JP4790106B2 - 高スチフネス複合シャフト - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、トルク搬送部材に関する。この発明は特に、トルクを大きなベアリングスパン間で高回転速度および高温で伝達する高スチフネスシャフト、たとえばガスタービンエンジン用のパワータービン出力シャフトに関する。
【０００２】
【背景技術】
トルク搬送部材としてのシャフトは金属母材複合（ＭＭＣ＝ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）材料から形成されている。たとえば、炭化珪素やホウ素繊維などの補強繊維を含有するチタン複合シャフトがある。シャフトを製造するには、既知の圧密化法を用いてチタン箔と繊維の複合シートを形成し、この複合シートをマンドレルに巻き付け、次いでシートを高温高圧で圧密化する。この製造方法は、多くの点で良好なものであるが、大量生産には不向きであり、複合構造の利点を十分に引き出すのに必要な均一な繊維分布を生じない。またこの方法は、シャフトをバランスさせるのに必要とされる精密なかつ反復可能な材料分布と振れを実現することができない。正確かつ反復可能なバランスどりは、ガスタービンエンジンのタービン出力シャフトに必須の要件である。最後に、チタン母材材料は通常、シャフトスプラインなどの機械的カップリング特徴に適当でなく、このため、適当なカップリング特徴をもった取付具をシャフトの片端または両端にろうづけする別個の製造工程が必要となる。別個の製造工程は、生産高および加工コストの観点から望ましくない。
【０００３】
現在の技術水準からすると、複合材料は、ガスタービンエンジンの動的性能に関してきわめて重要なパワー出力シャフトのスチフネス（剛性）を増加する可能性を潜めている。たとえば、シャフトのスチフネスが高いほど、臨界速度に達する前により高い作動（タービン）速度を得ることができ、このため、より大きなベアリング支持スパンにわたってのターボ機械段が少なくなり、タービン性能が良好になる。その結果、小型ガスタービンエンジンのタービン出力シャフトのスチフネスは圧縮機（たとえば軸流または遠心圧縮機）の設計、タービン段の数、ロータ支持ベアリングの種類、臨界的シャフトのバンパーベアリングおよびベアリング冷却およびクリアランス制御に、何らかの影響を与える。出力シャフトのスチフネスがきわめて高ければ、きわめて改善された低コストのエンジン設計が可能になる。しかし、スチフネスが大きく、動的バランスが許容されるシャフトを実現するのは困難であった。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、構成および製造面から補強繊維の正確な配置と配向が可能で、振れの緻密な制御が可能で、機械的駆動カップリング（継手）を取り付けるのに別個の接合操作を必要としない複合シャフトを提供する。
【０００５】
本発明によれば、複合シャフトは、スペーシング部材に設けた多数の長さ方向に延在するキャビティそれぞれに配置した繊維束を含む。シャフトは、スペーシング部材内に繊維束を包み込む外側部分も有する。外側部分はスペーシング部材と一体部分とすることができ、この場合キャビティがスペーシング部材内の内部チャネルとなる。あるいは、外側部分はスペーシング部材を包囲する管形状の外側シェルとすることができ、この場合キャビティがスペーシング部材の半径方向外側表面に設けた外部スロットとなる。最後に、シャフトは、スペーシング部材に包囲された内側シェルと、シャフトの両端に取り付けられて機械的カップリング特徴となる延長部とを含むのが好ましい。少なくともスペーシング部材と繊維束とが、補強繊維束を包囲し被包する金属マトリックスを画定するように接合され、かくして繊維束が金属マトリックス内に正確に配置されるので、機械的特性を解析により正確にモデリングすることのできるシャフトが得られる。
【０００６】
上述したところから明らかなように、本発明の顕著な利点は、シャフトをきわめて高スチフネスな複合構造をもつよう製造できることである。これは、特にチタンを主構造サブコンポーネント、たとえばシャフトの内側シェル、スペーシング部材および外側部分として使用してチタンマトリックスを構成し、補強繊維束をチタンマトリックス内に画定されたキャビティ内に任意所望の態様で配向させることのできる場合にそうである。さらに、再使用可能な金型を用いて、シャフトをサブコンポーネントから正確に製造することができ、サブコンポーネントを予め作成し、次いで互いに拡散結合させて、繊維束の寸法精度の高い正確な配置を達成する。その結果、本発明によれば、不釣り合いレベルを低くしやすく、バランスランドから材料を除去することにより簡単に釣り合わせることのできるシャフトを製造することができる。本発明のもう一つの利点として、高価なチタン粉末や箔が不要となる。
【０００７】
本発明の他の目的および効果は以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００８】
【好適な実施態様】
本発明は、ガスタービンエンジンのタービン出力シャフトの場合のように、トルクを高温環境で高速で伝達するのに適当な複合シャフト１０を提供する。図１は、シャフト１０の一端の長さ方向断面図であり、図２および図３は別の実施例によるシャフト１０の直径方向断面図である。タービン出力シャフトとして用いるには、シャフト１０はチタン母材複合材料とするのが好ましいが、本発明により得られる構造的利点は他の母材材料にも適用できると考えられる。
【０００９】
図１に示すように、シャフト１０は管状内側シェル１６およびこれを包囲する管状スペーシング部材１８を含み、スペーシング部材１８は図４に詳細に示す多数の長さ方向に延在する繊維束１４を含有する。内側シェル１６を用いると製造が容易になるので好適であるが、組立プロセスや部品幾何形状によっては内側シェル１６を省略してもよい。当業者に明らかなように、繊維束１４を包囲マトリックスと組み合わせることはシャフト１０にねじり強さとスチフネスを付与するのに有効である。繊維束１４は図４に、個別の補強繊維２０をケーシングシェル２２内に収容したものとして示されている。繊維束１４は、炭化珪素、炭素、ホウ素、その他の非金属材料など（これらに限らない）の種々の既知の繊維材料から形成することができる。繊維２０は適当にクラッディングまたはサイジングして、個別の繊維２０とケーシングシェル２２との間に構造的結合を形成可能とし、繊維同士の直接接触を防止する。
【００１０】
図２に示す第１実施例によれば、繊維束１４はスペーシング部材１８内に形成した内部チャネル２４内に配置され、したがって各繊維束１４がスペーシング部材１８に包み込まれ、隣り合う繊維束１４はチャネル２４の壁により円周方向に離間される。図３に示す第２実施例によれば、繊維束１４は別のスペーシング部材１８Ａの外面に形成した溝またはスロット２６内に収容され、ついでスペーシング部材１８Ａを包囲する別の管状外側シェル１２により包み込められる。図３の実施例では、隣り合う繊維束１４はスロット２６間に画定された半径方向延在リブ２８により円周方向に離間される。これらの実施例では、シャフト１０上での繊維束１４の位置と配向がチャネル２４（図２）またはスロット２６（図３）の位置と形状により正確に決定される。たとえば、繊維束１４をスペーシング部材１８の軸線に平行にまたはこの軸線に非平行に部材１８の円周まわりに螺旋パターンにて配向することができる。
【００１１】
再度図１を参照すると、図示のシャフト１０は、シャフト１０をタービンエンジンの別の構成要素、たとえばタービンディスクまたはカップリングに機械的に結合するためのスプライン３２が設けられた延長部または端部ピース３０を有する。スプライン３２とは反対側の端部では、端部ピース３０は環状部分３４を有するように形成され、この環状部分３４は、以下に詳述するように、内側シェル１６とスペーシング部材１８との間に挟まれ、これらに取付られている。代表的には、シャフト１０の反対端に第２端部ピース（図示せず）を設ける。第２端部ピースは図示の端部ピース３０とほぼ同一とするか、あるいはスプライン以外の機械的カップリング特徴を有するなどの異なる形状とすることができる。
【００１２】
本発明の好適な実施例によれば、外側シェル１２（ある場合）、内側シェル１６（ある場合）およびスペーシング部材１８または１８Ａをすべてチタン合金から形成する。これらの構成要素用のチタン合金としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶやＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏが適当であるが、チタンアルミナイド、その他のチタン合金も使用できる。シャフトに適切な動的特性与えるのに必要な寸法精度を達成するため、外側シェル１２，内側シェル１６およびスペーシング部材１８を精密成形法、たとえば周知の超塑性成形法により形成する。繊維束１４用のケーシングシェル２２にもチタンが好適で、合金としてはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖが適当である。ケーシングシェル２２との相容性を考慮すると、繊維束を個別に高温でチタンと相容する金属で被覆するのが好ましい。そうすれば繊維束１４を互いにかつシェル２２と拡散結合することができる。あるいは、個別の繊維２０を集合して束とし、束全体を被覆してチタンに被包された密着した繊維束を形成することができ、この場合個別のシェルは必要ない。
【００１３】
図１に示す端部ピース３０のスプライン付き端部は、スプライン３２の機械的特性を向上させるために、チタン以外の材料で形成するのが好ましい。熱膨張係数を適切に合わせることは、シャフト１０の端部ピース３０とチタン構成要素との相容性を確保する上で重要である。１実施例では、端部ピース３０を既知の急速凝固プラズマ付着法により形成し、チタンを機械的連結部に一層適当な材料、たとえば鉄基またはニッケル基合金、特にＩＮＣＯＮＥＬ７１８またはＩＮＣＯ９０９に移行させる。たとえば、内側シェル１６およびスペーシング部材１８間に挟まれ、これらに取り付けられる環状部分３４をチタン合金、たとえばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖとし、端部ピース３０の組成を反対側のスプライン端３２（ＩＮＣＯＮＥＬ７１８から形成される）に向けて連続的に段階的に変化させる。適当な障壁を用いて金属間化合物の生成を防止することにより、端部ピース３０には他の組成系や構成方法（たとえば爆発結合）も可能になり、これらも本発明の範囲内である。
【００１４】
個別に形成し終わったら、外側シェル１２（使用する場合）、内側シェル１６（使用する場合）、スペーシング部材１８、繊維束１４および端部ピース３０（上述したような組成漸変）を、精密金型を用いて組み立て、つぎに周知の拡散結合法により互いに結合し、繊維２０で補強された一体のチタン−繊維マトリックス（外側シェル１２（使用する場合）、内側シェル１６（使用する場合）、スペーシング部材１８、ケーシングシェル２２（使用する場合）および端部ピース３０からなる）を生成するのが好ましい。このようにして、個別の構成要素から構成されたシャフト１０は、不釣り合いレベルが低く、シャフト１０の適当なバランスランドにて材料を切除することにより簡単に補正できる。とりわけ、組成勾配のある端部ピース３０をシャフト１０のチタン構成要素に拡散結合するので、さもなくば必要となる接合作業がなくなる。
【００１５】
以上、この発明を好適な実施例について説明したが、当業者であれば他の形態を採用できることが明らかである。したがって、本発明は請求の範囲でのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による複合シャフトアセンブリの長さ方向断面図である。
【図２】本発明の第１実施例による図１のシャフトの直径方向断面図である。
【図３】本発明の第２実施例による図１のシャフトの直径方向断面図である。
【図４】取付および拡散結合前の、図１、図２および図３に示す１本の繊維束の断面図である。

Claims (9)

1. ガスタービンエンジン出力シャフト（１０）であって、
   管形状のチタン基内側シェル（１６）と、
   前記内側シェル（１６）を包囲しかつそれに接合されたチタン基スペーシング部材（１８）であって、その半径方向外側表面近くに環状パターンの長さ方向に延在するキャビティ（２４，２６）を有する、該スペーシング部材（１８）と、
   前記スペーシング部材（１８）を包囲しそれに結合された管形状のチタン基外側シェル（１２）と、
   前記ガスタービンエンジン出力シャフト（１０）の端部に取り付けられた延長部（３０）と
   を備え、
   前記スペーシング部材（１８）は、前記キャビティのそれぞれに配置された長さ方向に延びる繊維束（１４）を備え、
   前記繊維束のそれぞれは、複数の補強繊維（２０）と、該複数の補強繊維を包み込んだチタン基包囲シェル（２２）とを備え、
   前記内側シェル（１６）、前記スペーシング部材（１８）、前記包囲シェル（２２）、前記外側部分（１２）および前記延長部（３０）が、前記補強繊維（２０）を包囲する金属マトリックスを画定する、ガスタービンエンジン出力シャフト（１０）。
2. 前記外側部分（１２）が前記スペーシング部材（１８）と一体であり、前記キャビティ（２４，２６）が前記スペーシング部材（１８）の半径方向外側表面下の内部チャネル（２４）である、請求項１に記載のガスタービンエンジン出力シャフト（１０）。
3. 前記キャビティ（２４，２６）が前記スペーシング部材（１８）の半径方向外側表面に設けた外部スロット（２６）であり、前記外側シェル（１２）が前記繊維束（１４）の前記包囲シェル（２２）に結合された、請求項１に記載のガスタービンエンジン出力シャフト（１０）。
4. 前記キャビティ（２４，２６）およびその内部の前記繊維束（１４）が前記スペーシング部材（１８）と同軸でない、請求項１に記載のガスタービンエンジン出力シャフト（１０）。
5. 前記延長部（３０）が、前記内側シェル（１６）および前記スペーシング部材（１８）間に同心に配置されこれらに結合された環状部分（３４）を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン出力シャフト（１０）。
6. 前記延長部（３０）の前記環状部分（３４）がチタン基合金から形成され、前記延長部（３０）の反対側端部（３２）がチタン基合金以外の第２材料から形成され、前記延長部（３０）の組成が前記環状部分（３４）と前記延長部の反対側端部（３２）との間で前記チタン基合金から前記第２材料まで漸変する、請求項５に記載のガスタービンエンジン出力シャフト（１０）。
7. 前記延長部（３０）の前記第２材料がニッケル基または鉄基合金である、請求項６に記載のガスタービンエンジン出力シャフト（１０）。
8. 前記延長部（３０）が前記環状部分（３４）とは反対側の端部（３２）を有し、該端部（３２）に機械的カップリング手段（３２）が形成された、請求項１に記載のガスタービンエンジン出力シャフト（１０）。
9. 管形状のチタン基内側シェル（１６）を形成し、
   半径方向外側表面近くに長さ方向に延在するキャビティ（２４，２６）の環状パターンを有するチタン基スペーシング部材（１８）を形成し、
   それぞれが複数の補強繊維（２０）をチタン基包囲シェル（２２）に包み込んだ構成の複数の繊維束（１４）を形成し、
   チタン基外側シェル（１２）を形成し、延長部（３０）を形成し、前記繊維束（１４）を前記スペーシング部材（１８）の前記キャビティ（２４，２６）に挿入し、前記内側シェル（１６）、前記スペーシング部材（１８）、前記外側シェル（１２）および前記延長部（３０）を金型内に配置し、前記スペーシング部材（１８）が前記内側シェル（１６）を包囲し、かつ前記外側シェルが前記スペーシング部材（１８）を包囲して前記キャビティ（２４，２６）を円周方向に取り囲むようにし、ついで前記内側シェル（１６）、前記スペーシング部材（１８）、前記外側シェル（１２）および前記延長部（３０）を接合し、前記繊維束（１４）が前記スペーシング部材（１８）と前記外側シェル（１２）間に包み込まれ、かつ前記内側シェル（１６）、前記スペーシング部材（１８）、前記包囲シェル（２２）、前記外側シェル（１２）および前記延長部（３０）が前記補強繊維（２０）を包囲しかつそれに結合された金属マトリックスを画定するようにする、
   工程を含むガスタービンエンジン出力シャフト（１０）の製造方法。

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