JP4130423B2 - タービンエンジン用の中空ブレードの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、中空ファンブレードなどのタービンエンジン用のブレード、またはタービンエンジン用の他のタイプのロータならびにステータブレードの製造方法の分野に関する。

通常、タービンエンジン用の中空ファンブレードは、このブレードをロータディスクに取り付けるために使用される比較的厚い根元（ｆｏｏｔ）を備えており、この根元は、ロータブレードと称される薄い空力部分によって、径方向外側に延長されている。

従来技術より、超塑性成形の使用と関連した拡散接合技術の使用に原則的に基づく、このような中空ブレードの製造方法が知られている。

実際、従来技術のこの方法において、所望のブレードのプリフォームを得るために、ブレードの２つまたは３つのコンポーネント部分が、最初に画定されて、次いで拡散接合技術によって相互に積層されかつ組み合わせられる前に別個に形成される。

続いて、実質的にその仕上げ形状を有するブレードを達成するために、すでに製造されているプリフォームのエアフォイルプロファイリングが実行され、次いでガス圧とこのプリフォームの超塑性成形とによって張出し成形（ｂｕｌｇｉｎｇ）される。

上述の通り、ブレードプリフォームの形成段階は、後にストリンガ（ｓｔｒｉｎｇｅｒ）として使用されるために、２つの外側部分と、可能ならばこれら２つの外側部分間に介在されるための中央部分の形成とを必要とする。

外側部分の製造は、一般的に、比較的大きな初期寸法を必ず有している供給要素の加工によって実行されるが、それは、２つの加工された外側部分の各々は、かなり異なる厚さの径方向に面するセクションを有していなければならないからであり、これらのセクションはそれぞれ、ブレードプリフォームの根元部分とこのブレードプリフォームのロータブレード部分とを画定するために使用されている。

従って、例えば積層によって得られる、少なくとも部分的にブレードプリフォームを構成するための外側部分の製造は、非常に高い材料コストと加工コストを生じるため、この中空ブレード製造方法は、完全には最適化されない。

この主な不都合を克服するために、少なくとも５つの部分の積層を含む単一の拡散接合段階によって、ブレードプリフォームを形成することが提案され、５つの部分のいくつかが、プリフォームの全長に沿って径方向に延び、かつ他の部分が、プリフォームの根元部分に沿ってのみ延びる。

しかしながら、文献ＵＳ−Ａ−４８８２８２３およびＥＰ−Ａ−１１８８４９７に明白に開示されているこの方法は、接合するユニットが、極めて多様な厚さ（根元／ロータブレード）と、多数の積層部分とを有している場合に、拡散接合技術の実現において主要な難題が生じるという不都合を有している。

さらに、積層部分の根元部分周辺の良好な気密性を保証する際に、重大な問題がまた生じる。
米国特許第４８８２８２３号明細書 欧州特許出願公開第１１８８４９７号明細書 米国特許第５４６９６１８号明細書 欧州特許出願公開第１２４５３２５号明細書 英国特許出願公開第７８９６５９号明細書 仏国特許出願公開第９７０５７８号明細書

従って、本発明の目的は、従来技術で実施されている方法と関連した上記の不都合を少なくとも部分的に解決する、タービンエンジン用の中空ブレードの製造方法を提案することである。

より正確には、本発明の目的は、ブレードプリフォームの形成段階が、従来技術で生じた製造コストと比較してかなり削減された製造コストですむ、中空ブレードの製造方法を提供することである。

これを達成するために、本発明の目的は、根元とロータブレードとを備えているタービンエンジン用の中空ブレードの製造方法であって、ロータブレード部分と根元部分とを有するブレードプリフォームの形成段階を含み、プリフォームの形成段階は、プリフォームが、共に積層されかつ拡散接合される少なくとも２つの部分からなるユニットを備えるように実行される。本発明によると、ブレードプリフォームの形成段階は、
プリフォームのロータブレード部分を単独で形成するように、共に積層されかつ拡散接合される少なくとも２つの部分からなるユニットを形成する作業と、
プリフォームの根元部分を全体的に形成するための追加要素を形成する作業と、
ブレードプリフォームを得るために、ユニットに追加要素を組み合わせる作業とを含む。

有利には、本発明に従った製造方法において、共に積層されかつ拡散接合される少なくとも２つの部分からなるユニットは、ブレードプリフォーム全体ではなく、ブレードプリフォームのロータブレード部分のみを構成するためのものである。

結果として、この拡散接合ユニットの形成は、各々かなり異なる厚さの２つのセクションを有するためのものであり、かつそれぞれブレードプリフォームのロータ部分の根元部分を画定するために使用されている、２つの外側部分のかなりコストのかかる形成をもはや組み込んでいない。反対に、この接合ユニットは、プリフォームの根元部分を構成していないので、その２つの外側部分は適切に画定され、その各々は比較的均一な厚さを有し、当然材料コストと加工コストの相当な削減をもたらすことになる。

さらに、本発明の別の利点は、拡散接合段階時に根元部分を組み込まないことにあり、このことは、接合するユニットが、極めて多様な厚さ（根元／ロータブレード）と多数の積層部分とを有する場合に生じるこの接合技術の実現困難性に直面することを回避する。事実、拡散接合ユニットは、プリフォームのロータブレード部分を単独で構成するために考えられているので、その結果、それは、各々が実質的均一な厚さを有している２つまたは３つの部分のみの積層によってのみ製造可能である。

さらに、拡散接合段階時に根元部分を組み込まないことによって、接合するための積層部分間の気密性がかなり容易になり、この気密性は、拡散接合技術の実現に必要である。事実、積層の根元部分の気密性は、形成が非常に困難であるとして当業者に知られているため、その点に気を使う必要がないということは真の利点となる。

さらに、追加要素の別個の形成は、同時に得られる拡散接合ユニットへ追加要素が組み合わせられる前に、この要素に対する全種類の中間加工作業を実行する可能性を提供する。

さらに、追加要素は、ブレードプリフォームのロータブレード部分の構成を考慮するのではなく、ブレードプリフォームの根元部分を全体的に形成することのみのためのものであり、特にそのより短い径方向長さによって、製造コストもまた最小化されることは明らかである。

従って、本発明は、特に複数の部分の一部に対する拡散接合によって、組み合わせられる前にすでに形成されている複数の部分を使用してブレードプリフォームを形成することを検討しており、これらの部分のいずれも、プリフォームの径方向全長に沿って存在しておらず、従って、その長さに沿ったブレードプリフォームの厚さの広範な変化に直接関連する不都合を容易に克服することができる。

好ましくは、各追加要素をユニットに組み合わせる作業は、線形摩擦接合と摩擦攪拌接合とからなるグループから選択される技術を使用して実現され、これらの技術は、比較的実現が容易で、信頼性が高く、コストが低く、金属学的に言えばほとんど破壊的でないという点で好ましい。

好ましくは、ブレードプリフォームの製造段階には、
プリフォームのエアフォイルプロファイリングする段階と、
ガス圧と超塑性成形によるエアフォイルプロファイリングプリフォームの張出し成形の段階とが続く。

プリフォームの根元部分を全体的に形成するための追加要素が、押出しによって形成されることが考えられ、これは製造コストに関してとりわけ有利な利点をもたらす。事実、実施されるこのコストの低い技術は、材料ビレットから適切なダイを介して、所望の形状を有する追加要素のプロファイルを形成することからなる。

本発明の他の利点および特徴は、以下の詳細な非制限的説明において明らかである。

この説明は、添付の図面と関連してなされる。

図１を参照すると、例えばチタンまたはその合金のうちの１つから形成される、タービンエンジン（図示せず）用の標準中空ブレード１が見られる。

大きな翼弦を有するファンロータブレードタイプのこの中空ブレード１は、径方向にロータブレード４によって延長されている根元２を備えている。

タービンエンジンの気流の循環経路に配置されるためのロータブレード４は、それぞれ上面６および下面８と称され、前縁１０と後縁１２によって接続されている２つの外面６および８を有している。

図２は、本発明に従った製造方法のブレードプリフォームの製造段階時に得られるためのブレードプリフォーム１６を示している。

このプリフォーム１４は、ロータブレード部分１８によって径方向に延長されている、可変で厚さのある根元部分１６を備えている。図２に見られるように、根元部分１６は、高い平均厚さＥの径方向内側セクション２０を有している。このセクション２０は、平均厚さＥよりも薄い平均厚さｅの径方向外側セクション２２によって、径方向外側に延長されている。情報目的のために、径方向内側セクション２０は、とりわけ根元部分１６の径方向外側セクション２２の延長部にはめ込まれている中央部分２３ｃの一方に配置されている、２つの突出部分２３ａおよび２３ｂによって、タービンエンジンのロータディスクにおけるブレードの固定を保証することを後に目的としている点に注目される。

さらに、プリフォーム１４のロータブレード部分１８は、平均厚さｅに実質的に等しい厚さｅ’の径方向内側端２４と、厚さｅ’より薄い厚さｅ’’の径方向外側端２６とを有している。しかしながら、プリフォーム１４のロータブレード部分１８は、実質的に均一の厚さを有している。

さらに、プリフォーム１４のロータブレード部分１８の径方向内側端２４と、根元部分１６の径方向外側セクション２２との間には、これらの要素は実質的に整列されているために、明確な境界がないことが示されている。にもかかわらず、図２に概略的に示されている摩擦接合平面Ｐは、プリフォーム１４の根元部分１６とロータブレード部分１８との間に一般に受容される理論的な分離を示している。

本発明の製造方法の好ましい実施形態において、ブレードプリフォーム１４の製造段階は、図３ａから図３ｃを参照して上記の方法で実行される。

まずユニット２８が、共に積層されかつ拡散接合される少なくとも２つの部分３０および３２から形成されており、図３ａに見られる２つの部分３０および３２のみが、ユニット２８の上下の外側部分をそれぞれ構成している。この点において、第３の部分（図示せず）もまた、後にストリンガを構成するために、外側部分３０および３２間に挿入可能であることが示されている。事実、プリフォーム１４のロータブレード部分１８を単独かつ全体的に形成するためのユニット２８は、それゆえに溝つきの内面を有する２つの同一の外側部分を使用して、あるいはそのうちの２つの同一外側部分が、第３の中間部分と接触している実質的に平らな内面を有する３つの部分を使用しても、典型的に形成される。

本発明のこの好ましい実施形態において、プリフォーム１４のロータブレード部分１８を単独で形成するユニット２８は、このユニット２８を構成している２つの同一の外側部分３０および３２と同じ、実質的に均一の厚さを有している。従って、部分３０および３２の製造に必要な供給要素は、これら前記の部分３０および３２が有していなければならない最終的な寸法と同様の寸法を容易に有することができるため、積層によって部分３０および３２を得るための技術は、それゆえに材料コストおよび加工コストに関してとりわけ適切であり、かつ完全に最適化されている。

ユニット２８が２つの同一の外側部分３０および３２から構成されているに過ぎない場合、これらは上記のように形成されると、プリフォームの異なるコンポーネント部分の組み合わせを実行するために、従来技術と類似の方法で共に拡散接合される。この点に関して連続的に、拡散接合作業に、セットパターンに従った燃料ロッドコーティングの堆積作業が先行し、このコーティングは、外側部分３０および３２と接触している内面３０ａおよび３２ａに適用される。

プリフォーム１４のロータブレード部分１８を単独かつ全体的に形成する中空ユニット２８の製造と同時に、前記プリフォーム１４の根元部分１６を単独かつ全体的に構成するための単一の追加要素３４が形成される。従って、ユニット２８および追加要素３４は各々、図２に示されているプリフォーム１４のロータブレード部分１８と根元部分１６の幾何形状と実質的に同一のそれぞれの幾何形状を有していることが当然明記される。

図３ｂに示されているように、従って追加要素３４は、図２に示されている径方向内側セクション２０に類似のかなりの厚さの部分３６、ならびに前記図２に示されている径方向外側セクション２２に類似の薄い厚さの部分３８を備えている。要素３４は、結果として押出しによって容易に形成され、この実証された低コストの技術は、材料ビレットから適切なダイを介して、所望の形状を有する追加要素３４のプロファイルを形成することからなる。このように、このような技術によって、単一のストリッピングを介して順次追加要素３４を製造することが可能である。

ユニット２８と追加要素３４が、好ましくはチタン合金で同時に形成されると、これらは、図３ｃに示されているように、プリフォーム１４の幾何形状を実質的に得るような方法で組み合わせられる。

従ってこの組み合わせは、ユニット２８の径方向内面４０を、追加要素３４の径方向外面４２に接触させることによって、接合によって実行される。これらの表面４０および４２は、プリフォーム１４の根元部分１６およびロータブレード部分１８と比較して、実質的に平坦であり、また図２に示されている摩擦接合平面Ｐと同一の位置におおむね配置されている平面接触ゾーン４４を共に画定している。

図示によって、追加要素３４のユニット２８への組み合わせ作業は、好ましくは、線形摩擦接合または摩擦攪拌接合によって実行される。有利には、これらの知られている接合技術によって、接合ゾーンは、拡散接合および超塑性成形技術と両立する金属学的特徴を維持することができ、またプリフォームの仕様に即した機械特性を保証することができる。

当然、この接合作業には、接合ゾーンの幾何形状再調整の加工作業が続く。

前述のブレードプリフォーム１４の製造段階に続いて、プリフォーム１４をエアフォイルプロファイリングする目的の標準段階がまず実行され、図３ｄに示されているような実質的にねじれた形状を有することになる。そして、さらに連続的に、ガス圧と超塑性成形段階による張出し成形によって、図１に示されているようなブレード１を得ることが可能になり、この段階には、一般的に、所望のエアフォイルプロファイルをブレード１に厳密に与えるための最終加工が続く。

当然、当業者によって、種々の変更が、非制限的図示によってのみ説明された中空ブレード１の製造方法に取り入れられてもよい。

タービンエンジン用の標準中空ブレードの斜視図を示している。 本発明に従った製造方法のプリフォーム製造段階の実現時に得られるブレードプリフォームの概略的斜視図を示している。 本発明の製造方法の実施形態の段階を概略的に示している。 本発明の製造方法の実施形態の段階を概略的に示している。 本発明の製造方法の実施形態の段階を概略的に示している。 本発明の製造方法の実施形態の段階を概略的に示している。

符号の説明

１ 中空ブレード
２ 根元
４ ロータブレード
６ 上面
８ 下面
１０ 前縁
１２ 後縁
１４ ブレードプリフォーム
１６ 根元部分
１８ ロータブレード部分
２０ 径方向内側セクション
２２ 径方向外側セクション
２３ｃ 中央部分
２３ａ、２３ｂ 突出部分
２４ 径方向内側端
２６ 径方向外側端
２８ ユニット
３０、３２、３６、３８ 部分
３０ａ、３２ａ 内面
３４ 追加要素
４０、４２ 表面
４４ 平面接触ゾーン
Ｅ、ｅ、ｅ’、ｅ’’ 厚さ
Ｐ 摩擦接合平面

Claims (4)

1. 根元（２）とロータブレード（４）とを備えているタービンエンジン用の中空ブレード（１）の製造方法であって、前記方法は、ロータブレード部分（１８）と根元部分（１６）とを有するチタンからなるブレードプリフォーム（１４）の形成段階を含み、ブレードプリフォーム（１４）の形成段階は、該ブレードプリフォームが、共に積層されかつ拡散接合される少なくとも２つの部分（３０、３２）からなるユニット（２８）を備えるように実行され、該ユニット（２８）が、ブレードプリフォーム（１４）の根元部分（１６）を構成しておらず、前記ブレードプリフォーム（１４）の形成段階が、
   ブレードプリフォーム（１４）の前記ロータブレード部分（１８）を単独で形成するように、共に積層されかつ拡散接合される少なくとも２つの部分（３０、３２）からなる前記ユニット（２８）を形成する作業と、
   ブレードプリフォーム（１４）の前記根元部分（１６）全体を形成するための追加要素（３４）を形成する作業と、
   前記ブレードプリフォーム（１４）を得るために、前記ユニット（２８）に追加要素（３４）を組み合わせる作業とを含むことを特徴とする、製造方法。
2. 前記ユニット（２８）への追加要素（３４）の組み合わせ作業は、線形摩擦接合および摩擦攪拌接合からなるグループから選択された技術を使用して実現されることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. ブレードプリフォーム（１４）の製造段階に、
   前記プリフォーム（１４）をエアフォイルプロファイリングする段階と、
   前記エアフォイルプロファイリングプリフォーム（１４）をガス圧および超塑性成形によって張出し成形させる段階とが続くことを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
4. プリフォーム（１４）の前記根元部分（１６）を全体的に形成するための追加要素（３４）が、押出しによって形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。

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