JP6412081B2 - 付加製造によるブレード付きディスク - Google Patents

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Description

本主題は、広くには、２つの部品を噛合遷移領域に沿って接合する付加製造法に関する。
製造において、２以上の部品を接合して単一の部材とすることが、望まれることが多い。しかしながら、部品を接合する現在の方法は、それらの部品が同じ材料から作られていても、或いは異なる材料から作られていても、多くの場合に、良好でない機械的特性につながる。
例えば、２つの部品を接合する先行技術の方法として、溶接又はろう付けなどの金属溶融プロセス、リベット又はねじなどの機械的な固定具の使用、或いは構造用接着剤の塗布及び硬化を挙げることができる。これらの結合部は、良好でないせん断付着又は接着など、良好でない物理的特性を呈し、弱い機械的接合しかもたらさない可能性がある。また、これらの結合部は、材料の変わり目の線又は平面に沿って、これらの領域における応力の集中に起因した亀裂の開始及び伝播の傾向も有し得る。
加えて、いくつかの用途においては、結合させられた部品の間に或る程度の相対移動を許容する結合部を有することが望まれる。例えば、しなやかでなく、或いは可撓でない２以上の部品の間の結合部は、結合部の疲労耐久性、耐衝撃性、及び全体としての寿命に関する問題を呈する可能がある。部品又は結合材料が異なる熱膨張係数を有する場合、相対移動を許容しない結合部は、熱による伸びの不一致を補償することができず、したがって特定の温度環境において結合部の不具合につながる。
さらに、結合させられた部品の間を延びる冷却穴が、望まれ得る。しかしながら、結合部及び部品の向き及び構成によっては、穿孔又は機械加工などの現在の方法を使用して結合部の完全性を損なうことなく冷却穴を形成することが、不可能であり得る。例えば、穴が結合部そのものの内部にある場合や、穴を穿孔することで結合部が何らかのかたちで弱体化し得る場合に、冷却穴を生成することが不可能であり得る。
したがって、構造的な完全性が改善された２以上の部品の結合の方法が望まれる。より詳しくは、部品間の相対移動を許容し、或いは所望に応じて冷却穴を取り入れることを可能にする一方で、強力な機械的接合を依然として提供する結合部を形成するための方法が、きわめて有用であると考えられる。
米国特許出願公開第２０１４／０１２７００５号明細書
本発明の態様及び利点は、一部は以下の説明において述べられ、或いは明細書から自明であってよく、もしくは本発明の実施を通じて習得可能であってよい。
本開示の一典型的な実施形態では、ガスタービンエンジン用のブレード付きディスクが提供される。ブレード付きディスクは、ロータディスクと、複数のロータブレードと、噛合遷移領域（interlocking transition zone）とを含む。ロータディスクは、付加製造によって形成された第１の材料の複数の融合した層を含み、外リムを定めている。複数のロータブレードは、付加製造によって形成された第２の材料の複数の融合した層を含む。噛合遷移領域は、ロータディスクの外リム及び複数のロータブレードの各々から交互に延びてロータディスクと複数のロータブレードとを分離不能に連結する複数の突起を含む。
本開示のさらに別の実施形態では、付加製造を使用してブレード付きディスクを形成する方法が提供される。本方法は、付加製造によって第１の材料の複数の層を融合させ、外リムを定めているロータディスクを形成することを含む。本方法は、付加製造によって第２の材料の複数の層を融合させ、複数のロータブレードを形成することをさらに含む。さらに、本方法は、ロータディスク及び複数のロータブレードの各々から交互に延びる複数の突起を備える噛合遷移領域を形成することによって、ロータディスクと複数のロータブレードとを分離不能に連結することを含む。
本開示のまた別の実施形態では。ロータブレードが提供される。ロータブレードは、台座から延びる蟻ほぞを含み、蟻ほぞ及び台座は、付加製造によって形成された第１の材料の複数の融合した層を含んでいる。ロータブレードは、付加製造によって形成された第２の材料の複数の融合した層を含む翼形部も含む。噛合遷移領域が、台座及び翼形部の各々から交互に延びて台座と翼形部とを分離不能に連結する複数の突起を含む。
本発明のこれらの特徴、態様、及び利点、並びに他の特徴、態様、及び利点が、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されるであろう。本明細書に取り入れられて本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示しており、明細書と協働して本発明の原理を説明する役に立つ。
当業者へと向けられた本発明の最良の態様を含む本発明の充分かつ本発明を実施可能にする開示が、添付の図面を参照して、明細書において説明される。
本開示の典型的な実施形態による噛合遷移領域の斜視図であり、第１及び第２の部品が、突起を分かりやすく見せるために離されて図示されている。 典型的な実施形態による軸部とこぶとからなる突起を有する噛合遷移領域の側面図である。 典型的な実施形態による台形の突起を有する噛合遷移領域の側面図である。 典型的な実施形態による長い軸部とこぶとからなる突起を有する噛合遷移領域の側面図である。 軸部とこぶとからなる突起を有する噛合遷移領域の側面図であり、典型的な実施形態に従い、ろう付け材料が第１及び第２の部品の間の接着剤として使用されている。 典型的な実施形態による冷却穴が貫通している非平面の噛合遷移領域の側面図である。 典型的な実施形態による冷却穴が貫通している噛合遷移領域の斜視断面図である。 本主題の典型的な実施形態によるガスタービンエンジンの概略の断面図である。 本発明の一実施形態によるガスタービンエンジンに使用される形式の典型的なブレード付きディスクの斜視図である。 図９の典型的なブレード付きディスクの上面図であり、本発明の実施形態に従ってどのように各々のブレードをロータディスクと一体に形成できるかを示している。 本発明の実施形態に従って複数の部品からなるブレード付きディスクを形成するために複数のロータブレードを取り付けることができる典型的なロータディスクの斜視図である。 本発明の実施形態に従って複数の部品からなるブレード付きディスクを形成するために図１１の典型的なロータディスクへと取り付けることができる１枚のロータブレードの上面図である。
本明細書及び図面における参照符号の繰り返しの使用は、本発明の同じ又は類似の特徴又は部品を表すように意図されている。
次に、本発明の実施形態を詳しく参照するが、それら実施形態の１以上の実施例が図面に示されている。各々の例は、本発明の説明の目的で提示されており、本発明を限定するものではない。実際、本発明において、本発明の技術的範囲及び技術的思想から離れることなく、種々の変更及び変種が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、或る実施形態の一部として例示又は説明される特徴を、別の実施形態では使用して、またさらなる実施形態をもたらすことが可能である。このように、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の技術的範囲に含まれるような変更及び変種を包含するように意図される。
付加製造技術は、物体を点ごとのやり方及び層ごとのやり方で典型的には鉛直（Ｙ）方向に作り上げることによって、複雑な物体の製造を可能にする。以下の検討においては、材料の付加に言及するが、当業者であれば、本明細書に開示の方法及び構造を、任意の付加製造技法又は技術で実施できることを、理解できるであろう。例えば、本発明の実施形態は、層付加プロセス、層除去プロセス、又は混成プロセスを使用することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に開示の方法及び構造は、噛合遷移領域１０によって結合させられ、１以上の材料の層を順次堆積させることによって形成された２以上の部品をもたらすことができる。
本開示の実施形態は、付加製造技術を使用して２以上の部品を接合するための方法及び構造を提供する。この点において、独立した存在物であるが、接合領域を横断して到達する機械的な「根元部」を効果的に形成することによって分解に抵抗するとともに推移ゾーンを横切って構造的な荷重を伝える噛合形状部を各々の構造に有しつつ生み出される複数の部品を生成することができる。得られる結合部は、平面状であっても、平面状でなくてもよく、改善された機械的強度及び付着を呈することができる。また、噛合材料遷移領域を、例えば、高度に耐衝撃性の保護コーティング層をベース材料へと固定するために使用することもできる。加えて、噛合形状部を、部品間の小さな範囲の運動を許容するように間隔を空けて位置させることができ、結合部は、一体化された冷却穴又は通路を有することができる。
次に図面を参照すると、図１が、本開示の典型的な実施形態による噛合遷移領域１０の斜視図を示しており、第１の部品１２及び第２の部品１４が、複数の突起１６を分かりやすく見せるために離されて図示されている。図示のとおり、噛合遷移領域１０は、Ｘ−Ｚ平面によって定められる平坦な領域内を延びることができる。とりわけ、図には噛合遷移領域１０だけしか示されていないが、第１の部品１２及び第２の部品１４が、付加製造技術を用いて製造される任意の単純又は複雑な物体であってよいことを、当業者であれば理解できるであろう。加えて、第１の部品１２及び第２の部品１４、並びに両者を接続する噛合遷移領域１０は、任意のサイズへと拡大／縮小可能である。例えば、各々の突起１６は、断面において数ナノメートル〜数センチメートルの範囲であってよく、或いはさらに大きくてもよい。その多用途性及び拡大／縮小の可能性に鑑み、付加製造技術を使用して２以上の部品を接合するための本開示の方法及び構造は、さまざまな用途及び技術分野において実施することが可能である。
図２は、一典型的な実施形態による軸部１８とこぶ２０とからなる突起１６を有する噛合遷移領域１０の側面図である。図示のとおり、第１の部品１２及び第２の部品１４の各々は、第１の部品表面２２及び第２の部品表面２４の各々から延びる複数の突起１６を備える。図示の実施形態は、実質的に垂直方向に延びている各々の突起１６を示しているが、他の実施形態では、各々の突起１６を部品表面２２、２４に対する任意の角度に製造できることを、当業者であれば理解できるであろう。各々の突起１６は、軸部１８を備えており、軸部１８の先端にこぶ２０が位置している。図１及び２に示されている実施形態では、軸部１８は円柱形であり、こぶ２０は球形である。しかしながら、いくつかの実施形態では、軸部１８は、正方形、矩形、楕円形、不規則な形状、又は任意の他の適切な形状の断面を有してもよく、共通な長さ又は異なる長さであってよい。同様に、こぶ２０は、真四角、引き延ばされた形状、或いは任意の他の適切な形状であってよい。
複数の突起１６は、長手（Ｘ）方向及び横（Ｚ）方向の両方に広がる噛合遷移領域１０を形成するように第１の部品１２及び第２の部品１４から交互に延びることができる。いくつかの実施形態では、こぶ２０の直径は、軸部１８の直径よりも大きく、軸部１８は、こぶ２０が隣り合う軸部１８の間に収まることができるように第１の部品１２及び第２の部品１４に沿って間隔を空けて位置する。このやり方で、複数の突起１６は、第１の部品１２及び第２の部品１４を機械的に連結する噛合遷移領域１０を形成する。噛合遷移領域１０を付加製造を使用して層ごとのやり方で印刷することができるため、得られる噛合遷移領域１０は、第１の部品１２及び第２の部品１４を分離不能に連結する。この点で、第１の部品１２及び第２の部品１４は、非破壊の方法では分離が不可能であるように結合させられている。いくつかの実施形態では、隣り合う突起１６の少なくとも一部分は、部品１２、１４の間の相対移動を防止することができる。さらに詳しく後述されるように、他の実施形態では、軸部１８の間隔を、複数の突起１６の相対移動を許容し、噛合遷移領域１０に或る程度の柔軟性をもたらすように、調節することができる。
いくつかの典型的な実施形態では、突起１６は、異なる形状を有することができる。この点で、複数の突起１６は、不規則な形状とされてよく、各々の突起１６は、隣り合う突起１６の間の全領域を埋めても、或いはギャップ又は小さなすき間２６を残してもよい。例えば、図３に示されるように、突起１６は、台形の突起２８であってよい。この点で、各々の台形の突起２８は、第１の部品１２又は第２の部品１４の各々の最も近くに幅の狭い断面を有する。台形の突起２８の断面積は、台形の突起２８が断面が最大である台形の突起２８の先端に向かって第１の部品１２又は第２の部品１４から遠ざかって延びるにつれて大きくなる。
次に、図４の実施形態を特に参照すると、複数の突起１６は、長く延ばされた突起３０であってよい。この点で、長く延ばされた突起３０は、長く延ばされた軸部３２を有することができ、或いは他のやり方で第１の部品１２及び第２の部品１４の間の或る程度の相対移動を許すように作られてよい。例えば、長く延ばされた軸部３２は、隣り合うこぶ２０が互いに接触するまで、第１の部品１２及び第２の部品１４を（矢印３４によって示されるように）Ｚ方向にお互いに対してスライドさせることを可能にすることができる。同様に、いくつかの実施形態では、複数の突起１６の間隔を、小さな範囲のＸ、Ｙ、及びＺ平面における移動並びにＸ、Ｙ、及びＺ軸を中心とする回転を許すように、大きくすることができる。当業者であれば理解できるとおり、複数の突起１６のサイズ、形状、及び間隔を、任意の特定の用途において必要とされるとおりに移動を許容又は規制するように調節することができる。
次に、図５を特に参照すると、噛合遷移領域１０のいくつかの実施形態は、強力な接合をさらに保証するために第１の部品表面２２及び第２の部品表面２４の間に配置された接着剤３６又は他の材料を有することができる。この接着層３６は、例えばエポキシ又は硬化した樹脂であってよく、或いは結合部を、第１の部品１２及び第２の部品１４の間にろう付け用充てん材料を導入することによって形成することができる。或いは、接着層３６は、第１の部品１２及び第２の部品１４の間の別の付加製造による層であってよく、後述のとおりの付加製造プロセスにおける使用に適した任意の材料から作られてよい。このやり方で、接着層３６は、噛合遷移領域１０の機械的な接合強度を改善することができる。
いくつかの場合、第１の部品１２と第２の部品１４との間並びに／或いは噛合遷移領域１０の内部の冷却用流体の連通をもたらすために、噛合遷移領域１０を貫いて延びる冷却穴３８を備えることが望まれる。図６が、冷却穴３８が取り入れられた非平面の噛合遷移領域１０の側面図を示している。図７が、冷却穴３８が取り入れられた噛合遷移領域１０の斜視断面図である。これらの典型的な実施形態では、冷却穴３８を、通路又は冷却穴３８を形成するように付加製造プロセスにおいて材料を選択的に堆積させることにより、部品を貫いて形成することができる。冷却穴３８は、自己完結であって、結合させられた部品の外面に露出することがないように、噛合遷移領域１０の内部を通って延びることができる。加えて、冷却穴３８は、任意の形状又はサイズであってよく、任意の位置に配置されてよい。例えば、図６及び７に示されている冷却穴３８は、直線的であり、第１の部品１２から第２の部品１４まで噛合遷移領域１０を真っ直ぐに貫いて延びているが、冷却穴３８は、湾曲していても、曲がりくねっていてもよい。
本明細書に開示の付加製造プロセスは、第１の部品１２及び第２の部品１４を、種々の材料の任意のいずれかで製作することを可能にする。各々の部品を、同じ材料又は異なる材料で製作することができる。実際、１つの部品が、異なる材料からなる複数の層を備えることさえ可能である。いくつかの実施形態では、噛合遷移領域１０によって複数の部材の集成体が生み出されるように、第１の部品１２が第１の部材であってよく、第２の部品１４が第２の部材であってよい。さらに、本明細書に記載の方法及び構造が、必ずしも２つの部品に限られず、３以上の部品の結合に使用されてもよいことを、当業者であれば理解できるであろう。いくつかの実施形態では、第１の部品１２は、ベース材料であってよく、第２の部品１４は、保護コーティングであってよい。例えば、第２の部品１４は、第１の部品１２に改善された熱耐久性をもたらすための遮熱コーティング又は遮熱コーティングのボンドコートであってよい。他の実施形態では、保護コーティングは、高い耐衝撃性を呈するきわめて耐久性のある材料であってよい。このやり方で、保護コーティングは、下方の部品を衝撃による損傷から保護し、寿命を長くすることができる。
上述のように、第２の部品１４は、遮熱コーティング（ＴＢＣ）系又は耐環境コーティング（ＥＢＣ）系などの保護コーティングであってよい。そのようなＴＢＣ及びＥＢＣ系は、一般に、第１の部品１２の外面を覆うボンド層と、ボンド層を覆って配置された遮熱層とを含むことができる。一般的に理解されるとおり、ボンド層を、下方の第１の部品１２の酸化及び／又は腐食を抑制するように設計された耐酸化性の金属材料から形成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ボンド層を、「ＭＣｒＡｌＹ」（「Ｍ」は、鉄、ニッケル、又はコバルトを表す）を含む材料、或いはアルミナイド又は貴金属アルミナイド材料（例えば、白金アルミナイド）から形成することができる。同様に、遮熱層を、第１の部品１２をより高い温度で稼働できるようにするために、耐熱性の材料から形成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、遮熱層を、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、又は他の貴金属酸化物によって部分的又は完全に安定化させたジルコニアなど、種々の公知のセラミック材料から形成することができる。
さらに、上記開示の方法及び構造を使用することによって噛合遷移領域１０を生成することにより、ＴＢＣ及びＥＢＣ系のボンド層を、完全に無くすことが可能である。この点で、ボンド層は、典型的には、ＴＢＣ及びＥＢＣ系において、熱的な不一致（すなわち第１の部品１２及び遮熱コーティングが異なる熱膨張係数を有し、高温環境に置かれたときに材料が異なる割合で伸びることで応力を引き起こす可能性がある）を補償するために、第１の部品１２と遮熱コーティングとの間に中間層をもたらすために使用される。ボンド層は、熱的な不一致によって接合領域の不具合が引き起こされることがないように保証するために、追加の機械的強度及び付着をもたらす。しかしながら、上述のように、複数の突起１６は、部品間に強力な機械的接合及び改善された付着をもたらす噛合遷移領域１０を形成する。したがって、噛合遷移領域１０が保護用の遮熱コーティングを第１の部品１２へと接合する場合に、ボンド層を完全に無くすことができ、集成体は依然として高温環境に耐えることができる。
加えて、これらの材料を接合するための種々の材料及び方法が、使用可能であり、本開示の技術的範囲に包含されると考えられることを、当業者であれば理解できるであろう。例えば、材料は、プラスチック、金属、コンクリート、セラミック、ポリマー、エポキシ、感光性樹脂、或いは個体、液体、粉末、シート材、又は任意の他の適切な形態であってよい任意の他の適切な材料であってよい。本明細書において使用されるとき、「融合」への言及は、上述の材料の任意のいずれかから接合された層を生み出すための任意の適切なプロセスを指すことができる。例えば、物体がポリマーから作られている場合、融合は、ポリマー材料の間に熱硬化性の接合を生み出すことを指すことができる。物体がエポキシである場合、接合を、架橋結合プロセスによって形成することができる。材料がセラミックである場合、接合を、焼結プロセスによって形成することができる。材料が粉末状の金属である場合、接合を、溶融プロセスによって形成することができる。付加製造によって部品を製作するために材料を融合させる他の方法が可能であり、本開示の主題をそれらの方法にて実施できることを、当業者であれば理解できるであろう。
いくつかの実施形態では、第１の材料及び第２の材料は、異なる熱膨張係数を有する。そのような実施形態では、複数の突起１６を或る程度の相対移動を許容するように構成することで、熱による伸びの不一致からもたらされる集中した応力に起因する不具合の可能性を減らすことが、望ましい可能性がある。
付加製造技術は、独立した存在物であるが、移動及び／又は分解の範囲を制限する噛合形状部を各々の構造に備えて生み出された複数の部品の生成を可能にする。この点で、２以上の独立した部品を、機械的な「根元部」を効果的に形成する噛合形状部を備えて製造することができ、機械的な「根元部」が、噛合遷移領域１０を横切って到達し、分解に抵抗し、噛合遷移領域１０を横切って構造的な荷重を伝える能力を有する。付加製造技術を使用して２以上の部品を効果的に接合する能力は、幅広い範囲の平面状又は非平面状の結合部をもたらし、類のない集成体の生成を可能にすることができる。
噛合材料遷移領域１０は、先行技術を越える技術的及び商業的利点を提供することができる。上述の方法を使用して生み出される結合部は、異なる機能、組成、又は微細構造の領域の間の改善されたせん断接合、並びにマイクロ又はマクロスケールにおける強化された付着を呈する改善された機械的強度を有する。また、噛合材料遷移領域１０を、例えば、高度に耐衝撃性の保護コーティング層をベース材料へと固定するために使用することも可能である。また、部品を同じ又は異なる材料で製作でき、結合部が平面状であっても、非平面状であってもよい点で、ボンド層の多用途性も改善される。加えて、噛合形状部を、部品間の小さな範囲の運動を許容するように間隔を空けて位置させることができ、結合部は、一体化された冷却穴又は通路を有することができる。
付加製造を使用して２以上の部品を接合する上述の装置及び方法を、さまざまな用途に、さまざまな業界において、使用することが可能である。例えば、ガスタービンエンジンの部品を、このプロセスを使用して製作することができる。上述の方法を使用して製作することができるガスタービンエンジンの部品のいくつかの例が、後述される。しかしながら、当業者であれば理解できるとおり、これらの部品は、あくまでも典型にすぎず、上述の付加製造技術の他の用途及び使用が可能であり、本発明の技術的範囲に包含される。
図８が、本主題の典型的な実施形態によるガスタービンエンジンの概略の断面図である。より詳しくは、図８の実施形態に関して、ガスタービンエンジンは、本明細書において「ターボファンエンジン１１０」と称される高バイパスのターボファンジェットエンジン１１０である。図８に示されるとおり、ターボファンエンジン１１０は、軸方向Ａ（参照のために提示された長手方向の中心線１１２に平行に延びている）と、半径方向Ｒとを定めている。一般に、ターボファン１１０は、ファン部分１１４と、ファン部分１１４の下流に配置されたコアタービンエンジン１１６とを備える。
図示の典型的なコアタービンエンジン１１６は、一般に、環状の取り入れ口１２０を定める実質的に筒状の外ケーシング１１８を備える。外ケーシング１１８は、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機１２２並びに高圧（ＨＰ）圧縮機１２４を備える圧縮機部分と、燃焼部分１２６と、高圧（ＨＰ）タービン１２８及び低圧（ＬＰ）タービン１３０を備えるタービン部分と、ジェット排気ノズル部分１３２とを、順次の流れの関係にて囲んでいる。高圧（ＨＰ）シャフト又はスプール１３４が、ＨＰタービン１２８をＨＰ圧縮機１２４へと駆動可能に接続する。低圧（ＬＰ）シャフト又はスプール１３６が、ＬＰタービン１３０をＬＰ圧縮機１２２へと駆動可能に接続する。
さらに、図示の実施形態では、ファン部分１１４は、複数のファンブレード１４０を互いに間隔を空けたやり方でディスク１４２へと結合させて有している可変ピッチファン１３８を備える。図示のとおり、ファンブレード１４０は、半径方向Ｒにおおむね沿ってディスク１４２から外方向に延びている。複数のファンブレード１４０の各々は、前縁１４４又は上流縁と、各々の各々のファンブレード１４０の半径方向外側の縁に定められた先端１４６とを定めている。また、各々のファンブレード１４０は、ファンブレード１４０がファンブレード１４０のピッチを後に詳しく説明されるやり方で変化させるように構成された適切な駆動アセンブリ１４８へと動作可能に結合しているがゆえに、ピッチ軸Ｐを中心にしてディスク１４２に対して回転可能である。ファンブレード１４０、ディスク１４２、及び駆動アセンブリ１４８は一緒に、動力ギアボックス１５０を横切るＬＰシャフト１３６によって長手軸１１２を中心にして回転可能である。動力ギアボックス１５０は、ＬＰシャフト１３６の回転速度をより効率的なファンの回転速度へと減速するための複数のギアを備える。さらに、図示の実施形態に関して、可変ピッチファン１３８のディスク１４２は、複数のファンブレード１４０を通過する気流を促進するように空気力学的に外形付けられた回転可能な前部ハブ１５２によって覆われている。
図８の典型的なターボファンエンジン１１０をさらに参照すると、典型的なファン部分１１４は、ファン１３８及び／又はコアタービンエンジン１１６の少なくとも一部分を周状に囲む環状のファンケーシング又は外側ナセル１５４をさらに備える。ナセル１５４を、複数の周方向に間隔を空けつつ位置する出口案内羽根１５６によってコアタービンエンジン１１６に対して支持されるように構成できることを、理解すべきである。さらに、ナセル１５４の下流部分１５８を、コアタービンエンジン１１６の外側部分を覆って延ばすことで、両者の間にバイパス気流の通路１６０を定めることができる。
ターボファンエンジン１１０の動作時に、空気１６２が、ナセル１５４及び／又はファン部分１１４の関連の取り入れ口１６４を通ってターボファン１１０に進入する。空気１６２がファンブレード１４０を通過するとき、矢印１６６によって示されるとおりの空気の第１の部分が、バイパス気流の通路１６０へと向けられ、或いは導かれ、矢印１６８によって示されるとおりの空気の第２の部分が、ＬＰ圧縮機１２２へと向けられ、或いは導かれる。空気の第１の部分１６６と空気の第２の部分１６８との間の比は、一般に、バイパス比として知られる。次いで、空気の第２の部分１６８の圧力が、高圧（ＨＰ）圧縮機１２４を通って燃焼部分１２６へと導かれるときに高められ、燃焼部分１２６において燃料と混合されて燃やされ、燃焼ガス１７０をもたらす。
燃焼ガス１７０は、ＨＰタービン１２８を通って導かれ、ＨＰタービン１２８において、燃焼ガス１７０からの熱及び／又は運動エネルギの一部が、外ケーシング１１８に結合したＨＰタービンステータ羽根１７２とＨＰシャフト又はスプール１３４に結合したＨＰタービンロータブレード１７４とからなる順次の段によって抽出され、すなわちＨＰシャフト又はスプール１３４を回転させることにより、ＨＰ圧縮機１２４の動作を維持する。次いで、燃焼ガス１７０は、ＬＰタービン１３０を通って導かれ、ＬＰタービン１３０において、熱及び運動エネルギの第２の部分が、外ケーシング１１８に結合したＬＰタービンステータ羽根１７６とＬＰシャフト又はスプール１３６に結合したＬＰタービンロータブレード１７８とからなる順次の段によって燃焼ガス１７０から抽出され、すなわちＬＰシャフト又はスプール１３６を回転させることにより、ＬＰ圧縮機１２２の動作及び／又はファン１３８の回転を維持する。
その後に、燃焼ガス１７０は、コアタービンエンジン１１６のジェット排気ノズル部分１８２を通って導かれ、推進用の推力をもたらす。同時に、空気の第１の部分１６６の圧力は、空気の第１の部分１６６がターボファン１１０のファンノズル排気部分１８２から排出されてやはり推進用の推力をもたらす前に、バイパス気流の通路１６０を通って案内されるときに実質的に高められる。ＨＰタービン１２８、ＬＰタービン１３０、及びジェット排気ノズル部分１３２が、コアタービンエンジン１１６を通って燃焼ガス１７０を導くための高温ガス経路１８４を少なくとも部分的に定める。
上述の付加製造技術は、噛合遷移領域１０によって２以上の部品を接合することによって複雑な物体を製造することを可能にする。この技術を、ターボファン１１０におけるさまざまな部品の製造に好都合に採用することができる。例えば、後述されるように、付加製造技術を、さまざまなブレード付きディスク２００及びロータブレード２０２を製作するために使用することができる。これらの部品は、１以上の材料から製作されてよく、改善された構造的な完全性を呈することができる。加えて、これらの部品は、保護コーティング、小さな範囲の運動を提供する可撓な結合部、並びに冷却穴又は通路が一体化された結合部など、性能を高める特徴を含むことができる。後述される実施形態が、あくまでも上述の付加製造プロセスを使用して製作することができる部品の例にすぎず、他の同様に製作される部品が本発明の技術的範囲に包含されることを、当業者であれば理解できるであろう。
広く図９〜１２を参照すると、ブレード付きディスク２００の典型的な実施形態が、本主題に従って示されている。本発明が、ブレード付きディスク２００に関して論じられるが、ブレード付きディスク２００が、ガスタービンエンジン１１０の高圧又は低圧のタービン又は圧縮機のディスクであってよいことを、当業者であれば理解できるであろう。加えて、本発明の教示及び利益が、ガスタービンエンジン１１０の他の部品にも適用可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。ブレード付きディスク２００は、１つの単一の一体的に形成された部材であってよく（例えば、図９及び１０）、或いはブレード付きディスク２００を、複数の部材からなる集成体を生み出すように互いに結合させられる複数の部品から形成することができる（例えば、図１１及び１２）。
図９及び１０を参照すると、ブレード付きディスク２００は、一般に、外リム２０６と、中心ハブ又はボア２０８と、外リム２０６とボア２０８との間のウェブ２１０とを有するロータディスク２０４を備える。複数の一体的に形成されたロータブレード２０２が、外リム２０６から放射状に延びている。貫通穴の形態のボア穴２１２が、ブレード付きディスク２００をシャフト上に取り付けるためにボア２０８の中心に位置しており、したがってボア穴２１２の軸線は、ブレード付きディスク２００の回転軸に一致する。図示のとおり、各々のロータブレード２０２は、ロータディスク２０４の外リム２０６と一体に形成され、ロータディスク２０４の外リム２０６から半径方向Ｒに延びている。このブレード付きディスク２００は、この技術分野において、ブレード一体型ロータ（ＩＢＲ）又は「ブリスク（ＢＬＩＳＫ）」と称されることもある。
とりわけ、ブレード付きディスク２００を、上述の付加製造技術を使用して形成することができる。例えば、ブレード付きディスク２００を、ロータディスク２０４の中心ハブ又はボア２０８において出発して材料を層ごとに順次堆積させ、材料をロータディスク２０４の外リム２０６へと半径方向Ｒに外側へと堆積させることにより、付加的に製造することができる。次いで、各々のロータブレード２０２を、噛合遷移領域１０において出発し、上述の方法を使用して形成し、ロータディスク２０４の外リム２０６から放射状に延ばして、付加的に製造することができる。一般的に上述したとおり、噛合遷移領域１０は、ロータディスク２０４の外リム２０６及び複数のロータブレード２０２から交互に延びる複数の突起を備えるロータディスク２０４とロータブレード２０２との間の一体的な結合部である。このやり方で、ロータブレード２０２は、ロータディスク２０４と一体に形成されて、分離不能に結合し、溶接、ろう付け、又は他の取り付け手段を必要としない強力な機械的接合を呈する。加えて、このやり方で形成されるブレード付きディスク２００は、追加の機械加工及び他の後処理技術の必要性を減らし、或いは皆無にする。
上述の製造プロセスを使用し、ロータディスク２０４及びロータブレード２０２の各々を、１以上の異なる材料で製作することができる。或いは、ロータディスク２０４及びロータブレード２０２を、すべて同じ材料から形成することができる。例えば、ロータディスク２０４を、第１の金属合金から形成することができ、ロータブレード２０２を、第２の金属合金から形成することができる。
加えて、本主題による付加製造を使用することによって、得られる噛合遷移領域１０は、平面状であっても、平面状でなくてもよく、かみ合いの造作は、部品間の小さな範囲の移動を許容するように離れていてもよく、結合部は、一体化された冷却穴又は通路を有してもよい。例えば、噛合遷移領域１０は、ロータディスク２０４とロータブレード２０２との間に流体連通をもたらす複数の流体チャネルを定めることができる。例えば、このやり方で、冷却用流体を、ロータディスク２０４の中心ハブ又はボア２０８を通って供給でき、ロータディスク２０４を通り、噛合遷移領域１０を通って、ロータブレード２０２へと流すことができる。流体チャネルは、真っ直ぐでよく、曲がりくねっていてよく、或いはロータディスク２０４及び／又はロータブレード２０２の冷却に適した任意の他の形状であってよい。
次に図１１及び１２を参照すると、ブレード付きディスク２００を、代案として、複数の別個のロータブレード２２０（図１２）を備えるロータディスク２１８（図１１）によって形成することができる。この点で、ロータディスク２１８の外リム２０６を、各々のロータブレード２２０を受け入れるように構成された複数の受け入れスロット又は凹所２２２を定めることによって、ロータブレード２２０（例えば、タービン又は圧縮機のブレード）が取り付けられるように構成することができる。
特に図１２を参照すると、各々のロータブレード２２０は、翼形部２２４と、台座２２６と、翼形部２２４を公知のやり方でロータディスク２１８へと取り付けるために使用される一体型の蟻ほぞ２２８とを備えることができる。翼形部２２４は、台座２２６に隣接して位置する根元端２３０と翼形部２２４の先端の先端部２３２との間を半径方向Ｒに延びることができる。各々の翼形部２２４は、第１の輪郭付けられた側壁と、第２の輪郭付けられた側壁とを備える。第１の側壁は、凸状であり、翼形部２２４の負圧側を定めており、第２の側壁は、凹状であり、翼形部２２４の正圧側を定めている。側壁は、翼形部２２４の前縁２３４及び軸方向に離れて位置する後縁２３６において合流する。より具体的には、翼形部の後縁２３６は、翼形部の前縁２３４から翼弦方向に下流へと離れている。第１及び第２の側壁は、蟻ほぞ２２８に隣接して位置するブレード根元２３０から翼形部の先端部２３２までのスパンにて半径方向外側へと延びている。
この典型的な実施形態では、噛合遷移領域１０を、台座２２６の外面２３８及び翼形部２２４の根元２３０において、付加的に製造することができる。上述した図９及び１０の典型的な実施形態と同様に、ロータディスク２１８及びロータブレード２２０を、複数の材料で形成することができ、可撓な結合部及び／又は一体化された冷却チャネルなどの造作を取り入れることができる。例えば、一実施形態では、噛合遷移領域１０における複数の突起１６は、台座２２６と翼形部２２４との間の相対移動を許さない。別の実施形態では、複数の突起１６は、長く延ばされた突起３０であってよい。この点で、長く延ばされた突起３０は、長く延ばされた軸部３２を有することができ、或いは他のやり方で台座２２６と翼形部２２４との間の或る程度の相対移動を許すように作られてよい。加えて、噛合遷移領域１０は、台座２２６と翼形部２２４との間に流体連通をもたらす流体冷却チャネルを備えることができる。複数のロータブレードの各々を、蟻ほぞ２２８を複数の凹所又はスロット２２２のうちの１つへと挿入することによって、ロータディスク２１８へと取り付けることができる。このやり方で、複数の部品からなるブレード付きディスク２００を、上述の技術を使用して製造することができる。
加えて、噛合遷移領域１０は、例えば第１の部品１２及び第２の部品１４、ロータディスク２０４及び複数のロータブレード２０２、或いは台座２２６及び翼形部２２４など、２以上の物体の間の減衰又は剛性における変化を実現するために、突起１６の形状における変種を備えることができる。例えば、軸部１８及びこぶ２０のサイズ及び／又は長さを、これらに限られるわけではないが曲げ剛性及び軸方向剛性を含むことができ、さらには固有振動数を含む２つの物体の間の物理的な相互作用を、変化させるように構成することができる。
噛合遷移領域１０を用いて形成される付加製造によるブレード付きディスク２００の上述の典型的な実施形態は、あくまでも説明の目的で用いられる典型的な実施形態として意図されているにすぎない。示されている実施形態は、タービン又は圧縮機のブレード付きディスクであるが、本発明の教示及び利益が、ガスタービンエンジン１１０の他の部品にも適用可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。上述の付加製造技術は、１以上の部分及び１以上の材料からのブレード付きディスク２００の形成を可能にする。加えて、ブレード付きディスク２００は、可撓な結合部又は冷却用流体チャネルなど、付加製造技術によって可能にされる多数の他の特徴を取り入れることができる。これらの実施形態は、決して本発明の技術的範囲を限定しようとするものではない。実際、ガスタービンエンジン１１０の多数の他の部品を、本明細書の全体及び添付の図面において説明したとおりの付加製造技術を使用して製作できることを、当業者であれば理解できるであろう。
本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用並びにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な技術的範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者にとって想到される他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、或いは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含むならば、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。
［実施態様１］
ガスタービンエンジン（１１０）のためのブレード付きディスク（２００）であって、
付加製造によって形成された第１の材料の複数の融合した層からなり、外リム（２０６）を定めているロータディスク（２０４）と、
付加製造によって形成された第２の材料の複数の融合した層からなる複数のロータブレード（２０２）と、
ロータディスク（２０４）の外リム（２０６）及び複数のロータブレード（２０２）の各々から交互に延びてロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）とを分離不能に連結する複数の突起（１６）を備える噛合遷移領域（１０）と
を備えるブレード付きディスク（２００）。
［実施態様２］
複数の突起（１６）の各々は、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間の相対移動の変化を可能にする、実施態様１に記載のブレード付きディスク（２００）。
［実施態様３］
ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間の隣り合う突起（１６）の少なくとも一部分は、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間の相対移動を防止又は制限する、実施態様１に記載のブレード付きディスク（２００）。
［実施態様４］
噛合遷移領域（１０）は、流体チャネル（３８）を定めており、流体チャネル（３８）は、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間に流体連通をもたらすように構成されている、実施態様１に記載のブレード付きディスク（２００）。
［実施態様５］
第１の材料は、第１の金属合金であり、第２の材料は、第２の金属合金である、実施態様１に記載のブレード付きディスク（２００）。
［実施態様６］
ろう付けによる結合部が、接着剤として働くようにロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間に位置している、実施態様１に記載のブレード付きディスク（２００）。
［実施態様７］
付加製造を使用してブレード付きディスク（２００）を形成する方法であって、
付加製造によって第１の材料の複数の層を融合させ、外リム（２０６）を定めているロータディスク（２０４）を形成するステップと、
付加製造によって第２の材料の複数の層を融合させ、複数のロータブレード（２０２）を形成するステップと、
ロータディスク（２０４）及び複数のロータブレード（２０２）の各々から交互に延びる複数の突起（１６）を備える噛合遷移領域（１０）を形成することによって、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）とを分離不能に連結するステップと
を含む方法。
［実施態様８］
付加製造によって第１の材料の複数の層を融合させ、ロータディスク（２０４）を形成するステップは、第１の材料の層を順次堆積させるステップを含み、付加製造によって第２の材料の複数の層を融合させ、複数のロータブレード（２０２）を形成するステップは、第２の材料の層を順次堆積させるステップを含む、実施態様７に記載の方法。
［実施態様９］
噛合遷移領域（１０）を形成することによって、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）とを分離不能に連結するステップは、ロータディスク（２０４）上へと第１の材料及び第２の材料の層を順次堆積させるステップを含む、実施態様７に記載の方法。
［実施態様１０］
ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間の隣り合う突起（１６）の少なくとも一部分は、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間の相対移動を防止又は制限する、実施態様７に記載の方法。
［実施態様１１］
噛合遷移領域（１０）は、流体チャネル（３８）を定めており、流体チャネル（３８）は、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間に流体連通をもたらすように構成されている、実施態様７に記載の方法。
［実施態様１２］
ロータディスク（２０４）及び複数のロータブレード（２０２）は、エポキシで作られており、融合は、架橋結合プロセスである、実施態様７に記載の方法。
［実施態様１３］
ロータディスク（２０４）及び複数のロータブレード（２０２）は、セラミック材料で作られており、融合は、焼結プロセスである、実施態様７に記載の方法。
［実施態様１４］
ロータディスク（２０４）及び複数のロータブレード（２０２）は、粉末状の金属で作られており、融合は、溶融プロセスである、実施態様７に記載の方法。
［実施態様１５］
台座（２２６）から延びている蟻ほぞ（２２８）であって、該蟻ほぞ（２２８）及び台座（２２６）は、付加製造によって形成された第１の材料の複数の融合した層からなる蟻ほぞ（２２８）と、
付加製造によって形成された第２の材料の複数の融合した層からなる翼形部（２２４）と、
台座（２２６）及び翼形部（２２４）の各々から交互に延びて台座（２２６）と翼形部（２２４）とを分離不能に連結する複数の突起（１６）を備える噛合遷移領域（１０）と
を備えるロータブレード（２２０）。
［実施態様１６］
台座（２２６）と翼形部（２２４）との間の隣り合う突起（１６）の少なくとも一部分は、台座（２２６）と翼形部（２２４）との間の相対移動を防止する、実施態様１５に記載のロータブレード（２２０）。
［実施態様１７］
噛合遷移領域（１０）は、流体チャネル（３８）を定めており、流体チャネル（３８）は、台座（２２６）と翼形部（２２４）との間に流体連通をもたらすように構成されている、実施態様１５に記載のロータブレード（２２０）。
［実施態様１８］
蟻ほぞ（２２８）は、ロータディスク（２１８）の外リム（２０６）に形成された複数の凹所（２２２）のうちの１つに受け入れられるように構成されている、実施態様１５に記載のロータブレード（２２０）。
［実施態様１９］
ロータディスク（２１８）は、第３の材料の複数の融合した層を含む、実施態様１８に記載のロータブレード（２２０）。
［実施態様２０］
第１の材料は、第１の金属合金であり、第２の材料は、第２の金属合金であり、第３の材料は、第３の金属合金である、実施態様１９に記載のブレード付きディスク（２００）。
１０ 噛合遷移領域
１２ 第１の部品
１４ 第２の部品
１６ 突起
１８ 軸部
２０ こぶ
２２ 第１の部品表面
２４ 第２の部品表面
２６ ギャップ、小さなすき間
２８ 台形の突起
３０ 長く延ばされた突起
３２ 長く延ばされた軸部
３４ 相対移動の矢印
３６ 結合接着層、接着剤
３８ 冷却穴
１１０ ターボファンジェットエンジン、ガスタービンエンジン
１１２ 長手軸又は長手方向の中心線
１１４ ファン部分
１１６ コアタービンエンジン
１１８ 外ケーシング
１２０ 取り入れ口
１２２ 低圧圧縮機
１２４ 高圧圧縮機
１２６ 燃焼部分
１２８ 高圧タービン
１３０ 低圧タービン
１３２ ジェット排気ノズル部分
１３４ 高圧シャフト／スプール
１３６ 低圧シャフト／スプール
１３８ ファン
１４０ ブレード
１４２ ディスク
１４４ 前縁
１４６ 先端
１４８ 駆動アセンブリ
１５０ 動力ギアボックス
１５２ 回転可能な前部ハブ
１５４ ファンケーシング又はナセル
１５６ 出口案内羽根
１５８ 下流部分
１６０ バイパス気流の通路
１６２ 空気
１６４ 取り入れ口
１６６ 空気の第１の部分
１６８ 空気の第２の部分
１７０ 燃焼ガス
１７２ ステータ羽根
１７４ タービンロータブレード
１７６ ステータ羽根
１７８ タービンロータブレード
１８２ ファンノズル排気部分、ジェット排気ノズル部分
１８４ 高温ガス経路
２００ ブレード付きディスク
２０２ ロータブレード
２０４ ロータディスク
２０６ 外リム
２０８ ボア
２１０ ウェブ
２１２ ボア穴
２１８ ロータディスク
２２０ ロータブレード
２２２ スロット、凹所
２２４ 翼形部
２２６ 台座
２２８ 蟻ほぞ
２３０ 根元、根元端
２３２ 先端
２３４ 前縁
２３６ 後縁
２３８ 外面（台座）

Claims (10)

  1. ガスタービンエンジン（１１０）のためのブレード付きディスク（２００）であって、
    付加製造によって形成された第１の材料の複数の融合した層からなり、外リム（２０６）を定めているロータディスク（２０４）と、
    付加製造によって形成された第２の材料の複数の融合した層からなる複数のロータブレード（２０２）と、
    ロータディスク（２０４）の外リム（２０６）及び複数のロータブレード（２０２）の各々から交互に延びてロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）とを分離不能に連結する複数の突起（１６）を備える噛合遷移領域（１０）と
    を備え、
    単一のロータブレード（２０２）に対して複数の突起（１６）が配置されるブレード付きディスク（２００）。
  2. 複数の突起（１６）の各々は、単一のロータブレード（２０２）に対し軸方向と周方向の両方で複数の突起（１６）が配置され、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間の相対移動の変化を可能にする、請求項１に記載のブレード付きディスク（２００）。
  3. ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間の隣り合う突起（１６）の少なくとも一部分は、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間の相対移動を防止又は制限する、請求項１または２に記載のブレード付きディスク（２００）。
  4. 噛合遷移領域（１０）は、流体チャネル（３８）を定めており、流体チャネル（３８）は、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間に流体連通をもたらすように構成されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のブレード付きディスク（２００）。
  5. ろう付けによる結合部が、接着剤として働くようにロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）との間に位置している、請求項１乃至４のいずれかに記載のブレード付きディスク（２００）。
  6. 付加製造を使用してブレード付きディスク（２００）を形成する方法であって、
    付加製造によって第１の材料の複数の層を融合させ、外リム（２０６）を定めているロータディスク（２０４）を形成するステップと、
    付加製造によって第２の材料の複数の層を融合させ、複数のロータブレード（２０２）を形成するステップと、
    ロータディスク（２０４）及び複数のロータブレード（２０２）の各々から交互に延びる複数の突起（１６）を備える噛合遷移領域（１０）を形成することによって、ロータディスク（２０４）と複数のロータブレード（２０２）とを分離不能に連結するステップと
    を含み、
    単一のロータブレード（２０２）に対して複数の突起（１６）が配置される、
    方法。
  7. 台座（２２６）から延びている蟻ほぞ（２２８）であって、該蟻ほぞ（２２８）及び台座（２２６）は、付加製造によって形成された第１の材料の複数の融合した層からなる蟻ほぞ（２２８）と、
    付加製造によって形成された第２の材料の複数の融合した層からなる翼形部（２２４）と、
    台座（２２６）及び翼形部（２２４）の各々から交互に延びて台座（２２６）と翼形部（２２４）とを分離不能に連結する複数の突起（１６）を備える噛合遷移領域（１０）と
    を備え、
    単一の翼形部（２２４）に対し軸方向と周方向の両方で複数の突起（１６）が配置されるロータブレード（２２０）。
  8. 台座（２２６）と翼形部（２２４）との間の隣り合う突起（１６）の少なくとも一部分は、台座（２２６）と翼形部（２２４）との間の相対移動を防止する、請求項７に記載のロータブレード（２２０）。
  9. 噛合遷移領域（１０）は、流体チャネル（３８）を定めており、流体チャネル（３８）は、台座（２２６）と翼形部（２２４）との間に流体連通をもたらすように構成されている、請求項７に記載のロータブレード（２２０）。
  10. 蟻ほぞ（２２８）は、ロータディスク（２１８）の外リム（２０６）に形成された複数の凹所（２２２）のうちの１つに受け入れられるように構成されている、請求項７乃至９のいずれかに記載のロータブレード（２２０）。
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