JP5172735B2 - 超弾性材料によって構成された前縁を有するターボ機械部品 - Google Patents

Description

本発明は、主要部分及び前縁を備えるターボ機械部品に関する。

以下の記載において、「上流」及び「下流」等の用語は、部品に沿った空気の通常の流れ方向に関連して定義される。用語「長さ」及び「高さ」は、それぞれ、空気の流れ方向に対して垂直な部品の最大及び最小寸法を意味する。

用語「前縁」は、空気の流れを受けながらの通常動作において、上記流れによって直接影響を与える部分である部品の一部を意味するように部品について使用される。したがって、前縁は、最も遠い上流にある部品の一部である。ターボ機械において、エアーフォイルは、空気の流れを受ける部品の例である。

ターボ機械の固定又は可動部品の周囲を流れる空気の流れは、高速で部品に対して影響を及ぼして損傷を与える可能性がある異物（砂利、氷の塊等）を運ぶ。特に、影響を受けるような部品は前縁であり、したがって、前縁は、望ましくない方法で変形する。そのような損傷は、タービンエアーフォイル、特に、ターボ機械によって生み出される推力の生成に関係する出口案内羽根（ＯＧＶ）及び入口案内羽根（ＩＧＶ）に有害である。第１に、異物との衝突は、エアーフォイルの構造的な完全性に影響を及ぼす可能性があり（部品が複合材料から作られている場合には、外部又は内部亀裂及び層間剥離を作り出す）、それにより、部品破壊のリスクを生じさせ、そこから下流におけるターボ機械の部分に対する激しい損傷を引き起こす。第２に、そのような衝突は、ほとんど常にエアーフォイルの前縁を変形させ、それにより、その空気力学的外形が理想形から逸脱して上記エアーフォイルの周囲における空気の流れを撹乱し、その結果、ターボ機械の性能を低減させる。

したがって、異物にぶつかって被り得る衝撃からターボ機械部品の前縁を保護することが不可欠である。そのような保護は、部品の前縁上に金属層を付加することによって現在のところ達成される。層は、鋼又はチタン合金から作られており、前縁の外形周囲に密接に適合して接触している。この層の機能は、部品が被る損傷を抑制するために、異物にぶつかった衝撃のエネルギを可能な限り多く吸収することである。それでもなお、これにもかかわらず、部品は、繰り返される衝撃の結果として、なおも損傷を被り、層の表面は永久に変形し、その結果、部品の空気力学的外形を有害に変えてしまう。さらにまた、単一の衝撃は、その弾性限界を超えて層を変形させる十分なエネルギを大抵は有することができる（すなわち、材料の最大弾性歪みを超えて変形させることにより、材料は不可逆的な方法で塑性領域において変形する）。

本発明は、これらの欠点を改善しようとする又は少なくともそれらを軽減しようとするものである。

本発明は、その機械的な性能が衝撃によって影響を受けないように、異物にぶつかった衝撃後に当初形状に戻ることができる部品を提案する。

この目的は、前縁が、シートと主要部分の上流端部との間の空間を残しながら主要部分に固定され且つ主要部分の圧力面から負圧面まで延在している材料のシートにより、部品の長さの少なくとも一部にわたって構成されており、材料が、主要部分を損傷することなく超弾性態様で可逆的に変形することにより、異物にぶつかった衝撃に対して最大歪みε_２未満で反応することが可能とされる、ということによって達成される。

これらの配置により、異物にぶつかった衝撃の影響の下で、部品の前縁は、部品の主要部分、すなわち、その構造部分を損傷しないものの変形する。さらにまた、前縁を構成する材料の超弾性特性のために、前縁は、高エネルギの衝撃後であっても、衝撃前にそうであったような略当初形状に戻るのに適切である。

例えば、超弾性材料は、そのオーステナイト相における形状記憶合金とすることができる。

有利には、最大歪みε_２を超えて、材料は、転移温度Ｔ_ｔを超えるまで加熱されることによって変形前における形状に戻ることができる。

これらの配置により、衝撃の結果として激しく変形させられた後（すなわち、歪みε_２を超えるまで）であっても、前縁は、転移温度を超えるまで前縁を構成する材料を加熱することにより、衝撃前にそうであったような略当初形状に戻ることができる。

本発明はまた、前縁を有する主要部分を備えるターボ機械部品を製造する方法を提供する。

本発明によれば、本方法は、主要部分の前縁の先端を切り取る工程と、前縁の先端が切り取られる前における主要部分の前縁の外形をシートが再構成するように、主要部分の長さの少なくとも一部にわたって主要部分の圧力面から負圧面まで延在している材料のシートを主要部分に固定する工程とを備え、材料が、主要部分を損傷することなく超弾性態様で可逆的に変形することにより、異物にぶつかった衝撃に対して最大歪みε_２未満で反応することが可能とされる。

限定されない一例として与えられる実施形態についての以下の詳細な説明を読むことにより、本発明は、良好に理解されるはずであり、その利点は、より良好に明らかとなる。記載は、添付図面を参照する。

従来のターボ機械のエアーフォイルの断片の斜視図である。 本発明のターボ機械のエアーフォイルの横断面図である。 本発明のターボ機械のエアーフォイルの他の実施形態の横断面図である。 形状記憶合金についての応力−歪み曲線の一例の図表である。

以下の説明は、前縁を有する部品がエアーフォイルである状況に関する。例えば、エアーフォイルは、出口案内羽根（ＯＧＶ）又は入口案内羽根（ＩＧＶ）とすることができる。それでもなお、本発明は、例えばケーシングの入口アーム等、前縁を有し且つ空気の流れを受ける任意のターボ機械部品に適用される。

図１は、ターボ機械のエアーフォイル１０の断片を示している。エアーフォイル１０は、上流端部２０と、圧力面３０と、負圧面５０と、下流端部４０とを有する。上流端部２０は、ターボ機械の通常動作における空気の流れによって最初に衝突されるエアーフォイルの一部であり、したがって、エアーフォイル１０の前縁を構成する。図１から図３において、この空気の流れは、矢印によって示されるように、右から左に移動する。圧力面３０は、エアーフォイル１０の凹面、すなわち、エアーフォイル１０の周囲を流れる空気の流れがそこに沿って追加の圧力を発生させる表面である。負圧面５０は、エアーフォイル１０の凸面、すなわち、空気の流れがそこに沿って吸気を発生させる表面である。したがって、エアーフォイル１０は、実質的に、その下流端部４０からその上流端部２０の方に向かって増加する厚みをもつ湾曲板の形態である。

図２は、本発明のエアーフォイル１０を示している。エアーフォイル１０は、まず、上流端部２０を有する主要部分１５と、圧力面３０と、負圧面５０と、下流端部４０とを備え、つぎに、シート６０を備える。主要部分１５は、図１のエアーフォイルと同一である。主要部分１５の上流端部２０は、シート６０によって被覆されている。シート６０は、主要部分１５の上流端部２０が延在している方向Ｄの縦方向に延在している。シートは、上記方向Ｄ（図２の平面に対して垂直な方向Ｄ）に対して垂直な平面内で横に延在している。したがって、この平面において、シートは、第１の端部６１から第２の端部６２まで延在している。これらの端部のそれぞれは、方向Ｄに沿って延在している。第１の端部６１は、その長さ全体に沿って（すなわち、方向Ｄに沿って）、上流端部２０の近くの負圧面５０に固定されており、第２の端部６２は、その長さ全体に沿って、上流端部２０の近くの圧力面３０に固定されている。したがって、シート６０は、方向Ｄに対して垂直な平面内で略Ｕ字状である。

圧力面３０及び負圧面５０に沿って空気の流れを乱すのを回避するために、そのような固定が部品の表面に対して突起を発生させないことは重要である。したがって、固定は、例えば、接着剤、ろう付け、溶接、又はリベット打ちによって実行されることができる。

主要部分の上流端部２０は、シート６０によってその全長（方向Ｄ）にわたって被覆されている。あるいは、シート６０は、上流端部２０の長さの一部のみにわたって上流端部２０を被覆してもよい。

シート６０は、超弾性である材料、すなわち、受けた応力が除去されると当初形状に戻ることができ（可逆的な変形）且つ合金の通常の弾性限界と一致する変形の水準よりも非常に大きい変形の水準についてそのように振る舞うことができる材料から作られている。したがって、通常の合金について、弾性限界、すなわち、変形が弾性的に可逆的であるまでの応力（形式的な弾性）は、０．１％のオーダからなる。超弾性材料に関して、それは、数パーセントオーダからなる。

例えば、シート６０の超弾性材料は、形状記憶合金である。形状記憶合金において、超弾性は、略一定温度でのオーステナイト相（面心立方結晶格子）からマルテンサイト相（体心立方結晶格子）への可逆的な変態に起因する。例として、形状記憶合金は、銅−ニッケル（Ｃｕ−Ｎｉ）、銅−亜鉛−ニッケル（Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ）、又は、ニッケル−チタン（Ｎｉ−Ｔｉ、Ｎｉｔｉｎｏｌ（Ｒ））からなる合金、場合によっては、他の元素（鉄、ニオブ）と合金化された合金である。

図４は、形状記憶合金についての応力−歪み曲線の一例を示しており、この曲線は、σ（ε）で書かれている。曲線が以下の３つの領域を有することが観察されるべきである：材料が線形的に弾力性（形式的な弾性）である、最小歪みε_１未満の歪みε（領域Ｉ）、材料が超弾性である（ほとんど増加しない応力下で急速に変形する）、最小歪みε_１から、ε_１よりも大きい最大歪みε_２までの範囲にある歪みε（領域ＩＩ）、変形が可逆的でない、最大歪みε_２よりも大きい歪みε（領域ＩＩＩ）。領域ＩＩは、変形が超弾性である範囲を構成する。最大歪みε_２は、例えば３％から１０％までの範囲にあり得る。

応力σを加える前（すなわち、衝撃前）に、シート６０を構成する形状記憶合金は、オーステナイト系である。異物による衝撃のエネルギは、この合金を冶金的にマルテンサイト系に変態させ、シート６０の可逆的な超弾性変形を生じさせる（すなわち、変形は、変形範囲［ε_１、ε_２］にある）。したがって、衝撃後、合金は、（衝撃前にそうであったような）当初形状に戻る。

衝撃から生じるシート６０の変形に対応するために、図２において示されるように、シート６０と主要部分１５の上流端部２０との間に空間７０が残されている。空間７０は、中身のない空洞を構成する。したがって、空洞７０は、シート６０が主要部分１５の上流端部２０に接触することなく、又は、接触した場合には、主要部分１５の機械的な一体性に有害であろう上流端部２０に対する損傷を生じさせることなく、変形するのを可能とするのに十分な大きさからなる。

シート６０についての衝撃吸収距離は、衝撃を与える突起のエネルギ及び形状、シートの厚み、及び、部品の大きさに依存する。一例として、衝撃吸収距離は、０．１ミリメートル（ｍｍ）から０．５ｍｍまでの範囲とすることができる。一例として、シートの厚みは、０．１ｍｍから０．５ｍｍまでの範囲とすることができる。

空洞７０を形成するために、主要部分１５の上流端部２０は、略平面である上流面２５を形成するように先端が切り取られることができる。この実施形態は、図３において示されている。したがって、シート６０は、主要部分１５の上流端部２０（前縁）の先端が切り取られる前に上記上流端部２０の外形を再構成するために、そのような方法で主要部分１５に固定されることができる。したがって、当初形状と略同一である部品１０の形状及び体積と、先端が切り取られた上流端部２０を有する前の主要部分１５の体積とを持つ超弾性材料からなるシート６０によって構成されたその前縁を有する、部品１０が得られる。その結果、部品１０の空気力学的特性は維持される。

あるいは、空間７０は、主要部分１５の材料の剛性Ｅ_０よりもかなり低い剛性の充填材で詰められてもよい。この充填材（例えば固体発泡体）は、シート６０を主要部分１５に固定するのをより容易とし、シート６０に機械的な支持を形成する。

有利には、上記材料が最小変形ε_１未満の歪みεを受けた場合（領域Ｉ）に、シート材料６０の剛性Ｅは、主要部分１５の材料の剛性Ｅ_０と同じ桁の大きさである。その結果、シート６０の歪みεは、より高い応力σ、特に式σ_１＝Ｅ×ε_１によって与えられる応力に至るまで弾性範囲Ｉ（最小歪みε_１未満の歪み）内にとどまる。したがって、エアーフォイル１０は、ほとんど少しも変形せずに、異物によるより大きなエネルギの衝撃（すなわち、σ_１よりも大きいシート６０の応力σを発生させる衝撃まで）に耐えることができ、シート６０の材料は、より大きなエネルギの衝撃（すなわち、最小歪みε_１よりも大きく且つ最大歪みε_２未満である歪みの範囲）についてのみ超弾性範囲ＩＩに入る。したがって、シート６０は、超弾性態様でより長く変形する能力について維持することができる。形状記憶合金の経時が複数の超弾性変形サイクルを超え、この経時が、変形後にそれらの当初形状に戻るような合金の能力の劣化を生じさせることは知られている。

シート６０を構成する形状記憶合金のオーステナイト−マルテンサイト変態点は、シート６０が前縁を構成する部品１０についての動作温度範囲よりも低くなければならない。さもなければ、超弾性効果は妨げられ（その効果は、単に機械的応力を加えることに起因する）、シート６０は、衝撃前にそうであったような当初形状に戻らない。したがって、この動作温度範囲において、シート６０は、オーステナイト相にある。いわゆるターボ機械の「低温」部品、特に、燃焼チャンバから上流にある部品に関して、この温度範囲は、通常、−５０℃から１３０℃である。

ある特に高いエネルギの衝撃（より大きな重量又は速度の異物）は、最大歪みε_２よりも大きいシート６０のある領域（領域ＩＩＩ）において歪みε_３を発生させることが可能である。そのような領域において、材料は、｜ε_３−ε_２｜と一致する不可逆的な変形により、一部において可逆的でない変形を被る。形状記憶合金を用いることにより、そのような領域において、衝撃のエネルギは、オーステナイト相からマルテンサイト相へと移行する材料を生じさせ、したがって、衝撃後、材料は、マルテンサイト相にとどまる。したがって、この残留する不可逆的な変形は、形状記憶合金についてのマルテンサイトからオーステナイト転移温度までの範囲の上限を構成する転移温度Ｔ_ｔを超えるまで、変形された領域を加熱することによって可逆的にすることができる。転移温度Ｔ_ｔは、形状記憶合金の固有の特性である。

一般に、前縁は、最大歪みε_２よりも大きい歪みを受けた場合に、転移温度Ｔ_ｔを超えるまで加熱されることによって（変形前の）当初形状に戻るのに適切である任意の超弾性材料によって構成されることができる。

１０ エアーフォイル
１５ 主要部分
２０ 上流端部
２５ 上流面
３０ 圧力面
４０ 下流端部
５０ 負圧面
６０ シート
６１ 第１の端部
６２ 第２の端部
７０ 空間
Ｄ 方向
Ｅ、Ｅ_０ 剛性
Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ 領域
Ｔ_ｔ 転移温度
ε、ε_３ 歪み
ε_１ 最小歪み
ε_２ 最大歪み
σ、σ_１ 応力

Claims (10)

1. 主要部分（１５）及び前縁を備えるターボ機械部品（１０）であって、前記前縁が、シートと前記主要部分（１５）の上流端部（２０）との間の空間（７０）を残しながら前記主要部分（１５）に固定され且つ前記主要部分（１５）の圧力面（３０）から負圧面（５０）まで延在している材料の前記シート（６０）により、前記部品の長さの少なくとも一部にわたって構成されており、前記材料が、主要部分（１５）を損傷することなく超弾性態様で可逆的に変形することにより、異物にぶつかった衝撃に対して最大歪みε_２未満で反応することが可能とされることを特徴とする、ターボ機械部品（１０）。
2. 前記材料が、オーステナイト相における形状記憶合金であることを特徴とする、請求項１に記載のターボ機械部品（１０）。
3. 前記材料の剛性が、前記材料が最小歪みε_１未満の歪みを受けた場合に、前記主要部分（１５）の材料の剛性と同じ桁の大きさであり、前記最小歪みε_１が、最大歪みε_２未満であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のターボ機械部品（１０）。
4. 前記材料が、前記最大歪みε_２を超えて、転移温度Ｔ_ｔを超えるまで加熱されることによって変形前における形状に戻ることができ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ターボ機械部品（１０）。
5. 前記空間（７０）が、中身のない空洞を構成することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボ機械部品（１０）。
6. 前記主要部分（１５）の上流端部（２０）が、略平面の上流面（２５）であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ機械部品（１０）。
7. 前記シート（６０）が、その全長にわたって前記主要部分（１５）の上流端部（２０）を被覆していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のターボ機械部品（１０）。
8. 前記部品（１０）が、エアーフォイルであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のターボ機械部品（１０）。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の部品を含む、ターボ機械。
10. 前縁を有する主要部分（１５）を備えるターボ機械部品（１０）を製造する方法であって、前記主要部分（１５）の前縁の先端を切り取る工程と、前記前縁の先端が切り取られる前における前記主要部分（１５）の前縁の外形をシート（６０）が再構成するように、前記主要部分の長さの少なくとも一部にわたって前記主要部分（１５）の圧力面（３０）から負圧面（５０）まで延在している材料の前記シート（６０）を前記主要部分（１５）に固定する工程とを備え、前記材料が、主要部分（１５）を損傷することなく超弾性態様で可逆的に変形することにより、異物にぶつかった衝撃に対して最大歪みε_２未満で反応することが可能とされることを特徴とする、方法。

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