(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の壁と、この第１の壁に対向して設けた第２の壁と、前縁と、この前縁に対向して設けた後縁と、これら第１の壁、第２の壁、前縁及び後縁間に設けた空洞とを包含する単一ピースの横断面幾何学的形状体を有する押出しセクションを包含すると共に第１の端及び第２の端を包含するファン出口案内ベーンにおいて、前記単一ピースの横断面幾何学的形状体が前記第１の端と前記第２の端との間に延びるようにして不連続強化アルミニウムのビレットから押出し成形されてなるファン出口案内ベーンであって、前記不連続強化アルミニウムが補強材として１５〜２０容量パーセントの炭化ケイ素を含有してなるファン出口案内ベーン。
【請求項２】
請求項１記載のファン出口案内ベーンにおいて、前記炭化ケイ素が粒子状であるファン出口案内ベーン。
【請求項３】
請求項１または２記載のファン出口案内ベーンにおいて、前記炭化ケイ素が１７．５容量パーセントの量で存在するファン出口案内ベーン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のファン出口案内ベーンにおいて、前記不連続強化アルミニウムが６０００系アルミニウム合金マトリックスからなるファン出口案内ベーン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のファン出口案内ベーンにおいて、前記単一ピースの横断面幾何学的形状体が更なる空洞と、前記第１の壁と前記第２の壁との間に延びて前記空洞を互いに分離するリブとを更に包含してなるファン出口案内ベーン。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の複数の案内ベーンと、これら案内ベーンの第１の端を受け入れる手段を有するアウタケースと、このアウタケースの半径方向内側にアウタケースと実質的に同心にして設けられ、前記案内ベーンの第２の端を受け入れる手段を有するインナケースとを包含するファン出口案内ベーンアセンブリであって、前記案内ベーンが前記インナケースと前記アウタケースとの間に延びていると共にこれらインナケースとアウタケースとの間に円周方向に分配されてなるファン出口案内ベーンアセンブリ。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載のファン出口案内ベーンの製造方法において、補強材として１５〜２０容量パーセントの炭化ケイ素を含有する不連続強化アルミニウムのビレットを用意し、このビレットをダイから押出してこのダイを出て縦方向に延びるファン出口案内ベーン形状の幾何学的形状体を有する押出しセクションを形成し、前記押出しセクションが、第１の壁と、この第１の壁に対向して設けた第２の壁と、前縁と、この前縁に対向して設けた後縁と、これら第１の壁、第２の壁、前縁及び後縁間に設けた空洞とを包含する単一ピースの横断面幾何学的形状体を有し、次いで、前記押出しセクションは、単一ピースの横断面幾何学的形状体が間に延びる第１の端と第２の端とを形成するような所定の長さに切断されてなるファン出口案内ベーンの製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の製造方法において、前記押出しセクションが炭化チタン強化鋼製のポートホールダイを通して押出し成形される製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の製造方法において、前記ダイが２つのマンドレルを含む製造方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかに記載の製造方法において、前記ビレットが６０００系アルミニウム合金からなる製造方法。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれかに記載の製造方法において、前記炭化ケイ素が１７．５容量パーセントの量で存在する製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、一般にはガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンに用いられるエアフォイル、特にガイドベーンに関する。
【０００２】
【背景技術】
ガスタービンエンジンのロータセクションの後方に設けられているエアフォイルは、ロータセクションにより動かされるガスを、このロータセクションにより行われる働きを最大にするように選択されている方向に向けるのに役立つものである。これらのエアフォイルは、一般に“ガイドベーン”と称され、ハブとロータセクションの外周まわりに間隔を置いているアウタケーシングとの間に半径方向に設けられている。歴史的には、これらのガイドベーンは中実のエアフォイルとして普通のアルミニウムから作られている。そして、その中実横断面は、ガイドベーンに、衝突ガスにより生じる荷重に適応するのに要求されるこわさ及び異物の衝突に耐えることができる耐久力を与えている。
【０００３】
“ガスパス荷重”とは、当分野において、ガス流れがガイドベーンに衝突することによりエアフォイルに加えられる力を言うのに用いられている用語である。この荷重力の大きさ及び振動数は、エアフォイルの適用及びエンジンにより生じるスラストに依存して変化する。そして、もし荷重力の振動数がガイドベーンのひとつ又はそれ以上の固有振動数（すなわち、変形の曲りモードの振動数及び／又は変形のねじりモードの振動数）と一致したときには、荷重力がガイドベーンを好ましくない共振振動に励起せしめる。
【０００４】
以上述べた中実のアルミニウムから作られている従来のガイドベーンの顕著な欠点は、ガイドベーンの重量が相当重いことである。エンジンの重さが増大することはエンジンのスラスト対重量比に悪い影響を与えるので、ガスタービン設計はエンジンの構成要素の重さを最小にすることを奨励している。普通のアルミニウムから作られた中空のガイドベーンは、中実のガイドベーンの重さの問題を除去するが、しかし、高スラストへの適用のために必要とされるこわさ及び疲れ強さに欠けるものである。この制限は、特に、追加のスラストを生じさせるためにエンジンのファン径を増大せしめる傾向にある近代のガスタービンエンジンにおいて問題である。エンジンのスラストを増大せしめることは、一般に、ガイドベーン、特にファン径が増大されているときのファンセクションにおけるガイドベーンに加わる荷重を増大せしめる。普通のアルミニウムから作られる中空のガイドベーンが持つ他の問題は、一層好ましい普通のアルミニウム合金をガイドベーンの要求する横断面幾何学的形状体（cross−sectional geometry）に押出し成形することができないことにある。
【０００５】
最近、ガイドベーンはポリマーマトリックス複合材料（Polymer Matrix Composite materials：以下“ＰＭＣ”と略称する）から製造されている。これらのＰＭＣは、普通のアルミニウムよりもかなり軽いこと、所要のこわさを持つこと、及びいろいろの複雑な幾何学的形状体に形成することができることから、魅力あるものである。しかし、ＰＭＣ製ガイドベーンの欠点はそれらの製造コストにあり、普通のアルミニウムから作られる同様なガイドベーンの製造コストよりもかなり高い。重さと同様に、コストも最高に重要なものである。ＰＭＣ製ガイドベーンの他の欠点は、それらの耐久度にある。すなわち、普通のアルミニウム製ガイドベーンの方が、平均ライフサイクル期間がＰＭＣ製のガイドベーンよりも優れているという評価しうる利点を有しているものである。短いライフサイクルは、多大なメンテナンスを要求するばかりでなく、２つの材料すなわち普通のアルミニウムとＰＭＣとの間のコストの差をますます大きくするものである。
【０００６】
要するに、以上述べたことから、高スラストエンジンにおいて生じる荷重に適応できるような適切なこわさ及び疲れ強さを持つガイドベーン、異物の衝突に適応できるような適切なこわさ及び疲れ強さを持つガイドベーン、軽量なガイドベーン、製造するのが比較的安価であるガイドベーン、及び容易に製造することができるガイドベーンが要望されている。
【０００７】
【発明の開示】
本発明は、このような要望に応じてなされたものである。したがって、本発明の目的は、高スラストエンジンにおいて生じる荷重に適応できるような適切なこわさ及び疲れ強さを持つ軽量のエアフォイルを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、製造するのが比較的安価であるエアフォイルを提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、容易に製造することができるエアフォイルを提供することにある。
【００１０】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、第１の壁と、この第１の壁に対向して設けた第２の壁と、前縁と、この前縁に対向して設けた後縁と、少なくともひとつの空洞とを包含する横断面幾何学的形状体を有するエアフォイルが提供される。空洞は、第１の壁、第２の壁、前縁及び後縁間に設けられている。そして、エアフォイルはその横断面幾何学的形状体が第１の端と第２の端との間に延びるようにして不連続強化アルミニウム（Discontinuously Reinforced Aluminum：以下“ＤＲＡ”と略称する）から押出し成形される。
【００１１】
以上述べた本発明は、従来存在するエアフォイルより優れた幾つかの顕著な利点を提供する。すなわち、第１の利点は本発明によればエアフォイルのこわさを増大することができることである。エアフォイル本体のこわさは、一般に、本体の材料及び本体の横断面幾何学的形状体の関数である。下記の式は、均一断面の本体について、それらの関係を数学的に説明するために用いられている。
【００１２】
Ｓ＝ＥＩｆ（ｘ，Ｌ）
ここに、“Ｓ”はこわさ（ｌｂｓ／ｉｎ）を表し、“Ｅ”は材料の弾性係数（ｌｂｓ／ｉｎ2）を表し、“Ｉ”は慣性の断面モーメント（ｉｎ4）を表し、“ｘ”は本体内の位置の関数を表し、及び“Ｌ”は本体の長さを表す。最も一般的なアルミニウム合金は、９．９〜１０．３（×１０6） ｌｂｓ／ｉｎ2 の範囲の“Ｅ”値を有する。他方、ＤＲＡは１４．０〜１７．０（×１０6） ｌｂｓ／ｉｎ2 の範囲の“Ｅ”値を有する。したがって、ＤＲＡ材料から形成されたエアフォイルは、同一の断面を有する普通のアルミニウム合金から作られたエアフォイルよりも大きなこわさを有する。
【００１３】
また、エアフォイルを形成するのに用いられるＰＭＣは、普通のアルミニウム合金の“Ｅ”値よりも大きい“Ｅ”値を有するが、しかし、配向性の関数として変化する機械的性質を有する。すなわち、一方向において、例えばＰＭＣ試供品は１４．０〜１５．０（×１０6） ｌｂｓ／ｉｎ2 の“Ｅ”値を有し、この“Ｅ”値は普通のアルミニウム合金の“Ｅ”値よりも著しく高いものである。しかしながら、前記の一方向と交差する方向において、ＰＭＣ試供品の“Ｅ”値は４又は５（×１０6） ｌｂｓ／ｉｎ2 以下であり、これによりＰＭＣを適切に適用することが制限される。ＤＲＡの等方性の機械的性質は、この問題を除去する。
【００１４】
本発明の他の利点は、本発明によれば、高いこわさのエアフォイルを容易に製造することができることである。すなわち、金属製のエアフォイルを形成するための好適な方法のひとつは、押出し成形である。中空のエアフォイルの場合においては、押出しされる材料はダイを通過する間に分離し、ダイの後方に再び一緒に戻って溶着し合う。多くの普通のアルミニウム合金は、このような方法による形成に適応するものであるが、これらのアルミニウム合金は高スラストガスタービンで用いるのに必要とされるこわさ又は疲れ強さを常に持つものではない。ＤＲＡも、押出し成形ダイの後方で再結合できるが、しかし、普通のアルミニウム合金より押出し成形するのが非常に困難なものである。そこで、本発明は、ＤＲＡを複雑な幾何学的形状体に押出し成形できる手段を提供し、これによりエアフォイルをＤＲＡから押出し成形することができるようにする。
【００１５】
本発明により提供される更に他の利点は、コストの節約である。すなわち、中空のＤＲＡ製エアフォイルとほぼ同じこわさ及びほぼ同じ重さを持つＰＭＣ製エアフォイルは、中空のＤＲＡ製エアフォイルよりもかなり高価なものである。また、ＰＭＣ製エアフォイルの平均ライフサイクルは中空のＤＲＡ製エアフォイルよりもかなり短いものであり、これにより一層頻繁なエアフォイルの取替えが必要となり、コストの差がますます大きくなってしまう。
【００１６】
本発明の以上述べた目的、特徴及び利点は添付図面を参照して詳述する下記の本発明の最良の形態の実施例についての説明から一層明らかになるであろう。
【００１７】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照するに、ガスタービンエンジン１０はファンセクション１２と、低圧圧縮機１４と、高圧圧縮機１６と、燃焼器１８と、低圧タービン２０と、高圧タービン２２とを包含する。ファンセクション１２及び低圧圧縮機１４は、互いに接続されて低圧タービン２０により駆動される。高圧圧縮機１６は、高圧タービン２２により駆動される。ファンセクション１２により吸入された空気は、“中心ガス流れ”として低圧圧縮機１４に入るか、又は“バイパス空気”としてエンジン中心外側の空気通路２３に入る。この空気通路２３を出たバイパス空気は、エンジン１０の外周まわりに設けられている複数のファン出口案内ベーン（Fan Exit Guide Vane：以下“ＦＥＧＶ”と略称する）２４に向って進み、これらのＦＥＧＶ２４に衝突する。これらのＦＥＧＶ２４は、バイパス空気をエンジン１０の外側に設けられているダクト（図示せず）に案内する。
【００１８】
次に図１及び図２を参照するに、ＦＥＧＶ２４はファンのインナケース２６とアウタケース２８との間に延びている。インナケース２６は低圧圧縮機１４とＦＥＧＶ２４との間の半径方向位置に設けられ、またアウタケース２８はＦＥＧＶ２４の外側の半径方向位置に設けられている。各ＦＥＧＶ２４は、エアフォイル３０と、このエアフォイル３０をインナケース２６とアウタケース２８との間に固定する手段３２とを包含する。例えば、図２に示されるように、この固定手段３２は第１のブラケット３４と第２のブラケット３６とを包含する。しかし、選択的に、他の構造の固定手段３２を用いることができるものである。
【００１９】
次に図２〜図４を参照するに、エアフォイル３０は第１の端４０から第２の端４２にまで延びる単一ピースの横断面幾何学的形状体を包含する（図２）。この横断面幾何学的形状体は、第１の壁４４と、第２の壁４６と、前縁４８と、後縁５０と、単一又は複数の空洞５２、５４、５８とを包含する。第２の壁４６は第１の壁４４に対向して設けられ、また後縁５０は前縁４８に対向して設けられている。空洞５２、５４、５８は、第１の壁４４、第２の壁４６、前縁４８及び後縁５０の間に設けられている。図２は、単一の空洞５２を示す。図３は第１の空洞５２と第２の空洞５４とを示し、これらの空洞は第１の壁４４と第２の壁４６との間に延びる単一のリブ５６により分離されている。図４は第１の空洞５２と、第２の空洞５４と、第３の空洞５８とを示し、これらの空洞は第１の壁４４と第２の壁４６との間に延びる２つのリブ５６により分離され、空洞５２、５８の各々は１つのリブ５６により空洞５４から分離されていると共に、空洞５４は２つのリブ５６により２つの空洞５２、５８から分離されている。すべての空洞５２、５４、５８は、内部丸み部６０を包含している。
【００２０】
以上述べたエアフォイル３０は、ＤＲＡから押出し成形される。好適には、ＤＲＡはアルミニウム協会により規定されている基本２０００、６０００、又は７０００系のアルミニウム合金マトリックスから成る。最も好適な実施例によれば、ＤＲＡは６０００系アルミニウム合金マトリックスから成る。ＤＲＡの補強材は、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｂ4Ｃ、ＢｅＯ、ＴｉＢ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＺｒＯ2 の材料中のいずれかひとつとされる。好適な群の補強材は、粒子状のＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｂ4Ｃから成る。最も好適な補強材は、粒径が５〜１０ミクロンの粒子状のＳｉＣである。ＤＲＡ中の補強材の容量パーセントは、使用される系のアルミニウム合金マトリックス及び補強材に依存する。すなわち、補強材がＳｉＣの場合においては、その容量パーセントの好適の範囲は、６０００系アルミニウム合金マトリックスのＤＲＡ中のＳｉＣ粒子が少なくとも１０容量パーセントでかつ３０容量パーセント以下である。この好適な範囲内で、更に好適には、６０００系アルミニウム合金マトリックスのＤＲＡ中のＳｉＣを少なくとも１５容量パーセントでかつ２０容量パーセント以下に維持することにより、一層改良された押出し成形結果が得られた。最良の押出し成形結果は、６０００系アルミニウム合金マトリックスのＤＲＡ中のＳｉＣが１７．５容量パーセントであるものを用いることにより得られた。
【００２１】
好適な実施例の押出し成形によれば、補強材として１７．５容量パーセントのＳｉＣを含有する６０００系アルミニウム合金マトリックスのＤＲＡが、アペンデージにより支持されている一対のマンドレルを有するポートホールダイを用いて、２つの空洞５２、５４を有するエアフォイル３０（図３参照）に押出し成形される。すなわち、上記ダイは、炭化チタン強化鋼、例えばアメリカ合衆国 ニューヨーク ウエスト ニアックのアロー テクノロジー インターナショナル インコーポレーテッド（Alloy Technology International Incorporated）により製造されている“ＳＫ グレード フェロチック（ＳＫ grade Ferrotic）”から作られている。そして、一対のマンドレルがダイの中間部に設けられており、ＤＲＡがこれらのマンドレルのまわりに流れてアペンデージで分離するように押し込まれる。アペンデージにより分離された押出し金属は、マンドレルの後方に戻って一緒に結合し、金属・金属結合体となる。このプロセスは、時々“溶接”と称されている。そして、マンドレルにより作られた空所が残り、エアフォイルの空洞となる。このような炭化チタン強化鋼製のダイは、押出し成形するエアフォイルに申し分のない仕上げを与えるものである。押出し成形されたＤＲＡのストリップは、その後、適用の必要に応じて人の手で所定の長さに切断されて仕上げられる。
【００２２】
本発明の顕著な利点は、所要のこわさを有するエアフォイルを、最小の径の外部丸み部６２及び内部丸み部６０を有する形状体に安価に形成することができることにある。すなわち、前縁４８及び後縁５０に沿う最小の径の外部丸み部６２は、空気力学の観点から利益があるものである。また、最小の径の内部丸み部６０は、より小さな内部丸み部がエアフォイル３０の中空部をより大きくしてより軽いエアフォイルを提供することから、利益があるものである。
【００２３】
以上本発明をその実施例に関して図示し詳述してきたけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更ができることは当業者にとって理解されるであろう。例えば、上述した本発明を実施するための最良の形態は、本発明のエアフォイルをＦＥＧＶに用いた例について詳述している。しかし、本発明のエアフォイルは選択的に他のベーン又はブレードの適用にも用いることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が実施されるガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図２】本発明のエアフォイルで構成されるファン出口ガイドベーンの一例を示す分解図である。
【図３】図２に示されているガイドベーンと同様であるが、しかし２つの空洞を有するガイドベーンの横断面図である。
【図４】図２に示されているガイドベーンと同様であるが、しかし３つの空洞を有するガイドベーンの横断面図である。
【符号の説明】
１０    ガスタービンエンジン
１２    ファンセクション
１４    低圧圧縮機
１６    高圧圧縮機
１８    燃焼器
２０    低圧タービン
２２    高圧タービン
２３    空気通路
２４    ファン出口ガイドベーン（ＦＥＧＶ）
２６    インナケース
２８    アウタケース
３０    エアフォイル
３２    固定手段
３４    第１のブラケット
３６    第２のブラケット
４０    第１の端
４２    第２の端
４４    第１の壁
４６    第２の壁
４８    前縁
５０    後縁
５２    第１の空洞
５４    第２の空洞
５６    リブ
５８    第３の空洞
６０    内部丸み部
６２    外部丸み部
【図１】
0004051105.tif 000002
【図２】
0004051105.tif 000003
【図３】
0004051105.tif 000004
【図４】
0004051105.tif 000005