JPH08210102A - 複合ブレード - Google Patents

複合ブレード

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JPH08210102A
JPH08210102A JP7247101A JP24710195A JPH08210102A JP H08210102 A JPH08210102 A JP H08210102A JP 7247101 A JP7247101 A JP 7247101A JP 24710195 A JP24710195 A JP 24710195A JP H08210102 A JPH08210102 A JP H08210102A
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Iii Sidney B Elston
シドニー・ベーカー・エルストン，ザ・サード
James W Tucker
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 破片等の物体の吸い込み、特に鳥の衝突から
くる曲げ及び衝撃に起因する離層及び破損に対して極め
て強い複合ブレードを提供する。 【解決手段】 本発明に係る複合エアホイルは、大型高
バイパス比ターボファンエンジン用の翼弦の広いねじり
度の高いファンブレードとして特に有用である。複合エ
アホイルは、エアホイル１２の補強領域３０を有してお
り、補強領域３０は、先端２２から翼幅の一部に且つ後
縁１５から翼弦の一部に延在している。領域３０は薄い
金属シース３４によって覆われており、金属シース３４
は、ブレード１０の後縁表面に複合ブレード１０の当該
部分を強化する態様で結合されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービンエンジン
に用いる複合ブレードに関し、特に、翼弦の広い複合フ
ァンブレードの後縁補強に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンのファン及び圧縮
機等の流体流れ機械の比較的重い金属ブレード及びベー
ンを比較的軽い複合材料に置き換えるために、多大な努
力が払われている。この結果として、細長い高強度フィ
ラメントを軽量母材と複合化した複合ブレード及びベー
ンが開発された。航空機及び航空機エンジンの設計は絶
え間なく、重量の軽減及び効率の向上に努めている。航
空機及びエンジンのメインテナンスを含めて、航空機及
びエンジンの設計に影響する他の因子としては、コスト
と寸法とがある。これらの分野の重要度が増すにつれ
て、航空機の大きさが大きくなり、このため、エンジン
からのスラストをより大きくするか、又はエンジンを追
加する必要がある。取得費用及び初期費用を軽減させる
ためには、特定の飛行機に搭載するエンジンの数を増や
すのではなく、エンジンを大型化して、そのスラスト能
力及び燃料効率を増加させることがよい。今日の大型航
空機は、以前よりも少ない数のエンジンを用いるように
設計されており、例えば、それぞれのスラスト能力が約
１００，０００ポンドであるエンジン２基を用いるよう
に設計されている。しかしながら、エンジンが大きくな
るにつれて、エンジン構成部品のすべてを大きくする必
要があるので、重量軽減が益々重要になっている。
【０００３】新しい世代の商用高スラストエンジンは、
ファン直径を約１００インチ〜１２４インチの範囲とし
て設計されていると共に建造されている。拡大した直径
のファンでは、効率を増加させるために、広い翼弦を有
している長いファンブレードが用いられている。通常の
翼弦の狭いチタンブレードは、翼弦長（エアホイルの後
縁と前縁との間の軸線方向直線の寸法）が約８インチ〜
１２インチである。大型エンジン用の翼弦の広いファン
ブレードは、先端翼弦長が約２０インチ〜２８インチの
範囲にある。翼弦の広いブレードは効率の上昇につなが
る。これらのブレードは、安定性余裕が大きく、又、翼
弦が長いため、空気をより効率的にブレード面に沿って
移動させることができるからである。安定性が増大する
ことにより、（現行のチタンブレードでは、ブレード効
率の低下の原因となっている）中間翼幅シュラウドなし
で、ブレードを製造することができる。ブレード効率の
増加は高バイパスタービンエンジンでは重要である。空
気の約７５％〜８０％がコアエンジン燃焼器をバイパス
して、ファンがスラストを直接生成するために用いられ
るからである。
【０００４】大型エンジンのブレードに関する重量及び
費用の問題への解決策として、翼弦の広い全複合ファン
ブレードが提案されている。翼弦の広い全複合ファンブ
レードを有している大型エンジンは、標準翼弦のファン
ブレードを有している大型エンジンに対して大きな重量
軽減を達成する。翼弦の広い複合ファンブレードも、中
空なチタンブレードに対してやや小さいが、それでも相
当な重量軽減を達成する。複合プロペラ及び回転翼航空
機ブレード設計は当業界でよく知られているが、ターボ
ファン複合ブレードは種々の理由からこれまで用いられ
たことがない。
【０００５】従来、用語「複合」は、異なる特性を有し
ている２種以上の材料を用いることに関するいくつかの
意味を有している。最近、宇宙航空産業では、用語「複
合」は、バインダ又は母材材料内に支持された繊維又は
粒子等の補強材を含有している材料として定義されるよ
うになっている。金属複合材料及び非金属複合材料の両
方を含んでいる多数の複合材料が、本発明には適当であ
る。しかしながら、好適な実施例では、一方向テープ材
料及びエポキシ樹脂母材から成る複合材料を用いてい
る。この材料及びその他の適当な材料については、「エ
ンジニアリング材料便覧（Engineering Materials Hand
book）」ＡＳＭ International 、１９８７−１９８９
年版又はそれ以降の版に記載されている。本発明の複合
ブレード及びエアホイルは、炭素、シリカ、金属、金属
酸化物又はセラミック繊維等の繊維をエポキシ、ＰＭＲ
１５、ＢＭＩ、ＰＥＥＵ等の樹脂材料に埋設した材料か
ら形成されている非金属型とすることが好ましい。特
に、繊維を一方向に整列してテープ状とし、これに樹脂
を含浸し、部品形状に成形し、オートクレーブ処理又は
プレス成形により硬化して、内部に積層体を有している
軽量で剛性な比較的均質な物品を形成することが好まし
い。
【０００６】このような軽量の複合ガスタービンエンジ
ン・ファンブレードの採用を妨げていた問題の１つは、
異物損傷（ＦＯＤ（foreign object damage））と称さ
れるものに対して特に弱いことである。ガスタービンエ
ンジンの入口には、かもめ等の大きな鳥からひょう、砂
及び雨を含む種々の異物が吸い込まれる。異物からの損
傷（ダメージ）は２つの形態を採る。比較的小さな物体
はブレード材料を侵食して、ファン及びエンジンの性能
を劣化させる。比較的大きな物体による衝撃はブレード
を破損したり、ブレードに穴を開けたりする。衝撃を受
けたブレードの部分は、ばらばらの破片に引き裂かれ
て、隣接したブレード及び下流のブレード、並びにその
他のエンジン構成要素に甚大な二次損傷を与えるおそれ
がある。この点で、異物損傷の結果は、高バイパスガス
タービンエンジンの低圧圧縮機又はファンにおいて最も
深刻である。複合ファンブレードの破損を防止するため
に、例えば前縁保護ストリップのような種々の開発が成
されてきており、この前縁保護ストリップは、ファンブ
レードの侵食保護、特にファンブレードの前縁の侵食保
護にも役立つ。これらの前縁保護ストリップは、鳥の衝
突時等の衝撃のエネルギをファンブレードの後縁に伝達
するが、このことが原因で、後縁が局所的に振動したり
若しくはかなりの振幅で急速に変位したり、又はこれら
の両方が起こり、破損することになる。このような後縁
の振動及び大きな急速な変位は歪みを誘引し、その歪み
が現在の材料系の限界を超えると、広範な内部離層及び
表面破壊を生じ、この結果、後縁先端材料が失われた
り、ロータがアンバランスになったりする。ロータのア
ンバランスがひどくなると、最終的には、鳥吸い込み時
の速度及びスラスト離陸パワーが限定されることがあ
る。エンジンスラスト及び運転適性は、このような事象
後にもあるレベル内に維持されなければならない。この
形式の破損機構は、ファンブレード及び他のブレードの
エアホイルに高度のねじりを採用していると、更に悪化
する。
【０００７】従って、ブレードへの異物の衝突により誘
引される後縁材料喪失機構による離層に耐える軽量複合
ブレード、特に大きなファン直径の、翼弦の広いファン
ブレードを開発することが望まれている。
【０００８】
【発明の概要】本発明は、ブレードが全体的に大きいと
共に高度のねじりを有している大型高バイパス比ターボ
ファンエンジン用の翼弦の広いファンブレードとして特
に有用な複合ブレードを提供する。本発明の複合ブレー
ドは、複合材料から形成されていると共に前縁から後縁
まで翼弦（コード）方向に且つ根部から先端まで翼幅
（スパン）方向に延在しているエアホイルを有してい
る。金属シース（被覆）で覆われた補強表面領域が、エ
アホイルの一部にわたって延在している、即ち、エアホ
イルの後縁から前縁に向かって翼弦方向に且つ先端から
根部に向かって翼幅方向に延在している。本発明の好適
な実施例では、前縁への衝撃から後縁の大きな振動が生
じる際に損傷を受け易いブレードの後縁区域を十分に覆
っている翼幅方向高さと翼弦方向幅とを有している領域
に、金属シースが設けられている。
【０００９】本発明の一実施例では、金属シースが２枚
の薄い金属シートの形態で設けられている。第１のシー
トはエアホイルの加圧側に結合されており、第２のシー
トはエアホイルの吸引側に結合されている。本発明の他
の実施例では、金属シースが、後縁の周りに巻き付けら
れていると共にエアホイルの加圧側及び吸引側に結合さ
れている１枚の薄い金属シートの形態で設けられてい
る。本発明の更に他の実施例では、金属シースが、エア
ホイルの加圧側及び吸引側の一方の側のみに結合されて
いる１枚の薄い金属シートの形態で設けられている。
【００１０】本発明の更に特定の実施例では、機械的締
結具が、金属シース並びにエアホイルの加圧側及び吸引
側を貫通して設けられており、更にシースはエアホイル
に固着されている。本発明の更に他の実施例では、金属
シースが、ブリッジで連結された２つのセクション（部
分）を有している一体の薄い金属シートの形態で設けら
れている。ブリッジの翼幅方向のブリッジ高さと、セク
ションの翼幅方向のセクション高さとは、ブリッジ高さ
がセクション高さよりも著しく短くなっている。ブリッ
ジは、後縁の周りに巻き付けられており、２つのセクシ
ョンの各々は、エアホイルの加圧側及び吸引側のうちの
対応する側に結合されている。本発明の更に他の実施例
では、エアホイルに前縁金属シールドが設けられてい
る。
【００１１】
【効果】本発明の効果として、本発明の軽量複合ブレー
ドは、破片等の物体の吸い込み、特に鳥の衝突からくる
曲げ及び衝撃に起因する離層及び破損に対して極めて強
い。本発明の後縁補強複合ブレードは、軽量複合ブレー
ドの設計及び耐ＦＯＤ性を改良し、特に現代の高バイパ
ス比ターボファン・ガスタービンエンジンの大径のファ
ンに見られるような、広い翼弦及び／又は高度のねじり
を有しているブレードの改良に有効である。本発明は、
複合ブレードの後縁の離層の始まりを阻止し、これによ
りファンブレードの強度を高めると共に、その重量を減
少させる。このことは結果的に、燃料効率を改良し、燃
料消費率（ＳＦＣ（specific fuelconsumption））を低
下させる。
【００１２】本発明の他の利点として、複合エアホイル
の部分的な離層を通して、それ以上の深刻なブレード破
損を伴うことなく、後縁の最先端である程度のエネルギ
散逸を可能にする軽量複合ファンブレードの構成が得ら
れる。この制御されたエネルギ放出により、複合プライ
が面内で亀裂により破損するおそれを軽減させる。亀裂
は離層と比べて、ブレードの破片の離脱につながり易い
ので、この制御された潜在的ダメージ区域を採用するこ
とは、重量軽減、ブレード全体の構造的健全性、及び耐
ＦＯＤ性等すべての利点から望ましい。
【００１３】
【実施例】図１に、高バイパス比ファンジェット・ガス
タービンエンジン（図示していない）用の複合ファンブ
レード１０を示す。複合ファンブレード１０は、典型的
には前縁１６から後縁１８まで翼弦（コード）方向Ｃに
延在している複合エアホイル１２を有している。エアホ
イル１２は半径方向外向きに、根部２０から先端２２ま
で翼幅（スパン）方向Ｓに延在してその翼幅を全体的に
画定しており、凸又は吸引側２４と、凹又は加圧側２６
とを有している。エアホイル１２は複合材料の複数のフ
ィラメント補強プライから構成されており、エアホイル
１２の吸引側２４及び加圧側２６と実質的に平行に形成
された積層体２８となっている。エアホイル１２は、翼
弦Ｃ１の投影線２７と根部２０の中心線２９との成す角
度Ａが根部２０から先端２２への翼幅方向Ｓに増加する
ことで示されるねじり（ツイスト）を有している。
【００１４】補強表面領域３０が、金属シース３４で被
覆されている。補強表面領域３０は、エアホイルの後縁
１８から前縁１６に向かって翼弦方向Ｃに且つエアホイ
ルの先端２２から根部２０に向かって翼幅方向Ｓに延在
しているエアホイル１２の一部に延在している。金属シ
ース３４は、翼幅方向高さＨと、翼弦方向幅Ｗとを有し
ている領域３０の上に配設されており、前縁１６への衝
撃から後縁の大きな振動が生じる際に損傷を受け易い後
縁１８の区域のみを十分に覆ってしている。図面から明
らかなように、この領域は、先端２２での最大翼弦長Ｃ
１の半分よりも小さい最大幅と、根部２０から先端２２
までの翼幅方向Ｓの距離の半分よりも小さい最大高さと
を有している。一例では、最大翼弦長２１インチのブレ
ードにおいて、最大幅を９インチとする。これは極めて
少量、即ち小さな面積であり、シース３４は、エンジン
への鳥の衝突及び異物吸い込みからくる衝撃による曲げ
及び応力により生じる後縁の離層及び破損からの良好な
保護を成し、しかもブレード１０の重量への悪影響は、
あったとしても小さい。後縁金属シース３４を用いるこ
とには、シースの使用によりブレード１０の複合構造の
必要量が少なくなり、その量はシースの重量よりも大き
いという点で、重量上の利点がある。所望に応じて、前
縁金属シールド３７を前縁１６に沿って、当業界で周知
である従来の方法で設けることが好ましい。
【００１５】図１に示す本発明の特定の実施例では、金
属シース３４は２枚の薄い金属シート、即ち、エアホイ
ル１２の加圧側２６に結合されている第１のシート４０
と、エアホイル１２の吸引側２４に結合されている第２
のシート４２との形態で設けられている。代替の又は派
生的な実施例では、単一の薄い金属シートのみを、即
ち、エアホイル１２の加圧側２６に結合されている第１
のシート４０又は吸引側２４に結合されている第２のシ
ート４２のいずれかを用いている。図２に示す本発明の
他の実施例では、後縁１８の周りに巻き付けられている
と共にエアホイル１２の加圧側２６及び吸引側２４の両
方に結合されている単一の薄い二倍幅金属シート４４の
形態で金属シース３４を設けている。図３は、上述した
２つの実施例を含めた本発明についての任意の好適な実
施例を示す。図３に示す機械的締結具４６は、エアホイ
ル１２の局所的厚さ全体を、並びにエアホイルの加圧側
２６及び／又は吸引側２４に結合されている金属シース
３４を貫通して配設されている。締結具４６は更に、金
属シース３４をエアホイル１２に固着している。
【００１６】図４に本発明の更に他の実施例を示す。こ
の実施例では、金属シース３４は、エアホイル１２の加
圧側２６に結合されている第１のセクション（部分）５
４と、吸引側２４に結合されている第２のセクション
（部分）５６とを有している薄い一体の金属シート５０
の形態で設けられている。第１のセクション５４と、第
２のセクション５６とは、ブリッジ６０で連結されてお
り、この場合、翼幅方向Ｓにおけるブリッジ６０の高さ
は、第１及び第２のセクションの高さよりも実質的に短
く、ブリッジ６０は、後縁１８の周りに巻き付けられて
いる。本発明のこの実施例は、補強表面領域３０におい
て、複合エアホイル１２の部分的離層を通して、従っ
て、それ以上の深刻なブレード破損を伴うことなく、後
縁１８の最先端である程度のエネルギ散逸を可能にする
軽量複合ファンブレード１０の構成を提供する。この制
御されたエネルギ放出により、複合積層体（図１の参照
番号２８）が面内で亀裂により破損するおそれを軽減さ
せる。離層と比べて、亀裂はブレードの破片の離脱やブ
レード１０の潜在的喪失につながり易いので、本発明に
より潜在的ダメージを抑制すると共に、しかもより軽量
の複合ブレードが全体として改良された構造的健全性及
び耐ＦＯＤ性を有するという利点を確保することが一層
望ましい。
【００１７】以上、本発明の原理を説明するためにその
好適な実施例を記述したが、本発明の要旨から逸脱しな
い範囲内で、これらの好適な実施例に種々の変更及び変
形を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるターボファンエン
ジン複合ファンブレードの斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施例によるターボファンエン
ジン複合ファンブレードの斜視図である。
【図３】本発明の第３実施例によるターボファンエンジ
ン複合ファンブレードの斜視図である。
【図４】本発明の第４実施例によるターボファンエンジ
ン複合ファンブレードの斜視図である。
【符号の説明】
１０ 複合ファンブレード １２ エアホイル １６ 前縁 １８ 後縁 ２０ 根部 ２２ 先端 ２４ 吸引側 ２６ 加圧側 ３０ 補強表面領域 ３４ 金属シース ４０ 第１のシート ４２ 第２のシート ４４ 二倍幅シート ４６ 機械的締結具 ５０ 一体シート ５４ 第１のセクション ５６ 第２のセクション ６０ ブリッジ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・ジュード・スパナー アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、タッセルベリー・ドライヴ、 5301番 (72)発明者 シドニー・ベーカー・エルストン，ザ・サ ード アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、フィルソン・プレイス、４番 (72)発明者 ジェームス・ウィリアム・タッカー アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、モネツ・レーン、3777番

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複合材料から形成されていると共に、前
    縁から後縁まで翼弦方向に且つ根部から先端まで翼幅方
    向に延在しているエアホイルと、 金属シースで覆われている補強表面領域であって、前記
    エアホイルの一部にわたって前記後縁から前記前縁に向
    かって翼弦方向に且つ前記先端から前記根部に向かって
    翼幅方向に延在している補強表面領域とを備えた複合ブ
    レード。
  2. 【請求項２】 前記金属シースは、前記エアホイルの加
    圧側に結合されている第１の薄い金属シートと、前記エ
    アホイルの吸引側に結合されている第２の薄い金属シー
    トとを含んでいる請求項１に記載の複合ブレード。
  3. 【請求項３】 前記金属シースは、前記後縁の周りに巻
    き付けられていると共に前記エアホイルの加圧側及び吸
    引側に結合されている薄い金属シートを含んでいる請求
    項１に記載の複合ブレード。
  4. 【請求項４】 前記エアホイルは、加圧側と、吸引側と
    を含んでおり、該加圧側及び該吸引側のうちの一方の側
    に薄い金属シートが結合されている請求項１に記載の複
    合ブレード。
  5. 【請求項５】 前記金属シースを前記エアホイルに更に
    固着するように該金属シース並びに該エアホイルの前記
    加圧側及び吸引側を貫通して設けられている機械的締結
    具を更に含んでいる請求項２に記載の複合ブレード。
  6. 【請求項６】 前記金属シースを前記エアホイルに更に
    固着するように該金属シース並びに該エアホイルの前記
    加圧側及び吸引側を貫通して設けられている機械的締結
    具を更に含んでいる請求項３に記載の複合ブレード。
  7. 【請求項７】 前記金属シースは、ブリッジにより連結
    された２つのセクションを有している一体の薄い金属シ
    ートを含んでおり、 前記ブリッジは、翼幅方向のブリッジ高さを有している
    と共に、前記セクションは、翼幅方向のセクション高さ
    を有しており、前記ブリッジ高さは、前記セクション高
    さよりも実質的に短くなっており、 前記ブリッジは、前記後縁の周りに巻き付けられてお
    り、 前記エアホイルは、加圧側と、吸引側とを含んでおり、
    前記セクションのうちの各々１つのセクションは、前記
    加圧側及び吸引側のうちの一方の側に結合されている請
    求項１に記載の複合ブレード。
  8. 【請求項８】 前記エアホイルの一部は、前記後縁から
    前記前縁までの５０％未満で翼弦方向に且つ前記先端か
    ら前記根部までの５０％未満で翼幅方向に延在している
    請求項１に記載の複合ブレード。
  9. 【請求項９】 前記金属シースは、前記エアホイルの加
    圧側に結合された第１の薄い金属シートと、前記エアホ
    イルの吸引側に結合された第２の薄い金属シートとを含
    んでいる請求項８に記載の複合ブレード。
  10. 【請求項１０】 前記金属シースは、前記後縁の周りに
    巻き付けられていると共に前記エアホイルの加圧側及び
    吸引側に結合されている薄い金属シートを含んでいる請
    求項８に記載の複合ブレード。
  11. 【請求項１１】 前記エアホイルは、加圧側と、吸引側
    とを含んでおり、該加圧側及び該吸引側のうちの一方の
    側に薄い金属シートが結合されている請求項８に記載の
    複合ブレード。
  12. 【請求項１２】 前記金属シースを前記エアホイルに更
    に固着するように該金属シース並びに該エアホイルの前
    記加圧側及び吸引側を貫通して設けられている機械的締
    結具を更に含んでいる請求項９に記載の複合ブレード。
  13. 【請求項１３】 前記金属シースを前記エアホイルに更
    に固着するように該金属シース並びに該エアホイルの前
    記加圧側及び吸引側を貫通して設けられている機械的締
    結具を更に含んでいる請求項１０に記載の複合ブレー
    ド。
  14. 【請求項１４】 前記金属シースは、ブリッジにより連
    結された２つのセクションを有している一体の薄い金属
    シートを含んでおり、 前記ブリッジは、翼幅方向のブリッジ高さを有している
    と共に、前記セクションは、翼幅方向のセクション高さ
    を有しており、前記ブリッジ高さは、前記セクション高
    さよりも実質的に短くなっており、 前記ブリッジは、前記後縁の周りに巻き付けられてお
    り、 前記エアホイルは、加圧側と、吸引側とを含んでおり、
    前記セクションのうちの各々１つのセクションは、前記
    加圧側及び吸引側のうちの一方の側に結合されている請
    求項８に記載の複合ブレード。
  15. 【請求項１５】 前縁金属シールドを更に含んでいる請
    求項１に記載の複合ブレード。
  16. 【請求項１６】 前縁金属シールドを更に含んでいる請
    求項８に記載の複合ブレード。
  17. 【請求項１７】 前縁金属シールドを更に含んでいる請
    求項１４に記載の複合ブレード。
  18. 【請求項１８】 前記領域は、前記前縁への衝撃から前
    記後縁の大きな振動が生じる際に損傷を受け易い前記ブ
    レードの後縁区域を十分に覆う翼幅方向高さと、翼弦方
    向幅とを有している請求項１に記載の複合ブレード。
  19. 【請求項１９】 前記金属シースは、前記エアホイルの
    加圧側に結合されている第１の薄い金属シートと、前記
    エアホイルの吸引側に結合されている第２の薄い金属シ
    ートとを含んでいる請求項１８に記載の複合ブレード。
  20. 【請求項２０】 前記金属シースは、前記後縁の周りに
    巻き付けられていると共に前記エアホイルの加圧側及び
    吸引側に結合されている薄い金属シートを含んでいる請
    求項１８に記載の複合ブレード。
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