(57)【要約】【課題】  本発明は、例えば出口ガイドベーンのようなガスタービンエンジン用の中空構成部品を提供する。【解決手段】  本中空構成部品（１１０）は、その中に形成された陥凹ポケット（３０、１３０、２３０）を有する本体（２６、１２６、２２６）と、ポケット（３０、１３０、２３０）を覆って結合された空気力学的カバー（２８、１２８、２２８）とから組立てられる。カバー（２８、１２８、２２８）及び本体（３０、１３０、２３０）の両方ともが、容易に融接できない材料で製作される。カバー（２８、１２８、２２８）は、固相結合法、例えば摩擦撹拌接合によって本体（２６、１２６、２２６）に固着される。中空構成部品（１０）はまた、摩擦撹拌接合のような固相結合法によって互いに結合された多数の個々の構成部品から形成することができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する正圧及び負圧側面と、根元と、先端と、間隔を置いて配置された前縁及び後縁とを有し、かつ前記正圧及び負圧側面の選択した１つに形成された第１の陥凹ポケット（３０、１３０、２３０ａ）を有する金属本体（２６、１２６、２２６）と、
外周端縁部と、内表面と、外表面とを有し、かつ前記外表面が前記正圧又は負圧側面の選択した１つの少なくとも一部分を形成する第１の金属カバー（２８、１２８、２２８ａ）と、を含み、
前記第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）が、固相接合によって前記本体（２６、１２６、２２６）に固着されている、
中空翼形部（１２、１１２、２１２）。
【請求項２】
前記本体が、前記第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）の外表面が前記翼形部（１２、１１２、２１２）の正圧及び負圧側面の選択した１つとほぼ同一面になるように該第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）を受けるようになった、前記第１のポケット（３０、１３０、２３０ａ）の周辺部の周りで延びる陥凹棚（３２）を含む、請求項１記載の中空翼形部（１２、１１２、２１２）。
【請求項３】
前記カバー（２８、１２８、２２８ａ）及び本体（２６、１２６、２２６）が、７０００シリーズアルミニウム合金を含む、請求項１記載の中空翼形部（１２、１１２、２１２）。
【請求項４】
前記固相接合が摩擦撹拌接合である、請求項１記載の中空翼形部（１２、１１２、２１２）。
【請求項５】
前記第１のポケット（３０、１３０、２３０ａ）内に配置された充填材料をさらに含む、請求項１記載の中空翼形部（１２、１１２、２１２）。
【請求項６】
前記正圧及び負圧側面の他の１つに形成された第２の陥凹ポケット（２３０ｂ）と、
外周端縁部と、内表面と、外表面とを有し、かつ前記外表面が前記正圧又は負圧側面の他の１つの少なくとも一部分を形成する第２の金属カバー（２２８ｂ）と、をさらに含み、
前記第２のカバー（２２８ｂ）が、固相接合によって前記本体（２６、１２６、２２６）に固着されている、
請求項１記載の中空翼形部（１２、１１２、２１２）。
【請求項７】
中空翼形部（１２、１１２、２１２）を製作する方法であって、
間隔を置いて配置された前縁及び後縁と、間隔を置いて配置された正圧及び負圧側面と、根元と、先端とを有し、かつ前記正圧及び負圧側面の選択した１つがその中に形成された第１のポケット（３０、１３０、２３０ａ）を有する翼形形状の本体（２６、１２６、２２６）を準備する段階と、
前記第１のポケット（３０、１３０、２３０ａ）の周辺部に合致する周辺部と、前記正圧又は負圧側面の選択した１つの少なくとも一部分を形成する外表面とを有する第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）を準備する段階と、
前記第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）を前記第１のポケット（３０、１３０、２３０ａ）内に配置する段階と、
前記第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）を摩擦撹拌接合によって前記本体（２２６）に接合する段階と、
を含む方法。
【請求項８】
前記第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）を前記第１のポケット（３０、１３０、２３０ａ）内に配置する段階が、前記第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）の外表面が前記翼形部（１２、１１２、２１２）の正圧及び負圧側面の選択した１つとほぼ同一面になるように該第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）が位置決めされるようにその深さを選択した前記第１のポケット（３０、１３０、２３０ａ）の周辺部の周りで延びる、前記本体（２６、１２６、２２６）内に形成された陥凹棚（３２）に対して該第１のカバー（２８、１２８、２２８ａ）を配置する段階をさらに含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第１のポケット（３０、１３０、２３０ａ）内に充填材料を配置する段階をさらに含む、請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記本体（２６、１２６、２２６）の正圧及び負圧側面の他の１つに第２の陥凹ポケット（２３０ｂ）を形成する段階と、
前記第２のポケット（２３０ｂ）の周辺部に合致する周辺部と、前記正圧又は負圧側面の他の１つの少なくとも一部分を形成する外表面とを有する第２のカバー（２２８ｂ）を準備する段階と、
前記第２のカバー（２２８ｂ）を前記第２のポケット（２３０ｂ）内に配置する段階と、
前記第２のカバー（２２８ｂ）を摩擦撹拌接合によって前記本体（２６、１２６、２２６）に接合する段階と、
をさらに含む、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービンエンジン用の中空構成部品に関し、より具体的には、摩擦撹拌接合によって製作された中空翼形部に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、様々な合金組成のアルミニウム鍛造品が、例えばファン及び圧縮機内の非回転翼形部のようなガスタービンエンジン構成部品に用いられる。このような翼形部は、それらの重量を最少にするために中空断面を有することが多い。例えば大半は２０００シリーズ及び７０００シリーズアルミニウム合金のような好ましい合金は、従来型の融接法によって結合するのが困難であるか又は不可能である場合がある。
【０００３】
従って、中空翼形部を製作する従来技術の方法は、コア材料を除去するためにガン・ドリリングすること又はポケットをフライス加工すること、続いてそのフライス加工したポケットを覆ってカバーシートを接着結合することを含む。ポケットは、ハニカム材料を充填することも充填しないことも可能であり、また荷重支持性能及び／又は耐疲労性を向上させるために補強リブを組入れることも組入れないことも可能である。
【０００４】
ガン・ドリリングは、重量軽減を最適化するために最大限のコア材料を除去する面倒かつ非能率な方法である。一方、ポケットのフライス加工及びそれに続くカバーの接着結合は、過度の接着結合品質のばらつき、良好な接着結合のための面倒な準備及び処理、適当な接着強度を得るための過大な重ね継手の幅、並びに内部ポケットを外部環境から信頼性があるようにシールすることができず時の経過と共に検知されない内部腐食及び／又は応力腐食割れを過度に生じやすくなることなどの欠点を有する。
【特許文献１】米国特許６，５６８，５８２号公報
【特許文献２】米国特許６，６７６，００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、信頼性がある結合品質でシールした中空構成部品を製作するための有効な方法に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の必要性は本発明によって満たされ、本発明は、その１つの態様によると中空翼形部を提供し、本中空翼形部は、対向する正圧及び負圧側面と、根元と、先端と、間隔を置いて配置された前縁及び後縁とを有する金属本体を含む。本体は、正圧及び負圧側面の選択した１つに形成された陥凹ポケットを有する。外周端縁部と、内表面と、外表面と、選択した側面の少なくとも一部分を形成する外表面とを有する金属カバーが、固相結合によって本体に固着される。
【０００７】
本発明の別の態様によると、中空翼形部を製作する方法は、間隔を置いて配置された前縁及び後縁と、間隔を置いて配置された正圧及び負圧側面と、根元と、先端とを有する翼形形状の本体を準備する段階を含む。正圧及び負圧側面の選択した１つは、その中に形成されたポケットを有する。カバーは、ポケットの周辺部に合致する周辺部と、正圧又は負圧側面の選択した１つの少なくとも一部分を形成する外表面とを有する。カバーは、ポケット内に配置され、かつ摩擦撹拌接合によって本体に接合される。
【０００８】
本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンエンジン用の中空構成部品を製作する方法は、間隔を置いて配置された第１及び第２の側面を有し、かつ第１の側面がその中に形成された陥凹ポケットを有する本体を準備する段階と、内表面及び外表面を有し、かつその外表面が本体の第１の側面の形状に合致するカバーを準備する段階とを含む。カバーは、ポケット内に配置され、かつ摩擦撹拌接合によって本体に固着される。
【０００９】
本発明のさらに別の態様によると、中空翼形部は、対向する正圧及び負圧側面と、根元と、先端と、間隔を置いて配置された前縁及び後縁とを有する。翼形部は、前縁から後縁まで延びる金属正圧側壁と、前縁から後縁まで延びかつ正圧側壁に対して間隔を置いて配置された関係の金属負圧側壁と、根元から先端まで延びかつ正圧及び負圧側壁間に配置された金属前縁スペーサと、根元から先端まで延びかつ正圧及び負圧側壁間に配置された金属後縁スペーサとを含む。正圧側壁及び負圧側壁は、複数の固相結合部によって前縁及び後縁スペーサに固着される。
【００１０】
本発明は、添付の図面の図と共に以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
様々な図を通して同一の参照符号が同じ要素を示している図面を参照すると、図１〜図３は、例示的なガスタービンエンジン用のファン出口ガイドベーン１０を示す。本発明は、回転タービンブレード、フレームストラット等のような他のタイプの中空構成部品の構造にも同様に適用可能である。出口ガイドベーン１０は、前縁１４と、後縁１６と、先端１８と、根元１９と、凸面形の負圧側面２０と、凹面形の正圧側面２２とを有する翼形部１２を含む。円弧形の内側プラットホーム２４が、翼形部１２の根元１９に取付けられる。
【００１２】
例示した翼形部１２は、約２．５４ｃｍ（１インチ）の全体厚さと約２４ｃｍ（９．５インチ）の翼弦長さＣとを有する。翼形部１２は、本体２６とカバー２８とから組立てられる。本体２６及びカバー２８は、両方ともが目的とする用途に適した強度及び重量特性を備えた材料で製作される。１つの適当な合金は、７０００シリーズアルミニウム合金、特に７０７５アルミニウム合金である。本体２６は、鍛造によって製作することが可能な単体構造の構成部品である。本体は、翼形部１２の重量を軽減するためにその正圧側面２２に形成された陥凹ポケット３０（図２参照）を含む。陥凹ポケットはまた、負圧側面２０にも形成することが可能である。ポケット３０の周辺部の周りにはカバー２８の周辺部を溶接（接合）する連続棚３２が配置される。棚は、前縁部分３４と、後縁部分３６と、先端部分３８と、根元部分４０とを有する。この棚３２は、重量及び材料を節減するように可能な限り狭くなるように選択した平均幅「Ｗ」を有するが、それでも依然としてカバー２８を通しての完全溶け込み溶接のために十分な材料を残している。この例示的な実施例では、幅Ｗは約１．２７ｃｍ（０．５インチ）よりも小さく、好ましくは約０．８９ｃｍ（０．３５インチ）である。特定の用途次第で、公知のタイプ（図示せず）の充填材料が、ポケット３０内に配置され、例えば接着剤を用いて本体２６及び／又はカバー２８に結合される。比較的可撓性のカバー２８を振動に抗して抑制しかつ／又は翼形部１２に剛性を与えるのに役立つことになる任意の充填材料を用いることができる。適当な充填材料の実施例には、金属ハニカム構造、その中にマイクロバルーンを配置したエポキシ、ポリウレタンフォーム及びナノ構造が含まれる。
【００１３】
カバー２８は、内表面４２及び外表面４４を含む単体構造の構成部品であり、カバーは、ポケット３０内に嵌め込まれて外表面４４が翼形部１２の正圧側面２２とほぼ同一面になるようになる。カバー２８の外表面４４は、翼形部１２の正圧側面２２の一部分を形成する。平面図では、カバー２８は、半径をもつコーナ部を有するほぼ長方形である。カバーは、空気力学的要素としてのみ役立ち、また比較的小さい厚さｔ、例えば約２ｍｍ（０．０８インチ）を有することができる。許容できる溶接継手を得るためには、カバー２８の周辺部は、小さい横方向公差「Ｌ」、例えば約０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）でポケット３０の周辺部に嵌合される。
【００１４】
図４及び図５は、別の翼形部１１２を示す。翼形部１１２は、上記の翼形部１２とほぼ同様であり、本体１２６とカバー１２８とから製作される。翼形部１１２は、前縁１１４と、後縁１１６と、先端１１８と、根元１１９と、凸面形の負圧側面１２０と、凹面形の正圧側面１２２とを含む。陥凹ポケット１３０は、翼形部１１２の重量を軽減するために正圧側面１２２に形成され、またカバー１２８によって密閉される。ポケット１３０はまた、負圧側面１２０にも形成することができる。本体１２６は、ポケット１３０内に配置された半径方向に（つまり、根元１１９から先端１１８まで）延びる複数の直立しかつ間隔を置いて配置されたリブ１３３を含む。リブ１３３は、翼形部１１２自体に剛性を与え、また比較的可撓性のカバー２８をエンジン運転の間の振動、つまり１／回転／ブレード励振によって生じる望ましくない疲労及び応力に抗して抑制する両方の働きをする。
【００１５】
カバー２８は、摩擦撹拌接合法を用いて本体２６に接合される。この接合法は、公知のタイプ（図示せず）の摩擦撹拌接合機械及び固定具を用いて行われる。図６に示すように、先端「Ｒ」を有する円筒形のショルダ付き耐摩耗性ピン「Ｐ」を、回転させて、カバー２８と本体２６との間の接合線に対して押付ける。ピンＰと翼形部１２との間の摩擦により、材料を軟化させて溶解せずに流動させる。従って、摩擦撹拌接合は、固相結合の一種である。例示した実施例では、ピンＰは、約１０．７ｍｍ（０．４２０インチ）のショルダ直径「Ｄ」を有し、また先端Ｒは、ショルダからその末端部まで約２．８ｍｍ（０．１１０インチ）の長さ「ｌ」を有し、ショルダ付近の直径における約１０．７ｍｍ（０．４２０インチ）の直径「ｄ１」からその末端部の直径における約３．２ｍｍ（０．１２５インチ）の直径「ｄ２」まで先細になっており、かつ該先端Ｒ上に形成された左ねじを有する。以下の例示的なパラメータは、許容できる摩擦撹拌接合を形成するように見出したものであり、すなわち、ピン速度が約７００〜約９００ＲＰＭ、好ましくは約８００ＲＰＭであり、横送り速度が約１０ｃｍ／分（４インチ／分）〜約１５．２ｃｍ／分（６インチ／分）、好ましくは約５インチ／分であり、またピンＰへの押付力が約４９９ｋｇ（１１００ポンド）〜約６３５ｋｇ（１４００ポンド）、好ましくは約５９０ｋｇ（１３００ポンド）である。ピンＰは、カバー２８の周辺部に沿って横送りされ、カバーと本体２６の表面とに跨り、ピンの通過した後方でカバー２８及び本体２６が互いに結合された状態にする。リブ１３３を有する翼形部１１２を用いる場合、カバー１２８はまた、リブ位置に沿ってピン「Ｐ」をカバー１２８上で横送りすることによって、同様にリブ１３３に摩擦撹拌接合される。この方法は、他の方式の溶接と比較して殆どゆがみを生じさせない。完了した接合は、接合部区域に滑らかな仕上り表面を残し、この仕上り表面は、許容できる仕上り製品を得るのに最少の加工処理しか必要としない。一般的に、溶接経路に沿って約０．０５ｍｍ（０．００２インチ）の深さの陥凹帯域が生じる場合がある。必要に応じて、僅かな研磨加工を行ってこの帯域を平滑にすることができる。さらに、摩擦撹拌接合法は、最小限のゆがみで達成されるので、必要に応じて接合後熱処理を簡略化するのを可能にすることができる。接着結合に比較して、摩擦撹拌接合は、結合健全性のばらつきを低減し、結合強度を著しく高め、材料の重なり部分を減少させることによってさらなる重量軽減を可能にし、かつ冶金学的に健全なシールを形成して周囲の環境によるポケット３０の汚染を防止する。
【００１６】
図７及び図８は、さらに別の翼形部２１２を示す。翼形部２１２は、上記の翼形部１２とほぼ同様であり、本体２２６とカバー２２８ａ、２２８ｂとから製作される。翼形部２１２は、前縁２１４と、後縁２１６と、先端２１８と、根元２１９と、凸面形の負圧側面２２０と、凹面形の正圧側面２２２とを含む。第１及び第２の陥凹ポケット２３０ａ、２３０ｂが、翼形部２１２の重量を軽減するためにそれぞれ正圧側面２２２及び負圧側面２２０に形成され、カバー２２８ａ及び２２８ｂによって密閉される。本体２２６は、ポケット２３０ａ及び２３０ｂ内に配置された、上記のリブ３３と同様な複数の直立しかつ間隔を置いて配置されたリブ（図示せず）又は上記のような充填材料（図示せず）を含むことができる。
【００１７】
図９及び図１０は、さらに別の翼形部３１２を示す。翼形部３１２は、前縁３１４と、後縁３１６と、先端３１８と、根元３１９と、凸面形の負圧側面３２０と、凹面形の正圧側面３２２とを含む。翼形部３１２は、正圧側壁３２４と、負圧側壁３２６と、前縁スペーサ３２８と、後縁スペーサ３３０と、複数の内部スペーサ３３２とを含む個々の構成部品から組立てられる。例示した実施例の内部スペーサ３３２は、長方形の翼長方向のリブである。しかしながら、内部スペーサ３３２は、ピンの列又は他の類似の要素を含むことができる。この組立て構造を用いると、個々の構成部品は、比較的簡単なかつ安価な構造要素とすることができる。例えば、正圧及び負圧側壁３２４及び３２６はアルミニウムシート材料とすることができ、前縁及び後縁３２８及び３３０はアルミニウム押出し品とすることができ、また内部スペーサ３３２は、アルミニウムから鋳造、鍛造または押出すことができる。組立て構成部品の他の構成も可能である。
【００１８】
翼形部３１２を組立てるために、正圧側壁３２４、負圧側壁３２６、前縁スペーサ３２８、後縁スペーサ３３０及び内部スペーサ３３２は、公知のタイプの適当な工具（図示せず）を用いて適切な位置に保持される。次に、構成部品は、上記のように、摩擦撹拌接合によって接合される。例えば、摩擦撹拌接合部は、図１０の例示的な矢印「Ｆ」によって示すような位置とすることができる。結合の確実性を保証するために、正圧及び負圧側壁３２４及び３２６と前縁及び後縁スペーサ３２８及び３３０との間に幾つかの重なり合う隣接する接合部を形成することができる。この例示した実施例では、負圧及び正圧側壁３２４及び３２６は、前縁及び後縁スペーサ３２８及び３３０を越えて延びて、それぞれ前縁及び後縁３１４及び３２６において互いに合体される。しかしながら、必要な場合には、正圧及び負圧側壁３２４及び３２６は、翼弦方向に前縁及び後縁の手前で終わらせることができ、その場合には、前縁及び後縁スペーサ３２８及び３３０が、翼形部３１２の前縁及び後縁を形成することになる。接合（溶接）作業が完了した後に、翼形部３１２は、その最終的な外形を形成するように機械加工することができる。
【００１９】
以上は、摩擦撹拌接合によって固着されたカバーを有する中空翼形部構造及びそのような翼形部を製作する方法を説明したものである。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなくそれらの実施形態に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態の上述の説明及び本発明を実施するための最良の形態は、例示の目的にのみに示したものであり、限定の目的のためではなく、本発明は特許請求の範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明によって製作した出口ガイドベーンの側面図。
【図２】それからカバーを除去した状態の、図１の出口ガイドベーンの側面図。
【図３】図１の線３−３に沿って取った断面図。
【図４】本発明の別の実施形態によって製作した出口ガイドベーンの側面図。
【図５】図４の線５−５に沿って取った断面図。
【図６】図３の一部分の拡大図。
【図７】本発明のさらに別の実施形態に従って製作した出口ガイドベーンの側面図。
【図８】図７の線８−８に沿って取った断面図。
【図９】本発明のさらに別の実施形態によって製作した出口ガイドベーンの側面図。
【図１０】図９の線１０−１０に沿って取った断面図。
【符号の説明】
【００２１】
１０  ファン出口ガイドベーン
１２  翼形部
１４  前縁
１６  後縁
１８  先端
１９  根元
２０  負圧側面
２２  正圧側面
２４  内側プラットホーム
２６  本体
２８  カバー
３０  ポケット
３２  棚
４２  カバー内表面
４４  カバー外表面
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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