JP5394006B2 - 翼形部及び翼形部前縁を保護する方法 - Google Patents

Description

本出願に開示した主題は、総括的には翼形部及び翼形部前縁を保護する方法に関し、より具体的には、万一その一部がブレード又はベーンから破損して離脱した場合であっても下流側エンジン要素に対するドメスチックオブジェクト損傷（ＤＯＤ）を防止する構造的特徴を備えた、複合材料ファンブレード及びステータベーン用の金属前縁ストリップに関する。

多くの最新式タービンエンジンファンブレード及びステータベーンは、複合材積層体又は成形繊維で構成されている。これらは、ジョイント・ストライク・ファイタ（ＪＳＦ）Ｆ１３６型エンジン及び有名なＣＦ６−８０Ｃ２型高バイパスエンジンに含まれる。エンジンの過酷な環境内でのベーン材料の腐食は、ベーンの前縁の周りに巻かれかつ負圧及び正圧側面の両方の大きな割合を被覆するＶ字形状保護金属ストリップによって防止される。先行技術の構造では、金属前縁ストリップを取付けることは、主として該金属ストリップをベーンに接合する接着剤層の厚さの均一性を制御する難しさ故に、困難である。最新式翼形部の前縁は、比較的尖っており、前縁への金属ストリップの取付けは精密でない。

複合材ステータベーンでの経験によると、腐食防止のために翼形部の前縁に接合された薄い金属ストリップは、エンジン運転中に脱離した状態になる可能性があることが分かっている。脱離は一般的に、運転中における高温での金属ストリップとブレード又はベーンの複合材料との間の歪み不整合によって生じた接合不良によるものである。前縁ストリップの脱離は、エンジン流路の下流に設置された翼形部及びその他のエンジン構成部品に対して容認できないドメスチックオブジェクト損傷（ＤＯＤ）を発生させる可能性がある。

接合一体性を制御する上での重要な要素は、複合材料と金属ストリップとの間でのコンプライアント層として作用して歪み不整合を吸収する接合材料の能力である。脱離が発生すると、現行の前縁ストリップの構造では、脱離したストリップ破片の大きさを制御することが可能でなくて、比較的大きな不規則形状の金属材料の下流方向への吸込み及びそれによるエンジン損傷の可能性を生じる。

従って、翼形部前縁からの保護前縁ストリップの脱離を最小にし、また万一脱離が発生した場合には下流側エンジン構成部品に対する損傷を減少させる必要性が存在する。

本発明の１つの態様によると、翼形部を提供し、本翼形部は、翼弦長を形成した凹面形正圧側面及び凸面形負圧側面と前縁及び後縁とを備えた翼形部本体を含む。前縁保護ストリップは、前縁と該前縁から下流方向に後縁に向かった翼形部本体の正圧側面及び負圧側面のそれぞれの所定の部分とに対して接合材層によって付着されかつそれらを保護被覆する。前縁保護ストリップは、その中に接合材層が埋め込まれ、かつエンジン運転中に翼形部から脱離した場合に、下流側エンジン構成部品との衝突が該下流側エンジン構成部品に対して損傷を引き起こさないほど十分に小さい所定の寸法の隣接するセグメントを形成する多数の内側向きグルーブを含む。

本発明の別の態様によると、翼形部の前縁を保護する方法を提供し、本方法は、翼弦長を形成した凹面形正圧側面及び凸面形負圧側面と前縁及び後縁とを備えた翼形部本体を準備する段階と、前縁と該前縁から下流方向に後縁に向かった翼形部本体の正圧側面及び負圧側面のそれぞれの所定の部分とに対してかつそれらを保護被覆するように前縁保護ストリップを付着させる段階とを含む。前縁保護ストリップは、その中に接合材層が埋め込まれ、かつエンジン運転中に翼形部から脱離した場合に、下流側エンジン構成部品との衝突が該下流側エンジン構成部品に対して損傷を引き起こさないほど十分に小さい所定の寸法の隣接するセグメントを形成する多数の内側向きグルーブを含む。

本発明の幾つかの態様を上に記載した。本発明のその他の態様は、以下の図面と共に本発明の説明を読み進めることにより明らかになるであろう。

次に図１を参照すると、ガスタービンエンジン１０を概略的に示しており、エンジン１０は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を含む。エンジン１０はまた、高圧タービン１８及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２及びタービン２０は、第１のシャフト２４によって結合され、また圧縮機１４及びタービン１８は、ロータシャフト２６によって結合される。

運転中に、空気は、低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧されかつ該低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、下流方向に燃焼器１６に送給され、該燃焼器１６において、空気は燃料と混合されかつ点火される。燃焼器１６からの燃焼空気／ガス混合気は、タービン１８及び２０を駆動する。

図２に示すように、高圧圧縮機１４は、複数の段を含み、各段は、半径方向に延びるロータブレード４０の列と半径方向に延びるステータベーン組立体４４の列とを含む。この例示的な実施形態では、ロータブレード４０は、ロータディスク４６によって支持され、またロータシャフト２６に結合される。ロータシャフト２６は、圧縮機１４の周りで円周方向に延びかつステータベーン組立体４４を支持したケーシング５０によって囲まれる。

図２に示す例示的な実施形態では、入口案内ベーン５２及び可変ベーン５３は、ベーンプラットフォーム５６からほぼ垂直方向に延びる半径方向外側ベーンステム又はスピンドル５４を含む。各スピンドル５４は、ケーシング５０内に形成されたそれぞれの開口部５８を貫通して延びてそれぞれのベーン５２をケーシング５０に結合するのを可能にする。ケーシング５０は、複数の開口部５８を含む。レバーアーム６０は、各可変ベーン５２から延びかつ該ベーン５２を選択的に回転させるために利用されて、流路に対するベーン５２の配向を変更して圧縮機１４を通る空気流量の制御を高めるのを可能にする。この出願に開示した本発明は、ベーン又はブレードが可変ピッチになっているか否かに関係なくベーン及びブレードに対して使用することができることを理解されたい。現在のところ、入口案内ステータベーン５２を除いて圧縮機１４における翼形部温度は一般的に、公知の複合材料で製作したベーンには高温過ぎるが、以下説明するようなあらゆる１つ又はそれ以上のベーンに対する金属前縁保護ストリップは、更なる進歩として複合材料ベーンを圧縮機全体にわたって実施可能にすることができるので、本発明の技術的範囲内であると考えられる。

図３及び図４において最もよく示すように、ステータベーン５２は、公知の種類の高分子複合材で形成された翼形部本体を含み、翼形部本体は、翼弦長を形成した凹面形正圧側面７０及び凸面形負圧側面７２（図４参照）と前縁７４及び後縁７６とを有する。

前縁保護ストリップ８０は、前縁７４と該前縁７４から下流方向に後縁７６に向かった翼形部本体の正圧側面７０及び負圧側面７２のそれぞれの所定の部分とに対して接合材層８２によって付着されかつそれらを保護被覆する。前縁７４の腐食は一般的に、ベーン５２の正圧側面７０上でより激しく、従って特に図４に関して示すように、前縁保護ストリップ８０によって被覆された負圧側面７２の所定の部分はそれ故に、前縁保護ストリップ８０によって被覆された正圧側面７０の部分よりもはるかに少ない。このことは、その結果として優れた接合強度をもたらす接合材層８２のより精密な厚さの制御を可能にする。

ベーン５２は、エンジン軸線を通って延びる半径方向線に関する平面から反れて弓形にすることができる。これは、翼形部内側及び外側流路における空気力学的作用に対応するためになされる。しかしながら、このように弓形にすることは、前縁保護ストリップ８０とベーン５２との間の取付けを一層複雑にする可能性があり、このことにより、主として正圧側面上に前縁保護ストリップ８０を設けた状態になった本明細書に記載した設計が特に望ましいものとなる。

前縁保護ストリップ８０は、金属製であるのが好ましく、ベーン５２が形成された高分子複合材に適した熱膨張特性及び整合性を有するように選択される。この目的には、チタンが１つの好適な金属である。前縁保護ストリップ８０は、約０．２５ｍｍよりも小さい厚さとするのが好ましく、約０．１３〜０．２ｍｍ厚さの範囲の厚さを有する。図４に概略的に示すように、前縁７４の周りで延びかつ負圧側面７２上で延びる前縁保護ストリップ８０の長さは、約２．５ｍｍ、又はより一般的には翼形部翼弦長の約２〜３％である。経験的に、負圧側面７２上での前縁保護ストリップ８０の延長の程度は、前縁保護ストリップ８０の端縁部がベーン５２から分離しかつ空気流／ガス圧力によって持ち上がるのを防止するのに十分なものでなければならない。

接合材又はコンプライアント層８２の厚さ及び材料は、分析によって前縁保護ストリップ８０とベーン５２との間での剪断応力を減少させるように決定される。接合材層８２の材料は、２０４〜２６０°Ｃのエンジン環境内で安定しかつ長期持続した性能が得られるように、商品名Ｖｉｔｏｎ（登録商標）の下でデュポンによって製造されかつ販売されているようなビスマレイミド（ＢＭＩ）又はフルオロエラストマーであるのが好ましい。接合材厚さは、０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍのオーダであるのが好ましい。

図３及び図４において描写的に示すように、前縁保護ストリップ８０には、エンジン運転中に翼形部から脱離した場合に、下流側エンジン構成部品との衝突が該下流側エンジン構成部品に対してドメスチックオブジェクト損傷（ＤＯＤ）を引き起こすことにならないほど十分に小さい寸法の小さな幾何学的形状のセグメントを形成する内側向きグルーブ８０Ａが凹設されている。グルーブ８０Ａは、約２．５ｍｍ〜６．３ｍｍ長さの側面を有するセグメントを形成するのが好ましい。グルーブ８０Ａそれ自体は、その幅が約０．１３ｍｍのオーダであり、前縁保護ストリップ８０の厚さの約１／３の深さを有する。グルーブ８０Ａは、正方形、菱形、その他の四辺形形状、又はその他のあらゆる好適な形状を形成することができる。前縁保護ストリップ８０の外面は、滑らかであり、かつ隣接するベーン表面からの本質的に乱流のない移行が行われるように意図されている。内側溝付き表面は付加的に、前縁保護ストリップ８０の内面上により大きな表面積を形成して、それによって前縁保護ストリップ８０とその下にある接合材層８２との間に強い接合が得られるようにする。

図５に示すように、任意選択的に前縁保護ストリップ８０には、ベーン５２に沿って半径方向に間隔を置いて配置された軸方向に延びる調整スリット８４を設けることができ、それによって、該前縁保護ストリップ８０をベーン５２の前縁７４の形状に対して一層正確に取付けることができる。スリット８４は、取付けられた時に互いに閉じて該スリット８４の対向する端縁部が接するようになる浅い内向きテーパ状抜け勾配を有する。

以上、金属前縁ストリップを供えた翼形部及び翼形部の前縁を保護する方法を説明している。本明細書は、実施例を使用して、本発明を実施するための最良の形態を含む本発明を開示し、またさらに当業者があらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用すること及びあらゆる具体化方法を実行することを含めて本発明を実施するのを可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それら実施例が特許請求の範囲の文言とは異ならない構成要素を有する場合、或いはそれら実施例が特許請求の範囲の文言と実質的でない差異を有する均等な構成要素を含む場合には、本特許請求の範囲の技術的範囲内にあることを意図している。

ガスタービンエンジンの簡略斜視図。 例示的なガスタービンエンジン高圧圧縮機組立体の概略部分側面図。 単一のステータベーンの斜視図。 線４−４に沿って取った、図３におけるベーンの部分断面図。 本発明の別の実施形態による単一のステータベーンの側面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 低圧圧縮機
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２４ 第１のシャフト
２６ ロータシャフト
４０ ロータブレード
４４ ステータベーン組立体
４６ ロータディスク
５０ ケーシング
５２ 入口案内ベーン
５３ 可変ベーン
５４ ベーンステム又はスピンドル
５６ ベーンプラットフォーム
５８ 開口部
６０ レバーアーム
７０ 正圧側面
７２ 負圧側面
７４ 前縁
７６ 後縁
８０ 前縁保護ストリップ
８０Ａ グルーブ
８２ 接合材層
８４ 調整スリット

Claims (10)

1. 翼弦長を形成した凹面形正圧側面（７０）及び凸面形負圧側面（７２）と前縁（７４）及び後縁（７６）とを備えた翼形部本体と、
   前記前縁（７４）と該前縁（７４）から下流方向に前記後縁（７６）に向かった前記翼形部本体の正圧側面（７０）及び負圧側面（７２）のそれぞれの所定の部分とに対して接合材層（８２）によって付着されかつそれらを保護被覆した前縁保護ストリップ（８０）と、を含み、
   前記前縁保護ストリップ（８０）が、その中に前記接合材層（８２）が埋め込まれ、かつエンジン運転中に該翼形部から脱離した場合に、下流側エンジン構成部品との衝突が該下流側エンジン構成部品に対して損傷を引き起こさないほど十分に小さい所定の寸法の隣接するセグメントを形成する多数の内側向きグルーブ（８０Ａ）を含む、
   翼形部。
2. 該翼形部が、タービンエンジンファンブレード、タービンエンジン圧縮機ブレード及びタービンエンジンステータベーン（５２）から成る群から選択される、請求項１記載の翼形部。
3. 前記多数のグルーブ（８０Ａ）が互いに交差している、請求項１又は２に記載の翼形部。
   
4. 前記前縁保護ストリップ（８０）によって被覆された該翼形部の負圧側面（７２）の所定の部分が、前記前縁（７４）から下流方向に前記後縁（７６）に向かって約０．２５ｍｍ延びる部分である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の翼形部。
5. 前記前縁保護ストリップ（８０）によって被覆された前記負圧側面（７２）の所定の部分が、該前縁保護ストリップ（８０）によって被覆された前記正圧側面（７０）の所定の部分の１／３よりも大きくない、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の翼形部。
6. 前記グルーブ（８０Ａ）が、２．５ｍｍ〜６．３ｍｍ長さの側面を有するセグメントを形成するように間隔を置いて配置される、請求項３記載の翼形部。
7. 前記接合材層（８２）が、その厚さが０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍであり、
   前記前縁保護ストリップ（８０）が、その厚さが０．１３ｍｍ〜０．２ｍｍである、
   請求項１記載の翼形部。
8. 該翼形部が、タービンエンジンファンブレード、タービンエンジン圧縮機ブレード及びタービンエンジンステータベーン（５２）から成る群から選択される、請求項７記載の翼形部。
9. 前記前縁保護ストリップ（８０）によって被覆された前記負圧側面（７２）の所定の部分が、該翼形部の翼弦長の約１〜３％であり、
   前記前縁保護ストリップ（８０）によって被覆された該翼形部の負圧側面（７２）の所定の部分が、前記前縁から下流方向に前記後縁（７６）に向かって約０．２５ｍｍであり、
   前記前縁保護ストリップ（８０）が、エンジン運転中に該翼形部から脱離した場合に、下流側エンジン構成部品との衝突が該下流側エンジン構成部品に対して損傷を引き起こすことにならないほど十分に小さい所定の寸法の隣接するセグメントを形成する多数の交差内側向きグルーブ（８０Ａ）を含み、
   前記グルーブ（８０Ａ）が、その幅が約０．１３ｍｍよりも小さくかつ前縁保護ストリップ（８０）の厚さの約１／３であり、
   前記接合材層（８２）が、その厚さが約０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍであり、
   前記セグメントが、約２．５ｍｍ〜６．３ｍｍ長さの側面を有し、
   前記前縁保護ストリップ（８０）が、その厚さが約０．１３ｍｍ〜０．２ｍｍであり、
   前記内側向きグルーブ（８０Ａ）が、該翼形部に対する前記前縁保護ストリップ（８０）の取付けのための大きな表面積を形成する、
   請求項１記載の翼形部。
10. 低圧圧縮機（１２）、高圧圧縮機（１４）、高圧タービン（１８）、低圧タービン（２０）及び燃焼器（１６）と、
    複数の半径方向に延びるステータベーン（５２）と、
    を含み、前記ステータベーン（５２）の少なくとも１つが、
    翼弦長を形成した凹面形正圧側面（７０）及び凸面形負圧側面（７２）と前縁（７４）及び後縁（７６）とを備えたベーン本体と、
    前記前縁（７４）と該前縁（７４）から下流方向に前記後縁（７６）に向かった前記ベーン本体の正圧側面（７０）及び負圧側面（７２）のそれぞれの所定の部分とに対して接合材層（８２）によって付着されかつそれらを保護被覆した前縁保護ストリップ（８０）と、を含み、
    前記前縁保護ストリップ（８０）が、その中に前記接合材層（８２）が埋め込まれかつエンジン運転中に該ベーン（５２）から脱離した場合に下流側エンジン構成部品との衝突が該下流側エンジン構成部品に対して損傷を引き起こすことにならないほど十分に小さい所定の寸法の隣接するセグメントを形成する多数の内側向きグルーブ（８０Ａ）を含む、
    タービンエンジン（１０）。

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