Hybrid blade of buried rib

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンの幅広翼弦のファンブレードに関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボファンガスタービンエンジンは、
低圧タービン（ＬＰＴ）により駆動されるファンブレード列を含む。 空気は初めにファンを通してエンジンに入り、その内側部分が空気を加圧する圧縮機に入り、燃焼器中で燃料と混合され、その混合気が点火されて高温の燃焼ガスを発生し、その燃焼ガスが高圧タービン（ＨＰ
Ｔ）を通して下流に流れ、エネルギーが取り出されて圧縮機を駆動する。 次いで、燃焼ガスは、追加のエネルギーを取り出す低圧タービンを通して流れ、ファンを駆動する。 ファンを通して流れる空気の残りの外側部分は、
エンジンから放出され、推力を発生し、飛行中の航空機を推進する。

【０００３】ファンブレードは、ロータディスクの外周の相補形のダブテールスロット中に捕捉されるダブテールを、その半径方向内方端に含む。 翼形部が、構造用シャンクによりダブテールに取り付けられる。 プラットホームが翼形部の半径方向内方の翼根元でシャンク上に半径方向に位置するように、プラットホームはブレードと一体に結合されるか又は隣接するブレード間に別体に取り付けられることができ、ファン空気の半径方向内側の流路境界を構成する。

【０００４】翼形部は、半径方向外方の相対する翼先端まで延び、前方の端縁つまり前縁及び軸方向に相対する後部の端縁つまり後縁を有し、全体で翼形部の外周を構成する。 翼形部は、ほぼ凹状の正圧第１側面、及び円周方向に相対するほぼ凸状の負圧第２側面を有する。 翼形部は、それが取り付けられるロータディスクの中心線から半径方向に延びる翼長つまり長手方向の軸、並びに前縁及び後縁の間にほぼ軸方向に延びる様々な翼弦を有する。 翼形部は、空気力学的性能を最大にするために一般に翼根元から翼端まで捻れる。

【０００５】幅広翼弦ファンブレードは、翼弦に対する翼長の比である比較的に低いアスペクト比を有し、中実の金属部品として形成された場合には比較的に重い。 重量を減少させることは、チタニウムを含む材料のような高い強度の超合金材料を用いることによって一般的に得られる。 しかしながら、エンジンは大きさが増すので、
対応するファンブレードは、大きさ及び重量が増し、運転中に生じる大きい遠心荷重によりその好適な寿命を達成することがますます難しくなる。

【０００６】別の開発において、全体的に複合されたファンブレードが、ガスタービンエンジン環境の中で許容できる性能を実現すると同時に重量を減少させるように設計されてきた。 典型的な複合ブレードは、軽量構造でブレードの強度を造り出すために、エポキシなどの適当な基質に埋め込まれたグラファイトなどの構造用繊維の幾つかの層を含む。 複合ブレードは、複雑な製造工程を必要とするので製造費用がかかる。

【０００７】チタニウムなどの主として金属であるハイブリッドブレードも、開発途中であり、重量を減らすためにブレードに適当なポケットを備え、ポケットは翼形部の必要とされる空気力学的輪郭を得るために適当なエラストマーの充填材材料で満たされる。 ポケットは、翼形部の全厚さにわたり金属を備える対応する一体の金属リブにより画定され、翼形部の剛性及び慣性曲げモーメントを最大にする。

【０００８】しかしながら、重量を軽減するポケットは、必然的に翼形部の構造上の連続性を妨げ、ポケットの露出した端縁が充填材材料が付加された翼形部表面に構造上の不連続性を生じる。 リブは、従って、運転中に局部応力集中を受ける。

【０００９】運転中、ファンブレードは回転し、遠心荷重を受けるが、その荷重はリブを含む翼形部の金属部分によって支持され、充填材は単に死荷重となり、この死荷重は翼形部の金属部分によって支持される。 翼形部は、振動性の曲げ及び捻りを受け、そのことが、リブを含む金属翼形部により支持される荷重及び結果として生じる応力を増大させる。 またファンブレードは、例えば、鳥が突き当たることからの衝撃による異物損傷（Ｆ
ＯＤ）を受けやすい。 鳥が突き当たることは、ブレードに追加の衝撃荷重を与えて、それがさらにリブを含む金属翼形部の応力を増大させる。

【００１０】翼形部の充填材と下方に位置する金属との間の強力な接着を確実なものとするために、充填材材料で充填する前に下塗り被覆をポケットに施すことができる。 充填材が硬化されて金属翼形部に接着されれば、その外側表面は、外気に直接曝され、翼形部の残りの金属周縁部と同延又は同一面になっており、翼形部の対応する空気力学的に形成された側面を構成する。

【００１１】しかしながら、下方に位置する下塗り剤は、充填材及び金属周縁部の間の端縁接合面に沿って露出し、従って、湿気、化学溶剤及び取り扱い損傷により劣化しやすい。 下塗り剤の劣化は、次に金属翼形部からの充填材の剥離を生じ、それに応じてファンブレードの耐用寿命を縮める可能性がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従って、応力集中が減少し、また充填材材料接合面の露出が減少した、改良されたハイブリッドファンブレードを実現することが望まれる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】ファンブレードは、その第１側面に配置されたポケットを有する金属翼形部を含み、ポケットはそこに接着された充填材を含む。 ポケットは、充填材中に埋没された対応するリブにより分割された複数のセルを含む。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明を、好ましい例示的な実施形態により、その更なる目的及び利点と共に、添付の図面に関連してなされる下記の詳細な記述において、より具体的に説明する。

【００１５】図１に示すのは、１部分が示されるロータディスク１２の外周に取り付けられた幾つかの例示的なターボファンガスタービンエンジンのファンロータブレード１０のうちの１つである。 本発明によると、ブレードは、ほぼ凹状の第１側面つまり正圧側面１６、及びほぼ凸状の円周方向に相対する第２側面つまり負圧側面１
８を有する金属翼形部１４を含むハイブリッドブレードとして構成される。 第1及び第2側面あるいは表面１６、
１８は、半径方向内方の翼根元２０及び相対する半径方向外方の翼先端２２の間の翼形部の翼長に沿って半径方向に延びる。

【００１６】第１及び第２側面はまた前方の端縁つまり前縁２４及び軸方向に相対する後部端縁つまり後縁２６
の間の翼形部の翼弦に沿って軸方向に延びる。 外気２８
は、運転中に前縁から後縁まで２つの翼形部側面上を流れ、従来の方法で翼形部により加圧され、推進力を生じ、飛行中の航空機を推進する。

【００１７】翼形部１４は、ブリスクとして知られている一体部品の組立体中のロータディスク１２に一体に又は直接支持されることが可能であるが、図１に示される例示的な実施形態においては、翼形部の各々は、従来の方法でディスクに着脱可能に取り付けられる。 例えば、
ブレードは、ブレードをロータディスク１２に取り付けるために翼形部の翼根元２０と一体に結合された金属シャンク３０をさらに含む。 このことは、ロータディスク中の相補形のダブテールスロット１２ａ中にブレードを取り付けるためにシャンクと一体に結合された従来の金属ダブテール３２を用いて行なわれる。 翼形部１４、シャンク３０、及びダブテール３２は、鍛造によるなど一体部品、つまり単一の金属構造体として初めから形成することができる。 ファンブレードに適する金属は、例えばチタニウムである。

【００１８】ダブテール３２は、一般にロータディスクの外周の相補形の軸方向ダブテールスロット１２ａに捕捉される軸方向挿入ダブテールである。 シャンク３０
は、ダブテールから空気力学的翼形部への構造的な移行部分となり、それ自体は一般的に空気力学的な部材ではない。 シャンクは、翼形部翼根元２０において翼根元と一体に又は従来の方法でブレードのうちの隣接するブレード間で別個に取り付けられるプラットホームとして配置される適当な流れの境界となるプラットホーム（図示せず）により、空気流から一般に隠される。

【００１９】本発明によると、翼形部１４は、好ましくは翼形部第１側面、つまり、正圧側面１６のみに配置される凹所、つまり、ポケット３４を含み、ポケットは、
前縁２４、後縁２６、翼根元２０、及び翼先端２２の周りの翼形部第１側面の周縁部１６ａに沿って延びる完全に４側部の外周３４ａを有する。

【００２０】ポケット３４は、対応する金属リブ３６により互いに分割された複数の隔室、つまり、セル３４ｂ
を含む。 図１に示す例示的な実施形態においては、多数の弦方向及び半径方向のリブ３６が交差し、５つの例示的なポケットセル３４ｂを画定する。

【００２１】セルを含むポケット全体は、それの中に適当に接着されたエラストマーの充填材３８を含み、リブ３６は、その露出した表面の下方の充填材中に隠される、つまり、埋没される。

【００２２】図１に示す基本的な翼形部１４は、ファンブレードが空気２８を加圧して推力を生じるために回転するので、運転中の空気力学的荷重、遠心力荷重，及び振動荷重に耐えるために構造一体性を実現できるように金属である。 セルを含むポケットは、翼形部中に設けられ、翼形部の全体重量を実質的に減少させ、運転中に遠心力で生じる荷重を減少させる。 充填材３８は、比較的に軽量であり、エラストマーゴム又はポリウレタンのようなどのような好適な形態とすることもでき、ポケットを充填し空気を加圧するために空気流２８に曝される翼形部第１側面全体にわたって連続する表面をもたらす。

【００２３】図２は、図１に示される翼形部の１部の例示的な半径方向断面図を示し、金属翼形部及びブレードは、図１に示されるように、ダブテール３２から翼形部先端２２まで連続していると同時に、前縁２４から後縁２６まで連続している。 図２に示すように、前縁２４及び後縁２６は、空気力学的効率を最大にするために比較的に薄く尖っており、また負圧側面１８と正圧側面１６
の周縁部１６ａの間は完全に金属であり、その幾つかのセルを含むポケット３４を設けているにも拘らず、翼形部の強度及び構造一体性を維持する。

【００２４】セル３４ｂは、リブ３６のうちの関連するリブ及び第１側面周縁部１６ａの対応する部分によるそれらの外周の周りに画定される。 図２に示す翼形部１４
の集合である輪郭は、運転中に外気を加圧する効率を最大にするように特に構成された好適な空気力学的輪郭をその２つの相対する側面の間に構成する。 金属翼形部は、個々のセル３４ｂのところでは比較的薄くなっており、その構造一体性を維持するために翼形部全体にわたって連続する構造荷重経路を維持しながら、翼形部の重量を最少にしている。

【００２５】充填材３８は、セル中に導入されて、セル自体を設けることによりさもないと失われたであろう金属容積に取って代わり、第１側面１６中の充填材３８を含む必要とされる空気力学的輪郭に翼形部を戻す。 このように、翼形部第１側面１６は、外気に直接曝される周縁部１６ａにより部分的に構成され、また充填材３８の露出した外側表面により残りの部分が構成される。 充填材３８の下方の翼形部第１側面の隠された部分は、幾つかのセル３４ｂ及びセルの間に配置されるリブ３６を構成する。

【００２６】図３は、埋没されたリブ３６及び外気に曝された重なり合う充填材３８のうちの例示的な１つをより具体的に示す。 上述のように、充填材３８は、どのような好適な材料にすることもできるが、金属翼形部が運転中に荷重を受けるので、運転中の弾性歪みを吸収するようにエラストマー材料にするのが好ましい。 ポリウレタンのようなエラストマー充填材３８は、そのセル３４
ｂ及びリブ３６を含むポケットを最初に被覆し覆う下塗り剤４０に接着されるのが好ましい。 好適な下塗り剤は、ペンシルバニア州エリーのＬｏｒｄ Ｃｏｒｐｏｒ
ａｔｉｏｎから入手可能なＴｙＰｌｙ ＢＮである。

【００２７】図４に示すように、充填材３８は、翼形部周縁部１６ａと同一面又は同延になっていることが好ましく、周縁部と共にその上を流れる空気に曝される連続する空気力学的表面を構成する。 充填材３８は、従って、ポケットの全外周３４ａの周りで金属周縁部１６ａ
に隣接し、下に位置する下塗り剤の端縁を外気に直接曝すことになる。

【００２８】本発明の特に有利な点は、図１から図３に示される幾つかのリブ３６が、充填材３８中に埋没され、従って、下塗り剤が翼形部表面に露出する余分の位置を生じないことである。 従って、下塗り剤が表面に露出するのは、図１に示すポケットの外周３４ａに限定され、幾つかのリブ３６は、充填材の内側に埋没される。
このようにして、充填材自体の外周端縁は範囲が限定され、それに応じてブレードの寿命にわたり劣化を受ける可能性のある充填材位置を限定する。

【００２９】しかしながら、リブ３６を充填材の下方にまたそれによって構成される空気力学的輪郭の下方に埋没することで、金属翼形部の慣性曲げモーメント及びその対応する強度が相応に減少する。

【００３０】好ましい実施形態においては、リブ３６
は、好ましい範囲は約０．５mmから２．５mmである限られた程度まで充填材中に埋没され、図３に示すようにその真上に充填材３８の比較的に薄いウェブ又は帯体を保持する。 このようにして、充填材３８の連続する表面は、外気に曝されて、図１に示すように周縁部１６ａと同延である露出した翼形部第１側面の主要部分を構成する。

【００３１】しかしながら、リブ３６自体は、金属翼形部の一体部分であるから、翼形部自体の構造一体性を実現し、運転中にかなりの荷重を担持する。 ハイブリッドブレードの初期の開発に際して用いられたリブは、強度を維持するために翼形部表面において露出していたので、さらに多くの下塗り剤を環境に露出していた。 それらの初期のリブは、一般的に平行な側壁及びそれに応じて尖った隅部を有しており、運転中にかなりの応力集中及び局部的な応力の増大を生じていた。

【００３２】応力集中を減少させるために、幾つかのリブ３６各々は、図３に詳細に示すように、弧状の横方向断面又は輪郭を有する。 リブ３６は、尖った隅部がなく、全体的に凸状又は外方に丸みが付けられている。

【００３３】各リブ３６は、横断方向、つまり横方向の断面でほぼ対称的であり、充填材３８の水平方向又はほぼ平坦な表面に関して測られた対応する側方傾斜角Ａでテーパが付けられた、つまり傾斜した両側側壁を有する。 リブ側壁は、リブの丸みが付けられた先端から隣接するセル３４ｂの比較的に平坦な底部まで滑らかに傾斜する。

【００３４】各リブ３６の輪郭は、幾つかの目的のために傾斜しかつ連続的である。 本来、リブは、金属翼形部の構造一体性を維持しながら個々のセル３４ｂを分割するために設けられるものである。 リブ側壁の傾斜角Ａが浅すぎるか又は小さすぎる場合には、隣接するポケットの容積はそれに応じて小さくなり、重量削減は限定されるであろう。 傾斜角Ａが鋭すぎるか又は大きすぎる場合には、リブ及び充填材の間の対応する接合面応力が増大するであろう。 そこで、側壁の傾斜角は、接合面応力及び翼形部重量を極力少なくするために必要に応じ等しくするか又は等しくしないかのどちらかにすることが可能である。

【００３５】さらに、リブ３６は、空気力学的表面として充填材の連続性を維持するために充填材３８の露出した表面の下方に埋没され、リブを埋没することで、翼形部断面の慣性曲げモーメントは相応して減少し、またそこでの応力を増大させる可能性がある。

【００３６】従って、リブ先端は運転中に大きい応力を受けやすいが、それが尖った隅を排除するために相応するすみ肉又は半径を備えるように先端を丸めることによる本発明の１つの特徴によって減少される。

【００３７】そして、上述のように、リブの上に接着される充填材帯体の好適な強度及び連続性を維持しながら、翼形部の強度を最大にするように約０．５mmから２．５mmの比較的に小さい範囲で充填材の露出した表面の下方に、リブ３６は埋没される。

【００３８】図１に示される幾つかのリブ３６は充填材３８中に埋没されるので、単一のポケット３４が翼形部表面で露出していて、連続する周囲の外周３４ａを有する。 個々のポケットセル３４ｂは、充填材材料で満たされると埋没されて見えなくなる。

【００３９】上述のように、図１及び図２は、前縁から後縁まで比較的に薄い典型的なファンブレード翼形部輪郭を示す。 前縁２４及び後縁２６自体が薄くて尖っており、その強度を維持するために母材金属材料でのみ形成される。 金属翼形部周縁部１６ａは、前縁及び後縁から内方に延び、その後隣接するポケットセル３４ｂに移行し、翼形部端縁の強度を維持する。

【００４０】図１に示されるように、幾つかのリブ３６
は、翼形部の構造一体性を与えるのに望ましい方向に向けられ、運転中に受ける半径方向、軸方向及び捻れ方向の典型的な荷重に抗する。 また、運転中にファンブレードが受ける荷重は、一般的に翼形部前縁２４への鳥の衝突によるような異物損傷（ＦＯＤ）により生じる可能性がある。

【００４１】重量を減少させるポケットをその中に有する翼形部の構造一体性をさらに向上させるために、図１
に最初に示したように、ポケット３４は、ポケット外周３４ａの周りに連続して延びポケットを金属周縁部１６
ａに移行させる埋没された棚部３４ｃを含むことが好ましい。

【００４２】好ましい実施形態における棚部３４ｃの断面図が、図４に詳細に示される。 棚部３４ｃは、翼形部周縁部１６ａの表面からポケットの内方に傾斜角Ｂで傾斜している。 このようにして、棚部は、外周３４ａを構成するポケット端縁からはじまるはっきり区別できる傾斜又は斜面を構成し、翼形部周縁部１６ａから金属翼形部が厚さを減ずる対応するポケットセル３４ｂ中への滑らかな移行をもたらす。

【００４３】このようにして、比較的に尖った隅部又は金属連続性における急激な変化が、減少し又は排除され、それに応じて充填材及び金属周縁部１６ａの接合箇所での応力集中を減少させる。 ファンブレードの運転中に生じる、鳥の衝突荷重を含む様々な荷重が、このようにして前縁及び後縁の間でかつ翼根元から翼先端までの金属翼形部によってより効率的に担持され、ポケットの外周の周りあるいはそのセル３４ｂの外周の周りのいずれにも、又は個々の埋没されたリブ３６に沿って、際立った応力集中を生じることもない。

【００４４】図１に示すように、棚部３４ｃは、幾つかのポケットセル３４ｂに沿って、同時にポケット外周と交差する埋没されたリブ３６に沿って、ポケットの外周３４ａから内方に傾斜している。

【００４５】このようにして、別個の棚部３４ｃが、ポケット外周３４ａ及び金属周縁部１６ａの周りに連続して設けられ、金属周縁部から対応するポケット及びリブへの滑らかに移行をもたらす。

【００４６】図４に示すように、棚部３４ｃは、隣接するポケットセル３４ｂのその交点における傾斜角Ｃと好ましくは異なる傾斜角Ｂを有する。 棚部の傾斜Ｂは、そこでのセル傾斜Ｃより小さく、別個のほぼ平坦な棚部をポケットの全周及び隣接する金属周縁部の周りに設けることが好ましい。

【００４７】別個の棚部は、従って、金属周縁部においてセル及びリブが浅く連続することを確実にし、応力集中を減少させる。 また、別個の棚部は、コンピュータ制御機械で容易に定められ、その正確な製造をもたらす。

【００４８】図３及び図４に示すように、リブ傾斜角Ａ
もまた、棚部傾斜角Ｂとは異なることが好ましく、リブ傾斜は、棚部傾斜より大きいことが好ましい。 リブ及び棚部傾斜は、異なる機能を果たすので相応して価値が異なる。 浅い棚部傾斜Ｂは、金属翼形部の構造一体性及び前縁と後縁並びに翼根元と翼形部先端の間の構造荷重経路の連続性を向上させるのに好都合である。 大きいリブ傾斜は、隣接するポケットセル３４ｂの容積を最大にし、依然としてリブ自体での許容できない大きな応力集中を生じることなく、ブレード重量を減少させるのに好都合である。

【００４９】図１に示すように、幾つかのリブ３６の全てが、充填材３８中に実質的に均等に埋没され、図３に示すようにリブの上に同様に厚い充填材帯体を設けることが好ましい。 埋没されたリブは、図４に示すようにポケット棚部３４ｃにおいて金属周縁部１６ａと連続する。

【００５０】棚部傾斜角Ｂは、浅く、かつ約２０度より小さいか又はそれに等しいことが好ましく、例えば約１
５度であることが好ましい。 ポケット棚部におけるセル傾斜角Ｃは、好ましい実施形態では、棚部傾斜角Ｂより約２度から７度だけ僅かに大きい。

【００５１】同様に、図３に示すリブ傾斜角Ａは、約６
０度より小さいか又はそれに等しいことが好ましく、好ましい実施形態では約２０度である。

【００５２】埋没され傾斜したリブは、上述のハイブリッドファンブレードの構造一体性において、翼形部強度を維持しながらかなりの重量削減を可能にする実質的な改良をもたらす。 リブにおける応力集中は、その弧状の輪郭により実質的に減少し、またポケット及びその周りの隣接する金属周縁部の間の傾斜した接合面は、応力集中をさらに減少させ、翼形部の構造一体性を高める。 多重セルポケット中に接着された充填材は、翼形部第１側面の主要部分を構成し、また空気力学的表面の残りの部分を構成する周囲の金属周縁部１６ａと同延でありかつ同一面になっている、外気に曝される連続する表面を有する。 充填材の下の露出した下塗り剤は、ポケット外周３４ａだけに限られて、充填材の端縁が損傷を受ける可能性がある箇所を実質的に減少させる。

【００５３】本発明の好ましい例示的な実施形態であると考えられるものをここに述べてきたが、本発明の別の変形形態が、本明細書の教示から当業者には明らかになるはずであり、従って、本発明の技術思想及び技術的範囲にある全てのかかる変形形態が添付の特許請求の範囲で保護されることが望まれる。

【００５４】従って、特許で保護されることが望まれるものは、特許請求の範囲に記載され特定される発明である。

【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、その中に充填材を含む多重セルポケットを含む例示的なガスタービンエンジンのハイブリッドファンブレードの正面図。

【図２】 図１に示す翼形部の、ほぼ線２−２に沿う中間翼長部分の半径方向断面図。

【図３】 図２に示す符号３を付した破線の円内の翼形部の例示的な埋没されたリブの拡大半径方向断面図。

【図４】 本発明の例示的な実施形態による、図２の符号４を付した破線の円内に示される、前縁の近傍の金属周縁部に隣接するポケットの拡大半径方向断面図。

【符号の説明】

１６ａ 周縁部 １８ 負圧側面 ２４ 前縁 ３４ａ 外周 ３４ｂ セル ３４ｃ 棚部 ３６ リブ ３８ 充填材 Ｂ 棚部の傾斜角 Ｃ セルの傾斜角

フロントページの続き (72)発明者 ウェンディー・ウェン−リン・リン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、エスティー・デビッズ・レーン、 776番 Ｆターム(参考） 3G002 BA02 BA07 BB02 3H033 AA02 AA16 BB03 BB08 DD03 DD26 DD27 EE11