(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の側面（１８）にポケット（１６）をもつ金属翼形部（１２）を作る段階、
上記ポケットを当て板（２２）で覆う段階、
エラストマー流体（２４）を上記ポケットに注入する段階、及び
上記ポケット内で上記流体を硬化させてポケットに接着する段階
を含んでなる、ハイブリッドガスタービンエンジン翼形部の製造方法であって、
当て板（２２）をポケットの上で翼形部に封止する段階、
加圧下で流体（２４）をポケットに注入する段階、及び
前記流体がポケット内の空気と置き換わる際にポケットから空気を抜く段階をさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項２】
翼形部の第一の側面（１８）が変化のある輪郭をもち、当て板（２２）が相補的輪郭をもち、かつ該相補的輪郭に合うように当て板（２２）を翼形部と位置合わせする請求項１記載の方法。
【請求項３】
翼形部（１２）がその第一の側面（１８）に複数のポケット（１６）をもつように作られ、かつ
流体（２４）が上記複数のポケットに順次注入される請求項１記載の方法。
【請求項４】
翼形部（１２）が前記複数のポケット（１６）の隣接ポケット間に陥凹リブ（３４）をもつように作られ、
前記当て板（２２）がリブ（３４）の上に隙間（３６）ができる輪郭をもち、かつ
前記流体が前記複数のポケットの一つに注入され、上記隙間を通って流れて前記ポケットの隣接ポケットを満たす請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記流体（２４）が当て板（２２）を通して該当て板の一方の端のただ一箇所で注入され、かつ当て板の反対側の端から空気が抜かれるにつれて前記複数のポケットのすべてを順次満たす、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記当て板（２２）をポケットの上で翼形部に封止する段階が、前記当て板の周辺部に設けられた固い領域にクランプをあてがって該当て板と前記翼形部を締め付けることを含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は概してガスタービンエンジンに関するものであり、具体的にはガスタービンエンジン用翼形部の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボファンガスタービンエンジンは、支持ロータディスクから外側に延びる一列のファンブレードを有するファンを備えている。ファンはタービンで駆動され、タービンはコアエンジンで生じた燃焼ガスからエネルギーを抽出して飛行中の航空機に推進力を与える。
【０００３】
航空機用エンジンを最小限に軽量化することは最も重要な設計目標である。しかし、軽量化は、作動中の様々な荷重の下で部品強度を保つのに必要な条件によって制限される。
【０００４】
例えば、ファンブレードは比較的大きくて、ロータ作動中にかなりの遠心力を生じる。かかるブレードは、遠心力によって生じる荷重及び応力に耐えるだけでなく、推進力を発生するために周囲空気が圧縮される際の空力荷重にも耐えるように設計しなければならない。
【０００５】
ファンブレードの寸法の上限は、その製造に利用し得る高強度材料及び製造コストによって制限される。チタン等のすべて金属でできた（オールメタル）ファンブレードは高い強度を有するが、製造費が高い。また、オールメタルファンブレードは比較的重く、それに応じて、支持ダブテール及びロータディスクの寸法及び強度に関する要件が増える。
【０００６】
カーボンマトリックス中の高強度グラファイト繊維で作られた複合ファンブレードは、オールメタルファンブレードよりも軽量で、高い強度をもつ。しかし、複合ファンブレードは、製造費が高く、妥当な実用寿命を得るには方向性強度を与える特定の構成にする必要がある。
【０００７】
適当な強度を与えつつ軽量化を図るためにハイブリッドファンブレードの開発が行われている。典型的なハイブリッドブレードはチタン等の金属ボディを有しており、その一方の側面に軽量化ポケットが選択的に設けられる。ポケットは適当なエラストマーで充填され、妥当な空力性能に必要とされるブレード翼形部の空力輪郭を完成する。ブレードの金属部分は必要な強度を与えるが、ブレードの全体的強度を犠牲にすることなく軽量化を図るためポケットの金属が取り除かれる。
【０００８】
ハイブリッドブレードを製造する一つの方法では、予備成形又は予備鍛造した翼形部の輪郭を機械加工する際に、翼形部に所望のポケットを機械加工する。ペースト状又はパテ状のエラストマーを個々のポケットに入れる。次に、ブレードの両側に一対の輪郭成形具又はダイを配置して、ポケット内のエラストマーをプレスして硬化せしめる。しかし、この製造プロセスは複雑で経費がかかり、ハイブリッドブレードの大量生産には実用的でない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、ガスタービンエンジン用ハイブリッド翼形部を廉価に製造できる改良法を提供することが望まれている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
ガスタービンエンジン用ハイブリッド翼形部の製造は、一方の側面にポケットを設けた金属翼形部を作ることによって行う。ポケットを当て板で覆う。エラストマー流体をポケットに注入してポケット内で硬化させ、ポケットに接着させる。当て板を翼形部から取り外し、翼形部の空力翼形に適合した硬化エラストマーを露出させる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい例示的な実施形態を、その目的及び利点と併せて、添付の図面を参照しながら、以下の詳細な説明によって具体的に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の例示的な実施形態によるガスタービンエンジン翼形部並びにその製造に用いられる相補的当て板の正面図である。
【００１３】
図２は、補助当て板を用いて図１に示すハイブリッド翼形部を製造する例示的方法を示すフローチャートである。
【００１４】
図３は、図２に示す翼形部及び補助当て板の線３−３に沿って半径方向に視た断面図である。
【００１５】
図４は、翼形部の数個のポケットを硬化エラストマーで埋めた完成翼形部の等距離図である。
【００１６】
図１に示したのは、製造中の中間的形態にあるガスタービンエンジンファンブレード１０の例である。ブレード１０は翼形部１２と一体ダブテール１４とを含んでおり、その輪郭はターボファンガスタービンエンジンに従来用いられてきたいかなる形状であってもよい。翼形部及びダブテールは、最初にチタン等の適当な高強度金属の一体鍛造物として作ることができる。
【００１７】
金属翼形部１２は適当に形成された１以上の陥凹部つまりポケット１６を有しており、ポケット１６は翼形部の第一側面つまり正圧側面１８の内部に延在する。この実施形態では、６個の例示的なポケット１６が示してあり、当初は中実であった翼形部に慣用法で機械加工し得る。翼形部の反対側の第二側面２０は連続金属面であり、翼形部の空力的に滑らかな負圧側面を画成する。
【００１８】
翼形部は、半径方向にはダブテール近傍の根元部から半径方向外側の先端まで翼幅全長にわたって延在し、軸方向には前縁から後縁まで延在していて、従来通りの形状である。翼形部は、空力効率を最大限にする必要性から、その根元から先端にかけて翼幅軸線に対してねじれていて、その間の反りも変化している。
【００１９】
従って、翼形部は、根元から先端及び前縁から後縁にかけて変化のある比較的複雑な三次元輪郭を有しており、ブレードの第一側面１８及び第二側面１０はそれぞれ正圧側面及び負圧側面として機能する形状をもつ。
【００２０】
図１に示す通り、当て板２２は翼形部の第一側面１８を覆い、数個のポケット１６を覆うような形状にされる。当て板２２は、翼形部の第一側面に係合する内面に相補的輪郭をもたせて、十分な強度と剛性を与えるようにエポキシマトリックス中の炭素繊維のような複合材料で作ることができる。翼形部の第一側面１８は、根元から先端及び前縁から後縁にかけて輪郭が変化するので、当て板２２は、翼形部第一側面にぴったり合って係合する相補的輪郭を有する。
【００２１】
図２に示す通り、粘稠流体又は液体状の未硬化エラストマー２４をポケット１６内に注入して、ポケットを満たす。このようにして、個々のポケットはエラストマー流体２４で満たされ、ポケット１６内でエラストマー流体を硬化させればポケットに接着する。次いで、当て板２２を取り外せば、成形ハイブリッドブレードが露出する。
【００２２】
図２に示す例示的な実施形態では、エラストマー流体２４は、所望の具体的なエラストマーの製造業者によって特定される慣用法で提供される。例えば、エラストマーは好ましい形態ではポリウレタンゴムとすることができ、これは当初液体状態で提供され、適当な温度に加熱して適切に脱気し、適当な温度に加熱しておいた対応硬化剤と各々計量された分量で混合する。エラストマー流体と硬化剤を混合してポケットに注入し、そこで硬化させる。
【００２３】
ハイブリッドブレードと当て板２２全体は、その中に加熱エラストマー流体２４を注入する前に、共通の温度に加熱するのが好ましい。翼形部のポケットが充填されたら、充填翼形部を、ブレードと当て板に共通する初期硬化温度に保つ。次いで、ブレードを、使用した具体的エラストマー材料に必要とされる硬化プロセスを完了するための適当な昇温下で慣用法に従って後硬化すればよい。
【００２４】
翼形部１２及び当て板２２は相補的な三次元輪郭を有しているので、当て板はその相補的輪郭に合うように翼形部と位置合わせ或いは整合させるのが好ましい。これは、例えば、図２及び図３に示す通り、当て板の外周の所定の位置に翼形部の縁と横方向に係合する一体成形位置決めタブ２６を設けることによってなし得る。
【００２５】
位置決めタブ２６のうちの２つは翼形部の前縁に沿って間隔をおいて配置し、３つ目の位置決めタブを翼形部の後縁近傍の翼先端に配置し得る。このようにして、個々の位置決めタブを翼形部の対応する縁に合わせることによって、当て板を翼形部の上に迅速かつ正確にあてはめることができる。
【００２６】
図１及び図３に示す通り、当て板２２は好ましくは外周シール２８を含むが、その例示的な形態としては、当て板の係合面の溝つまり座に装着されたＯリングがある。シールは当て板の外周に沿っていて、エラストマーを充填すべき１以上のポケットの周囲にある。こうして、当て板２２を複数の対応ポケット１６の上で翼形部第一側面１８に封止し得る。
【００２７】
図２及び図３に示す通り、当て板は好ましくは外周枠３０も含んでいる。外周枠は独立した部品であってもよいし、或いは当て板自体と一体形成してもよく、当て板の周辺に局所的に堅固もしくは固い領域を提供して、そこに符号Ｃで示す複数の適当なクランプをあてがって当て板と翼形部を締め付ける。こうして、当て板は翼形部に留められ、シール２８が翼形部第一側面に押しつけられて密閉が保たれる。
【００２８】
次に、エラストマー流体２４を適当な圧力の下でポケット１６に注入する。ポケット１６は当初空気を含んでいるので、当て板２２は、エラストマー流体がポケット内部の空気と置き換わる際にポケットから空気を抜くための構成をもつのが好ましい。
【００２９】
これは、図１及び図２に示す通り、当て板の先端部に陥凹溝の形態をした複数の空気抜き穴つまりウィープホール３２を設けることによって達成できる。空気抜き穴３２は外周シール２８を遮り、エラストマー流体をポケットに注入すると空気が逃れるようにする。
【００３０】
上述の通り、翼形部１２は好ましくは翼形部第一側面に複数のポケット１６をもつように形成され。また、エラストマー流体２４は好ましくはポケットに順次注入して、ポケット内部の空気がすべて逃れるようにする。これは一箇所の注入部位でも達成し得るし、複数の注入部位でも達成し得る。
【００３１】
図１及び図３に示す通り、翼形部１２は、好ましくは、複数のポケット１６の隣接ポケット間に陥凹ランド部つまりリブ３４をもつように形成される。当て板２２は、好ましくは、リブ３７の上に隙間３６ができるような輪郭をもつ。当て板３２の係合面は、エラストマーの最終注入に当たって翼形部第一側面１８の最終翼形つまり表面を画成するような形状をもつ。図３に示すように、エラストマー流体２４を複数のポケット１６の一つに注入すると、エラストマー流体２４は幾つかの隙間３６を通して流れ、隣接ポケットを順次満たしていく。ポケットが満たされると、その内部にあった空気は図２に示すような空気抜き穴３２を通して排出され、ポケットが完全に満たされると最後には若干のエラストマー流体自体が空気抜き穴を通して排出される。
【００３２】
図２に示す好ましい実施形態では、エラストマー流体２４は、当て板２２の一方の端にある一箇所で当て板２２を通して注入され、順次すべてのポケット１６を満たす。流体がポケットからポケットへとそれぞれの隙間３６を通して移動するにつれて、空気は当て板の反対側の端から抜かれ、ポケットから空気が完全に排出されると同時にポケットがエラストマー流体で完全に充填されるようになる。
【００３３】
図２及び図３に示す通り、当て板は、充填すべき複数のポケットのうちの１つの一端に適切に配置された一体注入管つまりポート３８を含んでいる。注入管３８は、適当な圧力下でエラストマー流体が流れ込むように注入装置と適切に接続されている。
【００３４】
エラストマー流体２４は、例えばシロップ様の稠度の粘性を当初有しているので、エラストマー流体を当て板を通して注入しポケットからポケットへとそれらの間の小さな隙間３６を通して注入するには、十分な圧力を加えなければならない。エラストマー流体の圧力は、好ましくは、すべてのポケットが満たされた後も、ポケットの完全な充填を図るため流体が適切に硬化するまで維持しておく。従って、当て板２２自体が、ポケット内部のエラストマーの外形厚が増大してしまうような当て板の不都合な変形を生じることなく、流体注入時に印加圧力に耐える適当な構造的剛性を有しているべきである。
【００３５】
好ましい実施形態では、注入すべき流体に対して当て板によって加わる背圧は、当て板自体の変形を抑制するためにも、制限するのが好ましい。背圧の低下の制御は、適度な大きさの流れ面積をもつ空気抜き孔３２を適当な数で用いるとともに、当て板を通して注入される流体の流路に沿った圧力損を低減するための適当な大きさの隙間３６を設けることによってなし得る。
【００３６】
当て板２２を取り外し、エラストマーが最終硬化すると、得られたブレード１０は図４に示すような滑らかな空力翼形を有する。硬化エラストマー２４はポケット１６をすべて満たしていて、ポケットに接着して翼形部第一側面１８と連続した面をなしてその空力輪郭を完成する。当て板２２は、連続生産における後続ファンブレードの製造に再利用し得る。
【００３７】
エラストマーポケットをもつ金属ボディを有するハイブリッド翼形部は、本発明の注入プロセスを用いると格段に低コストで簡単に作ることができる。本発明の方法は、ステータベーン又は出口案内翼等の、ガスタービンエンジンの他のタイプのハイブリッド翼形部にも利用できる。
【００３８】
本明細書では本発明の好ましい例示的な実施形態と思料するものについて説明してきたが、本発明のその他の形態は本明細書の教示内容から当業者には自明であり、本発明の技術的思想及び技術的範囲に属するかかる形態すべてが特許請求の範囲で保護されることを望むものである。
【００３９】
従って、特許による保護を望むのは、請求項に規定され特徴付けられた発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の例示的な実施形態によるガスタービンエンジン翼形部並びにその製造に用いられる相補的当て板の正面図。
【図２】  補助当て板を用いて図１に示すハイブリッド翼形部を製造する例示的方法を示すフローチャート。
【図３】  図２に示す翼形部及び補助当て板の線３−３に沿って半径方向に視た断面図。
【図４】  翼形部の数個のポケットを硬化エラストマーで埋めた完成翼形部の等距離図。
【符号の説明】
１０    ファンブレード
１２    翼形部
１４    ダブテール
１６    ポケット
１７    第一側面
２０    第二側面
２２    当て板
２４    エラストマー
２６    位置決めタブ
２８    外周シール
３０    外周枠
３２    空気抜き穴
３６    隙間
３７    リブ
３８    注入管
Ｃ      クランプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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