JP5628342B2 - タービンエンジンブレード用の金属補強材の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複合または金属タービンエンジンブレード用の金属補強材を製造する方法に関する。
より詳細には、本発明は、タービンエンジンブレードの前縁用の金属補強材を製造する方法に関する。
本発明の分野は、タービンエンジンの分野、より詳細には、タービンエンジンの複合または金属材料で作られるファンブレードの分野に関し、それの前縁は、金属構造補強材を備える。
しかしながら、本発明は、また、タービンエンジンブレードの後縁を補強することが意図される金属補強材を製造することにも適用できる。
前縁は、空気流に面し、かつ空気流を下面空気流および上面空気流に分割する空気力学的輪郭の前部に対応することが想起されよう。後縁は、下面および上面流れが結合される空気力学的輪郭の後部に対応する。
欧州特許出願公開第1908919号明細書に言及されているように、ブレードの全体の高さにわたって、かつそれらの前縁よりも先に延在している金属構造補強材を有する、複合材料で製造されるタービンエンジンのファンブレードを提供することが知られている。この種の補強材は、複合ブレードが、たとえば鳥、雹、でなければ石などのファンに対する異物からの衝撃時に保護されるようになっている。
特に、金属構造補強材は、繊維/マトリックス凝集力低下により層間剥離、繊維破断または損傷の危険を防止することによって、複合ブレードの前縁を保護する。
従来、タービンエンジンブレードは、前縁と後縁との間で第1の方向に、およびブレードの足部と頭部との間で、第1の方向に本質的に直角な第2の方向に延在する空気力学的表面を備えている。金属構造補強材は、ブレードの空気力学的表面の前縁の形状をとり、ブレードの下面および上面の輪郭の形状をとるブレードの空気力学的表面の前縁を越えて第1の方向に、およびブレードの足部と頭部との間で第2の方向に延在する。
知られている方法では、金属構造補強材は、材料のブロックからフライス削りによって完全に製造される金属部品である。
欧州特許出願公開第1908919号明細書 欧州特許出願公開第2060343号明細書 欧州特許出願公開第2125339号明細書
ブレードの前縁の金属補強材は、製造するのに複雑な部品であり、高い製造コストを伴う非常に多くの複雑な再加工およびツーリング作業を必要とする。
これに関連して、本発明は、タービンエンジンブレードの前縁または後縁用の金属補強材を製造する方法を提案することによって前述の問題を解決することを目的とし、それにより、この種の部品の製造コストを著しく低減し、製造範囲を簡単化できるようになる。
このために、本発明は、補強足部および補強頭部を備える、タービンエンジンブレードの前縁または後縁用の金属補強材を製造する方法であって、
前記金属補強材が前記足部と前記頭部との間に配置される複数のセクタに分割されるように、前記金属補強材の異なるセクタを形成する複数のV字型テーパ要素を製造するためのステップと、
前記タービンエンジンブレードの前記前縁または前記後縁と同様に形成されるツールに前記セクタを配置するためのステップと、
異なるセクタを再結合することによって前記一体形金属補強材の前記完全な輪郭を形成すように、異なるセクタを堅固に接続するためのステップと
を連続的に含む方法を提案する。
本発明により、金属構造補強材は、一体形の完全な補強材を形成するように次いで堅固に接続される複数のセクタから簡単かつ迅速な方法で製造される。
独立して製造される複数のセクタを再結合することによる金属補強材の製作により、この種の部品の一体形製作と関連する、特に捻れる傾向のある補強材の薄い側面におけるずれを回避することができる。
実際に、補強材の複数のセクタを製造するためのステップにより、製作プロセス中に部品に生じる応力、および、したがってツールから部品の取り外し中の薄肉側面の変形を制限することができる。
したがって、この製造方法により、使用されるべき大量の材料と、したがって初期材料の供給のための高コストとを必要とする、一体形フラットバーから本体のフライス削りによって、補強材の複雑な製作を免れることができる。
また、本発明による方法により、この種の部品の製造コストをかなり低減することができる。
また、本発明によるタービンエンジンブレード用の金属補強材を製造する方法は、別個に考慮される、またはすべての技術的に可能な組み合わせを用いて、下記の特徴のうちの1つまたは複数を含むことができ、すなわち、
前記金属補強材の前記セクタを形成する複数の要素を製造するためのステップ中に、各セクタが、レーザ溶着プロセスによって製造され、
異なるセクタを堅固に接続するための前記ステップが、拡散ろう付けプロセスによって実行され、
方法が、前記剛性接続ステップによって同時に実行される熱間成形ステップを含み、
方法が、前記ツールから前記金属補強材を離型するためのステップを含み、前記ツールが、複数の脱着可能な部分によって形成され、前記離型が、前記脱着可能な部分の連続する離脱によって実行され、
方法が、前記補強材の表面を研磨するためのサブステップ、および/または前記補強材の側面を再加工するためのサブステップから成る、前記金属補強材を仕上げるためのステップを含み、
異なるセクタを堅固に接続するための前記ステップが、溶接プロセスによって実行され、この場合、異なるセクタを堅固に接続するための前記ステップの後には、
前記タービンエンジンブレードの前記前縁または前記後縁と同様に形成されるツールに前記補強材を形成する前記堅固に接続されるセクタを配置するためのステップと、
応力を緩和するための熱処理ステップと、
熱間成形ステップと、
前記ツールから前記金属補強材を離型するためのステップであり、前記ツールが前記補強材の前記足部と前記頭部との間に配置される複数の脱着可能な部分によって形成されるステップと、
前記補強材の表面を研磨するためのサブステップ、および/または前記補強材の側面を再加工するためのサブステップから成る、前記金属補強材を仕上げるためのステップと
が連続的に続くことが有利である。
また、本発明の主題は、前記ブレードの前縁または後縁の摩耗した金属補強材を備えるタービンエンジンブレードを修理する方法であって、
前記ブレードから前記摩耗した金属補強材を分離するためのステップと、
本発明によるタービンエンジンブレードの前縁または後縁の金属補強材を製造するためのステップと、
前記タービンエンジンブレードに、前記ステップ中に製造される、前記金属補強材を堅固に接続するステップと
を含む方法である。
また、本発明の主題は、複数の脱着可能な部分を備える、本発明によるタービンエンジンブレードの金属補強材を製造する方法を実施するためのツールである。
また、本発明によるツールは、別個に考慮される、またはすべての技術的に可能な組み合わせを用いて、次の特徴のうちの1つまたは複数を有することができ、すなわち、
前記ツールが、補強材のセクタの数よりも大きい、いくつかの脱着可能な部分を備え、
前記ツールが、前記補強材の材料の膨張係数よりも大きい膨張係数を有する材料で製造される。
本発明の他の特徴および利点は、指摘を介してかつ決して限定するものではなく、添付の図を参照して、下に与えられる本発明の説明からより明確に分かってくるであろう。
本発明による製造方法によって得られる前縁の金属構造補強材を備えるブレードの側面図である。 断面AAの平面における図1の部分断面図である。 本発明による製造方法のタービンエンジンブレードの前縁の金属構造補強材を製造するための主なステップを示すブロックダイヤグラムである。 図3に示される方法の第1のステップ中のタービンエンジンブレードの前縁の金属補強材の図である。 図3に示される方法の第2のステップ中のタービンエンジンブレードの前縁の金属補強材の図である。 図3に示される本発明による作製方法によって得られる最終状態のタービンエンジンブレードの前縁の金属補強材の図である。
すべての図において、共通の要素は、そうでないと明言されない限り同じ参照数字を有する。
図1は、本発明による製造方法によって得られる前縁の金属構造補強材を備えるブレードの側面図である。
示されたブレード10は、たとえばタービンエンジン(表されていない)の移動型ファンブレードである。
ブレード10は、前縁16と後縁18との間で第1の軸方向14に、および足部22と頭部24との間で第1の方向14に本質的に直角な第2の半径方向20に延在する空気力学的表面12を備えている。
空気力学的表面12は、ブレード10の上面13および下面11を形成し、ブレード10の上面13は、図1に表されている。下面11および上面13は、ブレード10の前縁16を後縁18に接続するブレード10の側面を形成する。
この実施形態では、ブレード10は、通常、織成複合材料をドレーピングすることによって得られる複合ブレードである。例示として、使用される複合材料は、炭素繊維織物および樹脂マトリックスの組立体を備えることができ、組立体は、(「樹脂トランスファー成形(Resin Transfer Molding)」を表す)RTMタイプの真空下で樹脂注入プロセスを使って成形によって形成される。
ブレード10は、その前縁16で接着された金属構造補強材30を備え、これは、ブレード10の空気力学的表面12の前縁16を越えて第1の方向14にも、またブレードの足部22と頭部24との間で第2の方向20にも延在する。
図2に表されるように、構造補強材30は、前縁31、いわゆる補強材の前縁を形成するように延在するブレード10の空気力学的表面12の前縁16の形状をとる。
従来、構造補強材30は、基部39を有する本質的にV字型部分を備える一体形部品であり、この基部39は、前縁31を形成し、かつブレードの空気力学的表面12の下面11および上面13の形状をそれぞれとる2つの側面35および37によって延在される。側面35および37は、ブレードの後縁の方向に先細になり、または薄くなる輪郭を有する。
基部39は、ブレード10の前縁16の丸められた形状をとることができる丸められた内部輪郭33を有する。
構造補強材30は、金属であり、チタン系であることが好ましい。実際に、この材料は、衝撃によるエネルギー吸収に対する大きな能力を有する。補強材は、たとえばシアノアクリレート接着剤またはエポキシ接着剤などの、当業者に知られている接着剤を使ってブレード10に接着される。
複合タービンエンジンブレードの補強材に使用されるこのタイプの金属構造補強材30は、より詳細には、欧州特許出願公開第1908919号明細書に特に説明されている。
本発明による方法により、たとえば図1、図2、および図6に示される構造補強材を製造することができ、図2および図6は、その最終状態の補強材30示している。
図3は、図1および図2に示されるようなブレード10の前縁の金属構造補強材30の製造方法100の主な原理を示すブロックダイヤグラムを表している。
作製方法100の第1のステップ110は、金属補強材30の複数のセクタ30a、30b、30c、30dを製造するためのステップである。
図4は、特に、第1のステップ110中に得られる異なるセクタ30a、30b、30c、30dを示している。
このために、金属補強材30は、設計中、または数値モデルの構築中に予め複数のセクタに分割される。
本発明による有利な実施形態によれば、補強材30の異なるセクタは、ラピッドプロトタイピングプロセスによって、より詳細にはレーザ溶着プロセスによって独立して作製される。実際に、レーザ溶着は、複数の連続する材料層の堆積によって補強材30の各セクタを作製することができるプロセスであり、それにより、複雑な形状、および特に側面35、37で小さな厚さを有するテーパ付きV字型の金属補強材30を容易な方法で作製することができる。
レーザ溶着プロセス、またはレーザ溶着による焼結プロセスは、当業者に知られているプロセスであり、特に、特許、欧州特許出願公開第2060343号明細書または欧州特許出願公開第2125339号明細書などの、非常に多くの特許で取り扱われており、したがって、本願発明者らは、この製作方法の機能原理をさらに詳細に説明しない。
複数のセクタ30a、30b、30c、30dを再結合することによる金属補強材30の作製により、一体形フラットバーからすべてが一体に組み込まれたこの種の部品の製作と関連するずれを回避し、特に、小さな厚さを有する側面35、37の捻れを回避することができる。
ステップ110で作製される各セクタ30a、30b、30c、30dは、最終補強材30の基部39、前縁31、側面35、37の一部を形成する。
製造方法100の第2のステップ120は、再結合するために特定の成形ツール40に異なるセクタ30a、30b、30c、30dを配置するためのステップである。配置するためのこの第2のステップ120は、図5によって示される。
ツール40は、補強材30の内部輪郭33と相補形の鋳型キャビティ43を形成するように一緒に協働する複数の部分40a、40b、40c、40d、40e、40fの結合によって形成される。ツール40の鋳型キャビティ43は、異なる部分40b、40c、40d、40e、40fが組み立てられると、ブレード10の輪郭に本質的に対応する。
したがって、第2のステップ中に、補強材30の異なるセクタ30a、30b、30c、30dは、ツールの補強材の輪郭をそっくりそのまま構成するように、ツール40にセクタごとに配置される。ツール40の形状、特に鋳型キャビティ43の輪郭は、金属補強材30の所望の形状および下面および上面の輪郭を形成するように製造される。
有利には、ツール40は、補強材30のセクタの数よりも大きいいくつかの部分を備えている。
製造方法100の第3のステップ130は、拡散ろう付けプロセスによって補強材30の異なるセクタ30a、30b、30c、30dを組み立てるための、またはそれを堅固に接続するためのステップである。これを行うために、各隣接するセクタ30a、30b、30c、30dの間に存在する接合箇所31は、溶加材から帯状にまたは粉末状に拡散ろう付けによって得られるろう付けコードによって充填される。この溶加材により、その最終輪郭を有する一体形補強材30を形成するために、異なるセクタ30a、30b、30c、30dを堅固に接続することができる。
拡散ろう付けは、溶融した溶加材部分が見えなくなるまで、溶加材を基材の中に完全に移動させることから成る作業であることが想起されよう。
拡散ろう付けにより、特に、比較的小さくて複雑な輪郭を有する機械加工部品の組立体に対して優れた結果を得ることができる。
作製方法100の第4のステップ140は、先行するステップの場合と同じ成形ツール40で実行される熱間成形のためのステップであり、この場合、ツールは、使用される材料の鍛造温度まで加熱される炉に配置される。
この熱間成形ステップにより、その最終形状を得ることを目指して補強材30を形成することができる。
ツール40は、補強材の材料の膨張係数よりも大きい膨張係数を有する材料で製造されることが好ましい。例示として、ツール40は、補強材がチタン系で製造される場合には鋼で製造され得る。ツール40の輪郭およびツール40の寸法は、使用される異なる材料の離脱を考慮に入れるように設計される。
本発明の好ましい実施形態によれば、熱間成形ステップ140は、拡散ろう付けステップ130中に実行される。
第5のステップ150は、ツール40から前記補強材30を離型するためのステップである。このために、ツール40の異なる部分40a、40b、40c、40d、40e、40fは、脱着可能であり、補強材30の離型を容易にするように個々に取り外され得る。
離型を容易にするために、ツール40に固着する補強材30を回避するように、ツール40の鋳型キャビティ43に保護層を付着させることによって、初めにツール40を調製することができる。例示として、この保護層は、アルミニウム層であることができる。
最後に、製造方法100の第6のステップ160は、機械加工によって補強材30を仕上げ、再加工するためのステップである。この仕上げステップ160は、特に、
側面35、37を再加工するステップ、すなわち、特に、側面35、37をトリミングするステップと、下面および上面の側面35、37を薄くするステップとから成るステップと、
要求される表面状態を得るために補強材30を研磨するステップと
から成る。
図6は、本発明による製造方法によって得られるその最終状態の補強材30を示している。
これらの主な製造ステップと関連して、本発明による方法は、また、補強材30の非破壊制御のためのステップを含むこともでき、その結果、得られた組立体の幾何学的および冶金学的適合が確保されるようになっている。例示として、非破壊制御は、X線法によって実行され得る。
本発明の第2の実施形態によれば、拡散ろう付けによってさまざまな補強材を組み立て、または堅固に接続するためのステップは、たとえば電子ビームを使って、溶接によってさまざまな補強材を組み立てるためのステップによって置き換えられる。
この第2の実施形態では、溶接によって組み立てるためのステップは、成形ツールを使用することなく実行される。このステップは、補強材の異なるセクタを作製するためのステップに続いて起こる。
したがって、この第2の実施形態では、図1および図2に示されるようなブレード10の前縁の金属構造補強材30を製造するための方法は、
たとえばレーザ溶着プロセスによって、金属補強材の複数のセクタ30a、30b、30c、30dを製造するための第1のステップと、
補強材の異なる部分を構成する異なるセクタ30a、30b、30c、30dを溶接よって組み立てるための第2のステップと、
補強材の内部鋳型キャビティを形成し、タービンエンジンブレードの前縁の輪郭を有するツールに一緒に堅固に接続される前記セクタ30a、30b、30c、30dを配置するための第3のステップと、
応力を緩和するための第4の熱処理ステップと、
第5の熱間成形ステップと、
ツールから金属補強材30を離型するための第6のステップであり、ツールが補強材30の離型を容易にするように異なる脱着可能な部分に分割されるステップと、
補強材の表面を研磨するためのサブステップ、および/または補強材30の側面を再加工するためのサブステップから成る、金属補強材30を仕上げるためのステップと
を含む。
本発明による方法は、チタンベースの金属構造補強材について主に説明されているが、本発明による方法は、また、ニッケルベースまたは鋼ベースにも適用できる。
本発明は、特に、複合タービンエンジンブレードの金属補強材の製造について説明されているが、本発明は、また、金属タービンエンジンブレードの金属補強材の製造にも適用できる。
本発明は、特に、タービンエンジンブレードの前縁の金属補強材の製造について説明されているが、本発明は、また、タービンエンジンブレードの後縁の金属補強材の作製にも適用できる。
本発明は、特に、第1のステップを実行するためのレーザ溶着プロセスについて説明されているが、第1のステップは、たとえば他のプロトタイピングプロセスによって、または機械加工プロセスによって実施され得る。
複数の独立のセクタを使った補強材のレーザ溶着による実施についての関心により、レーザ溶着によって製作する方法を通じて部品に生じる応力、および、したがってツールから部品の離脱中に薄肉側面の変形を制限することができる。実際に、補強材は、部品のサイズが大きければ大きいほど、ツールから部品が離脱中に変形される傾向がある薄肉側面を有する。
本発明により金属補強材を製造する方法は、複合または金属タービンエンジンブレードを修理するための全体のプロセスに完全に統合され得る。したがって、タービンエンジンブレードを修理するための方法は、
熱分解手段によって摩耗した金属補強材を切り離すための第1のステップであり、タービンエンジンブレードに金属補強材を堅固に接続するのに使用される接着剤を柔らかくし、かつ/または劣化させるように接着剤または樹脂が100℃から400℃程度までの温度に加熱されるようになっているステップと、
本発明による新しい金属補強材を作製するための第2のステップと、
最後に、たとえばシアノアクリレート接着剤またはエポキシ接着剤などの、補強材をブレードに接着するための当業者に知られている接着剤を使って接着することによって、先行するステップで製造される、金属補強材を堅固に接続するための第3のステップと
から成る。
本発明の他の利点は、特に、次の
製造コストの低減と、
製造時間の低減と、
製造範囲の簡単化と、
材料コストの低減と
である。

Claims (12)

  1. 補強足部(32)および補強頭部(34)を備える、タービンエンジンブレード(10)の前縁または後縁用の金属補強材(30)を製造する方法であって、
    前記金属補強材(30)が前記足部(32)と前記頭部(34)との間に配置される複数のセクタに分割されるように、前記金属補強材(30)の異なるセクタを形成する複数のV字型テーパ要素(30a、30b、30c、30d)を製造するためのステップ(10)と、
    前記タービンエンジンブレード(10)の前記前縁または前記後縁の形をしたツール(40)に前記セクタ(30a、30b、30c、30d)を配置するためのステップ(120)と、
    異なるセクタ(30a、30b、30c、30d)を結合することによって前記一体形金属補強材(30)の前記完全な輪郭を形成すように、異なるセクタを堅固に接続するためのステップ(130)と
    を連続的に含む方法。
  2. 前記金属補強材(30)の前記セクタ(30a、30b、30c、30d)を形成する複数の要素を製造するための前記ステップ(10)中に、各セクタ(30a、30b、30c、30d)が、レーザ溶着プロセスによって製造される、請求項1に記載のタービンエンジンブレード用の金属補強材(30)を製造する方法。
  3. 異なるセクタ(30a、30b、30c、30d)を堅固に接続するための前記ステップ(10)が、拡散ろう付けプロセスによって実行される、請求項1または2に記載のタービンエンジンブレード用の金属補強材(30)を製造する方法。
  4. 異なるセクタを堅固に接続するための記ステップ(130)同時に実行される熱間成形ステップ(140)を含む、請求項3に記載のタービンエンジンブレード用の金属補強材(30)を製造する方法。
  5. 前記ツール(40)から前記金属補強材(30)を離型するためのステップ(150)を含み、前記ツール(40)が、複数の脱着可能な部分(40a、40b、40c、40d、40e、40f)によって形成され、前記離型が、前記脱着可能な部分(40a、40b、40c、40d、40e、40f)の連続する離脱によって実行される、請求項3または4に記載のタービンエンジンブレード用の金属補強材(30)を製造する方法。
  6. 前記補強材の表面を研磨するためのサブステップ、および/または前記補強材(30)の側面(35、37)を再加工するためのサブステップから成る、前記金属補強材(30)を仕上げるためのステップ(160)を含む、請求項5に記載のタービンエンジンブレード用の金属補強材(30)を製造する方法。
  7. 異なるセクタ(30a、30b、30c、30d)を堅固に接続するための前記ステップ(10)が、溶接プロセスによって実行される、請求項1または2に記載のタービンエンジンブレード用の金属補強材(30)を製造する方法。
  8. 異なるセクタ(30a、30b、30c、30d)を堅固に接続するための前記ステップ(10)の後に、
    前記タービンエンジンブレード(10)の前記前縁(31)または前記後縁の形をしたツールに前記補強材を形成する前記堅固に接続されセクタ(30a、30b、30c、30d)を配置するためのステップと、
    応力を緩和するための熱処理ステップと、
    熱間成形ステップと、
    前記ツールから前記金属補強材(30)を離型するためのステップであり、前記ツールが前記補強材の前記足部(32)と前記頭部(34)との間に配置される複数の脱着可能な部分によって形成されているステップと、
    前記補強材(30)の表面を研磨するためのサブステップ、および/または前記補強材(30)の側面(35、37)を再加工するためのサブステップから成る、前記金属補強材(30)を仕上げるためのステップと
    が連続的に続く、請求項7に記載のタービンエンジンブレード用の金属補強材(30)を製造する方法。
  9. レードの前縁または後縁の摩耗した金属補強材を備えるタービンエンジンブレードを修理する方法であって、
    前記ブレードから前記摩耗した金属補強材を分離するためのステップと、
    請求項1から8のいずれか一項に記載のタービンエンジンブレード(10)の前縁または後縁の金属補強材(30)を製造するためのステップと、
    前記タービンエンジンブレード(10)に、前記ステップ中に製造される前記金属補強材(30)を堅固に接続するためのステップと
    を含む方法。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載のタービンエンジンブレードの金属補強材(30)を製造する方法を実施するためのツール(40)であって、前記ツール(60)が、複数の脱着可能な部分(40a、40b、40c、40d、40e、40f)によって形成される、ツール。
  11. 補強材(30)のセクタ(30a、30b、30c、30d)の数よりも大きい、いくつかの脱着可能な部分(40a、40b、40c、40d、40e、40f)を備える、請求項10に記載のツール(40)。
  12. 前記ツール(60)が、前記補強材の材料(30)の膨張係数よりも大きい膨張係数を有する材料で製造される、請求項10または11に記載のツール(40)。
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