JPH0794802B2 - 3次元繊維補強構造タービンブレードの製造方法 - Google Patents

3次元繊維補強構造タービンブレードの製造方法

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JPH0794802B2
JPH0794802B2 JP21563789A JP21563789A JPH0794802B2 JP H0794802 B2 JPH0794802 B2 JP H0794802B2 JP 21563789 A JP21563789 A JP 21563789A JP 21563789 A JP21563789 A JP 21563789A JP H0794802 B2 JPH0794802 B2 JP H0794802B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00Geometry
    • F05B2250/20Geometry three-dimensional
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00Geometry
    • F05B2250/60Structure; Surface texture

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は3次元繊維補強構造タービンブレードの製造方
法に関する。
従来の技術 1700℃のような高温度の酸化雰囲気中で使用されるター
ビンブレードにあっては、これを金属で作ると溶けてし
まうので、これを炭素−炭素と呼ばれているような耐高
温性を有する3次元繊維構造体で作ることが知られてい
る。これは、先ず炭素繊維製の径方向繊維,炭素繊維製
の軸方向繊維,炭素繊維製の周方向繊維から略円盤状の
中間成形品を作り、次にこの中間成形品を炭化処理して
炭化処理品を製作した後、この炭化処理品の外周部に多
数のブレードを切削加工で形成している。
発明が解決しようとする課題 しかし前述のタービンブレードの製造方法にあっては、
第8図に示すように、炭化処理品における径方向繊維1
と軸方向繊維2と周方向繊維3とが互いに直交配置され
ている。しかし炭化処理品の外周部に切削加工で形成さ
れる多数のブレード5は軸方向L1と所定の角θを持った
稜線L2に沿って形成される。このようなことからブレー
ド5を切削加工した場合に、ブレード5中に残る軸方向
繊維2が短寸法になってしまう。このためブレード5を
構成する各方向の繊維がばらばらになり易く、タービン
ブレードとして十分な強度を得ることが難しかった。
課題を解決するための手段 そこで本発明は、マトリックス材を含浸した径方向繊維
を周方向に等間隔で放射状に伸ばして配置した径方向繊
維ユニットを複数作製し、前記径方向繊維がタービンブ
レードの稜線に沿って配置されるように径方向繊維ユニ
ットをそれぞれ互いに位相をずらせて多段積層し結合し
た径方向繊維ユニット群を製作し、この径方向繊維ユニ
ット群の少なくとも一周分の各径方向繊維の周方向間に
マトリックス材を含浸した軸方向繊維を前記稜線に沿っ
て挿入することと、マトリックス材を含浸した周方向繊
維を各径方向繊維の軸方向間で軸方向繊維上に少なくと
も1周巻き付けることを交互に繰り返して、少なくとも
径方向繊維,軸方向繊維,周方向繊維からなる略円盤状
の中間成形品を作製し、次いでこの中間成形品を炭化処
理して、炭化処理品を作製し、この炭化処理品を少なく
とも前記稜線に沿って切削加工しブレードを形成する。
実施例 この一実施例の製造方法では、先ず第3図に示すように
炭素繊維のようにマトリックス材を含浸した径方向繊維
1を内輪治具10と外輪治具11とに跨って周方向に等間隔
で放射状に略同一の張力で張り渡して径方向繊維ユニッ
ト12を複数作製する。この径方向繊維ユニット12におい
て、内輪治具10と外輪治具11とが同軸となっている一
方、径方向繊維1の張り渡し終端部は内輪治具10に固定
されかつ周方向繊維3として使用するために切断せずに
そのまま延長して残してある。具体的には第3,5図に示
すように、内輪治具10の略中央部には挿通孔13が形成さ
れ、その外周部には多数の貫通孔14が形成されている。
この多数の貫通孔14は挿通孔13を中心とする半径の異な
る2つの同心円上に等分配置されているとともに、互い
に隣接する外側の貫通孔14間に内側の貫通孔14が1つ位
置するように、外側の貫通孔14と内側の貫通孔14とが周
方向に位置をずらして配置されている。また第5図に示
すように、外輪治具11には貫通孔14と同数の係止溝15が
周方向に等分配置して形成されている。この係止溝15は
外輪治具11の内周面に開放しているとともに、係止溝15
の底部が外輪治具11の周方向に沿って屈曲形成されてい
る。そして径方向繊維1が内輪治具10の貫通孔14と外輪
治具11の係止溝15とに係留されて内輪治具10と外輪治具
11とに跨って張り渡される。
次に第4,5図に示すように、複数の径方向繊維ユニット1
2を3次元編み機20にセットして、前記径方向繊維1が
タービンブレードの稜線L2に沿って配置されるようにそ
れぞれ互いに位相をずらせて多段積層し結合した径方向
繊維ユニット群12Aを製作する。具体的には内輪治具10
の挿通孔13にシャフト21を挿入して、多数の径方向繊維
ユニット12をシャフト21の軸方向に沿って多段積層す
る。このとき各径方向繊維ユニット12の内輪治具10間そ
れぞれにはスペーサ22を介在させてある。そして第6図
に示すように、シャフト21の軸方向一端に位置する径方
向繊維ユニット12における外輪治具11の外周面に形成し
たポイントP1を基準として軸方向他端側に隣接する径方
向繊維ユニット12における外輪治具11に形成したポイン
トP2,……,Pn-1,Pnの位相を順次少しづつ周方向にずら
すことにより、軸方向から見て、各径方向繊維ユニット
12中の径方向繊維2それぞれを第7図に示すように軸方
向L1と所定の角θを持ったタービンブレードの稜線L2
沿って配置した後、シャフト21の両側からナット23を締
結して、多数の径方向繊維ユニット12をシャフト21とス
ペーサ22とナット23とで一体的に結合して、径方向繊維
ユニット群12Aを製作する。この径方向繊維ユニット群1
2Aにおけるシャフト21の両端部を3次元編み機20の左右
一対の支持アーム24に回動自在に装着する。この装着状
態において前述の周方向繊維3は第5,6図に示すように
多数の径方向繊維ユニット12間から径方向繊維ユニット
12の外側に延長させてある。なお第4図中の符号25は3
次元編み機20に設けたガイドプレートであって、このガ
イドプレート25は隣接する径方向繊維ユニット12の外輪
治具11間に周方向繊維3が挿入し易いような所定のクリ
アランスを確保するものである。このガイドプレート25
と前記スペーサ22との軸方向の厚さは略同一になってい
る。
そして、3次元編み機20にセットした径方向繊維ユニッ
ト群12Aをシャフト21を中心として少しづづ回動停止を
繰り返しながら、炭素繊維のようにマトリックス材を含
浸した軸方向繊維2を各径方向繊維1の周方向間にシャ
フト21の一端側から他端側に向けてタービンブレードの
稜線L2に沿って挿入する。この軸方向繊維2の挿入が径
方向繊維ユニット12に対して少なくとも1周した所で、
炭素繊維のようにマトリックス材を含浸した周方向繊維
3を各径方向繊維1の軸方向間で軸方向繊維2上に少な
くとも1周巻き付けるというように、前記軸方向繊維2
の挿入と周方向繊維3の巻き付けとを、前記径方向繊維
ユニット群12Aにおける内輪治具10側から外輪治具11側
にかけて交互に繰り返して行うことにより、第6図に示
すように、少なくとも径方向繊維1と軸方向繊維2と周
方向繊維3とからなる略円盤状の中間成形品4を形成し
て、この中間成形品4をドライプリフォーム化する。
次に、ドライプリフォーム化された中間成形品4を3次
元編み機20から取り外して炭化処理を施した後、この炭
化処理された中間成形品4の内輪治具10よりも外側部分
と外輪治具11よりも内側部分とを切断してシャフト21と
スペーサ22と内輪治具10と外輪治具11とを中間成形品4
から取り外して、第2図に示すように径方向繊維1と軸
方向繊維2と周方向繊維3とからなる炭化処理品4Aを作
製する。この炭素処理品4Aはタービンブレードに必要な
内径D1とブレード5を含むタービンブレードに必要な外
径D2とを有するように整形してある。
最後に第1図に示すように、前記炭素処理品4Aの外周部
に、エンドミル30のような切削工具を使用する切削加工
を施すことにより、複数のブレード5を形成する。この
場合、各ブレード5は径方向繊維1と軸方向繊維2との
配向角度であるタービンブレードの稜線L2に沿って切削
加工される。
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、
図示は省略するが、治具等は中間成形品4の炭化処理の
前でも、あるいはブレード5の切削加工の後でも、いつ
外しても良い。ただし炭化処理の前に外す場合は軸方向
繊維2と周方向繊維3とを一本ずつ編み込んだ場合のみ
有効です。また前記実施例の場合でも1回目の加熱で各
繊維同士のマトリックス材が互いに固まってしまうので
治具を外すことも可能です。
また径方向繊維ユニット群12Aを製作する場合に、径方
向繊維1がタービンブレードの稜線L2に沿って配置され
るように径方向繊維ユニットをそれぞれ互いに位相をず
らすのは、径方向繊維ユニット12を積層しながらでも良
い。
また炭化とは、マトリックス材を再度含浸し再度加熱し
それを何回も繰り返すことも含まれる。
さらにブレード5の切削加工はエンドミル以外に、例え
ばウオータジェットのような方法で切削加工することも
可能である。
発明の効果 以上のように本発明によれば、複数の径方向繊維ユニッ
トを一体的に結合した径方向繊維ユニット群における各
径方向繊維の周方向間にはタービンブレードの稜線に整
合する空間としての筋道が確保されているので、この筋
道に沿って軸方向繊維をタービンブレードの稜線に沿っ
て容易に挿入することができるうえ、挿入した軸方向繊
維と径方向繊維とを交互に交錯させることができる。し
かも軸方向繊維の挿入と周方向繊維の巻き付けとを径方
向繊維ユニット群の内側から外側にかけて交互に繰り返
して行っているので、中間成形品の軸方向繊維と径方向
繊維と周方向繊維との密度を高くかつ均一に確保でき
る。さらに径方向繊維と軸方向繊維とがタービンブレー
ドの稜線に沿って配置してあるので、炭化処理品に切削
加工でブレードを形成した場合、そのブレード中には軸
方向繊維をその稜線に沿って長寸法に残すことができ
る。このようなことから、各ブレード毎において軸方向
繊維と径方向繊維と周方向繊維とがしっかりと交錯し合
っており、タービンブレードとしての強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のブレードを切削加工で形成
する状態を示す斜視図、第2図は同実施例の炭化処理品
を示す斜視図、第3図は同実施例の径方向繊維ユニット
を示す斜視図、第4図は第5図のIV−IV線に沿う断面
図、第5図は同実施例の多数の径方向繊維ユニットを3
次元編み機にセットした状態を示す正面図、第6図は同
実施例の中間成形品を示す斜視図、第7図は同実施例の
ブレードに対する径方向繊維と軸方向繊維と周方向繊維
との配置関係を説明する模式図、第8図は従来のタービ
ンブレードにおけるブレードの径方向繊維と軸方向繊維
と周方向繊維との配置関係を説明する模式図である。 1……径方向繊維、2……軸方向繊維、3……周方向繊
維、4……中間成形品、4A……炭化処理品、5……ブレ
ード、12……径方向繊維ユニット、12A……径方向繊維
ユニット群、L2……稜線。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マトリックス材を含浸した径方向繊維を周
    方向に等間隔で放射状に伸ばして配置した径方向繊維ユ
    ニットを複数作製し、 前記径方向繊維がタービンブレードの稜線に沿って配置
    されるように径方向繊維ユニットをそれぞれ互いに位相
    をずらせて多段積層し結合した径方向繊維ユニット群を
    製作し、 この径方向繊維ユニット群の少なくとも一周分の各径方
    向繊維の周方向間にマトリックス材を含浸した軸方向繊
    維を前記稜線に沿って挿入することと、マトリックス材
    を含浸した周方向繊維を各径方向繊維の軸方向間で軸方
    向繊維上に少なくとも1周巻き付けることを交互に繰り
    返して、少なくとも径方向繊維,軸方向繊維,周方向繊
    維からなる略円盤状の中間成形品を作製し、 次いでこの中間成形品を炭化処理して、炭化処理品を作
    製し、 この炭化処理品を少なくとも前記稜線に沿って切削加工
    しブレードを形成することを特徴とする3次元繊維補強
    構造タービンブレードの製造方法。
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