JP6194379B2 - 回転機械のための混成金属及び複合材スプール - Google Patents

Description

本発明は、回転機械スプールに関し、詳細には複合材スプールに関する。

スプールは、極めて多くのタイプの回転機械において、機械の回転特徴要素を支持するために使用される。１つの例示的なタイプの回転機械は、ロータ、ドラム、及びディスクなどのスプールを有するガスタービンエンジンである。回転機械において、スプール及び機械の重量を低減するために複合材スプールを用いることが知られている。ガスタービンエンジンのための複合材ロータ又はディスクは、当該技術分野で公知である。ガスタービンエンジンのための複合材ロータ又はディスクは、当該技術分野で公知である。ターボファンガスタービンエンジンは、一般に、前方ファン及びブースタ圧縮機と、中間コアエンジンと、後方低圧出力タービンと、を含む。ガスタービンエンジンロータ又はディスクは一般に、通常は、固体金属ビレットから機械加工された単品として又は共に溶接された複数の要素として金属材料で製造されている。金属ディスク及びロータは比較的重量がある。金属は、複合材料と比べて比強度が低く、固有減衰が極めて小さい。ディスク及びドラム並びにロータのような複合材スプールの主な利点は、スプールの重量及び質量慣性モーメントを有意に低減することである。複合材は、金属に対して良好な強度及び剛性特性を提供するが、トライボロジー性能の堅牢性に欠ける場合がある。

ガスタービンエンジンで使用する複合材の一体的ブレード付きロータは、米国特許第４，７４７，９００号、第４，７８６，３４７号、及び第７，４９１，０３２号など、幾つかの特許において開示されている。複合材の一体的ブレード付きロータは、ロータの一貫性を維持するようロータの構造を設計する際に考慮すべき力の影響を受けやすい。ロータディスクでは、フープ応力を吸収する能力が重要であるため主要な力は円周方向で作用し、他方、翼形部ブレードでは、半径方向に作用する力が大勢を占める。このようなロータで使用される複合材料は、通常、固有強度が低い樹脂（エポキシなど）を含む。複合材料は、複合材料のマトリックスに埋め込まれた同じ材料の繊維を通常は含むことに起因して、金属よりも高い比強度を有する。繊維は、張力が最も強いことが知られており、よって完成した構成部品の力の方向は、少なくとも１つにはその強度を決定付けることになる。場合によっては、構成部品の構造設計は、繊維配向の要求に影響を受ける。

軽量で、強度があり、堅牢な回転機械スプールを製造するための設計及び方法を有することが、極めて望ましい。

米国特許第４，７４７，９００号明細書 米国特許第４，７８６，３４７号明細書 米国特許第７，４９１，０３２号明細書 米国特許第８，９０５，７１９号明細書

混成金属及び複合材スプールは、スプールの複合材スプールシェルの外径又は外表面上に１又はそれ以上の金属リングを含む。混成金属及び複合材スプールは、１又はそれ以上の金属リングに特徴要素を含むことができる。

スプールは、１又はそれ以上の金属リングと複合材スプールシェルとの間に収縮接合継手を含むことができる。１又はそれ以上の環状接着層は、１又はそれ以上の金属リングと複合材スプールシェルとの間に存在することができる。環状接着層を含む収縮接合継手は、１又はそれ以上の金属リングと複合材スプールシェルとの間に存在することができる。

特徴要素は、金属リングにおいてダブテールスロットを含むことができる。

金属リングは、環状の半径方向に延びる歯を備えた少なくとも１つの単一のシール歯リングを含むことができる。金属リングは、環状ベースから離れて半径方向に延び且つ該環状ベースにより接続された少なくとも２つの環状の軸方向に離間して配置されたシール歯を有する少なくとも１つの複数歯シール歯リングを含むことができる。

金属リングは、前方及び後方ダブテールスロット金属リングと、前方ダブテールスロット金属リングに取り付けられた軸方向後方に延びる環状歯と、後方ダブテールスロット金属リングに取り付けられた軸方向前方に延びる環状歯と、含むことができる。

混成金属及び複合材スプールを製作する方法は、特徴要素を備えて１又はそれ以上の金属リングを製作するステップと、スプールの複合材スプールシェルを硬化させる前に、未硬化のシェルの外表面及び／又は内表面上で所定位置に１又はそれ以上の金属リングを位置決めするステップと、所定位置に位置付けられた１又はそれ以上の金属リングと共にシェルを硬化するステップと、を含むことができる。１又はそれ以上の金属リングは、硬化ステップの前に、１又はそれ以上の金属リングと複合材スプールシェルとの間に１又はそれ以上の環状接着層を施工することにより、未硬化の複合材スプールシェルに接合することができる。

混成金属及び複合材スプールを作製する代替の方法は、特徴要素を備えて１又はそれ以上の金属リングを製作するステップと、硬化した複合材スプールシェルの上にリングを滑動させるのに少なくとも十分な温度まで１又はそれ以上の金属リングを加熱するステップと、スプールの硬化した複合材スプールシェルの外表面上で所定位置に加熱された１又はそれ以上の金属リングを滑動させるステップと、１又はそれ以上の金属リングを硬化したシェル上で冷却及び収縮可能にするステップと、を含む。１又はそれ以上の環状接着層は、１又はそれ以上の環状接着層の上で加熱した１又はそれ以上の金属リングを所定位置で滑動させる前に、硬化した複合材スプールシェル上に施工することができる。

本発明の上記の態様及び他の特徴は、添付図面と関連して以下で説明する。

エンジンのブースタにおいて混成金属及び複合材スプール又はロータを有する航空機ターボファンガスタービンエンジンの例示的な実施形態の長手方向部分断面及び概略図。 図１に示すブースタスプールの一部の前方から後方を見た斜視図。 図２に例示したブースタスプール部分を通る側方斜視図。 図２に例示したブースタスプールの断面図。 図２に例示したブースタスプールのダブテールスロットリングの拡大断面図。 ２つのシール歯リングを備える、図５に例示したブースタスプールの断面図。 二重シール歯リングを備える、図５に例示したブースタスプールの断面図。 図５に例示したダブテールスロットリング上に軸方向に延びるシール歯を有するブースタスプールの断面図。

図１には、本明細書で開示されるガスタービンブースタ１６のブースタスプール４３で使用することができる混成金属及び複合材スプール４３又はロータの１つの実施例が例示される。混成金属及び複合材スプール４３は、スプール４３の複合材スプールシェル４６の外径ＯＤ又は外表面ＯＳ上に１又はそれ以上の金属リング４４を含む。金属リング４４は、図５に例示される金属リング４４及び図６に例示されるシール歯リング５８においてダブテールスロット５４のような特徴要素を有することができる。

図１には、エンジン中心軸線１２の周りに囲まれ、航空機のウィング（翼）又は胴体に装着されるよう好適に設計された例示的な航空機ターボファンガスタービンエンジンが示される。エンジン１０は、下流側直列流れ連通で、ファン１４、ブースタ１６、高圧圧縮機１８、燃焼器２０、高圧タービン（ＨＰＴ）２２、及び低圧タービン（ＬＰＴ）２４を含む。ＨＰＴ又は高圧タービン２２は、高圧駆動シャフト２３により高圧圧縮機１８に連結される。ＬＰＴ又は低圧タービン２４は、低圧駆動シャフト２５によりファン１４及びブースタ１６の両方に連結される。

通常作動時には、空気２６は、ファン１４によって加圧されて、ブースタ１６を通じて送られる生成し、該ブースタ１６が内部空気流１５を更に加圧する。次いで、加圧空気は、高圧圧縮機１８に流れ、該圧縮機が空気を更に加圧する。加圧空気は、燃焼器２０において燃料と混合されて、高温の燃焼ガス２８を生成し、ＨＰＴ２２及びＬＰＴ２４を通って下流側に流れる。

ファン１４の直ぐ後方でブースタ１６を囲むフロースプリッター３４は、鋭利な前縁３２を含み、これによりファン１４により加圧されるファン空気２６が、ブースタ１６を通って送られる半径方向内側ストリーム（内部空気流１５）と、バイパスダクト３６を通って送られる半径方向外側ストリーム（バイパス空気流１７）とに分割される。ファン１４を囲むファンナセル３０は、環状ファンフレーム３３によって支持される。ブースタ１６は、ブースタダクト４０においてブースタ流路３９にわたって半径方向外向き及び内向きに延びるブースタブレード及びベーン３８、４２の交互する環状列を含む。

ブースタブレード３８の環状列は、ファン１４に好適に連結される。ブースタ１６は、ファンフレーム３３の前方に位置し、フロースプリッター３４の半径方向内寄りに配置される。ブースタスプール４３は、ブースタスプール４３の複合材スプールシェル４６の外径ＯＤ又は外表面ＯＳ上で金属リング４４に装着されたブースタブレード３８を担持する。ブースタスプール４３は、低圧駆動シャフト２５により低圧タービン２４に駆動可能に接続される。本明細書で開示されるブースタスプール４３は、混成金属及び複合材スプール又はロータの１つの実施例である。

図２〜図５を参照すると、ブースタブレード３８の各々は、翼形部ベース４５から翼形部先端４７まで外向きに延びる正圧側面４１及び負圧側面５１を有する翼形部４８を含む。翼形部４８は、翼弦方向に離間して配置される前縁ＬＥ及び後縁ＴＥを含む。ブースタブレード３８は、翼形部ベース４５にて翼形部４８に取り付けられたダブテールブレード根元５２を含む。ダブテールブレード根元５２は、金属リング４４のダブテールスロット５４に装着され、従って、翼形部４８及びブースタブレード３８をブースタスプール４３に取り付ける。ブースタスプール４３の複合材スプールシェル４６の内表面ＩＳと外表面ＯＳは、両方とも円滑で途切れがなく、従って、スプール４３の強度及び堅牢性をもたらす。

ダブテールスロット５４を有する金属リング４４は、一般にダブテールスロット金属リングと呼ばれ、ブースタスプール４３の複合材スプールシェル４６の外表面ＯＳ又は内表面ＩＳ上に装着できるあるタイプの金属リングを表すことができる。図６には、ブースタスプール４３の複合材スプールシェル４６の外表面ＯＳ上に装着された単一の歯シール歯リング５８の形態の別のタイプの金属リングが示される。シール歯リング５８は、図１に示すブースタベーン４２上のシールランドに接してシールするよう設計された単一の環状の半径方向に延びるシール歯６０を含む。複合材スプールシェル４６の外表面ＯＳ上に装着された２つの隣接するシール歯リング５８が図６に例示されている。図７は、前方及び後方シール歯６４、６６のような少なくとも２つの環状の軸方向に離間して配置され半径方向に延びるシール歯を含む複数歯又は二重歯シール歯リング６２の形態の更に別のタイプの金属リングを示している。前方及び後方シール歯６４、６６は、環状ベース６８から半径方向に離れて延び、該環状ベースにより互いに接続されている。複数歯又は二重歯シール歯リング６２は、一体的に形成又は製造することができる。

図８には、前方及び後方ダブテールスロット金属リング７８，８０それぞれに取り付けられた環状の軸方向後方に延びる環状シール歯７４及び軸方向前方に延びる環状シール歯７６が示される。軸方向後方及び軸方向前方に延びるシール歯７４，７６は、前方及び後方ダブテールスロット金属リング７８，８０間に軸方向に位置付けられたブースタベーン４２の前縁ＬＥ及び後縁ＴＥに沿ってベーン４２の先端８２に接してシールするよう設計される。

混成金属及び複合材スプール４３を製作する例示的な方法は、スプール４３の複合材スプールシェル４６を硬化させる前に、この未硬化シェルの外表面ＯＳ及び／又は内表面ＩＳ上で所定位置に金属リング４４を位置決めするステップを含む。金属リング４４と未硬化複合材スプールシェル４６との間の収縮接合継手５０は、外部リングの場合に用いることができる。収縮接合継手５０は、金属リング４４と未硬化複合材スプールシェル４６との間に環状接着層４９を含むことができる。これは、ゼロＲＰＭ及び室温の接着材接合にて初期圧縮界面張力を提供することになる。回転速度が増大すると、圧縮力が低下し、恐らくは接着材接合の能力内にある張力に遷移する。接着材は、図５に示すように硬化前に未硬化の複合材スプールシェル４６の外表面ＯＳ及び／又は内表面ＩＳと金属リング４４との間に配置される。

収縮嵌め継手は、複数の方法で行うことができる。１つの方法は、複合材スプールシェル４６を高温で成形及び硬化されるときに１又はそれ以上の金属リング４４を所定位置に設置することである。金属リングの熱膨張係数は複合材スプールシェルよりも大きいので、外部金属リングは、冷却中に複合材よりもより速い速度で収縮し、有効な圧縮界面をもたらすことになる。別の方法は、既に硬化された複合材スプールシェル４６の上に金属リングを滑動させることができ、次いで、複合材スプールシェル４６の外径ＯＤ又は外表面ＯＳに施工される薄膜又は層上でリングを冷却し収縮させることを可能にする温度まで金属リング４４を加熱するステップを含む。構成部品のサイズを適切に選択することにより、圧縮力を所望のレベルに調整する能力が得られることになる。

様々な方法を利用して、樹脂を複合材スプールシェル４６の織り成り複合材プリフォームに射出することができる。樹脂によるプリフォームへの射出は、樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）又は真空補助樹脂注入成形（ＶＡＲＴＭ）を用いて実施することができ、プリフォームは、工具システム上でレイアップされる。或いは、より従来型のオートクレーブプロセスを用いることができる。プリフォームが鋳型に載置されると、種々の鋳型部品又はセクションは、プリフォームを所定位置に保持し、複合材スプールシェル４６を適切に形成する。

ＲＴＭ法は、ＲＴＭ鋳型を用いて、部品の両面に滑らかな表面仕上げを提供し、最小の生産後トリミング及び／又は機械加工で高速に複雑で詳細なニアネットシェイプを生成することができる。樹脂は、共にクランプされた（プレス機に共に保持される）鋳型要素に加圧下で送給され、従って、比較的高繊維含有量及び優れた空隙制御で、部品が一貫性があり、再現可能で、寸法的に安定し、良好に圧密化される。より高粘性強化された樹脂で作られる高性能部品では、鋳型は通常加熱され、樹脂射出圧力は、調量／最大射出機械を用いて制御される。原材料コストは一般に、従来のプリプレグではなく乾燥プリフォームが使用されるので、ハンドレイアップよりも安価である。サイクル時間は、典型的なオートクレーブ硬化サイクルよりも短い２〜３時間の範囲とすることができる。

複合材スプールシェル４６のための複合材プリフォームは、ユニテープ、織布、編組体、又は何らかの繊維アーキテクチャの組み合わせから作ることができる。ユニテープは、一方向性テープ材料及び樹脂マトリックスである。これ及び他の好適な材料の検討は、ＡＳＭ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ，１９８７年、１９８９年又はこれ以降の版による「Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」において見出すことができる。本明細書で検討される複合材料は、エポキシ、ＰＭＲ１５、ＢＭＩ、ＰＥＥＫ、その他などの樹脂材料に埋め込まれた炭素質、シリカ、金属、金属酸化物、又はセラミック繊維などの繊維を含有する材料から作られた非金属タイプから作ることができる。繊維は、樹脂が含浸され且つ部品形状に形成されたテープに一方向に整列される。その後、繊維は、オートクレーブプロセス又はプレス成形を介して硬化され、内部に積層体又はパイルを有して、軽量で、剛性があり、比較的均質な物品を形成する。パイルは、一般に、一方向性繊維フィラメントパイル材料（多くの場合、好ましくは、テープと呼ばれる）から全て作られ、複合材スプールシェル４６のための複合材プリフォームの周りに円周方向に配列される。

方法は、位置決めの後で且つ硬化の前又は後で、金属リング４４の界面を機械加工するステップを含むことができる。後続の作動時には、恐らくはスプールの装着ハブを基準として用いて、正確な界面が機械加工されることになる。この手法は、特徴要素の優れた位置決め及び配向を確保する。

本発明を例示的な方法で説明してきた。使用した技術用語は、限定の用語としてではなく、説明の用語の性質のものであることが意図される点を理解されたい。本明細書では本発明の好ましく例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、当業者であれば、本明細書の教示から本発明の他の修正が明らかになる筈であり、従って、全てのこのような修正は、本発明の技術思想及び技術的内に属するものとして特許請求の範囲において保護されることが望まれる。

従って、本特許により保護されることを望むものは、特許請求の範囲に記載し且つ特定した発明である。

１０ ガスタービンエンジン
１２ エンジン中心軸線
１４ ファン
１５ 内部空気流
１６ ブースタ
１７ バイパス空気流
１８ 高圧圧縮機
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン
２３ 高圧駆動シャフト
２４ 低圧タービン
２５ 低圧駆動シャフト
２６ 空気
２８ 高温燃焼ガス
３０ ファンナセル
３２ 鋭利な前縁
３３ ファンフレーム
３４ フロースプリッター
３６ バイパスダクト
３８ ブースタブレード
３９ ブースタ流路
４０ ブースタダクト
４１ 正圧側面
４２ ブースタベーン
４３ スプール
４４ 金属リング
４５ 翼形部ベース
４６ スプールシェル
４７ 翼形部先端
４８ 翼形部
４９ 接着層
５０ 収縮接合継手
５１ 負圧側面
５２ ブレード根元
５４ ダブテールスロット
５８ シール歯リング
６０ シール歯
６２ 二重歯シール歯リング
６４ 前方シール歯
６６ 後方シール歯
６８ ベース
７４ 軸方向後方に延びるシール歯
７６ 軸方向前方に延びるシール歯
７８ 前方ダブテールスロット金属リング
８０ 後方ダブテールスロット金属リング
８２ 先端
ＯＤ 外径
ＯＳ 外表面
ＩＳ 内表面
ＬＥ 前縁
ＴＥ 後縁

Claims (19)

1. 混成金属及び複合材スプール（４３）であって、該スプールの複合材スプールシェル（４６）の外径（ＯＤ）又は外表面（ＯＳ）上に１又はそれ以上の金属リング（４４）を備え、
   前記金属リングが、
   前方及び後方ダブテールスロット金属リング（７８，８０）と、
   前記前方ダブテールスロット金属リング（７８）に取り付けられた軸方向後方に延びる環状歯（７４）と、
   前記後方ダブテールスロット金属リング（８０）に取り付けられた軸方向前方に延びる環状歯（７６）と、
   を備える、
   混成金属及び複合材スプール（４３）。
2. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）において特徴要素を更に含む、請求項１に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
3. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と前記複合材スプールシェル（４６）との間に収縮接合継手（５０）を更に備える、請求項２に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
4. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と前記複合材スプールシェル（４６）との間に１又はそれ以上の環状接着層（４９）を更に備える、請求項２に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
5. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と前記複合材スプールシェル（４６）との間に環状接着層（４９）を含む収縮接合継手（５０）を更に備える、請求項４に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
6. 前記金属リング（４４）においてダブテールスロット（５４）を含む特徴要素を更に含む、請求項２に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
7. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と前記複合材スプールシェル（４６）との間に１又はそれ以上の環状接着層（４９）を更に備える、請求項６に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
8. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と前記複合材スプールシェル（４６）との間に環状接着層（４９）を含む収縮接合継手（５０）を更に備える、請求項７に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
9. 前記金属リングが、環状の半径方向に延びる歯（６０）を有する少なくとも１つの単一のシール歯リング（５８）を含む、請求項１に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
10. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と前記複合材スプールシェル（４６）との間に１又はそれ以上の環状接着層（４９）を更に備える、請求項９に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
11. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と前記複合材スプールシェル（４６）との間に環状接着層（４９）を含む収縮接合継手（５０）を更に備える、請求項１０に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
12. 前記金属リングが、環状ベース（６８）から離れて半径方向に延び且つ該環状ベースにより接続された少なくとも２つの環状の軸方向に離間して配置されたシール歯（６４，６６）を有する少なくとも１つの複数歯シール歯リング（６２）を含む、請求項１に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
13. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と前記複合材スプールシェル（４６）との間に１又はそれ以上の環状接着層（４９）を更に備える、請求項１２に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
14. 前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と前記複合材スプールシェル（４６）との間に環状接着層（４９）を含む収縮接合継手（５０）を更に備える、請求項１３に記載の混成金属及び複合材スプール（４３）。
15. 混成金属及び複合材スプール（４３）を製作する方法であって、
    特徴要素を備えて１又はそれ以上の金属リング（４４）を製作するステップと、
    前記スプール（４３）の複合材スプールシェル（４６）を硬化させる前に、未硬化の前記シェル（４６）の外表面（ＯＳ）及び／又は内表面（ＩＳ）上で所定位置に前記１又はそれ以上の金属リング（４４）を位置決めするステップと、
    前記外表面（ＯＳ）及び／又は内表面（ＩＳ）上で所定位置に位置付けられた前記１又はそれ以上の金属リング（４４）と共に前記シェル（４６）を硬化するステップと、
    を含む、方法。
16. 前記硬化ステップの前に、前記１又はそれ以上の金属リングと前記複合材スプールシェルとの間に１又はそれ以上の環状接着層（４９）を施工することにより、前記１又はそれ以上の金属リングを前記未硬化の複合材スプールシェルに接合するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 混成金属及び複合材スプールを作製する方法であって、
    特徴要素を備えて１又はそれ以上の金属リング（４４）を製作するステップと、
    硬化した複合材スプールシェル（４６）の上に前記金属リング（４４）を滑動させるのに少なくとも十分な温度まで前記１又はそれ以上の金属リング（４４）を加熱するステップと、
    前記スプール（４３）の前記硬化した複合材スプールシェル（４６）の外表面（ＯＳ）上で所定位置に加熱された前記１又はそれ以上の金属リング（４４）を滑動させるステップと、
    前記１又はそれ以上の金属リング（４４）を前記硬化したシェル上で冷却及び収縮可能にするステップと、
    を含む、方法。
18. 前記１又はそれ以上の環状接着層の上に所定位置で前記加熱された前記１又はそれ以上の金属リングを滑動させる前に、前記硬化した複合材スプールシェル上に１又はそれ以上の環状接着層を施工するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記位置決めステップの後及び前記硬化ステップの前又は後で、前記１又はそれ以上の金属リングの界面を機械加工するステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。