JP2013060949A - ブレード及びブレードの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードを製造するための方法及びシステムを提供すること。
【解決手段】ロータブレード（３００）が提供される。ロータブレードは、翼形部（３０２）と、翼形部に結合され且つ残留応力の低減を可能にするために切り出し部（２２０）を定めたダブテール（３０４）と、切り出し部内に位置付けられてダブテールに取り付けられるインサート（３５０）とを含む。 前記切り出し部（２２０）は、第１の壁部（３２０）、対向する第２の壁部（３２２）、並びに前記第１及び第２の壁部を接続する弓形部分（３２４）によって定めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明の技術分野は、全体的にブレードに関し、より詳細には、ブレードを製造するための方法及びシステムに関する。

多くの公知のガスタービンエンジン圧縮機は、ディスク又はスプールからブレード先端まで半径方向外向きに延びて、エンジンを貫通する空気流路を定めるロータブレードを含む。作動時には、エンジンを流れる空気は、ブレードにかなりの機械応力（例えば、翼弦方向の曲げ応力）を与え、時間の経過に伴ってブレードに亀裂又は他の破損を生じさせるようになる。従って、少なくとも一部の公知のロータブレードは、硬化プロセスを用いて複合材料のパイルで形成され、ブレードに構造的支持を付加する。

少なくとも一部の公知の圧縮機ロータブレードは、ブレードの根元に近接してより大きな断面積を有して、ブレードをディスク又はスプールに結合するためのダブテールを形成する。しかしながら、硬化プロセス中に、少なくとも一部の公知のロータブレードにおいては残留応力が誘起される場合がある。このような残留応力は、ガスタービンエンジンの作動中にブレードに与えられる熱及び／又は機械応力の作用によりブレードが破損する可能性が高くなり、少なくとも一部の公知のブレードの寿命及び耐久性が低下する。

１つの態様において、ロータブレードを製造する方法が提供される。本方法は、複数の複合パイルから翼形部分及びダブテール部分を含むプリフォームを形成する段階と、プリフォームのダブテール部分から切り出し部分を除去し、プリフォーム内に切り出し部を定め、この切り出し部分の除去によりプリフォーム内の残留応力の低減を可能にする段階と、切り出し部分の除去により形成された切り出し部にインサートを挿入する段階と、を含む。

別の態様において、ロータブレードが提供される。ロータブレードは、翼形部と、翼形部に結合され且つ切り出し部を定めたダブテールと、を含み、該切り出し部が、複数の複合プライから形成されたプリフォームから切り出し部分を除去することによって形成されて、プリフォーム内の残留応力の低減を可能にし、ロータブレードが更に、切り出し部内に位置付けられてダブテールに取り付けられるインサートを含む。

更に別の態様において、構成要素を製造する方法が提供される。本方法は、複数の複合プライからプリフォームを形成する段階と、プリフォームから切り出し部分を除去し、プリフォーム内に切り出し部を定め且つプリフォーム内の残留応力の低減を可能にする段階と、切り出し部分の除去により形成された切り出し部内にインサートを挿入する段階と、を含む。

ガスタービンエンジンの概略図。 ロータブレードを形成できる例示的なプリフォームの部分断面図。 図１に示すガスタービンエンジンと共に使用するための例示的なロータブレードの部分側面図。 図３に示すロータブレードの部分斜視図。 構成要素を製造する例示的な方法のフローチャート。

以下の詳細な説明は、限定ではなく例証として、ロータブレードのような構成要素を製造する例示的な方法及びシステムを示している。本明細書は、本開示事項を実施する最良の形態であると現在思われるものを含む、本開示事項を当業者が実施し利用するのを可能にし、またその開示の幾つかの実施形態、改造形態、変形形態、代替形態、及び使用法について記述していることが分かるであろう。本開示は、好ましい実施形態、すなわちブレードを製造するための方法及びシステムに適用するものとして説明する。しかしながら、本開示は、広範囲のシステム及び様々な産業及び／又は消費者用途における構成要素の製造に一般的に応用されることも企図される。

図１は、ファン組立体１０２、高圧圧縮機１０４、及び燃焼器１０６を含む、ガスタービンエンジン１００の概略図である。エンジン１００はまた、高圧タービン１０８及び低圧タービン１１０を含む。作動時には、空気がファン組立体１０２を通って流れ、加圧された空気がファン組立体１０２から高圧圧縮機１０４に供給される。高度に加圧された空気が燃焼器１０６に送給される。燃焼器１０６からの空気流は、回転タービン１０８及び１１０を駆動し、排気システム１１８を通ってガスタービンエンジン１００から流出する。

図２は、ロータブレード（図２には図示していない）を形成することができる例示的なプリフォーム２００の部分断面図である。プリフォーム２００は、翼形部分２０２と、ダブテール部分２０４とを含む。プリフォーム２００は、以下で詳細に説明するように、翼形部分２０２がロータブレードの翼形部になり、ダブテール部分２０４がロータブレードのダブテールになる（何れも図２には示さず）ように機械加工される。

例示的な実施形態において、プリフォーム２００は、モールド（図示せず）中に複合材料のプライ２０６をスタックしてモールドを加熱（例えば、硬化プロセスを用いて）することにより形成される。モールドは、少なくとも部分的にはプリフォーム２００の形状で形成される。硬化プロセス中、冷却段階の間のプライ２０６の内部収縮に起因して、プリフォーム２００内に残留応力が発生する。例えば、プライ２０６の方向及び／又は向きを含む、プリフォーム２００の内部構造によっても残留応力が発生する可能性がある。プリフォーム２００のような構成要素において、ダブテール部分２０４が翼形部分２０２よりも大きな断面積を有するので、残留応力は一般に、ダブテール部分２０４の中間点２０８に集中する。

ロータブレードを形成するために、第１の切断ライン２１２に沿って切断することにより、プリフォーム２００から過剰部分２１０が除去され、第２の切断ライン２１６に沿って切断することにより、切り出し部分２１４が除去される。切断は、機械加工及び／又は水ジェットプロセスを用いて行うことができる。或いは、本明細書で説明されるようにロータブレードを形成可能にするあらゆる方法を用いて切断を行うこともできる。切り出し部分２１４を除去することにより、プリフォーム２００及びその結果、ロータブレード内に切り出し部２２０が生成される。

図３は、プリフォーム２００（図２に示す）を機械加工することによって形成できるロータブレード３００の部分側面図である。図４は、ロータブレード３００の部分斜視図である。ロータブレード３００は、ガスタービンエンジン１００（図１に示す）と共に用いることができる。１つの実施形態において、複数のロータブレード３００が、ガスタービンエンジン１００の高圧圧縮機段（図示せず）を形成する。ロータブレード３００は、翼形部３０２と、翼形部３０２をロータディスク（図示せず）に装着するための一体型ダブテール３０４とを含む。上述のように、翼形部３０２は、プリフォーム２００の翼形部分２０２から形成され、ダブテール３０４は、プリフォーム２００のダブテール部分２０４から形成される。ロータブレード３００は、第１の表面３０６と、対向する第２の表面３０８とを含む。例示的な実施形態において、ブレード３００は、ダブテール３０４において翼形部３０２よりも大きな断面積を有し、ダブテール３０４においてブレード３００のディスクへの結合を容易にする。

ロータブレード３００の切り出し部２２０は、プリフォーム２００から切り出し部分２１４を除去することにより得られる。切り出し部２２０は、第１の壁部３２０、第２の壁部３２２、並びに第１及び第２の壁部３２０、３２２を接続する弓形部分３２４によって定められる。切り出し部２２０は、ダブテール３０４のベース３４０から頂点２４３まで延びる、深さＤを有する。例示的な実施形態において、頂点３４２は、第１の表面３０６と、第２の表面３０８との間のほぼ中間にあるダブテール３０４の中間点３４４に位置する。切り出し部２２０は、ロータブレード３００の軸方向長さＬに沿って第１の面３４６から第２の面３４８まで延びる。或いは、切り出し部２２０は、軸方向長さＬの一部に沿って延びることができる。

例示的な実施形態において、第１及び第２の壁部３２０、３２２は、ベース３４０から弓形部分３２４までテーパが付けられ、ベース３４０において第１の壁部３２０と第２の壁部３２２との間に定められる幅Ｗが弓形部分３２４よりも大きいようになる。弓形部分３２４は、例示的な実施形態において実質的に半円形である。或いは、切り出し部２２０は、ロータブレード３００が本明細書で説明されるように機能することができるあらゆる寸法及び／又は構成を有することができる。

ブレード３００の構造的完全性を維持するために、インサート３５０が切り出し部２２０内に挿入される。インサート３５０は、切り出し部２２０と実質的に同じ形状を有し、インサート３５０が切り出し部２２０を実質的に充填するようになる。例示的な実施形態において、インサート３５０は、第１の表面３５２、対向する第２の表面３５４、弓形頂部３５６、及び実質的に平坦な底部３５８を含む。インサート３５０が切り出し部２２０に挿入されると、第１の表面３５２が第１の壁部３２０に隣接し、第２の表面３５４が第２の壁部３２２に隣接し、弓形頂部３５６が弓形部分３２４に隣接し、実質的に平坦な底部３５８がベース３４０と実質的に平坦な表面を形成する。切り出し部２２０と同様に、インサート３５０は、ブレード３００の軸方向長さＬに等しい長さを有し、インサート３５０の前面３６０が第１の面３４６と実質的に平坦な表面を形成し、且つインサート３５０の後面３６２が第２の面３４８と実質的に平坦な表面を形成するようになる。

例示的な実施形態において、第１及び第２の表面３５２、３５４は、実質的に平坦な底部３５８から弓形頂部３５６までテーパが付けられ、幅Ｗが実質的に平坦な底部３５８において弓形頂部３５６よりも大きいようになる。弓形頂部３５６は、例示的な実施形態において実質的に半円形である。或いは、インサート３５０は、ロータブレード３００が本明細書で説明されるように機能することができるあらゆる寸法及び／又は構成を有することができる。インサート３５０は、ロータブレード３００と同じ材料又はロータブレード３００とは異なる材料で構成することができる。インサート３５０を固定するために、例示的な実施形態において、インサート３５０は、何らかの好適な取り付け及び／又は接合方法を用いてロータブレード３００に取り付けられる。

図５は、ロータブレード３００のような構成要素を製造するための例示的な方法５００のフローチャートである。本方法は、プリフォーム２００及びパイル２０６のように、複数の複合パイルからプリフォームを形成する段階（５０２）を含む。プリフォームから切り出し部分２１４のような切り出し部分を除去する（５０４）。切り出し部分を除去する段階５０４により、プリフォームにおいて発生する残留応力の低減が可能になる。切り出し部分の除去により形成された切り出し部（切り出し部２２０など）内にインサート（インサート３５０など）を挿入し、ロータブレード３００の構造的完全性の維持を可能にする。インサートを固定するために、インサートを構成要素に接着及び／又は取り付ける（５０８）。

ブレードを製造するための方法及びシステムの例示的な実施形態を上記で詳細に説明した。ブレードを製造するための方法及びシステムは、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ本方法及びシステムの構成要素は、本明細書で記載した他の構成要素とは独立して別個に利用することができる。例えば、本明細書で記載される方法及びシステムは、他の産業及び／又は消費者向けの用途を有することができ、本明細書で記載されるロータブレードでの実施に限定されるものではない。むしろ、本発明は、他の多くの産業に関連して実施し且つ利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。

１００ ガスタービンエンジン
１０２ ファン組立体
１０４ 高圧圧縮機
１０６ 燃焼器
１０８ 高圧タービン
１１０ 低圧タービン
１１８ 排気システム
２００ プリフォーム
２０２ 翼形部分
２０４ ダブテール部分
２０６ プライ
２０８ 中間点
２１０ 過剰部分
２１２ 第１の切断ライン
２１４ 切り出し部分
２１６ 第２の切断ライン
２２０ 切り出し部
３００ ロータブレード
３０２ 翼形部
３０４ ダブテール
３０６ 第１の表面
３０８ 第２の表面
３２０ 第１の壁部
３２２ 第２の壁部
３２４ 弓形部分
３４０ ベース
３４２ 頂点
３４４ 中間点
３４６ 第１の面
３４８ 第２の面
３５０ インサート
３５２ 第１の表面
３５４ 第２の表面
３５６ 弓形頂部
３５８ 実質的に平坦な底部
３６０ 前面
３６２ 後面
５００ 方法
５０２ プリフォームを形成する段階
５０４ 切り出し部分を除去する段階
５０６ 切り出し部にインサートを挿入する段階
５０８ 構成要素にインサートを取り付ける段階

Claims (10)

1. 翼形部（３０２）と、
   前記翼形部（３０２）に結合され且つ切り出し部（２２０）を定めたダブテール（３０４）と、
   を備えたロータブレード（３００）であって、前記切り出し部が、複数の複合プライ（２０６）から形成されたプリフォーム（２００）から切り出し部分（２１４）を除去することによって形成されて、前記プリフォーム内の残留応力の低減を可能にし、
   前記ロータブレード（３００）が更に、
   前記切り出し部内に位置付けられて前記ダブテールに取り付けられるインサート（３５０）を備える、ロータブレード（３００）。
2. 前記切り出し部（２２０）が、第１の壁部（３２０）、対向する第２の壁部（３２２）、並びに前記第１及び第２の壁部を接続する弓形部分（３２４）によって定められる、請求項１に記載のロータブレード（３００）。
3. 前記第１及び第２の壁部（３２０、３２２）が、前記ダブテール（３０４）のベース（３４０）から前記弓形部分（３２４）まで延びており、前記第１及び第２の壁部が、前記ベースから前記弓形部分までテーパが付けられる、請求項２に記載のロータブレード（３００）。
4. 前記切り出し部（２２０）が、前記プリフォーム（２００）の第１の表面（３０６）と、第２の表面（３０８）との間のほぼ中間で形成される、請求項１に記載のロータブレード（３００）。
5. 前記インサート（３５０）及び前記プリフォーム（２００）が実質的に同じ材料から構成される、請求項１に記載のロータブレード（３００）。
6. 前記インサート（３５０）が前記ダブテール（３０４）の軸方向長さに沿って延びる、請求項１に記載のロータブレード（３００）。
7. 前記インサート（３５０）が、第１の表面（３５２）、対向する第２の表面（３５４）、弓形頂部（３５６）、及び実質的に平坦な底部（３５８）を含み、前記第１及び第２の表面が前記実質的に平坦な底部から前記弓形頂部まで延びる、請求項１に記載のロータブレード（３００）。
8. 前記第１及び第２の表面（３５２、３５４）が、前記実質的に平坦な底部から前記弓形頂部までテーパにされる、請求項７に記載のロータブレード（３００）。
9. 前記弓形頂部（３５６）が実質的に半円形である、請求項７に記載のロータブレード（３００）。
10. 構成要素（３００）を製造する方法（５００）であって、
    複数の複合パイル（２０６）からプリフォーム（２００）を形成する段階（５０２）と、
    前記プリフォーム内に切り出し部（２２０）を定め、且つ前記プリフォーム内の残留応力の低減を可能にするために、前記プリフォームから切り出し部分（２１４）を除去する段階（５０４）と、
    前記切り出し部分の除去により形成された前記切り出し部内にインサート（３５０）を挿入する段階（５０６）と、
    を含む方法。