JP7223386B2

JP7223386B2 - ファンブレード及びエンジン

Info

Publication number: JP7223386B2
Application number: JP2017240788A
Authority: JP
Inventors: 拓哉水野; 正弘北條; 正也鈴木
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2023-02-16
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: JP2019108818A; WO2019116671A1; US11396844B2; US20200386159A1

Description

本発明は、例えば航空機に用いられるファンブレード、エンジン及び防氷・除氷機能付き構造体に関する。

航空機は高空の低温環境での飛行を行うため、着氷現象が発生する。それ故、機体やエンジンには防氷システムや除氷システムが搭載されている。このようなシステムとして、以下の技術が開示されている。
非特許文献１には、エンジンの圧縮機から抽気された高温空気（ブリード・エアー）を活用した技術が開示されている。
非特許文献２には、電熱線等を張り付ける電熱ヒータを用いた技術が開示されている。
非特許文献３には、防氷ブーツなどの主翼や尾翼の前縁に取り付けたゴム膜に空気を送り込んで膨らませ、形状変化を活用する技術が開示されている。
特許文献１や２には、着氷し易い部位に事前にコーティングを塗布する技術、或いは焼き付けまたはナノ構造ピン加工を用いた技術が開示されている。
特許文献３には、アクチュエータ等の機械的振動を活用する技術が開示されている。

特開２０１２－２６３８１号公報（コーティング）国際特許公開Ｗ０２００８０８７８６１号公報（ナノ構造ピン加工）米国特許公開ＵＳ２０１３０３２６７１号公報

日本航空技術学会，「航空工学講座３航空機システム」，Ｐ１６３日本航空技術学会，「航空工学講座８ジェットエンジン（構造編）」，Ｐ１２０日本航空広報部，「航空実用辞典」，朝日ソノラマ，Ｐ１３３－１４４

ブリード・エアーを活用した技術に関しては、エンジン出力が低いときには抽気した空気温度も低いため、防氷や除氷の効果が低下する。また、抽気によりエンジン出力が低下するため、燃料流量が増え燃料消費率が増加するというデメリットがある。

電熱ヒータを用いた技術に関しては、機体の翼などの中空構造物は電熱ヒータを内部に張り付けなどの加工が可能であるが、エンジンのファンのように薄い部材に関しては加工が難しく、表面に貼ると空力的に影響を及ぼすため現実的でない。

防氷ブーツを用いた技術に関しては、作動させるためにエンジンの圧縮機からの抽気を使用するが、そのため翼内部に機械的な構造が必要になり構造的に複雑になる。また、ブーツは２～３年周期で交換しなければならない。
コーティングや焼き付けまたはナノ構造ピン加工を用いた技術に関しては、特に耐久性の面から、エンジンのファンブレーへの適用が厳しい。
アクチュエータ等の機械的振動を活用した技術に関しては、構造的に複雑になるため、メンテナンス性の問題や重量増の問題がある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、簡単な構造で、かつ、効率よく防氷や除氷を行うことができるファンブレード、エンジン及び防氷・除氷機能付き構造体を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るファンブレードは、エンジンの吸気口側に配置されるファンブレードであって、炭素繊維強化プラスチックからなるファンブレード本体と、前記ファンブレード本体の加熱領域の前縁側及び後縁側に設けられ、前記ファンブレード本体に電流を流すための一対の通電部とを具備する。

本発明の一形態に係るファンブレードは、炭素繊維強化プラスチック（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ：ＣＦＲＰ)の炭素繊維が導電性であり、マトリックス材のエポキシなどの樹脂材が絶縁性であり、そのため電流を流すことで発熱する性質を利用したものである。すなわち、ＣＦＲＰからなるファンブレード本体の前縁側及び後縁側にファンブレード本体に電流を流すための一対の通電部を設け、これらの間に電圧を印加して電流を流すことでファンブレード本体を加熱し、防氷や除氷を行う。従って、簡単な構造で防氷や除氷を行うことができる。

加熱により防氷や除氷を行う領域については、一対の通電部を取り付ける位置が調整可能である。そのため、ファンブレード本体の加熱領域に一対の通電部を取り付けることで、着氷現象が発生する部位である加熱領域に効率よく適用できる。

本発明の一形態に係るファンブレードでは、一対の通電部への印加電圧や電流を制御することで加熱領域の温度をコントロールすることができる。そのため、防氷のために使用するなら外気温に応じて印加電圧や電流の制御を行い、除氷を行うなら着氷量に応じて印加電圧や電流の制御を行えばよい。
以上より、本発明の一形態に係るファンブレードは、簡単な構造で、かつ、効率よく防氷や除氷を行うことができる。

本発明の一形態に係るファンブレードでは、前記ファンブレード本体は、前記一対の通電部に対応する各位置に、前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維が露出する炭素繊維露出部位を有し、前記一対の通電部は、各前記炭素繊維露出部位に配置され、前記ファンブレード本体に電流を流すための一対の電極と、前記一対の電極と各前記炭素繊維露出部位とをそれぞれ接着する導電性ペーストとを有するものであってもよい。

導電性ペーストにより電極とファンブレード本体とを接着することで、炭素繊維との接着性及び接触面積が増大することから、電極とファンブレード本体との取り付け箇所における局所的な温度上昇及び導通不良を防止し、電力消費を抑えることができる。これにより、低電圧でも効果的な温度上昇を得ることができる。

本発明の一形態に係るファンブレードでは、前記ファンブレード本体の前縁側と共に、前記一対の電極のうち前記前縁側の電極を覆うシースと、前記ファンブレード本体の後縁側と共に、前記一対の電極のうち前記後縁側の電極を覆うガードとを更に具備してもよい。

電極をシースやガードで覆う構成を採用することによって、電極による空力的な悪影響を避けることができる。シース及びガードの部材として剛性を有する導電性の金属を採用することで、より効率よく加熱できる。

本発明の一形態に係るファンブレードでは、前記一対の通電部は、前記ファンブレード本体の前縁側を覆う導電性金属からなるシースと、前記ファンブレード本体の後縁側を覆う導電性金属からなるガードと、前記ファンブレード本体の加熱領域の前縁側及び後縁側であって、前記シースとの間及び前記ガードとの間にそれぞれ介在された第１及び第２の導電性ペーストと、前記シース及び前記ガードのファンディスクに近い領域にそれぞれ接続され、前記シース及び前記第１の導電性ペースト、並びに前記ガード及び前記第２の導電性ペーストを介して前記ファンブレード本体に電流を流すための一対の電極とを有し、前記ファンブレード本体と前記シースとの間及び前記ガードとの間であって、前記第１及び第２の導電性ペーストが介在されていない領域に介在された絶縁性ペーストを更に具備するものであってもよい。
これにより、電極線の敷設長さを短くすることが可能である。

本発明の一形態に係るエンジンは、回転軸と、回転軸の吸気口側に設けられたファンディスクと、前記ファンディスクに対して着脱可能に取り付けられ、炭素繊維強化プラスチックからなるファンブレード本体と、前記ファンブレード本体の加熱領域の前縁側及び後縁側に設けられ、前記ファンブレード本体に電流を流すための一対の通電部とを有するファンブレードと、前記通電部ごとに前記ファンディスク側及び前記ファンブレード側にそれぞれ設けられ、前記ファンブレードが前記ファンディスクに取り付けられたときに相互に電気的に接続して前記ファンディスク側の電源と前記通電部とを通電するための一対の接続端子とを具備する。
これにより、簡単な構造で、かつ、効率よく防氷や除氷を行うことができる。

発明の一形態に係るエンジンでは、前記ファンディスクは、前記ファンブレードのダブテールが係止される係止溝を有し、前記一対の接続端子は、それぞれ前記係止溝の底部及び前記ダブテールの端面に弾性力をもって接触するように設けられている。
これにより、ファンブレードの交換を簡単な作業で行うことができる。

発明の一形態に係るエンジンでは、前記回転軸の前方側先端に設けられ、前記ファンディスク側の電源となるバッテリを収容するスピナーを更に具備するものであってもよい。
これにより、電力供給のための構成を簡単にすることができる。

発明の一形態に係るエンジンでは、前記回転軸に取り付けられ、前記ファンディスク側の電源を外部から供給するために用いられるスリップリングを更に具備するものであってもよい。
これにより、外部から電力供給をすることが可能となる。

本発明の一形態に係る防氷・除氷機能付き構造体は、炭素繊維強化プラスチックからなり、気体が流れにより着氷領域を有する板状部材と、前記着氷領域を含むように前記板状部材の表面に接続され、前記板状部材に電流を流すための一対の通電部とを具備する。

防氷・除氷機能付き構造体としては、ファンブレード、エンジン、航空機用エンジンナセル、圧縮機静翼、機体の翼、風力発電用タービンブレード等がある。

本発明によれば、簡単な構造で、かつ、効率よく防氷や除氷を行うことができる。

本発明の一実施形態に係るジェットエンジンの構成を示す概略図である。図１に示したファンブレード単体の基本的な構成を示す側面図である。本発明の一実施形態に係るファンブレードの構成を示す概略図である。図３に示したファンブレードの変形例を示すである。図３に示したファンブレードの別の変形例を示す図である。ファンディスクにファンブレードを取り付けた状態を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係るファンブレードへの電源供給のための配線の構成を説明するための図である。本発明の一実施形態に係るファンブレードへの電源供給の構成を説明するための図である。本発明の一実施形態に係るファンブレードへの電源供給の他の構成を説明するための図である。本発明の他の実施形態に係るファンブレードの構成を示す概略図である。本発明に係る通電部の構成を示す図である。本発明に係る通電部の他の構成を示す図である。本発明に係る実験例を示す写真である。図１３で説明した実験結果を示すグラフである。図１３で説明した実験結果を示すグラフである。図１３で説明した実験結果を示すグラフである。図１３で説明した実験結果を示す写真である。本発明に係る他の実験例を示す写真である。図１８で説明した実験結果を示すグラフである。図１８で説明した実験結果を示すグラフである。図１８で説明した実験結果を示すグラフである。図１８で説明した実験結果を示す写真である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
［ジェットエンジンの構成］

図１は本発明の一実施形態に係るジェットエンジンの構成を示す概略図である。
ジェットエンジン１は、回転軸としての低圧軸２及び高圧軸３が中心に配置されている。
低圧軸２には、吸気口４側よりスピナー５、ファンディスク６、低圧圧縮機９及低圧タービン１５が取り付けられ、ファンディスク６の外周には複数のファンブレード８がダブテール７を介して取り付けられている。

ファンブレード８の下流には、低圧圧縮機９、高圧圧縮機１１、燃焼器１３、高圧タービン１４、低圧タービン１５、ストラット１６、コアノズル１７が配置され、これらの外周でエンジンナセル１８との間の別流路には、ファン出口案内翼１０、バイパスノズル１２が配置されている。
高圧軸３には、高圧圧縮機１１、高圧タービン１４が取り付けられている。

このように構成されたジェットエンジン１では、吸気口４付近のスピナー５やファンブレード８で過冷却水滴による着氷が発生する。このような着氷によって、形状変化による空力性能の低下や剥がれた氷塊のよる機械的損傷が問題となる。下記に示すファンブレード８はこの問題を解決するものである。

［ファンブレードの構成］
図２は図１に示したファンブレード単体の基本的な構成を示す側面図である。図３は本発明の一実施形態に係るファンブレードの構成を示す概略図である。
ファンブレード８は、エンジンの吸気口４側に配置される。ファンブレード８は、ファンブレード本体２１と、ファンブレード本体２１の前縁２４側に配置されたシース２２と、ファンブレード本体２１の後縁２５側に配置されたガード２３とを有する。

ファンブレード本体２１は、炭素繊維強化プラスチック（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ：ＣＦＲＰ、以下「ＣＦＲＰ」と呼ぶ。)からなり、典型的には板状中実の成形品である。ＣＦＲＰは、例えば強化繊維としての炭素繊維を疑似等方性に積層し、マトリックスとしてエボキシ樹脂を使用したものである。

シース２２は、剛性を有する導電性の金属からなり、ファンブレード本体２１の前縁２４側で、その基部であるハブ側２６からその先端であるチップ側２７に及ぶ領域を覆う。
ガード２３は、同じく剛性を有する導電性の金属からなり、ファンブレード本体２１の後縁２５側で、ハブ側２６からチップ側２７に及ぶ領域を覆う。

シース２２及びガード２３は本来的にはバードストライクに対応するための部品である。本実施形態に係るファンブレード８では、シース２２とガード２３とは接触しないように分離され、両者は電気的に絶縁状態にある。

この実施形態に係るファンブレード８は、図３に示すように、ファンブレード本体２１の加熱領域３６の前縁２４側及び後縁２５側に設けられ、ファンブレード本体２１に電流を流すための一対の通電部３１、３２を有する。

ここで、航空機のジェットエンジン１のファンブレード８では、前縁２４のハブ側２６は回転速度が遅いため着氷量が一番多くなり、チップ側２７は回転逮度が速く、遠心力等により氷が剥がれ易いため堆積し難いという傾向がある。そのため、加熱領域３６は、典型的には前縁２４側でハブ側２６に近い位置にある。この加熱領域３６での防氷や除氷対策が重要である。

通電部３１、３２は、加熱領域３６の前縁２４側及び後縁２５側で、それぞれファンブレード本体２１の表面とシース２２の裏面との間、ファンブレード本体２１の表面とガード２３の裏面との間に挟まれるように配置されている。

通電部３１、３２は、それぞれ絶縁被覆付き電線３３、３４の先端の絶縁被覆を除去して構成される電極を、ファンブレード本体２１の表面とシース２２の裏面との間、ファンブレード本体２１の表面とガード２３の裏面との間を、導電性ペースト（図示を省略）を介して接着して構成される。ここで、ファンブレード本体２１は、通電部３１、３２に対応する各位置に、炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維が露出する炭素繊維露出部位を有する。この炭素繊維露出部位は、例えば当該箇所において絶縁性であるエポキシ樹脂を削り、導電性である炭素繊維剥き出しにすることにより構成される。そこに、更に導電ペーストを使うことにより効率よく炭素繊維に電流を流せるようになる。

通電部３１には、絶縁被覆付き電線３３を介して電源３５より例えばマイナス電圧が印加され、通電部３２には、絶縁被覆付き電線３４を介して電源３５より例えばプラス電圧が印加され、通電部３１、３２の間のファンブレード本体２１には電圧が印加されたことで電流が流れ、ファンブレード本体２１自体がその抵抗によって発熱する。発熱によって加熱される領域が加熱領域３６を含む、或いは加熱領域３６が発熱によって加熱される領域を含む。
通電部３１にプラス電圧が印加され、通電部３２にマイナス電圧が印加されるように構成してもよい。

本実施形態に係るファンブレード８では、ファンブレード本体２１がＣＦＲＰからなり、導電性であることから、そのため電流を流すことで発熱する性質を利用したものである。すなわち、ＣＦＲＰからなるファンブレード本体２１の前縁２４側及び後縁２５側にファンブレード本体２１に電流を流すための一対の通電部３１、３２を設け、これらの間に電源３５より電圧を印加して電流を流すことでファンブレード本体２１を加熱し、加熱領域３６の防氷や除氷を行う。その際に、ＣＦＲＰ自身（ファンブレード本体２１）による発熱とその熱がＣＦＲＰ（ファンブレード本体２１）を伝って流れ広がる熱伝導、また、シース２２及びガード２３部分に熱伝導として伝わるものがあり、それぞれの熱が防氷や除氷として働く。これにより、加熱領域３６の防氷や除氷が行われる。

このような加熱により防氷や除氷を行う加熱領域３６については、一対の通電部３１、３２を取り付ける位置によって調整が可能である。すなわち、シース２２及びガード２３とファンブレード本体２１との間に絶縁被覆付き電線３３、３４を敷設し、加熱対象となる領域に合わせ、絶縁被覆付き電線３３、３４の先端の電極とファンブレード本体２１との接点（電極）位置を調整する。

例えば、前縁２４側のハブ側２６で防氷や除氷を行なう場合、図４に示すように前縁２４側・後縁２５側双力の電極（通電部３１、３２）の位置をハブ側２６寄りに設置する。そうすることで前縁２４側のハブ側２６での防氷や除氷が効率的に実施される。

また、前縁２４側の加熱領域３６及び翼面上での加熱領域３６の拡大を行うために、図５に示すように、通電部３１と通電部３２との位置をずらすように構成してもよい。そうすることで前縁２４及び後縁２５において、ハブ側２６からチップ側２７まで広範囲に防氷や除氷が実施される。

通電部３１、３２は、それぞれ絶縁被覆付き電線３３、３４の先端の絶縁被覆を除去して構成される電極を、導電性ペースト（図示を省略）を介して対象部位に接着しているので、電流が流れやすくなる。導電性ペーストは、例えば銅テープで電極を取り付けたものと異なり、加工面の細かい凹凸まで導電性物質が入り込んだことにより、導通面積が大きくなり、結果として抵抗が小さくなり電流が流れやすくなり、局所的な温度上昇及び導通不良を防止し、電力消費を抑えることができる考えられる。なお、導電性ペーストを使わず銅テープで張り付けた場合は同じ電圧でも殆ど暖まらないことを確認している。特に、ジュール熱と考えれば、電流は二乗で効いてくるので、同じ印加電圧でいかに電流を流せるようにするかということが重要である。よって、導電性ペーストにより電極とファンブレード本体２１等とを接着することの効果は大きいと考えられる。

また、本実施形態に係るファンブレード８では、絶縁被覆付き電線３３、３４を通してファンブレード本体２１に供給される電圧もしくは電流の大きさを変えることで、加熱領域３６の発熱温度及び発熱の速さの調整が可能である。

［ファンブレードのファンディスクへの取り付け・電源供給］
図６はファンディスク６にファンブレード８を取り付けた状態を示す斜視図であり、図７はファンブレード８への電源供給のための配線の構成を説明するための図であり、図８はファンブレード８への電源供給の構成を説明するための図である。

図６に示すように、ファンディスク６は、ファンブレード８に取り付けられたダブテール７が係止される係止溝４１を有する。ダブテール７の端面と係止溝４１の底部との間には隙間を有する。

ダブテール７を前縁２４側から係止溝４１に入れ（図８の矢印を参照）、ファンブレード８を後縁２５側に滑らせることで、ダブテール７が係止溝４１に係止し、ファンブレード８がファンディスク６に取り付けられる。
図７に示すように、ファンブレード８のハブ側２６には、プラットフォーム４３及びシャンク４２を介してダブテール７が取り付けられている。

ダブテール７の端面には、前縁２４側及び後縁２５側のそれぞれに絶縁シート４６ａ、４９ａを介して接続端子４６、４９が取り付けられている。接続端子４６は、前縁２４側の通電部３１と絶縁被覆付き電線３３を介して接続されている。絶縁被覆付き電線３３は、プラットフォーム４３及びシャンク４２の前縁２４側に配線される。接続端子４９は、後縁２５側の通電部３２と絶縁被覆付き電線３４を介して接続されている。絶縁被覆付き電線３４は、プラットフォーム４３及びシャンク４２の後縁２５側に配線される。

図８に示すように、ファンディスク６の係止溝４１の底面には、前記の接続端子４６、４９に対応する位置にそれぞれ絶縁シート５１ａ、５２ａを介してＶ字接点金具（接続端子）５１、５２が設けられている。

ダブテール７を係止溝４１に係止し、ファンブレード８がファンディスク６に取り付けられると、接続端子４６、４９がそれぞれＶ字接点金具５１、５２に接触して押圧する。これにより、接続端子４６、４９とＶ字接点金具５１、５２とは、それぞれ係止溝４１の底部及びダブテール７の端面で弾性力をもって接触する。

スピナー５内には、電源となるバッテリ５３が収容され、バッテリ５３とＶ字接点金具５１、５２とはそれぞれファンディスク６及びスピナー５内を通る絶縁被覆付き電線４５、４８を介して接続されている。これにより、ファンブレード本体２１に加熱用の電力が供給される。このような構成を採用することで、電力供給のための構成を簡単にすることができる。

図９はファンブレード８への電源供給の他の構成を説明するための図である。
この構成は、外部である既存の電源系統６２からファンブレード本体２１の加熱用の電力が供給するものである。この構成では、スリップリング６１が回転軸である低圧軸２に取り付けられ、スリップリング６１を介してファンブレード本体２１の加熱用の電力を既存の電源系統６２から供給している。これにより、外部から電力を供給することが可能となる。

［ファンブレードの他の構成］
図１０は本発明の他の実施形態に係るファンブレードの構成を示す概略図である。このファンブレード８００において、図２及び図３に示したファンブレード８と同じ要素には同一の符号を付している。

ファンブレード８００は、一対の通電部３１０、３２０を有する。
これら通電部３１０、３２０は、シース（図示せず）と、ガード（図示せず）と、第１及び第２の導電性ペースト７１、７２と、一対の電極と３１１、３２１とから構成される。

シースは、剛性を有する導電性金属からなり、ファンブレード本体２１の前縁２４側を覆う。ガードは、同様に剛性を有する導電性金属からなり、ファンブレード本体２１の後縁２５側を覆う。

第１及び第２の導電性ペースト７１、７２は、ファンブレード本体２１の加熱領域３６の前縁２４側及び後縁２５側であって、シースとの間及びガードとの間にそれぞれ介在される。

一対の電極と３１１、３２１は、シース及びガードのファンディスクに近い領域（ハブ側２６に近い領域）にそれぞれ接続され、シース及び第１の導電性ペースト７１、並びにガード及び第２の導電性ペースト７２を介してファンブレード本体２１に電流を流すためのものである。

更に、このファンブレード８００は、ファンブレード本体２１とシースとの間及び前記ガードとの間であって、第１及び第２の導電性ペースト７１、７２が介在されていない領域に介在された絶縁性ペースト７３、７４を有する。なお、図中符号７３、７４で示す斜線部が、絶縁性ペーストが介在された領域である。

図２及び図３に示したファンブレード８ではＣＦＲＰからなるファンブレード本体２１に電圧を印加する電極まで電極線（絶縁被覆付き電線３３、３４）を利用したが、この実施形態に係るファンブレード８００では、シース及びガードを電極線として転用している。その場合、絶縁被覆付き電線３３、３４とシース及びガードとの電極３１１、３２１をハブ側２６に近い位置に持ち、そこからシース及びガードに電圧を供給する。また、シース及びガードとＣＦＲＰからなるファンブレード本体２１との接着には導電性ペースト７１、７２と絶縁性ペースト７３、７４の２種類を使用し、シース及びガードとＣＦＲＰからなるファンブレード本体２１との電極を持つ箇所（ファンブレード本体２１に電圧を印加する筒所）に導電性ペースト７１、７２を、それ以外の箇所には絶縁性ペースト７３、７３を使用する。このようにすることで、電極線（絶縁被覆付き電線３３、３４）の敷設長さを短くすることが可能である。
［通電部の構成］
図１１は本発明に係る通電部の構成例を示す図である。また、図１２は本発明に係る通電部の他の構成例を示す図である。

最初の実施形態においては、通電部３１、３２の電極を平らなファンブレード本体２１に導電性ペースを介して接続するように構成してもよいが、電極とＣＦＲＰからなるファンブレード本体２１との間で電流を流れやすくするためには、電極とＣＦＲＰからなるファンブレード本体２１との接触面積を大きくすることが望ましい。

例えば、図１１に示すように、ＣＦＲＰからなる板状のファンブレード本体２１の端部２１ａに電極（通電部３１、３２）を取り付ける場合、端部２１ａに楔状の溝８０を設け、この溝８０内において電極（通電部３１、３２）とファンブレード本体２１とを導電性ペースト８１を使って接着するようにしてもよい。

また、図１２に示すように端部２１ａに斜めに加工された溝８２を設け、この溝８２内において電極（通電部３１、３２）とファンブレード本体２１とを導電性ペースト８１を使って接着するようにしてもよい。
これにより、エポキシ樹脂を削って炭素繊維を剥き出しにできると共に、電極（通電部３１、３２）とＣＦＲＰからなるファンブレード本体２１の炭素繊維との接触面積を大きくすることが可能となる。

［実験結果］
図１３は本発明に係る実験例を示す写真である。図１４～図１６は図１３で説明した実験結果を示すグラフであって、印加電圧を０．５Ｖ、１Ｖ、１．５Ｖと変えた際の経過時間に対する温度変化を表したグラフである。図１７は図１３で説明した実験結果を示す写真であって、印加電圧１Ｖで１５分経過した後のサーモカメラによる計測結果である。

図１８は本発明に係る他の実験例を示す写真である。図１９～図２１は図１８で説明した実験結果を示すグラフであって、印加電圧を０．５Ｖ、１Ｖ、１．５Ｖと変えた際の経過時間に対する温度変化を表したグラフである。図２２は図１８で説明した実験結果を示す写真であって、印加電圧１Ｖで１５分経過した後のサーモカメラによる計測結果である。

ＣＦＲＰ試験片を用い、図１３及び図１８に示すように両端に電圧をかけた際の温度上昇結果をそれぞれ図１４～図１６及び図１９～図２１に示す。試験片は、長さ２００ｍｍ、幅５８ｍｍ、厚さ４．６ｍｍ、強化繊維には炭素繊維を使用して０°、９０°、±４５°（疑似等方性）に積層されており、マトリックスとしてエポキシ樹脂を使用したものである。試験片の両端部を楔状に切削加工し、炭素繊維を剥き出しにした状態で導電性ペーストを使用し、電極をＣＦＲＰの楔状箇所に接着している。

図１４～図１６及び図１９～図２１から、電流が炭素繊維を直接流れる領域は温度勾配が大きく温度も高くなり、応答性も良い。電流が流れない領域については、熱伝導により緩やかに温まる特性がある。
図１４～図１６及び図１９～図２１から電圧を制御することで温度勾配及び最大温度も変えることができるため、簡易に防氷や除氷を行うことが可能である。

図１７及び図２２のサーモカメラ計測結果より、電極位置を変えることで加熱領域を簡易に制御することができることがわかる。これにより、経験的に着氷が発生する領域に合わせ電極を取付け、効率的に防氷や除氷を行うことが可能である。

［その他］
近年航空機の機体重量の５０％近くでＣＦＲＰが利用されており、エンジンでも熱の影響が少ないファンブレード等においてＣＦＲＰが使用されている。従来防氷や除氷技術が適用されている筒所でＣＦＲＰが使用可能、もしくは使用されているならば、ＣＦＲＰの発熱特性を利用し、防氷や除氷が可能である。

すなわち、本発明はＣＦＲＰが適用されている部位において電極を取付け、ＣＦＲＰ内に電流を流すことで発熱し防氷や除氷を行うものである。そのため、ＣＦＲＰ上に新たに電熱線を貼付ける必要がない。それ故、加工が容易であること、本来の外形形状を維持できることがメリットである。外形形状が維持できることは、航空機における翼、エンジンのファンブレード等において、空力的に最適な形状を維持できることにもなり、特に層流翼への適用には向いている。

また、ＣＦＲＰは熱膨張率が殆どゼロに近いため、発熱した際形状変化が少ない。そのため、空力的影響が少ないこと、エンジンのファンブレードの場合、ファンケースとファンチップとのクリアランスを維持できる。

更に、本発明は広く様々分野に適用することができる。本発明は、防氷・除氷機能付き構造体として広く適用することが可能であり、すなわち炭素繊維強化プラスチックからなり、気体が流れにより着氷領域を有すると、前記着氷領域を含むように前記板状部材の表面に接続され、前記板状部材に電流を流すための一対の通電部とを具備すればよい。板状部材は、板状中実部材であってもよく、板状中空部材であってもよい。板状中実部材は中空部材に比べ構造的に薄い翼型形状が成形でき、また、薄いが故に熱の伝わりが速く、消費電力が少なくて済むなどの利点が考えられる。
防氷・除氷機能付き構造体としては、ファンブレード、エンジン、航空機用エンジンナセル、圧縮機静翼、機体の翼、風力発電用タービンブレード等がある。
本発明は、上記の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内で変形や応用が可能であり、その範囲も本発明の技術的範囲に属する。

１：ジェットエンジン
２：低圧軸
４：吸気口
５：スピナー
６：ファンディスク
７：ダブテール
８：ファンブレード
２１：ファンブレード本体
２２：シース
２３：ガード
２４：前縁
２５：後縁
３１：通電部
３２：通電部
３５：電源
３６：加熱領域
４１：係止溝
４６：接続端子
４９：接続端子
５３：バッテリ
６１：スリップリング
７１：第１の導電性ペースト
７２：第２の導電性ペースト
７３：絶縁性ペースト
７４：絶縁性ペースト
８０：溝
８１：導電性ペースト
８２：溝
３１０：通電部（シース）
３１１：電極
３２０：通電部（ガード）
３２１：電極
８００：ファンブレード

Claims

エンジンの吸気口側に配置されるファンブレードであって、
炭素繊維強化プラスチックからなり、電流を流すことで発熱する性質を有するファンブレード本体と、
前記ファンブレード本体の加熱領域の前縁側及び後縁側に設けられ、前記ファンブレード本体を構成する炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に接続され、当該ファンブレード本体の炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すための一対の通電部と
を具備し、
前記一対の通電部より前記ファンブレード本体の炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで、前記ファンブレード本体の炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維を発熱させて前記ファンブレード本体の加熱領域を加熱するファンブレードであって、
前記一対の通電部は、
前記ファンブレード本体の前縁側を覆う導電性金属からなるシースと、
前記ファンブレード本体の後縁側を覆う導電性金属からなるガードと、
前記ファンブレード本体の加熱領域の前縁側及び後縁側であって、前記シースとの間及び前記ガードとの間にそれぞれ介在された第１及び第２の導電性ペーストと、
前記シース及び前記ガードのファンディスクに近い領域にそれぞれ接続され、前記シース及び前記第１の導電性ペースト、並びに前記ガード及び前記第２の導電性ペーストを介して前記ファンブレード本体に電流を流すための一対の電極と
を有し、
前記ファンブレード本体と前記シースとの間及び前記ガードとの間であって、前記第１及び第２の導電性ペーストが介在されていない領域に介在された絶縁性ペースト
を具備するファンブレード。
回転軸と、
回転軸の吸気口側に設けられたファンディスクと、
前記ファンディスクに対して着脱可能に取り付けられ、炭素繊維強化プラスチックからなり、電流を流すことで発熱する性質を有するファンブレード本体と、前記ファンブレード本体の加熱領域の前縁側及び後縁側に設けられ、前記ファンブレード本体を構成する炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に接続され、当該ファンブレード本体の炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すための一対の通電部とを有し、前記一対の通電部より前記ファンブレード本体の炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維に電流を流すことで、前記ファンブレード本体の炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維を発熱させて前記ファンブレード本体の加熱領域を加熱するファンブレードと、
前記通電部ごとに前記ファンディスク側及び前記ファンブレード側にそれぞれ設けられ、前記ファンブレードが前記ファンディスクに取り付けられたときに相互に電気的に接続して前記ファンディスク側の電源と前記通電部とを通電するための一対の接続端子と
を具備するエンジンであって、
前記一対の通電部は、
前記ファンブレード本体の前縁側を覆う導電性金属からなるシースと、
前記ファンブレード本体の後縁側を覆う導電性金属からなるガードと、
前記ファンブレード本体の加熱領域の前縁側及び後縁側であって、前記シースとの間及び前記ガードとの間にそれぞれ介在された第１及び第２の導電性ペーストと、
前記シース及び前記ガードのファンディスクに近い領域にそれぞれ接続され、前記シース及び前記第１の導電性ペースト、並びに前記ガード及び前記第２の導電性ペーストを介して前記ファンブレード本体に電流を流すための一対の電極と
を有し、
前記ファンブレード本体と前記シースとの間及び前記ガードとの間であって、前記第１及び第２の導電性ペーストが介在されていない領域に介在された絶縁性ペースト
を具備するエンジン。
請求項２に記載のエンジンであって、
前記ファンディスクは、前記ファンブレードのダブテールが係止される係止溝を有し、
前記一対の接続端子は、それぞれ前記係止溝の底部及び前記ダブテールの端面に弾性力をもって接触するように設けられている
エンジン。
請求項２又は３に記載のエンジンであって、
前記回転軸の前方側先端に設けられ、前記ファンディスク側の電源となるバッテリを収容するスピナー
を更に具備するエンジン。
請求項２又は３に記載のエンジンであって、
前記回転軸に取り付けられ、前記ファンディスク側の電源を外部から供給するために用いられるスリップリング
を更に具備するエンジン。