JP2019173726A - 複合材料翼および複合材料翼の製造方法 - Google Patents

複合材料翼および複合材料翼の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】翼根部の強度低下を抑制可能な複合材料翼及び複合材料翼の製造方法の提供。【解決手段】複合材料翼１００は、強化繊維に樹脂が含浸された複合材料層２０を方向Ｘに積層して形成され、翼根部１１と、翼形部１０とを有する。複合材料翼１００は、複合材料層２０の積層体であり、翼根部１１において、基端１００ｂ側から一部の複合材料層２０同士が離間した離間部５０が複数形成され、先端１００ａ側から基端１００ｂ側に向かって方向Ｘに広がって設けられる第１積層体３０と、複合材料層２０を積層した積層体であり、翼根部１１において、第１積層体３０の離間部５０に配置されて、方向Ｘに複数並べて設けられる第２積層体４０とを備える。複数の第２積層体４０は、先端１００ａ側の一端４０ａ同士を結ぶラインＬ２が、方向Ｘの外側から中央側に向かうにしたがって先端１００ａ側に向かって延びる。【選択図】図２

Description

本発明は、複合材料翼および複合材料翼の製造方法に関する。
従来、ガスタービンの動翼として、強化繊維に樹脂を含浸した複合材料層を積層して形成された複合材料翼に関する技術が知られている。例えば、特許文献１には、翼形部と、翼形部の末端に設けられる翼根部（ダブテール部）とを備えた複合材料翼が開示されている。この複合材料翼では、翼根部において、翼形部から延在する複合材料層の一部を離間させて形成し、翼根部を翼形部より外側に広げている。そして、複合材料層の一部を離間させた位置には、他の複合材料層を追加積層することで、強化繊維が存在しない領域（樹脂のみが存在する領域）であるプライドロップを少なくして、翼根部の強度低下を抑制している。
米国特許第８１００６６２号公報
上記特許文献１に記載の複合材料翼では、追加積層される複合材料層の止端を、複合材料翼に生じる引張応力と圧縮応力とが切り替わる遷移エリアに位置するように形成している。その結果、複合材料層の止端において強化繊維が存在せず樹脂のみが存在するプライドロップに生じる応力が低減される。しかしながら、複合材料層の層間せん断応力については考慮されていない。層間せん断応力は、特に翼根部の表面側における曲がり部分近傍で高まるため、表面側に位置する追加した複合材料層のプライドロップに破損が生じるリスクが高くなってしまう。したがって、翼根部の強度低下を抑制することが求められている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、翼根部の強度低下を抑制可能な複合材料翼及び複合材料翼の製造方法の提供を目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、前記複合材料層を積層した積層体であり、前記翼根部において、前記基端側から一部の複合材料層同士が離間した離間部が複数形成され、前記先端側から前記基端側に向かって前記翼厚方向に広がって設けられる第１積層体と、前記複合材料層を積層した積層体であり、前記翼根部において、前記第１積層体の前記離間部に配置されて、前記翼厚方向に複数並べて設けられる第２積層体と、を備え、複数の前記第２積層体は、前記先端側の一端同士を結ぶラインが、前記翼厚方向の外側から中央側に向かうにしたがって前記先端側に向かって延びることを特徴とする。
この構成により、翼根部における第１積層体の離間部に第２積層体を配置することで、翼根部を翼厚方向の外側に広げても、強化繊維が配置されない領域をできる限り少なくして、翼根部の強度を高めることができる。そして、各第２積層体の先端側の一端同士を結ぶラインは、翼厚方向の外側から中央側に向かうにしたがって先端側に向かって延びるように形成される。つまり、翼厚方向の外側に配置される第２積層体ほど背が低い。それにより、特に層間せん断応力が高まる傾向にある翼根部の表面側における曲がり部分近傍から離れた位置に、各第２積層体を配置することができる。その結果、各第２積層体におけるプライドロップに生じる応力を低減させ、プライドロップを起点とした破損が生じることを抑制できる。したがって、本発明によれば、翼根部の強度低下を抑制する複合材料翼を提供することができる。
また、前記ラインは、前記翼厚方向の外側から中央側にかけて、前記基端側に凸型を描いて湾曲することが好ましい。
この構成により、各第２積層体を、特に層間せん断応力が高まる傾向にある翼根部の曲がり部分近傍から、より離れた位置に配置することができる。
また、複数の前記第２積層体のうち、前記翼厚方向の中央側に配置されるものは、前記翼厚方向の外側に配置されるものよりも前記翼厚方向の厚さが厚いことが好ましい。
この構成により、翼厚方向の中央側に配置されるものほど背が高く、かつ、厚く形成される第２積層体の形状に沿って、第１積層体の複合材料層を、方向Ｘの外側に向けて大きく傾斜させることができる。複合材料翼に遠心力が作用した際、翼根部は、表面において受ける面力と、複合材料層間に作用する層間せん断荷重とによって、遠心力に対して複合材料翼を支えることになる。このとき、表面の傾斜角度が大きいほど、翼根部が表面において受ける面力を大きくすることができ、一方で、層間せん断荷重による分力を小さくすることができる。したがって、複合材料層に働く層間せん断荷重を小さくして、複合材料層間で破損が生じるリスクを、より低減させることができる。
また、前記第２積層体は、前記翼厚方向の中央部に配置される中央積層体を有し、前記中央積層体は、前記一端から他端にかけて、前記翼厚方向の外側に広がった後、前記翼厚方向の中央側に狭まることが好ましい。
この構成により、中央積層体の周囲に延在する第１積層体も、他端側で翼厚方向の中央側に向かう形状を呈することになる。これにより、周囲の第１積層体３０によって中央積層体４１を保持させることができるため、中央積層体と第１積層体との境界に破損が生じたとしても、中央積層体が翼根部から抜け落ちることを抑制できる。
また、前記第２積層体は、前記中央積層体よりも前記翼厚方向の外側に配置される複数の外側積層体を有し、複数の前記外側積層体は、前記一端から他端に向かうにしたがって、前記翼厚方向の外側に向けて凸型を描いて湾曲し、複数の前記外側積層体のうち、前記翼厚方向の中央側に配置されるものは、前記翼厚方向の外側に配置されるものよりも、前記他端における曲率半径が小さいことが好ましい。
この構成により、各外側積層体の周囲に延在する第１積層体も翼厚方向の外側に向けて凸型を描いて湾曲し、中央側に配置される第１積層体ほど曲率半径が小さくなる（大きく湾曲する）。その結果、中央積層体の周囲に配置される第１積層体が最も大きく湾曲することになり、中央積層体の最大厚みと、他端における最小厚みとの比を大きくとることが可能となる。したがって、周囲の第１積層体によって中央積層体を、より良好に保持させて、中央積層体が翼根部から抜け落ちることを、より良好に抑制できる。
また、発泡樹脂により形成され、前記翼形部において前記翼厚方向の中央部に配置された発泡層をさらに有し、前記発泡層は、前記端部が、前記翼厚方向の外側から中央側に向かうにしたがって、前記基端側に向けて延びる楔形状に形成され、前記第１積層体は、前記翼根部において、前記発泡層の端部から前記基端側へと延びる中央層を有することが好ましい。
この構成により、発泡層を成形する際、発泡樹脂の加熱硬化段階で、楔形状とされた端部の周囲に延在する第１積層体を翼厚方向の外側に向けて広い範囲で加圧することができる。その結果、翼形部の翼根部に対する付根部分近傍において、第１積層体にボイド（空洞）が発生することを抑制できる。したがって、翼形部と翼根部との付根近傍の強度を向上させることができる。
また、前記発泡層は、前記端部が、前記複合材料層の層間に引張応力が作用する範囲内に設けられることが好ましい。
この構成により、発泡層に圧縮荷重が作用し、発泡層につぶれが生じることを抑制できる。
また、前記中央層は、前記翼厚方向において最も中央側に配置される前記複合材料層が、前記発泡層の周囲に延在して前記翼形部まで延びるカバー層であることが好ましい。
この構成により、中央層のカバー層の外側に延在する複合材料層の止端と、発泡層の端部とを接触させないようにすることができる。その結果、発泡層の成形に際して、発泡樹脂によって中央層の複合材料層の止端同士が剥離するといった不具合を防止することができる。また、発泡層の成形に際して、カバー層を介して中央層の他の複合材料層の止端が加圧されるため、発泡層と中央層との境界面の形状を安定させることができる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、強化繊維に樹脂が含浸された複合材料層を翼厚方向に積層して形成され、基端側に設けられる翼根部と、前記翼根部の先端側に設けられる翼形部とを有する複合材料翼の製造方法であって、前記複合材料層を積層した積層体であり、前記翼根部において、前記基端側から一部の複合材料層同士が離間した離間部が複数形成され、前記先端側から前記基端側に向かって前記翼厚方向に広がって設けられる第１積層体を形成する第１積層体形成ステップと、前記複合材料層を積層した積層体であり、前記翼根部において、前記第１積層体の前記離間部に配置されて、前記翼厚方向に複数並べて設けられる第２積層体を形成する第２積層体形成ステップと、を備え、複数の前記第２積層体は、前記先端側の一端同士を結ぶラインが、前記翼厚方向の外側から中央側に向かうにしたがって前記先端側に向かって延び、前記第１積層体形成ステップは、前記第１積層体となる前記複合材料層を段階的に積層するステップであり、前記第２積層体形成ステップは、前記第１積層体形成ステップが１回行われるごとに、前記第１積層体形成ステップで積層した前記複合材料層上に前記第２積層体となる前記複合材料層を積層するステップであることを特徴とする。
この構成により、翼根部における第１積層体の離間部に第２積層体を配置することで、翼根部を翼厚方向の外側に広げても、強化繊維が配置されない領域をできる限り少なくして、翼根部の強度を高めることができる。そして、各第２積層体の先端側の一端同士を結ぶラインは、翼厚方向の外側から中央側に向かうにしたがって先端側に向かって延びるように形成される。つまり、翼厚方向の外側に配置される第２積層体ほど背が低い。それにより、特に層間せん断応力が高まる傾向にある翼根部の表面側における曲がり部分近傍から離れた位置に、各第２積層体を配置することができる。その結果、各第２積層体におけるプライドロップに生じる応力を低減させ、プライドロップを起点とした破損が生じることを抑制できる。したがって、本発明によれば、翼根部の強度低下を抑制する複合材料翼の製造方法を提供することができる。
図１は、第１実施形態にかかる複合材料翼の概略を示す模式図である。 図２は、複合材料翼を方向Ｙから見た断面図である。 図３は、複合材料層の構成を示す模式図である。 図４は、複数の第２積層体を示す説明図である。 図５は、第１実施形態にかかる複合材料翼の製造方法の手順を示す説明図である。 図６は、第１実施形態にかかる複合材料翼の製造方法の手順を示す説明図である。 図７は、第１実施形態にかかる複合材料翼に生じるミーゼス応力分布の解析結果の一例を示す説明図である。 図８は、第１実施形態にかかる複合材料翼において複合材料層間に生じる層間せん断応力分布の解析結果の一例を示す説明図である。 図９は、第２実施形態にかかる複合材料翼を方向Ｙからみた断面図である。 図１０は、第２実施形態にかかる複合材料翼の要部を示す拡大断面図である。 図１１は、第２実施形態にかかる複合材料翼に生じる応力分布の解析結果の一例を示す説明図である。
以下に、本発明にかかる複合材料翼および複合材料翼の製造方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる複合材料翼の概略を示す模式図である。第１実施形態に係る複合材料翼１００は、ガスタービンの動翼である。複合材料翼１００が用いられるガスタービンは、例えば航空機用のエンジンに用いられるものであるが、例えば発電用のガスタービンなど、任意の用途に用いられるものであってよい。
図１に示すように、複合材料翼１００は、先端１００ａから基端１００ｂまで延在している。複合材料翼１００は、基端１００ｂ側においてタービンディスク２に取付けられている。ここで、図１に示す方向Ｚは、複合材料翼１００が延在する方向、すなわち先端１００ａから基端１００ｂまでに沿った方向である。方向Ｚは、複合材料翼１００の長手方向である。また、方向Ｚは、タービンディスク２の径方向（放射方向）に相当する。方向Ｙは、方向Ｚに直交する方向であって、タービンディスク２の軸方向に沿った方向である。方向Ｘは、方向Ｙ及び方向Ｚに直交する方向であり、タービンディスク２の周方向接線に沿った方向である。
複合材料翼１００は、翼形部１０と翼根部１１（ダブテール部）とを有する。翼形部１０は、タービンディスク２の回転に伴ってガスタービン内を流れるガスを圧縮する翼である。翼形部１０は、先端１００ａから翼形端部１０ａまで複合材料翼１００の方向Ｚ（長手方向）に沿って捻じれながら延びる。翼根部１１は、翼形部１０の末端である翼形端部１０ａに設けられる。翼根部１１は、基端１００ｂを有している。言い換えると、翼形部１０は、翼根部１１の先端１００ａ側から方向Ｚに沿って延在する。複合材料翼１００は、翼根部１１において、タービンディスク２に取付けられる。タービンディスク２は、周方向に沿って互いに間隔を空けて形成された複数の溝２Ａを有している。翼根部１１は、方向Ｘに沿った長さ（幅）が、翼形部１０の方向Ｘに沿った長さより長くなっている。複合材料翼１００は、翼根部１１が溝２Ａ内に取付けられることにより、タービンディスク２に取付け及び固定される。
図２は、複合材料翼を方向Ｙから見た断面図である。複合材料翼１００は、複合材料層２０を翼厚方向に沿って複数積層した積層体により構成される。ここで、「翼厚方向」は、翼形部１０の翼根部１１に対する付根部分である翼形端部１０ａにおける複合材料翼１００の翼厚方向であり、方向Ｘ（図２の左右方向）を意味する。以下、翼厚方向を方向Ｘと称して説明する。また、以下の説明では、方向Ｘにおける複合材料翼１００の表面１００ｃ側を「外側」と称し、方向Ｘにおける複合材料翼１００の中心線Ｌ１側を「中央側」と称する。
図３は、複合材料層の構成を示す模式図である。複合材料層２０は、強化繊維２１に樹脂２２を含浸させた複合材の層である。各複合材料層２０は、図３に示すように、強化繊維２１が方向Ｚに沿って複数設けられており、強化繊維２１の周囲に樹脂２２が充填されている。複合材料層２０は、隣接する（積層された）複合材料層２０と、樹脂２２同士が接着することで、樹脂２２の部分が他の複合材料層２０と一体化している。そのため、複合材料層２０は、強化繊維２１と、強化繊維２１の周囲の樹脂２２とが存在する層である。なお、複合材料層２０は、図３に示した強化繊維２１とは異なる方向に延在する他の強化繊維を有してもよい。その場合、他の強化繊維は、強化繊維２１に対して織り込まれてもよい。
第１実施形態において、強化繊維２１は、炭素繊維が用いられた炭素繊維強化プラスチックス（CFRP：Carbon Fiber Reinforced Plastic）である。ただし、強化繊維２１は、炭素繊維に限定されず、その他のプラスチック繊維、ガラス繊維又は金属繊維でもよい。また、樹脂２２は、例えば熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えばポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリエーテルケトンケトン（PEKK）、ポリフェニレンサルファイド（PPS）等を用いることができる。なお、樹脂２２は、これらに限定されず、その他の樹脂を用いてもよい。
複合材料翼１００は、このように複合材料層２０が方向Ｘに沿って積層された第１積層体３０および第２積層体４０を備えている。図２においては、斜線を付していない範囲の積層体が第１積層体３０であり、斜線を付した範囲の積層体が第２積層体４０である。以下、第１積層体３０および第２積層体４０の構成について、詳細に説明する。
（第１積層体３０）
第１積層体３０は、図２に示すように、翼形部１０から翼根部１１まで連続的に延在する。第１積層体３０は、翼形部１０においては長手方向に沿って延在する。一方、第１積層体３０は、翼根部１１においては、基端１００ｂ側から一部の複合材料層２０同士が離間した離間部５０が複数形成されている。それにより、第１積層体３０は、翼根部１１において、翼形部１０から離れるにしたがって方向Ｘの外側に向かって傾斜する方向に沿って延在する。つまり、第１積層体３０は、翼根部１１において、先端１００ａ側から基端１００ｂ側に向かって方向Ｘに広がって設けられる。なお、図２において、離間部５０は、複合材料層２０が３層積層されるごとに形成されているが、離間部５０が形成される位置までの複合材料層２０の積層数は、複合材料翼１００のサイズ、各複合材料層２０の厚み、離間部５０の形成数等に応じて任意に決定することができる。
（第２積層体４０）
第２積層体４０は、翼根部１１において、第１積層体３０の複合材料層２０の層間に、方向Ｘに複数並べて設けられる。各第２積層体４０は、第１積層体３０に形成された複数の離間部５０に、一つずつ配置される追加積層体である。そのため、第１積層体３０の各離間部５０の形状は、配置される各第２積層体４０の形状と一致する。各第２積層体４０は、図２に示すように、翼根部１１において第１積層体３０が翼形部１０よりもＸ方向の外側に向かって傾斜し始める曲がり部分１１１よりも、基端１００ｂ側に設けられる。
図４は、複数の第２積層体を示す説明図である。図示するように、各第２積層体４０は、複数の複合材料層２０が方向Ｘに沿って積層されて構成される。各第２積層体４０において、複合材料層２０の構成は、図３に示すものと同様に、強化繊維２１と樹脂２２とが存在する層である。そのため、図４においては、各複合材料層２０に含まれる強化繊維２１および樹脂２２の記載は省略するが、各複合材料層２０の止端２０ａ同士の間には、樹脂２２のみが存在する領域であるプライドロップＰが形成される。なお、各第２積層体４０の積層数は、図４に例示するものに限られず、複合材料翼１００のサイズ、各複合材料層２０の厚み、離間部５０の形成数等に応じて任意に決定することができる。各第２積層体４０は、図４に示すように、方向Ｘの中央側に位置する複合材料層２０ほど方向Ｚの長さが短く形成され、方向Ｘの外側に位置する複合材料層２０ほど方向Ｚの長さが長く形成される。また、各第２積層体４０は、先端１００ａ側（図中上側）の一端４０ａにおいて凸形状を呈し、他端４０ｂが複合材料翼１００の基端１００ｂの一部を形成する。
複数の第２積層体４０は、図２および図４に示すように、中央積層体４１と、複数の外側積層体４２とを有している。中央積層体４１は、複合材料翼１００の方向Ｘにおける中央に配置される。中央積層体４１は、複合材料翼１００の方向Ｘにおける中心線Ｌ１と重なって配置される。中央積層体４１は、複数の第２積層体４０のなかで最も方向Ｚの長さが長く形成される。また、中央積層体４１は、複数の第２積層体４０のなかで最も方向Ｘの厚さが厚く形成される。さらに、中央積層体４１は、一端４０ａから他端４０ｂにかけて、方向Ｘの外側に広がった後、方向Ｘの中央側に狭まる形状を呈する。つまり、中央積層体４１は、Ｙ方向からみた断面形状が樽型の断面形状を呈し、中心線Ｌ１に対して対称形状を呈する。
外側積層体４２は、中央積層体４１よりも方向Ｘの外側に配置される。第１実施形態では、中央積層体４１の両側に３つずつ外側積層体４２が配置されるが、外側積層体４２の数は、これに限られない。ここでは、各外側積層体４２を、方向Ｘの外側から中心側に向けて配置される順番にしたがって外側積層体４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃと称する。
外側積層体４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは、中央積層体４１よりも方向Ｚの長さが短く形成される。また、外側積層体４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは、方向Ｘの外側に配置されるものほど、方向Ｚの長さが短く形成される。また、外側積層体４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは、中央積層体４１よりも方向Ｘの厚さが薄く、方向Ｘの中央側に配置されるものほど、方向Ｘの厚さが厚く形成される。また、各外側積層体４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは、一端４０ａから他端４０ｂに向かうにしたがって、方向Ｘの外側に向けて凸型を描いて湾曲する形状を呈する。つまり、各外側積層体４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは、方向Ｙからみて方向Ｘの外側に向かって膨らむように湾曲した断面形状を呈する。また、各外側積層体４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは、図４において他端４０ｂから延びる破線で示すように、方向Ｘの中央側に配置されるものほど、他端４０ｂにおける曲率半径ｒが小さく形成されている。つまり、外側積層体４２は、方向Ｘの中央側に配置されるものほど大きく湾曲する。それにより、外側積層体４２の周囲に延在する第１積層体３０の各複合材料層２０も、方向Ｘの中央側ほど大きく湾曲することになる。
このように構成される複数の第２積層体４０は、図２において破線で示すように、先端１００ａ側の一端４０ａ同士を結ぶラインＬ２が、方向Ｘの外側から中央側に向かうにしたがって、先端１００ａ側（図中上側）に向かって延びる。つまり、ラインＬ２は、方向Ｙからみた断面上で山型の形状を呈する。また、第１実施形態において、ラインＬ２は、方向Ｘの外側から中央側にかけて、翼形部１０とは反対方向に凸型を描いて湾曲するように形成される。言い換えると、ラインＬ２は、方向Ｘの最も外側に配置される外側積層体４２Ｃの一端４０ａと、方向Ｘの最も中央側に配置される中央積層体４１の一端４０ａとを結んだ直線Ｌ３よりも、基端１００ｂ側を延びる。
次に、第１実施形態にかかる複合材料翼の製造方法について説明する。図５および図６は、第１実施形態にかかる複合材料翼の製造方法の手順を示す説明図である。第１実施形態にかかる複合材料翼の製造方法は、第１積層体形成ステップＳ１と、第２積層体形成ステップＳ２と、型合せステップＳ３と、硬化ステップＳ４とを備える。
第１実施形態にかかる複合材料翼の製造方法は、まず、第１積層体形成ステップＳ１および第２積層体形成ステップＳ２を繰り返し行うことにより、複合材料翼１００となる積層体１００Ａ、１００Ｂ（図６参照）を半分ずつ製造する。以下の説明では、ｎ回目に行われる第１積層体形成ステップＳ１および第２積層体形成ステップＳ２を、第１積層体形成ステップＳ１ｎおよび第２積層体形成ステップＳ２ｎと称する。また、以下の説明では、ｎ回目に行われる第１積層体形成ステップＳ１ｎで積層された複合材料層２０を複合材料層２０ｎと称する。なお、第１積層体形成ステップＳ１ｎおよび第２積層体形成ステップＳ２ｎにおいて、複合材料層２０は、樹脂２２が未硬化の状態、すなわちプリプレグである。
第１積層体形成ステップＳ１は、上述した離間部５０が形成される位置まで複合材料層２０を段階的に積層し、第１積層体３０を部分的に形成するステップである。より詳細には、図５に示すように、まず、１回目の第１積層体形成ステップＳ１１として、基台１上に複数の複合材料層２０１を積層する。
次に、１回目の第２積層体形成ステップＳ２１を行う。第２積層体形成ステップＳ２は、第１積層体形成ステップＳ１が１回行われるごとに、第１積層体形成ステップＳ１で積層した複合材料層２０上に、第２積層体４０となる複合材料層２０を積層するステップである。１回目の第２積層体形成ステップＳ２１では、図５に示すように、基台１上に積層した複合材料層２０１上に、方向Ｘにおいて最も外側に位置する外側積層体４２Ａを積層する。なお、外側積層体４２は、図４に示すように、外側に位置する複合材料層２０ほど方向Ｚの長さが長い。そのため、各第２積層体形成ステップＳ２ｎにおいては、方向Ｚの長さが長い複合材料層２０から順番に積層していけばよい。
次に、２回目の第１積層体形成ステップＳ１２を行う。２回目の第１積層体形成ステップＳ１２では、図５に示すように、複合材料層２０１および外側積層体４２Ａ上に、新たに複合材料層２０２を積層する。さらに、２回目の第２積層体形成ステップＳ２２を行う。２回目の第２積層体形成ステップＳ２２では、複合材料層２０２上に、方向Ｘにおいて２番目に外側に位置する外側積層体４２Ｂを積層する。
この手順を繰り返し実行することにより、第１積層体３０となる各複合材料層２０および第２積層体４０の外側積層体４２を順番に積層していく。その結果、図６に示すように、第１積層体３０となる複合材料層２０１、２０２、２０３、２０４および外側積層体４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃが積層される。そして、最後（本実施形態では４回目）の第２積層体形成ステップＳ２４において、複合材料層２０４上に、中央積層体４１の半分に相当する層を積層する。これにより、複合材料翼１００の方向Ｘにおける半分の積層体１００Ａが形成される。その後、同様の手順によって、複合材料翼１００の方向Ｘにおける残り半分の積層体１００Ｂを形成する。
そして、図６に示すように、型合せステップＳ３として、半分ずつ形成された積層体１００Ａと積層体１００Ｂとを型合せさせる。型合せステップＳ３が終了すると、硬化ステップＳ４を行う。硬化ステップＳ４は、型合せさせた積層体１００Ａと積層体１００Ｂとにおいて未硬化の樹脂２２を硬化させることにより、複合材料翼１００を成形するステップである。硬化ステップＳ４では、例えば、複合材料翼１００の未硬化体をバギング材１１０で覆って真空引きした後、オートクレーブ炉内で加圧及び加熱することで、樹脂２２を硬化させる。これにより、複合材料翼１００の製造が完了する。なお、硬化ステップＳ４では、樹脂２２を硬化させて複合材料翼１００の硬化体を成形するものであれば、その成形方法はこれに限られない。
以上説明したように、第１実施形態にかかる複合材料翼１００および複合材料翼の製造方法では、翼根部１１における第１積層体３０の離間部５０に第２積層体４０を配置する。これにより、翼根部１１を方向Ｘ（翼厚方向）の外側に広げても、強化繊維２１が配置されない領域をできる限り少なくして、翼根部１１の強度を高めることができる。
ここで、図７は、第１実施形態にかかる複合材料翼に生じるミーゼス応力分布の解析結果の一例を示す説明図であり、図８は、第１実施形態にかかる複合材料翼において複合材料層間に生じる層間せん断応力分布の解析結果の一例を示す説明図である。図７および図８は、複合材料翼１００のモデルを用いて、方向Ｚの遠心力Ｆが働き、翼根部１１がタービンディスク２の溝２Ａに拘束された状態における各応力分布を解析したものである。複合材料翼１００のモデルにおいて、遠心力Ｆを作用させた場合、翼根部１１の表面１００ｃ側における曲がり部分１１１の近傍で、ミーゼス応力および層間せん断応力が高くなる。
複合材料翼１００において、各第２積層体４０の先端１００ａ側の一端４０ａ同士を結ぶラインＬ２は、方向Ｘの外側から中央側に向かうにしたがって先端１００ａ側に向かって延びるように形成される。つまり、方向Ｘの外側に配置される第２積層体４０ほど背が低い。それにより、特にミーゼス応力および層間せん断応力が高まる傾向にある翼根部１１の表面１００ｃ側における曲がり部分１１１の近傍から離れた位置に、各第２積層体４０を配置することができる。その結果、各第２積層体４０におけるプライドロップＰ（図４参照）に生じる応力を低減させ、プライドロップＰを起点とした破損が生じることを抑制できる。したがって、第１実施形態にかかる複合材料翼１００および複合材料翼の製造方法によれば、翼根部１１の強度低下を抑制することが可能となる。
また、ラインＬ２は、方向Ｘの外側から中央側にかけて、基端１００ｂ側に凸型を描いて湾曲する。
この構成により、各第２積層体４０を、特にミーゼス応力および層間せん断応力が高まる傾向にある翼根部１１の曲がり部分１１１近傍から、より離れた位置に配置することができる。
また、複数の第２積層体４０のうち、方向Ｘの中央側に配置されるものは、方向Ｘの外側に配置されるものよりも方向Ｘ（翼厚方向）の厚さが厚い。
この構成により、方向Ｘの中央側に配置されるものほど背が高く、かつ、厚く形成される第２積層体４０の形状に沿って、第１積層体３０の複合材料層２０を、方向Ｘの外側に向けて大きく傾斜させることができる。複合材料翼１００に遠心力Ｆが作用した際、翼根部１１は、表面１００ｃにおいてタービンディスク２の溝２Ａから受ける面力と、各複合材料層２０間に作用する層間せん断荷重とによって、遠心力Ｆに対して複合材料翼１００を支えることになる。このとき、表面１００ｃの傾斜角度が大きいほど、翼根部１１が溝２Ａから受ける面力を大きくすることができ、一方で、層間せん断荷重による分力を小さくすることができる。したがって、複合材料翼１００によれば、複合材料層２０に働く層間せん断荷重を小さくして、複合材料層２０間で破損が生じるリスクを、より低減させることができる。
また、第２積層体４０は、方向Ｘの中央部に配置される中央積層体４１を有し、中央積層体４１は、一端４０ａから他端４０ｂにかけて、方向Ｘの外側に広がった後、方向Ｘの中央側に狭まる。
この構成により、中央積層体４１の周囲に延在する第１積層体３０も、他端４０ｂ側で方向Ｘの中央側に向かう形状を呈することになる。それにより、他端４０ｂ側で、周囲に延在する第１積層体３０から中央積層体３１へと圧縮方向の力ｆ（図２参照）が作用する。その結果、中央積層体４１と第１積層体３０との界面において発生する層間せん断応力が、一端４０ａ側と他端４０ｂ側とで反対になり、中央積層体４１が先端１００ａ側（図中上側）に向かう力を受ける。これにより、周囲の第１積層体３０によって中央積層体４１を保持させることができるため、中央積層体４１と第１積層体３０との境界に破損が生じたとしても、中央積層体４１が翼根部１１から抜け落ちることを抑制できる。
また、第２積層体４０は、中央積層体４１よりも方向Ｘの外側に配置される複数の外側積層体４２を有し、複数の外側積層体４２は、一端４０ａから他端４０ｂに向かうにしたがって、方向Ｘの外側に向けて凸型を描いて湾曲し、複数の外側積層体４２のうち、方向Ｘの中央側に配置されるものは、方向Ｘの外側に配置されるものよりも、他端４０ｂにおける曲率半径ｒが小さい。
この構成により、各外側積層体４２の周囲に延在する第１積層体３０も方向Ｘの外側に向けて凸型を描いて湾曲し、中央側に配置される第１積層体３０ほど曲率半径ｒが小さくなる（大きく湾曲する）。その結果、中央積層体４１の周囲に配置される第１積層体３０が最も大きく湾曲することになり、中央積層体４１の最大厚みＢｍａｘ（図４参照）と、他端４０ｂにおける最小厚みＢｍｉｎ（図４参照）との比を大きくとることが可能となる。したがって、周囲の第１積層体３０によって中央積層体４１を、より良好に保持させて、中央積層体４１が翼根部１１から抜け落ちることを、より良好に抑制できる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態にかかる複合材料翼２００について説明する。図９は、第２実施形態にかかる複合材料翼を方向Ｙからみた断面図であり、図１０は、第２実施形態にかかる複合材料翼の要部を示す拡大断面図である。複合材料翼２００は、第１実施形態にかかる複合材料翼１００の構成に加えて、発泡層６０を備える。また、複合材料翼２００は、複合材料翼１００の第１積層体３０に代えて、第１積層体７０を備える。複合材料翼２００のその他の構成は、複合材料翼１００と同様であるため、同様の符号を付し、説明を省略する。
（発泡層６０）
発泡層６０は、発泡樹脂により形成される層である。発泡層６０は、後述する第１積層体７０のカバー層７１１内に、発泡樹脂を配置し、硬化させることによって成形される。発泡層６０は、翼形部１０において方向Ｘの中央部に配置される。発泡層６０は、複合材料翼２００の中心線Ｌ１と重なる位置に配置される。発泡層６０は、その一部が翼根部１１にも延在している。
発泡層６０は、翼根部１１における端部６０ａが、方向Ｘの外側から中央側に向かうにしたがって、基端１００ｂ側に向けて延びる楔形状に形成されている。つまり、発泡層６０の端部６０ａは、図９および１０に示すように、基端１００ｂ側に向けて凸型を描く三角形状に形成される。なお、端部６０ａの中心線Ｌ１に対する傾斜角度αは、端部６０ａの上端の位置、端部６０ａのサイズ（方向Ｚの長さ、厚み）に応じて決定される。傾斜角度αは、例えば３０°程度とされることが好ましい。
発泡層６０は、図９に示すように、端部６０ａが範囲Ｈ１内に設けられる。ここで、図１１は、第２実施形態にかかる複合材料翼に生じる応力分布の解析結果の一例を示す説明図である。図１１は、複合材料翼２００のモデルを用いて、方向Ｚの遠心力Ｆが働き、翼根部１１がタービンディスク２の溝２Ａに拘束された状態における応力分布を解析したものである。図１１に示す解析結果において、範囲Ｈ１では、複合材料層２０の層間に引張応力が作用する。一方、範囲Ｈ１よりも基端１００ｂ側における範囲Ｈ２は、複合材料層２０の層間に圧縮応力が作用する範囲となる。このように、第２実施形態において、発泡層６０の端部６０ａは、複合材料層２０の層間に引張応力が作用する範囲Ｈ１内に設けられる。なお、発泡層６０の端部６０ａは、範囲Ｈ１内であればいかなる位置に設けられてもよいが、複合材料翼２００の軽量化のためには、できる限り範囲Ｈ１の下端近傍に設けられることが好ましい。
（第１積層体７０）
第１積層体７０は、翼根部１１において、発泡層６０の端部６０ａから基端１００ｂ側へと延びる中央層７１を有する。図９において、第１積層体７０のうち斜線を付した範囲が中央層７１である。第１積層体７０の他の構成は、第１積層体３０と同様であるため、説明を省略する。
中央層７１は、カバー層７１１と、複数の外側層７１２とを有している。カバー層７１１は、中央層７１に含まれる複合材料層２０のうち、方向Ｘにおいて最も中央側に配置された層である。カバー層７１１は、図９および図１０に示すように、発泡層６０の周囲に延在する層であり、かつ、基端１００ｂから翼形部１０まで延在する層である。カバー層７１１は、発泡層６０を基端１００ｂ側から覆うように形成される。外側層７１２は、カバー層７１１に隣接して、方向Ｘの外側に複数（第２実施形態では、３つ）積層されている。外側層７１２は、図９に示すように、基端１００ｂからカバー層７１１に接する位置まで延在する。より詳細には、外側層７１２は、図１０に示すように、その止端７１２ａが、発泡層６０の端部６０ａに沿って延びるカバー層７１１の傾斜部分７１１ａに接している。そのため、各外側層７１２の止端７１２ａは、カバー層７１１の存在によって、発泡層６０の端部６０ａに直接的に接することはない。
以上のように構成される複合材料翼２００を製造する際には、図５および図６に示す手順にしたがって、発泡層６０以外の第１積層体７０および第２積層体４０を積層した積層体を形成する。そして、カバー層７１１上に発泡樹脂を配置し、加熱硬化させることで発泡層６０を成形する。このようにして発泡層６０を成形する際、発泡樹脂の加熱硬化段階で、図９において白抜き矢印で模式的に示すように、楔形状とされた端部６０ａの周囲に延在する第１積層体７０を広い範囲で加圧することができる。その結果、翼形部１０の翼根部１１に対する付根部分である翼形端部１０ａの近傍において、第１積層体７０にボイド（空洞）が発生することを抑制できる。したがって、翼形部１０と翼根部１１との付根近傍の強度を向上させることができる。
また、発泡層６０の端部６０ａを楔形状とすることで、発泡層６０によって中央層７１を加圧し、中央層７１のうち最も方向Ｘの外側に位置する外側層７１２と、その外側層７１２と隣り合う複合材料層２０ｉ（図１０参照）とを、強固に密着させることができる。その結果、複合材料翼２００に遠心力Ｆが作用した際に、複合材料層２０ｉと中央層７１との間で力が安定的に伝達されることになり、中央層７１および中央層７１の周囲に延在する第２積層体４０においても、良好に遠心力Ｆを負担することができる。さらに、発泡層６０と中央層７１との境界面を徐変させる形状（楔形状）とすることにより、複合材料翼２００に遠心力Ｆが作用した際に、発泡層６０と中央層７１との境界面に応力集中が生じないようすることができる。その結果、境界面で破損が生じるリスクを低減させることができる。
また、発泡層６０は、端部６０ａが複合材料層２０の層間に引張応力が作用する範囲Ｈ１内に設けられる。
この構成により、発泡層６０に圧縮荷重が作用し、発泡層６０につぶれが生じることを抑制できる。
また、中央層７１は、方向Ｘ（翼厚方向）において最も中央側に配置される複合材料層２０が、発泡層６０の周囲に延在して翼形部１０まで延びるカバー層７１１である。
この構成により、中央層７１のカバー層７１１の外側に延在する外側層７１２（複合材料層２０）の止端７１２ａと、発泡層６０の端部６０ａとを接触させないようにすることができる。その結果、発泡層６０の成形に際して、発泡樹脂によって中央層７１の外側層７１２の止端７１２ａ同士が剥離するといった不具合を防止することができる。また、上述したように、発泡層６０の成形に際して、カバー層７１１を介して中央層７１の外側層７１２（他の複合材料層２０）の止端７１２ａが加圧されるため、発泡層６０と中央層７１との境界面の形状を安定させることができる。
第１実施形態および第２実施形態では、第２積層体４０の一端４０ａ同士を結ぶラインＬ２が、方向Ｘの外側から中央側にかけて、基端１００ｂ側に凸型を描いて湾曲するものとしたが、ラインＬ２は、直線状であってもよい。すなわち、ラインＬ２は、図２に示す直線Ｌ３と一致してもよい。
第１実施形態および第２実施形態では、第２積層体４０は、方向Ｘの中央側に配置されるものほど厚いものとしたが、各第２積層体４０は、一定の厚みに形成されてもよく、方向Ｘの外側に配置されるものほど厚く形成されてもよい。
第１実施形態および第２実施形態では、第２積層体４０の中央積層体４１は、方向Ｙからみて樽型の断面形状を呈するものとしたが、中央積層体４１の形状はこれに限られない。中央積層体４１は、例えば方向Ｙからみて三角形型等の断面形状を呈してもよい。
第１実施形態および第２実施形態では、第２積層体４０の外側積層体４２は、方向Ｙからみて方向Ｘの外側に向かって膨らむように湾曲した断面形状としたが、外側積層体４２の形状はこれに限られない。外側積層体４２は、例えば方向Ｙからみて三角形型等の断面形状を呈してもよい。
第１実施形態および第２実施形態では、各第２積層体４０は、図４に示すように、方向Ｘの中央側に位置する複合材料層２０ほど方向Ｚの長さが短く形成され、方向Ｘの外側に位置する複合材料層２０ほど方向Ｚの長さが長く形成されるものとした。ただし、各第２積層体４０は、方向Ｘの中央側に位置する複合材料層２０ほど方向Ｚの長さが長く形成され、方向Ｘの外側に位置する複合材料層２０ほど方向Ｚの長さが短く形成されてもよい。
第２実施形態では、発泡層６０の端部６０ａが複合材料層２０の層間に引張応力が作用する範囲Ｈ１内に設けられるものとしたが、発泡層６０がつぶれるおそれさえなければ、端部６０ａを複合材料層２０の層間に圧縮応力が作用する範囲Ｈ２内に設けてもよい。
第２実施形態では、第１積層体７０の中央層７１がカバー層７１１を備えるものとしたが、カバー層７１１は省略してもよい。
１ 基台
２ タービンディスク
２Ａ 溝
１０ 翼形部
１０ａ 翼形端部
１１ 翼根部
２０，２０１，２０２，２０３，２０４ 複合材料層
２０ａ 止端
２１ 強化繊維
２２ 樹脂
３０ 第１積層体
４０ 第２積層体
４０ａ 一端
４０ｂ 他端
４１ 中央積層体
４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ 外側積層体
５０ 離間部
６０ 発泡層
６０ａ 端部
７０ 第１積層体
７１ 中央層
７１１ カバー層
７１１ａ 傾斜部分
７１２ 外側層
７１２ａ 止端
１００，２００ 複合材料翼
１００Ａ，１００Ｂ 積層体
１００ａ 先端
１００ｂ 基端
１００ｃ 表面
１１０ バギング材
１１１ 曲がり部分
Ｆ 遠心力
ｆ 力
Ｈ１，Ｈ２ 範囲
Ｌ１ 中心線
Ｌ２ ライン
Ｌ３ 直線
Ｐ プライドロップ

Claims (9)

  1. 強化繊維に樹脂が含浸された複合材料層を翼厚方向に積層して形成され、基端側に設けられる翼根部と、前記翼根部の先端側に設けられる翼形部とを有する複合材料翼であって、
    前記複合材料層を積層した積層体であり、前記翼根部において、前記基端側から一部の複合材料層同士が離間した離間部が複数形成され、前記先端側から前記基端側に向かって前記翼厚方向に広がって設けられる第１積層体と、
    前記複合材料層を積層した積層体であり、前記翼根部において、前記第１積層体の前記離間部に配置されて、前記翼厚方向に複数並べて設けられる第２積層体と、を備え、
    複数の前記第２積層体は、前記先端側の一端同士を結ぶラインが、前記翼厚方向の外側から中央側に向かうにしたがって前記先端側に向かって延びることを特徴とする複合材料翼。
  2. 前記ラインは、前記翼厚方向の外側から中央側にかけて、前記基端側に凸型を描いて湾曲することを特徴とする請求項１に記載の複合材料翼。
  3. 複数の前記第２積層体のうち、前記翼厚方向の中央側に配置されるものは、前記翼厚方向の外側に配置されるものよりも前記翼厚方向の厚さが厚いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複合材料翼。
  4. 前記第２積層体は、前記翼厚方向の中央部に配置される中央積層体を有し、
    前記中央積層体は、前記一端から他端にかけて、前記翼厚方向の外側に広がった後、前記翼厚方向の中央側に狭まることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の複合材料翼。
  5. 前記第２積層体は、前記中央積層体よりも前記翼厚方向の外側に配置される複数の外側積層体を有し、
    複数の前記外側積層体は、前記一端から他端に向かうにしたがって、前記翼厚方向の外側に向けて凸型を描いて湾曲し、
    複数の前記外側積層体のうち、前記翼厚方向の中央側に配置されるものは、前記翼厚方向の外側に配置されるものよりも、前記他端における曲率半径が小さいことを特徴とする請求項４に記載の複合材料翼。
  6. 発泡樹脂により形成され、前記翼形部において前記翼厚方向の中央部に配置された発泡層をさらに有し、
    前記発泡層は、端部が、前記翼厚方向の外側から中央側に向かうにしたがって、前記基端側に向けて延びる楔形状に形成され、
    前記第１積層体は、前記翼根部において、前記発泡層の前記端部から前記基端側へと延びる中央層を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の複合材料翼。
  7. 前記発泡層は、前記端部が、前記複合材料層の層間に引張応力が作用する範囲内に設けられることを特徴とする請求項６に記載の複合材料翼。
  8. 前記中央層は、前記翼厚方向において最も中央側に配置される前記複合材料層が、前記発泡層の周囲に延在して前記翼形部まで延びるカバー層であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の複合材料翼。
  9. 強化繊維に樹脂が含浸された複合材料層を翼厚方向に積層して形成され、基端側に設けられる翼根部と、前記翼根部の先端側に設けられる翼形部とを有する複合材料翼の製造方法であって、
    前記複合材料層を積層した積層体であり、前記翼根部において、前記基端側から一部の複合材料層同士が離間した離間部が複数形成され、前記先端側から前記基端側に向かって前記翼厚方向に広がって設けられる第１積層体を形成する第１積層体形成ステップと、
    前記複合材料層を積層した積層体であり、前記翼根部において、前記第１積層体の前記離間部に配置されて、前記翼厚方向に複数並べて設けられる第２積層体を形成する第２積層体形成ステップと、を備え、
    複数の前記第２積層体は、前記先端側の一端同士を結ぶラインが、前記翼厚方向の外側から中央側に向かうにしたがって前記先端側に向かって延び、
    前記第１積層体形成ステップは、前記第１積層体となる前記複合材料層を段階的に積層するステップであり、
    前記第２積層体形成ステップは、前記第１積層体形成ステップが１回行われるごとに、前記第１積層体形成ステップで積層した前記複合材料層上に前記第２積層体となる前記複合材料層を積層するステップであることを特徴とする複合材料翼の製造方法。
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