(57)【要約】      （修正有）【課題】ブレードを製造するためのシステムを提供する。【解決手段】システムは、鋳型と、ブレード２００の翼幅２１８の長さで実質的に延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第一のプライと、ブレードの翼幅の長さの一部のみで延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第二のプライと、を備え、ブレードの断面積の増加を促進するために、複数の第二のプライを複数の第一のプライ全域に散在させて複数の第一のプライを離間させて広げるように、複数の第一のプライを複数の第二のプライと共に鋳型内において層状にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレード（２００）を製造するためのシステムであって、前記システムは、
鋳型（３０４）と、
前記ブレードの翼幅の長さで実質的に延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第一のプライと、
前記ブレードの前記翼幅の長さの一部のみで延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第二のプライと、を備え、前記ブレードの断面積の増加を促進するために、前記複数の第二のプライを前記複数の第一のプライ全域に散在させて前記複数の第一のプライを離間させて広げるように、前記複数の第一のプライを前記複数の第二のプライと共に前記鋳型内において層状にするシステム。
【請求項２】
前記複数の第二のプライは、隣接する第二のプライの集合として、前記複数の第一のプライ全域に散在させ、各グループは、前記ブレード（２００）における樹脂ポケット（５０４）の低減を促進するテーパ先端部（５０１）を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第一のプライのそれぞれは、第一の厚さを有し、前記第二のプライのそれぞれは、第二の厚さを有し、前記ブレード（２００）における樹脂ポケット（５０４）の低減を促進するために、前記第一の厚さは、前記第二の厚さよりも大きい、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記第一のプライのそれぞれは、前記第一のプライの軸線に対して同じ方向に配向された複合繊維（４０２）の配列を含み、前記第二プライのそれぞれは、前記第二のプライの軸線に対して同じ方向に配向された複合繊維の配列を含む、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記第一のプライは、組を成して層化され、第一のプライの各組は、第一の方向性積層順序を有し、前記第二のプライは、組（６０４）を成して層化され、第二のプライの各組は、前記第一の方向性積層順序とは異なる第二の方向性積層順序を有する、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
第一のプライの各組は、前記鋳型（３０４）の軸線に対して互いに異なる複合ファイバ（４０２）配向性を有する少なくとも二枚の第一のプライを含み、第二のプライの各組（６１６）は、前記鋳型の軸線に対して互いに異なる複合ファイバ配向性を有する少なくとも二枚の第二のプライを含む、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記第一の方向性積層順序は、第一のプライの組毎に前記ブレード（２００）全体で反復され、前記第二の方向性積層順序は、第二のプライの組（６１６）毎に前記ブレード全体で反復される、請求項５記載のシステム。
【請求項８】
ブレード（２００）であって、
前記ブレードの翼幅の長さで実質的に延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第一のプライと、
前記ブレードの前記翼幅の長さの一部のみで延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第二のプライと、を備え、前記ブレードの断面積の増加を促進するために、前記複数の第二のプライを前記複数の第一のプライ全域に散在させて前記複数の第一のプライを離間させて広げるように、前記複数の第一のプライを前記複数の第二のプライと共に層状にし、前記複数の第一のプライを前記複数の第二のプライと接合したブレード。
【請求項９】
前記複数の第二のプライは、隣接する第二のプライの集合として、前記複数の第一のプライ全域に散在させ、各グループは、テーパ先端部（５０１）を含む、請求項８記載のブレード（２００）。
【請求項１０】
前記第一のプライのそれぞれは、第一の厚さを有し、前記第二のプライのそれぞれは、第二の厚さを有し、前記第一の厚さは、前記第二の厚さよりも大きい、請求項９記載のブレード（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、ブレードに関し、特に、ブレードを製造する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの公知のガスタービンエンジンコンプレッサは、ディスク又はスプールから翼端へ半径方向外側に延びてエンジンを介した気流路を定めるロータブレードを含む。動作中、エンジンを通って流れる空気は、大きな機械的応力（例えば、翼弦方向の曲げ応力）をブレードに加え、経時的にブレードの亀裂その他の故障を発生させる。そのため、少なくとも一部の公知のロータブレードは、内部においてブレードの長さに渡る複合材料のプライにより形成され、構造的な支持及び長寿命のブレードへの付加を促進する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７４２９１６６号明細書
【特許文献２】米国特許第４５８９１７６号明細書
【特許文献３】米国特許第４０８３６５６号明細書
【特許文献４】米国特許第３９４２２３１号明細書
【特許文献５】米国特許第３９０３５７８号明細書
【特許文献６】米国特許第３６００１０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
少なくとも一部のコンプレッサロータブレードは、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ために、ブレードの根元部の近くにおいて、より大きな断面積を有する。大きな断面積を形成するために、補助複合プライをブレードの根元部近くに挿入して、ブレードに渡る複合プライを離間させて広げる場合が多い。多くの公知のロータブレードにおいて、補助プライは、ダブテール全体に脆弱な区域を形成し、ガスタービンエンジンの動作中にブレードに加わる熱及び／又は機械的応力下において、ブレードが故障する可能性を高める。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、ブレードを製造する方法を提供する。方法は、ブレードの翼幅の長さで実質的に延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第一のプライを提供するステップと、ブレードの翼幅の長さの一部のみで延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第二のプライを提供するステップとを含む。方法は、更に、ブレードの断面積の増加を促進するために、複数の第二のプライを複数の第一のプライ全域に散在させて複数の第一のプライを離間させて広げるように、複数の第一のプライと複数の第二のプライとを鋳型内において層状にするステップと、
ブレードの構造コアの形成を促進するために、複数の第一のプライを複数の第二のプライに接合するステップと、を含む。
【０００６】
別の態様において、ブレードを製造するシステムを提供する。システムは、鋳型と、ブレードの翼幅の長さで実質的に延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第一のプライとを含む。システムは、更に、ブレードの翼幅の長さの一部のみで延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第二のプライを含み、ブレードの断面積の増加を促進するために、複数の第二のプライを複数の第一のプライ全域に散在させて複数の第一のプライを離間させて広げるように、複数の第一のプライを複数の第二のプライと共に鋳型内において層状にする。
【０００７】
別の態様において、ブレードを提供する。ブレードは、ブレードの翼幅の長さで実質的に延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第一のプライを含む。ブレードは、更に、ブレードの翼幅の長さの一部のみで延びるようにそれぞれのサイズを定めた複数の第二のプライを含み、ブレードの断面積の増加を促進するために、複数の第二のプライを複数の第一のプライ全域に散在させて複数の第一のプライを離間させて広げるように、複数の第一のプライを複数の第二のプライと共に鋳型内において層状にし、複数の第一のプライを複数の第二のプライに接合する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】図1に示したガスタービンエンジンと共に使用するロータブレードの斜視図である。
【図３】図２に示したブレードの断面図である。
【図４】図３に示したブレードを製造する際に使用するためのプライの一例の平面図である。
【図５】図３に示したブレードの一部の拡大断面図である。
【図６】図３に示したブレードの一部の分解図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の詳細な説明では、ブレードを製造する方法及びシステムの例を、限定としてではなく一例として示す。本説明により、当業者は、開示を実行及び使用することが可能となり、本説明では、幾つかの実施形態、適応例、変形、代案、及び現時点で開示を実施する最善の形態と考えられるものを含む開示の使用を説明する。本開示は、本明細書において、好適な実施形態、即ち、ブレードを製造するための方法及びシステムに応用されるものとして説明される。しかしながら、本開示は、広範なシステムと、多様な産業及び／又は民生用途とにおけるコンポーネントの製造に関する全般的な用途を有する。
【００１０】
図１は、ファン組立体１０２と、高圧コンプレッサ１０４と、燃焼器１０６と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、更に、高圧タービン１０８と、低圧タービン１１０とを含む。動作中、空気は、ファン組立体１０２を通って流れ、圧縮空気がファン組立体１０２から高圧コンプレッサ１０４へ供給される。高圧縮空気は、燃焼器１０６へ送給される。燃焼器１０６からの気流は、回転するタービン１０８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を退出する。
【００１１】
図２は、ガスタービンエンジン１００（図１に図示）と共に使用するロータブレード２００の一例の斜視図である。一実施形態において、複数のロータブレード２００は、ガスタービンエンジン１００の高圧コンプレッサステージ（図示無し）を形成する。各ロータブレード２００は、エアフォイル２０２と、エアフォイル２０２をロータディスク（図示無し）に取り付けるための一体ダブテール２０４とを含む。一実施形態において、ブレード２００は、複数のブレード２００がブリスク（図示無し）を形成するように、ディスクから半径方向外側へ延び得る。
【００１２】
エアフォイル２０２は、第一の曲線側壁２０６と第二の曲線側壁２０８とを含む。第一の側壁２０６は、凸面であり、エアフォイル２０２の吸引側を定め、第二の側壁２０８は、凸面であり、エアフォイル２０２の加圧側を定める。側壁２０６及び２０８は、前縁２１０と、軸方向に間隔を空けた後縁２１２とにおいて接合される。エアフォイル２０２の翼弦２１４は、前縁２１０から後縁２１２までの距離を表す翼弦長２１６を含む。更に具体的には、エアフォイル後縁２１２は、翼弦分の間隔を空けて、エアフォイル前縁２１０の下流に位置する。第一及び第二の側壁２０６及び２０８は、根元部２２０から翼端２２２までの翼幅において半径方向外側へ延びる。実施形態例において、ブレード２００は、根元部２２０の近くにおいて、翼端２２０の近くよりも大きな断面積ＣＣを有し、ディスクにブレード２００を結合するためのダブテール２２４の形成を容易にする。
【００１３】
図３は、ブレード２００の製造プロセス中のダブテール２２４近くのブレード２００の断面図である。実施形態例において、ブレード２００は、鋳型３０４内において複合材料のプライ３０２を積み重ね、ブレード２００の構造コア３０６を形成するために鋳型３０４を加熱する（例えば、硬化プロセスを使用する）ことで構築される。鋳型３０４は、少なくとも部分的には、ブレード２００の形状に形成される。実施形態例において、鋳型３０４は、二等分されており、加圧側半分３０８と吸引側半分３１０とを有する。加圧側半分３０８及び吸引側半分３１０は、鋳型基部３１２から鋳型先端部（図示無し）まで延びる。軸線Ｘは、基部３１２から先端部まで鋳型内を通過する。加圧側半分３０８と吸引側半分３１０とは、全体として凹状であり、共に結合させて鋳型３０４を形成し得る。鋳型３０４は、プライ３０２の積層３１４を収容するようにサイズを定めた中空の空洞（図示無し）を含む。
【００１４】
実施形態例において、ブレード２００は、最初に加圧側半分３０８から上方へプライ３０２を互いの上に層化し（以降、「上方向３０９」へのプライ３０２の積層化）、積層３１４を少なくとも部分的に囲むように吸引側半分３１０を加圧側半分３０８に結合させることで形成する。或いは、積層３１４は、例えば、吸引側半分３１０から上方へプライ３０２を互いの上に層化する等、ブレード２００が本明細書において説明したように機能するのを可能にする鋳型３０４に対して任意の方向において、プライ３０２を層化することで形成し得る。スタック３１４を鋳型３０４により囲んだ後、積層３１４の構造コアへの固化を促進する加熱プロセスを鋳型３０４に施す。構造コア３０６が形成された後、構造コア３０６を鋳型３０４から取り出し、ダブテール形状３１６に沿って機械加工を行い（例えば、研磨プロセスを使用）、ブレード根元部２２０（図２に図示）及びダブテール２２４（図２に図示）を形成する。
【００１５】
積層３１４は、実質的に翼幅２１８（図２に図示）の長さで延びる（即ち、構造コア３０６をダブテール形状３１６に機械加工した後、ブレード根元部２２０からブレード翼端部２２２まで延びる）プライ３０２を含む（以降、「構造プライ３１８」）。積層３１４は、更に、翼幅２１８の長さの一部のみで延びる（即ち、構造コア３０６をダブテール形状３１６に機械加工した後、ブレード根元部２２０から翼幅２１８の一部のみで延びる）プライ３０２を含む（以降、「挿入プライ３２０」）。挿入プライ３２０は、積層３１４において層化され、構造プライ３１８が根元部２２０の近くで互いに離間して広がるのを促進してダブテール２２４の形成を促進する。一実施形態において、挿入プライ３２０は、構造プライ３１８を作成するために使用した材料とは異なる材料（例えば、異なる複合材料）により作成し得る。挿入プライ３２０は、積層３１４内において束ねて層化される（以降、「挿入パック３２２」）。一実施形態において、各挿入パック３２２は、例えば、１０枚の挿入プライ３２０を含み得る。別の実施形態において、挿入パック３２２は、一枚の挿入プライ３２０のみを含み得る。或いは、挿入パック３２２は、ブレード２００が本明細書において説明したように機能するのを可能にする任意の数の挿入プライ３２０を含み得る。
【００１６】
図４は、プライ３０２（図３に図示）の一例の平面図である。実施形態例において、プライ３０２は、複合繊維４０２（例えば、炭素繊維、セラミックマトリクス繊維等）の配列４００を含む。一実施形態において、複合繊維４０２は、プライ３０２の軸線Ｙに対して一方向に配向される（以降、「単一方向繊維配向性」）。別の実施形態において、配列４００は、互いに編み込んだ複合材料を含み得る（即ち、軸線Ｙに対して異なる方向に配向される）。実施形態例において、配列４００には、加熱プロセス中に樹脂材料が積層３１４（図３に図示）のプライ３０２間を流動して構造コア３０６の固化を促進するように、樹脂材料（図示無し）を含浸させる。本明細書での使用において、「プライ」という用語は、任意の輪郭を有する材料の断片を示し、本明細書において説明したような実質的に平面的な材料断片に限定されない。
【００１７】
図５は、領域５５に沿って取り出した積層３１４（図３に図示）の一部５００の拡大断面図である。各挿入パック３２２（図３に図示）は、隣接する構造プライ３１８間に乖離領域５０２を形成して、加熱プロセス中に挿入パック３２２と隣接構造プライ３１８との間において樹脂ポケット５０４の形成の低減を促進するテーパ先端部５０１を備えて形成される。テーパ先端部５０１は、挿入プライ３２０を積層３１４内において層化する際に、挿入プライ３２０の内端部５０６をずらすことにより形成される。実施形態例において、テーパ先端部５０１は、最上部挿入プライ５０８と、底部挿入プライ５１０と、最上部挿入プライ５０８及び底部挿入プライ５１０間に位置決めされた少なくとも一枚の中間挿入プライ５１２とを有する。底部挿入プライ５１０は、鋳型基部３１２から鋳型３０４内へ距離Ａに渡って延び、中間挿入プライ５１２は、鋳型基部３１２から鋳型３０４内へ距離Ｂに渡って延び、最上部挿入プライ５０８は、鋳型基部３１２から鋳型３０４内へ距離Ｃに渡って延びる。実施形態例において、距離Ｂは、距離Ａ及び距離Ｃより大きく、中間挿入プライ５１２は、鋳型基部３１２から、最上部挿入プライ５０８及び底部挿入プライ５１０より遠くへ延びるようになる。別の実施形態において、距離Ａは、距離Ｂより大きく、距離Ｂは、距離Ｃより大きく、底部挿入プライ５１０は、鋳型基部３１２から、中間挿入プライ５１２より遠くへ延び、中間挿入プライ５１２は、鋳型基部３１２から、最上部挿入プライ５０８より遠くへ延びるようになる。或いは、距離Ｃは、距離Ｂより大きく、距離Ｂは、距離Ａより大きく、最上部挿入プライ５０８は、鋳型基部３１２から、中間挿入プライ５１２より遠くへ延び、中間挿入プライ５１２は、鋳型基部３１２から、底部挿入プライ５１０より遠くへ延びるようになる。
【００１８】
各構造プライ３１８は、厚さＴＴを有し、各挿入プライ３２０は、厚さＴを有する。実施形態例において、厚さＴＴは、厚さＴより大きく、加熱プロセス中の樹脂ポケット５０４の形成の低減を促進する。一実施形態において、厚さＴＴは、厚さＴの二倍の厚さである。例えば、厚さＴＴは、約０．０１インチにしてよく、厚さＴは、約０００５インチにしてよい。
【００１９】
図６は、積層３１４（図３に図示）の一部６００の分解図である。実施形態例において、各プライ３０２（図３に図示）は、単一方向繊維配向性μが鋳型３０４の軸線Ｘに対して角度を成すように、積層３１４内において層化される。或いは、少なくとも一枚のプライ３０２は、単一方向繊維配向性μが鋳型３０４の軸線Ｘと平行になるように、積層３１４内において層化してよい。
【００２０】
積層３１４を形成するために、構造プライ３１８（図３に図示）は、所定の方向順序（以降、「構造プライ積層順序６０２」）において上方向３０９へ層化される。実施形態例において、構造プライ積層順序６０２は、積層３１４全体で反復される。或いは、構造プライ積層順序６０２は、積層３１４全体で変化し得る。構造プライ３１８の組６０４は、構造プライ積層順序６０２を形成する。組６０４は、ブレード２００が本明細書において説明したように機能するのを可能にする任意の数の構造プライ３１８を含み得る。実施形態例において、組６０４は、例えば、第一の構造プライ６０６と、第二の構造プライ６０８と、第三の構造プライ６１０と、第四の構造プライ６１２とを含む。第一の構造プライ６０６は、単一方向配向性μが軸線Ｘに対して角度αを成して位置決めされるように、積層３１４内において層化される。第二の構造プライ６０８は、単一方向配向性μが軸線Ｘに対して角度βを成して位置決めされるように、積層３１４内において層化される。第三の構造プライ６１０は、単一方向配向性μが軸線Ｘに対して角度θを成して位置決めされるように、積層３１４内において層化される。第四の構造プライ６１２は、単一方向配向性μが軸線Ｘに対して角度λを成して位置決めされるように、積層３１４内において層化される。角度α、β、θ、及びλは、ブレード２００が本明細書において説明したように機能するのを可能にする任意の角度方向を構成してよい。角度α、β、θ、及びλは、実施形態例において互いに異なる。或いは、角度α、β、θ、及びλの二つ以上は同じものとなる。
【００２１】
積層３１４を形成するために、挿入プライ３２０（図３に図示）も、所定の方向順序（以降、「挿入プライ積層順序６１４」）において上方向３０９へ層化される。実施形態例において、挿入プライ積層順序６１４は、積層３１４全体で反復される。或いは、挿入プライ積層順序６１４は、積層３１４全体で変化し得る。挿入プライ３２０の組６１６は、挿入プライ積層順序６１４を形成する。組６１６は、ブレード２００が本明細書において説明したように機能するのを可能にする任意の数の挿入プライ３２０を含み得る。実施形態例において、組６１６は、例えば、第一の挿入プライ３１８と、第二の挿入プライ６２０と、第三の挿入プライ６２２と、第四の挿入プライ６２４とを含む。第一の構造プライ６１８は、単一方向配向性μが軸線Ｘに対して角度εを成して位置決めされるように、積層３１４内において層化される。第二の挿入プライ６２０は、単一方向配向性μが軸線Ｘに対して角度ρを成して位置決めされるように、積層３１４内において層化される。第三の挿入プライ６２２は、単一方向配向性μが軸線Ｘに対して角度τを成して位置決めされるように、積層３１４内において層化される。第四の挿入プライ６２４は、単一方向配向性μが軸線Ｘに対して角度ψを成して位置決めされるように、積層３１４内において層化される。角度ε、ρ、τ、及びψは、ブレード２００が本明細書において説明したように機能するのを可能にする任意の角度方向にしてよい。実施形態例において、角度ε、ρ、τ、及びψは、互いに異なる。或いは、角度ε、ρ、τ、及びψの二つ以上は同じものとなる。実施形態例において、挿入プライ積層順序６１４は、構造プライ積層順序６０２とは異なる。一実施形態では、角度αが角度εとは異なる、角度βが角度ρとは異なる、角度θが角度τとは異なる、及び角度λが角度ψとは異なる、のうち少なくとも一つが当てはまる。
【００２２】
本明細書において説明した方法及びシステムにより、ブレードの負荷容量の増加を促進する形でブレードを製造することが可能となる。本明細書において説明した方法及びシステムにより、熱又は機械的応力下においてブレードが亀裂その他の故障を生じる可能性の低減を促進する、より均一なコア構造を有するようにブレードを製造することが可能となる。本明細書において説明した方法及びシステムは、更に、ブレードの信頼性の増加を促進し、これにより、ブレードの有効寿命を延ばすと同時に、ブレードの製造に関連するコストを低減する。
【００２３】
以上、ブレードを製造するための方法及びシステムの実施形態例を詳細に説明しきた。ブレードを製造するための方法及びシステムは、本明細書において説明した具体的な実施形態に限定されず、方法及びシステムの構成要素は、本明細書において説明した他の構成要素から独立して別々に利用し得る。例えば、本明細書において説明した方法及びシステムは、他の産業及び／又は民生用途を有し得ると共に、本明細書において説明したようなロータブレードと共に実現することに限定されない。寧ろ、本発明は、他の多くの産業に関連して実現及び利用することが可能である。
【００２４】
以上、本発明を様々な具体的実施形態により説明してきたが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲内の変形に基づき本発明を実現可能であることは当業者には理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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