JP6038131B2

JP6038131B2 - 圧縮機ステータまたはタービンノズルを形成するタービンエンジン部品およびそれを製作する方法

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Publication number: JP6038131B2
Application number: JP2014516421A
Authority: JP
Inventors: ベルモント，オリビエ; フオル，ジユリアン
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: FR2976968A1; JP2014527590A; CN103620164B; RU2014101616A; CN103620164A; CA2839463A1; US9708917B2; EP2723992B1; RU2632065C2; FR2976968B1; EP2723992A1; US20140133989A1; BR112013031756B1; CA2839463C; BR112013031756A2; WO2012175867A1

Description

本発明は、圧縮機ステータまたはタービンノズルを形成するタービンエンジン部品に関する。本発明の適用の分野は、特に、航空エンジンの分野である。それにもかかわらず、本発明はまた、他のタービンエンジン、たとえば産業用ガスタービンに適用可能である。

タービンエンジンにおいては、圧縮機およびタービンモジュールは、圧縮機のステータ、またはタービンのノズルと交互する回転ホイールを備えている。

普及している伝統的な圧縮機ステータは、たとえば構造的機能を有し空気流通路の外側を画定する外側リングに溶接によって固締される複数のガイドベーンを備える。内側においては、空気流通路は、非構造的内側シュラウドによって画定される。外側リング、ベーン、および内側シュラウドは、通常、金属で作製される。

従来のタービンノズルは、通常、それぞれが鋳造によって単一部品として得られる複数の金属セクタから成り、それぞれは、ガス流路の外側を画定する外側シュラウドセクタ、ガス流路の内側を画定する内側シュラウドセクタ、ならびに外側および内側シュラウドセクタを一緒に接続するベーンを備える。

マトリックスによって高密度化された繊維強化材を備える複合材料の使用は、さまざまなタービンエンジン部品、および特に回転ホイールエーロフォイル、タービンリング、タービンノズル要素、またはアフタボディ要素に対して既に提案されている。運転時に高温に曝される部品の場合には、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料を使用することが推奨される。この種の部品の製作は、複合材料の繊維強化材を形成し、かつ製作されることになる部品の形状に近い形状を有する繊維プリフォームを作製することと、次に繊維プリフォームをマトリックスによって高密度化することとを含む。繊維プリフォームは、さまざまな織物行程を用いて、特に多層織りまたは３次元製織によって作製される繊維ブランクを成形して得られ得る。

この種の複合材料部品は、これらが少なくとも同様な金属部品の機械的特性に匹敵するがより重量が小さいことに伴う良好な機械的特性を有するという点で注目すべきであり、ＣＭＣ材料が使用される場合、これらの部品は、極めて高温においてそれらの機械的特性を維持し、したがって、これらは、効率を改善し汚染排出物を減少させるために、タービンエンジンが可能な限り高い作動温度に達することが望まれる場合に使用に適している。

したがって、欧州特許第１５２６２８５号明細書は、有機マトリックスを備える３次元製織によって得られる繊維プリフォームを高密度化することによってファンブレードを作製することを説明している。国際公開第２０１０／０６１１４０号および国際公開第２０１０／１０３２１３号は、多層織りによって作製される繊維ブランクを用いてＣＭＣ材料から、組み込まれた内側および外側プラットフォームならびにタービンリングセクタを備えるブレードを作製することをそれぞれ説明している。

国際公開第２０１０／１４６２８８号は、内側シュラウドセクタと、外側シュラウドセクタと、ならびにセクタの間で延在し、かつノズル要素の体積を通して繊維強化材の連続性を有する多層織繊維ブランクによって得られるベーンとから成るＣＭＣタービンノズル要素を説明している。繊維強化材は、内側シュラウドセクタまたは外側シュラウドセクタを介して通過することによって２つのベーンに沿って連続的に延在する糸を含んでいるが、前記糸は、その後中断される。加えて、内側および外側シュラウドセクタのそれぞれに沿って円周方向に繊維強化材の糸の連続性は全くない。

国際公開第９１／１５３５７号は、複数のベーンを有するノズルセクタを作製するように、コンサーティーナ様の編物繊維ブランクを折り曲げることを説明している。それにもかかわらず、折り曲げることは、同じように、外側シュラウドセクタに沿ってかつ内側シュラウドセクタに沿って円周方向に繊維強化材の連続性を確保することができないようなものである。

欧州特許第１５２６２８５号明細書国際公開第２０１０／０６１１４０号国際公開第２０１０／１０３２１３号国際公開第２０１０／１４６２８８号国際公開第９１／１５３５７号国際公開第２００６／１３６７５５号米国特許第５２４６７３６号明細書米国特許第５９６５２６６号明細書米国特許出願公開第２０１０／００１５４２８号明細書

本発明の目的は、複合材料で作製され、良好な機械的特性を有する圧縮機ステータまたはタービンノズルを形成するタービンエンジン部品を提供することである。

この目的は、内側シュラウドと、外側シュラウドと、および内側シュラウドと外側シュラウドとの間に実質的に半径方向に延在し、それらに固定されているベーンとを備える部品であって、その部品においては、内側シュラウド、外側シュラウド、およびベーンは、マトリックスによって高密度化された織繊維強化材を有する複合材料で作製され、織繊維強化材は、少なくとも２つの連続したベーンを通して長手方向に移動する経路に沿って連続的に延在し、かつ内側シュラウドおよび外側シュラウドを通過する１組の糸を含み、前記少なくとも２つの連続したベーンは、内側シュラウドセグメントと外側シュラウドセグメントとの間を延在し、織繊維強化材の糸は、内側シュラウドセグメントに沿って円周方向に連続的に延在し、かつ外側シュラウドセグメントに沿って円周方向に連続的に延在する、部品によって達成される。

繊維強化材は、少なくとも３つの連続したベーンを長手方向に通過し、かつ内側シュラウドおよび外側シュラウドを交互に通過する経路に沿って連続的に延在する１組の糸を含むことができ、前記少なくとも３つの連続したベーンは、内側シュラウドセグメントと外側シュラウドセグメントとの間に延在し、織繊維強化材の糸は、内側シュラウドセグメントに沿って円周方向に連続的に延在し、かつ外側シュラウドセグメントに沿って円周方向に連続的に延在する。

繊維強化材の糸の連続性は、良好な機械的強度を与えるのに寄与する。使用の状況に応じて、部品は、有機マトリックス複合材料またはＣＭＣ材料から作製され得る。

内側シュラウド、外側シュラウド、およびベーンは、複合材料で作製される単一部品を構成することが有利である。

このような状況では、繊維強化材は、その円周に沿った内側シュラウドおよび外側シュラウドのうちの一方に沿って、次にベーンのうちのすべてを通して連続的に、かつ次にその円周に沿った内側シュラウドおよび外側シュラウドのうちの他方のものに沿って通過する経路に沿って連続的に延在する１組の糸を含む。

変形においては、タービンエンジン部品は、複数のセクタから成り、各セクタは、内側シュラウドセクタと、外側シュラウドセクタと、シュラウドセクタの間に延在し、かつそれらに固定された少なくとも２つのベーン、または実際に少なくとも３つのベーンとを有する複合材料の単一部品を形成する。

特定の実施形態によれば、タービンエンジン部品は、外側シュラウドに固定され、それから外側へ半径方向に延在する少なくとも１つのフランジを含むことができる。

別の実施形態の特徴によれば、タービンエンジン部品は、内側シュラウドに固定され、かつ内側に向かって開いている実質的なチャネルセクションのハウジングをそれの内側に画定する壁部分を含むことができる。

また、本発明は、この種のタービンエンジン部品を一体型繊維プリフォームから製作することができるようになる方法を提案しようと努める。

この目的は、
内側シュラウド用のプリフォームを形成する第１のプリフォーム部分の円周に沿って連続的に、次にベーンプリフォームを形成する第２のプリフォーム部分に沿って長手方向に連続的に、かつまた、外側シュラウドプリフォームを形成する第３のプリフォーム部分に沿って円周方向に通過する第１の組の糸を含む織繊維プリフォームを作製するステップであり、糸のうちの第１の組の糸が、第１のプリフォーム部分を通して、および第３のプリフォーム部分を通して１つの第２のプリフォーム部分から次のものまで交互に通過することによって、前記第２のプリフォーム部に沿って連続して通過する、ステップと、
繊維プリフォームをマトリックスによって高密度化するステップと
を含む方法によって達成される。

本方法の特定の実施によれば、繊維プリフォームを作製するステップは、
１）ストリップの長手方向に連続的に延在し、平行な糸の複数の層を備える第１の組の糸と、不織セグメントによって互いから分離される繊維ストリップの織りセグメントに沿って第１の組の糸で製織される第２の組の糸とを有する繊維ストリップを製織するステップであり、繊維ストリップが、
第１のプリフォーム部分の長さに相当する長さにわたって延在する第１の繊維ストリップ部分であり、不織セグメントと交互する織りセグメントから成る第１の繊維ストリップ部分、
第１の部分直後の、不織セグメントと交互する織りセグメントから成る、第２の繊維ストリップ部分であり、第２の繊維ストリップ部分の織りセグメントが、第２のプリフォーム部分に対応し、ベーンの長手方向寸法に相当する長さを有し、第２の繊維ストリップ部分の不織セグメントが、連続したベーンプリフォームの間で結合部分を形成する、第２の繊維ストリップ部分、および
第２の部分直後の、第３のプリフォーム部分の長さに相当する長さにわたって延在する第３の繊維ストリップ部分であり、不織セグメントと交互する織りセグメントから成る、第３の繊維ストリップ部分
を備え、
第１および第３の部分のそれぞれにおいて織りセグメントおよび不織セグメントの総数がベーンの数に等しい、ステップと、
２）第１の繊維ストリップ部分を巻き上げるステップ、
巻き上げられた第１の繊維ストリップ部分に対して実質的に半径方向にその織りセグメントを配置するように、第２の繊維ストリップ部分を折り曲げるステップ、および
第３の繊維ストリップ部分を巻き上げるステップ
を含み、
連続したベーンプリフォームの間に結合部分を形成する第２の繊維ストリップ部分の不織セグメントが、巻き上げられた第１の繊維ストリップ部分において、および巻き上げられた第３の繊維ストリップ部分において交互に不織セグメントを通して係合される、繊維ストリップを成形するステップと
を含む。

このような状況では、第１または第３の繊維部分の不織セグメントを通して、２つの連続したベーンプリフォームの間に結合部分を形成する第２の繊維ストリップ部分の不織セグメントを係合した後に、第２の繊維プリフォーム部分の前記不織セグメントを製織することができるようになっていてもよい。

この追加の製織は、第１または第３のプリフォーム部分の前記不織セグメントにおいて糸の第１の組の糸とインターリンクされている第２の繊維プリフォーム部分の前記不織セグメントにおいて、糸の第１の組の糸で行われ得る。

本方法の特徴によれば、第２の繊維ストリップ部分に隣接する端部から遠い方の端部において、第１の繊維ストリップ部分は、巻き上げられた後にこれが内側シュラウドのインナーライニングを形成するように、その全長にわたって製織された第４の繊維ストリップ部分によって延在される。

このような状況では、それに実質的なチャネル状セクションを与えるために、繊維プリフォームを作製するステップが、側部を前記インナーライニングの内側に折り返すステップを含むことができるようになっていてもよい。

本方法の別の特徴によれば、第２の繊維ストリップ部分に隣接する端部から遠い方の端部において、第３の繊維ストリップ部分は、巻き上げられた後にこれが外側シュラウドのアウターライニングを形成するように、その全長に沿って製織される第５の繊維ストリップ部分によって延在される。

このような状況では、第５の繊維ストリップ部分が、第３の部分の幅よりも大きい幅から成ることができるように、かつ繊維プリフォームを作製するステップが、第３の繊維ストリップ部分に対して側方に突出する前記アウターライニングの少なくとも一部を外側に折り返すステップを含むことができるようになっていてもよい。

本発明は、非限定的な指摘を介して、かつ添付図面を参照して与えられる以下の説明を読むことによってより良く理解され得る。

タービンエンジン圧縮機の非常に概略的な断片図である。タービンエンジン用の低圧タービンの非常に概略的な断片図である。本発明の一実施形態において圧縮機ステータ用の繊維プリフォームを作製する際に使用するための織繊維ストリップの簡略平面図である。図３の平面ＩＶ−ＩＶによる簡略断面図である。図３の平面Ｖ−Ｖによる簡略断面図である。圧縮機ステータ用の繊維プリフォームを得るために図３の織りストリップを成形する際の連続するステップを示す略図である。圧縮機ステータ用の繊維プリフォームを得るために図３の織りストリップを成形する際の連続するステップを示す略図である。圧縮機ステータ用の繊維プリフォームを得るために図３の織りストリップを成形する際の連続するステップを示す略図である。圧縮機ステータ用の繊維プリフォームを得るために図３の織りストリップを成形する際の連続するステップを示す略図である。圧縮機ステータ用の繊維プリフォームを得るために図３の織りストリップを成形する際の連続するステップを示す略図である。圧縮機ステータ用の繊維プリフォームを得るために図３の織りストリップを成形する際の連続するステップを示す略図である。圧縮機ステータ用の繊維プリフォームを得るために図３の織りストリップを成形する際の連続するステップを示す略図である。図１２の圧縮機ステータプリフォームを作製する段階での非常に概略的な半径方向半断面図である。図３の織りストリップから最終的に得られるような圧縮機ステータプリフォームの非常に概略的な半径方向半断面図である。本発明の一実施形態において一体型タービンステータプリフォームの非常に概略的な半径方向半断面図である。たとえば図１４に示されるものなどの、繊維プリフォームによって構成される繊維強化材を有する有機マトリックス複合材料から圧縮機ステータを製作するための、本発明の方法の連続するステップを示す図である。たとえば図１４または図１５に示されるような繊維プリフォームによって形成される繊維強化材を有するＣＭＣから圧縮機ステータまたはタービンノズルを製作する方法の連続するステップを示す図である。

図１は、タービンエンジンの多段圧縮機を示す非常に概略的な断片的な軸方向半断面図である。圧縮機は、回転ホイール２０と交互する固定ステータ１０を備える。

各ステータ１０は、内側シュラウド１２、複数のベーンまたはエーロフォイル１４、および外側シュラウド１６を備える。ベーン１４は、内側シュラウド１２と外側シュラウド１６との間で実質的に半径方向に延在し、これらは、規則的な方法で角度的に配分される。それらの内側および外側半径方向端部において、ベーン１４は、それぞれのシュラウド１２およびシュラウド１６に固定される。内側において、内側シュラウド１２は、アブレイダブル皮膜１１を担持する。外側において、外側シュラウド１６は、たとえばその下流端部の付近に、圧縮機ケーシングと接続するためにフランジ１７に固定される。用語「下流の（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）」は、圧縮機を通る空気の流れ方向に対して使用される。

各回転ホイール２０は、内側プラットフォーム２２を備えるブレード２４を有する。内側プラットフォーム２２の下に、各ブレードは、ロータ２５のハウジングに係合される根元２３によって延在される。また、ロータ２５は、隣接するステータのアブレイダブル皮膜１１に面するワイパー２１を担持する。それらの外側端部において、ブレード２４はまた、アブレイダブル皮膜に面するワイパー（図示せず）を有することができ、このアブレイダブル皮膜は、圧縮機ケーシングによって支持されるリング１９によって担持される。

ステータ１０の内側シュラウド１２および回転ホイール２０のブレードの内側プラットフォーム２２の外面、ならびに、ステータ１０の外側シュラウド１６およびリング１９の内面は、圧縮機を通る空気流通路を画定し、ワイパーは、内側において、かつ回転ホイール２０のブレードの先端においてシールを形成するために、結合するアブレイダブル皮膜と協働する。

上記で簡単に説明された圧縮機装置はよく知られている。

図２は、タービンエンジンの多段低圧タービンを示す概略的な断片的な軸方向半断面図である。タービンは、回転ホイール４０と交互する固定ノズル３０を備える。

各ノズル３０は、内側シュラウド３２、複数のベーンまたはエーロフォイル３４、および外側シュラウド３６を有する。ベーン３４は、内側シュラウド３２と外側シュラウド３６との間で半径方向に延在し、これらは、規則的な方法で角度的に配分される。それらの内側および外側端部において、ベーン３４は、それぞれ、シュラウド３２およびシュラウド３６に固定される。内側において、内側シュラウド３２は、アブレイダブル皮膜３１を担持する。外側において、外側シュラウド３６は、たとえばシュラウド３６の下流端部の付近にタービンケーシング３９と接続するためにフランジ３７に、かつ上流端部の付近にセンタリングバンドを形成する部品３８に固定される。

各回転ホイール４０は、内側プラットフォーム４２および外側プラットフォーム４６を備えるブレード４４を有する。内側プラットフォームの下に、各ブレードは、ディスク４３のハウジングに係合される根元によって延在される。ディスク４３は、隣接するノズルのアブレイダブル皮膜３１に面するワイパー４１を担持する。外側において、外側プラットフォーム４６は、アブレイダブル皮膜に面するワイパーを担持し、このアブレイダブル皮膜は、タービンケーシングによって支持されるリング３９によって担持される。

ノズル３０の内側シュラウド３２および回転ホイール４０のブレードの内側プラットフォーム４２の外面、ならびに、ノズル３０の外側シュラウド３６および回転ホイール４０のブレードの外側プラットフォーム４６の内面は、タービンを通るガス通路を画定し、ワイパーは、内側において、かつ回転ホイール４０のブレードの先端においてシールを形成するために、結合するアブレイダブル皮膜と協働する。

上記で簡単に説明された低圧タービン装置はよく知られている。

圧縮機ステータまたはタービンノズルを形成し、図１および図２に示されるそれらのものなどの圧縮機またはタービンに使用されるのに適したタービンエンジン部品は、たとえば、糸を備える繊維強化材を有する複合材料から作製されることができ、この糸は、内側および外側シュラウドを介して通過することによって複数の連続したベーン通して連続的に延在する。

この種のタービンエンジン部品、たとえば図１のステータ１０の形状に類似している形状の圧縮機ステータ用の繊維プリフォームの一実施形態が以下に説明され、最終部品は、繊維プリフォームをマトリックスで高密度化することによって得られる。

図１４に示されるような繊維プリフォーム１００を得るためのさまざまな操作（下記で詳細に説明される）が、図３〜図１３を参照して説明される。

図３は、さまざまな成形ステージの後に、所望の繊維プリフォーム１００を得ることができる織繊維ストリップ２００の平面図である。この例においては、ストリップ２００は、縦糸方向に長手方向（矢印Ｃ）に製織される。横糸で製織される部分（方向Ｔ）は、格子として示されている。製織されない他の部分においては、縦糸のみが示されている。

ストリップ２００は、内側シュラウドプリフォーム部分を形成するための第１の部分２２０と、ベーンプリフォーム部分を形成することになる部分を有する第２の部分２４０と、外側シュラウドプリフォーム部分を形成することになる第３の部分２６０とを備え、部分２４０は、部分２２０を直接に延長したものであるが、部分２６０は、部分２４０を直接に延長したものである。部分２４０に隣接する端部から遠い方の長手方向端部において、部分２２０は、内側シュラウドを内部にライニングするためのプリフォーム部分を形成することになる部分２１０によって直接に延長され得る。同じような方法で、部分２４０に隣接する端部から遠い方の長手方向端部において、部分２６０は、外側シュラウド用のアウターライニングを行うためのプリフォーム部分を形成することになる部分２７０によって直接に延長され得る。

ストリップ２００がいったん以下に説明される方法で成形されると、部分２１０、２２０、２４０、２６０、および２７０から成るストリップ２００は、繊維プリフォーム１００を構成することになる。もちろん、複数のストリップ２００が、連続的に製織されることができ、次いで、その後プリフォーム１００を形成するために個々に切り分けられる。

部分２１０および２７０は、製織のいかなる中断もなく、それらの全長にわたって製織される。

部分２２０は、不織セグメント２２４（すなわち、縦糸のみを有するセグメント）と交互する織りセグメント２２２から成り、これは、製作されることになるステータの内側シュラウドの周囲に相当する長さを有する。セグメント２２２および２２４の総数は、製作されることになるステータベーンの数に相当する。織りセグメント２２２は、すべて同じ長さばかりである。同様に、不織セグメント２２４もすべて同じ長さばかりであり、セグメント２２４の長さは、以下に説明されるように、セグメント２２２の長さに実質的に等しいか、またはそれよりも僅かに長い。

部分２４０は、不織セグメントと交互する織りセグメント２４２から成り、これらはそれら自身、セグメント２４４ａとセグメント２４４ｂとの間を交互する。セグメント２４２は、ベーンプリフォームの部分を構成することになる。それらの数は、作製されることになる圧縮機のステータベーンの数に等しく、これらは、ベーンの半径方向寸法に実質的に等しい長さＬから成る。以下に説明されるように、セグメント２４４ａは、内側シュラウドを介して通過する隣接するベーンの２つの内側端部の間のインターリンクの距離に相当する、すべて同じ長さｌ１ばかりである。以下に説明されるように、セグメント２４４ｂは、外側シュラウドを介して通過する隣接するベーンの２つの外側端部の間のインターリンクの距離に相当する同じ長さｌ２を有する。

部分２６０は、不織セグメント２６４と交互する織りセグメント２６２から成り、これは、作製されることになるステータの外側シュラウドの長さに相当する長さを有する。セグメント２６２および２６４の総数は、作製されることになるステータのベーンの数に相当する。織りセグメント２６２は、すべて同じ長さばかりである。同様に、セグメント２６４は、すべて同じ長さばかりであり、以下に説明されるように、セグメント２６４の長さは、セグメント２６２の長さに実質的に等しいか、またはそれよりも僅かに長い。

部分２２０の幅は、内側シュラウドの軸方向寸法に相当するが、部分２６０の幅は、外側シュラウドの軸方向寸法に相当し、考慮中の例におけるこれらの２つの寸法は、実質的に等しい。

部分２４０の織りセグメント２４２の幅は、平らに突出される場合のベーンの最大幅に相当する。この例においては、これは、部分２２０および２６０の幅に満たず、したがって、ストリップ２００の部分２４０の長手方向端縁に隣接する縦糸はこうして製織されない。

部分２１０の幅は、部分２２０および２６０の幅に実質的に等しい。

部分２７０の幅は、部分２６０の幅よりも大きく、これは、ストリップ部分２７０で作製されることになるプリフォーム部分のプロファイルに応じて、ストリップ２００の片面にまたは両側に縦糸を加えることによって得られる。示された例においては、縦糸は片面のみに加えられる。

ストリップ２００の織り部分の製織は、縦糸の複数の層および横糸の複数の層による３次元製織または多層織りであり、横糸の所与の層における横糸は、縦糸の複数の層の縦糸をインターリンクする。

製織は、それぞれ、織りセグメント２２２および織りセグメント２４２において織り平面を示す図４および図５に示されるような、インターロックタイプの織り方を用いて行われ得る。他の多層織り、たとえばマルチサテン、マルチサージ、またはマルチプレーンタイプの織り方を選択することができる。国際公開第２００６／１３６７５５号の参照を行うことができ、その内容は、参照により本明細書に組み込まれている。製織はまた、ベーンプリフォーム部分に滑らかな表面外観を与えるために、少なくとも部分２４０において、特に縦糸の外層にサテンタイプの２次元織りを有する、複数の異なる織り方を用いて行われることもできることが認められるべきである。

示された例においては、繊維ストリップ２００は、縦糸Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４の４つの層で、ならびに横糸Ｔ１、Ｔ２、およびＴ３の３つの層で製織される。もちろん、縦糸層の数、および相当する横糸層の数は、所与の重さの糸に対するストリップ２００に所望される厚さに応じて、他の値を有することもできる。繊維ストリップ２００の厚さは、作製されるべきプリフォーム部分の厚さの中から最も大きな厚さに相当する。好ましくは他の部分の厚さよりも小さな厚さを有する部分、たとえばベーンプリフォーム部分については、ストリップ２００の対応する部分２４０での製織は、より小さな数の縦糸に関して行われ得る。製織されることなく部分２４０の全長に沿って、その長手方向端縁に沿って（図５）、かつ、あるいはまたその厚さのすべてにわたって延在する縦糸のセグメントは、ストリップ２００が製織された後に、かつこれが成形される前に除去され得る。

織りストリップ２００からプリフォーム１００を作製するステップが、図６〜図１２を参照して以下に説明される。

第１のステップ（図６）は、部分２１０が逆に巻き上げられる間に完全な円周にわたって部分２２０を巻くステップを含む。

第２のステップ（図７）においては、部分２４０が、巻かれた部分２２０の軸線の全周にコンサーティーナ様に折り曲げられ、織りセグメント２４２は半径方向に延在し、不織セグメント２４４ａは、巻かれた部分２２０の内側から突出するように不織セグメント２２４を通過する。織りセグメント２４２は、ベーンプリフォーム部分を形成することになる。

第３のステップ（図８）においては、内側にセグメント２４２の間のインターリンクを形成する不織セグメント２４４ａは、巻かれた部分２２０に対して然るべき所にこれらを保持するように製織される。この追加の製織（ドットで表される）は、３次元または多層織りを用いて加えられる横糸を用いて行われる。織りセグメント２４２の内側端部を部分２２０に固定するために、すなわちベーンプリフォーム部分を内側シュラウドプリフォーム部分に固定するために、不織セグメント２４４ａにおける縦糸のさまざまな層の縦糸がインターリンクされることを確保し、不織セグメント２４４ａの縦糸層の縦糸、および不織セグメント２２４の縦糸層の縦糸が接続されることを確保する製織が行われることが有利である。巻き上げられた部分２２０は、部分２４０の第１の不織セグメント２４４ａ_１と相互に貫入している部分２２０の第１の不織セグメント２２４_１によって終端され（縦糸方向に）、またセグメント２２４_１およびセグメント２４４ａ_１は追加の製織を受けることが認められるべきである。

示された例においては、不織セグメント２４４ａは、不織セグメント２２４に完全に一体化される。この一体化は、一部分のみであることもでき、セグメント２４４ａの一部は、部分２２０から内側に突出する。

セグメント２４４ａの追加の製織は、部分２４０が完全に、または折り曲げ行われている間に徐々に折り曲げられた後に行われ得る。

第４のステップ（図９）においては、部分２７０が逆に巻き上げられる間に、部分２６０が完全な円周に沿って巻かれる。部分２６０の巻き上げは、部分２４０の不織セグメント２４４ｂが、巻かれた部分２６０の外側から突出するために不織セグメント２６４を通過することによって行われる。

第５のステップ（図１０）においては、外側にセグメント２４２の間のインターリンクを形成する不織セグメント２４４ｂが、巻かれた部分２６０に対して然るべき所に保持されるように製織される。変形においては、この製織は、部分２６０が巻かれている間に徐々に行われ得る。この追加の製織は、３次元または多層織りを用いて追加の横糸によって行われる。

有利なことに、織りセグメント２２２の外側端部を部分２６０に固定するように、すなわちベーンプリフォーム部分を外側シュラウドプリフォーム部分に固定するように、不織セグメント２４４ｂにおける縦糸のさまざまな層の縦糸が接続されることを確保するように、かつ、不織セグメント２４４ｂの縦糸の層の縦糸、および不織セグメント２６４の縦糸のセグメントの縦糸が接続されることを確保するように製織が行われる。巻き上げられた部分２６０は、部分２６０の最後の不織セグメント２６４_ｎと相互に貫入している部分２４０の最後の不織セグメント２４４ｂ_ｎによって終端され、またこれらの２つのセグメントは追加の製織を受けることが認められるべきである。示された例においては、不織セグメント２４４ｂは、不織セグメント２６４に完全に一体化される。この一体化は、一部分のみであることもでき、セグメント２４４ｂの一部は、部分２６０から外側に突出する。

第３および第４のステップの追加の製織は、手で行われてもよい。

第６のステップ（図１１）においては、部分２１０は、内側シュラウドのためのインナーライニングを構成するプリフォーム部分を形成するために、巻かれた部分２２０と接触している完全な円周に沿って巻かれる。

第７のステップ（図１２）においては、部分２７０は、外側シュラウドのためのアウターライニングを構成するプリフォーム部分を形成するために、巻かれた部分２６０と接触している完全な円周に沿って巻かれる。たとえばスティッチングによるボンディングが、巻かれた部分２１０と部分２２０との間、および同様に、巻かれた部分２７０と部分２６０との間で任意に行われてもよい。

図１３は、繊維プリフォーム１００を作製する際のこの段階での半径方向半断面図である。

繊維ストリップの成形は、たとえば部分２４０が折り曲げられている間に不織セグメント２４４ａ、２４４ｂがその上を通過するロッドを備える、支持工具の助けによって行われることができ、そのロッドは、これらの不織セグメントが第３および第５のステップ中に追加の製織を受けることができるようになるために、除去されることが認められるべきである。

ベーンプリフォーム部分を構成することになる織り部分２４２は、それらの内側および外側端部において等距離である。したがって、部分２２０の不織セグメント２２４は、繊維ストリップ２００の厚さを受け入れるために織りセグメント２２２よりも僅かに長くてもよい。同様に、部分２６０において、不織セグメント２６４は、織りストリップ２００の厚さを受け入れるために織りセグメント２６２よりも僅かに長くてもよい。また、不織セグメントと実質的に同じ長さを有する織りセグメントによって部分２２０および２６０を作製することができるであろうし、部分２２０および２６０は、巻き上げた後にそれらの最終円周よりも少し短い長さで製織され、その結果、張力が外向きに加えられた状態で巻かれる。

その後、作製されることになるステータの形状に近い形状を有するプリフォーム１００（図１４）を得るために、成形がシェーパ工具で行われる。この成形中に、所望のプロファイルが、織り部分２４２に対応するベーンプリフォーム１４０に与えられ、インナーライニング２１０は、内側シュラウドのプリフォーム部分１２０の内側にアブレイダブル材料のためのハウジングを画定するプリフォーム部分１１０を得るためにチャネルセクションをこれに与えるように成形され、アウターライニング２７０は、外側シュラウドのプリフォーム部分１６０の外側に固定フランジのためのプリフォーム部分１７０を得るように成形される。

織りセグメント２１０の幅は、プリフォーム部分２１１に所望される寸法に応じて選択される。この例においては、これは、部分２２０の幅と等しい。この例においては、部分２７０の幅は、フランジプリフォーム部分１７０を形成することができるように部分２６０の幅よりも大きい。

図１５は、たとえば、図２に示されるようなノズル３０の形状に類似している形状を有するタービンノズル用の繊維プリフォーム３００を示している。プリフォーム３００は、図３〜図１４を参照して上記で説明されるものと同様な方法によって得られる。プリフォーム３００は、アブレイダブル皮膜ハウジングを形成することになるプリフォーム部分３１０と、内側シュラウドプリフォーム部分３２０と、ノズルベーンプリフォーム部分３４２と、外側シュラウドプリフォーム部分３６０と、外側シュラウドの外側の上の固定フランジおよびセンタリングバンドのためのプリフォーム部分３７０および３８０と、を備える。

複合材料で作製される圧縮機ステータまたはタービンノズルは、最終的に、プリフォーム１００または３００をマトリックスによって高密度化することによって得られる。繊維プリフォームの繊維を構成し、マトリックスを構成する材料は、使用条件に応じて選択される。圧縮機ステータにおいては、少なくとも圧縮機の上流の第１段において、炭素、またはガラス繊維、および有機マトリックス（ポリマーマトリックス）で作製される複合材料が使用され得る。使用温度が高い場合、特にタービンノズルの場合、または圧縮機の下流段での圧縮機ステータの場合には、炭素、またはセラミック繊維およびセラミックマトリックスを有するセラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料が使用される。

有機マトリックス複合材料で作製される部品の場合（図１６）、繊維ストリップ２００はそのシェーパ工具で成形され（ステップ５０２）、結果として得られるプリフォームはインジェクションによって、または注入によって樹脂で含浸され（ステップ５０４）、樹脂硬化熱処理が行われる（ステップ５０６）。その後は、特に内側および外側シュラウドに、アブレイダブル材料のためのハウジングに、固定フランジに、ならびにセンタリングバンドに、仕上げ加工が行われ得る（ステップ５０８）。樹脂は、たとえば、エポキシ樹脂、ビスマレイド樹脂、またはポリイミド樹脂などのポリマーマトリックス前駆体樹脂である。

ＣＭＣで作製される部品の場合（図１７）、ＣＭＣ材料の水素脆化除去のための薄い第１の相間被覆層が、成形の前に織繊維ストリップ２００の繊維に形成される（ステップ６０２）。たとえば熱分解炭素（ＰｙＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、またはホウ素ドープカーボン（ＢＣ）から成る相間被覆層は、変形されることができるように繊維ストリップの能力を保つために、比較的小さい、たとえば１００ナノメートルと同じくらいの大きさの厚さで化学蒸気浸透（ＣＶＩ）によって形成される。

第１の相間被覆層が設けられる繊維ストリップ２００は、プリフォーム１００または３００などのプリフォームを得るために、シェーパ工具を用いて成形される（ステップ６０４）。プリフォームは、シェーパ工具で保持されている間にその形状が圧密化される（ステップ６０６）。圧密化は、炭素前駆体樹脂、たとえばフェノール樹脂またはセラミック樹脂、あるいはセラミック前駆体樹脂、たとえばシリコンカーボンＳｉＣのための前駆体としてポリシラザン樹脂またはポリシロキサン樹脂を用いて、含浸によって、浸透によって、またはインジェクションによって行われる。樹脂が硬化され、熱分解された後に、圧密化プリフォームはシェーパ工具から除去され得る。圧密化樹脂の量は、熱分解残渣が十分であるように、好ましくは、かろうじて十分であるように選択されて、支持工具による助けなしでプリフォームがその形状を維持している間に処理され得るように、プリフォームの繊維を互いに結合する。

圧密化の後に、第２の相間被覆層が、ＣＭＣ材料について脆化除去機能を果たすのに十分な厚さから成る繊維マトリックス相間全体を得るためにＣＶＩによって形成されることができ（ステップ６０８）、第２の相間被覆層は、たとえばＰｙＣ、ＢＮ、またはＢＣによって構成され、好ましくは１００ナノメートル以上の厚さを有する。

その後は、セラミックマトリックスによる高密度化が行われる。高密度化は、ＣＶＩによって行われ得る。例示として、マトリックスはＳｉＣで作製されることができ、または、これは、たとえば三成分Ｓｉ−Ｂ−Ｃ系、または炭化ホウ素Ｂ_４Ｃのマトリックス相を含む、セルフヒーリングマトリックスであることができる。米国特許第５２４６７３６号明細書および米国特許第５９６５２６６号明細書は、ＣＶＩがいかにこの種のヒーリングマトリックスを得るのに使用され得るかを説明している。ＣＶＩ高密度化は、部品に仕上げ加工を行うステップ６１２によって分離される２つのサイクル６１０および６１４で行われ得る。

図１７を参照して上記で説明されたタイプの方法は、それ自体知られている。米国特許出願公開第２０１０／００１５４２８号明細書の参照が行われることができ、その内容は参照により本明細書に組み込まれており、かつ、ＣＭＣからタービンリングアセンブリを製作するためのこの種の方法を説明している国際公開第２０１０／１０３２１３号の参照が行われ得る。

高密度化の後に得られる一体型部品は、完全な圧縮機ステータまたは完全なタービンノズルなどとして使用され得る。変形においては、特にタービンノズルの場合、部品は、セクタに切断されることができ、それぞれは、必要とされる場合、特にアセンブリを製作する場合には、内側シュラウドセクタ、外側シュラウドセクタ、および少なくとも２つのベーン、またはあるいは少なくとも３つのベーンを備える。

したがって、一体型部品の場合もセクタの場合も共に、本発明は、プリフォームを作製する本方法により、繊維補強糸が、内側シュラウドおよび外側シュラウドを通過することによって少なくとも２つの連続したベーンを通して長手方向に進み、または、内側シュラウドを通しておよび外側シュラウドを通して交互に通過することによって少なくとも３つの連続したベーンを通して長手方向に通過する経路に沿って連続的であることができるようになり、この種の連続性が高度な機械的強度を与えるのに寄与するという点で注目すべきである。また、少なくとも２つのまたは少なくとも３つの連続したブレードがその間を延在する内側および外側シュラウドセグメントに沿って繊維補強糸の連続性がある。

一体型圧縮機ステータまたはタービンノズルを形成する部品の場合、繊維強化材は、その周囲の周りに内側および外側シュラウドのうちの１つに沿って、次いでベーンのすべてを通して連続して移動し、外側シュラウドおよび内側シュラウドを介して互いに交互に通過し、次いで外側シュラウドに沿って移動する部品に沿って連続的に延在する糸を備える。

Claims

圧縮機ステータまたはタービンノズルを形成し、内側シュラウドと、外側シュラウドと、および内側シュラウドと外側シュラウドとの間に実質的に半径方向に延在し、それらに固定されているベーンとを備えるタービンエンジン部品であって、その部品においては、内側シュラウド、外側シュラウド、およびベーンが、マトリックスによって高密度化された織繊維強化材を有する複合材料で作製され、織繊維強化材が、少なくとも３つの連続したベーンを長手方向に通過し、かつ内側シュラウドおよび外側シュラウドを交互に通過する経路に沿って連続的に延在する１組の糸を含み、前記少なくとも３つの連続したベーンが、内側シュラウドセグメントと外側シュラウドセグメントとの間に延在し、織繊維強化材の糸が、内側シュラウドセグメントに沿って円周方向に連続的に延在し、かつ外側シュラウドセグメントに沿って円周方向に連続的に延在する、タービンエンジン部品。
内側シュラウド、外側シュラウド、およびベーンが、複合材料で作製される単一部品を形成する、請求項１に記載のタービンエンジン部品。
繊維強化材が、その円周に沿った内側シュラウドおよび外側シュラウドのうちの一方に沿って、次にベーンのうちのすべてを通して連続的に、かつ次にその円周に沿った内側シュラウドおよび外側シュラウドのうちの他方のものに沿って通過する経路に沿って連続的に延在する１組の糸を含む、請求項２に記載のタービンエンジン部品。
複数のセクタから成り、各セクタが、内側シュラウドセクタと、外側シュラウドセクタと、シュラウドセクタの間に延在し、かつそれらに固定された少なくとも２つのベーンとを有する複合材料の単一部品を形成する、請求項１に記載のタービンエンジン部品。
複数のセクタから成り、各セクタが、内側シュラウドセクタと、外側シュラウドセクタと、シュラウドセクタの間に延在し、かつそれらに固定された少なくとも３つのベーンとを有する複合材料の単一部品を形成する、請求項１に記載のタービンエンジン部品。
外側シュラウドに固定され、それから半径方向に外側へ延在する少なくとも１つのフランジをさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンエンジン部品。
内側シュラウドに固定され、内側に向かって開いている実質的なチャネルセクションのハウジングをそれの内側に画定する部分をさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のタービンエンジン部品。
セラミックマトリックス複合材料で作製される、請求項１から７のいずれか一項に記載のタービンエンジン部品。
圧縮機ステータまたはタービンノズルを形成するタービンエンジン部品であり、内側シュラウドと、外側シュラウドと、および内側シュラウドと外側シュラウドとの間に実質的に半径方向に延在し、それらに固定されているベーンとを有する部品を製作する方法であって、
内側シュラウド用のプリフォームを形成する第１のプリフォーム部分の円周に沿って連続的に、次にベーンプリフォームを形成する第２のプリフォーム部分に沿って長手方向に連続的に、かつまた、外側シュラウドプリフォームを形成する第３のプリフォーム部分に沿って円周方向に通過する第１の組の糸を含む織繊維プリフォームを作製するステップであり、糸のうちの第１の組の糸が、第１のプリフォーム部分を通して、および第３のプリフォーム部分を通して１つの第２のプリフォーム部分から次のものまで交互に通過することによって、前記第２のプリフォーム部に沿って連続して通過する、ステップと、
繊維プリフォームをマトリックスによって高密度化するステップと
を含む、方法。
繊維プリフォームを作製するステップが、
１）ストリップの長手方向に連続的に延在し、平行な糸の複数の層を備える第１の組の糸と、不織セグメントによって互いから分離される繊維ストリップの織りセグメントに沿って第１の組の糸で製織される第２の組の糸とを有する繊維ストリップを製織するステップであり、繊維ストリップが、
第１のプリフォーム部分の長さに相当する長さにわたって延在する第１の繊維ストリップ部分であり、不織セグメントと交互する織りセグメントから成る第１の繊維ストリップ部分、
第１の部分直後の、不織セグメントと交互する織りセグメントから成る、第２の繊維ストリップ部分であり、第２の繊維ストリップ部分の織りセグメントが、第２のプリフォーム部分に対応し、ベーンの長手方向寸法に相当する長さを有し、第２の繊維ストリップ部分の不織セグメントが、連続したベーンプリフォームの間で結合部分を形成する、第２の繊維ストリップ部分、および
第２の部分直後の、第３のプリフォーム部分の長さに相当する長さにわたって延在する第３の繊維ストリップ部分であり、不織セグメントと交互する織りセグメントから成る、第３の繊維ストリップ部分
を備え、
第１および第３の部分のそれぞれにおいて織りセグメントおよび不織セグメントの総数がベーンの数に等しい、ステップと、
２）第１の繊維ストリップ部分を巻き上げるステップ、
巻き上げられた第１の繊維ストリップ部分に対して実質的に半径方向にその織りセグメントを配置するように、第２の繊維ストリップ部分を折り曲げるステップ、および
第３の繊維ストリップ部分を巻き上げるステップ
を含み、
連続したベーンプリフォームの間に結合部分を形成する第２の繊維ストリップ部分の不織セグメントが、巻き上げられた第１の繊維ストリップ部分において、および巻き上げられた第３の繊維ストリップ部分において交互に不織セグメントを通して係合される、繊維ストリップを成形するステップと
を含む、請求項９に記載の方法。
第１または第３の繊維部分の不織セグメントを通して、２つの連続したベーンプリフォームの間に結合部分を形成する第２の繊維ストリップ部分の不織セグメントを係合した後、第２の繊維プリフォーム部分の前記不織セグメントが製織される、請求項１０に記載の方法。
製織が、第１または第３のプリフォーム部分の前記不織セグメントにおいて糸の第１の組の糸とインターリンクされている第２の繊維プリフォーム部分の前記不織セグメントにおいて、糸の第１の組の糸で行われる、請求項１１に記載の方法。
第２の繊維ストリップ部分に隣接する端部から遠い方の端部において、第１の繊維ストリップ部分は、巻き上げられた後にこれが内側シュラウドのインナーライニングを形成するように、その全長にわたって製織された第４の繊維ストリップ部分によって延在される、請求項１０に記載の方法。
繊維プリフォームを作製するステップが、それに実質的なチャネルセクションを与えるために、前記インナーライニングの側部を内側に折り返すステップを含む、請求項１３に記載の方法。
第２の繊維ストリップ部分に隣接する端部から遠い方の端部において、第３の繊維ストリップ部分は、巻き上げられた後にこれが外側シュラウドのアウターライニングを形成するように、その全長に沿って製織される第５の繊維ストリップ部分によって延在される、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。
第５の繊維ストリップ部分が、第３の部分の幅よりも大きい幅から成り、繊維プリフォームを作製するステップが、第３の繊維ストリップ部分に対して側方に突出する前記アウターライニングの少なくとも一部を外側に折り返すステップを含む、請求項１５に記載の方法。