する、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様９]
複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）のうちの２つ以下のプライ（３２、３５）は、１００ミル以内で異なる前記実質的に同じ箇所で終端する、
実施態様８記載のブレード（２０）。

[実施態様１０]
複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）のうちの２つ以下のプライ（３２、３５）は、前記第２の複合繊維プライ（３０）の１つのプライの平均厚さの２０倍以内で異なる前記実質的に同じ箇所で終端する、
実施態様８記載のブレード（２０）。

[実施態様１１]
少なくとも１つのプライは、前記同じ箇所または前記実質的に同じ箇所で終端する隣接する前記第２の複合繊維プライ（３０）の間に配置される、
実施態様８記載のブレード（２０）。

[実施態様１２]
複数の前記第１の複合繊維プライ（４０）のそれぞれの翼弦方向の長さは、前記ブレード（２０）の翼弦方向の全体の長さの５０％から９９％を占め、複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）のそれぞれの翼弦方向の長さは、前記ブレード（２０）の前記翼弦方向の全体の長さの１％から５０％を占める、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様１３]
複数の前記第１の複合繊維プライ（４０）は、前記ブレード（２０）の前縁の端部および／または後縁の端部まで延びない、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様１４]
前記ブレード（２０）の縁部の厚さは、前記ブレード（２０）の前記翼弦方向の全体の長さの１％から５０％を占める第２の複合繊維プライ（３０）から完全に構成される、
実施態様１３記載のブレード（２０）。

[実施態様１５]
前記第２の複合繊維プライ（３０）は、前記ブレード（２０）の後縁および／または前縁に配置される、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様１６]
前記第２の複合繊維プライ（３０）は、ブレード（２０）の第１の表面からブレード（２０）の第２の表面まで後縁および／または前縁の周りに延びる、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様１７]
複数の前記第１の複合繊維プライ（４０）の繊維は、炭素繊維から選択される、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様１８]
複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）の繊維は、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリマー繊維およびバサルト繊維から選択される、
実施態様１記載のブレード（２０）。

[実施態様１９]
実施態様１記載のブレード（２０）を含む、
航空機のエンジン。

[実施態様２０]
ブレード（２０）を製造する方法であって、
前記ブレード（２０）上に複数の第１の複合繊維プライ（４０）を敷設するステップと、
前記複数の第１の複合繊維プライ（４０）と組み合わせて複数の第２の複合繊維プライ（３０）を敷設し、前記第２の複合繊維プライ（３０）が終端して前記第１の複合繊維プライ（４０）と合致する領域に前記第１の複合繊維プライ（４０）と前記第２の複合繊維プライ（３０）との間のインターロックが形成されるように、前記第２の複合繊維プライ（３０）の端部を段違いにするステップと、
を含む、方法。

１０／２０ ブレード
２１ 根元部
２２ 先端部
２６ 窪み状の圧力側
２７ 突状の負圧側
２８ 前縁
２９ 後縁
３０ 第２の複合繊維プライ（プライ）
３１ 第１の翼幅方向繊維プライ
３２ 第１の非翼幅方向繊維プライ
３３ 第２の翼幅方向繊維プライ
３４ 第２の非翼幅方向繊維プライ
３５ 第３の翼幅方向繊維プライ
３６ 第３の非翼幅方向繊維プライ
３７ 第４の翼幅方向繊維プライ
３８ 第４の非翼幅方向繊維プライ
４０ 第１の複合繊維プライ（プライ）
１００ 炭素複合繊維層
１１０ ブレード上に１つの第１の複合繊維プライを敷設する
１２０ ブレード上に１つの第２の複合繊維プライを敷設する
１３０ 第２の複合繊維プライを第１の複合繊維層と組み合わせてブレードの全体層を形成する
１４０ ブレード上に所望の層が得られるまでステップ１１０からステップ１３０を繰り返す
２１０ ブレード上に１つの第２の複合繊維プライを敷設する
２２０ ブレード上に１つの第１の複合繊維プライを敷設する
２３０ 第１の複合繊維層を第２の複合繊維プライと組み合わせてブレードの全体層を形成する
２４０ ブレード上に所望の層が得られるまでステップ２１０からステップ２３０を繰り返す
３１１／３２１ 繊維

Claims (10)

1. 複数の第１の複合繊維プライ（４０）と、
   複数の第２の複合繊維プライ（３０）と、
   を含み、
   前記第２の複合繊維プライ（３０）が終端して前記第１の複合繊維プライ（４０）と合致する領域に前記第１の複合繊維プライ（４０）と前記第２の複合繊維プライ（３０）との間のインターロックが形成されるように、前記第２の複合繊維プライ（３０）の端部が段違いになっている、
   ブレード（２０）。
2. 前記第２の複合繊維プライ（３０）は、一方向繊維（３１１、３２１）を含む、
   請求項１記載のブレード（２０）。
3. 複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）は、
   前記ブレード（２０）の表面から内側に向かって翼弦方向長さおよび翼幅方向長さの両方において単調に減少する翼幅方向繊維プライ（３１、３３、３５、３７）を含む、
   請求項１記載のブレード（２０）。
4. 複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）は、
   前記ブレード（２０）の表面から内側に向かって単調に減少または増加しない非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６、３８）を含む、
   請求項１記載のブレード（２０）。
5. 複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）は、翼幅方向繊維プライ（３１、３３、３５、３７）および非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６、３８）を含み、前記非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６）は、隣接する翼幅方向繊維プライ（３１、３３、３５、３７）が非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６）によって隔てられるように、隣接する翼幅方向繊維プライ（３１、３３、３５、３７）の間に配置される、
   請求項１記載のブレード（２０）。
6. 前記非翼幅方向繊維プライ（３２、３４、３６、３８）は、１５°から７５°の間の角度に配向された繊維（３２１）を有するか、若しくは、前記ブレード（２０）の翼幅方向に対して−７５°から−１５°の間の角度に配向された繊維（３２１）を有するか、又はその両方を有する、
   請求項４または５記載のブレード（２０）。
7. 複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）のうちの２つ以下のプライ（３２、３５）は、同じ箇所または実質的に同じ箇所で終端する、
   請求項１乃至６のいずれか１項記載のブレード（２０）。
8. 複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）のうちの２つ以下のプライ（３２、３５）は、１００ミル以内で異なる前記実質的に同じ箇所で終端するか、または、複数の前記第２の複合繊維プライ（３０）のうちの２つ以下のプライ（３２、３５）は、前記第２の複合繊維プライ（３０）の１つのプライの平均厚さの２０倍以内で異なる前記実質的に同じ箇所で終端する、
   請求項７記載のブレード（２０）。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項記載のブレード（２０）を含む、
   航空機のエンジン。
10. ブレード（２０）を製造する方法であって、
    前記ブレード（２０）上に複数の第１の複合繊維プライ（４０）を敷設するステップ（１１０）と、
    前記複数の第１の複合繊維プライ（４０）と組み合わせて複数の第２の複合繊維プライ（３０）を敷設し（１２０）、前記第２の複合繊維プライ（３０）が終端して前記第１の複合繊維プライ（４０）と合致する領域に前記第１の複合繊維プライ（４０）と前記第２の複合繊維プライ（３０）との間のインターロックが形成されるように、前記第２の複合繊維プライ（３０）の端部を段違いにする（１３０）ステップと、
    を含む、方法。