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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