JP5934067B2 - 補強ファンブレード及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明はファンブレードに関し、特に高延性繊維複合材料で補強されたファンブレードに関する。

ジェットエンジン用途に用いられるファンブレードは、鳥が吸い込まれた場合などの異物の衝突による損傷を受けやすい。グラファイト繊維補強複合材料製のブレードは、全体として比強度と比剛性が高いので魅力的である。しかし、グラファイト複合材料は、延性が低いため、異物衝突時に脆性破壊及び離層を特に起こしやすい。ブレードの前縁、後縁及び先端は特に損傷を受けやすいが、それはこれらの部位が通常厚さが薄いことと、周知の通り積層複合材料は自由縁が離層しやすいことによる。さらに、航空機の速度に比して回転速度が高いこと及びブレードの形状のため、吸い込まれた異物はブレードの前縁付近にぶつかる。複合材料の負圧面及び正圧面付近の材料は、こうした事象に通常伴う局所的な曲げ変形のため最も破壊しやすい。

衝突による損傷を防御するために金属ガードを複合材料ブレードに接合することが知られている。しかし、こうした材料は密度が高いため、用途が限られる。さらに、局所的に又は広範に翼形部厚さを増すことによって、ブレードの耐衝撃性を高めることができる。しかし、ブレードを厚くすると、空力的にも重量の上でも不利益が生じる。
米国特許第４３４３５９３号明細書 米国特許第４４７１０２０号明細書 米国特許第４８１０１６７号明細書 米国特許第４９７１６４１号明細書 米国特許第５０１３２１６号明細書 米国特許第５０１８２７１号明細書 米国特許第５０４９０３６号明細書 米国特許第５２９９９１４号明細書 米国特許第５３４０２８０号明細書 米国特許第５３８５９７８号明細書 米国特許第５４９０７６４号明細書 米国特許第５５８０２１７号明細書 米国特許第５６２８６２２号明細書 米国特許第５６３４７７１号明細書 米国特許第５６５５８８３号明細書 米国特許第５６７２４１７号明細書 米国特許第５７２０５９７号明細書 米国特許第５７８５４９８号明細書 米国特許第５８４３３５４号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１２９０６１号

本発明の一つの態様では、複数の繊維複合材料層と該繊維複合材料層の１つと接合部で接合する１以上の高延性繊維複合材料ストリップとを備えるファンブレードが提供される。

本発明の別の態様では、ファンブレードの製造方法が提供される。ファンブレードの製造方法は、複数の繊維複合材料層を接合し、１以上の高延性繊維複合材料ストリップを繊維複合材料層の１つに接合する工程を含む。高延性繊維複合材料ストリップの端部は、繊維複合材料層の端部と接合部で当接する。

ファンブレードの例を示す図である。 本発明の一実施形態のファンブレードの前縁の断面図である。 本発明の一実施形態のファンブレードの前縁の断面図である。 本発明の別の実施形態のファンブレードの前縁の断面図である。 本発明の他の実施形態のファンブレードの前縁の断面図である。 本発明の他の実施形態のファンブレードの前縁の断面図である。 補強材の配置を示す本発明の実施形態のファンブレードの断面図である。 補強材の配置を示す本発明の実施形態のファンブレードの断面図である。 補強材の配置を示す本発明の実施形態のファンブレードの断面図である。 補強材の配置を示す本発明の実施形態のファンブレードの断面図である。 本発明の別の実施形態のファンブレードの前縁の断面図である。

以下、図面を参照するが、複数の図面において同じ構成要素には同じ番号を付してある。

本発明の実施形態は補強された繊維複合材料ファンブレードに関する。このようなファンブレードは、ジェットエンジン、タービンなどを始めとする様々な用途に使用することができる。繊維複合材料は、任意の（金属又は非金属）繊維フィラメントを任意の（金属又は非金属）マトリックスバインダーに埋設した材料とすることができる。本発明の一実施形態では、ファンブレードの大部分は、個別の繊維複合材料単層のレイアップである。一実施形態では、繊維複合材料は、グラファイト繊維フィラメントをエポキシ（例えば、エポキシ樹脂）マトリックスバインダーに埋設して構成され、得られる複合材料層の弾性率は１２４１１０〜１６５４８０メガパスカル（ＭＰａ）、引張伸びは１．３〜１．５％である（両方とも繊維と平行に測定した）。マトリックス樹脂の他の選択肢としては、ビスマレイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ（アリールスルホン）、ポリエーテルスルホン、シアネートエステル及びこれら組合せがあるが、これらに限定されない。一実施形態では、マトリックスバインダーはゴム粒子などの強化材料を含む。

繊維複合材料ファンブレードを高延性繊維複合材料で補強する。一実施形態では、高延性繊維複合材料の弾性率は約１３７９０〜９６５３０ＭＰａ、好ましくは約４１３７０〜６２０５５ＭＰａである。高延性繊維複合材料の引張伸びは約１．７５％以上、好ましくは約３％以上でなければならない。高延性繊維複合材料として、例えばＳガラス、アラミド、延伸鎖ポリエチレン及びポリ（ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール）（ＢＰＯ）がある。

図１は本発明の一実施形態のファンブレード１０の斜視図である。ファンブレード１０は前縁１２及び後縁１４を有する。ファンブレードはさらに、前縁と後縁の間に延在する第一側面１６及び第二側面１８を有する。ガードやコーティングなどの追加の構成要素を第一側面１６及び第二側面１８に付与することができる（図１１を参照して詳述する）。当技術分野で公知の通り、ファンブレード１０の大部分は、前縁１２と後縁１４の間に延在する複数の繊維複合材料層（例えば、炭素繊維層）から製造される。繊維複合材料層は、翼弦方向に前縁１２から後縁１４まで、翼幅方向に根元１１から先端１３まで延在する。

ファンブレード１０を、損傷しやすい部位について高延性繊維複合材料ストリップで補強する。通常その部位はブレードの前縁、先端及び後縁であり、ブレードの正圧面及び負圧面に向かって広がっている。高延性繊維複合材料ストリップはファンブレード１０が破壊する前に大きく変形するのを可能にし、また結果として負荷がより広い領域に分布することになり、局所的な損傷を起こりにくくする。

図２はファンブレード１０の前縁１２の断面図である。多数の高延性繊維複合材料ストリップ２０，２２及び２４を用いて前縁を補強する。ストリップは前縁１２から後縁１４に向かって延在し、側面１６及び１８の外側表面から内側へ延在する。繊維複合材料の断面２６は前縁１２に露出したままである。高延性繊維複合材料ストリップは、繊維が異なる配向で並んでいる。高延性繊維複合材料ストリップ２０は、繊維がブレード１０の翼幅方向に平行な方向に配向されている。高延性繊維複合材料ストリップ２２は、繊維がブレード１０の翼幅方向に対して４５°の方向に配向されている。高延性繊維複合材料ストリップ２４は、繊維がブレード１０の翼幅方向に対して−４５°の方向に配向されている。

図３は、高延性繊維複合材料ストリップ２０，２２及び２４に相対する繊維複合材料層３０を示す。前縁１２から離れた高延性繊維複合材料ストリップ２０，２２及び２４の端部をずらして配置する。すなわち、側面１６及び１８の表面から位置が離れるにつれて、高延性繊維複合材料ストリップのそれぞれの長さが短くなる。一実施形態では、隣接する高延性繊維複合材料ストリップ間の長さの違いｄは、約０．１インチ以上である。あるいは、違いｄはストリップ厚さの関数として表すことができ、一実施形態ではストリップ厚さの１５倍以上である。これにより、高延性繊維複合材料ストリップがテーパー状になり、順応領域はファンブレードの正圧面及び負圧面の近くの方が中心部よりも長くなる。

高延性繊維複合材料ストリップ２０，２２及び２４は、繊維複合材料層３０と接合部で当接する。接合部は突き合わせ接合又は部分的な重なりとすることができる。高延性繊維複合材料ストリップ２０，２２及び２４は、レイアップ工程中にブレード１０に組み込むことができ、レイアップ工程中に繊維複合材料層と高延性繊維複合材料を接着剤で結合するか同時硬化する。ファンブレード１０は、内部から外側へ第一側面１６及び第二側面１８に向かって作製する。繊維複合材料層３０は、接着剤又は同時硬化などの方法を用いて接合する。補強位置に達したら、接着剤又は同時硬化などの方法を用いて、高延性繊維複合材料のストリップを繊維複合材料層に接合する。

図４は別の実施形態のファンブレード１０の前縁１２の断面図である。図４の実施形態では、高延性繊維複合材料ストリップ２０，２２及び２４が、前縁１２に巻き付いて前縁を覆う。高延性繊維複合材料ストリップ２０の繊維はブレード１０の翼幅方向に平行な方向に配向されている。高延性繊維複合材料ストリップ２２の繊維はブレード１０の翼幅方向に対して４５°の方向に配向されている。高延性繊維複合材料ストリップ２４の繊維はブレード１０の翼幅方向に対して−４５°の方向に配向されている。高延性繊維複合材料ストリップ２０，２２及び２４は、図３に関連して説明したのと同様に、繊維複合材料層と接合部で当接する。

図５は他の実施形態のファンブレード１０の前縁１２の断面図である。図５の実施形態では、高延性繊維複合材料ストリップ２０，２２及び２４の端部を、隣接する高延性繊維複合材料ストリップの長さが異なるが、その長さは側面１６及び１８の表面から位置が離れるにつれて減少しないように、ずらして配置する。高延性繊維複合材料ストリップ２０の繊維はブレード１０の翼幅方向に平行な方向に配向されている。高延性繊維複合材料ストリップ２２の繊維はブレード１０の翼幅方向に対して４５°の方向に配向されている。高延性繊維複合材料ストリップ２４の繊維はブレード１０の翼幅方向に対して−４５°の方向に配向されている。高延性繊維複合材料ストリップ２０，２２及び２４は、図３に関連して説明したのと同様に、繊維複合材料層と接合部で当接する。

図６は他の実施形態のファンブレード１０の前縁１２の断面図である。図６の実施形態は図５の実施形態と類似するが、選択した繊維複合材料層だけを、高延性繊維複合材料ストリップ２２に置き換える。したがって、図２〜図５の密接した高延性繊維複合材料ストリップではなく、繊維複合材料層が高延性繊維複合材料ストリップ２２の間に介在する。高延性繊維複合材料ストリップ２２の繊維はブレード１０の翼幅方向に対して４５°の方向に配向されている。高延性繊維複合材料ストリップ２２は、図３に関連して説明したのと同様に、繊維複合材料層と接合部で当接する。

図７〜図１０はファンブレード１０の断面図であり、高延性繊維複合材料ストリップの種々の位置を示す。図７はファンブレード１０の前縁１２にある高延性繊維複合材料ストリップを示す。図８はファンブレード１０の前縁１２と後縁１４にある高延性繊維複合材料ストリップを示す。図９はファンブレード１０の後縁１４にある高延性繊維複合材料ストリップを示す。図１０はファンブレード１０の全表面にわたる高延性繊維複合材料ストリップを示す。高延性繊維複合材料ストリップの厚さは、ファンブレードの表面にわたって変えることができる。

図１１は本発明の別の実施形態のファンブレードの前縁１２の断面図である。図１１に示すように、ブレード１０は前縁に固定された金属ガードである補強材３０を備える。補強材３０は前縁、後縁及び先端の１箇所以上に配置することができ、金属以外の材料から製造してもよい。さらに、コーティング３２が第一面１６の上に示されているが、第一面１６及び第二面１８の片面又は両面に設けることができる。コーティング３２は、エロージョン保護膜、塗料などとすることができる。

一実施形態では、繊維複合材料層と高延性繊維複合材料ストリップに同じ樹脂系を使用する。高延性繊維複合材料ストリップと繊維複合材料層の間の接合部において高い破壊靱性を得るために、樹脂の微細構造を調整することができる。高減衰性材料を樹脂として又は繊維複合材料層の間の中間層として用いることができる。さらに、波形又は角形の層形状を用いて減衰を高めてもよい。

繊維複合材料層と共に高延性繊維複合材料ストリップを組み合わせると、機械的一体性が増す。このハイブリッド材料系は、単一材料系に比べて、層間の破壊耐性が高い。高延性繊維複合材料ストリップは金属製前縁に比べて軽く、翼形部の厚さを減らし、良好な空力的性能及び異物損傷耐性をもたらす。

本発明を好適な実施形態について説明したが、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の改変が可能であり、また構成要素を均等物に置き換え得ることは当業者には明らかである。さらに、本発明の要旨から逸脱することなく、個別の状況や材料を本発明に適合させる多くの変更が可能である。したがって、本発明はこの発明を実施するうえで考えられる最良の形態として上述した好適な実施例に限定されず、本発明は特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

１０ ファンブレード
１２ 前縁
１３ 先端
１４ 後縁
１６ 第一側面
１８ 第二側面
２０，２２，２４ 高延性繊維複合材料ストリップ
２６ 繊維複合材料の断面
３０ 繊維複合材料層

Claims (10)

1. 複数の繊維複合材料層（３０）と、
   上記繊維複合材料層の１つとそれぞれが接合部で接合する複数の高延性繊維複合材料ストリップ（２０，２２，２４）であって、第一方向に繊維が配向した第一の高延性繊維複合材料ストリップ（２２）と、第一方向とは異なる第二方向に繊維が配向した第二の高延性繊維複合材料ストリップ（２０）と、第一方向及び第二方向とは異なる第三方向に繊維が配向した第三の高延性繊維複合材料ストリップ（２４）とを含む複数の高延性繊維複合材料ストリップからなる高延性繊維複合材料ストリップ（２０，２２，２４）と
   を備えるファンブレード。
2. 前記第一方向がファンブレードの翼幅方向に対して４５°であり、前記第二方向がファンブレードの翼幅方向に平行であり、前記第三方向がファンブレードの翼幅方向に対して−４５°である、請求項１記載のファンブレード。
3. 前記高延性繊維複合材料ストリップ（２０，２２，２４）が、当該ファンブレードの前縁（１２）、先端（１３）及び後縁（１４）から選択される部位に設けられる、請求項１又は請求項２記載のファンブレード。
4. 前記高延性繊維複合材料ストリップ（２０，２２，２４）の弾性率が１３７９０〜９６５３０ＭＰａである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のファンブレード。
5. 前記高延性繊維複合材料ストリップ（２０，２２，２４）の弾性率が４１３７０〜６２０５５ＭＰａである、請求項４記載のファンブレード。
6. 前記高延性繊維複合材料ストリップ（２０，２２，２４）の引張伸びが１．７５％以上である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のファンブレード。
7. 前記高延性繊維複合材料ストリップ（２０，２２，２４）の引張伸びが３％以上である、請求項６記載のファンブレード。
8. 前記高延性繊維複合材料ストリップ（２０，２２，２４）が、Ｓガラス、アラミド、延伸鎖ポリエチレン及びポリ（ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール）（ＢＰＯ）からなる群から選択される、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のファンブレード。
9. 前記複数の繊維複合材料層（３０）が、グラファイト繊維フィラメントをマトリックスバインダーに埋設したものからなる、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のファンブレード。
10. 前記複数の高延性繊維複合材料ストリップ（２０，２２，２４）の端部が、前記繊維複合材料層の端部と前記接合部で当接する、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のファンブレード。