JPH09105304A - 耐熱構造複合材料の大径タービンおよびその製造方法 - Google Patents
耐熱構造複合材料の大径タービンおよびその製造方法Info
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- JPH09105304A JPH09105304A JP8229881A JP22988196A JPH09105304A JP H09105304 A JPH09105304 A JP H09105304A JP 8229881 A JP8229881 A JP 8229881A JP 22988196 A JP22988196 A JP 22988196A JP H09105304 A JPH09105304 A JP H09105304A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 大径タービンを耐熱構造複合材料から製作
し、製作コストを減少すること。 【解決手段】 耐熱構造複合材料の平坦な環状プレート
（２１）を共通軸に沿って積層することによりハブ（２
０）を製作した。また、プレートあるいはシート状で略
２次元の繊維織物をブレードプレフォームに成形し、こ
のプレフォームをマトリックスとともに高密度化して機
械加工することにより各ブレード（１０）を製作した。
タービン両端の二つの端板（３０，４０）は、環状プレ
フォームをプレートあるいはシート状で略２次元の繊維
織物から製作し、このプレフォームをマトリックスとと
もに高密度化して耐熱構造複合材料とした。ブレード
（１０）は、その根元（１３）を形成する部分を介して
ハブ（２０）に連結した。
し、製作コストを減少すること。 【解決手段】 耐熱構造複合材料の平坦な環状プレート
（２１）を共通軸に沿って積層することによりハブ（２
０）を製作した。また、プレートあるいはシート状で略
２次元の繊維織物をブレードプレフォームに成形し、こ
のプレフォームをマトリックスとともに高密度化して機
械加工することにより各ブレード（１０）を製作した。
タービン両端の二つの端板（３０，４０）は、環状プレ
フォームをプレートあるいはシート状で略２次元の繊維
織物から製作し、このプレフォームをマトリックスとと
もに高密度化して耐熱構造複合材料とした。ブレード
（１０）は、その根元（１３）を形成する部分を介して
ハブ（２０）に連結した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、タービンに関し、
特に、典型的には１０００℃以上の高温で用いるために
設計されたタービンに関する。
特に、典型的には１０００℃以上の高温で用いるために
設計されたタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】本タービンの１つの応用分野は、高温で
の物理化学処理を行うのに用いるオーブンやそれに似た
設備での気体の混合や換気であり、周囲媒体は、例え
ば、不活性ガスや非反応性ガスから構成される。通常、
そのようなタービンは金属より形成され、一般に、溶接
により一緒に組み立てられた複数の部材により作られ
る。金属の使用には、多くの欠点がある。即ち、回転部
分の質量が大きいので、大きな軸ラインや非常に強力な
モーターを必要とし、いずれにしても、回転速度が制限
される。また、金属クリープの危険故に、温度にも限界
がある。加えて、熱衝撃に対する感度は、クラックの形
成または歪みを引き起こす。このことは、回転質量を不
均衡にし、タービンおよびその駆動モータの寿命を減少
させる。あいにく、上述の応用では、特に、処理サイク
ルの期間を減少させることを目的として、多量の冷気を
注入して、オーブン内部の温度を急激に下げると、多く
の熱衝撃が発生する。
の物理化学処理を行うのに用いるオーブンやそれに似た
設備での気体の混合や換気であり、周囲媒体は、例え
ば、不活性ガスや非反応性ガスから構成される。通常、
そのようなタービンは金属より形成され、一般に、溶接
により一緒に組み立てられた複数の部材により作られ
る。金属の使用には、多くの欠点がある。即ち、回転部
分の質量が大きいので、大きな軸ラインや非常に強力な
モーターを必要とし、いずれにしても、回転速度が制限
される。また、金属クリープの危険故に、温度にも限界
がある。加えて、熱衝撃に対する感度は、クラックの形
成または歪みを引き起こす。このことは、回転質量を不
均衡にし、タービンおよびその駆動モータの寿命を減少
させる。あいにく、上述の応用では、特に、処理サイク
ルの期間を減少させることを目的として、多量の冷気を
注入して、オーブン内部の温度を急激に下げると、多く
の熱衝撃が発生する。
【０００３】そこで、金属のこの問題を避けるために、
他の材料、特に耐熱構造複合材料、が既にタービンを作
るために提案されている。それらの材料は、一般に、マ
トリックスによって高密度化される繊維強化組織また
は”プレフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）”により構成さ
れ、構造的要素を構成するのに適した機械的性質と、高
温までそのような性質を維持する能力に特徴がある。例
えば、普通の耐熱構造複合材料は、炭素繊維強化材およ
び炭素マトリックスにより構成された炭素−炭素（Ｃ−
Ｃ）複合材料であり、炭素またはセラミック繊維強化
材、およびセラミックマトリックスにより構成されたセ
ラミックマトリックス複合物（ＣＭＣ）である。
他の材料、特に耐熱構造複合材料、が既にタービンを作
るために提案されている。それらの材料は、一般に、マ
トリックスによって高密度化される繊維強化組織また
は”プレフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）”により構成さ
れ、構造的要素を構成するのに適した機械的性質と、高
温までそのような性質を維持する能力に特徴がある。例
えば、普通の耐熱構造複合材料は、炭素繊維強化材およ
び炭素マトリックスにより構成された炭素−炭素（Ｃ−
Ｃ）複合材料であり、炭素またはセラミック繊維強化
材、およびセラミックマトリックスにより構成されたセ
ラミックマトリックス複合物（ＣＭＣ）である。
【０００４】金属と比較して、耐熱構造複合材料は、か
なり低い密度、かなり大きい高温安定性といった本質的
な長所を有する。質量の減少およびクリープの危険性の
除去は、高速回転での操作を可能にし、これにより、直
径の大きな駆動部材を必要とすることなく大変高い換気
速度での操作を可能とする。加えて、耐熱構造複合材料
は、大変高い耐熱衝撃性を有する。
なり低い密度、かなり大きい高温安定性といった本質的
な長所を有する。質量の減少およびクリープの危険性の
除去は、高速回転での操作を可能にし、これにより、直
径の大きな駆動部材を必要とすることなく大変高い換気
速度での操作を可能とする。加えて、耐熱構造複合材料
は、大変高い耐熱衝撃性を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、耐熱構造複合
材料は、性能の点ではかなりの長所を有しているが、そ
の高いコストゆえに、その使用が限定される。かかるコ
ストは、用いられた材料のコスト以外にも、本質的に、
高密度化サイクルの期間、および繊維プレフォームの形
成に伴う困難性、特に、タービンの場合のような、組み
立てられる部材が複雑な形状である場合、から生じる。
そこで、本発明の目的は、耐熱構造複合材料で製作する
のに適したタービン構造を提供して、そのような材料の
特徴を生かし、製造コストをできる限り抑えることにあ
る。また、本発明の別の目的は、大きな寸法のタービ
ン、即ち、直径が１メートルよりかなり大きいタービン
を製作するのに適したタービン構造を提供することであ
る。
材料は、性能の点ではかなりの長所を有しているが、そ
の高いコストゆえに、その使用が限定される。かかるコ
ストは、用いられた材料のコスト以外にも、本質的に、
高密度化サイクルの期間、および繊維プレフォームの形
成に伴う困難性、特に、タービンの場合のような、組み
立てられる部材が複雑な形状である場合、から生じる。
そこで、本発明の目的は、耐熱構造複合材料で製作する
のに適したタービン構造を提供して、そのような材料の
特徴を生かし、製造コストをできる限り抑えることにあ
る。また、本発明の別の目的は、大きな寸法のタービ
ン、即ち、直径が１メートルよりかなり大きいタービン
を製作するのに適したタービン構造を提供することであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ハブの周囲と二つの端板の間に設けられ
た複数のブレードを有し、該ブレードと上記ハブと上記
端板が耐熱構造複合材料から製作されるタービンの製造
方法であって、（ａ）耐熱構造複合材料の平坦な環状プ
レートを共通軸に沿って積層することにより上記ハブを
製作し、上記プレートが上記共通軸の回りに一体的に回
転するように上記プレートを固定し、（ｂ）プレートあ
るいはシート状で略２次元の繊維織物をブレードプレフ
ォームに成形し、該プレフォームをマトリックスととも
に高密度化して耐熱構造複合材料のブレードブランクを
製作し、高密度化されたプレフォームを機械加工するこ
とにより各ブレードを製作し、（ｃ）環状あるいは略環
状のプレフォームをプレートあるいはシート状で略２次
元の繊維織物から製作し、上記プレフォームをマトリッ
クスとともに高密度化して耐熱構造複合材料の各端板を
製作し、（ｄ）上記ブレードを上記端板の間で上記ハブ
に組み込むとともに、各ブレードをその根元を形成する
部分を介して上記ハブに連結したことを特徴とする。し
たがって、タービンの基本的な部分は、例えば上記ハブ
を構成する平坦な環状プレートのような単純な形状の部
品、または、上記ブレードおよび端板のような単純な形
状（２次元シートまたはプレート）の繊維プレフォーム
から製作された部品を互いに組み立てることにより製作
される。このことは、複雑な形状のプレフォームの製作
および高密度化において直面する困難や、耐熱構造複合
材料の固体ブロックから複雑な形状の部品を機械加工す
ることにより生じる材料のロスを避けることができる。
また、ハブに形成され、ブレードの根元と対応する形状
の溝に上記根元を挿入することにより、各ブレードをハ
ブに連結することができる。本発明のある特徴によれ
ば、ブレードのプレフォームの製作に使用される繊維織
物にスリットを形成し、インサートをこのスリットに取
り付けることによりブレードの根元が形成される。
に、本発明は、ハブの周囲と二つの端板の間に設けられ
た複数のブレードを有し、該ブレードと上記ハブと上記
端板が耐熱構造複合材料から製作されるタービンの製造
方法であって、（ａ）耐熱構造複合材料の平坦な環状プ
レートを共通軸に沿って積層することにより上記ハブを
製作し、上記プレートが上記共通軸の回りに一体的に回
転するように上記プレートを固定し、（ｂ）プレートあ
るいはシート状で略２次元の繊維織物をブレードプレフ
ォームに成形し、該プレフォームをマトリックスととも
に高密度化して耐熱構造複合材料のブレードブランクを
製作し、高密度化されたプレフォームを機械加工するこ
とにより各ブレードを製作し、（ｃ）環状あるいは略環
状のプレフォームをプレートあるいはシート状で略２次
元の繊維織物から製作し、上記プレフォームをマトリッ
クスとともに高密度化して耐熱構造複合材料の各端板を
製作し、（ｄ）上記ブレードを上記端板の間で上記ハブ
に組み込むとともに、各ブレードをその根元を形成する
部分を介して上記ハブに連結したことを特徴とする。し
たがって、タービンの基本的な部分は、例えば上記ハブ
を構成する平坦な環状プレートのような単純な形状の部
品、または、上記ブレードおよび端板のような単純な形
状（２次元シートまたはプレート）の繊維プレフォーム
から製作された部品を互いに組み立てることにより製作
される。このことは、複雑な形状のプレフォームの製作
および高密度化において直面する困難や、耐熱構造複合
材料の固体ブロックから複雑な形状の部品を機械加工す
ることにより生じる材料のロスを避けることができる。
また、ハブに形成され、ブレードの根元と対応する形状
の溝に上記根元を挿入することにより、各ブレードをハ
ブに連結することができる。本発明のある特徴によれ
ば、ブレードのプレフォームの製作に使用される繊維織
物にスリットを形成し、インサートをこのスリットに取
り付けることによりブレードの根元が形成される。
【０００７】本発明の別の特徴によれば、ハブを構成す
るプレートを少なくとも一つの環状プレートと一体的に
組み立て、この環状プレートが、タービンの一端でブレ
ード間に形成された通路を閉塞する第１端板を構成し、
第１端板とブレードとをタービンが取り付けられる軸上
で軸方向に挟持することにより連結している。また、第
２端板がハブと協働して、ブレード間の通路に流体を吸
引する環状の流体入口領域を形成している。この第２端
板は、例えば、ブレードの隣接する端縁に形成された突
起を第２端板に形成されたノッチに嵌合させることによ
り、あるいは接着剤により、ブレードに取り付けられ
る。ある変形例では、第２端板は、静止部材である。ま
た、本発明にかかるタービンは、耐熱構造複合材料から
製作され、ハブの周囲と二つの端板の間に設けられた複
数のブレードを有するタービンであって、共通軸に沿っ
て積層されるとともに互いに連結された耐熱構造複合材
料の平坦な環状プレートをさらに有し、このプレートが
上記共通軸の回りに一体的に回転することによりハブを
形成する一方、ブレードの根元を形成する部分により耐
熱構造複合材料の上記ブレードをハブに連結している。
耐熱構造複合材料の平坦な上記環状プレートで、ハブ
と、タービンの一端でブレード間に設けられた通路を閉
塞する第１端板とを有する組立体を形成すると効果的で
ある。
るプレートを少なくとも一つの環状プレートと一体的に
組み立て、この環状プレートが、タービンの一端でブレ
ード間に形成された通路を閉塞する第１端板を構成し、
第１端板とブレードとをタービンが取り付けられる軸上
で軸方向に挟持することにより連結している。また、第
２端板がハブと協働して、ブレード間の通路に流体を吸
引する環状の流体入口領域を形成している。この第２端
板は、例えば、ブレードの隣接する端縁に形成された突
起を第２端板に形成されたノッチに嵌合させることによ
り、あるいは接着剤により、ブレードに取り付けられ
る。ある変形例では、第２端板は、静止部材である。ま
た、本発明にかかるタービンは、耐熱構造複合材料から
製作され、ハブの周囲と二つの端板の間に設けられた複
数のブレードを有するタービンであって、共通軸に沿っ
て積層されるとともに互いに連結された耐熱構造複合材
料の平坦な環状プレートをさらに有し、このプレートが
上記共通軸の回りに一体的に回転することによりハブを
形成する一方、ブレードの根元を形成する部分により耐
熱構造複合材料の上記ブレードをハブに連結している。
耐熱構造複合材料の平坦な上記環状プレートで、ハブ
と、タービンの一端でブレード間に設けられた通路を閉
塞する第１端板とを有する組立体を形成すると効果的で
ある。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１及び図２は、２
つの端板３０、４０の間のハブ２０の周囲に規則正しく
配置された複数のブレード１０を有するタービンを示し
ている。様々なタービンの構成部品は、耐熱構造複合材
料、例えば、炭素−炭素（Ｃ−Ｃ）複合材料や、Ｃ−Ｓ
ｉＣ（炭素繊維強化および炭化珪素マトリックス）複合
材料のようなセラミックマトリックス複合材料から形成
される。端板３０，４０の間で、ブレード１０は、流体
が流れる通路１１を形成している。タービンの軸方向一
端において、通路１１は、ハブ２０からブレード１０の
外縁まで延びる環状端板３０により閉塞されている。軸
方向他端において、略環状の端板４０は、ブレード１０
の外縁から内側に向かって、ブレード１０の長さ方向の
一部に延在している。端板４０の内縁４１とハブ２０の
間の空間には、図２の矢印Ｆで表したように、タービン
の外部リングを介して排出される流体が通路１１に吸引
される入口領域が形成されている。次に、タービンの構
成部品の製作法及び組立法について説明する。ハブ２０
は、タービンの軸Ａに沿って積層される環状プレート２
１から製作される。プレート２１の内径は全て同じで、
その内側はハブの中央通路となっている。各プレートの
外径は、流体の入口領域に近い面からその反対面に向か
って徐々に増加するとともに、２つの隣接するプレート
の接触面が同一外径を有しているので、一組のプレート
２１により、端板４０と端板３０との間で肉厚が規則的
に増加する連続したハブが形成されている。ハブ２０の
周囲には、蟻溝２３が形成されており、その中にブレー
ド１０の根元が収容され、ハブ２０に接続されている
（詳細については後述する）。この溝２３は、ハブ２０
の全長に渡って軸方向に延在し、その周囲に規則正しく
形成されている。大径のプレート２１では、溝２３は、
ブレードの厚さにほぼ一致する幅のスロット２３ａを介
して外部と連通している。各環状プレート２１は、耐熱
構造複合材料から個々に製作される。この目的で、プレ
ート状の繊維構造を使用することもでき、環状のプレフ
ォームをこのような繊維構造より切り出すこともでき
る。そのような構造は、例えばＦＲ−Ａ−２５８４ １
０６号公報に開示されているように、糸やケーブルのシ
ート、織布等の２次元の繊維織物の平坦層を積層し、積
層体を縫製して一体的に連結することにより製作するこ
とができる。上記プレートから切り出された環状のプレ
フォームは、形成される耐熱構造複合材料のマトリック
スを構成する材料により高密度化される。この高密度化
は、化学的気相浸透や液体を使用した公知の方法、即
ち、マトリックスの液体前駆体を含浸させ、さらに前駆
体を転移させることにより行なわれる。高密度化が行わ
れた後、環状のプレートは、最終的な寸法に機械加工さ
れるとともに、ノッチが形成される。このノッチは、プ
レートが積層された後、溝２３及びスロット２３ａを構
成するものである。プレート２１は、全てのプレートを
軸方向に貫通するネジ２６により、タービンの軸Ａの周
囲を一体的に回転する。ネジ２６は、耐熱構造複合材料
のブロックから機械加工される。流体の入口領域と離間
し、通路１１を閉塞する端板３０は、繊維プレフォーム
を高密度化することにより耐熱構造複合材料から製作さ
れる。プレフォームは、例えば、平坦な２次元層を積層
し、縫製により互いに連結することにより製作される。
て、図面を参照しながら説明する。図１及び図２は、２
つの端板３０、４０の間のハブ２０の周囲に規則正しく
配置された複数のブレード１０を有するタービンを示し
ている。様々なタービンの構成部品は、耐熱構造複合材
料、例えば、炭素−炭素（Ｃ−Ｃ）複合材料や、Ｃ−Ｓ
ｉＣ（炭素繊維強化および炭化珪素マトリックス）複合
材料のようなセラミックマトリックス複合材料から形成
される。端板３０，４０の間で、ブレード１０は、流体
が流れる通路１１を形成している。タービンの軸方向一
端において、通路１１は、ハブ２０からブレード１０の
外縁まで延びる環状端板３０により閉塞されている。軸
方向他端において、略環状の端板４０は、ブレード１０
の外縁から内側に向かって、ブレード１０の長さ方向の
一部に延在している。端板４０の内縁４１とハブ２０の
間の空間には、図２の矢印Ｆで表したように、タービン
の外部リングを介して排出される流体が通路１１に吸引
される入口領域が形成されている。次に、タービンの構
成部品の製作法及び組立法について説明する。ハブ２０
は、タービンの軸Ａに沿って積層される環状プレート２
１から製作される。プレート２１の内径は全て同じで、
その内側はハブの中央通路となっている。各プレートの
外径は、流体の入口領域に近い面からその反対面に向か
って徐々に増加するとともに、２つの隣接するプレート
の接触面が同一外径を有しているので、一組のプレート
２１により、端板４０と端板３０との間で肉厚が規則的
に増加する連続したハブが形成されている。ハブ２０の
周囲には、蟻溝２３が形成されており、その中にブレー
ド１０の根元が収容され、ハブ２０に接続されている
（詳細については後述する）。この溝２３は、ハブ２０
の全長に渡って軸方向に延在し、その周囲に規則正しく
形成されている。大径のプレート２１では、溝２３は、
ブレードの厚さにほぼ一致する幅のスロット２３ａを介
して外部と連通している。各環状プレート２１は、耐熱
構造複合材料から個々に製作される。この目的で、プレ
ート状の繊維構造を使用することもでき、環状のプレフ
ォームをこのような繊維構造より切り出すこともでき
る。そのような構造は、例えばＦＲ−Ａ−２５８４ １
０６号公報に開示されているように、糸やケーブルのシ
ート、織布等の２次元の繊維織物の平坦層を積層し、積
層体を縫製して一体的に連結することにより製作するこ
とができる。上記プレートから切り出された環状のプレ
フォームは、形成される耐熱構造複合材料のマトリック
スを構成する材料により高密度化される。この高密度化
は、化学的気相浸透や液体を使用した公知の方法、即
ち、マトリックスの液体前駆体を含浸させ、さらに前駆
体を転移させることにより行なわれる。高密度化が行わ
れた後、環状のプレートは、最終的な寸法に機械加工さ
れるとともに、ノッチが形成される。このノッチは、プ
レートが積層された後、溝２３及びスロット２３ａを構
成するものである。プレート２１は、全てのプレートを
軸方向に貫通するネジ２６により、タービンの軸Ａの周
囲を一体的に回転する。ネジ２６は、耐熱構造複合材料
のブロックから機械加工される。流体の入口領域と離間
し、通路１１を閉塞する端板３０は、繊維プレフォーム
を高密度化することにより耐熱構造複合材料から製作さ
れる。プレフォームは、例えば、平坦な２次元層を積層
し、縫製により互いに連結することにより製作される。
【０００９】図示した例では、端板３０の厚みは、外周
から内周に向かって連続的に増加している。環状の中間
プレート３１を、ハブ２０と端板３０との間に介装して
もよく、この場合、中間プレート３１は、タービンの内
側に面するプレート３０の面が、ハブ１０の外面に連続
してつながるような外部形状を有する。プレート３１
は、耐熱構造複合材料のネジ２６によりプレート２１と
一体的に回転する。端部プレート３０の形状は、連続的
に減少する外径の環状層を積層することにより形成され
たプレフォームから得ることができる。高密度化された
後、端板が最終寸法に機械加工される。特に、端板３０
の内部環状面３７は截頭円錐状に形成されているので、
タービンをシャフト上に取り付けることができる。端板
３０は、端板３０とプレート３１を接続する耐熱構造複
合材料のネジ３６により、軸Ａの周囲にハブ２０ととも
に回転するよう拘束されている。各ブレード１０は、曲
面を有する薄板状のもので、その輪郭は図３に概略的に
示されている。ハブ２０に接続される各ブレード１０の
内端は、ブレードの根元１３を形成する厚肉部となって
おり、その形状及び寸法は、ハブの溝２３の形状及び寸
法に対応している。流体の入口領域に隣接する各ブレー
ド１０の端縁には、根元１３から始まる曲線状の第１の
凹部１４ａが形成されており、半径方向の突起１６まで
延在している。この突起１６は、曲線状の第２の凹部１
４ｂを介して端縁１２に接続されている。流体の入口領
域と離間したブレードの端縁には、根元１３から始まり
半径方向に延在する部分１５ａが形成されており、この
部分は、中間プレート３１および端板３０の隣接した面
の輪郭に対応する凸部１５ｂとつながっている。
から内周に向かって連続的に増加している。環状の中間
プレート３１を、ハブ２０と端板３０との間に介装して
もよく、この場合、中間プレート３１は、タービンの内
側に面するプレート３０の面が、ハブ１０の外面に連続
してつながるような外部形状を有する。プレート３１
は、耐熱構造複合材料のネジ２６によりプレート２１と
一体的に回転する。端部プレート３０の形状は、連続的
に減少する外径の環状層を積層することにより形成され
たプレフォームから得ることができる。高密度化された
後、端板が最終寸法に機械加工される。特に、端板３０
の内部環状面３７は截頭円錐状に形成されているので、
タービンをシャフト上に取り付けることができる。端板
３０は、端板３０とプレート３１を接続する耐熱構造複
合材料のネジ３６により、軸Ａの周囲にハブ２０ととも
に回転するよう拘束されている。各ブレード１０は、曲
面を有する薄板状のもので、その輪郭は図３に概略的に
示されている。ハブ２０に接続される各ブレード１０の
内端は、ブレードの根元１３を形成する厚肉部となって
おり、その形状及び寸法は、ハブの溝２３の形状及び寸
法に対応している。流体の入口領域に隣接する各ブレー
ド１０の端縁には、根元１３から始まる曲線状の第１の
凹部１４ａが形成されており、半径方向の突起１６まで
延在している。この突起１６は、曲線状の第２の凹部１
４ｂを介して端縁１２に接続されている。流体の入口領
域と離間したブレードの端縁には、根元１３から始まり
半径方向に延在する部分１５ａが形成されており、この
部分は、中間プレート３１および端板３０の隣接した面
の輪郭に対応する凸部１５ｂとつながっている。
【００１０】図４は、耐熱構造複合材料からブレード１
０を製作する連続的工程を示している。出発材料は、シ
ートまたはプレート状の変形自在の繊維構造であり、ブ
レードの肉厚に対応する肉厚を有し、例えば、ＦＲ−Ａ
−２ ５８４ １０６号公報またはＦＲ−Ａ−２ ６８
６ ９０７号公報に開示されているように、２次元の繊
維層を積層し、縫製することにより製作される。繊維構
造は、ブレードの輪郭にほぼ近い形で切断され（ステッ
プ１００）、根元の位置に対応する端縁が縦に裂かれて
インサートＩが挿入され、スリットの両側に位置する繊
維構造の部分がその回りに折曲せしめられる（ステップ
１０１）。次に、繊維構造に樹脂を染み込ませ、成形工
具Ｔの中で成形されて、所望のブレード形状に近い形状
となる（ステップ１０２）。工具の中で樹脂が硬化した
後、ブレードのプレフォームＰが得られる。樹脂は、そ
れから、例えば、炭素のような残留物を残して熱分解さ
れ、残留物が繊維を保持することで、プレフォームＰの
形状が確実に維持される。さらに、液体方法または化学
気相浸透を続けることにより、高密度化を工具の外部で
継続することもできる（ステップ１０３）。高密度化の
後、特に、突起１６および端縁１２、１４、１５を形成
するために、ブレードの輪郭が正確に機械加工される
（ステップ１０４）。環状の端板４０は、ブレードの端
縁部１４ｂの輪郭に対応する曲線状の輪郭を有してい
る。端板は、ブレード１０と同様の方法により、シート
またはプレート状の繊維織物を高密度化することにより
製作される。高密度化の後、端板４０は、最終寸法に機
械加工され、ブレード１０の突起１６を収容するノッチ
４６が形成される。
０を製作する連続的工程を示している。出発材料は、シ
ートまたはプレート状の変形自在の繊維構造であり、ブ
レードの肉厚に対応する肉厚を有し、例えば、ＦＲ−Ａ
−２ ５８４ １０６号公報またはＦＲ−Ａ−２ ６８
６ ９０７号公報に開示されているように、２次元の繊
維層を積層し、縫製することにより製作される。繊維構
造は、ブレードの輪郭にほぼ近い形で切断され（ステッ
プ１００）、根元の位置に対応する端縁が縦に裂かれて
インサートＩが挿入され、スリットの両側に位置する繊
維構造の部分がその回りに折曲せしめられる（ステップ
１０１）。次に、繊維構造に樹脂を染み込ませ、成形工
具Ｔの中で成形されて、所望のブレード形状に近い形状
となる（ステップ１０２）。工具の中で樹脂が硬化した
後、ブレードのプレフォームＰが得られる。樹脂は、そ
れから、例えば、炭素のような残留物を残して熱分解さ
れ、残留物が繊維を保持することで、プレフォームＰの
形状が確実に維持される。さらに、液体方法または化学
気相浸透を続けることにより、高密度化を工具の外部で
継続することもできる（ステップ１０３）。高密度化の
後、特に、突起１６および端縁１２、１４、１５を形成
するために、ブレードの輪郭が正確に機械加工される
（ステップ１０４）。環状の端板４０は、ブレードの端
縁部１４ｂの輪郭に対応する曲線状の輪郭を有してい
る。端板は、ブレード１０と同様の方法により、シート
またはプレート状の繊維織物を高密度化することにより
製作される。高密度化の後、端板４０は、最終寸法に機
械加工され、ブレード１０の突起１６を収容するノッチ
４６が形成される。
【００１１】タービンは以下のように組み立てられる。
ブレード１０は、突起１６をノッチ４６に嵌合すること
により端板４０に掛止される。その後、ハブ２０がプレ
ート２１を順次積層することにより製作され、同時にブ
レードの根元１３が溝２３に挿入される。さらに、プレ
ート３１が所定位置に配置されるとともに、ネジ２６に
よりプレート２１がプレート３１に一体的に連結され
る。次に、端板３０が、ネジ３６と同様、所定位置に配
置される。端板４０，３０の内面に溝４４，３５をそれ
ぞれ形成してもよく、その中にブレードの対応する端縁
１４ｂ，１５ｂを挿入することによりブレードをより効
果的に保持することができる。タービンの各部は、軸５
０に取り付けることにより、組み立てられた状態で一体
的に保持される（図２にのみ示されている）。軸は截頭
円錐状の肩部５１を有し、肩部５１は、同様に截頭円錐
状の端板３０の環状内面３７と当接する。軸は、ハブ２
０を貫通し、その端部より突出するネジ部５２を有して
いる。端板３０と離間したハブの端部に位置するプレー
ト２１上に、溝２３を閉止するに十分な直径のワッシャ
５３が取り付けられる。プレート２１，３１及び端板３
０は、ネジ部５２に螺着されるとともに別のワッシャ５
６を介してワッシャ５３に押圧されるナット５５により
一体的に挟持される。ワッシャ５３，５６は、截頭円錐
面を介して互いに当接する。端板４０は、ブレードの突
起１６と嵌合することにより保持されている。
ブレード１０は、突起１６をノッチ４６に嵌合すること
により端板４０に掛止される。その後、ハブ２０がプレ
ート２１を順次積層することにより製作され、同時にブ
レードの根元１３が溝２３に挿入される。さらに、プレ
ート３１が所定位置に配置されるとともに、ネジ２６に
よりプレート２１がプレート３１に一体的に連結され
る。次に、端板３０が、ネジ３６と同様、所定位置に配
置される。端板４０，３０の内面に溝４４，３５をそれ
ぞれ形成してもよく、その中にブレードの対応する端縁
１４ｂ，１５ｂを挿入することによりブレードをより効
果的に保持することができる。タービンの各部は、軸５
０に取り付けることにより、組み立てられた状態で一体
的に保持される（図２にのみ示されている）。軸は截頭
円錐状の肩部５１を有し、肩部５１は、同様に截頭円錐
状の端板３０の環状内面３７と当接する。軸は、ハブ２
０を貫通し、その端部より突出するネジ部５２を有して
いる。端板３０と離間したハブの端部に位置するプレー
ト２１上に、溝２３を閉止するに十分な直径のワッシャ
５３が取り付けられる。プレート２１，３１及び端板３
０は、ネジ部５２に螺着されるとともに別のワッシャ５
６を介してワッシャ５３に押圧されるナット５５により
一体的に挟持される。ワッシャ５３，５６は、截頭円錐
面を介して互いに当接する。端板４０は、ブレードの突
起１６と嵌合することにより保持されている。
【００１２】変形例として、ブレードの突起と端板のノ
ッチとの機械的嵌合の有無にかかわらず、端板４０を接
着剤でブレードに固定することもできる。接着剤の使用
後、化学気相浸透サイクルを行うことにより、接着剤に
よる接合力を高め、互いに接合された部在間の境界面に
おけるマトリックスの連続性を確保するのがよい。また
別の変形例では、ブレードがハブに取り付けられて保持
され、端板３０の溝に挿入されていれば、端板４０は、
静止した部材、すなわち、タービンの他の部分とともに
回転することのない部材で構成することもできる。図１
及び図２に示されるタービンは、Ｃ−Ｃ複合材から製作
されており、その直径は９５０ｍｍで、軸方向の幅は２
５０ｍｍである。このタービンは、１２００℃の気体を
吸引するのに使用され、３０００ｒｐｍの回転速度にお
ける流量は１３０，０００ｍ３／ｈである。同一寸法の
金属製タービンと比較すると、約５：１の割合で質量が
軽減され、金属製タービンの質量が２００ｋｇの場合、
Ｃ−Ｃ複合材タービンの質量は約４０ｋｇである。金属
製タービンの質量に起因して、その回転速度は実際には
約８００ｒｐｍを越えることは許されない。
ッチとの機械的嵌合の有無にかかわらず、端板４０を接
着剤でブレードに固定することもできる。接着剤の使用
後、化学気相浸透サイクルを行うことにより、接着剤に
よる接合力を高め、互いに接合された部在間の境界面に
おけるマトリックスの連続性を確保するのがよい。また
別の変形例では、ブレードがハブに取り付けられて保持
され、端板３０の溝に挿入されていれば、端板４０は、
静止した部材、すなわち、タービンの他の部分とともに
回転することのない部材で構成することもできる。図１
及び図２に示されるタービンは、Ｃ−Ｃ複合材から製作
されており、その直径は９５０ｍｍで、軸方向の幅は２
５０ｍｍである。このタービンは、１２００℃の気体を
吸引するのに使用され、３０００ｒｐｍの回転速度にお
ける流量は１３０，０００ｍ３／ｈである。同一寸法の
金属製タービンと比較すると、約５：１の割合で質量が
軽減され、金属製タービンの質量が２００ｋｇの場合、
Ｃ−Ｃ複合材タービンの質量は約４０ｋｇである。金属
製タービンの質量に起因して、その回転速度は実際には
約８００ｒｐｍを越えることは許されない。
【００１３】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。本
発明にかかるタービンの製造方法によれば、耐熱構造複
合材料の平坦な環状プレートを共通軸に沿って積層する
ことによりハブを製作する一方、プレートあるいはシー
ト状で略２次元の繊維織物をブレードプレフォームに成
形し、このプレフォームをマトリックスとともに高密度
化して機械加工することにより各ブレードを製作し、か
つ、環状のプレフォームをプレートあるいはシート状で
略２次元の繊維織物から製作し、このプレフォームをマ
トリックスとともに高密度化して耐熱構造複合材料の各
端板を製作するようにしたので、製造コストの減少した
大径タービンを容易に製作することができる。また、本
発明にかかるタービンは、耐熱構造複合材料の平坦な環
状プレートを共通軸に沿って積層するとともに互いに連
結してハブを形成する一方、耐熱構造複合材料のブレー
ドの根元を形成する部分を介してブレードをハブに連結
するようにしたので、構造が簡素になり、大径タービン
を安価で容易に製作することができる。
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。本
発明にかかるタービンの製造方法によれば、耐熱構造複
合材料の平坦な環状プレートを共通軸に沿って積層する
ことによりハブを製作する一方、プレートあるいはシー
ト状で略２次元の繊維織物をブレードプレフォームに成
形し、このプレフォームをマトリックスとともに高密度
化して機械加工することにより各ブレードを製作し、か
つ、環状のプレフォームをプレートあるいはシート状で
略２次元の繊維織物から製作し、このプレフォームをマ
トリックスとともに高密度化して耐熱構造複合材料の各
端板を製作するようにしたので、製造コストの減少した
大径タービンを容易に製作することができる。また、本
発明にかかるタービンは、耐熱構造複合材料の平坦な環
状プレートを共通軸に沿って積層するとともに互いに連
結してハブを形成する一方、耐熱構造複合材料のブレー
ドの根元を形成する部分を介してブレードをハブに連結
するようにしたので、構造が簡素になり、大径タービン
を安価で容易に製作することができる。
【図１】 一体的に組み立てられ、軸に取り付けられる
本発明にかかるタービンを示す一部を切り取った斜視図
である。
本発明にかかるタービンを示す一部を切り取った斜視図
である。
【図２】 図１のタービンの部分断面図である。
【図３】 図１のタービンの一つのブレードの概略斜視
図である。
図である。
【図４】 図３のブレードを製作するための連続工程図
である。
である。
１０ ブレード、１１ 通路、１２ 端縁、１３ 根
元、２０ ハブ、２１環状プレート、２３ 溝、２３ａ
スロット、２６ ねじ、３０ 端板、３１中間プレー
ト、３５ 溝、３６ ねじ、３７ 環状面、４０ 端
板、４１ 内縁、４４ 溝、４６ ノッチ。
元、２０ ハブ、２１環状プレート、２３ 溝、２３ａ
スロット、２６ ねじ、３０ 端板、３１中間プレー
ト、３５ 溝、３６ ねじ、３７ 環状面、４０ 端
板、４１ 内縁、４４ 溝、４６ ノッチ。
Claims (12)
- 【請求項１】 ハブの周囲と二つの端板の間に設けられ
た複数のブレードを有し、該ブレードと上記ハブと上記
端板が耐熱構造複合材料から製作されるタービンの製造
方法であって、 （ａ）耐熱構造複合材料の平坦な環状プレートを共通軸
に沿って積層することにより上記ハブを製作し、上記プ
レートが上記共通軸の回りに一体的に回転するように上
記プレートを固定し、 （ｂ）プレートあるいはシート状で略２次元の繊維織物
をブレードプレフォームに成形し、該プレフォームをマ
トリックスとともに高密度化して耐熱構造複合材料のブ
レードブランクを製作し、高密度化されたプレフォーム
を機械加工することにより各ブレードを製作し、 （ｃ）環状あるいは略環状のプレフォームをプレートあ
るいはシート状で略２次元の繊維織物から製作し、上記
プレフォームをマトリックスとともに高密度化して耐熱
構造複合材料の各端板を製作し、 （ｄ）上記ブレードを上記端板の間で上記ハブに組み込
むとともに、各ブレードをその根元を形成する部分を介
して上記ハブに連結したことを特徴とするタービンの製
造方法。 - 【請求項２】 上記ハブに形成され、ブレードの根元と
対応する形状の溝に上記根元を挿入することにより各ブ
レードを上記ハブに連結した請求項１に記載のタービン
の製造方法。 - 【請求項３】 各ブレードのプレフォームを、含浸繊維
織物を成形することにより製作するようにした請求項１
あるいは２に記載のタービンの製造方法。 - 【請求項４】 上記ブレードのプレフォームの製作に使
用される繊維織物にスリットを形成し、インサートを上
記スリットに収容することによりブレードの根元を形成
するようにした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
タービンの製造方法。 - 【請求項５】 上記ハブを構成するプレートを少なくと
も一つの環状プレートと一体的に組み立て、該環状プレ
ートが、タービンの一端でブレード間に形成された通路
を閉塞する第１端板を構成し、該第１端板とブレードと
をタービンが取り付けられる軸上で軸方向に挟持するこ
とにより連結した請求項１乃至４のいずれか１項に記載
のタービンの製造方法。 - 【請求項６】 第２端板をブレードに取り付け、上記第
２端板とハブとが協働して、ブレード間の通路に流体を
吸引する環状の流体入口領域を形成するようにした請求
項５に記載のタービンの製造方法。 - 【請求項７】 上記第２端板にノッチを形成し、ブレー
ドの隣接する端縁に形成された突起を上記ノッチに嵌合
させるようにした請求項６に記載のタービンの製造方
法。 - 【請求項８】 上記第２端板を接着剤によりブレードの
隣接する端縁に接合するようにした請求項６あるいは７
に記載のタービンの製造方法。 - 【請求項９】 耐熱構造複合材料から製作され、ハブ
（２０）の周囲と二つの端板（３０、４０）の間に設け
られた複数のブレード（１０）を有するタービンであっ
て、 共通軸に沿って積層されるとともに互いに連結された耐
熱構造複合材料の平坦な環状プレート（２１）を有し、
該プレートが上記共通軸の回りに一体的に回転すること
によりハブ（２０）を形成する一方、ブレードの根元
（１３）を形成する部分により耐熱構造複合材料の上記
ブレードを上記ハブ（２０）に連結するようにしたター
ビン。 - 【請求項１０】 耐熱構造複合材料の平坦な上記環状プ
レート（２１，３１，３０）で、上記ハブ（２０）と、
タービンの一端でブレード間に設けられた通路を閉塞す
る第１端板（３０）とを有する組立体を形成するように
した請求項９に記載のタービン。 - 【請求項１１】 ブレードに取り付けられた第２端板と
ハブとを協働させて、ブレード間の通路に流体を吸引す
る環状の流体入口領域を形成するようにした請求項９あ
るいは１０に記載のタービン。 - 【請求項１２】 上記ハブと協働して、ブレード間の通
路に流体を吸引する環状の流体入口領域を形成する第２
端板が静止部材である請求項９あるいは１０に記載のタ
ービン。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9510206 | 1995-08-30 | ||
| FR9510206A FR2738304B1 (fr) | 1995-08-30 | 1995-08-30 | Turbine en materiau composite thermostructural, en particulier a grand diametre, et procede pour sa fabrication |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09105304A true JPH09105304A (ja) | 1997-04-22 |
Family
ID=9482160
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8229881A Pending JPH09105304A (ja) | 1995-08-30 | 1996-08-30 | 耐熱構造複合材料の大径タービンおよびその製造方法 |
Country Status (10)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5845398A (ja) |
| EP (1) | EP0761978B1 (ja) |
| JP (1) | JPH09105304A (ja) |
| CN (1) | CN1148673A (ja) |
| CA (1) | CA2184522A1 (ja) |
| DE (1) | DE69616460T2 (ja) |
| ES (1) | ES2165964T3 (ja) |
| FR (1) | FR2738304B1 (ja) |
| RU (1) | RU2135779C1 (ja) |
| UA (1) | UA28035C2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013527358A (ja) * | 2009-11-23 | 2013-06-27 | ヌオーヴォ ピニォーネ ソシエタ ペル アチオニ | 遠心羽根車およびターボ機械 |
| KR20150136799A (ko) * | 2014-05-28 | 2015-12-08 | 현대성우메탈 주식회사 | 단방향섬유체를 이용한 차량용 휠 제조방법 및 이에 의해 제조된 차량용 휠 |
| US9797255B2 (en) | 2011-12-14 | 2017-10-24 | Nuovo Pignone S.P.A. | Rotary machine including a machine rotor with a composite impeller portion and a metal shaft portion |
| US9810230B2 (en) | 2009-05-08 | 2017-11-07 | Nuovo Pignone Srl | Impeller for a turbomachine and method for attaching a shroud to an impeller |
| US11162505B2 (en) | 2013-12-17 | 2021-11-02 | Nuovo Pignone Srl | Impeller with protection elements and centrifugal compressor |
Families Citing this family (27)
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|---|---|---|---|---|
| FI101564B (fi) | 1997-01-17 | 1998-07-15 | Flaekt Woods Ab | Korkeapainepuhallin |
| FI101565B1 (fi) * | 1997-01-17 | 1998-07-15 | Flaekt Oy | Haihdutinpuhallin ja sen siipipyörä |
| IT1291432B1 (it) * | 1997-03-14 | 1999-01-11 | Co Ge S R L | Girante per turbopompe con pale a profilo perfezionato |
| FR2776030B1 (fr) * | 1998-03-11 | 2000-07-13 | Abb Solyvent Ventec | Roue de ventilation centrifuge en materiaux composites |
| JP2001061020A (ja) * | 1999-08-20 | 2001-03-06 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 携帯電話装置 |
| US6276899B1 (en) * | 1999-11-05 | 2001-08-21 | Flowserve Management Company | Impeller manufacturing process |
| DE10341415A1 (de) * | 2003-09-05 | 2005-04-07 | Daimlerchrysler Ag | Hochgeschwindigkeitslaufrad |
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