JP2016017491A - タービン動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】強い遠心力に耐え破壊し難い、少なくとも一部がセラミックス基複合部材からなるタービン動翼の提供。
【解決手段】タービン動翼であって、翼部と、前記翼部の外端に備えられたチップシュラウド部とを有し、前記翼部と、前記チップシュラウド部とはセラミックス基複合部材からなり、前記翼部の少なくとも一部と、前記チップシュラウド部の少なくとも一部とが１つのセラミックス繊維織物から構成されていて繋がっており、前記セラミックス繊維織物における前記翼部を構成する部分と、前記チップシュラウド部を構成する部分とを所望の角度をなすように折り曲げ、型に組み付けて一体に成形し、得られた成形体にセラミックスマトリックスを形成した、タービン動翼。
【選択図】図１

Description

本発明はタービン動翼に関する。

タービン動翼には使用時に強い遠心力がかかる。したがってタービン動翼には耐熱性に加えて特に高い強度が要求されるので、通常、金属材料を用いて製造される。
例えば、図７（ａ）は、一般的な航空機用ターボファンエンジンの概略斜視図であり、図７（ｂ）は、そのタービン動翼の一部を拡大した概略図であるが、エンジンの駆動時にタービン動翼には翼部の長手方向へ強い遠心力がかかるので、通常、タービン動翼はＮｉ基合金等から製造される。また、図７（ｂ）に示すように、タービン動翼１００は、翼部１０２の外端にチップシュラウド部１０４、内端にプラットフォーム部１０６およびダブテール部１０８を備え、チップシュラウド部１０４およびプラットフォーム部１０６は、翼部１０２の主面に対して垂直方向へ伸びている形状を有し、さらに、チップシュラウド部１０４は外側へ伸びる２つのフィン１０４Ａ、１０４Ｂを有している。このようにタービン動翼１００は複雑な形状を有するものであるものの、Ｎｉ基合金等の金属材料を用いて鋳込むことで、比較的容易に製造することができる。

これに対して、近年、セラミックス繊維とセラミックスマトリックスとからなるセラミックス基複合部材（ＣＭＣ）のジェットエンジン部品への適用が期待されている。セラミックス基複合部材は軽量で耐熱性に優れるため、ジェットエンジン部品を利用することができれば、エンジンの重量削減および燃料消費率の低減が期待できる。

従来、このようなセラミックス基複合材料を適用したジェットエンジン用部品がいくつか提案されている。
例えば特許文献１には、セラミックス基複合部材（ＣＭＣ）からなるベーンについて記載されている。

特開２００６−１７６３９１号公報

しかし、セラミックス基複合材料からなるチップシュラウドを備えるタービン動翼であって、使用に耐え得るものは、従来、提案されていない。このようなセラミックス基複合材料からなる複雑形状のタービン動翼は、使用時にかかる強い遠心力に耐えられず、破壊してしまうからである。

本発明はこのような課題を解決することを目的とする。
すなわち、本発明は強い遠心力に耐え破壊し難い、少なくとも一部がセラミックス基複合部材からなるタービン動翼を提供することを目的とする。

本発明者は鋭意検討し、セラミックス複合部材を構成する複数の部分について、各々成形しマトリックスを形成した後に接着してセラミックス複合部材とすると、各部分間の接着強度が低くなり、ここを起点に破壊されてしまうものの、各部分を一体に成形しマトリックスを形成することで繊維レベルでの結びつきが強固になり、全体としての強度も高まり、破損し難い、セラミックス複合部材からなる部分を含むタービン動翼が得られることを見出し、本発明を完成させた。

本発明は以下の（１）〜（３）である。
（１）タービン動翼であって、
翼部と、前記翼部の外端に備えられたチップシュラウド部とを有し、
前記翼部と、前記チップシュラウド部とはセラミックス基複合部材からなり、
前記翼部の少なくとも一部と、前記チップシュラウド部の少なくとも一部とが１つのセラミックス繊維織物から構成されていて繋がっており、前記セラミックス繊維織物における前記翼部を構成する部分と、前記チップシュラウド部を構成する部分とを所望の角度をなすように折り曲げ、型に組み付けて一体に成形し、得られた成形体にセラミックスマトリックスを形成した、タービン動翼。
（２）前記翼部のキャンバー角度が１６０度以下である、上記（１）に記載のタービン動翼。
（３）さらにプラットフォーム部およびダブテール部を有し、
前記プラットフォーム部および前記ダブテール部の少なくとも一部がセラミックス繊維織物を含むセラミック基複合部材からなり、
前記翼部、前記チップシュラウド部、前記プラットフォーム部および前記ダブテール部を型に組み付けて一体に成形し、得られた成形体にセラミックスマトリックスを形成してなる、上記（１）または（２）に記載のタービン動翼。

本発明によれば強い遠心力に耐え破壊し難い、少なくとも一部がセラミックス基複合部材からなるタービン動翼を提供することができる。

図１（ａ）は本発明のタービン動翼の概略斜視図であり、図１（ｂ）はそれを構成するセラミックス繊維織物の構成例を示す概略斜視図である。 本発明のタービン動翼の翼部の概略断面図である。 本発明のタービン動翼の好ましい製造方法を説明するための図である。 本発明のタービン動翼の好ましい製造方法を説明するための別の図である。 本発明のタービン動翼の好ましい製造方法を説明するためのさらに別の図である。 実施例において製造した翼部およびチップシュラウド部を模擬したセラミックス基複合材料の概略図である。 図７（ａ）は、一般的な航空機用ターボファンエンジンの概略斜視図であり、図７（ｂ）は、そのタービン動翼の一部を拡大した概略図である。

本発明のタービン動翼について説明する。
本発明のタービン動翼は、翼部と、前記翼部の外端に備えられたチップシュラウド部とを有し、前記翼部と、前記チップシュラウド部とはセラミックス基複合部材からなり、前記翼部の少なくとも一部と、前記チップシュラウド部の少なくとも一部とが１つのセラミックス繊維織物から構成されていて繋がっており、前記セラミックス繊維織物における前記翼部を構成する部分と、前記チップシュラウド部を構成する部分とを所望の角度をなすように折り曲げ、型に組み付けて一体に成形し、得られた成形体にセラミックスマトリックスを形成したタービン動翼である。

本発明のタービン動翼は図１に示すようなものであることが好ましい。
図１（ａ）は本発明のタービン翼の好ましい態様を示す概略斜視図であり、図１（ｂ）はそれを構成するセラミックス繊維織物（以下では単に「繊維織物」ともいう）の構造例を示す概略斜視図である。
図１（ａ）に示すように、タービン動翼の外形は、通常のタービン動翼（例えば図７に示したもの）と同様であってよい。図１（ａ）に示すタービン動翼１は、翼部２と、その外端に配置されたチップシュラウド部４と、その内端に配置されたダブテール部８と、ダブテール部８と隣り合うように外端側に配置されたプラットフォーム部６とを備え、チップシュラウド部４およびプラットフォーム部６は、翼部２の主面に対して垂直方向へ伸びている形状であり、さらに、チップシュラウド部４は外側へ伸びる２つのフィン４Ａ、４Ｂを有している。また、図１（ａ）は、ダブテール部８がディスク部９に嵌められた状態を示している。このようなタービン動翼１は、その使用時においてディスク部９が回転することで、翼部２の長手方向へ強い遠心力がかかる。なお、「外側」とは、使用時において遠心力がかかる方向を意味し、「内側」はその逆方向を意味するものとする。したがって「外端」および「内端」は「外側の端」および「内側の端」を意味する。

このようなタービン動翼１を構成するセラミックス繊維織物は、図１（ｂ）に示すような３次元構造を備えていることが好ましい。３次元構造の繊維織物は、例えば、セラミックス繊維を数百〜数千本程度束ねて繊維束とした後、この繊維束をＸＹＺ方向に織ることによって得られる。具体的には、例えば、繊維束をＸ方向およびそれに垂直なＹ方向に配置してなる層を複数枚得た後、各層を重ね、その厚み方向（Ｚ方向）に別の繊維束によって縫うことで、３次元構造の繊維織物を得ることができる。
なお、本発明において用いるセラミックス繊維織物は、３次元構造を備えるものでなくてもよいし、部分的に３次元構造を備えるものであってもよい。

セラミックス繊維の材質や太さ等は特に限定されない。例えばＳｉＣ、Ｃ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＢＮなどからなるセラミックス繊維を用いることができる。また、セラミックス繊維の太さは従来公知のセラミックス繊維と同様であってよく、例えば数μｍ〜数十μｍ程度であってよい。

本発明のタービン動翼として用いるセラミックス基複合材料は、翼部を構成するセラミックス繊維織物における主繊維の方向が、遠心力がかかる方向と略平行であることが好ましい。
ここで、セラミックス繊維織物における主繊維とは、繊維織物を構成する繊維束の中の特定方向に延びる繊維群を意味する。また、特定方向とは、例えば、セラミックス繊維織物が３次元構造を備える場合、Ｘ方向、Ｙ方向またはＺ方向を意味する。したがって、この場合、Ｘ方向の繊維束、Ｙ方向の繊維束、Ｚ方向の繊維束のいずれか１つの方向に延びる繊維束の群が主繊維である。
本発明のタービン動翼にかかる遠心力の方向と、主繊維の方向（Ｘ方向、Ｙ方向またはＺ方向）とが略平行であると、強い遠心力がかかってもより破損し難いので好ましい。

また、本発明のタービン翼は、翼部の少なくとも一部と、チップシュラウド部の少なくとも一部とが１つのセラミックス繊維織物から構成されていて繋がっている。すなわち、翼部の少なくとも一部（好ましくはすべて）と、チップシュラウド部の少なくとも一部（好ましくはすべて）とを構成するセラミックス繊維織物における繊維束は、翼部とチップシュラウド部との間で切れておらず、繋がっていて連続する繊維束の群からなる。この場合、本発明のタービン翼に強い遠心力がかかっても翼部とチップシュラウドとの間で分離し難く、タービン動翼全体としても破壊し難く、使用に耐え得るものとなる。

また、本発明のタービン翼は、翼部の少なくとも一部およびチップシュラウド部の少なくとも一部に加えて、プラットフォーム部およびダブテール部の少なくとも一部（好ましくはすべて）がセラミックス繊維織物を含むセラミック基複合部材からなることが好ましく、翼部の少なくとも一部と、チップシュラウド部の少なくとも一部と、プラットフォーム部の少なくとも一部と、ダブテール部の少なくとも一部とが、１つのセラミックス繊維織物から構成されていて繋がっていることがより好ましい。この場合、本発明のタービン翼に強い遠心力がかかっても翼部、チップシュラウド、プラットフォーム部およびダブテール部の間で分離し難く、タービン動翼全体としてもより破壊し難く、より使用に耐え得るものとなるからである。

本発明のタービン動翼における翼部のキャンバー角度は特に限定されず、１６０度以下であっても強度等に問題はない。キャンバー角度は１４０度以下であってもよく、１００度以下であってもよく、９０度以下であってもよく、８５度以下であってもよい。また、４５度以上であってよく、６０度以上であってよく、７５度以上であってよく、８０度以上であってよい。
本発明のタービン動翼における翼部のキャンバー角度が１８０度であると、容易に製造することができ、得られる本発明のタービン動翼の強度も十分となるが、キャンバー角度が１８０度よりも小さくなると、翼部の少なくとも一部とチップシュラウド部の少なくとも一部とが１つのセラミックス繊維織物から構成されていて繋がっているため、製造に困難性を伴う傾向がある。しかしながら、本発明のタービン翼は、セラミックス繊維織物における翼部を構成する部分と、チップシュラウド部を構成する部分とを所望の角度をなすように折り曲げ、型に組み付けて一体に成形し、得られた成形体にセラミックスマトリックスを形成して、前記翼部の少なくとも一部と、前記チップシュラウド部の少なくとも一部とを得るので、キャンバー角度が１８０度未満であっても、問題なく製造することができ、得られる本発明のタービン動翼の強度も十分となる。
本発明のタービン動翼の製造方法の詳細は後述する。

本発明のタービン動翼における翼部のキャンバー角度について、図２を用いて説明する。
図２は、翼部２を、径方向とは垂直に切った場合の概略断面図の例示である。
本発明のタービン翼において、キャンバー角度とは、翼前縁及び翼後縁の翼厚中心線をつないだ交点の角度である。

次に、本発明のタービン動翼の製造方法について説明する。
本発明のタービン動翼の製造方法は、セラミックス繊維織物における翼部を構成する部分と、チップシュラウド部を構成する部分とを所望の角度をなすように折り曲げ、型に組み付けて一体に成形し、得られた成形体にセラミックスマトリックスを形成する方法であれば特に限定されないが、次に説明する方法で製造することが好ましい。

本発明のタービン動翼の好ましい製造方法について、図３〜５を用いて説明する。
図３（ａ）および（ｂ）は、翼部およびダブテール部になるセラミックス繊維織物１３と、プラットフォーム部になるセラミックス繊維織物１５とが繋がっている一体三又繊維織物１１を表した図であり、図３（ａ）が概略側面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。
図３に示すような一体三又繊維織物１１を得た後、図４（ａ）に示すように、翼部およびダブテール部になるセラミックス繊維織物１３に対して、プラットフォーム部になるセラミックス繊維織物１５を所望の角度（略９０度）をなすように折り曲げて、図４（ｂ）に示すような態様の繊維織物を得る。
図４（ｂ）に示す態様のものが得られた後は、２つのプラットフォーム部になる繊維織物１５が重なった部分１５１を別の繊維束を用いて縫い合わせることが好ましい。得られる本発明のタービン動翼に用いるセラミックス繊維織物の強度がより高まるからである。
ここで一体三又繊維織物１１は、例えば従来公知の方法で製造することができる。例えば、セラミックス繊維を数百〜数千本程度束ねて繊維束とした後、この繊維束をＸＹＺ方向に織ることによって所望の形のものを得ることができる。

図４（ｂ）に示す態様の繊維織物を得た後に、または得る前に、翼部になるセラミックス繊維織物１３の外端にチップシュラウド部となるセラミックス繊維織物を形成する。
まず、図５（ａ）に示すようなパーツを用意する。すなわち、チップシュラウド本体となる繊維織物１７、３つのフィンとなる繊維織物１９および２つのスペーサー２１である。チップシュラウド本体となる繊維織物１７は翼部となる繊維織物１３の断面と同じ形状の孔を有したものである。また、スペーサーがないとチップシュラウド本体となる繊維織物１７とフィンとなる繊維織物１９との間に隙間が生じ、後の工程でセラミックスマトリックスが形成され難くなる傾向がある。したがって隙間を埋めるためのスペーサーを用いることが好ましい。

次に、図５（ｂ）に示すように、翼部となる繊維織物１３の外端を、チップシュラウド本体となる繊維織物１７が有する孔へ貫通させた後、翼部になるセラミックス繊維織物１３における外端を、図５（ｂ）に示すように広げ、その後、他のパーツを組み合わせ、繊維束を用いて縫い合わせ、図５（ｃ）に示す態様のセラミックス繊維織物を得る。

このようにして、図５（ｃ）に示すような態様の繊維織物を得た後、得られた繊維織物を型に組みつけて一体に成形する。例えば６分割程度の型に繊維織物を組み付けて成形する。型は内部形状が求める成形体の形状となっており、繊維織物を型に沿って変形させて組み付けることで、型の内部で繊維織物を一体に成形することができる。
このようにして得た成形体に気体からの化学反応や固体粉末をスラリー状にして流し込み焼結させる等の方法でセラミックスマトリックスを形成する。
例えば、型の内部で一体となった前記成形体をチャンバーの中で原料ガスに曝して化学反応によって前記成形体の表面にマトリックスを析出させる方法や、一体となった前記成形体に原料粉末固体をスラリー状にして含浸し、焼結する方法が挙げられる。

翼部およびチップシュラウド部を模擬したセラミックス基複合材料を作成した。
図６を用いて説明する。
まず、翼部となる繊維織物３３の外端を、図６（ａ）に示すように広げ、翼部となる繊維織物３３の主面と９０度となすようにした。
次に、図６（ａ）に示すように、２つのチップシュラウド本体となる繊維織物３５と、３つのフィンとなる繊維織物３９とを組み合わせた後、繊維束を用いて縫い合わせ、図６（ｂ）に示す態様のセラミックス繊維織物を得た。
次に、得られた繊維織物を６分割程度の型に組み付けて成形した。型は内部形状が、求める成形体の形状となっており、繊維織物を型に沿って変形させて組み付けることで、型の内部で繊維織物を一体に成形することができるものである。
このようにして得た成形体に原料粉末固体をスラリー状にして含浸し、その後、焼結してセラミックス基複合材料を得た。

次に、得られたセラミックス基複合材料をスピン試験に供し、実機レベル相当の遠心力を負荷した場合の強度を確認した。
その結果、所定荷重を負荷してもセラミックス基複合材料の破損が生じないことが確認できた。

１ 本発明のタービン動翼
２ 翼部
４ チップシュラウド部
６ プラットフォーム部
８ ダブテール部
９ ディスク部
１１ 一体三又繊維織物
１３ 翼部およびダブテール部になる繊維織物
１５ プラットフォーム部になる繊維織物
１５１ プラットフォーム部になる繊維織物の一部分
１７ チップシュラウド本体になる繊維織物
１９ フィンになる繊維織物
２１ スペーサー
３３ 翼部になる繊維織物
３５ チップシュラウド本体になる繊維織物
３９ フィンになる繊維織物
１００ タービン動翼
１０２ 翼部
１０４ チップシュラウド部
１０６ プラットフォーム部
１０８ ダブテール部

Claims (3)

1. タービン動翼であって、
   翼部と、前記翼部の外端に備えられたチップシュラウド部とを有し、
   前記翼部と、前記チップシュラウド部とはセラミックス基複合部材からなり、
   前記翼部の少なくとも一部と、前記チップシュラウド部の少なくとも一部とが１つのセラミックス繊維織物から構成されていて繋がっており、前記セラミックス繊維織物における前記翼部を構成する部分と、前記チップシュラウド部を構成する部分とを所望の角度をなすように折り曲げ、型に組み付けて一体に成形し、得られた成形体にセラミックスマトリックスを形成した、タービン動翼。
2. 前記翼部のキャンバー角度が０度より大きく１６０度より小さい、請求項１に記載のタービン動翼。
3. さらにプラットフォーム部およびダブテール部を有し、
   前記プラットフォーム部および前記ダブテール部の少なくとも一部がセラミックス繊維織物を含むセラミック基複合部材からなり、
   前記翼部、前記チップシュラウド部、前記プラットフォーム部および前記ダブテール部を型に組み付けて一体に成形し、得られた成形体にセラミックスマトリックスを形成してなる、請求項１または２に記載のタービン動翼。