JP2014238083A - 複合材製の羽根車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回転軸5に設けられたハブ部19と該ハブ部の外周面に取り付けられた複数の翼部21とによって形成され、翼部21は不連続繊維22を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成され、ハブ部19は連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成され、前記連続繊維樹脂からなる円盤プリプレグシート部材25aは、回転軸5に直角方向の面において交差するように複数方向に連続繊維を配向していることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
これら羽根車は、強度を確保しつつ、慣性モーメントをより一層低減するために繊維強化樹脂製によって形成されるものが知られている。
異音発生防止のために、インペラの軸穴の内面とシャフトの外面との間で形成される隙間を管理することで達成している。特に、インペラの軸穴の内面と接触する背板側軸穴径管理部位と、ボス側軸穴径管理部位とにおける軸穴径と該軸穴に嵌合するシャフトのシャフト径との隙間関係を一定の範囲内とすることで異音の発生を防止することが示されている。
一般的に、翼が取り付けられるハブには径方向の応力及び周方向の応力が複雑に作用し、特に、ハブの外周部分には回転による遠心応力が作用するとともに、羽根車が圧縮機の場合には外周部分は作動流体の圧縮によって高温化されやすく、また、羽根車がタービンの場合には外周部分から高温の作動ガスが流入することで高温化されやすく、熱的にも厳しい環境に晒される場合が多い。さらに、翼の付け根部には翼の倒れ込みによる応力が作用する。
前記翼部は不連続繊維を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成され、前記ハブ部は連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成され、前記連続繊維は回転軸に直角方向の面において交差するように複数方向の配向を有していることを特徴とする。
このように、不連続繊維樹脂と連続繊維樹脂とを組み合わせて羽根車を形成するため、軽量で高強度の羽根車を形成できる。
図1は、本発明の第1実施例に係る複合材製の羽根車1を示し、該羽根車1は、エンジンに設けられる排気ターボ過給機の遠心圧縮機の羽根車を例として示す。
図1において、排気ターボ過給機の遠心圧縮機(コンプレッサ)3は、エンジンの排ガスによって駆動される図示しないタービンロータの回転力が、回転軸5を介して伝達されるようになっている。
また、翼部21には、上流側の縁部である前縁21aと、下流側の縁部である後縁21bと、径方向外側の縁部である外周縁(外周部)21cとがそれぞれ形成され、この外周縁21cは、コンプレッサハウジング9のシュラウド部23によって覆われた側縁の部分をいう。そして、外周縁21cは、シュラウド部23の内表面の近傍を通過するように配置されている。
一方、ハブ部19は、連続繊維24に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成されている。
強化繊維としては、炭素繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、高強度ポリエステル繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維などの各種の無機繊維及び有機繊維、またはこれらを組み合わせたものを用いることができる。中でも比強度および比弾性に優れる点から炭素繊維が特に好ましい。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、液晶ポリエステル等のポリエステルや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン等のポリオレフィンや、ポリオキシメチレン、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、液晶ポリマーなどの結晶性樹脂、スチレン系樹脂の他や、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンエーテル、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレートなどの非晶性樹脂、その他、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール(レゾール型)樹脂、ユリア・メラミン樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。なお、これらの共重合体、変性体、および/または、これらの2種以上をブレンドした樹脂などを適用しても良い。
これに対して前述した連続繊維樹脂は、繊維長さが10mmを超えて、繊維の配向が一定の方向性を有して配列されているものである。
また、不連続繊維樹脂としては、具体的には、繊維が炭素繊維で、その長さが10mm程度の長繊維であり、マトリックス樹脂としては、ポリアミド等の組み合わせである。
連続繊維は、網の目状に織られて形成される平織クロスなどのクロス材や、ステッチ糸を織り込んで繊維束を固定するステッチファブリックに樹脂を含浸したプリプレグ素材シート、または、織られていなくても繊維のみを一方向に引き揃えて樹脂を含浸させたプリプレグ素材シートを複数枚重ねて、プリプレグシート部材25を形成する際に、プリプレグ素材シートにおける繊維の配向がそれぞれ45°方向に交差するようにして重ね合わせてもよい。
なお、配向については、少なくとも45°方向に4方向配置されていればよく、これより狭い角度で交差する繊維がさらに配置されて、4方向以上の配向を有していてもよい。
さらに、連続繊維は回転軸に直角方向の面において少なくともそれぞれ45°に交差して4方向の配向を有しているので、遠心応力や周方向応力に対して、連続繊維が強度を高める方向に作用してハブ部19の強度を向上することができ、高い耐久性を実現できる。
すなわち、プリプレグを用いて連続繊維樹脂によってハブ部19をプレフォーム形成し、このプレフォームしたハブ部19を射出成型機の金型内にセットして、インサート成形を行う。
また、別工程でプレフォームしたハブ部19を射出成型機の金型内にセットする際も、金型内温度を、円盤プリプレグシート部材25aを構成する熱可塑性樹脂の融点以下の冷間温度にしておくことで、金型内でプリフォームの形状が変形せずに確保でき、インサート成形が可能になる。
その後、図12(D)のように、羽根車1の成形品として取り出す。
また、翼部21に対しては、不連続長繊維樹脂による射出成型で製造するため、翼部21の複雑な形状に対しても、製造可能となり、強度を確保した翼部21の製造が容易である。
なお、図2では、ハブ部19の全体、すなわち軸方向の全体を、円盤プリプレグシート部材25aを積層して形成したが、軸方向の一部の範囲だけであってもよく、残りの部分は、前述の不連続長繊維樹脂によって形成してもよい。
図5を参照して、第2実施形態について説明する。
この第2実施形態は、第1実施形態のハブ部19を構成する円盤プリプレグシート部材25aにおける繊維の配向を円周方向にしたものをさらに含めるものである。
背面部分は最も外径形状が大きくなるため、遠心力の作用で周方向応力が大きくなるため、背面部では配合比率が高くされている。
図6、7を参照して、第3実施形態について説明する。
この第3実施形態は、第2実施形態のハブ部19を構成する円盤プリプレグシート部材25a内に円周方向の連続繊維34を配置するものではなく、プリプレグテープ部材25bを回転軸周りに付けて円周方向の連続繊維34を配置してハブ部19を形成するものである。
プリプレグテープ部材25bによる連続繊維部は、図6のように、背板20の外周部および回転軸周りの内周部であって、中央部から先端にかけての範囲に設けられる。
これら部位は、羽根車1の回転による遠心応力、さらに、回転軸5からの回転力の影響が大きい箇所に設けられることで、円周方向の連続繊維34による強度向上が大きく得られる。
このように構成することによって、回転軸5の直角面において少なくとも45°に交差するように4方向の配列を有することによって、背板20の強度確保を効果的に行うことができるとともに、背板20の外周はハブ部19の外径が最も大きくなる形状が多いため、この背板20部分を連続繊維34で補強して強度を高めることはハブ部19全体の強度向上を効果的に得られる。
従って、強度は背板20によって確保し、背板20以外の部分は、プリプレグテープ部材25bを巻き付ける構造とすることで製造が容易化する。
図8、9を参照して、第4実施形態について説明する。この第4実施形態は、図8のようにハブ外周部分27aと翼部21とを一体化して翼付きハブ外周部29を形成し、この翼付きハブ外周部29をハブ本体27b側に接合して構成される。
そして、長繊維の不連続繊維樹脂によって、翼部21およびハブ外周部分27aが一体になった翼付きハブ外周部29が形成される。
このように、連続繊維樹脂と不連続繊維樹脂との接合面積を軸方向において急激に変化させることを防止することができるため、羽根車1の強度の安定化を図ることができる。
図10、11を参照して、第5実施形態について説明する。
この第5実施形態は、図10のように回転軸5が翼部21と一体成形されて回転軸31を形成するものである。
金型内で、回転軸31の先端部31aとハブ部35の先端部35aとが繋がり、さらに翼部21が繋がって、これら部分が不連続長繊維樹脂によって、一体成形される。
例えば、第4実施形態の翼付きハブ外周部29を用いて、第5実施形態の回転軸31まで一体化する構造に組み合わせてもよい。
3 遠心圧縮機
5、31 回転軸
19、27、35 ハブ部
20 背板
21 翼部
22 不連続繊維
24 直線状の連続繊維
25 プリプレグ部材(プリプレグ)
25a 円盤プリプレグシート部材
25b プリプレグテープ部材
27a ハブ外周部
27b ハブ本体
29 翼付きハブ外周部
34 円周状の連続繊維
L1〜L4 直線状連続繊維の配向
L5 円周方向連続繊維の配向
N 接合境界面
S 傾斜面
Claims (9)
- 回転軸に設けられたハブ部と該ハブ部の外周面に取り付けられた複数の翼部とによって形成され、流体にエネルギーを与え、または流体からエネルギーを受け取る流体機械の羽根車において、
前記翼部は不連続繊維を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成され、前記ハブ部は連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成され、前記連続繊維は回転軸に直角方向の面において交差するように複数方向の配向を有していることを特徴とする複合材製の羽根車。 - 前記連続繊維は、少なくとも45°で交差する4方向の配向を有していることを特徴とする請求項1記載の複合材製の羽根車。
- 前記ハブ部は、回転軸方向に複数の径の異なる円盤プリプレグシート部材を積層して形成されることを特徴とする請求項1に記載の複合材製の羽根車。
- 前記連続繊維の一定方向の配向が円周方向に連続した連続繊維をさらに有することを特徴とする請求項2に記載の複合材製の羽根車。
- 前記円周方向に連続した連続繊維の前記回転軸の直角面における配合比率は、前記ハブ部において所望の発生応力になるように変化させることを特徴とする請求項4に記載の複合材製の羽根車。
- 前記翼部が取り付けられるハブ外周部を前記不連続繊維樹脂によって形成するとともに、前記ハブ外周部と前記翼部とを一体化して翼付きハブ外周部を形成し、該翼付きハブ外周部をハブ本体側に接合してなることを特徴とする請求項1に記載の複合材製の羽根車。
- 前記翼付きハブ外周部と前記ハブ本体側との接合境界面は、該接合境界面の径がハブ部の軸方向において徐々に変化するように傾斜面によって形成されることを特徴とする請求項6に記載の複合材製の羽根車。
- 前記回転軸が前記ハブ部と一体成形されて一体化されることを特徴とする請求項1に記載複合材製の羽根車。
- 前記羽根車は、エンジンの排ガス流によって回転される排気ターボ過給機の遠心圧縮機の羽根車であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の複合材製の羽根車。
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