CN110315771B - 复合材料叶片以及复合材料叶片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够抑制叶根部的强度降低的复合材料叶片及复合材料叶片的制造方法。复合材料叶片(100)在方向(X)上层叠对强化纤维浸渍了树脂的复合材料层(20)而形成，具有叶根部(11)和叶形部(10)。复合材料叶片具备：第一层叠体(30)，其为复合材料层的层叠体，在叶根部从基端(100b)侧形成有多个一部分复合材料层彼此分离而成的分离部(50)，设置为从前端(100a)侧朝向基端侧在方向(X)上扩宽；第二层叠体(40)，其为层叠复合材料层而成的层叠体，在叶根部配置于第一层叠体的分离部，设为在方向(X)排列多个。将多个第二层叠体的前端侧的一端(40a)彼此连结的线(L2)随着从方向(X)的外侧朝向中央侧而朝向前端侧延伸。

Description

复合材料叶片以及复合材料叶片的制造方法
技术领域
本发明涉及复合材料叶片以及复合材料叶片的制造方法。
背景技术
以往，作为燃气轮机的动叶，已知有与将对强化纤维浸渍了树脂的复合材料层层叠而形成的复合材料叶片有关的技术。例如，在专利文献1中公开了具备叶形部以及设置于叶形部的末端的叶根部(燕尾部)的复合材料叶片。在该复合材料叶片中，在叶根部，使从叶形部延伸的复合材料层的一部分离开而形成，使叶根部比叶形部向外侧扩宽。并且，通过在使复合材料层的一部分离开的位置追加层叠其他复合材料层，从而减少不具有强化纤维的区域(仅具有树脂的区域)、即铺层，来抑制叶根部的强度降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第8100662号公报
发明要解决的课题
在上述专利文献1所记载的复合材料叶片中，对追加层叠的复合材料层的终端以位于复合材料叶片中产生的拉伸应力和压缩应力切换的过渡区域的方式来形成。其结果是，在复合材料层的终端，不具有强化纤维而仅具有树脂的铺层中产生的应力减小。然而，关于复合材料层的层间剪切应力没有进行考虑。层间剪切应力尤其在叶根部的表面侧的弯折部分附近变高，因此，位于表面侧的所追加的复合材料层的铺层发生破损的风险变高。因此，期求抑制叶根部的强度降低。
发明内容
本发明鉴于上述情况而提出，其目的在于，提供一种能够抑制叶根部的强度降低的复合材料叶片以及复合材料叶片的制造方法。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题并达成目的，本发明的复合材料叶片通过在叶厚方向上层叠对强化纤维浸渍了树脂的复合材料层而形成，其特征在于，所述复合材料叶片具备：第一层叠体，其为层叠所述复合材料层而成的层叠体的，在所述叶根部从所述基端侧形成有多个一部分复合材料层彼此分离而成的分离部，且该第一层叠体设置为从所述前端侧朝向所述基端侧在所述叶厚方向上扩宽；以及第二层叠体，其为层叠所述复合材料层而成的层叠体，在所述叶根部配置于所述第一层叠体的所述分离部，其该第二层叠体设为在所述叶厚方向上排列多个，在多个所述第二层叠体中，越是从所述叶厚方向的外侧趋向中央侧的所述第二层叠体，从成为基端的位置至顶部的位置的距离越大。
根据该结构，通过在叶根部处的第一层叠体的分离部配置第二层叠体，即使将叶根部向叶厚方向的外侧扩宽，也能够尽可能地减少没有配置强化纤维的区域，从而提高叶根部的强度。并且，将各第二层叠体的前端侧的一端彼此连结的线形成为随着从叶厚方向的外侧朝向中央侧而朝向前端侧延伸。即，越靠叶厚方向的外侧配置的第二层叠体则高度越低。由此，能够在远离叶根部的表面侧的尤其存在层间剪切应力变高的倾向的弯折部分附近的位置配置各第二层叠体。其结果是，使各第二层叠体中的铺层中产生的应力减小，能够抑制以铺层为起点的破损的产生。因此，根据本发明，能够提供抑制叶根部的强度降低的复合材料叶片。
另外，优选的是，从所述叶厚方向的外侧至中央侧，所述第二层叠体之间的所述距离之差变大。
根据该结构，能够在更远离叶根部的尤其存在层间剪切应力升高的倾向的弯折部分附近的位置配置各第二层叠体。
另外，优选的是，多个所述第二层叠体中的、配置于所述叶厚方向的中央侧的第二层叠体的所述叶厚方向上的厚度比配置于所述叶厚方向的外侧的第二层叠体的所述叶厚方向上的厚度厚。
根据该结构，能够使第一层叠体的复合材料层沿着第二层叠体的形状朝向方向X的外侧较大程度地倾斜，该第二层叠体形成为越是靠叶厚方向的中央侧配置则越高且越厚。在对复合材料叶片作用有离心力时，叶根部通过在表面受到的面力以及在复合材料层之间作用的层间剪切载荷，抵抗离心力来支承复合材料叶片。此时，表面的倾斜角度越大，则越能够增大叶根部在表面受到的面力，另一方面越能够减小层间剪切载荷的分力。因此，能够减小对复合材料层起作用的层间剪切载荷，从而能够进一步降低在复合材料层之间发生破损的风险。
另外，优选的是，所述第二层叠体具有配置于所述叶厚方向的中央部的中央层叠体，所述中央层叠体从一端至另一端在向所述叶厚方向的外侧扩宽之后向所述叶厚方向的中央侧缩窄。
根据该结构，在中央层叠体的周围延伸的第一层叠体也呈在另一端侧朝向叶厚方向的中央侧的形状。由此，能够通过周围的第一层叠体30来保持中央层叠体41，因此，即使在中央层叠体与第一层叠体的边界发生破损，也能够抑制中央层叠体从叶根部脱落。
另外，优选的是，所述第二层叠体还具有配置于比所述中央层叠体靠所述叶厚方向的外侧的多个外侧层叠体，多个所述外侧层叠体以随着从一端朝向另一端而朝向所述叶厚方向的外侧凸出的方式弯曲，多个所述外侧层叠体中的、配置于所述叶厚方向的中央侧的外侧层叠体的所述另一端处的曲率半径比配置于所述叶厚方向的外侧的外侧层叠体的所述另一端处的曲率半径小。
根据该结构，在各外侧层叠体的周围延伸的第一层叠体也以向叶厚方向的外侧凸出的方式弯曲，越靠中央侧配置的第一层叠体，则曲率半径越变小(第一层叠体)。其结果是，在中央层叠体的周围配置的第一层叠体最大程度地弯曲，能够增大中央层叠体的最大厚度与另一端的最小厚度之比。因此，通过周围的第一层叠体能够更好地保持中央层叠体，从而能够更良好地抑制中央层叠体从叶根部脱落。
另外，优选的是，所述复合材料叶片还具有发泡层，该发泡层由发泡树脂形成，配置于所述叶形部的所述叶厚方向的中央部，所述发泡层的所述端部形成为随着从所述叶厚方向的外侧朝向中央侧而朝向所述基端侧延伸的楔形状，所述第一层叠体在所述叶根部具有从所述发泡层的端部延伸至所述基端侧的中央层。
根据该结构，在成型发泡层时，在发泡树脂的加热固化阶段，能够广范围地对在呈楔形状的端部的周围延伸的第一层叠体进行加压。其结果是，在叶形部的相对于叶根部的根部部分附近，能够抑制在第一层叠体中产生空隙(空洞)。因此，能够提高叶形部与叶根部的根部附近的强度。
另外，优选的是，所述发泡层的所述端部设置于在所述复合材料层的层间作用有拉伸应力的范围内。
根据该结构，能够抑制对发泡层作用压缩载荷，从而抑制发泡层发生压渍。
另外，优选的是，所述中央层的配置于所述叶厚方向上的最靠中央侧的所述复合材料层是在所述发泡层的周围延伸并延伸至所述叶形部的覆盖层。
根据该结构，能够使中央层的在覆盖层的外侧延伸的复合材料层的终端与发泡层的端部不接触。其结果是，能够防止如下不良情况：在成型发泡层时，由于发泡树脂而使中央层的复合材料层的终端彼此剥离。另外，在成型发泡层时，经由覆盖层对中央层的其他复合材料层的终端进行加压，因此，能够使发泡层与中央层的边界面的形状稳定。
为了解决上述课题并达成目的，本发明是一种复合材料叶片的制造方法，所述复合材料叶片通过在叶厚方向上层叠对强化纤维浸渍了树脂的复合材料层而形成，且具有设置于基端侧的叶根部以及设置于所述叶根部的前端侧的叶形部，其特征在于，所述复合材料叶片的制造方法包括：第一层叠体形成步骤，在该第一层叠体形成步骤中，形成第一层叠体，该第一层叠体为层叠所述复合材料层而成的层叠体，在所述叶根部从所述基端侧形成有多个一部分复合材料层彼此分离而成的分离部，且该第一层叠体设置为从所述前端侧朝向所述基端侧在所述叶厚方向上扩宽；以及第二层叠体形成步骤，在该第二层叠体形成步骤中，形成第二层叠体，该第二层叠体为层叠所述复合材料层而成的层叠体，在所述叶根部配置于所述第一层叠体的所述分离部，且该第二层叠体设为在所述叶厚方向上排列多个，在多个所述第二层叠体中，越是从所述叶厚方向的外侧趋向中央侧的所述第二层叠体，从成为基端的位置至顶部的位置的距离越大，所述第一层叠体形成步骤是阶段性地层叠成为所述第一层叠体的所述复合材料层的步骤，所述第二层叠体形成步骤是每进行一次所述第一层叠体形成步骤就在通过所述第一层叠体形成步骤层叠的所述复合材料层之上层叠成为所述第二层叠体的所述复合材料层的步骤。
根据该结构，通过在叶根部的第一层叠体的分离部配置第二层叠体，即使将叶根部向叶厚方向的外侧扩宽，也能够尽可能地减少没有配置强化纤维的区域，从而提高叶根部的强度。并且，将各第二层叠体的前端侧的一端彼此连结的线形成为随着从叶厚方向的外侧朝向中央侧而朝向前端侧延伸。即，越靠叶厚方向的外侧配置的第二层叠体则高度越低。由此，能够在远离叶根部的表面侧的尤其存在层间剪切应力变高的倾向的弯折部分附近的位置配置各第二层叠体。其结果是，能够使各第二层叠体中的铺层中产生的应力减小，从而能够抑制以铺层为起点的破损的产生。因此，根据本发明，能够提供抑制叶根部的强度降低的复合材料叶片的制造方法。
附图说明
图1是示出第一实施方式所涉及的复合材料叶片的概略的示意图。
图2是从方向Y观察复合材料叶片的剖视图。
图3是示出复合材料层的结构的示意图。
图4是示出多个第二层叠体的说明图。
图5是示出第一实施方式所涉及的复合材料叶片的制造方法的步骤的说明图。
图6是示出第一实施方式所涉及的复合材料叶片的制造方法的步骤的说明图。
图7是示出第一实施方式所涉及的复合材料叶片中产生的米塞斯应力分布的解析结果的一例的说明图。
图8是示出第一实施方式所涉及的复合材料叶片中在复合材料层之间产生的层间剪切应力分布的解析结果的一例的说明图。
图9是从方向Y观察第二实施方式所涉及的复合材料叶片的剖视图。
图10是示出第二实施方式所涉及的复合材料叶片的主要部位的放大剖视图。
图11是示出第二实施方式所涉及的复合材料叶片中产生的应力分布的解析结果的一例的说明图。
附图标记说明
1 基台
2 涡轮盘
2A 槽
10 叶形部
10a 叶形端部
11 叶根部
20、201、202、203、204 复合材料层
20a 终端
21 强化纤维
22 树脂
30 第一层叠体
40 第二层叠体
40a 一端
40b 另一端
41 中央层叠体
42、42A、42B、42C 外侧层叠体
50 分离部
60 发泡层
60a 端部
70 第一层叠体
71 中央层
711 覆盖层
711a 倾斜部分
712 外侧层
712a 终端
100、200 复合材料叶片
100A、100B 层叠体
100a 前端
100b 基端
100c 表面
110 包装材
111 弯折部分
F 离心力
f 力
H1、H2 范围
L1 中心线
L2 线
L3 直线
P 铺层
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明所涉及的复合材料叶片以及复合材料叶片的制造方法的实施方式。需要说明的是，本发明不被这些实施方式限定。
(第一实施方式)
图1是示出第一实施方式所涉及的复合材料叶片的概略的示意图。第一实施方式所涉及的复合材料叶片100是燃气轮机的动叶。使用复合材料叶片100的燃气轮机是例如飞机用的发动机中使用的燃气轮机，但也可以是例如发电用的燃气轮机等、用于任意的用途的燃气轮机。
如图1所示，复合材料叶片100从前端100a延伸至基端100b。复合材料叶片100在基端100b侧安装于涡轮盘2。在此，图1所示的方向Z是复合材料叶片100延伸的方向，即沿着从前端100a至基端100b的方向。方向Z是复合材料叶片100的长度方向。另外，方向Z相当于涡轮盘2的径向(放射方向)。方向Y是与方向Z正交的方向，且是沿着涡轮盘2的轴向的方向。方向X是与方向Y以及方向Z正交的方向，且是沿着涡轮盘2的周向切线的方向。
复合材料叶片100具有叶形部10和叶根部11(燕尾部)。叶形部10是对随着涡轮盘2的旋转而在燃气轮机内流动的气体进行压缩的叶片。叶形部10从前端100a至叶形端部10a沿着复合材料叶片100的方向Z(长度方向)边扭转边延伸。叶根部11设置于叶形部10的末端、即叶形端部10a。叶根部11具有基端100b。换言之，叶形部10从叶根部11的前端100a侧沿着方向Z延伸。复合材料叶片100在叶根部11安装于涡轮盘2。涡轮盘2具有沿着周向彼此隔开间隔地形成的多个槽2A。叶根部11的沿着方向X的长度(宽度)比叶形部10的沿着方向X的长度长。复合材料叶片100通过将叶根部11安装于槽2A内而被安装并固定于涡轮盘2。
图2是从方向Y观察复合材料叶片的剖视图。复合材料叶片100由沿着叶厚方向层叠多个复合材料层20而得的层叠体构成。在此，“叶厚方向”是指，叶形部10的相对于叶根部11的根部部分即叶形端部10a处的复合材料叶片100的叶厚方向，表示方向X(图2中的左右方向)。以下，将叶厚方向称作方向X来进行说明。另外，在以下的说明中，将方向X上的复合材料叶片100的表面100c侧称作“外侧”，将方向X上的复合材料叶片100的中心线L1侧称作“中央侧”。
图3是示出复合材料层的结构的示意图。复合材料层20是使树脂22浸渍于强化纤维21的复合材料的层。如图3所示，各复合材料层20以强化纤维21沿着方向Z的方式设置有多个，在强化纤维21的周围填充有树脂22。通过将复合材料层20与相邻的(层叠的)复合材料层20的树脂22彼此粘接，从而树脂22的部分与其他复合材料层20一体化。因此，复合材料层20是具有强化纤维21和强化纤维21的周围的树脂22的层。需要说明的是，复合材料层20也可以具有沿与图3所示的强化纤维21不同的方向延伸的其他强化纤维。在该情况下，其他强化纤维可以穿插于强化纤维21。
在第一实施方式中，强化纤维21是使用了碳纤维的碳纤维强化塑料(CFRP：CarbonFiber Reinforced Plastic)。但是，强化纤维21不限定于碳纤维，也可以是其他的塑料纤维、玻璃纤维或者金属纤维。另外，树脂22是例如热固化性树脂或者热塑性树脂。作为热固化性树脂，能够使用例如环氧树脂。作为热塑性树脂，能够使用例如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)等。需要说明的是，树脂22不限定于这些，也可以使用其他树脂。
复合材料叶片100以这种方式具备由复合材料层20沿着方向X层叠而成的第一层叠体30以及第二层叠体40。在图2中，未附加斜线的范围内的层叠体为第一层叠体30，附加了斜线的范围内的层叠体为第二层叠体40。以下，对第一层叠体30以及第二层叠体40的结构进行详细说明。
(第一层叠体30)
如图2所示，第一层叠体30从叶形部10连续地延伸至叶根部11。第一层叠体30在叶形部10中沿着长度方向延伸。另一方面，第一层叠体30在叶根部11从基端100b侧形成有多个一部分复合材料层20彼此分离而成的分离部50。由此，第一层叠体30在叶根部11沿着随着远离叶形部10而朝向方向X的外侧倾斜的方向延伸。即，第一层叠体30设置为在叶根部11处从前端100a侧朝向基端100b侧而在方向X上扩宽。需要说明的是，在图2中，每个分离部50通过层叠3层复合材料层20而形成，但至形成分离部50的位置的复合材料层20的层叠数能够根据复合材料叶片100的尺寸、各复合材料层20的厚度、分离部50的形成数等任意确定。
(第二层叠体40)
第二层叠体40在叶根部11处以在方向X上排列多个的方式设置于第一层叠体30的复合材料层20的层间。各第二层叠体40是针对形成于第一层叠体30的多个分离部50一个一个地配置的追加层叠体。因此，第一层叠体30的各分离部50的形状与所配置的各第二层叠体40的形状一致。如图2所示，各第二层叠体40在叶根部11处设置于比弯折部分111靠基端100b侧处的位置，弯折部分111是第一层叠体30开始比叶形部10向方向X的外侧倾斜的部分。
图4是示出多个第二层叠体的说明图。如图示所示，各第二层叠体40通过多个复合材料层20沿着方向X层叠而构成。在各第二层叠体40中，复合材料层20的结构与图3中所示的复合材料层20相同，是具有强化纤维21和树脂22的层。因此，在图4中，各复合材料层20所包含的强化纤维21以及树脂22的记载省略，但在各复合材料层20的终端20a彼此之间形成仅具有树脂22的区域、即铺层P(ply-drop)。需要说明的是，各第二层叠体40的层叠数不局限于图4所例示的情况，而能够根据复合材料叶片100的尺寸、各复合材料层20的厚度、分离部50的形成数等任意确定。如图4所示，在各第二层叠体40中，越是位于方向X的中央侧的复合材料层20形成为方向Z上的长度越短，越是位于方向X的外侧的复合材料层20形成为方向Z上的长度越长。另外，各第二层叠体40在前端100a侧(图中上侧)的一端40a呈凸形状，另一端40b形成复合材料叶片100的基端100b的一部分。
如图2以及图4所示，多个第二层叠体40具有中央层叠体41和多个外侧层叠体42。中央层叠体41配置于复合材料叶片100的方向X上的中央。中央层叠体41配置为与复合材料叶片100的方向X上的中心线L1重合。在多个第二层叠体40中，中央层叠体41形成为方向Z上的长度最长。另外，在多个第二层叠体40中，中央层叠体41形成为方向X上的厚度最厚。此外，中央层叠体41从一端40a至另一端40b呈向方向X的外侧扩宽之后向方向X的中央侧缩窄的形状。即，中央层叠体41的从方向Y观察的剖面形状呈桶形的剖面形状，并呈相对于中心线L1对称的形状。
外侧层叠体42配置于比中央层叠体41靠方向X的外侧。在第一实施方式中，在中央层叠体41的两侧各配置3个外侧层叠体42，但外侧层叠体42的个数并不局限于此。在此，按照从方向X的外侧朝向中心侧配置的顺序，将各外侧层叠体42称作外侧层叠体42A、42B、42C。
外侧层叠体42A、42B、42C形成为方向Z上的长度比中央层叠体41短。另外，外侧层叠体42A、42B、42C形成为，越是靠方向X的外侧配置，则方向Z上的长度越短。另外，外侧层叠体42A、42B、42C形成为，方向X上的厚度比中央层叠体41薄，且越是靠方向X的中央侧配置，则方向X上的厚度越厚。换言之，在多个第二层叠体40中，越是从叶厚方向的外侧趋向中央侧的第二层叠体，从成为基端的位置至顶部的位置的方向Z上的距离越大，另外，第二层叠体之间的从成为基端的位置至顶部的位置的方向Z上的距离之差从叶厚方向的外侧至中央侧变大。另外，各外侧层叠体42A、42B、42C呈随着从一端40a朝向另一端40b而以向方向X的外侧凸出的方式弯曲的形状。即，各外侧层叠体42A、42B、42C呈从方向Y观察时以朝向方向X的外侧鼓起的方式弯曲了的剖面形状。另外，如在图4中用从另一端40b延伸的虚线所示那样，各外侧层叠体42A、42B、42C形成为，越是靠方向X的中央侧配置，则另一端40b处的曲率半径r越小。即，外侧层叠体42越是靠方向X的中央侧配置，则越大程度地弯曲。由此，在外侧层叠体42的周围延伸的第一层叠体30的各复合材料层20也越靠方向X的中央侧越大程度地弯曲。
如在图2中用虚线所示那样，将这样构成的多个第二层叠体40的前端100a侧的一端40a彼此连结的线L2随着从方向X的外侧朝向中央侧而朝向前端100a侧(图中上侧)延伸。即，在从方向Y观察的剖面上，线L2呈山型的形状。另外，在第一实施方式中，线L2形成为，从方向X的外侧至中央侧，以向与叶形部10相反的方向凸出的方式弯曲。换言之，线L2比直线L3更在基端100b侧延伸，该直线L3将配置于方向X的最外侧的外侧层叠体42A的一端40a与配置于方向X的最中央侧的中央层叠体41的一端40a连结。
接下来，对第一实施方式所涉及的复合材料叶片的制造方法进行说明。图5以及图6是示出第一实施方式所涉及的复合材料叶片的制造方法的步骤的说明图。第一实施方式所涉及的复合材料叶片的制造方法包括第一层叠体形成步骤S1、第二层叠体形成步骤S2、合模步骤S3以及固化步骤S4。
在第一实施方式所涉及的复合材料叶片的制造方法中，首先，通过重复进行第一层叠体形成步骤S1以及第二层叠体形成步骤S2，一半一半地制造成为复合材料叶片100的层叠体100A、100B(参照图6)。在以下的说明中，将第n次进行的第一层叠体形成步骤S1以及第二层叠体形成步骤S2称作第一层叠体形成步骤S1n以及第二层叠体形成步骤S2n。另外，在以下的说明中，将在第n次进行的第一层叠体形成步骤S1n中层叠的复合材料层20称作复合材料层20n。需要说明的是，在第一层叠体形成步骤S1n以及第二层叠体形成步骤S2n中，复合材料层20处于树脂22未固化的状态，即是预浸渍体。
第一层叠体形成步骤S1是将复合材料层20阶段性地层叠至形成上述的分离部50的位置、局部地形成第一层叠体30的步骤。更详细而言，如图5所示，首先，作为第一次的第一层叠体形成步骤S11，在基台1上层叠多个复合材料层201。
接下来，进行第一次的第二层叠体形成步骤S21。第二层叠体形成步骤S2是每进行一次第一层叠体形成步骤S1，则在通过第一层叠体形成步骤S1层叠的复合材料层20上层叠成为第二层叠体40的复合材料层20的步骤。在第一次的第二层叠体形成步骤S21中，如图5所示，在层叠于基台1上的复合材料层201上层叠在方向X上位于最外侧的外侧层叠体42A。需要说明的是，如图4所示，在外侧层叠体42中，越是位于外侧的复合材料层20，方向Z上的长度越长。因此，在各第二层叠体形成步骤S2n中，只要从方向Z上的长度较长的复合材料层20开始依次进行层叠即可。
接下来，进行第二次的第一层叠体形成步骤S12。在第二次的第一层叠体形成步骤S12中，如图5所示，在复合材料层201以及外侧层叠体42A上重新层叠复合材料层202。进而，进行第二次的第二层叠体形成步骤S22。在第二次的第二层叠体形成步骤S22中，在复合材料层202上层叠在方向X上位于第二靠外侧的外侧层叠体42B。
通过重复执行该步骤，依次层叠成为第一层叠体30的各复合材料层20以及第二层叠体40的外侧层叠体42。其结果是，如图6所示，层叠成为第一层叠体30的复合材料层201、202、203、204以及外侧层叠体42A、42B、42C。并且，在最后(在本实施方式中为第四次)的第二层叠体形成步骤S24中，在复合材料层204上层叠相当于中央层叠体41的一半的层。由此，形成复合材料叶片100的方向X上的一半的层叠体100A。之后，通过同样的步骤，形成复合材料叶片100的方向X上的剩余一半的层叠体100B。
然后，如图6所示，作为合模步骤S3，使一半一半地形成的层叠体100A与层叠体100B合模。若合模步骤S3结束，则进行固化步骤S4。固化步骤S4是通过使合模后的层叠体100A和层叠体100B中的未固化的树脂22固化而成型复合材料叶片100的步骤。在固化步骤S4中，例如，在利用包装材110包覆复合材料叶片100的未固化体并进行抽真空后，在高压釜炉内进行加压以及加热，从而使树脂22固化。由此，复合材料叶片100的制造结束。需要说明的是，在固化步骤S4中，只要使树脂22固化来成型复合材料叶片100的固化体，则其成型方法不局限于此。
如以上所说明的那样，在第一实施方式所涉及的复合材料叶片100以及复合材料叶片的制造方法中，在叶根部11中的第一层叠体30的分离部50配置第二层叠体40。由此，即使将叶根部11向方向X(叶厚方向)的外侧扩宽，也能够尽可能地减少不配置强化纤维21的区域，从而能够提高叶根部11的强度。
在此，图7是示出第一实施方式所涉及的复合材料叶片中产生的米塞斯应力分布的解析结果的一例的说明图，图8是示出第一实施方式所涉及的复合材料叶片中在复合材料层之间产生的层间剪切应力分布的解析结果的一例的说明图。图7以及图8是使用复合材料叶片100的模型，对方向Z上的离心力F起作用且叶根部11被涡轮盘2的槽2A约束了的状态下的各应力分布进行分析而得的图。在复合材料叶片100的模型中，在作用有离心力F的情况下，在叶根部11的表面100c侧的弯折部分111的附近，米塞斯应力以及层间剪切应力变高。
在复合材料叶片100中，将各第二层叠体40的前端100a侧的一端40a彼此连结的线L2形成为，随着从方向X的外侧朝向中央侧而朝向前端100a侧延伸。即，越是靠方向X的外侧配置的第二层叠体40，则高度越低。换言之，在多个第二层叠体40中，越是从叶厚方向的外侧趋向中央侧的第二层叠体，从成为基端的位置至顶部的位置的方向Z上的距离越大，另外，第二层叠体之间的从成为基端的位置至顶部的位置的方向Z上的距离之差从叶厚方向的外侧至中央侧变大。由此，能够在远离弯折部分111附近的位置配置各第二层叠体40，该弯折部分111是叶根部11的表面100c侧的尤其存在米塞斯应力以及层间剪切应力升高的倾向的部分。其结果是，能够使各第二层叠体40中的铺层P(图4参照)中产生的应力减小，能够抑制以铺层P为起点的破损。因此，根据第一实施方式所涉及的复合材料叶片100以及复合材料叶片的制造方法，能够抑制叶根部11的强度降低。
另外，线L2以从方向X的外侧至中央侧而向基端100b侧凸出的方式弯曲。
根据该结构，能够在更远离弯折部分111附近的位置配置各第二层叠体40，该弯折部分111是叶根部11的尤其存在米塞斯应力以及层间剪切应力升高的倾向的部分。
另外，在多个第二层叠体40中，就方向X(叶厚方向)上的厚度而言，配置于方向X的中央侧的第二层叠体40比配置于方向X的外侧的第二层叠体40厚。
根据该结构，能够使第一层叠体30的复合材料层20沿着第二层叠体40的形状朝向方向X的外侧较大程度地倾斜，该第二层叠体40形成为越是靠方向X的中央侧配置则越高且越厚。在对复合材料叶片100作用有离心力F时，叶根部11通过在表面100c从涡轮盘2的槽2A受到的面力以及在各复合材料层20之间作用的层间剪切载荷，抵抗离心力F支承复合材料叶片100。此时，表面100c的倾斜角度越大，则越能够使叶根部11从槽2A受到的面力变大，另一方面越能够使层间剪切载荷的分力变小。因此，根据复合材料叶片100，能够减小对复合材料层20起作用的层间剪切载荷，从而能够进一步降低在复合材料层20之间发生破损的风险。
另外，第二层叠体40具有配置于方向X的中央部的中央层叠体41，中央层叠体41从一端40a至另一端40b向方向X的外侧扩宽之后向方向X的中央侧缩窄。
根据该结构，在中央层叠体41的周围延伸的第一层叠体30也呈在另一端40b侧趋向方向X的中央侧的形状。由此，在另一端40b侧，从在周围延伸的第一层叠体30向中央层叠体41作用压缩方向的力f(参照图2)。其结果是，在中央层叠体41与第一层叠体30的分界面产生的层间剪切应力在一端40a侧与在另一端40b侧相反，中央层叠体41受到朝向前端100a侧(图中上侧)的力。由此，能够通过周围的第一层叠体30来保持中央层叠体41，因此，即使在中央层叠体41与第一层叠体30的边界发生破损，也能够抑制中央层叠体41从叶根部11脱落。
另外，第二层叠体40具有配置于比中央层叠体41靠方向X的外侧的多个外侧层叠体42，多个外侧层叠体42随着从一端40a朝向另一端40b而以向方向X的外侧凸出的方式弯曲，在多个外侧层叠体42中，就另一端40b处的曲率半径r而言，配置于方向X的中央侧的外侧层叠体42比配置于方向X的外侧的外侧层叠体42小。
根据该结构，在各外侧层叠体42的周围延伸的第一层叠体30也以向方向X的外侧凸出的方式弯曲，越靠中央侧配置的第一层叠体30，曲率半径r越变小(大程度地弯曲)。其结果是，在中央层叠体41的周围配置的第一层叠体30最大程度地弯曲，能够使中央层叠体41的最大厚度Bmax(参照图4)与另一端40b处的最小厚度Bmin(参照图4)之比较大。因此，能够通过周围的第一层叠体30更良好地保持中央层叠体41，从而能够更良好地抑制中央层叠体41从叶根部11脱落。
(第二实施方式)
接下来，对第二实施方式所涉及的复合材料叶片200进行说明。图9是从方向Y观察第二实施方式所涉及的复合材料叶片的剖视图，图10是示出第二实施方式所涉及的复合材料叶片的主要部位的放大剖视图。复合材料叶片200除了第一实施方式所涉及的复合材料叶片100的结构之外，还具备发泡层60。另外，复合材料叶片200取代复合材料叶片100的第一层叠体30而具备第一层叠体70。复合材料叶片200的其他结构与复合材料叶片100相同，因此标注相同的附图标记并省略说明。
(发泡层60)
发泡层60是由发泡树脂形成的层。发泡层60通过在后述的第一层叠体70的覆盖层711内配置发泡树脂并使其固化而成型。发泡层60在叶形部10中配置于方向X的中央部。发泡层60配置于与复合材料叶片200的中心线L1重合的位置。发泡层60的一部分还延伸至叶根部11。
发泡层60形成为叶根部11处的端部60a随着从方向X的外侧朝向中央侧而朝向基端100b侧延伸的楔形状。即，如图9以及10所示，发泡层60的端部60a形成为朝向基端100b侧凸出的三角形状。需要说明的是，端部60a相对于中心线L1的倾斜角度α根据端部60a的上端的位置、端部60a的尺寸(方向Z上的长度、厚度)来确定。倾斜角度α优选设为例如30°左右。
如图9所示，发泡层60的端部60a设置于范围H1内。在此，图11是示出第二实施方式所涉及的复合材料叶片中产生的应力分布的解析结果的一例的说明图。图11是使用复合材料叶片200的模型，对方向Z上的离心力F起作用且叶根部11被涡轮盘2的槽2A约束了的状态下的应力分布进行解析而得的图。在图11所示的解析结果中，在范围H1内，在复合材料层20的层间作用有拉伸应力。另一方面，比范围H1靠基端100b侧的范围H2是在复合材料层20的层间作用有压缩应力的范围。这样，在第二实施方式中，发泡层60的端部60a设置于在复合材料层20的层间作用有拉伸应力的范围H1内。需要说明的是，发泡层60的端部60a只要在范围H1内则可以设置于任何位置，但为了复合材料叶片200的轻量化，优选尽可能地设置于范围H1的下端附近。
(第一层叠体70)
第一层叠体70在叶根部11具有从发泡层60的端部60a延伸至基端100b侧的中央层71。在图9中，第一层叠体70中的标注了斜线的范围为中央层71。第一层叠体70的其他结构与第一层叠体30相同，因此省略说明。
中央层71具有覆盖层711和多个外侧层712。覆盖层711是中央层71所包含的复合材料层20中的配置于方向X上的最靠中央侧的层。如图9以及图10所示，覆盖层711是在发泡层60的周围延伸的层，并且是从基端100b延伸至叶形部10的层。覆盖层711形成为从基端100b侧覆盖发泡层60。外侧层712以与覆盖层711相邻的方式在方向X的外侧层叠有多个(在第二实施方式中为3个)。如图9所示，外侧层712从基端100b延伸至与覆盖层711相接的位置。更详细而言，如图10所示，外侧层712的终端712a与覆盖层711的沿着发泡层60的端部60a延伸的倾斜部分711a相接。因此，由于覆盖层711的存在，各外侧层712的终端712a不与发泡层60的端部60a直接相接。
在制造如上那样构成的复合材料叶片200时，按照图5以及图6所示的步骤，形成层叠有发泡层60以外的第一层叠体70以及第二层叠体40的层叠体。接着，在覆盖层711上配置发泡树脂并使其加热固化，由此成型发泡层60。在以这种方式成型发泡层60时，在发泡树脂的加热固化阶段，如在图9中用空心箭头示意性地示出的那样，能够广范围地对在呈楔形状的端部60a的周围延伸的第一层叠体70进行加压。其结果是，在叶形部10的相对于叶根部11的根部部分、即叶形端部10a的附近，能够抑制在第一层叠体70产生空隙(空洞)。因此，能够提高叶形部10与叶根部11的根部附近的强度。
另外，通过将发泡层60的端部60a设为楔形状，由发泡层60对中央层71进行加压，能够使中央层71中的位于最靠方向X的外侧的外侧层712与和该外侧层712相邻的复合材料层20i(参照图10)牢固地紧贴。其结果是，在对复合材料叶片200作用有离心力F时，力在复合材料层20i与中央层71之间稳定地传递，即使是在中央层71以及在中央层71的周围延伸的第二层叠体40中，也能够良好地承担离心力F。进而，通过将发泡层60与中央层71的边界面设为缓缓变化的形状(楔形状)，从而在对复合材料叶片200作用有离心力F时，能够避免在发泡层60与中央层71的边界面产生应力集中。其结果是，能够降低在边界面发生破损的风险。
另外，发泡层60的端部60a设置于在复合材料层20的层间作用有拉伸应力的范围H1内。
根据该结构，能够抑制对发泡层60作用压缩载荷，从而抑制发泡层60发生压渍。
另外，在中央层71中，配置于方向X(叶厚方向)上的最靠中央侧的复合材料层20是在发泡层60的周围延伸而延伸至叶形部10的覆盖层711。
根据该结构，能够使中央层71的在覆盖层711的外侧延伸的外侧层712(复合材料层20)的终端712a与发泡层60的端部60a不接触。其结果是，能够防止如下不良情况：在成型发泡层60时，由于发泡树脂而使中央层71的外侧层712的终端712a彼此剥离。另外，如上所述，在成型发泡层60时，经由覆盖层711对中央层71的外侧层712(其他复合材料层20)的终端712a进行加压，因此，能够使发泡层60与中央层71的边界面的形状稳定。
在第一实施方式以及第二实施方式中，将第二层叠体40的一端40a彼此连结的线L2以从方向X的外侧至中央侧而向基端100b侧凸出的方式弯曲，但线L2也可以呈直线状。即，线L2可以与图2所示的直线L3一致。
在第一实施方式以及第二实施方式中，第二层叠体40设为越靠方向X的中央侧配置则越厚，但各第二层叠体40也可以形成为恒定的厚度，还可以形成为越靠方向X的外侧配置则越厚。
在第一实施方式以及第二实施方式中，第二层叠体40的中央层叠体41设为从方向Y观察时呈桶形的剖面形状，但中央层叠体41的形状不局限于此。中央层叠体41例如也可以从方向Y观察时呈三角形等剖面形状。
在第一实施方式以及第二实施方式中，第二层叠体40的外侧层叠体42设为从方向Y观察时呈以朝向方向X的外侧鼓起的方式弯曲的剖面形状，但外侧层叠体42的形状不局限于此。外侧层叠体42例如也可以从方向Y观察时呈三角形等剖面形状。
在第一实施方式以及第二实施方式中，如图4所示，各第二层叠体40设为，越位于方向X的中央侧的复合材料层20，方向Z上的长度形成得越短，越位于方向X的外侧的复合材料层20，方向Z上的长度形成得越长。但是，各第二层叠体40也可以是，越位于方向X的中央侧的复合材料层2，方向Z上的长度形成得越长，越位于方向X的外侧的复合材料层20，方向Z上的长度形成得越短。
在第二实施方式中，发泡层60的端部60a设置于在复合材料层20的层间作用有拉伸应力的范围H1内，但只要发泡层60不会被压渍，则也可以将端部60a设置于在复合材料层20的层间作用有压缩应力的范围H2内。
在第二实施方式中，第一层叠体70的中央层71具备覆盖层711，但也可以省略覆盖层711。

Claims (7)

1.一种复合材料叶片，其通过在叶厚方向上层叠对强化纤维浸渍了树脂的复合材料层而形成，且具有设置于基端侧的叶根部以及设置于所述叶根部的前端侧的叶形部，
所述复合材料叶片的特征在于，
所述复合材料叶片具备：
第一层叠体，其为层叠所述复合材料层而成的层叠体，在所述叶根部从所述基端侧形成有多个一部分复合材料层彼此分离而成的分离部，且该第一层叠体设置为从所述前端侧朝向所述基端侧在所述叶厚方向上扩宽；以及
第二层叠体，其为层叠所述复合材料层而成的层叠体，在所述叶根部配置于所述第一层叠体的所述分离部，且该第二层叠体设为在所述叶厚方向上排列多个，
在多个所述第二层叠体中，越是从所述叶厚方向的外侧趋向中央侧的所述第二层叠体，从成为基端的位置至顶部的位置的距离越大，
多个所述第二层叠体具有配置于所述叶厚方向的中央部的中央层叠体和配置于比所述中央层叠体靠所述叶厚方向的外侧的多个外侧层叠体，
所述中央层叠体从一端至另一端在向所述叶厚方向的外侧扩宽之后向所述叶厚方向的中央侧缩窄，
多个所述外侧层叠体以随着从一端朝向另一端而朝向所述叶厚方向的外侧凸出的方式弯曲，
多个所述外侧层叠体中的、配置于所述叶厚方向的中央侧的外侧层叠体的所述另一端处的曲率半径比配置于所述叶厚方向的外侧的外侧层叠体的所述另一端处的曲率半径小。
2.根据权利要求1所述的复合材料叶片，其特征在于，
从所述叶厚方向的外侧至中央侧，所述第二层叠体之间的所述距离之差变大。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料叶片，其特征在于，
多个所述第二层叠体中的、配置于所述叶厚方向的中央侧的第二层叠体的所述叶厚方向上的厚度比配置于所述叶厚方向的外侧的第二层叠体的所述叶厚方向上的厚度厚。
4.根据权利要求1或2所述的复合材料叶片，其特征在于，
所述复合材料叶片还具有发泡层，该发泡层由发泡树脂形成，配置于所述叶形部的所述叶厚方向的中央部，
所述发泡层的端部形成为随着从所述叶厚方向的外侧朝向中央侧而朝向所述基端侧延伸的楔形状，
所述第一层叠体在所述叶根部具有从所述发泡层的所述端部延伸至所述基端侧的中央层。
5.根据权利要求4所述的复合材料叶片，其特征在于，
所述发泡层的所述端部设置于在所述复合材料层的层间作用有拉伸应力的范围内。
6.根据权利要求4所述的复合材料叶片，其特征在于，
所述中央层的配置于所述叶厚方向上的最靠中央侧的所述复合材料层是在所述发泡层的周围延伸并延伸至所述叶形部的覆盖层。
7.一种复合材料叶片的制造方法，所述复合材料叶片通过在叶厚方向上层叠对强化纤维浸渍了树脂的复合材料层而形成，且具有设置于基端侧的叶根部以及设置于所述叶根部的前端侧的叶形部，
所述复合材料叶片的制造方法的特征在于，
所述复合材料叶片的制造方法包括：
第一层叠体形成步骤，在该第一层叠体形成步骤中，形成第一层叠体，该第一层叠体为层叠所述复合材料层而成的层叠体，在所述叶根部从所述基端侧形成有多个一部分复合材料层彼此分离而成的分离部，且该第一层叠体设置为从所述前端侧朝向所述基端侧在所述叶厚方向上扩宽；以及
第二层叠体形成步骤，在该第二层叠体形成步骤中，形成第二层叠体，该第二层叠体为层叠所述复合材料层而成的层叠体，在所述叶根部配置于所述第一层叠体的所述分离部，且该第二层叠体设为在所述叶厚方向上排列多个，
在多个所述第二层叠体中，越是从所述叶厚方向的外侧趋向中央侧的所述第二层叠体，从成为基端的位置至顶部的位置的距离越大，
多个所述第二层叠体具有配置于所述叶厚方向的中央部的中央层叠体和配置于比所述中央层叠体靠所述叶厚方向的外侧的多个外侧层叠体，
所述中央层叠体从一端至另一端在向所述叶厚方向的外侧扩宽之后向所述叶厚方向的中央侧缩窄，
多个所述外侧层叠体以随着从一端朝向另一端而朝向所述叶厚方向的外侧凸出的方式弯曲，
多个所述外侧层叠体中的、配置于所述叶厚方向的中央侧的外侧层叠体的所述另一端处的曲率半径比配置于所述叶厚方向的外侧的外侧层叠体的所述另一端处的曲率半径小，
所述第一层叠体形成步骤是阶段性地层叠成为所述第一层叠体的所述复合材料层的步骤，
所述第二层叠体形成步骤是每进行一次所述第一层叠体形成步骤就在通过所述第一层叠体形成步骤层叠的所述复合材料层上层叠成为所述第二层叠体的所述复合材料层的步骤。
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