JP6333841B2 - 複合材料製タービンエンジンブレード根元部の製造方法および該方法により製造されたブレード根元部 - Google Patents

複合材料製タービンエンジンブレード根元部の製造方法および該方法により製造されたブレード根元部 Download PDF

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Description

本発明は、タービンエンジンのロータホイール用の複合材料製ブレードの製造の一般的な分野に関する。本発明は、特に、該ブレードの根元部の製造に関する。
対象とする分野は、航空エンジンもしくは工業用タービンのガスタービンロータブレードの分野である。
複合材料製、特に、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料製のタービンエンジン用ブレードの製造についてはすでに提案されている。特に、仏国特許出願公開第２９３９１２９号明細書を参照すると、マトリックスによって緻密化された繊維強化材を含む複合材料製タービンエンジンブレードの製造について記載されている。該方法を使用すれば、製造されたブレードは、特に、ブレードの長手方向に対応した方向に伸びる繊維ストリップで形成された根元部を有する。
さらに、該ブレードをロータディスクに取り付けるために、ブレード根元部を球状にする方法も周知である。球状ブレード根元部は、ロータディスクの周囲に形成された相補的形状のスロットと協働して、ダブテール式接続によってブレードをディスク上で半径方向に保持する。
ブレードが複合材料で製造される場合、ブレード根元部の球状部は、通常、ブレードを構成する繊維ブランクの製織時に、ブレード根元部に余肉部を形成することによって得られ、この余肉部は、その後、最終の球状部になるように機械加工される。実際には、余肉部は、通常、繊維ブランクの製織時にインサートを挿入することで形成される。
しかし、上記のような球状根元部を有する複合材料製ブレードの製造方法には多くの欠点がある。インサートを作成して、ブレードの繊維ブランクの製織時にインサートを所定位置に配置することは、非常に難しい作業である。さらに、ブレードの取付部には機械的強度に問題があり、取付部は酸化によって疲労劣化する。
さらに、仏国特許出願公開第２９４１４８７号明細書から、複合材料製ブレードをロータディスクに取り付ける方法が周知である。該方法では、溶接杭で互いに固定された金属板間にブレード根元部が締め付けられる。上記方法では、ブレードをロータディスク上で保持する主要な力は、杭のせん断力と複合材料の穴部に加わる圧縮力とによって吸収される。しかし、金属板と根元部の複合材料との膨張差により、固定が強固である場合、熱せん断応力が発生し、もしくは、固定が緩い場合、支承板の位置決めが不確実になる。
仏国特許出願公開第２９４１４８７号明細書
本発明の目的は、ダブテール式接続によるロータディスクへの取付部において上述の欠点が存在しない複合材料製ブレード根元部を提案することによって、上述の欠点を軽減することである。
上記目的は、マトリックスによって緻密化された繊維強化材を含む複合材料製のタービンエンジンブレード根元部の製造方法であって、三次元織りにより織り込まれた３組の糸層から中央繊維ストリップと２つの外側繊維ストリップとを作成するステップであって、繊維ストリップは製造されるブレード根元部の長手方向に一致した共通方向に伸び、糸層の組の糸は種々の繊維ストリップ間で織り込まれない作成ステップと、２つの外側ストリップが中央ストリップの内側で互いに交差させて２つの外側ストリップを中央ストリップに通過させるステップと、２つの外側ストリップのうち中央ストリップの外側に位置する部分を切断することによって除去して、ブレード根元部の繊維ブランクを形成するステップと、繊維ブランクを成形して、ブレード根元部プリフォームとなる主要部と支承板プリフォームとなる２つの第２の部分とが一体になった繊維プリフォームを作成するステップと、マトリックスで繊維プリフォームを緻密化して、プリフォームで構成されてマトリックスによって緻密化された繊維強化材を有する複合材料製ブレード根元部を作成するステップとを含む製造方法によって達成される。
上記製造方法により、変形が少なく重荷重に耐えられる支承板を有するブレード根元部を製造することができる。これらの支承板に加わるロータディスクの力は、支承板を構成する繊維ストリップ部分の糸の方向に作用する。特に、これらの力により糸層が平らにならない。ブレード根元部の寿命は、所与のサイズで長くなる。
さらに、この製造方法では、根元部を球状にするために、繊維ブランクの製織時にインサートを使用する方法に頼らない。そのことにより、製造方法が簡略化され、ロバスト性が強化され、中央ストリップの厚さを大幅に超えることなくプリフォームの緻密化が可能になり、製造サイクルおよび製造コストが削減される。
有利には、２つの外側ストリップは、中央ストリップの方向に対して１５°〜７５°の角度、好ましくは、４５°を成す方向で中央ストリップを通過する。
さらに、中央ストリップは、ブレード翼形部用繊維プリフォームを作成するのに使用されてもよい。同様に、外側ストリップの少なくとも一方は、内側および／または外側ブレードプラットフォーム用繊維プリフォームを作成するのに使用されてもよい。
繊維ストリップは、製造されるブレード根元部の方向に一致した長手方向が経糸方向に伸びる状態で織られてもよい。あるいは、繊維ストリップは、製造されるブレード根元部の方向に一致した長手方向が緯糸方向に伸びる状態で織られてもよい。
それに従って、本発明は、マトリックスで緻密化された繊維強化材を含む複合材料製タービンエンジンブレード根元部であって、２つの支承板構成部分と一体形成されたブレード根元部構成部分を含み、２つの支承板構成部分がブレード根元部構成部分内で交差させてブレード根元部構成部分を通過することを特徴とするブレード根元部を提供する。
ブレード根元部は、セラミックマトリックス複合材料製としてもよい。
本発明はさらに、上述したブレード根元部、もしくは上述の方法を使用して製造されたブレード根元部を有するタービンエンジンブレードを提供する。本発明はさらに、少なくとも１つの該ブレードが取り付けられたタービンエンジンを提供する。
本発明の他の特徴および利点は、非制限的な特徴を有する実施形態を示した添付図面を参照しながら説明される以下の記述から明らかである。
ロータディスク上に取り付けられた本発明のブレード根元部の図である。 図１のブレード根元部を製造するために繊維ブランクを作成するための３つの繊維ストリップの配置を示した概略図である。 図２の配置によって作成された繊維ブランクの図である。
本発明は、タービンエンジン用の複合材料製の種々のブレードに適用可能であり、特に、ガスタービンエンジンの種々のスプールの圧縮機およびタービンブレード、例えば、図１に一部が示されているブレードのような低圧タービンのブレードに適用可能である。
周知の形では、図１に示されているブレード１０は、翼形部１２、根元部１４、および根元部１４と翼形部１２との間に位置するプラットフォーム１６を備える。ブレードはさらに、自由端（もしくは先端）の近くに、外側プラットフォーム（図示せず）を有する場合もある。
ブレードの翼形部１２は、プラットフォーム１６から先端まで（長手方向に）伸びる曲線状空気力学的輪郭を有する。この輪郭は、変化する厚さを有する輪郭であり、前縁および後縁（図示せず）で緯糸方向に互いに接続する圧力側面と吸引側面とにより形成される。
この例では、ブレードの根元部１４は、球状であり、ダブテール式接続によりロータディスク２０の周囲に形成されたスロット１８内に取り付ける部分である。
ブレード１０およびブレード根元部１４は、複合材料製であり、好ましくは、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料製である。例えば、国際公開第２０１０／０６１１４０号パンフレットでは、三次元織りにより翼形部プリフォームを作成して、プリフォームをマトリックスで緻密化することによってタービンエンジンブレードを製造する方法の一例が記載されている。
より詳細には、上記方法は、三次元織りを使用して一体型繊維ブランクを作成するステップ、繊維ブランクを成形して、ブレード翼形部および根元部用のプリフォームとなる第１の部分と、ブレードの内側プラットフォームもしくは外側プラットフォーム用プリフォームとなる少なくとも１つの第２の部分とを有する一体型繊維プリフォームを作成するステップ、そして、プリフォームをマトリックスで緻密化するステップを含む。したがって、上記方法により、プリフォームで構成されてマトリックスにより緻密化された繊維強化材を有し、少なくとも１つのプラットフォームがそこに組み込まれた一体部品を形成する複合材料製のブレードを製造することができる。
図２および図３は、繊維ブランクを作成し、緻密化後、場合によっては、機械加工後に、図１に示されている種類のブレード用根元部が得られるように、繊維ブランクからブレード根元部用の繊維プリフォーム１００を成形する方法を示した概略図である。
ブランクは、三次元織りもしくは多層織りで作成された３つの繊維ストリップ、すなわち、２つの外側ストリップ１０４、１０６によって囲まれた中央ストリップ１０２から作成される。これらの３つの繊維ストリップは、製造される根元部の長手方向に対応したほぼＸ方向に伸びる。
この例では、繊維ストリップ１０２、１０４、１０６の製織は、経糸が製造される根元部の長手方向Ｘに伸びる形で行われるものとするが、緯糸がこの方向に伸びる形の製織も可能であることがわかる。
さらに、図２の例では、中央ストリップ１０２は、経糸層の組を含み、この例では、これらの層の数は９である（層Ｃ１〜Ｃ９）。外側ストリップ１０４、１０６では、それぞれが５つの経糸層の組を含む（外側ストリップ１０４として層Ｃ１０〜Ｃ１４、外側層１０６として層Ｃ１５〜Ｃ１９）。
中央ストリップ１０２および２つの外側ストリップ１０４、１０６を形成する糸層の組の経糸は、ｔ１、ｔ２、ｔ３で示されるそれぞれの緯糸を使用して、三次元織りによって織り込まれる。種々のタイプの三次元織りを使用することが可能である。特に、国際公開第２００６／１３６７５５号パンフレットには、さまざまな例が示され参照されたい。
国際公開第２０１０／０６１１４０号パンフレットに記載されている方法を使用してブレードを製造する場合、中央ストリップ１０２は、有利には、成形後の翼形部プリフォームに相当するブレードプリフォーム部分を構成する部分を作成するのに使用される。同様に、２つの外側ストリップの一方は、有利には、成形後にプラットフォームプリフォームに相当するブレードプリフォーム部分を構成する部分を作成するのに使用される。
外側ストリップ１０４、１０６それぞれは、成形後に翼形部プリフォームに対応するブレードプリフォーム部分を構成する中央ストリップ１０２の一部を越えて、中央ストリップの挿入側と反対の側から出てくるように中央ストリップ１０２を通過する。さらに、これらの外側ストリップは、中央ストリップを通過するこの動きにより、中央ストリップの内側で互いに交差する。
このことにより、中央ストリップ１０２内で２つの外側ストリップ１０４、１０６のＸ字形クロスが形成され、外側ストリップは、中央ストリップを通過する外側ストリップに相当する繊維ブランクの領域を越えて入れ替わる。
中央ストリップ１０２および２つの外側ストリップ１０４、１０６を構成する種々の糸層の組の経糸は、中央ストリップを通過する２つの外側ストリップに相当する繊維ブランクの領域の前方もしくは先では織り込まれないことに留意されたい。
２つの外側ストリップ１０４、１０６は、中央ストリップのＸ方向に対して１５°〜７５°の角度αを成す方向で中央ストリップ１０２を通過する。好ましくは、この角度αは４５°である。
繊維ストリップは、その後、以下のようにして切断される。中央ストリップ１０２は、中央ストリップ１０２内で互いに交差する２つの外側ストリップに相当する領域を少し越えて切断される。外側ストリップ１０４、１０６は、まず、外側ストリップが交差した後に出てくる中央ストリップのそれぞれの面の高さで切断され（中央ストリップの外側部分は切断される）、次に、中央ストリップの通過に対応する領域の前方で切断されて、中央ストリップの両側にストリップセグメント１０４ａ、１０６ａが残される（図３）。
その後、根元部プリフォームとなる主要部分とストリップセグメント１０４ａ、１０６ａに相当し支承板プリフォームとなる２つの第２の部分とが一体になったプリフォームを形成するように成形することによって、製造されるブレード根元部の繊維プリフォーム１００が得られる。ストリップセグメント１０４ａ、１０６ａは、成形後、ブレードの長手方向に対して１５°〜７５°の角度を成す。
機械加工後（必要に応じて）、ブレード根元部のプリフォームはマトリックスで緻密化されて、プリフォームで構成されてマトリックスで緻密化された繊維強化材を有する複合材料製ブレード根元部が作成される。
国際公開第２０１０／０６１１４０号パンフレットに記載の方法を使用したブレードの製造では、ブレード根元部のプリフォーム１００は、有利には、翼形部プリフォームに相当するプリフォーム部分と一体部品として形成される。

Claims (13)

  1. マトリックスによって緻密化された繊維強化材を含む複合材料製のタービンエンジンブレード根元部の製造方法であって、
    三次元織りにより織り込まれた３組の糸層（Ｃ１〜Ｃ９、Ｃ１０〜Ｃ１４、Ｃ１５〜Ｃ１９）から中央繊維ストリップ（１０２）と２つの外側繊維ストリップ（１０４、１０６）とを作成するステップであって、繊維ストリップは製造されるブレード根元部の長手方向に一致した共通方向に伸び、糸層の組の糸は種々の繊維ストリップ間で織り込まれない作成ステップと、
    ２つの外側ストリップが中央ストリップの内側で互いに交差させて２つの外側ストリップを中央ストリップに通過させるステップと、
    ２つの外側ストリップのうち中央ストリップの外側に位置する部分を切断することによって除去して、ブレード根元部の繊維ブランクを形成するステップと、
    繊維ブランクを成形して、ブレード根元部プリフォームとなる主要部分と支承板プリフォームとなる２つの第２の部分（１０４ａ、１０６ａ）とが一体になった繊維プリフォームを作成するステップと、
    マトリックスで繊維プリフォームを緻密化して、プリフォームで構成されてマトリックスによって緻密化された繊維強化材を有する複合材料製ブレード根元部を作成するステップと
    を含む製造方法。
  2. ２つの外側ストリップが、中央ストリップの方向に対して１５°〜７５°の角度（α）を成す方向で中央ストリップを通過する、請求項１に記載の製造方法。
  3. ２つの外側ストリップが、中央ストリップの方向に対して４５°の角度（α）を成す方向で中央ストリップを通過する、請求項２に記載の製造方法。
  4. 中央ストリップがさらに、ブレード翼形部用繊維プリフォームを作成するのに使用される、請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の製造方法。
  5. 外側ストリップの少なくとも一方がさらに、ブレードプラットフォーム用繊維プリフォームを作成するのに使用される、請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の製造方法。
  6. 繊維ストリップが、製造されるブレード根元部の方向に一致した長手方向（Ｘ）が経糸方向に伸びる状態で織られる、請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載の製造方法。
  7. 繊維ストリップが、製造されるブレード根元部の方向に一致した長手方向（Ｘ）が緯糸方向に伸びる状態で織られる、請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載の製造方法。
  8. マトリックスで緻密化された繊維強化材を含む複合材料製タービンエンジンブレード根元部であって、２つの支承板構成部分と一体形成されたブレード根元部構成部分を含み、ブレード根元部構成部分が、三次元織りにより織り込まれた第１の組の糸層によって構成される中央繊維ストリップを含み、２つの支承板構成部分が、第１および第２の外側繊維ストリップをそれぞれ含み、第１の外側繊維ストリップが、三次元織りにより織り込まれた第２の組の糸層によって構成され、かつ第２の外側繊維ストリップが、三次元織りにより織り込まれた第３の組の糸層によって構成され、第１、第２、および第３の組の糸層の糸が、中央繊維ストリップと第１および第２の外側繊維ストリップとの間で織り込まれず、第２の組の糸層の糸および第３の組の糸層の糸が、中央繊維ストリップを通過し、２つの外側繊維ストリップが、中央繊維ストリップの内側で互いに交差する、タービンエンジンブレード根元部。
  9. ２つの支承板構成部分が、ブレード根元部構成部分と１５°〜７５°の角度を成す、請求項８に記載のブレード根元部。
  10. ２つの支承板構成部分が、ブレード根元部構成部分と４５°の角度を成す、請求項９に記載のブレード根元部。
  11. ブレード根元部が、セラミックマトリックス複合材料製である、請求項８〜請求項１０のうちのいずれか一項に記載のブレード根元部。
  12. 請求項８〜請求項１１のうちのいずれか一項に記載のブレード根元部（１４）を有するタービンエンジンブレード（１０）。
  13. 請求項１２に記載の少なくとも１つのブレード（１０）を有するタービンエンジン。
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