JP2022521728A - ターボ機械のプロペラブレードを修理する方法 - Google Patents

Abstract

ターボ機械ロータ、特にターボ機械ファンのブレード（１０）を修復する方法であって、このブレードは、有機マトリクス複合体製のベーン（１２）と、ベーンの前縁に接合された金属シールド（１４）とを備え、金属シールド（１４）は損傷領域（２０）を有し、本方法は、ベーンの前縁をリセットするステップと、ベーン全体を冷却するステップと、この損傷領域（２０）に金属材料を添加し、レーザを用いて材料を溶融させることによって損傷領域（２０）を再充填するステップと、溶融材料を機械加工することによって損傷領域（２０）を仕上げるステップと、を備える。

Description

本発明は、ターボ機械のプロペラブレード、特にこのターボ機械のファンの修理方法に関する。

先行技術は、特に、文献欧州特許出願公開第３０４５２６０号明細書、独国特許出願公開第１０２０１０００６３８４号明細書および仏国特許出願公開第３０４６５５７号明細書を含む。

航空機ターボ機械は、ダクト型または非ダクト型とすることができる１つ以上のプロペラを含む。本発明は、特に、ファンのブレード、すなわちダクト型プロペラのブレードに適用されるが、他のタイプのプロペラ、例えば、ターボプロップエンジンの非ダクト型プロペラにも適用される。

ターボ機械プロペラは、空気流によって横断され、そのブレードは、摩耗又は衝撃によって、例えば、鳥がブレードに衝撃を与えることによって生じるＦＯＤ（飛行物体損傷）タイプのように、損傷を受けることがある。

本発明は、損傷領域を有するプロペラブレードの修理に関し、より詳細には、有機マトリクス複合材料（ＯＭＣ）製のベーンと、ベーンの前縁に接合された金属シールドとを備えるプロペラブレードの修理に関する。

既知の方法では、ＯＭＣベーンは、ポリマーマトリクスに埋め込まれた織物プリフォームを具備することができる。プリフォームは、炭素繊維を三次元で織ることによって得られる。

シールドは、用途仏国特許出願公開第３０４６５５７号明細書に記載されているように、ベーンの圧力側および吸込側にそれぞれ延在する２つの横方向翼部と、２つの翼部を連結するノーズとを備えている。特に、プロペラを通過するガスの流れに非常に曝されるこれらの２つの横方向翼部およびこのノーズは、特に、摩耗、衝撃またはエロージョンによる摩耗のリスクを受ける。特に、ターボ機械の上流側に向いており、運転中にガス流が通過するプロペラの前縁を形成するノーズは、損傷のリスクに最も曝される。

欧州特許出願公開第３０４５２６０号明細書 独国特許出願公開第１０２０１０００６３８４号明細書 仏国特許出願公開第３０４６５５７号明細書

本発明は、このタイプのプロペラブレードを修理するための、簡単で、効果的で、経済的な解決策を提供する。

本発明は、ターボ機械用プロペラのブレード、特にターボ機械用ファンのブレードの修理方法を提案するものであって、このブレードは、有機マトリクス複合材からなるベーンと、前記ベーンの前縁に接合された金属シールドとを備え、前記金属シールドは、損傷領域を有し、前記損傷領域に金属材料を添加し、前記材料をレーザ溶融して前記損傷領域を補充する工程と、前記溶融材料を機械加工することによって金属領域を仕上げる工程と、を備えるものである。

このように、本発明は、ブレードのシールドをその場で、すなわち、ブレードからシールドを取り外したり除去したりすることなく、修理することを提案する。これは、この種のブレードの修理を簡素化しかつ加速するとともに、シールドが損傷しても修理可能なままであるときにブレードをスクラップすることを回避するので、特に有利である。

本発明によれば、前記再充填および仕上ステップの前に、本方法は、ベーンの前縁をリセットするステップと、ベーン全体を冷却するステップとを備える。

損傷領域の再充填ステップの上流で、前縁をリセットするステップを追加することにより、損傷前縁の実際のプロファイル（または幾何学的形状）を正確に測定することができる。実際、ターボ機械で使用した後のブレードは変形することがあり（いわゆる実プロファイルのブレード）、それゆえ、使用後のブレードの寸法は、生産直後の新しいブレード（いわゆる理論プロファイルのブレード）の寸法には対応しなくなるであろう。従って、本発明による方法は、その前縁の実際のプロファイル（理論的プロファイルに関して変化した可能性がある）に従って、ブレードの損傷領域を具体的に修復することを可能にする。さらに、このリセットステップにより、ブレードの前縁の損傷領域を正確に識別することができる。これは、補充ステップが、厳密に必要な量の材料を、修理されるべき損傷領域のミリメートルに堆積させることを可能にする。

補充工程の前にベーンを冷却する工程を追加することにより、ベーンの前縁の温度を、接着剤接合部または２つの材料の間の界面（すなわち、前縁の金属シールドと有機マトリクス複合体から作られたベーン）の近くで制御することができる。事実、ブレードの損傷領域上に材料を堆積および溶融するステップの間、接着剤接合部に対して最大許容温度（おそらく１２０℃）にベーンを維持するように、ベーンの全容積が冷却される。従って、一般に、材料のレーザ溶融を達成するための補充パラメータは、ベーンの局所的な過熱および劣化を回避しつつ、最適化される。

本発明による方法は、互いに分離して、または互いに組み合わせて行われる、以下の特徴および／またはステップのうちの１つまたは複数を含むことができる。
－リセットステップは冷却ステップの前または同時に実行される。
－リセットステップは可動プローブによって行われる。
－ベーンは＋２０～－２０℃、好ましくは０～－２０℃の温度に冷却される。
－金属シールドは、ベーンの圧力側および吸込側にそれぞれ延在する２つの側翼部と、２つの翼部を連結するノーズとを備え、損傷領域はノーズ上に位置している。
－温度しきい値が予め定められ、この温度しきい値は、接着剤および／またはベーンによって許容される最高温度に対応し、レーザ溶融は、機械によって実行され、機械のパラメータは、接着剤および／またはベーンが、このしきい値に達することを防止するように設定される。
－しきい値は１２０℃である。
－充填材料はシールドの材料と同一である。
－充填材はＴＡ６Ｖである。
－前記充填材は炭化チタンＴｉＣである。
－少なくとも補充ステップの間、ブレードは、領域が上方を向くようにフレーム上に保持される。
－補充工程中に領域が冷却される。
－冷却は、伝導、室温での中性ガス、冷却された中性ガス、液体または固体元素の放出などによって行われる。
－冷却は、極低温またはペルチェ効果によって保証される。
－レーザ溶融は、可動性レーザヘッドによって行われる。
－リセットステップおよび再充填ステップは、それぞれ、プローブおよびレーザヘッドを備える単一の装置によって実行され、装置は、一方では旋回することによって、リセットステップ中にプローブをベーンの前縁に接触させ、他方では、再充填ステップ中にレーザヘッドをベーンの前記前縁に対向させることが可能である。
－レーザ溶融は、ＬＭＤ（Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはμｌａｓｅｒによって行われる。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１は、ターボ機械用プロペラブレードの概略斜視図であり、特にターボ機械用ファンの概略断面図である。 図２は、図１に示すようなブレードのシールドの概略断面図である。 図３は、本発明に係る方法を実施するための装置の部分概略斜視図である。 図４は、図３の装置の部分概略斜視図であり、再設定ステップが実施されている。 図５は、図３の装置の部分概略斜視図であり、再充填ステップが実施されている。

図１は、プロペラブレード１０、特に航空機ターボ機械のファンを示す。このブレード１０は、有機マトリクス複合材製のベーン１２と、前縁に接合された金属シールド１４とを備えている。

ベーン１２は、前縁に対向する後縁１６と、ベーンの前縁と後縁の間に延在する圧力側と吸込側とを更に備える。

ブレードは、注記Ａの長手軸線を有し、ベーン１２の一方の長手方向の端部は自由であり、反対の長手方向の端部は、ターボ機械のロータにブレードを取り付けるために根元部１８に接続されている。

図２から分かるように、シールド１４は、ベーン１２の圧力側および吸入側にそれぞれ延在する２つの横方向翼部１４ａと、２つの翼部１４ａを連結するノーズ１４ｂと、を備えている。

翼部１４ａ、１４ｂは、それらの間に、シールドをベーンに取り付けるための接着剤と同様に、ベーン１２の前縁を受け入れるための空洞を画定する。

金属シールド１４のセットは、損傷を受けやすく、したがって、損傷領域２０を有する。その後、シールド１４は、修理のための方法を受けなければならない。特に、ノーズ１４ｃは、図２に示すように損傷を受けやすい。しかしながら、これは一例に過ぎず、本発明は、金属シールド１４のどの部分にも区別することなく適用することができる。

有利には、衝撃または摩耗を含む損傷領域２０は、ブレード１０の頂部（または頭部）からベーンの全長の少なくとも３分の２までに配置される。ブレード１０の長さは、その長手軸線Ａに対して測定される。より詳細には、領域２０は、ブレード１０の頂部からブレード１０のシールド１４の中央部分まで延在している。この中央部分は、ブレード１０の前縁の空気力学的プロファイルの湾曲部分に対応することができる。

ノーズ１４ｃは、損傷を受けやすく、その後、修復方法を受けることができる。

本発明は、プロペラブレード１０のシールド１４の損傷領域２０を修復する方法を提案し、該方法は、
（ａ）ベーン１２の前縁をリセットするステップと、
（ｂ）ベーン１２全体を冷却する工程と、
（ｃ）領域２０に金属材料を添加し、材料（理想的にはベースと充填剤の両方）をレーザ溶融することによって、領域２０を再充填するステップと、
（ｄ）溶融材料を機械加工することによって領域２０を仕上げる工程と、
を備える。

冷却工程（ｂ）は、リセット工程（ａ）の後またはリセット工程（ａ）中に行ってもよい。

図３は、本発明による方法を実施するための装置２２の一例を示す。

この装置２２は、ブレード１０を固定および位置決めするためのフレーム２４を備えている。ブレード１０を保持するための支持体２３によって、ブレード１０を装置２２内に固定的に配置することができる。この例では、多数の支持体２３が、根元部１８、後縁１６およびブレード１０の頂部を保持する。ブレード１０は、その軸線Ａが実質的に水平になるように配置される。フレーム２４は、ブレード１０が軸線Ａの周りに移動可能に取り付けられ、シールド１４、特にその損傷領域２０が図示の例のように（好ましくはレーザヘッド２６に対して垂直に）上方を向くように配置され得るように設計されてもよい。

図４を参照すると、システム２２は、ブレード１０の前縁に、特に領域２０を位置決めするために触れることによって調べることができるプローブ２７を備える。プローブ２７は、シールド１４のノーズ１４ｃの縁部または頂部、および／またはシールド１４の翼部１４ａ、１４ｂの正圧側および負圧側と接触することができる。非限定的に、感知されるべき幾つかの点２７’が図３に示されている。

装置２２は、好ましくは伝導による冷却システム３０を備える。この例では、非限定的な方法で、ブレード１０は、システム３０によって少なくとも部分的に取り囲まれている。より具体的には、システム３０は、ブレードの前縁を具体的に冷却するように設置される。

図５を参照すると、装置２２は、領域２０上に集束されるレーザビームを生成するように構成されたレーザヘッド２６も備える。好ましくは、ヘッド２６は、再充填材料を領域２０に加えるためのシステム２８を備えている。レーザヘッド２６およびプローブ２７は可動である。有利には、レーザヘッド２６およびプローブ２７は、装置２２の同じアーム２５上に配置される（図４で見える）。アーム２５は、好ましくは９０～１８０°の間で旋回して、レーザヘッド２６またはプローブ２７のいずれかをブレード１０に対して視界に入れることができる移動装置である。

充填材料は、シールド１４の材料と同一であることが好ましく、例えばＴＡ６Ｖである。有利には、充填材料は炭化チタンＴｉＣである。

材料は、レーザによって、より具体的にはＬＭＤまたはマイクロレーザ法によって溶融される。ＬＭＤは連続レーザビームを使用するが、マイクロレーザはパルスビームを実装する。連続レーザの場合、レーザは母材と充填材を連続的に加熱する。その結果、熱は同じ領域に蓄積し、母材中を伝播する。パルスレーザの場合、レーザは点線で「発射」し、侵襲性が低く、熱の拡散領域を制御することができる。

ブレード１０の健全性を確保するためには、シールド１４の温度を正確に制御することが重要となる場合がある。シールドが高温になればなるほど、ベーンの接着剤および材料に熱をより伝導させて損傷させる可能性があるからである。例えば、接着剤が溶融し、シールドがベーンから外れる危険性がある。

実際には、温度閾値は、好ましくは予め決定され、この温度閾値は、接着剤および／またはベーンによって許容される最高温度に対応する。レーザヘッド２６および冷却システム３０のパラメータは、接着剤および／またはベーンがこの閾値に達しないように調整されることが好ましい。この閾値は、例えば１２０℃である。

冷却システム３０は、極低温（例えば、液体ＣＯ２またはドライアイスまたは噴霧回路の上流で冷却される中性ガスを噴霧することによって）またはペルチェ効果によってベーン１２またはブレード１０を冷却するように設計されてもよい。冷却温度は、例えば＋２０～－２０℃、好ましくは０～２０℃である。

本発明はいくつかの利点を有する。
ブレードをできるだけ早く使用状態に戻すためのブレードの迅速な修理。
サービスから戻るブレードの、実際の空気力学的プロファイルに適合させることによる修理。
シールドを取り外し、接着剤の残留物を除去するためにシールドを洗浄する必要がない。
ペアリング問題を回避するためにシールドを取り外さないようにする。
オーブン、クリーンルーム、真空装置などの特定の手段を使用せずに、バイマテリアル（複合材料－金属材料）で部品を修理する。
レーザ溶接および冷却システムで使用される低エネルギーのおかげで、複合材料（またはバイマテリアルアセンブリを可能にする接着剤）を変更することなく金属シールドを再充填すること。
再充填によるシールドの変形を制限する。
ターボ機械における新しい使用のために（変形する可能性がある）ブレードの耐用年数を延ばす。
使用済みブレードの廃棄を制限する。

Claims (15)

1. ターボ機械のプロペラ、特にターボ機械のファンのブレード（１０）を修理するための方法であって、このブレードは、有機マトリクス複合体製のベーン（１２）と、ベーンの前縁に接合された金属シールド（１４）とを備え、金属シールド（１４）は損傷領域（２０）を有し、この方法は、この損傷領域（２０）に金属材料を追加し、材料をレーザ溶融することによって損傷領域（２０）を再充填する再充填ステップと、溶融材料を機械加工することによって損傷領域（２０）を仕上げる仕上ステップとを備え、前記再充填ステップおよび前記仕上ステップの前に、ベーン（１２）の前縁をリセットするリセットステップと、ベーン（１２）全体を冷却する冷却ステップとを備えることを特徴とする、方法。
2. リセットステップは、前記冷却ステップの前に、または前記冷却ステップと同時に実行される、請求項１に記載の方法。
3. リセットステップは、可動プローブ（２７）によって実行される、請求項１または２に記載の方法。
4. ベーン（１２）が＋２０～－２０℃、好ましくは０～－２０℃の温度に冷却される、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 冷却は、極低温によって、またはペルチェ効果によって保証される、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 金属シールド（１４）は、ベーンの圧力側および吸込側にそれぞれ延在する２つの横方向翼部（１４ａ、１４ｂ）と、前記２つの翼部を連結するノーズ（１４ｃ）とを備え、前記損傷領域（２０）が前記ノーズ（１４ｃ）上に位置することを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 温度しきい値が予め定められ、この温度しきい値は、接着剤および／またはベーンによって許容される最高温度に対応し、レーザ溶融は、接着剤および／またはベーンがこのしきい値に到達するのを防止するようにパラメータが設定された機械によって実行される、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 閾値が１２０℃である、請求項７に記載の方法。
9. 充填材料は、シールドの材料と同一である、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
10. 充填材料がＴＡ６Ｖである、請求項９に記載の方法。
11. 充填材料が炭化チタン（ＴｉＣ）である、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
12. 再充填ステップの間、少なくとも、ブレード（１０）は、領域（２０）が上方に向くようにフレーム（２４）上に保持される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。
13. レーザ溶融は、可動レーザヘッド（２６）によって行われる、請求項１～１２のいずれか１項に記載の方法。
14. リセットステップおよび再充填ステップは、それぞれプローブ（２７）およびレーザヘッド（２６）を備える単一の装置（２５）によって実行され、装置（２５）は、旋回することにより、一方では、リセットステップ中にプローブ（２７）をベーン（１２）の前縁と接触させ、他方では、再充填ステップ中にレーザヘッド（２６）をベーン（１２）の前縁に面させることが可能である、請求項１３に記載の方法。
15. レーザ溶融がＬＭＤまたはμレーザによって行われる、請求項１～１４のいずれか１項に記載の方法。

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