JP5265707B2 - ベーン基部のコーティングを試験するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械のブレード根元部に塗布される減摩コーティングの分野およびその品質管理の分野に関する。より詳細には、本発明は、ターボ機械のロータのブレード根元部を被覆可能なコーティングを試験するための装置に関する。これは、地上用途のターボ機械または航空用途のターボ機械、すなわち、飛行機のターボリアクタまたはターボプロップとしてもよい。

ブレード、特に、航空機のターボ機械のファンブレードは、極度に応力を受ける機械部品である。このために、ブレードの保持部であるブレード根元部は、ブレードの特に重要な部分である。ブレード根元部は、ロータディスクとの接触面または支承面を備え、この面は動作時に圧力および高温を受ける。ブレード根元部の支承面に加えられる応力、すなわち、せん断応力を低減するために、知られている方法では減摩コーティングが使用される。いわゆる耐フレッチング性コーティングは、すなわち熱照射による付着が可能である。このコーティングは多層である場合もある。

例えば、欠損の発生によるブレード根元部の支承面の欠陥が、ブレードの欠陥の主なタイプの１つであるので、減摩コーティングの品質は不可欠である。このコーティングの品質およびブレード自体の接触面でのコーティングの安定性を保証するために、知られている方法で顕微鏡によるコーティング試験が実施される。この試験は、コーティングおよびブレード根元部を切断し、そしてこの断面の様子を顕微鏡で観察するものである。また、標準的な硬度試験、引張試験もしくはせん断保持力試験によってコーティングの品質を試験する、または厚さの測定を実施することも知られている。

しかし、これらのさまざまな試験は、高品質のコーティングを辛うじて許容できる品質のコーティングと区別し、ブレード根元部に付着されたコーティングを使用する際の耐久性および機械的側面に関する正しい見解を立てるには不十分であることがわかった。

つまり、ブレード（またはブレード根元部）のサイクルが、動作段階（飛行機に取り付けられたターボリアクタの場合、飛行中）、すなわち、起動から停止までに、ブレードが受ける一連の応力を指す場合、現行の試験では満足する方法で多数のサイクルの耐える限り、種々のコーティングの間の品質差を立証することができないということである。

本発明の目的は、ターボ機械のロータブレード根元部を被覆可能なコーティングを試験するための装置であって、試験されるコーティングの品質に関して従来の試験よりもより差別化できる試験を実施することができ、ブレードの耐用年数にわたって見られる、すなわち、通常は、１０，０００から１５、０００サイクルでのブレード根元部のコーティングの実際の時間的安定性評価と相関性の高い結果が得られる装置を定義することである。

この目的は、装置が、前記コーティングで被覆された支承面をそれぞれが有する２つの試験半片、２つの支承面を有する１つの対試験片、および引張軸に沿って対試験片を保持する第１の保持システムと、対試験片の周囲で試験半片を保持する第２の保持システムと、保持システムに引張軸に沿って所定の引張サイクルをかけ、引張サイクル時に、引張歪みが対試験片と試験半片とが互いに接触する各々の支承面を介して、一方の保持システムから他方の保持システムへ伝達される引張手段とを備える機械を備えること、および第２の保持システムが、引張サイクル時に対試験片によって２つの試験半片に加えられる開口力（ｏｐｅｎｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）を受けて、引張方向に垂直な方向に２つの試験半片が開口できるようにする弾性戻し手段を備えることで達成される。

このように定義された試験の原理は、基本的には、知られている試験とは異なる。実際に、その原理は、被覆された試験片を、ブレードの耐用年数の間ブレード根元部がさらされる応力を表す疲労試験にかけることにある。有利には、装置は実際のブレードを使用する必要はなく、試験されるコーティングで被覆された支承面をそれぞれが有する試験半片を使用するだけでよい。さらに、各試験半片は１つの支承面だけでなく複数の支承面を有することも十分に可能であり、この場合、対試験片は２つの試験半片の支承面の各々に対応する１つの支承面を備えることに留意されたい。

第１および第２の保持システムはそれぞれ、互いに対向する試験半片と対試験片とを各々の支承面を一致させるように保持する。この時、知られている手段により保持システムは互いに対して引張動作を受けて、支承面、すなわち、試験半片の支承面に、動作時にブレード根元部が経験する応力を表す応力を受けさせる。

この応力は、引張サイクルでシミュレートされ、そのサイクル時に、対試験片は引張方向の歪みを受ける。この歪みは、所定のサイクル、つまり引張サイクルによって時間に応じて変化する。各々の引張サイクルでは、引張力は最初の０から増加する、または少なくとも低い値（最大値に対して）から最大値まで増加し、その後、初期値に戻るのが好ましい。初期値および最大値は、一方および／または他方別々に、しばらくの間維持される。当然、ターボ機械の異なる動作段階がどのようにシミュレートされるかに応じて、他の引張サイクルのプロファイルも想定できる。増加率パラメータ、すなわち、単位時間当たりの引張力の増加率を最適化可能な変数として使用することも可能である。

知られている方法では、ブレードのロータディスクへの取り付けは、一般に取り付けを形成するホゾ穴−ホゾ結合によってなされる。この取り付けは、ブレードの半径方向内側一端部、つまりブレード根元部に作られたホゾからなり、ホゾはロータディスクの周囲に設けられたホゾ穴に固定される。一方のブレード根元部、他方のロータディスクのホゾ穴間に形成されたロータディスクのホゾまたはボスは、それぞれ相補的なダブテール形状であり、半径方向の反対側に配置されて、ブレードとロータディスクとの間を確実に相互に締め付ける。

インペラでは、ブレードはロータディスクの外側周囲に均一に取り付けられ、ロータディスクは締め付けられるブレードと同じ数の締付セルおよびダブテールホゾを備える。

ロータディスクへのブレードの取り付けは、周方向に繰り返されるパターンを形成し、インペラの根元部を囲む２つのブレード根元部の半部と共にロータディスクのダブテールホゾを備える。これは、２つの試験半片によって囲まれた対試験片によって再現されるパターンである。

すでに上述したように、装置に組み込まれた試験機では、第２の保持システムは、引張サイクル時に対試験片によって２つの試験半片に加えられる開口力を受けて、引張方向に垂直な方向に２つの試験半片が開口できるようにする弾性戻し手段を備える。実際に、引張サイクル時に、つまり、試験半片の支承面および／または対試験片の支承面が傾斜している場合、対試験片は試験半片を圧迫することになり、試験半片を引張方向に垂直な横方向に開口しやすくなる可能性がある。このことを避けるために、有利には、第２の保持システムは、対試験片と試験半片との相対位置が維持されるようにする上述の弾性戻し手段を備える。この相対位置は、ターボ機械のブレード根元部またはロータディスクのホゾの実際の位置を表す。

一実施形態によれば、試験半片の支承面は、ターボ機械のロータブレード根元部の支承面の傾斜を表すように、引張軸に対して傾斜している。したがって、試験半片の支承面によって形成される角度は、ターボ機械のブレード根元部の支承面によってその半径方向に対して形成される角度を表す。有利には、支承面の引張方向に対する角度は４５°に近く、より詳細には、その角度は３０°から６０°で変化する場合がある。

さらに、試験半片は、ブレード根元部の支承面の形状だけでなく、その材料についてもブレード根元部を表すことができる。したがって、試験半片は、通常、ブレード根元部と同じ材料、典型的には、チタンまたはニッケル系合金で製造される。

同じ理由から、対試験片にはロータディスクの材料と同じ材料、すなわちチタンまたはニッケル系合金からなる材料を選択することも可能である。このことで、ロータディスクに対するブレード根元部の挙動をより忠実に表すことができる。

一実施形態によれば、対試験片の支承面は、ターボ機械のロータディスクホゾの支承面の形状を表すように引張軸に対して傾斜している。したがって、対試験片の支承面によって形成される角度は、ターボ機械のロータディスクホゾの支承面によってその半径方向に対して形成される角度を表す。このことにより、対試験片の支承面が試験半片に加える応力は、ターボ機械においてロータディスクホゾの支承面がブレード根元部の支承面に加える応力を表す。対試験片の支承面は、３０°から６０°の角度で傾斜されるのが好ましく、通常は、４５°近くの角度が選択される。

一実施形態によれば、弾性戻し手段は、引張サイクル時に弾性変形の範囲を維持しながら変形する少なくとも１つの弾性材料製のバーを備える。したがって、バーはある程度変形する能力を有し、試験機が動作中のターボ機械内で実質上見られる変形を表してシミュレートし、ブレード根元部の変形および／またはロータディスクホゾの変形とすることができる。２つの試験半片が開口できる可能性により、本発明の試験装置を使用して得られる結果の示すところはさらに高くなる。

上述の実施形態の変形形態によれば、第２の保持システムは、引張軸に平行で２つの試験半片を保持するのに使用される２つの支柱を備え、前記バーは引張軸と垂直な方向に沿ってこれらの支柱を接続する。２つの支柱が引張軸に平行で試験半片に近いことで、引張サイクル時に試験半片は確実に定位置に保持されるようになる。このためには、試験半片は回転可能に固定しやすいように比較的細長であるのが好ましい。

また、引張方向に対する横方向の開口歪みは前記の少なくとも１つのバーを通過するので、バーは受ける伸張歪みおよびこのような歪みの影響下で許容であるとされる伸びに応じたサイズにするのが容易である。

上述の実施形態の変形形態によれば、試験装置はさらに、試験時に試験半片の開口を測定するための手段を備える。これにより、常に、対試験片と試験半片の相対位置が確実に想定されたことに実際に対応することが可能になる。

一実施形態によれば、試験半片は、その支承面の近くでは、ターボ機械のブレード根元部半部を表す形状を有し、引張軸はブレード根元部半部のほぼ半径方向に配置される。この配置により、試験半片は、実際の動作および応力状態を忠実に再現した条件下で試験されることになる。また、ブレード根元部のコーティングの挙動のシミュレーションは、コーティングの特定の部位に限定されず、支承面（複数可）に近いブレード根元部の部分も加わる。

また、一実施形態によれば、対試験片は、その支承面の近くでは、ターボ機械のロータディスクホゾの形状を有する。この場合、ロータディスクホゾのブレード根元部への作用を再現する対試験片の作用は、支承面の直接近接した部分だけでなく、支承面近くに位置するホゾの部分全体、すなわち、通常はホゾ形状の対試験片の端部全体におけるロータディスクホゾの挙動を再現することができるので、より現実的である。

本発明の試験装置では、選択された実施形態にほぼ忠実に従えば、互いに対向する試験半片はブレード根元部の対向面に類似し、対試験片はブレードをロータに締め付けるのに使用されるロータディスクホゾに類似することに留意されたい。したがって、ターボ機械では、ロータディスクの２つのホゾの間で囲まれ固定されるのは、ブレード根元部であるが、試験機では、両側でロータディスクのホゾを表す対試験片を囲むのは２つの試験半片である。このように明らかに逆の配置であっても、優れた結果を示すことがわかった。

一実施形態によれば、対試験片の片側に位置する試験半片の側面はアンダーカットされていない。したがって、試験半片は３軸加工により加工しやすいのでコスト効率が高い。対試験片についても同じことが言える。また、試験半片は対試験片の片側では、外側が凸状形状をとることさえ可能である。

最後に、さらに試験片の引張方向の変位がコンパレータまたは計器などの変位測定システムによって測定および記録可能であることに留意されたい。

例として示された非限定的な実施形態の以下の詳細な説明を読めば、本発明はより十分に理解され、本発明の利点がより明らかになる。説明は、添付図面を参照してなされる。

本発明の試験装置の軸方向断面図である。 本発明の試験装置の中心部の断面図であり、正面図である。 本発明の試験装置の中心部の断面図であり、側面図である。 本発明の試験装置の対試験片および試験半片の支承面領域の軸方向断面図である。

図１を参照して、本発明に従って、ブレード根元部に塗布可能なコーティングの試験装置１０を説明する。試験装置１０は、まず、一般に機械溶接されたフレームからなるフレーム構造体１２を備える試験機を備える。このフレーム構造体１２は、２つの保持システム２０、３０を支持する。

試験機の底部に位置する第１の保持システム２０は、対試験片２２を定位置で保持する固定柱２９を備える。対試験片２２は、第１の保持システム２０のスピンドル２６が通る穴を備え、この穴によって対試験片２２は、どんな引張応力を受けようとも状態が維持される。

第２の保持システム３０は、２つの試験半片３２を定位置で保持するのに使用される。この第２保持システム３０は、リニアアクチュエータ１４または任意の他の同等の作動手段によって、両矢印Ａに沿って垂直方向に交互に直線並進運動される可動梁３９を備える。この可動梁３９は、スライドバー１６によって交互に垂直並進運動で案内される。保持システム３０はさらに、試験半片３２を可動梁３９にしっかりと接続する手段、つまり、上述の支柱３８を備える。

リニアアクチュエータ１４の特性は、リニアアクチュエータが第２の保持システム３０に第１の保持システム２０に対する垂直並進運動を付与できるように選ばれる。この垂直並進運動は、ブレードを有するターボ機械の動作時に、ブレードによって、より正確には、ブレード根元部によってロータディスクに対して行われる垂直並進運動を表している。この運動は、エンジンの回転時に、ブレードが受ける大きな遠心力によるものである。この遠心力は、ブレードにかかる半径方向の引張に類似する。

通常は、特に、ブレード根元部に付与される半径方向の歪みおよびブレード根元部の運動の振幅の両方によって、ブレード根元部の動作状態を再現するように試みられる。ブレード根元部の運動の振幅は、ブレード根元部と相互作用する部分に依存するため、これらの部分は試験の品質に大きく関係する。示されている試験機では、これらの部分は、一方は保持支柱３８であり、他方（内側）は、ターボ機械のブレードを保持するために想定されたロータディスクのホゾに類似した対試験片２２である。しかし、本発明の試験装置は、ブレード根元部およびその支承面の通常の応力状態とは異なる方向または引張力に関してコーティングを試験するのに使用されることに留意されたい。

本発明の試験機のフレーム構造体１２およびリニアアクチュエータ１４では、機械部品の周期的な引張試験用の機械で通常使用される標準的な部品が使用できる。一般に再現されるサイクルは、以下の特徴を有する。サイクル数は１０，０００から１５，０００で、加えられる最大引張力は１５，０００から３０，０００ｄａＮとする。

対試験片２２は穴２４を備え、第１の保持システムはスピンドル２６を備え、対試験片２２はどんな引張応力を受けようともそのスピンドル２６によって保持される。

最後に、対試験片に対する試験半片の相対変位は、測定システム１９によって測定され記録される。

図２Ａ、図２Ｂを参照して、本発明の試験装置の中心部の動作を説明する。図２Ａは、一方では第２の保持システム３０（支柱３８）で保持され、他方では対試験片２２によって保持されている２つの試験半片３２を示した断面図である。第２の保持システム３０の役割は、２つの試験半片、より正確には、対試験片２２の対応する支承面（図３の２５）の反対側の試験半片の支承面２４を保持し、対試験片２２に対する交互の並進運動を試験半片３２に伝達することである。

対試験片２２は、その一端（図１では上端）に比較的対称なバルブを有し、その両側２３はスピンドルの左右に片持ち梁のように突出する。これらの両側２３の底部外面（図１に見られるように）は、対試験片２２の接触または支承面である。これらの支承面は、ブレード根元部が取り付けられるターボ機械のロータディスクホゾの形状を再現している。対試験片２２は、その他端に締付け手段を有し、引張試験時に対試験片を保持して締め付けるのに使用される対試験片２２を保持するための第１の手段を介して対試験片２２を試験機に締め付けることができる。本明細書では、この保持手段は、試験機の締め付けスピンドルが通るために設けられた穴２４を備える。

試験半片３２の支承面２４は、試験半片３２の基部に形成された膨出部３５の傾斜上面に配置可能である。この支承面は、ブレード根元部の支承面に類似した接触面である。第２の保持システムが上方の引張応力を受ける時（図１に見られるように）、試験半片の支承面２４および対試験片の支承面２５は接触し、このために第２の保持システム３０の上方の変位に抵抗する。このようにすることで、試験される試験半片の支承面２４に付着されたコーティング３４を試験にかけることができる。

試験半片３２および対試験片２２は、試験の結果それらは変形するので試験で消耗されてしまうが、試験機の他の部品は再利用可能な部品である。

第２の保持システム３０は、引張軸に平行で２つの試験半片を保持するのに使用される２つの支柱３８を備え、各々は１つの試験半片３２に締め付けられる。締め付けは、つまりボルト４２によって行うことができる。一方では、ボルト４２は、図２Ｂに示されるように、支柱３８を貫通して、さらに試験半片３２を通って、穴、傾斜孔または開放細長孔４１で締め付けられる。

２つの支柱３８が互いにしっかりと締め付けられることが可能でも、また、２つの支柱３８が一体部品を形成することが可能でも、それに対してそれらが第２の保持システム３０の独立した部分であるのが有利である。

本明細書では、２つの独立した部分は２つの支柱３８が互いに対して横方向に開口することができることを意味する。この開口は、引張方向に垂直な方向に、そしてブレード根元部のいろいろな支承面に垂直な方向に行われる。この自由度により、動作時のブレードの保持状態をより良く再現することができる。

有利には、保持システムの２つの部分の開口は、弾性戻し手段によって制限される。この弾性戻し手段は、引張サイクル時に変形するが、弾性変形の範囲でとどまる４つの金属バー４０からなる。このバー４０は、支柱３８を引張軸に垂直な方向に接続する。バー４０は、その自由端はボルト締めによって締め付けられるようにネジ式になっている。

ブレード根元部が受ける引張サイクルの適切な操作をチェックするために、試験機はさらに、試験時の試験半片の開口を測定するための手段１８を備える。この測定によって、試験時のさまざまな部分の適切な操作や正確な位置決めが確実になる。

図３を参照して、対試験片３２と試験半片３２との相対形状を説明する。試験半片３２は、支柱３８に載った状態で表されている。試験半片３２は、点Ｂから点Ｄまで伸びる支承面２４を備える。対試験片も同様に、試験半片３２の支承面２４に対向する支承面２５を備える。試験半片の支承面２４は、ブレード根元部の対応する部位と同じ種類のコーティングで被覆され、ブレード根元部の対応する部位と同じ方法で塗布される。試験半片３２と対試験片２２との相対位置では、試験半片の支承面２４にある接触領域、点Ｂと点Ｃとの間のみで接触される。当然、引張試験時に、この接触領域の位置は支承面に対して変化することになる。

図３で示されるように、試験片２２の支承面および試験半片３２の支承面は、引張方向である方向Ｅに対して傾斜した方向に配置される。これは、ブレード根元部がロータディスクに締め付けられる際に見られる傾斜である。この傾斜角度αは、４５°に近い。

Claims (11)

1. ターボ機械のロータブレード根元部を被覆可能なコーティング（３６）を試験するための装置（１０）であって、
   装置が、前記コーティングで被覆された支承面（２４）をそれぞれが有する２つの試験半片（３２）、２つの支承面（２５）を有する１つの対試験片（２２）、および引張軸（Ａ）に沿って対試験片（２２）を保持する第１の保持システム（２０）と、対試験片（２２）の周囲で試験半片（３２）を保持する第２の保持システム（３０）と、保持システムに引張軸に沿って所定の引張サイクルをかけ、引張サイクル時に、引張歪みが対試験片と試験半片とが互いに接触する各々の支承面（２５、２４）を介して一方の保持システムから他方の保持システムに伝達される引張手段（１４）とを備える試験機械を備えること、および
   第２の保持システムが、引張サイクル時に対試験片によって２つの試験半片に加えられる開口力を受けて、引張方向に垂直な方向に２つの試験半片が開口できるようにする弾性戻し手段（３０）を備えることを特徴とする、試験装置。
2. 対試験片（２２）の片側に位置する試験半片（３２）の側面がアンダーカットされていないことを特徴とする、請求項１に記載の試験装置。
3. 試験半片の支承面（２４）が、ターボ機械のロータブレード根元部の支承面の形状を表すように引張軸に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１または２に記載の試験装置。
4. 対試験片の支承面（２５）が、ターボ機械のロータディスクホゾの支承面の形状を表すように引張軸に対して傾斜し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試験装置。
5. 前記弾性戻し手段が、引張サイクル時に弾性変形の範囲を維持しながら変形する弾性材料製の少なくとも１つのバー（４０）を備え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試験装置。
6. 第２の保持システム（３０）が、引張軸に平行で、２つの試験半片（３２）を保持するのに使用される２つの支柱（３８）を備え、前記バーがこれらの支柱を引張軸に垂直な方向に接続す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試験装置。
7. 試験時に、試験半片の開口を測定するための手段（１８）をさらに備え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試験装置。
8. 試験半片（３２）が、その支承面の近くでは、ターボ機械のブレード根元部半部を表す形状を有し、引張軸がブレード根元部半部のほぼ半径方向に配置され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試験装置。
9. 対試験片（２２）が、その支承面の近くでは、ターボ機械のロータディスクのホゾの形状を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の試験装置。
10. 対試験片が、チタンまたはニッケル系合金で形成されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の試験装置。
11. 試験半片が、チタンまたはニッケル系合金で形成されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の試験装置。

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