JP7500118B2 - Fan blades, engines and structures with anti-icing and de-icing functions - Google Patents
Fan blades, engines and structures with anti-icing and de-icing functions Download PDFInfo
- Publication number
- JP7500118B2 JP7500118B2 JP2023550501A JP2023550501A JP7500118B2 JP 7500118 B2 JP7500118 B2 JP 7500118B2 JP 2023550501 A JP2023550501 A JP 2023550501A JP 2023550501 A JP2023550501 A JP 2023550501A JP 7500118 B2 JP7500118 B2 JP 7500118B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- current
- fan blade
- carrying
- blade body
- conductive adhesive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
- B64C1/00—Fuselages; Constructional features common to fuselages, wings, stabilising surfaces or the like
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D15/00—De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft
- B64D15/12—De-icing or preventing icing on exterior surfaces of aircraft by electric heating
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
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。 The present invention relates to fan blades, engines, and structures with anti-icing and de-icing functions used, for example, in aircraft.
近年ファンブレードは、ファンの大型化と共に燃費効率の改善が図られ、異物突入時の耐衝撃性・耐フラッター性の強化の開発が進んできた。しかし、同時にファンブレードの重量が増すことによる、エンジン自身が重くなるという別の根本的課題を有していた。更に、ファンブレードは、航空機が低温環境である高空で飛行することにより、翼の枚数分着氷現象が発生するという特徴を持っている。この着氷現象は、流体と熱の複合的な側面を併せ持つ複雑な自然現象であるが、運航する上でジェットエンジンの性能低下をもたらすと共に、最悪の場合、流路閉塞によるサージ、シェディング(着氷により成長した氷が離脱する現象)によりジェットエンジン内部に機械的損傷を与えるリスクを伴うことから、早急に解決しなければならない重要課題である。In recent years, the size of fan blades has increased, fuel efficiency has improved, and development has been carried out to improve impact resistance and flutter resistance in the event of a foreign object entering the engine. However, at the same time, there has been another fundamental issue in that the weight of the fan blades has increased, which has resulted in the engine itself becoming heavier. Furthermore, fan blades have the characteristic that ice accumulates on them for each blade when the aircraft flies at high altitudes in a cold environment. This icing is a complex natural phenomenon that combines the aspects of fluid and heat, and it is an important issue that must be resolved immediately because it reduces the performance of the jet engine during operation and, in the worst case, carries the risk of mechanical damage to the inside of the jet engine due to surges caused by blockage of the flow path and shedding (the phenomenon in which ice that has grown due to icing breaks off).
前者の燃費効率改善や重量増に対する課題を解決するために、ファンブレードには、比強度、比弾性率が高く、力学特性に優れ、耐候性などの高機能特性を有する複合材料の炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP)の利用が広がっている。 To solve the issues of improving fuel efficiency and increasing weight, the use of carbon fiber reinforced plastic (CFRP), a composite material with high specific strength, specific elasticity, excellent mechanical properties, and high-performance properties such as weather resistance, is becoming more common for fan blades.
炭素繊維強化プラスチックは1960年代から樹脂を基材とした複合材料の開発が軍用機を中心に始まり、従来から剛性に優れかつ熱膨張率も極めて低いとうい複合材料の特徴を生かして、現在の航空機では従来の金属材料から置き換わると共に、新たな航空機用途としても実用化が進んでいる。特筆すべきは、現在の複合材料特性は鉄の材料比較で強度と弾性率は2.5倍以上、そして比重は1/4以下とされ、これは機械特性の強化と軽量化が見込めることを示している。実際、近年の動向では、大型航空機、エアバスA350及びボーイング787では複合材料が機体重量の50%以上に展開されている。 The development of carbon fiber reinforced plastics, a resin-based composite material, began in the 1960s, primarily for military aircraft. Taking advantage of the composite material's characteristics of excellent rigidity and extremely low thermal expansion, it is replacing conventional metal materials in modern aircraft and is also being put to practical use in new aircraft applications. It is noteworthy that the strength and elastic modulus of current composite materials are more than 2.5 times that of steel, and their specific gravity is less than 1/4, indicating the potential for improved mechanical properties and weight reduction. In fact, in recent years, composite materials have been used to make up more than 50% of the aircraft weight in large aircraft such as the Airbus A350 and Boeing 787.
後者の着氷に関する課題に対して、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。To address the latter issue of icing, aircraft and engines are equipped with anti-icing and de-icing systems. The following technologies have been disclosed as such systems:
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)を活用した技術が開示されている。Non-patent
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。Non-patent
非特許文献3には、主翼や尾翼前縁に設けた防氷ブーツ(ゴム膜)に空気を送込んで膨らませ、形状変化を活用した技術が開示されている。Non-patent
特許文献1や2には、着氷し易い部位にコーティングを事前に塗布、焼付またはナノサイズ構造ピン加工を活用し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した技術が開示されている。
ブリード・エアを活用した技術に関しては、エンジン出力が低い時は、防除氷機能が低下することで効果のバラツキが発生し、また抽気によりエンジン出力が低下するため、燃料消費率も悪化する。 Regarding technology that utilizes bleed air, when engine power is low, the anti-icing function is reduced, resulting in inconsistent effectiveness, and because engine power is reduced due to the bleed air, fuel consumption also worsens.
電熱ヒータに関しては、ファンの薄い部材への設定や加工が困難で、更に空力的な影響を及ぼす。 As for electric heaters, it is difficult to set up and process the fan on thin components, and this also has aerodynamic effects.
防氷ブーツに関しては、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ため翼内部に複雑な機械構造部を設ける必要があり、また防氷ブーツは2、3年周期の短期間で交換が必要になる。 As for anti-icing boots, they require complex mechanical structures inside the wings to operate, as they use bleed air from the engine compressor, and they need to be replaced every two to three years.
防氷コーティングやナノサイズ構造ピンに関しては、経時変化による不安定性と耐久性の欠如がある。 Anti-icing coatings and nano-structured pins suffer from instability and lack of durability over time.
アクチュエータ等の機械的振動に関しては、複雑な構造でメンテナンス性が劣り、重量が増す。 Regarding mechanical vibrations from actuators, etc., their complex structure makes them difficult to maintain and increases their weight.
上記に記載の従来技術においては、着氷の課題に特化した対策技術であり、従来型の航空機仕様に後から付加(追加)された構成および構造から機能を実現する技術であることから、基本仕様に対してより体積・重量が増し、より複雑な構成と構造となり、更に加工やメンテナンスが困難になる事や他への影響が発生することは明らかである。 The conventional technologies described above are countermeasures specifically aimed at the problem of icing, and because they are technologies that achieve their functions through configurations and structures that are added (supplemented) to conventional aircraft specifications later, it is clear that the volume and weight will be greater than the basic specifications, the configurations and structures will be more complex, and processing and maintenance will be more difficult, and other impacts will occur.
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。In view of the above circumstances, the object of the present invention is to provide a fan blade, an engine, and a structure with anti-icing and de-icing functions that have a simple structure and can efficiently perform anti-icing and de-icing.
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通電領域に電流を流すための一対の第1の通電部及び第2の通電部と、
を具備し、
前記一対の第1の通電部及び第2の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第1側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第2側の前記通電領域の発熱量より高い。
A fan blade according to one embodiment of the present invention includes:
A fan blade disposed on the intake side of the engine,
A fan blade body made of carbon fiber reinforced plastic;
a pair of first and second current-carrying parts for passing a current through a current-carrying region of the fan blade body by passing a current through carbon fibers contained in the carbon fiber reinforced plastic;
Equipped with
When an electric current is passed between the pair of first and second conductive portions, the amount of heat generated in the conductive region on the first side of the fan blade body is higher than the amount of heat generated in the conductive region on the second side of the fan blade body.
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(Carbon Fiber Reinforced Plastic: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第1側及び第2側にファンブレード本体の通電領域に電流を流すための一対の第1の通電部及び第2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自体がその抵抗によって発熱し、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。航空機のジェットエンジンのファンブレードでは、前縁側(第1側)の着氷量が多く、後縁側(第2側)は空気中の過冷却液滴が衝突しないため、着氷がほぼ発生しない傾向がある。このため、ファンブレード本体の第1側の発熱量を、第2側の発熱量より高くすることで、第1側をより効率的に防氷することができる。The fan blade according to one embodiment of the present invention utilizes the property that the carbon fibers of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) are conductive, and the matrix material, such as epoxy, is insulating, and therefore generates heat when current is passed through it. That is, a pair of first and second current-carrying parts for passing current through the current-carrying area of the fan blade body is provided on the first and second sides of the fan blade body made of CFRP, and by applying a voltage between them to pass current, the fan blade body itself generates heat due to its resistance, thereby performing anti-icing and de-icing. Therefore, anti-icing and de-icing can be performed with a simple structure. In the fan blade of an aircraft jet engine, the amount of ice accretion is large on the leading edge side (first side), and ice tends to hardly occur on the trailing edge side (second side) because supercooled droplets in the air do not collide with it. Therefore, by making the amount of heat generated on the first side of the fan blade body higher than the amount of heat generated on the second side, the first side can be more efficiently de-iced.
前記ファンブレード本体の前記第1側の前記通電領域の発熱量が前記第2側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第1の通電部のスパン方向の長さに対する前記第1の通電部に導通された炭素繊維の割合である第1側の導通繊維密度が、前記第2の通電部の前記スパン方向の長さに対する前記第2の通電部に導通された炭素繊維の割合である第2側の導通繊維密度より高い、ことを含んでもよい。
The heat generation amount of the current-carrying region on the first side of the fan blade body is higher than the heat generation amount of the current-carrying region on the second side of the fan blade body,
The conductive fiber density on a first side, which is the ratio of carbon fibers conducted to the first conductive portion relative to the span-wise length of the first conductive portion, may be higher than the conductive fiber density on a second side, which is the ratio of carbon fibers conducted to the second conductive portion relative to the span-wise length of the second conductive portion.
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、前記複数の層に含まれる炭素繊維の配向は異なり、
前記複数の層から選択された1以上の層を前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続することにより、前記第1側の導通繊維密度が前記第2側の導通繊維密度より高くてもよい。
The fan blade body includes a plurality of laminated layers, and the orientation of the carbon fibers included in the plurality of layers is different.
By connecting one or more layers selected from the plurality of layers to the first current conducting portion and the second current conducting portion, the conductive fiber density on the first side may be higher than the conductive fiber density on the second side.
炭素繊維の配向は、要求される仕様や特性によって異なる。炭素繊維の配向が異なる1以上の層を選択して第1の通電部及び第2の通電部に接続することで、導通繊維密度の差を実現することが可能である。The orientation of the carbon fibers varies depending on the required specifications and properties. By selecting one or more layers with different carbon fiber orientations and connecting them to the first and second conductive parts, it is possible to achieve a difference in conductive fiber density.
前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続される前記1以上の層は、
前記スパン方向及びコード方向の両方向に対して正に傾斜した第1の方向に配向した炭素繊維を含む第1の層、及び/又は
前記スパン方向及び前記コード方向の両方向に対して負に傾斜した第2の方向に配向した炭素繊維を含む第2の層
を含んでもよい。
The one or more layers connected to the first current conducting portion and the second current conducting portion include
a first layer comprising carbon fibers oriented in a first direction that is positively inclined with respect to both the span direction and the chord direction, and/or a second layer comprising carbon fibers oriented in a second direction that is negatively inclined with respect to both the span direction and the chord direction.
炭素繊維の配向が異なる1以上の層を選択して第1の通電部及び第2の通電部に接続することで、導通繊維密度の差を実現することが可能である。 By selecting one or more layers with different carbon fiber orientations and connecting them to the first and second conductive parts, it is possible to achieve a difference in conductive fiber density.
前記第2の通電部の前記スパン方向の長さは、前記第1の通電部の前記スパン方向の長さより長くてもよい。The length of the second conductive portion in the span direction may be longer than the length of the first conductive portion in the span direction.
第1の通電部及び第2の通電部の両方に導通する炭素繊維(即ち、通電領域に含まれる炭素繊維)に着目すると、第1の通電部に導通する炭素繊維の本数と、第2の通電部に導通する炭素繊維の本数とは同じである。このため、同じ本数の炭素繊維が、短い第1の通電部及び長い第2の通電部に導通するとき、第1の通電部のスパン方向の長さ(短い)に対する第1の通電部に導通された炭素繊維の割合である第1側の導通繊維密度が、第2の通電部のスパン方向の長さ(長い)に対する第2の通電部に導通された炭素繊維の割合である第2側の導通繊維密度より高い。第1側の導通繊維密度が第2側の導通繊維密度より高いことで、ファンブレード本体の第1側の発熱量を、第2側の発熱量より高くする。第1側で導通する炭素繊維は、第2側よりも狭い領域で同本数存在する。このため、炭素繊維自身の発熱によっても、第2側より第1側の温度が高くなる。Focusing on the carbon fibers that are conductive to both the first and second current-carrying parts (i.e., the carbon fibers included in the current-carrying region), the number of carbon fibers that are conductive to the first current-carrying part is the same as the number of carbon fibers that are conductive to the second current-carrying part. Therefore, when the same number of carbon fibers are conductive to the short first current-carrying part and the long second current-carrying part, the conductive fiber density on the first side, which is the ratio of the carbon fibers that are conductive to the first current-carrying part to the span-direction length (short) of the first current-carrying part, is higher than the conductive fiber density on the second side, which is the ratio of the carbon fibers that are conductive to the second current-carrying part to the span-direction length (long) of the second current-carrying part. Since the conductive fiber density on the first side is higher than the conductive fiber density on the second side, the heat generation amount on the first side of the fan blade body is higher than the heat generation amount on the second side. The same number of carbon fibers that are conductive on the first side are present in an area narrower than that on the second side. Therefore, the temperature on the first side is higher than that on the second side due to the heat generation of the carbon fibers themselves.
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記複数の層から選択された正圧面側の層が前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続され、
前記一対の第1の通電部及び第2の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の正圧面側の発熱量が前記ファンブレード本体の負圧面側の発熱量より高くてもよい。
The fan blade body includes a plurality of laminated layers.
a layer on a pressure surface side selected from the plurality of layers is connected to the first current conducting portion and the second current conducting portion,
When a current is passed between the pair of first and second current-carrying portions, an amount of heat generated on a pressure surface side of the fan blade main body may be greater than an amount of heat generated on a suction surface side of the fan blade main body.
航空機のジェットエンジンのファンブレードへの着氷は、ファンブレードの正圧面に多く氷が付着集中する。このため、着氷量の多い正圧面を積極的に加熱するのが望ましい。上記のように、第1の通電部及び第2の通電部の間のファンブレード本体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自体がその抵抗によって発熱する。このため、ファンブレード本体の正圧面側の発熱量がファンブレード本体の負圧面側の発熱量より高くすることで、正圧面側をより効率的に防氷することができる。正圧面に近い層を選択して通電することで、最小印可電力で発熱領域と発熱温度を確保できるとともに、ファンブレードの正圧面と負圧側の発熱温度の設定が行える。具体的には、着氷量の多い正圧面の温度を高温に、量が少ない負圧面の温度を低温にできる。この構成により、近年のファンブレードの軽量化に伴う中空構造化にも優位に機能し得る。When ice accumulates on the fan blades of an aircraft jet engine, the ice accumulates mostly on the pressure side of the fan blade. For this reason, it is desirable to actively heat the pressure side where the amount of ice is large. As described above, when a voltage is applied to the fan blade body between the first current-carrying part and the second current-carrying part, a current flows, and the fan blade body itself generates heat due to the resistance. For this reason, by making the heat generation amount on the pressure side of the fan blade body higher than the heat generation amount on the negative pressure side of the fan blade body, the pressure side can be more efficiently de-iced. By selecting a layer close to the pressure side and applying current, the heat generation area and heat generation temperature can be secured with the minimum applied power, and the heat generation temperatures of the pressure side and negative pressure side of the fan blade can be set. Specifically, the temperature of the pressure side where the amount of ice accumulates is high, and the temperature of the negative pressure side where the amount of ice accumulates is low. This configuration can also function advantageously in the hollow structure that accompanies the weight reduction of fan blades in recent years.
前記ファンブレード本体を前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続する第1側導電性接着剤及び第2側導電性接着剤
をさらに具備し、
前記ファンブレード本体の前記第1側の前記通電領域の発熱量が前記第2側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第1側導電性接着剤の抵抗値が前記第2側導電性接着剤の抵抗値より高い、ことを含んでもよい。
a first-side conductive adhesive and a second-side conductive adhesive for connecting the fan blade body to the first current-carrying portion and the second current-carrying portion,
The heat generation amount of the current-carrying region on the first side of the fan blade body is higher than the heat generation amount of the current-carrying region on the second side of the fan blade body,
The method may include having a resistance value of the first side conductive adhesive higher than a resistance value of the second side conductive adhesive.
導電性接着剤は、選択した炭素繊維間を介した電流経路を形成する際に用いるが、導電性接着剤の抵抗成分は、ファンブレードにおける着氷の集中する箇所を経由する領域を中心に成分比を選定することにより発熱効果と防除氷の効果が優位に得られる。 The conductive adhesive is used to form a current path between selected carbon fibers, and the resistance component of the conductive adhesive is selected in a ratio that is centered around the area where ice accumulates on the fan blade, providing superior heat generation and anti-icing effects.
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記第1側導電性接着剤及び前記第2側導電性接着剤は、前記複数の層から選択された1以上の層を前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続してもよい。
The fan blade body includes a plurality of laminated layers.
The first-side conductive adhesive and the second-side conductive adhesive may connect one or more layers selected from the plurality of layers to the first current-carrying portion and the second current-carrying portion.
導電性接着剤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。 By bonding the electrode and the fan blade body with a conductive adhesive, the adhesion with the carbon fiber and the contact area are increased, preventing localized temperature rise and poor conductivity at the attachment points between the electrode and the fan blade body and reducing power consumption. This makes it possible to achieve an effective temperature rise even with a low voltage.
前記ファンブレード本体の正圧面側の前記第1側導電性接着剤の抵抗値は、前記ファンブレード本体の負圧面側の前記第1側導電性接着剤の抵抗値より高く、
前記正圧面側の前記第2側導電性接着剤の抵抗値は、前記負圧面側の前記第2側導電性接着剤の抵抗値より低くてもよい。
a resistance value of the first side conductive adhesive on a pressure surface side of the fan blade body is higher than a resistance value of the first side conductive adhesive on a suction surface side of the fan blade body,
The resistance value of the second side conductive adhesive on the positive pressure surface side may be lower than the resistance value of the second side conductive adhesive on the negative pressure surface side.
航空機のジェットエンジンのファンブレードへの着氷は、前縁とハブ部に加えて、ファンブレードの正圧面に多く氷が付着集中する。このため、着氷量の多い正圧面を積極的に加熱するのが望ましい。上記のように、第1の通電部及び第2の通電部の間のファンブレード本体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自体がその抵抗によって発熱する。このため、導電性接着剤の塗布の仕方を変えることで、正圧面に近い側の層に多く電流を流せるようにし、逆に負圧面側に近い側の層に流す電流を少なくする。これにより、正圧面側の発熱量を上げ、第1側をより効率的に防氷することができる。 When ice forms on the fan blades of aircraft jet engines, in addition to the leading edge and hub, most ice accumulates on the pressure side of the fan blade. For this reason, it is desirable to actively heat the pressure side, where the amount of ice is large. As described above, when a voltage is applied to the fan blade body between the first and second current-carrying parts, a current flows, and the fan blade body itself generates heat due to the resistance. For this reason, by changing the way the conductive adhesive is applied, more current is allowed to flow to the layer closer to the pressure side, and conversely, less current is allowed to flow to the layer closer to the negative pressure side. This increases the amount of heat generated on the pressure side, making it possible to more efficiently de-ice the first side.
前記第1側は、前記ファンブレード本体の前縁側であり、
前記第2側は、前記ファンブレード本体の後縁側であってよい。
the first side is a leading edge side of the fan blade body;
The second side may be a trailing side of the fan blade body.
航空機のジェットエンジンのファンブレードでは、前縁側(第1側)の着氷量が多く、後縁側(第2側)は空気中の過冷却液滴が衝突しないため、着氷がほぼ発生しない傾向がある。このため、ファンブレード本体の第1側の発熱量を、第2側の発熱量より高くすることで、第1側をより効率的に防氷することができる。 In the fan blades of aircraft jet engines, the amount of ice that accumulates is large on the leading edge side (first side), while the trailing edge side (second side) tends to have almost no ice accumulation because it is not hit by supercooled liquid droplets in the air. For this reason, by making the heat generation amount of the first side of the fan blade body higher than that of the second side, it is possible to more efficiently de-ice the first side.
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、本発明の一形態の何れかのファンブレードと、
第1の通電部及び第2の通電部ごとにファンディスク側及び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第1の通電部及び前記第2の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。
An engine according to one embodiment of the present invention includes:
A rotation axis;
A fan disk provided on the intake side of the rotating shaft;
A fan blade according to any one of the embodiments of the present invention, which is detachably attached to the fan disk;
a pair of connection terminals provided on the fan disk side and the fan blade side for each of the first current-carrying portion and the second current-carrying portion, the connection terminals being electrically connected to each other when the fan blade is attached to the fan disk, for conducting electricity between a power source on the fan disk side and the first current-carrying portion and the second current-carrying portion;
Equipped with:
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第1側及び第2側にそれぞれ設けられ、前記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板状部材の通電領域に電流を流すための一対の第1の通電部及び第2の通電部と、
を具備し、
前記板状部材の前記第1側の前記通電領域の発熱量が前記第2側の前記通電領域の発熱量より高い。
A structure with anti-icing and de-icing functions according to one embodiment of the present invention includes:
A plate-shaped member made of carbon fiber reinforced plastic and having an ice formation region due to a gas flow;
a pair of first and second current-carrying parts provided on a first side and a second side of the plate-shaped member, respectively, to include the ice-accretion region, for causing a current to flow through the carbon fibers contained in the carbon fiber reinforced plastic to cause a current to flow through the current-carrying region of the plate-shaped member;
Equipped with
The amount of heat generated by the current-carrying region on the first side of the plate-shaped member is greater than the amount of heat generated by the current-carrying region on the second side.
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。 According to the present invention, anti-icing and de-icing can be performed efficiently with a simple structure.
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。Note that the effects described here are not necessarily limited to those described herein and may be any of the effects described in this disclosure.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Below, an embodiment of the present invention is described with reference to the drawings.
I.概要I. Overview
1.ジェットエンジンの構成 1. Jet engine structure
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。 Figure 1 is a schematic diagram showing the configuration of a jet engine for one embodiment of the present invention.
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。
A
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。
Downstream of the
A high-
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。In a
2.ファンブレードの構成(概要) 2. Fan blade structure (overview)
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。 Figure 2 is a side view showing the basic configuration of a single fan blade shown in Figure 1. Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of a fan blade according to one embodiment of the present invention.
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(第1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(第2側)に配置されたガード23とを有する。The
ファンブレード本体21は、炭素繊維強化プラスチック(Carbon Fiber Reinforced Plastic:CFRP、以下「CFRP」と呼ぶ。)からなり、典型的には板状の成形品である。CFRPは、例えば強化繊維としての炭素繊維とマトリックスとしてエポキシ樹脂からなるプリプレグを、炭素繊維の配向を疑似等方性として積層し構成したものである。The
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。
The
The
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。The
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、CFRPに含まれる炭素繊維に電流を流すことでファンブレード本体21の通電領域に電流を流すための一対の前縁側通電部31(第1の通電部)及び後縁側通電部32(第2の通電部)を有する。なお、図示の前縁側通電部31及び後縁側通電部32は、凡その位置を模式的に示すものであり、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の形状等は実際には異なる(後述)。3, the
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。Here, in the
前縁側通電部31及び後縁側通電部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。The leading edge side
前縁側通電部31及び後縁側通電部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、ペースト状の導電性接着剤(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、前縁側通電部31及び後縁側通電部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、更に導電性接着剤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。これは、ファンブレード本体21の材料構成を基に、導電性を有する炭素繊維からなる電流経路を形成して抵抗発熱を発現出来ることを示すものである。The leading edge side
前縁側通電部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、後縁側通電部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、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間のファンブレード本体21の通電領域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。
前縁側通電部31にプラス電圧が印加され、後縁側通電部32にマイナス電圧が印加されるように構成してもよい。
A negative voltage, for example, is applied to the leading-edge-side current-carrying
A configuration may be adopted in which a positive voltage is applied to the leading edge side current-carrying
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、CFRPに含まれる炭素繊維に電流を流すことでファンブレード本体21の通電領域に電流を流すための一対の前縁側通電部31及び後縁側通電部32を設け、これらの間に電源35より電圧を印加して通電領域に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。In the
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、一対の前縁側通電部31及び後縁側通電部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。The
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の説明は、上で示した選択した層の炭素繊維間において電極を介した電流経路を形成した場合において、前縁24側・後縁25側双力の電極(第1の通電部31及び第2の通電部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。For example, when performing anti-icing or de-icing on the
前縁側通電部31及び後縁側通電部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、導電性接着剤(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。導電性接着剤は、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と考えられる。なお、導電性接着剤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、導電性接着剤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。The leading edge
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。In addition, in the
3.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 3. Attaching the fan blades to the fan disk and supplying power
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。
Figure 6 is an oblique view showing the state in which the
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。As shown in Figure 6, the
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。
By inserting the
As shown in FIG. 7 , the
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側の前縁側通電部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側の後縁側通電部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、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。As shown in Figure 8, V-shaped contact fittings (connection terminals) 51, 52 are provided on the bottom surface of the
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。When the
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。The
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。
Figure 9 is a diagram illustrating another configuration for power supply to
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。In this configuration, power for heating the
II.ファンブレードII. Fan blade
1.ファンブレードの構成(詳細) 1. Fan blade structure (details)
図10は、ファンブレード本体を構成する積層されたプリプレグを模式的に示す分解図である。 Figure 10 is an exploded view showing a schematic of the laminated prepregs that make up the fan blade body.
ファンブレード本体21は、積層された複数(n層)の層211、212、213、214・・・21nからなる一例を示すものである。各層211、212、213、214・・・21nは、例えば強化繊維としての炭素繊維、マトリックスとしてエボキシ樹脂を使用したプリプレグである。各層211、212、213、214・・・21nは、同じプリプレグでもよい。The
複数(n層)の層211、212、213、214・・・21nに含まれる炭素繊維の配向は異なる。ファンブレード8のスパン方向(長手方向)を0°且つコード方向(短手方向)を90°としたとき、層214に含まれる炭素繊維の配向は0°であり、層211に含まれる炭素繊維の配向は90°である。層212は、スパン方向及びコード方向の両方向に対して正に傾斜した第1の方向(本例では、+45°)に配向した炭素繊維を含む。層213は、スパン方向及びコード方向の両方向に対して負に傾斜した第2の方向(本例では、-45°)に配向した炭素繊維を含む。その他の層21nは、配向方向90°、±45°、0°又は他の角度の炭素繊維を配置した擬似等方性構成を繰返し複数回積層した構成を有する。The orientation of the carbon fibers contained in the multiple (n layers) layers 211, 212, 213, 214, ... 21n is different. When the span direction (longitudinal direction) of the
複数の層211、212、213、214・・・21nは、同じプリプレグにより作製したものであっても、各層211、212、213、214・・・21nの繊維配向角が異なれば強度や剛性は異なる値を示す。このような性質を利用し、外周方向に対し一定以上の力学機械特性を得るために一方向に炭素繊維を配向したプリプレグを、積層に応じて配向を変える擬似等方性の積層構成を用いる。具体的にはファンブレードは、スパン方向(長手方向)に対して炭素繊維配向方向90°、±45°、0°を配置した構成を繰返し複数回積層した構成で所望する機械特性を得る。同図では擬似等方性の一例を示すが、擬似等方性でなくてもよい。Even if the
上記のように、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、後縁25のチップ側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。また、上記のように、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間のファンブレード本体21の通電領域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。一対の前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間に電流を流すとき、ファンブレード本体21の前縁24側の発熱量を、後縁25側の発熱量より高くすることで、ファンブレード本体21の前縁24側(さらに細かく言うとそのハブ側26)の発熱量を上げ、前縁24側(さらに細かく言うとそのハブ側26)をより効率的に防氷することを図る。さらに、ジェットエンジン1のファンブレード8では、ファンブレード8の大小に関わらず(エンジンの大小に関わらず)、ファンブレード8の回転によりハブ側26に着氷が集中する傾向を示すことから、本実施形態に記載した手段によって効果的な防氷効果を得ることが可能となる。As described above, in the
そこで、本実施形態では、一対の前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間に電流を流すとき、ファンブレード本体21の前縁24側の発熱量を、後縁25側の発熱量より高くするために、ファンブレード本体21の前縁24側の導通繊維密度が後縁25側の導通繊維密度より高くする。具体的には、前縁側通電部31のスパン方向の長さに対する前縁側通電部31に導通された炭素繊維の割合が、後縁側通電部32のスパン方向の長さに対する後縁側通電部32に導通された炭素繊維の割合より高いようにすることで、前縁24側の導通繊維密度が後縁25側の導通繊維密度より高くなる。Therefore, in this embodiment, when current flows between the pair of leading-edge-side
その導通繊維密度の差を実現するために、炭素繊維の配向が90°である1以上の層211だけではなく、炭素繊維の配向が+45°である1以上の層212及び炭素繊維の配向が-45°である1以上の層213が、前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される。そして、後縁側通電部32のスパン方向の長さを、前縁側通電部31のスパン方向の長さより長いものとする。一方、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の両方に導通する炭素繊維(即ち、通電領域に含まれる炭素繊維)に着目すると、前縁側通電部31に導通する炭素繊維の本数と、後縁側通電部32に導通する炭素繊維の本数とは同じである。このため、同じ本数の炭素繊維が、短い前縁側通電部31及び長い後縁側通電部32に導通するとき、前縁側通電部31のスパン方向の長さ(短い)に対する前縁側通電部31に導通された炭素繊維の割合である前縁24側の導通繊維密度が、後縁側通電部32のスパン方向の長さ(長い)に対する後縁側通電部32に導通された炭素繊維の割合である後縁25側の導通繊維密度より高い。前縁24側の導通繊維密度が後縁25側の導通繊維密度より高いことで、一対の前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間に電流を流すとき、ファンブレード本体21の前縁24側の発熱量を、後縁25側の発熱量より高くすることで、ファンブレード本体の前縁24側の温度が上昇する。前縁24側で導通する炭素繊維は、後縁25側よりも狭い領域で同本数存在する。このため、炭素繊維自身の発熱によっても、後縁25側より前縁24側の温度が高くなる。In order to realize the difference in the conductive fiber density, not only one or
2.供試体 2. Test specimen
図11は、実験で用いた積層されたプリプレグの供試体の積層断面を模式的に示す。 Figure 11 shows a schematic cross-section of the laminated prepreg specimen used in the experiment.
積層されたプリプレグの供試体を準備する。本例では、炭素繊維の配向が90°、+45°、-45°、0°の層211、212、213、214が、シンメトリーに24層に積層されている。これはあくまでも一例であり、例えば、+30°~+60°配向の層が設けられてもよい。例えば、-30°~-60°配向の層が設けられてもよい。例えば、炭素繊維の配向が90°、+60°、+30°、-30°、-60°、0°の層が設けられてもよい。疑似等方性に積層されてもよいし、疑似等方性で無く例えば90°配向の層の割合が他の角度の配向の層より高くてもよい。積層状態において、複数の層211、212、213、214・・・21nの前縁24側及び後縁25側の両端は、層状に露出している。この両端面は、例えば、1平面ではなく、角度を持った2平面からなるナイフエッジ状である。各層211、212、213、214・・・21nの厚みは、例えば、0.19mmである。
Prepare a laminated prepreg specimen. In this example, layers 211, 212, 213, 214 with carbon fiber orientations of 90°, +45°, -45°, and 0° are laminated symmetrically into 24 layers. This is merely an example, and layers with orientations of +30° to +60° may be provided. For example, layers with orientations of -30° to -60° may be provided. For example, layers with orientations of 90°, +60°, +30°, -30°, -60°, and 0° may be provided. They may be laminated quasi-isotropically, or the proportion of layers with orientations of 90° may be higher than layers with orientations of other angles. In the laminated state, both ends of the leading
第1の方向は+30°~+60°であり、第2の方向は-30°~-60°であることで(即ち、鋭角であることで)、前縁側通電部31及び後縁側通電部32のスパン方向の長さを比較的短くすることが出来る。これにより、導電性接着剤の塗布面積が狭いことにより抵抗率が上昇し、抵抗による加熱量を上昇させることが可能となる。
The first direction is +30° to +60° and the second direction is -30° to -60° (i.e., an acute angle), so that the spanwise length of the leading edge side
図12は、実験で用いた積層されたプリプレグの供試体を示す。 Figure 12 shows the laminated prepreg specimens used in the experiments.
積層状態において、複数の層211、212、213、214・・・21nのコード方向の前縁24側及び後縁25側の両端は、層状に露出している。このため、複数の層211、212、213、214・・・21nから選択された1以上の層を、導電性接着剤を介して前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続することができる。1つの層21nが前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続されてもよく、選択された一部の層21nが前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続されてもよく、全ての層21nが前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続されてもよい。全ての層21nではなく選択された1以上の層21nに導電性接着剤を塗布する場合、電子部品の高密度実装で用いられる異方性導電膜材や絶縁材料(試験では例えばマスキングテープ)を使用してもよい。In the laminated state, both ends of the leading
図13は、実験で用いた導通繊維密度を説明するための模式図である。 Figure 13 is a schematic diagram to explain the conductive fiber density used in the experiment.
タイプ2は、本実施形態であり、炭素繊維の配向が90°である1以上の層211、炭素繊維の配向が+45°である1以上の層212及び炭素繊維の配向が-45°である1以上の層213が、前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される。具体的には、図11の全ての層に導電性接着剤を塗布し、全ての層が前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される。後縁側通電部32のスパン方向の長さ31Lは、前縁側通電部31のスパン方向の長さ31Lより長い。一方、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の両方に導通する炭素繊維(即ち、通電領域に含まれる炭素繊維)に着目すると、前縁側通電部31に導通する炭素繊維の本数と、後縁側通電部32に導通する炭素繊維の本数とは同じである。このため、同じ本数の炭素繊維が、短い前縁側通電部31及び長い後縁側通電部32に導通するとき、前縁側通電部31のスパン方向の長さ31L(短い)に対する前縁側通電部31に導通された炭素繊維の割合が、後縁側通電部32のスパン方向の長さ32L(長い)に対する後縁側通電部32に導通された炭素繊維の割合より高い。これにより、前縁24側(図中の楕円内の領域)の導通繊維密度が後縁25側の導通繊維密度より高い。前縁24側の導通繊維密度が後縁25側の導通繊維密度より高いことで、ファンブレード本体21の前縁24側の発熱量を、後縁25側の発熱量より高くすることで、ファンブレード本体の前縁24側の温度が上昇する。前縁24側で導通する炭素繊維は、後縁25側よりも狭い領域で同本数存在する。このため、炭素繊維自身の発熱によっても、後縁25側より前縁24側の温度が高くなる。
タイプ1は、比較例であり、炭素繊維の配向が90°である1以上の層211が前縁側通電部31A及び後縁側通電部32Aに接続される。具体的には、図11の厚み方向中央(シンメトリーの中央)の2層(90°配向)のみに導電性接着剤を塗布し、厚み方向中央の2層(90°配向)のみが前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される。前縁側通電部31A及び後縁側通電部32Aの両方に導通する炭素繊維(即ち、通電領域に含まれる炭素繊維)に着目すると、前縁側通電部31Aに導通する炭素繊維の本数と、後縁側通電部32Aに導通する炭素繊維の本数とは同じである。このため、前縁24側の導通繊維密度と、後縁25側の導通繊維密度とは、同じである。
図14は、実験で用いたタイプ1及びタイプ2の供試体を示す。
Figure 14 shows the
図14中、線で囲まれた領域が導通により繊維加熱が発生する領域で、防氷効果を算出する際に、面積として、評価対象となる領域を表す。上記のタイプ1及びタイプ2の供試体を準備する。タイプ1及びタイプ2の供試体ともにスパン方向187mm、コード方向58.6mm、厚み方向4.6mmサイズのCFRP積層体である。タイプ1の供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部31A(スパン方向長さ30mm)及び後縁側通電部32A(スパン方向長さ30mm)を有し、前縁側通電部31A及び後縁側通電部32Aの間を通電する。タイプ2の供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部31(スパン方向長さ60mm)及び後縁側通電部32(スパン方向長さ100mm)を有し、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間の通電領域を通電する。前縁側通電部31A及び後縁側通電部32Aは導電性接着剤である。タイプ1とタイプ2では加熱領域のサイズが異なる。図中の直線で囲んだ領域が、前縁側通電部31A及び後縁側通電部32Aの間の通電領域であると同時に、加熱領域であり評価領域である。In FIG. 14, the area surrounded by lines is the area where fiber heating occurs due to conduction, and represents the area to be evaluated as an area when calculating the anti-icing effect. Prepare the
3.試験結果1
3.
図15は、実験用の着氷風洞装置を示す。 Figure 15 shows the experimental icing wind tunnel setup.
着氷風洞装置100は、風洞110と、ドロップレットキャッチャ106と、カメラ(不図示)と、これらを収容するリフリジレーションルーム107と、を有する。風洞110は、上流から下流への順に、ブロワ101、ストレーナグリッド102、スプレートンネル103、コントラクション104、テストセクションであるエアアウトレット105を含む。スプレートンネル103は、複数のスプレーノズル108を内蔵する。カメラ(不図示)は、テストセクションであるエアアウトレット105を撮影する。カメラ(不図示)は、少なくともサーモカメラを含み、さらに、写真を撮影するカメラを含んでもよい。ドロップレットキャッチャ106は、エアアウトレット105の下流に設置される。The icing
着氷風洞装置100のスペックは、以下の通りである。最大流速50m/s。温度-30~-5°C。リフリジレーションルーム107の体積2500×4500×2400mm3。スプレートンネル103の断面積400×400mm2。エアアウトレット105の断面積200×200mm2。
The specifications of the icing
テストセクションであるエアアウトレット105の下流に供試体109を設置する。風洞110内に空気を流し、供試体に向けてスプレーノズル108から液滴を噴霧する。空気の流速条件は、20m/sと40m/sの2種類である。スプレーノズル108から噴霧する液滴粒径の条件は、15μmと29μmの2種類で実施する。 A specimen 109 is placed downstream of the air outlet 105, which is the test section. Air is flowed into the wind tunnel 110, and droplets are sprayed from the spray nozzle 108 toward the specimen. There are two air flow velocity conditions: 20 m/s and 40 m/s. There are two conditions for the droplet diameter sprayed from the spray nozzle 108: 15 μm and 29 μm.
図16及び図17は、防氷試験結果を示す写真である。 Figures 16 and 17 are photographs showing the results of anti-icing tests.
図16は、第1の試験条件(空気流速20m/s、液滴粒径15μm、電力(投入電力/加熱領域の面積)1.1W/cm2)での、タイプ1及びタイプ2の防氷試験後の供試体をカメラで撮影した写真である。
FIG. 16 shows photographs taken with a camera of the test specimens after the
図17は、第2の試験条件(空気流速40m/s、液滴粒径15μm、電力(投入電力/加熱領域の面積)0.83W/cm2)での、タイプ1及びタイプ2の防氷試験後の供試体をカメラで撮影した写真である。
FIG. 17 shows photographs of the test specimens after the
図18及び図19は、防氷試験結果を示すグラフである。 Figures 18 and 19 are graphs showing the results of anti-icing tests.
横軸は、電力を示し、具体的には、投入電力/加熱領域の面積[w/cm2]である。タイプ1とタイプ2では加熱領域のサイズが異なり、投入電力での単純比較が出来ないため、投入電力/加熱領域の面積で評価する。縦軸は、防氷効果(アンチアイスエフェクト)[%]であり、次の式で算出する。
上記式において、Aanti‐ice[mm2]は、防氷試験後の供試体の正面と側面の着氷面積の平均値である。Aice[mm2]は、は非発熱時着氷量確認試験後の供試体の正面と側面の着氷面積の平均値である。これらの着氷面積は、本来、着氷重量で評価するのが理想だが、加熱領域と非加熱領域の着氷を分離することが出来ないため、写真(図16及び図17)を画像解析することにより評価する。 In the above formula, A anti-ice [ mm2 ] is the average ice area on the front and sides of the specimen after the anti-icing test. A ice [ mm2 ] is the average ice area on the front and sides of the specimen after the non-heating ice amount confirmation test. Ideally, these ice areas should be evaluated by the weight of the ice, but since it is not possible to separate ice on the heated and non-heated areas, they are evaluated by image analysis of photographs (Figures 16 and 17).
図18は、空気流速20m/s、液滴粒径15μm及び29μm、投入電力を複数変更した防氷試験結果を示す。少なくとも電力(投入電力/加熱領域の面積)が0.83W/cm2以上のとき、タイプ2の防氷効果がタイプ1の防氷効果より高い。
Figure 18 shows the results of anti-icing tests with an air flow rate of 20 m/s, droplet diameters of 15 μm and 29 μm, and input power changed in several ways. When the power (input power/area of heated region) is at least 0.83 W/ cm2 , the anti-icing effect of
図19は、空気流速40m/s、液滴粒径15μm及び29μm、投入電力を複数変更した防氷試験結果を示す。電力(投入電力/加熱領域の面積)がおよそ0.5~1.1W/cm2のとき、タイプ2の防氷効果がタイプ1の防氷効果より高い。
Figure 19 shows the results of anti-icing tests with an air flow rate of 40 m/s, droplet diameters of 15 μm and 29 μm, and multiple changes in input power. When the power (input power/area of heated region) is approximately 0.5 to 1.1 W/ cm2 , the anti-icing effect of
4.試験結果24.
図20は、無風発熱試験結果を示すサーモグラフィである。 Figure 20 is a thermograph showing the results of the windless heat generation test.
ケース1及びケース2の供試体を準備する。ケース1及びケース2の供試体は、前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される層が異なる。ケース1は、全てのナイフエッジ面の層が前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される。ケース2は、選択された1以上の試験片の厚み方向の中央部分に構成された層(具体的には図11中心部211の2層部分)が前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される。ケース1及びケース2の供試体を室温10°Cで無風の室内に設置し、投入電力10Wを30秒間印加し、サーモカメラで供試体底面を撮影して表面温度分布を得る。
Prepare specimens for
図21は、無風発熱試験結果を示すグラフである。 Figure 21 is a graph showing the results of the windless heat generation test.
このグラフは、図20の破線が示す供試体底面中央部の、通電開始から30秒後の断面の温度分布を示す。横軸は、ミッドコードの位置の正圧面表面から負圧面表面までの供試体の位置を示す。横軸の5ピクセル~27ピクセルが、供試体部分に相当する。縦軸は、断面温度(°C)を示す。ケース1とケース2では断面の発熱の様子が異なった。これは、異方性導電フィルム(ACF)試験時の確認でも通用すると考えられる。ケース2はケース1より全体的に温度が上昇している。ケース2は特に前後縁の温度が高くなっており、ミッドコード部の温度上昇はその影響を受けたと考えられる。
This graph shows the
5.正圧側と負圧側の層の選択 5. Selection of pressure side and suction side layers
航空機のジェットエンジン1のファンブレード8への着氷は、ファンブレード8の前縁24(特にハブ側26周辺からミッドスパン周辺までの領域)と正圧面に多く氷が付着集中する。この現象は、ハブ側26とチップ側27の回転周方向速度の差に起因する。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は回転速度が速く、遠心力により氷が剥がれ易いため堆積し難い。また、大気中の液滴がファンブレード8に衝突すると同時に、ファンブレード8の前縁24と正圧面に対して急速に液滴が氷結する過冷却現象の着氷メカニズムが発生する。Icing on the
以上の2つの要因から、ファンブレード8独特の複数個所に集中する着氷が発生することになり、そのため複雑な現象から発生する複数の着氷個所に応じた適切な防氷・除氷対策が重要になる。
The above two factors result in ice accumulation that is concentrated in multiple locations on the
このため、着氷量の多い前縁24ハブ側26からミッドスパン近傍領域及び正圧面を積極的に加熱するのが望ましい。上記のように、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間のファンブレード本体21の通電領域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。For this reason, it is desirable to actively heat the area near the midspan and the positive pressure surface from the
例えば、前縁24と後縁25を跨ぐ90°配向層と防除氷面(正圧面)に近い層を選択して通電する。また、正圧面と負圧面に電流を流し、正圧面と負圧面に温度差、又は異なる発熱領域を発現してもよい。異なる発熱領域を発現するには、前後縁の導電性接着剤の塗布長さ、塗布する位置をオフセットさせる等を行えばよい。また、正圧面に電流を流し負圧面には流さなくてもよい。また、正圧面側を負圧面側より電流を流す層を多くし、導通繊維自身の発熱する繊維の本数を正圧面側の方を多くしてもよい。電流経路を構成する層の選択により、正圧面と負圧面の発熱温度又は発熱領域に違いを発現し、結果的に最小電力化で防氷が行える。最小印可電力で発熱領域と発熱温度を確保できるとともに、ファンブレード本体21の正圧面と負圧側の発熱温度の設定が行える。具体的には、着氷量の多い正圧面の温度を高温に、量が少ない負圧面の温度を低温にできる。この構成により、近年のファンブレードの軽量化に伴う中空構造化にも優位に機能し得る。さらに、ジェットエンジン1のファンブレード8では、ファンブレード8の大小に関わらず(エンジンの大小に関わらず)、ファンブレード8の回転によりハブ側26に着氷が集中する傾向を示すことから、本実施形態に記載した手段によって効果的な防氷効果を得ることが可能となる。For example, a 90° oriented layer that straddles the leading
6.小括 6. Brief Summary
ファンブレード本体21を構成する最小単位(部品)は、積層されるプリプレグである。プリプレグ層は、構成される樹脂と炭素繊維の種類、炭素繊維と樹脂の含有率、厚みを含めたスペックを有する。本実施形態では、通電する1以上の層を選択する。CFRPの積層方向に向けて一定方向に配列した各炭素繊維の層の炭素繊維の両端部間を一対とした電流経路を介してCFRP構造体に電流の流れる方向と発熱に寄与する領域の指定が行える。The smallest unit (part) that constitutes the
ミクロな観点では、CFRPの発熱を励起する抵抗成分は、選択した層の炭素繊維の層の両端部間の長さに比例し、選択したプリプレグ層の厚みと炭素繊維の含有率に反比例する。例えば配向を変えて積層する擬似等方性の構成では、厚み方向に選択する層の違いにより炭素繊維の長さが異なることで、抵抗成分が変わり発熱温度も変化する。このことから、ファンブレードの防除氷の為の発熱を得るためには、前縁後縁を跨ぐ炭素繊維の長さの短い配向の層を優先的に選択すると発熱効率が高くなる。 From a microscopic perspective, the resistance component that excites heat generation in CFRP is proportional to the length between both ends of the carbon fiber layer of the selected layer, and inversely proportional to the thickness of the selected prepreg layer and the carbon fiber content. For example, in a quasi-isotropic configuration in which layers are stacked with different orientations, the resistance component changes and the heat generation temperature also changes due to the different lengths of carbon fibers selected for different layers in the thickness direction. For this reason, in order to generate heat for anti-icing of fan blades, heat generation efficiency is increased by preferentially selecting layers with a short carbon fiber length that straddles the leading and trailing edges.
マクロな観点では、本実施形態のファンブレード8の基本構成は、電源とファンブレード本体21のCFRPの選択した層の炭素繊維に導通した一対の前縁側通電部31及び後縁側通電部32と、ファンブレード本体21のCFRPの抵抗成分からなる直列回路からなる。故に、構成する回路内では電流は均一に流れ、各抵抗成分に応じて流れる電流により抵抗加熱を励起し、その発熱量は各抵抗成分の抵抗値の比で決まる。1以上の層の選択については、ファンブレード9の前縁24と後縁25を跨ぐ炭素繊維の層の選択により、着氷の集中する箇所の前縁24(ハブ側26周辺)の電流経路が形成でき、発熱領域が設定できる。From a macro perspective, the basic configuration of the
積層する厚み方向に対して複数炭素繊維配向層の組合せ(例えば、90°、+45°、-45°)からなる電流経路を形成し、前縁24側の導通繊維密度の増加による前縁24の発熱温度上昇およびファンブレード8表面部(正圧面)での発熱領域の拡大が見込める。A current path is formed consisting of a combination of multiple carbon fiber oriented layers in the stacking thickness direction (e.g., 90°, +45°, -45°), which is expected to increase the heat generation temperature of the leading
III.導電性接着剤III. Conductive adhesive
1.導電性接着剤の構成 1. Composition of conductive adhesive
導電性接着剤は銀、銅、ニッケル等の導電性の良好な金属粒子をポリマー等のバインダー樹脂の溶液に分散させて製造される材料で、これを硬化させることにより導電性の塗膜あるいは導電性接着剤層を形成させる。導電性接着剤の主な機能は導電性と接着性であり、左記の電気的性質と機械的性質を決める因子としては、硬化時間、硬化温度、銀等の金属粒子含有量及び金属粒子のサイズと形状等があげられる。 Conductive adhesives are materials made by dispersing highly conductive metal particles such as silver, copper, and nickel in a solution of binder resin such as a polymer, which is then cured to form a conductive coating or conductive adhesive layer. The main functions of conductive adhesives are conductivity and adhesiveness, and factors that determine the electrical and mechanical properties mentioned above include curing time, curing temperature, the amount of silver or other metal particles contained, and the size and shape of the metal particles.
例えば、硬化時間と温度の増加によって金属粒子間の分布は緻密になり、電気抵抗は全体的に減少する傾向を示すが、接着強度は増加する。これは硬化時間の増加とともに樹脂中の溶剤が蒸発し、硬化しながら基板とペーストが親密な接着を形成したと判断される。For example, as the curing time and temperature increase, the distribution between the metal particles becomes denser and the electrical resistance tends to decrease overall, but the adhesive strength increases. This is thought to be because the solvent in the resin evaporates as the curing time increases, and the paste forms an intimate bond with the substrate as it hardens.
更に、導電性接着剤は大きく分けると等方性材料と異方性材料に区分できる。等方性材料ははんだと同じようにすべての方向に電気を通すが、異方性材料は、対向電極間に圧縮された方向にのみ電流を流す一方向接続を実現する。本発明においては、電流経路を形成する際の層選択時に、異方性材料と等方性材料を選択的に用いることが出来る。異方性導電膜の利用の際は、積層された各繊維方向に配列された層を選択する際、複数のファンブレードに対し、電流経路の精度向上の目的としたい場合に有効になる。尚、導電性接着剤は、選択した炭素繊維間を介した電流経路を形成する際に用いるが、導電性接着剤の抵抗成分は、ファンブレードにおける着氷の集中する箇所を経由する領域を中心に成分比を選定することにより発熱効果と防除氷の効果が優位に得られる。 Furthermore, conductive adhesives can be broadly divided into isotropic and anisotropic materials. Isotropic materials conduct electricity in all directions, like solder, but anisotropic materials realize a one-way connection in which current flows only in the direction of compression between opposing electrodes. In the present invention, anisotropic and isotropic materials can be selectively used when selecting layers to form a current path. When using anisotropic conductive films, it is effective when the purpose is to improve the accuracy of the current path for multiple fan blades when selecting layers arranged in the direction of each laminated fiber. In addition, conductive adhesives are used when forming a current path through selected carbon fibers, and the resistance components of the conductive adhesive are selected so that the component ratio is centered on the area that passes through the area where ice is concentrated on the fan blade, thereby obtaining a superior heat generation effect and anti-icing effect.
導電性接着剤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。 By bonding the electrode and the fan blade body with a conductive adhesive, the adhesion with the carbon fiber and the contact area are increased, preventing localized temperature rise and poor conductivity at the attachment points between the electrode and the fan blade body and reducing power consumption. This makes it possible to achieve an effective temperature rise even with a low voltage.
本実施形態では、一対の前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間に電流を流すとき、ファンブレード本体21の前縁24側の発熱量を、後縁25側の発熱量より高くするために、ファンブレード本体21を前縁側通電部31に接続する導電性接着剤(以下、前縁側導電性接着剤と称する)の抵抗値が、ファンブレード本体21を後縁側通電部32に接続する導電性接着剤(以下、後縁側導電性接着剤と称する)の抵抗値より高いものとする。例えば、実験用に用いた前縁側導電性接着剤の抵抗値は、3×10-3~8×10-4Ω・cmであり、後縁側導電性接着剤の抵抗値は、8×10-4~2×10-4Ω・cmである。尚、導電性接着剤の抵抗成分は上に記載した通り、導電性の良好な金属粒子を用いて導通性を確保していることから金属粒子の平均粒径や導通性および電極部の機械的特性から適時選択でき、本文に記載した抵抗値は限定されない。ファンブレードに要求される基本仕様と電流経路構成の点から組合せることが可能である。
In this embodiment, when a current is passed between the pair of leading-edge-side
2.供試体 2. Test specimen
図22は、実験で用いた別の供試体を模式的に示す。 Figure 22 shows a schematic of another specimen used in the experiment.
レイアウト1及びレイアウト2の供試体を準備する。レイアウト1及びレイアウト2の供試体は、導電性接着剤の種類が異なる。レイアウト1及びレイアウト2の供試体ともに、スパン方向187mm、コード方向58.6mm、厚み方向4.6mmサイズのCFRP積層体である。供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部31A(スパン方向長さ30mm)及び後縁側通電部32(スパン方向長さ30mm)を有し、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間の通電領域を通電する。前縁側通電部31は、供試体の前縁LEに前縁側導電性接着剤を用いて接続される。後縁側通電部32は、供試体の後縁TEに後縁側導電性接着剤を用いて接続される。レイアウト1及びレイアウト2の供試体ともに、前縁側導電性接着剤及び後縁側導電性接着剤は、積層された全てのプリプレグに塗布され、積層された全てのプリプレグが前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される。図中の直線で囲んだ領域が、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間の通電領域であると同時に、加熱領域であり評価領域である。
Prepare specimens for
レイアウト2は、本実施形態であり、前縁側導電性接着剤と後縁側導電性接着剤の種類が異なる。前縁側導電性接着剤の抵抗値が後縁側導電性接着剤の抵抗値より高い。具体的には、前縁側導電性接着剤の抵抗値は、3×10-3~8×10-4Ω・cmであり、後縁側導電性接着剤の抵抗値は、8×10-4~2×10-4Ω・cmである。
レイアウト1は、比較例であり、前縁側導電性接着剤と後縁側導電性接着剤の種類が同じである。具体的には、前縁側導電性接着剤及び後縁側導電性接着剤の抵抗値は、3×10-4~5×10-5Ω・cmである。
3.試験結果1
3.
図23は、試験結果を示すサーモグラフィである。 Figure 23 is a thermograph showing the test results.
着氷風洞装置100にレイアウト1及びレイアウト2の供試体を設置し、空気流速40m/sで空気を流す。レイアウト1及びレイアウト2の供試体に同じ投入電力(40W)を印加し、サーモカメラで供試体を撮影して表面温度分布を得る。
Test specimens of
図24は、試験結果を示すグラフである。 Figure 24 is a graph showing the test results.
このグラフは、図23の破線が示すミッドスパン位置の供試体の表面温度分布を示す。横軸は、前縁(0)から後縁(1)までの供試体の位置を示す。縦軸は、表面温度(°C)を示す。同じ投入電力でありながら、レイアウト2は、全域に亘ってレイアウト1より高い温度が実現でき、前縁LEの方が後縁TEより高い温度が実現できている。また、レイアウト1では前縁は対流効果により熱が奪われてしまい後縁の方が温度が高い。一方、レイアウト2では同じ試験条件にもかかわらず、後縁より前縁の方が高い温度が実現できている。
This graph shows the surface temperature distribution of the specimen at the mid-span position indicated by the dashed line in Figure 23. The horizontal axis indicates the position of the specimen from the leading edge (0) to the trailing edge (1). The vertical axis indicates the surface temperature (°C). Despite the same input power,
図25、図26、図27及び図28は、試験結果を示す写真である。 Figures 25, 26, 27 and 28 are photographs showing the test results.
図25は、第1の試験条件(空気流速20m/s、液滴粒径15μm、投入電力(10W、20W、40W)での、レイアウト1及びレイアウト2の防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。
Figure 25 shows photographs of the test specimens taken with a camera after the results of the anti-icing test for
図26は、第2の試験条件(空気流速20m/s、液滴粒径29μm、投入電力(10W、20W、40W)での、レイアウト1及びレイアウト2の防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。
Figure 26 shows photographs of the test specimens taken with a camera after the results of the anti-icing test for
図27は、第3の試験条件(空気流速40m/s、液滴粒径15μm、投入電力(20W、30W、50W)での、レイアウト1及びレイアウト2の防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。
Figure 27 shows photographs of the test specimens taken with a camera after the anti-icing test results for
図28は、第4の試験条件(空気流速40m/s、液滴粒径29μm、投入電力(20W、30W、50W)での、レイアウト1及びレイアウト2の防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。
Figure 28 shows photographs of the test specimens taken with a camera after the anti-icing test results for
図29及び図30は、試験結果を示すグラフである。 Figures 29 and 30 are graphs showing the test results.
横軸は、投入電力[w]を示す。縦軸は、防氷効果(アンチアイスエフェクト)[%]であり、上記の式(数1)で算出する。The horizontal axis indicates the input power [W]. The vertical axis indicates the anti-ice effect [%], which is calculated using the above formula (Equation 1).
図29は、空気流速20m/s、液滴粒径15μm及び29μm、投入電力を複数変更した試験結果を示す。全ての投入電力において、レイアウト2の防氷効果がレイアウト1の防氷効果より高い。なお、本来防氷効果がマイナスになることはあり得ないが、レイアウト1ではバラツキが大きく、平均化した結果、防氷効果にマイナスの値が発生した。
Figure 29 shows the test results with an air flow velocity of 20 m/s, droplet diameters of 15 μm and 29 μm, and multiple changes to the input power. At all input powers, the anti-icing effect of
図30は、空気流速40m/s、液滴粒径15μm及び29μm、投入電力を複数変更した試験結果を示す。全ての投入電力において、レイアウト2の防氷効果がレイアウト1の防氷効果より高い。なお、本来防氷効果がマイナスになることはあり得ないが、レイアウト1ではバラツキが大きく、平均化した結果、防氷効果にマイナスの値が発生した。
Figure 30 shows the test results with an air flow velocity of 40 m/s, droplet diameters of 15 μm and 29 μm, and multiple changes to the input power. At all input powers, the anti-icing effect of
4.試験結果24.
図31は、試験結果を示すサーモグラフィである。 Figure 31 is a thermograph showing the test results.
レイアウト3及びレイアウト4の供試体を準備する。レイアウト3及びレイアウト4の供試体ともに、スパン方向187mm、コード方向58.6mm、厚み方向4.6mmサイズのCFRP積層体である。供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部31(スパン方向長さ30mm)及び後縁側通電部32(スパン方向長さ30mm)を有し、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間の通電領域を通電する。レイアウト3において、前縁側導電性接着剤及び後縁側導電性接着剤は、積層された全てのプリプレグに塗布され、積層された全てのプリプレグが前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される。レイアウト4において、前縁側導電性接着剤及び後縁側導電性接着剤は、厚み方向中央(シンメトリーの中央)の2層(90°配向)のみに塗布され、厚み方向中央の2層が前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続される。なお、この試験では、レイアウト3及びレイアウト4の前縁側通電部31及び後縁側通電部32のスパン方向長さは30mm(上記と同じ)である。着氷風洞装置100にレイアウト3及びレイアウト4の供試体を設置し、室温-10°Cとし、空気流速20m/sで空気を流す。レイアウト3及びレイアウト4の供試体に同じ投入電力(20W)を90秒間印加し、通電開始から90秒後にサーモカメラで供試体を撮影して表面温度分布を得る。
Prepare specimens for
図5は、試験結果を示すグラフである。 Figure 5 is a graph showing the test results.
このグラフは、図31の破線が示すミッドスパン位置の供試体の表面温度分布を示す。横軸は、前縁(0)から後縁(1)までの供試体の位置を示す。縦軸は、通電開始から90秒後の表面温度(°C)を示す。レイアウト4は、前後縁の発熱がレイアウト3より全域で高い温度分布となった。その理由は、下記の式において、レイアウト4では導電性接着剤の塗布面積Sが狭いことにより(導電性接着剤の厚さは同じ)抵抗R[Ω]が大きくなり加熱量が上昇したためと考えられる。
また、レイアウト3は通風時でも前縁の温度を後縁より高くできたが、レイアウト4は後縁の方が前縁より温度が高くなった。層選択では導電性接着剤の塗布面積が減ったため、対流熱伝達による熱の奪われに対する今回使用した前縁の導電性接着剤の抵抗が足りず、このような結果となった。しかし、前縁の導電性接着剤の体積を減少(導電性接着剤の塗布面積を同一と考えた場合、塗布厚を減少させる)させたり、前後縁の抵抗の比率(前縁の抵抗値÷後縁の抵抗値)を大きくすることで、層選択でも前縁の温度を後縁より上げることは可能である。
ちなみに常温・無風の条件ではレイアウト3同様、レイアウト4も前縁側の方が後縁側より温度が高くなることを確認している。
This graph shows the surface temperature distribution of the specimen at the mid-span position indicated by the dashed line in Figure 31. The horizontal axis indicates the position of the specimen from the leading edge (0) to the trailing edge (1). The vertical axis indicates the surface temperature (°C) 90 seconds after the start of current flow.
In addition, in
Incidentally, under normal temperature and windless conditions, it has been confirmed that in
R=(ρL)/SR = (ρL)/S
上述の「前縁の導電性接着剤の体積を減少(導電性接着剤の塗布面積を同一と考えた場合、塗布厚を減少させる)させたりすることで、層選択でも前縁の温度を後縁より上げることは可能」について下記の様な試験結果を得た。
図40は、-10°C、無風、10W投入電力条件にて、前縁と後縁の導電性接着剤の塗布厚を変えたもの(150μm、300μm、400μm、前後縁同じ厚み)の前後縁間の抵抗値を計測したグラフである。図40のグラフに示す様に、塗布厚を小さくした方が抵抗が大きくなる。
図41は、図40と同じ試験条件で、CFRP供試体の側面の温度分布をサーモカメラで取得し、ミッドスパンを前縁から後縁にかけてグラフ化したものである。この結果からも、塗布厚を小さくしたことにより前後縁とも温度が高くなっている。これは図40の通り塗布厚を小さくしたことにより抵抗が大きくなったことが原因だと考えられる。何故、塗布厚を小さくすると抵抗が大きくなったかというと、電流が流れ難くなり抵抗が大きくなったと考えられる。これは、塗布厚を小さくすることで導電性接着剤の容積が減少し、その結果塗布面積が減少したときと同様である。
Regarding the above-mentioned statement that "it is possible to raise the temperature of the leading edge more than the trailing edge by reducing the volume of the conductive adhesive at the leading edge (reducing the coating thickness when the coating area of the conductive adhesive is considered to be the same) by layer selection," the following test results were obtained.
Figure 40 is a graph showing the measured resistance between the front and rear edges when the thickness of the conductive adhesive applied to the front and rear edges was changed (150 μm, 300 μm, 400 μm, same thickness on front and rear edges) under conditions of -10°C, no wind, and input power of 10 W. As shown in the graph in Figure 40, the resistance increases with decreasing application thickness.
Figure 41 shows the temperature distribution on the side of a CFRP specimen, captured with a thermal camera under the same test conditions as Figure 40, and graphed from the leading edge to the trailing edge of the midspan. This result also shows that reducing the coating thickness results in higher temperatures at both the leading and trailing edges. This is thought to be due to the increased resistance caused by reducing the coating thickness, as shown in Figure 40. The reason why resistance increases when the coating thickness is reduced is thought to be because it becomes more difficult for current to flow, resulting in an increased resistance. This is similar to what happens when the volume of the conductive adhesive is reduced by reducing the coating thickness, resulting in a reduced coating area.
5.正圧側と負圧側の導電性接着剤の選択
航空機のジェットエンジン1のファンブレード8への着氷は、ファンブレード8の前縁24(特にハブ側26周辺からミッドスパン周辺までの領域)と正圧面に多く氷が付着集中する。この現象は、ハブ側26とチップ側27の回転周方向速度の差に起因する。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は回転速度が速く、遠心力により氷が剥がれ易いため堆積し難い。また、大気中の液滴がファンブレード8に衝突すると同時に、ファンブレード8の前縁24と正圧面に対して急速に液滴が氷結する過冷却現象の着氷メカニズムが発生する。
5. Selection of conductive adhesives for pressure side and negative pressure side Icing on the
以上の2つの要因から、ファンブレード8独特の複数個所に集中する着氷が発生することになり、そのため複雑な現象から発生する複数の着氷個所に応じた適切な防氷・除氷対策が重要になる。
The above two factors result in ice accumulation that is concentrated in multiple locations on the
このため、着氷量の多い前縁24ハブ側26からミッドスパン近傍領域及び正圧面を積極的に加熱するのが望ましい。上記のように、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間のファンブレード本体21の通電領域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。このため、一対の前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間に電流を流すとき、ファンブレード本体21の正圧面側の発熱量がファンブレード本体21の負圧面側の発熱量より高いのが望ましい。For this reason, it is desirable to actively heat the area near the midspan and the pressure surface from the
上記した様に、このため、塗布する導電性接着剤の抵抗値の大きさが高い順に、前縁・正圧面(最高値)、前縁・負圧面、後縁・負圧面、後縁・正圧面(最低値)とするのがよい。例えば、ファンブレード本体21の正圧面側の前縁側導電性接着剤の抵抗値は、ファンブレード本体21の負圧面側の前縁側導電性接着剤の抵抗値より高いものとすればよい。ファンブレード本体21の負圧面側の後縁側導電性接着剤の抵抗値は、ファンブレード本体21の正圧面側の後縁側導電性接着剤の抵抗値より高いものとすればよい。As described above, therefore, the conductive adhesive to be applied should be applied in order of decreasing resistance, from leading edge/pressure surface (highest value), leading edge/suction surface, trailing edge/suction surface, and trailing edge/pressure surface (lowest value). For example, the resistance of the leading edge conductive adhesive on the pressure surface side of the
導電性接着剤の抵抗値の大小に加えて、電子部品系の基板技術ではなく、設備産業で利用されている基板技術では、大電流を流して利用することから導電性接着剤の塗布量(体積)、炭素繊維と接合している面積、電流経路の(道の断面積)サイズによっても、ファンブレード本体21の部分ごとの抵抗を変化させることを図れる。In addition to the resistance value of the conductive adhesive, the board technology used in the equipment industry, rather than electronic component board technology, uses a large current, so the resistance of each part of the
IV.層選択IV. Layer Selection
図11で説明したように、積層状態において、複数の層211、212、213、214・・・21nのコード方向の前縁24側及び後縁25側の両端は、層状に露出している。このため、複数の層211(90°配向)、212(+45°配向)、213(-45°配向)、214(0°配向)・・・21nから選択された1以上の層を、選択的に、導電性接着剤を介して前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続することができる。1つの層21nが前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続されてもよく、選択された一部の層21nが前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続されてもよく、全ての層21nが前縁側通電部31及び後縁側通電部32に接続されてもよい。11, in the laminated state, both ends of the leading
1.層選択通風温度確認試験 1. Layer selection ventilation temperature confirmation test
図32は、実験で用いた層選択の具体例を示す。 Figure 32 shows a specific example of layer selection used in the experiment.
4種類の供試体を準備する。レイアウト1は、層状に露出した全ての層に導電性接着剤をべた塗りすることで、全ての90°層を導通する。層選択Aは、供試体前縁の温度を上げることを想定し、供試体中央の90°層の2層を導通する。層選択Bは、供試体表面側の温度を上げることを想定し、表面層に近い90°層の2層を導通する。層選択C(2層側)は、前縁の温度を上げつつ正圧面に相当する片側の面のみ温度を上げることを想定し、供試体中央の90°層の1層及び表面層(正圧面)に近い90°層の1層、計2層分を導通する。層選択C(1層側)は、前縁の温度を上げ、負圧面に相当する片側の面の温度は正圧面より低くなるようにするため、供試体中央の90°層の1層のみ導通する。
Four types of specimens are prepared. In
全ての供試体は、ミッドスパン位置に、前縁側通電部31(スパン方向長さ30mm)及び後縁側通電部32(スパン方向長さ30mm)を有し、前縁側通電部31及び後縁側通電部32の間を通電する。実験用に用いた前縁側導電性接着剤の抵抗値は、3×10-3~8×10-4Ω・cmであり、後縁側導電性接着剤の抵抗値は、8×10-4~2×10-4Ω・cmである。主流速度20m/s、投入電力9W、室温-10°C、投入時間90秒の条件で、通風時の供試体表面温度分布を確認する。
All test specimens have a leading-edge-side conductive portion 31 (length in the
図33は、層選択通風温度確認試験結果を示すサーモグラフィである。図34は、層選択通風温度確認試験結果を示すグラフである。 Figure 33 is a thermograph showing the results of the layer selection ventilation temperature confirmation test. Figure 34 is a graph showing the results of the layer selection ventilation temperature confirmation test.
図34のグラフの縦軸は、図33のサーモグラフィのミッドスパン破線部の表面温度である。横軸は、供試体前縁から後縁までをコード長で無次元化したものである。The vertical axis of the graph in Figure 34 is the surface temperature of the mid-span dashed line part of the thermograph in Figure 33. The horizontal axis is the chord length from the leading edge to the trailing edge of the specimen, non-dimensionalized.
どの層選択もLayout1(べた塗)より前縁部の温度を高く出来る。特に層選択Aおよび層選択C(2層側)は前縁部2層の導通があるため、集中的に前縁部を加熱でき、前縁部の温度を高く出来る。。層選択Bは表面層に一番近い為、供試体ミッドコード付近前後の温度を一番高く出来る。層選択C(2層側)と層選択C(1層側)を比較すると、層選択C(2層側)は前縁および表面に近い2層の導通が可能なため、層選択C(1層側)より全領域にわたって温度を高く出来る。層選択を行うことで、前縁部の温度を効率的に上げ、さらに供試体表面の片側を正圧面、もう一方を負圧面と想定した場合、正圧面(層選択C(2層側))の温度を負圧面(層選択C(1層側))の温度より高くすることが可能である。Layout1(べた塗)は通風時でも前縁の温度を後縁より高くできたが、層選択A、層選択C(2層側及び1層側)は後縁の方が前縁より温度が高くなった。層選択では導電性接着剤の塗布面積が減ったため、対流熱伝達による熱の奪われに対する今回使用した前縁の導電性接着剤の抵抗が足りず、このような結果となった。しかし、接着剤の体積の減少(導電性接着剤の塗布面積を同一と考えた場合、塗布厚を減少させる)、前後縁の抵抗の比率(前縁の抵抗値÷後縁の抵抗値)を大きくすることで、層選択でも前縁の温度を後縁より上げることは可能である。ちなみに常温・無風の条件ではLayout1(べた塗)同様、層選択A、層選択C(2層側及び1層側)も前縁側の方が後縁側より温度が高くなることを確認している。 All layer selections can increase the temperature of the leading edge more than Layout 1 (solid paint). In particular, layer selection A and layer selection C (2nd layer side) have electrical conductivity between the two layers of the leading edge, so the leading edge can be heated in a concentrated manner and the temperature of the leading edge can be increased. . Layer selection B is closest to the surface layer, so it can increase the temperature around the mid-cord of the specimen the highest. Comparing layer selection C (2nd layer side) and layer selection C (1st layer side), layer selection C (2nd layer side) can increase the temperature over the entire area more than layer selection C (1st layer side) because it allows electrical conductivity between the two layers close to the leading edge and surface. By selecting layers, it is possible to efficiently increase the temperature of the leading edge, and furthermore, if one side of the specimen surface is assumed to be the pressure side and the other to be the suction side, it is possible to make the temperature of the pressure side (layer selection C (2nd layer side)) higher than the temperature of the suction side (layer selection C (1st layer side)). Layout 1 (solid coating) was able to make the temperature of the leading edge higher than the trailing edge even when ventilation was in progress, but for layer selection A and layer selection C (2nd layer side and 1st layer side), the temperature of the trailing edge was higher than the leading edge. In layer selection, the conductive adhesive coating area was reduced, so the resistance of the conductive adhesive used at the leading edge was insufficient to prevent heat loss due to convection heat transfer, resulting in this result. However, by reducing the volume of the adhesive (reducing the coating thickness when the conductive adhesive coating area is considered to be the same) and increasing the ratio of resistance between the leading and trailing edges (resistance value of the leading edge ÷ resistance value of the trailing edge), it is possible to make the temperature of the leading edge higher than the trailing edge even with layer selection. Incidentally, it has been confirmed that under normal temperature and no wind conditions, like Layout 1 (solid coating), layer selection A and layer selection C (2nd layer side and 1st layer side) also have a higher temperature at the leading edge than the trailing edge.
図35は、層選択通風温度確認試験結果を示すグラフである。 Figure 35 is a graph showing the results of the layer selection ventilation temperature confirmation test.
主流速度20m/s、投入電力20W、室温-10°C、投入時間90秒の条件で、通風時の供試体表面温度分布を確認する。図35と図34との差異は、投入電力の違いのみである。投入電力9Wの時と同様な機能は投入電力20Wでも実現できる。Layout1(べた塗)は通風時でも前縁の温度を後縁より高くできたが、層選択A、層選択C(2層側及び1層側)は後縁の方が前縁より温度が高くなった。層選択では導電性接着剤の塗布面積が減ったため、対流熱伝達による熱の奪われに対する今回使用した前縁の導電性接着剤の抵抗が足りず、このような結果となった。しかし、接着剤の体積の減少(導電性接着剤の塗布面積を同一と考えた場合、塗布厚を減少させる)、前後縁の抵抗の比率(前縁の抵抗値÷後縁の抵抗値)を大きくすることで、層選択でも前縁の温度を後縁より上げることは可能である。ちなみに常温・無風の条件ではLayout1(べた塗)同様、層選択A、層選択C(2層側及び1層側)も前縁側の方が後縁側より温度が高くなることを確認している。The surface temperature distribution of the specimen during ventilation is confirmed under the conditions of a main flow speed of 20 m/s, input power of 20 W, room temperature of -10°C, and input time of 90 seconds. The only difference between Figure 35 and Figure 34 is the input power. The same function as when the input power is 9 W can be achieved with an input power of 20 W. Layout 1 (solid paint) was able to make the temperature of the leading edge higher than the trailing edge even during ventilation, but with layer selection A and layer selection C (2nd layer side and 1st layer side), the temperature of the trailing edge was higher than the leading edge. Since the conductive adhesive application area was reduced in layer selection, the resistance of the conductive adhesive used in this study at the leading edge against the loss of heat due to convective heat transfer was insufficient, resulting in this result. However, it is possible to raise the temperature of the leading edge higher than the trailing edge even with layer selection by reducing the volume of the adhesive (if the conductive adhesive application area is considered to be the same, the application thickness is reduced) and increasing the ratio of the resistance of the leading and trailing edges (resistance value of the leading edge ÷ resistance value of the trailing edge). Incidentally, under room temperature and windless conditions, it has been confirmed that, like Layout 1 (solid paint), the temperature is higher on the leading edge side than on the trailing edge side for Layer Selection A and Layer Selection C (2nd layer side and 1st layer side).
2.層選択防氷試験 2. Layer selection anti-icing test
図32のレイアウト1及び層選択Aの供試体を準備する。試験条件は、主流速度20m/s、40m/s、液滴粒径15μm、投入電力20m/s(10W、22W、40W)、40m/s(20W、30W、49W)、室温-10°Cである。
Prepare a test specimen with
図36及び図37は、試験結果を示す写真である。 Figures 36 and 37 are photographs showing the test results.
図36は、試験条件(空気流速20m/s、液滴粒径15μm、投入電力(10W、22W、40W)での、レイアウト1及び層選択Aの防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。
Figure 36 shows photographs of the test specimens taken with a camera after the results of the anti-icing test for
図37は、別の試験条件(空気流速40m/s、液滴粒径15μm、投入電力(20W、30W、49W)での、レイアウト1及び層選択Aの防氷試験結果後の供試体をカメラで撮影した写真である。
Figure 37 shows photographs of the test specimens taken with a camera after the results of the anti-icing test for
図38及び図39は、試験結果を示すグラフである。 Figures 38 and 39 are graphs showing the test results.
横軸は、投入電力[w]を示す。縦軸は、防氷効果(アンチアイスエフェクト)[%]であり、上記の式(数1)で算出する。The horizontal axis indicates the input power [W]. The vertical axis indicates the anti-ice effect [%], which is calculated using the above formula (Equation 1).
図38は、図36の結果を示し、空気流速20m/s、液滴粒径15μm、投入電力10W、22W、40Wの試験結果を示す。投入電力22W、40Wにおいて、層選択Aの防氷効果がレイアウト1の防氷効果より高い。
Figure 38 shows the results of Figure 36, with test results for an air flow velocity of 20 m/s, droplet diameter of 15 μm, and input power of 10 W, 22 W, and 40 W. At input powers of 22 W and 40 W, the anti-icing effect of layer selection A is higher than that of
図39は、図37の結果を示し、空気流速40m/s、液滴粒径15μm、投入電力10W、22W、40Wの試験結果を示す。投入電力30W、49Wにおいて、層選択Aの防氷効果がレイアウト1の防氷効果より高い。
Figure 39 shows the results of Figure 37, with the air flow velocity of 40 m/s, droplet diameter of 15 μm, and input power of 10 W, 22 W, and 40 W. At input powers of 30 W and 49 W, the anti-icing effect of layer selection A is higher than that of
図38及び図39の何れも、低電力および投入電力が大きく防氷効果が限界に達している所では効果の差が出にくいが、その間では、低電力の箇所でわずかであるが層選択Aの方が防氷効果が悪く出ているが、実は評価領域でない着氷も含めた「着氷重量[g]」として供試体全体を秤にて防氷時の着氷重量を計測すると、層選択Aの方が防氷効果が高く出る。面積計算のため、氷の成長の仕方で不利な結果が出てしまったと考えられる。レイアウト1(べた塗)よりも層選択Aの方が、同じ投入電力でも防氷効果が大きい。 In both Figures 38 and 39, the difference in effectiveness is difficult to see at low power and where the input power is high and the anti-icing effect has reached its limit, but between those, layer selection A has a slightly worse anti-icing effect at low power locations. However, if the weight of ice on the entire test specimen during anti-icing is measured on a scale as "ice weight [g]", including ice that is not in the evaluation area, layer selection A actually has a higher anti-icing effect. It is thought that the unfavorable results were due to the way the ice grows, due to the area calculation. Layer selection A has a greater anti-icing effect than layout 1 (solid color) even with the same input power.
V.結語V. Conclusion
本実施形態は、近年ファンブレードに採用されている優れた機械特性を有するCFRPをベースに、材料特性と構造の観点から着氷の課題解決の方法を得たものである。本実施形態によれば、簡単な構造で、かつ、効率よく防氷や除氷を行うことが可能である。また、最低限の簡便な追加工によりファンブレードの防氷機能実現が可能となることで、本来の空力性能に悪影響を及ぼすことなく、高い防氷効果の長期安定性と耐久性も得られる。 This embodiment is based on CFRP, which has excellent mechanical properties and has been adopted for fan blades in recent years, and provides a method for solving the problem of icing from the perspective of material properties and structure. According to this embodiment, it is possible to perform anti-icing and de-icing efficiently with a simple structure. Furthermore, by making it possible to realize the anti-icing function of the fan blades with a minimum of simple additional processing, it is possible to obtain a high level of stability and durability of the anti-icing effect over the long term without adversely affecting the original aerodynamic performance.
本実施形態は、特に、現行のファンブレードの仕様(CFRP)を用いて着氷の多い箇所に抵抗加熱の発現が可能である。着氷の多い箇所に抵抗加熱を集中して発現が可能である。最低限の追加加工で防除氷機能の実現が可能であり、メンテナンスも容易で長期安定性がある。等の有利な効果がある。 This embodiment has the following advantageous effects: it is possible to generate resistive heating in areas where ice is likely to accumulate using the current fan blade specifications (CFRP). It is possible to concentrate resistive heating in areas where ice is likely to accumulate. It is possible to achieve anti-icing functionality with minimal additional processing, and it is easy to maintain and stable over the long term.
航空機業界は年々市場規模が拡大しており、機体、エンジンともにCFRPの適用割合が増加している。航空業界における防氷・除氷技術は従来からあまり変化していないが、金属を使用していた部位にCFRPが適用され、新たな防氷・除氷技術の開発が期待される。本実施形態においては、そのCFRPの特性を活かし、空力的に悪影響を及ぼすことなく、既存のCFRPファンに追加工を加えることで防氷・除氷が可能となる。また、航空業界と同じく着氷問題が生じている風力発電等に使用する風車や、CFRPの普及が進みつつある自動車業界においても寒冷地における着氷対策等に応用可能である。 The market size of the aircraft industry is expanding year by year, and the proportion of CFRP used in both aircraft and engines is increasing. Anti-icing and de-icing technology in the aviation industry has not changed much from the past, but CFRP is being used in parts that previously used metal, and new anti-icing and de-icing technology is expected to be developed. In this embodiment, the characteristics of CFRP are utilized, and anti-icing and de-icing are possible by adding additional processing to existing CFRP fans without adversely affecting the aerodynamics. In addition, it can be applied to wind turbines used in wind power generation, which has the same icing problem as the aviation industry, and in the automobile industry, where CFRP is becoming more widespread, as a measure against icing in cold regions.
本技術の各実施形態及び各変形例について上に説明したが、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。Although each embodiment and each variant of the present technology has been described above, the present technology is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can of course be made without departing from the spirit and scope of the present technology.
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 :前縁側通電部
32 :後縁側通電部
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
REFERENCE SIGNS LIST 1: Jet engine 2: Low pressure shaft 4: Intake port 5: Spinner 6: Fan disk 7: Dovetail 8: Fan blade 21: Fan blade body 22: Sheath 23: Guard 24: Leading edge 25: Trailing edge 31: Leading edge side conductive portion 32: Trailing edge side conductive portion 35: Power source 36: Heating area 41: Locking groove 46: Connection terminal 49: Connection terminal 53: Battery 61: Slip ring
Claims (10)
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通電領域に電流を流すための一対の第1の通電部及び第2の通電部と、
を具備し、
前記一対の第1の通電部及び第2の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第1側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第2側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記ファンブレード本体の前記第1側の前記通電領域の発熱量が前記第2側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第1の通電部のスパン方向の長さに対する前記第1の通電部に導通された炭素繊維の割合である第1側の導通繊維密度が、前記第2の通電部の前記スパン方向の長さに対する前記第2の通電部に導通された炭素繊維の割合である第2側の導通繊維密度より高い、ことを含み、
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、前記複数の層に含まれる炭素繊維の配向は異なり、
前記複数の層から選択された1以上の層を前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続することにより、前記第1側の導通繊維密度が前記第2側の導通繊維密度より高い
ファンブレード。 A fan blade disposed on the intake side of the engine,
A fan blade body made of carbon fiber reinforced plastic;
a pair of first and second current-carrying parts for passing a current through a current-carrying region of the fan blade body by passing a current through carbon fibers contained in the carbon fiber reinforced plastic;
Equipped with
when a current flows between the pair of first and second current-carrying portions, a heat amount of the current-carrying region on a first side of the fan blade body is higher than a heat amount of the current-carrying region on a second side of the fan blade body,
The heat generation amount of the current-carrying region on the first side of the fan blade body is higher than the heat generation amount of the current-carrying region on the second side of the fan blade body,
a first-side conductive fiber density, which is a ratio of carbon fibers conducted to the first current-carrying portion relative to a length of the first current-carrying portion in the span direction, is higher than a second-side conductive fiber density, which is a ratio of carbon fibers conducted to the second current-carrying portion relative to a length of the second current-carrying portion in the span direction,
The fan blade body includes a plurality of laminated layers, and the orientation of the carbon fibers included in the plurality of layers is different.
By connecting one or more layers selected from the plurality of layers to the first current-carrying portion and the second current-carrying portion, the conductive fiber density on the first side is higher than the conductive fiber density on the second side.
Fan blade.
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通電領域に電流を流すための一対の第1の通電部及び第2の通電部と、
を具備し、
前記一対の第1の通電部及び第2の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第1側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第2側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記複数の層から選択された1以上の層が、前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続され、
前記1以上の層は、
スパン方向及びコード方向の両方向に対して正に傾斜した第1の方向に配向した炭素繊維を含む第1の層、及び/又は
前記スパン方向及び前記コード方向の両方向に対して負に傾斜した第2の方向に配向した炭素繊維を含む第2の層
を含む
ファンブレード。 A fan blade disposed on the intake side of the engine,
A fan blade body made of carbon fiber reinforced plastic;
a pair of first and second current-carrying parts for passing a current through a current-carrying region of the fan blade body by passing a current through carbon fibers contained in the carbon fiber reinforced plastic;
Equipped with
when a current flows between the pair of first and second current-carrying portions, a heat amount of the current-carrying region on a first side of the fan blade body is higher than a heat amount of the current-carrying region on a second side of the fan blade body,
The fan blade body includes a plurality of laminated layers.
One or more layers selected from the plurality of layers are connected to the first current-carrying portion and the second current-carrying portion ,
The one or more layers include
A fan blade comprising: a first layer comprising carbon fibers oriented in a first direction that is positively inclined with respect to both the span direction and the chord direction; and/or a second layer comprising carbon fibers oriented in a second direction that is negatively inclined with respect to both the span direction and the chord direction.
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通電領域に電流を流すための一対の第1の通電部及び第2の通電部と、
を具備し、
前記一対の第1の通電部及び第2の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第1側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第2側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記第2の通電部のスパン方向の長さは、前記第1の通電部の前記スパン方向の長さより長い
ファンブレード。 A fan blade disposed on the intake side of the engine,
A fan blade body made of carbon fiber reinforced plastic;
a pair of first and second current-carrying parts for passing a current through a current-carrying region of the fan blade body by passing a current through carbon fibers contained in the carbon fiber reinforced plastic;
Equipped with
when a current flows between the pair of first and second current-carrying portions, a heat amount of the current-carrying region on a first side of the fan blade body is higher than a heat amount of the current-carrying region on a second side of the fan blade body,
A fan blade, wherein a length in a span direction of the second current-carrying portion is longer than a length in the span direction of the first current-carrying portion.
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通電領域に電流を流すための一対の第1の通電部及び第2の通電部と、
を具備し、
前記一対の第1の通電部及び第2の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第1側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第2側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記複数の層から選択された正圧面側の層が前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続され、
前記一対の第1の通電部及び第2の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の正圧面側の発熱量が前記ファンブレード本体の負圧面側の発熱量より高い
ファンブレード。 A fan blade disposed on the intake side of the engine,
A fan blade body made of carbon fiber reinforced plastic;
a pair of first and second current-carrying parts for passing a current through a current-carrying region of the fan blade body by passing a current through carbon fibers contained in the carbon fiber reinforced plastic;
Equipped with
when a current flows between the pair of first and second current-carrying portions, a heat generation amount of the current-carrying region on a first side of the fan blade body is higher than a heat generation amount of the current-carrying region on a second side of the fan blade body,
The fan blade body includes a plurality of laminated layers,
a layer on a pressure surface side selected from the plurality of layers is connected to the first current conducting portion and the second current conducting portion,
a fan blade, wherein when a current flows between the pair of first and second current-carrying portions, an amount of heat generated on a pressure surface side of the fan blade body is higher than an amount of heat generated on a suction surface side of the fan blade body.
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通電領域に電流を流すための一対の第1の通電部及び第2の通電部と、
前記ファンブレード本体を前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続する第1側導電性接着剤及び第2側導電性接着剤と、
を具備し、
前記一対の第1の通電部及び第2の通電部の間に電流を流すとき、前記ファンブレード本体の前記ファンブレード本体の第1側の前記通電領域の発熱量が前記ファンブレード本体の第2側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記ファンブレード本体の前記第1側の前記通電領域の発熱量が前記第2側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第1側導電性接着剤の抵抗値が前記第2側導電性接着剤の抵抗値より高い、ことを含む
ファンブレード。 A fan blade disposed on the intake side of the engine,
A fan blade body made of carbon fiber reinforced plastic;
a pair of first and second current-carrying portions for passing a current through a current-carrying region of the fan blade body by passing a current through carbon fibers contained in the carbon fiber reinforced plastic;
a first side conductive adhesive and a second side conductive adhesive that connect the fan blade body to the first current-carrying portion and the second current-carrying portion;
Equipped with
when a current flows between the pair of first and second current-carrying portions, a heat generation amount of the current-carrying region on a first side of the fan blade body is higher than a heat generation amount of the current-carrying region on a second side of the fan blade body,
The heat generation amount of the current-carrying region on the first side of the fan blade body is higher than the heat generation amount of the current-carrying region on the second side of the fan blade body,
a resistance value of the first side conductive adhesive being higher than a resistance value of the second side conductive adhesive.
前記ファンブレード本体は積層された複数の層を含み、
前記第1側導電性接着剤及び前記第2側導電性接着剤は、前記複数の層から選択された1以上の層を前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続する
ファンブレード。 6. A fan blade as claimed in claim 5 ,
The fan blade body includes a plurality of laminated layers.
The first side conductive adhesive and the second side conductive adhesive connect one or more layers selected from the plurality of layers to the first current-carrying portion and the second current-carrying portion.
前記ファンブレード本体の正圧面側の前記第1側導電性接着剤の抵抗値は、前記ファンブレード本体の負圧面側の前記第1側導電性接着剤の抵抗値より高く、
前記正圧面側の前記第2側導電性接着剤の抵抗値は、前記負圧面側の前記第2側導電性接着剤の抵抗値より低い
ファンブレード。 7. A fan blade according to claim 5 or 6 ,
a resistance value of the first side conductive adhesive on a pressure surface side of the fan blade body is higher than a resistance value of the first side conductive adhesive on a suction surface side of the fan blade body,
A fan blade, wherein a resistance value of the second side conductive adhesive on the pressure side is lower than a resistance value of the second side conductive adhesive on the suction side.
前記第1側は、前記ファンブレード本体の前縁側であり、
前記第2側は、前記ファンブレード本体の後縁側である
ファンブレード。 A fan blade according to any one of claims 1 to 7 ,
the first side is a leading edge side of the fan blade body;
The second side is a trailing edge side of the fan blade body.
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、請求項1乃至8の何れか一項に記載のファンブレードと、
第1の通電部及び第2の通電部ごとにファンディスク側及び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第1の通電部及び前記第2の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。 A rotation axis;
A fan disk provided on the intake side of the rotating shaft;
A fan blade according to any one of claims 1 to 8 , removably attached to the fan disk;
a pair of connection terminals provided on the fan disk side and the fan blade side for each of the first current-carrying portion and the second current-carrying portion, the connection terminals being electrically connected to each other when the fan blade is attached to the fan disk, for conducting electricity between a power source on the fan disk side and the first current-carrying portion and the second current-carrying portion;
An engine comprising:
前記着氷領域を含むように前記板状部材の第1側及び第2側にそれぞれ設けられ、前記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板状部材の通電領域に電流を流すための一対の第1の通電部及び第2の通電部と、
前記板状部材を前記第1の通電部及び前記第2の通電部に接続する第1側導電性接着剤及び第2側導電性接着剤と、
を具備し、
前記板状部材の前記第1側の前記通電領域の発熱量が前記第2側の前記通電領域の発熱量より高く、
前記板状部材の前記第1側の前記通電領域の発熱量が前記第2側の前記通電領域の発熱量より高いことは、
前記第1側導電性接着剤の抵抗値が前記第2側導電性接着剤の抵抗値より高い、ことを含む
防氷・除氷機能付き構造体。 A plate-shaped member made of carbon fiber reinforced plastic and having an ice formation region due to a gas flow;
a pair of first and second current-carrying parts provided on a first side and a second side of the plate-shaped member, respectively, to include the ice-accretion region, for causing a current to flow through the carbon fibers contained in the carbon fiber reinforced plastic to cause a current to flow through the current-carrying region of the plate-shaped member;
a first side conductive adhesive and a second side conductive adhesive that connect the plate-like member to the first current-carrying portion and the second current-carrying portion;
Equipped with
a heat generation amount of the current-carrying region on the first side of the plate-like member is higher than a heat generation amount of the current-carrying region on the second side of the plate-like member,
The heat generation amount of the current-carrying region on the first side of the plate-like member is higher than the heat generation amount of the current-carrying region on the second side of the plate-like member,
a resistance value of the first-side conductive adhesive is higher than a resistance value of the second-side conductive adhesive.
Structure with anti-icing and de-icing functions.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021162473 | 2021-10-01 | ||
| JP2021162473 | 2021-10-01 | ||
| PCT/JP2022/033524 WO2023053870A1 (en) | 2021-10-01 | 2022-09-07 | Fan blade, engine, and structure with anti-icing and de-icing functions |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPWO2023053870A1 JPWO2023053870A1 (en) | 2023-04-06 |
| JPWO2023053870A5 JPWO2023053870A5 (en) | 2024-03-13 |
| JP7500118B2 true JP7500118B2 (en) | 2024-06-17 |
Family
ID=85782383
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2023550501A Active JP7500118B2 (en) | 2021-10-01 | 2022-09-07 | Fan blades, engines and structures with anti-icing and de-icing functions |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7500118B2 (en) |
| WO (1) | WO2023053870A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203035466U (en) | 2013-01-24 | 2013-07-03 | 长沙理工大学 | Carbon fiber strengthened wind machine blade with deicing and anti-freezing functions |
| JP2015531038A (en) | 2012-08-06 | 2015-10-29 | ヴォッベン プロパティーズ ゲーエムベーハーWobben Properties Gmbh | Resistance blade heating device for carbon fiber reinforced plastic |
| US20160353523A1 (en) | 2015-05-29 | 2016-12-01 | Philip Jarvinen | Embedded Turbofan Deicer System |
| JP2019108818A (en) | 2017-12-15 | 2019-07-04 | 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 | Fan blade, engine, and structure with anti-icing/de-icing function |
-
2022
- 2022-09-07 WO PCT/JP2022/033524 patent/WO2023053870A1/en not_active Ceased
- 2022-09-07 JP JP2023550501A patent/JP7500118B2/en active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015531038A (en) | 2012-08-06 | 2015-10-29 | ヴォッベン プロパティーズ ゲーエムベーハーWobben Properties Gmbh | Resistance blade heating device for carbon fiber reinforced plastic |
| CN203035466U (en) | 2013-01-24 | 2013-07-03 | 长沙理工大学 | Carbon fiber strengthened wind machine blade with deicing and anti-freezing functions |
| US20160353523A1 (en) | 2015-05-29 | 2016-12-01 | Philip Jarvinen | Embedded Turbofan Deicer System |
| JP2019108818A (en) | 2017-12-15 | 2019-07-04 | 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 | Fan blade, engine, and structure with anti-icing/de-icing function |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPWO2023053870A1 (en) | 2023-04-06 |
| WO2023053870A1 (en) | 2023-04-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7223386B2 (en) | fan blade and engine | |
| US9771158B2 (en) | Ice protection of aerodynamic surfaces | |
| US6330986B1 (en) | Aircraft de-icing system | |
| US11964768B2 (en) | Tailored rotor-blade ice-protection system | |
| US7078658B2 (en) | Heater mat made of electrically-conductive fibers | |
| CN106243952B (en) | Compo, the wing and anti-deicing system | |
| CN102883954B (en) | Electrical apparatus | |
| CN102822056B (en) | Electrothermal heater mat and method for manufacturing electrothermal heater mat | |
| JP2011137465A (en) | Turbo machine nacelle, anti-icing system, and method thereof | |
| US20200361612A1 (en) | Resistive heated aircraft component and method for manufacturing said aircraft component | |
| Hu et al. | Comparative study of using superhydrophobic and icephobic surface coatings for aircraft icing mitigation | |
| CN102883955A (en) | Dielectric component with electrical connection | |
| Samad et al. | Comparative Study of Various Strategies for Multirotor UAV Propeller Icing Mitigation | |
| US8919700B2 (en) | De-icing device, in particular for an aircraft nacelle | |
| US20200023975A1 (en) | De-icing apparatus | |
| JP7500118B2 (en) | Fan blades, engines and structures with anti-icing and de-icing functions | |
| Müller et al. | UAV icing: Validation of an ice protection system design for a propeller | |
| Ding et al. | Evaluation of inflight deicing performance for designed electrothermal systems with experimental verification | |
| Samad et al. | A hybrid anti-/de-icing strategy for UAV propeller icing protection | |
| US11198513B1 (en) | Anti-icing/de-icing system and method | |
| Gao et al. | An experimental investigation on an electric-thermal strategy for wind turbines icing mitigation | |
| CA2375544C (en) | Aircraft de-icing system | |
| Laroche | Comparative evaluation of embedded heating elements as electrothermal ice protection systems for composite structures | |
| KR20230170458A (en) | Aircraft anti-icing or de-icing system and method making the same | |
| CN114852344A (en) | Brand-new active and passive coupling-based anti-icing and deicing system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231208 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20231208 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20240521 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20240529 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7500118 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |