JP3719451B2

JP3719451B2 - ガスタービンの圧縮機可変案内翼およびその製造方法

Info

Publication number: JP3719451B2
Application number: JP19581095A
Authority: JP
Inventors: 広幸八木; 史城富岡; 龍三今村; 匡夏村; 彰樹正木
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1995-07-07
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2015-07-07
Also published as: JPH0925832A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービンの先端部または中間部に配置される圧縮機の可変案内翼およびその製造方法に関し、繊維強化プラスチック製としたもので、特にガスタービンの先端部に配置される圧縮機の入り口可変案内翼において鳥などの吸い込みよる衝撃力が加わる場合にも支障なく使用することができる耐衝撃性を確保しつつ、軽量化を図ることができるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン、特に航空用エンジンにおいては、軽量化やコスト低減のため従来の金属材料に代えて部品を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で作ることが有効とされ、ダクトなどの一部に実用化されている。
【０００３】
航空用エンジン（ガスタービン）で軽量化が検討されている部品の一つに圧縮機入り口可変案内翼があり、エンジンの形式によってエンジンの中間部に配置される低圧圧縮機および高圧圧縮機のそれぞれの入り口に可変案内翼を設ける場合とエンジンの先端部に入り口案内翼を設ける場合がある。
【０００４】
このような圧縮機入り口可変案内翼は、エンジンに対する圧縮機の配置にかかわらず、半径方向の長さが比較的長く、枚数も多いことからいずれの場合にもガスタービンの軽量化およびコスト低減のためにＦＲＰ化することが有効と考えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような圧縮機入り口可変案内翼のうちエンジンの中間部に配置される場合には、鳥などの異物の吸い込みによる衝撃力が加わる恐れは比較的少ないもののダクトなどに比べ、かなりの耐衝撃性などが要求され、例えば、図４に示すような航空機用のガスタービン１の圧縮機２の入り口可変案内翼３にあっては、ガスタービン１の先端のストラット４の後方で圧縮機２の動翼の前方に配置され、しかもスピンドル部５で支持されて図示しない可変機構で必要流入空気量に応じて動かされることから、鳥などの異物吸引による損傷が問題となり、一層大きな耐衝撃性が要求され、従来から使用されているチタン（Ｔｉ）やアルミニウム合金（Ａｌ合金）などの金属に代えて耐衝撃性に劣るＦＲＰ素材のみで作ることは困難であった。
【０００６】
この発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、耐衝撃性を確保しつつ軽量化を図ることができるガスタービンの圧縮機可変案内翼およびその製造方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術が有する課題を解決するため、この発明の請求項１記載のガスタービンの圧縮機可変案内翼は、ガスタービンの圧縮機入り口部に設けられ半径方向両端部のスピンドル部を介して回動可能に取付けられる入り口可変案内翼であって、前記半径方向両端部のスピンドル部とこれらを連続する補強用芯部とを金属で一体に形成して支持補強材とするとともに、この支持補強材の補強用芯部を囲んで繊維強化プラスチックを積層した繊維強化プラスチック積層部を形成してなることを特徴とするものである。
【０００８】
すなわち、ガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼の可変機構への取付部となる半径方向両端部のスピンドル部とこれらを連続する補強用芯部とを金属で一体に形成して支持補強材とするようにし、この金属製の支持補強材の外側を囲むように繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を積層して複合化するようにしており、金属とＦＲＰの複合構造とすることにより軽量化を図ると同時に、耐衝撃性を向上させてガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼への適用を可能としている。
【０００９】
ここで、支持補強材を構成する金属としては、金属製の入り口可変案内翼の素材として使用されているチタン合金（Ｔｉ合金）やアルミニウム合金（Ａｌ合金）などを用いることができる。
【００１０】
また、金属製の支持補強材とこの外側に積層されるＦＲＰとの比率は、ガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼として必要とされる耐衝撃性によって定めれば良く、金属製の支持補強材の比率を高めることで耐衝撃性は向上するが、一方で重量が金属のみのものに近づくことになるが、僅かでも軽量化を図ることができ、試作・実験によれば重量を５０％程度に軽量化しても耐衝撃性に問題のないものを得ることができた。
【００１１】
さらに、積層して使用する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）としては、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などいずれでも良い。
【００１２】
また、この発明の請求項２記載のガスタービンの圧縮機可変案内翼は、請求項１記載の構成に加え、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）として繊維強化熱可塑性プラスチックを用いるようにしている。
【００１３】
これにより、熱硬化性樹脂に比べ、耐衝撃性が高く、一層耐衝撃性に優れたガスタービンの圧縮機可変案内翼を得ることができる。
【００１４】
この繊維強化熱可塑性プラスチックとしては、例えばポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）や熱可塑性ポリイミド樹脂（ＰＩＸ）等の熱可塑性樹脂をマトリックスとするＦＲＰを使用することができる。
【００１５】
そして、これらのガスタービンの圧縮機可変案内翼に用いられる強化繊維としても通常ＦＲＰに使用される強化用の繊維を用いることができるが、強度などを考慮して炭素繊維を用いることが好ましい。また、このＦＲＰの積層数についても圧縮機入り口可変案内翼の大きさや強化繊維などの厚さなどによって適宜定められる。
【００１６】
さらに、この発明の請求項３記載のガスタービンの圧縮機可変案内翼の製造方法は、ガスタービンの圧縮機入り口部に設けられ半径方向両端部のスピンドル部を介して回動可能に取付けられる入り口可変案内翼を成形するに際し、前記半径方向両端部のスピンドル部とこれらを連続する補強用芯部とでなる支持補強材を金属で一体に形成し、この支持補強材の補強用芯部を囲んで繊維強化熱可塑性プラスチックのプリプレグを積層した繊維強化プラスチック積層部を形成したのち、ホットプレス法で成形することを特徴とするものである。
【００１７】
すなわち、ガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼を繊維強化熱可塑性プラスチックで製造しようとすると、従来のレジントランスファモールディグ法により成形することが樹脂の流動性の点で難しいが、予め強化繊維と熱可塑性樹脂とでプリプレグを作り、これを積層したのち、金型内に入れてホットプレスで成形することで、寸法精度の高い製品を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の内容について図面に基づき詳細に説明する。
図１はこの発明のガスタービンの圧縮機可変案内翼の一実施の形態にかかり、支持補強材のみの正面図、全体の正面図、全体の横断面図である。
【００１９】
このガスタービンの圧縮機可変案内翼は、既に説明した図４の金属製のガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼３に代えて使用されるものであり、繊維強化プラスチック（以下、単にＦＲＰとする。）と金属の複合構造で構成してある。
【００２０】
このガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼１０は、金属製の支持補強材１１を備えており、図１（ａ）に示すように、圧縮機への取付部となる半径方向両端部に円柱状のスピンドル部１２が形成されるとともに、これら２つの円柱状のスピンドル部１２の間に補強用芯部１３が配置されて一体の金属で作られている。
【００２１】
この補強用芯部１３は、その横断面形状がガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼１０の翼形の横断面形状をほぼ相似的に縮小した形状とされ、この補強用芯部１３の上下端面にスピンドル部１２が一体とされ、スピンドル部１２の直径が補強用芯部１３の翼断面の厚さより厚いことから傾斜面で連続するようにしてある。そして、このような支持補強材１１は、その翼部分の長さを長くすれば、ガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼１０に占める金属部分が多くなって重量低減効果が減少する一方で耐衝撃性が向上することから、製品として必要な耐衝撃性を考慮してスピンドル部１２から横に突き出す翼部分の長さが決定され、例えば、チタンのみで作られた金属製のタービンの圧縮機入り口案内翼の代わりに用いる場合では、製品の案内翼の長さの１／３程度の支持補強材１１で必要な耐衝撃性を得ることができた。
【００２２】
この支持補強材１１に使用される金属としては、従来の金属製のガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼の場合と同様にチタン合金やアルミニウム合金等を用いる。そして、支持補強材１１の製作は、例えば機械加工によってスピンドル部１２と補強用芯部１３とを一体に削り出すことなどで行われ、次工程でのＦＲＰの積層の際の接合性の向上のため、必要に応じて支持補強材１１の補強用芯部１３の表面にサンドブラスト処理などを施す。
【００２３】
このような支持補強材１１の補強用芯部１３の外側には、ＦＲＰが積層されてＦＲＰ積層部１４が一体に形成されて所定寸法のガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼１０とされる。なお、支持補強材１１の補強用芯部１３の大きさによってはさらにコアを入れるようにしても良く、例えばＵＤ材コアが使用される。
【００２４】
このＦＲＰ積層部１４としては、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂のいずれでも使用することができ、熱硬化性樹脂を用いる場合には、たとえばその流動性を利用して強化用繊維のみを支持補強材１１の外側に配置して製品形状に金型でプレス成形した後、金型内で熱硬化性樹脂を含浸させるレジン・トランスファモールディングで成形できる。
【００２５】
一方、熱可塑性樹脂を用いる場合には、熱硬化性樹脂に比べて耐衝撃性が高いことからガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼１０としての性能（耐衝撃性）確保の点で有利であるが、加熱状態でも熱可塑性樹脂の流動性が低いことから成形が難しい。
【００２６】
そこで、この発明のガスタービンの圧縮機可変案内翼の製造方法の一形態を示す、例えば図２の製造工程のように、強化用繊維と熱可塑性樹脂とで予めシート状のプリプレグ１５を作り、これを支持補強材１１の補強用芯部１３の外側を包むように積層したのち、金型に入れてプレス成形をおこなって所定寸法に仕上げることで金属製の支持補強材１１を有するガスタービンの圧縮機案内翼１０を作ることができる。
【００２７】
このプリプレグ１５の積層に当たっては、たとえば補強用芯部１３の内側に配置されるものほど長さを短くし、外側に配置されるプリプレグ１５で全体を包むことができるようにするため、予めプリプレグ１５の切断を行った後、空気の流入方向前端縁が連続し、流入方向後端縁で両端部を合わせるように曲げ加工を行なって積層する。
【００２８】
また、プリプレグ１５の積層は長いものと短いものを交互にしたりすることもでき、種々の配置が選択できるとともに、耐衝撃性を考慮してインターリーフを挿入するようにしても良い。
【００２９】
このように金属製の支持補強材１１に可変機構への取付部となるスピンドル部１２を形成するとともに、ＦＲＰに埋め込まれる補強用芯部１３を一体に形成し、この支持補強材１１の補強用芯部１３を包むようにＦＲＰを積層してガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼１０とするようにしたので、従来のガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼全体を金属で作る場合に比べて重量の軽減を図ることができるとともに、従来のガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼全体をＦＲＰで作る場合に比べて耐衝撃性を向上することができ、圧縮機のエンジンに対する配置が先端部の場合や中間部のいずれの場合にもガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼１０として十分使用することが可能となった。
【００３０】
【実施例】
支持補強材としてチタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）を用い、ＦＲＰ積層部として炭素繊維強化プラスチック材料（ＣＦＲＰ）である炭素繊維（ＵＴ５００）とＰＥＥＫ樹脂をマトリックスとして用いたプレプレグを使用した。
【００３１】
そして、支持補強材は機械加工後、ＣＦＲＰの接合面にサンドブラスト処理を行い、プリプレグは積層位置に応じた長さに切断した後、空気の流入側前端縁の曲率に合わせて曲げ加工を行った。
【００３２】
次いで、支持補強材の補強用芯部の外側にプリプレグを積層した状態で金型にセットし、ホットプレス成形を行った。
【００３３】
また、比較のため同一形状のガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼をチタン合金とアルミニウム合金を用いてそれぞれ製作した。
【００３４】
こうして得られたこの発明の金属製の支持補強材を有するガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼は、その重量が同一形状の全チタン製の翼に比べて約５０％であり、大幅な重量低減効果が得られることが確認できた。
【００３５】
また、耐衝撃性を調べるため、各ガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼の半径方向両端部のスピンドル部を固定台の穴に差し込むとともに、回転をアームで拘束した状態とし、鳥の吸い込みに相当する衝撃エネルギをゼラチンの速度と重量で調整して打ち込んで試験を行い、その結果を図３に示した。なお、図中の縦軸は目視による観察結果であり、横軸は衝撃エネルギである。
【００３６】
同図から明らかなように、小型の鳥の吸い込みに相当する１０００Ｊ以下の衝撃エネルギでは、本発明のＦＲＰ製の翼も図示しない比較用のアルミニウム製の翼も外観上の損傷は見られない。
【００３７】
しかし、これ以上の衝撃エネルギでは、比較用のチタン製やアルミニウム製の全金属製の翼では、いずれもスピンドル部分の破断が生じてしまうのに対し、本発明のＦＲＰ製の翼では、ＦＲＰ部分の剥離が大きくなってついには分割されるがスピンドル分の破断は起こらず、金属製の支持補強材が可変機構に支持された状態で保持される。
【００３８】
これにより、全金属製の翼では、破損した翼全体の吸い込みにより圧縮機の回転部分に大きな損傷が加わるが、本発明のＦＲＰ製の翼では、ＦＲＰ部分のみが分割されて吸い込まれることになって圧縮機の回転部分の損傷が極力防止され、耐衝撃性においても全金属製の翼に何等劣るものでないことを確認した。
【００３９】
【発明の効果】
以上、実施の形態とともに具体的に説明したようにこの発明の請求項１記載のガスタービンの圧縮機可変案内翼によれば、ガスタービンの圧縮機可変案内翼の可変機構への取付部となる半径方向両端部のスピンドル部とこれらを連続する補強用芯部とを金属で一体に形成して支持補強材とするようにし、この金属製の支持補強材の外側を囲むように繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を積層して複合化するようにしたので、金属とＦＲＰの複合化により軽量化を図ると同時に、耐衝撃性を向上させてガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼への適用が可能となった。
【００４０】
また、この発明の請求項２記載のガスタービンの圧縮機可変案内翼によれば、請求項１記載の構成に加え、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）として繊維強化熱可塑性プラスチックを用いるようにしたので、熱硬化性樹脂に比べ、一層耐衝撃性に優れたガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼を得ることができた。
【００４１】
さらに、この発明の請求項３記載のガスタービンの圧縮機可変案内翼の製造方法によれば、繊維強化熱可塑性プラスチックで製造しようとすると、従来のレジントランスファモールディグ法により成形することが樹脂の流動性の点から難しいが、予め強化繊維と熱可塑性樹脂とでプリプレグを作り、これを積層したのち、金型内に入れてホットプレスで成形するようにしたので、寸法精度の高い製品を簡単に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のガスタービンの圧縮機可変案内翼の一実施の形態にかかり、支持補強材のみの正面図、全体の正面図、全体の横断面図である。
【図２】この発明のガスタービンの圧縮機可変案内翼の製造方法の一実施の形態にかかる製造工程図である。
【図３】この発明のガスタービンの圧縮機可変案内翼と金属製案内翼の衝撃試験結果の説明図である。
【図４】この発明のガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼の概略構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ガスタービン
２圧縮機
３入り口可変案内翼
４ストラット
５スピンドル部
１０ガスタービンの圧縮機入り口可変案内翼
１１支持補強材
１２スピンドル部
１３補強用芯部
１４ＦＲＰ積層部（繊維強化プラスチック積層部）
１５プリプレグ

Claims

ガスタービンの圧縮機入り口部に設けられ半径方向両端部のスピンドル部を介して回動可能に取付けられる入り口可変案内翼であって、前記半径方向両端部のスピンドル部とこれらを連続する補強用芯部とを金属で一体に形成して支持補強材とするとともに、この支持補強材の補強用芯部を囲んで繊維強化プラスチックを積層した繊維強化プラスチック積層部を形成してなることを特徴とするガスタービンの圧縮機可変案内翼。
前記繊維強化プラスチックを繊維強化熱可塑性プラスチックとしたことを特徴とする請求項１記載のガスタービンの圧縮機可変案内翼。
ガスタービンの圧縮機入り口部に設けられ半径方向両端部のスピンドル部を介して回動可能に取付けられる入り口可変案内翼を成形するに際し、前記半径方向両端部のスピンドル部とこれらを連続する補強用芯部とでなる支持補強材を金属で一体に形成し、この支持補強材の補強用芯部を囲んで繊維強化熱可塑性プラスチックのプリプレグを積層した繊維強化プラスチック積層部を形成したのち、ホットプレス法で成形することを特徴とするガスタービンの圧縮機可変案内翼の製造方法。