JP4060981B2 - ガスタービンの静翼構造体及びそのユニット - Google Patents

ガスタービンの静翼構造体及びそのユニット Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一体的に成形された繊維強化樹脂製ユニット及びそれを組合せてなるガスタービン静翼構造体に関し、特に繊維強化コア部と一体成形樹脂スキン部とからなるＩ型、Ｃ型等のユニット及びそれを円環状に接合してなるガスタービン静翼構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ガスタービンエンジンは大きな出力が得られるのみならず効率が非常に良好であるので、航空機や発電機等に広く使用されている。例えば航空機用ガスタービンエンジンには吸入した空気を動翼に導くとともに、バイパス流を整流する出口案内翼として働く静翼が設けられている。静翼は一般にチタン合金、アルミニウム合金、ステンレス等の金属材料により形成されている。金属製静翼の場合には、まず鋳造、鍛造、プレス等によりベーンを成形し、次いで各ベーンをプラットフォームと呼ばれるケースに溶接又はろう付け等により接合することにより製造されている。
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の製造方法では、ベーンの成形後、機械加工、仕上げ加工およびコーティング加工等を行う必要があり、加工工程が多いだけでなく、細部の複雑な加工が困難であり、その上金属材料の使用により重くかつ高価であるという問題点がある。
【０００４】
そこで、最近では樹脂あるいは樹脂複合材料により、静翼を製造する方法が注目されるようになり、幾つかの提案がなされている。例えば特開平5-278063号は、プリプレグ材を積層して所望の翼形状より小寸法の翼本体を形成し、この翼本体を所望の翼形状を得るためのモールドに挿入し、翼本体とモールドとの間に形成される隙間に熱可塑性樹脂を圧入、充填した状態で、圧縮成形を行ない、翼部品を製造する方法を開示している。静翼を樹脂製にすることにより、製作期間の短縮化、作業の簡易化、形状精度の向上、コストダウン、および軽量化等の利点がある。しかし、樹脂製の翼部品は接着剤又はボルト等でプラットフォームに取り付けて静翼とするため、静翼の構成要素が多くなり、その分製造工程数が増えるという問題がある。
【０００５】
従って本発明の目的は、接着剤、ボルト等を用いずにベーンとプラットフォームとを一体化し得るガスタービン静翼構造体用ユニット及びそのユニットを組合せてなるガスタービン静翼構造体を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、ガスタービン静翼構造体を多分割したＩ型、Ｃ型等のユニットを繊維強化プリプレグ材の積層体からなるコア部の周囲に樹脂層を一体成形することにより形成し、その際各ユニットのプラットフォーム片の内外周面の少なくとも一部にコア部を露出させた構造にし、かつユニットを組み立てた後で繊維強化プリプレグ材テープを溶着することにより、高強度のガスタービン静翼構造体を簡単に製造することができることを発見し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、複数のベーンと、外側プラットフォームと、内側プラットフォームとからなるガスタービン静翼構造体を構成するための本発明のガスタービン静翼構造体用ユニットは、１枚のベーンと、外側プラットフォーム片と、内側プラットフォーム片とを有し、(a) 複数枚の繊維強化プリプレグ材を積層してなるとともに、前記ベーンを構成するウェブ部と、前記外側プラットフォーム片及び前記内側プラットフォーム片を構成するように前記ウェブ部の両端に一体的に連結したフランジ部とからなるコア部と、(b) 前記コア部と一体成形されたスキン部とからなり、前記外側プラットフォーム片の外周面及び前記内側プラットフォーム片の内周面の少なくとも一部に前記コア部が露出していることを特徴とする。
【０００８】
コア部は炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトンにより形成するのが好ましい。また外側プラットフォーム片及び内側プラットフォーム片の両端に接合用の段部を設け、隣接するユニットの段部の形状を相補的にするのが好ましい。さらに、コア部のフランジ部は繊維強化プリプレグ材の積層体の両端部を折り曲げてなる。
【０００９】
本発明の第一の実施例では、コア部のフランジ部は繊維強化プリプレグ材の積層体の両端部を２つに分けてＴ字状に折り曲げられてなり、もってコア部は実質的にＩ型である。また本発明の第二の実施例では、コア部のフランジ部は繊維強化プリプレグ材の積層体の両端部を同一方向に折り曲げられてなり、もってコア部は実質的にＣ型である。
【００１０】
ユニットは円環状に接合し、外側プラットフォームの外周面及び内側プラットフォームの内周面にそれぞれ強化繊維プリプレグ材テープを巻回・溶着するのが好ましい。また必要に応じて、前記外側プラットフォームの外周面及び内側プラットフォームの内周面をそれぞれ円環状支持体により固定しても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明する。
本発明のガスタービン静翼構造体用ユニットは、１枚のベーンと、外側プラットフォーム片と、内側プラットフォーム片とからなる基本構造を有し、ベーンを構成するウェブ部の両端に一体的に連結したフランジ部の形状により、Ｉ型、Ｃ型等に分類できる。以下、Ｉ型及びＣ型のユニット、並びにそれらからなるガスタービン静翼構造体について詳細に説明する。
【００１２】
[1] Ｉ型ユニット
図１に示すように、本発明のＩ型ユニットからなるガスタービン静翼構造体１は外側プラットフォーム11と、内側プラットフォーム12と、両プラットフォーム11、12に等間隔に固定されている複数枚のベーン13とからなり、それを構成するＩ型ユニット２はガスタービン静翼構造体１をベーンの枚数だけ分割した形状を有する。図２に示すように、各ユニット２は、１枚のベーン13と、外側プラットフォーム片21と、内側プラットフォーム片22とを有し、全体が実質的にＩ型の一体成形体となっている。なお図２では簡単化のために両プラットフォーム片21、22とも平坦に描かれているが、実際は円弧状である。
【００１３】
外側プラットフォーム片21の両端部には段部23、23' が設けられており、また内側プラットフォーム片22の両端部には段部24、24' が設けられている。隣接するＩ型ユニット２のプラットフォーム片21、22の段部23、23' 及び24、24' の形状は相補的であるので、各Ｉ型ユニット２は図１に示すように、ぴったり接合することができる。
【００１４】
図３に示すように、各Ｉ型ユニット２は複数枚の繊維強化プリプレグ材を積層してなる実質的にＩ型のコア部３と、コア部３と一体成形されたスキン部４とからなる。コア部３は外側プラットフォーム片21の外周面21ａ及び内側プラットフォーム片22の内周面22ａの少なくとも一部に露出している。本実施例ではコア部３の露出形状は一対の長方形であるが、それに限定されず、１つの長方形でもその他の形状でも良い。
【００１５】
コア部３を構成する繊維強化プリプレグ材は、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維等の強化繊維に熱可塑性樹脂からなるマトリックス樹脂を含浸させたものである。強化繊維の平均直径は３〜200 μｍ程度であるのが好ましい。また熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ナイロン等のポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン等の熱可塑性樹脂が挙げられる。特に機械的強度及び耐熱性の観点から、炭素繊維とPEEKとの組合せが好ましい。炭素繊維強化PEEKの市販品としてAPC-2 （CYTEC FIBERITE社製）等がある。
【００１６】
図４に示すように、コア部３はベーン13を構成するウェブ部31と、外側プラットフォーム片21を構成するフランジ部32と、内側プラットフォーム片22を構成するフランジ部33とからなる。ウェブ部31及びフランジ部32、33は一体的であり、フランジ部32、33は積層した繊維強化プリプレグ材の両端部を半分に割り、両側に折り曲げた状態になっている。
【００１７】
図５に示すように、外側プラットフォーム片21の外周面21ａ及び内側プラットフォーム片22の内周面22ａの少なくとも一部にコア部３を露出させた。
【００１８】
[2] Ｃ型ユニット
図６の（ａ）はＣ型ユニットを示し、（ｂ）はその部分Ｘを示す。各Ｃ型ユニット６は複数枚の繊維強化プリプレグ材を積層してなる実質的にＣ型のコア部７と、コア部７と一体成形されたスキン部８とからなる。図７に示すように、Ｃ型コア部７はベーンを構成するウェブ部71と、外側プラットフォーム片61を構成するフランジ部72と、内側プラットフォーム片62を構成するフランジ部73とからなる。ウェブ部71及びフランジ部72、73は一体的であり、フランジ部72、73は積層した繊維強化プリプレグ材の両端部を同じ側に折り曲げた状態になっている。
【００１９】
図６に示すように、外側プラットフォーム片61の外周面61ａ及び内側プラットフォーム片62の内周面62ａの少なくとも一部にコア部７が露出している。本実施例ではスキン部８からＣ型コア部７が露出する部分の形状が長方形状であるが、それに限定されず他の形状でも良い。
【００２０】
Ｉ型ユニットと同様に、Ｃ型ユニット６の外側プラットフォーム片61の両端部には段部63、63' が設けられており、また内側プラットフォーム片62の両端部には段部64、64' が設けられている。隣接するＣ型ユニット６のプラットフォーム片61、62の段部63、63' 及び64、64' の形状は相補的であるので、図８に示すように、Ｃ型ユニット６は相互にぴったり接合することができる。Ｃ型ユニットからなるガスタービン静翼構造体は、図８のようにＣ型ユニットを円環状に組み合わせてなる。
【００２１】
Ｃ型コア部７を構成する繊維強化プリプレグ材及びスキン部を形成する樹脂はいずれもＩ型ユニットのものと同じで良い。
【００２２】
[3] 製造方法
ユニットの製造方法は基本的にＩ型でもＣ型でも同じであるので、ここではＩ型ユニットについて説明する。
【００２３】
繊維強化プリプレグ材として、一方向に配列された炭素繊維にPEEKを含浸してなる炭素繊維強化PEEKを例にとって説明する。ベーン13の長手方向（ガスタービン静翼構造体の半径方向）が炭素繊維の配列方向と一致するように、複数枚の炭素繊維強化PEEKシートを積層し、Ｉ型のコア部用金型内にセットし、熱プレス成形する。コア部用金型のキャビティーはベーン13のサイズより0.1 〜２mm程度小さく、かつベーン13の形状に近似の形状を有する。このコア部用金型の加熱温度はPEEKを溶融流動化させる温度であり、400 ℃前後が好ましい。また成形圧力は３〜25kgf/cm2 であるのが好ましく、15kgf/cm2 前後が特に好ましい。
【００２４】
成形されたコア部３を射出成形用金型内に載置する。コア部３と射出成形用金型との隙間にコア部３のマトリックス樹脂と同じ樹脂（PEEK）を注入し、いわゆるインサート成形を行う。射出成形用金型のキャビティーはベーンの最終形状と同じ形状を有する。コア部３のフランジ部32、33の外面が射出成形用金型のキャビティーの内面に完全に接するように設定することにより、射出成形されたＩ型ユニット２のプラットフォーム片21、22の外周面21ａ及び内周面22ａにコア部３が露出した状態になる。
【００２５】
PEEKの場合の射出成形条件としては、射出樹脂温度が360 〜420 ℃、例えば約390 ℃、成形機ノズル部での射出圧力が500 〜2000kgf/cm2 、例えば約1800kgf/cm2 が好ましい。これにより、コア部３の周囲に厚さ0.1 〜２mm程度の熱可塑性樹脂からなるスキン部４が形成される。
【００２６】
[4] ガスタービン静翼構造体
ガスタービン静翼構造体の構造及び製造方法は基本的にＩ型でもＣ型でも同じであるので、まずＩ型ユニットについて説明する。
【００２７】
複数のＩ型ユニット２を円環状に組み立てて、図１に示すような円環状の形状にし、治具で固定する。このとき、隣接するＩ型ユニット２のプラットフォーム片21、22の段部23、23' 及び24、24' 同士を接着剤又は超音波溶接等の方法で固着するのが好ましい。図９に典型的な例として示す２つのＩ型ユニット２、２の接合をガスタービン静翼構造体の全周にわたって行う。なお図９の場合も簡単化のためにプラットフォームを平坦に描いているが、実際は円弧状である。
【００２８】
図９に示すように、外側プラットフォーム片21、21・・・が組合されてなる外側プラットフォーム11の外周面、及び内側プラットフォーム片22、22・・・が組合されてなる内側プラットフォーム12の内周面に、Ｉ型ユニット２のコア部３と同じ繊維強化樹脂、例えば炭素繊維強化PEEKのテープ10を巻きつけながら溶着する。溶着された炭素繊維強化PEEKテープ10は被覆層９を形成する。テープ10の溶着温度は350 〜450 ℃程度で良く、また溶着手段はトーチ20、アイロン等で良い。また被覆層９の厚さは0.5 〜４mm程度で良い。被覆層９はＩ型コア部３と同じ材質で構成されるとともに、コア部３の露出部と、プラットフォーム片21、22と、テープ10の被覆層９とが直接溶着されているので、各Ｉ型ユニット２の接合は非常に強固であり、一体的に形成されたガスタービン静翼構造体は良好な機械的強度を有する。
【００２９】
図10に示すように、Ｃ型ユニット６の場合も同様に、円環状に組み立てて治具で固定した上、接着剤又は超音波溶接等の方法で固着し、繊維強化樹脂のテープ10を巻きつけながら溶着し、被覆層９を形成する。Ｉ型ユニットと比較して、Ｃ型ユニットは繊維強化プリプレグ材テープと接触するコア部の接触有効面積が大きいため、各ユニット間の接合がより強固であり、小型の静翼構造体に対して特に有用である。
【００３０】
Ｉ型ユニット又はＣ型ユニットのいずれの場合でも、ガスタービン静翼構造体の外側プラットフォームの外周面及び内側プラットフォームの内周面をそれぞれ円環状支持体により固定しても良い。円環状支持体は一体的形状をしていれば金属製でもプラスチック製でも良い。円環状支持体により固定した場合には、各ユニットを補修のために交換するのが容易である。
【００３１】
本発明を以上の具体例により説明したが、本発明はそれらに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、ユニットの形状、材質、成形条件等を変更しても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、繊維強化プリプレグ材からなるコア部とその周囲に射出成形により一体的に成形されたスキン部とからなるＩ型、Ｃ型等のユニットを作製するので、ベーンとプラットフォームとの固定が著しく強固である。またかかるユニットを円環状に接合してガスタービン静翼構造体にするとともに、各ユニットの内外周面にスキン部（プラットフォーム）と同じ樹脂材料で、コア部と同じ繊維強化プリプレグ材からなるテープを巻回・溶着して全体を一体化するので、各部の接合状態は良好であり、得られるガスタービン静翼構造体は非常に強固である。
【００３３】
本発明ではガスタービン静翼構造体を簡単な構造のユニットによりボルト等を用いることなく形成するので、全体の加工工数が低減でき、製造コストを低減できる。その上、射出成形により正確な形状に一体成形したユニットを接合してなるので、本発明のガスタービン静翼構造体の寸法精度は良好である。また本発明のユニットを繊維強化樹脂からなるコア部と熱可塑性樹脂からなるスキン部により形成するので、ガスタービン静翼構造体を非常に軽量化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｉ型ユニットからなる本発明のガスタービン静翼構造体の一例を示す正面図である。
【図２】 本発明のガスタービン静翼構造体を構成するＩ型ユニットの一例を示す概略斜視図である。
【図３】 本発明のＩ型ユニットの構造を示す部分破断斜視図である。
【図４】 本発明のＩ型ユニットのコア部の一例を示す斜視図である。
【図５】 図３に示すＩ型ユニットのＡ−Ａ断面図である。
【図６】 本発明のＣ型ユニットの一例を示し、(a) はその斜視図であり、(b) は(a) の部分Ｘの拡大図である。
【図７】 本発明のＣ型ユニットのコア部の一例を示す斜視図である。
【図８】 複数のＣ型ユニットを組み合わせた状態を示す斜視図である。
【図９】 複数のＩ型ユニットを組み立ててガスタービン静翼構造体を製造する様子を示す斜視図である。
【図１０】 複数のＣ型ユニットを組み立ててガスタービン静翼構造体を製造する様子を示す斜視図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・Ｉ型ユニットからなるガスタービン静翼構造体
11・・・外側プラットフォーム
12・・・内側プラットフォーム
13・・・ベーン
２・・・Ｉ型ユニット
21・・・外側プラットフォーム片
22・・・内側プラットフォーム片
３・・・Ｉ型コア部
31・・・ウェブ部
32、33・・・フランジ部
４・・・Ｉ型スキン部
５・・・複数のＣ型ユニットを組み合わせた状態
51・・・外側プラットフォーム
52・・・内側プラットフォーム
53・・・ベーン
６・・・Ｃ型ユニット
61・・・外側プラットフォーム片
62・・・内側プラットフォーム片
７・・・Ｃ型コア部
71・・・ウェブ部
72、73・・・フランジ部
８・・・Ｃ型スキン部
９・・・被覆層
10・・・繊維強化プリプレグ材テープ
20・・・トーチ

Claims (9)

  1. 複数のベーンと、外側プラットフォームと、内側プラットフォームとからなるガスタービン静翼構造体を構成するために、１枚のベーンと、外側プラットフォーム片と、内側プラットフォーム片とを有するユニットにおいて、(a) 複数枚の繊維強化プリプレグ材を積層してなるとともに、前記ベーンを構成するウェブ部と、前記外側プラットフォーム片及び前記内側プラットフォーム片を構成するように前記ウェブ部の両端に一体的に連結したフランジ部とからなるコア部と、(b) 前記コア部と一体成形されたスキン部とからなり、前記外側プラットフォーム片の外周面及び前記内側プラットフォーム片の内周面の少なくとも一部に前記コア部が露出していることを特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニット。
  2. 請求項１に記載のガスタービン静翼構造体用ユニットにおいて、前記コア部のフランジ部は繊維強化プリプレグ材の積層体の両端部を折り曲げてなることを特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニット。
  3. 請求項２に記載のガスタービン静翼構造体用ユニットにおいて、前記コア部のフランジ部は繊維強化プリプレグ材の積層体の両端部を２つに分けてＴ字状に折り曲げられており、もって前記コア部は実質的にＩ型であることを特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニット。
  4. 請求項２に記載のガスタービン静翼構造体用ユニットにおいて、前記コア部のフランジ部は繊維強化プリプレグ材の積層体の両端部を同一方向に折り曲げられており、もって前記コア部は実質的にＣ型であることを特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニット。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載のガスタービン静翼構造体用ユニットにおいて、前記コア部は炭素繊維強化ポリエーテルエーテルケトンからなることを特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニット。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載のガスタービン静翼構造体用ユニットにおいて、前記外側プラットフォーム片及び前記内側プラットフォーム片はそれぞれ両端に接合用の段部を有し、隣接するユニットの前記段部の形状は相補的であることを特徴とするガスタービン静翼構造体用ユニット。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載のユニットを円環状に接合してなるガスタービン静翼構造体において、前記外側プラットフォームの外周面及び前記内側プラットフォームの内周面にそれぞれ強化繊維プリプレグ材テープが巻回・溶着されていることを特徴とするガスタービン静翼構造体。
  8. 請求項７に記載のガスタービン静翼構造体において、前記ユニットの接合部が溶接又は接着されていることを特徴とするガスタービン静翼構造体。
  9. 請求項７又は８に記載のガスタービン静翼構造体において、前記外側プラットフォームの外周面及び前記内側プラットフォームの内周面がそれぞれ円環状支持体により固定されていることを特徴とするガスタービン静翼構造体。
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