JP2658497B2 - Method of manufacturing turbine blade - Google Patents
Method of manufacturing turbine bladeInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は炭素／炭化系複合材料（カーボン／カーボン
コンポジッドあるいはC/Cコンポジッドと称される）に
より形成されるタービンブレードの製造方法に関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a turbine blade formed of a carbon / carbon composite material (referred to as carbon / carbon composite or C / C composite).
従来の技術 例えば1500℃以上の高温雰囲気で使用されるタービン
ブレードとして、それまでの金属製のものに代えて炭素
／炭素系複合材料（ここではC/Cコンポジッドと称す
る）により形成することが試られている。2. Description of the Related Art For example, as a turbine blade used in a high-temperature atmosphere of 1500 ° C. or higher, it is attempted to form a carbon / carbon composite material (herein referred to as C / C composite) instead of a metal blade. Have been.
このC/Cコンポジッド製のタービンブレードの具体的
な製造方法としては、大別して第４図（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ），（Ｄ）に示すような方法がある。The specific method of manufacturing the C / C composite turbine blade is roughly classified into FIGS. 4 (A), (B),
There are methods as shown in (C) and (D).
同図（Ａ）に示すものは、炭素繊維クロス11を積層す
ることによって予備成形されたC/Cコンポジッドの基板1
2から機械切削加工によってタービンブレード13の形状
を削り出すようにしたものである。同図（Ｂ）に示すも
のは、タービンブレード14の曲率に沿うように炭素繊維
クロス11を積層することによって予備成形されたC/Cコ
ンポジッドの基板15から同様に機械切削加工によってタ
ービンブレード14の形状を削り出すようにしたものであ
る。なお、上記の二つの方法はいずれも基板12または15
そのものを焼成して炭化処理した上で機械加工が施され
る。FIG. 1A shows a C / C composite substrate 1 preformed by laminating carbon fiber cloths 11.
2, the shape of the turbine blade 13 is cut out by mechanical cutting. FIG. 2B shows a C / C composite substrate 15 preformed by laminating carbon fiber cloths 11 along the curvature of the turbine blade 14, and the turbine blade 14 is similarly machined. It is designed to cut out the shape. In addition, both of the above two methods use the substrate 12 or 15
After being baked and carbonized, it is machined.
また、同図（Ｃ）に示すものはタービンブレード16の
曲率に沿うようにマトリックス樹脂を含浸させた炭素繊
維クロス11を二つ折りにして順次積層することで所定の
タービンブレード形状に成形するようにしたものであ
る。Further, the one shown in FIG. 3C is formed by folding a carbon fiber cloth 11 impregnated with a matrix resin in two along the curvature of the turbine blade 16 and sequentially laminating the same to form a predetermined turbine blade shape. It was done.
さらに、同図（Ｄ）に示すものは、マトリックス樹脂
を含浸させた炭素繊維18のチョップ状のもの（チョップ
ドストランド）を用いて型成形により所定のタービンブ
レード17の形状をつくり出すようにしたものである。Further, the one shown in FIG. 3D is one in which a predetermined shape of the turbine blade 17 is formed by molding using a chopped carbon fiber 18 (chopped strand) impregnated with a matrix resin. is there.
なお、同図（Ｃ），（Ｄ）の方法により成形されたタ
ービンブレード16または17は後工程において炭化処理さ
れる。It should be noted that the turbine blade 16 or 17 formed by the method shown in FIGS. 3C and 3D is carbonized in a subsequent step.
発明が解決しようとする課題 上記のような従来の製造方法においては、いずれ製法
上の制約のために一長一短があり、製造されたタービン
ブレードそのものの機能の上でなおも問題点を残してい
る。Problems to be Solved by the Invention The conventional manufacturing method as described above has advantages and disadvantages due to limitations in the manufacturing method, and still has a problem in the function of the manufactured turbine blade itself.
すなわち、第４図（Ａ），（Ｂ）に示す方法で製造さ
れたタービンブレード13、14の場合、積層された各炭素
繊維クロス11がタービン運転中のガスの流れ方向Ｆに対
して切断されていてその各炭素繊維クロス11の端部がタ
ービンブレード13,14の外周面に露出することになるた
め、タービン運転中に高温ガスにさらされるとそのエロ
ージョン現象により層間剥離や割れが発生し、耐久性の
面で十分でない。That is, in the case of the turbine blades 13 and 14 manufactured by the method shown in FIGS. 4A and 4B, the laminated carbon fiber cloths 11 are cut in the gas flow direction F during the operation of the turbine. Since the end of each carbon fiber cloth 11 is exposed to the outer peripheral surface of the turbine blades 13 and 14, when exposed to a high-temperature gas during turbine operation, delamination or cracks occur due to the erosion phenomenon, Not enough in durability.
また、同図（Ｃ）の方法で製造されたタービンブレー
ド16の場合、上記のような層間剥離や割れといった欠損
の発生はないものの、長期使用によりエロージョン現象
のためにマトリックス層が徐々に割られ、ブレード表面
の平滑性が損われやすい。Further, in the case of the turbine blade 16 manufactured by the method shown in FIG. 1C, although the above-described defects such as delamination and cracking do not occur, the matrix layer is gradually broken due to the erosion phenomenon due to long-term use. In addition, the smoothness of the blade surface is easily impaired.
さらに同図（Ｄ）の方法で製造されたタービンブレー
ド17の場合、ブレード表面を比較的平滑に仕上げること
ができるものの、炭素繊維18が短繊維であるために強度
の向上が望めない。Further, in the case of the turbine blade 17 manufactured by the method shown in FIG. 3D, although the blade surface can be finished relatively smoothly, an improvement in strength cannot be expected because the carbon fiber 18 is a short fiber.
本発明は以上のような問題点に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、機械的強度および耐久性
ともにすぐれ、しかも表面が滑らかなタービンブレード
を得ることができる製造方法を提供することにある。The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to provide a manufacturing method capable of obtaining a turbine blade having excellent mechanical strength and durability and having a smooth surface. It is in.
課題を解決するための手段 本発明は炭素／炭素系複合材料により形成されるとと
もにタービンホイールへの取付用のアンカー部と断面略
流線形のブレード部とを備えたタービンブレードの製造
方法において、クロス繊維がブレード部の前縁部から後
縁部まで連続するようにマトリックス樹脂材料を含浸さ
せた強化繊維クロスをブレード部の厚み方向に積層して
このクロス積層体によりコア層を形成し、コア層を、マ
トリックス樹脂を含浸させた強化繊維のフェルトからな
る表皮層で包囲してプリフォームとし、このプリフォー
ムを焼成して炭化処理することを特徴としている。Means for Solving the Problems The present invention relates to a method for manufacturing a turbine blade, comprising a carbon / carbon-based composite material, an anchor portion for attachment to a turbine wheel, and a blade portion having a substantially streamlined cross section. A reinforcing fiber cloth impregnated with a matrix resin material is laminated in the thickness direction of the blade portion so that the fibers are continuous from the leading edge portion to the trailing edge portion of the blade portion, and a core layer is formed by this cross laminate, and the core layer is formed. Is surrounded by a skin layer made of felt of a reinforcing fiber impregnated with a matrix resin to form a preform, and the preform is fired and carbonized.
作用 上記の方法によると、タービンブレードのコア層が長
繊維のC/Cコンポジッドで形成されるものに対して表皮
層が短繊維のC/Cコンポジッドで形成されることになる
から、長繊維と短繊維のそれぞれのもつ利点を活かし
て、機械的強度にすぐれ、しかも表面が滑らかなタービ
ンブレードを得ることができる。According to the above method, the skin layer is formed of the short fiber C / C composite, whereas the core layer of the turbine blade is formed of the long fiber C / C composite. By utilizing the advantages of the short fibers, a turbine blade having excellent mechanical strength and a smooth surface can be obtained.
実施例 第１図〜第３図は本発明の一実施例を示す図で、第２
図および第３図に示すタービンブレード１は、図示しな
いタービンホイールに固定する際にタービンホイール側
の凹部と嵌合するアンカー部２と、このアンカー部２と
一体に形成された略面略流線形のブレード部３とから構
成される。Embodiment FIGS. 1 to 3 show an embodiment of the present invention.
A turbine blade 1 shown in FIG. 3 and FIG. 3 has an anchor portion 2 that fits into a concave portion on the turbine wheel side when being fixed to a turbine wheel (not shown), and a substantially surface substantially streamline formed integrally with the anchor portion 2. And a blade section 3 of the above.
タービンブレード１を成形するにあたり、第１図
（Ａ）に示すように炭素繊維クロス４を強化材にもつプ
リプレグ６を二つ折りにしつつ順次積層して最終製品形
状と相似形のコア層５を成形する。プリプレグ６を二つ
折りにして積層するには、タービン運転中のガスの流れ
方向Ｆに対して炭素繊維クロス４が切断されることなく
ブレード部の前縁部3aから後縁部3bまで連続し、かつブ
レード部３の外周面に炭素繊維クロス４の端部が露出し
ないようにするためで、その炭素繊維クロス４の端部同
士の突き合わせ部がブレード部３のガス流入側の前縁部
3a側に位置するように順次積層する。In forming the turbine blade 1, as shown in FIG. 1 (A), a prepreg 6 having a carbon fiber cloth 4 as a reinforcing material is folded in two and sequentially laminated to form a core layer 5 similar in shape to the final product. I do. In order to laminate the prepreg 6 by folding it in two, the carbon fiber cloth 4 is continuously cut from the leading edge 3a to the trailing edge 3b of the blade portion without being cut in the gas flow direction F during turbine operation, In order to prevent the end of the carbon fiber cloth 4 from being exposed on the outer peripheral surface of the blade part 3, the butting part between the ends of the carbon fiber cloth 4 is formed at the leading edge of the blade part 3 on the gas inflow side.
The layers are sequentially laminated so as to be located on the 3a side.
続いて、上記のコア層５を、第１図（Ｂ）に示すよう
にピッチ系炭素繊維フェルト７を強化材にもつプリプレ
グ８で包囲し、コア層５の回りを表皮層９で覆ってター
ビンブレード３のプリフォーム10を形成する。Subsequently, as shown in FIG. 1 (B), the core layer 5 is surrounded by a prepreg 8 having a pitch-based carbon fiber felt 7 as a reinforcing material, and the periphery of the core layer 5 is covered with a skin layer 9 to form a turbine. A preform 10 for the blade 3 is formed.
こうして得られたプリフォーム10を公知のキュア工程
において加熱しつつ加圧して硬化成形体とし、この硬化
成形体を炭化・黒鉛化工程において炭化・黒鉛化処理を
施す。The preform 10 thus obtained is heated and pressurized in a known curing step to form a cured molded article, and the cured molded article is subjected to a carbonization / graphitization treatment in a carbonization / graphitization step.
上記の炭化・黒鉛化処理によりマトリックス樹脂の熱
分解のためにガスが発生して硬化成形体が疎の状態とな
ることから、この疎の状態の成形体にピッチを含浸させ
た上、再度炭化・黒鉛化処理を施す。そして、成形体の
比重が所定の比重となるまで上記のピッチ含浸および炭
化・黒鉛化処理を複数回繰り返し、これによってC/Cコ
ンポジッドからなる第１図（Ｃ）および第２図に示すタ
ービンブレード１を得る。The carbonization and graphitization treatment generates gas due to the thermal decomposition of the matrix resin and the cured molded body becomes sparse, so that the sparse molded body is impregnated with pitch and carbonized again. -Graphitize. The above-mentioned pitch impregnation and carbonization / graphitization treatment are repeated a plurality of times until the specific gravity of the molded body reaches a predetermined specific gravity, whereby the turbine blade shown in FIGS. 1 (C) and 2 made of C / C composite is obtained. Get 1.
ここで、炭化雰囲気で使用されるタービンブレードの
場合には、強化繊維フェルトとしてSiC短繊維製のもの
を使用するとともにプリフォームとなった時点でその表
面にSiCの保護層をコーティングするか、あるいは強化
繊維フェルトに含浸されるマトリックス樹脂に予めSiC
粉末を予め混入しておくとよい。Here, in the case of a turbine blade used in a carbonized atmosphere, a SiC short fiber is used as a reinforcing fiber felt, and a protective layer of SiC is coated on the surface when the preform is formed, or The matrix resin impregnated with the felt
It is advisable to mix the powder in advance.
発明の効果 以上のように本発明によれば、長繊維を強化材にもつ
コア層が短繊維を強化材にもつ表皮層で覆われることに
なるので、機械的強度にすぐれるとともに表面が滑らか
で耐久性のすぐれたタービンブレードを得ることがで
き、C/Cコンポジッド製のタービンブレードの実用化に
大きく寄与できる。Effects of the Invention As described above, according to the present invention, since the core layer having the long fibers in the reinforcing material is covered with the skin layer having the short fibers in the reinforcing material, the mechanical strength is excellent and the surface is smooth. Therefore, a turbine blade having excellent durability can be obtained, which can greatly contribute to practical use of a turbine blade made of a C / C composite.
第１図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は本発明の一実施例を示
す工程説明図、第２図はタービンブレードの斜視図、第
３図は第２図のIII−III線に沿う断面図、第４図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）はいずれも従来のター
ビンブレードの製造方法を示す説明図である。 １…タービンブレード、３…ブレード部、3a…前縁部、
3b…後縁部、４…炭素繊維クロス（強化繊維クロス）、
５…コア層、７…炭素繊維フェルト、（強化繊維フェル
ト）、９…表皮層、10…プリフォーム。1 (A), 1 (B), and 1 (C) are process explanatory views showing one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of a turbine blade, and FIG. 3 is a view taken along line III-III in FIG. 4 (A), (B), (C) and (D) are explanatory views showing a conventional method for manufacturing a turbine blade. 1 ... turbine blade, 3 ... blade part, 3a ... leading edge,
3b ... trailing edge, 4 ... carbon fiber cloth (reinforced fiber cloth),
5 core layer, 7 carbon fiber felt, (reinforced fiber felt), 9 skin layer, 10 preform.
Claims (1)
ともにタービンホイールへの取付用のアンカー部と断面
略流線形のブレード部とを備えたタービンブレードの製
造方法において、 クロス繊維がブレード部の前縁部から後縁部まで連続す
るようにマトリックス樹脂材料を含浸させた強化繊維ク
ロスをブレード部の厚み方向に積層してこのクロス積層
体によりコア層を形成し、 コア層を、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維のフ
ェルトからなる表皮層で包囲してプリフォームとし、 このプリフォームを焼成して炭化処理することを特徴と
するタービンブレードの製造方法。1. A method of manufacturing a turbine blade, comprising: a carbon / carbon-based composite material; and an anchor portion for attachment to a turbine wheel and a blade portion having a substantially streamlined cross section. The reinforcing fiber cloth impregnated with the matrix resin material is laminated in the thickness direction of the blade part so as to be continuous from the leading edge to the trailing edge, and a core layer is formed by this cloth laminate. A method for producing a turbine blade, characterized in that a preform is surrounded by a skin layer made of felt of impregnated reinforcing fibers, and the preform is fired and carbonized.
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