JP6038178B2 - 複合材料で作成され、プラットフォームが一体化されたタービンエンジンブレード用の繊維プリフォーム、およびそれを作成する方法 - Google Patents

複合材料で作成され、プラットフォームが一体化されたタービンエンジンブレード用の繊維プリフォーム、およびそれを作成する方法 Download PDF

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Description

本発明は、複合材料から特にタービンエンジンブレードを製作するために、少なくとも1つのプラットフォームを有するブレードの繊維プリフォームを作成することに関する。
複合材料からタービンエンジン用のブレードを作成するための提案が既になされている。一例として、欧州特許第1526285号明細書を参照することができる。これは、3次元織りによって繊維プリフォームを製作し、プリフォームを有機マトリックスで高密度化することによってファンブレードを製作することについて述べている。
さらに、タービンエンジンファンは、ファン内への環状の空気流入路の内部を画定するようにブレード同士の間に配置されるプラットフォームを含む。この流入路の外部はケーシングによって画定される。これらのプラットフォームは、それらの翼と根元部を延長する舌状部との間に別々に付け加えられてもよく、あるいはファンブレードの基部に直接一体化されてもよい。本発明は、より詳しくは、第2分類の部品を形成するブレード、即ち1つまたは複数のプラットフォームが一体化されたブレードに関する。
欧州特許第1526285号明細書 国際公開第2006/136755号
1つまたは複数の一体型プラットフォームを備え、複合材料から、特に、以下に限定される訳ではないが有機マトリックス複合(OMC)材料から作成されたタービンエンジンブレードを有することが望ましい。
この目的のために、本発明は、複合材料からタービンエンジンブレードを製作するために繊維プリフォームを作成する方法にして、ブレードは、長手方向に延在して2つの反対側の側面を有する翼と側面から延在する少なくとも1つのプラットフォームとを有し、
複数の長手方向糸が、製作されるべきブレードの長手方向に対応する方向に延在し、複数の糸の横方向層の糸によって相互接続される状態で3次元織りによって単一片の繊維ブランクを作成することと、
翼プリフォームを形成する第1部位とプラットフォームプリフォームを形成する少なくとも1つの第2部位とを有する単一片の繊維プリフォームを得るように繊維ブランクを成形することと、
繊維ブランクの製織中に、ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位を形成するために、長手方向糸の第1グループの糸を繊維ブランクから繊維ブランクの少なくとも一方の側面の傍で引き抜き、長手方向糸の第2グループの糸を繊維ブランクの中に挿入して、第1グループの糸と第2グループの糸とが互いに交差する状態にすることとを備える方法を提案する。
製織中、繊維ブランクから引き抜かれた糸を繊維ブランクの中に挿入された糸と交差させることによって、翼プリフォームを形成する部位とプラットフォームプリフォームを形成する別の部位との両方による3次元織りによる単一片の繊維プリフォームを得ると同時に、第1グループの糸を引き抜くにも関わらず、繊維ブランク内で一定の繊維密度を維持することが可能である。
これは、翼を形成するプリフォームの部位とプラットフォームを形成するプリフォームの部位との間の繊維の連続性も保証し、それによってプラットフォームが一体化されたブレードに必要な機械的特性を付与することを可能にする。
本方法の特徴によると、第1グループの糸と第2グループの糸との交差は、ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位と翼プリフォームに対応するブランクの部位との接続部の付近で起こる。
繊維ブランクの中に挿入される糸の第2グループの糸は、ブランクのその幅にわたる厚みの低減を得るために以前に繊維ブランクから引き抜かれた長手方向糸の層から到来することが好ましい。翼外形の厚みの低減(ブレードの根元部から先端にかけて)を考慮に入れるために、ブランクから糸の層が引き抜かれることができる。したがってそれらを使用してプラットフォームを作成することは、これがそれらを無駄にすることを回避することから、特に有利である。
このような状況下で、繊維ブランクの成形は有利に、糸が繊維ブランクから引き抜かれる区域とその中に挿入される区域との間に位置付けられた糸の第2グループの糸の部位を切り離すことを含む。さらに、ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位の下流でブランクの厚みをその幅にわたって低減するために、糸の第2グループの糸の少なくとも一部が、それらが前記繊維ブランクの中に挿入された区域の下流で繊維ブランクから引き抜かれることができる。
ブレードの翼外形がブレードの根元部と先端部の間で厚みの低減を有しないとき、あるいはそのような厚みの低減によっても、ブレードプラットフォームの形成に充分な大量の糸が利用可能にならないとき、繊維ブランクの中に挿入されることができる糸の第2グループの糸の少なくとも一部が長手方向糸の追加の層から到来することができる。
本方法の他の特徴によると、2つのブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位を形成するために、繊維ブランクの両側面のそれぞれで糸が繊維ブランクから引き抜かれ、その中に挿入される。このような状況下で、そこから製作されるブレードは、片側(圧力側と吸入側)に1つずつ、2つのプラットフォームを有する。
本方法のさらに他の特徴によると、繊維ブランクの成形は、所望の寸法を有するようにブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位を切断することと、ブランクの前記部位をその側面に実質的に直角の方向に展開することとを含む。
製作されるべきブレードの長手方向に対応する方向に延在する長手方向糸は縦糸であることができる。別法として、製作されるべきブレードの長手方向に対応する方向に延在する長手方向糸は横糸であることもできる。
本発明は、長手方向に延在して2つの反対側の側面を有する翼とともに、側面から延在する少なくとも1つのプラットフォームとを有するタービンエンジンブレード用の繊維プリフォームにして、長手方向糸の複数の層が製作されるべきブレードの長手方向に対応する方向に延在し、横方向糸の複数の層の糸によって相互接続される状態で3次元織りによって単一片として織られる繊維ブランクを備える繊維プリフォームであって、本発明によって、ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位を形成するように、長手方向糸の第1グループの糸が、繊維ブランクから繊維ブランクの少なくとも一方の側面の傍で引き抜かれ、長手方向糸の第2グループの糸が繊維ブランクの中に挿入されて、第1グループと第2グループの糸が互いに交差した状態となる、繊維プリフォームも提供する。
本発明は、複合材料から製作され、マトリックスで高密度化された上記の通りの繊維プリフォームを備えるタービンエンジンファンブレードも提供する。本発明は少なくとも1つのそのようなブレードを含むタービンエンジンファンも提供する。
制限的な性質を有さない実装形態を示す添付図面を参照して掲げられる以下の説明から、本発明の他の特徴および利点が明らかとなる。
2つのプラットフォームが一体化されたタービンエンジンファンブレードの斜視図である。 図1で示されたもののようなファンブレードを作成するための3次元織り繊維ブランク内の糸層の配置の極めて概略的な図である。 図2の繊維ブランクを織る1つの方法を示す縦糸平面の概略図である。 本発明の変化実装形態で繊維ブランクを織る別の方法を示す縦糸平面の概略図である。
本発明は、1つまたは複数のプラットフォームが一体化されたタービンエンジンブレードを複合材料から製作するのに適用することができ、以下に限定される訳ではないが特に図1に示されたブレードのようなファンブレードに適応される。
よく知られている形で、図1のブレード10は、翼20と、より大きな厚みの部位によって形成された、例えば球形状の断面を有し、舌部32によって延在される根元部30と、舌部32と翼20の間に位置付けられた2つのプラットフォーム40とを備える。
翼20は、プラットフォーム40とブレードの先端部22との間で長手方向に延在し、その2つの反対側の側面(即ちその前縁24とその後縁26)の間で変化する厚みの断面において湾曲化された外形を有する。
ブレード20は、その半径方向内側端部で、プラットフォーム40に、空気をファン内に入れるための環状流入路の内側を画定する働きをするその外側面を介して接続される。この流路はケーシング(図示されず)によって外側が画定される。
図1の実施例では、このようにブレード10は、ブレード20の両側面(その圧力側面20aとその吸入側面20b)から延在する2つのプラットフォーム40を有する。当然ながら、本発明は、1つのプラットフォーム(例えばブレードの吸入側面から延在し、圧力側面はプラットフォームを有さない)しか有さないブレードにも適用される。
図2は、図1に示されるもののようなファンブレードを作成するのに使用するための3次元織り繊維ブランク100内の糸の層の配置を示す。
繊維ブランク100は、翼および根元部用プリフォームを形成する中央部位110と、成形後にプラットフォームプリフォームを形成するべき2つの側方部位120とを備える。ブランクのこれらの部位110および120は一般的に、作成されるべきブレードの長手方向に対応する方向Xに延在する。この図ではこれらの2つの部位のエンベロープのみが示されている。中央部位110は2つの反対側の側面110aと110bを有し、そこから2つの側方部位120が延在する。単一のプラットフォームを有するファンブレードを作成するときは、これらの側方部位の一方だけが存在する。
中央部位110は、根元部プリフォームを形成するべきその部位112で、作成されるべきブレードの根元部の厚みに応じて決定される余分の厚みを有する(側面110aと110bの間に)。中央部位110は、翼プリフォームを形成するべきその部位114で、作成されるべきブレードの翼外形の厚みに応じて決定される変動厚みを有する。
簡単に述べれば、作成されるべきファンブレードの形状に近い形状を有する繊維プリフォームが以下のような繊維ブランク100から得られることが可能である。品質制御の後、繊維ブランク100は、織物から余分の長さが全て除去されるように、かつ部品が射出金型に一致する寸法を有するように平らに切り抜かれる。切り抜くステップは、特に根元部プリフォームを形成するべきブランクの部位112と、前縁と、後縁と、ブレードプリフォームを形成する中央部位110の先端部と、プラットフォームプリフォームを形成するべき側方部位120の端部とに適用される。
切り抜きが完了された後は、ブランクは、それを平らに置き、一方の側方部位を持ち上げて、それが中央部位の対応する側面に対して90°で延在するようにして形成される。この位置はブロックされ、プリフォームはひっくり返される。次いでブランクの中央部位は、ブレードの湾曲化された外形を再現するように変形される。その後、側方部位は、中央部位の対応する側面に対して90°に展開される。これは、翼および根元部用プリフォームを形成する1つの部位と、プラットフォーム用プリフォームを形成する2つの部位とを備える単一片の繊維プリフォームを作り出す。次いで、結果としてもたらされた繊維プリフォームが乾燥され、射出金型内の定位置に置かれる。
プリフォームを金型内に少なくともプリフォームが硬化(または固結)するまで保持することによって、マトリックスが繊維プリフォーム内に堆積される。マトリックスは、目的の用途に応じて選択された性質のもの、例えば、特にポリマーマトリックスの前駆物質である樹脂、即ちエポキシ、ビスマレイミド、またはポリイミド樹脂から得られる有機マトリックス、あるいは炭素マトリックス、セラミックマトリックスなどである。有機マトリックスについては、繊維プリフォームは、ツーリング内で成形される前にマトリックスの前駆物質樹脂を含む組成物で含浸され、あるいは成形後に、例えば注入によってまたは樹脂トランスファ成形(RTM)式のプロセスによって含浸が実施される。炭素マトリックスまたはセラミックマトリックスについては、高密度化は、化学気相浸潤法(CVI)によって、あるいは炭素ないしセラミックの前駆物質である樹脂を含む液状組成物での含浸によって、次いで前駆物質に熱分解熱処理またはセラミック化熱処理を加えることによって実施されることができる。これらの方法は元々よく知られている。
繊維ブランク100が3次元的に織られることが可能な方法について以下に詳しく述べられる。
織りは、ブランクの長手方向Xに延在する縦糸で実施されると想定されているが、横糸がこの方向に延在する状態で織りが実施されることも可能であることが理解される。
図3は、図2に示されたもののような繊維プリフォームを作成するのに使用するための3次元繊維ブランク100の縦糸平面である。用語「縦糸」平面は、ここでは横糸に対して直角に延在して縦糸のカラムを含む繊維ブランク内の平面を指す(図2では実線が縦糸を表す)。
一例として、繊維ブランクは、根元部プリフォームを形成するべき部位112でその反対側の側面110aと110bの間に縦糸cからc24の24層と横糸tからt24の同数層とを備えることができる。この部位112では、織りはインタロック式であるが、反対側の側面110aと110bに隣接する部位内の縦糸cとc24についてはサテン式の織りを用いている。インタロック式の織りを芯部に、2Dまたは3Dのサテン式の織りを表皮部に用いた繊維構造物の3D織りは、元々知られている。国際公開第2006/136755号パンフレットを参照することができる。
翼プリフォームを形成するべき部位114内では、繊維ブランクのその側面110aと110bの間の厚みは変化する。このように、製作されるべきブレードの外形のこの薄化を考慮に入れるために、縦糸の層と対応する数の横糸とが繊維ブランクから徐々に引き出される。図3の実施例では、側面110aの傍から連続的に引き出されるのは縦糸c、cおよびcであり、反対側の側面110bの傍から連続的に引き出されるのは縦糸c23、c22およびc21である。繊維ブランクの製織中に織られている糸を引き出すことから成るこの操作は、元々知られている。欧州特許第1528285号明細書を参照することができる。
繊維ブランクの部位114の区域116内に、プラットフォームプリフォームを形成するべき側方部位120が織られてある。この目的のために、縦糸の層が繊維ブランクからそのそれぞれの側面の傍で引き出され、それらは横糸の特定層と織られる。図3の実施例ではこのように、側面110aの傍から引き出され、横糸tからtと織られて一方の側方部位120を形成するのは隣接する縦糸cからcである。同様に、隣接する縦糸c18からc20が他方の側面110bの傍で引き出され、それらは横糸t22からt24と織られて他方の側方部位120を形成する。非相互接続区域は、部位120を形成する縦糸の層と翼のプリフォームを形成するべき部位114の縦糸の層との間に配置される。
さらに、側方部位120を形成するようにこれらの縦糸が引き出されるにも関わらず、繊維ブランク内で一定の繊維密度を維持するために、ブレードの外形の厚みを先細りさせるために繊維ブランクから引き出された縦糸の少なくとも一部が、区域116内で繊維ブランクの部位114の中に挿入される(ここでは縦糸cおよびcが側面110aの傍で、c21、c22およびc23が側面110bの傍で)。このように、これらの縦糸は、好ましくは翼プリフォームに対応する部位114とプラットフォームプリフォームに対応する側方部位120との接続部で、縦糸cからc(側面110aの傍で)とc18からc20(側面110bの傍で)とに交差する。
結果として、側面110aの傍の縦糸cおよびcと側面110bの傍のc21、c22およびc23は、それらが繊維ブランクの部位114から出る区域とそれらが再挿入される区域116との間で浮かされる(即ちそれらは横糸と相互接続されずに繊維ブランクの表面にとどまる)。翼外形の先細りする厚みの必要に応じて、これらの縦糸の少なくとも一部が繊維ブランクの部位114内のさらに下流でもう一度引き抜かれることができる。例えば、図3ではこれは縦糸c、c21、c22、およびc23に当てはまる。繊維ブランクを成形する後続のステップでは、これらの縦糸c、c21、c22、およびc23の、繊維ブランクからの出口とその中への挿入口との間に位置付けられた部位が切り離される。
図3は、プラットフォームプリフォームを形成するべき側方部位120を織るための、区域116で繊維ブランクの部位114の中に再挿入された縦糸とそこから引き抜かれた縦糸との交差の実装形態を示す。当然ながら、特に急激過ぎる交差を回避するために、他の知られているタイプの交差も使用されることが可能である。
図4は、タービンエンジンファンブレード用の繊維ブランクを作成するために異なった方式で織っている繊維ブランク100’の横糸平面を示す。
この実装形態では、少なくともプラットフォームから離れてゆくブレードの底部位では、 作成されるべきブレードの翼外形の厚みは先細りしない(即ち厚みは一定のままである)。
繊維ブランク100’は、根元部プリフォームを形成するべきその部位112’内で、かつその反対側の側面110a’と110b’の間で、縦糸cからc24の24層および横糸tからt24の同数層備える。この部位112’では、織りはインタロック式であり、反対側の側面に隣接する部位内の縦糸cとc24についてはサテン式の織りを用いている。
翼プリフォームを形成するべき部位114’では、繊維ブランクの側面110’aと110’bの間の厚みは一定のままで、糸の層が引き抜かれることはない。
上述の実装形態のように、繊維ブランクの部位114’の区域116’では、プラットフォームプリフォームを形成するべき側方部位120’が織られてある。この目的のために、図4の実施例では、隣接し合う縦糸cからcが側面110’aの傍から引き出され、横糸tからtと織られて一方の側方部位120’を形成する。同様に、隣接し合う縦糸c18からc20が他方側面110’bの傍で引き出され、横糸t22からt24と織られて他方の側方部位120’を形成する。
側方部位120’を形成するべきこれらの縦糸を引き出すにも関わらず、繊維ブランク内で一定の繊維密度を維持するために、区域116’内で繊維ブランクの部位114’の中に追加の縦糸c’からc’とc’21からc’23とが導入される。このように、これらの縦糸は、好ましくは翼プリフォームに対応する部位114’がプラットフォームプリフォームに対応する側方部位120’に接続されるところで、縦糸cからc(側面110’の傍で)とc18からc20(側面110’bの傍で)とに交差する。
本発明の繊維プリフォームを織る他の変形方法を構想することも可能である。
特に、製作されるべきブレードがプラットフォームを1つだけ有するとき、そのプリフォームを織るための糸層の引き抜きは、繊維プリフォームの一方側面の傍のみで起こる。この解決法は、プラットフォームプリフォームを織るのに利用できる糸が2から3層しかない場合に、より大きな柔軟性を達成することを可能にする。
繊維プリフォームの側面から延在する半プラットフォーム用プリフォームを有する繊維プリフォームを作成することも可能である。このようなプリフォームから製作されるブレードの半プリフォームは、隣接し合う2つのブレード間の空間を完全に覆わず、欠けている半プラットフォームを個別に作成する必要がある。それにも関わらず、それらの織りは翼の曲率が考慮されることを必要としないことから、それらは比較的作成し易い。
図3の織りの代わりに、製作されるべきブレードの翼の厚みが、可変重量の横糸を使用することによって変化されることができる。この代替えは、繊維ブランクから糸の層を引き抜いてそれらを少し下流で再挿入するのを回避することを可能にする。
繊維ブランクを織る他の代替え方法では、プラットフォームプリフォームを構成する縦糸を2倍にし、それらを並べて織ることによって、プラットフォームが位置付けられるべき特定の場所で繊維ブランクからそれらを引き抜き易くするようにする。

Claims (15)

  1. 複合材料からタービンエンジンブレードを製作するために繊維プリフォームを作成する方法にして、ブレード(10)は、長手方向に延在して2つの反対側の側面(24、26)を有する翼(20)と側面から延在する少なくとも1つのプラットフォーム(40)とを有し、
    複数の長手方向糸(CからC24)が、製作されるべきブレードの長手方向に対応する方向に延在し、複数の糸の横方向層(tからt24)の糸によって相互接続される状態で3次元織りによって単一片の繊維ブランク(100、100’)を作成することと、
    翼プリフォームを形成する第1部位とプラットフォームプリフォームを形成する少なくとも1つの第2部位とを有する単一片の繊維プリフォームを得るように繊維ブランクを成形することとを備える方法であって、
    繊維ブランクの製織中に、ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位(120)を形成するために、長手方向糸の第1グループの糸(cからc、c18からc20)が繊維ブランクから繊維ブランクの少なくとも一方の側面(110a、110b)の傍で引き抜かれ、長手方向糸の第2グループの糸(c、c、c21、c22、およびc23;c’からc’)が繊維ブランクの中に挿入されて、第1グループの糸と第2グループの糸とが相互に交差する状態となることを特徴とする、方法。
  2. 第1グループの糸と第2グループの糸との交差が、ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位と翼プリフォームに対応するブランクの部位との接続部の付近で起こる、請求項1に記載の方法。
  3. 繊維ブランクの中に挿入される糸の第2グループの糸が、ブランクのその幅にわたる厚みの低減を得るために、繊維ブランクから以前に引き抜かれた長手方向糸の層から到来する、請求項1または請求項2に記載の方法。
  4. 繊維ブランクの成形が、糸が繊維ブランクから引き抜かれる区域とその中に挿入される区域との間に位置付けられる糸の第2グループの糸の部位を切り離すことを含む、請求項3に記載の方法。
  5. ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位の下流でブランクの厚みをその幅にわたって低減するために、糸の第2グループの糸の少なくとも一部が、それらが繊維ブランクの中に挿入された区域の下流で前記繊維ブランクから引き抜かれる、請求項3または請求項4に記載の方法。
  6. 繊維ブランクの中に挿入される糸の第2グループの糸の少なくとも一部が長手方向糸の追加の層から到来する、請求項1または請求項2に記載の方法。
  7. 2つのブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位を形成するために、糸が繊維ブランクのそれぞれの側面で繊維ブランクから引き抜かれ、その中に挿入される、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 繊維ブランクの成形が、ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位を、所望寸法を有するように切断することと、ブランクの前記部位をその側面に実質的に直角の方向に展開することとを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 製作されるべきブレードの長手方向に対応する方向に延在する長手方向糸が縦糸である、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 製作されるべきブレードの長手方向に対応する方向に延在する長手方向糸が横糸である、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  11. 長手方向に延在し、2つの反対側の側面(24、26)を有する翼(20)とともに、側面から延在する少なくとも1つのプラットフォーム(40)とを有するタービンエンジンブレード(10)用の繊維プリフォームにして、長手方向糸(cからc24)の複数の層が製作されるべきブレードの長手方向に対応する方向に延在し、横方向糸(tからt24)の複数の層の糸によって相互接続される状態で3次元織りによって単一片として織られる繊維ブランク(100、100’)を備える繊維プリフォームであって、ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位(120)を形成するように、繊維ブランクから繊維ブランクの少なくとも一方の側面(110a、110b)の傍で長手方向糸の第1グループの糸(cからc、c18からc20)が引き抜かれ、長手方向糸の第2グループの糸(c、c、c21、c22、およびc23;c’からc’)が繊維ブランクの中に挿入されて、第1グループの糸と第2グループの糸とが互いに交差する状態となることを特徴とする、繊維プリフォーム。
  12. 第1グループの糸と第2グループの糸との交差が、ブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位と翼プリフォームに対応するブランクの部位との接続部の付近で起こる、請求項11に記載のプリフォーム。
  13. 2つのブレードプラットフォームプリフォームに対応するブランクの部位を形成するために、糸が繊維ブランクのそれぞれの側面で繊維ブランクから引き抜かれ、その中に挿入される、請求項11または請求項12に記載のプリフォーム。
  14. マトリックスによって高密度化された請求項11から13のいずれか一項に記載の繊維プリフォームを含む、複合材料で作成されたタービンエンジンファンブレード。
  15. 請求項14に記載のブレードを少なくとも1つ含むタービンエンジンファン。
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